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054V - Piezoelektrische Folien-Sensorik auf PVDF-Basis |
Piezoelektrische Folien aus PVDF sind sehr dünne (ab 9 µm) aktive elektromechanische Wandler, die ca. 12% einer mechanischen Energie in elektrische Energie, und umgekehrt, umwandeln können. Damit sind sie sowohl als Sensor als auch als Aktuator verwendbar. Die hohe Festigkeit und Empfindlichkeit des Materials erlauben den Einsatz in einem enormen Dynamik- und Frequenzbereich, in Dickenrichtung z.B. von 10-8 - 105 N/cm2, bei Frequenzen von 0,001 Hz bis mehrere GHz. Diese können, je nach Auslegung der Elektronik, bereichsweise genutzt werden. Neben den mechanisch verursachten Kräften und Verformungen registrieren PVDF-Sensorelemente auch Temperaturänderungen und thermisch verursachte Spannungen. Mit entsprechend der Messaufgabe angepassten Miniaturverstärkern lassen sich so auch Multi-Sensorsysteme erstellen, die vielfach Messprobleme lösen können, für die andere Sensoren ungeeignet sind. Die Gestaltung der aktiven Sensorbereiche (Elektroden) sowie ihre Anordnung untereinander kann beliebig der Messproblematik angepasst werden. Zum Entwurf der Sensoren wurden Auslegungs- und Simulationsprogramme entwickelt, welche die Optimierung der Messaufbauten ermöglichen. Neben der signaltechnischen Auslegung der Sensoren wird ihre Größe und Anordnung am Rechner entworfen und in einem computergesteuerten Prozess aus dem Rohmaterial herausgearbeitet. Um die Piezofolie auch auf 3D-gekrümmte Oberflächen aufbringen zu können, wurden spezielle Behandlungs- und Klebeverfahren entwickelt. Der Einsatz der sich rasant weiter entwickelnden SMD-Technologie auf festen und flexiblen Leiterplatten ermöglicht eine immer stärkere Miniaturisierung und optimale Anpassung der Verstärker an engste Einbauverhältnisse. Ein- sowie Mehrkanalmessverstärker und Sensoren für Applikationen in unterschiedlichsten Fachgebieten wurden realisiert.  Abb.: Verstärkerplatine mit 16 Sensoren sowie einem Wanderwellen-Aktuator aus einer piezo-aktivierten PVDF-Kopolymerschicht. | |
| Innovative Aspekte | |
Die Piezofolientechnik erlaubt die Gestaltung von extrem dünnen, flexiblen und zerstörungsfesten Sensoren und Aktuatoren, die auch an 3D gekrümmte Oberflächen angepasst werden und gerichtete Eigenschaften besitzen können. Durch Variation in der Bauteilbestückung kann sowohl das Frequenzverhalten als auch die Empfindlichkeit des Messaufnehmers für extrem unterschiedliche Einsatzzwecke optimiert werden. Insbesondere mit Hilfe eines digitalen Signalkorrekturverfahrens kann der Signal-Dynamikbereich enorm erweitert und der Frequenzgang auch auf quasi-statische Vorgänge ausgedehnt werden. Über Messzyklen im Minutenbereich sind damit Relativauflösungen bis in den mN Bereich und bis zu einem hunderttausendstel Grad realisierbar. Mechanisch eng gekoppelte PVDF-Sensor- und Aktuatorbereiche können in vielfältigster Weise zu Miniatur-Eigenfrequenzschwingern kombiniert werden, die auf eine Laständerung mit einer Frequenzverschiebung reagieren. | |
| Anwendungspotenzial | |
Die Foliensensorik eignet sich hervorragend für Anwendungen im Bereich dynamischer Kraft-, Druck-, Dehnungs-, Beschleunigungs-, Schwingungs- und Körperschallmessungen. Zur Messung von Schwingungen und Dehnungen an Bauwerken, Fahrzeugen und Maschinen sowie zum Einsatz in Sicherheitssystemen wurde ein Standard-Messwertaufnehmer entwickelt. Je nach den spezifischen Anforderungen wurden mit Hilfe numerischer Signal-Korrekturen weiterführende Problemlösungen realisiert, die auch quasi-statische Vorgänge erfassen und in ihrer Summe wiederum neue Anwendungsgebiete für die Piezofolienmesstechnik erschließen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen hinsichtlich der Messung von Temperaturschwankungen mit einer Auflösung von bis zu einem hunderttausendstel Grad. Diese hohe Auflösung ermöglicht Anwendungen im infraroten Strahlungssensorbereich, bei Freisetzung kleinster Wärmemengen z.B. in chemischen Reaktionen, oder durch Reibung in Strömungen, Erwärmung von Low-Power Elektronik Komponenten, Dämpfungswärme in Kunststoffen etc. | |
| Art der Zusammenarbeit | |
Es besteht Interesse am Verkauf von standardisierten Sensoren, an der Durchführung von kundenspezifischen Foliensensorentwicklungen, an Kooperationen sowie messtechnischen Dienstleistungen aller Art, von der Zulieferung einzelner Hard- und Softwarekomponenten bis einschließlich der Betreuung und Durchführung kompletter messtechnischer Projekte. | |
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