WO2013000737A1 - Kapazitives sensorelement zur detektion einer verschiebung - Google Patents

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WO2013000737A1
WO2013000737A1 PCT/EP2012/061471 EP2012061471W WO2013000737A1 WO 2013000737 A1 WO2013000737 A1 WO 2013000737A1 EP 2012061471 W EP2012061471 W EP 2012061471W WO 2013000737 A1 WO2013000737 A1 WO 2013000737A1
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capacitor electrodes
capacitor
sensor element
groups
electrodes
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PCT/EP2012/061471
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Inventor
Daniel Reznik
Arno Steckenborn
Oliver Theile
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
    • G01D5/2412—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G7/00—Weighing apparatus wherein the balancing is effected by magnetic, electromagnetic, or electrostatic action, or by means not provided for in the preceding groups
    • G01G7/06—Weighing apparatus wherein the balancing is effected by magnetic, electromagnetic, or electrostatic action, or by means not provided for in the preceding groups by electrostatic action

Definitions

  • Capacitive sensor element for detecting a displacement The invention relates to a capacitive sensor element for De ⁇ tetation a displacement with a plurality of capacitor electrodes.
  • Such capacitive sensor elements are basically known.
  • the capacitor electrodes are arranged opposite each individually or in groups, wherein a measure ⁇ de shift causes the capacitor electric shift ⁇ relative to each other in parallel.
  • a diaphragm with an aperture or more apertures, which is located in the capacitor gap and is displaced by the displacement to be measured.
  • the effective capacitor area ie the area which is available irrespective of the area of the capacitor electrodes, changes so that an electric field can form. If the opposing capacitor electrodes are not completely aligned or if parts of the capacitor electrodes are covered by the diaphragm in the capacitor gap, the effective capacitor area is reduced compared to the theoretically maximum possible capacitor area.
  • This change in the effective capacitor area leads to a change in the capacitance C of the capacitor, wherein this change in capacitance when a known voltage U is applied to the capacitor electrodes can be calculated by measuring the charge shift AQ.
  • the charge shift can be determined by measuring the current I flowing between the capacitor plates over the time t.
  • the calculation of the charge shift AQ behaves according to the following equation.
  • ⁇ Displacement distance to be measured at right angles to the length dimension of the capacitor electrodes.
  • the sensor must be calibrated prior to the start of a measurement so that a position of the capacitor plates with respect to a starting position before the measurement is known. This can be done, for example, by the capacitor plates are brought outside any overlap or the panel is completely pushed between the capacitor plates, so that the electric field collapses.
  • comparable the necessary calibration delay the absorption of reco ⁇ th because depending on the application, calibration in this way is not possible (especially in weighing).
  • the object of the invention is therefore to specify a capacitive sensor element for detecting shifts, in which an initial position of the displacement can always be determined during the measurements, at least in a certain measuring range.
  • the capacitive sensor element is constructed as follows. It has a plurality of first capacitor electrodes, which are each combined into first groups, wherein the first capacitor electrodes in each of the first groups are electrically connected in parallel. In other words, the groups result from the fact that all capacitor electrodes of a group are electrically connected in parallel. There are at least two groups of capacitor electrodes.
  • the sensor element furthermore has a multiplicity of second capacitor electrodes, wherein precisely each of the first groups of first capacitor electrodes is assigned a second group of second capacitor electrodes with the same dimensions in such a way that capacitors are formed in this way.
  • first capacitor electrodes or first groups of capacitor electrodes is mentioned, this always refers to one side of the capacitor, is referred to by the second capacitor electrodes or a second group of second capacitor elements. refers to the other unit, which is necessary plates for forming a capacitor with two capacitor ⁇ . If we talk about groups of capacitor electrodes or capacitor electrodes in general, this always refers to both the first capacitor electrodes and the second capacitor electrodes or the first and second groups.
  • the assignment of the second group of second capacitor electrodes to the first group of first capacitor electrodes takes place in such a way that the effective capacitor area changes between the first capacitor electrodes and the second capacitor electrodes in the case of the shift to be detected.
  • the second capacitor electrodes in each of the two groups are electrically connected in parallel.
  • the groups among each other are completely independent of each other electrically. This is important because a measurement for determining an absolute displacement, ie, an absolute position of the movable capacitor electrodes of each of the Capacitors must be evaluated individually.
  • Geometric relationships between the capacitor electrodes of each group are important to the evaluation.
  • the various groups of capacitor electrodes can be arranged arbitrarily with one another, since an evaluation, as already mentioned, takes place electrically independently of one another.
  • the capacitor electrodes of each group are arranged in the direction of the shift to be detected with the formation of spaces one behind the other, wherein the Eisenhoff ⁇ me have the same dimensions as the respective adjacent capacitor electrodes.
  • the dimensions of the first capacitor electrodes of each first group (hereinafter also referred to briefly as capacitor groups) differ from the dimensions of the first capacitor electrodes of all other first groups.
  • Capacitor electrodes alternate with spaces of the same dimensions, the patterns of a charge shift are repeated at regular intervals. By overlaying the patterns of all capacitors, spatial resolution is enabled by evaluating the measurement results (more on this in the following). This is ensured because the capacitance of the capacitor groups can be determined individually.
  • the capacitive sensor element for detecting a displacement is constructed as follows. It has a large number of first capacitor electrodes , which are each combined into first groups, the first capacitor electrodes in each of the first group are electrically connected in parallel. Furthermore, however, it has a single second Kon ⁇ densatorplatte or a plurality of second capacitor plates to form a con- densatorspaltes facing the first capacitor plates or opposite. All ⁇ recently here is the previously described geometric reference the same dimensions of the second capacitor plate and second capacitor plates in respect not applied to the first capacitor electrodes.
  • a diaphragm is provided, with a multiplicity of diaphragm openings, wherein each of the first groups of first capacitor electrodes is associated with a second group of diaphragm openings having the same dimensions as the first capacitor electrodes such that there is a connection between the first capacitor electrodes and the second capacitor electrode second capacitor electrodes at a detected shift of the diaphragm changes the effective capacitor area of the capacitors thus formed.
  • the aperture itself must be at ground potential.
  • first capacitor electrodes of each first group and the apertures of each second group are arranged in the direction of the displacement to be detected with the formation of clearances one behind the other, wherein the gaps have the same dimensions as the respectively adjacent first capacitor electrodes or apertures exhibit.
  • the dimensions of the first capacitor electrodes of each first group differ from the dimensions of the first capacitor electrodes of all other first groups and the capacitance of the capacitor groups can be determined individually.
  • the use of a diaphragm is the first capacitor electrodes against a single second capacitor electrode ⁇ over, which also covers the interstices of the first Kondensatorelekt ⁇ roden.
  • the capacitor is arranged in the gap adjustable screen with apertures shipping ⁇ hen, which completely releases the first capacitor electrodes alternating, or completely blocked, whereby the available effective capacitor area can be reduced to 0.
  • the shift to be detected can be arbitrary. In particular, it may be a linear displacement, which can be represented by the already mentioned variable ⁇ . However, other shifts are detectable, such. B. an angular displacement. This can be correlated, for example, with a certain angle of rotation, so that can be measured with the displacement sensor and rotational movements.
  • each of the capacitors has the same maximum total area. This can produce comparable sensitivities for all capacitors.
  • the measured values can be compared directly with each other. Also with regard to the installation space which is required for the sensor element according to the invention, an optimization can be achieved in this way.
  • the dimensions of the first capacitor electrodes of the first groups are so different from one another, that a binary coding, in particular a Gray code arises.
  • a binary coding in particular a Gray code arises.
  • the surfaces of the capacitor electrodes of different groups are arranged to each other such that over the measuring range every combination of capacitors with complete coverage or of capacitors without coverage of the capacitor electrodes occurs only once.
  • four-bit encryption can be achieved, for example, by using four groups of capacitor electrodes.
  • a known Greycode is thereby produced.
  • the encryption changes in adjacent digital shift ranges to be detected in each case only in one bit. Patterns for gray codes are known per se and readily transferable to the design of the sensor element according to the invention.
  • all first capacitor electrodes are arranged on a first planar substrate and all second capacitor electrodes are arranged on a second planar substrate. Structurally arises in this Wei ⁇ se only a single capacitor gap in which a single aperture can be arranged. This can customize just before ⁇ geous.
  • the capacitor electrodes can be produced micromechanically on two substrates. The assembly is advantageously simplified in this way. May also be advantageous when the capacitor electrodes are arranged on two comb-like carriers which are movable relative to each other and interlock their ⁇ tines.
  • the invention relates to a load cell with two relatively movable sections whose relative movement is dependent on the force F of a mass to be weighed.
  • the invention relates to a load cell as a special case of the load cell with two relatively movable sections whose relative movement is dependent on the weight F of a mass to be weighed.
  • Such load cells are well known. It is also an object of the invention to provide such a load cell with a sensor element which makes a calibration superfluous. This is he ⁇ ranges according to the invention, that is attached a sensor element of the already described Wei ⁇ se to the movable portions, a relative movement between the movable portions to be detected as a shift can be detected by the sensor element. Especially if the invention sensor ⁇ element is constructed micromechanical, very small way of the movable portions of the load cell he ⁇ averages can already be why the load cell performs very stiff can be excluded. As a result, it is also possible to measure comparatively large forces, for example, to weigh large masses.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the sensor element according to the invention with first capacitor electrodes and second capacitor electrodes with corresponding dimensions, schematically as a side view, an exemplary embodiment of the sensor element according to the invention with first capacitor electrodes and an aperture with aperture openings which have the same dimensions as the first capacitor electrodes, schematically as a side view,
  • FIG. 3 is a plan view of a substrate with first capacitor electrodes
  • Figure 4 shows the plan view of a panel for another Aus ⁇ leadership example of the sensor element according to the invention, a side view of an embodiment of the sensor element according to the invention with comb-like structures and an embodiment of the force measuring cell according to the invention.
  • first capacitor electrodes 11 of a first group 12a are shown by way of example. Other groups are also among the Sensorele ⁇ ment, however, are not visible.
  • the capacitor ⁇ electrodes 11 of the first group are connected in parallel with an electrical line 13 a and connected to a voltage source 14.
  • the first capacitor electrodes 11 are opposed by second capacitor electrodes 15, which are also contacted to the voltage source 14 by a second electrical line 13b and a lateral displacement 16 can execute. It is clear that the contact via the electric line 13b a flexible portion 17 must have in order to ensure the displaceability of the Kondensa ⁇ second gate electrodes.
  • the second capacitor electrodes 15 form a second group 18a, wherein it can be seen that according to FIG. 1 twice as many second capacitor electrodes 15 as first capacitor electrodes 11 are provided. This causes the measuring range always all four first Kondensa ⁇ gate electrodes 11 an opposite second capacitor electrode may be associated with rich along the lateral 16, regardless of the displacement coordinate ⁇ , if there is a Kochde ⁇ ckung the first capacitor electrode 11 and second capacitor electrodes 15 comes. This is over the entire
  • the first capacitor electrodes 11 and second capacitor electrodes 15 have a width b. Between said capacitor electrodes gaps 19 are provided, which also have the width b. The capacitor electrodes and the gaps 19 line up alternately in the direction of the lateral displacement 16. Therefore, in the case of a lateral displacement 16, a complete overlap of the first capacitor electrodes 11 and second capacitor electrodes 15 and no overlap occurs at all. A capacitor gap 20 always remains constant at the lateral displacement 16. Therefore, a displacement current to be measured via an ammeter 21 depends only on the instantaneous degree of coverage of the first capacitor electrodes 11 and second capacitor electrodes 15.
  • the variant of the sensor element according to Figure 2 operates using a diaphragm 22, which is in a manner not shown at ground potential. This is Zvi ⁇ rule the first capacitor electrode 11 and a second capacitor electrode 23 is disposed in the capacitor gap 20th
  • the iris has iris Openings 24, whose width b corresponds exactly to the width b of the ers ⁇ th capacitor electrodes 11. Similar to the embodiment according to FIG. 1, twice as many second capacitor electrodes as first capacitor electrodes are arranged, according to FIG. 2 twice as many aperture openings 24 as first capacitor electrodes 11 are arranged.
  • FIG. 3 shows how the first capacitor electrodes 11 can be produced on a first substrate 25 in a micromechanical manner.
  • the capacitor electrodes 11 of the same dimensions are arranged on the substrate 25 in four groups 12a, 12b, 12c and 12d.
  • the spaces 19 can also be seen.
  • the arrangement of the groups 12a to 12d on the substrate 25 is arbitrary. Here they are arranged in a 2x2 array. It is important, however, that the sequence of first capacitor electrodes 11 and intermediate spaces 19 in all groups 12a to 12c is aligned exactly in the lateral displacement direction 16.
  • the capacitor electrodes 11 are each a group 12a to 12d are contacted with in each case together also applied to the substrate 25 conductive paths 26a through 26d electrically to ⁇ line. Is con- serve for external contacting taktpads 27.
  • a second substrate WEL ches is arranged to form the capacitor gap above the illustrated first substrate 25 and must have korres ⁇ pondierende second electrodes.
  • the pattern of the arrangement corresponds exactly to that shown in Figure 3, except that, as explained for Figure 1, advantageously twice as many second capacitor electrodes should be provided.
  • an arrangement of the electrodes on the substrate is determined by Supplement another dash-dotted second capacitor electrode 15 shown.
  • a diaphragm 22 is shown, which is suitable for a Sen ⁇ sorelement for determining an angular displacement 28th
  • the pattern of openings 24, which are arranged in concentric groups 18a, 18b, 18c and 18d, can be seen.
  • the aperture is rotated about a rotation axis 29 as soon as a
  • Angular shift 28 occurs. Taking into account the apertures 24 it is readily apparent with which pattern not shown first electrodes must be placed on a substrate ⁇ . The pattern corresponds exactly to that of the apertures.
  • a 4-bit binary code is verwirk ⁇ light respectively.
  • the width of the electrodes and thus the gaps of the group 12a is twice as large as that of the group 12d, that of the group 12b twice as large as that of the group 12a and that of the group 12c twice as large as that of the group 12b ,
  • the pattern of the aperture 24 according to FIG. 4 is the embodiment of a greycode. If one imagines a radius that covers the apertures once at an angle of 360 °, it becomes clear that only one bit changes at a time, which is the characteristic of a greycode.
  • the aperture does not require twice as many openings as first capacitor electrodes, but with a rotary diaphragm, at most a rotation angle range of 360 ° can be reliably detected with respect to the angular position.
  • FIG. 5 shows a particularly space-saving design of the sensor element with two comb-like carriers 30.
  • the comb-like carriers 30 are interlocked, creating a plurality of capacitor gaps 20, which may be provided with first and second capacitor plates.
  • the first capacitor electrodes and second capacitor electrodes are applied with an alignment on the tines 31 of the combs whose longitudinal extent is parallel to the plane of the drawing. The lateral displacement is accordingly perpendicular to the plane of the drawing.
  • the tines 31 of the one carrier 30 may also be designed as diaphragms, which can then be moved laterally in relation to the tines of the other comb.
  • the adjacent tines of the other comb each form the capacitor gap, and the first capacitor electrodes 11 and the second capacitor electrode opposite thereto must be formed in the respective interstices of the tines 31.
  • FIG. 6 shows a load cell 32. This has two sections 33, 16 are displaceable due to the impression ei ⁇ ner Wägekraft F toward the lateral displacement.
  • Two spring elements 34 in simplified form as a bending spring ⁇ ), the counterforce form to the Wägekraft F.
  • crossbars 35 the first substrate 25 and a second substrate 36 is arranged such that in which so form ⁇ the gap, the non-illustrated first capacitor - Electrodes and second capacitor electrodes can be arranged. As a result, the sensor element according to the invention is realized.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein kapazitives Sensorelement zur Detektion einer Verschiebung. Hierzu wird eine Vielzahl von ersten Kondensatorelektroden (11) und zweiten Kondensatorelektroden (15) mit gleichmäßiger Breite (b) und dazwischen liegenden Zwischenräumen (19) mit eben dieser Breite (b) verwendet. Werden diese Kondensatorelektroden in Richtung einer Verschiebung (16) verschoben, so ändert sich die Kapazität des ausgebildeten Kondensators (20) und lässt sich über einen Verschiebestrom (21) messen. Werden nun weitere Gruppen von Kondensatorelektroden mit anderen Abmessungen derart angeordnet, dass sich hier andere Verschiebungsmuster ergeben, lässt sich innerhalb eines Messbereiches die absolute Position des verschiebbaren Teils des Kondensators eindeutig bestimmen. Alternativ zu verschiebbaren Kondensatorplatten lässt sich auch verschiebbare Blendenöffnungen verwenden, die ebenfalls die Breite (b) haben sollten. Vorteilhaft wird durch die Möglichkeit einer Absolutbestimmung der Position eine wiederholte Kalibrierung des Sensorelementes überflüssig. Unter Schutz gestellt ist auch eine Kraftmesszelle, insbesondere eine Wägezelle, in der das erfindungsgemäße Sensorelement verwendet wird.

Description

Beschreibung
Kapazitives Sensorelement zur Detektion einer Verschiebung Die Erfindung betrifft ein kapazitives Sensorelement zur De¬ tektion einer Verschiebung mit einer Vielzahl von Kondensatorelektroden.
Derartige kapazitive Sensorelemente sind grundsätzlich be- kannt . Hierbei werden die Kondensatorelektroden einzeln oder in Gruppen gegenüberliegend angeordnet, wobei eine zu messen¬ de Verschiebung dazu führt, dass sich die Kondensatorelektro¬ den relativ zueinander parallel verschieben. Alternativ kann auch zwischen den Kondensatorelektroden eine Blende mit einer Blendenöffnung oder mehreren Blendenöffnungen vorgesehen werden, welche sich im Kondensatorspalt befindet und durch die zu messende Verschiebung verschoben wird. In beiden Fällen ändert sich die effektive Kondensatorfläche, d. h. diejenige Fläche, die unabhängig von der Fläche der Kondensatorelektro- den zur Verfügung steht, damit sich ein elektrisches Feld ausbilden kann. Liegen die gegenüberliegenden Kondensatorelektroden nicht vollständig in Deckung bzw. werden Teile der Kondensatorelektroden durch die Blende im Kondensatorspalt überdeckt, so verringert sich die effektive Kondensatorfläche gegenüber der theoretisch maximal möglichen Kondensatorfläche. Diese Veränderung der effektiven Kondensatorfläche führt zur Veränderung der Kapazität C des Kondensators, wobei diese Änderung der Kapazität bei Anliegen einer bekannten Spannung U an den Kondensatorelektroden durch Messung der Ladungsver- Schiebung AQ berechnet werden kann. Die Ladungsverschiebung kann durch Messung des zwischen den Kondensatorplatten fließenden Stroms I über der Zeit t ermittelt werden. Die Berechnung der Ladungsverschiebung AQ verhält sich entsprechend nachfolgender Gleichung.
AQ = U AC = ε So ΔΑ/d U mit ε : Permittivität im Kondensatorspalt
So: Permittivität im Vakuum
ΔΑ : Änderung der Kondensatorfläche
d: Breite des Kondensatorspalts
U: an dem Kondensator anliegende Spannung
Bei einer Linearverschiebung von rechteckigen Kondensatorplatten ergibt sich: ΔΑ = 1 Δχ mit
1: Länge der Kondensatorelektroden
Δχ : zu messender Verschiebeweg rechtwinklig zur Längenausdehnung der Kondensatorelektroden.
Soll eine Verschiebung mit dem kapazitiven Sensorelement de- tektiert werden, so kann prinzipbedingt durch Veränderung der Kapazität nur die Länge des Verschiebeweges festgestellt wer¬ den. Es ist allerdings nicht möglich, eine absolute Position zwischen den Kondensatorplatten zu ermitteln. Deswegen muss der Sensor vor Beginn einer Messung dahingehend kalibriert werden, dass eine Stellung der Kondensatorplatten in Bezug zu einer Ausgangslage vor der Messung bekannt ist. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem die Kondensatorplatten außerhalb jeglicher Überdeckung gebracht werden bzw. die Blende vollständig zwischen die Kondensatorplatten geschoben wird, so dass das elektrische Feld zusammenbricht. Allerdings ver- zögert die notwendige Kalibrierung die Aufnahme von Messwer¬ ten, weil je nach Anwendung eine Kalibrierung in dieser Weise nicht möglich ist (insbesondere in der Wägetechnik) .
Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, ein kapazitives Sensorelement zur Detektion von Verschiebungen anzugeben, bei dem während der Messungen zumindest in einem bestimmten Messbereich eine Ausgangslage der Verschiebung immer bestimmt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das kapazitive Sensorelement folgendermaßen aufgebaut ist. Es weist eine Vielzahl von ersten Kondensatorelektroden auf, die jeweils in ersten Gruppen zusammengefasst sind, wobei die ersten Kondensatorelektroden in jeder der ersten Gruppen elektrisch parallel geschaltet sind. Die Gruppen ergeben sich mit anderen Worten dadurch, dass alle Kondensatorelektroden einer Gruppe elektrisch parallel geschaltet sind. Es sind mindestens zwei Gruppen von Kondensatorelektroden vorhanden. Das Sensorelement weist weiterhin eine Vielzahl von zweiten Kondensatorelektroden auf, wobei eben jeder der ersten Gruppen von ersten Kondensatorelektroden eine zweite Gruppe von zweiten Kondensatorelektroden mit gleichen Abmessungen derart zugeordnet ist, dass sich so Kondensatoren ausbilden. Ist mit anderen Worten im Zusammenhang mit dieser Erfindung von ersten Kondensatorelektroden oder ersten Gruppen von Kondensatorelektroden die Rede, bezieht sich dies immer auf die eine Seite des Kondensators, ist von den zweiten Kondensatorelekt¬ roden oder einer zweiten Gruppe von zweiten Kondensatorelekt- roden die Rede, bezieht sich das auf die andere Baueinheit, die zur Ausbildung eines Kondensators mit zwei Kondensator¬ platten notwendig ist. Ist allgemein von Gruppen von Kondensatorelektroden oder von Kondensatorelektroden die Rede, so bezieht sich das immer sowohl auf die ersten Kondensator- elektroden als auch auf die zweiten Kondensatorelektroden bzw. die ersten und zweiten Gruppen.
Die Zuordnung der zweiten Gruppe von zweiten Kondensatorelektroden jeweils zur ersten Gruppe von ersten Kondensator- elektroden erfolgt derart, dass sich zwischen den ersten Kondensatorelektroden und den zweiten Kondensatorelektroden bei der zu detektierenden Verschiebung die effektive Kondensatorfläche ändert. Auch die zweiten Kondensatorelektroden in jeder der zwei Gruppen sind elektrisch parallel geschaltet. Die Gruppen untereinander sind voneinander elektrisch völlig unabhängig. Dies ist daher von Bedeutung, weil eine Messung zur Bestimmung einer absoluten Verschiebung, d. h. einer absoluten Lage der verschiebbaren Kondensatorelektroden jeder der Kondensatoren einzeln ausgewertet werden muss. Geometrische Beziehungen zwischen den Kondensatorelektroden jeder Gruppe sind für die Auswertung wichtig. Die verschiedenen Gruppen von Kondensatorelektroden können untereinander aber beliebig angeordnet sein, da eine Auswertung, wie bereits erwähnt, elektrisch unabhängig voneinander erfolgt.
Um eine Auswertung zu ermöglichen, ist außerdem vorgesehen, dass die Kondensatorelektroden jeder Gruppe in Richtung der zu detektierenden Verschiebung unter Ausbildung von Zwischenräumen hintereinander angeordnet sind, wobei die Zwischenräu¬ me die gleichen Abmessungen wie die jeweils benachbarten Kondensatorelektroden aufweisen. Die Abmessungen der ersten Kondensatorelektroden jeder ersten Gruppe (im Folgenden auch kurz als Kondensatorgruppen bezeichnet) unterscheiden sich von den Abmessungen der ersten Kondensatorelektroden aller anderen ersten Gruppen. Durch die bereits erwähnte Beziehung der ersten Gruppen von Kondensatorelektroden und den zugehörigen zweiten Gruppen von Kondensatorelektroden gilt diese geometrische Beziehung automatisch auch für die zweiten Kondensatorelektroden. Dadurch, dass sich die Abmessung der Kondensatorelektroden verschiedener Gruppen voneinander unterscheiden, ist sichergestellt, dass jeder der ausgebildeten Kondensatoren Lageinformationen hinsichtlich der absoluten Verschiebung in einem anderen Muster bereitstellt. Da die
Kondensatorelektroden sich mit Zwischenräumen gleicher Abmessungen abwechseln, wiederholen sich die Muster einer Ladungsverschiebung in regelmäßigen Abständen. Durch Überlagerung der Muster aller Kondensatoren wird eine Ortsauflösung durch Auswertung der Messergebnisse ermöglicht (hierzu im Folgenden noch mehr) . Dies wird sichergestellt, da die Kapazität der Kondensatorgruppen einzeln bestimmt werden kann.
Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das kapazitive Sensorelement zur Detektion einer Verschiebung folgendermaßen aufgebaut ist. Es weist eine Vielzahl von ers¬ ten Kondensatorelektroden auf, die jeweils in ersten Gruppen zusammengefasst sind, wobei die ersten Kondensatorelektroden in jeder der ersten Gruppe elektrisch parallel geschaltet sind. Weiterhin weist es allerdings eine einzige zweite Kon¬ densatorplatte oder mehrere zweite Kondensatorplatten auf, die den ersten Kondensatorplatten unter Ausbildung eines Kon- densatorspaltes gegenüberliegt oder gegenüberliegen. Aller¬ dings ist hier der bereits beschriebene geometrische Bezug gleicher Abmessungen der zweiten Kondensatorplatte oder der zweiten Kondensatorplatten in Bezug auf die ersten Kondensatorelektroden nicht gegeben. Dafür ist eine Blende vorgese- hen, mit einer Vielzahl von Blendenöffnungen, wobei jeder der ersten Gruppen von ersten Kondensatorelektroden eine zweite Gruppe von Blendenöffnungen mit gleichen Abmessungen wie die ersten Kondensatorelektroden derart zugeordnet ist, dass sich zwischen den ersten Kondensatorelektroden und der zweiten Kondensatorelektrode oder den zweiten Kondensatorelektroden bei einer zu detektierenden Verschiebung der Blende die effektive Kondensatorfläche der so ausgebildeten Kondensatoren verändert. Die Blende selbst muss auf Massenpotential liegen. Bei dieser Alternative der Erfindung ist außerdem vorgesehen, dass die ersten Kondensatorelektroden jeder ersten Gruppe und die Blendenöffnungen jeder zweiten Gruppe in Richtung der zu detektierenden Verschiebung unter Ausbildung von Zwischenräumen hintereinander angeordnet sind, wobei die Zwischenräume die gleichen Abmessungen wie die jeweils benachbarten ersten Kondensatorelektroden oder Blendenöffnungen aufweisen. Außerdem ist vorgesehen, dass die Abmessungen der ersten Kondensatorelektroden jeder ersten Gruppe sich von den Abmessungen der ersten Kondensatorelektroden aller anderen ersten Gruppen unterscheiden und die Kapazität der Kondensatorgruppen ein- zeln bestimmt werden kann.
Das Messprinzip beider Alternativen ist also äquivalent. Im einen Fall werden Kondensatorelektroden gleicher Abmessungen einander gegenüberliegend angeordnet, wobei eine Verschiebung dazu führt, dass diese abwechselnd in vollständiger Überde¬ ckung liegen bzw. die ersten Kondensatorelektroden gerade in den Zwischenräumen der zweiten Kondensatorelektroden liegen, womit die Überdeckung vollständig aufgehoben wird. Im Fall der Verwendung einer Blende liegt den ersten Kondensatorelektroden eine einzige zweite Kondensatorelektrode gegen¬ über, die auch die Zwischenräume der ersten Kondensatorelekt¬ roden überdeckt. Allerdings ist die in dem Kondensatorspalt angeordnete verschiebbare Blende mit Blendenöffnungen verse¬ hen, die die ersten Kondensatorelektroden abwechselnd völlig freigibt oder völlig überdeckt, wodurch die zur Verfügung stehende effektive Kondensatorfläche auf 0 verringert werden kann. Abhängig von der Verschiebung ist damit für jede Gruppe ein sich wiederholendes Muster einer Veränderung der Kondensatorkapazität detektierbar . Durch Überlagerung dieser Muster lässt sich die Absolutverschiebung im Messbereich vorteilhaft berechnen. Hierdurch ist eine Kalibrierung des Sensors innerhalb des Bereiches, der durch die Kondensatorgruppe mit der größten Ausdehnung ihrer einzelnen Kondensatoren in Verschieberichtung definiert ist, nicht mehr notwendig.
Die zu detektierende Verschiebung kann beliebig ausfallen. Insbesondere kann es sich um eine Linearverschiebung handeln, die durch die bereits erwähnte Variable Δχ dargestellt werden kann. Allerdings sind auch andere Verschiebungen detektierbar, wie z. B. eine Winkelverschiebung. Diese kann beispielsweise mit einem bestimmten Drehwinkel korreliert werden, so dass sich mit dem Verschiebungssensor auch Drehbewegungen messen lassen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder der Kondensatoren die gleiche maximale Gesamtfläche aufweist. Hierdurch lassen sich vergleichbare Empfindlichkeiten für alle Kondensatoren erzeugen. Außerdem lassen sich die Messwerte direkt miteinander vergleichen. Auch hinsichtlich des Bauraums, der für das erfindungsgemäße Sensorelement erforderlich ist, lässt sich auf diesem Wege eine Optimierung erreichen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abmessungen der ersten Kondensatorelektroden der ersten Gruppen sich derart voneinander unterscheiden, dass eine Binärcodierung, insbesondere ein Greycode entsteht. Dies wird dadurch erreicht, dass die Flächen der Kondensatorelektroden verschiedener Gruppen derart zueinander angeordnet sind, dass über den Messbereich jede Kombination von Konden- satoren mit vollständiger Überdeckung oder von Kondensatoren ohne Überdeckung der Kondensatorelektroden nur einmal vorkommt. Hierdurch lässt sich beispielsweise durch Verwendung von vier Gruppen von Kondensatorelektroden eine Vier-Bit- Verschlüsselung erreichen. Auch ist ein an sich bekannter Greycode hierdurch erzeugbar. Bei einem Greycode verändert sich die Verschlüsselung bei zu detektierenden benachbarten digitalen Verschiebungsbereichen jeweils nur in einem Bit. Muster für Greycodes sind an sich bekannt und ohne weiteres auf die erfindungsgemäße Bauform des Sensorelementes über- tragbar.
Um eine Binärcodierung zu erzeugen, ist eine digitale Auswertung der Stellung der Kondensatorelektroden von Nöten. Da die Kondensatorelektroden in der Realität jedoch analog verscho- ben werden und sich damit auch die effektive Kondensatorflä¬ che stufenlos ändert, ist das jeweilige Messergebnis je nach gemessener Kapazität jeweils einer vollständigen Überdeckung gleich 1 oder einer völlig fehlenden Überdeckung gleich 0 zuzuordnen, was durch eine automatische Auswertung des Messer- gebnisses erfolgen kann.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass alle ersten Kondensatorelektroden auf einem ersten ebenen Substrat und alle zweiten Kondensatorelektroden auf einem zweiten ebe- nen Substrat angeordnet sind. Baulich entsteht auf diese Wei¬ se lediglich ein einziger Kondensatorspalt, in dem auch eine einzige Blende angeordnet werden kann. Dies lässt sich vor¬ teilhaft besonders einfach fertigen. Insbesondere können die Kondensatorelektroden mikromechanisch auf zwei Substraten hergestellt werden. Auch die Montage wird auf diesem Wege vorteilhaft vereinfacht. Vorteilhaft kann auch sein, wenn die Kondensatorelektroden auf zwei kammartigen Trägern angeordnet sind, die relativ zu¬ einander beweglich sind und deren Zinken ineinandergreifen. Hierdurch wird eine besonders kompakte Bauform erreicht, die Fläche der Kondensatorelektroden liegt dann nicht in einem Kondensatorspalt, sondern in vielen Kondensatorspalten, die zwischen den Zinken der kammartigen Strukturen ausgebildet werden . Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Kraftmesszelle mit zwei relativ zueinander beweglichen Abschnitten, deren Relativbewegung abhängig von der Kraft F einer zu wiegenden Masse ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Wägezelle als Sonderfall der Kraftmesszelle mit zwei relativ zueinander beweglichen Abschnitten, deren Relativbewegung abhängig von der Gewichtskraft F einer zu wiegenden Masse ist.
Derartige Kraftmesszellen sind allgemein bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es ferner damit, eine solche Kraftmesszelle mit einem Sensorelement auszustatten, welches eine Kalibrierung überflüssig macht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch er¬ reicht, dass ein Sensorelement der bereits beschriebenen Wei¬ se an den beweglichen Abschnitten befestigt ist, wobei eine Relativbewegung zwischen den beweglichen Abschnitten als zu detektierende Verschiebung durch das Sensorelement erfasst werden kann. Insbesondere wenn das erfindungsgemäße Sensor¬ element mikromechanisch aufgebaut ist, können bereits sehr kleine Wege der beweglichen Abschnitte der Kraftmesszelle er¬ mittelt werden, weswegen die Kraftmesszelle sehr steif ausge- führt werden kann. Dadurch lassen sich vorteilhaft auch vergleichsweise große Kräfte messen, zum Beispiel große Massen wiegen .
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei¬ chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen : ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorelementes mit ersten Kondensatorelektroden und zweiten Kondensatorelektroden mit entsprechenden Abmessungen schematisch als Seitenansicht, ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorelementes mit ersten Kondensatorelektroden und einer Blende mit Blendenöffnungen, die die gleichen Abmessungen wie die ersten Kondensatorelektroden haben schematisch als Seitenansicht,
Figur 3 die Aufsicht auf ein Substrat mit ersten Kondensa torelektroden,
Figur 4 die Aufsicht auf eine Blende für ein anderes Aus¬ führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorele- mentes, eine Seitenansicht für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensorelements mit kammartigen Strukturen und ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Kraftmesszelle .
Bei dem Sensorelement gemäß Figur 1 sind exemplarisch nur erste Kondensatorelektroden 11 einer ersten Gruppe 12a dargestellt. Weitere Gruppen gehören ebenfalls zu dem Sensorele¬ ment, sind allerdings nicht zu erkennen. Die Kondensator¬ elektroden 11 der ersten Gruppe sind mit einer elektrischen Leitung 13a parallel geschaltet und an eine Spannungsquelle 14 angeschlossen. Den ersten Kondensatorelektroden 11 liegen zweite Kondensatorelektroden 15 gegenüber, welche mit einer zweiten elektrischen Leitung 13b ebenfalls mit der Spannungsquelle 14 kontaktiert sind und eine Lateralverschiebung 16 ausführen können. Es wird deutlich, dass die Kontaktierung über die elektrische Leitung 13b einen flexiblen Anteil 17 aufweisen muss, um die Verschiebbarkeit der zweiten Kondensa¬ torelektroden zu gewährleisten.
Die zweiten Kondensatorelektroden 15 bilden eine zweite Gruppe 18a, wobei zu erkennen ist, dass gemäß Figur 1 doppelt so viele zweite Kondensatorelektroden 15 wie erste Kondensatorelektroden 11 vorgesehen sind. Dies bewirkt, dass im Messbe- reich entlang der Lateralverschiebung 16 unabhängig von der Verschiebungskoordinate Δχ immer alle vier ersten Kondensa¬ torelektroden 11 eine gegenüberliegende zweiten Kondensatorelektrode zugeordnet werden kann, wenn es zu einer Überde¬ ckung der ersten Kondensatorelektroden 11 und zweiten Konden- satorelektroden 15 kommt. Hierdurch ist über den gesamten
Messbereich bei Überdeckung der ersten Kondensatorelektroden 11 und zweiten Kondensatorelektroden 15 die gleiche Kondensatorkapazität messbar. Die ersten Kondensatorelektroden 11 und zweiten Kondensatorelektroden 15 weisen eine Breite b auf. Zwischen den genannten Kondensatorelektroden sind Zwischenräume 19 vorgesehen, die ebenfalls die Breite b aufweisen. Die Kondensatorelektroden und die Zwischenräume 19 reihen sich in Richtung der Lateralverschiebung 16 abwechselnd aneinander. Daher kommt es bei einer Lateralverschiebung 16 ab- wechselnd zu einer vollständigen Überdeckung der ersten Kondensatorelektroden 11 und zweiten Kondensatorelektroden 15 und zu überhaupt keiner Überdeckung. Ein Kondensatorspalt 20 bleibt bei der Lateralverschiebung 16 immer konstant. Daher hängt ein über ein Amperemeter 21 zu messender Verschiebe- ström nur von dem augenblicklichen Überdeckungsgrad der ersten Kondensatorelektroden 11 und zweiten Kondensatorelektroden 15 ab.
Die Variante des Sensorelementes gemäß Figur 2 arbeitet unter Einsatz einer Blende 22, die in nicht dargestellter Weise auf Massepotential liegt. Diese ist im Kondensatorspalt 20 zwi¬ schen den ersten Kondensatorelektroden 11 und einer zweiten Kondensatorelektrode 23 angeordnet. Die Blende weist Blenden- Öffnungen 24 auf, deren Breite b genau der Breite b der ers¬ ten Kondensatorelektroden 11 entspricht. Ähnlich wie bei der Ausführung gemäß Figur 1 doppelt so viele zweite Kondensatorelektroden wie erste Kondensatorelektroden angeordnet sind, sind gemäß Figur 2 doppelt so viele Blendenöffnungen 24 wie erste Kondensatorelektroden 11 angeordnet. Daher ist auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 gewährleistet, dass ei¬ ne vollständige Abdeckung und Freigabe der ersten Kondensa¬ torelektroden 11 gegenüber der zweiten Kondensatorelektrode 23 über den gesamten Messbereich ermöglicht wird. Die Blendenöffnungen 24 bilden damit die zweite Gruppe 18a.
In Figur 3 ist dargestellt, wie die ersten Kondensatorelekt¬ roden 11 auf einem ersten Substrat 25 auf mikromechanischem Wege hergestellt werden können. Hierbei ist beispielsweise eine Ätzung der Oberfläche denkbar. Die Kondensatorelektroden 11 jeweils gleicher Abmessungen sind auf dem Substrat 25 in vier Gruppen 12a, 12b, 12c und 12d angeordnet. Zu erkennen sind auch die Zwischenräume 19. Die Anordnung der Gruppen 12a bis 12d auf dem Substrat 25 ist beliebig. Hier sind diese in einem 2x2-Array angeordnet. Wichtig ist allerdings, dass die Abfolge von ersten Kondensatorelektroden 11 und dazwischen befindlichen Zwischenräumen 19 bei allen Gruppen 12a bis 12c genau in der Lateralverschiebungsrichtung 16 ausgerichtet ist. Die Kondensatorelektroden 11 jeweils einer Gruppe 12a bis 12d sind jeweils gemeinsam mit ebenfalls auf dem Substrat 25 aufgebrachten Leiterbahnen 26a bis 26d als elektrische Zu¬ leitung kontaktiert. Zur externen Kontaktierung dienen Kon- taktpads 27. Nicht dargestellt ist ein zweites Substrat, wel- ches unter Ausbildung des Kondensatorspaltes oberhalb des dargestellten ersten Substrates 25 angeordnet ist und korres¬ pondierende zweite Elektroden aufweisen muss. Das Muster der Anordnung entspricht genau dem in Figur 3 Dargestellten, nur dass, wie zu Figur 1 erläutert, vorteilhaft doppelt so viele zweite Kondensatorelektroden vorgesehen sein sollten. Um dies zu verdeutlichen, ist für die erste Gruppe 12c eine Anordnung der Elektroden auf den nicht dargestellten Substrat durch Er- gänzung einer weiteren strichpunktierten zweiten Kondensatorelektrode 15 dargestellt.
Denkbar ist es auch, dass auf dem nicht dargestellten zweiten Substrat lediglich eine der zweiten Kondensatorelektroden ausgebildet ist oder auch vier zweite Kondensatorelektroden 23, von denen eine in ihrer Kontur ebenfalls strichpunktiert dargestellt ist (obwohl diese sich wie die zweiten Kondensa¬ torelektroden 15 natürlich nicht auf dem dargestellten Sub- strat 25, sondern auf dem nicht dargestellten zweiten Substrat befindet) . In diesem Fall wird in dem sich so ausbil¬ denden Kondensatorspalt zwischen dem ersten Substrat 25 und dem zweiten, nicht dargestellten Substrat eine Blende mit entsprechend angeordneten Blendenöffnungen eingeführt.
In Figur 4 ist eine Blende 22 dargestellt, die für ein Sen¬ sorelement zur Ermittlung einer Winkelverschiebung 28 geeignet ist. Zu erkennen ist das Muster von Öffnungen 24, die in konzentrischen Gruppen 18a, 18b, 18c und 18d angeordnet sind. Die Blende wird um eine Drehachse 29 gedreht, sobald eine
Winkelverschiebung 28 auftritt. Unter Beachtung der Blendenöffnungen 24 wird ohne Weiteres deutlich, mit welchem Muster nicht dargestellte erste Elektroden auf einem Substrat aufge¬ bracht werden müssen. Das Muster entspricht nämlich genau denjenigen der Blendenöffnungen.
In Figur 3 und 4 ist jeweils ein 4-Bit-Binärcode verwirk¬ licht. Gemäß Figur 3 ist die Breite der Elektroden und damit auch der Zwischenräume der Gruppe 12a doppelt so groß wie diejenige der Gruppe 12d, diejenige der Gruppe 12b doppelt so groß wie diejenige der Gruppe 12a und diejenige der Gruppe 12c doppelt so groß wie diejenige der Gruppe 12b. Bei dem Muster der Blendenöffnung 24 gemäß Figur 4 handelt es sich überdies um die Ausführungsform eines Greycodes. Stellt man sich einen Radius vor, der die Blendenöffnungen einmal in einem Winkel von 360° überstreicht, so wird deutlich, dass sich immer nur ein Bit gleichzeitig ändert, was Kennzeichen eines Greycodes ist. Zu bemerken ist außerdem, dass eine sich dre- hende Blende anders als eine lateral verschobene Blende nicht doppelt so viele Öffnungen wie erste Kondensatorelektroden benötigt, allerdings kann mit einer Drehblende auch höchstens ein Drehwinkelbereich von 360° zuverlässig hinsichtlich der Winkelstellung erfasst werden.
In Figur 5 ist eine besonders platzsparende Ausführung des Sensorelementes mit zwei kammartigen Trägern 30 dargestellt. Die kammartigen Träger 30 sind ineinander verzahnt, wodurch mehrere Kondensatorspalte 20 entstehen, die mit ersten und zweiten Kondensatorplatten versehen werden können. Die ersten Kondensatorelektroden und zweiten Kondensatorelektroden werden mit einer Ausrichtung auf die Zinken 31 der Kämme aufgebracht, deren Längsausdehnung parallel zur Zeichenebene liegt. Die Lateralverschiebung verläuft demgemäß senkrecht zur Zeichenebene.
Alternativ (nicht dargestellt) können die Zinken 31 des einen Trägers 30 auch als Blenden ausgeführt sein, die sich dann lateral im Verhältnis zu den Zinken des anderen Kamms bewegen lassen. In diesem Fall bilden die benachbarten Zinken des anderen Kamms jeweils den Kondensatorspalt und es müssen die ersten Kondensatorelektroden 11 und die eine diesen gegenüberliegende zweite Kondensatorelektrode in den betreffenden Zwischenräumen der Zinken 31 ausgebildet sein.
In Figur 6 ist eine Kraftmesszelle 32 dargestellt. Diese weist zwei Abschnitte 33 auf, die aufgrund der Einprägung ei¬ ner Wägekraft F in Richtung der Lateralverschiebung 16 ver- schiebbar sind. Zwei Federelemente 34 (vereinfacht als Biege¬ federn dargestellt) bilden die Gegenkraft zu der Wägekraft F. Auf Traversen 35 ist das erste Substrat 25 und ein zweites Substrat 36 derart angeordnet, dass in dem sich so ausbilden¬ den Spalt die nicht näher dargestellten ersten Kondensator- elektroden und zweiten Kondensatorelektroden angeordnet werden können. Hierdurch wird das erfindungsgemäße Sensorelement verwirklicht .

Claims

Patentansprüche
1. Kapazitives Sensorelement zur Detektion einer Verschie¬ bung, aufweisend
· eine Vielzahl von ersten Kondensatorelektroden (11), die jeweils in ersten Gruppen (12a bis 12d) zusammengefasst sind, wobei die ersten Kondensatorelektroden (11) in jeder der ersten Gruppe (12a bis 12d) elektrisch parallel geschaltet sind,
· eine Vielzahl von zweiten Kondensatorelektroden (15), wobei jeder der ersten Gruppen (12a bis 12d) von ersten Kondensatorelektroden (11) eine zweite Gruppe (18a bis 18d) von zweiten Kondensatorelektroden (15) mit gleichen Abmessungen derart zugeordnet ist, dass sich zwischen den ersten Kondensatorelektroden (11) und den zugeordneten zweiten Kondensatorelektroden (15) bei der zu detek- tierenden Verschiebung die effektive Kondensatorfläche der so ausgebildeten Kondensatoren verändert, wobei die zweiten Kondensatorelektroden (15) in jeder der zweiten Gruppen (18a bis 18d) elektrisch parallel geschaltet sind,
wobei außerdem
• die Kondensatorelektroden jeder Gruppe in Richtung der zu detektierenden Verschiebung unter Ausbildung von Zwi- schenräumen (19) hintereinander angeordnet sind, wobei die Zwischenräume (19) die gleichen Abmessungen wie die jeweils benachbarten Kondensatorelektroden aufweisen,
• die Abmessungen der ersten Kondensatorelektroden (15) jeder ersten Gruppe (12a bis 12d) sich von den Abmessun- gen der ersten Kondensatorelektroden (12a bis 12d) aller anderen ersten Gruppen (12a bis 12d) unterscheiden und
• die Kapazität der Gruppen von Kondensatoren einzeln bestimmt werden kann.
2. Kapazitives Sensorelement zur Detektion einer Verschie¬ bung, aufweisend
• eine Vielzahl von ersten Kondensatorelektroden (11), die jeweils in ersten Gruppen (12a bis 12d) zusammengefasst sind, wobei die ersten Kondensatorelektroden (11) in je¬ der der ersten Gruppe (12a bis 12d) elektrisch parallel geschaltet sind,
• eine zweite Kondensatorelektrode (23) oder mehrere zwei¬ te Kondensatorelektroden die den ersten Kondensator- elektroden (11) unter Ausbildung eines Kondensatorspal¬ tes (20) gegenüber liegt oder gegenüberliegen,
• eine Blende (22) mit einer Vielzahl von Blendenöffnungen (24), wobei jeder der ersten Gruppen (12a bis 12d) von ersten Kondensatorelektroden (11) eine zweite Gruppe (18a bis 18d) von Blendenöffnungen (24) mit gleichen Abmessungen wie die ersten Kondensatorelektroden (11) derart zugeordnet ist, dass sich zwischen den ersten Kondensatorelektroden (11) und der zweiten Kondensatorelektrode (15) oder den zweiten Kondensatorelektroden bei einer zu detektierenden Verschiebung der Blende (22) die effektive Kondensatorfläche der so ausgebildeten Kondensatoren verändert,
wobei außerdem
• die ersten Kondensatorelektroden (11) jeder ersten Grup- pe (12a bis 12d) und die Blendenöffnungen (24) jeder zweiten Gruppe (18a bis 18d) in Richtung der zu detektierenden Verschiebung unter Ausbildung von Zwischenräumen (19) hintereinander angeordnet sind, wobei die Zwi¬ schenräume (19) die gleichen Abmessungen wie die jeweils benachbarten ersten Kondensatorelektroden (11) oder
Blendenöffnungen (24) aufweisen,
• die Abmessungen der ersten Kondensatorelektroden (15) jeder ersten Gruppe (12a bis 12d) sich von den Abmessun- gen der ersten Kondensatorelektroden (12a bis 12d) aller anderen ersten Gruppen (12a bis 12d) unterscheiden und • die Kapazität der Gruppen von Kondensatoren einzeln bestimmt werden kann.
3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet,
dass die zu detektierende Verschiebung eine Linearverschie¬ bung (16) ist.
4. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2
dadurch gekennzeichnet,
dass die zu detektierende Verschiebung eine Winkelverschie¬ bung (28) ist.
5. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass jeder der Kondensatoren die gleiche maximale Gesamtflä¬ che aufweist.
6. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Abmessungen der ersten Kondensatorelektroden (15) der ersten Gruppen (12a bis 12d) sich derart voneinander un- terscheiden, dass eine Binärcodierung, insbesondere ein Grey- code entsteht.
7. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass alle ersten Kondensatorelektroden (11) auf einem ersten ebenen Substrat (25) und alle zweiten Kondensatorelektroden auf einem zweiten ebenen Substrat angeordnet sind.
8. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kondensatorelektroden auf zwei kammartigen Trägern (30) angeordnet sind, die relativ zueinander beweglich sind und deren Zinken ineinander greifen.
9. Kraftmesszelle, insbesondere Wägezelle, mit zwei relativ zueinander beweglichen Abschnitten (33) , deren Relativbewegung abhängig von der zu messenden Kraft F ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Sensorelement gemäß einem der voranstehenden Ansprü¬ che derart an den beiden beweglichen Abschnitten (33) befestigt ist, dass eine Relativbewegung zwischen den beweglichen Abschnitten (33) als zu detektierende Verschiebung durch das Sensorelement erfasst werden kann.
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WO2017054461A1 (zh) * 2015-09-29 2017-04-06 北京工业大学 一种变间距叉指型相邻电容传感器

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WO2009120193A1 (en) * 2008-03-26 2009-10-01 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Capacitive sensor having cyclic and absolute electrode sets

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