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Stand der Technik
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Zur Raumüberwachung und in Anwendungen in der Automobilindustrie werden unter anderem sensierende Kunststoff-Verbundfolien eingesetzt, die als Sensorarray mehrerer Sensoren ausgebildet sind und somit laterale Auflösungen ermöglichen.
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Hierbei sind unterschiedliche Sensor-Prinzipien bekannt. Eine resistive Messung wird z. B. durch zwei leitende Bahnen ermöglicht, die durch einen Widerstand voneinander getrennt sind. Bei Erhöhung des Drucks verändert sich der Widerstand zwischen den Platten. Die
WO 2005000637 A1 ,
JP 2007292575 A ,
US 20070171058 A1 ,
JP 2005327226 A und
JP 2000021262 A zeigen derartige resistive Messsysteme.
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Optische Sensoren sind z. B. in der
WO 1996034262 A1 ,
EP 696 782 A1 und
EP 365 062 A1 beschrieben; hierbei wird eine optisch leitende Faser durch Druck deformiert, so dass nur noch ein Bruchteil der ursprünglichen Strahlung zum Empfänger gelangt. Magnetische Sensoren sind z. B. in der
DE 19609874 A1 beschrieben; zu ihrer Ausbildung werden z. B. magnetische Partikel in eine Folie eingebracht oder Pole in der Folie generiert, und das Magnetfeld durch eine Änderung des Abstandes zwischen zwei unterschiedlichen Folien verändert. Bei z. B. in der
JP 2006092393 A beschriebenen Vibrationssensoren wird eine Vibration erzeugt und eine Änderung der Frequenz und Amplitude durch Belastung detektiert.
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Kapazitive Sensoren, die z. B. in der
WO 2007147735 A1 beschrieben sind, messen eine Veränderung einer Kapazität. Die
DE 10 2006 027 213 A1 beschreibt eine Textilschicht-Anordnung, ein entsprechendes Array und ein Verfahren zum Herstellen der Textilschicht-Anordnung, bei der ein Silizium-Chip als elektronisches Bauelement zwischen zwei Textilschichten eingebracht wird und eine Belastung als kapazitives Signal ermitteln kann. Hierbei können elektrische Zuleitungen zu den als Sensoren dienenden Silizium-Chips und Sensorflächen durch leitfähige Schichten in dem Textilmaterial ausgebildet werden, wobei die elektrisch leitfähigen Schichten auch aufgedruckt werden können. Das elektronische Bauelement kann ein Sende-/Empfangselement, z. B. eine aktives oder passives RFID-Tag sein.
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Nachteilhaft an einer derartigen Sensorausbildung ist jedoch, dass mehrere Folien bzw. Textilschichten aufwendig miteinander verbunden werden, indem die Schichten bzw. Folien geeignet verlegt werden. Weiterhin ist die zusätzliche Einbindung von Halbleiterbauelementen in den Schichtaufbau kostspielig und aufwendig. Somit sind die Produktionskosten hoch.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind die Sensoren vollständig durch den Schichtaufbau der flexiblen, nicht leitenden Schicht und der mindestens einen leitfähigen Schicht ausgebildet. Hierbei dient die nicht leitende Schicht als Dielektrikum oder als Trägerschicht für ein Dielektrikum, wobei die Kondensatorflächen in ein oder zwei leitfähigen Schichten ausgebildet sind, die auf der Oberseite und Unterseite der nicht leitenden, Schicht aufgetragen sind.
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Erfindungsgemäß wird erkannt, dass kapazitive Sensoren in dem Schichtmaterial eines sensierenden Flächenelementes auch ohne die z. B. in der
DE 10 2006 027 213 A1 beschriebenen Halbleiter-Bauelemente ausgebildet werden können, indem z. B. Leiterbahnen in geeigneter Weise derartig verlegt werden, dass sie die Kondensatorflächen von als Sensoren dienenden Kondensatoren bilden. Somit kann z. B. ein Sensorarray in einer Matrix-Anordnung aus Zeilen und Spalten gebildet werden, deren Sensoren jeweils ausgelesen werden können.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausbildung ist die flexible, nicht leitende Schicht auf ihrer Oberseite und/oder Unterseite strukturiert, z. B. mit Vertiefungen bzw. Nuten, wobei die elektrisch leitfähige Schicht auf diese mindestens eine strukturierte Seite aufgetragen und an diese Strukturierung angepasst ist. Somit können insbesondere an der Oberseite und/oder der Unterseite Nuten bzw. villenartige Vertiefungen ausgebildet sein, in denen Leiterbahnen als Teile der strukturierten leitfähigen Schichten ausbildet sind.
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Erfindungsgemäß wird erkannt, dass insbesondere das strukturierte Auftragen der leitfähigen Schichten auf, strukturierten Ober- und Unterseiten der nicht leitenden, isolierenden Schicht vorteilhaft ist. So können in die Strukturierung der nicht leitenden Schicht entsprechende leitfähige Bereiche mit unterschiedlichem Verfahren schnell, kostengünstig und z. B. auch in einem Endlosverfahren aufgebracht werden. Hierzu sind insbesondere Präge- und Druckverfahren möglich. Bei einem Prägeverfahren wird die isolierende, nicht leitende Schicht zusammen mit zwei Metallsubstraten für ihre Ober- und Unterseite zwischen zwei strukturierte Laminierwalzen bzw. Prägewalzen eingebracht, die jeweils Metallbereiche aus den Metallsubstraten in die entsprechenden Bereiche der nicht leitenden Schicht einprägen. Somit kann in einem Endlosverfahren ein geprägtes Dielektrikum herausgebildet werden, das nachfolgend gegebenenfalls ergänzend bearbeitet werden kann, z. B. durch eine zusätzliche Walze, um die Schichtausbildung ggf. noch zu verändern.
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Bei einem Rollendruck mit leitfähiger Druckpaste wird strukturierten Druckwalzen eine geeignete leitfähige Druckpaste zugeführt und in einem Endlosverfahren auf die nicht leitfähige Schicht gedruckt. Bei einem Druckverfahren mittels Sieb bzw. Schablone wird die leitfähige Druckpaste durch ein entsprechendes Sieb bzw. Schablone aufeinander folgend aufgebracht. Weiterhin ist auch das Aufbringen von elektrisch leitfähiger Tinte, z. B. mittels eines Jet-Verfahrens bzw. Druckverfahrens mittels Piezo-Druck oder Bubble-Technik möglich, um die leitfähigen Bereiche mit elektrisch leitfähiger Tinte auszubilden, die nachfolgend z. B. getrocknet wird.
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Somit sind die leitfähigen Schichten insbesondere relativ dünn. Da die leitfähigen Schichten insbesondere in die Strukturierungen bzw. Vertiefungen der Oberflächen der flexiblen, nicht leitenden Schicht eingebracht werden, ist die Ausbildung derartig dünner Bereiche unproblematisch, da sie seitlich gestützt werden und somit nur von der Oberseite her belastet werden.
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Die kapazitiven Sensorelemente können erfindungsgemäß nach unterschiedlichen Messprinzipien wirken. Insbesondere können parallele Leiterbahnen an der Ober- und Unterseite zueinander nicht parallel ausgebildet sein, insbesondere zueinander orthogonal verlaufen, so dass sich in Kreuzungsbereichen, an denen Bereiche der oberen und unteren Leiterbahnen direkt vertikal übereinander angeordnet sind, Kondensatoren ausbilden, in denen die flexible, nicht leitende Schicht als Dilektrikum zwischen den Kondensatorplatten dient. Bereits eine derartige Anordnung führt durch entsprechendes Auslesen der Sensorsignale über die Spalten und Zeilen zu einem funktionsfähigen Sensorarray. Bei einem derartigen Messprinzip sind die Sensorelemente druckempfindlich, da bei einer Belastung des Flächenelementes im Bereich eines Sensorelementes die flexible, nicht leitende Schicht und gegebenenfalls zusätzliche dielektrische Materialbereiche zusammengedrückt werden und somit der Abstand der Kondensatorplatten verringert wird, wobei gegebenenfalls auch die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials verändert werden kann.
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Gemäß einem hierzu alternativen Messprinzip können die leitfähigen Schichten an z. B. nur einer Seite der flexiblen, nicht leitenden Schicht ausgebildet sein, wobei lateral nebeneinander angeordnete Kondensatorflächen der beiden leitfähigen Schichten zunächst noch keinen geschlossenen Kondensator, sondern nur untere Kondensatorplatten von zwei zunächst offenen Kondensatoren bilden. Eine derartige Anordnung von Kondensatorflächen kann insbesondere auf der Unterseite der nicht leitenden Schicht ausgebildet werden. Falls auf der Oberseite ein leitfähiger Körper platziert wird, z. B. ein menschlicher Körper, werden zu den unteren Kondensatorflächen zwei miteinander verbundene obere Gegen-Elektroden ausgebildet, so dass die Anordnung als Reihenschaltung von zwei Kondensatoren ausgewertet werden kann. Eine derartige Anordnung ist zwar von dem Abstand des leitfähigen Körpers von der Oberfläche abhängig und somit z. B. empfindlich für unterschiedliches Schuhwerk, z. B. unterschiedlich dicke Sohlen bzw. isolierende Sohlen; es kann jedoch eine Detektion auch ohne Deformierung der flexiblen, nicht leitenden Schicht oder weiterer Materialbereiche erfolgen. Bei einer derartigen Anordnung können somit die beiden leitfähigen Schichten als Teilbereiche einer einzigen strukturierten Schicht, z. B. mit kammförmig ineinander greifenden Leiterbahnen ausgebildet werden.
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Das Flächenelement kann auf seiner Oberseite und/Unterseite zusätzliche Isolationsschichten aufweisen, z. B. einen begehbaren Belag eines Fußbodens, oder nach unten eine Isolationsschicht gegenüber dem Untergrund bzw. Fußboden.
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Die flexible, nicht leitende Schicht kann direkt als Dielektrikum dienen und hierzu selbst wiederum auch mehrschichtig aus mehreren, nicht leitenden Schichten ausgebildet sein. Insbesondere kann diese dielektrische Schicht auch porös ausgebildet sein, z. B. als Polystyrolschaum, wodurch bei Belastung höhere Verformungen und somit auf Grund der großen Abstandsänderung höhere Kapazitätsänderungen zwischen den Kondensatorplatten erreicht werden können. Weiterhin kann die nicht leitende Schicht auch geeignet strukturiert werden, um dielektrische Bereiche zwischen den Kondensatorflächen auszubilden. Insbesondere kann sie durchgehende Ausnehmungen aufweisen. Weiterhin kann zusätzliches dielektrisches Material in die Bereiche der Sensoren eingebracht sein.
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Die Auslesung der Sensoranordnung kann zum einen konduktiv erfolgen, indem die oberen und unteren Leiterbahnen durch z. B. Kontaktzungen an seitliche Verteilereinrichtungen, insbesondere Multiplexer-Einheiten angeschlossen sind, die an eine gemeinsame Steuereinheit angeschlossen sind. Weiterhin ist grundsätzlich auch eine drahtlose Auslesung, z. B. über drahtlose Sende- und Empfangseinheiten, z. B. RFID-Tags möglich. Hierbei können z. B. Spalten oder Zeilen durch unterschiedliche Frequenzen unterschieden werden und gegebenenfalls unterschiedliche Laufzeiten der Signale angesetzt werden.
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Neben der Anwendung als Fußbodenbelag sind weiterhin auch Anwendungen im Automobilbereich zur Ausbildung druckempfindlicher bzw. taktiler Flächen mit lateraler Auflösung möglich. Weiterhin ist auch eine Anwendung z. B. im medizinischen Bereich für Pflaster möglich.
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Die Erfindung ermöglicht somit einige Vorteile. Es ist eine kostengünstige Herstellung möglich, insbesondere in einem Endlosverfahren mittels z. B. Druckwalzen oder Imprägnierwalzen. Da die Ausbildung des ganzen Sensors mittels der mindestens einen strukturierten leitfähigen Schicht möglich ist, sind in dem Schichtaufbau keine zusätzlichen Halbleiter-Bauelemente erforderlich; somit ist die Herstellung deutlich kostengünstiger, wobei auch die Entsorgung vereinfacht ist. Hierbei ist eine hohe laterale Auflösung durch Ausbildung einer geeigneten Anzahl von Leiterbahnen möglich, so dass nicht nur die Präsenz eines Körpers, sondern auch die Erkennung unterschiedlicher Bewegungsmuster auf einem Fußboden ermöglicht wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Flächenelement gemäß einer Ausführungsform in Aufsicht bzw. teilweiser Durchsicht;
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Flächenelement gemäß einer weiteren Ausführungsform mit zusätzlichen RFID-Transpondereinheiten;
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung des Flächenelementes aus 1;
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4 zeigt einen Schnitt durch ein Flächenelement gemäß einer Ausführungsform;
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5 zeigt einen Schnitt durch ein Flächenelement gemäß einer weiteren Ausführungsform mit strukturiertem Dielektrikum;
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6 zeigt einen Schnitt durch ein Flächenelement gemäß einer weiteren Ausführungsform mit porösem Dielektrikum;
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7 zeigt eine zu 1 bis 6 alternative Ausführungsform mit lateral neben einander liegenden Kondensatorflächen;
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8 zeigt die Herstellung mittels eines Prägeprozesses;
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9 zeigt die Herstellung mittels eines Druckprozesses;
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10 zeigt die Herstellung mittels eines Rollendrucks mit leitfähiger Druckpaste;
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11 zeigt die Herstellung mittels Auftragens von Flüssigkeiten durch Jetten;
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12 zeigt eine erfindungsgemäße Sensoranordnung;
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13 zeigt eine gegenüber 2 abgewandelte Ausführungsform;
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14 zeigt eine Messbrücke als Teil einer Detektionsschaltung;
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15 zeigt ein Pflaster als weitere erfindungsgemäße Anwendung des Flächenelementes; und
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16 zeigt eine Super-Darlington-Schaltung zur Aufnahme eines Messsignals.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Ein erfindungsgemäßes Flächenelement 1 weist gemäß 1 bis 4 eine flexible, elektrisch nicht leitende Schicht 2 auf, die insbesondere aus einem Kunststoffmaterial oder Textilmaterial ausgebildet kann, z. B. auch aus gewebtem Textilmaterial oder Vliesmaterial. Hierbei kann die flexible, nicht leitende Schicht 2 auch wiederum aus mehreren, miteinander verbundenen nicht leitenden Einzelschichten zusammengesetzt sein. Die nicht leitende Schicht 2 weist zwei Außenflächen auf, die nachfolgend entsprechend der gezeigten Verwendung als Oberseite 2a und Unterseite 2b bezeichnet werden. Die Oberseite 2a ist vorteilhafterweise gemäß 3 mit parallelen Nuten 7a bzw. Rillen oder länglichen Vertiefungen strukturiert, entsprechend ist die Unterseite 2b vorteilhafterweise mit parallelen Nuten 7b bzw. Rillen oder länglichen Vertiefungen strukturiert, wobei die Nuten 7a und 7b zueinander orthogonal verlaufen.
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Auf der Oberseite 2a ist eine obere leitfähige Schicht 3 aufgetragen und strukturiert. Auf der Unterseite 2b ist entsprechend eine untere leitfähige Schicht 4 aufgetragen und strukturiert. Die leitfähigen Materialien der oberen und unteren leitfähigen Schicht 3, 4 können insbesondere polymere Leiter oder leitfähige Tinten sein. Auf der oberen leitfähigen Schicht 3 ist vorteilhafterweise gemäß 4 eine obere Isolationsschicht 5 aufgetragen, insbesondere als Schutz gegen den Abrieb der oberen leitfähigen Schicht 3. Entsprechend kann auf der unteren leitfähigen Schicht 2b eine untere Isolationsschicht 6 aufgetragen sein; je nach Anwendung ist die untere Isolationsschicht 6 nicht erforderlich. In 1 bis 3 sind die Isolationsschichten 5 und 6 der besseren Darstellbarkeit halber nicht dargestellt. Gemäß der gezeigten Anwendung liegt das gesamte Flächenelement 1 auf einem Untergrund 8, z. B. einem Fußboden eines Raumes. Das Flächenelement 1 kann lose auf den Untergrund 8 gelegt oder auch z. B. verklebt sein. 15 zeigt eine Anwendung als Pflaster 9, wobei hier die obere Isolationsschicht 5 eine Abdeckung nach oben bildet und der Untergrund entsprechend die menschliche Haut sein kann.
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In der oberen leitfähigen Schicht 3 sind gemäß 1 bis 3 obere Leiterbahnen 3a strukturiert, die sich parallel zueinander in einer lateralen Richtung des Flächenelementes 1 durchgängig erstrecken. In der unteren leitfähigen Schicht 4 sind entsprechend untere Leiterbahnen 4a ausgebildet, die sich parallel zueinander durch das Flächenelement 1 erstrecken. Bei der oben beschriebenen Strukturierung der Oberseite 2a und Unterseite 2b der leitfähigen Schicht 2 können die Leiterbahnen 3a und 4a in den Nuten 7a und 7b ausgebildet sein. Somit können die Nuten 7a, 7b durch die Leiterbahnen 3a, 3b aufgefüllt sein, so dass die Anordnung der 1 und 3 somit nach oben bündig bzw. plan abschließt, wie aus 3 ersichtlich ist, so dass nachfolgend die obere Isolationsschicht 5 und die untere Isolationsschicht 6 auf plane Flächen aufgetragen werden.
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Die oberen Leiterbahnen 3a und die unteren Leiterbahnen 4a kreuzen sich in Kreuzungsbereichen 14, die erfindungsgemäß als Sensorbereiche dienen. Hierzu verlaufen die oberen Leiterbahnen 3a und unteren Leiterbahnen 4a vorteilhafterweise orthogonal bzw. senkrecht zueinander, so dass sie in den Sensorbereichen unter einem 90° Winkel zueinander stehen. In den Sensorbereichen 14 werden erfindungsgemäß somit Sensoren 15-nm als Kondensatoren ausgebildet, die jeweils eine obere Kondensatorfläche 3a-nm und eine untere Kondensatorfläche 4a-nm aufweisen, wobei die obere Kondensatorfläche 3a-nm als Teilbereich einer oberen Leiterbahn 3a und die untere Kondensatorfläche 4a-nm als Teilbereich einer unteren Leiterbahn 4a ausgebildet ist. Als Dielektrikum der Sensoren 15-nm dient vorzugsweise ein dazwischen liegender Bereich der nicht leitenden Schicht 2, die hierzu aus einem dielektrischen Material gefertigt sein; je nach Strukturierung der nicht leitenden Schicht 2 kann dieses Dielektrikum auch in besonderer Weise ausgebildet sein. Weiterhin können in den Kreuzungsbereichen 14 zwischen den leitfähigen Schichten 3 und 4 auch aus einem dielektrischen Material bestehende Materialbereiche 11 angeordnet sein, so dass dann die nicht leitfähige Schicht 2 keinen oder einen geringeren Beitrag zum Dielektrikum der Sensoren 15-nm beiträgt und als Trägermaterial für die Materialbereiche 11 sowie zum Aufbringen der leitfähigen Schichten 3 und 4 dient.
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Somit wird ein Sensoranordnung 13 aus einzelnen Sensoren 15-nm in Matrix- bzw. Array-Anordnung mit Zeilen und Spalten geschaffen, wobei jeder Sensor 15-nm in einem Sensorbereich 14 ausgebildet ist. Die Leiterbahnen 3a und 4a sind seitlich durch obere Kontaktzungen 16 und untere Kontaktzungen 17 kontaktiert.
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Gemäß 4 ist die flexible, nicht leitende Schicht 2 aus durchgängigem Material ausgebildet. Sie kann insbesondere eine Polymerfolie mit einem geringen Elastizitätsmodul, z. B. kleiner als 10 MPa sein, so dass die Kapazitätsänderung insbesondere durch Änderung des Abstandes d zwischen den die Kondensatorelektroden darstellenden Leiterbahnbereichen erfolgt. Gemäß 5 weist die Schicht 2 eine Strukturierung mit vertikalen Freiräumen 10 auf. Gemäß 6 ist die nicht leitende Schicht 2 porös bzw. mit Einschlüssen 12 aus Gas bzw. Luft ausgebildet, z. B. durch ein geschäumtes Kunststoffmaterial, z. B. Polystyrolschaum oder einem geschäumten Polyurethan. Durch die Freiräume 10 oder die Porösität wird eine höhere Kompressibilität erreicht.
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Die Herstellung des erfindungsgemäßen Flächenelementes 1 kann gemäß 8 durch einen Prägeprozess erfolgen, wobei die flexible, nicht leitende Schicht 2 als bereits strukturiertes Dielektrikum, d. h. bereits strukturierter Oberseite 2a und strukturierter Unterseite 2b, zusammen mit einem oberen Metallsubstrat 20 zur Ausbildung der oberen leitfähigen Schicht 3, und einem unteren Metallsubstrat 22 zur Ausbildung der unteren leitfähigen Schicht 4, zwischen eine strukturierte obere Laminierwalze 18 und eine strukturierte untere Laminierwalze 19 geführt wird, die sich gegenläufig drehen. Die obere Laminierwalze 18 weist eine strukturierte Außenfläche 18a auf. Entsprechend weist die untere Laminierwalze 19 eine strukturierte Außenfläche 19a auf. Die Metallsubstrate 20 und 22 können Metallbänder sein, vorteilhafterweise sind die Metallsubstrate 20, 22 jedoch wiederum mehrschichtig ausgebildet, so dass z. B. auf einer Trägerschicht 20a und 22a aus Kunststoff ein Metallmaterial aufgetragen ist, das nachfolgend beim Prägeprozess bzw. Laminieren in die Nuten 7a und 7b der Oberseite 2a und Unterseite 2b eingepresst wird.
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Nach dem Verprägen wird in Prozessrichtung hinter den Walzen 18, 19 somit jeweils Reste der Metallsubstrate 20 und 22 abgeführt, z. B. als Trägermaterial 20a und 22a mit verbleibenden Metallresten. Die Führung der Metallsubstrate 20, 22 bzw. ihrer Reste und gegebenenfalls auch der Schicht 2 kann – in für den Fachmann bekannter Weise– über Führungsrollen 23 erfolgen, wobei in 8 eine Führungsrolle 23 gezeigt ist. Weiterhin wird hinter den Laminierwalzen 18, 19 das Flächenelement 1 – hier ohne die Isolationsschichten 5 und 6 – als geprägtes Dielektrikum in einem Endlosverfahren herausgeführt. Wenn die zusätzliche Ausbildung der Isolationsschichten 5 und 6 gewünscht ist, können diese nachfolgend aufgetragen werden, vorteilhafterweise wiederum in einem Endlosverfahren, z. B. wiederum durch Walzen. Das geprägte Dielektrikum kann nachfolgend noch vor der Beschichtung mit den Isolationsschichten 5 und 6 weiter bearbeitet werden, z. B. durch eine Bearbeitungswalze 24 zur Bearbeitung der Oberseite. Hierbei sind auch weitere Bearbeitungen der Ober- oder Unterseite des beschichteten Dielektrikums möglich. Insbesondere können auf der Oberseite zur Ausbildung elektronischer Komponenten weitere Schritte erfolgen bzw. Materialien aufgebracht werden.
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9 zeigt die Ausbildung der oberen leitfähigen Schicht 3 auf der strukturierten Oberseite 2a der nicht leitenden Schicht 2 mittels eines Drucksiebs 26, wobei eine leitfähige Druckpaste 27 durch die Sieböffnungen 28 gedrückt wird, z. B. durch laterales Verstreichen mittels eines Druckrakels 29.
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10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, wobei die strukturierte nicht leitende Schicht 2 zwischen eine sich drehende obere Druckwalze 32 und eine sich gegenläufig zu dieser drehende untere Druckwalze 34 geführt wird, wobei die Druckwalzen strukturierte Oberflächen 32a und 34a aufweisen und entsprechend den Laminierwalzen 18, 19 der 8 ausgebildet sein können. Hierbei wird die Druckpaste 27 den Oberseiten 32a und 34a in Drehrichtung der Druckwalzen 32 und 34 vor dem Kontakt mit der nicht leitenden Schicht 2 zugeführt, z. B. über fest stehende Druckrakel 35 und 36 bzw. geeignete Streichwerkzeuge. Somit werden wiederum die Nuten 7a und 7b auf der Oberseite 2a und Unterseite 2b durch die Druckpaste 27 gefüllt, so dass ein beschichtetes Dielektrikum als Flächenelement 1 in einem fortlaufenden Prozess abgeführt und gegebenenfalls nachträglich bearbeitet und/oder weiter beschichtet werden kann.
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11 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Variante eines Herstellungsverfahrens, bei dem die obere leitfähige Schicht 3 – entsprechend gegebenenfalls auch die untere leitfähige Schicht 4 – in Form einzelner Tröpfchen 38 leitfähiger Tintenflüssigkeit 42 aufgetragen wird. Hierzu kann insbesondere ein Jet-Ventil 40 vorgesehen sein bzw. mehrere derartige Jet-Ventile 40, die z. B. über Halterungen 41 an einer gemeinsamen Vorrichtung angebracht sind und geeignet mit Tintenflüssigkeit 42 beschickt werden, wobei die Jet-Ventile 40 jeweils ein geeignetes Tinten- Reservoir aufweisen können. Jedes Jet-Ventil 40 weist somit an seiner Unterseite Düsen 44 auf, aus denen die Tröpfchen 38 auf die strukturierte Oberseite 2a oder Unterseite 2b der dielektrischen, nicht leitenden Schicht 2 abgegeben werden.
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Die einzelnen Sensoren
15-nm sind jeweils als kapazitive Sensoren ausgelegt, wobei sie Messungen nach unterschiedlichen Messprinzipien ausführen können. Gemäß der Ausbildung der
3 und
4 wird jeder Sensor
15-nm als Kondensator mit oberer Kondensatorfläche
3a-nm und untere Kondensatorfläche
4a-nm mit dazwischen liegendem Dielektrikum, d. h. der Schicht
2 und/oder Materialberieche
11 ausgebildet. Ein derartiger Sensor
15-nm ist somit druckempfindlich, da die Kapazität C gebildet ist nach der Formel
wobei εr die Dielektrizitätszahl, ε0 die Dielektrizitätskonstante, d Abstand der Elektroden und A die Elektrodenoberfläche ist. Bei Belastung des Flächenelementes
1 im Bereich des Sensors
15-nm wird das Dielektrikum, d. h. die Schicht
2 und/oder Materialbereiche
11 dort zusammengedrückt, so dass zum einen der Elektrodenabstand d verringert wird, und weiterhin gegebenenfalls die Dielektrizitätszahl εr verändert werden kann, insbesondere bei porösem Material der dielektrischen Schicht
2 gemäß
6 oder Ausbildung mit Freiräumen
10 gemäß
5. Somit wird ein geschlossener Kondensator gebildet, der druckempfindlich bzw. berührungsempfindlich (taktil) ist.
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Gemäß 7 ist weiterhin auch eine Ausbildung eines Sensors 45-nm möglich mit zwei nebeneinander liegenden Kondensatorflächen (Elektroden) 46a und 47a, die z. B. in der unteren leitfähigen Schicht 4a ausgebildet sein können, so dass die dielektrische Schicht 2 oberhalb von diesen angeordnet ist. In diesem Fall ist die zusätzliche Aufbringungen einer oberen Isolationsschicht 5 nicht erforderlich, da die dielektrische Schicht 2 nach oben bereits geschützt ist. Bei diesem Messprinzip wird eine auf dem Flächenelement 1 sich befindende Person 48 durch die Beeinflussung des kapazitiven Verhaltens des Sensors 45-nm detektiert. Wie in 5 vereinfacht dargestellt, bildet eine auf dem Flächenelement 1 oberhalb des Sensors 45-nm sich befindende Person 48 obere Elektroden (Kondensatorflächen) aus zu beiden unteren Kondensatorflächen 46a und 47a, so dass ein Sendekondensator 46 und ein Empfängerkondensator 47 gebildet wird, die über den eine geschlossenen leitfähige Fläche darstellenden Körper 48 in Reihe geschaltet sind.
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Gemäß der obigen Formel für die Kapazität C eines Plattenkondensators ist diese Anordnung somit für den Abstand d des menschlichen Körpers 48 von den unteren Kondensatorflächen 46a, 47a und der Elektrodenfläche A des Körpers 48 empfindlich. Es können entsprechend auch andere Gegenstände bzw. Körper mit leitfähigem Verhalten detektiert werden; der Sensor 45-nm ist somit nicht druckempfindlich, sondern empfindlich für das Vorhandensein einer hinreichend nahen und hinreichend großen leitfähigen Fläche.
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Gemäß 7 erfolgt die Auswertung vorteilhafterweise über eine Wechselspannungsquelle 50 und eine Detektierungseinrichtung 52, die somit die Kapazität C der Reihenschaltung des Senderkondensators 46 und Empfängerkondensators 47 detektiert. Bei dem Messprinzip des druckempfindlichen Sensors 15-nm kann ebenfalls eine entsprechende Auswertung mit der Wechselspannungsquelle 50 und der Detektierungseinrichtung 52 erfolgen. Weiterhin kann gemäß 13 eine geeignete Messbrücke 54 verwendet werden, z. B. eine Wheatstonesche Messbrücke, bei der die Kapazität C der Reihenschaltung aus 46 und 47 entsprechend als unbekannte Recktanz (Blindwiderstand) eingesetzt ist und bekannten weiteren Recktanzen x1, x2, x3 durch Messung der Spannung U1 bei bekannter angelegter Spannung der Wechselspannungsquelle 50 der Blindwiderstand bzw. die Recktanz und hieraus C ermittelt werden kann. Grundsätzlich sind auch andere Messungen möglich.
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Insbesondere kann erfindungsgemäß lediglich differenziert werden, ob entweder ein belasteter oder unbelasteter Zustandes vorliegt. Erfindungsgemäß wird erkannt, dass grundsätzlich bereits eine Auswertung dahingehend möglich ist, dass bei den Sensoren 15-nm zwischen unbelastet und belastet (kleinerer Elektrodenabstand und ggf. veränderte Dielektrizitätszahl) unterschieden wird und beim Sensor 45-nm entsprechend die Präsenz bzw. das Vorhandensein eines leitfähigen Körpers über einen Sensor 45-nm erkannt wird, wenn hierdurch die Kondensatoren 46, 47 geschlossen werden. Grundsätzlich ist jedoch erfindungsgemäß auch eine detailliertere analoge Auswertung möglich, um z. B. zu erkennen, ob die Belastung durch einen schweren oder nicht schweren Körpern, z. B. einen Mensch oder ein kleineres Tier erfolgt.
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Die Sensoren 45-nm (grundsätzlich auch 15-nm) können in einer Detektionseinrichtung 52 entsprechend auch über Darlington-Schaltungen, z. B. auch Super-Darlington-Schaltungen gemäß 16 ausgewertet werden, mit Transistoren Q1, Q2, Q3, Kondensatoren C1, C2, Dioden D2, D3 und ohmschen Widerständen R1, R2, R3, R4, zum Anschluss an eine Versorgungsspannungsklemme 51 mit einer Spannung V+ und an Masse 49 zur Ausgabe eines Ausgangssignals Sa.
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Da die kapazitive Recktanz der Kondensatoren 47, 46 wegen der geringen Kapazität zunächst hoch ist, kann sie geeignet verringert werden, in dem die Frequenz des Speisestroms bzw. der Wechselspannungsquelle 50 entsprechend erhöht wird.
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12 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensoranordnung (bzw. Sensornetzwerk), bei dem die Kontaktierung der einzelnen Sensoren 15-nm oder 45-nm zeilen- und spaltenweise erfolgt, z. B. über die oberen Leiterbahnen 3a als Spalten und unteren Leiterbahnen 4a als Zeilen. Von einer Detektierungseinrichtung 66 gehen eine analoge Datenleitung 64 und digitale Adressierleitungen 61 zu einem Multiplexer 60, z. B. wie gezeigt zwei Adressierleitungen 61 zur Adressierung mit einem digitalen Adressiersignal a1 von zwei Bit. Weiterhin gehen von der Detektierungseinrichtung 66 entsprechend eine analoge Datenleitung 65 und digitale Adressierleitungen 63 zu einem Multiplexer 62, wie gezeigt z. B. zwei Adressierleitungen 63 zur Adressierung mit einem Adressiersignal b1 von zwei Bit. Der Multiplexer 60 ist an die Leiterbahnen 3a angeschlossen und legt die jeweils adressierte Leiterbahn 3a an die analoge Datenleitung 64. Entsprechend legt der Multiplexer 62 die mit dem digitalen Adressiersignal b1 adressierte Leiterbahn 4a an die Datenleitung 65, so dass durch entsprechende Adressierung jeder Sensor 15-nm mit seinen beiden Anschlüssen sukzessive an die Datenleitungen 64 und 65 angeschlossen werden kann. Bei dem einfachen Beispiel der 12 mit vier mal vier gleich sechzehn Sensoren 15-nm reichen somit zwei Adressierleitungen 61 (für zwei Bit) und zwei Adressierleitungen 63 (für zwei Bit) zur Adressierung. Die Multiplexer 60, 62 sind vorzugsweise als flache Leisten seitlich am Flächenelement 1 oder als Teil des Flächenelementes 1 vorgesehen.
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Somit wird das gesamte Flächenelement 1 durch z. B. lediglich zwei als seitliche Leisten angebrachte Multiplexer 60, 62 derartig kontaktiert, dass sämtliche Sensoren 15-nm oder 45-nm einzeln ausgelesen werden können. Somit ist eine drahtgebundene Auslesung der Kapazitätswerte der der Sensoren möglich, z. B. mit Hilfe eines Zeitmultiplexverfahren durch sequentielles Auslesen. Die Schaltung in den Multiplexern 60, 62 kann durch SSR-s (Solid State Relays) erfolgen. Somit wird beim Abruf des Sensors 15–24 (Zeilenzahl m = 2, Spaltenzahl n = 4) durch ein geeignetes erstes Adressensignal a1 mit dem Wert n, d. h. n = 4, über den ersten Multiplexer 60 die vierte obere Leiterbahn 3a entsprechend der Adressierung a1 auf die Datenleitung 64 geschaltet, weiterhin entsprechend über ein zweites Adresssignal b1 mit dem digitalen Wert b1 = 2 die zweite untere Leiterbahn 4a an die Datenleitung 65 gelegt. Somit können sukzessive die Kapazitätswerte (bzw. Blindwiderstände) der einzelnen Sensorelemente 15-nm ausgelesen werden.
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2 zeigt eine Sensoranordnung (Sensornetzwerk) 70, bei dem die Auslesung der Sensoren 15-nm drahtlos erfolgen kann. Hierbei sind Transponder 72-nm zur drahtlosen Signalübermittlung vorgesehen, wobei die Transponder insbesondere RFID-Antennen 72-nm sein oder aufweisen können. Grundsätzlich ist der Einsatz von autarken RFID-Antennen, d. h. passiven Transpondern 72-nm, möglich; erfindungsgemäß kann jedoch auch eine Energieversorgung über die obere Leiterbahn 3a und unteren Leiterbahnen 4a erfolgen, an die die Transponder 72-nm angeschlossen sind. Hierbei können die RFID-Transponder 72-nm insbesondere auf unterschiedlichen Frequenzen senden, wobei insbesondere eine spalten- oder zeilenweise Differenzierung durch unterschiedliche Sendefrequenzen erfolgt. So können z. B. gemäß 2 die RFID-Transponder 72-nm spaltenweise gleiche Sendefrequenzen fm aufweisen und innerhalb einer Zeile variieren, so dass z. B. die RFID-Transponder 72-nm mit der Spaltenzahl m = 1 bei f1 = 60 MHz, mit Spaltenzahl m = 2 bei f2 = 70 MHz, mit Spaltenzahl m = 3 bei f3 = 80 MHz, mit Spaltenzahl m = 4 bei f4 = 90 MHz, usw. senden. Somit kann z. B. jeweils sukzessive immer eine obere Leitung 3a bestromt werden bzw. eine Spannung angelegt werden, und gleichzeitig sämtliche unteren Leiterbahnen 4a angeschlossen bzw. bestromt werden, so dass die RFID-Antennen 72-nm für eine feste Zeilenzahl n sukzessive jeweils gleichzeitig senden und aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen fm die Signale getrennt und einzeln ausgewertet werden können. Somit wird sukzessive jede obere Leiterbahn 3a nacheinander bestromt. Die Sendereinrichtungen 72-nm geben hierbei jeweils z. B. ein Messsignal aus, das im einfachen Fall auch binär sein kann, d. h. eine spezifische Kennung für die Matrixstelle nm und als Messsignal eine Angabe, dass der jeweilige Sensor 15-nm, der durch die beiden kapazitiven Bereiche gebildet ist, aufgrund Druckeinwirkung belastet ist, oder nicht belastet ist.
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Die Ausführungsform der 13 ist gegenüber 2 dahingehend abgewandelt, dass in jeder Zeile und/oder jeder Spalte jeweils ein Transponder 72-nm zerstört ist und somit in der Matrixanordnung Fehlstellen 73 gebildet sind; dies kann durch die in 8 gezeigte Bearbeitungswalze 24 erfolgen, die somit als Defektwalze zum gezielten Zerstören einiger Transponder 72-nm dient. Durch diese gezielt zerstörten Transponder 72-nm, z. B. jeweils wie gezeigt für n = m, d. h. mit diagonalem Verlauf über die Sensoranordnung 70, kann somit eine Unterscheidung der Zeilen n ermöglicht werden; in Verbindung der Laufzeit der Signale ist so ein räumliches Auflösen des Sensorarrays möglich.
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Entsprechend weist auch das Pflaster 9 der 15 den Sensor 15, eine Dünnschichtbatterie 9-1 und eine RFID-Antenne 74 auf.
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Erfindungsgemäß kann somit die Energieversorgung der Sensoren 15-nm bzw. 45-nm durch Radiowellen selbst, oder durch Ankontaktierung der Leiterbahnen 3a, 4a gemäß 3 und Multiplexer 60, 62 gemäß 12 erfolgen.
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Die Transponder 72-nm können insbesondere als Teil der oberen leitfähigen Schicht 3 mit aufgeprägt werden, d. h. zusätzlich und kontaktiert mit den oberen Leiterbahnen 3a; insbesondere die Ausbildung von RFID-Transpondern ist durch Prägen sehr gut möglich.
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Erfindungsgemäß sind auch Durchkontaktierungen zwischen der oberen leitfähigen Schicht 3 und der unteren leitfähigen Schicht 4 möglich, z. B. durch Ausbildung eines Durchgangslochs in der nicht leitfähigen Schicht 2, z. B. durch einen Stanzprozess, der in einem zusätzlichen Schritt oder auch z. B. durch die Laminierwalzen 18 und 19 oder auch die Druckwalzen 32 und 34 erfolgen kann, so dass nachfolgend das auflaminierte, aufgedruckte oder aufgejettete leitfähige Material sich durch das Durchgangsloch erstreckt und die Durchkontaktierung zwischen der oberen leitfähigen Schicht 3 und der unteren leitfähigen Schicht 4 ausbildet.
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In die nicht leitfähige Schicht 2 können weiterhin auch piezoaktive Materialien eingebracht werden, so dass die Sensoren ergänzend auch Piezo-Signale ausgeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2005000637 A1 [0002]
- JP 2007292575 A [0002]
- US 20070171058 A1 [0002]
- JP 2005327226 A [0002]
- JP 2000021262 A [0002]
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- EP 696782 A1 [0003]
- EP 365062 A1 [0003]
- DE 19609874 A1 [0003]
- JP 2006092393 A [0003]
- WO 2007147735 A1 [0004]
- DE 102006027213 A1 [0004, 0007]
