Entwurf überlastfester Mehrkomponenten-Kraftsensoren zur Fertigung im Nutzen

Die vorliegende Arbeit beschreibt den Entwurf eines überlastfesten Sensors zur Messung vektorieller Kräfte. Am Institut für Elektromechanische Konstruktionen der TUDarmstadt wird eine adaptive Orthese mit Leistungsabgabe entwickelt. Für die Steuerung der Aktorik ist die Kenntnis der Kräfte erforderlich, die unter dem Fuß des Orthesennutzers bei den alltäglichen Bewegungsabläufen entstehen. Zu diesem Zweck wird ein neuartiges Sensorsystem in Form einer Einlegesohle entwickelt, das die vektoriellen Bodenreaktionskräfte an mehreren Punkten der Fußsohle misst. Diese Arbeit stellt den Entwurf des Einzelsensors und somit den ersten Schritt zur Realisierung dieses Systems dar. Mit der Ermittlung der Anforderungen wird eine Basis für die Entwicklung des Sensors geschaffen. Ein Verformungskörper in Speichenradform wird als für den Anwendungsfall besonders geeignet ermittelt. Der Sensor besteht aus nur drei Bauteilen, die derart gestaltet sind, dass sie sich im Waferverbund kostengünstig fertigen lassen. In Kombination mit dem piezoresistiven Wirkprinzip entsteht ein Messelement, das eine hohe Robustheit gegen die zu erwartenden Feuchtigkeiten im Schuh des Nutzers aufweist. Mit einer Grundfläche von 5 5mm2 und einer Höhe von 2,9mm können eine Vielzahl gleichartiger Sensoren in eine Schuhsohle integriert werden. Der Nennmessbereich beträgt 28,6N für Normalkräfte und 4N für Scherkräfte und ist damit für die Messung der Bodenreaktionskräfte beim Gehen geeignet. Der Sensor ist durch Abdünnen des Verformungskörpers einfach für höhere Empfindlichkeiten bei kleineren Kräften anpassbar. Ein Überlastschutz ist auf senkrechte Kräfte bis 60N und Scherkräfte bis 23N ausgelegt. Im Überlastfall zeigen sich noch Spannungsüberhöhungen in den Radien, denen konstruktiv begegnet werden muss. Es ist Bauraum für ein ASIC vorgesehen, um die Anzahl der notwendigen Anschlüsse zu verringern und den Sensor im Array betreiben zu können. Damit ist der Entwurf eines Kraftsensors abgeschlossen, der die Eigenschaften Kraftvektormessung, Überlastsicherheit, Anpassbarkeit und SMD-Bestückbarkeit erstmalig vereint