DE4232258A1 - Kapazitiver sensor sowie sensoranordnung fuer die erfassung und umwandlung mechanischer groessen in elektrische signale - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Sensor für die Erfassung und Umwandlung mechanischer Stellgrößen, insbesondere von Abständen oder Positionen, in elektrische Signale zur Integration in integrierten Schaltkreisen sowie eine Sensoranordnung derartiger Sensoren.

Sensoren zur Erfassung von Abständen sind als kapazitive Sensoren bereits bekannt. Bei Annäherung von die Dielektrizitätskonstante eines Kondensators beeinflussenden Substanzen oder bei Variation des Plattenabstandes läßt sich eine Kapazitätsänderung messen und auswerten und in Abhängigkeit von den auf diese Weise gewonnenen Signalen eine entsprechende Anzeige oder Steuerung veranlassen. Um hierbei eine entsprechende Änderung der Meßgrößen, insbesondere der Kapazität, zu erzielen, ist es in der Regel erforderlich, großflächige Kondensatoren einzusetzen, so daß eine nennenswerte Kapazitätsänderung bei entsprechendem Abstand erfolgt.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, kapazitive Sensoren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die Möglichkeit geschaffen wird, diese zu integrieren. Unter integrierbar wird in diesem Zusammenhang verstanden, daß ein Sensor oder Sensorzelle mittels derselben Prozeßtechnologien, wie sie zur Herstellung integrierter Schaltkreise verfügbar sind, realisiert werden kann. Bedingt durch den Umstand, daß die Sensorzellen integrierbar sein sollen und der auf integrierten Schaltkreisen bzw. Chips zur Verfügung stehende Platz naturgemäß beschränkt ist, ergibt sich aber nun, daß sie absolut realisierbaren Kapazitäten überaus gering sind. Derartig sehr geringe Kapazitäten erlauben gleichfalls die Messung der Änderung von Kapazitätswerten bei Annäherung elektrisch leitfähiger Strukturen an die Chipoberfläche, wobei naturgemäß mit Rücksicht auf die geringen Kapazitäten hier auch nur äußerst geringe Abstände sicher erfaßt werden können. Eine sichere Erfassung derartiger geringer Abstände bei geringem Absolutwert der jeweils zur Verfügung stehenden Kapazitäten des kapazitiven Sensors erfordert nun aber ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit bzw. überaus geringer Toleranzen bei der Fertigung, wobei darüber hinaus besonderes Augenmerk auf die Unterdrückung von Streukapazitäten bzw. Störeinflüssen gelenkt werden muß, da andernfalls bei den durch die erfindungsgemäßen kapazitiven Sensoren erfaßbaren überaus geringen Abständen deutliche Fehlanzeigen oder Auswerteschwierigkeiten bestünden.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht der erfindungsgemäße kapazitive Sensor im wesentlichen darin, daß der Sensor aus jeweils drei übereinanderliegenden, relativ zueinander isolierten, leitfähigen Ebenen besteht, daß der Sensor in eine Referenzkapazität und eine Meßkapazität unterteilt ist, daß die von der mittleren, leitfähigen Ebene verschiedenen Ebenen der Referenzkapazität an Substratpotential bzw. Masse liegen und daß die Meßkapazität von zwei parallel geschalteten Einzelkapazitäten gebildet ist, deren mittlere, leitfähige Ebenen abwechselnd mit einer der anderen leitfähigen Ebenen verbunden sind, wobei die mit dem Substrat benachbarten, leitfähigen Ebenen der Meßkapazität gemeinsames Masse- oder Substratpotential aufweisen. Das Wesentliche an dieser Auslegung ist die Tatsache, daß es mit dieser Anordnung von leitfähigen Ebenen möglich ist, eine von Fremdeinflüssen weitgehend immune Referenzkapazität und eine auf äußere Einflüsse empfindliche Meßkapazität, die im unbeeinflußten Zustand den gleichen Kapazitätsbetrag wie die Referenzkapazität aufweist, herzustellen, so daß Änderungen der Kapazität der Meßkapazität relativ zur Referenzkapazität mit geringen Toleranzen erfaßt werden können. Dies erlaubt somit die Integration auf einem gemeinsamen Substrat, wobei die oberen leitfähigen Ebenen der Meßkapazität die Sensorelektroden bilden. Dadurch, daß die Referenzkapazität nun so ausgebildet ist, daß sie aus drei übereinanderliegenden, relativ zueinander isolierten leitfähigen Ebenen besteht, wobei die von der mittleren leitfähigen Ebene verschiedenen Ebenen der Referenzkapazität an Substratpotential oder Masse liegen, wird durch die abschirmende Wirkung zunächst sichergestellt, daß diese Referenzkapazität bei Annäherung elektrisch leitfähiger Strukturen ihren Kapazitätswert nicht verändert. Dadurch, daß nun die Meßkapazität in zwei parallel geschaltete Einzelkapazitäten unterteilt ist, ergibt sich insgesamt eine Kapazität bei gleicher Fläche und damit gleichen Verfahrensparametern bei der Herstellung am Chip, welche der Referenzkapazität entspricht und auf diese Weise die unmittelbare Vergleichbarkeit und Auswertung ermöglicht. Die abwechselnde Verbindung der jeweils von der mittleren leitfähigen Ebene verschiedenen Ebenen mit der mittleren Ebene ergibt hierbei zwei parallel geschaltete Kapazitäten, deren Kapazitätswert dem Kapazitätswert der Referenzkapazität entspricht, welche selbst als Parallelkapazität definiert ist, da ja die mittlere leitfähige Ebene relativ zu beiden miteinander verbundenen und an Masse- bzw. Substratpotential liegenden außenliegenden leitfähigen Ebenen zusammen den Wert der Kapazität definiert. Der jeweilige Meß- bzw. Sensorkondensator besteht hierbei somit aus einer vorzugsweise aus der obersten Chipverdrahtungsebene gebildeten plattenförmigen Struktur, welche zusammen mit den darunter- und umliegenden Strukturen und den isolierenden Zwischenschichten einen Kondensator bildet, wobei die Kapazität dieses Kondensators sich bei Annäherung einer elektrisch leitfähigen Struktur von außen auf die Chipoberfläche, welche zwangsweise auch kapazitiv mit dem Chipsubstrat verkoppelt ist, um einen sehr kleinen Betrag ändert. Die Änderung der Kapazität liegt hierbei bedingt durch die kleinen Abmessungen des Sensorkondensators bei einigen fF.

Die Kapazitätsänderung wird in der Folge in ein elektrisches Nutzsignal umgewandelt. Eine geeignete Schaltung hierfür setzt den Sensor- bzw. Meßkondensator und den Referenzkondensator voraus, wobei die Kapazität des Sensorkondensators mit der Kapazität eines Referenzkondensators verglichen wird. Die Sensorkondensatorkapazität und die Referenzkondensatorkapazität sind, wie oben erwähnt, annähernd gleich groß. Die Kondensatoren liegen örtlich unmittelbar nebeneinander bzw. ineinander verschachtelt, wobei sich auf Grund der obengenannten Ausbildung des Referenzkondensators der Umstand ergibt, daß nur der Sensorkondensator in seinem Kapazitätswert von außen beeinflußt werden kann, nicht jedoch der Referenzkondensator. Das Kapazitätsgleichgewicht zwischen Sensorkondensator und Referenzkondensator ist hierbei durch den gleichen Herstellungsprozeß unmittelbar gegeben. Die Auswertung kann in einfacher Weise beispielsweise so erfolgen, daß Sensor- und Referenzkondensator mittels Konstantstrom aufgeladen werden und die jeweils erforderliche Zeit, mit welcher ein definierter Schaltpunkt erreicht wird, ermittelt wird. Aus der auf diese Weise ermittelten Zeitdifferenz läßt sich je nach Ungleichgewicht zwischen Sensor- und Referenzkondensator auf die jeweils durch Annäherung einer elektrisch leitfähigen Struktur erzielte Änderung der Kapazität des Sensorkondensators und damit auf den Abstand der leitfähigen Struktur schließen. Bei einem typischen CMOS-Prozeß mit ca. 1 µm Isolierschichtdicken und einer Seitenlänge der Kondensatorplatten von etwa 25 µm kann mit überaus engen Toleranzen eine Herstellung der Kondensatoren gewährleistet werden, wobei die Störeinflüsse, insbesondere Streufeldeinflüsse zwischen Sensorelektrode und Umgebung, durch geeignete Anordnung derartiger Sensoren am Chip weiter herabgesetzt werden können.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung zur Herabsetzung derartiger Störeinflüsse ist die Sensoranordnung unter Verwendung von Sensoren der obengenannten Art im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß ein ganzzahliges Vielfaches der zwei Einzelkapazitäten der Meßkapazität und ein entsprechend ganzzahliges Vielfaches der Referenzkapazität in zeilenförmiger Struktur angeordnet sind, wobei die Referenzkapazitäten außen an die Meßkapazitäten anschließend angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine Sensorzeile gebildet, wobei mit einer derartigen zeilenförmigen Struktur die logische Aussage über die tatsächliche Position einer der Sensorfläche vor allem lateral sich nähernden, elektrisch leitfähigen Struktur verbessert werden kann. Um die Position einer in lateraler Richtung in größerem Ausmaß verschiebbaren elektrischen leitfähigen Struktur erfassen zu können, ist mit Vorteil die Ausbildung so getroffen, daß eine Mehrzahl von zeilenförmigen Strukturen parallel zueinander angeordnet sind. Dabei werden gleichzeitig Streufeldeinflüsse weiter herabgesetzt. Bei einer derartigen Anordnung sind naturgemäß die außenliegenden Sensorzeilen nicht gegen derartige Streufeldeinflüsse gesichert, so daß mit Vorteil die Schaltungsanordnung so getroffen ist, daß außenliegende zeilenförmige Strukturen von einer unbenützten Sensorzeile inklusive Auswerteschaltung entkoppelt angeordnet sind.

Eine besonders kompakte Baueinheit und ein vollständig integrierter Sensor läßt sich dadurch verwirklichen, daß zu jedem Sensor bzw. jeder Sensorzeile eine Auswerteschaltung unmittelbar örtlich zugeordnet wird, welche Abweichungen der Meßkapazitäten relativ zu Referenzkapazitäten erfaßt, wobei bei einer derartigen Ausbildung dicht gepackte Sensorzellreihen oder Sensorzellfelder auf integrierten Schaltkreisen möglich werden, welche die exakte Erfassung der Position mechanischer Strukturen auf wenige µm erlauben. Ein derartiger integrierter Sensor kann insbesondere für mechanische Wegaufnehmer, wie sie für Regelkreise benötigt werden, oder als Wegaufnehmer für Instrumente wie Druckdosen, Thermometer, Kraftmeßzellen, Wegmeßzellen verwendet werden oder als Sensor zur Drehzahlerfassung. Eine typische Anwendung für die vertikale Positionserfassung mittels einer einzigen Sensorzelle wäre ein Differenzdruckschalter, bei welchem eine Membrane durch den Differenzdruck von der Sensoroberfläche abgehoben wird, und damit das Schaltsignal erzeugt. Entsprechend einer bevorzugten Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist zur weiteren Herabsetzung von Stör- und Streufeldeinflüssen die Anordnung so getroffen, daß bei zeilenförmiger Anordnung von vier Einzelkapazitäten als Meßkapazität zwei einander mittig benachbarte Einzelkapazitäten identisch beschaltet sind, wobei derartige zeilenförmige Anordnungen in einfacher Weise parallel zueinander zur Herstellung von Sensorzellreihen angeordnet werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Referenzkapazität sowie zwei Meß- bzw. Sensorkapazitäten, wie sie auf einem Substrat an einem Chip angeordnet werden können; Fig. 2 eine Draufsicht auf eine reihenförmige Struktur derartiger Sensoren; Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2; Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf ein aus mehreren Sensorzeilen bestehendes Sensorfeld und Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4.

In Fig. 1 sind drei leitfähige durch ein Dielektrikum voneinander getrennte Ebenen schematisch dargestellt, welche für die Ausbildung der Kapazitäten des kapazitiven Sensors Verwendung finden. Die oberste Verdrahtungsebene 1 sowie die dem Substrat benachbarte oder die durch das Substrat gebildete, innerste leitfähige Ebene 2 sind im Falle der Referenzkapazität 6 leitend miteinander verbunden und an Masse gelegt. Die mittlere dazwischenliegende leitfähige Ebene 3 befindet sich in einem Abstand a von der leitfähigen Ebene 1 und in einem Abstand von b von der leitfähigen Ebene 2, so daß sich insgesamt zwischen der leitfähigen Ebene 3 und den leitfähigen Ebenen 1 und 2 eine diesen Abständen entsprechende Parallelkapazität C_R ergibt.

Im Falle der in zwei Einzelkapazitäten 4 und 5 unterteilten Teilkapazitäten der Meß- und Sensorkapazität sind die einzelnen leitfähigen Ebenen 1, 2 und 3 anders beschaltet. Im Fall des ersten Teilbereiches der Sensorkapazität, wie sie mit der Teilkapazität 4 angedeutet ist, ist die mittlere leitfähige Ebene 3 mit der innenliegenden, dem Substrat benachbarten oder durch das Substrat gebildeten leitfähigen Ebene 2 leitend verbunden und auf Masse bzw. Substratpotential gelegt. Mit einer derartigen Teilkapazität 4 wird somit die dem Abstand a entsprechende Teilkapazität gebildet, wie sie auch beim Referenzkondensator vorliegt. Im Fall der zweiten Einzelkapazität 5 ist die mittlere leitfähige Ebene 3 mit der außenliegenden Verdrahtungsebene 1 verbunden, so daß hier insgesamt eine Kapazität ausgebildet wird, wie sie sich durch den Abstand b zur dem Substrat benachbarten, auf Substratpotential bzw. Erdpotential liegenden, innenliegenden leitfähigen Ebene ergibt. In Summe wird somit durch die Teilkapazitäten 4 und 5 eine Parallelkapazität C_S geschaffen, welche den beiden Abständen a und b, wie sie für den Wert der Kapazität des Referenzkondensators entscheidend sind, entspricht. Zum Unterschied vom Referenzkondensator liegt aber die Verdrahtungsebene bzw. außenliegende Kondensatorebene der Meßkapazität, wie sie durch die leitfähigen Ebenen 1 angedeutet ist, außen, wohingegen im Falle der Referenzkapazität diese außenliegende Verdrahtungsebene 1 leitend mit der innenliegenden, dem Substrat benachbarten und auf Substratpotential bzw. Erdpotential liegenden leitfähigen Ebene 2 verbunden ist. Aus dieser im Falle der Ausbildung als Referenzkondensator vollständigen Abschirmung des Kondensators resultierenden Unbeeinflußbarkeit des Referenzkondensators 6 ergibt sich die Möglichkeit, Abweichungen der Meßkapazitäten 4 und 5 relativ zu einem überaus konstanten Referenzkondensator auszuwerten. Mit Rücksicht auf den für alle Kondensatoren bis auf die Kontaktierung im wesentlichen gleichen Herstellungsprozeß wird ein hohes Ausmaß an Konstanz der jeweils erzielbaren Kapazitätswerte und damit eine überaus geringe Toleranz am Chip sichergestellt.

Bei der Ausbildung nach Fig. 2 ist eine zeilen- und reihenförmige Struktur ersichtlich, bei welcher die außenliegenden Referenzkondensatoren mit 6 bezeichnet sind. An diese Referenzkondensatoren schließen die Teilkapazitäten der Sensorkapazität an, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die beiden innenliegenden Teilkapazitäten 5 identisch beschaltet sind, wie sich dies aus Fig. 3, in welcher die jeweilige Kontaktierung ersichtlich ist, wie sie auch in Fig. 1 dargestellt ist, ergibt.

In Fig. 3 wurden die Bezugszeichen der Fig. 1 beibehalten.

In Fig. 4 ist eine Draufsicht auf ein aus mehreren Sensorzeilen bzw. Sensorreihen 7 bestehendes Sensorfeld 8 dargestellt, wobei die einzelnen Sensorzeilen entsprechend der Darstellung gemäß Fig. 2 und 3 ausgebildet sein können. Den einzelnen Referenzkondensatoren 6 benachbart sind jeweils Auswerteschaltungen 9 angeordnet, wobei die außenliegenden Sensorreihen bzw. Sensorzeilen 10 unbenützt sind, d. h. die Ergebnisse der angeschlossenen Auswerteschaltungen 9 nicht weiter verarbeitet werden.

In Fig. 5 ist schematisch das Streufeld der außenliegenden Sensorzeilen 10 dargestellt. Die außenliegenden Sensorzeilen 10 schirmen somit die weiter innenliegenden Sensorzeilen 7 ab, so daß bei Auswertung der Ergebnisse dieser Sensorzeilen praktisch keine Verzerrungen durch Streufelder auftreten.

Alle Meßkapazitäten werden gleichzeitig geladen, wodurch sich zwischen den obersten Sensorelektroden kein elektrisches Feld ausbildet, da sie gleiches Potential aufweisen. Es werden lediglich die äußersten Sensorzeilen 10 vom Streufeld beeinflußt.

Claims (7)

1. Kapazitiver Sensor für die Erfassung und Umwandlung mechanischer Stellgrößen, insbesondere von Abständen oder Positionen, in elektrische Signale zur Integration in integrierten Schaltkreisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus jeweils drei übereinanderliegenden, relativ zueinander isolierten, leitfähigen Ebenen (1, 2, 3) besteht, daß der Sensor in eine Referenzkapazität (6) und eine Meßkapazität (4, 5) unterteilt ist, daß die von der mittleren, leitfähigen Ebene (3) verschiedenen Ebenen (1, 2) der Referenzkapazität (6) an Substratpotential bzw. Masse liegen und daß die Meßkapazität von zwei parallel geschalteten Einzelkapazitäten (4, 5) gebildet ist, deren mittlere, leitfähige Ebenen (3) abwechselnd mit einer der anderen leitfähigen Ebene (1, 2) verbunden sind, wobei die dem Substrat benachbarten, leitfähigen Ebenen der Meßkapazität gemeinsames Masse- oder Substratpotential aufweisen.

2. Sensoranordnung von Sensoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ganzzahliges Vielfaches der zwei Einzelkapazitäten der Meßkapazität (4, 5) und ein entsprechend ganzzahliges Vielfaches der Referenzkapazität (6) in zeilenförmiger Struktur angeordnet sind, wobei die Referenzkapazitäten (6) außen an die Meßkapazitäten (4, 5) anschließend angeordnet sind.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von zeilenförmigen Strukturen (7) parallel zueinander angeordnet sind.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß außenliegende, zeilenförmige Strukturen (9, 10) von einer unbenützten Sensorzelle inklusive Auswerteschaltung (9) entkoppelt angeordnet sind.

5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei zeilenförmiger Anordnung von vier Einzelkapazitäten als Meßkapazität (4, 5) zwei einander mittig benachbarte Einzelkapazitäten identisch geschaltet sind.

6. Sensor oder Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Sensor bzw. jeder Sensorzeile (7) eine Auswerteschaltung (9) unmittelbar örtlich zugeordnet wird, welche Abweichungen der Meßkapazitäten (4, 5) relativ zu Referenzkapazitäten (6) erfaßt.

7. Verwendung eines Sensors bzw. einer Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für mechanische Wegaufnehmer, wie sie für Regelkreise benötigt werden, oder als Wegaufnehmer für Instrumente, wie Druckdosen, Thermometer, Kraftmeßzellen, Wegmeßzellen, oder als Sensor zur Drehzahlerfassung, oder für die vertikale Positionserfassung mittels einer einzigen Sensorzelle, oder als Differenzdruckschalter, bei welchem eine Membran durch den Differenzdruck von der Sensoroberfläche abgehoben wird.