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Drucksensor, welcher eine Bodenschicht und eine flexible Deckschicht aufweist, wobei die Bodenschicht erste Leiterbahnen, diese Leiterbahnen zumindest bereichsweise bedeckende Dielektrikumflächen und darüber zweite Leiterbahnen aufweist.
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Ein derartiger Drucksensor ist beispielsweise aus dem US-Patent
US 10,359,326 B2 bekannt. Derartige Drucksensoren bestehen aus mehreren Schichten. Die untere Schicht wird als Bodenschicht bezeichnet, darüber folgt eine je nach Aufbau variierte Reihenfolge von leitfähigen Schichten, Widerstandsschichten und nichtleitenden Schichten. Als leitfähige Schichten werden beispielsweise silberbasierte Tinten eingesetzt und als Widerstandsschichten können beispielsweise kohlenstoffbasierte Tinten verwendet werden.
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Ein Force-Sensing-Resistor (FSR) ist ein in den USA eingetragener Markenname eines Messelements von der Firma Interlink Electronics, das unter Einwirkung von Kraft beziehungsweise Druck elektrischen Widerstand ändert. Ein FSR besteht aus einem Sandwich zweier Kunststofffolien. Die eine ist auf der Innenseite mit einer FSR-Tinte, einer grafithaltigen Paste, beschichtet, die andere mit zwei kammförmig ineinander verschachtelten elektrisch leitenden Kontaktgittern. Diese sind jedoch elektrisch voneinander isoliert und haben externe Anschlüsse. Die beiden Folien werden mittels einer doppelseitigen Klebeschicht miteinander verbunden. Diese Klebeschicht sorgt zusätzlich dafür, dass die beschichteten aktiven Bereiche der Folien sich im unbelasteten Zustand praktisch nicht berühren. Erst unter Einwirkung von Druck oder Kraft auf das Sandwich werden die Kontaktgitter über die FSR-Tinte miteinander elektrisch verbunden und man kann den elektrischen Widerstand des Gebildes an den externen Anschlüssen messen. Im Ruhezustand liegt dieser Widerstand bei einigen Megaohm, mit steigender Krafteinwirkung fällt der Widerstand ab, weil die aktiven Bereiche des FSR-Sensors immer inniger Kontakt bekommen. Das geht bis zur Sättigungsgrenze, die bei ca. 1 kΩ und einem Druck von 100 N/cm2 liegt. Derartige FSR-Messelemente werden im Automobilbereich, in Peripheriegeräten von Rechnern, medizinischen Applikationen und in Touchpads beispielsweise zur Erfassung von elektrischen Unterschriften verwendet.
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Die auf der FSR-Tinte basierenden Drucksensoren werden meist in einem „shunt-mode“ oder einem „through-mode“ gefertigt. Der through-mode benötigt dabei elektrisch leitfähige Bahnen auf beiden Substraten, die zueinander ausgerichtet angeordnet sind. Der shunt-mode benötigt keine Leiterbahnen auf der Oberseite. Die Messcharakteristiken der beiden Modi sind verschieden, da die Widerstandsänderung hauptsächlich auf einer Änderung der Kontaktoberfläche beruht. Eine Änderung des Widerstands im FSR-Material ist nur sehr gering ausgeprägt und kann je nach Konzentration der leitfähigen Partikel mit einem positiven oder negativen Vorzeichen auftreten. Der Kontaktwiderstand zwischen FSR-Materialien oder einem FSR-Material und einem Leiter sinkt immer mit zunehmendem Druck.
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Der Kontaktwiderstand beim shunt-mode (FSR-Leiterkontaktwiderstand) ist im Vergleich zum through-mode sehr klein, da die Widerstandstinte direkt auf die Leiterbahnen (Silber, Kupfer etc.) trifft. Die Widerstandsänderung nach einer Aktivierung ist kleiner als beim through-mode.
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Bei sehr starker Belastung kann der through-mode einen sehr kleinen Widerstand bis zum quasi Kurzschluss aufweisen, während der shunt-mode in der Regel einen gleichbleibenden Widerstand (FSR-Bulk) durch die Schicht auf der Oberseite aufweist.
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Im praktischen Einsatz wird entweder der shunt-mode oder der through-mode angewendet, je nachdem, welche Anforderungen bestehen.
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Der Erfindung liegt der Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Drucksensor so weiter zu entwickeln, dass er Vorteile des shunt-modes mit Vorteilen des throughmodes kombiniert.
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Diese Aufgabe wird mit einem Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor sind die zweiten Leiterbahnen und die ersten Leiterbahnen zumindest bereichsweise mit einem unteren Widerstandbereich bedeckt und die Deckschicht weist obere Widerstandsbereiche auf, die bei aufgelegter Deckschicht die unteren Widerstandsbereiche verbinden.
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Durch die Kombination von einem FSR-Material auf der Unterseite mit einem FSR-Material auf der Oberseite kann die Änderung des Oberflächenwiderstands je nach Anforderung individuell eingestellt werden. Dies ermöglicht es, den entsprechenden Kraftbereich voll auszuschöpfen, als auch einen in der Topsschicht verbleibenden Widerstand zu erhalten.
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Der erfindungsgemäße Drucksensor benötigt zwei Kontakte, wodurch das exakte Messen von Gewichten erschwert wird. Dieser Nachteil kann jedoch durch die Verwendung von dickeren Deckschichten oder teilweise starren Strukturen abgeschwächt werden. Für die Praxis wird vorgeschlagen, dass die Dicke der Folie größer ist als der Abstand, der Driver-readout-Leiterbahnen.
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Durch das Verlagern aller toleranzkritischen Fertigungsschritte auf die untere Substratseite vermindern sich die Anforderungen an die Fertigung der Oberseite. Dadurch können im Bereich der Deckschicht unterschiedliche Materialien und sehr feine Strukturen verwendet werden. Dadurch ermöglichen sich neue Freiheitsgrade im Bereich des Layouts und Schichtaufbaus.
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Für die through-mode-Sensoren werden meistens Leiterbahnen gekreuzt, indem leitfähiges Material auf Deck- und Bodenschicht aufgetragen wird. An diesen Kreuzungspunkten wird dann FSR-Material auf beiden Seiten aufgebracht. Deckschicht und Bodenschicht müssen kontaktiert werden und daher auch genau aufeinander ausgerichtet sein. Die verschiedenen Prozessschritte müssen für beide Schichten durchlaufen werden. Wegen des mehrmaligen Auftragens und wegen des Schrumpfens der Substrate während des Härtens im Ofen oder durch UV-Strahlung müssen größere Toleranzen vorgesehen werden oder es wird mit einem höheren Ausschuss der Produktion gerechnet. Außerdem sind nur bestimmte Substrate für die Decksschicht verwendbar, da sowohl die gut leitfähige Tinte als auch eine FSR-Tinte gute Eigenschaften auf diesem Substrat zeigen müssen. Insbesondere flexible Substrate stellen daher eine Herausforderung für niederohmige Leiterbahnen dar.
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Bei den shunt-mode-Sensoren werden häufig kammförmige, sogenannte „interdigited“ oder „combed“, Designs verwendet. Diese Designs erlauben es zwar die Leiterbahnen nur auf eine Substratseite aufzubringen. Um die Verzweigungen zu platzieren, müssen jedoch größere Lücken in Kauf genommen werden.
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Der erfindungsgemäße Drucksensor erlaubt ein Layout mit auf der Bodenschicht sich kreuzenden Leiterbahnen und parallelen FSR-Materialbahnen. Die Verbindung zwischen den Leiterbahnen wird durch orthogonal angeordnete FSR-Bahnen auf der Deckschicht erreicht. Dadurch sind die Ausrichtung und die Größe der FSR-Bahnen nicht kritisch. Dies vereinfacht die Fertigung der Deckschicht und das spätere Fügen der Schichten. Es können unterschiedliche Deckmaterialien verwendet werden, da das Schrumpfen keine Auswirkungen auf die Funktion des Drucksensors hat und nur noch die Widerstandstinte auf das Substrat gedruckt werden muss. Andererseits erlauben die verringerten Anforderungen auch eine erhöhte Auflösung im Layout und bei gegebenen Parametern weniger Ausschuss.
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Die Leiterbahnen können aufgedampft, gesintert oder elektroplattiert sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn erste und/oder zweite Leiterbahnen gedruckt sind.
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Kumulativ oder alternativ können erste und/oder zweite Leiterbahnen zumindest teilweise auch durch eine geätzte, gefräste oder gestanzte Platine realisiert sein.
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Vorteilhaft ist es, wenn eine Leiterbahn auf der Bodenschicht ein längliches Pad aufweist, das parallel zu einer anderen Leiterbahn verläuft.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn die Widerstandsbereiche das Pad vollständig bedecken.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Deckschicht und die Bodenschicht aus unterschiedlichen Substraten und/oder Schichtaufbauten bestehen.
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Dabei ist besonders vorteilhaft, wenn die Deckschicht ein Laminat aus einer dünnen härteren Schicht und einer weichen dickeren Schicht aufweist.
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Als Widerstandsbereich auf der Deckschicht können einzelne Bereiche oder nur ein einzelner Bereich verwendet werden. Ein einzelner Bereich, der die gesamte Fläche bedeckt, hätte zur Folge, dass einerseits keine Schablone benötigt wird, aber andererseits mehr Farbe benötigt wird. Als vorteilhafte Ausführungsvariante wird daher vorgeschlagen, dass die Bodenschicht orthogonal zueinander angeordnete erste Leiterbahnen aufweist und die Widerstandsbereiche auf der Deckschicht orthogonal zu den Widerstandsbereichen auf der Bodenschicht angeordnet sind.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die unteren Widerstandstintenbereiche als parallel zu den zweiten Leiterbahnen angeordneten Kontaktelektroden ausgebildet sind.
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Die Widerstandstinte kann die ersten und die zweiten Leiterbahnen vollständig bedecken.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Deckschicht eine Schichtbreite aufweist, die größer ist als der Abstand zwischen den Leiterbahnen. Die Schichtbreite ist in der Praxis auch größer als der Abstand zwischen den Pads.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Decksschicht eine Shore Härte < 75A aufweist. Dabei kann die Deckschicht auch ein Laminat aufweisen und dann kann das gesamte Laminat oder eine Schicht des Laminats diese Härte aufweisen. Außerdem sollte die Deckschicht flexibel und dick genug sein, um ein Einsinken von Objekten zu erlauben, wenn mit den Drucksensoren geprüft werden soll, ob auf ihm Objekte stehen. Daher wird vorgeschlagen, dass die Deckschicht eine Dicke von mehr als 0,5 mm aufweist.
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Die Bodenschicht kann flexibel oder starr sein. Vorteilhaft ist es, wenn sie weniger flexibel ist als die Deckschicht.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Deckschicht bereichsweise eine Versteifung aufweist. Die Deckschicht ist daher nicht durchgehend gleich flexibel, sondern sie hat eine Versteifung, die durch eine bereichsweise veränderte Dicke oder eine bereichsweise veränderte Stabilität des Materials entsteht.
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Dieses Ziel kann auch dadurch erreicht werden, dass die Deckschicht bereichsweise eine reduzierte Schichtdicke aufweist.
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Je nach Ausführungsbeispiel kann es vorteilhaft sein, dass der Widerstandsbereich mehrere übereinander gelegte Widerstandsschichten aufweist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Widerstandsbereich Widerstandstinte aufweist.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbespiel insbesondere auch im Vergleich zum vorbekannten Stand der Technik ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt
- 1 schematisch den erfindungsgemäßen Aufbau in der Draufsicht und als Schnitt mit einem entsprechenden Schaltbild,
- 2 schematisch einen bekannten Aufbau im through-mode in der Draufsicht und als Schnitt längs der Linie A mit Schaltbild,
- 3 schematisch einen bekannten Aufbau im shunt-mode längs der Linie B mit Schaltbild,
- 4 schematisch eine erste Schicht eines Drucksensors,
- 5 schematisch die erste Schicht mit zusätzlichen Leiterbahnen als Driver,
- 6 den in 5 gezeigten Schichtaufbau mit zusätzlich einer FSR Schicht,
- 7 den in 6 gezeigten Schichtaufbau mit zusätzlich einer Deckschicht,
- 8 den in 7 gezeigten Schichtaufbau leicht vergrößert in idealer Anordnung der Leiterbahnen,
- 9 den in 8 gezeigten Schichtaufbau nach einem Materialschwund und
- 10 den in 8 gezeigten Schichtaufbau nach einer kleinen Rotation beim Fügen der Sensoren.
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Bei dem in den 1 bis 3 gezeigten Schichtaufbau sind die einzelnen Elemente nicht maßstabsgetreu dargestellt. Die Höhe ist deutlich geringer als die Breite, da in der Praxis die Strukturen etwa 30 µm hoch und etwa 3 mm breit sind.
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Bei dem in 1 gezeigten Schichtaufbau 1 liegen zwischen einer Bodenschicht 2, die auch als Grundschicht bezeichnet werden kann, und eine Deckschicht 3 erste readout-Leiterbahnen 4 und zweite Driver-Leiterbahnen 5. Die ersten Leiterbahnen 4 und die zweiten Leiterbahnen 5 sind jeweils mit der Dielektrikumsfläche 6 bedeckt. Dadurch entstehen untere Widerstandsbereiche 8, 9. Die Deckschicht 3 hat einen oberen Widerstandsbereich 10, der bei aufgelegter Deckschicht die unteren Widerstandsbereiche 8, 9 verbindet.
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Die 4 bis 7 zeigen in 4 erste Leiterbahnen 4, Dielektrikumsbereiche 6 und Pads 7 der ersten Leiterbahnen. In 5 sind zusätzlich zweite Leiterbahnen 5 gezeigt und in 6 sind zusätzlich untere Widerstandsbereiche 8 über den Pads der ersten Leiterbahnen 4 und untere Widerstandsbereiche 9 über den zweiten Leiterbahnen 5 gezeigt. Die 7 zeigt dann zusätzlich obere Widerstandsbereiche 10.
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In den 8 bis 10 ist gezeigt, dass ein geringes Schrumpfen und auch eine geringe Verdrehung beim Aufbringen der Schichten die Funktion des Drucksensors noch nicht unbedingt beeinträchtigen muss.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drucksensor
- 2
- Bodenschicht
- 3
- Deckschicht
- 4
- erste Leiterbahnen
- 5
- zweite Leiterbahnen
- 6
- Dielektrikums Bereiche / Isolatoren
- 7
- Pads der ersten Leiterbahnen
- 8
- Untere Widerstandsbereiche über den Pads der ersten Leiterbahn
- 9
- Untere Widerstandsbereiche über den zweiten Leiterbahnen
- 10
- Obere Widerstandsbereiche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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