DE10118061A1 - Capacitative sensor element comprises numerous electrodes which interlock, made of metal plates that are held by a plastic holding element - Google Patents
Capacitative sensor element comprises numerous electrodes which interlock, made of metal plates that are held by a plastic holding elementInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem kapazitiven Sensorelement bzw. von einem Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Sensorelements nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.The invention is based on a capacitive sensor element or of a method for producing a capacitive Sensor element according to the genre of the independent Claims.
Es sind bereits kapazitive Sensorelement bekannt, die als Füllstandsensoren dienen. Derartige Sensorelemente werden in der Fig. 1 dargestellt. Die Sensorelemente weisen eine Leiterplatte 100 auf, auf dessen Oberseite Elektrodenstrukturen 101, 102 als dünne oberflächliche Schichten ausgebildet sind. Die Elektroden 101 sind elektrisch alle miteinander verbunden. Ebenso sind die Elektroden 102 alle miteinander verbunden. Es wird so eine Messkapazität bestehend aus der Elektrodengruppe 101 und der Elektrodengruppe 102 gebildet. Die Kapazität zwischen diesen Elektroden hängt von der Elektrodengeometrie und der Dielektrizitätskonstante des umgebenden Mediums ab. Dabei bildet sich sowohl auf der Oberseite der Elektroden 101, 102 wie auch auf der Unterseite der Elektroden eine entsprechende Teilkapazität aus. Die Teilkapazität die sich zwischen den Elektroden 101, 102 nach unten hin ausbildet, wird im wesentlichen von der Dielektrizitätskonstante des Trägersubstrats 100 bestimmt. Die obere Teilkapazität zwischen den Elektroden 101, 102 wird von der Dielektrizitätskonstante des Mediums oberhalb der Elektroden bestimmt. Bei einer Anwendung als Füllstandsensor wird das Sensorelement nach der Fig. 1 so angeordnet, dass ein Teil der Elektroden 101, 102 in die Flüssigkeit eintaucht und in Abhängigkeit vom Füllstand der Flüssigkeit ein Teil der Elektroden 101, 102 nicht in die Flüssigkeit eintauchen. Wenn sich die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit von der Dielektrizitätskonstante von Luft unterscheidet, hängt somit die gemessene Gesamtkapazität zwischen den Elektroden 101, 102 davon ab, wie Viele der Elektroden 101, 102 in die Flüssigkeit eintauchen und wie viele nicht. Da nach unten hin der Träger 100 angeordnet ist, ist die Kapazität in dieser Richtung nicht veränderlich, so dass die Kapazitätsänderung aufgrund des Eintauchens oder Nichteintauchens in die Flüssigkeit relativ gering ist. Weiterhin wird als Träger üblicherweise eine Leiterplatte 100 verwendet, die eine relativ große Dielektrizitätskonstante aufweist. Auch dies trägt dazu bei, dass der Messeffekt relativ gering ist. Weiterhin können sich derartige Leiterplatten 100 im Lauf der Zeit verändern, entweder durch Alterung oder durch Eindiffusion eines Teil des Messmediums. Es kommt dann zu einer langsamen Verschiebung der gemessenen Kapazität, was sich messtechnisch nur sehr schwer kompensieren lässt.Capacitive sensor elements are already known, which serve as level sensors. Such sensor elements are shown in FIG. 1. The sensor elements have a printed circuit board 100 , on the upper side of which electrode structures 101 , 102 are formed as thin surface layers. The electrodes 101 are all electrically connected to one another. Likewise, the electrodes 102 are all connected to one another. A measurement capacitance consisting of the electrode group 101 and the electrode group 102 is thus formed. The capacitance between these electrodes depends on the electrode geometry and the dielectric constant of the surrounding medium. A corresponding partial capacitance is formed both on the upper side of the electrodes 101 , 102 and on the lower side of the electrodes. The partial capacitance which forms between the electrodes 101 , 102 downward is essentially determined by the dielectric constant of the carrier substrate 100 . The upper partial capacitance between the electrodes 101 , 102 is determined by the dielectric constant of the medium above the electrodes. When used as a level sensor, the sensor element according to FIG. 1 is arranged such that part of the electrodes 101 , 102 is immersed in the liquid and, depending on the level of the liquid, part of the electrodes 101 , 102 are not immersed in the liquid. Thus, if the dielectric constant of the liquid differs from the dielectric constant of air, the total capacitance measured between the electrodes 101 , 102 depends on how many of the electrodes 101 , 102 are immersed in the liquid and how many are not. Since the carrier 100 is arranged at the bottom, the capacity cannot be changed in this direction, so that the change in capacity due to the immersion or non-immersion in the liquid is relatively small. Furthermore, a printed circuit board 100 is usually used as a carrier, which has a relatively large dielectric constant. This also contributes to the fact that the measurement effect is relatively small. Furthermore, such circuit boards 100 can change over time, either due to aging or due to the diffusion of part of the measurement medium. There is then a slow shift in the measured capacitance, which is very difficult to compensate for in terms of measurement technology.
Das erfindungsgemäße kapazitive Sensorelement bzw. das Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Sensorelements haben dem gegenüber den Vorteil, dass durch die Ausbildung der Elektroden aus einem Metallblech die Elektroden nicht mehr auf einer Oberfläche eines Trägers 100 befestigt sein müssen. Es ist daher möglich, sowohl die Oberseite, die Unterseite und den Zwischenraum der Elektroden mit einer Flüssigkeit zu beaufschlagen und eine sich so verändernde Kapazität zu messen. Weiterhin lassen sich aus derartigen Metallblechen besonders einfach Sensorelemente ausbilden, indem ein Halteelement durch Befüllen einer Form mit Kunststoff gebildet wird, in der auch die Metallbleche eingelegt sind.The capacitive sensor element according to the invention and the method for producing a capacitive sensor element have the advantage over the fact that the electrodes no longer have to be attached to a surface of a carrier 100 due to the formation of the electrodes from a metal sheet. It is therefore possible to apply liquid to both the top, the bottom and the space between the electrodes and to measure a capacitance which changes in this way. Furthermore, sensor elements can be formed particularly easily from such metal sheets by forming a holding element by filling a mold with plastic, in which the metal sheets are also inserted.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Besonders einfach wird das Halteelement als Rahmen ausgebildet, da so die Elektrodenstrukturen auf beiden Seiten gehalten werden können. Elektroden können besonders einfach einstückig als Kammstrukturen im mit dazugehörigen Zuleitungen ausgebildet werden. Durch weitere Elektroden können einfach Referenzkapazitäten gebildet werden. Das Befüllen der Form erfolgt besonders einfach durch Spritz- oder Reaktionsguss. Die Metallbleche aus denen die Elektroden ausgebildet werden, können besonders einfach durch Stanzen oder Ätzen bearbeitet werden. Während der Herstellung können die einzelnen Strukturen insbesondere die empfindlichen Elektrodenstrukturen durch metallische Brücken miteinander verbunden werden, wodurch die Handhabung besonders einfach wird.The advantages of the dependent claims. It will be particularly easy Holding element formed as a frame, because the Electrode structures are held on both sides can. Electrodes can be especially simple as one piece Comb structures formed in the associated supply lines become. By adding electrodes you can easily Reference capacities are formed. Filling the form is particularly easy to do by injection molding or reaction molding. The metal sheets from which the electrodes are formed can be particularly easy by punching or etching to be edited. During production, the individual structures especially the sensitive ones Electrode structures through metallic bridges with each other can be connected, which makes handling particularly easy becomes.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenEmbodiments of the invention are shown in the drawings shown and in the following description explained. Show it
Fig. 1 ein kapazitives Sensorelement nach dem Stand der Technik, Fig. 1, a capacitive sensor element according to the prior art,
Fig. 2 eine Außenansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements, Fig. 2 is an external view of a sensor element according to the invention,
Fig. 3 und 4 Querschnitte durch die Fig. 2 und FIGS. 3 and 4 cross sections through the Fig. 2 and
Fig. 5 ein Metallblech wie es für die Herstellung verwendet wird. Fig. 5 is a metal sheet as used for the manufacture.
In den Fig. 2 bis 4 werden unterschiedliche Ansichten eines erfindungsgemäßen Sensorelements dargestellt. In der Fig. 2 wird eine Außenansicht in einer Aufsicht gezeigt, in der Figur wird ein Querschnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2 gezeigt und in der Fig. 4 wird ein Querschnitt durch das Element der Fig. 2 parallel zur Papierebene der Fig. 2 gezeigt.In Figs. 2 to 4 show different views are shown of a sensor element according to the invention. In FIG. 2 an external view is shown in a top view, in the figure a cross section along the line III-III of FIG. 2 is shown and in FIG. 4 a cross section through the element of FIG. 2 parallel to the paper plane of FIG Fig. 2 shown.
In der Fig. 2 wird ein Sensorelement gezeigt welches eine Vielzahl von Messelektroden 1, 2 aufweist, die in einem Rahmen 3 gehalten sind. Die Messelektroden 1 und 2 sind als dünne Metallbleche ausgebildet, während der Rahmen 3 aus einem isolierenden Kunststoff ausgebildet ist. Wie in der Aufsicht nach der Fig. 2 bzw. in dem Schnitt nach der Fig. 3 zu erkennen ist, sind die Elektroden 1 und 2 so angeordnet, dass die Elektroden ineinander greifen, d. h. auf eine Elektrode 1 folgt immer eine Elektrode 2 und auf eine Elektrode 2 folgt immer eine Elektrode 1. Elektrisch verhält es sich so, dass die Elektroden 1 miteinander kurzgeschlossen sind und dass die Elektroden 2 untereinander kurzgeschlossen sind. Die Elektroden 1 und 2 bilden so zwei Elektroden einer Messkapazität. Der Sensor ist dabei so ausgebildet, dass er in ein Flüssigkeitsmedium eingetaucht werden kann. Durch Messung der Kapazität zwischen den ineinander greifenden Elektroden 1, 2 kann dann der Füllstand der Flüssigkeit bestimmt werden. In Abhängigkeit von der Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit wird sich die Kapazität die zwischen den Elektroden 1, 2 gemessen wird verändern. Dabei ist wesentlich, dass sich diese Dielektrizitätskonstante von der Dielektrizitätskonstante von Luft unterscheidet. Je nachdem wie viele der Elektroden 1, 2 in die Flüssigkeit eintauchen und wie viele der Elektroden 1, 2 nicht in die Flüssigkeit eintauchen wird somit die gemessene Kapazität beeinflusst. Im Unterschied zu den bisher bekannten Sensoren werden bei dem erfindungsgemäßen Sensor die Elektroden 1, 2 die in die Flüssigkeit eintauchen von allen Seiten mit der Flüssigkeit beaufschlagt, so dass der Messeffekt größer ist als bei herkömmlichen Sensoren bei denen die Messelektroden auf der Oberseite eines Substrats ausgebildet sind. Weiterhin haben herkömmliche Sensoren das Problem, dass sich die Dielektrizitätskonstante des Trägersubstrats verändern kann insbesondere wenn eine Eindiffusion des zu messenden Mediums in die Trägerplatte erfolgt. Es kommt dann zu einem langsam zeitlichen Offset, der messtechnisch nur schwer kompensiert werden kann. FIG. 2 shows a sensor element which has a multiplicity of measuring electrodes 1 , 2 which are held in a frame 3 . The measuring electrodes 1 and 2 are designed as thin metal sheets, while the frame 3 is made of an insulating plastic. As can be seen in the top view according to FIG. 2 or in the section according to FIG. 3, the electrodes 1 and 2 are arranged in such a way that the electrodes interlock, ie an electrode 1 is always followed by an electrode 2 and an electrode 2 is always followed by an electrode 1 . Electrically, it is the case that the electrodes 1 are short-circuited to one another and that the electrodes 2 are short-circuited to one another. The electrodes 1 and 2 thus form two electrodes of a measuring capacity. The sensor is designed so that it can be immersed in a liquid medium. The level of the liquid can then be determined by measuring the capacitance between the interdigitated electrodes 1 , 2 . Depending on the dielectric constant of the liquid, the capacitance that is measured between the electrodes 1 , 2 will change. It is essential that this dielectric constant differs from the dielectric constant of air. The measured capacitance is influenced depending on how many of the electrodes 1 , 2 are immersed in the liquid and how many of the electrodes 1 , 2 are not immersed in the liquid. In contrast to the previously known sensors, in the sensor according to the invention the electrodes 1 , 2 which are immersed in the liquid are acted upon from all sides by the liquid, so that the measuring effect is greater than in conventional sensors in which the measuring electrodes are formed on the upper side of a substrate are. Furthermore, conventional sensors have the problem that the dielectric constant of the carrier substrate can change, in particular if the medium to be measured is diffused into the carrier plate. Then there is a slow temporal offset, which is difficult to compensate for in terms of measurement technology.
In den Fig. 2 und 3 werden neben den Füllstandselektroden 1, 2 auch noch weitere Elektroden 4, 5 gezeigt, die eine Referenzkapazität bilden. Der Sensor wird so in eine Messflüssigkeit eingebracht, so dass die weiteren Elektroden 4, 5, die die Referenzkapazität bilden, immer von der Flüssigkeit umgeben sind. Durch Messung der Kapazität zwischen den Elektroden 4, 5 der Referenzkapazität lässt sich somit die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit berechnen. Aufgrund dieser Berechnung kann dann bei der Messkapazität geschlossen werden wie groß die Anzahl der in der Flüssigkeit enthaltenen bzw. nicht in der Flüssigkeit eingetauchten Messelektroden 1, 2 ist.In FIGS. 2 and 3 2 also other electrodes 4, 5 in addition to the level electrodes 1 shown forming a reference capacitance. The sensor is introduced into a measuring liquid so that the further electrodes 4 , 5 , which form the reference capacitance, are always surrounded by the liquid. By measuring the capacitance between the electrodes 4 , 5 of the reference capacitance, the dielectric constant of the liquid can thus be calculated. On the basis of this calculation, it can then be concluded for the measuring capacity how large the number of measuring electrodes 1 , 2 contained in the liquid or not immersed in the liquid is.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf Füllstandssensoren beschränkt. Insbesondere können derartige Elektrodenstrukturen immer da eingesetzt werden, wo eine Kapazität in einer Flüssigkeit gemessen wird. Dies ist beispielsweise auch bei der Bestimmung der Zusammensetzung der Flüssigkeit anhand einer Kapazitätsmessung, z. Bsp. bei Kraftstoffsortensensoren, der Fall.However, the invention is not based on level sensors limited. In particular, such Electrode structures are always used wherever Capacity is measured in a liquid. This is for example when determining the composition the liquid based on a capacity measurement, e.g. Example at Fuel type sensors, the case.
In der Fig. 4 wird eine weitere Ansicht des Sensors gezeigt, die einen Querschnitt durch das Sensorelement nach der Fig. 2 parallel zur Papierebene darstellt. Der Schnitt erfolgt dabei so, dass die Elektroden 1, 2, 4, 5 freigelegt werden, so dass man die Einbettung in das Material des Rahmens 3 erkennt. Wie in der Figur zu erkennen ist sind die Elektroden 1 einstückig an einer entsprechenden Zuleitung 11 befestigt. Weiterhin sind die Elektroden 2 alle einstückig an einer entsprechenden Zuleitung 12 befestigt. Die Zuleitung 11 und 12 sind vollständig in das Kunststoffmaterial des Rahmens 3 eingebettet und ragen nur am unteren Ende heraus um so Anschlusselemente 21 und 22 zu bilden. Ebenfalls einstückig mit der Zuleitung 12 sind die Elektrodenfinger 5 der Referenzkapazität verbunden. Die Elektrodenfinger 4 der Referenzkapazität weisen eine eigene Zuleitung 14 und einen eigenen Anschluss 24 auf. Auch die Zuleitung 24 ist in das Material des Kunststoffrahmens 3 eingebettet. Die Elektroden 1, 2, 4, 5 die Zuleitungen 11, 12, 14 und die Anschlusselemente 21, 22, 24 sind einstückig durch Herausprägen oder Herausätzen aus einem Metallblech gebildet. Dabei können die einzelnen zusammenhängenden Metallstücke einzeln gefertigt werden oder aber es ist möglich alle gleichzeitig aus einem Stück herauszustrukturieren. Die Herausstrukturierung aus einem einzigen Stück wird in der Fig. 5 näher erläutert.In FIG. 4 is a further view of the sensor is shown which represents a cross-section through the sensor element of FIG. 2 parallel to the plane of the paper. The cut is made in such a way that the electrodes 1 , 2 , 4 , 5 are exposed so that the embedding in the material of the frame 3 can be seen. As can be seen in the figure, the electrodes 1 are attached in one piece to a corresponding feed line 11 . Furthermore, the electrodes 2 are all attached in one piece to a corresponding feed line 12 . The feed lines 11 and 12 are completely embedded in the plastic material of the frame 3 and only protrude at the lower end in order to form connecting elements 21 and 22 . The electrode fingers 5 of the reference capacitance are also connected in one piece to the feed line 12 . The electrode fingers 4 of the reference capacitance have their own supply line 14 and their own connection 24 . The supply line 24 is also embedded in the material of the plastic frame 3 . The electrodes 1 , 2 , 4 , 5, the feed lines 11 , 12 , 14 and the connection elements 21 , 22 , 24 are formed in one piece by stamping or etching out of a metal sheet. The individual coherent metal pieces can be manufactured individually or it is possible to structure all of them from one piece at the same time. The structuring out of a single piece is explained in more detail in FIG. 5.
In der Fig. 5 wird eine Aufsicht auf einen bearbeiteten Metallstreifen 51 gezeigt, aus dem Grundstrukturen für die Elektroden wie sie in den Fig. 2 bis 4 gezeigt werden, herausstrukturiert sind. Aus den Metallstreifen 51 sind alle metallischen Elemente wie sie in der Fig. 4 erläutert wurden herausstrukturiert. Insbesondere die Zuleitungen 11, 12, 14 und die damit verbundenen Elektroden 1, 2, 4 und 5. Es sind jedoch eine Vielzahl von Verbindungselementen 31, 32 vorgesehen. Die Elektroden 1, 2 und 4, 5 sind durch kurze Verbindungselemente 31 miteinander verbunden so dass sie zu einem mechanisch festen Gitter zusammengefügt sind. Die Leiterbahnen 11, 12 sind durch lange Verbindungsstäbe 32 mit einem äußeren Rand 33 des Blechstreifens 51 verbunden. Ausgehend von dem Streifen 51 wie er in der Fig. 5 gezeigt wird erfolgt die Erzeugung des Kunststoffrahmens 3 indem der Streifen 51 in eine Form gelegt wird und der Kunststoff durch Spritz- oder Reaktionsguss in die Form eingefüllt wird so dass sich der Rahmen 3 bildet. Danach erfolgt durch einen weiteren Bearbeitungsschritt insbesondere einen Stanz- oder Sägeschritt eine Durchtrennung der Verbindungselemente 31 und 32 so dass dann die Elektroden 1, 2 und 4, 5 von einander getrennt sind und nicht mehr durch metallische Verbindungselemente 31 verbunden sind. Weiterhin werden die längeren Verbindungselemente 32 durchtrennt, so dass nun auch keine Verbindung mehr zu einem äußeren Rand 33 des Blechstreifens 51 vorhanden ist.In FIG. 5 is a plan view is shown on a machined metal strip 51, as they are shown in FIGS. 2 to 4 from the basic structures for the electrodes are structured out. All metallic elements as explained in FIG. 4 are structured out of the metal strips 51 . In particular, the supply lines 11 , 12 , 14 and the electrodes 1 , 2 , 4 and 5 connected to them . However, a large number of connecting elements 31 , 32 are provided. The electrodes 1 , 2 and 4 , 5 are connected to one another by short connecting elements 31 so that they are joined to form a mechanically fixed grid. The conductor tracks 11 , 12 are connected by long connecting rods 32 to an outer edge 33 of the metal strip 51 . Starting from the strip 51 as it is shown in Fig. 5 is carried out the production of the plastic frame 3 by the strip is placed in a mold 51 and the plastic by injection molding or reaction casting is filled into the mold as the frame 3 that forms. The connecting elements 31 and 32 are then cut through a further processing step, in particular a stamping or sawing step, so that the electrodes 1 , 2 and 4 , 5 are then separated from one another and are no longer connected by metallic connecting elements 31 . Furthermore, the longer connecting elements 32 are severed, so that there is no longer any connection to an outer edge 33 of the metal strip 51 .
Durch die Verbindungselemente 31 und 32 wird erreicht, dass in der Herstellungsphase die einzelnen Elektroden 1, 2, 4, 5 und Leiterbahnen 11, 12, 14 sich relativ zueinander nicht verschieben können. Die Handhabung ist daher besonders einfach insbesondere kann eine maschinelle Bearbeitung problemlos erfolgen. Nachdem dann Teile dieser Blechelemente in den Kunststoff des Rahmens 3 eingebettet sind, werden die einzelnen Elemente von dem Rahmen 3 gehalten. Es können dann die einzelnen Verbindungselemente 31, 32 durchtrennt werden, ohne dass damit die relative Lage der einzelnen Elemente zueinander beeinflussbar ist. Es lässt sich so ein besonders einfaches Herstellungsverfahren realisieren. The connecting elements 31 and 32 ensure that the individual electrodes 1 , 2 , 4 , 5 and conductor tracks 11 , 12 , 14 cannot move relative to one another in the manufacturing phase. Handling is therefore particularly simple, in particular machining can be carried out without any problems. After parts of these sheet metal elements are then embedded in the plastic of the frame 3 , the individual elements are held by the frame 3 . The individual connecting elements 31 , 32 can then be severed without the relative position of the individual elements being able to be influenced thereby. A particularly simple manufacturing process can be realized in this way.
Das ist insbesondere möglich den Blechstreifen 51 als sehr langen Blechstreifen auszubilden, so dass eine Vielzahl von Metallstrukturen für eine Vielzahl von Sensorelementen nacheinander auf einem Blechstreifen 51 angeordnet sind. Es ist sogar möglich für den Blechstreifen 51 ein Material zu nehmen welches von der Stärke her so ausgebildet ist, dass sich eine Vielzahl von Elementen 51 in einem gerollten Blechstreifen befinden. Es könne fertigungstechnisch eine Vielzahl von Elementen automatisch einer Bearbeitungsmaschine zugeführt werden.This is particularly possible to design the sheet metal strip 51 as a very long sheet metal strip, so that a large number of metal structures for a large number of sensor elements are arranged in succession on a sheet metal strip 51 . It is even possible to use a material for the sheet metal strip 51 which is of such thickness that a large number of elements 51 are located in a rolled sheet metal strip. In terms of production technology, a large number of elements can be automatically fed to a processing machine.
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