CN108896214B - 多层触觉传感器 - Google Patents

Abstract

公开了多层触觉传感器。具体地，传感器组件包括叠加时形成有至少两个传感器单元的压敏传感器的柔性材料的第一、第二和第三层。第一层包括经非导电区域机械连接一起的第一和第二导电区域。第二层包括在表面延伸的第三导电区域。第三导电区域与第一和第二导电区域交叠，交叠区域限定第一和第二传感器单元的有效区域。第三层由导电弹性材料形成，其在有效区域中的局部机械荷载下与第一层的第一和第二导电区域结合，使电阻在第一、第二和第三电区域之间在压力荷载位置处改变。传感器组件还包括将第一和第二层固定一起的固定物，固定物布置在有效区域的外部，使在有效区域中第一和第三层无荷载地位于彼此顶部且第一和第三层的彼此面对表面基本免于固定。

Description

多层触觉传感器

技术领域

本发明涉及具有第一柔性材料层、第二柔性材料层和第三柔性材料层的传感器组件。这些层形成具有至少两个传感器单元的压敏传感器。

背景技术

例如，从DE 10 2015 120 368 B3中已知这种传感器。

通用多层传感器的特征在于具有至少一层压敏材料，其在局部机械荷载下的加载点处改变其体积电阻(electrical volume resistance)。压敏层上方和下方的电极检测电阻的变化，从而可以确定传感器组件上压力荷载的位置和强度。通过这种方式，可以创建可以用于安全垫或输入设备的柔性扁平传感器。

在GB 2 115 555 A中描述了这种触觉传感器的基本原理。GB 2 115 555 A公开了一种触觉传感器，其中压敏层形成为弹性垫的形式。垫可以是渗透有碳或金属添加剂的使垫整体导电的纺织织物或毡材料。已经被制造得导电的垫的纤维在垫上的压力荷载下一起作用，使得在压力荷载的位置处通过垫的接触电阻发生变化。根据GB 2 115 555 A，条形电极矩阵状地布置在垫的上方和下方以测量可变体积电阻并且耦合至电路。电极是例如金属箔或添加有金属的硅酮。经由施加到上电极和下电极的电压，可以确定各个电极的交叠区域中的电阻，并由此确定在该位置处弹性垫的接触电阻。测量的体积电阻进而可以得出关于在该点处相应的压力荷载的结论。通过连续确定上电极与下电极之间的电阻，可以确定弹性垫上的压力分布。

因此，测量原理是基于确定压敏层的可变体积电阻来确定压力分布。因此，对传感器特性的决定因素是压敏导电材料的性质以及其改变其体积电阻的能力。在非常薄的层的情况下，由于压力荷载引起的接触电阻的变化可能仅仅是边缘的，因此需要大面积的电极来检测体积电阻的变化。因此，由电极的交叠区域确定的传感器单元的尺寸直接取决于压敏层的层厚度，由此不利地限制了具有许多传感器单元的传感器的分辨率。

另一缺点是非常紧密间隔的传感器单元可能相互影响，因为一个单元的区域中的可变体积电阻影响相邻单元。为了使这种影响最小化，相邻的传感器单元因此必须进一步间隔开，导致在传感器单元之间产生其中压力荷载不能被有效地检测的死区。

DE 10 2007 022 871 A1解决了这些问题，并提出至少部分地中断压敏导电层，以便将两个相邻单元彼此电解耦。在第一实施例中，DE 10 2007 022 871 A1因此公开了一种传感器，其中压敏导电层被分成单独的焊盘，每个焊盘被放置在两个电极的交叉点处并且也被空气或具有较大的电阻的另一介质隔开。因此，单个单元彼此电气完全解耦，但仍然有一些发生解耦的区域形成无法有效检测压力荷载的区段。

在第二实施例中，DE 10 2007 022 871 A1可替选地公开了压敏导电层可以被设计成连续层，然而，压敏导电层的各个区域被设计为例如通过切割或铣削片，使得在两个相邻的传感器单元之间形成网，使两个相邻的传感器单元彼此电解耦。压敏的导电层因此保持连续，但需要适当的处理以便以高阻抗桥的形式形成网。

因此，DE 10 2007 022 871 A1中公开的每个变体需要必须通过将压敏导电层分成单独的部件或通过将区域转换成高电阻桥来处理和修改压敏导电层。两者都使得传感器的整体设计昂贵且耗时。另外，必须容忍与分辨率有关的限制或者传感器无法有效检测压力荷载的死区。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种触觉传感器，利用该触觉传感器可以精确地确定取决于位置的压力分布并且避免前述缺点。特别是，应该提供的特别平坦且柔性的传感器具有高的分辨率并且具有其中不能有效地确定压力荷载的仅几个死区。

根据本发明的一个方面，该任务通过传感器组件解决，该传感器组件包括当叠加时形成具有至少两个传感器单元的压敏传感器的柔性材料的第一层、第二层和第三层，第一层包括经由非导电区域机械地连接在一起的第一导电区域和第二导电区域，以及第二层包括在表面中延伸的第三导电区域，其中，第二层的第三导电区域与第一层的第一导电区域和第二导电区域交叠，交叠区域限定第一传感器单元和第二传感器单元的有效区域，其中，第三层由导电弹性材料形成，第三层(16)在有效区域中的局部机械荷载下与第一层的第一导电区域和第二导电区域结合，使得电阻在第一电区域、第二电区域和第三电区域之间在压力荷载的位置处改变，以及其中，所述传感器组件包括适于将第一层和第二层固定在一起的固定物，其中，所述固定物布置在所述有效区域的外部，使得在有效区域中第一层和第三层无荷载地位于彼此顶部，并且第一层和第三层的彼此面对的表面基本上免于固定。

因此，本发明的构思是不基于层的可变体积电阻而是基于由体积电阻导致的电阻和由压敏层与其中形成有电极的层的相互作用产生的接触电阻来确定传感器上的压力荷载。除了体积电阻之外，层间的接触电阻因此对于确定压力荷载也特别重要。已经表明，即使传感器单元上的低的压力也将导致电阻的可测量变化，这也使得可以创建更压敏的传感器。

因此，传感器单元不仅包括导电材料和到电极的连接，而且电极本身也是传感器单元的一部分，并且对其电特性做出显著贡献。这是通过设计类似于中间层的形成电极的层来实现的，因此也优选是压敏且弹性的。

通过主要关注可变接触电阻的影响，还可以减小传感器几何形状对压敏材料的依赖性。特别地，以有利的方式最小化从一个传感器单元到另一个传感器单元的串扰的影响，因为现在压敏材料的体积距离不是决定性的，而是具有其中形成有电极的上层或下层的压敏层的相互作用是决定性的。由于电极不仅用于接触传感器单元，而且还对其电特性做出显著贡献，所以相邻单元有利地通过电极之间的绝缘彼此解耦。

根据本发明，传感器的各个层以固定物不影响压敏接触电阻的方式固定在一起。这使得可以有利地使用可变接触电阻来确定压力荷载。为此目的，这些层被固定在传感器单元的有效表面的外部，使得通过固定物没有或至少仅非常低的压力施加在单元上。为了将电极保持在适当位置，传感器的电极被设计为连续层的电气区域，其经由非导电区域彼此机械地连接。连续层和机械连接使得电极相对于压敏层固定在非导电区域中，即在传感器单元的有效区域外部，使得电极没有被固定物按压在下面的压敏材料上。

固定物还被配置成，使得第一层和第三层的彼此面对的表面基本上免于固定，即特别是在单元的有效区域中的所述表面上不存在可影响可变接触电阻的粘合剂或其他接合剂。因此，这种设计具有与上面提到的DE 102007 022 871A1中所描述的效果相反的效果，根据DE 10 2007 022 871A1，电极通过粘合或按压附接至压敏层，以实现在它们之间限定的接触表面并因此使可变接触电阻最小化。这意味着，与根据DE 2007 022 871A1的传感器(其中可变接触电阻将被“排除”)相比，根据本发明，压力分布将由可变接触电阻决定性地确定，其通过根据本发明的固定物来实现。

对于根据本发明的传感器，压力分布主要由可变接触电阻确定，由此固定物有助于可变接触电阻不受阻碍地发展(develop)。由于可变接触电阻对压力荷载更敏感，所以甚至轻微的压力也可以通过新的传感器可靠地检测。同时，单元尺寸可以缩小到单个纱线电极，而不受影响测量结果的单元串扰的影响。传感器的“盲”区也可以最小化，因为它们基本上仅取决于单个电极彼此之间的绝缘并且不再取决于中间层的压敏材料或其格式。开始时提到的任务已经完全解决。

在优选的实施例中，第一层是第一导电区域和第二导电区域用导电纱线织入其中的纺织织物。因此，第一层并且优选地第二层在结构上与第三层相同，从而特别有利地形成可测量的可变接触电阻。由于第一层是纺织织物，例如织造织物，并且电极由导电纱线形成，所以也可以容易地形成连续层，其中绝缘区域和导电区域交替而没有结构的显著改变尤其是表面的显著改变。同时，作为单个纺织织物的层的连续形成使得易于经由非导电区域实现第一电区域和第二电区域的机械耦合。因此根据本发明的层的固定物可以特别容易且成本有效地形成。

在另外优选的实施例中，第三层的导电弹性材料是添加有导电添加物的纺织品，特别是微纤维布。该设计有利地有助于这样的事实：压力荷载可以由第三层的导电弹性材料与第一层和第二层的电极之间的可变接触电阻显著确定，因为这种微纤维布具有特殊表面，其可以有利地与织物状电极相互作用。另外，这种层一方面可以是柔性且薄的，另一方面是非常鲁棒地设计的，这使得可以实现也是非常鲁棒的特别薄的传感器。

在特别优选的实施例中，添加物是基于碳的添加物或金属添加物。这些的优点在于第三层的电导率可以以这样的方式增加，即与接触电阻相比，第三层的体积电阻基本上可以忽略不计。同时，这种添加剂不改变材料的弹性特性，这对于接触电阻尤其是压力荷载下的接触电阻的变化是决定性的。因此该设计有利地有助于提高传感器的灵敏度。

在另外优选的实施例中，固定物是层压和/或固定物包括至少一个接缝。层压或接缝特别适合作为实现根据本发明的传感器的固定物。与粘合剂或其他固定剂相比，这些固定物可以设计成使得它们固定层而不对可变接触电阻产生显著影响。另外，接缝可以通过机器很好地生产，并且因此价格便宜。层压同样也是一种可以另外保护传感器免受外部影响的产生固定物的成本有效的方法。

在另外优选的实施例中，固定物包括适于将第一层和第三层接合在一起并且沿着第一层的非导电区域延伸的至少一个接缝。通过沿着第一层的非导电区域延伸并将非导电区域机械地耦合到第一导电区域和第二导电区域，可以实现与第二层和第三层有关的第一电区域和第二电区域的特别简单且成本有效的固定物。在另一特别优选的实施例中，接缝还适于将第二层结合到第一层和第三层并且沿第一层的非导电区域延伸并穿过第二层的第三导电区域。以这种方式，三层均可以用单个接缝连接在一起，并且所有层可以彼此固定。这使得根据本发明的易于通过机器制造的传感器的特别廉价的设计成为可能。

在另外优选的实施例中，所述固定物是具有至少一个箔片的叠层，所述箔片覆盖所述第一层的背向所述第三层的表面并且延伸超过第一层、第二层和第三层。在该实施例中，传感器组件因此被层压，这会导致根据本发明的固定物。层压的优点在于，除了有效表面外部的层的固定之外，传感器组件还同时受到保护，优选防水。由此，可以实现新的传感器组件的特别鲁棒的设计。

在另外优选的实施例中，第一层和第二层是第一导电区域、第二导电区域和第三导电区域用导电纱线织入其中的纺织织物。在这种设计中，第二层因此与第一层相似。因此，第一层和第二层可以特别有利地由相同的材料获得，并且特别有利地从同一个工件获得。这使得传感器的生产特别廉价。

在另外优选的实施例中，导电弹性材料具有适于当施加的电压在0V至5V的范围内变化时具有与所施加的电压线性地行为的体积电阻。在该实施例中，第三层因此在限定的电压范围内显示欧姆行为，这使评估特别容易。具体而言，可以在欧姆行为的情况下来测量与可变接触电阻有关的体积电阻。

在另外优选的实施例中，导电弹性材料具有在0.75和1.25之间的温度变化系数，并且其中，温度变化系数是描述加热到70℃和冷却到-20℃时的最大电流变化的因子。利用这种弹性材料，可以在有利范围内清楚地确定与可变接触电阻有关的体积电阻。

在另外优选的实施例中，第二层的第三导电区域与第一导电区域和第二导电区域以及第一层的非导电区域交叠并限定其中第三层相对于第一层和第二层具有连续封闭表面的区域。在该实施例中，第三层因此是连续的，特别是封闭的层。这意味着第三层可以完整地插入到传感器中，而无需进一步调整。由此，可以实现新的传感器组件的特别成本有效的设计。

在另外优选的实施例中，固定物还被设计为使得在有效区域中第一层、第二层和第三层无荷载地位于彼此之上并且第一层、第二层和第三层的彼此面对的表面基本上免于固定。在该实施例中，固定物因此对于第二层也是类似的。这具有以下优点：可以有利地使用两个层过渡处的接触电阻，由此所应用的测量原理被进一步增强。

应该理解，上面提到的本发明的特征以及下面将要说明的特征不仅可以以所示的相应组合使用，而且在不脱离本发明的范围的情况下可以以其他组合使用或者单独使用。

附图说明

在以下描述中更详细地说明本发明的示例性实施例并且在附图中呈现，其中：

图1示出了新的多层传感器组件的示例性实施例的示意图，

图2示出了新的传感器组件的第一层或第二层的示例性实施例，

图3示出了新的传感器组件的第三层的示例性实施例，

图4示出了具有四个传感器单元的新的传感器组件的示例性实施例的示意图，

图5示出了新的传感器组件的示例性实施例的测量电路的简化示意图，

图6示出了新的传感器组件的工作原理的示意图，

图7示出了新的传感器组件的示例性实施例的平面图，以及

图8示出了使用新的传感器组件的示例性实施例的两个应用的示意图。

具体实施方式

在相应的附图中相同的附图标记表示相同的部分。

图1示出了新的传感器组件的示例性实施例的示意图，该传感器组件整体上在本文中用附图标记10表示。

新的传感器组件10包括第一层12、第二层14和位于第一层与第二层之间的第三层16。第一层12、第二层14和第三层16是形成具有至少两个传感器单元(这里未单独示出)的压敏传感器的平坦结构。

因此，第一层12、第二层14和第三层16基本上在表面中延伸并且形成为布状或箔状。即使在组合之后，单个层的柔性特性也优选地被保持，使得传感器组件10是可以卷起并且类似于织物片处理的柔性单元。除了压敏传感器所必需的三层外，还可以提供另外的层，例如布置在上方和下方的防水材料层，可以用该防水材料防水地密封三个层12、14、16。

单个层12、14、16可以是几毫米厚，优选地在0.5mm和1.5mm之间。然而，在该区域中，传感器组件10可以几乎任意地从几平方厘米扩展到几平方米。如下面更详细地说明的那样，传感器组件10的三个层被设计为使得机械荷载可以被登记(registered)在传感器组件10的表面18上。在优选的示例性实施例中，除了确定荷载之外，其强度并且特别是其在传感器组件10的表面18上的位置也可以被确定。为此，第一层12、第二层14和第三层16被特别地设计，如下面参照图2和图3更详细说明的。

图2示出了新的传感器组件10的第一层12的示例性实施例，在该优选实施例中，该新的传感器组件10是其中结合有电结构的纺织织物。优选地，第一层12是通过使用导电线和非导电线而将电结构结合到其中的织物。如图2所示，导电区域20和非导电区域22在此交替。在导电区域20中，纬线在编织期间由导电纱线制成，而在非导电区域22中，普通的非导电纱线用作纬线，产生这里示出的条状图案。条状导电区域20的宽度和条状非导电区域的宽度决定了传感器单元的尺寸和几何形状，并且因此决定了压敏传感器的分辨率，如下面更详细说明的。尽管这里导电区域和非导电区域各自具有相同的宽度，但在其他实施例中，第一层12的表面上方的宽度也可以改变。这具有的优点是传感器的分辨率可以适应相应的要求。

在优选的示例性实施例中，第二层14与第一层12相同。这意味着第一层12和第二层14可以从同一个工件获得。由此，可以实现新的传感器组件的特别成本有效且高效的生产。为此目的，工件被划分成相等尺寸的两个部分，这两个部分相对于彼此旋转，优选90°，并且放置在彼此的顶部，由此第三层被放置在第一层与第二层之间，如以下参照图3所描述的。

图3示出了新的传感器组件10的第三层16的示例性实施例，第三层由压敏导电材料24形成并且布置在第一层12与第二层14之间。压敏材料24具有在机械荷载下变化的特定体积电阻。特别地，压敏材料是弹性的，使得在机械荷载移除后压敏材料恢复到其原始形状。

第三层16优选地由无纺导电织物制成。特别优选地，第三层是具有涂覆有导电涂层的纤维的无纺微纤维布26。该涂层可以是例如基于碳的涂层或金属涂层。涂层使第三层导电。第三层的表面优选是粗糙的。特别地，第三层的表面被调整到第一层和第二层的表面，使得当被挤压在一起时表面之间的接触电阻被最小化。一旦移除荷载，表面就会彼此分离，从而实现原始接触电阻。迟滞是尽可能低的。

在优选的示例性实施例中，第三层16被一体地放置在第一层12与第二层14之间。这意味着第三层16具有连续且特别封闭的表面，其在第一层与第二层之间均匀地延伸。有利地，第三层不必为了形成各个传感器单元而单独适配，如参照以下图4更详细说明的那样。

图4示出了具有第一层12和第二层14的新的传感器组件10的简化示例性实施例。为了更好的表示，已经在这个传感器组件10中省略了布置在第一层12与第二层14之间的第三层。

第一层12具有第一导电区域20和第二导电区域28。非导电区域22布置在第一导电区域20与第二导电区域28之间。第一导电区域20和第二导电区域28与来自一个工件的非导电区域22一起形成，使得导电区域20、28和非导电区域22机械地连接。如图2中所说明的，导电区域20、28和非导电区域优选地通过使用导电线和非导电线并入织造织物中。

第二层14类似于第一层12。第二层14具有第三导电区域30和第四导电区域32。第三导电区域和第四导电区域通过另外的非导电区域彼此隔开。在该实施例中，第一层12和第二层14按照90°旋转并堆叠在一起并形成四个传感器单元。传感器组件10的传感器单元A、B、C、D形成在导电区域20、28、30、32交叠的区域中。

传感器单元A、B、C、D因此总是包括第一层12的导电区域20、28和第二层14的导电区域30、32，以及第三层的压敏材料24，第三层在第一层12与第二层14之间均匀地延伸。

由交叠区域形成的传感器单元在传感器表面上限定18有效区域36，在有效区域中可以确定传感器组件10上的压力荷载。在该实施例中，有效区域36是由非导电区域22、34将其彼此间隔开的正方形域。优选地，非导电区域22、34与有效区域36相比相对较小，使得不可以确定压力的区域尽可能小。优选地，有效区域形成几乎封闭的表面，经由该表面可以确定压力分布。能够这样是由于特殊的工作原理，即使单元紧密排列在一起，该特殊的工作原理也可以防止从一个单元到相邻单元的串扰。下面参照图5更详细地说明用于确定传感器表面18上的压力分布的操作原理。

图5示出了新的传感器组件10的等效电路图。传感器组件10在此包括总共十六个传感器单元，其在这里通过它们各自的电阻38示意性地示出。传感器单元可以经由第一电极40和第二电极42单独地接触以及这些单元的电阻38可以被确定。第一电极40和第二电极42例如经由连接在其间的多路复用器(这里未示出)成对连接至评估电路43。评估电路43被配置成确定传感器单元的电阻38。例如，简单的评估电路可以确定第一电极40与第二电极42之间的电压降并且利用该信息来确定当前接触的传感器单元的相应电阻38。不言而喻，评估电路也可以被设计得比这里所示的更复杂，例如以允许更复杂的信号处理的微控制器或信号处理单元的形式。

如上所述，传感器组件10的传感器单元A、B、C、D被设计为在压力荷载下改变其电阻。因此，通过确定传感器单元的电阻，可以直接确定单元的相应压力荷载。通过依次确定所有传感器单元的相应值，可以确定传感器组件10的传感器区域18上的压力分布。

电阻38包括形成总电阻的几个单独的部件。第三层的压力可变体积电阻和在电极与第三层之间的压力可变接触电阻是特别重要的。

尽管在现有技术的压力传感器中，传感器单元的电阻38基本上取决于在压力下变化的体积电阻，但根据新的传感器组件10的电阻38优选地取决于第三层的压敏材料24，即压力可变体积电阻，以及由传感器单元的第一电极和第二电极与其间的压敏材料24的相互作用导致的压力可变接触电阻两者。

特别地，压力可变接触电阻着眼于根据本发明的传感器，因为已经示出接触电阻在具有特定几何形状的传感器中比压力可变体积电阻更显著。因此也能够想到的是，只考虑压力可变接触电阻，并且电阻38的其他部件的影响由相应的电路补偿或者在评估期间被消除。特别是，这需要对第三层的电特性的精确了解，因此第三层有利地由显示几乎线性即欧姆的行为的材料制成。

参照图6，更详细地说明关于压力可变接触电阻的操作原理。

图6以截面图(左)和相应的电等效电路图(右)示出新的传感器组件10的单元。传感器单元包括第一层12、第二层14和第三层16。层12、14、16基本上自由地位于彼此的顶部，其中至少第一层12和第三层16由弹性材料形成。优选地，第二层14与第一层12类似。

第三层16的压敏材料24具有特定的压力可变体积电阻46。体积电阻46对于处于未加载状态的所有传感器单元是相同的。优选地，体积电阻46在限定的电压范围内是线性的。换言之，第三层16的导电弹性材料24在限定的电压范围内，尤其是在0V至5V的电压范围内显示出欧姆行为。因此体积电阻46可以优选地通过测量而清楚明确地确定。

与体积电阻46串联，接触电阻52形成在第一层12的表面48与表面50之间。接触电阻52也是压力可变的并且与体积电阻46一样随着传感器单元的压力荷载而变化。这意味着第一层的表面48和第三层16的表面50被设计成使得它们在压力荷载下例如通过彼此接合而相互作用，这增加了两层之间的接触表面并且减小了接触电阻52。压力可变接触电阻52可以对于无荷载状态下的所有传感器单元是相同的。可替选地，根据传感器单元的几何形状，压力可变接触电阻52也可以针对处于未加载状态的单元单独设置。评估必须相应地调整。

体积电阻46和接触电阻52两者都被设计成使得当单元不再被机械加载时，它们的原始值以最小可能的滞后再次被采用。例如，第一层12和第三层16的弹性使得一旦单元上的压力降低，则表面48和表面50就被拉开。

如上所述，压力可变体积电阻46和压力可变接触电阻52都是新的传感器组件10的传感器单元的总电阻38的分量。已经示出，当施加压力荷载时，有利地，接触电阻52在第三层16的压敏材料24的体积电阻46改变之前首先改变。换言之，通过使用可变接触电阻52，与常规的压力传感器相比，可以实现更灵敏的压力测量，该常规的压力传感器主要关注压敏材料24的体积电阻以便确定压力荷载。

为了受益于接触电阻52作为主要测量变量的影响，下面是有利的：第一层12和第三层16的彼此面对的表面48、50是“自由的”。在这种情况下自由意味着第一层12和第三层16可以彼此固定，但是固定物不影响表面的相互作用，例如通过将表面相互挤压。因此固定物对于根据本发明的传感器是特别重要的，其在下面的图7中更详细地说明。

图7以平面图示出了新的传感器组件10。传感器组件10在此包括具有矩形有效区域36的二十个传感器单元。有效区域36由第一层和第二层的导电区域的交叠区域限定并且被非导电区域22、34隔开。

传感器组件10在此示例性地示出了根据本发明的不同的固定物。

第一固定物56是沿非导电区域34延伸的接缝。接缝延伸穿过第一层和至少第三层，并且优选地也穿过第二层以将它们固定在一起。在优选的示例性实施例中，这种接缝布置在每个非导电区域22、34中。由于第一层、第二层和第三层优选是纺织品，因此接缝可以以特别简单的方式制造。关于固定物的决定性因素是其穿过第一层或第二层中至少之一的非导电区域，从而确保固定物56不会轧过(run over)传感器单元的有效区域36。

接缝56因此将层固定在一起而不影响第一层与第三层之间的接触表面。接缝的优点在于它可以制造得特别窄，使得仅非常窄的非主要电区域(electrically non-leadingarea)足以容纳接缝。因此，传感器的死区可以保持为最小。然而，不言而喻，接缝56仅是将第一层、第二层和第三层接合在一起的一种方式。其他可替选方案也是可以想到的。

例如，如这里由附图标记58所示，第二固定物可以通过第一层、第二层和第三层的逐点固定来实现。在这种情况下，第二固定物58也布置在传感器单元的有效区域36的外部。

另外，第一固定物56和第二固定物58不限于接缝，而是也可以是其他接合，诸如粘合接合，只要粘合剂位于传感器单元的有效区域36外部的层之间。因此，关于根据本发明的固定物的决定性在于，单元的有效区域36中的接触表面48、50可以自由地相互作用并且没有任何固定物，从而有利地，本发明意义上的压力相关的接触电阻可以自己发展。

作为上述第一层、第二层和第三层的直接固定的可替选方案，这些层也可以是间接固定的。这个第三固定物在这里由附图标记60表示。第三固定物60围绕传感器组件10并且因此也布置在传感器单元的有效区域之外。例如，可以通过层压压敏传感器来形成第三固定物60。在层压期间，在传感器组件10的上方和下方设置一片箔片，该箔片包括以下装置：用所述装置将该箔片接合至第一层或第二层的背向第三层的表面。箔片延伸超过单个的层并且在边缘粘合在一起。因此，单个的层彼此固定，而传感器单元的表面48、50不受固定物的影响。

固定物有利地使得能够在确定压力分布时关注压力可变接触电阻，这使得可以产生更压敏但同时鲁棒的触觉传感器。

不言而喻，除了上述固定物56、58、60之外，其他固定物也是可以想到的。特别地，所公开的固定物可以彼此组合以形成根据本发明的传感器。关于固定物的决定性因素是传感器单元内的单独层未被加载且自由地位于彼此的顶部，从而可以形成压力可变的接触电阻。

在下文中，图8示出可有利地使用新的传感器组件的应用。不言而喻，根据本发明的传感器组件不限于这些优选的示例性实施例。

图8示出了用作用于保护技术设施的安全装置110、112的新的传感器组件10的两个示例性实施例。两个安全装置110、112都监测技术设施114，技术设施114在此被示为自动操作机器人116。例如，机器人116可以是生产线或组装线中的切割或焊接机器人。

待监测的机器人116具有可自由移动的机器人臂118，其末端附接有工具120。机器人臂118的旋转和转动范围限定了机器人116的表示机器人116的危险区域的操作范围。必须检测进入未授权和授权的危险区域，使得机器人可以被转移到对人或物体无害的机器状态。在此通过联接至安全系统130的安全装置110和112来执行检测。

安全系统130可以是EN ISO 13856-1意义上的输出开关装置，例如简单的安全继电器、可配置的安全控制器或可编程控制单元。安全系统130被配置成例如通过使技术设施114断电来使技术设施114进入对于人员安全的状态。

根据第一示例性实施例的安全装置110是安全垫，其被布置在围绕技术设施114的区域中的地板上。根据第二示例性实施例的安全装置112是机器人臂118的盖，其充当机器人116的触敏“外壳”。安全装置110、112都包括根据本发明的传感器组件10，其由大量的单独的传感器单元124形成。特别是第二示例性实施例示出了新的传感器组件10的灵活性，使得传感器组件可适应于不同的形状，例如这里例如机器人臂118的形状。

如上所述，传感器组件10被配置成检测传感器单元124中的一个中的压力变化并且根据该检测产生适当的输出信号。输出信号经由线路126传输到安全系统130的输入模块128，安全系统130的输入模块128评估该信号并触发依赖于此的反应。在该实施例中，安全系统130为此经由输出132连接至接触器134，接触器134的工作触点136布置在机器人116的电源138中。

如果技术设施114的危险区域中的安全垫110的传感器单元124被加载，或者如果通过机器人外壳112检测到与物体或人员的接触，则安全系统130关断输出132，使得接触器134通过打开工作触点而被去激活，并且技术设施114被断电136。通过断电，技术设施114被置于关于人员或物体安全的状态。

不言而喻的是，使技术设施114断电仅是使技术设施114进入安全状态的一种方式。可替选地或另外地，在其他实施例中，安全系统130还可以控制机器人116的运动以实现安全状态，例如通过机器人116缩回机器人臂118。还可以想到，考虑将第一安全装置110的传感器组件10的输出信号、第二安全装置112的传感器组件10的输出信号或其他安全装置的输出信号彼此组合，以及安全系统130根据组合评估做出关于机器人116的控制的决定。其他安全装置可以包括电敏防护设备(ESPE)，例如光栅(light barriers)或光幕，或安全相机系统。

对于上述压敏安全装置，应遵守EN ISO 13856-1中规定的安全设计和测试的通用规则和要求。具体地，该标准规定了有关性能、标签和文件的最低安全要求。例如，必须确保用于保护技术设施的安全装置在-20℃至70℃的限定温度范围内完全正常工作。可以通过根据本发明的新的传感器组件10特别好地且成本有效地满足这些要求。

可以理解的是，新的传感器组件10不限于上述应用，而是还可以以其他有利的方式使用，尤其是在对使用的压敏传感器的鲁棒性、可靠性和准确性提出高需求的应用中。

Claims (12)

1.一种传感器组件(10)，其包括当叠加时形成具有至少两个传感器单元的压敏传感器的柔性材料的第一层(12)、第二层(14)和第三层(16)，

所述第一层(12)包括经由非导电区域(22)机械地连接在一起的第一导电区域(20)和第二导电区域(28)，以及所述第二层(14)包括在表面延伸的第三导电区域(30)，

其中，所述第二层(14)的所述第三导电区域(30)与所述第一层(12)的所述第一导电区域和所述第二导电区域(20，28)交叠，交叠的区域限定第一传感器单元和第二传感器单元的有效区域(36)，

其中，所述第三层(16)由导电弹性材料(24)形成，所述第三层(16)在有效区域(36)中的局部机械荷载下与所述第一层(12)的所述第一导电区域和所述第二导电区域(20，28)结合，使得电阻(38)在所述第一导电区域、所述第二导电区域和所述第三导电区域(20，28，30)之间在压力荷载的位置处改变，以及

其中，所述传感器组件包括适于将所述第一层和所述第二层(12，14)固定在一起的固定物(56；58；60)，其中，所述固定物布置在所述有效区域(36)的外部，使得在所述有效区域(36)中所述第一层和所述第三层(12，16)无荷载地位于彼此顶部并且所述第一层和所述第三层(12，16)的彼此面对的表面(48，50)基本上免于固定，以及

其中，所述固定物(56；58；60)是层压。

2.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，所述第一层(12)是所述第一导电区域(20)和所述第二导电区域(28)用导电纱线织入其中的纺织织物。

3.根据权利要求1或2所述的传感器组件，其中，所述第三层(16)的所述导电弹性材料(24)是添加有导电添加物的纺织品。

4.根据权利要求3所述的传感器组件，其中，所述纺织品是微纤维布。

5.根据权利要求4所述的传感器组件，其中，所述添加物是基于碳的添加物或金属添加物。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器组件，其中，所述固定物(60)是具有至少一个箔片的叠层，所述箔片覆盖所述第一层(12)的背向所述第三层(16)的表面并且延伸超过所述第一层、所述第二层和所述第三层(12，14，16)。

7.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器组件，其中，所述第一层和所述第二层(12，14)是所述第一导电区域、所述第二导电区域和所述第三导电区域(20，28，30)用导电纱线织入其中的纺织织物。

8.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器组件，其中，所述导电弹性材料(24)具有适于当所施加的电压在0V至5V的范围内变化时与所施加的电压线性地行为的体积电阻。

9.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器组件，其中，所述导电弹性材料(24)具有在0.75和1.25之间的温度变化系数，并且其中，所述温度变化系数是描述加热到70℃和冷却到-20℃时的最大电流变化的因子。

10.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器组件，其中，所述第二层(14)的所述第三导电区域(30)与所述第一导电区域和所述第二导电区域(20，28)以及所述第一层(12)的所述非导电区域(22)交叠并且限定其中第三层(16)相对于所述第一层和所述第二层(12，14)具有连续封闭的表面的区域。

11.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器组件，其中，所述固定物还被设计为使得在所述有效区域(36)中所述第一层、所述第二层和所述第三层(12，14，16)无荷载地位于彼此之上，并且所述第一层、所述第二层和所述第三层(12，14，16)的彼此面对的表面(48，50)基本上免于固定。

12.一种安全装置(110，112)，其具有根据权利要求1至11中任一项所述的传感器组件。

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