CN107923934B

CN107923934B - 电容结构和在使用电容结构的情况下确定电荷量的方法

Info

Publication number: CN107923934B
Application number: CN201680050933.9A
Authority: CN
Inventors: M.施赖福格尔
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2021-01-01
Anticipated expiration: 2036-08-29
Also published as: JP2018532991A; CN107923934A; DE102015216997A1; JP6513286B2; US11041897B2; US20190033357A1; WO2017037000A1

Abstract

本发明涉及一种用于在使用电容结构（102）的情况下确定电荷量（Q）的方法，该电容结构具有电极装置（106）、电介质（108）和对应电极装置（110），该电介质具有与电压相关的介电常数。该方法具有调整的步骤、施加的步骤和检测的步骤。在调整的步骤中，调整在该电极装置（106）和该对应电极装置（110）之间的参考电位（118），以便调整参考电容（C1）。在施加的步骤中，除了该参考电位（118）以外，也施加通过该电荷量（Q）产生的电位（120），以便获得产生的电容（C2）。在检测的步骤中，检测在该参考电容（C1）和该产生的电容（C2）之间的电容改变（ΔC），以便确定该电荷量（Q）。

Description

电容结构和在使用电容结构的情况下确定电荷量的方法

技术领域

本发明从根据独立权利要求的类型的设备或方法出发。本发明的主题还有计算机程序。

背景技术

电荷量的测量是在许多电子应用中的普遍问题。

发明内容

在此背景下，根据主权利要求利用这里所提出的方案提出一种电容结构、一种用于制造电容结构的方法、一种用于在使用该电容结构的情况下确定电荷量的方法，此外提出一种使用该方法的设备、一种用于确定电荷量的系统以及最后提出一种对应的计算机程序。通过在从属权利要求中所施行的措施，在独立权利要求中所说明的设备的有利扩展和改善是可能的。

在具有与电压相关的电容的电容器的情况下，可以为了确定电荷量来检测电容的改变。为此，可以调整（einstellen）电容器的已知的工作点或参考电容。于是，从工作点出发，电荷量改变电容器的电容。电容的改变可以通过已知的方法被快速地、简单地并且以高精确度检测。

提出一种电容结构，该电容结构具有：电极装置、具有与电压相关的介电常数的电介质和对应电极装置。在此，该电介质可以被布置在电极装置和对应电极装置之间，使得电极装置和对应电极装置被布置在该电介质的相互对置的侧上。可替代地，电极装置和对应电极装置在该电介质的同一侧上被嵌入到该电介质中，或者电介质可以仅被布置在处于一个平面的电极装置之间的间隙中。此外，电极装置可以例如通过掺杂被引入到基板中并且平面的电介质又可以被沉积。

电容结构可以被理解为电的电容器。

此外，提出一种用于制造电容结构的方法，其中该方法具有以下步骤：

提供电极装置；

在该电极装置上沉积具有与电压相关的介电常数的电介质；和

在该电介质上沉积对应电极装置。

可替代地，例如可以提供电介质并且可以将电极装置和对应电极装置布置在该电介质上。

因此，用于制造电容结构的方法以一般形式可以包括：提供电极装置、提供对应电极装置、提供具有与电压相关的介电常数的电介质的步骤和与电极装置和对应电极装置相邻地布置该电介质的步骤。

另外，提出一种用于在使用根据这里所提出的方案的电容结构的情况下确定电荷量的方法，其中该方法具有以下步骤：

调整在电极装置和对应电极装置之间的参考电位，以便调整参考电容；

除了该参考电位以外，也施加通过电荷量产生的电位，以便获得产生的电容；和

检测在参考电容和产生的电容之间的电容改变，以便确定电荷量。

该方法可以例如以软件或硬件的形式或者以软件和硬件构成的混合形式例如在控制设备中被实施。

参考电位可以被理解为参考电压。产生的电位可以是电压。在施加通过电荷量产生的电位期间，也即在施加要测量的电荷量期间，除了参考电位以外，为了调整参考电位可以将电压源从电容结构分离。

电极装置可以具有电极。对应电极装置可以具有对应电极。通过在电介质的两侧上的各个电极，可以简单地制造电容结构。

参考电位可以在电极装置的电极和对应电极装置的对应电极之间被调整。电位可以在电极和对应电极之间被施加。在此，可以在参考电位和电位之间切换。

电极装置可以包括第一部分电极和另外的部分电极。该第一部分电极和该另外的部分电极可以彼此相邻地并且相互电隔离地布置。对应电极装置可以包括部分对应电极和另外的部分对应电极。该部分对应电极和该另外的部分对应电极可以彼此相邻地并且相互电隔离地布置。通过在空间上分离这些部分电极和这些部分对应电极，可以使用简单电路来运行电容结构。

参考电位可以在电极装置的部分电极和对应电极装置的部分对应电极之间被调整。电位可以在电极装置的另外的部分电极和对应电极装置的另外的部分对应电极之间被施加。通过分离的部分电极和部分对应电极，参考电位和电位可以同时地被施加。由此，参考电位可以被改变，而不影响到电位。

电介质可以是锆钛酸铅（PZT）。可替代地，电介质可以是钛酸(锶)钡（B(S)T）。通过这里所提出的材料，可以达到高灵敏度。该电介质可以被实施为张紧的薄层。

可以在电极装置和对应电极装置之间布置至少一个另外的薄层。通过该另外的薄层可以正面地影响电容结构的电的和/或机械的特性。

根据一种实施方式，电容结构可以作为电位传感器或电荷传感器来使用。对此可以使用不同的校准方法。通过确定的电荷量所测量的改变在此强烈地取决于电极配置。

在这里所提到的方案还创建一种设备，该设备被构造用于在相应的装置中执行、操控或实施这里所提出的方法的变型方案的步骤。通过本发明的以设备形式的该实施变型方案，也可以快速且有效地解决本发明所基于的任务。

设备当前可以被理解为电气仪器，该仪器处理传感器信号并且据此输出控制信号和/或数据信号。该设备可以具有接口，该接口可以硬件式地和/或软件式地构造。在硬件式的构造情况下，接口例如可以是所谓的系统ASIC的部分，该部分包含该设备的各种功能。然而也可能的是，接口是自有的集成电路或者至少部分地由分立的器件组成。在软件式的构造情况下，接口可以是软件模块，所述软件模块例如除了其他软件模块外地存在于微控制器上。

提出一种用于确定电荷量的系统，其中该系统包括根据这里所提出的方案的电容结构和用于在使用根据这里所提出的方案的电容结构的情况下确定电荷量的设备。

一种具有程序代码的计算机程序产品或计算机程序也是有利的，该程序代码可以被存储在机器可读的载体或存储介质上，例如半导体存储器、硬盘存储器或者光学存储器上，并且被用于执行、实施和/或操控根据以上所描述的实施方式之一的方法的步骤，尤其是当该程序产品或程序在计算机上或设备上被实施时。

附图说明

本发明的实施例在附图中被示出并且在接下来的描述中被进一步阐述。其中：

图1示出根据一种实施例的用于确定电荷量的系统的框图；

图2示出根据一种实施例的电容结构的截面图；

图3示出根据一种实施例的电容结构的空间图示；

图4示出根据一种实施例的电容结构的所提供的电极装置的图示；

图5示出根据一种实施例的电容结构的所沉积的对应电极装置的图示；

图6示出根据一种实施例的在电容结构处的电压和电容之间的关联的图示；

图7示出根据一种实施例的用于确定电荷量的方法的流程图；和

图8示出根据一种实施例的用于制造电容结构的方法的流程图。

具体实施方式

在接下来的对本发明的有利实施例的描述中，对于在不同图中所示的并且起相似作用的元素使用相同的或相似的附图标记，其中放弃对这些元素的重复性描述。

图1示出根据一种实施例的用于确定电荷量Q的系统100的框图。该系统100包括电容结构102和用于在使用该电容结构102的情况下确定电荷量Q的设备104。电容结构102和设备104是相互电连接的。电容结构102由电极装置106、电介质108和对应电极装置110组成。该电介质108根据该实施例被布置在电极装置106和对应电极装置110之间，使得得出堆叠形的构造。可替代地，可以将所有电极装置106、110布置在电介质108的一侧上。一般地，各个电极装置106、110之间的尽可能多的场线应当穿过该电介质108。该电介质108具有与电压相关的介电常数。该电容结构102可以被称为测量电容器。

设备104包括调整装置112、施加装置114和检测装置116。该调整装置112被构造用于，调整在电极装置106和对应电极装置110之间的参考电位118，以便调整参考电容C₁。施加装置114被构造用于，除了在电极装置106和对应电极装置110之间的参考电位118之外也施加通过电荷量Q产生的电位120，以便获得产生的电容C₂。检测装置116被构造用于，检测参考电容C₁和产生的电容C₂并且确定电容改变ΔC。

在一种实施例中，设备104包括求取装置（Ermittlungseinrichtung）122。该求取装置122被构造用于，在使用电容改变ΔC和电位与电容之间的关联124的情况下求取电荷量Q的值126。

所描述的方案利用铁电的薄层作为电介质108来实现电荷测量。

对电荷量Q的测量是在许多电子应用中的常见任务。示例是：读出CCD芯片、光电探测器和其他传感器。当要求高精确度时，相应的变换器的所需分辨率强烈地增大，这些器件（ASIC）变得耗费且昂贵。常规地，电荷Q可以通过对固定的、已知的电容的充电和施加的电压的离散化利用具有高分辨率的AD变换器来确定。

铁电体可以在集成器件，诸如铁电随机存取存储器、也即FRAM中被使用。这些材料由于与电压强烈相关的介电常数而出众，如在图6中所示出的那样。

在阿托法拉（Attofarad）、也即aF的范围内的电容C的极度敏感的、动态的测量是在微机械传感器领域中的标准化技术。

通过在这里所提出的方案，实现对电荷量Q的高精确的测量。

铁电体和其他材料，诸如具有移动离子的氧化物根据所施加的场来改变其介电常数。因此，在其中使用这样的材料作为电介质108的电容器以与电压相关的方式来改变其电容C。因此，如果这样的电容结构102通过要测量的充电电流Q来被充电，则这导致电容改变ΔC。该电容改变ΔC可以非常精确地被评估。

例如，电容改变ΔC可以通过高分辨率的电容测量、如通过对振荡电路的频率失调的测量来在技术上被简单地确定，在所述振荡电路中集成有电容。

通过在这里所建议的测量原理，在大量的、例如传感应用的情况下成本和结构空间能够被节省。

图2示出根据一种实施例的电容结构102的截面图。电容结构102基本上与图1中的电容结构相对应。与之相比，电容结构102在这里被施加在载体材料或基板200上。在基板200上布置电极装置106的电极202。在电极202和基板200上布置电介质108。可极化的电介质108或铁电体在此具有基本上均匀的层厚度。在电介质108上布置对应电极装置110的对应电极204。电极202和对应电极204通过该电介质108彼此间隔开并且彼此电隔离。

图3示出根据一种实施例的电容结构102的空间图示。电容结构102基本上与图2中的电容结构相对应。电介质106在这里透明地被示出。与在图2中的电极装置相比，电极装置106在这里具有第一部分电极300和第二部分电极302。这两个部分电极300、302彼此电隔离。这些部分电极300、302分别具有四个指状的齿部，这些齿部相互嵌套（verschachteln），其中这些部分电极300、302通过间隙彼此间隔开。部分电极300、302可以被称作叉指电极（Interdigitalelektrode）300、302。

对应电极装置110在这里具有第一部分对应电极304和第二部分对应电极306。这些部分对应电极304、306同样分别具有四个指状的齿部308，这些齿部相互嵌套，其中这些部分对应电极304、306同样通过间隙彼此间隔开。这些部分对应电极304、306可以被称作叉指对应电极304、306。

在所示出的实施例中，部分电极300、302和部分对应电极304、306被相似地实施并且具有基本上相同的尺寸。部分电极300、302和部分对应电极304、306在这里被相同地取向，使得这些齿部308基本上是重合的（deckungsgleich）。换言之，第一部分电极300的齿部之一分别与第一部分对应电极304的齿部308之一对置地来布置。第二部分电极302的齿部分别与第二部分对应电极306的齿部308之一对置地来布置。

在一种实施例中，在确定电荷量时，第一部分电极300和第一部分对应电极304可以通过参考电位和要测量的电荷量来被加载。第二部分电极302和第二部分对应电极306可以被用于测量电容和调整电容结构102的工作点（参考电容）。因此，第二部分电极302和第二部分对应电极306可以被称作为测量电极302、306。

图4示出根据一种实施例的电容结构的所提供的电极装置106的图示。在此，电极装置106在这里如在图2和3中所示的那样被布置在基板200上。电极装置106如在图3中所示的那样具有第一部分电极300和与第一部分电极300咬合的第二部分电极302。在部分电极300、302之间存在间隔400。间隔400具有直角曲折状的形状并且将部分电极300、302彼此隔离。

图5示出根据一种实施例的电容结构102的所沉积的对应电极装置110的图示。在此，示出了电容结构102的跟随在图4中所示出的制造状态之后的制造状态。在这里，电介质108作为至少一个连续的层被沉积到布置在基板上的电极装置上方。在该电介质108上布置对应电极装置110。如在图3中所示出的，对应电极装置110具有第一部分对应电极304和与该第一部分对应电极304咬合的第二部分对应电极306。在这些部分对应电极304、306之间存在间隔400。间隔400通过直角曲折状的中间区域的宽度来形成，通过所述中间区域使这些部分对应电极304、306相互隔离。

图2至5示出电容结构102的可能实施例。所述电容结构基本上由两个电极106、110组成，具有与电压相关的介电常数的薄层处在这两个电极之间。薄层可以在这里所提出的方案的不同实施例中包括锆钛酸铅（PZT）、钛酸(锶)钡（B(S)T）以及复杂氧化物或张紧的薄层。附加地，其他介电的薄层、如LaNiO₃、SiO₂、Si₃N₄被补充在堆叠102中，以便例如实现钝化或者使电极材料106、110和电介质108的晶格常数相互适配。在附图中上方的和下方的电极106、110，例如与叉指电极相似地，可以分别由连贯的面组成或者相互电分离，其中要测量的电荷被施加到所述上方的和下方的电极上，或者所述上方的和下方的电极被用于测量电容；在此，又可以在电极300、302、304、306之间使用合适的隔离层。此外，所述上方的和下方的电极可以以金属传导性材料的形式、例如Pt、Al、多晶硅的形式被沉积，或者被植入到基板材料中。

图6示出根据一种实施例的在电容结构处的电压U和电容C之间的关联124的图示。该关联124作为曲线600在图表中被绘出，该图表在横坐标上绘出了电压U并且在纵坐标上绘出了电容C。曲线600代表电容结构中作为电介质的铁电体的典型的与电压相关的介电常数或电容。如果例如以工作点A中的测量来开始，则电荷所引起的电压改变ΔU导致电容改变ΔC。

换言之，图6示意性地示出电荷测量的原理。该结构的电容C或阻抗在确定的工作点A中被测量，也即在确定的所施加的电压U的情况下被测量。如果然后施加附加的电荷到电极上或与其分离的电极上，则该附加的电荷产生叠加的电场、也即如电压偏移ΔU那样地起作用。由此，基于电介质的与电压相关的介电常数直接引起电容改变ΔC或阻抗改变，该电容改变或阻抗改变可以借助于来自MEMS技术的已知方法、例如施加交流电压和检测无功电流或者尤其是将电容集成到振荡电路中并且探测谐振频率的失调来非常精确地被读出。该结构与相关的读出电子设备的相应连接在图2至5中未被示出。

除了在固定的工作点A的情况下对电容改变ΔC或阻抗改变的直接测量之外，可以设想：经历频率扫描或预应力扫描并且对电荷改变的作用或到完整的电容-频率曲线600或电容-电压曲线600上的移动的作用进行评估。

为了测量更小的电流，电极可以以确定的重复率被充电并且在此期间又被放电。然后，在考虑到电容器的充电特性的情况下从所测量的电荷和重复率中直接得出该电流。

图7示出根据一种实施例的用于确定电荷量的方法700的流程图。该方法700可以例如在如图1中的系统上被实施。该方法700在根据这里所提出的方案的电容结构处被实施。该方法700具有调整的步骤702、施加的步骤704和检测的步骤706。在调整的步骤702中，作为工作点调整电容结构的电极装置和对应电极装置之间的参考电位，以便调整参考电容。在施加的步骤704中，除了参考电位以外也施加通过电荷量产生的电位，以便获得产生的电容。在检测的步骤706中检测在参考电容和产生的电容之间的电容改变，以便确定电荷量。检测的步骤706根据一种实施例以与施加的步骤704并行的方式来实施，以便在有附加电荷以及没有附加电荷的情况下以及附加地或可替代地在再充电期间测量电容。

图8示出根据一种实施例用于制造电容结构的方法800的流程图。该方法具有提供电极装置和对应电极装置的步骤802、提供具有与电压相关的介电常数的电介质的步骤804以及与电极装置和对应电极装置相邻地布置（806）电介质的步骤。这些步骤802、804、806在此可以以任意顺序、也可以同时地被实施。

根据一种实施例，在提供的步骤802中提供电极装置。例如，如在图4中所示出的电极装置可以被沉积在基板上。在步骤804中，具有与电压相关的介电常数的电介质被沉积在该电极装置上。随后，重新实施步骤802，以便如在图5中所示地将对应电极装置沉积在电介质上。布置的步骤806在该情况下与提供的步骤802、804并行地被实施，以便将所提供的元件组装成电容结构。

如果一个实施例包括在第一特征和第二特征之间的“和/或”联系，那么这应被读作：该实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且也具有第二特征并且根据另一实施方式要么仅具有第一特征要么仅具有第二特征。

Claims

1.用于在使用电容结构（102）的情况下确定电荷量（Q）的方法（700），所述电容结构具有电极装置（106）、电介质（108）和对应电极装置（110），所述电介质具有与电压相关的介电常数，其中所述方法（700）具有以下步骤：

调整（702）在所述电极装置（106）和所述对应电极装置（110）之间的参考电位（118），以便调整参考电容（C₁）；

除了所述参考电位（118）以外也施加（704）通过所述电荷量（Q）产生的电位（120），以便获得产生的电容（C₂）；和

检测（706）在所述参考电容（C₁）和所述产生的电容（C₂）之间的电容改变（ΔC），以便确定所述电荷量（Q）。

2.根据权利要求1所述的方法（700），其中在所述调整的步骤（702）中，调整在所述电极装置（106）的电极（202）和所述对应电极装置（110）的对应电极（204）之间的所述参考电位（118），并且在所述施加的步骤（704）中，在所述电极（202）和所述对应电极（204）之间施加所述电位（120）。

3.根据权利要求1所述的方法（700），其中在所述调整的步骤（702）中，调整在所述电极装置（106）的部分电极（300）和所述对应电极装置（110）的部分对应电极（304）之间的所述参考电位（118），并且在所述施加的步骤（704）中，在所述电极装置（106）的另外的部分电极（302）和所述对应电极装置（110）的另外的部分对应电极（306）之间施加所述电位（120）。

4.用于在使用电容结构（102）的情况下确定电荷量（Q）的设备（104），所述电容结构具有电极装置（106）、电介质（108）和对应电极装置（110），所述电介质具有与电压相关的介电常数，其中所述设备（104）被设立用于，实施根据以上权利要求之一所述的方法（700）。

5.根据权利要求4所述的设备（104），其中所述电介质（108）被布置在所述电极装置（106）和所述对应电极装置（110）之间。

6.根据权利要求4或5所述的设备（104），其中所述电极装置（106）具有电极（202）和/或所述对应电极装置（110）具有对应电极（204）。

7.根据权利要求4或5所述的设备（104），其中所述电极装置（106）包括部分电极（300）和另外的部分电极（302），其中所述部分电极（300）和所述另外的部分电极（302）彼此相邻地并且相互电隔离地布置和/或所述对应电极装置（110）包括部分对应电极（3074）和另外的部分对应电极（306），其中所述部分对应电极（304）和所述另外的部分对应电极（306）彼此相邻地并且相互电隔离地布置。

8.根据权利要求4或5所述的设备（104），其中所述电介质（108）是锆钛酸铅PZT或钛酸钡BT或钛酸锶钡BST。

9.根据权利要求4或5所述的设备（104），其中所述电介质（108）被实施为张紧的薄层。

10.根据权利要求4或5所述的设备（104），其中至少一个另外的薄层被布置在所述电极装置（106）和所述对应电极装置（110）之间。

11.机器可读的存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被设立用于，实施根据权利要求1至3之一所述的方法（700）。

12.用于确定电荷量（Q）的系统（100），其中所述系统（100）包括电容结构（102）和根据权利要求4至11之一所述的用于在使用所述电容结构（102）的情况下确定电荷量（Q）的设备（104）。