EP4680926A1 - Kapazitive kraftmessvorrichtung mit elastischem dielektrikum - Google Patents

Kapazitive kraftmessvorrichtung mit elastischem dielektrikum

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Publication number
EP4680926A1
EP4680926A1 EP24710367.4A EP24710367A EP4680926A1 EP 4680926 A1 EP4680926 A1 EP 4680926A1 EP 24710367 A EP24710367 A EP 24710367A EP 4680926 A1 EP4680926 A1 EP 4680926A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
film layer
sensor electrode
measuring device
dielectric
electrode structure
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP24710367.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christof Landesberger
Franz Wenninger
Elias MELTZER
Frank Ansorge
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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 Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4680926A1 publication Critical patent/EP4680926A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01L1/146—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 for measuring force distributions, e.g. using force arrays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/26—Auxiliary measures taken, or devices used, in connection with the measurement of force, e.g. for preventing influence of transverse components of force, for preventing overload

Definitions

  • the innovative concept described here relates to a miniaturized force measuring device that can determine an external force based on a change in capacitance between two electrode surfaces.
  • the electrodes are arranged on two opposing foils. This allows the force measuring device to be made very flat.
  • a dielectric that is elastically deformable is arranged between the two foils.
  • An example of a pressure measurement with very limited installation space would be a measurement of the pressure inside a battery block that consists of several individual battery cells.
  • the individual cells can change their thickness or shape (e.g. crowning) over the period of their use. This leads to an alternating increase and decrease in the pressure within the respective battery cell. Monitoring this behavior is often desired for the condition monitoring of batteries, especially for vehicle batteries in the field of electromobility.
  • pressure measuring foils can be used, for example, which change their color or Change color saturation. This allows a qualitative recording of the pressure distribution in the contact area. However, quantitative force values cannot be derived in this way.
  • Pressure measuring films containing piezoresistive layers can also be used. Under pressure, the value of the electrical resistance changes, which in turn can be interpreted as a pressure value. These layers are also known as "FSR: force sensing resistor".
  • FSR force sensing resistor
  • piezoresistive layers often suffer from mechanical and/or electrical changes over their service life. In particular, in cases where pressure is applied to the piezoresistive layer of the sensor for a long time, the piezoresistive layer no longer returns completely to its original position, which shifts the zero value or is no longer reached, so that the sensitivity of the sensor increasingly deteriorates.
  • hysteresis effects are known with piezoresistive layers, i.e. when the pressure increases and when the pressure drops, different characteristics are passed through when measuring the resistance. This makes it difficult to implement precise, reproducible force or pressure sensors in practice.
  • Piezoelectric layers are somewhat less susceptible to this disadvantageous effect.
  • an external force leads to the generation of a small electrical voltage peak. However, this only occurs when the force changes. If the external force remains constant, no signal is measured. This therefore does not allow continuous monitoring of the applied force.
  • Capacitive measuring methods are also known as an alternative to piezo technology. These are used in particular for so-called “touch sensors”, e.g. in smartphones and tablets. Such touch sensors are designed to trigger a signal when approached or only when touched very slightly. However, in many applications, such as the previously mentioned battery status monitoring, exactly the opposite is desired, i.e. a change in capacitance due to touch or approach from the outside should be excluded. Touch sensors also do not allow the pressure value to be recorded.
  • MEMS sensors Micro Electro Mechanical System
  • membranes made of silicon or insulating materials are manufactured and arranged at a close distance from counter electrodes. Pressure-related deformations of the membrane lead to a change in capacitance.
  • sensor systems are not suitable for measuring force in very confined spaces, such as gaps between battery cells, because the rigid body of the MEMS component absorbs the pressure and the membrane can no longer be deformed beyond a certain external pressure.
  • the force measuring device has a multi-layer film stack with a first film layer, a second film layer, and a dielectric arranged between the film layers, wherein the dielectric is elastically deformable under the action of force.
  • the film layer stack can optionally have further film layers.
  • a film is very thin, wherein the thickness of a film is significantly smaller than its lateral extent, i.e. length and width.
  • a film spans a surface or a plane, so to speak, which can also be referred to as a film plane.
  • the film layers present in the film layer stack are stacked on top of one another in the vertical direction, i.e. perpendicular to the respective film planes.
  • the first film layer and the second film layer each have one or more sensor electrode structures.
  • the sensor electrode structures face the dielectric and are arranged in pairs opposite each other, ie one sensor electrode structure on the first film layer and one sensor electrode structure on the second film layer are vertically opposite each other, ie in the layer stacking direction.
  • Two opposing sensor electrode structures form one sensor Electrode structure pair.
  • Each sensor-electrode structure pair has a capacitance that changes with the distance between the electrodes. If, for example, a compressive force acts perpendicularly on the foil layer stack, the foil layer stack including the elastic dielectric is compressed, causing the two sensor-electrode structures of a sensor-electrode structure pair to approach each other.
  • the force measuring device has a control unit. This is designed to detect a deformation of the dielectric based on a change in the capacitance of the existing sensor-electrode structure pairs and, based on this, to determine a force that caused the deformation.
  • Fig. 1 is a schematic side sectional view of a capacitive force measuring device according to an embodiment
  • Fig. 2 is a schematic side sectional view of a capacitive force measuring device according to another embodiment
  • Fig. 3A is a schematic plan view of a film layer equipped with a sensor electrode structure according to an embodiment
  • Fig. 3B is a schematic plan view of the back side of the film layer of Figure 3A, wherein an active shielding electrode structure and a passive metallic ground plane are arranged on this back side,
  • Fig. 4A is a schematic plan view of another film layer equipped with a sensor electrode structure according to an embodiment
  • Fig. 4B is a schematic plan view of the back side of the film layer of Figure 4A, wherein an active shielding electrode structure and a passive metallic ground plane are arranged on this back side
  • Fig. 5 is a schematic perspective view of a foil layer stack for use in a capacitive force measuring device according to an embodiment
  • Fig. 6 is a schematic plan view of a battery according to an embodiment, wherein several force measuring devices according to the invention are arranged between individual battery cells.
  • FIG. 1 first shows a schematic side sectional view of a capacitive force measuring device 100 according to the invention according to an embodiment.
  • the capacitive force measuring device 100 has a multi-layer film stack 110.
  • the multi-layer film stack 110 has, among other things, a first film layer 111, a second film layer 112, and a dielectric 113 arranged between the two film layers 111, 112.
  • the dielectric 113 is characterized, among other things, by the fact that it is elastically deformable under the action of force.
  • Each film layer 111, 112 spans a film plane within the film layer stack 110.
  • the film layers 111, 112 arranged in the film layer stack 110, as well as the dielectric 113 arranged between them, are stacked on top of one another in the vertical direction, i.e. perpendicular to the respective film planes. This is also referred to as the layer stacking direction.
  • Both the first film layer 111 and the second film layer 112 each have one or more sensor electrode structures 121, 122, which face the dielectric 113 and are opposite each other in pairs, each sensor electrode structure pair 120 having a capacitance that varies with their electrode spacing d.
  • the first film layer 111 and/or the second film layer 112 each have one or more additional active or passive components (not explicitly shown here).
  • the capacitive force measuring device 100 also has a control unit 140, which can be coupled to the sensor electrode structure pairs 120, or to the individual sensor electrode structures 121, 122 of the respective sensor electrode structure pairs 120.
  • the control unit 140 is designed to detect a deformation of the dielectric 113 based on a change in capacitance of the sensor electrode structure pairs 120 and, based on this, to determine a force that causes the deformation.
  • control unit 140 can, for example, determine the electrical charge on the sensor electrode structures 121, 122.
  • the electrical charge absorbed or emitted by the sensor electrode structures 121, 122 is a measure of the variable electrical capacitance of the respective sensor electrode structure pair 120.
  • the two film layers 111, 112 can directly and immediately, i.e. without further intermediate layers, adjoin the dielectric 113.
  • the sensor electrode structures 121 can be arranged, for example, on a side or surface 151 of the first film layer 111 facing the dielectric 113.
  • One or more sensor electrode structures 122 can also be arranged on a side or surface 152 of the second film layer 112 facing the dielectric 113.
  • the sensor electrode structures 121 arranged on the first film layer 111 are positioned vertically, i.e. in the layer stacking direction, opposite the sensor electrode structures 122 arranged on the second film layer 112.
  • exactly one sensor electrode structure 121 arranged on the first film layer 111 can be positioned opposite exactly one sensor electrode structure 122 arranged on the second film layer 112.
  • Two opposing sensor electrode structures 121, 122 form a sensor electrode structure pair 120.
  • the individual sensor electrode structures 121, 122 of a sensor electrode structure pair 120 are arranged at a certain distance d from each other. This distance d is also referred to as the electrode spacing within the present disclosure.
  • the control unit 140 can, for example, determine the electrical capacitance of the individual sensor electrode structure pairs 120. The capacitance of each Sensor electrode structure pair 120 changes with the electrode distance d between the individual sensor electrode structures 121, 122 of a sensor electrode structure pair 120.
  • the force measuring device 100 shown in Figure 1 is in an initial state in which no external force acts on the foil layer stack 110. However, if a force acts on the foil layer stack 110 from the outside, the foil layer stack 110 deforms together with the elastic dielectric 113 arranged centrally therein. Due to this deformation, the electrode distance d between the individual sensor electrode structures 121, 122 of a sensor electrode structure pair 120 changes, and thus the respective electrical capacitance of the corresponding sensor electrode structure pair 120 also changes.
  • the control unit 140 is designed to determine the magnitude and/or direction of the force acting on the foil layer stack 110 based on the determined capacitance or the determined change in capacitance.
  • a pressure force F 1 directed in the vertical direction, ie in the layer stack direction, acts on one or both sides of the film layer stack 110 the film layer stack 110 is compressed. Accordingly, the electrode distance d between the individual sensor electrode structures 121, 122 of the respective sensor electrode structure pairs 120 decreases and their respective capacitance increases.
  • a tensile force F 2 directed in the vertical direction, ie in the layer stack direction, acts on one or both sides of the film layer stack 110 the film layer stack 110 is pulled apart. Accordingly, the electrode distance d between the individual sensor electrode structures 121, 122 of the respective sensor electrode structure pairs 120 increases and their respective capacitance decreases.
  • the corresponding forces F ⁇ to F 4 can act individually or in combination on the foil layer stack 110. In principle, forces can also act obliquely on the foil layer stack 110.
  • the control unit 140 is in any case designed to detect the respective capacitance changes occurring or the current capacitance of the sensor-electrode structure pairs 120 and, based on this, to determine a force that causes the deformation of the foil layer stack 110.
  • the force can be determined here in particular in terms of its magnitude.
  • a force acting from the outside on the foil layer stack 110 is therefore the cause of the deformation of the foil layer stack 110 and the elastically deformable dielectric 113 arranged therein, which leads to the capacitance change of the respective sensor electrode structure pairs 120 just discussed.
  • the force can have different causes.
  • the force can result from an overpressure or underpressure that occurs due to a pressure change.
  • the force measuring device 100 according to the invention can therefore be used as a pressure sensor, for example.
  • the force is temperature-indicated force, or general deformation force, as well as extension or tension force.
  • the force measuring device 100 according to the invention can be used in the form of a sensor to determine the respective mechanical property (force, extension, pressure, deformation, etc.).
  • the dielectric 113 arranged within the foil layer stack 110 is, according to the invention, permanently elastically deformable, i.e. it always returns to its original state after a deformation caused by the application of a force.
  • the elastically deformable dielectric 113 therefore shows no permanent change in shape or thickness after a deformation has taken place.
  • the use of a purely elastic dielectric 113 prevents, among other things, hysteresis behavior of the sensor electrode structures 121, 122.
  • the dielectric 113 should therefore comprise a material which returns to its original thickness when the pressure is mechanically relieved or which is compressed as uniformly as possible when subjected to mechanical stress, whereby this particularly relates to a defined temperature range.
  • Such materials are also referred to as elastomers, ie the elastically deformable dielectric 113 can have an elastomer or consist of an elastomer. Elastomers have what is known as permanent elasticity.
  • the elastically deformable dielectric 113 has a compression set of less than 5%, or preferably less than 2%.
  • the dielectric 113 used in the force measuring device 100 according to the invention must be dimensioned such that it is loaded by the forces occurring in its intended area of use below this limit and is therefore always subject to elastic deformation. This means that the elasticity of the dielectric 113 must be selected such that the dielectric 113 is permanently elastic in its intended area of use.
  • Silicone is a material that is suitable for many applications.
  • elastomers containing silicone such as silicone rubber, can be used for the dielectric 113.
  • the dielectric 113 contains silicone or is made of silicone.
  • An additional advantage of using elastic silicone as the dielectric 113 is its vapor permeability and hydrophobicity. This makes the dependence of the capacitance measurement on the ambient humidity very low.
  • the elastically deformable dielectric 113 can be designed in the form of a film layer that is arranged within the film layer stack 110 between the other two film layers 111, 112.
  • the elastically deformable dielectric 113 can be designed in the form of elastic structural bodies that are each arranged between the individual sensor electrode structures 121, 122 of the sensor electrode structure pairs 120. This means that, for example, several separate small elastomers could be positioned between the individual sensor electrode structures 121, 122, which serve as the dielectric 113.
  • the elastic dielectric 113 can therefore be arranged, for example, in the form of a plurality of separate surfaces between two sensor electrode structures 121, 122 of a sensor electrode structure pair 120. This can be achieved, for example, by punching a dielectric film.
  • the dielectric 113 is preferably permanently elastically deformable, it can be advantageous if the film layers 111, 112 are each bendable but not stretchable. This means that they can, for example, bend elastically vertically, i.e. in the layer stacking direction, in order to follow a deformation of the dielectric 113.
  • the film layers 111, 112 are each bendable but not stretchable. This means that they can, for example, bend elastically vertically, i.e. in the layer stacking direction, in order to follow a deformation of the dielectric 113.
  • 111 , 112 should, however, not be able to be elastically deformed or stretched, or only minimally, in the horizontal direction, i.e. perpendicular to the layer stacking direction.
  • the elastically deformable dielectric 113 in the center of the foil layer stack 110 having a much lower stiffness (modulus of elasticity) than the foil layers 111, 112 on which the sensor electrode structures 121, 122 are arranged.
  • the modulus of elasticity of the material used for the elastically deformable dielectric 113 can therefore be much lower than the modulus of elasticity of the material used for the foil layers 111, 112 above and below it; preferably by a factor of 10 to 1000 lower (softer).
  • embodiments can provide that the elastically deformable dielectric 113 has a modulus of elasticity (E-modulus) which is at least a factor of 10 lower than the modulus of elasticity of the two film layers 111, 112, so that the elastically deformable dielectric 113 is significantly softer than the first and second film layers 111, 112.
  • E-modulus modulus of elasticity
  • a combination of film layers 111, 112 made of non-stretchable material (such as polyimide, PET) together with a dielectric 113 made of permanently elastic material (e.g. silicone) can advantageously lead to the electrode geometry or the electrode surfaces of the sensor electrode structures 121, 122 arranged on the non-stretchable film layers 111, 112 being retained even when the layer stack 110 is deformed. This means that the non-elastic or non-stretchable film layers 111,
  • the outer surfaces of the foil layer stack 110 are designed to be as flat as possible and have as few elevations as possible. This results in a largely homogeneous distribution of the forces acting on the foil layer stack 110, so that the entire foil layer stack 110, including the dielectric 113 arranged therein, is deformed as evenly as possible.
  • Embodiments of the invention therefore provide that the first and second foil layers 111, 112 run essentially plane-parallel in an initial state in which no force acts on the foil layer stack 110.
  • the dielectric 113 should also have surfaces that are as plane-parallel as possible, i.e. it should have a thickness D that is as constant as possible over its entire length L. With regard to the dielectric 113, it is therefore advantageous if, in the initial state within the film layer stack 110, over its entire length L, it has a thickness tolerance AD of less than 5%, or preferably less than 1%. It should be mentioned that the thickness D is measured vertically, i.e. in the layer stack direction, and that the length L is measured horizontally, i.e. perpendicular to the layer stack direction.
  • the dielectric 113 Since the dielectric 113 is connected to the film layers 111, 112, a deformation of the dielectric 113 can lead to a bending of the film layers 111, 112, which can cause a slight lateral distortion. This can lead to the two individual sensor electrode structures 121, 122 of a sensor electrode structure pair 120 no longer being precisely aligned with one another. As a result, the field lines running between the two sensor electrode structures 121, 122 can have an inhomogeneous course, which can lead to slight inaccuracies in the capacitance measurement. In order to prevent or compensate for this, embodiments of the invention provide that the two sensor electrode structures 121, 122 associated with each sensor electrode structure pair 120 have electrode surfaces of different sizes.
  • the sensor-electrode structure 121 arranged on the first film layer 111 can, for example, have a larger electrode area than the sensor-electrode structure 122 arranged on the second film layer 112. It would also be conceivable the other way around, as shown by way of example using the rightmost sensor-electrode structure pair 120 in Figure 1.
  • Figure 2 shows a further embodiment of a capacitive force measuring device 100 according to the invention. Elements with the same or similar function as in Figure 1 are provided with the same reference numerals, which is why reference is made to the above text sections for their structural and functional description.
  • the film layer stack 110 shown in Figure 2 has one or more optional protective layers 114. These can be designed in the form of protective films 114.
  • a protective film 114 can be arranged on the side 153 of the first film layer 111 facing away from the dielectric 113.
  • a protective film 114 can be arranged on the side 154 of the second film layer 112 facing away from the dielectric 113.
  • the optional protective films 114 can promote a plane parallelism of the film layer stack 110.
  • the protective films 114 can protect additional electrode structures 123, 124, which can optionally be provided on the first and/or second film layer 112, 113, from external contact.
  • These additional electrode structures 123, 124 can be actively controllable shielding electrode structures 123 and passively shielding ground surfaces 124.
  • one or more active shielding electrode structures 123 can be arranged on the side 153 of the first film layer 111 facing away from the dielectric 113, with one shielding electrode structure 123 being arranged opposite one sensor electrode structure 121.
  • one or more active shielding electrode structures 123 can be arranged on the side 154 of the second film layer 112 facing away from the dielectric 113, with one shielding electrode structure 123 being arranged opposite one sensor electrode structure 122.
  • the first film layer 111 and the second film layer 112 can each have an electrically insulating material or consist of an electrically insulating material.
  • the sensor electrode structures 121, 122 arranged on one side of the respective film layer 111, 112 are thus electrically insulated from the shielding electrode structures 123 and ground surfaces 124 arranged on the opposite side of the respective film layer 111, 112.
  • the shielding electrode structures 123 shield the sensor electrode structures 121, 122 directly opposite them against external fields.
  • the electrode surface of a shielding electrode structure 123 can be larger than the electrode surface of the sensor electrode structure 121, 122 directly opposite it.
  • the shielding electrode structures 123 can be actively controlled and can thus form an active shield, which is also referred to as a "driven shield".
  • the shielding electrode structures 123 are controlled with an electrical signal, which results in the electrical potential difference between the respective shielding electrode structure 123 and the sensor electrode structure 121 or 122 directly opposite it being as close to zero as possible. In other words, the electrical potential difference between the shielding electrode structures 123 and the sensor electrode structures 121, 122 can be kept at zero by means of an external control.
  • the active shielding electrode structures 123 can be controlled with low resistance.
  • Embodiments of the invention therefore provide that the control unit 140 is designed to control the shielding electrode structures 123 with a signal that is designed to minimize or eliminate an electrical potential difference between a shielding electrode structure 123 and the sensor electrode structure 121, 122 directly opposite it.
  • passive shielding can be provided. This can be provided by means of ground planes or grounded metal surfaces 124.
  • the passive metal surfaces 124 can be arranged around the active shielding electrode structures 123 and electrically insulated from them. In other words, the active shielding electrode structures 123 can be surrounded by the passive ground planes 124 and insulated from them.
  • Figures 3A-4B each show a top view of the electrode structures 121, 122, 123, 124 just discussed.
  • Figure 3A first shows a top view of the side 151 of the first film layer 111 facing the dielectric 113, including a sensor electrode structure 121 of a sensor electrode structure pair 120 arranged there.
  • Figure 3B shows a top view of the back, ie of the side 153 of the first film layer 111 facing away from the dielectric 113.
  • the previously described shielding Electrode structure 123 can be seen, which is surrounded by a ground plane 124 and electrically insulated from it.
  • Figure 4A shows a plan view of the side 152 of the second film layer 112 facing the dielectric 113, including a sensor electrode structure 122 arranged there, which belongs to the same sensor electrode structure pair 120 as the sensor electrode structure 121 shown in Figure 3A.
  • Figure 4B shows a plan view of the rear side, i.e. of the side 154 of the second film layer 112 facing away from the dielectric 113.
  • a previously described shielding electrode structure 123 can be seen, which is surrounded by a ground surface 124 and is electrically insulated from it.
  • Embodiments of the invention therefore provide that the side 153, 154 of the first and/or second foil layer 111, 112 facing away from the elastically deformable dielectric 113 is covered with a grounded metal surface 124, wherein the grounded metal surface 124 laterally surrounds the one or more shielding electrode structures 123, and wherein the grounded metal surface 124 and the one or more shielding electrode structures 123 on the respective foil layer 111, 112 are electrically insulated from one another.
  • the sides 153, 154 of the first and/or second film layers 111, 112 facing away from the elastically deformable dielectric 113 can be completely covered with the grounded metal surface 124, with the exception of the shielding electrode structures 123 (and a free section running around them for the purpose of electrical insulation).
  • the sides 153, 154 of the first and/or second film layers 111, 112 facing away from the elastically deformable dielectric 113 can be only partially covered with the grounded metal surface 124.
  • Embodiments of the invention therefore provide that the film surfaces between the active shielding electrode structures 123 are largely covered with conductive metal surfaces that are at ground potential and that are electrically insulated from the shielding electrode structures 123.
  • Figures 3A and 4A each show sensor electrode structures 121, 122 that belong to the same sensor electrode structure pair 120 and are therefore located opposite one another within the film layer stack 110 (not explicitly shown here).
  • the sensor electrode structures 121, 122 on the first film layer 111 ( Figure 3A) and on the second film layer ( Figure 4A) can each have their own electrical supply line 131, 132.
  • the electrical supply lines 131, 132 can each be connected to the control unit 140 (see Figure 2).
  • the sensor electrode structure 121 arranged on the first film layer 111 can have its own electrical supply line 131, which can be connected to the control unit 140.
  • the sensor electrode structure 122 arranged on the second film layer 112 can have its own electrical supply line 132, which can be connected to the control unit 140.
  • individual sensor electrode structure pairs 120 can be controlled and/or read individually or in groups.
  • the capacitance of the electrode surfaces of the sensor electrode structures 121, 122 can therefore also be read individually, since an individual conductor path 131, 132 leads to the individual sensor electrode structures 121, 122 of a sensor electrode structure pair 120, or to groups of sensor electrode structure pairs 120.
  • the capacitive sensor electrode structure pairs 120 can thus be controlled and read out individually.
  • the electrical supply lines 131, 132 of the two sensor electrode structures 121, 122, seen in the top view do not overlap or cross.
  • the electrical supply lines 131, 132 can, for example, be led away from the respective sensor electrode structure 121, 122 in different or opposite directions (e.g. up and down), as shown schematically here. This can prevent crossovers.
  • Avoiding overlapping or crossing of the electrical supply lines 131, 132 is desirable in order to avoid the formation of unwanted parasitic capacitances between the electrical supply lines 131, 132.
  • the formation of the capacitances, for the purpose of force measurement, is thus limited purely to the areas of the individual sensor electrode structures 121, 122.
  • the individual supply lines 131, 132 of the sensor electrode structures 121, 122 should therefore have as few or no crossings with conductor tracks on other film levels 122 within the film layer stack 110.
  • Embodiments of the invention therefore provide that the two sensor electrode structures 121, 122 each associated with a sensor electrode structure pair 120 each have their own electrical supply line 131, 132, wherein, viewed in a plan view of the film layer stack 110, these two electrical supply lines 131, 132 run largely without overlap.
  • the actively controllable shielding electrode structures 123 arranged on the rear side can also each have their own electrical supply line 133. However, in this case, it is desirable for the electrical supply lines 133 of the shielding electrode structures 123 to overlap with the electrical supply lines 131, 132 of the sensor electrode structures 121, 122 for shielding reasons.
  • the electrical supply lines 133 of the shielding electrode structures 123 can be routed in such a way that they cover the electrical supply lines 131, 132 of the two sensor electrode structures 121, 122, if possible over their entire length.
  • the electrical supply lines 133 of the shielding electrode structures 123 can have essentially the same shape and the same routing layout as the electrical supply lines 131, 132 of the sensor electrode structures 121, 122.
  • Figure 5 shows a schematic perspective view of a foil layer stack 110 with a first foil layer 111, a second foil layer 112 and an elastically deformable dielectric 113 arranged therebetween.
  • the first sensor electrode structure 121 together with its electrical supply line 131 is arranged on the side 151 of the first film layer 111 facing the dielectric 113.
  • An active shielding electrode structure 123 together with its electrical supply line 133 is arranged on the side 153 of the first film layer 111 facing away from the dielectric 113. As can be seen, the active shielding electrode structure 123 together with its electrical supply line 133 covers the first sensor electrode structure 121 together with its electrical supply line 131, preferably completely.
  • the second sensor electrode structure 122 together with its electrical supply line 132 is arranged on the side 152 of the second film layer 112 facing the dielectric 113.
  • An active shielding electrode structure 123 together with its electrical supply line 133 is arranged on the side 154 of the second film layer 112 facing away from the dielectric 113. As can be seen, the active shielding electrode structure 123 together with its electrical supply line 133 covers the second sensor electrode structure 122 together with its electrical supply line 132, preferably completely.
  • Embodiments of the invention therefore provide that the individual shielding electrode structures 123 each have an electrical supply line 133, wherein, viewed in a plan view of the film layer stack 110, an electrical supply line 133 of a shielding electrode structure 123 covers the electrical supply line 131, 132 of the sensor electrode structure 121, 122 directly opposite it.
  • the conductive electrode surfaces of the sensor electrode structures 121, 122, and optionally also their respective supply lines 131, 132 can therefore be backed or covered on the outside with approximately uniform shielding electrode structures 123 and their respective supply lines 133.
  • the sensor electrode structures 121, 122 and the shielding electrode structures 123 are electrically insulated from one another.
  • the shielding electrode structures 123 can in turn optionally be surrounded by grounded metal surfaces (“ground”) 124 and electrically insulated from these.
  • ground grounded metal surfaces
  • the active (driven) shielding is implemented by means of the active shielding electrode structures 123 over the entire surface of a film layer 111, 112.
  • this can lead to problems during an EMC test, since very large areas with low resistance would be subjected to the pulse of the active (driven) shielding.
  • Advantageous embodiments therefore provide for only the relevant areas, i.e. above the sensor electrode structures 121, 122 themselves, to be protected against stray capacitances.
  • the rest can be filled with ground surfaces 124.
  • the individual supply lines 131, 132 to the sensor electrode structures 121, 122 should, however, not cross each other spatially if possible.
  • the conductive structures e.g. the respective sensor electrode structures 121, 122 and the shielding electrode structures 123 and their respective electrical leads 131, 132, 133, can be designed in the form of a thin metal layer (e.g. copper), wherein this metal layer can have a thickness of 200 nm to 36 pm, and preferably 2 pm to 10 pm.
  • this metal layer can have a thickness of 200 nm to 36 pm, and preferably 2 pm to 10 pm.
  • the total thickness of the film layer stack 110 can be kept as thin as possible, despite a large number of conductive structures.
  • the electrode surfaces of the sensor electrode structures 121, 122 can be dimensioned such that the capacitance values for individual sensor electrode structures 121, 122 are preferably in a range from 0.5 pF to 100 pF. This enables signal evaluation of individual sensor electrode structure pairs 120 using commercially available evaluation ICs or microcontrollers.
  • Some elastic materials have a temperature-dependent electrical behavior, whereby their dielectric constant can change depending on the temperature. Such behavior of a dielectric 113 would be rather counterproductive in the film layer stack 110 described here. Therefore, embodiments of the invention provide that only elastic materials are arranged between the sensor electrode structures 121, 122, which have almost constant mechanical and have electrical properties, ie the dielectric constant of the material used for the elastically deformable dielectric 113 should remain constant even at varying temperatures.
  • additional temperature sensors e.g. in the form of conductor track meanders, can optionally be applied to the film layers 111, 112.
  • the temperature measurement thus made possible can be used for temperature compensation for the force measuring device 100.
  • areas of the sensor electrode structures 121, 122 can be kept at a defined temperature range by means of meander-shaped heating elements.
  • the capacitive force measuring device 100 described herein can be used in various applications.
  • a non-limiting example would be the use in a battery to monitor the condition of the battery cells.
  • FIG. 6 shows a schematic top view of a battery 200.
  • This can be a vehicle battery, for example.
  • the battery 200 has several battery cells 210 arranged next to one another and connected in series.
  • At least one capacitive force measuring device 100 according to the invention can be arranged between individual battery cells 210.
  • at least one capacitive force measuring device 100 according to the invention can be arranged between the last battery cell 210 and the battery wall 220.
  • the battery cells 210 can change their geometric shape over their service life.
  • the battery cells 210 can change their thickness or shape (e.g. crowning). This leads to an alternating increase and decrease in the pressure between the battery cells 210, which can be monitored by means of the force measuring device 100 according to the invention.
  • the force measuring device 100 can advantageously be arranged in such narrow gaps between individual battery cells 210.
  • the entire film layer stack 110 can have a total thickness Ds (see Figure 1) to be measured in the layer stack direction of between 100 pm and 2 mm.
  • the elastically deformable dielectric 113 can have a The thickness D ( Figure 1) to be measured in the layer stack direction should be between 20 pm and 1 mm.
  • the plane-parallel surface quality of the film layer stack 110 enables the most homogeneous force introduction possible over a large area.
  • Rolling or laminating is a suitable method for producing the film layer stack 110.
  • Individual film layers 111, 112 can be rolled on or laminated onto one another under vacuum, which can prevent air inclusions.
  • the elastomeric dielectric 113 can be inserted as a film between the two film layers 111, 112.
  • the dielectric 113 can also be applied in the form of a liquid layer or printed with a defined geometric shape. If liquid layers are applied, they should then be cycled or thermally hardened.
  • the elastic dielectric 113 could be arranged in the form of a plurality of separate surfaces between the two sensor electrode structures 121, 122 of a sensor electrode structure pair 120. This can be achieved, for example, by punching a dielectric film.
  • the film layers 111, 112 with the sensor electrode structures 121, 122 can also be coated with a liquid or pasty polymer (i.e. not yet cross-linked or hardened).
  • a liquid or pasty polymer i.e. not yet cross-linked or hardened.
  • the film layers 111, 112 can be joined together and, if necessary, subjected to a temperature treatment in order to achieve a full-surface, air bubble-free layer composite.
  • the coating can be applied to just one of the two electrode film layers 111, 112, or to both electrode film layers 111, 112. It is advantageous to connect the coated film layers 111, 112 before the polymer layer is completely cross-linked. Then, during later temperature-induced cross-linking, a chemical connection between the polymer coatings can also be achieved.
  • the present invention describes a capacitive force measuring device 100 with a foil layer stack 110, which can be in the form of a thin, largely planar multilayer foil structure, for example, in which sensor electrode structures 121, 122 are arranged vertically one above the other in pairs and are supported by an elastic, electrically insulating dielectric 113.
  • a plurality of opposing sensor electrode structures 121, 122 can be realized on the multilayer film structure 110.
  • films of different hardness can be used, i.e. with a different modulus of elasticity (E-modulus) for different layers in the multilayer structure.
  • E-modulus modulus of elasticity
  • an external force can lead to a change in the thickness D (e.g. thickness reduction) of the dielectric 113.
  • a thickness reduction the distance between the electrode surfaces of the sensor electrode structures 121, 122 of a sensor electrode structure pair 120 is reduced, and thus its electrical capacitance increases.
  • active "driven shield” shielding electrode structures 123 can be attached to both film layers 111, 112, and thus on both sides of the sensor electrode structures 121, 122 arranged there. This type of shielding therefore describes exactly the opposite of an otherwise known capacitive touch sensor.
  • the capacitance at the opposing sensor electrode structures 111, 112 (top and bottom) of a sensor electrode structure pair 120 can therefore be measured, with a change in the thickness of the elastic dielectric 113 causing a change in the capacitance.
  • the change in thickness depends on the amount of external force.
  • the force measuring device 100 designed in the form of a multilayer film structure, can be used as a force or pressure sensor.
  • the elastically deformable dielectric 113 should preferably have a suitable thickness homogeneity.
  • the film structure or the film layer stack 110 can also be designed to be as plane-parallel as possible. In this way, forces can be recorded as homogeneously as possible over large surface areas.
  • the sensor electrode structures 121, 122 can be read out individually and can also be converted into absolute force or pressure values. This allows a highly precise force measurement with a high spatial resolution, ie A plurality of sensor electrode structure pairs 120 can be provided on an area of defined size, which can each be read out individually or in groups.
  • the miniaturized force measuring device 100 can be used in a wide variety of applications.
  • An example application would be a spatially resolved pressure sensor for batteries, e.g. for electric vehicles, in order to measure the pressure between individual cells 210 of a battery block 200 and between the outermost cell 210 and the surrounding casing/encapsulation 220 of the battery block 200.
  • a film-based force measuring device 100 according to the invention can also be attached there, whereby in this case too the flexibility or bendability of the multi-layer structure according to the invention is advantageous.
  • the force measuring device 100 according to the invention can also be used in variable, mechanically flexible gripping systems, e.g. grippers on robot arms.
  • the gripping fingers or tongs can be equipped with the force measuring device 100 according to the invention (sensitive films) on the surface. This allows the gripping pressure to be determined and regulated, for example.
  • the flexibility of the film layer stack 110 allows the sensor surfaces to be applied in a form-adaptive manner. It is also helpful here that individual small surfaces can be read out. This allows individual elements of a gripping mechanism to provide individual values.
  • the force measuring device 100 according to the invention can also be used in the production of composite materials, e.g. for process control during the compression molding of semi-finished products into finished components.
  • the force measuring device 100 in mobile devices, for example to monitor their batteries.
  • the rechargeable battery can swell and cause serious damage. Due to the miniaturized design of the force measuring device 100 (sensor film) according to the invention, it can be easily used or retrofitted in laptops and mobile phones.
  • the force measuring device 100 can also be used as a base film with many sensor surfaces in a drawer, such as in a tool case. This allows the presence of objects, e.g. tools, to be automatically detected or monitored. The same applies to storage areas or shelves in the supermarket, which could, for example, enable automated detection of the stock of existing goods.
  • aspects have been described in connection with a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device can also be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Analogously, aspects that have been described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or details or feature of a corresponding device.

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine kapazitive Kraftmessvorrichtung (100), aufweisend einen mehrlagigen Folienschichtstapel (110) mit einer ersten Folienschicht (111), einer zweiten Folienschicht (112), und einem zwischen den Folienschichten (111, 112) angeordneten Dielektrikum (113), das unter Krafteinwirkung elastisch verformbar ist. Die erste Folienschicht (111) und die zweite Folienschicht (112) weisen jeweils Sensor-Elektrodenstrukturen (121,122) auf, die dem Dielektrikum (113) zugewandt sind und sich jeweils paarweise gegenüberliegen, wobei jedes Sensor-Elektrodenstruktur-Paar (120) jeweils eine mit deren Elektrodenabstand d veränderliche Kapazität aufweist. Eine Steuereinheit (140) ist ausgestaltet, um eine Verformung des Dielektrikums (113) anhand einer Kapazitätsänderung der Sensor-Elektrodenstruktur-Paare (120) zu erfassen und basierend hierauf eine für die Verformung ursächliche Kraft zu ermitteln.

Description

KAPAZITIVE KRAFTMESSVORRICHTUNG MIT ELASTISCHEM DIELEKTRIKUM
Beschreibung
Das hierin beschriebene innovative Konzept betrifft eine miniaturisierte Kraftmessvorrichtung, die eine von außen wirkende Kraft basierend auf einer Kapazitätsänderung zwischen zwei Elektrodenflächen ermitteln kann. Die Elektroden sind auf zwei gegenüberliegenden Folien angeordnet. Dadurch kann die Kraftmessvorrichtung sehr flach ausgeführt werden. Erfindungsgemäß ist zwischen den beiden Folien ein Dielektrikum angeordnet, welches elastisch verformbar ist.
In vielen Anwendungen ist es erwünscht, eine Druckverteilung über eine Fläche zu ermitteln, und die entsprechenden Werte für die ermittelte Kraft bzw. den ermittelten Druck anzugeben. Der zur Kraft- bzw. Druckmessung zur Verfügung stehende Raum ist aber oftmals sehr begrenzt.
Ein Beispiel für eine Druckmessung mit sehr limitiertem Bauraum wäre eine Messung des Drucks im Inneren eines Batterieblocks, der aus mehreren einzelnen Batteriezellen besteht. Die einzelnen Zellen können über die Zeitdauer ihrer Nutzung ihre Dicke bzw. Form (z.B. Balligkeit) verändern. Dadurch kommt es zu einem abwechselnden Ansteigen und Abklingen des Drucks innerhalb der jeweiligen Batteriezelle. Eine Überwachung dieses Verhaltens ist häufig erwünscht für die Zustandsüberwachung von Batterien, insbesondere bei Fahrzeugbatterien im Bereich der Elektromobilität.
Ein wichtiges Ziel hierbei ist es, eine Überlastung oder gar eine Explosion eines Batteriesystems zu vermeiden. Kritische Druckzustände sollten möglichst frühzeitig erkennbar sein, um gegebenenfalls geeignete Maßnahmen zur Aufrechterhaltung eines sicheren Betriebszustands einleiten zu können. Zum Zwecke einer solchen Zustandsüberwachung können Druck- oder Kraftsensoren zwischen den einzelnen Zellen eingebaut werden. Dort steht allerdings nur ein sehr begrenzter Bauraum zur Verfügung, da zwischen den einzelnen Batteriezellen nur sehr schmale Spalte verbleiben. Innerhalb eines solchen Spalts soll die Druckverteilung darüber hinaus möglichst über die gesamte Fläche der jeweiligen Zelle erfasst werden.
Für eine flächige Kraftmessung in Anwendungen mit limitiertem Bauraum können beispielsweise Druckmess-Folien eingesetzt werden, die unter Druckeinwirkung ihre Farbe oder Farbsättigung ändern. Dies ermöglicht zwar eine qualitative Erfassung der Druckverteilung im Auflagebereich. Quantitative Kraftwerte sind auf diese Weise jedoch nicht ableitbar.
Es können auch Druckmessfolien eingesetzt werden, die piezoresistive Schichten enthalten. Unter Druck ändert sich der Wert des elektrischen Widerstands, was dann wiederum als Druckwert interpretiert werden kann. Diese Schichten sind auch unter dem Namen „FSR: force sensing resistor“ bekannt. Solche piezoresistiven Schichten leiden allerdings häufig unter mechanischen und/oder elektrischen Veränderungen über deren Nutzungsdauer. Insbesondere in Fällen, in denen ein Druck über längere Zeit an der piezoresistiven Schicht des Sensors anliegt, kehrt die piezoresistive Schicht nicht mehr vollständig in die Ausgangslage zurück, wodurch sich der Nullwert verschiebt bzw. nicht mehr erreicht wird, sodass sich die Sensitivität des Sensors zunehmend verschlechtert. Darüber hinaus sind bei piezoresistiven Schichten Hysterese- Effekte bekannt, d.h. bei einem Druckanstieg und bei einem Druckabfall werden jeweils unterschiedliche Kennlinien bei der Widerstandsmessung durchlaufen. Damit ist eine präzise, reproduzierbare Kraft- bzw. Drucksensorik in der Praxis nur schwer zu realisieren.
Etwas weniger anfällig für diese nachteiligen Effekt sind piezoelektrische Schichten. Hier führt eine äußere Krafteinwirkung zur Erzeugung einer kleinen elektrischen Spannungsspitze. Diese tritt allerdings nur während einer Änderung der Kraft auf. Bleibt die äußere Kraft hingegen konstant, wird kein Signal mehr gemessen. Dies erlaubt daher kein kontinuierliches Monitoring der angelegten Kraft.
Alternativ zur Piezo-Technik sind auch kapazitive Messmethoden bekannt. Diese werden insbesondere für die sogenannte „Touch-Sensorik“, z.B. bei Smartphones und Tablets, eingesetzt. Derartige Touch-Sensoriken sind darauf ausgelegt, bereits bei Annäherung oder nur bei kleinsten Berührungen ein Signal auszulösen. Bei vielen Anwendungen, wie zum Beispiel der zuvor erwähnten Zustandsüberwachung von Batterien, ist jedoch genau das Gegenteil erwünscht, d.h. eine Kapazitätsänderung durch Berührung oder Annäherung von außen soll ausgeschlossen werden. Touch-Sensoriken erlauben zudem keine Erfassung des Druckwerts.
Als weiteres Beispiel für miniaturisierte Drucksensoren können MEMS-Sensoren (MEMS: Micro Electro Mechanical System) genannt werden. Hier werden Membranen aus Silizium oder isolierenden Materialien hergestellt, die in engem Abstand zu Gegenelektroden angeordnet sind. Druckbedingte Ausformungen der Membran führen zu einer Kapazitätsände- rung. Solche Sensorsysteme sind jedoch nicht für die Kraftmessung in sehr beengten Räumen, wie z.B. Spalten zwischen Batteriezellen, geeignet, da der starre Körper des MEMS Bauelements den Druck aufnimmt und die Membran ab einem bestimmten äußeren Druck nicht mehr weiter verformt werden kann.
Eine weitere Herausforderung bei der Herstellung von miniaturisierten Kraftmessvorrichtungen für die Anwendung in flachen beengten Bauräumen ist die Ebenheit und Planparallelität der jeweiligen Sensorschicht. Topographische Unebenheiten würden dazu führen, dass der Druck nicht mehr flächig, sondern nur über die jeweils höchstgelegenen Flächenbereiche in die Sensorschicht eingeleitet wird. Wenn also die Sensorschicht beispielsweise eine Erhebung aufweist, dann würde der gesamte Druck nur an dieser Erhebung in die Sensorschicht eingeleitet werden. Dies verändert allerdings sowohl die Druckverteilung als auch die absoluten Druckwerte.
Daher wäre es wünschenswert, miniaturisierte Kraftmessvorrichtungen dahingehend zu verbessern, dass diese in flachen und sehr bauraumbegrenzten Bereichen eingesetzt werden können, wobei gleichzeitig Kraftwerte weitestgehend hysteresefrei ermittelt werden können, ohne dass sich das Langzeitverhalten der Kraftmessvorrichtung merklich verändert.
Dieses Ziel wird erreicht mit einer Kraftmessvorrichtung gemäß Anspruch 1. Die erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung weist einen mehrlagigen Folienschichtstapel mit einer ersten Folienschicht, einer zweiten Folienschicht, und einem zwischen den Folienschichten angeordneten Dielektrikum auf, wobei das Dielektrikum unter Krafteinwirkung elastisch verformbar ist. Der Folienschichtstapel kann optional weitere Folienschichten aufweisen. Eine Folie ist sehr dünn, wobei die Dicke einer Folie deutlich kleiner ist als deren laterale Ausdehnung, d.h. Länge und Breite. Eine Folie spannt sozusagen eine Fläche bzw. eine Ebene auf, die auch als Folienebene bezeichnet werden kann. Die im Folienschichtstapel vorhandenen Folienschichten sind in vertikaler Richtung, d.h. senkrecht zu den jeweiligen Folienebenen, übereinandergestapelt. Dies wird hierin auch als Schichtstapelrichtung bezeichnet. Die erste Folienschicht und die zweite Folienschicht weisen jeweils ein oder mehrere Sensor- Elektrodenstrukturen auf. Die Sensor- Elektrodenstrukturen sind dem Dielektrikum jeweils zugewandt und sind jeweils paarweise gegenüberliegend angeordnet, d.h. je eine Sensor- Elektrodenstruktur auf der ersten Folienschicht und eine Sensor-Elektrodenstruktur auf der zweiten Folienschicht liegen sich vertikal, d.h. in Schichtstapelrichtung, gegenüber. Je zwei sich gegenüberliegende Sensor-Elektrodenstrukturen bilden dabei jeweils ein Sensor- Elektrodenstruktur- Paar. Jedes Sensor- Elektrodenstruktur- Paar weist eine mit deren Elektrodenabstand veränderliche Kapazität auf. Wenn also beispielsweise eine Druckkraft senkrecht auf den Folienschichtstapel wirkt, dann wird der Folienschichtstapel einschließlich des elastischen Dielektrikums komprimiert, wodurch sich die beiden Sensor- Elektrodenstrukturen eines Sensor- Elektrodenstruktur- Paars aneinander annähern. Dadurch steigt die an einem Sensor-Elektrodenstruktur-Paar messbare Kapazität an, was wiederum als Kraftwert interpretiert werden kann. Zur Ermittlung des Kraftwerts weist die erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung eine Steuereinheit auf. Diese ist ausgestaltet, um eine Verformung des Dielektrikums anhand einer Kapazitätsänderung der vorhandenen Sensor-Elektrodenstruk- tur-Paare zu erfassen, und basierend hierauf eine für die Verformung ursächliche Kraft zu ermitteln.
Weitere Ausführungsformen und vorteilhafte Aspekte der erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt. Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische seitliche Schnittansicht einer kapazitiven Kraftmessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine schematische seitliche Schnittansicht einer kapazitiven Kraftmessvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
Fig. 3A eine schematische Draufsicht auf eine mit einer Sensor-Elektrodenstruktur bestückten Folienschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 3B eine schematische Draufsicht auf die Rückseite der Folienschicht aus Figur 3A, wobei auf dieser Rückseite eine aktive Abschirm-Elektrodenstruktur sowie eine passive metallische Massefläche angeordnet sind,
Fig. 4A eine schematische Draufsicht auf eine weitere mit einer Sensor-Elektrodenstruktur bestückten Folienschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig. 4B eine schematische Draufsicht auf die Rückseite der Folienschicht aus Figur 4A, wobei auf dieser Rückseite eine aktive Abschirm-Elektrodenstruktur sowie eine passive metallische Massefläche angeordnet sind, Fig. 5 eine schematische Perspektivansicht eines Folienschichtstapels zur Verwendung in einer kapazitiven Kraftmessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf eine Batterie gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei mehrere erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtungen zwischen einzelnen Batteriezellen angeordnet sind.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Verfahrensschritte, die im Rahmen der vorliegenden Offenbarung abgebildet bzw. beschrieben sind, können auch in einer anderen als der abgebildeten beziehungsweise beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Außerdem sind Verfahrensschritte, die ein bestimmtes Merkmal einer Vorrichtung betreffen mit ebendiesem Merkmal der Vorrichtung austauschbar, was ebenso anders herum gilt.
Figur 1 zeigt zunächst eine schematische seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen kapazitiven Kraftmessvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die kapazitive Kraftmessvorrichtung 100 weist einen mehrlagigen Folienschichtstapel 110 auf. Der mehrlagige Folienschichtstapel 110 weist unter anderem eine erste Folienschicht 111 , eine zweite Folienschicht 112, sowie ein zwischen den beiden Folienschichten 111 , 112 angeordnetes Dielektrikum 113 auf. Das Dielektrikum 113 zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass es unter Krafteinwirkung elastisch verformbar ist.
Jede Folienschicht 111 , 112 spannt innerhalb des Folienschichtstapels 110 eine Folienebene auf. Die im Folienschichtstapel 110 angeordneten Folienschichten 111 , 112, sowie das dazwischen angeordnete Dielektrikum 113, sind in vertikaler Richtung, d.h. senkrecht zu den jeweiligen Folienebenen, übereinandergestapelt. Dies wird auch als Schichtstapelrichtung bezeichnet.
Sowohl die erste Folienschicht 111 als auch die zweite Folienschicht 112 weisen jeweils ein oder mehrere Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122 auf, die dem Dielektrikum 113 zugewandt sind und sich jeweils paarweise gegenüberliegen, wobei jedes Sensor- Elektroden- struktur-Paar 120 jeweils eine mit deren Elektrodenabstand d veränderliche Kapazität aufweist. Optional können die erste Folienschicht 111 und/oder die zweite Folienschicht 112 jeweils ein oder mehrere (hier nicht explizit dargestellte) zusätzliche aktive oder passive Bauelemente aufweisen.
Die erfindungsgemäße kapazitive Kraftmessvorrichtung 100 weist außerdem eine Steuereinheit 140 auf, die mit den Sensor-Elektrodenstruktur-Paaren 120, bzw. mit den einzelnen Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 der jeweiligen Sensor-Elektrodenstruktur-Paare 120, gekoppelt sein kann. Die Steuereinheit 140 ist ausgestaltet, um eine Verformung des Dielektrikums 113 anhand einer Kapazitätsänderung der Sensor-Elektrodenstruktur-Paare 120 zu erfassen und basierend hierauf eine für die Verformung ursächliche Kraft zu ermitteln.
Hierfür kann die Steuereinheit 140 beispielsweise die elektrische Ladung an den Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122 ermitteln. Die von den Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 aufgenommene bzw. abgegebene elektrische Ladung ist ein Maß für die veränderliche elektrische Kapazität des jeweiligen Sensor- Elektrodenstruktur- Paars 120.
Innerhalb des Folienschichtstapels 110 können die beiden Folienschichten 111 , 112 direkt und unmittelbar, d.h. ohne weitere Zwischenschichten, an das Dielektrikum 113 angrenzen. Die Sensor-Elektrodenstrukturen 121 können dabei beispielsweise auf einer dem Dielektrikum 113 zugewandten Seite bzw. Oberfläche 151 der ersten Folienschicht 111 angeordnet sein. Auf einer dem Dielektrikum 113 zugewandten Seite bzw. Oberfläche 152 der zweiten Folienschicht 112 können ebenfalls ein oder mehrere Sensor-Elektrodenstrukturen 122 angeordnet sein.
Die auf der ersten Folienschicht 111 angeordneten Sensor- Elektrodenstrukturen 121 sind vertikal, d.h. in Schichtstapelrichtung, gegenüberliegend von den auf der zweiten Folienschicht 112 angeordneten Sensor-Elektrodenstrukturen 122 positioniert. Insbesondere kann jeweils genau eine auf der ersten Folienschicht 111 angeordnete Sensor-Elektrodenstruktur 121 gegenüberliegend von jeweils genau einer auf der zweiten Folienschicht 112 angeordneten Sensor-Elektrodenstruktur 122 positioniert sein. Je zwei sich gegenüberliegende Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122 bilden dabei ein Sensor- Elektrodenstruktur- Paar 120.
Die einzelnen Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 eines Sensor- Elektrodenstruktur- Paars 120 sind dabei in einem bestimmten Abstand d voneinander angeordnet. Dieser Abstand d wird innerhalb der vorliegenden Offenbarung auch als Elektrodenabstand bezeichnet. Wie eingangs erwähnt, kann die Steuereinheit 140 beispielsweise die elektrische Kapazität der einzelnen Sensor-Elektrodenstruktur-Paare 120 ermitteln. Die Kapazität jedes Sensor-Elektrodenstruktur-Paars 120 ändert sich mit dem Elektrodenabstand d zwischen den einzelnen Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 eines Sensor-Elektrodenstruktur- Paars 120.
Die in Figur 1 gezeigte Kraftmessvorrichtung 100 befindet sich hier in einem Ausgangszustand, in dem keine äußere Kraft auf den Folienschichtstapel 110 wirkt. Wenn jedoch eine Kraft von außen auf den Folienschichtstapel 110 wirkt, so verformt sich der Folienschichtstapel 110 mitsamt des mittig darin angeordneten elastischen Dielektrikums 113. Aufgrund dieser Verformung ändert sich der Elektrodenabstand d zwischen den einzelnen Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 eines Sensor-Elektrodenstruktur-Paars 120, und somit ändert sich auch die jeweilige elektrische Kapazität des entsprechenden Sensor-Elekt- rodenstruktur-Paars 120. Die Steuereinheit 140 ist dazu ausgestaltet, um anhand der ermittelten Kapazität bzw. der ermittelten Kapazitätsänderung die auf den Folienschichtstapel 110 wirkende Kraft nach Betrag und/oder Richtung zu bestimmen.
Wirkt beispielsweise eine in vertikaler Richtung, d.h. in Schichtstapelrichtung, gerichtete Druckkraft F1 ein- oder beidseitig auf den Folienschichtstapel 110, so wird der Folienschichtstapel 110 zusammengedrückt. Dementsprechend verringert sich der Elektrodenabstand d zwischen den einzelnen Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 der jeweiligen Sensor- Elektrodenstruktur- Paare 120 und deren jeweilige Kapazität nimmt zu.
Wirkt hingegen eine in vertikaler Richtung, d.h. in Schichtstapelrichtung, gerichtete Zugkraft F2 ein- oder beidseitig auf den Folienschichtstapel 110, so wird der Folienschichtstapel 110 auseinandergezogen. Dementsprechend vergrößert sich der Elektrodenabstand d zwischen den einzelnen Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 der jeweiligen Sensor- Elektro- denstruktur-Paare 120 und deren jeweilige Kapazität nimmt ab.
Wirkt eine in horizontaler Richtung, d.h. senkrecht zu Schichtstapelrichtung, gerichtete Zugkraft F3 ein- oder beidseitig auf den Folienschichtstapel 110, so wird der Folienschichtstapel 110 zusammengedrückt. Dementsprechend verringert sich der Elektrodenabstand d zwischen den einzelnen Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 der jeweiligen Sensor- Elektro- denstruktur-Paare 120 und deren jeweilige Kapazität nimmt zu.
Wirkt eine in horizontaler Richtung, d.h. senkrecht zu Schichtstapelrichtung, gerichtete Druckkraft F4 ein- oder beidseitig auf den Folienschichtstapel 110, so wird der Folien- schichtstapel 110 auseinandergedrückt. Dementsprechend vergrößert sich der Elektrodenabstand d zwischen den einzelnen Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 der jeweiligen Sensor-Elektrodenstruktur-Paare 120 und deren jeweilige Kapazität nimmt ab.
Die entsprechenden Kräfte F± bis F4 können jeweils einzeln, oder in Kombination, auf den Folienschichtstapel 110 einwirken. Prinzipiell können Kräfte auch schräg auf den Folienschichtstapel 110 einwirken. Die Steuereinheit 140 ist in jedem Fall dazu ausgestaltet, um die jeweils auftretenden Kapazitätsänderungen bzw. die aktuelle Kapazität der Sensor- Elektrodenstruktur- Paare 120 zu erfassen und basierend hierauf eine für die Verformung des Folienschichtstapels 110 ursächliche Kraft zu ermitteln. Die Kraft kann hier insbesondere betragsmäßig ermittelt werden.
Eine von außen auf den Folienschichtstapel 110 wirkende Kraft ist also ursächlich für die Verformung des Folienschichtstapels 110 und des darin angeordneten elastisch verformbaren Dielektrikums 113, was zu der soeben diskutierten Kapazitätsänderung der jeweiligen Sensor-Elektrodenstruktur-Paare 120 führt. Die Kraft kann dabei unterschiedliche Ursachen haben. Beispielsweise kann die Kraft aus einem Über- oder Unterdrück resultieren, der aufgrund einer Druckänderung zustande kommt. Somit kann die erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung 100 beispielsweise als Drucksensor eingesetzt werden.
Es ist aber auch denkbar, dass es sich bei der Kraft um temperaturindizierte Kräfte, oder allgemeine Verformungskräfte sowie Dehnungs- oder Spannungskräfte handelt. Dementsprechend kann die erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung 100 in Form eines Sensors zur Ermittlung der jeweiligen mechanischen Eigenschaft (Kraft, Dehnung, Druck, Verformung, etc.) eingesetzt werden.
Zum Zwecke einer dauerhaft gleichbleibenden Kraftmessung, ist das innerhalb des Folienschichtstapels 110 angeordnete Dielektrikum 113 erfindungsgemäß dauerhaft elastisch verformbar, d.h. es kehrt nach einer durch eine Krafteinwirkung bedingte Verformung immer wieder in dessen Ausgangszustand zurück. Das elastisch verformbare Dielektrikum 113 zeigt also nach einer erfolgten Deformation keine bleibende Form- oder Dickenänderung. Die Verwendung eines rein elastischen Dielektrikums 113 verhindert u.a. ein Hysterese- Verhalten der Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122.
Vorteilhafter Weise sollte das Dielektrikum 113 daher ein Material aufweisen, welches bei einer mechanischen Druckentlastung wieder die Originaldicke annimmt bzw. bei einer mechanischen Belastung weitestgehend gleichmäßig komprimiert wird, wobei sich dies insbesondere auf einen definierten Temperaturbereich bezieht. Derartige Materialien werden auch als Elastomere bezeichnet, d.h. das elastisch verformbare Dielektrikum 113 kann ein Elastomer aufweisen oder aus einem Elastomer bestehen. Elastomere weisen eine sogenannte dauerhafte Elastizität auf.
Die dauerhafte Elastizität wird auch mit dem Begriff des „Druckverformungsrests“ beschrieben. Hierbei handelt es sich um die zurückbleibende dauerhafte Verformung (in %) nach einer definierten thermischen und/oder mechanischen Druckbelastung im Vergleich zur ursprünglichen Ausgangsform. Gemäß Ausführungsformen weist das elastisch verformbare Dielektrikum 113 einen Druckverformungsrest von unter 5%, oder vorzugsweise von unter 2% auf.
Zwar ist klar, dass das Überschreiten einer bestimmten Kraft dazu führt, dass sich eine elastische Verformung in eine plastische Verformung wandelt. Daher ist das in der der erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtung 100 verwendete Dielektrikum 113 so zu dimensionieren, dass es durch die in seinem vorgesehenen Einsatzbereich auftretenden Kräfte unterhalb dieser Grenze belastet wird, und dadurch stets einer elastischen Verformung unterliegt. Das heißt, die Elastizität des Dielektrikums 113 ist so zu wählen, dass das Dielektrikum 113 in seinem vorgesehenen Einsatzbereich dauerhaft elastisch ist.
Ein für viele Einsatzzwecke geeignetes Material ist Silikon. Beispielsweise können Silikon beinhaltende Elastomere, wie z.B. Silikonkautschuk, für das Dielektrikum 113 verwendet werden. Dementsprechend sehen Ausführungsbeispiele vor, dass das Dielektrikum 113 Silikon beinhaltet oder aus Silikon besteht. Ein zusätzlicher Vorteil beim Einsatz von elastischem Silikon als Dielektrikum 113 ist dessen Dampfdurchlässigkeit und Hydrophobizität. Dadurch wird die Abhängigkeit der Kapazitätsmessung von der Umgebungsfeuchtigkeit sehr gering.
Das elastisch verformbare Dielektrikum 113 kann in Form einer Folienschicht ausgestaltet sein, die innerhalb des Folienschichtstapels 110 zwischen den beiden anderen Folienschichten 111 , 112 angeordnet ist. Alternativ dazu kann das elastisch verformbare Dielektrikum 113 in Form von elastischen Strukturkörpern ausgestaltet sein, die jeweils zwischen den einzelnen Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 der Sensor-Elektrodenstruktur-Paare 120 angeordnet sind. Das heißt, es könnten beispielsweise mehrere separate kleine Elastomere zwischen den einzelnen Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122 positioniert werden, die als Dielektrikum 113 dienen. Das elastische Dielektrikum 113 kann also beispielsweise in Form einer Vielzahl von separaten Flächen zwischen je zwei Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 eines Sensor-Elekt- rodenstruktur-Paars 120 angeordnet werden. Dies kann z.B. mittels Stanzen einer dielektrischen Folie erzielt werden.
Während das Dielektrikum 113 vorzugsweise dauerhaft elastisch verformbar ist, kann es vorteilhaft sein, wenn die Folienschichten 111 , 112 jeweils biegbar aber nicht dehnbar sind. Das heißt, sie können sich beispielsweise vertikal, d.h. in Schichtstapelrichtung, elastisch durchbiegen, um einer Verformung des Dielektrikums 113 zu folgen. Die Folienschichten
111 , 112 sollten sich jedoch nicht oder nur minimal in horizontaler Richtung, d.h. senkrecht zur Schichtstapelrichtung, elastisch verformen bzw. dehnen lassen.
Dies kann erreicht werden, indem das elastisch verformbare Dielektrikum 113 im Zentrum des Folienschichtstapels 110 eine sehr viel niedrigere Steifigkeit (E-Modul) aufweist als die Folienschichten 111 , 112, auf denen die Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122 angeordnet sind. Der E-Modul des Materials, welches für das elastisch verformbare Dielektrikum 113 eingesetzt wird, kann demnach also sehr viel niedriger sein als der E-Modul des Materials, welches für die darüber- und darunterliegenden Folienschichten 111 , 112 eingesetzt wird; bevorzugt um den Faktor 10 bis 1000 niedriger (weicher).
Dementsprechend können Ausführungsbeispiele vorsehen, dass das elastisch verformbare Dielektrikum 113 einen Elastizitätsmodul (E-Modul) aufweist, der jeweils um mindestens den Faktor 10 geringer ist als der Elastizitätsmodul der beiden Folienschichten 111 , 112, sodass das elastisch verformbare Dielektrikum 113 deutlich weicher ist als die erste und zweite Folienschicht 111 , 112.
Eine Kombination von Folienschichten 111 , 112 aus nicht dehnbarem Material (wie z.B. Polyimid, PET) zusammen mit einem Dielektrikum 113 aus dauerhaft elastischem Material (z.B. Silikon) kann in vorteilhafter weise dazu führen, dass die Elektrodengeometrie bzw. die Elektrodenflächen der auf den nicht dehnbaren Folienschichten 111 , 112 angeordneten Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 auch bei einer Verformung des Schichtstapels 110 erhalten bleibt. Das heißt, die nicht elastischen bzw. nicht dehnbaren Folienschichten 111 ,
112, die mit den Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 bestückt sind, ändern ihre Geometrie nicht, wodurch auch die Elektrodenflächen der Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 unverändert bleiben. Somit kann eine gemessene Kapazitätswertänderung eindeutig einer Druckänderung zugeordnet werden. Um zum Zwecke einer Kraftmessung einen möglichst gleichmäßigen Eintrag der Kraft über eine möglichst große Fläche zu erhalten, ist es außerdem von Vorteil, wenn die äußeren Oberflächen des Folienschichtstapels 110 möglichst plan ausgestaltet sind und möglichst wenige Erhebungen aufweisen. Dadurch erhält man eine weitestgehend homogene Verteilung der auf den Folienschichtstapel 110 wirkenden Kräfte, sodass der gesamte Folienschichtstapel 110 mitsamt dem darin angeordneten Dielektrikum 113 möglichst gleichmäßig verformt wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sehen daher vor, dass die erste und die zweite Folienschicht 111 , 112, in einem Ausgangszustand, in dem keine Kraft auf den Folienschichtstapel 110 wirkt, im Wesentlichen planparallel verlaufen.
Auch das Dielektrikum 113 sollte möglichst planparallele Oberflächen aufweisen, d.h. es sollte über seine gesamte Länge L hinweg eine möglichst gleichbleibende Dicke D aufweisen. Bezüglich des Dielektrikums 113 ist es daher von Vorteil, wenn es im Ausgangszustand innerhalb des Folienschichtstapels 110, über dessen gesamte Länge L hinweg, eine Dickentoleranz AD von weniger als 5%, oder bevorzugt von weniger als 1% aufweist. Dabei ist zu erwähnen, dass die Dicke D vertikal, d.h. in Schichtstapelrichtung, bemessen wird, und dass die Länge L horizontal, d.h. senkrecht zur Schichtstapelrichtung, bemessen wird.
Da das Dielektrikum 113 mit den Folienschichten 111 , 112 verbunden ist, kann es bei einer Verformung des Dielektrikums 113 dementsprechend zu einem Durchbiegen der Folienschichten 111 , 112 kommen, wodurch ein leichter lateraler Verzug entstehen kann. Dies kann dazu führen, dass die beiden einzelnen Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 eines Sensor-Elektrodenstruktur-Paars 120 nicht mehr exakt gegenüber voneinander ausgerichtet sind. Dadurch können die zwischen den beiden Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 verlaufenden Feldlinien einen inhomogenen Verlauf aufweisen, was zu leichten Ungenauigkeiten bei der Kapazitätsmessung führen kann. Um dies zu verhindern bzw. auszugleichen, sehen Ausführungsbeispiel der Erfindung vor, dass die zu je einem Sensor- Elektro- denstruktur-Paar 120 zugehörigen zwei Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122 unterschiedlich große Elektrodenflächen aufweisen.
Wie in Figur 1 schematisch am Beispiel des ganz linken Sensor-Elektrodenstruktur-Paars 120 gezeigt ist, kann beispielsweise die an der ersten Folienschicht 111 angeordnete Sensor-Elektrodenstruktur 121 eine größere Elektrodenfläche aufweisen als die an der zweiten Folienschicht 112 angeordnete Sensor- Elektrodenstruktur 122. Es wäre auch andersherum denkbar, wie es beispielhaft anhand des ganz rechten Sensor-Elektrodenstruktur-Paars 120 in Figur 1 gezeigt ist. Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen kapazitiven Kraftmessvorrichtung 100. Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion wie in Figur 1 sind mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb für deren strukturelle und funktionelle Beschreibung auf die obigen Textabschnitte verwiesen wird.
Ein Unterschied besteht unter anderem darin, dass der in Figur 2 gezeigte Folienschichtstapel 110 ein oder mehrere optionale Schutzschichten 114 aufweist. Diese können in Form von Schutzfolien 114 ausgestaltet sein. Beispielsweise kann eine Schutzfolie 114 auf der dem Dielektrikum 113 abgewandten Seite 153 der ersten Folienschicht 111 angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Schutzfolie 114 auf der dem Dielektrikum 113 abgewandten Seite 154 der zweiten Folienschicht 112 angeordnet sein.
Die optionalen Schutzfolien 114 können eine Planparallelität des Folienschichtstapels 110 begünstigen. Außerdem können die Schutzfolien 114 zusätzliche Elektrodenstrukturen 123, 124, die optional auf der ersten und/oder zweiten Folienschicht 112, 113 vorgesehen sein können, vor äußerem Kontakt schützen.
Bei diesen zusätzlichen Elektrodenstrukturen 123, 124 kann es sich um aktiv ansteuerbare Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 sowie passiv abschirmende Masseflächen 124 handeln. Beispielsweise können auf der dem Dielektrikum 113 abgewandten Seite 153 der ersten Folienschicht 111 ein oder mehrere aktive Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 angeordnet sein, wobei je eine Abschirm-Elektrodenstruktur 123 gegenüberliegend von je einer Sensor-Elektrodenstruktur 121 angeordnet ist.
Selbiges gilt für die zweite Folienschicht 112. Auch hier können beispielsweise auf der dem Dielektrikum 113 abgewandten Seite 154 der zweiten Folienschicht 112 ein oder mehrere aktive Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 angeordnet sein, wobei je eine Abschirm-Elekt- rodenstruktur 123 gegenüberliegend von je einer Sensor-Elektrodenstruktur 122 angeordnet ist.
Die erste Folienschicht 111 und die zweite Folienschicht 112 können jeweils ein elektrisch isolierendes Material aufweisen oder aus einem elektrisch isolierendem Material bestehen. Somit sind die auf der einen Seite der jeweiligen Folienschicht 111 , 112 angeordneten Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 gegenüber den auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Folienschicht 111 , 112 angeordneten Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 und Masseflächen 124 elektrisch isoliert. Die Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 schirmen die ihnen jeweils direkt gegenüberliegenden Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 gegen äußere Felder ab. Um eine möglichst gute Abschirmwirkung zu erzielen, kann die Elektrodenflächen einer Abschirmelektroden- Struktur 123 größer sein als die Elektrodenfläche der ihr jeweils direkt gegenüberliegenden Sensor-Elektrodenstruktur 121 , 122.
Die Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 können aktiv ansteuerbar sein und können somit eine aktive Abschirmung bilden, die auch als „driven shield“ Abschirmung bezeichnet wird. Hierbei werden die Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 mit einem elektrischen Signal angesteuert, welches dazu führt, dass die elektrische Potentialdifferenz zwischen der jeweiligen Abschirm-Elektrodenstruktur 123 und der ihr jeweils direkt gegenüberliegenden Sensor-Elektrodenstruktur 121 oder 122 möglichst gleich Null ist. In anderen Worten kann die elektrische Potentialdifferenz zwischen den Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 und den Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 mittels einer externen Ansteuerung auf Null gehalten werden. Dabei können die aktiven Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 niederohmig angesteuert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sehen demnach vor, dass die Steuereinheit 140 ausgestaltet ist, um die Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 mit einem Signal anzusteuern, das dazu ausgelegt ist, um eine elektrische Potentialdifferenz zwischen einer Abschirm-Elekt- rodenstruktur 123 und der ihr jeweils direkt gegenüberliegenden Sensor- Elektrodenstruktur 121 , 122 zu minimieren oder zu eliminieren.
Optional kann alternativ oder zusätzlich zu den aktiv betriebenen Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 eine passive Abschirmung vorgesehen sein. Diese kann mittels Masseflächen bzw. geerdeten Metallflächen 124 bereitgestellt werden. Die passiven Metallflächen 124 können um die aktiven Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 herum angeordnet und von diesen elektrisch isoliert sein. Andersherum ausgedrückt, können die aktiven Abschirm- Elektrodenstrukturen 123 von den passiven Masseflächen 124 umgeben und davon isoliert sein.
Die Figuren 3A-4B zeigen jeweils eine Draufsicht auf die soeben diskutierten Elektrodenstrukturen 121 , 122, 123, 124. Figur 3A zeigt zunächst eine Draufsicht auf die dem Dielektrikum 113 zugewandte Seite 151 der ersten Folienschicht 111 einschließlich einer dort angeordneten Sensor- Elektrodenstruktur 121 eines Sensor-Elektrodenstruktur-Paars 120. Figur 3B zeigt eine Draufsicht auf die Rückseite, d.h. auf die dem Dielektrikum 113 abgewandte Seite 153 der ersten Folienschicht 111. Hier ist die zuvor beschriebene Abschirm- Elektrodenstruktur 123 zu sehen, die von einer Massefläche 124 umgeben und von dieser elektrisch isoliert ist.
Figur 4A zeigt eine Draufsicht auf die dem Dielektrikum 113 zugewandte Seite 152 der zweiten Folienschicht 112 einschließlich einer dort angeordneten Sensor-Elektrodenstruktur 122, die zum gleichen Sensor-Elektrodenstruktur-Paar 120 gehört wie die in Figur 3A gezeigte Sensor-Elektrodenstruktur 121. Figur 4B zeigt eine Draufsicht auf die Rückseite, d.h. auf die dem Dielektrikum 113 abgewandte Seite 154 der zweiten Folienschicht 112. Auch hier ist wieder eine zuvor beschriebene Abschirm-Elektrodenstruktur 123 zu sehen, die von einer Massefläche 124 umgeben und von dieser elektrisch isoliert ist.
Ausführungsformen der Erfindung sehen demnach vor, dass die dem elastisch verformbaren Dielektrikum 113 jeweils abgewandte Seite 153, 154 der ersten und/oder zweiten Folienschicht 111 , 112 mit einer geerdeten Metallfläche 124 bedeckt ist, wobei die geerdete Metallfläche 124 die ein oder mehreren Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 lateral umgibt, und wobei die geerdete Metallfläche 124 und die ein oder mehreren Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 auf der jeweiligen Folienschicht 111 , 112 elektrisch voneinander isoliert sind.
Die dem elastisch verformbaren Dielektrikum 113 jeweils abgewandten Seiten 153, 154 der ersten und/oder zweiten Folienschicht 111 , 112 können, mit Ausnahme der Abschirm-Elekt- rodenstrukturen 123 (und einem drum herum verlaufenden freibleibenden Abschnitt zum Zwecke der elektrischen Isolation), vollständig mit der geerdeten Metallfläche 124 bedeckt sein. Es wäre aber auch denkbar, dass die dem elastisch verformbaren Dielektrikum 113 jeweils abgewandten Seiten 153, 154 der ersten und/oder zweiten Folienschicht 111 , 112 nur teilweise mit der geerdeten Metallfläche 124 bedeckt sind. Ausführungsformen der Erfindung sehen demnach vor, dass die Folienflächen zwischen den aktiven Abschirm-Elekt- rodenstrukturen 123 weitgehend mit leitenden Metallflächen belegt sind, die auf Massepotential liegen, und die gegenüber den Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 elektrisch isoliert sind.
Wie eingangs erwähnt, zeigen die Figuren 3A und 4A jeweils Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122, die zum selben Sensor- Elektrodenstruktur- Paar 120 gehören, und sich demnach innerhalb des (hier nicht explizit dargestellten) Folienschichtstapels 110 gegenüberliegen. Wie hier zu sehen ist, können die Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 auf der ersten Folienschicht 111 (Figur 3A) und auf der zweiten Folienschicht (Figur 4A) jeweils eine eigene elektrische Zuleitung 131 , 132 aufweisen. Die elektrischen Zuleitungen 131 , 132 können jeweils mit der Steuereinheit 140 verbunden sein (siehe Figur 2). So kann beispielsweise die auf der ersten Folienschicht 111 angeordnete Sensor- Elektrodenstruktur 121 eine eigene elektrische Zuleitung 131 aufweisen, die mit der Steuereinheit 140 verbunden sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann die auf der zweiten Folienschicht 112 angeordnete Sensor-Elektrodenstruktur 122 eine eigene elektrische Zuleitung 132 aufweisen, die mit der Steuereinheit 140 verbunden sein kann. Dadurch können einzelne Sensor- Elektrodenstruktur- Paare 120 individuell oder in Gruppen ansteuerbar und/oder auslesbar sein. Somit kann auch die Kapazität der Elektrodenflächen der Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 einzeln ausgelesen werden, da je ein einzelner Leiterbahnweg 131 , 132 zu den einzelnen Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 eines Sensor-Elektrodenstruktur- Paars 120, oder zu Gruppen von Sensor-Elektrodenstruktur-Paaren 120 führt. Die kapazitiven Sensor-Elektrodenstruktur-Paare 120 können somit einzeln angesteuert und ausgelesen werden.
Wenn man von den in den Figuren 3A und 4A abgebildeten Draufsichten ausgeht, so ist zu erkennen, dass sich die elektrischen Zuleitungen 131 , 132 der beiden Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122, in der Draufsicht gesehen, nicht überdecken bzw. nicht kreuzen. Die elektrischen Zuleitungen 131 , 132 können beispielsweise, wie hier schematisch abgebildet ist, in jeweils unterschiedliche bzw. entgegengesetzte Richtungen (z.B. nach oben und unten) von der jeweiligen Sensor-Elektrodenstruktur 121 , 122 weggeführt werden. Dadurch kann eine Überkreuzung vermieden werden.
Das Vermeiden einer Überdeckung bzw. Überkreuzung der elektrischen Zuleitungen 131 , 132 ist wünschenswert, um das Ausbilden von ungewollten parasitären Kapazitäten zwischen den elektrischen Zuleitungen 131 , 132 zu vermeiden. Somit beschränkt sich das Ausbilden der Kapazitäten, zum Zwecke der Kraftmessung, rein auf die Bereiche der einzelnen Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122. Prinzipiell sollten daher die einzelnen Zuleitungen 131 , 132 der Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122 möglichst keine oder nur wenige Überkreuzungen mit Leiterbahnen auf anderen Folienebenen 122 innerhalb des Folienschichtstapels 110 aufweisen.
Ausführungsformen der Erfindung sehen daher vor, dass die zu je einem Sensor-Elektro- denstruktur-Paar 120 zugehörigen zwei Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 jeweils eine eigene elektrische Zuleitung 131 , 132 aufweisen, wobei, in einer Draufsicht auf den Folienschichtstapel 110 betrachtet, diese beiden elektrischen Zuleitungen 131 , 132 weitestgehend überdeckungsfrei verlaufen. Wie in den Figuren 3B und 4B zu sehen ist, können auch die rückseitig angeordneten aktiv ansteuerbaren Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 jeweils eine eigene elektrische Zuleitung 133 aufweisen. Hier ist jedoch eine Überdeckung der elektrischen Zuleitungen 133 der Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 mit den elektrischen Zuleitungen 131 , 132 der Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122 aus Gründen der Abschirmung erwünscht. Das heißt, die elektrischen Zuleitungen 133 der Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 können so geführt sein, dass sie die elektrischen Zuleitungen 131 , 132 der beiden Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122, möglichst über deren gesamte Länge hinweg, überdecken. Die elektrischen Zuleitungen 133 der Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 können dabei im Wesentlichen die gleiche Form sowie das gleiche Routing-Layout wie die elektrischen Zuleitungen 131 , 132 der Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 aufweisen.
Figur 5 zeigt zu Visualisierungszwecken eine schematische Perspektivansicht eines Folienschichtstapels 110 mit einer ersten Folienschicht 111, einer zweiten Folienschicht 112 und einem dazwischen angeordneten elastisch verformbaren Dielektrikum 113.
Auf der dem Dielektrikum 113 zugewandten Seite 151 der ersten Folienschicht 111 ist die erste Sensor-Elektrodenstruktur 121 mitsamt ihrer elektrischen Zuleitung 131 angeordnet. Auf der dem Dielektrikum 113 abgewandten Seite 153 der ersten Folienschicht 111 ist eine aktive Abschirm-Elektrodenstruktur 123 mitsamt ihrer elektrischen Zuleitung 133 angeordnet. Wie zu sehen ist, überdeckt dabei die aktive Abschirm-Elektrodenstruktur 123 mitsamt ihrer elektrischen Zuleitung 133 die erste Sensor- Elektrodenstruktur 121 mitsamt ihrer elektrischen Zuleitung 131 , vorzugsweise vollständig.
Auf der dem Dielektrikum 113 zugewandten Seite 152 der zweiten Folienschicht 112 ist die zweite Sensor-Elektrodenstruktur 122 mitsamt ihrer elektrischen Zuleitung 132 angeordnet. Auf der dem Dielektrikum 113 abgewandten Seite 154 der zweiten Folienschicht 112 ist eine aktive Abschirm-Elektrodenstruktur 123 mitsamt ihrer elektrischen Zuleitung 133 angeordnet. Wie zu sehen ist, überdeckt dabei die aktive Abschirm-Elektrodenstruktur 123 mitsamt ihrer elektrischen Zuleitung 133 die zweite Sensor- Elektrodenstruktur 122 mitsamt ihrer elektrischen Zuleitung 132, vorzugsweise vollständig.
Ausführungsformen der Erfindung sehen demnach vor, dass die einzelnen Abschirm-Elekt- rodenstrukturen 123 jeweils eine elektrische Zuleitung 133 aufweisen, wobei, in einer Draufsicht auf den Folienschichtstapel 110 betrachtet, je eine elektrische Zuleitung 133 einer Abschirm-Elektrodenstruktur 123 die elektrische Zuleitung 131 , 132 der ihr jeweils direkt gegenüberliegenden Sensor-Elektrodenstruktur 121 , 122 überdeckt. Die leitfähigen Elektrodenflächen der Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122, und optional zusätzlich auch deren jeweilige Zuleitungen 131 , 132, können also nach außen hin mit näherungsweise gleichförmigen Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 und deren jeweiligen Zuleitungen 133 hinterlegt bzw. überdeckt werden. Die Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 und die Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 sind dabei voneinander elektrisch isoliert. Die Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 wiederum können optional von geerdeten Metallflächen („ground“) 124 umgeben und diesen gegenüber elektrisch isoliert sein.
Es wäre vorstellbar, dass die aktive (getriebene) Abschirmung mittels der aktiven Abschirm- Elektrodenstrukturen 123 über die gesamte Fläche einer Folienschicht 111 , 112 ausgeführt ist. Dies kann jedoch zu Problemen bei einer EMV-Prüfung führen, da hier niederohmig sehr große Flächen mit dem Takt der aktiven (getriebenen) Abschirmung beaufschlagt werden würden. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sehen daher vor, nur die relevanten Bereiche, also über den Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122 selbst, gegen Streukapazitäten zu schützen. Der Rest kann mit Masseflächen 124 aufgefüllt werden. Die einzelnen Zuleitungen 131 , 132 zu den Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 sollten sich dabei jedoch möglichst nicht räumlich überkreuzen.
Die leitfähigen Strukturen, z.B. die jeweiligen Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 sowie die Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 und deren jeweiligen elektrischen Zuleitungen 131 , 132, 133, können in Form einer dünnen Metallschicht (z.B. Kupfer) ausgestaltet sein, wobei diese Metallschicht eine Dicke von 200 nm bis 36 pm, und bevorzugt 2 pm bis 10 pm aufweisen kann. Somit kann die Gesamtdicke des Folienschichtstapels 110, trotz einer Vielzahl von leitfähigen Strukturen, möglichst dünn gehalten werden.
Die Elektrodenflächen der Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 können dabei so dimensioniert werden, dass die Kapazitätswerte für einzelne Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 bevorzugt in einem Bereich von 0,5 pF bis 100 pF liegen. Dies ermöglicht eine Signalauswertung einzelner Sensor-Elektrodenstruktur-Paare 120 mittels kommerziell verfügbaren Auswerte-ICs bzw. Microcontrollern.
Einige elastische Materialien weisen ein temperaturabhängiges elektrisches Verhalten auf, wobei sich deren Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit der Temperatur ändern kann. Ein solches Verhalten eines Dielektrikums 113 wäre im hierin beschriebenen Folienschichtstapel 110 eher kontraproduktiv. Daher sehen Ausführungsformen der Erfindung vor, dass zwischen den Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122 nur elastische Materialien angeordnet sind, die in einem weiten Temperaturbereich nahezu gleichbleibende mechanische und elektrische Eigenschaften aufweisen, d.h. die Dielektrizitätskonstante des für das elastisch verformbare Dielektrikum 113 verwendeten Materials sollte auch bei variierenden Temperaturen gleichbleibend sein.
Um möglichst wenig Temperaturschwankungen zu erhalten, können in einigen Ausführungsbeispielen optional zusätzliche Temperatur-Sensoren, z.B. in Form von Leiterbahn- Mäandern, auf den Folienschichten 111 , 112 aufgebracht werden. Die damit mögliche Temperaturmessung kann zur Temperaturkompensation für die Kraftmessvorrichtung 100 verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich können Bereiche der Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122 mittels mäanderförmigen Heizelementen auf einem definierten Temperaturbereich gehalten werden.
Die hierin beschriebene kapazitive Kraftmessvorrichtung 100 kann in diversen Anwendungen zum Einsatz kommen. Ein nicht-limitierendes Beispiel wäre der Einsatz in einer Batterie zur Zustandsüberwachung der Batteriezellen.
Figur 6 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Batterie 200. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Fahrzeugbatterie handeln. Die Batterie 200 weist mehrere nebeneinander angeordnete, und seriell miteinander verschaltete, Batteriezellen 210 auf. Zwischen einzelnen Batteriezellen 210 kann jeweils mindestens eine erfindungsgemäße kapazitive Kraftmessvorrichtung 100 angeordnet sein. Außerdem kann zwischen der jeweils letzten Batteriezelle 210 und der Batteriewand 220 jeweils mindestens eine erfindungsgemäße kapazitive Kraftmessvorrichtung 100 angeordnet sein.
Die Batteriezellen 210 können über ihre Lebensdauer hinweg ihre geometrische Form verändern. Beispielsweise können sich die Batteriezellen 210 ihre Dicke bzw. Form (z.B. Balligkeit) verändern. Dadurch kommt es zu einem abwechselnden Ansteigen und Abklingen des Drucks zwischen den Batteriezellen 210, was mittels der erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtung 100 überwacht werden kann.
Aufgrund ihrer miniaturisierten Bauform, die sich insbesondere aufgrund der hierin beschriebenen folienbasierten Technik ergibt, kann die erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung 100 vorteilhaft in solch engen Spalten zwischen einzelnen Batteriezellen 210 angeordnet werden. Beispielsweise kann der gesamte Folienschichtstapel 110 eine in Schichtstapelrichtung zu bemessende Gesamtdicke Ds (siehe Figur 1) zwischen 100 pm und 2 mm aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das elastisch verformbare Dielektrikum 113 eine in Schichtstapelrichtung zu bemessende Dicke D (Figur 1) zwischen 20 pm und 1 mm aufweisen. Die planparallele Oberflächenbeschaffenheit des Folienschichtstapels 110 ermöglicht dabei eine möglichst homogene Krafteinleitung über eine große Fläche hinweg.
Als Verfahren zum Herstellen des Folienschichtstapels 110 eignet sich ein Walzen oder Laminieren. Dabei können einzelne Folienschichten 111 , 112 aufgewalzt oder unter Vakuum aufeinander laminiert werden, wodurch Lufteinschlüsse vermieden werden können.
Das elastomere Dielektrikum 113 kann als Folie zwischen die beiden Folienschichten 111 , 112 eingelegt werden. Das Dielektrikum 113 kann aber auch in Form einer flüssigen Schicht aufgebracht oder mit einer definierten geometrischen Form gedruckt werden. Sofern flüssige Schichten aufgebracht werden, sollten diese anschließend zyklisiert oder thermisch gehärtet werden.
Alternativ oder zusätzlich könnte das elastische Dielektrikum 113 in Form einer Vielzahl von separaten Flächen zwischen den beiden Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 eines Sensor- Elektrodenstruktur- Paars 120 angeordnet werden. Dies kann z.B. mittels Stanzen einer dielektrischen Folie erzielt werden.
Statt der Verwendung einer elastischen Folie können die Folienschichten 111 , 112 mit den Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 auch mit einem flüssigen oder pastösen Polymer (also noch nicht vernetzt oder gehärtet) beschichtet werden. Nach dem Beschichten der Elektroden-Folienschichten 111 , 112 mit dem elastischen Polymer (oder einer Vorstufe, einem sog. precursor) können die Folienschichten 111 , 112 zusammengefügt und ggf. einer Temperaturbehandlung unterzogen werden, um einen vollflächigen, Luftblasenfreien Schichtverbund zu erzielen. Die Beschichtung kann auf nur einer der beiden Elektroden- Folienschichten 111 , 112, oder aber auf beiden Elektroden-Folienschichten 111 , 112 erfolgen. Vorteilhaft ist eine Verbindung der beschichteten Folienschichten 111 , 112 vor einer vollständigen Vernetzung der Polymerschicht. Dann kann bei einer späteren Temperaturinduzierten Vernetzung auch eine chemische Verbindung zwischen den Polymer-Beschichtungen erzielt werden.
Zusammenfassend beschreibt die vorliegende Erfindung eine kapazitive Kraftmessvorrichtung 100 mit einem Folienschichtstapel 110, der beispielsweise in Form einer dünnen, weitgehend planen Mehrlagen-Folienstruktur vorliegen kann, bei welcher Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 paarweise vertikal übereinander liegen und von einem elastischen, elektrisch isolierenden Dielektrikum 113 voneinander getrennt sind. Dabei kann eine Vielzahl von gegenüberliegenden Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 auf der Mehrlagen- Folienstruktur 110 realisiert sein.
Für die einzelnen Lagen bzw. Schichten 111 , 112, 113 innerhalb des Folienschichtstapels 110 können Folien unterschiedlicher Härte zum Einsatz kommen, das heißt mit einem unterschiedlichen Elastizitätsmodul (E-Modul) für unterschiedliche Schichten im Mehrlagenaufbau. Dies betrifft sowohl die hierin beschriebenen einzelnen Folienschichten 111 , 112, als auch das elastisch verformbare Dielektrikum 113, welches ebenfalls in Form einer Folienschicht vorliegen kann.
Wie eingangs erwähnt wurde, kann eine äußere Krafteinwirkung zu einer Änderung der Dicke D (z.B. Dickenreduzierung) des Dielektrikums 113 führen. Im Falle einer Dickenreduzierung wird der Abstand zwischen den Elektrodenflächen der Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122 eines Sensor-Elektrodenstruktur-Paars 120 reduziert, und somit steigt dessen elektrische Kapazität an. Um den Einfluss von elektrischen Streufeldern nach außen hin zu eliminieren, können aktive „driven shield“ Abschirm-Elektrodenstrukturen 123 auf beiden Folienschichten 111 , 112, und somit beidseitig von den dort jeweils angeordneten Sensor- Elektrodenstrukturen 121 , 122, angebracht werden. Diese Art der Abschirmung beschreibt somit genau das Gegenteil einer ansonsten bekannten kapazitiven Touch-Sensorik.
Die Kapazität an den sich gegenüberliegenden Sensor-Elektrodenstrukturen 111 , 112 (oben und unten) eines Sensor-Elektrodenstruktur-Paars 120 kann also gemessen werden, wobei eine Dickenänderung des elastischen Dielektrikums 113 eine Änderung der Kapazität hervorruft. Die Dickenänderung ist abhängig vom Betrag der äußeren Krafteinwirkung. Durch die Messung einer Kraft-Kapazitäts-Kennlinie ist die, in Form einer Mehrlagen-Foli- enstruktur ausgestaltete, Kraftmessvorrichtung 100 als Kraft- bzw. Drucksensor nutzbar. Für die Umrechnung der Kapazitätsänderung in Werte für die von außen wirkende Kraft (z.B. Druck) sollte das elastisch verformbare Dielektrikum 113 vorzugsweise eine geeignete Dickenhomogenität aufweisen.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Folien-Struktur bzw. der Folienschichtstapel 110 zudem weitestgehend planparallel ausgestaltet sein. Somit können Kräfte möglichst homogen über große Flächenbereiche erfasst werden.
In weiteren Ausführungsbeispielen können die Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 einzeln auslesbar sein, und auch in absolute Kraft- bzw. Druckwerte umrechenbar sein. Dadurch kann eine hochpräzise Kraftmessung mit einer hohen Ortsauflösung erfolgen, d.h. auf einer Fläche definierter Größe kann eine Vielzahl von Sensor-Elektrodenstruktur-Paa- ren 120 vorgesehen sein, die jeweils einzeln oder in Gruppen ausgelesen werden können.
Vorteilhafter Weise werden für die erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung 100 keine tem- peratur- oder feuchtigkeitsempfindlichen Materialien benötigt. Außerdem wäre es denkbar, ein nicht rein elastisches Material als Dielektrikum 113 zwischen den Elektrodenflächen der Sensor-Elektrodenstrukturen 121 , 122 zu verwenden. Damit könnte zwar eine Drucksensi- tivität erzielt werden. Die Absolutwerte der Druckmessung wären aber nicht realistisch auswertbar.
Die erfindungsgemäße miniaturisierte Kraftmessvorrichtung 100 kann in unterschiedlichsten Einsatzgebieten verwendet werden. Ein beispielhafter Anwendungsfall wäre eine ortsaufgelöste Drucksensorik für Batterien, z.B. für Elektrofahrzeuge, um den Druck zwischen einzelnen Zellen 210 eines Batterieblocks 200 sowie zwischen der jeweils äußersten Zelle 210 und der umgebenden Hülle/Verkapselung 220 des Batterieblocks 200 zu messen.
Ein weiteres denkbares Einsatzszenario wäre die Messung einer Druckverteilung zwischen einem Kessel für Gas- oder Flüssigkeiten und den umgebenden Wänden. Auch dort kann eine erfindungsgemäße folienbasierte Kraftmessvorrichtung 100 angebracht werden, wobei auch in diesem Falle die Flexibilität bzw. Biegbarkeit der erfindungsgemäßen Mehrlagen- Schichtstruktur von Vorteil ist.
Die erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung 100 kann außerdem in variablen, mechanisch flexiblen Greif-Systeme, z.B. Greifer an Roboter-Armen, zum Einsatz kommen. Die Greif- Finger oder -Zangen können an der Oberfläche mit der erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtung 100 (sensitive Folien) ausgestattet werden. So kann beispielsweise der Greifdruck ermittelt und geregelt werden. Die Flexibilität des Folienschichtstapels 110 erlaubt es, die Sensorflächen formadaptiv aufzubringen. Hilfreich ist hier auch, dass einzelne kleine Flächen auslesbar sind. So können einzelne Glieder einer Greifmechanik einzelne Werte liefern.
Auch beim Herstellen von Verbundmaterialien kann die erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung 100 eingesetzt werden, z.B. für die Prozesskontrolle während des Formpressens von Halbzeugen zu fertigen Bauteilen.
Ebenfalls denkbar wäre es, die erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung 100 in Mobilgeräten zu verwenden, um beispielsweise deren Akkus zu überwachen. Denn auch bei Mobil- geraten kann die aufladbare Batterie schwellen und schwere Schäden verursachen. Aufgrund der miniaturisierten Ausführung der erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtung 100 (Sensorfolie) kann diese unkompliziert in Laptops und Mobiltelefonen eingesetzt bzw. nachgerüstet werden.
Die erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung 100 kann auch als Unterlegfolie mit vielen Sensor-Flächen in einer Schublade, wie z.B. in einem Werkzeug koffer, verwendet werden. Damit kann das Vorhandensein von Gegenständen, z.B. von Werkzeugen, automatisch de- tektiert bzw. überwacht werden. Das gleiche gilt für Lagerplätze oder Regale im Supermarkt, wodurch beispielsweise ein automatisiertes Erkennen von Bestand an vorhandenen Waren realisiert werden könnte.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien des hierin beschriebenen innovativen Konzepts dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass das hierin beschriebene Konzept lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.

Claims

Patentansprüche
1. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100), aufweisend: einen mehrlagigen Folienschichtstapel (110) mit einer ersten Folienschicht (111), einer zweiten Folienschicht (112), und einem zwischen den Folienschichten (111 , 112) angeordneten Dielektrikum (113), das unter Krafteinwirkung elastisch verformbar ist, wobei die erste Folienschicht (111) und die zweite Folienschicht (112) jeweils Sensor-Elektrodenstrukturen (121 ,122) aufweisen, die dem Dielektrikum (113) zugewandt sind und sich jeweils paarweise gegenüberliegen, wobei jedes Sensor- Elektrodenstruktur-Paar (120) jeweils eine mit deren Elektrodenabstand d veränderliche Kapazität aufweist, und eine Steuereinheit (140), die ausgestaltet ist, um eine Verformung des Dielektrikums (113) anhand einer Kapazitätsänderung der Sensor- Elektrodenstruktur- Paare (120) zu erfassen und basierend hierauf eine für die Verformung ursächliche Kraft zu ermitteln.
2. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei das elastisch verformbare Dielektrikum (113) in Form einer Folienschicht ausgestaltet ist, oder wobei das elastisch verformbare Dielektrikum (113) in Form von elastischen Strukturkörpern ausgestaltet ist, die jeweils zwischen den einzelnen Sensor-Elektrodenstrukturen (121 , 122) von Sensor-Elektrodenstruktur-Paaren (120) angeordnet sind.
3. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elastisch verformbare Dielektrikum (113) einen Druckverformungsrest von unter 5%, oder von unter 2% aufweist.
4. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastisch verformbare Dielektrikum (113) einen Elastizitätsmodul aufweist, der jeweils um mindestens den Faktor 10 geringer ist als der Elastizitätsmodul der ersten und zweiten Folienschicht (111 , 112), sodass das elastisch verformbare Dielektrikum (113) deutlich weicher ist als die erste und zweite Folienschicht (111 , 112).
5. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Folienschicht (111 , 112) jeweils biegbar, aber nicht dehnbar ist.
6. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der dem Dielektrikum (113) abgewandten Seite (153) der ersten Folienschicht (111) ein oder mehrere Abschirm-Elektrodenstrukturen (123) angeordnet sind, wobei je eine Abschirm-Elektrodenstruktur (123) gegenüberliegend von je einer Sensor-Elektrodenstruktur (121) angeordnet ist, wobei die Steuereinheit (140) ausgestaltet ist, um die Abschirm-Elektrodenstrukturen (123) mit einem Signal anzusteuern, das dazu ausgelegt ist, um eine elektrische Potentialdifferenz zwischen einer Abschirm-Elektrodenstruktur (123) und der ihr jeweils direkt gegenüberliegenden Sensor-Elektrodenstruktur (121) zu minimieren oder zu eliminieren.
7. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der dem Dielektrikum (113) abgewandten Seite (154) der zweiten Folienschicht (112) ein oder mehrere Abschirm-Elektrodenstrukturen (123) angeordnet sind, wobei je eine Abschirm-Elektrodenstruktur (123) gegenüberliegend von je einer Sensor- Elektrodenstruktur (122) angeordnet ist, wobei die Steuereinheit (140) ausgestaltet ist, um die Abschirm-Elektrodenstrukturen (123) mit einem Signal anzusteuern, das dazu ausgelegt ist, um eine elektrische Potentialdifferenz zwischen einer Abschirm-Elektrodenstruktur (123) und der ihr jeweils direkt gegenüberliegenden Sensor-Elektrodenstruktur (122) zu minimieren oder zu eliminieren.
8. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die dem elastisch verformbaren Dielektrikum (113) jeweils abgewandte Seite (153, 154) der ersten und/oder zweiten Folienschicht (111 , 112) mit einer geerdeten Metallfläche (124) bedeckt ist, wobei die geerdete Metallfläche (124) die ein oder mehreren Abschirm-Elektrodenstrukturen (123) lateral umgibt, und wobei die geerdete Metallfläche (124) und die ein oder mehreren Abschirm- Elektrodenstrukturen (123) auf der jeweiligen Folienschicht (111 , 112) elektrisch voneinander isoliert sind.
9. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenfläche einer Abschirmelektroden-Struktur (123) größer ist als die Elektrodenfläche der ihr direkt gegenüberliegenden Sensor-Elektrodenstruktur (121 , 122).
10. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die einzelnen Abschirm-Elektrodenstrukturen (123) jeweils eine elektrische Zuleitung (133) aufweisen, und wobei die einzelnen Sensor- Elektrodenstrukturen (121 , 122) jeweils eine elektrische Zuleitung (131 , 132) aufweisen, und wobei, in einer Draufsicht auf den Folienschichtstapel (110) betrachtet, je eine elektrische Zuleitung (133) einer Abschirm-Elektrodenstruktur (123) die elektrische Zuleitung (131 , 132) der ihr jeweils direkt gegenüberliegenden Sensor-Elektrodenstruktur (121 , 122) überdeckt.
11. Kapazitive Kraftmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zu je einem Sensor-Elektrodenstruktur-Paar (120) zugehörigen zwei Sensor-Elektrodenstrukturen (121 , 122) jeweils eine eigene elektrische Zuleitung (131 , 132) aufweisen, und wobei, in einer Draufsicht auf den Folienschichtstapel (110) betrachtet, diese beiden elektrischen Zuleitungen (131 , 132) überdeckungsfrei verlaufen.
12. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensor-Elektrodenstrukturen (121) auf der ersten Folienschicht (111) und die Sensor- Elektrodenstrukturen (122) auf der zweiten Folienschicht (112) jeweils separate elektrische Zuleitungen (131 , 132) aufweisen, die jeweils mit der Steuereinheit (140) verbunden sind, sodass einzelne Sensor-Elektrodenstruktur- Paare (120) individuell oder in Gruppen ansteuerbar und/oder auslesbar sind.
13. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zu je einem Sensor-Elektrodenstruktur-Paar (120) zugehörigen zwei Sensor-Elektrodenstrukturen (121 , 122) unterschiedlich große Elektrodenflächen aufweisen.
14. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Folienschicht (111 , 112), in einem Ausgangszustand, in dem keine Kraft auf den Folienschichtstapel (110) wirkt, planparallel verlaufen.
15. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastisch verformbare Dielektrikum (113) eine in Schichtstapelrichtung zu bemessende Dicke D sowie eine senkrecht zur Schichtstapelrichtung zu bemessende Länge L aufweist, und wobei das elastisch verformbare Dielektrikum (113) innerhalb des Folienschichtstapels (110), über dessen gesamte Länge L hinweg, eine Dickentoleranz AD von weniger als 5%, oder bevorzugt von weniger als 1% aufweist.
16. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastisch verformbare Dielektrikum (113) eine in Schichtstapelrichtung zu bemessende Dicke zwischen 20 pm und 1 mm aufweist, und/oder wobei der Folienschichtstapel (110) eine Gesamtdicke zwischen 100 pm und 2 mm aufweist.
17. Kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dielektrizitätskonstante des elastisch verformbaren Dielektrikums (113) bei variierenden Temperaturen gleichbleibend ist.
18. Batterie (200), insbesondere eine Fahrzeugbatterie, mit mehreren Batteriezellen (210), wobei zwischen ein oder mehreren Batteriezellen (210) jeweils mindestens eine kapazitive Kraftmessvorrichtung (100) gemäß den vorhergehenden Ansprüchen angeordnet ist, und wobei die ein oder mehreren kapazitiven Kraftmessvorrichtungen (100) je- weils dazu ausgestaltet sind, um eine Druckänderung zwischen je zwei Batteriezellen (210) zu erfassen.
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