Kapazitive Sensoreinrichtung
Die Erfindung betrifft eine kapazitive Sensoreinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 102 48 761 Al ist ein gattungsgemäßer kapazitiver Sensor bekannt, der als flächiger, folienartiger Sensor ausgebildet ist. Auf einem Basiselement sind Flachleiterbahnen angeordnet, wobei die spe- zielle Struktur der Flachleiterbahnen auf der Folie j eweils ein kapaziti¬ ves Aufnehmerelement bildet. Diese Aufnehmerelemente können Ände¬ rungen der Kapazität in der Umgebung detektieren, wobei diese Mess¬ signale des Aufnehmerelements anschließend in ihrer Auswerteelektronik auswertbar sind.
Bei dem in der DE 102 48 761 Al beschriebenen kapazitiven Sensor reagiert das Aufnehmerelement auf Änderungen der Kapazität im umge¬ benden Dielektrikum, das von Luft gebildet wird. Bei Annäherung eines Gegenstandes oder eines Körperteils ändert sich die Kapazität in der Umgebungsluft, was durch das Aufnehmerelement detektiert und von der Auswerteelektronik ausgewertet wird.
Nachteilig an diesem bekannten kapazitiven Sensor ist es, dass die mit dem Aufnehmerelement messbaren Änderungen im umgebenden Di¬ elektrikum sehr stark von dem sich annähernden Gegenstand abhängen. Aus diesem Grund muss eine sehr aufwendige Auswerteelektronik vorgesehen werden, um zuverlässige Auswerteergebnisse zu erhalten.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue kapazitive Sensoreinrichtung vorzu¬ schlagen, die die Nachteile des bekannten Stands der Technik vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinrichtung nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung beruht auf dem Grundgedan¬ ken, dass auf dem das Aufnehmerelement tragenden Basiselement zugleich auch ein Kapazitätselement vorgesehen ist, das zusammen mit dem Aufnehmerelement einen Kondensator bildet. Dieses Kapazitätsele¬ ment wird dann j e nach Anwendungsfall geeignet platziert, so dass sich der durch die Sensoreinrichtung zu überwachende Prozess, beispielswei¬ se eine Stellbewegung, auf das Kapazitätselement oder Aufnehmerele- ment überträgt und eine Relativbewegungen zwischen dem Kapazitäts¬ element und dem Aufnehmerelement verursacht. Da das Kapazitätsele¬ ment definierte kapazitive Eigenschaften aufweist, können die Relativ¬ bewegungen zwischen dem Kapazitätselement und dem Aufnehmerele¬ ment mit der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung sehr viel genauer und zuverlässiger detektiert werden.
In welcher relativen Zuordnung zueinander Aufnehmerelement und Kapazitätselement positioniert sind, ist grundsätzlich beliebig. Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das beispielsweise flächige Basiselement zumindest eine Umformzone auf, so dass Aufnehmerele- ment und Kapazitätselement einander gegenüberliegen und auf diese Weise der Gestalt eines Plattenkondensators angenähert sind. Die Um¬ formung des Basiselements kann insbesondere in der Art einer Biegefalte ausgebildet sein, wobei sich bei Wahl eines ausreichend elastischen Materials zur Herstellung des Basiselements eine elastische Rückfede- rung des Basiselements in der Biegefalte ergibt. Soweit die Rückfede-
rung des Werkstoffs des Basiselements in der Biegefalte bzw. in der Umformzone nicht ausreicht, können auch zusätzliche Federelemente zwischen Aufnehmerelement und Kapazitätselement vorgesehen sein, beispielsweise Schaumstoffeinlagen, um das Kapazitätselement in seine Ausgangsposition zurückzustellen.
Aus welchem Material das Basiselement hergestellt ist, ist grundsätzlich ohne Belang. Besonders geeignet dazu sind sogenannte Trägerfolien, die zugleich eine ausreichende elektrische Isolation der Flachleiter gewähr¬ leisten.
Um gut aufgelöste Sensorsignale zu erhalten, ist es besonders vorteil¬ haft, wenn das Kapazitätselement eine im Wesentlichen flächige Gestalt aufweist. Die vom Kapazitätselement bedeckte Fläche sollte dabei vorzugsweise im Wesentlichen genauso groß sein wie die vom Auf¬ nehmerelement bedeckte Fläche.
Die Kapazitätselemente können entsprechend dem Aufnehmerelement ebenfalls in der Art von bestimmten Abschnitten eines Flachleiters, insbesondere sogenannten Masseflächen eines Flachleiters, ausgebildet sein.
Zur Bildung der Flachleiter auf dem Basiselement sind insbesondere Kupferschichten geeignet, die beispielsweise auf das Basiselement auflaminiert werden und zur Bildung der gewünschten Flachleiterstruktur fotolithographisch strukturiert und anschließend geätzt werden.
Um Störungen durch Kapazitätsänderungen am Kapazitätselement weit¬ gehend ausschließen zu können, sollte das Kapazitätselement elektrisch leitend mit einem Massepotential verbunden sein.
Um unerwünschte Kurzschlüsse zwischen den verschiedenen Leiterele¬ menten auszuschließen, kann auf der das Aufnehmerelement bzw. das Kapazitätselement tragenden Seite des Basiselements eine Isolations¬ schicht, insbesondere eine Isolatorfolie, vorgesehen sein. Derartige
Isolatorfolien können beispielsweise nach dem Strukturieren der Flach- leiterbahnen auflaminiert werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung sind am Basiselement zwei Kapazitätselemente vorgesehen. Das Basiselement ist dabei zwischen den beiden Kapazitätselementen und dem Aufnehmerele¬ ment geeignet umgeformt, so dass das Basiselement eine Z-förmige oder S-förmige Gestalt einnimmt und die beiden Kapazitätselemente dem Aufnehmerelement auf beiden Seiten gegenüberliegen. Im Ergebnis wird damit eine Art Doppelplattenkondensator gebildet, so dass das Aufneh- merelement nach beiden Seiten hin kapazitiv abgeschirmt wird. Außer¬ dem werden Lageungenauigkeiten des Aufnehmerelements relativ zu einem der Kapazitätselemente im Messergebnis weitgehend ausgegli¬ chen, da ein zusätzlicher Abstand des Aufnehmerelements zu dem einen Kapazitätselement durch eine entsprechende Annäherung des Aufneh- merelements zum gegenüberliegenden Kapazitätselement ausgeglichen wird.
Statt einer Z-förmigen oder S-förmigen Gestalt der Sensoreinrichtung ist es auch denkbar, mehrere Aufnehmerelemente und Kapazitätselemente mäanderförmig auf dem Basiselement anzuordnen. Dadurch lässt sich das Messsignal der Sensoreinrichtung verstärken, was insbesondere bei relativ kleinen Stellbewegungen zwischen den Aufnehmerelementen und Kapazitätselementen bzw. bei relativ starken Störsignalen von Vorteil ist.
Um Potentialunterschiede zu vermeiden, sollten die beiden Kapazitäts- elemente elektrisch leitend miteinander verbunden werden.
Besonders einfach und kostengünstig kann die erfindungsgemäße Sensor¬ einrichtung unter Verwendung einer FPC-Folie hergestellt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist auch die Auswerteeinheit, insbesondere eine Auswerteelektronik, auf dem verformbaren Basisele-
ment angeordnet. Dadurch wird es möglich, die Auswerteeinheit in sehr kurzen Abstand zum Aufnehmerelement zu platzieren, so das zur Kontak- tierung zwischen Auswerteeinheit und Aufnehmerelement nur sehr kurze Verbindungsleitungen notwendig sind. Die von den Verbindungsleitun- gen verursachten Störkapazitäten, durch die das Messsignal verfälscht wird, sind somit sehr klein und weisen aufgrund der definierten Geomet¬ rie der Verbindungsleitungen zudem einen weitgehend vorbestimmbaren Wert auf.
Auf welchem Anwendungsgebiet die erfindungsgemäße Sensoreinrich- tung eingesetzt wird, ist grundsätzlich beliebig. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensoreinrichtung in einer Vertiefung oder Ausnehmung eines elastisch verformbaren Grundkörpers, insbesondere der Schaumpolsterung eines Fahrzeugsitzes, angeordnet. Bei Verformung des elastischen Grundkörpers wird dementsprechend auch das Basisele- ment verformt, so dass das Kapazitätselement an das Aufnehmerelement angenähert bzw. auseinanderbewegt wird. Durch Auswertung der dabei resultierenden Kapazitätsänderungen kann beispielsweise in einfacher Weise ein Sitzbelegungssensor oder ein Gewichtssensor am Fahrzeugsitz realisiert werden, da die Stauchung des verformbaren Grundkörpers und die dadurch verursachte Relativbewegung zwischen Aufnehmerelement und Kapazitätselement proportional zur einwirkenden Gewichtskraft ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die Abwicklung einer Sensoreinrichtung in Ansicht von oben;
Fig. 2 die Sensoreinrichtung gemäß Fig. 1 im Querschnitt ent¬ lang der Schnittlinie I-I;
Fig. 3 die Sensoreinrichtung gemäß Fig. 1 bei Anordnung in ei¬ nem unbelasteten Fahrzeugsitz im Querschnitt;
Fig. 4 den Fahrzeugsitz gemäß Fig. 3 bei Belastung.
In Fig. 1 ist die Abwicklung einer Sensoreinrichtung 01 schematisch dargestellt. An der Sensoreinrichtung 01 ist ein kapazitives Aufnehmer¬ element 02 vorgesehen, das über einen Anschluss 03 mit einer Auswerte¬ einheit elektrisch leitend kontaktiert wird. Weiter sind an der Sensorein¬ richtung 01 zwei Kapazitätselemente 04 und 05 vorgesehen, die über eine Verbindungsleitung 06 elektrisch leitend miteinander verbunden sind und über einen Anschluss 07 mit dem Masseleiter in einem Fahrzeug kontaktiert werden.
Beim Einbau der Sensoreinrichtung 01 werden die beiden Kapazitätsele¬ mente 04 und 05 relativ zum Aufnehmerelement 02 entlang der beiden Umformzonen 08 und 09 unter Bildung einer Biegefalte umgelegt, so dass die Kapazitätselemente 04 und 05 dem Aufnehmerelement 02 jeweils flächig gegenüberliegen. Die S-förmige Gestalt der Sensorein¬ richtung 01 (siehe Fig. 3) ergibt dabei die Funktion eines Doppelplatten¬ kondensators.
Fig. 2 zeigt die Sensoreinrichtung 01 im Querschnitt entlang der Schnitt- linie I-I. Auf einer als Basiselement 10 dienenden Trägerfolie aus elekt¬ risch isolierendem Material, beispielsweise einer Kunststofffolie, werden durch Auflaminieren einer Kupferschicht 11 und deren anschließende fotolithographische Ätzung Flachleiterelemente I I a und I Ib gebildet, die das Aufnehmerelement 02, die Kapazitätselemente 04 und 05, die Verbindungsleitung 06 und die Anschlüsse 03 und 07 bilden. Nach der Strukturierung der Kupferschicht 11 zur Bildung der verschiedenen Flachleiterelemente I I a und I Ib wird die Oberseite mit einer Isolatorfo¬ lie 12 abgedeckt.
In Fig. 3 ist die Anordnung der Sensoreinrichtung O l in einer Ausneh¬ mung 13 eines Schaumkörpers 14 schematisch dargestellt. Der Schaum¬ körper 14 kann dabei beispielsweise Teil der Polsterung eines Fahrzeug¬ sitzes sein. Durch die Umformung der Sensoreinrichtung O l in den Umformzonen 08 und 09 ergibt sich eine S-Form oder Z-Form, bei der das Aufnehmerelement 02 zwischen den beiden Kapazitätselementen 04 und 05 liegt. Das Aufnehmerelement 02 und die ans Massepotential des Fahrzeugs angeschlossenen Kapazitätselemente 04 und 05 bilden auf diese Weise einen Doppelplattenkondensator.
Wird der Schaumkörper 14, wie in Fig. 4 angedeutet, von oben belastet, beispielsweise weil sich eine Person auf den Fahrzeugsitz setzt, wird der Schaumkörper 14 komprimiert und dadurch auch die Sensoreinrichtung 01 zusammengedrückt. Dadurch werden die beiden Kapazitätselemente 04 und 05 an das Aufnehmerelement 02 angenähert. Die durch die Annä- herung der Kapazitätselemente 04 und 05 resultierende Kapazitätsände¬ rung wird vom Aufnehmerelement detektiert und kann in der nachgeord- neten Auswerteeinheit derart ausgewertet werden, dass die Sitzbelegung ableitbar ist. Durch die beiden Kapazitätselemente 04 und 05 wird das Aufnehmerelement 02 nach außen hin weitgehend abgeschirmt, so dass Störungen durch sonstige Kapazitätsänderungen, beispielsweise durch die Masse des sich auf den Schaumkörper 14 aufsetzenden Passagiers, vernachlässigbar gering gehalten werden. Aufgrund der Elastizität der als Basiselement 10 dienenden Trägerfolie und der Isolatorfolie 12 federt die Sensoreinrichtung 01 ohne zusätzliche Maßnahmen nach Entlastung des Schaumkörpers 14 wieder auseinander, so dass die Kapazitätselemen¬ te 04 und 05 jeweils flächig an der Oberseite bzw. Unterseite der Aus¬ nehmung 13 anliegen.