DE4014395A1 - Schaltung und verfahren zum messen einer die kapazitaets-spannungs-charakteristik eines kapazitiven elementes beeinflussenden groesse - Google Patents

Schaltung und verfahren zum messen einer die kapazitaets-spannungs-charakteristik eines kapazitiven elementes beeinflussenden groesse

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Messen einer die Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik eines kapazi­ tiven Elementes beeinflussenden Größe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Messen einer die Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik eines kapazitiven Elementes beeinflussenden Größe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8 gemäß der Deutschen Patentanmeldung P 39 15 563.3-35.
Kapazitive MOS-Strukturen haben einen spannungsabhängigen Kapazitätswert. Der Verlauf der Kapazitäts-Spannungs-Kurve wird beispielsweise im Falle kapazitiver MOS-Strukturen dann von weiteren Größen beeinflußt, wenn die metallische Schicht aus katalytischen Metallen besteht oder katalytische Metalle zumindest anteilig aufweist. Dieser Einfluß bestimmter Größen auf den spannungsabhängigen Kapazitätsverlauf derartiger kapazitiver Strukturen wird ausgenutzt, um Sensoren zu bil­ den, mit denen die betreffende Größe erfaßt werden kann, die den spannungsabhängigen Kapazitätsverlauf beeinflußt.
Bekannte Einsatzbereiche derartiger kapazitiver Elemente sind beispielsweise auf bestimmte Gase ansprechende Gassen­ soren wie z. B. Wasserstoffsensoren. Eine Ausführungsform des letztgenannten Wasserstoffsensors, dessen spannungsabhängige Kapazitätskurve in Abhängigkeit von der Umgebungsfeuchtig­ keit variiert, ist offenbart in der wissenschaftlichen Veröffentlichung G. J. Maclay, "MOS hydrogen sensors with ultrathin layers of palladium", IEEE Trans. Electron Devi­ ces, Band ED-32, Seiten 1158 bis 1164, 1985.
Gegenwärtig werden zwei verschiedene Techniken zum Erfassen der Änderung der Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik und somit zum Bestimmen der die Kapazitäts-Spannungs-Charakte­ ristik beeinflussenden Größe eingesetzt:
  • - Bei einer ersten Technik wird an das kapazitive MOS-Ele­ ment eine konstante Vorspannung angelegt, der ein hochfre­ quentes Spannungssignal von vorbestimmter Amplitude über­ lagert ist. Bei einer durch die zu messende Größe bewirk­ ten Verschiebung der Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik ändert sich die Kapazität in dem durch die Vorspannung festgelegten Arbeitspunkt. Diese Kapazitätsänderung kann in einer Meßbrücke erfaßt werden.
  • - Bei einer zweiten Technik wird das kapazitive MOS-Element in einer rückgekoppelten Regelschaltung mit einer derarti­ gen Vorspannung beaufschlagt, daß dieses einen konstanten Kapazitätswert hat. Die nachgeregelte Vorspannung bzw. die Verschiebung des Spannungsarbeitspunktes kann zum Bestim­ men der die Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik beeinflus­ senden Größe herangezogen werden.
Bei beiden beschriebenen Techniken benötigt man eine ver­ gleichsweise aufwendige Schaltung zum Erfassen der die Kapa­ zitäts-Spannungs-Charakteristik beeinflussenden Größe. Bei beiden Techniken können innerhalb der kapazitiven MOS-Struk­ tur Ionenwanderungen im Inneren der Struktur und an deren Oberfläche auftreten, wodurch die Langzeitstabilität bei der Erfassung der die Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik beein­ flussenden Größe beeinträchtigt wird. Beiden Techniken liegt die Erfassung einer vergleichsweise kleinen Signaländerung im Arbeitspunkt zugrunde. Daher ermangelt es beiden Techni­ ken an einem hinreichenden Signal/Rausch-Verhältnis bei der ermittelten Größe, also der Feuchtigkeit oder der Gaskonzen­ tration.
Weitere Verfälschungen der Meßergebnisse, die mit diesen bekannten Techniken erzielbar sind, ergeben sich daraus, daß die Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik des kapazitiven MOS-Elementes üblicherweise nicht nur von einer zu messenden Größe abhängt, sondern ebenfalls zu einem gewissen Ausmaß von weiteren Störgrößen beeinflußt wird.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Autgabe zugrunde, eine Schaltung bzw. ein Verfahren zum Messen einer die Kapazitäts-Spannungs-Charak­ teristik eines kapazitiven Elementes beeinflussenden Größe der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß Ionenkonz­ entrationen in Flüssigkeiten mit hoher Genauigkeit meßbar sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die man­ gelnde Genauigkeit der eingangs erörterten Verfahren zum Bestimmen der die Verschiebung der Kapazitäts-Spannungs-Cha­ rakteristik des kapazitiven Elementes beeinflussenden Größe und insbesondere das unzureichende Signal-Störspannungs-Ver­ hältnis bei der Bestimmung der beeinflussenden Größe nach den bekannten Technologien dann vermieden wird, wenn als Grundlage für die Erfassung der beeinflussenden Größe die Fläche unter der Kurve der Spannungs-Kapazitäts-Charakteris­ tik in einem vorbestimmten Bereich herangezogen wird.
Als beinflussende Größe dient die Ionenkonzentration in Flüssigkeiten, wobei das kapazitive Element als Halbleiterelement ausgebildet ist.
Eine derartige Messung kann schaltungstechnisch dadurch einfach implementiert werden, daß das kapazitive Element mit einem periodischen Spannungssignal von vorbestimmter Amplitude beaufschlagt wird, wobei eine Integrations­ schaltung den Ausgangsstrom des kapazitiven Elementes über eine bestimmte Zeitdauer aufintegriert. Der sich ergebende Integrationswert hat eine vorbestimmbare Abhängigkeit von der beeinflussenden Größe, so daß es beispielsweise möglich ist, mit dem Integrationswert eine Tabelle auszulesen, deren Ausgangswert die beeinflussende Größe ist. Die sich ergebende, erfindungsgemäße Meßschaltung zur Durchführung dieses Meßverfahrens besteht im wesentlichen aus einer Spannungsquelle und einer Integrationsschaltung mit einem über einen elektronischen Schalter entladbaren kapazitiven Element im Rückkopplungszweig, so daß die Schaltung eine sehr einfache Struktur hat. Bei der erfindungsgemäßen Art der Erfassung der beeinflussenden Größe erfolgt die dynamische Messung mit einer Wechselspannungskomponente, die sich um einen Arbeitspunkt herum bewegt. Hierdurch können Ionenwanderungen in dem kapazitiven Element sowie an der Oberfläche desselben unterdrückt werden, wodurch eine Langzeitstabilität des Meßergebnisses erzielt wird. In Abweichung von dem eingangs beschriebenen Verfahren erfolgt die Bestimmung der beeinflussenden Größe anhand des Integrales über die verschobene Kapazitäts-Spannungs-Kurve und nicht nur anhand der Erfassung der Änderung der Kurve an einem einzigen Spannungs- oder Kapazitäts-Punkt. Hieraus ergibt sich ein gegenüber dem Stand der Technik erheblich verbessertes Signal-Störspannungs-Verhältnis der ermit­ telten, die Verschiebung der Kapazitätsspannungs-Charak­ teristik verursachenden Größe.
Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Schaltung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Kapazitäts- Spannungs-Charakteristik eines kapazitiven Elementes bei zwei verschiedenen beeinflus­ senden Größen;
Fig. 2 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung zum Messen der die Kapazitäts-Spannungs-Cha­ rakteristik beeinflussenden Größe;
Fig. 3 Signalverläufe von Spannungssignalen, wie sie in der Schaltung gemäß Fig. 2 auftreten;
Fig. 4 die Abhängigkeit der Integrationsspannung bei der Schaltung gemäß Fig. 2 von einer beein­ flussenden Größe;
Fig. 5 typische Kapazitätsverläufe für kapazitive MOS-Strukturen in Abhängigkeit von der Vor­ spannung; und
Fig. 6(a-c) Spannungs- und Kapazitätsverläufe.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, verschiebt sich der spannungs­ abhängige Kapazitätsverlauf einer kapazitiven MOS-Struktur, deren Metallschicht ein katalytisches Metall enthält, in Abhängigkeit von einer beeinflussenden Größe, die b die Ionenkonzentration in Flüssigkeiten ist. Diese Verschiebung der Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik wurde, wie eingangs erläutert, im Stand der Technik bei konstanter Vorspannung durch Messen der Kapazitätsänderung Δ C oder bei Konstanthalten des Kapazitätswertes durch Messen der Vor­ spannungsänderung Δ V erfaßt. Hingegen sieht die Erfindung vor, wie sich aus der nachfolgenden detaillierten Erläute­ rung der Schaltung und des Verfahrens ergeben wird, die beeinflussende Größe aus der Fläche unterhalb der Spannungs- Kapazitäts-Kurve innerhalb eines vorbestimmten Bereiches abzuleiten.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Schaltung zum Messen einer die Kapazitäts-Spannungs- Charakteristik eines kapazitiven Elementes Cs beeinflussen­ den Größe, wie z. B. einer Ionenkonzentration in einer Flüssigkeit. Das kapazitive Element Cs bei der bevorzugten Ausführungsform ist ein kapazitives MOS-Element, dessen Metallschicht aus Palladium besteht, das auch als MOS-Palladium-Gate-Sensor bezeichnet wird. Das kapazitive Element Cs wird von einer ersten Spannungsquelle VS mit einer Rechteckspannung versorgt, deren Amplitude bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel +/-1,5 V bei einem Tastver­ hältnis von 50% entspricht. Ausgangsseitig ist das kapazi­ tive Element Cs an den invertierenden Eingang eines Opera­ tionsverstärkers OPV angeschlossen. Eine zweite Spannungs­ quelle VR erzeugt ein zweites Rechtecksignal, das dem ersten Rechtecksignal entspricht, jedoch gegenüber diesem inver­ tiert ist. Mit diesem zweiten Rechteckspannungssignal wird ein Referenzkondensator Cr beaufschlagt, dessen Ausgang gleichfalls mit dem invertierenden Eingang des Operations­ verstärkers OPV verbunden ist. Die Kapazität des Referenz­ kondensators Cr ist derart gewählt, daß eine am Ausgang des Operationsverstärkers erscheinende Offsetspannung bei von der zu messenden Größe unbeeinflußten Kapazitäts-Spannungs- Charakteristik des kapazitiven Elementes Cs kompensiert wird.
Im Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers OPV, d. h. zwischen dessen Ausgang und seinem invertierenden Eingang, liegt ein Integrationskondensator Cf, zu dem ein elektroni­ scher Schalter S parallel geschaltet ist. Der elektronische Schalter S wird in einer bestimmten, festgelegten Phasenab­ hängigkeit zur Phase des ersten Rechtecksignales mittels eines Rücksetzsignales (vgl. Fig. 3) betätigt, wodurch die Integration beendet wird und ein Spannungswert am Ausgang Δ VA rückgesetzt wird. Der Ausgangswert des Operationsver­ stärkers OPV Δ VA vor dem Rücksetzen wird in einer Abtast- und Halteschaltung 1 übernommen. Aus diesem Ausgangswert kann die beeinflussende Größe abgeleitet werden, die im Bei­ spielsfall die Ionenkonzentration in Flüssigkeiten ist.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Zuordnung der Ionenkonzen­ tration zur Ausgangsspannung VA über eine Tabelle, die durch einen D/A-Wandler und ein ROM 2 implementiert sein kann, in dem die in Fig. 4 dargestellte Abhängigkeit der genannten Größen abgespeichert ist. Die in Fig. 4 wiedergegebene Kurve ist das Ergebnis einer Messung mit einem Palladiumsensor, dessen katalytische Metallschicht eine 21,1 nm dicke Palladiumschicht ist, die auf einer 34 nm dicken Siliziumdioxidschicht angeordnet ist. Als Referenzkondensator wurde eine kapazitive MOS-Struktur mit einem 104,5 nm dicken Gold-Gate auf einer 34 nm dicken Siliziumdioxid-Isolatorschicht gewählt. Die Kapazität des Integrationskondensators Cf beträgt 1 nF.
Wie eingangs dargelegt wurde, erfolgt bei der erfindungsge­ mäßen Schaltung die Erfassung der beeinflussenden Größe durch Integration der Kapazitäts-Spannungs-Kurve des kapazi­ tiven Elementes zur Bestimmung der Fläche unter dieser Kur­ ve, was durch folgende Gleichung ausdrückbar ist:
Q = ∫ Cs(U) dU (1)
Der Strom durch das kapazitive Sensorelement Cs ist gegeben durch:
is = dQ/dt = d/dt ∫ Cs(U) dU (2)
Durch zeitliche Integration am Rückkopplungskondensator Cf ergibt sich folgende Ausgangsspannung:
VA = 1/Cf ∫ is dt = 1/Cf ∫ (Cs(U)-Cr) dU (3)
Der Kapazitätswert Cf muß so gewählt werden, daß der Opera­ tionsverstärker OPV bei maximaler Meßgröße nicht übersteuert wird.
Fig. 5 zeigt die beiden spannungsabhängigen Kapazitätskurven des Referenzelementes Cr und des Sensorelementes Cs. Wie in dieser Fig. zu sehen ist, führt die nichtoptimale Anpassung der beiden Kurven zu einer Offsetspannung von etwa 2 V. Für die Kurve gemäß Fig. 4 wurde diese Offsetspannung berück­ sichtigt.
Wie sich bei Betrachtung der Schaltung gemäß Fig. 2 ergibt, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen der die Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik beeinflussenden Größe eine Kompensation von Störgrößen, die sowohl das eigentliche Sensorelement bzw. kapazitive Element Cs wie auch den Refe­ renzkondensator Cr in gleicher Weise in ihrer Kapazitäts- Spannungs-Charakteristik beeinflussen. Wenn nun beispiels­ weise das kapazitive (Sensor)-Element Cs sowohl eine Abhän­ gigkeit der Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik von einer Größe A wie auch von einer Störgröße B hat, so kann diese unerwünschte Empfindlichkeit gegenüber der Störgröße B da­ durch kompensiert werden, daß als Referenzkondensator ein kapazitives MOS-Element eingesetzt wird, das nur gegenüber der Störgröße B empfindlich ist. Bei geeigneter Dimensionie­ rung der beiden kapazitiven Elemente ist eine vollständige Kompensation gegenüber der Störgröße B möglich. Durch eine Vielzahl von Referenzelementen kann eine entsprechende Zahl von unerwünschten Querempfindlichkeiten kompensiert werden.
Vorzugsweise liegt die Frequenz der Rechtecksignale im kHz- Bereich. Somit ist die Periodendauer der Rechteckspannungs­ signale länger als die Minoritätsträgerreaktionszeit, so daß es zu einem Gleichgewichtszustand der Minoritätsträgeranhäu­ fung kommt, während die Periodendauer der Rechteckspannungs­ signale kürzer als die Minoritätsträgergeneration-Rekombina­ tions-Zeit ist, so daß die MOS-Struktur nicht in den Gleich­ gewichts-Inversionsbereich gerät. Dies führt zu einer Ver­ stärkung des Signales, da die spannungsabhängige Kapazitäts­ kurve nach unten in den Bereich tiefer Ladungsträgerverar­ mung verläuft.
Bei der Festlegung der Periodendauer muß das Verhalten des MOS-Kondensators im Bereich tiefer Ladungsträgerverar­ mung beachtet werden. Nach Anlegen einer Sprungspannung verbleibt der MOS-Kondensator nur eine bestimmte Zeit T im Bereich tiefer Ladungsträgerverarmung und geht dann in die HF-Inversionskurve über.
T = 2τ:NB/ni,
wobei τ die Minoritätsträgerlebensdauer, NB die Dotierung und ni die intrinsische Konzentration für den betreffenden MOS-Kondensator bezeichnen.
Die Taktrate kann nun entweder so hoch gewählt werden, daß noch keine die Genauigkeit beeinflussende Bewegung in Rich­ tung zur Hf-Inversionskurve stattfindet, oder so gewählt werden, daß die HF-Inversionskurve sicher erreicht wird. Zur Verdeutlichung wird auf Fig. 6 verwiesen, in der
  • a) die zeitabhängige Gatespannung am MOS-Kondensator,
  • b) die spannungsabhängige Kapazität desselben zu den Zeit­ punkten 1, 2, 3 gemäß Fig. 6(a) und (c) den zeitabhängigen Kapazitätsverlauf zeigen.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine kapazi­ tive MOS-Struktur mit Palladium-Gate als Ionenkonzen­ trationssensor für Flüssigkeiten eingesetzt.

Claims (10)

1. Schaltung zum Messen einer die Kapazitäts-Spannungs- Charakteristik eines kapazitiven Elementes beeinflus­ senden Größe, mit
  • - einer an das kapazitive Element (Cs) angeschlossenen ersten Spannungsquelle (Vs) zum Erzeugen eines ersten periodischen Spannungssignales von vorbestimmter Amplitude, und
  • - einer Integrationsschaltung (OPV, Cf), die an das kapazitive Element (Cs) angeschlossen ist und den Ausgangsstrom des kapazitiven Elementes (Cs) zumin­ dest über einen Teil der Periode des ersten periodi­ schen Spannungssignales integriert, wobei die zu messende Größe mittels eines bestimmten Zusammen­ hanges von dem Integrationswert der Integrations­ schaltung (OPV, Cf) ableitbar ist, nach der Deutschen Patentanmeldung P 39 15 563.3-35, dadurch gekennzeichnet,
    daß das kapazitive Element ein Halbleiterelement (Cs) ist, und
    daß die die Charakteristik beeinflussende Größe die Ionenkonzentration in Flüssigkeiten ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive Element eine MOS-Struktur (Cs) ist, deren Metallschicht aus einem katalytischen Metall besteht oder dieses zumindest anteilig auf­ weist.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannungsquelle (Vs) ein periodisches Rechtecksignal erzeugt.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer des ersten periodischen Sig­ nals derart festgelegt ist, daß sie länger als die Minoritätsträgerreaktionszeit in dem kapazitiven Element (Cs) ist, so daß es zu einem Gleichgewichts­ zustand der Minoritätsträgeranhäufung kommt, und daß sie kürzer als die Minoritätsträger-Generations- Rekombinations-Zeit ist.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Integrationsschaltung (OPV, Cf) einen Opera­ tionsverstärker (OPV) umfaßt, in dessen Rückkopp­ lungszweig eine Parallelschaltung aus einem Integra­ tionskondensator (Cf) und einem elektronischen Schalter (S) liegt,
daß der elektronische Schalter (S) in einer festen Phasenbeziehung zur Phase des periodischen Signals von der ersten Spannungsquelle (VS) angesteuert wird und
daß der der ersten Spannungsquelle (VS) abgewandte Anschluß des kapazitiven Elementes (Cs) mit einem Eingang (-) des Operationsverstärkers (OPV) verbun­ den ist.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn­ zeichnet durch
eine zweite Spannungsquelle (VR) zum Erzeugen eines gegenüber dem ersten Spannungssignal invertierten zweiten Spannungssignals,
einen Referenz-Kondensator (Cf), dessen Kapazität so gewählt ist, daß eine Offsetspannung am Ausgang der Integrationsschaltung (OPV, Cf) bei von der zu messenden Größe unbeeinflußter Kapazitäts-Spannungs- Charakteristik des kapazitiven Elementes (Cs) kom­ pensiert wird und der (Cr) einerseits an die zweite Spannungsquelle (VR) und andererseits an die Inte­ grationsschaltung (OPV) angeschlossen ist.
7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn­ zeichnet durch
ein kapazitives Referenzelement (Tr), dessen Spannungs-Kapazitäts-Charakteristik von einer Stör­ größe im wesentlichen in demselben Maß beeinflußt wird wie diejenige des kapazitiven Elementes (Cs), ohne daß die Spannungs-Kapazitäts-Charakteristik des kapazitiven Referenzelementes (Cr) von der zu mes­ senden Größe abhängt, und
eine zweite Spannungsquelle (VR) zum Erzeugen eines gegenüber dem ersten Spannungssignal invertierten zweiten Spannungssignals, die an einen Anschluß des Referenzelementes (Cr) angeschlossen ist, dessen anderer Anschluß mit der Integrationsschaltung (OPV, Cf) verbunden ist.
8. Verfahren zum Messen einer die Kapazitäts-Spannungs- Charakteristik eines kapazitiven Elementes beein­ flussenden Größe, mit folgenden Verfahrensschritten:
  • - Beaufschlagen des kapazitiven Elementes (Cs) mit einem periodischen Spannungssignal von vorbestimm­ ter Amplitude,
  • - Erfassen der Fläche unter der Kurve der Kapazi­ täts-Spannungs-Charakteristik in einem vorbestimm­ ten Bereich und
  • - Bestimmen der zu messenden Größe aufgrund der er­ faßten Fläche mittels eines bestimmten Zusammen­ hanges zwischen der zu messenden Größe und der Fläche,
nach der Deutschen Patentanmeldung P 39 15 563.3-35, dadurch gekennzeichnet,
daß das kapazitive Element ein Halbleiterelement (Cs) ist, und
daß die die Charakteristik beeinflussende Größe die Ionenkonzentration in Flüssigkeiten ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche durch Integration des Ausgangsstromes des kapazitiven Elementes (Cs) zumindest über einen Teil der Periode des Spannungssignals ermittelt wird.
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