DE102007012111A1 - Electric field generating arrangement for use in sensor device, has expansion and extinction electrode devices that are arranged and impinged upon by voltage such that spatial area of field and extinction area are superimposed on each other - Google Patents

Electric field generating arrangement for use in sensor device, has expansion and extinction electrode devices that are arranged and impinged upon by voltage such that spatial area of field and extinction area are superimposed on each other Download PDF

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Abstract

The arrangement has a field producing electrode that is connected in an LC network and exposed to a spatial area (RB) of the field such that the capacitance of a capacitor system with the electrode is changed according to dielectric properties of the material present in the spatial area. A field extinction electrode device has an electrode surface that is oriented towards an extinction area. An expansion electrode device and the extinction electrode device are arranged and impinged upon by a voltage such that the spatial area of the field and the extinction area are superimposed on each other.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Generierung eines hinsichtlich seiner räumlichen Ausbreitung markant beeinflussten elektrischen Feldes, sowie auch auf eine unter Einschluss derselben gebildete Sensoreinrichtung.The The invention relates to an arrangement for generating a in terms of its spatial Spread markedly influenced electric field, as well to a sensor device formed including the same.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen durch welche es möglich wird, ein an sich quasistatisches elektrisches Wechselfeld zu generieren das sich mit einer gewissen Fokussierung, in einen als Überwachungs- oder Signalübertragungsbereich relevanten Präferenzbereich hinein ausbreitet.Of the Invention has for its object to provide solutions by which it possible is to generate a quasi-static alternating electric field with a certain focus, into one as a monitoring or signal transmission area relevant preference area spread into it.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit:

  • – einer Feldbereitungselektrodeneinrichtung die als solche in ein LC-Netzwerk eingebunden ist, und die derart zu einem Feldraumbereich hin freiliegt, dass sich die Kapazität eines unter Einschluss der Elektrodeneinrichtung gebildeten Kondensatorsystems in Abhängigkeit von den dielektrischen Eigenschaften der in dem Feldraumbereich vorhandenen Materie ändert,
  • – einer Isolatorlage die sich auf einer dem Feldraumbereich abgewandten Rückseite der Feldelektrodeneinrichtung erstreckt,
  • – einer Abschirmelektrodeneinrichtung die sich auf einer der Feld-Elektrodeneinrichtung abgewandten Rückseite der Isolatorlage erstreckt, und
  • – einer Feldextinktionselektrodeneinrichtung die als solche eine, einem Extinktionsbereich zugewandte Elektrodenfläche aufweist, wobei die Feldbereitungselektrodeneinrichtung und die Feldextinktionselektrodeneinrichtung derart angeordnet und spannungsbeaufschlagt sind, dass der Feldraumbereich und der Extinktionsbereich einander abschnittsweise überlagern.
This object is achieved by a circuit arrangement with:
  • A field preparation electrode device, which as such is integrated into an LC network and which is exposed to a field space region in such a way that the capacitance of a capacitor system formed with the inclusion of the electrode device changes depending on the dielectric properties of the material present in the field space region,
  • An insulator layer which extends on a rear side of the field electrode device facing away from the field space region,
  • A shielding electrode device which extends on a rear side of the insulator layer facing away from the field electrode device, and
  • A field extinction electrode device which as such has an electrode surface facing an extinction region, the field preparation electrode device and the field extinction electrode device being arranged and subjected to voltage such that the field space region and the extinction region overlap one another in sections.

Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, den seitlich ausfließenden Randbereich des durch die Feldbereitungselektrode generierten Feldes zu kappen und den über die Feldbereitungselektrode observierten Raumbereich relativ scharf zu begrenzen.Thereby is it possible in an advantageous manner the laterally flowing out Edge region of the field generated by the field preparation electrode to cap and over the field preparation electrode observed space area relatively sharp to limit.

Vorzugsweise ist die Feldextinktionselektrodeneinrichtung derart angeordnet und angeschaltet, dass durch diese eine Randzone des in den Feldraumbereich eindringenden Feldes der Feldbereitungselektrodeneinrichtung beschnitten wird.Preferably the field extinction electrode device is arranged and turned on that through this one edge zone of the in the field space area truncated field of Feldbereitungselektrodeneinrichtung cropped becomes.

Zwischen der Feldbereitungselektrodeneinrichtung und der Feldextinktionselektrodeneinrichtung ist vorzugsweise eine Trennelektrodeneinrichtung vorgesehen ist. Diese Trennelektrodeneinrichtung ist vorzugsweise zwischen zwei Isolatormateriallagen aufgenommen und mit der Abschirmelektrodeneinrichtung gekoppelt. Die Trennelektrodeneinrichtung kann mit der Abschirmelektrodeneinrichtung direkt leitend gekoppelt sein, insbesondere integral mit diese ausgebildet sein.Between the field preparation electrode device and the field extinction electrode device is preferably a separation electrode means is provided. This separation electrode device is preferably between two Insulator material layers recorded and with the Abschirmelektrodeneinrichtung coupled. The separation electrode device can directly contact the shielding electrode device be conductively coupled, in particular integrally formed with these be.

An die Feldextinktionselektrodeneinrichtung wird erfindungsgemäß eine Spannung mit einem in Bezug zur Spannung an der Feldbereitungselektrodeneinrichtung phasenversetzten Verlauf angelegt. Der Phasenversatz beträgt vorzugsweise im wesentlichen π und die Spannung liegt vorzugsweise in der Größenordnung der Spannung an der Feldbereitungselektrodeneinrichtung. Es ist möglich, die Schaltung so aufzubauen, dass der Phasenversatz und der Spannungsabstand einstellbar veränderbar sind.At the field extinction electrode device becomes a voltage according to the invention with respect to the voltage across the field-preparing electrode device phase-shifted course created. The phase offset is preferably essentially π and the voltage is preferably of the order of magnitude of the voltage the field preparation electrode device. It is possible the circuit build up so that the phase offset and the voltage gap adjustable are changeable.

Die Trennelektrodeneinrichtung kann so ausgebildet sein, dass diese stegartig zwischen der Feldbereitungselektrode und der Feldextinktionselektrode verläuft. Die Trennelektrodeneinrichtung kann insbesondere integral mit der Abschirmelektrodeneinrichtung ausgebildet sein.The Separating electrode device may be formed so that these web-like between the field preparation electrode and the field extinction electrode runs. The separating electrode device can in particular be integrated with the Shield electrode device may be formed.

Durch das erfindungsgemäße Konzept wird es möglich, relativ niederfrequent betriebene kapazitive Sensoren mit ausgeprägter Richtwirkung zu realisieren. Die Erfindung ermöglicht es, kapazitive Sensoren durch eine geeignete Sensor-Struktur und eine geeignete Elektronik mit einer Richtcharakteristik zu versehen.By the inventive concept will it be possible relatively low-frequency operated capacitive sensors with pronounced directivity to realize. The invention makes it possible to use capacitive sensors through a suitable sensor structure and suitable electronics to be provided with a directional characteristic.

Die Feldbereitungselektrodeneinrichtung bildet Bestandteil eines Oszillators, dessen frequenzbestimmende Kapazität von den dielektrischen Eigenschaften der Umgebung der Feldbereitungselektrodeneinrichtung abhängig ist. Nähert sich ein Körper der Feldbereitungselektrodeneinrichtung, so erhöht sich die Kapazität und damit verändert sich die Frequenz. Damit Masseflächen nicht die Empfindlichkeit des Systems reduzieren, wird die Massefläche durch ein mit dem Sensor gleichphasiges Signal gleicher Spannung ausgeblendet. (Transimpedanzwandler als Shield-Treiber) Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:The Field preparation electrode device forms part of an oscillator, its frequency-determining capacity of the dielectric properties the environment of the field preparation electrode device is dependent. approaches a body the field preparation electrode device, so the capacity increases and thus changed the frequency. Thus, ground planes Do not reduce the sensitivity of the system, the ground plane is through a signal in phase with the sensor of the same voltage hidden. (Transimpedance converter as shield driver) Further details and Features of the invention will become apparent from the following description in conjunction with the drawing. It shows:

1 ein Prinzipschaltbild eines auf der Nutzung feldelektrischer Wechselwirkungseffekte basierenden Sensorsystems; 1 a schematic diagram of a based on the use of field-electric interaction effects sensor system;

2 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung der Empfindlichkeitsverteilung bei einem flächig aufgebauten Sensor ohne Shield; 2 a schematic diagram illustrating the sensitivity distribution in a surface mounted sensor without shield;

3 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung der Empfindlichkeitsverteilung bei einem flächig aufgebauten Sensor mit Shield; three a schematic diagram illustrating the sensitivity distribution in a surface mounted sensor with shield;

4 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung eines mit einer Feldextinktionselektrodeneinrichtung und einer Abschirmstegelektrode versehenen Cutted-Field Sensors; 4 a schematic diagram illustrating a provided with a field extinction electrode means and a Abschirmstegelektrode cutted field sensor;

5 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung der Anschaltung der Elektroden des Sensors nach 4 für gegenphasige Spannungsbeaufschlagung der Feldextinktionselektrode; (Cutted-Field Betriebsmodus) 5 a schematic diagram for illustrating the connection of the electrodes of the sensor according to 4 for anti-phase voltage application of the field extinction electrode; (Cutted-Field operating mode)

6 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung der Anschaltung der Elektroden des Sensors nach 4 für gleichphasige Spannungsbeaufschlagung der Feldextinktionselektrode (Wide-Field Betriebsmodus). 6 a schematic diagram for illustrating the connection of the electrodes of the sensor according to 4 for in-phase voltage application of the field extinction electrode (wide-field operating mode).

1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines auf der Nutzung feldelektrischer Wechselwirkungseffekte basierenden Sensorsystems. Über dieses Sensorsystems kann ein der Feldbereitungselektrode 1 vorgelagerter Raumbereich RB observiert werden. Dies erfolgt indem die Feldbereitungselektrode 1 Bestandteil eines LC-Netzwerkes bildet. Die Feldbereitungselektrode 1 bildet hierbei insbesondere Teil einer für das LC-Netzwerk frequenzbestimmenden Kapazität. Diese Kapazität wird durch Änderungen der dielektrischen Eigenschaften der Materie im Raumbereich RB beeinflusst. 1 shows a schematic diagram of a based on the use of field-electric interaction effects sensor system. About this sensor system, one of the field preparation electrode 1 Observed space RB be observed. This is done by the field preparation electrode 1 Part of an LC network forms. The field preparation electrode 1 forms in particular part of a frequency determining the LC network capacity. This capacity is influenced by changes in the dielectric properties of matter in the RB space.

In 2 ist dargestellt, welche Zonen des die Feldbereitungselektrodeneinrichtung 1 umgebenden Raumbereiches für die Kapazität des unter Einschluss der Feldbereitungselektrodeneinrichtung gebildeten Kondensatorsystems haben. Wie erkennbar sind die den an die Hauptflächen der Feldbereitungselektrodeneinrichtung angrenzenden Raumsegmente für die Kapazität in einem höheren Ausmaß prägend, als die randseitig zwischen den genannten Raumsegmenten umlaufenden Randraumzwickel.In 2 is shown which zones of the field preparation electrode device 1 surrounding space region for the capacitance of the capacitor system formed with the inclusion of the field preparation electrode device. As can be seen, the space segments adjacent to the main surfaces of the field preparation electrode device are more capacious for the capacitance than the peripheral edge gussets encircling the edge regions between said space segments.

In 3 ist eine einseitig abgeschirmte Anordnung einer Feldbereitungselektrodeneinrichtung dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 ist es so, dass die Frequenzänderung eines Körpers an die Feldbereitungselektrode 1 die Frequenzänderung umso größer ist, je mehr Elektrodenfläche jenem sich annäherenden Körper gegenübersteht.In three is a one-sided shielded arrangement of a field preparation electrode device is shown. According to the embodiment three it is such that the frequency change of a body to the field preparation electrode 1 The more the electrode surface faces that approaching body, the greater the frequency change.

Das nachfolgend insbesondere in Verbindung mit 4 beschriebene Konzept macht es möglich, bereits mit relativ niederfrequenten (quasi statisch betriebenen) Sensoren im Nahfeld eine gute Richtwirkung zu erzielen. Durch das erfindungsgemäße Konzept wird es möglich, den Raum vor dem Sensor aufzuteilen und ein Raumsegment auszublenden. Es entsteht dabei eine Richtcharakteristik, die für niederfrequent betriebene kapazitive Sensoren untypisch ausgeprägt ist. Durch das erfindungemäße Konzept wird es auf vorteilhafte Weise möglich, in relativ markant begrenzten einem Raumsegment auf Bewegungen zu reagieren (Detektieren, Schalten, Regeln, etc.) und die Bewegungen in einem anderen Raumsegment zu ignorieren.The following in particular in connection with 4 described concept makes it possible to achieve a good directivity even with relatively low frequency (quasi static operated) sensors in the near field. The inventive concept makes it possible to divide the space in front of the sensor and hide a space segment. This results in a directional characteristic, which is atypical for low-frequency operated capacitive sensors. Due to the concept according to the invention, it is advantageously possible to react to movements (detecting, switching, regulating, etc.) in a relatively markedly limited one space segment and to ignore the movements in another space segment.

Es sind erfindungsgemäß Elektroden vorgesehen, deren Wirkung es ist, das elektrische Sensor-Feld in einem gewünschten Raum effektiv zu neutralisieren bzw. ,abzusaugen'. Im weiteren wird deshalb von ,Saugelektroden' gesprochen. 4 zeigt den prinzipiellen Sensor-Aufbau. Die Elektrodenanordnung kann dabei auch variiert werden. Es kann beispielsweise der Sensor auch oder zusätzlich in die Vertikale gezogen werden um eine erhöhte Empfindlichkeit in x-Richtung zu erlangen.According to the invention, electrodes are provided whose effect is to effectively neutralize or 'suck off' the electric sensor field in a desired space. In the following, therefore, is spoken of 'suction electrodes'. 4 shows the basic sensor structure. The electrode arrangement can also be varied. For example, the sensor can also be pulled in the vertical or additionally in order to obtain an increased sensitivity in the x-direction.

5 veranschaulicht den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltung s. Um eine gute Feldneutralisation im unerwünschten Raumsegment zu erreichen, wird die Saugelektrode gegenüber der Sensor-Elektrode gegenphasig angesteuert. 5 illustrates the basic structure of the inventive circuit s. In order to achieve a good field neutralization in the unwanted space segment, the suction electrode is driven in anti-phase with respect to the sensor electrode.

Die Erfindung kann mit besonderem Vorteil dort eingesetzt werden, wo eine ausgeprägte Richtwirkung notwendig ist. Dies ist z.B. bei Ersatz von Lichtschranken oder Lichtgittern der Fall oder bei einem Einklemmschutz, bei dem ganz gezielt nur der gefährdete Bereich detektiert wird. Sie eignet sich auch für eine Aneinander-Reihung von Kapazitiven Schalter auf engstem Raum.The Invention can be used with particular advantage where a pronounced Directivity is necessary. This is e.g. when replacing photocells or light curtains the case or in a pinch protection, in which specifically only the endangered Range is detected. It is also suitable for a juxtaposition of Capacitive switch in a confined space.

Es ist möglich, die jeweilige Sensorschaltung, adressierbar ansteuerbar zu gestalten. Es ist auch möglich, deren Funktionsweise phasenweise zu variieren. So kann beispielsweise für eine bestimmte Anzahl oder Zeitdauer von Wechselzyklen des Detektionsfeldes auch die Art der Begrenzung des Detektionsfeldes – vorzugsweise adressiert angesteuert – verändert werden. Hierdurch wird eine Kombinierte Überwachung des umfassenden Observationsbereiches und eine Unterscheidung zwischen der Präsenz eines Objektes im gekappten, oder im großen Bereich möglich. Es ist grundsätzlich auch möglich, schaltungstechnische Maßnahmen zu treffen die es ermöglichen ausgewählte Elektroden wechselweise als Feldbereitungs- und als Feldextinktionselektroden zu verwenden.It is possible, the respective sensor circuit to make addressable addressable. It is also possible, their operation to vary in phases. So, for example for one certain number or duration of change cycles of the detection field also the type of limitation of the detection field - preferably addressed addressed - changed. This will create a Combined Monitor of the comprehensive field of observation and a distinction between the presence an object in the capped, or in the large area possible. It is basically also possible, Circuitry measures to make it possible selected Electrodes alternately as field preparation and as field extinction electrodes to use.

Wie aus 6 ersichtlich, kann zur Erhöhung der Empfindlichkeit die Ground-Kapazität reduziert/kompensiert werden. Dies ist durch Verwendung der Sensor-Geometrie (Sensor + Shield) möglich, wenn Ground-Flächen über den Sensor hinaus mit einer Shield-Elektrode kompensiert werden. Auf kleinerem Raum ist die Erhöhung der Empfindlichkeit möglich, wenn eine weitere Elektrode zugefügt wird, die mit einer gleichphasig, höheren Spannung als der Sensor betrieben wird. Die Spannungsverstärkung Vu des Treibers muss also größer als eins sein. Dies ist auch in Kombination mit einer Saugelektrode möglich. Die Auswertung der kapazitiven Änderung kann mit allen üblichen Auswerteverfahren erfolgen, wie z.B. Frequenzverfahren, Phasenverfahren, Amplitudenverfahren.How out 6 can be seen, the ground capacitance can be reduced / compensated to increase the sensitivity. This is possible by using the sensor geometry (Sensor + Shield) when compensating ground areas beyond the sensor with a shield electrode. In a smaller space, the increase in sensitivity is possible if another electrode is added, which is operated with an in-phase, higher voltage than the sensor. The voltage gain Vu of the driver must therefore be greater than one. This is also possible in combination with a suction electrode Lich. The evaluation of the capacitive change can be done with all conventional evaluation methods, such as frequency method, phase method, amplitude method.

Claims (11)

Schaltungsanordnung mit: – einer Feldbereitungselektrodeneinrichtung die als solche in ein LC-Netzwerk eingebunden ist, und die derart zu einem Feldraumbereich hin freiliegt, dass sich die Kapazität eines unter Einschluss der Feldbereitunngselektrodeneinrichtung gebildeten Kondensatorsystems in Abhängigkeit von den dielektrischen Eigenschaften der in dem Feldraumbereich vorhandenen Materie ändert, – einer Isolatorlage die sich auf einer dem Feldraumbereich abgewandten Rückseite der Feldelektrodeneinrichtung erstreckt, – einer Abschirmelektrodeneinrichtung die sich auf einer der Feld-Elektrodeneinrichtung abgewandten Rückseite der Isolatorlage erstreckt, und – einer Feldextinktionselektrodeneinrichtung die als solche eine, einem Extinktionsbereich zugewandte Elektrodenfläche aufweist, – wobei die Feldbereitungselektrodeneinrichtung und die Feldextinktionselektrodeneinrichtung derart angeordnet und spannungsbeaufschlagt sind, dass der Feldraumbereich und der Extinktionsbereich einander abschnittsweise überlagern.Circuit arrangement with: - one Feldbereitungselektroden as such in an LC network is involved, and thus exposed to a field space area, that is the capacity one including the field-disposable electrode device formed capacitor system as a function of the dielectric properties the matter that exists in the field space area changes, - one Insulator layer which faces away from the field space area back the field electrode device extends, A shielding electrode device located on one of the field electrode device facing away back the insulator layer extends, and A field extinction electrode device which as such has an electrode surface facing an extinction region, - in which the field preparation electrode device and the field extinction electrode device are arranged and energized such that the field space area and the extinction area overlap each other in sections. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldextinktionselektrodeneinrichtung derart angeordnet und angeschaltet ist, dass durch diese eine Randzone des in den Feldraumbereich eindringenden Feldes der Feldbereitungselektrodeneinrichtung beschnitten wird.Circuit arrangement according to Claim 1, characterized in that the field extinction electrode device is arranged in such a way and turned on, that through this one edge zone of the in the field space area truncated field of Feldbereitungselektrodeneinrichtung cropped becomes. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dass zwischen der Feldbereitungselektrodeneinrichtung und der Feldextinktionselektrodeneinrichtung eine Trennelektrodeneinrichtung vorgesehen ist.Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized characterized in that between the field preparation electrode means and the field extinction electrode means a separation electrode means is provided. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelektrodeneinrichtung zwischen zwei Isolatormateriallagen aufgenommen ist.Circuit arrangement according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the separating electrode means between two insulator material layers is included. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelektrodeneinrichtung mit der Abschirmelektrodeneinrichtung gekoppelt ist.Circuit arrangement according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the separating electrode means with the shielding electrode device is coupled. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelektrodeneinrichtung mit der Abschirmelektrodeneinrichtung direkt leitend gekoppelt ist.Circuit arrangement according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the separating electrode means with the Abschirmelektrodeneinrichtung is directly conductively coupled. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an die Feldextinktionselektrodeneinrichtung eine Spannung mit einem in Bezug zur Spannung an der Feldbereitungselektrodeneinrichtung phasenversetzten Verlauf angelegt wird.Circuit arrangement according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the field extinction electrode means a Voltage with respect to the voltage at the field preparation electrode device phase-shifted course is created. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenversatz im wesentlichen π beträgt und die Spannung in der Größenordnung der Spannung an der Feldbereitungselektrodeneinrichtung liegt.Circuit arrangement according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the phase offset is substantially π and the Tension of the order of magnitude the voltage is applied to the field preparation electrode device. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenversatz einstellbar veränderbar ist.Circuit arrangement according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the phase offset adjustable adjustable is. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsabstand zwischen der Feldbereitungselektrode und der Feldextinktionselektrode einstellbar veränderbar ist.Circuit arrangement according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that the voltage difference between the Field preparation electrode and the field extinction electrode adjustable variable is. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelektrodeneinrichtung stegartig zwischen der Feldbereitungselektrode und der Feldextinktionselektrode verläuft.Circuit arrangement according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that the separating electrode means web-like between the field preparation electrode and the field extinction electrode runs.
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