DE102020006662A1

DE102020006662A1 - Sensorstreifen und Vorrichtung zur Messung von geometrischen Formen

Info

Publication number: DE102020006662A1
Application number: DE102020006662.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Schwerter; Benjamin Holmer; Eugen Koch
Original assignee: Minktec GmbH
Current assignee: Minktec GmbH
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2022-05-05
Also published as: WO2022089775A1; JP2023550299A; CN116438424A; KR20230106163A; EP4237789A1; US20240019239A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen flexiblen Sensorstreifen zur Messung von geometrischen Formen, wie insbesondere Biegeradien oder dergleichen, sowie eine zugehörige Vorrichtung, die Sensorsignale des Sensorstreifens verarbeiten und auswerten kann.Dabei umfasst der Sensorstreifen ein Substrat, auf dem eine Vielzahl von Widerstands-Paaren angeordnet ist. Jedes dieser Widerstands-Paare hat einen Widerstand auf der Substrat-Vorderseite und einen weiteren Widerstand auf der Substrat-Rückseite. Beide dieser Widerstände sind in Reihe und zwischen den Polen einer Versorgungsspannung geschaltet, so dass sie einen Spannungsteiler bilden. Das Besondere der vorliegenden Erfindung ist, dass für die Reihenschaltung, also für die Verbindung zwischen den beiden Widerständen, eine Durchkontaktierung vorgesehen ist, die durch eine Substrat-Öffnung hindurch Elemente auf der Substrat-Oberseite mit Elementen auf der Substrat-Rückseite elektrisch verbindet.Wenn das Substrat bzw. der sensitive Bereich des Sensorstreifens in sich bewegt wird, wie insbesondere bei einer Biegung und/oder einer Verdrehung (Torsion), ändern sich bei den betroffenen Spannungsteilern die Mittenspannungen. Das wird durch die erfindungsgemäße Messvorrichtung erfasst und ausgewertet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen flexiblen Sensorstreifen zur Messung von geometrischen Formen, wie insbesondere Biegeradien oder ähnlich. Dabei ist es auch möglich, mittels einer geeigneten Auswerteeinrichtung den zugehörigen zeitlichen Verlauf dieser geometrischen Formen zu messen und auszuwerten, und so entsprechende Bewegungen zu bestimmen, wie insbesondere Biegungen, Verdrehungen (Torsionen) und/oder Dehnungen.
Sensorstreifen der genannten Art sind grundsätzlich bekannt und enthalten oftmals eine Vielzahl von elektrischen Elementen, die als Widerstände und/oder Kondensatoren fungieren können und auf einem flexiblen Substrat aufgebracht sind. Wenn ein solcher Sensorstreifen geeignete mechanische Verformungen erfährt, wie Biegungen, Verdrehungen (Torsionen), Dehnungen, Stauchungen oder dergleichen, können einzelne dieser elektrischen Elemente gestreckt und andere gestaucht werden. Daraus folgen Änderungen der Widerstands- bzw. Kapazitätswerte, die mittels einer Auswerteeinheit erfasst werden können. Durch geeignete Algorithmen lässt sich bestimmen, wo und wie eine der genannten mechanischen Belastungen auftritt.
Es ist außerdem bekannt, derartige Sensorstreifen am menschlichen oder tierischen Körper einzusetzen. So betrifft die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2008 052 406 A1 ein Verfahren zum Erfassen von Funktionsparametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen oder tierischen Körpern sowie einen Biegesensor zur Durchführung des Verfahrens. Bei einer dortigen Ausführungsform sind Dehnungsmessstreifen vorgesehen, die zur Erfassung von dehnenden Verformungen dienen, indem sie schon bei geringen Verformungen ihre Impedanz, wie insbesondere ihren elektrischen Widerstand, ändern. Dabei besteht allerdings das Problem, dass gegebenenfalls auftretende Zug- oder Druckspannungen Längenänderungen hervorrufen, die fälschlicherweise als Maß für die Biegung des Untersuchungsobjekts interpretiert werden. Um das zu verhindern, ist dort vorzugsweise ein zugfestes, jedoch elastisch biegbares Substrat vorgesehen, wie beispielsweise Federstahl. Für eine elektrische Isolierung eines solchen Substrats von den darauf angebrachten Dehnungsstreifen wird eine Klebstoffschicht, wie beispielsweise Epoxidharz, verwendet.
Die internationale Veröffentlichungsschrift WO 2011/032575 A1 betrifft ein Verfahren und ein System zum Erfassen von Funktionsparametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen Körper, wie insbesondere im Bereich der Lendenwirbelsäule, sowie ein Verfahren zur Analyse solcher Funktionsparameter. Dazu werden Biegesensoren verwendet, bei denen Dehnungsmessstreifen auf einem Substrat befestigt, beispielsweise geklebt, sind. Als Substratmaterial werden dort u.a. eine Elektronikleiterplatte oder Federbandstahl vorgeschlagen. Die dortige Realisierung der elektrischen Kontakte zwischen den Dehnungsmessstreifen und Leiterbahnen auf der Leiterplatte erfolgt beispielsweise durch Löten eines Kupferfolienstreifens.
Bei einem dortigen Ausführungsbeispiel umfasst der Biegesensor mehrere Dehnungsmessstreifen, wobei jeweils zwei davon so auf einander entgegengesetzten Seiten des Substrats befestigt sind, dass beide Dehnungsmessstreifen dieselbe Biegung des Substrats erfassen, welches die Biegung bzw. Beugung des Untersuchungsobjekts, beispielsweise eines menschlichen Rückens, nachvollzieht.
Es ist dort ebenfalls beschrieben, dass dadurch Störgrößen mit Hilfe einer Brückenschaltung, z.B. einer Wheatstone-Messbrücke, welche ein Differenzsignal aus den Signalen der zwei Dehnungsmessstreifen bildet, kompensiert und das eigentliche Messsignal verstärkt werden kann. Dadurch können Fehlereinflüsse, wie Zug- oder Druckspannungen, sowie Temperaturschwankungen, welche ggf. zusätzliche Längenänderungen des Substrats hervorrufen können, kompensiert werden.
Die internationale Veröffentlichungsschrift WO 2016/030752 A1 betrifft einen dehnbaren und flexiblen Sensor sowie ein zugehöriges System zum Messen und Verarbeiten von Daten, die sich auf Bewegungen beziehen, wie beispielsweise auf die eines Rückens oder Gliedmaßen einer Person oder eines Tieres. Dabei werden an einem elastischen Filmstreifen (2) eine Vielzahl von Streifen (3) befestigt, wie beispielsweise durch Heften (stitching), Kleben, Klemmen, usw. Es wird dort auch eine besondere Ausführung vorgeschlagen (4), bei der zwei Gruppen von parallelen Streifen ein Fischgrätenmuster bilden. Diese Streifen können als Kondensatoren oder als elastische Einzeldrähte mit längenabhängigem Widerstand gestaltet sein.
Aus den genannten Dokumenten ergibt sich, dass bisher bekannte Sensorstreifen der genannten Art aufwendig zu realisieren und auch fehleranfällig sind.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensorstreifen vorzustellen, der einfach und preisgünstig hergestellt werden kann und eine lange Lebensdauer aufweist.
Der erfindungsgemäße Sensorstreifen wird durch den Hauptanspruch bestimmt. Durch die Unteransprüche werden vorteilhafte Weiterbildungen definiert. Die anschließenden Vorrichtungsansprüche betreffen eine zugehörige Mess- und Auswertevorrichtung.
Der erfindungsgemäße Sensorstreifen weist ein flexibles Substrat auf, das insbesondere gebogen und/oder verdreht (tordiert) werden kann. Besonders bewährt hat sich dafür eine Folie aus Polyethylenterephthalat (PET), deren Dicke im Bereich von 10 bis 1000 µm und bevorzugterweise im Bereich von 100 bis 200 µm liegen kann.
Auf dem Substrat ist mindestens ein erstes Widerstands-Paar vorhanden. Dabei ist auf einer der Substrat-Seiten, die im Folgenden als Vorderseite bezeichnet wird, ein erster elektrischer Widerstand vorgesehen. Auf der anderen Substrat-Seite, die im Folgenden als Rückseite bezeichnet wird, ist ein zweiter Widerstand vorgesehen. Dabei sind diese beiden Widerstände derart gestaltet und angeordnet, dass sie sich im Wesentlichen gegenüber liegen. Dabei sind jedoch geringfügige Abweichungen möglich, die die Geometrie und/oder Lage betreffen. Diese sind insbesondere aufgrund von Fertigungstoleranzen auch zu erwarten. Es hat sich gezeigt, dass Lage-Abweichungen bis zu bestimmten Werten durchaus möglich sind und noch recht gute Ergebnisse liefern. Entsprechende Toleranzwerte sind u.a. abhängig von der Dicke des Substrats und/oder von der Größe der Widerstände. Es hat sich gezeigt, dass Lage-Abweichungen bis ca. 1 bis 2 mm und/oder bis ca. 10% der Widerstandsgröße tolerierbar sind. Dabei ist es auch möglich, im Rahmen der anschließenden Signalauswertung entsprechende elektronische Korrekturen vorzunehmen.
Der erste Anschluss des ersten Widerstands ist mit einer ersten Versorgungsleitung elektrisch verbunden, über die er an den ersten Pol einer Versorgungsspannung angeschlossen ist. Der erste Anschluss des zweiten Widerstands ist mit einer zweiten Versorgungsleitung elektrisch verbunden, über die er an den zweiten Pol der Versorgungsspannung angeschlossen ist. Dieser zweite Pol kann elektrisch mit dem Masseanschluss einer elektrischen Einheit verbunden sein, an die der Sensorstreifen angeschlossen ist. Die zweiten Anschlüsse der Widerstände sind miteinander elektrisch verbunden, so dass sie einen Spannungsteiler bilden.
Das Besondere an dem erfindungsgemäßen Sensorstreifen ist, dass bei der elektrischen Verbindung zwischen den zweiten Anschlüssen der beiden Widerstände mindestens eine Durchkontaktierung vorgesehen ist. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine solche Durchkontaktierung jede Art von elektrischer Verbindung, die durch eine Öffnung im Substrat zwischen der Vorderseite und der Rückseite verläuft und außerdem eine erste Leiterbahn auf der Substrat-Vorderseite mit einer zweiten Leiterbahn auf der Substrat-Rückseite elektrisch verbindet. Dabei ist weiterhin die erste Leiterbahn in elektrischem Kontakt mit dem zweiten Anschluss des ersten Widerstands und die zweite Leiterbahn in elektrischem Kontakt mit dem zweiten Anschluss des zweiten Widerstands. Diese elektrischen Leiterbahnen können gleich oder verschieden sein und auch beliebig gestaltet sein.
Ein solcher erfindungsgemäßer Sensorstreifen ist sehr kompakt und auch einfach herzustellen. Im Normalbetrieb - also wenn der Sensorstreifen bereit ist, Messungen durchzuführen - liegt die genannte Versorgungsspannung an, so dass ein Spannungsteiler realisiert wird, wobei die Mittenspannung an den zweiten Anschlüssen der Widerstände anliegt. Deren Wert ist einerseits abhängig von der Versorgungsspannung und andererseits von dem Verhältnis der Widerstandswerte (erster Widerstand, zweiter Widerstand) zueinander. Bevorzugterweise sind beide Widerstandswerte dann gleich groß, wenn sich das Substrat ohne mechanische Beanspruchung in einer Ebene befindet, wie beispielsweise der Zeichenebene. Wenn nun das Substrat in sich bewegt wird, wie beispielsweise durch eine Biegung und/oder eine Verdrehung (Torsion), ändern sich die Widerstandswerte. Diese Änderung ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie der geometrischen Gestalt der Widerstände, der Art der Bewegung und der Lage der Widerstände in Bezug auf den Ort der Bewegung.
Obwohl bei der folgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung davon ausgegangen wird, dass die Grundfläche der Widerstände - das heißt die jeweilige Fläche zu dem Substrat - eine Länge aufweist, die wesentlich größer ist als deren Breite, ist die Erfindung keinesfalls auf derartige Widerstände beschränkt. Wenn nun ein solcher länglicher Widerstand derart gedehnt wird, dass sich seine Länge vergrößert, wird sein Widerstandswert größer. Bei einer Stauchung mit zugehöriger Verkleinerung der Länge, wird sein Widerstandswert kleiner. Dieser Effekt kann bei dem beschriebenen erfindungsgemäßen Sensorstreifen mit nur einem Widerstands-Paar beispielsweise dazu verwendet werden, eine Wölbung, einen Durchmesser oder dergleichen bei einem Körper zu messen. Ein solcher Körper kann ein Gegenstand sein, wie beispielsweise ein Stab, eine Kugel oder dergleichen. Es ist jedoch auch möglich, Teile eines menschlichen oder eines tierischen Körpers zu vermessen. Dazu kann auch die Beugung von Körperteilen gehören, wie die eines Rückens, eines Knies oder dergleichen. Eine solche Messung kann einmalig erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, dass mehrere solcher Messungen nacheinander durchgeführt werden, wodurch ein dynamischer Verlauf ermittelt werden kann. Dieser kann insbesondere auch Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsverläufe von geometrischen Änderungen umfassen. Dazu werden mittels einer geeigneten Auswerteeinheit in vorgegebenen zeitlichen Abständen und/oder zu vorgegebenen Zeiten die Mittenspannungen erfasst und zugehörige Messwerte gebildet und ausgewertet.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensorstreifens ist mindestens ein zweites Widerstands-Paar vorgesehen. Auch bei diesem ist ein erster Widerstand auf der Substrat-Vorderseite und ein zweiter auf der Substrat-Rückseite angeordnet. Der erste Anschluss des ersten Widerstands ist mit dem ersten Pol der Versorgungsspannung elektrisch verbunden und der erste Anschluss des zweiten Widerstands ist mit dem zweiten Pol der Versorgungsspannung elektrisch verbunden. Die zweiten Anschlüsse der beiden Widerstände sind miteinander elektrisch verbunden, so dass ein Spannungsteiler gebildet wird. Dabei ist es möglich, jedoch nicht zwingend vorgesehen, dass für die elektrische Verbindung zwischen den zweiten Widerstands-Anschlüssen mindestens eine Durchkontaktierung vorhanden ist. Dieses zweite Widerstands-Paar ähnelt sehr dem ersten Widerstands-Paar, so dass ergänzend auch auf die obige Beschreibung verwiesen wird.
Aus den genannten Ausführungen ergibt sich, dass verschiedene Widerstands-Paare möglich sind, nämlich eines oder mehrere der ersten Widerstands-Paare und eines oder mehrere der zweiten Widerstands-Paare. Diese sind zueinander besonders angeordnet. Das wird im Folgenden näher beschrieben. Dazu wird für die Orts- und Richtungsangaben ein kartesisches Koordinatensystem verwendet, wie es beispielsweise in 1 gezeigt ist und aus dem sich Folgendes ergibt:

- die x-y-Ebene entspricht der Zeichenebene
- die x-Achse ist von links nach rechts gerichtet
- die y-Achse ist von unten nach oben gerichtet
- die z-Achse zeigt nach vorne aus der Zeichenebene heraus.

Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass das Substrat derart angeordnet ist, dass es sich entlang der x-y-Ebene erstreckt, also quasi in der Zeichenebene liegt. Ein solcher Zustand wird im Folgenden auch als Ruhezustand bezeichnet. Dann lassen sich für die vorliegende Erfindung folgende Fälle unterscheiden.
a) Ein erstes Widerstands-Paar und ein zweites Widerstands-Paar
Wenn nur eins der ersten Widerstands-Paare und nur eins der zweiten Widerstands-Paare vorhanden sind, dann sind diese nebeneinander angeordnet. Das heißt, das erste Widerstands-Paar liegt beispielsweise links von dem zweiten Widerstands-Paar (x-Richtung). Dabei können beide Widerstands-Paare auf gleicher oder auf unterschiedlicher Höhe (y-Richtung) liegen.
b) Mehrere der ersten Widerstands-Paare und/oder mehrere der zweiten Widerstands-Paare
Wenn zwei oder mehrere der ersten Widerstands-Paare vorhanden sind, sind diese übereinander (y-Richtung) angeordnet. Dabei ist es möglich, dass sie seitlich (x-Richtung) zueinander versetzt sind. Wenn zwei oder mehrere der ersten Widerstands-Paare vorhanden sind, sind diese ebenfalls übereinander (y-Richtung) angeordnet und können auch seitlich (x-Richtung) versetzt sein.
Wenn sowohl von den ersten Widerstands-Paaren als auch von den zweiten Widerstands-Paaren jeweils zwei oder mehrere vorhanden sind, befinden sich die ersten Widerstands-Paare neben (beispielsweise links) den zweiten Widerstands-Paaren, wobei ein Versatz nebeneinander liegender Widerstands-Paare in y-Richtung möglich ist.
c) Verschiedene Anzahl der Widerstands-Paare
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Anzahl der ersten Widerstands-Paare verschieden sein kann von der Anzahl der zweiten Widerstands-Paare.
Für die weitere geometrische Beschreibung wird davon ausgegangen, dass eine Senkrechte definiert werden kann, die zwischen den nebeneinander-liegenden Widerstands-Paaren und entlang der y-Achse verläuft. Diese Senkrechte kann beispielsweise der Längsachse des Sensorstreifens entsprechen, wie es weiter unten im Zusammenhang mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele vorgesehen ist.
Bevorzugterweise weisen zumindest einzelne der genannten Widerstände eine längliche Grundfläche auf. Das heißt, dass sie eine Länge haben, die deutlich größer ist als deren Breite. Daraus lässt sich eine zugehörige Widerstands-Längsachse bestimmen. Diese wird im Folgenden dafür verwendet, um einen Neigungswinkel zwischen den Widerstands-Paaren und der genannten Senkrechten zu definieren. Dieser Winkel kann einen Wert zwischen Null Grad und 90 Grad (jeweils einschließlich) aufweisen, wobei sich Werte zwischen 20 und 40 Grad, und insbesondere ein Wert von ca. 30 Grad, besonders bewährt haben. Dabei ist es möglich, dass die Werte dieser Neigungswinkel für alle Widerstands-Paare gleich groß sind. Es ist jedoch auch möglich, dass sie verschieden sind.
Der Wert des genannten Neigungswinkels bestimmt insbesondere die Art der möglichen Messung mit dem zugehörigen Widerstands-Paar. Darauf wird weiter unten bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele näher eingegangen.
Wenn für eine bestimmte Anzahl von ersten Widerstands-Paaren eine gleiche Anzahl zweiter Widerstands-Paare spiegelsymmetrisch bezüglich der Senkrechten angeordnet ist, ist der Sensorstreifen besonders gut geeignet, um Torsionen zu messen.
Um einen erfindungsgemäßen Sensorstreifen kostengünstig und dennoch zuverlässig herstellen zu können, hat es sich bewährt, die Widerstände - oder zumindest einzelne von ihnen - durch ein Siebdruckverfahren herzustellen. Dazu wird eine hochohmige Paste auf das Substrat aufgebracht, wie beispielsweise eine Carbon-basierte Paste, CNT-haltige Paste, ein elektrisch leitfähiges Polymer (bspw. PEDOT) oder dergleichen. Bei Carbon-Siebdruck wird bevorzugterweise eine Dicke im Bereich von ca. 5 bis 20 µm verwendet. Bei anderen Materialien können auch andere Dicken verwendet werden.
Es ist weiterhin möglich, Leiterbahnen - oder zumindest einzelne von ihnen - und/oder zumindest einzelne der genannten Durchkontaktierungen durch ein Siebdruckverfahren mit einer niederohmigen Paste herzustellen, wie beispielsweise einer Silberpaste, einer Kupferpaste oder dergleichen.
Der erfindungsgemäße Sensorstreifen lässt sich unterteilen in einen Sensorbereich, in dem die genannten Widerstände angeordnet sind und in einen Kontaktbereich, in dem elektrische Anschlüsse für eine Auswerteeinheit hergestellt werden können, wie beispielsweise mittels einer Steckverbindung, einer Klemmverbindung, einer Lötverbindung und/oder durch elektrischen Klebstoff. Üblicherweise wird der Kontaktbereich im Normalbetrieb - also dann, wenn ein Objekt (bzw. Körper) vermessen werden soll - weniger verformt als der Sensorbereich. Das kann auf verschiedene Weise erfolgen, wie beispielsweise durch die Gestaltung des Substrats, durch die vorhandene elektrische Verbindung zur Auswerteeinheit (insbesondere durch einen Stecker) und/oder durch entsprechende Befestigung des Sensorstreifens an dem zu untersuchenden Objekt. Damit ist der Kontaktbereich auch weniger mechanisch belastet als der Sensorbereich. Daher ist es besonders vorteilhaft, zumindest einzelne der Durchkontaktierungen in diesem Kontaktbereich anzuordnen, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen.
Wie bereits erwähnt, ist der erfindungsgemäße Sensorstreifen dafür vorgesehen, Teil einer Messvorrichtung zu sein, die geometrische Formen und/oder dynamische Bewegungen von Gegenständen, menschlichen Körpern, tierischen Körpern usw. messen und auswerten kann. Dazu ist der Sensorstreifen über geeignete elektrische Verbindungen mit einer Auswerteeinheit verbunden. Diese gibt die Versorgungsspannung ab und nimmt die von den als Spannungsteilern funktionierenden Widerstands-Paaren erzeugten Mittenspannungen als Sensorsignale auf, wertet diese aus und erzeugt daraufhin ein Ausgangssignal, das ein Maß ist für Widerstandsänderungen innerhalb der einzelnen Widerstands-Paare und somit auch für Verformungen und/oder Bewegungen, die der Sensorstreifen erfährt.
Da solche Widerstandsänderungen und somit auch die zugehörigen gemessenen Spannungsänderungen recht klein sind, kann die Auswerteeinheit auch eine Referenzspannung erzeugen, deren Wert im Wesentlichen der Spannung entspricht, den die Spannungsteiler im Ruhezustand jeweils abgeben. Aus der Referenzspannung und den jeweils gemessenen Spannungen wird eine Differenzspannung gebildet, welche verstärkt und ausgewertet wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung enthält die Auswerteeinheit einen zeitlich gesteuerten Schalter (Multiplexer), der die von den einzelnen Spannungsteilern abgegebenen Mittenspannungen nacheinander weiterführenden Stufen, wie Verstärkerstufen, Analog/Digital-Wandlern, usw. zuführt. Die Auswerteeinheit umfasst ebenfalls Speicher, in denen Werte abgelegt sind, die ein Maß sind für die Position bzw. Positionsänderung der einzelnen Widerstands-Paare innerhalb des Sensorstreifens. Aus den einzelnen Mittenspannungen und den zugehörigen Positionsdaten wird ein Ausgangssignal erzeugt, das ein Maß ist für die geometrische Form und graphische Darstellung des Sensorstreifens.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung umfasst die Auswerteeinheit auch eine oder mehrere Zeitstufen, welche den Multiplex-Schalter und/oder die weiterführenden Stufen zu vorgegeben Zeiten und/oder nach vorgegeben Zeitintervallen derart ansteuert, dass die von den einzelnen Spannungsteilern abgegebenen Mittenspannungen verarbeitet werden. Damit können dynamische Bewegungen bzw. Bewegungsabläufe des zu untersuchenden Objekts (Körpers) erstellt werden, wie insbesondere Verläufe, Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen von Bewegungen. Das von der Auswerteeinheit erzeugte Ausgangssignal kann somit auch diese Informationen enthalten.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Auswerteeinheit auch eine Sendestufe. Dieser wird ein Signal zugeführt, das ein Maß ist für die erzeugten Ausgangssignale. Daraus wird bevorzugterweise ein Hochfrequenzsignal erzeugt, wie beispielsweise ein Bluetooth- oder ein WLAN-Signal, das von einem geeigneten Gerät, wie einem Tablet-Computer, einem Smartphone, einem PC oder dergleichen, empfangen und weiter verarbeitet werden kann. Dabei ist es möglich, dass auf einem solchen Gerät über einen geeigneten Algorithmus (wie eine App oder dergleichen) eine Auswertung, Speicherung und/oder Anzeige des Ausgangssignals erfolgt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit zugehörigen Abbildungen erläutert. Dabei zeigen:

1 einen ersten Sensorstreifen
2 vorderseitige Leiterbahnen des ersten Sensorstreifens
3 vorderseitige Sensorwiderstände des ersten Sensorstreifens
4 rückseitige Leiterbahnen des ersten Sensorstreifens
5 rückseitige Sensorwiderstände des ersten Sensorstreifens
6 symbolische Draufsicht auf Durchkontaktierung zwischen einer vorderseitigen und einer rückseitigen Leiterbahn
7 Symbolische Querschnittsdarstellung der Durchkontaktierung zwischen einer vorderseitigen und einer rückseitigen Leiterbahn
8 Schaltplan
9 einen zweiten Sensorstreifen
10 den oberen Abschnitt B des zweiten Sensorstreifens
11 den unteren Abschnitt C des zweiten Sensorstreifens

1 zeigt ein kartesisches Koordinatensystem (oben links), eine Draufsicht auf einen ersten Sensorstreifen 9 sowie auf der rechten Seite eine symbolische Markierung zur Unterscheidung eines Sensorbereichs S sowie eines Kontaktbereichs K des Sensorstreifens 9. Dieser befindet sich hier innerhalb der x-y-Ebene und somit in der Zeichenebene. Er enthält ein Substrat 10, das aus einem Material besteht, das biegsam, verdrehbar und/oder dehnbar ist sowie bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel durchsichtig ist. Besonders bewährt hat sich eine PET-Folie (PET = Polyethylenterephthalat), deren Dicke bei einer bevorzugten Ausführungsform im Bereich von 100 bis 180 µm liegt. Das Substrat 10 hat eine Vorderseite 12 (s. 1 und 7) sowie eine Rückseite 14 (s. 7). Die Vorderseite 12 könnte auch als Oberseite bezeichnet werden. Dieser Begriff wird hier jedoch vermieden, weil die Ortsangaben „oben“, „unten“, „rechts“ und „links“ (und dergleichen) zur Positionsbeschreibung innerhalb der Zeichenebene dienen. Sowohl auf der Vorderseite 12 als auch auf der Rückseite 14 sind eine Vielzahl von Sensorwiderständen und auch eine Vielzahl von elektrischen Leiterbahnen angeordnet. Diese werden im Folgenden anhand der 1 bis 5 näher beschrieben.
2 zeigt diejenigen Leiterbahnen, die auf der Vorderseite 12 des Substrats 10 angeordnet sind und 3 zeigt die Sensorwiderstände der Vorderseite 12. Im unteren Bereich befinden sich eine Vielzahl von elektrischen Kontaktstellen 16, die eine Steckerleiste bilden und derart gestaltet und angeordnet sind, dass sie mit einem geeigneten Folienstecker (hier nicht dargestellt) kontaktiert werden können. Zwei dieser Kontaktstellen 16 sind über eine Leiterbahn 18 mit einer vorderseitigen Versorgungsleiterbahn 20 verbunden, die hier im Wesentlichen entlang der Längsachse LA verläuft. Über zugehörige Verbindungen sind rechts von der Versorgungsleiterbahn 20 Kontaktpunkte 22r und links davon Kontaktpunkte 22l mit der Versorgungsleiterbahn 20 elektrisch verbunden.
Zu jedem der Kontaktpunkte 22r gehört ein zugehöriger Kontaktpunkt 24r, welcher über eine zugehörige Leiterbahn 26r mit jeweils einer der Kontaktstellen 16 elektrisch verbunden ist. In den 1 und 2 sind fünf der Kontaktpunkt-Paare 22r, 24r dargestellt, wovon nur zwei mit Referenzzeichen versehen sind (s. 2). Zwischen jedem dieser Kontaktpunkt-Paare 22r, 24r verläuft einer von fünf Sensorwiderständen 28r, die hier eine längliche rechteckige Form aufweisen.
Dabei verläuft bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der oberste dieser Sensorwiderstände 28r derart, dass er und somit auch dessen Längsachse mit der Versorgungsleiterbahn 20 und daher auch mit der Längsachse LA einen rechten Winkel bildet. Der unterste dieser Sensorwiderstände 28r verläuft im Wesentlichen parallel zu der Versorgungsleiterbahn 20 und somit auch zu der Längsachse LA. Bei dem mittleren der Sensorwiderstände 28r ist in 1 dessen Längsachse lar und auch ein Neigungswinkel α eingezeichnet, der von den beiden Längsachsen LA und lar definiert wird und ca. 45 Grad beträgt.
Links von der oberen Versorgungsleiterbahn 20, und somit von der Längsachse LA, befinden sich außer den bereits genannten Kontaktpunkten 22I auch zugehörige Kontaktpunkte 24I, welche mit jeweils einem Leiterbahnstück 25I verbunden sind. Jedes dieses Leiterbahnstücke 25l ist über eine spezielle Durchkontaktierung mit einer Leiterbahn 1261, die sich auf der Substrat-Rückseite 14 und links der Längsachse LA befindet, verbunden. Einzelheiten dazu werden weiter unten beschrieben.
Ähnlich wie auf der rechten Seite gibt es auch hier fünf Kontaktpunkt-Paare 221, 241, zwischen denen zugehörige Sensorwiderstände 281 angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die linken Sensorwiderstände 281 spiegelsymmetrisch zu den rechten Sensorwiderständen angeordnet, so dass die oben genannten Erläuterungen analog auch für die linke Seite gelten.
4 zeigt die Leiterbahnen, die auf der Rückseite des Substrats 10 angeordnet sind, und 5 zeigt die zugehörigen Sensorwiderstände. Die Blickrichtung auf die in den 4 und 5 gezeigten Elemente ist von oben, also von der Vorderseite 12 durch das Substrat 10 hindurch, wobei die auf der Substrat-Vorderseite 12 vorhandenen Elemente nicht vorhanden sind. Daher könnte man auch sagen, dass man hier die Rückseiten derjenigen Elemente sieht, die auf der Substrat-Rückseite 14 aufgebracht sind. Die meisten dieser rückseitigen Elemente sind in 1 nicht erkennbar, da sie von Elementen der Vorderseite verdeckt werden. Ausgenommen davon sind die bereits erwähnten Leiterbahnen 1261.
Wie in 4 erkennbar, weist die Substrat-Rückseite 14 eine untere Versorgungsleiterbahn 120 auf. Diese ist über eine auf der Substrat-Vorderseite 12 verlaufende Leiterbahn 50 (s. 1 und 2) sowie über eine hier nicht dargestellte Durchkontaktierung im Bereich 52 mit zwei der Kontaktstellen 16 verbunden, die sich in diesem Ausführungsbeispiel alle auf der Vorderseite 12 befinden. Die Gestaltung und Anordnung der rückseitigen Versorgungsleiterbahn 120 ist oberhalb des Bereiches 52 im Wesentlichen mit der Gestaltung und Anordnung der vorderseitigen Versorgungsleiterbahn 20 identisch. Das heißt insbesondere auch, dass auf der Rückseite 14 eine Vielzahl von Kontaktpunkten 122r, 1221 vorhanden sind, die den Kontaktpunkten 22r, 221 entsprechen - bis auf die Tatsache, dass sie an unterschiedlichen Versorgungsleiterbahnen angeschlossen sind. Weiterhin sind links von der rückseitigen Versorgungsleiterbahn 120 fünf Kontaktpunkte 1241 vorhanden, die über jeweils eine der linken Leiterbahnen 1261 und weiterhin über eine hier nicht gezeigte Durchkontaktierung zwischen der Vorderseite 12 und der Rückseite 14 mit einer der vorderseitigen Kontaktstellen 16 verbunden sind (s. 1). Rechts von der Versorgungsleiterbahn 120 befinden sich weitere fünf Kontaktpunkte 124r, welche mit jeweils einem Leiterbahnstück 125r verbunden sind.
Jedes dieser Leiterbahnstücke 125r ist über eine spezielle Durchkontaktierung mit einer der Leiterbahnen 26r, die sich auf der Substrat-Vorderseite 12 und rechts der Längsachse LA befindet, verbunden. Einzelheiten dazu werden weiter unten beschrieben.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass auch auf der Rückseite 14 Kontaktstellen vorgesehen sind. Diese rückseitigen Kontaktstellen können gleich groß sein wie die vorderseitigen Kontaktstellen 16 und denen auch quasi deckungsgleich gegenüber liegen. Bei Vorhandensein von Kontaktstellen auf beiden Seiten 12, 14 sollte ein zugehöriger Folienstecker verwendet werden. Dabei sind vielfältige Kontaktierungs- bzw. Schaltungsvarianten möglich.
Die in 5 gezeigten Sensorwiderstände 1281, 128r haben eine gleiche - oder zumindest im Wesentlichen eine gleiche - Gestaltung und Anordnung wie die auf der Substrat-Vorderseite 12 vorhandenen Sensorwiderstände 28l und 28r. Daher sind diese in 1 nicht sichtbar. Dabei sei nochmals darauf hingewiesen, dass die in 5 gezeigte Darstellung einer Draufsicht auf die Substrat-Vorderseite 12 mit Durchsicht durch das Substrat 10 entspricht, wobei die auf der Substrat-Vorderseite 12 vorhandenen Elemente nicht vorhanden sind.
6 zeigt eine symbolische Vergrößerung des in 1 markierten Bereiches A. Dabei geht es im Wesentlichen um die Darstellung einer Durchkontaktierung zwischen einem der vorderseitigen Leiterbahnstücke 25l und der zugehörigen Leiterbahn 1261, das heißt der sich gegenüber auf der Substrat-Rückseite 14 befindlichen Leiterbahn 1261. 7 zeigt eine symbolische Querschnittsdarstellung dieser Durchkontaktierung.
Aus den 6 und 7 erkennt man insbesondere, dass auf der Vorderseite 12 des Substrats 10 einer der linken Sensorwiderstände 28l und darunter (gemäß 7) auf der Substrat-Rückseite 14 ein zugehöriger Sensorwiderstand 1281 angeordnet ist. Außerdem ist der vorderseitige Sensorwiderstand 281 mit dem vorderseitigen Kontaktpunkt 241 und dieser wiederum mit dem vorderseitigen Leiterbahnstück 251 verbunden. Dazu sei angemerkt, dass der Kontaktpunkt 241 und das Leiterbahnstück 251 ein gemeinsames elektrisches Verbindungselement darstellen und hier nur für eine einfache Beschreibung der Figuren getrennt bezeichnet sind. Der rückseitige Sensorwiderstand 1281 ist mit dem rückseitigen Kontaktpunkt 1241 und dieser wiederum mit der rückseitigen Leiterbahn 1261 verbunden, die über eine weitere Durchkontaktierung zu der zugehörigen Kontaktstelle 16 führt (s. 1). Zwischen der Vorderseite 12 und der Rückseite 14 ist durch eine entsprechende Öffnung innerhalb des Substrats 10 ein Durchkontaktierungsleiter 200 angeordnet, der hier aus dem gleichen Material besteht wie das vorderseitige Leiterbahnstück 25l und die rückseitige Leiterbahn 1261 und diese beiden Elemente 251, 1261 elektrisch miteinander verbindet. Damit sind die beiden Sensorwiderstände 281 und 1281 in Reihe geschaltet. Obwohl hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, ergibt sich aus den vorherigen Erläuterungen sowie aus 1 bis 5 außerdem, dass

• das anscheinend freie Ende 29l des Sensorwiderstands 28l über den Kontaktpunkt 22l mit der Versorgungsleiterbahn 20 und
• das anscheinend freie Ende 1291 des Sensorwiderstands 1281 über den Kontaktpunkt 1221 mit der Versorgungsleiterbahn 120

Auch die übrigen der vorderseitigen linken Sensorwiderstände 28l sind auf eine solche Weise mit ihren zugehörigen rückseitigen Sensorwiderständen 1281 verbunden. Gleiches gilt auch für die rechten Sensorwiderstände 28r und 128r.
Die Sensorwiderstände 28, 128 werden bevorzugterweise durch ein Siebdruckverfahren hergestellt, bei dem hier eine Carbon-basierte Paste auf die beiden Seiten 12, 14 des Substrats 10 strukturiert mit einer Dicke von ca. 5 bis 20 µm aufgebracht wird. Dabei haben die Sensorwiderstände 28, 128 bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Länge von ca. 7 mm. Ihre Breite kann je nach Anwendung recht unterschiedlich sein und liegt im Bereich von ca. 100 µm bis 800 µm, um Widerstandswerte im Bereich zwischen 10 kΩ und 80 kΩ zu realisieren. Die übrigen auf den Substrat-Seiten 12, 14 vorhandenen Elemente, wie insbesondere die Leiterbahnen und Kontaktpunkte, werden bevorzugterweise ebenfalls durch ein Siebdruckverfahren hergestellt, bei dem Silberpaste mit einer Dicke von ca. 5 bis 15 µm aufgebracht wird.
8 zeigt ein Schaltbild, bei dem ein Paar linker Sensorwiderstände 281, 1281 und ein Paar rechter Sensorwiderstände 28r, 128r berücksichtigt sind. Das Schaltbild ist in folgende drei Blöcke unterteilt:

S: Sensorbereich
K: Kontaktbereich
A: Auswerteeinheit

Der Sensorbereich S entspricht im Wesentlichen dem Teil des Sensorstreifens 9, in dem die Sensorwiderstände 28l 28r, 1281, 128r angeordnet sind. Er ist derart gestaltet, dass er flexibel ist und insbesondere gebogen, verdreht und/oder gedehnt werden kann. Der Kontaktbereich K entspricht im Wesentlichen dem Teil des Sensorstreifens 9, in dem die Versorgungsleiterbahnen 20, 120 sowie die Leiterbahnen 26r, 1261 mit den Kontaktstellen 16 verbunden sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kontaktbereich K (s.a. 1) zumindest im Betriebsmodus (Normalbetrieb) wesentlich weniger flexibel bzw. verformbar als der Sensorbereich S. Das kann beispielsweise erzielt werden durch den Anschluss eines Foliensteckers an die Kontaktstellen 16, durch eine geringere Anbindung des Bereichs K an das zu untersuchende Objekt und/oder durch eine entsprechende Gestaltung des Substrats 10 (wie dessen Dicke, Material, usw.).
Die Auswerteeinheit A, die hier über Kontakte 300 eines Foliensteckers mit den Kontaktstellen 16 verbunden ist, enthält eine Spannungsversorgung sowie übliche elektronische Elemente, wie beispielsweise Verstärker, A/D-Wandler, Speicher, Sendeeinrichtungen, Anzeigeelemente und/oder dergleichen. Darauf wird weiter unten näher eingegangen.
Wie sich aus dem Schaltbild von 8 ergibt, liegt an der vorderseitigen Versorgungsleitung 20 eine Versorgungsspannung +u an, deren Wert +U beispielsweise 3 Volt beträgt. Die rückseitige Versorgungsleitung 120 liegt an Masse. Die Sensorwiderstände 28r und 128r sind zwischen der Versorgungsspannung +u und Masse in Reihe geschaltet, so dass sie einen Spannungsteiler bilden, wobei die Leiterbahn 26r den Mittenabgriff ermöglicht. Auch die Sensorwiderstände 281 und 1281 bilden einen derartigen Spannungsteiler, wobei die Leiterbahn 1261 den Mittenabgriff ermöglicht. Beide Leiterbahnen 26r, 1261 führen jeweils zu einer der Kontaktstellen 16. Über zugehörige Folienstecker-Kontakte 300 werden die geteilten Spannungen, die im Folgenden auch Sensorsignale sr bzw. sl genannt werden, zu Verstärkungsstufen 302a bzw. 302b geleitet. Deren Ausgangssignale werden einer Auswertestufe 304 zugeführt, die aufgrund der verstärkten Sensorsignale Ausgangssignale sa erzeugt und diese über eine Signalleitung 308 an eine Anzeigestufe 306 leitet.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 8 nur die Verarbeitung von einem Sensorsignal sl, das von einem Paar linker Widerstände 28, 1281 stammt, sowie die Verarbeitung von einem Sensorsignal sr, das von einem Paar rechter Widerstände 28r, 128r stammt, dargestellt. Es versteht sich, dass durch die Auswerteeinheit A auch die Sensorsignale der übrigen Widerstandspaare 281, 1281 bzw. 28r, 128r aufgenommen und verarbeitet werden können. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie beispielsweise die Verwendung einer hier nicht dargestellten Schaltstufe innerhalb oder außerhalb der Auswerteeinheit A. Eine solche Schaltstufe könnte mehrere oder alle der Sensorsignale sl, sr aufnehmen und nach dem Prinzip eines Zeitmultiplexers zeitlich gesteuert über die Verstärkerstufen 302a, 302b an die Auswertestufe 304 weiterleiten. Denkbar ist auch, dass für jedes der Sensorsignale sl, sr eine eigene Verstärkerstufe 302a bzw. 302b vorgesehen ist und die verstärkten Sensorsignale mittels einer zugehörigen Schaltstufe an die Auswertestufe 304 geleitet wird. Es ist ebenfalls denkbar, dass jedes der Sensorsignale sl, sr (in diesem Ausführungsbeispiel also 5 x sl + 5 x sr) einer eigenen Verstärkerstufe 302a, b zugeführt wird und die Auswertestufe 304 insgesamt 10 Eingänge für die verstärkten Sensorsignale aufweist. Weiterhin sind auch Mischformen der genannten Alternativen möglich.
Wie bereits erwähnt, bilden die einzelnen der Widerstandspaare 281,1281 bzw. 28r, 128r Reihenschaltungen und somit Spannungsteiler. Damit gilt für die Werte der Sensorsignale sl, sr $SL=+U*R128I/ (R28I+R128I)$
$SR=+U*R128r/ (R28r+R128r)$
mit

SL: Spannungswert des Sensorsignals sl gegenüber Masse
SR: Spannungswert des Sensorsignals sr gegenüber Masse
+U: Wert der Spannung +u gegenüber Masse
R128l: Wert des Sensorwiderstands 1281
R28l: Wert des Sensorwiderstands 281
R128r: Wert des Widerstands 128r
R28r: Wert des Widerstands 28r.

Idealerweise - also insbesondere ohne Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen - sind die Sensorwiderstände 281, 28r, 1281, 128r derart gestaltet, dass ihre Werte dann gleich groß sind, wenn sich der Sensorstreifen 9 ohne mechanische Spannungen in einer Ebene (wie beispielswese der x-y-Ebene von 1) befindet. Ein solcher Zustand wird hier auch als Ruhezustand bezeichnet. Dann gilt: $R28l=R128l=R28r=R128r .$
In einem solchen Fall gilt weiterhin $SL= \frac{1}{2} *+U und$
$SR= \frac{1}{2} *+U .$
Wenn der Sensorbereich S aus der x-y-Ebene nach hinten (in -z Richtung) gewölbt wird, werden die vorderseitigen Widerstände 281, 28r gedehnt und die rückseitigen Widerstände 1281, 128r gestaucht. Dabei ist die Wirkung auf die einzelnen Widerstände abhängig von deren Neigungswinkel α sowie von dem Ort und der Richtung der Wölbung. Dies sei kurz mithilfe von 1 erläutert, wobei davon ausgegangen wird, dass der Sensorstreifen 9 gleichmäßig senkrecht zur Längsachse LA nach unten gewölbt wird (also keinen Knick aufweist sondern eher die Form eines halbkreisförmigen Bogens hat) und die Neigungswinkel α einen Wert zwischen Null und 90 Grad haben. Dann ist die Wirkung auf die einzelnen Widerstände umso stärker, je kleiner der Neigungswinkel α ist. Wenn hingegen eine gleichmäßige Wölbung parallel zur Längsachse LA erfolgt, ist die Wirkung auf die einzelnen Widerstände umso stärker, je größer der Neigungswinkel α ist.
Bei einer ungleichmäßigen Wölbung des Sensorbereichs S (Extremfall ist ein Knick), ist die Auswirkung auf einen einzelnen der Widerstände 28, 128 - neben seinem Neigungswinkel α - auch sehr davon abhängig, ob und wie er sich im Bereich der Wölbung befindet.
Wenn der Sensorbereich S aus der x-y-Ebene nach vorne (in z-Richtung) gewölbt wird, werden die vorderseitigen Sensorwiderstände 281, 28r gestaucht und die rückseitigen Sensorwiderstände 1281, 128r werden gedehnt. Wenn der Sensorbereich S in eine Wellenform gebracht wird, werden möglicherweise einzelne der vorderseitigen Sensorwiderstände 281, 28r gestaucht und andere gedehnt.
Wenn eine Verdrehung (Torsion) des Sensorstreifens 9 bzw. von dessen Sensorbereich S erfolgt, treten ebenfalls Widerstandsänderungen auf, die abhängig sind von der Lage des einzelnen Sensorwiderstands 28, 128 sowie von dessen Neigungswinkel a. Wenn beispielsweise der untere Teil des Sensorstreifens 9 - also der Bereich in Richtung der Kontaktstellen 16 - in der Zeichenebene bleibt und dessen oberer Teil im Uhrzeigersinn entsprechend Torsionspfeil TP (1) verdreht wird, werden die linken vorderseitigen Widerstände 28l gedehnt und die linken rückseitigen Widerstände 1281 gestaucht. Auf der rechten Seite hingegen werden die vorderseitigen Widerstände 28r gestaucht und die rückseitigen Widerstände 128r werden gedehnt. Dabei ist das Ausmaß einer solchen Dehnung bzw. Stauchung von dem Neigungswinkel α sowie auch von der Beschaffenheit des Substrats abhängig. Dabei hat sich gezeigt, dass bei einem relativ dünnen Substrat, das im Wesentlichen einer Folie entspricht, sich die Widerstandswerte am meisten ändern, wenn der Neigungswinkel α einen Wert von ca. 45 Grad aufweist. Eine solche Änderung ist natürlich weiter davon abhängig, wie stark die Torsion am Ort des jeweiligen Widerstands ist. Somit lässt sich allgemein sagen: Über den Neigungswinkel α kann das Verhältnis der Empfindlichkeit des Widerstands-Paares auf die Torsion zur Empfindlichkeit des Widerstands-Paares auf die Verbiegung quer zur Längsachse LA eingestellt werden. Durch die Kombination mindestens zweier unterschiedliche gewinkelter Widerstands-Paare lässt sich somit eine Biegerichtung, die nicht quer zur Längsachse LA verläuft, bzw. eine die quer zur Längsachse LA verlaufende Biegung überlagernde Torsion, messen.
Wenn der Sensorbereich S gestreckt wird, hat das ebenfalls Auswirkungen auf die einzelnen Sensorwiderstände. Dabei hängen diese Auswirkungen von der Lage und der Orientierung des einzelnen Widerstands sowie von der Art und Richtung der Streckung ab. Umgekehrte Wirkungen treten auf, wenn der Sensorbereich S gestaucht wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind Widerstände, die sich gegenüber liegen, wie die Widerstandspaare 281, 1281 oder 28r, 128r gleichartig gestaltet. Das bedeutet, sie haben im Wesentlichen die gleiche Geometrie und die gleichen Materialeigenschaften. Das bewirkt, dass eine Streckung des Sensorbereichs S gleiche Auswirkungen auf sich gegenüber-liegende Widerstände hat und daher auch die entsprechenden Werte SL, SR sich idealerweise nicht ändern. Sollten sich jedoch die jeweils gegenüber liegenden Widerstände unterscheiden, ist auch bei einer Streckung eine Änderung von Werten SL, SR möglich.
Anhand der beschriebenen Beispiele wird deutlich, dass die einzelnen Widerstandswerte R28l, R128l, R28r, R128r von der mechanischen Beeinflussung des Sensorstreifens 9 bzw. von dessen Sensorbereich S abhängig sind. Daraus ergibt sich umgekehrt, dass bei Veränderung dieser Widerstandswerte - und damit der zugehörigen Sensorsignal-Werte SL, SR - eine entsprechende mechanische Beeinflussung des Sensorstreifens 9 vorliegt. In der Auswertestufe 304 werden dazu die verstärkten Sensorsignale sl, sr in Abhängigkeit von der Lage und Orientierung der zugehörigen Sensorwiderstände 281, 1281, 28r, 128r anhand eines geeigneten Algorithmus ausgewertet. Dazu enthält die Auswertestufe 304 übliche und dem Fachmann allgemeine Elemente, wie einen Mikroprozessor, einen Analog-Digital- (A/D-) Wandler, Speicherbausteine, usw.
Wie oben beschrieben, sind die Sensorsignale sl, sr jeweils das Ergebnis des Mittenabgriffs bei einem Spannungsteiler mit zwei Widerständen. Es ist ebenfalls möglich, dass statt der absoluten Spannungen jeweils eine Spannungsdifferenz gemessen und weiterverarbeitet wird. Eine solche Spannungsdifferenz lässt sich beispielsweise mittels einer Wheatstoneschen Brücke erzeugen, bei der üblicherweise die für eine solche Spannungsdifferenz benötigte Referenzspannung durch einen geeigneten zweiten Spannungsteiler erzeugt wird. Wenn nun der Wert der ersten Spannung - erzeugt durch einen der Spannungsteiler 28, 128 - im Ruhezustand gleich ist wie der Wert der Referenzspannung, ist die Differenz Null. Wenn bei dem anschließenden Messbetrieb der Sensorbereich S eine mechanische Bewegung derart erfährt, dass sich einer der beiden Widerstände 28, 128 ändert, ändert sich auch der Wert der abgegriffenen Spannung. Diese Spannungsänderung kann allerdings relativ - also im Verhältnis zum absoluten Spannungswert - recht klein sein. Eine derartige Spannungsänderung lässt sich deutlich besser auswerten, wenn nicht die abgegriffene Spannung an sich von der Auswertestufe 304 verarbeitet wird, sondern die mittels der Referenzspannung erzeugte Spannungsdifferenz. Denn deren relative Änderung ist wesentlich größer als die der abgegriffenen Spannung.
Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Auswertestufe A derart gestaltet, dass eine Referenzspannung erzeugt wird, deren Wert genau oder mindestens im Wesentlichen dem Spannungswert entspricht, der sich durch die jeweiligen Spannungsteiler 28, 128 ergibt, wie bevorzugterweise ½ * +U (siehe oben). Innerhalb der Verstärkerstufen 302a, 302b - jedoch vor der eigentlichen Verstärkung - wird die Differenz zwischen dem Sensorsignal sl und der Referenzspannung sowie die Differenz zwischen dem Sensorsignal sr und der Referenzspannung erzeugt. Zur Vermeidung von negativen Spannungen wird nach der Verstärkung jeweils eine Spannung addiert, deren Wert bevorzugterweise ½ * +U (1,5 V) beträgt. Der Wert dieser Spannung wird während der anschließenden Digitalisierung wieder subtrahiert, so dass auch negative digitale Sensorwerte entstehen können und über das Vorzeichen bereits auf die Biegerichtung geschlossen werden kann.
Das Ergebnis der Auswertung der Sensorsignale sl, sr wird mithilfe des Ausgangssignals sa ausgegeben. Dieses kann verschieden gestaltet sein. Bevorzugterweise enthält es die notwendigen Informationen, damit die Anzeigestufe 306, die mit einem zugehörigen Display ausgestattet ist, den Sensorstreifen 9 - genauer gesagt dessen Sensorbereich S grafisch darstellen kann. Dabei ist es auch möglich, dass eine solche Darstellung dynamisch ist, also einen zeitlichen Verlauf aufweist der abhängig ist vom Zeitpunkt der Messung. Dafür kann die Auswertestufe 306 geeignete Speicherbausteine (nicht separat dargestellt) aufweisen, um eine solche dynamische Darstellung aufzuzeichnen und sie später abrufen zu können.
Denkbar ist auch, dass das Ausgangssignal sa und/oder die Anzeigestufe 306 derart gestaltet sind, dass zusätzlich oder statt einer grafischen Anzeige optische, akustische und/oder haptische (Vibrationen oder dergleichen) Warnsignale ausgegeben werden, wenn der Sensorbereich S derart bewegt - beispielsweise gewölbt, verdreht und/oder gestreckt - wird, dass vorgegebene Grenzwerte überschritten werden. Die Kriterien für solche Grenzwerte können sehr verschieden sein. Dabei kann auch berücksichtigt werden, wenn vorgegebene geometrische Werte, deren Verlauf, deren Geschwindigkeit und/oder deren Beschleunigung für eine bestimmte Zeit über- oder unterschritten werden.
Wie erwähnt, kann die Anzeigestufe 306 sehr vielfältig gestaltet sein. Dabei ist es auch denkbar, dass sie außerhalb der Auswerteeinheit A angeordnet ist, und beispielsweise gestaltet ist wie ein PC, ein Tablet-Computer, ein Smartphone oder dergleichen. Dabei ist es auch möglich, dass der Algorithmus zur Auswertung der Sensorsignale sl, sr teilweise oder vollständig auf einem solchen Gerät abläuft.
Die Signalleitung 308 kann als Kabel und/oder kabellos realisiert sein. Das heißt, dass die Auswerteeinheit A bei Bedarf eine Sendestufe aufweist. Diese kann derart gestaltet sein, dass sie Hochfrequenzsignale (beispielsweise Bluetooth, WLAN, usw.), optische Signale, akustische Signale und/oder dergleichen aussenden kann. Das ist besonders dann sehr vorteilhaft, wenn die Anzeigestufe 306 als Smartphone oder Tablet-Computer realisiert ist.
Der erfindungsgemäße Sensorstreifen kann vielfältig verwendet werden, wie beispielsweise für

• den Bereich der Orthopädie
• medizinische Diagnostik
• Smartwatches und andere Wearables
• Life Science

Eine bevorzugte Anwendung im Bereich der Orthopädie betrifft die Vermessung der Wirbelsäule eines Menschen. Dazu wird der Sensorstreifen 9 mittels geeigneter Mittel, wie Pflaster, Klebstoff oder dergleichen am Rücken des betreffenden Menschen angebracht. Es ist ebenfalls denkbar, dass dafür eine Art Kleidungsstück verwendet wird, wie ein T-Shirt, ein Body, eine Weste oder dergleichen, in die und/oder an die der Sensorstreifen 9 angeordnet bzw. integriert ist. Durch einzelne Messungen oder besser noch durch laufende Messungen innerhalb eines bestimmten Zeitraums kann ermittelt werden, wie der Rücken bewegt und wie er gegebenenfalls belastet wird. Dafür hat sich eine besondere Ausführung des erfindungsgemäßen Sensorstreifens besonders bewährt, die im Folgenden als Sensorstreifen 900 anhand der 9 bis 11 beschrieben wird. Dabei zeigt 9 eine Draufsicht auf den gesamten Sensorstreifen 900 und die 10 und 11 zeigen davon Ausschnitte B und C, die in 9 markiert sind. Auch der Sensorstreifen 900 besteht aus einem Substrat (hier nicht gezeigt) mit einer Vorderseite und einer Rückseite. Aufgrund der Draufsicht sind im Wesentlichen die Elemente dargestellt, die sich auf der Substrat-Vorderseite befinden. Elemente, die sich auf der Substrat-Rückseite befinden und von den Elementen der Substrat-Vorderseite verdeckt werden, sind hier nicht erkennbar.
Elemente, die gleich oder gleichartig wie bei dem zuvor beschriebenen Sensorstreifen 9 sind, haben gleiche Bezugszeichen und auf sie wird nur insofern eingegangen, wie es für das Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich scheint. Ergänzend wird auf die vorigen Ausführungen zu dem Sensorstreifen 9 verwiesen.
Der in 9 gezeigte Sensorstreifen 900 weist einen Sensorbereich S auf, der etwa 60 cm lang ist. Dabei ist entlang der Längsachse LA eine vorderseitige Leiterbahn 18 auf der Substrat-Vorderseite 12 vorhanden, an der links 28 Stück Sensorwiderstände 28l und rechts 28 Stück Sensorwiderstände 28r elektrisch angeschlossen sind. Diese sind hier ebenfalls länglich gestaltet mit einer nahezu rechteckigen Form und haben hier alle den gleichen Neigungswinkel a, dessen Wert etwa 30 Grad beträgt. Die linken Sensorwiderstände 28l sind jeweils mit einer der linken Leiterbahnen 26l und die rechten Sensorwiderstände 28r sind jeweils mit einer der rechten Leiterbahnen 26r verbunden.
Die auf der Substrat-Rückseite 14 angeordneten Sensorwiderstände 1281, 128r befinden sich genau (bzw. im Wesentlichen) unterhalb der vorderseitigen Sensorwiderstände 281, 28r und sind daher hier nicht erkennbar. Diese sind analog zu den vorderseitigen Sensorwiderständen 28l, 28r einerseits mit der rückseitigen Versorgungsleiterbahn 120, von der hier nur ein kleiner Ausschnitt oberhalb des Bereichs 52 (s. 11) zu erkennen ist, und andererseits mit rückseitigen Leiterbahnen 126l und 126r, die auf der Substrat-Rückseite 14 gegenüber bzw. unterhalb der linken Leiterbahnen 26l bzw. 26r verlaufen, verbunden.
Das bedeutet, dass bei dem Sensorstreifen 900 für jeden der Sensorwiderstände 28, 128 eine eigene Leiterbahn 26, 126 vorgesehen ist. Das ist also anders als bei dem Sensorstreifen 9, bei dem für jeweils ein Paar von Widerständen 28, 128 zunächst eine der Durchkontaktierungen 200 und danach nur eine der Leiterbahnen 26r, 1261 vorgesehen ist. Die für die Realisierung von Spannungsteilern aus zwei übereinander liegenden Widerständen 28, 128 erforderlichen Durchkontaktierungen 200 befinden sich bei dem Sensorstreifen 900 alle in einem Bereich 902 (s. 11), der sich im Bereich der Kontaktstellen 16 befindet und damit innerhalb des Kontaktbereichs K und somit außerhalb des Sensorbereichs S liegt (s. 9). Durch die Anordnung der Durchkontaktierungen 200 außerhalb des Sensorbereichs S, der bei normalem Messbetrieb üblicherweise gebogen, verdreht und/oder gedehnt wird, wird erreicht, dass der Sensorstreifen 900 sehr robust ist.
Der in den 9 bis 11 dargestellte Sensorstreifen kann gekürzt werden, indem von dem oberen Teil eine gewünschte Länge abgeschnitten wird. Dadurch nimmt zwar die Anzahl der Widerstands-Paare ab, jedoch kann die Sensorstreifen-Länge dem zu untersuchenden Objekt angepasst werden.
Bei einem weiteren hier nicht durch Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass

• die genannten Durchkontaktierungen 200 nahe der einzelnen Widerstands-Paare (Spannungsteiler) 28, 128 angeordnet sind (ähnlich wie bei Sensorstreifen 9), so dass pro Widerstands-Paar nur eine der Leiterbahnen 26, 126 benötigt wird und dass weiterhin
• eine erste Anzahl dieser Widerstands-Paare 28, 128 über vorderseitige Leiterbahnen 26 und die übrigen Widerstands-Paare über rückseitige Leiterbahnen 126 mit den Kontaktstellen 16 verbunden werden.

Das hat den Vorteil, dass ein solcher Sensorstreifen schmaler gestaltet werden kann als der Sensorstreifen 900. Dabei ist allerdings zu berücksichtigen, dass bei einseitigen Kontaktstellen 16 (Folienstecker) zusätzliche Durchkontaktierungen nötig sind.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft und stellen bevorzugte Realisierungen der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass bestimmte Merkmale, die oben nur im Zusammenhang mit einzelnen dieser Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, auch bei den anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden können, sofern es dagegen keine offensichtlichen Einschränkungen gibt.
Außerdem sind vielfältige Variationen und Alternativen der beschriebenen Ausführungen möglich, wie beispielsweise:

- Die Versorgungsspannung +u kann eine Gleichspannung und/oder eine Wechselspannung sein
- Die hier als Widerstände 28, 128 bezeichneten Elemente können auch als Kondensatoren verwendet werden. Dazu sind diese Elemente entsprechend an die Auswerteeinheit anzuschließen und es ist eine passende Wechselspannung anzulegen.

Bezugszeichenliste

9: erster Sensorstreifen
10: Substrat
12: Vorderseite von 10
14: Rückseite von 10
16: Kontaktstellen
18: Leiterbahnen auf 12
20: vorderseitige Versorgungsleiterbahn
22l, 22r: linke bzw. rechte Kontaktpunkte auf 12
24l, 24r: linke bzw. rechte Kontaktpunkte auf 12
25l: Leiterbahnstück auf 12
26l, 26r: linke bzw. rechte Leiterbahnen auf 12
28l, 28r: linke bzw. rechte Sensorwiderstände auf 12
29l: ein Ende von 28l
50: Leiterbahn auf 12
52: Bereich einer Durchkontaktierung von 50 zu 120
120: rückseitige Versorgungsleiterbahn
1221, 122r: linke bzw. rechte Kontaktpunkte auf 14
1241, 124r: linke bzw. rechte Kontaktpunkte auf 14
125r: Leiterbahnstück auf 14
1261: linke Leiterbahnen auf 14
1281, 128r: linke bzw. rechte Sensorwiderstände auf 14
1291: ein Ende von 1281
200: Durchkontaktierungsleiter zwischen 251 und 1261
300: Platinenstecker-Kontakte
302a, b: Verstärkungsstufen
304: Auswertestufe
306: Anzeigestufe
308: Signalleitung
900: zweiter Sensorstreifen
902: Durchkontaktierungs-Bereich
LA: Längsachse von 9 bzw. 900
TP: Torsionspfeil
S: Sensorbereich
K: Kontaktbereich
A: Auswerteeinheit
lal, lar: Längsachse eines linken bzw. rechten Sensorwiderstands
sl, sr: linkes bzw. rechtes Sensorsignal
sa: Ausgangssignal
α: Neigungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008052406 A1 [0003]
WO 2011/032575 A1 [0004]
WO 2016/030752 A1 [0007]

Claims

Sensorstreifen (9; 900) zur Messung von geometrischen Formen, wobei - ein Substrat (10) vorhanden ist - mindestens ein erstes Paar von zwei elektrischen Widerständen (28l, 128l;) vorgesehen sind, wobei der erste davon (281) auf der Vorderseite (12) des Substrats (10) und der andere Widerstand (1281) derart auf der Rückseite (14) des Substrats (10) angeordnet ist, dass er dem ersten Widerstand (28l) im Wesentlichen gegenüber liegt - der erste Anschluss des ersten Widerstands (28l) über eine erste Versorgungsleitung (20) mit dem ersten Pol (+u) einer Versorgungsspannung elektrisch verbunden ist und der erste Anschluss des zweiten Widerstands (1281) über eine zweite Versorgungsleitung (120) mit dem zweiten Pol (Masse) der Versorgungsspannung elektrisch verbunden ist - die zweiten Anschlüsse der beiden Widerstände (28l, 1281) miteinander elektrisch verbunden sind, so dass sie einen Spannungsteiler bilden, dadurch gekennzeichnet, dass für die elektrische Verbindung zwischen den zweiten Anschlüssen der beiden Widerstände (281, 1281) mindestens eine Durchkontaktierung (200) vorgesehen ist, die eine Leiterbahn (251) auf der Vorderseite (12) mit einer Leiterbahn (1261) auf der Rückseite (14) elektrisch verbindet.
Sensorstreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - mindestens ein zweites Paar von zwei elektrischen Widerständen (28r, 128r) vorgesehen ist, wobei der erste davon (28r) auf der Vorderseite (12) des Substrats (10) und der andere Widerstand (128r) derart auf der Rückseite (14) des Substrats (10) angeordnet ist, dass er dem ersten Widerstand (28r) im Wesentlichen gegenüber liegt - der erste Anschluss des ersten Widerstands (28r) über die erste Versorgungsleitung (20) mit dem ersten Pol (+u) der Versorgungsspannung elektrisch verbunden ist und der erste Anschluss des zweiten Widerstands (128r) über die zweite Versorgungsleitung (120) mit dem zweiten Pol (Masse) der Versorgungsspannung elektrisch verbunden ist - die zweiten Anschlüsse der beiden Widerstände (28r, 128r) miteinander elektrisch verbunden sind, so dass sie einen Spannungsteiler bilden - mindestens eins der ersten Widerstands-Paare (281, 1281) und mindestens eins der zweiten Widerstands-Paare (28r, 128r) nebeneinander angeordnet sind.
Sensorstreifen nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Widerstands-Paare (28l, 1281) und/oder die zweiten Widerstands-Paare (28r, 128r) einen Neigungswinkel (α) gegenüber Senkrechten (LA) aufweisen, dessen Wert zwischen Null und 90 Grad liegt.
Sensorstreifen nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der ersten Widerstands-Paare (281, 1281) gleich groß ist wie die Anzahl der zweiten Widerstands-Paare (28r, 128r) und diese spiegelsymmetrisch bezüglich der Senkrechten (LA) zueinander angeordnet sind.
Sensorstreifen nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Versorgungsleitung (20) auf der Vorderseite (12) des Substrats (10) angeordnet ist und zwischen den ersten Widerstands-Paaren (28l, 128l) und den zweiten Widerstands-Paaren (28r, 128r), bevorzugterweise entlang der Senkrechten (LA) verläuft.
Sensorstreifen nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Versorgungsleitung (120) auf der Rückseite (14) des Substrats (10) angeordnet ist und zwischen den ersten Widerstands-Paaren (281, 1281) und den zweiten Widerstands-Paaren (28r, 128r), bevorzugterweise entlang der Senkrechten (LA) verläuft.
Sensorstreifen nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne der Widerstände (28, 128) durch ein Druckverfahren, wie beispielsweise Siebdruck, auf das Substrat (10) aufgebracht werden und dafür bevorzugterweise eine hochohmige Paste verwendet wird.
Sensorstreifen nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne der für die Anschlüsse der Widerstände (28, 128) erforderlichen Anschlussleitungen und/oder mindestens eine der Durchkontaktierungen (200) durch ein Druckverfahren, wie beispielsweise Siebdruck, auf das Substrat (10) aufgebracht werden und dafür bevorzugterweise eine niederohmige Paste verwendet wird.
Sensorstreifen nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen ersten Bereich (S) aufweist, der im Normalbetrieb verformbar ist und in dem die genannten Widerstände (28, 128) angeordnet sind, und einen zweiten Bereich (K) aufweist, der verglichen mit dem ersten Bereich (S) im Normalbetrieb weniger verformbar ist und in dem zumindest einzelne der Durchkontaktierungen (200) angeordnet sind.
Vorrichtung zur Messung von geometrischen Formen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorstreifen (9; 900) nach einem der obigen Ansprüche verwendet wird und dass die Widerstände (28, 128) über geeignete elektrische Verbindungen mit einer Auswerteeinheit (A) verbunden sind, die die Versorgungsspannung (+u, Masse) abgibt und die von den Spannungsteilern (28l, 1281; 28r, 128r) erzeugten Spannungen als Sensorsignale (sl, sr) aufnimmt und ein Ausgangssignal (sa) erzeugt, das ein Maß ist für Widerstandsveränderungen innerhalb der einzelnen Widerstands-Paare.
Vorrichtung nach dem vorigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (A) eine Referenzspannung erzeugt, deren Wert im Wesentlichen dem Wert entspricht, den die die Sensorsignale (sl, sr) bei einem Ruhezustand des Sensorstreifens (9, 900) aufweisen, und eine Differenz bildet aus dem Wert dieser Referenzspannung und dem Wert der gemessenen Sensorsignale (sl, sr).
Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale (sl, sr) zumindest von einzelnen der Widerstands-Paare (28l, 1281; 28r; 128r) nacheinander ausgewertet werden, so dass unter Berücksichtigung von deren Lage innerhalb des Sensorstreifens (9; 900) ein Ausgangssignal (sa) erzeugt wird, dessen Wert ein Maß ist für die geometrische Form des Sensorstreifens (9; 900).
Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich nacheinander Sensorsignale (sl, sr) zumindest einzelner der Widerstands-Paare (28, 128) ausgewertet werden, so dass unter Berücksichtigung von deren Lage innerhalb des Sensorstreifens (9; 900) ein Ausgangssignal (sa) erzeugt wird, dessen Wert ein Maß ist für den Bewegungsablauf der betreffenden Widerstands-Paare (28, 128).
Vorrichtung nach einem der vorigen Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Sendeeinheit aufweist, die in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal (sa) ein Sendesignal aussendet.