DE19858828A1 - Kapazitiver Sensor - Google Patents
Kapazitiver SensorInfo
- Publication number
- DE19858828A1 DE19858828A1 DE19858828A DE19858828A DE19858828A1 DE 19858828 A1 DE19858828 A1 DE 19858828A1 DE 19858828 A DE19858828 A DE 19858828A DE 19858828 A DE19858828 A DE 19858828A DE 19858828 A1 DE19858828 A1 DE 19858828A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- electrode
- elements
- sensor according
- substrate body
- spatially
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 72
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 45
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 37
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 31
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 5
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 4
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000012549 training Methods 0.000 description 2
- 101100346656 Drosophila melanogaster strat gene Proteins 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
- G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
- G01L9/0075—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a ceramic diaphragm, e.g. alumina, fused quartz, glass
Abstract
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor mit einer ersten (3) und einer zweiten Elektrode (4), welche einander beabstandet gegenüberliegen und eine Meßkapazität bilden. Die erste Elektrode (3) ist auf einem ersten Substratkörper (1) und die zweite Elektrode (4) auf einem zweiten Substratkörper (2) angeordnet. Wenigstens eine der Elektroden (3, 4) zeigt eine räumliche Struktur dahingehend auf, daß eine ortsauflösende Messung der Kapazität möglich ist. Die räumliche Struktur der Elektrode (3, 4) wird vorzugsweise durch mehrere zueinander parallel angeordnete, streifenförmige Elemente (8) oder durch eine Vielzahl von einander beabstandeter zweidimensional angeordneter Elemente (8) gebildet. Den Elektroden (3, 4) sind in den Substratkörpern (1, 2) integrierte elektronische Auswerteeinheiten (6a, 6b) zugeordnet.
Description
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor mit einer
ersten und einer zweiten Elektrode, welche zueinander beab
standet gegenüberliegen und eine Messkapazität bilden, wobei
die erste Elektrode eine auf einem ersten Substratkörper und
die zweite Elektrode auf einem zweiten Substratkörper angeord
net sind. Der zweite Substratkörper ist im Bereich der zweiten
Elektrode als durch Druck verformbare Membran ausgebildet.
Ein solcher Sensor ist aus der DE 33 10 643 bekannt und kann
sowohl zur absoluten als auch zur relativen Druckmessung ver
wendet werden. Eine weitergehendere, differenziertere Informa
tion ist mit diesem Sensor nicht zu erhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven
Sensor zu schaffen, der eine differenziertere Aussage über die
Messgröße ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen gattungsgemäßen Sensor gelöst,
bei dem wenigstens eine Elektrode räumlich strukturiert ausge
bildet ist und dadurch eine ortsauflösende Messung ermöglicht.
Durch den dadurch gegebenen räumlich differenzierten Kapazi
tätswert oder die räumlich differenzierten Kapazitätswerte ist
es nun möglich, wesentlich differenziertere Aussagen über die
Messgröße oder auch den Zustand des Sensors zu treffen. Bei
spielsweise lässt sich das Profil einer die Messkapazität
durchfließenden Flüssigkeit oder eines Gases anhand der räum
lichen Gliederung der Kapazitätsverteilung bestimmen und dar
stellen. Auch lässt sich durch eine derartige Anordnung die
räumliche Zuordnung der Elektroden zueinander wesentlich dif
ferenzierter darstellen lassen, da nun ein Abweichen aus der
parallelen Anordnung oder ein Gegeneinanderverschieben der
Elektroden erkennbar ist und dadurch bei der Auswertung der
Messsignale berücksichtigt werden kann. Darüber hinaus ist es
möglich, anhand der ortsauflösenden Messung ein Fehlverhalten
des kapazitiven Sensors durch Ermüdung anhand der detektierten
Lageveränderung der Elektroden zueinander zu erkennen und
dadurch einerseits eine Aussage über die Qualität der Messung
selbst und andererseits über die verbleibende Restlebenszeit
des Sensors zu machen. Damit ist es möglich, den erfindungsge
mäßen Sensor rechtzeitig vor einem solchen zu erwartenden
Ausfall auszutauschen und durch einen funktionsfähigen erfin
dungsgemäßen Sensor zu ersetzen.
Durch die räumlich strukturierte Elektrode, die eine Vielzahl
voneinander beabstandeter zweidimensional angeordneter Elemen
te umfasst, kann eine ausgeprägte räumliche Differenzierung
des Messergebnisses erreicht werden. Durch diese zweidimensio
nale Anordnung gelingt es nun, die Messsignale nicht nur in
eine Richtung zu differenzieren, sondern in einer durch die
Substratoberfläche definierte Ebene räumlich differenziert
darzustellen. Dabei hat sich als besonders vorteilhaft her
ausgestellt, die einzelnen Elemente zum einen schachbrettartig
anzuordnen und darüber hinaus diese vorzugsweise nach ihren
physikalischen Eigenschaften (Größe, Material, u.s.w) iden
tisch auszubilden. Dadurch wird eine besonders einfache orts
auflösende Auswertung der Messsignale der einzelnen Elemente
erreicht, da die einzelnen Elemente unter den vergleichbaren
Bedingungen der Gegenelektrode dieselben Messsignale zeigen.
Mithin bestimmt sich der jeweilige Unterschied in den Mess
signalen im Wesentlichen durch die räumlich differenzierte
Struktur der zu messenden Größe bzw. durch die räumlich verän
derliche Struktur des Sensors selbst. Zwar ergibt sich durch
die zweidimensionale Anordnung der Elemente automatisch eine
flächenmäßige Verkleinerung der Elemente und dadurch eine Ver
ringerung der daraus resultierenden Messkapazität, jedoch kann
dieser Nachteil durch entsprechende geeignete Wahl der Signal
verstärker bzw. der elektronischen Auswerteeinheit wettgemacht
werden. Weiterhin wird dieser Nachteil stets dann in Kauf
genommen, wenn ein Erfordernis für das zweidimensional räum
lich differenzierte Messsignal existiert.
Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
die räumlich strukturierte Elektrode aus mehreren zueinander
parallel angeordneten, streifenförmigen Elementen gebildet.
Durch diese Ausbildung der differenzierten räumlichen Struktur
mit mehreren parallelen streifenförmigen Elementen gelingt es,
eine zweidimensionale örtliche Auflösung von einem streifen
förmigem Element zum nächsten streifenförmigen Element zu
erreichen. Durch die Ausbildung als Streifen gelingt es, die
Fläche des streifenförmigen Elementes recht groß zu halten und
dadurch die durch dieses streifenförmige Element bestimmte
räumlich differenzierte Kapazität als Messsignal selbst wie
derum entsprechend der Fläche des streifenförmigen Elementes
groß zu halten. Mithin ist, wenn überhaupt, nur eine begrenzte
Signalverstärkung erforderlich, um dieses kapazitive Mess
signal einer weitergehenden Auswertung zuzuführen. Damit ist
auch ein recht gutes Signal-Rauschverhältnis für dieses räum
lich differenzierte Messsignal gegeben.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt die beab
standeten zweidimensional angeordneten Elemente kreisförmig
oder quadratisch auszubilden, da diese sich sehr vorteilhaft
mit Abstand zueinander anordnen lassen, wobei die durch die
Elemente bedeckte Fläche, bezogen auf die Gesamtfläche der
räumlich strukturierten Elektrode, einem sehr hohen Anteil
ausmacht, welcher bei anderen, für jedes Element individuellen
Gestaltung, nicht erreichbar ist. Demzufolge zeigen derartige
Anordnungen aus kreisförmigen oder quadratischen Elementen bei
zweidimensionalen Anordnungen vergleichbar hohe Kapazitäten,
was zu guten Messsignalen und damit zu aussagekräftigen Mes
sungen führt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungs
gemäßen kapazitiven Sensors ist eine elektronische Anordnung
zur Verarbeitung der Messsignale in einen der Substratkörper
integriert, wobei diese Integration vorzugsweise unterhalb der
Elektrode des betreffenden Substratkörpers erfolgt. Durch
diese Integration, insbesondere als Vertikalintegration, des
kapazitiven Sensors mit der elektronischen Anordnung zur Ver
arbeitung der Messsignale, wird die räumliche Ausnutzung des
kapazitiven Sensors verbessert. Da die Packungsdichte des
Gesamtsystems des kapazitiven Sensors mit der Signalverarbei
tungseinrichtung erhöht wird, wird die Größe des Gesamtsystems
verringert. Zudem werden die Signalwege für die Messsignale
des kapazitiven Sensors verkürzt, wodurch ein störungsfreies
und genaueres Messen bzw. Auswerten der Messgrößen des kapazi
tiven Sensors ermöglicht ist.
Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, in der integrier
ten elektronischen Anordnung zur Verarbeitung der Messsignale
Elemente zur ortsauflösenden Verarbeitung der ortsauflösenden
Messung vorzusehen und diese bevorzugt in enger räumlicher
Nähe zu den einzelnen Elementen der räumlich strukturierten
Elektrode anzuordnen. Dadurch wird ermöglicht, weitgehend oder
vollständig identische Elemente zur ortsauflösenden Verarbei
tung vorzusehen und dadurch einen kaskadierenden Aufbau der
gesamten elektronischen Anordnung der Messsignale zu errei
chen. Dadurch lassen sich einerseits die Kosten für die Ent
wicklung einer solchen Anordnung zur Verarbeitung der Mess
signale wie auch deren Kosten aufgrund von Ausfällen der dif
ferenzierten Elemente zur ortsauflösenden Verarbeitung mit der
damit verbundenen erhöhten Wahrscheinlichkeit von Fehlern und
damit von Ausfällen deutlich senken. Weiterhin lassen sich die
durch die Elemente zur ortsauflösenden Verarbeitung ausge
werteten Messsignale durch eine gemeinsame zentrale Auswertung
auf sehr einfach Weise zusammenfassend auswerten, da jedes
dieser Messsignale durch eine identische oder weitgehend iden
tische ortsauflösende Verarbeitung generiert wurde. Zudem
gelingt es durch die enge räumliche Zuordnung der Elemente zur
ortsauflösenden Verarbeitung zu den Elementen der räumlich
strukturierten Elektrode, die die möglichen Signalverluste auf
dem Weg von der Elektrode zu dem Element zur ortsauflösenden
Verarbeitung auf ein Minimum zu begrenzen. Mithin lässt sich
der Nachteil durch die notwendige flächenmäßige Verkleinerung
der einzelnen Elektrodenelemente zu Erzielung eines räumlich
differenzierten Messsignals stark begrenzen. Dieser Effekt
wird noch verstärkt, wenn die elektronische Anordnung oder die
Elemente zur ortsauflösenden Verarbeitung signalverstärkende
Elemente aufweisen, die bevorzugt in unmittelbarer Nähe der
Elemente der räumlich strukturierten Elektrode angeordnet
sind. In diesem Fall muss das unverstärkte Messsignal nur
einen sehr geringen Signalweg zu der dem jeweiligen Element
zugeordneten Signalverstärkung oder auch Signalverarbeitung
zurücklegen, während das weniger empfindliche, verstärkte
Messsignal ohne größeren Signalverlust einer auch etwas weiter
entfernten elektronischen Anordnung zur Verarbeitung der Mess
signale, welche vorzugsweise als zentrale elektronische An
ordnung für viele Elemente vorgesehen ist, zugeführt werden
kann.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des Sensors ist
der zweite Substratkörper im Bereich der Elektrode als ver
formbare Membran ausgebildet und in dem ersten Substratkörper
die elektronischen Anordnung der Messsignale integriert ist.
Dadurch wird vermieden, dass die elektronische Anordnung durch
das Verformen der Membran während der Messung beeinflusst
werden kann. Weiterhin erweist sich eine derartige Aufglie
derung auch im Hinblick auf die Langzeitstabilität des Sensors
als sehr vorteilhaft, da sich erfahrungsgemäß durch das Ver
formen der Membran im Bereich einer dort integrierten elektro
nischen Anordnung mikroskopisch kleine Risse und Schädigungen
der elektronischen Strukturen im Inneren des Substratkörpers
ergeben, welche zum Ausfall des Sensors führen können.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein erster Teil
der elektronischen Anordnung zur Verarbeitung der Messsignale
im ersten Substratkörper und ein zweiter Teil der elektro
nischen Anordnung in dem zweiten Substratkörper angeordnet.
Hierdurch kann die elektronische Anordnung in den beiden Sub
stratkörpern aufgeteilt werden, so dass durch den erhöhten zur
Verfügung stehenden Raumbereich eine wesentlich umfangreichere
Funktionalität der elektronischen Anordnung in dem kapazitiven
Sensor integriert werden kann. Dieses ist gerade dann vonnö
ten, wenn eine starke räumliche Differenzierung der Messsigna
le erforderlich ist. Dabei hat es sich als vorteilhaft her
ausgestellt, die Elemente zur ortsauflösenden Verarbeitung der
ortsauflösenden Messung in dem Substratkörper anzuordnen, der
die räumlich strukturierte Elektrode zeigt und die restliche
elektronische Anordnung zur Auswertung der Messsignale in dem
anderen Substratkörper unterzubringen. Dadurch ist ein stören
des wechselseitiges Beeinflussen der in den verschiedenen
Substratkörpern untergebrachten Teile der elektronischen An
ordnung zur Verarbeitung der Messsignale weitgehend ausge
schlossen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
wenigstens eine der Elektroden oder ein Teil dieser aus einem
Teil einer Leiterbahn der elektronischen Anordnung zur Ver
arbeitung der Messsignale gebildet. Dies hat den Vorteil, dass
neben den Leiterbahnen für die elektronische Anordnung, welche
für die Verarbeitung der Messsignale erforderlich sind, keine
zusätzlichen leitfähigen Flächen zur Bildung der Elektroden
nötig sind und dadurch bei der Herstellung des Sensors auf die
damit verbundenen Herstellungsschritte der Aufbringung einer
zusätzlichen Metallisierungsebene auf die Substratkörper ver
zichtet werden kann. Durch diese verbindende, synergetische
Nutzung der Leiterbahn oder der Leiterbahnen der elektroni
schen Anordnung zur Verarbeitung der Messsignale, einerseits
als Leiterbahn für diese und andererseits als eine Messkapazi
tät bildende Elektrode, lässt sich eine optimierte Anordnung
für einen erfindungsgemäßen Sensor erreichen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt
der Sensor ein dämpfendes System, das geeignet ist ein Schwin
gen der Membran dahingehend zu verhindern, dass das Schwingen
der Membran zu keiner wesentlichen Beeinträchtigung des Mess
ergebnisses führt. Ein solches dämpfendes System kann dadurch
erreicht werden, dass der Bereich der beweglichen Membran mit
einer Substanz gefüllt ist, die sich einer sehr schnellen
kurzfristigen Lageänderung der Membran widersetzt. Dies kann
beispielsweise durch eine Füllung mit einer Flüssigkeit einer
definierten, nicht zu hohen Viskosität erreicht werden. Wei
terhin ist es möglich, die Membran mit Verstärkungen oder
Rippen zu versehen, die ein Aufschwingen der Membran in einem
bestimmten Frequenzbereich verhindert, indem die Eigenreso
nanzfrequenz der Membran in einen gänzlich anderen Frequenz
bereich als den Frequenzbereich, in dem eine besondere Bela
stung zu erwarten ist, verschoben wird. Weiterhin ist es mög
lich, die Membran mit einem Permanentmagneten zu versehen, der
durch ein äußeres Magnetfeld dahingehend beeinflusst wird,
dass einer Auslenkung der Membran mit dem Magneten aufgrund
einer Schwingung entgegengewirkt wird. Eine derartige Dämpfung
erweist sich gerade im Hinblick auf eine ortsauflösende Analy
se des Messsignals als besonders vorteilhaft, da gerade nach
Ausschluss eines Einwirkens eines ungewünschten Aufschwingens
der Membran auf das örtlich differenzierte Messsignal dieses
sich besonders gut auswerten lässt und die beschriebenen Aus
sagen, wie zu erwartende, verbleibende Restlebenszeit des
Sensors, Auswerten der Qualität der Messergebnisse auf der
Basis der örtlich differenzierten Messergebnisse und ähnli
ches, besonders gut ermöglicht ist.
Es ist vorteilhaft, wenn der Sensor aus Halbleitermaterial,
insbesondere aus Silizium gebildet ist. Dann können der kapa
zitive Sensor und die integrierte Signalverarbeitungseinrich
tung besonders einfach hergestellt werden. Zudem weist das
Silizium zur Bildung der Membran günstige mechanische Eigen
schaften auf. In diesem Fall erweist sich eine Ausbildung des
erfindungsgemäßen Sensors als Druck-, Kraft- oder Beschleuni
gungssensor als besonders geeignet. Hier wirkt der Druck, die
Kraft oder die Beschleunigung auf die durch den Druck, die
Kraft oder die Beschleunigung verformbare Membran, was zu
einer Veränderung der räumlichen Lage der Elektrode führt.
Diese Veränderung bewirkt je nach Richtung und Art der Ein
wirkung der äußeren Einflussgröße ein unterschiedlich örtlich
differenziertes Messsignal, beispielsweise führt eine senk
recht auf die Membran einwirkende Kraft zu keiner seitlichen
Auslenkung der Membran, während durch ein Einwirken einer
schräg dazu verlaufenden äußeren Kraft eine seitliche Ver
schiebung der Membran bewirkt wird und diese zu einem räumlich
differenzierten Messsignal führt, da nun verschiedene Elemente
der räumlich strukturierten Elektrode zur Bildung des Mess
signals beitragen. Im Gegensatz zu den bekannten Kraftsensoren
auf der Basis kapazitiver Sensoren, lässt sich nun der Anteil,
welcher durch den zweiten Substratkörper aufgenommen wird und
nicht zu einer Veränderung des Abstandes der Elektroden führt,
abschätzen und bei der Auswertung berücksichtigen. Auf der
Basis dieser räumlich differenzierten Information lässt sich
damit ein Rückschluss auf die tatsächliche Größe der von außen
einwirkende Kraft ziehen. Mithin ermöglicht der erfindungs
gemäße Sensor eine wesentlich differenziertere Auswertung.
Weiterhin erweist sich eine Ausbildung des erfindungsgemäßen
kapazitiven Sensors als Magnetfeldsensor als besonders ge
eignet. Ein derartiger Magnetfeldsensor zeigt im Bereich der
Membran einen Permanentmagneten, der auf das in seiner Feld
stärke zu bestimmende äußere Magnetfeld durch eine Lagever
änderung reagiert und deren Ausmaß insbesondere unter Verwen
dung der ortsauflösenden Informationen ausgewertet und als
Magnetfeldstärke ausgegeben werden kann.
Auch ist es gerade durch die ortsauflösende Messung möglich,
räumlich differenzierte Strukturen zwischen den die Messkapa
zität bildenden Elektroden aufzulösen und darzustellen. Da
durch wird es nun möglich, das Profil einer durch den kapazi
tiven Sensor fließenden Flüssigkeit oder Gases zu bestimmen,
wie auch anhand der Detektion von Druckänderungen entlang
eines Materialstromes durch die Anordnung die Durchflussge
schwindigkeit oder auch die Durchflussmenge bestimmt werden
kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 einen schematischen Aufbau eines Substratkörpers mit
räumlich strukturierter Elektrode und
Fig. 3 den Aufbau des Substratkörpers mit räumlich struk
turierter Elektrode und elektronischer Anordnung aus
der Fig. 2.
Die Fig. 1 zeigt einen kapazitiven Sensor, der aus einem
ersten Substratkörper 1 und einem zweiten Substratkörper 2
gebildet ist. Auf dem ersten Substratkörper 1 ist eine erste
Elektrode 3 und auf dem zweiten Substratkörper 2 eine zweite
Elektrode 4 derart angeordnet, dass sie zueinander beabstandet
gegenüberliegen und eine Messkapazität bilden.
Der zweite Substratkörper 2 ist derart geformt, dass er im
Bereich der zweiten Elektrode 4 eine Membran 5 aufweist, die
auf Druck verformbar ist. Der Druck wird üblicherweise in
Richtung des Pfeiles A auf die Membran 5 ausgeübt, wodurch
diese entsprechend verformt wird. Die erste Elektrode 3 ist
zur ortsauflösenden Messung räumlich strukturiert ausgebildet.
Sie besteht aus zueinander parallel angeordneten, streifenför
migen Elementen 8. Jedes dieser streifenförmigen Elemente 8
bildet in Zusammenwirkung mit der zweiten Elektrode 4 eine
spezifische Messkapazität. Alle derartigen Messkapazitäten
bilden zusammen das räumlich strukturierte und damit orts
aufgelöste Messsignale. Dieses räumlich differenzierte Mess
signal wird durch eine unterhalb der Elektrode 3 angeordnete
erste elektronische Signalverarbeitungseinrichtung 6a, die die
Messsignale der einzelnen streifenförmigen Elemente 8 durch
enthaltene Verstärkerelemente verstärkt und differenziert nach
der räumlichen Struktur der Elemente 8, differenziert ver
arbeitet. Diese Messsignale werden einer zweiten elektroni
schen Anordnung zur Verarbeitung der Messsignale 6b, welche in
dem zweiten Substratkörper 2 unterhalb der zweiten Elektrode 4
integriert ist, zugeführt und dort endgültig ausgewertet. Die
beiden elektronischen Anordnungen 6a, 6b bilden zusammen die
gesamte elektronische Anordnung zur Auswertung der Messsigna
le, wobei diese Verarbeitung auch die ortsauflösende Verarbei
tung umfasst.
Durch die Integration der elektronischen Anordnungen 6a, 6b
zur Verarbeitung der Messsignale der Elektroden 3, 4 in den
Substratkörpern 1, 2 in unmittelbarer Nähe der Elektroden 3, 4
wird der vorhandene Raum für den kapazitiven Sensor sehr ef
fektiv ausgenutzt, wodurch die Größe des gesamten Systems
reduziert wird. Zudem werden die Signalwege von den Messkapa
zitäten zu den elektronischen Anordnungen 6a, 6b und hier
insbesondere zu den darin integrierten signalverstärkenden
Elementen erheblich verkürzt. Hierdurch kann eine besonders
zuverlässige Auswertung der Messsignale erfolgen.
Wirkt der Druck oder die äußere Kraft nicht in der durch den
Pfeil A dargestellten idealen Weise zentral und senkrecht auf
die Membran 5, sondern in deren Randbereich wie auch schräg
zur Pfeilrichtung A, so bewirkt dies einerseits eine Verschie
bung der zweiten Elektrode 4 in der durch ihre Fläche bestimm
ten Ebene und zum anderen bewirkt dies ein Auslenken der Mem
bran 5 mit der daran angeordneten zweiten Elektrode 4 aus der
Ebene, wie sie durch die Anordnung der zweiten Elektrode 4 in
Fig. 1 beschrieben ist. Damit ist einerseits eine Erhöhung
oder Verminderung des Maßes der Überdeckung der Elektrode 4
und der ihr zugeordneten streifenförmigen Elemente 8 der er
sten Elektrode 3 durch die Verschiebung gegeben und anderer
seits eine Verringerung des Abstandes einzelner Elemente 8 mit
der zweiten Elektrode 4, während andere Elemente 8 den Abstand
zu der zweiten Elektrode 4 vergrößern, was durch ein Ver
schwenken oder Verkanten der zweiten Elektrode 4 mit der Mem
bran 5 gegeben ist. Derart differenzierte räumliche Gegeben
heiten lassen sich durch die räumlich strukturierte Ausbildung
der ersten Elektrode 3 mit den Elementen 8 und der zugeordne
ten elektronischen Anordnung zur Verarbeitung der Messsignale
6a, 6b erkennen und entsprechend auswerten. Im Rahmen dieser
Auswertung lassen sich beispielsweise aufgrund der ortsauflö
senden Auswertung Aussagen über das Maß der Verschiebung und
daraus eine Aussage über die tatsächlich wirkende äußere Kraft
und nicht nur über einen Anteil davon treffen. Weiterhin ist
es möglich, durch eine geeignete Auswertung festzustellen,
inwieweit die Membran in ihrer Elastizität eine Veränderung
erfährt, was eine Aussage über die weitere Haltbarkeit der
Membran und damit der Funktionstüchtigkeit des Sensors er
möglicht.
In dem gewählten Ausführungsbeispiel sind die Substratkörper
1, 2 aus Silizium gebildet. Dadurch wird eine besonders ein
fache Integration der elektronischen Anordnung 6a, 6b ermög
licht. Weiterhin lässt sich in Silizium aufgrund seiner mecha
nischen Eigenschaften eine verformbare Membran 5 recht einfach
realisieren.
Fig. 2 zeigt in einer Draufsicht eine schematische Anordnung
einer Vielzahl voneinander beabstandeter Elemente 8, die ge
meinsam eine räumlich strukturierte Elektrode 3 bilden. Diese
räumlich strukturierte Elektrode 3 ist auf dem Substratkörper
1 angeordnet. Die räumlich strukturierte Elektrode 3 wird
durch zwölf Elemente 8 realisiert, die in einer schachbrett
artigen zweidimensionalen Struktur so angeordnet sind, dass
die einzelnen Elemente 8 zum jeweils benachbarten einen sol
chen Abstand zeigen, dass ein Beeinflussen des einen Elementes
auf das benachbarte Element 8 ausgeschlossen ist. Die zwölf
Elemente 8 zeigen eine quadratische Struktur. Sie sind alle
von gleicher Fläche und zeigen in Verbindung mit der schach
brettartigen Anordnung jeweils gleiche Abstände zu den ihnen
benachbarten Elementen 8. Durch diesen Aufbau lässt sich eine
sehr kostengünstige und sehr packungsdichte räumlich struktu
rierte Anordnung der Elektrode 3 aus den zwölf einzelnen Ele
menten 8 realisieren. Diese Anordnung zeigt keine elektrischen
Zu- oder Ableitungen zu den einzelnen Elementen 8 der Elek
trode 3 auf der Oberfläche des Substratkörpers 1. Dadurch ist
eine Beeinflussung der Zuleitungen auf die Elemente 8, ins
besondere auf die anderen Elemente 8 weitgehend ausgeschlos
sen. Darüber hinaus lassen sich die Elemente 8 in ihrer Ober
fläche aufgrund des Nichtvorhandenseins oberflächlicher Zulei
tungen deutlich vergrößert ausbilden, was die Messsignale
jedes einzelnen Elementes 8 positiv beeinflusst.
Die Fig. 3 zeigt den vertikalen Aufbau des Substratkörpers 1
mit der Elektrode 3 aus der Fig. 2. Von der räumlich struktu
rierten Elektrode 3 sind hier vier einzelne Elemente 8 dar
gestellt. Sie sind auf dem Substratkörper 1 oberflächlich
angeordnet. Jedem Element 8 ist im Inneren des Substratkörpers
1 eine elektronische Anordnung 6c zugeordnet. Diese elektro
nische Anordnung 6c enthält jeweils ein signalverstärkendes
Element 7, wodurch das Messsignal jedes Elementes nur einen
sehr kurzen, unverstärkten Weg zurücklegen muss, bevor es in
dem signalverstärkenden Element 7 verstärkt und durch die
elektronische Anordnung 6c verarbeitet wird. Dabei wird das
Messsignal von dem zugeordneten Element elementeindividuell
bis zu einer bestimmten Verarbeitungstiefe verarbeitet, was
mit einer ortsspezifischen Kennzeichnung verbunden ist. Diese
verarbeiteten Messsignale werden einer gemeinsamen elektro
nischen Anordnung 6d zugeführt, die die Vielzahl der vorab
verarbeiteten Messsignale der Elemente 8 zusammenfasst und in
Zusammensicht differenziert nach den räumlichen Gegebenhei
ten der einzelnen Elemente 8 auswertet. Diese in Fig. 3 dar
gestellte Anordnung zeigt den beispielhaft modularen Aufbau
der ersten Elektrode 3 mit mehreren einzelnen Modulen, die ein
Element 8 mit elektronischer Anordnung 6c, mit signalverstär
kendem Element 7 umfassen und mit der zentralen gemeinsamen
elektronischen Anordnung 6d zur Auswertung der vorverarbeite
ten Messsignale. Dieser kaskadierende, modulare Aufbau er
weist sich als sehr kostengünstig und sehr einfach in der
Herstellung.
1
erster Substratkörper
2
zweiter Substratkörper
3
erste Elektrode
4
zweite Elektrode
5
Membran
6
a, b, c elektronische Anordnung zur Verarbeitung von Mess
sigalen
6
d zentrale elektronische Anordnung zur Verarbeitung
von Messsignalen
7
signalverstärkende Elemente
8
Elemente
Claims (16)
1. Kapazitiver Sensor mit einer ersten und einer zweiten
Elektrode, welche einander beabstandet gegenüberliegen und
eine Messkapazität bilden, wobei die erste Elektrode auf ei
nem ersten Substratkörper und die zweite Elektrode auf einem
zweiten Substratkörper angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens
eine Elektrode (3, 4) zu ortsauflösenden Messung eine Viel
zahl voneinander beabstandeter zweidimensional angeordneter
Elemente (8) umfasst und räumlich strukturiert ausgebildet
ist.
2. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die räum
lich strukturierte Elektrode (3, 4) zueinander parallel an
geordnete, streifenförmige Elemente (8) umfasst.
3. Sensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Viel
zahl der Elemente (8) schachbrettartig angeordnet sind.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Elemen
te (8) kreisförmig ausgebildet sind.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Elemen
te (8) quadratisch ausgebildet sind.
6. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens
in einem der Substratkörper eine elektronische Anordnung zur
Verarbeitung der Messsigenale (6a, 6b, 6c, 6d) integriert
ist.
7. Sensor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die elek
tronische Anordnung zur Verarbeitung der Messsignale (6a, 6b,
6c) unterhalb der Elektrode (3, 4) des jeweiligen Substrat
körpers (1, 2) angeordnet ist.
8. Sensor nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die inte
grierte elektronische Anordnung zur Verarbeitung der Mess
signale (6a, 6c) Elemente zur ortsauflösenden Verarbeitung
der ortsauflösenden Messung umfasst.
9. Sensor nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Elemen
te zur ortsauflösenden Verarbeitung der elektronischen An
ordnung zur Verarbeitung der Messsignale (6a, 6b, 6c) den
einzelnen Elementen (8) der räumlich strukturierten Elektrode
(3) räumlich zugeordnet sind.
10. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite
Substratkörper (2) im Bereich der Elektrode (4) als verform
bare Membran (5) ausgebildet ist und dass die elektronische
Anordnung zur Verarbeitung der Messsignale (6a, 6c) in dem
ersten Substratkörper (1) integriert ist.
11. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass ein erster
Teil der elektronischen Anordnung (6a) in dem ersten Subs
tratkörper (1) und ein zweiter Teil der elektronischen An
ordnung (6b) in einem zweiten Substratkörper (2) angeordnet
ist.
12. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens
eine der Elektroden (3, 4) aus einem Teil einer Leiterbahn
der elektronischen Anordnung (6a, 6b, 6c) gebildet ist.
13. Sensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite
Substratkörper (2) im Bereich der Elektrode (4) als verform
bare Membran (5) ausgebildet ist.
14. Sensor nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor
ein dämpfendes System aufweist, das geeignet ist, ein Schwin
gen der Membran (5) zu verhindern.
15. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor
einen Substratkörper aus Silizium aufweist.
16. Verwendung des Sensors nach einem der vorstehenden An
sprüche als Druck-, als Kraft-, als Beschleunigungs-, als
Magnetfeld oder als Durchflussmengensensor.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19858828A DE19858828A1 (de) | 1998-04-17 | 1998-12-19 | Kapazitiver Sensor |
DE59910240T DE59910240D1 (de) | 1998-04-17 | 1999-03-29 | Kapazitiver Sensor |
EP99106362A EP0950884B1 (de) | 1998-04-17 | 1999-03-29 | Kapazitiver Sensor |
JP11104951A JPH11326091A (ja) | 1998-04-17 | 1999-04-13 | 静電容量センサ |
US09/293,067 US6425289B1 (en) | 1998-04-17 | 1999-04-16 | Capacitive sensor |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19817172 | 1998-04-17 | ||
DE19858828A DE19858828A1 (de) | 1998-04-17 | 1998-12-19 | Kapazitiver Sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19858828A1 true DE19858828A1 (de) | 1999-10-28 |
Family
ID=7864910
Family Applications (3)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19847563A Ceased DE19847563A1 (de) | 1998-04-17 | 1998-10-15 | Kapazitiver Sensor |
DE19858828A Ceased DE19858828A1 (de) | 1998-04-17 | 1998-12-19 | Kapazitiver Sensor |
DE59910240T Expired - Fee Related DE59910240D1 (de) | 1998-04-17 | 1999-03-29 | Kapazitiver Sensor |
Family Applications Before (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19847563A Ceased DE19847563A1 (de) | 1998-04-17 | 1998-10-15 | Kapazitiver Sensor |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE59910240T Expired - Fee Related DE59910240D1 (de) | 1998-04-17 | 1999-03-29 | Kapazitiver Sensor |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6370960B1 (de) |
JP (1) | JPH11326096A (de) |
DE (3) | DE19847563A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1946060A1 (de) * | 2005-08-23 | 2008-07-23 | Continental Teves AG & Co. oHG | Drucksensor für hydraulische medien in kraftfahrzeugbremssystemen und dessen verwendung |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4376425B2 (ja) * | 2000-05-08 | 2009-12-02 | 株式会社ワコム | 可変容量コンデンサ及び位置指示器 |
DE10313738A1 (de) * | 2003-03-27 | 2004-10-07 | Robert Bosch Gmbh | Kapazitiver mikromechanischer Drucksensor |
FR2861187B1 (fr) * | 2003-10-21 | 2006-01-20 | Atmel Grenoble Sa | Dispositif de prise de vue a encombrement reduit |
TWI383130B (zh) * | 2009-07-13 | 2013-01-21 | Univ Nat Taiwan | 電容式壓力感測器裝置及其製造方法 |
JP5527015B2 (ja) * | 2010-05-26 | 2014-06-18 | セイコーエプソン株式会社 | 素子構造体、慣性センサー、電子機器 |
US9016133B2 (en) * | 2011-01-05 | 2015-04-28 | Nxp, B.V. | Pressure sensor with pressure-actuated switch |
FR3081224B1 (fr) | 2018-05-15 | 2020-06-12 | Fogale Nanotech | Dispositif de detection capacitive redondante serie |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4426673A (en) * | 1976-03-12 | 1984-01-17 | Kavlico Corporation | Capacitive pressure transducer and method of making same |
US4422335A (en) * | 1981-03-25 | 1983-12-27 | The Bendix Corporation | Pressure transducer |
JPS5855732A (ja) * | 1981-09-30 | 1983-04-02 | Hitachi Ltd | 静電容量型圧力センサ |
DE3310643C2 (de) | 1983-03-24 | 1986-04-10 | Karlheinz Dr. 7801 Schallstadt Ziegler | Drucksensor |
EP0455070B1 (de) * | 1990-05-02 | 1994-06-22 | Siemens Aktiengesellschaft | Kapazitiver Sensor mit Frequenzausgang |
JP2896725B2 (ja) * | 1991-12-26 | 1999-05-31 | 株式会社山武 | 静電容量式圧力センサ |
JP3319784B2 (ja) * | 1992-09-01 | 2002-09-03 | 松下電工株式会社 | 分電盤 |
FR2701564B1 (fr) * | 1993-02-12 | 1995-05-19 | Suisse Electronique Microtech | Capteur de mesure de pression absolue de type capacitif et procédé de fabrication d'une pluralité de tels capteurs. |
-
1998
- 1998-10-15 DE DE19847563A patent/DE19847563A1/de not_active Ceased
- 1998-12-19 DE DE19858828A patent/DE19858828A1/de not_active Ceased
-
1999
- 1999-03-29 DE DE59910240T patent/DE59910240D1/de not_active Expired - Fee Related
- 1999-04-14 JP JP11106004A patent/JPH11326096A/ja active Pending
- 1999-04-19 US US09/294,162 patent/US6370960B1/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1946060A1 (de) * | 2005-08-23 | 2008-07-23 | Continental Teves AG & Co. oHG | Drucksensor für hydraulische medien in kraftfahrzeugbremssystemen und dessen verwendung |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH11326096A (ja) | 1999-11-26 |
DE19847563A1 (de) | 1999-10-28 |
DE59910240D1 (de) | 2004-09-23 |
US6370960B1 (en) | 2002-04-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69907423T2 (de) | Druckdifferenzwandler | |
DD136897B1 (de) | Kapazitiver messfuehler | |
DE3429250C1 (de) | Auf die Einwirkung einer Kraft ansprechender Sensor | |
EP2106551B1 (de) | Mehrachsiger mikromechanischer beschleunigungssensor | |
DE102009026462A1 (de) | Beschleunigungssensor | |
EP0950884B1 (de) | Kapazitiver Sensor | |
EP0447810B1 (de) | Elektrische Messanordnung zur Messung bzw. Berechnung des Füllstandes oder anderer mechanischer Daten einer elektrisch leitenden Flüssigkeit | |
DE3225554A1 (de) | Messeinrichtung fuer fluidstrahlen | |
DE3205705C2 (de) | Einrichtung zur Messung einer physikalischen Größe mit einer verformbaren Feder | |
DE19858828A1 (de) | Kapazitiver Sensor | |
DE3426165A1 (de) | Kraftmesser | |
EP1677085A2 (de) | Kapazitiver Niveau-Sensor | |
DE3811047A1 (de) | Fuehler zur kapazitiven messung des druckes in gasen | |
EP3063518B1 (de) | Kapazitives sensorelement mit integrierter mess- und referenzkapazität | |
DE202016008592U1 (de) | Sensor | |
DE3245501A1 (de) | Wegaufnehmer | |
DE3701372C2 (de) | ||
EP1145025B1 (de) | Kapazitiver magnetfeldsensor | |
DE4102805A1 (de) | Kapazitiver beschleunigungssensor | |
DD232758A5 (de) | Komplexes messelement fuer kraftmesszellen mit dehnungsmessstreifen | |
DE19806753A1 (de) | Sensormodul | |
DE4232258C2 (de) | Kapazitiver Sensor sowie Sensoranordnung für die Erfassung und Umwandlung mechanischer Größen in elektrische Signale | |
DE3605315A1 (de) | Kraftmesszelle mit kapazitiver wegmessung | |
DE10217859C1 (de) | Neigungsvorrichtung mit einem Pendel | |
DE102006003948B4 (de) | Sensor zur Bestimmung der Stärke und/oder Geschwindigkeit und/oder Richtung einer Strömung eines gas- und/oder dampfförmigen Mediums |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: MICRONAS GMBH, 79108 FREIBURG, DE |
|
8131 | Rejection |