DE112018001090T5

DE112018001090T5 - Geschichtete Sensorvorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE112018001090T5
Application number: DE112018001090.2T
Authority: DE
Inventors: Karl E. SPRENTALL; Trevor Polidore; Robert Mone; Michael Lunt; William Kwan
Original assignee: Rogers Corp
Current assignee: Rogers Corp
Priority date: 2017-03-01
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2019-11-28
Also published as: US20180254405A1; KR20190122247A; CN110418947B; TW201841111A; JP7058278B2; US11737366B2; KR102590814B1; GB2573949B; TWI779013B; CN110418947A; GB201911974D0; WO2018160524A1; GB2573949A; JP2020510830A

Abstract

Die Sensorvorrichtung umfasst eine erste Vielzahl von Schichten mit einer oberen Schicht, einer unteren Schicht und mindestens einer Zwischenschicht, wobei die mindestens eine Zwischenschicht eine elektrische Leiterschicht aufweist, wobei jeweils die obere Schicht, die untere Schicht und die mindestens eine Zwischenschicht in direktem Kontakt mit einer jeweiligen benachbarten Schicht angeordnet sind. Eine zweite Vielzahl von Schichten ist in direktem Kontakt mit der ersten Vielzahl von Schichten angeordnet, so dass die untere Schicht der zweiten Vielzahl von Schichten in direktem Kontakt mit der oberen Schicht der ersten Vielzahl von Schichten angeordnet ist. Die erste und zweite Vielzahl von Schichten erzeugen eine piezoelektrische Spannung ohne externe Stromerzeugungsvorrichtung und als Reaktion auf eine Verformung und die erste und zweite Vielzahl von Schichten erzeugen eine Änderung der Kapazität als Reaktion auf eine Verformung

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Sensorvorrichtung, insbesondere auf einen geschichteten Sensor, und insbesondere auf einen geschichteten Schaumsensor.
Weiche flexible Sensoren sind in einer zunehmenden Anzahl von Anwendungen nützlich, wie z.B. IoT-Geräten (Internet der Dinge), tragbaren Gegenständen (wie z.B. Helmen), Bekleidung und medizinischen Geräten, um nur einige zu nennen. Bestehende konforme Sensoren beinhalten gepackte Keramik und Materialien auf Basis von Polyvinylidenfluorid (PVDF). Ein Beispiel für einen flexiblen kapazitiven Sensor ist in U.S. Patent Nr. 7,301,351 beschrieben. Ein exemplarischer elastomerer Verbundwerkstoff, der eine piezoelektrische Reaktion erzeugen kann und in einer Dehnungsmessstreifenanwendung nützlich ist, ist in US-Patent Nr. 8,984,954 beschrieben. Ein Beispiel für einen triboelektrischen Generator ist in US-Patent Nr. 9,178,446 beschrieben. Während bestehende Materialien und Sensoren aus diesen Materialien für ihren Verwendungszweck geeignet sein können, würde die Technik, die sich auf weiche flexible Sensoren bezieht, mit einem weichen flexiblen Sensor weiterentwickelt werden, der eine doppelte Abtastung mit linearen Abtasteigenschaften vorsieht.
Diese Hintergrundinformationen sind vorgesehen, um Informationen zu enthüllen, von denen die Antragstellerin annimmt, dass sie für die vorliegende Erfindung von möglicher Bedeutung sind. Ein Eingeständnis ist weder unbedingt beabsichtigt noch sollte angenommen werden, dass eine der vorstehenden Informationen einen Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Erfindung darstellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform beinhaltet eine Sensorvorrichtung eine erste aus einer Vielzahl von Schichten mit einer oberen Schicht, einer unteren Schicht und mindestens einer Zwischenschicht, wobei die mindestens eine Zwischenschicht eine elektrische Leiterschicht aufweist, wobei jeweils die obere Schicht, die untere Schicht und die mindestens eine Zwischenschicht in direktem Kontakt mit einer jeweiligen benachbarten Schicht angeordnet sind. Eine zweite Vielzahl von Schichten ist in direktem Kontakt mit der ersten Vielzahl von Schichten angeordnet, so dass die untere Schicht der zweiten Vielzahl von Schichten in direktem Kontakt mit der oberen Schicht der ersten Vielzahl von Schichten angeordnet ist. Die erste und zweite Vielzahl von Schichten erzeugen eine piezoelektrische Spannung ohne externe Stromerzeugungsvorrichtung und als Reaktion auf eine Verformung und die erste und zweite Vielzahl von Schichten erzeugen eine Änderung der Kapazität als Reaktion auf eine Verformung.
In einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung der vorgenannten Sensorvorrichtung: Aufbringen einer Elastomerschaum-A-Schicht auf ein metallbeschichtetes Substrat, das eine Elastomer-B-Schicht umfasst, um einen Schichtaufbau zu bilden, wobei der metallbeschichtete Abschnitt des metallbeschichteten Substrats zwischen der Elastomerschaum-A-Schicht und der Elastomer-B-Schicht angeordnet ist, wobei die Elastomer-Schaum-A-Schicht einen ersten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe aufweist, wobei die Elastomer-B-Schicht einen zweiten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe aufweist; Aufbringen eines zweiten metallbeschichteten Substrats auf den Schichtaufbau und Aufbringen einer zweiten der Elastomerschaum-A-Schicht auf den metallbeschichteten Abschnitt des zweiten metallbeschichteten Substrats, um eine Vielzahl an Schichtaufbauten zu bilden; und Härten der Vielzahl des Schichtaufbauts.
In einer Ausführungsform beinhaltet ein anderes Verfahren zur Herstellung der vorgenannten Sensorvorrichtung: Aufbringen einer Elastomerschaum-A-Schicht auf ein metallbeschichtetes Substrat, das eine Elastomer-B-Schicht umfasst, um einen Schichtaufbau zu bilden, wobei der metallbeschichtete Abschnitt des metallbeschichteten Substrats zwischen der Elastomerschaum-A-Schicht und der Elastomer-B-Schicht angeordnet ist, wobei die Elastomer-Schaum-A-Schicht einen ersten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe aufweist, wobei die Elastomer-B-Schicht einen zweiten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe aufweist; Härten des Schichtaufbaus, um einen gehärteten Schichtaufbau zu bilden und einen ersten gehärteten Schichtaufbaus bereitzustellen; und Befestigen eines zweiten gehärteten Schichtaufbaus auf dem ersten gehärteten Schichtaufbau, wobei der erste und zweite gehärtete Schichtaufbau identisch gereihte Schichten aufweisen.
Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
Figurenliste
Unter Bezugnahme auf die exemplarischen, nicht einschränkenden Zeichnungen, in denen gleichartige Elemente in den beigefügten Figuren gleich nummeriert sind:

1 stellt in einer Seitenansicht im Querschnitt einen Schichtaufbau gemäß einer Ausführungsform dar;
2 stellt in einer Seitenansicht im Querschnitt eine Vielzahl der Schichtaufbauten von 1 gemäß einer Ausführungsform dar;
3 stellt in einer Seitenansicht im Querschnitt einen anderen Schichtaufbau gemäß einer Ausführungsform dar;
4 stellt in einer Seitenansicht im Querschnitt eine Vielzahl der Schichtaufbauten von 3 gemäß einer Ausführungsform dar;
5 stellt ein Diagramm dar, das das piezoelektrische Ausgangssignal von getesteten Ausführungsformen einer Vielzahl von Schichtaufbauten ähnlich der in 4 dargestellten Ausführungsform vergleicht, jedoch mit einer alternativen Anzahl von Schichtaufbauten gemäß einer Ausführungsform;
6 stellt in perspektivischer Ansicht eine zweischichtige Anordnung dar, die für die in 2 dargestellten Schichtaufbauten repräsentativ ist, oder alternativ Schichtaufbauten gemäß einer Ausführungsform wie in 4 dargestellt;
7 stellt in perspektivischer Ansicht eine dreischichtige Anordnung dar, die für die in 2 dargestellten Schichtaufbauten repräsentativ ist, oder alternativ Schichtaufbauten, wie sie in 4 dargestellt sind, gemäß einer Ausführungsform; und
8 stellt eine Vielzahl von Schichtaufbauten 801 dar, die den in den 2, 4, 6 und 7 dargestellten ähnlich sind, aber einen ersten Schichtaufbau, wie in 1 dargestellt, in einer abwechselnden Anordnung mit einem zweiten Schichtaufbau, wie in 2 dargestellt, gemäß einer Ausführungsform aufweisen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Obwohl die folgende ausführliche Beschreibung viele Besonderheiten zur Veranschaulichung enthält, wird jeder Durchschnittsfachmann verstehen, dass viele Variationen und Änderungen der folgenden Details im Umfang der Ansprüche liegen. Dementsprechend werden die folgenden exemplarischen Ausführungsformen ohne Verlust an Allgemeingültigkeit und ohne Einschränkung der beanspruchten Erfindung dargelegt.
Eine Ausführungsform, wie sie durch die verschiedenen Figuren und den dazugehörigen Text dargestellt und beschrieben wird, sieht eine geschichtete Schaumsensorvorrichtung mit zwei Abtastmodi vor; einem piezoelektrischen Abtastmodus und einem kapazitiven Abtastmodus. Der piezoelektrische Abtastmodus (d.h. piezoelektrischer Sensor) wird über einen triboelektrischen Effekt zwischen benachbarten Schichten eines Metalls und eines Elastomers erreicht, und der kapazitive Abtastmodus (d.h. kapazitiver Sensor) wird über einen Parallelplattenkondensator erreicht, der die gleichen Metallschichten und Elastomerschicht des piezoelektrischen Sensors verwendet. Während die hierin beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen eine bestimmte Anzahl von Schichtaufbauten als Beispiel für eine geschichtete Schaumsensorvorrichtung darstellen, ist zu beachten, dass die offenbarte Erfindung nicht so begrenzt ist und eine beliebige Anzahl von Schichtaufbauten umfasst, die für einen hierin offenbarten Zweck geeignet sind.
1 stellt eine Ausführungsform eines Schichtaufbaus 100 mit einer Vielzahl von Schichten dar, wie beispielsweise einer oberen Schicht 102, einer unteren Schicht 104 und mindestens einer Zwischenschicht 106. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist eine Schicht der mindestens einen Zwischenschicht 106 eine elektrische Leiterschicht. Jede der oberen Schicht 102, der unteren Schicht 104 und der elektrischen Leiterschicht 106 ist in direktem engen Kontakt mit einer jeweils benachbarten Schicht angeordnet. Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „in direktem engen Kontakt“ in direktem physischen Kontakt mit einem gewissen Grad an physikalischer Bindung an der jeweiligen Grenzfläche, so dass der resultierende Aufbau in der Lage ist, in der hierin beschriebenen Weise zu arbeiten.
2 stellt vier der in 1 dargestellten Schichtaufbauten 100 dar, die hierin durch die Bezugszeichen 100.1, 100.2, 100.3 und 100.4 bezeichnet und gemeinsam mit dem Bezugszeichen 101 angegeben sind, wobei jeder Schichtaufbau 100.1, 100.2, 100.3, 100.4 die gleiche Reihenfolge und Anordnung von Schichten 102, 106 und 104 aufweist, in der Reihenfolge von oben nach unten, wie der in 1 dargestellte Schichtaufbau 100. Das heißt, ein zweiter Schichtaufbau 100.2 ist in direktem engen Kontakt mit einem ersten Schichtaufbau 100.1 angeordnet, so dass die untere Schicht 104.2 des zweiten Schichtaufbaus 100.2 in direktem engen Kontakt mit der oberen Schicht 102.1 des ersten Schichtaufbaus 100.1 angeordnet ist. Die gleiche Reihenfolge und Anordnung von Schichten 102, 106 und 104 wird für den dritten Schichtaufbau 100.3 in Bezug auf den zweiten Schichtaufbau 100.2 und für den vierten Schichtaufbau 100.4 in Bezug auf den dritten Schichtaufbau 100.3 wiederholt. Während die Anzahl der in 1 dargestellten Schichtaufbauten 100 eins und in 2 vier ist, davon auszugehen, dass der Umfang der Erfindung nicht darauf begrenzt ist und eine beliebige Anzahl von Schichtaufbauten umfasst, die für einen hier offenbarten Zweck geeignet sind. Das heißt, die Vielzahl der in 2 dargestellten Schichtaufbauten 101 ist für zwei, drei, vier oder mehr Schichtaufbauten 100 repräsentativ, die in einer hierin offenbarten Weise angeordnet sind.
In den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen ist die obere Schicht 102 eines gegebenen Schichtaufbaus 100 eine erste Elastomerschaumschicht mit einem ersten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe und die untere Schicht 104 des gegebenen Schichtaufbaus 100 ist eine zweite Elastomerschicht mit einem zweiten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe. Durch Verwendung von Elastomerschichten 102, 104, zwischen welchen eine elektrische Zwischenleiterschicht 106 liegt, und durch Verwendung von mindestens zwei Schichtaufbauten 100.1, 100.2 in einer übereinander gereihten Anordnung, wie in 2 dargestellt, erzeugen die beiden Schichtaufbauten eine piezoelektrische Spannung ohne eine externe Stromerzeugungsvorrichtung und als Reaktion auf eine Verformung in einer hier in der Folge beschriebenen Weise und erzeugen eine Kapazitätsänderung als Reaktion auf eine Verformung in einer hier in der Folge beschriebenen Weise. In einer Ausführungsform weisen die ersten und zweiten Elastomerschichten 102, 104 eine Nennwert der triboelektrischen Reihe auf, der ausreicht, um einen triboelektrischen Effekt zu erzeugen, der für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist, wenn sie neben einem geeigneten Metall, wie hierin offenbart, geschichtet sind.
In den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen können die untere Schicht 104 und die Zwischenschicht 106 in Form eines einseitig metallbeschichteten Substrats vorgesehen sein, wobei das Substrat ein Elastomer und in einer Ausführungsform Polyethylenterephthalat (PET) ist. Die kombinierte Form der unteren Schicht 104 und der Zwischenschicht 106 wird in der Technik als einseitig metallbeschichteter PET-Film bezeichnet.
Es wird nun auf die 3 und 4 verwiesen, die ähnliche Ausführungsformen wie die in 1 bzw. 2 dargestellten darstellen, jedoch mit einem Unterschied, der nun beschrieben wird.
3 stellt eine weitere Ausführungsform eines Schichtaufbaus 200 mit einer Vielzahl von Schichten dar, wie beispielsweise einer oberen Schicht 202, einer unteren Schicht 204 und mindestens einer Zwischenschicht 206. In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist die obere Schicht 202 eine erste Elastomerschaumschicht mit einem ersten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe, die mindestens eine Zwischenschicht 206 beinhaltet eine erste elektrische Leiterschicht 207 und eine zweite Elastomerschicht 208 mit einem zweiten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe, und die untere Schicht 204 ist eine zweite elektrische Leiterschicht. Jede der oberen ersten Elastomerschaumschicht 202, der ersten elektrischen Leiterschicht 207, der zweiten Elastomerschicht 208 und der unteren zweiten elektrischen Leiterschicht 204 ist in direktem engen Kontakt mit einer entsprechenden benachbarten Schicht angeordnet. Wie dargestellt, sind die obere erste Elastomerschaumschicht 202 und die erste elektrische Leiterschicht 207 in direktem engen Kontakt miteinander angeordnet, die zweite Elastomerschicht 208 ist in direktem engen Kontakt mit der ersten elektrischen Leiterschicht 207 an einer Seite gegenüber jener der oberen ersten Elastomerschaumschicht 202 angeordnet und die untere zweite elektrische Leiterschicht 204 ist in direktem engen Kontakt mit der zweiten Elastomerschicht 208 an einer Seite gegenüber jener der ersten elektrischen Leiterschicht 207 angeordnet. In einer Ausführungsform weisen die ersten und zweiten Elastomerschichten 202, 208 einen Nennwert einer triboelektrischen Reihe auf, der ausreicht, um einen triboelektrischen Effekt zu erzeugen, der für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist, wenn sie neben einem geeigneten Metall, wie hierin offenbart, geschichtet sind.
4 stellt vier der in 3 dargestellten Schichtaufbauten 200 dar, die hierin durch die Bezugszeichen 200.1, 200.2, 200.3 und 200.4 bezeichnet und gemeinsam mit der Bezugszeichen 201 angegeben sind, wobei jeder Schichtaufbau 200.1, 200.2, 200.3, 200.4 die gleiche Reihenfolge und Anordnung der Schichten 202, 207, 208 und 204, in der Reihenfolge von oben nach unten, wie der in 3 dargestellte Schichtaufbau 200 aufweist. Das heißt, ein zweiter Schichtaufbau 200.2 ist in direktem engen Kontakt mit einem ersten Schichtaufbau 200.1 angeordnet, so dass die untere Schicht 204.2 des zweiten Schichtaufbaus 200.2 in direktem engen Kontakt mit der oberen Schicht 202.1 des ersten Schichtaufbaus 200.1 steht. Die gleiche Reihenfolge und Anordnung der Schichten 202, 207, 208 und 204 wird für den dritten Schichtaufbau 200.3 in Bezug auf den zweiten Schichtaufbau 200.2 und für den vierten Schichtaufbau 200.4 in Bezug auf den dritten Schichtaufbau 200.3 wiederholt. Während die Anzahl der in 3 dargestellten Schichtaufbauten 200 eins und in 4 vier ist, ist zu verstehen, dass der Umfang der Erfindung nicht darauf begrenzt ist und eine beliebige Anzahl von Schichtaufbauten umfasst, die für einen hier offenbarten Zweck geeignet sind. So ist beispielsweise die Vielzahl der in 4 dargestellten Schichtaufbauten 201 repräsentativ für zwei, drei, vier oder mehr Schichtaufbauten 200, die in einer hierin offenbarten Weise angeordnet sind.
Ähnlich wie die in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen ist in den in 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen die obere Schicht 202 eines gegebenen Schichtaufbaus 200 eine erste Elastomerschaumschicht mit einem ersten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe und die zweite Elastomerschicht 208 des gegebenen Schichtaufbaus 200 hat einen zweiten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe. Anders als die in 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen ist die untere Schicht 204 in den in 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen eine zweite elektrische Leiterschicht. Durch Verwendung von Elastomerschichten 202, 208, zwischen welchen eine erste elektrische Zwischenleiterschicht 207 liegt, und durch Verwendung einer zweiten elektrischen Leiterschicht 204, die in direktem engen Kontakt mit der zweiten Elastomerschicht 208 an einer Seite gegenüber jener der ersten elektrischen Leiterschicht 207 angeordnet ist, erzeugt ein einzelner Schichtaufbau 200 eine piezoelektrische Spannung ohne externe Stromerzeugungsvorrichtung und als Reaktion auf eine Verformung in einer hierin beschriebenen Weise und erzeugt eine Kapazitätsänderung als Reaktion auf eine Verformung in einer hierin beschriebenen Weise. Unter Verwendung von zwei oder mehr Schichtaufbauten 200, wie in 4 dargestellt, in einer übereinander gereihten Anordnung erzeugen die zwei oder mehr Schichtaufbauten auch eine piezoelektrische Spannung ohne externe Stromerzeugungsvorrichtung und als Reaktion auf eine Verformung und eine Kapazitätsänderung als Reaktion auf eine Verformung. Abhängig von der Anzahl eingesetzter Schichtaufbauten 200 werden nach einer Verformung unterschiedliche Spannungs- und kapazitive Signalwerte erhalten, die im Folgenden näher erläutert werden.
In den in 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen können die untere elektrische Leiterschicht 204 und die mindestens eine Zwischenschicht 206 (die zweite Elastomerschicht 208 und die erste elektrische Leiterschicht 207) in Form eines doppelseitig metallbeschichteten Substrats bereitgestellt sein, wobei in einer Ausführungsform das Substrat (die zweite Elastomerschicht 208) PET ist. In der Technik wird die kombinierte Form von Schichten 204, 208 und 207 als doppelseitig metallbeschichteter PET-Film bezeichnet.
In einer Ausführungsform ist die obere Schicht 102, 202 von Schichtaufbauten 100 bzw. 200 jeweils eine erste Elastomerschaumschicht, d.h. eine flexible Schaumschicht, also ein ungefülltes Polyurethan. In einer Ausführungsform ist das ungefüllte Polyurethan ein Polyurethanschaum mit einer Dichte von gleich oder größer als 9 Pfund pro Kubikfuß und gleich oder kleiner als 25 Pfund pro Kubikfuß. In einer weiteren Ausführungsform kann die erste Elastomerschaumschicht ein Schaum auf Silikonbasis, ein Schaum auf Latexbasis oder ein Schaum auf Olefinbasis sein.
In einer Ausführungsform ist die untere Schicht 104 von Schichtaufbau 100 und die zweite Elastomerschicht 208 der mindestens einen Zwischenschicht 206 von Schichtaufbau 200 ein Elastomer, d.h. ein Polymer mit Flexibilität, beispielsweise ein Polyester wie PET, ein Poly-PET-Film, Polypropylen, Polyethylen, Polyamid, Polyimid oder thermoplastisches Polyurethan (TPU).
In einer Ausführungsform sind die elektrische Leiterschicht 106 von Schichtaufbau 100 und die elektrischen Leiterschichten 207, 204 vom Schichtaufbau 200 aus mindestens einem von Nickel, Aluminium, Silber, Kupfer und/oder Gold hergestellt und können ein fester Metall-Dünnfilm oder Metallteilchen sein, die in ein Bindematerial eingebettet sind.
In einer Ausführungsform entweder von in 1 und 3 dargestellten Schichtaufbauten 100 oder 200 oder der Vielzahl von in 2 und 4 dargestellten Schichtaufbauten 101, 201 ist die als Reaktion auf die Vielzahl von Schichten oder die Vielzahl von Schichtaufbauten, die verformt werden, erzeugte piezoelektrische Spannung ein triboelektrischer Effekt, durch die Vielzahl von Schichten erreicht, und insbesondere durch die Relativbewegung zwischen den jeweiligen elektrischen Leiterschichten und den zugehörigen benachbarten Elastomerschichten.
In einer Ausführungsform weisen eine Vielzahl der Schichtaufbauten 101 oder 201, wie in 2 bzw. 4 dargestellt, ein Biegemodul von gleich oder weniger als 1,1 Giga Pascal (GPa) und eine Gesamtdicke T1 oder T2 von gleich oder größer als 2 mm bzw. gleich oder kleiner als 40 mm auf. Während 2 und 4 jeweils vier Schichten von Schichtaufbauten 100 bzw. 200 darstellen, wird an allem, was hier offenbart wird, deutlich, dass die Anzahl der Schichtaufbauten einen Bereich umfasst, der gleich oder größer als ein Schichtaufbau und gleich oder kleiner als 20 Schichtaufbauten ist. In einer Ausführungsform ist die Dicke der ersten Elastomerschaumschicht 102, 202 wesentlich dicker als die Dicke der zweiten Elastomerschicht 104, 208, wobei das Dickenverhältnis gleich oder größer als 3:1, gleich oder größer als 5:1, gleich oder größer als 10:1 oder sogar gleich oder größer als 25:1 sein kann. Unter Verwendung einer ersten Elastomerschaumschicht 102, 202, die wesentlich dicker ist als die zweite Elastomerschicht 104, 208, wird ein Schichtaufbau 100, 200 mit unterschiedlichen Abtastmodi versehen, so dass die erste Elastomerschaumschicht 102, 202 auf Stoß/Druck reagiert und ein Mittel zur Stoß/Druckabtastung vorsieht, und die zweite Elastomerschicht 104, 208 Teil eines Dünnfilmkondensators bildet, der auf Kraft reagiert und ein Mittel zur Kraftabtastung vorsieht.
Wie vorstehend erwähnt, sind die Vielzahl der in 2 dargestellten Schichtaufbauten 101 und die Vielzahl der in 4 dargestellten Schichtaufbauten 201 repräsentativ für zwei, drei, vier oder mehr jeweilige Schichtaufbauten 100, 200, die in einer hierin offenbarten Weise angeordnet sind. In einer Ausführungsform erzeugt die Vielzahl von Schichtaufbauten 101 oder 201 mit zwei oder mehr jeweiligen Schichtaufbauten 100, 200 eine erste piezoelektrische Spannung und eine erste Kapazitätsänderung als Reaktion darauf, dass sie durch eine erste Stoßkraft verformt wird, eine zweite piezoelektrische Spannung und eine zweite Kapazitätsänderung als Reaktion darauf, dass sie durch eine zweite Stoßkraft verformt wird, und eine dritte piezoelektrische Spannung und eine dritte Kapazitätsänderung als Reaktion darauf, dass sie durch eine dritte Aufprallkraft verformt wird, wobei die erste, zweite und dritte piezoelektrische Spannung eine lineare Beziehung zu der ersten, zweiten bzw. dritten Aufprallkraft aufweisen und wobei die erste, zweite und dritte Kapazitätsänderung eine lineare Beziehung zu der jeweiligen ersten, zweiten bzw. dritten Aufprallkraft aufweisen.
5 stellt ein Diagramm dar, das das piezoelektrische Ausgangsspannungssignal von getesteten Ausführungsformen einer Vielzahl von Schichtaufbauten 201 ähnlich dem in 4 dargestellten vergleicht, das aber zwei Schichten von Schichtaufbauten 200 (siehe 200.1 und 200.2 in 4 und 201.2 in 5), drei Schichten von Schichtaufbauten 200 (siehe 200.1, 200.2 und 200.3 in 4, und 201.3 in 5) und vier Schichten von Schichtaufbauten 200 (siehe 200.1, 200.2, 200.3 und 200.4 in 4, und 201.4 in 5) verwendet, wobei jede Ausführungsform von in 5 durch 201.2, 201.3, 201.4 bezeichneten Aufbauten einer Aufprallkraft aus einem frei fallenden 1 Kilogramm Gewicht aus drei verschiedenen Höhen von 1 Fuß, 1,5 Fuß und 2 Fuß ausgesetzt wurde. In jeder getesteten Ausführungsform war die erste Elastomerschicht 202 jedes Schichtaufbaus 200 ein ungefüllter Polyurethanschaum mit einer Dichte von 20 Pfund pro Kubikfuß bei einer Dicke von 2 mm. Die spezielle Polyurethanschaumformulierung, die für die gegenständlichen Testproben verwendet wurde, war PORON XRD*, hergestellt von der Rogers Corporation, Connecticut, USA (wobei der * eine Marke im Besitz der Rogers Corporation bezeichnet). In jeder getesteten Ausführungsform waren die unteren drei Schichten 207, 208 und 204 jedes Schichtaufbaus 200 ein doppelseitig metallbeschichteter PET-Film mit einer Dicke von 75 Mikrometer (µm), hergestellt von ROL-VAC, LP, Dayville, Connecticut, USA. In der getesteten Ausführungsform war das Dickenverhältnis der ersten Elastomerschaumschicht 202 zum doppelseitig metallbeschichteten PET-Film eta 26:1. Wie aus dem Vergleich der Ausgangsspannungssignale der drei Konstrukte 201.2, 201.3, 201.4 für jede der drei Fallhöhen ersichtlich ist, weisen die erste, zweite und dritte piezoelektrische Spannung jeweils eine statistisch signifikante lineare Beziehung zu der ersten, zweiten bzw. dritten Fallhöhe und damit zu der zugehörigen ersten, zweiten und dritten Stoßkraft für jedes der drei Konstrukte 201.2, 201.3, 201.4 auf. Ein Vorteil einer solchen Sensorvorrichtung sieht einen Hybridsensor vor, der in Kombination sowohl lineare Kraftmessung über den kapazitiven Sensor als auch lineare Stoßmessung über den piezoelektrischen Sensor aufweist.
Es wird nun auf die 6 und 7 verwiesen, die in perspektivischer Ansicht repräsentative Ausführungsformen einer Vielzahl von Schichtaufbauten 601, 701 mit zwei Schichten bzw. drei Schichten darstellen. Die Vielzahl der Schichtaufbauten 601, 701 kann durch wiederholtes Schichten von Schichtaufbauten 100 oder wiederholtes Schichten von Schichtaufbauten 200 gebildet werden, die in der hier zuvor beschriebenen Weise geschichtet sind.
In 6 ist die zweischichtige Anordnung für die in 2 dargestellten Schichtaufbauten 100.1 und 100.2 für den Fall, dass Schichtaufbau 100 verwendet wird, oder für die in 4 dargestellten Schichtaufbauten 200.1 und 200.2, für den Fall, dass Schichtaufbau 200 verwendet wird, repräsentativ .
In 7 ist die dreischichtige Anordnung für die in 2 dargestellten Schichtaufbauten 100.1, 100.2 und 100.3 für den Fall, dass Schichtaufbau 100 verwendet wird, oder für die in 4 dargestellten Schichtaufbauten 200.1, 200.2 und 200.3, für den Fall, dass Schichtaufbau 200 verwendet wird, repräsentativ.
In der in 6 dargestellten zweischichtigen Anordnung stellen Abschnitte 602 (getrennt bezeichnet als 602.1 und 602.2) entweder die in 1 dargestellte Elastomerschicht 102 oder die in 3 dargestellte Elastomerschicht 202 dar und Abschnitte 604 (getrennt bezeichnet als 604.1 und 604.2) stellen entweder die verbleibende Vielzahl von Schichten 104, 106 in 1 oder die verbleibende Vielzahl von Schichten 204, 206 in 3 dar, je nachdem, welcher Schichtaufbau 100 oder 200 verwendet wird. Im Falle des Einsatzes des Schichtaufbaus 100 sind die elektrischen Signalleitungen 610 und 612 mit den elektrischen Leiterschichten 106.1 bzw. 106.2 (dargestellt in 2) elektrisch verbunden und im Falle des Einsatzes des Schichtaufbaus 200 ist die elektrische Signalleitung 610 elektrisch parallel zu den elektrischen Leiterschichten 204.1 und 207.1 (dargestellt in 4) verbunden und die elektrische Signalleitung 612 ist elektrisch parallel zu den elektrischen Leiterschichten 204.2 und 207.2 (dargestellt in 4) verbunden.
Ebenso stellen in der in 7 dargestellten dreischichtigen Anordnung Abschnitte 702 (getrennt als 702.1, 702.2 und 702.3 bezeichnet) entweder die in 1 dargestellte Elastomerschicht 102 oder die in 3 dargestellte Elastomerschicht 202 dar und Abschnitte 704 (getrennt als 704.1, 704.2 und 704.3 bezeichnet) stellen entweder die verbleibende Vielzahl der Schichten 104, 106 in 1 oder die verbleibende Vielzahl der Schichten 204, 206 in 3 dar, abhängig davon, welcher Schichtaufbau 100 oder 200 eingesetzt wird. Bei Verwendung des Schichtaufbaus 100 ist die elektrische Signalleitung 710 mit der elektrischen Leiterschicht 106.1 (dargestellt in 2) elektrisch verbunden und die elektrische Signalleitung 712 ist elektrisch parallel zu den elektrischen Leiterschichten 106.2 und 106.3 (dargestellt in 2) verbunden. Bei Verwendung des Schichtaufbaus 200 ist die elektrische Signalleitung 710 elektrisch parallel zu den elektrischen Leiterschichten 204.1 und 207.1 (dargestellt in 4) verbunden und die elektrische Signalleitung 712 ist elektrisch parallel zu den elektrischen Leiterschichten 204.2, 207.2, 204.3 und 207.3 (dargestellt in 4) verbunden .
In den in 6 und 7 dargestellten Ausführungsformen ist die Vielzahl von Schichtaufbauten 601, 701 zylindrisch geformt mit einem kreisförmigen Querschnitt „A“ bezogen auf die z-Achse dargestellt und jede erste Elastomerschicht 602 oder 702 (oder 102, 202 in den in 1-4 dargestellten Ausführungsformen) weist eine Höhe „d“ auf. Der Umfang der Erfindung ist jedoch nicht so begrenzt und umfasst jede dreidimensionale Form und Größe, die für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist.
Bei jeder Ausführungsform des in 1 dargestellten Schichtaufbaus 100 oder des in 3 dargestellten Schichtaufbaus 200 mit der Anordnung und Struktur wie in 6 oder 7 dargestellt, wird der kapazitive Sensor durch eine Änderung in Kapazität C vorgesehen, gegeben durch C = ε*A/d, wobei C die Kapazität in Farad der jeweiligen Vielzahl von Schichtaufbauten 601, 701 ist, ε die Dielektrizitätskonstante der jeweils ersten Elastomerschicht 602, 702 ist, A die Querschnittsfläche der jeweils ersten Elastomerschicht 602, 702 ist (zu Diskussionszwecken wird angenommen, dass diese Querschnittsfläche A die Überlappungsfläche mit den jeweils benachbarten elektrischen Leiterschichten definiert) und d die Höhe der jeweils ersten Elastomerschicht 602, 702 ist (zu Diskussionszwecken wird angenommen, dass diese Höhe h den Abstand zwischen den jeweils benachbarten elektrischen Leiterschichten definiert). Unabhängig davon, ob die Vielzahl von Schichtaufbauten 601, 701 in der x-y-Ebene belastet oder entlang der z-Achse verformt wird, tritt eine messbare Kapazitätsänderung auf, die durch die jeweiligen elektrischen Signalleitungen 610, 612 oder 710, 712 erfasst werden kann. Wie zuvor erläutert, sieht die resultierende Vorrichtung (d.h. die Vielzahl von Schichtaufbauten 601, 701) einen Hybridsensor vor, der sowohl lineare Kraftmessung über den kapazitiven Sensor als auch lineare Stoßmessung über den piezoelektrischen Sensor in Kombination aufweist, wobei die erfassten Signale sowohl für den kapazitiven Sensor als auch für den piezoelektrischen Sensor über die entsprechenden Signalleitungen 601, 612 oder 710, 712 erfasst werden.
Während Ausführungsformen der Erfindung hierin beschrieben und veranschaulicht wurden, die eine Vielzahl von Schichtaufbauten 101 aufweisen, die dieselben Einzelkonstruktionen von Schichtaufbau 100 verwenden, oder die einer Vielzahl von Schichtaufbauten 201 aufweisen, die dieselben Einzelkonstruktionen von Schichtaufbau 200 verwenden, die wie in 2, 4, 6 und 7 dargestellt geformt und angeordnet sind, ist zu verstehen, dass der Umfang der Erfindung nicht darauf begrenzt ist und auch eine Anordnung einer Vielzahl von Schichtaufbauten umfasst, die sowohl Schichtaufbau 100 (d.h. ein einseitig metallbeschichtetes PET zum Beispiel) als auch Schichtaufbau 200 (d.h. ein doppelseitig metallbeschichtetes PET zum Beispiel) verwenden, wie nun mit Bezug auf die in 8 dargestellte Darstellung beschrieben wird.
8 stellt eine Vielzahl von Schichtaufbauten 801 ähnlich den in 2, 4, 6 und 7 dargestellten dar, jedoch mit einem ersten Schichtaufbau 100.1 (Schichtaufbau 100 in 1) am Boden, einem zweiten Schichtaufbau 200.1 (Schichtaufbau 200 in 3), der direkt und eng auf dem ersten Schichtaufbau 100.1 angeordnet ist, einem dritten Schichtaufbau 100.2 (Schichtaufbau 100 in 1).), der direkt und eng auf der zweiten Schicht 200.1 angeordnet ist, und einem vierten Schichtaufbau 200.2 (Schichtaufbau 200 in 3), der direkt und eng auf dem dritten Schichtaufbau 100.2 angeordnet ist. Sämtliche Kombinationen eines Schichtens der Schichtaufbauten 100 und 200 in beliebiger Reihenfolge werden hierin in Betracht gezogen und werden als im Umfang der hierin offenbarten Erfindung liegend angesehen.
Unter Berücksichtigung des Vorstehenden ist zu verstehen, dass eine Sensorvorrichtung nach einer der vorgenannten Strukturen mit verschiedenen Methoden hergestellt werden kann. Einige dieser Methoden werden nun beschrieben.
In einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung, wie hierin beschrieben: Aufbringen einer Elastomerschaum-A-Schicht auf ein metallbeschichtetes Substrat, das eine Elastomer-B-Schicht umfasst, um einen Schichtaufbau zu bilden, wobei der metallbeschichtete Abschnitt des metallbeschichteten Substrats zwischen der Elastomerschaum-A-Schicht und der Elastomer-B-Schicht angeordnet ist, wobei die Elastomer-Schaum-A-Schicht einen ersten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe aufweist, wobei die Elastomer-B-Schicht einen zweiten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe aufweist; Aufbringen eines zweiten des metallbeschichteten Substrats auf den Schichtaufbau und Aufbringen einer zweiten der Elastomerschaum-A-Schicht auf den metallbeschichteten Abschnitt des zweiten metallbeschichteten Substrats, um eine Vielzahl der Schichtaufbauten zu bilden; und Härten der Vielzahl der Schichtaufbauten.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die aufgebrachte Elastomerschaum-A-Schicht ein ungehärteter Polyurethanschaum und ist in einer Ausführungsform ein ungefüllter, ungehärteter Polyurethanschaum, die jeweils nach dem Aufbringen ausgehärtet werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Elastomer-B-Schicht ein PET-Film.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist das metallbeschichtete Substrat ein einseitig metallbeschichtetes Substrat, wie beispielsweise ein einseitig metallbeschichteter PET-Dünnfilm.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist das metallbeschichtete Substrat ein doppelseitig metallbeschichtetes Substrat mit einem ersten metallbeschichteten Abschnitt an einer Seite der Elastomer-B-Schicht und einem zweiten metallbeschichteten Abschnitt an einer gegenüberliegenden Seite der Elastomer-B-Schicht, wobei der erste metallbeschichtete Abschnitt der metallbeschichtete Abschnitt ist, der zwischen der Elastomer-Schaum-A-Schicht und der Elastomer-B-Schicht angeordnet ist; wobei das Aufbringen eines zweiten des metallbeschichteten Substrats ein Aufbringen eines zweiten des doppelseitig metallbeschichteten Substrats auf dem Schichtaufbau beinhaltet; und das Aufbringen einer zweiten der Elastomerschaum-A-Schicht ein Aufbringen einer zweiten der Elastomerschaum-A-Schicht auf dem ersten metallbeschichteten Abschnitt des zweiten doppelseitig metallbeschichteten Substrats beinhaltet.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist das metallbeschichtete Substrat ein doppelseitig metallbeschichtetes Substrat, wie beispielsweise ein doppelseitig metallbeschichteter PET-Dünnfilm.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Aufbringen einer Elastomerschaum-A-Schicht einen Walzenbeschichtungsprozess, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf einen Walzenrakelbeschichtungsprozess, einen Plate-Over-Roll-Beschichtungsprozess, einen Tiefdruckbeschichtungsprozess, einen Reverse-Roll-Beschichtungsprozess, einen Dosierstabbeschichtungsprozess, einen Schlitzdüsenbeschichtungsprozess, einen Tauchbeschichtungsprozess, einen Vorhangbeschichtungsprozess, einen Luftrakelbeschichtungsprozess oder einen anderen Walzenbeschichtungsprozess, der für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein zweites Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung, wie hierin beschrieben: Aufbringen einer Elastomerschaum-A-Schicht auf ein metallbeschichtetes Substrat, das eine Elastomer-B-Schicht umfasst, um einen Schichtaufbau zu bilden, wobei der metallbeschichtete Abschnitt des metallbeschichteten Substrats zwischen der Elastomerschaum-A-Schicht und der Elastomer-B-Schicht angeordnet ist, wobei die Elastomer-Schaum-A-Schicht einen ersten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe aufweist, wobei die Elastomer-B-Schicht einen zweiten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe aufweist; Härten des Schichtaufbaus, um einen gehärteten Schichtaufbau zu bilden und einen ersten des gehärteten Schichtaufbaus vorzusehen; und Befestigen eines zweiten des gehärteten Schichtaufbaus auf dem ersten gehärteten Schichtaufbau, wobei der erste und zweite gehärtete Schichtaufbau identisch gereihte Schichten aufweisen.
In einer Ausführungsform des zweiten Verfahrens ist die aufgebrachte Elastomerschaum-A-Schicht ein ungehärteter Polyurethanschaum und ist in einer Ausführungsform ein ungefüllter, ungehärteter Polyurethanschaum.
In einer Ausführungsform des zweiten Verfahrens ist die Elastomer-B-Schicht ein PET-Film.
In einer Ausführungsform des zweiten Verfahrens ist das metallbeschichtete Substrat ein einseitig metallbeschichtetes Substrat, wie beispielsweise ein einseitig metallbeschichteter PET-Dünnfilm.
In einer Ausführungsform des zweiten Verfahrens ist das metallbeschichtete Substrat ein doppelseitig metallbeschichtetes Substrat mit einem ersten metallbeschichteten Abschnitt an einer Seite der Elastomer-B-Schicht und einem zweiten metallbeschichteten Abschnitt an einer gegenüberliegenden Seite der Elastomer-B-Schicht, wobei der erste metallbeschichtete Abschnitt der metallbeschichtete Abschnitt ist, der zwischen der Elastomer-Schaum-A-Schicht und der Elastomer-B-Schicht angeordnet ist.
In einer Ausführungsform des zweiten Verfahrens beinhaltet die Befestigung eine von einer chemischen Bindung, einer mechanischen Bindung oder Vibrationsbindung oder eine Kombination der vorgenannten Arten von Bindung.
Für jede der hierin offenbarten Ausführungsformen ist ein ungefüllter Polyurethanschaumstoff, der für einen hierin offenbarten Zweck geeignet ist, PORON XRD*, erhältlich von Rogers Corporation, Connecticut, USA (wobei das * eine Marke im Besitz der Rogers Corporation bezeichnet).
Für jede der hierin offenbarten Ausführungsformen beinhalten PET-Dünnfilme, einseitig metallbeschichtet oder doppelseitig metallbeschichtet, die für einen hierin offenbarten Zweck geeignet sind, handelsübliche PET-Dünnfilme.
Während die Erfindung hierin mit Bezug auf eine erste Elastomerschicht 102, 202 und eine zweite Elastomerschicht 104, 208 beschrieben wurde, wobei exemplarische Materialien für solche Schichten verschiedene Elastomere sind oder eine davon Schaum und die andere nicht Schaum ist, wird erwogen, dass die beiden Elastomerschichten aus dem gleichen Material hergestellt werden könnten, sofern eine der Schichten dazu dient, ein Mittel zur Stoß-/Druckmessung vorzusehen, und die andere der Schichten dazu dient, ein Mittel zur Kraftmessung vorzusehen.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente durch Äquivalente ersetzt werden können, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen. Darüber hinaus können viele Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Daher ist beabsichtigt, dass sich die Erfindung nicht auf die besondere Ausführungsform beschränkt wird, die als die beste oder einzige für die Durchführung dieser Erfindung in Betracht gezogene Form offenbart wird, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen. Auch in den Zeichnungen und der Beschreibung wurden exemplarische Ausführungsformen offenbart und obwohl spezifische Begriffe und/oder Abmessungen verwendet worden sein können, werden sie, sofern nicht anders angegeben, nur in einem allgemeinen, exemplarischen und/oder beschreibenden Sinne und nicht zu Beschränkungszwecken verwendet, wobei der Umfang der Ansprüche daher nicht darauf eingeschränkt ist. Darüber hinaus gibt die Verwendung der Begriffe erster, zweiter usw. keine Reihenfolge oder Bedeutung an, sondern die Begriffe erster, zweiter usw. dienen zur Unterscheidung eines Elements von einem anderen. Darüber hinaus gibt die Verwendung der Begriffe einer, eine, eines usw. keine Mengenbegrenzung an, sondern vielmehr das Vorhandensein mindestens eines der genannten Artikel. Darüber hinaus schließt der hier verwendete Begriff „umfassend“ die mögliche Einbeziehung eines oder mehrerer zusätzlicher Merkmale nicht aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7301351 [0002]
US 8984954 [0002]
US 9178446 [0002]

Claims

Sensorvorrichtung, umfassend: eine erste Vielzahl von Schichten, die eine obere Schicht, eine untere Schicht und mindestens eine Zwischenschicht umfasst, wobei die mindestens eine Zwischenschicht eine elektrische Leiterschicht umfasst, dadurch gekennzeichnet jede der oberen Schicht, der unteren Schicht und der mindestens einen Zwischenschicht in direktem engen Kontakt mit einer jeweiligen benachbarten Schicht angeordnet ist; und weiter umfassend: eine zweite Vielzahl von Schichten, die in direktem engen Kontakt mit der ersten Vielzahl von Schichten angeordnet sind, so dass die untere Schicht der zweiten Vielzahl von Schichten in direktem engen Kontakt mit der oberen Schicht der ersten Vielzahl von Schichten angeordnet ist; wobei die erste und zweite Vielzahl von Schichten eine piezoelektrischen Spannung ohne eine externe Stromerzeugungsvorrichtung und als Reaktion auf eine Verformung erzeugen; und wobei die erste und zweite Vielzahl von Schichten eine Änderung der Kapazität als Reaktion auf eine Verformungerzeugen erzeugt.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die oberste Schicht der Vielzahl von Schichten eine einzelne Schicht einer ersten Elastomerschaumschicht mit einem ersten Nennwert einer triboelektrischen Reihe ist; und wobei die untere Schicht der Vielzahl von Schichten eine einzelne Schicht einer zweite Elastomerschicht mit einem zweiten Nennwert einer triboelektrischen Reihe ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die oberste Schicht der Vielzahl von Schichten eine einzelne Schicht einer ersten Elastomerschaumschicht mit mit einem ersten Nennwert einer triboelektrischen Reihe ist; wobei die elektrische Leiterschicht der mindestens einen Zwischenschicht eine erste elektrische Leiterschicht ist, die in direktem Kontakt mit der Deckschicht angeordnet ist; wobei die mindestens eine Zwischenschicht ferner eine einzelne Schicht einer zweiten Elastomerschicht mit einem zweiten Nennwert für eine triboelektrische Reihe umfasst, wobei die zweite Elastomerschicht in direktem engem Kontakt mit der ersten elektrischen Leiterschicht auf einer Seite gegenüber der der oberen Schicht angeordnet ist; und die untere Schicht eine zweite elektrische Leiterschicht ist, die in direktem Kontakt mit der zweiten Elastomerschicht auf einer Seite gegenüber der der ersten elektrischen Leiterschicht angeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste und zweite Vielzahl von Schichten eine erste piezoelektrische Spannung als Reaktion auf eine Verformung durch eine erste Stoßkraft, eine zweite piezoelektrische Spannung als Reaktion auf eine Verformung durch eine zweite Stoßkraft und eine dritte piezoelektrische Spannung als Reaktion auf eine Verformung durch eine dritte Stoßkraft erzeugen; wobei die ersten, zweiten und dritten piezoelektrischen Spannungen eine lineare Beziehung zu den jeweiligen ersten, zweiten und dritten Stoßkräften aufweisen.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, wobei die erste Elastomerschaumschicht ist ungefülltes Polyurethan.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei: das ungefüllte Polyurethan ist ein Polyurethanschaum mit einer Dichte von gleich oder größer als 9 Pfund pro Kubikfuß und gleich oder kleiner als 25 Pfund pro Kubikfuß.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, wobei: die zweite Elastomerschicht ist eine Polyethylenterephthalatfolie.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei: das elektrische Leiterschichtmaterial mindestens Nickel, Aluminium und/oder Silber umfasst.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei: das erste elektrische Leiterschichtmaterial und das zweite elektrische Leiterschichtmaterial Nickel, Aluminium und/oder Silber umfasst.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner umfassend: ein dritte oder mehr Vielzahl/Vielzahlen von Schichten, die in direktem engem Kontakt miteinander angeordnet sind, um ein sich wiederholendes geordnetes Schichtkonstrukt zu bilden; wobei der Schichtaufbau eine erste piezoelektrische Spannung als Reaktion darauf erzeigt, dass er durch eine erste Stoßkraft verformt wird, eine zweite piezoelektrischen Spannung als Reaktion darauf, dass er durch eine zweite Stoßkraft verformt wird, und eine dritte piezoelektrische Spannung als Reaktion darauf, dass er durch eine dritte Stoßkraft verformt wird; wobei die ersten, zweiten und dritten piezoelektrischen Spannungen eine lineare Beziehung zu den jeweiligen ersten, zweiten und dritten Stoßkräften aufweisen.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei: die piezoelektrische Spannung, die als Reaktion auf die Vielzahl von verformten Schichten erzeugt wird, ein triboelektrischer Effekt ist, der durch die Vielzahl von Schichten veranlasst wird.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Vielzahl von Schichten einen Biegemodul von gleich oder weniger als 1,1 GPa (Giga Pascal) aufweist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Vielzahl von Schichten eine Gesamtdicke von gleich oder größer als 2 mm und gleich oder kleiner als 40 mm aufweist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei: die erste und zweite Vielzahl von Schichten identisch geordnete Schichten aufweisen.
Verfahren zur Herstellung der Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend: Aufbringen einer Elastomerschaum-A-Schicht auf ein metallbeschichtetes Substrat, das eine Elastomer-B-Schicht umfasst, um einen Schichtaufbau zu bilden, wobei der metallbeschichtete Abschnitt des metallbeschichteten Substrats zwischen der Elastomerschaum-A-Schicht und der Elastomer-B-Schicht angeordnet ist, wobei die Elastomer-Schaum-A-Schicht einen ersten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe aufweist, wobei die Elastomer-B-Schicht einen zweiten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe aufweist; Aufbringen eines zweiten metallbeschichteten Substrats auf das Schichtkonstrukt und Aufbringen einer zweiten der Elastomerschaum-A-Schicht auf den metallbeschichteten Abschnitt des zweiten metallbeschichteten Substrats, um eine Vielzahl des Schichtaufbaus zu bilden; und Härten der Vielzahl des Schichtaufbaus.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei: das metallbeschichtete Substrat ein doppelseitiges metallbeschichtetes Substrat mit einem ersten metallbeschichteten Abschnitt auf einer Seite der Elastomer-B-Schicht und einem zweiten metallbeschichteten Abschnitt auf einer gegenüberliegenden Seite der Elastomer-B-Schicht ist, wobei der erste metallbeschichtete Abschnitt der metallbeschichtete Abschnitt ist, der zwischen der Elastomer-Schaum-A-Schicht und der Elastomer-B-Schicht angeordnet ist; das Aufbringen einer zweiten des metallbeschichteten Substrats das Aufbringen eines zweiten doppelseitigen metallbeschichteten Substrats auf den Schichtaufbau umfasst; und das Aufbringen einer zweiten der Elastomerschaum-A-Schicht das Aufbringen einer zweiten der Elastomerschaum-A-Schicht auf den ersten metallbeschichteten Abschnitt des zweiten doppelseitigen metallbeschichteten Substrats aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei die aufgebrachte Elastomerschaum-A-Schicht ein ungehärteter Polyurethanschaum ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die elastomere B-Schicht eine Polyethylenterephthalat (PET)-Folie ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei das Auftragen einer Elastomerschaum-A-Schicht ein Walzenbeschichtungsverfahren umfasst.
Verfahren zur Herstellung der Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend: Aufbringen einer Elastomerschaum-A-Schicht auf ein metallbeschichtetes Substrat, das eine Elastomer-B-Schicht umfasst, um einen Schichtaufbau zu bilden, wobei der metallbeschichtete Abschnitt des metallbeschichteten Substrats zwischen der Elastomerschaum-A-Schicht und der Elastomer-B-Schicht angeordnet ist, wobei die Elastomer-Schaum-A-Schicht ersten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe aufweist, wobei die Elastomer-B-Schicht einen zweiten Nennwert auf einer triboelektrischen Reihe aufweist; Härten des Schichtaufbaus, um ein gehärtetes Schichtaufbau zu bilden und ein erstes des gehärteten Schichtaufbaus bereitzustellen; und Anbringen einer zweiten ausgehärteten Schichtaufbaus auf den ersten ausgehärteten Schichtaufbau, wobei die ersten und zweiten ausgehärteten Schichtaufbauten identisch angeordnete Schichten aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei: das metallbeschichtete Substrat ein doppelseitig metallbeschichtetes Substrat mit einem ersten metallbeschichteten Abschnitt auf einer Seite der Elastomer-B-Schicht und einem zweiten metallbeschichteten Abschnitt auf einer gegenüberliegenden Seite der Elastomer-B-Schicht ist, wobei der erste metallbeschichtete Abschnitt der metallbeschichtete Abschnitt ist, der zwischen der Elastomer-Schaum-A-Schicht und der Elastomer-B-Schicht angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 21, wobei: das Befestigen eine chemische Anbindung, ein mechanische Anbinden oder ein Vibrationsanbinden umfasst.