Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und der Fertigungs technik sowie der Messtechnik und befasst sich konkret mit der Konstruktion und Herstellung von Sensoren. Im Besonderen werden dabei drucksensitive Sensoren mit hoher Ortsauflösung betrachtet.

Taktile Sensoren sind grundsätzlich in verschiedenen Aufbauarten bekannt. Oft werden beispielsweise Dehnungsmessstreifen oder piezokeramische oder piezoresistive Sensormaterialien sowie kapazitive oder induktive Senso ren eingesetzt und mittels geeigneter Zuleitungen kontaktiert. Dabei haben die Sensoren häufig einen matrixartigen Aufbaumit flächenhaft verteilten Sensorelementen. Bekannt sind vor allem Aufbauten mit auf die Deckschicht aufgedruckten Zuleitungen. Diese lassen sich jedoch aufgrund der Haftbarkeit nur eingeschränkt auf Deckmaterialien anbringen. Deshalb ist eine thermische Versiegelung häufig nicht möglich. Zudem können Zuleitungen bei sehr starken Verbiegungen, insbesondere bei dynamischer Beanspruchung, bre chen und somit den Sensor zerstören.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, vor dem Hintergrund des Standes der Technik einen ortsauflösenden taktilen Sensor zu schaffen, der mechanisch flexibel, einfach herstellbar, bezüglich des Designs nicht festgelegt und dabei mit einer potenziell hohen Ortsauflösung versehen ist.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Herstellungsverfahren, das eine einfache und kostengünstige Herstellung solcher Sensoren mit hoher Qualität und Standzeit ermöglicht.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einem ortsauflösenden taktilen Sensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die von diesem Anspruch abhängigen Patentansprüche zeigen mögliche Implementierungen und Erweiterungen eines solchen Sensors auf. Weiter wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Die von diesem Anspruch abhängigen Unteransprüche zeigen mögliche Implementierungen eines solchen Verfahrens auf.

Die Erfindung bezieht sich somit konkret auf einen ortsauflösenden taktilen Sensor mit einer ersten thermoplastischen Deckschicht und mit einer zweiten thermoplastischen Deckschicht, die wenigstens abschnittsweise parallel zur ersten thermoplastischen Deckschicht angeordnet ist, wobei zwischen den beiden Deckschichten eine Sensoranordnung angeordnet ist, wobei die Sensoranordnung wenigstens eine erste strukturierte Leiterschicht aufweist, die mit der ersten Deckschicht stoffschlüssig verbunden ist, und wobei die Sensoranordnung eine an der ersten Leiterschicht elektrisch kontaktierend anliegende, ein Sensormaterial aufweisende, insbesondere strukturierte Sensorschicht aufweist, deren elektrische Eigenschaften von einer lokal auf das Sensormaterial ausgeübten Druckkraft abhängig sind, und wobei die zweite Deckschicht ebenso wie die erste Deckschicht mit der Sensoranord nung stoffschlüssig verbunden ist.

Die Deckschicht besteht dabei vorteilhaft vollständig aus einem thermoplasti schen Material, das auch verschweißbar ist. Die Sensorschicht kann wie erwähnt strukturiert, jedoch auch nicht strukturiert / unstrukturiert und homogen ausgeführt sein.

Um einen möglichst dünnen und flexiblen taktilen Sensor zu ermöglichen, werden sowohl die Deckschichten als auch die erste Leiterschicht und die Sensorschicht möglichst dünn ausgeführt. Die Ausführung der Deckschichten als thermoplastische Schichten ermöglicht eine thermoplastische Ver schweißung oder Verklebung der Deckschichten mit der Sensoranordnung, wobei gleichzeitig in dem Bereich um die Sensoranordnung herum die beiden Deckschichten miteinander verschweißt werden können, wobei die Kontur des Sensors vorteilhaft erhalten bleibt, um eine insgesamt hermetisch abge schlossene Anordnung zu bilden. Das thermoplastische Material der Deck schichten kann bei der thermoplastischen Verformung auch in freie Bereiche zwischen einzelnen Leiterbahnen einer Leiterschicht eindringen, so dass die Leiterbahnen sehr gut und zuverlässig und mit einer zuverlässigen elektri schen Isolation gegeneinander fixiert sind. Damit lässt sich eine sehr feine Verteilung der Leiterbahnen und damit eine hohe Ortsauflösung bei unver minderter Zuverlässigkeit erreichen.

Die feste Leiterschicht dient dazu, elektrische Signale oder Kenngrößen oder Parameter, die von der Sensorschicht erzeugt oder modifiziert werden oder die einen lokalen Bereich der Sensorschicht charakterisieren, abzugreifen und an eine Auswerteelektronik zu leiten. Die drucksensitive Sensorschicht ist üblicherweise elektrisch leitend ausgebildet, wobei der Widerstand der Sensorschicht gegenüber der Leiterschicht, die zumeist in mehreren von einander getrennten Leiterbahnen ausgeführt ist, üblicherweise deutlich größer ist. Die verschiedenen Leiterbahnen der ersten Leiterschicht kommen an unterschiedlichen Stellen der Sensorschicht mit dieser in Berührung, so dass elektrische Signale von verschiedenen Stellen der Sensorschicht abge griffen und unterschieden werden können.

Eine Ausgestaltung der Erfindung kann dabei vorsehen, dass die Sensor anordnung eine zweite strukturierte Leiterschicht aufweist, die wenigstens abschnittsweise parallel zu der ersten strukturierten Leiterschicht angeordnet ist, derart, dass die Sensorschicht zwischen der ersten und der zweiten strukturierten Leiterschicht parallel zu diesen angeordnet und mit den beiden Leiterschichten jeweils elektrisch kontaktiert ist.

Bei einer Anordnung, bei der die Sensorschicht zwischen einer ersten und einer zweiten Leiterschicht angeordnet ist, können beispielsweise an ver schiedenen Punkten der Sensorschicht elektrische Spannungen oder Ströme oder Stromstärken zwischen Leiterbahnen oder Anschlüssen der ersten und der zweiten Leiterschicht gemessen werden. Die Verteilung der Leiterbahnen der ersten und der zweiten Leiterschicht kann unterschiedlich sein, so dass jeweils an den Kreuzungspunkten von Leiterbahnen der unterschiedlichen Leiterschichten an verschiedenen Punkten der Sensorschicht Signale abge griffen und jeweils dem Messpunkt zugeordnet werden können. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Leiterbahnen oder Gruppen von Leiterbahnen der ersten Leiterschicht sich mit Leiterbahnen der zweiten Leiterschicht kreuzen, insbesondere orthogonal.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die stoffschlüssige Verbindung der Deckschichten mit der Sensoranordnung durch Wärme- und/oder Druckeinwirkung auf wenigstens eine Deckschicht erzeugt ist.

Da die Deckschichten aus einem thermoplastischen Material bestehen, kann dieses üblicherweise durch Wärmeeintrag/Erhitzung über einen Fließpunkt und/oder durch Druckeinwirkung dauerhaft verformt werden. Damit gelingt ein Verschweißen der Deckschichten miteinander und mit den Leiterschich ten, die zwischen ihnen angeordnet sind, oder mit der Sensoranordnung. Der Sensor behält damit selbst bei sehr starken Verformungen, wie mehrfacher Biegung und Verdrehung, noch seine Funktionsfähigkeit bei.

Die Erfindung kann außerdem dadurch ausgestaltet werden, dass die stoff schlüssige Verbindung wenigstens einer der Deckschichten mit der Sensor anordnung durch eine Klebeschicht auf wenigstens einer Deckschicht her gestellt ist. Eine solche Klebeschicht kann beispielsweise durch ein doppel seitiges Klebeband oder durch einen auf eine Deckschicht oder eine Leiter schicht in flüssiger oder pastöser Form aufgetragenen Kleber verwirklicht sein. Auf eine solche Klebeschicht kann in einem ersten Schritt eine Leiterschicht aufgebracht werden, und danach kann die so entstandene Einheit mit den übrigen Teilen des Sensors, also mit der Sensorschicht, gegebenenfalls einer zweiten Leiterschicht und einer zweiten Deckschicht zusammengefügt wer den. Zum Verfahren der Herstellung eines Sensors sind weiter unten noch genauere Einzelheiten erläutert.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die erste und/oder die zweite Leiterschicht wenigstens teilweise als textile Leiterschicht ausgebildet ist. Die Ausbildung einer Leiterschicht als textile Leiterschicht ermöglicht eine sehr hohe Beweglichkeit der Leiterschicht, ohne dass die Gefahr einer Materialermüdung besteht. Grundsätzlich ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch die Ausbildung einer Leiterschicht als dünne, gedruckte, massive Leiterschicht denkbar, jedoch wird mit einer textilen Leiterschicht eine höhere mechanische Flexibilität und Biegbarkeit des Sensors bei gleicher Standzeit erreicht.

Eine textile Leiterschicht kann beispielsweise aus einem Geflecht von leiten den Fasern oder einem Geflecht von leitenden und nicht elektrisch leitenden Fasern bestehen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die erste und die zweite Deckschicht in einem oder mehreren Versiegelungsabschnitten unmittelbar miteinander stoffschlüssig verbunden, insbesondere verschweißt oder verklebt sind. Es bildet einen großen Vorteil bei der beschriebenen Materialwahl der Deckschichten, dass diese sowohl mit der Sensoranordnung, beispielsweise unmittelbar mit den elektrischen Leiterschichten, als auch unmittelbar miteinander verbunden werden können. Damit ist ein guter mechanischer Zusammenhalt des Sensors gewährleistet, wobei die Deck schichten auch so miteinander verbunden werden können, dass sie den Sensor rundum fluiddicht, beispielsweise auch luftdicht, abschließen. Dies schützt den Sensor zusätzlich vor äußeren Alterungserscheinungen durch Korrosion und damit einem Sensitivitätsverlust.

Es kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zudem vorgesehen sein, dass das Sensormaterial ein piezoresistives Material ist. Damit kann an den Leiterbahnen der beiden Leiterschichten, die jeweils mit Abschnitten der Sensorschicht verbunden sind, anhand der Änderung des elektrischen Wider stands der Druck auf den entsprechenden Bereich der Sensorschicht gemes sen werden. Alternativ kann auch ein piezokeramisches Material verwendet werden, das eine Piezospannung bei Druckeinwirkung erzeugt, so dass mittels der Leiterbahnen bei Druckbelastung ein Spannungssignal ortsabhängig abgegriffen werden kann. Mit einem dielektrischen Material kann auch ein kapazitiver Sensor aufgebaut werden.

Die Erfindung bezieht sich außer auf einen Sensor der oben erläuterten Art auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines ortsauflösenden taktilen Sensors mit einer ersten thermoplastischen Deckschicht und mit einer zweiten thermoplastischen Deckschicht und mit einer zwischen den beiden Deck schichten angeordneten und versiegelten Sensoranordnung, die wenigstens eine erste strukturierte Leiterschicht sowie eine an der ersten Leiterschicht elektrisch kontaktierend anliegende, ein Sensormaterial aufweisende Sensor schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine vollflächige textile Leiterschicht mit einer selbsttragenden Unterlage stoffschlüssig verbunden wird, dass darauf zur Herstellung der strukturierten ersten Leiterschicht aus der vollflächigen Leiterschicht ein Muster von Leiterbahnen ausgeschnitten sowie der Rest der Leiterschicht entfernt wird und dass die strukturierte erste Leiterschicht mit der Unterlage einerseits und die Sensorschicht andererseits zusammengefügt und beide gemeinsam zwischen der ersten und der zweiten Deckschicht durch Wärmeeinwirkung und/oder durch Druckeinwirkung versiegelt werden.

Bei dem beschriebenen Herstellungsverfahren besteht insbesondere bei der Gestaltung der ersten Leiterschicht der Vorteil, dass diese vor dem Ausschneiden von Leiterbahnen auf einer selbsttragenden Unterlage (z. B. doppelseitigem Klebeband) fixiert werden kann und auf dieser Unterlage auch während des weiteren Zusammenfügens des Sensors verbleiben kann. Wenn für die Herstellung des Sensors dünne Leiterschichten verwendet werden, dann weisen die entsprechenden Leiterbahnen, im Vergleich zu der selbst tragenden Unterlage, nur eine sehr geringe Steifigkeit auf. Durch das Fest legen auf einer selbsttragenden Unterlage werden die Leiterbahnen zuver lässig in einem Abstand voneinander angeordnet und fixiert, so dass ihre elektrische Isolierung gegeneinander sichergestellt werden kann. Damit können für einen Sensor der erläuterten Art bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren sehr dünne Leiterschichten verwendet werden. Wird dann eine oder mehrere Leiterschichten gemeinsam mit einer Sensorschicht zwischen den thermoplastischen Deckschichten fixiert, ist auch bei mehrfa chem Biegen oder Bewegen des Sensors keine Bewegung der Leiterbahnen gegeneinander zu befürchten. Als selbsttragende Unterlage können alle Körper verwendet werden, die unabhängig von anderen Körpern und ohne weitere Unterstützung gehandhabt werden können, wie z. B. Textilien, flache Gegenstände, Platten, Blätter und Ähnliches.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass die selbsttragende Unterlage durch die erste Deckschicht oder durch die mit einer Klebeschicht beschichtete erste Deckschicht oder durch eine doppelseitig klebende Klebeschicht (doppelseitig klebendes Klebeband) gebildet ist. Die erste Leiterschicht kann also nicht nur unmittelbar auf der ersten Deckschicht fixiert, sondern auf dieser auch mittels einer Klebeschicht befestigt werden, die entweder als doppelseitiges Klebeband oder als aufgetragener flüssiger oder pastöser Kleber ausgestaltet sein kann. Wird die erste Leiterschicht unmittelbar an der ersten Deckschicht befestigt, so kann dies durch ein thermoplastisches Verschmelzen geschehen, wodurch die erste Leiterschicht unmittelbar mit der ersten Deckschicht, insbesondere konturschlüssig, verbunden wird.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vor sehen, dass entweder die selbsttragende Unterlage gemeinsam mit der ersten Leiterschicht durchtrennt und bis auf die stehenbleibenden Leiterbahnen entfernt wird oder dass die erste Leiterschicht auf der selbsttragenden Unterlage separat durchtrennt wird und dass ausgeschnittene Teilflächen der ersten Leiterschicht von der Unterlage entfernt werden, während die Unter lage sowie andere Teilflächen der Leiterschicht als strukturierte Leiterschicht stehenbleiben. Es entsteht dadurch eine sandwichartige Struktur mit zwei Schichten, nämlich der ersten Leiterschicht und der diese tragenden Unterla ge, wobei die Unterlage als reine Klebeschicht oder als Deckschicht ausgebil det sein kann. Weiter kann eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor sehen, dass die textile Leiterschicht durch Laserschneiden oder mittels eines Schneidplotters geschnitten wird. Denkbar sind auch Verfahren wie Stanzen, Wasserstrahlschneiden, Ätzen oder andere abtragende Verfahren.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die strukturierte erste Leiterschicht mit der Unterlage sowie die Sensorschicht mit einer zweiten Leiterschicht zusammengefügt und diese Schichten gemeinsam zwischen der ersten und der zweiten Deckschicht durch Wärmeeinwirkung und/oder durch Druckeinwirkung versiegelt werden. Die Versiegelung des Sensors zwischen den Deckschichten stellt eine besonders einfache Methode zum Zusammenbau dar, die gleichzeitig die Dichtigkeit gegenüber Fluiden, also insbesondere Feuchtigkeit, aber auch Gasen, herstellt. Da die thermo plastischen Deckschichten sowohl aneinander als auch an der Sensoranord nung haften, wird insgesamt ein guter Zusammenhalt gewährleistet.

Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die zweite Leiterschicht vor dem Zusammenfügen mit der ersten Leiterschicht und der Sensorschicht auf dieselbe Weise wie die erste Leiterschicht strukturiert wird. Damit lassen sich auch komplizierte Sensoranordnungen realisieren, die über matrixartige Kreuzungspunkte der Leiterbahnen von zwei Leiterschichten die Zuordnung von matrixartig verteilten Flächenbereichen der Sensorschicht zu den einzel nen Leiterbahnen erlauben. Die Leiterbahnen der verschiedenen Leiterschich ten können dabei orthogonal oder auch in einem anderen Winkel als 90° zueinander verlaufen. Die Leiterbahnen können jedoch auch ganz oder abschnittsweise gekrümmt verlaufen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann zudem vorsehen, dass die thermo plastische Verformung der Deckschichten so weit geführt wird, dass in die Bereiche der Sensoranordnung, die zwischen den Leiterbahnen der ersten und/oder zweiten Leiterschicht liegen, thermoplastisches Material von wenigstens einer Deckschicht oder auch ein Kleber gelangt. Damit wird nicht nur eine mechanische Fixierung des Sensors, sondern auch eine zuverlässige Festlegung einzelner Leiterbahnen und deren elektrische Isolation gegenei nander sichergestellt. Außerdem wird die Wahrscheinlichkeit von Luft- und Feuchtigkeitseinschlüssen zwischen den Deckschichten minimiert. Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die erste und die zweite Deckschicht in einem die Sensoranordnung umgebenden Randflächenbereich miteinander thermoplastisch verschweißt oder verklebt werden. Hierdurch kann ein fluiddichter Abschluss des Sensors in seinem äußeren Randbereich erreicht werden.

Es kann zudem vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Deckschicht außer in dem Randflächenbereich zusätzlich in einem oder mehreren Zwischenbereichen, in denen die Sensoranordnung durchgehende Öffnungen aufweist, miteinander thermoplastisch verschweißt oder verklebt werden. Hierdurch ergibt sich eine weitere Auffüllung von Hohlräumen innerhalb der Sensoranordnung durch den Thermoplasten oder einen Kleber und damit ein festerer Zusammenhalt des Sensors sowie die zuverlässige Füllung von Hohlräumen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine erste Anordnung eines Sensors im Querschnitt,

Fig. 2 eine zweite Anordnung eines Sensors im Querschnitt,

Fig. 3 eine dritte Anordnung eines Sensors im Querschnitt,

Fig. 4 eine vierte Anordnung eines Sensors im Querschnitt,

Fig. 5 eine Ansicht von Leiterbahnen einer ersten Leiterschicht,

Fig. 6 eine Ansicht von Leiterbahnen einer zweiten Leiterschicht,

Fig. 7 eine Ansicht einer Sensoranordnung mit einer ersten Leiter schicht, einer zweiten Leiterschicht und einer Sensorschicht sowie Fig. 8 eine Ansicht einer Sensoranordnung, bei der die Leiterbahnen der verschiedenen Leiterschichten einander orthogonal kreu zen.

In Figur 1 ist im Querschnitt eine Schichtenabfolge eines ortsauflösenden taktilen Sensors gezeigt, wobei von oben nach unten folgende Schichten aufeinander folgen: Mit 1 ist die erste thermoplastische Deckschicht bezeich net; 6 bezeichnet eine Klebeschicht, die gemeinsam mit der ersten Leiter schicht 3 strukturiert ist. Als mittlere Schicht in dem Sensor ist die Sensor schicht 4 angeordnet. Unterhalb der Mitte wiederholt sich die Struktur in spiegelverkehrter Reihenfolge, wobei 5 die strukturierte Leiterschicht, 7 die ebenfalls strukturierte Klebeschicht und 2 die zweite thermoplastische Deck schicht bezeichnet. Die Querschnittdarstellung der Figur 1 ebenso wie der folgenden Figuren zeigt die einzelnen Elemente des Sensors in auseinander gezogener, nicht maßstabsgetreuer Darstellung und vor dem Verbinden der beiden Deckschichten 1, 2.

In Figur 2 ist eine Variante des Sensors dargestellt, bei der auf der ersten Deckschicht 1 eine durchgehende Klebeschicht 6 angeordnet ist, auf welcher die strukturierte erste Leiterschicht 3 befestigt ist. In der Mitte des Sensors befindet sich wieder eine Sensorschicht 4, gefolgt von einer zweiten struktu rierten Leiterschicht 5, einer durchgehenden Klebeschicht 7 und der zweiten thermoplastischen Deckschicht 2. Die dargestellte Leiterbahn der zweiten Leiterschicht 5 verläuft parallel zur Zeichenebene, während die Leiterbahnen der ersten Leiterschicht die Zeichenebene in der Figur 2 kreuzen.

Figur 3 zeigt eine ähnliche Struktur wie Figur 2, wobei zudem die Sensor schicht 4 strukturiert ist, derart, dass sie in einzelne Abschnitte geteilt ist. Die einzelnen Abschnitte können als Streifen oder quadratische oder runde Felder geformt sein.

Figur 4 zeigt eine einfache Ausbildung eines Sensors mit einer ersten und einer zweiten Deckschicht 1, 2, wobei auf der ersten Deckschicht 1 eine Klebeschicht 6 und auf dieser eine strukturierte erste Leiterschicht 3 ange ordnet ist. Der strukturierten ersten Leiterschicht 3 benachbart ist eine Sensorschicht 4 angeordnet, auf die unmittelbar eine zweite thermoplastische Deckschicht 2 folgt.

Bei der Betrachtung der Figuren 1 bis 4 ist zusätzlich zu bedenken, dass die Klebeschichten 6, 7 zwischen den thermoplastischen Deckschichten 1, 2 und den Leiterschichten 3, 5 auch weggelassen sein können, wenn die Leiter schichten 3, 5 unmittelbar an den thermoplastischen Deckschichten 1, 2 haften. Dies kann beispielsweise durch anfängliches Verpressen oder teil weises Aufschmelzen der thermoplastischen Deckschichten in Kontakt mit den Leiterschichten 3, 5 bewirkt werden.

In Figur 5 ist eine Draufsicht auf die strukturierte erste Leiterschicht 3 gezeigt. Diese gliedert sich auf in Zuleitungen 3a und ein rundes, in Sektoren aufgeteil tes Feld von Sensorelektroden 3b.

Figur 6 zeigt in einer Draufsicht die zweite strukturierte Leiterschicht 5, die sich aufteilt in Zuleitungen 5a und ein Feld von konzentrischen Ringen 5b, die ihrerseits Sensorelektroden bilden.

In Figur 7 ist in einer Draufsicht die Sensoranordnung gezeigt, wobei die übereinanderliegenden Leiterschichten 3, 5 erkennbar sind. Zwischen diesen ist eine Sensorschicht 4 angeordnet, und die Leiterschichten sind außen zwischen zwei optisch transparenten thermoplastischen Deckschichten eingeschlossen und verpresst und/oder verschweißt und in einem Rand bereich entlang der gestrichelten Linie 10 versiegelt.

Figur 8 zeigt eine Draufsicht einer Sensoranordnung, bei der die Leiterbahnen verschiedener Leiterschichten einander orthogonal kreuzen.

Der erfindungsgemäße taktile Sensor ist somit einfach herstellbar, hermetisch versiegelt und unter anderem durch die Verwendung von thermoplastischen Deckschichten sehr stabil, so dass eine gegenseitige Kontaktierung von Zu leitungen 3a, 5a und von Kontaktelektroden 3b, 5b der Leiterschichten trotz feiner Strukturierung ausgeschlossen werden kann. Der Sensor ist dadurch trotz hoher Flexibilität sehr zuverlässig.