DE29918237U1

DE29918237U1 - Kapazitiver flexibler Sensor

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Publication number: DE29918237U1
Application number: DE29918237U
Authority: DE
Original assignee: SIE SENSORIK IND ELEKTRONIK GM
Current assignee: SIE SENSORIK IND ELEKTRONIK GM
Priority date: 1999-10-15
Filing date: 1999-10-15
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2009-10-16

Description

Dipl.-Ing. Klaus MiefsVä Rechtsanwalt + Patentanwalt

Landgerichte Mannheim. Heidelberg * Oberlandesgericht Karlsruhe

RA+PA K. Mierswa, Friedrichstrasse 171, 68199 Mannheim 15. Oktober 1999

An das

Deutsche Patent- und Markenamt

80297 München

Akte: 5450

Anmelder: SIE SENSORIK Industrie-Elektronik GmbH Edisonstr. 2
D-68519 Viernheim

Bezeichnung der Gebrauchsmusteranmeldung:

Kapazitiver flexibler Sensor

Anschrift: Konten:

Friedrichstrasse 171 Stadtsparkasse Mannheim (BLZ 670 501 01) Nr. 19 05 04

D-68199 Mannheim Deutsche Bank Mannheim (BLZ 670 700 10) Nr. 77 88 011

Telefon: 0621- 85 60 00 ·**; \'.',' .·*.."..". .Sosii*r«anif KaKsVLRe tBLZ 660:&idiagr;&Ogr;0&Ggr;75) Nr. 63 330-750

Telefax: 0621- 85 60 01 : :: .·* *···*··· UrjsafzsljBuer.-iJentifikErtions-IStr. (^.Al¹.): DE 143916124

email: KlausMierswa@cis.com'

Kapazitiver flexibler Sensor

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven flexiblen Sensor mit drei in eine Auswerteelektronik führenden, voneinander getrennten Elektroden, zur Detektion des Füllstandes eines Mediums in einem Gefäß, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1'.

Stand der Technik:

Ein flexibler kapazitiver Sensor mit drei voneinander getrennten Elektroden ist aus G 87 06 280.1 bekannt. Der dort beanspruchte Sensor weist eine Basisplatte auf, auf der die Elektroden durchlaufend aufgebracht sind und die aus einem flexiblen Material besteht und es erlaubt, den Sensor auf gekrümmten Flächen anzubringen/Ein solcher Sensor kann vorteilhaft z.B.

zur Detektion des Füllstandes in einem zylindrischen Gefäß eingesetzt werden.

Bei einer Biegung eines solchen Sensors treten Zug- und Druckspannungen auf, die eine mechanische Materialbeanspruchung verursachen. Diese muß auf ein bestimmtes Maß beschränkt sein, um eine Schädigung des Materials zu verhindern. Ein solcher Sensor kann daher nur dann ohne Schädigung auf kleine Krümmungsradien gebogen werden, wenn seine Bauform sehr flach gehalten ist. Die mit solchen Sensoren erreichbaren Krümmungsradien sind daher nach unten auf ca. 15 mm begrenzt, was einen Nachteil solcher Sensoren darstellt.

Die bestehende Notwendigkeit einer flachen Bauform des Sensors macht es erforderlich, den gegenseitigen Abstand der in dem Sensor übereinander geschichteten Elektroden gering zu halten. Mit geringer werdendem Elektrodenabstand wachsen jedoch die zwischen den Elektroden bestehenden Kapazitäten an. Durch diese internen Sensorkapazitäten, die sich der zu messenden Kapazität zur Detektion eines Mediums störend überlagern und daher &ldquor;parasitäre Kapazitäten" genannt werden, wird die Empfindlichkeit des Sensors reduziert, was einen weiteren Nachteil solcher Sensoren darstellt.

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Des weiteren sind kapazitive Sensoren bekannt, die eine gekrümmte starre Bauform aufweisen und daher vorteilhaft an entsprechend gekrümmten Oberflächen eingesetzt werden können. Ein Nachteil solcher Sensoren besteht in der starren Bauweise, die es nicht erlaubt, die Form des Sensors an 5 Oberflächen mit anderen Krümmungsradien sowie an Oberflächen mit zeitlich veränderlicher Krümmung oder mit unregelmäßiger Oberflächengestalt anzupassen.

Technische Aufgabe:

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, einen flexiblen kapazitiven Sensor der genannten Gattung bereitzustellen, dessen Materialbeschaffenheit und Bauweise es ermöglichen, den Sensor bei einem Krümmungsradius, von weniger als 15 mm einzusetzen und die Empfindlichkeit des Sensors gegenüber dem Stand der Technik zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen kapazitiven flexiblen Sensor mit drei in eine Auswerteelektronik führenden, voneinander getrennten Elektroden, wobei jede der Elektroden untergliedert ist in eine für alle Elektroden gleiche Anzahl von Abschnitten, wobei jeder Abschnitt einer Elektrode zusammen mit den jeweils zugehörigen Abschnitten der anderen Elektroden mechanisch starr verbunden ist und je ein starres Einzelglied bildet, so daß jedes Einzelglied einen Abschnitt jeder Elektrode umfaßt, wobei die Einzelglieder voneinander beabstandet sind und durch eine durchlaufende Basisplatte aus flexiblem Material kettenartig mechanisch untereinander verbunden sind, wobei die Abschnitte jeder Elektrode durch flexible Leiter, die auf der flexiblen Basisplatte aufgebracht sind, elektrisch miteinander verbunden sind.

Bei einem erfindungsgemäßen Sensor sind die Elektroden nicht durchlaufend auf einer Basisplatte aufgebracht, sondern sie sind in starre Einzelglieder unterteilt, die mittels einer durchlaufenden flexiblen Basisplatte kettenartig untereinander verbunden sind.

Jedes Einzelglied enthält einen Abschnitt jeder der drei Elektroden. Die Einzelglieder sind auf der Basisplatte in Abständen zueinander angeordnet, so

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daß jedes Einzelglied gegenüber seinen Nachbarn um einen bestimmten Winkel verkantet werden kann, ohne daß mechanischer Kontakt zwischen benachbarten Einzelgliedern entsteht. Dieser Winkel bestimmt den minimalen Krümmungsradius, dem der Sensor folgen kann. Mit zunehmendem Abstand der Einzelglieder voneinander wächst dieser Winkel an.

Auf der flexiblen Basisplatte befinden sich Leiterbahnen, durch die die drei Elektrodenabschnitte in jedem Einzelglied jeweils mit den zugehörigen Elektrodenabschnitten der benachbarten Einzelglieder elektrisch verbunden ist. Die Leiterbahnen können sich einseitig oder beidseitig auf der Basisplatte befinden. Die flexible Basisplatte kann außerdem eine Auswerteelektronik tragen. Diese kann in einem oder in mehreren gesonderten starren Gliedern untergebracht sein.

Aufgrund der starren Bauweise der Einzelglieder werden mechanische Beanspruchungen von den Elektroden und ihrem Trägermaterial ferngehalten. Die Biegung erfolgt ausschließlich in denjenigen Bereichen der flexiblen Basisplatte, die zwischen den Einzelgliedern liegt. Ein erfindungsgemäßer Sensor kann daher ohne Schädigung auf Krümmungsradien bis herab zu ca. 5mm gebogen werden, was einen wesentlichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik darstellt.

Aufgrund der starren Bauweise der Einzelglieder entfällt bei einem erfindungsgemäßen Sensor des weiteren die Notwendigkeit, die Bauform des Sensors flach zu halten. Der gegenseitige Abstand der Elektroden kann daher bei einem erfindungsgemäßen Sensor so groß gewählt werden, daß seine internen Kapazitäten wesentlich geringer sind als bei einem dem Stand der Technik entsprechenden Sensor. Die Empfindlichkeit eines erfindungsgemäßen Sensors ist daher gegenüber dem Stand der Technik deutlich höher.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors von oben,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer anderen Ausführungsform eines

erfindungsgemäßen Sensors, und
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform

eines erfindungsgemäßen Sensors,
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform

eines erfindungsgemäßen Sensors,
Fig. 6 eine schematische Ansicht einer oberen Elektrodenträgerplatte gemäß

einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 7 eine schematische Ansicht einer mittleren Elektrodenträgerplatte

gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 8 eine schematische Ansicht einer unteren Elektrodenträgerplatte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Wege zur Ausführung:

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors von oben. Erfindungsgemäß sind die Nutzelektrode 12, die Abschirmelektrode 13 und die Masseelektrode 14 nicht durchlaufend auf der durchlaufenden flexiblen Basisplatte 6 aufgebracht, sondern sie sind in starre Einzelglieder 1 unterteilt. Jedes Einzelglied 1 enthält einen Abschnitt der Nutzelektrode 12, einen Abschnitt der Abschirmelektrode 13 und einen Abschnitt der Masseelektrode 14 und ist mit einem Schutzgehäuse umgeben, das vorzugsweise aus PBT- oder PP-Kunststoff besteht. Die Basisplatte 6 besteht vorzugsweise aus Polyimidfolie.

Die flexible Basisplatte 6 trägt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Mehrzahl von untereinander identischen, äquidistant angeordneten Einzelgliedern 1 und zusätzlich eine Auswerteelektronik, die an jedem Ende der Basisplatte in einem jeweils separaten starren Gehäuse 2 untergebracht ist. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteelektronik in einem einzigen Gehäuse 2 untergebracht. In einer wiederum anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteelektronik in einer Mehrzahl von Gehäusen 2 untergebracht.

Die flexible Basisplatte 6 verbindet die Einzelglieder 1 sowie die Gehäuse 2 für die Auswerteelektronik kettenartig mechanisch miteinander, so daß sowohl

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die Einzelglieder 1 als auch die Gehäuse 2 der Auswerteelektronik mechanisch als Kettenglieder fungieren. Durch ein elektrisches Kabel 16 kann der Sensor an eine Versorgungsspannung und an externe Auswertungsgeräte angeschlossen werden.

An der äußeren Stirnseite jedes der Gehäuse 2 für die Auswerteelektronik sind in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mittels flexiblen mechanischen Verbindungsstegen 5 jeweils Befestigungselemente 3 angebracht, die als Endglieder der Kette fungieren und die mit geeigneten Aussparungen 4 versehen sind, die eine Befestigung des Sensors an einer Fläche z.B. mittels Schrauben oder Haken ermöglichen. Des weiteren ist eine Befestigung des Sensors mittels Bändern, vorzugsweise mittels lösbarem Klettband, möglich.

Auf der flexiblen Basisplatte 6 befinden sich Leiterbahnen 7, durch die die drei in jedem Einzelglied 1 untergebrachten Abschnitte der Elektroden 12, 13, 14 jeweils mit den zugehörigen Abschnitten der Elektroden 12, 13, 14 der benachbarten Einzelglieder elektrisch verbunden ist. Die Leiterbahnen 7 sind in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beidseitig auf der flexiblen Basisplatte 6 aufgebracht.

Nun wird auf die Fig. 2-4 Bezug genommen, die schematische Seitenansichten von verschiedenen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Sensors zeigen. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Sensors, in der die flexible Basisplatte 6 halber Bauhöhe der Einzelglieder verläuft, so daß diese Ausführungsform gleichermaßen für negative und positive Krümmungsradien und damit auch uneingeschränkt für den so genannten Reverse-Betrieb geeignet ist. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Sensors, in der die flexible Basisplatte 6 nahe der Bodenfläche der Einzelglieder 1 verläuft, so daß diese Ausführungsform insbesondere für sehr kleine positive Krümmungsradien geeignet ist. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Sensors, in der die flexible Basisplatte 6 nahe der Deckfläche der Einzelglieder 1 verläuft, so daß diese Ausführungsform insbesondere für sehr kleine negative Krümmungsradien geeignet ist.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, in der die flexible Basisplatte 6, ebenso wie in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform, in der halben Bauhöhe der Einzelglieder verläuft. Die Querschnittform der Gehäuse der Einzelglieder 1 entspricht in der in Fig. 5 gezeigten bevorzugten Ausführungsform einem liegenden Sechseck, so daß mit dieser Ausführungsform bei einem gegenüber Fig. 2 unverändertem gegenseitigem Abstand der Einzelglieder 1 sowohl bei positiver als auch bei negativer Krümmung ein kleinerer Betrag des Krümmungsradius des Sensors erreicht werden kann.

Bezugnehmend auf die Figuren 6-8 enthält jedes Einzelglied 1, wie oben erwähnt wurde, einen Abschnitt der Nutzelektrode 12, einen Abschnitt der Abschirmelektrode 13 und einen Abschnitt der Masseelektrode 14. Diese Abschnitte sind in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in jedem Einzelglied 1 auf je einer oberen Elektrodenträgerplatte 9, einer mittleren Elektrodenträgerplatte 10 und einer unteren Elektrodenträgerplatte 11 aufgebracht, die jeweils schichtartig übereinander angeordnet und in den Fig. 6-8 gezeigt sind. Fig. 6 zeigt eine schematische Ansicht einer oberen Elektrodenträgerplatte 9 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Nutzelektrode 12 ist an ihren Schmalseiten jeweils von Teilen der Abschirmelekrode 13 und der Masseelektrode 14 umgeben. Die Nutzelektrode 12 und die genannten Teile der Abschirmelekrode 13 und der Masseelektrode 14 sind jeweils als Leiterschicht auf einer Trägerplatine 15 aufgebracht.

Fig. 7 zeigt eine schematische Ansicht einer mittleren Elektrodenträgerplatte

10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die mittlere Elektrodenträgerplatte 10 trägt einen Teil der Abschirmelektrode 13, der als Leiterschicht auf einer Trägerplatine 16 aufgebracht ist.

Fig. 8 zeigt eine schematische Ansicht einer unteren Elektrodenträgerplatte

11 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die untere Elektrodenträgerplatte 11 trägt einen Teil der Masseelektrode 14, die als Leiterschicht auf einer Trägerplatine 17 aufgebracht ist.

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Der erfindungsgemäße kapazitive, flexible Sensor kann insbesondere zur Detektion des Füllstandes eines Mediums innerhalb eines Gefäßes mit gekrümmter Gefäßwandung verwendet werden, und er kann sowohl innerhalb als auch außerhalb des Gefäßes entweder an der Gefäßwandung oder an einer Halterung an der Gefäßwandung angeordnet sein.

Bezugszeichenliste:

1 Einzelglied

2 Gehäuse für Auswerteelektronik

3 Befestigungselement

4 Aussparung

5 Verbindungssteg

6 flexible Basisplatte

7 Leiterbahn

8 Anschlußkabel

9 obere Elektrodenträgerplatte

10 mittlere Elektrodenträgerplatte

11 untere Elektrodenträgerplatte

12 Nutzelektrode

13 Abschirmelektrode

14 Masseelektrode

15 Trägerplatine

16 Anschlußkabel

Claims

1. Kapazitiver flexibler Sensor mit drei in eine Auswerteelektronik führenden, voneinander getrennten Elektroden, zur Detektion des Füllstandes eines Mediums in einem Gefäß, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Elektroden untergliedert ist in eine für alle Elektroden gleiche Anzahl von Abschnitten, wobei jeder Abschnitt einer Elektrode zusammen mit den jeweils zugehörigen Abschnitten der anderen Elektroden mechanisch starr verbunden ist und je ein starres Einzelglied (1) bildet, so daß jedes Einzelglied (1) einen Abschnitt jeder Elektrode umfaßt, wobei die Einzelglieder (1) voneinander beabstandet sind und durch eine durchlaufende Basisplatte (6) aus flexiblem Material kettenartig untereinander verbunden sind, und die Abschnitte jeder Elektrode durch flexible Leiter (7), die auf der flexiblen Basisplatte (6) aufgebracht sind, elektrisch miteinander verbunden sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Einzelglied (1) einen Abschnitt einer Nutzelektrode (12), einer Abschirmelektrode (13) und einer Masseelektrode (14) enthält.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Einzelglied (1) mit einem eigenen starren, von seinen Nachbarn jeweils beabstandeten Schutzgehäuse umgeben ist.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik auf der flexiblen Basisplatte (6) in einem oder einer Mehrzahl von separaten starren voneinander und von den Einzelgliedern (1) beabstandeten Gehäusen (2) untergebracht ist.

5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor an seinen Enden jeweils ein vom Sensor beabstandetes, flexibel angebrachtes Befestigungselement (3) aufweist.

6. Sensor nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der Basisplatte (6) in der halben Höhe der Einzelglieder (1) verläuft.

7. Sensor nach Anspruch 1, 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsform der Schutzgehäuse der Einzelglieder (1) sechseckig ist.

8. Sensor nach Anspruch 1, 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauhöhe der Schutzgehäuse der Einzelglieder (1) und die Bauhöhe des Schutzgehäuses (2) oder der Schutzgehäuse (2) für die Auswerteelektronik identisch sind.

9. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor mit Befestigungselementen (3) versehen ist.

10. Sensor nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse der Einzelglieder (1), die Gehäuse (2) für die Auswerteelektronik, die Verbindungsstege (5) und die Befestigungselemente (4) aus PBT- oder PP-Kunststoff bestehen.

11. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisplatte (6) aus Polyimidfolie besteht.

12. Sensor nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisplatte (6) entlang der Bodenflächen der Einzelglieder (1) verläuft.

13. Sensor nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisplatte (6) entlang der Deckflächen der Einzelglieder (1) verläuft.

14. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelglieder (1) an der Basisplatte (6) äquidistant angeordnet sind und mit dieser eine fortlaufende Kette bilden, wobei sich die Auswerteelektronik an den Enden der Kette in einem Abstand zu den äußeren Einzelgliedern (1) auf der Basisplatte (6) befindet und in zwei Gehäusen (2) untergebracht ist, die somit weitere Kettenglieder bilden, wobei an deren äußerer Stirnseite mittels flexibler mechanischer Verbindungsstege (5) jeweils ein Befestigungselement (3) angebracht ist, dessen Bauhöhe mit derjenigen der Einzelglieder (1) und der Gehäuse (2) für die Auswerteelektronik identisch ist, so daß die Befestigungselemente (3) als Endglieder der Kette fungieren, wobei die Befestigungsglieder (3) mit Aussparungen (4) versehen sind, die eine Befestigung des Sensors an einer Fläche ermöglichen.