AT521772A4 - Sensorvorrichtung - Google Patents

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AT521772A4 ATA50929/2018A AT509292018A AT521772A4 AT 521772 A4 AT521772 A4 AT 521772A4 AT 509292018 A AT509292018 A AT 509292018A AT 521772 A4 AT521772 A4 AT 521772A4
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Stephan Johann Mühlbacher-Karrer Dr
Prof Dipl Ing Dr Hubert Zangl Univ
Dr Herbert Gold Mag
Georg Jakopic Dr
Ing Andreas Tschepp Dipl
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Alpen Adria Univ Klagenfurt
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Abstract

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, wobei der kapazitive Sensor (4) 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.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung.
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, CarbonFasern, leitendem Silikon-Gummi, leitenden Elastomeren, Piezodioden oder Dehnungsmessstreifen. In den letzten Jahren zunehmend entwickelte und eingesetzte Technologien sind kapazitiver oder resistiver Touch, Surface-acousticswave-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.
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,
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
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 CSensor sind somit auf unterschiedlichen Subtraten angeordnet (Backplane
/Frontplane Konzept). Dies mindert das Risiko hinsichtlich des Yield, weil zunächst
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. 30um 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
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 BottomElektrode 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 PSensor kann mittels Siebdruck hergestellt werden, wobei durch wiederholte
Druckvorgänge ein Schichtstapel hergestellt wird. Der Schichtstapel, der den P-
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 BottomElektrodenschicht 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.
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 um 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 Inkjetdrucken. Ferner umfasst das Abscheiden des piezoelektrischen
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 PSensor 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 BottomElektrode kann auch eine weitere Masseelektrode vorgesehen sein. Dies ist bei
differentiellen Messungen von Vorteil. Die Pufferschicht muss jeweils gegenüber
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 CSensors 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 BottomElektroden-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 CSensors als Folie ist es möglich, dass die einwirkende Kraft auf den darunterliegenden piezoelektrischen bzw. (piezoelektrisch und pyroelektrischen) PSensor 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.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zum taktilen Erfassen einer Haltekraft bei einem Greifvorgang
einer Manipulatorvorrichtung verwendet.
Nachfolgend sind verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung
näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer ersten beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,
Fig. 2 einen schematischen Aufbau einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,
Fig. 3 eine beispielhafte Ausführungsform eines kapazitiven Sensors,
Fig. 4 eine beispielhafte Ausführungsform eines piezoelektrischen Sensors und
Fig. 5 eine beispielhafte Ausgestaltung eines Roboterfingers gemäß der Erfindung.
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 BottomElektrode 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. 1um 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. 5um aufweist. Eine dritte Schicht 5c des piezoelektrischen Sensors 5 ist eine Top-Elektrode, die vorzugsweise aus PEDOT besteht und eine Dicke von ca. 1um 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 Betriebszustand 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.
Bezugszeichenliste
1. Sensorvorrichtung 2. Schichtstapel
3. erstes Substrat
4. kapazitiver Sensor
4a. Elektrodenschicht 4b. Bottom-Elektrode 4c. erste dielektrische Isolationsschicht
5. piezoelektrischer Sensor
5b. 5c.
10. 11. 12. 13. 14. 15.
14
erste Schicht des piezoelektrischen Sensors (BottomElektrodenschicht)
zweite Schicht des piezoelektrischen Sensors (Ferroelektrische Schicht) dritte Schicht des piezoelektrischen Sensors (Top- Elektrodenschicht) Oberfläche der Sensorvorrichtung
Schirmung
zweite dielektrische Isolationsschicht
Schutzschicht
zweites Substrat
Laminatschicht
erstes geometrisches Muster
zweites geometrisches Muster
Manipulatorfinger
Platine

Claims (1)

  1. (42331)
    Patentansprüche
    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 Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend eine Schirmung (7) zwischen dem kapazitiven Sensor (4) und dem
    piezoelektrischen Sensor (5).
    angeordnet ist.
    6. Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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 Ansprüche 1 bis 6, wobei der piezoelektrische Sensor (5) ferner umfasst: eine Bottom-Elektroden-Schicht (5a), die vorzugsweise aus PEDOT:PSS gebildet ist. eine ferroelektrische Co-PolymerSchicht (5b); und eine Top-Elektroden-Schicht (50).
    8. Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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 Ansprüche 1 bis 8, umfassend: eine zweite dielektrische Isolationsschicht (8) zwischen der Schirmung (7)
    und dem piezoelektrischen Sensor (5).
    10. Manipulatorvorrichtung, mit mindestens einem Manipulatorfinger (14), wobei jeder einzelne Manipulatorfinger (14) mindestens eine Sensorvorrichtung (1) nach
    einem der Ansprüche 1-9 umfasst.
    11. Verwendung einer Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1-9 zur Bestimmung einer Annäherung eines Objektes an eine Manipulatorvorrichtung in einer kollaborativen Umgebung und zum taktilen Erfassen einer Haltekraft bei einem
    Greifvorgang einer Manipulatorvorrichtung.
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