WO2016150816A1 - Sensor zur bestimmung von druck und/oder strömung - Google Patents

Sensor zur bestimmung von druck und/oder strömung Download PDF

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WO2016150816A1
WO2016150816A1 PCT/EP2016/055831 EP2016055831W WO2016150816A1 WO 2016150816 A1 WO2016150816 A1 WO 2016150816A1 EP 2016055831 W EP2016055831 W EP 2016055831W WO 2016150816 A1 WO2016150816 A1 WO 2016150816A1
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WO
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filaments
sensor
gas
deformation
filament
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/055831
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wilhelm Barthlott
Mattias MAIL
Horst Bleckmann
Helmut Schmitz
Original Assignee
Rheinische Friedrich-Wilhelms Universität Bonn
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 Rheinische Friedrich-Wilhelms Universität Bonn filed Critical Rheinische Friedrich-Wilhelms Universität Bonn
Publication of WO2016150816A1 publication Critical patent/WO2016150816A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/02—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means

Definitions

  • the invention relates to the field of nonwettable surfaces.
  • the invention relates to possible uses under liquid gashaltender surfaces.
  • the backswimmer has on the upper side of its upper wings (elytra) a double structure consisting of longer hairs, so-called setae, which have an average length of 90 ⁇ m and an average density of about 250 per mm 2 , and a "carpet" very short but very dense hairs, so-called microtrichia with an average length of 2.3 ⁇ m and an average density of about 6 ⁇ 10 6 per mm 2.
  • setae long hairs
  • microtrichia very short but very dense hairs
  • UD 40694 / S AM AL Unwettable surfaces are now used for a wide variety of applications. One of the most famous examples is the self-cleaning, the so-called lotus effect. Meanwhile, facade paints, rim sprays and various other products are marketed. Another application that is the subject of current research is friction reduction through the ability of unwettable, textured surfaces to hold a layer of air when submerged under water. In recent years, it has been possible to produce technical surfaces which are able to keep such a layer of air under water for a long time and thus the development of such
  • WO 2007/099141 discloses non-wettable surfaces in which the surfaces comprise filaments.
  • WO 2009/095459 discloses non-wettable surfaces in which the surface has filaments which are structurally or chemically anisotropic.
  • WO 2014/079967 discloses a method for producing filament structures with closed undercuts.
  • DE 102011121796 discloses unwettable
  • the present invention was based on the object of providing a possibility of using such non-wettable surfaces.
  • a sensor for determining pressure and / or flow wherein the sensor has a surface on which filaments are arranged, of which at least one part are formed as first filaments, wherein the first filaments on the surface of the sensor a gas layer and a gas-liquid interface are formed when the sensor is placed in a liquid, wherein the gas-liquid interface serves as a sensor membrane and the sensor has at least one measuring unit for the determination
  • a sensor for determining pressure and / or flow on the basis of gas-contacting surfaces.
  • the invention enables new forms of pressure sensors and opens up new possibilities for flow detection or a combination of flow and pressure sensors.
  • the gas layer itself or the gas-liquid interface can act as a sensor membrane.
  • Measuring units are used to detect the transmission of force to the filaments or their deformation and / or the deformation of the gas-liquid interface.
  • gas sensing surfaces in sensor technology allows the construction of highly sensitive pressure and flow sensors.
  • Pressure waves passing through a fluid as well as static pressure are passed from the incompressible fluid to the compressible gas.
  • the gas is compressed on the one hand and displaced on the other from the area of pressure.
  • the gas-liquid interface serves as a membrane which, due to the surface tension, transfers forces to the structures or filaments of the surface and is itself deformed. Both the deformation of the interface itself, as well as the transmitted to the underlying structures or filaments forces and the deformation of the filaments can be determined to determine the applied pressure.
  • Such sensors offer several advantages over conventional pressure sensors, such as improved sensitivity as well as improved resolving power.
  • a layer of gas preferably air but also other gas mixtures and pure gases to keep in the submerged state.
  • the formation of a gas layer and a gas-liquid interface is provided by the first filaments. These can be structures on the order of nanometers to millimeters. By determining the forces transmitted by the gas-liquid interface and / or by determining the deformation of the structures or filaments and / or the deformation of the interface itself, pressures can be measured.
  • the liquid is preferably water, an aqueous liquid, an oil or an oily liquid, but may also be another liquid or liquid mixture such as an alcoholic liquid.
  • Filaments are arranged on the surface of the sensor. Of these, at least part is formed as first filaments. In embodiments, all filaments may be formed as first filaments. In other embodiments, the sensor may comprise second and / or third filaments. First, second and third filaments differ
  • second and third filaments are preferably longer and the third filaments are preferably shorter than the first filaments.
  • Filaments may also differ in the number of filaments per mm surface, preferably less second filaments than first filaments and preferably more third than first filaments per mm surface are arranged.
  • the filaments have a greater length than diameter.
  • Diameter to length is preferably between 1:10 and 1:40 for the first filaments.
  • Suitable lengths of the first filaments are in the range of 1 ⁇ to 6000 ⁇ , preferably in the range of 10 ⁇ to 6000 ⁇ , preferably in the range of 20 ⁇ to 3000 ⁇ , more preferably in the range of 50 ⁇ to 150 ⁇ and in the range of 50 ⁇ to 100 ⁇ .
  • the diameters of filaments can be, for example, by means of
  • the diameter in the middle of the filament is taken as the basis.
  • Per mm 2 of surface are preferably bound in the range of 1 to lxlO 6 first filaments.
  • the density of the first filaments is preferably in the range of 1 to 500, preferably in the range of 10 to 400, more preferably in the range of 20 to 300 filaments per mm surface area.
  • Number range such as a length of 1 ⁇ to 6000 ⁇ the importance of a length in the range of> 1 ⁇ to ⁇ 6000 ⁇ . This also applies to the other information from
  • Number ranges such as densities, ratios, number of filaments, or elasticity.
  • the elasticity of the filaments is preferably in the range from 10 4 N / m 2 to 10 12 N / m 2, preferably in the range from 104 N / m 2 to 10 10 N / m 2.
  • the elasticity allows a deflection the filaments. Particularly preferred ranges are between 10 6 N / m 2 and 108 N / m 2.
  • the flexural modulus of elasticity is also preferably in this range. In particular, the elasticity of the filaments allows one
  • a filament in the sense of this application is any elongated structure, no matter what
  • filament material that has the required properties.
  • the textile sector a distinction is made between protruding hair, protruding fibers and filaments, which have a very long length.
  • the term “filament” is used for any type of structure having ends. Length and diameter result from the further definition in the claims.
  • the term “filament” for this application is synonymous with those used in the textile field terms "fiber” or "hair”.
  • a filament in the sense of this application is also a longer structure bound to a surface with two or more points. The area between two contact points then defines the length of the filament in the sense of this application. In the sense of the
  • the filaments have two end faces, which are located at the end of the filaments.
  • the filaments are bonded to the surface with at least one end face. In one embodiment, exactly one end face is bonded to the surface. However, both end faces may be bound so that the filament forms a loop on the surface. Mixed forms are also possible in which filaments occur which are bound with one end face and also occur filaments which are bound with both end faces.
  • the surface of the filaments is at least partially amphiphobic, so that the
  • Embodiments may be hydrophobic or oleophobic, in preferred embodiments hydrophobic.
  • the contact angle is more than 110 °.
  • the amphiphobicity or hydrophobicity can also be measured macroscopically.
  • Usable materials preferably have macroscopic contact angles of more than 140 °. Such surfaces are capable of a gas, preferably air, but also other gas mixtures and pure gases in the
  • the filaments are important, since it allows it even with currents and pressure changes to hold the gas or air. Movements of liquid such as water can be elastically absorbed by the filaments. This can be used to measure the pressures.
  • Preferred embodiments are unwetted when contacted with water. Unoccupied means that when the surface is completely submerged in water at a depth of 15 cm for 48 hours after emergence of the object, at least 97% of the surface area of the water
  • the first filaments are able to hold air layers on the surface permanently or at least for the duration of the application under water.
  • use as a sensor can be made available when the structures are immersed in liquids or water.
  • the measuring unit for determining the force acting on at least one of the filaments is a force sensor, and / or
  • the measuring unit for determining the deformation of the at least one filament comprises an optical unit comprising a light source and a photodiode on the surface of the
  • each a circuit board on the surface of the sensor and on a filament, or an optical recording device comprises, or formed by a formed of a piezoelectric material filament will, and / or -
  • the measuring unit for determining the deformation of the gas-liquid interface comprises a transmitter and a receiver for an optical or acoustic signal on the
  • Force sensor in particular a piezoelectric element preferred.
  • piezo elements or other pressure-sensitive systems on the filaments the force acting on them can be determined. These can be applied, for example, in the end face of the filament bonded to the surface or between the filament and the surface.
  • the distance between the surface and the tip or another specific point of the filament can be detected optically.
  • one mirror surface at the tip of the filament or another region may reflect the beam of an underlying light source into a receiver, for example a photodiode.
  • the transit time or the position of the jet can be measured and thus the change in the distance of the tip or another specific point of the filament caused by the pressure on the gas-liquid interface to the surface of the sensor, which is directly related to the applied pressure in Connection stands.
  • strain gauges can be attached directly to the filaments and the change in length or torsion of the degree of deformation can be determined. The change in length also depends directly on the applied pressure.
  • Another possibility of detection is a measurement by means of magnetism / induction.
  • conductor tracks may be installed and magnets in the corresponding opposite part, ie corresponding to the filaments or the Surface of the sensor.
  • the magnetic flux changes, whereby the degree of deformation of the filaments can be determined.
  • Another possibility of detection is a measurement by means of capacitance change.
  • Conductor materials can be incorporated into the filaments and the surface. Changing the distance by deformation of the filaments changes the capacitance between the two conductor materials.
  • a measurement by means of optical determination of the deformation of the filaments is possible.
  • the deformation of the filaments can be detected by an optical recording device, such as a camera, for example via video recordings, photographs or the like.
  • a measurement by means of directly integrated into the fibers measuring elements is possible.
  • piezoelectric filaments are directly usable as a measuring unit for determining the deformation.
  • measuring units can be used to determine the deformation of the gas-liquid interface.
  • a measurement can be made by means of optical, acoustic, or distance determination of the gas-liquid interface to the surface as defined over the duration of the light.
  • the filaments may have tapered, rounded or flattened ends.
  • the filaments may be structurally and / or chemically anisotropic.
  • the filaments can be structurally anisotropic, ie there are regions in which the filaments are cut, in particular in which they undercuts preferably form closed undercuts.
  • at least a portion of the filaments, particularly at least a portion of the first filaments or all of the first filaments may include a rigid region adjacent to the surface of the sensor and a region adjacent to the gas-liquid interface
  • the filaments may have an elastic region adjacent to the surface of the sensor and a rigid region adjacent to the gas-liquid interface.
  • the elastic part acts like a joint.
  • the term "rigid" does not mean that a region of the filament is infinitely rigid, but has a certain flexibility, but is significantly less elastic than, for example, an area adjacent to the gas-liquid interface with closed
  • Undercuts. Starr in the sense of this invention are, for example, parts of the filaments having an elasticity in a range of 10 4 "N / m 2" to 101 1 4 "N / m 2", preferably in a range of 10 6 N / m 2 to 10 12 N / m 2 .
  • Such structurally anisotropic structures may be constructed similar to eg Salvinia molesta.
  • a rigid, arbitrarily long stem deformation only on the stem located on the area with closed undercuts, so-called "cups" take place.
  • the deformation can be measured as described above.
  • a higher volume of the gas layer can be provided, in particular a very high volume of air.
  • Increasing the gas volume means increasing the sensitivity of the sensor.
  • the area with closed undercuts may not be limited to the area adjacent to the gas-liquid interface, but the entire length of the filament may include closed undercuts. In this case, the ratio of diameter to length between 1:10 and 1:40 accordingly does not refer to the entire filament, but in each case to the individual Schuschneidung.
  • the filaments may also have areas that are chemically anisotropic, especially where the surface properties result in only portions of the filaments being amphiphobic, particularly hydrophobic, while others are amphiphilic, particularly hydrophilic.
  • Amphiphile means that the contact angle in these areas between the surface and the liquid is ⁇ 90 °, hydrophilic that the contact angle to water is ⁇ 90 °.
  • the sensor is a gas-liquid interface
  • amphiphilic, in particular hydrophilic wherein preferably the contact angle between the region and the liquid, in particular water, ⁇ 90 °. Due to the amphiphilic, in particular hydrophilic, spots, the tips remain in contact with the liquid even at low pressure and do not lose contact with the liquid. At negative pressure, the structures are thus stretched by the expansion of the air volume. This deformation can be measured as described above. Amphiphilic sites at the tips of the filaments allow for an extended range of negative pressure.
  • the filaments have both chemically anisotropic regions and structurally anisotropic regions.
  • all filaments may be formed as first filaments.
  • the sensor is in particular a pressure sensor.
  • additional structures may be formed which are preferably hydrophilic amphiphilic in the portion removed from the base and thus through the interface through into the surrounding liquid and can react flow sensitive. Thus, these in addition to the detection occurring currents can be used.
  • the sensor accordingly has second filaments which are preferably hydrophilic amphiphilic in the region which extends beyond the length of the first filaments.
  • the length of the second filaments in the range of 2 ⁇ to 9000 ⁇ , in particular in the range of 20 ⁇ to 9000 ⁇ , preferably in the range of 30 ⁇ to 6000 ⁇ , more preferably in the range of 60 ⁇ to 300 ⁇ , and in the field from 60 ⁇ to 250 ⁇ .
  • the ratio of diameter to length (diameter measurement) of the second filaments is preferably between 1:10 and 1:40, preferably between 1: 3 and 1:20.
  • the second filaments preferably occur at a lower density at the surface than the first filaments. Per mm 2 surface are preferably 1 to 5xlO 5 J , preferably 10 to 300, second filaments bound.
  • the density of the second filaments is less than 300, preferably less than 200, and more preferably less than 100 or 50 filaments per mm.
  • the second filaments are arranged in particular in the same area of the surface as the first filaments.
  • the ratio of the length of the first filaments and the second filaments is preferably 1: 1.1 to 1: 3.
  • the sensor is in particular a pressure and flow sensor.
  • the sensor for determining pressure and / or flow may also have on the surface shorter filaments, which are preferably mounted in a high density.
  • the sensor may comprise third filaments having a length in the range of 0.1 ⁇ to 300 ⁇ and / or a ratio of diameter to length between 1: 3 and 1:20. Preferred lengths of the third filaments are between 0.5 ⁇ and 100 ⁇ , more preferably between 1 ⁇ and 50 ⁇ or between 1 ⁇ and 30 ⁇ .
  • the third filaments preferably occur at a higher density at the surface than the first
  • Filaments preferably 50 to 1 x 108 third filaments are bonded per mm 2 surface.
  • the density of the third filaments is more than 100, preferably more than 1000 and more preferably more than 10000 or 100000 filaments per mm.
  • the third filaments are arranged in particular in the same area of the surface as the first filaments.
  • the ratio of the length of the first filaments and the third filaments is in the range of 3: 1 to 30: 1.
  • the third filaments may preferably be fully amphiphobic.
  • Such shorter structures can serve in the case of an overload of the sensor, so if the gas layer is exposed to strong pressure as protection to obtain the gas layer. If too much pressure is applied, liquid can be pressed between the first filaments. If third filaments are present, the gas can be pressed into them, whereby at some point the liquid can come into contact with the tips of the third filaments. As a result of the increased contact surface with the water, the gas layer held in the third filaments is thus advantageously stabilized, as a result of which the gas layer is retained even if the pressure continues to increase. With decreasing pressure, the gas layer can re-form and the functionality of the sensor can be restored. The third filaments thus serve as a backup in the event of overload and get the functionality. In addition, the base of the sensor is advantageously protected against liquid even in the event of overloading. In embodiments of the sensor for determining pressure and / or flow, at least one first and / or second filament, or a plurality of first and / or second
  • Filaments, or each first and / or second filament serve to determine the force acting on the filaments or the deformation of the filaments. It can be every single filament be used on the surface for pressure and / or flow detection. Alternatively, only individual filaments can be used for pressure and / or flow detection, the remaining filaments then serving as supports for the gas-liquid interface. It can serve single, multiple, or many filaments for detection.
  • a precise spatial resolution of the pressure distribution is possible by the sensor for determining pressure and / or flow, since individual points of the gas-liquid interface serving as a sensor membrane can be read out independently.
  • the sensor surface may be implemented as an entire sensor surface with only one detection point,
  • the surface of the sensor may be divided into a plurality of sensor arrays or compartments, each forming separate volumes of gas, one or more each
  • Detection structures are divided.
  • the surface of the sensor can thus be coated as a whole by a gas layer or divided into individual segments. Their subvolumes are independent of each other and can each be read out separately. In preferred embodiments, the surface of the sensor is divided into individual segments. The advantage is independent of a separately possible evaluation independent
  • Compartments may have an area in the range of 100 ⁇ 2 to 100 cm 2, preferably
  • an all-round arrangement, for example spherical or cylindrical, of the filaments on the surface is advantageous.
  • the entire ball or the entire cylinder may have a continuous surface of gas-containing structures or by a compartmentalization separate sensor segments.
  • a spherical or cylindrical arrangement of the filaments allows a Rundumortung of Pressures and pressure fluctuations or pressure waves. This can be especially for
  • the ball or cylinder surface can in this case form a continuous gas layer with detection elements or individual sensor segments that are independent of one another.
  • at least one first and / or second filament, or a plurality of first and / or second filaments, or each first and / or second filament for determining the force acting on the filaments or the deformation of the filaments serve. It is also possible to use each individual filament on the surface for detection in the individual sensor segments. Alternatively, only individual filaments can be used for pressure and / or flow detection, the remaining filaments then serving as supports for the gas-liquid interface.
  • Another object of the invention is a method for the determination of pressure and / or flow, wherein a sensor is provided which has a surface on which filaments are arranged, of which at least a part as the first
  • Filaments are formed, wherein formed by the first filaments on the surface of the sensor, a gas layer and a gas-liquid interface when the sensor is placed in a liquid, wherein the gas-liquid interface as
  • the determination of the forces acting on the filaments or the deformation of the structures or the boundary surface can be carried out arbitrarily. In preferred embodiments, one determines
  • the force acting on the filaments is preferably determined by means of piezoelectric elements.
  • piezoelectric elements By piezo elements or other pressure-sensitive systems on the filaments, the force acting on them can be determined.
  • Deformation of the filaments may be accomplished in a number of preferred ways, such as by optically determining the distance between a particular point in the filament
  • the distance between the surface and the tip of the filament or a certain point on the structure can be detected optically.
  • Optical determination can be made by, for example, reflecting a mirror surface at the tip of the filament or another point of the structure, the beam of an underlying light source into a receiver such as a photodiode.
  • the running time of the beam or the positional shift of the beam on the surface can be measured.
  • the change in the distance of the tip of the filament caused by the pressure on the gas-liquid interface to the surface of the sensor can be determined, which is directly related to the applied pressure.
  • the deformation can also be measured by means of strain gauges. Strain gauges can be attached directly to the structures. About the measurable change in the length of the strain gauge, the degree of deformation of the filament can be determined. This depends directly on the applied pressure.
  • Another possibility is to measure an induced magnetic flux between a certain point of the filament, preferably the tip, and the surface of the sensor.
  • conductor tracks may be installed and magnets in the corresponding opposite part, d. H. corresponding to the filaments or the surface of the sensor.
  • Filaments, preferably the tip, and the surface of the sensor can be used to determine the forces acting on the filaments or the deformation of the structures.
  • conductor materials can be built into the structure, preferably the tip of the filament, and the base. When changing the distance between the filament tip and the surface by deformation of the structures, the change in the capacitance between the conductor materials can be determined.
  • a deformation of the filaments can also be optically determined directly, for example by means of a camera, by video recordings, photographs or the like.
  • the deformation of the filaments is further measurable via formed from piezoelectric material filaments.
  • the change in the electrical polarization or the occurrence of an electrical voltage due to the deformation can be measured directly here.
  • the deformation of the gas-liquid interface can be measured by determining the respective distance of the gas-liquid interface to the surface of the sensor.
  • the deformation of the gas-liquid interface is also measurable via an optical determination of the deformation, for example via an optical recording device.
  • a measurement can here by means of optical, acoustic, or defined over the light transit time
  • the distance between the surface and the gas-liquid interface can be determined. In this case, it is not the filaments that are decisive for the measurement, but the deformation of the interface itself.
  • a new use of surfaces which are able to hold a gas layer, for example air, but also other gas mixtures and pure gases, when immersed in a liquid, preferably water, but also any other liquid, is within the range provided the sensors.
  • a gas layer for example air, but also other gas mixtures and pure gases
  • a further aspect of the invention accordingly relates to the use of an article having a surface on which filaments are arranged, at least part of which are formed as first filaments, wherein a gas layer and a gas-liquid layer are formed by the first filaments on the surface of the sensor.
  • Formed interface when the sensor is placed in a liquid, as a sensor for determining pressure and / or flow.
  • the gas-liquid interface serves as a sensor membrane.
  • the invention is suitable for any kind, in particular highly sensitive, underwater sensors which are intended to detect pressure fluctuations in the water, for example for
  • the invention is suitable for underwater sensors that detect static pressures, and is useful, for example, as a depth gauge.
  • Another potential application of such gash-containing surfaces is the protection of liquid objects from sonar location.
  • the gas layer acts as camouflage in two ways: on the one hand, a large part of the energy is absorbed by the compressible gas layer. On the other hand, the surface of the gas layer is not smooth but jagged, so that the small reflected portion of the sonar waves is strongly scattered.
  • corresponding structures or filaments are so-called microreplication methods.
  • the surface of a material which has corresponding properties is converted by means of an impression material into a negative.
  • This form can then be used to produce corresponding surfaces by means of a liquid plastic, for example a synthetic resin varnish.
  • a liquid plastic for example a synthetic resin varnish.
  • Embodiment several corresponding shapes are used to obtain larger areas.
  • Particularly suitable is a method in which the negative molds are assembled into a roll. In this way, the production can be carried out continuously, in which a curable plastic material is passed through the roller.
  • the synthetic resin composition is cured by radiation, for example ultraviolet radiation, and then remains in the surface structure predetermined by the mold. With inadequate hydrophobicity, subsequent hydrophobization, for example with fluorocarbon-containing compounds, is possible.
  • a hydrophilic fiber can be made hydrophobic up to the area of the tip.
  • a hydrophobic surface in Water immersed or coated with water, wherein a hydrophilic powder in water preferably attaches to the tips of the structures.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a sensor for determining pressure and / or flow according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a further illustration of the sensor shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic representation of a sensor for determining pressure and / or flow according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a further illustration of the sensor shown in FIG.
  • FIG. 5 shows a further illustration of the sensor shown in FIG.
  • Figure 6 is a schematic representation of a sensor for determining pressure and / or flow according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 7 shows a further illustration of the sensor shown in FIG.
  • Figure 8 is a schematic representation of a spherical embodiment of a
  • Figure 9 is a schematic representation of a spherical embodiment of a
  • Figure 10 is a schematic representation of a cylindrical embodiment of a
  • Figure 11 is a schematic representation of a cylindrical embodiment of a
  • Compartmentalization a schematic representation of a planar embodiment of a sensor for determining pressure and / or flow.
  • FIG. 3 is a schematic representation illustrating an acoustic determination of the deformation of the gas-liquid interface
  • each filament fulfills detection function.
  • a schematic representation of a sensor for determining pressure and / or flow, wherein only one filament performs detection function a schematic representation of a planar embodiment of a sensor for determining pressure and / or flow, wherein a plurality of filaments fulfill detection function.
  • FIG. 39 is a schematic representation of a planar embodiment of a sensor for determining pressure and / or flow with compartmentalization, wherein a plurality of filaments fulfill detection function.
  • Figure 39 is a schematic representation of a planar embodiment of a sensor for determining pressure and / or flow with compartmentalization, all filaments fulfill detection function.
  • Figure 40 is a schematic representation of a combination of tapered
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment according to the invention of a sensor for determining pressure and / or flow 1.
  • On the surface 2 of the sensor 1 there are structures 4 by which a gas layer 6 is trapped on the surface when the sensor is in a liquid how water is spent.
  • the structure 4 supports the gas-liquid interface 8 forming at the phase boundary.
  • the gas-liquid interface 8, 8 'can serve as a sensor membrane.
  • This embodiment is particularly suitable as a pressure sensor.
  • Figure 2 shows a further illustration of the sensor 1 shown in Figure 1, in which in addition to the gas-liquid interface 8 also the filaments 4 'are deformed by an applied pressure.
  • the deformability of the filaments 4, 4 ' is by their structure with a ratio of diameter to length between 1:10 and 1:40 at a length of 1 ⁇ to
  • FIG. 3 schematically shows an embodiment of a sensor for determining pressure and / or flow 1, which additionally has second filaments 10.
  • the filaments 10 have about twice the length of the filaments 4.
  • the area of the filaments 10 that extends beyond the length of the first filaments 4 is hydrophilic , wherein preferably the contact angle between the area and water is ⁇ 90 °.
  • the structures 10 experience a force that leads to their deformation 10 '. This can be measured. According to the method of the invention can be determined by determining the force acting on the filaments 10 or by determining the
  • the flow of the inflowing liquid can be determined.
  • the detection of currents is thus possible.
  • This embodiment is suitable as a pressure and flow sensor.
  • Figure 4 shows a further illustration of the sensor shown in Figure 1, in which the gas-liquid interface 8 is partially displaced by a local pressure fluctuation to the gas-liquid interface 8 '.
  • Figure 5 shows an illustration of the pressure and / or flow sensor shown in Figure 1, in which also the filaments 4 'are deformed by a local pressure fluctuation. Individual points of the gas-liquid interface 8, 8 'and the deformation of individual filaments 4, 4' can be read out independently and allow a precise spatial resolution of the pressure distribution.
  • FIG. 6 shows a sensor for determining pressure and / or flow according to a further embodiment of the invention, in which the gas-liquid interface 8 contacting region 12 of the filaments 4 is hydrophilic. At applied negative pressure stretches the volume of the gas layer 6 and the interface 8 'shifts. By the hydrophilic sites 12, the contact between the liquid and the filaments 4 is maintained.
  • FIG. 7 shows a representation of the sensor shown in FIG. 6 at a higher level
  • Hydrophilic spots at the tips of the structures allow for an extended range of negative pressure.
  • Figure 8 shows a schematic representation of a spherical embodiment of a sensor for determining pressure and / or flow 1, on the surface of filaments 4 are arranged.
  • An all-around arrangement of the structures allows, for example
  • Figure 9 shows a schematic representation of a spherical embodiment of a sensor 1 with a compartmentalization. By boundaries 16, the surface of the sensor is divided into individual compartments 17. The compartments 17 form with the contained filaments 4 each independent sensor modules.
  • Figure 10 shows a schematic representation of a cylindrical embodiment of a sensor for determining pressure and / or flow
  • Figure 11 shows a cylindrical embodiment with compartmentalization.
  • the cylinder surface can also form a continuous gas layer in the embodiment shown in FIG. 10, or, as shown in FIG. 11, individual sensor modules 17 which are independent of one another.
  • Figure 12 shows a schematic representation of a planar embodiment of a sensor
  • Figure 13 shows a planar embodiment with compartmentalization.
  • the surface can also be in these Embodiments as a whole are coated by a gas layer (Figure 12) or divided into individual segments 17 ( Figure 13).
  • the sub-volumes are independent of each other and can be read out separately.
  • Figures 14 to 23 are schematic representations illustrating exemplary methods for determining pressure and / or flow through a sensor according to the invention, including the force applied to the filaments, the deformation of the filaments, and / or the deformation of the gas-liquid interface certainly.
  • Figures 14 and 15 illustrate an optical determination of the deformation of a
  • the deformation of a filament can be determined by optically determining the distance between the tip of the filament and the surface.
  • the transit time, as shown in Figure 14, or the position of a light beam can be measured and thus the distance between a certain point of the filament and the surface of the sensor can be determined. This is directly connected to the applied pressure.
  • a mirror surface 24 on the structure reflects the emitted beam 20 of an underlying light source 18 into a receiver 22, such as a photodiode.
  • FIG. 14 illustrates that the path difference As is determined over the transit time of the emitted beam 20 and the reflected beam 20 '.
  • FIG. 15 illustrates an optical determination of the beam shift As on the surface.
  • FIG. 16 schematically illustrates the determination of the deformation via strain gauges attached to the filaments.
  • Strain gauges 26 can be attached directly to the structures and thus the degree of deformation can be determined. This depends directly on the applied pressure.
  • the determination of the deformation of a filament can also be made by measuring an induced magnetic flux between a certain point of the filament and the surface of the sensor. Such a determination by means of magnetism or induction is illustrated in FIG. 17.
  • a conductor loop 28 is installed on the surface of the sensor and a magnet 30 at the tip of the filament. In a pressure-induced change in the distance, the magnetic flux changes, whereby the height difference As or the degree of deformation of the structures can be determined.
  • Figure 18 illustrates schematically the determination of the deformation via the measurement of a capacitance change between a certain point of the filament and the surface of the sensor.
  • a printed circuit board 32 is installed on the surface of the sensor and on a filament.
  • Figure 19 illustrates the determination of the deformation of the filaments over a piezoelectric filament.
  • the measuring unit is formed by a filament 4 formed of a piezoelectric material.
  • Figure 20 illustrates the determination of the force acting on the filaments over a
  • a piezoelectric element 34 is incorporated as a force sensor in the surface of the filament connected to the surface.
  • Figures 21 and 22 illustrate the determination of the gas-liquid interface deformation by determining the gas-liquid interface distance to
  • the measuring unit comprises a light source 18 as a transmitter and an optical signal receiver 22 on the surface of the sensor.
  • the emitted beam 20 is reflected at the gas-liquid interface 8 or 8 '.
  • the path difference As of the emitted beam 20 and reflected beam 20 ' is determined.
  • the transit time difference ⁇ s of an acoustic signal of a transmitter 36, which is reflected at the gas-liquid interface 8 or 8 ' can also be determined via a
  • FIG. 23 illustrates a direct optical determination of the deformation of the filaments.
  • the measuring unit forms an optical recording device, for example a camera 40, which determines the deformation of the structures by video recordings, photographs etc.
  • FIGS. 24 to 26 show embodiments of a sensor for determining pressure and / or flow 1 with filaments with closed undercuts.
  • the filaments have a rigid region 15 adjoining the surface of the sensor and an area with closed undercuts 14 adjoining the gas-liquid interface 8.
  • FIG. 25 in such filaments having a rigid structural stem 15 and elastic closed undercuts 14 at the gas-liquid interface, only the elastic undercuts 14 'are deformed by pressure on the gas-liquid interface 8, 8'.
  • Deformation can be determined as illustrated with reference to FIGS. 14 to 20. As FIG. 26 shows, the filaments with closed undercuts 14 can also have hydrophilic tips 12.
  • Figures 27 to 31 are schematic representations of various embodiments of possible shapes of the filaments.
  • Figure 27 shows pointed filaments 4, Figure 28 rounded filaments 4, Figure 29 rounded filaments 4 with hydrophilic ends 12, Figure 30 filaments 4 with flattened ends, and Figure 31 filaments 4 with flattened and hydrophilic ends 12. Also combinations of variously shaped structures possible.
  • FIG. 32 shows a combination of pointed filaments 4 and filaments with closed undercuts 14.
  • FIG. 33 shows a schematic representation of a sensor for determining pressure and / or flow 1, wherein each of the filaments 4 contains a piezoelectric element 34 as a force sensor in the end face of the filament connected to the surface.
  • each of the filaments 4 can serve to determine the force acting on the filaments and thus fulfill a detection function.
  • Figure 34 shows a schematic representation of a planar embodiment of a sensor 1, wherein each filament 4 is used for detection.
  • FIG. 35 shows a schematic representation of a sensor for determining pressure and / or flow 1, wherein only one filament 4 contains a piezoelement 34 as a force sensor in the end face of the filament connected to the surface. This is a filament 4 for determining the force acting on the filaments force. The other filaments serve only for the formation and maintenance of the gas-liquid interface.
  • Figure 36 shows a schematic representation of a planar embodiment of a sensor 1, wherein a plurality of unfilled filament 4 are used for detection, while the structures 4 shown filled only serve as supports for the gas-liquid interface and maintain the gas layer.
  • FIG. 37 shows a planar embodiment of a sensor for determining pressure and / or flow 1, wherein the sensor surface is designed as an entire sensor surface with only one unfilled filament 4 for pressure determination, while the structures 4 shown filled out merely as supports for the gas Liquid interface serve and maintain the gas layer.
  • FIGS. 38 and 39 show a planar embodiment of a sensor for determining pressure and / or flow 1 with a compartmentalization, whereby the surface of the sensor is divided into individual compartments 17 by boundaries 16.
  • Compartments 17 form with the contained filaments 4 each independent sensor modules with separate gas volumes.
  • Figure 38 per Compartment 17 only one unfilled filament 4 to be designed to determine the pressure, or as shown in Figure 39 all filaments 4 fulfill detection function.
  • FIG. 40 shows a schematic representation of a combination of pointed filaments 4 and filaments with closed undercuts 14 and third filaments 42.
  • a plexiglass hole mask was filled with silicone to create a surface covered with cylindrical, approximately 2 mm long first filaments. This was then placed in a pressure-stable vessel under water. The vessel was then connected to a bellows and a pressure gauge. The surface layer of air was by means of a

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung, wobei der Sensor eine Oberfläche (2) aufweist, auf der Filamente (4, 10, 42) angeordnet sind, von denen wenigstens ein Teil als erste Filamente (4) ausgebildet sind, wobei durch die ersten Filamente (4) auf der Oberfläche (2) des Sensors eine Gasschicht (6) und eine Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche (8) ausgebildet werden wenn der Sensor in eine Flüssigkeit verbracht wird, wobei die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche (8) als Sensormembran dient und der Sensor wenigstens eine Messeinheit aufweist zur Bestimmung einer auf wenigstens eines der Filamente (4, 10) wirkenden Kraft, der Verformung wenigstens eines der Filamente (4, 10), und/oder der Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche (8).

Description

Sensor zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung
Die Erfindung betrifft das Gebiet unbenetzbarer Oberflächen. Die Erfindung betrifft insbesondere Verwendungsmöglichkeiten unter Flüssigkeit gashaltender Oberflächen.
Wird eine unbenetzbare, mit haarartigen Strukturen besetzte Oberfläche unter Wasser getaucht, so gelangt aufgrund der hydrophoben Chemie kein Wasser zwischen die Strukturen. Ein Luftfilm wird eingeschlossen und unter Wasser gehalten. Dieses Phänomen wird als Salvinia-Effekt bezeichnet. Solche Oberflächen sind aus der Natur bekannt. Beispiele Hierfür sind die Schwimmfarne der Gattung Salvinia sowie der Rückenschwimmer Notonecta. Eine Besonderheit einiger Schwimmfarne ist das Vorhandensein hydrophiler, also Wasser anziehender, Stellen an den Spitzen der ansonsten hydrophoben, Wasser abweisenden bzw. unbenetzbaren, Haare. Diese stabilisieren die Luftschicht, da sie das Wasser an die
Haarstrukturen binden und somit das Bilden von sich ablösenden Luftblasen bei Unterdruck deutlich erschweren. Dieser Stabilisierungsmechanismus wurde als Salvinia-Paradox bezeichnet. Der Rückenschwimmer hingegen verfügt auf der Oberseite seiner Deckflügel (Elytren) über eine Doppelstruktur, bestehend aus längeren Haaren, sogenannten Setae, die eine durchschnittliche Länge von 90 μιη und eine durchschnittliche Dichte von ca. 250 pro mm2 aufweisen, und einem„Teppich" aus sehr kurzen, aber sehr dicht stehenden Haaren, sogenannten Mikrotrichia mit einer durchschnittlichen Länge von 2,3 μιη und einer durchschnittliche Dichte von ca. 6*106 pro mm2. An solchen biologischen Oberflächen konnte bereits eine Lufthaltedauer unter Wasser von über einem Jahr erfolgreich nachgewiesen werden, so dass die Lufthaltung als permanent angesehen werden kann.
UD 40694 / S AM: AL Unbenetzbare Oberflächen werden inzwischen für verschiedenste Anwendungen eingesetzt. Eines der bekanntesten Beispiele ist die Selbstreinigung, der so genannte Lotus-Effekt. Es werden mittlerweile Fassadenfarben, Felgensprays und verschiedene weitere Produkte vermarktet. Eine weitere Anwendung, die Gegenstand aktueller Forschung ist, ist die Reibungsreduktion durch die Fähigkeit unbenetzbarer, strukturierter Oberflächen, eine Schicht aus Luft zu halten, wenn diese unter Wasser getaucht werden. In den letzten Jahren gelang es, technische Oberflächen herzustellen, die in der Lage sind langzeitstabil eine solche Luftschicht unter Wasser zu halten und die somit die Entwicklung solcher
reibungsreduzierender Beschichtungen ermöglichen.
Die WO 2007/099141 offenbart unbenetzbare Oberflächen, bei denen die Oberflächen Filamente aufweisen. Die WO 2009/095459 offenbart unbenetzbare Oberflächen, bei denen die Oberfläche Filamente aufweist, die strukturell oder chemisch anisotrop sind. Die WO 2014/079967 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Filamentstrukturen mit geschlossenen Hinter schneidungen. Die DE 102011121796 offenbart unbenetzbare
Oberflächen, bei denen die Oberfläche Filamente unterschiedlicher Länge aufweist.
Prototypen solcher unbenetzbaren, unter Wasser lufthaltenden Oberflächen mit einer Lufthaltedauer von mehreren Monaten konnten entwickelt werden.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, eine Verwendungsmöglichkeit derartiger unbenetzbarer Oberflächen zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung, wobei der Sensor eine Oberfläche aufweist, auf der Filamente angeordnet sind, von denen wenigstens ein Teil als erste Filamente ausgebildet sind, wobei durch die ersten Filamente auf der Oberfläche des Sensors eine Gasschicht und eine Gas-Flüssigkeits- Grenzfläche ausgebildet werden wenn der Sensor in eine Flüssigkeit verbracht wird, wobei die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche als Sensormembran dient und der Sensor wenigstens eine Messeinheit aufweist zur Bestimmung
- einer auf wenigstens eines der Filamente wirkenden Kraft,
- der Verformung wenigstens eines der Filamente, und/oder
- der Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche.
Erfindungsgemäß wird ein Sensor zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung auf Basis gashaltender Oberflächen bereitgestellt. Die Erfindung ermöglicht neue Formen von Drucksensoren und eröffnet neue Möglichkeiten zur Strömungsdetektion bzw. einer Kombination von Strömungs- und Drucksensoren. Weiter wird die Konstruktion
korrosionsgeschützter Sensoren ermöglicht. Erfindungsgemäß kann die Gasschicht selbst bzw. die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche als Sensormembran fungieren. Messeinheiten dienen zur Detektion der Kraftübertragung auf die Filamente oder deren Verformung und/oder der Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche.
Die Verwendung gashaltender Oberflächen in der Sensortechnik ermöglicht den Bau hochempfindlicher Druck- und Strömungssensoren. Druckwellen, die durch eine Flüssigkeit laufen, sowie statischer Druck werden von der inkompressiblen Flüssigkeit an das kompressible Gas weitergegeben. Dabei wird das Gas zum einen komprimiert und zum anderen aus dem Bereich der Druckeinwirkung verdrängt. Die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche dient als Membran, die, aufgrund der Oberflächenspannung, Kräfte auf die Strukturen bzw. Filamente der Oberfläche überträgt und selbst verformt wird. Sowohl die Verformung der Grenzfläche selbst, als auch die auf die darunter liegenden Strukturen bzw. Filamente übertragenen Kräfte sowie die Verformung der Filamente können zur Bestimmung des anliegenden Drucks ermittelt werden. Solche Sensoren bieten mehrere Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Drucksensoren, beispielsweise eine verbesserte Sensitivität sowie ein verbessertes Auflösungsvermögen. Verwendbar sind Oberflächen, die in der Lage sind dauerhaft oder zumindest für die Dauer der Anwendung eine Schicht aus Gas, vorzugsweise Luft aber auch andere Gasgemische sowie reine Gase, im untergetauchten Zustand zu halten. Die Ausbildung einer Gasschicht und einer Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche wird durch die ersten Filamente zur Verfügung gestellt. Diese können Strukturen einer Größenordnung im Bereich von Nano- bis Millimetern sein. Durch Bestimmung der von der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche übertragenen Kräfte und/oder durch Bestimmung der Verformung der Strukturen bzw. Filamente und/oder der Verformung der Grenzfläche selbst, können Drücke gemessen werden. Die Flüssigkeit ist vorzugsweise Wasser, eine wässrige Flüssigkeit, ein Öl oder eine ölhaltige Flüssigkeit, kann aber auch eine andere Flüssigkeit oder Flüssigkeitsgemisch wie eine alkoholische Flüssigkeit sein.
Auf der Oberfläche des Sensors sind Filamente angeordnet. Von diesen ist wenigstens ein Teil als erste Filamente ausgebildet. In Ausführungsformen können alle Filamente als erste Filamente ausgebildet sein. In anderen Ausführungsformen kann der Sensor zweite und/oder dritte Filamente aufweisen. Erste, zweite und dritte Filamente unterscheiden sich
insbesondere in ihrer Länge, wobei die zweiten Filamente vorzugsweise länger und die dritten Filamente vorzugsweise kürzer als die ersten Filamente sind. Erste, zweite und dritte
Filamente können sich weiterhin in der Anzahl der Filamente pro mm Oberfläche unterscheiden, wobei vorzugsweise weniger zweite Filamente als erste Filamente und vorzugsweise mehr dritte als erste Filamente pro mm Oberfläche angeordnet sind.
Die Filamente weisen eine größere Länge als Durchmesser auf. Das Verhältnis von
Durchmesser zu Länge (DurchmessenLänge) liegt für die ersten Filamente vorzugsweise zwischen 1: 10 und 1:40. Geeignete Längen der ersten Filamente liegen im Bereich von 1 μιη bis 6000 μιη, vorzugsweise im Bereich von 10 μιη bis 6000 μιη, bevorzugt im Bereich von 20 μιη bis 3000 μιη, mehr bevorzugt im Bereich von 50 μιη bis 150 μιη sowie im Bereich von 50 μηι bis 100 μηι. Die Durchmesser von Filamenten lassen sich beispielsweise mittels
Rasterelektronenmikroskopie vermessen. Soweit die Fasern über die Länge unterschiedliche Durchmesser aufweisen, wird der Durchmesser in der Mitte des Filaments (50% der Länge) zugrunde gelegt. Pro mm2 Oberfläche sind vorzugsweise im Bereich von 1 bis lxlO6 erste Filamente gebunden. Die Dichte der ersten Filamente liegt bevorzugt im Bereich von 1 bis 500, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 400, mehr bevorzugt im Bereich von 20 bis 300 Filamenten pro mm Oberfläche. Im Sinne dieser Erfindung haben Angaben von
Zahlenbereich wie einer Länge von 1 μιη bis 6000 μιη die Bedeutung einer Länge im Bereich von > 1 μιη bis < 6000 μιη. Dieses gilt ebenfalls für die weiteren Angaben von
Zahlenbereichen wie der von Dichten, Verhältnissen, der Anzahl von Filamenten, oder der Elastizität.
Wichtig ist die Elastizität der Filamente. Die Elastizität, bestimmt als E-Modul, der Filamente liegt vorzugsweise im Bereich von 10 4 N/m 2 bis 1012 N/m 2 , bevorzugt im Bereich von 104 N/m 2 bis 1010 N/m 2. Die Elastizität erlaubt eine Auslenkung der Filamente. Besonders bevorzugte Bereiche liegen zwischen 10 6 N/m 2 bis 108 N/m 2. Bevorzugt liegt auch das Biege- E-Modul in diesem Bereich. Insbesondere erlaubt die Elastizität der Filamente eine
Bestimmung der durch den Druck auf die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche bewirkten Änderung des Abstands eines bestimmtes Punktes, beispielsweise der Spitze, eines Filaments zur Oberfläche des Sensors, der direkt mit dem anliegenden Druck in Verbindung steht.
Ein Filament im Sinne dieser Anmeldung ist jedes längliche Gebilde, gleich welchen
Materials, das die geforderten Eigenschaften aufweist. Im Textilbereich wird unterschieden zwischen abstehenden Haaren, abstehenden Fasern und Filamenten, die eine sehr große Länge haben. Im Sinne dieser Anmeldung wird der Begriff "Filament" jedoch für jede Art Struktur verwendet, die Enden aufweist. Länge und Durchmesser ergeben sich durch die weitere Definition in den Patentansprüchen. Der Begriff "Filament" ist für diese Anmeldung gleichbedeutend mit denen im textilen Bereich verwendeten Begriffen "Faser" oder "Haar". Ein Filament im Sinne dieser Anmeldung ist auch eine längere Struktur, die mit zwei oder mehr Punkten an eine Oberfläche gebunden ist. Der Bereich zwischen zwei Kontaktpunkten definiert dann im Sinne dieser Anmeldung die Länge des Filaments. Im Sinne der
vorliegenden Anmeldung wird der Begriff "Struktur" gleichbedeutend mit "Filament" verwendet.
Die Filamente weisen zwei Stirnseiten auf, die sich jeweils am Ende der Filamente befinden. Die Filamente sind mit mindestens einer Stirnseite an die Oberfläche gebunden. In einer Ausführungsform ist genau eine Stirnseite an die Oberfläche gebunden. Es können jedoch auch beide Stirnseiten gebunden sein, so dass das Filament an der Oberfläche eine Schlaufe bildet. Es sind auch Mischformen möglich, in denen Filamente vorkommen, die mit einer Stirnseite gebunden sind und auch Filamente vorkommen, die mit beiden Stirnseiten gebunden sind. Weiterhin ist die Oberfläche der Filamente zumindest teilweise amphiphob, so dass der
Kontaktwinkel zwischen einem Filament und einer Flüssigkeit größer als 90° ist. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff "amphiphob" verstanden, dass der bezeichnete Gegenstand sowohl hydrophob wie auch oleophob ist. Dieser kann in
Ausführungsformen hydrophob oder oleophob sein, in bevorzugten Ausführungsformen hydrophob. Vorzugsweise ist der Kontaktwinkel zwischen einem Filament und einer
Flüssigkeit, insbesondere Wasser, größer als 100°. Das lässt sich beispielsweise mittels einem inversen Mikroskop und Ultraschallverneblung vermessen, wie dies in Suter et al., Journal of Arachnology, 32 (2004), Seiten 11 bis 21 beschrieben ist. Bevorzugt liegt der Kontaktwinkel bei mehr als 110°. In einer anderen Ausführungsform lässt sich die Amphiphobizität bzw. Hydrophobizität auch makroskopisch messen. Verwendbare Materialien haben bevorzugt makroskopische Kontaktwinkel von mehr als 140°. Solche Oberflächen sind in der Lage ein Gas, vorzugsweise Luft, jedoch auch andere Gasgemische sowie reine Gase, in den
Strukturen so einzuschließen, dass es durch die Flüssigkeit wie Wasser nicht verdrängt wird; die Oberflächen sind also unbenetzbar. Wichtig ist insbesondere die Elastizität der Filamente, da diese es auch bei Strömungen und Druckänderungen erlaubt, das Gas bzw. die Luft zu halten. Bewegungen der Flüssigkeit wie Wasser können von den Filamenten elastisch aufgenommen werden. Dieses kann zur Messung der Drücke verwendet werden.
Bevorzugte Ausführungsformen sind beim Inkontaktbringen mit Wasser unbenetzt. Unbenetzt bedeutet, dass beim vollständigen Untertauchen der Oberfläche in Wasser in einer Tiefe von 15 cm für 48 Stunden nach dem Auftauchen des Gegenstandes mindestens 97% der
Oberfläche nach makroskopischer Prüfung trocken sind. Die ersten Filamente sind in der Lage, dauerhaft oder zumindest für die Dauer der Anwendung unter Wasser Luftschichten an der Oberfläche zu halten. Hierdurch kann eine Verwendung als Sensor zur Verfügung gestellt werden, wenn die Strukturen in Flüssigkeiten bzw. Wasser eingetaucht sind.
Zur Konstruktion von auf dem Prinzip gashaltender Oberflächen basierender Sensoren sind verschiedene Messeinheiten bzw. Formen der Detektion von Druck und/oder Strömung verwendbar. In bevorzugten Ausführungsformen des Sensors:
- ist die Messeinheit zur Bestimmung der auf wenigstens eines der Filamente wirkenden Kraft ein Kraftsensor, und/oder
- die Messeinheit zur Bestimmung der Verformung der wenigstens eines Filamente umfasst eine optische Einheit umfassend eine Lichtquelle und eine Photodiode auf der Oberfläche des
Sensors und eine Spiegelfläche an einem Filament, einen Dehnmessstreifen an einem
Filament, eine Leiterschleife auf der Oberfläche des Sensors oder des Filaments und einen Magneten an der entsprechend entgegengesetzten Komponente, jeweils eine Leiterplatte auf der Oberfläche des Sensors und an einem Filament, oder ein optisches Aufnahmegerät umfasst, oder durch ein aus einem piezoelektrischen Material ausgebildetes Filament ausgebildet wird, und/oder - die Messeinheit zur Bestimmung der Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche umfasst einen Sender und einen Empfänger für ein optisches oder akustisches Signal auf der
Oberfläche des Sensors, oder ein optisches Aufnahmegerät. Zur Bestimmung der auf die Filamente wirkenden Kraft ist eine Messung mittels eines
Kraftsensors insbesondere eines Piezoelements bevorzugt. Durch Piezoelemente oder andere druckempfindliche Systeme an den Filamenten kann die auf sie wirkende Kraft bestimmt werden. Diese können beispielsweise in der an die Oberfläche gebundenen Stirnseite des Filaments bzw. zwischen Filament und Oberfläche angebracht sein.
Zur Bestimmung der Verformung der Filamente sind mehrere Möglichkeiten bevorzugt, beispielsweise eine Messung mittels Licht. Der Abstand zwischen Oberfläche und der Spitze bzw. einem anderen bestimmtem Punkt des Filaments kann optisch erfasst werden. Es kann beispielsweise eine Spiegelfläche an der Spitze des Filaments oder einem anderen Bereich den Strahl einer darunter befindlichen Lichtquelle in einen Empfänger beispielsweise eine Photodiode reflektieren. Hierbei kann die Laufzeit oder die Position des Strahls vermessen und somit die durch den Druck auf die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche bewirkte Änderung des Abstands der Spitze oder eines anderen bestimmten Punktes des Filaments zur Oberfläche des Sensors bestimmt werden, der direkt mit dem anliegenden Druck in Verbindung steht.
Auch eine Messung mittels Dehnmessstreifen ist bevorzugt. Dehnmessstreifen können direkt an den Filamenten angebracht werden und über deren Längenänderung oder Torsion der Grad der Deformation ermittelt werden. Auch die Längenänderung hängt direkt vom anliegenden Druck ab.
Eine weitere Möglichkeit der Detektion bietet eine Messung mittels Magnetismus/Induktion. In der Oberfläche des Sensors oder der Filamente können Leiterbahnen verbaut sein und Magnete im entsprechend entgegengesetzten Teil, d. h. entsprechend den Filamenten oder der Oberfläche des Sensors. Bei einer Druck- oder Strömungsinduzierten Änderung des Abstands ändert sich der magnetische Fluss, wodurch der Grad der Deformation der Filamente ermittelt werden kann. Eine weitere Möglichkeit der Detektion bietet eine Messung mittels Kapazitätsänderung. Leitermaterialien können in die Filamente und die Oberfläche verbaut werden. Bei einer Änderung des Abstands durch Deformation der Filamente ändert sich die Kapazität zwischen den beiden Leitermaterialien. Ferner ist eine Messung mittels optischer Bestimmung der Verformung der Filamente möglich. Die Verformung der Filamente kann durch ein optisches Aufnahmegerät, wie eine Kamera beispielsweise über Videoaufnahmen, Fotoaufnahmen oder dergleichen ermittelt werden. Auch eine Messung mittels direkt in die Fasern integrierter Messelemente ist möglich.
Beispielsweise piezoelektrische Filamente sind direkt als Messeinheit zur Bestimmung der Verformung verwendbar.
Ferner können Messeinheiten zur Bestimmung der Verformung der Gas-Flüssigkeits- Grenzfläche verwendet werden. Eine Messung kann hierbei mittels optischer, akustischer, oder über die Lichtlaufzeit definierter Abstandsbestimmung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche zur Oberfläche erfolgen. Über Messeinheiten umfassend eine Lichtquelle oder einen Sender akustischer Signale und einen jeweiligen Empfänger kann der Abstand zwischen der
Oberfläche und der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche optisch oder akustisch ermittelt werden. Hierbei sind somit nicht die Filamente und deren Verformung für die Messung entscheidend, sondern die Verformung der Grenzfläche selbst. Die Form der Strukturen bzw. Filamente kann beliebig sein. Beispielsweise können die Filamente spitz zulaufende, abgerundete oder abgeflachte Enden aufweisen. Insbesondere können die Filamente strukturell und/oder chemisch anisotrop sein. Vorzugsweise können die Filamente strukturell anisotrop sein, d. h. dass es Bereich gibt, in denen die Filamente eingeschnitten sind, insbesondere in denen sie Hinterschneidungen vorzugsweise geschlossene Hinterschneidungen ausbilden. In Ausführungsformen können wenigstens ein Teil der Filamente, insbesondere wenigstens ein Teil der ersten Filamente oder alle ersten Filamente, einen an die Oberfläche des Sensors angrenzenden starren Bereich und einen an die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche angrenzenden Bereich mit geschlossenen
Hinterschneidungen aufweist. In alternativen Ausführungsformen können wenigstens ein Teil der Filamente einen an die Oberfläche des Sensors angrenzenden elastischen Bereich und einen an die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche angrenzenden starren Bereich aufweisen. In diesem Fall wirkt der elastische Teil wie ein Gelenk. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff "starr" nicht, dass ein Bereich des Filaments unendlich starr ist, sondern eine gewisse Nachgiebigkeit aufweist, jedoch deutlich weniger elastisch ist als beispielsweise ein an die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche angrenzender Bereich mit geschlossenen
Hinterschneidungen. Starr im Sinne dieser Erfindung sind beispielsweise Teile der Filamente, die eine Elastizität in einem Bereich von 10 4" N/m 2" bis 10114" N/m 2", vorzugsweise in einem Bereich von 106 N/m2 bis 1012 N/m2, aufweisen.
Derartige strukturell anisotrope Strukturen können ähnlich wie z.B. Salvinia molesta aufgebaut sein. Hier kann durch einen starren, beliebig langen Stiel die Verformung lediglich an dem auf dem Stiel befindlichen Bereich mit geschlossenen Hinterschneidungen, so genannten "Körbchen", stattfinden. Die Verformung kann wie oben beschriebenen gemessen werden. In vorteilhafter Weise kann durch starre lange Stiele ein höheres Volumen der Gasschicht bereitgestellt werden, insbesondere ein sehr hohes Luftvolumen. Die Erhöhung des Gasvolumens bedeutet eine Steigerung der Empfindlichkeit des Sensors. In weiteren Ausführungsformen kann der Bereich mit geschlossenen Hinterschneidungen nicht auf den an die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche angrenzenden Bereich beschränkt sein, sondern die gesamte Länge des Filamentes kann geschlossene Hinterschneidungen umfassen. In diesem Fall bezieht sich das Verhältnis von Durchmesser zu Länge zwischen 1: 10 und 1:40 entsprechend nicht auf das gesamte Filament, sondern jeweils auf die einzelne Hinter schneidung.
Die Filamente können auch Bereiche aufweisen, die chemisch anisotrop sind, insbesondere bei denen die Oberflächeneigenschaften dazu führen, dass nur Teile der Filamente amphiphob, insbesondere hydrophob, sind, während andere amphiphil, insbesondere hydrophil sind. Amphiphil bedeutet, dass der Kontaktwinkel in diesen Bereichen zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeit < 90° ist, hydrophil, dass der Kontaktwinkel zu Wasser < 90° ist. In Ausführungsformen Sensors ist ein die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche
kontaktierender Bereich der Filamente, insbesondere der ersten Filamente, amphiphil, insbesondere hydrophil, wobei vorzugsweise der Kontaktwinkel zwischen dem Bereich und der Flüssigkeit, insbesondere Wasser, < 90° ist. Durch die amphiphilen insbesondere hydrophilen Stellen bleiben die Spitzen auch bei Unterdruck in Kontakt mit der Flüssigkeit und verlieren den Kontakt zur Flüssigkeit nicht. Bei Unterdruck werden die Strukturen durch die Ausdehnung des Luftvolumens somit in die Länge gezogen. Diese Deformation kann wie oben beschriebenen gemessen werden. Amphiphile Stellen an den Spitzen der Filamente erlauben einen erweiterten Messbereich für Unterdruck.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die Filamente sowohl chemisch anisotrope Bereiche als auch strukturell anisotrope Bereichen auf. In Ausführungsformen des Sensors können alle Filamente als erste Filamente ausgebildet sein. In diesen Ausführungsformen ist der Sensor insbesondere ein Drucksensor. In anderen Ausführungsformen können zusätzliche Strukturen ausgebildet sein, die im von der Basis entfernten Teil amphiphil vorzugsweise hydrophil sind und somit durch die Grenzfläche hindurch in die umgebende Flüssigkeit ragen und strömungsempfindlich reagieren können. Damit sind diese zusätzlich zur Detektion auftretender Strömungen verwendbar. In bevorzugten Ausführungsformen weist der Sensor entsprechend zweite Filamente auf, die in dem Bereich, der über die Länge der ersten Filamente hinausragt, amphiphil vorzugsweise hydrophil sind.
Vorzugsweise liegt die Länge der zweiten Filamente im Bereich von 2 μιη bis 9000 μιη, insbesondere im Bereich von 20 μιη bis 9000 μιη, bevorzugt im Bereich von 30 μιη bis 6000 μιη, mehr bevorzugt im Bereich von 60 μιη bis 300 μιη, sowie im Bereich von 60 μιη bis 250 μιη. Das Verhältnis von Durchmesser zu Länge (DurchmessenLänge) der zweiten Filamente liegt bevorzugt zwischen 1: 10 und 1:40, vorzugsweise zwischen 1:3 zu 1:20. Die zweiten Filamente kommen vorzugsweise in einer geringeren Dichte an der Oberfläche vor als die ersten Filamente. Pro mm 2 Oberfläche sind vorzugsweise 1 bis 5xlO 5J, bevorzugt 10 bis 300, zweite Filamente gebunden. Bevorzugt liegt die Dichte der zweiten Filamente bei weniger als 300, bevorzugt weniger als 200 und mehr bevorzugt weniger als 100 oder 50 Filamenten pro mm . Die zweiten Filamente sind insbesondere im gleichen Bereich der Oberfläche angeordnet wie die ersten Filamente. Das Verhältnis der Länge der ersten Filamente und der zweiten Filamente ist vorzugsweise 1: 1,1 bis 1:3. Durch die zweiten Filamente ist neben der Drucksensorik auch die Detektion von Strömungen möglich. Der Sensor kann in diesen Ausführungsformen als Drucksensor, als
Strömungssensor, oder als Druck- und Strömungssensor verwendet werden. In diesen Ausführungsformen ist der Sensor insbesondere ein Druck- und Strömungssensor. Der Sensor zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung kann auf der Oberfläche auch kürzere Filamente aufweisen, die vorzugsweise in einer hohen Dichte angebracht sind. So kann der Sensor dritte Filamente aufweisen, die eine Länge im Bereich von 0,1 μιη bis 300 μιη und/oder ein Verhältnis von Durchmesser zu Länge zwischen 1:3 und 1:20 aufweisen. Bevorzugte Längen der dritten Filamente liegen zwischen 0,5 μιη und 100 μιη, mehr bevorzugt zwischen 1 μιη und 50 μπι oder zwischen 1 μιη und 30 μιη. Die dritten Filamente kommen vorzugsweise in einer höheren Dichte an der Oberfläche vor als die ersten
Filamente, wobei vorzugsweise pro mm 2 Oberfläche 50 bis 1 x 108 dritte Filamente gebunden sind. Bevorzugt liegt die Dichte der dritten Filamente bei mehr als 100, bevorzugt mehr als 1000 und mehr bevorzugt mehr als 10000 oder 100000 Filamenten pro mm . Die dritten Filamente sind insbesondere im gleichen Bereich der Oberfläche angeordnet wie die ersten Filamente. Vorzugsweise liegt das Verhältnis der Länge der ersten Filamente und der dritten Filamente im Bereich von 3: 1 bis 30: 1. Die dritten Filamente können vorzugsweise völlig amphiphob ausgebildet sein.
Solche kürzeren Strukturen können im Falle einer Überlastung des Sensors, wenn also die Gasschicht zu starkem Druck ausgesetzt wird als Schutz zum Erhalt der Gasschicht dienen. Herrscht ein zu großer Druck kann Flüssigkeit zwischen die ersten Filamente gepresst werden. Sind dritte Filamente vorhanden, so kann das Gas in diese gepresst werden, wobei ab einem gewissen Punkt die Flüssigkeit in Kontakt mit den Spitzen der dritten Filamente gelangen kann. Durch die erhöhte Kontaktfläche mit dem Wasser wird somit in vorteilhafter Weise die in den dritten Filamenten gehaltene Gasschicht stabilisiert, wodurch selbst bei weiter steigendem Druck die Gasschicht erhalten bleibt. Bei sinkendem Druck kann sich die Gasschicht wieder ausbilden und die Funktionalität des Sensors wieder hergestellt werden. Die dritten Filamente dienen somit als Backup für den Fall einer Überbelastung und erhalten die Funktionalität. Zudem wird dadurch die Grundfläche des Sensors in vorteilhafter Weise auch im Falle einer Überlastung vor Flüssigkeit geschützt. In Ausführungsformen des Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung kann wenigstens ein erstes und/oder zweites Filament, oder mehrere erste und/oder zweite
Filamente, oder jedes erste und/oder zweite Filament zur Bestimmung der auf die Filamente wirkenden Kraft oder der Verformung der Filamente dienen. Es kann jedes einzelne Filament an der Oberfläche zur Druck- und/oder Strömungsdetektion verwendet werden. Alternativ können nur einzelne Filamente zur Druck- und/oder Strömungsdetektion verwendet werden, wobei die übrigen Filamente dann als Stützen für die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche dienen. Es können einzelne, mehrere, oder viele Filamente zur Detektion dienen. In vorteilhafter Weise ist durch den Sensor zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung eine genaue Ortsauflösung der Druckverteilung möglich, da einzelne Punkte der als Sensormembran dienenden Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche unabhängig ausgelesen werden können. Des Weiteren kann die Sensorfläche als eine gesamte Sensorfläche mit nur einem Detektionspunkt ausgeführt werden,
Ferner kann die Oberfläche des Sensors in mehrere Sensorfelder oder Kompartimente, die jeweils getrennte Gasvolumina ausbilden, mit jeweils einer oder mehreren
Detektionsstrukturen unterteilt werden. Die Oberfläche des Sensors kann somit als Ganzes von einer Gasschicht überzogen sein oder in einzelne Segmente unterteilt sein. Dabei sind deren Teilvolumina voneinander unabhängig und können jeweils separat ausgelesen werden. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Oberfläche des Sensors in einzelne Segmente unterteilt. Von Vorteil ist neben einer getrennt möglichen Auswertung unabhängiger
Segmente auch, dass im Fall des Zusammenbruchs der Gasfläche in einem Segment die weiteren Segmente weiterhin zur Detektion zur Verfügung stehen. Die einzelnen
Kompartimente können eine Fläche im Bereich von 100 μιη 2 bis 100 cm 2 , vorzugsweise
Bereich von 25 mm 2 bis 10 cm 2 aufweisen.
Für Sonar- und andere Anwendungen ist eine Rundum-Anordnung beispielsweise kugel- oder zylinderförmig der Filamente auf der Oberfläche vorteilhaft. Dabei kann die gesamte Kugel bzw. der gesamte Zylinder eine durchgehende Fläche von gashaltenden Strukturen aufweisen oder durch eine Kompartimentierung voneinander getrennte Sensorsegmente. Eine kugelförmige oder zylindrische Anordnung der Filamente erlaubt eine Rundumortung von Drücken und Druckschwankungen oder Druckwellen. Dies kann insbesondere für
Sonaran Wendungen genutzt werden. Die Kugel- bzw. Zylinderoberfläche kann hierbei eine durchgehende Gasschicht mit Detektionselementen ausbilden oder einzelne Sensorsegmente, die voneinander unabhängig sind. In den einzelnen Sensorsegmenten kann wenigstens ein erstes und/oder zweites Filament, oder mehrere erste und/oder zweite Filamente, oder jedes erste und/oder zweite Filament zur Bestimmung der auf die Filamente wirkenden Kraft oder der Verformung der Filamente dienen. Es kann auch in den einzelnen Sensorsegmenten jedes einzelne Filament an der Oberfläche zur Detektion verwendet werden. Alternativ können nur einzelne Filamente zur Druck- und/oder Strömungsdetektion verwendet werden, wobei die übrigen Filamente dann als Stützen für die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche dienen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung, wobei man einen Sensor zur Verfügung stellt, der eine Oberfläche aufweist, auf der Filamente angeordnet sind, von denen wenigstens ein Teil als erste
Filamente ausgebildet sind, wobei durch die ersten Filamente auf der Oberfläche des Sensors eine Gasschicht und eine Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche ausgebildet werden wenn der Sensor in eine Flüssigkeit verbracht wird, wobei die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche als
Sensormembran dient und wobei man
- eine auf wenigstens eines der Filamente wirkenden Kraft,
- die Verformung wenigstens eines der Filamente, und/oder
- die Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche
bestimmt.
Die Ermittlung der auf die Filamente wirkenden Kräfte bzw. der Verformung der Strukturen oder der Grenzfläche kann beliebig erfolgen. In bevorzugten Ausführungsformen bestimmt man
- die auf wenigstens eines der Filamente wirkende Kraft über ein Piezoelement, - die Verformung wenigstens eines der Filamente über eine optische Bestimmung des
Abstands zwischen einem bestimmten Punkt des Filaments und der Oberfläche des Sensors, über an den Filamenten angebrachten Dehnmessstreifen, über Messung eines induzierten magnetischen Flusses zwischen einem bestimmten Punkt des Filaments und der Oberfläche des Sensors, über Messung einer Kapazitätsänderung zwischen einem bestimmten Punkt des Filaments und der Oberfläche des Sensors, über eine optische Bestimmung der Verformung, oder über ein piezoelektrisches Filament, und/oder
- die Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche durch Bestimmung des Abstands der Gas- Flüssigkeits-Grenzfläche zur Oberfläche des Sensors oder über eine optische Bestimmung der Verformung.
Die auf die Filamente wirkende Kraft bestimmt man vorzugsweise mittels Piezoelementen. Durch Piezoelemente oder andere druckempfindliche Systeme an den Filamenten kann die auf sie wirkende Kraft bestimmt werden.
Die Verformung der Filamente kann auf mehrere bevorzugte Weisen erfolgen, beispielsweise über eine optische Bestimmung des Abstands zwischen einem bestimmten Punkt des
Filaments und der Oberfläche des Sensors. Der Abstand zwischen Oberfläche und der Spitze des Filaments bzw. einem bestimmtem Punkt an der Struktur kann optisch erfasst werden. Eine optische Bestimmung kann erfolgen, indem beispielsweise eine Spiegelfläche an der Spitze des Filaments oder einem anderen Punkt der Struktur den Strahl einer darunter befindlichen Lichtquelle in einen Empfänger wie eine Photodiode reflektiert. Hierbei kann die Laufzeit des Strahls oder die Positionsverschiebung des Strahls auf der Oberfläche gemessen werden. Hierdurch kann die durch den Druck auf die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche bewirkte Änderung des Abstands der Spitze des Filaments zur Oberfläche des Sensors bestimmt werden, welches direkt mit dem anliegenden Druck in Verbindung steht. Die Verformung kann auch mittels Dehnmessstreifen gemessen werden. Dehnmessstreifen können direkt an den Strukturen angebracht werden. Über die messbare Änderung der Länge des Dehnmessstreifens kann der Grad der Deformation des Filaments ermittelt werden. Diese hängt direkt vom anliegenden Druck ab.
Eine weitere Möglichkeit ist das Messen eines induzierten magnetischen Flusses zwischen einem bestimmten Punkt des Filaments, vorzugsweise der Spitze, und der Oberfläche des Sensors. In der Oberfläche des Sensors oder den Strukturen können Leiterbahnen verbaut sein und Magnete im entsprechend entgegengesetzten Teil, d. h. entsprechend den Filamenten oder der Oberfläche des Sensors. Durch eine Druck- oder Strömungsinduzierte Verformung des Filaments ändert sich der Abstand der Spitze zur Oberfläche und hierdurch der messbare magnetische Fluss zwischen Magnet und Leiterschleife, wodurch der Grad der Deformation der Strukturen ermittelt werden kann. Auch die Messung einer Kapazitätsänderung zwischen einem bestimmten Punkt des
Filaments, vorzugsweise der Spitze, und der Oberfläche des Sensors ist zur Ermittlung der auf die Filamente wirkenden Kräfte bzw. der Verformung der Strukturen verwendbar. Hierzu können Leitermaterialien in die Struktur, vorzugsweise der Spitze des Filaments, und die Grundfläche verbaut werden. Bei einer Änderung des Abstands zwischen Filamentspitze und Oberfläche durch Deformation der Strukturen ist die Änderung der Kapazität zwischen den Leitermaterialien bestimmbar.
Eine Verformung der Filamente kann optisch auch direkt bestimmt werden, beispielsweise mittels einer Kamera, durch Videoaufnahmen, Fotoaufnahmen oder dergleichen.
Die Verformung der Filamente ist weiterhin über aus piezoelektrischem Material ausgebildete Filamente messbar. Die Änderung der elektrischen Polarisation bzw. das Auftreten einer elektrischen Spannung durch die Verformung ist hierbei direkt messbar. Ferner ist die Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche durch Bestimmung des jeweiligen Abstands der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche zur Oberfläche des Sensors messbar. Die Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche ist auch über eine optische Bestimmung der Verformung beispielsweise über ein optisches Aufnahmegerät messbar. Eine Messung kann hierbei mittels optischer, akustischer, oder über die Lichtlaufzeit definierter
Abstandsbestimmung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche zur Oberfläche erfolgen. Mittels solcher Verfahren kann der Abstand zwischen der Oberfläche und der Gas-Flüssigkeits- Grenzfläche ermittelt werden. Hierbei sind somit nicht die Filamente für die Messung entscheidend, sondern die Verformung der Grenzfläche selbst.
Erfindungsgemäß wird eine neue Verwendung von Oberflächen, die in der Lage sind, eine Gasschicht beispielsweise Luft, aber auch andere Gasgemische sowie reine Gase, zu halten, wenn sie unter eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, aber auch jede andere Flüssigkeit, getaucht werden, im Bereich der Sensorik bereitgestellt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft entsprechend die Verwendung eines Gegenstands mit einer Oberfläche, auf der Filamente angeordnet sind, von denen wenigstens ein Teil als erste Filamente ausgebildet sind, wobei durch die ersten Filamente auf der Oberfläche des Sensors eine Gasschicht und eine Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche ausgebildet werden wenn der Sensor in eine Flüssigkeit verbracht wird, als Sensor zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung. Die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche dient hierbei als Sensormembran.
Die Erfindung ist für jegliche Art, insbesondere hochempfindlicher, Unterwassersensoren geeignet, die Druckschwankungen im Wasser detektieren sollen, beispielsweise für
Hydrophone, Sonarsysteme, Drucksensoren für Flüssigkeitsanwendungen sowie
Strömungssensoren. Ebenfalls ist die Erfindung für Unterwassersensoren geeignet, die statische Drücke erfassen, und ist beispielsweise als Tiefenmesser verwendbar. Ein weiteres potentielles Anwendungsgebiet solcher gashaltenden Oberflächen ist der Schutz unter Flüssigkeit befindlicher Objekte vor Sonarortung. Die Gasschicht fungiert hier in zweifacher Hinsicht als Tarnung: zum einen wird ein Großteil der Energie durch die kompressible Gasschicht absorbiert. Zum anderen ist die Oberfläche der Gasschicht nicht glatt sondern zerklüftet, sodass der geringe reflektierte Anteil der Sonarwellen stark gestreut wird.
Zur Beschreibung der Filamente gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Verwendung wird auf die obigen Ausführungen zu den Filamenten verwiesen.
Eine Möglichkeit entsprechende Strukturen bzw. Filamente herzustellen, sind sogenannte Mikroreplikationsverfahren. Hierzu wird die Oberfläche eines Materials, das entsprechende Eigenschaften aufweist, mittels einer Abformmasse in ein Negativ überführt. Diese Form kann dann benutzt werden, um mittels eines flüssigen Kunststoffes, beispielsweise eines Kunstharzlackes, entsprechende Oberflächen herzustellen. In einer bevorzugten
Ausführungsform werden mehrere entsprechender Formen verwendet, um größere Flächen erhalten zu können. Besonders geeignet ist ein Verfahren, bei dem die Negativformen zu einer Walze zusammengesetzt werden. Auf diesem Wege kann die Herstellung kontinuierlich erfolgen, in dem eine aushärtbare Kunststoffmasse durch die Walze geführt wird. Direkt nach der Formung wird die Kunstharzmasse durch Strahlung beispielsweise Ultraviolettstrahlung, ausgehärtet und verbleibt dann in der durch die Form vorgegebenen Oberflächenstruktur. Bei einer nicht ausreichenden Hydrophobizität ist eine nachträgliche Hydrophobisierung beispielsweise mit fluorcarbonhaltigen Verbindungen, möglich.
Zur Herstellung hydrophiler Spitzen kann beispielsweise eine hydrophile Faser bis auf den Bereich der Spitze hydrophobisiert werden. Ferner kann eine hydrophobe Oberfläche in Wasser eingetaucht oder mit Wasser überzogen werden, wobei sich ein im Wasser befindliches hydrophiles Pulver bevorzugt an den Spitzen der Strukturen anlagert.
Beispiele und Figuren, die der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienen, sind nachstehend angegeben.
Hierbei zeigen die Figuren:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Figur 2 eine weitere Darstellung des in Figur 1 gezeigten Sensors.
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Figur 4 eine weitere Darstellung des in Figur 1 gezeigten Sensors.
Figur 5 eine weitere Darstellung des in Figur 1 gezeigten Sensors.
Figur 6 eine schematische Darstellung eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Figur 7 eine weitere Darstellung des in Figur 6 gezeigten Sensors.
Figur 8 eine schematische Darstellung einer kugelförmigen Ausführungsform eines
Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung.
Figur 9 eine schematische Darstellung einer kugelförmigen Ausführungsform eines
Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung mit
Kompartimentierung .
Figur 10 eine schematische Darstellung einer zylinderförmigen Ausführungsform eines
Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung.
Figur 11 eine schematische Darstellung einer zylinderförmigen Ausführungsform eines
Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung mit
Kompartimentierung. eine schematische Darstellung einer flächigen Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung.
eine schematische Darstellung einer flächigen Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung mit Kompartimentierung. eine schematische Darstellung zur Illustration der optischen Bestimmung der
Verformung eines Filaments über die Laufzeit eines Lichtstrahls.
eine schematische Darstellung zur Illustration der optischen Bestimmung der
Verformung eines Filaments über die Strahlverschiebung.
eine schematische Darstellung zur Illustration der Bestimmung der
Verformung eines Filaments mittels Dehnmessstreifen.
eine schematische Darstellung zur Illustration der Bestimmung der
Verformung eines Filaments mittels Induktion.
eine schematische Darstellung zur Illustration der Bestimmung der
Verformung eines Filaments mittels Kapazitätsänderung.
eine schematische Darstellung zur Illustration der Bestimmung der
Verformung eines piezoelektrischen Filaments.
eine schematische Darstellung zur Illustration der Druckbestimmung mittels eines Piezoelements.
eine schematische Darstellung zur Illustration einer optischen Bestimmung der Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche.
eine schematische Darstellung zur Illustration einer akustischen Bestimmung der Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche,
eine schematische Darstellung zur Illustration einer direkten optischen Bestimmung der Verformung der Filamente.
eine schematische Darstellung eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, eine weitere schematische Darstellung von Filamenten mit geschlossenen Hinterschneidungen . eine schematische Darstellung von Filamenten mit geschlossenen
Hinterschneidungen und hydrophilen Spitzen.
eine schematische Darstellung von spitz zulaufenden Filamenten.
eine schematische Darstellung von abgerundeten Filamenten.
eine schematische Darstellung von abgerundeten Filamenten mit hydrophilen
Enden.
eine schematische Darstellung von Filamenten mit abgeflachten Enden, eine schematische Darstellung von Filamenten mit abgeflachten und hydrophilen Enden.
eine schematische Darstellung einer Kombination von spitz zulaufenden
Filamenten und Filamenten mit geschlossenen Hinterschneidungen.
eine schematische Darstellung eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung, wobei jedes Filament Detektionsfunktion erfüllt.
eine schematische Darstellung einer flächigen Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung, wobei jedes Filament
Detektionsfunktion erfüllt.
eine schematische Darstellung eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung, wobei nur ein Filament Detektionsfunktion erfüllt, eine schematische Darstellung einer flächigen Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung, wobei mehrere Filamente Detektionsfunktion erfüllen.
eine schematische Darstellung einer flächigen Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung, wobei nur ein Filament Detektionsfunktion erfüllt.
eine schematische Darstellung einer flächigen Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung mit Kompartimentierung, wobei mehrere Filamente Detektionsfunktion erfüllen. Figur 39 eine schematische Darstellung einer flächigen Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung mit Kompartimentierung, wobei alle Filamente Detektionsfunktion erfüllen.
Figur 40 eine schematische Darstellung einer Kombination von spitz zulaufenden
Filamenten und Filamenten mit geschlossenen Hinterschneidungen sowie dritten Filamente.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung 1. Auf der Oberfläche 2 des Sensors 1 befinden sich Strukturen 4, durch die eine Gasschicht 6 auf der Oberfläche eingeschlossen wird, wenn der Sensor in eine Flüssigkeit wie Wasser verbracht wird. Die Struktur 4 stützt die sich an der Phasengrenze ausbildende Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche 8. Durch einen anliegenden Druck verschiebt sich die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche 8'. Die Gas-Flüssigkeits- Grenzfläche 8, 8' kann als Sensormembran dienen. Diese Ausführungsform ist insbesondere als Drucksensor geeignet.
Figur 2 zeigt eine weitere Darstellung des in Figur 1 gezeigten Sensors 1, bei der neben der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche 8 ebenfalls die Filamente 4' durch einen anliegenden Druck verformt sind. Die Verformbarkeit der Filamente 4, 4' wird durch deren Struktur mit einem Verhältnis von Durchmesser zu Länge zwischen 1 :10 und 1:40 bei eine Länge von 1 μιη bis
6000 μιη und insbesondere durch eine Elastizität von 10 4" N/m 2" bi ·s 101"2 N/m 2" zur Verfügung gestellt. Anhand dieses Sensors ist ein Verfahren zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung durchführbar. Durch Bestimmung der von der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche übertragenen Kräfte oder durch Bestimmung der Verformung der Strukturen oder der Verformung der Grenzfläche selbst kann der Druck bestimmt werden. Zur Bestimmung des Drucks kann die auf die Filamente wirkende Kraft, die Verformung der Filamente, und/oder die Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche bestimmt werden. Hierzu kann der Sensor geeignete Messeinheiten aufweisen. Figur 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung 1, der zusätzlich zweite Filamente 10 aufweist. Die Filamente 10 weisen etwa die doppelte Länge der Filamente 4 auf. Während die Oberfläche der Filamente 10 bis zur Höhe der ersten Filamente 4 wie diese hydrophob ist, sodass der Kontaktwinkel zwischen einem Filament und Wasser größer als 90° ist, ist der Bereich der Filamente 10, der über die Länge der ersten Filamente 4 hinausragt, hydrophil, wobei vorzugsweise der Kontaktwinkel zwischen dem Bereich und Wasser < 90° ist. Somit ragen die Filamente 10 durch die
Grenzfläche 8 hindurch in die umgebende Flüssigkeit, beispielsweise Wasser. Die Ausbildung der Gasschicht und der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche 8 wird hierdurch nicht gestört. Durch anströmende Flüssigkeit erfahren die Strukturen 10 eine Kraft, die zu ihrer Verformung 10' führt. Diese kann gemessen werden. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann durch Bestimmung der auf die Filamente 10 wirkenden Kraft oder durch Bestimmung der
Verformung der Strukturen 10 die Strömung der anströmenden Flüssigkeit bestimmt werden. Neben der Drucksensorik ist damit auch die Detektion von Strömungen möglich. Diese Ausführungsform ist als Druck- und Strömungssensor geeignet.
Figur 4 zeigt eine weitere Darstellung des in Figur 1 gezeigten Sensors, bei der die Gas- Flüssigkeits-Grenzfläche 8 durch eine lokale Druckschwankung teilweise zur Gas- Flüssigkeits-Grenzfläche 8' verschoben ist. Figur 5 zeigt eine Darstellung des in Figur 1 gezeigten Druck- und/oder Strömungssensors, bei der ebenfalls die Filamente 4' durch eine lokale Druckschwankung verformt sind. Einzelne Punkte der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche 8, 8' und die Verformung einzelner Filamente 4, 4' können unabhängig ausgelesen werden und eine genaue Ortsauflösung der Druckverteilung ermöglichen.
Figur 6 zeigt einen Sensor zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche 8 kontaktierende Bereich 12 der Filamente 4 hydrophil ist. Bei anliegendem Unterdruck dehnt sich das Volumen der Gasschicht 6 aus und die Grenzfläche 8' verschiebt sich. Durch die hydrophilen Stellen 12 bleibt der Kontakt zwischen der Flüssigkeit und den Filamenten 4 erhalten. Figur 7 zeigt eine Darstellung des in Figur 6 gezeigten Sensors bei einem höheren
anliegenden Unterdruck. Durch die hydrophilen Stellen 12 bleiben die Spitzen der Filamente weiterhin in Kontakt mit der Flüssigkeit. Durch eine Ausdehnung des Luftvolumens durch den höheren Unterdruck werden ebenfalls die Strukturen 4' in die Länge gezogen. Diese Deformation kann mit geeigneten Verfahren und Messeinheiten gemessen werden.
Hydrophile Stellen an den Spitzen der Strukturen erlauben einen erweiterten Messbereich für Unterdruck.
Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung einer kugelförmigen Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung 1, auf dessen Oberfläche Filamente 4 angeordnet sind. Eine Rundum- Anordnung der Strukturen erlaubt beispielsweise für
Sonaran Wendungen eine Rundumortung von Drücken und Druckschwankungen/- wellen. Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung einer kugelförmigen Ausführungsform eines Sensors 1 mit einer Kompartimentierung. Durch Begrenzungen 16 wird die Oberfläche des Sensors in einzelne Kompartimente 17 unterteilt. Die Kompartimente 17 bilden mit den enthaltenen Filamenten 4 jeweils voneinander unabhängige Sensormodule aus.
Figur 10 zeigt eine schematische Darstellung einer zylinderförmigen Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung, Figur 11 eine zylinderförmige Ausführungsform mit Kompartimentierung. Auch die Zylinderoberfläche kann dabei bei der in Figur 10 gezeigten Ausführungsform eine durchgehende Gasschicht ausbilden, oder wie in Figur 11 gezeigt einzelne Sensormodule 17, die voneinander unabhängig sind. Figur 12 zeigt eine schematische Darstellung einer flächigen Ausführungsform eines Sensors, Figur 13 eine flächige Ausführungsform mit Kompartimentierung. Die Oberfläche kann auch in diesen Ausführungsformen als Ganzes von einer Gasschicht überzogen werden (Figur 12) oder in einzelne Segmente 17 unterteilt sein (Figur 13). Dabei sind die Teilvolumina voneinander unabhängig und können jeweils separat ausgelesen werden. Die Figuren 14 bis 23 zeigen schematische Darstellungen zur Illustration beispielhafter Verfahren zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung durch einen erfindungsgemäßen Sensor, wobei man die auf die Filamente wirkende Kraft, die Verformung der Filamente, und/oder die Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche bestimmt. Die Figuren 14 und 15 illustrieren eine optische Bestimmung der Verformung eines
Filaments. Wie anhand der Figuren 14 und 15 illustriert wird, kann die Verformung eines Filaments über eine optische Bestimmung des Abstands zwischen der Spitze des Filaments und der Oberfläche bestimmt werden. Hierbei kann die Laufzeit, wie in Figur 14 gezeigt, oder die Position eines Lichtstrahls vermessen und somit der Abstand zwischen einem bestimmten Punkt des Filaments und der Oberfläche des Sensors bestimmt werden. Dieser steht direkt mit dem anliegenden Druck in Verbindung. Eine Spiegelfläche 24 an der Struktur reflektiert den emittierten Strahl 20 einer darunter befindlichen Lichtquelle 18 in einen Empfänger 22, beispielsweise eine Photodiode. Die Figur 14 illustriert, dass der Gangunterschied As über die Laufzeit des emittierten Strahls 20 und reflektierten Strahls 20' ermittelt wird. Die Figur 15 illustriert eine optische Bestimmung über die Strahlverschiebung As auf der Oberfläche.
Figur 16 illustriert schematisch die Bestimmung der Verformung über an den Filamenten angebrachten Dehnmessstreifen. Dehnmesstreifen 26 können direkt an den Strukturen angebracht werden und somit der Grad der Deformation ermittelt werden. Diese hängt direkt vom anliegenden Druck ab.
Die Bestimmung der Verformung eines Filaments kann auch über Messung eines induzierten magnetischen Flusses zwischen einem bestimmten Punkt des Filaments und der Oberfläche des Sensors erfolgen. Eine solche Bestimmung mittels Magnetismus bzw. Induktion ist in Figur 17 illustriert. Eine Leiterschleife 28 ist auf der Oberfläche des Sensors verbaut und ein Magnet 30 an der Spitze des Filaments. Bei einer Druckinduzierten Änderung des Abstands ändert sich der magnetische Fluss, wodurch der Höhenunterschied As bzw. der Grad der Deformation der Strukturen ermittelt werden kann.
Figur 18 illustriert schematisch die Bestimmung der Verformung über die Messung einer Kapazitätsänderung zwischen einem bestimmten Punkt des Filaments und der Oberfläche des Sensors. Hierzu ist jeweils eine Leiterplatte 32 auf der Oberfläche des Sensors und an einem Filament verbaut. Bei einer Änderung des Abstands durch eine Deformation der Struktur ändert sich die Kapazität zwischen den beiden und der Höhenunterschied Ad kann bestimmt werden.
Figur 19 illustriert die Bestimmung der Verformung der Filamente über ein piezoelektrisches Filament. Hierbei wird die Messeinheit durch ein aus einem piezoelektrischen Material ausgebildeten Filament 4 ausgebildet.
Figur 20 illustriert die Bestimmung der auf die Filamente wirkenden Kraft über einen
Kraftsensor. Als Messeinheit ist ein Piezoelement 34 als Kraftsensor in die mit der Oberfläche verbundene Stirnseite des Filaments eingebaut.
Die Figuren 21 und 22 illustrieren die Bestimmung der Verformung der Gas-Flüssigkeits- Grenzfläche durch Bestimmung des Abstands der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche zur
Oberfläche des Sensors. Dieser kann optisch beispielsweise über die Lichtlaufzeit ermittelt werden. Wie in Figur 21 gezeigt ist, umfasst die Messeinheit eine Lichtquelle 18 als Sender und einen Empfänger 22 für ein optisches Signal auf der Oberfläche des Sensors. Der emittierte Strahl 20 wird an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche 8 bzw. 8' reflektiert. Der Gangunterschied As des emittierten Strahls 20 und reflektierten Strahls 20' wird ermittelt. Wie die Figur 22 illustriert, kann auch der Laufzeitunterschied As eines an der Gas-Flüssigkeits- Grenzfläche 8 bzw. 8' reflektierten akustischen Signals eines Senders 36 über einen
Empfänger 38 detektiert und damit die Verformung der Grenzfläche akustisch erfasst werden. Figur 23 illustriert eine direkte optische Bestimmung der Verformung der Filamente. Die Messeinheit bildet ein optisches Aufnahmegerät beispielsweise eine Kamera 40, die die Verformung der Strukturen durch Videoaufnahmen, Fotoaufnahmen etc. ermittelt.
Die Figuren 24 bis 26 zeigen Ausführungsformen eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung 1 mit Filamenten mit geschlossenen Hinterschneidungen. Wie die Figur 24 zeigt, weisen die Filamente einen an die Oberfläche des Sensors angrenzenden starren Bereich 15 und einen an die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche 8 angrenzenden Bereich mit geschlossenen Hinterschneidungen 14 auf. Wie die Figur 25 zeigt, geben bei derartigen Filamenten mit starrem Strukturstiel 15 und elastischen geschlossenen Hinterschneidungen 14 an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche lediglich die elastischen Hinterschneidungen 14' bei Druck auf die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche 8 bzw. 8' durch Verformung nach. Die
Verformung kann wie anhand der Figuren 14 bis 20 illustriert bestimmt werden. Wie die Figur 26 zeigt, können die Filamente mit geschlossenen Hinterschneidungen 14 auch hydrophilen Spitzen 12 aufweisen.
Die Figuren 27 bis 31 zeigen schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen möglicher Formen der Filamente. Figur 27 zeigt spitz zulaufende Filamente 4, Figur 28 abgerundete Filamente 4, Figur 29 abgerundete Filamente 4 mit hydrophilen Enden 12, Figur 30 Filamente 4 mit abgeflachten Enden, und Figur 31 Filamente 4 mit abgeflachten und hydrophilen Enden 12. Auch Kombinationen verschieden geformter Strukturen sind möglich. Figur 32 zeigt eine Kombination von spitz zulaufenden Filamenten 4 und Filamenten mit geschlossenen Hinterschneidungen 14. Figur 33 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung 1, wobei jedes der Filament 4 ein Piezoelement 34 als Kraftsensor in der mit der Oberfläche verbundene Stirnseite des Filaments enthält. Damit kann jedes der Filamente 4 zur Bestimmung der auf die Filamente wirkenden Kraft dienen und damit eine Detektionsfunktion erfüllen. Figur 34 zeigt eine schematische Darstellung einer flächigen Ausführungsform eines Sensors 1, wobei jedes Filament 4 zur Detektion dient.
Figur 35 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung 1, wobei nur ein Filament 4 ein Piezoelement 34 als Kraftsensor in der mit der Oberfläche verbundene Stirnseite des Filaments enthält. Damit dient ein Filament 4 zur Bestimmung der auf die Filamente wirkenden Kraft. Die weiteren Filamente dienen lediglich der Ausbildung und Aufrechterhaltung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche. Figur 36 zeigt eine schematische Darstellung einer flächigen Ausführungsform eines Sensors 1, wobei mehrere nicht ausgefüllt dargestellte Filament 4 zur Detektion dienen, während die ausgefüllt dargestellten Strukturen 4 lediglich als Stützen für die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche dienen und die Gasschicht aufrecht erhalten.
Figur 37 zeigt eine flächige Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung 1, wobei die Sensorfläche als eine gesamte Sensorfläche mit nur einem nicht ausgefüllt dargestellten Filament 4 zur Druckbestimmung ausgeführt ist, während die ausgefüllt dargestellten Strukturen 4 lediglich als Stützen für die Gas-Flüssigkeits- Grenzfläche dienen und die Gasschicht aufrecht erhalten.
Die Figuren 38 und 39 zeigen eine flächige Ausführungsform eines Sensors zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung 1 mit einer Kompartimentierung, wobei durch Begrenzungen 16 die Oberfläche des Sensors in einzelne Kompartimente 17 unterteilt ist. Die
Kompartimente 17 bilden mit den enthaltenen Filamenten 4 jeweils voneinander unabhängige Sensormodule mit getrennten Gasvolumina aus. Hierbei kann wie in Figur 38 dargestellt pro Kompartiment 17 nur ein nicht ausgefüllt dargestelltes Filament 4 zur Druckbestimmung ausgeführt sein, oder wie in Figur 39 dargestellt alle Filamente 4 Detektionsfunktion erfüllen.
Die Figur 40 zeigt eine schematische Darstellung einer Kombination von spitz zulaufenden Filamenten 4 und Filamenten mit geschlossenen Hinterschneidungen 14 sowie dritten Filamenten 42.
Ausführungsbeispiel
Zur Herstellung einer unter Wasser lufthaltenden Oberfläche wurde eine Lochmaske aus Plexiglas mit Silikon gefüllt und so eine mit zylindrischen, ca. 2 mm langen ersten Filamenten besetzte Oberfläche erstellt. Diese wurde anschließend in einem druckstabilen Gefäß unter Wasser gebracht. Das Gefäß wurde sodann an einen Blasebalg und ein Druckmessgerät angeschlossen. Die von der Oberfläche gehaltene Luftschicht wurde mittels eines
Digitalmikroskops beobachtet. Das Gefäß wurde mit Druck beaufschlagt und das Verhalten der Strukturen beobachtet. Es zeigte sich, dass sich die Filamente aufgrund der von der Grenzfläche auf die Filamente übertragenen Kräfte, abhängig vom angelegten Druck verbogen. Die Verformung wurde anhand der Bilder eines Mikroskops analysiert. Dies zeigt die Bestimmbarkeit des Drucks durch die Verformung der Filamente gemäß dem
vorgeschlagenen Sensorprinzip.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Sensor zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung, wobei der Sensor eine Oberfläche (2) aufweist, auf der Filamente (4, 10, 42) angeordnet sind, von denen wenigstens ein Teil als erste Filamente (4) ausgebildet sind, wobei durch die ersten Filamente (4) auf der Oberfläche (2) des Sensors eine Gasschicht (6) und eine Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche (8) ausgebildet werden wenn der Sensor in eine Flüssigkeit verbracht wird, wobei die Gas- Flüssigkeits-Grenzfläche (8) als Sensormembran dient und der Sensor wenigstens eine Messeinheit aufweist zur Bestimmung
- einer auf wenigstens eines der Filamente (4, 10) wirkenden Kraft,
- der Verformung wenigstens eines der Filamente (4, 10), und/oder
- der Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche (8).
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Messeinheit zur Bestimmung der auf wenigstens eines der Filamente wirkenden Kraft ein Kraftsensor (34) ist, und/oder
- die Messeinheit zur Bestimmung der Verformung wenigstens eines der Filamente eine optische Einheit umfassend eine Lichtquelle (18) und eine Photodiode (22) auf der Oberfläche (2) des Sensors und eine Spiegelfläche (24) an einem Filament (4) umfasst, einen
Dehnmessstreifen (26) an einem Filament, eine Leiterschleife (28) auf der Oberfläche (2) des Sensors oder im Filament (4) und einen Magneten (30) an der entsprechend
entgegengesetzten Komponente, jeweils eine Leiterplatte (32) auf der Oberfläche (2) des Sensors und an einem Filament (4), oder ein optisches Aufnahmegerät (40) umfasst, oder durch ein aus einem piezoelektrischen Material ausgebildetes Filament ausgebildet wird, und/oder
- die Messeinheit zur Bestimmung der Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche einen Sender (36) und einen Empfänger (38) für ein optisches oder akustisches Signal auf der Oberfläche (2) des Sensors oder ein optisches Aufnahmegerät umfasst.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Filamente (4, 10, 42) einen an die Oberfläche des Sensors angrenzenden starren Bereich (15) und einen an die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche angrenzenden Bereich mit geschlossenen Hinterschneidungen (14) aufweist.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche kontaktierender Bereich (12) der Filamente amphiphil ist, wobei vorzugsweise der Kontaktwinkel zwischen dem Bereich und der Flüssigkeit, insbesondere Wasser < 90° ist.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) zweite Filamente (10) aufweist, die in dem Bereich, der über die Länge der ersten Filamente (4) hinausragt, amphiphil sind.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erstes und/oder zweites Filament, oder mehrere erste und/oder zweite
Filamente, oder jedes erste und/oder zweite Filament zur Bestimmung der auf die Filamente wirkenden Kraft oder der Verformung der Filamente dient.
7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Sensors in einzelne Kompartimente (17) unterteilt ist.
8. Verfahren zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung, wobei man einen Sensor zur Verfügung stellt, der eine Oberfläche aufweist, auf der Filamente angeordnet sind, von denen wenigstens ein Teil als erste Filamente ausgebildet sind, wobei durch die ersten Filamente auf der Oberfläche des Sensors eine Gasschicht und eine Gas-Flüssigkeits- Grenzfläche ausgebildet werden wenn der Sensor in eine Flüssigkeit verbracht wird, wobei die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche als Sensormembran dient und wobei man
- eine auf wenigstens eines der Filamente wirkenden Kraft,
- die Verformung wenigstens eines der Filamente, und/oder
- die Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche
bestimmt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man
- die auf wenigstens eines der Filamente wirkende Kraft über einen Kraftsensor bestimmt, - die Verformung wenigstens eines der Filamente über eine optische Bestimmung des
Abstands zwischen einem bestimmten Punkt des Filaments und der Oberfläche des Sensors, über an den Filamenten angebrachten Dehnmessstreifen, über Messung eines induzierten magnetischen Flusses zwischen einem bestimmten Punkt des Filaments und der Oberfläche des Sensors, über Messung einer Kapazitätsänderung zwischen einem bestimmten Punkt des Filaments und der Oberfläche des Sensors, über eine optische Bestimmung der Verformung, oder über ein piezoelektrisches Filament bestimmt, und/oder
- die Verformung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche durch Bestimmung des Abstands der Gas- Flüssigkeits-Grenzfläche zur Oberfläche des Sensors über eine optische Bestimmung der Verformung bestimmt.
10. Verwendung eines Gegenstands mit einer Oberfläche, auf der Filamente angeordnet sind, von denen wenigstens ein Teil als erste Filamente ausgebildet sind, wobei durch die ersten Filamente auf der Oberfläche des Sensors eine Gasschicht und eine Gas-Flüssigkeits- Grenzfläche ausgebildet werden wenn der Sensor in eine Flüssigkeit verbracht wird, als Sensor zur Bestimmung von Druck und/oder Strömung.
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