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Patent Searching and Data


Title:
CAPACITIVE SENSOR ELEMENT FOR DETECTING A DISPLACEMENT, COMPRISING SEVERAL ELECTRODE PAIRS, AND METHOD FOR OPERATING THE SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/000739
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a capacitive sensor element for detecting a displacement x and to a method for operating the same. According to the invention, the capacitive sensor element consists of a plurality of capacitor electrodes (12), which each form electrode pairs (17). The capacitor electrodes are designed such that during an increasing displacement path x a increasing number of electrode pairs are successively created and thus contribute to increasing the effective capacitor surface. According to the invention, the electrode pairs that have already been created can be excited to oscillate, wherein said electrode pairs oscillate at a characteristic natural frequency. The oscillating electrode pairs can thereby be identified and a conclusion of the absolute x position can be drawn. Advantageously, a calibration of the system with regard to a zero position of x can thus be eliminated.

Inventors:
REZNIK, Daniel (Borgfelder Steig 8, Berlin, 13503, DE)
STECKENBORN, Arno (Stadtrandstr. 467B, Berlin, 13589, DE)
THEILE, Oliver (Taldorfer Weg 17a, Berlin, 13437, DE)
Application Number:
EP2012/061476
Publication Date:
January 03, 2013
Filing Date:
June 15, 2012
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, 80333, DE)
REZNIK, Daniel (Borgfelder Steig 8, Berlin, 13503, DE)
STECKENBORN, Arno (Stadtrandstr. 467B, Berlin, 13589, DE)
THEILE, Oliver (Taldorfer Weg 17a, Berlin, 13437, DE)
International Classes:
G01D5/241; G01H13/00; G01P15/125
Foreign References:
DE19808549A1
US5025346A
DE10255578A1
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34, München, 80506, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Kapazitives Sensorelement zur Detektion einer Verschie¬ bung, aufweisend

· eine Vielzahl von ersten Kondensatorelektroden (12), die elektrisch parallel geschaltet sind,

• eine Vielzahl von zweiten Kondensatorelektroden (14), die elektrisch parallel geschaltet sind, wobei jeder der ersten Kondensatorelektroden (12) eine der zweiten Kon- densatorelektroden (14) unter Ausbildung von Elektrodenpaaren derart zugeordnet ist, dass zwischen den ersten Kondensatorelektroden (12) und den zweiten Kondensatorelektroden (14) jeweils ein Kondensatorspalt (17) vorge¬ sehen ist und

· eine Spannungsquelle zwischen den ersten Kondensatorelektroden (12) und den zweiten Kondensatorelektroden (14) angeordnet ist, die periodisch veränderliche Span¬ nung mit veränderbarer Periodendauer zur Verfügung stellen kann, wobei die ersten Kondensatorelektroden (12) und/oder die zweiten Kondensatorelektroden als Balkenschwinger mit jeweils unterschiedlicher Eigenfrequenz ausgeführt sind,

wobei außerdem die ersten Kondensatorelektroden (12) zu den zweiten Kondensatorelektroden (14) derart angeordnet sind, dass

• abhängig von der zu messenden Verschiebung die zweiten Kondensatorelektroden (14) zu den ersten Kondensatorelektroden (12) relativ beweglich sind und die effektive Kondensatorfläche bei gleichbleibender Weite des Kon- densatorspaltes (17) veränderlich ist und

• abhängig vom Betrag der zu messenden Verschiebung eine unterschiedliche Anzahl von Elektrodenpaaren an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt ist.

2. Kapazitives Sensorelement nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die ersten Kondensatorelektroden (12) auf einem ersten Träger (11) und die zweiten Kondensatorelektroden (14) auf einem zweiten Träger (13) angeordnet sind, derart, dass alle Kondensatorelektroden die Zinken jeweils einer kammartigen Struktur bilden, wobei diese Strukturen ineinander verzahnt angeordnet sind und die Kondensatorspalte (17) jeweils zwi¬ schen denjenigen benachbarten Zinken gebildet werden, die am nächsten beieinander liegen.

3. Sensorelement nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die ersten Kondensatorelektroden (12) als Balkenschwin- ger ausgebildet sind, die an einem Träger (20) befestigt sind und die zweiten Kondensatorelektroden (14) auf der Oberfläche eines Substrates (21) ausgebildet sind, wobei die Verschie¬ bung parallel zur Oberfläche des Substrates liegt. 4. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2

dadurch gekennzeichnet,

dass die zu detektierende Verschiebung eine Winkelverschie¬ bung (15) oder eine Winkelverschiebung ist. 5. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass die Spannungsquelle (22) auch eine Gleichspannung zur Verfügung stellen kann. 6. Verfahren zum Betrieb eines Sensorelementes,

aufweisend

• eine Vielzahl von ersten Kondensatorelektroden (12), die elektrisch parallel geschaltet sind, • eine Vielzahl von zweiten Kondensatorelektroden (14), elektrisch parallel geschaltet sind, wobei jeder der ersten Kondensatorelektroden (12) eine der zweiten Kondensatorelektroden (14) unter Ausbildung von Elektrodenpaaren derart zugeordnet ist, dass zwischen den ersten Kondensatorelektroden (12) und den zweiten Kondensatorelektroden (14) jeweils ein Kondensatorspalt (17) vorge¬ sehen ist und

• eine Spannungsquelle (22) zwischen den ersten Kondensa¬ torelektroden (12) und den zweiten Kondensatorelektroden (14) angeordnet ist, die periodisch veränderliche Span¬ nung mit veränderbarer Periodendauer zur Verfügung stellen kann, wobei die ersten Kondensatorelektroden (12) und/oder die zweiten Kondensatorelektroden als Balkenschwinger mit jeweils unterschiedlicher Eigenfrequenz ausgeführt sind,

dadurch gekennzeichnet,

dass eine Verschiebung detektiert wird, indem

• abhängig von der zu messenden Verschiebung die zweiten Kondensatorelektroden (14) zu den ersten Kondensatorelektroden (12) relativ bewegt werden und die effektive Kondensatorfläche bei gleichbleibender Weite des Konden¬ satorspaltes (17) verändert wird und

• abhängig vom Betrag der zu messenden Verschiebung eine unterschiedliche Anzahl von Elektrodenpaaren an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt wird, wobei die Anzahl der an der Bildung beteiligen Elektrodenpaare ermittelt wird, indem die Periodendauer der Spannung derart verändert wird, dass alle Eigenfrequenzen Balkenschwinger durchlaufen werden und ermittelt wird, welche Balkenschwinger zu Schwingungen angeregt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass die in der Resonanzfrequenz schwingenden zweiten Kondensatorelektroden (14) dadurch ermittelt werden, dass die Kapa- zitätsänderung der Elektrodenpaare auf Änderungen in den betreffenden Resonanzfrequenzen hin untersucht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass zusätzlich eine relative Verschiebung der Kondensatorelektroden ermittelt wird, indem die ersten Kondensatorelekt¬ roden (12) und zweiten Kondensatorelektroden (14) mit einer Gleichspannung beaufschlagt werden und die Änderung der Kapazität bei der Verschiebung ermittelt wird.

Description:
Beschreibung

Kapazitives Sensorelement zur Detektion einer Verschiebung mit mehreren Elektrodenpaaren und Verfahren zu dessen Betrieb

Die Erfindung betrifft ein kapazitives Sensorelement zur De ¬ tektion einer Verschiebung, aufweisend mehrere Elektrodenpaa ¬ re . 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 stellt, 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 Ladungsverschiebung 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 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 Kondensator- platten 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 er ¬ schwert die notwendige Kalibrierung die Aufnahme von Messwer ¬ ten . Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, ein kapazitives Sensorelement zur Detektion von Verschiebungen anzugeben, bei dem während der Messungen zumindest in einem bestimmten Mess- bereich eine Ausgangslage der Verschiebung bestimmt werden kann .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das kapazitive Sensorelement zur Detektion einer Verschiebung folgende Komponenten aufweist. Es ist eine Vielzahl von ers ¬ ten Kondensatorelektroden vorgesehen, die elektrisch parallel geschaltet sind. Weiterhin ist eine Vielzahl von zweiten Kondensatorelektroden vorgesehen, die ebenfalls elektrisch pa- rallel geschaltet sind, wobei jeder der ersten Kondensator ¬ elektroden eine der zweiten Kondensatorelektroden unter Ausbildung von Elektrodenpaaren derart zugeordnet ist, dass zwischen den ersten Kondensatorelektroden und den zweiten Kondensatorelektroden jeweils ein Kondensatorspalt vorgesehen ist. Außerdem weist das Sensorelement eine Spannungsquelle zwischen den ersten Kondensatorelektroden und den zweiten Kondensatorelektroden auf. Diese kann eine periodisch veränderliche Spannung mit veränderbarer Periodendauer zur Verfügung stellen, wobei die ersten Kondensatorelektroden und/oder die zweiten Kondensatorelektroden als Balkenschwinger mit jeweils unterschiedlicher Eigenfrequenz ausgeführt sind. Außerdem sind die ersten Kondensatorelektroden zu den zweiten Kondensatorelektroden derart angeordnet, dass abhängig von der zu messenden Verschiebung die zweiten Kondensatorelektroden zu den ersten Kondensatorelektroden relativ beweglich sind und die effektive Kondensatorfläche bei gleichbleibender Wei ¬ te des Kondensatorspaltes veränderlich ist. Dabei ist die An ¬ ordnung weiterhin so gewählt, dass abhängig vom Betrag der zu messenden Verschiebung eine unterschiedliche Anzahl von

Elektrodenpaaren an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt ist. Hierdurch kann nun vorteilhaft folgen ¬ des Messprinzip realisiert werden. Bei fortschreitender Verschiebung innerhalb eines vorgesehenen Messbereiches wird er ¬ reicht, dass nach und nach immer mehr Elektrodenpaare an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt sind, mit anderen Worten zu einer zumindest teilweisen Überdeckung unter Ausbildung des Kondensators gelangen. Da zumindest die ersten Kondensatorelektroden oder die zweiten Kondensator- elektroden als Balkenschwinger mit unterschiedlicher Eigenfrequenz ausgeführt sind, werden diese Balkenschwinger erst dann durch die veränderliche Spannung mit veränderbarer Periodendauer zu Schwingungen angeregt, wenn diese bereits mit der jeweils anderen Kondensatorelektrode durch Überdeckung der Kondensatorelektroden einen Kondensator ausbilden.

Die Tatsache, dass ein solches Elektrodenpaar zu Schwingungen angeregt wird, kann auf verschiedene Weise ermittelt werden. Besonders bevorzugt ist eine Messung der elektrischen Eigenschaften der Kondensatorpaare, die beispielsweise durch aus ¬ geführte Schwingungen der Balkenschwinger ständig ihre Kapazität ändern. Selbstverständlich sind auch andere Ausleseverfahren denkbar, beispielsweise ein optisches Ausleseverfah- ren, indem ein optischer Sensor auf den schwingenden Balkenschwinger ausgerichtet wird.

Bei fortschreitender Verschiebung geraten immer mehr Elektrodenpaare derart miteinander in Eingriff, dass Kondensatoren entstehen. Dies bedeutet, dass immer mehr Resonanzfrequenzen bei elektrischer Anregung durch die periodisch veränderliche Spannung mit veränderbarer Periodendauer angeregt werden, weswegen aus der Zahl der angeregten Elektrodenpaare auf die absolute Position der gegeneinander verschobenen Kondensator- elektroden geschlossen werden kann. Hierdurch lässt sich ohne Kalibrierung des Sensorelementes vorteilhaft eine Absolutpo ¬ sitionierung der beiden Anordnungen von Kondensatorelektroden ermitteln. Wenn beispielsweise die ersten Kondensatorelektro ¬ den ortsfest angebracht sind, ist es damit möglich, die Posi- tion der zweiten Kondensatorelektroden festzustellen.

Von ersten Kondensatorelektroden ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung immer dann die Rede, wenn es sich um diejenigen Kondensatorelektroden handelt, die jeweils die eine Seite der durch die Elektrodenpaare ausgebildeten Kondensatoren bildet. Die jeweils zweiten Kondensatorelektroden sind diejenigen, die jeweils den ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegen. Ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung nur von Kondensator- elektroden die Rede, so sind immer sowohl die ersten Kondensatorelektroden als auch die zweiten Kondensatorelektroden gemeint . Bei der Auslegung der Spannungsquelle ist wichtig, dass sich die veränderliche Spannung in einem Bereich der Periodendauer verändern lässt, in dem alle Eigenfrequenzen der ersten Kondensatorelektroden oder zweiten Kondensatorelektroden liegen. Nur so ist es möglich, prinzipbedingt alle beteiligten Kon- densatorelektroden auch zu Schwingungen anzuregen. Die Art der periodisch veränderlichen Spannung kann unterschiedlich gewählt werden. Beispielsweise ist ein sinusförmiger Perio ¬ denverlauf denkbar. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Rechteckspannung zu verwenden, so dass die Schwingungen der Balkenschwinger durch Impulsanregungen erzeugt werden.

Möglich ist es auch, eine Anregung zu wählen, in der alle Eigenfrequenzen überlagert vorliegen. Hierdurch ist eine gleichzeitige Anregung aller betroffenen Elektrodenpaare mög ¬ lich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Kondensatorelektroden auf einem ersten Träger und die zweiten Kondensatorelektroden auf einem zweiten Träger angeordnet sind, derart, dass alle Kondensa- torelektroden die Zinken jeweils einer kammartigen Struktur bilden, wobei diese Strukturen ineinander verzahnt angeordnet sind und die Kondensatorspalte jeweils zwischen denjenigen benachbarten Zinken gebildet werden, die am nächsten beieinander liegen. Damit die betreffenden Elektrodenpaare zu

Schwingungen angeregt werden können, ist es erforderlich, dass der Abstand der beiden Zinken, die das betreffende

Elektrodenpaar bilden, geringer ist (Kondensatorspalt) , als der Abstand der Zinken jeweils zum anderen der beiden Nachbarzinken, also demjenigen Zinken, der zusammen mit dem nächsten Zinken auf dem betreffenden Träger einen Kondensator bildet. Ansonsten würde die elektrische Krafteinleitung in die Zinken immer symmetrisch erfolgen und es würde keine Schwingung angeregt werden können. Für das erfindungsgemäße Messprinzip ist es erforderlich, dass die Zinken verschiedener Elektrodenpaare bei fortschrei ¬ tender Verschiebung nacheinander in Eingriff gelangen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Zinken eines der Kämme unterschiedlich lang sind, wobei die Spitzen der Zinken dann sozusagen aufeinander zu bewegt werden, wenn eine Verschiebung erfolgt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Zinken auf dem Kamm gestaffelt anzuordnen. Hier kann die Verschiebung dadurch realisiert werden, dass die beiden Kämme aneinander vorbeischeren. Diese Ausführungsform der Kondensatorelektroden hat den Vorteil, dass ein vergleichsweise platzsparender Aufbau des Sensorelementes ent ¬ steht . Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn die ersten Kondensatorelektroden als Balkenschwinger ausgebildet sind, die an einem Träger befestigt sind und die zweiten Kondensatorelektroden auf der Oberfläche eines Substrates ausgebildet sind, wobei die Verschiebung pa- rallel zur Oberfläche des Substrates liegt. Hierdurch wird eine Ausführungsform erhalten, die sich vorteilhaft besonders einfach in mikromechanischer Weise herstellen lässt. Insbesondere das Substrat ist durch einfache Strukturierung der Oberfläche dieses Substrates herstellbar. Damit die Kondensa- torelektroden der Elektrodenpaare bei fortschreitender Verschiebung nacheinander miteinander in Eingriff gelangen, können unterschiedlich große Zwischenräume zwischen den Kondensatorelektroden gewählt werden. Vorteilhaft ist es möglich, dass die zu detektierende Ver ¬ schiebung eine Winkelverschiebung oder eine Linearverschiebung ist. Bauformen für die Messung einer Linearverschiebung sind bereits beschrieben worden. Soll eine Winkelverschiebung gemessen werden, so ist ein drehbares System vorzusehen.

Hierbei gehen die Balkenschwinger von Drehzentrum aus und können beispielsweise die ersten Kondensatorelektroden bilden. Die zweiten Kondensatorelektroden sind dann beispiels- weise auf einem Substrat vorgesehen, oberhalb dessen sich die Biegeschwinger verdrehen lassen.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Spannungsquelle auch eine Gleichspannung zur Verfügung stellen kann. Über die Gleichspannung lässt sich eine relative Verschiebung zwischen den ersten Kondensatorelektroden und den zweiten Kondensatorelektroden ermitteln, wie dies eingangs bereits beschrieben wurde .

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Sensorelementes, welches in der bereits beschriebenen Weise aufgebaut ist. Auch ein solches Verfahren ist, wie ein ¬ gangs bereits beschrieben, aus dem Stand der Technik bereits bekannt.

Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschiebung detektiert wird, indem abhängig von der zu messenden Verschiebung die zweiten Kondensatorelektro- den zu den ersten Kondensatorelektroden relativ bewegt werden und die effektive Kondensatorfläche bei gleichbleibender Wei ¬ te des Kondensatorspaltes verändert wird. Außerdem wird ab ¬ hängig vom Betrag der zu messenden Verschiebung eine unterschiedliche Anzahl von Elektrodenpaaren an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt. Die Anzahl der an der Bildung beteiligten Elektrodenpaare wird ermittelt, indem die Periodendauer der Spannung verändert wird, und zwar derart, dass alle Eigenfrequenzen der zweiten Balkenschwinger irgendwann zu Schwingungen angeregt werden. Die Balkenschwinger können, wie bereits erläutert, durch die ersten Kondensatorelektroden und/oder die zweiten Kondensatorelektroden ausgebildet werden.

Das erfindungsgemäße Messverfahren ermöglicht es, die Anzahl der Biegeschwinger zu ermitteln, welche bereits zu Schwingungen angeregt werden, wobei dies nur der Fall ist, wenn sich diese Balkenschwinger bereits mit der zugehörigen anderen Kondensatorelektrode im Eingriff befindet und auf diese Weise einen Kondensator bildet. Mann kann auch sagen, dass dieses betreffende Elektrodenpaar dann auch an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt ist. Als effektive Kon ¬ densatorfläche wird diejenige Kondensatorfläche bezeichnet, die durch die Gesamtheit der ersten Kondensatorelektroden und zweiten Kondensatorelektroden als Betrag der Überdeckung zur Verfügung gestellt wird. Dieser kann vorteilhaft von 0 bis zur Gesamtfläche der ersten Kondensatorelektroden oder zweiten Kondensatorelektroden reichen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die in der Resonanzfrequenz schwingenden zweiten Kondensatorelektroden dadurch ermittelt werden, dass die Kapazitätsänderung der Elektrodenpaare auf Änderungen in den betreffenden Resonanzfrequenzen hin untersucht wird. Diese Untersuchung ist vorteilhaft sehr einfach durchzuführen, da die Elektrodenpaare ohnehin zur Anregung von Schwingungen kontaktiert werden müssen. Die Schwingungen der Biegebalken schafft eine veränderliche Spaltbreite zwi- sehen den aktivierten Elektrodenpaaren, so dass sich auch die Kapazität dieser Elektrodenpaare periodisch ändert. Aus der Periodizität dieses Änderungsmusters lässt sich durch Messung der Kapazität aller Kondensatorelektroden ermitteln, welche der Elektrodenpaare bereits an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt sind. Dies wiederum lässt in der erfindungsgemäßen Weise auf die absolute Verschiebung schließen .

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich eine relative Verschiebung der Kondensatorelektroden ermittelt wird, indem die ersten Kondensatorelektroden und zweiten Kondensatorelektroden mit einer Gleichspannung beaufschlagt werden und die Änderung der Kapazität bei einer Verschiebung ermittelt wird. Dieser Wert verändert sich dann nicht periodisch, son- dern in einer bekannten Gesetzmäßigkeit zur Verschiebung, wobei die Gesetzmäßigkeit beispielsweise linear sein kann (pe ¬ riodischen Anteile der Messung werden nicht berücksichtigt) . Hierbei handelt es sich daher um ein analoges Ausleseverfah- ren, welches eine stufenlose Bestimmung der relativen Ände ¬ rung zulässt. Gleichzeitig wird durch das erfindungsgemäß An ¬ regen der Elektrodenpaare ein digitales Ausleseverfahren zur Verfügung gestellt, welches bestimmte absolute Stützpunkte in dem Messbereich, d. h. dem messbaren Verschiebungsbereich schafft. Hierdurch kann während der Verschiebung durch Überschreiten dieser diskreten Messpunkte immer wieder eine Kalibrierung des Gesamtsystems vorgenommen werden, ohne dass eine gesonderte Kalibrierung beispielsweise durch Anfahren der Extrempunkte am Ende des Verschiebungsweges erforderlich wäre .

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 : Figur 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungs ¬ gemäßen Sensoranordnung mit kammartiger Ausbildung der Kondensatorelektroden als Seitenansicht,

Figur 2 die Amplitude A einer Kapazitätsänderung der effek- tiven Kondensatorfläche aufgrund von Schwingungen der Balkenschwinger in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz der Spannung f,

Figur 3 den Zusammenhang einer Änderung der Kapazität C der effektiven Kondensatorfläche in Abhängigkeit einer

Verschiebung x,

Figur 4 schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei der die Bal- kenschwinger an Kondensatorelektroden vorbeigeführt werden, die auf einem Substrat angebracht sind und Figur 5 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Ermittlung einer Winkelverschiebung. Eine Sensoranordnung gemäß Figur 1 besteht aus einem ersten Träger 11, an dem kammartig wie Zinken erste Kondensatorelektroden 12 befestigt sind. Demgegenüber liegt ein zweiter Träger 13, an dem in gleicher Weise zweite Kondensatorelekt ¬ roden 14 ähnlich Zinken eines Kammes angeordnet sind. Der Träger 13 kann mit den Spitzen der Zinken voran in einer

Richtung x eine Lateralverschiebung 15 durchführen, wodurch sich eine Relativbewegung zwischen den ersten Kondensatorelektroden 12 und den zweiten Kondensatorelektroden 14 ergibt .

Die ersten Kondensatorelektroden 12 sind alle gleich lang, während die zweiten Kondensatorelektroden 14 wie Orgelpfeifen gestaffelt sind, d. h. ihre Länge in der dargestellten Weise von links nach rechts zunimmt. Dies ist durch strichpunktier- te Linien 16 angedeutet.

Wird der erste Träger 11 nun auf den zweiten Träger 13 zu bewegt, so kommt zunächst die am weitesten rechts ausgebildete Kondensatorelektrode 13 mit der zugehörigen Kondensatorelekt- rode 12 ganz rechts auf dem ersten Träger zum Eingriff, wodurch ein Kondensatorspalt 17 entsteht. Der Abstand der ers ¬ ten Kondensatorelektrode zur anderen benachbarten zweiten Kondensatorelektrode (Durch die Verschachtelung gibt es immer zwei benachbarte Elektroden) ist sehr viel größer, so dass hier die entstehenden elektrischen Felder vernachlässigbar gering sind. Es handelt sich also in beabsichtigter Weise um eine asymmetrische Verschachtelung der ersten und zweiten Kondensatorelektroden . In Figur 2 ist dargestellt, wie eine Frequenz f einer sinus ¬ förmigen Wechselspannung, die in nicht dargestellter Weise an den parallel geschalteten ersten Elektroden 12 und parallel geschalteten zweiten Elektroden 14 anliegt, durchgestimmt wird. Dabei werden alle Resonanzfrequenzen der als Biegeschwinger ausgeführten zweiten Kondensatorelektroden durchlaufen. Wie in Figur 1 zu erkennen ist, sind an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche lediglich die beiden rechten Kondensatorelektroden 14 des zweiten Trägers 13 beteiligt und werden daher zu Schwingungen angeregt. Diese werden durch Messung der Änderung der Kapazität der effektiven Kondensatorfläche ermittelt, die dadurch periodisch verändert wird, weil die schwingenden zweiten Kondensatorelektroden 14 zu ei- ner ständigen Vergrößerung und Verkleinerung der Kondensatorspalte 17 führen und daher auch die Kapazität der Kondensato ¬ ren beeinflusst. Daher werden beim Durchstimmen der Frequenz gemäß Figur 2 zwei Resonanzen 18 festgestellt. Diese beiden Resonanzen 18 können für eine bestimmte absolute Verschiebung x des zweiten Trägers repräsentativ ausgewertet werden.

Dadurch, dass nach und nach immer mehr zweite Kondensatorelektroden gemäß Figur 1 mit ihren zugehörigen ersten Kondensatorelektroden Elektrodenpaare bilden, die an der Ausbildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt sind, ist der Zu ¬ sammenhang des Verschiebeweges x und der Zunahme der Kapazi ¬ tät jeweils bereichsweise linear. Die Punkte 19 einer sprung ¬ haften Änderung der Steigung dieses Zusammenhangs liegen immer da, wo das nächste Elektrodenpaar einen Teil der effekti- ven Kondensatorfläche mit ausbildet. Bei diesen Verschiebun ¬ gen x kommt jeweils auch eine weitere Resonanzfrequenz in der Darstellung gemäß Figur 2 hinzu.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 4, die auch eine Sensor- anordnung darstellt, sind die ersten Kondensatorelektroden

12, die die Balkenschwinger bilden, an einem Träger 20 befestigt. Dieser ermöglicht auch eine elektrisch leitende Kontak- tierung der parallel geschalteten Kondensatorelektroden 12. Die zweiten Kondensatorelektroden 14 sind auf einem Substrat 21 hergestellt und bilden eine leitende Beschichtung auf der isolierenden Oberfläche des Substrates 21. Auch hier ist eine Kontaktierung schematisch dargestellt, wobei auch eine Spannungsquelle 22 vorgesehen ist, die sowohl eine Gleichspannung zur Verfügung stellen kann als auch eine dieser überlagerte periodisch veränderbare Spannung, deren Periodizität, d. h. Periodendauer, veränderbar ist. Der Übersichtlichkeit halber sind die ersten Kondensatorelektroden 12 und die zweiten Kondensatorelektroden 14 getrennt voneinander dargestellt. In Wirklichkeit müssen die ersten Kondensatorelektroden, die in Lateralverschieberich- tung 15 verschoben werden können, dabei die zweiten Kondensa- torelektroden überstreichen. Der Betrachter muss sich die ersten Kondensatorelektroden daher um das 1,2-fache der Länge der Biegeschwinger versetzt nach rechts vorstellen.

Wird der Träger 20 in der Lateralverschieberichtung 15 ver- schoben, so kommen die ersten Kondensatorelektroden 12 nacheinander mit den zweiten Kondensatorelektroden 14 zum Überlappen. In der dargestellten Stellung ist die unterste Kondensatorelektrode 12 gerade im Begriff mit der untersten Kondensatorelektrode 14 in der Zeichnung in Eingriff zu kommen. Die darüber liegenden ersten Kondensatorelektroden kommen bei einem Verschiebeweg wie eingezeichnet von x lr x 2 und X3 zum Eingriff. Dies ist jeweils der Verschiebeweg x, bei dem die entsprechenden Elektrodenpaare beginnen an der Bildung der effektiven Kondensatorfläche beteiligt zu sein und daher auch zu Lateralschwingungen angeregt werden zu können. Die Schwingungen der Kondensatorelektroden 1 gemäß Figur 4 erfolgen hierbei senkrecht zur Zeichenebene. Die unterschiedlichen Steifigkeiten und damit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen der Kondensatorelektroden 12 gemäß Figur 4 wird nicht durch ihre unterschiedliche Länge wie in Figur 1, sondern durch ih ¬ re unterschiedliche Breite bestimmt.

Um einen Verlauf der wegabhängigen Kondensatorkapazität gemäß Figur 3 zu vermeiden, ist gemäß Figur 4 eine Möglichkeit an- gedeutet, wie dieser Verlauf durch eine entsprechende Elekt ¬ rodengestaltung eliminiert werden kann. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die schraffierten Bereiche der Elektroden nicht hergestellt werden, so dass nur die nicht schraffierten Bereiche die Kondensatorelektroden 14 ausbilden. Dabei ist zu erkennen, dass die unterste zweite Kondensatorelektrode eine stufige Kontur hat, wobei immer dann ein Teil der Elektrodenlänge wegfällt, wenn durch eine zusätzliche zweite Kondensa- torelektrode Elektrodenfläche zur Verfügung gestellt wird. Hierdurch wird der Zusammenhang zwischen Kapazitätsänderung der effektiven Kondensatorfläche und dem Verschiebungsweg x über den gesamten Messbereich linearisiert . Gemäß Figur 5 kann eine Winkelverschiebung 23 gemessen werden. Hierfür ist der Träger 20 um eine Drehachse 24 drehbar gelagert, wobei die ersten Kondensatorelektroden 12 unterschiedlicher Länge strahlartig von dem Träger abragen. Auf dem nicht näher dargestellten Substrat sind die zweiten Kon- densatorelektroden 14 als Pads dargestellt und werden bei be ¬ stimmten Winkelstellungen überstrichen. Hierdurch lässt sich eine Absolutstellung des Winkels ermitteln.