DE102011082814A1

DE102011082814A1 - Kapazitiver Sensor mit Luftpolster

Info

Publication number: DE102011082814A1
Application number: DE201110082814
Authority: DE
Inventors: David Bartylla
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor (10) umfassend mindestens eine Basiselektrode (12) und mindestens eine elastisch deformierbare Membran (14), die mindestens einen elektrisch leitfähigen Bereich (20) aufweist, wobei die Basiselektrode (12) flächig ausgestaltet ist und die elastisch deformierbare Membran (14) auf der flächigen Basiselektrode (12) einen nachgiebiges Fluidpolster (29) einschließt. Die Erfindung betrifft ferner eine Membran (14) sowie die Basiselektrode (12) mit einer Membran (14) zur Herstellung eines Sensors (10). Auch ein Verfahren zu Herstellung eines kapazitiven Sensors (10) ist beschrieben.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Membran mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Bereich für einen kapazitiven Sensor sowie einen kapazitiven Sensor, umfassend eine derartige Membran und eine Basiselektrode. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sensors.
Das Funktionsprinzip von kapazitiven Sensoren basiert auf der Veränderung der Kapazität eines Kondensator-ähnlichen Aufbaus aus einer starren Elektrode und einer Membranelektrode. Die Kapazitätsänderung ergibt sich dabei in Folge einer Verformung der Membran und der daraus resultierenden Änderung des Abstandes zwischen der Membranelektrode und der starren Elektrode, was sich im Spannungsverlauf des Sensors niederschlägt.
Sensoren der oben beschriebenen Art werden insbesondere als Druck- oder Abstandssensoren eingesetzt, wobei die Empfindlichkeit der kapazitiven Sensoren eine entscheidende Rolle spielen kann. Die Empfindlichkeit der Sensoren hängt dabei von unterschiedlichen Faktoren ab. Beispielsweise wirkt sich der Ruheabstand zwischen der Membran und der starren Elektrode auf die Empfindlichkeit des Sensors aus. Auch die Masse der Membran oder die Vorspannung zwischen den Elektroden können die Empfindlichkeit des Sensors beeinflussen.
DE 697 30 165 T2 beschreibt einen kapazitiven elektro-akustischen Wandler. Um die Empfindlichkeit des Wandlers zu steuern, werden ein oder mehrere Löcher in die Membran und/oder der gegenüberliegenden stationären Elektrode eingebracht. Damit kann ein Druckausgleich zwischen der Umgebung und einem Sensorinnenraum gewährleistet werden. Durch die Größe und die Anzahl der Löcher kann je nach konkreter Ausgestaltung das Wandleransprechverhalten eingestellt werden.
Aus DE 100 36 433 A1 ist ein kapazitiver Drucksensor bestehend aus einem Grundkörper mit einer Ausnehmung, dem sogenannten Membranbett, und einer Membran, die das Membranbett überdeckt, bekannt. Am Membranbett und der dem Membranbett zugewandten Unterseite der Membran sind jeweils Elektroden vorgesehen, die beispielsweise durch Aufdampfen aufgebracht werden können. Membranbett und Membran bilden eine gas- und flüssigkeitsdichte Druckkammer beziehungsweise Messkammer. Bei Verwendung, etwa als Differenzdrucksensor kann die Druckkammer über einen Kanal mit Druck beaufschlagt werden. Der Sensor muss dafür so ausgebildet sein, dass sich bei wachsendem Druck die Membran nach außen ausbeulen kann.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein kapazitiver Sensor umfassend mindestens eine Basiselektrode und mindestens eine elastisch deformierbare Membran, die mindestens einen elektrisch leitfähigen Bereich aufweist, vorgeschlagen, wobei die Basiselektrode flächig ausgestaltet ist und die elastisch deformierbare Membran auf der flächigen Basiselektrode ein nachgiebiges Fluidpolster einschließt.
Im vorliegenden Zusammenhang bezeichnet ein kapazitiver Sensor einen Wandler, der beispielsweise akustische Signale als Schallwechseldrücke in elektrische Signale beziehungsweise elektrische Spannungen umwandelt oder umgekehrt. Alternativ oder zusätzlich kann der Wandler auch Temperaturänderungen oder Druckwellen in elektrische Spannungen umwandeln.
Der erfindungsgemäße Sensor umfasst eine Basiselektrode, die aus einem festen Material hergestellt sein kann und im Unterschied zu der Membran und dem eingeschlossenen Fluidpolster keine Verformung durch beispielsweise akustische Signale, Temperaturänderungen oder Druckwellen zulässt. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist die Basiselektrode als Platte ausgestaltet. Die Basiselektrode kann aus einem elektrisch leitenden Werkstoff wie Kupfer, Messing, oder Wolfram hergestellt werden. Alternativ kann die Basiselektrode als Leiterplatte ausgestaltet sein, die eine elektrisch leitende Schicht umfasst.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors bildet die elastisch deformierbare Membran auf der flächigen Basiselektrode einen gas- und flüssigkeitsdichten Zwischenraum. Dazu kann das nachgiebige Fluidpolster ein mit einem dielektrischen Medium, insbesondere einem fluiden Medium wie einem Gas, einem Gasgemisch, einer Flüssigkeit oder einem Gel, befüllten Zwischenraum umfassen. Das Fluidpolster ist vorzugsweise als Gasgemisch- bzw. Gaspolster ausgestaltet, wobei der Zwischenraum mit Luft befüllt ist.
Durch die Befüllung mit einem dielektrischen Medium kann der im Zwischenraum herrschende Innendruck eingestellt werden. Vorzugsweise stellt sich durch die Befüllung im Zwischenraum relativ zu dem außerhalb der Membran herrschenden Druck ein Überdruck ein. Dadurch wird die Membran druckbeaufschlagt. Die Obergrenze des Überdrucks kann durch die Membran selbst, insbesondere das verwendete Material und die Dimensionen, bestimmt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Druckbeaufschlagung der Membran so gewählt, dass sich in dem von der Membran eingeschlossenen Zwischenraum ein nachgiebiges Fluidpolster bildet. Das heißt, die druckbeaufschlagte Membran selbst bleibt verformbar.
Auf diese Weise ist der Abstand zwischen der Membran und der Basiselektrode sowie die Nachgiebigkeit des von der Membran gebildeten Zwischenraumes einstellbar. Denn der im Zwischenraum herrschende Innendruck beaufschlagt die Membran und bestimmt damit die Form der Membran, was sich unmittelbar auf die Größe des Zwischenraumes beziehungsweise den Abstand zwischen Membran und Basiselektrode auswirkt. Zusätzlich oder alternativ kann der Abstand zwischen der Membran und der Basiselektrode durch mindestens einen Steg innerhalb des Zwischenraumes stabilisiert werden. Auf diese Weise können Kammern innerhalb des Zwischenraumes ausgebildet werden.
Derartige Kammern können beispielsweise durch mindestens eine Falte in der Membran realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Steg beim Herstellen der Membran, beispielsweise beim Gießen oder Extrudieren der Membran, vorgesehen werden. Dabei kann der mindestens eine Steg aus demselben oder einem anderen Material beziehungsweise einer anderen Materialkombination als die Membran gefertigt sein. Bevorzugt ist der mindestens eine Steg aus einem Material oder einer Kombination von Materialien gefertigt, die eine höhere Steifigkeit aufweisen als die für die Membran verwendeten Materialien. Weiterhin kann der mindestens eine Steg oder die mindestens eine Falte so ausgestaltet sein, dass zwischen den Kammern ein Gasaustausch stattfinden kann.
In einer Ausführungsform können beispielsweise Undichtigkeiten zwischen dem mindestens einen Steg oder der mindestens einen Falte und der Basiselektrode vorgesehen werden. Der mindestens eine Steg oder die mindestens eine Falte zur Bildung von Kammern innerhalb des Zwischenraumes können weiterhin regulär oder irregulär angeordnet sein und Kammern mit gleichen oder unterschiedlichen Größen ausbilden. Durch die einzelnen Kammern innerhalb des Zwischenraums werden definiert geformte Bereiche gebildet, deren Membranwölbung oder -auslenkung durch die Druckdifferenz geringer ausfällt. Dadurch kann einerseits die Resonanzfrequenz erhöht werden und andererseits eine höhere Gleichmäßigkeit der Sensoren in der Produktion gewährleistet werden.
Auch der Elastizitätsmodul und die Nachgiebigkeit des Fluidpolsters können durch den im Zwischenraum herrschenden Innendruck bestimmt sein. Der Elastizitätsmodul charakterisiert dabei den Widerstand, den das Fluidpolster seiner Verformung entgegensetzt, wobei ein Fluidpolster mit niedrigem Elastizitätsmodul nachgiebig ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist durch den in dem Zwischenraum herrschenden Innendruck ein vorbestimmter Abstand zwischen der Membran und der Basiselektrode einstellbar ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Innendruck so gewählt, dass ein gewünschter Abstand zwischen der Membran und der Basiselektrode bei einer bestimmten Temperatur einstellbar ist. Typische Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Sensors können einen Abstand zwischen der Membran und der Basiselektrode von bis zu 100 Mikrometern, vorzugsweise zwischen 5 und 50 Mikrometern und besonders bevorzugt zwischen 10 und 20 Mikrometern, aufweisen.
Die Form des von der Membran gebildeten Zwischenraums kann in der Ebene senkrecht zur Basiselektrode beispielsweise einen halbrunden, einen im Wesentlichen eckigen, einen im Wesentlichen quadratischen oder einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Dabei umfasst im Wesentlichen eckig, im Wesentlichen quadratisch oder im Wesentlichen rechteckig auch abgerundete Ecken und/oder gewölbte bogenförmige Seiten. Die Form des von der Membran gebildeten Zwischenraums in der Ebene parallel zur Basiselektrode kann beliebig gewählt werden, beispielsweise kreisförmig, elliptisch, rechteckig oder als Polygon ausgestaltet.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors kann die Membran eine formgebende Deckschicht umfassen. Die Bezeichnung formgebende Deckschicht bezieht sich dabei auf eine Schicht, die vor Druckbeaufschlagen der Membran beziehungsweise der Deckschicht bereits eine Form aufweist, die wiederum die Formgebung der Membran beziehungsweise der Deckschicht durch die Druckbeaufschlagung beeinflusst. Dabei ist die Form der Membran beziehungsweise der Deckschicht abhängig von dem im Zwischenraum herrschenden Innendruck. Beispielsweise kann die Membran beziehungsweise die Deckschicht ohne Druckbeaufschlagung bereits Elemente aufweisen, die eine vorbestimmte Form der druckbeaufschlagten Membran unterstützt und/oder bestimmt.
Weiterhin kann die Deckschicht aus mindestens einem Polymer hergestellt sein, wobei das Polymer beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyethylenterephthalat (PET), Polymerpolyamid (PA), Polyimid (PI), Polysulfon (PSu), Polyacrylnitril, ein per- oder teilfluoriertes Polymer, ein teilkristallines Polymer, beispielsweise Polyvinylfluorid (PVF) oder ein Copolymer von Vinylfluorid mit Tetrafluorethylen oder Trifluorethylen, insbesondere biaxial gestrecktes Polyvinylidenfluorid (PVDF) sein kann. Weiterhin kann die Deckschicht aus mindestens einem Metall oder aus Schichten von mindestens einem Metall und mindestens einem Polymer gefertigt sein. Die Deckschicht ist vorzugsweise flexibel ausgestaltet und kann eine Dicke von 5 bis 100 Mikrometern aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors kann der elektrisch leitfähige Bereich der Membran an einer Unterseite der Deckschicht ausgebildet sein. Dabei bezeichnet die Unterseite der Deckschicht die der Basiselektrode zugewandte Seite. Alternativ kann der elektrisch leitfähige Bereich auch innerhalb der Deckschicht vorgesehen sein. Der elektrisch leitfähige Bereich kann als separate Schicht beispielsweise durch Aufdampfen oder Kleben realisiert werden. Alternativ kann der elektrisch leitfähige Bereich durch Metallisierung der Deckschicht oder durch Einbringung von beispielsweise metallischen Partikeln oder metallischen Fasern in die Deckschicht realisiert werden. Bei Befüllung des Fluidpolsters mit einem elektrisch leitfähigen Gel oder einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit können die Elektroden, also der elektrisch leitfähige Bereich auf der Deckschicht und die Basiselektrode, auf den dem Zwischenraum zugewandten Seiten mit einer isolierenden Schicht versehen sein.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors ist der elektrisch leitfähige Bereich der Membran von außen elektrisch kontaktierbar. Dabei bezeichnet außen den Raum außerhalb des Zwischenraums, der von der Membran und Basiselektrode eingeschlossen wird. Beispielsweise kann im Bereich einer Verbindungsstelle zwischen der Deckschicht und der Basiselektrode ein elektrischer Kontakt zu dem elektrisch leitfähigen Bereich hergestellt werden, wobei die Gas- und Flüssigkeitsdichtigkeit des Zwischenraumes erhalten bleiben sollte. Alternativ oder zusätzlich kann eine Aussparung in der Deckschicht dazu genutzt werden, einen von außen zugänglichen elektrischen Kontakt bereitzustellen, wobei ebenfalls die Gas- und Flüssigkeitsdichtigkeit des Zwischenraumes erhalten bleiben sollte.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Deckschicht der druckbeaufschlagten Membran mindestens einen Abschnitt auf, der der Basiselektrode gegenüberliegt und im Wesentlichen parallel zur Basiselektrode ausgerichtet ist. In diesem Zusammenhang bezeichnet im Wesentlichen parallel auch einen bogenförmig gewölbten Abschnitt, der beispielsweise bei einer halbrunden Ausführung der Deckschicht der Basiselektrode gegenüberliegt. Dabei kann der im Wesentlichen parallele Abschnitt durch die unterschiedlichen auf die Membran beziehungsweise die Deckschicht einwirkenden Kräfte zusätzlich nach innen oder außen bogenförmig gewölbt sein. Bevorzugt ist der elektrisch leitfähige Bereich im Bereich des im Wesentlichen parallelen Abschnitts der Deckschicht vorgesehen, und bildet die Gegenelektrode des Kondensator-ähnlichen Aufbaus. Weiterhin kann die Deckschicht der druckbeaufschlagten Membran mindestens einen Abschnitt umfassen, der im Wesentlichen senkrecht zur Basiselektrode ausgerichtet ist, und somit den Abstand zwischen dem elektrisch leitfähigen Bereich und der Basiselektrode beeinflusst.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist die Membran, insbesondere die Deckschicht, mit dem mindestens einen Abschnitt, der im Wesentlichen senkrecht zur Basiselektrode ausgerichtet ist, mit der Basiselektrode verbunden. Weiterhin kann die Basiselektrode auf der dem elektrisch leitfähigen Bereich der Membran gegenüberliegenden Seite eine isolierende Schicht aufweisen. Zusätzlich kann die Basiselektrode im Bereich einer Verbindungsstelle zwischen der Membran und der Basiselektrode eine isolierende Schicht aufweisen.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Membran zur Herstellung eines Sensors, insbesondere des zuvor beschriebenen kapazitiven Sensors, vorgeschlagen, wobei die Membran eine formgebende Deckschicht umfasst, die nach Druckbeaufschlagen der Membran mit einem Innendruck eine vorbestimmte Form annimmt.
In einer Realisierung der erfindungsgemäßen Membran umfasst die Deckschicht mindestens zwei bogenförmige Flächen, die in mindestens einer Kante spitz zusammenlaufen. Bei Druckbeaufschlagung der Membran beziehungsweise der Deckschicht wölben sich nach innen gebogenen Flächen aus und es ergibt sich in der Ebene senkrecht zu der Basiselektrode ein im Wesentlichen rechteckiger Querschnitt.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Basiselektrode mit einer Membran zur Herstellung eines Sensors, insbesondere des zuvor beschriebenen kapazitiven Sensors, vorgeschlagen, wobei auf der flächig ausgestalteten Basiselektrode eine Membran, wie vorstehend beschrieben, fixiert ist.
Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors vorgeschlagen, das die Schritte umfasst:

a) Bereitstellen einer flächig ausgestalteten Basiselektrode;
b) Herstellen einer elastisch deformierbaren Membran;
c) Anbringen der Membran auf die Basiselektrode, so dass sich zwischen der Membran und der Basiselektrode ein Zwischenraum bildet; und
d) Ausbilden eines nachgiebigen Fluidpolsters durch Beaufschlagen der Membran.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Herstellung des zuvor beschriebenen kapazitiven Sensors mit der zuvor beschriebenen Membran geeignet.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Membran aus einer formgebenden Deckschicht hergestellt werden, die nach Druckbeaufschlagen der Membran mit einem Innendruck eine vorbestimmte Form ergibt. Weiterhin kann mindestens ein elektrisch leitfähiger Bereich an einer Unterseite der Deckschicht vorgesehen werden. Der elektrisch leitfähige Bereich kann als separate Schicht beispielsweise durch Aufdampfen oder Kleben realisiert werden. Alternativ kann der elektrisch leitfähige Bereich durch Metallisierung der Deckschicht oder durch Einbringung von beispielsweise metallischen Partikeln oder metallischen Fasern in die Deckschicht realisiert werden. Weiterhin kann ein elektrischer Kontakt zu dem elektrisch leitfähigen Bereich der Membran vorgesehen werden, der von außen kontaktierbar ist.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die elastisch deformierbare Membran auf der flächigen Basiselektrode so angebracht, dass ein gas- und flüssigkeitsdichter Zwischenraum zwischen der Membran und der Basiselektrode entsteht. Dazu kann die Membran, vorzugsweise die Deckschicht, so auf der Basiselektrode verschweißt oder verklebt werden, dass sich ein Zwischenraum ausbildet.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das nachgiebige Fluidpolster durch Befüllen des von der Membran und der Basiselektrode gebildeten Zwischenraums mit einem dielektrischen Medium, insbesondere einem fluiden Medium wie einem Gas, einem Gasgemisch, einer Flüssigkeit oder einem Gel, ausgebildet. Bevorzugt ist das Fluidpolster als Gaspolster ausgestaltet. Weiter bevorzugt wird der Zwischenraum mit Luft befüllt.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht es, auf einfache Art und Weise die Empfindlichkeit eines kapazitiven Sensors zu erhöhen, indem insbesondere die Nachgiebigkeit des kapazitiven Sensors erhöht wird. Denn eine höhere Nachgiebigkeit bewirkt, dass schon kleine Signaländerungen in hohen Amplituden resultieren. Solche Signaländerungen können die Temperaturänderungen, Druckwellen oder Schallwellen betreffen. Die geringe Steifigkeit oder alternativ die hohe Nachgiebigkeit des Sensors wird insbesondere durch die Ausbildung eines nachgiebigen Fluidpolsters zwischen der Basiselektrode und der elastisch deformierbaren Membran erreicht.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Membran ermöglicht es, ein nachgiebiges Fluidpolster auf der ebenen Basiselektrode auszubilden. Der das Fluidpolster bildende Zwischenraum ist demzufolge nur durch die Basiselektrode starr begrenzt, wogegen der von der Membran eingeschlossene Zwischenraum eine hohe Nachgiebigkeit aufweist. Dabei lässt die flexible Membran elastische Deformationen zu und der in dem Zwischenraum herrschende Innendruck bestimmt die Nachgiebigkeit des eingeschlossenen Volumens. Darüber hinaus ist die Sensitivität des Sensors über den Abstand zwischen den Elektroden insbesondere für bestimmte Temperaturen einstellbar. Dies geschieht in einer besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung, indem der in dem Zwischenraum herrschende Innendruck eingestellt wird.
Zusätzlich kann die Masse des kapazitiven Sensors durch erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösungen minimal gehalten werden. Dies erhöht die Sensitivität des Sensors und je nach Ausführung die Resonanzfrequenz und die Bandbreite des Sensors beeinflussen. Damit kann ein Sensor mit einer hohen Sensitivität und bereitgestellt werden, der in vielfältiger Weise eingesetzt werden kann und insbesondere für den Einsatz als Abstandssensor oder Drucksensor geeignet ist. Weiterhin kann der erfindungsgemäße Sensor als Temperatursensor Anwendung finden. Denn eine Temperaturänderung resultiert in einer Änderung des Drucks im Fluidpolster und somit auch in einer Änderung des Abstandes zwischen den Elektroden, was anhand Kapazität des Sensors gemessen werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors in schematischer Darstellung,
2 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors in schematischer Darstellung,
3 die Basiselektrode und Membran vor Druckbeaufschlagung des Zwischenraums,
4 ein Flussdiagramm, das den Ablauf des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors illustriert.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt schematisch den Aufbau eines kapazitiven Sensors 10. Dieser umfasst eine Basiselektrode 12, die aus einem elektrisch leitenden Material vorzugsweise einem Metall gefertigt ist. Die Basiselektrode 12 bildet in diesem Aufbau eine starre Elektrode, die nicht verformbar ist. Weiterhin ist die Basiselektrode 12 mit einer isolierenden Schicht 22 versehen, die auf der Oberseite der Basiselektrode 12, das heißt der der Membran 14 zugewandten Seite, aufgebracht ist.
Auf der Basiselektrode 12 ist eine elastisch deformierbare Membran 14 angebracht, die eine Deckschicht 18 sowie eine elektrisch leitfähige Schicht 20 aufweist. Die Membran 14 ist in der in 1 gezeigten Schnittansicht an zwei Verbindungsstellen 16 auf die Basiselektrode 12 aufgeschweißt und schließt einen Zwischenraum 28 ein. In dieser Konfiguration bildet die Membran die Gegenelektrode des Kondensator-ähnlichen Aufbaus.
Die Membran 14 umfasst eine elektrisch leitfähige Schicht 20 auf der Unterseite der Deckschicht 18. Die elektrisch leitfähige Schicht 20 erstreckt sich entlang des im Wesentlichen parallelen Abschnitts 24 der Deckschicht 18, wobei dieser Abschnitt im Wesentlichen parallel zur Basiselektrode 12 verläuft. Die im Wesentlichen senkrechten Stege 26, 30 der Membran 14 stellen an den Verbindungsstellen 16 eine Fixierung zu der Basiselektrode 12 her.
Die beiden senkrechten Stege der Membran 26, 30 sind in der in 1 dargestellten Ausführungsform unterschiedlich ausgeführt. So ist der Kontakt zur elektrisch leitfähigen Schicht 20 entlang des senkrechten Stegs 30 nach außen geführt. Die isolierende Schicht 22 auf der Basiselektrode 12 verhindert dabei einen Kurzschluss. Auf diese Weise kann an dem nach außen geführten Kontakt zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht 32 und der Basiselektrode 34 eine Spannung U angelegt werden.
Die Basiselektrode 12 und die Membran 14 bilden einen Zwischenraum 28, der nach außen hin gas- und luftdicht abgeschlossen ist. Der Zwischenraum 28 ist mit Luft befüllt und der im Zwischenraum 28 herrschende Innendruck p resultiert in einer Druckbeaufschlagung der Membran 14. Die Form der Membran 14 wird dabei maßgeblich durch die formgebende Deckschicht 18 und den Innendruck p bestimmt. In dem in 1 gezeigten Schnitt senkrecht zur Basiselektrode 12 ist beispielshaft ein rechteckiger Querschnitt für die druckbeaufschlagte Membran 14 dargestellt.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass der kapazitive Sensor 10 ein Luftpolster 29 aufweist, das eine erhöhte Sensitivität bereitstellt. Der Zwischenraum 28 ist ausschließlich durch die Basiselektrode 12 starr begrenzt. Die Membran 14 dagegen stellt eine flexible Begrenzung des eingeschlossenen Zwischenraums 28 dar. Dabei lässt die flexible Membran 14 elastische Deformationen zu und der in dem Zwischenraum 28 herrschende Innendruck p bestimmt die Nachgiebigkeit des eingeschlossenen Luftpolsters 29. Darüber hinaus ist die Sensitivität des Sensors 10 über den Abstand 42 zwischen den Elektroden 12, 14 bestimmt, der durch den Innendruck p für eine bestimmte Temperatur eingestellt wird.
Um Druck- oder akustische Wellen, beispielsweise Schallwellen oder Ultraschallwellen, mithilfe des kapazitiven Sensors 10 zu empfangen, wird zwischen der Basiselektrode 12 und der leitenden Schicht 20 eine Spannung U angelegt. Auf diese Weise kann der kapazitive Sensor 10 beispielsweise Ultraschallwellen die in Ausbreitungsrichtung 36 von einem Objekt reflektiert werden, empfangen, indem Änderungen im Spannungsverlauf U zwischen der Basiselektrode 12 und der elektrisch leitfähigen Schicht 14 detektiert werden. Weiterhin kann der kapazitive Sensor 10 zum Senden von beispielsweise Ultraschallwellen in Ausbreitungsrichtung 38 angeregt werden, indem zwischen der Basiselektrode 12 und der elektrisch leitfähigen Schicht 20 eine Wechselspannung U angelegt wird.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 10, der eine Basiselektrode 12 und eine elastisch deformierbare Membran 14 umfasst. Die Basiselektrode 12 bildet in diesem Aufbau eine starre Elektrode, die nicht verformbar ist. Die Membran 14 dagegen ist elastisch deformierbar. Die Membran 14 umfasst eine Deckschicht 18 sowie eine elektrisch leitfähige Schicht 20, die die Gegenelektrode des Kondensator-ähnlichen Aufbaus bildet. Die in 2 dargestellte Ausführungsform entspricht dem in 1 dargestellten Sensor 10. Allerdings ist in 2 der von der Membran 14 und der Basiselektrode 12 eingeschlossene Zwischenraum 28 in einer alternativen Ausführungsform dargestellt.
In 2 sind in dem von der Membran 14 und die Basiselektrode 12 eingeschlossenen Zwischenraum zusätzlich Stege 46 vorgesehen, die den Abstand zwischen der Membran 14 und der Basiselektrode 12 beeinflussen. Die Stege 46 können in regulären oder irregulären Abständen innerhalb des Zwischenraums 28 angeordnet sein. Dabei reichen die Stege 46 von der Basiselektrode 12 zu der Membran 14 und verleihen der Membran und damit auch dem Zwischenraum 28 eine höhere Stabilität. Durch die Stege 46 werden ferner einzelne Kammern 48 innerhalb des Zwischenraums 28 gebildet, wobei definiert geformte Bereiche entstehen, deren Membranwölbung oder -auslenkung durch die Druckdifferenz geringer ausfällt. Dadurch wird in der Produktion eine höhere Gleichmäßigkeit der Sensoren gewährleistet. Weiterhin wird dadurch die Resonanzfrequenz der Membran erhöht, so dass das Einsatzgebiet des Wandlers erhöht wird.
3 zeigt beispielhaft eine Detailansicht einer Basiselektrode 12 und eine Membran 14 mit formgebender Deckschicht 18, bevor der Zwischenraum 28 mit einem Dielektrikum wie Luft gefüllt wird. Hier ist ein Teilausschnitt des Sensors 10 im nicht befüllten Zustand gezeigt. Die Membran 14 umfasst ferner einen elektrisch leitfähigen Bereich 20, der an der Unterseite der Deckschichtseite 24 vorgesehen ist.
Die in 3 gezeigte Deckschicht 18 weist eine Form auf, die es erlaubt, nach Herstellung des Innendrucks p in dem Zwischenraum 28 eine vorgegebene Form einzunehmen. Dazu ist eine Spitze 40 in der Deckschicht 18 ausgebildet, die durch die beiden bogenförmig zulaufenden Seiten 24 und 26 der Deckschicht 18 entsteht. Die Abschnitte 24 und 26 verlaufen in einem nach innen zu dem Zwischenraum 28 hin gewölbten Bogen und werden bei Beaufschlagung des Zwischenraums 28 mit einem Innendruck p in die in 1 gezeigte Form übergehen. Auf diese Weise ist bei der Fertigung ein definierter Abstand 42 bei einer bestimmten Temperatur einstellbar. Denn der Abstand 42 zwischen den Elektroden wird durch den Innendruck p bestimmt, der sich mit der Temperatur ändert. Erhöht man die Luftmenge, die bei der Herstellung in den Zwischenraum 28 eingebracht wird, dann erhöht sich der Abstand 42 zwischen den Elektroden. So ist ein definierter Abstand einstellbar und zusätzlich ist eine Trennung der Elektroden sichergestellt, was einer Kurzschlussgefahr entgegenwirkt.
4 zeigt ein Flussdiagramm, das den Ablauf des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors 10 illustriert. In einem ersten Schritt 100 wird eine flächig ausgestaltete Basiselektrode 12 bereitgestellt. Die Basiselektrode 12 wird als Platte ausgestaltet und aus einem elektrisch leitenden Werkstoff wie Kupfer, Messing, oder Wolfram hergestellt.
In einem nächsten Schritt 102 wird eine elastisch deformierbaren Membran 14 hergestellt, die so ausgestaltet wird, dass sie die formgebende Deckschicht 18, die nach Druckbeaufschlagen der Membran 13 mit dem Innendruck p die vorbestimmte Form, wie beispielsweise in 3 in Verbindung mit 1 gezeigt, ergibt. Der elektrisch leitfähige Bereich 20 der Membran 14 wird vor Anbringen der Membran 14 auf der Basiselektrode auf Unterseite der Deckschicht beispielsweise als separate Schicht vorgesehen. Weiterhin wird ein elektrischer Kontakt zu dem elektrisch leitfähigen Bereich 20 der Membran 14 vorgesehen, der von außen kontaktierbar ist.
In Schritt 102 wird die Membran 14 durch Schweißen oder Kleben auf der Basiselektrode 12 fixiert, wobei sich zwischen der Membran 14 und der Basiselektrode 12 der Zwischenraum 28‘ bildet, der gas- und flüssigkeitsdicht ist. Danach wird in Schritt 104 der nachgiebige Zwischenraum 28 durch Beaufschlagen der Membran 14 gebildet. Der nachgiebige Zwischenraum 28 wird dabei durch Befüllen des von der Membran 14 und der Basiselektrode 12 gebildeten Zwischenraums 28 mit Luft ausgebildet.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt; vielmehr sind innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69730165 T2 [0004]
DE 10036433 A1 [0005]

Claims

Kapazitiver Sensor (10) umfassend mindestens eine Basiselektrode (12) und mindestens eine elastisch deformierbare Membran (14), die mindestens einen elektrisch leitfähigen Bereich (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiselektrode (12) flächig ausgestaltet ist und die elastisch deformierbare Membran (14) auf der flächigen Basiselektrode (12) ein nachgiebiges Fluidpolster (29) einschließt.
Kapazitiver Sensor (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch deformierbare Membran (14) auf der flächigen Basiselektrode (12) einen gas- und flüssigkeitsdichten Zwischenraum (28) bildet.
Kapazitiver Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das nachgiebige Fluidpolster (29) ein mit einem dielektrischen Medium befüllten Zwischenraum (28) umfasst, wodurch ein Innendruck (p) in dem Zwischenraum (28) einstellbar ist.
Kapazitiver Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch den in dem Zwischenraum (28) herrschenden Innendruck (p) ein vorbestimmter Abstand (42) zwischen der Membran (14) und der Basiselektrode (12) bei einer bestimmten Temperatur einstellbar ist.
Kapazitiver Sensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) eine formgebende Deckschicht (18) umfasst.
Kapazitiver Sensor (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Bereich (20) an einer Unterseite der Deckschicht (18) ausgebildet ist.
Kapazitiver Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (18) abhängig von dem in dem Zwischenraum (28) herrschenden Innendruck (p) eine vorbestimmte Form annimmt.
Kapazitiver Sensor (10) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (18) mindestens einen Abschnitt (24) aufweist, der der Basiselektrode gegenüberliegt und der im Wesentlichen parallel zur Basiselektrode (12) ausgerichtet ist, wobei der im Wesentlichen parallele Abschnitt (24) der Deckschicht (18) den elektrisch leitfähigen Bereich (20) umfasst.
Kapazitiver Sensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Bereich (20) der Membran (14) von außen elektrisch kontaktierbar ist.
Membran (14) zur Herstellung eines Sensors (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) eine formgebende Deckschicht (18) umfasst, die nach Druckbeaufschlagen der Membran (14) mit einem Innendruck (p) eine vorbestimmte Form annimmt.
Basiselektrode (12) mit einer Membran (14) zur Herstellung eines Sensors (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf der flächig ausgestalteten Basiselektrode (12) eine Membran (14) gemäß Anspruch 10 fixiert ist.
Verfahren zu Herstellung eines kapazitiven Sensors (10), umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen einer flächig ausgestalteten Basiselektrode (12); b) Herstellen einer elastisch deformierbaren Membran (14); c) Anbringen der Membran (14) auf die Basiselektrode (12), so dass sich zwischen der Membran (14) und der Basiselektrode (12) ein Zwischenraum (28) bildet; und d) Ausbilden eines nachgiebigen Fluidpolsters (29) durch Druckbeaufschlagen der Membran (14).
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) eine formgebende Deckschicht (18) umfasst, die nach Druckbeaufschlagen der Membran (14) mit einem Innendruck (p) eine vorbestimmte Form annimmt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das nachgiebige Fluidpolster (29) durch Befüllen des von der Membran (14) und der Basiselektrode (12) gebildeten Zwischenraums (28) mit einem dielektrischen Medium ausgebildet wird.