DE102019132356A1

DE102019132356A1 - Zweikanaliger Detektor

Info

Publication number: DE102019132356A1
Application number: DE102019132356.8A
Authority: DE
Inventors: Sandro Kappert; Stefan Sax
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2021-06-02
Also published as: CN114375385A; US20220291017A1; WO2021104967A1; JP2023500772A

Abstract

Es wird ein zweikanaliger Detektor beschrieben, wobei der erste Kanal einen ersten Sensor umfasst und der zweite Kanal einen zweiten Sensor umfasst, die auf einem Substrat aufgetragen sind. Der erste und der zweite Sensor messen dieselbe physikalische Größe, geben aber unterschiedliche Messsignale aus. Die Sensoren sind über Kontaktstellen mit Auswerteeinheiten verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft einen zweikanaligen Detektor, der erste Sensoren und zweite Sensoren auf einem Substrat umfasst.
Die immer engere räumliche und zeitliche Interaktion zwischen Mensch und Maschine führt dazu, dass herkömmliche Technologien in der Sensorik nur noch bedingt verwendet werden können bzw. für den kollaborierenden Betrieb gänzlich neu aufgesetzt werden müssen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Erkennung und der Vermeidung von Kollisionen jeglicher Art bzw. des sicheren Stopps der Maschine im Falle einer Kollision. Hierzu werden geeignete Detektoren und Sensorsysteme benötigt. Darüber hinaus müssen solche Detektoren und Sensorsysteme grundsätzlich in der Lage sein, auftretende interne Funktionsfehler zu erkennen. Solche Fehler können beispielsweise auf Grund fehlerhafter Detektion des Sensors oder fehlerhafter Signalverarbeitung durch die Elektronik auftreten.
Die jeweiligen Sensorsysteme haben hierbei entsprechend der zum Einsatz kommenden Technologie unterschiedliche Überwachungsbereiche. So kommen optische und akustische Systeme eher bei der Detektion von größeren Abständen und auf Kontaktschutzleisten basierte Systeme für die Erkennung im unmittelbaren Nahbereich zum Einsatz.
Klassische Kontaktdetektionssysteme eignen sich jedoch nur bedingt für die Berührungsdetektion von Maschinen im kollaborierenden Betrieb. Entsprechend der Gefahrenanalyse des jeweiligen Prozesses müssen die potentiell gefährlichen Teile einer Maschine mit einer jeweils geeigneten Sensorik ausgestattet werden.
Aus US 2010/0181871 A1 ist ein hierfür anwendbarer drucksensitiver Detektor bekannt, der mittels einer piezoaktiven drucksensitiven Schicht eine mechanische Deformation detektieren kann und nach der Detektion zurück in die Ursprungslage geht.
WO 2009/011605 A2 beschreibt weiterhin einen flächigen, einlagigen Drucksensor mit einer ferroelektrischen Funktionsschicht aus dem Kunststoff Polyvinylidenfluorid (PVDF) .
In der Publikation „PyzoFlex: Printed Piezoelectric Pressure Sensing Foil“, Christian Rendl et al., 2012, UIST'12 - Proceedings of the 25th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology wird ein Sensor offenbart, der auf Grund der Eigenschaften des Materials seiner Funktionsschicht sowohl auf Druck wie auch auf Wärme reagiert. Eine mit dem Sensor verbundene Auswerteeinheit wertet dessen Signal aus und unterscheidet zwischen Druck und Wärme.
Aus WO 2014/037016 A1 ist ein gedruckter Berührungssensor bekannt. Hierbei werden zur Verbesserung der örtlichen Auflösung zwei unabhängige Sensorschichten auf der gleichen Seite oder auf den beiden gegenüberliegenden Seiten eines Substrats so angeordnet, dass die einzelnen in den Schichten enthaltenen Sensorpunkte deckungsgleich sind.
Aus DE 26 19 339 A1 sind Anordnungen mit zwei vertikal übereinander angeordneten Sensorschichten bekannt, wobei die zwei Sensorschichten verschiedene Polarität aufweisen können, ohne dass die Funktionalität des Sensorsystems hierdurch verbessert oder verschlechtert wird.
Es ist auch bekannt, dass mit Hilfe einer Sensormatrix eine Ortsauflösung einer zu detektierenden physikalischen Größe erreicht werden kann.
Ein Problem bekannter Sensoranordnungen besteht darin, dass Fehlfunktionen der Sensorik oder der verarbeitenden Elektronik nicht ohne weitere Hilfsmittel festgestellt werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher das Bereitstellen eines Detektors, der die Erkennung von Mess- und Signalverarbeitungsfehlern implizit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen in Anspruch 1 beschriebenen zweikanaligen Detektor gelöst. Weitere Ausgestaltungen des Detektors sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Es wird ein zweikanaliger Detektor bereitgestellt, der ein Substrat umfasst, auf welchem erste und zweite Sensoren aufgebracht sind. Ein erster Kanal umfasst einen ersten Sensor, der ein erstes Messsignal erzeugt. Ein zweiter Kanal umfasst einen zweiten Sensor, der lateral benachbart zu dem ersten Sensor auf dem Substrat aufgebracht ist und ein zweites Messsignal erzeugt. Das zweite Messsignal stellt ein Maß für dieselbe physikalische Größe wie das erste Messsignal dar, unterscheidet sich aber von diesem. Weiterhin beinhaltet sowohl der erste wie auch der zweite Kanal Auswerteeinheiten, die über Kontaktstellen mit den jeweiligen Sensoren verbunden sind. Durch das Erfassen derselben physikalischen Größe durch die ersten und zweiten Sensoren kann eine fehlerhafte Funktion des Detektors erkannt werden. Nämlich dann, wenn sich unterschiedliche Werte für dieselbe Messgröße ergeben. Wird die Messgröße nur von einem der Kanäle ausgegeben, liegt im jeweils anderen ein schwerer Fehler vor.
Der Unterschied zwischen dem Messsignal des ersten und zweiten Kanals kann in einer unterschiedlichen Polarität der beiden Signale bestehen. Diese kann beispielsweise durch unterschiedliches Polarisieren der ersten und zweiten Sensoren bewirkt werden. Das elektrische Polarisieren des Sensors hat den Vorteil, dass anhand der Polarität des Messsignals eine richtungsabhängige Detektion möglich ist. Die unterschiedliche Polarität der ersten und zweiten Sensoren dient darüber hinaus zur weiteren Kontrolle einer Fehlfunktion des Detektors. Liegt kein Fehler vor, geben der erste Kanal und der zweite Kanal dasselbe Messsignal mit genau entgegengesetzter Polarität aus. Liegen die beiden Messsignale nicht mit genau entgegengesetzter Polarität vor, liegt im Bereich der Auswerteeinheiten oder der nachgeschalteten Elektronik ein Fehler vor. Liegen die Messsignale des ersten und zweiten Kanals mit derselben Polarität vor, liegt im Bereich der Auswerteeinheiten oder der nachgeschalteten Elektronik ein schwerer Fehler vor.
Des Weiteren kann der zweikanalige Detektor so ausgeführt sein, dass alle Sensoren die physikalische Größe gleichzeitig erfassen. So können die Messsignale der ersten und zweiten Sensoren sofort miteinander verglichen werden und zeitliche Verzögerungen vermieden werden.
In einer weiteren Form kann der Detektor so ausgeführt sein, dass die ersten und zweiten Sensoren phasenverschobene Messsignale ausgeben. Diese Verschiebung kann beispielsweise durch unterschiedliche Polaritäten der ersten und zweiten Sensoren bewirkt werden. Die phasenverschobenen Messsignale haben den Vorteil, dass sie eine weitere Kontrolle einer Fehlfunktion des Detektors ermöglichen. Liegen beide Messsignale nicht genau phasenverschoben vor, liegt im Bereich der Auswerteeinheiten oder der nachgeschalteten Elektronik ein Fehler vor. Liegen beide Messsignale nicht phasenverschoben vor, liegt im Bereich der Auswerteeinheiten oder der nachgeschalteten Elektronik ein extremer Fehler vor.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Detektor so gestaltet werden, dass die ersten und zweiten Sensoren Messsignale ausgeben, die gegeneinander um 180° phasenverschoben sind. Diese deutlich phasenverschobenen Messsignale haben den Vorteil, dass sie im Symmetriefall (Beide Messwerte mit gleichem Betrag aber entgegengesetzter Polarität/ entgegengesetztem Vorzeichen) das Erkennen einer Fehlfunktion des Detektors weiter erleichtern. Sind die beiden Messsignale nicht symmetrisch, liegt im Bereich der Auswerteeinheiten oder der nachgeschalteten Elektronik ein Fehler vor. Liegen die beiden Messsignale nicht phasenverschoben vor, liegt im Bereich der Auswerteeinheiten oder der nachgeschalteten Elektronik ein schwerer Fehler vor.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Kontaktstellen zwischen Sensoren und Auswerteeinheiten mechanisch entkoppelt. So kann der Sensor durch Einflüsse aus der Umgebung wie Temperatur- und Druckänderungen oder Krafteinwirkungen verändert oder verformt werden, ohne dass dies eine schädliche Auswirkung auf die Auswerteeinheiten nach sich zieht. Die mechanische Entkopplung kann durch eine elektro-mechanische Verbindung der Sensoren mit den Auswerteeinheiten bewerkstelligt werden. Beispielsweise kann sich die Auswerteeinheit auf einem FR4-Board befinden, welches mit dem jeweiligen Sensor elektro-mechanisch verbunden wird. In einer Ausführung können sich die Auswerteeinheiten direkt auf dem Substrat, zusammen mit den Sensoren befinden. Zusätzlich kann die Auswerteeinheit räumlich getrennt vom jeweiligen Sensor vorliegen. Die Übermittlung des Messsignals kann über eine elektrischmechanische Verbindung oder über eine drahtlose Verbindung erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Auswerteeinheiten, die Kontaktstellen und Teile der Sensoren vergossen, was sie vor schädlichen äußeren Einflüssen durch Druck- und Temperaturänderung oder Krafteinwirkung schützt. Durch Einhausung des gesamten Detektors mit einem elastischen Material kann dieser weiter geschützt werden. Weiterhin kann durch die Einhausung sichergestellt werden, dass die ersten und zweiten Sensoren dieselbe physikalische Größe erfassen.
In mindestens einer weiteren Ausführungsform umfassen die ersten und zweiten Sensoren zwei beabstandete Elektroden, die auf der gleichen oder auf gegenüberliegenden Seiten einer Funktionsschicht angeordnet sind. Die Elektroden und die Funktionsschicht können auf das Substrat aufgedruckt sein. Dies ermöglicht einen hohen Freiheitsgrad in der Geometrie bzw. Formgebung des Sensors. So können beispielsweise auch mehrere Sensoren auch zu einer Sensormatrix kombiniert werden.
In mindestens einer weiteren Ausführungsform sind das Substrat oder die Sensoren oder beides flexible Folien, die nach einer Verformung zurück in die Ursprungslage gehen. Durch die elastischen Eigenschaften des Materials kann das Substrat an die Geometrie einer beliebigen Oberfläche angepasst werden und kann z.B. gekrümmten Oberflächen angepasst werden.
Weiterhin kann der Detektor neben dem ersten und zweiten Kanal weitere Kanäle mit ersten, zweiten und weiteren Sensoren enthalten. Die Sensoren können auch in einer Matrix angeordnet sein, was eine bessere Ortsauflösung ermöglicht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehörigen Figuren näher beschrieben.

1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines zweikanaligen Detektors mit zwei lateral benachbart angeordneten Sensoren unterschiedlicher Polarität.
2 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform eines zweikanaligen Detektors mit zwei lateral benachbart angeordneten Sensoren unterschiedlicher Polarität, der unter Krafteinwirkung deformiert ist.
3 zeigt im schematischen Querschnitt eine Ausführungsform eines mehrschichtigen Sensors auf einem Substrat.
4 zeigt im schematischen Querschnitt eine Ausführungsform eines Detektors bei dem Sensoren und Auswerteeinheiten auf einem flexiblen Substrat aufgebracht sind.
5 zeigt im schematischen Querschnitt eine Ausführungsform eines Detektors bei dem Sensoren und Auswerteeinheiten räumlich getrennt, aber elektro-mechanisch verbunden sind.
6 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines mehrkanaligen Detektors mit vier lateral benachbart angeordneten Sensoren unterschiedlicher Polarität.

Ähnliche oder augenscheinlich gleiche Elemente in den Figuren sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse in den Figuren sind nicht maßstabsgetreu.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Detektors, der einen ersten Kanal 1 und einen zweiten Kanal 2 umfasst. Der erste Kanal umfasst einen ersten Sensor 3, der eine positive Polarität aufweist. Der zweite Kanal umfasst einen zweiten Sensor 4, der eine negative Polarität aufweist. Beide Sensoren 3 und 4 sind lateral benachbart auf einem Substrat 5 aufgebracht und an ihren Enden über Kontaktstellen mit Auswerteeinheiten 6 und 7 verbunden. Der erste Sensor 3 ist mit ersten Auswerteeinheiten 6 verbunden. Der zweite Sensor 4 ist mit zweiten Auswerteeinheiten 7 verbunden.
2 zeigt eine mögliche spezifizierte Ausführungsform des in 1 schematisch dargestellten zweikanaligen Detektors zur Detektion von Druck oder Kontakt. Das Substrat 5, welches beispielsweise aus einem Kunststoff wie Polyethylenterephthalat (PET) oder Polyimid (PI) besteht, ist mechanisch flexibel. Hierauf aufgedruckt befinden sich ein erster Sensor 3 mit positiver und ein zweiter Sensor 4 mit negativer Polarität. Die Sensoren bestehen ebenfalls aus mechanisch flexiblem Material wie dem Polymer PVDF und haben piezoelektrische Eigenschaften. Die elektronischen Auswerteeinheiten 6 befinden sich auf FR4-Boards 8, welche direkt auf dem flexiblen Substrat aufgebracht sind und über Kontaktstellen mit den Sensoren verbunden sind. Wird der Detektor durch eine mechanische Krafteinwirkung deformiert (breiter Pfeil), wird in den piezoelektrischen Sensoren ein Spannungssignal erzeugt. Da beide Sensoren gleich ausgebildet sind und dieselbe Deformation erfahren, wird von beiden Sensoren ein betragsmäßig gleich großes Messsignal ausgegeben. Anhand der Polarität der Messsignale ist eine richtungsabhängige Detektion der Deformation möglich. Durch die unterschiedliche Polarität der beiden Sensoren sind die Messsignale jedoch um 180° phasenverschoben. Dies ermöglicht eine vereinfachte Fehlererkennung ohne zusätzliche Komponenten in der nachgeschalten Elektronik bzw. in der Signalverarbeitung. Aufgrund seiner elastischen Eigenschaften kann sich der Detektor nach erfolgter Deformation in seinen Ausgangszustand zurückverformen.
3 zeigt einen möglichen Vielschichtaufbau eines einzelnen Sensors. Eine erste Schicht ist ein Substrat 5, z.B. PET, Polyethylennaphthalat (PEN) oder PI, auf dem sich Sensoren, bestehend aus den drei nachfolgend beschriebenen Schichten befinden. Eine zweite Schicht 9 und eine dritte Schicht 11 umfassen Elektroden bestehend aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Chrom, Nickel, Silber oder Kohlenstoff (Graphit), die mithilfe herkömmlicher Oberflächentechnologien wie z.B. Aufdampfen, Siebdruck oder Ink-Jet aufgebracht werden. Eine dazwischen liegende vierte Schicht 10 ist eine ferroelektrische Funktionsschicht, die aus einem Polymer, einer Keramik oder einer Polymer-Keramik-Matrix bestehen kann. Je nach Materialsystem wird die Aufbringung der Funktionsschicht angepasst (z.B. Siebdruck, Ink-Jet, Spin Coating). Als Polymer können z.B. PVDF und seine Copolymere verwendet werden. Eine mögliche Keramik ist z.B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT).
Die Auswerteeinheiten können mechanisch von den Sensoren entkoppelt sein.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Detektors. Hier sind ein Sensor 3 und eine zugehörige Auswerteeinheit 6 direkt auf einem flexiblen Substrat 5 aufgebracht.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann sich die Auswerteeinheit auf einem FR4-Board befinden, welches auf dem Substrat aufgebracht ist (in der schematischen Figur nicht dargestellt).
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Detektors. Hier ist ein Sensor 3 direkt auf dem Substrat 5 aufgebracht. Die Auswerteeinheit 6 liegt räumlich getrennt vor. Die Übermittlung des Messsignals erfolgt über eine elektrischmechanische Verbindung, kann aber auch über eine drahtlose Verbindung (z.B. WLAN, Bluetooth) erfolgen. Die Auswerteeinheit kann folgende elektronischen Komponenten beinhalten:

- Signalverstärker
- Komparator
- Analog-Digital Konverter
- Mikroprozessor(mit aufgespielter Software)
- Flashspeicher
- Widerstände
- Kondensatoren
- Spulen
- Lautsprecher
- Dioden(z.B. Gleichrichter, Lichtdioden)
- Transistoren
- Antennen
- Datenverbindung(z.B. USB-Schnittstelle)
- Kapazitive Messbrücke

6 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform eines Detektors, der mehrere Kanäle umfasst. Der Detektor umfasst hier zwei erste Sensoren 3, die eine positive Polarität aufweisen. Weiterhin umfasst der Detektor zwei zweite Sensoren 4, die eine negative Polarität aufweisen. Alle Sensoren sind lateral benachbart auf einem Substrat 5 aufgebracht. Die ersten Sensoren sind an ihrem Ende über erste Kontaktstellen mit einer ersten Auswerteeinheit 6 verbunden. Die zweiten Sensoren sind an ihrem Ende über zweite Kontaktstellen mit einer zweiten Auswerteeinheit 7 verbunden. Aufgrund der Skalierbarkeit des Systems kann jeder Kanal eine beliebige Anzahl an Sensoren enthalten. Weiterhin kann der Detektor neben dem ersten und zweiten Kanal weitere Kanäle umfassen, die wiederum eine beliebige Anzahl an Sensoren umfassen.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform eines Detektors, ist dessen gesamter Aufbau mit einem elastischen Material wie z.B. einem ferroelektrischen Polymer eingehaust. Das elastische Material dient zum Schutz des Sensors beispielsweise durch Dämpfung der zu erwartenden Deformationskräfte. Aufgrund dessen mechanischer Flexibilität kann der Sensor an verschiedene Geometrien wie z.B. gekrümmte Oberflächen angepasst werden.
Bezugszeichenliste

1: erster Kanal
2: zweiter Kanal
3: erster Sensor
4: zweiter Sensor
5: Substrat
6: erste Auswerteeinheit
7: zweite Auswerteeinheit
8: FR4-Board
9: erste Elektrode
10: Funktionsschicht
11: zweite Elektrode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0181871 A1 [0005]
WO 2009/011605 A2 [0006]
WO 2014/037016 A1 [0008]
DE 2619339 A1 [0009]

Claims

Detektor, umfassend - ein Substrat - einen ersten Kanal, umfassend - einen ersten auf dem Substrat aufgebrachten Sensor, der ein erstes Messsignal erzeugt - eine erste mit dem ersten Sensor über eine erste Kontaktstelle verbundene Auswerteeinheit - einen zweiten Kanal, umfassend - einen zweiten lateral benachbart zu dem ersten Sensor auf dem Substrat aufgebrachten Sensor, der ein zweites Messsignal erzeugt, welches ein Maß für dieselbe physikalische Größe wie das erste Messsignal darstellt, aber unterschiedlich ist - eine zweite mit dem zweiten Sensor über eine zweite Kontaktstelle verbundene Auswerteeinheit.
Detektor nach Anspruch 1, wobei sich die Messsignale des ersten und des zweiten Sensors hinsichtlich der Polarität unterscheiden.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei alle Sensoren gleichzeitig die physikalische Größe erfassen.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste und zweite Sensor phasenverschobene Messsignale ausgeben.
Detektor nach Anspruch 4, wobei erster und zweiter Sensor Messsignale ausgeben, die gegeneinander um 180° phasenverschoben sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Sensoren und Auswerteeinheiten mechanisch entkoppelt sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Auswerteeinheiten, die Kontaktstellen und Teile der Sensoren vergossen sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der mit einem elastischen Material eingehaust ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei jeder Sensor zwei beabstandete Elektroden umfasst, die auf der gleichen oder auf gegenüberliegenden Seiten einer Funktionsschicht angeordnet sind.
Detektor nach Anspruch 9, wobei die Elektroden und die Funktionsschicht jedes Sensors auf das Substrat aufgedruckt sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Substrat oder die Sensoren oder beides flexible Folien sind, die nach einer Verformung zurück in die Ursprungslage gehen.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Detektor neben dem ersten und zweiten Kanal weitere Kanäle mit ersten, zweiten oder weiteren Sensoren enthält.
Detektor nach Anspruch 12, wobei die Sensoren in einer Matrix angeordnet sind.