DE102021210523A1 - Measuring strip arrangement and RFID sensor - Google Patents

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DE102021210523A1 DE102021210523.8A DE102021210523A DE102021210523A1 DE 102021210523 A1 DE102021210523 A1 DE 102021210523A1 DE 102021210523 A DE102021210523 A DE 102021210523A DE 102021210523 A1 DE102021210523 A1 DE 102021210523A1
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Abstract

Um eine Anordnung (11) zum Ermitteln einer Widerstandsänderung in Abhängigkeit einer Deformation der Anordnung (11) mit mindestens einem Isolationsbereich (20) und mindestens einem Leiterbereich (30) zu schaffen, die trotz umfangreicher Deformation zuverlässig eine Widerstandsänderung ermitteln kann, wird vorgeschlagen, den mindestens einen Isolationsbereich (20) als eine Vielzahl von elektrisch isolierenden Plättchen (21) und den mindestens einen Leiterbereich (30) als eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Plättchen (31) auszubilden, welche als ein Verbund ausgestaltet sind und sich zumindest bereichsweise überlappen.In order to create an arrangement (11) for determining a change in resistance as a function of a deformation of the arrangement (11) with at least one insulation area (20) and at least one conductor area (30), which can reliably determine a change in resistance despite extensive deformation, it is proposed that the at least one insulation area (20) as a multiplicity of electrically insulating plates (21) and the at least one conductor area (30) as a multiplicity of electrically conductive plates (31), which are designed as a composite and overlap at least in regions.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ermitteln einer Widerstandsänderung in Abhängigkeit von einer Deformation der Anordnung als Teil einer Leitung sowie einen Sensor mit einer derartigen Anordnung.The invention relates to an arrangement for determining a change in resistance as a function of a deformation of the arrangement as part of a line, and to a sensor with such an arrangement.

Stand der TechnikState of the art

Es sind RFID-Transponder mit Sensoren bekannt, die ohne einen Chip funktionieren, und deren Identifikation allein durch Resonatoren erfolgt, die entsprechend ausgelegt sind, auf die Anregung mit Funkwellen bzw. Anregungswellen in einer derartigen Art und Weise die Anregungswellen zu reflektieren, dass der RFID-Transponder identifiziert werden kann.There are known RFID transponders with sensors that work without a chip, and their identification is done solely by resonators that are designed accordingly to reflect the excitation waves in such a way that the RFID -Transponder can be identified.

Die WO10105517 beschreibt einen derartigen passiven RFID-Transponder ohne eine aktive Elektronik, wie beispielsweise einen Mikroprozessor oder einen aktiven Schaltkreis. Der Transponder weist ein nichtleitendes Isolationssubstrat auf, auf welchem eine leitfähige Kupferschicht angeordnet ist. Die Kupferschicht ist durch einen ringförmigen Spalt unterbrochen, der zum Aussenden von Antwortwellen als Antwortreaktion auf die Anregungswellen eines Lesegeräts dient. Der ringförmige Spalt ist durch eine Vielzahl von Verbindungsstegen unterbrochen. Die Resonanzfrequenz dient als Träger für Identifizierungsinformationen des RFID-Transponders. Wird der Transponder geringfügig gebogen oder deformiert, verändert sich der ringförmige Spalt, sodass die Frequenz oder die Amplitude der emittierten Antwortwellen variiert wird.The WO10105517 describes such a passive RFID transponder without active electronics such as a microprocessor or an active circuit. The transponder has a non-conductive insulating substrate on which a conductive copper layer is arranged. The copper layer is interrupted by an annular gap which serves to emit response waves in response to the excitation waves of a reader. The annular gap is interrupted by a large number of connecting webs. The resonant frequency serves as a carrier for identification information from the RFID transponder. If the transponder is slightly bent or deformed, the annular gap changes, so that the frequency or amplitude of the response waves emitted is varied.

Problematisch an den bekannten RFID-Transpondern und Sensoren ist die geringe Biegbarkeit bzw. Dehnbarkeit der verwendeten Sensoren, die zur Überwachung einer Dehnung passiv über Funkwellen durch das reflektierte Signal ausgelesen werden können. Insbesondere bilden Materialeigenschaften, wie der Elastizitätsmodul und die Steifigkeit, die Grenzen für den Grad der möglichen Biegung und Dehnung der verwendeten Sensoren.A problem with the known RFID transponders and sensors is the low flexibility or stretchability of the sensors used, which can be read passively via radio waves through the reflected signal to monitor stretching. In particular, material properties such as the modulus of elasticity and stiffness form the limits for the degree of possible bending and stretching of the sensors used.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und einen Sensor zu schaffen, die trotz umfangreicher Deformation zuverlässig eine Widerstandsänderung ermitteln können.The invention is based on the object of creating an arrangement and a sensor which, despite extensive deformation, can reliably determine a change in resistance.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 und Anspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by the features specified in claim 1 and claim 7. Further advantageous configurations of the invention are described in the dependent claims.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Anordnung zum Ermitteln von einer Widerstandsänderung in Abhängigkeit von einer Deformation der Anordnung bereitgestellt. Die Anordnung ist vorzugsweise als ein Teil oder als ein Abschnitt von mindestens einer Leitung ausgestaltet. Die Anordnung weist mindestens einen elektrisch isolierenden Isolationsbereich und mindestens einen elektrisch leitfähigen Leiterbereich auf. Der mindestens eine Leiterbereich und der mindestens eine Isolationsbereich sind einander abwechselnd angeordnet. Der mindestens eine Leiterbereich und der mindestens eine Isolationsbereich sind vorzugsweise in zumindest einem Teil der Leitung angeordnet.According to one aspect of the invention, an arrangement for determining a change in resistance as a function of a deformation of the arrangement is provided. The arrangement is preferably designed as a part or as a section of at least one line. The arrangement has at least one electrically insulating insulation area and at least one electrically conductive conductor area. The at least one conductor area and the at least one insulation area are arranged alternately. The at least one conductor area and the at least one insulation area are preferably arranged in at least one part of the line.

Erfindungsgemäß ist der mindestens eine Isolationsbereich als eine Vielzahl von elektrisch isolierenden Plättchen und der mindestens eine Leiterbereich als eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Plättchen ausgestaltet, welche als ein Verbund ausgestaltet sind und sich zumindest bereichsweise überlappen. Hierdurch können sich die elektrisch isolierenden Plättchen zu Isolationsbereichen und die elektrisch leitfähigen Plättchen zu Leiterbereichen anordnen und sich abwechselnd bedecken und eine Anordnung ausbilden, die sensitiv gegenüber Deformationen ist.According to the invention, the at least one insulating region is designed as a large number of electrically insulating plates and the at least one conductor region is designed as a large number of electrically conductive plates, which are designed as a composite and overlap at least in certain areas. As a result, the electrically insulating plates can be arranged to form insulation areas and the electrically conductive plates to form conductor areas and alternately cover one another and form an arrangement that is sensitive to deformation.

Die Anordnung kann eine Vielzahl an unterschiedlichen Leiterbereichen und Isolationsbereichen aufweisen oder eine sogenannte Sandwich-Anordnung ausbilden, bei der ein Leiterbereich beidseitig zumindest teilweise von Isolationsschichten bedeckt ist. Eine Überdeckung bzw. Überlagerung der elektrisch leitfähigen Plättchen und der elektrisch isolierenden Plättchen erfolgt im Wesentlichen bereichsweise bzw. stellenweise.The arrangement can have a large number of different conductor areas and insulation areas or form a so-called sandwich arrangement in which a conductor area is at least partially covered by insulation layers on both sides. The electrically conductive laminae and the electrically insulating laminae are essentially overlapped or superimposed in certain areas or in places.

Die Plättchen aus dem elektrisch isolierenden Material können beispielsweise eine Abmessung von 1 nm in der Dicke und 10 µm lateralem Durchmesser aufweisen. Die gleiche Abmessung können auch die elektrisch leitfähigen Plättchen aufweisen. Diese Plättchen werden in einem Herstellungsschritt miteinander vermischt und dann zu einem Verbund weiterverarbeitet. Dieser Verbund dient dann als Basis für eine Dehnungsmessung, da sich der Widerstand des Verbunds mit der Dehnung stark verändert.The platelets made of the electrically insulating material can, for example, have a thickness of 1 nm and a lateral diameter of 10 μm. The electrically conductive plates can also have the same dimensions. These platelets are mixed together in a manufacturing step and then further processed to form a composite. This composite then serves as the basis for a strain measurement, since the resistance of the composite changes greatly with the strain.

Der mindestens eine Leiterbereich kann vorzugsweise aus Graphen bzw. elektrisch leitfähigen Graphen-Plättchen bestehen. Die Plättchen bilden vorzugsweise eine Matrix aus, die sich im Wesentlichen entlang einer Ebene aneinander anreihen und sich bereichsweise überlappen.The at least one conductor area can preferably consist of graphene or electrically conductive graphene flakes. The platelets preferably form a matrix which is lined up essentially along one plane and overlaps in some areas.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann gedehnt, gebogen, verdreht oder deformiert werden, wobei hierdurch eine Widerstandsänderung des Verbunds entsteht. Durch die genannten Aktionen werden die elektrisch leitfähigen Plättchen entlang einer Ebene des Leiterbereichs und/oder in Vertikalrichtung, d.h. senkrecht zu der Plättchen-Ebene des Verbundes, zumindest bereichsweise gegeneinander verschoben oder voneinander beabstandet. Hierdurch werden elektrische Pfade eines Initialzustands der Anordnung ohne eine Krafteinwirkung oder Deformation verändert. Insbesondere können mögliche elektrische Pfade unterbrochen und die elektrische Leitfähigkeit herabgesetzt werden, wodurch der elektrische Widerstand steigt. Hierbei ist unter einer Deformation eine lineare Deformation in Form von Strecken, Stauchen, Scheren oder Knicken oder eine nicht-lineare Deformation in Form von Verdrehen zu verstehen. Die resultierende Widerstandänderung kann in einer Ebene der Anordnung gemessen werden. The arrangement according to the invention can be stretched, bent, twisted or deformed, this resulting in a change in resistance of the composite. As a result of the actions mentioned, the electrically conductive laminae are displaced relative to one another or spaced apart from one another at least in regions along a plane of the conductor area and/or in the vertical direction, i.e. perpendicular to the lamina plane of the composite. As a result, electrical paths of an initial state of the arrangement are changed without the action of a force or deformation. In particular, possible electrical paths can be interrupted and the electrical conductivity reduced, as a result of which the electrical resistance increases. A deformation is to be understood here as a linear deformation in the form of stretching, compression, shearing or kinking or a non-linear deformation in the form of twisting. The resulting change in resistance can be measured in one plane of the array.

Der Verbund bzw. die Anordnung kann hierzu elektrisch mit einer oder mehreren Messanordnungen verbunden werden, um den elektrischen Widerstand oder die elektrische Leitfähigkeit messen zu können. Die Messanordnung kann hierbei eine aktive oder eine passive Messanordnung sein. Beispielsweise kann die passive Messanordnung aus einer oder mehreren Antennen bestehen, die als Antwortreaktion auf Anregungswellen ebenfalls Funkwellen erzeugt, die abhängig von dem Widerstand zumindest einer Leiterschicht Funkwellen mit einer unterschiedlichen Amplitude erzeugt.For this purpose, the composite or the arrangement can be electrically connected to one or more measuring arrangements in order to be able to measure the electrical resistance or the electrical conductivity. The measuring arrangement can be an active or a passive measuring arrangement. For example, the passive measurement arrangement can consist of one or more antennas, which also generate radio waves as a response to excitation waves, which generate radio waves with a different amplitude depending on the resistance of at least one conductor layer.

Durch die mikroskopische Struktur der Anordnung, die aus einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Plättchen besteht, kann die Anordnung stärker gebogen und/oder gedehnt werden, da die jeweiligen Materialien nicht direkt beansprucht werden. Die elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Plättchen können über die bestehenden Materialgrenzen hinaus relativ zu einander gleiten oder verschoben werden. Hierdurch kann eine derartige Anordnung als Basis für einen Sensor dienen, welcher beispielsweise auf Kleidungsstücken oder Textilien angebracht ist.Due to the microscopic structure of the arrangement, which consists of a large number of electrically conductive and electrically insulating plates, the arrangement can be bent and/or stretched to a greater extent, since the respective materials are not directly stressed. The electrically conductive and electrically insulating plates can slide or be displaced relative to one another beyond the existing material boundaries. As a result, such an arrangement can serve as the basis for a sensor which is attached to items of clothing or textiles, for example.

Ein derartig flexibler Sensor auf Basis von Graphen ermöglicht auch die Erkennung von Biegungen bis über 90° und von Dehnungen bis zu 20%.Such a flexible sensor based on graphs also enables the detection of bends of more than 90° and strains of up to 20%.

Nach einer Ausführungsform weisen die elektrisch isolierenden Plättchen des mindestens einen Isolationsbereiches eine Abmessung auf, die einer Abmessung der elektrisch leitfähigen Plättchen des mindestens einen Leiterbereichs entspricht. Im Verbund der Anordnung liegen alle Plättchen somit in gleicher oder ähnlicher Größenordnung der lateralen Abmessungen vor. Hierdurch kann eine gleichmäßige Biegung und/oder Dehnung ermöglicht werden.According to one embodiment, the electrically insulating plates of the at least one insulation area have a dimension that corresponds to a dimension of the electrically conductive plates of the at least one conductor area. In the assembly of the arrangement, all platelets are thus present in the same or similar order of magnitude of the lateral dimensions. A uniform bending and/or stretching can thereby be made possible.

Die unterschiedlichen Leiterbereiche können auch bei starker Deformation der Anordnung zuverlässig voneinander beabstandet werden, um eine Verteilung der unterschiedlichen Leiterbereiche festzustellen, wenn der mindestens eine Isolationsbereich eine derartige Vielzahl von elektrisch isolierenden Plättchen aufweist, dass zwei Leiterbereiche in einer Vertikalrichtung senkrecht zu einer schichtförmigen Ausdehnung des mindestens einen Isolationsbereichs elektrisch isoliert sind.The different conductor areas can be reliably spaced apart from one another, even if the arrangement is severely deformed, in order to determine a distribution of the different conductor areas if the at least one insulation area has such a large number of electrically insulating plates that two conductor areas extend in a vertical direction perpendicular to a layered extension of the at least an isolation area are electrically isolated.

Das Mischungsverhältnis zwischen den Substanzen der Leiterbereiche und des Isolationsbereichs wird vorzugsweise derart gewählt, dass sich der Verbund aus den Leiterbereichen und den Isolationsbereichen und insbesondere der Verbund aus elektrisch leitfähigen Plättchen und elektrisch isolierenden Plättchen im sogenannten elektrischen Perkolationsbereich befindet, also in dem Bereich der Mengenanteile, der durch den Zustand des vollständigen Isolators bzw. elektrischen Leiters begrenzt wird. Ist die Anordnung im Perkolationsbereich bzw. ist eine sogenannte Perkolationsschwelle überschritten, können sich große, zusammenhängende Cluster aus den isolierenden Plättchen und den leitfähigen Plättchen ausbilden.The mixing ratio between the substances of the conductor areas and the insulation area is preferably selected in such a way that the combination of the conductor areas and the insulation areas and in particular the combination of electrically conductive plates and electrically insulating plates is in the so-called electrical percolation area, i.e. in the area of the proportions which is limited by the condition of the complete insulator or electrical conductor. If the arrangement is in the percolation area or if a so-called percolation threshold is exceeded, large, coherent clusters of the insulating platelets and the conductive platelets can form.

Nach einer weiteren Ausführungsform weist ein Material des mindestens einen Isolationsbereichs einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, welcher im Wesentlichen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Materials des mindestens einen Leiterbereichs entspricht. Das nicht leitfähige Material in der Anordnung liegt somit in seiner Wärmeausdehnung sehr nahe an der lateralen Wärmeausdehnung von Graphen. Dadurch wird vermieden, dass die durch die Dehnung induzierte Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit durch eine temperaturinduzierte Veränderung der Leitfähigkeit überlagert wird. Die Messungen basierend auf der Anordnung können somit präziser und mit einer geringeren Abhängigkeit von der Temperatur durchgeführt werden.According to a further embodiment, a material of the at least one insulation region has a thermal expansion coefficient which essentially corresponds to a thermal expansion coefficient of a material of the at least one conductor region. The thermal expansion of the non-conductive material in the arrangement is therefore very close to the lateral thermal expansion of graphene. This avoids the change in electrical conductivity induced by the strain being superimposed by a temperature-induced change in conductivity. The measurements based on the arrangement can thus be carried out more precisely and with less dependency on the temperature.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Abweichung des Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht mehr als ± 8·10-6K-1. Die folgende Tabelle veranschaulicht beispielhaft Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) von unterschiedlichen Materialien im Vergleich zu Graphen. WAK Monolayer Bilayer Trilayer BN -3.58±0.18 -2.55±0.28 -1.67±0.20 Graphene -21.4±3.7 -10.9±2.5 -8.7±1.7 MoS2 64.9±7.5 36.0±4.7 18.2±2.5 WS2 152.1±13.8 22.6±2.0 13.1±1.0 In a particularly preferred embodiment, the deviation in the coefficient of thermal expansion is no more than ±8*10 -6 K -1 . The following table illustrates an example of the coefficients of thermal expansion (CTE) of different materials compared to graphene. WAK monolayer bilayer trilayer B.N -3.58±0.18 -2.55±0.28 -1.67±0.20 graphene -21.4±3.7 -10.9±2.5 -8.7±1.7 MoS2 64.9±7.5 36.0±4.7 18.2±2.5 WS2 152.1±13.8 22.6±2.0 13.1±1.0

Aus der beispielhaften und nicht vollständigen Tabelle ist ersichtlich, dass insbesondere Bornitrid (BN) als Material für die Plättchen der Isolationsschicht optimal geeignet ist.From the exemplary and non-exhaustive table, it can be seen that boron nitride (BN) in particular is optimally suited as a material for the platelets of the insulation layer.

Die Anordnung kann für die Messung von einer Dehnung oder Deformation verwendet werden, wenn die elektrisch leitfähigen Plättchen des Leiterbereichs dazu eingerichtet sind, bei einer Deformation der Anordnung aneinander und/oder voneinander zu gleiten und eine Änderung eines elektrischen Widerstands des mindestens einen elektrisch leitfähigen Leiterbereichs zu verursachen.The arrangement can be used to measure a strain or deformation if the electrically conductive plates of the conductor area are set up to slide against one another and/or from one another when the arrangement is deformed and to cause a change in an electrical resistance of the at least one electrically conductive conductor area cause.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine Leiterbereich als eine Matrix ausgestaltet, in welche der mindestens eine Isolationsbereich eingebettet ist.According to a further exemplary embodiment, the at least one conductor area is designed as a matrix in which the at least one insulation area is embedded.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung besteht der Verbund aus elektrisch leitenden Graphen-Plättchen als Matrix und elektrisch nichtleitenden Plättchen, die in die Matrix eingebettet sind. Solche nichtleitenden Plättchen können beispielsweise Graphenoxid, Bornitrid, Molybdänsulfid, Wolframdisulfid, Schichtsilikate oder MXenen bzw. Mischungen daraus sein. Sie weisen insbesondere im Verbund einen Anteil von 5-30 Vol.% und insbesondere von 5-10 Vol.% auf.According to a further advantageous embodiment, the composite consists of electrically conductive graphene flakes as a matrix and electrically non-conductive flakes that are embedded in the matrix. Such non-conductive platelets can be, for example, graphene oxide, boron nitride, molybdenum sulfide, tungsten disulfide, phyllosilicates or MXenes or mixtures thereof. In particular, they have a proportion of 5-30% by volume and in particular of 5-10% by volume in the composite.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Sensor, insbesondere ein RFID-Sensor, bereitgestellt. Der Sensor weist mindestens einen als eine Antenne ausgestalteten Leiter oder einen mit mindestens einer Antenne verbundenen Leiter zum Empfangen einer Anregungsenergie und mindestens eine zumindest bereichsweise mit dem Leiter elektrisch verbundene oder in den Leiter integrierte Anordnung auf.According to a further aspect of the invention, a sensor, in particular an RFID sensor, is provided. The sensor has at least one conductor configured as an antenna or a conductor connected to at least one antenna for receiving excitation energy and at least one arrangement which is electrically connected at least in regions to the conductor or is integrated in the conductor.

Die Anordnung des Sensors kann somit durch ein Bereitstellen von Anregungsenergie, beispielsweise in Form einer Anregungswelle eines RFID-Transponders, derart mit elektrischer Energie versorgt werden, dass eine direkte oder indirekte Messung einer Dehnung oder Deformation der Anordnung möglich ist.The arrangement of the sensor can thus be supplied with electrical energy by providing excitation energy, for example in the form of an excitation wave of an RFID transponder, in such a way that a direct or indirect measurement of a strain or deformation of the arrangement is possible.

Die Anordnung kann direkt auf den Sensor bzw. ein Trägersubstrat des Sensors gedruckt werden und somit besonders kompakt in den Sensor integriert werden.The arrangement can be printed directly on the sensor or a carrier substrate of the sensor and can thus be integrated into the sensor in a particularly compact manner.

Bei einer Ausführungsform ist die mindestens eine Anordnung als ein Messstreifen ausgestaltet. Bevorzugterweise ist der Messstreifen dazu eingerichtet, eine Dehnung, einen Knick- oder Biegewinkel, einen Drehwinkel und/oder eine Deformation basierend auf einer Widerstandsänderung des Messstreifens zu indizieren. Hierdurch kann die Anordnung besonders vielseitig als ein bzw. in einem Sensor verwendet werden.In one embodiment, the at least one arrangement is designed as a measuring strip. The measuring strip is preferably set up to indicate an elongation, a buckling or bending angle, a rotation angle and/or a deformation based on a change in resistance of the measuring strip. As a result, the arrangement can be used in a particularly versatile manner as or in a sensor.

Der Sensor kann technisch besonders einfach ausgestaltet sein, wenn die mindestens eine Anordnung in Reihe mit der mindestens einen Antenne elektrisch verbunden und als ein Bestandteil der Antenne ausgebildet ist. Die Antenne ist dazu eingerichtet, eine Anregungsenergie zu empfangen und eine Antwortreaktion in Form von erzeugten Wellen zu senden. Die Amplitude der erzeugten Wellen kann durch einen steigenden Widerstand reduziert und durch einen sinkenden Widerstand erhöht werden. Somit kann die Anordnung, beispielsweise in Abhängigkeit von einer Dehnung, einen steigenden elektrischen Widerstand erzeugen, der die resultierenden Wellen der Antenne modifiziert. Somit kann beispielsweise eine Dehnung, ein Abknicken oder ein Verdrehen einer Struktur der Anordnung berührungslos überwacht werden.Technically, the sensor can be designed in a particularly simple manner if the at least one arrangement is electrically connected in series with the at least one antenna and is designed as a component part of the antenna. The antenna is configured to receive excitation energy and transmit a response in the form of generated waves. The amplitude of the generated waves can be reduced by increasing resistance and increased by decreasing resistance. The arrangement can thus generate an increasing electrical resistance, for example as a function of a strain, which modifies the resulting waves of the antenna. Thus, for example, an elongation, a buckling or a twisting of a structure of the arrangement can be monitored without contact.

Nachstehend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 a,b schematische Schnittdarstellungen der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß einer Ausführungsform in einem Initialzustand und einem gedehnten Zustand, und
  • 2 ein schematisches Schaltbild eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Several exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:
  • 1a,b schematic sectional views of the arrangement according to an embodiment in an initial state and a stretched state, and
  • 2 a schematic circuit diagram of a sensor according to an embodiment of the invention.

In der 1a und 1b sind schematische Schnittdarstellungen der erfindungsgemäßen Anordnung 11 gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Die 1a zeigt die Anordnung 11 in einem Initialzustand, bei dem keine äußere Kraft auf die Anordnung 11 wirkt. In der 1b ist die Anordnung 11 in einem gedehnten Zustand dargestellt.In the 1a and 1b Schematic sectional views of the arrangement 11 according to the invention are shown according to one embodiment. The 1a shows the arrangement 11 in an initial state in which no external force acts on the arrangement 11. In the 1b the assembly 11 is shown in a stretched state.

Die Anordnung 11 dient zum Ermitteln einer Widerstandsänderung in Abhängigkeit einer Deformation der Anordnung 11, die in Form einer Dehnung in der 1b veranschaulicht ist. Die Anordnung 11 weist mindestens einen Isolationsbereich 20 und mindestens einen Leiterbereich 30 auf. Der mindestens eine Leiterbereich 30 und der mindestens eine Isolationsbereich 20 wechseln sich ab und ermöglichen somit ein Ausbilden von mehreren voneinander in Vertikalrichtung V beabstandeten Leiterbereichen 30. In der 1a und der 1b sind die möglichen Strompfade S entlang der beispielhaft gezeigten Leiterbereiche 30 illustriert.The arrangement 11 is used to determine a change in resistance as a function of a deformation of the arrangement 11 in the form of a strain in the 1b is illustrated. The arrangement 11 has at least one insulation area 20 and at least one conductor area 30 . The at least one conductor region 30 and the at least one insulation region 20 alternate and thus enable the formation of a plurality of conductor regions 30 spaced apart from one another in the vertical direction V 1a and the 1b the possible current paths S along the conductor regions 30 shown as an example are illustrated.

Die Leiterbereiche 30 bestehen aus einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Plättchen 31. Das Material für die elektrisch leitfähigen Plättchen 31 ist Graphen. Der mindestens eine Isolationsbereich 20 weist eine Vielzahl von elektrisch isolierenden Plättchen 21 auf. Die elektrisch leitfähigen Plättchen 31 und die isolierenden Plättchen 21 weisen im Wesentlichen die gleichen Abmessungen auf und können zumindest bereichsweise aneinander gleiten oder voneinander in Vertikalrichtung beabstandet werden, wenn eine äußere Krafteinrichtung K vorliegt. Die elektrisch isolierenden Plättchen 21 können beispielsweise aus Bornitrid bestehen.The conductor areas 30 consist of a multiplicity of electrically conductive plates 31. The material for the electrically conductive plates 31 is graphene. The at least one insulation area 20 has a multiplicity of electrically insulating plates 21 . The electrically conductive laminae 31 and the insulating laminae 21 have essentially the same dimensions and can at least partially slide on one another or be spaced apart from one another in the vertical direction when an external force device K is present. The electrically insulating plates 21 can consist of boron nitride, for example.

Die elektrisch leitfähigen Plättchen 31 und die isolierenden Plättchen 21 bilden gemeinsam einen Verbund aus.The electrically conductive plates 31 and the insulating plates 21 together form a composite.

Wird die Anordnung 11 durch eine Krafteinwirkung K gestreckt bzw. gedehnt, so verschieben sich die elektrisch isolierenden Plättchen 21 und die elektrisch leitfähigen Plättchen 31 relativ zueinander. Die entsprechenden Kontaktflächen zwischen den elektrisch leitfähigen Plättchen 31 werden hierdurch verringert oder unterbrochen. Die aufgrund der Krafteinwirkung K unterbrochenen Strompfade S sind schematisch durch ein „X“ veranschaulicht. Das Detail A veranschaulicht die reduzierte Kontaktfläche zwischen zwei elektrisch leitfähigen Plättchen 31. If the arrangement 11 is stretched or stretched by a force K, the electrically insulating plates 21 and the electrically conductive plates 31 move relative to one another. The corresponding contact areas between the electrically conductive plates 31 are thereby reduced or interrupted. The current paths S that are interrupted due to the action of force K are illustrated schematically by an “X”. Detail A illustrates the reduced contact area between two electrically conductive plates 31.

Gleichzeitig verhindern die isolierenden Plättchen 21 der Isolationsbereiche 20 für einen signifikanten Anteil der durch die Dehnung unterbrochenen Leitpfade bzw. Strompfade S in Richtung einer Ebene der elektrisch leitfähigen Plättchen 31 einen alternativen Pfad, welcher senkrecht zur Ebene der elektrisch leitfähigen Plättchen 31, d.h. in Vertikalrichtung V, deren Querleitfähigkeit ausnutzen würde. Dadurch wird in hohem Maße die Sensitivität zum Detektieren einer Dehnung erhöht.At the same time, the insulating plates 21 of the insulation regions 20 prevent an alternative path for a significant proportion of the conductive paths or current paths S interrupted by the expansion in the direction of a plane of the electrically conductive plates 31, which path is perpendicular to the plane of the electrically conductive plates 31, i.e. in the vertical direction V , whose transverse conductivity would be exploited. This greatly increases the sensitivity for detecting a strain.

Aufgrund der Reduzierung der Kontaktflächen und der teilweisen Unterbrechung X zwischen den elektrisch leitfähigen Plättchen 31 entsteht ein erhöhter elektrischer Widerstand. Analog hierzu weist die Anordnung 11 im Initialzustand einen verringerten elektrischen Widerstand auf. Dieses Prinzip kann zum Messen einer Dehnung oder Deformation der Anordnung 11 verwendet werden.Due to the reduction in the contact areas and the partial interruption X between the electrically conductive plates 31, an increased electrical resistance arises. Analogous to this, the arrangement 11 has a reduced electrical resistance in the initial state. This principle can be used to measure a strain or deformation of the assembly 11 .

In der 2 ist ein schematisches Schaltbild eines Sensors 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Sensor 100 dient beispielsweise zur Bestimmung einer Dehnung der Anordnung 11. Die Anordnung 11 ist gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Teil einer Leitung 12 in Form eines Dehnmessstreifens ausgestaltet. Die Leitung 12 kann mit einer Antenne 110 des Sensors 100 elektrisch leitfähig verbunden oder als Teil der Antenne 110 des Sensors 100 ausgebildet sein.In the 2 1 is a schematic circuit diagram of a sensor 100 according to an embodiment of the invention. The sensor 100 is used, for example, to determine an elongation of the arrangement 11. According to the exemplary embodiment shown, the arrangement 11 is designed as part of a line 12 in the form of a strain gauge. The line 12 can be electrically conductively connected to an antenna 110 of the sensor 100 or can be designed as part of the antenna 110 of the sensor 100 .

Der Sensor 100 ist als ein RFID-Sensor ausgestaltet und kann bei Bedarf durch Beaufschlagen der Antenne 110 mit einer Anregungsenergie ausgelesen werden, da die Antenne 110 eine Rückmeldung in Form von erzeugten Wellen generiert. Die Anregungsenergie kann in Form eines Funksignals bereitgestellt werden. Im Ersatzschaltbild sind die Antenne 110 in Form eines Strahlungswiderstands Rs und die Anordnung 11 in Form eines Verlustwiderstands RD dargestellt. Neben der Anordnung 11 bzw. dem Dehnmessstreifen weist der verbleibende Rest der Leitung 12 ebenfalls einen Verlustwiderstand RV auf. Darüber hinaus ist eine Induktivität I, 111 und ein Kondensator 112, C zum Erzeugen eines sogenannten LC-Glieds vorgesehen, durch welches eine Antwortreaktion auf die Anregungswelle generiert wird.The sensor 100 is designed as an RFID sensor and can be read, if required, by applying an excitation energy to the antenna 110, since the antenna 110 generates feedback in the form of generated waves. The excitation energy can be provided in the form of a radio signal. The equivalent circuit diagram shows the antenna 110 in the form of a radiation resistance Rs and the arrangement 11 in the form of a loss resistance R D . In addition to the arrangement 11 or the strain gauge, the remainder of the line 12 also has a loss resistance R V . In addition, an inductor I, 111 and a capacitor 112, C are provided to produce a so-called LC element, which generates a response to the excitation wave.

Der Verlustwiderstand RD besteht somit aus einem Verbund aus Graphen bzw. den elektrisch leitfähigen Plättchen 31 und einem plättchenförmigen nichtleitenden Material bzw. den isolierenden Plättchen 21 der Anordnung 11. Der elektrische Widerstand der Anordnung 11 ist dadurch von seiner Dehnung abhängig. Wird die Anordnung 11 als Teil einer passiven Antenne 110 eingesetzt, fungiert dieser Teil als Sensor zum Detektieren einer Dehnung und kann als Teil der Antenne 110 über Funkwellen ausgelesen werden, da ein erhöhter Widerstand eine Reduzierung der Amplitude des reflektierten Signals bzw. der Antwortreaktion bewirkt. Dadurch kann z.B. eine Dehnung, ein Abknicken oder ein Verdrehen der Anordnung 11 berührungslos überwacht werden.The loss resistance R D thus consists of a composite of graphene or the electrically conductive plates 31 and a plate-shaped non-conductive material or the insulating plates 21 of the arrangement 11. The electrical resistance of the arrangement 11 is therefore dependent on its expansion. If the arrangement 11 is used as part of a passive antenna 110, this part functions as a sensor for detecting strain and can be read out via radio waves as part of the antenna 110, since an increased resistance causes a reduction in the amplitude of the reflected signal or response. As a result, for example, stretching, buckling or twisting of the arrangement 11 can be monitored without contact.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 10105517 [0003]WO 10105517 [0003]

Claims (9)

Anordnung (11) zum Ermitteln einer Widerstandsänderung in Abhängigkeit einer Deformation der Anordnung (11), insbesondere als Teil einer Leitung (12), aufweisend mindestens einen Isolationsbereich (20) und mindestens einen Leiterbereich (30), wobei der mindestens eine Leiterbereich (30) und der mindestens eine Isolationsbereich (20) abwechselnd, insbesondere in zumindest einem Teil der Leitung (12), angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Isolationsbereich (20) als eine Vielzahl von elektrisch isolierenden Plättchen (21) und der mindestens eine Leiterbereich (30) als eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Plättchen (31) ausgestaltet sind, welche als ein Verbund ausgestaltet sind und sich zumindest bereichsweise überlappen.Arrangement (11) for determining a change in resistance as a function of a deformation of the arrangement (11), in particular as part of a line (12), having at least one insulation area (20) and at least one conductor area (30), the at least one conductor area (30) and the at least one insulation area (20) are arranged alternately, in particular in at least part of the line (12), characterized in that the at least one insulation area (20) as a multiplicity of electrically insulating plates (21) and the at least one conductor area (30) are designed as a multiplicity of electrically conductive plates (31), which are designed as a composite and overlap at least in certain areas. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die elektrisch isolierenden Plättchen (21) des mindestens einen Isolationsbereichs (20) eine Abmessung aufweisen, die einer Abmessung der elektrisch leitfähigen Plättchen (31) des mindestens einen Leiterbereichs (30) entspricht.arrangement according to claim 1 , wherein the electrically insulating platelets (21) of the at least one insulation area (20) have a dimension which corresponds to a dimension of the electrically conductive platelets (31) of the at least one conductor area (30). Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Isolationsbereich (20) eine derartige Vielzahl von elektrisch isolierenden Plättchen (21) aufweist, dass zwei Leiterbereiche (30) in einer Vertikalrichtung (V) senkrecht zur Plättchenebene durch mindestens einen Isolationsbereich (20) voneinander elektrisch isoliert sind.arrangement according to claim 1 or 2 , wherein the at least one insulation area (20) has such a large number of electrically insulating plates (21) that two conductor areas (30) are electrically insulated from one another in a vertical direction (V) perpendicular to the plate plane by at least one insulation area (20). Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Material des Isolationsbereichs (20) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, welcher im Wesentlichen einem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Materials des mindestens einen Leiterbereichs (30) entspricht.Arrangement according to one of Claims 1 until 3 , wherein a material of the insulation region (20) has a thermal expansion coefficient which essentially corresponds to a thermal expansion coefficient of a material of the at least one conductor region (30). Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektrisch leitfähigen Plättchen (31) des mindestens einen Leiterbereichs (30) dazu eingerichtet sind, bei einer Deformation der Anordnung (11) zumindest bereichsweise aneinander vorbei und/oder voneinander zu gleiten und eine Änderung eines elektrischen Widerstands des mindestens einen Leiterbereichs (30) zu verursachen.Arrangement according to one of Claims 1 until 4 , wherein the electrically conductive plates (31) of the at least one conductor area (30) are set up to slide past and/or apart from one another at least in regions when the arrangement (11) is deformed and a change in an electrical resistance of the at least one conductor area (30 ) to cause. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der mindestens eine Leiterbereich (30) als eine Matrix ausgestaltet ist, in welche der mindestens eine Isolationsbereich (20) eingebettet ist.Arrangement according to one of Claims 1 until 5 , wherein the at least one conductor region (30) is designed as a matrix in which the at least one insulation region (20) is embedded. Sensor (100), insbesondere ein RFID-Sensor, aufweisend mindestens einen als eine Antenne (110) ausgestalteten oder mit einer Antenne (110) verbundenen Leiter (12) zum Empfangen einer Anregungsenergie und aufweisend mindestens eine zumindest bereichsweise mit dem mindestens einen Leiter (12) elektrisch verbundene oder in den Leiter (12) integrierte Anordnung (11) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.Sensor (100), in particular an RFID sensor, having at least one conductor (12) designed as an antenna (110) or connected to an antenna (110) for receiving excitation energy and having at least one conductor (12 ) Electrically connected or in the conductor (12) integrated arrangement (11) according to any one of the preceding claims. Sensor nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine Anordnung (11) als ein Messstreifen ausgestaltet ist, wobei der Messstreifen dazu eingerichtet ist, eine Dehnung, einen Knick- oder Biegewinkel, einen Drehwinkel und/oder eine Deformation basierend auf einer Widerstandsänderung des Messstreifens zu indizieren.sensor after claim 7 , wherein the at least one arrangement (11) is designed as a measuring strip, wherein the measuring strip is set up to indicate a strain, a kink or bending angle, a rotation angle and/or a deformation based on a change in resistance of the measuring strip. Sensor nach Anspruch 7 oder 8, wobei die mindestens eine Anordnung (11), insbesondere der mindestens eine Leiterbereich (30) der Anordnung (11) in Reihe mit mindestens einem Leiterabschnitt (10) elektrisch verbunden ist und den Leiter (12) als einen Bestandteil des Sensors (100) ausbildet.sensor after claim 7 or 8th , wherein the at least one arrangement (11), in particular the at least one conductor area (30) of the arrangement (11) is electrically connected in series with at least one conductor section (10) and forms the conductor (12) as a component of the sensor (100). .
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