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068V - Sensoren und Aktuatoren aus PVDF- Folien und polarisiertem PVDF-Kopolymer-Lack |
Piezoelektrische Folien aus PVDF sind sehr dünne und flexible aktive elektromechanische Wandler, die ca. 12% mechanischer 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 zu mehreren GHz. Mit entsprechend der Messaufgabe angepassten Miniaturverstärkern lassen sich Multi-Sensorsysteme erstellen, die vielfach Messprobleme lösen können, für die andere Sensoren ungeeignet sind. Die Gestaltung der aktiven Sensorelektroden sowie ihre Anordnung untereinander kann beliebig vorgenommen 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. Neuere Entwicklungen setzen hier auf den Einsatz von flüssigem PVDF-Kopolymer-Lack, welcher extrem dünn vergossen oder gespritzt, und somit beliebig komplexen Oberflächen angepasst werden kann. Die obere Abb. zeigt eine mit bedampften Elektroden versehene Kopolymer-Schicht auf einer dünnen Trägerfolie. Die Arbeiten an den Kopolymer-Sensoren wurden gefördert durch das BMBF unter dem Förderkennzeichen 50 TK 0008. 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. Multikanalmessverstärker und Sensoren für Applikationen in unterschiedlichsten Fachgebieten wurden realisiert. So wurde z. B. eine flexible achtfach Sensorfolie entwickelt, die als dünne Einlegesohle für die Bewegungsanalyse beim Laufen eingesetzt wurde. Sie erlaubt die zeitgleiche Erfassung von acht Druckkräften sowie acht Biege-Radien unter dem Fuß. Auch wurde zur Analyse von Kaukräften eine original zerklüftete Zahnkaufläche mit oberflächenbündigen PVDF-Kopolymersensoren (s. Abb. unten) beschichtet.  Abb. oben: Dünnschicht-Sensorarray, PVDF-Kopolymer, gegossen auf eine gekrümmte Trägerfolie.  Abb. Mitte: Achtfach Kraft- und Biegesensoren als flexible Schuheinlage zur Bewegungsanalyse.  Abb. unten: Kopolymerbeschichtete Kaufläche eines Backenzahnes. |
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| Innovative Aspekte | |
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Insbesondere die PVDF-Kopolymer-Technik erlaubt die Gestaltung von Sensoren und Aktuatoren, die an beliebigen 3D-gekrümmten Oberflächen aufgebaut werden können und beispielsweise dort die Normalkräfte registrieren. Durch Variation in der Bauteilbestückung kann sowohl das Frequenzverhalten als auch die Empfindlichkeit des Messaufnehmers für extrem unterschiedliche Einsatzzwecke optimiert werden. Mechanisch eng gekoppelte PVDF-Sensor- und Aktuator-Bereiche können in vielfältigster Weise zu Miniatur-Eigenfrequenzschwingern kombiniert werden, die auf eine Laständerung mit einer Frequenzverschiebung reagieren und somit auch statische Lasten erfassen können. |
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| Anwendungspotenzial | |
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Die PVDF-Folien- und Kopolymer-Sensorik eignet sich hervorragend für Anwendungen im Bereich hochdynamischer Kraft-, Druck-, Dehnungs-, Beschleunigungs-, Schwingungs- und Körperschallmessungen. Ein standardisiertes Layout und Fertigungsverfahren kann für viele Einsatzbereiche zu günstigen Kosten im Prototypenbau sowie in der Kleinserie beitragen. Mit Hilfe numerischer Signal-Korrekturverfahren wurden weiterführende Problemlösungen realisiert, die auch quasi-statische Vorgänge erfassen und damit wesentlich breitere Anwendungsbereiche abdecken können. |
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| Art der Zusammenarbeit | |
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Es besteht Interesse am Verkauf von standardisierten Sensoren, an der Entwicklung von kundenspezifischen Foliensensoren- und messtechnischen- Problemlösungen, an Kooperationen sowie mess- und informationstechnischen Dienstleistungen aller Art, von der Zulieferung einzelner Hard- und Softwarekomponenten bis einschließlich der Betreuung und Durchführung kompletter messtechnischer Projekte. |
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