DE102007012111B4

DE102007012111B4 - Anordnung zur Generierung eines elektrischen Feldes, sowie unter Einschluss derselben realisierte Sensoreinrichtung

Info

Publication number: DE102007012111B4
Application number: DE102007012111.5A
Authority: DE
Inventors: Claus Kaltner
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: DE102007012111A1

Abstract

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 Feldbereitungselektrodeneinrichtung 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 Feldbereitungselektrodeneinrichtung erstreckt, – einer Abschirmelektrodeneinrichtung, die sich auf einer der Feldbereitungselektrodeneinrichtung 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, wobei die Feldextinktionselektrodeneinrichtung derart angeordnet und angeschaltet ist, dass durch diese der Raum vor dem Sensor aufgeteilt und eine Randzone des in den Feldraumbereich eindringenden Feldes der Feldbereitungselektrodeneinrichtung ausgeblendet wird.

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.
Aus der US 5,442,347 A ist eine Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Näherungssensor bekannt, die eine erste Elektrodeneinrichtung umfasst, die zu einem Feldraumbereich hin freiliegt, sodass sich die Kapazität des unter Einschluss der Elektrodeneinrichtung gebildeten Kondensatorsystems in Abhängigkeit von den dielektrischen Eigenschaften der in dem Feldraumbereich vorhandenen Materie ändert. Des Weiteren ist eine Schirmelektrode vorgesehen, die sich auf einer Rückseite der Elektrodeneinrichtung erstreckt. Ferner ist eine zweite Elektrodeneinrichtung vorgesehen, wobei die erste und die zweite Elektrodeneinrichtung derart angeordnet und spannungsbeaufschlagt sind, dass der Feldraumbereich und ein Extinktionsbereich einander abschnittsweise überlagern.
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.
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 Feldbereitungselektrodeneinrichtung 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 Feldbereitungselektrodeneinrichtung erstreckt,
– einer Abschirmelektrodeneinrichtung, die sich auf einer der Feldbereitungselektrodeneinrichtung 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, und wobei die Feldextinktionselektrodeneinrichtung derart angeordnet und angeschaltet ist, dass durch diese der Raum vor dem Sensor aufgeteilt und eine Randzone des in den Feldraumbereich eindringenden Feldes der Feldbereitungselektrodeneinrichtung ausgeblendet wird.

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.
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.
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.
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.
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.
Die Feld bereitungselektrodeneinrichtung 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
1 ein Prinzipschaltbild eines auf der Nutzung feldelektrischer Wechselwirkungseffekte basierenden Sensorsystems;
2 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung der Empfindlichkeitsverteilung bei einem flächig aufgebauten Sensor ohne Shield;
3 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung der Empfindlichkeitsverteilung bei einem flächig aufgebauten Sensor mit Shield;
4 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung eines mit einer Feldextinktionselektrodeneinrichtung und einer Abschirmstegelektrode versehenen Cutted-Field Sensors;
5 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung der Anschaltung der Elektroden des Sensors nach 4 für gegenphasige Spannungsbeaufschlagung der Feldextinktionselektrode; (Cutted-Field Betriebsmodus)
6 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung der Anschaltung der Elektroden des Sensors nach 4 für gleichphasige Spannungsbeaufschlagung der Feldextinktionselektrode (Wide-Field Betriebsmodus).
1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines auf der Nutzung feldelektrischer Wechselwirkungseffekte basierenden Sensorsystems. Über dieses Sensorsystems kann ein der Feldbereitungselektrode vorgelagerter Raumbereich RB observiert werden. Dies erfolgt indem die Feldbereitungselektrode Bestandteil eines LC-Netzwerkes bildet. Die Feldbereitungselektrode 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.
In 2 ist dargestellt, welche Zonen des die Feldbereitungselektrodeneinrichtung 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 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 die Frequenzänderung umso größer ist, je mehr Elektrodenfläche jenem sich annähernden Körper gegenübersteht.
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.
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.
5 veranschaulicht den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltung. Um eine gute Feldneutralisation im unerwünschten Raumsegment zu erreichen, wird die Saugelektrode gegenüber der Sensor-Elektrode gegenphasig angesteuert.
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.
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.
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.

Claims

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 Feldbereitungselektrodeneinrichtung 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 Feldbereitungselektrodeneinrichtung erstreckt, – einer Abschirmelektrodeneinrichtung, die sich auf einer der Feldbereitungselektrodeneinrichtung 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, wobei die Feldextinktionselektrodeneinrichtung derart angeordnet und angeschaltet ist, dass durch diese der Raum vor dem Sensor aufgeteilt und eine Randzone des in den Feldraumbereich eindringenden Feldes der Feldbereitungselektrodeneinrichtung ausgeblendet wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Feldbereitungselektrodeneinrichtung und der Feldextinktionselektrodeneinrichtung eine Trennelektrodeneinrichtung vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelektrodeneinrichtung zwischen zwei Isolatormateriallagen aufgenommen ist.
Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelektrodeneinrichtung mit der Abschirmelektrodeneinrichtung gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelektrodeneinrichtung mit der Abschirmelektrodeneinrichtung direkt leitend gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an die Feldextinktionselektrodeneinrichtung eine Spannung mit einem in Bezug zur Spannung an der Feldbereitungselektrodeneinrichtung phasenversetzten Verlauf angelegt wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenversatz im Wesentlichen π beträgt und die Spannung in der Größenordnung der Spannung an der Feldbereitungselektrodeneinrichtung liegt.
Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenversatz einstellbar veränderbar ist.
Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsabstand zwischen der Feldbereitungselektrode und der Feldextinktionselektrode einstellbar veränderbar ist.
Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennelektrodeneinrichtung stegartig zwischen der Feldbereitungselektrode und der Feldextinktionselektrode verläuft.