DE3820878A1 - Kapazitives sensorelement zum aufbau mechanisch-elektrischer messwandler - Google Patents

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.