EP1127253A1 - Capacitive measuring sensor and method for operating same - Google Patents

Capacitive measuring sensor and method for operating same

Info

Publication number
EP1127253A1
EP1127253A1 EP99960864A EP99960864A EP1127253A1 EP 1127253 A1 EP1127253 A1 EP 1127253A1 EP 99960864 A EP99960864 A EP 99960864A EP 99960864 A EP99960864 A EP 99960864A EP 1127253 A1 EP1127253 A1 EP 1127253A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
electrodes
sensor
sensor according
change
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99960864A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Günter DOEMENS
Markus Gilch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1127253A1 publication Critical patent/EP1127253A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/106Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving electrostatic means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2417Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying separation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes
    • H01G5/18Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes due to change in inclination, e.g. by flexing, by spiral wrapping

Definitions

  • the invention relates to a capacitive sensor or sensor for measuring a force, a torque or an associated extension or torsion.
  • a capacitive sensor or sensor for measuring a force, a torque or an associated extension or torsion.
  • Such a sensor is attached to a component on which the measured variables are to be detected.
  • Torques and forces are generally measured in the industrial sector today with measuring cells which are equipped with strain gauges or the strain gauges are applied directly to the measuring point on a component. Due to the material combinations and the small size, the bonding of strain gauges requires a high degree of accuracy during execution. This is very cost-intensive, particularly in series production or in non-stationary applications, such as in automobiles. In the case of strain gauges, the adhesive points have significant weaknesses in terms of long-term behavior, since their functionality is greatly impaired by the influence of moisture and a permanent load resistance cannot be guaranteed.
  • Certain capacitive torque and force sensors are equipped with planar comb-shaped electrode structures, which convert a force or a torque with corresponding expansion or torsion into a change in capacitance.
  • the displacements that occur here are only a few micrometers.
  • the electrode spacing is changed in accordance with a shift at the measuring location.
  • This application of a sensor is much easier compared to strain gauges and its long-term stability is also significantly better.
  • This type of sensors can also be used on site, ie essentially in mobile units or systems, can be easily installed.
  • a general disadvantage of previous sensors is that their electrode spacing is used as a measured variable, since the setting of small electrode spacings is problematic.
  • plane-parallel capacitor electrodes must be moved towards or away from one another while maintaining their mutual alignment.
  • capacitive sensors whose electrode structure is comb-shaped, two comb structures, which are insulated from one another, must be mounted and guided extremely parallel to one another.
  • high precision in the division is required in the manufacture of the comb structures.
  • the invention has for its object to provide a capacitive sensor with a simple structure, the sensitivity of which is improved compared to the prior art.
  • the invention changes from the capacitive sensor principle according to the state of the art, in which the change in the distance from plane-parallel electrodes is evaluated, and uses the angle changes of electrodes or electrode surfaces arranged at an acute or wedge shape relative to one another. Measuring signals, in particular changes in capacitance to determine paths / displacements, torsions, as well as strains or forces and torques, can be determined.
  • the only precision technology required here is the production of very flat, effective electrode surfaces that are opposite and capacitive work together. The entire arrangement can be referred to as a wedge or as a wedge-shaped structure.
  • the senor is elongated and partly plate-shaped. It is in its end areas by means of a two-point connection, i.e. a non-positive connection, connected at each end to a body to be measured, for example a shaft.
  • the orientation of the elongated sensor relative to the body to be measured occurs in such a way that displacements due to expansion or torsion offset the fastening points of the two-point connection between the sensor and the body to be measured.
  • a first electrode is connected to a measurement object by means of a fastening element.
  • a carrier for second electrodes is also rigidly connected to this fastening element. The rigid support is therefore not directly connected to the measuring body.
  • the first electrode is flat in its central area between the fastening points and is not parallel to the second electrode located on the carrier.
  • the first electrode is only metallically conductive on the surface.
  • the second electrode is expediently applied to an insulating carrier. All electrodes are shown as flat as possible on their effective surface.
  • the advantages of such a capacitive measuring sensor consist in a high output capacity with a small construction volume. There is also a high degree of linearity (1 / C). A temperature drift of the zero point is very low. Thermal expansion is minimal. The sensor does not require any complex adjustment during assembly (precision adjustment of electrodes). Furthermore, the specimen scatter is low with regard to the transmission behavior, so that no calibration is necessary.
  • the parts of the capacitive sensor that represent the electrodes are produced by thin-film technology.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the first electrode is simple and that two second electrodes cooperate capacitively on the carrier.
  • an integrated circuit for capacitance measurement can be attached to the carrier, which outputs an output signal representative of the capacitance or its reciprocal.
  • the senor can preferably be enclosed in a housing.
  • Torques can be measured reliably with such a sensor. Further exemplary embodiments are described below with the aid of schematic figures.
  • FIG. 1 shows a capacitive torque sensor for torsion angle measurement with an equivalent circuit diagram for the electrodes
  • FIG. 2 shows a further schematic representation of the geometric relationships on the sensor with the derivation of the transfer function of the sensor
  • Figure 3 shows the sensor in longitudinal section with housing
  • Figure 4 shows the sensor on a flex plate, for direct torsion angle detection
  • FIG. 5 shows the sensor attached to a shaft
  • FIG. 6 shows a sensor arranged for force or strain measurement relative to the direction of force
  • FIG. 7 shows an embodiment of a sensor for capacitive torsion angle measurement
  • Figure 8 shows based on Füg. 7 shows a plan view of a carrier 16 without a first electrode 1,
  • Figure 9 shows a further embodiment of a sensor according to the invention.
  • the wedge-shaped structure representing the sensor is verified according to the invention from an insulating and a metallic conductive part.
  • the insulating carrier 16 carries two second electrodes 2, 3 applied using thin-film technology.
  • the electrodes 2, 3 are capacitively coupled to a metallic part of the body of the first electrode 1 which is opposite at an acute angle.
  • the first electrode located at the top in FIG. 1 is the counter electrode to the electrodes 2, 3.
  • a capacitance is measured between the electrodes 2, 3.
  • Edge areas or fastening elements 4, 5 outside of weak points 10 can consist of non-conductive materials. Direct contact between opposing electrodes that are angled are not employed, so that the acute-angled opening of the arrangement of Figure 1 does not fall below a minimum angle.
  • the expansion of the electrodes 2, 3 on the insulating carrier 16 in the direction of the rigid mutual connection between the carrier 16 and the first electrode 1 is sufficiently limited.
  • FIG. 1 contains a representation of an equivalent circuit diagram with electrodes 1, 2, 3, between which a capacitance C is measured.
  • the direction of movement 15 shown in FIG. 1, in this case of the first electrode 1, ensures an angle change between the electrodes 1 and 2 or 1 and 3, corresponding to the direction of movement 15 '.
  • the corresponding capacities are connected in series. Also shown are: torsion direction 15, fastening elements 4, 5, weak points 10 and capacitance C. Fastening points 6 for the display of the fastening position on the measurement object are not shown.
  • the transfer function of the capacitive sensor is derived using a height h (deflection) / path x (electrode length) diagram.
  • the x direction means the longitudinal extension of the electrodes 1, 2, 3.
  • the geometric design of the sensor is expediently carried out as described here in order to achieve a sufficient distance between the fastening points 6.
  • the rectangular, elongated flat design of the electrodes 1, 2, 3 is expedient, but could also be shaped differently.
  • the length of effective electrode areas corresponds to the path between 1 ⁇ and 1.
  • a height h (x) can be represented by h 0 ⁇ kT or ho + ⁇ h.
  • the dependence of the torque T on a capacity C or a capacity change dC is shown in the formulas in FIG.
  • the formula T shown in FIG. 2 below or the transfer function of the capacitive sensor for the torque measurement results from the resolution according to the torque T.
  • a sensor is shown in plan view in a sectional view.
  • the following are shown in detail: a one-piece first electrode 1 located at the bottom, which is designed to be electrically conductive at least in the central region.
  • the first electrode has two fastening points 6 on fastening elements 4, 5, which are formed on opposite ends of the first electrode 1. Accordingly, contact to the body to be measured only exists in the end regions of the first electrode 1 located at the bottom in FIG Electrodes 2, 3 are detectable.
  • the sensor is perpendicular to the surface of a body to be measured. The surface of the body to be measured lies, for example, in FIG.
  • the reference numeral 7 is representative of a housing that partially covers and closes the sensor flexibly and is placed on the first electrode 1.
  • the housing 7 is intended to protect against harmful environmental influences. It must at least be dust and moisture proof.
  • FIG. 4 shows a representation corresponding to FIG. 3 of a capacitive sensor on a so-called flex plate 8, as is used on a transmission in automobile construction.
  • the fastening points 6, the idling carrier 16, the first electrode 1 and the second electrodes 2, 3 are again shown.
  • the direction of the torque T is indicated by an arrow. Torques or strains on the output of a gear unit can thus be measured.
  • FIG. 5 shows the use of a capacitive sensor according to the invention on a shaft 9, with a torque T being measured.
  • the torque T in turn causes strains occurring in the torsion direction 15, which can be detected in the area between the two fastening points 6 by corresponding displacement of these fastening points 6 relative to one another.
  • the mode of operation is constant in that the contact of the sensor to the shaft 9 only in the end regions of the first electrode 1 in the Surrounding the attachment points 6 is present.
  • the rigid support 16 is simultaneously rigidly connected to the first electrode 1 or to the fastening element 4 in the lower region. In this way, using a capacitive sensor, torques on a shaft can be measured and quantified by direct detection of the torsion angle.
  • FIG. 6 shows a capacitive sensor for the detection of a path by measuring or changing the angle.
  • the structure corresponds to the description so far, the sensor being oriented with its longitudinal extent, in this case at 45 °, to the direction of force. This is due to the connection that the largest measurable relative displacements between the fastening points 6 occur at 45 °.
  • the angled version of the first electrode 1 with its central part shown in all the figures does not amount to an operating or an idle state. What is essential is the constant wedge-shaped or acute-angle mutual orientation of the opposing electrodes 1, 2, 3 or torques can be measured in any direction according to the direction of movement 15, provided that the fastening points 6 are not positioned too close to one another.
  • FIG. 4 shows a sectional illustration of a capacitive sensor according to the present invention.
  • the first electrode 1 is positioned on the fastening elements 4 and 5 corresponding to the fastening points 6 on a measurement object in such a way that optimal or desired displacements between the fastening points 6 are brought about when the measurement object is subjected to mechanical stress.
  • the one-piece first electrode 1 contains the fastening elements 4, 5, weak points 10 being interposed.
  • an evaluation electronics 13 Chip
  • An output signal 14 is discharged via a corresponding line.
  • the first electrode 1 is shaped in such a way that an output signal can be tapped off by means of a line.
  • the evaluation electronics 13 are in a recess in the carrier 16 together with the second electrodes
  • FIG. 8 shows a top view of the carrier 16 without the first electrode 1.
  • the second electrodes 2, 3 are shown, which cooperate capacitively with the first electrode 1.
  • the capacitance is tapped by the second electrodes 2, 3 and processed accordingly in an electronic evaluation unit 13. It can be seen in FIG. 8 that the individual elements on the carrier 16 are located on the continuous layer of silicon 12,
  • Figure 9 shows a further embodiment of the invention similar to Figure 7.
  • the insulating support 16 is provided with fasteners 4,5.
  • the first electrode 1 is, just as previously described, connected to the fastening element 4 in the end region.
  • the first Electrode 1 is permanently angled to avoid contact between electrodes 1, 2, 3 and to represent an angle in the idle state.
  • the electrodes are likewise made of metal here and are accordingly electrically insulated from the measurement object or from the fastening points 6. In this case, the first electrode 1 has no contact with the measurement object and the central region of the insulating carrier 16 is designed to be freely movable.
  • sensors with this principle do not have to be calibrated.
  • One reason for this is the extremely low stray capacitance compared to other capacitive principles, as well as low second-order capacitance.
  • the very low temperature dependency of capacitive sensors is further improved by the transition from a change in distance to a change in angle.

Abstract

The invention relates to a capacitive measuring sensor which instead of detecting the distance between plane-parallel electrode surfaces detects a change in an angle between electrode surfaces positioned at an acute angle to each other and indicates capacitance changes in the form of a sensor signal. The sensor is preferably elongated, in its end regions has two fixing elements connected to a body to be measured and consists of two capacitor electrodes whose mutual angle changes are effected by a displacement between points of fixation on the object to be measured.

Description

Beschreibungdescription
Kapazitiver Meßaufnehmer und BetriebsverfahrenCapacitive sensor and operating method
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Meßaufnehmer oder Sensor zur Messung einer Kraft, eines Drehmomentes oder einer damit verbundenen Dehnung oder Torsion. Ein derartiger Sensor wird an einem Bauteil angebracht, an dem die Meßgrößen detek- tiert werden sollen.The invention relates to a capacitive sensor or sensor for measuring a force, a torque or an associated extension or torsion. Such a sensor is attached to a component on which the measured variables are to be detected.
Im Stand der Technik sind verschiedenartige kapazitive Drehmoment- oder Kraftsensoren bekannt. Drehmomente und Kräfte werden heute im industriellen Bereich im allgemeinen mit Meßzellen gemessen, die mit Dehnungsmeßstreifen bestückt sind oder die Dehnungsmeßstreifen werden direkt auf die Meßstelle an einem Bauelement appliziert. Das Aufkleben von Dehnungsmeßstreifen erfordert aufgrund der Materialkombinationen und der geringen Größe eine hohe Genauigkeit bei der Ausführung. Dies ist insbesondere bei Serienfertigungen oder bei nicht stationären Anwendungen, wie beispielsweise bei Automobilen, sehr kostenintensiv. Bei Dehnungsmeßstreifen weisen die Klebestellen hinsichtlich des Langzeitverhaltens deutliche Schwächen auf, da deren Funktionsfähigkeit stark durch Feuchteeinfluß beeinträchtigt wird und eine Dauerlastfestigkeit ist nicht garantierbar.Various types of capacitive torque or force sensors are known in the prior art. Torques and forces are generally measured in the industrial sector today with measuring cells which are equipped with strain gauges or the strain gauges are applied directly to the measuring point on a component. Due to the material combinations and the small size, the bonding of strain gauges requires a high degree of accuracy during execution. This is very cost-intensive, particularly in series production or in non-stationary applications, such as in automobiles. In the case of strain gauges, the adhesive points have significant weaknesses in terms of long-term behavior, since their functionality is greatly impaired by the influence of moisture and a permanent load resistance cannot be guaranteed.
Bestimmte kapazitive Drehmoment- und Kraftsensoren sind mit planaren kammförmigen Elektrodenstrukturen ausgestattet, die eine Kraft oder ein Drehmoment mit entsprechender Dehnung oder Torsion in eine Kapazitätsänderung umwandeln. Die hierbei auftretenden Verschiebungen betragen nur wenige Mikrometer. Dabei wird der Elektrodenabstand entsprechend einer Verschiebung am Meßort geändert. Diese Applikation eines Sensors gestaltet sich gegenüber Dehnungsmeßzellen wesentlich einfa- eher und deren Langzeitstabilität ist ebenfalls deutlich besser. Ebenfalls kann diese Art von Sensoren auch vor Ort, d.h. im wesentlichen in mobilen Einheiten oder Anlagen, problemlos installiert werden.Certain capacitive torque and force sensors are equipped with planar comb-shaped electrode structures, which convert a force or a torque with corresponding expansion or torsion into a change in capacitance. The displacements that occur here are only a few micrometers. The electrode spacing is changed in accordance with a shift at the measuring location. This application of a sensor is much easier compared to strain gauges and its long-term stability is also significantly better. This type of sensors can also be used on site, ie essentially in mobile units or systems, can be easily installed.
Nachteil bisheriger Sensoren ist generell, daß deren Elektro- denabstand als Meßgröße verwendet wird, da die Einstellung geringer Elektrodenabstände problematisch ist. Außerdem müssen planparallele Kondensatorelektroden unter Beibehaltung der gegenseitigen Ausrichtung aufeinander zu oder weg bewegt werden. Bei kapazitiven Sensoren, deren Elektrodenstruktur kammförmig ist, müssen zwei isoliert zueinander angebrachte Kammstrukturen äußerst parallel zueinander montiert und geführt werden. Ferner werden bei der Herstellung der Kammstrukturen hohe Genauigkeiten bei der Teilung verlangt. Diese Aspekte begrenzen eine über die Stückzahl laufende Kostenre- duzierung. Ferner sind durch montagebedingte Toleranzen die minimalen Elektrodenabstände und damit die Empfindlichkeit des Sensorprinzips begrenzt.A general disadvantage of previous sensors is that their electrode spacing is used as a measured variable, since the setting of small electrode spacings is problematic. In addition, plane-parallel capacitor electrodes must be moved towards or away from one another while maintaining their mutual alignment. In the case of capacitive sensors, whose electrode structure is comb-shaped, two comb structures, which are insulated from one another, must be mounted and guided extremely parallel to one another. Furthermore, high precision in the division is required in the manufacture of the comb structures. These aspects limit a cost reduction that runs over the quantity. Furthermore, the minimum electrode spacings and thus the sensitivity of the sensor principle are limited by tolerances due to assembly.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Meßaufnehmer mit einfachem Aufbau bereitzustellen, dessen Empfindlichkeit gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.The invention has for its object to provide a capacitive sensor with a simple structure, the sensitivity of which is improved compared to the prior art.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombi- nation des Anspruchs 1.This problem is solved by the combination of features of claim 1.
Die Erfindung wechselt von dem kapazitiven Sensorprinzip entsprechend dem Stand der Technik, bei dem die Veränderung des Abstandes von planparallelen Elektroden ausgewertet wird, und verwendet die Winkelveränderungen von spitzwinkelig bzw. keilförmig gegeneinander angeordneten Elektroden bzw. Elektrodenflächen. Es können Meßsignale, insbesondere Kapazitätsveränderungen zur Ermittlung von Wegen/Verschiebungen, Torsionen, sowie Dehnungen oder Kräften und Drehmomente ermit- telt werden. Die einzige hierbei notwendige Prazisionstech.no- logie liegt in der Herstellung von sehr ebenen wirksamen Elektrodenoberflächen, die sich gegenüberliegen und kapazitiv zusammenwirken. Die gesamte Anordnung kann als Keil oder als keilförmiger Aufbau bezeichnet werden. Sensoren nach diesem Prinzip müssen aufgrund der Tatsache, daß die Kapazität sehr genau der Beziehung c * 1/d (c = Kapazität, d = Elektrodenab- stand) folgt, nicht kalibriert werden. Die Sensoranordnung weist äußerst geringe Streukapazitäten und geringe Kapazitäten zweiter Ordnung auf. Die an sich schon sehr geringe Temperaturabhängigkeit von kapazitiven Sensoren wird durch den Übergang von einer absolut gleichförmigen parallelen Abstand- sänderung auf eine Winkeländerung noch weiter verbessert. Gemessen wird eine Kapazität bzw. deren Kehrwert mit entsprechenden Änderungen bei verändertem Elektrodenabstand.The invention changes from the capacitive sensor principle according to the state of the art, in which the change in the distance from plane-parallel electrodes is evaluated, and uses the angle changes of electrodes or electrode surfaces arranged at an acute or wedge shape relative to one another. Measuring signals, in particular changes in capacitance to determine paths / displacements, torsions, as well as strains or forces and torques, can be determined. The only precision technology required here is the production of very flat, effective electrode surfaces that are opposite and capacitive work together. The entire arrangement can be referred to as a wedge or as a wedge-shaped structure. Sensors based on this principle do not have to be calibrated due to the fact that the capacitance follows the relationship c * 1 / d (c = capacitance, d = electrode spacing) very precisely. The sensor arrangement has extremely low stray capacitances and low second-order capacitances. The already very low temperature dependence of capacitive sensors is further improved by the transition from an absolutely uniform parallel change in distance to a change in angle. A capacitance or its reciprocal is measured with corresponding changes when the electrode spacing changes.
Der Sensor ist im Prinzip langgestreckt und teilweise plat- tenförmig ausgebildet. Dabei ist er in seinen Endbereichen mittels einer Zweipunkt-Verbindung, d.h. einer kraftschlüssigen Verbindung, an jedem Ende mit einem zu vermessenden Körper, beispielsweise einer Welle, verbunden. Die Orientierung des langgestreckten Sensors relativ zu dem zu vermessenden Körper geschieht derart, daß Verschiebungen durch Dehnungen oder Torsionen die Befestigungspunkte der Zweipunkt-Verbindung zwischen Sensor und zu vermessendem Körper gegeneinander versetzen. Zur Darstellung des kapazitiven Sensors ist eine erste Elektrode mittels eines Befestigungselementes mit einem Meßobjekt verbunden. Ein Träger für zweite Elektroden ist mit diesem Befestigungselement ebenfalls starr verbunden. Der starre Träger ist somit nicht direkt mit dem Meßkörper verbunden. Die erste Elektrode ist in ihrem mittleren Bereich zwischen den Befestigungspunkten plan ausgebildet und liegt der auf dem Träger befindlichen zweiten Elektrode nicht parallel gegenüber.In principle, the sensor is elongated and partly plate-shaped. It is in its end areas by means of a two-point connection, i.e. a non-positive connection, connected at each end to a body to be measured, for example a shaft. The orientation of the elongated sensor relative to the body to be measured occurs in such a way that displacements due to expansion or torsion offset the fastening points of the two-point connection between the sensor and the body to be measured. To display the capacitive sensor, a first electrode is connected to a measurement object by means of a fastening element. A carrier for second electrodes is also rigidly connected to this fastening element. The rigid support is therefore not directly connected to the measuring body. The first electrode is flat in its central area between the fastening points and is not parallel to the second electrode located on the carrier.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Elektrode lediglich oberflächlich metallisch leitend ausgebildet. Die zweite Elektrode ist zweckmäßigerweise auf einem isolierenden Träger aufgebracht. Sämtliche Elektroden sind an ihrer wirksamen Oberfläche möglichst plan dargestellt. Vorteile eines derartigen kapazitiven Meßaufnehmers bestehen in einer hohen Ausgangskapazität bei kleinem Bauvolumen. Weiterhin liegt eine hohe Linearität vor ( 1/C ) . Eine Temperaturdrift des Nullpunktes ist sehr gering. Thermisch bedingte Wärmedehnungen sind minimal. Der Meßaufnehmer erfordert keine aufwendige Justierung bei der Montage (PräzisionsJustierung von Elektroden) . Weiterhin ist die Exemplarstreuung hinsichtlich des Übertragungsverhaltens gering, so daß keine Kalibrierung notwendig ist.In an advantageous embodiment, the first electrode is only metallically conductive on the surface. The second electrode is expediently applied to an insulating carrier. All electrodes are shown as flat as possible on their effective surface. The advantages of such a capacitive measuring sensor consist in a high output capacity with a small construction volume. There is also a high degree of linearity (1 / C). A temperature drift of the zero point is very low. Thermal expansion is minimal. The sensor does not require any complex adjustment during assembly (precision adjustment of electrodes). Furthermore, the specimen scatter is low with regard to the transmission behavior, so that no calibration is necessary.
Um eine hochgenaue Planarität zu erzielen, sind die die Elektroden darstellenden Teile des kapazitiven Sensors durch Dünnschichttechnik hergestellt.In order to achieve highly precise planarity, the parts of the capacitive sensor that represent the electrodes are produced by thin-film technology.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die erste Elektrode einfach ausgeführt ist und zwei zweite Elektroden auf dem Träger gegenüberliegend kapazitiv zusammenwirken.A further advantageous embodiment of the invention provides that the first electrode is simple and that two second electrodes cooperate capacitively on the carrier.
Zur Miniaturisierung und zur verbesserten Datenübertragung kann auf dem Träger eine integrierte Schaltung zur Kapazitätsmessung angebracht sein, die ein Ausgangssignal stellvertretend für die Kapazität bzw. deren Kehrwert ausgibt.For miniaturization and for improved data transmission, an integrated circuit for capacitance measurement can be attached to the carrier, which outputs an output signal representative of the capacitance or its reciprocal.
Zum Schutz vor aggressiven Umwelteinflüssen kann der Sensor vorzugsweise mit einem Gehäuse umschlossen sein.To protect against aggressive environmental influences, the sensor can preferably be enclosed in a housing.
Ist die Oberfläche der Elektroden plan ausgebildet und der gedachte Schnittpunkt der winkelig angestellten Elektroden bzw. der Elektrodenoberflächen gleich dem Drehpunkt für Winkelveränderungen, so gilt eine einfache mathematische Beziehung für Abstandsänderungen der Elektroden hinsichtlich einer Kapazitätsänderung.If the surface of the electrodes is flat and the imaginary intersection of the electrodes set at an angle or the electrode surfaces is equal to the pivot point for changes in angle, then a simple mathematical relationship applies to changes in the distance of the electrodes with respect to a change in capacitance.
Verschiebungen bzw. Wege, Torsionen, Dehnungen, Kräfte undDisplacements or paths, torsions, strains, forces and
Drehmomente lassen sich mit einem derartigen Meßaufnehmer zuverlässig messen. Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren weitere Ausführungsbeispiele beschrieben.Torques can be measured reliably with such a sensor. Further exemplary embodiments are described below with the aid of schematic figures.
Figur 1 zeigt einen kapazitiven Drehmomentensensor zur Torsionswinkelmessung mit einem Ersatzschaltbild für die Elekroden,FIG. 1 shows a capacitive torque sensor for torsion angle measurement with an equivalent circuit diagram for the electrodes,
Figur 2 zeigt eine weiter schematisierte Darstellung der geometrischen Verhältnisse am Sensor mit der Ableitung der Übertragungsfunktion des Sensors,FIG. 2 shows a further schematic representation of the geometric relationships on the sensor with the derivation of the transfer function of the sensor,
Figur 3 zeigt den Sensor im Längsschnitt mit Gehäuse, Figur 4 zeigt den Sensor auf einer Flexplatte, zur direkten Torsionswinkelerfassung,Figure 3 shows the sensor in longitudinal section with housing, Figure 4 shows the sensor on a flex plate, for direct torsion angle detection,
Figur 5 zeigt den auf einer Welle angebrachten Sensor, Figur 6 zeigt einen zur Kraft- bzw. Dehnungsmessung relativ zur Kraftrichtung angeordneten Sensor,FIG. 5 shows the sensor attached to a shaft, FIG. 6 shows a sensor arranged for force or strain measurement relative to the direction of force,
Figur 7 zeigt eine Ausgestaltung eines Sensors zur kapazitiven Torsionswinkelmessung,FIG. 7 shows an embodiment of a sensor for capacitive torsion angle measurement,
Figur 8 zeigt in Anlehnung an Füg. 7 eine Draufsicht auf einen Träger 16 ohne erste Elektrode 1,Figure 8 shows based on Füg. 7 shows a plan view of a carrier 16 without a first electrode 1,
Figur 9 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Sensors entsprechend der Erfindung.Figure 9 shows a further embodiment of a sensor according to the invention.
Um die isolierte Montage der Elektroden nach dem Stand der Technik zueinander zu umgehen, wird der den Sensor darstellende keilförmige Aufbau entsprechend der Erfindung aus einem isolierenden und einem metallisch leitenden Teil verifiziert. Der isolierende Träger 16, trägt zwei zweite in Dünnfilmtechnik aufgebrachte Elektroden 2, 3. Die Elektroden 2, 3 sind mit einem metallischen Teil des spitzwinkelig gegenüberliegenden Körpers der ersten Elektrode 1 kapazitiv gekoppelt. Dabei ist die in Figur 1 obenliegende erste Elektrode die Gegenelektrode zu den Elektroden 2,3. Eine Kapazität wird zwischen den Elektroden 2,3 gemessen. Randbereiche bzw. Befe- stigungselemente 4,5 außerhalb von Schwachstellen 10 können aus nichtleitenden Materialien bestehen. Ein direkter Kontakt zwischen gegenüberliegenden Elektroden, die winkelig gegen- einander angestellt sind, liegt nicht vor, so daß die spitzwinkelige Öffnung der Anordnung nach Figur 1 einen Mindestwinkel nicht unterschreitet. Darüber hinaus wird die Ausdehnung der Elektroden 2, 3 auf dem isolierenden Träger 16 in Richtung auf die starre gegenseitige Verbindung zwischen dem Träger 16 und der ersten Elektrode 1 ausreichend begrenzt.In order to avoid the insulated assembly of the electrodes according to the prior art to one another, the wedge-shaped structure representing the sensor is verified according to the invention from an insulating and a metallic conductive part. The insulating carrier 16 carries two second electrodes 2, 3 applied using thin-film technology. The electrodes 2, 3 are capacitively coupled to a metallic part of the body of the first electrode 1 which is opposite at an acute angle. The first electrode located at the top in FIG. 1 is the counter electrode to the electrodes 2, 3. A capacitance is measured between the electrodes 2, 3. Edge areas or fastening elements 4, 5 outside of weak points 10 can consist of non-conductive materials. Direct contact between opposing electrodes that are angled are not employed, so that the acute-angled opening of the arrangement of Figure 1 does not fall below a minimum angle. In addition, the expansion of the electrodes 2, 3 on the insulating carrier 16 in the direction of the rigid mutual connection between the carrier 16 and the first electrode 1 is sufficiently limited.
Figur 1 enthält eine Darstellung eines Ersatzschaltbildes mit Elektroden 1,2,3 , zwischen denen eine Kapazität C gemessen wird. Die in Figur 1 dargestellte Bewegungsrichtung 15, in diesem Fall von der ersten Elektrode 1, sorgt für eine Winkeländerung zwischen den Elektroden 1 und 2 bzw. 1 und 3, entsprechend der Bewegungsrichtung 15' . Die entsprechenden Kapazitäten sind in Reihe geschaltet. Weiterhin sind dargestellt: Torsionsrichtung 15, Befestigungselemente 4,5 , Schwachstellen 10 und Kapazität C. Nicht dargestellt sind Befestigungspunkte 6 für die Anzeige der Befestigungsposition am Meßobjekt.FIG. 1 contains a representation of an equivalent circuit diagram with electrodes 1, 2, 3, between which a capacitance C is measured. The direction of movement 15 shown in FIG. 1, in this case of the first electrode 1, ensures an angle change between the electrodes 1 and 2 or 1 and 3, corresponding to the direction of movement 15 '. The corresponding capacities are connected in series. Also shown are: torsion direction 15, fastening elements 4, 5, weak points 10 and capacitance C. Fastening points 6 for the display of the fastening position on the measurement object are not shown.
In Figur 2 wird anhand eines Höhe h (Auslenkung) /Weg x (Elektrodenlänge) -Diagrammes die Ubertragungsfunktion des kapazitiven Sensors abgeleitet. In dem Diagramm bedeutet die x- Richtung die Längserstreckung der Elektroden 1, 2, 3. Dabei sei angemerkt, daß die geometrische Auslegung des Sensors zweckmäßigerweise wie hier beschrieben vorgenommen wird, um zwischen den Befestigungspunkten 6 eine ausreichende Distanz zu erreichen. Die rechtwinkelig langgestreckte flächige Ausbildung der Elektroden 1,2, 3 ist zweckmäßig, könnte jedoch auch anders geformt sein. Im Diagramm der Figur 2 entspricht die Länge von wirksamen Elektrodenflächen dem Weg zwischen 1^ und l . Eine Höhe h(x) läßt sich darstellen durch h0±k-T bzw ho+Δh. Die Abhängigkeit des Drehmoments T von einer Kapazität C bzw. einer Kapazitätsänderung dC ist in den Formeln in Figur 2 dargestellt. Durch Auflösung nach dem Drehmoment T er- gibt sich die in Figur 2 unten dargestellte Formel bzw. die Übertragungsfunktion des kapazitiven Sensors für die Drehmomentenmessung. Dabei bedeuten die verwendeten Größen im ein- zelnen: k = Elastizitätskonstante, εg = Dielektrizitätskonstante, b = Breite der Elektrode, T = Drehmoment, C = Kapazität, l2-lι = Länge der Elektrode; wobei die Indizierung bei der Kapazität für den Ruhezustand mit 0 und für den Betriebs- zustand mit T vorgenommen wurde.In FIG. 2, the transfer function of the capacitive sensor is derived using a height h (deflection) / path x (electrode length) diagram. In the diagram, the x direction means the longitudinal extension of the electrodes 1, 2, 3. It should be noted that the geometric design of the sensor is expediently carried out as described here in order to achieve a sufficient distance between the fastening points 6. The rectangular, elongated flat design of the electrodes 1, 2, 3 is expedient, but could also be shaped differently. In the diagram in FIG. 2, the length of effective electrode areas corresponds to the path between 1 ^ and 1. A height h (x) can be represented by h 0 ± kT or ho + Δh. The dependence of the torque T on a capacity C or a capacity change dC is shown in the formulas in FIG. The formula T shown in FIG. 2 below or the transfer function of the capacitive sensor for the torque measurement results from the resolution according to the torque T. The sizes used mean individual: k = elastic constant, εg = dielectric constant, b = width of the electrode, T = torque, C = capacitance, l 2 -l ι = length of the electrode; the indexing of the capacity for the idle state was made with 0 and for the operating state with T.
In Figur 3 wird ein Sensor in der Draufsicht in Schnittdarstellung gezeigt. Es sind im einzelnen dargestellt: eine unten liegende einstückige erste Elektrode 1, die zumindest im mittleren Bereich elektrisch leitend ausgeführt ist. Die erste Elektrode weist zwei Befestigungspunkte 6 an Befestigungselementen 4,5 auf, die an gegenüberliegenden Enden der ersten Elektrode 1 ausgebildet sind. Kontakt zum zu vermessenden Körper besteht demnach lediglich in den Endbereichen der in Figur 3 unten liegenden ersten Elektrode 1. Diese ist insbesondere durch Schwachstellen 10 verformbar ausgeführt, so daß Relativbewegungen zwischen den beiden Befestigungspunkten 6 durch Kapazitätsänderungen des Elektrodensystems, bestehend aus der Elektrode 1 und den Elekroden 2, 3, detek- tierbar sind. Der Sensor steht in diesem Fall senkrecht auf der Oberfläche eines zu vermessenden Körpers. Die Oberfläche des zu vermessende Körpers liegt in Figur 3 beispielsweise in der Papierebene und der Sensor ist senkrecht darauf angebracht, so daß seine Erstreckung in der Breite senkrecht zur Papierebene und seine Längserstreckung von links nach rechts verläuft. Wird nun entsprechend der Bewegungsrichtung 15,15> aufgrund einer zu messenden Kraft bzw. eines Drehmoments eine Verschiebung an der Objektoberfläche bewirkt, so ist mit dem in Figur 3 dargestellten Sensor eine daraus resultierende Ka- pazitätsänderung detektierbar, da sich die Befestigungspunkte 6 relativ zueinander verschieben. Dies geschieht beispielsweise derart, daß der linke Befestigungspunkt 6 statisch ist und der rechte Befestigungspunkt 6 sich entsprechend der Bewegungsrichtung 5 verschiebt. Es resultiert demnach eine Ver- änderung der Kapazität des Elektrodensystems, indem die erste Elektrode 1, eine Winkeländerung relativ zu den Elektroden 2, 3 ausführt. Durch die Schwachstellen 10 ist eine Übertragung eines Drehmomentes von dem rechten Befestigungspunkt 6 am Befestigungselement 5 auf den mittleren Bereich der ersten Elektrode 1 ausgeschlossen. Die relativ kleinen Lageveränderungen bei auftretenden Kräften, Drehmomenten oder Dehnungen bewirken somit eine Winkelveränderung durch Bewegungen an den Schwachstellen 10 der in Figur 3 unten liegenden ersten Elektrode 1. Von denen in der Figur 3 dargestellten Befestigungspunkten 6 ist zumindest der linke Punkt, in dessen Bereich der starre Träger 16 angebracht ist, starr mit dem Messobjekt verbunden. Der zweite Befestigungspunkt 6 ist vorzugsweise ebenfalls starr mit dem Messobjekt verbunden. Der mittlere Teil der ersten Elektrode 1 sollte keinen Kontakt zum Messobjekt aufwiesen, um frei beweglich zu sein. Das Bezugszeichen 7 ist stellvertretend für ein Gehäuse, das teilweise flexibel den Sensor überdeckt und abschließt und auf der ersten Elektrode 1 aufgesetzt ist. Das Gehäuse 7 soll vor schädlichen Umwelteinflüssen schützen. Es muß zumindest staub- und feuchtigkeitsdicht sein.In Figure 3, a sensor is shown in plan view in a sectional view. The following are shown in detail: a one-piece first electrode 1 located at the bottom, which is designed to be electrically conductive at least in the central region. The first electrode has two fastening points 6 on fastening elements 4, 5, which are formed on opposite ends of the first electrode 1. Accordingly, contact to the body to be measured only exists in the end regions of the first electrode 1 located at the bottom in FIG Electrodes 2, 3 are detectable. In this case, the sensor is perpendicular to the surface of a body to be measured. The surface of the body to be measured lies, for example, in FIG. 3 in the paper plane and the sensor is mounted perpendicularly thereon, so that its width extends perpendicular to the paper plane and its longitudinal extension runs from left to right. If, according to the direction of movement 15, 15 >, a displacement is brought about on the object surface due to a force or a torque to be measured, a resulting change in capacitance can be detected with the sensor shown in FIG. 3, since the fastening points 6 shift relative to one another . This happens, for example, in such a way that the left attachment point 6 is static and the right attachment point 6 shifts in accordance with the direction of movement 5. Accordingly, there is a change in the capacitance of the electrode system in that the first electrode 1 changes the angle relative to the electrodes 2, 3. Due to the weak points 10 there is a transmission a torque from the right fastening point 6 on the fastening element 5 to the central region of the first electrode 1 is excluded. The relatively small changes in position with occurring forces, torques or strains thus cause an angle change due to movements at the weak points 10 of the first electrode 1 located at the bottom in FIG. 3. At least the left-hand point, shown in FIG rigid support 16 is attached, rigidly connected to the measurement object. The second attachment point 6 is preferably also rigidly connected to the measurement object. The middle part of the first electrode 1 should have no contact with the measurement object in order to be freely movable. The reference numeral 7 is representative of a housing that partially covers and closes the sensor flexibly and is placed on the first electrode 1. The housing 7 is intended to protect against harmful environmental influences. It must at least be dust and moisture proof.
Figur 4 zeigt eine der Figur 3 entsprechende Darstellung eines kapazitiven Sensors auf einer sog. Flexplatte 8, wie sie an einem Getriebe im Automobilbau Verwendung findet. Dargestellt werden wiederum die Befestigungspunkte 6, der ido- lierende Träger 16 die erste Elektrode 1 und die zweiten Elektroden 2,3. Die Richtung des Drehmomentes T ist durch einen Pfeil angedeutet. Somit können Drehmomente bzw Dehnungen am Abtrieb eines Getriebes gemessen werden.FIG. 4 shows a representation corresponding to FIG. 3 of a capacitive sensor on a so-called flex plate 8, as is used on a transmission in automobile construction. The fastening points 6, the idling carrier 16, the first electrode 1 and the second electrodes 2, 3 are again shown. The direction of the torque T is indicated by an arrow. Torques or strains on the output of a gear unit can thus be measured.
In Figur 5 ist der Einsatzfall eines kapazitiven Sensors ent- sprechend der Erfindung auf einer Welle 9 dargestellt, wobei ein Drehmoment T zu messen ist. Das Drehmoment T bewirkt wiederum in Torsionsrichtung 15 auftretende Dehnungen, die in dem Bereich zwischen den beiden Befestigungspunkten 6 durch entsprechende Verschiebung dieser Befestigungspunkte 6 gegen- einander detektierbar sind. Die Funktionsweise besteht gleichbleibend darin, daß der Kontakt des Sensors zur Welle 9 lediglich in den Endbereichen der ersten Elektrode 1 in der Umgebung der Befestigungspunkte 6 vorhanden ist. Der starre Träger 16 ist gleichzeitig im unteren Bereich mit der ersten Elektrode 1 bzw. mit dem Befestigungselement 4 starr verbunden. Auf diese Art und Weise sind mittels eines kapazitiven Sensors Drehmomente auf einer Welle durch direkte Torsionswinkelerfassung meßbar und quantifizierbar.5 shows the use of a capacitive sensor according to the invention on a shaft 9, with a torque T being measured. The torque T in turn causes strains occurring in the torsion direction 15, which can be detected in the area between the two fastening points 6 by corresponding displacement of these fastening points 6 relative to one another. The mode of operation is constant in that the contact of the sensor to the shaft 9 only in the end regions of the first electrode 1 in the Surrounding the attachment points 6 is present. The rigid support 16 is simultaneously rigidly connected to the first electrode 1 or to the fastening element 4 in the lower region. In this way, using a capacitive sensor, torques on a shaft can be measured and quantified by direct detection of the torsion angle.
Figur 6 zeigt einen kapazitiven Sensor zur Detektion eines Weges durch Winkelmessung bzw. -Veränderung. Der Aufbau ent- spricht der bisherigen Beschreibung, wobei der Sensor mit seiner Längserstreckung, in diesem Fall unter 45°, zur Kraftrichtung ausgerichtet ist. Dies geschieht aufgrund des Zusammenhanges, daß unter 45° die größten meßbaren relativen Verschiebungen zwischen den Befestigungspunkten 6 auftreten. Die in sämtlichen Figuren dargestellte angewinkelte Ausführung der ersten Elektrode 1 mit deren mittleren Teil stellt vom Betrag her weder einen Betriebs- noch einen Ruhezustand dar. Wesentlich ist die ständig vorhandene keilförmige bzw. spitzwinkelig ausgerichtete gegenseitige Orientierung der gegenüberliegenden Elektroden 1, 2, 3. Kräftedehnungen oder Drehmomente lassen sich entsprechend der Bewegungsrichtung 15 in jeder Richtung messen, soweit die Befestigungspunkte 6 nicht zu nahe zueinander positioniert werden.FIG. 6 shows a capacitive sensor for the detection of a path by measuring or changing the angle. The structure corresponds to the description so far, the sensor being oriented with its longitudinal extent, in this case at 45 °, to the direction of force. This is due to the connection that the largest measurable relative displacements between the fastening points 6 occur at 45 °. The angled version of the first electrode 1 with its central part shown in all the figures does not amount to an operating or an idle state. What is essential is the constant wedge-shaped or acute-angle mutual orientation of the opposing electrodes 1, 2, 3 or torques can be measured in any direction according to the direction of movement 15, provided that the fastening points 6 are not positioned too close to one another.
In der in Figur 4 dargestellten Anordnung wird durch das Drehmoment T eine Vergrößerung des Winkels am kapazitiven Sensor erfolgen. In der Betrachtung des geschnittenen Sensors in Figur 3 wird eine Bewegungsrichtung 15 des rechten Befestigungspunktes 6 am Befestigungselement 5 nach unten eben- falls eine Vergrößerung des Winkels im Sensor zur Folge haben. Wird der rechte Befestigungspunkt 6 in Figur 3 ausgehend vom Ruhezustand im Betriebszustand nach oben versetzt, so bedeutet dies eine Verkleinerung des Öffnungswinkels des Sensors. Für eine optimale Messung darf der Winkel am Sensor vorbestimmte Maximalwerte nicht übersteigen. Eine Höhendifferenz Δh am Sensor entsprechend Figur 2 liegt beispielsweise bei 20 um. Figur 7 zeigt eine Schnittdarstellung eines kapazitiven Meßaufnehmers entsprechend der vorliegenden Erfindung. Die erste Elektrode 1 ist an den Befestigungselementen 4 und 5 entspre- chend der Befestigungspunkte 6 an einem Meßobjekt derart positioniert, daß optimale oder gewünschte Verschiebungen zwischen den Befestigungspunkten 6 bei mechanischer Belastung des Meßobjektes bewirkt werden. Die einstückig ausgefühte erste Elektrode 1 beinhaltet die Befestigungselemente 4,5, wo- bei Schwachstellen 10 zwischengeschaltet sind. Auf dem isolierenden Träger 16, der starr mit dem Befestigungselement 4 verbunden ist, aber keinerlei Kontakt mit dem Meßobjekt aufweist, ist eine Auswerteelektronik 13 (Chip) zusätzlich zu den zweiten Elektroden 2,3 aufgebracht. Ein Ausgangssignal 14 wird über eine entsprechende Leitung abgeführt. Nachdem die Öffnung der spitzwinklig gegeneinander angestellten Elektroden 1 und 2,3 sehr gering ist, ist die erste Elektrode 1 derart ausgeformt, daß ein Ausgangssignal mittels einer Leitung abgreifbar ist. Die Auswertelelektronik 13 ist in einer Ver- tiefung des Trägers 16 zusammen mit den zweiten ElektrodenIn the arrangement shown in FIG. 4, the torque T increases the angle at the capacitive sensor. When looking at the cut sensor in FIG. 3, a direction of movement 15 of the right fastening point 6 on the fastening element 5 downward will also result in an increase in the angle in the sensor. If the right attachment point 6 in FIG. 3 is moved upwards from the idle state in the operating state, this means a reduction in the opening angle of the sensor. For an optimal measurement, the angle at the sensor must not exceed predetermined maximum values. A height difference Δh at the sensor according to FIG. 2 is 20 μm, for example. FIG. 7 shows a sectional illustration of a capacitive sensor according to the present invention. The first electrode 1 is positioned on the fastening elements 4 and 5 corresponding to the fastening points 6 on a measurement object in such a way that optimal or desired displacements between the fastening points 6 are brought about when the measurement object is subjected to mechanical stress. The one-piece first electrode 1 contains the fastening elements 4, 5, weak points 10 being interposed. On the insulating carrier 16, which is rigidly connected to the fastening element 4, but has no contact with the measurement object, an evaluation electronics 13 (chip) is applied in addition to the second electrodes 2, 3. An output signal 14 is discharged via a corresponding line. After the opening of the electrodes 1 and 2, 3 positioned at an acute angle to one another is very small, the first electrode 1 is shaped in such a way that an output signal can be tapped off by means of a line. The evaluation electronics 13 are in a recess in the carrier 16 together with the second electrodes
2,3 auf einer Schicht aus Klebstoff 11 mit darauf aufgebrachtem hochohmigen Silizium dargestellt.2,3 shown on a layer of adhesive 11 with high-resistance silicon applied thereon.
Figur 8 zeigt den Träger 16 in der Draufsicht ohne die erste Elektrode 1. Dargestellt sind die zweiten Elektroden 2,3, die mit der ersten Elektrode 1 kapazitif zusammenwirken. Die Kapazität wird abgegriffen von den zweiten Elektroden 2,3 und in einer Auswerteelektronik 13 entsprechend verarbeitet. In Figur 8 ist erkennbar, daß sich die einzelnen Elemente auf dem Träger 16 auf der durchgehenden Schicht von Silizium 12 befinden,FIG. 8 shows a top view of the carrier 16 without the first electrode 1. The second electrodes 2, 3 are shown, which cooperate capacitively with the first electrode 1. The capacitance is tapped by the second electrodes 2, 3 and processed accordingly in an electronic evaluation unit 13. It can be seen in FIG. 8 that the individual elements on the carrier 16 are located on the continuous layer of silicon 12,
Figur 9 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ähnlich der Figur 7. In Figur 9 ist im Gegensatz zur Figur 7 der isolierende Träger 16 mit Befestigungselementen 4,5 versehen. Die erste Elektrode 1 ist, genauso wie bisher beschrieben, im Endbereich mit dem Befestigungselement 4 verbunden. Die erste Elektrode 1 weist eine dauerhafte Anwinkelung auf um einen Kontakt zwischen den Elektroden 1,2,3 zu vermeiden und einen Winkel im Ruhezustand darzustellen. Die Elektroden sind hier ebenfalls metallisch ausgeführt und entsprechend gegenüber dem Messobjekt, bzw. gegenüber den Befestigungspunkten 6 elektrisch isoliert. Die erste Elektrode 1 hat in diesem Fall keinen Kontakt zum Messobjekt und der mittlere Bereich des isolierenden Trägers 16 ist frei beweglich ausgestaltet.Figure 9 shows a further embodiment of the invention similar to Figure 7. In Figure 9, in contrast to Figure 7, the insulating support 16 is provided with fasteners 4,5. The first electrode 1 is, just as previously described, connected to the fastening element 4 in the end region. The first Electrode 1 is permanently angled to avoid contact between electrodes 1, 2, 3 and to represent an angle in the idle state. The electrodes are likewise made of metal here and are accordingly electrically insulated from the measurement object or from the fastening points 6. In this case, the first electrode 1 has no contact with the measurement object and the central region of the insulating carrier 16 is designed to be freely movable.
Wie erwähnt müssen Sensoren mit diesem Prinzip nicht kalibriert werden. Ein Grund hierfür sind auch die im Vergleich zu anderen kapazitiven Prinzipien äußerst geringen Streukapazitäten sowie ebenfalls geringe Kapazitäten zweiter Ordnung. Die an sich schon sehr geringe Temperaturabhängigkeit von ka- pazitiven Sensoren wird durch den Übergang von einer Abstandsänderung auf eine Winkeländerung noch weiter verbessert.As mentioned, sensors with this principle do not have to be calibrated. One reason for this is the extremely low stray capacitance compared to other capacitive principles, as well as low second-order capacitance. The very low temperature dependency of capacitive sensors is further improved by the transition from a change in distance to a change in angle.
Besondere Vorteile liegen darin, daß anstelle der Änderung des Abstandes oder der überlappenden Fläche eines Plattenkon- densators mit parallelen Elektroden bei der Erfindung Änderungen des Winkels eines Sensors mit spitzwinkelig zueioander angeordneten Kondensatorelektroden vorgenommen bzw. ausgewertet werden. Ein wesentlicher Vorteil ist durch die Verwendung eines Trägers 16 und einer ersten Elektrode 1 in Verbindung mit einem unmittelbar nebeneinander plazierten integrierten Schaltkreises für die Messung der Kapazität zu sehen. Hierdurch kann ein Mikrosystem realisiert werden. Particular advantages lie in the fact that instead of changing the distance or the overlapping area of a plate capacitor with parallel electrodes, changes in the angle of a sensor with capacitor electrodes arranged at an acute angle to one another are carried out or evaluated in the invention. An essential advantage can be seen through the use of a carrier 16 and a first electrode 1 in connection with an integrated circuit placed directly next to one another for the measurement of the capacitance. In this way, a microsystem can be implemented.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kapazitiver Meßaufnehmer bestehend aus mindestens zwei korrespondierenden flächig ausgebildeten Kondensatorelektro- den, die in einem spitzen Winkel gegeneinander angestellt sind und bei denen ein zu messender Weg in eine entsprechende Winkeländerung mit einer entsprechend auswertbaren Kapazitätsänderung umsetzbar ist.1. Capacitive measuring sensor consisting of at least two corresponding flat capacitor electrodes which are positioned at an acute angle to one another and in which a path to be measured can be converted into a corresponding change in angle with a correspondingly evaluable change in capacitance.
2. Kapazitiver Meßaufnehmer nach Anspruch 1, wobei2. Capacitive sensor according to claim 1, wherein
-eine erste Elektrode (1) an gegenüberliegenden Enden einstückig mit jeweils einem Befestigungselement (4,5) ausgebildet ist,a first electrode (1) is formed in one piece at opposite ends, each with a fastening element (4, 5),
-die Befestigungselemente (4,5) mit Punkten an einem Meßobjekt starr verbunden sind, deren relative Positionsveränderung zu messen ist,the fastening elements (4, 5) are rigidly connected to points on a measurement object, the relative change in position of which is to be measured,
-die zur ersten Elektrode (1) korrespondierende zweite Elektrode (2,3) isoliert auf einem Träger (16) dargestellt ist, der starr mit einem Befestigungselement verbunden ist, -die Lage der ersten Elektrode (1) durch Relativbewegungen zwischen den Befestigungspunkten (6) veränderbar ist, wodurch eine Winkelveränderung zwischen den korrespondierenden Elektroden resultiert.the second electrode (2, 3) corresponding to the first electrode (1) is shown insulated on a carrier (16) which is rigidly connected to a fastening element, - the position of the first electrode (1) by relative movements between the fastening points (6 ) is changeable, resulting in a change in angle between the corresponding electrodes.
3. Meßaufnehmer nach Anspruch 2, wobei zwischen der ersten Elektrode (1) und den Befestigungselementen (4,5) Gelenke oder Schwachstellen (10) vorhanden sind.3. Sensor according to claim 2, wherein joints or weak points (10) are present between the first electrode (1) and the fastening elements (4, 5).
4. Meßaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo- bei die winkelig angestellten Elektroden ebene Oberflächen aufweisen und deren gedachter Schnittpunkt den Drehpunkt für eine Wikelveränderung zwischen den Elektroden darstellt , so daß folgende Beziehung gilt:4. Sensor according to one of the preceding claims, wherein the angular electrodes have flat surfaces and their imaginary intersection represents the fulcrum for a change of wikens between the electrodes, so that the following relationship applies:
C = ε0bl2/ (ho+Δh) • In l2/lα mit li, 12 als Anfangs- und Endpunkt der Elektroden vom Drehpunkt aus, b der Breite, ε0 der Dielektrizitäts-konstanten, h0 der Ausgangsöffnung und Δh der Wegänderung.C = ε 0 bl 2 / (ho + Δh) • In l 2 / lα with li, 1 2 as the start and end point of the electrodes from the pivot point, b the width, ε 0 the dielectric constant, h 0 the exit opening and Δh the path change.
5. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erste Elektrode (1) in Form einer metallisch leitenden Schicht auf einem isolierenden Träger (16) ausgebildet ist.5. Sensor according to one of claims 2 to 4, wherein the first electrode (1) is designed in the form of a metallically conductive layer on an insulating carrier (16).
6. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Elektroden in Form von Dünnschichten ausgebildet sind.6. Sensor according to one of claims 2 to 5, wherein the electrodes are designed in the form of thin layers.
7. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei zwei zweite Elektroden (2, 3) vorhanden sind, die kapazitiv über eine erste Elektrode (1) verbunden sind.7. Sensor according to one of claims 2 to 6, wherein two second electrodes (2, 3) are present, which are capacitively connected via a first electrode (1).
8.Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Träger (16) zusätzlich eine integrierte Schaltung (IC) zur Meßwerterfassung aufweist.8.Measuring transducer according to one of claims 2 to 7, wherein the carrier (16) additionally has an integrated circuit (IC) for data acquisition.
9. Meßaufnehmer nach Anspruch 8, wobei isolierte Elektroden und Auswerteelektronik in einem einzigen IC realisiert sind.9. Sensor according to claim 8, wherein insulated electrodes and evaluation electronics are realized in a single IC.
10.Meßaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Meßaufnehmer von einem Gehäuse (7) umschlossen ist, welches staub- und feuchtigkeitsdicht ist.10.Messaufnehmer according to any one of the preceding claims, wherein the sensor is enclosed by a housing (7) which is dust and moisture proof.
11. Meßaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Befestigungselement relativ zum zu messenden Weg ortsfest ist und auf das andere Befestigungselement eine Ver- Schiebung wirkt, die dem zu messenden Weg entspricht.11. Sensor according to one of the preceding claims, wherein a fastening element is stationary relative to the path to be measured and a displacement acts on the other fastening element which corresponds to the path to be measured.
12. Meßaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Befestigungselemente (4,5) auf der Oberfläche eines Meßobjektes aufgebracht sind.12. Sensor according to one of the preceding claims, wherein the fastening elements (4,5) are applied to the surface of a measurement object.
13. Meßaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Befestigungselemente (4,5) in den Endbereichen des trägers (16) angebracht sind und die erste Elektrode (1) mit einem Befestigungselement starr verbunden ist.13. Sensor according to one of the preceding claims, wherein the fastening elements (4,5) in the end regions of the Carrier (16) are attached and the first electrode (1) is rigidly connected to a fastening element.
14. Meßaufnehmer nach Anspruch 13, wobei die erste Elektrode (1) zwischen Befestigung und freiem. Ende einen Winkel aufweist, um im Ruhezustand einen spitzen Winkel innerhalb des Meßaufnehmers darzustellen.14. Sensor according to claim 13, wherein the first electrode (1) between attachment and free. End has an angle to represent an acute angle within the sensor in the idle state.
15. Verfahren zur Verwendung eines Meßaufnehmers nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei Winkeländerungen zwischen Kondensatorelektroden eine Kapazitätsänderung ergeben, die in eine Wegänderung umgerechnet wird, die wiederum in Kombination mit Material- und Geometriekenngrößen eines Meßobjektes in Kräfte, Drehmomente oder Dehnungen umgerechnet wird.15. A method for using a sensor according to one of claims 1 to 14, wherein changes in angle between capacitor electrodes result in a change in capacitance, which is converted into a change in path, which in turn is converted into forces, torques or strains in combination with material and geometry parameters of a test object.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Positionierung des Meßaufnehmers mittels dessen Befestigungselemente relativ zum zu messenden Weg entsprechend der Meßaufgabe vorgegeben wird. 16. The method according to claim 15, wherein the positioning of the sensor is predetermined by means of its fastening elements relative to the path to be measured according to the measurement task.
EP99960864A 1998-11-06 1999-11-05 Capacitive measuring sensor and method for operating same Withdrawn EP1127253A1 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19851314 1998-11-06
DE19851314 1998-11-06
PCT/DE1999/003551 WO2000028293A1 (en) 1998-11-06 1999-11-05 Capacitive measuring sensor and method for operating same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1127253A1 true EP1127253A1 (en) 2001-08-29

Family

ID=7886978

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP99960864A Withdrawn EP1127253A1 (en) 1998-11-06 1999-11-05 Capacitive measuring sensor and method for operating same

Country Status (3)

Country Link
US (1) US6633172B1 (en)
EP (1) EP1127253A1 (en)
WO (1) WO2000028293A1 (en)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6828800B2 (en) * 2000-12-14 2004-12-07 Yeda Research And Development Co. Ltd. Single-molecule detector
WO2002079740A1 (en) * 2001-03-30 2002-10-10 Siemens Aktiengesellschaft Capacitive microsystem for recording mechanical deformations, use and operating method
DE60239403D1 (en) * 2001-07-17 2011-04-21 Smc Kk ELECTROMECHANIC MICROSENSOR
US7492167B2 (en) * 2003-11-05 2009-02-17 Yeda Research And Development Co. Ltd. Method and device for monitoring and controlling fluid locomotion
US7382137B2 (en) * 2005-05-27 2008-06-03 Canon Kabushiki Kaisha Potential measuring apparatus
US8241927B2 (en) * 2009-10-14 2012-08-14 Global Foundries, Inc. Methods relating to capacitive monitoring of layer characteristics during back end-of the-line processing
US10175188B2 (en) 2013-03-15 2019-01-08 Robert Bosch Gmbh Trench based capacitive humidity sensor
WO2015181763A2 (en) * 2014-05-30 2015-12-03 Nanolever S.R.L. Force gauge
CN114910827B (en) * 2022-05-13 2023-04-14 滁州市技术监督检测中心 Device for detecting influence of locking on capacitance of variable capacitor

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5742829A (en) 1980-08-28 1982-03-10 Yokogawa Hokushin Electric Corp Pressure transducer
US4558600A (en) 1982-03-18 1985-12-17 Setra Systems, Inc. Force transducer
CH642461A5 (en) 1981-07-02 1984-04-13 Centre Electron Horloger ACCELEROMETER.
DE4215258C2 (en) 1992-05-09 1998-11-12 Daniel Prof Dipl Phys Bender sensor
JP3106389B2 (en) 1995-08-18 2000-11-06 株式会社村田製作所 Variable capacitance capacitor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO0028293A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2000028293A1 (en) 2000-05-18
US6633172B1 (en) 2003-10-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69521890T2 (en) STABILIZED PRESSURE SENSOR
EP0190270B1 (en) Transducer for the electrical measurement of forces, torques, accelerations, pressures and mechanical stresses
WO1996005491A1 (en) Force or extension sensor
EP0618450A1 (en) Acceleration sensor
CH673897A5 (en)
EP0950876B1 (en) Capacitive angle sensor
DE102011076008B4 (en) Force transducer, in particular load cell
EP0447810B1 (en) Measuring device for filling level or other mechanical properties of electrically conductive liquid
EP1127253A1 (en) Capacitive measuring sensor and method for operating same
EP0454901A1 (en) Force sensor
WO2011015302A1 (en) Arrangement and method for capacitive pressure measurement
EP1332374B1 (en) Method and device for electrical zero balancing for a micromechanical component
EP3063518B1 (en) Capacitive sensor element having an integrated measuring capacitance and reference capacitance
EP1373847A1 (en) Capacitive microsystem for recording mechanical deformations, use and operating method
DE10006534B4 (en) Method and sensor element for deformation measurement
DE19740049A1 (en) Sensor for determining rotation angle
DE19752439C2 (en) Micromechanical tilt sensor, in particular for motor vehicles
DE3923042C2 (en)
DE10036495C2 (en) Force measuring device in the form of a bending beam sensor
DE102010039236A1 (en) Sensor arrangement and method for adjusting a sensor arrangement
EP0191899B1 (en) Sensor for measuring electrical properties in an electric field
AT523342B1 (en) sensor
DE102007054027B4 (en) Device and method for capacitive force measurement
DE4215258C2 (en) sensor
DE102020211308A1 (en) Sensor system, method for generating a test signal for a sensor of a sensor system

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20010111

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE

17Q First examination report despatched

Effective date: 20071016

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20080429