WO2011154207A1 - Kapazitiver sensor - Google Patents

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WO2011154207A1
WO2011154207A1 PCT/EP2011/057421 EP2011057421W WO2011154207A1 WO 2011154207 A1 WO2011154207 A1 WO 2011154207A1 EP 2011057421 W EP2011057421 W EP 2011057421W WO 2011154207 A1 WO2011154207 A1 WO 2011154207A1
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WO
WIPO (PCT)
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individual electrodes
subset
carrier substrate
signal lines
loa
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/057421
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fatih Alatas
Harry Hedler
Martin KÖRDEL
Anton Schick
Jörg ZAPF
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/226—Construction of measuring vessels; Electrodes therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/302—Contactless testing
    • G01R31/312—Contactless testing by capacitive methods

Definitions

  • Capacitive sensor The invention relates to a device having a plurality of individual electrodes for the capacitive measurement of electrical or dielectric properties of a measurement object. In addition, a method for producing the device is specified. Capacitive sensors for the measurement of the electrical or dielectric properties of an object, for example for testing liquid crystal displays, USAGE ⁇ det. It is known to mount a sensor electrode for this purpose at a defined distance above the measurement object.
  • the device according to the invention serves for the capacitive measurement of electrical and dielectric properties of a dielectric Measurement object.
  • Measurement objects can be products, for example porosity, solar panels or e-paper.
  • the device comprises a plurality of individual electrodes and a switching device.
  • the switching device is characterized in that at least two different divisions of the individual electrodes can be made with it. In dividing at least a subset of a ⁇ zelelektroden is set. The individual electrodes within at least one, in particular each subset are connected elek ⁇ trically, between individual electrodes of unequal subsets, the electrical connection is interrupted.
  • the subsets do not overlap, in other words are disjoint.
  • sensor electrode structures of arbitrary shape and size can be generated which are composed of several individual electrodes.
  • the sensor electrode structures can be adapted quickly to the substrate to be characterized. Due to the flexible adaptability of the device to various substrates, it is possible in particular to avoid long changeover times. Insbesonde ⁇ re can be adjusted the size of the sensor electrode pattern on the size of the detected structures and their dissolution can be ensured.
  • the device comprises at least two ver ⁇ switched subsets of individual electrodes, wherein the first-connected subset forming a sensor electrode structure and the second-connected subset encloses sensor ⁇ electrode structure and an electrical Abschir ⁇ mung forms, comparable to a coaxial shield is advantageous electrical cables.
  • the individual electrodes are preferably arranged two-dimensionally and ins ⁇ regularly in a two-dimensional grid. This arrangement is advantageous for the inspection of measuring objects, for example liquid crystal displays with a multiplicity of regularly arranged pixels.
  • the individual electrodes can be embodied in various forms, in particular circular. In a further embodiment of the device, the individual electrodes may be square, in particular rectangular or square. The individual electrodes may for example also be triangular or polygonal.
  • the lateral expansion, into ⁇ particular the diameter, length or width of individual electrodes preferably less than 20 ym, and in particular clotting ⁇ ger than lOym. In a further embodiment, the lateral extent of the individual electrodes is less than 1 ⁇ m.
  • the device comprises individual electrodes whose lateral extent is less than 0.5 ym.
  • all individual electrodes in their lateral extent, viewed from the measurement object, are smaller than 0.5 .mu.m.
  • the distance between the individual electrodes of a pair of adjacent individual electrodes is in one embodiment less than half the lateral extent of one of the individual electrodes. In particular, this distance applies to all pairs of adjacent individual electrodes.
  • the individual electrodes so that the distance between the individual electrodes ⁇ a pair of adjacent individual electrodes is less than a third of a lateral extension of one of the individual electrodes. In particular, the distance may be smaller than a lateral extent of one of the individual electrodes.
  • the arrangement of the individual electrodes can be determined by a tenabstand less than 15 ⁇ , in particular less than 10 ⁇ , from drawing.
  • the switching device of the device is designed as an ASIC. Furthermore, the switching device is preferably configured to carry out a signal evaluation in addition to the interconnection of the individual electrodes and thus to serve for capacitance measurement.
  • the device comprises a carrier substrate, wherein or whereupon the single-electron ⁇ are arranged, wherein the support substrate comprises signal lines in conjunction with the individual electrodes and vias for the signal lines.
  • the feedthroughs and the signal lines can in particular run vertically through the carrier substrate.
  • the contacting with the switching unit can take place on the rear side of the carrier substrate.
  • the carrier substrate and the switching device may be implemented separately from each other.
  • the switching device in particular an ASIC, serve as a carrier substrate.
  • the individual electrodes can be generated directly on the surface of the switching device, in particular the ASIC surface.
  • the device can be distinguished by a carrier substrate which has silicon.
  • a carrier substrate which has silicon.
  • This has the advantage that established methods for processing and processing silicon, in particular in the form of silicon substrates or wafers, can be used.
  • the requirements of the device on the stability and the flatness of the carrier substrate are met.
  • the thickness of a spinachsub ⁇ strats, in particular a silicon substrate is preferably greater than 250 ⁇ chosen to ensure the mechanical stability of the carrier substrate.
  • the Trä ⁇ gersubstrat may have a flatness less than 1 ⁇ .
  • the device when the device is configured such that a subset of the individual electrodes is disposed in a festlegba ⁇ ren first distance to the measurement object, and a further subset of the individual electrodes is disposed at a second distance to the measurement object is advantageous, wherein said first distance and the second distance are different. This allows the capacitive sensitivity to be set.
  • a measuring head, the carrier substrate and the individual electrodes may comprise and its distance to the measurement object can be less than 15 ⁇ , in particular less than 10 ⁇ ge ⁇ be selected.
  • the flatness of the arrangement of the individual electrodes on the carrier substrate can be less than 1 ⁇ m.
  • the flatness of the arrangement of the individual electrodes on the carrier substrate is less than one tenth of the working height, i.e. the distance of the carrier substrate with the arrangement of a ⁇ zelelektroden amount to the measured object.
  • the device has a device for generating an air bearing.
  • the distance of the individual electrodes to the measurement object can be regulated.
  • the device advantageously comprises air passages between the individual electrodes.
  • the individual electrodes can be configured in the shape of a needle.
  • a method for the capacitive measurement of electrical and dielectric properties of a measurement object, in which a device having a plurality of individual electrodes and a switching device is used.
  • this method at least two different divisions of the individual electrodes by means of the switching device performed, wherein set at least a partial quantity of individual electrodes in a division and the single-electron ⁇ are electrically connected within each of the subsets. Between individual electrodes of unequal subsets the electrical connection is interrupted. It is advantageous if said method is that an interconnected subset of the individual electrodes forming a sensor electrode structure, and encloses a further subset of these interconnected sensor electric ⁇ den Jardin and forms an electrical shield.
  • a further embodiment of the invention is characterized in that the method is used so that at least one interconnected subset of the individual electrodes forms a sensor electrode structure, wherein the shape of a measurement signal can be determined by means of the geometry of the sensor electrode structure.
  • the variable shape of the sensor electrode structure has the advantage of being able to influence the response signal form and thus ensures, in particular, a defined signal form independent of the shape of the structure to be detected.
  • sensor electrode structures of triangular geometry are approximated or designed as finger electrode structures, in each case adapted to a triangular or finger structure of the measurement object.
  • a triangular ⁇ signal form of the response signal is effected in lateral overrun of the measurement object. This makes it possible to dispense with a complex evaluation.
  • a method for producing the device described above for the capacitive measurement of electrical and dielectric properties of a measured object is specified.
  • a backing substrate is provided and arranged in a multi ⁇ number of individual electrodes in or on the carrier substrate.
  • a switching device is provided and configured so that at least two different divisions of the single-electron ⁇ may be made wherein set at least a subset of individual electrodes in a division and the individual electrodes may be electrically connected within each of the subsets. Between individual electrodes of unequal subsets the electrical connection is interrupted.
  • the method may further include generating signal lines for the single electrodes and passing them through the carrier substrate.
  • the bushings for the signal lines through the carrier substrate are preferably produced by a elektrochemi ⁇ rule etching step.
  • the diameter of the bushings or signal lines is between 0.5 ⁇ and 10 ⁇ .
  • Fig. 1 is a plan view with a cross section of a capacitive
  • Fig. 2 is a plan view of the individual electrodes in one
  • FIG. 1 shows a capacitive sensor with an electrode arrangement comprising a plurality of individual electrodes 1.
  • the individual electrodes 1 are arranged on a carrier substrate 5 in a two-dimensional grid.
  • the square individual electrodes 1 form an 11 ⁇ 11 matrix.
  • the individual electrodes 1 are arranged at regular intervals A.
  • the cross-section Q shows how the individual electrodes 1 penetrate the carrier substrate 5 in the form of a pin and in this case fulfill the function of a signal line 6.
  • WEI sen the signal lines 6 a circular cross-section.
  • the cross-section Q likewise shows the electrical connection to a separate one from the carrier substrate 5
  • Switching device 4 about an ASIC.
  • a connection of a first subset 10a of nine individual electrodes 1 to a centrally arranged 3 ⁇ 3 electrode structure is undertaken.
  • a capacitance measurement can take place via this electrode structure in the form of the first subset 10a.
  • this electrode structure becomes a second one
  • Subset 10b which forms a ring of individual electrodes 1, electrically connected to each other.
  • a shield for the electrode structure is generated.
  • a third subset 10c of the remaining individual electrodes 1 can in turn be connected or the individual electrodes 1 can remain isolated from one another.
  • the switching device 4 can in this case additionally serve for the evaluation of the measurement signals.
  • the saudimensio ⁇ dimensional electrode grid shown in Figure 1 specifically has the following dimensions:
  • the distance A of the individual electrodes 1 is 3.5 ym, the center distance B is 12 ym.
  • the lateral extent C of the individual electrodes is 8.5 ym.
  • FIGS. 2 to 4 show further examples of interconnections of the individual electrodes 1.
  • Four individual electrodes 1 in 2 x 2 electrode structures are interconnected in the subsets 20a-f.
  • nine individual electrodes 1 each are formed in 3 x 3 electrode structures interconnected and in the subsets 40a-f 25 individual electrodes 1 in 5 x 5 electrode structures are interconnected.
  • the electrode structures produced in this way form a superordinate electrode grid.
  • the electrode structures are in the form of the subsets 20a-c, 30a-c, 40a-c, a first electrode line and the Elek ⁇ troden Modell in the form of the subsets 20d-f, 30d-f, 40d-f a second electrode line leading to the first electrode line runs parallel. None of the electrode structures in the form of one of the subsets 20a-f, 30a-f, 40a-f is electrically connected to a second electrode structure, which Different hatching of the electrode structures is shown.
  • the geometry of the electrode structure is not limited to a quadratic structure.
  • For adaptation to the structures to be detected it is also possible, for example, to generate 2 ⁇ 4, 3 ⁇ 9 or generally n ⁇ m electrode structures, where n m.
  • cross structures or finger or arithmetic structures can also be generated.
  • the geometry of the sensor electrode structure to the shape and structure of the measurement object, the signal shape of the measurement signal can be determined. This is of particular advantage for the detection, e.g. substructures of a pixel of a liquid crystal display. These are, for example, transistor or capacitor structures.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur kapazitiven Messung elektrischer und dielektrischer Eigenschaften eines Messobjektes angegeben. Diese weist eine Mehrzahl an Einzelelektroden sowie eine Schaltvorrichtung auf. Die Schaltvorrichtung erläutert verschiedene Aufteilungen der Einzelelektroden vorzunehmen. Dabei wird mindestens eine Teilmenge von Einzelelektroden festgelegt und deren Einzelelektroden elektrisch verbunden. Zwischen Einzelelektroden ungleicher Teilmengen ist die elektrische Verbindung unterbrochen. Durch die Möglichkeit die Einzelelektroden frei zu verschalten, können Sensorelektrodenstrukturen beliebiger Form und Größe erzeugt werden, die aus mehreren Einzelelektroden zusammengesetzt sind. Somit können die Sensorelektrodenstrukturen schnell an ein zu charakterisierendes Substrat angepasst werden. Insbesondere kann die Größe der Sensorelektrodenstruktur an die Größe von zu detektierenden Strukturen angepasst werden.

Description

Beschreibung
Kapazitiver Sensor Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Mehrzahl an Einzelelektroden zur kapazitiven Messung von elektrischen oder dielektrischen Eigenschaften eines Messobjektes. Daneben wird ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung angegeben. Kapazitive Sensoren werden für die Messung der elektrischen oder dielektrischen Eigenschaften eines Messobjektes, beispielsweise zur Prüfung von Flüssigkristalldisplays, verwen¬ det. Es ist bekannt, hierfür eine Sensorelektrode in einem definierten Abstand über dem Messobjekt anzubringen.
Weiterhin sind linienförmige Anordnungen von Sensorelektroden bekannt. Mittels dieser Sensorzeilen kann ein zu prüfendes Messobjekt abgefahren werden. Nachteilig an den bekannten Sensoren ist, dass die Form und Größe der Sensorelektroden stets für die Strukturdimensionen des Messobjekts geeignet sein muss .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung für kapazitive Messungen bereit zu stellen, mit der eine Ver- messung von Messobjekten mit verschiedenen Dimensionen der
(di ) elektrischen Strukturen ermöglicht ist. Eine weitere Auf¬ gabe der Erfindung ist es, ein zugehöriges Herstellungsverfahren anzugeben. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein zugehöriges Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 ist im Patentanspruch 13 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens und vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur kapazitiven Mes¬ sung elektrischer und dielektrischer Eigenschaften eines Messobjektes. Messobjekte können beispielsweise Flüssigkri¬ stalldisplays, Solarpaneele oder E-Paper Produkte sein. Die Vorrichtung umfasst eine Mehrzahl an Einzelelektroden sowie eine Schaltvorrichtung.
Die Schaltvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei verschiedene Aufteilungen der Einzelelektroden damit vorgenommen werden können. In einer Aufteilung wird mindestens eine Teilmenge von Ein¬ zelelektroden festgelegt. Die Einzelelektroden innerhalb wenigstens einer, insbesondere jeder Teilmenge sind elek¬ trisch verbunden, wobei zwischen Einzelelektroden ungleicher Teilmengen die elektrische Verbindung unterbrochen ist.
Zweckmäßig überlappen sich die Teilmengen nicht, sind also mit anderen Worten disjunkt. Durch die Möglichkeit, die Ein¬ zelelektroden frei zu verschalten, können Sensorelektrodenstrukturen beliebiger Form und Größe erzeugt werden, die aus mehreren Einzelelektroden zusammengesetzt sind. Somit können die Sensorelektrodenstrukturen schnell an das zu charakterisierende Substrat angepasst werden. Durch die flexible An- passbarkeit der Vorrichtung an verschiedene Substrate können insbesondere lange Umrückzeiten vermieden werden. Insbesonde¬ re kann die Größe der Sensorelektrodenstruktur auf die Größe der zu detektierenden Strukturen angepasst und deren Auflösung gewährleistet werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung mindestens zwei ver¬ schaltete Teilmengen von Einzelelektroden umfasst, wobei die erste verschaltete Teilmenge eine Sensorelektrodenstruktur bildet und die zweite verschaltete Teilmenge diese Sensor¬ elektrodenstruktur umschließt und eine elektrische Abschir¬ mung bildet, vergleichbar mit einer koaxialen Abschirmung in elektrischen Leiterkabeln.
Die Einzelelektroden sind bevorzugt zweidimensional und ins¬ besondere regelmäßig in einem zweidimensionalen Gitter angeordnet. Diese Anordnung ist vorteilhaft für die Inspektion von Messobjekten, beispielsweise Flüssigkristalldisplays mit einer Vielzahl regelmäßig angeordneter Pixel. Die Einzel¬ elektroden können in verschiedenen Formen ausgeführt sein, insbesondere kreisförmig. In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung können die Einzelelektroden viereckig, insbesondere rechteckig oder quadratisch ausgeführt sein. Die Einzelelektroden können beispielsweise auch dreieckig oder polygonal ausgeführt sein. Dabei ist die laterale Ausdehnung, ins¬ besondere der Durchmesser, die Länge oder Breite der Einzel- elektroden bevorzugt geringer als 20 ym, insbesondere gerin¬ ger als lOym. In einer weiteren Ausführungsform ist die laterale Ausdehnung der Einzelelektroden geringer als 1 ym. Alternativ umfasst die Vorrichtung Einzelelektroden, deren laterale Ausdehnung weniger als 0,5 ym beträgt. Insbesondere sind alle Einzelelektroden in ihrer lateralen Ausdehnung, vom Messobjekt aus betrachtet, kleiner als 0,5 ym. Mittels Ein¬ zelelektroden dieser geringen Ausdehnung kann auch die Auflösung von sehr kleinen Strukturen, beispielsweise Substrukturen einzelner Pixel, beispielsweise Fingerstrukturen oder Transistoren gewährleistet werden.
Der Abstand zwischen den Einzelelektroden eines Paars von benachbarten Einzelelektroden ist in einer Ausgestaltung geringer als eine halbe laterale Ausdehnung einer der Einzelelek- troden. Insbesondere gilt dieser Abstand für alle Paare von benachbarten Einzelelektroden. Durch eine dichte Packung kleiner Einzelelektroden werden elektrische Felder gewährleistet, die sich nicht von elektrischen Feldern unterschei¬ den, die mittels nicht unterbrochenen flächigen Sensorelek- trodenstrukturen erzeugt werden. Des Weiteren sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung die Einzelelektroden so angeordnet, dass der Abstand zwischen den Einzel¬ elektroden eines Paars von benachbarten Einzelelektroden geringer ist als ein Drittel einer lateralen Ausdehnung einer der Einzelelektroden. Insbesondere kann der Abstand kleiner sein als eine laterale Ausdehnung einer der Einzelelektroden. Die Anordnung der Einzelelektroden kann sich durch einen Mit- tenabstand kleiner als 15 μιτι, insbesondere kleiner als 10 μιτι, aus zeichnen .
Zweckmäßig ist die Schaltvorrichtung der Vorrichtung als ASIC ausgeführt. Des Weiteren ist die Schaltvorrichtung bevorzugt ausgestaltet, neben der Verschaltung der Einzelelektroden auch eine Signalauswertung vorzunehmen und so zur Kapazitätsmessung zu dienen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung ein Trägersubstrat auf, worin oder worauf die Einzelelektro¬ den angeordnet sind, wobei das Trägersubstrat Signalleitungen in Verbindung mit den Einzelelektroden und Durchführungen für die Signalleitungen umfasst. Die Durchführungen und die Sig- nalleitungen können insbesondere senkrecht durch das Trägersubstrat verlaufen. Beispielsweise kann auf der Rückseite des Trägersubstrats die Kontaktierung zur Schalteinheit erfolgen.
Das Trägersubstrat und die Schaltvorrichtung können separat voneinander ausgeführt sein. Alternativ kann die Schaltvorrichtung, insbesondere ein ASIC, als Trägersubstrat dienen. Beispielsweise können die Einzelelektroden direkt auf der Oberfläche der Schaltvorrichtung, insbesondere der ASIC- Oberfläche, erzeugt werden.
Die Vorrichtung kann sich insbesondere durch ein Trägersubstrat auszeichnen, das Silizium aufweist. Das hat zum Vorteil, dass etablierte Verfahren zur Be- und Verarbeitung von Silizium, insbesondere in Form von Siliziumsubstraten oder Wafern, genutzt werden können. Darüber hinaus werden die Anforderungen der Vorrichtung an die Stabilität und die Ebenheit des Trägersubstrats erfüllt. Die Dicke eines Trägersub¬ strats, insbesondere eines Silizium-Substrats wird bevorzugt größer als 250 μιη gewählt, um die mechanische Stabilität des Trägersubstrats zu gewährleisten. Insbesondere kann das Trä¬ gersubstrat eine Ebenheit geringer als 1 μιη aufweisen. Vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass eine Teilmenge der Einzelelektroden in einem festlegba¬ ren ersten Abstand zum Messobjekt angeordnet ist, und eine weitere Teilmenge der Einzelelektroden in einem zweiten Ab- stand zum Messobjekt angeordnet ist, wobei der erste Abstand und der zweite Abstand unterschiedlich sind. Damit kann die kapazitive Messempfindlichkeit eingestellt werden.
Beispielsweise kann ein Messkopf das Trägersubstrat und die Einzelelektroden umfassen und dessen Abstand zum Messobjekt kann geringer als 15 μιτι, insbesondere geringer als 10 μιη ge¬ wählt werden. In einer Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Ebenheit der Anordnung der Einzelelektroden auf dem Trägersubstrat weniger als 1 μιη betragen. Insbesondere kann die Ebenheit der Anordnung der Einzelelektroden auf dem Trägersubstrat weniger als ein Zehntel der Arbeitshöhe, das heißt des Abstandes des Trägersubstrates mit der Anordnung der Ein¬ zelelektroden zum Messobjekt betragen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung eines Luftlagers auf. Damit kann der Abstand der Einzelelektroden zum Messobjekt geregelt werden. Zu diesem Zweck umfasst die Vorrichtung vorteilhafterweise Luftdurchlässe zwischen den Einzelelektro- den. Insbesondere können die Einzelelektroden nadeiförmig ausgestaltet sein.
Weiterhin wird ein Verfahren zur kapazitiven Messung elektrischer und dielektrischer Eigenschafen eines Messobjektes ge- schaffen, bei dem eine Vorrichtung mit einer Mehrzahl an Einzelelektroden sowie einer Schaltvorrichtung verwendet wird. In diesem Verfahren werden mittels der Schaltvorrichtung mindestens zwei verschiedene Aufteilungen der Einzelelektroden vorgenommen, wobei in einer Aufteilung wenigstens eine Teil- menge von Einzelelektroden festgelegt und die Einzelelektro¬ den innerhalb jeder der Teilmengen elektrisch verbunden werden. Zwischen Einzelelektroden ungleicher Teilmengen wird die elektrische Verbindung unterbrochen. Vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren dazu dient, dass eine verschaltete Teilmenge der Einzelelektroden eine Sensorelektrodenstruktur bildet, und eine weitere verschaltete Teilmenge dieser Sensorelektro¬ denstruktur umschließt und eine elektrische Abschirmung bil- det .
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren dazu dient, dass mindestens eine verschaltete Teilmenge der Einzelelektroden eine Sensor- elektrodenstruktur bildet, wobei mittels der Geometrie der Sensorelektrodenstruktur die Signalform eines Messsignals festlegbar ist. Die variable Form der Sensorelektrodenstruktur hat den Vorteil, die Antwortsignalform beeinflussen zu können und gewährleistet damit insbesondere eine festgelegte Signalform unabhängig von der Form der zu detektierenden Struktur. Beispielsweise sind Sensorelektrodenstrukturen dreieckiger Geometrie angenähert oder als Fingerelektrodenstrukturen ausgeführt, in jeweiliger Anpassung auf eine dreieckige oder Fingerstruktur des Messobjektes. Insbesondere wird bei lateralem Überfahren des Messobjektes eine Dreiecks¬ signalform des Antwortsignals bewirkt. Dadurch kann auf eine aufwendige Auswerteelektronik verzichtet werden.
Schließlich wird ein Verfahren zur Herstellung der voranste- hend beschriebenen Vorrichtung zur kapazitiven Messung elektrischer und dielektrischer Eigenschaften eines Messobjektes angegeben. In diesem Verfahren wird ein Trägersubstrat bereitgestellt sowie in oder auf dem Trägersubstrat eine Mehr¬ zahl von Einzelelektroden angeordnet. Des Weiteren wird eine Schaltvorrichtung bereitgestellt und ausgestaltet, so dass mindestens zwei verschiedene Aufteilungen der Einzelelektro¬ den vorgenommen werden können, wobei in einer Aufteilung mindestens eine Teilmenge von Einzelelektroden festgelegt und die Einzelelektroden innerhalb jeder der Teilmengen elek- trisch verbunden werden können. Zwischen Einzelelektroden ungleicher Teilmengen ist die elektrische Verbindung unterbrochen . Das Verfahren kann des Weiteren die Erzeugung von Signalleitungen für die Einzelelektroden und deren Durchführung durch das Trägersubstrat umfassen. Die Durchführungen für die Signalleitungen durch das Trägersubstrat werden dabei bevorzugt mittels eines elektrochemi¬ schen Ätzschritts erzeugt.
Für die Erzeugung der Signalleitungen wird bevorzugt ein Me- tall-Spritz-Prozess heran gezogen. Der Durchmesser der Durchführungen bzw. Signalleitungen beträgt zwischen 0,5 μιη und 10 μιη.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exem- plarischer Weise mit Bezug auf die Figuren 1 bis 4 der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht mit Querschnitt eines kapazitiven
Sensors in einer ersten Aufteilung der Einzelelektroden des kapazitiven Sensors,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Einzelelektroden in einer
zweiten Aufteilung der Einzelelektroden, Fig. 3 die Einzelelektroden in einer dritten Aufteilung,
Fig. 4 die Einzelelektroden in einer vierten Aufteilung.
Figur 1 zeigt einen kapazitiven Sensor mit einer Elektroden- anordnung aus einer Mehrzahl von Einzelelektroden 1. Bei der in Figur 1 gezeigten Draufsicht D auf eine Ausführungsform der Erfindung sind die Einzelelektroden 1 in einem zweidimensionalen Raster auf einem Trägersubstrat 5 angeordnet. Die quadratischen Einzelelektroden 1 bilden eine 11 x 11 Matrix. Die Einzelelektroden 1 sind in gleichmäßigen Abständen A angeordnet. Der Querschnitt Q zeigt, wie die Einzelelektroden 1 stiftförmig das Trägersubstrat 5 durchdringen und in diesem Fall die Funktion einer Signalleitung 6 erfüllen. Dabei wei- sen die Signalleitungen 6 einen kreisförmigen Querschnitt auf. Der Querschnitt Q zeigt ebenfalls die elektrische Anbin- dung an eine getrennt vom Trägersubstrat 5 ausgeführte
Schaltvorrichtung 4, etwa ein ASIC. Bei dem in Figur 1 ge- zeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung wird eine Ver- schaltung einer ersten Teilmenge 10a von neun Einzelelektroden 1 zu einer zentral angeordneten 3 x 3 Elektrodenstruktur vorgenommen. Über diese Elektrodenstruktur in Form der ersten Teilmenge 10a kann eine Kapazitätsmessung erfolgen. Des Wei- teren wird um diese Elektrodenstruktur herum eine zweite
Teilmenge 10b, die einen Ring von Einzelelektroden 1 bildet, elektrisch miteinander verbunden. Mittels dieser zweiten Teilmenge 10b wird eine Abschirmung für die Elektrodenstruktur erzeugt. Eine dritte Teilmenge 10c der übrigen Einzel- elektroden 1 kann wiederum verschaltet werden oder die Einzelelektroden 1 können isoliert voneinander bleiben. Die Schaltvorrichtung 4 kann hierbei zusätzlich zur Auswertung der Messsignale dienen. Das in Figur 1 gezeigte zweidimensio¬ nale Elektrodenraster weist konkret folgende Maße auf:
Der Abstand A der Einzelelektroden 1 beträgt 3,5 ym, der Mittenabstand B beträgt 12 ym. Die laterale Ausdehnung C der Einzelelektroden beträgt 8,5 ym.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen weitere Beispiele für Verschaltun- gen der Einzelelektroden 1. In den Teilmengen 20a-f werden je vier Einzelelektroden 1 in 2 x 2 Elektrodenstrukturen verschaltet, in den Teilmengen 30a-f werden je neun Einzelelektroden 1 in 3 x 3 Elektrodenstrukturen verschaltet und in den Teilmengen 40a-f werden je 25 Einzelelektroden 1 in 5 x 5 Elektrodenstrukturen verschaltet. Die so erzeugten Elektrodenstrukturen bilden ein übergeordnetes Elektrodenraster. Dabei bilden die Elektrodenstrukturen in Form der Teilmengen 20a-c, 30a-c, 40a-c eine erste Elektrodenreihe und die Elek¬ trodenstrukturen in Form der Teilmengen 20d-f, 30d-f, 40d-f eine zweite Elektrodenreihe, die zur ersten Elektrodenreihe parallel verläuft. Keine der Elektrodenstrukturen in Form einer der Teilmengen 20a-f, 30a-f, 40a-f ist elektrisch mit einer zweiten Elektrodenstruktur verbunden, was durch die un- terschiedliche Schraffur der Elektrodenstrukturen dargestellt ist .
Die Geometrie der Elektrodenstruktur ist nicht auf eine quad- ratische Struktur begrenzt. Zur Anpassung auf die zu detek- tierenden Strukturen können beispielsweise auch 2 x 4, 3 x 9 oder allgemein n x m Elektrodenstrukturen erzeugt werden, wobei n m. Über rechteckige Elektrodenstrukturen hinaus können auch Kreuzstrukturen oder Finger- oder Rechenstrukturen erzeugt werden. Durch die Anpassung der Geometrie der Sensorelektrodenstruktur an die Form und Struktur des Messobjekts wird die Signalform des Messsignals festlegbar. Dies ist von besonderem Vorteil für die Detektion, z.B. von Substrukturen eines Pixels eines Flüssigkristall-Displays. Das sind bei- spielsweise Transistor- oder Kondensatorstrukturen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur kapazitiven Messung elektrischer und/oder dielektrischer Eigenschaften eines Messobjektes, wobei die Vorrichtung eine Mehrzahl an Einzelelektroden (1) sowie eine Schaltvorrichtung (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (4) ausgestaltet ist, mindestens zwei verschiedene Aufteilungen der Einzelelektroden (1) vorzunehmen, wobei in einer Aufteilung wenigstens eine Teilmenge (lOa-c, 20a-f, 30a-f, 40a-f) von Einzelelektroden (1) festge¬ legt ist und die Einzelelektroden (1) innerhalb wenigstens einer der wenigstens einen Teilmenge (lOa-c, 20a-f, 30a-f, 40a-f) elektrisch verbunden sind, wobei zwischen Einzelelektroden (1) ungleicher Teilmengen (lOa-c, 20a-f, 30a-f, 40a-f) die elektrische Verbindung unterbrochen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelektroden (1) zweidimensional angeordnet sind, insbesondere regelmäßig in einem zweidimensionalen Gitter an- geordnet sind.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) zwischen den Einzelelektroden (1) eines Paars von benachbarten Einzelelektroden (1) geringer ist als eine halbe laterale Ausdehnung (C) einer der Einzelelektroden (1), insbesondere für alle Paare von benach¬ barten Einzelelektroden (1).
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (4) ausgestaltet ist, eine Signalauswertung vorzunehmen, wobei die Schaltvorrichtung insbesondere als ein ASIC ausgestaltet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelektroden (1) in und/oder auf einem Trägersubstrat (5) angeordnet sind, wobei das Träger¬ substrat Signalleitungen in Verbindung mit den Einzelelektroden und Durchführungen für die Signalleitungen (6) aufweist, wobei die Durchführungen und die Signalleitungen insbesondere senkrecht durch das Trägersubstrat verlaufen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (5) Silizium aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge (lOa-c, 20a-f, 30a-f, 40a-f) der Einzelelektroden (1) in einem festlegbaren ersten Abstand zum Messobjekt angeordnet ist, und eine weitere Teil¬ menge (lOa-c, 20a-f, 30a-f, 40a-f) der Einzelelektroden (1) in einem zweiten Abstand zum Messobjekt angeordnet ist, wobei der erste Abstand und der zweite Abstand unterschiedlich sind .
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Erzeugung eines Luftlagers, zur Regelung eines festlegbaren Abstands der Einzelelektroden zum Messobjekt vorgesehen ist, wobei die Vor- richtung insbesondere Luftdurchlässe zwischen den Einzel¬ elektroden aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelektroden (1) nadeiförmig ausgestaltet sind.
10. Verfahren zur kapazitiven Messung elektrischer und/oder dielektrischer Eigenschaften eines Messobjektes mittels einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Schaltvorrichtung (4) min¬ destens zwei verschiedene Aufteilungen der Einzelelektroden (1) vorgenommen werden, wobei in einer Aufteilung wenigstens eine Teilmenge (lOa-c, 20a-f, 30a-f, 40a-f) ) von Einzelelek¬ troden (1) festgelegt wird und die Einzelelektroden (1) in- nerhalb wenigstens einer der wenigstens einen Teilmenge (10a- c, 20a-f, 30a-f, 40a-f) ) elektrisch verbunden werden, wobei zwischen Einzelelektroden (1) ungleiche Teilmengen (lOa-c, 20a-f, 30a-f, 40a-f) ) die elektrische Verbindung unterbrochen wird .
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teilmenge (lOa-c, 20a-f, 30a-f, 40a-f) der Einzelelek¬ troden (1) eine Sensorelektrodenstruktur bildet, und eine weitere Teilmenge (lOa-c, 20a-f, 30a-f, 40a-f) diese Sensor¬ elektrodenstruktur umschließt und eine elektrische Abschir¬ mung (3) bildet.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Teilmenge (lOa-c, 20a-f, 30a-f, 40a-f) der Einzelelektroden (1) eine Sensorelektrodenstruktur bildet, wobei mittels der Geometrie der Sensorelektroden- struktur die Signalform eines Messsignals festgelegt wird.
13. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Trägersubstrat (5) bereitgestellt wird, in und/oder auf dem Trägersubstrat eine Mehrzahl von Einzelelektroden (1) angeordnet wird sowie eine Schaltvorrichtung (4) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung ausgestaltet wird, min¬ destens zwei verschiedene Aufteilungen der Einzelelektroden (1) vorzunehmen, wobei in einer Aufteilung mindestens eine Teilmenge (lOa-c, 20a-f, 30a-f, 40a-f) von Einzelelektroden
(1) festgelegt ist und die Einzelelektroden (1) innerhalb we¬ nigstens einer der wenigstens einen Teilmenge (lOa-c, 20a-f, 30a-f, 40a-f) elektrisch verbunden sind, wobei zwischen Ein¬ zelelektroden (1) ungleicher Teilmengen (lOa-c, 20a-f, 30a-f, 40a-f) die elektrische Verbindung unterbrochen ist.
14. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Signalleitungen (6) für die Einzelelektroden erzeugt und durch das Trägersubstrat (5) ge- führt werden wobei Durchführungen für die Signalleitungen (6) durch das Trägersubstrat (5) elektrochemisch geätzt werden.
15. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass Durch¬ führungen für Signalleitungen (6) durch das Trägersubstrat
(5) erzeugt werden sowie Signalleitungen (6) für die Einzel- elektroden (1) erzeugt und durch das Trägersubstrat (5) ge¬ führt werden wobei die Durchführungen für die Signalleitungen
(6) durch das Trägersubstrat (5) mittels Metall-Spritz- Prozess befüllt werden.
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