DE112015003270T5

DE112015003270T5 - Schaum-Drucksensor

Info

Publication number: DE112015003270T5
Application number: DE112015003270.3T
Authority: DE
Inventors: Aniruddha Shere; Karl Sprentall
Original assignee: Rogers Corp
Current assignee: Rogers Corp
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2017-04-06
Also published as: TWI677670B; WO2016010894A1; KR20170029539A; CN106662492A; US10378983B2; GB2542731A; CN106662492B; TW201606276A; GB201700880D0; US20170199095A1; GB2542731B

Abstract

Ein Drucksensor, aufweisend eine erste Platte, eine zweite Platte und einen Schaum, der zwischen der ersten und zweiten Platte angeordnet ist. Der Schaum ist ein Polyurethanschaum mit einer durchschnittlichen Zellgröße von etwa 50 bis 250 µm und einer Dichte von etwa 5 bis 30 lbs/ft3.

Description

HINTERGRUND
Diese Erfindung betrifft Drucksensoren und im Besonderen einen kapazitiven Schaum-Drucksensor und Systeme, die solche Sensoren aufweisen.
Es gibt verschiedene Methoden, durch welche Druck detektiert werden kann. Eine Methode ist die Verwendung eines Drucksensors. Drucksensoren werden für die Regelung und die Überwachung in Tausenden von Alltagsanwendungen verwendet. Drucksensoren können auch verwendet werden, um indirekt andere Variablen, wie Fluid-/Gasströmung, Geschwindigkeit, Wasserstände und Höhen zu messen. Drucksensoren können alternativ auch als Druckgeber, Drucktransmitter, Drucksender, Druckindikator, Piezometer und Manometer, unter anderen Namen, bezeichnet werden.
Die Verwendungen für Drucksensoren sind vielfältig. Beispielsweise kann ein Drucksensor sowohl zum Messen von Aufprallkräften als auch von anhaltenden Drücken verwendet werden. Diese Verwendungen sind lediglich Beispiele und andere können vorgesehen sein.
ZUSAMMENASSUNG
Leitende Elektroden sind auf jeder Seite einer Schaumplatte angeordnet. Durch Messung der parallelen Plattenkapazität der zwei Elektroden kann der Anteil bestimmt werden, bis zu dem der Schaum komprimiert wurde. Durch Verwendung verschiedener leitender Materialien oder gedruckten elektronischen Mustern, können fortgeschrittenere Sensoren hergestellt werden.
In einer Ausführungsform ist ein Drucksensor offenbart, der eine erste Platte, eine zweite Platte und einen Schaum zwischen der ersten und der zweiten Platte aufweist. Der Schaum ist ein Polyurethan-Schaum mit einer durchschnittlichen Zellgröße von etwa 50 bis 250 µm und einer Dichte von zwischen 5 und 30 lbs/ft³.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Drucksensor offenbart, der eine erste Platte, eine zweite Platte und einen Schaum, angeordnet zwischen der ersten und der zweiten Platte, aufweist. Der Drucksensor weist auch eine Leitbeschichtung aus einer piezoelektrischen Folie auf, die auf einer Oberfläche einer der ersten oder zweiten Platte angeordnet ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, ist insbesondere ausgezeichnet und speziell beansprucht in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung. Die vorbezeichneten und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden erkennbar durch die folgende detaillierte Beschreibung, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird, wobei:
1A und 1B zeigen ein Beispiel eines Schaumkondensators;
2 zeigt einen Schaltkreis zum Auslesen der Kapazität eines Schaumkondensators;
3 zeigt eine Beispielantwort eines komprimierten und eines nichtkomprimierten Schaumkondensators in einem Schaltkreis gemäß 2;
4 zeigt einen Schaumkondensator in Kombination mit einem piezoelektrischen Sensor; und
5 zeigt einen Schaltkreis zum Auslesen der Kombination nach 5.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Drucksensor beschrieben. Der Drucksensor kann ein alleinstehender Sensor sein oder kann als Teil eines Systems genutzt werden, das einen Drucksensor aufweist. Der beschriebene Drucksensor weist in einer Ausführungsform die Form auf, in der zwei leitende Elektroden in Form von Platten mittels eines Schaummaterials voneinander beabstandet werden. Sobald Druck auf eine oder beide der Platten ausgeübt wird, wird der Schaum komprimiert. Die Veränderung des Abstands zwischen den Platten bewirkt eine Veränderung der Kapazität des Sensors. Diese Veränderung bezieht sich auf die Höhe des ausgeübten Drucks.
Der beschriebene Sensor kann in vielen verschiedenen Zusammenhängen genutzt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: Aufprallsensoren für Helme; Abnutzungssensoren für Helme und Schuhwaren; Detektion von Passagieren für Massenbeförderung; und Kraftfahrzeugsitze – fähig, zwischen Personen und Gepäck für Gurtsensoren zu unterscheiden.
1A und 1B zeigen ein Beispiel eines Drucksensors, ausgestaltet als ein Kondensator 100, der gemäß einer ersten Ausführungsform ausgestaltet ist. Der Kondensator beinhaltet eine erste Elektrode 102 und eine zweite Elektrode 104. In einer Ausführungsform ist jede Elektrode eine Platte, die einen Fläche A aufweist. Die Elektroden sind voneinander, in der gezeigten Ausführungsform, mittels eines Schaummaterials (Schaum) 106 beabstandet.
Der Begriff "Schaum" oder "Schäume", wie er hier benutzt wird, bezieht sich auf ein Polymermaterial mit einer zellartigen Struktur, wobei die Zellen offen (netzartig) oder geschlossen sein können. Die Eigenschaften des Schaums (z. B. Dichte, Elastizitätsmodul, Kompressionskraftauslenkung, Zugfestigkeit, Reißfestigkeit, usw.) können durch Veränderung der Komponenten der reaktiven Bestandteile variiert werden, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die Schäume sind weich und können Dichten von weniger als 65 Pfund pro Kubikfuß (pcf), insbesondere weniger als oder gleich 55 pcf (881 kg/m³), weiter bevorzugt nicht mehr als 25 pcf (400 kg/m³) ein Hohlraumvolumenanteil von 20 bis 99%, bevorzugt 30 bis 80%, bezogen auf das gesamte Volumen des Polymerschaums, aufweisen. In einigen Ausführungsformen hat der Schaum eine Dichte von 5 bis 30 Pfund pro Kubikfuß (lb/ft³) (80 bis 481 kg/m³), eine 25% Kompressionskraftauslenkung (Compression Force Deflection – CFD) 0,5 bis 20 lb/in² (0,3 bis 1,41 kg/m²), und eine Druckverformung bei 70°F (21°C) von weniger als 10%, insbesondere weniger als 5%. Wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird ein Polymerschaum aus einer Ausgangszusammensetzung hergestellt, die vor oder begleitend während des Schäumens vermischt wird.
Eine große Vielfalt von Polymeren kann genutzt werden, einschließlich verschiedene thermoplastische Thermoplaste oder aushärtbare Harze. Beispiele solcher Polymere, die verwendet werden können, beinhalten Polyacetale, Polyacryle, Styrene-Acrylonitrile (SAN), Polyolefine, Acrylonitril-Butadien-Styrene (ABS), Polycarbonate, Polystyrene, Polyester, wie beispielsweise Polyethylen Terephtalate und Polybutylen Terephtalate, Polyamide, wie beispielsweise Nylon 6, Nylon 6,6, Nylon 6,10, Nylon 6,12, Nylon 11 oder Nylon 12, Polyamidimide, Polyarylate, Polyurethane, Ethylen Propylen Gummis (EPR), Polyurethane, Epoxide, Phenolharze, Silikone und ähnliche, oder eine Kombination, welche wenigstens eins der Vorgenannten beinhaltet.
In einigen Ausführungsformen ist der Schaum ein Polyurethan oder ein Silikonschaum. Offenzellige mit geringem Elastizitätsmodul angelegte Polyurethanschäume werden bevorzugt, basierend auf ihrer vorteilhaften Kompressionskraftauslenkung, Druckverformung sowie ihrer guten Abnutzungseigenschaften. Die Polyurethanschäume können eine durchschnittliche Zellengröße von etwa 50 bis 250 µm (wie diese entsprechend dem Standard ASTM D 3574-95 gemessen werden) eine Dichte von zwischen etwa 5 bis 30 lbs/ft³, bevorzugt 6 bis 25 lbs/ft³, eine Druckverformung von weniger als etwa 10% und eine Kraftauslenkung von zwischen etwa 1 bis 9 psi (7 bis 63 kPa). Solche Materialien werden bezeichnet, beispielsweise unter dem Markennamen PORON durch die Rogers Corporation, Woodstock, Conn. PORON Schäume wurden definiert, um einen hervorragenden Bereich von Eigenschaften zu liefern, einschließlich einem ausgezeichneten Druckverformungswiderstand. Schäume mit einem solchen Druckverformungswiderstand können eine Abfederung zur Verfügung stellen und behalten ihre ursprüngliche Form oder Dicke unter Belastung über verlängerte Zeiträume.
Die Kapazität des Kondensators 100 basiert auf der Beabstandung der Platten 102, 104. Diese Beabstandung ist als Dimension D₁ in 1a und Dimension D₂ in 1B dargestellt. Wie dargestellt ist D₁ größer als D₂.
Die allgemein gültige Form der Gleichung, die die Kapazität eines Kondensators definiert, kann geschrieben werden als: C = ε(A/D) (1) wobei ε die dielektrische Leitfähigkeit des Materials zwischen den Platten (in diesem Fall, des Schaums) ist, A ist die Fläche der Platten und D ist der Abstand zwischen den Platten.
Berücksichtigt man, dass D₁ größer ist als D₂, so ist die Kapazität des Kondensators in 1A kleiner als die Kapazität des Kondensators in 1B. Natürlich kann jeder dieser Verbindungen 110/112 aufweisen, die mit den Platten 102/104 verbunden sind, um es zu ermöglichen, den Kondensator 100 mit einem Schaltkreis zu verbinden.
2 zeigt einen einfachen Schaltkreis 200, in dem der Kondensator 100 aus 1A/B verwendet werden kann. Der Schaltkreis beinhaltet eine Stromquelle 202. In einer Ausführungsform kann die Stromquelle 202 einen Strom mit wechselnden Frequenzen liefern oder mit einer bestimmten Frequenz. Der Schaltkreis 202 kann ebenso einen Widerstand 204 und den Kondensator 100 aufweisen. Der Widerstand 204 kann ein wirklicher Widerstand sein oder er repräsentiert den Widerstand des Schaltkreises. Die Kombination aus dem Widerstand 204 und dem Kondensator 100 wird einen Tiefpassfilter bilden mit einer Grenzfrequenz, die durch die Werte von R und C definiert wird, und die indirekt proportional zu C ist. Folglich, sobald C abnimmt, steigt die Grenzfrequenz und vice versa. Aus obigem ergibt sich, dass wenn der Abstand zwischen den Platten abnimmt, die Kapazität ansteigt. Demnach ist die Beziehung zwischen der Grenzfrequenz und dem Abstand prinzipiell ein proportionaler Zusammenhang. Das erlaubt es, den Kondensator 100 als Drucksensor zu verwenden. Somit steigt die Kapazität, sobald der Druck steigt.
Genauer gesagt, kann die Grenzfrequenz generell wie folgt beschrieben werden: f_c = 1 / 2πRC (2)
Ersetzt man C mit obigem ergibt sich: f_c = D / 2πRAε (3)
Das wird weiter in 3 gezeigt, in der die Frequenz gegenüber der Verstärkung (in dB) aufgezeichnet ist. Die erste Kurve 302 zeigt eine Beispielantwort des Schaltkreises 200, wenn der Schaum 106 überhaupt nicht komprimiert ist. Die zweite Kurve 304 zeigt eine Beispielantwort des Schaltkreises 200, wenn der Schaum 106 vollständig komprimiert ist. Die Grenzfrequenz f_{c-uncompressed} ist größer als Grenzfrequenz f_c-compressed, was heißt, dass die Kapazität ansteigt, sobald D abnimmt. Da D sich auf den Schaum bezieht, verringert sich D, sobald sich der Druck erhöht. Demnach steigt die Kapazität sobald sich der Druck erhöht.
Wenn die Grenzfrequenz abnimmt, bei jeder Frequenz oberhalb dieser Grenzfrequenz (beispielsweise illustriert durch Kurve 310), wird die Differenz (gezeigt als Δ) zwischen dem Ausgangssignal (beispielsweise V_out in 3) sich auf die Größe beziehen, mit der der Schaum komprimiert wird. Das heißt, Δ kann als relative Messung des Drucks (oder zumindest als Annäherung davon) dienen.
Es versteht sich, dass der Schaltkreis 2022 ebenfalls eine optionale Induktivität 206 aufweisen kann. Während die genaue mathematische Darstellung anders sein kann als die oben beschriebene, wird in einem solchen Fall der Wert von Δ erneut proportional zum Druck sein. In Benutzung, muss die Verstärkung nicht unbedingt als Maßstab für Δ genutzt werden. Beispielsweise Spannung oder Strom kann genutzt werden.
In einer Ausführungsform kann ein Analog-Digital Wandler eine gemessene Spannung/Strom an V_out konvertieren und über die Zeit abtasten. Basierend auf den abgetasteten Werten und den Zeiten einer Messung, wird die Zeit aufgezeichnet, sobald ein vorbestimmter Abfall in der Messung auftritt (beispielsweise 3 dB oder ein anderes Δ). Die Zeit wird zur Frequenz korrespondieren und somit zur Kapazität des Drucksensors 100, der oben beschrieben wurde.
In einer Ausführungsform können komplexere Sensoren geformt werden, in dem Reihen gedruckt werden, so dass eine Vielzahl von Kondensatoren auf einem bestimmten Abschnitt des Schaums geformt und gemessen werden können.
In einer anderen Ausführungsform und wie in 4 gezeigt, kann der Schaumkondensator 100 einen piezoelektrischen Sensor 402 beinhalten, der auf einer der Platten 102/104 angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist der piezoelektrische Sensor 402 aus einer Leitbeschichtung aus piezoelektrischer Folie geformt, die auf einer Oberfläche einer der ersten oder zweiten Platte des Kondensators 100 angeordnet ist. In einer Ausführungsform ist der piezoelektrische Sensor/Folie 402 derart konfiguriert, dass er eine Bandbreite (wie sie durch die Messung/Sensorkapazität RC Zeitkonstante definiert ist) größer (beispielsweise geringerer RC) als der Schaum-Drucksensor 100 aufweist. In einer Ausführungsform ist die RC Zeitkonstante eine Zehnerpotenz größer als die des Schaum-Drucksensors 100.
In einem solchen Fall kann der Schaltkreis gemäß 5 verwendet werden, in dem der Sensor 402 und der Schaumkondensator 100 parallel geschaltet sind. Ein Analog-Digital Wandler 502 misst die Antwort des Sensors 402 in bekannter Weise und der kapazitive Sensor 504 kann, wie oben beschrieben, mit Bezug auf den Schaltkreis 200, der in 2 gezeigt ist, operieren. In 5 ist die Druckleitbeschichtung aus piezoelektrischer Folie zwischen dem Analog-Digital Wandler 502 und Erde geschaltet und der Schaumkondensator ist zwischen dem kapazitiven Sensor 504 und Erde geschaltet.
Die Konfiguration, wie sie in den 4 und 5 gezeigt ist, kann einen Hybridsensor zur Verfügung stellen, der einen Aufprallsensor mit großer Bandbreite und einen Drucksensor mit niedrigerer Bandbreite aufweisen. Das würde es ermöglichen, die Größe und die Dauer der Einwirkung (Druck, Aufprall) zu messen.
Die Einzahlform "ein", "ein" und "der"/"die"/"das" beinhalten Bezugnahmen auf den Plural, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt. Die Endpunkte aller Bereiche, die sich auf die gleiche Charakteristik oder Komponente beziehen, sind unabhängig miteinander kombinierbar und beinhalten den zitierten Endpunkt. Alle Bezugnahmen werden hiermit durch Bezugnahme inkorporiert. Soweit hier und durchwegs, "angeordnet", "kontaktiert" und Varianten davon benutzt werden, bezieht sich dies auf den vollständigen oder teilweisen physischen Kontakt zwischen den entsprechenden Materialien, Substraten, Schichten, Folien usw. Weiterhin beziehen sich die Bezeichnungen "erste", "zweite" usw. nicht auf eine Ordnung, Anzahl oder Wichtigkeit, sondern werden lediglich genutzt, um ein Element von dem anderen zu unterscheiden.
Während typische Ausführungsformen zum Zwecke der Illustration beschrieben wurden, sollte die vorbezeichnete Beschreibung nicht im Sinne einer Limitierung des Schutzbereichs verstanden werden. Dementsprechend versteht der Fachmann verschiedene Modifikationen, Anpassungen und Alternativen ohne weiteres und ohne vom Sinn und Schutzbereich wie hier abzuweichen.

Claims

Ein Drucksensor aufweisend: eine erste Platte; eine zweite Platte; und einen Schaum zwischen der ersten und zweiten Platte angeordnet, wobei der Schaum ein Polyurethanschaum ist, der eine durchschnittliche Zellengröße von etwa 50 bis 250 µm und eine Dichte von zwischen 5 und 30 lbs/ft³ aufweist.
Der Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Schaum eine Dichte von zwischen 6 und 25 lbs/ft³ hat.
Der Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Schaum eine Druckverformung von weniger als etwa 10% aufweist.
Der Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Schaum eine Kraftauslenkung von zwischen etwa 1 bis 9 psi (7 bis 63 kPa) hat.
Der Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Platten metallisch sind.
Ein Drucksensor aufweisend: eine erste Platte; eine zweite Platte; ein Schaum, der zwischen der ersten und zweiten Platte angeordnet ist; und eine Leitbeschichtung aus piezoelektrischer Folie, die auf einer Oberfläche von einer der ersten oder zweiten Platte angeordnet ist.
Der Drucksensor nach Anspruch 6, wobei der Schaum eine Dichte von zwischen 6 und 25 lbs/ft³ aufweist.
Der Drucksensor nach Anspruch 6, wobei der Schaum eine Druckverformung von weniger als etwa 10% aufweist.
Der Drucksensor nach Anspruch 6, wobei der Schaum eine Kraftauslenkung von zwischen etwa 1 bis 9 psi (7 bis 63 kPa) hat.
Der Drucksensor nach Anspruch 6, wobei die Platten metallisch sind.
Der Drucksensor nach Anspruch 6, wobei der Schaum ein Polyurethanschaum ist, der eine durchschnittliche Zellgröße von etwa 50 bis 250µm und eine Dichte von zwischen 5 bis 30 lbs/ft³ aufweist.
Der Drucksensor nach Anspruch 6, wobei die Leitbeschichtung aus piezoelektrischer Folie konfiguriert ist, eine Bandbreite zu haben, die größer ist als die Bandbreite einer Kombination aus der ersten Platte, der zweiten Platte und dem Schaum.
Der Drucksensor nach Anspruch 6, wobei die erste Platte, die zweite Platte und der Schaum einen Schaumkondensator bilden und wobei der Schaumkondensator und die Leitbeschichtung aus piezoelektrischer Folie derart miteinander verbunden sind, dass eine Erde zwischen Ihnen angeordnet ist.
Der Drucksensor nach Anspruch 13, wobei die Leitbeschichtung aus piezoelektrischer Folie verbunden ist zwischen einem Analog-Digital Wandler und der Erde.
Der Drucksensor nach Anspruch 13, wobei der Schaumkondensator verbunden ist zwischen einem kapazitiven Sensor und der Erde.