DE102019132028B3

DE102019132028B3 - Piezoresistiver Kraftsensor

Info

Publication number: DE102019132028B3
Application number: DE102019132028.3A
Authority: DE
Inventors: Paul Hofmann; Sarah Kim
Original assignee: Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart; Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Denkendorf DITF
Current assignee: Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart; Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Denkendorf DITF
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-04-15
Anticipated expiration: 2039-11-27
Also published as: US20220412818A1; EP4066090A1; WO2021104899A1; JP2023503489A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoresistiven Kraftsensor (15), der insbesondere als Drucksensor ausgebildet ist und ein Sensorsignal erzeugen kann, das vom Betrag einer Kraft (F) abhängt, die auf den Kraftsensor (15) in einer Kraftmessrichtung (M) einwirkt. Der Kraftsensor (15) hat eine erste Elektrode (20), eine zweite Elektrode (21) und eine elastisch verformbare Widerstandsschicht (17), die die beiden Elektroden (20, 21) elektrisch verbindet. Ein Widerstandswert (R) eines Gesamtwiderstandes (35) eines elektrisch leitfähigen Pfades zwischen der ersten Elektrode (20) über die Widerstandsschicht (17) zur zweiten Elektrode (21), verändert sich abhängig vom Betrag der einwirkenden Kraft (F). Somit kann beispielsweise durch Messen einer Spannung (U) zwischen den Elektroden (20, 21) oder eines Stromes, der entlang des elektrisch leitfähigen Pfades fließt, ein Sensorsignal erfasst werden, das den Betrag der einwirkenden Kraft (F) beschreibt. Die Widerstandsschicht (17) enthält elektrisch leitfähige erste Stapelfasern (25) und elektrisch nicht leitfähige zweite Stapelfasern (26). Ein Anteil (A) der ersten Stapelfasern (25) an der Gesamtmenge der Stapelfasern (25, 26) kann variiert werden, um die Kraft-Widerstand-Charakteristik des Kraftsensors (15) an die jeweilige Aufgabe anzupassen.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoresistiven Kraftsensor aufweisend eine piezoresistive Widerstandsschicht aus Textilmaterial.
US 2007/0054577 A1 beschreibt ein elektrisch leitfähiges Textilmaterial in Form eines Gewebes oder eines Vliesstoffes, das zum Aufbau eines Drucksensors verwendet werden kann. Das Textilmaterial wird vorbehandelt zur Aktivierung und Herstellung der Eignung für das Aufbringen einer leitfähigen Schicht. Anschließend wird Schicht für Schicht eine leitfähige Beschichtung auf das Textilmaterial aufgebracht.
Bei solchen Verfahren ist es schwierig, die Leitfähigkeit bzw. den elektrischen Widerstand des elektrisch leitfähigen Textilmaterials zu steuern. Beim Beschichten mittels einer Lösung verändert sich häufig der Anteil an leitfähigen Partikeln in der Lösung, so dass beim Beschichten von Textilmaterialteilen eine große Streuung auftritt und auch ein hoher Anteil an nicht brauchbaren elektrisch leitfähigen Textilmaterialteilen entstehen kann.
Leitfähige Fasern und deren Verwendung in Textilien sind bekannt. Beispielsweise beschreibt US 2,845,962 antistatische Textilien mit einem relativ hohen Widerstand pro Flächeneinheit, die elektrisch leitfähigen Kohlenstoff enthalten, um die antistatischen Textilmaterialien unabhängig von der relativen Feuchtigkeit in der Umgebung einsetzen zu können.
EP 1 961 845 A2 offenbart einen schmelzgesponnenen Faden, wobei Ruß- oder Graphitteilchen entlang der Längsachse des Fadens ausgerichtete Aggregate bilden, um entlang der Längsachse des Fadens elektrisch leitfähige Pfade zu bilden.
US 5,368,913 A beschreibt ein antistatisches Spinnvlies und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Dabei werden bei der Vliesherstellung nebeneinanderliegend mehrere leitfähige Karbonfilamente oder metallische Filamente in ein nicht elektrisch leitfähiges Vliesmaterial eingelegt.
Ein antistatisches Laminat mit mehreren Lagen ist aus US 4,540,624 A bekannt. In der obersten Lage sind zur Ableitung lange Karbonfasern angeordnet.
US 6,346,491 B1 offenbart einen Nadelfils aus Gewebe, Gestrick oder Vlies. In unterschiedlichen Lagen hat der Nadelfils unterschiedliche Leitfähigkeiten, wobei die Leitfähigkeit durch die Faserdichte, den Faserdurchmesser und die Faserleitfähigkeit verändert werden kann. Mit dem Nadelfils soll die elektromagnetische Interferenz in verschiedenen Anwendungen eliminiert oder reduziert werden können. Textilien für ähnliche Aufgaben sind beispielsweise auch aus US 4,684,762 A , US 4,943,477 A und CN 101748599 B bekannt.
Ein antistatisches Bekleidungsstück ist in US 3,699,590 A beschrieben. Ein gewirktes Garngebilde mit Leiterfäden aus metallischem Material zum Einsatz in RFID-Etiketten ist in WO 2008/098386 A1 beschrieben.
EP 1 716 085 B1 offenbart eine leitfähige Beschichtungszusammensetzung für eine Glasfaser sowie deren Herstellung in einem Tauchbad.
Ferner ist aus einer Vielzahl von Dokumenten bekannt, Verbundgarne herzustellen, bei denen ein textiler Träger mit leitfähigen Fäden kombiniert wird, beispielsweise durch Umwinden, Verzwirnen, Verdrillen oder Verspinnen. Solche Verbundgarne sind zum Beispiel in folgenden Druckschriften beschrieben: US 4,776,160 A , US 4,813,219 A , US 5,927,060 A , EP 1 885 925 B1 , EP 3 484 730 A1 , EP 2 300 649 A1 , US 7,135,227 B2 , DE 20 2006 020 401 U1 , WO 2004/027132 A1 , DE 1 817 235 A , EP 0 250 260 B1 , US 3,851,456 A , KR 100895092 B1 oder EP 2 236 654 B1 .
Um eine besonders hohe Leitfähigkeit zu erhalten, ist in WO 2003/095724 A1 und EP 1 362 940 A1 vorgeschlagen, Garne aus Metallfasern bzw. Edelstahlfasern mit einer Schicht mit hoher Leitfähigkeit zu versehen. US 7,845,153 B2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von leitfähigen Garnen aus Metallfilamenten, z.B. für den Einsatz der Garne in der Informationskommunikation.
Zuleitungen und einfache Schalter können über leitfähige Stickgarne mit hoher elektrischer Leitfähigkeit realisiert werden, wie es z.B. in JP 2011 137277 A oder KR 10 201 903 7721 A beschrieben ist.
Auf dem Gebiet von leitfähigen Textilien betrifft eine weitere Gruppe von Dokumenten Polymerfasern mit leitfähigen Füllstoffen und Verfahren zur Herstellung solcher Polymerfasern. Beispielhaft sind hier folgende Druckschriften zu nennen: US 2005/0170177 A1 , US 4,457,973 A , US 4,216,264 A , DE 2 329 484 B2 , US 5,952,099 A , EP 0 343 496 B1 , US 4,704,311 A , US 5,260,013 A , US 5,277,855 A , US 4,545,835 A , US 4,129,677 A , US 4,997,712 A , US 5,916,506 A , DE 2 251 071 B2 , US 4,045,949 A , US 4,756,969 A , US 5,262,234 A und US 4,267,233 A .
In US 3,206,923 A wird vorgeschlagen, ein Verbundgarn mit Viskose in ein Tauchbad zu führen, wobei das Tauchbad Rußpartikel (Carbonblack) aufweist. Die Viskose saugt die Rußpartikel auf.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftsensor zu schaffen. Der Kraftsensor soll einen Aufbau aufweisen, der sich einfach und kostengünstig mit geringer Streuung der Kraftsensorwirkung herstellen lässt und insbesondere sowohl für geringe Kräfte, als auch für hohe Kräfte konfigurierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Kraftsensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftsensors ist im Patentanspruch 15 angegeben.
Der erfindungsgemäße piezoresistive Kraftsensor weist eine elastisch verformbare Widerstandsschicht auf. Die Widerstandsschicht hat eine erste Außenfläche und eine der ersten Außenfläche entgegengesetzte zweite Außenfläche. die beiden Außenflächen sind in einer Richtung mit Abstand zueinander angeordnet, in der der Kraftsensor eine von außen einwirkende und zwischen den beiden Außenflächen wirkende Kraft, insbesondere Druckkraft, erfassen kann. Die Widerstandsschicht weist ein Gemisch aus verteilt angeordneten elektrisch leitfähigen ersten Stapelfasern und elektrisch nicht leitfähigen zweiten Stapelfasern auf. Vorzugsweise besteht die Widerstandsschicht ausschließlich aus dem Gemisch aus ersten und zweiten Stapelfasern. Weitere Bestandteile können entfallen.
In der Widerstandsschicht liegt zumindest ein Anteil oder eine Anzahl der ersten Stapelfasern an jeweils einer oder mehreren weiteren ersten Stapelfasern an, so dass ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen diesen ersten aneinander anliegenden Stapelfasern hergestellt ist. Dies hat zur Folge dass ein oder mehrere parallel leitende Verbindungen zwischen der ersten Außenfläche und der zweiten Außenfläche gebildet sind oder zumindest bei Einwirken einer äußeren Kraft gebildet werden können. Die Anzahl und/oder die Anordnung und/oder die Leitfähigkeit der durch die aneinander anliegenden ersten Stapelfasern gebildeten leitenden Verbindungen kann abhängig vom Betrag und der Richtung der einwirkenden Kraft variieren.
Vorzugsweise ist das Gemisch aus ersten und zweiten Stapelfasern im Wesentlichen homogen, so dass die Dichte der ersten Stapelfasern und/oder die Dichte der zweiten Stapelfasern in einem betrachteten Volumenanteil des Gemischs im Wesentlichen konstant ist bzw. innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt. Die Abweichung der Dichte der ersten Stapelfasern und/oder der zweiten Stapelfasern zwischen betrachteten Volumenanteilen gleicher Größe innerhalb des gesamten Gemisches weicht vorzugsweise nicht mehr als 5% oder nicht mehr als 10% ab. Liegen die Abweichungen der Dichte innerhalb des angegebenen Toleranzbereichs, wird das Gemisch in der vorliegenden Anmeldung als homogenes Gemisch angesehen. Der betrachtete Volumenanteil kann beispielsweise eine Größe von mindestens 1 mm³ und/oder von maximal 1 cm³ aufweisen. Jeder im Hinblick auf die Homogenität individuell zu betrachtende Volumenanteil der Widerstandsschicht kann auch durch eine Fläche mit einer Größe von mindestens 1 mm² und/oder maximal 1 cm² definiert sein und sich rechtwinkelig zu dieser Fläche vollständig zwischen der ersten Außenfläche und der zweiten Außenfläche durch die Widerstandsschicht erstrecken.
Das Gemisch der ersten und zweiten Stapelfasern kann eine Widerstandsschicht in Form eines Vlieses bilden. Alternativ oder zusätzlich können aus dem Gemisch aus ersten Stapelfasern und zweiten Stapelfasern ein oder mehrere Stapelfasergarne hergestellt und in Form eines Geleges und/oder Gestricks und/oder Gewirkes und/oder Gewebes in der Widerstandsschicht vorhanden sein. Alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere Stapelfaserzwirne aus den beschriebenen Stapelfasergarnen hergestellt und in Form eines Geleges und/oder Gestricks und/oder Gewirkes in der Widerstandsschicht vorhanden sein.
Das Stapelfasergarn kann ein Ringgarn, ein Rotorgarn, ein Friktionsgarn oder ein Airjetgarn sein. Die Widerstandsschicht kann auch eine beliebige Kombination der genannten Garne enthalten. Aus einer beliebigen Kombination von den genannten Stapelfasergarnen kann auch ein Zwirn oder ein Umwindegarn gebildet werden, wobei die Widerstandsschicht wenigstens einen Zwirn oder ein Umwindegarn aufweisen kann. Anteile und/oder Bestandteile und/oder Komponenten des Zwirns oder Umwindegarns können elektrisch nichtleitend sein. Beispielsweise kann ein Zwirn ein oder mehrere elektrisch nichtleitende Garne aufweisen.
Der piezoresistive Kraftsensor weist außerdem eine elektrisch leitfähige erste Elektrode und eine elektrisch leitfähige zweite Elektrode auf. Jede Elektrode ist entweder an der ersten Außenfläche oder an der zweiten Außenfläche mittelbar oder unmittelbar angeordnet. Dadurch entsteht ein elektrisch leitfähiger Pfad von der ersten Elektrode über die Widerstandsschicht zur zweiten Elektrode bzw. umgekehrt. Der Widerstandswert des ohmschen Widerstandes dieses Pfades ist abhängig von einer äußeren Kraft, die auf den piezoresistiven Kraftsensor einwirkt. Die Kraft kann beispielsweise eine Druckkraft oder eine Zugkraft sein, mit der die Widerstandsschicht elastisch verformt wird, so dass sich der Abstand zwischen der ersten Außenfläche und der zweiten Außenfläche ändert.. Die äußere Kraft kann eine Kraftkomponente (z.B. Vektorkomponente eines räumlichen Vektors) aufweisen, die die beiden Außenflächen voneinander weg oder aufeinander zu drängt.. Die erfasste Kraft ist beispielsweise die wenigstens eine Kraftkomponente, die rechtwinklig oder parallel zu einer Ebene auf den piezoresistiven Kraftsensor einwirkt, wobei die Ebene im Wesentlichen parallel zu den beiden Außenflächen ausgerichtet ist.
Wenn in der vorliegenden Anmeldung von einem Widerstand die Rede ist, ist immer der ohmsche Widerstand gemeint, solange nichts anderes angegeben ist.
Durch den Aufbau des Kraftsensors mit der elastisch verformbaren Widerstandsschicht aus elektrisch leitfähigen ersten Stapelfasern und elektrisch nicht leitfähigen zweiten Stapelfasern lässt sich der gewünschte Widerstandswert des elektrischen Pfades einfach und kostengünstig einstellen. Durch Verändern des Anteils der elektrisch leitfähigen ersten Stapelfasern gegenüber dem gesamten Anteil an ersten und zweiten Stapelfasern kann eine Anpassung des Widerstandswertes an den Kraftbereich erfolgen, der gemessen werden soll. Je geringer die Beträge der einwirkenden äußeren Kräfte sind, desto höher ist der Anteil an ersten Stapelfasern relativ zu der Gesamtmenge aus ersten und zweiten Stapelfasern.
Die Stapelfasern sind auf dem Markt verfügbar und können einfach und kostengünstig beschafft werden. Die Stapelfasern können zu einem Vlies, Garn, Zwirn oder dergleichen verarbeitet werden, wobei die Widerstandsschicht aus Vlies und/oder wenigstens einem Stapelfasergarn gebildet werden kann. Beispielsweise können ein oder mehrere Stapelfasergarne durch Weben, Stricken, Wirken oder dergleichen miteinander verbunden werden und Bestandteil der Widerstandsschicht sein oder die Widerstandsschicht bilden.
Bevorzugt beträgt der Anteil der ersten Stapelfasern an der Gesamtmenge aus ersten und zweiten Stapelfasern mindestens 5%. Es ist weiter bevorzugt, wenn der Anteil der ersten Stapelfasern an der Gesamtmenge aus ersten und zweiten Stapelfasern größer ist als 10% oder 20%.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben die ersten Stapelfasern und/oder die zweiten Stapelfasern eine Faserlänge von mindestens 20 mm. Alternativ oder zusätzlich können die ersten Stapelfasern und/oder die zweiten Stapelfasern eine Faserlänge vom maximal 100 mm aufweisen.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die mittlere Faserlänge der ersten Stapelfasern und/oder die mittlere Faserlänge der zweiten Stapelfasern mindestens 20 mm und/oder maximal 100 mm betragen.
Die Widerstandsschicht hat zwischen der ersten und der zweiten Außenfläche einen Durchgangswiderstand. Der Durchgangswiderstand innerhalb der Widerstandsschicht ist durch die parallel und/oder in Reihe zueinander geschalteten Übergangswiderstände gebildet, die sich durch die in Kontakt miteinander stehenden ersten Stapelfasern ergeben.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn der Gesamtwiderstand des elektrisch leitfähigen Pfades aus einer Reihenschaltung aus mehreren Widerständen gebildet ist. Die Reihenschaltung weist vorzugsweise einen ersten Übergangswiderstand zwischen der ersten Elektrode und der Widerstandsschicht, einen zweiten Übergangswiderstand zwischen der zweiten Elektrode und der Widerstandsschicht sowie den Durchgangswiderstand des elektrisch leitfähigen Pfades innerhalb der elastisch verformbaren Widerstandsschicht auf bzw. ist aus den genannten Widerständen gebildet. Beim Einwirken einer äußeren Kraft ändert sich zumindest der Durchgangswiderstand des elektrisch leitfähigen Pfades innerhalb der Widerstandsschicht und optional oder vorzugsweise auch der erste Übergangswiderstand und/oder der zweite Übergangswiderstand. Dadurch kann die Sensitivität des Kraftsensors erhöht werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Gesamtwiderstand des elektrisch leitfähigen Pfades maximal 1000 MΩ, wenn keine äußere Kraft auf den Kraftsensor einwirkt. Zusätzlich oder alternativ kann der Wert des Gesamtwiderstandes des elektrisch leitfähigen Pfades bei Einwirken einer Kraft auf den Kraftsensor mindestens 1 kΩ betragen. Es ist vorteilhaft, wenn der maximale Wert des Gesamtwiderstandes ohne Einwirken einer äußeren Kraft auf den Kraftsensor durch den Anteil der ersten Stapelfasern gegenüber dem Gesamtanteil aus ersten und zweiten Stapelfasern zwischen 1 kΩ und 1000 MΩ einstellbar ist.
Es ist vorteilhaft, wenn sich der Wert des Gesamtwiderstandes des elektrisch leitfähigen Pfades abhängig von einem Betrag einer auf den Kraftsensor einwirkenden äußeren Kraft gemäß einem definierten Zusammenhang ändert. Der Zusammenhang ist zumindest auch definiert durch den Anteil der ersten Stapelfasern an der Gesamtmenge aus ersten und zweiten Stapelfasern. Bevorzugt ist dieser Zusammenhang nicht linear, sondern beispielsweise exponentiell.
Der Zusammenhang ist zumindest auch definiert durch den Fasertyp und/oder die Leitfähigkeit der ersten Stapelfasern. Beispielsweise kann durch den Fasertyp und/oder die Leitfähigkeit der ersten Stapelfasern ein Arbeitsbereich des Kraftsensors eingestellt werden, insbesondere ein maximaler Widerstandswert und/oder ein minimaler Widerstandswert und/oder eine Steigung eines nicht linearen Zusammenhangs zwischen dem Widerstandswert des Gesamtwiderstandes und der äußeren Kraft.
Es ist vorteilhaft, wenn sich der Widerstandswert des elektrisch leitfähigen Pfades mit zunehmendem Betrag der äußeren Kraft ausgehend von einem maximalen Widerstandswert verringert. Bevorzugt kann sich der Widerstandswert mit zunehmender Kraft zumindest in einem Bereich bis zur maximal zulässigen äußeren Kraft asymptotisch an einen minimalen Widerstandswert annähern. Vorzugsweise ist der Arbeitsbereich des Kraftsensors der Bereich beginnend mit einem maximalen Widerstandswert des Gesamtwiderstandes bis zu einem Widerstandswert des Gesamtwiderstandes, bei dem der Betrag der Steigung des nicht linearen Zusammenhangs zwischen dem Widerstandswert des Gesamtwiderstandes und der Kraft einen Schwellenwert unterschreitet.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die erste Stapelfaser mehrere Komponenten auf, von denen zumindest eine Komponente elektrisch leitfähig ist. Beispielsweise kann die erste Stapelfaser ein Polymer mit einem elektrisch leitfähigen Füllstoff aufweisen. Die erste Stapelfaser kann zum Beispiel als Bi-Komponentenfaser ausgebildet sein. Die Bi-Komponentenfaser kann bei einem Ausführungsbeispiel einen Kern und eine Außenschicht aufweisen. Die Außenschicht kann den Kern vollständig oder teilweise ummanteln. Die Außenschicht enthält elektrisch leitfähiges Material, insbesondere einen elektrische leitfähigen Füllstoff, vorzugsweise elektrisch leitfähigen Kohlenstoff (z.B. sogenanntes Carbonblack). Der Kern der Bi-Komponentenfaser kann elastisch verformbar sein oder bei den auftretenden Kräften weder plastisch noch elastisch verformbar sein. Der Kern ist vorzugsweise elektrisch nicht leitfähig. Die Bi-Komponentenfaser kann auch andere Konfigurationen aufweisen. Anstelle einer Bi-Komponentenfaser kann die erste Stapelfaser auch einen anderen Aufbau aufweisen, beispielsweise: aus einem einen elektrisch leitfähigen Füllstoff aufweisenden Polymer hergestellt sein, einen Kern mit einer nachträglich aufgebrachten elektrisch leitfähigen Beschichtung aufweisen, usw.
Zur Herstellung eines Kraftsensors, insbesondere eines Kraftsensors gemäß einem oder mehreren der vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele, kann wie folgt vorgegangen werden:
Zunächst werden elektrisch leitfähige erste Stapelfasern und elektrisch nicht leitfähige zweite Stapelfasern bereitgestellt. Die ersten und zweiten Stapelfasern werden anschließend zu einem Gemisch miteinander vermischt, so dass vorzugsweise eine homogene Verteilung von ersten und zweiten Stapelfasern in dem Gemisch vorliegt. Zum Mischen der ersten und zweiten Stapelfasern können Verfahren wie Kardieren oder Krempeln verwendet werden.
Anschließend wird unter Verwendung des Gemischs eine elastisch verformbare Widerstandsschicht erzeugt. Hierzu kann das Gemisch verfilzt werden oder aus dem Gemisch kann ein Stapelfasergarn oder ein Zwirn aus mehreren Stapelfasergarnen erzeugt werden. Die Widerstandsschicht kann ein Vlies und/oder wenigstens ein Stapelfasergarn und/oder wenigstens ein Zwirn aus Stapelfasergarnen aufweisen. Der Stapelfasergarn oder der Zwirn oder das Umwindegarn können durch Weben und/oder Stricken und/oder Wirken oder dergleichen miteinander verbunden werden. Das Vlies kann durch Verfestigen der ersten und zweiten Stapelfasern hergestellt werden, beispielsweise unter Verwendung von Filznadeln und/oder Wasserstrahlen. Das Verfestigen kann zusätzlich oder alternativ durch thermische Einwirkung unter Zugabe von chemischen Mitteln erfolgen.
An der Widerstandsschicht sind eine erste Außenfläche und eine zweite Außenfläche vorhanden. Eine elektrisch leitfähige erste Elektrode und eine elektrisch leitfähige zweite Elektrode werden jeweils an einer der Außenflächen angebracht. Dadurch entsteht ein elektrisch leitfähiger Pfad von der ersten Elektrode über die Widerstandsschicht zur zweiten Elektrode bzw. umgekehrt. Der Widerstandswert dieses elektrisch leitfähigen Pfades hängt bei dem hergestellten Kraftsensor von einer zwischen den Außenflächen ziehend oder drückend wirkenden äußeren Kraft ab.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 und 2 jeweils eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines Kraftsensors mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einer elastisch verformbaren Widerstandsschicht, sowie jeweils ein Ersatzschaltbild des ohmschen Widerstands eines elektrische Pfades,
3-5 jeweils eine schematische Prinzipdarstellung des Aufbaus der Widerstandsschicht aus ersten Stapelfasern und zweiten Stapelfasern sowie ein zugehöriges elektrisches Ersatzschaltbild,
6 eine schematische Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer ersten Stapelfaser in Form einer beispielhaften Bi-Komponentenfaser,
7 eine schematische Prinzipdarstellung des Kraftsensors ohne Krafteinwirkung,
8 der Kraftsensor aus 7 während des Einwirkens einer äußeren Kraft,
9 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen einer elektrischen Leitfähigkeit und dem Anteil an ersten Stapelfasern in der Widerstandsschicht veranschaulicht und
10 ein Diagramm, das einen Zusammenhang zwischen dem Widerstandswert des elektrisch leitfähigen Pfades durch den Kraftsensor in Abhängigkeit von der einwirkenden äußeren Kraft für unterschiedliche Anteile erste Stapelfasern darstellt.

In 1 ist ein Blockschaltbild eines Kraftsensors 15 und dessen Einbindung in einen Schaltkreis 16 dargestellt. Der Kraftsensors 15 weist eine elastisch verformbare Widerstandsschicht 17 auf. Die Widerstandsschicht 17 hat eine erste Außenfläche 18 und eine entgegengesetzte, von der ersten Außenfläche 18 abgewandte zweite Außenfläche 19. Die beiden Außenflächen 18, 19 liegen sich in einer Kraftmessrichtung M mit Abstand gegenüber. Die Messrichtung M ist beispielsgemäß im Wesentlichen rechtwinkelig zu einer Ebene ausgerichtet, die wiederum parallel zu den Außenflächen 18, 19 orientiert ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Kraftsensor 10 auch Kräfte oder Kraftkomponenten erfassen, die parallel zu dieser Ebene ausgerichtet sind. Der Kraftsensor 10 kann ein Drucksensor und/oder Zugsensor und/oder Dehnungssensor sein. Es können prinzipiell alle Kräfte oder Kraftkomponenten gemessen werden, die die Widerstandsschicht 17 elastisch verformen und insbesondere des Abstand zwischen den Außenflächen 18, 19 ändern.
Der Kraftsensor 15 hat außerdem eine erste Elektrode 20 und eine zweite Elektrode 21. Die beiden Elektroden 20, 21 sind mittelbar über die Widerstandsschicht 17 des Kraftsensors mechanisch und elektrisch miteinander verbunden. Eine direkte elektrische Verbindung zwischen den beiden Elektroden 20, 21 existiert nicht. Somit kann ein Strom zwischen den Elektroden 20, 21 nur über die Widerstandsschicht 17 fließen.
Beim Ausführungsbeispiel nach 1 ist die erste Elektrode 20 an der ersten Außenfläche 18 angebracht und die zweite Elektrode 21 ist an der zweiten Außenfläche 19 angebracht. Die Größe der Elektroden 20, 21 in einer Ebene rechtwinklig zur Kraftmessrichtung M kann an die Größe der Außenfläche 18 bzw. 19 der Widerstandsschicht 17 angepasst sein. Die Elektroden 20, 21 können in wenigstens einer Richtung rechtwinklig zur Kraftmessrichtung M auch kleiner sein als die Außenfläche 18 bzw. 19 der Widerstandsschicht 17, an der sie jeweils angebracht sind ( 2) .
Aus dem in 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist außerdem zu erkennen, dass die Elektroden 20, 21 nicht zwingend auf entgegengesetzten Seiten der Widerstandsschicht 17 angeordnet sein müssen. Die Elektroden 20, 21 können vielmehr auch gemeinsam an der ersten Außenfläche 18 oder - wie dargestellt - an der zweiten Außenfläche 19 der Widerstandsschicht 17 angebracht sein.
Die Widerstandsschicht 17 ist elektrisch leitfähig und weist eine Leitfähigkeit auf, die kleiner ist als die Leitfähigkeit der beiden Elektroden 20, 21. Die Elektroden 20, 21 können beispielsweise aus einem Metall aufweisenden Material hergestellt sein. Zum Anbringen können die Elektroden 20, 21 beispielsweise durch eine elektrisch leitfähige Haftverbindung an der Widerstandsschicht 17 angebracht werden.
Unter Bezugnahme auf die 3-5 wird der Aufbau der Widerstandsschicht 17 erläutert. Die Widerstandsschicht 17 enthält ein Gemisch aus elektrisch leitfähigen ersten Stapelfasern 25 und elektrisch nicht leitfähigen zweiten Stapelfasern 26. In den 3-5 sind die elektrisch leitfähigen ersten Stapelfasern 25 schwarz dargestellt, während die elektrisch nicht leitfähigen zweiten Stapelfasern 26 weiß dargestellt sind. Die ersten Stapelfasern 25 und die zweiten Stapelfasern 26 sind im Wesentlichen homogen innerhalb der Widerstandsschicht 17 verteilt angeordnet. Darunter ist beispielsgemäß zu verstehen, dass in jedem betrachteten Volumenanteil mit einer gewissen Mindestgröße, der sich zum Beispiel in Kraftmessrichtung M von der ersten Außenfläche 18 bis zu der zweiten Außenfläche 19 erstreckt und der rechtwinkelig zur Kraftmessrichtung M eine Querschnittsfläche hat, die kleiner ist als die erste Außenfläche 18 und kleiner als die zweite Außenfläche 19, das Verhältnis der Anzahl der ersten Stapelfasern 25 gegenüber der Anzahl der zweiten Stapelfasern 26 im Wesentlichen gleich groß ist. Die Abweichung in der Anzahl der ersten Stapelfasern 25 und/oder der zweiten Stapelfasern 26 bzw. des Verhältnisses zwischen zwei betrachteten Volumenanteilen beträgt vorzugsweise maximal 5% oder maximal 10%. Die Volumenanteile haben in der Kraftmessrichtung M eine konstante Querschnittsfläche. Die Querschnittsfläche kann insbesondere mindestens um den Faktor 5 oder 7 oder 10 kleiner sein als die erste Außenfläche 18 und die zweite Außenfläche 19.
In der Widerstandsschicht 17 liegt immer eine Anzahl der ersten Stapelfasern 25 an jeweils einer oder mehreren weiteren ersten Stapelfasern 25 an, so dass ein elektrisch leitfähiger Kontakt zwischen diesen ersten aneinander anliegenden ersten Stapelfasern 25 hergestellt ist. Die Anordnung bzw. Dichte der ersten Stapelfasern 25 ist derart, dass ein oder mehrere parallel leitende Verbindungen zwischen der ersten Außenfläche 18 und der zweiten Außenfläche 19 gebildet sind oder zumindest bei Einwirken einer äußeren Kraft gebildet werden können. Somit besteht über die ersten Stapelfasern 25 eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den beiden Außenflächen 18, 19, die einen variablen Durchgangswiderstand 37 aufweist. Der Durchgangswiderstand 37 der Widerstandsschicht 17 ist im Ersatzschaltbild (3 bis 5) durch parallel und/oder in Reihe zueinander geschaltete einzelne Übergangswiderstände gebildet, die sich durch die in Kontakt miteinander stehenden ersten Stapelfasern 25 ergeben. Die 3 bis 5 sind lediglich schematisch, um das Prinzip unterschiedlicher Anteile der ersten Stapelfasern 25 zu erläutern und stellen die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den beiden Außenflächen 18, 19 nicht explizit dar.
Zur Mischung der ersten Stapelfasern 25 und der zweiten Stapelfasern 26, um eine homogene Verteilung innerhalb der Widerstandsschicht 17 zu erreichen, können die Stapelfasern 25, 26 beispielsweise durch Kardieren oder Krempeln verteilt und ausgerichtet werden. Die Haupterstreckungsrichtung der Stapelfasern 25, 26 ist beispielsgemäß rechtwinklig zur Kraftmessrichtung M und bevorzugt nicht parallel dazu. Das bedeutet, dass bei mehr als 50% oder mehr als 75% oder mehr als 90% der ersten und zweiten Stapelfasern eine Erstreckungskomponente parallel zur Kraftmessrichtung M kleiner ist als rechtwinkelig zur Kraftmessrichtung M.
Die Widerstandsschicht 17 ist in den Zeichnungen sehr schematisch veranschaulicht. Sie kann als Vlies und/oder Gewebe und/oder Gestrick und/oder Gewirk oder dergleichen ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Widerstandsschicht 17 einen oder mehrere Stapelfasergarne und/oder Stapelfaserzwirne aufweisen, die miteinander durch Weben, Stricken oder Wirken verbunden sind oder ein Gelege bilden. Ein Stapelfasergarn kann als Ringgarn, Rotorgarn, Friktionsgarn, Umwindegarn oder Airjetgarn ausgeführt sein.
Die zweiten Stapelfasern 26 bestehen beim Ausführungsbeispiel aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem Polymer.
Die ersten Stapelfasern 25 weisen elektrisch leitfähiges Material auf, insbesondere elektrisch leitfähigen Kohlenstoff, wie z.B. sogenanntes „Carbonblack“. Die ersten Stapelfasern 25 können zusätzlich eine oder mehrere nicht elektrisch leitfähige Komponenten aufweisen uns beispielsweise als Bi-Komponentenfasern 27 ausgebildet sein (6). Die Bi-Komponentenfaser 27 hat beispielsgemäß einen Kern 28, auf den vollständig oder teilweise eine Außenschicht 29 aufgebracht ist. Der Kern 28 ist elektrisch nicht leitend und kann aus einem elastisch verformbaren oder bei den hier auftretenden Kräften F elastisch nicht verformbaren Material bestehen, beispielsweise aus Kunststoff, wie etwa einem Polymer. Die Außenschicht 29 enthält elektrisch leitfähige Bestandteile, beispielsweise elektrisch leitfähigen Kohlenstoff. Es sind auch andere Konfigurationen der ersten Stapelfasern 25 möglich, bei denen diese mehrere Komponenten aufweisen, von denen zumindest eine Komponente elektrisch leitfähig ist. Beispielsweise kann die erste Stapelfaser ein Polymer mit einem elektrisch leitfähigen Füllstoff aufweisen oder daraus bestehen.
Die ersten Stapelfasern 25 und die zweiten Stapelfasern 26 haben beim Ausführungsbeispiel eine Faserlänge im Bereich von 20-100 mm.
In 7 ist der Kraftsensor 15 in seiner nicht durch eine äußere Kraft F beaufschlagten Ausgangsstellung bzw. Ruhestellung veranschaulicht. Aufgrund der elektrisch leitfähigen ersten Stapelfasern 25 in der Widerstandsschicht 17, die in Kontakt miteinander stehen, ist ein elektrisch leitfähiger Pfad zwischen der ersten Elektrode 20 über die Widerstandsschicht 17 zur zweiten Elektrode 21 bzw. umgekehrt gebildet, so dass ein Strom fließen kann. Wirkt eine Kraft F auf den Kraftsensor 15 ein (8), verändert sich ein Widerstandswert R dieses elektrisch leitfähigen Pfades. Wenn die Kraft F eine Kraft ist, die den Kraftsensor 15 zusammendrückt, so dass verglichen mit dem Ausgangszustand die erste Außenfläche 18 und die zweite Außenfläche 19 aufeinander zu bewegt wurden, verringert sich der Widerstandswert R des elektrisch leitfähigen Pfades. Umgekehrt würde sich der Widerstandswert R des elektrisch leitfähigen Pfades vergrößern, wenn anstelle einer Druckkraft eine Zugkraft zwischen den beiden Außenflächen 18, 19 wirken würde.
Zur Messung einer äußeren Kraft F, beispielsweise einer Druckkraft, kann eine Spannungs- oder Stromquelle 33 über einen Vorwiderstand 34 mit den Elektroden 20, 21 elektrisch verbunden werden, wie es die Schaltkreise 16 in den 1 und 2 veranschaulichen. Dadurch liegt zwischen der ersten Elektrode 20 und der zweiten Elektrode 21 eine Spannung U an, die gemessen werden kann und die sich proportional zum Widerstandswert des Gesamtwiderstands 35 des elektrisch leitfähigen Pfades verändert. Der Gesamtwiderstand 35 des elektrisch leitfähigen Pfades setzt sich beim Ausführungsbeispiel aus einer Reihenschaltung mehrerer Widerstände zusammen: einem ersten Übergangswiderstand 36 zwischen der ersten Elektrode 20 und der Widerstandsschicht 17, dem Durchgangswiderstand 37 innerhalb der Widerstandsschicht 17 entlang des gebildeten elektrisch leitfähigen Pfades sowie einem zweiten Übergangswiderstand 38 zwischen der Widerstandsschicht 17 und der zweiten Elektrode 21. Der Widerstandswert R des Gesamtwiderstands 35 entspricht somit der Summe der einzelnen Widerstandswerte dieser Reihenschaltung. Wie es schematisch durch das Ersatzschaltbild in den 1 und 2 veranschaulicht ist, können sämtliche Widerstände 36, 37, 38 der Reihenschaltung abhängig vom Betrag der einwirkenden Kraft F veränderbar sein. Zumindest verändert sich beim Einwirken der Kraft die Dicke bzw. Höhe der elastisch verformbaren Widerstandsschicht 17 in Kraftmessrichtung M und damit deren Durchgangswiderstand 37.
Der Widerstandswert R des Gesamtwiderstandes 35 des elektrisch leitfähigen Pfades beträgt im Ausgangszustand des Kraftsensors 15, wenn keine äußere Kraft F einwirkt (7), beispielsweise maximal 1000 MΩ. Wenn eine maximale äußere Kraft F auf den Kraftsensor 15 einwirkt (8), für die der Kraftsensor 15 ausgelegt bzw. zugelassen ist, beträgt der Widerstandswert R des Gesamtwiderstands 35 des elektrisch leitfähigen Pfades bevorzugt mindestens 1 kΩ.
In den 3-5 und 9 ist schematisch zu erkennen, dass ein Anteil A an ersten Stapelfasern 25 von der Gesamtmenge aus ersten Stapelfasern 25 und zweiten Stapelfasern 26 variieren kann. Je größer dieser Anteil A der ersten Stapelfasern 25 an der Gesamtmenge der Stapelfasern 25, 26 ist, desto größer ist die Leitfähigkeit 6 der Widerstandsschicht 17 in Kraftmessrichtung M, also vorzugsweise rechtwinklig zu den Außenflächen 18, 19. Durch Variieren dieses Anteils A an ersten Stapelfasern 25 kann eine gewünschte Leitfähigkeit 6 der Widerstandsschicht 17 erreicht werden. Dadurch kann der Kraftsensor 15 an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden, beispielsweise um eine ausreichende Sensitivität abhängig davon einzustellen, in welchem Bereich der Betrag einer zu messenden äußeren Kraft F liegen kann. Ist der Bereich des Betrages der einwirkenden Kraft F sehr klein, kann es sinnvoll sein, die Leitfähigkeit 6 der Widerstandsschicht 17 im Ausgangszustand des Sensors durch Erhöhen des Anteils A an ersten Stapelfasern 25 zu vergrößern, was die Sensitivität für Änderungen bei kleinen Kräften F verbessert. Sollen Kräfte F mit größeren Beträgen gemessen werden, kann der Anteil A an ersten Stapelfasern 25 kleiner gewählt werden.
In den 3-5 sind schematisch Widerstandsschichten 17 mit unterschiedlichen Anteilen A an ersten Stapelfasern 25 veranschaulicht. Der Anteil A ist in 3 am größten und in 5 am geringsten. Je größer der Anteil A an ersten Stapelfasern 25 ist, desto mehr parallel geschaltete Einzelwiderstände existieren im Ersatzschaltbild, die den Durchgangswiderstand 37 innerhalb der Widerstandsschicht 17 entlang des elektrisch leitfähigen Pfades bilden. Das heißt, der Durchgangswiderstand 37 innerhalb der Widerstandsschicht 17 ist im Ausgangszustand des Kraftsensors 15 ohne das Einwirken einer äußeren Kraft F umso kleiner, je größer der Anteil A an ersten Stapelfasern 25 ist. Dieser Zusammenhang ist schematisch durch lediglich beispielhafte, illustrierende Ersatzschaltbilder des Durchgangswiderstands 37 innerhalb der Widerstandsschicht 17 veranschaulicht.
Ein Zusammenhang zwischen dem Betrag einer einwirkenden Kraft F, beispielsgemäß einer Druckkraft, und dem Widerstandswert R des Gesamtwiderstands 35 des elektrisch leitfähigen Pfades ist in 10 anhand einer ersten Kurve K1 sowie einer zweiten Kurve K2 veranschaulicht. Der Zusammenhang ist nicht linear. Ist die einwirkende Kraft F gleich Null hat der Kraftsensor 15 in seinem Ausgangszustand einen maximalen Minimalwert R_max, der wiederum vom Anteil A an ersten Stapelfasern 25 abhängt. Die Steigungen der Kurven K1, K2 sind im Bereich kleinerer Kräfte größer als im Bereich größerer Kräfte. Die Kurven K1, K2 können einen exponentiellen Verlauf haben und sich mit zunehmender Druckkraft asymptotisch an einen Minimalwert Rmin des Widerstandswertes R annähern.
Die erste Kurve K1 in 10 zeigt den Zusammenhang zwischen einer einwirkenden Druckkraft (Kraft F) und dem Widerstandswert R bei einem ersten Anteil A1 an ersten Stapelfasern 25 und die Kurve K2 zeigt diesen Zusammenhang bei einem zweiten Anteil A2 an ersten Stapelfasern 25. Der zweite Anteil A2 ist größer als der erste Anteil A1. Ohne das Einwirken einer äußeren Kraft F weist der Widerstandswert R einen Maximalwert Rmax auf, dessen Betrag vom Anteil A der ersten Stapelfasern 25 abhängt. Somit kann durch Variieren des Anteils A an ersten Stapelfasern 25 eine geeignete Kraft-Widerstands-Charakteristik des Kraftsensors 15 angepasst an die Anwendung erreicht werden.
Allgemein kann der Zusammenhang Betrag einer einwirkenden Kraft F und dem Widerstandswert R des Gesamtwiderstands 35 des elektrisch leitfähigen Pfades durch folgende Parameter gezielt beeinflusst oder eingestellt werden:

- der Anteil (A) der ersten Stapelfasern (25) an der Gesamtmenge der ersten und zweiten Stapelfasern (26) und/oder
- der Fasertyp der ersten Stapelfasern (25) und/oder
- die Leitfähigkeit der ersten Stapelfasern (25).

Über einen oder mehrere der genannten Parameter kann beispielsweise der Messbereich für die Kraft F und/oder der minimale Widerstandswert Rmin und/oder der maximale Widerstandswert Rmax und/oder der Differenzbetrag zwischen dem minimalen Widerstandswert Rmin und dem maximalen Widerstandswert Rmax beeinflusst oder eingestellt werden.
Die Erfindung betrifft einen piezoresistiven Kraftsensor 15, der insbesondere als Drucksensor ausgebildet ist und ein Sensorsignal erzeugen kann, das vom Betrag einer Kraft F abhängt, die auf den Kraftsensor 15 in einer Kraftmessrichtung M einwirkt. Der Kraftsensor 15 hat eine erste Elektrode 20, eine zweite Elektrode 21 und eine elastisch verformbare Widerstandsschicht 17, die die beiden Elektroden 20, 21 elektrisch verbindet. Ein Widerstandswert R eines Gesamtwiderstandes 35 eines elektrisch leitfähigen Pfades zwischen der ersten Elektrode 20 über die Widerstandsschicht 17 zur zweiten Elektrode 21, verändert sich abhängig vom Betrag der einwirkenden Kraft F. Somit kann beispielsweise durch Messen einer Spannung U zwischen den Elektroden 20, 21 oder eines Stromes, der entlang des elektrisch leitfähigen Pfades fließt, ein Sensorsignal erfasst werden, das den Betrag der einwirkenden Kraft F beschreibt. Die Widerstandsschicht 17 enthält elektrisch leitfähige erste Stapelfasern 25 und elektrisch nicht leitfähige zweite Stapelfasern 26. Ein Anteil A der ersten Stapelfasern 25 an der Gesamtmenge der Stapelfasern 25, 26 kann variiert werden, um die Kraft-Widerstand-Charakteristik des Kraftsensors 15 an die jeweilige Aufgabe anzupassen.
Bezugszeichenliste

15: Kraftsensor
16: Schaltkreis
17: Widerstandsschicht
18: erste Außenfläche
19: zweite Außenfläche
20: erste Elektrode
21: zweite Elektrode
25: erste Stapelfasern
26: zweite Stapelfasern
27: Bi-Komponentenfaser
28: Kern
29: Außenschicht
33: Spannungs- oder Stromquelle
34: Vorwiderstand
35: Gesamtwiderstand des elektrisch leitfähigen Pfades
36: erster Übergangswiderstand
37: Durchgangswiderstand des elektrisch leitfähigen Pfades innerhalb der Widerstandsschicht
38: zweiter Übergangswiderstand
A: Anteil
F: Kraft
K1: erste Kurve
K2: zweite Kurve
M: Kraftmessrichtung
R: Widerstandswert des Gesamtwiderstandes
Rmax: maximaler Widerstandswert des Gesamtwiderstandes
Rmin: minimaler Widerstandswert des Gesamtwiderstandes
U: Spannung

Claims

Piezoresistiver Kraftsensor (15) aufweisend: - eine elastisch verformbare Widerstandsschicht (17), die eine erste Außenfläche (18) und eine der ersten Außenfläche (18) entgegengesetzte zweite Außenfläche (19) aufweist, und die ein Gemisch aus verteilt angeordneten elektrisch leitfähigen ersten Stapelfasern (25) und elektrisch nicht leitfähigen zweiten Stapelfasern (26) aufweist, - eine elektrisch leitfähige erste Elektrode (20) und eine elektrisch leitfähige zweite Elektrode (21), wobei jede Elektrode (20, 21) entweder an der ersten Außenfläche (18) oder der zweiten Außenfläche (19) angeord- net ist, derart, dass ein elektrisch leitfähiger Pfad von der ersten Elektrode (20) über die Widerstandsschicht (17) zur zweiten Elektrode (21) gebildet ist, wobei der Widerstandswert (R) des Widerstandes des Pfades abhängig ist vom Betrag einer zwischen der ersten Außenfläche (18) und der zweiten Außenfläche (19) wirkenden äußeren Kraft (F).
Piezoresistiver Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Stapelfasern (25) und die zweiten Stapelfasern (26) im Wesentlichen homogen in der Widerstandsschicht (17) verteilt sind.
Piezoresistiver Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil (A) der ersten Stapelfasern (25) an der Gesamtmenge der ersten Stapelfasern (25) und zweiten Stapelfasern (26) mindestens 5% oder mindestens 10% beträgt.
Piezoresistiver Kraftsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil (A) der ersten Stapelfasern (25) an der Gesamtmenge der ersten Stapelfasern (25) und zweiten Stapelfasern (26) größer ist als 20%.
Piezoresistiver Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Stapelfasern (25) und/oder die zweiten Stapelfasern (26) eine Faserlänge von 20-100 mm aufweisen.
Piezoresistiver Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (17) einen von der äußeren Kraft (F) abhängigen Durchgangswiderstand (37) aufweist, der sich durch parallel und/oder in Reihe zueinander geschaltete einzelne Übergangswiderstände ergibt, die sich an jeder Kontaktstelle zwischen zwei in Kontakt miteinander stehenden ersten Stapelfasern (25) ergeben.
Piezoresistiver Kraftsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtwiderstand (35) des elektrisch leitfähigen Pfades aus einer Reihenschaltung aus einem ersten Übergangswiderstand (36) zwischen der ersten Elektrode (20) und der Widerstandsschicht (17), dem Durchgangswiderstand (37) des elektrisch leitfähigen Pfades innerhalb der Widerstandsschicht (17) und einem zweiten Übergangswiderstand (38) zwischen der Widerstandsschicht (17) und der zweiten Elektrode (21) gebildet ist.
Piezoresistiver Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert (R) des Gesamtwiderstands (35) des elektrisch leitfähigen Pfades maximal 1000 MΩ beträgt, wenn keine äußere Kraft (F) auf den Kraftsensor (15) einwirkt.
Piezoresistiver Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert (R) des Gesamtwiderstands (35) des elektrisch leitfähigen Pfades mindestens 1 kΩ beträgt, wenn eine äußere Kraft (F) auf den Kraftsensor (15) einwirkt.
Piezoresistiver Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Anteil (A) der ersten Stapelfasern (25) an der Gesamtmenge der ersten und zweiten Stapelfasern (26) und/oder des Fasertyps der ersten Stapelfasern (25) und/oder der Leitfähigkeit der ersten Stapelfasern (25) ein Zusammenhang (K1, K2) definiert ist, der eine Änderung des Widerstandswertes (R) des Gesamtwiderstands (35) des elektrisch leitfähigen Pfades abhängig von einem Betrag einer auf den Kraftsensor (15) einwirkenden äußeren Kraft (F) beschreibt.
Piezoresistiver Kraftsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang (K1, K2) nicht linear ist.
Piezoresistiver Kraftsensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Widerstandswert (R) mit zunehmendem Betrag der Kraft (F) ausgehend von einem maximalen Widerstandswert (R_max) verringert und asymptotisch an einen minimalen Widerstandswert (R_min) annähert.
Piezoresistiver Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stapelfaser (25) eine Bi-Komponentenfaser (27) ist.
Piezoresistiver Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (17) wenigstens ein Stapelfasergarn aufweist, das erste Stapelfasern (25) und zweite Stapelfasern (26) aufweist, die insbesondere ein Gelege und/oder Gewebe und/oder Gewirk bilden.
Piezoresistiver Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (17) ein Vlies aufweist, das erste Stapelfasern (25) und die zweiten Stapelfasern (26) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Kraftsensors aufweisend die folgenden Schritte: - Bereitstellen von elektrisch leitfähigen ersten Stapelfasern (25) und elektrisch nicht leitfähigen zweiten Stapelfasern (26), - Mischen der ersten Stapelfasern (25) und der zweiten Stapelfasern (26) zu einem Gemisch, in dem die ersten Stapelfasern (25) und der zweiten Stapelfasern (26) verteilt angeordnet sind, - Bilden einer elastisch verformbaren Widerstandsschicht (17), die eine erste Außenfläche (18) und eine der ersten Außenfläche (18) entgegengesetzte zweite Außenfläche (19) aufweist, aus dem Gemisch, - Anbringen einer elektrisch leitfähigen ersten Elektrode (20) an der ersten Außenfläche (18) oder an der zweiten Außenfläche (19) und Anbringen einer elektrisch leitfähigen zweiten Elektrode (21) an der ersten Außenfläche (18) oder an der zweiten Außenfläche (19), derart, dass ein elektrisch leitfähiger Pfad von der ersten Elektrode (20) über die Widerstandsschicht (17) zur zweiten Elektrode (21) gebildet ist, wobei der Widerstandswert (R) des elektrischen Gesamtwiderstandes (35) des elektrisch leitfähigen Pfades abhängig ist von einer zwischen der ersten Außenfläche (18) und der zweiten Außenfläche (19) wirkenden äußeren Kraft (F).