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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Auswertung kleiner Kapazitätsänderungen


Autor: Alex Bürgel (Firma: Ucore Fotografie www.ucore.de) (alex22) Benutzerseite
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Hallo zusammen!

Eine kurze Frage: Haltet ihr es für möglich Kapazitätsänderungen von 
10E-18 F zuverlässig zu detektieren?

Es geht um folgendes: In einem Mikroaktor bewegt sich ein Dielektrikum 
zwischen Zwei Kondensatoren hin und her. Je weiter es in den einen 
eintaucht, desto weniger weit ragt es in den anderen hinein. Es gibt 
also dort zwei Kapazitäten, die sich gegenläufig verändern. Die eine 
Kapazität wird je Schritt (=100nm) um 10E-18 F kleiner, die andere um 
eben diesen Betrag größer. Kann man diese Veränderung zuverlässig 
erfassen?
Die Auswerteelektronik kann auch als ASIC mit in dem Mikroaktor 
integriert sein um Fehlerquellen von außen zu reduzieren.

Schöne Grüße,
Alex

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Das ist eine Frage der relativen Änderung. Wenn die Ausgangswerte im 
Bereich von µF liegen (z.B. 1 µF), dann sind 10 aF gerade mal 
10^-17/10^-6 = 10^-11, und das ist verdammt wenig. Wenn die 
Ausgangswerte aber schon im unteren pF-Bereich liegen (was ich mal 
vermute), dann wäre z.B. 1 pF/10 aF = 10^-12/10^-17 = 10^-5 (also 
1/100000 pro "Schritt"), und das sollte durchaus detektierbar sein...

Autor: Niels Hüsken (monarch35)
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Alex Bürgel wrote:
> Eine kurze Frage: Haltet ihr es für möglich Kapazitätsänderungen von
> 10E-18 F zuverlässig zu detektieren?

AttoFarad dürften nur äusserst schwierig und mit grössten Aufwand zu 
erfassen sein. Aber unmöglich ist das bestimmt nicht.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Alex Bürgel (alex22)

>Eine kurze Frage: Haltet ihr es für möglich Kapazitätsänderungen von
>10E-18 F zuverlässig zu detektieren?

Das sind 1 Attofarad, ein Millionstel Picofarad. Na, da muss man schon 
ne verdammt clevere Messmethode haben. Im Bereich 1/100 Picofarad ist es 
AFAIK noch recht gut machbar, aber ein Millionstel?

MFG
Falk

Autor: Alex Bürgel (Firma: Ucore Fotografie www.ucore.de) (alex22) Benutzerseite
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Danke schon mal für die Antworten bisher!
Hier noch einige Info's:

Also die absoluten Kapazitäten der Anordnungen liegen je Kondensator bei 
1,9E-15F wenn das Dielektrikum ganz draußen ist und bei 10,5E-15F wenn 
das Dielektrikum ganz drin ist.

Wie bereits gesagt gibt es zwei Kondensatoren deren Kapazität sich 
gegenläufig ändert. Ich hatte das so geplant um eventuell eine Art 
Brückenschaltung damit realisieren zu können...

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Also ist die Relativänderung ziemlich groß (Größenordnung 10^-3, also 
Promille [Hicks... SCNR]). Du schreibst nicht, wie Du die 
Kapazitätsmessung durchführen willst, aber mit einem Schwingkreis und 
einem Frequenzzähler entsprechender Auflösung könnte es klappen...

Autor: Niels Hüsken (monarch35)
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Johannes M. wrote:

> Du schreibst nicht, wie Du die
> Kapazitätsmessung durchführen willst, aber mit einem Schwingkreis und
> einem Frequenzzähler entsprechender Auflösung könnte es klappen...

Ich glaube nicht, daß es so einfach wird. Wenn Kapazitätsänderungen im 
Atto-Bereich zu relevanten Änderrungen führt, wird das eine perfekte 
Wetter- und sonstige Umwelteinflussmessstation.....

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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So funktionieren auch Beschleunigungssensoren, mit differentiellen 
Kapazitätsänderungen:
http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/ADXL311.pdf
wichtig ist die Tiefpassfilterung, je langsamer die Messung sein darf, 
desto höher die Auflösung.

Autor: Johannes M. (johnny-m)
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Niels Hüsken wrote:
> Johannes M. wrote:
> Ich glaube nicht, daß es so einfach wird. Wenn Kapazitätsänderungen im
> Atto-Bereich zu relevanten Änderrungen führt, wird das eine perfekte
> Wetter- und sonstige Umwelteinflussmessstation.....
Habe ich irgendwo behauptet, dass es einfach wird? Ich habe nur 
geschrieben, dass es funktionieren könnte. Dass Umgebungsbedingungen 
möglicherweise eine Rolle spielen, sollte jedem klar sein, v.a. dann, 
wenn man Positionsänderungen im sub-µm-Bereich detektieren will...

Autor: Klaus (Gast)
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Mit so'nem Problem sollte man an ein Universitäts-Institut 
"Hochfrequenztechnik" herantreten, dort im Labor Freunde suchen ...

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Klaus (Gast)

>Mit so'nem Problem sollte man an ein Universitäts-Institut
>"Hochfrequenztechnik" herantreten, dort im Labor Freunde suchen ...

Naja, ob die HF-Jungs sich mit ATTO Farad befassen wage ich mal zu 
bezweifeln. Das ist eher was für Messtechniker, mit VIEL Physik. Ich 
würde eher in Richtung Halbleiterphysiker suchen.

MFG
Falk

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Was können denn die anderen? mal gegoogled:
"Mikrorobotik": http://robotik.amir.uni-oldenburg.de/mikrorobotik.htm
"Einzelne Schritte der mobilen Plattformen liegen im Bereich von ca. 
110nm. "
http://www.micromanipulator.com/applications/index... "50nm 
resolution"
aber die machen keine Messungen soweit ich sehe, nur optische 
Rückmeldung

Autor: Detlef _a (detlef_a)
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Das geht super einfach zu messen. Die Elementarleadung eines Elektrons 
ist 1.6e-19 As, das haste schon bei 6 Elektronen ne Spannung von 1V an 
Deinem Attofaradkondensator anliegen. Bei 12 Elektronen sind das schon 
2V, damit kannst du mit nem Multimeter Elektronen zählen.

Just kidding. Du solltest Dein Meßprinzip überdenken.

Cheers
Detlef

Autor: Niels Hüsken (monarch35)
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Detlef _a wrote:

> Just kidding. Du solltest Dein Meßprinzip überdenken.

Ja, zum Beispiel durch wiegen. So ein Elektron wiegt ja auch 
schliesslich was...:)

Autor: Alex22 (Gast)
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Tja gut es geht eben nunmal um einen Mikroaktor... 100µm Verfahrweg bei 
einer Auflösung von 100nm mit integriertet Positionserfassung und 10µN 
Stellkraft.

Ich hatte eigentlich an einen Spannungsteiler oder eine Messbrücke 
gedacht.

Vielen Dank für die zahlreichen Beiträge!
Schönen Nachmittag noch,

Alex

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Das bißchen Spannung auch noch teilen?
Die höchste Auflösung haben Zeit- oder Frequenzmessungen, deshalb sollte 
das Verfahren darauf hinauslaufen. Also ein oder zwei Oszillatoren, die 
gegeneinander gemessen werden.

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