DE29918237U1 - Capacitive flexible sensor - Google Patents
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Dipl.-Ing. Klaus MiefsVä Rechtsanwalt + PatentanwaltDipl.-Ing. Klaus MiefsVä Attorney at Law + Patent Attorney
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Technisches Gebiet:Technical area:
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven flexiblen Sensor mit drei in eine Auswerteelektronik führenden, voneinander getrennten Elektroden, zur Detektion des Füllstandes eines Mediums in einem Gefäß, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1'. The invention relates to a capacitive flexible sensor with three separate electrodes leading to an evaluation electronics for detecting the fill level of a medium in a vessel, according to the preamble of claim 1 '.
Stand der Technik:State of the art:
Ein flexibler kapazitiver Sensor mit drei voneinander getrennten Elektroden ist aus G 87 06 280.1 bekannt. Der dort beanspruchte Sensor weist eine Basisplatte auf, auf der die Elektroden durchlaufend aufgebracht sind und die aus einem flexiblen Material besteht und es erlaubt, den Sensor auf gekrümmten Flächen anzubringen/Ein solcher Sensor kann vorteilhaft z.B.A flexible capacitive sensor with three separate electrodes is known from G 87 06 280.1. The sensor claimed there has a base plate on which the electrodes are continuously applied and which consists of a flexible material and allows the sensor to be attached to curved surfaces. Such a sensor can be advantageously used e.g.
zur Detektion des Füllstandes in einem zylindrischen Gefäß eingesetzt werden.can be used to detect the fill level in a cylindrical vessel.
Bei einer Biegung eines solchen Sensors treten Zug- und Druckspannungen auf, die eine mechanische Materialbeanspruchung verursachen. Diese muß auf ein bestimmtes Maß beschränkt sein, um eine Schädigung des Materials zu verhindern. Ein solcher Sensor kann daher nur dann ohne Schädigung auf kleine Krümmungsradien gebogen werden, wenn seine Bauform sehr flach gehalten ist. Die mit solchen Sensoren erreichbaren Krümmungsradien sind daher nach unten auf ca. 15 mm begrenzt, was einen Nachteil solcher Sensoren darstellt.When such a sensor is bent, tensile and compressive stresses occur which cause mechanical stress on the material. This must be limited to a certain extent in order to prevent damage to the material. Such a sensor can therefore only be bent to small radii of curvature without causing damage if its design is kept very flat. The radii of curvature that can be achieved with such sensors are therefore limited to around 15 mm, which is a disadvantage of such sensors.
Die bestehende Notwendigkeit einer flachen Bauform des Sensors macht es erforderlich, den gegenseitigen Abstand der in dem Sensor übereinander geschichteten Elektroden gering zu halten. Mit geringer werdendem Elektrodenabstand wachsen jedoch die zwischen den Elektroden bestehenden Kapazitäten an. Durch diese internen Sensorkapazitäten, die sich der zu messenden Kapazität zur Detektion eines Mediums störend überlagern und daher „parasitäre Kapazitäten" genannt werden, wird die Empfindlichkeit des Sensors reduziert, was einen weiteren Nachteil solcher Sensoren darstellt.The existing need for a flat sensor design makes it necessary to keep the mutual distance between the electrodes stacked on top of each other in the sensor as small as possible. However, as the electrode distance becomes smaller, the capacitances between the electrodes increase. These internal sensor capacitances, which interfere with the capacitance to be measured for detecting a medium and are therefore called "parasitic capacitances", reduce the sensitivity of the sensor, which is another disadvantage of such sensors.
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Des weiteren sind kapazitive Sensoren bekannt, die eine gekrümmte starre Bauform aufweisen und daher vorteilhaft an entsprechend gekrümmten Oberflächen eingesetzt werden können. Ein Nachteil solcher Sensoren besteht in der starren Bauweise, die es nicht erlaubt, die Form des Sensors an 5 Oberflächen mit anderen Krümmungsradien sowie an Oberflächen mit zeitlich veränderlicher Krümmung oder mit unregelmäßiger Oberflächengestalt anzupassen.Furthermore, capacitive sensors are known that have a curved, rigid design and can therefore be used advantageously on correspondingly curved surfaces. A disadvantage of such sensors is the rigid design, which does not allow the shape of the sensor to be adapted to surfaces with different radii of curvature or to surfaces with a curvature that changes over time or with an irregular surface shape.
Technische Aufgabe:Technical task:
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, einen flexiblen kapazitiven Sensor der genannten Gattung bereitzustellen, dessen Materialbeschaffenheit und Bauweise es ermöglichen, den Sensor bei einem Krümmungsradius, von weniger als 15 mm einzusetzen und die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber dem Stand der Technik zu erhöhen.The invention is therefore based on the object of providing a flexible capacitive sensor of the aforementioned type, the material properties and construction of which enable the sensor to be used with a curvature radius of less than 15 mm and to increase the sensitivity of the sensor compared to the prior art.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen kapazitiven flexiblen Sensor mit drei in eine Auswerteelektronik führenden, voneinander getrennten Elektroden, wobei jede der Elektroden untergliedert ist in eine für alle Elektroden gleiche Anzahl von Abschnitten, wobei jeder Abschnitt einer Elektrode zusammen mit den jeweils zugehörigen Abschnitten der anderen Elektroden mechanisch starr verbunden ist und je ein starres Einzelglied bildet, so daß jedes Einzelglied einen Abschnitt jeder Elektrode umfaßt, wobei die Einzelglieder voneinander beabstandet sind und durch eine durchlaufende Basisplatte aus flexiblem Material kettenartig mechanisch untereinander verbunden sind, wobei die Abschnitte jeder Elektrode durch flexible Leiter, die auf der flexiblen Basisplatte aufgebracht sind, elektrisch miteinander verbunden sind.This object is achieved according to the invention by a capacitive flexible sensor with three separate electrodes leading to an evaluation electronics, wherein each of the electrodes is subdivided into an equal number of sections for all electrodes, wherein each section of an electrode is mechanically rigidly connected to the respective associated sections of the other electrodes and each forms a rigid individual member, so that each individual member comprises a section of each electrode, wherein the individual members are spaced apart from one another and are mechanically connected to one another in a chain-like manner by a continuous base plate made of flexible material, wherein the sections of each electrode are electrically connected to one another by flexible conductors which are applied to the flexible base plate.
Bei einem erfindungsgemäßen Sensor sind die Elektroden nicht durchlaufend auf einer Basisplatte aufgebracht, sondern sie sind in starre Einzelglieder unterteilt, die mittels einer durchlaufenden flexiblen Basisplatte kettenartig untereinander verbunden sind.In a sensor according to the invention, the electrodes are not applied continuously to a base plate, but they are divided into rigid individual links which are connected to one another in a chain-like manner by means of a continuous flexible base plate.
Jedes Einzelglied enthält einen Abschnitt jeder der drei Elektroden. Die Einzelglieder sind auf der Basisplatte in Abständen zueinander angeordnet, soEach individual element contains a section of each of the three electrodes. The individual elements are arranged on the base plate at intervals from each other so that
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daß jedes Einzelglied gegenüber seinen Nachbarn um einen bestimmten Winkel verkantet werden kann, ohne daß mechanischer Kontakt zwischen benachbarten Einzelgliedern entsteht. Dieser Winkel bestimmt den minimalen Krümmungsradius, dem der Sensor folgen kann. Mit zunehmendem Abstand der Einzelglieder voneinander wächst dieser Winkel an.that each individual link can be tilted by a certain angle relative to its neighbors without mechanical contact occurring between neighboring individual links. This angle determines the minimum radius of curvature that the sensor can follow. This angle increases as the distance between the individual links increases.
Auf der flexiblen Basisplatte befinden sich Leiterbahnen, durch die die drei Elektrodenabschnitte in jedem Einzelglied jeweils mit den zugehörigen Elektrodenabschnitten der benachbarten Einzelglieder elektrisch verbunden ist. Die Leiterbahnen können sich einseitig oder beidseitig auf der Basisplatte befinden. Die flexible Basisplatte kann außerdem eine Auswerteelektronik tragen. Diese kann in einem oder in mehreren gesonderten starren Gliedern untergebracht sein.The flexible base plate has conductor tracks through which the three electrode sections in each individual element are electrically connected to the corresponding electrode sections of the adjacent individual elements. The conductor tracks can be located on one or both sides of the base plate. The flexible base plate can also carry evaluation electronics. This can be housed in one or more separate rigid elements.
Aufgrund der starren Bauweise der Einzelglieder werden mechanische Beanspruchungen von den Elektroden und ihrem Trägermaterial ferngehalten. Die Biegung erfolgt ausschließlich in denjenigen Bereichen der flexiblen Basisplatte, die zwischen den Einzelgliedern liegt. Ein erfindungsgemäßer Sensor kann daher ohne Schädigung auf Krümmungsradien bis herab zu ca. 5mm gebogen werden, was einen wesentlichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik darstellt.Due to the rigid design of the individual elements, mechanical stress is kept away from the electrodes and their carrier material. Bending only occurs in those areas of the flexible base plate that lie between the individual elements. A sensor according to the invention can therefore be bent to curvature radii of down to approx. 5mm without damage, which represents a significant advantage over the prior art.
Aufgrund der starren Bauweise der Einzelglieder entfällt bei einem erfindungsgemäßen Sensor des weiteren die Notwendigkeit, die Bauform des Sensors flach zu halten. Der gegenseitige Abstand der Elektroden kann daher bei einem erfindungsgemäßen Sensor so groß gewählt werden, daß seine internen Kapazitäten wesentlich geringer sind als bei einem dem Stand der Technik entsprechenden Sensor. Die Empfindlichkeit eines erfindungsgemäßen Sensors ist daher gegenüber dem Stand der Technik deutlich höher.Due to the rigid construction of the individual elements, a sensor according to the invention also eliminates the need to keep the sensor flat. The mutual distance between the electrodes in a sensor according to the invention can therefore be chosen to be so large that its internal capacitances are significantly lower than in a sensor corresponding to the state of the art. The sensitivity of a sensor according to the invention is therefore significantly higher than in the state of the art.
Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:Short description of the drawing showing:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors von oben,Fig. 1 is a schematic view of a preferred embodiment of a sensor according to the invention from above,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors,Fig. 2 is a schematic side view of an embodiment of a sensor according to the invention,
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einesFig. 3 is a schematic side view of another embodiment of a
erfindungsgemäßen Sensors, und
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsformsensor according to the invention, and
Fig. 4 is a schematic side view of another embodiment
eines erfindungsgemäßen Sensors,
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsforma sensor according to the invention,
Fig. 5 is a schematic side view of a preferred embodiment
eines erfindungsgemäßen Sensors,
Fig. 6 eine schematische Ansicht einer oberen Elektrodenträgerplatte gemäßa sensor according to the invention,
Fig. 6 is a schematic view of an upper electrode carrier plate according to
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 7 eine schematische Ansicht einer mittleren Elektrodenträgerplattea preferred embodiment of the invention,
Fig. 7 is a schematic view of a middle electrode carrier plate
gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 8 eine schematische Ansicht einer unteren Elektrodenträgerplatte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.according to a preferred embodiment of the invention, and
Fig. 8 is a schematic view of a lower electrode carrier plate according to a preferred embodiment of the invention.
Wege zur Ausführung:Ways to implement:
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors von oben. Erfindungsgemäß sind die Nutzelektrode 12, die Abschirmelektrode 13 und die Masseelektrode 14 nicht durchlaufend auf der durchlaufenden flexiblen Basisplatte 6 aufgebracht, sondern sie sind in starre Einzelglieder 1 unterteilt. Jedes Einzelglied 1 enthält einen Abschnitt der Nutzelektrode 12, einen Abschnitt der Abschirmelektrode 13 und einen Abschnitt der Masseelektrode 14 und ist mit einem Schutzgehäuse umgeben, das vorzugsweise aus PBT- oder PP-Kunststoff besteht. Die Basisplatte 6 besteht vorzugsweise aus Polyimidfolie.Fig. 1 shows a schematic view of a preferred embodiment of a sensor according to the invention from above. According to the invention, the useful electrode 12, the shielding electrode 13 and the ground electrode 14 are not applied continuously on the continuous flexible base plate 6, but are divided into rigid individual elements 1. Each individual element 1 contains a section of the useful electrode 12, a section of the shielding electrode 13 and a section of the ground electrode 14 and is surrounded by a protective housing, which is preferably made of PBT or PP plastic. The base plate 6 is preferably made of polyimide film.
Die flexible Basisplatte 6 trägt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Mehrzahl von untereinander identischen, äquidistant angeordneten Einzelgliedern 1 und zusätzlich eine Auswerteelektronik, die an jedem Ende der Basisplatte in einem jeweils separaten starren Gehäuse 2 untergebracht ist. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteelektronik in einem einzigen Gehäuse 2 untergebracht. In einer wiederum anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteelektronik in einer Mehrzahl von Gehäusen 2 untergebracht.In a preferred embodiment of the invention, the flexible base plate 6 carries a plurality of identical, equidistantly arranged individual elements 1 and additionally an evaluation electronics which is housed at each end of the base plate in a separate rigid housing 2. In another embodiment of the invention, the evaluation electronics is housed in a single housing 2. In yet another embodiment of the invention, the evaluation electronics is housed in a plurality of housings 2.
Die flexible Basisplatte 6 verbindet die Einzelglieder 1 sowie die Gehäuse 2 für die Auswerteelektronik kettenartig mechanisch miteinander, so daß sowohlThe flexible base plate 6 mechanically connects the individual links 1 and the housings 2 for the evaluation electronics in a chain-like manner, so that both
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die Einzelglieder 1 als auch die Gehäuse 2 der Auswerteelektronik mechanisch als Kettenglieder fungieren. Durch ein elektrisches Kabel 16 kann der Sensor an eine Versorgungsspannung und an externe Auswertungsgeräte angeschlossen werden.the individual links 1 as well as the housing 2 of the evaluation electronics function mechanically as chain links. The sensor can be connected to a supply voltage and to external evaluation devices via an electrical cable 16.
An der äußeren Stirnseite jedes der Gehäuse 2 für die Auswerteelektronik sind in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mittels flexiblen mechanischen Verbindungsstegen 5 jeweils Befestigungselemente 3 angebracht, die als Endglieder der Kette fungieren und die mit geeigneten Aussparungen 4 versehen sind, die eine Befestigung des Sensors an einer Fläche z.B. mittels Schrauben oder Haken ermöglichen. Des weiteren ist eine Befestigung des Sensors mittels Bändern, vorzugsweise mittels lösbarem Klettband, möglich.In a preferred embodiment of the invention, fastening elements 3 are attached to the outer front side of each of the housings 2 for the evaluation electronics by means of flexible mechanical connecting webs 5. These fastening elements act as end links of the chain and are provided with suitable recesses 4 that enable the sensor to be attached to a surface, e.g. by means of screws or hooks. Furthermore, the sensor can be attached by means of straps, preferably by means of detachable Velcro.
Auf der flexiblen Basisplatte 6 befinden sich Leiterbahnen 7, durch die die drei in jedem Einzelglied 1 untergebrachten Abschnitte der Elektroden 12, 13, 14 jeweils mit den zugehörigen Abschnitten der Elektroden 12, 13, 14 der benachbarten Einzelglieder elektrisch verbunden ist. Die Leiterbahnen 7 sind in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beidseitig auf der flexiblen Basisplatte 6 aufgebracht.Conductor tracks 7 are located on the flexible base plate 6, through which the three sections of the electrodes 12, 13, 14 accommodated in each individual element 1 are each electrically connected to the associated sections of the electrodes 12, 13, 14 of the adjacent individual elements. In a preferred embodiment of the invention, the conductor tracks 7 are applied to both sides of the flexible base plate 6.
Nun wird auf die Fig. 2-4 Bezug genommen, die schematische Seitenansichten von verschiedenen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensors zeigen. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Sensors, in der die flexible Basisplatte 6 halber Bauhöhe der Einzelglieder verläuft, so daß diese Ausführungsform gleichermaßen für negative und positive Krümmungsradien und damit auch uneingeschränkt für den so genannten Reverse-Betrieb geeignet ist. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Sensors, in der die flexible Basisplatte 6 nahe der Bodenfläche der Einzelglieder 1 verläuft, so daß diese Ausführungsform insbesondere für sehr kleine positive Krümmungsradien geeignet ist. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Sensors, in der die flexible Basisplatte 6 nahe der Deckfläche der Einzelglieder 1 verläuft, so daß diese Ausführungsform insbesondere für sehr kleine negative Krümmungsradien geeignet ist.Reference is now made to Fig. 2-4, which show schematic side views of various embodiments of a sensor according to the invention. Fig. 2 shows an embodiment of a sensor in which the flexible base plate 6 runs half the height of the individual elements, so that this embodiment is equally suitable for negative and positive radii of curvature and thus also without restriction for so-called reverse operation. Fig. 3 shows an embodiment of a sensor in which the flexible base plate 6 runs close to the bottom surface of the individual elements 1, so that this embodiment is particularly suitable for very small positive radii of curvature. Fig. 4 shows an embodiment of a sensor in which the flexible base plate 6 runs close to the top surface of the individual elements 1, so that this embodiment is particularly suitable for very small negative radii of curvature.
Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, in der die flexible Basisplatte 6, ebenso wie in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform, in der halben Bauhöhe der Einzelglieder verläuft. Die Querschnittform der Gehäuse der Einzelglieder 1 entspricht in der in Fig. 5 gezeigten bevorzugten Ausführungsform einem liegenden Sechseck, so daß mit dieser Ausführungsform bei einem gegenüber Fig. 2 unverändertem gegenseitigem Abstand der Einzelglieder 1 sowohl bei positiver als auch bei negativer Krümmung ein kleinerer Betrag des Krümmungsradius des Sensors erreicht werden kann.Fig. 5 shows a preferred embodiment of a sensor according to the invention, in which the flexible base plate 6, as in the embodiment shown in Fig. 2, runs at half the height of the individual elements. The cross-sectional shape of the housing of the individual elements 1 corresponds to a horizontal hexagon in the preferred embodiment shown in Fig. 5, so that with this embodiment, with a mutual distance between the individual elements 1 unchanged compared to Fig. 2, a smaller amount of the curvature radius of the sensor can be achieved both with positive and negative curvature.
Bezugnehmend auf die Figuren 6-8 enthält jedes Einzelglied 1, wie oben erwähnt wurde, einen Abschnitt der Nutzelektrode 12, einen Abschnitt der Abschirmelektrode 13 und einen Abschnitt der Masseelektrode 14. Diese Abschnitte sind in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in jedem Einzelglied 1 auf je einer oberen Elektrodenträgerplatte 9, einer mittleren Elektrodenträgerplatte 10 und einer unteren Elektrodenträgerplatte 11 aufgebracht, die jeweils schichtartig übereinander angeordnet und in den Fig. 6-8 gezeigt sind. Fig. 6 zeigt eine schematische Ansicht einer oberen Elektrodenträgerplatte 9 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Nutzelektrode 12 ist an ihren Schmalseiten jeweils von Teilen der Abschirmelekrode 13 und der Masseelektrode 14 umgeben. Die Nutzelektrode 12 und die genannten Teile der Abschirmelekrode 13 und der Masseelektrode 14 sind jeweils als Leiterschicht auf einer Trägerplatine 15 aufgebracht.Referring to Figures 6-8, each individual element 1 contains, as mentioned above, a section of the useful electrode 12, a section of the shielding electrode 13 and a section of the ground electrode 14. In a preferred embodiment of the invention, these sections are applied in each individual element 1 to an upper electrode carrier plate 9, a middle electrode carrier plate 10 and a lower electrode carrier plate 11, which are each arranged in layers one above the other and are shown in Figures 6-8. Figure 6 shows a schematic view of an upper electrode carrier plate 9 according to a preferred embodiment of the invention. The useful electrode 12 is surrounded on its narrow sides by parts of the shielding electrode 13 and the ground electrode 14. The useful electrode 12 and the aforementioned parts of the shielding electrode 13 and the ground electrode 14 are each applied as a conductor layer on a carrier board 15.
Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht einer mittleren ElektrodenträgerplatteFig. 7 shows a schematic view of a middle electrode carrier plate
10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die mittlere Elektrodenträgerplatte 10 trägt einen Teil der Abschirmelektrode 13, der als Leiterschicht auf einer Trägerplatine 16 aufgebracht ist.10 according to a preferred embodiment of the invention. The middle electrode carrier plate 10 carries a part of the shielding electrode 13, which is applied as a conductor layer on a carrier board 16.
Fig. 8 zeigt eine schematische Ansicht einer unteren ElektrodenträgerplatteFig. 8 shows a schematic view of a lower electrode carrier plate
11 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die untere Elektrodenträgerplatte 11 trägt einen Teil der Masseelektrode 14, die als Leiterschicht auf einer Trägerplatine 17 aufgebracht ist.11 according to a preferred embodiment of the invention. The lower electrode carrier plate 11 carries a part of the ground electrode 14, which is applied as a conductor layer on a carrier board 17.
5450/15.10.1*«5450/15.10.1*«
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Der erfindungsgemäße kapazitive, flexible Sensor kann insbesondere zur Detektion des Füllstandes eines Mediums innerhalb eines Gefäßes mit gekrümmter Gefäßwandung verwendet werden, und er kann sowohl innerhalb als auch außerhalb des Gefäßes entweder an der Gefäßwandung oder an einer Halterung an der Gefäßwandung angeordnet sein.The capacitive, flexible sensor according to the invention can be used in particular for detecting the fill level of a medium within a vessel with a curved vessel wall, and it can be arranged both inside and outside the vessel, either on the vessel wall or on a holder on the vessel wall.
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
1 Einzelglied1 single link
2 Gehäuse für Auswerteelektronik2 Housing for evaluation electronics
3 Befestigungselement3 Fastening element
4 Aussparung4 Recess
5 Verbindungssteg5 Connecting bridge
6 flexible Basisplatte6 flexible base plate
7 Leiterbahn7 Conductor track
8 Anschlußkabel8 connection cables
9 obere Elektrodenträgerplatte9 upper electrode carrier plate
10 mittlere Elektrodenträgerplatte10 middle electrode carrier plate
11 untere Elektrodenträgerplatte11 lower electrode carrier plate
12 Nutzelektrode12 Useful electrode
13 Abschirmelektrode13 Shielding electrode
14 Masseelektrode14 Ground electrode
15 Trägerplatine15 Carrier board
16 Anschlußkabel16 connection cables
Claims (14)
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| DE29918237U DE29918237U1 (en) | 1999-10-15 | 1999-10-15 | Capacitive flexible sensor |
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| Country | Link |
|---|---|
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