DE102010020011A1

DE102010020011A1 - Constant-voltage sensor

Info

Publication number: DE102010020011A1
Application number: DE201010020011
Authority: DE
Inventors: Fatih Alatas; Dr. Schick Anton; Martin Kördel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-05-10
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2011-11-10
Also published as: WO2011141224A1

Abstract

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein konstantes elektrisches Potential einer Zielelektrode (1) berührungslos erfasst. Dazu wird eine ein konstantes elektrisches Potential aufweisende Sensorelektrode (3) relativ zu der Zielelektrode (1) in einem vorbestimmten Elektrodenabstand zu kapazitiven Kopplung der Sensorelektrode (3) mit der Zielelektrode (1) positioniert. Eine Messeinrichtung (5) erfasst einen Stromfluss eines Umladestromes (I) durch zumindest eine mit der Sensorelektrode (3) verbundene elektrische Leitung (7). Mittels einer Einrichtung (9) zur Änderung einer Länge einer Kondensatorstrecke (11) eines aus der Sensorelektrode (3) und der Zielelektrode (1) gebildeten Kondensators (13) ist das konstante Potential der Zielelektrode (1) berechenbar.According to the present invention, a constant electrical potential of a target electrode (1) is detected without contact. For this purpose, a sensor electrode (3) having a constant electrical potential is positioned relative to the target electrode (1) at a predetermined electrode spacing for capacitive coupling of the sensor electrode (3) to the target electrode (1). A measuring device (5) detects a current flow of a charge reversal (I) through at least one electrical line (7) connected to the sensor electrode (3). The constant potential of the target electrode (1) can be calculated by means of a device (9) for changing the length of a capacitor path (11) of a capacitor (13) formed from the sensor electrode (3) and the target electrode (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum berührungslosen Erfassen eines konstanten elektrischen Potentials einer Zielelektrode gemäß den Oberbegriffen des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs.The present invention relates to an apparatus and a method for non-contact detection of a constant electric potential of a target electrode according to the preambles of the main claim and the independent claim.

Zur berührungslosen Messung des Potentials einer Elektrode über eine kapazitiv gekoppelte Sensorelektrode, die während einer Messzeit dauerhaft auf einem konstanten Potential gehalten ist, kann der durch die kapazitive Kopplung entstehende Umladestrom herangezogen werden. Dieser wird allgemein durch folgende Gleichung 1 beschrieben:

For non-contact measurement of the potential of an electrode via a capacitively coupled sensor electrode, which is held permanently at a constant potential during a measuring time, the charge generated by the capacitive coupling Umladestrom can be used. This is generally described by the following equation 1:

Darin ist C_sen,elec die aus Sensor-Elektrode und betrachteter Elektrode gebildeter Kapazität und U_d die zwischen Sensorelektrode und betrachteter Elektrode herrschende Spannung. Die Kapazität C_sen,elec ist dabei lediglich von den beteiligten Materialien, insbesondere den Dielektrika, den geometrischen Parametern und von der Elektrodenanordnung einschließlich von Nachbarelektroden bestimmt, nicht jedoch von den an den Elektroden herrschenden Spannungen.Therein, C _{sen, elec is} the capacitance formed from the sensor electrode and the considered electrode, and U _{d is} the voltage prevailing between the sensor electrode and the electrode under consideration. The capacitance C _{sen, elec} is determined only by the materials involved, in particular the dielectrics, the geometric parameters and by the electrode arrangement including adjacent electrodes, but not by the voltages prevailing at the electrodes.

Die DE 10 2005 022 884 A1 offenbart ein Verfahren zur kontaktlosen Inspektion von einer auf einem flächigen Träger ausgebildeten Leiterbahnstruktur, bei dem mittels einer Positioniereinrichtung eine Elektrode relativ zu der Leiterbahnstruktur in einem vorbestimmten Abstand positioniert wird und zwischen der Elektrode und der Leiterbahnstruktur eine elektrische Spannung angelegt wird. Die Elektrode wird in einer Ebene parallel zu dem Träger bewegt, wobei zumindest an ausgewählten Positionen ein Stromfluss durch eine mit der Elektrode verbundene elektrische Leitung gemessen wird. Aus der stärke des Stromflusses wird der lokale Spannungszustand in einem Teilbereich der Leiterbahnstruktur detektiert. Dieser Spannungszustand kann zur Bestimmung der Qualität der Leiterbahnstruktur verwendet werden. Somit können durch geometrische Veränderungen der Leiterbahnstruktur erzeugte Defekte wie Kurzschlüsse, Einschnürungen oder Leitungsbrüche erkannt werden.The DE 10 2005 022 884 A1 discloses a method for contactless inspection of a printed conductor structure formed on a flat carrier, in which an electrode is positioned relative to the printed conductor structure by a predetermined distance by means of a positioning device and an electrical voltage is applied between the electrode and the printed conductor structure. The electrode is moved in a plane parallel to the carrier, wherein at least at selected positions a current flow through an electrical lead connected to the electrode is measured. From the strength of the current flow, the local stress state is detected in a subregion of the conductor track structure. This stress state can be used to determine the quality of the trace structure. Thus, defects such as short circuits, constrictions, or wire breaks caused by geometric changes in the wiring pattern can be detected.

Die WO 2008/058949 A2 offenbart ein Sensorelement zur Inspektion von einer an einem flächigen Träger ausgebildeten Leiterbahnstruktur. Das Sensorelement umfasst ein Substrat, welches mechanisch derart strukturiert ist, dass es einen erhabenen oberen Bereich und einen vertieften unteren Bereich aufweist wobei der kleine obere Bereich und der vertiefte untere Bereich durch einen bevorzugt stufenförmigen Übergangsbereich miteinander verbunden sind. Das Sensorelement umfasst ferner eine Mehrzahl von Sensorelektroden, die an dem planaren oberen Bereich ausgebildet sind, und eine Mehrzahl von Verbindungsleitungen zum elektrischen Kontaktieren der Mehrzahl von Sensorelektroden. Dabei ist jeder Sensorelektrode eine Verbindungsleitung zugeordnet, welche sich von der jeweiligen Sensorelektrode bis hin zu dem vertieften unteren Bereich erstreckt. Es wird ferner eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Inspektion eine Leiterbahnstruktur beschrieben. Außerdem wird ein Herstellverfahren für ein oben genanntes Sensorselement angegeben.The WO 2008/058949 A2 discloses a sensor element for inspection of a printed circuit formed on a flat carrier structure. The sensor element comprises a substrate which is mechanically structured such that it has a raised upper area and a recessed lower area, wherein the small upper area and the recessed lower area are interconnected by a preferably stepped transition area. The sensor element further comprises a plurality of sensor electrodes formed on the planar upper portion and a plurality of connection lines for electrically contacting the plurality of sensor electrodes. In this case, each sensor electrode is assigned a connecting line which extends from the respective sensor electrode to the recessed lower area. A device and a method for inspecting a printed conductor structure are also described. In addition, a manufacturing method for an above-mentioned sensor element is specified.

Die DE 10 2006 054 088 A1 offenbart eine Messvorrichtung zum Inspizieren einer Oberfläche eines Substrates. Die Messvorrichtung weist auf ein Halteelement und ein Luftgelagertes Element, welches an dem Halteelement angebracht ist, welches derart ausgebildet ist, dass zusammen mit der zu inspizierenden Oberfläche des Substrats ein Luftlager bildbar ist, welches eine Elastizität aufweist, sodass das luftgelagerte Element an Unebenheiten der Oberfläche anpassbar ist. Die Messvorrichtung weist ferner auf zumindest einen Sensor, welcher an dem luftgelagerten Element angebracht ist und welcher zum erfassen der Oberfläche des Substrates eingerichtet ist. In Folge der Flexibilität des luftgelagerten Elements kann der zumindest einen Sensor auch bei einer Welligkeit der zu inspizierenden Oberfläche stets in einem konstanten Messabstand relativ zu der Oberfläche bewegt werden. Es wird ferner ein Messverfahren zur Oberflächeninspektion beschrieben, bei dem die beschriebene Messvorrichtung relativ zu der Oberfläche bewegt wird.The DE 10 2006 054 088 A1 discloses a measuring device for inspecting a surface of a substrate. The measuring device has a holding element and an air-bearing element, which is attached to the holding element, which is designed such that together with the surface of the substrate to be inspected an air bearing can be formed, which has an elasticity, so that the air-bearing element on unevenness of the surface is customizable. The measuring device further comprises at least one sensor, which is attached to the air-bearing element and which is adapted to detect the surface of the substrate. As a result of the flexibility of the air-bearing element, the at least one sensor can always be moved at a constant measuring distance relative to the surface, even with a waviness of the surface to be inspected. A surface inspection measuring method is also described in which the measuring device described is moved relative to the surface.

Bleibt die Kapazität C_sen,elec während der Messung konstant, vereinfacht sich die Gleichung 1, dass der erste Summand wegfällt. Es ergibt sich

If the capacitance C _{sen, elec} remains constant during the measurement, equation 1 simplifies that the first summand is omitted. It turns out

In diesem Fall kann an der Sensorelektrode lediglich dann Umladestrom I (C_sen,elec = konstant) gemessen werden, wenn sich die Spannung an der betrachteten Elektrode zeitlich ändert, da der Kondensator als differenzierendes Element wirkt. Folglich ist eine während einer Messzeit zeitlich konstante Elektrodenspannung U_elec auf diesem Wege nicht zu bestimmen. In this case, the charging current I (C _{sen, elec} = constant) can be measured at the sensor electrode only when the voltage at the electrode in question changes over time, since the capacitor acts as a differentiating element. Consequently, a time constant during a measuring electrode _voltage U _elec in this way can not be determined.

Eine indirekte berührungslose Messung einer absoluten Elektrodenspannung wird herkömmlicher Weise mittels Nutzung elektro-optischer Effekte ausgeführt. Ein bekannter Anbieter heißt Photon Dynamics. Ein Einfluss von zusätzlich eingebrachten Kapazitäten auf die zu messende Spannung wird dabei aber weder berücksichtigt, noch werden gegebenenfalls erforderliche Korrekturmaßnahmen beschrieben.An indirect non-contact measurement of an absolute electrode voltage is conventionally carried out by using electro-optical effects. A well-known provider is called Photon Dynamics. However, an influence of additionally introduced capacities on the voltage to be measured is neither taken into account, nor are any necessary corrective measures described.

Prinzipiell können ebenso Ladungsverstärkereinheiten oder jede einem Ladungsverstärker sinngemäß entsprechende Schaltung verwendet werden, um konstante Spannungen indirekt über einen durch eine kapazitive Kopplung hervorgerufenen Stromfluss und damit eine Aufladung von Rückkoppelkondensatoren zu messen. Herkömmliche Ladungsverstärker sind jedoch nicht für Ladungsmengen unter 1 pC einsetzbar. Quasi statische Vorgänge sind in jedem Fall lediglich unter Verwendung weiterer Kompensationsschalungen zur Unterdrückung von Ruheströmen in Folge der verwendeten Operationsverstärker dauerhaft messbar.In principle, charge amplifier units or any circuit corresponding to a charge amplifier can likewise be used to measure constant voltages indirectly via a current flow caused by a capacitive coupling and thus a charging of feedback capacitors. However, conventional charge amplifiers can not be used for charge quantities below 1 pC. In any case, quasi-static processes can only be permanently measured using additional compensation forms for suppressing quiescent currents as a consequence of the operational amplifiers used.

In diesem Zusammenhang spricht man von einem Reset eines Verstärkers, und zwar von einem Setzen einer Ladung des Rückkoppelkondensators auf einen bekannten Wert. Ein vergleichbarer Reset ist ebenso bei einer Messung einer Beeinflussung eines Stromflusses eines Feld-Effekt-Transistors durch Kopplung der Gate-Elektrode des Transistors mit einer Sensor-Elektrode erforderlich. Ein derartiger Reset erfolgt hier allerdings auf ein festes Potential. Der Reset ist für Feld-Effekt-Transistoren unabhängig von der Bauart erforderlich. Zudem beruht ein derartiges herkömmliches Messprinzip jedoch auf einer passiven Sensorelektrode auf floatendem Potential. Gemäß der vorliegenden Anmeldung weist eine Sensorelektrode ein konstantes elektrisches Potential auf, das nicht floated, sodass das soeben beschriebene herkömmliche Messprinzip nicht anwendbar ist.In this context, one speaks of a reset of an amplifier, namely by setting a charge of the feedback capacitor to a known value. A comparable reset is also required in a measurement of an influence of a current flow of a field effect transistor by coupling the gate electrode of the transistor with a sensor electrode. However, such a reset takes place here to a fixed potential. The reset is required for field effect transistors regardless of the type. In addition, however, such a conventional measuring principle is based on a passive sensor electrode at floating potential. According to the present application, a sensor electrode has a constant electrical potential which does not floate, so that the conventional measuring principle just described is not applicable.

Eine weitere Möglichkeit ist eine Nutzung eines sogenannten „CCD fill-and-spill-Prinzips”, wie es beispielsweise ein sogenanntes „potential equilibration method” Verfahren ist, zur Umwandlung der kapazitiv eingekoppelten Spannung in eine dazu proportionale Ladungsmenge. Jedoch befindet sich ebenso bei diesem herkömmlichen Messprinzip die Sensorelektrode auf floatendem Potential.Another possibility is a use of a so-called "CCD fill-and-spill principle", as it is, for example, a so-called "potential equilibration method" method for converting the capacitively coupled voltage into a proportional charge amount. However, also in this conventional measuring principle, the sensor electrode is at floating potential.

Es ist damit Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Messung eines konstanten elektrischen Potentials an einer Zielelektrode mittels einer kapazitiv zur Zielelektrode gekoppelten, ein konstantes elektrisches Potential aufweisenden Sensorelektrode bereit zu stellen.It is therefore an object of the present invention to provide a device and a method for non-contact measurement of a constant electrical potential at a target electrode by means of a capacitive coupled to the target electrode, a constant electrical potential having sensor electrode ready.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelost.The object is achieved by a device according to the main claim and a method according to the independent claim.

Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen eines konstanten elektrischen Potentials einer Zielelektrode bereitgestellt, wobei die Vorrichtung folgende Einrichtung aufweist: eine ein konstantes elektrisches Potential aufweisende Sensorelektrode, die zu der Zielelektrode kapazitiv gekoppelt ist; eine Messeinrichtung zur Erfassung eines Stromflusses eines Umladestroms durch zumindest eine mit der Sensorelektrode verbundene elektrische Leitung; eine Einrichtung zur Änderung einer Länge einer Kondensatorstrecke eines aus der Sensorelektrode und der Zielelektrode gebildeten Kondensators.According to a first aspect, there is provided an apparatus for non-contact sensing of a constant electrical potential of a target electrode, the apparatus comprising: a sensor electrode having a constant electrical potential capacitively coupled to the target electrode; a measuring device for detecting a current flow of a recharging current through at least one electrical line connected to the sensor electrode; a device for changing a length of a capacitor path of a capacitor formed from the sensor electrode and the target electrode.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum berührungslosen Erfassen eines konstanten elektrischen Potentials einer Zielelektrode bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: kapazitives Koppeln einer ein konstantes elektrisches Potential aufweisenden Sensorelektrode zu der Zielelektrode; mittels einer Messeinrichtung erfolgendes Erfassen eines Stromflusses eines Umladestroms durch zumindest eine mit der Sensorelektrode verbundene elektrische Leitung; mittels einer Einrichtung zur Änderung einer Länge einer Kondensatorstrecke eines aus der Sensorelektrode und der Zielelektrode gebildeten Kondensators.According to a second aspect, there is provided a method of non-contact detection of a constant electrical potential of a target electrode, the method comprising the steps of: capacitively coupling a sensor electrode having a constant electrical potential to the target electrode; detecting, by means of a measuring device, a current flow of a charge-reversal current through at least one electrical lead connected to the sensor electrode; by means for changing a length of a capacitor path of a capacitor formed by the sensor electrode and the target electrode.

Für eine berührungslose Messung einer konstanten Spannung an einer Zielelektrode mittels einer kapazitiv gekoppelten, auf dauerhaft konstantem Potential festgelegten Sensorelektrode kann lediglich der erste Summand von Gleichung 1 verwendet werde. Für eine konstante Spannung U_d vereinfacht sich Gleichung 1 zu Gleichung 2:

For a non-contact measurement of a constant voltage at a target electrode by means of a capacitively coupled sensor electrode fixed at permanently constant potential, only the first summand of Equation 1 can be used. For a constant voltage U _d , equation 1 simplifies to equation 2:

Es ergibt sich also ein zu der Spannung U_d proportionaler Umladestrom I.This results in a to the voltage U _d proportional Umladestrom I.

Erfindungsgemäß wird eine Änderung einer Länge einer Kondensatorstrecke eines aus betrachteter Zielelektrode und Sensorelektrode gebildeten Kondensators verwendet. Die Änderung der Länge, die ebenso als Modulation bezeichnet werden kann, der Kondensatorstrecke kann beispielsweise durch eine Bewegung der Sensorelektrode in vertikaler Richtung bewirkt werden. Eine Bewegung in horizontaler Richtung führt nicht zu einer Änderung der Kapazität, solange sich eine Projektion der Sensorelektrode auf die betrachtete Zielelektrode in einem eingeschränkten Bereich in deren Fläche befindet und die Sensorelektrode eine entsprechende Schirmung aufweist. Liegt in diesem Bereich eine Bewegung in allen drei Raumrichtungen vor, so führt entsprechend lediglich die Komponente in vertikaler Richtung zu einem Messsignal eines Umladestroms. Besonders vorteilhaft und einfach ist eine Bewegung lediglich in vertikaler Richtung, wobei eine Bewegung grundsätzlich nicht darauf beschränkt ist.According to the invention, a change in a length of a capacitor section of a capacitor formed from the considered target electrode and sensor electrode is used. The change in length, which may also be referred to as modulation, of the capacitor path can be effected, for example, by a movement of the sensor electrode in the vertical direction. A movement in the horizontal direction does not lead to a change in the capacitance, as long as a projection of the sensor electrode on the observed target electrode in a restricted area in the area and the sensor electrode has a corresponding shielding. If there is movement in all three spatial directions in this area, then only the component in the vertical direction leads to a measurement signal of a charge-reversal current. Particularly advantageous and simple is a movement only in the vertical direction, wherein a movement is basically not limited thereto.

Eine erfindungsgemäße Modulation einer Kondensatorstrecke ermöglicht, über eine Messung von Spannungsänderungen hinaus, eine berührungslose direkte Messung von absoluten Potentialen an Elektroden unter Verwendung einer kapazitiv-gekoppelten Sensorelektrode, die auf dauerhaft konstantem Potential eingestellt ist.A modulation of a capacitor line according to the invention allows, beyond a measurement of voltage changes, a contactless direct measurement of absolute potentials at electrodes using a capacitively coupled sensor electrode which is set to a permanently constant potential.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren berücksichtigen einen ersten Fall, bei dem ein Potential an der betrachteten Zielelektrode aus einer Verbindung mit einer Spannungsquelle oder in einem zweiten Fall aus einer auf der Zielelektrode gespeicherten Ladungsmenge sowie kapazitiver Koppelungen zu Nachbarelektroden einschließlich der Sensorelektrode auf definierten Potentialen resultiert.A device according to the invention and a method according to the invention take into account a first case in which a potential at the observed target electrode results from a connection to a voltage source or in a second case from a charge amount stored on the target electrode and capacitive couplings to neighboring electrodes including the sensor electrode at defined potentials ,

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.Further advantageous embodiments are claimed in conjunction with the subclaims.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Sensorelektrode relativ zu der Zielelektrode in einem vorbestimmten Elektrodenabstand einfach mittels einer Positioniereinrichtung positioniert werden. Eine entsprechende Sensorhalterung kann in konstantem Abstand über ein Substrat geführt werden, wie es beispielsweise die vorstehend genannte DE 10 2006 054 088 A1 offenbart.According to an advantageous embodiment, the sensor electrode can be positioned relative to the target electrode in a predetermined electrode spacing simply by means of a positioning device. A corresponding sensor holder can be guided at a constant distance over a substrate, as for example the above-mentioned DE 10 2006 054 088 A1 disclosed.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Verarbeitungseinrichtung zur Ermittlung des Potentials der Zielelektrode mittels des erfassten Umladestroms bereitgestellt werden. Diese Ausgestaltung berücksichtigt den ersten und den zweiten Fall. Im ersten Fall kann für den Umladestrom Gleichung 2 gelten. Im zweiten Fall kann für den Umladestrom eine in Verbindung mit 1 beschriebene Gleichung 4 gelten.According to an advantageous embodiment, a processing device for determining the potential of the target electrode by means of the detected recharging current can be provided. This embodiment takes into account the first and the second case. In the first case, equation 2 applies to the charge-reversal current. In the second case, for the Umladestrom one in conjunction with 1 Equation 4 described above apply.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der zweite Fall berücksichtigt werden, dass das Potential der Zielelektrode nicht fest mittels einer Spannungsquelle erzeugt ist, sondern floatend infolge einer auf der Zielelektrode gespeicherten Ladungsmenge und infolge von Koppelkapazitäten zu definierte elektrische Potentiale aufweisenden Nachbarelektroden der Zielelektrode. Eine Messung mit der Sensorelektrode bewirkt in diesem Fall, dass das Potential der Zielelektrode im Vergleich zum ursprünglichen Wert als zu klein bestimmt wird. Zur Berücksichtigung dieses Einflusses der Sensorelektrode auf die Messung kann die Verarbeitungseinrichtung zur Berechnung des Potentials der Zielelektrode einen aus einem Verhältnis von der Kapazität des Kondensators zur Summe aller Koppelkapazitäten einschließlich der Kapazität des Kondensators berechneten Korrekturfaktor verwenden. Eine Beeinflussung eines Potentials einer betrachteten Zielelektrode durch eine Sensorelektrode kann somit einfach berücksichtigt werden.According to a further advantageous embodiment, the second case can be taken into account that the potential of the target electrode is not fixedly generated by means of a voltage source, but floating due to a charge stored on the target electrode and due to coupling capacitances to defined electric potentials having adjacent electrodes of the target electrode. In this case, a measurement with the sensor electrode causes the potential of the target electrode to be determined to be too small compared to the original value. To take account of this influence of the sensor electrode on the measurement, the processing device for calculating the potential of the target electrode can use a correction factor calculated from a ratio of the capacitance of the capacitor to the sum of all coupling capacitances including the capacitance of the capacitor. An influence of a potential of a considered target electrode by a sensor electrode can thus be easily taken into account.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Einrichtung zur Erhöhung des Potentials der Sensorelektrode in Form eines Spannungssprungs und es kann eine Einrichtung zur Erfassung eines aus dem Spannungssprung resultierenden Spannungsrückstoßes an der Zielelektrode und die Verarbeitungseinrichtung zur Berechnung des Korrekturfaktors aus einem Verhältnis von einer Größe des Spannungsrückstoßes zu einer Größe des Spannungssprungs bereitgestellt sein.According to a further advantageous embodiment, means for increasing the potential of the sensor electrode may be in the form of a voltage jump and means for detecting a voltage recoil resulting from the voltage jump at the target electrode and the processing means for calculating the correction factor from a ratio of a magnitude of the voltage recoil be provided a magnitude of the voltage jump.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Einrichtung zur Simulation einer alle Elektroden aufweisenden Anordnung zur Bestimmung von jeweiligen Korrekturfaktoren in Abhängigkeit von jeweiligen Zielelektroden auf der Anordnung bereitgestellt sein. Besonders vorteilhaft werden insbesondere im vorstehend genannten zweiten Fall gegebenenfalls notwendige Korrekturfaktoren mittels einer Finite-Elemente-Simulation einer jeweiligen Elektrodenanordnung und deren spezielle Auswertung erzeugt. Es kann eine Messung einer Spannung einer floatenden Zielelektrode in Folge einer Hinzunahme von Ergebnissen einer geeigneten Simulation einer Elektrodenanordnung, wie es beispielsweise ein AMLCD-Substrat ist, ohne systematische Fehler ermöglicht werden. Die Ergebnisse der Simulation können beispielsweise als Korrekturfaktoren tabellarisch hinterlegt und während einer Messung abgerufen werden. Die Gewinnung der relevanten Korrekturfaktoren erfolgt dabei unabhängig von der Anzahl der Elektroden der untersuchten Anordnung jeweils in nur einem Berechnungsschritt.According to a further advantageous embodiment, a device for simulating an arrangement having all the electrodes can be provided for determining respective correction factors as a function of respective target electrodes on the arrangement. In the second case mentioned above, if necessary, necessary correction factors are particularly advantageous by means of a finite element method. Simulation of a respective electrode assembly and their special evaluation generated. It may be possible to measure a voltage of a floating target electrode as a result of adding results of a suitable simulation of an electrode assembly, such as an AMLCD substrate, without systematic errors. The results of the simulation can, for example, be tabulated as correction factors and retrieved during a measurement. The acquisition of the relevant correction factors is carried out regardless of the number of electrodes of the examined arrangement in each case in only one calculation step.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Einrichtung zur Änderung der Länge der Kondensatorstrecke ein schwingungsfähiges Element zur Aufnahme der Sensorelektrode aufweisen, wobei das schwingungsfähige Element über mechanische oder elektromagnetische Kräfte zu Schwingungen anregbar sein kann. Eine Anregung einer schwingungsfähigen Sensorelektrodenhalterung mittels mechanischer oder elektromagnetischer Kräfte, die beispielsweise mittels angelegter elektrischer Wechselspannungen bewirkt werden, bilden eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Modulation der Kondensatorstrecke.According to a further advantageous embodiment, the means for changing the length of the capacitor section may comprise a vibratory element for receiving the sensor electrode, wherein the oscillatory element can be excited to vibrate via mechanical or electromagnetic forces. An excitation of a vibratory sensor electrode holder by means of mechanical or electromagnetic forces, which are effected for example by means of applied alternating electrical voltages, form an advantageous embodiment of a modulation of the capacitor line.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Einrichtung zur Änderung der Länge der Kondensatorstrecke ein piezoelektrisches Element aufweisen, welches mit der Sensorelektrode verbunden sein kann. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine harmonische Änderung der Länge der Kondensatorstrecke in Folge einer Kombination bzw. Verbindung der Sensorelektrode mit einem piezoelektrischen Element. Ein derartiges Piezoelement eignet sich vorteilhaft, um eine harmonische Schwingung mit konstanter Frequenz zu bewirken. Eine Geometrie der Sensorelektrode und gegebenenfalls deren Aufhängung bestimmen dabei die Art des Piezoelements, das beispielsweise ein Dickenschwinger oder ein Längsschwinger sein kann. Die Verwendung von Piezostacks ermöglicht zusätzlich Abstandsvariationen im Bereich von mehreren Mikrometern bis zu Millimetern. Ein in der jeweiligen Anwendung benötigter Hub bzw. eine Amplitude, insbesondere im Mikrometerbereich, sowie die erforderliche Schwingungsfrequenz bestimmen die Eigenschaften des erforderlichen Piezoelements.According to a further advantageous embodiment, the device for changing the length of the capacitor section may comprise a piezoelectric element, which may be connected to the sensor electrode. This embodiment enables a harmonic change in the length of the capacitor path as a result of a combination or connection of the sensor electrode to a piezoelectric element. Such a piezoelectric element is advantageously suitable for effecting a harmonic oscillation with a constant frequency. A geometry of the sensor electrode and optionally its suspension thereby determine the type of piezoelectric element, which may be, for example, a thickness vibrator or a longitudinal oscillator. The use of piezo stacks also allows for distance variations in the range of several microns to millimeters. A required in each application stroke or amplitude, especially in the micrometer range, as well as the required oscillation frequency determine the properties of the required piezoelectric element.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Einrichtung zur Änderung der Länge der Kondensatorstrecke zur Bewegung der Zielelektrode ausgebildet sein. Eine zur Messung während einer Messzeit konstanten Spannung erforderliche Änderung der Länge der Kondensatorstrecke kann ebenso mittels einer Bewegung der betrachteten Zielelektrode bei einer ruhenden Sensorelektrode erfolgen. Besonders vorteilhaft ist eine Verwendung von Schwingungstischen, auf denen zu untersuchende Substrate gelagert werden können.According to a further advantageous refinement, the device for changing the length of the capacitor path can be designed to move the target electrode. A change in the length of the capacitor path which is constant for the measurement during a measuring time can likewise be effected by means of a movement of the target electrode under consideration with a stationary sensor electrode. Particularly advantageous is a use of vibration tables on which substrates to be examined can be stored.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Einrichtung zur Änderung der Länge der Kondensatorstrecke zur Ausführung einer periodischen Bewegung mit einer festen Frequenz vorgesehen sein. Ist eine Bewegung speziell periodischer bzw. harmonischer Natur, kann sich ein zur Spannung U_b proportionaler periodischer bzw. harmonischer Umladestrom I gemäß Gleichung 2 ergeben. Grundsätzlich sind ebenso nicht-periodische bzw. nicht-harmonische Bewegungen einer Sensorelektrode ausführbar, beispielsweise kann eine Bewegung derart bestimmt sein, dass diese einen konstanten Umladestrom um I bewirkt.According to a further advantageous embodiment, the device for changing the length of the capacitor section for carrying out a periodic movement can be provided with a fixed frequency. If a movement is of a specific periodic or harmonic nature, a periodic or harmonic recharging current I proportional to the voltage U _b can result according to equation 2. In principle, non-periodic or non-harmonic movements of a sensor electrode can also be carried out; for example, a movement can be determined such that it causes a constant charge-reversal current around I.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Sensorelektrode luftgelagert an der Positioniereinrichtung derart angebracht sein, dass die Änderung der Länge der Kondensatorstrecke ausführbar ist. Falls die erzeugte Kapazität analytisch nach C_sen,elec ≈ 1 / d bestimmt werden kann, wobei d dem Abstand der Sensorelektrode zur Zielelektrode entspricht, setzt sich ein Frequenzspektrum des Signals des Umladestroms im harmonischen Fall ausschließlich aus Vielfachen der anregenden Frequenz zusammen, wobei die anregende Frequenz am stärksten wirkt. Weitere Bedingungen, unter denen die analytische Lösung verwendet werden kann, sind ein geringer Abstand der Elektroden im Vergleich zu ihrer Ausdehnung sowie die Beschränkung der Spaltbreite zwischen Sensorelektrode und umgebender Schirmung auf einen Wert kleiner als die Länge der Kondensatorstrecke zwischen Sensorelektrode und Zielelektrode. Eine hohe Genauigkeit wird erzielt, wenn die Schirmung den Sensorbereich um das Fünffache des Abstands in allen Richtungen überlappt. Eine Ausdehnung der betrachteten Zielelektrode sollte größer oder gleich der Ausdehnung der Schirmung sein. Zudem sollte der Abstand zwischen Schirmung und Sensorbereich ein Fünftel einer Länge der Kondensatorstrecke zwischen Sensorelektrode und Zielelektrode betragen. Mittels eines Piezoelements kann die Sensorelektrode in einen dauerhaften Schwingungszustand versetzt werden. Aus Geschwindigkeit und Substratstruktur kann sich bei entsprechender Sensorelektrode ein zeitliches Messfenster ergeben, indem die vorstehend genannten Bedingungen zur Anwendung der analytischen Lösungen erfüllt sind.According to a further advantageous embodiment, the sensor electrode can be mounted air-bearing on the positioning device such that the change in the length of the capacitor section is executable. If the capacity generated analytically after C _{sen, elec} ≈ 1 / d can be determined, where d corresponds to the distance of the sensor electrode to the target electrode, a frequency spectrum of the signal of the recharging current in the harmonic case is composed exclusively of multiples of the exciting frequency, with the exciting frequency acts most. Other conditions under which the analytical solution can be used are a small distance of the electrodes compared to their extent and the restriction of the gap width between the sensor electrode and the surrounding shielding to a value smaller than the length of the capacitor gap between the sensor electrode and the target electrode. High accuracy is achieved when the shield overlaps the sensor area five times the distance in all directions. An extension of the considered target electrode should be greater than or equal to the extent of the shielding. In addition, the distance between the shield and the sensor area should be one fifth of a length of the capacitor gap between the sensor electrode and the target electrode. By means of a piezoelectric element, the sensor electrode can be set in a permanent oscillation state. From the speed and substrate structure, a time measurement window can result for a corresponding sensor electrode by fulfilling the abovementioned conditions for the application of the analytical solutions.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein auf eine Anregungsfrequenz der Änderung der Länge der Kondensatorstrecke abgestimmtes Bandpassfilter zur Filterung eines durch die Messung des Potentials der Zielelektrode gewonnenen Messsignals bereitgestellt sein. Gemäß dieser Ausgestaltung kann eine Rauschunterdrückung bei einer Messsignaländerung mit der Frequenz der Anregung oder einer definierten Frequenz wirksam ausgeführt werden.According to a further advantageous refinement, a bandpass filter tuned to an excitation frequency of the change in the length of the capacitor path can be used to filter a bandpass filter by measuring the Potential of the target electrode obtained measurement signal may be provided. According to this embodiment, noise suppression at a measurement signal change with the frequency of the excitation or a defined frequency can be effectively performed.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein lineares elektrisches Netzwerk zur Erfassung des Stromflusses des Umladestroms vorgesehen sein. Eine mögliche Nutzung eines linearen elektrischen Netzwerks zur Erfassung des Messsignals ist zum Vergleich einer herkömmlichen Spannungsmessung mittels elektro-optischer Effekte dahingehend vorteilhaft, dass eine Nutzung schwer beherrschbarer nicht-linearer Effekte vermieden werden kann. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass eine zeitliche Änderung der Kapazität des Kondensators eine nicht-lineare Funktion der Anregung sein kann, dies bewirkt vorteilhaft höhere Spannungsamplituden, jedoch ist das Messsignal immer direkt proportional zur anliegenden Spannung.According to a further advantageous embodiment, a linear electrical network may be provided for detecting the current flow of the charge-reversal current. A possible use of a linear electrical network for detecting the measurement signal is advantageous in comparison to a conventional voltage measurement by means of electro-optical effects in that the use of difficult-to-control non-linear effects can be avoided. In this context, it is pointed out that a temporal change in the capacitance of the capacitor can be a non-linear function of the excitation, this advantageously causes higher voltage amplitudes, but the measurement signal is always directly proportional to the applied voltage.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann bei einem linearen Netzwerk zur Erfassung ein elektrisch parallel zu einem Kondensator einer Ladungsverstärkerschaltung angeschlossener elektrischer Widerstand zur Kompensation von Ruheströmen und Offset-Spannungen bereitgestellt sein. Da gemäß der vorliegenden Erfindung ein stationäres Spannungssignal in einer dynamischen Messung gewonnen wird, kann ein elektrischer Widerstand, der einen Rückkoppelkreis generell erweitert, parallel zu einem Kondensator einer Ladungsverstärkerschaltung geschaltet werden. Dieser Widerstand bewirkt eine Kompensation aller Störeinflüsse eines Verstärkers wie beispielsweise Ruheströme oder Offset-Spannungen bewirkt. Ein derartiger elektrischer Widerstand ist bei einer Messung stationärer Signale aus einer Ladungsverstärkerschaltung nicht möglich. Da das stationäre Spannungssignal erfindungsgemäß in einer dynamischen Messung gewonnen wird, kann die Verwendung einer Ladungsverstärkerschaltung und eine in diesen Fällen notwendige Reset-Funktion entfallen.According to a further advantageous refinement, in the case of a linear network for detection, an electrical resistor connected in parallel with a capacitor of a charge amplifier circuit for compensating quiescent currents and offset voltages can be provided. According to the present invention, since a stationary voltage signal is obtained in a dynamic measurement, an electrical resistance generally expanding a feedback circuit can be switched in parallel with a capacitor of a charge amplifier circuit. This resistor causes a compensation of all disturbances of an amplifier such as quiescent currents or offset voltages causes. Such an electrical resistance is not possible in a measurement of stationary signals from a charge amplifier circuit. Since the stationary voltage signal is obtained according to the invention in a dynamic measurement, the use of a charge amplifier circuit and a reset function necessary in these cases can be dispensed with.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:The invention will be described in more detail by means of exemplary embodiments in conjunction with the figures. Show it:

1 ein Ersatzschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 1 an equivalent circuit diagram of a first embodiment of a device according to the invention;

2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; 2 a second embodiment of a device according to the invention;

3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 an embodiment of a method according to the invention.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Mittels der Vorrichtung erfolgt ein berührungsloses Erfassen eines konstanten elektrischen Potentials einer Zielelektrode 1, die beispielsweise eine Pixelelektrode sein kann. Die Vorrichtung weist folgende Einrichtungen auf: Eine Positioniereinrichtung 2 zum Positionieren einer ein konstantes elektrisches Potential aufweisenden Sensorelektrode 3 relativ zu der Zielelektrode 1 in einem vorbestimmten Elektrodenabstand zur kapazitiven Kopplung der Sensorelektrode 3 mit der Zielelektrode 1; eine Messeinrichtung 5 zur Erfassung eines Stromflusses eines Umladestroms I durch zumindest eine mit der Sensorelektrode 3 verbundenen elektrischen Leitung 7; eine Einrichtung 9 zur mechanischen Modulation einer Kondensatorstrecke 11 eines aus der Sensorelektrode 3 und der Zielelektrode 1 gebildeten Kondensators 13. Zudem zeigt 1 eine Verarbeitungseinrichtung 15 zur Berechnung des Potentials der Zielelektrode 1 mittels des erfassten Umladestroms I. 1 zeigt den vorstehend genannten zweiten Fall, bei dem das Potential der Zielelektrode 1 mittels einer auf der Zielelektrode 1 gespeicherten Ladungsmenge und mittels Koppelkapazitäten 17 zu definierte elektrische Potentiale aufweisenden Nachbarelektroden 19 der Zielelektrode 1 floatend erzeugt ist. In diesem zweiten Fall ist die Beeinflussung des Potentials der betrachteten Zielelektrode 1 durch die Sensorelektrode 3 zu berücksichtigen. Als Beispiel einer floatenden Zielelektrode 1 kann eine Pixelelektrode eines AMLC-Display-Substrats einschließlich den die Pixelelektrode umgebende Gate- und Daten-Leitungen betrachtet werden, wobei die Pixelelektrode über einen Dünnschichttransistor (Thin-Film-Transistor, TFT) angesteuert wird. Sperrt der Transistor, liegt die Pixelelektrode auf einer floatenden Spannung und die Sensorelektrode 3 beeinflusst aufgrund der kapazitiven Kopplung die zu messende Elektrodenspannung. Für die floatende Spannung an der Pixelelektrode und für jede beliebige Elektrode auf floatendem Potential gilt folgende Gleichung 3:

1 shows a first embodiment of a device according to the invention. By means of the device, a contactless detection of a constant electrical potential of a target electrode takes place 1 which may be, for example, a pixel electrode. The device comprises the following devices: A positioning device 2 for positioning a sensor electrode having a constant electric potential 3 relative to the target electrode 1 in a predetermined electrode distance to the capacitive coupling of the sensor electrode 3 with the target electrode 1 ; a measuring device 5 for detecting a current flow of a charge-reversal current I through at least one with the sensor electrode 3 connected electrical line 7 ; An institution 9 for the mechanical modulation of a capacitor line 11 one from the sensor electrode 3 and the target electrode 1 formed capacitor 13 , In addition shows 1 a processing device 15 for calculating the potential of the target electrode 1 by means of the detected Umladestroms I. 1 shows the above-mentioned second case in which the potential of the target electrode 1 by means of a on the target electrode 1 stored charge amount and by means of coupling capacities 17 to defined electric potentials having neighboring electrodes 19 the target electrode 1 is generated floating. In this second case, the influence on the potential of the considered target electrode 1 through the sensor electrode 3 to take into account. As an example of a floating target electrode 1 For example, a pixel electrode of an AMLC display substrate including the gate and data lines surrounding the pixel electrode may be viewed, the pixel electrode being driven by a thin-film transistor (TFT). If the transistor blocks, the pixel electrode is at a floating voltage and the sensor electrode 3 due to the capacitive coupling influences the electrode voltage to be measured. For the floating voltage at the pixel electrode and for any electrode at floating potential the following equation 3 applies:

Hierbei sind Q_pix die Ladung auf der Pixelelektrode,

die zu ihr koppelnden Kapazitäten, einschließlich der der Sensorelektrode 3, die in diesem Ausführungsbeispiel als bereits herangeführt betrachtet werden soll, und

die Spannungen an den kapazitiv koppelnden Elektroden, und zwar der Sensorelektrode 3 und der Nachbarelektroden 19. Die zu messende Spannung U_float ist also eine Funktion der Kapazität 13 zwischen Sensorelektrode 3 und Pixelelektrode C_pix,sen und damit, bei bewegter Sensorelektrode 3 oder alternativ bei bewegter Pixelelektrode, indirekt eine Funktion der Zeit. Eine Änderung der aus Pixelelektrode und Sensorelektrode 3 gebildeten Kapazität C_pix,sen, die der Kapazität des Kondensators 13 entspricht, führt folglich ebenso zu einer zeitlichen Änderung der Spannungsdifferenz zwischen der betrachteten Zielelektrode 1 und der Sensorelektrode 3, da U_d = U_sen – U_float(t) gilt. Eine derartige Änderung kann beispielsweise periodisch sein, sowie ebenso eine Änderung von ungefähr 0 auf eine bestimmte Endkapazität. Zur Beschreibung des hervorgerufenen Umladestroms I müssen folglich beide Summanden der Gleichung (1) herangezogen werden. Man erhält folgende Gleichung 4:

Where Q _{pix is} the charge on the pixel electrode,

the capacitances coupling to it, including the sensor electrode 3 which is to be regarded as already introduced in this embodiment, and

the voltages at the capacitively coupling electrodes, namely the sensor electrode 3 and the neighboring electrodes 19 , The voltage U _float to be measured is therefore a function of the capacitance 13 between sensor electrode 3 and pixel electrode C _{pix, sen} and thus, with moving sensor electrode 3 or alternatively, with the pixel electrode moved, indirectly a function of time. A change in the pixel electrode and sensor electrode 3 formed capacitance C _{pix, sen} , the capacity of the capacitor 13 Consequently, also leads to a temporal change of the voltage difference between the considered target electrode 1 and the sensor electrode 3 since U _d = U _sen _{-U float} (t). Such a change may be, for example, periodic, as well as a change of approximately 0 to a particular final capacity. For describing the induced charge-reversal current I, both terms of equation (1) must therefore be used. The following equation 4 is obtained:

Gleichung (4) gilt sofern Änderungen der Kapazitäten zwischen den Nachbarelektroden 19 und der betrachteten Zielelektrode 1 vernachlässigt werden können. Dies ist gegeben, wenn die Sensorelektrode 3 nicht maßgeblich zu den Nachbarelektroden 19 koppelt. Dies wird durch die Verwendung von Schirmungen 25, wie diese in 2 dargestellt sind, bewirkt. Des Weiteren wird sich die zum Zeitpunkt t = 0 herrschende Spannung U_float(t = 0) lediglich erneut einstellen, wenn die Konfiguration zum Zeitpunkt 0 nach einer bestimmten Zeit T erneut eingenommen wird. Dies gilt, wenn alle Elektroden bis auf die Sensorelektrode 3 ortsfest sind. Es wird darauf hingewiesen, dass U_float(t = 0) bereits den Einfluss der herangeführten Sensorelektrode 3 beinhaltet, also nicht dem aufgrund der Anordnung ohne Sensorelektrode vorgegebenen Wert entspricht. Dieser Einfluss führt bei bewegter Sensorelektrode 3 zum Klammerausdruck in Gleichung 4. Das Verhältnis von C_pix,sen zur gesamten Koppelkapazität

entscheidet über den systematischen Fehler der Messung, und zwar dem Wert, um den U_float zu klein bestimmt wird. Will man den von der Sensorelektrode 3 unbeeinflussten Wert von U_float bestimmen, ergeben sich folgende zwei Möglichkeiten: Entweder man kennt die Summe der gesamten Koppelkapazitäten oder man muss eine Entfernung bestimmen, in der die Kapazität C_pix,sen gegenüber den anderen Koppelkapazitäten vernachlässigbar ist – dies gilt im einfachsten Fall mit U_sen = 0; ansonsten besteht eine Abhängigkeit von U_sen – und der Umladestrom I aber noch messbar bleibt. Denkbar ist hier eine Veränderung der Kapazität 13 mit konstanter Geschwindigkeit oder vorteilhafter mit konstanter Beschleunigung, welche einen definierten Maximalumladestrom I liefern würde. Ein derartiges Vorgehen weist jedoch im Fall von Scanns über Elektrodenanordnungen Nachteile auf, da sich dann eine nicht harmonische Bewegung ergibt. Ein derartiges Vorgehen stellt damit lediglich ein Näherungsverfahren bereit. Gleiches gilt für eine Veränderung der Kapazität 13, die einen konstanten Umladestrom I zur Folge hätte. Eine Bestimmung der Koppelkapazitäten ist für viele komplexe Elektrodenanordnungen, wie es beispielsweise in AMLC-Displays, OLED-Displays und dergleichen sind, messtechnisch nicht realisierbar. Eine Messung unter Vermeidung des systematischen Fehlers macht in diesem Fall lediglich eine begleitende Simulation der Anordnung möglich. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn die Ladung Q_pix und die Koppelkapazitäten, beziehungsweise ihre Summe

bekannt sind, die Spannung an der Sensorelektrode 3 zeitlich so angepasst werden kann, dass U_float unverändert bleibt.Equation (4) applies insofar as changes in the capacitance between the neighboring electrodes 19 and the target electrode under consideration 1 can be neglected. This is given when the sensor electrode 3 not relevant to the neighboring electrodes 19 coupled. This is done by using shields 25 like these in 2 are shown causes. Furthermore, the voltage U _float (t = 0) prevailing at time t = 0 will only set again if the configuration at time 0 is resumed after a certain time T. This is true if all the electrodes except for the sensor electrode 3 are stationary. It should be noted that U _float (t = 0) already has the influence of the brought sensor electrode 3 includes, so does not correspond to the predetermined value due to the arrangement without sensor electrode. This influence leads with moving sensor electrode 3 to the parenthetical expression in Equation 4. The ratio of C _{pix, sen} to the total coupling capacitance

decides on the systematic error of the measurement, namely the value by which the U _{float is} too small. Do you want that from the sensor electrode 3 determine the unaffected value of U _float , the following two possibilities arise: either one knows the sum of the total coupling capacitances or one must determine a distance, in which the capacitance C _{pix, sen} compared to the other coupling capacitances is negligible - this applies in the simplest case with U _sen = 0; otherwise there is a dependence on U _sen - and the Umladestrom I but still remains measurable. Conceivable here is a change in capacity 13 at constant speed or, more advantageously, at constant acceleration, which would provide a defined maximum recharge current I. However, such a procedure has drawbacks in the case of scans via electrode arrangements, since then results in a non-harmonic motion. Such a procedure thus provides only an approximation method. The same applies to a change in capacity 13 which would result in a constant transfer charge I result. A determination of the coupling capacitances is not metrologically feasible for many complex electrode arrangements, as are, for example, in AMLC displays, OLED displays and the like. A measurement while avoiding the systematic error makes in this case only an accompanying simulation of the arrangement possible. It should be noted that if the charge Q _pix and the coupling capacitances, or their sum

are known, the voltage at the sensor electrode 3 can be adjusted in time so that U _float remains unchanged.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Berücksichtigung eines Einflusses der Sensorelektrode 3 auf die Messung eines floatenden Potentials der Zielelektrode 1 ein aus einem Verhältnis der Kapazität des Kondensators 13 zur Summe aller Koppelkapazitäten 17 einschließlich der Kapazität des Kondensators 13 berechneter Korrekturfaktor verwendet. Zur Bestimmung der Koppelkapazitäten wird im Allgemeinen die zu untersuchende Elektrodenanordnung, die beispielsweise die eines LC-Display-Substrat, eines OLED-Substrats, einer gedruckten Elektronik und dergleichen sein kann, auf eine jeweilige kleinstmögliche Einheitszelle reduziert und die parasitären Koppelkapazitäten aus der Feldenergie berechnet. Für n kapazitiv gekoppelter Elektroden werden dabei prinzipiell n Spannungsanordnungen benötigt, um sämtliche Koppelkapazitäten zur betrachteten Zielelektrode 1, die beispielsweise die Pixelelektrode ist, zu berechnen. Da im vorliegenden Fall jedoch lediglich das Verhältnis von C_pix,sen zur Summe der Koppelkapazitäten

einschließlich der der Sensorelektrode 3 als Korrekturfaktor benötigt wird, kann der Aufwand wirksam verringert werden. Dazu wird ein so genannter Voltage-Kickback oder Spannungsrückstoß 23 verwendet. Dazu wird in Form eines Spannungssprungs 21 das Potential der Sensorelektrode 3 erhöht. An der Zielelektrode 1 wird der daraus resultierende Spannungsrückstoß 23 erfasst. Der Korrekturfaktor kann auf einfache Weise aus dem Verhältnis von Größe des Spannungsrückstoßes 23 zur Größe des Spannungssprungs 21 berechnet werden. Mit anderen Worten wirkt ein so genannter Voltage-Kickback oder Spannungsrückstoß 23 folgendermaßen: Durch die i-te Elektrode ergibt sich an der Pixelelektrode beziehungsweise Zielelektrode 1 ein jeweiliger Spannungsstoß von:

der sich aus der Ableitung der Gleichung 3 nach

ergibt.According to the present invention, consideration is given to an influence of the sensor electrode 3 on the measurement of a floating potential of the target electrode 1 one of a ratio of the capacitance of the capacitor 13 to the sum of all coupling capacities 17 including the capacitance of the capacitor 13 calculated correction factor used. In order to determine the coupling capacitances, the electrode arrangement to be examined, which may be, for example, that of an LCD display substrate, an OLED substrate, printed electronics and the like, is reduced to a respective smallest possible unit cell and the parasitic coupling capacitances are calculated from the field energy. In principle, n voltage arrangements are required for n capacitively coupled electrodes in order to obtain all the coupling capacitances to the target electrode under consideration 1 which is, for example, the pixel electrode. However, in the present case, only the ratio of C _{pix, sen} to the sum of the coupling capacities

including the sensor electrode 3 As a correction factor is needed, the effort can be effectively reduced. This will be a so-called voltage kickback or voltage recoil 23 used. This is done in the form of a voltage jump 21 the potential of the sensor electrode 3 elevated. At the target electrode 1 becomes the resulting voltage recoil 23 detected. The correction factor can be easily calculated from the ratio of Magnitude of the voltage recoil 23 to the size of the voltage jump 21 be calculated. In other words, a so-called voltage kickback or voltage recoil works 23 As a result, the i-th electrode results at the pixel electrode or target electrode 1 a respective surge of:

resulting from the derivation of equation 3

results.

Es kann der Korrekturfaktor durch eine einzige Berechnung aus der Höhe des Voltage-Kickbacks beziehungsweise Spannungsrückstoßes 23 an der Pixelelektrode beziehungsweise Zielelektrode 1 unabhängig von der Anzahl der vorhandenen Elektroden berechnet werden. Befinden sich zur Pixelelektrode benachbarte Elektroden auf floatendem Potential, gehen deren Spannungen in Gleichung 3 ein. Dies führt zu einer Verkopplung der Terme, was die Berechnung der Summe der Koppelkapazitäten zu diesen Elektroden erforderlich macht. Für eine Vielzahl von Substrat-Typen können jedoch die Kopplungen der floatenden Pixelelektrode zu anderen floatenden Elektroden vernachlässigt werden. 1 zeigt insbesondere eine Pixelelektrode als Zielelektrode 1 auf floatendem Potential. Unterhalb der Pixelelektrode ist grau unterlegt die mathematische Formel für den Spannungsrückstoß 23 aufgrund des Spannungssprungs 21 dargestellt. Ebenso grau unterlegt ist in 1 neben der Messeinrichtung 5 der Spannungssprung 21 als Spannungsanstieg ΔU dargestellt. Eine Einrichtung zur Erhöhung des Potentials der Sensorelektrode 3 kann beispielsweise eine steuerbare Spannungsquelle sein. Eine Einrichtung zur Erfassung des resultierenden Spannungsrückstoßes 23 kann beispielsweise ein entsprechend angepasstes Voltmeter sein. Die Berechnung des Korrekturfaktors kann vorteilhaft zusätzlich in der Verarbeitungseinrichtung 15 ausgeführt werden. Des Weiteren zeigt 1, dass das Potential der linken Nachbarelektrode 19 mittels einer linken Spannungsquelle U₁ festgelegt ist. Auf der rechten Seite zeigt 1, dass das Potential der rechten Nachbarelektrode 19 mit einer Spannungsquelle U₂ festgelegt wird.It can be the correction factor by a single calculation of the amount of voltage kickback or voltage recoil 23 at the pixel electrode or target electrode 1 regardless of the number of existing electrodes. If electrodes adjacent to the pixel electrode are at floating potential, their voltages enter equation 3. This leads to a coupling of the terms, which requires the calculation of the sum of the coupling capacitances to these electrodes. However, for a variety of substrate types, the couplings of the floating pixel electrode to other floating electrodes may be neglected. 1 in particular, shows a pixel electrode as the target electrode 1 on floating potential. Underneath the pixel electrode, the mathematical formula for the voltage recoil is highlighted in gray 23 due to the voltage jump 21 shown. Also highlighted in gray is in 1 next to the measuring device 5 the voltage jump 21 represented as a voltage increase ΔU. A device for increasing the potential of the sensor electrode 3 may for example be a controllable voltage source. A device for detecting the resulting voltage recoil 23 may for example be a correspondingly adapted voltmeter. The calculation of the correction factor can advantageously additionally in the processing device 15 be executed. Further shows 1 in that the potential of the left neighboring electrode 19 is determined by means of a left voltage source U ₁ . On the right shows 1 that the potential of the right neighbor electrode 19 is set with a voltage source U ₂ .

2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. 2 zeigt einen Ausschnitt der 1, wobei die Positioniereinrichtung 2 zum Positionieren der ein konstantes elektrisches Potential aufweisenden Sensorelektrode 3 relativ zu der Zielelektrode 1 und eine Einrichtung 9 zur mechanischen Modulation einer Kondensatorstrecke 11 eines aus der Sensorelektrode 3 und der Zielelektrode 1 gebildeten Kondensator 13 vergrößert dargestellt sind. Zusätzlich zeigt 2 benachbart zur Sensorelektrode 3 angeordnete Schirmungen 25 sowie ein die Zielelektrode 1 tragendes Substrat 27. Die Positioniereinrichtung 2 ist in 2 als einfache Sensorhalterung dargestellt. Diese kann beispielsweise ein Luftlager entsprechend der Offenbarung der DE 10 2006 054 088 A1 sein. Dazu kann ein Halteelement und ein luftgelagertes Element bereitgestellt sein, welches an dem Halteelement angebracht ist, welches derart ausgebildet ist, dass zusammen mit dem Substrat 27, auf dem die Zielelektrode 1 und die Nachbarelektroden 19 angeordnet sind, ein Luftlager bildbar ist, und welches eine Elastizität aufweist, so dass das luftgelagerte Element an Unebenheiten der Oberfläche des die Zielelektrode 1 und die Nachbarelektroden 19 aufweisenden Substrats 27 anpassbar ist. Des Weiteren ist gemäß 2 die Einrichtung 9 zur mechanischen Modulation der Kondensatorstrecke 11 insbesondere ein piezoelektrisches Element, welches mit der Sensorelektrode 3 mechanisch verbunden ist. Die mechanische Modulation mittels des piezoelektrischen Elements kann insbesondere sinusförmig sein. Alternativ ist es möglich, eine Einrichtung 9 zur mechanischen Modulation zur Bewegung der Zielelektrode 1 auszubilden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind auf dem Piezoelement angrenzend zur Sensorelektrode 3 Schirmungen 25 angeordnet. Auf diese Weise wird vermieden, dass die Sensorelektrode 3 wirksam zu Nachbarelektroden 19 der Zielelektrode 1 koppelt. Auf diese Weise können Änderungen von Kapazitäten zwischen den Nachbarelektroden 19 und der betrachteten Zielelektrode 1 vernachlässigt werden. Auf diese Weise kann ein Umladestrom I mittels Gleichung (4) berechnet werden. Das Substrat 27 kann beispielsweise ein Glassubstrat sein. 2 zeigt eine Sensorelektrode 3 einschließlich Schirmung 25, wobei die Sensorelektrode 3 mit einem Piezoelement 9 verbunden ist und kapazitiv zu einer Pixelelektrode als Beispiel für eine Zielelektrode 1 gekoppelt ist. Gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist aufgrund der Kombination beziehungsweise Verbindung der Sensorelektrode 3 mit einem piezoelektrischen Element 9 eine harmonische Änderung der Kondensatorstrecke 11 realisierbar. 2 shows a second embodiment of a device according to the invention. 2 shows a part of the 1 , wherein the positioning device 2 for positioning the sensor electrode having a constant electrical potential 3 relative to the target electrode 1 and a facility 9 for the mechanical modulation of a capacitor line 11 one from the sensor electrode 3 and the target electrode 1 formed capacitor 13 are shown enlarged. Additionally shows 2 adjacent to the sensor electrode 3 arranged shieldings 25 and a target electrode 1 carrying substrate 27 , The positioning device 2 is in 2 shown as a simple sensor holder. This can for example be an air bearing according to the disclosure of DE 10 2006 054 088 A1 be. For this purpose, a holding element and an air-bearing element may be provided, which is attached to the holding element, which is designed such that, together with the substrate 27 on which the target electrode 1 and the neighboring electrodes 19 are arranged, an air bearing is bildbaren, and which has an elasticity, so that the air-bearing element to unevenness of the surface of the target electrode 1 and the neighboring electrodes 19 having substrate 27 is customizable. Furthermore, according to 2 the device 9 for mechanical modulation of the capacitor line 11 in particular a piezoelectric element which is connected to the sensor electrode 3 mechanically connected. The mechanical modulation by means of the piezoelectric element may in particular be sinusoidal. Alternatively, it is possible to have a facility 9 for mechanical modulation for moving the target electrode 1 train. According to the embodiment according to 2 are on the piezoelectric element adjacent to the sensor electrode 3 shielding 25 arranged. In this way it is avoided that the sensor electrode 3 effective to neighboring electrodes 19 the target electrode 1 coupled. In this way, changes in capacity between the neighboring electrodes 19 and the target electrode under consideration 1 be ignored. In this way, a charge-reversal current I can be calculated by means of equation (4). The substrate 27 may be, for example, a glass substrate. 2 shows a sensor electrode 3 including shielding 25 , wherein the sensor electrode 3 with a piezo element 9 connected and capacitive to a pixel electrode as an example of a target electrode 1 is coupled. According to this second embodiment, due to the combination or connection of the sensor electrode 3 with a piezoelectric element 9 a harmonic change of the capacitor line 11 realizable.

Falls die gebildete Kapazität 13 im modulierten Abstandsbereich analytisch nach C_sen,elec ~ 1 / d bestimmbar ist, wobei d der Länge der Kondensatorstrecke 11 beziehungsweise der Abstand der Sensorelektrode 3 von der Zielelektrode 1 beziehungsweise der Pixelelektrode ist, setzt sich das Frequenzspektrum des Signals des Umladestroms I im harmonischen Fall ausschließlich aus Vielfachen der anregenden Frequenz zusammen, wobei die anregende Frequenz den größten Beitrag liefert. Die Bedingungen, unter denen diese analytische Lösung verwendet werden kann, sind ein geringer Abstand der Elektroden im Vergleich zu ihrer Ausdehnung, sowie die Beschränkung der Spaltbreite zwischen Sensorelektrode 3 und umgebender Schirmung 25 auf einen Wert deutlich kleiner als die Länge der Kondensatorstrecke zwischen Sensorelektrode und Zielelektrode. Eine sehr hohe Genauigkeit wird erzielt, wenn die Schirmung 25 den Sensorbereich um das fünffache dieses Abstands in allen Richtungen überlappt, die Ausdehnung der betrachteten Zielelektrode 1 sollte größer oder gleich der Ausdehnung der Schirmung 25 sein und der Abstand zwischen Schirmung 25 und Sensorbereich ein Fünftel des Plattenabstandes beträgt. Sind Scanns von komplexen Elektrodenanordnungen erforderlich, wie dies beispielsweise bei LCD-Substraten, gedruckter Elektronik und dergleichen der Fall ist, ergibt sich gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 der Vorteil, dass die Sensorelektrode 3 mittels des Piezoelementes 9 in einem dauerhaften Schwingungszustand versetzt werden und die entsprechende Sensorhalterung 2 in konstantem Abstand über das Substrat 27 geführt werden kann. Aus Geschwindigkeit und Substratstruktur ergibt sich bei entsprechender Sensorelektrode 3 ein zeitliches Messfenster, in dem die vorstehend genannten Bedingungen zur Anwendung der analytischen Lösung erfüllt sind. Da eine Anregungsfrequenz des Piezoelements 9 in einem weiten Bereich variiert werden kann, beziehungsweise Piezoelemente 9 mit verschiedenen Resonanzfrequenzen verwendet werden können, lassen sich ebenso bei großen Scanngeschwindigkeiten kleine Strukturen auflösen. Gemäß 2 kann alternativ zur 1 das Potential der Zielelektrode 1 mittels einer Spannungsquelle festgelegt sein. Gemäß 2 ist die Zielelektrode 1 beispielsweise eine Pixelelektrode.If the capacity formed 13 in the modulated distance range analytically C _{sen, elec} ~ 1 / d is determinable, where d is the length of the capacitor section 11 or the distance of the sensor electrode 3 from the target electrode 1 or the pixel electrode, the frequency spectrum of the signal of the charge-reversal current I in the harmonic case is composed exclusively of multiples of the exciting frequency, wherein the exciting frequency provides the largest contribution. The conditions under which this analytical Solution can be used, are a small distance of the electrodes compared to their extent, as well as the limitation of the gap width between the sensor electrode 3 and surrounding shielding 25 to a value significantly smaller than the length of the capacitor gap between the sensor electrode and the target electrode. Very high accuracy is achieved when the shielding 25 the sensor area overlaps five times this distance in all directions, the extent of the target electrode under consideration 1 should be greater than or equal to the extent of the shielding 25 its and the distance between shielding 25 and sensor area is one fifth of the plate spacing. If scans of complex electrode arrangements are required, as is the case, for example, with LCD substrates, printed electronics and the like, according to the second exemplary embodiment, FIG 2 the advantage that the sensor electrode 3 by means of the piezoelectric element 9 be placed in a permanent state of vibration and the corresponding sensor holder 2 at a constant distance over the substrate 27 can be performed. From speed and substrate structure results with appropriate sensor electrode 3 a time window in which the above-mentioned conditions for the application of the analytical solution are fulfilled. As an excitation frequency of the piezoelectric element 9 can be varied within a wide range, or piezo elements 9 can be used with different resonance frequencies, small structures can be resolved at high scanning speeds as well. According to 2 can be used as an alternative to 1 the potential of the target electrode 1 be determined by means of a voltage source. According to 2 is the target electrode 1 for example, a pixel electrode.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Es soll ein konstantes elektrisches Potential einer Zielelektrode 1 berührungslos erfasst werden. Dazu wird ein Verfahren mit folgenden Schritten ausgeführt. Mit einem Schritt S1 erfolgt mittels einer Positioniereinrichtung 2 ein Positionieren einer ein konstantes elektrisches Potential aufweisenden Sensorelektrode 3 relativ zu der Zielelektrode 1 in einem vorbestimmten Elektrodenabstand zur kapazitiven Kopplung der Sensorelektrode 3 mit der Zielelektrode 1. Mit einem zweiten Schritt S2 wird mittels einer Messeinrichtung 5 ein Stromfluss eines Umladestroms I durch zumindest eine mit der Sensorelektrode 3 verbundene elektrische Leitung 7 erfasst. Bei einem dritten Schritt S3 wird mittels einer Einrichtung eine Kondensatorstrecke 11 eines aus der Sensorelektrode 3 und der Zielelektrode 1 gebildeten Kondensators 13 mechanisch moduliert. In einem vierten Schritt S4 kann zusätzlich mittels einer Verarbeitungseinrichtung das Potential der Zielelektrode mittels des erfassten Umladestroms berechnet werden. 3 shows an embodiment of a method according to the invention. It should be a constant electrical potential of a target electrode 1 be detected without contact. For this purpose, a method is carried out with the following steps. With a step S1 by means of a positioning device 2 positioning a sensor electrode having a constant electrical potential 3 relative to the target electrode 1 in a predetermined electrode distance to the capacitive coupling of the sensor electrode 3 with the target electrode 1 , With a second step S2 is by means of a measuring device 5 a current flow of a recharging current I through at least one with the sensor electrode 3 connected electrical line 7 detected. In a third step S3 by means of a device a capacitor line 11 one from the sensor electrode 3 and the target electrode 1 formed capacitor 13 mechanically modulated. In a fourth step S4, the potential of the target electrode can additionally be calculated by means of a processing device by means of the detected recharging current.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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WO 2008/058949 A2 [0005]
DE 102006054088 A1 [0006, 0023, 0045]

Claims

th ( 17 ) including the capacity of the capacitor ( 13 ) used correction factor.

Apparatus according to claim 4, characterized by means for increasing the potential of the sensor electrode ( 3 ) in the form of a voltage jump ( 21 ); a device for detecting a resulting recoil of the voltage ( 23 ) at the target electrode ( 1 ); the processing device ( 15 ) for determining the correction factor from a ratio of magnitude of the voltage recoil ( 23 ) to the size of the voltage jump ( 21 ).

Device according to Claim 4 or 5, characterized by a device for simulating all the aforementioned electrodes ( 1 . 3 . 19 ) for determining respective correction factors as a function of respective target electrodes ( 1 ) of the arrangement.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the device ( 9 ) to the change in the length of the capacitor line ( 11 ) a vibratory element for receiving the sensor electrode ( 3 ), wherein the oscillatory element can be excited to vibrate via mechanical or electromagnetic forces.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the device ( 9 ) to the change in the length of the capacitor line ( 11 ) has a piezoelectric element which is connected to the sensor electrode ( 3 ) connected is.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the device ( 9 ) for changing the length of the capacitor section ( 11 ) for moving the target electrode ( 1 ) is trained.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 9 ) to the change in the length of the capacitor line ( 11 ) is provided for performing a periodic movement at a fixed frequency.

Device according to one of the preceding claims 2 to 10, characterized in that the sensor electrode ( 3 ) air-bearing on the positioning device ( 2 ) is mounted such that the change in the length of the capacitor line ( 11 ) is executable.

Device according to one of the preceding claims, characterized by an excitation frequency of the change in the length of the capacitor line ( 11 ) tuned bandpass filter for filtering a by the measurement of the potential of the target electrode ( 1 ) obtained measuring signal ( 5 ).

Device according to one of the preceding claims, characterized by a linear electrical network for detecting the current flow of the charge-reversal current (I).

Apparatus according to claim 13, characterized by an electrical resistor connected in parallel to a capacitor of a charge amplifier circuit for compensating quiescent currents and offset voltages.

Method for the contactless detection of a constant electrical potential of a target electrode ( 1 ), the method comprising the following steps: - Capacitive coupling of a sensor electrode having a constant electrical potential ( 3 ) to the target electrode ( 1 ); By means of a measuring device ( 5 ) detecting a current flow of a recharging current (I) through at least one with the sensor electrode ( 3 ) connected electrical line ( 7 ); characterized by by means (means) 9 ) for changing a length of a capacitor section ( 11 ) one of the sensor electrode ( 3 ) and the target electrode ( 1 ) formed capacitor ( 13 ).

Method according to claim 15, characterized by means of a positioning device ( 2 ) Positioning of the sensor electrode ( 3 ) relative to the target electrode ( 1 ) in a predetermined electrode gap.

Method according to Claim 15 or 16, characterized by determining the potential of the target electrode by means of the processing device by means of the detected recharging current.

A method according to claim 17, characterized in that the potential of the target electrode by means of a charge stored on the target electrode amount and by coupling capacitances to defined electric potentials having adjacent electrodes of the target electrode is generated floating, then to account for an influence of the sensor electrode on the measurement, the processing means for determining of the potential of the target electrode uses a correction factor determined from a ratio of the capacitance of the capacitor to the sum of all coupling capacitances including the capacitance of the capacitor.

A method according to claim 18, characterized by increasing the potential of the sensor electrode in the form of a voltage jump ( 21 ); Detecting a resulting voltage recoil ( 23 ) at the target electrode; Determining the correction factor from a ratio of magnitude of the voltage recoil ( 23 ) to the size of the voltage jump ( 21 ).

A method according to claim 18 or 19, characterized by simulating an arrangement comprising all the aforementioned electrodes for determining respective correction factors as a function of respective target electrodes of the device.

Method according to one of claims 15 to 20, characterized by changing the length of the capacitor section by means of a vibratory element for receiving the sensor electrode, wherein the oscillatory element is excited to vibrate via mechanical or electromagnetic forces.

Method according to one of claims 15 to 21, characterized by changing the length of the capacitor section by means of a piezoelectric element which is connected to the sensor electrode.

Method according to one of claims 15 to 22, characterized by changing the length of the capacitor section by moving the target electrode.

Method according to one of the preceding claims 15 to 23, characterized by changing the length of the capacitor section by means of a periodic movement with a fixed frequency.

Method according to one of the preceding claims 15 to 24, characterized in that the sensor electrode is mounted air-bearing on the positioning device such that the change in the length of the capacitor line ( 11 ) is executable.

Method according to one of the preceding Claims 15 to 25, characterized by filtering, by means of a bandpass filter tuned to an excitation frequency of changing the length of the capacitor path, filtering of a measurement signal obtained by measuring the potential of the target electrode.

Method according to one of the preceding claims 15 to 26, characterized by detecting the current flow of the charging current by means of a linear electrical network.

A method according to claim 27, characterized by compensating quiescent currents and offset voltages by means of an electrical resistance connected in parallel to a capacitor of a charge amplifier circuit.

Method according to one of the preceding claims 15 to 28, characterized by changing the length of the capacitor line for generating a constant charge-reversal current.