DE102013107271A1

DE102013107271A1 - Sensor for recording pressure-dependent measured values in thin-film construction

Info

Publication number: DE102013107271A1
Application number: DE102013107271.2A
Authority: DE
Inventors: Karsten Grebel; Sebastian Wagner
Original assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Current assignee: Institut fuer Verbundwerkstoffe GmbH
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2015-01-15

Abstract

Ein Sensor zur Erfassung druckabhängiger Messwerte in Dünnschichtbauweise umfasst eine Außenelektrode (4), eine Innenelektrode (1) und ein zwischen der Außenelektrode (4) und der Innenelektrode (1) angeordnetes Dielektrikum. Das Dielektrikum ist als mindestens eine Lage einer die Innenelektrode (1) beidseitig überdeckenden Polyimid-Schicht ausgebildet.A sensor for detecting pressure-dependent measured values in thin-film construction comprises an outer electrode (4), an inner electrode (1) and a dielectric arranged between the outer electrode (4) and the inner electrode (1). The dielectric is formed as at least one layer of a polyimide layer covering the inner electrode (1) on both sides.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Erfassung druckabhängiger Messwerte in Dünnschichtbauweise mit einer Außenelektrode, einer Innenelektrode und einem zwischen der Außenelektrode und der Innenelektrode angeordneten Dielektrikum. The invention relates to a sensor for detecting pressure-dependent measured values in thin-film construction with an outer electrode, an inner electrode and a dielectric disposed between the outer electrode and the inner electrode.

Die Werkstoffeigenschaften eines Faserverbundkunststoffs sind maßgeblich von der Konsolidierung beeinflusst, weshalb eine optimale Einstellung der Prozessparameter für diesen Verarbeitungsschritt sehr wichtig ist. Um die Prozessparameter bestimmen zu können, ist eine möglichst exakte Ermittlung der physikalischen Größen während des Fertigungsprozesses erforderlich. Hierunter fallen insbesondere Druck- und Temperaturprofile über Zeit und Ort, durch die Rückschlüsse auf die Konsolidierung möglich sind. The material properties of a fiber composite plastic are significantly influenced by the consolidation, which is why an optimal adjustment of the process parameters for this processing step is very important. In order to be able to determine the process parameters, the exactest possible determination of the physical quantities during the manufacturing process is required. This includes, in particular, pressure and temperature profiles over time and place, which allow conclusions to be drawn about consolidation.

Die relativ hohen Verarbeitungstemperaturen moderner technischer Kunststoffe von ca. 380 °C und das in den meisten Anwendungsfällen kleine Platzangebot sowie die verhältnismäßig geringe Wanddicke stellen hohe Anforderungen an die Messtechnik. Beispielsweise dürfen Drucksensoren, die in einen Faserverbundkunststoff eingebracht werden sollen, nicht dick sein, da sie andernfalls eine Druckverteilung und damit die durch sie zu messende Größe beeinflussen. Durch die Kombination von hohem Druck während des Konsolidierens und den thermischen Anforderungen, müssen verwendete Messsensoren einen robusten Aufbau aufweisen. The relatively high processing temperatures of modern engineering plastics of about 380 ° C and in most applications, small space and the relatively small wall thickness make high demands on the measurement technology. For example, pressure sensors that are to be incorporated into a fiber composite plastic, may not be thick, otherwise they affect a pressure distribution and thus the size to be measured by them. Due to the combination of high pressure during consolidation and the thermal requirements, measuring sensors used must have a robust construction.

Aus dem Stand der Technik sind Druck- bzw. Kraftsensoren in sogenannter Dünnschichtbauweise bekannt, die bis zu 200 °C eingesetzt werden können. Druck-/Kraftsensoren für höhere Temperaturbereiche finden sich nur in wesentlich größerer Bauweise, beispielsweise zum Einschrauben in ein in einer Presse zu verwendendes Matrizenwerkzeug zur Herstellung eines Formbauteils. Da solche Druck-/Kraftsensoren lokal fixiert sind, ist eine Vielzahl von Sensoren erforderlich, um ein aussagekräftiges Druckprofil zu erhalten. Diese aufwendige, teure und aus Bauraumgründen nur mit hohem Aufwand zu realisierende Änderung der Werkzeuge ist meist unerwünscht. From the prior art pressure or force sensors in so-called thin-film construction are known, which can be used up to 200 ° C. Pressure / force sensors for higher temperature ranges can only be found in a much larger design, for example for screwing into a to be used in a press die tool for producing a molded component. Since such pressure / force sensors are locally fixed, a large number of sensors is required to obtain a meaningful pressure profile. This complex, expensive and space reasons, only with great effort to implement change in the tools is usually undesirable.

Daher soll mit der Entwicklung von möglichst dünnen Sensoren, die in das Verbundwerkstoff-Laminat eingebracht werden können, eine einfache und flexible Möglichkeit geschaffen werden Rückschlüsse über den Verlauf der Konsolidierung während des Prozesses zu messen. Therefore, with the development of the thinnest possible sensors that can be incorporated into the composite laminate, a simple and flexible way to draw conclusions about the course of consolidation during the process to create.

Im Weiteren sind Polyimide bekannt, die durch Polykondensation aus Tetracarbonsäuredianhydriden und Diaminen hergestellt werden und für thermisch hohe Beanspruchung geeignet sind, insbesondere wenn sie aromatische Bausteine in der Polymerkette enthalten. Polyimide werden aufgrund ihrer Hitzebeständigkeit, Strahlungsbeständigkeit und Isoliereigenschaften in der Elektrotechnik in Form von hellbräunlichen, halbtransparenten Folien zur Anwendung gebracht. In addition, polyimides are known which are prepared by polycondensation of tetracarboxylic dianhydrides and diamines and are suitable for high thermal stress, in particular if they contain aromatic building blocks in the polymer chain. Polyimides are used in the form of light brownish, semitransparent films because of their heat resistance, radiation resistance and insulating properties in electrical engineering.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Erfassung druckabhängiger Messwerte der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei relativ hohen Temperaturen zuverlässig in einem Faser-Kunststoff-Verbund einsetzbar ist und dabei eine sehr geringe Baugröße aufweist. The invention has for its object to provide a sensor for detecting pressure-dependent measured values of the type mentioned, which is reliably used at relatively high temperatures in a fiber-plastic composite and thereby has a very small size.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. According to the invention the object is achieved by the features of the independent claim.

Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar. The subclaims represent advantageous embodiments of the invention.

Ein Sensor zur Erfassung druckabhängiger Messwerte in Dünnschichtbauweise umfasst eine Außenelektrode, eine Innenelektrode und ein zwischen der Außenelektrode und der Innenelektrode angeordnetes Dielektrikum. Das Dielektrikum ist als mindestens eine Lage einer die Innenelektrode beidseitig überdeckenden Polyimid-Schicht ausgebildet. A sensor for detecting pressure-dependent measured values in thin-film construction comprises an outer electrode, an inner electrode and a dielectric arranged between the outer electrode and the inner electrode. The dielectric is formed as at least one layer of a polyimide layer covering the inner electrode on both sides.

Vorzugsweise ist die Polyimid-Schicht aus einer Polyimid-Folie gebildet. Preferably, the polyimide layer is formed of a polyimide film.

Nachfolgend wird vorrangig die Anordnung des Polyimides in Form einer Folie beschrieben. Es ist aber auch möglich, das Polyimid in einer Schicht aufzutragen, insbesondere zu vergießen. In the following, the arrangement of the polyimide in the form of a film will be described with priority. But it is also possible to apply the polyimide in a layer, in particular to shed.

Der Sensor folgt dem kapazitiven Sensorprinzip und umfasst die temperaturbeständige Polyimid-Schicht bzw. Polyimid-Folie. Die Außen- oder die Innenelektrode kann beispielsweise aus einer Kohlenstofffaser bestehen, die elektrisch leitend und Bestandteil des Faser-Kunststoff-Verbundes, der beim Konsolidieren überwacht werden soll, ist, wodurch der Sensor einen sehr dünnen Aufbau aufweist. Die jeweils andere Elektrode kann vorzugsweise aus einer Metallfolie gefertigt sein. Die Polyimid-Folie ist beständig gegen die relativ hohen Verarbeitungstemperaturen moderner technischer Kunststoffe von ca. 380 °C. Der Aufbau des kapazitiven Sensors mit flächigen Innen- und Außenelektroden ist mit dem eines Plattenkondensators vergleichbar, bei dem durch das Aufbringen einer Kraft dessen Kapazitätswert beeinflusst wird. Dies kann durch eine Änderung des Abstandes der Außen- zu der Innenelektrode, der Überdeckungsfläche der Außen- und der Innenelektrode oder des Dielektrikums, also der Polyimid-Folie erreicht werden. Die einfachste Methode zur Änderung des Kapazitätswertes ist das Variieren des Plattenabstandes. Anhand der Änderung des Plattenabstandes bzw. des Abstandes zwischen der Außen- und der Innenelektrode und der sich proportional ändernden Kapazität kann auf die beaufschlagende Kraft geschlossen werden. Der sich mit der Kraftbeaufschlagung ändernde Abstand zwischen der Außen- und der Innenelektrode wird durch die sich elastisch verformende Polyimid-Folie erreicht, die unter der Einwirkung einer Kraft gestaucht wird, wodurch sich der Elektrodenabstand verringert und die Kapazität erhöht. Dieser Vorgang ist aufgrund der elastischen Verformung der Polyimid-Folie bei einer nachlassenden Kraftbeaufschlagung reversibel. The sensor follows the capacitive sensor principle and comprises the temperature-resistant polyimide layer or polyimide film. The outer or the inner electrode can for example consist of a carbon fiber, which is electrically conductive and part of the fiber-plastic composite to be monitored during consolidation, whereby the sensor has a very thin structure. The respective other electrode may preferably be made of a metal foil. The polyimide film is resistant to the relatively high processing temperatures of modern engineering plastics of about 380 ° C. The structure of the capacitive sensor with planar inner and outer electrodes is comparable to that of a plate capacitor, in which the capacitance value is influenced by the application of a force. This can be achieved by changing the distance of the outer to the inner electrode, the overlapping surface of the outer and the inner electrode or the dielectric, ie the polyimide film. The simplest way to change the capacitance value is to vary the plate spacing. Based on the change of the Plate spacing or the distance between the outer and the inner electrode and the proportionally changing capacity can be closed to the applied force. The distance between the outer and inner electrodes changing with the application of force is achieved by the elastically deforming polyimide film, which is compressed under the action of a force, which reduces the electrode spacing and increases the capacitance. This process is reversible due to the elastic deformation of the polyimide film with a decreasing force application.

In Ausgestaltung ist die Außenelektrode und die Innenelektrode jeweils als eine Folie ausgebildet und die Außenelektrode beiden Flächen der Innenelektrode zugeordnet. Die Außenelektrode bildet eine Art Umschlag um die Innenelektrode und die dazwischen liegenden Abschnitte der Polyimid-Folie. Dementsprechend sind im Wesentlichen zwei Kondensatoren gebildet, die nachfolgend als Doppelkondensator bezeichnet werden. Dieser Doppelkondensator setzt sich aus drei Platten, den beiden untereinander gekoppelten Außenelektroden sowie der Innenelektrode zusammen, die den elektrischen Gegenpol zu den beiden Außenelektroden darstellt. Die beiden sich ergebenden Kondensatoren sind parallel geschaltet und die Einzel-Kapazitäten werden zur Bildung der Gesamt-Kapazität addiert: C_gesamt = C₁ + C₂ In an embodiment, the outer electrode and the inner electrode are each formed as a foil and the outer electrode is assigned to both surfaces of the inner electrode. The outer electrode forms a kind of envelope around the inner electrode and the intervening portions of the polyimide film. Accordingly, essentially two capacitors are formed, which are referred to below as a double capacitor. This double capacitor is composed of three plates, the two mutually coupled outer electrodes and the inner electrode, which represents the electrical opposite pole to the two outer electrodes. The two resulting capacitors are connected in parallel and the individual capacitances are added to form the total capacitance: C _total = C ₁ + C ₂

Da die Innenelektrode die effektive Kondensatorfläche bestimmt, gilt: C₁ = C₂ = C und damit: C_gesamt = 2C Since the inner electrode determines the effective capacitor area, the following applies: C ₁ = C ₂ = C and thus: C _total = 2C

Damit wird mit einer relativ geringen Fläche der Innenelektrode eine relativ große Kapazität des Sensors erzielt. Thus, a relatively large capacitance of the sensor is achieved with a relatively small area of the inner electrode.

Damit das Dielektrikum eine erforderliche Isolation bewirkt, weist die Polyimid-Folie eine Dicke zwischen 2 und 125 µm, vorzugsweise zwischen 5 und 40 µm, bevorzugt zwischen 15 und 30 µm und besonders bevorzugt von 25 µm auf. Es können selbstverständlich mehrere Lagen Polyimid-Folie verwendet werden. Zur weitergehenden Verbesserung der Isolationswirkung steht vorteilhafterweise die Polyimid-Folie gegenüber der Innenelektrode umfangsseitig vor. In order for the dielectric to effect a required isolation, the polyimide film has a thickness between 2 and 125 μm, preferably between 5 and 40 μm, preferably between 15 and 30 μm and particularly preferably 25 μm. Of course, multiple layers of polyimide film can be used. To further improve the insulating effect is advantageously the polyimide film relative to the inner electrode on the circumference.

Nach einer Weiterbildung ist die Innenelektrode und/oder die Außenelektrode als eine Metallfolie ausgebildet. Die drei Metall-Folien-Elektroden bilden zwei übereinanderliegende Kondensatoren und werden jeweils durch eine Lage der Polyimid-Folie untereinander isoliert. Die beiden Außenelektroden sind untereinander gekoppelt und stehen in Kontakt zu dem Werkstoff, beispielsweise einer Kohlefaser. According to a development, the inner electrode and / or the outer electrode is formed as a metal foil. The three metal foil electrodes form two superimposed capacitors and are each isolated by a layer of the polyimide film with each other. The two outer electrodes are coupled together and are in contact with the material, such as a carbon fiber.

Zweckmäßigerweise besteht die Metallfolie der Innenelektrode aus Aluminium und/oder weist eine Dicke zwischen 1 und 20 µm, vorzugsweise zwischen 5 und 10 µm, bevorzugt von 7 µm auf. Bei der Aluminium-Folie handelt es sich um eine Haushaltsfolie, die aus Reinaluminium mit einem Aluminiumgehalt von über 99 % hergestellt ist und im Vergleich zu Aluminiumlegierungen eine niedrige Zugfestigkeit von 75 bis 110 N/mm² aufweist. Conveniently, the metal foil of the inner electrode made of aluminum and / or has a thickness between 1 and 20 .mu.m, preferably between 5 and 10 .mu.m, preferably of 7 .mu.m. The aluminum foil is a household foil made of pure aluminum with an aluminum content of more than 99% and has a low tensile strength of 75 to 110 N / mm ² compared to aluminum alloys.

Vorzugsweise besteht die Metallfolie der Außenelektrode aus Stahl und/oder weist eine Dicke zwischen 10 und 200 µm, vorzugsweise zwischen 50 und 150 µm, bevorzugt von 100 µm auf. Der für die Folie verwendete Stahl ist unlegiert, beispielsweise ein St2K50, und weist eine Zugfestigkeit von 490 bis 640 N/mm² auf. Preferably, the metal foil of the outer electrode made of steel and / or has a thickness between 10 and 200 .mu.m, preferably between 50 and 150 .mu.m, preferably of 100 .mu.m. The steel used for the film is unalloyed, for example a St2K50, and has a tensile strength of 490 to 640 N / mm ² .

In Ausgestaltung ist die Außenelektrode und/oder die Innenelektrode mittels einer Zuleitung aus einem elektrisch leitenden Werkstoff elektrisch verbunden. Die beispielsweise aus Kupfer gefertigte elektrische Zuleitung dient zur Verbindung des Sensors mit einem Messgerät. Die Zuleitung kann versilbert sein und einen Durchmesser von 100 bis 150 μm aufweisen. Bevorzugt ist die Zuleitung entweder mit einer elektrisch isolierenden Schicht ummantelt oder in eine Polyimid-Folie eingenäht. In an embodiment, the outer electrode and / or the inner electrode is electrically connected by means of a feed line made of an electrically conductive material. The electrical supply made of copper, for example, serves to connect the sensor to a measuring device. The lead can be silver plated and have a diameter of 100 to 150 microns. Preferably, the lead is either jacketed with an electrically insulating layer or sewn into a polyimide film.

Um druckabhängige Werte zu ermitteln, wird die Kapazität oder der Widerstand gemessen. Selbstverständlich findet die Messung während der Konsolidierung statt. In order to determine pressure-dependent values, the capacitance or the resistance is measured. Of course, the measurement takes place during consolidation.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert. It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations. The scope of the invention is defined only by the claims.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment with reference to the accompanying drawings.

Es zeigt: It shows:

1 eine schematische Darstellung eines Sensors nach der Erfindung, 1 a schematic representation of a sensor according to the invention,

2 einen schematischen Querschnitt durch den Sensor nach 1 und. 2 a schematic cross section through the sensor after 1 and.

3 Darstellung eines Diagramms zur Druckabhängigkeit der Kapazität des Sensors nach 1. 3 Representation of a diagram for the pressure dependence of the capacity of the sensor 1 ,

Der Sensor weist in seinem Inneren eine aus einer Aluminiumfolie bestehende Innenelektrode 1 mit einer angeschlossenen elektrischen Zuleitung 2 auf. Auf die Innenelektrode 1 sind beidseitig Polyimid-Folien 3 als Dielektrikum und elektrische Isolierung aufgelegt, die eine gegenüber der Innenelektrode 1 vergrößerte Fläche aufweisen und diese umfangsseitig überdecken. Außenseitig sind die als Stahlfolie ausgebildeten Außenelektroden 4 angeordnet, die im Einbauzustand des Sensors mit dem Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoff 8 gekoppelt sind, der beispielsweise eine elektrisch leitende Kohlenstofffaser umfassen kann. The sensor has in its interior an inner electrode consisting of an aluminum foil 1 with a connected electrical supply line 2 on. On the inner electrode 1 are both sides polyimide films 3 placed as a dielectric and electrical insulation, the one opposite the inner electrode 1 Have enlarged area and cover these circumferentially. On the outside are formed as a steel foil outer electrodes 4 arranged in the installed state of the sensor with the fiber-plastic composite material 8th coupled, which may for example comprise an electrically conductive carbon fiber.

Die Materialstärke der Außenelektroden 4 kann zwischen 25 μm und 100 μm betragen. Die Aluminiumfolie der Innenelektrode 1 ist ca. 7μm dick, wodurch ein relativ dünner Aufbau des Sensors mit einer ausreichenden Festigkeit gegeben ist. Die einstückige Innenelektrode 1 weist eine wirksame Sensorfläche 5 von etwa 10 × 15 mm auf, die den Sensorwert erzeugt. The material thickness of the outer electrodes 4 can be between 25 μm and 100 μm. The aluminum foil of the inner electrode 1 is about 7μm thick, whereby a relatively thin structure of the sensor is given with sufficient strength. The one-piece inner electrode 1 has an effective sensor area 5 of about 10 × 15 mm, which produces the sensor value.

Mit der Innenelektrode 1 ist eine Zuleitung 6 aus Kupfer elektrisch verbunden, vorzugsweise durch Schweißen, die zumindest innerhalb des Sensors sowie eines zu untersuchenden Werkstücks 9 in eine Polyimid-Folie eingenäht ist. Da die Zuleitung 6 durch das gegebenenfalls leitende und mit den Außenelektroden 4 verbundene Werkstück 9 durchgeführt wird, erzeugt sie ebenfalls eine gewisse Kapazität, die den eigentlichen Sensorwert verfälschen kann. Um den Einfluss Zuleitung 6 verhältnismäßig gering zu halten, wird zum einen eine möglichst dünne, z. B. folienartige, Zuleitung 6 gewählt, sodass die kapazitiv wirkende Fläche der Zuleitung 6 möglichst klein ist, und zum anderen wird die Zuleitung 6 mit einer 125 μm dicken Polyimid-Folie zusätzlich isoliert, wodurch der Abstand zu den Außenelektroden 4 vergrößert und die erzeugte Kapazität noch einmal verringert ist. Eine Verstärkung der Isolierung im Bereich der Zuleitung 6 ist darüber hinaus vorteilhaft, da die drahtförmige Zuleitung 6 bei Druckbeaufschlagung durch eine Presse beim Konsolidieren des Werkstücks 9 eine linienförmige Belastung auf die isolierenden Polyimid-Folien 3 ausübt, wodurch diese im Kontaktbereich einer hohen Belastung unterliegen. Die Zuleitung 6 wird durch das Einnähen in die 25 μm dicke Polyimid-Folie fixiert, womit die Gefahr eines Kurzschlusses des gebildeten Kondensators infolge eines Verrutschens der Zuleitung 6 reduziert ist. Die untereinander elektrisch gekoppelten Außenelektroden 4 können sehr einfach, ohne weitere Isolation durch eine Zuleitung 6 elektrisch kontaktiert werden. Durch den Kontakt der Metallfolien der Außenelektroden 4 mit dem elektrisch leitenden Werkstoff 8, der wiederum mit der Presse, gegebenenfalls über ein Werkzeug, verbunden ist, sind alle Bauteile elektrisch miteinander gekoppelt. Da dies den Messwert nicht merklich beeinflusst, kann auf eine aufwendige Isolierung der elektrischen Anbindung der Außenelektroden 4 verzichtet werden. With the inner electrode 1 is a supply line 6 electrically connected to copper, preferably by welding, at least within the sensor and a workpiece to be examined 9 sewn into a polyimide film. Because the supply line 6 through the optionally conductive and with the outer electrodes 4 connected workpiece 9 is performed, it also generates a certain capacity, which can falsify the actual sensor value. To influence the supply line 6 To keep relatively low, on the one hand as thin as possible, z. B. foil-like, supply line 6 selected, so that the capacitive surface of the supply line 6 as small as possible, and the other is the supply line 6 additionally insulated with a 125 μm thick polyimide film, whereby the distance to the outer electrodes 4 increased and the capacity generated is reduced again. A reinforcement of the insulation in the supply line 6 is also advantageous because the wire-shaped lead 6 when pressurized by a press when consolidating the workpiece 9 a linear load on the insulating polyimide films 3 exerts, whereby they are subject to a high load in the contact area. The supply line 6 is fixed by sewing into the 25 micron thick polyimide film, whereby the risk of a short circuit of the capacitor formed due to slippage of the supply line 6 is reduced. The electrically coupled external electrodes 4 can be very simple, without further isolation by a supply line 6 be contacted electrically. By the contact of the metal foils of the outer electrodes 4 with the electrically conductive material 8th which in turn is connected to the press, possibly via a tool, all components are electrically coupled together. Since this does not noticeably affect the measured value, it is possible to provide complex insulation of the electrical connection of the external electrodes 4 be waived.

Die Stahlfolie der Außenelektroden 4 des Sensors erfüllt in dem Aufbau zwei Funktionen, nämlich zum einen dient sie als elektrischer Leiter und zum anderen bewirkt sie eine mechanische Trennung der Innenelektrode 1 und deren elektrischer Zuleitung 6 gegenüber dem Faser-Kunststoff-Verbund-Werkstoff 8 des Werkstücks 9. In Versuchen zeigte sich, dass es nicht möglich war, eine ausreichende elektrische Isolation zwischen der Innenelektrode 1 und dem Werkstoff 8 des Werkstücks 9 durch eine akzeptable Dicke der isolierenden Polyimid-Folien 3 zu erreichen. Erst die mechanische Trennung mithilfe der zusätzlichen Stahlfolie in Kombination mit den Polyimid-Folien 3 erfüllt eine ausreichende elektrische Isolation. Die drei Metall-Folien-Elektroden bilden zwei übereinanderliegenden Kondensatoren und werden jeweils durch eine Lage der Polyimid-Folien 3 gegenseitig isoliert. Die beiden Außenelektroden 4 sind miteinander elektrisch gekoppelt und stehen mit dem zu untersuchenden Werkstoff 8 in Verbindung. The steel foil of the outer electrodes 4 the sensor fulfills two functions in the structure, namely on the one hand serves as an electrical conductor and on the other hand, it causes a mechanical separation of the inner electrode 1 and their electrical supply 6 opposite the fiber-plastic composite material 8th of the workpiece 9 , Experiments showed that it was not possible to have sufficient electrical insulation between the inner electrode 1 and the material 8th of the workpiece 9 by an acceptable thickness of the insulating polyimide films 3 to reach. Only the mechanical separation using the additional steel foil in combination with the polyimide foils 3 satisfies a sufficient electrical insulation. The three metal foil electrodes form two superimposed capacitors and are each covered by a layer of polyimide films 3 isolated from each other. The two external electrodes 4 are electrically coupled with each other and stand with the material to be examined 8th in connection.

Die Druckempfindlichkeit des Sensors wird aufgrund der Polyimid-Folien 3 erzeugt, da bei hohen Temperaturen die elektrisch isolierende Eigenschaft der Polyimid-Folien 3 druck- bzw. kraftabhängig ist und die Steifigkeit abnimmt. Die Auswertung der Sensorsignale kann durch Widerstands- oder Kapazitätsmessung erfolgen, wobei die Kapazitätsmessung aufgrund einer geringeren Signalstärke bevorzugt wird. The pressure sensitivity of the sensor is due to the polyimide films 3 produced because at high temperatures, the electrically insulating property of the polyimide films 3 is dependent on pressure or force and the stiffness decreases. The evaluation of the sensor signals can be done by resistance or capacitance measurement, the capacitance measurement is preferred due to a lower signal strength.

Bei der Versuchsdurchführung mit einer konstanten Temperatur von ca. 380 °C auf einer Vakuum-Heiß-Presse zeigt der Sensor eine deutliche Abhängigkeit des Kapazitätswertes von der Kraftbeaufschlagung. Ab einem Pressdruck von 20 bar auf das Werkstück 9 mit dem eingebetteten Sensor kann ein Widerstand von 30 MΩ zwischen Innenelektrode 1 und Außenelektrode 4 gemessen werden. Der Widerstandswert fällt bei einem Pressdruck von 40 bar auf unter 5 MΩ. When carrying out the test at a constant temperature of approx. 380 ° C on a vacuum hot press, the sensor shows a clear dependence of the capacitance value on the application of force. From a pressure of 20 bar on the workpiece 9 with the embedded sensor can provide a resistance of 30MΩ between inner electrode 1 and outer electrode 4 be measured. The resistance drops below 5 MΩ at a pressure of 40 bar.

Zur Darstellung der Drucksensitivität in dem Diagramm nach 3 wird in der Vakuum-Heiß-Presse bei einer konstanten Temperatur von 360°C der Druck auf den Sensor sukzessiv erhöht und die Korrelation des Messwertes des Sensors in pF und dem anliegenden Druck in bar in das Diagramm überführt. Es wurden je drei Zyklen mit Be- und Entlastungsphase mit Hilfe eines Digital-Multimeters, das mit den Zuleitungen 6, 7 verbunden ist, aufgezeichnet. Deutlich zu erkennen ist, dass die Sensibilität des Sensors im niedrigen Druckbereich bis 10 bar wesentlich höher ist als bei Werten darüber. Ab 10 bar aufwärts erscheint der Verlauf nahezu linear. To illustrate the pressure sensitivity in the diagram after 3 In the vacuum hot press at a constant temperature of 360 ° C, the pressure on the sensor is successively increased and the correlation of the measured value of the sensor in pF and the applied pressure in bar in the diagram. There were three cycles each with loading and unloading phase with the help of a digital multimeter connected to the supply lines 6 . 7 connected, recorded. It can be clearly seen that the sensitivity of the sensor in the low pressure range up to 10 bar is much higher than at values above it. From 10 bar up the course appears almost linear.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Innenelektrode inner electrode
22: Zuleitung supply
33: Polyimid-Folien Polyimide films
44: Außenelektrode outer electrode
55: Sensorfläche sensor surface
66: Zuleitung zu 1 Supply line too 1
77: Zuleitung zu 4 Supply line too 4
88th: Werkstoff material
99: Werkstück workpiece

Claims

Sensor for detecting pressure-dependent measured values in thin-film construction with an outer electrode ( 4 ), an inner electrode ( 1 ) and one between the outer electrode ( 4 ) and the inner electrode ( 1 ) arranged dielectric, characterized in that the dielectric as at least one layer of the inner electrode ( 1 ) is formed on both sides overlapping polyimide layer.

Sensor according to claim 1, characterized in that the polyimide layer consists of a polyimide film ( 3 ) is formed.

Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the outer electrode ( 4 ) and the inner electrode ( 1 ) each formed as a foil and the outer electrode ( 4 ) both surfaces of the inner electrode ( 1 ) assigned.

Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the polyimide film ( 3 ) has a thickness between 2 and 125 microns, preferably between 5 and 40 microns, preferably between 15 and 30 microns and more preferably of 25 microns.

Sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the polyimide film ( 3 ) opposite the inner electrode ( 1 ) protrudes circumferentially.

Sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the inner electrode ( 1 ) and / or the outer electrode ( 4 ) is formed as a metal foil.

Sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the metal foil of the inner electrode ( 1 ) consists of aluminum and / or has a thickness between 1 and 20 microns, preferably between 5 and 10 microns, preferably 7 microns.

Sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the metal foil of the outer electrode ( 4 ) consists of steel and / or has a thickness of between 10 and 200 μm, preferably between 50 and 150 μm, preferably of 100 μm.

Sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the outer electrode ( 4 ) and / or the inner electrode ( 1 ) by means of a supply line ( 6 . 7 ) is electrically connected from an electrically conductive material.

Sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the supply line ( 6 . 7 ) is either jacketed with an electrically insulating layer or sewn into a polyimide film.

Measuring arrangement with a sensor according to one of claims 1 to 10, characterized in that the capacitance or the resistance is measured.