WO2020089211A1 - Sensorvorrichtung - Google Patents

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WO2020089211A1
WO2020089211A1 PCT/EP2019/079500 EP2019079500W WO2020089211A1 WO 2020089211 A1 WO2020089211 A1 WO 2020089211A1 EP 2019079500 W EP2019079500 W EP 2019079500W WO 2020089211 A1 WO2020089211 A1 WO 2020089211A1
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WO
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sensor
substrate
piezoelectric
layer
capacitive
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PCT/EP2019/079500
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Stephan Johann MÜHLBACHER-KARRER
Hubert Zangl
Herbert Gold
Georg Jakopic
Andreas TSCHEPP
Original Assignee
Joanneum Research Forschungsgesellschaft Mbh
Alpen-Adria-Universität Klagenfurt
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a sensor device.
  • robot arms are equipped with sensors for perception of the environment.
  • Pressure or tactile methods conventionally used in the sensors are based on mechanical or pneumatic switches, carbon fibers, conductive silicone rubber, conductive elastomers, piezo diodes or strain gauges.
  • Technologies that have been increasingly developed and used in recent years are capacitive or resistive touch, surface acoustics wave touch, infrared touch and projective capacitive touch.
  • the operation of collaborative robots at high speed using these technologies is only possible to a limited extent. Reliable approaching, gripping and manipulation of objects with the help of contactless and touch sensors is also not satisfactorily possible.
  • the object is therefore to provide an improved sensor for perception of the environment and / or for reliable gripping and manipulation of objects by a robot arm.
  • a sensor device comprising at least a first substrate; a capacitive sensor for detecting an approach of an object; a piezoelectric sensor for detecting a pressure or a change in pressure; wherein the capacitive sensor is arranged on a first side of the first substrate and the piezoelectric sensor is arranged on a second side of the first substrate, the second side being opposite the first side; or wherein the capacitive sensor and the piezoelectric sensor are arranged on the same side of the substrate.
  • the arrangement of a piezoelectric sensor (P sensor) and a capacitive sensor (C sensor) either on the same side or on opposite sides of the same substrate combines the advantages of the two sensors and creates an integrated sensor device.
  • P sensor piezoelectric sensor
  • C sensor capacitive sensor
  • the C sensor, the P sensor and the substrate can be designed as foils and can be flexible. In this way, for example, robot grippers can be equipped with the sensor over a large area, the sensor being adaptable to rounded carrier documents.
  • the C sensor detects movements, in particular the approach of objects in an area before touching, by a change in the capacitance between two electrodes (differential measurement mode) or between an electrode and GND (single-ended measurement mode), or by the Combinations of the capacities between several electrodes and / or GND and spatial reconstruction of the material distribution (electrical capacitance tomography ECT).
  • the P-Sensor detects forces by generating a surface charge (polarization) proportional to the pressure.
  • the integrated sensor detects, e.g. on a robot, the approach by the C-sensor and the force of the touch using the P-sensor, thus improving the gripping of objects qualitatively.
  • the approach information can be used, for example, to selectively align a robot arm in a better gripping position.
  • the force measurement by means of the P sensor is used to reliably grip an object (i.e. a robot grips an object with sufficient force not to drop it and at the same time not too firmly to avoid damaging it).
  • the C sensor is always oriented towards the object to be gripped.
  • the P sensor is covered by the C sensor.
  • C-sensor and P-sensor on one substrate, i.e. on a single film, increases the flexibility of the integrated sensor device.
  • piezoelectric force measurement compared to other methods such as capacitive force measurement is that no elastic materials are required for the sensor structure.
  • Such elastic materials for example “foamed plastics” show poor dynamic behavior, hysteresis effects and aging effects (non-reversible deformations, hardening) and therefore have a short lifespan
  • Proximity sensors eg "touch screens” are on the other hand not able to determine the acting force, but determine the surface touched. In addition, they cannot be used for many materials (e.g. insulating plastics). Purely piezoelectric sensors, however, cannot register any approach processes. The combination of both sensor principles is able to quantify both approach and touch.
  • the sensor device comprises a second substrate, the capacitive sensor being arranged on the first substrate and the piezoelectric sensor being arranged on the second substrate and the second substrate being laminated to the first substrate.
  • the P sensor and C sensor are thus arranged on different substrates (backplane / front plane concept). This reduces the risk with regard to the yield, because initially two components can be manufactured and evaluated independently of one another. This allows the selection of high-performance C-sensors and P-sensors in the manufacturing process and reduces rejects in the end product.
  • the first substrate is connected to the second substrate by lamination.
  • the lamination connects the C-sensor and P-sensor to one another in a simple and inexpensive way to form the integrated sensor.
  • a base area of the capacitive sensor essentially corresponds to a base area of the piezoelectric sensor, and / or the capacitive sensor and the piezoelectric sensor form a sensor stack.
  • the sensors are either on the same first substrate, or on the first or the second
  • the substrate is arranged one above the other and forms a sensor stack that comprises several layers. Because the base areas of the C sensor and the P sensor match, a force can also be detected in each proximity area (the area at which a detected object comes into contact with the sensor device after the proximity). In other words, none of the sensors has a "blind spot" with respect to the other sensor.
  • a double-sided adhesive film of approx. 30 pm thickness which is used in the medical field, can be used, which can be applied bubble-free by suitable carrier films and a noticeable but not too large plasticity and does not significantly influence the mechanical properties of the integrated sensor device.
  • the lamination can be carried out with a C-sensor attached to a stiffer auxiliary film, which is completely covered by the double-sided adhesive film. The P sensor can then be unrolled and precisely aligned.
  • the sensor device comprises a shield between the capacitive sensor and the piezoelectric sensor.
  • the C-sensor is shielded from the P-sensor by the shielding. Shielding the C sensor from the P sensor requires a shield electrode between a bottom electrode of the C sensor and a bottom electrode layer of the P sensor.
  • the buffer layer is therefore designed as a shielding electrode and is electrically connected to ground.
  • the shielding is arranged on a side of the first substrate facing away from the capacitive sensor. In this arrangement, the screen can be screen printed directly onto the back of the first substrate.
  • the shielding is not part of the P sensor, but can be integrated into the back of the first substrate by printing silver paste, for example (this has a high surface conductivity). This simplifies production overall.
  • the capacitive sensor comprises an electrode layer and a bottom electrode, the electrode layer and the bottom electrode being insulated from one another by the first substrate or by a first dielectric insulation layer.
  • the first substrate takes over the function of the first dielectric insulation layer between the electrode layer and the bottom electrode of the C sensor. The first dielectric insulation layer can thereby be saved.
  • the electrode layer must be insulated from the bottom electrode by the first dielectric insulation layer in order to ensure the function of the C sensor.
  • the piezoelectric sensor comprises a bottom electrode layer, which is preferably formed from PEDOT: PSS, a ferroelectric co-polymer layer (5b) and a top
  • Electrode layer The P sensor can be screen printed are produced, a layer stack being produced by repeated printing processes.
  • the layer stack that forms the P sensor comprises the bottom electrode layer. This can be formed from approximately 1 pm thick PEDOT: PSS and is deposited on the first or the second substrate. Then, for example, an approx. 5 pm thick, pressure-sensitive ferroelectric co-polymer layer made of PVDF: TrFE (70:30) and another 1 pm thick top electrode layer made of PEDOT: PSS are formed in the form of a segmented 4x2 array. After printing, the ferroelectric crystallites (PVDF) in the co-polymer (PVDFrTrFE) have no preferred direction. The poling process aligns them in fields of approx.
  • the polarization process also allows conclusions to be drawn about function and sensitivity, and therefore provides data on the yield and the spread of sensitivity.
  • the poling process therefore acts as a process control in the manufacture of the P sensors.
  • the 4x2 array is designed to recognize the contact point when gripping.
  • the 4x2 array provides an 8 pixel resolution of the contact point.
  • the segmentation (both number and form) can be changed for the respective application. The same applies to the shape of the capacitive sensor electrodes.
  • the sensor device comprises a lacquer layer for protecting a surface of the sensor device, the lacquer layer being formed on the electrode layer of the capacitive sensor.
  • the lacquer layer protects the sensor device from the effects of touching when gripping and / or handling objects.
  • the Sensor device a second dielectric insulation layer between the shield and the piezoelectric sensor.
  • the second dielectric insulation layer insulates the bottom electrode layer of the P sensor from the shield, which is a conductive layer and is at ambient potential.
  • the second PET substrate takes over the function of the second dielectric insulation layer.
  • a method for producing an integrated piezoelectric and capacitive sensor comprising providing a first substrate, arranging, a capacitive sensor on a first side of the first substrate, arranging, a piezoelectric sensor, on a second side of the first substrate, the first side of the substrate being opposite the second side.
  • the method offers an industrially scalable approach for producing large-area sensors according to the invention in the form of foils.
  • the method comprises providing a second substrate.
  • the arrangement further comprises depositing the capacitive sensor on the first substrate, depositing the piezoelectric sensor on the second substrate and laminating the first substrate onto the second substrate.
  • Both the P sensor and the C sensor are either deposited together on the first substrate or individually on a first and a second substrate.
  • the deposition is carried out in layers using industrially scalable printing processes, so that a multilayer film is formed that forms the sensor. As a result, the sensor can be manufactured economically on an industrial scale.
  • the lamination is carried out by means of a double-sided adhesive film, the film having a thickness of approximately 30 ⁇ m.
  • the lamination offers the advantage of the simpler process constellation.
  • the mechanical properties of the sensor film are not significantly influenced by the thin thickness of the film.
  • two part sensors (P / C), each with a corresponding yield, can be connected to each other. This reduces the end product waste.
  • the deposition of the capacitive sensor comprises the deposition of an electrode layer and a bottom electrode, and is carried out by inkjet printing. Furthermore, the deposition of the piezoelectric sensor comprises the deposition of a bottom electrode layer, a ferroelectric co-polymer layer and a top electrode layer and is carried out by screen printing.
  • the method comprises aligning the capacitive sensor with respect to the piezoelectric sensor by aligning the first substrate with respect to the second substrate and / or depositing a shield between the capacitive sensor and the piezoelectric sensor.
  • the C-sensor e.g. based on ECT
  • P-sensor e.g. based on PyzoFlex®
  • the two sensors are geometrically integrated in a multilayer film in relation to each other.
  • the geometric integration takes place by aligning geometric features of the C sensor with respect to geometric features of the P sensor.
  • the P sensor is applied to a second substrate and the C sensor is applied to a first
  • the two substrates are aligned with one another during the lamination.
  • the lamination can be carried out with a C-sensor attached to a stiffer auxiliary film, which is completely covered by the laminate.
  • the P sensor can then be unrolled and aligned very precisely.
  • the shield is arranged on a side of the second substrate facing the capacitive sensor, or the shield is formed on a side of the first substrate facing the piezoelectric sensor.
  • the shielding serves as an electrode at ambient potential for the decoupling of the electronic processes in the C-sensor and P-sensor. For this reason, the shielding is always arranged between the bottom electrode of the C sensor (ActiveGuard) and the bottom electrode layer of the P sensor.
  • the bottom electrode of the C sensor (AktiveGuard) receives the same signal as the electrode layer. This eliminates parasitic capacitance for shielding and reduces interference from the environment. Instead of the bottom electrode, a further ground electrode can also be provided. This is an advantage for differential measurements.
  • the buffer layer must be insulated from the bottom electrode and the bottom electrode layer. Insulation layers must therefore be provided on each side of the shield. Depending on the embodiment, one of the insulation layers can be formed by the first or the second substrate.
  • the method comprises depositing a first dielectric insulation layer between the bottom electrode and the electrode layer of the capacitive sensor, and / or depositing a second dielectric insulation layer between the shield and the piezoelectric sensor.
  • the first dielectric insulation layer is part of the C sensor and, in embodiments with only one substrate, insulates the electrode layer thereof from the bottom electrode.
  • the second dielectric insulation layer insulates the bottom electrode layer of the P sensor from the shield.
  • the substrates take over the function of the first and second dielectric insulation layers.
  • a manipulator device with at least one manipulator finger comprising at least one sensor device according to the invention.
  • the invention combines the possibility of determining the location of approaching objects and the possibility of determining tactile information when touched by the fact that both a proximity sensor (C sensor) and a touch sensor (P sensor) are arranged on a film and interact with one another.
  • the film can be applied over a large area to the surfaces of robots / machines.
  • the structure of the capacitive C sensor as a film makes it possible for the force acting on the underlying piezoelectric or (piezoelectric and pyroelectric) P sensor to be passed on without significantly adversely affecting it.
  • a sensor device is used to determine an approach of an object to a manipulator device in a collaborative environment. Furthermore, this aspect encompasses the general use of a sensor device according to the invention for determining a Approach.
  • a signal output by the sensor device can be broken down into an approach signal and a touch signal. The approach of an object to the sensor device and the contact of the sensor device by the object can thus be detected separately from one another.
  • An approach within the meaning of the present application does not include the touching of the sensor device or a sensor surface by the approaching object.
  • a sensor device is used for the tactile detection of a holding force during a gripping process of a manipulator device.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a first exemplary embodiment of the sensor device according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic structure of a second exemplary embodiment of the sensor device according to the invention
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a capacitive sensor
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a piezoelectric sensor
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a robot finger according to the invention
  • FIG. 6 shows a schematic overview of signals output by the sensor device.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a first exemplary embodiment of a sensor device 1 according to the invention.
  • the sensor device 1 is formed by a layer stack 2.
  • the layer stack 2 comprises a first substrate 3.
  • a capacitive sensor 4 is arranged on a first side (in the illustration of the upper side) of the first substrate 3.
  • the capacitive sensor 4 is used for the contactless detection of an approach of an object to the sensor 1.
  • a piezoelectric sensor 5 is arranged on a second side of the first substrate 3 (in the illustration of the lower side).
  • the piezoelectric sensor 5 serves to detect a pressure and thus to determine a holding force which the object exerts on the sensor 1 when it is in contact with a surface of the sensor device 6.
  • the capacitive sensor 3 is formed by an electrode layer 4a and a bottom electrode 4b. Arranged between the electrode layer 4a and the bottom electrode 4b is a first dielectric insulation layer 4c, which isolates the electrode layer 4a and the bottom electrode 4b of the capacitive sensor 4 from one another.
  • the electrodes of the electrode layer 4a preferably consist of an ink with a silver content.
  • the piezoelectric sensor 5 is through three layers educated.
  • a first layer 5a of the piezoelectric sensor 5 forms a bottom electrode layer.
  • the bottom electrode layer 5a is preferably formed from PEDOT. It has a thickness of approximately 1pm.
  • a second layer 5b of the piezoelectric sensor 5 is a ferroelectric co-polymer layer, which is preferably formed from PVDF: TrFE in a ratio of 70:30% mol and has a thickness of approximately 5 ⁇ m.
  • a third layer 5c of the piezoelectric sensor 5 is a top electrode, which preferably consists of PEDOT and has a thickness of approximately 1 pm.
  • a shield (shield GND) 7 is arranged on the second side of the first substrate 3. The shield 7 serves for the mutual electrical shielding of the capacitive sensor 4 and the piezoelectric sensor 5.
  • the shield 7 preferably consists of silver paste and is electrically coupled to ground.
  • the sensor device 1 also has a second dielectric insulation layer 8.
  • the second insulation layer 8 is arranged between the first substrate 3 and the piezoelectric sensor 5 and serves to isolate the piezoelectric sensor 5 from the first substrate 3.
  • the shield 7 is arranged between the first substrate 3 and the second dielectric insulation layer 8.
  • a further insulation layer (protective layer) 9 is arranged on the capacitive sensor 4. It is formed by a lacquer and serves to protect the sensor device 1 when detecting pressure forces as a result of touching objects.
  • the capacitive sensor 4 and the piezoelectric sensor 5 are aligned with one another within the layer stack 2.
  • the base areas of the capacitive sensor 4 and the piezoelectric sensor 5 essentially correspond.
  • the entire sensor device 1 forms a flexible film.
  • FIG. 2 shows a schematic structure of a second exemplary embodiment of the sensor device 1 according to the invention.
  • the sensor device 1 has an additional second substrate 10 compared to FIG.
  • the second substrate 10 is a PET substrate.
  • the capacitive sensor 4 is arranged on the first substrate 3, i.e. the electrode layer 4a is applied to the first substrate 3.
  • the bottom electrode 4b of the capacitive sensor 4 is arranged on a side of the first substrate 3 opposite the electrode layer 4a.
  • the first substrate 3 insulates the electrode layer 4a from the bottom electrode 4b. In this embodiment, it takes over the function of the first dielectric layer 4c.
  • the piezoelectric sensor 5 is arranged on the second substrate 10, i.e. the layers 5a, 5b, 5c are applied to the second substrate 10.
  • the shield 7 is arranged between the first substrate 3 and the second substrate 10.
  • the first substrate 3 is connected to the second substrate 10 by a laminate layer 11, the laminate layer 11 being arranged between the bottom electrode 4b and the shield 7.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a capacitive sensor 4.
  • the capacitive sensor is designed as a film and comprises the first substrate 3, to which the electrode layer 4a is applied.
  • the electrode layer consists of three top electrodes and has a first geometric pattern 12.
  • a common bottom electrode 4b also called ActiveGuard layer.
  • the top electrode and the bottom electrode are insulated from one another by the first substrate 3.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a piezoelectric sensor 5.
  • the piezoelectric sensor 5 is designed as a film and comprises the second substrate 10, to which the layers 5a, 5b, 5c are applied.
  • the first layer 5a of the piezoelectric sensor 5 has a second geometric pattern 13.
  • the first layer 5a of the piezoelectric sensor 5 is segmented and forms a 4x2 array.
  • the geometric patterns 12, 13 of the two sensors 4, 5 are aligned with respect to one another.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a manipulator finger 14 according to the invention.
  • the manipulator finger 14 has a front side and a rear side, the rear side carrying a circuit board 15 which serves to control the sensor 1.
  • the sensor device 1 is arranged on the (not visible) front of the manipulator finger 14.
  • the front of the manipulator finger 14 forms the gripping surface of the manipulator and carries the sensor device 1.
  • the manipulator finger 14 preferably has a flat gripping surface of 62 mm ⁇ 62 mm.
  • the sensor device 1 is arranged on the manipulator member 14.
  • the sensor is oriented so that the protective layer 9 forms a sensor surface 6 which faces objects to be detected. The proximity of an object to the sensor device 1 is detected without contact by means of the capacitive sensor 4.
  • the piezoelectric sensor 5 determines after contact of the object with the surface of the sensor device 6 is produced, the forces occurring between manipulator member 14 and the object.
  • the capacitive sensor 4 mechanically transmits the forces to the piezoelectric sensor 5 and measures them.
  • FIG. 6 shows a schematic overview of signals output by sensor device 1, or the breakdown of an output signal into different signal components.
  • the layer stack 2, which forms the sensor device 1 generates a signal which comprises two signal components.
  • the capacitive sensor 4 generates a first signal component 16, which is interpreted and output as a proximity signal by a device for proximity detection 17.
  • the device for proximity detection 17 is connected to the sensor stack 2 by means of an electrical connection.
  • the piezoelectric sensor 5 generates a second signal component 18, which is interpreted by a device for touch detection 19 as a touch signal.
  • the device for touch detection 19 is connected to the sensor stack 2 by means of an electrical connection.
  • An approximation signal can be a three-dimensional reconstruction of the surrounding space (x, y, z).
  • an approximation signal can also be interpreted as a sectional image, ie as a two-dimensional reconstruction (x, z or y, z) of the surrounding space.
  • Pure distance information (z) can also be output.
  • a limit can be set for the distance.
  • a detection signal can be output below the limit value, or an output of the proximity signal can be limited to cases in which the distance limit value is undershot. This ensures that undesirable detections are reduced.

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Abstract

Sensorvorrichtung umfassend mindestens ein erstes Substrat, einen kapazitiven Sensor zur Erfassung einer Annäherung eines Objekts, einen piezoelektrischen Sensor zur Erfassung eines Druckes, wobei der kapazitive Sensor auf einer ersten Seite des ersten Substrates angeordnet ist und der piezoelektrische Sensor auf einer zweiten Seite des ersten Substrates angeordnet ist, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt, oder wobei der kapazitive Sensor und der piezoelektrische Sensor auf derselben Seite des Substrates angeordnet sind.

Description

Sensorvorrichtung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung.
Hintergrund
In kollaborierenden Roboterumgebungen, wie zum Beispiel in Fertigungsstraßen, bei denen Roboterarme simultan verschiedene Prozessschritte ausführen, aber auch in kombinierten Mensch-Maschine-Umgebungen kann es zu Konflikten zwischen verschiedenen Roboterarmen oder zwischen Mensch und Roboter kommen. Daher sind Roboterarme mit Sensoren zur Umgebungswahrnehmung ausgestattet. Herkömmlich in den Sensoren eingesetzte Druck- bzw. taktile Verfahren beruhen auf mechanischen oder pneumatischen Schaltern, Carbon-Fasern, leitendem Silikon-Gummi, leitenden Elastomeren, Piezodioden oder Dehnungsmessstreifen. In den letzten Jahren zunehmend entwickelte und eingesetzte Technologien sind kapazitiver oder resistiver Touch, Surface-acoustics-wave-touch, Infrarot-touch und Projective capacitive-touch . Allerdings ist ein Betrieb von kollaborierenden Robotern mit hoher Geschwindigkeit mittels dieser Technologien nur eingeschränkt möglich. Auch das zuverlässige Annähern, Greifen und Manipulieren von Objekten mit Hilfe von berührungslosen und Berührungssensoren ist nicht zufriedenstellend möglich.
Es besteht daher die Aufgabe, einen verbesserten Sensor zur Umgebungswahrnehmung und/oder zum zuverlässigen Greifen und Manipulieren von Objekten durch einen Roboterarm bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Kurzbeschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß ist eine Sensorvorrichtung geschaffen, umfassend mindestens ein erstes Substrat; einen kapazitiven Sensor zur Erfassung einer Annäherung eines Objekts; einen piezoelektrischen Sensor zur Erfassung eines Druckes bzw. einer Druckänderung; wobei der kapazitive Sensor auf einer ersten Seite des ersten Substrates angeordnet ist und der piezoelektrische Sensor auf einer zweiten Seite des ersten Substrates angeordnet ist, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt ; oder wobei der kapazitive Sensor und der piezoelektrische Sensor auf derselben Seite des Substrates angeordnet sind.
Die Anordnung jeweils eines piezoelektrischen Sensors (P- Sensor) und eines kapazitiven Sensors (C-Sensor) entweder auf derselben Seite oder auf sich gegenüberliegenden Seiten desselben Substrates verbindet die Vorteile der beiden Sensoren und schafft eine integrierte Sensorvorrichtung. Insbesondere ist mit dieser Anordnung sowohl das Detektieren einer Annäherung eines Objekts, durch den kapazitiven Sensor, wie auch das Bestimmen eines Druckes oder einer Haltekraft, durch den piezoelektrischen Sensor möglich.
Der C-Sensor, der P-Sensor und das Substrat können als Folien ausgeführt und biegsam sein. Dadurch können beispielswese Robotergreifer großflächig mit dem Sensor ausgestattet werden, wobei der Sensor an gerundete Trägerunterlagen anpassbar ist.
Der C-Sensor detektiert Bewegungen, insbesondere die Annäherung von Objekten in einem Bereich vor der Berührung durch eine Änderung der Kapazität zwischen zwei Elektroden (Differential Measurement Mode) oder zwischen einer Elektrode und GND ( Single-ended Measurement Mode), oder durch die Kombinationen der Kapazitäten zwischen mehreren Elektroden untereinander oder/und GND und räumlicher Rekonstruktion der Materialverteilung (Elektrische Kapazitätstomographie ECT) .
Der P-Sensor detektiert Kräfte durch die Erzeugung einer dem Druck proportionalen Oberflächenladung (Polarisation) . Der integrierte Sensor detektiert, z.B. auf einem Roboter, die Annäherung durch den C-Sensor sowie die Kraft der Berührung mithilfe des P-Sensors und verbessert so das Greifen von Objekten qualitativ. Die Annäherungsinformation kann dazu verwendet werden, um beispielsweise einen Roboterarm gezielt in eine bessere Greifposition auszurichten. Die Kraftmessung mittels des P-Sensors dient dazu, ein Objekt zuverlässig zu greifen (d.h. ein Roboter greift ein Objekt mit ausreichend viel Kraft um dieses nicht fallen zu lassen und gleichzeitig nicht zu fest um es nicht zu beschädigen) . Der C-Sensor liegt dabei stets zu dem zu greifenden Objekt hin orientiert. Der P-Sensor liegt durch den C-Sensor verdeckt.
Die Integration von C-Sensor und P-Sensor auf einem Substrat, d.h. auf einer einzelnen Folie, erhöht die Biegsamkeit der integrierten Sensorvorrichtung.
Der Vorteil der piezoelektrischen Kraftmessung gegenüber anderen Verfahren wie z.B. einer kapazitiven Kraftmessung liegt darin, dass keine elastischen Materialien für den Sensoraufbau benötigt werden. Derartige elastische Materialien (beispielsweise „geschäumte Kunststoffe") zeigen ein schlechtes dynamisches Verhalten, Hystereseeffekte und Alterungseffekte (nicht reversible Verformungen, Verhärtungen) und haben dadurch eine geringe Lebensdauer. Die piezoelektrische Kraftmessung ist im Vergleich dazu mechanisch wesentlich stabiler realisierbar. Rein kapazitive Berührungs- und Näherungssensoren (z.B. „Touch Screens") sind dagegen nicht in der Lage, die einwirkende Kraft zu bestimmen, sondern bestimmen die berührte Fläche. Zudem können sie für viele Materialien (z.B. isolierende Kunststoffe) nicht verwendet werden. Rein piezoelektrische Sensoren können hingegen keine Annäherungsvorgänge registrieren. Die Kombination beider Sensorprinzipien ist aber in der Lage, sowohl Annäherung als auch Berührung quantitativ zu erfassen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sensorvorrichtung ein zweites Substrat, wobei der kapazitive Sensor auf dem ersten Substrat angeordnet ist und wobei der piezoelektrische Sensor auf dem zweiten Substrat angeordnet ist und wobei das zweite Substrat auf das erste Substrat laminiert ist. P-Sensor und C-Sensor sind somit auf unterschiedlichen Subtraten angeordnet (Backplane /Frontplane Konzept) . Dies mindert das Risiko hinsichtlich des Yield, weil zunächst zwei Komponenten unabhängig voneinander hergestellt und evaluiert werden können. Dies erlaubt die Auswahl jeweils hoch performanter C-Sensoren und P-Sensoren im Herstellungsprozess und vermindert den Ausschuss beim Endprodukt .
Das erste Substrat wird mit dem zweiten Substrat durch Lamination verbunden. Durch die Lamination werden C-Sensor und P-Sensor auf einfache und kostengünstige Weise miteinander zu dem integrierten Sensor verbunden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung stimmt eine Grundfläche des kapazitiven Sensors im Wesentlichen mit einer Grundfläche des piezoelektrischen Sensors überein, und/oder der kapazitive Sensor und der piezoelektrische Sensor bilden einen Sensorstapel. Die Sensoren sind entweder auf demselben ersten Substrat, oder auf dem ersten oder dem zweiten Substrat übereinanderliegend angeordnet und bilden einen Sensorstapel , der mehrere Schichten umfasst. Dadurch, dass die Grundflächen des C-Sensors und des P-Sensors übereinstimmen, kann in jedem Annäherungsbereich (dem Bereich, an dem ein detektiertes Objekt nach der Annäherung in Kontakt mit der Sensorvorrichtung tritt) auch eine Kraft detektiert werden. Mit anderen Worten weist keiner der Sensoren einen „Blind- Spot" gegenüber dem anderen Sensor auf.
Zur Laminierung der beiden Sensoren kann eine im Medizinbereich verwendete doppelseitig klebende Folie von ca. 30pm Dicke verwendet werden, die durch geeignete Trägerfolien und eine merkliche aber nicht zu große Plastizität blasenfrei aufgebracht werden kann und die mechanischen Eigenschaften der integrierten Sensorvorrichtung nicht wesentlich mitbestimmt. Die Lamination kann zur genauen Ausrichtung mit einem auf einer steiferen Hilfsfolie befestigten C-Sensor erfolgen, der von der doppelseitig klebenden Folie vollständig überdeckt ist. Darauf kann der P-Sensor abgerollt und genau ausgerichtet werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sensorvorrichtung eine Schirmung zwischen dem kapazitiven Sensor und dem piezoelektrischen Sensor. Damit sowohl C- Sensor als auch P-Sensor unabhängig voneinander funktionieren können und keine Wechselwirkungen auftreten, wird der C- Sensor gegenüber dem P-Sensor durch die Schirmung abgeschirmt. Die Abschirmung des C-Sensors vom P-Sensor erfordert eine Schirmungselektrode zwischen einer Bottom- Elektrode des C-Sensors und einer Bottom-Elektrodenschicht des P-Sensors. Die Pufferschicht ist daher als Schirmungselektrode ausgebildet und elektrisch mit Masse verbunden . In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Schirmung auf einer dem kapazitiven Sensor abgewandten Seite des ersten Substrates angeordnet. In dieser Anordnung kann die Schirmung durch Siebdrucken direkt auf die Rückseite des ersten Substrates aufgebracht werden. Dies kann im Herstellungsprozess zusammen mit der Herstellung des P- Sensors auf dem ersten Substrat erfolgen. Die Schirmung ist nicht Teil des P-Sensors, kann aber durch Drucken von z.B. Silberpaste (diese besitzt eine hohe Flächenleitfähigkeit) auf die Rückseite des ersten Substrates in diesen integriert werden. Die Herstellung wird dadurch insgesamt vereinfacht.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der kapazitive Sensor eine Elektrodenschicht und eine Bottom-Elektrode, wobei die Elektrodenschicht und die Bottom-Elektrode durch das erste Substrat oder durch eine erste dielektrische Isolationsschicht gegeneinander isoliert sind. In denjenigen Ausführungsformen der integrierten Sensorvorrichtung, in den ein erstes und ein zweites Substrat verwendet werden, übernimmt das erste Substrat die Funktion der ersten dielektrischen Isolationsschicht zwischen der Elektrodenschicht und der Bottom-Elektrode des C-Sensors. Dadurch kann die erste dielektrische Isolationsschicht eingespart werden. In Ausführungsformen, in denen nur das erste Substrat vorgesehen ist, muss die Elektrodenschicht durch die erste dielektrische Isolationsschicht gegen die Bottom-Elektrode isoliert werden, um die Funktion des C- Sensors sicherzustellen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der piezoelektrische Sensor eine Bottom-Elektroden-Schicht, die vorzugsweise aus PEDOT:PSS gebildet ist, eine ferroelektrische Co-Polymer-Schicht (5b) und eine Top-
Elektroden-Schicht . Der P-Sensor kann mittels Siebdruck hergestellt werden, wobei durch wiederholte Druckvorgänge ein Schichtstapel hergestellt wird. Der Schichtstapel, der den P- Sensor bildet, umfasst die Bottom-Elektrodenschicht , Diese kann aus ca. lpm dickem PEDOT:PSS gebildet werden und wird auf dem ersten oder dem zweiten Substrat abgeschieden. Danach wird beispielsweise eine ca. 5pm dicke, drucksensitive ferroelektrischen Co-Polymer-Schicht aus PVDF:TrFE (70:30) und abermals eine lpm dicken Top-Elektrodenschicht aus PEDOT:PSS in Form eines segmentierten 4x2 Arrays gebildet. Nach dem Drucken besitzen die ferroelektrischen Kristallite (PVDF) im Co-Polymer (PVDFrTrFE) keine Vorzugsrichtung. Der Polungsprozess richtet diese in Feldern von ca. 200V/gm aus und stellt damit die piezoelektrische Sensitivität der Schicht her. Der Polungsprozess lässt auch Schlüsse auf Funktion und Empfindlichkeit zu, und liefert daher Daten über den Yield und die Streuung der Sensitivität. Der Polungsprozess fungiert daher als Prozesskontrolle in der Herstellung der P-Sensoren. Das 4x2 Array ist dafür vorgesehen, um den Kontaktpunkt beim Greifen erkennen zu können. Das 4x2 Array vermittelt eine 8 Pixel Auflösung des Kontaktpunktes. Die Segmentierung (sowohl Anzahl als auch Form) kann für die jeweilige Applikation geändert werden. Das gleiche gilt auch für die Form der kapazitiven Sensorelektroden .
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sensorvorrichtung eine Lackschicht zum Schutz einer Oberfläche der Sensorvorrichtung, wobei die Lackschicht auf der Elektrodenschicht des kapazitiven Sensors gebildet ist. Die Lackschicht schützt die Sensorvorrichtung vor Einwirkungen durch Berührungen beim Greifen und/oder Hantieren von Objekten.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sensorvorrichtung eine zweite dielektrische Isolationsschicht zwischen der Schirmung und dem piezoelektrischen Sensor. Die zweite dielektrische Isolationsschicht isoliert die Bottom- Elektrodenschicht des P-Sensors gegenüber der Schirmung , welche eine leitfähige Schicht ist und auf Umgebungspotenzial liegt. In Ausführungsformen der Erfindung, die ein zweites Substrat umfassen, übernimmt das zweite PET-Substrat die Funktion der zweiten dielektrischen Isolationsschicht.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten piezoelektrischen und kapazitiven Sensors geschaffen, das Verfahren umfassend das Bereitstellen eines ersten Substrates, Anordnen, eines kapazitiven Sensors auf einer erste Seite des einen ersten Substrates, Anordnen, eines piezoelektrischen Sensors, auf einer zweiten Seite des ersten Substrates, wobei die erste Seite des Substrates der zweiten Seite gegenüberliegt. Das Verfahren bietet einen industriell skalierbaren Ansatz zur Herstellung großflächiger Sensoren gemäß der Erfindung in Form von Folien.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines zweiten Substrates. Ferner umfasst das Anordnen das Abscheiden des kapazitiven Sensors auf dem ersten Substrat, das Abscheiden des piezoelektrischen Sensors auf dem zweiten Substrat und das Laminieren des ersten Substrates auf das zweite Substrat. Sowohl P-Sensor als auch C-Sensor werden entweder gemeinsam auf dem ersten Substrat, oder einzeln auf einem ersten und einem zweiten Substrat abgeschieden. Das Abscheiden erfolgt dabei schichtweise durch industriell skalierbare Druckverfahren, so dass eine mehrschichtige Folie entsteht, die den Sensor bildet. Der Sensor ist dadurch im industriellen Maßstab kostengünstig herstellbar . In einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Laminieren mittels einer doppelseitig klebenden Folie, wobei die Folie eine Dicke von ca. 30 pm aufweist. Die Lamination bietet im Vergleich zu den Ausführungsformen der Erfindung, die nur das erste Substrat verwenden, den Vorteil der einfacheren Prozesskonstellation. Durch die geringe Dicke der Folie werden die mechanischen Eigenschaften der Sensorfolie nicht wesentlich beeinflusst. Zudem können jeweils zwei Teilesensoren (P /C) , die einen entsprechenden Yield aufweisen, miteinander verbunden werden. Dadurch wird der Ausschuss von Endprodukten verringert.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Abscheiden des kapazitiven Sensors das Abscheiden einer Elektrodenschicht und einer Bottom-Elektrode, und erfolgt durch Inkj etdrucken . Ferner umfasst das Abscheiden des piezoelektrischen Sensors das Abscheiden einer Bottom- Elektroden-Schicht , einer ferroelektrischen Co-Polymer- Schicht und einer Top-Elektroden-Schicht und erfolgt durch Siebdrucken .
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Ausrichten des kapazitiven Sensors in Bezug auf den piezoelektrischen Sensor durch Ausrichten des ersten Substrates in Bezug auf das zweite Substrat und/oder das Abscheiden einer Schirmung zwischen dem kapazitiven Sensor und dem piezoelektrischen Sensor. Zur Kombination von C-Sensor (z.B. auf ECT-Basis) und P-Sensor (z.B. auf PyzoFlex®-Basis) sind die beiden Sensoren in Bezug aufeinander geometrisch in eine mehrschichtige Folie integriert. Die geometrische Integration erfolgt durch Ausrichten von geometrischen Merkmalen des C-Sensors in Bezug auf geometrische Merkmale des P-Sensors. In den Ausführungsformen, in denen der P-Sensor auf ein zweites Substrat aufgebracht ist und der C-Sensor auf ein erstes Substrat aufgebracht ist, werden bei der Lamination die beiden Substrate aufeinander ausgerichtet. Die Lamination kann zur genauen Ausrichtung mit einem auf einer steiferen Hilfsfolie befestigten C-Sensor, der vom Laminat vollständig überklebt ist, durchgeführt werden. Darauf kann der P-Sensor abgerollt und sehr genau ausgerichtet werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist die Schirmung auf einer dem kapazitiven Sensor zugewandten Seite des zweiten Substrates angeordnet, oder die Schirmung ist auf einer dem piezoelektrischen Sensor zugewandten Seite des ersten Substrates gebildet ist. Die Schirmung dient als Elektrode auf Umgebungspotential der Entkopplung der elektronischen Prozesse in C-Sensor und P-Sensor. Daher ist die Schirmung immer zwischen der Bottom-Elektrode des C-Sensors (AktiveGuard) und der Bottom-Elektrodenschicht des P-Sensors angeordnet. Die Bottom-Elektrode des C-Sensors (AktiveGuard) ist mit dem gleichen Signal beaufschlagt wie die Elektrodenschicht. Dadurch werden parasitäre Kapazitäten zur Schirmung eliminiert und Interferenzen aus der Umgebung reduziert. Anstatt der Bottom-Elektrode kann auch eine weitere Masseelektrode vorgesehen sein. Dies ist bei differentiellen Messungen von Vorteil. Die Pufferschicht muss jeweils gegenüber der Bottom-Elektrode und der Bottom- Elektrodenschicht isoliert sein. Daher sind auf jeder Seite der Schirmung Isolationsschichten vorzusehen. Je nach Ausführungsform kann jeweils eine der Isolationsschichten durch das erste oder das zweite Substrat gebildet sein.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Abscheiden einer ersten dielektrischen Isolationsschicht zwischen der Bottom-Elektrode und der Elektrodenschicht des kapazitiven Sensors, und/oder das Abscheiden einer zweiten dielektrischen Isolationsschicht zwischen der Schirmung und dem piezoelektrischen Sensor. Die erste dielektrische Isolationsschicht ist Teil des C-Sensors und isoliert in Ausführungsformen mit nur einem Substrat dessen Elektrodenschicht gegen die Bottom-Elektrode . Die zweite dielektrische Isolationsschicht isoliert in Ausführungsformen mit nur einem Substrat die Bottom-Elektroden-Schicht des P- Sensors gegenüber der Schirmung. In Ausführungsformen mit erstem und zweitem Substrat übernehmen die Substrate die Funktion der ersten und zweiten dielektrischen Isolationsschichten .
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Manipulatorvorrichtung mit mindestens einem Manipulatorfinger geschaffen, wobei jeder einzelne Manipulatorfinger mindestens eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfasst. Die Erfindung verbindet die Möglichkeit einer Ortsbestimmung von sich annähernden Objekten der Möglichkeit der Bestimmung einer taktilen Information bei einer Berührung dadurch, das sowohl ein Annäherungssensor (C-Sensor) und ein Berührungssensor (P-Sensor) auf einer Folien angeordnet sind und miteinander Zusammenwirken. Die Folie kann großflächig auf Oberflächen von Robotern/Maschinen angebracht werden. Durch den Aufbau des kapazitiven C-Sensors als Folie ist es möglich, dass die einwirkende Kraft auf den darunterliegenden piezoelektrischen bzw. (piezoelektrisch und pyroelektrischen) P-Sensor weitergegeben werden kann, ohne diesen wesentlich nachteilig zu beeinflussen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Bestimmung einer Annäherung eines Objektes an eine Manipulatorvorrichtung in einer kollaborativen Umgebung verwendet. Ferner umfasst dieser Aspekt die allgemeine Verwendung einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zum Bestimmen einer Annäherung. Insbesondere kann ein von der Sensorvorrichtung ausgegebenes Signal durch in ein Annäherungssignal und ein Berührungssignal zerlegt werden. Damit können die Annäherung eines Objekts an die Sensorvorrichtung und die Berührung der Sensorvorrichtung durch das Objekt getrennt voneinander detektiert werden.
Eine Annäherung im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfasst nicht die Berührung der Sensorvorrichtung oder einer Sensoroberfläche durch das sich annähernde Objekt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zum taktilen Erfassen einer Haltekraft bei einem Greifvorgang einer Manipulatorvorrichtung verwendet .
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend sind verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen: die Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer ersten beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung; die Figur 2 zeigt einen schematischen Aufbau einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung; die Figur 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines kapazitiven Sensors; die Figur 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines piezoelektrischen Sensors; und die Figur 5 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung eines Roboterfingers gemäß der Erfindung; die Figur 6 eine schematische Übersicht über von der Sensorvorrichtung ausgegebene Signale.
Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer ersten beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1. Die Sensorvorrichtung 1 ist durch einen Schichtstapel 2 gebildet. Der Schichtstapel 2 umfasst ein erstes Substrat 3. Auf einer ersten Seite (in der Darstellung der oberen Seite) des ersten Substrates 3 ist ein kapazitiver Sensor 4 angeordnet. Der kapazitive Sensor 4 dient zur berührungslosen Erfassung einer Annäherung eines Objektes an den Sensor 1.
Auf einer zweiten Seite des ersten Substrates 3 (in der Darstellung der unteren Seite) ist ein piezoelektrischer Sensor 5 angeordnet. Der piezoelektrische Sensor 5 dient zur Erfassung eines Druckes und somit zur Bestimmung einer Haltekraft, den das Objekt auf den Sensor 1 ausübt, wenn es mit einer Oberfläche der Sensorvorrichtung 6 in Kontakt steht .
Der kapazitive Sensor 3 ist durch eine Elektrodenschicht 4a und eine Bottom-Elektrode 4b gebildet. Zwischen der Elektrodenschicht 4a und der Bottom-Elektrode 4b ist eine erste dielektrische Isolationsschicht 4c angeordnet, welche die Elekrodenschicht 4a und die Bottom-Elektrode 4b des kapazitiven Sensors 4 gegeneinander isoliert. Die Elektroden der Elektrodenschicht 4a bestehen vorzugsweise aus einer Tinte mit Silberanteil.
Der piezoelektrische Sensor 5 ist durch drei Schichten gebildet. Eine erste Schicht 5a des piezoelektrischen Sensors 5 bildet eine Bottom-Elektrodenschicht . Die Bottom- Elektrodenschicht 5a ist vorzugsweise aus PEDOT gebildet. Sie weist eine Dicke von ca. lpm auf. Eine zweite Schicht 5b des piezoelektrischen Sensors 5 ist eine ferroelektrische Co- Polymerschicht , die vorzugsweise aus PVDF:TrFE im Verhältnis 70:30 %mol gebildet ist und eine Dicke von ca. 5pm aufweist. Eine dritte Schicht 5c des piezoelektrischen Sensors 5 ist eine Top-Elektrode, die vorzugsweise aus PEDOT besteht und eine Dicke von ca. lpm aufweist. Auf der zweiten Seite des ersten Substrates 3 ist eine Schirmung (Shield GND) 7 angeordnet. Die Schirmung 7 dient der gegenseitigen elektrischen Abschirmung des kapazitiven Sensors 4 und des piezoelektrischen Sensors 5. Die Schirmung 7 besteht vorzugsweise aus Silberpaste und ist elektrisch mit Masse gekoppelt .
Die Sensorvorrichtung 1 weist ferner eine zweite dielektrische Isolationsschicht 8 auf. Die zweite Isolationsschicht 8 ist zwischen dem ersten Substrat 3 und dem piezoelektrischen Sensor 5 angeordnet und dient zur Isolation des piezoelektrischen Sensors 5 gegenüber dem ersten Substrat 3. Zwischen dem ersten Substrat 3 und der zweiten dielektrischen Isolationsschicht 8 ist die Schirmung 7 angeordnet.
Auf dem kapazitiven Sensor 4 ist eine weitere Isolationsschicht (Schutzschicht) 9 angeordnet. Sie ist durch einen Lack gebildet und dient dem Schutz der Sensorvorrichtung 1 beim Erfassen von Druckkräften in Folge der Berührung von Objekten.
Innerhalb des Schichtstapels 2 sind der kapazitive Sensor 4 und der piezoelektrische Sensor 5 zueinander ausgerichtet. Die Grundflächen des kapazitiven Sensors 4 und des piezoelektrischen Sensors 5 entsprechen sich im Wesentlichen. Die gesamte Sensorvorrichtung 1 bildet eine biegsame Folie.
Figur 2 zeigt einen schematischen Aufbau einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1. Die Sensorvorrichtung 1 weist gegenüber der Figur 1 ein zusätzliches zweites Substrat 10 auf. Das zweite Substrat 10 ist ein PET-Substrat . Der kapazitive Sensor 4 ist auf dem ersten Substrat 3 angeordnet, d.h. die Elektrodenschicht 4a ist auf das erste Substrat 3 aufgebracht. Auf einer der Elektrodenschicht 4a gegenüberliegenden Seite des ersten Substrates 3 ist die Bottom-Elektrode 4b des kapazitiven Sensors 4 angeordnet. Das erste Substrat 3 isoliert die Elektrodenschicht 4a gegenüber der Bottom-Elektrode 4b. Sie übernimmt in dieser Ausführungsform die Funktion der ersten dielektrischen Schicht 4c. Der piezoelektrische Sensor 5 ist auf dem zweiten Substrat 10 angeordnet, d.h. die Schichten 5a, 5b, 5c sind auf das zweite Substrat 10 aufgebracht. Zwischen dem ersten Substrat 3 und dem zweiten Substrat 10 ist die Schirmung 7 angeordnet. Das erste Substrat 3 ist mit dem zweiten Substrat 10 durch eine Laminatschicht 11 verbunden, wobei die Laminatschicht 11 zwischen der Bottom-Elektrode 4b und der Schirmung 7 angeordnet ist. Die Laminatschicht 11 ist eine Klebeschicht .
Figur 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines kapazitiven Sensors 4. Der kapazitive Sensor ist als Folie ausgeführt und umfasst das erste Substrat 3, auf welche die Elektrodenschicht 4a aufgebracht ist. Die Elektrodenschicht besteht aus drei Top-Elektroden und weist ein erstes geometrisches Muster 12 auf. Unter der Top-Elektrode befindet sich eine gemeinsame Bottom-Elektrode 4b (auch als AktiveGuard-Schicht bezeichnet) . Die Top-Elektrode und die Bottom-Elektrode sind durch das erste Substrat 3 gegeneinander isoliert.
Figur 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines piezoelektrischen Sensors 5. Der piezoelektrische Sensor 5 ist als Folie ausgeführt und umfasst das zweite Substrat 10, auf welche die Schichten 5a, 5b, 5c aufgebracht sind. Die erste Schicht 5a des piezoelektrischen Sensors 5 weist ein zweites geometrisches Muster 13 auf. Die erste Schicht 5a des piezoelektrischen Sensors 5 ist segmentiert und bildet ein 4x2 Array. In der Sensorvorrichtung 1 sind die geometrischen Muster 12,13 der beiden Sensoren 4,5 in Bezug aufeinander ausgerichtet .
Figur 5 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung eines Manipulatorfingers 14 gemäß der Erfindung. Der Manipulatorfinger 14 weist eine Vorderseite und eine Rückseite auf, wobei die Rückseite eine Platine 15 trägt, die zur Steuerung des Sensors 1 dient. Die Sensorvorrichtung 1 ist auf der (nicht sichtbaren) Vorderseite des Manipulatorfingers 14 angeordnet. Die Vorderseite des Manipulatorfingers 14 bildet die Greiffläche des Manipulators und trägt die Sensorvorrichtung 1. Der Manipulatorfinger 14 weist vorzugsweise eine ebene Greiffläche von 62mm x 62mm auf. In einem Betriebs zustand ist die Sensorvorrichtung 1 auf dem Manipulatorglied 14 angeordnet. Dabei ist der Sensor so ausgerichtet, dass die Schutzschicht 9 eine Sensoroberfläche 6 bildet, die zu detektierenden Objekten zugewandt ist. Die Annäherung eines Objektes an die Sensorvorrichtung 1 wird berührungslos mittels des kapazitiven Sensors 4 detektiert. Wenn mittels des Manipulatiorgliedes 14 ein Objekt hantiert werden soll, bestimmt der piezoelektrische Sensor 5, nachdem Kontakt des Objektes mit der Oberfläche der Sensorvorrichtung 6 hergestellt ist, die zwischen Manipulatorglied 14 und Objekt auftretenden Kräfte. Durch die Ausführung der Sensoren als flexible Sensorstapelfolien werden die Kräfte durch den kapazitiven Sensor 4 mechanisch auf den piezoelektrischen Sensor 5 übertragen und durch diesen gemessen.
Figur 6 zeigt eine schematische Übersicht über von der Sensorvorrichtung 1 ausgegebene Signale, bzw. die Zerlegung eines Ausgabesignals in verschiedene Signalanteile. Der Schichtstapel 2, der die Sensorvorrichtung 1 bildet erzeugt ein Signal, welches zwei Signalanteile umfasst. Der kapazitive Sensor 4 erzeugt einen ersten Signalanteil 16, der durch eine Vorrichtung zur Annäherungserkennung 17 als Annäherungssignal interpretiert und ausgegeben wird. Die Vorrichtung zur Annäherungserkennung 17 ist mittels einer elektrischen Verbindung mit dem Sensorstapel 2 verbunden. Der piezoelektrische Sensor 5 erzeugt einen zweiten Signalanteil 18, der durch eine Vorrichtung zur Berührungserkennung 19 als Berührungssignal interpretiert wird. Die Vorrichtung zur Berührungserkennung 19 ist mittels einer elektrischen Verbindung mit dem Sensorstapel 2 verbunden. Ein Annäherungssignal kann dabei eine dreidimensionale Rekonstruktion des umgebenden Raumes (x,y, z) sein. Ein Annäherungssignal kann aber auch als Schnittbild, also als zweidimensionale Rekonstruktion (x, z oder y, z) des umgebenden Raumes interpretiert werden. Auch eine reine Abstandsinformation (z) kann ausgegeben werden. Dabei kann ein Grenzwert für den Abstand festgelegt werden. Unterhalb des Grenzwertes kann ein Detektionssignal ausgegeben werden, bzw. eine Ausgabe des Annäherungssignales kann auf Fälle beschränkt werden, bei denen der Abstandsgrenzwert unterschritten wird. Dadurch wird erreicht, dass unerwünschte Detektionen vermindert werden. Be zugs zeichenliste
1. Sensorvorrichtung
2. Schichtstapel
3. erstes Substrat
4. kapazitiver Sensor
4a. Elektrodenschicht
4b. Bottom-Elektrode
4c. erste dielektrische Isolationsschicht
5. piezoelektrischer Sensor
5a. erste Schicht des piezoelektrischen Sensors (Bottom- Elektrodenschicht )
5b. zweite Schicht des piezoelektrischen Sensors (Ferroelektrische Schicht)
5c. dritte Schicht des piezoelektrischen Sensors (Top- Elektrodenschicht )
6. Oberfläche der Sensorvorrichtung
7. Schirmung
8. zweite dielektrische Isolationsschicht
9. Schutzschicht
10. zweites Substrat
11. Laminatschicht
12. erstes geometrisches Muster
13. zweites geometrisches Muster
14. Manipulatorfinger
15. Platine
16. erster Signalanteil (Annäherungssignal)
17. Vorrichtung zur Annäherungserkennung
18. zweiter Signalanteil (Berührungssignal)
19. Vorrichtung zur Berührungserkennung

Claims

Ansprüche
1. Sensorvorrichtung (1), umfassend:
mindestens ein erstes Substrat (3);
einen kapazitiven Sensor (4) zur Erfassung einer
Annäherung eines Objekts;
einen piezoelektrischen Sensor (5) zur Erfassung eines Druckes bzw. einer Druckänderung; wobei der kapazitive Sensor auf einer ersten Seite des ersten Substrates (3) angeordnet ist und der piezoelektrische Sensor (5) auf einer zweiten Seite des ersten Substrates (3) angeordnet ist, wobei die zweite Seite der ersten Seite gegenüberliegt; oder wobei der kapazitive Sensor (4) und der piezoelektrische Sensor (5) auf derselben Seite des Substrates (3) angeordnet sind.
2. Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1, umfassend:
ein zweites Substrat (10) ;
wobei der kapazitive Sensor (4) auf dem ersten Substrat (3) angeordnet ist; und
wobei der piezoelektrische Sensor (5) auf dem zweiten Substrat (10) angeordnet ist; und
wobei das zweite Substrat (10) auf das erste Substrat (3) laminiert ist.
3. Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Grundfläche des kapazitiven Sensors (4) im Wesentlichen mit einer Grundfläche des piezoelektrischen Sensors (5) übereinstimmt, und/oder wobei der kapazitive Sensor (4) und der piezoelektrische Sensor (5) einen Sensorstapel (2) bilden.
4. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Schirmung (7 zwischen dem kapazitiven Sensor (4) und dem piezoelektrischen Sensor (5) .
5. Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei die
Schirmung (7) auf einer dem kapazitiven Sensor (4) abgewandten Seite des ersten Substrates (3) angeordnet ist .
6. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei der kapazitive Sensor (4) umfasst:
eine Elektrodenschicht (4a) ;
eine Bottom-Elektrode (4b);
wobei die Elektrodenschicht (4a) und die Bottom- Elektrode (4b) durch das erste Substrat (3) oder durch eine erste dielektrische Isolationsschicht (4c) gegeneinander isoliert sind.
7. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei der piezoelektrische Sensor (5) ferner umfasst :
eine Bottom-Elektroden-Schicht (5a) , die vorzugsweise aus PEDOT:PSS gebildet ist.
eine ferroelektrische Co-Polymer-Schicht (5b) ; und eine Top-Elektroden-Schicht (5c) .
8. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, umfassend eine Lackschicht (9) zum Schutz einer Oberfläche der Sensorvorrichtung (6), wobei die Lackschicht (9) auf der Elektrodenschicht (4a) des kapazitiven Sensors (4) gebildet ist.
9. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, umfassend:
eine zweite dielektrische Isolationsschicht (8) zwischen der Schirmung (7) und dem piezoelektrischen Sensor (5) .
10. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend:
eine Vorrichtung zur Annäherungserkennung (17) zur
Detektion eines ersten Signals (16) von dem kapazitiven Sensor (4), wobei das erste Signal (16) ein Annäherungssignal ist; und/oder
eine Vorrichtung zur Berührungserkennung (19) zur
Detektion eines zweiten Signals (18) von dem piezoelektrischen Sensor (5), wobei das zweite Signal (18) ein Berührungssignal ist.
11. Manipulatorvorrichtung, mit mindestens einem
Manipulatorfinger (14), wobei jeder einzelne
Manipulatorfinger (14) mindestens eine Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1-10 umfasst.
12. Verwendung einer Sensorvorrichtung (1) nach einem der
Ansprüche 1-10 zur Bestimmung einer Annäherung eines Objektes; insbesondere an eine Manipulatorvorrichtung in einer kollaborativen Umgebung und zum taktilen Erfassen einer Haltekraft bei einem Greifvorgang einer
Manipulatorvorrichtung .
PCT/EP2019/079500 2018-10-29 2019-10-29 Sensorvorrichtung WO2020089211A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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