DE102017118700B3

DE102017118700B3 - Tactile force sensor film

Info

Publication number: DE102017118700B3
Application number: DE102017118700.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dietzel; Chresten von der Heide
Original assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2037-08-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftsensorfolie (10) mit
(a) einer Substratlage (11) aus Kunststofffolie,
(b) einer mit der Substratlage (11) verbundenen Decklage (12) aus Kunststofffolie,
(c) zumindest einem Kraftsensor (20) mit zumindest einem Sensorelement (21), wobei das zumindest eine Sensorelement (21) aus einem piezoresistiven Material besteht, und
(d) zumindest einem Leiterelement (13), mit dem das zumindest eine Sensorelement (21) elektrisch leitend kontaktiert ist, wobei
(e) die Decklage (12) im Bereich des zumindest einen Kraftsensors (20) eine Auswölbung (15) ausbildet,
(f) die Decklage einen ungewölbten Bereich (16) aufweist, der an die Auswölbung (15) angrenzt, und
(g) das zumindest eine Sensorelement (21) derart auf der Decklage (12) angeordnet ist, dass es sich zum Teil auf der Auswölbung (15) und zum Teil auf dem angrenzenden ungewölbten Bereich (16) erstreckt.

The invention relates to a force sensor film (10) with
(a) a substrate layer (11) made of plastic film,
(b) a plastic film cover layer (12) connected to the substrate layer (11),
(C) at least one force sensor (20) having at least one sensor element (21), wherein the at least one sensor element (21) consists of a piezoresistive material, and
(D) at least one conductor element (13), with which the at least one sensor element (21) is contacted in an electrically conductive, wherein
(e) the cover layer (12) forms a bulge (15) in the region of the at least one force sensor (20),
(F) the cover layer has a non-curved portion (16) adjacent to the bulge (15), and
(G) the at least one sensor element (21) on the cover layer (12) is arranged so that it extends partly on the bulge (15) and partly on the adjacent non-arched area (16).

Description

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.(C) at least one force sensor having at least one sensor element, wherein the at least one sensor element consists of a piezoresistive material, and (A) a substrate layer made of plastic film, (B) a plastic film cover layer connected to the substrate layer d) at least one conductor element, with which the at least one sensor element is contacted in an electrically conductive manner. The invention further relates to a force sensor device and, according to two further aspects, to a method for producing a force sensor film and to a method for adapting a force sensor film to a contour of a three-dimensional body.

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.Areas of application for, in particular, tactile force sensor films are, for example, in the field of medical technology, robotics and portable electronics. The films have the task, similar to a touch screen, to detect contact forces on surfaces. They are particularly flexible in order to be able to be adapted to different shaped surfaces. In the industrial environment, in which robots are increasingly used to support workers, there are various requirements for safety systems of such machines.

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.In addition, there are force sensor foils in the form of strain gauges for determining stresses, for example, mechanical components in machines. Strain gauges consist in particular of a meander-shaped strain sensor and a film base body. They are also used, for example, in presses or the like for checking correct application of forces.

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.Such strain gauges make use of the piezoresistive effect according to which the electrical resistance of the measuring strip changes when stretched. The amount of resistance change is a measure of the strain and thus a measure of the applied force. For the production of strain gauges in particular metallic materials, such as, for example, constantan or nickel-chromium compounds come into question. Furthermore, semiconductor materials come into question, which show a particularly pronounced piezoresistive effect, that is, that a deformation leads to a particularly pronounced change in resistance.

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.From the EP 1 861 687 B1 For example, polymer pressure sensors with implanted piezoresistive regions are known. These can be formed for example by doping a material by means of ion implantation or by applying metallic layers.

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.From the DE 83 26 488 U1 Force transmitters are known by means of which the distribution of forces can be determined over an area. Such a force transducer has a rigid carrier foil, to which an electrically contacted region, for example a resistance metal layer, has been applied.

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.A disadvantage of these known from the prior art force sensor foils, however, is that with them neither the size nor the direction of action of shear forces can be determined.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.The object of the present invention is to reduce disadvantages in the prior art.

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.The invention solves the problem by a generic device, which is characterized in that (e) the cover layer in the region of the at least one force sensor forms a bulge, (f) the cover layer has a non-curved area adjacent to the bulge, and (g ) the at least one sensor element is arranged on the cover layer such that it extends partly on the bulge and partly on the adjacent non-arched region.

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.According to a further aspect, the invention achieves the object by a force sensor device comprising (a) a force sensor film and (b) an evaluation unit, which is electrically connected to the at least one sensor element and is set up to carry out a method automatically with the following steps: (i) Detecting a signal from at least one sensor element of a force sensor when a shearing force is exerted on the force sensor foil in the region of the force sensor, (ii) determining the direction of action of the acting shearing force on the basis of the detected signal.

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.The invention further achieves the object by a method for producing a force sensor film comprising the steps: (a) producing a cover film by spin-coating a master mold with at least one indentation, using a polymer-containing or prepolymer-containing solution, (b) applying at least one electrically conductive conductor element (c) bonding the cover film to the substrate film so that the cover film forms a cover layer and the substrate film forms a substrate layer, (d) applying at least one sensor element to the cover layer, (e) contacting the at least one sensor element with at least one conductor element, so that both are electrically connected to one another.

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.The invention also achieves the object by a method for adapting a force sensor film to a contour of a three-dimensional body, with the steps: (a) inserting slots into the Force sensor film, (b) draping the force sensor film by applying to the three-dimensional body, wherein the position and size of the slots are calculated based on the contour of the three-dimensional body such that the investment of the force sensor film to the three-dimensional body fits accurately.

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. According to the invention, the force sensor film has a substrate layer of plastic film. A plastic film is understood in particular to mean a sheet of plastic having a thickness of preferably less than one millimeter and more preferably less than 0.1 millimeter, in particular between 25 and 100 μm. The plastic is preferably a plastic from the group of polyimides ,

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.According to the invention, the substrate layer is connected to a cover layer made of plastic film. Including that the cover layer and the substrate layer are connected to each other, is understood in particular a cohesive connection, for example by gluing or Aufpolymerisieren.

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.The plastic film from which the cover layer is made is also understood to mean, in particular, a sheet of plastic which preferably has a thickness of less than one millimeter and more preferably less than 0.1 millimeter, in particular less than 50 .mu.m, more particularly precisely 30 .mu.m having. It is possible but not necessary that the substrate layer and the cover layer are made of the same plastic or a plastic from the same category. In particular, the cover layer consists of a thermoplastic material, for example polyvinylidene fluoride (PVDF), or a polyimide.

Es ist weiterhin möglich aber nicht notwendig, dass die Decklage und die Substratlage die gleiche Dicke aufweisen. Insbesondere weisen beide Lagen unterschiedliche Dicken auf.It is still possible, but not necessary, for the top layer and the substrate layer to have the same thickness. In particular, both layers have different thicknesses.

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.Preferably, the substrate film and the cover film are flexible and have a modulus of elasticity between 2 and 10 GPa. It is possible, but not necessary, for the substrate film and the cover film to have the same extensibility. Both preferably have different extensibilities, more preferably the extensibility of the substrate film is less than that of the cover film.

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.According to the invention, the force sensor film has at least one force sensor with at least one sensor element, preferably with at least two sensor elements and more preferably with at least three sensor elements, in particular at least four sensor elements made of a piezoresistive material. The at least one sensor element is preferably a meander-shaped strain sensor. This consists preferably of, in particular a thin layer, a nickel-chromium (NiCr) compound or amorphous carbon (Diamond-Like Carbon; DLC), in particular with at least one metal, preferably selected from nickel, niobium, tantalum, titanium and zirconium, doped or alloyed. The piezoresistive material preferably has a K-factor> 2, more preferably a K-factor> 7. The K-factor is a proportionality factor between the relative resistance change and the strain. The relative resistance change refers to the ratio between the absolute resistance change and the resistance before the change. The greater the relative change in resistance at a given strain, the greater the K-factor.

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.Particularly preferably, the at least one sensor element consists of a biocompatible material. In particular, a material is understood to be biocompatible which has a high corrosion resistance and does not have an irritating effect on contact with human tissue. Such a material may in particular have no allergenic properties. Biocompatible metals are, for example, precious metals such as gold or platinum, but also niobium, tantalum, titanium or zirconium. Biocompatibility is particularly advantageous or even necessary if a force sensor film according to the invention is to be used on a medical device or a similar medical device for use on humans.

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.The force sensor film preferably has an elastic protective layer which is in particular arranged on the cover layer at least over the entire surface. Further preferably, the complete force sensor film, so in particular also the substrate layer, provided with the protective layer.

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.The protective layer is preferably made of a biocompatible material such as thermally fixed polydimethylsiloxane. In this way, it is particularly possible to use non-biocompatible materials for the sensor elements while still providing an outwardly biocompatible force sensing film. Furthermore, in particular the bulges of the force sensor film are mechanically stabilized by such a protective layer.

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.The at least one conductor element is preferably located on the substrate layer and / or on the cover layer, in particular between the substrate layer and the cover layer. The contacting between the at least one conductor element and the at least one sensor element is preferably carried out, and in particular when the conductor element is not on the cover layer and the sensor element is located on the side of the cover layer facing away from the substrate layer, by means of a Via. Such can be formed, for example, by a recess which extends through both layers, particularly preferably only through the cover layer. This recess has an inner wall, which is provided with an electrically conductive material, preferably completely metallized.

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.A metallized inner wall is understood to mean that a metal layer is applied in particular to the inner wall over the entire surface, so that the contacting between the at least one conductor element and the at least one sensor element is formed via this metal layer.

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.In the event that the at least one conductor element is located on the cover layer, a direct contact between the at least one sensor element and the at least one conductor element is possible. If the at least one conductor element is located between the cover layer and the substrate layer, the at least one sensor element and the at least one conductor element are preferably contacted by the cover layer. If the at least one conductor element is arranged on the side of the substrate layer facing away from the cover layer, the at least one sensor element and the at least one conductor element are preferably contacted by the cover layer and the substrate layer.

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.The bulge, which forms the cover layer in the region of the at least one force sensor, is preferably formed by at least two, more preferably by at least three, in particular by at least four flanks. The flanks form in particular a closed lateral surface of the bulge.

Die Auswölbung ist insbesondere kegelstumpfförmig, pyramidenstumpfförmig, quaderförmig, zylinderförmig, pyramidenförmig oder halbkugelförmig ausgebildet.The bulge is in particular frustoconical, truncated pyramidal, cuboid, cylindrical, pyramidal or hemispherical.

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.However, it is also possible according to the invention that the flanks do not form a closed lateral surface. In this case, for example, the flanks form lateral surface sections with material-free regions lying between the flanks.

Eine solche Auswölbung lässt sich beispielsweise als Pyramidenstumpf beschreiben, bei dem in einem oder mehreren Bereichen Material abgetragen wurde.Such a bulge can be described, for example, as a truncated pyramid, in which material was removed in one or more areas.

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 entgegenwirktIn particular, if the force sensor film has bulges with a non-closed lateral surface, an elastic protective layer is preferably arranged on the cover layer and / or substrate layer as described above. Further preferably, the complete force sensor film has such a protective layer. This is advantageous, such a protective layer stabilizes the bulges and in particular counteracts a collapse of the bulges

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.The bulge has, in particular, a height of up to 500 μm, preferably up to 400 μm, particularly preferably up to 250 μm and in particular exactly 250 μm. The height of the bulge is understood in particular to be the maximum spatial extent in the direction away from the substrate layer.

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.Adjacent to the bulge, the cover layer has a non-curved area. This preferably completely encloses the bulge. Furthermore, it is also possible that a plurality of separate non-arched areas connect to the bulge.

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.By the fact that the at least one sensor element extends partly on the bulge and partly on the adjacent non-curved area, it is to be understood in particular that the loops or meanders of a strain sensor from the non-curved area over the border between the non-curved area and the bulge on the Bulge and go back. In other words, the meander or loops run from one end of the strain sensor to the other several times over the boundary between the non-arched region and the bulge, which may be in particular a lower edge. Preferably, a strain sensor has two to ten such transitions, more preferably at least ten such transitions.

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.It is still possible but not necessary that all loops or meanders of a strain sensor are arranged on the bulge. In particular, a part of the sensor element extends beyond the boundary between bulge and non-curved area. The contacting with the at least one conductor element is preferably located in the non-arched area. Preferably, the minimum distance between the loops or meander of the strain sensor and the boundary between the bulge and the undulating region is less than one-tenth of the distance between the boundary and another second boundary opposite the boundary. More preferably, the minimum distance is less than 100 microns, more preferably less than 10 microns.

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.In its most general form, the invention is a force sensor film having a substrate layer made of plastic film, a plastic film covering layer bonded to the substrate layer, at least one force sensor having at least one sensor element, wherein the at least one sensor element is made of a piezoresistive material, and at least one conductor element, with which the at least one sensor element is electrically conductively contacted, wherein the force sensor film is characterized in that the cover layer in the region of the at least one force sensor forms a bulge, the cover layer has a non-curved area, the the bulge adjacent, and that the at least one sensor element is disposed on the cover layer so that it is adjacent to a boundary between the bulge and the adjacent non-arched area.

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.By adjacent is meant, in particular, that a minimum distance between the at least one sensor element and the boundary between the bulge and the undulating region is one-tenth or less of the distance between the boundary and another second boundary of the bulge opposite the boundary. The minimum distance between the at least one sensor element and the transition is preferably less than 100 μm, more preferably less than 20 μm.

Alle hinsichtlich des Anspruchs 1 getroffenen Beschreibungen und Erläuterungen treffen auch auf diese allgemeinste Form der Erfindung zu.All descriptions and explanations made with regard to claim 1 also apply to this most general form of the invention.

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.An advantage of the embodiment according to the invention is that it is possible to determine not only the amount of a shear force acting on the force sensor film, but also their direction of action. This is possible because a shearing force acting on the cover layer in the region of a bulge leads to a deformation of the bulge. In this case, the direction of action is understood to mean in particular the main deformation direction of the bulge when subjected to a force. Preferably, the direction of action is understood to be the direction of the force vector or, more preferably, the force vector itself.

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.In particular, one of the direction of action of the attacking force facing edge of a bulge then undergoes deformation, in particular is pressed. If a force occurs obliquely to one of the flanks of a bulge, in particular a plurality of flanks are deformed, in particular pressed. The side facing away from the force flanks of a bulge can also undergo deformation, but in particular they do not undergo deformation.

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.If a force acts on the bulge, the bulge is deformed differently in different directions depending on the direction of the acting force. These different deformations, in particular of the flanks of a bulge, are detected via the at least one sensor element, and based on the respective intensity of the deformation, in particular the main deformation direction of the bulge can be determined. Preferably, the direction of the force vector or the force vector itself can be determined based on the different deformations.

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.Preferably, a cavity is formed in the region of the at least one force sensor between the substrate layer and the cover layer, which is located at least partially within the bulge and is filled with a fluid. In particular, in each case a cavity is formed in the region of each force sensor.

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.The cavity is preferably formed as an air bubble. A cavity according to the invention is also understood to mean a compartmentalized cavity. This means that a cavity according to the invention can also be divided into several sub-cavities or compartments. This is done in particular by separating elements made of plastic, in particular plastic film.

Bei dem den Hohlraum füllenden Fluid handelt es sich insbesondere um ein Gas oder eine Flüssigkeit.The fluid filling the cavity is in particular a gas or a liquid.

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.It is possible that only a part of the cavity, for example only part of the compartments located in a cavity, is filled with a gas or a liquid. In other words, it is therefore also possible that the cavity is filled with both a gas and a liquid. The liquid used is preferably water. However, it is also possible to use other liquids, for example lipophilic liquids, or mixtures of different liquids.

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.The fluid filling the cavity is preferably a gas, in particular air. However, it is also possible to use, for example, inert gases such as nitrogen or noble gases. Even if, for example, moisture contained in the gas, in particular atmospheric moisture, condenses within the cavity, the cavity is still considered to be filled with gas according to the invention.

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.In particular, when the fluid used is a gas, it is possible for the substrate layer and / or the cover layer to have at least one recess in the area of the cavity for mass transfer between the cavity and the surroundings. This makes it possible, for example, that when exerting a force on a bulge, gas is discharged from the cavity located in the bulge through the at least one recess to the environment. When you lose your strength For example, gas once again flows into the cavity through the at least one recess.

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.Preferably, the at least one sensor element is arranged on the substrate layer facing side of the cover layer. In such an arrangement, the at least one sensor element is in particular between the cover layer and the substrate layer, ie within the force sensor film. This is particularly advantageous since the at least one sensor element is thus not exposed to any media or substances outside the force sensor film.

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.Such a force sensor film can therefore also be used, for example, in media which attack the material of the at least one sensor element, for example dissolve or corrode, if, in particular, the material of the cover layer is not attacked by the medium.

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.Moreover, in this way too, a biocompatible surface of the force sensor foil can be provided using sensor elements made of non-biocompatible materials. For this purpose, for example, only the top layer, in particular top layer and substrate layer would have to consist of a biocompatible plastic.

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.Preferably, the bulge has at least three lower edges in the transition to the adjacent non-arched area, wherein the lower edges extend along an n-corner. In particular, the n-corner is a square or a hexagon. However, other polygons are possible, especially with n> 6.

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.Under the fact that the lower edges run along an n-corner, it is to be understood that the lower edges run along an imaginary mathematical n-corner. For this, however, it is not necessary that the lower edges themselves form an exact mathematical n-edge. Rather, for example, deviations by rounding of the corners are also according to the invention.

Vorzugsweise weist die Kraftsensorfolie pro Kraftsensor zumindest zwei Sensorelemente auf, wobei sich über zumindest zwei der Unterkanten jeweils zumindest ein Sensorelement erstreckt.The force sensor film per force sensor preferably has at least two sensor elements, with at least one sensor element extending over at least two of the lower edges in each case.

Mit anderen Worten sind an mindestens zwei der Unterkanten einer Auswölbung Sensorelemente angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich um genau ein Sensorelement pro Unterkante.In other words, sensor elements are arranged on at least two of the lower edges of a bulge. Preferably, it is exactly one sensor element per lower edge.

Vorzugsweise weist die Kraftsensorfolie pro Kraftsensor zumindest drei Sensorelemente auf, wobei sich über zumindest drei der Unterkanten jeweils zumindest ein Sensorelement erstreckt.The force sensor film per force sensor preferably has at least three sensor elements, with at least one sensor element extending over at least three of the lower edges in each case.

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.Further preferably, at least one sensor element, in particular exactly one sensor element is arranged at each lower edge of the bulge. Particularly preferably, the sensor elements are arranged in pairs on opposite lower edges. For this purpose, the lower edges preferably run along a quadrilateral, in particular a square or an octagon. It has also proven to be advantageous if the lower edges run along a hexagon, the bulge is thus designed honeycomb-like.

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..Preferably, the force sensor film has at least four force sensors, wherein the at least one conductor element is formed by at least two first lines and at least two second lines, wherein each sensor element (21) is electrically conductively contacted via a respective first line and a second line and the first lines and the second lines are each contacted with a plurality of sensor elements, wherein by each combination of a first line and a second line exactly one sensor element is contacted.

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.According to the invention, any bulge in the area of the force sensors is adjoined by a non-curved area. This non-arched area is preferably identical for at least two, further preferably for a plurality and particularly preferably for all bulges. Particularly preferably, the force sensor film has a continuous, non-arched area, which preferably encloses all bulges. Furthermore, preferably all bulges or force sensors of a force sensor film are identical.

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.Advantageously, the force sensors are arranged along a grid, in particular such that all force sensors are located at the corners of imaginary squares. These squares can be of different sizes, but preferably they are all the same size, more preferably they are all congruent.

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.In other words, the force sensors are located at the nodes of an imaginary grid. In particular, this imaginary grid is always at the same distance and at right angles intersecting lines.

Es ist jedoch beispielsweise für komplexe Kraftsensorfolien vorteilhaft, wenn die Kraftsensoren nicht symmetrisch verteilt sind.However, it is advantageous for complex force sensor films, for example, if the force sensors are not distributed symmetrically.

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.It is possible, however, not necessary that the first lines and the second lines are located on the same layer, for example the cover layer, the substrate layer or between the cover layer and the substrate layer. In particular, the first lines and the second lines are at different positions.

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.By contacting the sensor elements via a respective first line and a second line, a matrix control of the sensor elements takes place. As a result, it is possible, for example, to selectively pick up signals of individual sensor elements, for example serially, by, for example, applying exactly the first line and the second line to an electrical current which contacts a specific sensor element. Preferably, signals of a plurality of sensor elements, preferably of all sensor elements, can thus be separately supplied to an evaluation unit and evaluated there. This makes it possible to reduce the number of lines necessary for driving the sensor elements.

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.By means of a force sensor device according to the invention, it is possible, in particular, to determine the direction of action of a shearing force acting on the force sensor film on the basis of the signals from at least one sensor element. For this purpose, the signals of the at least one sensor element are supplied to the evaluation unit via the at least one conductor element and detected by the evaluation unit.

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.If a shear force from a certain direction acts on a force sensor film, the bulge of a force sensor undergoes deformation. This is different depending on the direction and the amount of the attacking force and at different locations of the bulge.

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.Thus, for example, in the case of a truncated pyramidal bulge, when a force is applied to one of the flanks, a sensor element arranged on this flank undergoes deformation, for example an extension.

Es ist darüber hinaus möglich aber nicht notwendig, dass ein an der gegenüberliegenden Flanke angeordnetes Sensorelement ebenfalls eine Verformung, beispielsweise eine Stauchung, erfährt.Moreover, it is possible but not necessary for a sensor element arranged on the opposite flank to also undergo deformation, for example a compression.

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.Based on these deformations, it is possible to determine the direction of action of the shear force. For this purpose, the evaluation unit preferably contains a data memory or has access to such a data memory in which a multiplicity of experimentally determined sensor signals of forces acting from different directions with different amounts are stored on a bulge. These experimentally determined data differ for different types of bulges (for example, truncated pyramidal or hemispherical bulges). The data memory therefore preferably has experimentally determined data for the respective type of bulge used.

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.By comparing the detected signals with the stored data, it is thus possible to deduce the direction of action of an attacking force. Preferably, it is possible to determine the direction of the force vector or the force vector itself based on the experimentally determined data.

Vorzugsweise werden zur Bestimmung der Wirkungsrichtung Signale von zumindest zwei, insbesondere drei Sensorelementen ausgewertet, weiter vorzugsweise von allen an einer Auswölbung angeordneten Sensorelementen.For determining the direction of action, signals of at least two, in particular three sensor elements are preferably evaluated, more preferably of all sensor elements arranged on a bulge.

Die unterschiedlichen Verformungen (Streckung oder Dehnung des Sensorelementes) führen zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands des jeweiligen Sensorelementes.The different deformations (stretching or stretching of the sensor element) lead to a change in the electrical resistance of the respective sensor element.

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.In the case of stretching, ie a positive elongation, this leads in particular to an increase in the electrical resistance. A negative strain, corresponding to a compression, leads in particular to a reduction of the electrical resistance.

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.The signal detected by the evaluation unit is preferably the degree of deformation of the bulge or the electrical resistance or the change in the electrical resistance of at least one sensor element.

Weiterhin ist es möglich, dass mehr als eine Auswerteeinheit vorhanden ist.Furthermore, it is possible that more than one evaluation unit is present.

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 SensorelementSince the strain of a material is temperature-dependent, temperature fluctuations are disturbances in a force measurement with strain sensors. In particular, to compensate for such temperature influences, the force sensor film preferably has a reference element. Such is, for example, an electrical resistance element, which preferably consists of the same material as a sensor element and more preferably has the same electrical resistance as a sensor element

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.If a temperature change now leads to an expansion of the sensor element, then the temperature change leads to a preferably substantially identical elongation of the reference element. As a result, an expansion due to a temperature change can be concluded and the influence of the temperature change on a measurement result, for example in the evaluation unit, can be eliminated.

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. In the event that a force is exerted on the sensor element, its electrical resistance changes. The electrical Widerstad the reference element, however, remains unchanged. In this way, it is possible to distinguish between changes in the electrical resistance of the sensor element caused by the action of force and by temperature change.

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.To produce a force sensor film, a cover film is produced by spin-coating a master mold, preferably a silicon wafer. The master mold has at least one indentation, which acts in particular as a shape for the at least one bulge.

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.The spin coating uses a polymer-containing or prepolymer-containing solution, for example a polyimide-containing solution. The master mold preferably has a non-stick coating, in particular a full-surface non-stick coating. This consists for example of silicon oxide and / or silicon nitride and is applied, for example, by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) on the master mold. As a result, in particular the surface of the master mold is smoothed so that, for example, polyimides adhere worse to the master mold than if it were uncoated. The indentation preferably has the shape of a truncated cone, a truncated pyramid, a cuboid, a cylinder, a pyramid, or a hemisphere.

Verfahren zur Rotationsbeschichtung sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, sodass hierzu weitere Ausführungen entbehrlich sind.Processes for spin coating are well known to those skilled in the art, so that further explanations are unnecessary for this purpose.

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.Recesses are preferably introduced into the finished cover film, through which a via between sensor elements and conductor elements is possible in the later course. In the event that a liquid is used as the fluid, it is preferably filled into the, lined with the cover sheet recess after the production of the cover sheet. Furthermore, at least one electrically conductive conductor element is applied to a substrate film and / or the cover film. For this purpose, for example, conductor elements in the form of conductor tracks are applied to the cover film and / or the substrate film. The at least one conductor element consists of an electrically conductive material such as copper, silver, gold or aluminum.

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.The substrate film was preferably prepared beforehand by a spin coating method. Preferably, the at least one conductor element is arranged on the substrate film in such a way that it can be brought at least partially into coincidence with the recesses preferably present in the cover film. This is advantageous since, after joining the two films, a plated-through connection can be achieved particularly simply by applying an electrically conductive material, in particular to the inner walls of the recesses.

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.In a further method step, the cover film and the substrate film are joined together so that the cover film forms a cover layer and the substrate film forms a substrate layer. The bonding takes place in particular by means of an adhesive layer which has been previously applied to the substrate layer. This is, for example, a polyimide film. For example, after a thermal softening of the polyimide film and subsequent compression, this leads in particular to a cohesive connection. Alternatively, other adhesive methods such as the selective or surface application of an adhesive and subsequent pressing are possible.

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.Preferably, the films are arranged prior to bonding such that the at least one conductor element is brought into at least partially overlap with the recesses preferably present in the cover film.

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.Preferably, the resulting film is then released from the master mold. This can be done, for example, due to the preferably present non-stick coating of the master mold by simply peeling. In addition, it is possible that the non-stick coating between master mold and cover layer is selectively etched, so that the force sensor film peels off the master mold.

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.In a further step, the at least one sensor element is applied to the cover layer. This is done, for example, by lamination or sticking of sensor elements, in particular strain sensors, on the cover layer.

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.Furthermore, the at least one sensor element is contacted with at least one conductor element. This is preferably done by a through-contacting through the cover layer, in particular by coating the recess preferably present in the cover layer with an electrically conductive material. This electrically conductive material is preferably the same material from which the at least one sensor element is made. Further preferably, the recess is coated with a metal layer, for example of gold or aluminum.

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.Alternatively, step (d) is performed before step (c) wherein the at least one sensor element is applied to the cover film (40). With others In words, the application of the at least one sensor element takes place before the cover film and the substrate film are joined together.

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.This is particularly advantageous if the at least one sensor element is to be arranged on the side of the cover layer facing the substrate layer. Such an arrangement would otherwise be difficult to realize after joining the two foils.

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.Preferably, the application of the at least one electrically conductive conductor element to the substrate film in step (b) comprises the following steps: (i) applying a conductor layer of an electrically conductive material to the substrate film, (ii) removing a portion of the applied conductor layer, so that remaining electrically conductive material which forms at least one conductor element. For this purpose, a coating of a conductive material such as gold, aluminum, silver or copper is preferably applied to the substrate film.

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.The coating obtained is then preferably structured by means of a laser or by photolithography and subsequent etching. This means that a part of the applied material is removed again. The material remaining on the substrate film then forms the at least one conductor element.

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.Alternatively, only narrow areas can be removed, so that, in addition to the at least one conductor element, further coated areas remain on the substrate film, which, however, are not conductively connected to the at least one conductor element. In other words, preferably by means of a laser or by etching, an isolation region is created between the at least one conductor element on the one hand and the remaining electrically conductive material on the other hand on the substrate film. This is particularly advantageous because only a small amount of material has to be removed.

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.The application of the at least one sensor element preferably comprises the following steps: (i) applying a sensor layer of a piezoresistive material to the cover layer, (ii) removing a portion of the sensor layer so that the remaining piezoresistive material forms the at least one sensor element.

Dies erfolgt bevorzugt nach der Konturschnitt-Methode.This is preferably done according to the contour cutting method.

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.For this purpose, preferably a coating of a piezoresistive material such as NiCr, Ni-DLC or DLC, applied to the cover sheet. The coating takes place, for example, by means of sputter deposition or vapor deposition and preferably over the whole area.

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.Preferably, the inner walls of the recess preferably present in the cover layer are also coated. This coating of the inner walls of the recess forms, in particular, the plated-through connection between the at least one conductor element and the at least one sensor element. Further preferably, this coating is carried out with electrically highly conductive material such as gold.

Das Abtragen eines Teils der Sensorschicht aus einem piezoresistiven Material erfolgt vorzugsweise mittels eines Lasers oder durch Ätzen.The removal of a part of the sensor layer from a piezoresistive material preferably takes place by means of a laser or by etching.

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.Alternatively, only narrow areas can be removed so that, in addition to the at least one sensor element, further coated areas remain on the substrate film. However, these are not conductively connected to the at least one sensor element. In other words, an isolation region between the at least one sensor element on the one hand and the remaining piezoresistive material on the other hand is created on the cover film. This is advantageous because only a small amount of material has to be removed.

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.An adaptation of a force sensor film to a contour of a three-dimensional body is particularly useful in order to ensure the most accurate possible arrangement of the force sensor film to the body. Especially with regard to complex bodies, such as surgical grasping forceps, catheters, endoscopes or the like, the precise arrangement of a plan-made force sensor foil is almost impossible.

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.For this purpose, it has proven to be advantageous if a plurality of slots is introduced into the force sensor film, with the help of a precise mapping complex contours is possible.

Unter passgenau ist hierbei insbesondere zu verstehen, dass Abweichungen von einer vollflächigen und faltenfreien Anlage der Kraftsensorfolie an den jeweiligen Körper maximal 10 % betragen.In this case, a precise fit means, in particular, that deviations from a full-surface and wrinkle-free installation of the force sensor foil to the respective body amount to a maximum of 10%.

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.The position and size, and in particular the number of slots required, are calculated prior to insertion into the force sensor foil based on the geometry of the body on which the force sensor foil is to be draped.

Vorzugsweise werden die Schlitze nur in Positionen eingebracht, in denen sich keine Kraftsensoren, insbesondere keine zugehörigen Sensorelemente oder Leiterelemente befinden.Preferably, the slots are introduced only in positions in which there are no force sensors, in particular no associated sensor elements or conductor elements.

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. Particularly preferably, the positions of the slots are calculated before the production of the force sensor film, so that the arrangement of the force sensors and in particular the associated conductor elements can be adapted to the necessary position and size of the slots to be introduced later. In other words, the arrangement of the force sensors and in particular of the conductor elements already takes place with knowledge of the position and size of the slots to be introduced later.

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.

Exemplary embodiments of the present invention will be explained in more detail below with the aid of the attached drawings. It shows

1 1 is a schematic sectional view of a force sensor of a force sensor film in the unloaded state,
2 a schematic sectional view of the force sensor of the force sensor film 1 under the action of a shearing force,
3 FIG. 2 a schematic sectional view of a further embodiment of a force sensor of a force sensor foil in the unloaded state, FIG.
4 a schematic sectional view of the force sensor of the force sensor film 3 under the action of a shearing force,
5 a plan view of a force sensor of the force sensor film from the 1 and 2 .
6 a plan view of a force sensor of the force sensor film from the 3 and 4 .
7 1 is a schematic representation of a section of a force sensor device with four force sensors;
8th a schematic flow diagram of a manufacturing method of a force sensor film,
9 a schematic representation of a force sensor film with a matrix drive and slits introduced,
10 the force sensor film off 9 schematically and in draped state on a medical instrument.

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.In 1 is a cross section through a force sensor film 10 and in particular a force sensor 20 of the force sensor film 10 shown. It can be seen that a cavity 14 between the substrate layer 11 and the top layer 12 is trained. The top layer forms a bulge 15 around the cavity 14 that with a fluid A , in the present case with air, is filled. The bulge has the shape of a truncated pyramid with a quadrangular base. At the transition between the bulge 15 and the non-curved area 16 four lower edges 17.1 to 17.4 are formed (see. 3 ), wherein in the cross-sectional view only the two lower edges 17.1 and 17.2 can be seen.

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.On the lower edges 17.1 and 17.2 each extending a sensor element 21 , These sensor elements 21.1 and 21.2 are partly on the non-arched area 16 and partly on the bulge 15 arranged. These are meander-shaped strain sensors, which are arranged so that the meanders of the respective strain sensors 21.1 and 21.2 run several times over the respective lower edge 17.1 and 17.2.

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).The strain sensors are not shown via conductor elements 13 .i (with i = 1, 2, ...) with an evaluation unit, also not shown 31 electrically connected (see. 3 and 4 ).

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.Will, as in 2 shown, a shear force F on the force sensor foil in the area of the bulge 15 exercised, so learns the bulge 15 a deformation. Here, the strain sensor 21.2 undergoes an extension, that is, a positive strain. The opposite strain sensor 21.1, however, undergoes no strain.

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.The strain sensors 21.2 experiences an increase in its electrical resistance due to the positive strain. This change in resistance is via the conductor elements by a (not shown) evaluation 31 detected. In the evaluation unit 31, a comparison of the acquired data with experimentally determined data, which are stored in a database takes place. Based on this comparison, the evaluation unit 31 determines the direction of action of the shear force F ,

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. 3 shows the cross section of another embodiment of a force sensor film 10 with a force sensor ( 20 ). The figure shows that the bulge 15 four through the top layer 12 trained flanks 18.1 to 18.4 and also has areas with removed material 19. Four sensor elements 21.1 to 21.4 (only 21.1 and 21.2 are shown) extend from the non-curved area 16 on the bulge 15 and here in particular on the flanks 18.1. until 18.4. On each of the four flanks 18.1. to 18.4 extends in the present case in each case a sensor element 21.1. until 21.4.

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. 4 shows the force sensor film 10 out 3 under the action of a shearing force. Due to the removal of material in the areas 19, the remaining bulge 15 destabilized. For this reason, an action of the shearing force on the force sensor foil causes both a deformation of the flank 18.2 and a deformation of the flank 18.1. The respective sensor elements 21.2 and 21.1 accordingly undergo an extension (21.2) and a compression (21.1). These deformations go with one Changing the electrical resistance of the sensor elements 21.1 and 21.2 accompanied, which via not shown conductor elements 13 .i by an evaluation unit, also not shown 31 recorded and evaluated by it.

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. 5 shows a section of a force sensor film 10 with a force sensor 20 according to the 1 and 2 in the plan view. The top layer 12 forms a bulge 15, which has the shape of a truncated pyramid with square base. Within the bulge 15 there is a cavity 14, not shown.

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.In each case one sensor element 21.1 to 21.4 extends over one of the four lower edges 17.1 to 17.4 between the bulge 15 and the non-arched area 16 , Each sensor element 21.1 to 21.4 is contacted in each case via two of the conductor elements 13.1 to 13.8. The conductor elements 13.1 to 13.8 are only for better understanding in 5 However, they are located between the invisible substrate layer 11 (see. 1 and 2 ) and the top layer 12 and are therefore visible only because of the transparent cover layer.

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.The sensor elements 21.1 to 21.4 and the conductor elements 13.1 to 13.8 are contacted via recesses 46.1 to 46.8 in the cover layer, whose inner walls have an electrically conductive coating. Here, for example, sensor element 21.1 on the two recesses 46 , 1 and 46.2 with the conductor elements 13.1. and 13.2 contacted.

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.The sensor elements 21.1 to 21.4 are designed as meander-shaped strain sensors. When loading the bulge 15 with a force depending on the direction of action and the amount of force of one, several or all four strain sensors an elongation. The resulting changes in the electrical resistance of the strain sensors 21.1 to 21.4 are detected by an evaluation unit 31. The evaluation of the detected signals is analogous to that 2 described method.

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.In the present case, the use of four sensor elements is advantageous, so that a sensor element is arranged on each lower edge 17.1 to 17.4. As a result, more precise conclusions can be drawn on the direction of action of an attacking force, as would be the case, for example, in a total of only two sensor elements.

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. 6 shows a section of a force sensor film 10 with a force sensor 20 according to the 3 and 4 in the plan view. The top layer 12 forms a bulge 15, which four flanks 18.1. to 18.4 and also has areas with eroded material 19.

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.In each case one sensor element 21.1 to 21.4 extends over one of the four lower edges 17.1 to 17.4 on the flanks 18.1. until 18.4 and the vaulted area 16 , Each sensor element 21.1 to 21.4 is contacted in each case via two of the conductor elements 13.1 to 13.8. The conductor elements 13.1 to 13.8 are only for better understanding in 6 However, they are located between the invisible substrate layer 11 (see. 3 and 4 ) and the top layer 12 and are therefore visible only because of the transparent cover layer.

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.The sensor elements 21.1 to 21.4 and the conductor elements 13.1 to 13.8 are contacted via recesses 46.1 to 46.8 in the cover layer, whose inner walls have an electrically conductive coating. Here, for example, sensor element 21.1 on the two recesses 46 , 1 and 46.2 with the conductor elements 13.1. and 13.2 contacted.

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.The sensor elements 21.1 to 21.4 are designed as meander-shaped strain sensors. When loading the bulge 15 Depending on the direction of action and the amount of force, several or all four strain sensors undergo an expansion with one force. The resulting changes in the electrical resistance of the strain sensors 21.1 to 21.4 are detected by an evaluation unit 31. The evaluation of the detected signals is analogous to that 2 described method.

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.In the present case, the use of four sensor elements is advantageous, so that at each lower edge 17.1 to 17.4 of the flanks 18.1. to 18.4, a sensor element is arranged. As a result, more precise conclusions can be drawn on the direction of action of an attacking force, as would be the case, for example, in a total of only two sensor elements.

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. 7 shows the section of a force sensor film 10 with four force sensors 20.1 to 20.4. Each of the force sensors 20.1 to 20.4 corresponds to the in 5 shown force sensor 20, with the exception that the contact does not occur through the recesses 46.1 to 46.8. At the force sensor film 10 according to 7 are the conductor elements 13.1 to 13.32 on the top surface 12 arranged so that the contacting of the sensor elements 21.1 to 21.16 takes place directly. Again, the sensor elements via the conductor elements with an evaluation unit 31 electrically connected.

In 8 ist eine Masterform 41 mit mehreren Ausbuchtungen dargestellt. Das Herstellungsverfahren wird exemplarisch an nur einer Einbuchtung 42 der Masterform 41 beschrieben.In 8th is a master form 41 shown with several bulges. The Manufacturing process is exemplified at only one indentation 42 the master form 41 described.

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.First, a spin coating of the master mold 41 with a polymer-containing solution, in the present case a polyimide-containing solution. At the master form 41 it is an anisotropically etched silicon wafer. The product of the spin coating is a coversheet 40 which remains on the master mold for the next process step. The shape of the indentation gives the shape of the bulge 15 the later cover layer 12 before, in this case a truncated pyramid.

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.In a next step, recesses for the plated-through hole are introduced into the cover film 40. In the present case, eight recesses are introduced for subsequent contacting of four sensor elements. Shown here are only the recesses 46.1 and 46.2 with their inner walls 47.1 and 47.2. The introduction of the recesses 46.1 and 46.2 in the cover sheet 40 takes place here by means of a laser L , In the present case, the later cavity 14 filled with air as fluid A. If a liquid as a fluid A the later cavity 14 fill, so the liquid is in this process step in the lined with the cover sheet indentation 42 of the master mold 41 filled.

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.In a further method step, a substrate film is produced 43 with the cover foil 40 connected. The substrate film has a plurality of conductor elements, of which only the conductor elements 13.1 and 13.2 are shown. An adhesive layer, in the present case a polyimide film, is applied to the substrate film. This is thermally softened, for example, and then pressed the substrate film on the cover sheet, so that a cohesive connection is formed. After pressing forms the cover sheet 40 a cover layer 12 and the substrate film is a substrate layer 11 between which a cavity 14 is trained. This is located within the truncated pyramidal bulge 15 ,

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.The substrate film 43 and the cover sheet 40 are arranged in such a way to each other prior to pressing that the later applied, but already known in their position sensor elements will cover the recesses at least partially. This applies to the illustrated conductor elements 13.1 and 13.2 or the illustrated recesses 46.1 and 46.2 as well as for the other not shown recesses and conductor elements.

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.In a further process step, the resulting film of the master mold 41 separated by lifting and the top layer 12 full surface with a sensor layer 45 from a piezoresistive material, in this case a nickel-chromium compound, coated. Here, the inner walls are 47.1 and 47.2 of the recesses 46.1 and 46.2 coated. This also applies to the not shown recesses and their inner walls.

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.In a last method step, sensor elements are formed by removing a portion of the sensor layer. This is exemplified by the sensor element 21 shown. For this purpose, a region of the sensor layer by means of a laser L removed, so that the sensor element 21 is formed. In the present case, therefore, an isolation region between the sensor element 21 and on the top layer 12 remaining piezoresistive material created by the contour cutting method. The location of the sensor elements such as the sensor element 21 is fundamentally predetermined by the recesses and the position of the bulges. In the present sensor element 21 it is a meander-shaped strain sensor.

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. 9 shows a force sensor film 10 with inserted slots 51.1 to 51.4 and a variety of identical force sensors 20 .i. These are electrically conductively contacted by means of a plurality of conductor elements 13.i and provided with an evaluation unit 31 electrically connected.

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.At the highlighted with a circle course of the conductor elements 13 .i it can be seen that the position of the slots 51.1 to 51.4 was already known prior to the production of the force sensor film 10. This was based on the contour of a three-dimensional body 50 on which the force sensor foil 10 should be arranged, calculated.

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.In 10 is the force sensor foil 10 out 9 schematically and in one, to the three-dimensional body 50 applied state, shown. In the body 50 it is a medical instrument. It can be seen that the attachment of the force sensor foil 10 to the rounded contour in the front region of the instrument through which slots 51.1 to 51.4 is made possible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: KraftsensorfolieForce sensor film
1111: Substratlagesubstrate layer
1212: Decklagetopsheet
1313: Leiterelementconductor element
1414: Hohlraumcavity
1515: Auswölbungbulge
1616: Ungewölbter BereichVaulted area
1717: Unterkantelower edge
1818: Flanke19 Bereich mit abgetragenem MaterialFlank19 area with removed material
2020: Kraftsensorforce sensor
2121: Sensorelementsensor element
3030: KraftsensoreinrichtungForce sensing means
3131: Auswerteeinheitevaluation
4040: Deckfoliecover sheet
4141: MasterformMasterform
4242: Einbuchtungindentation
4343: Substratfoliesubstrate film
4444: Leiterschichtconductor layer
4545: Sensorschichtsensor layer
4646: Ausnehmungrecess
4747: Innenwandunginner wall
4848: Klebeschichtadhesive layer
4949: Ausnehmung zum StoffaustauschRecess for mass transfer
5050: Dreidimensionaler KörperThree-dimensional body
5151: Schlitzslot
AA: Fluidfluid
FF: Scherkraftshear
LL: Laserlaser

Claims

Kraftsensorfolie (10) mit (a) einer Substratlage (11) aus Kunststofffolie, (b) einer mit der Substratlage (11) verbundenen Decklage (12) aus Kunststofffolie, (c) zumindest einem Kraftsensor (20) mit zumindest einem Sensorelement (21), wobei das zumindest eine Sensorelement (21) aus einem piezoresistiven Material besteht, und (d) zumindest einem Leiterelement (13), mit dem das zumindest eine Sensorelement (21) elektrisch leitend kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass (e) die Decklage (12) im Bereich des zumindest einen Kraftsensors (20) eine Auswölbung (15) ausbildet, (f) die Decklage einen ungewölbten Bereich (16) aufweist, der an die Auswölbung (15) angrenzt, und (g) das zumindest eine Sensorelement (21) derart auf der Decklage (12) angeordnet ist, dass es sich zum Teil auf der Auswölbung (15) und zum Teil auf dem angrenzenden ungewölbten Bereich (16) erstreckt.Force sensor film (10) having (a) a substrate layer (11) made of plastic film, (b) a cover layer (12) made of plastic film connected to the substrate layer (11), (c) at least one force sensor (20) having at least one sensor element (21) wherein the at least one sensor element (21) consists of a piezoresistive material, and (d) at least one conductor element (13) with which the at least one sensor element (21) is electrically conductively contacted, characterized in that (e) the cover layer ( 12) in the region of the at least one force sensor (20) forms a bulge (15), (f) the cover layer has a non-curved area (16) which adjoins the bulge (15), and (g) the at least one sensor element (21 ) is arranged on the cover layer (12) such that it extends partly on the bulge (15) and partly on the adjacent non-arched area (16).

Kraftsensorfolie (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des zumindest einen Kraftsensors (20) ein Hohlraum (14) zwischen der Substratlage (11) und der Decklage (12) ausgebildet ist, der sich zumindest zum Teil innerhalb der Auswölbung befindet und mit einem Fluid (A) gefüllt ist.Force sensor film (10) after Claim 1 , characterized in that in the region of the at least one force sensor (20) a cavity (14) between the substrate layer (11) and the cover layer (12) is formed, which is located at least partially within the bulge and with a fluid (A) is filled.

Kraftsensorfolie (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Sensorelement (21) auf der der Substratlage (11) zugewandten Seite der Decklage (12) angeordnet ist.Force sensor film (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor element (21) on the substrate layer (11) facing side of the cover layer (12) is arranged.

Kraftsensorfolie (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswölbung (15) am Übergang zu dem angrenzenden ungewölbten Bereich zumindest drei Unterkanten (17) aufweist, wobei die Unterkanten (17) entlang eines n-Ecks verlaufen.Force sensor film (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the bulge (15) at the transition to the adjacent non-arched area at least three lower edges (17), wherein the lower edges (17) extend along an n-corner.

Kraftsensorfolie (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kraftsensor (20) zumindest zwei Sensorelemente (21) aufweist, wobei sich über zumindest zwei der Unterkanten (17) jeweils zumindest ein Sensorelement (21) erstreckt.Force sensor film (10) after Claim 4 , characterized in that the at least one force sensor (20) has at least two sensor elements (21), wherein in each case at least one sensor element (21) extends over at least two of the lower edges (17).

Kraftsensorfolie (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Kraftsensorfolie (10) zumindest vier Kraftsensoren (20) aufweist und (b) das zumindest eine Leiterelement (13) durch (a1) zumindest zwei erste Leitungen und (a2) 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.Force sensor film (10) according to one of the preceding claims, characterized in that (a) the force sensor film (10) has at least four force sensors (20) and (b) the at least one conductor element (13) by (a1) at least two first lines and ( a2) at least two second lines is formed, wherein each sensor element (21) via a respective first line and a second line is electrically conductively contacted and the first lines and the second lines are each contacted with a plurality of sensor elements, wherein each combination of a first line and a second line, exactly one sensor element is contacted.

Kraftsensoreinrichtung (30) bestehend aus (a) einer Kraftsensorfolie (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche und (b) einer Auswerteeinheit (31), die elektrisch mit dem zumindest einen Sensorelement (21) verbunden ist und eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Erfassen eines Signals von zumindest einem Sensorelement (21) eines Kraftsensors (20) bei Ausübung einer Scherkraft (F) auf die Kraftsensorfolie (10) im Bereich des Kraftsensors (20), (ii) Ermitteln der Wirkungsrichtung der wirkenden Scherkraft (F) anhand des erfassten Signals.Force sensor device (30) consisting of (A) a force sensor film (10) according to any one of the preceding claims and (B) an evaluation unit (31) which is electrically connected to the at least one sensor element (21) and is adapted for automatically performing a method comprising the steps: (i) detecting a signal from at least one sensor element (21) of a force sensor (20) when a shearing force (F) is exerted on the force sensor foil (10) in the region of the force sensor (20), (ii) determining the direction of action of the acting shear force (F) on the basis of the detected signal.

Verfahren zur Herstellung einer Kraftsensorfolie (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit den Schritten: (a) Herstellen einer Deckfolie (40) durch Rotationsbeschichtung einer Masterform (41) mit zumindest einer Einbuchtung (42), unter Verwendung einer polymerhaltigen oder prepolymerhaltigen Lösung, (b) Aufbringen zumindest eines elektrisch leitfähigen Leiterelements (13) auf eine Substratfolie (43) und/oder die Deckfolie (40), (c) Verbinden der Deckfolie (40) mit der Substratfolie (43), sodass die Deckfolie (40) eine Decklage (12) bildet und die Substratfolie (43) eine Substratlage (11) bildet, (d) Aufbringen zumindest eines Sensorelements (21) auf die Decklage (12), (e) Kontaktieren des zumindest einen Sensorelements (21) mit zumindest einem Leiterelement (13), sodass beide elektrisch leitend miteinander verbunden sind.A method of making a force sensor sheet (10) according to any one of the preceding claims, comprising the steps of: (a) forming a cover sheet (40) by spin-coating a master mold (41) with at least one indentation (42) using a polymer-containing or prepolymer-containing solution, (b) applying at least one electrically conductive conductor element (13) to a substrate film (43) and / or the cover film (40), (c) bonding the cover film (40) to the substrate film (43) so that the cover film (40) has a Cover layer (12) and the substrate film (43) forms a substrate layer (11), (d) applying at least one sensor element (21) on the cover layer (12), (e) contacting the at least one sensor element (21) with at least one conductor element (13), so that both are electrically connected to each other.

Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des zumindest einen Sensorelements (21) in Schritt (d) die folgenden Schritte aufweist: (i) Aufbringen einer Sensorschicht (45) aus einem piezoresistiven Material auf die Decklage (12), (ii) Abtragen eines Teils der Sensorschicht (45), sodass das verbleibende piezoresistive Material das zumindest eine Sensorelement (21) bildet.Method according to Claim 8 , characterized in that the application of the at least one sensor element (21) in step (d) comprises the following steps: (i) applying a sensor layer (45) of a piezoresistive material to the cover layer (12), (ii) ablating a part the sensor layer (45), so that the remaining piezoresistive material forms the at least one sensor element (21).

Verfahren zur Anpassung einer Kraftsensorfolie (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche an eine Kontur eines dreidimensionalen Körpers (50), mit den Schritten: (a) Einbringen von Schlitzen (51) in die Kraftsensorfolie (10), (b) Drapieren der Kraftsensorfolie (10) durch Anlegen an den dreidimensionalen Körper (50), wobei Position und Größe der Schlitze (51) anhand der Kontur des dreidimensionalen Körpers (50) derart berechnet werden, dass die Anlage der Kraftsensorfolie (10) an den dreidimensionalen Körper (50) passgenau erfolgt.Method for adapting a force sensor film (10) according to one of the preceding claims to a contour of a three-dimensional body (50), comprising the steps: (a) introducing slots (51) into the force sensor film (10), (B) draping the force sensor film (10) by applying to the three-dimensional body (50), wherein the position and size of the slots (51) based on the contour of the three-dimensional body (50) are calculated such that the system of the force sensor film (10) the three-dimensional body (50) fits perfectly.