DE10143226A1

DE10143226A1 - Adaptronic-combi-module e.g. for motor vehicles and aircraft, includes sensor-type and actuator-type micro-elements in micro-systems

Info

Publication number: DE10143226A1
Application number: DE10143226A
Authority: DE
Inventors: Harald Knaebel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2002-12-12

Abstract

An Adaptronic 'combi-module' has one or more actuator-type micro-systems (2) formed by actuator-type micro-elements (8) and first drive-elements (8).The sensor-type and the actuator-type micro-elements of the micro-systems (1,2) are monolithically integrated in a common matrix (3) having less surface loading than the actuator-type micro-system (2). An Independent claim is given for a method of operating a 'combi-module.'

Description

Technical application area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein adaptronisches Kombimodul aus einem oder mehreren aktorischen Mikrosystemen und einem oder mehreren sensorischen Mikrosystemen.The present invention relates to a adaptronic combination module consisting of one or more actuator microsystems and one or more sensory microsystems.

Auf dem Gebiet der Adaptronik werden Materialien mit aktorischen und sensorischen Eigenschaften, im Folgenden Mikroelemente genannt, eingesetzt, um Kräfte zu generieren und in Strukturen einzuleiten sowie Formänderungen der zu überwachenden Struktur zu detektieren. Um Mikroelemente ansteuern zu können, hat sich die sog. Sandwich-Bauweise bewährt, bei der die Mikroelemente zwischen Ansteuerelementen liegen. Die Kombination aus Mikroelementen mit den zugehörigen Ansteuerelementen wird im Folgenden als Mikrosystem bezeichnet.Materials are used in the field of adaptronics with actuator and sensory properties, in Following called micro elements, used to create forces to generate and to initiate in structures as well Changes in shape of the structure to be monitored detect. In order to be able to control microelements, the so-called sandwich construction, in which the Micro elements lie between control elements. The Combination of micro elements with the associated Control elements is referred to below as a microsystem designated.

Adaptronische Mikrosysteme, insbesondere mit Mikroelementen aus piezoelektrischem Material finden in vielen Bereichen der Technik Anwendung, in denen Sensoren oder Aktoren einer reduzierten Dicke benötigt werden. Aktorische Mikrosysteme werden zur Kraft erzeugung, sensorische Mikrosysteme zur Detektion von Dehnungen, beispielsweise aufgrund von Schwingungen oder Belastungen einer zu überwachenden Struktur, eingesetzt. Anwendungsgebiete von sensorischen und aktorischen Mikrosystemen sind beispielsweise die Dämpfung von Schwingungen, die Feinpositionierung, die Formänderung von Hüllen und Flächen, die Stabilisierung von Leichtbaustrukturen im Schienen- und Kfz- Fahrzeugbau sowie in der Luft- und Raumfahrt. Gerade im Einsatzbereich von Verbundwerkstoffen besteht ein zunehmender Bedarf an Mikrosystemen, die in den Werkstoff integriert werden können. Für die Implementierung in Faserverbundstrukturen ist eine reduzierte Dicke und Steifigkeit der Sensoren und Aktoren erforderlich, um die eigentliche Faserverbund werkstoffstruktur möglichst wenig zu stören.Adaptronic microsystems, especially with Microelements made of piezoelectric material are found in many areas of technology application in which Sensors or actuators of reduced thickness are required become. Actuator microsystems become a force generation, sensory microsystems for the detection of Strains, for example due to vibrations or loads on a structure to be monitored, used. Areas of application of sensory and actuator microsystems are, for example Damping vibrations, the fine positioning, the Change of shape of envelopes and surfaces, stabilization of lightweight structures in rail and automotive Vehicle construction and in the aerospace industry. Especially in There is a field of application for composite materials increasing need for microsystems operating in the Material can be integrated. For the Implementation in fiber composite structures is one reduced thickness and rigidity of the sensors and Actuators required to the actual fiber composite disturb the material structure as little as possible.

State of the art

Für eine vielseitige Anwendung der Mikrosysteme ist neben geringem Platzbedarf - und dadurch guter Integrierbarkeit - und Gewicht eine möglichst große mechanische Elastizität wichtig, damit sich die Mikrosysteme flexibel an Formänderungen des zu untersuchenden oder zu beeinflussenden Materials anpassen können. Dieses Ziel wird erreicht, wenn die Mikroelemente statt aus platten- oder folienförmigem Material aus faser- oder bandförmigem Material bestehen, das in eine elastische Polymermatrix eingebettet ist und von dieser umschlossen wird. Ein Beispiel für ein derartiges aktorisches Mikrosystem ist der US 5,869,189 zu entnehmen, bei der eine Monolage aus piezoelektrischen Fasern als Mikroelemente in eine Polymermatrix eingebettet sind. Auf beiden Hauptflächen der Polymermatrix ist eine Schicht mit einer Elektro denstruktur zur Ansteuerung der piezoelektrischen Fasern aufgebracht.For a versatile application of microsystems is not only a small footprint - and therefore good Integrability - and weight as large as possible mechanical elasticity is important so that the Microsystems flexible to changes in shape of the material to be examined or influenced can adjust. This goal will be achieved if the Micro elements instead of plate or foil Material made of fibrous or ribbon-shaped material consist of that in an elastic polymer matrix is embedded and enclosed by it. On An example of such an actuator microsystem is US 5,869,189, in which a monolayer made of piezoelectric fibers as micro elements in one Polymer matrix are embedded. On both main surfaces the polymer matrix is a layer with an electro the structure for controlling the piezoelectric Fibers applied.

In der Regel können Mikrosysteme entweder als Aktor oder als Sensor betrieben werden. Prinzipiell besteht jedoch die Möglichkeit, Mikrosysteme zumindest in einem zeitweilig wechselseitigen Einsatz als Aktor und Sensor zu betreiben. Für diesen Einsatz sind jedoch aufwendige elektronische Ansteuerungen erforderlich, da für den Aktorbetrieb eine Hochspannung von beispiels weise 2 kV erforderlich ist und für den Sensorbetrieb eine Signalspannung von nur wenigen V von dem Mikro system generiert wird. Ein Umschalten eines Mikro systems zwischen Sensor- und Aktorfunktion ist daher wegen dem erforderlichen Wechsel zwischen Hoch- und Signalspannung schaltungstechnisch aufwendig und auch aufgrund der kapazitiven Eigenschaften dieser Systeme nur für verhältnismäßig geringe Umschaltfrequenzen bzw. kleine Bauteile realisierbar. Weiterhin ist es bei einer derartigen Umschalttechnik häufig nicht möglich, die aktorische Bewegung des Mikrosystems gleichzeitig sensorisch zu erfassen.Usually microsystems can either be used as Actuator or operated as a sensor. in principle there is, however, the possibility of microsystems at least in a temporary mutual use as an actuator and operate sensor. For this use, however complex electronic controls required because for actuator operation, a high voltage of example as 2 kV is required and for sensor operation a signal voltage of only a few V from the micro system is generated. Switching a mic systems between sensor and actuator function is therefore because of the required switch between high and Signal voltage circuitry complex and also due to the capacitive properties of these systems only for relatively low switching frequencies or small components can be realized. It is also at such a switching technique is often not possible, the actuator movement of the microsystem at the same time to be sensed.

Zur sensorischen Erfassung der Bewegung des Aktors und damit der Struktur wird daher der Weg einge schlagen, auf ein aktorisch wirkendes Mikrosystem zusätzlich ein Sensor zur Erfassung der Aktorbewegung aufzubringen. Dies ist beispielsweise in A. A. Bent, Active Waver Material Systems for Structural Control Applications, SPIE Vol. 3674, 1999 beschrieben. Als Sensorelemente werden dabei in der Regel Dehnungs messstreifen mit einer Wheatston'schen Brückenschaltung eingesetzt, die die mit einer Formänderung des Dehnungsmessstreifens verbundene Änderung des ohmschen Widerstandes abgreift. Diese Lösung ist jedoch schal tungstechnisch ebenfalls aufwendig, da sowohl die Speisespannung als auch die Widerstände der Wheat ston'schen Brückenschaltung gegenüber beispielsweise induktiven und thermischen Störeinflüssen stabilisiert werden müssen. Nachteilig ist zudem, dass diese auch als Huckepack-Lösung bezeichnete Technik zu einer verminderten mechanischen Elastizität des Mikrosystems führt.For sensing the movement of the actuator and thus the structure is the way hit on an actuating microsystem additionally a sensor for recording the actuator movement applied. For example, in A. A. Bent, Active Waver Material Systems for Structural Control Applications, SPIE Vol. 3674, 1999. As Sensor elements are usually stretched Measuring strips with a Wheatston bridge used with a change in shape of the Strain gauge related change in ohmic Taps resistance. However, this solution is stale technically also complex, since both the Supply voltage as well as the resistances of the wheat stonian bridge circuit compared, for example inductive and thermal interference stabilized Need to become. Another disadvantage is that this too technology called a piggyback solution to one reduced mechanical elasticity of the microsystem leads.

Ein weiterer Ansatz zur Erfassung der aktorischen Bewegung mit einem oder mehreren Sensoren ist in der US 5,485,053 beschrieben. Diese Druckschrift betrifft eine spezielle Anwendung zur Schwingungsdämpfung, bei der eine Schichtstruktur aus einem aktorischen Mikrosystem und einem sensorischen Mikrosystem mit einer dazwischen liegenden viskoelastischen Dämpfungsschicht eingesetzt wird. Mit dem sensorischen Mikrosystem können hierbei die durch das aktorische Mikrosystem erzeugten Formän derungen oder Schwingungen unmittelbar erfasst werden. Diese Lösung weist jedoch wiederum den Nachteil einer erhöhten Steifigkeit auf, da ebenso wie bei der oben angeführten Huckepack-Lösung auf das aktorische Mikrosystem ein oder mehrere weitere Komponenten aufgebracht werden.Another approach to capture the actuator Movement with one or more sensors is in the US 5,485,053. This publication concerns one special application for vibration damping where a layer structure from an actuator microsystem and a sensory microsystem with one in between lying viscoelastic damping layer used becomes. With the sensory microsystem you can the forma generated by the actuator microsystem changes or vibrations are recorded immediately. However, this solution again has the disadvantage of one increased stiffness, as in the above piggyback solution listed on the actuator Microsystem one or more other components be applied.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein adaptronisches Kombimodul mit zumindest einem aktorischen Mikrosystem anzugeben, das eine sensorische Überwachung der Aktorfunktion ermöglicht, wenig Platz beansprucht und eine hohe Elastizität aufweist.Based on this state of the art present invention the task of a adaptronic combination module with at least one actuator microsystem to indicate a sensory Monitoring the actuator function allows little space claimed and has a high elasticity.

Presentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem adaptronischen Kombimodul gemäß Patentanspruch 1 sowie dem Verfahren zum Betrieb des Kombimoduls gemäß Patentanspruch 11 gelöst. The task is accomplished with the adaptronic combination module according to claim 1 and the method of operation of the combination module according to claim 11 solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Kombimoduls sowie des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the combination module and Procedures are the subject of the subclaims.

Das vorliegende adaptronische Kombimodul besteht aus einem oder mehreren aktorischen Mikrosystemen, die durch aktorische Mikroelemente und erste Ansteuer elemente für die aktorischen Mikroelemente gebildet werden, und einem oder mehreren sensorischen Mikrosystemen, die durch sensorische Mikroelemente und zweite Ansteuerelemente für die sensorischen Mikroelemente gebildet werden. Beim vorliegenden Kombimodul sind die sensorischen und aktorischen Mikroelemente der Mikrosysteme in einer gemeinsamen Matrix monolithisch integriert, wobei ein sensorisches Mikrosystem eine kleinere Fläche beansprucht als ein aktorisches Mikrosystem. Die Matrix bildet hierbei vorzugsweise eine flache Struktur, in der die sensorischen und aktorischen Mikrosysteme nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sind.The present adaptronic combination module exists one or more actuator microsystems that through actuator micro-elements and first activation elements formed for the actuator micro-elements be, and one or more sensory Microsystems by sensory micro elements and second control elements for the sensory Micro elements are formed. In the present Combo modules are the sensory and actuator modules Micro elements of the microsystems in a common Matrix integrated monolithically, being a sensory Microsystem takes up a smaller area than one actuator microsystem. The matrix forms here preferably a flat structure in which the sensory and actuator microsystems side by side and / or are arranged one behind the other.

Die Mikroelemente selbst können hierbei aus bekannten sensorischen und aktorischen Materialien, wie beispielsweise piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Materialien, oder auch aus Kohlenstoff-Nanotubes bestehen. In der bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Kombimoduls werden faserförmige oder bandförmige Mikroelemente aus piezoelektrischen Materialien eingesetzt. Diese bandförmigen oder faserförmigen Mikroelemente können auch derartige Ausdehnungen aufweisen, dass ein Bereich als Sensor und ein anderer Bereich als Aktor genutzt wird. Die jeweilige Nutzung hängt dabei lediglich von der Art der Ansteuerung der im jeweiligen Flächen bereich angeordneten Ansteuerelemente ab. Selbst verständlich können auch anders geformte Mikroelemente, wie beispielsweise als Partikel, oder beliebige Kombinationen unterschiedlich geformter Mikroelemente zum Einsatz kommen. Die Ansteuerelemente selbst sind von dem jeweiligen sensorischen oder aktorischen Mechanismus der eingesetzten Mikroelemente abhängig. Im Falle piezoelektrischer Materialien bestehen diese Ansteuerelemente aus Elektroden, die beispielsweise kammartig bzw. interdigitalartig oberhalb und unterhalb der Mikroelemente angeordnet sind. Die Ansteuerelemente können selbstverständlich auch in anderer Form, beispielsweise als flächige Elektroden, angeordnet sein. Für die aktorischen Mikrosysteme wird dabei eine deutlich größere Fläche von den Ansteuerelementen belegt als für die sensorischen Mikrosysteme.The micro-elements themselves can be used here known sensory and actuator materials, such as for example piezoelectric, electrostrictive or magnetostrictive materials, or from Carbon nanotubes exist. In the preferred Embodiment of the present combination module fibrous or ribbon-shaped micro-elements piezoelectric materials used. This ribbon-like or fibrous micro-elements can also have such dimensions that an area used as a sensor and another area as an actuator becomes. The respective use only depends on the type of control in the respective areas area arranged control elements. itself differently shaped micro-elements can also be understood, such as particles, or any Combinations of differently shaped micro elements are used. The control elements themselves are of the respective sensory or actuator Mechanism of the micro-elements used depends. in the In the case of piezoelectric materials, these exist Control elements made of electrodes, for example comb-like or interdigital like above and below the micro-elements are arranged. The control elements can of course also in other forms, arranged, for example, as flat electrodes his. One is used for the actuator microsystems significantly larger area of the control elements proven as for the sensory microsystems.

Die Ansteuerelemente selbst können entweder auf die Matrix mit den Mikroelementen aufgebracht oder in diese integriert werden. Eine Integration in die Matrix bringt den Vorteil, dass die Matrix selbst als äußere Isolation der Elektroden gegenüber benachbarten Schichten, in die das Kombimodul eingebettet wird, dienen kann. Auf diese Weise wird die Bildung zusätzlicher störanfälliger Grenzschichten für eine Isolation vermieden.The control elements themselves can either be on applied the matrix with the microelements or in these are integrated. An integration into the matrix brings the advantage that the matrix itself as an outer Isolation of the electrodes from neighboring ones Layers in which the combination module is embedded can serve. In this way, education additional fault-prone boundary layers for one Isolation avoided.

Die Mikroelemente können selbstverständlich nicht nur als Monolage in der Matrix eingebettet sein, sondern können vielmehr auch mehrlagig oder in Art einer Faserschüttung verteilt vorliegen. Voraussetzung ist jedoch eine ausreichende Kontaktierbarkeit bzw. Ansteuerbarkeit durch die Ansteuerelemente, so dass die Dicke der Mikroelemente aufgrund dieser Randbedingung begrenzt ist.Of course, the microelements cannot only be embedded in the matrix as a monolayer, Rather, they can also be multilayered or in Art distributed in a pile of fibers. requirement is however sufficient contactability or Controllability through the control elements, so that the Thickness of the micro elements due to this constraint is limited.

Das vorliegende Kombimodul zeichnet sich somit durch mehrere Mikrosysteme aus, die monolithisch in einer gemeinsamen Matrix integriert sind. Jedes Mikrosystem lässt sich dabei über die entsprechenden Ansteuerelemente unabhängig von den anderen Mikro systemen des Kombimoduls ansteuern. Unter Ansteuern ist in diesem Zusammenhang auch eine Signalaufnahme von sensorischen Mikrosystemen zu verstehen. Die Fläche des einzelnen Mikrosystems ist in der Regel durch die Fläche bestimmt, die von den zugehörigen Ansteuer elementen abgedeckt wird. Aktorische Mikrosysteme beanspruchen eine deutlich größere Fläche des Kombi moduls bzw. der Matrix als sensorische Mikrosysteme. Vorzugsweise beansprucht hierbei ein aktorisches Mikrosystem eine mindestens 5 × größere Fläche als ein sensorisches Mikrosystem.The present combi module is thus distinguished characterized by several microsystems that are monolithic in are integrated into a common matrix. each Microsystem can be over the corresponding Control elements independent of the other micro control the systems of the combination module. Is under control in this context also a signal recording of to understand sensory microsystems. The area of the individual microsystem is usually through the Area determined by the associated drive elements is covered. Actuator microsystems take up a significantly larger area of the station wagon module or the matrix as sensory microsystems. An actuator is preferably claimed here Microsystem an area at least 5 × larger than one sensory microsystem.

Beim Betrieb des vorliegenden Kombimoduls werden einige der Mikrosysteme, die größere Flächen des Kombimoduls belegen, als Aktoren eingesetzt und stellen somit aktorische Mikrosysteme dar. Die an diese aktorischen Mikrosysteme angelegte Hochspannung erzeugt ein elektrisches Feld, das die Mikroelemente dieser Mikrosysteme durchdringt und diese zur Dehnung bzw. Kontraktion anregt. Die übrigen Mikrosysteme mit einer kleineren Fläche werden als Sensoren betrieben. Sie stellen die sensorischen Mikrosysteme dar.When operating the present combination module some of the microsystems that cover larger areas of the Assign the combination module, use and set it as actuators thus represent actuator microsystems high voltage applied to actuator microsystems an electric field that the micro elements of this Penetrates microsystems and these for expansion or Stimulates contraction. The other microsystems with one smaller areas are operated as sensors. she represent the sensory microsystems.

Ein Vorteil des vorliegenden Kombimoduls besteht somit darin, dass eine durch eine Formänderung der zu überwachenden Struktur verursachte Dehnung oder Kontraktion der Mikroelemente der Matrix auf direktem Wege ein elektrisches Signal erzeugt, das unmittelbar über die Ansteuerelemente der sensorischen Mikrosysteme abgegriffen und weiterverarbeitet werden kann. Auf eine aufwendige und störanfällige Elektronik, wie sie beim Einsatz von Dehnungsmessstreifen erforderlich ist, kann bei dem vorliegenden Kombimodul verzichtet werden. Aufgrund der monolithischen Integration sowohl der sensorischen als auch der aktorischen Mikrosysteme weist das vorliegende Kombimodul eine Elastizität und geringe Dicke auf, wie sie auch getrennte aktorische oder sensorische Mikrosysteme bieten. Es muss keine Versteifung des Bauteils in Kauf genommen werden, wie dies bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Huckepack-Prinzip der Fall ist. Das vorliegende Kombimodul erlaubt erstmalig, dass sensorische und aktorische Funktionen in einer Mikroelementematrix gleichzeitig ausgeführt werden können. Eine zeitgleiche sensorische Überwachung der aktorischen Funktionen des Kombimoduls sowie auch der Dehnung der Struktur bietet daher keine Probleme.One advantage of the present combination module is thus in that a change in shape of the monitoring structure caused elongation or Contraction of the micro elements of the matrix on direct Generates an electrical signal that immediately via the control elements of the sensory microsystems can be tapped and further processed. On a elaborate and fault-prone electronics, such as the Use of strain gauges may be required be dispensed with in the present combination module. Due to the monolithic integration of both sensory and actuator microsystems the present combination module has an elasticity and small thickness on how they also separate actuator or offer sensory microsystems. It doesn't have to be Stiffening of the component can be accepted, such as this with the known from the prior art Piggyback principle is the case. The present Combined module allows for the first time that sensory and actuator functions in a microelement matrix can run simultaneously. A simultaneous one sensory monitoring of the actuator functions of the Combination module as well as the stretch of the structure offers therefore no problems.

Das Kombimodul lässt sich sowohl in einer aktiven wie auch in einer passiven Variante realisieren. So können ein oder mehrere Kombimodule in einer Ausführungsform von einer zentralen Elektronik versorgt und angesteuert werden, wie dies von den Modulen bzw. Mikrosystemen des Standes der Technik bekannt ist. Eine Anordnung von mehreren kombinierten Kombimodulen bzw. Sensor-Aktorsystemen, erfordert jedoch einen erheblichen schaltungstechnischen Aufwand, da die einzelnen Mikrosysteme bzw. Kombimodule mit der zentralen Elektronik verbunden werden müssen.The combination module can be both in an active as well as in a passive variant. So can have one or more combination modules in one Embodiment powered by central electronics and controlled, as is done by the modules or Microsystems of the prior art is known. A Arrangement of several combined combination modules or Sensor actuator systems, however, requires one considerable outlay on circuitry since the individual microsystems or combination modules with the central electronics must be connected.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des vorliegenden Kombimoduls wird dieses daher mit einer zusätzlichen eigenen Elektronik ausgestattet. Diese Elektronik übernimmt die Ansteuerung der aktorischen Mikrosysteme und die Erfassung von Signalen der sensorischen Mikrosysteme des Kombimoduls. In einer weiteren Ausbildung kann diese Elektronik eine auch Regelfunktion beinhalten, die die aktorischen Mikro systeme in Abhängigkeit von den von den sensorischen Mikrosystemen gelieferten Signalen regelt. Die Elektronik selbst wird vorzugsweise als Halbleiter-Chip in die Matrix mit den Mikroelementen integriert. Diese Integration erfolgt beispielsweise an Stellen der Matrix, an denen keine Mikroelemente oder Ansteuer elemente vorliegen.In a further advantageous embodiment of the present combination module, this is therefore included equipped with additional electronics. This electronics controls the actuator microsystems and the acquisition of signals the sensory microsystems of the combination module. In a This electronics can also be further trained Control function include that the actuator micro systems depending on the sensory Signals supplied to microsystems. The Electronics itself is preferably used as a semiconductor chip integrated into the matrix with the micro elements. This Integration takes place, for example, at the Matrix on which no micro elements or control elements are present.

Gerade bei einer Kombination mehrerer der vorliegenden Kombimodule führt diese Ausgestaltung zu einer dezentralen Ansteuerung des Gesamtsystems. Die Elektronik in den Kombimodulen kann derart ausgestaltet sein, dass diese lokal aufgelöst sensorisch detektieren und aktorisch agieren kann. Die Energieversorgung der einzelnen Kombimodule kann weiterhin zentral ausgeführt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform können die Aktoren vieler Kombimodule mittels eines Bussystems mit der zentralen Hochspannungsversorgung verbunden werden, während in enger räumlichen Nähe des Sensors eine Regelungselektronik, beispielsweise in Form eines Chips, eingesetzt wird. Diese Elektronik kann über die vom Sensor generierte Energie versorgt werden, so dass Versorgungsleitungen wegfallen. Damit kann der Aktor lokal und unabhängig von den anderen Aktoren eines Netzwerkes geregelt werden.Especially when combining several of the This combination leads to the present combination modules decentralized control of the entire system. The Electronics in the combination modules can be designed in this way be that they detect locally dissolved sensory and can act as an actor. The energy supply of the individual combination modules can still be executed centrally become. In an advantageous embodiment can the actuators of many combination modules using a bus system connected to the central high-voltage supply be while in close physical proximity to the sensor control electronics, for example in the form of a Chips, is used. This electronics can be via the energy generated by the sensor are supplied so that Supply lines are eliminated. The actuator can locally and independently of the other actuators Network are regulated.

In einer weiteren Ausgestaltung können die letztgenannten, lokal agierenden, intelligenten Kombimodule zusätzlich von einer zentralen Elektronik überwacht und ggf. in Art einer Master-Slave- Konfiguration beeinflusst werden, wobei die Daten leitung beispielsweise ebenfalls in Form eines Bussystems oder eines Koordinatennetzwerkes erfolgen kann.In a further embodiment, the the latter, acting locally, intelligent Combination modules additionally from central electronics monitored and possibly in the manner of a master-slave Configuration are affected, taking the data line, for example, also in the form of a Bus system or a coordinate network can.

Brief description of the drawings

Das vorliegende Kombimodul wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The present combination module is described below an embodiment in connection with the Drawings without limitation of the general Invention concept briefly explained again. in this connection demonstrate:

Fig. 1 ein Beispiel für die Elektrodenanordnung eines Kombimoduls gemäß der vorliegenden Erfindung in Draufsicht; und Figure 1 shows an example of the electrode arrangement of a combination module according to the present invention in plan view. and

Fig. 2 ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Kombimodul mit der Elektrodenanordnung gemäß Fig. 1 im Querschnitt. FIG. 2 shows an example of a combination module according to the invention with the electrode arrangement according to FIG. 1 in cross section.

Ways of Carrying Out the Invention

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Ansteuerelemente, hier Elektrodenstrukturen 4, 6, bei einem Kombimodul gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Matrix mit den Mikroelementen selbst ist in dieser Ansicht der Einfachheit halber weggelassen. Ihre Anordnung relativ zu den Elektroden kann jedoch der Fig. 2 entnommen werden. Fig. 1 shows schematically an embodiment for the arrangement of the driving elements, here electrode patterns 4, 6, in a combined module according to the present invention. The matrix with the microelements themselves is omitted in this view for the sake of simplicity. Their arrangement relative to the electrodes can, however, be seen in FIG. 2.

Die Fig. 1 zeigt die Elektrodenanordnung in Draufsicht. Das Kombimodul setzt sich in diesem Ausführungsbeispiel aus zwei Mikrosystemen, einem sensorischen Mikrosystem 1 und einem aktorischen Mikrosystem 2 zusammen. Die Mikroelemente 8 beider Mikrosysteme sind in einer Polymermatrix 3 eingelassen. Die Fläche der einzelnen Mikrosysteme 1, 2 ist durch die Fläche vorgegeben, die die Ansteuerelemente 4, 6 zur Ansteuerung der Mikroelemente belegen. Fig. 1 shows the electrode configuration in plan view. In this exemplary embodiment, the combination module is composed of two microsystems, a sensory microsystem 1 and an actuator microsystem 2 . The micro elements 8 of both microsystems are embedded in a polymer matrix 3 . The area of the individual microsystems 1 , 2 is predetermined by the area occupied by the control elements 4 , 6 for controlling the micro-elements.

Die Ansteuerelemente werden im vorliegenden Beispiel durch zwei jeweils kammartig ausgebildete und ineinandergreifende Elektrodenstrukturen 4, 6 gebildet, die sowohl oberhalb als auch unterhalb der Mikro elemente 8 angeordnet sind. Diese Elektrodenstrukturen werden über entsprechende Anschlusspads 9 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt - im Falle des aktorischen Mikrosystems - oder es wird eine Signal spannung an diesen Anschlusspads 9 abgegriffen - im Falle von sensorischen Mikrosytemen. Das sensorische Mikrosystem 1 ist im vorliegenden Beispiel an der deutlich kleineren Fläche gegenüber dem aktorischen Mikrosystem 2 zu erkennen.The control elements are formed in the present example by two comb-shaped and interlocking electrode structures 4 , 6 , which are arranged both above and below the micro elements 8 . These electrode structures are applied via respective pads 9 with an electrical voltage - in the case of the actoric microsystem - or it is a signal voltage at these pads 9 tapped - in the case of sensory Mikrosytemen. In the present example, the sensory microsystem 1 can be recognized by the significantly smaller area compared to the actuator microsystem 2 .

Der Querschnittsansicht der Fig. 2 ist wiederum das sensorische Mikrosystem 1, das durch die entsprechenden Ansteuerelemente 4 und 5 in der Fläche vorgegeben ist, sowie das aktorische Mikrosystem 2, das durch die Ansteuerelemente 6 und 7 in der Fläche vorgegeben ist, zu erkennen. In diesem Beispiel sind auch die Mikroelemente 8 schematisch angedeutet, die zwischen den jeweiligen Ansteuerelementen 4-7 liegen. Sowohl die in diesem Beispiel als piezoelektrische Fasern ausgebildeten Mikroelemente 8 als auch die Elektrodenstrukturen 4-7 sind in der Polymermatrix 3 eingebettet. Die Längsrichtung der Fasern 8 liegt quer zur Längsrichtung der Kammstruktur der Ansteuer elemente.The cross-sectional view of FIG. 2 in turn shows the sensory microsystem 1 , which is predefined in the area by the corresponding control elements 4 and 5 , and the actuator microsystem 2 , which is predefined in the area by the control elements 6 and 7 . In this example, the micro-elements 8 , which lie between the respective control elements 4-7 , are also indicated schematically. Both the micro-elements 8 formed in this example as piezoelectric fibers and the electrode structures 4-7 are embedded in the polymer matrix 3 . The longitudinal direction of the fibers 8 is transverse to the longitudinal direction of the comb structure of the control elements.

Das im Kombimodul vorgesehene aktorische Mikrosystem 2 wird als Aktor eingesetzt, wobei die an den Elektroden 4-7 anliegende Hochspannung ein elektrisches Feld erzeugt, das die Fasern 8 durchdringt und diese zur Dehnung bzw. Kontraktion anregt. Das weitere Mikrosystem 1 wird als Sensor betrieben und stellt das sensorische Mikrosystem dar. Dieses Mikrosystem besitzt eine im Vergleich zum aktorischen Mikrosystem 2 sehr viel geringere räumliche Ausdehnung. Beim sensorischen Mikrosystem 1 bewirkt eine Dehnung oder Kontraktion der piezoelektrischen Fasern 8 direkt ein elektrisches Signal das unmittelbar weiter verar beitet werden kann.The actuator microsystem 2 provided in the combination module is used as an actuator, the high voltage applied to the electrodes 4-7 generating an electric field which penetrates the fibers 8 and stimulates them to expand or contract. The further microsystem 1 is operated as a sensor and represents the sensory microsystem. This microsystem has a much smaller spatial expansion than the actuator microsystem 2 . In the case of the sensory microsystem 1 , an expansion or contraction of the piezoelectric fibers 8 directly causes an electrical signal that can be processed immediately.

Selbstverständlich lassen sich die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellten Größenverhältnisse auch verändern. Insbesondere kann bei größeren Kombimodulen die Aktorfläche deutlich größer ausfallen, während die Sensorfläche durchaus in dieser Größenordnung verbleiben kann. Weiterhin ist es selbstverständlich möglich, mehrere dieser Mikrosysteme 1, 2 auf einer größeren Fläche des Kombimoduls unterzubringen. Of course, the proportions shown in this embodiment can also be changed. In particular in the case of larger combination modules, the actuator area can be significantly larger, while the sensor area can remain in this order of magnitude. Furthermore, it is of course possible to accommodate several of these microsystems 1 , 2 on a larger area of the combination module.

Die monolithische Bauweise dieses Kombimoduls ermöglicht es, Kombinationen von Aktor- und Sensormikrosytemen kostengünstig und ohne großen Aufwand herzustellen. Im Gegensatz dazu sind andere Kombinationsprinzipien, wie beispielsweise das Huckepack-Prinzip herstellungstechnisch äußerst aufwendig, da die Aktor- und Sensormikrosysteme getrennt hergestellt und auch getrennt appliziert bzw. integriert werden müssen. The monolithic design of this combination module allows combinations of actuator and Sensor microsystems inexpensive and without large Manufacturing effort. In contrast, there are others Combination principles, such as that Piggyback principle manufacturing technology extremely complex, because the actuator and sensor microsystems manufactured separately and also applied separately or need to be integrated.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

sensorisches Mikrosystem
sensory microsystem

22

aktorisches Mikrosystem
actuator microsystem

33

Polymermatrix
polymer matrix

4-74-7

Elektroden bzw. Ansteuerelemente mit kammartiger Struktur
Electrodes or control elements with a comb-like structure

88th

Mikroelemente bzw. piezoelektrische Fasern
Micro elements or piezoelectric fibers

99

Anschlussflächen
pads

1010

Energieversorgung und Regelung
Energy supply and regulation

Claims

1. adaptronic combination module consisting of one or more actuator microsystems ( 2 ), which are formed by actuator microelements ( 8 ) and first control elements ( 6 , 7 ) for the actuator microelements ( 8 ), and one or more sensor microsystems ( 1 ), which are formed by sensory micro elements ( 8 ) and second control elements ( 4 , 5 ) for the sensory micro elements ( 8 ), characterized in that the sensory and actuator micro elements of the microsystems ( 1 , 2 ) are monolithically arranged in a common matrix ( 3 ) are integrated, the sensory microsystems ( 1 ) taking up smaller areas than the actuator microsystems ( 2 ).

2. Adaptronic combination module according to claim 1, characterized in that the matrix ( 3 ) forms a flat structure in which the sensor and actuator microsystems ( 1 , 2 ) are arranged side by side and / or one behind the other.

3. Adaptronic combination module according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor and actuator micro elements ( 8 ) consist of piezoelectric materials.

4. Adaptronic combination module according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sensory and actuator micro elements ( 8 ) are fibrous, ribbon-shaped or particulate or are present in at least two of these forms in the matrix.

5. Adaptronic combination module according to one of claims 1 to 4, characterized in that the matrix ( 3 ) is formed from a polymer.

6. Adaptronic combination module according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first and / or second control elements ( 4-7 ) are formed by an electrode arrangement which is applied to the matrix ( 3 ) or integrated into the matrix ( 3 ) is.

7. Adaptronic combination module according to one of claims 1 to 6, characterized in that the actuator and sensor microsystems ( 1 , 2 ) with an integrated in the matrix ( 3 ) electronics ( 10 ) for control or signal detection.

8. Adaptronic combination module according to claim 7, characterized in that the electronics ( 10 ) for detecting signals of the sensory microsystems ( 1 ) and for executing control functions for the actuation of the actuator microsystems ( 2 ) is designed as a function of the detected signals.

9. Adaptronic combination module according to claim 7 or 8, characterized in that the electronics ( 10 ) is supplied with energy by the signals of the sensory microsystems ( 1 ).

10. Adaptronic combination module according to one of claims 1 to 8, characterized in that the actuator microsystems ( 2 ) are connected to a bus system for the energy supply.

11. Method for operating a combination module according to the preceding claims, in which the actuator microsystems ( 2 ) are actuated via the first control elements ( 6 , 7 ) for an actuator function and by the sensor microsystems ( 1 ) via the second actuation elements ( 4 , 5 ) Sensor signals are recorded, the actuating microsystems ( 2 ) being activated and the sensor signals being recorded by the microsensor systems ( 1 ) by means of central control electronics.

12. A method of operating a combination module according to the preceding claims, in which the actuator microsystems ( 2 ) are controlled via the first control elements ( 6 , 7 ) for an actuator function and by the sensor microsystems ( 1 ) via the second control elements ( 4 , 5 ) Sensor signals are recorded, the actuation of the microsystems ( 2 ) and the sensor signals from the microsystems ( 1 ) being sensed by electronics ( 10 ) integrated in the matrix.