DE3709533A1 - Sensor fuer von tierischen oder menschlichen koerpern ausgehenden mechanischen kraeften - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die DE-OS 35 12 095 beschreibt ein Verfahren, mit dem es möglich ist, Körperfunktionen, die mechanische Wirkung haben, zu überwachen, festzustellen und aufzuzeichnen. Diese Maßnahmen können bei Mensch und Tier durchgeführt werden. Sie können insbesondere für Meßzwecke oder für Überwachungszwecke, beispielsweise in Intensivstationen angewendet werden. Zur Umwandlung der mechanischen Kräfte in elektrische Signale wird eine elastische, piezoelektrische Folie verwendet. Diese Folie wird zwischen dem Körper und einem Substrat angeordnet. Die in dieser Folie erzeugten Spannungen werden von dieser abgenommen und einer Verarbeitungsschaltung, insbe­ sondere einer Sichtanzeige und/oder einer akustischen Alarmanlage und/oder einer digitalen Verarbeitungs­ schaltung zugeführt.

Zur Durchführung des Verfahrens wird mindestens eine piezoelektrische Folie mit mindestens einer Substratlage verwendet, wobei die Folie auf diese aufgelegt werden kann. Auf die Folie und das darunter angeordnete Substrat kann der zu überwachende Körper aufgelegt werden. Die Folie mit dem Substrat kann am Körper ange­ bracht und gegebenenfalls an diesen angedrückt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sicher­ heit der Überwachungsfunktion bei der Durchführung dieses Verfahrens noch zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch die technische Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.

Um sicherzustellen, daß bei einer denkbar ungünstigen Position des Körpers relativ zur Folie keine geometrisch elektrische Kompensation auftreten kann, die zu Fehl­ alarmen führen würde, wird die Folie in zwei streifen­ förmige Abschnitts-Gruppen unterteilt und die streifen­ förmigen Abschnitte sind alternierend mit jeweils einem von zwei getrennten Signalausgängen verbunden. Mit Vor­ teil können dabei die Summen der Flächen der jeweils alternierenden, streifenförmigen Abschnitte einander gleich sein.

Bei einer Ausführungsform wird eine elektrische Belegung der Folie durch eine Isolation derart in zwei Teile unterteilt, daß der Körper jeweils einen der unter­ teilten Bereiche zu beiden Seiten der Isolationstrenn­ linie berührt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform wird dadurch geschaffen, daß die Folie auf der einen Seite homogen elektrisch leitend beschichtet ist und daß die andere Seite eine elektrisch leitende Beschichtung aufweist, die durch eine mäanderförmige Isolierung in zwei kamm­ artig ineinandergreifende, elektrisch voneinander isolierte Beschichtungsflächen aufgeteilt ist. Jede dieser Beschichtungsflächen ist mit einer eigenen Signalleitung verbunden. Signale können dadurch getrennt den Verarbeitungseinrichtungen, insbesondere einer logischen Schaltung, zugeführt werden. Das durch die Mäanderform der Isolierung bedingte kammartige Ineinandergreifen der Beschichtungsflächen stellt in vorteilhafter Weise sicher, daß die Körper so positioniert werden, daß sie beide Beschichtungsflächen, die voneinander durch die mäanderförmige Isolierung getrennt sind, beaufschlagen.

Die mäanderförmige Isolierung wird mit Vorteil in der Weise hergestellt, daß das Beschichtungsmaterial an der Stelle, an der isoliert werden soll, durch Ätzen oder mechanisches Abtragen entfernt wird.

Die piezoelektrische Folie wird zwischen zwei Kunst­ stoffplatten und in einer Abschirmung angeordnet. Dies hat den besonderen Vorteil, daß die Eigenbewegungen des Sensors, insbesondere Nachbewegungen der piezoelek­ trischen Folie beseitigt werden. Die Abschirmung verhin­ dert Störungen, die durch elektrische Felder bedingt sind.

Stoßwellen in der umgebenden Luft, die beispielsweise durch Tür- oder Fensterschlagen erzeugt werden, können zu falschen Auswertungen führen. Zu deren Kompensation wird bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mindestens längs eines Randabschnittes der piezo­ elektrischen Folie eine zweite piezoelektrische Folie, deren Polung (Orientierung der molekularen Dipole) zu der ersten Folie entgegengesetzt ist, angeordnet. Die Oberfläche der zweiten piezoelektrischen Folie ist gleich der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Folie, die vom tierischen oder menschlichen Körper beaufschlagt wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform, die eben­ falls eine falsche Auswertung, die durch Stoßwellen in der umgebenden Luft hervorgerufen werden kann, aus­ schließt, wird dadurch erzielt, daß die piezoelektrische Polarisation alternierender, streifenförmiger Abschnitte in jeder Gruppe der jeweils mit einem der Signalausgänge verbundenen Abschnitte entgegengesetzt ist. Überraschend hat sich gezeigt, daß es bei dieser Ausführungsform nicht mehr erforderlich ist, eine zweite Kompensations­ folie vorzusehen. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors kann eine derartige Folie in Streifen geschnitten und alternierende Streifen einer Gruppe können derart umgedreht werden, daß sich piezo­ elektrische Polarisationen der beschriebenen, entgegen­ gesetzten Art ergeben.

Mit Vorteil kann jedoch die elektrisch leitende Be­ schichtung auf jeder Seite der Folie in streifenförmige, elektrisch voneinander getrennte Abschnitte unterteilt sein. Jede Signalausgangsleitung kann alternierend mit dem elektrisch leitenden Beschichtungsabschnitt auf der einen und auf der anderen Oberfläche der Folie verbunden sein. Bei Verwendung moderner Aufdampfungs- oder Druck­ techniken können die Signalausgangsleitungen mäander­ förmige Durchkontaktierungen sein. Ein besonders gut funktionierender und gegen Störeinflüsse sicherer Sensor wird dadurch geschaffen, daß die piezoelektrische Folie zwischen zwei Kunststoffplatten eingelegt und diese Baugruppe von einer elektrischen Abschirmung (Faraday- Käfig) umhüllt ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen unter Bezug­ nahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen Sensor,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Sensors,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Sensors,

Fig. 4 eine vergrößerte, perspektivische Teilansicht einer Folie und

Fig. 5 eine Schnittansicht eines weiteren Aus­ führungsbeispiels eines Sensors.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine piezoelektrische Folie 1. Die nicht gezeigte Unterseite der piezoel­ ektrischen Folie 1 ist in an sich bekannter Weise homogen elektrisch leitend beschichtet. Die dargestellte Oberseite der piezoelektrischen Folie 1 weist eine elektrisch leitende Beschichtung 2 auf. Diese elektrisch leitende Beschichtung 2 der piezoelektrischen Folie 1 ist in zwei elektrisch voneinander isolierte Be­ schichtungsflächen 9, 10 unterteilt und es werden streifenförmige Abschnitte 4 und 5 gebildet, die kamm­ artig ineinandergreifen. Die beiden voneinander getrenn­ ten Beschichtungsflächen 9, 10 werden durch eine mä­ anderförmige Isolation 8 voneinander getrennt. Die kammartig ineinandergreifenden, streifenförmigen Ab­ schnitte 4 und 5 sind zu Gruppen zusammengefaßt, die jeweils eigene Signalausgänge 6 und 7 haben. Die Signal­ ausgänge 6, 7 sind beispielsweise über nicht darge­ stellte Verstärker mit logischen Eingangsschaltungen einer Verarbeitungsschaltung verbunden. Die mäander­ förmige, elektrische Isolation 8 kann in der Weise her­ gestellt werden, daß das Material der Beschichtung 2 längs dieser Mäanderbahn entweder durch Ätzen oder mechanisch entfernt wird. Vorzugsweise ist die Summe der Flächen der streifenförmigen Abschnitte 4 gleich der Summe der Flächen der streifenförmigen Abschnitte 5.

Wie Fig. 2 zeigt, ist die piezoelektrische Folie 1 zwischen zwei Kunststoffplatten 13 in einer Abschirmung 12 angeordnet. Diese Dämpfungsmatte 13 übernimmt die Aufgabe einer Trittschallisolierung. Unterhalb der piezoelektrischen Folie 1 ist außerhalb der Abschirmung 12 eine Dämpfungsmatte 14 angeordnet.

Es kann zweckmäßig sein, oberhalb dieses Schichtbau­ körpers noch Akustikwatte 14 anzuordnen und das Ganze in einer Hülle 15 zu verpacken.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Sensors, der als Atemmatte verwendet wird. Es ist der systematische Aufbau gezeigt. Die Folie ist in streifen­ förmige Abschnitte 4 und 5 derart unterteilt, daß alter­ nierende Gruppen gebildet werden, wobei jeweils alter­ nierende Streifen mit dem gleichen Ausgang 6, 7 ver­ bunden sind. Es ist für jede Gruppe ein eigener Ausgang 6 bzw. 7 vorgesehen, wobei diese Atemmatte nicht eine Folie mit mäanderartiger Beschichtung ist. Beispiels­ weise kann diese Atemmatte so hergestellt werden, daß eine Folie mit zweiseitiger Beschichtung in Streifen geschnitten und daß jeweils der zweite Streifen einer Gruppe umgedreht wird, so daß die Gruppen alternierender Streifen entgegengesetzte Polarität aufweisen. Es ist aber auch möglich, die Streifen so herzustellen, daß eine Beschichtungsseite der Folie streifenförmige Be­ legungsabschnitte aufweist. Diese streifenförmigen Be­ legungsabschnitte können beim Herstellungsverfahren durch eine entsprechende Druck- oder Aufdampftechnik erzeugt werden. Es ist aber auch möglich, eine homogene Beschichtung einer Folie durch mechanische Bearbeitung oder mittels Ätzverfahren mit Isolationsstreifen zu versehen, die in der homogenen Beschichtung streifen­ förmige Abschnitte 4 und 5 ausbilden.

Eine entgegengesetzte Polarisation kann man durch eine elektrische Schaltung erzielen, wie sie beispielsweise in Fig. 4 schematisch dargestellt ist.

Wie gezeigt, sind die elektrisch leitenden Beschich­ tungen 2 und 3 der piezoelektrischen Folie 1 derart gestaltet, daß nebeneinanderliegende, streifenförmige Abschnitte 4 a und 5 a gebildet werden. Eine entgegenge­ setzte, piezoelektrische Orientierung wird durch eine spezielle, elektrische Verbindung der einzelnen Streifen in jeder Gruppe erzeugt.

Diese Verbindung verwendet die Durchkontaktierungs­ technik, wie sie bei gedruckten Schaltungen und der­ gleichen üblich ist. Es ist zu erkennen, daß der in Fig. 4 unten liegende Streifenabschnitt 4 a eine Verbindung aufweist, die in der Gruppe zum nächstliegenden Streifen 4 a führt und zwar auf der anderen Seite der Folie. Von dort aus erfolgt die Leitung dann wieder zur Unterseite der Folie hin.

Wie dargestellt, sind die Streifen 5 a derart ausge­ bildet, daß diese elektrische Leitung durch ein Druck- und Durchkontaktierungsverfahren hergestellt werden kann. Auf der anderen Seite sind die Streifen 5 a in äquivalenter Weise miteinander verbunden. Es ist zu erkennen, daß eine mäanderartige Kontaktführung durch die piezoelektrische Folie 1 hindurch erfolgt, wodurch eine Umkehr der piezoelektrischen Orientierung erfolgt.

Der in Fig. 5 dargestellte Sensor weist eine piezo­ elektrische Folie 1 auf, die zwischen zwei dünnen Kunst­ stoffplatten 16 angeordnet ist. Diese Sandwichbaugruppe ist in einer elektrischen Abschirmung 17 angeordnet, die einen Faraday-Käfig bildet. Es kann eine weiche Unter­ lage vorgesehen sein.

Claims (10)

1. Sensor für von tierischen oder menschlichen Körpern ausgehenden mechanischen Kräften, insbesondere Impulse mit einer an einer Substratlage angeordneten, beidseitig eine elektrisch leitende Beschichtung auf­ weisenden piezoelektrischen Folie, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Folie (1) in streifenförmige Ab­ schnitte (4, 5) aufgeteilt ist, und daß diese streifenförmigen Abschnitte (4, 5) alternierend mit jeweils einem von zwei getrennten Signalausgängen (6, 7) verbunden sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summen der Flächen der jeweils alternierenden, streifenförmigen Abschnitte (4, 5) einander gleich sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite der Folie (1) eine homogene, elektrisch leitende Beschichtung aufweist und daß die elektrisch leitende Beschichtung (3) auf der anderen Seite durch eine mäanderförmige Isolierung (8) in zwei kammartig ineinandergreifende, elektrisch voneinander isolierte Beschichtungsflächen (9, 10) aufgeteilt ist, von denen jede mit einer eigenen Signalausgangsleitung (6, 7) verbunden ist.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mäanderförmige Isolierung (8) als ein vom Be­ schichtungsmaterial freier Streifen ausgebildet ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens längs eines Randabschnittes der piezo­ elektrischen Folie (1) eine zweite piezoelektrische Folie mit entgegengesetzter Polung angebracht ist, deren Polung (Orientierung der molekularen Dipole) entgegengesetzt zu der ersten Folie ist.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der zweiten piezoelektrischen Folie im wesentlichen gleich der der ersten piezoelektrischen Folie (1) ist.

7. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Polarisation alternierender, streifenförmiger Abschnitte (4, 5; 4 a, 5 a) in jeder Gruppe der jeweils mit einem der Signalausgänge (6, 7) verbundenen Abschnitte (4, 5) entgegengesetzt ist.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Beschichtung (2, 3) auf jeder Seite der piezoelektrischen Folie (1) in streifen­ förmige, elektrisch voneinander getrennte Abschnitte (4 a, 5 a) unterteilt ist und daß jede Signalausgangs­ leitung (6, 7) alternierend mit dem elektrisch leitenden Beschichtungsabschnitt (3, 4 a) auf der einen und (2, 4 a) auf der anderen Oberfläche der Folie verbunden ist.

9. Sensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalausgangsleitungen (7 a) mäanderförmige Durchkontaktierungen sind (Fig. 4).

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Folie (1) zwischen zwei Kunst­ stoffplatten (16) eingelegt und diese Baugruppe von einer elektrischen Abschirmung (17) umhüllt ist.