WO2009143989A1 - Capacitive sensor and a method for producing a capacitive sensor - Google Patents

Capacitive sensor and a method for producing a capacitive sensor Download PDF

Info

Publication number
WO2009143989A1
WO2009143989A1 PCT/EP2009/003637 EP2009003637W WO2009143989A1 WO 2009143989 A1 WO2009143989 A1 WO 2009143989A1 EP 2009003637 W EP2009003637 W EP 2009003637W WO 2009143989 A1 WO2009143989 A1 WO 2009143989A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
wall
electrode
area
capacitive sensor
cavity
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/003637
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Heinz Kueck
Volker Mayer
Adrian Schwenck
Karl-Peter Fritz
Original Assignee
Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
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 Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. filed Critical Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
Publication of WO2009143989A1 publication Critical patent/WO2009143989A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C9/00Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • G01C9/02Details
    • G01C9/06Electric or photoelectric indication or reading means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C9/00Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • G01C9/18Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels by using liquids
    • G01C9/20Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels by using liquids the indication being based on the inclination of the surface of a liquid relative to its container

Definitions

  • the present invention relates to a capacitive sensor and to a method for producing a capacitive sensor, and more particularly to a capacitive tilt sensor for highly accurate measurement of small tilt.
  • Capacitive sensors can be used for a variety of household, industrial and research applications. Examples include inclination sensors, which can be used as rollover sensors in motor vehicles, as monitoring sensors of alarm systems in vehicles and buildings and as position sensors in automated machines, irons, washing machines, etc. A concrete example is the detection of a tilt of a parked vehicle in order to alert the driver to the risk of rolling away of the vehicle.
  • a number of conventional sensors are used to determine a measured variable, such as the inclination with respect to a horizontal surface, by detecting a capacitance-dependent capacitance difference of a capacitor arrangement.
  • conventional inclination sensors are used, which determine the inclination via a measurement of a differential capacitance in the case of inclination-dependent changes in the covered area of a differential capacitor arrangement formed with an electrically conductive pendulum.
  • Other conventional capacitive sensors perform a differential capacitance measurement, wherein a change in inclination caused by an arrangement of an electrically conductive liquid is determined with respect to the capacitor electrodes partially covered by it.
  • conventional capacitance sensors can be used to detect the rotation angle of a shaft by means of a measurement of an angle-dependent differential capacitance of a differential capacitor arrangement.
  • the differential capacitor arrangement can be realized via an electrically conductive disk connected to the shaft.
  • the present invention has the object to provide a capacitive sensor that can measure very particular inclinations in a small angular range very accurately. This object is achieved by a capacitive sensor according to claim 1 and 18 or by a method according to claim 19.
  • the present invention is based on the finding that a capacitive sensor for detecting a measured variable can be created by a cavity has an outwardly curved outer wall and is partially filled with a dielectric fluid, so that a part of the cavity remains free, and the free The remaining part has a different dielectric constant than the dielectric liquid. Furthermore, a first and second surface electrode is arranged in the cavity such that movement of the part in the dielectric liquid along the outwardly curved outer wall in response to the measurand results in a capacitance change between the first and second surface electrodes.
  • embodiments describe a capacitive liquid-based tilt sensor with a special electrode design that is capable of measuring minute angle changes with high accuracy.
  • the electrode structure is designed so that when the sensor is tilted, a large capacitance change occurs, which can be measured so finely with a high-resolution evaluation electronics that even the slightest tilting of the sensor is detected.
  • a first electrode carrier is provided with a first electrode structure that is electrically isolated from the first electrode carrier. Opposite the first electrode structure is a second electrode structure, which is arranged on a second electrode carrier, and is also electrically insulated from the second electrode carrier.
  • a spacer element By means of a spacer element a fixed distance can be set between the two electrode carriers so that the first electrode structure and the second electrode structure form a plate capacitor.
  • the two electrode carriers, together with the spacer form a sealed cavity (the cavity) which is partially filled with a dielectric fluid (dielectric fluid), thereby increasing the capacitance of the plate capacitor.
  • dielectric fluid dielectric fluid
  • the exemplary air bubble When the dielectric fluid almost completely fills the cavity, for example, an air bubble forms in the dielectric fluid at the top of the cavity. However, a bubble of another medium or a vacuum bubble may also be formed.
  • the exemplary air bubble When tilting the sensor, the exemplary air bubble always moves to the highest point of the cavity.
  • the top of the cavity and the electrode structures designed geometrically suitable it can be realized in tilting opposing differential capacitor arrangement. For example, a measured capacitance increases while the other capacitance decreases with increasing tilt. This can be achieved by dividing the first electrode structure into two regions which are electrically insulated from one another and which each form a separately readable capacitor with the second electrode structure.
  • the measured variable corresponds to a movement of the exemplary air bubble along the curved cavity.
  • the movement of the exemplary air bubble can, as stated, be achieved by an inclination of the capacitive sensor, which leads to a change of direction of the acting gravity and the exemplary air bubble therefore moves to the new highest point within the cavity.
  • movement of the exemplary air bladder may also be caused by subjecting the capacitive sensor to a centrifugal force or other force that acts differently on the dielectric fluid and the exemplary air bladder, thereby causing movement of the exemplary air bladder ,
  • a centrifugal force or other force that acts differently on the dielectric fluid and the exemplary air bladder, thereby causing movement of the exemplary air bladder
  • acceleration changes which may also include, for example, centrifugal forces.
  • the electrodes it is not necessary to form the electrodes over the entire area within the cavity, but for the highest possible sensitivity, it is sufficient that the electrodes are formed in those areas along which the exemplary air bubble during operation or use of the inclination sensor for a moved certain angle range.
  • the linearity refers to the dependence of the sensor signal on the measured variable. If z. For example, if the slope doubles from a first angle to a second angle, the measured sensor signal also doubles.
  • the electrodes in such a way that, with very small changes in angle, a non-linear change in the measurement occurs, during which a linear behavior sets in with larger angle changes.
  • the sensor signal may be more than doubled.
  • the electrode structures such that the exemplary air bubble moves along the first electrode structure and the second electrode structure is arranged vertically below it (eg, in the direction of gravity during operation).
  • a capacitive sensor which can detect not only an inclination with respect to a rotation axis highly sensitive, but at the same time can detect rotations with respect to two axes. This is z.
  • the outwardly curved outer wall of the cavity has a convex lens shape, so that the exemplary air bubble can move with respect to a surface, wherein the movement along the two directions of the surface inclinations with respect to different axes of rotation correspond.
  • an electrode structure is formed along the curved outer wall.
  • Fig. 1 shows a cross-sectional view through the cavity according to an embodiment of the present invention Phyg;
  • Fig. 2 is a perspective view of a capacitive tilt sensor for detecting rotation about an axis of rotation;
  • Fig. 3 is a cross-sectional view through the capacitive tilt sensor of Fig. 2;
  • Fig. 4 is an equivalent circuit diagram for switching the electrode structures shown in Figs. 2 and 3;
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view through the cavity with an electrode structure according to a further exemplary embodiment
  • Fig. 6 is a cross-sectional view through the cavity with a formed channel
  • FIG. 7 is a perspective view of the capacitive sensor with an alternative configuration of the electrodes
  • Fig. 8 is a plan view of the capacitive sensor shown in Fig. 7;
  • Fig. 9 is a plan view of a capacitive sensor for detecting rotations with respect to two independent axes of rotation.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view through a cavity 10 of a capacitive sensor, wherein the cavity 10 has an outwardly curved outer wall 20 and in the cavity 10, a dielectric liquid 30 is introduced.
  • the dielectric liquid 30 exposes a portion 40 of the cavity 10 with the portion 40 disposed along the outwardly bulging outer wall 20 and having a dielectric constant other than the dielectric constant of the dielectric fluid.
  • a first area electrode 50 is formed in the cavity and a sidewall of the cavity, respectively, and a second area electrode 60 (not shown in Fig. 1) is formed on a side wall opposite to the sidewall.
  • the first area electrode 50 has a first area 50a and a second area 50b, wherein both areas are electrically insulated from each other along a parting line 51.
  • the first and second area electrodes 50 and 60 are thus formed such that a movement ⁇ s of the portion 40 in the dielectric liquid 30 along the outwardly curved outer wall 20 in response to a measured quantity (eg, a slope) to a capacitance change between the first Area of the first area electrode 50 a and second area electrode 60 leads.
  • the capacitance change between the second area of the first area electrode 50b and the second area electrode 60 behaves in the opposite direction.
  • the outwardly curved outer wall 20 has a slightly curved surface, so that a surface normal Nl along a lateral or lateral extent B of the convex outer wall 20 in a range of less than 45 ° or in a range of less than 20 ° or in a range of less than 10 ° changes.
  • the slightly outwardly curved outer wall 20 may be configured such that twice the radius of curvature of the curved surface of the outer wall 20 is greater than or more than twice or at least five times greater than the lateral extent B.
  • the lateral extent B may be, for example, a maximum diameter of the Be cavity 10.
  • the curvature Diameter is already slightly larger than the lateral extent B, not the full 180 ° angle range is covered in turns / inclinations, which is a feature of embodiments of the present invention.
  • the degree of curvature of the outer wall 20 can be optimized, for example, with regard to a desired sensitivity of the inclination sensor: the lower or lower the curvature the higher the sensitivity.
  • the width or extent B determines (with the curvature selected) the angular range that can be measured.
  • the concrete shape of the part 40 depends in large part on the wetting properties of the outwardly curved outer wall 20 or the side walls of the cavity 10 with respect to the dielectric liquid 30. According to the invention, for example, so much dielectric fluid is introduced into the cavity 10 that the part 40 is bounded laterally by the dielectric fluid 30 and not by a wall of the cavity 10 (laterally, for example, refers to the direction of movement ⁇ s).
  • the part 40 may thus be, for example, an air bubble which has formed in the dielectric liquid 30.
  • the member 40 may also include a vacuum or other medium that does not mix with the dielectric liquid 30 and has a dielectric constant other than that of the dielectric liquid 30. It is advantageous if the difference in the dielectric constant is as large as possible.
  • the spacing element 13 defines the outwardly bulging outer wall 20 along which the filler 40 forms with the dielectric liquid 30 of the part 40 after the cavity 10 has been filled.
  • the spacer element 13 has a Layer thickness d, which defines a fixed distance between the first and second electrode carrier 11, 12.
  • the first surface electrode 50 or a first electrode structure is formed on the first electrode carrier 11, and the second surface electrode 60 or a second electrode structure is formed on the second electrode carrier 12.
  • the first and second surface electrodes 50, 60 may be produced, for example, by vapor deposition on the first and second electrode carriers 11, 12 or may also be integrated in these.
  • an insulation between the first electrode carrier 11 (second electrode carrier 12) and the first surface electrode 50 (second surface electrode 60) may be formed.
  • the first area electrode 50 has the first area 50a and the second area 50b, which are electrically insulated from each other along the parting line 51.
  • the dividing line 51 is not given by a straight line in this embodiment, but has a curvature that can be chosen such that the capacitive measurement as linear as possible relationship between the measured variable (inclination or rotation) about a rotation axis 80 and recorded capacity change.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view through the spacer element 13 in FIG. 2. It can thus be seen how the spacer element 13 defines the cavity 10 and in particular the outwardly curved outer wall 20. Furthermore, it can be seen that the first surface electrode 50 is not formed over the entire surface on the first electrode carrier 11, but extends only in a region which is swept by the part 40 in the lateral movement ⁇ s parallel to the outwardly curved outer wall 20. The first area electrode 50 in turn has the first area 50a and the second area 50b, which are electrically insulated from one another along the dividing line 51. Both parts are electrically contacted and are connected to an evaluation unit or measuring electronics 90. In FIG. 3, the second surface electrode 60, which is likewise connected to the evaluation unit 90, is not shown.
  • Fig. 3 shows an arrangement in section through the spacer 13 and also illustrates the electrical readout of the sensor.
  • the two mutually insulated partial surfaces 50 a, b of the first electrode structure 50 are connected to the measuring electronics 90.
  • the first partial capacitor arrangement thus forms along a first overlap area Al as well as along a sectional area of the first area 50a with the part 40 (exemplary air bubble).
  • the second partial capacitor arrangement forms along a second overlapping area A2 and a further sectional area of the second area 50b with the part 40.
  • Both contributions to the first (and also both contributions to the second) partial capacitor arrangement supply parallel capacitive contributions to the first (and second) partial capacitance Cl (and C2), as will be described in more detail in FIG.
  • the capacitances of the two contributions differ because the dielectric constant of the part 40 is different from the dielectric constant of the dielectric liquid.
  • the first overlap area Al is given by the degree of overlap of the first area 50a of the first electrode structure 50 with the second electrode structure 60, the overlap being defined by the dielectric liquid 30.
  • the second overlapping area A2 is given by the degree of overlap of the second part 50b of the first area electrode 50 with the second area electrode 60.
  • the first overlapping area Al is thus within the first area 50a complementary to the sectional area forming the exemplary air bladder 40 with the first area 50a.
  • the second overlapping area A2 is complementary to the sectional area that the second area 50b forms with the exemplary air bubble 40.
  • a tilting of the sensor and thus a movement .DELTA.s of the exemplary air bubble 40 changes in opposite directions the two partial capacitances Cl and C2, since in this case the coverage Al increases in the first partial capacitor arrangement, while the overlap A2 of the second partial capacitor arrangement decreases or vice versa (depending on the direction of rotation). This results in a clear relationship between the tilt (inclination) of the sensor and the measurable capacitance difference of the two sub-capacitor arrays. Due to the shape of the exemplary air bubble 40 does not necessarily result in the zero position of the sensor, the capacitance difference zero, since in the upper (first) sub-capacitor assembly, a larger area is not covered by the dielectric fluid 30 than in the lower (second) sub-capacitor assembly.
  • This circumstance also causes a non-linear capacitance change as a function of the tilting, but the unambiguous assignment between tilt angle (rotation about the rotation axis 80) and the capacitance difference is always given.
  • a suitable choice of the electrode shape however, a quasi-linear characteristic can also be achieved in this case.
  • This selection of the electrodes can be effected, for example, by a selection of the separation line 51 which separates the two regions of the first surface electrode 50. As already shown in FIGS.
  • the first partial capacitance Cl is given by the above-mentioned two contributions, wherein the first contribution CIa the dielectric liquid 30 and the second contribution CIb the part 40 as a dielectric medium between the first region of the first surface electrode 50a and the second surface electrode 60th is arranged.
  • the second partial capacitance C2 is likewise given by two contributions, the first contribution C2a likewise the dielectric fluid 30 and the second contribution C2b the dielectric medium portion 40 which is between the second region of the first surface electrode 50b and the second surface electrode 60 is arranged.
  • the second area electrode 60 can be connected to ground, for example, so that the two signals at the first and second area of the first area electrode 50a, 50b can be used as a measurement signal. It may be advantageous if the partial capacitances C1 and C2 are not measured directly, but instead the difference between the two partial capacitances C1-C2 is used instead as the measured variable to be detected. The measurement of this difference capacity of the oppositely changing partial capacitances Cl and C2 is advantageous because it can compensate for disturbing influences such as temperature and / or humidity. It should be noted in this equivalent circuit diagram that the capacitances CIa, CIb, C2a and C2b depend on the inclination of the capacitive sensor.
  • the dielectric medium changes between the first and second area electrodes 50, 60.
  • the dielectric liquid 30 overlaps depending on the Inclination (or the position of the part 40) a more or less large part of the first and second surface electrode 50, 60th
  • the partial capacitor arrangement (C1, C2) is thus, as shown, a parallel connection of a capacitor with dielectric (CIa, C2a) and a second capacitor with air (CIb, C2b).
  • CIa, C2a capacitor with dielectric
  • CIb, C2b second capacitor with air
  • 1 results in an increase in the partial capacitor C1 in the parallel connection since the change of the capacitor with dielectric CIa "overcompensates" the reduction of the air capacitor CIb, as it were because of the higher dielectric constants.
  • Analogous considerations apply to the partial capacitor arrangement C2, with both partial capacitor arrangements opposing each other to each other (to achieve, for example, the said temperature and humidity compensation), so that when the partial capacitor arrangement C2 decreases, the partial capacitor arrangement Cl increases.
  • FIG. 5 shows another embodiment in which the shape of the first surface electrode 50 has been changed as compared with the embodiment shown in FIG.
  • the exemplary embodiment in FIG. 5 has four parts for the first area electrode 50, wherein a first area 50a and a third area 50c are electrically connected to one another. Further, the second region 50b is electrically connected to a fourth region 50d.
  • the first and second regions 50a and 50b of the first electrode structure 50 essentially form a rectangle which is (slightly) curved parallel to the convex outer wall 20 and the dividing line 51 follows a slightly curved diagonal of the rectangle.
  • the electrode structure of FIG. 3 has been duplicated in that in addition to the first region 50a and the second region 50b, a third region 50c and a fourth region 50d have been added, the third and fourth regions 50c, 50d being analogous Shape as the first and the second region 50a, 50b.
  • the third and fourth regions 50c, d thus also substantially form a rectangle which is curved parallel to the outwardly curved outer wall 20 and the parting line 51 of a slightly curved diagonal the rectangle follows.
  • the two rectangles thus formed are arranged electrically isolated from each other along their long side. This ensures that, for example, all four areas 50a, b, c, d are electrically isolated from one another on the first Elektr ⁇ denlini 11, wherein the electrical connection can be done circuitry outside the capacitive sensor.
  • the height of the first surface electrode 50 may again be given, for example, by a radial extent R of the exemplary air bubble 40 and extend substantially over the lateral width B of the cavity 10.
  • FIG. 5 shows an alternative design of the first electrode structure 50.
  • the comb-like subdivision of the first electrode structure 50 into a plurality of superimposed strips thus minimizes the negative influence of the round shape of the exemplary air bubble 40 on the linearity of the output signal the changes covered by the dielectric fluid 40
  • Fig. 6 shows a further embodiment in which within the cavity 10, a further spacer element 14 is arranged such that the part 40 of the cavity 10 is formed between the spacer element 13 and the further spacer element 14 and the part 40 only laterally (along the direction of movement ⁇ s) is limited by the dielectric fluid 30.
  • the part 40 is limited on the curved outer wall 20 opposite side 21 of the further spacer element 14.
  • the first surface electrode 50 is formed on a side wall (electrode carrier 11), wherein the first surface electrode 50 again has a first region 50a and a second region Area 50b, which, as shown in FIG. 3rd shown interrupted along the parting line 51.
  • the further spacer element 14 may be arranged in the cavity 10 such that its surface bulges into the cavity 10, so that the outwardly curved outer wall 20 and a side wall 21 of the further spacer element 14 extend substantially parallel to one another.
  • the 20 and the side wall 21 can be chosen such that the distance between the two walls is smaller than a lateral extent (in the direction of movement ⁇ s) of the part 40th
  • Fig. 6 shows another alternative to improve the linearity of the sensor signal.
  • a tubular region 16 is formed by allowing the exemplary air bladder 40 to be located. As it adheres to the upper and lower walls 20 and 21 of the tubular region 16, the surface of the exemplary air bubble 40 forms approximately perpendicular to the two walls 20,
  • Fig. 7 shows another embodiment in which the first and second surface electrodes 50 and 60 are not formed along sidewalls, but in which the first surface electrode 50 is disposed along the convex outer wall 20 and the second surface electrode 60 is disposed on the opposite electrode carrier 12 (floor) is trained.
  • Fig. 7 thus shows a spatial view of the capacitive sensor, wherein the introduced in the cavity dielectric liquid 30 is bounded by the second electrode carrier 12 down and laterally bounded by a first side wall 15a and a second side wall 15b.
  • the outwardly bulging outer wall 20 is formed along the first electrode carrier 11 so that the first area electrode 50 and the second area electrode 60 are at a distance d from each other defined by the first and second side walls 15a and 15b.
  • the second electrode carrier 12 also has a curvature, which may be formed in particular parallel to the curvature of the outer wall 20. This ensures that the (effective) distance d, which determines the capacitance of the capacitor arrangements, remains constant within the cavity. Furthermore, the exemplary air bubble may also extend over the entire height of the cavity.
  • the first area electrode has a first area 50a and a second area 50b, which are electrically insulated from one another along a dividing line 51, such that when the dielectric liquid 30 is inserted, the first partial capacitor again lies between the first area 50a and of the second area electrode 60 and the second subcondenser between the second area 50b and the second area electrode 60 are formed.
  • the dividing line 51 between the first and second regions 50a and 50b may in this embodiment in turn be formed as a diagonal along the rectangularly formed first surface electrode 50.
  • the exemplary air bubble 40 thus forms along the convex outer wall 20, which, when rotated about the rotation axis 80, moves along the outwardly curved outer wall 20 onto which the first surface electrode 50 is formed , describes. Consequently, in this embodiment, the first area electrode 50 is curved along a tangential direction that is parallel to the movement ⁇ s.
  • the dividing line 51 between the first and second regions 50a, 50b therefore appears in a plan view as a straight line.
  • the second surface electrode 60 can in turn be formed over the entire area of the second electrode carrier 12 (eg by vapor deposition) and is therefore not shown explicitly in the figure.
  • FIG. 8 shows the same embodiment in a plan view of the side of the first electrode carrier 11, wherein the rectangle-shaped first surface electrode 50 with the first and second regions 50a and 50b is visible from above and the exemplary air bubble 40 appears in the middle.
  • the capacitive sensor is separated by the first and second side walls 15a and 15b, and the first and second regions of the first surface electrode 50a, 50b are electrically contacted and connected to an evaluation unit 90.
  • the second surface electrode 60 is not visible in the plan view shown, whereby this second surface electrode 60 is also connected to the evaluation unit 90.
  • the first partial congestion arrangement Cl thus comprises two regions: a first region of the first surface electrode 50a, which is not contacted by the exemplary air bubble 40, and a second region, which is contacted by the exemplary air bubble 40.
  • the second Operakondensatora- arrangement C2 also comprises two contributions: a first contribution, which determines by that area ratio of the second part of the first area electrode 50b, which is not in contact with the exemplary air bubble 40, and a second Contribution, which in turn is complementary to that and corresponds to that surface part of the second part of the first surface electrode 50b, which is in contact with the exemplary air bubble 40.
  • a first contribution which determines by that area ratio of the second part of the first area electrode 50b, which is not in contact with the exemplary air bubble 40
  • a second Contribution which in turn is complementary to that and corresponds to that surface part of the second part of the first surface electrode 50b, which is in contact with the exemplary air bubble 40.
  • FIGS. 7 and 8 a second basic variant of the sensor principle is shown in FIGS. 7 and 8, which differs from the exemplary embodiments shown in FIGS. 2 to 6 (FIG. 7 shows an exploded view and FIG. 8 shows the same variant in plan view).
  • the transparent representation of the first surface electrode 50 and the first electrode carrier 11 is for illustrative purposes and is generally not given.
  • the first electrode carrier 11 is curved with the first surface electrode 50 and forms with the second electrode carrier 12, which carries the second surface electrode 60 (which is not shown in the drawing), without the use of a spacer element 13, the cavity 10th At the front and back side walls 15a and 15b are formed as the completion of the cavity 10 only.
  • the cavity 10 is in turn partially filled with a dielectric liquid 30, wherein an exemplary air bubble 40 is similar to the other embodiments at the highest point of the cavity.
  • An advantage of this arrangement is that the degree of coverage Al, A2 of the two partial capacitor arrangements in the zero position is identical. Further, 'at a tilt of the sensor about the rotation axis 80, the change in area of the uncovered electrode surface of both partial capacitor arrays Cl and C2 is equal in magnitude. An effective change in the distance between the two electrode tracks can, as described above, be compensated in that the second surface electrode 60 is curved parallel to the first surface electrode 50.
  • this embodiment is characterized by a high linearity of the sensor output signal (sensor characteristics).
  • Fig. 9 shows a direct continuation of the embodiment shown in Figs. 7 and 8, in which a determination of a rotation or inclination with respect to two different axes of rotation 80a, b is possible.
  • the outwardly curved outer wall 20 shown in Fig. 7 is curved in two directions (eg, in the form of a convex lens), and the thus curved surface serves as an electrode carrier 11 for the first surface electrode 50.
  • the first area electrode 50 in this embodiment has four areas: a first area 50a, a second area 50b, a third area 50c, and a fourth area 50d.
  • All four areas are electrically insulated from each other by a separating line 51 (in the form of a cross) and form an outwardly curved convex surface (perpendicular to the plane of the drawing of FIG. 9).
  • the exemplary air bubble 40 is again shown centrally in FIG. 9, whereby a zero position can be defined.
  • the exemplary air bladder 40 moves along the direction 8a, and upon rotation about the axis of rotation 80b, the exemplary air bladder 40 moves along the direction 8b.
  • an inclination with respect to the rotation axis 80b can thus be established.
  • an inclination or rotation relative to the axis of rotation 80a can be detected.
  • the first and second electrode carriers 11, 12, which lie one above the other in the plan view shown here, as well as the first and second side wall 15a, b, are shown only schematically (see room view FIG. 7).
  • Fig. 9 shows an extension of the embodiment of Figs. 7 and 8.
  • the first electrode carrier 11 (as stated) is not only curved in one dimension, but has, for example, a spherically shaped inner surface.
  • the measuring principle can be extended to two tilting axes (with respect to the axis 80a, 80b).
  • the first electrode structure 50 is subdivided into four subareas (50a, 50b, 50c, 50d) which are electrically insulated from one another, wherein their respective capacitance is measured against the second electrode structure 60, configured for example over the entire area, on the second electrode carrier 12.
  • a suitable connection and evaluation it is then possible to deduce the tilting of the sensor in two spatial axes.
  • the dielectric fluid 40 has a greater density than the exemplary air bladder 40 such that the exemplary air bladder is vertically up and the dielectric fluid is down (in gravity) in the vertical direction.
  • the dielectric fluid is lighter than, for example, a medium located within the exemplary part 40 (no bubble in this case). This can be achieved, for example, by first placing the dielectric liquid 30 in the cavity 10 and then another dielectric liquid that does not interfere with the dielectric dielectric liquid 30 is mixed, is filled. Both dielectric liquids advantageously have as many different dielectric constants as possible. Depending on which of the two dielectric fluids is heavier or has a higher density, in this embodiment the part 40 is either up or down.
  • the capacitive sensor is to be arranged so that the part 40 is arranged along the convex outer wall 20 (which may be up or down).
  • the inclination or rotation about the axis of rotation described so far in embodiments is equivalent to the fact that in addition to gravity, a (lateral) acceleration or force occurs, which causes a displacement of the part 40 along the outwardly curved outer wall 20.
  • This lateral force may be, for example, a centrifugal force or another acceleration, which acts laterally on the capacitive sensor.
  • Surface electrode 50 and the second surface electrode 60 are divided (two differential capacitor structures) and arranged such that the measurable capacitance difference on the second divided electrode structure changes in the opposite direction to the capacitance difference at the first divided electrode structure.
  • This can be achieved, for example, by the dividing line 51 extending between the electrodes in the one divided electrode structure from bottom left to top right, as shown for example in FIG. 3, and from bottom right to left in the case of the other electrode structure goes up.
  • the redundant design of the measuring electrodes can be used to calculate out the effects of humidity and temperature which change the measuring signal. As a result, an even higher accuracy of the system is achieved and extends the application of the capacitive tilt sensor.
  • first area electrode 50 and the second area electrode 60 show a concrete exemplary embodiment in which both the first area electrode 50 and the second area electrode 60 are divided, wherein the first area electrode has a first area 50a and a second area 50b and also the second area electrode 60 likewise has a first area 60a and a second region 60 b, which are isolated by a (curved) dividing line 61 from each other.
  • the dividing line along the first surface electrode 51 which electrically separates the first and second regions 50a, b, runs along the one diagonal of the rectangle-shaped first surface electrode 50, whereas the dividing line 61 runs along the other diagonal of the second surface electrode, also shaped as a rectangle 60 runs.
  • the first and second surface electrode 50, 60 are in the distance d, which can be realized for example by the spacer element 13.
  • the sensitivity of the capacitive sensor can be achieved on the one hand by a variation of the design of the surface electrodes 50, 60 and on the other hand by a variation of the outwardly curved outer wall 20 can be achieved.
  • the design of the surface electrodes 50, 60 some concrete implementations have already been shown in the different embodiments.
  • the outwardly curved outer wall 20 can be selected such that the movement ⁇ s of the part 40 changes particularly strongly for certain inclinations. In general, a high degree of sensitivity is achieved with a slightly convexly curved outer wall 20, whereas a strong, outwardly curved outer wall will show a low sensitivity.
  • the outwardly curved outer wall has a semi-circular shape, but instead represents only a circle segment, the circle should have a very large radius in order to achieve the highest possible sensitivity.
  • a high level of sensitivity is usually associated with the fact that only a limited angular range can be detected and that, starting at a certain critical angle, further inclinations can hardly or only to a limited extent be detected.
  • the dielectric fluid and the cavity 10 may be such that the inner walls of the sensor cavity 10 are wetted better or worse. These characteristics may influence the shape of the exemplary air bubble 40 that forms as the cavity 10 is filled with the dielectric liquid 30. Also, the number of regions of the first and second surface electrodes 50, 60 and their shape may be further varied (eg, three regions per area electrode).

Abstract

A capacitive sensor for detecting a measurement variable comprises a hollow space (10), which has an outwardly curved external wall (20), wherein a dielectric liquid (30) can be introduced in the hollow space (10), which dielectric liquid (30) leaves part (40) of the hollow space (10) free, with the part (40) having a dielectric constant which is different to that of the dielectric liquid (30). The capacitive sensor furthermore has a first surface electrode (50) and a second surface electrode (60), which are configured in the hollow space (10) such that a movement (?s) of the part (40) in the dielectric liquid (30) along the outwardly curved external wall (10) in response to the measurement variable results in a change in capacitance between the first and second surface electrodes (50, 60).

Description

Kapazitiver Sensor und ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Sensors Capacitive sensor and a method for producing a capacitive sensor
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Sensor und auf ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Sensors und insbesondere auf einen kapazitiven Neigungssensor zur hochgenauen Messung kleiner Verkippungen.The present invention relates to a capacitive sensor and to a method for producing a capacitive sensor, and more particularly to a capacitive tilt sensor for highly accurate measurement of small tilt.
Kapazitive Sensoren können für eine Vielzahl von Anwendungen aus den Bereichen Haushalt, Industrie und Forschung eingesetzt werden. Beispiele dafür sind Neigungssensoren, welche als Überschlagssensoren in Kraftfahrzeugen, als Überwachungssensoren von Alarmanlagen in Fahrzeugen und Gebäuden und als Positionssensoren in automatisierte Maschinen, Bügeleisen, Waschmaschinen etc. eingesetzt werden können. Ein konkretes Beispiel ist das Feststellen einer Neigung eines geparkten Fahrzeugs, um den Fahrzeugführer auf die Gefahr des Wegrollens des Fahrzeuges hinweisen zu können.Capacitive sensors can be used for a variety of household, industrial and research applications. Examples include inclination sensors, which can be used as rollover sensors in motor vehicles, as monitoring sensors of alarm systems in vehicles and buildings and as position sensors in automated machines, irons, washing machines, etc. A concrete example is the detection of a tilt of a parked vehicle in order to alert the driver to the risk of rolling away of the vehicle.
Eine Reihe von konventionellen Sensoren wird eingesetzt, um durch die Erfassung einer messgrößenabhängigen Kapazitätsdifferenz einer Kondensatoranordnung eine Messgröße, wie beispielsweise die Neigung bezüglich einer horizontalen Fläche, zu ermitteln.A number of conventional sensors are used to determine a measured variable, such as the inclination with respect to a horizontal surface, by detecting a capacitance-dependent capacitance difference of a capacitor arrangement.
Hierfür werden beispielsweise konventionelle Neigungssensoren eingesetzt, die über eine Messung einer Differenzkapazität bei neigungsbedingten Änderungen der überdeckten Fläche einer mit einem elektrisch leitfähigen Pendel gebil- deten Differenzial-Kondensator-Anordnung die Neigung bestimmen. Weitere konventionelle kapazitive Sensoren führen eine Differenzkapazitätsmessung durch, wobei eine neigungsbedingte Änderung einer Anordnung einer elektrisch leitfä- higen Flüssigkeit gegenüber den von ihr zum Teil überdeckten Kondensatorelektroden ermittelt wird.For this purpose, for example, conventional inclination sensors are used, which determine the inclination via a measurement of a differential capacitance in the case of inclination-dependent changes in the covered area of a differential capacitor arrangement formed with an electrically conductive pendulum. Other conventional capacitive sensors perform a differential capacitance measurement, wherein a change in inclination caused by an arrangement of an electrically conductive liquid is determined with respect to the capacitor electrodes partially covered by it.
Darüber hinaus können herkömmliche Kapazitätssensoren eingesetzt werden, um den Drehwinkel einer Welle mittels einer Messung einer winkelabhängigen Differenzkapazität einer Differenzial-Kondensator-Anordnung zu detektieren.In addition, conventional capacitance sensors can be used to detect the rotation angle of a shaft by means of a measurement of an angle-dependent differential capacitance of a differential capacitor arrangement.
Dabei lässt sich die Differenzial-Kondensator-Anordnung über eine mit der Welle verbundene elektrisch leitfähige Scheibe realisieren.In this case, the differential capacitor arrangement can be realized via an electrically conductive disk connected to the shaft.
Konventionelle Kapazitätssensoren sind zwar in der Lage, Neigungen und Drehungen in einem großen Winkelbereich messen zu können, weisen jedoch eine geringe Sensitivität hinsichtlich kleiner Verkippungen oder Neigungen auf. Ein solcher Neigungssensor ist beispielsweise in DE 4141324 Al offenbart, bei dem der Hohlraum zylindrisch geformt ist. US 5079847 offenbart einen weiteren kapazitiven Neigungssensor, bei dem die Elektrodenformen derart ausgebildet sind, dass Neigungen bezüglich zwei senkrecht zueinander stehenden Drehachsen gemessen werden können. Neben den kapazitiven Neigungssensoren gibt es noch resistive Sensoren, wie sie beispielsweise in DE 19821923 Al beschrieben sind. Auch diese Beispiele sind sensitiv über einen großen Winkelbe- reich. Für viele Anwendungen ist es jedoch nicht erforderlich, Neigungen oder Drehungen in einem Winkelbereich zwischen 0 und 360° oder zwischen 0 und 180° festzustellen, sondern es ist stattdessen ausreichend, Neigungen in einem Winkelbereich zwischen beispielsweise 0 und 30° möglichst exakt zu bestimmen und insbesondere kleine Neigungsänderungen in einem Winkelbereich von wenigen Grad oder Bruchteilen eines Grads genau festzustellen.Although conventional capacitance sensors are capable of measuring inclinations and rotations over a wide range of angles, they have low sensitivity to small tilting or inclinations. Such a tilt sensor is disclosed, for example, in DE 4141324 A1, in which the cavity is cylindrically shaped. US 5079847 discloses another capacitive tilt sensor in which the electrode shapes are formed such that inclinations with respect to two mutually perpendicular axes of rotation can be measured. In addition to the capacitive tilt sensors, there are still resistive sensors, as described for example in DE 19821923 Al. These examples are also sensitive over a large angle range. For many applications, however, it is not necessary to determine inclinations or rotations in an angle range between 0 and 360 ° or between 0 and 180 °, but instead it is sufficient to determine inclinations in an angle range between, for example, 0 and 30 ° as precisely as possible and in particular pinpoint small inclination changes in an angular range of a few degrees or fractions of a degree.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen- den Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor zu schaffen, der insbesondere Neigungen in einem kleinen Winkelbereich sehr genau messen kann. Diese Aufgabe wird durch einen kapazitiven Sensor nach Anspruch 1 und 18 oder durch ein Verfahren nach Anspruch 19 gelöst.Based on this prior art, the present invention has the object to provide a capacitive sensor that can measure very particular inclinations in a small angular range very accurately. This object is achieved by a capacitive sensor according to claim 1 and 18 or by a method according to claim 19.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein kapazitiver Sensor zum Erfassen einer Messgröße geschaffen werden kann, indem ein Hohlraum eine nach außen gewölbte Außenwand aufweist und teilweise mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllt wird, so dass ein Teil des Hohlraums frei bleibt, und der frei gebliebene Teil eine andere dielektrische Konstante aufweist als die dielektrische Flüssigkeit. Ferner wird eine erste und zweite Flä- chenelektrode in dem Hohlraum derart angeordnet, dass eine Bewegung des Teils in der dielektrischen Flüssigkeit entlang der nach außen gewölbten Außenwand ansprechend auf die Messgröße zu einer Kapazitätsänderung zwischen der ersten und zweiten Flächenelektrode führt.The present invention is based on the finding that a capacitive sensor for detecting a measured variable can be created by a cavity has an outwardly curved outer wall and is partially filled with a dielectric fluid, so that a part of the cavity remains free, and the free The remaining part has a different dielectric constant than the dielectric liquid. Furthermore, a first and second surface electrode is arranged in the cavity such that movement of the part in the dielectric liquid along the outwardly curved outer wall in response to the measurand results in a capacitance change between the first and second surface electrodes.
Somit beschreiben Ausführungsbeispiele einen kapazitiven flüssigkeitsbasierten Neigungssensor mit einem speziellen Elektrodendesign, das dazu geeignet ist, kleinste Winkeländerungen hochgenau zu messen. Dazu ist die Elektrodenstruk- tur so ausgelegt, dass bei einer Verkippung des Sensors eine große Kapazitätsänderung auftritt, die mit einer hoch auflösenden Auswerteelektronik so fein gemessen werden kann, dass schon geringste Verkippungen des Sensors erfasst werden.Thus, embodiments describe a capacitive liquid-based tilt sensor with a special electrode design that is capable of measuring minute angle changes with high accuracy. For this purpose, the electrode structure is designed so that when the sensor is tilted, a large capacitance change occurs, which can be measured so finely with a high-resolution evaluation electronics that even the slightest tilting of the sensor is detected.
Im Detail können Ausführungsbeispiele folgendermaßen realisiert sein. Ein erster Elektrodenträger ist mit einer ersten Elektrodenstruktur versehen, die von dem ersten Elektrodenträger elektrisch isoliert ist. Der ersten Elekt- rodenstruktur gegenüber ist eine zweite Elektrodenstruktur, die auf einem zweiten Elektrodenträger angeordnet ist, ausgebildet und ist ebenfalls elektrisch von dem zweiten Elektrodenträger isoliert. Mittels eines Distanzelements kann zwischen den beiden Elektrodenträgern ein fester Abstand eingestellt werden, so dass die erste Elektrodenstruktur und die zweite Elektrodenstruktur einen Plattenkondensator bilden. Die beiden Elektrodenträger bilden zusammen mit dem Distanzelement eine abgeschlossene Kavität (den Hohlraum) , die teilweise mit einer dielektrischen Flüssigkeit (dielektrisches Fluid) gefüllt ist, wodurch die Kapazität des Plattenkondensators erhöht wird. Je größer der durch die dielektrische Flüssigkeit erreichte (oder vermittelte) Überdeckungsgrad der Elektrodenstrukturen ist, desto größer wird die Kapazität der Kondensatoranordnung.In detail, embodiments may be realized as follows. A first electrode carrier is provided with a first electrode structure that is electrically isolated from the first electrode carrier. Opposite the first electrode structure is a second electrode structure, which is arranged on a second electrode carrier, and is also electrically insulated from the second electrode carrier. By means of a spacer element a fixed distance can be set between the two electrode carriers so that the first electrode structure and the second electrode structure form a plate capacitor. The two electrode carriers, together with the spacer, form a sealed cavity (the cavity) which is partially filled with a dielectric fluid (dielectric fluid), thereby increasing the capacitance of the plate capacitor. The greater the degree of coverage of the electrode structures achieved (or mediated) by the dielectric fluid, the greater the capacitance of the capacitor array.
Wenn das dielektrische Fluid die Kavität fast vollständig ausfüllt, bildet sich an der Oberseite der Kavität bei- spielsweise eine Luftblase im dielektrischen Fluid. Es kann jedoch auch eine Blase eines anderen Mediums oder eine Vakuumblase gebildet werden. Bei einer Verkippung des Sensors bewegt sich die beispielhafte Luftblase immer zum höchsten Punkt der Kavität. Sind nun die Oberseite der Kavität und die Elektrodenstrukturen geometrisch geeignet gestaltet, so kann eine sich bei Verkippung gegensinnig ändernde Differenzial-Kondensator-Anordnung realisiert werden. Zum Beispiel erhöht sich eine gemessene Kapazität, währenddessen sich die andere Kapazität mit zunehmender Verkippung verringert. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die erste Elektrodenstruktur in zwei voneinander elektrisch isolierte Bereiche aufgeteilt ist, welche mit der zweiten Elektrodenstruktur jeweils einen separat auslesbaren Kondensator bilden.When the dielectric fluid almost completely fills the cavity, for example, an air bubble forms in the dielectric fluid at the top of the cavity. However, a bubble of another medium or a vacuum bubble may also be formed. When tilting the sensor, the exemplary air bubble always moves to the highest point of the cavity. Now, if the top of the cavity and the electrode structures designed geometrically suitable, it can be realized in tilting opposing differential capacitor arrangement. For example, a measured capacitance increases while the other capacitance decreases with increasing tilt. This can be achieved by dividing the first electrode structure into two regions which are electrically insulated from one another and which each form a separately readable capacitor with the second electrode structure.
Aus dem dargestellten Prinzip ist deutlich, dass der gemessenen Messgröße eine Bewegung der beispielhaften Luftblase entlang der gewölbten Kavität entspricht. Die Bewegung der beispielhaften Luftblase kann wie gesagt durch eine Neigung des kapazitiven Sensors erreicht werden, die zu einer Richtungsänderung der einwirkenden Schwerkraft führt und die beispielhafte Luftblase sich deshalb zu dem neuen höchstgelegenen Punkt innerhalb der Kavität bewegt. Alter- nativ kann die Bewegung der beispielhaften Luftblase auch dadurch verursacht werden, dass der kapazitive Sensor einer Fliehkraft oder einer anderen Kraft ausgesetzt ist, die auf die dielektrische Flüssigkeit und die beispielhafte Luft- blase unterschiedlich stark einwirkt, so dass dadurch eine Bewegung der beispielhaften Luftblase verursacht wird. Auch wenn die folgenden Ausführungen sich zumeist auf eine Anwendung als Neigungssensor beschränken, wird daraus deutlich, dass Ausführungsbeispiele ebenfalls dazu genutzt werden können, um Beschleunigungsänderungen, die beispielsweise auch Fliehkräfte umfassen können, festzustellen.From the illustrated principle it is clear that the measured variable corresponds to a movement of the exemplary air bubble along the curved cavity. The movement of the exemplary air bubble can, as stated, be achieved by an inclination of the capacitive sensor, which leads to a change of direction of the acting gravity and the exemplary air bubble therefore moves to the new highest point within the cavity. Age- Alternatively, movement of the exemplary air bladder may also be caused by subjecting the capacitive sensor to a centrifugal force or other force that acts differently on the dielectric fluid and the exemplary air bladder, thereby causing movement of the exemplary air bladder , Although the following statements are usually limited to an application as a tilt sensor, it is clear that embodiments can also be used to determine acceleration changes, which may also include, for example, centrifugal forces.
Bei Ausführungsbeispielen ist es nicht erforderlich, die Elektroden ganzflächig innerhalb der Kavität auszubilden, sondern für eine möglichst hohe Sensitivität ist es ausreichend, dass die Elektroden in jenen Gebieten ausgebildet sind, entlang derer sich die beispielhafte Luftblase während des Betriebes oder der Nutzung des Neigungssensors für einen bestimmten Winkelbereich bewegt. Außerdem ist es möglich, die Elektrodenflächen oder die Elektrodenstrukturen durch mehrere Komponenten zu bilden, die elektrisch miteinander verbunden sein können, so dass sich ein möglichst lineares Sensorsignal in Abhängigkeit der beispielhaften Neigungsänderung ergibt. Die Linearität bezieht sich dabei auf die Abhängigkeit des Sensorsignals von der Messgröße. Wenn sich z. B. die Neigung von einem ersten Winkel auf einem zweiten Winkel verdoppelt, verdoppelt sich ebenfalls das gemessene Sensorsignal. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Elektroden derart zu wählen, dass bei sehr kleinen Winkeländerungen eine nichtlineare Messgrößenänderung auftritt, währenddessen bei größeren Winkeländerungen sich ein lineares Verhalten einstellt. Damit ist es möglich, ganz gezielt die Elektroden derart zu formen oder auszubilden, das ein Verstärkungseffekt hinsichtlich der detektierten Neigungsänderung erfolgt. In diesem Fall kann bei einer Verdoppelung des Neigungswinkels sich beispielsweise das Sensorsignal um mehr als das Doppelte ändern. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist es ebenfalls möglich, die Kavität derart zu formen, dass sich keine beispielhafte Luftblase herausbildet, sondern dass sich der nicht durch die dielektrische Flüssigkeit gefüllte Teil sich entlang eines Kanals bewegt (z. B. als freibleibender Kanalabschnitt) und dass diese Bewegung z. B. durch eine Neigungsänderung oder, wie oben beschrieben, durch eine einwirkende Fliehkraft oder zusätzliche Beschleunigung auftritt .In embodiments, it is not necessary to form the electrodes over the entire area within the cavity, but for the highest possible sensitivity, it is sufficient that the electrodes are formed in those areas along which the exemplary air bubble during operation or use of the inclination sensor for a moved certain angle range. In addition, it is possible to form the electrode surfaces or the electrode structures by a plurality of components, which may be electrically connected to one another, so that the result is a sensor signal which is as linear as possible as a function of the exemplary change in inclination. The linearity refers to the dependence of the sensor signal on the measured variable. If z. For example, if the slope doubles from a first angle to a second angle, the measured sensor signal also doubles. However, it is also possible to choose the electrodes in such a way that, with very small changes in angle, a non-linear change in the measurement occurs, during which a linear behavior sets in with larger angle changes. This makes it possible to specifically form or form the electrodes in such a way that there is a reinforcement effect with regard to the detected change in inclination. In this case, for example, when the inclination angle is doubled, the sensor signal may be more than doubled. In further embodiments, it is also possible to shape the cavity such that no exemplary air bubble forms, but that the part not filled by the dielectric liquid moves along a channel (eg, as a free passage section) and that movement z. B. by a change in inclination or, as described above, by an acting centrifugal force or additional acceleration occurs.
Ferner ist es möglich, die Elektrodenstrukturen so zu wählen, dass sich die beispielhafte Luftblase entlang der ersten Elektrodenstruktur bewegt und die zweite Elektrodenstruktur vertikal darunter (z. B.' in Richtung der Schwer- kraft während des Betriebes) angeordnet ist. Mit einer solchen Anordnung der Elektrodenstrukturen ist es darüber hinaus leicht möglich, einen kapazitiven Sensor zu schaffen, der nicht nur eine Neigung bezüglich einer Drehachse hoch sensitiv feststellen kann, sondern der gleichzeitig Drehungen bezüglich zweier Achsen feststellen kann. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn die nach außen gewölbte Außenwand der Kavität eine konvexe Linsenform aufweist, so dass die beispielhafte Luftblase sich bezüglich einer Fläche bewegen kann, wobei die Bewegung entlang den beiden Richtungen der Fläche Neigungen bezüglich unterschiedlichen Drehachsen entsprechen. In diesem Fall ist eine Elektrodenstruktur entlang der gewölbten Außenwand ausgebildet.Furthermore, it is possible to select the electrode structures such that the exemplary air bubble moves along the first electrode structure and the second electrode structure is arranged vertically below it (eg, in the direction of gravity during operation). With such an arrangement of the electrode structures, moreover, it is easily possible to provide a capacitive sensor which can detect not only an inclination with respect to a rotation axis highly sensitive, but at the same time can detect rotations with respect to two axes. This is z. For example, then the case when the outwardly curved outer wall of the cavity has a convex lens shape, so that the exemplary air bubble can move with respect to a surface, wherein the movement along the two directions of the surface inclinations with respect to different axes of rotation correspond. In this case, an electrode structure is formed along the curved outer wall.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the present invention will be explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch den Hohlraum gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin- düng; Fig. 2 eine Raumansicht eines kapazitiven Neigungssensors für die Feststellung einer Drehung um eine Drehachse;1 shows a cross-sectional view through the cavity according to an embodiment of the present invention düng; Fig. 2 is a perspective view of a capacitive tilt sensor for detecting rotation about an axis of rotation;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht durch den kapazitiven Neigungssensor der Fig. 2;Fig. 3 is a cross-sectional view through the capacitive tilt sensor of Fig. 2;
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild für das Schalten der Elektrodenstrukturen, die in den Fig. 2 und 3 gezeigt sind;Fig. 4 is an equivalent circuit diagram for switching the electrode structures shown in Figs. 2 and 3;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht durch die Kavität mit einer Elektrodenstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ;5 shows a cross-sectional view through the cavity with an electrode structure according to a further exemplary embodiment;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht durch die Kavität mit einem ausgebildeten Kanai;Fig. 6 is a cross-sectional view through the cavity with a formed channel;
Fig. 7 eine Raumansicht des kapazitiven Sensors mit einer alternativen Gestaltung der Elektroden;7 is a perspective view of the capacitive sensor with an alternative configuration of the electrodes;
Fig. 8 eine Draufsicht des in Fig. 7 gezeigten kapazitiven Sensors; undFig. 8 is a plan view of the capacitive sensor shown in Fig. 7; and
Fig. 9 eine Draufsicht auf einen kapazitiven Sensor zur Feststellung von Drehungen bezüglich zwei unabhängigen Drehachsen.Fig. 9 is a plan view of a capacitive sensor for detecting rotations with respect to two independent axes of rotation.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit' die Beschreibung dieser Funktionselemente in den verschiedenen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.With regard to the following description, it should be noted that in the different embodiments, identical or equivalent functional elements have the same reference numerals and thus ' the description of these functional elements in the various embodiments are interchangeable.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Hohlraum 10 eines kapazitiven Sensors, wobei der Hohlraum 10 eine nach außen gewölbte Außenwand 20 aufweist und in dem Hohl- räum 10 eine dielektrische Flüssigkeit 30 eingebracht ist. Die dielektrische Flüssigkeit 30 lässt einen Teil 40 des Hohlraums 10 offen, wobei der Teil 40 entlang der nach außen gewölbten Außenwand 20 angeordnet ist und eine andere Dielektrizitätskonstante als die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Flüssigkeit aufweist. Ferner ist eine erste Flächenelektrode 50 in dem Hohlraum bzw. an einer Seitenwand des Hohlraums ausgebildet und eine zweite Flächenelektrode 60 (in der Fig. 1 nicht gezeigt) ist an einer der Seitenwand gegenüberliegenden Seitenwand ausgebildet.1 shows a cross-sectional view through a cavity 10 of a capacitive sensor, wherein the cavity 10 has an outwardly curved outer wall 20 and in the cavity 10, a dielectric liquid 30 is introduced. The dielectric liquid 30 exposes a portion 40 of the cavity 10 with the portion 40 disposed along the outwardly bulging outer wall 20 and having a dielectric constant other than the dielectric constant of the dielectric fluid. Further, a first area electrode 50 is formed in the cavity and a sidewall of the cavity, respectively, and a second area electrode 60 (not shown in Fig. 1) is formed on a side wall opposite to the sidewall.
Die erste Flächenelektrode 50 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen ersten Bereich 50a und einen zweiten Bereich 50b auf, wobei beide Bereiche entlang einer Trennlinie 51 elektrisch voneinander isoliert sind. Die erste und zweite Flächenelektrode 50 und 60 sind damit derart ausgebildet, dass eine Bewegung Δs des Teils 40 in der dielektrischen Flüssigkeit 30 entlang der nach außen gewölbten Außenwand 20 ansprechend auf eine Messgröße (z. B. einer Neigung) zu einer Kapazitätsänderung zwischen dem ersten Bereich der ersten Flächenelektrode 50a und zweiten Flächenelektrode 60 führt. Entsprechend gegenläufig verhält sich die Kapazitätsänderung zwischen dem zweiten Bereich der ersten Flächenelektrode 50b und der zweiten Flächenelektrode 60.In this exemplary embodiment, the first area electrode 50 has a first area 50a and a second area 50b, wherein both areas are electrically insulated from each other along a parting line 51. The first and second area electrodes 50 and 60 are thus formed such that a movement Δs of the portion 40 in the dielectric liquid 30 along the outwardly curved outer wall 20 in response to a measured quantity (eg, a slope) to a capacitance change between the first Area of the first area electrode 50 a and second area electrode 60 leads. Correspondingly, the capacitance change between the second area of the first area electrode 50b and the second area electrode 60 behaves in the opposite direction.
Die nach außen gewölbte Außenwand 20 weist eine nur schwach gekrümmte Oberfläche auf, so dass sich eine Flächennormale Nl entlang einer lateralen oder seitlichen Ausdehnung B der nach außen gewölbten Außenwand 20 in einen Bereich von weniger als 45° oder in einem Bereich von weniger als 20° oder in einem Bereich von weniger als 10° ändert. Alternativ kann die schwach nach außen gewölbten Außenwand 20 derart gestaltet werden, dass der doppelte Krümmungsradius der gekrümmten Oberfläche der Außenwand 20 größer oder mehr doppelt so groß oder zumindest fünfmal größer ist als die seitliche Ausdehnung B. Die laterale Ausdehnung B kann beispielsweise ein maximaler Durchmesser des Hohlraums 10 sein. Damit kann erreicht werden, dass wenn der Krümmungs- durchmesser bereits etwas größer ist als die seitliche Ausdehnung B, nicht mehr der volle 180° Winkelbereich bei Drehungen/Neigungen abgedeckt wird, was ein Merkmal von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist. Die Stärke der Wölbung der Außenwand 20 kann beispielsweise hinsichtlich einer gewünschten Sensitivität des Neigungssensors optimiert werden: je geringer oder schwächer die Wölbung je höher die Sensitivität. Die Breite oder Ausdehnung B bestimmt dann (bei gewählter Wölbung) den Winkelbe- reich der ausgemessen werden kann.The outwardly curved outer wall 20 has a slightly curved surface, so that a surface normal Nl along a lateral or lateral extent B of the convex outer wall 20 in a range of less than 45 ° or in a range of less than 20 ° or in a range of less than 10 ° changes. Alternatively, the slightly outwardly curved outer wall 20 may be configured such that twice the radius of curvature of the curved surface of the outer wall 20 is greater than or more than twice or at least five times greater than the lateral extent B. The lateral extent B may be, for example, a maximum diameter of the Be cavity 10. It can thus be achieved that if the curvature Diameter is already slightly larger than the lateral extent B, not the full 180 ° angle range is covered in turns / inclinations, which is a feature of embodiments of the present invention. The degree of curvature of the outer wall 20 can be optimized, for example, with regard to a desired sensitivity of the inclination sensor: the lower or lower the curvature the higher the sensitivity. The width or extent B then determines (with the curvature selected) the angular range that can be measured.
Die konkrete Form des Teils 40 hängt zum großen Teil von den Benetzungseigenschaften der nach außen gewölbten Außenwand 20 oder der Seitenwände des Hohlraums 10 bezüglich der dielektrischen Flüssigkeit 30 ab. Erfindungsgemäß ist beispielsweise so viel dielektrische Flüssigkeit in den Hohlraum 10 eingebracht, dass der Teil 40 seitlich durch die dielektrische Flüssigkeit 30 und nicht durch eine Wand des Hohlraums 10 begrenzt ist (seitlich bezieht sich dabei beispielsweise auf die Bewegungsrichtung Δs) . Der Teil 40 kann somit beispielsweise eine Luftblase sein, die sich in der dielektrischen Flüssigkeit 30 ausgebildet hat. Alternativ kann der Teil 40 aber auch Vakuum oder ein anderes Medium aufweisen, welches sich mit der dielektrischen Flüssigkeit 30 nicht mischt und eine andere Dielektrizitätskonstante als die der dielektrischen Flüssigkeit 30 aufweist. Es ist dabei vorteilhaft, wenn der Unterschied der Dielektrizitätskonstanten möglichst groß ist.The concrete shape of the part 40 depends in large part on the wetting properties of the outwardly curved outer wall 20 or the side walls of the cavity 10 with respect to the dielectric liquid 30. According to the invention, for example, so much dielectric fluid is introduced into the cavity 10 that the part 40 is bounded laterally by the dielectric fluid 30 and not by a wall of the cavity 10 (laterally, for example, refers to the direction of movement Δs). The part 40 may thus be, for example, an air bubble which has formed in the dielectric liquid 30. Alternatively, however, the member 40 may also include a vacuum or other medium that does not mix with the dielectric liquid 30 and has a dielectric constant other than that of the dielectric liquid 30. It is advantageous if the difference in the dielectric constant is as large as possible.
Fig. 2 zeigt eine Raumansicht des kapazitiven Sensors zum Erfassen einer Messgröße, wobei der Hohlraum 10 durch einen ersten Elektrodenträger 11 und einen zweiten Elektrodenträger 12 als auch durch ein Distanzelement 13 begrenzt ist. Das Distanzelement 13 definiert dabei die nach außen ge- wölbte Außenwand 20 entlang derer sich nach Füllen des Hohlraumes 10 mit der dielektrischen Flüssigkeit 30 der Teil 40 herausbildet. Das Distanzelement 13 weist eine Schichtdicke d auf, die einen festen Abstand zwischen dem ersten und zweiten Elektrodenträger 11, 12 definiert.2 shows a spatial view of the capacitive sensor for detecting a measured variable, wherein the cavity 10 is delimited by a first electrode carrier 11 and a second electrode carrier 12 as well as by a spacer element 13. In this case, the spacing element 13 defines the outwardly bulging outer wall 20 along which the filler 40 forms with the dielectric liquid 30 of the part 40 after the cavity 10 has been filled. The spacer element 13 has a Layer thickness d, which defines a fixed distance between the first and second electrode carrier 11, 12.
Auf dem ersten Elektrodenträger 11 ist die erste Flächen- elektrode 50 oder eine erste Elektrodenstruktur ausgebildet und auf dem zweiten Elektrodenträger 12 ist die zweite Flächenelektrode 60 oder eine zweite Elektrodenstruktur ausgebildet. Die erste und zweite Flächenelektrode 50, 60 können beispielsweise durch Aufdampfen auf den ersten und zweiten Elektrodenträger 11, 12 erzeugt werden oder aber auch in diesen integriert sein. Optional kann eine Isolation zwischen dem ersten Elektrodenträger 11 (zweiten Elektrodenträger 12) und der ersten Flächenelektrode 50 (zweiten Flächenelektrode 60) ausgebildet sein. Die erste Flächen- elektrode 50 weist den ersten Ber'eich 50a und den zweiten Bereich 50b auf, die entlang der Trennlinie 51 voneinander elektrisch isoliert sind. Die Trennlinie 51 ist bei diesem Ausführungsbeispiel nicht durch eine gerade Linie gegeben, sondern weist eine Krümmung auf, die derart gewählt werden kann, dass sich bei der kapazitiven Messung ein möglichst linearer Zusammenhang zwischen der Messgröße (Neigung oder Drehung) um eine Drehachse 80 und der erfassten Kapazitätsänderung ergibt.The first surface electrode 50 or a first electrode structure is formed on the first electrode carrier 11, and the second surface electrode 60 or a second electrode structure is formed on the second electrode carrier 12. The first and second surface electrodes 50, 60 may be produced, for example, by vapor deposition on the first and second electrode carriers 11, 12 or may also be integrated in these. Optionally, an insulation between the first electrode carrier 11 (second electrode carrier 12) and the first surface electrode 50 (second surface electrode 60) may be formed. The first area electrode 50 has the first area 50a and the second area 50b, which are electrically insulated from each other along the parting line 51. The dividing line 51 is not given by a straight line in this embodiment, but has a curvature that can be chosen such that the capacitive measurement as linear as possible relationship between the measured variable (inclination or rotation) about a rotation axis 80 and recorded capacity change.
Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, dass bei leichten Drehungen um die Drehachse 80 eine Verschiebung des Teils 40 entlang der nach außen gewölbten Außenwand 20 erzeugt wird, dass jedoch bei größeren Drehungen um die Drehachse 80 sich der Teil 40 kaum bewegt und infolge dessen zu keiner weiteren Kapazitätsänderung führt. Zum Beispiel wird der Teil 40 bei einer Drehung zwischen 45 und 90° um die Drehachse 80 in der in Fig. 2 dargestellten Situation sich in einem der Eckpunkte des durch das Distanzelement 13 definierten Hohlraumes 10 befinden. Jedoch kommt es bei kleineren Drehungen (z. B. von weniger als 10°) zu einer starken Verschiebung Δs des Teils 40 entlang der nach außen gewölbten Außenwand 20 und demzufolge zu einer signifikanten Änderung der Kapazität zwischen dem ersten Bereich der ersten Flächenelektrode 50a und der zweiten Flächenelektrode 60.From Fig. 2 it can be seen that with slight rotations about the axis of rotation 80, a displacement of the part 40 along the convex outer wall 20 is generated, but that with larger rotations about the rotation axis 80, the part 40 hardly moves and consequently no further capacity change leads. For example, with a rotation between 45 and 90 ° about the axis of rotation 80 in the situation illustrated in FIG. 2, the part 40 will be located in one of the vertices of the cavity 10 defined by the spacer 13. However, with smaller rotations (eg, less than 10 °), there is a strong shift Δs of the part 40 along the outwardly bulging outer wall 20, and consequently, a significant change in capacitance between the first region first area electrode 50a and the second area electrode 60.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht durch das Distanzele- ment 13 in der Fig. 2. Es ist somit ersichtlich, wie das Distanzelement 13 den Hohlraum 10 und insbesondere die nach außen gewölbte Außenwand 20 definiert. Ferner ist ersichtlich, dass die erste Flächenelektrode 50 nicht ganzflächig über auf dem ersten Elektrodenträger 11 ausgebildet ist, sondern sich lediglich in einem Bereich erstreckt, der von dem Teil 40 bei der seitlichen Bewegung Δs parallel zur nach außen gewölbten Außenwand 20 überstrichen wird. Die erste Flächenelektrode 50 weist wiederum den ersten Bereich 50a und den zweiten Bereich 50b auf, die entlang der Trenn- linie 51 elektrisch voneinander isoliert sind. Beide Teile werden elektrisch kontaktiert und sind an einer Auswerteeinheit oder Messelektronik 90 angeschlossen. In der Fig. 3 ist die zweite Flächenelektrode 60, die ebenfalls an die Auswerteeinheit 90 angeschlossen ist, nicht gezeigt.FIG. 3 shows a cross-sectional view through the spacer element 13 in FIG. 2. It can thus be seen how the spacer element 13 defines the cavity 10 and in particular the outwardly curved outer wall 20. Furthermore, it can be seen that the first surface electrode 50 is not formed over the entire surface on the first electrode carrier 11, but extends only in a region which is swept by the part 40 in the lateral movement Δs parallel to the outwardly curved outer wall 20. The first area electrode 50 in turn has the first area 50a and the second area 50b, which are electrically insulated from one another along the dividing line 51. Both parts are electrically contacted and are connected to an evaluation unit or measuring electronics 90. In FIG. 3, the second surface electrode 60, which is likewise connected to the evaluation unit 90, is not shown.
Somit zeigt Fig. 3 eine Anordnung im Schnitt durch das Distanzelement 13 und verdeutlicht außerdem die elektrische Auslesung des Sensors. Die beiden voneinander isolierten Teilflächen 50a, b der ersten Elektrodenstruktur 50 werden an die Messelektronik 90 angeschlossen. Die zweite Elektrodenstruktur 60, die beispielsweise vollflächig auf der zweiten Elektrodenhalterung 12 ausgebildet sein kann, wird ebenfalls an die Messelektronik 90 angeschlossen, so dass zwischen dem ersten Bereich 50a der ersten Elektrodenstruk- tur und der zweiten Elektrodenstruktur 60 (=erste Teilkondensatoranordnung) eine erste Teilkapazität Cl und zwischen dem zweiten Bereich 50b der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur 60 (=zweite Teilkondensatoranordnung) eine zweite Teilkapazität C2 gemessen werden kann.Thus, Fig. 3 shows an arrangement in section through the spacer 13 and also illustrates the electrical readout of the sensor. The two mutually insulated partial surfaces 50 a, b of the first electrode structure 50 are connected to the measuring electronics 90. The second electrode structure 60, which may be formed over the entire surface of the second electrode holder 12, for example, is also connected to the measuring electronics 90, so that between the first portion 50a of the first Elektrodenstruk- and the second electrode structure 60 (= first partial capacitor arrangement) a first partial capacitance Cl and between the second region 50b of the first electrode structure and the second electrode structure 60 (= second partial capacitor arrangement) a second partial capacitance C2 can be measured.
Die erste Teilkondensatoranordnung bildet sich somit entlang einer ersten Überdeckungsfläche Al als auch entlang einer Schnittfläche des ersten Bereichs 50a mit dem Teil 40 (beispielhafte Luftblase) . In analoger Weise bildet sich die zweite Teilkondensatoranordnung entlang einer zweiten Überdeckungsfläche A2 und einer weiteren Schnittfläche des zweiten Bereichs 50b mit dem Teil 40 heraus. Beide Beiträge zur ersten (und auch beide Beiträge zur zweiten) Teilkondensatoranordnung liefern parallel geschaltete kapazitive Beiträge zur ersten (und zur zweiten) Teilkapazität Cl (und C2 ) , wie in der Fig. 4 noch näher beschrieben wird. Die Kapazitäten der beiden Beiträge unterscheiden sich, da die Dielektrizitätskonstante des Teils 40 sich von der Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Flüssigkeit unterscheidet .The first partial capacitor arrangement thus forms along a first overlap area Al as well as along a sectional area of the first area 50a with the part 40 (exemplary air bubble). In an analogous manner, the second partial capacitor arrangement forms along a second overlapping area A2 and a further sectional area of the second area 50b with the part 40. Both contributions to the first (and also both contributions to the second) partial capacitor arrangement supply parallel capacitive contributions to the first (and second) partial capacitance Cl (and C2), as will be described in more detail in FIG. The capacitances of the two contributions differ because the dielectric constant of the part 40 is different from the dielectric constant of the dielectric liquid.
Die erste Überdeckungsfläche Al ist dabei durch den Überdeckungsgrad des ersten Bereichs 50a der ersten Elektrodenstruktur 50 mit der zweiten Elektrodenstruktur 60 gegeben, wobei die Überdeckung durch die dielektrische Flüssigkeit 30 definiert ist. Analog ist die zweite Überdeckungsfläche A2 durch den Überdeckungsgrad des zweiten Teils 50b der ersten Flächenelektrode 50 mit der zweiten Flächenelektrode 60 gegeben. Die erste Überdeckungsfläche Al ist somit innerhalb des ersten Bereichs 50a komplementär zu der Schnittfläche, die die beispielhafte Luftblase 40 mit dem ersten Bereich 50a bildet. Analog ist die zweite Überdeckungsfläche A2 komplementär zu jener Schnittfläche die der zweite Bereich 50b mit der beispielhaften Luftblase 40 bildet.The first overlap area Al is given by the degree of overlap of the first area 50a of the first electrode structure 50 with the second electrode structure 60, the overlap being defined by the dielectric liquid 30. Similarly, the second overlapping area A2 is given by the degree of overlap of the second part 50b of the first area electrode 50 with the second area electrode 60. The first overlapping area Al is thus within the first area 50a complementary to the sectional area forming the exemplary air bladder 40 with the first area 50a. Similarly, the second overlapping area A2 is complementary to the sectional area that the second area 50b forms with the exemplary air bubble 40.
Eine Verkippung des Sensors und damit eine Bewegung Δs der beispielhaften Luftblase 40 ändert gegensinnig die beiden Teilkapazitäten Cl und C2, da sich in diesem Fall der Überdeckungsgrad Al in der ersten Teilkondensatoranordnung vergrößert, während sich der Überdeckungsgrad A2 der zwei- ten Teilkondensatoranordnung verkleinert bzw. umgekehrt (je nach der Drehrichtung) . Dadurch ergibt sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Verkippung (Neigung) des Sensors und der messbaren Kapazitätsdifferenz der beiden Teilkondensatoranordnungen. Aufgrund der Form der beispielhaften Luftblase 40 ergibt sich in der Nulllage des Sensors nicht unbedingt die Kapazitätsdifferenz Null, da bei der oberen (erste) Teilkondensatoranordnung ein größerer Bereich nicht vom dielektrischen Fluid 30 überdeckt ist als bei der unteren (zweite) Teilkondensatoranordnung. Dieser Umstand bewirkt außerdem eine nichtlineare Kapazitätsänderung in Abhängigkeit von der Verkippung, jedoch ist die eindeutige Zuordnung zwischen Verkippwinkel (Drehung um die Drehachse 80) und der Kapazitätsdifferenz stets gegeben. Durch eine geeignete Wahl der Elektrodenform kann jedoch auch in diesem Fall eine quasi lineare Kennlinie erzielt werden. Diese Wahl der Elektroden kann beispielsweise durch eine Wahl der Trennlinie 51, die die beiden Bereiche der ersten Flächenelektrode 50 trennt, erfolgen. Wie bereits in der Fig. 2 und 3 dargestellt, ist es im Allgemeinen nicht vorteilhaft, eine lineare Ausgestaltung dieser Trennlinie 51 zu wählen, sondern stattdessen die Trennlinie 51 so zu krümmen, dass sich möglichst eine lineare Kennlinie (Kapazitätsänderung als Funktion des Neigungswinkels) ergibt. Zwischen der Krümmung und der Wölbung der Außenwand 20 wird im Allgemei- nen eine Beziehung bestehen, wobei die Beziehung beispielsweise von der Form des Teils 40 abhängt. Die Form des Teils 40 hängt ihrerseits zum einen von der Oberflächenspannung der dielektrischen Flüssigkeit 30 und zum anderen von dem Grad der Benetzung der Außenwand 20 von der dielektrischen Flüssigkeit 30.A tilting of the sensor and thus a movement .DELTA.s of the exemplary air bubble 40 changes in opposite directions the two partial capacitances Cl and C2, since in this case the coverage Al increases in the first partial capacitor arrangement, while the overlap A2 of the second partial capacitor arrangement decreases or vice versa (depending on the direction of rotation). This results in a clear relationship between the tilt (inclination) of the sensor and the measurable capacitance difference of the two sub-capacitor arrays. Due to the shape of the exemplary air bubble 40 does not necessarily result in the zero position of the sensor, the capacitance difference zero, since in the upper (first) sub-capacitor assembly, a larger area is not covered by the dielectric fluid 30 than in the lower (second) sub-capacitor assembly. This circumstance also causes a non-linear capacitance change as a function of the tilting, but the unambiguous assignment between tilt angle (rotation about the rotation axis 80) and the capacitance difference is always given. By a suitable choice of the electrode shape, however, a quasi-linear characteristic can also be achieved in this case. This selection of the electrodes can be effected, for example, by a selection of the separation line 51 which separates the two regions of the first surface electrode 50. As already shown in FIGS. 2 and 3, it is generally not advantageous to choose a linear configuration of this parting line 51, but instead to curve the parting line 51 in such a way that the result is a linear characteristic (capacity change as a function of the inclination angle) , In general, a relationship will exist between the curvature and the curvature of the outer wall 20, the relationship depending, for example, on the shape of the part 40. The shape of the part 40 in turn depends on the one hand on the surface tension of the dielectric liquid 30 and on the other hand on the degree of wetting of the outer wall 20 of the dielectric liquid 30th
Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild für die erste Teilkapazität Cl und die zweite Teilkapazität C2. Die erste Teilkapazität Cl ist durch die oben erwähnten zwei Beiträge gege- ben, wobei der erste Beitrag CIa die dielektrische Flüssigkeit 30 und der zweite Beitrag CIb den Teil 40 als dielektrisches Medium, das zwischen dem ersten Bereich der ersten Flächenelektrode 50a und der zweiten Flächenelektrode 60 angeordnet ist, aufweist. In analoger Weise ist die zweite Teilkapazität C2 ebenfalls durch zwei Beiträge gegeben, wobei der erste Beitrag C2a ebenfalls die dielektrische Flüssigkeit 30 und der zweite Beitrag C2b den Teil 40 als dielektrisches Medium, welches zwischen dem zweiten Bereich der ersten Flächenelektrode 50b und der zweiten Flächenelektrode 60 angeordnet ist, aufweist. Die zweite Flächenelektrode 60 kann beispielsweise mit Masse verbunden werden, so dass die beiden Signale an dem ersten und zweiten Bereich der ersten Flächenelektrode 50a, 50b als Messsignal genutzt werden können. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn nicht direkt die Teilkapazitäten Cl und C2 gemessen werden, sondern wenn stattdessen die Differenz zwischen den beiden Teilkapazitäten C1-C2 als die zu erfassende Messgröße verwendet wird. Die Messung dieser Differenzkapazität der sich gegensinnig ändernden Teilkapazitäten Cl und C2 ist vorteilhaft, weil dadurch Störeinflüsse wie Temperatur und/oder Feuchte kompensiert werden können. Bei diesem Ersatzschaltbild ist zu beachten, dass die Kapazitäten CIa, CIb, C2a und C2b von der Neigung des kapazitiven Sensors abhängen. Obwohl sich die Flächen der ersten und zweiten Flächenelektrode 50, 60 als solche nicht ändern, ändert sich aber das dielektrischen Medium und somit die effektive dielektrische Konstante zwischen der ersten und zweiten Flächenelektrode 50, 60. Genauer gesagt überdeckt die dielektrische Flüssigkeit 30 in Abhängigkeit von der Neigung (oder der Position des Teils 40) einen mehr oder weniger großen Teil der ersten und zweiten Flächenelektrode 50, 60.4 shows an equivalent circuit diagram for the first partial capacitance Cl and the second partial capacitance C2. The first partial capacitance Cl is given by the above-mentioned two contributions, wherein the first contribution CIa the dielectric liquid 30 and the second contribution CIb the part 40 as a dielectric medium between the first region of the first surface electrode 50a and the second surface electrode 60th is arranged. In an analogous manner, the second partial capacitance C2 is likewise given by two contributions, the first contribution C2a likewise the dielectric fluid 30 and the second contribution C2b the dielectric medium portion 40 which is between the second region of the first surface electrode 50b and the second surface electrode 60 is arranged. The second area electrode 60 can be connected to ground, for example, so that the two signals at the first and second area of the first area electrode 50a, 50b can be used as a measurement signal. It may be advantageous if the partial capacitances C1 and C2 are not measured directly, but instead the difference between the two partial capacitances C1-C2 is used instead as the measured variable to be detected. The measurement of this difference capacity of the oppositely changing partial capacitances Cl and C2 is advantageous because it can compensate for disturbing influences such as temperature and / or humidity. It should be noted in this equivalent circuit diagram that the capacitances CIa, CIb, C2a and C2b depend on the inclination of the capacitive sensor. However, although the areas of the first and second area electrodes 50, 60 do not change as such, the dielectric medium, and hence the effective dielectric constant, changes between the first and second area electrodes 50, 60. Specifically, the dielectric liquid 30 overlaps depending on the Inclination (or the position of the part 40) a more or less large part of the first and second surface electrode 50, 60th
Mit diesem Ersatzschaltbild wird also berücksichtigt, dass der Bereich der Elektroden, der nicht vom Fluid (dielektrische Flüssigkeit 30) überdeckt ist, einen Beitrag zur Kapazität liefert. Die Teilkondensatoranordnung (Cl, C2) ist also wie dargestellt eine Parallelschaltung eines Kondensators mit Dielektrikum (CIa, C2a) und eines zweiten Kondensators mit Luft (CIb, C2b) . Bei einer Neigung vergrößert 'sich z.B. die Fläche des Kondensators CIa mit Dielekt- rikum, während sich der Fläche des Kondensators mit Luft CIb verkleinert. In Summe ergibt1 sich bei der Parallelschaltung eine Vergrößerung des Teilkondensators Cl, da die Änderung des Kondensators mit Dielektrikum CIa aufgrund der beispielsweise höheren Dielektrizitätskonstanten die Verkleinerung des Luftkondensators CIb sozusagen „überkompensiert". Analoge Betrachtungen gelten für die Teilkondensatoranordnung C2, wobei sich beide Teilkondensatoranordnungen gegensinnig zueinander verhalten können (um beispiels- weise die besagte Temperatur- und Feuchtekompensation zu erreichen) , so dass, wenn die Teilkondensatoranordnung C2 sich verkleinert, sich die Teilkondensatoranordnung Cl vergrößert.With this equivalent circuit diagram, it is thus taken into account that the area of the electrodes which is not covered by the fluid (dielectric fluid 30) contributes to the capacitance. The partial capacitor arrangement (C1, C2) is thus, as shown, a parallel connection of a capacitor with dielectric (CIa, C2a) and a second capacitor with air (CIb, C2b). In a slope ', the area of the capacitor CIa increases example with Dielekt- while the area of the condenser decreases with air CIb. In sum, 1 results in an increase in the partial capacitor C1 in the parallel connection since the change of the capacitor with dielectric CIa "overcompensates" the reduction of the air capacitor CIb, as it were because of the higher dielectric constants. Analogous considerations apply to the partial capacitor arrangement C2, with both partial capacitor arrangements opposing each other to each other (to achieve, for example, the said temperature and humidity compensation), so that when the partial capacitor arrangement C2 decreases, the partial capacitor arrangement Cl increases.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem im Vergleich zu dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel, die Form der ersten Flächenelektrode 50 geändert wurde. Insgesamt weist das Ausführungsbeispiel in Fig. 5 vier Teile für die erste Flächenelektrode 50 auf, wobei einen ersten Bereich 50a und ein dritter Bereich 50c elektrisch miteinander verbunden sind. Ferner ist der zweite Bereich 50b mit einem vierten Bereich 5Od elektrisch miteinander verbunden.FIG. 5 shows another embodiment in which the shape of the first surface electrode 50 has been changed as compared with the embodiment shown in FIG. Overall, the exemplary embodiment in FIG. 5 has four parts for the first area electrode 50, wherein a first area 50a and a third area 50c are electrically connected to one another. Further, the second region 50b is electrically connected to a fourth region 50d.
Der erste und zweite Bereich 50a und 50b der ersten Elektrodenstruktur 50 bilden dabei im wesentlichen ein Rechteck, das parallel zur nach außen gewölbten Außenwand 20 (leicht) gekrümmt ist und die Trennlinie 51 einer leicht gekrümmten Diagonale des Rechtecks folgt. In der Fig. 5 wurde die Elektrodenstruktur der Fig. 3 dahingehend dupliziert, dass zusätzlich zu dem ersten Bereich 50a und dem zweiten Bereich 50b ein dritter Bereich 50c und ein vierter Bereich 5Od hinzugefügt wurden, wobei der dritte und vierte Bereich 50c, 5Od eine analoge Form aufweisen wie der erste und der zweite Bereich 50a, 50b. Der dritte und vierte Bereich 50c, d bilden somit ebenfalls im wesentlichen ein Rechteck, das parallel zur nach außen gewölbten Außenwand 20 gekrümmt ist und die Trennlinie 51 einer leicht gekrümmten Diagonale des Rechtecks folgt. Die beiden so gebildeten Rechtecke sind entlang ihrer langen Seite elektrisch voneinander isoliert angeordnet. Damit wird erreicht, dass beispielsweise alle vier Bereiche 50a,b,c,d elektrisch voneinander isoliert auf den ersten Elektrσdenträger 11 angeordnet sind, wobei die elektrische Verbindung schaltungstechnisch außerhalb des kapazitiven Sensors erfolgen kann.The first and second regions 50a and 50b of the first electrode structure 50 essentially form a rectangle which is (slightly) curved parallel to the convex outer wall 20 and the dividing line 51 follows a slightly curved diagonal of the rectangle. In FIG. 5, the electrode structure of FIG. 3 has been duplicated in that in addition to the first region 50a and the second region 50b, a third region 50c and a fourth region 50d have been added, the third and fourth regions 50c, 50d being analogous Shape as the first and the second region 50a, 50b. The third and fourth regions 50c, d thus also substantially form a rectangle which is curved parallel to the outwardly curved outer wall 20 and the parting line 51 of a slightly curved diagonal the rectangle follows. The two rectangles thus formed are arranged electrically isolated from each other along their long side. This ensures that, for example, all four areas 50a, b, c, d are electrically isolated from one another on the first Elektrσdenträger 11, wherein the electrical connection can be done circuitry outside the capacitive sensor.
Die Höhe der ersten Flächenelektrode 50 kann beispielsweise wiederum durch eine radiale Ausdehnung R der beispielhaften Luftblase 40 gegeben sein und sich im wesentlichen über die laterale Breite B des Hohlraums 10 erstrecken.The height of the first surface electrode 50 may again be given, for example, by a radial extent R of the exemplary air bubble 40 and extend substantially over the lateral width B of the cavity 10.
Somit zeigt Fig. 5 eine alternative Gestaltung der ersten Elektrodenstruktur 50. Durch die kammartige Unterteilung der ersten Elektrodenstruktur 50 in mehrere übereinander liegende Streifen kann damit der negative Einfluss der runden Form der beispielhaften Luftblase 40 auf die Linea- rität des Ausgangssignals minimiert werden, da sich die Änderungen der vom dielektrischen Fluid 40 überdecktenThus, FIG. 5 shows an alternative design of the first electrode structure 50. The comb-like subdivision of the first electrode structure 50 into a plurality of superimposed strips thus minimizes the negative influence of the round shape of the exemplary air bubble 40 on the linearity of the output signal the changes covered by the dielectric fluid 40
Bereiche in den beiden Teilkondensatoranordnungen Cl und C2 gegenseitig annähern.Areas in the two sub-capacitor assemblies Cl and C2 approach each other.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem innerhalb des Hohlraums 10 ein weiteres Distanzelement 14 derart angeordnet ist, dass der Teil 40 des Hohlraums 10 sich zwischen dem Distanzelement 13 und dem weiteren Distanzelement 14 herausbildet und der Teil 40 lediglich seitlich (entlang der Bewegungsrichtung Δs) von der die- lektrischen Flüssigkeit 30 begrenzt wird. Somit ist der Teil 40 auf der der gewölbten Außenwand 20 gegenüberliegenden Seite 21 von dem weiteren Distanzelement 14 begrenzt. In dem Zwischenraum zwischen dem Distanzelement 13 und dem weiteren Distanzelement 14, in dem der Teil 40 herausgebil- det ist, ist die erste Flächenelektrode 50 an einer Seitenwand (Elektrodenträger 11) ausgebildet, wobei die erste Flächenelektrode 50 wiederum einen ersten Bereich 50a und einen zweiten Bereich 50b aufweist, die, wie in der Fig. 3 dargestellt, entlang der Trennlinie 51 unterbrochen sind. Das weitere Distanzelement 14 kann dabei derart in dem Hohlraum 10 angeordnet sein, dass sich deren Oberfläche in den Hohlraum 10 hineinwölbt, so dass die nach außen gewölb- te Außenwand 20 und eine Seitenwand 21 des weiteren Distanzelements 14 im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Der Kanal zwischen der nach außen gewölbten AußenwandFig. 6 shows a further embodiment in which within the cavity 10, a further spacer element 14 is arranged such that the part 40 of the cavity 10 is formed between the spacer element 13 and the further spacer element 14 and the part 40 only laterally (along the direction of movement Δs) is limited by the dielectric fluid 30. Thus, the part 40 is limited on the curved outer wall 20 opposite side 21 of the further spacer element 14. In the intermediate space between the spacer element 13 and the further spacer element 14 in which the part 40 is formed, the first surface electrode 50 is formed on a side wall (electrode carrier 11), wherein the first surface electrode 50 again has a first region 50a and a second region Area 50b, which, as shown in FIG. 3rd shown interrupted along the parting line 51. The further spacer element 14 may be arranged in the cavity 10 such that its surface bulges into the cavity 10, so that the outwardly curved outer wall 20 and a side wall 21 of the further spacer element 14 extend substantially parallel to one another. The channel between the convex outer wall
20 und der Seitenwand 21 kann dabei derart gewählt werden, dass der Abstand zwischen den beiden Wänden kleiner ist als eine laterale Ausdehnung (in Bewegungsrichtung Δs) des Teils 40.20 and the side wall 21 can be chosen such that the distance between the two walls is smaller than a lateral extent (in the direction of movement Δs) of the part 40th
Somit zeigt Fig. 6 eine weitere Alternative, um die Linea- rität des Sensorsignals zu verbessern. Durch das Einbringen des Kapillar formenden Elements 14 wird ein schlauchförmiges Gebiet 16 ausgebildet, indem sich die beispielhafte Luftblase 40 befinden kann. Da diese an der oberen sowie unteren Wand 20 und 21 des schlauchförmigen Gebiets 16 anhaftet, bildet sich die Oberfläche der beispielhaften Luftblase 40 annähernd senkrecht zu den beiden Wänden 20,Thus, Fig. 6 shows another alternative to improve the linearity of the sensor signal. By introducing the capillary forming member 14, a tubular region 16 is formed by allowing the exemplary air bladder 40 to be located. As it adheres to the upper and lower walls 20 and 21 of the tubular region 16, the surface of the exemplary air bubble 40 forms approximately perpendicular to the two walls 20,
21 und damit in radialer Richtung innerhalb der gesamten Kavität aus. Auf diese Weise wird ein annähernd gleich großer Überdeckungsgrad (Al=A2, siehe Fig. 3) für beide Teilkondensatoranordnungen in der Nulllage sowie ein linea- res Sensor-Ausgangssignal erzielt, da sich die Oberfläche der Luftblase 40 in radialer Richtung ausbildet und in Umfangsrichtung bewegt. Die radiale Richtung bezieht sich dabei auf eine Richtung parallel zur Flächennormale entlang der nach außen gewölbten Außenwand und die Umfangsrichtung entspricht der Bewegungsrichtung Δs der beispielhaften Luftblase 40.21 and thus in the radial direction within the entire cavity. In this way, an approximately equal degree of coverage (Al = A2, see FIG. 3) is achieved for both partial capacitor arrangements in the zero position and a linear sensor output signal, since the surface of the air bubble 40 forms in the radial direction and moves in the circumferential direction , The radial direction in this case refers to a direction parallel to the surface normal along the convex outer wall, and the circumferential direction corresponds to the direction of movement Δs of the exemplary air bubble 40.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die erste und zweite Flächenelektrode 50 und 60 nicht entlang von Seitenwänden ausgebildet sind, sondern bei dem die erste Flächenelektrode 50 entlang der nach außen gewölbten Außenwand 20 angeordnet ist und die zweite Flächenelektrode 60 auf den gegenüberliegenden Elektrodenträger 12 (Boden) ausgebildet ist. Die Fig. 7 zeigt somit eine Raumansicht des kapazitiven Sensors, wobei die in dem Hohlraum eingebrachte dielektrische Flüssigkeit 30 durch den zweiten Elektrodenträger 12 nach unten begrenzt ist und seitlich durch eine erste Seitenwand 15a und eine zweite Seitenwand 15b begrenzt wird. Die nach außen gewölbte Außenwand 20 ist entlang des ersten Elektrodenträgers 11 ausgebildet, so dass sich die erste Flächenelektrode 50 und die zweite Flächenelektrode 60 in einem Abstand d zueinander befinden, der durch die erste und zweite Seitenwand 15a und 15b definiert ist. Es kann dabei vorteilhaft sein, wenn der zweite Elektrodenträger 12 ebenfalls eine Wölbung aufweist, die insbesondere parallel zur Wölbung der Außenwand 20 ausgebildet sein kann. Damit wird nämlich erreicht, dass der (effektive) Abstand d, der die Kapazität der Kondensatoranordnungen bestimmt, innerhalb des Hohlraumes konstant bleibt. Ferner kann die beispielhafte Luftblase sich ebenfalls über die ganze Höhe der Kavität erstrecken.Fig. 7 shows another embodiment in which the first and second surface electrodes 50 and 60 are not formed along sidewalls, but in which the first surface electrode 50 is disposed along the convex outer wall 20 and the second surface electrode 60 is disposed on the opposite electrode carrier 12 (floor) is trained. Fig. 7 thus shows a spatial view of the capacitive sensor, wherein the introduced in the cavity dielectric liquid 30 is bounded by the second electrode carrier 12 down and laterally bounded by a first side wall 15a and a second side wall 15b. The outwardly bulging outer wall 20 is formed along the first electrode carrier 11 so that the first area electrode 50 and the second area electrode 60 are at a distance d from each other defined by the first and second side walls 15a and 15b. It may be advantageous if the second electrode carrier 12 also has a curvature, which may be formed in particular parallel to the curvature of the outer wall 20. This ensures that the (effective) distance d, which determines the capacitance of the capacitor arrangements, remains constant within the cavity. Furthermore, the exemplary air bubble may also extend over the entire height of the cavity.
Wie in den Ausführungsbeispielen zuvor auch, weist die erste Flächenelektrode einen ersten Bereich 50a und einen zweiten Bereich 50b auf, die entlang einer Trennlinie 51 voneinander elektrisch isoliert sind, so dass sich bei eingebrachter dielektrischer Flüssigkeit 30 der erste Teilkondensator wiederum zwischen dem ersten Bereich 50a und der zweiten Flächenelektrode 60 und der zweite Teilkondensator zwischen dem zweiten Bereich 50b und der zweiten Flächenelektrode 60 herausbildet. Die Trennlinie 51 zwischen dem ersten und zweiten Bereich 50a und 50b kann bei diesem Ausführungsbeispiel wiederum als eine Diagonale entlang der rechteckig ausgebildeten ersten Flächenelektrode 50 ausgebildet sein. Bei einer aufrechten Position des kapazitiven Sensors bildet sich somit entlang der nach außen gewölbten Außenwand 20 die beispielhafte Luftblase 40 heraus, die bei einer Drehung um die Drehachse 80 eine Bewegung Δs entlang der nach außen gewölbten Außenwand 20, auf die die erste Flächenelektrode 50 ausgebildet ist, beschreibt. Folglich ist bei diesem Ausführungsbeispiel die erste Flächenelektrode 50 gekrümmt und zwar entlang einer Tangen- tialrichtung, die parallel zur Bewegung Δs verläuft. Die Trennlinie 51 zwischen dem ersten und zweiten Bereich 50a, 50b erscheint deshalb in einer Draufsicht als eine Gerade. Die zweite Flächenelektrode 60 kann wiederum ganzflächig auf dem zweiten Elektrodenträger 12 ausgebildet sein (z. B. durch Bedampfen) und ist deshalb in der Figur nicht expli- zit gezeigt.As in the previous embodiments, the first area electrode has a first area 50a and a second area 50b, which are electrically insulated from one another along a dividing line 51, such that when the dielectric liquid 30 is inserted, the first partial capacitor again lies between the first area 50a and of the second area electrode 60 and the second subcondenser between the second area 50b and the second area electrode 60 are formed. The dividing line 51 between the first and second regions 50a and 50b may in this embodiment in turn be formed as a diagonal along the rectangularly formed first surface electrode 50. With an upright position of the capacitive sensor, the exemplary air bubble 40 thus forms along the convex outer wall 20, which, when rotated about the rotation axis 80, moves along the outwardly curved outer wall 20 onto which the first surface electrode 50 is formed , describes. Consequently, in this embodiment, the first area electrode 50 is curved along a tangential direction that is parallel to the movement Δs. The dividing line 51 between the first and second regions 50a, 50b therefore appears in a plan view as a straight line. The second surface electrode 60 can in turn be formed over the entire area of the second electrode carrier 12 (eg by vapor deposition) and is therefore not shown explicitly in the figure.
Fig. 8 zeigt das gleiche Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht auf die Seite des ersten Elektrodenträgers 11, wobei die als Rechteck gestaltete erste Flächenelektrode 50 mit dem ersten und zweiten Bereich 50a und 50b von oben sichtbar ist und die beispielhafte Luftblase 40 in der Mitte erscheint. Seitlich ist der kapazitive Sensor durch die erste und zweite Seitenwand 15a und 15b getrennt und der erste und zweite Bereich der ersten Flächenelektrode 50a, 50b werden entsprechend elektrisch kontaktiert und mit einer Auswerteeinheit 90 verbunden. Die zweite Flächenelektrode 60 ist in der gezeigten Draufsicht nicht sichtbar, wobei auch diese zweite Flächenelektrode 60 mit der Auswerteeinheit 90 verbunden ist. Da die erste Flächen- elektrode 50 senkrecht zur Draufsicht gekrümmt ist, erscheint sie als Rechteck, wobei entlang der Diagonale von links unten nach rechts oben die Trennlinie 51 gezeigt ist, die den ersten und den zweiten Bereich 50a und 50b voneinander elektrisch isoliert. Die erste Teilkondenstoranord- nung Cl umfasst somit zwei Bereiche: einen ersten Bereich der ersten Flächenelektrode 50a, , der nicht von der beispielhaften Luftblase 40 kontaktiert wird, und einen zweiten Bereich, der von der beispielhaften Luftblase 40 kontaktiert wird. Analog umfasst die zweite Teilkondensatora- nordnung C2 ebenfalls zwei Beiträge: einen ersten Beitrag, der durch jenen Flächenanteil des zweiten Teils der ersten Flächenelektrode 50b bestimmt, der nicht mit der beispielhaften Luftblase 40 in Kontakt ist, und einen zweiten Beitrag, der wiederum dazu komplementär ist und jenem Flächenteil des zweiten Teils der ersten Flächenelektrode 50b entspricht, der mit der beispielhaften Luftblase 40 in Kontakt ist. Wie oben beschrieben weisen beide Beiträge aufgrund der unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften der beispielhaften Luftblase 40 und der dielektrischen Flüssigkeiten 30 unterschiedliche Kapazitäten auf, wobei die Sensitivität des kapazitiven Sensors größer wird je größer der Unterschied in den Dielektrizitätskonstanten (des Teils 40 im Vergleich zur dielektrischen Flüssigkeit 30) ist.8 shows the same embodiment in a plan view of the side of the first electrode carrier 11, wherein the rectangle-shaped first surface electrode 50 with the first and second regions 50a and 50b is visible from above and the exemplary air bubble 40 appears in the middle. Laterally, the capacitive sensor is separated by the first and second side walls 15a and 15b, and the first and second regions of the first surface electrode 50a, 50b are electrically contacted and connected to an evaluation unit 90. The second surface electrode 60 is not visible in the plan view shown, whereby this second surface electrode 60 is also connected to the evaluation unit 90. Since the first surface electrode 50 is curved perpendicular to the top view, it appears as a rectangle, along the diagonal from bottom left to top right, the dividing line 51 is shown, which electrically isolates the first and second regions 50a and 50b from each other. The first partial congestion arrangement Cl thus comprises two regions: a first region of the first surface electrode 50a, which is not contacted by the exemplary air bubble 40, and a second region, which is contacted by the exemplary air bubble 40. Similarly, the second Teilkondensatora- arrangement C2 also comprises two contributions: a first contribution, which determines by that area ratio of the second part of the first area electrode 50b, which is not in contact with the exemplary air bubble 40, and a second Contribution, which in turn is complementary to that and corresponds to that surface part of the second part of the first surface electrode 50b, which is in contact with the exemplary air bubble 40. As described above, due to the different dielectric properties of the exemplary air bubble 40 and the dielectric fluids 30, both contributions have different capacitances, the sensitivity of the capacitive sensor increasing as the difference in dielectric constant (of the part 40 compared to the dielectric fluid 30) increases. is.
Somit ist in Fig. 7 und Fig. 8 eine zweite grundsätzliche Ausführungsvariante des Sensorprinzips gezeigt, die sich von den in den Figuren 2 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispielen unterscheidet (Fig. 7 zeigt eine Explosionsdarstellung und Fig. 8 die gleiche Variante in der Draufsicht) . Die durchsichtige Darstellung der ersten Flächenelektrode 50 als auch des ersten Elektrodenträgers 11 dient der Anschaulichkeit und ist im Allgemeinen nicht gegeben. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist wie gesagt der erste Elektrodenträger 11 mit der ersten Flächenelektrode 50 gewölbt geformt und bildet mit dem zweiten Elektrodenträger 12, der die zweite Flächenelektrode 60 trägt (die in der Zeichnung nicht dargestellt ist), ohne Einsatz eines Distanzelements 13 die Kavität 10. An der Vorder- und Rückseite sind lediglich Seitenwände 15a und 15b als Abschluss der Kavität 10 gebildet. Die Kavität 10 wird wiederum mit einer dielektrischen Flüssigkeit 30 teilweise gefüllt, wobei sich eine beispielhafte Luftblase 40 analog zu den anderen Ausführungsvarianten am höchsten Punkt der Kavität befindet. Vorteilhaft an dieser Anordnung ist, dass der Überdeckungsgrad Al, A2 der beiden Teilkondensatoranordnungen in der Nulllage identisch ist. Ferner ist' bei einer Verkippung des Sensors um die Verdrehungsachse 80 die Flächenänderung der nicht überdeckten Elektrodenfläche beider Teilkondensatoranordnungen Cl und C2 betragsmäßig gleich. Eine effektive Änderung des Abstandes zwischen den beiden Elektrodensturen kann, wie oben beschrieben, dadurch kompensiert werden, dass die zweite Flächenelektrode 60 parallel zur ersten Flächenelektrode 50 gewölbt ist. Somit zeichnet sich dieses Ausführungsbeispiel durch eine hohe Linearität des Sensor- Ausgangssignals (Sensorkennlinien) aus.Thus, a second basic variant of the sensor principle is shown in FIGS. 7 and 8, which differs from the exemplary embodiments shown in FIGS. 2 to 6 (FIG. 7 shows an exploded view and FIG. 8 shows the same variant in plan view). The transparent representation of the first surface electrode 50 and the first electrode carrier 11 is for illustrative purposes and is generally not given. In this embodiment, as said, the first electrode carrier 11 is curved with the first surface electrode 50 and forms with the second electrode carrier 12, which carries the second surface electrode 60 (which is not shown in the drawing), without the use of a spacer element 13, the cavity 10th At the front and back side walls 15a and 15b are formed as the completion of the cavity 10 only. The cavity 10 is in turn partially filled with a dielectric liquid 30, wherein an exemplary air bubble 40 is similar to the other embodiments at the highest point of the cavity. An advantage of this arrangement is that the degree of coverage Al, A2 of the two partial capacitor arrangements in the zero position is identical. Further, 'at a tilt of the sensor about the rotation axis 80, the change in area of the uncovered electrode surface of both partial capacitor arrays Cl and C2 is equal in magnitude. An effective change in the distance between the two electrode tracks can, as described above, be compensated in that the second surface electrode 60 is curved parallel to the first surface electrode 50. Thus, this embodiment is characterized by a high linearity of the sensor output signal (sensor characteristics).
Fig. 9 zeigt eine direkte Fortführung der in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsführungsvariante, bei der eine Feststellung einer Drehung oder Neigung bezüglich zwei verschiedenen Drehachsen 80a, b möglich ist. Dazu wird die in der Fig. 7 gezeigte nach außen gewölbte Außenwand 20 bezüglich zwei Richtungen gekrümmt (z. B. in Form einer konvexen Linse) und die so gekrümmte Oberfläche dient als Elektrodenträger 11 für die erste Flächenelektrode 50. Um eine unabhängige Feststellung verschiedener Drehungen bezüglich verschiedener Drehachsen zu erreichen, weist die erste Flächenelektrode 50 bei diesem Ausführungsbeispiel vier Bereiche auf: einen ersten Bereich 50a, einen zweiten Bereich 50b, einen dritten Bereich 50c und einen vierten Bereich 5Od. Alle vier Bereiche sind dabei durch eine Trennlinie 51 (in Form eines Kreuzes) voneinander elektrisch isoliert und bilden eine nach außen gewölbte konvexe Fläche (senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 9) . Die beispielhafte Luftblase 40 ist dabei in der Fig. 9 wiederum mittig gezeigt, wodurch eine Nulllage definiert werden kann. Bei einer Drehung um die Drehachse 80a bewegt sich die beispielhafte Luftblase 40 entlang der Richtung 8a und bei einer Drehung um die Drehachse 80b bewegt sich die beispielhafte Luftblase 40 entlang der Richtung 8b. Durch eine differenzielle Erfassung der Kapazitäten beispielsweise bezüglich der Bereiche 50b, 5Od kann somit eine Neigung bezüglich der Drehachse 80b festgestellt werden. In analoger Weise kann beispielsweise durch eine differenzielle Erfassung bezüglich der Kondensatorflächen 50a, 50c eine Neigung oder Drehung bezüglich der Drehachse 80a festgestellt werden. In der Fig. 9 sind der erste und zweite Elektrodenträger 11, 12, die in der hier gezeigten Draufsicht übereinander liegen, wie auch die erste und zweite Seitenwand 15a, b lediglich schematisch dargestellt (vergleiche Raumansicht Fig. 7) . Durch eine entsprechend geringe Krümmung der linsenförmig ausgestalteten nach außen gewölbten ersten Flächenelektrode 50 kann somit - wie in den anderen Ausführungsbeispielen auch - die Sensitivität bezüglich der Neigungen oder Drehungen eingestellt werden.Fig. 9 shows a direct continuation of the embodiment shown in Figs. 7 and 8, in which a determination of a rotation or inclination with respect to two different axes of rotation 80a, b is possible. To this end, the outwardly curved outer wall 20 shown in Fig. 7 is curved in two directions (eg, in the form of a convex lens), and the thus curved surface serves as an electrode carrier 11 for the first surface electrode 50. To independently detect various rotations with respect to different axes of rotation, the first area electrode 50 in this embodiment has four areas: a first area 50a, a second area 50b, a third area 50c, and a fourth area 50d. All four areas are electrically insulated from each other by a separating line 51 (in the form of a cross) and form an outwardly curved convex surface (perpendicular to the plane of the drawing of FIG. 9). The exemplary air bubble 40 is again shown centrally in FIG. 9, whereby a zero position can be defined. Upon rotation about the axis of rotation 80a, the exemplary air bladder 40 moves along the direction 8a, and upon rotation about the axis of rotation 80b, the exemplary air bladder 40 moves along the direction 8b. By a differential detection of the capacitances, for example with respect to the areas 50b, 50d, an inclination with respect to the rotation axis 80b can thus be established. In an analogous manner, for example by a differential detection with respect to the capacitor surfaces 50a, 50c, an inclination or rotation relative to the axis of rotation 80a can be detected. In FIG. 9, the first and second electrode carriers 11, 12, which lie one above the other in the plan view shown here, as well as the first and second side wall 15a, b, are shown only schematically (see room view FIG. 7). By a correspondingly small curvature of the lens-shaped configured outwardly curved first surface electrode 50 can thus - as in the other embodiments - the sensitivity to the inclinations or rotations are set.
Somit zeigt Fig. 9 eine Erweiterung des Ausführungsbeispiels aus der Fig. 7 und 8. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der erste Elektrodenträger 11 (wie gesagt) nicht nur in eine Dimension gewölbt, sondern weist beispielsweise eine sphärisch geformte innere Oberfläche auf. Dadurch kann das Messprinzip auf zwei Verkippungsachsen (bezüglich der Achse 80a, 80b) ausgeweitet werden. Dazu wird die erste Elektrodenstruktur 50 in vier voneinander elektrisch isolierte Teilbereiche (50a, 50b, 50c, 5Od) aufgeteilt, wobei jeweils ihre Kapazität gegen die zweite, beispielsweise vollflächig ausgestaltete Elektrodenstruktur 60, auf den zweiten Elektrodenträger 12 gemessen wird. Durch eine geeignete Ver- schaltung und Auswertung kann dann auf die Verkippung des Sensors in zwei Raumachsen geschlossen werden.Thus, Fig. 9 shows an extension of the embodiment of Figs. 7 and 8. In this embodiment, the first electrode carrier 11 (as stated) is not only curved in one dimension, but has, for example, a spherically shaped inner surface. As a result, the measuring principle can be extended to two tilting axes (with respect to the axis 80a, 80b). For this purpose, the first electrode structure 50 is subdivided into four subareas (50a, 50b, 50c, 50d) which are electrically insulated from one another, wherein their respective capacitance is measured against the second electrode structure 60, configured for example over the entire area, on the second electrode carrier 12. By means of a suitable connection and evaluation, it is then possible to deduce the tilting of the sensor in two spatial axes.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen ist davon ausgegangen worden, dass die dielektrische Flüssigkeit 40 eine größere Dichte aufweist als die beispielhafte Luftblase 40, so dass sich die beispielhafte Luftblase in vertikaler Richtung oben und die dielektrische Flüssigkeit in vertikaler Richtung unten (bezüglich der Schwerkraft) befindet. Es ist jedoch gleichermaßen möglich, dass die dielektrische Flüssigkeit leichter ist als beispielsweise ein Medium, welches sich innerhalb des beispielhaften Teils 40 (keine Luftblase in diesem Fall) befindet. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass zunächst die dielektrische Flüssigkeit 30 in den Hohlraum 10 und danach eine weitere dielektrische Flüssigkeit, die nicht mit der dielektrischen Flüssigkeit 30 mischt, eingefüllt wird. Beide dielektrische Flüssigkeiten weisen vorteilhafterweise möglichst unterschiedliche dielektrischen Konstanten auf. In Abhängigkeit davon, welche der beiden dielektrischen Flüssigkeiten schwerer bzw. eine höhere Dichte aufweist, befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel der Teil 40 entweder oben oder unten. In jedem Fall ist der kapazitive Sensor so anzuordnen, dass sich der Teil 40 entlang der nach außen gewölbten Außenwand 20 ,(die oben oder unten sein kann) angeordnet ist. Die bisher in Ausführungsbeispielen beschriebene Neigung oder Drehung um die Drehachse ist jedoch dazu äquivalent, dass zusätzlich zur Schwerkraft eine (seitliche) Beschleunigung oder Kraft auftritt, die eine Verschiebung des Teils 40 entlang der nach außen gewölbten Außenwand 20 bewirkt. Diese seitliche Kraft kann beispielsweise eine Fliehkraft oder eine andere Beschleunigung sein, die seitlich auf den kapazitiven Sensor einwirkt.In the embodiments described so far, it has been assumed that the dielectric fluid 40 has a greater density than the exemplary air bladder 40 such that the exemplary air bladder is vertically up and the dielectric fluid is down (in gravity) in the vertical direction. However, it is equally possible that the dielectric fluid is lighter than, for example, a medium located within the exemplary part 40 (no bubble in this case). This can be achieved, for example, by first placing the dielectric liquid 30 in the cavity 10 and then another dielectric liquid that does not interfere with the dielectric dielectric liquid 30 is mixed, is filled. Both dielectric liquids advantageously have as many different dielectric constants as possible. Depending on which of the two dielectric fluids is heavier or has a higher density, in this embodiment the part 40 is either up or down. In any case, the capacitive sensor is to be arranged so that the part 40 is arranged along the convex outer wall 20 (which may be up or down). However, the inclination or rotation about the axis of rotation described so far in embodiments is equivalent to the fact that in addition to gravity, a (lateral) acceleration or force occurs, which causes a displacement of the part 40 along the outwardly curved outer wall 20. This lateral force may be, for example, a centrifugal force or another acceleration, which acts laterally on the capacitive sensor.
Eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass beide Flächenelektroden - sowohl die ersteAnother embodiment of the present invention is that both surface electrodes - both the first
Flächenelektrode 50 als auch die zweite Flächenelektrode 60 geteilt sind (zwei Differential-Kondensatorstrukturen) und derart angeordnet sind, dass die messbare Kapazitäts- differenz an der zweiten geteilten Elektrodenstruktur sich gegensinnig zu der Kapazitätsdifferenz an der ersten geteilten Elektrodenstruktur ändert. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Trennungslinie 51 zwischen den Elektroden bei der einen geteilten Elektroden- struktur von links unten nach rechts oben verläuft, wie dies beispielsweise in der Fig. 3 gezeigt ist, und bei der anderen Elektrodenstruktur von rechts unten nach links oben verläuft. In diesem Fall kann die redundante Ausführung der Messelektroden dazu genutzt werden, um Feuchtigkeits- und Temperatureinflüsse, welche das Messsignal verändern, herauszurechnen. Dadurch wird eine noch höhere Genauigkeit des Systems erreicht und der Einsatzbereich des kapazitiven Neigungssensors erweitert. Fig. 10 zeigt dafür ein konkretes Ausführungsbeispiel, bei dem sowohl die erste Flächenelektrode 50 als auch die zweite Flächenelektrode 60 geteilt sind, wobei die erste Flächenelektrode einen ersten Bereich 50a und einen zweiten Bereich 50b und auch die zweite Flächenelektrode 60 ebenfalls einen ersten Bereich 60a und einen zweiten Bereich 60b aufweisen, die durch eine (gekrümmte) Trennlinie 61 voneinander isoliert sind. Die Trennlinie entlang der ersten Flächenelektrode 51, die den ersten und zweiten Bereich 50a, b elektrisch voneinander trennt, verläuft dabei entlang der einen Diagonale der als Rechteck geformten ersten Flächenelektrode 50, wohingegen die Trennlinie 61 entlang der anderen Diagonale der ebenfalls als Rechteck geformten zweiten Flächenelektrode 60 verläuft. Die erste und zweite Flächenelektrode 50, 60 befinden sich dabei in dem Abstand d, der beispielsweise durch das Distanzelement 13 realisiert werden kann.Surface electrode 50 and the second surface electrode 60 are divided (two differential capacitor structures) and arranged such that the measurable capacitance difference on the second divided electrode structure changes in the opposite direction to the capacitance difference at the first divided electrode structure. This can be achieved, for example, by the dividing line 51 extending between the electrodes in the one divided electrode structure from bottom left to top right, as shown for example in FIG. 3, and from bottom right to left in the case of the other electrode structure goes up. In this case, the redundant design of the measuring electrodes can be used to calculate out the effects of humidity and temperature which change the measuring signal. As a result, an even higher accuracy of the system is achieved and extends the application of the capacitive tilt sensor. 10 shows a concrete exemplary embodiment in which both the first area electrode 50 and the second area electrode 60 are divided, wherein the first area electrode has a first area 50a and a second area 50b and also the second area electrode 60 likewise has a first area 60a and a second region 60 b, which are isolated by a (curved) dividing line 61 from each other. The dividing line along the first surface electrode 51, which electrically separates the first and second regions 50a, b, runs along the one diagonal of the rectangle-shaped first surface electrode 50, whereas the dividing line 61 runs along the other diagonal of the second surface electrode, also shaped as a rectangle 60 runs. The first and second surface electrode 50, 60 are in the distance d, which can be realized for example by the spacer element 13.
Die Sensitivität des kapazitiven Sensors kann zum einen durch eine Variation der Gestaltung der Flächenelektroden 50, 60 erreicht werden und zum anderen durch eine Variation der nach außen gewölbten Außenwand 20 erreicht werden. Bezüglich der Gestaltung der Flächenelektroden 50, 60 wurden in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen bereits einige konkrete Realisierungen dargestellt. Wie bei der Fig. 1 bereits beschrieben kann die nach außen gewölbte Außenwand 20 so gewählt werden, dass sich die Bewegung Δs des Teils 40 für bestimmte Neigungen besonders stark än- dert . Im Allgemeinen wird bei einer nur schwach konvex gekrümmten Außenwand 20 eine hohe Sensitivität erreicht, währenddessen eine starke nach außen gewölbte Außenwand eine geringe Sensitivität zeigen wird. Oft wird es weniger vorteilhaft sein, dass die nach außen gewölbte Außenwand eine halbkreisförmige Form aufweist, sondern stattdessen nur ein Kreissegment darstellt, wobei der Kreis einen sehr großen Radius haben sollte, um eine möglichst hohe Sensitivität zu erreichen. Beim Einstellen der hohen Sensitivität ist jedoch zu berücksichtigen, dass eine hohe Sensitivität in der Regel damit einhergeht, dass nur ein begrenzter Winkelbereich erfassbar ist und dass ab einem bestimmten Grenzwinkel weitere Neigungen kaum oder nur sehr einge- schränkt erfassbar sind.The sensitivity of the capacitive sensor can be achieved on the one hand by a variation of the design of the surface electrodes 50, 60 and on the other hand by a variation of the outwardly curved outer wall 20 can be achieved. Regarding the design of the surface electrodes 50, 60, some concrete implementations have already been shown in the different embodiments. As already described with reference to FIG. 1, the outwardly curved outer wall 20 can be selected such that the movement Δs of the part 40 changes particularly strongly for certain inclinations. In general, a high degree of sensitivity is achieved with a slightly convexly curved outer wall 20, whereas a strong, outwardly curved outer wall will show a low sensitivity. Often it will be less advantageous that the outwardly curved outer wall has a semi-circular shape, but instead represents only a circle segment, the circle should have a very large radius in order to achieve the highest possible sensitivity. When setting the high sensitivity However, it must be borne in mind that a high level of sensitivity is usually associated with the fact that only a limited angular range can be detected and that, starting at a certain critical angle, further inclinations can hardly or only to a limited extent be detected.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die dielektrische Flüssigkeit und der Hohlraum 10 derart beschaffen sein, dass die Innenwände der Sensorkavität 10 besser oder schlechter benetzt werden. Durch diese Eigenschaften kann die Form der beispielhaften Luftblase 40, die sich beim Füllen des Hohlraums 10 mit der dielektrischen Flüssigkeit 30 herausbildet, beeinflusst werden. Auch die Anzahl der Bereiche der ersten und zweiten Flächenelektrode 50, 60 und deren Form kann weiter variiert sein (z. B. drei Bereiche pro Flächenelektrode) . In further embodiments, the dielectric fluid and the cavity 10 may be such that the inner walls of the sensor cavity 10 are wetted better or worse. These characteristics may influence the shape of the exemplary air bubble 40 that forms as the cavity 10 is filled with the dielectric liquid 30. Also, the number of regions of the first and second surface electrodes 50, 60 and their shape may be further varied (eg, three regions per area electrode).

Claims

Patentansprüche claims
1. Kapazitiver Sensor zum Erfassen einer Messgröße, mit:1. Capacitive sensor for detecting a measured variable, with:
einem Hohlraum (10) mit einer seitlichen Ausdehnung (B), wobei der Hohlraum (10) eine im Vergleich zu der seitlichen Ausdehnung (B) schwach nach außen gewölbte Außenwand (20) aufweist, wobei in dem Hohlraum (10) eine dielektrische Flüssigkeit (30), die einen Teil (40) des Hohlraums (10) freilässt, einbringbar ist, und wobei der Teil (40) eine andere Dielektrizitätskonstante als die der dielektrischen Flüssigkeit (30) hat; unda cavity (10) having a lateral extent (B), wherein the cavity (10) has a slightly outwardly curved outer wall (20) compared to the lateral extent (B), wherein in the cavity (10) a dielectric liquid (10) 30) exposing a portion (40) of the cavity (10), and wherein the portion (40) has a dielectric constant other than that of the dielectric fluid (30); and
einer ersten Flächenelektrode (50), die an einer Seitenwand des Hohlraums (10) ausgebildet ist, und einer zweiten Flächenelektrode (60), die an einer der Seitenwand gegenüberliegenden Seitenwand ausgebildet ist, wobei die erste und zweite Flächenelektrode (50, 60) in dem Hohlraum (10) derart ausgebildet sind, dass eine Bewegung (Δs) des Teils (40) in der dielektrischen Flüssigkeit (30) entlang der 'nach außen gewölbten Außenwand (10) ansprechend auf die Messgröße zu einer Kapazitätsänderung zwischen der ersten und zweiten Flächenelektrode (50, 60) führt,a first area electrode (50) formed on a side wall of the cavity (10) and a second area electrode (60) formed on a side wall opposite to the side wall, the first and second area electrodes (50, 60) being disposed in the one side wall Cavity (10) are formed such that a movement (Δs) of the part (40) in the dielectric liquid (30) along the outwardly curved outer wall (10) in response to the measured variable to a capacitance change between the first and second surface electrode ( 50, 60),
und wobei die schwach nach außen gewölbte Außenwand (20) einen Krümmungsradius hat, wobei der doppelte Krümmungsradius größer als die seitliche Ausdehnung (B)ist.and wherein the slightly outwardly curved outer wall (20) has a radius of curvature, the double radius of curvature being greater than the lateral extent (B).
2. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, bei dem die Messgröße eine Neigung des kapazitiven Sensors in Richtung einer Wölbung der nach außen gewölbten Außenwand (20) ist.2. Capacitive sensor according to claim 1, wherein the measured variable is an inclination of the capacitive sensor in the direction of a curvature of the outwardly curved outer wall (20).
3. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die nach außen gewölbte Außenwand (20) eine Krümmung aufweist, so dass Flächennormalen der nach außen gewölbten Außenwand (20) in einem Winkelbereich von kleiner als 40° oder kleiner als 20° über die seitliche Ausdehnung (B) der nach außen gewölbte Au- ßenwand (20) variieren.3. A capacitive sensor according to claim 1 or claim 2, wherein the convex outer wall (20) has a Curvature, so that surface normals of the outwardly curved outer wall (20) in an angular range of less than 40 ° or less than 20 ° over the lateral extent (B) of the outwardly curved outer wall (20) vary.
4. Kapazitiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Flächenelektrode (50) einen ersten Bereich (50a) und einen zweiten Bereich (50b) aufweist, die voneinander entlang einer Trennlinie (51) elektrisch isoliert sind, so dass sich eine erste und eine zweite Überdeckungsfläche (Al, A2) der dielektrischen Flüssigkeit (30) mit dem ersten und zweiten Bereich (50a, 50b) ergibt, wobei die erste und zweite Überdeckungsflächen (Al, A2) sich während der Bewegung (Δs) des Teils (40) gegenläufig ändern.A capacitive sensor according to any one of the preceding claims, wherein the first area electrode (50) has a first area (50a) and a second area (50b) electrically isolated from each other along a separation line (51) so that a first area and a second overlay area (Al, A2) of the dielectric liquid (30) with the first and second areas (50a, 50b), the first and second overlap areas (Al, A2) being formed during the movement (Δs) of the part (40 ) change in opposite directions.
5. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 4, der ferner eine Auswerteeinheit (90) aufweist, und die Auswerteeinheit (90) ausgebildet ist, eine Differenz zwischen einer ersten Kapazität (Cl) und einer zweiten Kapazität (C2) zu erfassen,5. Capacitive sensor according to claim 4, further comprising an evaluation unit (90), and the evaluation unit (90) is adapted to detect a difference between a first capacitance (Cl) and a second capacitance (C2),
wobei die erste Kapazität (Cl) zwischen dem ersten Be- reich (50a) und der zweiten Flächenelektrode (60) und die zweite Kapazität (C2) zwischen dem zweiten Bereich (50b) und der zweiten Flächenelektrode (60) gebildet ist .wherein the first capacitance (Cl) between the first area (50a) and the second area electrode (60) and the second capacitance (C2) between the second area (50b) and the second area electrode (60) is formed.
6. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem die erste Flächenelektrode (50) eine rechteckige Form aufweist und die Linie (51) entlang einer Diagonalen der rechteckig geformten ersten Flächenelektrode (50) ausgebildet ist.The capacitive sensor according to claim 4 or claim 5, wherein said first area electrode (50) has a rectangular shape, and said line (51) is formed along a diagonal of said rectangular-shaped first area electrode (50).
7. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die zweite Flächenelektrode (60) einen ersten und zweiten Bereich (60a, 60b), die entlang einer wei- teren Trennlinie (61) voneinander getrennt sind, aufweist, wobei die Trennlinie (51) und die weitere Trennlinie (61) zueinander windschief sind.7. Capacitive sensor according to one of claims 4 to 6, wherein the second surface electrode (60) has a first and second region (60a, 60b), which along a Separate line (61) are separated from each other, wherein the dividing line (51) and the further dividing line (61) are skewed to each other.
8. Kapazitiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Hohlraum (10) durch ein Distanzelement (13) definiert ist, wobei das Distanzelement (13) die nach außen gewölbte Außenwand (20) aufweist und zwischen einem ersten Elektrodenträger (11) mit der ersten Flächenelektrode (50) und einem zweiten Elektrodenträger (12) mit der zweiten Flächenelektrode (60) angeordnet ist.8. Capacitive sensor according to one of the preceding claims, wherein the cavity (10) by a spacer element (13) is defined, wherein the spacer element (13) has the outwardly curved outer wall (20) and between a first electrode carrier (11) the first surface electrode (50) and a second electrode carrier (12) with the second surface electrode (60) is arranged.
9. Kapazitiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Flächenelektrode (50) vier Bereiche (50a, 50b, 50c, 5Od) aufweist, wobei jeweils zwei der vier Bereiche kammförmig zueinander angeordnet und elektrisch verbunden sind.9. Capacitive sensor according to one of the preceding claims, wherein the first surface electrode (50) has four regions (50a, 50b, 50c, 50d), wherein in each case two of the four regions are arranged comb-like with each other and electrically connected.
10. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem eine lange Seite der rechteckig geformten ersten Flächenelektrode (50) derart gekrümmt ist, dass die lange Seite parallel zu der nach außen gewölbten Außenwand (20) ausgebildet ist.10. A capacitive sensor according to any one of claims 6 to 9, wherein a long side of the rectangular-shaped first area electrode (50) is curved such that the long side is formed in parallel with the convex outer wall (20).
11. Kapazitiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner ein Kapillar formendes Element (14) aufweist und das Kapillar formende Element (14) derart angeordnet ist, so dass sich zwischen dem Ka- pillar formenden Element (14) und der nach außen gewölbten Außenwand (20) eine Kapillare (16) bildet, wobei der Teil (40) sowohl von dem Kapillar formenden Element (14) als auch von der nach außen gewölbten Außenwand (20) begrenzt ist.11. A capacitive sensor according to any one of the preceding claims, further comprising a capillary-forming member (14) and the capillary-forming member (14) is arranged such that between the capillary-forming member (14) and the outwardly arched Outer wall (20) forms a capillary (16), wherein the part (40) of both the capillary forming member (14) and of the outwardly curved outer wall (20) is limited.
12. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die erste Flächenelektrode (50) entlang der nach außen gewölbten Außenwand (20) ausgebildet ist und die zweite Flächenelektrode auf einer der nach außen gewölbten Außenwand (20) gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, so dass eine Bewegung des Teils (40) zu sich ändernden Schnittflächen des Teils (40) mit dem ersten und dem zweiten Bereich (50a, 50b) führt.12. Capacitive sensor according to one of claims 4 to 7, wherein the first surface electrode (50) is formed along the convex outer wall (20) and the second surface electrode is disposed on an opposite side of the outwardly curved outer wall (20) so that movement of the part (40) to changing cut surfaces of the part (40) leads to the first and second regions (50a, 50b) ,
13. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 12, bei dem die nach außen gewölbte Außenwand (20) eine konvex nach außen geformte Oberfläche hinsichtlich zwei Richtungen auf- weist, so dass sich der Teil (40) bei Drehungen um eine erste Drehachse (80a) entlang einer Richtung (8a) bewegt und bei einer Drehung um eine zweite Drehachse (80b) entlang einer Richtung (8b) bewegt, wobei die erste und zweite Drehachse (80a, 80b) aufeinander senkrecht stehen.13. The capacitive sensor of claim 12, wherein the outwardly curved outer wall (20) has a convexly outwardly shaped surface in two directions, such that the part (40) rotates about a first axis of rotation (80a) along a first axis of rotation Direction (8a) moves and in a rotation about a second rotation axis (80b) along a direction (8b) moves, wherein the first and second rotation axis (80a, 80b) are perpendicular to each other.
14. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei dem die erste Flächenelektrode (50) vier Bereiche (50a, 50b, 50c, 5Od) aufweist, wobei die vier Bereiche (50a, 50b, 50c, 5Od) durch eine kreuzförmig gestaltete Trennlinie (51) elektrisch voneinander isoliert sind.The capacitive sensor of claim 12 or claim 13, wherein said first area electrode (50) has four areas (50a, 50b, 50c, 50d), said four areas (50a, 50b, 50c, 50d) being defined by a cross-shaped dividing line (51) are electrically isolated from each other.
15. Kapazitiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Innenwände des Hohlraums (10) für die dielektrische Flüssigkeit (30) nicht benetzend sind.15. Capacitive sensor according to one of the preceding claims, wherein the inner walls of the cavity (10) for the dielectric liquid (30) are not wetting.
16. Kapazitiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Teil (40) eine Luftblase oder Vakuum ist.A capacitive sensor according to any one of the preceding claims, wherein the part (40) is an air bubble or vacuum.
17. Kapazitiver Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Teil (40) eine weitere dielektrischen Flüssigkeit aufweist, wobei sich die weitere dielektrische Flüssigkeit hinsichtlich ihrer Dichte und Dielektrizitätskonstante von der dielektrischen Flüssigkeit (30) unterscheidet und beide dielektrische Flüssigkeiten nicht mischbar sind. 17. A capacitive sensor according to any one of the preceding claims, wherein the portion (40) comprises a further dielectric fluid, the further dielectric fluid differing in density and dielectric constant from the dielectric fluid (30) and both dielectric fluids are immiscible.
18. Kapazitiver Sensor zum Erfassen einer Messgröße, mit:18. Capacitive sensor for detecting a measured variable, comprising:
einem Hohlraum (10), der eine Außenwand (20) aufweist, wobei in dem Hohlraum (10) eine dielektrische Flüssigkeit (30), die einen Teil (40) des Hohlraums (10) offen lässt, eingebracht ist, wobei der Teil (40) eine andere Dielektrizitätskonstante als die der dielektrischen Flüssigkeit (30) aufweist und nur so viel die- lektrische Flüssigkeit (30) eingebracht ist, dass der Teil (40) seitlich durch die Flüssigkeit und nicht durch eine Wand des Hohlraums (10) begrenzt ist; unda cavity (10) having an outer wall (20), wherein in the cavity (10) a dielectric liquid (30) leaving a part (40) of the cavity (10) is inserted, said part (40 ) has a dielectric constant other than that of the dielectric fluid (30) and only so much dielectric fluid (30) is introduced that the part (40) is bounded laterally by the fluid and not by a wall of the cavity (10); and
einer ersten und zweiten Flächenelektrode (50, 60), die in dem Hohlraum (10) derart ausgebildet sind, dass eine Bewegung (Δs) des Teils (40) in der dielektrischen Flüssigkeit (30) entlang der Außenwand (20) ansprechend auf die Messgröße zu einer Kapazitätsänderung zwischen der ersten und zweiten Flächenelektrode (50, 60) führt.a first and second area electrode (50, 60) formed in the cavity (10) such that movement (Δs) of the portion (40) in the dielectric liquid (30) along the outer wall (20) in response to the measurand to a capacitance change between the first and second surface electrode (50, 60) leads.
19. Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven Sensors zum Erfassen einer Messgröße, mit folgenden Schritten:19. A method of manufacturing a capacitive sensor for detecting a measured variable, comprising the following steps:
Bereitstellen eines Hohlraums (10) , der eine Außenwand (20) aufweist;Providing a cavity (10) having an outer wall (20);
Bilden einer ersten und zweiten Flächenelektrode (50, 60) in dem Hohlraum (10) ; undForming first and second area electrodes (50, 60) in the cavity (10); and
Einbringen einer dielektrischen Flüssigkeit (30) in den Hohlraum (10), so dass ein Teil (40) des Hohlraums (10) offen gelassen wird, wobei der Teil (40) eine andere Dielektrizitätskonstante als die der dielektri- sehen Flüssigkeit (30) aufweist;Introducing a dielectric fluid (30) into the cavity (10) such that a portion (40) of the cavity (10) is left open, the portion (40) having a different dielectric constant than that of the dielectric fluid (30) ;
wobei die erste und zweite Flächenelektrode (50, 60) derart ausgebildet werden, dass eine Bewegung (Δs) des Teils (40) in der dielektrischen Flüssigkeit (30) entlang der Außenwand (20) ansprechend auf die Messgröße zu einer Kapazitätsänderung zwischen der ersten und zweite Flächenelektrode (50, 60) führt. wherein the first and second area electrodes (50, 60) are formed such that a movement (Δs) of the Part (40) in the dielectric liquid (30) along the outer wall (20) in response to the measured variable to a capacitance change between the first and second surface electrode (50, 60) leads.
PCT/EP2009/003637 2008-05-27 2009-05-22 Capacitive sensor and a method for producing a capacitive sensor WO2009143989A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008025236.0 2008-05-27
DE200810025236 DE102008025236B4 (en) 2008-05-27 2008-05-27 Capacitive sensor and a method for producing a capacitive sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009143989A1 true WO2009143989A1 (en) 2009-12-03

Family

ID=40940515

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2009/003637 WO2009143989A1 (en) 2008-05-27 2009-05-22 Capacitive sensor and a method for producing a capacitive sensor

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102008025236B4 (en)
WO (1) WO2009143989A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3839426B1 (en) 2019-12-19 2023-02-08 Hexagon Technology Center GmbH Leveling sensor

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0183454A2 (en) * 1984-11-24 1986-06-04 Kabushiki Kaisha TOPCON Tilt angle detection device
EP0185354A2 (en) * 1984-12-21 1986-06-25 Kabushiki Kaisha TOPCON Inclination measuring instrument
US5079847A (en) * 1989-05-22 1992-01-14 Schaevitz Sensing Systems, Inc. Two axis inclination sensor
DE19821923A1 (en) * 1997-05-16 1998-11-19 Asahi Optical Co Ltd Tilt sensor to measure angle from horizontal
US6993849B1 (en) * 2004-11-05 2006-02-07 The Boeing Company Capacitive balance leveling device

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0492330A1 (en) * 1990-12-24 1992-07-01 Deutsche Aerospace AG Capacitive inclination sensor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0183454A2 (en) * 1984-11-24 1986-06-04 Kabushiki Kaisha TOPCON Tilt angle detection device
EP0185354A2 (en) * 1984-12-21 1986-06-25 Kabushiki Kaisha TOPCON Inclination measuring instrument
US5079847A (en) * 1989-05-22 1992-01-14 Schaevitz Sensing Systems, Inc. Two axis inclination sensor
DE19821923A1 (en) * 1997-05-16 1998-11-19 Asahi Optical Co Ltd Tilt sensor to measure angle from horizontal
US6993849B1 (en) * 2004-11-05 2006-02-07 The Boeing Company Capacitive balance leveling device

Also Published As

Publication number Publication date
DE102008025236B4 (en) 2010-04-29
DE102008025236A1 (en) 2009-12-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102010029645B4 (en) Micromechanical component having a test structure for determining the layer thickness of a spacer layer and method for producing such a test structure
EP2389561B1 (en) Yaw rate sensor
DE102008043524B4 (en) Accelerometer and process for its manufacture
DE3249101C2 (en)
DE102005005554B4 (en) Method for checking a semiconductor sensor for a dynamic quantity
DE102009029248A1 (en) Micromechanical system for detecting acceleration
EP0447810B1 (en) Measuring device for filling level or other mechanical properties of electrically conductive liquid
DE102017219901B3 (en) Micromechanical z-inertial sensor
DE102006062314A1 (en) Micromechanical acceleration sensor for detection of accelerations in multiple axles, has seismic mass fastened in central area in planar area of membrane, and electrodes forming condenser with opposite areas of seismic mass
CH682766A5 (en) Micromechanical inclinometer.
CH673897A5 (en)
EP0354936A1 (en) Device for determining a path or an angular rotation
WO2012052238A1 (en) Micromechanical device for measuring an acceleration, a pressure or the like and a corresponding method
EP0730157B1 (en) Acceleration sensor
DE102008025236B4 (en) Capacitive sensor and a method for producing a capacitive sensor
DE60221103T2 (en) Integrated gyroscope made of semiconductor material with at least one sensitive axis in the sensor plane
EP1896795A1 (en) Capacitive sensor for measuring a measurable variable
EP1332374B1 (en) Method and device for electrical zero balancing for a micromechanical component
WO2000028293A1 (en) Capacitive measuring sensor and method for operating same
DE102015222532A1 (en) Micromechanical structure for an acceleration sensor
DE102018222758A1 (en) MEMS sensor with a membrane and method for producing a MEMS sensor
DE10053309B4 (en) Micromechanical acceleration sensor
DE102020211362A1 (en) Micromechanical structure and micromechanical sensor
DE102008050556A1 (en) Sensor for detecting a physical quantity
WO2005109009A1 (en) Micromechanical sensor

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09753644

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09753644

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1