DE3820878A1 - Kapazitives sensorelement zum aufbau mechanisch-elektrischer messwandler - Google Patents
Kapazitives sensorelement zum aufbau mechanisch-elektrischer messwandlerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein kapazitives Sensorelement zum Auf
bau mechanisch-elektrischer Meßwandler gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Es bildet in Verbindung mit einer elektroni
schen Auswerteeinheit, die die Kapazität des Sensorelements
mißt und daraus ein geeignetes elektrisches Ausgangssignal
formt, einen Meßwandler für mechanische Größen wie z.B. Druck,
Kraft oder Weg oder allgemein für alle Größen, die sich in
eine kleine Auslenkung transformieren lassen. Zur Realisierung
der Auswerteelektronik sind viele Möglichkeiten bekannt.
Kapazitive Sensorelemente sind, besonders in der Ausführung
als Druckgeber, vielfach beschrieben worden.
Nahezu alle auf diesem Gebiet eingereichten Patentanmeldungen,
z.B. OS-DE 29 38 285, OS-DE 31 28 032, OS-DE 31 42 387, sofern sie
überhaupt mit einem ähnlichen Oberbegriff wie die vorliegende
Erfindung umschrieben werden können, zeigen den wesentlichen
Nachteil, daß die Membran als elastisches Element mittelbar
oder unmittelbar so an der Gegenelektrode befestigt ist, daß
die Gegenelektrode (als Gegenelektrode wird hier die körper
liche Einheit bezeichnet, an der sich die als Kondensatorbelag
dienende leitfähige Fläche befindet) bzw. deren Halterung alle
Haltekräfte der Membran aufnehmen muß. Bisherige Lösungen zur
Bekämpfung der damit eingehandelten Schwierigkeiten erreichen
trotz ausgeklügelter Maßnahmen nicht die Eigenschaften, die
das kapazitive Prinzip bieten kann. In der Literatur wurde nur
eine Konstruktion gefunden (Patent Nr. US 38 59 575), die diesem
Umstand Rechnung trägt, dafür aber andere schwerwiegende Nach
teile aufweist: Das elastische Element dient als eine der Kon
densatorplatten. Es muß deshalb aus Metall bestehen (elastisch
hochwertige Kristalle, Glas oder Keramik sind nicht direkt
verwendbar) und es ist unausweichlich mit dem Meßstromkreis
verbunden. Weiterhin vergrößert sich der Plattenabstand mit
steigender Meßgröße. Wegen der hyperbolischen Abhängigkeit der
Kapazität vom Plattenabstand hat dieser Sensor gerade im prak
tisch bedeutsamen Arbeitsbereich seine schlechteste Genauig
keit.
Die dem genannten Patent eigentümliche mittige Befestigung der
Gegenelektrode an dem elastischen Element ist bei Verwendung
von Distanzhaltern kleiner Durchmesser unstabil; größere Di
stanzhalter dagegen behindern die Membranverformung und er
fordern zusätzliche Maßnahmen gegen Reibung und Hysterese.
Ein Mangel aller bekannten kapazitiven Sensoren ist, daß
ihre Bestandteile individuell für eine Sensorausführung ausge
legt werden müssen. Es würde einen großen Fortschritt bedeu
ten, wenn unterschiedlichste Ausführungen nur in einem spezi
fischen Konstruktionsteil voneinander abwichen und alle ande
ren Teile für alle Sensoren identisch wären.
Dies zu erreichen ist Teil der Aufgabe dieser Erfindung.
Die weitere Aufgabe besteht darin, eine Konstruktion für ein
Sensorelement anzugeben, das die Möglichkeiten des kapazitiven
Meßverfahrens bestmöglich ausschöpft und dabei außergewöhnli
che Genauigkeit, erweiterte Meßbereiche und den Vorteil nied
riger Herstellkosten bietet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun
gen der Erfindung für verschiedene Anwendungen sind in den
Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben. Gegenüber bekannten Ausführun
gen kapazitiver Sensorelemente werden mit der Erfindung fol
gende Vorteile erzielt:
- - Verbesserung der Stabilität und der Reproduzierbarkeit
- - Reduzierung des Hysteresefehlers
- - Reduzierung der Temperaturabhängigkeit
- - Erweiterung der Meßbereiche
- - Erhöhung der Temperaturbeständigkeit
- - Vereinfachung der Herstellung.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Zeichnungen
erläutert und die genannten Vorteile begründet werden.
Ein Ausführungsbeispiel zur Realisierung eines Drucksensors
zeigt Abb.1. Die Platte (1) (z.B. aus Metall, Keramik oder
Quarz) bildet das elastische Element, in diesem Fall eine sich
unter dem einwirkenden Druck durchbiegende Membran. An dieser
ist unter Zwischenlage der Zwischenschicht (4) die Elektroden
anordnung, bestehend aus Hauptelektrode (2) und Gegenelektrode
(3 a . . . 3 c) befestigt. In diesem Beispiel ist die Gegenelektrode
aus einer Isolierstoffplatte (3 c) (z.B. Keramik, Glas oder
Kunststoff, auch gefüllt oder faserverstärkt) hergestellt, die
mit zwei lateral strukturierten Metallschichten (3 a und 3 b)
belegt ist. Die Metallschicht (3 b) umgibt die Metallschicht
(3 a) ringförmig und ist etwas dicker als diese. Hauptelektrode
(2) und Metallschicht (3 a) stellen die Platten eines Kondensa
tors dar, die über die Anschlüsse (6) und (7) mit der Auswer
teschaltung verbunden werden. Eine zwischen Vorder- und Rück
seite der Platte (1) bestehende Druckdifferenz ändert den Ab
stand dieser Kondensatorplatten und damit die Kapazität des
Sensors.
Durch die Tatsache, daß die Befestigung der Elektrodenanord
nung direkt und nur an der Platte (1) von der Befestigung der
Platte (1) an einer Halterung (5) - (Platte (1) und Halterung
(5) sind in diesem Beispiel aus einem Stück gefertigt) -
mechanisch getrennt ist, wird die Elektrodenanordnung völlig
von Membranverformungs- und Haltekräften verschont. So werden
störende Einwirkungen aller anderen Einflüsse als der Meßgröße
auf das Ausgangssignal wirkungsvoll unterdrückt. Kein Teil der
Elektrodenanordnung braucht in die statische Bemessung des
Sensors einbezogen zu werden; daher können kapazitive Sensoren
gemäß dieser Erfindung für Drücke bis über 1000 Megapascal
realisiert werden, was eine erhebliche Erweiterung des
Meßbereiches bedeutet.
Wichtig ist weiterhin, daß bei dieser Konstruktion die Be
festigungsstellen für Platte (1) an ihrem Halter (5) und Elek
trodenanordnung (2 und 3 a . . . 3 c) an der Platte (1) nicht an
verschiedenen Stellen einer mechanischen Verbindung außerhalb
der Platte (1) selbst liegen, die ein Wegstück für die Platte
(1) haltende Kräfte darstellt. Solch eine Verbindung, wie sie
in anderen Ausführungen oft vorkommt, kann kaum massiv und
innig genug gestaltet werden, um nicht doch unter Einwirkung
der Haltekräfte geringfügige Verformungen zu erleiden, die
dann direkt in voller Größe den Plattenabstand beeinflussen
und somit das Meßsignal verfälschen.
Die meßwertbedingte Wölbungsamplitude der Hauptelektrode
ist an deren Umfangsrand am geringsten. Daher gewährleistet
die in Anspruch 1d) geforderte Verbindung von Haupt- und
Gegenelektrode an ihren Umfangsrändern, daß die meßwertbeding
te Hauptelektroden-Durchbiegung geringstmöglich behindert wird
und keine Hystereseeffekte durch die Eigenschaften der Verbin
dungsstelle entstehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement bestimmt also aus
schließlich das elastische Element den mechanischen Teil der
Übertragungsfunktion. Die elastischen Eigenschaften des Werk
stoffs, aus dem es besteht, werden daher voll genutzt. Als
Resultat erhält man bessere Stabilität, Reproduzierbarkeit
und kleinere Hysterese.
Die Wege der mechanischen Übertragung der Membrandurchbie
gung auf die Elektrodenanordnung sind besonders kurz, so daß
Temperaturgradienten zwischen diesen Wegen sich nur in gerin
gem Maß auswirken. Alle anderen Wege stehen senkrecht auf der
Richtung der Verschiebungsmessung und sind somit prinzipiell
unempfindlich gegen Temperaturgradienten.
Mit der Zwischenschicht (4) gewinnt man eine große Freiheit
in der Werkstoffauswahl aller Teile: die Wärmeausdehnungskoef
fizienten von elastischem Element (1) und Hauptelektrode (2)
bzw. Gegenelektrodengrundplatte (3 c) brauchen nicht übereinzu
stimmen. Die Zwischenschicht (4) (z.B. eine Kunststoff-Folie,
eine Kleberschicht oder eine Elastomerschicht) besitzt einen
im Vergleich zu elastischem Element (1) und Hauptelektrode (2)
kleinen Elastizitätsmodul. Sie gleicht daher deren eventuell
unterschiedliche Ausdehnung aus, ohne dabei wesentliche Kräfte
zu erzeugen, die die Elektrodenanordnung verformen könnten.
Die Übertragung der Membranauslenkung erfordert jedoch nur ge
ringe Kräfte, da die Hauptelektrode sehr dünn und zudem azimu
tal geschlitzt sein kann, so daß selbst der niedrige Elastizi
tätsmodul der Zwischenschicht (4) nicht dazu führt, daß die
in der Regel schlechten elastischen Eigenschaften der typi
scherweise dafür verwendeten Werkstoffe zur Geltung kommen.
Der gleiche Effekt kann auch durch ein entsprechendes Verhal
ten einer Schicht an der Stelle der Metallschicht (3 b) erzielt
werden.
Einen weiteren Vorteil liefert die Zwischenschicht, wenn sie
gleichzeitig gemäß Anspruch 3 elektrisch isoliert und so den
Meßstromkreis vom elastischen Element trennt, das in der Regel
mit dem meist metallischen Sensorgehäuse verbunden ist. Eine
solche Isolierung ist oft wichtig zur Vermeidung von
Erdschleifen.
Gemäß Anspruch 6 bietet sich bei der erfindungsgemäßen Kon
struktion kapazitiver Sensoren an, die Elektrodenanordnung als
komplettes kapazitives Abtastelement zu verwenden, welches,
ähnlich einem Dehnungsmeßstreifen, auf ein elastisches Element
einfach aufgeklebt wird. Es ist sogar möglich, das Abtastele
ment nur durch eine Andruckkraft (nach Anspruch 8) zuverlässig
mit dem elastischen Element zu koppeln.
Ein solches Grundelement kann in großen Stückzahlen vorge
fertigt werden, wobei schwierige Produktionsvorgänge wie z.B.
das Zusammenfügen unter genauer Einhaltung eines definierten
Grundabstandes zwischen Haupt- und Gegenelektrode rationali
siert werden können, da für eine riesige Palette möglicher
Sensoren immer das gleiche Grundelement eingesetzt wird. Die
für viele Anwendungen unterschiedlichen elastischen Elemente
müssen nicht auf eine gute, als Hauptelektrode geeignete Ober
fläche bearbeitet werden, wodurch neben dem Wegfall der Bear
beitungsvorgänge auch die für jede Form individuellen Präzi
sionswerkzeuge eingespart werden. Weiterhin steigt die Flexi
bilität zur schnellen Konstruktion und Anfertigung von neuen
Bauformen oder Sonderausführungen aller denkbaren Sensoren,
deren Meßgröße sich leicht in eine kleine Auslenkung (ca. 1. . .
100 µm) transformieren läßt.
Die Anwendung eines derartigen Abtastelementes ist nicht auf
speziell als Sensor-Bestandteil vorgesehene elastische Elemen
te beschränkt. Ein Maschinen- oder Apparateteil, z.B. eine Be
hälterwand, kann ebenso als elastisches Element dienen und mit
dem Abtastelement einen erfindungsgemäßen Sensor bilden (etwa
zur Messung des Innendruckes).
Auch wenn man bei besonderen Anwendungen die Oberfläche des
elastischen Elements direkt als Hauptelektrode verwenden will,
läßt sich diese Erfindung sinnvoll anwenden. Wie das Ausfüh
rungsbeispiel in Abb. 2 zeigt, sieht Anspruch 7 für diesen Fall
vor, daß bei der Elektrodenanordnung einfach die Hauptelektro
de weggelassen wird. Die sonstige Ausführung bleibt unver
ändert.
Auch bei dieser Version ist, wie Abb. 3 zeigt, zur Entschär
fung der Wärmeausdehnungsproblematik eine Zwischenschicht (4)
anwendbar. Obwohl diese nun mitbestimmend ist für den Grundab
stand der Elektroden, lassen sich auf diese Weise hochwertige
Sensoren herstellen, da ja gemäß Ansprüchen 1 und 2 alle Teile
der Elektrodenanordnung und auch die Zwischenschicht in Rich
tung ihrer Dickenabmessung von mechanischer Belastung ver
schont werden.
Ein Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 8 zeigt Abb. 4. Das
besondere Kennzeichen ist, daß eine haftende Verbindung zwi
schen elastischem Element und Elektrodenanordnung (die Elek
trodenanordnung kann gemäß Ansprüchen 1 bis 5 mit zusätz
licher Hauptelektrode oder gemäß Anspruch 7 ohne eine solche
ausgeführt sein) völlig fehlt. Eine nicht zu große, konstante
Andruckkraft, hier mit der Feder (8) erzeugt, sorgt dafür, daß
die Elektrodenanordnung immer auf dem elastischen Element auf
liegt und in ihrer Position von diesem fixiert wird. Für die
exakte Übertragung der Membranbewegung auf die zusätzliche
Hauptelektrode, falls vorhanden, muß diese so vorgespannt
sein, daß sie sich immer an das elastische Element anlegt. Da
sich die Elektrodenanordnung auf dem elastischen Element ver
schieben kann, wird die Übertragung mechanischer Spannungen
auf sie absolut vermieden. Zur Fixierung in seitlicher Rich
tung bieten sich viele Lösungen an, z.B. mit Hilfe zweier An
schläge auf dem elastischen Element und einer Feder, die die
Elektrodenanordnung parallel zur Auflagefläche auf dem elasti
schen Element gegen die Anschläge drückt. Diese Ausführung ist
besonders für sehr hohe Temperaturen geeignet, bei denen orga
nische Kleber nicht mehr verwendet werden können.
Die hier auftretenden Kräfte zur Fixierung der Elektrodenan
ordnung auf dem elastischen Element widersprechen nicht der
erfindungsgemäßen Forderung nach der Ausschaltung von Kräften,
die durch Verformung der Elektrodenanordnung unerwünschte Ka
pazitätsänderungen hervorrufen könnten, da diese Fixier-Kräfte
zu klein sind (sie müssen höchstens das Eigengewicht der Elek
trodenanordnung kompensieren) um die Elektrodenanordnung merk
lich verformen zu können. Aber selbst größere Kräfte dieser
Art hätten, spätestens nach dem Abgleich des Sensors, keine
Auswirkung auf die Sensoreigenschaften, weil sie konstant sind
und keine Änderungen bewirken.
Der Übersichtlichkeit halber ist die Gegenelektrode in die
ser Beschreibung immer nur mit einer freien leitenden Fläche,
dem eigentlichen Kondensatorbelag, dargestellt. In der Praxis
werden meist weitere leitende Flächen lateral um eine solche
zentrale Fläche herum angeordnet, z.B. Schutzringflächen oder
Beläge für Referenzkondensatoren, um die elektrische Auswer
tung zu verbessern bzw. um die Form der Übertragungskennlinie
zu beeinflussen.
Neben den als Ausführungsbeispiele beschriebenen Sensoren
zur Druckmessung können mit der Erfindung ebenso solche für
andere mechanische Größen realisiert werden. Für Kraftmessun
gen muß beispielsweise das elastische Element nur einen mecha
nischen Anschluß haben, über den die zu messende Kraft einge
leitet wird. Aus einem Kraftsensor erhält man einen sehr ein
fachen und verschleißfesten Weg- oder Positionssensor, indem
man eine Feder ankoppelt, deren anderes Ende den zu messenden
Weg durchläuft. Eine ideale Anwendung für solch einen Wegsen
sor ist z.B. ein "elektronisches Gaspedal" für Kraftfahrzeuge.
Claims (8)
1. Kapazitives Sensorelement zum Aufbau mechanisch-elektri
scher Meßwandler, bestehend aus einem sich in Abhängigkeit
von der Meßgröße verformenden elastischen Element (z.B.
einer Platte) und einer Elektrodenanordnung zur kapazitiven
Abtastung der meßgrößenabhängigen Verformung,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) Die Elektrodenanordnung ist unmittelbar - oder mittel bar über Teile, die ihrer Befestigung oder Halterung dienen - direkt und ausschließlich an dem elastischen Element befestigt,
- b) alle Stütz- und Haltekräfte für das elastische Element werden über einen anderen mechanischen Befestigungs- Kontakt als den zur Elektrodenanordnung geleitet, so daß alle Kräfte, die das elastische Element von seiner Posi tion zu verschieben trachten, auf die Elektrodenanord nung nicht einwirken können.
- c) Die Elektrodenanordnung besteht im wesentlichen aus ei ner nicht zu verformenden Platte mit einer elektrisch leitenden Fläche, nachfolgend Gegenelektrode genannt, und einer dieser in geringem, von der Meßgröße veränder barem Abstand gegenüberstehenden Elektrode, nachfolgend Hauptelektrode genannt, die mit dem elastischen Element derart mechanisch gekoppelt ist, daß sie eine Verformung dessen mitvollzieht und auf diese Weise ihren effektiven Abstand zur Gegenelektrode und damit auch die elektri sche Kapazität zu dieser ändert.
- d) Die Gegenelektrode ist über ihren Halter oder Träger am Umfangsrand mechanisch mit der Hauptelektrode verbunden, so daß mit zunehmender Meßgröße in einer Richtung, die das elastische Element zur Elektrodenanordnung hin ver formt, die Kapazität des Sensors erhöht wird.
2. Kapazitives Sensorelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verbindung der
Hauptelektrode mit dem elastischen Element unter Zwischen
lage einer Schicht mit kleinem (d.h. deutlich kleiner als
der der Hauptelektrode) Elastizitätsmodul erfolgt, so daß
die Übertragung mechanischer Spannungen vom elastischen
Element in die Elektrodenanordnung durch die Nachgiebigkeit
dieser Schicht vermieden wird.
3. Kapazitives Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verbindung der
Hauptelektrode mit dem elastischen Element unter Zwischen
lage einer elektrisch isolierenden Schicht erfolgt, so daß
der Meßstromkreis zur Kapazitätsauswertung vom elastischen
Element isoliert ist.
4. Kapazitives Sensorelement nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenschicht gemäß An
spruch 2 oder 3 aus zwei durch eine ringförmige Zone ge
trennten Teilen besteht, wobei der innere Teil zur Übertra
gung der von der Meßgröße hervorgerufenen Verformung dient
und der äußere Teil die Fixierung des Abtastelementes an
dem elastischen Element vermittelt.
5. Kapazitives Sensorelement nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektrode durch eine
runde Scheibe gebildet wird, die azimutale Schlitze
enthält.
6. Kapazitives Abtastelement zur Herstellung von Sensorelemen
ten gemäß Ansprüchen 1, 2, 3, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer Elektrodenanord
nung gemäß Anspruch 1c) und d), gegebenenfalls mit Zwi
schenschichten gemäß Ansprüchen 2 und 3, besteht und analog
zum bekannten Dehnungs-Meß-Streifen als eine Art kapazitive
Verformungs-Meß-Scheibe in Form einer vorgefertigten Ein
heit verwendet wird, um durch Aufbringen auf eine geeignet
präparierte Fläche (z.B. Oberfläche einer Behälterwand) mit
dieser als elastischem Element ein vollständiges Sensorele
ment gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5 zu bilden.
7. Kapazitives Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element aus
einem elektrisch leitenden Werkstoff besteht oder zumindest
an einem Teil seiner Oberfläche elektrisch leitfähig ist
und damit selbst die Hauptelektrode verkörpert,
und dadurch, daß in diesem Fall die zusätzliche Hauptelek
trode in der Elektrodenanordnung entfällt und der Halter
oder Träger der Gegenelektrode mechanischen Kontakt in der
in Anspruch 1a), b) und d) beschriebenen Weise zum elasti
schen Element besitzt.
8. Kapazitives Sensorelement nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5
oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung mit
ihrem dem elastischen Element jeweils nächstgelegenen Teil
ohne haftende Verbindung auf dem elastischen Element auf
liegt und durch eine Andruckkraft senkrecht zur Auflage
fläche auf diesem fixiert wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19883820878 DE3820878A1 (de) | 1988-06-21 | 1988-06-21 | Kapazitives sensorelement zum aufbau mechanisch-elektrischer messwandler |
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
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8370 | Indication of lapse of patent is to be deleted | ||
8365 | Fully valid after opposition proceedings | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |