DE19927358A1 - Kapazitiver Sensor mit integrierter Meßschaltung - Google Patents

Abstract

Kapazitive Positions-, Abstands- und Winkel-Sensoren entstehen zumeist durch Montage von Elektroden, Meßschaltung, Gehäuse und evtl. Kabel. Die Teile müssen auf Meßaufgabe und -bereich angepaßt sein. Der neue Sensor bietet durch monolithische Integration von Elektroden und Meßschaltung einen Weg zu wesentlich effizienterer und dennoch flexibler Massenfertigung. DOLLAR A Bei einem neuen Sensor handelt es sich um ein IC, bei dem auf einem Substrat (Su) die Meßschaltung (C) mit ihrer Verdrahtung (V) sowie einer Abschirmung (Sc) und einigen Elektroden (E1 bis E3) integriert ist. Das IC kann durch verschiedene Gestaltungen der Elektrodenschicht verschiedene Meßaufgaben wahrnehmen. Diese Personalisierung wird in den letzten Herstellungsschritten vorgenommen; das Vorprodukt ist ein universell einsetzbarer Baustein, der in hohen Stückzahlen produziert werden kann. Die Personalisierung kann durch Programmierbrücken (PB) in der Elektrodenschicht noch erweitert werden. DOLLAR A Der Sensor dient insbesondere der Messung von Größen wie Position, Abstand Winkel etc.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor mit integrierter Meßschaltung, der zu niedrigen Kosten und für verschiedene Meßfunktionen produziert werden kann.

Sensoren nach kapazitivem Meßprinzip werden für eine ganze Reihe von Meßgrößen verwendet, u. a. Abstand, Winkel, Druck und Beschleunigung. Jede Meßgröße, die sich in eine Positionsänderung um­ setzen läßt, kann auch kapazitiv gemessen werden. Wenn die Elektrodenabstände in einem kapazitiven Sensor sehr klein gewählt werden, wird die Empfindlichkeit im Allgemeinen sehr groß. Da kleine Abmes­ sungen durch die Mikrotechnik immer besser beherrscht werden und auch weitere Eigenschaften wie z. B. Temperaturgang und Arbeitstemperaturbereich prinzipbedingt sehr gut sind, werden kapazitive Sensoren immer häufiger sowohl in der Automatisierungstechnik als auch im Automobil eingesetzt.

Stand der Technik

Bei kapazitiven Sensoren ist anzustreben, die Sensorelektroden und die Meßschaltung örtlich nah beieinander anzuordnen, damit das Meßsignal nicht durch ein Verbindungskabel verfälscht wird. Eine solche Verfälschung tritt nicht nur - wie bei allen Signalleitungen - durch äußere elektromagnetische Felder in der Umgebung des Kabels auf, sondern auch durch eine Veränderung der Kabelkapazität. Schon Temperaturänderungen von wenigen °C können die Kapazität eines üblichen Koaxialkabels von 1 m Länge unzulässig verändern. Noch stärker ist der Einfluß von bewegten Kabeln. Wird ein Koaxialkabel durch Bewegungen von Maschinenteilen, an denen sich der Sensor befindet, mitbewegt, so ändert sich stellenweise (insbesondere bei Verbiegung) der Druck auf das Dielektrikum zwischen den Leitern, eine Kapazitätsänderung ist die Folge. Auf die Abschirmung kann aber wegen des Einflusses von Störfeldern nicht verzichtet werden. Selbst wo dies möglich ist, bleibt bei Einzelleitern eine Kapazität zur Umgebung bestehen, die ebenfalls durch Bewegung verändert wird.

Die Entwicklung der Mikroelektronik hat dazu geführt, daß dieses Problem durch eine Meßschaltung gelöst wird, die sich unmittelbar neben dem eigentlichen Sensor befindet, meist in dessen Gehäuse. Der Zusatzaufwand einer Auswerteschaltung (die sich gut in CMOS-Technologie integrieren läßt und kaum externe Bauelemente benötigt) für jeden Sensor einzeln wird kostenmäßig oft bereits durch die Möglichkeit kompensiert, ein weniger teures Kabel zu verwenden. Weiterhin kann die Genauigkeit verbessert werden und die Länge des Anschlußkabels verliert an Bedeutung. Dies ist der Stand der Technik für die meisten Meßgrößen, bei denen kapazitive Sensoren zur Anwendung kommen.

Für die Meßgrößen Beschleunigung und Druck ist die Entwicklung in den letzten Jahren zur vollständi­ gen monolithischen Integration von Sensor und Auswerteschaltung gegangen (z. B. DE 196 25 666 C1, Noe et al.). Dazu wird zur Beschleunigungsmessung i. d. R. ein CMOS-Prozeß durch Schritte zur Erzeu­ gung von beweglichen Massen (sog. Oberflächen-Mikromechanik) so erweitert, daß auf dem Silizium- Substrat der Schaltung auch die beweglichen Massen und die Elektroden durch Mikrostrukturierung integriert werden. Es entsteht dadurch ein Chip (Mikrosystem, "smart sensor"), der ohne externe Bau­ elemente die Meßaufgabe vollständig wahrnimmt und direkt mit einem Rechner oder Anzeigegerät verbunden werden kann. Dieser Sensortyp ist allgemein bekannt zur Beschleunigungs- und Drehraten­ messung sowie als Drucksensor.

Aus der US 5 512 836 (Chen et al.) ist weiterhin ein integrierter Rand-Effekt-(fringe effect)-Nähe­ rungssensor bekannt, bei dem ebenfalls auf das Substrat der integrierten Meßschaltung die Elektroden integriert werden. Der Sensor wird hier aber nicht in Oberflächen-Mikromechanik hergestellt, weil ein Näherungssensor keine beweglichen Teile enthält, sondern sich relativ zu einer vom Sensor getrennten Gegenplatte bewegt. Stattdessen werden die Elektroden auf einer Isolationsschicht abgeschieden, die sich auf der Meßschaltung befindet.

Bekannt sind somit drei Formen der räumlichen Integration von Sensor und Meßschaltung bei ka­ pazitiven Sensoren: Einbau in gemeinsames Gehäuse für alle Meßgrößen, monolithische Integration mit (Oberflächen)-Mikromechanik für Beschleunigung, Drehrate und Druck, monolithische Integration nach US 5 512 836 für Rand-Effekt-Näherungssensoren. (Die konkrete Ausführung der Integration wird in der US 5 512 836 nur sehr vage beschrieben, insbesondere technologische Fragen betreffend.)

In Bezug auf Kosten, Handhabung und Genauigkeit kann die räumliche Integration als zwingend not­ wendig für die meisten Anwendungen betrachtet werden; die monolithische Integration demgegenüber als ideal (wenn anwendbar).

Nachteile des Standes der Technik

Alle bisher bekannten kapazitiven Sensoren sind fest auf die Lösung einer bestimmten Meßaufgabe ausgelegt. Ursache ist die Notwendigkeit einer dem Meßproblem angepaßten Elektrodenanordnung. Gleichgültig, ob die Elektroden durch (Mikro)-Lithographietechniken in einer Ebene oder durch Mon­ tage oder andere Techniken erzeugt werden, in jedem Fall wird für jede Meßaufgabe, oft für jeden Meßbereich, ein eigener Entwurf durchgeführt, der sich zumindest in den Abmessungen von anderen Modellen unterscheidet. Ein Anbieter, der schnell für jedes Meßproblem seiner Kunden lieferbereit sein will, muß daher eine große Typenvielfalt an Sensoren am Lager halten, mit allen bekannten Nachtei­ len solcher Lager (gebundenes Kapital, logistischer Aufwand, Veralten des Lagerbestandes bei hoher Innovationsrate) und großer Typenvielfalt (hohe Fertigungskosten). Eine integrierte Schaltung zur Ka­ pazitätsmessung muß ebenfalls an den Meßbereich angepaßt und ggf. kalibriert werden, d. h. auch hier sind Fertigungsschritte erforderlich, die eine Anpassung an die Anwendung darstellen, obwohl die Schaltung zur Kapazitätsmessung selbst universell sein kann. Während die Herstellung von ICs, z. B. gerade zur Kapazitätsmessung, sehr billig möglich ist, insbesondere bei den hohen Stückzahlen, die sich bei universeller Verwendbarkeit erzielen lassen, sind alle weiteren erwähnten Maßnahmen sehr kostenintensiv.

Die Herstellung von Sensoren mit räumlicher Integration von Sensor und Meßschaltung bedeutet eine Montage von drei Teilen, von denen mindestens zwei spezifisch für den Sensortyp gefertigt bzw. vorbereitet werden müssen: 1. Das Gehäuse, 2. die Schaltung (spezifisch: externe Bauelemente zur Meß­ bereichseinstellung, Progammierung (Laser, Programmierstrom etc.) oder Maske zur Personalisierung) und 3. die Elektroden (spezifisches Layout).

Die bekannten monolithisch integrierten Sensoren sind per se spezifisch für ihre Meßaufgabe. Die Montage vereinfacht sich zu einer evtl. Kalibrierung mit nachfolgendem Gehäuseeinbau. Die US 5 512 836 befaßt sich nicht mit den Problemen von Kalibrierung, Meßbereichswahl und Montage.

Aufgabe

Für die folgende Beschreibung der erfindungsgemäßen Aufgabe müssen die kapazitiven Sensoren bezüglich ihrer Zusammenwirkung mit der Sensorumgebung in zwei Gruppen eingeteilt werden:
Gruppe A: Sensoren, deren Meßkapazitäten bestimmungsgemäß durch die geometrische Beschaf­ fenheit der Sensorumgebung beeinflußt werden, d. h. deren elektrisches Meßfeld in dieser Umgebung vorhanden ist. Diese Sensoren messen letztlich alle die Position oder die dielektrischen Eigenschaften bestimmter Objekte (z. B. Gegenplatte beim Näherungssensor) in der Sensorumgebung.
Gruppe B: (komplementär zu A): Sensoren, deren Meßfeld auf den Sensor selbst beschränkt ist und zu deren Aufbau ein beweglicher, jedoch mit dem Sensor fest verbundener Körper (z. B. Membran, seismische Masse) gehört, der sich im Meßfeld befindet. Diese Sensoren messen letztlich alle die Position dieses Körpers.

Die kapazitiven Sensoren können überwiegend, aber nicht ganz, nach Meßgrößen den beiden Grup­ pen zugeordnet werden. Zur Gruppe A gehören in der Regel die Meßgrößen Länge, Position (absolut und inkremental, ein- bis dreidimensional), Abstand, Materialstärke, Oberflächentopologie, Winkel (ab­ solut und inkremental), Neigung, Kraft, Dehnung, Dielektrizitätszahl. Zur Gruppe B gehören in der Regel die Meßgrößen Druck, Schalldruck, Beschleunigung, Drehrate (Winkelgeschwindigkeit ohne Ach­ se), Feuchte. Für die Einteilung ist nur die Definition maßgeblich, nicht die Meßgröße, wie folgendes Beispiel zeigt (Meßgröße Kraft): Ein Gummiklotz mit metallisierten gegenüberliegenden Flächen, der gedrückt wird, gehört in Gruppe B; die berührungslose Messung der Auslenkung einer Fläche eines Verformungskörpers, z. B. an einer Wägezelle, gehört in Gruppe A.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen monolithisch integrierten kapazitiven Sensor so zu gestalten, daß er mit nur geringen Modifikationen für jede Meßaufgabe nach Gruppe A produziert werden kann und dabei folgende vorteilhafte Eigenschaften in sich vereinigt:

• - geringer Herstellungsaufwand
• - geringe Lagerkosten bei hoher Typenvielfalt
• - geringe Kosten pro Stück
• - geringe Kosten pro neu eingeführtem Sensortyp
• - Kalibrierung, Meßbereichs- und Typfestlegung in einem Arbeitsgang
• - dadurch schnelle Reaktion auf geänderte Kundenwünsche möglich
• - kommerzielle Halbleiterfertigung voll nutzbar (ASIC-Foundry)
• - berührungslose Messung
• - geringe Baugröße
• - einfache Montage in Standardgehäuse

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das Verfahren zur Kapazitätsmessung ist, soweit monolithisch integrierbar, beliebig wählbar und nicht Gegenstand eines Anspruchs.

Mit diesem Sensoraufbau, für den kommerzielle Halbleiterprozesse nur geringfügig bis gar nicht modifiziert werden müssen, werden alle Vorteile entsprechend der Aufgabenstellung erreicht.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ausführungsbeispiel eines kompletten Sensors mit aufgabenspezifischer Metallisierung, Passivierung und beweglichem Körper,

Fig. 2 Ausführungsbeispiel mit anderer Elektrodenisolation,

Fig. 3 Schnitt und Aufsicht mit Stufe in Isolationsschicht,

Fig. 4 Aufsicht mit anderer aufgabenspezifischer Metallisierung, sonst wie Fig. 3.

Als beispielhafte Meßaufgabe wurde für die drei Ausführungbeispiele in Fig. 1 bis 3 ein Positionssensor gewählt, bei dem sich die bewegliche Platte parallel zur Sensoroberfläche bewegen soll. Dieser an sich bekannte Sensortyp mit den Elektroden E1, E2 und E3 sowie der beweglichen Platte (F, "Fahne") mißt primär die absolute Position von F in einer Differenzkondensatoranordnung aus (E1, E2) und (E2, E3). Zusätzlich ist die Messung des Abstandes zwischen der durch F gegebenen und der Elektrodenebene möglich. Dazu wird die Summe der Kapazitäten (E1, E2) und (E2, E3) anstatt der Differenz gebildet. Beide Funktionen lassen sich im Multiplex mit dem gleichen Sensor nutzen. Fig. 2 und 3 zeigen andere Ausführungsformen eines Sensors für die gleiche Meßaufgabe und Elektrodenanordnung, Fig. 4 eine Anordnung mit den Elektroden E1 bis E5, mit der die Position der Fahne (strichliert) in beiden Dimensionen in Zeichenebene gemessen werden kann.

Untersucht man nun eine Vielzahl von bekannten kapazitiven Sensoren der Gruppe A, so stellt man fest, daß sich viele von ihnen durch eine planare Elektrodenanordnung auszeichnen, wobei es große Unterschiede in der Beschaffenheit des beweglichen Körpers gibt. Im Unterschied dazu enthalten die Sensoren der Gruppe B spezielle bewegliche Sensorstrukturen, deren Fertigung nur in Sonderprozes­ sen der Mikrosystemtechnik möglich ist. Diese Strukturen sind nicht für ICs mit Standardprozessen verfügbar.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird nun dadurch gelöst, daß ein IC mit einer oder mehreren Schal­ tungen zur Kapazitätsmessung hergestellt wird, wobei alle üblichen Halbleiterprozesse verwendet wer­ den können. Ein Standard-CMOS-Prozess ist dazu sehr gut geeignet und liefert derzeit (1999) wohl das beste Preis-Performance-Verhältnis für viele Anwendungen. Die oberste Schicht eines solchen IC ist eine Passivierung, die normalerweise dem Zweck dient, die Schaltung gegen Substanzen zu schützen, die aus dem Gehäusematerial oder der Umgebung eindiffundieren können. Verwendet wird dazu ein glasartiges Material ("overglass"). Für die Verwendung als Sensor schließt sich an diesem Punkt eine Nachbearbeitung an. Auf dem Wafer müssen dazu zwei weitere Metallisierungslagen hergestellt wer­ den, die später als nahezu ganzflächige Abschirmung der Elektroden zur Schaltung (erste Lage) und als Elektrodenschicht (zweite Lage) dienen. Zwischen beiden Metallisierungslagen ist eine Isolationsschicht vorzusehen, in der sich einige Kontaktöffnungen befinden. Sie dienen dem Anschluß der Meßschaltung an die Elektroden (an diesen Stellen befindet sich pro Elektrode eine Durchführung in der Abschirmung). In Fig. 1 ist diese Schichtfolge dargestellt: Die aktive Schaltungsschicht (C) im Halbleiter-Substrat (Su) sowie deren Verdrahtungsmetallisierung (V) bilden den Standard-Prozess, auf dem die Schirmmetal­ lisierung (Sc) und die Elektrodenmetallisierung (Elektroden E1 bis E3) nachträglich ergänzt worden sind.

Die einschrittige Fertigung des aufgabenspezifischen, kompfetten Sensors für eine spezifische Meß­ aufgabe aus dem universellen Vorprodukt (IC zur Kapazitätsmessung) wird erreicht, indem das IC bis zur Abscheidung der Elektrodenmetallisierung vorproduziert wird. Mit nur einer Maske wird dann das universelle IC für seine Meßaufgabe personalisiert, indem die jeweils gewünschte Elektrodenform durch die Maskenstruktur erzeugt wird. Zusätzliche Funktionen, die eine "Programmierung" der Meßschal­ tung darstellen, können durch "Programmierbrücken" (PB in Fig. 1) in der Elektrodenebene (und damit durch dieselbe Maske strukturiert) gewonnen werden. Durch aufgabenspezifisch gewähltes Anschließen dieser Brücken an bestimmte Knoten der Schaltung mit Hilfe der Elektrodenschicht kann eine oder mehrere der folgenden Aufgaben erfüllt werden: Kalibrieren der Schaltung (wenn eine Testmessung vorausging, z. B. mit Referenzkapazitäten, die am Waferprober angeschlossen sind), Wahl eines Meß­ bereiches, Wahl einer Sensorkonfiguration (z. B. Brücke, Halbbrücke, Einzelkapazität; mit oder ohne Referenzkondensator intern/extern), Einstellen der Meßfrequenz, Einstellen der Abtastfrequenz (falls A/D-Wandler mitintegriert), Programmierung eines Businferface (falls mitintegriert), Programmierung einer Identifikationsnummer des Sensors, Programmierung von Multiplexern.

Insbesondere bei der bevorzugten CMOS-Realisierung ist die benötigte Chipfläche für eine einzelne Schaltung zur Kapazitätsmessung sehr gering, verglichen mit den Flächen, die in typischen Anwen­ dungen für die Elektroden benötigt werden. Daher ist es sinnvoll, das universelle IC je nach geplanten Anwendungen mit ebenfalls integrierten A/D-Wandlern und Businterfaces sowie mit mehreren Kapa­ zitätsmeßschaltungen zu kombinieren. Mehrere Kapazitätsmeßschaltungen bieten dann die Möglich­ keit, bei Sensoren mit mehreren Meßfunktionen (siehe Ausführungsbeispiel in Fig. 4) parallel statt im Zeitmultiplex zu messen.

Für eine flexible Fertigung, die sehr schnell Sensoren für verschiedene Meßaufgaben nach Bekanntga­ be der Spezifikation liefern kann, ist folgendermaßen vorzugehen: Die Sensor-ICs werden im Standard- Prozeß bis zur Verdrahtungsebene (V) hergestellt und anschließend am Waferprober vermessen. Die Funktionsfähigkeit einzelner ICs wird überprüft und ggf. Kalibrierdaten gewonnen, die für jeden Wafer und jedes IC zunächst zu speichern sind. Nun werden die Abschirmung, die Isolationsschicht und die Elektrodenschicht hergestellt. In dieser Form - mit unstrukturierter Elektrodenschicht - können die ICs vom Hersteller in großen Stückzahlen einheitlich produziert und bis zum Eingang einer Kundenspezifi­ kation gelagert werden. Die nachfolgende Strukturierung der Elektrodenschicht durch Fotolithographie oder Laser bestimmt die Form der Elektroden sowie die Verbindungen an den vorgesehenen Program­ mierbrücken. Da alle aufgabenspezifischen Eigenschaften des Sensors nur durch diese Strukturierung bestimmt werden, ist eine Lieferung fertiger Sensoren innerhalb weniger Tage möglich. Die Strukturie­ rung mit Laser ist für schnelle Ergebnisse besonders geeignet (z. B. "rapid prototyping"), weil es in vielen Anwendungsfällen nicht nötig ist, Material flächig zu entfernen, sondern lediglich Elektrodenflächen durch schmale Lücken von einer Masseumgebung (Rest der Elektrodenschicht) abzutrennen. Dies kann sogar noch nach dem Gehäuseeinbau und dem Bonden und innerhalb von Minuten vorgenommen wer­ den, sofern das Gehäuse offen ist.

Die Ausführung der Metallisierung für den Sensor hängt von der Art des Zugangs zum verwende­ ten Standardprozeß und von der Zahl seiner Metallisierungslagen ab. Ein Sensor-IC benötigt inklusive Elektroden mindestens drei Metallisierungslagen. Üblich sind in der Mikroelektronik zwei bis drei Me­ tallisierungslagen, nur wenige Prozesse verfügen über mehr als drei Lagen. Eine Schaltung kann bereits mit einer Lage ohne grundsätzliche Einschränkung aufgebaut werden, wünschenswert für eine effekti­ ve, platzsparende Verdrahtung insbesondere von Digitalschaltungen sind aber mindestens zwei Lagen allein für die Schaltung. Verfügt nun der Standardprozeß über n Lagen, und werden m Lagen für die Schaltungsverdrahtung reserviert, so lassen sich folgende Fälle unterscheiden:
n-m = 0: Das IC verläßt den Standardprozeß ohne Schirm- und ohne Elektrodenmetallisierung; beide Schichten werden als zusätzliches Prozeßmodul hinzugefügt. Sowohl für Programmierbrücken als auch für den Elektrodenanschluß werden Pads (P in Fig. 1 bis 3) verwendet. Die Stärke der Isolation zwischen Schirm und Elektroden kann frei gewählt werden.
n-m = 1: Die Abschirmung ist die letzte Lage im Standardprozeß; das zusätzliche Prozeßmodul um­ faßt nur die Elektrodenmetallisierung. Für Programmierbrücken und Elektrodenanschluß werden eben­ falls Pads verwendet. Die Stärke der Isolation zwischen Schirm und Elektroden ist durch das Overglass im Standardprozeß bereits festgelegt.
n-m = 2: Alle Metallisierungen gehören zum Standardprozeß; kein zusätzliches Prozeßmodul, aber Möglichkeit zur Unterbrechung des Standardprozeß vor der Elektrodenstrukturierung nötig. Für Pro­ grammierbrücken und Elektrodenanschluß werden Vias verwendet. Die Stärke der Isolation zwischen Schirm und Elektroden ist durch das dünne Oxid im Standardprozeß bereits festgelegt.

Die Entscheidung für einen der drei Fälle ist ein Optimierungsproblem mit folgenden Kriterien: Die Entwicklung eines zusätzlichen Prozeßmoduls stellt eine Einstiegshürde dar, bietet aber die Möglichkeit, mit nahezu allen Standardprozessen zu arbeiten. Die zusätzlichen Metallisierungen können mit gröberer Lithographie hergestellt werden als die heute üblichen Schaltungsmetallisierungen im Sub-µm-Bereich, was Kosten spart. Die freie Wahl der Elekrodenisolation (Is in Fig. 2 und 3), speziell der Materialstärke, bedeutet Kontrolle über die parasitäre Kapazität zwischen Schirm und Elektroden. Diese Kapazität beeinflußt aber den erreichbaren Arbeitsabstand des Sensors: Je größer diese Kapazität (Is dünn), desto geringer ist der Arbeitsabstand, der unter sonst gleichen Rahmenbedingungen (Meßgenauigkeit der Schaltung, Meßaufgabe, Elektrodenabstände) erzielt werden kann, weil das elektrische Feld in einem dünnen Isolator Is stärker wird, im Meßraum oberhalb des Sensors hingegen schwächer. Wird auf das zusätzliche Prozeßmodul verzichtet und ein Standardprozeß mit einer ausreichenden Anzahl von Metallisierungen verwendet, können hingegen Vias anstatt Pads als Programmierbrücken verwendet werden (Platzersparnis) und das Overglass steht bereits als Schutz des Sensors zum Meßraum zur Verfügung. Nachteilig ist in diesem Fall der dünne Isolator sowie die Notwendigkeit, den Prozeß zu unterbrechen, was eine gesonderte Behandlung der Wafer voraussetzt und z. B. eine Herstellung auf einem MPW ("multi project wafer") ausschließt.

Die folgenden Abschnitte befassen sich mit der Technologie dicker Elektrodenisolationen Is und dazugehöriger Elektrodenmetallisierungen. Als Isolationsmaterial ist bevorzugt ein Polyimid (PI) ein­ zusetzen, weil PI bereits in der Mikroelektronik bewährt ist, kein Fotolack verwendet werden muß (lichtempfindliches PI kann durch den Fotoschritt selbst strukturiert werden) und die Herstellung von sog. "single coat"-Schichten von PI bis über 200 µm bereits bekannt ist. Andere Isolatoren, die sich in solchen Schichtdicken herstellen und mikrostrukturieren lassen, sind ebenfalls geeignet. Wie in Fig. 2 und 3 zu erkennen, müssen bei Verwendung eines dicken Isolators Is Vorkehrungen getroffen werden, damit die Elektrodenmetallisierung mit der Schaltung in einer tieferen Chipebene verbunden werden kann. In Fig. 2 ist das Problem durch eine Schräge gelöst, deren Herstellung aber schwierig ist und die außerdem bei sehr dicken Schichten viel Chipfläche verschlingt. Daher ist die Herstellung einer Stufe zu bevorzugen (Fig. 3). In beiden Fällen liegen die Elektroden auf dem dicken Isolator Is, der im Bereich der Anschlußpads bis zum Chiprand entfernt wurde. Auf diese Weise können die Bonddrähte flach herausgeführt werden und stehen weniger über die Elektrodenebene hinaus. Die Überwindung des Höhenunterschiedes kommt in beiden Fällen der Elektrodenmetallisierung zu.

Die Parameter und Eigenschaften einzelner Prozeßschritte bei der Verarbeitung von Polyimidschich­ ten werden u. a. diskutiert in: R. Bischofberger, H. Zimmermann, G. Staufert, Low-cost HARMS process, Sensors and Actuators A61 (1997) pp. 392-399 sowie Peter Berghaus, Bauelemente für die Integrierte Optik auf der Basis von Polymeren, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1994 (Fortschritt-Berichte VDI).

Die zwei im folgenden beispielhaft vorgestellten Prozeßalternativen stehen für eine Vielfalt ähnli­ cher Prozesse. Sie sollen illustrieren, daß bei der Herstellung der Sensoren keine neuen Prozeßschritte entwickelt werden müssen, sondern die Prozeßfolge aus bestehenden Technologieschritten durch Aus­ wahl und Optimierung entsteht. Hauptaufgabe aller Prozeßalternativen ist, die Stufe zwischen der Schaltungsmetallisierung und der Elektrodenmetallisierung zu überwinden, wobei möglichst wenige Prozeßschritte ab der Personalisierung erwünscht sind. Dabei ist zu beachten, daß Fotolack, der durch aufschleudern auf den Wafer gebracht wird, Vertiefungen weitgehend auffüllt und daher bei großen Höhenunterschieden Probleme verursachen kann. Alle Prozesse beginnen mit dem aufschleudern, vor­ trocknen und belichten des PI-Precursors auf den Wafer nach Beendigung des Standardprozesses.

Prozeßalternative I (Fig. 3)

• - PI entwickeln (d. h. strukturieren): Dabei wird am Rand der PI-Struktur die gezackte Kontur aufgebaut, die der Kontaktierung dient. Der gleiche Effekt ist zu erreichen, indem pro Kontakt ein Loch in der PI-Schicht vorgesehen wird.
• - Elektroden schräg aufdampfen: Der Schattenwurf beim Aufdampfen aus Richtung A erzeugt isolierte Metallbrücken zwischen den Ebenen am gezackten PI-Rand. Liegen die Wafer beim Bedampfen auf einem Drehteller, muß stattdessen pro Kontakt ein Loch in der PI-Schicht vor­ gesehen werden.
• - Belacken
• - Personalisieren: Lack belichten und entwickeln, Elektrodenmetall ätzen

Diese Alternative hat den Vorteil größtmöglicher Einfachheit, ist aber wegen der Lackansammlung in den PI-Lücken nur für mittlere PI-Dicken, z. B. 20 µm, geeignet. Die Elektrodenmaske darf auf der Ebene unter dem PI nur sehr grobe Strukturen aufweisen, da sich diese Ebene nicht im Fokus der Belichtungsanlage befindet. Dies ist aber kein Nachteil, weil nur wenige Elektrodenanschlüsse benötigt werden, die sehr breit (z. B. 250 µm) ausgeführt werden können.

Prozeßalternative II

• - Elektroden herkömmlich aufdampfen oder sputtern: Nach diesem Schritt ist der Wafer ganz­ flächig sowohl mit PI als auch mit Elektrodenmetall bedeckt (PI ist noch nicht entwickelt).
• - Belacken
• - Personalisieren: Lack belichten und entwickeln, Elektrodenmetall ätzen
• - PI entwickeln (d. h. strukturieren)
• - Schräg bedampfen (Richtung A), anisotrop ätzen

Vorteil: Dieser Prozeß funktioniert unabhängig von der Höhe von Is. Die Richtung A sollte hier sehr flach gegenüber der Waferebene verlaufen, damit die Schichtdicke des aufgedampften Metalls an der Stufe besonders hoch ist. Dann läßt sich die dünne Schicht über den Elektroden leichter entfernen. Nachteilig an diesem Prozeß ist, daß mehrere Schritte der Personalisierung folgen.

Eine weitere Prozeßalternative besteht in der Verwendung eines galvanisch aufgetragenen Fotolackes. Solche Lacke können Stufen gleichmäßig überdecken, weil der Vorgang des Aufschleuderns durch eine Abscheidung aus einem Bad ersetzt ist. In diesem Fall eignet sich Prozeßalternative I auch für dicke PI-Schichten im Bereich von 200 µm.

Alle Prozesse sind mit einer Versiegelung des Chips mit einer wasserundurchlässigen Schicht zu beenden, damit die PI-Schicht sich nicht durch Wasseraufnahme verändert.

Der ökomonische Hauptnutzen der vorgestellten Erfindung liegt in der Kombination von Massenfer­ tigung der Meß-ICs mit einschrittiger Personalisierung auf die Meßaufgabe sowie in der vollständigen Integration von Elektroden und Meßschaltung, wodurch eine Vielfalt billiger Sensoren ermöglicht wird. Um die Stückzahl der Meß-ICs zu maximieren, ist es von Nutzen, einen Anschluß externer Elektroden vorzusehen (Abschirmung und Elektrodenmetallisierung entfallen dann), damit mit demselben Basis-IC auch Größen wie z. B. der Füllstand in Behältern gemessen werden können, bei denen die Integration der Elektroden aufgrund ihrer Form oder Größe nicht in Betracht kommt. Gleiches gilt für große oder gewölbte Elektroden bei an sich integrationsfähigen Meßgrößen.

Claims (8)

1. Kapazitiver Sensor mit integrierter Meßschaltung, dadurch gekennzeichnet,

• - daß sich auf demselben Substrat (Su), d. h. integriert, mindestens eine integrierte Schaltung zur Kapazitätsmessung und eine Elektrodenanordnung, die in Verbindung mit einem beweglichen Körper Meßkapazitäten bildet, befinden,
• - daß die integrierte Schaltung auf ihrem Substrat mit einem herkömmlichen Halbleiterprozeß wie CMOS, Bipolar, BiCMOS oder SOI herstellbar ist,
• - daß auf der Schaltung nacheinander eine Schirmmetallisierung (Sc), ein Isolator (Is) mit Kontaktöff­ nungen für jede Elektrode sowie eine Elektrodenmetallisierung hergestellt werden, so daß die Elektroden zur Kapazitätsmessung mit der integrierten Schaltung verbunden sind,
• - daß die spezifische Meßaufgabe des einzelnen Sensors erst durch die anschließende Elektrodenstruk­ turierung festgelegt wird,
• - und daß deshalb der integrierte Sensor bis vor der Elektrodenstrukturierung, die in einem der letzten Prozeßschritte und als letzter Lithographieschritt erfolgt, ein universelles Vorprodukt darstellt, welches zur Messung verschiedener physikalischer Größen, je nach Elektrodenstruktur, geeignet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Schaltung neben der Schaltung zur Kapazitätsmessung eine oder mehrere der folgenden Komponenten enthält: Referenz­ quelle, Oszillator, Kalibriernetzwerk, Multiplexer, Referenzkapazitäten, Controller, digitaler Speicher, Businterface.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenmetallisierung mittels zusätzlicher Kontaktöffnungen Schaltungsknoten miteinander verbindet, wodurch die Schaltung in ihrer Funktion oder in Parametern je nach Meßaufgabe durch die Elektrodenstrukturierung verändert wird.

4. Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenstrukturierung durch Laser erfolgt.

5. Sensor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlüsse für externe Elektroden vorhanden sind.

6. Sensor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolationsschicht (Is) mit einer Materialstärke ab der Größenordnung von 10 µm vorhanden ist.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Verbindung der Elektroden zur Schaltung durch Schrägbedampfung an den Rändern der Isolationsschicht (Is) erzeugt wird, wobei der Rand so geformt ist, daß durch Schattenwurf oder durch Löcher in der Isolationsschicht voneinander isolierte Verbindungen entstehen.

8. Sensor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße eine der folgen­ den ist: Länge, Position (absolut und inkremental, ein- bis dreidimensional), Abstand, Materialstärke, Oberflächentopologie, Winkel (absolut und inkremental), Neigung, Kraft, Dehnung, Dielektrizitätszahl.