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Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Bestimmung von Dehnungen. Dabei können insbesondere größere Dehnungen auch dynamisch bestimmt werden. Bei geeigneter Anordnung und Befestigung können auch Verformungen von Bauteilen oder Substraten erfasst werden.
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Eine der am weitesten verbreiteten Möglichkeit zur Bestimmung von Dehnungen und Verformungen, die auch zur Bestimmung von Kräften oder Momenten genutzt werden können, sind Dehnungsmessstreifen. Diese werden beispielsweise auf die Oberfläche eines Bauteils geklebt. Bei einer Dehnung oder Verformung des Bauteils können dann sich dadurch ändernde elektrische Größen gemessen und für die Bestimmung der genannten Parameter genutzt werden.
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Üblicherweise bestehen Dehnungsmessstreifen aus Metall oder aus Metallschichten, die auf einem dielektrischen Träger, insbesondere einer Folie befestigt sind. Die Dehnungsmessstreifen haben dabei eine geeignete geometrische Gestalt und sind beispielsweise mäanderförmig ausgebildet.
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Aufgrund der eingesetzten Werkstoffe und Geometrien sind sie jedoch lediglich geeignet, kleine Dehnungen oder Verformungen zu erfassen, da sie ansonsten beschädigt oder zerstört werden können.
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Probleme treten auch beim Einsatz bei erhöhten Temperaturen auf, die ebenfalls zur Beschädigung oder zu Messfehlern führen können.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Bestimmung/Erfassung von Dehnungen anzugeben, die größer als bei herkömmlichen Systemen sind und bei mindestens 5% des Ausgangszustandes liegen, wobei eine ausreichende Messgenauigkeit und möglichst auch eine hohe Lebensdauer erreicht werden sollte.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Sensorelement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Sensorelement ist ein sensitives Element auf einer Oberfläche eines Bauteils oder Substrats befestigt. Allein oder zusätzlich dazu kann es an mindestens zwei in einem Abstand zueinander angeordneten Positionen eingespannt gehalten sein. Das sensitive Element kann dabei an einer Oberfläche eines Bauteils oder Substrats stoffschlüssig fixiert sein. Dies kann über die gesamte Fläche des sensitiven Elements an der der Oberfläche des Bauteils oder Substrats zugewandten Oberfläche des sensitiven Elements, der Fall sein. Es kann aber auch eine Fixierung an mindestens zwei Positionen/Punkten ausreichend sein. Die Fixierung kann mit einer stoffschlüssigen Verbindung allein oder zusätzlich auch eine mechanische form- und/oder kraftschlüssige Befestigung sein. So kann ein sensitives Element beispielsweise an zwei gegenüberliegend angeordneten Rändern eingeklemmt gehalten sein.
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Ein sensitives Element, das so geklemmt gehalten und mit keiner Oberfläche eines Bauteils oder Substrats verbunden ist, kann beispielsweise zur Bestimmung eines sich ändernden Abstandes zwischen zwei Bauteilen oder eines sich verändernden Spaltmaßes genutzt werden.
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Das sensitive Element ist aus einem elastisch verformbaren Polymer gebildet, in dem elektrisch leitende Partikel, mit einem Anteil bei dem die Perkolationsschwelle überschritten ist, eingebettet sind.
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Am sensitiven Element sind in einem Abstand zueinander mindestens zwei für einen Anschluss an eine elektrische Spannungsquelle ausgebildete Kontaktpunkte vorhanden oder ausgebildet, so dass eine auftretende Dehnung am sensitiven Element durch Erfassung einer sich entsprechend verändernden elektrischen Spannung, eines elektrischen Stromes und/oder eines elektrischen Widerstandes bestimmt werden kann. Hierfür kann ein geeignetes Messgerät angeschlossen und mit den Kontaktpunkten verbunden werden.
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Bei der Bestimmung der Dehnung kann ausgenutzt werden, dass sich der elektrische Widerstand infolge Dehnung erhöht. Zumindest in einem Bereich erfolgt dies nahezu linear. Dabei kann die Auswahl des Polymers, die Art und der Anteil an elektrisch leitfähigen oder anderen Partikeln sowie deren Anordnung innerhalb des sensitiven Elements einen Einfluss ausüben. Bei einer Dehnung reduzieren sich die Anzahl der Kontaktstellen zwischen elektrisch leitenden Partikeln und der elektrische Widerstand steigt so an. Geht das sensitive Element wieder in seinen Ausgangszustand zurück und/oder seine Länge in der bis dahin gedehnten Richtung reduziert sich, verringert sich der elektrische Widerstand wieder. Es kann dabei zumindest in einem interessierenden Bereich eine kleine Hysterese auftreten, die bei der Auswertung berücksichtigt und kompensiert werden kann.
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Mit zwei Kontaktpunkten kann die Dehnung in einer Achsrichtung, die durch die Anordnung der Kontaktpunkte bestimmt ist und einer die Kontaktpunkte miteinander verbindenden Gerade folgt, bestimmt werden. Insbesondere bei flächig auf einer Oberfläche eines Bauteils oder Substrats fixiertem sensitiven Element können auch mehr als zwei Kontaktpunkte genutzt werden. Diese können auf der gleichen Achse angeordnet sein, wie dies vorab mit der Geraden erläutert worden ist. In diesem Fall kann eine quasi „ortsaufgelöste” Dehnungsbestimmung jeweils zwischen zwei benachbarten Kontaktpunkten durchgeführt werden.
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Mehr als zwei Kontaktpunkte können aber auch anders angeordnet sein und nicht auf einer gemeinsamen Achse/Geraden liegen. In diesem Fall können durch geeignete elektrische Verschaltung und Auswertung auch Dehnungen in mehr als eine Achsrichtung bestimmt werden. So können beispielsweise drei Kontaktpunkte eine Dreieck-, vier Kontaktpunkte eine Viereckanordnung bilden, so dass Dehnungen in mehreren Achsrichtungen bestimmt werden können.
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Elektrisch leitende Partikel sollten im Polymer mit einem Anteil und/oder einer Ausrichtung enthalten sein, bei dem/der die Perkolationsschwelle bei einer Dehnung des sensitiven Elements in mindestens eine Achsrichtung mit mindestens 10%, bevorzugt 30% nicht unterschritten ist. Dadurch können erheblich größere Dehnungen oder Verformungen bestimmt werden, als dies mit den herkömmlichen Dehnungsmessstreifen möglich ist.
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Die Ausrichtung von Partikeln spielt insbesondere eine Rolle, wenn es sich um Partikel mit einem höheren Aspektverhältnis bezüglich ihrer Länge zu ihrer Breite handelt, wie dies bei Kohlenstoffnanoröhren, -hörnern oder Fasern der Fall ist. Diese sollten möglichst parallel in Bezug zu einer Oberfläche eines sensitiven Elements ausgerichtet im Polymer eingebettet sein. Dadurch kann die elektrische Leitfähigkeit auch bei noch größeren Dehnungen beibehalten werden, als dies beispielsweise mit sphärischen Partikeln, bei gleichen Anteilen an im Polymer eingebetteten Partikeln möglich ist.
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Wie bereits angesprochen können elektrisch leitende Partikel Kohlenstoffnanoröhren (CNT's), Kohlenstoffnanohörner (Carbon Nanohorns – CNH's), Ruß, Graphit, Graphen und/oder ein Metall, insbesondere Partikel oder faserförmige Partikel aus Silber oder Gold sein. Sie sollten nanoskalig dimensioniert sein, so dass ihre maximale Ausdehnung in eine Achsrichtung 100 nm nicht überschreiten sollte. Sphärische Partikel sollten einen Außendurchmesser kleiner 50 nm aufweisen.
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Die eingesetzten Partikel können Einfluss auf die sich verändernde elektrische Leitfähigkeit bei einer Dehnung nehmen. Insbesondere in einer Achsrichtung längere Partikel, wie dies z. B. CNT's sind, können auch bei größeren Dehnungen auch eine noch detektierbare und sich in Abhängigkeit der jeweiligen Dehnung verändernde elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
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Bei einer Dehnung verringert sich die elektrische Leitfähigkeit und der elektrische Widerstand steigt entsprechend an.
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Mindestens eine Oberfläche des sensitiven Elements kann mit einer Schutzschicht überzogen sein, die aus einem elastisch verformbaren Polymer, bevorzugt demselben Polymer, wie das Polymer mit dem das sensitive Element gebildet ist, besteht. Die Schutzschicht sollte elektrisch nicht oder erheblich geringer elektrisch leitend sein, als das sensitive Element. Die Schutzschicht kann so einen Isolator zu einem Bauteil oder Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff bilden. Bevorzugt kann eine Schutzschicht ein sensitives Element aber auch vollumfänglich umschließen, so dass das sensitive Element an seiner gesamten Oberfläche von einer Schutzschicht überdeckt ist.
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Eine Schutzschicht kann aber auch einen Schutz gegenüber Einflüssen aus der Umgebung bieten, so dass chemische Reaktionen, Korrosion oder eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften des sensitiven Elements beispielsweise durch Eindringen von chemischen Elementen oder Verbindungen in das die elektrisch leitenden Partikel enthaltende Polymer ver- zumindest jedoch behindert werden kann. So kann ein Eindringen von Flüssigkeiten oder Gasen vermieden bzw. behindert werden.
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Eine Schutzschicht kann zumindest an Oberflächen, die nicht in berührendem Kontakt mit einem Substrat oder Bauteil stehen, an denen das sensitive Element fixiert ist, von einer weiteren Schicht überdeckt sein. Die weitere Schicht ist elektrisch leitend und kann an Erdpotential angeschlossen werden. So kann eine weitere Schicht einen Schutz vor elektromagnetischen Interferenzen darstellen. Eine weitere Schicht kann ein sensitives von einer Schutzschicht zumindest teilweise, bevorzugt vollständig umschlossenes sensitives Element vollflächig umschließen, um diesen Schutz vor elektromagnetischen bzw. elektrischen äußeren Einflüssen zu ermöglichen. Die Schutzschicht bildet zwischen sensitivem Element und weiterer Schicht einen elektrischen Isolator. Die elektrische Leitfähigkeit einer weiteren Schicht kann mit im Polymer eingebetteten elektrisch leitenden Partikeln, bevorzugt analog zum sensitiven Element erreicht werden. Es können die gleichen Partikel im gleichen Polymer eingesetzt werden.
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In einer Schutzschicht und/oder einer weiteren Schicht können zusätzliche Partikel enthalten sein, die eine absorbierende Wirkung, insbesondere für Gase und/oder Flüssigkeiten aufweisen. Hierfür können beispielsweise Zeolithe genutzt werden. Zeolithe oder andere geeignete Werkstoffe können eindringende Flüssigkeiten und/oder Gase temporär absorbieren, so dass sie die Eigenschaften eines sensitiven Elements und insbesondere dessen elektrische Leitfähigkeit nicht verändern. Bei geeigneten Umweltbedingungen kann auch eine Desorption erfolgen und bis dahin absorbierte Flüssigkeit oder Gas kann wieder an die Umgebung abgegeben werden.
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In einer Schutzschicht können auch andere nanoskalige Partikel aus einer Keramik enthalten sein. Mit ihnen kann die Permittivität des Polymers beeinflusst werden. So kann eine Steigerung der Permittivität und eine Erhöhung des elektrischen Widerstands zur Verbesserung der Isolationswirkung erreicht werden. Als keramische Partikel können solche aus Magnesium-Niobat-Titatanat, Barium-Titanat und ähnliche Keramiken eingesetzt werden.
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Eine Schutzschicht und/oder eine weitere Schicht sollten so ausgewählt sein, dass sie keinen oder einen definierten Einfluss auf das Dehnungsverhalten und der damit verbundenen Änderung des elektrischen Widerstands des sensitiven Elements nehmen. Dabei kann/können die Auswahl des Polymers und ggf. enthaltene funktionelle Partikel Berücksichtigung finden.
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Ein sensitives Element kann ein ebenes flächiges Gebilde sein, das beispielsweise ähnlich wie eine Folie ausgebildet sein kann. Es kann mit einer der beiden größeren Oberflächen auf der Oberfläche eines Bauteils oder Substrats bevorzugt stoffschlüssig fixiert sein. Es kann dabei eine geeignete geometrische Gestalt haben, die der jeweiligen zu bestimmenden Dehnung in ihrer Achsrichtung angepasst sein kann. So kann beispielsweise eine rechteckige Form gewählt werden, wenn Dehnungen in einer Achsrichtung bestimmt werden sollen. Das sensitive Element sollte in diesem Fall in dieser Achsrichtung eine größere Länge aufweisen, als in der senkrecht dazu ausgerichteten Achsrichtung. Quadratische Formen bieten sich an, wenn in zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Achsrichtungen Dehnungen bestimmt werden sollen. Die Kontaktpunkte sollten dann entsprechend der Achsrichtungen auf den jeweiligen Achsen angeordnet sein.
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Vorteilhaft können Kontaktpunkte mittels spezifischem und lokal definiertem Abtrag an polymerem Werkstoff an der Oberfläche des sensitiven Elements ausgebildet werden. Durch zumindest teilweises Freilegen elektrisch leitender Partikel kann der elektrische Widerstand reduziert werden. Dabei kann ausgenutzt werden, dass häufig infolge der Herstellung in Oberflächen nahen Bereichen eines sensitiven Elements der Anteil an elektrisch leitfähigen Partikeln kleiner als im Inneren ist. Für den Werkstoffabtrag kann geeignete Laserstrahlung eingesetzt werden.
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Kontaktpunkte können aber auch allein oder zusätzlich durch lokal definierten Auftrag eines elektrisch leitfähigen Werkstoffs ausgebildet werden. Hierzu kann beispielsweise ein elektrischer Leitkleber mit erhöhtem Anteil an elektrisch leitenden Partikeln an Positionen für Kontaktpunkte aufgetragen werden. An diesen Positionen kann, wie vorab erläutert der Werkstoffabtrag von Polymer im oberflächennahen Bereich des sensitiven Elements erfolgt sein. Bei Einsatz eines elektrischen Leitklebers kann eine elektrisch leitende Verbindung, beispielsweise über elektrisch leitende Kabel zu den Messinstrumenten für elektrische Spannung, elektrischen Strom und/oder des elektrischen Widerstands sowie der elektrischen Spannungsquelle gleichzeitig hergestellt werden, indem elektrische Leiter eingeklebt werden.
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Bei einer geeigneten Auswahl eines Polymers mit dem ein sensitives Element hergestellt werden kann und seiner Dimensionierung sowie seiner geometrischen Gestalt können Dehnungen von mehr als 100% mit ausreichender Genauigkeit detektiert werden.
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Geeignete Polymere können bevorzugt Silikone, Polyurethane oder aber auch weitere Elastomere sein. Einfluss auf das Dehnungsverhalten kann auch durch ein gewähltes Verhältnis zwischen Harz und Härter genommen werden.
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Da ein sensitives Element und die ggf. zusätzlich vorhandene Schutzschicht bzw. eine Schutzschicht mit weiterer Schicht, die mit einem Polymer gebildet sind, treten keine Materialinkompatibilitäten auf. So können hohe Dehnungen und eine lange Lebensdauer erreicht werden, ohne dass es zu Schäden, die eine unerwünschte Änderung des elektrischen Widerstands bewirken bzw. zu einer nicht mehr ausreichenden Messgenauigkeit führen, kommt.
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Bei geeigneter Auswahl des Polymers kann eine gute chemische Beständigkeit und Temperaturstabilität erreicht werden. Auch die Permeation unerwünschter Flüssigkeiten oder Gase kann verhindert bzw. mindestens behindert werden.
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Bei der Herstellung kann wie folgt vorgegangen werden.
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Bei der Herstellung kann auf ein Bauteil/Substrat, einen temporären Träger oder auf eine elastisch verformbare, dielektrische, aus einem Polymer gebildete Folie, die eine dielektrische Schutzschicht bilden kann, ein im fertigen Zustand elastisch verformbares Polymer mit elektrisch leitenden nanoskaligen Partikeln aufgedruckt werden, um ein oder mehrere sensitive Elemente auszubilden. Das Polymer für das/die sensitive(n) Element(e) sollte zumindest noch nicht vollständig ausgehärtet oder nicht vollständig polymerisiert sein. Es kann auch in zumindest teilweise gelöster Form aufgedruckt werden. In dem Polymer sind elektrisch leitende Partikel in dispergierter Form enthalten. Beim Aufdrucken kann zumindest die äußere geometrische Randkontur der sensitiven Elemente ausgebildet werden.
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Das Aufdrucken, des eine für das Drucken geeignete Viskosität aufweisenden elektrisch leitenden Polymers, kann mittels Masken erfolgen, in denen Durchbrechungen, die der geometrischen äußeren Randkontur entsprechen, ausgebildet sind, in dem das elektrisch leitende Polymer in die Durchbrechungen gedruckt wird. Die Masken können beim Maskentransferdruck während des Druckens unmittelbar auf der zu bedruckenden Oberfläche des Bauteils, des temporären Trägers oder der Folie aus dielektrischem Polymer aufliegend angeordnet werden. Ein auf einen temporären Träger aufgedrucktes sensitives Element kann nach erfolgter ausreichender Polymerisation oder Aushärtung vom temporären Träger entfernt und dann so eingesetzt bzw. weiter verarbeitet werden, indem weitere Schichten aufgebracht werden.
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Die Herstellung kann aber auch so erfolgen, dass das Aufdrucken so erfolgt, dass das eine für das Drucken geeignete Viskosität aufweisenden elektrisch leitende Polymer mit mindestens einer Druckwalze, an deren äußerer Oberfläche die geometrische Randkontur von einem oder mehreren sensitiven Elementen berücksichtigende Drucknäpfchen zur temporären Aufnahme des elektrisch leitenden Polymers ausgebildet sind. Auch in diesem Fall kann die elektrische Leitfähigkeit mit den im Polymer enthaltenen elektrisch leitenden Partikeln erreicht werden.
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Nach dem Aufdrucken wird eine vollständige Aushärtung oder Polymerisation durchgeführt. Die so erhaltenen sensitiven Elemente können beispielsweise durch ein Schneidverfahren vereinzelt werden.
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Bei einem gleichzeitigen Aufdrucken von zwei Seiten kann beispielsweise das Aufdrucken von der Oberseite mittels Druckwalze und von der Unterseite mittels Maskentransferdruck erfolgen. Dabei kann an der Unterseite mit der für das Maskendrucken ausgebildeten Vorrichtung, der Gegenhalter für das Aufdrucken von sensitiven Elementen an der Oberseite der Folie mit der Druckwalze sein. Das Aufdrucken kann aber auch an beiden Oberflächen mit gegenüberliegend angeordneten Druckwalzen erfolgen.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit, jeweils eine der beiden vorab beschriebenen Vorgehensweisen sowohl für das Aufdrucken an der Oberseite, wie auch an der Unterseite einzusetzen.
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Beim Drucken mit Masken können diese in Form eines Bandes, bevorzugt eines Endlosbandes, in dem die äußere Randkontur von sensitiven Elementen berücksichtigende Durchbrechungen ausgebildet sind, eingesetzt werden.
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Masken können nach dem Aufdrucken wieder abgezogen und ggf. wieder verwendet werden. Bei als Endlosband ausgebildeten Masken kann dieses im Kreislauf rückgeführt werden. Die eine dielektrische Schutzschicht bildende Folie kann auf einer Rolle aufgewickelt sein, bevor sie bedruckt wird.
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Für eine flexible Fertigung ist es besonders günstig, die Durchbrechungen in die Masken unmittelbar vor dem Aufdrucken auszuschneiden. Dabei können die unterschiedlichsten Randgeometrien und Dimensionierungen von herzustellenden sensitiven Elementen berücksichtigt werden. Es kann sehr schnell auf sich verändernde Anforderungen reagiert werden. Das Schneiden kann bevorzugt mittels eines Laserstrahls durchgeführt werden, der elektronisch, z. B. mittels CAD-Programmen gesteuert, betrieben werden kann.
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Es besteht auch die Möglichkeit, dass Kontaktpunkte sowie ggf. zusätzlich elektrische Leiterbahnen, die elektrisch leitende Verbindungen darstellen können, ebenfalls aufgedruckt werden. Hierfür kann ebenfalls ein elektrisch leitendes Polymer bzw. eine elektrisch leitender Kleberstoff eingesetzt werden, das/der sich vom elektrisch leitenden Polymer, mit dem die sensitiven Elemente hergestellt werden, unterscheiden kann. Es kann beispielsweise eine höhere elektrische Leitfähigkeit besitzen. Dabei können die eingesetzten Masken so ausgebildet sein, dass sie auch die Struktur der Kontaktpunkte und ggf. der elektrischen Leiterbahnen berücksichtigen und entsprechend ausgebildete Durchbrechungen in den Masken vorhanden sind. Elektrische Leiterbahnen können aber auch mit dem gleichen Polymer hergestellt werden, wodurch eine bessere Anpassung der mechanischen und thermischen Eigenschaften erreicht werden kann.
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Für die als dielektrische Schutzschicht fungierende elastische Folie und auch die sensitiven Elemente können als Polymer Polyurethane, Polyacrylate oder Silikone eingesetzt werden. Für die dielektrische Schutzschicht und die sensitiven Elemente kann dasselbe Polymer eingesetzt werden.
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Ein oder mehrere sensitive Element(e) kann/können durch ein Überdrucken mit einem Polymer, das nicht elektrisch leitend ist vollständig von einer Schutzschicht umschlossen werden, um eine elektrische Isolation nach außen zu erreichen.
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Ein mit einer Schutzschicht überdeckter Oberflächenbereich oder ein vollständig mit einer Schutzschicht umschlossenes sensitives Element kann ebenfalls mittels eines Druckverfahrens mit einer weiteren Schicht überdeckt werden, die wiederum elektrisch leitend ist, was mit einem Polymer in dem dispergierter Form elektrisch leitende Partikel enthalten sind, erreicht werden kann. Das Bedrucken kann in der vorab beschriebenen Form erreicht werden.
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In jedem Fall sollte beachtet werden, dass nach der Ausbildung einer Schutzschicht und/oder weiteren Schicht die Kontaktpunkte am jeweiligen sensitiven Element weiter zugänglich sind oder elektrische Anschlüsse nach außen geführt sind.
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Nach oder bei dem Aufdrucken von sensitiven Elementen, Schutzschichten oder weiteren Schichten, kann deren Schichtdicke mit einem Rakel beeinflusst werden.
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Wird mit Druckwalzen aufgedruckt, kann dies mit mehr als einer Druckwalze durchgeführt werden. Es können beispielsweise zwei Druckwalzen eingesetzt werden, die identisch strukturierte Oberflächen aufweisen, so dass ein zweifaches Drucken erfolgen kann, wodurch eine gleichmäßigere Schichtausbildung mit konstanter Schichtdicke erreicht werden kann.
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Das Aushärten oder Polymerisieren kann in einem Durchlaufofen und/oder durch eine Bestrahlung erfolgen. Bei einer Bestrahlung kann entsprechend geeignete Strahlung eingesetzt werden, je nach dem ob eine Entfernung von Lösungsmittel oder eine Vernetzung durchgeführt werden soll. Bei einer Vernetzung kann beispielsweise Strahlung aus dem Wellenlängenspektrum des UV-Lichts eingesetzt werden. Für die Entfernung von Lösungsmittel ist Strahlung aus dem Wellenlängenspektrum der NIR- oder IR-Strahlung geeignet.
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Bei den mit polymeren Werkstoffen gebildeten sensitiven Elementen, bei denen elektrisch leitende Partikel in das Polymer eingebettet sind, kann die Verteilung der elektrisch leitenden Partikel innerhalb von als Schicht ausgebildeten sensitiven Elementen nicht homogen ist. Besonders in den äußeren Randschichtbereichen ist der Anteil an elektrisch leitenden Partikeln (Metall, Graphit und auch Kohlenstoffnanoröhren – CNT's) reduziert, was zur Verringerung der elektrischen Leitfähigkeit in diesen Bereichen führt. Für den elektrischen Anschluss von außen sind daher gesonderte Kontaktpunkte erforderlich, wie dies beispielsweise gesondert herzustellende Kupferkontakte sind. Dabei muss der erhöhte elektrische Widerstand der äußeren Randschicht der elastisch verformbaren mit Polymer gebildeten sensitiven Elemente beachtet werden, um höhere elektrische Übergangswiderstände zu vermeiden.
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Diesem Problem kann entgegengetreten werden, in dem in Bereichen der sensitiven Elemente, die für eine elektrische Kontaktierung als Kontaktpunkte vorgesehen sind, ein Werkstoffabtrag in einer äußeren Randschicht erfolgen kann, bei dem überwiegend Polymer abgetragen wird, in das keine oder nur ein geringer Anteil an elektrisch leitenden Partikeln eingebettet sind. Dabei kann dort ein Werkstoffabtrag mit einer Dicke von wenigen Nanometern ausreichen, wobei die maximale Dicke des abgetragenen Werkstoffs bei 20 nm, bevorzugt 10 nm oder maximal 5% der Gesamtschichtdicke eines sensitiven Elements liegen sollte.
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Dieser Werkstoffabtrag kann mit Laserstrahlung erreicht werden, deren Wellenlänge gut vom jeweiligen Polymer absorbiert wird. So kann beispielsweise bei einem Silikon als eingesetztem Polymer Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1062 nm eingesetzt werden. Die jeweilige abgetragene Werkstoffmenge bzw. Schichtdicke kann durch geeignete Steuerung oder Regelung der Laserstrahlung berücksichtigt werden. Dabei sind besonders die Energiedichte im Brennfleck und die Vorschubgeschwindigkeit sowie eine Pulsung geeignete Parameter.
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Durch diesen Werkstoffabtrag kann die elektrische Leitfähigkeit an für eine elektrische Kontaktierung vorgesehenen Kontaktpunkten deutlich erhöht und der spezifische elektrische Widerstand gegenüber unbearbeiteten Oberflächenbereichen, an denen kein solcher Werkstoffabtrag durchgeführt wurde, entsprechend reduziert werden. Es besteht die Möglichkeit den spezifischen elektrischen Widerstand um bis zu 90% zu reduzieren.
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Es kann so eine direkte und unmittelbare elektrische Kontaktierung erreicht und auf zusätzliche elektrische Kontaktelemente verzichtet werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.
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Dabei zeigt:
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1 ein Diagramm mit erfassten elektrischen Widerständen bei unterschiedlichen Dehnungen.
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Das nachfolgend beschriebene Beispiel betrifft einen zweischichtigen Aufbau, bei dem als Polymer ein additionsvernetzendes Silikon eingesetzt worden ist. Beide Schichten sind mit dem identischen Polymer hergestellt. Das sensitive Element wurde so hergestellt, dass einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT's), die vom Fraunhofer Institut für Werkstoff und Strahltechnik hergestellt wurden, in das noch viskose Silikon dispergiert wurden, bis die Perkolationsschwelle überschritten und eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit erreicht worden war. Dabei wurden die spezifischen Widerstände von 1,8 × 1014 Ohmcm für das ungefüllte Basispolymer Silikon auf 1,7 × 102 Ohmcm gesenkt. Es wurden 3 Masse-% der SWCNT's in das Polymer eingebracht, dispergiert und homogenisiert. Eine isolierende Trägerschicht wurde aus dem unmodifizierten Basispolymer, also aus dem puren Silikon hergestellt. Die Schichtdicke der isolierenden Trägerschicht betrug ca. 100 μm und die Schichtdicke des sensitiven Elements ca. 75 μm.
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Die Herstellung des Schichtaufbaus erfolgte über den für dieses Systeme entwickelten Maskentransferdruck, wie er in
DE 10 2012 016 375 A1 beschrieben ist. Die isolierende Trägerschicht wurde vorab hergestellt und lag vor dem Beschichtungsprozess zur Ausbildung des sensitiven Elements als Folienmaterial vor. Die Maskenabmessungen und somit die Abmessungen des sensitiven Elements betrugen 6 cm × 15 cm. Als Kontaktpunkte wurden zwei Kupferfahnen eingebracht, um die CNT-verarmte Schicht nahe der Oberfläche zu umgehen und die leitfähige Schicht des sesnsitiven Elements direkt elektrisch zu kontaktieren. Das sensitive Element wurde mittels der Masken und einem Rakel ausgebildet. Dabei bestimmt die Maske die Geometrie und der justierbare Rakel stellt die Schichthöhe ein. Abschließend erfolgte die Aushärtung in einem Ofen.
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Die sensorische Charakterisierung erfolgte mit einer Zugprüfmaschine, die eine definierte Einstellung der Dehnung ermöglichte. Da das sensitive Element nur einseitig mittels der Trägerschicht elektrisch isoliert war, wurde örtlich eine weitere Isolationsschicht aufgebracht, um einen Nebenschluss über das Maschinengestell zu vermeiden. Die Änderung des elektrischen Widerstands wurde mit einem digitalen Multimeter aufgezeichnet und anschließend den zugehörigen Dehnungen zugeordnet. Die so erfassten Dehnungen und Änderungen des elektrischen Widerstands sind dem in 1 gezeigten Diagramm mit dem Kurvenverlauf A für 25% Dehnung, dem Kurvenverlauf B für 50 Dehnung und dem Kurvenverlauf C für 100% Dehnung zu entnehmen. Es ist deutlich erkennbar, dass Dehnungen mit einem erfindungsgemäßen Sensorelement ausreichend genau und auch für sehr große Dehnungen bestimmt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012016375 A1 [0060]
