DE102017100516A1 - Impedanzbehaftete Elektrode - Google Patents

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Bernhard Jakoby
Siegfried Bauer
Gerda Buchberger
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Johannes Kepler Univ Linz
JOHANNES KEPLER UNIVERSITAT LINZ
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Johannes Kepler Univ Linz
JOHANNES KEPLER UNIVERSITAT LINZ
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    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/87Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals

Landscapes

  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

Es wird eine planare Elektrode für die Verwendung in einem Sensor oder einem Aktor beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die planare Elektrode eine Vielzahl von planaren Subelektroden sowie eine Vielzahl von Impedanzen mit definiertem Impedanzwert auf. Jede Impedanz verbindet dabei jeweils zwei Subelektroden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Sensor- und Aktortechnik, und insbesondere Sensoren und Aktoren mit großflächigen Elektroden für unterschiedliche Anwendungen.
  • HINTERGRUND
  • Der Begriff Makroelektronik beschreibt elektronische Komponenten, die eine im Vergleich zu mikroelektronischen Komponenten große Fläche aufweisen. Großflächige, so genannte makroelektronische Komponenten sind oft flexibel (biegbar und/oder dehnbar) und können je nach konkreter Ausgestaltung beispielsweise empfindlich auf Druck, (punktuelle) Berührung, Licht, Temperatur, etc. sein. Als potentielle Anwendungen können z.B. elektronische Haut (electronic skin) für Roboter, berührungsempfindliche Sensoren (Touchpads), optische Sensoren zur Detektion und Lokalisierung von Licht sowie großflächige Sensoren zur Detektion und Lokalisierung verschiedener Stimuli (z.B. Lichtpunkt, Druck, Temperatur, etc.) in Betracht kommen. Letztere Sensoren sind z.B. für Anwendungen im Bereich der „Ambient Intelligence“ interessant. Flexible makroelektronische Komponenten können beispielsweise in einem sogenannten „Roll-to-roll“-Verfahren hergestellt werden, bei dem die gewünschten Strukturen, z.B. Elektroden, Leiterbahnen, etc. z.B. mit Hilfe von Druckverfahren oder durch Aufdampfen oder Kleben aufgebracht werden. Verschiedene Anwendungen sind z.B. in der der Publikation Gerda Buchberger et al., „Transparent, flexible, thin sensor surfaces for passive light-point localization based on two functional polymers “, in: Sensors and Actuators A Physical, Bd. 239, S. 70-78, 2016, zusammengefasst.
  • Beim Design mancher makroelektronischen Sensoren werden großflächige impedanzbehaftete Elektroden benötigt. Widerstandsbehaftete (oder allgemeiner: impedanzbehaftete) Elektroden können beispielsweise mittels Rotationsbeschichten (Spin Coating) von leitfähigen Polymeren (z.B. Antistatikmatten und Antistatikbeschichtungen), mittels Sprühbeschichten (Spray Coating) oder mittels Siebdruck (Screen Printing) hergestellt werden. Impedanzbehaftete Elektroden werden können auch in Form von leitfähigen Textilien bzw. porösen Elektroden oder Flüssigelektroden aus leitfähigen Partikel in einer Trägerflüssigkeit realisiert werden.
  • Abhängig von den verwendeten Materialien können verschiedene physikalische Effekte zur Detektion von externen Stimuli verwendet werden. Bei Ferroelektret-Sensoren kommen z.B. Polymerschichten (z.B. gepoltes, zelluläres Polypropylen) zum Einsatz, die piezoelektrische und/oder pyroelektrische Eigenschaften aufweisen können. Ein Beispiel für ein ferroelektrisches Polymer mit pyroelektrischen Eigenschaften ist Polyvinylidenfluorid (PVDF). Als Elektrodenmaterial kommen z.B. verschiedene leitfähige Polymere in Betracht (z.B. PEDOT:PSS). Jedoch sind auch metallische oder metallhaltige Materialien zur Herstellung von Elektroden geeignet (beispielsweise leitfähige Tinte, etc.).
  • Je nach Anwendung sind die elektrischen Eigenschaften (Widerstand oder Impedanz) wichtige Parameter beim Sensor-Design. Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann also darin gesehen werden, eine in der Größe (Fläche) skalierbare Elektrodenstruktur zu schaffen, die einerseits einfach herzustellen ist und andererseits klar definierte Impedanzwerte aufweist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die oben genannte Aufgabe wird durch die planare Elektrode gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Es wird eine planare Elektrode für die Verwendung in einem Sensor oder einem Aktor beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die planare Elektrode auf eine Vielzahl von planaren Subelektroden sowie eine Vielzahl von Impedanzen mit definiertem Impedanzwert auf. Jede Impedanz verbindet dabei jeweils zwei Subelektroden.
  • Es wird des Weiteren eine Vorrichtung zur Verwendung als Sensor oder Aktor beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung einen Träger und eine planare Elektrode, die auf dem Träger angeordnet ist. Die planare Elektrode weist eine Vielzahl von planaren Subelektroden und eine Vielzahl von Impedanzen mit definiertem Impedanzwert auf. Jede Impedanz verbindet dabei jeweils zwei Subelektroden.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:
    • 1 ist eine exemplarische schematische Darstellung einer impedanzbehafteten Elektrode, die aus einer Matrix von Subelektroden aufgebaut ist, wobei benachbarte Subelektroden jeweils über definierte Impedanzen verbunden sind.
    • 2 ist eine Draufsicht auf ein Beispiel einer widerstandsbehafteten Elektrode, die aus einer Matrix von Subelektroden aufgebaut ist, wobei benachbarte Subelektroden jeweils über Streifenleiter mit definiertem Widerstand verbunden sind.
    • 3 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines piezoelektrischen Sensors mit einer widerstandsbehafteten Elektrode wie z.B. in 2 gezeigt.
    • 4 zeigt ein Beispiel einer Sensoranordnung umfassend einen makroelektronischen Sensor mit widerstandsbehafteter Elektrode und eine mit dem Sensor verbundene Auswerteschaltung.
    • 5 zeigt das Beispiel aus 5 jedoch mit einem anders gestalteten Stromabgriff für die Sensorströme.
    • 6 zeigt ein Beispiel einer Sensoranordnung mit einer streifenförmigen widerstandsbehafteten Elektrode.
    • 7 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der Sensoranordnung aus 5.
    • 8 zeigt ein Beispiel eines piezoelektrischen Aktors mit einer streifenförmigen widerstandsbehafteten Elektrode.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Im Folgenden werden exemplarische Realisierungen einer impedanzbehafteten Elektrode beschrieben. Derartige Elektroden können in verschiedenen (z.B. makroelektronischen) Komponenten, insbesondere in Sensoren und Aktoren verwendet werden.
  • Gemäß dem in 1 dargestellten Beispiel werden einzelne Elektrodenelemente Ei,j, die auch als Subelektroden bezeichnet werden, über Impedanzen Z1,i,j und Z2,i,j zu einer großflächigen Elektrode 10 verbunden. Dieser Elektrodenaufbau ermöglicht eine gezielte Wahl der Elektrodenparameter, sodass diese gezielt auf die gewünschte Anwendung angepasst werden können. Des Weiteren wird eine qualitativ hochwertige Ausführung der Elektrode 10 ermöglicht, d.h. eine genaue Einstellung der Elektrodenparameter (z.B. der Impedanzen Z1,i,j und Z2,i,j).
  • Die Subelektroden Ei,j sind planar und können eine beliebige Form aufweisen. Die Subelektroden Ei,j sind über Impedanzen Z1,i,j und Z2,i,j miteinander zu einer großflächigen Elektrode 10 verbunden. Im vorliegenden Beispiel (siehe 1) sind die Subelektroden Ei,j in einer Matrixstruktur angeordnet, und jeweils benachbarte Subelektroden sind über eine Impedanz verbunden. Beispielsweise verbindet die Impedanz Z1,i,j die Subelektroden Ei-1,j und Ei,j und die die Impedanz Z2,i,j die Subelektroden Ei,j und Ei,j+1. Die Subelektroden müssen nicht notwendigerweise eine Matrixstruktur bilden. Es sind auch andere Strukturen möglich (z.B. einer sternförmige Struktur oder kreisförmige Strukturen).
  • Die Impedanzen Z1,i,j und Z2,i,j repräsentieren dabei einen beliebigen komplexen Widerstand. Die Impedanzen Z1,i,j und Z2,i,j können dabei aus (ohmschen) Widerständen, Kondensatoren, Spulen - oder allgemeiner Induktivitäten - und Phasenschieberelementen zusammengesetzt sein. Beispielsweise können die Impedanzen Z1,i,j und Z2,i,j mittels dünner Leiterbahnen (z.B. Streifenleiter, strip lines) gebildet werden. Die Leiterbahnen können aus dem gleichen Material wie die Subelektroden Ei,j realisiert werden. In einem einfachen Beispiel repräsentiert eine Streifenleitung zwischen zwei benachbarten Subelektroden einen (ohmschen) Widerstand, d.h. eine reelle Impedanz. Je nach Herstellungsverfahren können die Leiterbahnen in derselben Schicht (layer) realisiert werden wie die Subelektroden Ei,j und/oder in einem Verfahrensschritt mit den Subelektroden Ei,j. Die Subelektroden Ei,j selbst sind niederohmig, d.h. sie haben eine im Verglich zu den Impedanzen Z1,i,j und Z2,i,j vernachlässigbar kleine Impedanz (ohmschen Widerstand). In anderen Worten, im Verglich zu den Impedanzen Z1,i,j und Z2,i,j ist der ohmsche Widerstand der Subelektroden im Wesentlichen null.
  • Durch die Kopplung der Subelektroden Ei,j wird eine großflächige Elektrode 10 gebildet, deren Impedanz ortsabhängig einstellbar ist. Auf diese Weise kann auch eine Elektrode 10 mit anisotroper Impedanz erzeugt werden. Beispielsweise kann das dadurch erreicht werden, dass die Impedanzen Z1,i,j (in 1 horizontal verlaufend) immer größer (oder immer kleiner) sind als die Impedanzen Z2,i,j (in 1 vertikal verlaufend). Eine Elektrode 10 mit ortsabhängiger Impedanz kann beispielsweise bei großflächigen Sensoren zur Lokalisierung eines Stimulus (z.B. Kraft, Temperatur, Licht, etc.) Vorteile haben. Widerstandsbehaftete Elektroden wie die Elektrode 10 aus 10 kann auch in Aktoren verwendet werden, beispielsweise bei piezoelastischen Balken oder Platten zur passiven und/oder aktiven Schwingungsunterdrückung bzw. -dämpfung sowie für Shape-Control.
  • In den 2 und 3 ist ein Beispiel einer aus mehreren Subelektroden Ei,j zusammengesetzten Elektrode 10 (2) sowie deren Verwendung in einem Sensor (3) dargestellt. Im vorliegenden Beispiel ist der Sensor dazu ausgebildet einen mechanischen Stimulus (eine lokal auf den Sensor einwirkende Kraft F) zu lokalisieren. Gemäß 2 sind eine Vielzahl von Subelektroden Ei,j (i=l, 2, ...; j=1, 2, ...) in einer Matrixstruktur angeordnet und jeweils benachbarte Subelektroden sind über Widerstände R1,i,j und R2,i,j mit definiertem Widerstandswert verbunden. Wie bereits erwähnt weisen die Subelektroden Ei,j einen vernachlässigbar kleinen ohmschen Widerstand auf und der (z.B. ortsabhängige) Widerstandsbelag der Elektrode 10 wird durch die Widerstände R1,i,j und R2,i,j bestimmt. Das heißt, der elektrische Widerstand zwischen zwei bestimmten Subelektroden Eij und Ek1 (i=1, 2, ...; j=1, 2, ...; k=1, 2, ...; l=1, 2, ...) wird durch die Widerstände R1,i,j und R2,i,j bestimmt. Mathematisch betrachtet wird durch die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele eine räumliche Diskretisierung des Widerstandsbelags in der Elektrodenebene erreicht. Die Subelektroden Ei,j können auch in ihrer Größe variieren, um in unterschiedlichen Flächenbereichen eine unterschiedliche räumliche Diskretisierung des Widerstandsbelags zu erreichen.
  • Über die Wahl der Widerstände R1,i,j und R2,i,j kann auf vergleichsweise einfache Weise ein - im Mittel - gleichförmiger Widerstandsbelag (in diesem Fall sind alle Widerstände gleich, R1,i,j=R2,i,j für alle i und alle j) erzielt werden. Alternativ kann jedoch auch ein Widerstandsbelag mit definierter Anisotropie hergestellt werden. Das heißt, der Widerstandsbelag weist in diesem Fall mindestens eine Vorzugsrichtung auf, die von der spezifischen Wahl der Widerstände R1,i,j und R2,i,j abhängt. In anderen Worten, der Widerstandsbelag ist in einer Raumrichtung (z.B. entlang der x-Achse) größer als in einer anderen (z.B. in y-Richtung). In einem anderen Anwendungsbeispiel kann durch eine definierte, örtliche Variation der Widerstandswerte der Widerstände R1,i,j=R2,i,j die Sensitivität von großflächigen Sensoren in bestimmten Flächenbereichen erhöht oder reduziert werden. Alternativ können Inhomogenitäten und Anisotropien der verwendeten Materialien ausgeglichen und eine homogene Sensitivität auf einer sehr großen Sensorfläche erzielt werden, falls dies gewünscht oder erforderlich ist. Auch durch die Variation von Größe und Form der Subelektroden kann die Sensitivität von großflächigen Sensoren in bestimmten Flächenbereichen erhöht oder reduziert werden.
  • Durch entsprechende Auswahl des Elektrodenmaterials kann die Elektrode 10 flexibel, dehnbar und/oder transparent ausgeführt werden. Für viele Anwendungen, beispielsweise bei makroelektronischen Sensoren und Aktoren, sind leitfähige Polymere gut geeignet für die Herstellung großflächiger Elektroden. In einigen experimentellen Anwendungen wurden z.B. Elektroden aus PEDOT:PSS (Poly-3,4-ethylendioxythiophen-Polystyrensulfonat, ein transparentes leitfähiges Polymer) gefertigt.
  • 3 zeigt anhand eines illustrativen Beispiels die Anordnung einer großflächigen Elektrode 10 auf einem Träger 20. Die Elektrode 10 ist aus einer Vielzahl von Subelektroden Ei,j aufgebaut, die - wie in 2 gezeigt - eine Matrixstruktur bilden können und über diskrete Impedanzen (z.B. ohmsche Widerstände R1,i,j=R2,i,j) gekoppelt sind. Ganz allgemein umfasst der Träger 20 ein elektroaktives Material (auch als „smartes“ Material bezeichnet) oder besteht aus einem solchen. Beispiele für elektroaktive Materialien sind piezoelektrische, pyroelektrische Materialien. Auch Ferroelektrete (ferroelectrets) oder ein Ferroelektrika (ferroeletrics) sind elektroaktive Materialien. Ganz allgemein wird unter einem elektroaktiven Material ein Material verstanden, das auf einen Stimulus (mechanisch, thermisch oder optisch) mit einer Veränderung seiner elektrischen Eigenschaften reagiert (meist mit einer Veränderung der elektrischen Polarisation). Im vorliegenden Beispiel ist der Träger 20 eine Folie mit piezoelektrischen Materialeigenschaften. Häufig kommen Polymere mit piezoelektrischen und/oder pyroelektrischen Eigenschaften zum Einsatz. In einigen experimentellen Anwendungen wurden z.B. Folien aus PVDF (Polyvinylidenfluorid) als Trägermaterial verwendet, das piezoelektrische (und auch pyroelektrische) Eigenschaften aufweist. Auch (z.B. organische) Photodioden oder Solarzellen können mit resistiven Elektroden beschichtet werden. Der halbleitende, im sichtbaren Licht weitgehend transparente Stoff Indiumzinnoxid (indium tin oxide oder ITO) kann ebenso verwendet werden. Im Bereich der Aktorstechnik für z.B. Shape-Control-Anwendungen oder passive Schwingungsdämpfung können auch Trägerschichten aus dem ferroelektrischen Material Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), das nicht flexibel ist, zur Anwendung kommen. Auf der der Elektrode 10 gegenüberliegenden Seite des Trägers 20 kann vollflächig eine niederohmige Elektrode 30 angeordnet sein, die z.B. auf einem Referenzpotential (z.B. Masse) liegt. Niederohmig bedeutet auch hier wieder, dass der Widerstandsbelag im Vergleich zu den Widerständen R1,i,j und R2,i,j vernachlässigbar klein (praktisch null) ist.
  • Wenn auf den Sensor (z.B. auf den Träger 30) lokal eine mechanische Kraft FA wirkt, wird in der Elektrode 10 - konkret in der Subelektrode E2,2, auf der die Kraft FA wirkt - aufgrund einer lokalen Änderung der elektrischen Polarisation des piezoelektrischen Trägermaterials eine elektrische Ladung influenziert (d.h. mittels Influenz, elektrostatischer Induktion). Diese Ladung kann elektrische Ströme verursachen, die am Rand (z.B. an den Ecken) der Elektrode 10 abgegriffen und beispielsweise mittels eines Ladungsverstärkers gemessen werden können. Aufgrund des Widerstandsbelages der Elektrode 10 wird die Höhe der gemessenen Ströme von der Position der Krafteinwirkung abhängen. Durch eine Variierung der Größe der Subelektroden Ei,j der Elektrode 10 (zusätzlich oder alternativ zu einer Variierung der Widerstände) kann die räumliche Auflösung in der Sensorebene variiert werden.
  • Ein Beispiel, wie Signale an dem Sensor aus 3 abgegriffen und ausgewertet werden können, um einen Stimulus zu detektieren und zu lokalisieren ist in 4 dargestellt. Die Referenzelektrode 30 (siehe 3, in 4 nicht sichtbar) kann dabei auf einem konstanten Potential, z.B. Massepotential, liegen. Je nach Anwendung und Design der Verstärker kann auch eine (z.B. negative) Vorspannung (Bias-Spannung) an die Referenzelektrode 30 angelegt werden. Die Ecken der widerstandsbehafteten Elektrode 10 sind jeweils mit den Eingängen der Verstärker A1, A2, A3 und A4 kontaktiert. Die Verstärker A1, A2, A3 und A4 können beispielsweise als Ladungsverstärker oder als Transimpedanzverstärker (Strom-/Spannungswandler) ausgebildet sein. Auch Lock-in-Verstärker kommen in Betracht. Basierend auf den verstärkten Signalen V1, V2, V3 und V4 (d.h. den Ausgangssignalen der Verstärker A1, A2, A3 und A4) kann die Position eines auf den Sensor einwirkenden Stimulus ermittelt werden. Im vorliegenden Beispiel ist dieser Stimulus eine lokal auf den Sensor einwirkende Kraft FA. Lokal einwirkend bedeutet, dass der Stimulus nur auf eine (oder einige wenige) der Subelektroden Eij einwirkt. Wie bereits erwähnt sind mechanischen Stimuli auch andere physikalische Stimuli detektierbar und lokalisierbar. Weitere Beispiele für lokalisierbare Stimuli sind z.B. eine lokal auf dem Sensor auftretende Temperaturerhöhung (z.B. aufgrund der Körpertemperatur bei Berührung durch einen Menschen) oder ein auf den Sensor auftreffender Laserstrahl (der z.B. eine lokale Temperaturerhöhung zur Folge hat), etc. Welcher Effekt detektierbar ist, hängt auch von den Eigenschaften (z.B. pyroelektrische, piezoelektrische, etc.) der Trägerfolie 20 ab.
  • Die Ströme müssen nicht notwendigerweise an den Eckpunkten der Elektrode 10 abgegriffen werden. Beispielsweise bei streifenförmigen Sensoren können die Ströme auch entlang einer Kante der Elektrode 10 abgegriffen werden. in diesem Fall kann die (ebenfalls streifenförmige) Elektrode 10 mittels Kontaktstreifen entlang zweier gegenüberliegenden Kanten der Elektrode 10 kontaktiert werden. Wenn mehrere Stimuli gleichzeitig detektiert und unterschieden werden sollen, kann auch an mehr als vier Stellen ein Sensorstrom abgegriffen werden. Lock-in-Verstärker können insbesondere dann verwendet werden, wenn die zu detektierenden Stimuli mit einer bestimmten Frequenz moduliert werden (z.B. eine Intensitätsmodulation der Stimuli).
  • Im vorliegenden Beispiel wirkt der mechanische Stimulus FA auf die Subelektrode E2,3. Wie bereits erwähnt hat der Stimulus eine lokale Änderung der elektrischen Polarisation des piezoelektrischen Trägermaterials (PVDF-Folie 20) zur Folge, wodurch in der Subelektrode E2,3 eine elektrische Ladung influenziert (d.h. mittels Influenz, elektrostatischer Induktion erzeugt) wird. Diese Ladung kann elektrische Ströme i1, i2, i3 und i4 verursachen (oder korrespondierende Teilladungen q1, q2, q3 und q4), die den Verstärkern A1, A2, A3 und A4 zugeführt werden. Die Verstärkerausgangssignale V1, V2, V3 und V4 repräsentieren diese Ströme i1, i2, i3 und i4 bzw. Teilladungen q1, q2, q3 und q4. Da nun die Subelektrode E1,4, an der der Strom i2 (bzw. die Ladung q2) abgegriffen wird, der Subelektrode E2,3, auf die der Stimulus FA wirkt, am nächsten ist, wird auch der Strom i2 größer sein als die Ströme i1, i3 und i4. Die Ströme i1 und i4 werden ungefähr gleich sein, da die Subelektrode E2,3, auf die der Stimulus FA wirkt, von den Subelektroden E1,1 und E4,4, an denen die Ströme i1 bzw. i4 abgegriffen werden, ungefähr gleich weit entfernt ist. Der Strom i3 ist am kleinsten. Gleiches gilt für die korrespondierenden Ladungen. Wie erwähnt, kann der Widerstandsbelag bzw. Impedanzbelag der Elektrode 10 variieren, wodurch eine Variation der Empfindlichkeit oder der Kennlinie des Sensors erreicht werden kann. Des Weiteren können Asymmetrie oder Anisotropie des Trägers zumindest teilweise kompensiert werden.
  • Im Hinblick auf die obigen Ausführungen ist einsichtig, dass basierend auf den Strömen i1, i2, i3 und i4 (bzw. den Teilladungen q1, q2, q3 und q4) zumindest näherungsweise die Position des Stimulus FA auf der Elektrode 10 (Sensorfläche) ermittelt werden kann. Zu diesem Zweck können die Ausgangssignale V1, V2, V3 und V4 einer Auswerteschaltung 40 zugeführt sein, die dazu ausgebildet ist, basierend auf den Ausgangssignalen V1, V2, V3 und V4 die Position des Stimulus FA auf der Elektrode 10 zu ermitteln. Dabei können beispielsweise die Verhältnisse der Verstärkerausgangssignale V1, V2, V3 und V4 ausgewertet werden. Die Auswerteschaltung 40 kann z.B. eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (application specific integrated circuit, ASIC) sein. Die Auswerteschaltung 40 kann sowohl analoge als auch digitale Schaltungskomponenten enthalten und teilweise auch diskreten Bauelementen enthalten. Die Auswerteschaltung 40 kann auch einen Prozessor (z.B. einen Mikrocontroller) enthalten, der Softwareinstruktionen ausführt. Die Auswerteschaltung 40 kann auch Analog-Digital-Wandler enthalten. Es versteht sich, dass dem Fachmann eine Vielzahl von Möglichkeiten bekannt, sind die Auswerteschaltung 40 so zu implementieren, dass sie die hier beschriebene Funktion ausführt. Schließlich sei angemerkt, dass die Ströme i1, i2, i3 und i4 nicht unbedingt an den Ecken der Elektrode 10 abgegriffen werden müssen, es kommen auch andere Positionen entlang der Kanten der Elektrode in Betracht. Je nach Anwendung und Geometrie der Elektrode 10 kann es auch ausreichen nur zwei oder nur drei (statt vier) Ströme (oder Ladungen) auszuwerten. Wie erwähnt, können auch mehr als vier Ströme ausgewertet werden, beispielsweise dann wenn mehrere Stimuli gleichzeitig detektiert werden sollen.
  • 5 zeigt das Beispiel aus 4 jedoch mit einem anders ausgestalteten Stromabgriff für die Sensorströme i1, i2, i3 und i4. Anders als in dem Beispiel aus 4 werden diese Ströme nicht an jenen Subelektroden (Subelektroden E1,1, E1,4, E4,1, E4,4) abgegriffen, die in den Ecken der Elektrode 10 liegen, sondern an den vier Kanten der Elektrode 10. Das heißt, die entlang einer Kante der Elektrode 10 liegenden Subelektroden sind über Widerstände (vgl. 1) mit den Abgriffen T1, T2, T3 und T4 verbunden. In diesem Fall können zur zweidimensionalen Lokalisierung des Stimulus zunächst die Ströme i1 und i2 ausgewertet werden (zur Bestimmung der Position des Stimulus in x-Richtung) und danach die Ströme i3 und i4 (zur Bestimmung der Position des Stimulus in y-Richtung).
  • 6 zeigt ein weiteres Beispiel einer Sensoranordnung mit einer widerstandsbehafteten Elektrode 10, die aus mehreren Subelektroden Ei,j aufgebaut ist. Im vorliegenden Beispiel ist die widerstandsbehaftete Elektrode 10 nur aus einer Reihe (Serienschaltung) von Subelektroden Ei,1 aufgebaut (abgebildet sind vier Subelektroden E1,1, E2,1, E3,1 und E4,1). Der Träger 20 kann - wie im vorhergehenden Beispiel - aus piezoelektrischem oder pyroelektrischem Material, einem Ferroelektret oder einem Ferroelektrikum bestehen. Auch eine Fotodiode kommt als Träger in Betracht. Der Träger 20 kann z.B. eine flexible Folie oder auch eine starre Schicht sein und ist zwischen der Widerstandsbehafteten Elektrode 10 und einer niederohmigen Elektrode 30 angeordnet (wie auch im Beispiel aus 3). Je nach Anwendung kann die Sensoranordnung (Elektroden 10, 30, Träger 20) auf einem Substrat 21 angeordnet sein, das der Anordnung mechanische Stabilität gibt. Im vorliegenden Beispiel wirkt an der Stelle x0 (Position entlang der Längsachse der Sensoranordnung) ein Stimulus auf die Sensoranordnung, beispielsweise eine Kraft oder ein Lichtpunkt (z.B. eines Laserstrahls). Da die Elektrode 10 streifenförmig aufgebaut ist und nur aus einer Reihe von Subelektroden Ei,1 besteht, ist nur eine eindimensionale Lokalisierung des Stimulus möglich (entlang der Längsachse der Sensoranordnung.
  • 7 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der Sensoranordnung aus 6. Die Subelektroden E1,1, E2,1, E3,1, und E4,1 bilden zusammen mit der Gegenelektrode 30 Kapazitäten C1,1, C2,1, C3,1, und C4,1; die Subelektroden E1,1, E2,1, E3,1, und E4,1 sind wie in 7 dargestellt über die Widerstände R1,2,1, R1,3,1 und R1,4,1 verbunden. Im elektrischen Ersatzschaltbild wird der Stimulus an der Position x0 als Stromquelle Qs modelliert, die parallel zur Subelektrode E2,1 geschaltet ist und einen Strom iS (oder eine bestimmte Ladungsmenge qS) liefert. An den Enden der streifenförmigen Elektrode 10 können die Sensorströme i1 und i2 abgegriffen werden.
  • 8 zeigt eine Aktoranwendung. Der Aktor ist sehr ähnlich aufgebaut wie der Sensor aus 4. Als Substrat 21 dient ein Biegebalken, auf dem beidseitig (oben) eine Schichtfolge aus Elektrode 10 (widerstandsbehaftet), Träger 20 (z.B. piezoelektrische Polymerfolie) und Gegenelektrode 30 (niederohmig) angeordnet ist. Auf der Unterseite ist eine weitere Schichtfolge aus Elektrode 10' (widerstandsbehaftet), Träger 20' (z.B. piezoelektrische Polymerfolie) und Gegenelektrode 30' (niederohmig) angeordnet. Wenn ein elektrische Spannung an den Elektroden 10 und 30 (bzw. 10' und 30') angelegt wird, wird aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts in den Trägerfolien 20 und 20' auf das Substrat 21 (Biegebalken) eine Kraft ausgeübt, welche das Substrat deformieren oder zum Schwingen anregen kann. Derartigen Aktorkonstruktionen sind zur aktiven Schwingungsdämpfung oder für Shape-Control-Anwendungen geeignet.
  • Impedanzbehaftete Elektroden gemäß der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich einfach und mit besserer Qualität herstellen als bekannte Elektroden. Des Weiteren wird in einfacherweise eine Anisotropie und/oder definierte örtliche Verteilung der verbindenden Impedanzen ermöglicht, was eine gezielte Einstellung der örtlichen Sensitivität von großflächigen (von wenigen Quadratzentimetern bis mehreren Quadratmetern) Sensoren erlaubt. Das Design der Elektrodenelemente/Subelektroden lässt sich an das gewünschte Herstellungsverfahren und die gewünschte räumliche Auflösung der jeweiligen Applikation anpassen. Inhomogenitäten und Anisotropien der verwendeten (Träger-) Materialien, können unter Umständen abgemildert oder ausgeglichen werden. Die Fertigung vieler Subelektroden und deren Verbindung über Impedanzen scheint auf den ersten Blick aufwändiger als die Herstellung einer einzigen großflächigen Elektrode. Jedoch können Matrixstrukturen wie z.B. in 1 und 2 dargestellt mit effizienten Herstellungsverfahren, z.B. einem Roll-to-roll-Verfahren hergestellt werden, wodurch eine Massenfertigung möglich ist.

Claims (16)

  1. Eine planare Elektrode für die Verwendung in einem Sensor oder einem Aktor, die aufweist: eine Vielzahl von planaren Subelektroden (Ei,j), und eine Vielzahl von Impedanzen (Z1,i,j, Z2,i,j) mit definiertem Impedanzwert, wobei jede Impedanz jeweils zwei Subelektroden (Ei,j) verbindet.
  2. Die planare Elektrode gemäß Anspruch 1, wobei die Impedanzen ohmsche Widerstände sind, die als Streifenleiter ausgebildet sind.
  3. Die planare Elektrode gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Subelektroden (Ei,j) gemäß einer Matrixstruktur angeordnet sind und jeweils zwei benachbarte Subelektroden (Ei,j) über einen Impedanz verbunden sind.
  4. Die planare Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Subelektroden (Ei,j) einen vernachlässigbar kleinen ohmschen Widerstandswert aufweisen und deshalb der Impedanzbelag der planaren Elektrode von den Impedanzen (Z1,i,j, Z2,i,j) bestimmt wird und folglich räumlich diskretisiert ist.
  5. Die planare Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Impedanzwerte der Impedanzen (Z1,i,j, Z2,i,j) variieren um dem Impedanzbelag der planaren Elektrode eine gewünschte Anisotropie oder räumliche Verteilung zu geben.
  6. Die planare Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Form und/oder Gestalt der Subelektroden (Eij) variieren.
  7. Die planare Elektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Impedanzen (Z1,i,j, Z2,i,j) und die Subelektroden (Ei,j) aus dem gleichen Material bestehen und folglich die Impedanzwerte der Impedanzen (Z1,i,j, Z2,i,j) im Wesentlichen durch die Geometrie der Impedanzen (Z1,i,j, Z2,i,j) bestimmt werden.
  8. Eine Vorrichtung zur Verwendung als Sensor oder Aktor, die aufweist: einen Träger (20); eine planare Elektrode (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.
  9. Eine Vorrichtung zur Verwendung als Sensor oder Aktor, die aufweist: einen Träger (20) umfassend ein elektroaktives Material; eine planare Elektrode (10), die auf dem Träger (20) angeordnet ist, wobei die planare Elektrode (10) aufweist: eine Vielzahl von planaren Subelektroden (Ei,j), und eine Vielzahl von Impedanzen (Z1,i,j, Z2,i,j) mit definiertem Impedanzwert, wobei jede Impedanz jeweils zwei Subelektroden (Ei,j) verbindet.
  10. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, die weiter aufweist: eine niederohmige Gegenelektrode (30), die auf der der planaren Elektrode (10) gegenüberliegenden Seite des Trägers (20) angeordnet ist.
  11. Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das elektroaktive Material piezoelektrische und/oder pyroelektrische und/oder ferroelektrische Eigenschaften aufweist.
  12. Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei im Betrieb ein lokal auf den Träger (20) einwirkender Stimulus (FA) eine Änderung der elektrischen Ladung in zumindest jener Subelektrode (Ei,j) zur Folge hat, auf die der Stimulus wirkt, und wobei die Ladung einen Strom zur Folge hat, der von der Lage der Subelektrode (Eij) in der planaren Elektrode (10) abhängt.
  13. Die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Subelektroden (Ei,j) und die Impedanzen (Z1,i,j, Z2,i,j) auf dem Träger (20) in einer Schicht angeordnet sind und aus dem gleichen Material bestehen.
  14. Eine Vorrichtung zur Verwendung als Sensor oder Aktor, die aufweist: einen Träger (20) umfassend eine Polymerschicht; eine planare Elektrode (10), die auf dem Träger (20) angeordnet ist, wobei die planare Elektrode (10) aufweist: eine Vielzahl in einer Reihe nebeneinander angeordneten, planaren Subelektroden (Ei,j), und eine Vielzahl von Impedanzen (Z1,i,j, Z2,i,j) mit definiertem Impedanzwert, wobei jede Impedanz jeweils zwei benachbarte Subelektroden (Ei,j) verbindet, sodass die Subelektroden (Ei,j) und die Impedanzen (Z1,i,j, Z2,i,j) eine Reihenschaltung bilden.
  15. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 14, die weiter aufweist: eine niederohmige Gegenelektrode (30), auf der der planaren Elektrode (10) gegenüberliegenden Seite des Trägers (20) angeordnet ist.
  16. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 10 oder 14, wobei jede der Subelektroden (Ei,j) mit der Gegenelektrode (30) kapazitiv gekoppelt ist.
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