Universität Bielefeld - Technische Fakultät - Neuroinformatik



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Die Kraft- und Positionssensoren

 

Für die Detektion der Andruckkraft und einer Koordinate des Andruckortes werden Foliensensoren verwendet, die mit einer Halbleiterpolymertinte bedruckt sind. Dieser Sensortyp wird von der Firma Interlink hergestellt (siehe [Int90]) und ist wegen der einfachen Beschaltung in der Robotik bereits sehr verbreitet (siehe [Wöh94], [MBMD94]).

   Die Bandlücke des Halbleitermaterials ändert sich mit dem mechanischen Druck. Das macht sich wegen der veränderten Dichte thermisch angeregter Valenzelektronen im Leitungsband mit einer Änderung des statischen Widerstands bemerkbar. Diese Änderung ist sehr stark (1k bis 10M). Die Widerstand-Druck-Kennlinie hat dabei annähernd exponentiellen Verlauf. Der zugrundeliegende Effekt bewirkt allerdings auch, daß die Folie leichte   Heißleiter-Eigenschaften zeigt (siehe [AM76], Kap. "`Inhomogeneous Semiconductors"' und [GKV89]).

Der Zusammenhang zwischen dem mechanischen Druck und dem Widerstand ist von vielen Faktoren abhängig:

Zusammenhang zwischen Druck und Änderung der Bandstruktur:
Bei Veränderung des Druckes ändert sich die Bandstruktur; sie ist je nach Bindungskonstellation raumrichtungsabhängig. Im Fall von isotropem Material ist der Nettoeffekt zwar unabhängig von der Raumrichtung, doch ist der Zusammenhang mit dem Druck meist kompliziert. Da die Zusammensetzung der Halbleitertinte Firmengeheimnis von Interlink ist, wird hier vereinfachend angenommen, das Material ändere seine Bandlücke linear mit dem Druck.
Zusammenhang zwischen Änderung der Bandlücke und Ladungsträgerdichte:
Unter der Annahme, daß das Material vollständig isotrop ist, kann man von einer druckabhängigen Bandlücke ausgehen. Die Besetzungsdichte des Leitungsbandes folgt annähernd einem Exponentialgesetz (Näherung für die Fermi-Verteilungsfunktion weit über der Fermi-Kante ). Die Gesamtdichte im Leitungsband ergibt sich durch Integration dieser Funktion über den Bereich . Bei Veränderungen der Bandlücke ändert sich die Lage der Fermi-Kante und die Integrationsgrenzen. Dieses Modell legt einen Exponentialansatz für die Abhängigkeit der Ladungsträgerdichte von der Änderung der Bandlücke nahe (siehe [Meh94]).
Zusammenhang zwischen Ladungsträgerdichte und Leitwert:
Der Leitwert (reziproker Widerstand) wird mittels Elektroden gemessen, die auf der Oberfläche der Folie angeordnet sind. Der gemessene Leitwert hängt neben der Dichte der Ladungsträger auch von deren Beweglichkeit (bei Halbleitern: unterschiedliche Beweglichkeiten der Elektronen und der "`Löcher"') und der Geometrie der Elektroden ab.

Diese Betrachtungen können bei der Interpretation der Kennlinien von Nutzen sein. Zunächst soll jedoch die Bauweise eines Kraft- und Positionssensors auf der Grundlage der Interlink-Folie beschrieben werden. 





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Markus Jankowski Jan Jockusch Lars Jansen Michael Jandrey Marjan Tomas , 1996-Dec-06