Dehnbarer Kondensator „Ein einzelnes kapazitives Signal unterscheidet zunächst nicht zwischen Dehnung und Druck“

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Ein steifer Sensor kann die Bewegung verfälschen. Deshalb setzt Delfa Systems auf Silikonfolien mit dehnbaren Elektroden. Geschäftsführer Philipp Linnebach erklärt im Gespräch, wie der Sensor Dehnung und Druck misst.

Delfa Systems hat einen Datenhandschuh mit integrierten Polymersensoren entwickelt. Sie sollen Handbewegungen und Fingerstellungen erfassen sowie Kraft, Druck und Dehnung messen, ohne den Tragekomfort wesentlich einzuschränken. Die Pressemitteilung spricht allgemein von elektroaktiven Polymeren. Im Interview beschreibt Geschäftsführer Dr.-Ing. Philipp Linnebach das Messprinzip und wichtige Kennwerte.

Das Sensorelement besteht vereinfacht aus einer nur 50 µm dünnen Silikonschicht, die beidseitig mit dehnfähigen Elektroden beschichtet ist. Warum ist die Kapazität das richtige Messprinzip?

Linnebach: Unsere Sensoren basieren auf dielektrischen Elastomeren. Vereinfacht besteht das Sensorelement aus einer nur 50 µm dünnen Silikonschicht, die beidseitig mit dehnfähigen Elektroden beschichtet ist. Dadurch entsteht ein flexibler Kondensator, dessen Kapazität sich bei mechanischer Verformung verändert.

Ein kapazitives Signal allein unterscheidet nicht zwischen Dehnung und Druck. Wie trennen Sie die Belastungsarten?

Linnebach: Ein einzelnes kapazitives Signal unterscheidet zunächst nicht zwischen Dehnung und Druck. Entscheidend ist deshalb unser Mehrschichtaufbau. Dieser schirmt die eigentliche Messkapazität gegen äußere elektrische Einflüsse wie Berührung und Annäherung ab.

Durch die Sensorgeometrie können wir zudem die Empfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen mechanischen Belastungen gezielt beeinflussen. Bei unseren nur etwa 0,5 mm dünnen Dehnungssensoren liegt die Sensorschicht mittig, wodurch Biegeeinflüsse reduziert werden. Gleichzeitig ist der Aufbau bei geeigneten mechanischen Randbedingungen gegenüber senkrechtem Druck vergleichsweise unempfindlich. So können wir auf derselben Technologieplattform unterschiedliche Sensoren für Dehnung, Kraft und Druck realisieren.

Welche Kennwerte erreichen Sie bei Auflösung, Hysterese, Temperaturdrift und Zyklenfestigkeit, und wie verändern sie sich im Textil?

Linnebach: Bei Sensorkennwerten unterscheiden wir bewusst zwischen theoretischer Auflösung und praktisch erreichbarer Messleistung. Bezogen auf unsere Standardelektronik erreichen wir eine elektronische Auflösung von 0,01 % des Messbereichs. Unter Berücksichtigung des Messrauschens sind es bei 125 Hz etwa 0,1 %. Bei einem Messbereich von 25 mm entspricht das einer detektierbaren Wegänderung von nur 25 µm.

Die Hysterese beträgt weniger als 0,2 % des Messbereichs. Die Temperaturabhängigkeit können wir durch Kompensation von etwa 0,2 auf 0,05 % pro Kelvin reduzieren.

Eine besondere Herausforderung ist die Zyklenfestigkeit, insbesondere an der mechanischen und elektrischen Kontaktierung. Hier erreichen wir durch unseren patentierten Aufbau abhängig von der Dehnungsbeanspruchung mehrere Hunderttausend bis mehrere Millionen Lastzyklen.

Bei der Integration in Textilien beeinflussen insbesondere deren mechanische Eigenschaften das Gesamtsystem. Viskoelastische Materialien können beispielsweise die Hysterese erhöhen. Gleichzeitig kann das Textil durch eine Begrenzung der maximalen Dehnung auch vor Überlastung schützen. Die konkrete Leistungsfähigkeit muss deshalb immer für die jeweilige Kombination aus Sensor und Textil betrachtet werden.

Wie führen Sie die Signale aus dem Textil heraus, und wo sitzt die Ausleseelektronik?

Linnebach: Unsere Sensorlaminate werden direkt auf das Textil auflaminiert. Die elektrische Kontaktierung verbleibt dabei auf der textilen Struktur.

Unser bevorzugter Ansatz ist eine kleine Primärelektronik direkt am Sensorelement. Dadurch bleibt die empfindliche kapazitive Messstrecke sehr kurz, und parasitäre Kapazitäten sowie elektrische Störeinflüsse werden minimiert. Die aufbereiteten Messdaten können anschließend über eine robuste Kommunikationsverbindung übertragen werden.

Alternativ lässt sich die Elektronik auch räumlich getrennt anordnen. In diesem Fall setzen wir beispielsweise auf geschirmte Leitungen oder speziell ausgelegte flexible Leiterplatten. Unser interner Mehrschichtaufbau reduziert zusätzlich Störeinflüsse durch Hautkontakt oder Annäherung. Da wir sowohl Sensorik als auch Elektronik selbst entwickeln, können wir die gesamte Messkette auf die jeweilige Anwendung abstimmen.

Was übersteht der Handschuh an Waschen, Desinfektion und Schweiß, und welche Schritte zu Biokompatibilität und MDR sind geplant?

Linnebach: Die verwendeten Silikonmaterialien bieten grundsätzlich eine hohe Beständigkeit gegenüber Temperatur, mechanischer Beanspruchung und vielen chemischen Einflüssen. Die eigentliche Herausforderung bei waschbaren Smart Textiles liegt vor allem in der elektrischen Kontaktierung und der Elektronik.

Unser Ziel ist es, auch die Primärelektronik dauerhaft in das Textil zu integrieren. Hier evaluieren wir derzeit unterschiedliche Lösungen. Belastbare Aussagen zur Wasch- und Desinfektionsbeständigkeit des vollständigen smarten Textils, zum Beispiel in einem Handschuh, können wir erst nach entsprechenden Tests treffen.

Für medizinische Anwendungen können wir auf Silikonmaterialien zurückgreifen, die auch in biokompatiblen Ausführungen verfügbar sind. Der Nachweis der Biokompatibilität sowie mögliche Anforderungen der europäischen Medizinprodukteverordnung hängen jedoch von der konkreten Anwendung und Zweckbestimmung des Gesamtsystems ab.

Wir sehen uns als Technologiepartner, der präzise Sensordaten bereitstellt und verarbeitet. Für deren medizinische Interpretation und die Entwicklung entsprechender Medizinprodukte suchen wir gezielt die Zusammenarbeit mit Partnern aus Medizintechnik und Rehabilitation.

Ihre Technik deckt Robotik, Infrastruktur und Medizin ab. Wo sehen Sie den ersten Markt mit Serienstückzahlen, und welche Fertigungskapazität hat der Standort Neunkirchen?

Linnebach: Alle drei Märkte bieten erhebliches Potenzial, allerdings aus unterschiedlichen Gründen. In der Infrastrukturüberwachung können wir bereits heute konkrete Projekte mit vergleichsweise kleinen Sensorstückzahlen realisieren. In der Automatisierung und Robotik sehen wir Potenzial für wiederkehrende Serienanwendungen. Die Medizintechnik ist dagegen durch längere Entwicklungs- und Zulassungszyklen geprägt, bietet aber langfristige Perspektiven.

Wir verfolgen diese Märkte bewusst parallel. Welcher Bereich zuerst größere Serienstückzahlen erreicht, hängt letztlich von der Entwicklung konkreter Kundenanwendungen ab. Unsere Fertigung haben wir von Beginn an auf Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit ausgelegt. Die technologischen Kernprozesse sind vollständig automatisiert, während die weiteren Schritte teilweise manuell in effizienten Batchprozessen erfolgen.

Am Standort Neunkirchen können wir bereits heute im Einschichtbetrieb bis zu 30.000 fertig montierte und geprüfte Standardsensoren pro Jahr herstellen. Durch den Einsatz modifizierter Standardmaschinen lässt sich die Fertigung bei entsprechendem Bedarf modular erweitern. (heh)

Dehnbare Sensorik in der Medizin

So messen elektroaktive Polymere im Handschuh

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