DE102013013147B4 - SENSOR ARRANGEMENT, METHOD FOR MANUFACTURING A SENSOR ARRANGEMENT, AND USE OF A SENSOR FILM IN SUCH A SENSOR ARRANGEMENT - Google Patents
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Abstract
Sensoranordnung (34) mit einer Basisstruktur (10), einer Sensorfolie (18) und einem elektrischen Verbinder (24) zum Verbinden der Sensorfolie (18) mit einer Spannungsquelle und/oder einem Stromkreis, wobei die Sensorfolie (18) und der elektrische Verbinder (24) an gegenüberliegenden Seiten (28, 30) der Basisstruktur (10) angeordnet sind, wobei die Sensorfolie (18) wenigstens ein Kontaktelement (38) und der elektrische Verbinder (24) eine Kontaktieranordnung (32) mit wenigstens einer Kontaktfläche (50) zum trennbaren elektrischen Kontaktieren des Kontaktelements (38) aufweist, wobei die Kontaktieranordnung (32) in einer Einbringöffnung (14) der Basisstruktur (10) befestigt ist.Sensor arrangement (34) with a base structure (10), a sensor foil (18) and an electrical connector (24) for connecting the sensor foil (18) to a voltage source and/or an electric circuit, wherein the sensor foil (18) and the electrical connector ( 24) are arranged on opposite sides (28, 30) of the base structure (10), the sensor film (18) having at least one contact element (38) and the electrical connector (24) having a contacting arrangement (32) with at least one contact surface (50) for having separable electrical contacting of the contact element (38), wherein the contacting arrangement (32) is fixed in an insertion opening (14) of the base structure (10).
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung sowie die Verwendung einer Sensorfolie in einer solchen Sensoranordnung.The invention relates to a sensor arrangement, a method for producing a sensor arrangement and the use of a sensor film in such a sensor arrangement.
Sensoranordnungen, die zum Erfassen von physikalischen Parametern beispielsweise an Oberflächen von Bauteilen vorgesehen sind, weisen häufig Sensorfolien auf, die sich flächig an die Oberfläche des zu vermessenden Bauteils anschmiegen und die gewünschten Parameter erfassen. Um die erfassten Daten weiterleiten zu können, ist es nötig, mit dem Messbereich beziehungsweise den Messbereichen der Sensorfolie zu kommunizieren, beispielsweise über eine elektrische Verbindung. Dazu muss gewöhnlich die elektrische Verbindung mit der Sensorfolie in physischen Kontakt gebracht werden.Sensor arrangements that are provided for detecting physical parameters, for example on surfaces of components, often have sensor foils that cling flatly to the surface of the component to be measured and detect the desired parameters. In order to be able to forward the recorded data, it is necessary to communicate with the measuring area or areas of the sensor foil, for example via an electrical connection. This usually requires bringing the electrical connection into physical contact with the sensor foil.
Danach wird die Sensorfolie auf der Oberfläche des Bauteiles angebracht, während die elektronische Verarbeitung der erfassten Parameter bevorzugt gegenüberliegend dieser Oberfläche auf der Innenseite des Bauteiles erfolgt. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn die elektronische Verbindung zu der Sensorfolie durch eine Durchführung auf die gegenüberliegende Seite der Oberfläche des Bauteiles geführt wird.The sensor foil is then attached to the surface of the component, while the electronic processing of the recorded parameters preferably takes place opposite this surface on the inside of the component. For this reason, it is advantageous if the electronic connection to the sensor film is routed through a feedthrough on the opposite side of the surface of the component.
Aus
In
In
Die Sensorfolie 18 weist einen Messbereich 20 sowie ein an der Sensorfolie 18 befestigtes Verbindungskabel 22 auf, um die Sensorfolie 18 mit einem elektrischen Verbinder 24, beispielsweise einem Stecker 26, zu verbinden. Das Verbindungskabel 22 ist unlösbar mit der Sensorfolie 18 verbunden, das heißt wird das Verbindungskabel 22 von der Sensorfolie 18 entfernt, ist die Verbindung zwischen Sensorfolie 18 und elektrischem Verbinder 24 endgültig zerstört.The
Um die Sensorfolie 18 nun auf einer Oberfläche 28 der Basisstruktur 10 derart anzubringen, dass sich die Sensorfolie 18 und der elektrische Verbinder 24 auf gegenüberliegenden Seiten der Basisstruktur 10 befinden, wie in
Wird die Sensorfolie 18 oder der Messbereich 20 auf der Sensorfolie 18 nun im Gebrauch beschädigt und ist damit ein Austausch der Sensorfolie 18 nötig, wird der Anschluss zum elektrischen Verbinder 24 zerstört, wenn die Sensorfolie 18 nicht einfach abgerissen wird. Um daher die Sensorfolie 18 auszutauschen, ist es bevorzugt, wenn der gesamte Aufbau aus Sensorfolie 18, Verbindungskabel 22 und elektrischem Verbinder 24 zugänglich bleibt, so dass alle Bauteile entfernt und durch einen neuen Aufbau ersetzt werden können.If the
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Sensoranordnung vorzuschlagen, die robuster und leichter zu reparieren bzw. zu montieren ist als bisherige Lösungen.It is therefore the object of the invention to propose an improved sensor arrangement which is more robust and easier to repair or assemble than previous solutions.
Diese Aufgabe wird mit einer Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved with a sensor arrangement having the features of
Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensoranordnung sowie die Verwendung einer Sensorfolie in einer solchen Sensoranordnung sind Gegenstand der Nebenansprüche.A method for producing such a sensor arrangement and the use of a sensor film in such a sensor arrangement are the subject matter of the independent claims.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Eine Sensoranordnung weist eine Basisstruktur, eine Sensorfolie und einen elektrischen Verbinder zum Verbinden der Sensorfolie mit einer Spannungsquelle und/oder einem Stromkreis auf. Die Sensorfolie und der elektrische Verbinder sind an gegenüberliegenden Seiten der Basisstruktur angeordnet, wobei die Sensorfolie wenigstens ein Kontaktelement und der elektrische Verbinder eine Kontaktieranordnung mit wenigstens einer Kontaktfläche zum trennbaren elektrischen Kontaktieren des Kontaktelements aufweist. Die Kontaktieranordnung ist in einer Einbringöffnung der Basisstruktur befestigt.A sensor arrangement has a base structure, a sensor foil and an electrical connector for connecting the sensor foil to a voltage source and/or an electrical circuit. The sensor film and the electrical connector are arranged on opposite sides of the base structure, the sensor film having at least one contact element and the electrical connector having a contacting arrangement with at least one contact surface for detachable electrical contacting of the contact element. The contact arrangement is fixed in an insertion opening in the base structure.
Im Vergleich zu der bekannten Sensoranordnung, bei der das Verbindungskabel fest mit der Sensorfolie verbunden ist, sind nun Sensorfolie und Verbindungskabel nicht mehr direkt miteinander verbunden, sondern der elektrische Verbinder weist eine Kontaktieranordnung auf, mit der ein auf der Sensorfolie angebrachtes Kontaktelement kontaktiert werden kann, und zwar derart, dass die Kontaktieranordnung und das Kontaktelement zerstörungsfrei voneinander trennbar sind. So kann der elektrische Verbinder an einer Rückseite der Basisstruktur angeordnet werden, während sich die Sensorfolie auf der Oberfläche befindet. Der elektrische Verbinder kann vollständig in die Basisstruktur integriert werden und muss beim Austausch der Sensorfolie nicht mehr berührt werden, es genügt, lediglich die Sensorfolie von der Kontaktieranordnung zu trennen und eine neue Sensorfolie mit dieser Kontaktieranordnung in Kontakt zu bringen.In comparison to the known sensor arrangement, in which the connecting cable is firmly connected to the sensor foil, the sensor foil and connecting cable are no longer directly connected to one another, but the electrical connector has a contacting arrangement with which a contact element attached to the sensor foil can be contacted. in such a way that the contacting arrangement and the contact element can be separated from one another without being destroyed. In this way, the electrical connector can be arranged on a rear side of the base structure, while the sensor foil is on the surface. The electrical connector can be fully integrated into the base structure and no longer needs to be touched when replacing the sensor foil; it is sufficient to simply separate the sensor foil from the contacting arrangement and bring a new sensor foil into contact with this contacting arrangement.
Vorzugsweise ist die Sensorfolie ausgebildet zum entfernbaren Anbringen an eine Oberfläche der Basisstruktur, wobei die Sensorfolie einen Messbereich zum Erfassen von physikalischen Parametern an der Oberfläche der Basisstruktur und wenigstens ein als Dünnschichtfilm ausgebildetes, leitfähiges Kontaktplättchen als Kontaktelement aufweist.The sensor film is preferably designed for removable attachment to a surface of the base structure, the sensor film having a measuring area for detecting physical parameters on the surface of the base structure and at least one conductive contact plate designed as a thin film as a contact element.
Um die Sensorfolie nach Beschädigung austauschen zu können, ist es vorteilhaft, wenn sie derart ausgebildet ist, dass sie leicht von der Oberfläche wieder entfernt werden kann, beispielsweise, wenn sie daran angeklebt ist. Um Parameter an der Oberfläche der Basisstruktur erfassen zu können, ist es von Vorteil, wenn die Sensorfolie einen entsprechenden Messbereich aufweist. Dieser Messbereich kann beispielsweise gebildet sein durch ein Array von Sensorplättchen, die zum Beispiel in MEMS-Technik auf die Sensorfolie aufgebracht worden sind. Um die Eigenschaften der Sensorfolie bezüglich beispielsweise der Anschmiegsamkeit an die Oberfläche erhalten zu können, ist es von Vorteil, wenn das Kontaktelement als dünnes Kontaktplättchen, beispielsweise als Dünnschichtfilm, der zum Beispiel ebenfalls in MEMS-Technik aufgebracht worden ist, gebildet ist. Dabei ist bevorzugt, wenn der Messbereich, beispielsweise das Sensor-Array, und das Kontaktplättchen oder eine Mehrzahl von Kontaktplättchen auf gegenüberliegenden Seiten der Sensorfolie angeordnet sind, so dass vorteilhaft der Messbereich zu einer Außenseite der Oberfläche der Basisstruktur exponiert ist, während das Kontaktplättchen vorteilhaft in Kontakt mit der Kontaktfläche der Kontaktieranordnung gebracht werden kann.In order to be able to replace the sensor film after it has been damaged, it is advantageous if it is designed in such a way that it can be easily removed from the surface again, for example if it is glued to it. In order to be able to detect parameters on the surface of the base structure, it is advantageous if the sensor film has a corresponding measuring range. This measurement area can be formed, for example, by an array of small sensor plates that have been applied to the sensor film using MEMS technology, for example. In order to be able to retain the properties of the sensor foil with regard to, for example, the ability to conform to the surface, it is advantageous if the contact element is formed as a thin contact plate, for example as a thin-layer film, which has also been applied using MEMS technology, for example. It is preferred if the measuring area, for example the sensor array, and the contact plate or a plurality of contact plates are arranged on opposite sides of the sensor film, so that the measuring area is advantageously exposed to an outside of the surface of the base structure, while the contact plate is advantageously in Contact can be brought to the contact surface of the contacting arrangement.
Die Basisstruktur kann beispielsweise gebildet sein durch ein Bauteil eines Luftfahrzeuges, beispielsweise einen Tragflügel, insbesondere einen CFK-Flügel eines Luftfahrzeuges.The base structure can be formed, for example, by a component of an aircraft, for example a wing, in particular a CFRP wing of an aircraft.
Weiter ist bevorzugt, wenn die Abmessungen der Kontaktfläche an der Kontaktieranordnung den Abmessungen des Kontaktelementes an der Sensorfolie entsprechen, um so vorteilhaft einen sicheren Kontakt zwischen Sensorfolie und elektrischem Verbinder herzustellen.It is also preferred if the dimensions of the contact surface on the contacting arrangement correspond to the dimensions of the contact element on the sensor film, in order to advantageously produce reliable contact between the sensor film and the electrical connector.
Vorzugsweise weist das Kontaktplättchen und/oder die Kontaktfläche einen Haftvermittler auf. So kann bevorzugt der Kontakt zwischen Kontaktplättchen und Kontaktfläche über den Haftvermittler noch verbessert werden. Beispielsweise weist nur das Kontaktplättchen den Haftvermittler auf, denn dann steht vorteilhaft nach Austausch beziehungsweise Entfernen der alten Sensorfolie eine vorteilhafte neue Schicht des Haftvermittlers auf dem Kontaktplättchen der neuen Sensorfolie zur Verfügung, um den Kontakt zwischen Kontaktplättchen und Kontaktfläche herzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch die Kontaktfläche den Haftvermittler aufweisen.The contact plate and/or the contact surface preferably has an adhesion promoter. In this way, the contact between the contact pad and the contact surface can preferably be further improved via the adhesion promoter. For example, only the contact plate has the adhesion promoter, because then an advantageous new layer of the adhesion promoter is advantageously available on the contact plate of the new sensor film after replacing or removing the old sensor film in order to establish contact between the contact plate and the contact surface. Alternatively or additionally, however, the contact surface can also have the adhesion promoter.
Der Haftvermittler ist in einer Ausführungsform gebildet aus Leitsilber, das beispielsweise unter Verwendung einer Maske auf Kontaktplättchen und/oder Kontaktfläche aufgebracht wird. Die Maske verhindert dabei vorteilhaft, dass Leitsilber auf nicht gewünschte Bereiche von Sensorfolie beziehungsweise Kontaktieranordnung gelangt, insbesondere, indem die Maske Aussparungen in gleicher Form und Größe aufweist wie Kontaktplättchen beziehungsweise Kontaktfläche.In one embodiment, the adhesion promoter is formed from conductive silver, which is applied to the contact pad and/or contact surface using a mask, for example. The mask advantageously prevents conductive silver from reaching undesired areas of the sensor film or contacting arrangement, in particular by virtue of the fact that the mask has cutouts of the same shape and size as the contact plates or contact surface.
Alternativ kann auch ein durch Temperaturerhöhung aktivierbarer Haftvermittler verwendet werden, der auf das Kontaktplättchen beziehungsweise die Kontaktfläche aufgebracht ist und nach Übereinanderbringen von Kontaktplättchen und Kontaktfläche vorteilhaft durch Temperaturerhöhung aktiviert wird, um so den Kontakt zwischen Kontaktplättchen und Kontaktfläche herzustellen. Ein vorteilhafter Haftvermittler, der durch Temperaturerhöhung aktiviert werden kann, ist beispielsweise Lötmaterial, das kostengünstig erhältlich. Auch das Aufbringen eines solchen aktivierbaren Haftvermittlers kann vorteilhaft durch die Verwendung einer Maske unterstützt werden. Entweder kann dabei die Schicht des Haftvermittlers durch Verwendung der Maske vorzugsweise direkt in der gewünschten Form und Abmessung erzeugt werden, beispielsweise indem die Maske Aussparungen in Form von Kontaktplättchen beziehungsweise Kontaktfläche aufweist und das Leitsilber nur durch diese Aussparungen auf Kontaktplättchen beziehungsweise Kontaktfläche gebracht wird, oder es kann bevorzugt eine Schicht aus einem Lötmaterial im Bereich des Kontaktplättchens beziehungsweise der Kontaktfläche aufgedampft werden und danach durch ein vorteilhaftes lithografisches Verfahren mit einer lithografischen Maske in den Bereichen entfernt werden, in denen der Haftvermittler nicht vorhanden sein soll.Alternatively, an adhesion promoter that can be activated by increasing the temperature can be used, which is applied to the contact plate or the contact surface and is advantageously activated by increasing the temperature after the contact plate and contact surface have been placed one on top of the other, in order to establish contact between the contact plate and contact surface. An advantageous adhesion promoter that can be activated by increasing the temperature is, for example, soldering material, that is available at low cost. The application of such an activatable adhesion promoter can also be advantageously supported by using a mask. Either the layer of the adhesion promoter can be produced directly in the desired shape and dimensions by using the mask, for example by the mask having gaps in the form of contact plates or contact surface and the conductive silver is only brought to the contact plate or contact surface through these gaps, or it a layer of soldering material can preferably be vapour-deposited in the area of the contact plate or the contact surface and then removed by an advantageous lithographic process with a lithographic mask in the areas in which the adhesion promoter should not be present.
Bevorzugt weist die Sensorfolie erste Positionsmarkierungen und/oder Positionieröffnungen zum Einbringen von Positionierbolzen auf, wobei die Kontaktieranordnung zweite Positionsmarkierungen und/oder Positionierbolzen zum Positionieren der Sensorfolie an der Basisstruktur in einer vorbestimmten Position aufweist.The sensor film preferably has first position markings and/or positioning openings for inserting positioning bolts, the contacting arrangement having second position markings and/or positioning bolts for positioning the sensor film on the base structure in a predetermined position.
Das Vorsehen von Positionsmarkierungen sowohl an der Sensorfolie als auch an der Kontaktieranordnung ist bevorzugt, wenn die Sensorfolie durchsichtig ausgebildet ist. Im Falle dass die Sensorfolie opak ausgebildet ist, ist es dagegen vorteilhaft, wenn statt Positionsmarkierungen, die dann nur schlecht zu sehen sind, Positionieröffnungen in der Sensorfolie und Positionierbolzen an der Kontaktieranordnung vorgesehen werden.The provision of position markings both on the sensor film and on the contacting arrangement is preferred if the sensor film is designed to be transparent. In the event that the sensor film is opaque, it is advantageous if, instead of position markings, which are then difficult to see, positioning openings are provided in the sensor film and positioning bolts on the contacting arrangement.
Durch diese Elemente ist es vorteilhaft erleichtert, die Sensorfolie in einer korrekten Position über der Kontaktieranordnung anzubringen, so dass Kontaktplättchen und Kontaktfläche vorteilhaft vollständig miteinander in Kontakt gelangen.These elements advantageously make it easier to attach the sensor film in a correct position over the contacting arrangement, so that the small contact plates and the contact surface advantageously come into complete contact with one another.
Bevorzugt weist die Kontaktieranordnung einen aus einem nicht leitenden Material gebildeten Basiskörper auf, der fest in einer Einbringöffnung der Basisstruktur befestigt ist.The contacting arrangement preferably has a base body which is formed from a non-conductive material and is firmly fastened in an insertion opening in the base structure.
Vorteilhaft wird damit die Kontaktieranordnung gerade in der Einbringöffnung befestigt, die im Stand der Technik zum Durchstecken der Sensorfolie verwendet worden ist. Nun ist die Kontaktieranordnung vorzugsweise fest und unlösbar in dieser Einbringöffnung angebracht, so dass die Kontaktieranordnung mit daran befestigtem elektrischem Verbinder ortsfest in der Basisstruktur untergebracht werden kann und beim Austauschen der Sensorfolie vorteilhaft nicht mehr beeinflusst werden muss. Außerdem wird die Einbringöffnung vorteilhaft vollständig durch die Kontaktieranordnung abgedeckt und die Sensoranordnung so vorzugsweise robuster.In this way, the contacting arrangement is advantageously fastened precisely in the insertion opening that has been used in the prior art for pushing through the sensor film. The contacting arrangement is preferably fixed and non-detachable in this insertion opening, so that the contacting arrangement with the electrical connector attached to it can be accommodated in a stationary manner in the base structure and advantageously no longer has to be influenced when replacing the sensor film. In addition, the insertion opening is advantageously completely covered by the contacting arrangement and the sensor arrangement is thus preferably more robust.
Besonders bevorzugt wird als nicht leitendes Material für die Kontaktieranordnung PLA (Polylactic Acid, Polylactide, Polymilchsäuren) oder PAEK (Polyaryletherketon) verwendet. Ist der Basiskörper, an dem bevorzugt die Kontaktfläche angeordnet ist, aus nicht leitendem Material gebildet, kann vorteilhaft vermieden werden, dass Fehlkontakte entstehen, die eine fehlerhafte Signalübertragung mit sich bringen würden.PLA (polylactic acid, polylactide, polylactic acids) or PAEK (polyaryl ether ketone) is particularly preferably used as the non-conductive material for the contacting arrangement. If the base body, on which the contact surface is preferably arranged, is formed from non-conductive material, it is advantageously possible to prevent faulty contacts from occurring, which would result in faulty signal transmission.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Basiskörper zum Bilden der Kontaktfläche mit wenigstens einem Bohrloch ausgebildet, in das ein leitfähiger Kanal eingebracht ist. Das zu der Sensorfolie gerichtete Ende dieses leitfähigen Kanals bildet dann vorteilhaft die Kontaktfläche zum Inkontaktbringen mit dem Kontaktplättchen der Sensorfolie. Durch Vorsehen eines Bohrloches kann eine solche örtlich begrenzte Kontaktfläche vorteilhaft einfach in einem Basiskörper aus nicht leitendem Material hergestellt werden.In an advantageous embodiment, the base body is designed to form the contact surface with at least one drilled hole into which a conductive channel is introduced. The end of this conductive channel directed towards the sensor film then advantageously forms the contact surface for bringing into contact with the contact plate of the sensor film. By providing a drilled hole, such a locally limited contact area can advantageously be easily produced in a base body made of non-conductive material.
In besonders bevorzugter Ausführungsform ist der leitfähige Kanal aus Kupferdraht gebildet, weil Kupferdraht bevorzugt eine besonders gute Leitfähigkeit aufweist. Der Kupferdraht beziehungsweise jeglicher anderer leitfähiger Kanal kann vorteilhaft mit beispielsweise Epoxykleber in das Bohrloch eingeklebt sein oder alternativ in das Bohrloch eingeschraubt werden. Dies erfolgt vorzugsweise von oben, das heißt von der Seite, die im Gebrauch zu der Sensorfolie hin ausgerichtet ist.In a particularly preferred embodiment, the conductive channel is formed from copper wire, because copper wire preferably has particularly good conductivity. The copper wire or any other conductive channel can advantageously be glued into the drilled hole with epoxy adhesive, for example, or alternatively screwed into the drilled hole. This is preferably done from above, that is to say from the side which is oriented towards the sensor foil in use.
In besonders bevorzugter Ausführungsform ist der leitfähige Kanal derart in den Basiskörper eingebracht, dass er auf der im Gebrauch zu den Kontaktplättchen zu richtenden Oberfläche des Basiskörpers zum Bilden der Kontaktfläche bündig mit der Oberfläche des Basiskörpers abschließt.In a particularly preferred embodiment, the conductive channel is introduced into the base body in such a way that it terminates flush with the surface of the base body to form the contact surface on the surface of the base body to be directed towards the contact plates during use.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der leitfähige Kanal, nachdem er in das Bohrloch eingebracht worden ist, vorzugsweise geglättet wird, so dass er bündig mit der Oberfläche des Basiskörpers abschließt, beispielsweise durch Verwendung einer Frässchneide.This can be achieved, for example, in that the conductive channel is preferably smoothed after it has been introduced into the borehole, so that it ends flush with the surface of the base body, for example by using a milling cutter.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung zum Erfassen von physikalischen Parametern an der Oberfläche einer Basisstruktur weist die folgenden Schritte auf:
- a) Bereitstellen einer Basisstruktur mit wenigstens einer Einbringöffnung;
- b) Bereitstellen einer Kontaktieranordnung mit wenigstens einer Kontaktfläche;
- c) Bereitstellen eines elektrischen Verbinders mit einer Verlängerungseinrichtung;
- d) Verbinden der Kontaktieranordnung mit der Verlängerungseinrichtung;
- e) Befestigen der Kontaktieranordnung in der Einbringöffnung der Basisstruktur;
- f) Bereitstellen einer Sensorfolie mit wenigstens einem Messbereich und wenigstens einem Kontaktplättchen;
- g) Befestigen der Sensorfolie an der Basisstruktur derart, dass das Kontaktplättchen und die Kontaktfläche sich berührend übereinander angeordnet sind.
- a) providing a base structure with at least one insertion opening;
- b) providing a contacting arrangement with at least one contact surface;
- c) providing an electrical connector with an extension device;
- d) connecting the contacting arrangement to the extension device;
- e) Fastening the contacting arrangement in the insertion opening of the base structure;
- f) providing a sensor film with at least one measuring area and at least one small contact plate;
- g) Fastening the sensor foil to the base structure in such a way that the contact plate and the contact surface are arranged one above the other touching.
Entsprechend diesem Verfahren wird eine Sensoranordnung erzeugt, die im Grunde aus zwei Hauptelementen aufgebaut ist, nämlich zum einen dem elektrischen Verbinder mit der Kontaktieranordnung, die fest an der Basisstruktur angeordnet sind, und zum anderen der Sensorfolie, die austauschbar an der Oberfläche der Basisstruktur befestigt ist. Zwischen elektrischem Verbinder und Kontaktieranordnung ist eine Verlängerungseinrichtung, beispielsweise ein Verbindungskabel, angeordnet, um den elektrischen Verbinder beabstandet zu der Basisstruktur in Kontakt mit beispielsweise einem Stromkreis, einer Spannungsquelle oder einem Rechner bringen zu können, sowie um den elektrischen Verbinder örtlich flexibel halten zu können. Im Gegensatz zu diesem örtlich flexiblen elektrischen Verbinder ist die Kontaktieranordnung fest in der Basisstruktur, nämlich in der Einbringöffnung der Basisstruktur, angeordnet, um so eine Kontaktierung der Sensorfolie zu ermöglichen. Wird nun eine austauschbedürftige Sensorfolie entfernt, liegt die Kontaktfläche der Kontaktieranordnung frei und örtlich fest an der Oberfläche der Basisstruktur vor, so dass lediglich eine neue Sensorfolie in vorbestimmter Position an die Oberfläche der Basisstruktur angebracht werden muss, um so den Kontakt zwischen Kontaktplättchen und Kontaktfläche wieder herzustellen und die Sensoranordnung bereitzustellen.According to this method, a sensor arrangement is produced which is basically made up of two main elements, namely the electrical connector with the contacting arrangement, which is fixedly arranged on the base structure, and the sensor foil, which is replaceably attached to the surface of the base structure . An extension device, for example a connecting cable, is arranged between the electrical connector and the contacting arrangement in order to be able to bring the electrical connector into contact with, for example, a circuit, a voltage source or a computer at a distance from the base structure, and to be able to hold the electrical connector flexibly in terms of location. In contrast to this locally flexible electrical connector, the contacting arrangement is arranged firmly in the base structure, namely in the insertion opening of the base structure, in order to enable contacting of the sensor film. If a sensor foil that needs to be replaced is now removed, the contact surface of the contacting arrangement is exposed and locally fixed to the surface of the base structure, so that only a new sensor foil has to be attached to the surface of the base structure in a predetermined position in order to restore contact between the contact plate and the contact surface produce and provide the sensor array.
Dazu ist es vorteilhaft, dass vor Schritt g) die Kontaktieranordnung mit Positionsmarkierungen und/oder mit Positionierbolzen versehen wird und dass die Sensorfolie mit Positionsmarkierungen und/oder mit Positionieröffnungen zum Einbringen von Positionierbolzen versehen wird.To this end, it is advantageous that, before step g), the contacting arrangement is provided with position markings and/or positioning bolts and that the sensor film is provided with position markings and/or with positioning openings for inserting positioning bolts.
Daher kann die Sensorfolie vorteilhaft problemlos in die korrekte Position unter Verwendung der Positionsmarkierungen beziehungsweise Positionierbolzen gebracht werden.Therefore, the sensor foil can advantageously be brought into the correct position without any problems using the position markings or positioning bolts.
Weiter vorteilhaft wird vor Schritt g) auf dem Kontaktplättchen und/oder der Kontaktfläche ein Haftvermittler vorgesehen, um es so vorteilhaft zu ermöglichen, den Kontakt zwischen Kontaktplättchen und Kontaktfläche noch weiter zu verbessern.An adhesion promoter is also advantageously provided on the contact plate and/or the contact surface before step g) in order to make it advantageously possible to further improve the contact between the contact plate and the contact surface.
Bevorzugt wird als Haftvermittler Leitsilber oder ein durch Temperaturerhöhung aktivierbarer Haftvermittler, insbesondere ein Lötmaterial, verwendet.Conductive silver or an adhesion promoter that can be activated by increasing the temperature, in particular a soldering material, is preferably used as the adhesion promoter.
Vorteilhaft wird der Haftvermittler auf das Kontaktplättchen und/oder die Kontaktfläche aufgedampft.The adhesion promoter is advantageously vapour-deposited onto the contact pad and/or the contact surface.
Weiter bevorzugt wird eine lithografische Maske zum Aufbringen des Haftvermittlers ausschließlich im Bereich des Kontaktplättchens und/oder der Kontaktfläche verwendet.More preferably, a lithographic mask is used to apply the adhesion promoter exclusively in the area of the contact pad and/or the contact surface.
Wird ein durch Temperaturerhöhung aktivierbarer Haftvermittler verwendet, ist es bevorzugt, wenn nach Schritt g) ein Schritt h) erfolgt, in dem der Aufbau oder zumindest Teile des Aufbaus erhitzt werden, um so den Haftvermittler vorteilhaft zu aktivieren und den Kontakt zwischen Kontaktfläche und Kontaktplättchen herzustellen.If an adhesion promoter that can be activated by increasing the temperature is used, it is preferred if after step g) there is a step h) in which the structure or at least parts of the structure are heated in order to advantageously activate the adhesion promoter and establish contact between the contact surface and the contact plate .
Vorteilhaft wird eine Sensorfolie, die ein Kontaktelement und einen Messbereich zum Erfassen von physikalischen Parametern an einer Oberfläche einer Basisstruktur aufweist, in einer Sensoranordnung verwendet, die eine Basisstruktur und einen elektrischen Verbinder zum Verbinden der Sensorfolie mit einer Spannungsquelle und/oder einem Stromkreis aufweist, wobei die Sensorfolie beim Verwenden an einer dem elektrischen Verbinder gegenüberliegenden Seite Basisstruktur anzuordnen ist, wobei der elektrische Verbinder eine Kontaktieranordnung mit wenigstens einer Kontaktfläche zum trennbaren elektrischen Kontaktieren des Kontaktelements aufweist, wobei die Kontaktieranordnung in einer Einbringöffnung der Basisstruktur befestigt ist.A sensor film, which has a contact element and a measuring area for detecting physical parameters on a surface of a base structure, is advantageously used in a sensor arrangement which has a base structure and an electrical connector for connecting the sensor film to a voltage source and/or a circuit, wherein the sensor film is to be arranged when used on a side of the base structure opposite the electrical connector, the electrical connector having a contacting arrangement with at least one contact surface for separable electrical contacting of the contact element, the contacting arrangement being fastened in an insertion opening of the base structure.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
-
1 voneinander getrennten Einzelelemente einer Sensoranordnung; -
2 dieSensoranordnung aus 1 , wobei die Einzelelemente zusammengebaut sind; -
3 die Herstellung einer Kontaktieranordnung zur Verwendung in der Sensoranordnung aus2 ; -
4 die fertige Kontaktieranordnung aus3 ; -
5 die Kontaktieranordnung aus4 vor Einbringen in eine Basisstruktur; -
6 die Basisstruktur mit Kontaktieranordnung aus5 mit darüber anzuordnender Sensorfolie; -
7 die durch Aufbringen der Sensorfolie auf die Kontaktieranordnung in6 erzeugte Sensoranordnung; -
8 den Aufbau einer Sensoranordnung gemäß Stand der Technik; und -
9 einen Sensoraufbau gemäß Stand der Technik.
-
1 separate individual elements of a sensor arrangement; -
2 thesensor arrangement 1 , wherein the individual elements are assembled; -
3 the production of a contact arrangement for use in the sensor arrangement2 ; -
4 the finished contact arrangement3 ; -
5 the contact arrangement4 prior to incorporation into a base structure; -
6 the base structure with contacting arrangement5 with sensor foil to be arranged above; -
7 by applying the sensor film to the contacting arrangement in6 generated sensor array; -
8th the construction of a sensor arrangement according to the prior art; and -
9 a sensor structure according to the prior art.
Die Sensorfolie 18 weist einen Messbereich 20, in der vorliegenden Ausführungsform gebildet durch ein Sensor-Array 36, sowie ein Kontaktelement 38 auf. Der Messbereich 20 und das Kontaktelement 38 sind auf gegenüberliegenden Seiten 18a, 18b der Sensorfolie 18 angeordnet, so dass in Gebrauch der Sensoranordnung 34 der Messbereich 20 einem Außenbereich 40 der Basisstruktur 10 ausgesetzt ist, während das Kontaktelement 38 zu der Kontaktieranordnung 32 hin ausgerichtet ist.The
Das Kontaktelement 38 weist mehrere Kontaktplättchen 42 auf. Es ist jedoch auch möglich, das Kontaktelement 38 als durchgehendes einzelnes Element an der Sensorfolie 18 vorzusehen.The
Die Basisstruktur 10 weist die Einbringöffnung 14 auf, die in ihren Abmessungen dem Kontaktelement 38 entspricht.The
Die Kontaktieranordnung 32 ist über eine Verlängerungseinrichtung 44, insbesondere ein Verbindungskabel 22, mit dem elektrischen Verbinder 24 verbunden. Die Kontaktieranordnung 32 weist einen Basiskörper 46, der aus einem nicht leitenden Material 48 gebildet ist, sowie mehrere Kontaktflächen 15 aus leitfähigem Material 52 auf. Statt mehrerer Kontaktflächen 50 kann auch eine einzige durchgängige Kontaktfläche 50 vorgesehen sein, je nach Ausbildung des Kontaktelements 38 auf der Sensorfolie 18.The contacting
Zum Aufbau der Sensoranordnung 36 wird nun die Kontaktieranordnung 32 von einer Rückseite 30 der Basisstruktur 10 in die Einbringöffnung 14 der Basisstruktur 10 fest eingebracht und die Sensorfolie 18 von oben auf die Oberfläche 28 der Basisstruktur 10 aufgelegt und befestigt, beispielsweise geklebt. Dabei wird die Sensorfolie 18 derart auf die Oberfläche 28 aufgelegt, dass Kontaktplättchen 42 und Kontaktflächen 50 sich berührend übereinander angeordnet sind und so ein Kontakt zwischen Kontaktplättchen 42 und Kontaktflächen 50 hergestellt ist.To construct the
Damit die Sensorfolie 18 sich an die Struktur der Oberfläche 28 der Basisstruktur 10 anschmiegen kann, ist es von Vorteil, wenn die Kontaktplättchen 42 als Dünnschichtfilm 54 aus leitfähigem Material 52 gebildet sind.So that the
Zusätzlich ist auf den Kontaktplättchen 42 ein Haftvermittler 56 vorgesehen, der nach Übereinanderbringen von Kontaktplättchen 42 und Kontaktfläche 50 den Kontakt der beiden Elemente verbessern kann. Als Haftvermittler kann beispielsweise Leitsilber 58 oder ein Lötmaterial 60 verwendet werden. Leitsilber 58 wird dabei vorteilhaft kurz vor Zusammenbringen von Kontaktplättchen 42 und Kontaktflächen 50 auf die Kontaktplättchen 42 aufgebracht, während Lötmaterial 60 schon vorher beispielsweise durch ein Lithografieverfahren auf die Kontaktplättchen 42 aufgedampft werden kann, und dann nach Zusammenbringen von Kontaktplättchen 42 und Kontaktflächen 50 durch Temperaturerhöhung aktiviert werden kann.In addition, an adhesion promoter 56 is provided on the
Die Kontaktieranordnung 32 und die Sensorfolie 18 weisen Positionierelemente 62 auf, um die Sensorfolie 18 in einer vorbestimmten Position so auf die Basisstruktur 10 aufbringen zu können, dass Kontaktplättchen 42 und Kontaktflächen 50 genau übereinander zu liegen kommen. Die Positionierelemente 62 können gebildet sein aus ersten Positionsmarkierungen 64 auf der Sensorfolie 18 und zweiten Positionsmarkierungen 66 an der Kontaktieranordnung 32, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn es sich bei der Sensorfolie 18 um eine durchsichtige Sensorfolie 18 handelt. Alternativ oder auch zusätzlich kann die Sensorfolie 18 Positionieröffnungen 68 aufweisen, durch die an der Kontaktieranordnung 32 angebrachte Positionierbolzen 70 gesteckt werden.The contacting
Die Verlängerungseinrichtung 44, das heißt das Verbindungskabel 22, wird von unten über einzelne Drähte 80 mit den Röhrchen 74 in Kontakt gebracht.The
Nach Einbringen der Röhrchen 74 in die Bohrlöcher 72 wird die Oberfläche der Kontaktieranordnung 32 geglättet, beispielsweise indem überstehende Bereiche der Röhrchen 74 abgeschliffen oder abgefräst werden, so dass eine bündige Oberfläche 82 aus Basiskörper 46 und Röhrchen 74 entsteht.After inserting the tubes 74 into the
In
Es geht hier demnach um die Befestigung und den Austausch von Sensorfolien 18.It is therefore about the attachment and replacement of sensor foils 18.
Dabei werden der elektrische Verbinder 24 und die Sensorfolie 18 voneinander getrennt und eine Kontaktieranordnung 32 in Form eines Verbindungseinsatzes, der an die Basisstruktur 10 angepasst ist, wird hinzugefügt.In doing so, the
Sensoren, d.h. Sensorfolien 18, können somit leicht ersetzt werden, sobald sie zerstört sind oder eine andere Art von Sensor benötigt wird, ohne dass der elektrische Verbinder 24 berührt werden muss. Zusätzlich ist die Gesamtstruktur stabiler, da der für die Verbindung ausgelegte Schlitz, die Einbringöffnung 14, durch die Kontaktieranordnung 32 verschlossen wird.Sensors, i.e. sensor foils 18, can thus be easily replaced once they are destroyed or a different type of sensor is required without having to touch the
Ziel ist es, das Aufbauverfahren von Sensorfolien 18 zu vereinfachen, indem die Sensorfolie 18 von dem elektrischen Verbinder 24, beispielsweise einem elektronischen Verbindungsstecker, getrennt wird. Auf diese Weise wird die elektronische Steckverbindung zunächst in die Basisstruktur 10 integriert (zum Beispiel eine CFK-Oberfläche eines Flügelmodells) und verbleibt dort, während die Sensorfolie 18 auf die Oberfläche 28 geklebt wird. Besonders bevorzugt sind die Kontaktplättchen 42 des Sensors auf der Folie an die Kontaktflächen 50 des integrierten Verbinderteils angepasst. Die Verbindung selbst wird vorteilhaft durch eine sehr dünne Lötmaterialschicht über den Kontaktplättchen 42 auf der Sensorfolie 18 erzeugt, die dort durch unterschiedlichste Verfahren aufgebracht werden kann, beispielsweise Verdampfen und Verwendung einer entsprechenden Maske. Sobald die Kontaktplättchen 42 der Sensorfolie 18 und der Verbindungseinsatz , d.h. die Kontaktieranordnung 32, übereinander gebracht worden sind, wird das Lötmaterial 60 schnell erhitzt, um so schließlich die beiden Teile miteinander zu verbinden. Vorteil dieses Verfahrens einer Sensorbefestigung ist, dass eine Sensorfolie 18 entfernt und durch eine neue Sensorfolie 18 ersetzt werden kann, ohne sich um den elektrischen Verbinder 24 kümmern zu müssen, der bereits in die Basisstruktur 10 integriert worden ist. Dies ermöglicht es, Sensoren sehr viel einfacher auszutauschen, wenn ein Sensor zerstört ist oder eine andere Art von Sensor benötigt wird.The goal is to simplify the assembly process of sensor foils 18 by separating the
Daher wird hier beschrieben, dass der Sensorverbindungsanschluss und der Sensor selbst unabhängig voneinander befestigt werden, indem die beiden Bauteile voneinander getrennt werden. Sie werden dann wieder verbunden, sobald der Sensorverbindungsanschluss in die Basisstruktur 10 integriert worden ist.Therefore, it is described here that the sensor connection terminal and the sensor itself are fixed independently by separating the two components from each other. They are then reconnected once the sensor connection port has been integrated into the
Sensorkomponenten und -arten können so leicht ersetzt werden, indem die Sensorfolie 18 ohne Einfluss auf die Struktur, auf der der Sensor befestigt ist, ersetzt werden kann, da der Sensorverbindungsanschluss vollständig integriert worden ist.Sensor components and types can thus be easily replaced by replacing the
Weiter werden zwei Kontaktflächen, die Kontaktplättchen 42 und die Kontaktflächen 50, mit Lötmaterial 60 verbunden, indem das Lötmaterial 60 auf sie aufgedampft wird und dann das Lötmaterial 60 über ein Lithografieverfahren mit einer entsprechenden Maske entfernt wird, so dass das Lötmaterial 60 nur noch auf den entsprechenden Kontaktflächen - Kontaktplättchen 42 beziehungsweise Kontaktflächen 50 - verbleibt.Furthermore, two contact areas, the
Ein vorteilhafter Weg, um Sensoren auf Oberflächen 28 anzubringen, ist es, sie auf dünnen Folien anzubringen, die elektrische Kontakte aufweist und auf ihrer Rückseite Leiter eingestanzt hat, und dann die entsprechenden Verbindungsflächen auf der Folie mit einem Kabel zu verbinden, das zu einem Verbindungsstecker, dem elektrischen Verbinder 24, führt. Diese Sensoren werden in eine Basisstruktur 10 integriert, indem sie durch die Basisstruktur 10 hindurch von der Rückseite 30 der Basisstruktur 10 hindurch gesteckt werden. Dieses Verfahren ist in den
Dies kann alles vermieden werden, wenn der Verbindungsanschluss von der eigentlichen Sensorfolie 18 getrennt wird und die beiden Teile separat in die Struktur integriert werden, wie beispielsweise in
Der Verbindungseinsatz selbst ist aus einem nicht leitfähigen Material 48 gebildet, in das leitfähige Verbindungen integriert sind. Ein Beispiel eines solchen Materials ist PLA oder PAEK, und die Verbindungen werden einfach in das Material 48 eingebohrt. Der Verbindungskanal kann aus jeglichem leitfähigen Material 52 hergestellt sein, zum Beispiel Kupferdraht, der mit Epoxykleber in den Verbindungseinsatz eingeklebt ist. Sobald die Verbindungskanäle, das heißt die leitfähigen Kanäle 76, integriert worden sind, wird die Oberfläche 82 beispielsweise durch einen Frässchneider geebnet. Ein möglicher Aufbau eines solchen Verbindungseinsatzes mit Verbindungsstecker ist in den
Der Verbindungseinsatz kann dann eingeklebt oder in die Struktur eingeschraubt werden, z.B. über eine an die Basisstruktur 10 angepasste Struktur wie beispielsweise eine Stufenstruktur oder jegliche andere Methode, die eine Fixierung des Verbindungseinsatzes in der Basisstruktur 20 erlaubt. Es wird eine Verbindung zwischen dem Verbindungseinsatz und den leitfähigen Teilen, die zu dem Sensor der Sensorfolie 18 führen, hergestellt. Dies kann beispielsweise durch Positionierbolzen 70 oder im bevorzugten Fall einer durchsichtigen Sensorfolie 18 durch Positionsmarkierungen 64, 66 sowohl auf der Sensorfolie 18 als auch auf dem Verbindungseinsatz oder jeglicher Struktur, die in eine vorbestimmte Position gebracht werden soll, realisiert werden.The connection insert can then be glued or screwed into the structure, e.g. via a structure adapted to the
Überdies ist es von Vorteil, wenn eine Verbindung zwischen den Kontaktflächen 42, 50 auf der Sensorfolie 18 und auf dem Verbindungseinsatz durchgängig bereitgestellt wird. Dies kann durch Hinzufügen einer dünnen Lötmaterialschicht an beiden Kontaktflächen 42, 50 realisiert werden. Vorzugsweise wird dazu die Kontaktfläche der Sensorfolie 18 gewählt, da hierfür eine Aufdampftechnologie ausgewählt werden kann. Nach Aufdampfen werden eine lithografische Maske und ein lithografisches Verfahren angewendet, um das Lötmaterial 60 von der Sensorfolie 18 mit Ausnahme des Bereiches der Kontaktplättchen 42 zu entfernen. Dies alles erlaubt es, die Kontaktflächen 42, 50 über Aufheizen des Lötmaterials 60 zu verbinden und damit eine Verbindung über einen längeren Zeitraum bereitzustellen. Als Alternative zur Verwendung von Lötmaterial 60 mit der aufgedampften Lötmaterialschicht kann eine Maske angebracht werden, sowohl über den Kontaktplättchen 42 als auch den Kontaktflächen 50, und leitfähiges Epoxy-Material wie Silberepoxid kann verwendet werden, um die Verbindung herzustellen. Der gesamte Aufbauprozess zur Herstellung der Sensoranordnung 34 ist in den
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Basisstrukturbase structure
- 1212
- Bauteilcomponent
- 1414
- Einbringöffnunginsertion opening
- 1616
- Breitseitebroadside
- 1818
- Sensorfoliesensor foil
- 18a18a
- erste Seitefirst page
- 18b18b
- zweite Seitesecond page
- 2020
- Messbereichmeasuring range
- 2222
- Verbindungskabelconnection cable
- 2424
- elektrischer Verbinderelectrical connector
- 2626
- Steckerplug
- 2828
- Oberflächesurface
- 3030
- Rückseiteback
- 3232
- Kontaktieranordnungcontact arrangement
- 3434
- Sensoranordnungsensor arrangement
- 3636
- Sensor-Arraysensor array
- 3838
- Kontaktelementcontact element
- 4040
- Außenbereichoutdoor area
- 4242
- Kontaktplättchencontact plate
- 4444
- Verlängerungseinrichtungextension device
- 4646
- Basiskörperbase body
- 4848
- nicht leitfähiges Materialnon-conductive material
- 5050
- Kontaktflächencontact surfaces
- 5252
- leitfähiges Materialconductive material
- 5454
- Dünnschichtfilmthin film
- 5656
- Haftvermittleradhesion promoter
- 5858
- Leitsilberconductive silver
- 6060
- Lötmaterialsoldering material
- 6262
- Positionierelementepositioning elements
- 6464
- erste Positionsmarkierungfirst position marker
- 6666
- zweite Positionsmarkierungsecond position marker
- 6868
- Positionieröffnungpositioning hole
- 7070
- Positionierbolzenpositioning bolts
- 7272
- Bohrlochborehole
- 7474
- Röhrchentube
- 7676
- leitfähiger Kanalconductive channel
- 7878
- Kupferdrahtcopper wire
- 8080
- Drahtwire
- 8282
- bündige Oberflächeflush surface
- II
- Längenerstreckunglength extension
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