DE102020203315A1 - Bauteilintegrierter Kraftsensor mit einer Sensorschicht sowie ein Verfahren zur Qualifizierung der Sensorschicht - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bauteilintegrierten Kraftsensor mit einer Sensorschicht sowie ein Verfahren zur Qualifizierung der Sensorschicht. Um einen bauteilintegrierten Kraftsensor zu schaffen, der einfach aufgebaut ist und zuverlässige Messergebnisse liefert wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Sensorschicht aus einer Dispersion mit einem elektrisch isolierenden Dispersionsmedium und einer elektrisch leitfähigen dispersen Phase aus elektrisch leitenden Partikeln (bzw. Füllstoffen) besteht, die im ausgehärteten Zustand homogen im Dispersionsmedium verteilt sind, wobei die Sensorschicht zumindest mittelbar auf einem Bauteil angeordnet ist und bei einer mechanischen Belastung seinen ohmschen Widerstand ändert, was einen eindeutigen Rückschluss auf die Größe und/oder Orientierung der Belastung erlaubt. Um ein Verfahren zur Qualifizierung der Sensorschicht anzugeben, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine aktive Thermografie der Sensorschicht durchgeführt wird, in dem die elektrisch leitfähigen Partikel der dispersen Phase mittels einer elektrischen Spannung oder induktiv erwärmt werden und eine Thermografieaufnahme der erwärmten Sensorschicht erstellt wird, wobei die Intensitätsverteilung der Thermografieaufnahme einen eindeutigen Rückschluss auf eine hinreichend homogene Verteilung der elektrisch leitfähigen Partikel innerhalb der Sensorschicht erlaubt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen bauteilintegrierten Kraftsensor mit einer Sensorschicht sowie ein Verfahren zur Qualifizierung der Sensorschicht.
• Bauteilintegrierte Kraftsensoren zur Messung von Belastungen der Bauteile sind nach dem Stand der Technik bekannt und werden an unterschiedlichen Bauteilen zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die auf die Bauteile wirkende Belastung permanent und auch während des Betriebs zu überwachen, um beispielsweise frühzeitig einen etwaigen Verschleiß von Bauteilen zu erkennen und etwaige verschleißbedingte Beschädigungen durch den frühzeitigen Austausch der betroffenen Komponenten zu verhindern. Es ist auch bekannt, dass bauteilintegrierte Kraftsensoren mit der Fahrwerkseinstellung eines Fahrzeugs verbunden sind, so dass auch während der Fahrt belastungsabhängige Einstellungen am Fahrwerk vorgenommen werden können.
• Bekannte bauteilintegrierte Kraftsensoren sind jedoch zum Teil nachteilbehaftet, so dass es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen bauteilintegrierten Kraftsensor zu schaffen, der einfach aufgebaut ist und zuverlässige Messergebnisse liefert.
• Diese Aufgabe wird durch den bauteilintegrierten Kraftsensor nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist eine Sensorschicht vorgesehen, die aus einer Dispersion mit einem elektrisch isolierenden Dispersionsmedium und einer elektrisch leitfähigen dispersen Phase aus elektrisch leitenden Partikeln (bzw. Füllstoffen) besteht, die im ausgehärteten Zustand homogen im Dispersionsmedium verteilt sind, wobei die Sensorschicht zumindest mittelbar auf einem Bauteil angeordnet ist und bei einer mechanischen Belastung seinen ohmschen Widerstand ändert, was einen eindeutigen Rückschluss auf die Größe und/oder Orientierung der Belastung erlaubt. Belastungen, die auf das Bauteil wirken, führen unmittelbar dazu, dass ebenfalls die Sensorschicht belastet wird und sich verformt, wodurch sich der mittlere Abstand der homogen in der Sensorschicht verteilten elektrisch leitfähigen Partikel ändert. Bei einer Druckbelastung verringert sich der mittlere Abstand, während sich bei einer Zugbelastung der mittlere Abstand der elektrisch leitfähigen Partikel vergrößert. Hierdurch variiert der ohmsche Widerstand der Sensorschicht, so dass eine Messung des ohmschen Widerstands einen eindeutigen Rückschluss auf die momentane Belastung erlaubt. Erforderlichenfalls ist hierzu eine Kalibrierung der Sensorschicht durchzuführen, denn der ohmsche Widerstand der Sensorschicht hängt auch von der Größe der Sensorschicht, der Dichte der elektrisch leitfähigen Partikel und deren Aufbau ab.
• Der erfindungsgemäße bauteilintegrierte Kraftsensor kann beispielsweise im Rahmen einer Überlasterkennung einer Spurstange, als Torsionsmessung am Stabilisator zur aktiven Regelung des Fahrwerks und/oder zur Gewichtserkennung auf blattgefederten Kleinlastern eingesetzt werden. Die vorgenannten Anwendungsbeispiele sind nur beispielhaft und nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen.
• Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend und in den Unteransprüchen angegeben.
• Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensorschicht mindestens zwei elektrische Kontakte aufweist, über die der belastungsabhängige ohmsche Widerstand durch das Anlegen einer elektrischen Spannung messbar ist. Dabei kann sowohl eine elektrische Gleichspannung als auch eine elektrische Wechselspannung angelegt werden.
• Die bevorzugte Anordnung des bauteilintegrierten Kraftsensors am Bauteil ist im Wesentlichen abhängig von dem Material des Bauteils selbst. Die Sensorschicht ist vorzugsweise unmittelbar auf dem Bauteil aufgebracht, wenn das Bauteil aus elektrisch isolierendem Material besteht, so dass die Messung durch einen Stromfluss über das Bauteil nicht beeinflusst und ggf. verfälscht werden kann. Alternativ ist die Sensorschicht mittelbar über eine Isolationsschicht auf dem Bauteil aufgebracht, wenn das Bauteil aus einem elektrisch leitenden Material besteht, wobei die Isolationsschicht vorzugsweise aus einem Epoxidharz oder einem Acrylat besteht, wobei die Isolationsschicht vorzugsweise mittels einem mehrfachen Tampon-Druck-Verfahren flächig auf das Bauteil aufgetragen bzw. aufgebracht wird. Die Funktionsfähigkeit der applizierten Isolationsschicht kann vorzugsweise über die Messung einer Durchschlagsspannung erfolgen. Erfahrungsgemäß reicht mit den genannten Materialien eine Dicke der Isolationsschicht von 10 µm aus, um eine Durchschlagsspannung von 100 V auszuhalten. Alternativ besteht die Isolationsschicht aus Plasmapolymerschichten, die mittels eines Niederdruckplasmas mit einer Schichtdicke von 4 µm aufgetragen ist. Ebenfalls kann die Isolationsschicht aus einem Acryl bzw. Epoxidharz mit einer Schichtdicke von 40 - 150 µm bestehen, wobei die Isolationsschicht dabei mittels einer Rakel im Siebdruckverfahren aufgebracht ist. Die Aushärtung der zuvor beschriebenen Isolationsschichten erfolgt in der Regel über eine Bestrahlung mit UV-Licht und/oder mittels einer Temperaturbehandlung.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Dispersionsmedium der Sensorschicht ein Gemisch aus einem Epoxidharz und einem Härter ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die elektrisch leitfähigen Partikel der dispersen Phase aus elektrisch leitfähigen Carbon-Nano-Flakes oder aus elektrisch leitfähigen Carbon-Nano-Tubes (CNTs) bestehen, die vorzugsweise in den Härter eingemischt werden. Die hierdurch entstandene Dispersion wird vorzugsweise mittels eines mehrfachen Tampon-Druck-Verfahrens flächig auf die Isolationsschicht oder das Bauteil aufgebracht. Dabei orientiert sich die Schichtdicke an dem geforderten Anfangswiderstand, der bei herkömmlichen Anwendungen ca. 350 Ω beträgt. Bei einer mittleren Leitfähigkeit ist die Sensorschicht ca. 100 µm bis 300 µm dick. Die Aushärtung des Gemisches erfolgt in der Regel über eine Bestrahlung mit UV-Licht und/oder mittels einer Temperaturbehandlung.
• Alternativ zu dem angesprochenen Tampon-Druck-Verfahren kann die Dispersion auch mittels einer Rakel im Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Ferner kann die Sensorschicht auch aus einem anaeroben Acrylklebstoff mit Silberleitpartikeln bestehen, der vorzugsweise mittels einer Nadeldosierung in Mäanderstruktur auf die Isolationsschicht oder das Bauteil aufgebracht wird. Schließlich kann für die Bildung der Sensorschicht auch Konstantantinte verwendet werden, die mittels eines Jet-Dosierverfahren in Mäanderstruktur aufgebracht wird.
• Es wurde bereits erläutert, dass sich die Verteilung der dispersen Phase und mithin der elektrisch leitenden Partikel innerhalb der Dispersion im ausgehärteten Zustand - also innerhalb der Sensorschicht - maßgeblich auf dem ohmschen Widerstand der Sensorschicht auswirkt. Vergleichbare Messergebnisse, die einen eindeutigen Rückschluss auf die bestehende Belastung erlauben, können nur dann erzielt werden, wenn die elektrisch leitfähigen Partikel homogen oder zumindest im Wesentlichen homogen innerhalb der Sensorschicht verteilt sind. Aus dem Stand der Technik sind keine, insbesondere Inline- oder in einer Serienproduktion nutzbare, Verfahren bekannt, wie die homogene Verteilung der Partikel qualifiziert werden kann, um zu entscheiden, ob eine Sensorschicht ein hinreichendes Maß an homogener Verteilung der Partikel aufweist oder ob durch eine Agglomeration der Partikel eine inhomogene Verteilung der Partikel gegeben ist.
• Es ist daher eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Qualifizierung der Sensorschicht anzugeben, insbesondere zur Qualifizierung der Verteilung der elektrisch leitfähigen Partikel innerhalb der Sensorschicht.
• Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 7 gelöst. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass eine aktive Thermografie der Sensorschicht durchgeführt wird, indem die elektrisch leitfähigen Partikel der dispersen Phase mittels einer elektrischen Spannung oder induktiv erwärmt werden und eine Thermografieaufnahme der erwärmten Sensorschicht erstellt wird, wobei die Intensitätsverteilung der Thermografieaufnahme einen eindeutigen Rückschluss auf eine hinreichend homogene Verteilung der elektrisch leitfähigen Partikel innerhalb der Sensorschicht erlaubt. Durch die angelegte oder induzierte elektrische Spannung erwärmen sich widerstandsbedingt nur die elektrisch leitfähigen Partikel innerhalb der Sensorschicht, weil innerhalb des elektrisch isolierenden Dispersionsmediums kein elektrischer Strom fließt, der demzufolge zu keiner widerstandsbedingten Erwärmung des Dispersionsmediums führen kann. Hierdurch entstehen innerhalb der Sensorschicht Wärmeherde, deren Positionen und Intensitäten im Rahmen der Thermografie, insbesondere anhand der Thermografieaufnahme, lokalisiert und gemessen werden können. Im Amplitudenbild der Thermografieaufnahme wird die Strahlungsintensität im IR-Bereich (Wärmestrahlung) ortsabhängig aufgelöst, so dass die Intensitätsverteilung einen unmittelbaren Rückschluss auf die Homogenität der Partikelverteilung innerhalb der Sensorschicht erlaubt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht hierdurch eine Qualifizierung der Sensorschicht mit einfachen Mitteln und in kurzer Zeit, so dass die Qualifizierung inline, d.h. innerhalb des Fertigungsprozesses, erfolgen kann. Es ist daher möglich, noch während des Fertigungsprozesses und mithin inline festzustellen, ob ein gefertigter Sensor anforderungsgemäß ausgestaltet ist und verbaut werden kann, oder anderenfalls aufgrund einer inhomogenen Verteilung der elektrisch leitfähigen Partikel verworfen werden muss.
• Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend und in den diesbezüglichen Unteransprüchen angegeben.
• Es wurde bereits ausgeführt, dass zur Auswertung der Thermografieaufnahme vorzugsweise ein Amplitudenbild erstellt wird, das die Strahlungsintensitäten im IR-Bereich ortsabhängig auflöst. Die gemessenen Strahlungsintensitäten können anschließend ausgewertet werden, wobei sich die Qualifizierung der Sensorschicht aus unterschiedlichen Kriterien ergibt, die einzeln oder gemeinsam erfüllt sein müssen. Im Rahmen eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels ist als erstes Kriterium vorgesehen, dass aus den gemessenen Strahlungsintensitäten ein arithmetischer Mittelwert bestimmt wird und eine hinreichend homogene Verteilung der elektrisch leitfähigen Partikel innerhalb der Sensorschicht gegeben ist, wenn die Strahlungsintensitäten vorgebbare Grenzwerte nicht unter- und/oder überschreiten, wobei die Grenzwerte in Abhängigkeit des arithmetischen Mittelwertes der Strahlungsintensitäten festgelegt werden.
• Konkrete Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
• 1a eine perspektivische Darstellung eines bauteilintegrierten Kraftsensors,
• 1b eine Querschnittsdarstellung des bauteilintegrierten Kraftsensors,
• 2a, b eine erste Thermografieaufnahme eines Kraftsensors und
• 3a, b eine weitere Thermografieaufnahme eines weiteren Kraftsensors.
• 1a zeigt in perspektivischer Ansicht eine konkrete Ausführungsform eines bauteilintegrierten Kraftsensors 1, der eine Sensorschicht 2 und eine Isolationsschicht 3 aufweist. Der Kraftsensor 1 ist auf einem nur teilweise dargestellten Bauteil 4 angeordnet und ist eingerichtet, um belastungsabhängige elektrische Messgrößen auszugeben. Hierzu ist die Sensorschicht 2 mit zwei elektrischen Kontakten 5, 5' verbunden, über die eine elektrische Spannung an der Sensorschicht 2 angelegt werden kann. Die Sensorschicht 2 besteht aus einer ausgehärteten Dispersion mit einem elektrisch isolierenden Dispersionsmedium und einer elektrisch leitfähigen dispersen Phase in Form von elektrisch leitfähigen Partikeln 6, die homogen in der Sensorschicht 2 eingebettet sind. 2b zeigt in der Querschnittsdarstellung A-A die homogene Verteilung der elektrisch leitfähigen Partikel 6 innerhalb der Sensorschicht, wobei die elektrisch leitfähigen Partikel 6 beispielhaft als Carbon-Nano-Tubes (CNTs) dargestellt sind. Durch eine etwaige Belastung der Sensorschicht 2 ändert sich der ohmsche Widerstand der Sensorschicht 2, was sich durch eine Spannungsmessung bei konstantem Strom oder eine Strommessung bei konstanter Spannung mittels des Ohmschen Gesetzes feststellen lässt. Hierdurch können eindeutig die am Bauteil 4 aufgetretenen Belastungen ermittelt werden.
• Die Funktionsfähigkeit des dargestellten Kraftsensors 1 ist davon abhängig, ob die elektrisch leitfähigen Partikel 6 homogen innerhalb der Sensorschicht 2 angeordnet sind, oder ob etwaige Agglomerationen oder Inhomogenitäten vorliegen, die einer anforderungsgemäßen Funktionsweise entgegenstehen. Um den bauteilintegrierten Kraftsensor 1 bzw. dessen Sensorschicht 2 zu qualifizieren, wird eine aktive Thermografie an der Sensorschicht 2 durchgeführt, indem die elektrisch leitfähigen Partikel 6 durch eine angelegte Spannung oder induktiv erwärmt werden. Hierzu können die elektrischen Kontakte 5, 5' verwendet werden, die zur späteren Messung des ohmschen Widerstandes der Sensorschicht 2 vorgesehen sind. Anschließend wird mittels einer (nicht dargestellten) hochauflösenden Wärmebildkamera eine Thermografieaufnahme von der erwärmten Sensorschicht 2 aufgenommen, wie sie beispielhaft in 2a dargestellt ist. In der oberen Hälfte der 2a ist ein Koordinatensystem gezeigt, worin die Intensitätsverteilung der von der Sensorschicht 2 abgegebenen IR-Strahlung ortsabhängig aufgelöst wird. Es ergeben sich unterschiedliche Bereiche mit unterschiedlichen Intensitäten T₁-T₄ , die in der Skala unterhalb des angesprochenen Koordinatensystems abgelesen werden können. Die Skala zeigt einen arithmetischen Mittelwert der Amplitude T_M und die hiervon abhängigen Grenzwerte T_G1 und T_G2 . Es ist erkennbar, dass alle gemessenen Amplituden zwischen den festgelegten Grenzwerten T_G1 und T_G2 liegen, weshalb die dargestellte Sensorschicht 2 die Qualifikationsanforderung erfüllt und als bauteilintegrierter Kraftsensor 1 verwendet werden kann.
• 2b zeigt eine andere Darstellung derselben Sensorschicht 2 und eine Profillinie P₁ , die aus einer Thermografieaufnahme entlang eines beliebigen Pfades abgeleitet werden kann. Das untere Koordinatensystem in 2b zeigt die Amplitudenverteilung entlang dieser Profillinie P₁ und mithin ebenfalls eine Profillinie, die die unteren und oberen Grenzwerte T_G1 und T_G2 nicht überschreitet. Derartige Profillinien können ohne weiteres aus Thermografieaufnahmen abgeleitet werden und sie zeigen unmittelbar, ob festgelegte Grenzwerte überschritten werden oder nicht.
• Das Ausführungsbeispiel in 3a, b zeigt demgegenüber eine Sensorschicht 2', bei deren aktiver Thermografie festgestellt wurde, dass sich ein Wärmeherd mit der Amplitude T₅ gebildet hat, dessen Strahlungsintensität außerhalb der Grenzwerte T_G1 und T_G2 liegt. Die in 3b dargestellte Profillinie P₂ bzw. die Amplitudenverteilung entlang dieser Profillinie P₂ zeigt eindeutig, dass der Grenzwert T_G2 mehrfach überschritten wird, weshalb die Sensorschicht 2' an dieser Stelle keine homogene Verteilung der elektrisch leitfähigen Partikel 6 aufweist. Die betroffene Sensorschicht 2' bzw. der betroffene Kraftsensor 1' ist daher zu verwerfen und kann nicht als bauteilintegrierter Kraftsensor verwendet werden.
• Bezugszeichenliste

1,1'

Kraftsensor

2, 2'

Sensorschicht

3

Isolationsschicht

4

Bauteil

5, 5'

elektrische Kontakte

6

Partikel

P1,2

Profillinien

T1-5

Amplituden

TG1,2

Grenzwerte

TM

Mittelwert der Amplituden

Claims (9)

1. Bauteilintegrierter Kraftsensor mit einer Sensorschicht (2), die aus einer Dispersion mit einem elektrisch isolierenden Dispersionsmedium und einer elektrisch leitfähigen dispersen Phase aus elektrisch leitfähigen Partikel (6) besteht, die im ausgehärteten Zustand homogen im Dispersionsmedium verteilt sind, wobei die Sensorschicht (2) zumindest mittelbar auf einem Bauteil (4) angeordnet ist und bei einer mechanischen Belastung seinen ohmschen Widerstand ändert, was einen eindeutigen Rückschluss auf die Größe und/oder Orientierung der Belastung erlaubt.
2. Bauteilintegrierter Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (2) mindestens zwei elektrische Kontakte (5, 5') aufweist, über die der belastungsabhängige ohmsche Widerstand durch das Anlegen einer elektrischen Spannung messbar ist.
3. Bauteilintegrierter Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (2) unmittelbar auf dem Bauteil (4) aufgebracht ist, das aus elektrisch isolierendem Material besteht.
4. Bauteilintegrierter Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorschicht (2) mittelbar über eine Isolationsschicht (3) auf dem Bauteil aufgebracht ist, wobei die Isolationsschicht (3) vorzugsweise aus einem Epoxidharz oder einem Acrylat besteht.
5. Bauteilintegrierter Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispersionsmedium ein Gemisch aus einem Epoxidharz und einem Härter ist.
6. Bauteilintegrierter Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Partikel (6) der dispersen Phase aus elektrisch leitfähigen Carbon-Nano-Flakes oder Carbon-Nano-Tubes (CNTs) bestehen.
7. Verfahren zur Qualifizierung einer Sensorschicht (2) eines bauteilintegrierten Kraftsensors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mittels einer aktiven Thermografie der Sensorschicht (2), indem a) die elektrisch leitfähigen Partikel (6) der dispersen Phase mittels einer elektrischen Spannung oder induktiv erwärmt werden und b) eine Thermografieaufnahme der erwärmten Sensorschicht (2) erstellt wird, wobei die Intensitätsverteilung der Thermografieaufnahme einen eindeutigen Rückschluss auf eine hinreichend homogene Verteilung der elektrisch leitfähigen Partikel (6) innerhalb der Sensorschicht (2) erlaubt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Thermografieaufnahme ein Amplitudenbild erzeugt wird, das die Strahlungsintensitäten im IR-Bereich ortsabhängig auflöst.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Strahlungsintensitäten ein arithmetischer Mittelwert T_M bestimmt wird und eine hinreichend homogene Verteilung der elektrisch leitfähigen Partikel (6) innerhalb der Sensorschicht (2) gegeben ist, wenn die Strahlungsintensitäten vorgebbare Grenzwerte T_G1,2 nicht unter- und/oder überschreiten, wobei die Grenzwerte T_G1,2 in Abhängigkeit des arithmetischen Mittelwertes T_M der Strahlungsintensitäten festgelegt werden.

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