DE19847563A1

DE19847563A1 - Kapazitiver Sensor

Info

Publication number: DE19847563A1
Application number: DE19847563A
Authority: DE
Inventors: Guenter Igel; Ulrich Sieben; Juergen Giehl
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 1999-10-28
Also published as: DE59910240D1; DE19858828A1; JPH11326096A; US6370960B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor mit einer ersten und einer zweiten Elektrode 3, 4, welche einander beabstandet gegenüberliegen und eine Meßkapazität bilden, wobei die erste Elektrode 3 auf einem ersten Substratkörper 1 und die zweite Elektrode 4 auf einem zweiten Substratkörper 2 angeordnet sind, die Substratkörper 1, 2 seitlich der Elektroden 3, 4 miteinander verbunden sind und der zweite Substratkörper 2 im Bereich der zweiten Elektrode 4 als durch Druck verformbare Membran 5 ausgebildet ist. In einem der Substratkörper 1, 2 ist unterhalb der darauf angeordneten Elektrode 3, 4 eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung 6 zur Verarbeitung der Meßsignale integriert.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, welche zueinander beabstandet gegenüber liegen und eine Meßkapazität bilden, wobei die erste Elektrode auf einem ersten Substratkörper und die zweite Elektrode auf einem zweiten Substratkörper angeordnet sind, die Substratkörper seitlich der Elektroden miteinander verbunden sind und der zweite Substratkörper im Bereich der zweiten Elektrode als durch Druck verformbare Membran ausgebildet ist.

Ein solcher Sensor ist aus der DE 33 10 643 bekannt und kann sowohl zur absoluten als auch zur relativen Druckmessung verwendet werden. Die Ausgangssignale des Sensors können über Elektrodenanschlüsse einer elektronischen Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt werden. Dabei ist die Signalverarbeitungseinrichtung ein von dem Sensor getrenntes System.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen kapazitiven Sensor zu schaffen, der eine bessere Verbindung mit der elektronischen Signalverarbeitungseinrichtung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen gattungsgemäßen Sensor gelöst, bei dem in wenigstens einem der Substratkörper unterhalb der darauf angeordneten Elektrode eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung der Meßsignale integriert ist. Durch diese vertikale Integration des kapazitiven Sensors und der Signalverarbeitungseinrichtung wird die räumliche Ausnutzung des kapazitiven Sensors verbessert. Da die Packungsdichte des Gesamtsystems des kapazitiven Sensors mit der Signalverarbeitungseinrichtung erhöht wird, wird die Größe des Gesamtssystems verringert. Zudem werden die Signalwege für die Meßsignale des kapazitiven Sensors verkürzt. Hierdurch wird ein störungsfreieres und genaueres Messen bzw. Auswerten der Meßgröße des kapazitiven Sensors ermöglicht. Übliche Meßgrößen des kapazitiven Sensors sind Druck, Kraft und Beschleunigung.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Signalverarbeitungseinrichtung in dem ersten Substratkörper angeordnet. Dadurch wird vermieden, daß die Signalverarbeitungseinrichtung durch das Verformen der Membran während der Messung beeinflußt werden kann.

In dem zweiten Substratkörper kann wenigstens eine Meßeinrichtung zum Messen einer physikalischen Größe vorgesehen sein. Dadurch wird eine zusätzliche Auswertung von Meßwerten während der eigentlichen Messung des kapazitiven Sensors über die Elektroden ermöglicht. Es kann dadurch mit dem Sensor eine zusätzliche oder eine redundante Auswertung erfolgen. Die Meßeinrichtung kann eine seitlich der verformbaren Membran angeordnete piezoresistive Struktur aufweisen. Es können auch mehrere piezoresistive Strukturen vorgesehen sein.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein erster Teil der Signalverarbeitungseinrichtung im ersten Substratkörper und ein zweiter Teil der Signalverarbeitungseinrichtung in dem zweiten Substratkörper angeordnet. Hierdurch kann die Signalverarbeitungseinrichtung in den beiden Substratkörpern aufgeteilt werden, so daß mehr Elemente in der Signalverarbeitungseinrichtung untergebracht werden können oder eine symmetrische Anordnung erzielt werden kann.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Signalverarbeitungseinrichtung signalverstärkende Elemente auf. Dann erfolgt die Verstärkung der Meßsignale in unmittelbarer Nähe der jeweiligen Elektrode, so daß das unverstärkte Meßsignal nur einen sehr geringen Signalweg zurücklegen muß. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist wenigstens eine der Elektroden aus einem Teil einer Leiterbahn der Signalverarbeitungseinrichtung gebildet. Dies hat den Vorteil, daß keine zusätzliche Metallisierungsebene zum Erzeugen der entsprechenden Elektrode verwendet werden muß. Der entsprechende Teil der Leiterbahn wird dann unterschiedlich verwendet, nämlich in einem Zustand während der Meßsignalaufnahme als Elektrode und in einem anderen Zustand in einem Zeitabschnitt außerhalb der Meßsignalaufnahme als Leiterbahn zum Weiterleiten des Meßsignals. Es muß dann ein entsprechendes Schaltelement oder eine Schalteinrichtung zum Umschalten zwischen den beiden Zuständen ausgebildet sein.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist wenigstens eine Elektrode zur ortsaufgelösten Messung strukturiert ausgebildet. Dadurch können beispielsweise Verformungen der Membran des Sensors gemessen werden. Die Elektrode kann aus zueinander parallel angeordneten, streifenförmigen Elementen gebildet sein. Wenn die Signalverarbeitungseinrichtung Elemente zur ortsaufgelösten Messung umfaßt, kann eine zusätzliche Auswertung erfolgen.

Es ist vorteilhaft, wenn der Sensor aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium gebildet ist. Dann können der kapazitive Sensor und die integrierte Signalverarbeitungseinrichtung besonders einfach hergestellt werden. Zudem weist das Silizium zur Bildung der Membran günstige mechanische Eigenschaften auf.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Sensors und

Fig. 2 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Sensors.

Fig. 1 zeigt einen kapazitiven Sensor, der aus einem ersten Substratkörper 1 und einem zweiten Substratkörper 2 gebildet ist. Auf dem ersten Substratkörper 1 ist eine erste Elektrode 3 und auf dem zweiten Substratkörper 2 eine zweite Elektrode 4 derart angeordnet, daß sie zueinander beabstandet gegenüberliegen und eine Meßkapazität bilden. Der zweite Substratkörper 2 ist derart geformt, daß er im Bereich der zweiten Elektrode 4 eine Membran 5 aufweist, die durch Druck verformbar ist. Der Druck wird üblicherweise in Richtung des Pfeiles A auf die Membran 5 ausgeübt, wodurch diese entsprechend verformt wird. In dem ersten Substratkörper 1 ist unterhalb der darauf angeordneten ersten Elektrode 3 eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung 6 integriert, die zur Verarbeitung der Meßsignale dient. Durch die Integration der Signalverarbeitungseinrichtung in dem Substratkörper direkt bei der Elektrode wird der vorhandene Raum für den kapazitiven Sensor sehr günstig ausgenutzt. Die Größe des gesamten Systems wird reduziert, da die Signalverarbeitungseinrichtung weder außerhalb des Sensors extern angeordnet werden muß, noch seitlich der Meßkapazität integriert werden muß. Zudem werden die Signalwege von der Meßkapazität zu der Signalverarbeitungseinrichtung erheblich verkürzt. Hierdurch kann eine besonders zuverlässige Auswertung der Meßsignale erfolgen.

Ferner weist die Signalverarbeitungseinrichtung 6 signalverstärkende Elemente 7 auf. Dadurch können die Meßsignale in unmittelbarer Nähe des Meßabgriffes verstärkt werden. Es ist eine sehr genaue und zuverlässige Meßwerterfassung und Auswertung möglich. Mit der Signalverarbeitungseinrichtung 6 können die Meßsignale verarbeitet und verstärkt werden und gegebenenfalls auch zur Ansteuerung des Sensors verwendet werden.

Der kapazitive Sensor kann als Druck-, Kraft- oder Beschleunigungssensor verwendet werden. Die Verformung der Membran 5 erfolgt üblicherweise durch Ausüben eines Druckes oder einer Kraft in Richtung des Pfeiles A. Aufgrund der Verformung der Membran 5 ändert sich die durch die erste Elektrode und die zweite Elektrode 4 gebildete Meßkapazität. Die Auswertung der gewünschten Meßgröße erfolgt entsprechend durch die Signalverarbeitungseinrichtung 6.

In dem gewählten Ausführungsbeispiel sind die Substratkörper 1, 2 aus Silizium gebildet. Dadurch wird eine besonders einfache Integration der Signalverarbeitungseinrichtung 6 ermöglicht. Zudem weist Silizium günstige mechanische Eigenschaften für die verformbare Membran 5 auf.

Die erste Elektrode 3 kann aus mindestens einer Leiterbahn der Signalverarbeitungseinrichtung 6 gebildet sein. Durch eine nichtgezeigte Umschalteinrichtung wird diese so geschaltet, daß sie während des Meßvorgangs als Elektrode und zwischen zwei aufeinanderfolgenden Meßvorgängen als Leiterbahnen dient. In diesem Fall ist keine zusätzliche Metallisierungsebene notwendig, um die erste Elektrode 3 zu erzeugen. Die Elektroden sind in diesem Fall aus Aluminium gebildet. Es kann auch Polysilizium oder ein anderes elektrisch leitendes Material verwendet werden.

Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des kapazitiven Sensors. Da der prinzipielle Aufbau des Sensors dem aus Fig. 1 entspricht, wird im folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 1 bezeichnet. Die erste Elektrode 3 ist zur ortsaufgelösten Messung strukturiert ausgebildet. Sie besteht aus zueinander parallel angeordneten, streifenförmigen Elementen 8. Hierdurch kann die Kapazität ortsaufgelöst detektiert werden, so daß beispielsweise Verformungen der Membran 5 ortsabhängig nachgewiesen werden können. Bei der Auswertung in der Signalverarbeitungseinrichtung können zusätzliche Informationen geliefert werden.

Die Signalverarbeitungseinrichtung ist aus zwei Teilen gebildet, wobei der erste Teil 6a der Signalverarbeitungseinrichtung in dem ersten Substratkörper 1 und der zweite Teil 6b der Signalverarbeitungseinrichtung in dem zweiten Substratkörper 2 angeordnet ist. Die Anordnung der Teile 6a, 6b der Signalverarbeitungseinrichtung erfolgt jeweils unterhalb der auf dem jeweiligen Substratkörper angeordneten Elektrode. Der Teil 6a der Signalverarbeitungseinrichtung umfaßt Elemente zur Verarbeitung der ortsaufgelösten Messung. Somit kann die Auswertung der ortsaufgelösten Messung gleich in der Nähe der ortsauflösenden Elektrode 3 erfolgen. Die Teile 6a, 6b der Signalverarbeitungseinrichtung umfassen ebenfalls signalverstärkende Einrichtungen, so daß die Signalverstärkung in der Nähe der Elektrode erfolgen kann. Im zweiten Substratkörper 2 ist seitlich der verformbaren Membran 5 eine piezorestriktive Struktur 9 ausgebildet, mit der zusätzliche Meßwerte aufgenommen werden können, die weitere Informationen für die Messung des Sensors liefern. Die Auswertung kann mittels einer Meßeinrichtung im Bereich der piezoresistiven Struktur 9 oder in der Signalverarbeitungseinrichtung 6, 6a, 6b erfolgen.

Im folgenden wird die Funktionsweise des kapazitiven Sensors anhand der Fig. 1 beschrieben. Auf die Membran 5 des Sensors wird in Richtung des Pfeiles A ein Druck ausgeübt. Dadurch wird die Membran 5 verformt. Aufgrund der Verformung ändert sich der Abstand zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 und somit die durch die Elektroden 3, 4 gebildete Meßkapazität. Mit der Signalverarbeitungseinrichtung 6 werden während der Verformung der Membran 5 kontinuierlich Meßwerte aufgenommen und verarbeitet. Die Meßwerte werden zunächst verstärkt und dann einem weiteren Auswertevorgang unterzogen. Es kann mit der Signalverarbeitungseinrichtung 6 sowohl der Druck, die auf den Sensor ausgeübte Kraft oder die durch die Beschleunigung verursachte Kraft. Da die erste Elektrode 3 als Leiterbahn der Signalverarbeitungseinrichtung 6 benutzt wird, wird die Elektrode 3 mit einem Schaltelement so umgeschaltet, daß sie abwechselnd als Leiterbahn oder als erste Elektrode 3 der Meßkapazität verwendet werden kann.

Claims

1. Kapazitiver Sensor mit einer ersten und einer zweiten Elektrode (3, 4), welche zueinander beabstandet gegenüberliegen und eine Meßkapazität bilden, wobei die erste Elektrode (3) auf einem ersten Substratkörper (1) und die zweite Elektrode (4) auf einem zweiten Substratkörper (2) angeordnet sind, die Substratkörper (1, 2) seitlich der Elektroden (3, 4) miteinander verbunden sind und der zweite Substratkörper (2) im Bereich der zweiten Elektrode (4) als durch Druck verformbaren Membran ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem der Substratkörper (1, 2) unterhalb der darauf angeordneten Elektrode (3, 4) eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung (6) zur Bearbeitung der Meßsignale integriert ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (6) in dem ersten Substratkörper (1) angeordnet ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Teil (6a) der Signalverarbeitungseinrichtung in dem ersten Substratkörper (1) und ein zweiter Teil (6b) der Signalverarbeitungseinrichtung in dem zweiten Substratkörper (2) angeordnet ist.

4. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Substratkörper wenigstens eine Meßeinrichtung zum Messen einer physikalischen Größe vorgesehen ist.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine seitlich der verformbaren Membran angeordnete, piezoresistive Struktur aufweist.

6. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (6) eine signalverstärkende Einrichtung aufweist.

7. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (3, 4) aus einem Teil einer Leiterbahn der Signalverarbeitungseinrichtung (6, 6a, 6b) gebildet ist.

8. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode (3, 4) zur ortsauflösenden Messung strukturiert ausgebildet ist.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (3, 4) zueinander parallel angeordnete, streifenförmige Elemente (8) umfaßt.

10. Sensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (6) Elemente zur Verarbeitung der ortsauflösenden Messung umfaßt.

11. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium, gebildet ist.