CN114174786A

CN114174786A - 铁电传感器

Info

Publication number: CN114174786A
Application number: CN202080051259.2A
Authority: CN
Inventors: 桑德罗·卡珀特; 斯特凡·萨克斯; 约翰·皮克勒尔
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2022-03-11
Also published as: US20220238784A1; CN113853693A; JP2022532366A; EP4322409A3; EP4322409A2; US20220228921A1; WO2020229674A1; JP2022532365A; EP3970206A1; JP7473720B2; JP2023134653A; WO2020229696A1; JP7432618B2; DE112020002385A5

Abstract

描述一种传感器(1)，所述传感器由第一电极(3a)、铁电层(2)和第二电极(3b)组成。第二电极(3b)与接地线连接并且铁电层(2)设置在第一电极和第二电极(3a，3b)之间。

Description

铁电传感器

技术领域

本发明涉及一种铁电传感器。

背景技术

由于当前以工业4.0或物联网的概念来推进的发展的数字化，在机器彼此之间以及与人之间的相互作用变得越来越普遍。多个挑战中的一个挑战是，在这些相互作用下提高人和机器的安全性，其方式是避免事故。

在该上下文中，为了识别风险和为了避免可能的碰撞将不同的传感器类型安装在越来越智能的机器中，所述机器通常基于不同的物理效应。一方面，光学传感器或相机模块由于其探测范围的有效范围可以用于及早地识别可能的风险。另一方面，超声传感器例如适合于近距离的测量进而可以识别附近的危险。在直接邻近区域中，即当在机器和环境之间存在接触时，例如可以使用电容式传感器或电阻式传感器，如接触保护条，来探测触碰。

大多数情况下，在部分自主或完全自主的机器中安装多个不同的传感器类型，以便预防碰撞。因为传感器覆盖不同的区域，因此可以创建环境的较全面的图像。

尽管如此，将不同类型的多个传感器装入一个应用中是昂贵的。此外，不同传感器类型的使用带来高的技术耗费。不同传感器类型需要自身的操控和评估电子机构，由此整个传感器系统变复杂且变大。此外，对每个另外的传感器类型必须应用至少一个自身的稳定的和专用的功能检查，所述功能检查持续地检查传感器以及电子机构，并且使整个系统附加地变庞大。

因此，基于不同的物理效应作用并且将不同的传感器类型集于一体的传感器是期望的。

发明内容

本发明的目的是，提供一种传感器，所述传感器基于不同的物理效应产生测量信号。

所述目的通过根据权利要求1的传感器来实现。其他有利的实施方案和可能的设置方案从其他权利要求中得出。

描述一种传感器，所述传感器由第一电极、铁电层和第二电极组成。铁电层设置在两个电极之间并且第二电极与接地线连接。

测量信号可以作为电极之间的电压变化来截取。接地线可以处于接地电势。

铁电层在此可以由在电场中示出铁电特性的材料组成。优选地，层可以由具有压电特性的铁电材料，特别优选由具有热电特性的铁电材料组成。

因为所有热电材料同样是压电材料，所以在电极之间的功能层不仅相对于温度变化是敏感的，而且也相对于传感器的所有由于压电效应的变形也是敏感的。因为电极之一是接地的，所以与电极的非常接近或触碰会改变在电极和接近的物体之间的电容并且同样会造成在电极之间的电压变化。以这种方式可以充分利用在传感器之内的三种不同的物理效应，即电容效应、压电效应和热电效应。

将热电效应、压电效应和电容效应在传感器之内结合是特别有利的，因为这三个效应适合于检测不同的事件。借助热电效应能记录来自环境的温度变化。由此能从远处无触碰地确定例如来自人的体热或机器的热量产生的温度变化。电容效应同样可以用于无触碰的探测，然而为此需要非常接近传感器。然而有利的是，当热电效应的探测由于处于相同温度的物体接近没有得到传感器信号或仅得到小的传感器信号时，那么接近也可以经由电容效应探测。对热电效应互补地，可以充分利用压电效应或电容效应，以便检测传感器与其他物体的触碰。附加地，压电效应或电容效应可实现改进的探测，因为在传感器相同时，通过热电效应产生与压电效应或电容效应相比弱10倍至100倍的电压信号。然而，压电效应与电容效应的不同之处在于，对于在压电效应下在电极处的电压变化必须发生压电层的主动的空间变形，而在电容效应下静止的触碰已经造成电压变化。因此，通过压电效应例如在传感器在空间上向外突出的情况下通过压电层的弯曲引起电压变化，其中所述传感器是柔性的并且通过接近的物体弯曲。电压变化适合于测量与接近的物体的间距，因为电压变化的高度与弯曲的程度相关。相反地，如果变形的压电层静止，或不发生变形，则不出现基于压电效应的电压变化。在此情况下，电容效应如下作用，如果接地的电极被触碰，则所述电容效应在层不变形的情况下也造成在电极之间的电压变化。

通过传感器可以将不同的物理效应用作为探测的基础，可以减少必须在一个应用中安装的不同的传感器类型的数量。此外，所需的操控和评估电子机构可以简化和减少，因为所述操控和评估电子机构不必对每种传感器类型单独提供。如果此外在传感器中利用覆盖互补的探测范围的不同的物理效应，那么可以得出环境的更准确的概览进而确定物体的接近。

电信号的测量出的变化可以包括信号-时间变化曲线和/或幅值和/或时间刻度和/或时间动态和/或极性的变化。由此可行的是，检测电信号的整个动态。

电信号可以包括电压和/或电荷和/或电容和/或极性。由此，电信号可以与测量类型无关或可以基于不同的测量原理进行测量。

铁电层可以具有聚合物、陶瓷或聚合物陶瓷基体，其中作为聚合物可以使用聚偏二氟乙烯(PVDF)和其共聚物并且作为陶瓷可以使用锆钛酸铅(PZT)或BaTiO₃。前述实例在此是如下铁电材料，其具有热电特性以及满足工业要求。PVDF是热电塑料，其是可弯曲的进而是特别适合的。用于将PVDF涂覆在第一电极上的适合的方法可以是旋涂、丝网印刷或喷墨印刷。而PZT和BaTiO₃是热电陶瓷，其仅作为薄层是柔性的。PZT陶瓷可以附加地掺杂有Na、Ca或La，以便调整电特性。如果热电层是PZT、BaTiO3或其他无铅的或含铅的陶瓷，那么这些热电层可以经由薄层法，例如CVD、PVD，经由溶胶-凝胶法与旋涂的组合或经由丝网印刷涂覆在第一电极上。

第一电极以及第二电极可以由在UV-可见范围内和/或优选在IR范围内透明的和/或能导热的材料构成。由此可以保证，红外的热辐射直接到达铁电层进而提高传感器的灵敏度。适合的材料例如可以是ITO、PEDOT:PSS、石墨、金属纳米管、碳纳米管或石墨烯。

此外，电极可以由一层或多层的金属，如Al、Cr、Ni、Ag、Cu，或这些元素的混合物，金属间化合物以及合金组成或具有这些元素。优选地，在此涉及溅射层。在溅射层的情况下也可以将不同金属的多个层上下相叠地溅射，例如Cr/Ni/Ag。通过选择相应的金属可以改进传感器的例如通过焊接的接触，因为可实现更好的附着。由金属构成的电极具有高的导电性和导热性，由此不会强烈地损害传感器的灵敏度。

此外，传感器可以具有另外的第一电极、第二电极和铁电层，其中铁电层设置在第一和第二电极之间。通过将传感器实现为多层构件，可以将多个功能铁电层相继排列并且提高传感器的灵敏度以及准确性。

在元件上或在元件之间的设置可以是直接的设置，其中所设置的元件彼此触碰并且直接置于彼此上，或者是间接的设置，其中在相叠设置的元件之间可以有另外的元件。电极在每种情况下都直接设置到铁电层上，使得所述电极触碰所述铁电层并且建立电接触。

在多层构件中可行的是，单独地接触各个功能层。在此，第一电极分别借助单独的第一接触元件电接触并且第二电极分别借助单独的第二接触元件电接触。由此可以对相应的功能层评估单独的传感器信号，其中附加可行的是，对各个功能层截取不同类型的传感器信号。

对此替选地，在多层构件中，所有第一电极可以借助相同的第一电接触元件接触并且所有第二电极可以借助相同的第二电接触元件电接触。由此，所有第一电极彼此并联连接并且所有第二电极彼此并联连接。电信号可以在接触元件之间截取。由此在传感器信号的信号相加的意义上从各个功能层的信号中考虑将增强的信号用于评估。

此外，第一电极可以设置在传感器的内部，铁电层包覆第一电极并且第二电极包覆铁电层。这种实施方式优选可以柱形地或板形地构成。在传感器中的层可以设置为，使得传感器沿垂直于传感器的层的方向的扩展相对于传感器沿着层的扩展是短的。所述实施方式可实现根据本发明的传感器的无数的另外的应用。此外，传感器的柱形的几何形状有助于提高相对于变形的灵敏度。被包覆的传感器也可以在连续工艺中制造，类似于金属丝或线缆生产，借此可实现价格便宜的生产。

根据术语“被包覆”的可能的应用，当进行包覆的层并非完美地、而是大部分地包围位于其下方的层时，那么层也可以视为由另一层包覆。如果剖面图横向于层拍摄，那么当剖面图的大于90％、95％、99％或99.9％在进行包覆的层中不具有缺陷时，层被认为是被包覆的，所述进行包覆的层穿过整个层厚度扩展。在制造层时，可能不可避免地在层中产生缺陷或裂纹，所述缺陷或裂纹会使完美的包围变难。在运行中也可以通过机械应力在传感器的层中产生裂纹，然而所述裂纹仅在有限程度上干扰传感器的功能。由一个层包覆的层或元件可以替选地由该层完全地围住。

此外，传感器可以具有绝缘层，在所述绝缘层上可以设置有第一电极或第二电极，其中传感器可以卷起，使得绝缘层位于内侧上。内侧在卷起的传感器中指向传感器的中轴线并且远离传感器的外表面。卷起造成在贯穿传感器的横截面中螺旋形的电极，并且造成在贯穿传感器的横截面中螺旋形的且在同样螺旋形的电极之间夹层式地伸展的铁电层。这些电极中的不直接设置在绝缘层上的电极由此形成卷起的传感器的外表面。

卷起的传感器优选可以柱形地构成。通过将传感器卷起，可行的是，也借助用于面状层的制造工艺来生产柱形的传感器。绝缘层首先用于电极的电绝缘，所述电极否则在卷起时会短路。如果传感器多次卷起，那么产生多层构件，其中传感器然而具有仅一个第一和第二电极。电性能明显与具有多个堆叠的层的被包覆的实施方式不同，因为在卷起的传感器中形成唯一的电容，所述电容对应于电容器的并联连接，而在具有多个堆叠的层的被包覆的实施方式中，在电极之间形成的电容对应于电容器的串联连接。对于类似的层数量、材料和尺寸，对于卷起的传感器由此得出较高的电容，借此在传感器中的电容效应更清楚表现出来。

此外，传感器可以具有承载材料。根据应用领域，承载材料可以是无弹性的或弹性的。无弹性的承载材料可以提高传感器的机械稳定性。尤其对于构件的运输和安装，高的机械稳定性可以是有益的，以便避免损坏。对于特定应用，也会需要在由玻璃、混凝土或钢构成的承载材料上的设置，尽管由此压电效应由此减小。考虑作为承载材料的弹性材料此外可以是橡胶、塑料或织物，例如聚酯。

第一电极或第二电极可以设置在承载材料上。要注意的是，需要在电极和承载材料之间的足够的附着。通过适当地选择用于承载材料和电极的材料确保足够的附着。可以执行承载材料的表面处理，例如粗糙化，以改善在承载材料和电极之间的附着。

此外，传感器可以具有绝缘层，在所述绝缘层上设置有第一电极或第二电极，其中传感器卷起，使得绝缘层设置在承载材料上。由此，经由选择承载材料可以控制卷起的传感器的机械稳定性。因为考虑将不同材料和甚至物体作为承载材料，通过这种设置方式展现多种对于传感器的可能的应用领域。通过将传感器卷起，增强传感器的电容效应。

在另一实施方式中，承载材料可以设置在传感器的内部，其中第一电极包覆承载材料，铁电层包覆第一电极并且第二电极包覆铁电层。通过选择承载材料，传感器可以根据应用更刚性地或更柔性地构成和优化。本实施方式优选也可以柱形地或板形地构成。此外也可行的是，在连续工艺中从而价格便宜地制造以这种方式构成的传感器。

在内部具有第一电极的传感器可以具有另外的第一、第二电极和铁电层，其中第一和第二电极径向交替地设置并且各一个铁电层设置在一个第一电极和一个第二电极之间。因为这样多个功能铁电层相继排列，所以可以提高传感器的灵敏度以及准确性。

被包覆的、然而也卷起的传感器可以完全与其是否具有承载材料无关地具有另外的第一电极、第二电极和铁电层，其中各一个铁电层设置在一个第一电极和一个第二电极之间。由此，类似于堆叠的多层构件，提高传感器的信号强度进而灵敏度以及准确性。

用于被包覆的或卷起的传感器的承载材料例如可以是纺织纤维。所述传感器例如可以织入衣物、外套或毯子中。例如由聚酯构成的人造纺织纤维突出地适合于这种使用。然而也可以利用天然纤维，如果其能经受制造工艺。

此外，承载材料也可以是玻璃纤维。其可以用于，通过颜色输出或颜色变化向外传递系统信息，例如是否发生传感器的直接触碰或是否存在热源的接近。

在玻璃纤维的外表面的一部分上可以施加光学反应传感器层。所述反应层例如可以根据环境中的O₂含量或ph值以颜色变化做出反应。借助于玻璃纤维可以测量所述颜色变化，并且传感器能够以另外的感测维度扩展。将纤维布拉格光栅用作为承载材料也是可行的并且可以提升传感器的信息输出。

有利的可以是，将传感器柱形地构成。由此，传感器是径向对称的并且例如由于传感器的变形而产生的测量信号是与方向无关的。传感器的板形的构成方案也是可行的。在板形的情况下，宽度和长度是高度的至少十倍大。这允许将用于面状层的制造工艺用于生产传感器。

此外，传感器可以具有至少一个机械的增强元件。机械的增强元件例如可以是头发状的或刷毛状的突出部，其将机械的触碰传递到传感器上。以这种方式可以增大由于变形和电容效应引起压电效应的作用范围。机械的增强元件可以由复合材料或由塑料如PET、热固性塑料或特氟龙构成。

机械的增强元件可以由第一电极和/或第二电极构成。机械的增强元件的制造可以一起结合到电极的制造工艺中，借此传感器可以有益地并且不复杂地以机械的增强元件扩展。

如果传感器具有承载材料，那么至少一个机械的增强元件也可以由承载材料构成。尤其在柱形的传感器的情况下，无论被包覆或被卷起，设置在内部的承载材料可以从传感器中伸出进而以简单的方式形成机械的增强元件。

替选地，至少一个机械的增强元件可以由第一电极和承载材料构成。所述实施方式也适合于柱形的传感器。在此情况下，承载材料和设置在承载材料上的电极从传感器中伸出。由此不仅扩展压电效应的作用范围，而且也扩展传感器的电容效应的作用范围。

传感器的各个层，即铁电层以及第一和第二电极可以分别薄于50μm。通过将传感器极其薄地构成，所述传感器可以是柔性的且可弯曲的，这尤其在基于压电效应的测量中是有利的。薄的设计方案，尤其还有热电层的薄的设计方案可实现传感器的低的热质量进而改进传感器相对于温度变化的响应时间和灵敏度。

有利的装置可以具有上述传感器和评估电子机构。评估电子机构可以设计用于，测量在铁电层中产生的电压并且识别电压由于压电效应、热电效应和电容效应的改变。评估电子机构应当设计为从信号时间变化曲线中根据幅值、时间刻度、时间动态和极性将测量信号与一个或多个物理效应相关联。根据电压变化与一个或多个物理效应的关联，评估电子机构可以识别：物体是否接近传感器，或者物体是否触碰传感器。

在另一有利的装置中，多个传感器设置成矩阵。通过传感器设置成矩阵，可以执行空间分辨的测量进而也追溯运动。例如平坦的传感器可以设置在基板上或柱形的传感器可以设置为，使得其地毯式地从基板伸出。

传感器可以集成在机器人中。机器人，尤其是自主的机器人，例如清洁机器人、割草机器人、配送机器人或运输机器人受益于可以确定接近机器人的简化的传感器。如果记下接近传感器，那么机器人可以相应地处理，其方式为：机器人减缓速度，保持停止或躲避障碍。

具有根据本发明的传感器的协作系统同样受益于记下接近的可能性。在协作系统中得出机器与人以及与其他机器的大量相互作用，其显示出碰撞的风险。借助传感器对环境的可靠的探测使事故风险最小化并且允诺安全的工作流程。

根据本发明的传感器也可以集成到自动门，尤其是自动转门或电梯门中。如果传感器检测人员的接近，那么门可以打开，防止门关闭，或转门的转速变慢，以便防止接近的人碰撞或夹住。

另一方面涉及一种用于制造上述传感器的方法，其中铁电层经由薄层法，例如CVD或PVD，或经由溶胶-凝胶法与旋涂的组合涂覆在第一电极上。

附图说明

下面，根据示意图详细描述本发明。

图1示出本发明的第一实施例的示意横截面视图。

图2示出具有传感器和评估电子机构的示意装置。

图3示出具有传感器和评估电子机构的另一示意装置。

图4示出评估的结构图表。

图5示出传感器的示意测量曲线。

图6示出由于热电效应的电压变化的测量曲线。

图7示出由于压电效应的电压变化的测量曲线。

图8示出由于电容效应的电压变化的测量曲线。

图9示出多层构成的传感器的示意横截面视图，其中电信号增强。

图10示出多层构成的传感器的示意横截面视图，其中读取多个单个电信号。

图11示出板状的且被包覆的实施例的示意横截面视图，其中第一电极设置在传感器的内部。

图12示出板状的且被包覆的实施例的示意横截面视图，其中承载材料设置在传感器的内部。

图13示出另一实施例的示意横截面视图，其中增强元件设置在第二电极上。

图14示出柱形的实施例的示意横截面视图，其中增强元件设置在承载材料和第一电极上。

图15示出柱形的第四实施例的示意横截面视图，其中具有第一电极的延长的承载材料用作为增强元件。

图16示出柱形的实施例的示意横截面视图。

图17示出多层的柱形的实施例的示意横截面视图。

图18示出柱形的实施例的示意横截面视图，其中光学反应层设置在承载材料上。

图19示出具有绝缘层的实施例的示意横截面视图，其中传感器卷起。

图20示出具有绝缘层的实施例的示意横截面视图，其中传感器围绕承载材料卷起。

图21示出具有可能的传感器位置的机器人。

图22示出具有可能的传感器位置的协作系统。

图23示出具有可能的传感器位置的自动转门。

图24示出具有可能的传感器位置的自动电梯门。

相同的、类似的或看上去相同的元件在附图中设有相同的附图标记。附图和附图中的大小关系并非是符合比例的。

具体实施方式

在图1中示出根据本发明的传感器1的示意横截面视图。在第一电极3a之上设置有铁电层2并且在其之上设置有第二电极3b。第二电极3b被电接触并且与接地线连接。

铁电层在此可以由在电场中示出铁电特性的材料构成。优选地，层可以由具有压电特性的铁电材料构成，特别优选由具有热电特性的铁电材料构成。

电极3a、3b被电接触(未示出)并且电压变化例如可以在电极3a、3b之间作为测量信号读取。热电层2同样是压电的并且相对于温度变化以及相对于具有电荷分离的变形作出反应，所述电荷分离在电极3a、3b处造成电压变化。由于第二电极3b接地，在非常接近或触碰的情况下，由在第二电极3b和接近的物体之间的电容变化产生在电极3a、3b之间的电压变化。本发明的传感器1利用三种不同的物理效应，电容效应、压电效应和热电效应，以便覆盖不同的探测范围。

由于热电效应可以探测温度变化，所述温度变化可以根据热源距离几米。电容效应同样可以用于无触碰的探测，然而为此需要将要探测的物体非常接近传感器1至几厘米。压电效应和电容效应可以用于，确定传感器1与其他物体的触碰。然而，压电效应与电容效应的不同之处在于，对于在压电效应下在电极3a、3b处的电压变化，必须发生热电层2的主动的空间变形，而在电容效应下静止的触碰已经造成电压变化。

铁电层2具有PVDF或PZT。两种材料是热电的。PVDF特别适合作为弹性的热电塑料，因为铁电层2可以容易地变形进而可以通过压电效应引起电压变化。由PVDF构成的铁电层2例如可以通过旋涂、丝网印刷或喷墨印刷来施加。而PZT是热电陶瓷，其作为非常薄的层示出柔性。PZT陶瓷由Na、Ca或La的掺杂是可行的，以便调整电特性。PZT或其他热电陶瓷可以借助于薄层法，例如CSD或PVD施加。PVDF相对于陶瓷，如PZT具有如下优点，即其也可以没有问题地施加在较大的面上，因为陶瓷由于内部的应力和压力可以作为大面积的层放置。

优选地，第一电极3a和第二电极3b由透明导电材料，例如ITO、PEDOT:PSS、银、石墨、金属纳米线、碳纳米管或石墨烯构成。在UV-可见范围内和/或在IR范围内具有透明度和/或示出良好的导热性的材料特别好地适合作为电极3a、3b。这简化了到铁电层2中的热量输入，因为红外热辐射直接射到铁电层2上。由此，传感器1的灵敏度，尤其是关于热电效应的灵敏度提高。电极3a、3b也可以由金属，如Al、Cr、Ni、Ag、Cu，金属的混合物，金属间化合物或合金组成。因为金属具有高的导电性和导热性，所以这些金属同样适合作为电极材料。

传感器1的层分别是比50μm更薄的，由此整个传感器1是柔性的且可弯曲的。由此，传感器1可以容易地变形，这由于压电效应引起在第一电极3a和第二电极3b之间的电压变化。因为传感器1是极其薄的，所以所述传感器具有低的热质量，因此响应时间缩短并且传感器1相对于温度变化的灵敏度提高。

传感器1并非必须，如图1中所示出的，构成为具有仅一个热电层2，而是能够以多层构造方式实现为具有多个热电层2和多个第一和第二电极3a、3b。在此，热电层2总是设置在第一和第二电极3a、3b之间，其中第一和第二电极3a、3b沿堆叠方向交替地变换。通过传感器1实现为多层构件可以提高传感器1的灵敏度以及准确性。

作为电压变化在第一和第二电极3a、3b处截取的测量信号被转发至评估电子机构。评估电子机构7在此可以设置在与传感器1相同的承载材料4上，如在图2中所示出，或者不设置在相同的承载材料4上，如在图3中所示出。评估电子装置7要么直接在传感器1处被接触，要么经由承载材料4被接触，如在图3中所示出的。如果在传感器1处通过测量事件产生电压变化，那么所述电压变化被模拟地转发至评估电子机构7，如在图4中可见的。评估电子机构7此外具有信号放大器、比较器以及微处理器并且设计为用于将测量曲线与压电效应、热电效应或电容效应相关联。接着，将信号数字地发送至数字评估装置8，所述数字评估装置再次发出输出信号。

在图5中示出示例曲线，其示出在传感器1的机械或热激励之后的电压变化。在图5中的图表中，以及在图6、7和8中的图表中，相对于时间绘制电压。在图6中示出电压变化，所述电压变化由纯热电效应引起。在位置Y1处将热源接通并且在位置Y2处再次关闭。在图7中示出测量曲线，所述测量曲线仅来自压电效应。在位置X1处由于压力加载引起变形并且在位置X2处再次移除压力加载。图8中的测量曲线示出在传感器1处的电压变化，所述电压变化仅来自电容效应。

测量曲线由于热电效应引起的摆幅例如比由于压电效应或电容效应引起的摆幅更慢，如图6与图7和8的比较所示出。此外，在热电效应下的曲线走向如在图6中可见的那样在热源作用到传感器1上(Y1)或随后切断或屏蔽(Y2)时可以具有不连续性。在此情况下，热源的切断作用为负温差，由此极性改变并且测量曲线进行符号突变。

在压电效应的情况下，在测量曲线中，例如在传感器1在其之前变形(X1)之后松开(X2)时同样可以发生符号变换，如在图7中所示出的。然而，曲线走向与热电效应不同是连续的并且可以快得多。幅值或电压变化在热电效应下通常与在压电效应下相比小10倍或100倍，这然而在将图6与图7比较时不可见，因为曲线事先被相应地放大。

另一方面，在电容效应的情况下不会引起在测量曲线中的符号变换，并且摆幅可以比由于压电效应引起的摆幅在时间上更快，如在图8中可见的。图8中的两个测量曲线借助传感器1记录，其中在一种情况下第二电极3b与接地线连接并且在另一种情况下第二电极不与接地线连接。因为在第二电极3b不接地的测量曲线中不出现电压变化，所以能确定，电压变化仅归因于电容效应，而不是压电效应，所述压电效应与第二电极3b的接地无关地会造成电压变化。通过对测量曲线分析这些不同特性，评估电子机构7可以进行与物理效应的关联。

如果传感器1，如在图9中所示出的，作为多层构件存在，那么所有第一电极3a借助相同的第一电接触元件电接触，并且所有第二电极借助相同的第二电接触元件电接触。由此，各个第一和第二电极并联连接。由此，在信号相加的意义上，各个功能层的电信号S可以形成增强的电信号S1用于评估。

在替选的实施方式中，如在图10中所示出的，各个功能层被单独地接触。在此，第一电极分别借助单独的第一接触元件电接触并且第二电极分别借助单独的第二接触元件电接触。由此，对相应的功能层可以评估单独的电信号(S1、S2、S3、S4)，其中附加可行的是，对各个功能层截取不同类型的传感器信号并且根据物理效应进行区分。

在图11中示出板状的和被包覆的实施例的示意横截面视图，其中第一电极3a设置在传感器1的内部，其中铁电层2包覆第一电极3a并且第二电极又包覆铁电层2。这种传感器1可以逐层地借助于适合于面状层的制造工艺，例如丝网印刷来构造。在此有利的可以是，将内部的层用面积更大的层套印，以便实现包覆。然而，在制造包覆件时，恰当的也可以是，首先在内层的一侧上涂覆在其上设置的层并且随后将构件翻转并且在另一侧上涂覆相同的层类型。在翻转之前将涂覆的层干燥。

图12示出传感器1的板状的且被包覆的实施例的与图11类似的示意横截面视图，其中在此情况下承载材料4设置在传感器的内部。所述实施例也可以，如在图11中那样，借助用于面状层的制造工艺产生，其中将层依次涂覆或者但是通过如下方式，即将构件对每个包覆层翻转。

承载材料4可以是无弹性的，也可以是弹性的。通过无弹性的承载材料4，如基板，提高传感器1的稳定性。对于所选择的应用可以优选在由例如玻璃、混凝土或钢构成的承载材料上设置。考虑作为承载材料4的弹性材料此外可以是橡胶、塑料或织物，例如法兰绒。

在图13中类似于图1示出传感器1的示意横截面视图，其中传感器1设置在承载材料4上并且在第二电极3b上具有机械的增强元件5。在图13中作为头发状的、或刷毛状的突出部示出的机械的增强元件5可以将触碰机械地传递到第二电极3b上。因为铁电层2附着在第二电极3b处，所以所述触碰也转移到铁电层2上进而铁电层2变形。这增大可以借助压电效应覆盖的探测范围。机械的增强元件5要么由复合材料构成，要么由塑料，如PET、热固性塑料或特氟龙构成。

机械的增强元件5同样可以施加或构成在柱形的传感器1或不设置在承载材料4上的传感器1上。优选地，增强元件5沿轴向方向作为第一电极3a和/或承载材料4的延长部安置，如其在图14中所示出的。优选在此不附加地施加增强元件5，而是通过第一电极3a和承载材料4实现，其中在用作为增强元件5的区域中，在第一电极3a和承载材料4上没有施加另外的铁电层2和没有施加另外的第二电极3b。这样构成的传感器的横截面的视图在图15中示出。为了附加的信号增强，可以将这种设有增强元件5的柱形的传感器1组合成由多个单个传感器1构成的束。

替选地，增强元件5也可以仅由承载材料4构成。在其中承载材料4设置在内部的柱形的实施例中，那么在增强元件5的区域中也弃用第一电极3a。如果传感器1设置在承载材料4上，所述承载材料具有比传感器1本身更大的尺寸，那么承载材料4的突出的部分也用作为增强元件5。在内部没有设置承载材料4、而是设置第一电极3a的实施方式中，增强元件5也可以仅由第一电极3a构成。那么，第一电极3a从传感器1伸出，其中弃用铁电层2和第二电极3b。

在图16中示出柱形构成的传感器1的示意横截面视图。在内部设置有第一电极3a，所述第一电极由热电层2包覆。铁电层2又由第二电极3b包覆。第二电极3a是接地的，其中在图16中没有示出。

第一电极3a可以是商业常见的金属丝。优选地，第一电极3a保持为非常薄的，具有大约150μm至250μm的直径，以便减少传感器1的热质量。铁电层2出于相同的原因构成为薄的，具有小于5μm的厚度。在本实施方式中最外部的第二电极中，在选择层的厚度时必须在传感器1的灵敏度和热电层2的保护之间进行权衡。在实践中，例如10μm的厚度被认为是有利的折中。

传感器1的柱形的形状对于应将传感器1引入到窄的开口中的应用是特别有利的。此外，传感器1的柱形的几何形状有助于，提高相对于变形的灵敏度。附加地，柱形的实施方式可实现在连续工艺中制造传感器1，类似于金属丝或线缆生产。这简化了制造并且降低了生产成本。

在图17中类似于图14示出柱形构成的传感器1的示意横截面视图。在内部设置有承载材料4。各两个第一和第二电极3a、3b交替地包覆承载材料4，其中各一个铁电层2设置在第一和第二电极3a、3b之间。在传感器1的内部的层在本实施例中也比5μm更薄。形成最外部的层的第二电极3b优选是10μm厚的。通过使用多个热电层2，相对于具有热电层2的实施例提高传感器1的准确性。

承载材料4例如可以是纺织纤维、玻璃纤维或纤维布拉格光栅。如果纺织纤维用作为承载材料4，那么所述纺织纤维可以织入到衣物、外罩或毯子和其他纺织产品中。由塑料、例如聚酯构成的纺织纤维突出地适合作为承载材料4。例如由棉构成的天然纤维同样可以使用。玻璃纤维作为承载材料4可以用于显示系统状态：例如是否发生直接的触碰或接近，其方式为：特定颜色的光通过玻璃纤维传送。纤维布拉格光栅作为承载材料4的使用同样是可行的。所述纤维布拉格光栅可以扩展传感装置，其方式为：所述纤维布拉格光栅例如用作为力传感器。然而在此要注意的是，对此需要另外的光学评估整套装备。

在图18中示出柱形构成的传感器1的纵向的横截面视图。在内部设置有玻璃纤维，所述玻璃纤维由第一和第二电极3a、3b包覆，其中铁电层2设置在第一和第二电极3a、3b之间。在玻璃纤维的外表面的一部分上没有施加第一和第二电极3a、3b以及铁电层2，而是替代于此涂覆光学反应传感器层6。所述光学反应层6例如可以对环境中的ph值或O2含量以颜色变化或荧光变化做出反应。借助于从玻璃纤维中射出的消逝的光波可以测量颜色变化。以这种方式，传感机构和用于传感器1的潜在的应用领域可以扩展。

在图19中示出具有绝缘层9的实施例的示意横截面视图，其中传感器1卷起，使得绝缘层9位于内部。绝缘层是电绝缘的柔性的层，其也可以由柔性的且薄的承载材料4构成。通过绝缘层9防止，第一和第二电极3a/3b在卷起时短路。

卷起的实施方式可实现，也借助面状的制造工艺来制造柱形的传感器1。通过传感器1多次卷起，可以制造多层构件，其中要注意的是，径向彼此跟随的电极不像在被包覆的传感器1中那样彼此电分离，而是彼此连接。卷起的传感器1因此与被包覆的传感器1相比具有提高的电容并且电容效应是显著的。

在图20中类似于图19示出具有绝缘层9的实施例的示意横截面视图，其中传感器1围绕承载材料4卷起。借助于承载材料4可以影响卷起的传感器1的机械特性。

不同实施方式的组合同样是可行的。因此，例如被包覆的传感器1可以用作为承载材料4，其中另一传感器围绕被包覆的传感器1卷起。由此，卷起的传感器1的显著的电容效应可以与被包覆的传感器1的优点关联。

所有实施例还可以设有例如由塑料构成的保护层，以便相对于有害的环境保护传感器1。

在图21中对于一般情况下的机器人示例性地示出自主的运输机器人。在机器人的下部区域中的小方框示出用于安置根据本发明的传感器1的有利的位置。如果机器人例如接近人，那么在距离为几米时基于热电效应确定传感器1的电极3a、3b处的电压变化，并且机器人因此可以例如降低其速度。如果机器人继续接近人，那么从大约一米的距离起确定由于电容效应产生的电压变化。机器人可以在此处，由于接近人，而改变其运动方向。如果机器人现在仍与人相撞，那么传感器1变形并且由于压电效应探测到电压变化。现在，机器人为了不造成损坏可以保持停止或转身。如果机器人保持停止从而铁电层的变形不改变，那么由于压电效应引起的电压变化消失。仍可以借助电容效应继续探测触碰。

图22示出协作系统，在所述协作系统中集成有根据本发明的传感器1。尤其地，机器臂的可以特别接近共同工作的人的端部适合于传感器1的定位。在图23和24中示出在自动门处的对于传感器1的有利的位置。自动转门可以在接近时例如降低其转速并且在触碰传感器1时再次提高转速。自动电梯门，如在图24中示出的，例如可以在人接近时已经打开门。因此，与经常使用的光栅相比，可以提高安全性，因为传感器已经可以确定人接近门并且不是当人已经站在门中时才作出反应。

附图标记列表

1 传感器

2 铁电层

3a 第一电极

3b 第二电极

4 承载材料

5 机械的增强元件

6 光学反应层

7 评估电子机构

8 数字评估装置

9 绝缘层

S 信号

Claims

1.一种传感器(1)，具有

-第一电极(3a)，

-铁电层(2)，

-第二电极(3b)，

其中所述第二电极(3b)与接地线连接并且所述铁电层(2)设置在所述第一电极和第二电极(3a，3b)之间。

2.根据上一项权利要求所述的传感器(1)，

其中所述铁电层(2)具有聚合物、陶瓷或聚合物-陶瓷-基体。

3.根据上述权利要求中任一项所述的传感器(1)，

其中所述第一电极和/或所述第二电极(3a，3b)具有透明的且能导热的以及能导电的材料。

4.根据上述权利要求中任一项所述的传感器(1)，

其中所述第一电极和/或所述第二电极(3a，3b)具有一种或多种金属，其中所述一种金属或所述多种金属具有Al、Cr、Ni、Ag、Cu、Fe以及这些元素的混合物或合金。

5.根据上述权利要求中任一项所述的传感器(1)，

其中所述第一电极和/或所述第二电极(3a，3b)具有在UV-可见范围和/或IR范围内透明的导电层。

6.根据上述权利要求中任一项所述的传感器(1)，

其中所述第一电极和/或所述第二电极(3a，3b)具有ITO、PEDOT:PSS、银、纳米线、石墨、碳纳米管或石墨烯。

7.根据上述权利要求中任一项所述的传感器(1)，

其中所述传感器(1)具有另外的第一电极(3a)、第二电极(3b)和铁电层(2)，并且其中所述铁电层(2)设置在所述第一电极和所述第二电极(3a，3b)之间。

8.根据权利要求7所述的传感器(1)，

其中所有第一电极(3a)彼此并联连接并且所有第二电极(3b)彼此并联连接，其中在所述第一电极和所述第二电极之间读取电信号(S)。

9.根据权利要求7所述的传感器(1)，

其中各个铁电层(2)被单独地接触，并且对每个所述铁电层(2)在各一个所述第一电极(3a)和各一个所述第二电极(3b)之间读取电信号。

10.根据上述权利要求中任一项所述的传感器(1)，

其中所述第一电极(3a)设置在所述传感器(1)的内部，所述铁电层(2)包覆所述第一电极(3a)并且所述第二电极(3b)包覆所述铁电层(2)。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的传感器(1)，

其中所述传感器(1)具有绝缘层(9)，在所述绝缘层上设置有所述第一电极(3a)或第二电极(3b)，并且

其中所述传感器(1)卷起，使得所述绝缘层(9)位于内侧上。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的传感器(1)，

其中所述传感器(1)具有承载材料(4)。

13.根据上一项权利要求所述的传感器(1)，

其中在所述承载材料(4)上设置有所述第一电极(3a)或第二电极(3b)。

14.根据权利要求12所述的传感器(1)，

其中所述传感器(1)卷起，使得所述绝缘层(9)设置在所述承载材料(4)上。

15.根据权利要求12所述的传感器(1)，

其中所述承载材料(4)设置在所述传感器(1)的内部，并且所述第一电极(3a)包覆所述承载材料(4)，所述铁电层(2)包覆所述第一电极(3a)并且所述第二电极(3b)包覆所述铁电层(2)。

16.根据权利要求10或15所述的传感器(1)，

其中另外的第一电极和第二电极(3a，3b)以及另外的铁电层(2)包覆所述第二电极(3b)，

其中第一电极和第二电极(3a，3b)径向交替地设置，并且

其中所述铁电层(2)中的各一个铁电层设置在所述第一电极(3a)中的一个第一电极和所述第二电极(3b)中的一个第二电极之间。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的传感器(1)，

其中所述承载材料(4)是纺织纤维或玻璃纤维。

18.根据上一项权利要求所述的传感器(1)，

其中在所述玻璃纤维的外表面的一部分上施加有光学反应传感器层(6)。

19.根据上述权利要求中任一项所述的传感器(1)，

其中所述传感器(1)柱形地构成或其中所述传感器板状地构成。

20.根据上述权利要求中任一项所述的传感器(1)，

其中所述传感器(1)具有至少一个机械的增强元件(5)。

21.根据上一项权利要求所述的传感器(1)，

其中所述至少一个机械的增强元件(5)由所述第一电极和/或第二电极(3a，3b)构成。

22.根据权利要求12和权利要求20所述的传感器(1)，

其中所述至少一个机械的增强元件(5)由所述承载材料(4)构成。

23.根据权利要求12和权利要求20所述的传感器(1)，

其中所述至少一个机械的增强元件(5)由所述第一电极(3a)和所述承载材料(4)构成。

24.根据上述权利要求中任一项所述的传感器(1)，

其中所述铁电层(2)和/或所述第一电极(3a)和/或第二电极(3b)薄于50μm。

25.根据上述权利要求中任一项所述的传感器(1)，

其中所述铁电层(2)具有压电材料和/或热电材料。

26.一种装置，具有：

-至少一个评估电子机构(7)，

-至少一个根据上述权利要求中任一项所述的传感器(1)，

其中所述评估电子机构(7)构成为，测量由所述传感器(1)产生的电信号(S)并且通过所述电信号(S)的变化来识别压电效应、热电效应和电容效应。

27.根据上一项权利要求所述的装置，

其中所述评估电子机构(7)构成为，根据所述电信号的测量出的变化来识别：物体是否接近所述传感器(1)，或物体是否触碰所述传感器。

28.根据权利要求26或27所述的装置，

其中所述电信号(S)的测量出的变化包括信号时间变化曲线的和/或幅值的和/或时间刻度的和/或时间动态的和/或极性的变化。

29.根据权利要求26至28中任一项所述的装置，

其中所述电信号(S)包括电压和/或电荷和/或电容和/或极性。

30.根据权利要求26至29中任一项所述的装置，还具有：

-多个根据权利要求1至24中任一项所述的传感器(1)，

其中所述传感器(1)设置成矩阵。

31.一种机器人，

其中所述机器人具有根据权利要求1至25中任一项所述的传感器(1)。

32.一种协作系统，

其中所述协作系统具有根据权利要求1至25中任一项所述的传感器(1)。

33.一种自动门，

其中所述自动门具有根据权利要求1至25中任一项所述的传感器(1)。

34.一种用于制造根据权利要求1至25中任一项所述的传感器的方法，

其中将所述铁电层(2)经由薄层法，例如CVD或PVD，经由溶胶-凝胶法与旋涂的组合，或经由丝网印刷涂覆在所述第一电极(3a)上。