Textile Leitungsführung und Verbindungen für Kapazitätsmessungen

Type: Semester thesis
Student: Elias Bürli and Daniel Hösli
Advisor: Jan Meyer
Project: Textile Pressure Sensor

In dieser Semesterarbeit wurde ein textiles Drucksensorfeld samt dazugehörender Messchaltung entwickelt. Als mögliches Einsatzgebiet für solche Sensoren, die in Kleidungsstücke integriert werden können, gilt vor allem der medizinische Bereich.

Für diesen Zweck wurde ein bereits bestehendes 16-er Drucksensorfeld auf 96 Sensoren erweitert. Mit dieser Anzahl ist es bereits möglich eine ganze Sitzfläche eines Stuhls abzudecken, womit die Druckverteilung bei einem sitzenden Menschen gemessen werden kann. Um dies noch zu Unterstützen wurde gemäss Abb. 1 eine 'U'-Förmige Anordnung der Sensoren gewählt.

Ein Schwerpunkt auf diesem Layout war dabei, dass die parasitären Kapazitäten, der Leitungen und der Sensoren, so klein wie möglich gehalten werden sollten, wofür das Simulationsprogramm 'FastCap' verwendet wurde.

Abb. 1: Produziertes Layout

Im Weiteren wurden geeignete Methoden zur elektrisch leitenden Verbindung zweier Textilien gesucht, im Hinblick auf eine mögliche Verwendung im textilen Drucksensorsystem. Die verschiedenen Verbindungsarten wurden nach Kriterien wie elektrische Eigenschaften, Einfachheit der Herstellung und ergonomische Aspekte bewertet. Von vielversprechenden Entwürfen wurden Prototypen hergestellt und ausgemessen. Schlussendlich wurde der Prototyp eines modifizierten Reissverschlusses ausgebaut so, dass er die 99 Leitungen des Drucksensorfelds mit denen der Hardware verbinden kann. (Siehe Abb. 2)

Für die Auswertung der Daten wurde ein neuer IC von Analog-Devices benutzt, welcher es erlaubt Kapazitäten im Bereich von 0-21pF zu Messen und diese, mit einer Auflösung von 24 Bit, digital weiter zu Leiten.

Dieser Wert wird über einen Mikrocontroller, an ein USB-Modul, weiter an den PC gesendet. Dafür wurde die in Abb. 3 gezeigte Auswerte-Schaltung entwickelt.

Diese erlaubt es weiter über die Ansteuerung externer Multiplexer und Switches, das Drucksensorfeld, Sensor für Sensor durchzumessen.

Damit Störeffekte nur eine minimale Wirkung auf die Messungen haben, wurde der genannte IC in einer speziellen '2-Tor'-Beschaltung angeschlossen.

Auf Grund einiger Verzögerungen bei der Herstellung des neuen Drucksensorfeldes, konnten nur noch Messungen mit dem Vorgänger gemacht werden. Die Ergebnisse waren bei diesem jedoch sehr zufriedenstellend. So konnten wir in einem Bereich von 2.5-10.5pF eine Auflösung von 62fF erreichen, bei der simulierte Störungen keinen Einfluss auf den tatsächlichen Druck hatten.