电容式传感器的制作方法

1.本公开涉及一种电容式传感器，特别是电容式湿度传感器、电容式气体传感器和电容式颗粒物传感器。本公开的另外的方面涉及一种用于电容式感测的方法，特别是用于电容式湿度感测的方法。


背景技术：

2.电容式传感器例如可以被实施为湿度传感器，特别是作为用于感测环境空气的相对湿度的传感器，广泛用在环境感测应用中。
3.一种类型的湿度传感器是电容式湿度传感器，其包括一个或多个湿度敏感层，特别是聚合物层，其布置在两个电极之间并与环境空气相互作用。两个电极之间测得的容量与环境空气的湿度相关，因此建立了湿度测量。
4.电容式湿度传感器的一个问题是可能无法很好地定义传感层的环境。特别地，环境的阻抗可能以不受控制的方式改变。作为示例，在水或另一种液体凝结在湿度敏感层上或湿度敏感层被颗粒污染的情况下，测得的容量会下降到100％以下。这种饱和事件会导致错误的测量。特别地，对应的传感器可能无法区分凝结场景与相对湿度确实略低于100％的场景。


技术实现要素：

5.因而，本发明要解决的一个问题是提供一种具有改进的灵敏度范围的电容式传感器，特别是一种能够检测凝结场景的湿度传感器。
6.根据本发明的第一方面的实施例，提供了一种包括基板和电极结构的电容式湿度传感器。电极结构包括至少第一电极和第二电极以及布置在第一电极和第二电极之间的感测层。感测层特别可以具有湿度敏感的介电常数并且因此可以被实施为湿度敏感层。该传感器还包括测量电路，该测量电路被配置为通过在第一测量阶段向第一电极和第二电极施加第一对电位来测量电极结构的电容。第一对电位包括第一电极的第一电位和第二电极的第一电位。测量电路还被配置为在第二测量阶段向第一电极和第二电极施加第二对电位。第二对电位包括第一电极的第二电位和第二电极的第二电位。第一方面的实施例的具体特征在于，第二电极的第一电位与第二电极的第二电位彼此不同。根据第一方面的实施例，施加第一对电位和第二对电位使得它们至少符合以下条件中的一个：
7.0＜＝(v
a1
‑
v
a2
)＜＝(v
b2
‑
v
b1
)*c
ee
/c
ae
；
ꢀꢀꢀ
(不等式1)
8.或
9.(v
b2
‑
v
b1
)＊c
be
/c
ae
＜＝(v
a1
‑
v
a2
)＜＝0。
ꢀꢀꢀ
(不等式2)
10.在上述公式/条件中，v
a1
表示第一电极在第一测量阶段的第一电位，v
a2
表示第一电极在第二测量阶段的第二电位。此外，v
b1
表示第二电极在第一测量阶段的第一电位，v
b2
表示第二电极在第二测量阶段的第二电位。c
ae
是第一电极与布置在感测层的表面上的虚拟电极之间的互电容，而c
be
是第二电极与布置在感测层的表面上的虚拟电极之间的电容。
11.这种实施的电容式传感器被配置为借助于两相测量来测量其电极结构的电容。两阶段测量包括第一测量阶段和第二测量阶段，期间将特定的电位集合施加到第一电极和第二电极。特别地，第二电极的第一电位与第二电极的第二电位彼此不同。换句话说，第二电极的电位在第一测量阶段与第二测量阶段之间改变。这与其中第二电极的电位保持恒定以避免测出第二电极与地或其它参考电位之间的寄生电容的现有技术传感器相反。这种实施的传感器提供的优点是可以有利地使用第二电极的不同电位来针对特定测量场景调整传感器功能。
12.特别地，申请人的研究表明，通过在两个测量阶段之间改变第二电极的电位，根据本发明的实施例的传感器可以以如下方式来设计：感测层的表面上的凝结和/或感测层的污染不会导致错误的测量。
13.虚拟电极可以被认为是用于定义和/或测量电容c
ae
和c
be
或更具体地是商c
ae
/c
be
的电极。虚拟电极布置在感测层的表面上。感测层的表面是感测层与环境空气相邻的区域。换句话说，感测层的表面提供与环境空气的界面并与环境空气相互作用。
14.应当注意的是，虚拟电极在传感器的感测操作期间实际上并不存在。根据实施例，虚拟电极可以被施加在样本传感器的感测层的表面上以确定商c
ae
/c
be
或者其可以被用于借助于模拟来确定商c
ae
/c
be
。
15.商c
be
/c
ae
可以以本领域技术人员一般已知的多种不同方式或方法确定。
16.根据实施例，商c
be
/c
ae
可以根据有限元方法(fem)通过模拟来确定。对于这种模拟，可以使用商业上可用的程序，例如，comsol软件。
17.根据实施例，fem模拟通过模拟包括第一电极、第二电极和虚拟电极的电极结构的几何形状来导出商c
be
/c
ae
。根据实施例，商c
be
/c
ae
仅取决于电极结构的几何形状，假设电极结构之间的介电材料的介电常数是同质的。
18.在对称电极结构的情况下，商c
be
/c
ae
＝1。
19.根据其它实施例，商c
be
/c
ae
可以通过测量来确定，例如，通过使用由电容c
ae
和c
be
形成的电容分压器的测量。对于这种的测量，虚拟电极可以被提供为真实电极或换句话说，物理地在感测层的表面上提供，例如通过在感测层的表面上施加导电层。
20.应当注意的是，为了确保满足上面提到的条件(不等式1和2)，根据实施例，不必精确地确定商c
be
/c
ae
。相反，可以执行商的粗略估计并且然后在如上面所提到的不等式中以如下方式选择第一和第二对电位：在粗略估计的最坏情况下也满足不等式。
21.根据实施例，电极结构的几何形状在测量期间保持恒定并且不改变。
22.根据实施例，测得的电容取决于感测层的特性或特点，特别是取决于感测层的材料的特性或特点，特别是取决于感测层的介电常数。
23.根据实施例，第一对电位和第二对电位被选择为使得感测层的表面与感测层的表面周围的电气结构之间的漏电流减少，特别是最小化，特别是在感测层的表面被污染的情情况下或感测层的表面上出现凝结的情况下。
24.这种电气结构一般可以是围绕感测层的任何电气结构。电气结构特别地可以是布置在感测层附近的传感器的电气壳体和/或电线或电路。
25.根据实施例，第一测量阶段和第二测量阶段之间第一电极和/或第二电极的中间电位可以具有任何任意形状，特别是矩形形状或正弦形状。
26.根据实施例，施加第一对电位和第二对电位使得它们至少符合以下条件中的一个：
27.0＜＝(v
a1
‑
v
a2
)＜＝(v
b2
‑
v
b1
)*c
ee
/c
ae
；
ꢀꢀꢀ
(不等式3)
28.或
29.(v
b2
‑
v
b1
)*c
be
/v
b1
)/c
ae
＜＝(v
a1
‑
v
a2
)＜0。
ꢀꢀꢀ
(不等式4)
30.根据这种实施例，第一电极的第一电位与第一电极的第二电位也彼此不同。这增加了第一测量阶段与第二测量阶段之间产生的电荷差。
31.根据实施例，施加第一对电位和第二对电位使得它们符合以下条件：
32.(v
a1
‑
v
a2
)＜＝(v
b2
‑
v
b1
)*c
ee
/c
ae
33.根据实施例，第一电极的第一电位与第一电极的第二电位彼此不同，并且第二电极的第一电位与第二电极的第二电位彼此不同。
34.通过改变两个电极的电位，可以增加测量电路的感测信号，特别是感测到的电流。
35.根据实施例，第一对电位的平均电位与第二对电位的平均电位相同。这个实施例特别适合具有对称电极结构的传感器，即，第一电极和第二电极相对于感测层对称布置并因此与感测层具有相同距离的电极结构。因此，第一电极与环境之间的电容c
ae
与第二电极与环境之间的电容c
be
具有相同的值。
36.本发明的实施例基于本发明的发明人的洞察，在凝结的情况下，感测层的表面与感测层的表面周围的外部电气结构之间的阻抗不再是无限的并且这会经由这种阻抗导致电流损失。因此，这种电流损失降低第二电极中的电流，因此，如果没有对策，那么传感器可能无法区分凝结情况与湿度低于100％的湿度场景。
37.根据本发明的实施例的传感器通过对电位对的智能选择避免了在感测层表面的凝结或其它污染的情况下电流损失到外部电气结构。这促进测量电路区分这两种场景。
38.根据实施例，测量电路可以特别地被配置为感测在第二电极处在第一测量阶段与第二测量阶段之间产生的电荷差。因而，测量电路评估在第一测量阶段与第二测量阶段之间累积的电荷差。换句话说，测量电路将初始状态(第一测量阶段结束时的电荷状态)与最终状态(第二测量阶段结束时的电荷状态)进行比较。但是，不需要考虑这样的充电循环的运行。
39.如上面所提到的，根据实施例，在凝结的情况下第一电极和第二电极之间的总电容大于没有凝结的情况。因而，在凝结的情况下，由根据本发明的实施例的测量电路测得的所得电荷差增加。
40.根据实施例，测量电路被配置为将所得电荷差传送到参考电容器并测量参考电容器处的所得电压。根据实施例，测量电路还被配置为根据所得电压确定感测层的电容。
41.这是将所得电荷差转换成可以被测量的电压的高效且可靠的方式。由于参考电容器的电容是已知的，因此感测层的电容可以从参考电容、所得电压以及在第一和第二测量阶段期间施加的电位导出。
42.根据实施例，测量电路包括偏移量电容器并且测量电路被配置为从所得电荷差中减去偏移量电荷。
43.这种实施例可以被用于将电荷传送到与0对称的参考电容器。
44.根据实施例，测量电路包括积分器，特别是开关电容器放大器。开关电容器放大器
被配置为在从第一测量阶段切换到第二测量阶段时对所得电荷差进行积分，或者换句话说，对流过第二电极的电流进行积分。
45.根据实施例，积分器，特别是开关电容器放大器，被实施为运算放大器。这种开关电容器放大器电路可以以高效的方式实现和制造。
46.根据实施例，第一电极的第一电位与第二电极的第二电位相同，第一电极的第二电位与第二电极的第一电位相同。
47.这种仅具有两个不同电压的简化的电位集促进测量电路的高效设计和制造。
48.特别地，第一电极的第一电位和第二电极的第二电位是电源电压电位，第二电极的第一电位和第一电极的第二电位是接地电位或第一电极的第一电位和第二电极的第二电位是接地电位，第二电极的第一电位和第一电极的第二电位是电源电压电位。
49.这种简化的电位集促进测量电路的高效设计和制造，特别是因为可以使用对应集成电路的接地和电源电压电位并且不需要进一步的电压生成或电压转换。
50.根据实施例，传感器包括包含第一电极和第二电极的第一金属层和包含屏蔽结构的第二金属层。屏蔽结构可以包括多个屏蔽电极。
51.屏蔽结构执行电磁场的屏蔽。此外，这种屏蔽结构可以提供蚀刻停止并因此促进传感器的高效制造。
52.根据实施例，屏蔽结构电耦合到地电位。
53.根据这种实施例，测量第二电极和地之间的寄生电容。
54.根据实施例，屏蔽结构电耦合到第一电极。
55.根据这种实施例，第二电极和地之间的寄生电容被测得为两倍。
56.根据实施例，屏蔽结构电耦合到第二电极。
57.根据这种实施例，不测量第二电极和地之间的寄生电容。
58.根据本发明的另一方面的实施例，提供了一种用于执行电容测量的方法。该方法包括提供电极结构的步骤，该电极结构包括至少第一电极、第二电极和布置在第一电极和第二电极之间的感测层。该方法包括通过在第一测量阶段向第一电极和第二电极施加第一对电位并且通过在第二测量阶段对第一电极和第二电极施加第二对电位来测量电极结构的电容的进一步的步骤。
59.第一对电位包括第一电极的第一电位和第二电极的第一电位。第二对电位包括第一电极的第二电位和第二电极的第二电位。第二电极的第一电位与第二电极的第二电位彼此不同。
60.根据实施例，该方法还包括感测在第二电极处在第一测量阶段与第二测量阶段之间的所得电荷差并且将所得电荷差传送到参考电容器。此外，该方法可以包括测量参考电容器处的所得电压并根据所得电压确定电极结构的电容的步骤。
61.在从属权利要求以及下面的描述中列出了其它有利的实施例。
附图说明
62.根据其以下详细描述，本发明将被更好地理解，并且除上述目的之外的目的将变得明显。这种描述参考附图，其中：
63.图1示出了根据本发明实施例的电容式湿度传感器的横截面视图；
64.图2示出了图1的湿度传感器的部分横截面视图，包括在根据本发明实施例的测量方法中涉及的电容的示意图；
65.图3是图2的部分横截面视图的对应的电气等效电路示意图；
66.图4示出了表示“正常”测量场景的电气等效电路，感测层的表面没有明显污染或凝结；
67.图5示出了表示感测层的表面的“局部”污染或凝结场景的电气等效电路；
68.图6示出了表示“全局”污染或凝结场景的电气等效电路，涉及感测层的表面的大规模污染或凝结；
69.图7a示出了用于在第一测量阶段根据本发明实施例测量传感器的电极结构的电容的测量电路；
70.图7b示出了在第二测量阶段的图5a的测量电路；
71.图8a示出了用于在第一测量阶段根据本发明的另一个实施例测量传感器的电极结构的电容的测量电路；
72.图8b示出了在第二测量阶段的图6a的测量电路；
73.图9图示了用于执行湿度测量的方法的方法步骤的流程图；
74.图10示出了根据本发明实施例的测量布置的电容式传感器的横截面视图；
75.图11示出了图10的示例性测量布置的对应电气等效电路；
76.图12示出了图10的传感器的顶视图，该传感器形成用于测量商c
ae
/c
be
的示例性测量布置，以及
77.图13示出了用于测量另一个电极结构的商c
ae
/c
be
的另一个示例性测量布置的顶视图。
具体实施方式
78.图1示出了根据本发明实施例的电容传感器100的横截面视图。电容式传感器100可以特别地被实施为湿度传感器并且包括电极结构10，该电极结构10包括第一电极11和第二电极12。在这个示例中，传感器100包括三个第一电极11和两个第二电极12。第一电极11和第二电极12之间布置有感测层15。第一电极11也被表示为电极a并且第二电极12也被表示为电极b。电极结构10形成第一或顶部金属层21。感测层15具有湿敏介电常数并且因此电极结构10具有湿敏电容并且可以包括聚合物或由聚合物组成。感测层15在第一电极11和第二电极12之间延伸并且以对角线图案示出。传感器100还包括介电层18，其在第一金属层21和第二金属层22之间提供电绝缘。第二金属层22也可以被表示为倒数第二金属层。第二金属层22包括多个电极23，其可以特别地电耦合到地电位并且相应地被表示为地电极。第二金属层22形成屏蔽结构22。根据其它实施例，第二金属层22，特别是电极23，可以耦合到第一电极11或第二电极22。
79.传感器100包括底座基板14，在底座基板14上形成第二金属层22、介电层18、第一金属层21和感测层15。底座基板14可以特别是半导体基板，例如si基板。
80.感测层15具有面向感测环境30的表面31。感测环境30可以是传感器周围的气体，特别是环境空气。感测环境30由点线图案示出。感测环境30包括感测层15的表面31附近的局部感测环境30a和进一步的感测环境30b。进一步的感测环境30b包括更宽的或换句话说
更大的传感器区域，并且也可以被表示为更宽的、远程的或远距离感测环境。在图2中，进一步的感测区域30b被图示为具有比局部感测环境30a的密度更低的点密度。感测层15的表面31在感测层15与感测环境30之间建立界面。因而，表面31也可以被表示为环境界面31。
81.环境空气与感测层15相互作用，特别是经由感测层15的表面31。更特别地，环境空气的湿气扩散到感测层15中，从而改变相邻电极11和12之间的感测层15的介电常数，从而改变电极结构10的电容。可以测量这个电容改变以便感测环境空气30的湿度。换句话说，湿度传感器100从电极结构10的电容导出环境空气的湿度或更一般地湿度传感器100周围的气体环境的湿度。
82.对于这种测量，测量电路可以连接到第一电极11和第二电极12。
83.图2示出了湿度传感器的部分横截面视图200，更特别地示出了如图1中所示的传感器100的切除部分101，包括根据本发明实施例的测量方法要考虑的电容的示意图。
84.图3示出了图2的部分截面图200的对应示意性电气等效电路300。
85.部分横截面视图200和电气等效电路300包括第一电极a和第二电极b之间的主电容c
main
。第一电极a耦合到电位v
a
，而第二电极b耦合到电位v
b
。
86.部分横截面视图200和电气等效电路300包括第一电极11与感测层15的表面31上的第一参考节点n
e1
之间的电容c
ae
以及第二电极12与感测层15的表面31上的第二参考节点n
e2
之间的电容c
be
。换句话说，电容c
ae
也可以被定义为第一电极11与布置在感测层15的表面31上的虚拟电极之间的互电容，而c
be
也可以被定义为第二电极12与该虚拟电极之间的电容。
87.电容c
ae
可以被表示为界面电容c
ae
，而电容c
be
可以被表示为界面电容c
be
。电气等效电路300包括电极a与电极23的固定电位v
g
(特别是接地电位)之间的寄生电容c
ap
，以及电极b与电极23的电极23的固定电位v
g
(特别是接地电位)之间的寄生电容c
bp
。
88.此外，电气等效电路300包括环境电容c
e
。环境电容c
e
可以被认为是感测环境30的两个虚构“点”之间的电容，特别是在感测层15的表面31上或顶部的两个虚构点之间，特别是在参考节点n
e1
和n
e2
之间的电容。环境电容也可以被表示为表面电容。
89.此外，电气等效电路300包括第一参考节点n
e1
与第三参考节点n
e3
之间的阻抗z
0a
以及第二参考节点n
e2
与第三参考节点n
e3
之间的阻抗z
0b
。第三参考节点n
e3
也是耦合到浮动电位v
e
的虚构节点。阻抗z
0a
和阻抗z
0b
可以是电阻性的、电容性的和/或电感性的并且可以被认为是感测层15的表面31附近的局部感测环境30a的局部阻抗。阻抗z
0a
和z
0b
可以独立于c
main
、c
ae
和c
be
而改变。
90.此外，电气等效电路300包括第三参考节点n
e3
与第四参考节点n
e4
之间的阻抗z0。第四参考节点n
e4
也是耦合到电位v0的虚构节点。阻抗z0可以被认为是感测层30的表面31附近的局部感测环境30a与传感器100的另一个感测环境30b之间的阻抗。阻抗z0可以独立于c
main
、c
ae
、c
be
、z
0a
和z
0b
而改变。电位v0可以被认为是传感器的既定的远程电位。特别地，它可以被定义为围绕感测层15的表面31的电气结构50的平均电位。围绕感测层15的表面31的电气结构50以单线共同示出。电气结构50可以包括例如电线、电子电路或传感器的任何其它电气结构，在感测层的表面的凝结或污染的情况下，经由感测环境30可能朝着其发生泄漏电流i
l
。
91.根据实施例，虚拟电极可以被认为是可以被用于通过使c
e
短路来测量c
ae
和c
be
的电
极。因而，对于这种测量，可以假设z
0a
＝z
0b
＝z0＝0和n
e1
＝n
e2
＝n
e3
。例如，可以通过在感测层的表面上施加导电层来执行短路。
92.根据本发明的实施例，提供测量电路40，所述测量电路40通过在第一测量阶段向第一电极a和第二电极b施加第一对电位来测量感测层15的介电常数。然后在第二测量阶段，测量电路40向第一电极a和第二电极b施加第二对电位。
93.下面参考图4、5和图6，考虑三种不同的测量场景。
94.更特别地，图4示出了表示“正常”或换句话说常规测量场景的电气等效电路，而感测层15的表面31没有显著污染或凝结。对于这种情况，一般假设z
0a
，z
0b
，z0的绝对值>>max(l/(w*c
e
)，1/(w*c
ae
)，1/(w*c
be
))，其中w是第一电极和第二电极的激励频率。这个假设可以进一步简化为假设
95.z
0a
＝z
0b
＝z0＝∞。
96.后一个假设导致简化的电气等效电路400。因而，第一电极11和第二电极12通过主电容c
main
与c
ae
、c
be
和c
e
的串联布置的并联布置电连接。
97.在这种正常情况下流向第二电极12的电流i
bn
可以如下计算：
[0098][0099]
项d/dt一般能表示所施加电压v
a
和v
b
的导数。在两个阶段期间施加固定电压的两阶段测量的情况下，它表示在两个阶段施加的电压之间的差。
[0100]
如从上式可以看出的，通过改变第一电极和第二电极的电位，可以增加电流i
bn
，并且从而可以增加传感器信号，或者换句话说测量电路的感测信号。
[0101]
对于以下进一步考虑，应做出如下初始假设。
[0102]
和
[0103]
这将促进考虑关系运算符≥和≤。
[0104]
但是，应当注意的是，可以对相反的假设进行等效的考虑，即
[0105]
和
[0106]
在后一种情况下，对应的符号和关系运算符也必须反转。
[0107]
图5示出了表示假设感测层15的表面31的局部或小规模污染或凝结的污染或凝结情形的电气等效电路。对于这种局部污染或凝结场景，一般假设z
0a
和z
0b
的绝对值<<1/(w*c
e
)，其中w是第一电极和第二电极的激发频率，并且z0的绝对值>>z
0a
，z
0b
。这可以进一步简化为
[0108]
z
0a
＝z
0b
＝0；以及
[0109]
z0＝∞。
[0110]
后一个假设导致简化的电气等效电路500。因而，第一电极11和第二电极12通过主电容c
main
与c
ae
和c
be
的串联布置的并联布置电连接。
[0111]
在这种局部污染场景下，流向第二电极12的电流i
bl
然后可以如下计算：
[0112][0113]
因此在这种场景下i
bl
＞i
bn
。
[0114]
更特别地，
[0115][0116]
因此，在串联布置中少了一个电容，即，c
e
，这导致更大的总电容。
[0117]
在感测层的表面上具有局部凝结的湿度传感器的示例中，第二电极处电流的增加将被解释为更大的电容并因此被解释为更大的湿度。这仍然不会导致任何问题，因为这种局部凝结可以被解释为最大湿度。因此，出于以下考虑，可以忽略这种情况。
[0118]
图6示出了表示假设感测层15的表面31的大面积或大规模污染或凝结的污染或凝结场景的电气等效电路。这种大面积污染或凝结特别包括延伸超出感测层15的污染或凝结场景并且因此可以导致到围绕感测层15的电气结构50的泄漏电流。对于这种情况，一般假设z
0a
、z
0b
、z0的绝对值<<1/(w*c
e
)，其中w是第一电极和第二电极的激发频率。这个假设可以进一步简化为假设
[0119]
z
0a
＝z
0b
＝z0＝0。
[0120]
后一个假设导致简化的电气等效电路500，其中c
e
被短路。
[0121]
然后流向第二电极12的电流i
bg
可以如下计算：
[0122][0123]
因此i
bg
变得独立于c
ae
并且通过c
be
的电流仅取决于而不再取决于
[0124]
根据本发明的实施例，对于第二电极的电极电流i
b
，期望如下条件：
[0125]
i
bg
≥i
bn
。
[0126]
换句话说，在大面积污染或大面积凝结(“全局污染”)的情况下，第二电极12处的电流应比正常测量场景中更高。因此，在大量污染/凝结的情况下，传感器将递送更大的传感器信号。出于以下考虑，假设
[0127][0128]
换句话说，假设v0随时间保持恒定。这可以例如通过电子电路设计工程师已知的在电极结构的周围中的电气结构50的电路、线路和电线的适当布置来实现。特别地，可以通过避免在电极结构附近，特别是在传感器芯片的表面附近放置时钟线来实现。然后还可以如下指定上述条件：
[0129]
i
bn
≤i
b9
[0130][0131][0132][0133][0134][0135][0136]
一般而言c
be
/c
e
是未知的，随感测层的介电常数而改变并且还取决于感测环境的介电常数。对于未知的c
be
/c
e
，用于的最难条件是c
be
/c
e
＝0或c
e
＝∞，并且条件被进一步简化为
[0137][0138]
连同初始假设
[0139]
和
[0140]
商c
be
/c
ae
由电极结构的几何形状确定。它不随时间改变，并且也不取决于被测变量而改变。
[0141]
对于根据本发明实施例提供的包括第一测量阶段和第二测量阶段的两阶段测量，上述条件可以被如下表达。
[0142]
0＜＝(v
a1
‑
v
a2
)＜＝(v
b2
‑
v
b1
)*c
be
/c
ae
；
ꢀꢀꢀ
(不等式1)
[0143]
或
[0144]
(v
b2
‑
v
b1
)*c
ee
/v
ae
＜＝(v
a1
‑
v
a2
)＜0。
ꢀꢀꢀ
(不等式2)
[0145]
在上式中v
a1
表示第一电极11在第一测量阶段的第一电位，v
a2
表示第一电极11在第二测量阶段的第二电位，v
b1
为第二电极12在第一测量阶段的第一电位，并且v
b2
是第二电极12在第二测量阶段的第二电位。v
a1
、v
a2
、v
b1
和v
b2
在相应测量阶段结束时达到。从第一测量阶段到第二测量阶段的过渡可以具有任意过程。
[0146]
根据实施例，上述条件集合包括如下条件：
[0147]
(v
a1
‑
v
a2
)＝(v
b2
‑
v
b1
)*c
be
/c
ae
[0148]
在第一电极11和第二电极12对称布置的特殊情况下，特别是在第一电极11和第二电极12到感测层15的表面31具有相同距离的情况下，商c
be
/c
ae
＝1。因而，用于电极的这种对称布置的上述条件可以被表示为
[0149]
(v
a1
‑
v
a2
)＝(v
b2
‑
v
b1
)。
[0150]
换句话说，第一对电位的平均电位与第二对电位的平均电位相同。
[0151]
换句话说，电极a和b的平均电位在第一测量阶段和第二测量阶段期间保持恒定。
[0152]
当电极b上的电位在第一测量阶段和第二测量阶段之间变化时，假设电极23处于地电位，那么还测量寄生电容c
bp
。
[0153]
商c
be
/c
ae
可以以多种不同方式确定。如上面所提到的，仅在不对称电极布置的情况下才需要这种确定，而在对称电极布置中，商为1。
[0154]
根据实施例，商c
be
/c
ae
可以通过根据有限元方法(fem)的模拟确定，例如通过comsol软件。对于这种模拟，提供感测层15的表面31上的虚拟电极。
[0155]
根据其它实施例，商c
be
/c
ae
可以通过测量来确定，例如，通过基于由电容c
ae
和c
be
形成的电容分压器的测量来确定。
[0156]
下面将参考图10和11更详细地描述后一个实施例。图10示出了电容传感器1000的横截面图，其基本上与图1的传感器100对应。但是，传感器1000包括在感测层15的表面31上的导电层1010。传感器1000建立用于测量商c
ae
/c
be
的示例性测量布置。导电层1010建立虚拟电极13。虚拟电极13可以被认为是测量电极，特别是用于测量商c
ae
/c
be
的辅助测量电极。导电层1010可以是例如已经通过喷涂或溅射施加的金属层。根据实施例，这种层可以是例如具有例如100nm厚度的溅射金层(au层)。金层可以连接到现有的焊盘，该焊盘可以是引线键合的或与探针接触。
[0157]
导电层1010可以仅施加一次或仅用于一个样本传感器，以便确定用于对应系列传感器的商c
be
/c
ae
。测量可以在实验室环境中执行。如所提到的，这种方法对于不对称电极布置特别有用，而对于对称布置，商c
be
/c
ae
可以假设为1。
[0158]
图11示出了示例性测量布置的对应电气等效电路。与图6的电气等效电路相比，图11的电气等效电路不包括电容c
main
、c
ap
和c
bp
。后面的电容可以被忽略或省略，因为第一电极11和第二电极12在既定的电压电位下操作用于测量。
[0159]
在第一测量步骤，电压的预定义集合v
a1
和v
b1
分别被施加到第一电极11和第二电极12。根据实施例，如下选择v
a1
和v
b1
：
[0160]
v
a1
＝v
b1
＝0v。
[0161]
然后测量导电层1010的电位v
e1
。
[0162]
在进一步的步骤(第二步骤)中，电压的另一个(不同的)集合v
a2
和v
b2
分别施加到第一电极11和第二电极12，其中该电压集合被特别选择为使得v
a2
＝
‑
v
b2
，例如，v
a2
＝1v且v
b2
＝
‑
1v。然后测量导电层1010的电压电位的改变，即，v
e2
，其由c
ae
和c
be
的电容分压器确定。
[0163]
由于电容c
ae
和c
be
串联布置，因此电容c
ae
和c
be
上对应的电荷q
cae
和q
cbe
，特别是电荷差δq
ae
与δq
be
彼此相等。
[0164]
因而，
[0165]
δq
ae
＝c
ae
*(δv
a
‑
δv
e
)＝δq
be
＝v
be
*(δv
e
‑
δv
b
)，
[0166]
其中
[0167]
δv
a
＝(v
a2
‑
v
a1
)，δv
b
＝(v
b2
‑
v
b1
)，δv
e
＝(v
b2
‑
v
e1
)。
[0168]
因此，商c
be
/c
ae
可以被确定为
[0169]
c
eb
/c
ae
＝(δv
a
‑
δv
e
)/(δv
e
‑
δv
b
)。
[0170]
根据又一个实施例，人们可以不直接测量商c
be
/c
ae
，而是间接测量。
[0171]
更特别地，可以执行两次测量，第一次测量，其中感测环境提供100％或近似100％的相对湿度。这种相对湿度可以通过例如适当的实验室装备来提供，例如通过缓慢冷却密封环境(例如，包含传感器的密封箱)，直到凝结发生。通过连续测量传感器电容，可以确定放好凝结前后的传感器信号的差异。应当针对v
a1
、v
a2
、v
b1
和v
b2
的不同级别重复这种过程。
[0172]
此外，执行第二次测量，其中凝结层被施加到感测层30，与图6中所示的全局污染/凝结场景对应。例如，可以通过在感测层30上施加薄水层来施加这种凝结层。
[0173]
根据实施例，电压电位v
a1
、v
a2
、v
b1
和v
b2
然后以以下方式通过实验/试验来选择：第二电极处的所得电荷差对于在100％的相对湿度下的测量与对于全局污染/凝结情景下的测量是相同的。
[0174]
因此，在不等式1中，例如，不等号可以用等号代替并且商c
be
/c
ae
可以如下导出：
[0175]
(v
a1
‑
v
a2
)＝(v
b2
‑
v
b1
)*c
be
/c
ae
。
[0176]
这可以被重写为：
[0177]
c
be
/c
ae
＝(v
a1
‑
v
a2
)/(v
b2
‑
v
b1
)。
[0178]
应当注意的是，为了确保满足不等式1或2，根据实施例，不必以精确或确切的方式确定商c
be
/c
ae
。相反，可以执行商c
be
/c
ae
的粗略估计并且然后例如在如上面所提到的不等式1或2中选择电压值，使得即使在估计的最坏场景下也满足不等式。
[0179]
作为示例，假设在不等式1中v
a1
＝2v，v
a2
＝1v，并且商c
be
/c
ae
的估计值＝0.75。于是可以例如选择差值v
b2
‑
v
b1
足够大，例如3v，以便在任何情况下乘积(v
b2
‑
v
b1
)*c
be
/c
ae
≥1v。在差值(v
b2
‑
v
b1
)为3v的示例中，甚至对于商c
be
/c
ae
＝0.34而不是0.75的估计值，也可以满足不等式1。
[0180]
图7a和图7b示出了根据本发明实施例的用于测量传感器(例如图1的传感器)的感测层的电容的测量电路700。更特别地，图7a示出了在第一测量阶段的测量电路700并且图7b示出了在第二测量阶段的测量电路700。
[0181]
测量电路700包括第一电路部分701和第二电路部分702。
[0182]
第一电路部分701包括具有第一电极a/11、第二电极b/12和其间的感测层的电极布置。左电路部分701还包括电压发生器，其未如此示出，而仅示出所提供的电压。测量电路700的电压发生器在第一测量阶段向电极结构的第二电极b提供电位v
dd
并且向第一电极a提供地电位。要感测的电容用cs表示。在第二电极b和地之间布置有寄生电容c
p1
。
[0183]
第二电路部分702形成积分器710，特别是开关电容器放大器。积分器710被配置为对所得电荷差进行积分，如下文将解释的。积分器710被实施为开关电容器放大器并且包括运算放大器711。运算放大器711的正输入端接地。反馈路径经由积分电容器c
int
将运算放大器711的输出耦合到运算放大器711的负(反相)输入端。积分电容器c
int
也可以被表示为参考电容器。负输入端经由寄生电容c
p2
耦合到地。在第一测量阶段，积分电容器c
int
短路。此
外，在第一测量阶段期间，第二电路部分702不连接到第一电路部分701。
[0184]
在如图7b所示的第二测量阶段，测量电路的电压发生器向电极结构的第一电极a提供电位v
dd
并且向第二电极b提供地电位。第二电路部分702在第二测量阶段期间耦合到第一电路部分701。更特别地言，运算放大器711的负输入端耦合到第二电极b。因此，第二电极b的地电位由运算放大器711的虚拟地提供。此外，积分电容器c
int
不再短路。
[0185]
测量电路700可以通过本领域技术人员显而易见的适当开关在第一测量阶段和第二测量阶段之间切换。为便于说明，对应的开关未在图7a和图7b中示出。
[0186]
在如图7b中所示的第二测量阶段中，测量电路700被配置为将在第二电极b处产生的所得电荷差传送到积分电容器c
int
。换句话说，积分器710在第二测量阶段期间对流经第一电极和第二电极的电流进行积分。
[0187]
积分电容器c
int
形成参考电容器。
[0188]
测量电路700在参考电容器c
int
和运算放大器711的输出端处提供结果电压v
out
。所得电压v
out
然后可以被传感器用来确定感测层的介电常数和对应的相对湿度。
[0189]
图8a和图8b示出了根据本发明实施例的用于测量传感器(例如图1的传感器)的感测层的介电常数的测量电路800。更特别地，图8a示出了在第一测量阶段的测量电路800并且图8b示出了在第二测量阶段的测量电路800。
[0190]
测量电路800包括第一电路部分701、第二电路部分702和第三电路部分803。电路部分701和702与参考图7a和图7b所示和描述的电路部分701和702对应。
[0191]
第三电路部分803包括偏移量电容co。在第一测量阶段，偏移量电容co用电压v
dd
充电至偏移量电荷qo。
[0192]
在第二测量阶段，偏移量电容co耦合在地和运算放大器711的负输入端之间。因而，测量电路800被配置为从所得电荷差中减去偏移量电荷qo。这提供了可以以对称方式测量所得电荷差的优点。更特别地，积分电容c
int
可以用与0对称的电荷信号q
sense
‑
qo充电。更特别地，(q
sense_max
‑
qo)＝
‑
(q
sense_min
‑
qo)。
[0193]
图9图示了用于执行相对湿度测量的方法的方法步骤的流程图。该方法可以例如用根据本发明实施例的如上所述的传感器来执行。
[0194]
在步骤910处，提供包括至少第一电极和第二电极的电极结构。
[0195]
在步骤920处，提供感测层。感测层布置在第一电极与第二电极之间且具有湿敏介电常数。第一电极、感测层和第二电极形成电容器。
[0196]
在步骤930处，执行第一测量阶段并且向第一电极和第二电极施加第一对电位。
[0197]
在步骤940处，执行第二测量阶段并且向第一电极和第二电极施加第二对电位。
[0198]
第一对电位包括第一电极的第一电位和第二电极的第一电位。第二对电位包括第一电极的第二电位和第二电极的第二电位。第二电极的第一电位与第二电极的第二电位彼此不同。
[0199]
在步骤950处，在第二电极处在第一测量阶段与第二测量阶段之间产生的电荷差由测量电路，特别是读出电路，感测。更特别地，电容器的电荷在第一测量阶段与第二测量阶段之间的改变导致电流通过第一电极和第二电极。第二电极中的电流被积分，从而导致在电容器上看到的电荷差。
[0200]
在步骤960处，所得电荷差被传送到参考电容器，特别是传送到具有已知电容的电
容器。
[0201]
在步骤970处，在参考电容器处测量所得电压。通过这个测得的电压，可以确定电极结构的电容。电极结构的测得的电容是感测环境湿度的测量。
[0202]
图12示出了图10的传感器1000的顶视图1200，其形成根据本发明实施例的用于测量c
ae
/c
be
商的示例性测量布置。用于测量目的所施加的虚拟电极13覆盖感测层15的整个表面31。第一电极11和第二电极13布置在虚拟电极13下方并且被实施为叉指电极。
[0203]
图13示出了根据本发明另一个实施例的用于测量商c
ae
/c
be
的示例性测量布置的顶视图1300。
[0204]
根据本发明的实施例，测量布置1300还包括覆盖传感器的感测层的虚拟电极13。但是，在图13的实施例中，第一电极11和第二电极12不是叉指电极，而仅具有简单的矩形形状。
[0205]
应当注意的是，根据实施例，许多其它电极结构可以用于第一电极和第二电极。