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Kapazitätsmessgerät mit aF Auflösung

Helmut Kronegger

Helmut Kronegger

Um die Qualität einer Schneide zu ermitteln, soll über die räumliche Verteilung des elektrischen Feldes der Rundungsraduis einer Messerschneide gemessen werden. Abweichungen von wenigen Mikrometer können Kapazitätsänderungen im Bereich von wenigen Attofarad verursachen. Dieser Arbeit wurde das Ziel gesetzt die größtmögliche erreichbare Messpräzision des hier eingesetzten Kapazitäts-zu-Digital-Umsetzers zu ermitteln.

Dazu wurde eine Messanordnung mit vier Messkapazitäten realisiert, mit der es möglich ist, eine Kapazitätsänderung im aF-Bereich zu realisieren. Beim Entwurf des Messsystem wurden verschiedene Möglichkeiten zur Störunterdrückung untersucht, wobei schlussendlich eine Schirmung mittels Masseflächen gewählt wurde.

Da die Messkapazitäten kleiner sind als der angegebene Fehler des Kapazitäts-zu-Digital-Umsetzers, sind die Messergebnisse mit einer sehr großen systematischen Messabweichung behaftet. Somit ist es nicht möglich die Messergebnisse direkt mittels einer Simulation zu bestätigen. Damit Messung und Simulation vergleichbar sind, wurden die Sensoren mit verschiedenen Dielektrika kalibriert.

Die Ergebnisse der ersten Messungen der unveränderten Messkapazitäten zeigten, dass mit dem Messgerät die Kapazität mit einer Auflösung von bis zu 6 aF bestimmt werden kann.
  Durch die Kalibrierung der Sensoren wurde eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation erreicht. Bei der Bestimmung der Empfindlichkeit konnte die Messung der Kapazitätsänderung durch das Dielektrikum über die Simulation bestätigt werden.

Abbildung 1: Links: Kapazitätsmesssytem; rechts: Kapazität-Messreihe für vier Sensoren, ohne zusätzliches Dielektrikum in der Messanordnung.

Abbildung 1: Links: Kapazitätsmesssytem; rechts: Kapazität-Messreihe für vier Sensoren, ohne zusätzliches Dielektrikum in der Messanordnung.

Keywords: Kapazität-zu-Digital-Umsetzer, Schirmung, Präzisionsmessung, Empfindlichkeit, ECT

03. Mai 2013