Beschreibungdescription
Meßvorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten einer MaterialansammlungMeasuring device for measuring the dielectric constant of a material accumulation
Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten einer Materialansammlung .The invention relates to a measuring device for measuring the dielectric constant of a material accumulation.
Die Dielektrizitätskonstante bezeichnet eine Eigenschaft eines Materials bei dessen Verwendung als Dielektrikum eines Kondensators. Bei einem Kondensator, bei dem zwei ungleichartig geladene Körper in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind, hängt die Kapazität des Kondensators von der Größe der Oberfläche der zueinander gewandten Körper, von ihrem Abstand sowie von dem Dielektrikum zwischen den Körpern ab.The dielectric constant denotes a property of a material when it is used as the dielectric of a capacitor. In the case of a capacitor in which two unevenly charged bodies are arranged at a certain distance from one another, the capacitance of the capacitor depends on the size of the surface of the bodies facing one another, on their distance and on the dielectric between the bodies.
Bei einem Plattenkondensator mit zwei Kondensatorplatten ist dessen Kapazität durch die folgende Beziehung gegeben:In the case of a plate capacitor with two capacitor plates, its capacity is given by the following relationship:
C = ε AlsC = ε As
wobei :in which :
C Kapazität des ZweiplattenkondensatorsC capacitance of the two-plate capacitor
A Fläche der Kondensatorplatte s Plattenabstand ε Dielektrizitätskonstante = ε0 • εr ε0 elektrische Feldkonstante = 8,85 • 10~12 F Im εr Dielektrizitätszahl (Materialkonstante, z.B. εr,WaΞser =A area of the capacitor plate s plate distance ε dielectric constant = ε 0 • ε r ε 0 electrical field constant = 8.85 • 10 ~ 12 F Im ε r dielectric constant (material constant, e.g. ε r , water =
81 / εr , Luft , trocken, Normalbedingungen = 1 , 000594 , r , Benzol = 2 , 28 ,
Wie man aus der vorstehend aufgeführten Formel ersieht, besteht zwischen der Dielektrizitätskonstanten ε und der Di- elektrizitätszahl εr ein Zusammenhang über die elektrische Feldkonstante ε0. Die Bestimmung der Dielektrizitätskon- stanten ε beinhaltet daher die Bestimmung der Dielektrizi- tätszahl εr. Die Erfindung betrifft somit nicht nur eine Meßvorrichtung zur Messung der Dielektrizitätskonstanten einer Materialansammlung sondern ebenso eine Meßvorrichtung zur Messung der Dielektrizitätszahl einer Materialansammlung. Ebenso betrifft die Erfindung auch Verfahren zum Bestimmen der Dielektrizitätszahl einer Materialansammlung, wenn in der Beschreibung ein Verfahren zur Messung der Dielektrizitätskonstanten einer Materialansammlung beschrieben ist. In der Beschreibung und in den Ansprüchen wird somit der Begriff "Dielektrizitätskonstante" als Synonym für den Begriff "Dielektrizitätszahl" verwendet, auch wenn dies im einzelnen nicht immer hervorgehoben ist.81 / ε r , air, dry, normal conditions = 1, 000594, r , benzene = 2, 28, As can be seen from the formula given above, there is a relationship between the dielectric constant ε and the dielectric constant ε r via the electric field constant ε 0 . The determination of the dielectric constant ε therefore includes the determination of the dielectric constant ε r . The invention thus relates not only to a measuring device for measuring the dielectric constant of a material accumulation but also to a measuring device for measuring the dielectric constant of a material accumulation. The invention also relates to methods for determining the dielectric constant of a material accumulation if the description describes a method for measuring the dielectric constant of a material accumulation. In the description and in the claims, the term “dielectric constant” is thus used as a synonym for the term “dielectric constant”, even if this is not always emphasized in detail.
Im Stand der Technik ist es bekannt, die Dielektrizitäts- konstante einer Materialansammlung durch das Verhältnis zweier Kapazitäten von Dielektrika zu messen, die in einem Dreiplattenkondensator untergebracht sind. Die im Stand der Technik bekannten Methoden sind sehr aufwendig, da hinsichtlich der Randbedingungen bei der Verwendung der Dielektrika eine hohe Genauigkeit verlangt wird.It is known in the prior art to measure the dielectric constant of a material accumulation by the ratio of two capacitances of dielectrics, which are accommodated in a three-plate capacitor. The methods known in the prior art are very complex, since high accuracy is required with regard to the boundary conditions when using the dielectrics.
In der DE 41 39 356 AI ist ein Platten-Meßkondensator beschrieben, der aus drei Platten besteht, wobei zwei ebene Außenelektroden auf gleichem Potential liegen und sich die Gegenelektrode dazwischen befindet. Die Außenelektroden dienen der Abschirmung der zur Messung angelegten Wechselfelder.
In der DE 93 20 446 Ul ist eine kapazitive Meßzelle zur berührungslosen Messung von Volumen, Dichte und Zusammensetzung von Materialien, z.. B. von Kunststoffen, beschrieben, die als Plattenkondensator aus elektrisch leitendem Werkstoff in Form eines aus zwei Seitenplatten, zwei Jochen und einer Bodenplatte bestehenden Hohlquaders mit einer zu den Seitenwänden symmetrischen Innenplatte ausgebildet ist, die durch elektrisch isolierende Abstandshalter befestigt ist. Die Abstandshalter füllen in dem Innenvolumen den Bereich des elek- trischen Randfeldes vollständig aus, so daß in den beiden Kammern ein homogenes elektrisches Feld wirkt .In DE 41 39 356 AI a plate measuring capacitor is described, which consists of three plates, two flat outer electrodes are at the same potential and the counter electrode is in between. The external electrodes serve to shield the alternating fields created for the measurement. DE 93 20 446 Ul describes a capacitive measuring cell for the contactless measurement of volume, density and composition of materials, for example plastics, which is used as a plate capacitor made of electrically conductive material in the form of one made of two side plates, two yokes and a bottom plate existing hollow cuboid is formed with an inner plate symmetrical to the side walls, which is fastened by electrically insulating spacers. The spacers completely fill the area of the electrical boundary field in the inner volume, so that a homogeneous electrical field acts in the two chambers.
In der FR 2 697 339 AI ist ein Verfahren zur Messung der Dielektrizitätszahl eines Pulvers beschrieben, bei dem man das Pulver und eine Flüssigkeit zwischen zwei Elektroden einbringt, die einander gegenüber in einem festen Abstand angeordnet sind, und die Dielektrizitätszahl des zusammengesetzten Systems nach empirisch ermittelten approximativen Gleichungen mißt, in die das Mischungsverhältnis von Pulver und Flüssigkeit eingeht.FR 2 697 339 AI describes a method for measuring the dielectric constant of a powder, in which the powder and a liquid are introduced between two electrodes, which are arranged opposite one another at a fixed distance, and the dielectric constant of the composite system is determined empirically measures approximate equations into which the mixing ratio of powder and liquid is included.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Meßvorrichtung zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten bzw. der Dielektrizitätszahl einer Materialansammlung bereitzu- stellen, die eine einfache Auswertung erlauben.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.It is an object of the invention to provide a method and a measuring device for determining the dielectric constant or the dielectric constant of a material accumulation, which allow simple evaluation. This object is achieved according to the invention by the subject matter of the independent claims. Advantageous further developments result from the respective subclaims.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur Messung der Test- Dielektrizitätskonstanten einer Testmaterialansammlung weist dazu die folgenden Merkmale auf : einen Halbleitersensor mit einer kapazitiv empfindlichen Oberfläche, wobei die kapazitiv empfindliche Oberfläche wenigstens einen ersten Referenzbereich und einen Testbereich aufweist, eine Erfassungsschaltung, die so ausgebildet ist, daß ein erster Referenzwert für die Kapazität einer auf den ersten Referenzbereich aufgebrachten ersten Referenzen Materialansammlung sowie ein Testwert für die Kapazität der auf den Testbereich aufgebrachten Testmaterialansammlung ermittelbar ist, eine Auswertungsschaltung, die so ausgebildet ist, daß eine dem ersten Referenzwert entsprechende erste Referenz-Dielektrizitätskonstante abspeicherbar ist und daß aus der ersten Referenz-Dielektrizitätskonstanten, aus dem ersten Referenzwert und aus dem Testwert eine Test- Dielektrizitätskonstante berechenbar und ausgebbar ist.For this purpose, the measuring device according to the invention for measuring the test dielectric constant of a test material collection has the following features: a semiconductor sensor with a capacitively sensitive surface, the capacitively sensitive surface having at least a first reference area and a test area, a detection circuit which is designed such that a first reference value for the capacity of a first reference material accumulation applied to the first reference area and a test value for the capacity of the test material accumulation applied to the test area can be determined, an evaluation circuit which is designed such that a first reference dielectric constant corresponding to the first reference value can be stored and that a test dielectric constant can be calculated and output from the first reference dielectric constant, from the first reference value and from the test value.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine besonders vorteilhafte Verwendung eines Halbleitersensors mit einer kapazitiv empfindlichen Oberfläche möglich. Dabei gestattet die Verwendung des Halbleitersensors eine besonders einfache Aus- bildung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung, da ein Halbleitersensor mit einer kapazitiv empfindlichen Oberfläche bereichsgenau eine Auswertung der dielektrischen
Eigenschaften eines auf der Oberfläche aufgebrachten Stoffes gestattet .With the device according to the invention, a particularly advantageous use of a semiconductor sensor with a capacitively sensitive surface is possible. The use of the semiconductor sensor permits a particularly simple embodiment of the measuring device according to the invention, since a semiconductor sensor with a capacitively sensitive surface allows the dielectric to be evaluated in a precise manner Properties of a substance applied to the surface allowed.
Das erfindungsgemäße Verfahren, das mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung durchgeführt wird, sieht dabei die folgenden Schritte vor:The method according to the invention, which is carried out with the measuring device according to the invention, provides for the following steps:
Aufbringen einer ersten Referenzmaterialansammlung auf den ersten Referenzbereich und Abspeichern einer ersten Referenz-Dielektrizitätskonstante der ersten Referenzmaterialansammlung in der Auswertungsschaltung, - Aufbringen einer Testmaterialansammlung auf den Testbereich, wobei die Erfassungsschaltung dazu veranlaßt wird, die Kapazität der ersten Referenzmaterialansammlung als ersten Referenzwert sowie die Kapazität der Testmaterialansammlung als Testwert zu bestimmen, und wobei die Auswertungsschaltung weiterhin dazu veranlaßt wird, insbesondere mittels einer Dreisatzrechnung eine Test -Dielektrizitätskonstante aus der ersten Referenz-Dielektrizitätskonstante, aus dem ersten Referenzwert und aus dem Testwert zu bestimmen. Dabei ergibt sich die Test-Dielektrizitätskonstante aus der Multiplikation der Referenz-Dielektrizitätskonstante mit dem Quotienten aus Testwert und Referenzwert .Applying a first reference material accumulation to the first reference area and storing a first reference dielectric constant of the first reference material accumulation in the evaluation circuit, applying a test material accumulation to the test area, the detection circuit being caused to make the capacitance of the first reference material accumulation as the first reference value and the capacitance of the test material accumulation to be determined as a test value, and the evaluation circuit is further prompted to determine a test dielectric constant from the first reference dielectric constant, from the first reference value and from the test value, in particular by means of a three-sentence calculation. The test dielectric constant is obtained by multiplying the reference dielectric constant by the quotient of the test value and reference value.
Es können auch nicht-lineare Verfahren zur Bestimmung der Test -Dielektrizitätskonstante verwendet werden.Non-linear methods can also be used to determine the test dielectric constant.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich die Test-Dielektrizitätskonstante einer Testmaterialansammlung besonders einfach bestimmen, da lediglich eine bestimmte Menge einer Testmaterialansammlung auf einen Bereich der kapazitiv empfindlichen Oberfläche des Halbleitersensors aufgebracht werden muß. Durch Betätigen der Auswertungsschaltung wird
unmittelbar und ohne weitere manuelle Betätigung die Test- Dielektrizitätskonstante ausgegeben .With the method according to the invention, the test dielectric constant of a test material accumulation can be determined particularly easily, since only a certain amount of a test material accumulation has to be applied to an area of the capacitively sensitive surface of the semiconductor sensor. By pressing the evaluation circuit the test dielectric constant is output immediately and without further manual actuation.
Ferner ist die Verwendung eines Halbleitersensors mit einer kapazitiv empfindlichen Oberfläche bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders vorteilhaft, weil Halbleitersensoren in der Regel so ausgebildet sind, daß die kapazitiv empfindliche Oberfläche eine Vielzahl von einzeln abtastbaren kapazitiv empfindlichen Oberflächenbereichen aufweist. Auf diese Weise kann eine be- stimmte Anzahl von Oberflächenbereichen so zusammengefaßt werden, daß der Referenzbereich ausgebildet wird, während eine andere Vielzahl von kapazitiv empfindlichen Oberflächenbereichen den Testbereich bilden. Somit kann mit einem einzigen Sensorbaustein die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst werden.Furthermore, the use of a semiconductor sensor with a capacitively sensitive surface is particularly advantageous in the measuring device and method in accordance with the invention because semiconductor sensors are generally designed in such a way that the capacitively sensitive surface has a large number of individually scannable capacitively sensitive surface areas. In this way, a certain number of surface areas can be combined in such a way that the reference area is formed, while another plurality of capacitively sensitive surface areas form the test area. The object on which the invention is based can thus be achieved with a single sensor module.
In Weiterbildung der Erfindung weist die kapazitiv empfindliche Oberfläche des Halbleitersensors einen zweiten Referenzbereich auf, wobei die Erfassungsschaltung so ausgebildet ist, daß ein zweiter Referenzwert für dieIn a further development of the invention, the capacitively sensitive surface of the semiconductor sensor has a second reference area, the detection circuit being designed such that a second reference value for the
Kapazität einer auf den zweiten Referenzbereich aufgebrachten zweiten Referenzmaterialansammlung ermittelbar ist . Die Auswertungsschaltung wird dabei so ausgebildet, daß eine dem zweiten Referenzwert zugeordnete zweite Referenz- Dielektrizitätskonstante abspeicherbar ist und daß aus der ersten Dielektrizitätskonstanten, aus der zweiten Dielektrizitätskonstanten, aus dem ersten Referenzwert, aus dem zweiten Referenzwert sowie aus dem Testwert eine Test- Dielektrizitätskonstante berechenbar und ausgebbar ist. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit einer solchenCapacity of a second reference material accumulation applied to the second reference area can be determined. The evaluation circuit is designed such that a second reference dielectric constant assigned to the second reference value can be stored and that a test dielectric constant can be calculated and calculated from the first dielectric constant, from the second dielectric constant, from the first reference value, from the second reference value and from the test value can be spent. In the method according to the invention, such
Meßvorrichtung die Auswertungsschaltung dazu veranlaßt, die Test-Dielektrizitätskonstante mittels eines Interpolationsverfahrens aus der ersten Referenz-
Dielektrizitätskonstanten, aus der zweiten Referenz- Dielektrizitätskonstanten, aus dem ersten Referenzwert, aus dem zweiten Referenzwert und aus dem Testwert zu bestimmen. Mit der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung der erfin- dungsgemäßen Meßvorrichtung gestattet das erfindungsgemäße Verfahren eine besonders genaue Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten einer der Messung zugrunde liegenden Materialansammlung. Durch die Verwendung von zwei Referenzwerten im Zusammenhang mit einem Interpolationsverfahren können nämlich Prozeßtoleranzen besonders einfach eliminiert werden. Es können auch nichtlineare Berechnungsverfahren angewendet werden.Measuring device causes the evaluation circuit to determine the test dielectric constant by means of an interpolation method from the first reference Dielectric constants, from the second reference dielectric constant, from the first reference value, from the second reference value and from the test value. With the configuration of the measuring device according to the invention described above, the method according to the invention allows a particularly precise determination of the dielectric constant of a material accumulation on which the measurement is based. Process tolerances can be eliminated particularly easily by using two reference values in connection with an interpolation method. Nonlinear calculation methods can also be used.
Gerade bei der Verwendung eines Halbleitersensors mit einer kapazitiv empfindlichen Oberfläche ist es dabei besonders vorteilhaft, wenn die Kapazitäten der auf den Halbleitersensor aufgebrachten Materialansammlungen selektiv an denjenigen Stellen ermittelbar sind, die von den Materialansammlungen bedeckt sind. Dies läßt sich auf einfache Weise bei Halbleitersensoren bewerkstelligen, deren kapazitiv empfindliche Oberfläche als Matrix von zahlreichen kapazitiv empfindlichen Einzelsensoren aufgebaut ist, wobei jeder Einzelsensor über Zeilen- und Spaltenleitungen einzeln ansprechbar ist . Damit lassen sich bei einer Messung alle Einzelsensoren einzeln abtasten, wobei nur diejenigenEspecially when using a semiconductor sensor with a capacitively sensitive surface, it is particularly advantageous if the capacitances of the material accumulations applied to the semiconductor sensor can be determined selectively at those locations that are covered by the material accumulations. This can be achieved in a simple manner in the case of semiconductor sensors whose capacitively sensitive surface is constructed as a matrix of numerous capacitively sensitive individual sensors, each individual sensor being able to be addressed individually via row and column lines. This means that all individual sensors can be scanned individually during a measurement, only those
Meßergebnisse von Einzelsensoren zur Auswertung herangezogen werden, auf denen ersichtlich ein zur Umgebung veränderter Zustand auftritt.Measurement results from individual sensors are used for evaluation, on which a state that has changed in relation to the environment appears.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird auf der kapazitiv empfindlichen Oberfläche des Halbleitersensors jeweils im Bereich um einen Referenzbereich und/oder um den Testbereich herum wenigstens eine Gefäßwandung vorgesehen, die auch zu
einem verschließbaren Gefäß ausgebildet sein kann. Dabei ist insbesondere auch vorgesehen, gerade im Bereich um den Test- bereich herum ein offenes Gefäß auszubilden. Mit einer solchen Meßvorrichtung läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Referenzmaterialansammlung als Flüssigkeit gewählt wird, besonders einfach und zuverlässig durchführen. Dann wird die Flüssigkeit nämlich in das durch die Gefäßwandungen gebildete Gefäß eingefüllt und dort gehalten. Gemäß der Erfindung kann die Referenzmaterialansammlung als Luft oder als fester Stoff gewählt werden. Dabei wird die zu prüfende Materialansammlung vorteilhafterweise in das offene Gefäß auf dem Testbereich aufgebracht, bevor mit einer Messung begonnen wird.In an advantageous development, at least one vessel wall is provided on the capacitively sensitive surface of the semiconductor sensor in each case in the area around a reference area and / or around the test area a closable vessel can be formed. In particular, it is also provided that an open vessel is formed in the area around the test area. With such a measuring device, the method according to the invention, in which the reference material accumulation is chosen as the liquid, can be carried out particularly simply and reliably. Then the liquid is poured into the vessel formed by the vessel walls and held there. According to the invention, the reference material collection can be chosen as air or as a solid. The material to be tested is advantageously applied to the open vessel on the test area before a measurement is started.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beinhaltet auch, daß die Auswertungsschaltung aus der Test -Dielektrizitätskonstante, die sich aus der Auswertung der Sensormessungen ergibt, eine Test-Dielektrizitäts- zahl berechnet ausgibt .The method according to the invention with the device according to the invention also includes that the evaluation circuit outputs a test dielectric constant calculated from the test dielectric constant, which results from the evaluation of the sensor measurements.
Bei der Erfindung wird ein kapazitiv empfindlicher Oberflächensensor mit Referenzmaterialien wie Luft (εr = 1) oder Wasser (εr = 81) und mit dem zu untersuchenden Werkstoff beaufschlagt. Die Größe der anliegenden Kapazitäten wird gemessen und als Digitalwert ausgegeben. VorhandeneIn the invention, a capacitively sensitive surface sensor is loaded with reference materials such as air (ε r = 1) or water (ε r = 81) and with the material to be examined. The size of the available capacities is measured and output as a digital value. Existing
Prozeßtoleranzen können mit Hilfe der Referenzmaterialien eliminiert werden. Dabei ergibt sich der Vorteil, daß zur Bestimmung eines Kapazitätswerts ein kostengünstiger Sensor verwendet werden kann. Weiterhin wird der Meßwert direkt ausgegeben, wobei eine einfache und kompakte Modulbauweise ermöglicht wird.
Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungs- beipieles näher veranschaulicht.Process tolerances can be eliminated using the reference materials. This has the advantage that an inexpensive sensor can be used to determine a capacitance value. Furthermore, the measured value is output directly, whereby a simple and compact modular design is made possible. The invention is illustrated in more detail in the drawing using an exemplary embodiment.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemaßen Halbleitersensor einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung,FIG. 1 shows a cross section through a semiconductor sensor according to the invention of a measuring device according to the invention,
Figur 2 zeigt den Halbleitersensor aus Figur 1 in der Draufsicht,FIG. 2 shows a top view of the semiconductor sensor from FIG. 1,
Figur 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung mit dem Halblei - tersensor aus Figur 1 und Figur 2 undFIG. 3 shows a schematic block diagram of a measuring device according to the invention with the semiconductor sensor from FIGS. 1 and 2 and
Figur 4 zeigt ein Diagramm, das die Auswertung einer Messung mit der Meßvorrichtung aus Figur 3 veranschaulicht .FIG. 4 shows a diagram which illustrates the evaluation of a measurement with the measuring device from FIG. 3.
Figur 1 und Figur 2 zeigen einen Halbleitersensor 1. Figur 2 zeigt dabei eine Draufsicht auf den Halbleitersensor 1, während Figur 1 einen Querschnitt entlang einer in Figur 2 dargestellten Linie A-A durch den Halbleitersensor 1 veranschaulicht .Figure 1 and Figure 2 show a semiconductor sensor 1. Figure 2 shows a plan view of the semiconductor sensor 1, while Figure 1 illustrates a cross section along a line A-A shown in Figure 2 through the semiconductor sensor 1.
Der Halbleitersensor 1 hat ein Halbleitersubstrat 2, das in der Draufsicht gemäß Figur 2 einen rechteckigen Umriß aufweist. Das Halbleitersubstrat 2 ist an seiner Oberfläche mit einer kapazitiv empfindlichen Oberfläche 3 versehen, die in eine Vielzahl von in dieser Ansicht nicht im Einzelnen dargestellten, kapazitiv empfindlichen Oberflächenbereichen gegliedert ist. Dabei ist jeder der kapazitiv empfindlichen Oberflächenbereiche über je zwei elektrische Leitungen abtastbar, die zu einem Anschlußleitungsbündel 4 zusammengefaßt sind, das von einer Stirnseite des Halbleitersubstrats 2 wegführt.
Oberhalb der kapazitiv empfindlichen Oberfläche 3 und entlang deren äußeren Umrisses ist eine umlaufende vertikale Einfassungswand 5 vorgesehen, die allseitig geschlossen ist. Innerhalb der Einfassungswand 5 sind dabei eine erste Abgren- zungswand 6 und zweite Abgrenzungswand 7 angeordnet, die die beiden Längswände der Einfassungswand 5 miteinander verbinden, so daß ein erster Referenzraum 8, ein zweiter Referenzraum 9 und ein Testraum 10 auf der Oberfläche 3 dicht gegeneinander abgegrenzt werden, wie am besten in Figur 1 zu sehen ist.The semiconductor sensor 1 has a semiconductor substrate 2, which has a rectangular outline in the plan view according to FIG. 2. The surface of the semiconductor substrate 2 is provided with a capacitively sensitive surface 3, which is divided into a large number of capacitively sensitive surface areas, which are not shown in detail in this view. Each of the capacitively sensitive surface areas can be scanned via two electrical lines, which are combined to form a connection line bundle 4, which leads away from an end face of the semiconductor substrate 2. Above the capacitively sensitive surface 3 and along its outer contour, a circumferential vertical border wall 5 is provided, which is closed on all sides. A first delimitation wall 6 and a second delimitation wall 7 are arranged within the enclosure wall 5 and connect the two longitudinal walls of the enclosure wall 5 with one another, so that a first reference space 8, a second reference space 9 and a test space 10 on the surface 3 are tightly delimited from one another as best seen in Figure 1.
Dabei sind der erste Referenzraum 8 und der zweite Referenzraum 9 jeweils durch eine Deckenwandung 11 verschlossen. Der erste Referenzraum 8 ist mit Stickstoff aufgefüllt, während der zweite Referenzraum 9 mit destilliertem Wasser aufgefüllt ist. Somit wird ein erster Referenzbereich 12 der kapazitiv empfindlichen Oberfläche 3, der von der Einfassungswand 5 und von der ersten Abgrenzungswand 6 eingegrenzt wird, vollständig mit Stickstoff beaufschlagt. Ein zweiter Referenzbereich 13 der kapazitiv empfindlichen Oberfläche 3, der von der Einfassungswand 5, von der ersten Abgrenzungswand 6 und von der zweiten Abgrenzungswand 7 eingegrenzt wird, wird vollständig mit destilliertem Wasser benetzt.The first reference space 8 and the second reference space 9 are each closed by a ceiling wall 11. The first reference space 8 is filled with nitrogen, while the second reference space 9 is filled with distilled water. A first reference area 12 of the capacitively sensitive surface 3, which is delimited by the bordering wall 5 and by the first delimitation wall 6, is thus completely exposed to nitrogen. A second reference area 13 of the capacitively sensitive surface 3, which is delimited by the border wall 5, by the first delimitation wall 6 and by the second delimitation wall 7, is completely wetted with distilled water.
Ein Testbereich 14 der kapazitiv empfindlichen Oberfläche 3 wird von der Einfassungswand 5 und von der zweiten Abgrenzungswand 7 eingegrenzt. Dessen Oberfläche steht mit einer Testmaterialansammlung 15 in Kontakt, die in den Testraum 10 eingebracht worden ist. Wie man in Figur 2 besonders deutlich sieht, bedeckt die Testmaterialansammlung 15 nicht die gesamte Oberfläche des Testbereichs 14, sondern nur denjenigen Teil, der innerhalb der Umrißlinie 16 der Testmaterialansammlung 15 gelegen ist.
Figur 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 20, die den Halbleitersensor 1 aus Figur 1 und Figur 2 beinhaltet.A test area 14 of the capacitively sensitive surface 3 is delimited by the border wall 5 and by the second delimitation wall 7. Its surface is in contact with a test material collection 15 which has been introduced into the test space 10. As can be seen particularly clearly in FIG. 2, the test material collection 15 does not cover the entire surface of the test area 14, but only that part which is located within the outline 16 of the test material collection 15. FIG. 3 shows a schematic block diagram of a measuring device 20 according to the invention, which contains the semiconductor sensor 1 from FIG. 1 and FIG. 2.
Die Meßvorrichtung 20 beinhaltet außerdem eine Erfassungs- schaltung 21, die über das Anschlußleitungsbündel 4 mit dem Halbleitersensor 1 in Verbindung steht. Weiterhin ist an der Erfassungsschaltung 21 eine Eingabetastatur 22 vorgesehen, über die eine erste Referenz-Dielektrizitätskonstante εref,ι sowie eine zweite Referenz-Dielektrizitätskonstante εref, in der Erfassungsschaltung 21 eingebbar ist.The measuring device 20 also includes a detection circuit 21 which is connected to the semiconductor sensor 1 via the bundle of connecting lines 4. Furthermore, an input keyboard 22 is provided on the detection circuit 21, via which a first reference dielectric constant ε ref , ι and a second reference dielectric constant ε ref can be entered in the detection circuit 21.
Die Meßvorrichtung 20 ist darüber hinaus mit einer Auswer- tungsschaltung 23 versehen, die mit einer Anzeigeeinheit 24 in Verbindung steht .The measuring device 20 is also provided with an evaluation circuit 23 which is connected to a display unit 24.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum Bestimmen der Dielektrizitätskonstante der Testmaterialan- Sammlung 15 folgendermaßen vorgegangen.To carry out the method according to the invention, the procedure for determining the dielectric constant of the test material collection 15 is as follows.
Zunächst wird die Testmaterialansammlung 15 in den Testraum 10 eingebracht, so daß der Testbereich 14 der kapazitiv empfindlichen Oberfläche 3 des Halbleitersubstrats 2 mit der Testmaterialansammlung 15 bedeckt ist.First, the test material collection 15 is introduced into the test space 10, so that the test area 14 of the capacitively sensitive surface 3 of the semiconductor substrate 2 is covered with the test material collection 15.
Danach wird die erste Referenz-Dielektrizitätskonstante εref,ι des im ersten Referenzraum 8 befindlichen Stickstoffs und die zweite Referenz-Dielektrizitätskonstante εref, des im zweiten Referenzraum 9 befindlichen destillierten Wassers in die Meßvorrichtung 20 eingegeben, und zwar über die Eingabetastatur 22. Die Erfassungsschaltung 21 leitet diese Werte εref;ι und
εref,2 an die Auswertungsschaltung 23 weiter, wo sie abgespeichert werden.The first reference dielectric constant ε ref , ι of the nitrogen located in the first reference space 8 and the second reference dielectric constant ε ref , of the distilled water located in the second reference space 9 are then entered into the measuring device 20, specifically via the input keyboard 22. The detection circuit 21 passes these values ε ref; ι and ε ref , 2 on to the evaluation circuit 23, where they are stored.
Danach wird die Erfassungsschaltung 21 dazu veranlaßt, die Kapazität des im ersten Referenzraum 8 befindlichen Stickstoffs und des im zweiten Referenzraum 9 befindlichen destillierten Wassers zu messen und als Werte Cret,ι und Crer,2 an die Auswertungsschaltung 23 weiterzuliefern. Schließlich wird die Kapazität CTest an denjenigen Stellen des Testbereichs 14 be- stimmt, die mit der Testmaterialansammlung 15 bedeckt sind. Dabei werden nur diejenigen kapazitiv empfindlichen Oberflächenbereiche des Testbereichs 14 verwertet, die sich innerhalb der Umrißlinie 16 gemäß Figur 2 befinden. Die übrigen kapazitiv empfindlichen Oberflächenbereiche des Testbereichs 14 werden zwar durch die Erfassungsschaltung 21 erfaßt, jedoch nicht zur Berechnung des Werts CTest verwendet, da sich diese hinsichtlich ihrer Kapazität deutlich von der Kapazität der Testmaterialansammlung 15 unterscheiden.Thereafter, the detection circuit 21 is caused to measure the capacitance of the nitrogen located in the first reference space 8 and of the distilled water located in the second reference space 9 and to pass them on to the evaluation circuit 23 as values C ret , ι and C rer , 2 . Finally, the capacitance C test is determined at those points in the test area 14 which are covered with the test material accumulation 15. Only those capacitively sensitive surface areas of the test area 14 that are located within the outline 16 according to FIG. 2 are used. The other capacitively sensitive surface areas of the test area 14 are detected by the detection circuit 21, but are not used to calculate the value C Test , since their capacity differs significantly from the capacity of the test material collection 15.
Schließlich wird die Test-Dielektrizitätskonstante εTest von der Auswertungsschaltung 23 bestimmt und über die Anzeigeeinheit 24 als digitaler Wert ausgegeben. Zur Bestimmung der Test-Dielektrizitätskonstanten εTest wird dabei gemäß Figur 4 vorgegangen, wonach durch die durch Cref,ι und εref,ι bzw. durch Cref,2 und εref,2 bestimmten Punkte eine Gerade gelegt wird und der zu CTest gehörende Wert εTest mit Hilfe des Strahlensatzes ausgerechnet wird. Diese Vorgehensweise ist auch als sogenanntes lineares Interpolationsverfahren bekannt.Finally, the test dielectric constant ε test is determined by the evaluation circuit 23 and output as a digital value via the display unit 24. To determine the test dielectric constant ε test , the procedure according to FIG. 4 is followed, according to which a straight line is laid through the points determined by C ref , ι and ε ref , ι or by C re f, 2 and ε re f, 2 and the to C Tes t associated value ε Tes t with the help of the beam set is calculated. This procedure is also known as the so-called linear interpolation method.
Aus der Test-Dielektrizitätskonstanten εTest kann unmittelbar die Test-Dielektrizitätszahl der Testmaterialansammlung 15 bestimmt werden, die einen Rückschluß auf das zugrunde lie-
gende Material und dessen Eigenschaften zuläßt.The test dielectric constant of the test material accumulation 15 can be determined directly from the test dielectric constant ε test , which can be used to draw a conclusion about the underlying material and its properties.
Mit den in Figur 1 bis Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispielen können Messungen auch durchgeführt werden, wenn entweder nur der erste Referenzraum 8 oder nur der zweite Referenzraum 9 bei der Berechnung der Test-With the exemplary embodiments shown in FIGS. 1 to 3, measurements can also be carried out if either only the first reference space 8 or only the second reference space 9 is used to calculate the test
Dielektrizitätskonstanten εTest der Testmaterialansammlung 15 herangezogen werden. In diesem Fall genügt dann ein einfacher Dreisatz, um ausgehend von der Referenz- Dielektrizitätskonstanten εref,ι, der gemessenen Kapazität Cref i und der gemessenen Kapazität CTest die Test- Dielektrizitätskonstante εTest zu bestimmen.
Dielectric constant ε Tes t of the test material accumulation be used 15th In this case, a simple rule of three is then sufficient to determine the test dielectric constant ε Te based on the reference dielectric constant ε ref , ι, the measured capacitance Cref i and the measured capacitance C Tes t.