WO2008148481A1 - Integrated capacitive sensor - Google Patents

Integrated capacitive sensor Download PDF

Info

Publication number
WO2008148481A1
WO2008148481A1 PCT/EP2008/004206 EP2008004206W WO2008148481A1 WO 2008148481 A1 WO2008148481 A1 WO 2008148481A1 EP 2008004206 W EP2008004206 W EP 2008004206W WO 2008148481 A1 WO2008148481 A1 WO 2008148481A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
capacitive sensor
integrated
electrodes
metallization layer
circuit according
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/004206
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Johann Hauer
Claudia Schuhmann
Robert Dorn
Stefan MÖDL
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority to EP08758791A priority Critical patent/EP2162987A1/en
Publication of WO2008148481A1 publication Critical patent/WO2008148481A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945Proximity switches
    • H03K17/955Proximity switches using a capacitive detector
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96Touch switches
    • H03K2217/9607Capacitive touch switches
    • H03K2217/960755Constructional details of capacitive touch and proximity switches

Definitions

  • the present invention relates to an integrated capacitive sensor which can be used, for example, as a non-contact switch.
  • Capacitive sensors are widely used in measurement technology and sensor technology. For example, distances between two measurement points can be determined if the capacitance between the two measurement points is precisely measured so that, knowing the theoretical relationship between capacitance and distance, the measured capacitance can be used to deduce the distance between the two measurement points.
  • a capacitance between two surfaces is determined by a geometry of the surfaces and a dielectric surrounding the surfaces. If one changes the properties of the dielectric, for example by bringing a material with different dielectric properties close to the surfaces, the capacitance between the two surfaces changes in part considerably.
  • Capacitive proximity and proximity switches used for this purpose have long been known.
  • the patent DE 101 31 243 Cl describes a capacitive proximity switch with two sensor electrodes, which are arranged such that one of the two sensor electrodes protrudes outwards relative to the other. If, for example, a person or an electrically conductive object approaches the proximity switch, the capacitance of the two sensor electrodes changes. For the sensor electrode which protrudes further, a higher here capacity than the less protruding sensor electrode. By the difference signal, at least one electrical switch can be actuated and thereby, for example, a robot can be put out of action.
  • the published patent application DE 32 21 223 A1 deals with a capacitive proximity switch operated with alternating current, which can be used, for example, for monitoring a fill level in a container.
  • the utility model DE 299 15 014 Ul describes a capacitive proximity switch with an electrical bridge circuit for detecting an approaching or removing object.
  • DE 3815698 A1 discloses a self-checking proximity switch with an oscillator which can be influenced by approaching an object to its sensor surface.
  • EP 0 766 398 A1 also describes a capacitive switch with a capacitive probe having a sensor electrode and a shield electrode and an electrode having an oscillator formed by a feedback system of two amplifiers.
  • EP 1 505 734 A2 deals with a capacitive proximity switch for detecting a capacitance change, in particular for use in a door handle of a motor vehicle.
  • a disadvantage of the known methods is an expensive construction of the sensor circuits by a separation of sensor surfaces and transmitter for signal detection in different modules.
  • the object of the present invention is therefore to provide a compact, cost-effective capacitive sensor circuit.
  • a capacitive sensor circuit having the desired properties can be realized as an integrated component.
  • a capacitive sensor or measuring capacitor with at least two electrodes and evaluation electronics for controlling the capacitive sensor and for signal detection are jointly applied to a semiconductor substrate in a CMOS process.
  • the capacitive sensor is preferably arranged in an uppermost metallization layer of the integrated component and separated from it by at least one insulation layer between the uppermost metallization layer and the evaluation electronics.
  • exemplary embodiments have a metallic shielding layer between the uppermost metallization layer of the integrated sensor circuit and the electronic evaluation circuit.
  • the at least two electrodes of the capacitive sensor are arranged planar in the uppermost metallization layer.
  • a geometrical arrangement of the at least two electrodes of the capacitive sensor can be optimized depending on the application in order to form a sensitive electrical or electromagnetic field as possible above or between individual sensor electrodes.
  • the electronic evaluation circuit implements a capacitive excitation and measurement method which generates an electric field or an electromagnetic field above the capacitive sensor. beautiful alternating field builds up. A damping of the field by an introduced into the field electrically conductive body (usually a human body part) is detected by the capacitive measurement method of the electronic evaluation circuit and then evaluated. Different capacitive measuring methods can be used for the evaluation. For example, a tunable oscillator (excited RCL circuit) may be used in which the resonant frequency is affected by the capacitance sensor's changing capacitance C sens .
  • the voltage dropping across an ohmic resistance R can be determined as a measured variable, which is proportional to the capacitance Csens for a fixed resistance R and a fixed inductance L.
  • the measured voltage can still be digitized in order to calculate the capacitance C sens from a proportional relationship.
  • the electronic evaluation circuit can realize a charge transfer method (charge transfer method) in which a first capacitor is charged in a first phase and the charge is transferred in a second phase into a second capacitor.
  • charge transfer method charge transfer method
  • both the first and the second capacity can be used as a sensor capacity.
  • the size of the sensor capacitance must be known in order to determine the capacitance C sens of the capacitor to be measured. Usually, the voltage drop across the sensor capacitance is determined as the measured variable.
  • the transmitter can also have a bridge circuit up, so that the measured capacitance C s can be determined ns of the capaci tive ⁇ sensor by a calibration method in which, for example, a diagonal voltage of the bridge circuit is adjusted to zero.
  • the electronic evaluation circuit implements a differential delta-sigma method, which is disclosed in US Pat. DE 10 2005 038 875 Al is described in detail.
  • An advantage of the present invention is the fact that all components of the corresponding electronic evaluation circuit for the signal detection and evaluation can be integrated in a CMOS process and thus no external components are required.
  • a capacitive sensor can be realized as an integrated component in inexpensive and compact form.
  • FIG. 1 is a side view of a layer structure of an integrated capacitive sensor circuit according to an embodiment of the present invention
  • 2A-F show various geometries of sensor surfaces in a metallization layer according to embodiments of the present invention
  • FIG. 3 is a side view and plan view of a layer structure of an integrated capacitive sensor circuit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic block diagram of an integrated electronic evaluation circuit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram of an electronic evaluation circuit with self-calibration functionality according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 6 is a schematic representation of a capacitive digital-to-analog converter according to an embodiment.
  • a method for producing an integrated capacitive sensor circuit comprises, according to exemplary embodiments, an embodiment of an electronic control and evaluation circuit on a semiconductor substrate and an application of a capacitive sensor in a metallization layer over the electronic evaluation circuit, wherein the capacitive sensor is coupled to the drive and evaluation circuit ,
  • the production and application are parts of a CMOS process.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a layer structure of an integrated capacitive sensor 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the integrated sensor circuit 10 has an electronic evaluation circuit 14 integrated on a semiconductor substrate 12 in a standard CMOS process. Via the electronic evaluation circuit 14, an insulation layer 16 is applied, which may possibly have required (not shown) plated-through holes from the electronic evaluation circuit 14 to a first metallization 18. Above the first metallization level 18, a further insulation layer 20 is arranged, with possible through-contacts (not shown) from the first metallization level 18 to a second or uppermost metallization level 22.
  • the uppermost metallization level 22 represents a capacitive sensor surface. To this end, at least two partial areas 22a, 22b are structured in the uppermost metallization level 22, which act as electrodes of a capacitive sensor 24. Via the through contacts of the insulation layers 20, 16, the capacitive sensor 24 or the sensor surface is coupled to the electronic evaluation circuit 14.
  • a drive signal can now be applied to the electrodes 22a, b of the capacitive sensor 24 of the sensor surface.
  • This may be, for example, a DC voltage or else an AC voltage.
  • an electrical or electromagnetic field is formed above the electrodes 22a, b.
  • This field whose field lines are indicated by way of example in FIG. 1, is dependent on the geometric arrangement of the electrodes 22a, b and the dielectric properties of the medium surrounding the electrodes 22a, b.
  • the capacitance C sens of the capacitive sensor 24 changes. This change in the capacitance C sens can be detected by the electronic evaluation circuit 14, which is coupled to the measuring capacitor 24 can be determined.
  • the geometric arrangement of the electrodes or sensor surfaces 22a, b can be optimized in order to form a sensitive electric or electromagnetic field. Some geometry variants are shown by way of example in FIGS. 2A to 2F.
  • FIGS. 2A to 2F show schematic plan views of integrated capacitive sensor circuits 10a to 10f. With the reference numeral 30 connecting pins of the integrated components 10a to 10f are indicated.
  • the at least two electrodes 22a, b in the uppermost metallization layer 22 can be patterned depending on the application.
  • FIGS. 2A and B show two electrodes 22a, b arranged parallel to one another in the uppermost metallization layer, wherein the variants shown in the two figures differ by the width and spacing of the electrodes 22a, b.
  • "parallel" refers to opposite sides of the electrodes 22a, b, and a parallel arrangement also means a slightly different orientation due to unavoidable manufacturing process tolerances, ie an angle included from opposite sides of the electrodes 22a, b is, for example less than 1 °.
  • Fig. 2C shows a substantially parallel arrangement of four metallic electrode elements 32-1 to 32- 4, of which, for example, two each form an electrode.
  • the electrode elements 32-1 and 32-2 could form an electrode and the electrode elements 32-3 and 32-4 could form a second electrode of a capacitive sensor 24. It would also be conceivable to connect the four electrode elements 32-1 to 32-4 so that two separate measuring capacitors or capacitive sensors are formed, which can then be driven in antiphase, for example.
  • two of the exemplary four electrode elements 32-1 to 32-4 could be combined into one electrode of the capacitive sensor 24.
  • 32-1 to 32-4 two separate Messkondensa ⁇ factors or capacitive sensors form an embodiment in which the four E- lektrodenimplantation, is also possible.
  • the integrated components 10d and 10e or their capacitive sensors have a (fictitious) point of symmetry 34, to which the four electrode elements 32-1 to 32-4 are arranged point-symmetrically.
  • symmetry axes could also be defined by the point of symmetry 34, to which the electrodes or electrode elements 32-1 to 32-4 are axisymmetric.
  • the electrodes or electrode elements are thus arranged symmetrically, in particular axially symmetrically.
  • FIG. 2F shows two metallic electrodes 22a, 22b, each of which is comb-shaped and overlappingly interlocking in the manner shown in FIG. 2F, so that a meander-shaped surface is formed between the two electrodes 22a, b.
  • FIGS. 2a to 2f are meant to be exemplary only and in no way intended to represent a concluding enumeration.
  • the geometry of the sensor surface or of the capacitive sensor 24 in the metallization layer 22 is to be adapted to the particular application in order to achieve an optimized sensor effect.
  • FIG. 3 A schematic side view of a layer structure of an integrated capacitive sensor circuit 40 with a reference capacitor is shown in FIG. 3.
  • the integrated sensor circuit 40 has a first metallization layer as the wiring level 42, which is insulated from the following metallization layer 18 by an insulation layer 44 via the insulation layer 16 lying above the electronic evaluation circuit 14. Over the second metallization layer 18 follows a Insulation layer 20 on which the next metallization layer 22, etc. is applied.
  • the metallization layer 22 is an uppermost metallization layer. Depending on the process, different numbers of metallization layers can be realized. At least three metallization layers are desirable for the sensor.
  • a reference capacitor 46 is formed with a reference capacitance C ref according to embodiments.
  • the reference capacitor 46 has the same geometric structure as the measuring capacitor or the capacitive sensor 24 in the uppermost metallization plane 22.
  • the same geometrical structure also means a slightly different geometrical structure due to unavoidable manufacturing process tolerances. This means that geometric deviations between the reference capacitor 46 and the capacitive sensor 24 are below 1 ° / oo (1 per thousand).
  • the reference capacitor is offset laterally with respect to the measuring capacitor 24 46, so that the two capacitors laterally ⁇ not overlap.
  • To the reference capacitor 46 is in the example shown in Fig. 3 embodiment in the top metallization layer 22 approximately ⁇ a screen surface 48 formed for electromagnetic shielding of the reference capacitor 46 of external influences.
  • a further shielding surface 50 is similar to below the reference capacitor 24 of the Screen surface 48 formed. The shielding surface 50 serves to shield the capacitive sensor 24 from the active electronic evaluation circuit 14, and vice versa.
  • a schematic plan view of the integrated capacitive sensor circuit 40 is shown in the lower part of FIG. 3.
  • the surfaces shown in gray are located in the uppermost metallization layer 22, whereas the surfaces shown in white are located in the underlying metallization layer 18.
  • tunable oscillators such as RCL circuits or non-linear Wien-Robinson oscillators, may be used in the integrated evaluation circuit 14. With them, a resonance frequency can be influenced by the changing sensor capacitance C sens .
  • Another possibility is to provide bridge circuits in the integrated evaluation circuit 14, in which the capacitance C sens to be measured can be determined by a balancing method by usually regulating a diagonal voltage of the bridge circuit to zero.
  • a block diagram of a preferred electronic evaluation tescen 14, with the sensor capacitance C s sen having a high resolution can be measured with only a relatively low component cost is necessary, as shown in Fig. 4.
  • the delta-sigma ADC 50 and the digital comparator 52 are parts of the electronic evaluation circuit 14.
  • the delta sigma ADC 50 includes a delta sigma modulator 54 and a filter and decimator block 56.
  • the delta sigma modulator 54 typically includes an operational amplifier.
  • the at least two electrodes 22a, b of the capacitive sensor 24 and the capacitance C sens are connected to the inverting and non-inverting input of the operational amplifier.
  • the electrodes 22a, b are connected to a reference signal source of the electronic evaluation circuit 14 in order to generate an electrical or electromagnetic alternating field.
  • the delta-sigma modulator 54 forms in its input integrator (not shown) a difference between the charges of the sensor capacitance C sens and the reference capacitance C re f. If both capacities are exactly the same, the charge difference becomes zero. If the electric or electromagnetic field is then influenced by the sensor capacitance C sens of the capacitive sensor 24, this leads to a change in the charge quantity in the sensor capacitance C sen s, which is transferred to the integrator of the delta-sigma modulator 54.
  • the delta-sigma modulator 54 generates at its output a digital bit stream, which is converted into a digital value by a low-pass filter and a sampling rate decimator in the filter and decoder block 56.
  • the digital value at the output of the filter and decimator block 56 represents the difference in charge between the two capacitors C REF and C sens -
  • the reference capacitance C r ⁇ f of the reference capacitor 46 should correspond as closely as possible to the sensor capacitance C sens of the capacitive sensor 24 in the rest position, ie without external influence on the electrical or electromagnetic field of the capacitive sensor 24. In a preferred embodiment, this can be achieved by virtue of the reference capacitor C ref or the reference capacitor 46 being given exactly the same geometric structure as the measuring capacitor 24, as has already been described above with reference to FIG. 3. In contrast to the sensor capacitance C sens , the reference capacitance C re f should not be damped or changed by an external influence.
  • the shield surface 48 of the upper metallization layer 22 shields the reference capacitance 46 against external influences.
  • the capacitive sensors or capacitors 24, 46, in particular the reference capacitor 46 can also be realized differently than with reference to FIGS. 1 to 3.
  • Conceivable for example, in the reverse direction operated pn junctions, poly-silicon / diffusion capacitances, poly-silicon / poly-silicon capacitances or metal / metal capacitances.
  • Process and production variations can sometimes lead to significant fluctuations in the production of integrated capacitors or capacitors. Therefore, in embodiments of the present invention, a fine balance between the sensor capacitance C sens and reference capacitance C re f is performed by a self-calibration algorithm.
  • the reference capacitance C r ⁇ f is replaced or supplemented by a capacitive digital-to-analog converter.
  • a capacitive digital-to-analog converter should be understood to mean an arrangement of binary weighted capacitances which can be applied via digital switches, for example to a reference input of the delta-sigma modulator 54.
  • the digital switches of the capacitive digital-to-analog converter are switched on according to a successive approximation principle until the output of the decimator 56 at rest reaches the digital value "zero" and thus indicates that the charges (Q ie t, Qsen s ) in reference and sensor capacitance C re f, C sens are at least approximately identical, ie within a predetermined tolerance range, such as 0.95Q re f ⁇ Q s ns ⁇ l-05Q re f this calibration method also for the reference capacitance C ref and the reference capacitor 46 shown in FIG.
  • FIG. 5 shows a schematic block diagram for the realization of the above-described calibration method of the evaluation circuit 14.
  • the reference capacitor .C ref is replaced by a capacitive digital-to-analog converter 60 compared to FIG.
  • the analog output, that is to say the capacitance, of the capacitive digital / analog converter 60 is compared via a comparator 54, 56 with a desired value, that is, the sensor capacitance Csens > .
  • a desired value that is, the sensor capacitance Csens > .
  • MSB Most Significant Bit
  • LSB Least Significant bit
  • the comparator 54, 56 compares the reference capacitance C r ⁇ f with the sensor capacitance Cg e n s and causes the SAR controller 62 to reset the bit in progress when the reference capacitance Cref is higher than the sensor capacitance C sen s- Reference capacitance C re f is less than or equal to the sensor capacitance Cg ens , the bit remains set.
  • a (successive) approximation of the reference capacitance Cr ef to the sensor capacitance C sens takes place step by step.
  • n is the number of bits or switches
  • the output value C ref of the capacitive digital-to-analog converter 60 is as close as possible to the reference value C sens at rest.
  • FIG. 6 A block diagram of the capacitive digital-to-analog converter 60 according to an exemplary embodiment is shown in FIG. 6.
  • the capacitive digital-to-analog converter 60 has, between its two terminals, a parallel connection of capacitors C re f, i to C re f f5 which can be switched via switches 70-1 to 70-5.
  • the SAR controller 62 can instruct the SA register 64, a capacitance deviation at least approximately corresponding capacitance C ref , x on or off, depending on whether the total reference capacitance C ref is smaller or larger than the sensor capacitance C sens .
  • a corresponding larger capacity of the capacitances C r e f , x is added or removed.
  • an integrated capacitive sensor circuit 10, 40 is encapsulated hermetically and electrically insulating in a standard plastic housing customary for semiconductor production.
  • the field lines of the at least two electrodes 22a, b or of the capacitive sensor 24 can propagate to the outside almost unhindered through the plastic material of the housing. A user is thus already galvanically separated from the current-carrying parts of the integrated capacitive sensor 10, 40 by the construction technique.
  • embodiments of the present invention thus provide a compact integrated capacitive Semiconductor-based sensor that can be fabricated in conventional CMOS process steps.
  • An electronic evaluation circuit 14 integrated on a semiconductor substrate can measure a sensor capacitance C sens with high resolution, whereby only a relatively small component expenditure is required.
  • sensor surfaces and signal detection can be integrated together in one component, whereby a complex construction of conventional capacitive sensors can be avoided.

Landscapes

  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)

Abstract

The invention relates to an integrated capacitive sensor circuit, having a capacitive sensor (24) formed in an upper metallization layer (22) of the integrated capacitive sensor circuit, having at least two electrodes (22a, 22b) disposed in the upper metallization layer, and an electronic analysis circuit (14) coupled to the capacitive sensor (24) for determining a change in capacity of the capacitive sensor (24), wherein the capacitive sensor (24) and the analysis circuit (14) are mutually integrated on a semiconductor substrate (12).

Description

Integrierter kapazitiver Sensor Integrated capacitive sensor
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen integrierten kapazitiven Sensor, der beispielsweise als berührungsloser Schalter eingesetzt werden kann.The present invention relates to an integrated capacitive sensor which can be used, for example, as a non-contact switch.
Kapazitive Sensoren werden in der Messtechnik und Sensorik in breitem Umfang eingesetzt. Beispielsweise können Entfernungen zwischen zwei Messpunkten bestimmt werden, wenn die Kapazität zwischen den beiden Messpunkten präzise gemessen wird, so dass bei Kenntnis des theoretischen Zusammenhangs zwischen Kapazität und Entfernung über die gemessene Kapazität auf die Entfernung zwischen den beiden Messpunkten geschlossen werden kann. Allgemein wird eine Kapazität zwischen zwei Oberflächen durch eine Geometrie der Oberflächen sowie ein die Oberflächen umgebendes Dielektrikum bestimmt. Verändert man die Eigenschaften des Dielektrikums, indem man beispielsweise ein Material mit anderen dielektrischen Eigenschaften in die Nähe der Oberflächen bringt, so ändert sich die Kapazität zwischen den beiden Oberflächen zum Teil erheblich.Capacitive sensors are widely used in measurement technology and sensor technology. For example, distances between two measurement points can be determined if the capacitance between the two measurement points is precisely measured so that, knowing the theoretical relationship between capacitance and distance, the measured capacitance can be used to deduce the distance between the two measurement points. Generally, a capacitance between two surfaces is determined by a geometry of the surfaces and a dielectric surrounding the surfaces. If one changes the properties of the dielectric, for example by bringing a material with different dielectric properties close to the surfaces, the capacitance between the two surfaces changes in part considerably.
Zahlreiche technische Anwendungen machen sich dies zu Nutze, indem sie eine Kapazitätsänderung dazu verwenden, das Berühren eines Gegenstands oder einer Oberfläche nachzuweisen. Dazu eingesetzte kapazitive Näherungs- und Berührungs- Schalter sind seit Langem bekannt. Die Patentschrift DE 101 31 243 Cl beschreibt beispielsweise einen kapazitiven Näherungsschalter mit zwei Sensorelektroden, die derart angeordnet sind, dass eine der beiden Sensorelektroden gegenüber der anderen nach außen vorsteht. Nähert sich bei- spielsweise eine Person oder ein elektrisch leitfähiger Gegenstand dem Näherungsschalter, so ändert sich die Kapazität der beiden Sensorelektroden. Bei derjenigen Sensorelektrode, die weiter vorsteht, ergibt sich dabei eine hö- here Kapazität als bei der weniger weit vorstehenden Sensorelektrode. Durch das Differenzsignal kann mindestens ein elektrischer Schalter betätigt werden und dadurch beispielsweise ein Roboter außer Tätigkeit gesetzt werden.Many technical applications take advantage of this by using a capacity change to detect touching an object or surface. Capacitive proximity and proximity switches used for this purpose have long been known. The patent DE 101 31 243 Cl, for example, describes a capacitive proximity switch with two sensor electrodes, which are arranged such that one of the two sensor electrodes protrudes outwards relative to the other. If, for example, a person or an electrically conductive object approaches the proximity switch, the capacitance of the two sensor electrodes changes. For the sensor electrode which protrudes further, a higher here capacity than the less protruding sensor electrode. By the difference signal, at least one electrical switch can be actuated and thereby, for example, a robot can be put out of action.
Die Offenlegungsschrift DE 32 21 223 Al befasst sich mit einem mit Wechselstrom betriebenen kapazitiven Näherungsinitiator, der beispielsweise zur Überwachung eines Füllstands in einem Behälter verwendet werden kann. Die Gebrauchsmusterschrift DE 299 15 014 Ul beschreibt einen kapazitiven Näherungsschalter mit einer elektrischen Brückenschaltung zur Detektion eines sich nähernden oder entfernenden Gegenstandes. DE 3815698 Al offenbart einen selbstprüfenden Näherungsschalter mit einem durch Annähe- rung eines Gegenstandes an seine Sensorfläche beeinflussbaren Oszillator. EP 0 766 398 Al beschreibt ebenfalls einen kapazitiven Schalter mit einer kapazitiven Sonde, die eine Sensorelektrode und eine Schirmelektrode aufweist, und mit einer Elektrode, die einen durch ein rückgekoppeltes System von zwei Verstärkern gebildeten Oszillator aufweist. EP 1 505 734 A2 befasst sich mit einem kapazitiven Näherungsschalter zur Erfassung einer Kapazitätsänderung, insbesondere zur Verwendung bei einem Türgriff eines Kraftfahrzeugs.The published patent application DE 32 21 223 A1 deals with a capacitive proximity switch operated with alternating current, which can be used, for example, for monitoring a fill level in a container. The utility model DE 299 15 014 Ul describes a capacitive proximity switch with an electrical bridge circuit for detecting an approaching or removing object. DE 3815698 A1 discloses a self-checking proximity switch with an oscillator which can be influenced by approaching an object to its sensor surface. EP 0 766 398 A1 also describes a capacitive switch with a capacitive probe having a sensor electrode and a shield electrode and an electrode having an oscillator formed by a feedback system of two amplifiers. EP 1 505 734 A2 deals with a capacitive proximity switch for detecting a capacitance change, in particular for use in a door handle of a motor vehicle.
Bei den bekannten Sensoren und deren Anwendungen wird eine Kapazitäts- bzw. Impedanzänderung zwischen einer Sensorfläche gegen Bezugsmasse oder mehrerer Sensorflächen zueinander bei Annäherung und/oder Berührung eines Gegenstandes oder eines menschlichen Körperteils erkannt und ausgewertet.In the known sensors and their applications, a change in capacitance or impedance between a sensor surface relative to the reference mass or a plurality of sensor surfaces relative to each other upon approaching and / or touching an object or a human body part is detected and evaluated.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist eine aufwendige Aufbautechnik der Sensorschaltungen durch eine Trennung von Sensorflächen und Auswerteelektronik zur Signalerfassung in unterschiedliche Module. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine kompakte, kostengünstige kapazitive Sensorschaltung zu schaffen.A disadvantage of the known methods is an expensive construction of the sensor circuits by a separation of sensor surfaces and transmitter for signal detection in different modules. The object of the present invention is therefore to provide a compact, cost-effective capacitive sensor circuit.
Diese Aufgabe wird durch eine integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß Patentanspruch 16 gelöst.This object is achieved by an integrated capacitive sensor circuit according to claim 1 and a method for producing the same according to claim 16.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine kapazitive Sensorschaltung mit den gewünschten Eigenschaften als integriertes Bauelement realisiert werden kann. Dazu werden bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ein kapazitiver Sensor bzw. Messkondensator mit wenigstens zwei Elektroden und eine Auswerteelektronik zur Ansteuerung des kapazitiven Sensors und zur Signalerfassung gemeinsam in einem CMOS-Prozess auf ein Halbleitersubstrat aufgebracht. Der kapazitive Sensor ist vorzugsweise in einer obersten Metallisierungsschicht des integrierten Bauelements angeordnet und durch wenigstens eine Isola- tionsschicht zwischen der obersten Metallisierungsschicht und der Auswerteelektronik von dieser separiert. Damit sich die elektronische Auswerteschaltung und der kapazitive Sensor gegenseitig nicht störend beeinflussen, weisen Ausführungsbeispiele zwischen der obersten Metallisierungsschicht der integrierten Sensorschaltung und der elektronischen Auswerteschaltung eine metallische Abschirmschicht auf.The present invention is based on the finding that a capacitive sensor circuit having the desired properties can be realized as an integrated component. For this purpose, in embodiments of the present invention, a capacitive sensor or measuring capacitor with at least two electrodes and evaluation electronics for controlling the capacitive sensor and for signal detection are jointly applied to a semiconductor substrate in a CMOS process. The capacitive sensor is preferably arranged in an uppermost metallization layer of the integrated component and separated from it by at least one insulation layer between the uppermost metallization layer and the evaluation electronics. In order that the electronic evaluation circuit and the capacitive sensor do not interfere with one another, exemplary embodiments have a metallic shielding layer between the uppermost metallization layer of the integrated sensor circuit and the electronic evaluation circuit.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind die wenigstens zwei Elektroden des kapazitiven Sensors in der obersten Metallisie- rungsschicht planar angeordnet. Eine geometrische Anordnung der wenigstens zwei Elektroden des kapazitiven Sensors kann je nach Anwendungsfall optimiert werden, um ein möglichst sensitives elektrisches bzw. elektromagnetisches Feld über bzw. zwischen einzelnen Sensorelektroden zu formen.According to exemplary embodiments, the at least two electrodes of the capacitive sensor are arranged planar in the uppermost metallization layer. A geometrical arrangement of the at least two electrodes of the capacitive sensor can be optimized depending on the application in order to form a sensitive electrical or electromagnetic field as possible above or between individual sensor electrodes.
Die elektronische Auswerteschaltung realisiert ein kapazitives Anregungs- und Messverfahren, das über dem kapazitiven Sensor ein elektrisches Feld bzw. ein elektromagneti- sches Wechselfeld aufbaut. Eine Bedämpfung des Feldes durch einen in das Feld eingebrachten elektrisch leitfähigen Körper (in der Regel ein menschliches Körperteil) wird durch das kapazitive Messverfahren der elektronischen Auswerte- Schaltung erkannt und anschließend ausgewertet. Für die Auswertung sind unterschiedliche kapazitive Messverfahren einsetzbar. Es kann beispielsweise ein verstimmbarer Oszillator (angeregter RCL-Kreis) verwendet werden, bei dem die Resonanzfrequenz durch die sich ändernde Kapazität Csens des kapazitiven Sensors beeinflusst wird. Dabei kann als Messgröße beispielsweise die über einen Ohmschen Widerstand R abfallende Spannung bestimmt werden, die bei festem Widerstand R und fester Induktivität L proportional zur Kapazität Csens ist. Die gemessene Spannung kann noch digitali- siert werden, um aus einer Proportionalitätsbeziehung die Kapazität Csens zu errechnen.The electronic evaluation circuit implements a capacitive excitation and measurement method which generates an electric field or an electromagnetic field above the capacitive sensor. beautiful alternating field builds up. A damping of the field by an introduced into the field electrically conductive body (usually a human body part) is detected by the capacitive measurement method of the electronic evaluation circuit and then evaluated. Different capacitive measuring methods can be used for the evaluation. For example, a tunable oscillator (excited RCL circuit) may be used in which the resonant frequency is affected by the capacitance sensor's changing capacitance C sens . In this case, for example, the voltage dropping across an ohmic resistance R can be determined as a measured variable, which is proportional to the capacitance Csens for a fixed resistance R and a fixed inductance L. The measured voltage can still be digitized in order to calculate the capacitance C sens from a proportional relationship.
Des Weiteren kann die elektronische Auswerteschaltung ein Ladungsübertragungsverfahren (Charge Transfer) realisieren, bei dem eine erste Kapazität in einer ersten Phase aufgeladen und die Ladung in einer zweiten Phase in eine zweite Kapazität übertragen wird. Hierbei kann sowohl die erste wie auch die zweite Kapazität als Sensorkapazität verwendet werden. Dabei muss die Größe der Sensorkapazität bekannt sein, um die Kapazität Csens des zu messenden Kondensators bestimmen zu können. Üblicherweise wird als Messgröße die über die Sensorkapazität abfallende Spannung bestimmt.Furthermore, the electronic evaluation circuit can realize a charge transfer method (charge transfer method) in which a first capacitor is charged in a first phase and the charge is transferred in a second phase into a second capacitor. Here, both the first and the second capacity can be used as a sensor capacity. The size of the sensor capacitance must be known in order to determine the capacitance C sens of the capacitor to be measured. Usually, the voltage drop across the sensor capacitance is determined as the measured variable.
Die Auswerteelektronik kann auch eine Brückenschaltung auf- weisen, so dass die zu messende Kapazität Csens des Kapazi¬ tiven Sensors durch ein Abgleichverfahren ermittelt werden kann, bei dem beispielsweise eine Diagonalspannung der Brückenschaltung zu Null geregelt wird.The transmitter can also have a bridge circuit up, so that the measured capacitance C s can be determined ns of the capaci tive ¬ sensor by a calibration method in which, for example, a diagonal voltage of the bridge circuit is adjusted to zero.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung realisiert die elektronische Auswerteschaltung ein diffe- rentielles Delta-Sigma-Verfahren, welches in der Offenle- gungsschrift DE 10 2005 038 875 Al detailliert beschrieben ist.In one embodiment of the present invention, the electronic evaluation circuit implements a differential delta-sigma method, which is disclosed in US Pat. DE 10 2005 038 875 Al is described in detail.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass sämtliche Komponenten der entsprechenden elektronischen Auswerteschaltung für die Signalerfassung- und Auswertung in einem CMOS-Prozess integriert werden können und somit keine externen Bauelemente erforderlich sind. Somit kann ein kapazitiver Sensor als integriertes Bauteil in preiswerter und kompakter Form realisiert werden.An advantage of the present invention is the fact that all components of the corresponding electronic evaluation circuit for the signal detection and evaluation can be integrated in a CMOS process and thus no external components are required. Thus, a capacitive sensor can be realized as an integrated component in inexpensive and compact form.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegendenPreferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Drawings explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Schichtaufbaus einer integrierten kapazitiven Sensorschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;1 is a side view of a layer structure of an integrated capacitive sensor circuit according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2A-F verschiedene Geometrien von Sensorflächen in einer Metallisierungsschicht gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;2A-F show various geometries of sensor surfaces in a metallization layer according to embodiments of the present invention;
Fig. 3 eine Seitenansicht und Draufsicht eines Schichtaufbaus einer integrierten kapazitiven Sensorschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;3 is a side view and plan view of a layer structure of an integrated capacitive sensor circuit according to another embodiment of the present invention;
Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm einer integrierten elektronischen Auswerteschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;4 is a schematic block diagram of an integrated electronic evaluation circuit according to an embodiment of the present invention;
Fig. 5 ein Blockdiagramm einer elektronischen Auswerte- Schaltung mit Selbstkalibrierungsfunktionalität gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und Fig. 6 eine schematische Darstellung eines kapazitiven Digital-Analog-Wandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel .5 is a block diagram of an electronic evaluation circuit with self-calibration functionality according to an embodiment of the present invention; and Fig. 6 is a schematic representation of a capacitive digital-to-analog converter according to an embodiment.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen, im Nachfolgenden dargestellten, Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.With regard to the following description, it should be noted that in the different exemplary embodiments, identical or equivalent functional elements have the same reference numerals, and thus the descriptions of these functional elements in the various exemplary embodiments shown below are interchangeable.
Ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten kapazitiven Sensorschaltung umfasst gemäß Ausführungsbeispielen ein Er- zeugen einer elektronischen Ansteuer- und Auswerteschaltung auf einem Halbleitersubstrat und ein Aufbringen eines kapazitiven Sensors in einer Metallisierungsschicht über der elektronischen Auswerteschaltung, wobei der kapazitive Sensor mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung gekoppelt ist. Das Erzeugen und das Aufbringen sind dabei Teile eines CMOS-Prozesses .A method for producing an integrated capacitive sensor circuit comprises, according to exemplary embodiments, an embodiment of an electronic control and evaluation circuit on a semiconductor substrate and an application of a capacitive sensor in a metallization layer over the electronic evaluation circuit, wherein the capacitive sensor is coupled to the drive and evaluation circuit , The production and application are parts of a CMOS process.
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Schichtaufbaus eines integrierten kapazitiven Sensors 10 gemäß ei- nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.1 shows a schematic side view of a layer structure of an integrated capacitive sensor 10 according to an embodiment of the present invention.
Die integrierte Sensorschaltung 10 weist eine in einem Standard CMOS-Prozess auf einem Halbleitersubstrat 12 integrierte elektronische Auswerteschaltung 14 auf. Über der elektronischen Auswerteschaltung 14 ist eine Isolationsschicht 16 aufgebracht, welche eventuell benötigte (nicht gezeigte) Durchkontaktierungen von der elektronischen Auswerteschaltung 14 zu einer ersten Metallisierungsebene 18 aufweisen kann. Über der ersten Metallisierungsebene 18 ist eine weitere Isolationsschicht 20 angeordnet, mit eventuellen (nicht gezeigten) Durchkontaktierungen von der ersten Metallisierungsebene 18 zu einer zweiten bzw. obersten Metallisierungsebene 22. Die oberste Metallisierungsebene 22 stellt gemäß Ausführungsbeispielen eine kapazitive Sensorfläche dar. Dazu werden in die oberste Metallisierungsebene 22 wenigstens zwei Teilflächen 22a, 22b strukturiert, welche als Elektroden eines kapazitiven Sensors 24 wirken. Über die Durchkontak- tierungen der Isolationsschichten 20, 16 ist der kapazitive Sensor 24 bzw. die Sensorfläche mit der elektronischen Auswerteschaltung 14 gekoppelt.The integrated sensor circuit 10 has an electronic evaluation circuit 14 integrated on a semiconductor substrate 12 in a standard CMOS process. Via the electronic evaluation circuit 14, an insulation layer 16 is applied, which may possibly have required (not shown) plated-through holes from the electronic evaluation circuit 14 to a first metallization 18. Above the first metallization level 18, a further insulation layer 20 is arranged, with possible through-contacts (not shown) from the first metallization level 18 to a second or uppermost metallization level 22. According to exemplary embodiments, the uppermost metallization level 22 represents a capacitive sensor surface. To this end, at least two partial areas 22a, 22b are structured in the uppermost metallization level 22, which act as electrodes of a capacitive sensor 24. Via the through contacts of the insulation layers 20, 16, the capacitive sensor 24 or the sensor surface is coupled to the electronic evaluation circuit 14.
Mit der Auswerteelektronik 14 kann nun ein Ansteuersignal an die Elektroden 22a, b des kapazitiven Sensors 24 der Sensorfläche angelegt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Gleichspannung oder aber auch eine Wechselspan- nung handeln. Durch das an die Elektroden 22a, b angelegte Ansteuersignal bildet sich über den Elektroden 22a, b ein elektrisches bzw. elektromagnetisches Feld aus. Dieses Feld, dessen Feldlinien in Fig. 1 exemplarisch angedeutet sind, ist abhängig von der geometrischen Anordnung der E- lektroden 22a, b und den dielektrischen Eigenschaften des die Elektroden 22a, b umgebenden Mediums.With the evaluation electronics 14, a drive signal can now be applied to the electrodes 22a, b of the capacitive sensor 24 of the sensor surface. This may be, for example, a DC voltage or else an AC voltage. By the drive signal applied to the electrodes 22a, b, an electrical or electromagnetic field is formed above the electrodes 22a, b. This field, whose field lines are indicated by way of example in FIG. 1, is dependent on the geometric arrangement of the electrodes 22a, b and the dielectric properties of the medium surrounding the electrodes 22a, b.
Wird ein Gegenstand mit anderen dielektrischen Eigenschaften als das die Elektroden 22a, b umgebende Medium in das elektrische bzw. elektromagnetische Feld eingebracht, so verändert sich die Kapazität Csens des kapazitiven Sensors 24. Diese Änderung der Kapazität Csens kann durch die elektronische Auswerteschaltung 14, die mit dem Messkondensator 24 gekoppelt ist, festgestellt werden.If an object with different dielectric properties than the medium surrounding the electrodes 22a, b is introduced into the electrical or electromagnetic field, the capacitance C sens of the capacitive sensor 24 changes. This change in the capacitance C sens can be detected by the electronic evaluation circuit 14, which is coupled to the measuring capacitor 24 can be determined.
Je nach Anwendungsfall kann die geometrische Anordnung der Elektroden bzw. Sensorflächen 22a, b optimiert werden, um ein sensitives elektrisches bzw. elektromagnetisches Feld zu formen. Einige Geometrievarianten sind exemplarisch in den Figuren 2A bis 2F dargestellt.Depending on the application, the geometric arrangement of the electrodes or sensor surfaces 22a, b can be optimized in order to form a sensitive electric or electromagnetic field. Some geometry variants are shown by way of example in FIGS. 2A to 2F.
Die Figuren 2A bis 2F zeigen schematische Draufsichten auf integrierte kapazitive Sensorschaltungen 10a bis 10f. Mit dem Bezugszeichen 30 sind Anschlusspins der integrierten Bauelemente 10a bis 1Of angedeutet. Die wenigstens zwei E- lektroden 22a, b in der obersten Metallisierungsschicht 22 können je nach Anwendungsfall strukturiert werden.FIGS. 2A to 2F show schematic plan views of integrated capacitive sensor circuits 10a to 10f. With the reference numeral 30 connecting pins of the integrated components 10a to 10f are indicated. The at least two electrodes 22a, b in the uppermost metallization layer 22 can be patterned depending on the application.
Fig. 2A und B zeigen zwei parallel zueinander angeordnete Elektroden 22a, b in der obersten Metallisierungsschicht, wobei sich die in den beiden Fig. gezeigten Varianten durch Breite und Abstand der Elektroden 22 a,b unterscheiden. Da- bei bezieht sich „parallel" beispielsweise auf einander gegenüberliegende Seiten der Elektroden 22a, b. Unter einer parallelen Anordnung ist auch eine aufgrund von unvermeidbaren Herstellungsprozesstoleranzen leicht unterschiedliche Orientierung zu verstehen. D.h. ein von gegenüberliegenden Seiten der Elektroden 22a, b eingeschlossener Winkel ist beispielsweise kleiner als 1°.2A and B show two electrodes 22a, b arranged parallel to one another in the uppermost metallization layer, wherein the variants shown in the two figures differ by the width and spacing of the electrodes 22a, b. For example, "parallel" refers to opposite sides of the electrodes 22a, b, and a parallel arrangement also means a slightly different orientation due to unavoidable manufacturing process tolerances, ie an angle included from opposite sides of the electrodes 22a, b is, for example less than 1 °.
Ebenso zeigt Fig. 2C eine im Wesentlichen parallele Anordnung von vier metallischen Elektrodenelementen 32-1 bis 32- 4, von denen beispielsweise jeweils zwei eine Elektrode bilden. Gemäß Ausführungsbeispielen könnten in Fig. 2C beispielsweise die Elektrodenelemente 32-1 und 32-2 eine E- lektrode und die Elektrodenelemente 32-3 und 32-4 eine zweite Elektrode eines kapazitiven Sensors 24 bilden. Denk- bar wäre auch eine Beschaltung der vier Elektrodenelemente 32-1 bis 32-4, so dass zwei separate Messkondensatoren bzw. kapazitive Sensoren gebildet werden, die dann beispielsweise gegenphasig angesteuert werden können.Similarly, Fig. 2C shows a substantially parallel arrangement of four metallic electrode elements 32-1 to 32- 4, of which, for example, two each form an electrode. According to exemplary embodiments, in FIG. 2C, for example, the electrode elements 32-1 and 32-2 could form an electrode and the electrode elements 32-3 and 32-4 could form a second electrode of a capacitive sensor 24. It would also be conceivable to connect the four electrode elements 32-1 to 32-4 so that two separate measuring capacitors or capacitive sensors are formed, which can then be driven in antiphase, for example.
Gleiches gilt für die geometrischen Anordnungen, welche in Fig. 2D und 2E gezeigt sind. Auch hier könnten jeweils zwei der exemplarisch dargestellten vier Elektrodenelemente 32-1 bis 32-4 zu einer Elektrode des kapazitiven Sensors 24 zυ- sammengefasst werden. Eine Ausführung, bei der die vier E- lektrodenelemente 32-1 bis 32-4 zwei separate Messkondensa¬ toren bzw. kapazitive Sensoren bilden, ist ebenfalls möglich. Die integrierten Bauelemente 10d und 10e bzw. deren kapazitive Sensoren weisen einen (fiktiven) Symmetriepunkt 34 auf, zu dem die vier Elektrodenelemente 32-1 bis 32-4 punktsymmetrisch angeordnet sind. Des Weiteren könnte man auch Symmetrieachsen durch den Symmetriepunkt 34 definieren, zu denen die Elektroden bzw. Elektrodenelemente 32-1 bis 32-4 achsensymmetrisch sind.The same applies to the geometric arrangements shown in FIGS. 2D and 2E. Here, too, two of the exemplary four electrode elements 32-1 to 32-4 could be combined into one electrode of the capacitive sensor 24. 32-1 to 32-4 two separate Messkondensa ¬ factors or capacitive sensors form an embodiment in which the four E- lektrodenelemente, is also possible. The integrated components 10d and 10e or their capacitive sensors have a (fictitious) point of symmetry 34, to which the four electrode elements 32-1 to 32-4 are arranged point-symmetrically. Furthermore, symmetry axes could also be defined by the point of symmetry 34, to which the electrodes or electrode elements 32-1 to 32-4 are axisymmetric.
In sämtlichen in den Fig. 2A-E gezeigten Konfiguration sind die Elektroden bzw. Elektrodenelemente also symmetrisch, insbesondere achsensymmetrisch, angeordnet.In all the configurations shown in FIGS. 2A-E, the electrodes or electrode elements are thus arranged symmetrically, in particular axially symmetrically.
Fig. 2F zeigt zwei metallische Elektroden 22a, 22b, die jeweils kammförmig ausgebildet sind und in der in Fig. 2F gezeigten Art und Weise überlappend ineinandergreifen, so dass sich eine mäanderförmige Fläche zwischen den beiden Elektroden 22a, b ausbildet.FIG. 2F shows two metallic electrodes 22a, 22b, each of which is comb-shaped and overlappingly interlocking in the manner shown in FIG. 2F, so that a meander-shaped surface is formed between the two electrodes 22a, b.
An dieser Stelle sei bemerkt, dass die in den Fig. 2a bis 2f dargestellten Geometrievarianten lediglich exemplarisch gemeint sind und keinesfalls eine abschließende Aufzählung darstellen sollen. Wie bereits erwähnt, ist die Geometrie der Sensorfläche bzw. des kapazitiven Sensors 24 in der Metallisierungsschicht 22 an den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen, um eine optimierte Sensorwirkung zu erzielen.It should be noted at this point that the geometry variants shown in FIGS. 2a to 2f are meant to be exemplary only and in no way intended to represent a concluding enumeration. As already mentioned, the geometry of the sensor surface or of the capacitive sensor 24 in the metallization layer 22 is to be adapted to the particular application in order to achieve an optimized sensor effect.
Für eine Vielzahl von Verfahren zur Messung einer Kapazität bzw. Kapazitätsänderung wird zusätzlich zu der Sensorkapazität CSens eine Referenzkapazität Cref bzw. ein Referenzkon¬ densator benötigt. Eine schematische Seitenansicht eines Schichtaufbaus einer integrierten kapazitiven Sensorschal- tung 40 mit einem Referenzkondensator ist in Fig. 3 gezeigt .For a variety of methods for measuring a capacitance or change in capacitance, a reference capacitance in addition to the sensor capacitance C ref C Sens or a Referenzkon ¬ capacitor needed. A schematic side view of a layer structure of an integrated capacitive sensor circuit 40 with a reference capacitor is shown in FIG. 3.
Die integrierte Sensorschaltung 40 weist über der über der elektronischen Auswerteschaltung 14 liegenden Isolations- schicht 16 eine erste Metallisierungsschicht als Verdrahtungsebene 42 auf, die gegenüber der folgenden Metallisierungsschicht 18 durch eine Isolationsschicht 44 isoliert ist. Über der zweiten Metallisierungsschicht 18 folgt eine Isolationsschicht 20, auf der die nächste Metallisierungsschicht 22 usw. aufgebracht ist. In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Metallisierungsschicht 22 eine oberste Metallisierungs- schicht. Je nach Prozess können unterschiedlich viele Metallisierungsschichten realisiert werden. Für den Sensor sind mindestens drei Metallisierungsschichten wünschenswert.The integrated sensor circuit 40 has a first metallization layer as the wiring level 42, which is insulated from the following metallization layer 18 by an insulation layer 44 via the insulation layer 16 lying above the electronic evaluation circuit 14. Over the second metallization layer 18 follows a Insulation layer 20 on which the next metallization layer 22, etc. is applied. In the embodiment of the present invention shown in FIG. 3, the metallization layer 22 is an uppermost metallization layer. Depending on the process, different numbers of metallization layers can be realized. At least three metallization layers are desirable for the sensor.
In der Metallisierungsschicht 18 zwischen der obersten Metallisierungsschicht 22 und der elektronischen Auswerteschaltung 14 ist gemäß Ausführungsbeispielen ein Referenzkondensator 46 mit einer Referenzkapazität Cref gebildet. Der Referenzkondensator 46 weist bei Ausführungsbeispielen den gleichen geometrischen Aufbau auf, wie der Messkondensator bzw. der kapazitive Sensor 24 in der obersten Metallisierungsebene 22. Dabei ist unter einem gleichen geometrischer Aufbau auch ein aufgrund von unvermeidbaren Herstellungsprozesstoleranzen leicht unterschiedlicher geomet- rischer Aufbau zu verstehen. D.h. geometrische Abweichungen zwischen Referenzkondensator 46 und kapazitivem Sensor 24 liegen unterhalb 1 °/oo (1 Promille) .In the metallization layer 18 between the uppermost metallization layer 22 and the electronic evaluation circuit 14, a reference capacitor 46 is formed with a reference capacitance C ref according to embodiments. In embodiments, the reference capacitor 46 has the same geometric structure as the measuring capacitor or the capacitive sensor 24 in the uppermost metallization plane 22. Here, the same geometrical structure also means a slightly different geometrical structure due to unavoidable manufacturing process tolerances. This means that geometric deviations between the reference capacitor 46 and the capacitive sensor 24 are below 1 ° / oo (1 per thousand).
Beispiele für Geometrien von Mess- bzw. Referenzkondensato- ren wurden bereits anhand der Figuren 2A bis 2F im Vorhergehenden erläutert .Examples of geometries of measuring or reference capacitors have already been explained above with reference to FIGS. 2A to 2F.
Wie sich aus Fig. 3 erkennen lässt, ist der Referenzkondensator 46 gegenüber dem Messkondensator 24 lateral versetzt, so dass sich die beiden Kondensatoren lateral nicht über¬ lappen. Über dem Referenzkondensator 46 ist bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel in der obersten Metallisie¬ rungsschicht 22 eine Schirmfläche 48 zum elektromagnetischen Abschirmen des Referenzkondensators 46 von äußeren Einflüssen gebildet. In der Metallisierungsebene 18 zwi¬ schen der obersten Metallisierungsebene 22 und der elektro¬ nischen Auswerteschaltung 14 ist unterhalb des Referenzkondensators 24 eine weitere Schirmfläche 50 ähnlich der Schirmfläche 48 gebildet. Die Schirmfläche 50 dient zur Abschirmung des kapazitiven Sensors 24 von der aktiven elektronischen Auswerteschaltung 14, und umgekehrt.As can be seen from Fig. 3, the reference capacitor is offset laterally with respect to the measuring capacitor 24 46, so that the two capacitors laterally ¬ not overlap. To the reference capacitor 46 is in the example shown in Fig. 3 embodiment in the top metallization layer 22 approximately ¬ a screen surface 48 formed for electromagnetic shielding of the reference capacitor 46 of external influences. In the metallization 18 Zvi ¬ rule the topmost metallization 22 and the electro ¬ African evaluation circuit 14, a further shielding surface 50 is similar to below the reference capacitor 24 of the Screen surface 48 formed. The shielding surface 50 serves to shield the capacitive sensor 24 from the active electronic evaluation circuit 14, and vice versa.
Eine schematische Draufsicht auf die integrierte kapazitive Sensorschaltung 40 ist in dem unteren Teil von Fig. 3 gezeigt. Dabei befinden sich die grau gezeigten Flächen in der obersten Metallisierungsschicht 22 wohingegen sich die weiß gezeigten Flächen in der darunterliegenden Metallisie- rungsschicht 18 befinden.A schematic plan view of the integrated capacitive sensor circuit 40 is shown in the lower part of FIG. 3. In this case, the surfaces shown in gray are located in the uppermost metallization layer 22, whereas the surfaces shown in white are located in the underlying metallization layer 18.
Nachdem im Vorhergehenden auf Aufbaumöglichkeiten der in CMOS-Technik integrierten kapazitiven Sensorschaltung gemäß Ausführungsbeispielen eingegangen wurde, sollen im Nachfol- genden Realisierungsmöglichkeiten der elektronischen Auswerteschaltung 14 näher beleuchtet werden.After having discussed in the foregoing construction possibilities of the capacitive sensor circuit integrated in CMOS technology according to exemplary embodiments, in the following implementation possibilities of the electronic evaluation circuit 14 will be described in more detail.
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, existiert eine Vielzahl von Möglichkeiten, elektronische Auswerteschaltungen aufzu- bauen.As already mentioned, there are numerous possibilities for constructing electronic evaluation circuits.
Es können beispielsweise verstimmbare Oszillatoren, wie z.B. RCL-Kreise oder nicht-lineare Wien-Robinson Oszillatoren, in der integrierten Auswerteschaltung 14 verwendet werden. Bei ihnen kann eine Resonanzfrequenz durch die sich ändernde Sensorkapazität Csens beeinflusst werden.For example, tunable oscillators, such as RCL circuits or non-linear Wien-Robinson oscillators, may be used in the integrated evaluation circuit 14. With them, a resonance frequency can be influenced by the changing sensor capacitance C sens .
Eine weitere Möglichkeit stellen Brückenschaltungen in der integrierten Auswerteschaltung 14 dar, bei denen die zu messende Kapazität Csens durch ein Abgleichverfahren ermittelt werden kann, indem üblicherweise eine Diagonalspannung der Brückenschaltung zu Null geregelt wird.Another possibility is to provide bridge circuits in the integrated evaluation circuit 14, in which the capacitance C sens to be measured can be determined by a balancing method by usually regulating a diagonal voltage of the bridge circuit to zero.
Ein Blockdiagramm einer bevorzugten elektronischen Auswer- teschaltung 14, mit der die Sensorkapazität Csens mit hoher Auflösung vermessen werden kann, wobei nur ein relativ geringer Bauteilaufwand vonnöten ist, ist in Fig. 4 gezeigt. Fig. 4 zeigt einen mit sowohl dem kapazitiven Sensor bzw. dem Messkondensator 24 mit der Sensorkapazität Csens und dem Referenzkondensator 46 mit der Referenzkapazität Cref gekoppelten Delta-Sigma-ADC 50 (ADC = Analogue-Digital- Converter) , der ausgangsseitig mit einem digitalen Kompara- tor 52 gekoppelt ist. Dabei sind der Delta-Sigma-ADC 50 und der digitale Komparator 52 Teile der elektronischen Auswerteschaltung 14.A block diagram of a preferred electronic evaluation teschaltung 14, with the sensor capacitance C s sen having a high resolution can be measured with only a relatively low component cost is necessary, as shown in Fig. 4. 4 shows a delta-sigma ADC 50 (ADC = Analogue Digital Converter) coupled to both the capacitive sensor or the measuring capacitor 24 with the sensor capacitance C sens and the reference capacitor 46 to the reference capacitance C ref , the output side having a digital comparator 52 is coupled. In this case, the delta-sigma ADC 50 and the digital comparator 52 are parts of the electronic evaluation circuit 14.
Der Delta-Sigma-ADC 50 umfasst einen Delta-Sigma-Modulator 54 und einen Filter- und Dezimator-Block 56. Der Delta- Sigma-Modulator 54 weist typischerweise einen Operationsverstärker auf. Gemäß Ausführungsbeispielen sind die wenigstens zwei Elektroden 22a, b des kapazitiven Sensors 24 bzw. der Kapazität Csens mit dem invertierenden und nicht- invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden. Ferner sind die Elektroden 22a, b mit einer Referenzsignalquelle der elektronischen Auswerteschaltung 14 verbunden sind, um ein elektrisches bzw. elektromagnetisches Wechsel- feld zu erzeugen.The delta sigma ADC 50 includes a delta sigma modulator 54 and a filter and decimator block 56. The delta sigma modulator 54 typically includes an operational amplifier. According to embodiments, the at least two electrodes 22a, b of the capacitive sensor 24 and the capacitance C sens are connected to the inverting and non-inverting input of the operational amplifier. Furthermore, the electrodes 22a, b are connected to a reference signal source of the electronic evaluation circuit 14 in order to generate an electrical or electromagnetic alternating field.
Der Delta-Sigma-Modulator 54 bildet in seinem Eingangsintegrator (nicht gezeigt) eine Differenz aus den Ladungen der Sensorkapazität Csens und der Referenzkapazität Cref. Sind beide Kapazitäten exakt gleich groß, so wird die Ladungsdifferenz zu Null. Wird nun das elektrische bzw. e- lektromagnetische Feld über der Sensorkapazität Csens des kapazitiven Sensors 24 beeinflusst, so führt dies zu einer Änderung der Ladungsmenge in der Sensorkapazität Csens, die an den Integrator des Delta-Sigma-Modulators 54 übergeben wird. Der Delta-Sigma-Modulator 54 generiert an seinem Ausgang einen digitalen Bitstrom, der durch ein Tiefpassfilter und einen Abtastraten-Dezimator in dem Filter- und Dezima- tor-Block 56 in einen digitalen Wert umgesetzt wird. Der digitale Wert am Ausgang des Filter- und Dezimator-Blocks 56 repräsentiert die Ladungsdifferenz zwischen den beiden Kapazitäten Cref und Csens- Durch eine Vorgabe einer digita¬ len Schaltschwelle kann in dem digitalen Komparator 52 eine von einer Stärke der Sensorbedämpfung bzw. der Kapazitätsänderung ΔCSens abhängige Schaltfunktion des integrierten Bauteils bzw. Sensors erreicht werden. Diese Schaltschwelle ist sinnvollerweise einstellbar zu realisieren.The delta-sigma modulator 54 forms in its input integrator (not shown) a difference between the charges of the sensor capacitance C sens and the reference capacitance C re f. If both capacities are exactly the same, the charge difference becomes zero. If the electric or electromagnetic field is then influenced by the sensor capacitance C sens of the capacitive sensor 24, this leads to a change in the charge quantity in the sensor capacitance C sen s, which is transferred to the integrator of the delta-sigma modulator 54. The delta-sigma modulator 54 generates at its output a digital bit stream, which is converted into a digital value by a low-pass filter and a sampling rate decimator in the filter and decoder block 56. The digital value at the output of the filter and decimator block 56 represents the difference in charge between the two capacitors C REF and C sens - A specification of a digita ¬ len switching threshold, in the digital comparator 52, a be achieved by a strength of the sensor damping or the capacitance change ΔC S ens dependent switching function of the integrated component or sensor. This switching threshold is usefully adjustable to realize.
Die Funktionsweise von elektronischen Auswerteschaltungen gemäß Ausführungsbeispielen mit Delta-Sigma-ADCs bzw. Modulatoren ist in der Offenlegungsschrift DE 10 2005 038 875 Al eingehend und ausführlich beschrieben, so dass an dieser Stelle der Übersichtlichkeit halber auf eine detailliertere Beschreibung verzichtet werden soll.The operation of electronic evaluation circuits according to embodiments with delta-sigma ADCs or modulators is detailed and described in detail in the published patent application DE 10 2005 038 875 A1, so that at this point for the sake of clarity, a more detailed description should be dispensed with.
Die Referenzkapazität Crβf des Referenzkondensators 46 sollte in ihrem Wert möglichst exakt der Sensorkapazität Csens des kapazitiven Sensors 24 in Ruhelage, d.h. ohne externen Einfluss auf das elektrische bzw. elektromagnetische Feld des kapazitiven Sensors 24, entsprechen. In einer bevorzugten Ausführung kann dies dadurch erreicht werden, dass die Referenzkapazität Cref bzw. der Referenzkondensator 46 exakt den gleichen geometrischen Aufbau erhält, wie der Messkondensator 24, wie es im Vorhergehenden bereits anhand von Fig. 3 beschrieben wurde. Im Gegensatz zu der Sensorkapazität Csens sollte die Referenzkapazität Cref nicht durch einen externen Einfluss bedämpft bzw. verändert werden. Die Schirmfläche 48 der oberen Metallisierungsschicht 22 schirmt die Referenzkapazität 46 gegen externe Einflüsse ab.The reference capacitance C rβf of the reference capacitor 46 should correspond as closely as possible to the sensor capacitance C sens of the capacitive sensor 24 in the rest position, ie without external influence on the electrical or electromagnetic field of the capacitive sensor 24. In a preferred embodiment, this can be achieved by virtue of the reference capacitor C ref or the reference capacitor 46 being given exactly the same geometric structure as the measuring capacitor 24, as has already been described above with reference to FIG. 3. In contrast to the sensor capacitance C sens , the reference capacitance C re f should not be damped or changed by an external influence. The shield surface 48 of the upper metallization layer 22 shields the reference capacitance 46 against external influences.
An dieser Stelle soll noch bemerkt werden, dass im Rahmen eines CMOS-Prozesses die kapazitiven Sensoren bzw. Kondensatoren 24, 46, insbesondere der Referenzkondensator 46, auch anders als anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde, realisiert werden können. Denkbar sind dabei beispielsweise in Sperr-Richtung betriebene pn-Übergänge, PoIy- Silizium/Diffusions-Kapazitäten, Poly-Silizium/Poly- Silizium-Kapazitäten oder Metall/Metall-Kapazitäten. Prozess- und Produktionsvariationen können teilweise zu erheblichen Schwankungen bei der Fertigung von integrierten Kapazitäten bzw. Kondensatoren führen. Deshalb wird bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ein Fein- abgleich zwischen der Sensorkapazität Csens und Referenzkapazität Cref durch einen Selbstkalibrierungsalgorithmus durchgeführt. Gemäß Ausführungsbeispielen wird die Referenzkapazität Cf dabei durch einen kapazitiven Digital- Analog-Umsetzer ersetzt oder ergänzt. Dabei ist unter einem kapazitiven Digital-Analog-Umsetzer eine Anordnung aus binär gewichteten Kapazitäten zu verstehen, die über digitale Schalter beispielsweise an einen Referenzeingang des Delta- Sigma-Modulators 54 gelegt werden können. In einem Kalibriermodus werden die digitalen Schalter des kapazitiven Di- gital-Analog-Umsetzers so lange nach einem sukzessiven Approximationsprinzip zugeschaltet, bis der Ausgang des Dezi- mators 56 in Ruhelage den digitalen Wert „Null" erreicht und damit anzeigt, dass die Ladungen (Qiet, Qsens) in Referenz- und Sensorkapazität Cref, Csens zumindest näherungswei- se identisch sind, d.h. in einem vorgegebenen Toleranzbereich liegen, wie z.B. 0.95Qref < Qsens < l-05Qref. Natürlich kann dieses Kalibrierverfahren auch für die in Fig. 3 dargestellte Referenzkapazität Cref bzw. den Referenzkondensator 46 erfolgen, wenn die Fläche des Referenzkondensators 46 in verschieden große zusammenschaltbare Teilflächen geteilt wird und über Schalter die Teilflächen derart geschaltet werden, dass die Gesamtkapazität Cref des Referenzkondensators 46 nach dem Kalibrierverfahren so gebildet wird, dass sie der Sensorkapazität Csens in Ruhelage mög- liehst exakt entspricht.It should also be noted that within the scope of a CMOS process, the capacitive sensors or capacitors 24, 46, in particular the reference capacitor 46, can also be realized differently than with reference to FIGS. 1 to 3. Conceivable, for example, in the reverse direction operated pn junctions, poly-silicon / diffusion capacitances, poly-silicon / poly-silicon capacitances or metal / metal capacitances. Process and production variations can sometimes lead to significant fluctuations in the production of integrated capacitors or capacitors. Therefore, in embodiments of the present invention, a fine balance between the sensor capacitance C sens and reference capacitance C re f is performed by a self-calibration algorithm. According to embodiments, the reference capacitance C f is replaced or supplemented by a capacitive digital-to-analog converter. In this case, a capacitive digital-to-analog converter should be understood to mean an arrangement of binary weighted capacitances which can be applied via digital switches, for example to a reference input of the delta-sigma modulator 54. In a calibration mode, the digital switches of the capacitive digital-to-analog converter are switched on according to a successive approximation principle until the output of the decimator 56 at rest reaches the digital value "zero" and thus indicates that the charges (Q ie t, Qsen s ) in reference and sensor capacitance C re f, C sens are at least approximately identical, ie within a predetermined tolerance range, such as 0.95Q re f <Q s ns <l-05Q re f this calibration method also for the reference capacitance C ref and the reference capacitor 46 shown in FIG. 3, when the surface of the reference capacitor 46 is divided into different sized interconnectable faces and switch the part surfaces are switched such that the total capacitance C re f of the reference capacitor 46 is formed according to the calibration method so that it corresponds to the sensor capacitance C sens in rest position corresponds exactly lent.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm zur Realisierung des im Vorhergehenden beschriebenen Kalibrierverfahrens der Auswerteschaltung 14.FIG. 5 shows a schematic block diagram for the realization of the above-described calibration method of the evaluation circuit 14.
In Fig. 5 ist gegenüber der Fig. 4 der Referenzkondensator 46 bzw. die Referenzkapazität .Cref durch einen kapazitiven Digital-Analog-Umsetzer 60 ersetzt. Der Ausgang des Tief- passfilters und/oder Dezimators 56 wird über einen SAR- Controller 62 (SAR = Successive Approximation Register) auf ein SA-Register 64 (SA = Successive Approximation, schrittweise Annäherung) zurückgekoppelt, so dass das SA-Register 64 eine Referenzkapazität Cref des kapazitiven Digital- Analog-Umsetzers 60 über digitale Schalter einstellen kann, so dass in Ruhelage am Ausgang des Dezimators 56 der Wert „Null" auftritt.In FIG. 5, the reference capacitor .C ref is replaced by a capacitive digital-to-analog converter 60 compared to FIG. The output of the low The pass filter and / or decimator 56 is fed back to an SA register 64 (SA = Successive Approximation Register) via a SAR controller 62 (SA = Successive Approximation Register) so that the SA register 64 has a reference capacitance C re f of the capacitive digital-to-analog converter 60 can set via digital switches, so that at rest at the output of the decimator 56, the value "zero" occurs.
Bei der sukzessiven Approximation bzw. der schrittweisen Annäherung wird der analoge Ausgang, also die Kapazität, des kapazitiven Digital-Analog-Umsetzers 60 über einen Kom- parator 54, 56 mit einem Sollwert, also der Sensorkapazität Csens> verglichen. Sukzessive werden nun durch den SAR- Controller 62 die einzelnen Bits bzw. Schalter des kapazitiven Digital-Analog-Umsetzers 60 über das SA-Register 64, beginnend beim höchstwertigen Bit (MSB = Most Significant Bit) abwärts bis zum geringstwertigen Bit (LSB = Least Significant Bit) nacheinander gesetzt. In jedem Taktzyklus wird vom SAR-Controller 62 jeweils das in Arbeit befindliche Bit probeweise gesetzt und der kapazitive Digital- Analog-Umsetzer 60 erzeugt die dem aktuellen Digitalwert entsprechende Referenzkapazität Cref. Der Komparator 54, 56 vergleicht die Referenzkapazität Crβf mit der Sensorkapazi- tat Cgens und veranlasst den SAR-Controller 62, das in Arbeit befindliche Bit wieder zurückzusetzen, wenn die Referenzkapazität Cref höher ist als die Sensorkapazität Csens- Wenn die Referenzkapazität Cref kleiner oder gleich der Sensorkapazität Cgens ist, bleibt das Bit gesetzt. So erfolgt schrittweise eine (sukzessive) Annäherung der Referenzkapazität Cref an die Sensorkapazität Csens« Nach n (n ist Anzahl der Bits bzw. Schalter) Vergleichsvorgängen hat sich der Ausgangswert Cref des kapazitiven Digital-Analog-Umsetzers 60 möglichst nahe an den Sollwert Csens in Ruhelage angenä- hert. Ein Prinzipschaltbild des kapazitiven Digital-Analog- Umsetzers 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 gezeigt .In the case of the successive approximation or the stepwise approximation, the analog output, that is to say the capacitance, of the capacitive digital / analog converter 60 is compared via a comparator 54, 56 with a desired value, that is, the sensor capacitance Csens > . Successively, the individual bits or switches of the capacitive digital-to-analog converter 60 via the SA register 64, starting at the most significant bit (MSB = Most Significant Bit) down to the least significant bit (LSB = Least Significant bit) successively. In each clock cycle, the SAR controller 62 sets the bit in progress on a trial basis and the capacitive digital-to-analog converter 60 generates the reference capacitance C ref corresponding to the current digital value. The comparator 54, 56 compares the reference capacitance C rβf with the sensor capacitance Cg e n s and causes the SAR controller 62 to reset the bit in progress when the reference capacitance Cref is higher than the sensor capacitance C sen s- Reference capacitance C re f is less than or equal to the sensor capacitance Cg ens , the bit remains set. Thus, a (successive) approximation of the reference capacitance Cr ef to the sensor capacitance C sens takes place step by step. After n (n is the number of bits or switches), the output value C ref of the capacitive digital-to-analog converter 60 is as close as possible to the reference value C sens at rest. A block diagram of the capacitive digital-to-analog converter 60 according to an exemplary embodiment is shown in FIG. 6.
Bei einer Ausführungsform weist der kapazitive Digital- Analog-Umsetzer 60 zwischen seinen beiden Anschlussklemmen eine Parallelschaltung von über Schalter 70-1 bis 70-5 schaltbaren Kapazitäten Cref,i bis Creff5 auf. Die Schalterstellungen der Schalter 70-1 bis 70-5 können über das SA- Register 64 und den SAR-Controller 62 gesteuert werden. Demnach können sukzessive diejenigen Kapazitäten Cref/n (n=l,...,5) zugeschaltet werden, die benötigt werden, um die resultierende Gesamtreferenzkapazität Cref möglichst exakt an den Wert der Sensorkapazität Csens in Ruhelage anzu- nähern. Ist beispielsweise eine Abweichung von der Sensorkapazität CSens relativ gering, was sich in einem kleinen Wert am Ausgang der Einrichtung 56 bemerkbar macht, so kann der SAR-Controller 62 das SA-Register 64 anweisen, eine der Kapazitätsabweichung zumindest näherungsweise entsprechende Kapazität Cref,x hinzu- oder abzuschalten, je nachdem ob die Gesamtreferenzkapazität Cref kleiner oder größer als die Sensorkapazität Csens ist. Bei einer großen Abweichung wird demnach eine entsprechende größere Kapazität der Kapazitäten Cref, x hinzu- oder abgeschaltet.In one embodiment, the capacitive digital-to-analog converter 60 has, between its two terminals, a parallel connection of capacitors C re f, i to C re f f5 which can be switched via switches 70-1 to 70-5. The switch positions of the switches 70-1 to 70-5 may be controlled via the SA register 64 and the SAR controller 62. Accordingly, those capacitances C ref / n (n = 1,..., 5) which are required in order to approximate the resulting total reference capacitance C ref as exactly as possible to the value of the sensor capacitance C sens in the rest position can be switched on successively. If, for example, a deviation from the sensor capacitance C Sens is relatively small, which manifests itself in a small value at the output of the device 56, then the SAR controller 62 can instruct the SA register 64, a capacitance deviation at least approximately corresponding capacitance C ref , x on or off, depending on whether the total reference capacitance C ref is smaller or larger than the sensor capacitance C sens . In the case of a large deviation, accordingly, a corresponding larger capacity of the capacitances C r e f , x is added or removed.
Gemäß Ausführungsbeispielen wird eine integrierte kapazitive Sensorschaltung 10, 40 in einem der Halbleiterfertigung üblichen Standardplastikgehäuse hermetisch und elektrisch isolierend vergossen. Die Feldlinien der wenigstens zwei Elektroden 22a, b bzw. des Kapazitiven Sensors 24 können sich nahezu ungehindert durch das Plastikmaterial des Gehäuses nach außen hin ausbreiten. Ein Benutzer ist damit bereits durch die Aufbautechnik galvanisch von den stromführenden Teilen des integrierten kapazitiven Sensors 10, 40 getrennt.According to exemplary embodiments, an integrated capacitive sensor circuit 10, 40 is encapsulated hermetically and electrically insulating in a standard plastic housing customary for semiconductor production. The field lines of the at least two electrodes 22a, b or of the capacitive sensor 24 can propagate to the outside almost unhindered through the plastic material of the housing. A user is thus already galvanically separated from the current-carrying parts of the integrated capacitive sensor 10, 40 by the construction technique.
Zusammenfassend schaffen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung also einen kompakten integrierten kapazi- tiven Sensor auf Halbleiterbasis, der in herkömmlichen CMOS-Prozessschritten hergestellt werden kann. Eine auf einem Halbleitersubstrat integrierte elektronische Auswerteschaltung 14 kann eine Sensorkapazität Csens mit hoher Auf- lösung vermessen, wobei nur ein relativ geringer Bauteileaufwand vonnöten ist. Somit können bei Ausführungsbeispielen Sensorflächen und Signalerfassung in einem Bauteil gemeinsam integriert werden, wodurch eine aufwendige Aufbautechnik herkömmlicher kapazitiver Sensoren vermieden werden kann.In summary, embodiments of the present invention thus provide a compact integrated capacitive Semiconductor-based sensor that can be fabricated in conventional CMOS process steps. An electronic evaluation circuit 14 integrated on a semiconductor substrate can measure a sensor capacitance C sens with high resolution, whereby only a relatively small component expenditure is required. Thus, in embodiments sensor surfaces and signal detection can be integrated together in one component, whereby a complex construction of conventional capacitive sensors can be avoided.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die jeweiligen Bauteile des integrierten Sensors oder die erläuterte Vorgehensweise beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn in der Beschreibung und in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwen- det werden, beziehen sich diese auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, so lange nicht der GesamtZusammenhang eindeutig etwas anderes deutlich macht. Das selbe gilt in umgekehrter Richtung. Finally, it should be noted that the present invention is not limited to the respective components of the integrated sensor or the explained procedure, since these components and methods may vary. The terms used herein are intended only to describe particular embodiments and are not intended to be limiting. When the singular or indefinite articles are used in the specification and claims, they also refer to the majority of these elements unless the context clearly indicates otherwise. The same applies in the opposite direction.

Claims

Patentansprüche claims
1. Integrierte kapazitive Sensorschaltung (10; 40) mit1. Integrated capacitive sensor circuit (10; 40) with
einem in einer obersten Metallisierungsschicht (22) der integrierten kapazitiven Sensorschaltung gebildeten kapazitiven Sensor (24) mit wenigstens zwei in der obersten Metallisierungsschicht (22) angeordneten E- lektroden (22a, b); unda capacitive sensor (24) formed in an uppermost metallization layer (22) of the integrated capacitive sensor circuit with at least two electrodes (22a, b) arranged in the uppermost metallization layer (22); and
einer mit dem kapazitiven Sensor (24) gekoppelten e- lektronischen Auswerteschaltung (14) zum Feststellen einer Kapazitätsänderung des kapazitiven Sensors (24),an electronic evaluation circuit (14) coupled to the capacitive sensor (24) for detecting a capacitance change of the capacitive sensor (24),
wobei der kapazitive Sensor (24) und die Auswerteschaltung (14) gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat (12) integriert sind.wherein the capacitive sensor (24) and the evaluation circuit (14) are integrated together on a semiconductor substrate (12).
2. Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß Anspruch2. Integrated capacitive sensor circuit according to claim
1, bei der in einer Metallisierungsschicht (18) zwischen der obersten Metallisierungsschicht (22) und der elektronischen Auswerteschaltung (14) ein Referenzkondensator (46) mit einer Referenzkapazität (Cref) gebil- det ist.1, in which a reference capacitor (46) with a reference capacitance (C ref ) is formed in a metallization layer (18) between the uppermost metallization layer (22) and the electronic evaluation circuit (14).
3. Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß Anspruch3. Integrated capacitive sensor circuit according to claim
2, wobei der Referenzkondensator (46) einen gleichen geometrischen Aufbau aufweist wie der kapazitive Sen- sor (24) in der obersten Metallisierungsschicht (22).2, wherein the reference capacitor (46) has a same geometric structure as the capacitive sensor (24) in the uppermost metallization layer (22).
4. Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der Referenzkondensator (46) zu dem kapazitiven Sensor (24) lateral versetzt ist und über dem Referenzkondensator (46) in der obersten Metalli¬ sierungsschicht (22) eine Schirmfläche (48) zum elektromagnetischen Abschirmen des Referenzkondensators (46) gebildet ist. 4. Integrated capacitive sensor circuit according to claim 2 or 3, wherein the reference capacitor (46) to the capacitive sensor (24) is laterally offset and above the reference capacitor (46) in the uppermost Metalli ¬ sierungsschicht (22) a shielding surface (48) for electromagnetic Shielding of the reference capacitor (46) is formed.
5. Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die Referenzkapazität (Cref) des Referenzkondensators (46) variierbar ist, um eine vordefinierte Ruhekapazität (Csens) des kapazitiven Sensors (24) ohne äußere Einflüsse einstellen zu können.5. Integrated capacitive sensor circuit according to one of claims 2 to 4, wherein the reference capacitance (C ref ) of the reference capacitor (46) is variable in order to set a predefined resting capacity (C se ns) of the capacitive sensor (24) without external influences can ,
6. Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß Anspruch 5, wobei der Referenzkondensator (46) in verschieden große, miteinander verschaltbare Teilflächen aufgeteilt werden kann, um dessen Kapazität (Crβf) variieren zu können.6. Integrated capacitive sensor circuit according to claim 5, wherein the reference capacitor (46) can be divided into different sized, interconnectable sub-areas in order to vary its capacity (C rβf ) can.
7. Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in einer Metallisierungsschicht (18) zwischen der obersten Metallisierungsschicht (22) und der elektrischen Auswerteschaltung (14) eine Schirmfläche (50) zum elektromagneti- sehen Abschirmen der Auswerteelektronik vor dem Messkondensator, und umgekehrt, gebildet ist.7. Integrated capacitive sensor circuit according to one of the preceding claims, wherein in a metallization layer (18) between the uppermost metallization layer (22) and the electrical evaluation circuit (14) a shielding surface (50) for electromagnetic see shielding the transmitter before the measuring capacitor, and conversely, is formed.
8. Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich gegenüberliegende Seiten der wenigstens zwei Elektroden (22a, b) des kapazitiven Sensors (24) in der obersten Metallisierungsschicht (22) parallel zueinander angeordnet sind.8. An integrated capacitive sensor circuit according to one of the preceding claims, wherein opposite sides of the at least two electrodes (22a, b) of the capacitive sensor (24) in the uppermost metallization layer (22) are arranged parallel to each other.
9. Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei9. Integrated capacitive sensor circuit according to one of the preceding claims, wherein the at least two
Elektroden (22a, b) kammförmig ausgebildet sind und ü- berlappend ineinandergreifen, so dass sich eine mäan- derförmige Fläche zwischen den beiden Elektroden (22a, b) ausbildet.Electrodes (22a, b) are comb-shaped and Ü overlap overlap, so that a meander-shaped surface between the two electrodes (22a, b) is formed.
10. Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der kapazitive Sensor (24) einen Symmetriepunkt (34) aufweist und die we- nigstens zwei Elektroden (22a, b) punktsyπunetrisch zu dem Symmetriepunkt angeordnet sind.10. Integrated capacitive sensor circuit according to one of the preceding claims, wherein the capacitive sensor (24) has a point of symmetry (34) and the weak at least two electrodes (22a, b) are arranged point-by-point to the point of symmetry.
11. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Auswerteschaltung (14) ausgebildet ist, um an die wenigstens zwei Elektroden (22a, b) des kapazitiven Sensors (24) eine Wechselspannung anzulegen, um ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen.11. Device according to one of the preceding claims, wherein the electronic evaluation circuit (14) is designed to apply an alternating voltage to the at least two electrodes (22a, b) of the capacitive sensor (24) in order to generate an electromagnetic alternating field.
12. Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Auswerteschaltung (14) einen Delta-Sigma-Modulator (54) mit einem Operationsverstärker aufweist.12. Integrated capacitive sensor circuit according to one of the preceding claims, wherein the electronic evaluation circuit (14) comprises a delta-sigma modulator (54) with an operational amplifier.
13. Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß Anspruch 12, wobei die wenigstens zwei Elektroden (22a, b) des kapazitiven Sensors (24) mit dem invertierenden und nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden sind und wobei die wenigstens zwei Elektroden (22a, b) ferner mit einer Referenzsignalquelle der elektronischen Auswerteschaltung (14) verbunden sind.13. An integrated capacitive sensor circuit according to claim 12, wherein the at least two electrodes (22a, b) of the capacitive sensor (24) are connected to the inverting and non-inverting input of the operational amplifier and wherein the at least two electrodes (22a, b) further with a reference signal source of the electronic evaluation circuit (14) are connected.
14. Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die integrierte Sensorschaltung (10, 40) in einer CMOS-Technologie gefertigt ist.14. An integrated capacitive sensor circuit according to one of the preceding claims, wherein the integrated sensor circuit (10, 40) is manufactured in a CMOS technology.
15. Integrierte kapazitive Sensorschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die durch ein Plastikgehäuse gehaust wird.15. Integrated capacitive sensor circuit according to one of the preceding claims, which is housed by a plastic housing.
16. Verfahren zum Herstellen einer integrierten kapaziti¬ ven Sensorschaltung, mit folgenden Schritten:16. A method for fabricating an integrated kapaziti ¬ ven sensor circuit, comprising the steps of:
Erzeugen einer elektronischen Auswerteschaltung (14) auf einem Halbleitersubstrat (12); und Aufbringen eines kapazitiven Sensors (24) in einer Metallisierungsschicht (22) über der elektronischen Auswerteschaltung (14),Generating an electronic evaluation circuit (14) on a semiconductor substrate (12); and Applying a capacitive sensor (24) in a metallization layer (22) over the electronic evaluation circuit (14),
wobei das Erzeugen und das Aufbringen Teile eines CMOS-Prozesses sind. wherein the generating and applying are parts of a CMOS process.
PCT/EP2008/004206 2007-06-04 2008-05-27 Integrated capacitive sensor WO2008148481A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP08758791A EP2162987A1 (en) 2007-06-04 2008-05-27 Integrated capacitive sensor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007025947.8 2007-06-04
DE200710025947 DE102007025947B4 (en) 2007-06-04 2007-06-04 Integrated capacitive sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008148481A1 true WO2008148481A1 (en) 2008-12-11

Family

ID=39629083

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2008/004206 WO2008148481A1 (en) 2007-06-04 2008-05-27 Integrated capacitive sensor

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2162987A1 (en)
DE (1) DE102007025947B4 (en)
WO (1) WO2008148481A1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102318193B (en) * 2009-01-12 2014-08-06 核心微电子德累斯顿股份公司 Wide range charge balancing capacitive-to-digital converter
DE102009029021B4 (en) 2009-08-31 2022-09-22 Robert Bosch Gmbh Sensor system for monitoring the surroundings of a mechanical component and a method for controlling and evaluating the sensor system
DE102011003734B3 (en) * 2011-02-07 2012-06-14 Ident Technology Ag Electrode configuration for a capacitive sensor device and capacitive sensor device for approach detection
DE102012002193B4 (en) * 2012-02-07 2021-07-29 Polyic Gmbh & Co. Kg Capacitive sensor element

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5512836A (en) * 1994-07-26 1996-04-30 Chen; Zhenhai Solid-state micro proximity sensor
US5844287A (en) * 1995-10-17 1998-12-01 France Telecom Monolithic sensor of fingerprints
US6049790A (en) * 1994-08-17 2000-04-11 Schlumberger Industries Protected keypad apparatus
DE19927358A1 (en) * 1999-06-16 2000-12-21 Heinrich Acker Capacitor sensor with an integrated circuit and electrodes manufactured as a monolithic semiconductor unit for use in measuring position, angle, acceleration, angle, etc. can be economically mass produced and customized in final steps
DE102005038875A1 (en) * 2005-05-25 2006-11-30 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Capacitance measuring circuit
US20070075710A1 (en) * 2005-06-03 2007-04-05 Kirk Hargreaves Methods and systems for detecting a capacitance using sigma-delta measurement techniques

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3761736A (en) * 1971-05-12 1973-09-25 Godwin Warren Engin Ltd Proximity switches
DE3221223A1 (en) 1982-06-04 1983-12-08 Endress U. Hauser Gmbh U. Co, 7867 Maulburg Capacitive proximity initiator
DE3815698A1 (en) 1988-05-07 1989-11-16 Balluff Gebhard Feinmech SELF-TESTING, CAPACITIVE PROXIMITY SWITCH
DE4304437A1 (en) * 1993-02-13 1994-08-18 Ego Elektro Blanc & Fischer Integrated circuit, in particular for contact switches, and method for producing an integrated circuit
DE19536198B4 (en) 1995-09-28 2006-03-30 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Capacitive switch
DE29915014U1 (en) 1999-08-28 2000-04-06 Pepperl & Fuchs Capacitive proximity switch
DE10010888B4 (en) * 2000-03-06 2004-02-12 Infineon Technologies Ag Circuit arrangement and method for evaluating capacities in matrices
DE10131243C1 (en) 2001-06-28 2002-11-07 Luer Luetkens Capacitive proximity switch e.g. for production line robot, uses difference signal between 2 screened sensor electrodes
TWI220423B (en) * 2001-08-30 2004-08-21 Hrl Lab Llc A method of fabrication of a sensor
DE10336335B4 (en) 2003-08-08 2015-03-12 Huf Hülsbeck & Fürst Gmbh & Co. Kg Locking device for vehicles
US6970126B1 (en) * 2004-06-25 2005-11-29 Analog Devices, Inc. Variable capacitance switched capacitor input system and method

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5512836A (en) * 1994-07-26 1996-04-30 Chen; Zhenhai Solid-state micro proximity sensor
US6049790A (en) * 1994-08-17 2000-04-11 Schlumberger Industries Protected keypad apparatus
US5844287A (en) * 1995-10-17 1998-12-01 France Telecom Monolithic sensor of fingerprints
DE19927358A1 (en) * 1999-06-16 2000-12-21 Heinrich Acker Capacitor sensor with an integrated circuit and electrodes manufactured as a monolithic semiconductor unit for use in measuring position, angle, acceleration, angle, etc. can be economically mass produced and customized in final steps
DE102005038875A1 (en) * 2005-05-25 2006-11-30 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Capacitance measuring circuit
US20070075710A1 (en) * 2005-06-03 2007-04-05 Kirk Hargreaves Methods and systems for detecting a capacitance using sigma-delta measurement techniques

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
REN C LUO: "Sensor Technologies and Microsensor Issues for Mechatronics Systems", IEEE / ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 1, no. 1, 1 March 1996 (1996-03-01), XP011034391, ISSN: 1083-4435 *
See also references of EP2162987A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102007025947A1 (en) 2008-12-11
EP2162987A1 (en) 2010-03-17
DE102007025947B4 (en) 2009-02-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1872144B1 (en) Capacity measuring circuit
EP2241868B1 (en) Measuring circuit for determining a measuring capacity
DE69920034T3 (en) Charge transfer capacitance measurement circuit
DE102010039272B3 (en) Capacitance measuring circuit, sensor system and method for measuring a capacitance using a sinusoidal voltage signal
EP1959570B1 (en) Inductive proximity sensor
DE102007047887A1 (en) Capacity detection device
EP0271103A2 (en) Device for measuring the distribution of forces
DE112013004052T5 (en) Capacitive sensor
DE112015005851T5 (en) Capacitive sensor
EP2591345A1 (en) Detecting a dielectric article
EP2989431B1 (en) Fill level measurement system
DE102007025947B4 (en) Integrated capacitive sensor
DE19650681C2 (en) Capacitive sensor arrangement
EP1033578B1 (en) Device for determining the rotation of a rotating element
DE4022697C2 (en) sensor
EP0447653A1 (en) Inductive position sensor
EP2233890A2 (en) Capacitive sensor and method for capacitive recording the distance of an object
DE10063557B4 (en) Method and device for measuring water levels
DE102005025908B3 (en) Capacitative sensor to measure values, e.g. for vehicle tilts and automatic machines, has two electrode pairs with a moving component between them with measurement of difference capacities at part-capacitors formed by the electrode array
EP1332374B1 (en) Method and device for electrical zero balancing for a micromechanical component
EP3359936A1 (en) Pressure sensor and method for measuring a pressure
WO1993017302A1 (en) Circuit for a transducer
EP1229307A1 (en) Device for detecting the angle of rotation of a rotatable element
EP2862277B1 (en) Beam detector with control circuit
DE102009026496A1 (en) Sensor, particularly micro-mechanical sensor for capacitive determination of measure, has conversion unit for imaging measure of capacitor, where compensation device is equipped with electrical connection device

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008758791

Country of ref document: EP

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08758791

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE