DE19927358A1

DE19927358A1 - Capacitor sensor with an integrated circuit and electrodes manufactured as a monolithic semiconductor unit for use in measuring position, angle, acceleration, angle, etc. can be economically mass produced and customized in final steps

Info

Publication number: DE19927358A1
Application number: DE19927358A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Acker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2000-12-21

Abstract

Capacitor circuit has a monolithic semiconductor substrate (Su) comprising measurement integrated circuit (C), connectors (V), shielding (Sc) and electrodes. (E1-E3). According to design the electrode layer can have be used for varying measurement purposes, with the customization undertaken in the last production steps with a pre-product being a universal component that can be mass produced. The integrated circuit is a semiconductor of form CMOS, bipolar, BiCMOS, SOI etc. and contains components such as reference sources, oscillators, calibration networks, multiplexors, reference capacitors, controllers, digital memory, bus interfaces etc. Customization is undertaken using programming bridges (PB) in the electrode layer.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor mit integrierter Meßschaltung, der zu niedrigen Kosten und für verschiedene Meßfunktionen produziert werden kann.The invention relates to a capacitive sensor with an integrated measuring circuit, which is at low cost and can be produced for various measuring functions.

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.Capacitive measuring principle sensors are used for a whole range of measured variables, including: a. Distance, angle, pressure and acceleration. Every measurand that translates into a change in position can also be measured capacitively. If the electrode spacing is in a capacitive If the sensor is chosen to be very small, the sensitivity is generally very large. Because small dimensions solutions are increasingly mastered by microtechnology and other properties such as e.g. B. temperature response and working temperature range are very good, become capacitive Sensors are being used more and more both in automation technology and in automobiles.

State of the art

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.In the case of capacitive sensors, the aim should be to have the sensor electrodes and the measuring circuit close to one another to be arranged together so that the measurement signal is not distorted by a connecting cable. A such falsification does not only occur - as with all signal lines - through external electromagnetic Fields around the cable, but also by changing the cable capacity. Even changes in temperature of a few ° C can increase the capacity of a conventional coaxial cable of a length of 1 m inadmissible. The influence of moving cables is even stronger. Becomes a Moving coaxial cable through movements of machine parts on which the sensor is located, the pressure on the dielectric between the two changes in places (especially in the case of bending) Ladders, a change in capacity is the result. Due to the influence of Interference fields can not be dispensed with. Even where this is possible, capacity remains with individual conductors exist to the environment, which is also changed by movement.

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.The development of microelectronics has caused this problem to arise through a measurement circuit is solved, which is located directly next to the actual sensor, usually in its housing. The additional effort of an evaluation circuit (which can be easily integrated into CMOS technology and hardly any external components are required) for each sensor is often already cost-effective compensated for the possibility of using a less expensive cable. Furthermore, the accuracy be improved and the length of the connecting cable loses importance. This is the state of the art Technology for most of the measurands that use capacitive sensors.

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.For the measurands acceleration and pressure, the development in recent years has become complete monolithic integration of the sensor and evaluation circuit (e.g. DE 196 25 666 C1, Noe et al.). For this purpose, i. d. Usually a CMOS process through steps to generate movement of moving masses (so-called surface micromechanics) so expanded that on the silicon The substrate of the circuit also the movable masses and the electrodes by microstructuring to get integrated. This creates a chip (microsystem, "smart sensor") that has no external construction the measuring task completely and directly with a computer or display device can be connected. This type of sensor is generally known for acceleration and rotation rates measurement and as a pressure sensor.

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.From US 5 512 836 (Chen et al.) Is an integrated fringe effect near tion sensor known, in which the electrodes are also on the substrate of the integrated measuring circuit to get integrated. The sensor is not manufactured here in surface micromechanics because of a Proximity sensor does not contain any moving parts, but is relative to one that is separate from the sensor Counterplate moved. Instead, the electrodes are deposited on an insulation layer that is on the measuring circuit.

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.)Three forms of spatial integration of sensor and measuring circuit are therefore known at ka capacitive sensors: installation in a common housing for all measurands, monolithic integration with (surface) micromechanics for acceleration, rotation rate and pressure, monolithic integration according to US 5 512 836 for edge-effect proximity sensors. (The concrete execution of the integration will only very vaguely described in US Pat. No. 5,512,836, in particular regarding technological questions.)

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).With regard to costs, handling and accuracy, the spatial integration can be absolutely necessary agile for most applications; in contrast, the monolithic integration as ideal (if applicable).

Disadvantages of the prior art

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.All previously known capacitive sensors are firmly on the solution of a specific measurement task designed. The cause is the need for an electrode arrangement that is adapted to the measurement problem. Regardless of whether the electrodes are used by (micro) lithography techniques in one plane or by Mon days or other techniques are generated, in any case, for every measuring task, often for everyone Measuring range, a separate design carried out, at least in the dimensions of others Models. A provider who is ready to deliver quickly for every measurement problem of his customers wants, must therefore keep a large variety of types of sensors in stock, with all known Nachtei len such stock (tied-up capital, logistical effort, obsolescence of the stock at high Innovation rate) and large variety of types (high manufacturing costs). An integrated circuit for Ka capacitance measurement must also be adapted to the measuring range and calibrated if necessary, d. H. also Here manufacturing steps are necessary, which represent an adaptation to the application, although the Capacitance measurement circuit itself can be universal. While the manufacture of ICs, e.g. B. especially for capacity measurement, is possible very cheaply, especially with the large quantities that can be achieved with universal applicability, all other measures mentioned are very expensive.

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).The production of sensors with spatial integration of sensor and measuring circuit means an assembly of three parts, at least two of which are manufactured specifically for the sensor type or must be prepared: 1. The housing, 2. The circuit (specifically: external components for measurement range setting, programming (laser, programming current etc.) or mask for personalization) and 3. the electrodes (specific 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.The known monolithically integrated sensors are per se specific for their measuring task. The Assembly is simplified to a possible calibration with subsequent housing installation. US 5 512 836 is not concerned with the problems of calibration, measuring range selection and assembly.

task

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.For the following description of the task according to the invention, the capacitive sensors must be divided into two groups with regard to their interaction with the sensor environment:
Group A: sensors whose measuring capacities are intended to be influenced by the geometrical nature of the sensor environment, ie whose electrical measuring field is present in this environment. Ultimately, these sensors all measure the position or the dielectric properties of certain objects (e.g. counter plate for the proximity sensor) in the sensor environment.
Group B: (complementary to A): sensors whose measuring field is limited to the sensor itself and whose structure includes a moving body (e.g. membrane, seismic mass) that is firmly connected to the sensor and is located in the measuring field . Ultimately, these sensors all measure the position of this body.

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.The capacitive sensors can predominantly, but not entirely, measure the two groups be assigned to pen. Group A usually includes the measurands length, position (absolute and incremental, one to three-dimensional), distance, material thickness, surface topology, angle (from solute and incremental), inclination, force, elongation, dielectric constant. Group B includes in the Normally the measured variables pressure, sound pressure, acceleration, rotation rate (angular velocity without axis se), moisture. Only the definition is decisive for the classification, not the measured variable, as follows Example shows (measured variable force): A rubber block with metallized opposite surfaces, the pressed belongs to group B; the non-contact measurement of the deflection of a surface Deformation body, e.g. B. on a load cell belongs in group 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:
The invention has for its object to design a monolithically integrated capacitive sensor so that it can be produced with only minor modifications for each measurement task according to group A and thereby combines the following advantageous properties:

- low manufacturing costs
- Low storage costs with a large variety of types
- low cost per piece
- low costs per newly introduced sensor type
- Calibration, measuring range and type definition in one operation
- This enables quick reaction to changed customer requests
- Commercial semiconductor manufacturing fully usable (ASIC foundry)
- non-contact measurement
- small size
- easy installation in standard housing

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.This object is achieved by a sensor with the features of claim 1. The procedure for capacity measurement, as far as it can be integrated monolithically, can be selected as desired and is not the subject of a claim.

Mit diesem Sensoraufbau, für den kommerzielle Halbleiterprozesse nur geringfügig bis gar nicht modifiziert werden müssen, werden alle Vorteile entsprechend der Aufgabenstellung erreicht.With this sensor structure, for the commercial semiconductor processes only slightly or not at all must be modified, all advantages are achieved according to the task.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Several embodiments of the invention are explained with reference to the drawings. Show it:

Fig. 1 Ausführungsbeispiel eines kompletten Sensors mit aufgabenspezifischer Metallisierung, Passivierung und beweglichem Körper, Fig. 1 embodiment of a complete sensor with task-specific metallisation, passivation and the movable body,

Fig. 2 Ausführungsbeispiel mit anderer Elektrodenisolation, Fig. 2 embodiment with electrodes on the other insulating,

Fig. 3 Schnitt und Aufsicht mit Stufe in Isolationsschicht, Fig. 3 are sectional and plan view with stage in insulation layer,

Fig. 4 Aufsicht mit anderer aufgabenspezifischer Metallisierung, sonst wie Fig. 3. Fig. 4 supervision with other task-specific metallization, otherwise known as 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.As an exemplary measurement task, a position sensor was chosen for the three exemplary embodiments in FIGS . 1 to 3, in which the movable plate is to move parallel to the sensor surface. This type of sensor, known per se, with the electrodes E1, E2 and E3 and the movable plate (F, "flag") primarily measures the absolute position of F in a differential capacitor arrangement (E1, E2) and (E2, E3). In addition, it is possible to measure the distance between the plane given by F and the electrode plane. For this purpose, the sum of the capacitances (E1, E2) and (E2, E3) is formed instead of the difference. Both functions can be used in multiplex with the same sensor. Fig. 2 and 3, other embodiments show a sensor for the same measurement task and electrode arrangement, Fig. 4 shows an arrangement with the electrodes E1 to E5, with (dashed line) the position of the flag can be measured in two dimensions in the plane of drawing.

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.If you now examine a large number of known capacitive sensors in group A, you make the following found that many of them are characterized by a planar electrode arrangement, with large ones There are differences in the nature of the mobile body. In contrast, the Group B sensors special movable sensor structures, their manufacture only in special processes microsystem technology is possible. These structures are not for ICs with standard processes available.

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.The object of the invention is now achieved in that an IC with one or more scarf lines for capacitance measurement is produced, with all the usual semiconductor processes used who can. A standard CMOS process is very well suited to this and currently (1999) probably delivers the best price-performance ratio for many applications. The top layer of such an IC is a passivation, which normally serves the purpose of protecting the circuit against substances that can diffuse out of the housing material or the environment. A glass-like material ("overglass") is used for this. For use as a sensor, post-processing follows at this point. For this purpose, two further metallization layers must be produced on the wafer, which will later serve as almost the entire shielding of the electrodes for switching (first layer) and as an electrode layer (second layer). An insulation layer is to be provided between the two metallization layers, in which there are some contact openings. They are used to connect the measuring circuit to the electrodes (there is a bushing for each electrode in the shield). In Fig. 1, this layer sequence is shown: The active circuit layer (C) in the semiconductor substrate (Su) and their wiring metallization (V) form the standard process on which the shield metalization (Sc) and the electrode metallization (electrodes E1 to E3 ) have been added subsequently.

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.The one-step production of the task-specific, compact sensor for a specific measuring task from the universal preliminary product (IC for capacitance measurement) is achieved by the IC being produced until the electrode metallization is deposited. With only one mask, the universal IC is then personalized for its measurement task by generating the desired electrode shape through the mask structure. Additional functions that represent a "programming" of the measuring circuit can be obtained by "programming bridges" (PB in Fig. 1) in the electrode plane (and thus structured by the same mask). By connecting these bridges to specific nodes of the circuit with the help of the electrode layer in a task-specific manner, one or more of the following tasks can be performed: calibration of the circuit (if a test measurement has preceded it, e.g. with reference capacities connected to the wafer prober), selection of one Measuring range, selection of a sensor configuration (e.g. bridge, half-bridge, single capacitance; with or without reference capacitor internal / external), setting the measuring frequency, setting the sampling frequency (if A / D converter also integrated), programming a bus interface (if integrated) , Programming of an identification number of the sensor, programming of multiplexers.

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.In particular in the preferred CMOS implementation, the chip area required for a single circuit for capacitance measurement is very small compared to the areas that are required for the electrodes in typical applications. Therefore it makes sense to combine the universal IC with integrated A / D converters and bus interfaces, as well as with several capacitance measuring circuits, depending on the planned applications. Several capacitance measuring circuits then offer the possibility of measuring in parallel with sensors with several measuring functions (see exemplary embodiment in FIG. 4) instead of in time-division multiplexing.

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.For a flexible production, the sensors for different measuring tasks according to known standards are very fast can supply the specification, proceed as follows: The sensor ICs are Process made up to the wiring level (V) and then measured on the wafer tester. The The functionality of individual ICs is checked and, if necessary, calibration data is obtained for each wafer and each IC must be saved first. Now the shield, the insulation layer and the Electrode layer produced. In this form - with an unstructured electrode layer - the ICs Produced uniformly by the manufacturer in large quantities and until receipt of a customer spec cation are stored. The subsequent structuring of the electrode layer by photolithography or laser determines the shape of the electrodes and the connections to the intended program grease bridges. Since all task-specific properties of the sensor can only be achieved through this structuring can be determined, a delivery of finished sensors is possible within a few days. The structure Lasering is particularly suitable for quick results (eg "rapid prototyping") because it is found in many It is not necessary to remove material over a wide area of application, only electrode surfaces to be separated from a mass environment (rest of the electrode layer) by means of narrow gaps. This can even after housing installation and bonding and within minutes if the housing is open.

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.The execution of the metallization for the sensor depends on the type of access to the standard process used and on the number of its metallization layers. A sensor IC including electrodes requires at least three layers of metallization. Two to three metalization layers are common in microelectronics, and only a few processes have more than three layers. A circuit can already be built with one layer without any fundamental restriction, but at least two layers are desirable for effective, space-saving wiring, in particular of digital circuits, alone for the circuit. If the standard process now has n layers and m layers are reserved for circuit wiring, the following cases can be distinguished:
nm = 0: The IC leaves the standard process without shielding and without electrode metallization; both layers are added as an additional process module. Pads (P in FIGS. 1 to 3) are used both for programming bridges and for the electrode connection. The thickness of the insulation between the screen and electrodes can be chosen freely.
nm = 1: The shield is the last layer in the standard process; the additional process module only includes the electrode metallization. Pads are also used for programming bridges and electrode connection. The thickness of the insulation between the screen and the electrodes is already determined by the overglass in the standard process.
nm = 2: All metallizations belong to the standard process; no additional process module, but the possibility to interrupt the standard process before structuring the electrodes is necessary. Vias are used for programming bridges and electrode connection. The thickness of the insulation between the shield and the electrodes is already determined by the thin oxide in the standard process.

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.The decision for one of the three cases is an optimization problem with the following criteria: The development of an additional process module represents an entry hurdle, but offers the possibility to work with almost all standard processes. The additional metallizations can be produced with coarser lithography than today's circuit metallizations in the sub-µm range, which saves costs. The free choice of the electrode insulation (Is in Fig. 2 and 3), especially the material thickness, means control over the parasitic capacitance between the screen and electrodes. However, this capacity influences the achievable working distance of the sensor: The larger this capacitance (Is thin), the smaller the working distance that can be achieved under otherwise the same general conditions (measuring accuracy of the circuit, measuring task, electrode spacing) because the electrical field is thin Isolator Is becomes stronger, but weaker in the measuring room above the sensor. If the additional process module is dispensed with and a standard process with a sufficient number of metallizations is used, vias instead of pads can be used as programming bridges (space saving) and the overglass is already available to protect the sensor to the measuring room. The disadvantage in this case is the thin insulator and the need to interrupt the process, which requires a separate treatment of the wafers and z. B. excludes production on an MPW ("multi project wafer").

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.The following sections deal with the technology of thick electrode insulation Is and the associated electrode metallization. A polyimide (PI) should preferably be used as the insulation material because PI has already proven itself in microelectronics, no photoresist has to be used (photosensitive PI can be structured by the photo step itself) and the production of so-called "single coat" layers of PI up to 200 µm is already known. Other insulators that can be produced in such layer thicknesses and microstructured are also suitable. As can be seen in FIGS. 2 and 3, precautions must be taken when using a thick insulator Is so that the electrode metallization can be connected to the circuit in a lower chip level. In Fig. 2 the problem is solved by a slope, but the manufacture of which is difficult and which also consumes a lot of chip area in the case of very thick layers. Therefore, the production of a step is preferred ( Fig. 3). In both cases, the electrodes lie on the thick insulator Is, which has been removed in the area of the connection pads up to the edge of the chip. In this way, the bond wires can be led out flat and are less protruding beyond the electrode level. In both cases, the height difference is overcome by the electrode metallization.

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).The parameters and properties of individual process steps in the processing of polyimide layers will be u. a. discussed in: R. Bischofberger, H. Zimmermann, G. Staufert, Low-cost HARMS process, Sensors and Actuators A61 (1997) pp. 392-399 and Peter Berghaus, components for the integrated Optics based on polymers, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1994 (progress reports 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.The two process alternatives presented below as examples stand for a variety of similar processes. They are intended to illustrate that there are no new process steps in the manufacture of the sensors must be developed, but the process sequence from existing technology steps by Aus choice and optimization arises. The main task of all process alternatives is the level between the Circuit metallization and electrode metallization to overcome, as few as possible Process steps from the personalization are desired. It should be noted that photoresist, which by spin is brought onto the wafer, wells largely filled and therefore with large Height differences can cause problems. All processes start with the spin, before dry and expose the PI precursor to the wafer after the standard process has ended.

Process alternative I ( Fig. 3)

- Develop PI (i.e. structure): The jagged contour becomes at the edge of the PI structure built up, which serves the contacting. The same effect can be achieved by per contact a hole is provided in the PI layer.
- Evaporate electrodes at an angle: The shadow cast from direction A creates vapor deposition isolated metal bridges between the layers on the jagged PI edge. Are the wafers with Steaming on a turntable must instead have a hole in the PI layer for each contact be seen.
- coating
- Personalize: Expose and develop lacquer, etch electrode metal

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.This alternative has the advantage of being as simple as possible, but is because of the paint accumulation in the PI gaps only for medium PI thicknesses, e.g. B. 20 microns, suitable. The electrode mask may be on the Level below the PI only have very rough structures, since this level is not the focus of the Exposure system. However, this is not a disadvantage because only a few electrode connections are required that can be made very wide (e.g. 250 µm).

Process alternative II

- Conventional vapor deposition or sputtering: the wafer is complete after this step extensively covered with both PI and electrode metal (PI has not yet been developed).
- coating
- Personalize: Expose and develop lacquer, etch electrode metal
- Develop PI (i.e. structure)
- Steam at an angle (direction A), etch anisotropically

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.Advantage: This process works regardless of the height of Is. The direction A should be very here run flat in relation to the wafer level so that the layer thickness of the vapor-deposited metal on the Level is particularly high. Then the thin layer above the electrodes can be removed more easily. The disadvantage of this process is that several steps of personalization follow.

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.Another process alternative is the use of an electroplated photoresist. Such varnishes can cover steps evenly because the process of spinning on them Deposition from a bath is replaced. In this case, process alternative I is also suitable for thick ones PI layers in the range of 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. All processes are sealed by sealing the chip with a waterproof layer finish so that the PI layer does not change due to water absorption.

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.The main ecological benefit of the presented invention lies in the combination of Massenfer measurement ICs with one-step personalization for the measurement task as well as in the complete Integration of electrodes and measuring circuit, which enables a variety of cheap sensors. In order to maximize the number of measurement ICs, it is useful to connect external electrodes To be provided (shielding and electrode metallization are then omitted), so with the same basic IC also sizes such as B. the level can be measured in containers where the integration the electrodes cannot be considered due to their shape or size. The same applies to large or curved electrodes for measurable quantities that can be integrated per se.

Claims

1. Capacitive sensor with integrated measuring circuit, characterized in that

that on the same substrate (Su), ie integrated, there are at least one integrated circuit for capacitance measurement and an electrode arrangement which forms measuring capacitances in connection with a movable body,
that the integrated circuit can be produced on its substrate using a conventional semiconductor process such as CMOS, bipolar, BiCMOS or SOI,
that a shield metallization (Sc), an insulator (Is) with contact openings for each electrode and an electrode metallization are produced in succession on the circuit so that the electrodes are connected to the integrated circuit for measuring capacitance,
- That the specific measurement task of the individual sensor is only determined by the subsequent electrode structure,
- And that is why the integrated sensor up to the electrode structuring, which takes place in one of the last process steps and as the last lithography step, represents a universal preliminary product, which is suitable for measuring different physical quantities, depending on the electrode structure.

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the integrated circuit in addition to the Capacitance measurement circuit includes one or more of the following components: Reference source, oscillator, calibration network, multiplexer, reference capacities, controller, digital memory, Bus interface.

3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the electrode metallization interconnects circuit nodes by means of additional contact openings, thereby creating the circuit changed in their function or in parameters depending on the measurement task by the electrode structuring becomes.

4. Sensor according to claim 1 to 3, characterized in that the electrode structuring by Laser is done.

5. Sensor according to claim 1 to 4, characterized in that connections for external electrodes available.

6. Sensor according to claim 1 to 5, characterized in that an insulation layer (Is) with a Material thickness is available from the order of 10 microns.

7. Sensor according to claim 6, characterized in that the conductive connection of the electrodes is generated for switching by oblique vapor deposition at the edges of the insulation layer (Is), where the edge is shaped so that shadows or holes in the insulation layer from each other isolated connections arise.

8. Sensor according to claim 1 to 7, characterized in that the measured variable follow one of the that is: length, position (absolute and incremental, one to three-dimensional), distance, material thickness, Surface topology, angle (absolute and incremental), inclination, force, elongation, dielectric constant.