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Leiterplattendesign

Kapazitive Sensoren auf PCB – hohe Auflösung zu geringen Kosten

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Beta LAYOUT GmbH
Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH
IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG
Hahn-Schickard, Stuttgart - Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.

Hochauflösende Neigungswinkelsensoren

Abbildung 3: Hochauflösender 1-achsiger Neigungswinkelsensor (links) und beispielhaftes Einsatzgebiet (rechts)
Abbildung 3: Hochauflösender 1-achsiger Neigungswinkelsensor (links) und beispielhaftes Einsatzgebiet (rechts)
(Bild: HSG-IMAT)
In einer durch einen Leiterplattenstapel gebildeten zylindrischen Kavität befindet sich ein bis zur Hälfte aufgefülltes dielektrisches Fluid. Auf der obersten und untersten Leiterplatte befinden sich Elektroden, die vom Fluid teilweise überdeckt werden. Es ergibt sich eine vom Neigungswinkel abhängige Flächenüberdeckung zwischen Fluid und Elektroden, die gemessen werden kann.

Der Neigungssensor ist für den Winkelbereich von ±180 Grad mit einer Genauigkeit von ±0,1° über Temperatur von -40 bis +85 Grad Celsius erhältlich. Durch Anordnung zweier Sensoren im rechten Winkel zueinander lässt sich auf einfache Weise ein 2-achsiger Neigungssensor realisieren.

Abbildung 4: Hochauflösender zweiachsiger kapazitiver Kuppelneigungssensor
Abbildung 4: Hochauflösender zweiachsiger kapazitiver Kuppelneigungssensor
(Bild: HSG-IMAT)
Der 2-achsige, hochauflösende Neigungswinkelsensor (Abbildung 4) ist die Weiterentwicklung des bestehenden Sensorkonzepts, ohne auf zwei 1-achsige Sensoren zurückgreifen zu müssen. Er basiert auf einer Leiterplatte mit 4 Segmentelektroden, die als differentielle Elektrodenpaare verschaltet sind, und einer Kupferkuppel als fünfter Elektrode.

Die zwischen Kuppel und Leiterplatte gebildete Kavität ist mit einem dielektrischen Fluid gefüllt; es verbleibt eine Luftblase, die sich am höchsten Punkt entlang der Kuppeloberfläche bewegt. Durch die Bestimmung der Kapazitäten zwischen Kuppel und den auf der Leiterplatte befindlichen Elektroden kann die Position der Luftblase innerhalb des Sensors bestimmt werden. Die Kuppel dient zugleich der mechanischen Aufnahme des Sensors, die eigentliche Sensorzelle ist <30mm im Durchmesser.

Mit einem Sensor für den Messbereich von ±2 Grad konnten bisher Auflösungen von <±2 µm/m bei Raumtemperatur auf dem Winkelprüfstand am HSG-IMAT erreicht werden.

Hochauflösender Positionssensor

Im Rahmen einer bilateralen Kooperation wurde am HSG-IMAT ein Demonstrator eines hochauflösenden Positionssensors entwickelt. Anspruch an den Sensor war die hochgenaue Positionserfassung eines zylinderförmigen metallischen Elementes mit einem Außendurchmesser von gerade einmal 0,7 mm. Hierzu wurde ein leiterplattenbasierter Sensor entwickelt, der diesem Anspruch gerecht wurde.

Abbildung 5: Hochauflösender kapazitiver Positionssensor
Abbildung 5: Hochauflösender kapazitiver Positionssensor
(Bild: HSG-IMAT)
Der Sensor (Abbildung 5) wurde mit dem am HSG-IMAT vorhandenen hochgenauen Winkelprüfstand bei Raumtemperatur vermessen. Im avisierten Messbereich von ±100 µm konnten Auflösungen von < ±10 nm erreicht werden, der nahezu lineare Messbereich des Sensors erstreckt sich sogar über ±1 mm. Die erzielten Messwiederholraten liegen bei 17 Hz.

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