DE19732027A1 - Kapazitiver Druckkraftsensor - Google Patents

Description

Das Ziel der Erfindung besteht in der Konfigurierung einer Anordnung zum Erfassen mechanischer Drücke bzw. Kräfte, die prinzipbedingt eine lineare statische Kennlinie, eine geringe Hysterese und Ansprechschwelle sowie ein flache Ausführungsform ausweist.

Vorrangiges Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Erfassung von mechanischen Drücken bzw. Kräften und deren Verteilungen, insbesondere von sich periodisch oder transient ändernden Drücken bzw. Kräften, unter Bedingungen, die eine flache Bauweise erfordern.

Die gegenwärtig bekannten Lösungen basieren auf metallischen bzw. keramischen Federform­ körpern (US 441589), die sehr genau sind, aber aufwendig appliziert werden müssen und relativ hoch bauen sowie auf flächenhaften Verformungskörpern aus kompressiblen festen Materialien, vgl. DE 37 34 023 und DE 40 27 753, mit kleinem Elastizitätsmodul, großen Hystereseerscheinungen und Kriecheffekten. Als kompressible Materialien werden häufig leitfähige Gummis, geschäumte Kunststoffe bzw. Elastomere, in die zum Teil leitfähige Partikel eingetragen sind, verwendet. Diese sind mit Elektroden bzw. Kondensatorplatten verbunden, so daß die Kompression infolge Druck­ erhöhung auf eine Leitfähigkeits- bzw. Kapazitätsmessung zurückgeführt werden kann.

Die erfinderische Aufgabe besteht darin, einen Sensor flacher Geometrie so auszuführen, daß die Wandlung einer Druckänderung in eine Kapazitätsänderung nahezu linear sowie mit niedriger Ansprechschwelle, kleiner Hysterese und geringem Kriechen erfolgt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß anstelle eines komprimierbaren Feststoffes ein Gas verwendet wird.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau. Eine vorzugsweise gasundurchlässige Hülle (1) aus einem Material mit hoher Zugfestigkeit verhindert ein Entweichen des Gases (2). Beide sich gegenüberliegende Seiten der gasundurchlässigen Hülle sind metallisiert. Die metallisierten Schichten (3) wirken als Kondensatorplatten. Die Kapazität des Kondensators ergibt sich aus Gl. (1):

Aus dem Gesetz für reale Gase folgt für das Gasvolumen zwischen den Platten Gl. (2):

Idealgasverhalten vorausgesetzt, erhält man aus der Zusammenfassung von Gl. (1) und (2) zu Gl. (3) die Kapazität des gasgefüllten Verformungskörpers als lineare Funktion des mechanischen Drucks p, der auf die Fläche A wirkt.

Bei Erhöhung des mechanischen Drucks bzw. der Druckkraft (Druck ist das Produkt aus Kraft und Fläche), vergrößert sich der Gasdruck bei gleichzeitiger Verminderung des Volumens V. Bei konstant bleibender Fläche A vermindert sich der Plattenabstand d, was zu einer Vergrößerung der Kapazität C führt.

Erfindungsgemäß werden die sehr guten elastischen Eigenschaften von Gasen ausgenutzt.

Im Ausführungsbeispiel besteht die Hülle (5) aus geschlossenzelligem Polyethylenschaum. Dieser weist eine geringe Leckrate bezüglich des eingeschlossenen Gases (2) auf. Die Form entspricht der eines flachen Zylinders mit parallel zueinander stehenden Grundflächen (3), wobei der Zylinderrand konvex gewölbt ist. Die Grundflächen sind vorzugsweise metallisiert oder auf eine andere Art und Weise leitfähig gemacht und hermetisch dicht. Die elektrisch leitenden Schichten auf den Grundflächen bilden die Kondensatorplatten. Vorzugsweise sind alle nicht hermetisch dichten Außenflächen des Sensors verstärkt, um die Leckage so gering wie möglich zu halten. Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform. Der geschlossenzellige Kunststoffschaum (5) befindet sich innerhalb einer hermetisch dichten Metallhülle (4). In diese Metallhülle ist ein hermetisch dichtes Durchführungselement (7), vorzugsweise eine in der Elektronik übliche Glasdurchführung, hermetisch dichtend eingebaut, vorzugsweise lasergeschweißt. Der Innenleiter des Durchführungselements ist galvanisch mit einer Metallfolie (6), die sich im Inneren des geschlossenzellig geschäumten Kunststoffs elektrisch isoliert von der Metallhülle befindet und vorzugsweise parallel zu den beiden Hauptflächen der Metallhülle (4) angebracht ist, verbunden. Die dem Druck proportionale Kapazität wird am herausgeführten Innenleiter und der Metallhülle abgegriffen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Im Unterschied zu den vorangestellten Varianten sind in dieser mehrere Kondensatorplatten (8) so nebeneinander angeordnet, daß ein Feld aus Kondensatorplatten entsteht und deren Kapazitäten zwecks Messung der Druckverteilung einzeln abgefragt werden können. Hierbei kann die gegenüberliegende (hinter dem Gaspolster liegende) Kondensatorplatte aus einer einzigen metallenen Fläche bestehen, die vorzugsweise mindestens so groß ist, wie die Summe der Einzelflächen der das Feld bildenden Platten. Alternativ hierzu können vorzugsweise genauso viele einzelne Kondensatorplatten anstelle der einen großen Bezugsplatte gegenüber dem Feld aus Kondensatorplatten (8) angeordnet sein.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform mit zeilen- und spaltenförmig gegenüberliegenden Kondensatorplatten wobei sich zwischen den zeilen- und den spaltenförmig angeordneten Streifen das Gaspolster befindet. Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber der in Fig. 3 dargestellten Variante besteht in einer Reduktion der elektrischen Anschlüsse auf die Summe aus Spalten- und Zeilenanzahl.

Vorteilhaft ist es, Temperatureinflüsse auf die Messung zu kompensieren, wie in Fig. 5 gezeigt, indem mit einem Temperatursensor (9) die Gastemperatur im Druckkraftsensor (10) erfaßt wird und der temperaturkorrigierte Druck vorzugsweise von einem Mikrocontroller (11) auf Basis der Gl. (4) oder einer daraus abgeleiteten Beziehung berechnet wird.

Claims (6)

1. Kapazitiver Druckkraftsensor zum Erfassen und Umwandeln von mechanischen Drücken bzw. Kräften in elektrische Kapazitäten, bei der das Dielektrikum druckabhängig komprimiert wird und sich in einer Anordnung befindet, die prinzipiell der eines Plattenkondensators gleicht, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein gasförmiges Medium (2), vorzugsweise Luft oder Kohlendioxid, von einer Membran (1) mit kleiner Leckrate eingeschlossen wird;
• - der von einer Membran umschlossene Gasraum einer mechanischen Verformung durch eine vorzugsweise flächig von außen einwirkenden Druckkraft ausgesetzt wird;
• - die äußere Umhüllung des gasförmigen Mediums derartig verformt wird, daß sich die Abmessungen des Hüllraumes, vorzugsweise der gegenseitige Abstand zweier parallel verlaufender Hüllflächen (3) ändert;
• - die Kapazität bzw. die Kapazitätsänderung zwischen zwei vorzugsweise parallel verlaufenden Hüllflächenelementen gemessen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das gasförmige Dielektrikum in einem geschlossenzellig geschäumten Kunststoff befindet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bestandteil des Sensors eine hermetisch dichte Metallhülle (4) ist, in der sich ein geschlossenzelliger Kunststoffschaum (5) und eine Metallfolie bzw. -scheibe (6) befinden, die galvanisch von der Metallhülle isoliert ist, vorzugsweise zu beiden Seiten der Metallhülle über die gesamte Fläche den gleichen Abstand hat und deren Potential über eine hermetisch dichte Durchführung (7) nach außen geführt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren in Form eines Feldes zeilen- und spaltenförmig nebeneinander angeordnet sind und die Druckverteilung erfassen.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorplatten durch Metallstreifen gebildet werden, die zeilen- und spaltenförmig orthogonal übereinander angeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatur-aufnehmer die Sensortemperatur erfaßt und deren Auswirkungen in einer Meßelektronik kompensiert werden.