Gestaltbare Kraftsensorik mittels dielektrischer Elastomere

Sensoren für jede Oberfläche: flach, kostengünstig und einfach zu integrieren.

Extrem dünner DELTA-Sensor in Aluminiumgehäuse mit M8-Anschlussgewinde (Abb. 1)
Mikrostrukturierte Metallelektrode und weiche Elastomerfolie
Display am Lenker um Sensorik zu überwachen (Abb. 3)

Flache DELTA-C®-Technologie bietet kostengünstige Lösung

Getrieben von Trends und Technologien wie Industrie 4.0, IoT und Predictive Maintanance wird die kontinuierliche Überwachung von Zuständen in Maschinen und Anlagen im industriellen Kontext zunehmend wichtig. Für die Realisierung solcher intelligenten Systeme steigt der Bedarf an günstiger Sensorik mit guter Integrationsfähigkeit. Konventionelle Kraftsensorik ist in der Regel jedoch bauraum- und kostenintensiv. Die patentierte DELTA-C®-Technologie des Fraunhofer LBF stellt eine kostengünstige und nur wenige Millimeter dünne Kraftsensorik für statische und dynamische Anwendungen dar, die Kraftmessung an Orten ermöglicht, die bisher unzugänglich waren. Mit der vorhandenen breiten Expertise am LBF, von Strukturdynamik über Elektrotechnik bis hin zur Materialwissenschaft und Chemie, sollen die noch offenen wissenschaftlichen und technologischen Fragen beantwortet und der technologische Reifegrad weiter gesteigert werden. 

Patentierter Mikrostruktur bietet Vorteil

Während viele Kraftsensoren auf komplexen Verformungskörpern basieren, deren Dehnung mit dem resistiven Messprinzip (Dehnmessstreifen) erfasst wird, nutzt die DELTA-C®-Sensorik ein kapazitives Messprinzip an dünnen Elastomerfolien. Der besondere Clou liegt in der patentierten Mikrostrukturierung der Metallelektroden, die eine hohe Sensitivität und Linearität der Sensorik ermöglicht. Die dünnen Elektroden, die in Abbildung 2 gezeigt werden, weisen ein hexagonales Lochmuster im Submillimetermaßstab auf, das im Ätzverfahren hergestellt wird. Sie sind von Elastomerfolien aus Naturkautschuk getrennt, die als elastisches Dielektrikum dienen.

Integriert in gefräste Aluminiumgehäuse ergeben sich durch diesen Schichtverbund robuste, stark überlastfähige Kraftsensoren. So weist der dargestellte Prototyp eine maximale Hysterese von nur 2,7 % des Messbereichs auf. Über das Design der Elektroden und des Gehäuses können sowohl der Messbereich als auch die Sensitivität leicht skaliert werden.

Inhärente Hystereseeffekte des Materials können auf Auswertungsseite mit KI-Algorithmen weiter reduziert werden, was besonders effizient ist, da die Elektronik verglichen mit der Hardware günstig ist. 

Zur Technologiedemonstration wurde am Fraunhofer LBF die Cargo-Box eines Lastenfahrrads über vier Kraftsensoren wie in Abbildung 1 gezeigt (Höhe inklusive Gehäuse 8 mm) an den Rahmen angebunden. Die entsprechenden Signale werden in einem kleinen Display am Lenker in Echtzeit visualisiert, wie in Abbildung 2 zu sehen ist.

Damit kann die Beladung der Cargo-Box, ohne ihren Schwerpunkt signifikant zu erhöhen, optimiert und während der Fahrt überwacht werden. Da die Sensoren auch hochfrequente Kräfte erfassen, können daneben beispielsweise auch Informationen über den Zustand der befahrenen Straßen gewonnen werden.

Kleiner Preis und große Anwendbarkeit

Die DELTA-C®-Technologie ist insbesondere interessant für Hersteller im Bereich des Maschinen- und Anlagenbaus, da sie die Erfassung von statischen und dynamischen Kräften zur Zustandsüberwachung ermöglicht und die Integration von Kraftsensorik an bisher unzugänglichen Stellen realisierbar macht. Außerdem erlaubt die Technologie eine wirtschaftliche Herstellung der Sensoren, da sowohl die Ausgangsmaterialien als auch die automatisierbare Fertigung im industriellen Maßstab geringe Kosten verursachen.

Lineare Abhängigkeit der Kapazität von der einwirkenden Kraft, dargestellt für einen Be- und Entlastungszyklus.

Hohes Transferpotential

Für die DELTA-C®-Technologie ergeben sich darüber hinaus weitere Anwendungsmöglichkeiten in anderen Branchen, beispielsweise im Automobil- und Schiffbau durch die Integration einer Kraftsensorik in Elastomerkomponenten. Aber auch in der Schwingungstechnik, der Hausgerätetechnik, der Medizintechnik und der Konsumerelektronik sind interessante Anwendungen möglich. Dass die Technologie zudem aktorisch nutzbar ist, kann perspektivisch weitere Potentiale freilegen, zum Beispiel zur aktiven Schwingungsminderung: Wird der Sensor mit Wechselspannung angeregt, können gezielt dynamische Kräfte in die angekoppelten Strukturen eingeleitet werden und störenden Schwingungen entgegenwirken.