DE102007025947B4

DE102007025947B4 - Integrierter kapazitiver Sensor

Info

Publication number: DE102007025947B4
Application number: DE200710025947
Authority: DE
Inventors: Johann Hauer; Claudia Schuhmann; Robert Dorn; Stefan MÖDL
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-06-05
Also published as: WO2008148481A1; EP2162987A1; DE102007025947A1

Abstract

Integrierte kapazitive Sensorschaltung (10; 40) mit
einem in einer obersten Metallisierungsschicht (22) der integrierten kapazitiven Sensorschaltung gebildeten kapazitiven Sensor (24) mit wenigstens zwei in der obersten Metallisierungsschicht (22) angeordneten Elektroden (22a, b);
einem Referenzkondensator (46) mit einer variierbaren Referenzkapazität (C_ref), um eine vordefinierte Ruhekapazität (C_sens) des kapazitiven Sensors (24) einstellen zu können; und
einer mit dem kapazitiven Sensor (24) und dem Referenzkondensator (46) gekoppelten elektronischen Auswerteschaltung (14) zum Feststellen einer Kapazitätsänderung des kapazitiven Sensors (24),
wobei der kapazitive Sensor (24), der Referenzkondensator (46) und die Auswerteschaltung (14) gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat (12) integriert sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen integrierten kapazitiven Sensor, der beispielsweise als berührungsloser Schalter eingesetzt werden kann.
Kapazitive Sensoren werden in der Messtechnik und Sensorik in breitem Umfang eingesetzt. Beispielsweise können Entfernungen zwischen zwei Messpunkten bestimmt werden, wenn die Kapazität zwischen den beiden Messpunkten präzise gemessen wird, so dass bei Kenntnis des theoretischen Zusammenhangs zwischen Kapazität und Entfernung über die gemessene Kapazität auf die Entfernung zwischen den beiden Messpunkten geschlossen werden kann. Allgemein wird eine Kapazität zwischen zwei Oberflächen durch eine Geometrie der Oberflächen sowie ein die Oberflächen umgebendes Dielektrikum bestimmt. Verändert man die Eigenschaften des Dielektrikums, indem man beispielsweise ein Material mit anderen dielektrischen Eigenschaften in die Nähe der Oberflächen bringt, so ändert sich die Kapazität zwischen den beiden Oberflächen zum Teil erheblich.
Zahlreiche technische Anwendungen machen sich dies zu Nutze, indem sie eine Kapazitätsänderung dazu verwenden, das Berühren eines Gegenstands oder einer Oberfläche nachzuweisen. Dazu eingesetzte kapazitive Näherungs- und Berührungsschalter sind seit Langem bekannt. Die Patentschrift DE 101 31 243 C1 beschreibt beispielsweise einen kapazitiven Näherungsschalter mit zwei Sensorelektroden, die derart angeordnet sind, dass eine der beiden Sensorelektroden gegenüber der anderen nach außen vorsteht. Nähert sich beispielsweise eine Person oder ein elektrisch leitfähiger Gegenstand dem Näherungsschalter, so ändert sich die Kapazität der beiden Sensorelektroden. Bei derjenigen Sensorelektrode, die weiter vorsteht, ergibt sich dabei eine hö here Kapazität als bei der weniger weit vorstehenden Sensorelektrode. Durch das Differenzsignal kann mindestens ein elektrischer Schalter betätigt werden und dadurch beispielsweise ein Roboter außer Tätigkeit gesetzt werden.
Die Offenlegungsschrift DE 32 21 223 A1 befasst sich mit einem mit Wechselstrom betriebenen kapazitiven Näherungsinitiator, der beispielsweise zur Überwachung eines Füllstands in einem Behälter verwendet werden kann. Die Gebrauchsmusterschrift DE 299 15 014 U1 beschreibt einen kapazitiven Näherungsschalter mit einer elektrischen Brückenschaltung zur Detektion eines sich nähernden oder entfernenden Gegenstandes. DE 3815698 A1 offenbart einen selbstprüfenden Näherungsschalter mit einem durch Annäherung eines Gegenstandes an seine Sensorfläche beeinflussbaren Oszillator. EP 0 766 398 A1 beschreibt ebenfalls einen kapazitiven Schalter mit einer kapazitiven Sonde, die eine Sensorelektrode und eine Schirmelektrode aufweist, und mit einer Elektrode, die einen durch ein rückgekoppeltes System von zwei Verstärkern gebildeten Oszillator aufweist. EP 1 505 734 A2 befasst sich mit einem kapazitiven Näherungsschalter zur Erfassung einer Kapazitätsänderung, insbesondere zur Verwendung bei einem Türgriff eines Kraftfahrzeugs. Die Offenlegungsschrift DE 199 27 358 A1 bezieht sich auf einen kapazitiven Sensor, dessen Elektroden und Messschaltung monolithisch integriert sind. Bei dem Sensor handelt es sich um eine integrierte Schaltung, bei der auf einem Substrat eine Messschaltung mit ihrer Verdrahtung sowie eine Abschirmung und einigen Elektroden integriert sind. Die integrierte Schaltung kann durch verschiedene Gestaltungen der Elektrodenschicht verschiedene Messaufgaben wahrnehmen. Als Herstellungsprozess für die integrierte Schaltung wird ein Standard-CMOS-Prozess genannt. WO 2003/020634 A2 zeigt eine integrierte Schaltung mit Elektroden, die zusammen mit einer Auswerteschaltung auf einem Halbleitersubstrat integriert sind. DE 43 04 437 A1 zeigt einen Berührungsschalter mit einem plattenförmigen Träger mit zwei voneinander abgekehrten Plattenflächen, wo bei auf einer hinteren Plattenfläche eine Auswerteschaltung und auf der vorderen Plattenfläche eine Sensorschaltungsanordnung angeordnet ist. Dabei handelt es sich jedoch nicht um einen monolithisch integrierten kapazitiven Sensor. DE 100 10 888 A1 befasst sich mit einer Schaltung zur Bestimmung von Absolutwerten von Kapazitäten, speziell von On-Chip-Kapazitäten in Matritzen-Anordnung, frei von Einflüssen nicht-idealer Eigenschaften von einer Bewerterschaltung verwendeter Bauelemente.
Bei den bekannten Sensoren und deren Anwendungen wird eine Kapazitäts- bzw. Impedanzänderung zwischen einer Sensorfläche gegen Bezugsmasse oder mehrerer Sensorflächen zueinander bei Annäherung und/oder Berührung eines Gegenstandes oder eines menschlichen Körperteils erkannt und ausgewertet.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist eine aufwendige Aufbautechnik der Sensorschaltungen durch eine Trennung von Sensorflächen und Auswerteelektronik zur Signalerfassung in unterschiedliche Module.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine kompakte, kostengünstige kapazitive Sensorschaltung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß Patentanspruch 15 und ein Verfahren nach Patentanspruch 16 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine kapazitive Sensorschaltung mit den gewünschten Eigenschaften als integriertes Bauelement realisiert werden kann. Dazu werden bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ein kapazitiver Sensor bzw. Messkondensator mit wenigstens zwei Elektroden und eine Auswerteelektronik zur Ansteuerung des kapazitiven Sensors und zur Signaler fassung gemeinsam in einem CMOS-Prozess auf ein Halbleitersubstrat aufgebracht. Der kapazitive Sensor ist vorzugsweise in einer obersten Metallisierungsschicht des integrierten Bauelements angeordnet und durch wenigstens eine Isolationsschicht zwischen der obersten Metallisierungsschicht und der Auswerteelektronik von dieser separiert. Damit sich die elektronische Auswerteschaltung und der kapazitive Sensor gegenseitig nicht störend beeinflussen, weisen Ausführungsbeispiele zwischen der obersten Metallisierungsschicht der integrierten Sensorschaltung und der elektronischen Auswerteschaltung eine metallische Abschirmschicht auf.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind die wenigstens zwei Elektroden des kapazitiven Sensors in der obersten Metallisierungsschicht planar angeordnet. Eine geometrische Anordnung der wenigstens zwei Elektroden des kapazitiven Sensors kann je nach Anwendungsfall optimiert werden, um ein möglichst sensitives elektrisches bzw. elektromagnetisches Feld über bzw. zwischen einzelnen Sensorelektroden zu formen.
Die elektronische Auswerteschaltung realisiert ein kapazitives Anregungs- und Messverfahren, das über dem kapazitiven Sensor ein elektrisches Feld bzw. ein elektromagneti sches Wechselfeld aufbaut. Eine Bedämpfung des Feldes durch einen in das Feld eingebrachten elektrisch leitfähigen Körper (in der Regel ein menschliches Körperteil) wird durch das kapazitive Messverfahren der elektronischen Auswerteschaltung erkannt und anschließend ausgewertet. Für die Auswertung sind unterschiedliche kapazitive Messverfahren einsetzbar. Es kann beispielsweise ein verstimmbarer Oszillator (angeregter RCL-Kreis) verwendet werden, bei dem die Resonanzfrequenz durch die sich ändernde Kapazität C_sens des kapazitiven Sensors beeinflusst wird. Dabei kann als Messgröße beispielsweise die über einen Ohmschen Widerstand R abfallende Spannung bestimmt werden, die bei festem Widerstand R und fester Induktivität L proportional zur Kapazität C_sens ist. Die gemessene Spannung kann noch digitalisiert werden, um aus einer Proportionalitätsbeziehung die Kapazität C_sens zu errechnen.
Des Weiteren kann die elektronische Auswerteschaltung ein Ladungsübertragungsverfahren (Charge Transfer) realisieren, bei dem eine erste Kapazität in einer ersten Phase aufgeladen und die Ladung in einer zweiten Phase in eine zweite Kapazität übertragen wird. Hierbei kann sowohl die erste wie auch die zweite Kapazität als Sensorkapazität verwendet werden. Dabei muss die Größe der Sensorkapazität bekannt sein, um die Kapazität C_sens des zu messenden Kondensators bestimmen zu können. Üblicherweise wird als Messgröße die über die Sensorkapazität abfallende Spannung bestimmt.
Die Auswerteelektronik kann auch eine Brückenschaltung aufweisen, so dass die zu messende Kapazität C_sens des Kapazitiven Sensors durch ein Abgleichverfahren ermittelt werden kann, bei dem beispielsweise eine Diagonalspannung der Brückenschaltung zu Null geregelt wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung realisiert die elektronische Auswerteschaltung ein differentielles Delta-Sigma-Verfahren, welches in der Offenle gungsschrift DE 10 2005 038 875 A1 detailliert beschrieben ist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass sämtliche Komponenten der entsprechenden elektronischen Auswerteschaltung für die Signalerfassung- und Auswertung in einem CMOS-Prozess integriert werden können und somit keine externen Bauelemente erforderlich sind. Somit kann ein kapazitiver Sensor als integriertes Bauteil in preiswerter und kompakter Form realisiert werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Schichtaufbaus einer integrierten kapazitiven Sensorschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2A–F verschiedene Geometrien von Sensorflächen in einer Metallisierungsschicht gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
3 eine Seitenansicht und Draufsicht eines Schichtaufbaus einer integrierten kapazitiven Sensorschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein schematisches Blockdiagramm einer integrierten elektronischen Auswerteschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ein Blockdiagramm einer elektronischen Auswerteschaltung mit Selbstkalibrierungsfunktionalität gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
6 eine schematische Darstellung eines kapazitiven Digital-Analog-Wandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen, im Nachfolgenden dargestellten, Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.
Ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten kapazitiven Sensorschaltung umfasst gemäß Ausführungsbeispielen ein Erzeugen einer elektronischen Ansteuer- und Auswerteschaltung auf einem Halbleitersubstrat und ein Aufbringen eines kapazitiven Sensors in einer Metallisierungsschicht über der elektronischen Auswerteschaltung, wobei der kapazitive Sensor mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung gekoppelt ist. Das Erzeugen und das Aufbringen sind dabei Teile eines CMOS-Prozesses.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Schichtaufbaus eines integrierten kapazitiven Sensors 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die integrierte Sensorschaltung 10 weist eine in einem Standard CMOS-Prozess auf einem Halbleitersubstrat 12 integrierte elektronische Auswerteschaltung 14 auf. Über der elektronischen Auswerteschaltung 14 ist eine Isolationsschicht 16 aufgebracht, welche eventuell benötigte (nicht gezeigte) Durchkontaktierungen von der elektronischen Auswerteschaltung 14 zu einer ersten Metallisierungsebene 18 aufweisen kann. Über der ersten Metallisierungsebene 18 ist eine weitere Isolationsschicht 20 angeordnet, mit eventuellen (nicht gezeigten) Durchkontaktierungen von der ersten Metallisierungsebene 18 zu einer zweiten bzw. obersten Metallisierungsebene 22.
Die oberste Metallisierungsebene 22 stellt gemäß Ausführungsbeispielen eine kapazitive Sensorfläche dar. Dazu werden in die oberste Metallisierungsebene 22 wenigstens zwei Teilflächen 22a, 22b strukturiert, welche als Elektroden eines kapazitiven Sensors 24 wirken. Über die Durchkontaktierungen der Isolationsschichten 20, 16 ist der kapazitive Sensor 24 bzw. die Sensorfläche mit der elektronischen Auswerteschaltung 14 gekoppelt.
Mit der Auswerteelektronik 14 kann nun ein Ansteuersignal an die Elektroden 22a, b des kapazitiven Sensors 24 der Sensorfläche angelegt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Gleichspannung oder aber auch eine Wechselspannung handeln. Durch das an die Elektroden 22a, b angelegte Ansteuersignal bildet sich über den Elektroden 22a, b ein elektrisches bzw. elektromagnetisches Feld aus. Dieses Feld, dessen Feldlinien in 1 exemplarisch angedeutet sind, ist abhängig von der geometrischen Anordnung der Elektroden 22a, b und den dielektrischen Eigenschaften des die Elektroden 22a, b umgebenden Mediums.
Wird ein Gegenstand mit anderen dielektrischen Eigenschaften als das die Elektroden 22a, b umgebende Medium in das elektrische bzw. elektromagnetische Feld eingebracht, so verändert sich die Kapazität C_sens des kapazitiven Sensors 24. Diese Änderung der Kapazität C_sens kann durch die elektronische Auswerteschaltung 14, die mit dem Messkondensator 24 gekoppelt ist, festgestellt werden.
Je nach Anwendungsfall kann die geometrische Anordnung der Elektroden bzw. Sensorflächen 22a, b optimiert werden, um ein sensitives elektrisches bzw. elektromagnetisches Feld zu formen. Einige Geometrievarianten sind exemplarisch in den 2A bis 2F dargestellt.
Die 2A bis 2F zeigen schematische Draufsichten auf integrierte kapazitive Sensorschaltungen 10a bis 10f. Mit dem Bezugszeichen 30 sind Anschlusspins der integrierten Bauelemente 10a bis 10f angedeutet. Die wenigstens zwei Elektroden 22a, b in der obersten Metallisierungsschicht 22 können je nach Anwendungsfall strukturiert werden.
2A und B zeigen zwei parallel zueinander angeordnete Elektroden 22a, b in der obersten Metallisierungsschicht, wobei sich die in den beiden Fig. gezeigten Varianten durch Breite und Abstand der Elektroden 22a, b unterscheiden. Dabei bezieht sich „parallel" beispielsweise auf einander gegenüberliegende Seiten der Elektroden 22a, b. Unter einer parallelen Anordnung ist auch eine aufgrund von unvermeidbaren Herstellungsprozesstoleranzen leicht unterschiedliche Orientierung zu verstehen. D. h. ein von gegenüberliegenden Seiten der Elektroden 22a, b eingeschlossener Winkel ist beispielsweise kleiner als 1°.
Ebenso zeigt 2C eine im Wesentlichen parallele Anordnung von vier metallischen Elektrodenelementen 32-1 bis 32-4, von denen beispielsweise jeweils zwei eine Elektrode bilden. Gemäß Ausführungsbeispielen könnten in 2C beispielsweise die Elektrodenelemente 32-1 und 32-2 eine Elektrode und die Elektrodenelemente 32-3 und 32-4 eine zweite Elektrode eines kapazitiven Sensors 24 bilden. Denkbar wäre auch eine Beschaltung der vier Elektrodenelemente 32-1 bis 32-4, so dass zwei separate Messkondensatoren bzw. kapazitive Sensoren gebildet werden, die dann beispielsweise gegenphasig angesteuert werden können.
Gleiches gilt für die geometrischen Anordnungen, welche in 2D und 2E gezeigt sind. Auch hier könnten jeweils zwei der exemplarisch dargestellten vier Elektrodenelemente 32-1 bis 32-4 zu einer Elektrode des kapazitiven Sensors 24 zusammengefasst werden. Eine Ausführung, bei der die vier Elektrodenelemente 32-1 bis 32-4 zwei separate Messkondensatoren bzw. kapazitive Sensoren bilden, ist ebenfalls möglich. Die integrierten Bauelemente 10d und 10e bzw. deren kapazitive Sensoren weisen einen (fiktiven) Symmetriepunkt 34 auf, zu dem die vier Elektrodenelemente 32-1 bis 32-4 punktsymmetrisch angeordnet sind. Des Weiteren könnte man auch Symmetrieachsen durch den Symmetriepunkt 34 definieren, zu denen die Elektroden bzw. Elektrodenelemente 32-1 bis 32-4 achsensymmetrisch sind.
In sämtlichen in den 2A–E gezeigten Konfiguration sind die Elektroden bzw. Elektrodenelemente also symmetrisch, insbesondere achsensymmetrisch, angeordnet.
2F zeigt zwei metallische Elektroden 22a, 22b, die jeweils kammförmig ausgebildet sind und in der in 2F gezeigten Art und Weise überlappend ineinandergreifen, so dass sich eine mäanderförmige Fläche zwischen den beiden Elektroden 22a, b ausbildet.
An dieser Stelle sei bemerkt, dass die in den 2a bis 2f dargestellten Geometrievarianten lediglich exemplarisch gemeint sind und keinesfalls eine abschließende Aufzählung darstellen sollen. Wie bereits erwähnt, ist die Geometrie der Sensorfläche bzw. des kapazitiven Sensors 24 in der Metallisierungsschicht 22 an den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen, um eine optimierte Sensorwirkung zu erzielen.
Für eine Vielzahl von Verfahren zur Messung einer Kapazität bzw. Kapazitätsänderung wird zusätzlich zu der Sensorkapazität C_sens eine Referenzkapazität C_ref bzw. ein Referenzkondensator benötigt. Eine schematische Seitenansicht eines Schichtaufbaus einer integrierten kapazitiven Sensorschaltung 40 mit einem Referenzkondensator ist in 3 gezeigt.
Die integrierte Sensorschaltung 40 weist über der über der elektronischen Auswerteschaltung 14 liegenden Isolationsschicht 16 eine erste Metallisierungsschicht als Verdrahtungsebene 42 auf, die gegenüber der folgenden Metallisierungsschicht 18 durch eine Isolationsschicht 44 isoliert ist. Über der zweiten Metallisierungsschicht 18 folgt eine Isolationsschicht 20, auf der die nächste Metallisierungsschicht 22 usw. aufgebracht ist. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Metallisierungsschicht 22 eine oberste Metallisierungsschicht. Je nach Prozess können unterschiedlich viele Metallisierungsschichten realisiert werden. Für den Sensor sind mindestens drei Metallisierungsschichten wünschenswert.
In der Metallisierungsschicht 18 zwischen der obersten Metallisierungsschicht 22 und der elektronischen Auswerteschaltung 14 ist gemäß Ausführungsbeispielen ein Referenzkondensator 46 mit einer Referenzkapazität C_ref gebildet. Der Referenzkondensator 46 weist bei Ausführungsbeispielen den gleichen geometrischen Aufbau auf, wie der Messkondensator bzw. der kapazitive Sensor 24 in der obersten Metallisierungsebene 22. Dabei ist unter einem gleichen geometrischer Aufbau auch ein aufgrund von unvermeidbaren Herstellungsprozesstoleranzen leicht unterschiedlicher geometrischer Aufbau zu verstehen. D. h. geometrische Abweichungen zwischen Referenzkondensator 46 und kapazitivem Sensor 24 liegen unterhalb 1‰ (1 Promille).
Beispiele für Geometrien von Mess- bzw. Referenzkondensatoren wurden bereits anhand der 2A bis 2F im Vorhergehenden erläutert.
Wie sich aus 3 erkennen lässt, ist der Referenzkondensator 46 gegenüber dem Messkondensator 24 lateral versetzt, so dass sich die beiden Kondensatoren lateral nicht überlappen. Über dem Referenzkondensator 46 ist bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel in der obersten Metallisierungsschicht 22 eine Schirmfläche 48 zum elektromagnetischen Abschirmen des Referenzkondensators 46 von äußeren Einflüssen gebildet. In der Metallisierungsebene 18 zwischen der obersten Metallisierungsebene 22 und der elektronischen Auswerteschaltung 14 ist unterhalb des Referenzkondensators 24 eine weitere Schirmfläche 50 ähnlich der Schirmfläche 48 gebildet. Die Schirmfläche 50 dient zur Abschirmung des kapazitiven Sensors 24 von der aktiven elektronischen Auswerteschaltung 14, und umgekehrt.
Eine schematische Draufsicht auf die integrierte kapazitive Sensorschaltung 40 ist in dem unteren Teil von 3 gezeigt. Dabei befinden sich die grau gezeigten Flächen in der obersten Metallisierungsschicht 22 wohingegen sich die weiß gezeigten Flächen in der darunterliegenden Metallisierungsschicht 18 befinden.
Nachdem im Vorhergehenden auf Aufbaumöglichkeiten der in CMOS-Technik integrierten kapazitiven Sensorschaltung gemäß Ausführungsbeispielen eingegangen wurde, sollen im Nachfolgenden Realisierungsmöglichkeiten der elektronischen Auswerteschaltung 14 näher beleuchtet werden.
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, existiert eine Vielzahl von Möglichkeiten, elektronische Auswerteschaltungen aufzubauen.
Es können beispielsweise verstimmbare Oszillatoren, wie z. B. RCL-Kreise oder nicht-lineare Wien-Robinson Oszillatoren, in der integrierten Auswerteschaltung 14 verwendet werden. Bei ihnen kann eine Resonanzfrequenz durch die sich ändernde Sensorkapazität C_sens beeinflusst werden.
Eine weitere Möglichkeit stellen Brückenschaltungen in der integrierten Auswerteschaltung 14 dar, bei denen die zu messende Kapazität C_sens durch ein Abgleichverfahren ermittelt werden kann, indem üblicherweise eine Diagonalspannung der Brückenschaltung zu Null geregelt wird.
Ein Blockdiagramm einer bevorzugten elektronischen Auswerteschaltung 14, mit der die Sensorkapazität C_sens mit hoher Auflösung vermessen werden kann, wobei nur ein relativ geringer Bauteilaufwand vonnöten ist, ist in 4 gezeigt.
4 zeigt einen mit sowohl dem kapazitiven Sensor bzw. dem Messkondensator 24 mit der Sensorkapazität C_sens und dem Referenzkondensator 46 mit der Referenzkapazität C_ref gekoppelten Delta-Sigma-ADC 50 (ADC = Analogue-Digital-Converter), der ausgangsseitig mit einem digitalen Komparator 52 gekoppelt ist. Dabei sind der Delta-Sigma-ADC 50 und der digitale Komparator 52 Teile der elektronischen Auswerteschaltung 14.
Der Delta-Sigma-ADC 50 umfasst einen Delta-Sigma-Modulator 54 und einen Filter- und Dezimator-Block 56. Der Delta-Sigma-Modulator 54 weist typischerweise einen Operationsverstärker auf. Gemäß Ausführungsbeispielen sind die wenigstens zwei Elektroden 22a, b des kapazitiven Sensors 24 bzw. der Kapazität C_sens mit dem invertierenden und nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden. Ferner sind die Elektroden 22a, b mit einer Referenzsignalquelle der elektronischen Auswerteschaltung 14 verbunden sind, um ein elektrisches bzw. elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen.
Der Delta-Sigma-Modulator 54 bildet in seinem Eingangsintegrator (nicht gezeigt) eine Differenz aus den Ladungen der Sensorkapazität C_sens und der Referenzkapazität C_ref. Sind beide Kapazitäten exakt gleich groß, so wird die Ladungsdifferenz zu Null. Wird nun das elektrische bzw. elektromagnetische Feld über der Sensorkapazität C_sens des kapazitiven Sensors 24 beeinflusst, so führt dies zu einer Änderung der Ladungsmenge in der Sensorkapazität C_sens, die an den Integrator des Delta-Sigma-Modulators 54 übergeben wird. Der Delta-Sigma-Modulator 54 generiert an seinem Ausgang einen digitalen Bitstrom, der durch ein Tiefpassfilter und einen Abtastraten-Dezimator in dem Filter- und Dezimator-Block 56 in einen digitalen Wert umgesetzt wird. Der digitale Wert am Ausgang des Filter- und Dezimator-Blocks 56 repräsentiert die Ladungsdifferenz zwischen den beiden Kapazitäten C_ref und C_sens. Durch eine Vorgabe einer digitalen Schaltschwelle kann in dem digitalen Komparator 52 eine von einer Stärke der Sensorbedämpfung bzw. der Kapazitätsänderung ΔC_sens abhängige Schaltfunktion des integrierten Bauteils bzw. Sensors erreicht werden. Diese Schaltschwelle ist sinnvollerweise einstellbar zu realisieren.
Die Funktionsweise von elektronischen Auswerteschaltungen gemäß Ausführungsbeispielen mit Delta-Sigma-ADCs bzw. -Modulatoren ist in der Offenlegungsschrift DE 10 2005 038 875 A1 eingehend und ausführlich beschrieben, so dass an dieser Stelle der Übersichtlichkeit halber auf eine detailliertere Beschreibung verzichtet werden soll.
Die Referenzkapazität C_ref des Referenzkondensators 46 sollte in ihrem Wert möglichst exakt der Sensorkapazität C_sens des kapazitiven Sensors 24 in Ruhelage, d. h. ohne externen Einfluss auf das elektrische bzw. elektromagnetische Feld des kapazitiven Sensors 24, entsprechen. In einer bevorzugten Ausführung kann dies dadurch erreicht werden, dass die Referenzkapazität C_ref bzw. der Referenzkondensator 46 exakt den gleichen geometrischen Aufbau erhält, wie der Messkondensator 24, wie es im Vorhergehenden bereits anhand von 3 beschrieben wurde. Im Gegensatz zu der Sensorkapazität C_sens sollte die Referenzkapazität C_ref nicht durch einen externen Einfluss bedämpft bzw. verändert werden. Die Schirmfläche 48 der oberen Metallisierungsschicht 22 schirmt die Referenzkapazität 46 gegen externe Einflüsse ab.
An dieser Stelle soll noch bemerkt werden, dass im Rahmen eines CMOS-Prozesses die kapazitiven Sensoren bzw. Kondensatoren 24, 46, insbesondere der Referenzkondensator 46, auch anders als anhand der 1 bis 3 beschrieben wurde, realisiert werden können. Denkbar sind dabei beispielsweise in Sperr-Richtung betriebene pn-Übergänge, Poly-Silizium/Diffusions-Kapazitäten, Poly-Silizium/Poly-Silizium-Kapazitäten oder Metall/Metall-Kapazitäten.
Prozess- und Produktionsvariationen können teilweise zu erheblichen Schwankungen bei der Fertigung von integrierten Kapazitäten bzw. Kondensatoren führen. Deshalb wird bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ein Feinabgleich zwischen der Sensorkapazität C_sens und Referenzkapazität C_ref durch einen Selbstkalibrierungsalgorithmus durchgeführt. Gemäß Ausführungsbeispielen wird die Referenzkapazität C_ref dabei durch einen kapazitiven Digital-Analog-Umsetzer ersetzt oder ergänzt. Dabei ist unter einem kapazitiven Digital-Analog-Umsetzer eine Anordnung aus binär gewichteten Kapazitäten zu verstehen, die über digitale Schalter beispielsweise an einen Referenzeingang des Delta-Sigma-Modulators 54 gelegt werden können. In einem Kalibriermodus werden die digitalen Schalter des kapazitiven Digital-Analog-Umsetzers so lange nach einem sukzessiven Approximationsprinzip zugeschaltet, bis der Ausgang des Dezimators 56 in Ruhelage den digitalen Wert „Null" erreicht und damit anzeigt, dass die Ladungen (Q_ref, Q_sens) in Referenz- und Sensorkapazität C_ref, C_sens zumindest näherungsweise identisch sind, d. h. in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegen, wie z. B. 0.95 Q_ref < Q_sens < 1.05 Q_ref. Natürlich kann dieses Kalibrierverfahren auch für die in 3 dargestellte Referenzkapazität C_ref bzw. den Referenzkondensator 46 erfolgen, wenn die Fläche des Referenzkondensators 46 in verschieden große zusammenschaltbare Teilflächen geteilt wird und über Schalter die Teilflächen derart geschaltet werden, dass die Gesamtkapazität C_ref des Referenzkondensators 46 nach dem Kalibrierverfahren so gebildet wird, dass sie der Sensorkapazität C_sens in Ruhelage möglichst exakt entspricht.
5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zur Realisierung des im Vorhergehenden beschriebenen Kalibrierverfahrens der Auswerteschaltung 14.
In 5 ist gegenüber der 4 der Referenzkondensator 46 bzw. die Referenzkapazität C_ref durch einen kapazitiven Digital-Analog-Umsetzer 60 ersetzt. Der Ausgang des Tief- Passfilters und/oder Dezimators 56 wird über einen SAR-Controller 62 (SAR = Successive Approximation Register) auf ein SA-Register 64 (SA = Successive Approximation, schrittweise Annäherung) zurückgekoppelt, so dass das SA-Register 64 eine Referenzkapazität C_ref des kapazitiven Digital-Analog-Umsetzers 60 über digitale Schalter einstellen kann, so dass in Ruhelage am Ausgang des Dezimators 56 der Wert „Null" auftritt.
Bei der sukzessiven Approximation bzw. der schrittweisen Annäherung wird der analoge Ausgang, also die Kapazität, des kapazitiven Digital-Analog-Umsetzers 60 über einen Komparator 54, 56 mit einem Sollwert, also der Sensorkapazität C_sens, verglichen. Sukzessive werden nun durch den SAR-Controller 62 die einzelnen Bits bzw. Schalter des kapazitiven Digital-Analog-Umsetzers 60 über das SA-Register 64, beginnend beim höchstwertigen Bit (MSB = Most Significant Bit) abwärts bis zum geringstwertigen Bit (LSB = Least Significant Bit) nacheinander gesetzt. In jedem Taktzyklus wird vom SAR-Controller 62 jeweils das in Arbeit befindliche Bit probeweise gesetzt und der kapazitive Digital-Analog-Umsetzer 60 erzeugt die dem aktuellen Digitalwert entsprechende Referenzkapazität C_ref. Der Komparator 54, 56 vergleicht die Referenzkapazität C_ref mit der Sensorkapazität C_sens und veranlasst den SAR-Controller 62, das in Arbeit befindliche Bit wieder zurückzusetzen, wenn die Referenzkapazität C_ref höher ist als die Sensorkapazität C_sens. Wenn die Referenzkapazität C_ref kleiner oder gleich der Sensorkapazität C_sens ist, bleibt das Bit gesetzt. So erfolgt schrittweise eine (sukzessive) Annäherung der Referenzkapazität C_ref an die Sensorkapazität C_sens. Nach n (n ist Anzahl der Bits bzw. Schalter) Vergleichsvorgängen hat sich der Ausgangswert C_ref des kapazitiven Digital-Analog-Umsetzers 60 möglichst nahe an den Sollwert C_sens in Ruhelage angenähert.
Ein Prinzipschaltbild des kapazitiven Digital-Analog-Umsetzers 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in 6 gezeigt.
Bei einer Ausführungsform weist der kapazitive Digital-Analog-Umsetzer 60 zwischen seinen beiden Anschlussklemmen eine Parallelschaltung von über Schalter 70-1 bis 70-5 schaltbaren Kapazitäten C_ref,1 bis C_ref,5 auf. Die Schalterstellungen der Schalter 70-1 bis 70-5 können über das SA-Register 64 und den SAR-Controller 62 gesteuert werden. Demnach können sukzessive diejenigen Kapazitäten C_ref,n (n = 1, ..., 5) zugeschaltet werden, die benötigt werden, um die resultierende Gesamtreferenzkapazität C_ref möglichst exakt an den Wert der Sensorkapazität C_sens in Ruhelage anzunähern. Ist beispielsweise eine Abweichung von der Sensorkapazität C_sens relativ gering, was sich in einem kleinen Wert am Ausgang der Einrichtung 56 bemerkbar macht, so kann der SAR-Controller 62 das SA-Register 64 anweisen, eine der Kapazitätsabweichung zumindest näherungsweise entsprechende Kapazität C_ref,x hinzu- oder abzuschalten, je nachdem ob die Gesamtreferenzkapazität C_ref kleiner oder größer als die Sensorkapazität C_sens ist. Bei einer großen Abweichung wird demnach eine entsprechende größere Kapazität der Kapazitäten C_ref,x hinzu- oder abgeschaltet.
Gemäß Ausführungsbeispielen wird eine integrierte kapazitive Sensorschaltung 10, 40 in einem der Halbleiterfertigung üblichen Standardplastikgehäuse hermetisch und elektrisch isolierend vergossen. Die Feldlinien der wenigstens zwei Elektroden 22a, b bzw. des Kapazitiven Sensors 24 können sich nahezu ungehindert durch das Plastikmaterial des Gehäuses nach außen hin ausbreiten. Ein Benutzer ist damit bereits durch die Aufbautechnik galvanisch von den stromführenden Teilen des integrierten kapazitiven Sensors 10, 40 getrennt.
Zusammenfassend schaffen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung also einen kompakten integrierten kapazi tiven Sensor auf Halbleiterbasis, der in herkömmlichen CMOS-Prozessschritten hergestellt werden kann. Eine auf einem Halbleitersubstrat integrierte elektronische Auswerteschaltung 14 kann eine Sensorkapazität C_sens mit hoher Auflösung vermessen, wobei nur ein relativ geringer Bauteileaufwand vonnöten ist. Somit können bei Ausführungsbeispielen Sensorflächen und Signalerfassung in einem Bauteil gemeinsam integriert werden, wodurch eine aufwendige Aufbautechnik herkömmlicher kapazitiver Sensoren vermieden werden kann.

Claims

Integrierte kapazitive Sensorschaltung (10; 40) mit einem in einer obersten Metallisierungsschicht (22) der integrierten kapazitiven Sensorschaltung gebildeten kapazitiven Sensor (24) mit wenigstens zwei in der obersten Metallisierungsschicht (22) angeordneten Elektroden (22a, b); einem Referenzkondensator (46) mit einer variierbaren Referenzkapazität (C_ref), um eine vordefinierte Ruhekapazität (C_sens) des kapazitiven Sensors (24) einstellen zu können; und einer mit dem kapazitiven Sensor (24) und dem Referenzkondensator (46) gekoppelten elektronischen Auswerteschaltung (14) zum Feststellen einer Kapazitätsänderung des kapazitiven Sensors (24), wobei der kapazitive Sensor (24), der Referenzkondensator (46) und die Auswerteschaltung (14) gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat (12) integriert sind.
Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß Anspruch 1, bei der in einer Metallisierungsschicht (18) zwischen der obersten Metallisierungsschicht (22) und der elektronischen Auswerteschaltung (14) der Referenzkondensator (46) mit der Referenzkapazität (C_ref) gebildet ist.
Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß Anspruch 2, wobei der Referenzkondensator (46) einen gleichen geometrischen Aufbau aufweist wie der kapazitive Sensor (24) in der obersten Metallisierungsschicht (22).
Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der Referenzkondensator (46) zu dem kapazitiven Sensor (24) lateral versetzt ist und über dem Referenzkondensator (46) in der obersten Metallisierungsschicht (22) eine Schirmfläche (48) zum elektromagnetischen Abschirmen des Referenzkondensators (46) gebildet ist.
Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Referenzkondensator (46) in verschieden große, miteinander verschaltbare Teilflächen aufgeteilt werden kann, um dessen Kapazität (C_ref) variieren zu können.
Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in einer Metallisierungsschicht (18) zwischen der obersten Metallisierungsschicht (22) und der elektrischen Auswerteschaltung (14) eine Schirmfläche (50) zum elektromagnetischen Abschirmen der Auswerteelektronik vor dem Messkondensator, und umgekehrt, gebildet ist.
Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich gegenüberliegende Seiten der wenigstens zwei Elektroden (22a, b) des kapazitiven Sensors (24) in der obersten Metallisierungsschicht (22) parallel zueinander angeordnet sind.
Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Elektroden (22a, b) kammförmig ausgebildet sind und überlappend ineinandergreifen, so dass sich eine mäanderförmige Fläche zwischen den beiden Elektroden (22a, b) ausbildet.
Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der kapazitive Sensor (24) einen Symmetriepunkt (34) aufweist und die we nigstens zwei Elektroden (22a, b) punktsymmetrisch zu dem Symmetriepunkt angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Auswerteschaltung (14) ausgebildet ist, um an die wenigstens zwei Elektroden (22a, b) des kapazitiven Sensors (24) eine Wechselspannung anzulegen, um ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen.
Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Auswerteschaltung (14) einen Delta-Sigma-Modulator (54) mit einem Operationsverstärker aufweist.
Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß Anspruch 11, wobei die wenigstens zwei Elektroden (22a, b) des kapazitiven Sensors (24) mit dem invertierenden und nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden sind und wobei die wenigstens zwei Elektroden (22a, b) ferner mit einer Referenzsignalquelle der elektronischen Auswerteschaltung (14) verbunden sind.
Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die integrierte Sensorschaltung (10, 40) in einer CMOS-Technologie gefertigt ist.
Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die durch ein Plastikgehäuse gehäust wird.
Verfahren zum Herstellen einer integrierten kapazitiven Sensorschaltung, mit folgenden Schritten: Erzeugen einer elektronischen Auswerteschaltung (14) auf einem Halbleitersubstrat (12); und Erzeugen eines Referenzkondensators (46) mit einer variierbaren Referenzkapazität (C_ref), um eine vordefinierte Ruhekapazität (C_sens) des kapazitiven Sensors (24) einstellen zu können Aufbringen eines kapazitiven Sensors (24) in einer Metallisierungsschicht (22) über der elektronischen Auswerteschaltung (14), wobei das Erzeugen der elektronischen Auswerteschaltung (14), das Erzeugen des Referenzkondensators (46) und das Aufbringen Teile eines CMOS-Prozesses sind.
Verfahren zum Kalibrieren einer integrierten kapazitiven Sensorschaltung, mit folgenden Schritten: Koppeln eines in einer obersten Metallisierungsschicht (22) der integrierten kapazitiven Sensorschaltung gebildeten kapazitiven Sensors (24) mit einer elektronischen Auswerteschaltung (14); Koppeln eines Referenzkondensators (46) mit einer variierbaren Referenzkapazität (C_ref) mit der elektronischen Auswerteschaltung (14); Bilden einer Differenz aus Ladungen des kapazitiven Sensors (24) und der Referenzkapazität (C_ref) durch die elektronischen Auswerteschaltung (14). Variieren der Referenzkapazität (C_ref), bis die elektronische Auswerteschaltung (14) anzeigt, dass die Ladungen der Referenzkapazität (C_ref) und des kapazitiven Sensors (24) zumindest näherungsweise identisch sind oder in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegen.