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Die Erfindung betrifft eine Kraftsensorfolie mit (a) einer Substratlage aus Kunststofffolie, (b) einer mit der Substratlage verbundenen Decklage aus Kunststofffolie, (c) zumindest einem Kraftsensor mit zumindest einem Sensorelement, wobei das zumindest eine Sensorelement aus einem piezoresistiven Material besteht, und (d) zumindest einem Leiterelement, mit dem das zumindest eine Sensorelement elektrisch leitend kontaktiert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kraftsensoreinrichtung sowie gemäß zwei weiteren Aspekten ein Verfahren zur Herstellung einer Kraftsensorfolie und ein Verfahren zum Anpassen einer Kraftsensorfolie an eine Kontur eines dreidimensionalen Körpers.
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Anwendungsgebiete für insbesondere taktile Kraftsensorfolien liegen beispielsweise im Bereich der Medizintechnik, der Robotik und der tragbaren Elektronik. Die Folien haben die Aufgabe, ähnlich einem Touchscreen, Kontaktkräfte auf Oberflächen zu detektieren. Dabei sind sie insbesondere flexibel um an unterschiedlich geformte Oberflächen angepasst werden zu können. Im industriellen Umfeld, in dem zunehmend Roboter zur Unterstützung von Arbeitern eingesetzt werden, ergeben sich verschiedene Anforderungen an Sicherheitssysteme solcher Maschinen.
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Außerdem existieren Kraftsensorfolien in Form von Dehnungsmessstreifen zur Ermittlung von Spannungen beispielsweise mechanischer Bauteile in Maschinen. Dehnungsmessstreifen bestehen insbesondere aus einem mäanderförmigen Dehnungssensor und einem Foliengrundkörper. Sie werden weiterhin beispielsweise in Pressen oder Ähnlichem zur Überprüfung einer korrekten Beaufschlagung mit Kräften verwendet.
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Solche Dehnungsmessstreifen machen sich den piezoresistiven Effekt zunutze, gemäß dem sich der elektrische Widerstand des Messstreifens bei Dehnung verändert. Der Betrag der Widerstandsänderung ist ein Maß für die Dehnung und damit ein Maß für die aufgebrachte Kraft. Zur Herstellung von Dehnungsmessstreifen kommen insbesondere metallische Werkstoffe, wie beispielsweise Konstantan oder Nickel-Chrom-Verbindungen in Frage. Weiterhin kommen Halbleitermaterialien in Frage, welche einen besonders ausgeprägten piezoresistiven Effekt zeigen, das heißt, dass eine Verformung zu einer besonders ausgeprägten Widerstandsänderung führt.
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Aus der
EP 1 861 687 B1 sind beispielsweise Polymerdrucksensoren mit implantierten piezoresistiven Regionen bekannt. Diese können beispielsweise durch Dotieren eines Materials mittels Ionenimplantation oder aber durch Aufbringen von metallischen Schichten gebildet werden.
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Aus der
DE 83 26 488 U1 sind Kraftmessgeber bekannt, mittels derer sich die Verteilung von Kräften über eine Fläche ermitteln lassen. Ein solcher Kraftmessgeber weist eine steife Trägerfolie auf, auf die ein elektrisch kontaktierter Bereich, zum Beispiel eine Widerstandsmetallschicht, aufgebracht wurde.
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Nachteilig an diesen, aus dem Stand der Technik bekannten Kraftsensorfolien ist es jedoch, dass mit ihnen weder die Größe noch die Wirkungsrichtung von Scherkräften bestimmt werden kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine gattungsgemäße Vorrichtung, die sich dadurch auszeichnet, dass (e) die Decklage im Bereich des zumindest einen Kraftsensors eine Auswölbung ausbildet, (f) die Decklage einen ungewölbten Bereich aufweist, der an die Auswölbung angrenzt, und (g) das zumindest eine Sensorelement derart auf der Decklage angeordnet ist, dass es sich zum Teil auf der Auswölbung und zum Teil auf dem angrenzenden ungewölbten Bereich erstreckt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt löst die Erfindung die Aufgabe durch eine Kraftsensoreinrichtung bestehend aus (a) einer Kraftsensorfolie und (b) einer Auswerteeinheit, die elektrisch mit dem zumindest einen Sensorelement verbunden ist und eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Erfassen eines Signals von zumindest einem Sensorelement eines Kraftsensors bei Ausübung einer Scherkraft auf die Kraftsensorfolie im Bereich des Kraftsensors, (ii) Ermitteln der Wirkungsrichtung der wirkenden Scherkraft anhand des erfassten Signals.
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Die Erfindung löst die Aufgabe weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung einer Kraftsensorfolie mit den Schritten: (a) Herstellen einer Deckfolie durch Rotationsbeschichtung einer Masterform mit zumindest einer Einbuchtung, unter Verwendung einer polymerhaltigen oder prepolymerhaltigen Lösung, (b) Aufbringen zumindest eines elektrisch leitfähigen Leiterelements auf eine Substratfolie und/oder die Deckfolie, (c) Verbinden der Deckfolie mit der Substratfolie, sodass die Deckfolie eine Decklage bildet und die Substratfolie eine Substratlage bildet, (d) Aufbringen zumindest eines Sensorelements auf die Decklage, (e) Kontaktieren des zumindest einen Sensorelements mit zumindest einem Leiterelement, sodass beide elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
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Die Erfindung löst die Aufgabe zudem durch ein Verfahren zur Anpassung einer Kraftsensorfolie an eine Kontur eines dreidimensionalen Körpers, mit den Schritten: (a) Einbringen von Schlitzen in die Kraftsensorfolie, (b) Drapieren der Kraftsensorfolie durch Anlegen an den dreidimensionalen Körper, wobei Position und Größe der Schlitze anhand der Kontur des dreidimensionalen Körpers derart berechnet werden, dass die Anlage der Kraftsensorfolie an den dreidimensionalen Körper passgenau erfolgt.
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Erfindungsgemäß weist die Kraftsensorfolie eine Substratlage aus Kunststofffolie auf. Unter einer Kunststofffolie wird insbesondere ein Blatt aus Kunststoff mit einer Dicke von vorzugsweise weniger als einem Millimeter und weiter vorzugsweise weniger als 0,1 Millimeter, insbesondere zwischen 25 und 100 µm verstanden Bei dem Kunststoff handelt es sich vorzugsweise um einen Kunststoff aus der Gruppe der Polyimide.
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Erfindungsgemäß ist die Substratlage mit einer Decklage aus Kunststofffolie verbunden. Darunter, dass die Decklage und die Substratlage miteinander verbunden sind, wird insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise durch Kleben oder Aufpolymerisieren verstanden.
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Unter der Kunststofffolie, aus der die Decklage besteht, wird insbesondere ebenfalls ein Blatt aus Kunststoff verstanden, welches vorzugsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter und weiter vorzugsweise von weniger als 0,1 Millimeter, insbesondere weniger als 50 µm, weiter insbesondere genau 30 µm aufweist. Es ist möglich aber nicht notwendig, dass die Substratlage und die Decklage aus demselben Kunststoff oder einem Kunststoff aus derselben Kategorie gebildet sind. Insbesondere besteht die Decklage aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise Polyvinylidenfluorid (PVDF), oder einem Polyimid.
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Es ist weiterhin möglich aber nicht notwendig, dass die Decklage und die Substratlage die gleiche Dicke aufweisen. Insbesondere weisen beide Lagen unterschiedliche Dicken auf.
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Vorzugsweise sind die Substratfolie und die Deckfolie flexibel und weisen ein Elastizitätsmodul zwischen 2 und 10 GPa auf. Es ist möglich aber nicht notwendig, dass die Substratfolie und die Deckfolie die gleiche Dehnbarkeit aufweisen. Vorzugsweise weisen beide unterschiedliche Dehnbarkeiten auf, weiter vorzugsweise ist die Dehnbarkeit der Substratfolie geringer als die der Deckfolie.
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Erfindungsgemäß weist die Kraftsensorfolie zumindest einen Kraftsensor mit zumindest einem Sensorelement, bevorzugt mit zumindest zwei Sensorelementen und weiter bevorzugt mit zumindest drei Sensorelementen, insbesondere zumindest vier Sensorelementen aus einem piezoresistiven Material auf. Bei dem zumindest einen Sensorelement handelt es sich vorzugsweise um einen mäanderförmigen Dehnungssensor. Dieser besteht vorzugsweise aus, insbesondere einer Dünnschicht, einer Nickel-Chrom (NiCr)-Verbindung oder amorphem Kohlenstoff (Diamond-Like Carbon; DLC), der insbesondere mit zumindest einem Metall, vorzugsweise ausgewählt aus Nickel, Niob, Tantal, Titan und Zirkonium, dotiert bzw. legiert ist. Das piezoresistive Material weist vorzugsweise einen K-Faktor >2, weiter vorzugsweise einen K-Faktor >7 auf. Bei dem K-Faktor handelt es sich um einen Proportionalitätsfaktor zwischen der relativen Widerstandsänderung und der Dehnung. Die relative Widerstandsänderung bezeichnet das Verhältnis zwischen der absoluten Widerstandsänderung und dem Widerstand vor der Änderung. Je größer die relative Widerstandsänderung bei gegebener Dehnung ist, desto größer ist der K-Faktor.
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Besonders bevorzugt besteht das zumindest eine Sensorelement aus einem biokompatiblen Material. Unter biokompatibel wird insbesondere ein Material verstanden, welches eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist und im Kontakt mit menschlichem Gewebe nicht reizend wirkt. Ein solches Material darf insbesondere keine allergenen Eigenschaften aufweisen. Biokompatible Metalle sind beispielsweise Edelmetalle wie Gold oder Platin, aber auch Niob, Tantal, Titan oder Zirkonium. Biokompatibilität ist insbesondere dann vorteilhaft oder sogar notwendige Voraussetzung, wenn eine erfindungsgemäße Kraftsensorfolie an einem Medizinprodukt oder einem ähnlichen medizinischen Gerät zur Anwendung am Menschen eingesetzt werden soll.
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Vorzugsweise weist die Kraftsensorfolie eine elastische und insbesondere zumindest vollflächig auf der Decklage angeordnete Schutzlage auf. Weiter vorzugsweise ist die komplette Kraftsensorfolie, also insbesondere auch die Substratlage, mit der Schutzlage versehen.
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Die Schutzlage besteht vorzugsweise aus einem biokompatiblen Material wie beispielsweise thermisch fixiertem Polydimethylsiloxan. Auf dieses Weise ist es insbesondere möglich nicht-biokompatible Materialien für die Sensorelemente zu verwenden und dennoch eine nach außen biokompatible Kraftsensorfolie bereitzustellen. Weiterhin werden durch eine solche Schutzlage insbesondere die Auswölbungen der Kraftsensorfolie mechanisch stabilisiert.
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Das zumindest eine Leiterelement befindet sich vorzugsweise auf der Substratlage und/oder auf der Decklage, insbesondere zwischen der Substratlage und der Decklage. Die Kontaktierung zwischen dem zumindest einen Leiterelement und dem zumindest einen Sensorelement erfolgt vorzugsweise und insbesondere dann, wenn sich das Leiterelement nicht auf der Decklage befindet und sich das Sensorelement auf der der Substratlage abgewandten Seite der Decklage befindet, mittels einer Durchkontaktierung. Eine solche kann beispielsweise durch eine Ausnehmung gebildet werden, welche sich durch beide Lagen, besonders bevorzugt nur durch die Decklage hindurch erstreckt. Diese Ausnehmung weist eine Innenwandung auf, welche mit einem elektrisch leitenden Material versehen ist, vorzugsweise vollständig metallisiert ist.
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Unter einer metallisierten Innenwandung wird verstanden, dass eine Metallschicht insbesondere vollflächig auf die Innenwandung aufgebracht ist, sodass über diese Metallschicht die Kontaktierung zwischen dem zumindest einen Leiterelement und dem zumindest einen Sensorelement gebildet ist.
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Für den Fall, dass sich das zumindest eine Leiterelement auf der Decklage befindet, ist auch eine direkte Kontaktierung zwischen dem zumindest einen Sensorelement und dem zumindest einen Leiterelement möglich. Sofern sich das zumindest eine Leiterelement zwischen der Decklage und der Substratlage befindet, sind das zumindest eine Sensorelement und das zumindest eine Leiterelement vorzugsweise durch die Decklage hindurch kontaktiert. Sofern das zumindest eine Leiterelement auf der von der Decklage abgewandten Seite der Substratlage angeordnet ist, sind das zumindest eine Sensorelement und das zumindest eine Leiterelement vorzugsweise durch die Decklage und die Substratlage hindurch kontaktiert.
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Die Auswölbung, die die Decklage im Bereich des zumindest einen Kraftsensors ausbildet, wird vorzugsweise durch zumindest zwei, weitervorzugsweise durch zumindest drei, insbesondere durch zumindest vier Flanken gebildet. Die Flanken bilden insbesondere eine geschlossene Mantelfläche der Auswölbung.
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Die Auswölbung ist insbesondere kegelstumpfförmig, pyramidenstumpfförmig, quaderförmig, zylinderförmig, pyramidenförmig oder halbkugelförmig ausgebildet.
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Es ist jedoch erfindungsgemäß auch möglich, dass die Flanken keine geschlossene Mantelfläche ausbilden. Hierbei bilden die Flanken beispielsweise Mantelflächenteilstücke mit zwischen den Flanken liegenden materialfreien Bereichen.
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Eine solche Auswölbung lässt sich beispielsweise als Pyramidenstumpf beschreiben, bei dem in einem oder mehreren Bereichen Material abgetragen wurde.
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Insbesondere wenn die Kraftsensorfolie Auswölbungen mit nicht geschlossener Mantelfläche aufweist, ist vorzugsweise eine elastische Schutzlage wie zuvor beschrieben auf der Decklage und/oder Substratlage angeordnet. Weiter vorzugsweise weist die komplette Kraftsensorfolie eine solche Schutzlage auf. Dies ist vorteilhaft, eine solche Schutzlage die Auswölbungen stabilisiert und insbesondere einem Kollabieren der Auswölbungen entgegenwirkt
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Die Auswölbung weist insbesondere eine Höhe von bis zu 500 µm, vorzugsweise bis zu 400 µm, besonders bevorzugt bis zu 250 µm und insbesondere genau 250 µm auf. Unter der Höhe der Auswölbung wird insbesondere die maximale räumliche Ausdehnung in Richtung von der Substratlage weg verstanden.
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Angrenzend an die Auswölbung weist die Decklage einen ungewölbten Bereich auf. Dieser umschließt die Auswölbung vorzugsweise vollständig. Weiterhin ist es auch möglich, dass sich mehrere voneinander getrennte ungewölbte Bereiche an die Auswölbung anschließen.
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Darunter, dass sich das zumindest eine Sensorelement zum Teil auf der Auswölbung und zum Teil auf dem angrenzenden ungewölbten Bereich erstreckt, ist insbesondere zu verstehen, dass die Schlaufen oder Mäander eines Dehnungssensors von dem ungewölbten Bereich über die Grenze zwischen ungewölbten Bereich und der Auswölbung auf die Auswölbung verlaufen und zurück. Mit anderen Worten verlaufen der Mäander oder die Schlaufen von einem Ende des Dehnungssensors zum anderen mehrfach über die Grenze zwischen dem ungewölbten Bereich und der Auswölbung, welche insbesondere eine Unterkante sein kann. Vorzugsweise weist ein Dehnungssensor zwei bis zehn solcher Übergänge, weiter vorzugsweise zumindest zehn solcher Übergänge auf.
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Es ist weiterhin möglich aber nicht notwendig, dass alle Schlaufen oder Mäander eines Dehnungssensors auf der Auswölbung angeordnet sind. Insbesondere verläuft ein Teil des Sensorelements über die Grenze zwischen Auswölbung und ungewölbtem Bereich. Die Kontaktierung mit dem zumindest einen Leiterelement befindet sich vorzugsweise in dem ungewölbten Bereich. Vorzugsweise beträgt der minimale Abstand zwischen den Schlaufen oder dem Mäander des Dehnungssensors und der Grenze zwischen der Auswölbung und dem ungewölbten Bereich weniger als ein Zehntel der Strecke zwischen der Grenze und einer weiteren, der Grenze gegenüberliegenden zweiten Grenze. Weiter vorzugsweise beträgt der minimale Abstand weniger als 100 µm, besonders bevorzugt weniger als 10 µm.
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In seiner allgemeinsten Form ist die Erfindung eine Kraftsensorfolie mit einer Substratlage aus Kunststofffolie, einer mit der Substratlage verbundenen Decklage aus Kunststofffolie, zumindest einem Kraftsensor mit zumindest einem Sensorelement, wobei das zumindest eine Sensorelement aus einem piezoresistiven Material besteht, und zumindest einem Leiterelement, mit dem das zumindest eine Sensorelement elektrisch leitend kontaktiert ist, wobei die Kraftsensorfolie sich dadurch auszeichnet, dass die Decklage im Bereich des zumindest einen Kraftsensors eine Auswölbung ausbildet, die Decklage einen ungewölbten Bereich aufweist, der an die Auswölbung angrenzt, und dass das zumindest eine Sensorelement derart auf der Decklage angeordnet ist, dass es sich benachbart zu einer Grenze zwischen der Auswölbung und dem angrenzenden ungewölbten Bereich befindet.
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Unter benachbart ist insbesondere zu verstehen, dass ein minimaler Abstand zwischen dem zumindest einen Sensorelement und der Grenze zwischen der Auswölbung und dem ungewölbten Bereich ein Zehntel oder weniger der Strecke zwischen der Grenze und einer weiteren, der Grenze gegenüberliegenden zweiten Grenze der Auswölbung, beträgt. Bevorzugt beträgt der minimale Abstand zwischen dem zumindest einen Sensorelement und dem Übergang weniger als 100 µm, weiterbevorzugt weniger als 20 µm.
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Alle hinsichtlich des Anspruchs 1 getroffenen Beschreibungen und Erläuterungen treffen auch auf diese allgemeinste Form der Erfindung zu.
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Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist es, dass es möglich ist, nicht nur den Betrag einer auf die Kraftsensorfolie wirkenden Scherkraft zu bestimmen, sondern auch deren Wirkungsrichtung. Dies ist dadurch möglich, dass eine auf die Decklage im Bereich einer Auswölbung wirkende Scherkraft zu einer Verformung der Auswölbung führt. Unter der Wirkungsrichtung wird hierbei insbesondere die Hauptverformungsrichtung der Auswölbung bei Beaufschlagung mit einer Kraft verstanden. Bevorzugt wird unter der Wirkungsrichtung die Richtung des Kraftvektors oder besonders bevorzugt der Kraftvektor selbst verstanden.
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Insbesondere eine der Wirkungsrichtung der angreifenden Kraft zugewandte Flanke einer Auswölbung erfährt dann eine Verformung, wird insbesondere eingedrückt. Sofern eine Krafteinwirkung schräg zu einer der Flanken einer Auswölbung erfolgt, werden insbesondere mehrere Flanken verformt, insbesondere eingedrückt. Die der Krafteinwirkung abgewandten Flanken einer Auswölbung können ebenfalls eine Verformung erfahren, insbesondere erfahren sie jedoch keine Verformung.
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Wirkt eine Kraft auf die Auswölbung, so wird die Auswölbung in Abhängigkeit von der Richtung der wirkenden Kraft in gegebenenfalls unterschiedliche Richtungen unterschiedlich stark verformt. Diese unterschiedlichen Verformungen insbesondere der Flanken einer Auswölbung werden über das zumindest eine Sensorelement detektiert und anhand der jeweiligen Intensität der Verformung ist insbesondere die Hauptverformungsrichtung der Auswölbung bestimmbar. Vorzugsweise ist anhand der unterschiedlichen Verformungen die Richtung des Kraftvektors oder der Kraftvektor selbst bestimmbar.
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Vorzugsweise ist im Bereich des zumindest einen Kraftsensors zwischen der Substratlage und der Decklage ein Hohlraum ausgebildet, der sich zumindest zum Teil innerhalb der Auswölbung befindet und mit einem Fluid gefüllt ist. Insbesondere ist im Bereich jedes Kraftsensors jeweils ein Hohlraum ausgebildet.
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Der Hohlraum ist vorzugsweise als Luftblase ausgebildet. Unter einem erfindungsgemäßen Hohlraum wird ebenfalls ein kompartimentierter Hohlraum verstanden. Das heißt, dass ein erfindungsgemäßer Hohlraum auch in sich in mehrere Unterhohlräume oder Kompartimente aufgeteilt sein kann. Dies erfolgt insbesondere durch Trennelemente aus Kunststoff, insbesondere aus Kunststofffolie.
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Bei dem den Hohlraum füllenden Fluid handelt es sich insbesondere um ein Gas oder eine Flüssigkeit.
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Es ist möglich, dass nur ein Teil des Hohlraums, beispielsweise nur ein Teil der in einem Hohlraum befindlichen Kompartimente, mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt ist. Mit anderen Worten ist es folglich ebenfalls möglich, dass der Hohlraum sowohl mit einem Gas als auch mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Als Flüssigkeit wird vorzugsweise Wasser verwendet. Es ist jedoch auch möglich, andere Flüssigkeiten, beispielsweise lipophile Flüssigkeiten, oder Mischungen unterschiedlicher Flüssigkeiten einzusetzen.
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Bei dem den Hohlraum füllenden Fluid handelt es sich vorzugsweise um ein Gas, insbesondere Luft. Es ist jedoch ebenfalls möglich, beispielsweise Inertgase wie Stickstoff oder Edelgase einzusetzen. Auch wenn beispielsweise in dem Gas enthaltene Feuchtigkeit, insbesondere Luftfeuchtigkeit, innerhalb des Hohlraums kondensiert, wird der Hohlraum immer noch als erfindungsgemäß mit einem Gas gefüllt angesehen.
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Es ist insbesondere dann, wenn das verwendete Fluid ein Gas ist, möglich, dass die Substratlage und/oder die Decklage zumindest eine Ausnehmung im Bereich des Hohlraums zum Stoffaustausch zwischen dem Hohlraum und der Umgebung aufweisen. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, dass beim Ausüben einer Kraft auf eine Auswölbung, Gas aus dem sich in der Auswölbung befindlichen Hohlraum durch die zumindest eine Ausnehmung an die Umgebung abgegeben wird. Beim Nachlassen der Kraft strömt beispielsweise erneut Gas in den Hohlraum durch die zumindest eine Ausnehmung ein.
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Vorzugsweise ist das zumindest eine Sensorelement auf der der Substratlage zugewandten Seite der Decklage angeordnet. Bei einer solchen Anordnung befindet sich das zumindest eine Sensorelement insbesondere zwischen der Decklage und der Substratlage, also innerhalb der Kraftsensorfolie. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da das zumindest eine Sensorelement somit keinen außerhalb der Kraftsensorfolie befindlichen Medien oder Substanzen ausgesetzt ist.
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Eine solche Kraftsensorfolie ist daher beispielsweise auch in Medien einsetzbar, die das Material des zumindest einen Sensorelements angreifen, beispielsweise auflösen oder korrodieren, würden, sofern insbesondere das Material der Decklage von dem Medium nicht angegriffen wird.
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Darüber hinaus kann auch auf diese Weise eine biokompatible Oberfläche der Kraftsensorfolie unter Verwendung von Sensorelementen aus nicht-biokompatiblen Materialien bereitgestellt werden. Hierzu müsste beispielsweise lediglich die Decklage, insbesondere Decklage und Substratlage aus einem biokompatiblen Kunststoff bestehen.
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Vorzugsweise weist die Auswölbung im Übergang zu dem angrenzenden ungewölbten Bereich zumindest drei Unterkanten auf, wobei die Unterkanten entlang eines n-Ecks verlaufen. Bei dem n-Eck handelt es sich insbesondere um ein Quadrat oder ein Sechseck. Es sind jedoch auch weitere Polygone möglich, insbesondere mit n > 6.
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Darunter, dass die Unterkanten entlang eines n-Ecks verlaufen, ist zu verstehen, dass die Unterkanten entlang eines gedachten mathematischen n-Ecks verlaufen. Hierzu ist es jedoch nicht notwendig, dass die Unterkanten selbst ein exaktes mathematisches n-Eck bilden. Vielmehr sind beispielsweise Abweichungen durch Abrundung der Ecken ebenfalls erfindungsgemäß.
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Vorzugsweise weist die Kraftsensorfolie pro Kraftsensor zumindest zwei Sensorelemente auf, wobei sich über zumindest zwei der Unterkanten jeweils zumindest ein Sensorelement erstreckt.
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Mit anderen Worten sind an mindestens zwei der Unterkanten einer Auswölbung Sensorelemente angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich um genau ein Sensorelement pro Unterkante.
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Vorzugsweise weist die Kraftsensorfolie pro Kraftsensor zumindest drei Sensorelemente auf, wobei sich über zumindest drei der Unterkanten jeweils zumindest ein Sensorelement erstreckt.
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Weiter vorzugsweise ist an jeder Unterkante der Auswölbung zumindest ein Sensorelement, insbesondere genau ein Sensorelement angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Sensorelemente paarweise an gegenüberliegenden Unterkanten angeordnet. Hierzu verlaufen die Unterkanten vorzugsweise entlang eines Vierecks, insbesondere eines Quadrates oder eines Achtecks. Es hat sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, wenn die Unterkanten entlang eines Sechsecks verlaufen, die Auswölbung folglich bienenwabenartig ausgestaltet ist.
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Vorzugsweise weist die Kraftsensorfolie zumindest vier Kraftsensoren auf, wobei das zumindest eine Leiterelement durch zumindest zwei erste Leitungen und zumindest zwei zweite Leitungen gebildet wird, wobei jedes Sensorelement (21) über jeweils eine erste Leitung und eine zweite Leitung elektrisch leitend kontaktiert ist und die ersten Leitungen und die zweiten Leitungen jeweils mit mehreren Sensorelementen kontaktiert sind, wobei durch jede Kombination einer ersten Leitung und einer zweiten Leitung genau ein Sensorelement kontaktiert ist..
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An jede Auswölbung im Bereich der Kraftsensoren grenzt erfindungsgemäß ein ungewölbter Bereich an. Dieser ungewölbte Bereich ist bevorzugt für zumindest zwei, weiter bevorzugt für eine Mehrzahl und besonders bevorzugt für alle Auswölbungen identisch. Besonders bevorzugt weist die Kraftsensorfolie einen zusammenhängenden ungewölbten Bereich aus, der vorzugsweise alle Auswölbungen umschließt. Weiterhin sind vorzugsweise alle Auswölbungen beziehungsweise Kraftsensoren einer Kraftsensorfolie baugleich.
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Vorteilhafterweise sind die Kraftsensoren entlang eines Rasters angeordnet, insbesondere derart, dass sich alle Kraftsensoren an den Ecken von gedachten Vierecken befinden. Diese Vierecke können unterschiedlich groß sein, vorzugsweise sind sie jedoch alle gleich groß, weiter vorzugsweise sind sie alle kongruent.
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Mit anderen Worten befinden sich die Kraftsensoren an den Knotenpunkten eines gedachten Gitternetzes. Insbesondere weist dieses gedachte Gitternetz sich stets in gleichem Abstand und im rechten Winkel schneidende Linien auf.
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Es ist jedoch beispielsweise für komplexe Kraftsensorfolien vorteilhaft, wenn die Kraftsensoren nicht symmetrisch verteilt sind.
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Es ist möglich jedoch nicht notwendig, dass sich die ersten Leitungen und die zweiten Leitungen auf derselben Lage, beispielsweise der Decklage, der Substratlage oder zwischen der Decklage und der Substratlage befinden. Insbesondere befinden sich die ersten Leitungen und die zweiten Leitungen auf unterschiedlichen Lagen.
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Durch die Kontaktierung der Sensorelemente über jeweils eine erste Leitung und eine zweite Leitung, erfolgt eine Matrixansteuerung der Sensorelemente. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, Signale einzelner Sensorelemente gezielt und beispielweise seriell abzugreifen, indem beispielsweise genau die erste Leitung und die zweite Leitung mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden, die ein bestimmtes Sensorelement kontaktieren. Vorzugsweise können so Signale mehrerer Sensorelemente, vorzugsweise aller Sensorelemente, separat voneinander einer Auswerteeinheit zugeführt und dort ausgewertet werden. Hierdurch ist es möglich, die zur Ansteuerung der Sensorelemente nötige Anzahl an Leitungen zu reduzieren.
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Mittels einer erfindungsgemäßen Kraftsensoreinrichtung ist es insbesondere möglich, anhand der Signale von zumindest einem Sensorelement die Wirkungsrichtung einer auf die Kraftsensorfolie wirkenden Scherkraft zu ermitteln. Hierzu werden die Signale des zumindest einen Sensorelements der Auswerteeinheit über das zumindest eine Leiterelement zugeführt und von der Auswerteeinheit erfasst.
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Wirkt eine Scherkraft aus einer bestimmten Richtung auf eine Kraftsensorfolie, so erfährt die Auswölbung eines Kraftsensors eine Verformung. Diese ist abhängig von der Richtung und dem Betrag der angreifenden Kraft und an unterschiedlichen Orten der Auswölbung unterschiedlich groß.
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So erfährt beispielsweise im Falle einer pyramidenstumpfförmigen Auswölbung, beim Ausüben einer Kraft auf eine der Flanken, ein an dieser Flanke angeordnetes Sensorelement eine Verformung, beispielsweise eine Streckung.
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Es ist darüber hinaus möglich aber nicht notwendig, dass ein an der gegenüberliegenden Flanke angeordnetes Sensorelement ebenfalls eine Verformung, beispielsweise eine Stauchung, erfährt.
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Anhand dieser Verformungen ist es möglich, die Wirkungsrichtung der Scherkraft zu bestimmen. Hierzu beinhaltet die Auswerteeinheit vorzugsweise einen Datenspeicher oder hat Zugriff auf einen solchen Datenspeicher, in dem eine Vielzahl von experimentell ermittelten Sensorsignalen von aus unterschiedlichen Richtungen mit unterschiedlichen Beträgen angreifenden Kräften auf eine Auswölbung gespeichert ist. Diese experimentell ermittelten Daten unterscheiden sich für unterschiedliche Typen von Auswölbungen (beispielsweise pyramidenstumpfförmige oder halbkugelförmige Auswölbungen). Vorzugsweise weist der Datenspeicher daher experimentell ermittelte Daten für die jeweilige Art der verwendeten Auswölbung auf.
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Durch Vergleichen der erfassten Signale mit den hinterlegten Daten ist es somit möglich, auf die Wirkungsrichtung einer angreifenden Kraft zu schließen. Vorzugsweise ist es möglich, anhand der experimentell ermittelten Daten die Richtung des Kraftvektors oder den Kraftvektor selbst zu bestimmen.
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Vorzugsweise werden zur Bestimmung der Wirkungsrichtung Signale von zumindest zwei, insbesondere drei Sensorelementen ausgewertet, weiter vorzugsweise von allen an einer Auswölbung angeordneten Sensorelementen.
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Die unterschiedlichen Verformungen (Streckung oder Dehnung des Sensorelementes) führen zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands des jeweiligen Sensorelementes.
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Im Falle der Streckung, also einer positiven Dehnung, führt dies insbesondere zu einer Erhöhung des elektrischen Widerstandes. Eine negative Dehnung, entsprechend einer Stauchung, führt insbesondere zu einer Verringerung des elektrischen Widerstands.
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Das von der Auswerteeinheit erfasste Signal ist vorzugsweise der Grad der Verformung der Auswölbung oder der elektrische Widerstand oder die Änderung des elektrischen Widerstands von zumindest einem Sensorelement.
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Weiterhin ist es möglich, dass mehr als eine Auswerteeinheit vorhanden ist.
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Da die Dehnung eines Materials temperaturabhängig ist, sind Temperaturschwankungen Störgrößen bei einer Kraftmessung mit Dehnungssensoren. Insbesondere zum Ausgleich solcher Temperatureinflüsse weist die Kraftsensorfolie vorzugsweise ein Referenzelement auf. Ein solches ist beispielsweise ein elektrisches Widerstandselement, das bevorzugt aus dem gleichen Material wie ein Sensorelement besteht und weiter bevorzugt den gleichen elektrischen Widerstand aufweist wie ein Sensorelement
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Führt nun eine Temperaturänderung zu einer Dehnung des Sensorelements, so führt die Temperaturveränderung zu einer vorzugsweise im Wesentlichen identischen Dehnung des Referenzelements. Hierdurch kann auf eine Dehnung aufgrund einer Temperaturveränderung geschlossen werden und der Einfluss der Temperaturveränderung auf ein Messergebnis beispielsweise in der Auswerteeinheit herausgerechnet werden.
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Für den Fall, dass eine Kraft auf das Sensorelement ausgeübt wird, verändert sich dessen elektrischer Widerstand. Der elektrische Widerstad des Referenzelements bleibt hingegen unverändert. Auf diese Weise können durch Krafteinwirkung und durch Temperaturveränderung bewirkte Änderungen des elektrischen Widerstands des Sensorelements unterschieden werden.
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Zur Herstellung einer Kraftsensorfolie wird eine Deckfolie durch Rotationsbeschichtung einer Masterform, vorzugsweise eines Siliziumwafers hergestellt. Die Masterform weist zumindest eine Einbuchtung auf, welche insbesondere als Form für die zumindest eine Auswölbung fungiert.
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Bei der Rotationsbeschichtung wird eine polymerhaltige oder prepolymerhaltige Lösung, beispielsweise eine ein Polyimid enthaltende Lösung, verwendet. Die Masterform weist vorzugsweise eine Antihaftbeschichtung, insbesondere eine vollflächige Antihaftbeschichtung auf. Diese besteht beispielsweise aus Silizium-oxid und/oder Siliziumnitrid und wird beispielsweise durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) auf die Masterform aufgebracht. Hierdurch wird insbesondere die Oberfläche der Masterform geglättet, sodass beispielsweise Polyimide schlechter auf der Masterform haften als wenn diese unbeschichtet wäre. Die Einbuchtung hat bevorzugt die Form eines Kegelstumpfes, eines Pyramidenstumpfes, eines Quaders, eines Zylinders, einer Pyramide, oder einer Halbkugel.
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Verfahren zur Rotationsbeschichtung sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, sodass hierzu weitere Ausführungen entbehrlich sind.
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Vorzugsweise werden in die fertige Deckfolie Ausnehmungen eingebracht, durch die im späteren Verlauf eine Durchkontaktierung zwischen Sensorelementen und Leiterelementen möglich ist. Für den Fall, dass als Fluid eine Flüssigkeit verwendet wird, wird diese vorzugsweise nach der Herstellung der Deckfolie in die, mit der Deckfolie ausgekleidete Einbuchtung eingefüllt. Weiterhin wird zumindest ein elektrisch leitfähiges Leiterelement auf eine Substratfolie und/oder die Deckfolie aufgebracht. Hierzu werden beispielsweise Leiterelemente in Form von Leiterbahnen auf die Deckfolie und/oder die Substratfolie aufgebracht. Das zumindest eine Leiterelement besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise Kupfer, Silber, Gold oder Aluminium.
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Die Substratfolie wurde vorzugsweise zuvor mittels eines Rotationsbeschichtungsverfahrens hergestellt. Vorzugsweise wird das zumindest eine Leiterelement derart auf der Substratfolie angeordnet, dass es zumindest teilweise mit den vorzugsweise in der Deckfolie vorhandenen Ausnehmungen in Überdeckung gebracht werden kann. Dies ist vorteilhaft, da nach dem Verbinden der beiden Folien eine Durchkontaktierung durch Aufbringen eines elektrisch leitfähigen Materials insbesondere auf die Innenwandungen der Ausnehmungen besonders einfach zu realisieren ist.
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In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Deckfolie und die Substratfolie miteinander verbunden, sodass die Deckfolie eine Decklage und die Substratfolie eine Substratlage bildet. Das Verbinden erfolgt insbesondere mittels einer Klebeschicht, die zuvor auf die Substratlage aufgebracht wurde. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen Polyimidfilm. Beispielsweise nach einer thermischen Erweichung des Polyimidfilms und anschließendem Verpressen führt dies insbesondere zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Alternativ sind weitere Klebeverfahren wie beispielsweise das punktuelle oder flächige Aufbringen eines Klebestoffs und anschließendes Verpressen möglich.
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Vorzugsweise werden die Folien vor dem Verbinden derart angeordnet, dass das zumindest eine Leiterelement mit den vorzugsweise in der Deckfolie vorhandenen Ausnehmungen in zumindest teilweise Überdeckung gebracht ist.
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Vorzugsweise wird anschließend die erhaltene Folie von der Masterform gelöst. Dies kann beispielsweise aufgrund der vorzugsweise vorhandenen Antihaftbeschichtung der Masterform durch einfaches Abziehen erfolgen. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Antihaftbeschichtung zwischen Masterform und Decklage selektiv geätzt wird, sodass sich die Kraftsensorfolie von der Masterform ablöst.
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In einem weiteren Schritt wird das zumindest eine Sensorelement auf die Decklage aufgebracht. Dies erfolgt beispielsweise durch Auflaminieren oder Aufkleben von Sensorelementen, insbesondere Dehnungssensoren, auf die Decklage.
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Weiterhin wird das zumindest eine Sensorelement mit zumindest einem Leiterelement kontaktiert. Vorzugsweise erfolgt dies durch eine Durchkontaktierung durch die Decklage hindurch, insbesondere durch Beschichtung der in der Decklage vorzugsweise vorhandenen Ausnehmung mit einem elektrisch leitfähigen Material. Bei diesem elektrisch leitfähigen Material handelt es sich vorzugsweise um das gleiche Material, aus dem das zumindest eine Sensorelement besteht. Weiter vorzugsweise wird die Ausnehmung mit einer Metallschicht, beispielsweise aus Gold oder Aluminium, beschichtet.
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Alternativ wird Schritt (d) vor Schritt (c) durchgeführt wobei das zumindest eine Sensorelement auf die Deckfolie (40) aufgebracht wird. Mit anderen Worten erfolgt das Aufbringen des zumindest einen Sensorelements bevor die Deckfolie und die Substratfolie miteinander verbunden werden.
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Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das zumindest eine Sensorelement auf der der Substratlage zugewandten Seite der Decklage angeordnet sein soll. Eine solche Anordnung ließe sich ansonsten nach dem Verbinden der beiden Folien nur schwer realisieren.
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Vorzugsweise weist das Aufbringen des zumindest einen elektrisch leitfähigen Leiterelements auf die Substratfolie in Schritt (b) die folgenden Schritte auf: (i) Aufbringen einer Leiterschicht aus einem elektrisch leitenden Material auf die Substratfolie, (ii) Abtragen eines Teils der aufgebrachten Leiterschicht, sodass das verbleibende elektrisch leitende Material das zumindest eine Leiterelement bildet. Hierzu wird vorzugsweise eine Beschichtung aus einem leitfähigen Material wie beispielsweise Gold, Aluminium, Silber oder Kupfer auf die Substratfolie aufgebracht.
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Die erhaltene Beschichtung wird anschließend vorzugsweise mittels eines Lasers oder durch Fotolithographie und anschließendem Ätzen strukturiert. Dies bedeutet, dass ein Teil des aufgebrachten Materials wieder abgetragen wird. Das auf der Substratfolie verbleibende Material bildet dann das zumindest eine Leiterelement.
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Alternativ können auch nur schmale Bereiche abgetragen werden, sodass neben dem zumindest einen Leiterelement noch weitere beschichtete Bereiche auf der Substratfolie verbleiben, die jedoch nicht leitend mit dem zumindest einen Leiterelement verbunden sind. Mit anderen Worten wird vorzugsweise mittels eines Lasers oder durch Ätzen ein Isolationsbereich zwischen dem zumindest einen Leiterelement einerseits und dem verbleibenden elektrisch leitenden Material andererseits auf der Substratfolie geschaffen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da nur wenig Material abgetragen werden muss.
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Vorzugsweise weist das Aufbringen des zumindest einen Sensorelements die folgenden Schritte auf: (i) Aufbringen einer Sensorschicht aus einem piezoresistiven Material auf die Decklage, (ii) Abtragen eines Teils der Sensorschicht, sodass das verbleibende piezoresistive Material das zumindest eine Sensorelement bildet.
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Dies erfolgt bevorzugt nach der Konturschnitt-Methode.
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Hierzu wird vorzugsweise eine Beschichtung aus einem piezoresistiven Material wie beispielsweise NiCr, Ni-DLC oder DLC, auf die Deckfolie aufgebracht. Die Beschichtung erfolgt beispielsweise mittels Sputterdeposition oder Aufdampfen und vorzugsweise vollflächig.
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Vorzugweise werden auch die Innenwandungen der vorzugsweise in der Decklage vorhandenen Ausnehmung mitbeschichtet. Diese Beschichtung der Innenwandungen der Ausnehmung bildet insbesondere die Durchkontaktierung zwischen dem zumindest einen Leiterelement und dem zumindest einen Sensorelement. Weiter vorzugsweise erfolgt diese Beschichtung mit elektrisch hochleitfähigem Material wie beispielsweise Gold.
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Das Abtragen eines Teils der Sensorschicht aus einem piezoresistiven Material erfolgt vorzugsweise mittels eines Lasers oder durch Ätzen.
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Alternativ können auch nur schmale Bereiche abgetragen werden, sodass neben dem zumindest einen Sensorelement noch weitere beschichtete Bereiche auf der Substratfolie verbleiben. Diese sind jedoch nicht leitend mit dem zumindest einen Sensorelement verbunden. Mit anderen Worten wird ein Isolationsbereich zwischen dem zumindest einen Sensorelement einerseits und dem verbleibenden piezoresistiven Material andererseits auf der Deckfolie geschaffen. Dies ist vorteilhaft, da nur wenig Material abgetragen werden muss.
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Eine Anpassung einer Kraftsensorfolie an eine Kontur eines dreidimensionalen Körpers ist insbesondere sinnvoll, um eine möglichst akkurate Anordnung der Kraftsensorfolie an den Körper zu gewährleisten. Insbesondere im Hinblick auf komplexe Körper, wie beispielsweise chirurgische Fasszangen, Katheter, Endoskope oder Ähnliches, ist die passgenaue Anordnung einer plan-gefertigten Kraftsensorfolie nahezu unmöglich.
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Hierzu hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Mehrzahl von Schlitzen in die Kraftsensorfolie eingebracht wird, mit deren Hilfe ein passgenaues Abbilden komplexer Konturen möglich wird.
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Unter passgenau ist hierbei insbesondere zu verstehen, dass Abweichungen von einer vollflächigen und faltenfreien Anlage der Kraftsensorfolie an den jeweiligen Körper maximal 10 % betragen.
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Die Position und Größe und insbesondere die Anzahl der notwendigen Schlitze werden vor dem Einbringen in die Kraftsensorfolie anhand der Geometrie des Körpers, an dem die Kraftsensorfolie drapiert werden soll, berechnet.
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Vorzugsweise werden die Schlitze nur in Positionen eingebracht, in denen sich keine Kraftsensoren, insbesondere keine zugehörigen Sensorelemente oder Leiterelemente befinden.
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Besonders bevorzugt werden die Positionen der Schlitze bereits vor der Herstellung der Kraftsensorfolie berechnet, sodass die Anordnung der Kraftsensoren und insbesondere der zugehörigen Leiterelemente an die notwendige Position und Größe der später einzubringenden Schlitze angepasst werden kann. Mit anderen Worten erfolgt die Anordnung der Kraftsensoren und insbesondere der Leiterelemente bereits in Kenntnis der Position und Größe der später einzubringenden Schlitze.
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Mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Kraftsensors einer Kraftsensorfolie im unbelasteten Zustand,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung des Kraftsensors der Kraftsensorfolie aus 1 unter Beaufschlagung mit einer Scherkraft,
- 3 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Kraftsensors einer Kraftsensorfolie im unbelasteten Zustand,
- 4 eine schematische Schnittdarstellung des Kraftsensors der Kraftsensorfolie aus 3 unter Beaufschlagung mit einer Scherkraft,
- 5 eine Draufsicht auf einen Kraftsensor der Kraftsensorfolie aus den 1 und 2,
- 6 eine Draufsicht auf einen Kraftsensor der Kraftsensorfolie aus den 3 und 4,
- 7 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Kraftsensor-Einrichtung mit vier Kraftsensoren,
- 8 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Herstellungsverfahrens einer Kraftsensorfolie,
- 9 eine schematische Darstellung einer Kraftsensorfolie mit einer Matrixansteuerung und eingebrachten Schlitzen,
- 10 die Kraftsensorfolie aus 9 schematisch und im drapierten Zustand auf einem medizinischen Instrument.
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In 1 ist ein Querschnitt durch eine Kraftsensorfolie 10 und insbesondere einen Kraftsensor 20 der Kraftsensorfolie 10 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass ein Hohlraum 14 zwischen der Substratlage 11 und der Decklage 12 ausgebildet ist. Die Decklage formt eine Auswölbung 15 um den Hohlraum 14, der mit einem Fluid A, vorliegend mit Luft, gefüllt ist. Die Auswölbung weist die Form eines Pyramidenstumpfs mit einer viereckigen Grundfläche auf. Am Übergang zwischen der Auswölbung 15 und dem ungewölbten Bereich 16 sind vier Unterkanten 17.1 bis 17.4 ausgebildet (vgl. 3), wobei in der Querschnittdarstellung lediglich die zwei Unterkanten 17.1 und 17.2 zu erkennen sind.
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Über die Unterkanten 17.1 und 17.2 erstreckt sich jeweils ein Sensorelement 21. Diese Sensorelemente 21.1 und 21.2 sind zum Teil auf dem ungewölbten Bereich 16 und zum Teil auf der Auswölbung 15 angeordnet. Bei ihnen handelt es sich um mäanderförmige Dehnungssensoren, die so angeordnet sind, dass die Mäander des jeweiligen Dehnungssensors 21.1 und 21.2 mehrfach über die jeweilige Unterkante 17.1 und 17.2 verlaufen.
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Die Dehnungssensoren sind über nicht dargestellte Leiterelemente 13.i (mit i = 1, 2, ...) mit einer ebenso nicht dargestellten Auswerteeinheit 31 elektrisch verbunden (vgl. 3 und 4).
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Wird, wie in 2 dargestellt, eine Scherkraft F auf die Kraftsensorfolie im Bereich der Auswölbung 15 ausgeübt, so erfährt die Auswölbung 15 eine Verformung. Hierbei erfährt der Dehnungssensor 21.2 eine Streckung, also eine positive Dehnung. Der gegenüberliegende Dehnungssensor 21.1 erfährt hingegen keinerlei Dehnung.
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Der Dehnungssensoren 21.2 erfährt durch die positive Dehnung eine Erhöhung seines elektrischen Widerstands. Diese Widerstandsänderung wird über die Leiterelemente durch eine (nicht dargestellte) Auswerteeinheit 31 erfasst. In der Auswerteeinheit 31 findet ein Vergleich der erfassten Daten mit experimentell ermittelten Daten, die in einer Datenbank hinterlegt sind, statt. Anhand dieses Vergleichs ermittelt die Auswerteinheit 31 die Wirkungsrichtung der Scherkraft F.
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3 zeigt den Querschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Kraftsensorfolie 10 mit einem Kraftsensor (20). Der Figur ist zu entnehmen, dass die Auswölbung 15 vier durch die Decklage 12 ausgebildete Flanken 18.1 bis 18.4 und zudem Bereiche mit abgetragenem Material 19 aufweist. Vier Sensorelemente 21.1 bis 21.4 (dargestellt sind lediglich 21.1 und 21.2) erstrecken sich von dem ungewölbten Bereich 16 auf die Auswölbung 15 und hierbei insbesondere auf die Flanken 18.1. bis 18.4. Auf jeder der vier Flanken 18.1. bis 18.4 erstreckt sich vorliegend jeweils ein Sensorelement 21.1. bis 21.4.
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4 zeigt die Kraftsensorfolie 10 aus 3 unter Einwirkung einer Scherkraft. Durch den Materialabtrag in den Bereichen 19 ist die verbleibende Auswölbung 15 destabilisiert. Aus diesem Grund bewirkt ein Einwirken der Scherkraft auf die Kraftsensorfolie sowohl eine Deformation der Flanke 18.2, als auch eine Deformation der Flanke 18.1. Die jeweiligen Sensorelemente 21.2 und 21.1 erfahren entsprechend eine Streckung (21.2) und eine Stauchung (21.1). Diese Deformationen gehen mit einer Änderung des elektrischen Widerstands der Sensorelemente 21.1 und 21.2 einher, welche über nicht dargestellte Leiterelemente 13.i durch eine ebenfalls nicht dargestellte Auswerteeinheit 31 erfasst und von dieser ausgewertet werden.
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5 zeigt einen Ausschnitt einer Kraftsensorfolie 10 mit einem Kraftsensor 20 entsprechend den 1 und 2 in der Draufsicht. Die Decklage 12 bildet eine Auswölbung 15 aus, die die Form eines Pyramidenstumpfs mit quadratischer Grundfläche aufweist. Innerhalb der Auswölbung 15 befindet sich ein nicht gezeigter Hohlraum 14.
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Jeweils ein Sensorelement 21.1 bis 21.4 erstreckt sich über je eine der vier Unterkanten 17.1 bis 17.4 zwischen der Auswölbung 15 und dem ungewölbten Bereich 16. Jedes Sensorelement 21.1 bis 21.4 ist dabei über jeweils zwei der Leiterelemente 13.1 bis 13.8 kontaktiert. Die Leiterelemente 13.1 bis 13.8 sind lediglich zum besseren Verständnis in 5 abgebildet, sie befinden sich jedoch zwischen der nicht sichtbaren Substratlage 11 (vgl. 1 und 2) und der Decklage 12 und sind daher nur aufgrund der transparenten Decklage sichtbar.
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Die Sensorelemente 21.1 bis 21.4 und die Leiterelemente13.1 bis 13.8 sind über Ausnehmungen 46.1 bis 46.8 in der Decklage, deren Innenwandungen eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen, kontaktiert. Hierbei ist beispielsweise Sensorelement 21.1 über die beiden Ausnehmungen 46. 1 und 46.2 mit den Leiterelementen 13.1. und 13.2 kontaktiert.
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Die Sensorelemente 21.1 bis 21.4 sind als mäanderförmige Dehnungssensoren ausgestaltet. Bei Beaufschlagung der Auswölbung 15 mit einer Kraft erfahren in Abhängigkeit von der Wirkungsrichtung und dem Betrag der Kraft einer, mehrere oder alle vier Dehnungssensoren eine Dehnung. Die daraus folgenden Änderungen des elektrischen Widerstands der Dehnungssensoren 21.1 bis 21.4 werden durch eine Auswerteeinheit 31 erfasst. Die Auswertung der erfassten Signale erfolgt analog zu dem zu 2 beschriebenen Verfahren.
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Vorteilhaft ist vorliegend die Verwendung von vier Sensorelementen, sodass an jeder Unterkante 17.1 bis 17.4 ein Sensorelement angeordnet ist. Dadurch lassen sich präzisere Rückschlüsse auf die Wirkungsrichtung einer angreifenden Kraft ziehen, als dies beispielsweise bei insgesamt nur zwei Sensorelementen der Fall wäre.
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6 zeigt einen Ausschnitt einer Kraftsensorfolie 10 mit einem Kraftsensor 20 entsprechend den 3 und 4 in der Draufsicht. Die Decklage 12 bildet eine Auswölbung 15 aus, welche vier Flanken 18.1. bis 18.4 und zudem Bereiche mit abgetragenem Material 19 aufweist.
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Jeweils ein Sensorelement 21.1 bis 21.4 erstreckt sich über je eine der vier Unterkanten 17.1 bis 17.4 auf den Flanken 18.1. bis 18.4 und dem ungewölbten Bereich 16. Jedes Sensorelement 21.1 bis 21.4 ist dabei über jeweils zwei der Leiterelemente 13.1 bis 13.8 kontaktiert. Die Leiterelemente 13.1 bis 13.8 sind lediglich zum besseren Verständnis in 6 abgebildet, sie befinden sich jedoch zwischen der nicht sichtbaren Substratlage 11 (vgl. 3 und 4) und der Decklage 12 und sind daher nur aufgrund der transparenten Decklage sichtbar.
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Die Sensorelemente 21.1 bis 21.4 und die Leiterelemente 13.1 bis 13.8 sind über Ausnehmungen 46.1 bis 46.8 in der Decklage, deren Innenwandungen eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen, kontaktiert. Hierbei ist beispielsweise Sensorelement 21.1 über die beiden Ausnehmungen 46. 1 und 46.2 mit den Leiterelementen 13.1. und 13.2 kontaktiert.
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Die Sensorelemente 21.1 bis 21.4 sind als mäanderförmige Dehnungssensoren ausgestaltet. Bei Beaufschlagung der Auswölbung 15 mit einer Kraft erfahren in Abhängigkeit von der Wirkungsrichtung und dem Betrag der Kraft mehrere oder alle vier Dehnungssensoren eine Dehnung. Die daraus folgenden Änderungen des elektrischen Widerstands der Dehnungssensoren 21.1 bis 21.4 werden durch eine Auswerteeinheit 31 erfasst. Die Auswertung der erfassten Signale erfolgt analog zu dem zu 2 beschriebenen Verfahren.
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Vorteilhaft ist vorliegend die Verwendung von vier Sensorelementen, sodass an jeder Unterkante 17.1 bis 17.4 der Flanken 18.1. bis 18.4 ein Sensorelement angeordnet ist. Dadurch lassen sich präzisere Rückschlüsse auf die Wirkungsrichtung einer angreifenden Kraft ziehen, als dies beispielsweise bei insgesamt nur zwei Sensorelementen der Fall wäre.
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7 zeigt den Ausschnitt einer Kraftsensorfolie 10 mit vier Kraftsensoren 20.1 bis 20.4. Jeder der Kraftsensoren 20.1 bis 20.4 entspricht dem in 5 dargestellten Kraftsensor 20, mit der Ausnahme, dass die Kontaktierung nicht durch die Ausnehmungen 46.1 bis 46.8 erfolgt. Bei der Kraftsensorfolie 10 gemäß 7 sind die Leiterelemente 13.1 bis 13.32 auf der Deckfläche 12 angeordnet, sodass die Kontaktierung der Sensorelemente 21.1 bis 21.16 direkt erfolgt. Auch hier sind die Sensorelemente über die Leiterelemente mit einer Auswerteeinheit 31 elektrisch verbunden.
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In 8 ist eine Masterform 41 mit mehreren Ausbuchtungen dargestellt. Das Herstellungsverfahren wird exemplarisch an nur einer Einbuchtung 42 der Masterform 41 beschrieben.
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Zunächst erfolgt eine Rotationsbeschichtung der Masterform 41 mit einer polymerhaltigen Lösung, vorliegend einer Polyimid-haltigen Lösung. Bei der Masterform 41 handelt es sich um einen anisotrop geätzten Siliziumwafer. Das Produkt der Rotationsbeschichtung ist eine Deckfolie 40, welche für den nächsten Verfahrensschritt auf der Masterform verbleibt. Die Form der Einbuchtung gibt die Form der Auswölbung 15 der späteren Decklage 12 vor, vorliegend eine Pyramidenstumpfform.
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In einem nächsten Schritt werden Ausnehmungen für die Durchkontaktierung in die Deckfolie 40 eingebracht. Im vorliegenden Fall werden acht Ausnehmungen zur späteren Kontaktierung von vier Sensorelementen eingebracht. Dargestellt sind hierbei lediglich die Ausnehmungen 46.1 und 46.2 mit ihren Innenwandungen 47.1 und 47.2. Das Einbringen der Ausnehmungen 46.1 und 46.2 in die Deckfolie 40 erfolgt hierbei mittels eines Lasers L. Im vorliegenden Fall wird der spätere Hohlraum 14 mit Luft als Fluid A gefüllt. Soll eine Flüssigkeit als Fluid A den späteren Hohlraum 14 füllen, so wird die Flüssigkeit in diesem Verfahrensschritt in die mit der Deckfolie ausgekleidete Einbuchtung 42 der Masterform 41 gefüllt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine Substratfolie 43 mit der Deckfolie 40 verbunden. Die Substratfolie weist eine Mehrzahl von Leiterelementen auf, von denen lediglich die Leiterelemente 13.1 und 13.2 dargestellt sind. Auf die Substratfolie wird eine Klebeschicht, vorliegend ein Polyimidfilm, aufgebracht. Dieser wird beispielsweise thermisch erweicht und anschließend die Substratfolie auf die Deckfolie gepresst, sodass eine stoffschlüssige Verbindung entsteht. Nach dem Verpressen bildet die Deckfolie 40 eine Decklage 12 und die Substratfolie eine Substratlage 11, zwischen denen ein Hohlraum 14 ausgebildet ist. Dieser befindet sich innerhalb der pyramidenstumpfförmigen Auswölbung 15.
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Die Substratfolie 43 und die Deckfolie 40 werden vor dem Verpressen derart zueinander angeordnet, dass die später aufzubringenden, in ihrer Position jedoch bereits bekannten Sensorelemente die Ausnehmungen zumindest teilweise überdecken werden. Dies gilt für die dargestellten Leiterelemente 13.1 und 13.2 beziehungsweise die dargestellten Ausnehmungen 46.1 und 46.2 wie auch für die weiteren nicht dargestellten Ausnehmungen und Leiterelemente.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird die erhaltene Folie von der Masterform 41 durch Abheben getrennt und die Decklage 12 vollflächig mit einer Sensorschicht 45 aus einem piezoresistiven Material, vorliegend einer Nickel-Chrom-Verbindung, beschichtet. Hierbei werden auch die Innenwandungen 47.1 und 47.2 der Ausnehmungen 46.1 und 46.2 beschichtet. Dies gilt ebenso für die nicht dargestellten Ausnehmungen und ihre Innenwandungen.
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In einem letzten Verfahrensschritt werden durch Abtragen eines Teils der Sensorschicht Sensorelemente gebildet. Exemplarisch ist dies durch das Sensorelement 21 dargestellt. Hierzu wird ein Bereich der Sensorschicht mittels eines Lasers L abgetragen, sodass das Sensorelement 21 gebildet wird. Vorliegend wird somit ein Isolationsbereich zwischen dem Sensorelement 21 und auf der Decklage 12 verbleibendem piezoresistiven Material nach der Konturschnittmethode geschaffen. Die Lage der Sensorelemente wie dem Sensorelement 21 ist insbesondere durch die Ausnehmungen und die Lage der Auswölbungen grundlegend vorgegeben. Bei dem vorliegenden Sensorelement 21 handelt es sich um einen mäanderförmigen Dehnungssensoren.
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9 zeigt eine Kraftsensorfolie 10 mit eingebrachten Schlitzen 51.1 bis 51.4 sowie einer Vielzahl von baugleichen Kraftsensoren 20.i. Diese sind mittels mehrerer Leiterelemente 13.i elektrisch leitend kontaktiert und mit einer Auswerteeinheit 31 elektrisch verbunden.
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An dem mit einem Kreis hervorgehobenen Verlauf der Leiterelemente 13.i ist zu erkennen, dass die Position der Schlitze 51.1 bis 51.4 bereits vor der Herstellung der Kraftsensorfolie 10 bekannt war. Diese wurde anhand der Kontur eines dreidimensionalen Körpers 50, auf dem die Kraftsensorfolie 10 angeordnet werden soll, berechnet.
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In 10 ist die Kraftsensorfolie 10 aus 9 schematisch und in einem, an den dreidimensionalen Körper 50 angelegten Zustand, gezeigt. Bei dem Körper 50 handelt es sich um ein medizinisches Instrument. Es ist zu erkennen, dass die Anlage der Kraftsensorfolie 10 an die abgerundete Kontur im vorderen Bereich des Instruments, durch die Schlitze 51.1 bis 51.4 ermöglicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftsensorfolie
- 11
- Substratlage
- 12
- Decklage
- 13
- Leiterelement
- 14
- Hohlraum
- 15
- Auswölbung
- 16
- Ungewölbter Bereich
- 17
- Unterkante
- 18
- Flanke19 Bereich mit abgetragenem Material
- 20
- Kraftsensor
- 21
- Sensorelement
- 30
- Kraftsensoreinrichtung
- 31
- Auswerteeinheit
- 40
- Deckfolie
- 41
- Masterform
- 42
- Einbuchtung
- 43
- Substratfolie
- 44
- Leiterschicht
- 45
- Sensorschicht
- 46
- Ausnehmung
- 47
- Innenwandung
- 48
- Klebeschicht
- 49
- Ausnehmung zum Stoffaustausch
- 50
- Dreidimensionaler Körper
- 51
- Schlitz
- A
- Fluid
- F
- Scherkraft
- L
- Laser
