DE19949612A1

DE19949612A1 - Kapazitiv messender Sensor und Anordnung

Info

Publication number: DE19949612A1
Application number: DE1999149612
Authority: DE
Inventors: Christofer Hierold
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2001-06-13
Anticipated expiration: 2019-10-15
Also published as: DE19949612C2

Abstract

Elektroden (2) zur kapazitiven Messung sind als zweidimensionale flächige Anordnung auf einem Halbleiterchip (1) ausgebildet. Durch separate elektrische Anschlüsse ist es möglich, die Kapazitäten oder Kapazitätsänderungen aufgrund der Änderung des Aggregatzustandes eines umgebenden Mediums jeweils zwischen einer oder mehreren dieser Elektroden und einer oder mehreren Gegenelektroden zu bestimmen. Damit ist ein Vereisungssensor mit integrierter Auswerteelektronik z. B. für Kühlschränke realisierbar.

Description

In der US 5,103,368 ist ein kapazitiv messender Füllstands sensor beschrieben. Bei diesem Füllstandssensor wird eine Säule aus koaxialen elektrisch leitenden Zylindern, die in voneinander isolierte und getrennt angeschlossene Abschnitte aufgeteilt ist, verwendet. Wenn eine Flüssigkeit zwischen den Zylindern aufsteigt, ändert sich die Dielektrizitätszahl zwi schen den Zylinderabschnitten, und aus der daraus resultie renden Kapazitätsänderung läßt sich der Füllstand bestimmen.

In der US 5,207,098 ist eine Vorrichtung zur Füllstandsmes sung beschrieben, bei der ein Sensor mit einer Kondensator platte an der Außenseite eines Gefäßes angebracht ist und sich eine weitere Kondensatorplatte im Abstand dazu im Inne ren des Gefäßes befindet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Füllstandsmessung anzugeben, mit der eine Ausdehnung ei nes Mediums in zwei voneinander unabhängigen Richtungen und insbesondere eine örtliche Veränderung des Aggregatzustandes des Mediums auf einfache und elektronisch auswertbare Weise bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den kapazitiv messenden Sensoren mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder mit der Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 3 bzw. 4 gelöst. Ausgestaltungen er geben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor sind die Elektroden zur ka pazitiven Messung als zweidimensionale flächige Anordnung elektrischer Leiter auf einem Halbleiterchip ausgebildet. Durch separate elektrische Anschlüsse der einzelnen Leiter flächen ist es möglich, die Kapazitäten oder Kapazitäts änderungen jeweils zwischen einer oder mehreren dieser Elektroden und einer oder mehreren außerhalb des Halbleiterchips angeordneten Gegenelektroden, zwischen einer oder mehreren Elektroden und einer oder mehreren dazu benachbart auf dem Halbleiterchip angeordneten Elektroden oder zwischen einer oder mehreren Elektroden und einem im Abstand davon vorhande nen elektrisch leitenden Medium variabler Ausdehnung zu be stimmen.

Die Gegenelektroden können beispielsweise an einem Gefäß an gebracht sein, in dem der Sensor installiert ist, und mit da für vorgesehenen Anschlüssen des Halbleiterchips verbunden sein. Ein in der Nähe der Anordnung von Leiterflächen vorhan denes Medium, das ggf. gegen die Leiter z. B. durch eine auf dem Halbleiterchip aufgebrachte Passivierungsschicht elek trisch isoliert ist, ändert die Kapazität zwischen den Lei tern auf dem Chip. Die Kapazitäten oder Kapazitätsänderungen, die durch die durch das Medium geänderte Dielektrizitätszahl bestimmt sind, können vorzugsweise zwischen benachbart zuein ander angeordneten Leitern auf dem Chip gemessen werden. Statt dessen kann auch die Kapazität oder Kapazitätsänderung der Leiterflächen gegenüber einem umgebenden, insbesondere elektrisch leitenden, Medium gemessen werden, so daß dieses Medium selbst als Gegenelektrode fungiert.

Die zweidimensionale flächige Anordnung der Elektroden ermög licht es, die Ausdehnung eines Mediums in zwei verschiedenen Richtungen festzustellen. Darüber hinaus kann der Aggregatzu stand oder zumindest die Änderung des Aggregatzustandes des Mediums in Abhängigkeit vom Ort festgestellt werden, da sich mit dem Aggregatzustand auch die Dielektrizitätszahl ändert. Ein erfindungsgemäßer Sensor, der in einem Gefäß oder Behäl ter angebracht ist, kann daher z. B. als Vereisungssensor verwendet werden. Die zweidimensionale Sensitivität einer er findungsgemäßen Anordnung ist insbesondere geeignet, einen in verschiedenen Richtungen unterschiedlich starken Vereisungs grad zu detektieren, was z. B. bei Kühlschränken von Vorteil ist, wenn das Gerät rechtzeitig abgetaut werden soll.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Sensors verfügt über eine gleichzeitige Temperaturbestimmung mittels einer Leiterbahn, deren elektrischer Widerstand, der sich mit der Temperatur ändert, bestimmt wird. Wird die Temperatur mittels verschiedener Leiterbahnen bestimmt, die entsprechend der flächigen Anordnung der Elektroden angeordnet sind, kann die jeweils örtlich vorherrschende Temperatur zusammen mit der Ausdehnung eines Mediums und dessen Aggregatzustand bestimmt werden.

Die beigefügten Figuren zeigen eine schematische Aufsicht ei nes Ausführungsbeispieles des Sensors und ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung des Sensors.

In Fig. 1 ist ein Halbleiterchip 1 mit einer rasterförmigen Anordnung von Elektroden 2 dargestellt. Das Raster kann statt quadratisch wie in dem gezeigten Beispiel grundsätzlich be liebig ausgestaltet sein. Das Gleiche gilt für die geometri sche Form der die Elektroden bildenden Leiterflächen. Diese Leiterflächen sind vorzugsweise Anteile einer strukturierten Metallebene des Chips. Die Mittel 3 zur Ansteuerung der Elek troden und Auswertung von Meßsignalen sind als Bauelemente einer elektronischen Schaltung auf dem Chip integriert und werden vorzugsweise entsprechend den Ansteuer- und Auswerte schaltungen anderer kapazitiv messender Sensoren, die als mi kromechanische Halbleiterbauelemente zur Messung von Druck oder Beschleunigung eingesetzt werden, ausgebildet. Die flä chige Anordnung der Elektroden muß nicht eben sein, sondern kann in geeigneter Weise gewölbt oder verformt sein.

Fig. 2 zeigt ein einfaches Beispiel für eine erfindungsgemä ße Anordnung, bei der eine Innenwand eines Kühlschrankes 4 in der Nähe des Gefrierfaches zur Kontrolle des Vereisungsgrades mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Sensor 5 versehen ist.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß für das Sensor prinzip keine weiteren Hilfsmaterialien und Hilfsschichten benötigt werden. Der zu messende gasförmige, flüssige oder feste Stoff beeinflußt direkt das Meßsignal, solange er in direkter Nähe (typisch nicht weiter entfernt als 200 µm) der Meßelektroden vorhanden ist. Durch zweidimensionale flächige Anordnung, die aber nicht notwendig eben zu sein braucht, er gibt sich auch die Möglichkeit, eine mehrdimensionale Infor mation über das Fortschreiten z. B. der Vereisung in Kühl schränken oder an Düsen zu erhalten. Die Ausgestaltung als Halbleiterbauelement gestattet neben der einfachen Herstell barkeit und zweckmäßigen Integration der erforderlichen Kom ponenten außerdem eine Miniaturisierung, die eine sehr gute örtliche Auflösung bei der Messung ermöglicht.

Claims

1. Kapazitiv messender Sensor,
bei dem eine Anordnung aus einer Mehrzahl von Elektroden vor handen ist und
bei dem Mittel vorhanden sind, mit denen eine Kapazität oder Kapazitätsänderung jeweils gesondert zwischen einer oder meh reren Elektroden und einem oder mehreren anderen elektrischen Leitern gemessen werden kann,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Elektroden als zweidimensionale flächige Anordnung elek trischer Leiter (2) auf einem Halbleiterchip (1) ausgebildet sind und
Mittel (3) zum Messen der Kapazitäten oder Kapazitätsänderun gen jeweils zwischen einer oder mehreren Elektroden und einer oder mehreren außerhalb des Halbleiterchips angeordneten Ge genelektroden, zwischen einer oder mehreren Elektroden und einer oder mehreren dazu benachbart auf dem Halbleiterchip angeordneten Elektroden oder zwischen einer oder mehreren Elektroden und einem im Abstand davon vorhandenen elektrisch leitenden Medium variabler Ausdehnung auf dem Halbleiterchip integriert sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, bei dem auf dem Halbleiterchip Mittel vorhanden sind, mit de nen eine Temperatur eines umgebenden Mediums durch Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Leiters gemessen werden kann.

3. Anordnung mit einem Sensor nach Anspruch 1 oder 2, bei der eine Gegenelektrode durch ein elektrisch leitendes Gefäß gebildet ist.

4. Anordnung mit einem Sensor nach Anspruch 1 oder 2, in der der Sensor zur Überprüfung des örtlich veränderlichen Aggregatzustandes eines umgebenden Mediums eingesetzt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, bei der der Sensor (5) in oder an einer Vorrichtung (4) ange ordnet ist und zur Kontrolle eines Grades an Vereisung vorge sehen ist.