EP3849839A1 - Vorrichtung zur messung von druck und/oder feuchtigkeit auf basis einer umgebungsfeuchtigkeit - Google Patents

Vorrichtung zur messung von druck und/oder feuchtigkeit auf basis einer umgebungsfeuchtigkeit

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EP3849839A1
EP3849839A1 EP19836797.1A EP19836797A EP3849839A1 EP 3849839 A1 EP3849839 A1 EP 3849839A1 EP 19836797 A EP19836797 A EP 19836797A EP 3849839 A1 EP3849839 A1 EP 3849839A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
moisture
sensor
humidity
capacitor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19836797.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mohammad Kabany
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
B Horizon GmbH
Original Assignee
B Horizon GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by B Horizon GmbH filed Critical B Horizon GmbH
Priority to EP20201745.5A priority Critical patent/EP3825167A1/de
Publication of EP3849839A1 publication Critical patent/EP3849839A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/223—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity
    • G01N27/225—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity by using hygroscopic materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60N—SEATS SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLES; VEHICLE PASSENGER ACCOMMODATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60N2/00—Seats specially adapted for vehicles; Arrangement or mounting of seats in vehicles
    • B60N2/002—Seats provided with an occupancy detection means mounted therein or thereon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60N—SEATS SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLES; VEHICLE PASSENGER ACCOMMODATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60N2/00—Seats specially adapted for vehicles; Arrangement or mounting of seats in vehicles
    • B60N2/58—Seat coverings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0092—Pressure sensor associated with other sensors, e.g. for measuring acceleration or temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
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    • G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors

Definitions

  • the present invention relates to a device for measuring pressure and / or humidity and a method for measuring pressure and / or humidity, comprising the respective preambles of claims 1 and 8.
  • the device according to the invention for measuring pressure and / or moisture comprises at least one sensor for measuring pressure and / or moisture, the sensor comprising at least one capacitor with at least two electrodes which, in particular in a horizontal direction, along and on one, in particular flexible, carrier material are arranged with respect to one another, with at least one electrical layer being arranged between the electrodes.
  • the horizontal direction is preferably a main direction of extent of the flexible Trä germaterials.
  • “Flexible” in this context means that the carrier material is at least in places flexible and therefore elastic.
  • the carrier material can be a woven fabric or some other clothing material, such as a polyester, for example.
  • the dielectric layer thus separates the two electrodes in a horizontal and / or in a transverse direction perpendicular thereto.
  • At least one electrode and / or the dielectric layer at least in places, at least one, at least partially moisture-permeable and / or moisture-absorbing moisture layer, is arranged on a side facing away from the carrier material, with the at least one electrode and / or dielectric layer between them in a transverse direction the carrier material and the moisture layer are arranged so that a capacitance is at least partially changed by the moisture at least partially hitting the dielectric layer, a processing unit being set up and intended to measure and / or store this change, so that a capacitive ver Humidity sensor is created.
  • the dielectric constant of the polymer material changes as a function of the moisture content.
  • the task of the processing unit is, among other things, to determine the relative humidity as precisely as possible from a measured ambient temperature and the humidity-dependent capacitance value of the sensor.
  • the device for measuring pressure and / or humidity comprises at least one sensor for measuring pressure and / or humidity, the sensor comprising at least one capacitor with at least two electrodes, which in particular in a horizontal direction along one and are arranged on an in particular flexible carrier material to one another, with at least one dielectric layer being arranged between the electrodes.
  • the moisture layer can be formed with a dielectric material.
  • the material of the moisture layer can be different from the material of the water-impermeable layer.
  • moisture-absorbing layer can be understood to mean an at least partial absorption of moisture from an ambient medium into the layer itself. Moisture can therefore be understood as a gaseous or droplet phase in the surrounding medium. The moisture can be contained in the ambient air or some other ambient medium of the layer.
  • the water or liquid content of air is generally referred to as humidity.
  • the absolute humidity indicates how much water or liquid vapor is contained in the volume unit of the gas mixture; Unit of measurement: g water (or other liquid) rrf 3 .
  • the relative humidity is the quotient of the amount of liquid vapor present in the gas at a certain temperature and the saturation amount of liquid vapor possible at the same temperature. The relative humidity is usually given in percent (%). To do this, the quotient is multiplied by 100. If the air is saturated, ie the relative humidity is 100%, some of the liquid in the air is liquid. In this case, the associated liquid-gas mixture is referred to as haze or mist.
  • moisture or dampness can be the measure of the presence of water or another liquid in or on a material (e.g. textiles) or a substance or in a gas or in a room.
  • the moisture-absorbing moisture layer described here can therefore differ from a, in particular only liquid-absorbing (moisture) layer, among other things in that the moisture-absorbing moisture layer is made of a material which, in addition to the adsorption of liquid, is also used in the surrounding area. absorbs moisture contained in the exercise medium. However, it is also conceivable that the moisture-absorbing moisture layer merely absorbs moisture in the surrounding medium of the layer and therefore cannot absorb any liquid.
  • the sensor and / or the processing unit can be supplied with electrical energy by means of a battery or a fixed mains power supply.
  • Energy harvesting refers to the production of small amounts of electrical energy from sources such as ambient temperature, vibrations or air currents for mobile devices with low power.
  • the structures used for this are also known as nanogenerators. With wireless technologies, energy harvesting avoids restrictions due to wired power supply or batteries.
  • Piezoelectric crystals generate electrical voltages when a force is applied, for example through pressure or vibration. These crystals can be arranged on or on the carrier material.
  • Thermoelectric generators and pyroelectric crystals generate electrical energy from temperature differences. These generators can be arranged on or on the carrier material.
  • the energy of radio waves can be captured and used energetically via antennas.
  • Passive RFIDs are an example of this. These antennas can be arranged on or on the carrier material.
  • the senor is additionally a capacitive pressure sensor, the processing unit being additionally set up and provided for it is to measure and / or store a change in capacitance of the capacitor caused by external pressure.
  • a capacitive sensor is basically a sensor that works on the basis of the change in the electrical capacitance of an individual capacitor or a capacitor system.
  • the capacity can be influenced by the size to be recorded in various ways, which are primarily determined by the intended use.
  • a capacitive sensor is based, among other things, on the fact that two electrodes, one of which can be the surface to be measured, form the "plates" of an electrical capacitor whose capacitance or change in capacitance is measured, which can be influenced as follows:
  • a plate is displaced and / or deformed by the measuring effect, which changes the plate spacing and thus the measurable electrical capacitance.
  • the plates are rigid and the capacitance changes in that an electrically conductive material or a dielectric is brought into close proximity.
  • the effective plate area changes when the plates are shifted against each other like a rotary capacitor.
  • the actual measuring electrode can often be surrounded by a shielding electrode that shields the inhomogeneous edge area of the electric field from the measuring electrode.This results in an almost parallel electric field with the known one between the measuring electrodes of the usually grounded counter electrode Characteristic of an ideal plate capacitor.
  • a capacitive pressure sensor is in particular one in which the change in capacitance due to the bending of a membrane and the resulting change in the plate spacing is evaluated as a sensor effect.
  • the membrane is the above-mentioned dielectric or else the individual capacitor electrodes, which can in particular be designed in the form of a plate.
  • Such an embodiment combines a capacitive humidity sensor with a capacitive pressure sensor in a novel way, but without these components forming separate elements or two separate sensors the same sensor functions as both a humidity sensor and a pressure sensor.
  • the carrier material is a woven material, in particular in which electrical conductor tracks for electrical contacting of the sensor and the processing unit are woven.
  • a woven fabric is therefore a fabric that has been woven manually or by machine on the basis of individual threads.
  • the electrical conductor tracks can therefore also be integrated in a tissue in addition to the usual fibers and tissue strands, or they can replace individual tissue strands which form the tissue network.
  • Woven fabrics are longitudinally elastic through elastic threads used as warp threads (more ribbons used) or crimped and bulked yarns. They are tensioned, processed and contract when at rest.
  • Bulky yarns consist of textured, i.e. crimped synthetic fibers. The crimp changes the properties of the synthetic fibers.
  • the yarns spun on it are very elastic and voluminous and have good thermal insulation.
  • the carrier material can be part of a cover fabric for a seat, in particular a vehicle seat or an office chair.
  • the sensor but preferably the entire device, can be applied to the cover material of such a seat or integrated into such a seat.
  • the processing unit is set up and provided to detect the individual humidity and pressure values and to determine at least one respective characteristic value from a combination of the individual humidity and pressure values it can be deduced which individual (with weight and / or height) is currently occupying the vehicle seat.
  • a weight of the respective person can be derived and determined from the pressure measurement by the processing unit.
  • the respective moisture that the respective person emits to the sensor can also be measured, the respective characteristic value being, for example, a product of the relative humidity value times the load weight determined by the processing unit.
  • the processing unit can issue a warning, in particular by means of a connection to the electronics of the vehicle.
  • This warning may indicate that the seat is overcrowded or that the driver is sweating too much.
  • this warning can also be replaced by a corresponding display indicating which occupancy type is using the seat.
  • An occupancy type can be a weight classification of a respective user, or it can also be a question of whether the user is an animal, a person or a thing.
  • the processing unit can therefore preferably be integrated into display electronics of the vehicle, but at least can be connected to such.
  • the processing unit connects to a receiving unit of the vehicle, for example by means of Bluetooth or another wireless connection, and the respective characteristic or limit value and / or the respective warning and / or the respective identification of the user on a display of the vehicle be reproduced.
  • these individual values and / or identifications can also be called up and / or displayed externally.
  • the car can be monitored for overcrowding by an external controller.
  • the processing unit can be connected to a triggering unit of an airbag by means of a data connection, so that the processing unit can also control and / or regulate the triggering unit, in particular with regard to a triggering time of the airbag.
  • the processing unit can have a Controller unit of the airbag is supplied with data, for example with regard to an occupancy type, position and / or weight of a user of the vehicle seat.
  • At least one electrode and / or dielectric layer is printed on the carrier material or on a particularly water-impermeable layer arranged on the carrier material or applied by means of a thin-film method.
  • At least one element is printed on the carrier material or a preferably electrically non-conductive, further preferably water-impermeable layer applied between the sensor and the carrier material by means of a printing process.
  • the printing process can be an inkjet process, for example.
  • the processing unit is applied to the carrier material in the same way as the sensor.
  • the processing unit but at least one, in particular conductive, layer of the processing unit is, for example, printed onto the carrier material.
  • the data communication between the processing unit and the sensor can then take place via the conductor tracks mentioned above.
  • These conductor tracks can be at least partially, but preferably completely, woven into the woven fabric or even form individual fibers of the woven fabric itself.
  • At least one electrode is designed to be flat. This means that a thickness of the electrode is negligible compared to its areal extension. Such an electrode can therefore be produced in particular by means of a printing process.
  • a thickness of at least one electrode can be at most 5 mm.
  • the printing process can be used several times, so that at least two, but then preferably more, individual printing layers are stacked one on top of the other.
  • the electrode can also be arranged on the carrier material by means of a 3D printing process.
  • FFF Fused Filament Fabrication
  • FLM Fused Layer Modeling
  • the process refers to the application of layers (extrusion) of a material through a hot nozzle.
  • the consumables are in the form of a long wire (so-called filament) on a roll and are pushed into a print head by the conveyor unit, where they are melted and placed on a print bed.
  • the print head and / or print bed can be moved in three directions. In this way, layers of plastic can be applied one on top of the other.
  • a thin layer of powder is always applied to the printing bed by the coating unit.
  • the laser or other energy source
  • the laser is now aimed precisely at individual points of the powder layer in order to form the first layer of the print data.
  • the powder is melted or melted and then solidifies again through slight cooling.
  • the unmelted powder remains around the sintered areas and serves as a support material.
  • the print bed lowers by a fraction of a millimeter.
  • the coating unit now moves over the print bed and applies the next layer of powder.
  • the second layer of the print data is then sintered by the laser (or other energy source). This creates a three-dimensional object in layers.
  • 3DP Three-Dimensional Printing
  • the 3DP process works very similarly to selective laser sintering, but instead of a directed energy source, a print head moves over the powder. This releases tiny droplets of binding agent onto the underlying powder layers, which are thus bonded together. Otherwise this procedure is the same as the SLS procedure.
  • liquid resins are used in the stereo lithography process. They are hardened in layers by UV radiation and thus create three-dimensional objects. For this purpose, the construction platform in the Harz Basin is gradually being lowered.
  • the so-called Polyjet process without an entire tank with liquid resin. For this, an epoxy resin is applied drop by drop from a nozzle and immediately hardened by a UV laser.
  • LOM Laminated Object Manufacturing
  • the process is based neither on chemical reactions nor on a thermal process.
  • the contour is cut with a separating tool (e.g. a knife or carbon dioxide laser), a film or a plate (e.g. paper) and glued on top of each other in layers.
  • a separating tool e.g. a knife or carbon dioxide laser
  • a film or a plate e.g. paper
  • One or more water-impermeable layers and / or also the moisture layer can be applied in the same type and / or thickness as the electrode.
  • the moisture layer completely covers the capacitor.
  • the moisture layer delimits and closes off the sensor towards the outside, that is to say in the transverse direction, so that the sensor is arranged between the moisture layer and the carrier material.
  • the sensor has at least one further capacitor, which is arranged in the transverse direction below or above the capacitor and spaced apart from the capacitor by a further water-impermeable layer or under this further water-impermeable layer, so that a capacitor stack is formed.
  • the further capacitor can be constructed in the same way as the capacitor and can also be arranged in the same way as the capacitor on the further water-impermeable layer.
  • the sensor system can be particularly easily refined insofar as it is conceivable that, with two sensors forming the capacitor stack, both sensors perform the same tasks, but the individual sensors determine respective measured values which, taken together, conclude a mean value to let. For example, the (relative) humidity of the environment is measured by each of the two sensors, the average humidity value then being determined from these two measured values. The same can be done accordingly with the pressure measurement, so that the accuracy of the entire measurement, in particular a combination of the measurements of (relative) humidity and the respective pressure, can be designed particularly precisely.
  • the water-impermeable layer and / or the further water-impermeable layer at least partially form the dielectric layer itself.
  • this dielectric layer itself is formed by the water-impermeable layer and / or the further water-impermeable layer.
  • Such a production of the dielectric layer by the water-impermeable layer (s) therefore forms a particularly simple and cost-effective production method for an inexpensive device.
  • the electrodes, the dielectric layer and the water-impermeable layer (s) can in principle be arranged in relation to one another in such a way that an electrical short circuit is prevented in any case.
  • a maximum thickness of the moisture layer is at least 30% and at most 80% of the maximum thickness of the water-impermeable layer and / or the maximum thickness of the further water-impermeable layer.
  • the present invention relates to a method for measuring pressure and / or humidity, it being particularly noted that all of the features disclosed for the above-described device are also disclosed for the method described here, and vice versa.
  • the method for measuring pressure and / or humidity initially comprises a first step by means of which at least one sensor for measuring pressure and / or humidity is provided, the sensor having at least one capacitor with at least two electrodes, which, in particular in a hori zontal direction along and on one, in particular flexible, carrier material to one another, wherein at least one dielectric layer is arranged between the electrodes.
  • At least one electrode and / or the dielectric layer at least in places, at least one, at least partially moisture-permeable and / or moisture-absorbing moisture layer is arranged on a side facing away from the carrier material, with the at least one electrode and / or the dielectric layer between them in a transverse direction the carrier material and the moisture layer are arranged so that a capacitance changes at least partially due to the moisture at least partially hitting the dielectric layer, a processing unit measuring and / or storing this change so that a capacitive moisture sensor is created.
  • the method described above has the same advantages and advantageous configurations as the device described above.
  • FIG. 1 A device according to the invention for measuring pressure and / or humidity is shown in a first exemplary embodiment in FIG.
  • FIG 2 is a schematic perspective view of an exploded view shown in relation to the layer arrangement is shown.
  • FIG. 3 a further exemplary embodiment of a device described here is shown.
  • FIG. 1 a device 100 for measuring pressure and / or humidity is shown there.
  • a sensor 1 is shown there as an example, the sensor 1 showing a capacitor stack with a capacitor 20 and a capacitor 30, the individual electrodes 10, 11 of the capacitors 20, 30 being arranged one above the other in the horizontal direction H1, alternatively
  • the individual electrodes 10, 11 of an individual capacitor 20, 30 in the transverse direction Q1 which runs perpendicular to the horizontal direction H1 and thus also run or can be arranged perpendicular to the main direction of extension of the sensor 1 shown there.
  • the individual electrodes 10, 11 are arranged on a carrier material 13.
  • the Trä germaterial 13 can in particular be a woven fabric, in particular a flexible woven fabric.
  • a water-impermeable layer 4 is arranged on the carrier material 13, the two electrodes 10, 11 of the capacitor 20 being printed on this water-impermeable layer 4 in the horizontal direction H1.
  • the electrodes 10, 11 of the capacitor 20 are completely surrounded by a further water-impermeable layer 14.
  • the further capacitor 30 with corresponding electrodes 10, 11 is printed in the same way.
  • exposed outer surfaces of the individual electrodes 10, 11 of the further capacitor 30 are preferably completely reversed by a water-permeable and / or water-absorbing moisture layer 3.
  • water can hit a dielectric layer 4, which in the present case is arranged in the horizontal direction H1 between the respective electrodes 10, 11 of a capacitor 20, 30.
  • the water-impermeable layer 4 itself forms a dielectric layer 4 of the capacitor 20.
  • the water-impermeable layer 14 forms a dielectric layer 4 of the capacitor 20.
  • the further water-impermeable layer 14 with regard to the further capacitor 30.
  • the dielectric properties, in particular of the dielectric layer 2 of the further capacitor 30, are changed.
  • a processing unit 5 can be seen which is in data-technical relationship with the two capacitors 20, 30, this processing unit 5 being set up and intended to measure a change in the relative humidity of the environment and / or the humidity layer 3.
  • the processing unit 5 can then compare a change in the capacitance of the further capacitor 30. Chen with the stable capacitor capacitance of the capacitor 10, so that a particularly simple comparison can be made for this in the change in the relative humidity and / also in the respective load pressure.
  • the arrow shown in FIG. 1 also shows a pressure direction in which the sensor 1 is subjected to pressure. Both can preferably be measured, evaluated and stored by the sensor 1 and in particular by the device 100.
  • the processing unit 5, shown as essential in the invention is used, which can also measure and evaluate corresponding pressure values and changes in the capacitance of the individual sensors 1 associated therewith, so that the processing unit 5 is also set up and provided for a through to measure and / or store the change in capacitance of the capacitor 20 and in particular also of the further capacitor 30 caused by external pressure.
  • the moisture layer 3 can be designed to be flexible or not flexible.
  • the moisture layer 3 can be designed as a woven material.
  • it can be a woven fabric, which was mentioned as an example in the introductory part of the present application.
  • the moisture layer 3 is a substrate which, for example, has been applied, for example glued, to the further capacitor 30 in the form of an epitaxy or an adhesive process.
  • the water-impermeable layer 14 and / or the water-impermeable layer 15 can also be flexible and inflexible, in particular also in the form of a woven fabric or a substrate in the same way as the moisture layer 3.
  • the electrodes 10, 11 of the two capacitors 20, 30 were printed onto the water-impermeable layer 14 and the further water-impermeable layer 15 in the form of a printing process, for example an inkjet printing process.
  • FIG. 2 An exploded view is shown in FIG. 2, the respective arrangement of the electrodes 10, 11 of the capacitors 20, 30 being evident in particular from FIG.
  • the force acting on the sensor 1, shown by the direction of the arrow, and the moisture acting through the individual, schematically shown drops, can again be seen.
  • the moisture penetrates in particular between the electrodes 10, 11 and has, for example, a significant effect on the electrical property of the respective water-permeable layer 14, so that the capacitance of at least the further capacitor 30 is as explained in FIG each changes.
  • FIG. 3 shows that the sensor 1 can consist of two electrodes 10 and one electrode 11.
  • the electrodes 10 have one polarity (preferably the same polarity), while the electrode 11 has a different polarity, but the exploded view of the left part of FIG. 3 is shown in the right partial image of FIG. 3 and it can be seen that three water-impermeable layers 4 , 14, 15 can be used.
  • the electrodes 10 can also have different polarities and / or electrical potentials.
  • the electrodes 10 can also be electrically connected to one another.
  • the electrodes 10, 11 can each have and / or generate a separate polarity and / or a separate electrical potential. The same can also apply to those in the following figures with regard to the electrodes.
  • the lowermost water-impermeable layer is in turn the water-impermeable layer 14, the subsequent water-impermeable layer 15 and the water-impermeable layer 16 arranged thereon in the transverse direction Q1 is a further water-impermeable layer, with one electrode in each case being applied to a separate water-impermeable layer in particular is printed.
  • the capacitor 20 shown in the left part of FIG. 3 is produced by merging these layers, the electrodes 10 being removed in the transverse direction Q1, as in the corresponding partial image can be arranged on different levels.
  • the electrode 11 can also be applied together with at least one of the electrodes 10 in a common plane, that is to say on or in a common water-impermeable layer 4, 14, 15, so that, for example, only the second of the Electrodes 10 are stacked on a separate water-impermeable layer 4, 14, 15 who has to.
  • the individual electrodes 10, 11 can therefore be arranged in different planes in the Q1 direction with respect to one another. For example, there is a paired assignment between exactly one water-impermeable layer 4, 14, 15 with exactly one electrode 10, 11.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Druck und/ oder Feuchtigkeit, sowie ein Verfahren zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit. Die Vorrichtung umfasst zumindest einen Sensor zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit, wobei der Sensor zumindest einen Kondensator mit zumindest zwei Elektroden umfasst, welche, insbesondere in einer horizontalen Richtung entlang eines und auf einem, insbesondere flexiblem, Trägermaterial zueinander angeordnet sind. Dabei ist zwischen den Elektroden zumindest eine dielektrische Schicht angeordnet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf einer einem Trägermaterial abgewandten Seite zumindest eine Elektrode und/ oder die dielektrische Schicht zumindest stellenweise, zumindest eine, zumindest teilweise feuchtigkeitsdurchlässige und/oder feuchtigkeitsabsorbierende Feuchteschicht angeordnet ist. Dabei sind somit die zumindest eine Elektrode und/oder die dielektrische Schicht in einer Querrichtung zwischen dem Trägermaterial und der Feuchteschicht angeordnet. So verändert sich eine Kapazität durch die auf die dielektrische Schicht zumindest teilweise treffende Feuchtigkeit zumindest teilweise, wobei eine Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet und dafür vorgesehen ist diese Änderung zu messen und/oder zu speichern, sodass ein kapazitiver Feuchtesensor entsteht.

Description

Vorrichtung zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit auf Basis einer Umgebungsfeuch tigkeit
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Druck und/oder Feuch tigkeit sowie ein Verfahren zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit umfassend die jeweiligen Oberbegriffe der Patentansprüche 1 und 8.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit umfasst zumindest einen Sensor zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit, wobei der Sensor zumindest einen Kondensator mit zumindest zwei Elektroden umfasst, welche, insbesondere in einer horizontalen Richtung, entlang eines und auf einem, insbesondere flexiblen, Träger- material zueinander angeordnet sind, wobei zwischen den Elektroden zumindest eine die lektrische Schicht angeordnet ist.
Die horizontale Richtung ist vorzugsweise eine Haupterstreckungsrichtung des flexiblen Trä germaterials.
„Flexibel“ heißt in diesem Zusammenhang, dass das Trägermaterial zumindest stellenweise biegsam und damit elastisch ist.
Insbesondere kann es sich bei dem Trägermaterial um einen Webstoff oder um einen sons- tigen Bekleidungsstoff, wie zum Beispiel ein Polyester handeln. Die dielektrische Schicht beabstandet damit die beiden Elektroden in einer horizontalen und/oder in einer dazu senkrechten Querrichtung.
Erfindungsgemäß ist auf einer dem Trägermaterial abgewandten Seite zumindest eine Elekt rode und/oder der dielektrischen Schicht zumindest stellenweise, zumindest eine, zumindest teilweise feuchtigkeitsdurchlässige und/oder feuchtigkeitsabsorbierende Feuchteschicht an geordnet, wobei somit die zumindest eine Elektrode und/oder dielektrische Schicht in einer Querrichtung zwischen dem Trägermaterial und der Feuchteschicht angeordnet sind, sodass eine Kapazität durch die auf die dielektrische Schicht zumindest teilweise treffende Feuchtig keit, zumindest teilweise verändert, wobei eine Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet und dafür vorgesehen ist diese Änderung zu messen und/oder zu speichern, sodass ein kapaziti ver Feuchtesensor entsteht.
Ein kapazitiver Feuchtesensor ist im Prinzip ein Kondensator, dessen Dielektrikum vorzugs weise aus einem hygroskopischen Polymerschicht besteht, die entsprechend der Feuchtig keit der Umgebungsluft Feuchtigkeit aufnimmt (absorbiert) oder abgibt (desorbiert) bis ein Gleichgewichtszustand (Diffusionsgefälle ist = 0) erreicht ist. Dabei verändert sich die Die lektrizitätskonstante des Polymermaterials als Funktion eines Feuchtegehalts.
Die Aufgabe der Verarbeitungseinheit besteht unter anderem darin, vorzugsweise auch aus einer gemessenen Umgebungstemperatur und dem feuchtigkeitsabhängigen Kapazitätswert des Sensors die relative Feuchte möglichst genau zu ermitteln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit zumindest einen Sensor zur Messung von Druck und/oder Feuchtig keit, wobei der Sensor zumindest einen Kondensator mit zumindest zwei Elektroden um fasst, welche insbesondere in einer horizontalen Richtung entlang eines und auf einem ins besondere flexiblen Trägermaterial zueinander angeordnet sind, wobei zwischen den Elekt roden zumindest eine dielektrische Schicht angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist auf eine dem Trägermaterial abgewandten Seite zumindest eine Elekt rode und/oder dielektrische Schicht zumindest stellenweise, zumindest eine, zumindest teil weise feuchtigkeitsdurchlässige und/oder feuchtigkeitsabsorbierende Schicht (= Feuchte schicht) angeordnet, wobei somit die zumindest eine Elektrode und/oder dielektrische Schicht in Querrichtung zwischen dem Trägermaterial und der Feuchteschicht angeordnet sind, sodass eine Kapazität durch die auf die dielektrische Schicht zumindest teilweise tref fende Feuchtigkeit, zumindest teilweise verändert wird, wobei eine Verarbeitungseinheit da zu eingerichtet und dafür vorgesehen ist diese Änderung zu messen und/oder zu speichern, sodass ein kapazitiver Feuchtesensor entsteht.
Die Feuchteschicht kann mit einem dielektrischen Material gebildet sein. Das Material der Feuchteschicht kann verschieden von dem Material der wasserundurchlässigen Schicht sein.
Unter „feuchtigkeitsabsorbierender Schicht“ kann in Zusammenhang der vorliegenden An meldung eine zumindest teilweise Aufnahme von Feuchtigkeit aus einem Umgebungsmedi um in die Schicht selbst verstanden werden. Unter einer Feuchtigkeit kann daher eine gas förmige, oder Tröpfchenphase in dem Umgebungsmedium verstanden werden. Die Feuch tigkeit kann in der Umgebungsluft oder einem sonstigen Umgebungsmedium der Schicht enthalten sein.
Der Wasser- oder Flüssigkeitsgehalt von Luft wird im Allgemeinen als Luftfeuchtigkeit be zeichnet. Die absolute Luftfeuchtigkeit gibt an, wieviel Wasser- oder Flüssigkeitsdampf in der Volumeneinheit des Gasgemisches enthalten ist; Maßeinheit: g Wasser (oder sonstigen Flüssigkeit) rrf3. Die relative Luftfeuchtigkeit ist der Quotient aus der bei einer bestimmten Temperatur im Gas vorhandenen Flüssigkeitsdampfmenge und der bei der gleichen Tempe ratur möglichen Sättigungsmenge an Flüssigkeitsdampf. Gewöhnlich wird die relative Luft feuchte in Prozent (%) angegeben. Hierzu wird der Quotient mit 100 multipliziert. Ist die Luft gesättigt, d. h. die relative Luftfeuchtigkeit liegt bei 100 %, ist ein Teil der Flüssigkeit in der Luft flüssig. Man bezeichnet in diesem Falle das dazugehörige Flüssig-Gas-Stoffgemisch als Dunst oder Nebel.
Der Ausdruck Feuchtigkeit oder Feuchte kann das Maß der Anwesenheit von Wasser oder einer anderen Flüssigkeit in oder an einem Material (z. B. Textilien) oder einer Substanz oder in einem Gas oder in einem Raum sein.
Die der hier beschriebene feuchtigkeitsabsorbierende Feuchteschicht kann sich daher von einer, insbesondere lediglich flüssigkeitsabsorbierenden (Feuchte)Schicht, unter anderem dadurch unterscheiden, dass die feuchtigkeitsabsorbierende Feuchteschicht aus einem Ma terial gefertigt ist, welche neben der Adsorption von Flüssigkeit zudem auch in dem Umge- bungsmedium enthaltene Feuchtigkeit absorbiert. Denkbar ist jedoch auch, dass die feuch tigkeitsabsorbierende Feuchteschicht lediglich eine Feuchtigkeit im Umgebungsmedium der Schicht absorbiert und daher keine Flüssigkeit absorbieren kann.
Der Sensor und/oder die Verarbeitungseinheit können mittels einer Batterie oder einer Fest netzstromversorgung mit elektrischer Energie versorgt werden.
Alternativ oder zusätzlich ist die Erzeugung von elektrischer Energie zur Versorgung des Sensors und/oder Verarbeitungseinheit mittels sogenannten „Energy Harvesting“ möglich.
Als Energy Harvesting (wörtlich übersetzt Energie-Ernten) bezeichnet man die Gewinnung kleiner Mengen von elektrischer Energie aus Quellen wie Umgebungstemperatur, Vibratio nen oder Luftströmungen für mobile Geräte mit geringer Leistung. Die dafür eingesetzten Strukturen werden auch als Nanogenerator bezeichnet. Energy Harvesting vermeidet bei Drahtlostechnologien Einschränkungen durch kabelgebundene Stromversorgung oder Batte rien.
Möglichkeiten des Energy Harvesting:
• Piezoelektrische Kristalle erzeugen bei Krafteinwirkung, beispielsweise durch Druck oder Vibration, elektrische Spannungen. Diese Kristalle können an oder auf dem Trä germaterial angeordnet sein.
• Thermoelektrische Generatoren und pyroelektrische Kristalle gewinnen aus Tempe raturunterschieden elektrische Energie. Diese Generatoren können an oder auf dem Trägermaterial angeordnet sein.
• Über Antennen kann die Energie von Radiowellen, eine Form von elektromagneti scher Strahlung, aufgefangen und energetisch verwendet werden. Ein Beispiel dafür sind die passiven RFIDs. Diese Antennen können an oder auf dem Trägermaterial angeordnet sein.
• Photovoltaik, elektrische Energie aus der Umgebungsbeleuchtung.
• Osmose.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Sensor zusätzlich ein kapazitiver Druck sensor, wobei die Verarbeitungseinheit zusätzlich dazu eingerichtet und dafür vorgesehen ist, eine durch äußeren Druck verursachte Kapazitätsänderung des Kondensators zu mes sen und/oder zu speichern.
Grundsätzlich handelt es sich bei einem kapazitiven Sensor also um einen Sensor, welcher auf Basis der Veränderung der elektrischen Kapazität eines einzelnen Kondensators oder eines Kondensatorsystems arbeitet. Die Beeinflussung der Kapazität durch die zu erfassen de Größe kann dabei auf verschiedene Arten erfolgen, die primär durch den Verwendungs zweck bestimmt ist.
Ein kapazitiver Sensor basiert unter anderem darauf, dass zwei Elektroden, einer davon kann die zumessende Oberfläche sein, die „Platten“ eines elektrischen Kondensators bilden, dessen Kapazität oder Kapazitätsänderung gemessen wird, die folgendermaßen beeinflusst werden kann:
Eine Platte wird durch den zumessenden Effekt verschoben und/oder verformt, wodurch sich der Plattenabstand und damit die elektrische messbare Kapazität än dern.
Die Platten sind starr und die Kapazität an Sich ändert sich dadurch, dass ein elektrisch leitendes Material oder ein Dielektrikum in unmittelbare Nähe gebracht wird.
Die wirksame Plattenfläche ändert sich, indem die Platten wie bei einem Drehkon densator gegeneinander verschoben werden.
Um auch kleine Veränderungen besser detektieren zu können kann die eigentliche Mes selektrode häufig mit einer Schirmelektrode umgeben sein, die den inhomogenen Randbe reich des elektrischen Feldes von der Messelektrode abschirmt, dadurch ergibt sich zwi schen Messelektroden üblicherweise geerdeter Gegenelektrode eine annähernd paralleles elektrisches Feld mit der bekannten Charakteristik eines idealen Plattenkondensators.
Ein kapazitiver Drucksensor ist insbesondere ein solcher bei dem die Kapazitätsänderung infolge des Durchbiegens einer Membran und der resultierenden Änderung des Plattenab stands als Sensoreffekt ausgewertet wird. Zum Beispiel handelt es sich bei der Membran um das oben genannte Dielektrikum oder aber um die einzelnen Kondensatorelektroden, welche insbesondere in Form einer Platte ausgeführt sein können. Mit anderen Worten ist in einer derartigen Ausführungsform in neuartiger Art und Weise ein kapazitiver Feuchtesensor mit einem kapazitiven Drucksensor kombiniert, jedoch ohne dass diese Bauteile voneinander getrennte Elemente oder zwei separate Sensoren bildeten, sondern es handelt sich bei vor liegender Ausführungsform um ein „Two in One“-Konzept, in welchem der gleiche Sensor sowohl als Feuchtesensor als auch als Drucksensor fungiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Trägermaterial um einen Webstoff, insbesondere in welchem elektrische Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung des Sensors und der Verarbeitungseinheit eingewoben sind.
Bei einem Webstoff handelt es sich im Sinne der Erfindung daher um ein Gewebe, welches manuell oder maschinell auf Basis von einzelnen Fäden gewebt wurde.
Die elektrischen Leiterbahnen können in einem Gewebe daher zusätzlich neben den übli chen Fasern und Gewebesträngen integriert sein oder aber einzelne Gewebestränge, wel che das Gewebenetz ausbilden ersetzen.
Je nach Abstand und Eigenschaften der einzelnen Fäden (hochgedreht, bauschig, usw.) können ganz lockere Gewebe, wie Verbandgewebe oder Dichtegewebe wie Brokatstoff ent stehen. Längselastisch werden Gewebe durch, als Kettenfäden eingesetzte Gummifäden (mehr Bändern verwendet) oder Kräusel- und Bauschgarne verwendet. Sie werden ge spannt, verarbeitet und ziehen sich im Ruhezustand zusammen. Bauschgarne bestehen aus texturierten, also gekräuselten synthetischen Fasern. Die Kräuselung verändert die Eigen schaften der synthetischen Fasern. Die darauf gesponnenen Garne sind sehr elastisch und voluminös und haben eine gute Wärmedämmung.
Zum Beispiel kann das Trägermaterial Teil eines Bezugstoffes eines Sitzes, insbesondere eines Fahrzeugsitzes oder eines Bürostuhls, sein. Insofern kann der Sensor, vorzugsweise jedoch die gesamte Vorrichtung, auf dem Bezugsstoff eines solchen Sitzes aufgebracht oder in einen solchen integriert sein.
Zum Beispiel ist die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet und dafür vorgesehen, die ein zelnen Feuchte- sowie Druckwerte zu erfassen und aus einer Kombination der einzelnen Feuchte- und Druckwerte zumindest einen jeweiligen Kennwert zu ermitteln, aus welchem ableitbar ist, welches Individuum (mit Gewicht und/oder Größe) gerade den Fahrzeugsitz besetzt.
Zum Beispiel kann aus der Druckmessung durch die Verarbeitungseinheit ein Gewicht der jeweiligen Person abgeleitet und festgestellt werden. Auch kann die jeweilige Feuchtigkeit, welche die jeweilige Person an den Sensor abgibt, gemessen werden, wobei der jeweilige Kennwert zum Beispiel ein Produkt aus dem relativen Feuchtigkeitswert mal der von der Verarbeitungseinheit ermittelten Belastungsgewicht ist.
Überschreitet ein derartiger Kennwert einen entsprechenden Grenzwert kann die Verarbei tungseinheit insbesondere mittels einer Anbindung an die Elektronik des Fahrzeugs, eine Warnung aussprechen. Diese Warnung kann dahingehend lauten, dass der Sitz überbelegt ist oder der Fahrer zu stark schwitzt. Diese Warnung kann jedoch auch ersetzt werden durch eine entsprechende Anzeige dahingehend welcher Belegungstyp den Sitz nutzt. Bei einem Belegungstyp kann es sich um eine Gewichtsklassifikation eines jeweiligen Benutzers han deln, oder aber auch darum Handeln ob es sich bei dem Benutzer um ein Tier, einen Men schen oder auch um eine Sache handelt. Vorzugsweise ist daher die Verarbeitungseinheit in eine Anzeigenelektronik des Fahrzeugs integrierbar, zumindest jedoch mit einer solchen verbindbar.
Hierzu ist denkbar, dass die Verarbeitungseinheit sich zum Beispiel mittels Bluetooth oder einer sonstigen Wireless Verbindung mit einer Empfangseinheit des Fahrzeugs verbindet und der jeweilige Kenn- oder Grenzwert und/oder die jeweilige Warnung und/oder die jewei lige Identifikation des Benutzers auf einem Display des Fahrzeugs wiedergegeben werden.
Alternativ oder zusätzlich ist vorstellbar, dass diese einzelnen Werte und/oder Identifikatio nen auch extern abrufbar und/oder extern darstellbar sind. Zum Beispiel kann das Auto auf eine Überbelegung hin von einem externen Controller überwacht werden.
Zum Beispiel kann mittels einer Datenverbindung die Verarbeitungseinheit mit einer Auslös einheit eines Airbags in Verbindung stehen, sodass die Verarbeitungseinheit auch die Auslö seinheit steuern und/oder regeln kann, insbesondere in Bezug auf einen Auslösezeitpunkt des Airbags. Zusätzlich und/oder alternativ ist es möglich, dass die Verarbeitungseinheit eine Controllereinheit des Airbags mit Daten zum Beispiel im Hinblick auf einen Belegungstyp, Position und/oder Gewicht eines Benutzers des Fahrzeugsitzes versorgt.
Diese Daten können dazu führen, dass der Auslösezeitpunkt und die Auslösereihenfolge des Airbags auf den Benutzer angepasst sind, sodass ein Personenschaden an dem Benutzer vermieden wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest eine Elektrode und/oder dielektri sche Schicht auf dem Trägermaterial oder auf einer auf dem Trägermaterial angeordneten, insbesondere wasserundurchlässigen Schicht aufgedruckt oder mittels eines Dünnschicht verfahrens aufgebracht.
Dies heißt, dass zumindest ein Element, vorzugsweise sowohl die Elektrode als auch die dielektrische Schicht, auf dem Trägermaterial oder einer zwischen dem Sensor und dem Trägermaterial aufgebrachten vorzugsweise elektrisch nicht leitfähigen, weiter vorzugsweise wasserundurchlässigen Schicht mittels eines Druckverfahrens aufgedruckt.
Bei dem Druckverfahren kann es sich zum Beispiel um ein Inkjetverfahren handeln.
Zum Beispiel ist die Verarbeitungseinheit in der gleichen Weise wie der Sensor auf das Trä germaterial aufgebracht. Hierzu ist vorstellbar, dass auch die Verarbeitungseinheit, zumin dest jedoch eine, insbesondere leitende, Schicht der Verarbeitungseinheit auf das Trägerma terial zum Beispiel aufgedruckt ist. Die Datenkommunikation zwischen der Verarbeitungsein heit und dem Sensor kann dann über die oben genannten Leiterbahnen entstehen. Diese Leiterbahnen können zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig, in den Webstoff eingewoben sein oder sogar einzelne Fasern des Webstoffs selbst ausbilden.
Zum Beispiel ist zumindest eine Elektrode flächig ausgeführt. Das heißt, dass eine Dicke der Elektrode im Vergleich zu deren Flächenausdehnung vernachlässigbar ist. Eine solche Elekt rode kann daher insbesondre mittels eines Druckverfahrens hergestellt werden.
Alternativ hierzu kann eine Dicke zumindest einer Elektrode höchstens 5 mm betragen. Hier zu kann das Druckverfahren mehrmals angewandt werden, sodass zumindest zwei, vor zugsweise jedoch dann mehr, Einzeldruckschichten übereinandergestapelt werden. Des Weiteren kann die Elektrode auch mittels eines 3D-Druckverfahrens auf dem Trägerma terial angeordnet sein.
1. Das FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling)
Alternativbezeichnungen: Fused Filament Fabrication (FFF), Fused Layer Modeling (FLM)
Das Verfahren bezeichnet schichtweises Aufträgen (Extrusion) eines Materials durch eine heiße Düse. Das Verbrauchsmaterial befindet sich in Form eines langen Drahts (sog. Fila ment) auf einer Rolle und wird durch die Fördereinheit in einen Druckkopf geschoben, dort eingeschmolzen und auf einem Druckbett ausgebracht. Druckkopf und/oder Druckbett sind dabei in drei Richtungen beweglich. So können Kunststoffschichten schrittweise aufeinander aufgebracht werden.
2. Das SLS Verfahren (Selektives Lasersintern)
Im Unterschied zum Sinterverfahren, bei dem Stoffe in Pulverform unter Hitzeeinwirkung miteinander verbunden werden, geschieht dies beim SLS-Verfahren selektiv durch einen Laser (alternativ auch Elektronenstrahl oder Infrarotstrahl). Es wird also nur ein bestimmter Teil des Pulvers miteinander verschmolzen.
Dazu wird stets eine dünne Pulverschicht von der Beschichtungseinheit auf dem Druckbett ausgebracht. Der Laser (oder andere Energiequelle) wird nun punktgenau auf einzelne Stel len der Pulverschicht ausgerichtet, um die erste Schicht der Druckdaten auszubilden. Hierbei wird das Pulver an- oder aufgeschmolzen und verfestigt sich anschließend wieder durch ge ringfügiges Abkühlen. Das nicht aufgeschmolzene Pulver bleibt um die gesinterten Bereiche herum liegen und dient als Stützmaterial. Nachdem eine Schicht verfestigt ist, senkt sich das Druckbett um den Bruchteil eines Millimeters ab. Die Beschichtungseinheit fährt nun über das Druckbett und bringt die nächste Pulverschicht aus. Anschließend wird die zweite Schicht der Druckdaten durch den Laser (oder eine andere Energiequelle) gesintert. So ent steht schichtweise ein dreidimensionales Objekt.
3. Three-Dimensional Printing (3DP) Das 3DP-Verfahren funktioniert sehr ähnlich wie das selektive Lasersintern, doch anstelle einer gerichteten Energiequelle verfährt ein Druckkopf über das Pulver. Dieser gibt winzige Tröpfchen von Bindemittel auf die zugrunde liegenden Pulverschichten ab, die so miteinan der verbunden werden. Ansonsten ist dieses Verfahren dem SLS-Verfahren gleich.
4. Stereolithographie (SLA)
Anstelle eines Kunststoffdrahts oder Druckmaterials in Pulverform kommen beim Stereo lithographie-Verfahren flüssige Harze, sog. Photopolymere, zum Einsatz. Sie werden schichtweise durch UV-Strahlung verhärtet und erzeugen so dreidimensionale Objekte. Da für wird die Bauplattform im Harzbecken schrittweise abgesenkt. Es gibt auch Varianten (sog. Polyjet-Verfahren) ohne ein ganzes Becken mit flüssigem Harz. Dafür wird ein Epoxid harz tröpfchenweise aus einer Düse aufgebracht und durch einen UV-Laser sofort ausgehär tet.
5. Laminated Object Manufacturing (LOM)
Alternativbezeichnung: Layer Laminated Manufacturing (LLM)
Das Verfahren basiert weder auf chemischen Reaktionen, noch auf einem thermischen Pro zess. Es wird dabei mit einem trennenden Werkzeug (z.B. einem Messer oder Kohlendioxid laser), einer Folie oder einer Platte (z.B. Papier) an der Kontur geschnitten und schichtweise aufeinander geklebt. So entsteht durch Absenken der Bauplattform ein Schichtobjekt aus geklebten, übereinanderliegenden Folien.
Eine oder mehrere wasserundurchlässige Schichten und/oder auch die Feuchteschicht kön nen in derselben Art und/oder Dicke wie die Elektrode aufgebracht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt die Feuchteschicht den Kondensator voll ständig.
Dies kann heißen, dass die Feuchteschicht, nach außen, das heißt in der Querrichtung den Sensor nach außen abgrenzt und abschließt, sodass der Sensor zwischen der Feuchte schicht und dem Trägermaterial angeordnet ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Sensor zumindest einen weiteren Kon densator auf, welcher in der Querrichtung unter oder über dem Kondensator angeordnet und durch eine weitere wasserundurchlässige Schicht beabstandet von dem Kondensator auf oder unter dieser weiteren wasserundurchlässigen Schicht angeordnet ist, sodass ein Kon densatorenstack entsteht.
Der weitere Kondensator kann in der gleichen Weise wie der Kondensator aufgebaut sein und ebenso in einer gleichen Weise wie der Kondensator auf die weitere wasserundurchläs sige Schicht angeordnet sein.
Mittels eines derartigen Kondensatorenstacks kann die Sensorik ganz besonders einfach verfeinert werden nämlich insofern, als dass denkbar ist das bei zwei den Kondensatorstack ausbildenden Sensoren beide Sensoren die gleichen Aufgaben verrichten, jedoch durch die einzelnen Sensoren jeweilige Messwerte ermittelt werden, die zusammen genommen auf einen Mittelwert schließen lassen. Zum Beispiel wird von jedem der beiden Sensoren jeweils die (relative) Feuchtigkeit der Umgebung gemessen wobei aus diesen beiden Messwerten dann der Feuchtigkeitsmittelwert ermittelt wird. Gleiches kann entsprechend mit der Druck messung geschehen, sodass die Genauigkeit der gesamten Messung insbesondere einer Kombination der Messungen von (relativer) Feuchtigkeit und dem jeweiligen Druck beson ders genau ausgestaltet werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet die wasserundurchlässige Schicht und/oder die weitere wasserundurchlässige Schicht die dielektrische Sicht zumindest teilweise selbst aus.
Dies kann heißen, dass ein anstatt der separaten Positionierung einer dielektrischen Schicht neben der wasserundurchlässigen Schicht und/oder neben der weiteren wasserundurchläs sigen Schicht, diese dielektrische Schicht selbst durch die wasserundurchlässige Schicht und/oder die weitere wasserundurchlässige Schicht gebildet ist.
Eine derartige Erzeugung der dielektrischen Schicht durch die wasserundurchlässigen Schicht(en) bildet daher ein besonders einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren zu einer kostengünstigen Vorrichtung. Davon abgesehen kann grundsätzlich vorgesehen sein die Elektroden, die dielektrische Schicht und die wasserundurchlässige Schicht(en) derart zueinander anzuordnen, dass ein elektrischer Kurzschluss in jedem Fall verhindert ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt eine maximale Dicke der Feuchteschicht wenigstens 30 % und höchstens 80 % der maximalen Dicke der wasserundurchlässigen Schicht und/oder der maximalen Dicke der weiteren wasserundurchlässigen Schicht.
Dies stellt nicht nur einen besonders flach gebauten Sensor sicher, sondern gewährleistet auch eine besonders schnelle Reaktionszeit auf Feuchtigkeitsveränderungen. Die von außen auf die Feuchteschicht einwirkende Feuchtigkeit muss daher keine großen Strecken zu dem Dielektrikum durchwandern.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit wobei insbesondere angemerkt sei, dass alle für die obig beschriebe ne Vorrichtung offenbarten Merkmale auch für das hier beschriebene Verfahren offenbart sind und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zu Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit zunächst einen ersten Schritt mittels welchem zumindest ein Sensor zu Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit bereitgestellt wird, wobei der Sensor zumin dest einen Kondensator mit zumindest zwei Elektroden, welche, insbesondere in einer hori zontalen Richtung entlang eines und auf einem, insbesondere flexiblem, Trägermaterial zu einander angeordnet sind aufweist, wobei zwischen den Elektroden zumindest eine dielektri sche Schicht angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist auf einer dem Trägermaterialabgewandten Seite zumindest einer Elekt rode und/oder der dielektrischen Schicht zumindest stellenweise, zumindest eine, zumindest teilweise feuchtigkeitsdurchlässige und/oder feuchtigkeitsabsorbierende Feuchteschicht an geordnet, wobei somit die zumindest eine Elektrode und/oder die dielektrische Schicht in einer Querrichtung zwischen dem Trägermaterial und der Feuchteschicht angeordnet sind, sodass sich eine Kapazität durch die auf die dielektrische Schicht zumindest teilweise tref fende Feuchtigkeit zumindest teilweise verändert, wobei eine Verarbeitungseinheit diese Änderung misst und/oder speichert, sodass ein kapazitiver Feuchtesensor entsteht. Dabei weist das oben beschrieben Verfahren die gleichen Vorteile und vorteilhaften Ausge staltungen wie die obig beschriebene Vorrichtung auf.
Im Folgenden wird die hier beschriebene Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele und den dazugehörigen Figuren näher beschrieben.
Gleiche oder gleichwirkende Bestandteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In der Figur 1 ist in einem ersten Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit gezeigt.
In der Figur 2 ist einer schematisch perspektivischen Ansicht eine in Bezug auf die Schich tenordnung dargestellte Explosionszeichnung dargestellt.
In der Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Vorrichtung ge zeigt.
Wie nun der Figur 1 entnommen werden kann, ist dort eine Vorrichtung 100 zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit gezeigt.
Beispielhaft ist dort ein Sensor 1 dargestellt, wobei der Sensor 1 einen Kondensatorstack zeigt mit einem Kondensator 20, sowie einem Kondensator 30, wobei die einzelnen Elektro den 10, 11 der Kondensatoren 20, 30 in der horizontalen Richtung H1 übereinander ange ordnet sind, wobei alternativ hierzu jedoch selbstverständlich eine Anordnung der einzelnen Elektroden 10, 11 eines einzelnen Kondensators 20, 30 in der Querrichtung Q1 welche senk recht zur horizontalen Richtung H1 verläuft und damit auch senkrecht zur Haupterstre ckungsrichtung des dort gezeigten Sensors 1 verlaufen oder angeordnet sein können.
Die einzelnen Elektroden 10, 11 sind auf einem Trägermaterial 13 angeordnet. Bei dem Trä germaterial 13 kann es sich insbesondere um einen Webstoff, insbesondere um einen flexib len Webstoff handeln. Auf dem Trägermaterial 13 ist eine wasserundurchlässige Schicht 4 angeordnet, wobei auf dieser wasserundurchlässigen Schicht 4 die beiden Elektroden 10, 11 des Kondensators 20 in der horizontalen Richtung H1 aufgedruckt sind.
Die Elektroden 10, 11 des Kondensators 20 sind vollständig von einer weiteren wasserun durchlässigen Schicht 14 umgeben. Auf dieser wasserundurchlässigen Schicht 14 ist in der gleichen Art und Weise der weitere Kondensator 30 mit entsprechenden Elektroden 10, 11 aufgedruckt. Zudem sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel freiliegende Außenflä chen der einzelnen Elektroden 10, 11 des weiteren Kondensators 30 vorzugsweise vollstän dig von einer wasserdurchlässigen und/oder wasserabsorbierenden Feuchteschicht 3 umge ben.
Über diese Feuchteschicht 3 kann Wasser auf eine dielektrische Schicht 4 treffen, welche vorliegend in der horizontalen Richtung H1 zwischen den jeweiligen Elektroden 10, 11 eines Kondensators 20, 30 angeordnet ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 bildet die wasserundurchlässige Schicht 4 selbst eine dielektrische Schicht 4 des Kondensators 20 auf. Selbiges gilt für die weitere wasserundurchlässige Schicht 14 in Bezug auf den weiteren Kondensator 30.
Durch Auftreffen und Durchdringen der Feuchtigkeit über die Feuchteschicht 3 werden die dielektrischen Eigenschaften insbesondere der dielektrischen Schicht 2 des weiteren Kon densators 30 verändert.
Darüber hinaus ist eine Verarbeitungseinheit 5 erkennbar, welche in datentechnischer Ver dingung mit den beiden Kondensatoren 20, 30 steht, wobei diese Verarbeitungseinheit 5 dazu eingerichtet und dafür vorgesehen ist, eine Änderung der relativen Feuchtigkeit der Umgebung und/oder der Feuchteschicht 3 zu messen.
Durch die in der Figur 1 dargestellte „stackwise“-Anordnung und dadurch, dass die weitere wasserundurchlässige Schicht 14 verhindert, dass der Kondensator 20 mit Feuchtigkeit in Kontakt kommt, kann daher vorgesehen sein, dass lediglich der weitere Kondensator 30 und dessen dielektrische Schicht 4 der Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Hierzu kann die Verarbei tungseinheit 5 dann eine Veränderung der Kapazität des weiteren Kondensators 30 verglei- chen mit der stabilen Kondensatorkapazität des Kondensators 10, sodass hierzu ein beson ders einfacher Vergleich in der Veränderung der relativen Feuchtigkeit und/auch des jeweili gen Belastungsdruckes hergestellt sein kann.
Durch den in der Figur 1 dargestellten Pfeil ist auch eine Druckrichtung, unter welcher der Sensor 1 mit Druck beaufschlagt wird, gezeigt. Beides kann vorzugsweise durch den Sensor 1 und insbesondere durch die Vorrichtung 100 gemessen, ausgewertet und gespeichert werden. Hierzu dient insbesondere die in der Erfindung als wesentlich dargestellte Verarbei tungseinheit 5, welche zusätzlich auch entsprechende Druckwerte und insofern damit ver bundene Änderungen in der Kapazität der einzelnen Sensoren 1 messen und auswerten kann, sodass die Verarbeitungseinheit 5 zusätzlich dazu eingerichtet und dafür vorgesehen ist eine durch äußeren Druck verursachte Kapazitätsänderung des Kondensators 20 und insbesondere auch des weiteren Kondensators 30 zu messen und/oder zu speichern.
Die Feuchteschicht 3 kann flexibel oder nicht flexibel ausgebildet sein. Zudem ist es möglich, dass die Feuchteschicht 3 als Webstoff ausgebildet ist. Insbesondere kann es sich um einen Webstoff handeln, welcher im einleitenden Teil der vorliegenden Anmeldung beispielhaft genannt wurde. Zudem ist es jedoch auch möglich, dass es sich bei der Feuchteschicht 3 um ein Substrat handelt welches, zum Beispiel in Form eines Epitaxie- oder eines Klebeprozes ses auf den weiteren Kondensator 30 aufgebracht, zum Beispiel aufgeklebt wurde.
Die wasserundurchlässige Schicht 14 und/oder die wasserundurchlässige Schicht 15 können ebenso flexibel und nicht flexibel, insbesondere auch ebenso in Form eines Webstoffes oder eines Substrats in der gleichen Weise wie die Feuchteschicht 3 ausgebildet sein.
Zudem ist vorteilhaft denkbar, dass die Elektroden 10, 11 der beiden Kondensatoren 20, 30 auf die wasserundurchlässige Schicht 14 und die weitere wasserundurchlässige Schicht 15 in Form eines Druckprozesses zum Beispiel eines Tintenstrahldruckprozesses aufgedruckt wurden.
In der Figur 2 ist eine Explosionszeichnung gezeigt, wobei insbesondere aus der Figur 2 die jeweilige Anordnung der Elektroden 10, 11 der Kondensatoren 20, 30 hervorgeht. Erkennbar ist wiederum die durch die Pfeilrichtung dargestellte Krafteinwirkung auf den Sensor 1, sowie durch die einzelnen schematisch dargestellten Tropfen einwirkende Feuchtigkeit. Insbeson- dere ist wiederum erkennbar, dass die Feuchtigkeit insbesondere zwischen den Elektroden 10, 11 eindringt und auf die jeweilige wasserdurchlässige Schicht 14 einen zum Beispiel er heblichen Effekt auf die elektrische Eigenschaft hat, sodass sich die Kapazität zumindest des weiteren Kondensators 30 wie in der Figur 1 erläutert jeweils ändert.
In der Figur 3 ist in einer weiteren Ausführungsform der hier beschriebenen Erfindung ge zeigt, dass der Sensor 1 aus zwei Elektroden 10, sowie einer Elektrode 11 bestehen kann. Die Elektroden 10 haben eine Polarität (vorzugsweise die gleiche Polarität), während die Elektrode 11 eine davon unterschiedliche Polarität aufweist, wobei jedoch im rechten Teilbild der Figur 3 die Explosionszeichnung des linken Teils der Figur 3 gezeigt ist und erkennbar ist, dass drei wasserundurchlässige Schichten 4, 14, 15 verwendet werden. Die Elektroden 10 können auch unterschiedliche Polaritäten und/oder elektrische Potentiale aufweisen.
Auch können die Elektroden 10 miteinander elektrisch verbunden sein.
Zum Beispiel können die Elektroden 10, 11 auch jeweils eine separate Polarität und/oder ein separates elektrisches Potential aufweisen und/oder generieren. Entsprechendes kann auch für die in den hier folgenden Figuren in Bezug auf die Elektroden gelten.
Zum Beispiel ist die unterste wasserundurchlässige Schicht wiederum die wasserundurch lässige Schicht 14, die darauffolgende wasserundurchlässige Schicht 15 und die in der Quer richtung Q1 darauf angeordnete wasserundurchlässige Schicht 16 eine weitere wasserun durchlässige Schicht, wobei jeweils eine Elektrode auf einer separaten wasserundurchlässi gen Schicht jeweils aufgebracht insbesondere aufgedruckt ist.
In dieser Stackung der einzelnen wasserundurchlässigen Schichten 14, 15 und 16 wird da her durch Zusammenführen dieser Schichten der im linken Teil der Figur 3 gezeigte Kon densator 20 erzeugt, wobei hierbei in der Querrichtung Q1 , die Elektroden 10 jeweils, wie im dementsprechenden Teilbild entnommen werden kann auf unterschiedlichen Ebenen ange ordnet sin.
Alternativ hierzu kann auch die Elektrode 11 zusammen mit zumindest einer der Elektroden 10 in einer gemeinsamen Ebene, das heißt auf oder in einer gemeinsamen wasserundurch lässigen Schicht 4, 14, 15 aufgebracht werden, sodass zum Beispiel nur noch die zweite der Elektroden 10 auf eine separaten wasserundurchlässigen Schicht 4, 14, 15 aufgestackt wer den muss.
Grundsätzlich können daher die einzelnen Elektroden 10,11 in unterschiedlichen Ebenen in der Q1-Richtung zueinander angeordnet sein. Zum Beispiel gilt eine paarweise Zuordnung zwischen genau einer wasserundurchlässigen Schicht 4, 14, 15 mit genau einer Elektrode 10, 11.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand des Ausführungsbeispiels be schränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal, sowie jede Kombination von Merkmalen was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder in den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste
1 Sensor
3 Feuchteschicht
4 dielektrische Schicht/ wasserundurchlässige Schicht
5 Verarbeitungseinheit 10 Elektrode 11 Elektrode 12 Elektrode
13 Trägermaterial
14 wasserundurchlässige Schicht
15 wasserundurchlässige Schicht 20 Kondensator 30 Kondensator 100 Vorrichtung 200 Verfahren
H1 horizontalen Richtung
Q1 Querrichtung

Claims

Vorrichtung zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit auf Basis einer Umgebungsfeuch tigkeit Patentansprüche
1. Vorrichtung (100) zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit umfassend zumindest einen Sensor (1) zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit, wobei der Sensor (1)
- zumindest einen Kondensator (20) mit zumindest zwei Elektroden (10, 11), welche, insbesondere in einer horizontalen Richtung (H1) entlang eines und auf einem, insbesondere flexiblem, Trägermaterial (13) zueinander angeord net sind, wobei zwischen den Elektroden (10, 11) zumindest eine dielektrische Schicht (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem Trägermaterial (13) abgewandten Seite zumindest einer Elektrode (10, 11) und/oder der dielektrischen Schicht (4) zumindest stellenweise zumindest eine zumindest teilweise feuchtigkeitsdurchlässige und/oder feuchtigkeitsabsorbierende Feuchteschicht (3) angeordnet ist, wobei somit die zumindest eine Elektrode (10, 11) und/oder die dielektrische Schicht (4) in einer Querrichtung (Q1) zwischen dem Trägermaterial (13) und der Feuchte schicht (3) angeordnet sind, sodass sich eine Kapazität durch die auf die dielekt rische Schicht (4) zumindest teilweise treffende Feuchtigkeit zumindest teilweise verändert, wobei eine Verarbeitungseinheit (5) dazu eingerichtet und dafür vor gesehen ist diese Änderung zu messen und/oder zu speichern, sodass ein kapa zitiver Feuchtesensor entsteht.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) zusätzlich ein kapazitiver Drucksensor ist, wobei die Verarbei tungseinheit (5) zusätzlich dazu eingerichtet und dafür vorgesehen ist eine durch äußeren Druck verursachte Kapazitätsänderung des Kondensators (20) zu mes sen und/oderzu speichern.
3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Trägermaterial (13) um einen Webstoff handelt, insbesondere in welchen elektrische Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung des Sensors (1) und der Verarbeitungseinheit (5) eingewoben sind.
4. Vorrichtung (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Elektrode (10, 11) und/oder die dielektrische Schicht (4) auf das Trägermaterial (13) odereine auf dem Trägermaterial (13) angeordnete, insbe sondere wasserundurchlässige Schicht (14), aufgedruckt oder mittels eine Dünn schichtverfahrens aufgebracht ist.
5. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchteschicht (3) den Kondensator (20) vollständig bedeckt.
6. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) zumindest einen weiteren Kondensator (30) aufweist, welcher in der Querrichtung (Q1) über oder unter dem Kondensator (20) angeordnet und durch eine weitere wasserundurchlässige Schicht (15) beabstandet von dem Kondensator (20) auf oder unter dieser weiteren wasserundurchlässigen Schicht (15) angeordnet ist, sodass ein Kondensatorstack entsteht.
7. Vorrichtung (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserundurchlässige Schicht (14) und/oder die weitere wasserundurchlässi ge Schicht (15) die dielektrische Schicht (4) zumindest teilweise bilden.
8. Verfahren (200) zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit umfassend zu nächst einen ersten Schritt mittels welchem
- zumindest einen Sensor (1) zur Messung von Druck und/oder Feuchtigkeit be reitgestellt wird, wobei der Sensor (1) - zumindest einen Kondensator (20) mit zumindest zwei Elektroden (10, 11), welche, insbesondere in einer horizontalen Richtung (H1) entlang eines und auf einem, insbesondere flexiblem, Trägermaterial (13) zueinander angeord net sind, wobei zwischen den Elektroden (10, 11) zumindest eine dielektrische Schicht (4) angeordnet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s auf einer dem Trägermaterial (13) abgewandten Seite zumindest einer Elekt rode (10, 11) und/oder der dielektrischen Schicht (4) zumindest stellenweise, zumindest eine, zumindest teilweise feuchtigkeitsdurchlässige und/oder feuch tigkeitsabsorbierende Feuchteschicht (3) angeordnet ist, wobei somit die zu- mindest eine Elektrode (10, 11) und/oder die dielektrische Schicht (4) in einer
Querrichtung (Q1) zwischen dem Trägermaterial (2) und der Feuchteschicht (3) angeordnet sind, sodass sich eine Kapazität durch die auf die dielektrische Schicht (4) zumindest teilweise treffende Feuchtigkeit zumindest teilweise verändert, wobei eine Verarbeitungseinheit (4) diese Änderung misst und/oder speichert, sodass ein kapazitiver Feuchtesensor entsteht.
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