DE19533756A1 - Elektronisches Bauelement zur statischen und dynamischen Druckerfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Bau­ element zur statischen und dynamischen Druckerfassung, vorzugsweise der Erfassung von Druckverteilungen, die auf einer ebenen oder gebogenen Fläche auftreten.

Elektronische Bauelemente der vorbeschriebenen Gattung werden auf dem technischen Gebiet der taktilen Senso­ rik verwendet. Zu Zwecken Erfassung flächenverteilter Druckeinwirkung werden Drucksensor-Arrays eingesetzt, die vorzugsweise als Matrix-Sensoren ausgebildet sind und für Robotik und Telemanipulation, aber auch für medizinische Anwendungen wie beispielsweise in der Prothetik Einsatz finden. Derartige Bauelemente sind Hilfsmittel zur Erfassung von Oberflächentopologien oder Positionen berührter bzw. ergriffener Objekte und erlauben bei geeigneter taktiler Rückkopplung die Te­ lemanipulation erheblich zu erleichtern.

Es sind große technische Anstrengungen unternommen worden, Drucksensor-Arrays mit hinreichend gutem Auflösungsver­ mögen zu entwickeln. Verschiedenste physikalische Prin­ zipien getestet worden, wie beispielsweise piezoelektrische Sensoren, die robust und preiswert, jedoch nur zur Aufnahme dynamischer Drucksignale ge­ eignet sind. Selbst der Einsatz optischer Sensoren ist zur Druckerfassung erprobt worden, zumal sie sehr empfindliche Meßsignale liefern, jedoch sind sie teuer und relativ sperrig in der Anwendung.

Im Unterschied zu piezoelektrischen Sensoren verändern die sogenannten piezoresistiven Sensoren unter Druck­ einwirkung ihren elektrischen Widerstand und gestatten auch die Erfassung statischer Drücke. In Verbindung mit piezoresistiven Sensoren sind leitfähige Elastomere eingesetzt worden, wodurch die Sensoren preisgünstig, mechanisch robust und flexibel werden. Jedoch ist es bislang nicht möglich gewesen, derartige Sensoren mit einem Auflösungsvermögen von unter einem Millimeter herzustellen, wodurch bislang nur eine geringe Meßempfind­ lichkeit erreichbar und zudem ein derart kleiner Dyna­ mikbereich erzielbar ist, so daß sich die Meßsignal- Antwort auf eine bloße binäre Antwortcharakteristik beschränkt. Schließlich ist das Meßergebnis stark hysteresebehaftet, sofern die druckabhängige Änderung des spezifischen Widerstandes des Elastomermaterials als Sensorprinzip eingesetzt wird.

Weitere Probleme, die mit dem Einsatz von Elastomer bei Drucksensor-Arrays auftreten, sind mechanisches und elektrisches Überkoppeln zwischen zwei benachbarten Drucksensoreinheiten. Hierzu wird insbesondere auf den Beitrag von Raibert M.H., Tanner J.E., "Design and Implementation of a VLSI Tactile Sensing Computer", in The International Journal of Robotics Research, Vol. 1, No. 3, (1982), S. 3-18, hingewiesen.

Alternativ zu der vorgenannten Sensoranordnung sind Drucksensor-Arrays bekannt, die mit Hilfe mikromecha­ nischer Siliziumtechnologie hergestellt worden sind, die kapazitiv oder piezoresistiv die druckinduzierte Durchbiegung einer Membran und damit quantitativ den aufgebrachten Druck ermitteln. Derartige Silizium- Drucksensor-Arrays können mit hohem Auflösungsvermögen hergestellt werden, sind jedoch aufgrund des Silizium­ trägermaterials unflexibel und zerbrechlich sowie sehr aufwendig und damit sehr teuer in der Herstellung. Auf folgende Druckschriften wird in diesem Zusammenhang verwiesen: Sugiyama S. et al., "Tactile Image Detection Using a IK-element Silicon Pressure Sensor Array", in Sensors and Actuators, A21-A23 (1990), S. 397-400; Wolffenfuttel M.R., Regtien P.P.L. "Polysilicon Bridges for the Realization of Tactile Sensors", in Sensors and Actuators A, 25-27 (1991), S. 257-264.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein elektroni­ sches Bauelement zur statischen und dynamischen Druck­ erfassung der vorbeschriebenen Gattung derart weiterzu­ bilden, daß unter Zuhilfenahme bekannter mikromechani­ scher Herstellungsmethoden und dem Einsatz leitfähiger Elastomere ein Drucksensor-Array hergestellt werden kann, das sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch einen großen dynamischen Bereich und ein hohes Auflö­ sungsvermögen aufweist. Überdies sollen die schlechten Überkopplungseigenschaften bei der Verwendung von Ela­ stomeren ausgeschaltet werden, so daß ein mechanisches Überkoppeln auf ein Minimum reduziert wird. Es soll schließlich ein zweidimensional biegbarer Sensor her­ stellbar sein, der beispielsweise an der Spitze eines Tastfingers anzubringen ist. Schließlich soll der Her­ stellungsprozeß wenig aufwendig und damit preisgünsti­ ger sein.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausführungs­ formen sind den Ansprüchen 2 ff. zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist ein elektronisches Bauelement zur statischen und dynamischen Druckerfassung mit einem nichtleitfähigen Grundsubstrat ausgebildet, auf dem zwei jeweils in mindestens zwei einzelne Leiterbahnen auf fächernde, voneinander isolierte Elektroden aufge­ bracht sind. Die Elektroden sind derart auf der Sub­ stratoberfläche angeordnet, so daß sich paarweise je­ weils eine Leiterbahn der einen mit der Leiterbahn der anderen Elektrode abwechselt. Ferner ist erfindungs­ gemäß über dem Grundsubstrat und den Leiterbahn-Paaren eine flexible, nichtleitende Trägerschicht angeordnet, an deren Unterseite entsprechend der Anzahl der Leiter­ bahnpaare, elastische, im wesentlichen mittig zu den einzelnen Leiterbahnpaaren ausgerichtete, elektrisch leitende Verformelemente angebracht sind, die gegen die Leiterbahnpaare drückbar sind. Die Verformelemente weisen erfindungsgemäß eine Querschnittsfläche auf, deren Durchmesser in Grundsubstratnähe kleiner als der Leite­ rbahnabstand ist und die in Richtung der Trägerschicht kontinuierlich zunimmt und an der Trägerschicht in etwa der von den Leiterbahnen bedeckten Substratfläche ent­ spricht.

Erfindungsgemäß besteht das elektronische Bauelement im wesentlichen aus zwei Teilen, dem Grundsubstrat, das starr oder biegsam ausgeführt sein kann, auf dessen Oberseite in Dünnschichttechnik Leiterbahnstrukturen sowie Spacer-Strukturen aufgebracht sind und einer Trägerschicht, die exakt über der Oberseite des Grund­ substrats angeordnet ist und eine dreidimensiona­ le strukturierte Elastomermatrix mit leitenden und nichtleitenden Elastomerbereiche aufweist.

Die auf der Oberseite des Grundsubstrats aufgebrachten Leiterbahnstrukturen bilden einzelne Array-Elemente, die die Form zweier Interdigital-Elektroden mit jeweils mindestens zwei Fingern aufweisen. Die einfachste Form von Interdigital-Elektroden bestehen jeweils aus zwei Elektroden, deren Elektrodenstruktur der Form eines "F" entspricht und sind derart zueinander angeordnet, so daß die querverlaufenden Elektrodenabschnitte der "F"-Anord­ nung in abwechselnder Reihenfolge parallel nebeneinan­ der zu liegen kommen. Die Herstellung derartiger Inter­ digital-Elektroden wird in Dünnschichttechnik mit Hilfe photolytographischer Standard-Methoden aus einem nicht korrodierenden Metall, beispielsweise Gold oder Platin, bewerkstelligt. Die Substratbereiche zwischen den Metall­ elektroden sind ebenso unter Zuhilfenahme mikrosystem­ technischer Herstellungsmethoden mit einem nicht leiten­ den Spacermaterial so dick beschichtet, daß die Spacer­ strukturen geringfügig über die Leiterbahnstrukturen hinausragen. Die typischen Überhöhungen bewegen sich im Mikrometer-Bereich.

Die den Leiterbahnstrukturen gegenüberliegende Träger­ schicht, auf deren Unterseite elektrisch leitende Ver­ formelemente angebracht sind, besteht aus einer nicht­ leitenden Elastomerschicht und einer darauf aufgebrach­ ten leitenden Elastomermatrix, die eine Vielzahl aneinandergrenzende Elastomer-Pyramiden aufweist. Die Herstellung der Pyramiden-Formen erfolgt durch Abfor­ mung eines mit Hilfe anisotroper Standard-Ätztechnik strukturierten Siliziumwafers. Zur Herstellung de­ rartiger Strukturen wird zunächst unvernetz­ tes leitfähiges Elastomer in die pyramidenförmigen Ätzgruben eingerakelt, danach wird eine möglichst dünne Schicht aus isolierendem Elastomer auf die gesamte Waferoberläche aufgebracht. Beide Elastomertypen müssen prinzipiell eine möglichst hohe Ein- und Weiterreiß­ festigkeit aufweisen. Die Weichheit des leitenden Ela­ stomers im vernetzten Zustand bestimmt den dynamischen Bereich des Sensors. Ferner beeinflussen die Dehnbar­ keit und Dicke des nichtleitenden Elastomers das mechanische Überkoppeln zwischen den Sensorelementen, so daß eine möglichst hohe Dehnbarkeit bei möglichst kleiner Dicke anzustreben ist. Nach dem Vernetzen der Elastomere kann die strukturierte Elastomermatrix von der Siliziumform abgezogen werden.

Die aus einem nichtleitenden Elastomer bestehende Trä­ gerschicht und die darauf aufgebrachte Elastomer-Pyra­ midenmatrixstruktur wird nun derart auf die Oberfläche des Grundsubstrates positioniert, daß die einzelnen Pyramidenspitzen jeweils auf dem Zwischenraum zweier Leiter­ bahnen aufliegen, so daß kein Stromfluß zwischen den Leiterbahn-Elektroden über die leitende Elastomer- Pyramidenspitze erfolgt. Wird nun auf die Rückseite der Trägerstruktur, die zugleich Sensoroberfläche ist, Druck ausgeübt, so werden die Pyramidenspitzen gegen das Substrat gedrückt und entsprechend abgeplattet. In Folge der Abplattung werden einzelne Elektrodenkontakt­ finger der Interdigital-Elektroden über das leitende Elastomer miteinander kontaktiert, so daß der Wider­ stand zwischen den beiden Elektroden abnimmt. Mit zu­ nehmenden Druck vergrößert sich in Folge der pyramida­ len Form des leitenden Elastomers die Abplattungs­ fläche, wodurch zum einen eine zunehmende Anzahl von Interdigitalfingern und zum anderen jeweils zwei Finger über eine größere Länge miteinander kontaktiert werden. Der Widerstand zwischen den Elektronen nimmt folglich mit zunehmendem Anpreßdruck ab. Die isolierenden Spa­ cerstrukturen zwischen den Elektroden dienen lediglich dazu, eine Elektrodenkontaktierung in völlig unbela­ stetem Zustand auszuschließen.

Da die einzelnen Kontaktpyramdien lediglich über eine sehr dünne Elastomermembran miteinander verbunden sind, wird das mechanische Überkoppeln einzelner Sensorele­ mente aufeinander auf ein Minimum reduziert, so daß eine hohe räumliche Auflösung erreicht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Interdigital-Elektroden,

Fig. 2 Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sen­ sorarrays im unbelasteten Zustand und

Fig. 3 Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorarrays unter Druckeinwirkung.

Aus Fig. 1 geht ein Interdigitalelektrodenpaar hervor, das jeweils aus zwei Elektrodenanordnungen E1 und E2 besteht. Die einzelnen Elektroden weisen dabei die Form eines "F" auf. Die querverlaufenden Elektrodenab­ schnitte beider Elektrodenbahnen ragen dabei derart ineinander, daß sie jeweils durch eine Isolations­ schicht I voneinander beabstandet sind.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Drucksensorarrays, das im Querschnitt darge­ stellt ist. Das dargestellte Beispiel besteht aus 4 × 4 Drucksensorarrayelementen, von denen in der Quer­ schnittsdarstellung vier zu sehen sind. Ein Sensor­ arrayelement besteht aus dem Grundsubstrat 1, auf dem das in Fig. 1 abgebildete Interdigitalelektroden­ paar 2 aufgebracht ist. Zwischen den Elektrodenleiter­ bahnstrukturen, die als schwarze Flächen in Fig. 2 dargestellt sind, sind elektrisch isolierende Spacer­ strukturen I eingearbeitet, die in der Höhe die Elek­ trodenleiterbahnstrukturen etwas überragen. Über dieser Elektrodenanordnung ist die Trägerschicht 3 aus einem nichtleitenden Elastomer angeordnet, an deren Unterseite jeweils Elastomerpyramiden 4 aus leitendem Elastomer angebracht sind. Die Spitzen der Pyramiden sind dabei derart positioniert, daß sie genau auf der Isolierschicht I aufliegen. Wird nun Druck auf die Sensoroberfläche 5 ausgeübt, wie es aus der Fig. 3 hervorgeht, so weitet sich die Auflagefläche der Ela­ stomerpyramiden auf den Leiterbahnstrukturen aus, so daß die einzelnen Interdigital-Elektroden miteinander kontaktiert werden, wodurch der Widerstand zwischen den beiden Elektroden abnimmt. In dem in Fig. 3 darge­ stellten Fall wird auf die gesamte Sensoroberfläche 5 ein gleichmäßiger Druck ausgeübt, so daß alle vier dargestellten Einzelsensorelemente in gleicher Weise abgeplättet werden. Aufgrund der hohen Elastizität der Trägerschicht 3 sind jedoch die einzelnen Drucksensor­ elemente voneinander mechanisch weitgehend abgekoppelt, so daß auch Druckunterschiede lokal aufgelöst gemessen werden können.

Es sind Funktionsmuster hergestellt worden, die aus 4 × 4 Drucksensorarrayelementen mit jeweils einem Rastermaß von 0,76 mm × 0,51 mm bestehen. Die Umfangsmaße des gesamten Drucksensors beträgt dabei ca. 2 mm × 3 mm. Als Materialien für den Drucksensor sind ein Glassub­ strat mit Goldelektroden von 50 µm Leiterbahnbreite und einer Gold-Schichtdicke von 400 nm sowie einer isolie­ renden Polyimid-Spacerstruktur von ca. 1 µm verwendet worden. Jede einzelne Interdigitalelektrode besteht dabei aus jeweils zwei Fingern mit einer Leiterbahn­ breite von 50 µm und einem Interdigitalabstand von 50 µm. Für jedes einzelne Drucksensorelement wird eine der beiden Elektroden einzeln nach außen kontaktiert wäh­ rend die jeweilige Gegenelektrode aller Sensorelemente miteinander verbunden sind und auf einem gemeinsamen Potential geführt werden.

Als Elastomermaterialien sind zwei komponentige Sili­ konkautschuke verwendet worden. Für das leitfähige Elastomermaterial ist Elastosil LR 3162 von der Fa. Wacker und für die nicht leitende Komponente Elastosil LR 3003 ebenfalls von der Fa. Wacker verwendet worden.

Die Größe der leitfähigen Pyramiden beträgt an der Basis 0,56 mm × 0,41 mm, die Höhe beträgt 0,29 mm. Die Dicke der nicht leitenden Silikonkautschukschicht be­ trägt dabei ca. 0,2 mm.

Die beiden Lagen des Sensors sind unter einem Mikroskop exakt übereinander positioniert und am Sensorrand span­ nungsfrei miteinander verklebt worden. Eine weitere Erhöhung der Anzahl der Arrayelemente ließe sich unter Zuhilfenahme von sogenannten Reihen-Spalten-Codierung vereinfachen, da diese eine Verringerung der Anzahl von Leiterbahnen zulassen würde.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen mechanischen Bauelemen­ tes zur Druckerfassung kann eine Meßempfindlichkeit von wenigstens 14 mN/mm² erreicht werden. Ferner ist eine hohe Toleranz gegenüber großen Kräften von wenigstens 10 N/mm² erreichbar. Schockbelastungen, große dynami­ sche Bereiche und hohe Auflösungsvermögen mit der vor­ beschriebenen Elementgröße sind mit dem erfindungsge­ mäßen Bauelement erreichbar. Die Herstellungsmethode erlaubt unter Zuhilfenahme etwas aufwendigerer Stan­ dard-Maskiertechniken eine Erhöhung der erzielten räum­ lichen und/oder dynamischen Auflösungsvermögens um mindestens den Faktor 5. Ein zusätzlicher Vorteil des Sensorprinzips besteht darin, daß bei Verwendung eines Polyimid-Folien-Substrates ein 2-dimensional biegbarer Sensor herstellbar ist, der beispielsweise an einem künstlichen Finger mit entsprechendem Tastsinn vorge­ sehen werden kann.

Claims (13)

1. Elektronisches Bauelement zur statischen und dyna­ mischen Druckerfassung mit einem nichtleitfähigem Grundsubstrat, auf dem wenigstens zwei jeweils in mindestens zwei einzelne Leiterbahnen auffächernde, voneinander isolierte Elektroden aufgebracht sind, die derart auf der Substratoberfläche angeordnet sind, daß sich paarweise jeweils eine Leiterbahn der einen mit der Leiterbahn der anderen Elektrode abwechselt, sowie mit einer, über dem Grundsubstrat und den Leiterbahn- Paaren angeordneten flexiblen, nicht leitenden Trägerschicht, an deren Unterseite entsprechend der Anzahl der Leiterbahn-Paare, elastische, im wesentlichen mittig zu den einzelnen Leiterbahn-Paaren ausgerichtete, elektrisch leitende Verformelemente mit einer Querschnittsfläche, deren Durchmesser in Grundsubstratnähe kleiner als der Leiterbahnabstand ist und die in Richtung der Trägerschicht kontinuierlich zunimmt und an der Trägerschicht in etwa der von den Leiterbahnen bedeckten Substratfläche entspricht, ange­ bracht sind, die gegen die Leiterbahnpaare drückbar sind.

2. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der einzelnen Leiterbahnen jeweils der Form eines "F" nachgebildet sind, eine sogenannte In­ terdigitalelektrodenanordnung, so daß eine Paar-An­ ordnung der Leiterbahnen derart erfolgt, daß die querverlaufenden Leiterbahnabschnitte nebeneinande­ rliegen.

3. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Elektroden-Paaren sowie eine entsprechende Anzahl von Verformelementen matrixförmig auf dem Grundsubstrat bzw. auf der Trägerschicht angeordnet sind.

4. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger­ schicht aus einem isolierenden und die Verformelemente aus einem elektrisch leitfähigen Elastomer bestehen.

5. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verform­ elemente pyramidenförmige Gestalt aufweisen, deren Basisfläche mit der Trägerschicht jeweils fest verbun­ den sind und deren Pyramidenspitzen ohne Druckbeauf­ schlagung an einer Stelle der Isolierschicht aufliegen, die zwischen den Leiterbahnen der einzelnen Leiterbahn- Paaren vorgesehen ist.

6. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger­ schicht ein derart elastisches Material und eine Dicke aufweist, so daß bei Druckbeaufschlagung keine mechani­ sche Überkopplung zwischen zwei benachbarten Verform­ elementen stattfindet.

7. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite der Trägerschicht die Sensorfläche des elektronischen Bauelements ist und kleiner und das einzelne Matrix­ element kleiner als 500 µm × 500 µm, vorzugsweise klei­ ner 100 µm × 100 µm ist.

8. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundsub­ strat starr oder flexibel ist.

9. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundsub­ strat aus Glas ist.

10. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolier­ schicht zwischen den Leiterbahnen vorgesehen ist, die etwas über die Höhe der einzelnen Leiterbahnen hinaus­ ragt.

11. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter­ bahnbreite 50 µm und die Leiterbahnhöhe etwa 400 nm beträgt.

12. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Leiterbahnen befindliche Isolierschicht eine Höhe von etwa 1 µm und eine Breite von 50 µm aufweist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor­ array aus einer Vielzahl nebeneinanderangeordneter elektronischer Bauelemente gebildet ist, das Teil eines taktilen Sensorsystems für einen Robotergreifer, einen Telemanipulator, eine künstliche Hand, eine endoskopi­ sche Faßzange oder einen endoskopischen Taststab ist.