DE3820878C2

DE3820878C2 -

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Publication number: DE3820878C2
Application number: DE19883820878
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Phys. 5900 Siegen De Scholl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-06-21
Filing date: 1988-06-21
Publication date: 1990-09-13
Also published as: DE3820878A1

Description

Die Erfindung betrifft ein kapazitives Sensorelement zum Auf bau mechanisch-elektrischer Meßwandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es bildet in Verbindung mit einer elektroni schen Auswerteeinheit, die die Kapazität des Sensorelements mißt und daraus ein geeignetes elektrisches Ausgangssignal formt, einen Meßwandler für mechanische Größen wie z.B. Druck, Kraft oder Weg oder allgemein für alle Größen, die sich in eine kleine Auslenkung transformieren lassen. Zur Realisierung der Auswerteelektronik sind viele Möglichkeiten bekannt.The invention relates to a capacitive sensor element for opening build mechanical-electrical transducers according to the preamble of claim 1. It forms in connection with an electronic rule evaluation unit, the capacity of the sensor element measures and a suitable electrical output signal forms a transducer for mechanical quantities such as Print, Force or path or general for all sizes that are in have a small deflection transformed. For realization Many possibilities are known to the evaluation electronics.

Kapazitive Sensorelemente sind, besonders in der Ausführung als Druckgeber, vielfach beschrieben worden. Als Beispiel für den Stand der Technik sei die Beschreibung eines kapazitiven Druckgebers im "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen (Christof Rohrbach, VDI-Verlag Düsseldorf, 1967, S. 151-152)" erwähnt. Gegenüber der darin erläuterten schematischen Abbildung weist der erfindungsgemäße Sensor eine neue Hauptelektrode in Verbindung mit einer neu entwickelten Elektrodenanordnung als komplette Funktionseinheit auf. Die mechanische Halterung der Elektrodenanordnung ist prinzipiell anders ausgelegt als im Beispiel die Halterung der festen Platte. Durch diese und weitere Maßnahmen werden die in der genannten Literaturstelle recht mäßig beurteilten erreichbaren Eigenschaften wie Meßgenauigkeit und Temperaturstabilität um Größenordnungen übertroffen.Capacitive sensor elements are, especially in the execution as a pressure transmitter, has been described many times. As an example of the state of the art is the description of a capacitive Pressure sensor in the "Manual for electrical mechanical measurement Sizes (Christof Rohrbach, VDI-Verlag Düsseldorf, 1967, pp. 151-152) " mentioned. Compared to the schematic explained therein Figure shows the sensor according to the invention a new main electrode in connection with a newly developed electrode arrangement as a complete functional unit. The mechanical In principle, the holder of the electrode arrangement is designed differently than in the example the holder of the fixed plate. By these and other measures become those in the cited reference achievable properties assessed fairly moderately such as measuring accuracy and temperature stability by orders of magnitude surpassed.

Nahezu alle bekannten Vorrichtungen, z. B. aus den Patentanmeldungen DE-OS 29 38 205, DE-OS 31 28 032, OS-DE 31 42 387, zeigen den wesentlichen Nachteil, daß die Membran als elastisches Element mittelbar oder unmittelbar so an der Gegenelektrode befestigt ist, daß die Gegenelektrode (als Gegenelektrode wird hier die körperliche Einheit bezeichnet, an der sich die als Kondensatorbelag dienende leitfähige Fläche befindet) bzw. deren Halterung alle Haltekräfte der Membran aufnehmen muß. Bisherige Lösungen zur Bekämpfung der damit eingehandelten Schwierigkeiten erreichen nicht die Eigenschaften, die das kapazitive Prinzip bieten kann. In der Literatur wurde nur eine Konstruktion gefunden (Patent Nr. US 38 59 575), die diesem Umstand Rechnung trägt, dafür aber andere schwerwiegende Nachteile aufweist: Das elastische Element dient als eine der Kondensatorplatten. Es muß deshalb aus Metall bestehen (elastisch hochwertige Kristalle, Glas oder Keramik sind nicht direkt verwendbar) und es ist unausweichlich mit dem Meßstromkreis verbunden. Weiterhin vergrößert sich der Plattenabstand mit steigender Meßgröße. Wegen der hyperbolischen Abhängigkeit der Kapazität vom Plattenabstand hat dieser Sensor gerade im praktisch bedeutsamen Arbeitsbereich seine schlechteste Genauigkeit.Almost all known devices, e.g. B. from the patent applications DE-OS 29 38 205, DE-OS 31 28 032, OS-DE 31 42 387 show the main disadvantage that the membrane as an elastic element directly or indirectly attached to the counter electrode is that the counter electrode (as counter electrode here the physical unit referred to as the capacitor coating serving conductive surface) or their holder must absorb all holding forces of the membrane. Previous Solutions to tackle the difficulties it poses do not achieve the properties that the capacitive Principle can offer. Only one construction was found in the literature found (Patent No. US 38 59 575) that takes this into account, but has other serious disadvantages: The elastic element serves as one of the capacitor plates. It must therefore consist of metal (elastic high quality crystals, Glass or ceramics cannot be used directly) and it is inevitably connected to the measuring circuit. Still enlarged the plate spacing increases with the measured variable. Because of the hyperbolic dependence of the capacity on the plate distance this sensor has just in the practical meaning Work area its worst accuracy.

Die dem genannten Patent eigentümliche mittige Befestigung der Gegenelektrode an dem elastischen Element ist bei Verwendung von Distanzhaltern kleiner Durchmesser unstabil; größere Distanzhalter dagegen behindern die Membranverformung und er fordern zusätzliche Maßnahmen gegen Reibung und Hysterese.The peculiar central attachment of the patent mentioned Counter electrode on the elastic element is in use of small diameter spacers unstable; bigger ones Spacers on the other hand hinder the membrane deformation and he require additional measures against friction and hysteresis.

Ein Mangel aller bekannten kapazitiven Sensoren ist, daß ihre Bestandteile individuell für eine Sensorausführung ausgelegt werden müssen. Es würde einen großen Fortschritt bedeuten, wenn unterschiedlichste Ausführungen nur in einem spezifischen Konstruktionsteil voneinander abwichen und alle anderen Teile für alle Sensoren identisch wären.A shortcoming of all known capacitive sensors is that their Components individually designed for a sensor version Need to become. It would be a big step forward if different versions only in one specific Construction part differ from each other and all other parts would be identical for all sensors.

Dies zu erreichen ist Teil der Aufgabe dieser Erfindung. Die weitere Aufgabe besteht darin, eine Konstruktion für ein Sensorelement anzugeben, das die Möglichkeiten des kapazitiven Meßverfahrens bestmöglich ausschöpft und dabei außergewöhnliche Genauigkeit, erweiterte Meßbereiche und den Vorteil niedriger Herstellkosten bietet.Achieving this is part of the object of this invention. The Another task is to design a sensor element indicate the possibilities of capacitive Measuring method exhausted as best as possible and at the same time extraordinary Accuracy, extended measuring ranges and the advantage lower Manufacturing costs offers.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun gen der Erfindung für verschiedene Anwendungen sind in den Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben. Gegenüber bekannten Ausführun gen kapazitiver Sensorelemente werden mit der Erfindung folgende Vorteile erzielt:This object is achieved by the subject of claim 1 solved. Advantageous design gene of the invention for various applications are in the Claims 2 to 8 described. Compared to known versions capacitive sensor elements are the following with the invention Benefits achieved:

- Improve stability and reproducibility
- Reduction of the hysteresis error
- Reduction of temperature dependency
- Extension of the measuring ranges
- Increase in temperature resistance
- Simplify manufacturing.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Zeichnungen erläutert und die genannten Vorteile begründet werden. Es zeigen:In the following, the invention is intended to be illustrated using a few drawings explained and the stated advantages are justified. Show it:

Abb. 1 Ausführungsbeispiel in Form eines Drucksensors, Fig. 1 embodiment in the form of a pressure sensor,

Abb. 2 Drucksensor mit Biegeplatte (1) als Hauptelektrode gemäß Anspruch 7, Fig. 2 pressure sensor with bending plate ( 1 ) as the main electrode according to claim 7,

Abb. 3 Drucksensor wie Abb. 2, jedoch mit zusätzlicher Zwischenschicht (4) gemäß Anspruch 4, Fig. 3 pressure sensor as Fig. 2, but with an additional intermediate layer ( 4 ) according to claim 4,

Abb. 4 Drucksensor mit loser, durch Federkraft fixierter Elektrodenanordnung (3 a . . . 3 c) gemäß Anspruch 8. Fig. 4 pressure sensor with loose, by spring force fixed electrode assembly ( 3 a ... 3 c) according to claim 8.

Ein Ausführungsbeispiel zur Realisierung eines Drucksensors zeigt Abb.1. Die Platte (1) (z.B. aus Metall, Keramik oder Quarz) bildet das elastische Element, in diesem Fall eine sich unter dem einwirkenden Druck durchbiegende Membran. An dieser ist unter Zwischenlage der Zwischenschicht (4) die Elektroden anordnung, bestehend aus Hauptelektrode (2) und Gegenelektrode (3 a . . . 3 c) befestigt. In diesem Beispiel ist die Gegenelektrode aus einer Isolierstoffplatte (3 c) (z.B. Keramik, Glas oder Kunststoff, auch gefüllt oder faserverstärkt) hergestellt, die mit zwei lateral strukturierten Metallschichten (3 a und 3 b) belegt ist. Die Metallschicht (3 b) umgibt die Metallschicht (3 a) ringförmig und ist etwas dicker als diese. Hauptelektrode (2) und Metallschicht (3 a) stellen die Platten eines Kondensa tors dar, die über die Anschlüsse (6) und (7) mit der Auswer teschaltung verbunden werden. Eine zwischen Vorder- und Rück seite der Platte (1) bestehende Druckdifferenz ändert den Ab stand dieser Kondensatorplatten und damit die Kapazität des Sensors.An exemplary embodiment for realizing a pressure sensor is shown in Fig. 1. The plate ( 1 ) (for example made of metal, ceramic or quartz) forms the elastic element, in this case a membrane that bends under the pressure. The electrode arrangement, consisting of main electrode ( 2 ) and counter electrode ( 3 a ... 3 c ), is fastened to this with the interposition of the intermediate layer ( 4 ). In this example, the counter electrode is made of an insulating material plate ( 3 c ) (eg ceramic, glass or plastic, also filled or fiber-reinforced), which is covered with two laterally structured metal layers ( 3 a and 3 b ). The metal layer ( 3 b ) surrounds the metal layer ( 3 a ) in a ring and is somewhat thicker than this. Main electrode ( 2 ) and metal layer ( 3 a ) represent the plates of a capacitor, which are connected to the evaluation circuit via the connections ( 6 ) and ( 7 ). An existing pressure difference between the front and rear side of the plate ( 1 ) changes the state of these capacitor plates and thus the capacity of the sensor.

Durch die Tatsache, daß die Befestigung der Elektrodenanord nung direkt und nur an der Platte (1) von der Befestigung der Platte (1) an einer Halterung (5) - (Platte (1) und Halterung (5) sind in diesem Beispiel aus einem Stück gefertigt) - mechanisch getrennt ist, wird die Elektrodenanordnung völlig von Membranverformungs- und Haltekräften verschont. So werden störende Einwirkungen aller anderen Einflüsse als der Meßgröße auf das Ausgangssignal wirkungsvoll unterdrückt. Kein Teil der Elektrodenanordnung braucht in die statische Bemessung des Sensors einbezogen zu werden; daher können kapazitive Sensoren gemäß dieser Erfindung für Drücke bis über 1000 Megapascal realisiert werden, was eine erhebliche Erweiterung des Meßbereiches bedeutet. Due to the fact that the fastening of the electrode arrangement directly and only to the plate ( 1 ) from the fastening of the plate ( 1 ) to a holder ( 5 ) - (plate ( 1 ) and holder ( 5 ) are in this example from one Piece) - mechanically separated, the electrode arrangement is completely spared membrane deformation and holding forces. In this way, disruptive influences of all influences other than the measured variable on the output signal are effectively suppressed. No part of the electrode arrangement needs to be included in the static dimensioning of the sensor; therefore capacitive sensors according to this invention can be realized for pressures up to over 1000 megapascals, which means a considerable expansion of the measuring range.

Wichtig ist weiterhin, daß bei dieser Konstruktion die Be festigungsstellen für Platte (1) an ihrem Halter (5) und Elek trodenanordnung (2 und 3 a . . . 3 c) an der Platte (1) nicht an verschiedenen Stellen einer mechanischen Verbindung außerhalb der Platte (1) selbst liegen, die ein Wegstück für die Platte (1) haltende Kräfte darstellt. Solch eine Verbindung, wie sie in anderen Ausführungen oft vorkommt, kann kaum massiv und innig genug gestaltet werden, um nicht doch unter Einwirkung der Haltekräfte geringfügige Verformungen zu erleiden, die dann direkt in voller Größe den Plattenabstand beeinflussen und somit das Meßsignal verfälschen.It is also important that in this construction, the fastening points for plate ( 1 ) on its holder ( 5 ) and electrode arrangement ( 2 and 3 a ... 3 c ) on the plate ( 1 ) not at different points of a mechanical connection outside the plate ( 1 ) itself, which represents a path for the plate ( 1 ) holding forces. Such a connection, as it often occurs in other versions, can hardly be designed to be massive and intimate enough not to suffer minor deformations under the influence of the holding forces, which then directly influence the full size of the plate spacing and thus falsify the measurement signal.

Die meßwertbedingte Wölbungsamplitude der Hauptelektrode ist an deren Umfangsrand am geringsten. Daher gewährleistet die in Anspruch 1d) geforderte Verbindung von Haupt- und Gegenelektrode an ihren Umfangsrändern, daß die meßwertbeding te Hauptelektroden-Durchbiegung geringstmöglich behindert wird und keine Hystereseeffekte durch die Eigenschaften der Verbin dungsstelle entstehen.The curvature amplitude of the main electrode due to the measured value is the smallest at its peripheral edge. Therefore guaranteed the connection of main and required in claim 1d) Counterelectrode at its peripheral edges that the measured value main electrode deflection is hindered as little as possible and no hysteresis effects due to the properties of the verb junction.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement bestimmt also aus schließlich das elastische Element den mechanischen Teil der Übertragungsfunktion. Die elastischen Eigenschaften des Werk stoffs, aus dem es besteht, werden daher voll genutzt. Als Resultat erhält man bessere Stabilität, Reproduzierbarkeit und kleinere Hysterese.Determined in the sensor element according to the invention finally the elastic element the mechanical part of the Transfer function. The elastic properties of the work The material from which it is made is therefore fully used. As The result is better stability, reproducibility and smaller hysteresis.

Die Wege der mechanischen Übertragung der Membrandurchbie gung auf die Elektrodenanordnung sind besonders kurz, so daß Temperaturgradienten zwischen diesen Wegen sich nur in gerin gem Maß auswirken. Alle anderen Wege stehen senkrecht auf der Richtung der Verschiebungsmessung und sind somit prinzipiell unempfindlich gegen Temperaturgradienten.The ways of mechanical transmission of membrane deflection supply to the electrode arrangement are particularly short, so that Temperature gradients between these paths only become narrow impact according to measure. All other paths are perpendicular to the Direction of the displacement measurement and are therefore in principle insensitive to temperature gradients.

Mit der Zwischenschicht (4) gewinnt man eine große Freiheit in der Werkstoffauswahl aller Teile: die Wärmeausdehnungskoef fizienten von elastischem Element (1) und Hauptelektrode (2) bzw. Gegenelektrodengrundplatte (3 c) brauchen nicht übereinzu stimmen. Die Zwischenschicht (4) (z.B. eine Kunststoff-Folie, eine Kleberschicht oder eine Elastomerschicht) besitzt einen im Vergleich zu elastischem Element (1) und Hauptelektrode (2) kleinen Elastizitätsmodul. Sie gleicht daher deren eventuell unterschiedliche Ausdehnung aus, ohne dabei wesentliche Kräfte zu erzeugen, die die Elektrodenanordnung verformen könnten. Die Übertragung der Membranauslenkung erfordert jedoch nur ge ringe Kräfte, da die Hauptelektrode sehr dünn und zudem azimu tal geschlitzt sein kann, so daß selbst der niedrige Elastizi tätsmodul der Zwischenschicht (4) nicht dazu führt, daß die in der Regel schlechten elastischen Eigenschaften der typi scherweise dafür verwendeten Werkstoffe zur Geltung kommen. Der gleiche Effekt kann auch durch ein entsprechendes Verhal ten einer Schicht an der Stelle der Metallschicht (3 b) erzielt werden.With the intermediate layer ( 4 ) you have great freedom in the choice of materials for all parts: the thermal expansion coefficients of the elastic element ( 1 ) and the main electrode ( 2 ) or counter-electrode base plate ( 3 c ) do not need to match. The intermediate layer ( 4 ) (for example a plastic film, an adhesive layer or an elastomer layer) has a small modulus of elasticity in comparison to the elastic element ( 1 ) and main electrode ( 2 ). It therefore compensates for their possibly different expansion without generating significant forces that could deform the electrode arrangement. However, the transfer of the membrane deflection requires only small forces, since the main electrode can be very thin and can also be slit azimuthally, so that even the low elasticity module of the intermediate layer ( 4 ) does not result in the generally poor elastic properties of the typi materials normally used for this come into play. The same effect can also be achieved by a corresponding behavior of a layer at the location of the metal layer ( 3 b ).

Einen weiteren Vorteil liefert die Zwischenschicht, wenn sie gleichzeitig gemäß Anspruch 3 elektrisch isoliert und so den Meßstromkreis vom elastischen Element trennt, das in der Regel mit dem meist metallischen Sensorgehäuse verbunden ist. Eine solche Isolierung ist oft wichtig zur Vermeidung von Erdschleifen.The intermediate layer provides another advantage if it simultaneously electrically isolated according to claim 3 and so the Measuring circuit separates from the elastic element, which is usually is connected to the mostly metallic sensor housing. A Such isolation is often important to avoid Earth loops.

Gemäß Anspruch 6 bietet sich bei der erfindungsgemäßen Kon struktion kapazitiver Sensoren an, die Elektrodenanordnung als komplettes kapazitives Abtastelement zu verwenden, welches, ähnlich einem Dehnungsmeßstreifen, auf ein elastisches Element einfach aufgeklebt wird. Es ist sogar möglich, das Abtastele ment nur durch eine Andruckkraft (nach Anspruch 8) zuverlässig mit dem elastischen Element zu koppeln.According to claim 6 offers the Kon invention construction of capacitive sensors, the electrode arrangement as to use complete capacitive sensing element which, similar to a strain gauge, on an elastic element is simply glued on. It is even possible to use the scab ment only by a pressure force (according to claim 8) reliable to couple with the elastic element.

Ein solches Grundelement kann in großen Stückzahlen vorge fertigt werden, wobei schwierige Produktionsvorgänge wie z.B. das Zusammenfügen unter genauer Einhaltung eines definierten Grundabstandes zwischen Haupt- und Gegenelektrode rationali siert werden können, da für eine riesige Palette möglicher Sensoren immer das gleiche Grundelement eingesetzt wird. Die für viele Anwendungen unterschiedlichen elastischen Elemente müssen nicht auf eine gute, als Hauptelektrode geeignete Ober fläche bearbeitet werden, wodurch neben dem Wegfall der Bear beitungsvorgänge auch die für jede Form individuellen Präzi sionswerkzeuge eingespart werden. Weiterhin steigt die Flexi bilität zur schnellen Konstruktion und Anfertigung von neuen Bauformen oder Sonderausführungen aller denkbaren Sensoren, deren Meßgröße sich leicht in eine kleine Auslenkung (ca. 1. . . 100 µm) transformieren läßt.Such a basic element can be featured in large numbers be manufactured, whereby difficult production processes such as assembling with exact adherence to a defined Basic distance between main and counter electrode rationali Can be siert because for a huge range possible Sensors always use the same basic element. The different elastic elements for many applications do not have to have a good surface that is suitable as the main electrode surface are processed, which in addition to the elimination of the Bear processing processes, including the individual precision for each form sion tools can be saved. Flexi continues to increase bility for the rapid construction and production of new ones Designs or special designs of all conceivable sensors, the measured quantity of which can easily be reduced to a small deflection (approx. 1.. 100 µm) can be transformed.

Die Anwendung eines derartigen Abtastelementes ist nicht auf speziell als Sensor-Bestandteil vorgesehene elastische Elemen te beschränkt. Ein Maschinen- oder Apparateteil, z.B. eine Be hälterwand, kann ebenso als elastisches Element dienen und mit dem Abtastelement einen erfindungsgemäßen Sensor bilden (etwa zur Messung des Innendruckes).The application of such a scanning element is not limited to elastic elements specially provided as a sensor component te limited. A machine or apparatus part, e.g. a Be container wall, can also serve as an elastic element and with form a sensor according to the invention (approximately for measuring the internal pressure).

Auch wenn man bei besonderen Anwendungen die Oberfläche des elastischen Elements direkt als Hauptelektrode verwenden will, läßt sich diese Erfindung sinnvoll anwenden. Wie das Ausfüh rungsbeispiel in Abb. 2 zeigt, sieht Anspruch 7 für diesen Fall vor, daß bei der Elektrodenanordnung einfach die Hauptelektro de weggelassen wird. Die sonstige Ausführung bleibt unver ändert.Even if you want to use the surface of the elastic element directly as the main electrode in special applications, this invention can be applied sensibly. As the example in Fig. 2 shows, claim 7 provides for this case that the main electrode is simply omitted from the electrode arrangement. The other execution remains unchanged.

Auch bei dieser Version ist, wie Abb. 3 zeigt, zur Entschär fung der Wärmeausdehnungsproblematik eine Zwischenschicht (4) anwendbar. Obwohl diese nun mitbestimmend ist für den Grundab stand der Elektroden, lassen sich auf diese Weise hochwertige Sensoren herstellen, da ja gemäß Ansprüchen 1 und 2 alle Teile der Elektrodenanordnung und auch die Zwischenschicht in Rich tung ihrer Dickenabmessung von mechanischer Belastung ver schont werden.In this version too, as shown in Fig. 3, an intermediate layer ( 4 ) can be used to alleviate the problem of thermal expansion. Although this is now a determining factor for the basic state of the electrodes, high-quality sensors can be produced in this way, since according to claims 1 and 2 all parts of the electrode arrangement and also the intermediate layer in the direction of their thickness dimension are protected from mechanical stress.

Ein Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 8 zeigt Abb. 4. Das besondere Kennzeichen ist, daß eine haftende Verbindung zwi schen elastischem Element und Elektrodenanordnung (die Elek trodenanordnung kann gemäß Ansprüchen 1 bis 5 mit zusätz licher Hauptelektrode oder gemäß Anspruch 7 ohne eine solche ausgeführt sein) völlig fehlt. Eine nicht zu große, konstante Andruckkraft, hier mit der Feder (8) erzeugt, sorgt dafür, daß die Elektrodenanordnung immer auf dem elastischen Element auf liegt und in ihrer Position von diesem fixiert wird. Für die exakte Übertragung der Membranbewegung auf die zusätzliche Hauptelektrode, falls vorhanden, muß diese so vorgespannt sein, daß sie sich immer an das elastische Element anlegt. Da sich die Elektrodenanordnung auf dem elastischen Element ver schieben kann, wird die Übertragung mechanischer Spannungen auf sie absolut vermieden. Zur Fixierung in seitlicher Rich tung bieten sich viele Lösungen an, z.B. mit Hilfe zweier An schläge auf dem elastischen Element und einer Feder, die die Elektrodenanordnung parallel zur Auflagefläche auf dem elasti schen Element gegen die Anschläge drückt. Diese Ausführung ist besonders für sehr hohe Temperaturen geeignet, bei denen orga nische Kleber nicht mehr verwendet werden können.An embodiment according to claim 8 shows Fig. 4. The special feature is that an adhesive connection between the elastic element's and electrode arrangement (the electrode arrangement can be executed according to claims 1 to 5 with additional main electrode or according to claim 7 without such) completely is missing. A not too large, constant pressure force, here generated with the spring ( 8 ), ensures that the electrode arrangement always lies on the elastic element and is fixed in position by it. For the exact transmission of the membrane movement to the additional main electrode, if present, it must be biased so that it always lies against the elastic element. Since the electrode arrangement can slide on the elastic element, the transmission of mechanical stresses on it is absolutely avoided. For fixation in the lateral direction, many solutions are available, for example with the help of two strikes on the elastic element and a spring which presses the electrode arrangement parallel to the contact surface on the elastic element against the stops. This version is particularly suitable for very high temperatures at which organic adhesives can no longer be used.

Die hier auftretenden Kräfte zur Fixierung der Elektrodenan ordnung auf dem elastischen Element widersprechen nicht der erfindungsgemäßen Forderung nach der Ausschaltung von Kräften, die durch Verformung der Elektrodenanordnung unerwünschte Ka pazitätsänderungen hervorrufen könnten, da diese Fixier-Kräfte zu klein sind (sie müssen höchstens das Eigengewicht der Elek trodenanordnung kompensieren) um die Elektrodenanordnung merk lich verformen zu können. Aber selbst größere Kräfte dieser Art hätten, spätestens nach dem Abgleich des Sensors, keine Auswirkung auf die Sensoreigenschaften, weil sie konstant sind und keine Änderungen bewirken.The forces occurring here to fix the electrodes order on the elastic element does not contradict that demand according to the invention for the elimination of forces, the unwanted Ka due to deformation of the electrode arrangement could cause changes in capacity, as these fixing forces are too small (they must at most have the weight of the elec compensate electrode arrangement) around the electrode arrangement to be able to deform. But even greater powers of these Art would have none, at the latest after the adjustment of the sensor Impact on sensor properties because they are constant and make no changes.

Der Übersichtlichkeit halber ist die Gegenelektrode in die ser Beschreibung immer nur mit einer freien leitenden Fläche, dem eigentlichen Kondensatorbelag, dargestellt. In der Praxis werden meist weitere leitende Flächen lateral um eine solche zentrale Fläche herum angeordnet, z.B. Schutzringflächen oder Beläge für Referenzkondensatoren, um die elektrische Auswer tung zu verbessern bzw. um die Form der Übertragungskennlinie zu beeinflussen.For the sake of clarity, the counter electrode is in the description only with a free conductive surface, the actual capacitor coating. In practice are usually more conductive surfaces laterally around one centered around, e.g. Guard ring surfaces or Pads for reference capacitors to the electrical Auswer to improve or the shape of the transmission characteristic to influence.

Neben den als Ausführungsbeispiele beschriebenen Sensoren zur Druckmessung können mit der Erfindung ebenso solche für andere mechanische Größen realisiert werden. Für Kraftmessun gen muß beispielsweise das elastische Element nur einen mecha nischen Anschluß haben, über den die zu messende Kraft einge leitet wird. Aus einem Kraftsensor erhält man einen sehr ein fachen und verschleißfesten Weg- oder Positionssensor, indem man eine Feder ankoppelt, deren anderes Ende den zu messenden Weg durchläuft. Eine ideale Anwendung für solch einen Wegsen sor ist z.B. ein "elektronisches Gaspedal" für Kraftfahrzeuge.In addition to the sensors described as exemplary embodiments for pressure measurement with the invention can also be used for other mechanical quantities can be realized. For force measurement For example, the elastic element only needs one mecha niche connection over which the force to be measured is switched on is leading. One gets a very high from a force sensor fold and wear-resistant displacement or position sensor by you connect a spring, the other end of which is to be measured Path goes through. An ideal application for such a way sor is e.g. an "electronic accelerator pedal" for motor vehicles.

Claims

1. Capacitive sensor element for the construction of mechanical-electrical transducers, consisting of an elastic element that deforms as a function of the measured variable and an electrode arrangement for capacitive sensing of the deformation dependent on the measured variable, characterized by the following features:

a) The electrode arrangement ( 2, 3 a , 3 b , 3 c) is attached directly and exclusively to the elastic element, directly or indirectly via parts which serve to attach or hold it,
b) all supporting and holding forces for the elastic element ( 1 ) are conducted via a mechanical fastening contact other than that to the electrode arrangement ( 2, 3 a , 3 b , 3 c) , so that all the forces which the elastic element ( 1 ) try to move from its position, cannot act on the electrode arrangement ( 2, 3 a , 3 b , 3 c) .
c) The electrode arrangement ( 2, 3 a , 3 b , 3 c) consists of a counter electrode ( 3 a , 3 b , 3 c) with a non-deformable plate, which has an electrically conductive surface and one of which in a small amount the measured variable variable distance opposite main electrode ( 2 ) which is mechanically coupled to the elastic element ( 1 ) in such a way that it also undergoes a deformation thereof and in this way its effective distance from the counter electrode ( 3 a , 3 b , 3 c) and thus also the electrical capacity changes to this;
d) The counter electrode ( 3 a , 3 b , 3 c) is mechanically connected to the main electrode ( 2 ) via its holder or carrier at the peripheral edge, so that with increasing measured variable in one direction, the elastic element ( 1 ) to the electrode arrangement ( 2, 3 a , 3 b , 3 c) deformed towards, the capacity of the sensor is increased.

2. Capacitive sensor element according to claim 1, characterized in that the mechanical connection of the main electrode ( 2 ) with the elastic element ( 1 ) with the interposition of a layer ( 4 ) with a significantly smaller modulus of elasticity than that of the main electrode, so that the transmission of mechanical stresses from the elastic element ( 1 ) in the electrode arrangement ( 2, 3 a , 3 b , 3 c) is avoided by the flexibility of this layer.

3. Capacitive sensor element according to claim 1 or 2, characterized in that the mechanical connection of the main electrode ( 2 ) with the elastic element ( 1 ) with the interposition of an electrically insulating layer ( 4 ), so that the measuring circuit for capacity evaluation of the elastic element ( 1 ) is isolated.

4. Capacitive sensor element according to claim 1, 2 or 3, characterized in that an intermediate layer ( 4 ) according to claim 2 or 3 consists of two parts separated by an annular zone ge, the inner part for transmission of the deformation caused by the measured variable serves and the outer part mediates the fixation of the scanning element on the elastic element ( 1 ).

5. Capacitive sensor element according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the main electrode ( 2 ) is formed by a round disc which contains azimuthal slots.

6. Production of a capacitive sensor element according to claims 1, 2, 3, 4 or 5, characterized in that it consists of an electrode arrangement according to claim 1c) and d), optionally with intermediate layers ( 4 ) according to claims 2 and 3, and analog to the known strain gauge as a kind of capacitive deformation measuring disc in the form of a prefabricated unit is used to apply a complete sensor element according to claim 1 by application to a suitably prepared surface (eg surface of a container wall) with this as an elastic element , 2, 3, 4 or 5 to form.

7. Capacitive sensor element according to claim 1 or 2, characterized in that the elastic element ( 1 ) consists of an electrically conductive material or at least on a part of its surface is electrically conductive and thus embodies the main electrode itself, and in that in this case the additional main electrode ( 2 ) in the electrode arrangement ( 2 , 3 a , 3 b , 3 c) is omitted and the holder or support of the counter electrode has mechanical contact in the manner described in claim 1a), b) and d) to the elastic element .

8. Capacitive sensor element according to claim 1, 2, 3, 4, 5 or 7, characterized in that the electrode arrangement ( 2, 3 a , 3 b , 3 c) with its part closest to the elastic element ( 1 ) without any adhesive connection rests on the elastic element ( 1 ) and is fixed on it by a pressing force perpendicular to the support surface.