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Physik Journal - Ein integrierter Kraft- und Drehmomentsensor lässt sich kostengünstig fertigen.

In Produktionshallen sind Roboter alltäglich. Allerdings arbeiten sie bisher in geschützten Bereichen, um Menschen durch ihre Bewegungen nicht zu gefährden. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Siliziumtechnologie (ISIT) in Itzehoe haben nun einen integrierten Kraft- und Drehmomentsensor aus Silizium entwickelt, der künftig dabei helfen könnte, Kollisionen abzumildern. Gleichzeitig dürfte er kostengünstiger als heute erhältliche Kraft- und Drehmomentsensoren sein, deren Preise im vierstelligen Bereich liegen.

Abb.: Der Dehnungssensor aus Silizium ist auf einen Transducer aus Stahl aufgeklebt. (Bild: Fraunhofer ISIT)

Der ISIT-Sensor funktioniert ähnlich wie ein Dehnungsmessstreifen, bei dem der elektrische Widerstand variiert, wenn sich Länge und Querschnitt durch Zug oder Druck verändern. Der quadratische Sensor misst 144 mm² und besteht aus einem Rahmen und einer zentralen Platte. Verbunden sind die beiden an jeder Seite mit einer Brücke, die in einem Ätzprozess hergestellt wird. Auf jeder Brücke befinden sich mehrere piezoresistive Widerstände. Bei dem Bauteil handelt es sich um einen Demonstrator; denkbar sind aber auch andere Größen, geometrische Flächen und Anordnungen der Messbrücken.

Stößt ein Roboterarm, der mit einem solchen Sensor ausgestattet ist, gegen ein Hindernis, verändert sich die Form des Siliziums um wenige Mikrometer. Als Folge fließt mehr oder weniger Strom, abhängig davon, ob die Brücke gedehnt oder gestaucht worden ist.

Die Wissenschaftler haben den Sensor auf einen Transducer geklebt, der die Kräfte und Drehmomente eines Roboterarms auf das Silizium überträgt. Bei dem Transducer handelt es sich um einen 11 cm großen Kreis aus Stahl, in den vier Federarme eingearbeitet sind, auf denen der Sensor sitzt. Der Transducer dient als mechanischer Überlastschutz und gewährleistet genaue Messungen auch bei Temperaturänderungen.

Michael Vogel
Physik Journal, Mai 2009, S. 16

AL