WO2013000739A1 - Capacitive sensor element for detecting a displacement, comprising several electrode pairs, and method for operating the same - Google Patents

Capacitive sensor element for detecting a displacement, comprising several electrode pairs, and method for operating the same Download PDF

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WO2013000739A1
WO2013000739A1 PCT/EP2012/061476 EP2012061476W WO2013000739A1 WO 2013000739 A1 WO2013000739 A1 WO 2013000739A1 EP 2012061476 W EP2012061476 W EP 2012061476W WO 2013000739 A1 WO2013000739 A1 WO 2013000739A1
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WO
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capacitor
capacitor electrodes
electrodes
displacement
sensor element
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PCT/EP2012/061476
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Daniel Reznik
Arno Steckenborn
Oliver Theile
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01B7/003—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring position, not involving coordinate determination
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/30—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G—PHYSICS
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up

Definitions

  • Capacitive sensor element for detecting a displacement with a plurality of electrode pairs and method for its operation
  • the invention relates to a capacitive sensor element for De ⁇ tetation a displacement, comprising a plurality of Elektrodenpaa ⁇ r.
  • Such capacitive sensor elements are basically be ⁇ known.
  • the capacitor electrodes are arranged opposite each individually or in groups, wherein a measure ⁇ de shift causes the capacitor electric shift ⁇ relative to each other in parallel.
  • a diaphragm with an aperture or more apertures, which is located in the capacitor gap and is displaced by the displacement to be measured.
  • the effective capacitor area ie the area which, independently of the area of the capacitor electrode , changes, so that an electric field can form, changes.
  • the effective capacitor area is reduced compared to the theoretically maximum possible capacitor area.
  • This change in the effective capacitor area leads to a change in the capacitance C of the capacitor, wherein this change in capacitance when a known voltage U is applied to the capacitor electrodes can be calculated by measuring the charge shift AQ.
  • the charge shift can be determined by measuring the current I flowing between the capacitor plates over the time t.
  • the calculation of the charge shift AQ behaves the following equation.
  • ⁇ Displacement distance to be measured at right angles to the length dimension of the capacitor electrodes. If a shift to the capacitive sensor element are de- tektiert, it can inherently determined by change in capacitance only the length of the displacement path ⁇ the. However, it is not possible to determine an absolute position between the capacitor plates. Therefore, the sensor must be calibrated prior to the start of a measurement so that a position of the capacitor plates with respect to a starting position before the measurement is known. This can be done, for example, by the capacitor plates are brought outside any overlap or the panel is completely pushed between the capacitor plates, so that the electric field collapses. However, he ⁇ the necessary calibration sword intake of reco ⁇ th.
  • the object of the invention is therefore to specify a capacitive sensor element for the detection of displacements, during which measurements are performed at least in a specific measuring position during the measurements. area a starting position of the shift can be determined.
  • the capacitive sensor element for detecting a shift comprises the following components.
  • a multiplicity of first capacitor electrodes are provided, which are connected electrically in parallel.
  • a plurality of second capacitor electrodes is provided, which are also electrically connected in parallel, wherein each of the first capacitor ⁇ electrodes one of the second capacitor electrodes to form electrode pairs is assigned such that between the first capacitor electrodes and the second capacitor electrodes each provided a capacitor gap is.
  • the sensor element has a voltage source between the first capacitor electrodes and the second capacitor electrodes. This can provide a periodically variable voltage with variable period duration, wherein the first capacitor electrodes and / or the second capacitor electrodes are designed as bar oscillators, each having a different natural frequency.
  • first capacitor electrodes are arranged relative to the second capacitor electrodes in such a way that, depending on the displacement to be measured, the second capacitor electrodes are relatively movable relative to the first capacitor electrodes and the effective capacitor area is variable while the width of the capacitor gap remains constant.
  • the ⁇ An arrangement is further selected so that, depending on the amount of displacement to be measured, a different number of
  • Pair of electrodes is involved in the formation of the effective capacitor area.
  • ⁇ the measuring principle be realized.
  • the first capacitor electrodes or the second capacitor electrodes are designed as a beam oscillator with different natural frequency, these bar vibrators are excited only by the variable voltage with variable period to oscillate when they already form a capacitor with the other capacitor electrode by covering the capacitor electrodes.
  • Such an electrode pair is excited to vibrate can be determined in various ways. Particularly preferred is a measurement of the electrical properties of the capacitor pairs , which constantly change their capacity, for example, by ⁇ guided oscillations of the beam oscillator.
  • a measurement of the electrical properties of the capacitor pairs which constantly change their capacity, for example, by ⁇ guided oscillations of the beam oscillator.
  • other read-out methods are conceivable, for example an optical read-out method, by aligning an optical sensor with the oscillating beam oscillator.
  • First capacitor electrodes are always mentioned in the context of this invention if they are those capacitor electrodes which in each case form one side of the capacitors formed by the electrode pairs.
  • the respective second capacitor electrodes are those which are opposite to the first capacitor electrodes, respectively. Is used in the context of this invention only by capacitor Electrodes talk, so are always meant both the first capacitor electrodes and the second capacitor electrodes.
  • the type of periodically variable voltage can be chosen differently. For example, a sinusoidal Perio ⁇ denver running conceivable. Another possibility is to use a square-wave voltage so that the vibrations of the beam oscillators are generated by pulse excitations.
  • the first capacitor electrodes are arranged on a first carrier and the second capacitor electrodes on a second carrier, such that all capacitor gate electrodes form the tines of a comb-like structure, wherein these structures are arranged interlocked and the capacitor gaps are each formed between those adjacent tines that are closest to each other. So that the respective electrode pairs too
  • Form electrode pair is less (capacitor gap), as the distance between the tines each to the other of the two neighboring tines, ie those tines, which forms a capacitor together with the next prong on the support in question. Otherwise, the introduction of electrical force into the tines would always be symmetrical and no vibration would be able to be excited.
  • the shift can be realized by the two combs past each other.
  • This embodiment of the capacitor electrodes has the advantage that a comparatively space-saving design of the sensor element is ent ⁇ .
  • a further advantageous embodiment of the invention is obtained when the first capacitor electrodes are formed as a beam oscillator, which are fixed to a carrier and the second capacitor electrodes are formed on the surface of a substrate, wherein the displacement is parallel to the surface of the substrate.
  • the substrate can be produced by simple structuring of the surface of this substrate.
  • the capacitor electrodes of the electrode pairs successively engage with each other as the displacement progresses gaps of different sizes between the capacitor electrodes can be selected.
  • Ver ⁇ displacement is an angular displacement or linear displacement. Designs for the measurement of a linear displacement have already been described. If an angular displacement is to be measured, then a rotatable system is to be provided.
  • the beam oscillators start from the center of rotation and can, for example, form the first capacitor electrodes.
  • the second capacitor electrodes are then, for example, provided on a substrate, above which can be twisted the bending vibrator.
  • the voltage source can also provide a DC voltage available.
  • the DC voltage can be used to determine a relative displacement between the first capacitor electrodes and the second capacitor electrodes, as already described above.
  • the invention relates to a method for operating a sensor element, which is constructed in the manner already described. Such a method is already known from the prior art, as already described above .
  • the method is characterized in that a shift is detected by relatively moving the second capacitor electrodes to the first capacitor electrodes, depending on the displacement to be measured, and changing the effective capacitor area while keeping the capacitor gap constant. Moreover, involved a different number of electrode pairs in the formation of the effective capacitor area from ⁇ dependent on the amount of displacement to be measured. The number of electrode pairs involved in the formation is determined by changing the period of the voltage, in such a way that all natural frequencies of the second beam oscillators are eventually excited to oscillate.
  • the beam oscillators can, as already explained, be formed by the first capacitor electrodes and / or the second capacitor electrodes.
  • the measuring method according to the invention makes it possible to determine the number of flexural vibrators which are already excited to vibrate, this being the case only when this bar vibrator is already in engagement with the associated other capacitor electrode and in this way forms a capacitor. It can also be said that this particular pair of electrodes is involved in the formation of the effective capacitor area.
  • capacitor area is referred to, which is provided by the whole of the first capacitor electrode and the second capacitor electrodes as the amount of overlap. This can advantageously range from 0 to the total area of the first capacitor electrodes or second capacitor electrodes.
  • the second capacitor electrodes oscillating in the resonant frequency are determined by examining the change in capacitance of the electrode pairs for changes in the respective resonant frequencies. This investigation is advantageous very easy to carry out, since the electrode pairs must be contacted anyway for the excitation of vibrations.
  • the vibrations of the bending beam creates a variable gap width between see the activated electrode pairs, so that the capacitance of these electrode pairs changes periodically. From the periodicity of this change pattern can be determined by measuring the capacitance of all capacitor electrodes, which of the pairs of electrodes are already involved in the formation of the effective capacitor area. This in turn makes it possible to conclude the absolute displacement in the manner according to the invention.
  • a relative displacement of the capacitor electrodes is determined by applying a direct voltage to the first capacitor electrodes and second capacitor electrodes and determining the change in capacitance during a displacement.
  • This value will not change periodically, special countries in a manner known to the displacement law, the law may for example be linear (pe ⁇ -periodic components of the measurement are not taken into account).
  • This is therefore an analog readout method. ren, which allows a stepless determination of the relative change ⁇ tion.
  • a digital readout method is provided by the invention according to ⁇ rain of the electrode pairs, which provides certain absolute bases in the measuring range, ie the measurable displacement range.
  • FIG. 1 is a schematic side view of an exemplary embodiment of the sensor arrangement according to the invention with comb-like design of the capacitor electrodes as a side view;
  • FIG. 2 shows the amplitude A of a capacitance change of the effective capacitor area due to oscillations of the bar oscillators as a function of the excitation frequency of the voltage f
  • FIG. 3 shows the relationship between a change in the capacitance C of the effective capacitor area as a function of a
  • FIG. 4 schematically shows another exemplary embodiment of the sensor arrangement according to the invention, in which the beam oscillators are guided past capacitor electrodes which are mounted on a substrate and
  • FIG. 5 schematically shows a further exemplary embodiment of the sensor arrangement according to the invention for determining an angular displacement.
  • a sensor arrangement according to FIG. 1 consists of a first carrier 11, on which comb capacitor-like tines first capacitor electrodes 12 are fastened.
  • a second carrier 13 on which second condenser electrodes 14 are similarly arranged in the manner of prongs of a comb.
  • the carrier 13 may advance with the tips of the tines in one
  • Direction x perform a lateral displacement 15, resulting in a relative movement between the first capacitor electrodes 12 and the second capacitor electrodes 14 results.
  • the first capacitor electrodes 12 are all the same length, while the second capacitor electrodes 14 are staggered like organ pipes, i. H. their length increases in the manner shown from left to right. This is indicated by dash-dotted lines 16.
  • FIG. 2 illustrates how a frequency f of a sinusoidal AC voltage, which is applied in a manner not shown to the parallelly connected first electrodes 12 and second electrodes 14 connected in parallel, is tuned becomes.
  • the first capacitor electrodes are
  • the second capacitor electrodes 14 are produced on a substrate 21 and form a conductive coating on the insulating surface of the substrate 21.
  • a contact is shown schematically, wherein also a voltage source 22 is provided which is both a DC voltage can provide as well as one of these superimposed periodically variable voltage whose periodicity, ie period duration, is changeable.
  • the first capacitor electrodes 12 and the second capacitor electrodes 14 are shown separated from one another. In reality, the first capacitor electrodes, which can be displaced in lateral displacement direction 15, have to pass over the second capacitor electrodes. The observer therefore has to imagine the first capacitor electrodes offset by 1.2 times the length of the bending oscillator to the right.
  • the first capacitor electrodes 12 successively overlap with the second capacitor electrodes 14.
  • the lowermost capacitor electrode 12 is about to engage the lowermost capacitor electrode 14 in the drawing.
  • the overlying first capacitor electrodes come in a displacement as indicated by x lr x 2 and X3 for engagement. This is in each case the displacement x, in which the corresponding pairs of electrodes begin to participate in the formation of the effective capacitor area and therefore can also be excited to lateral vibrations.
  • the oscillations of the capacitor electrodes 1 according to FIG. 4 are made perpendicular to the plane of the drawing.
  • the different stiffnesses, and thus different resonant frequencies, the capacitor electrodes 12 according to Figure 4 is not determined by their different lengths as shown in Figure 1, but by ih re ⁇ different width.
  • the carrier 20 is rotatably mounted about a rotation axis 24, wherein the first capacitor electrodes 12 of different lengths protrude like a beam from the carrier.
  • the second con- are densatorelektroden 14 shown as pads and be painted in ⁇ be voted angles. This makes it possible to determine an absolute position of the angle.

Abstract

The invention relates to a capacitive sensor element for detecting a displacement x and to a method for operating the same. According to the invention, the capacitive sensor element consists of a plurality of capacitor electrodes (12), which each form electrode pairs (17). The capacitor electrodes are designed such that during an increasing displacement path x a increasing number of electrode pairs are successively created and thus contribute to increasing the effective capacitor surface. According to the invention, the electrode pairs that have already been created can be excited to oscillate, wherein said electrode pairs oscillate at a characteristic natural frequency. The oscillating electrode pairs can thereby be identified and a conclusion of the absolute x position can be drawn. Advantageously, a calibration of the system with regard to a zero position of x can thus be eliminated.

Description

Beschreibung description
Kapazitives Sensorelement zur Detektion einer Verschiebung mit mehreren Elektrodenpaaren und Verfahren zu dessen Betrieb Capacitive sensor element for detecting a displacement with a plurality of electrode pairs and method for its operation
Die Erfindung betrifft ein kapazitives Sensorelement zur De¬ tektion einer Verschiebung, aufweisend mehrere Elektrodenpaa¬ re . Derartige kapazitive Sensorelemente sind grundsätzlich be¬ kannt. Hierbei werden die Kondensatorelektroden einzeln oder in Gruppen gegenüberliegend angeordnet, wobei eine zu messen¬ de Verschiebung dazu führt, dass sich die Kondensatorelektro¬ den relativ zueinander parallel verschieben. Alternativ kann auch zwischen den Kondensatorelektroden eine Blende mit einer Blendenöffnung oder mehreren Blendenöffnungen vorgesehen werden, welche sich im Kondensatorspalt befindet und durch die zu messende Verschiebung verschoben wird. In beiden Fällen ändert sich die effektive Kondensatorfläche, d. h. diejenige Fläche, die unabhängig von der Fläche der Kondensatorelektro¬ den zur Verfügung stellt, damit sich ein elektrisches Feld ausbilden kann. Liegen die gegenüberliegenden Kondensatorelektroden nicht vollständig in Deckung bzw. werden Teile der Kondensatorelektroden durch die Blende im Kondensatorspalt überdeckt, so verringert sich die effektive Kondensatorfläche gegenüber der theoretisch maximal möglichen Kondensatorfläche. Diese Veränderung der effektiven Kondensatorfläche führt zur Veränderung der Kapazität C des Kondensators, wobei diese Änderung der Kapazität bei Anliegen einer bekannten Spannung U an den Kondensatorelektroden durch Messung der Ladungsverschiebung AQ berechnet werden kann. Die Ladungsverschiebung kann durch Messung des zwischen den Kondensatorplatten fließenden Stroms I über der Zeit t ermittelt werden. Die Berechnung der Ladungsverschiebung AQ verhält sich nachfolgender Gleichung. The invention relates to a capacitive sensor element for De ¬ tektion a displacement, comprising a plurality of Elektrodenpaa ¬ r. Such capacitive sensor elements are basically be ¬ known. Here, the capacitor electrodes are arranged opposite each individually or in groups, wherein a measure ¬ de shift causes the capacitor electric shift ¬ relative to each other in parallel. Alternatively it can also be provided between the capacitor electrodes, a diaphragm with an aperture or more apertures, which is located in the capacitor gap and is displaced by the displacement to be measured. In both cases, the effective capacitor area, ie the area which, independently of the area of the capacitor electrode , changes, so that an electric field can form, changes. If the opposing capacitor electrodes are not completely aligned or if parts of the capacitor electrodes are covered by the diaphragm in the capacitor gap, the effective capacitor area is reduced compared to the theoretically maximum possible capacitor area. This change in the effective capacitor area leads to a change in the capacitance C of the capacitor, wherein this change in capacitance when a known voltage U is applied to the capacitor electrodes can be calculated by measuring the charge shift AQ. The charge shift can be determined by measuring the current I flowing between the capacitor plates over the time t. The calculation of the charge shift AQ behaves the following equation.
AQ = U AC = ε So ΔΑ/d U mit ε : Permittivität im Kondensatorspalt AQ = U AC = ε So ΔΑ / d U with ε: permittivity in the capacitor gap
So: Permittivität im Vakuum So: Permittivity in a vacuum
ΔΑ : Änderung der Kondensatorfläche ΔΑ: change of the capacitor area
d: Breite des Kondensatorspalts d: width of the capacitor gap
U: an dem Kondensator anliegende Spannung U: voltage applied to the capacitor
Bei einer Linearverschiebung von rechteckigen Kondensator- platten ergibt sich: In a linear displacement of rectangular capacitor plates results:
ΔΑ = 1 Δχ mit ΔΑ = 1 Δχ with
1: Länge der Kondensatorelektroden 1: length of the capacitor electrodes
Δχ : zu messender Verschiebeweg rechtwinklig zur Längenausdehnung der Kondensatorelektroden. Soll eine Verschiebung mit dem kapazitiven Sensorelement de- tektiert werden, so kann prinzipbedingt durch Veränderung der Kapazität nur die Länge des Verschiebeweges festgestellt wer¬ den. Es ist allerdings nicht möglich, eine absolute Position zwischen den Kondensatorplatten zu ermitteln. Deswegen muss der Sensor vor Beginn einer Messung dahingehend kalibriert werden, dass eine Stellung der Kondensatorplatten in Bezug zu einer Ausgangslage vor der Messung bekannt ist. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem die Kondensatorplatten außerhalb jeglicher Überdeckung gebracht werden bzw. die Blende vollständig zwischen die Kondensatorplatten geschoben wird, so dass das elektrische Feld zusammenbricht. Allerdings er¬ schwert die notwendige Kalibrierung die Aufnahme von Messwer¬ ten . Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, ein kapazitives Sensorelement zur Detektion von Verschiebungen anzugeben, bei dem während der Messungen zumindest in einem bestimmten Mess- bereich eine Ausgangslage der Verschiebung bestimmt werden kann . Δχ: Displacement distance to be measured at right angles to the length dimension of the capacitor electrodes. If a shift to the capacitive sensor element are de- tektiert, it can inherently determined by change in capacitance only the length of the displacement path ¬ the. However, it is not possible to determine an absolute position between the capacitor plates. Therefore, the sensor must be calibrated prior to the start of a measurement so that a position of the capacitor plates with respect to a starting position before the measurement is known. This can be done, for example, by the capacitor plates are brought outside any overlap or the panel is completely pushed between the capacitor plates, so that the electric field collapses. However, he ¬ the necessary calibration sword intake of reco ¬ th. The object of the invention is therefore to specify a capacitive sensor element for the detection of displacements, during which measurements are performed at least in a specific measuring position during the measurements. area a starting position of the shift can be determined.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das kapazitive Sensorelement zur Detektion einer Verschiebung folgende Komponenten aufweist. Es ist eine Vielzahl von ers¬ ten Kondensatorelektroden vorgesehen, die elektrisch parallel geschaltet sind. Weiterhin ist eine Vielzahl von zweiten Kondensatorelektroden vorgesehen, die ebenfalls elektrisch pa- rallel geschaltet sind, wobei jeder der ersten Kondensator¬ elektroden eine der zweiten Kondensatorelektroden unter Ausbildung von Elektrodenpaaren derart zugeordnet ist, dass zwischen den ersten Kondensatorelektroden und den zweiten Kondensatorelektroden jeweils ein Kondensatorspalt vorgesehen ist. Außerdem weist das Sensorelement eine Spannungsquelle zwischen den ersten Kondensatorelektroden und den zweiten Kondensatorelektroden auf. Diese kann eine periodisch veränderliche Spannung mit veränderbarer Periodendauer zur Verfügung stellen, wobei die ersten Kondensatorelektroden und/oder die zweiten Kondensatorelektroden als Balkenschwinger mit jeweils unterschiedlicher Eigenfrequenz ausgeführt sind. Außerdem sind die ersten Kondensatorelektroden zu den zweiten Kondensatorelektroden derart angeordnet, dass abhängig von der zu messenden Verschiebung die zweiten Kondensatorelektroden zu den ersten Kondensatorelektroden relativ beweglich sind und die effektive Kondensatorfläche bei gleichbleibender Wei¬ te des Kondensatorspaltes veränderlich ist. Dabei ist die An¬ ordnung weiterhin so gewählt, dass abhängig vom Betrag der zu messenden Verschiebung eine unterschiedliche Anzahl von This object is achieved in that the capacitive sensor element for detecting a shift comprises the following components. A multiplicity of first capacitor electrodes are provided, which are connected electrically in parallel. Furthermore, a plurality of second capacitor electrodes is provided, which are also electrically connected in parallel, wherein each of the first capacitor ¬ electrodes one of the second capacitor electrodes to form electrode pairs is assigned such that between the first capacitor electrodes and the second capacitor electrodes each provided a capacitor gap is. In addition, the sensor element has a voltage source between the first capacitor electrodes and the second capacitor electrodes. This can provide a periodically variable voltage with variable period duration, wherein the first capacitor electrodes and / or the second capacitor electrodes are designed as bar oscillators, each having a different natural frequency. Moreover, the first capacitor electrodes are arranged relative to the second capacitor electrodes in such a way that, depending on the displacement to be measured, the second capacitor electrodes are relatively movable relative to the first capacitor electrodes and the effective capacitor area is variable while the width of the capacitor gap remains constant. The ¬ An arrangement is further selected so that, depending on the amount of displacement to be measured, a different number of
Elektrodenpaaren an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt ist. Hierdurch kann nun vorteilhaft folgen¬ des Messprinzip realisiert werden. Bei fortschreitender Verschiebung innerhalb eines vorgesehenen Messbereiches wird er¬ reicht, dass nach und nach immer mehr Elektrodenpaare an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt sind, mit anderen Worten zu einer zumindest teilweisen Überdeckung unter Ausbildung des Kondensators gelangen. Da zumindest die ersten Kondensatorelektroden oder die zweiten Kondensator- elektroden als Balkenschwinger mit unterschiedlicher Eigenfrequenz ausgeführt sind, werden diese Balkenschwinger erst dann durch die veränderliche Spannung mit veränderbarer Periodendauer zu Schwingungen angeregt, wenn diese bereits mit der jeweils anderen Kondensatorelektrode durch Überdeckung der Kondensatorelektroden einen Kondensator ausbilden. Pair of electrodes is involved in the formation of the effective capacitor area. In this way, can now advantageously follow ¬ the measuring principle be realized. With progressive shift within a provided measurement range it is ¬ sufficient that gradually more and more pairs of electrodes are involved in the formation of the effective capacitor area, reach, in other words to an at least partial overlap with the formation of the capacitor. Since at least the first capacitor electrodes or the second capacitor electrodes are designed as a beam oscillator with different natural frequency, these bar vibrators are excited only by the variable voltage with variable period to oscillate when they already form a capacitor with the other capacitor electrode by covering the capacitor electrodes.
Die Tatsache, dass ein solches Elektrodenpaar zu Schwingungen angeregt wird, kann auf verschiedene Weise ermittelt werden. Besonders bevorzugt ist eine Messung der elektrischen Eigenschaften der Kondensatorpaare, die beispielsweise durch aus¬ geführte Schwingungen der Balkenschwinger ständig ihre Kapazität ändern. Selbstverständlich sind auch andere Ausleseverfahren denkbar, beispielsweise ein optisches Ausleseverfah- ren, indem ein optischer Sensor auf den schwingenden Balkenschwinger ausgerichtet wird. The fact that such an electrode pair is excited to vibrate can be determined in various ways. Particularly preferred is a measurement of the electrical properties of the capacitor pairs , which constantly change their capacity, for example, by ¬ guided oscillations of the beam oscillator. Of course, other read-out methods are conceivable, for example an optical read-out method, by aligning an optical sensor with the oscillating beam oscillator.
Bei fortschreitender Verschiebung geraten immer mehr Elektrodenpaare derart miteinander in Eingriff, dass Kondensatoren entstehen. Dies bedeutet, dass immer mehr Resonanzfrequenzen bei elektrischer Anregung durch die periodisch veränderliche Spannung mit veränderbarer Periodendauer angeregt werden, weswegen aus der Zahl der angeregten Elektrodenpaare auf die absolute Position der gegeneinander verschobenen Kondensator- elektroden geschlossen werden kann. Hierdurch lässt sich ohne Kalibrierung des Sensorelementes vorteilhaft eine Absolutpo¬ sitionierung der beiden Anordnungen von Kondensatorelektroden ermitteln. Wenn beispielsweise die ersten Kondensatorelektro¬ den ortsfest angebracht sind, ist es damit möglich, die Posi- tion der zweiten Kondensatorelektroden festzustellen. As the displacement progresses, more and more electrode pairs engage each other in such a way that capacitors are formed. This means that more and more resonant frequencies are excited during electrical excitation by the periodically variable voltage with variable period duration, which is why from the number of excited electrode pairs on the absolute position of the mutually shifted capacitor electrodes can be concluded. This makes it possible without calibration of the sensor element advantageously Absolutpo ¬ sitioning of the two arrays of capacitor electrodes determined. For example, if the first capacitor electric ¬ are the stationary mounted, it is thus possible to posi- tion the second capacitor electrodes determine.
Von ersten Kondensatorelektroden ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung immer dann die Rede, wenn es sich um diejenigen Kondensatorelektroden handelt, die jeweils die eine Seite der durch die Elektrodenpaare ausgebildeten Kondensatoren bildet. Die jeweils zweiten Kondensatorelektroden sind diejenigen, die jeweils den ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegen. Ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung nur von Kondensator- elektroden die Rede, so sind immer sowohl die ersten Kondensatorelektroden als auch die zweiten Kondensatorelektroden gemeint . Bei der Auslegung der Spannungsquelle ist wichtig, dass sich die veränderliche Spannung in einem Bereich der Periodendauer verändern lässt, in dem alle Eigenfrequenzen der ersten Kondensatorelektroden oder zweiten Kondensatorelektroden liegen. Nur so ist es möglich, prinzipbedingt alle beteiligten Kon- densatorelektroden auch zu Schwingungen anzuregen. Die Art der periodisch veränderlichen Spannung kann unterschiedlich gewählt werden. Beispielsweise ist ein sinusförmiger Perio¬ denverlauf denkbar. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Rechteckspannung zu verwenden, so dass die Schwingungen der Balkenschwinger durch Impulsanregungen erzeugt werden.First capacitor electrodes are always mentioned in the context of this invention if they are those capacitor electrodes which in each case form one side of the capacitors formed by the electrode pairs. The respective second capacitor electrodes are those which are opposite to the first capacitor electrodes, respectively. Is used in the context of this invention only by capacitor Electrodes talk, so are always meant both the first capacitor electrodes and the second capacitor electrodes. When designing the voltage source, it is important that the variable voltage can be varied within a range of the period in which all natural frequencies of the first capacitor electrodes or second capacitor electrodes lie. Only in this way is it possible, as a matter of principle, to cause all the capacitor electrodes involved to vibrate. The type of periodically variable voltage can be chosen differently. For example, a sinusoidal Perio ¬ denver running conceivable. Another possibility is to use a square-wave voltage so that the vibrations of the beam oscillators are generated by pulse excitations.
Möglich ist es auch, eine Anregung zu wählen, in der alle Eigenfrequenzen überlagert vorliegen. Hierdurch ist eine gleichzeitige Anregung aller betroffenen Elektrodenpaare mög¬ lich. It is also possible to choose an excitation in which all natural frequencies are superimposed. This results in a simultaneous excitation of all electrode pairs affected is mög ¬ Lich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Kondensatorelektroden auf einem ersten Träger und die zweiten Kondensatorelektroden auf einem zweiten Träger angeordnet sind, derart, dass alle Kondensa- torelektroden die Zinken jeweils einer kammartigen Struktur bilden, wobei diese Strukturen ineinander verzahnt angeordnet sind und die Kondensatorspalte jeweils zwischen denjenigen benachbarten Zinken gebildet werden, die am nächsten beieinander liegen. Damit die betreffenden Elektrodenpaare zu According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the first capacitor electrodes are arranged on a first carrier and the second capacitor electrodes on a second carrier, such that all capacitor gate electrodes form the tines of a comb-like structure, wherein these structures are arranged interlocked and the capacitor gaps are each formed between those adjacent tines that are closest to each other. So that the respective electrode pairs too
Schwingungen angeregt werden können, ist es erforderlich, dass der Abstand der beiden Zinken, die das betreffende Vibrations can be excited, it is necessary that the distance between the two prongs, the relevant
Elektrodenpaar bilden, geringer ist (Kondensatorspalt) , als der Abstand der Zinken jeweils zum anderen der beiden Nachbarzinken, also demjenigen Zinken, der zusammen mit dem nächsten Zinken auf dem betreffenden Träger einen Kondensator bildet. Ansonsten würde die elektrische Krafteinleitung in die Zinken immer symmetrisch erfolgen und es würde keine Schwingung angeregt werden können. Für das erfindungsgemäße Messprinzip ist es erforderlich, dass die Zinken verschiedener Elektrodenpaare bei fortschrei¬ tender Verschiebung nacheinander in Eingriff gelangen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Zinken eines der Kämme unterschiedlich lang sind, wobei die Spitzen der Zinken dann sozusagen aufeinander zu bewegt werden, wenn eine Verschiebung erfolgt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Zinken auf dem Kamm gestaffelt anzuordnen. Hier kann die Verschiebung dadurch realisiert werden, dass die beiden Kämme aneinander vorbeischeren. Diese Ausführungsform der Kondensatorelektroden hat den Vorteil, dass ein vergleichsweise platzsparender Aufbau des Sensorelementes ent¬ steht . Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn die ersten Kondensatorelektroden als Balkenschwinger ausgebildet sind, die an einem Träger befestigt sind und die zweiten Kondensatorelektroden auf der Oberfläche eines Substrates ausgebildet sind, wobei die Verschiebung pa- rallel zur Oberfläche des Substrates liegt. Hierdurch wird eine Ausführungsform erhalten, die sich vorteilhaft besonders einfach in mikromechanischer Weise herstellen lässt. Insbesondere das Substrat ist durch einfache Strukturierung der Oberfläche dieses Substrates herstellbar. Damit die Kondensa- torelektroden der Elektrodenpaare bei fortschreitender Verschiebung nacheinander miteinander in Eingriff gelangen, können unterschiedlich große Zwischenräume zwischen den Kondensatorelektroden gewählt werden. Vorteilhaft ist es möglich, dass die zu detektierende Ver¬ schiebung eine Winkelverschiebung oder eine Linearverschiebung ist. Bauformen für die Messung einer Linearverschiebung sind bereits beschrieben worden. Soll eine Winkelverschiebung gemessen werden, so ist ein drehbares System vorzusehen. Form electrode pair, is less (capacitor gap), as the distance between the tines each to the other of the two neighboring tines, ie those tines, which forms a capacitor together with the next prong on the support in question. Otherwise, the introduction of electrical force into the tines would always be symmetrical and no vibration would be able to be excited. For the present measuring principle, it is necessary that the tines of different pairs of electrodes with advancing ¬ tender shift enter successively into engagement. This can be achieved, for example, by the tines of one of the combs being of different lengths, the tips of the tines then being moved towards one another when a displacement occurs, as it were. Another possibility is to arrange the tines staggered on the comb. Here, the shift can be realized by the two combs past each other. This embodiment of the capacitor electrodes has the advantage that a comparatively space-saving design of the sensor element is ent ¬ . A further advantageous embodiment of the invention is obtained when the first capacitor electrodes are formed as a beam oscillator, which are fixed to a carrier and the second capacitor electrodes are formed on the surface of a substrate, wherein the displacement is parallel to the surface of the substrate. As a result, an embodiment is obtained which can be produced particularly advantageously in a micromechanical manner. In particular, the substrate can be produced by simple structuring of the surface of this substrate. In order that the capacitor electrodes of the electrode pairs successively engage with each other as the displacement progresses, gaps of different sizes between the capacitor electrodes can be selected. It is possible that the advantage to be detected Ver ¬ displacement is an angular displacement or linear displacement. Designs for the measurement of a linear displacement have already been described. If an angular displacement is to be measured, then a rotatable system is to be provided.
Hierbei gehen die Balkenschwinger von Drehzentrum aus und können beispielsweise die ersten Kondensatorelektroden bilden. Die zweiten Kondensatorelektroden sind dann beispiels- weise auf einem Substrat vorgesehen, oberhalb dessen sich die Biegeschwinger verdrehen lassen. In this case, the beam oscillators start from the center of rotation and can, for example, form the first capacitor electrodes. The second capacitor electrodes are then, for example, provided on a substrate, above which can be twisted the bending vibrator.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Spannungsquelle auch eine Gleichspannung zur Verfügung stellen kann. Über die Gleichspannung lässt sich eine relative Verschiebung zwischen den ersten Kondensatorelektroden und den zweiten Kondensatorelektroden ermitteln, wie dies eingangs bereits beschrieben wurde . It is also advantageous if the voltage source can also provide a DC voltage available. The DC voltage can be used to determine a relative displacement between the first capacitor electrodes and the second capacitor electrodes, as already described above.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Sensorelementes, welches in der bereits beschriebenen Weise aufgebaut ist. Auch ein solches Verfahren ist, wie ein¬ gangs bereits beschrieben, aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Furthermore, the invention relates to a method for operating a sensor element, which is constructed in the manner already described. Such a method is already known from the prior art, as already described above .
Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschiebung detektiert wird, indem abhängig von der zu messenden Verschiebung die zweiten Kondensatorelektro- den zu den ersten Kondensatorelektroden relativ bewegt werden und die effektive Kondensatorfläche bei gleichbleibender Wei¬ te des Kondensatorspaltes verändert wird. Außerdem wird ab¬ hängig vom Betrag der zu messenden Verschiebung eine unterschiedliche Anzahl von Elektrodenpaaren an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt. Die Anzahl der an der Bildung beteiligten Elektrodenpaare wird ermittelt, indem die Periodendauer der Spannung verändert wird, und zwar derart, dass alle Eigenfrequenzen der zweiten Balkenschwinger irgendwann zu Schwingungen angeregt werden. Die Balkenschwinger können, wie bereits erläutert, durch die ersten Kondensatorelektroden und/oder die zweiten Kondensatorelektroden ausgebildet werden. According to the invention, the method is characterized in that a shift is detected by relatively moving the second capacitor electrodes to the first capacitor electrodes, depending on the displacement to be measured, and changing the effective capacitor area while keeping the capacitor gap constant. Moreover, involved a different number of electrode pairs in the formation of the effective capacitor area from ¬ dependent on the amount of displacement to be measured. The number of electrode pairs involved in the formation is determined by changing the period of the voltage, in such a way that all natural frequencies of the second beam oscillators are eventually excited to oscillate. The beam oscillators can, as already explained, be formed by the first capacitor electrodes and / or the second capacitor electrodes.
Das erfindungsgemäße Messverfahren ermöglicht es, die Anzahl der Biegeschwinger zu ermitteln, welche bereits zu Schwingungen angeregt werden, wobei dies nur der Fall ist, wenn sich diese Balkenschwinger bereits mit der zugehörigen anderen Kondensatorelektrode im Eingriff befindet und auf diese Weise einen Kondensator bildet. Mann kann auch sagen, dass dieses betreffende Elektrodenpaar dann auch an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt ist. Als effektive Kon¬ densatorfläche wird diejenige Kondensatorfläche bezeichnet, die durch die Gesamtheit der ersten Kondensatorelektroden und zweiten Kondensatorelektroden als Betrag der Überdeckung zur Verfügung gestellt wird. Dieser kann vorteilhaft von 0 bis zur Gesamtfläche der ersten Kondensatorelektroden oder zweiten Kondensatorelektroden reichen. The measuring method according to the invention makes it possible to determine the number of flexural vibrators which are already excited to vibrate, this being the case only when this bar vibrator is already in engagement with the associated other capacitor electrode and in this way forms a capacitor. It can also be said that this particular pair of electrodes is involved in the formation of the effective capacitor area. As an effective Kon ¬ densatorfläche that capacitor area is referred to, which is provided by the whole of the first capacitor electrode and the second capacitor electrodes as the amount of overlap. This can advantageously range from 0 to the total area of the first capacitor electrodes or second capacitor electrodes.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die in der Resonanzfrequenz schwingenden zweiten Kondensatorelektroden dadurch ermittelt werden, dass die Kapazitätsänderung der Elektrodenpaare auf Änderungen in den betreffenden Resonanzfrequenzen hin untersucht wird. Diese Untersuchung ist vorteilhaft sehr einfach durchzuführen, da die Elektrodenpaare ohnehin zur Anregung von Schwingungen kontaktiert werden müssen. Die Schwingungen der Biegebalken schafft eine veränderliche Spaltbreite zwi- sehen den aktivierten Elektrodenpaaren, so dass sich auch die Kapazität dieser Elektrodenpaare periodisch ändert. Aus der Periodizität dieses Änderungsmusters lässt sich durch Messung der Kapazität aller Kondensatorelektroden ermitteln, welche der Elektrodenpaare bereits an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt sind. Dies wiederum lässt in der erfindungsgemäßen Weise auf die absolute Verschiebung schließen . According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that the second capacitor electrodes oscillating in the resonant frequency are determined by examining the change in capacitance of the electrode pairs for changes in the respective resonant frequencies. This investigation is advantageous very easy to carry out, since the electrode pairs must be contacted anyway for the excitation of vibrations. The vibrations of the bending beam creates a variable gap width between see the activated electrode pairs, so that the capacitance of these electrode pairs changes periodically. From the periodicity of this change pattern can be determined by measuring the capacitance of all capacitor electrodes, which of the pairs of electrodes are already involved in the formation of the effective capacitor area. This in turn makes it possible to conclude the absolute displacement in the manner according to the invention.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich eine relative Verschiebung der Kondensatorelektroden ermittelt wird, indem die ersten Kondensatorelektroden und zweiten Kondensatorelektroden mit einer Gleichspannung beaufschlagt werden und die Änderung der Kapazität bei einer Verschiebung ermittelt wird. Dieser Wert verändert sich dann nicht periodisch, son- dern in einer bekannten Gesetzmäßigkeit zur Verschiebung, wobei die Gesetzmäßigkeit beispielsweise linear sein kann (pe¬ riodischen Anteile der Messung werden nicht berücksichtigt) . Hierbei handelt es sich daher um ein analoges Ausleseverfah- ren, welches eine stufenlose Bestimmung der relativen Ände¬ rung zulässt. Gleichzeitig wird durch das erfindungsgemäß An¬ regen der Elektrodenpaare ein digitales Ausleseverfahren zur Verfügung gestellt, welches bestimmte absolute Stützpunkte in dem Messbereich, d. h. dem messbaren Verschiebungsbereich schafft. Hierdurch kann während der Verschiebung durch Überschreiten dieser diskreten Messpunkte immer wieder eine Kalibrierung des Gesamtsystems vorgenommen werden, ohne dass eine gesonderte Kalibrierung beispielsweise durch Anfahren der Extrempunkte am Ende des Verschiebungsweges erforderlich wäre . It is particularly advantageous if, in addition, a relative displacement of the capacitor electrodes is determined by applying a direct voltage to the first capacitor electrodes and second capacitor electrodes and determining the change in capacitance during a displacement. This value will not change periodically, special countries in a manner known to the displacement law, the law may for example be linear (pe ¬-periodic components of the measurement are not taken into account). This is therefore an analog readout method. ren, which allows a stepless determination of the relative change ¬ tion. At the same time, a digital readout method is provided by the invention according to ¬ rain of the electrode pairs, which provides certain absolute bases in the measuring range, ie the measurable displacement range. As a result, during the shift by exceeding these discrete measurement points again and again a calibration of the entire system can be made without a separate calibration would be required for example by approaching the extreme points at the end of the displacement path.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei¬ chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen : Figur 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungs¬ gemäßen Sensoranordnung mit kammartiger Ausbildung der Kondensatorelektroden als Seitenansicht, Further details of the invention are described below with reference to the drawing. Identical or corresponding drawing elements are each provided with the same Bezugszei ¬ chen and are only explained several times as far as differences arise between the individual figures. FIG. 1 is a schematic side view of an exemplary embodiment of the sensor arrangement according to the invention with comb-like design of the capacitor electrodes as a side view;
Figur 2 die Amplitude A einer Kapazitätsänderung der effek- tiven Kondensatorfläche aufgrund von Schwingungen der Balkenschwinger in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz der Spannung f, FIG. 2 shows the amplitude A of a capacitance change of the effective capacitor area due to oscillations of the bar oscillators as a function of the excitation frequency of the voltage f,
Figur 3 den Zusammenhang einer Änderung der Kapazität C der effektiven Kondensatorfläche in Abhängigkeit einerFIG. 3 shows the relationship between a change in the capacitance C of the effective capacitor area as a function of a
Verschiebung x, Displacement x,
Figur 4 schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei der die Bal- kenschwinger an Kondensatorelektroden vorbeigeführt werden, die auf einem Substrat angebracht sind und Figur 5 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Ermittlung einer Winkelverschiebung. Eine Sensoranordnung gemäß Figur 1 besteht aus einem ersten Träger 11, an dem kammartig wie Zinken erste Kondensatorelektroden 12 befestigt sind. Demgegenüber liegt ein zweiter Träger 13, an dem in gleicher Weise zweite Kondensatorelekt¬ roden 14 ähnlich Zinken eines Kammes angeordnet sind. Der Träger 13 kann mit den Spitzen der Zinken voran in einerFIG. 4 schematically shows another exemplary embodiment of the sensor arrangement according to the invention, in which the beam oscillators are guided past capacitor electrodes which are mounted on a substrate and FIG. 5 schematically shows a further exemplary embodiment of the sensor arrangement according to the invention for determining an angular displacement. A sensor arrangement according to FIG. 1 consists of a first carrier 11, on which comb capacitor-like tines first capacitor electrodes 12 are fastened. On the other hand, there is a second carrier 13, on which second condenser electrodes 14 are similarly arranged in the manner of prongs of a comb. The carrier 13 may advance with the tips of the tines in one
Richtung x eine Lateralverschiebung 15 durchführen, wodurch sich eine Relativbewegung zwischen den ersten Kondensatorelektroden 12 und den zweiten Kondensatorelektroden 14 ergibt . Direction x perform a lateral displacement 15, resulting in a relative movement between the first capacitor electrodes 12 and the second capacitor electrodes 14 results.
Die ersten Kondensatorelektroden 12 sind alle gleich lang, während die zweiten Kondensatorelektroden 14 wie Orgelpfeifen gestaffelt sind, d. h. ihre Länge in der dargestellten Weise von links nach rechts zunimmt. Dies ist durch strichpunktier- te Linien 16 angedeutet. The first capacitor electrodes 12 are all the same length, while the second capacitor electrodes 14 are staggered like organ pipes, i. H. their length increases in the manner shown from left to right. This is indicated by dash-dotted lines 16.
Wird der erste Träger 11 nun auf den zweiten Träger 13 zu bewegt, so kommt zunächst die am weitesten rechts ausgebildete Kondensatorelektrode 13 mit der zugehörigen Kondensatorelekt- rode 12 ganz rechts auf dem ersten Träger zum Eingriff, wodurch ein Kondensatorspalt 17 entsteht. Der Abstand der ers¬ ten Kondensatorelektrode zur anderen benachbarten zweiten Kondensatorelektrode (Durch die Verschachtelung gibt es immer zwei benachbarte Elektroden) ist sehr viel größer, so dass hier die entstehenden elektrischen Felder vernachlässigbar gering sind. Es handelt sich also in beabsichtigter Weise um eine asymmetrische Verschachtelung der ersten und zweiten Kondensatorelektroden . In Figur 2 ist dargestellt, wie eine Frequenz f einer sinus¬ förmigen Wechselspannung, die in nicht dargestellter Weise an den parallel geschalteten ersten Elektroden 12 und parallel geschalteten zweiten Elektroden 14 anliegt, durchgestimmt wird. Dabei werden alle Resonanzfrequenzen der als Biegeschwinger ausgeführten zweiten Kondensatorelektroden durchlaufen. Wie in Figur 1 zu erkennen ist, sind an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche lediglich die beiden rechten Kondensatorelektroden 14 des zweiten Trägers 13 beteiligt und werden daher zu Schwingungen angeregt. Diese werden durch Messung der Änderung der Kapazität der effektiven Kondensatorfläche ermittelt, die dadurch periodisch verändert wird, weil die schwingenden zweiten Kondensatorelektroden 14 zu ei- ner ständigen Vergrößerung und Verkleinerung der Kondensatorspalte 17 führen und daher auch die Kapazität der Kondensato¬ ren beeinflusst. Daher werden beim Durchstimmen der Frequenz gemäß Figur 2 zwei Resonanzen 18 festgestellt. Diese beiden Resonanzen 18 können für eine bestimmte absolute Verschiebung x des zweiten Trägers repräsentativ ausgewertet werden. If the first carrier 11 is now moved toward the second carrier 13, then the capacitor electrode 13 formed on the far right first comes into engagement with the associated capacitor electrode 12 on the rightmost carrier on the first carrier, resulting in a capacitor gap 17. The spacing of the ers ¬ th capacitor electrode to the other adjacent second capacitor electrode (By interleaving there are always two neighboring electrodes) is much larger, so that the resulting electric fields are negligible here. It is therefore intended to asymmetric nesting of the first and second capacitor electrodes. FIG. 2 illustrates how a frequency f of a sinusoidal AC voltage, which is applied in a manner not shown to the parallelly connected first electrodes 12 and second electrodes 14 connected in parallel, is tuned becomes. In this case, all resonant frequencies of the second capacitor electrodes designed as bending oscillators are passed through. As can be seen in Figure 1, only the two right capacitor electrodes 14 of the second carrier 13 are involved in the formation of the effective capacitor area and are therefore excited to vibrate. These are determined by measuring the change in capacitance of the effective capacitor surface area, which is thereby periodically changed, because the vibrating second capacitor electrodes 14 lead and egg ner permanent enlargement and reduction of the condenser column 17 and therefore also affects the capacity of condensers ¬ ren. Therefore, when tuning the frequency according to FIG. 2, two resonances 18 are detected. These two resonances 18 can be evaluated representatively for a specific absolute displacement x of the second carrier.
Dadurch, dass nach und nach immer mehr zweite Kondensatorelektroden gemäß Figur 1 mit ihren zugehörigen ersten Kondensatorelektroden Elektrodenpaare bilden, die an der Ausbildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt sind, ist der Zu¬ sammenhang des Verschiebeweges x und der Zunahme der Kapazi¬ tät jeweils bereichsweise linear. Die Punkte 19 einer sprung¬ haften Änderung der Steigung dieses Zusammenhangs liegen immer da, wo das nächste Elektrodenpaar einen Teil der effekti- ven Kondensatorfläche mit ausbildet. Bei diesen Verschiebun¬ gen x kommt jeweils auch eine weitere Resonanzfrequenz in der Darstellung gemäß Figur 2 hinzu. Characterized in that gradually more and more second capacitor electrodes according to figure 1, with their respective first capacitor electrode pairs of electrodes which are involved in the formation of the effective capacitor area of For ¬ connexion of the displacement path x and the increase in the capaci ¬ ty is respectively partially linear. The points 19 of a leap ¬ adhere change in the slope of this relationship are always where the next pair of electrodes some of the more effective ven capacitor surface is formed. These Verschiebun ¬ gen x are also another resonant frequency is in the presentation added according to FIG. 2
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 4, die auch eine Sensor- anordnung darstellt, sind die ersten KondensatorelektrodenIn the embodiment according to FIG. 4, which also represents a sensor arrangement, the first capacitor electrodes are
12, die die Balkenschwinger bilden, an einem Träger 20 befestigt. Dieser ermöglicht auch eine elektrisch leitende Kontak- tierung der parallel geschalteten Kondensatorelektroden 12. Die zweiten Kondensatorelektroden 14 sind auf einem Substrat 21 hergestellt und bilden eine leitende Beschichtung auf der isolierenden Oberfläche des Substrates 21. Auch hier ist eine Kontaktierung schematisch dargestellt, wobei auch eine Spannungsquelle 22 vorgesehen ist, die sowohl eine Gleichspannung zur Verfügung stellen kann als auch eine dieser überlagerte periodisch veränderbare Spannung, deren Periodizität, d. h. Periodendauer, veränderbar ist. Der Übersichtlichkeit halber sind die ersten Kondensatorelektroden 12 und die zweiten Kondensatorelektroden 14 getrennt voneinander dargestellt. In Wirklichkeit müssen die ersten Kondensatorelektroden, die in Lateralverschieberich- tung 15 verschoben werden können, dabei die zweiten Kondensa- torelektroden überstreichen. Der Betrachter muss sich die ersten Kondensatorelektroden daher um das 1,2-fache der Länge der Biegeschwinger versetzt nach rechts vorstellen. 12, which form the beam oscillator, attached to a support 20. This also makes possible an electrically conductive contacting of the capacitor electrodes 12 connected in parallel. The second capacitor electrodes 14 are produced on a substrate 21 and form a conductive coating on the insulating surface of the substrate 21. Here, too, a contact is shown schematically, wherein also a voltage source 22 is provided which is both a DC voltage can provide as well as one of these superimposed periodically variable voltage whose periodicity, ie period duration, is changeable. For the sake of clarity, the first capacitor electrodes 12 and the second capacitor electrodes 14 are shown separated from one another. In reality, the first capacitor electrodes, which can be displaced in lateral displacement direction 15, have to pass over the second capacitor electrodes. The observer therefore has to imagine the first capacitor electrodes offset by 1.2 times the length of the bending oscillator to the right.
Wird der Träger 20 in der Lateralverschieberichtung 15 ver- schoben, so kommen die ersten Kondensatorelektroden 12 nacheinander mit den zweiten Kondensatorelektroden 14 zum Überlappen. In der dargestellten Stellung ist die unterste Kondensatorelektrode 12 gerade im Begriff mit der untersten Kondensatorelektrode 14 in der Zeichnung in Eingriff zu kommen. Die darüber liegenden ersten Kondensatorelektroden kommen bei einem Verschiebeweg wie eingezeichnet von xlr x2 und X3 zum Eingriff. Dies ist jeweils der Verschiebeweg x, bei dem die entsprechenden Elektrodenpaare beginnen an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt zu sein und daher auch zu Lateralschwingungen angeregt werden zu können. Die Schwingungen der Kondensatorelektroden 1 gemäß Figur 4 erfolgen hierbei senkrecht zur Zeichenebene. Die unterschiedlichen Steifigkeiten und damit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Kondensatorelektroden 12 gemäß Figur 4 wird nicht durch ihre unterschiedliche Länge wie in Figur 1, sondern durch ih¬ re unterschiedliche Breite bestimmt. If the carrier 20 is displaced in the lateral displacement direction 15, then the first capacitor electrodes 12 successively overlap with the second capacitor electrodes 14. In the illustrated position, the lowermost capacitor electrode 12 is about to engage the lowermost capacitor electrode 14 in the drawing. The overlying first capacitor electrodes come in a displacement as indicated by x lr x 2 and X3 for engagement. This is in each case the displacement x, in which the corresponding pairs of electrodes begin to participate in the formation of the effective capacitor area and therefore can also be excited to lateral vibrations. The oscillations of the capacitor electrodes 1 according to FIG. 4 are made perpendicular to the plane of the drawing. The different stiffnesses, and thus different resonant frequencies, the capacitor electrodes 12 according to Figure 4 is not determined by their different lengths as shown in Figure 1, but by ih re ¬ different width.
Um einen Verlauf der wegabhängigen Kondensatorkapazität gemäß Figur 3 zu vermeiden, ist gemäß Figur 4 eine Möglichkeit an- gedeutet, wie dieser Verlauf durch eine entsprechende Elekt¬ rodengestaltung eliminiert werden kann. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die schraffierten Bereiche der Elektroden nicht hergestellt werden, so dass nur die nicht schraffierten Bereiche die Kondensatorelektroden 14 ausbilden. Dabei ist zu erkennen, dass die unterste zweite Kondensatorelektrode eine stufige Kontur hat, wobei immer dann ein Teil der Elektrodenlänge wegfällt, wenn durch eine zusätzliche zweite Kondensa- torelektrode Elektrodenfläche zur Verfügung gestellt wird. Hierdurch wird der Zusammenhang zwischen Kapazitätsänderung der effektiven Kondensatorfläche und dem Verschiebungsweg x über den gesamten Messbereich linearisiert . Gemäß Figur 5 kann eine Winkelverschiebung 23 gemessen werden. Hierfür ist der Träger 20 um eine Drehachse 24 drehbar gelagert, wobei die ersten Kondensatorelektroden 12 unterschiedlicher Länge strahlartig von dem Träger abragen. Auf dem nicht näher dargestellten Substrat sind die zweiten Kon- densatorelektroden 14 als Pads dargestellt und werden bei be¬ stimmten Winkelstellungen überstrichen. Hierdurch lässt sich eine Absolutstellung des Winkels ermitteln. To a course of the path-dependent capacitor capacitance to avoid according to Figure 3 is a possibility interpreted Toggle according to Figure 4, as this curve can be eliminated by a corresponding Elect ¬ clear design. This can be achieved in that the hatched areas of the electrodes are not produced, so that only the non-hatched Form areas the capacitor electrodes 14. It can be seen here that the lowermost second capacitor electrode has a stepped contour, wherein a part of the electrode length always disappears when an electrode surface is provided by an additional second capacitor electrode. As a result, the relationship between the capacitance change of the effective capacitor area and the displacement path x is linearized over the entire measuring range. According to FIG. 5, an angular displacement 23 can be measured. For this purpose, the carrier 20 is rotatably mounted about a rotation axis 24, wherein the first capacitor electrodes 12 of different lengths protrude like a beam from the carrier. On the non-illustrated substrate, the second con- are densatorelektroden 14 shown as pads and be painted in ¬ be voted angles. This makes it possible to determine an absolute position of the angle.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kapazitives Sensorelement zur Detektion einer Verschie¬ bung, aufweisend 1. Capacitive sensor element for detecting a Verschie ¬ advertising, comprising
· eine Vielzahl von ersten Kondensatorelektroden (12), die elektrisch parallel geschaltet sind,  A plurality of first capacitor electrodes (12) electrically connected in parallel,
• eine Vielzahl von zweiten Kondensatorelektroden (14), die elektrisch parallel geschaltet sind, wobei jeder der ersten Kondensatorelektroden (12) eine der zweiten Kon- densatorelektroden (14) unter Ausbildung von Elektrodenpaaren derart zugeordnet ist, dass zwischen den ersten Kondensatorelektroden (12) und den zweiten Kondensatorelektroden (14) jeweils ein Kondensatorspalt (17) vorge¬ sehen ist und • a plurality of second capacitor electrodes (14) electrically connected in parallel, each of the first capacitor electrodes (12) being associated with one of the second capacitor electrodes (14) to form pairs of electrodes such that between the first capacitor electrodes (12) and the second capacitor electrodes (14) each have a capacitor gap (17) is pre ¬ see and
· eine Spannungsquelle zwischen den ersten Kondensatorelektroden (12) und den zweiten Kondensatorelektroden (14) angeordnet ist, die periodisch veränderliche Span¬ nung mit veränderbarer Periodendauer zur Verfügung stellen kann, wobei die ersten Kondensatorelektroden (12) und/oder die zweiten Kondensatorelektroden als Balkenschwinger mit jeweils unterschiedlicher Eigenfrequenz ausgeführt sind, A voltage source is arranged between the first capacitor electrodes (12) and the second capacitor electrodes (14), which can provide periodically variable voltage with variable period duration , wherein the first capacitor electrodes (12) and / or the second capacitor electrodes are used as beam transducers are each made of different natural frequency,
wobei außerdem die ersten Kondensatorelektroden (12) zu den zweiten Kondensatorelektroden (14) derart angeordnet sind, dass wherein also the first capacitor electrodes (12) are arranged to the second capacitor electrodes (14) such that
• abhängig von der zu messenden Verschiebung die zweiten Kondensatorelektroden (14) zu den ersten Kondensatorelektroden (12) relativ beweglich sind und die effektive Kondensatorfläche bei gleichbleibender Weite des Kon- densatorspaltes (17) veränderlich ist und  Depending on the displacement to be measured, the second capacitor electrodes (14) to the first capacitor electrodes (12) are relatively movable and the effective capacitor area is variable with constant width of the capacitor gap (17) and
• abhängig vom Betrag der zu messenden Verschiebung eine unterschiedliche Anzahl von Elektrodenpaaren an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt ist. Depending on the amount of displacement to be measured, a different number of electrode pairs is involved in the formation of the effective capacitor area.
2. Kapazitives Sensorelement nach Anspruch 1, 2. Capacitive sensor element according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die ersten Kondensatorelektroden (12) auf einem ersten Träger (11) und die zweiten Kondensatorelektroden (14) auf einem zweiten Träger (13) angeordnet sind, derart, dass alle Kondensatorelektroden die Zinken jeweils einer kammartigen Struktur bilden, wobei diese Strukturen ineinander verzahnt angeordnet sind und die Kondensatorspalte (17) jeweils zwi¬ schen denjenigen benachbarten Zinken gebildet werden, die am nächsten beieinander liegen. in that the first capacitor electrodes (12) are arranged on a first carrier (11) and the second capacitor electrodes (14) are arranged on a second carrier (13) such that all of the capacitor electrodes form the tines of a comb-like structure, wherein these structures are arranged in one another and the capacitor are gaps (17) each interim ¬ rule those adjacent prongs are formed, which are closest to each other.
3. Sensorelement nach Anspruch 1, 3. Sensor element according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die ersten Kondensatorelektroden (12) als Balkenschwin- ger ausgebildet sind, die an einem Träger (20) befestigt sind und die zweiten Kondensatorelektroden (14) auf der Oberfläche eines Substrates (21) ausgebildet sind, wobei die Verschie¬ bung parallel zur Oberfläche des Substrates liegt. that the first capacitor electrodes (12) are formed as Balkenschwin- ger, which on a support (20) are fixed and the second capacitor electrode (14) on the surface of a substrate (21) are formed, wherein the displacement ¬ bung parallel to the surface of the Substrates lies.
4. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2 4. Sensor element according to claim 1 or 2
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die zu detektierende Verschiebung eine Winkelverschie¬ bung (15) oder eine Winkelverschiebung ist. that the shift to be detected is an angular displacement ¬ bung (15) or an angular displacement.
5. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 5. Sensor element according to one of the preceding claims, characterized
dass die Spannungsquelle (22) auch eine Gleichspannung zur Verfügung stellen kann. the voltage source (22) can also provide a DC voltage.
6. Verfahren zum Betrieb eines Sensorelementes, 6. Method for operating a sensor element,
aufweisend including
• eine Vielzahl von ersten Kondensatorelektroden (12), die elektrisch parallel geschaltet sind, • eine Vielzahl von zweiten Kondensatorelektroden (14), elektrisch parallel geschaltet sind, wobei jeder der ersten Kondensatorelektroden (12) eine der zweiten Kondensatorelektroden (14) unter Ausbildung von Elektrodenpaaren derart zugeordnet ist, dass zwischen den ersten Kondensatorelektroden (12) und den zweiten Kondensatorelektroden (14) jeweils ein Kondensatorspalt (17) vorge¬ sehen ist und A plurality of first capacitor electrodes (12) electrically connected in parallel, • a plurality of second capacitor electrodes (14) are electrically connected in parallel, wherein each of the first capacitor electrodes (12) one of the second capacitor electrodes (14) is assigned to form pairs of electrodes such that between the first capacitor electrodes (12) and the second capacitor electrodes (14) in each case a capacitor gap (17) is pre ¬ see and
• eine Spannungsquelle (22) zwischen den ersten Kondensa¬ torelektroden (12) und den zweiten Kondensatorelektroden (14) angeordnet ist, die periodisch veränderliche Span¬ nung mit veränderbarer Periodendauer zur Verfügung stellen kann, wobei die ersten Kondensatorelektroden (12) und/oder die zweiten Kondensatorelektroden als Balkenschwinger mit jeweils unterschiedlicher Eigenfrequenz ausgeführt sind, • a voltage source (22) between the first Kondensa ¬ gate electrodes (12) and the second capacitor electrode (14) is arranged, which may provide periodically changing clamping ¬ voltage variable period available, wherein the first capacitor electrode (12) and / or the second capacitor electrodes are designed as bar oscillators, each having a different natural frequency,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass eine Verschiebung detektiert wird, indem that a shift is detected by
• abhängig von der zu messenden Verschiebung die zweiten Kondensatorelektroden (14) zu den ersten Kondensatorelektroden (12) relativ bewegt werden und die effektive Kondensatorfläche bei gleichbleibender Weite des Konden¬ satorspaltes (17) verändert wird und • depending on the displacement to be measured, the second capacitor electrodes (14) are relatively moved to the first capacitor electrode (12) and the effective capacitor area is changed with a constant width of the condensate ¬ sator gap (17) and
• abhängig vom Betrag der zu messenden Verschiebung eine unterschiedliche Anzahl von Elektrodenpaaren an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt wird, wobei die Anzahl der an der Bildung beteiligen Elektrodenpaare ermittelt wird, indem die Periodendauer der Spannung derart verändert wird, dass alle Eigenfrequenzen Balkenschwinger durchlaufen werden und ermittelt wird, welche Balkenschwinger zu Schwingungen angeregt werden. Depending on the amount of the displacement to be measured, a different number of pairs of electrodes is involved in the formation of the effective capacitor area, the number of electrode pairs involved in the formation being determined by changing the period of the voltage such that all natural frequencies are traversed by bar oscillators; it is determined which bar oscillators are excited to vibrate.
7. Verfahren nach Anspruch 6, 7. The method according to claim 6,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die in der Resonanzfrequenz schwingenden zweiten Kondensatorelektroden (14) dadurch ermittelt werden, dass die Kapa- zitätsänderung der Elektrodenpaare auf Änderungen in den betreffenden Resonanzfrequenzen hin untersucht wird. in that the second capacitor electrodes (14) oscillating in the resonant frequency are determined by examining the change in capacitance of the electrode pairs for changes in the relevant resonant frequencies.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, 8. The method according to any one of claims 6 or 7,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass zusätzlich eine relative Verschiebung der Kondensatorelektroden ermittelt wird, indem die ersten Kondensatorelekt¬ roden (12) und zweiten Kondensatorelektroden (14) mit einer Gleichspannung beaufschlagt werden und die Änderung der Kapazität bei der Verschiebung ermittelt wird. that in addition a relative displacement of the capacitor electrodes is determined by the first capacitor electrodes ¬ (12) and second capacitor electrodes (14) are subjected to a DC voltage and the change in capacitance is determined during the shift.
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