Elektromechanische Sensoren und Aktoren

Elektromechanische Sensoren und Aktoren

Piezoresistive Kraft- und Drehmomentsensorik

Sensor

Stand der Technik für den Aufbau von Kraft- und Drehmomentsensoren ist die Verwendung von Metallfolien-Dehnungsmessstreifen. Auf Halbleitern basierende Dehnmesselemente erlauben eine starke Miniaturisierung der Sensoren im Vergleich zum herkömmlichen Aufbau. Am Fachgebiet Mess- und Sensortechnik wird aus dieser Motivation anwendungsnah an der Integration von Silizium-Dehnmesselementen in Kraft- und Momentensensorik geforscht. Schwerpunkte sind die Aufbau- und Verbindungstechnik der Dehnmesselemente und flexible Auswertungselektronik und –algorithmen für Mehrkomponentensensoren.

Stark miniaturisierte Sensoren mit einem Durchmesser von weniger als 10 mm (6 Komponenten Kraft-Momentensensoren) können mit einem am Fachgebiet entwickelten Fertigungsverfahren aufgebaut werden. Bei diesem erfolgen die Fertigung des Verformungskörpers und das Aufbringen der Sensorelemente komplett planar, ein abschließender Umform- und Fügeschritt erzeugt die endgültige Form des Sensors. Das Verfahren erlaubt eine deutlich wirtschaftlichere Fertigung kleiner Sensoren durch die Möglichkeit, mehr Schritte als bisher in Batch-kompatiblen Verfahrensschritten durchzuführen.

Für den Aufbau von Sensoren steht dem Fachgebiet eine feinmechanische Werkstatt und ein Reinraum mit Mikromontageplatz und Drahtbonder sowie eine breite Auswahl von elektrischer und optischer Messtechnik zur Verfügung. Kalibrationsplätze für Bereiche von Milli- bis Kilonewton erlauben die Charakterisierung einer Vielzahl von Sensoren. Aktuell fließen die Forschungsarbeiten in folgende Anwendungen ein:

  • Zur Ansteuerung einer adaptiven Kniegelenkorthese wurden Sensoren zur örtlich aufgelösten Kraftvektormessung der Bodenreaktionskraft entwickelt. Die Daten dienen zusammen mit anderen Messgrößen als Eingangsgrößen eines neuronalen Netzes, das eine Situationserkennung ermöglicht und damit den Betriebszustand der Orthese festlegt.
  • Spezielle Mehrkomponentensensoren mit miniaturisierter Sensorelektronik werden zur Messung von Werkzeugsinteraktionskräften entwickelt. Die damit ermittelten Daten werden für die Modellbildung von Trainings- und Ersatzmodellen verwendet.
  • Zur intrakorporalen Kraftmessung stehen Siliziumelemente zur mehrdimensionale Kraftmessung in Herzkatheter-Führungsdrähten (Ø 360µm) und miniaturisierte Sensoren für medizinische Nadeln (Ø 1mm) zur Verfügung. Diese finden insbesondere Anwendung in Trainings- und Unterstützungssystemen der Mensch-Technik-Interaktion.