DE4425164C2 - Kapazitiver Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor, insbesondere einen Druck­ sensor, mit einem eine variable, insbesondere druckabhängige Kapazität auf­ weisenden Meßkondensator, mit einem - ggf. eine variable, insbesondere druckabhängige Kapazität aufweisenden - Referenzkondensator, mit einer den Meßkondensator und den Referenzkondensator ansteuernden Ansteuer­ schaltung, mit einer die Kapazitäten des Meßkondensators und des Referenz­ kondensators aufgrund des Ladungstransports beim Laden und Entladen auswertenden Auswerteschaltung und mit einem zumindest den Meßkon­ densator und den Referenzkondensator aufnehmenden Meßgerätgehäuse.

Es sind verschiedene Typen von kapazitiven Sensoren bekannt. Bei einem ersten Typ kapazitiver Sensoren wird die gesuchte Kapazität über eine Brückenschaltung mit Hilfe einer sinusförmigen Spannung oder einer Gleich­ spannung bestimmt. Im zweiten Typ kapazitiver Sensoren wird die gesuchte Kapazität als frequenzbestimmendes Element in einer Oszillatorschaltung eingesetzt. Weiter sind kapazitiver Sensoren eines dritten Typs bekannt, bei denen die gesuchte Kapazität bei diesen Sensoren über eine Scheinwider­ standsmessung bestimmt wird. Ein vierter, moderner Typ kapazitiver Sen­ soren nutzt ein digital erzeugtes Testsignal, um über eine anschließende Kreuzkorrelation die gesuchte Kapazität zu bestimmen. Der kapazitive Sen­ sor, von dem die Erfindung ausgeht (vgl. DE 21 48 775 B2), gehört zu denen eines fünften Typs, bei dem bei diesen der Ladungstransport beim Laden oder Entladen der Kapazität beobachtet wird. Die bekannten Typen kapazitiver Sensoren weisen typenspezifisch unterschiedliche Vorteile und Nachteile auf.

Bei dem kapazitiven Sensor, von dem die Erfindung ausgeht, ist jeweils eine Elektrode des Meßkondensators und des Referenzkondensators mit Masse verbunden, während die andere Elektrode jeweils mit einem Schmitt-Trigger verbunden ist, der bei Erreichen eines seinem Schwellwert entsprechenden Wertes der Meßkondensatorspannung bzw. der Referenzkondensator­ spannung sein Ausgangspotential sprungartig verändert. Diese Poten­ tialänderung an den Ausgängen der Schmitt-Trigger steuert über elektronische Schalter die Entladung des Meßkondensators bzw. des Referenz­ kondensators. Hierdurch entstehen, für den Fall unterschiedlicher Kapazitä­ ten des Meßkondensators bzw. des Referenzkondensators, Impulsfolgen unterschiedlicher Frequenz an den Ausgängen der Schmitt-Trigger. Die Ausgänge der Schmitt-Trigger sind mit einer Subtrahier-Schaltung verbun­ den, deren Ausgangsimpulsfolge das Sensorsignal darstellt. Bei dem kapazi­ tiven Sensor, von dem die Erfindung ausgeht, wird also die Zeitdauer bestimmt, die notwendig ist, um den jeweiligen Kondensator mit einem konstanten Strom auf eine bestimmte Spannung aufzuladen. Insbesondere wird bei dem bekannten kapazitiven Sensor das sogenannte Differenzprinzip angewendet, um Fehler zu eliminieren, die durch äußere Einflüsse, beispiels­ weise Temperaturschwankungen entstehen können. Insbesondere bei Drucksensoren arbeitet man mit sogenannten Differentialkondensatoren mit zwei festen Außenelektroden und einer durch den Druck auslenkbaren Mittelelektrode. Bei einem solchen Differentialkondensator verändern sich die Kapazitäten des Meßkondensators und des Referenzkondensators ge­ genläufig. Gleichfalls sind jedoch Anordnungen denkbar, bei denen die Referenzkapazität nicht variabel, also konstant ist. Bei dem bekannten kapazitiven Sensor sind zumindest der Meßkondensator und der Referenz­ kondensator, in der Regel auch die übrigen Bauteile, in einem Meßgerät­ gehäuse untergebracht.

Bekannte Anwendungsbereiche kapazitiver Sensoren sind, wie bereits erwähnt, die Druckmessung, weiter die Kraftmessung, die Wegmessung, ins­ besondere durch einen kapazitiven Näherungsschalter, und die Füllstands­ messung in einem Behälter.

Der bekannte kapazitive Sensor, von dem die Erfindung ausgeht, ist ebenso wie alle kapazitiven Sensoren, die zwei das Sensorsignal beeinflussende Kondensatoren aufweisen, dadurch problematisch, daß jede der Kapazitäten zum Meßgerätgehäuse eine parasitäre Kapazität bildet. Aufgrund des mechanischen Aufbaus der kapazitiven Sensoren sind in der Regel die beiden parasitären Kapazitäten unterschiedlich groß. Infolge dessen findet, abhängig vom mechanischen Aufbau des kapazitiven Sensors, eine unter­ schiedlich starke Einkopplung von am Meßgerätgehäuse anliegenden Stör­ spannungen in die Kondensatoren statt. Diese unterschiedlich starke Einkopplung führt zu Differenzspannungen an den Kondensatoren und als Folge dessen dazu, daß die am Meßgerätgehäuse anliegenden Störspannun­ gen von der Auswerteschaltung als Veränderung der zu detektierenden Größe, beispielsweise des Drucks, erkannt und ausgewertet werden.

Bei einem aus der DE 38 38 333 C2 bekannten Kapazitätsmanometer, welches ebenfalls zwei Kondensatoren aufweist, ist versucht worden, die mit Leckströmen verknüpften Probleme möglichst zu verringern. Hierzu sind Schutzeinrichtungen vorgesehen, die jeweils einer Elektrode eines Konden­ sators zugeordnet sind. Dadurch, daß an die Schutzeinrichtungen im wesent­ lichen die gleiche Spannung wie an den Elektroden der Kondensatoren an­ gelegt wird, werden von den Elektroden der Kondensatoren ausgehende Leckströme verhindert; die Elektroden der Kondensatoren sind "aktiv abge­ schirmt". Die bei dem bekannten kapazitiven Sensor, von dem die Erfindung ausgeht, vorhandene, zuvor aufgezeigte Problematik - unterschiedlich große parasitäre Kapazitäten und somit unterschiedlich starke Einkopplung von Störspannungen - ist durch die zuvor beschriebene Maßnahme "aktive Ab­ schirmung" einer Lösung nicht näher gebracht.

Ausgehend von dem weiter oben beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor zu schaffen, bei dem sich am Meßgerätgehäuse anliegende Störspannungen nicht auf das von der Auswerteschaltung ausgegebene Sensorsignal auswirken.

Die zuvor erläuterte und dargelegte Aufgabe ist gemäß der Lehre der Erfin­ dung dadurch gelöst, daß zum Ausgleich von Störeinflüssen der unterschied­ lichen parasitären Kapazitäten zwischen dem Meßkondensator und dem Meßgerätgehäuse sowie zwischen dem Referenzkondensator und dem Meß­ gerätgehäuse parallel zu den parasitären Kapazitäten zwischen den Meß­ kondensator und das Meßgerätgehäuse und/oder zwischen den Referenz­ kondensator und das Meßgerätgehäuse eine Abgleichkapazität geschaltet ist. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abgleichkapazität ist somit gewährleistet, daß am Meßgerätgehäuse anlie­ gende Störspannungen eine Veränderung der an den Kapazitäten anliegen­ den Meßspannungen derart verursachen, daß sich diese Änderungen in dem Sensorsignal nicht widerspiegeln.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungs­ gemäßen kapazitiven Sensor auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patent­ ansprüche, andererseits auf die Beschreibung eines bevorzugten Aus­ führungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Anordnung der Kapazitäten und der parasitären Kapazitäten bei einem bekannten kapazitiven Sensor,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung der Kapazitäten, der parasitären Kapazitäten und der Ausgleichskapazität bei einem erfindungsgemäß ausgestalteten kapazitiven Sensor und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgleich­ kapazität.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt den erfindungswesentlichen Teil eines bekannten kapazitiven Sensors, insbesondere eines Drucksensors, mit einem eine variable, insbesondere druckabhängige Kapazität aufweisenden Meßkon­ densator 1, mit einem - ggf. eine variable, insbesondere druckabhängige Kapazität aufweisenden - Referenzkondensator 2, mit einer nicht darge­ stellten, den Meßkondensator 1 und den Referenzkondensator 2 ansteuern­ den Ansteuerschaltung, wie sie beispielsweise aus der nachveröffentlichten, auf die Anmelderin zurückgehenden DE-A-43 40 481 bekannt ist, mit einer ebenfalls nicht dargestellten, die Kapazitäten des Meßkondensators 1 und des Referenzkondensators 2 auswertenden Auswerteschaltung und mit einem nicht dargestellten, zumindest den Meßkondensator 1 und den Referenzkondensator 2, im allgemeinen auch die Ansteuerschaltung und die Auswerteschaltung aufnehmenden Meßgerätgehäuse. Fig. 1 zeigt weiter die zwischen dem Meßkondensator 1 und dem nicht dargestellten Meß­ gerätgehäuse und zwischen dem Referenzkondensator 2 und dem Meß­ gerätgehäuse vorhandenen parasitären Kapazitäten 3, 4. Die tatsächlichen Kapazitäten der parasitären Kapazitäten sind im allgemeinen sehr klein, sie bewegen sich im Bereich von wenigen Picofarad.

In Fig. 2 ist schließlich dargestellt, daß erfindungsgemäß zum Ausgleich von Störeinflüssen der unterschiedlichen parasitären Kapazitäten 3, 4 zwischen dem Meßkondensator 1 und dem Meßgerätgehäuse und zwischen dem Referenzkondensator 2 und dem Meßgerätgehäuse parallel zu einer der parasitären Kapazitäten 3, 4, hier parallel zur parasitären Kapazität 4, zwischen dem Referenzkondensator 2 und dem nicht dargestellten Meß­ gerätgehäuse eine Abgleichkapazität 5 geschaltet ist. Hierbei ist die Abgleichkapazität 5, abhängig von der Anordnung und den Kapazitäten des Meßkondensators 1 und des Referenzkondensators 2, so ausgestaltet, daß sich am Meßgerätgehäuse anliegende Störspannungen nicht auf das Sensor­ signal auswirken.

Besonders vorteilhaft wird der erfindungsgemäße kapazitive Sensor dadurch ausgestaltet, daß die Abgleichkapazität 5 als Kupferfläche 6 auf einem Teil 7 eines elektronische Bauteile 8 des kapazitiven Sensors tragenden Leiterfilms 9 angeordnet ist. Hierbei ist besonders vorteilhaft, daß ohne ein zusätzliches Bauteil, also mit wenig Aufwand, die Abgleichkapazität 5 mit einer sehr kleinen Kapazität herstellbar ist.

Weiter ist der in Fig. 3 teilweise dargestellte kapazitive Sensor dadurch ge­ kennzeichnet, daß der die Kupferfläche 6 tragende Teil 7 des Leiterfilms 9 zur Vornahme eines Abgleichs während des Produktionsprozesses des kapazi­ tiven Sensors veränderbar ist. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, daß die parasitären Kapazitäten 3, 4 jedes einzelnen kapazitiven Sensors durch die Abgleichkapazität 5 in Form der angepaßten Kupferfläche 6 möglichst optimal abgeglichen sind.

Die Montage des die Kupferfläche 6 tragenden Teils 7 des Leiterfilms 9 er­ folgt besonders vorteilhaft dergestalt, daß sich die Kupferfläche 6 im nicht dargestellten Meßgerätgehäuse in unmittelbarer Nähe der Meßgerätgehäuse­ wandung befindet. Durch diese Maßnahme ist eine in hohem Maße reprodu­ zierbare Abgleichkapazität 5 gewährleistet.

Die Anbringung des die Kupferfläche 6 tragenden Teils 7 des Leiterfilms 9 im nicht dargestellten Meßgerätgehäuse erfolgt in bevorzugter Weise dadurch, daß der die Kupferfläche 6 tragende Teil 7 des Leiterfilms 9 isoliert an das Meßgerätgehäuse gepreßt oder geklebt ist. Die Isolierung erfolgt dabei in besonders einfacher Weise durch den Leiterfilm 9 selbst.

Ein erfindungsgemäßer kapazitiver Sensor, bei dem die Kapazitäten des Meßkondensators 1 und des Referenzkondensators 2 im Ruhezustand, also bei einem Drucksensor im drucklosen Zustand, im wesentlichen überein­ stimmen, ist dadurch besonders vorteilhaft ausgestaltet, daß die Summe aus einer parasitären Kapazität, hier der parasitären Kapazität 4, und der dazu parallelen Abgleichkapazität 5 im wesentlichen der zweiten parasitären Kapazität, hier der parasitären Kapazität 3, entspricht. Bei dieser einfachsten Konstellation der übereinstimmenden Kapazitäten des Meßkondensators 1 und des Referenzkondensators 2 ist somit gewährleistet, daß sich am nicht dargestellten Meßgerätgehäuse anliegende Störspannungen nicht auf das Sensorsignal auswirken.

Da sich die Abgleichkapazität 5 negativ auf das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal des zugeordneten Kondensators auswirkt, ist es vorteilhaft, daß die Abgleichkapazität 5 parallel zur parasitären Kapazität zwischen dem Referenzkondensator 2 und dem nicht dargestellten Meßgerätgehäuse ge­ schaltet ist. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da die Kapazität des Meßkondensators 1 zur Vergrößerung des Verhältnisses Nutzsignal zu Störsignal im allgemeinen nur unter erheblichen Aufwand vergrößerbar ist.

Besonders vorteilhaft wird also der zuletzt beschriebene kapazitive Sensor dadurch weitergebildet, daß zur Vergrößerung des Verhältnisses Nutzsignal zu Störsignal die Kapazität des Referenzkondensators 2 größer als die Kapazität des Meßkondensators 1 ist. Da sich diese Maßnahme auch auf das Signalverhalten des kapazitiven Sensors im allgemeinen auswirkt, ist der kapazitive Sensor weiter dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Kapazitäten des Meßkondensators 1 und des Referenzkondensators 2 durch Maßnahmen in der Ansteuerschaltung oder in der Auswerteschaltung kompensierbar sind.

Bei einem kapazitiven Sensor, bei dem die Kapazität des Meßkondensators 1 und des Referenzkondensators 2 voneinander abweichen und bei dem diese unterschiedlichen Kapazitäten durch Maßnahmen in der Ansteuerschaltung oder in der Auswerteschaltung kompensiert sind, ist eine einfache Aussage über die Größe der Abgleichkapazität 5 nicht mehr möglich, diese ist im jeweiligen Anwendungsfall zu berechnen.

Claims (9)

1. Kapazitiver Sensor, insbesondere Drucksensor, mit einem eine variable, ins­ besondere druckabhängige Kapazität aufweisenden Meßkondensator (1), mit einem - ggf. eine variable, insbesondere druckabhängige Kapazität auf­ weisenden - Referenzkondensator (2), mit einer den Meßkondensator (1) und den Referenzkondensator (2) ansteuernden Ansteuerschaltung, mit einer die Kapazitäten des Meßkondensators (1) und des Referenzkondensators (2) aufgrund des Ladungstransports beim Laden und Entladen auswertenden Auswerteschaltung und mit einem zumindest den Meßkondensator (1) und den Referenzkondensator (2) aufnehmenden Meßgerätgehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich von Störeinflüssen der unterschied­ lichen parasitären Kapazitäten zwischen dem Meßkondensator (1) und dem Meßgerätgehäuse und zwischen dem Referenzkondensator (2) und dem Meßgerätgehäuse parallel zu den parasitären Kapazitäten zwischen den Meßkondensator (1) und das Meßgerätgehäuse und/oder zwischen den Referenzkondensator (2) und das Meßgerätgehäuse eine Abgleichkapa­ zität (5) geschaltet ist.

2. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgleichkapazität (5) als Kupferfläche (6) auf einem Teil (7) eines elektro­ nische Bauteile (8) tragenden Leiterfilms (9) angeordnet ist.

3. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kupferfläche (6) tragende Teil (7) des Leiterfilms (9) zur Vornahme eines Abgleichs während des Produktionprozesses veränderbar ist.

4. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kupferfläche (6) tragende Teil (7) des Leiterfilms (9) sich im Meß­ gerätgehäuse in unmittelbarer Nähe der Meßgerätgehäusewandung befindet.

5. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kupferfläche (6) tragende Teil (7) des Leiterfilms (9) isoliert an das Meßgerät­ gehäuse gepreßt oder geklebt ist.

6. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kapazitäten des Meßkondensators (1) und des Referenz­ kondensators (2) im Ruhezustand im wesentlichen übereinstimmen und daß die Summe aus einer parasitären Kapazität (3, 4) und der dazu parallel geschalteten Abgleichkapazität (5) im wesentlichen der zweiten parasitären Kapazität (4, 3) entspricht.

7. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abgleichkapazität (5) parallel zur parasitären Kapazität (4) zwischen den Referenzkondensator (2) und das Meßgerätgehäuse geschaltet ist.

8. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des Verhältnisses Nutzsignal zu Störsignal die Kapazität des Referenzkondensators (2) größer als die Kapazität des Meßkondensators (1) ist.

9. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Kapazitäten des Meßkondensators (1) und des Referenz­ kondensators (2) durch Maßnahmen in der Ansteuerschaltung oder in der Auswerteschaltung kompensierbar sind.