DE102014202248A1

DE102014202248A1 - Sensor zum Detektieren mindestens eines Mediums und Verfahren zum Betreiben einer kapazitiven Messeinrichtung

Info

Publication number: DE102014202248A1
Application number: DE102014202248.7A
Authority: DE
Inventors: Philipp Digeser; Marko Rocznik
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2015-08-27
Also published as: US10613049B2; CN106461590B; KR102294825B1; US20170168001A1; CN106461590A; US20190391104A2; KR20160118322A; WO2015117692A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Detektieren mindestens eines Mediums (18) mit einer kapazitiven Messeinrichtung (10), umfassend mindestens zwei Elektroden (12) und mindestens ein Dielektrikum (14), und einer Elektronikeinrichtung (20), welche dazu ausgelegt ist, mindestens eine Größe bezüglich und/oder abhängig einer Kapazität zu ermitteln und unter Berücksichtigung der mindestens einen ermittelten Größe mindestens eine Information (22) bezüglich eines Vorliegens des mindestens einen Mediums (18) und/oder seiner mindestens einen Konzentration festzulegen, wobei die Elektronikeinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt ist, eine zwischen den mindestens zwei Elektroden (12) anliegende Spannung mit mindestens zwei verschiedenen Frequenzen zu variieren, wobei die mindestens eine Größe für jede der Frequenzen ermittelbar ist, und wobei mittels der Elektronikeinrichtung mindestens eine Abweichungsgröße bezüglich eines Abweichens der für die verschiedenen Frequenzen ermittelten Größen voneinander festlegbar ist, und die mindestens eine Information unter zusätzlicher Berücksichtigung der mindestens einen Abweichungsgröße festlegbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer kapazitiven Messeinrichtung (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Detektieren mindestens eines Mediums. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer kapazitiven Messeinrichtung.
Stand der Technik
In der EP 2 508 881 A1 ist ein Flüssigkeitssensor beschrieben. Der Flüssigkeitssensor weist eine kapazitive Messeinrichtung mit mindestens zwei Elektroden und mindestens einem zwischen den mindestens zwei Elektroden vorliegenden Dielektrikum auf. In Abhängigkeit einer relativen Luftfeuchtigkeit dringen Wassermoleküle in das mindestens eine Dielektrikum ein, wodurch sich dessen Permittivität ändert. Dies bewirkt eine Änderung der mindestens einen zwischen den mindestens zwei Elektroden anliegenden Kapazität. Zum Betreiben des Feuchtigkeitssensors der EP 2 508 881 A1 wird eine Spannung an die mindestens zwei Elektroden angelegt. Außerdem wird mittels eines Temperatursensorelements eine in der Umgebung vorliegende Temperatur gemessen und bei der Festlegung eines Ausgabewerts für die relative Luftfeuchtigkeit berücksichtigt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft einen Sensor zum Detektieren mindestens eines Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer kapazitiven Messeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein einfach ausführbares Erfassen eines Alterungszustands und/oder Verschmutzungszustands des Sensors/der kapazitiven Messeinrichtung und damit auch ein Berücksichtigen des Alterungszustands und/oder Verschmutzungszustands bei der Festlegung der mindestens einen ausgegebenen Information. Auf diese Weise ist es möglich, trotz eines vergleichsweise langen Einsatzes des Sensors/der kapazitiven Messeinrichtung noch Informationen bezüglich des Vorliegens des mindestens einen Mediums und/oder seiner mindestens einen Konzentration mit einer relativ guten Genauigkeit und einer vergleichsweise geringen Fehlerrate zu ermitteln. Selbst wenn der Sensor/die kapazitive Messeinrichtung in einer vergleichsweise problematischen Umgebung mit einem großen Verschmutzungsrisiko eingesetzt wird, können mittels der vorliegenden Erfindung noch verlässliche Werte ermittelt und ausgegeben werden. Die vorliegende Erfindung verlängert somit eine Einsetzzeit/Lebensdauer des Sensors/der kapazitiven Messeinrichtung und verbessert auch deren Einsetzbarkeit in Umgebungen mit einem vergleichsweise großen Verschmutzungsrisiko.
Mittels der vorliegenden Erfindung können Kosten zum Austauschen oder Neuanschaffen des Sensors/der kapazitiven Messeinrichtung nach einer herkömmlichen Lebensdauer eingespart werden. Außerdem wird mittels der vorliegenden Erfindung eine „Rekonditionierung“ des Sensors/der kapazitiven Messeinrichtung, wie sie herkömmlicherweise oft nötig ist, um zwischen die mindestens zwei Elektroden eingedrungene Moleküle zu entfernen, überflüssig. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung im Vergleich mit der herkömmlichen „Rekonditionierung“ vergleichsweise einfach realisierbar ist.
Anstelle eines Behebens von Alterungserscheinungen und/oder Verschmutzungen an dem Sensor/der kapazitiven Messeinrichtung ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Korrektur/Kompensation von Folgen der Alterungserscheinungen und/oder Verschmutzungen. Mittels der Korrektur/Kompensation kann gewährleistet werden, dass die von dem Sensor/der kapazitiven Messeinrichtung ausgegebene Information selbst bei trotz einer signifikanten Alterung/Verschmutzung von diesem/dieser noch eine geringe Fehlerrate aufweist. Insbesondere eine Alterungsdrift/Verschmutzungsdrift kann an den mit dem Sensor/der kapazitiven Messeinrichtung gemessenen Werten herauskorrigiert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Sensors ist die Elektronikeinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt, die mindestens eine Information unter Berücksichtigung einer bei genau einer vorgegebenen Frequenz ermittelten Größe festzulegen, und die mindestens Information vor deren Ausgabe unter Berücksichtigung der mindestens einen Abweichungsgröße zu korrigieren oder neufestzulegen. Beispielsweise kann die Elektronikeinrichtung dazu ausgelegt sein, sofern die mindestens eine Abweichungsgröße vergleichsweise hoch ist, aus der mindestens einen Abweichungsgröße einen Korrekturfaktor abzuleiten, mittels welchen alterungsbedingte oder verschmutzungsbedingte Einflüsse auf die Information heraus korrigierbar sind. Ein derartiges Auswerteverfahren ist mittels einer vergleichsweise kleinen, leichten und kostengünstigen Elektronikeinrichtung verlässlich ausführbar.
Beispielsweise kann die Elektronikeinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt sein, unter Berücksichtigung der mindestens einen Abweichungsgröße einen Alterungsfaktor und/oder einen Verschmutzungsfaktor festzulegen, und unter Berücksichtigung des festgelegten Alterungsfaktors und/oder Verschmutzungsfaktors die mindestens eine Information festzulegen, zu korrigieren oder neufestzulegen. Somit können eine Vielzahl verschiedener Alterungseinflüsse und Verschmutzungseinflüsse auf den Sensor mittels einer vergleichsweise einfachen Vorgehensweise an der mindestens einen ausgegebenen Information korrigierbar sein.
Wahlweise kann die Elektronikeinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt sein, die mindestens eine Abweichungsgröße, den Alterungsfaktor und/oder den Verschmutzungsfaktor lediglich periodisch oder angesteuert durch ein extern oder intern bereitgestelltes Steuersignal neufestzulegen. Sofern gewünscht, kann die Elektronikeinrichtung somit in regelmäßigen Abständen eine Selbsteichung ausführen, mittels welcher eine gute Genauigkeit und eine relativ geringe Fehlerrate der mindestens einen ausgegebenen Information gewährleistbar ist. Als Alternative dazu kann das Neufestlegen der mindestens einen Abweichungsgröße (bzw. des Alterungsfaktors/Verschmutzungsfaktors) jedoch auch nur erfolgen, wenn die Elektronikeinrichtung extern dazu angesteuert wird oder wenn z.B. mittels eines intern in dem Sensor angeordneten Sensorelements ein Vorliegen von Ursachen feststellbar ist, welche sich mit einer hohen Wahrscheinlichkeit auf den Alterungszustand und/oder Verschmutzungszustand auswirken.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die kapazitive Messeinrichtung und die Elektronikeinrichtung auf und/oder in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet. Als Alternative dazu können die kapazitive Messeinrichtung und die Elektronikeinrichtung jedoch auch auf verschiedenen Halbleitersubstraten ausgebildet sein. Somit ist eine große Designfreiheit beim Ausbilden des Sensors gewährleistet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst der Sensor zusätzlich eine Temperaturmesseinrichtung, welche mittels der Elektronikeinrichtung betreibbar und auswertbar ist. Somit kann auch eine an dem Sensor vorliegende Temperatur bei dem Betrieb der kapazitiven Messeinrichtung und/oder bei der Festlegung der mindestens einen Information mitberücksichtigt werden.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Ausführen eines korrespondierenden Verfahrens zum Betreiben einer kapazitiven Messeinrichtung gewährleistet. Das Verfahren ist entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen des Sensors weiterbildbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1a bis 1e schematische Teildarstellungen einer ersten Ausführungsform des Sensors und Koordinatensysteme zum Erläutern von deren Eigenschaften;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Sensors; und
3 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer kapazitiven Messeinrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
1a bis 1e zeigen schematische Teildarstellungen einer ersten Ausführungsform des Sensors und Koordinatensysteme zum Erläutern von deren Eigenschaften.
Der mittels der 1a und 1b schematisch wiedergegebene Sensor ist zum Detektieren mindestens eines Mediums ausgelegt. Unter dem Detektieren des mindestens einen Mediums kann verstanden werden, dass der Sensor ein Vorliegen (zumindest einer vorgegebenen/gerade noch nachweisbaren Mindestkonzentration) des mindestens einen Mediums erkennt. Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann der Sensor jedoch auch dazu ausgelegt sein, für das mindestens eine Medium seine Konzentration zu ermitteln. Speziell kann unter dem Sensor deshalb auch ein Mediumkonzentrationssensor oder Mediumkonzentrationmesssensor verstanden werden.
Lediglich beispielhaft ist der mittels der 1a und 1b wiedergegebene Sensor als Feuchtigkeitssensor ausgebildet. Der Sensor erkennt somit ein Vorliegen von Feuchtigkeit (ab der vorgegebenen/gerade noch nachweisbaren Mindestkonzentration) und kann die Luftfeuchtigkeit messen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausbildung des Sensors als Feuchtigkeitssensor in den 1a und 1b lediglich beispielhaft zu interpretieren ist. Die Ausbildbarkeit des Sensors ist nicht auf ein bestimmtes nachzuweisendes/zu detektierendes Medium limitiert. Z.B. kann auch eine Gaskonzentration oder eine Feststoffpartikelkonzentration mittels des Sensors messbar sein.
Der Sensor umfasst eine kapazitive Messeinrichtung 10 mit mindestens zwei Elektroden 12. Lediglich beispielhaft sind in 1a die beiden Elektroden 12 als Kammelektroden ausgebildet. Als Elektroden 12 können auch anders geformte Elektroden eines Streufeldkondensators, eines Plattenkondensators oder eines anderen Kondensatortyps eingesetzt sein. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die Ausbildbarkeit der kapazitiven Messeinrichtung 10 nicht auf die Anzahl von genau zwei Elektroden 12 beschränkt ist.
Zwischen den mindestens zwei Elektroden 12 liegt mindestens ein Dielektrikum 14 vor. Unter dem mindestens einen Dielektrikum 14 ist ein Material zu verstehen, in welches das mindestens eine Medium, wie z.B. die Wassermoleküle 18, hineindiffundieren/eindringen kann. Außerdem ist mindestens eine Permittivität des mindestens einen Dielektrikums 14 abhängig von mindestens einer Konzentration des mindestens einen Mediums zwischen den mindestens zwei Elektroden 12. Deshalb ist mindestens eine zwischen den mindestens zwei Elektroden 12 anliegende Kapazität C (in Abhängigkeit von der mindestens einen Konzentration des mindestens einen Mediums zwischen den mindestens zwei Elektroden 12) variierbar. Eine Änderung der Kapazität C kann insbesondere linear zu der mindestens einen Konzentration des mindestens einen Mediums sein. Beispielsweise kann mindestens ein Polymer als das mindestens eine Dielektrikum 14 zwischen den mindestens zwei Elektroden 12 vorliegen.
1b zeigt einen Querschnitt entlang der Linie AA’ der 1a. Zu erkennen ist, dass die mindestens zwei Elektroden 12 optionaler Weise noch mit einer Schutzschicht 16 bedeckt sein können, auf welche das mindestens eine Dielektrikum 14 aufgebracht ist und welche die Elektroden 12 vor einem direkten Kontakt mit dem mindestens einen Medium, z.B. mit den Wassermolekülen 18, schützt. Bei der Herstellung des Sensors kann jedoch auch auf die Schutzschicht 16 verzichtet werden.
In dem Beispiel der 1a bis 1e ist das mindestens eine Dielektrikum 14 eine Polyimid-Schicht 14, deren Permittivität sich in Abhängigkeit von der Konzentration der darin eindiffundierten Wassermoleküle 18 ändert. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausbildbarkeit der kapazitiven Messeinrichtung 10 nicht auf die Verwendung eines bestimmten Materials für das mindestens eine Dielektrikum 14 beschränkt ist. Einflüsse wie die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit bewirkten mit zunehmender Alterung der kapazitiven Messeinrichtung 10 eine Spaltung der Polyimid-Schicht 14 durch Hydrolyse und Oxidation. Außerdem können sich verschiedenen funktionellen Gruppen mit Dipoleigenschaften in die Polyimid-Schicht 14 einlagern, und damit die hydrophile Eigenschaft der Polyimid-Schicht 14 signifikant erhöhen. Mit zunehmender Alterung der Polyimid-Schicht 14 werden die Wassermoleküle 18 (bzw. andere eingelagerte Moleküle des mindestens einen zu detektierenden Mediums) und/oder Fremdmoleküle darin fester gebunden. Die durch die erhöhte Polarität fester gebundenen Wassermoleküle 18/Fremdmoleküle verlassen die Polyimid-Schicht 14 nur unter Einsatz größerer Energie. In der Regel lassen sich Wassermoleküle 18 nur bei hohen Temperaturen, wie beispielsweise bei Temperaturen von mindestens 150°C, aus der alternden Polyimid-Schicht 14 entfernen. Ein derartig starkes Erhitzen der Polyimid-Schicht 14 kann als „Rekonditionierung“ bezeichnet werden. Die „Rekonditionierung“ ist jedoch meistens nur unter Laborbedingungen durchführbar. Somit können die Wassermoleküle 18 im Normalbetrieb des Sensors oft nicht (vollständig) entfernt werden. Außerdem muss nach der „Rekonditionierung“ sofort wieder damit gerechnet werden, dass die Polyimid-Schicht 14 Wassermoleküle 18 wieder fest bindet. Die „Rekonditionierung“ bewirkt somit nur eine relativ kurzzeitige Wiederherstellung der Polyimid-Schicht 14.
Des Weiteren kann die durch Hydrolyse teilweise zersetzte Polyimid-Schicht 14 auch wieder kondensiert, d.h. in ihre Ursprungsform zurückgeführt werden. Dazu sind jedoch noch höhere Temperaturen als für die „Rekonditionierung“ über einen vergleichsweise langen Zeitraum nötig. Insbesondere müssen die Temperaturen ausreichend für ein Aushärten der Polyimid-Schicht 14 sein. Das Ausüben derartiger starker Temperaturen auf dem Sensor führt jedoch mit einer hohen Wahrscheinlichkeit zu dessen Beschädigung.
Herkömmliche Konzentrationsmesseinrichtungen weisen deshalb in der Regel mit ihrer zunehmenden Alterung eine Alterungsdrift an den damit gemessenen und ausgegebenen Werten auf. Auch an der kapazitiven Messeinrichtung 10 treten mit zunehmender Alterung eine Offsetdrift und eine Linearitätsdrift auf, welche mittels der Koordinatensysteme der 1c und 1d wiedergegeben sind.
In dem Koordinatensystem der 1c ist die Abszisse ein Alter/eine vergangene Betriebszeit t der kapazitiven Messeinrichtung 10 (in Stunden). Mittels der Ordinate des Koordinatensystems der 1c sind auftretende Fehler E (in Prozent) wiedergegeben. Der Graph g11 zeigt die Offsetdrift. Die Linearitätsdrift gibt der Graph g12 an.
Die Abszisse des Koordinatensystems der 1d gibt in einer Umgebung der kapazitiven Messeinrichtung 10 eingestellte Luftfeuchtigkeits-Konzentrationen cH₂O (in % rH) an. Die Ordinate des Koordinatensystems der 1d gibt bei diesen Luftfeuchtigkeits-Konzentrationen cH₂O gemessenen Kapazitäten C wieder.
Bei einem Alter/einer vergangenen Betriebszeit t der kapazitiven Messeinrichtung 10 von 0 Stunden werden die mittels des Graphen g21 gemessenen Werte gemessen. Demgegenüber werden nach einem Alter/einer vergangenen Betriebszeit t der kapazitiven Messeinrichtung 10 von 1000 Stunden die Kapazitäten C des Graphen g22 ermittelt. (Würde sich die Ausstattung des Sensors somit nur auf die kapazitive Messeinrichtung 10 und eine herkömmliche Betreibereinrichtung beschränken, so würden die mittels des Graphen g22 bei einem Alter/einer vergangenen Betriebszeit t der kapazitiven Messeinrichtung 10 von 1000 Stunden angegebenen Kapazitäten C ohne eine Korrektur ausgewertet werden.)
Der Sensor der 1a bis 1e weist jedoch eine Elektronikeinrichtung 20 auf, welche nicht nur dazu ausgelegt ist, mindestens eine Information 22 bezüglich eines Vorliegens des mindestens einen Mediums und/oder der mindestens einen Konzentration des Mediums festzulegen und auszugeben, sondern auch vor der Ausgabe der Information 22 eine Kompensation/Korrektur/Neufestlegung der Information 22 unter Berücksichtigung eines den Zustand des mindestens einen Dielektrikums 14 wiedergegebenen Werts auszuführen. Die Offsetdrift und die Linearitätsdrift tragen damit nicht zur Verschlechterung der mittels der Elektronikeinrichtung 20 ausgebbaren Information 22 bei, da die Information 22 vor deren Ausgabe korrigierbar oder neu festlegbar ist.
Insbesondere ist die Elektronikeinrichtung 20 dazu ausgelegt, eine zwischen den mindestens zwei Elektroden 12 anliegende Spannung mit mindestens zwei verschiedenen Frequenzen f zu variieren. Für jede der (mindestens zwei verschiedenen) Frequenzen f ermittelt die Elektronikeinrichtung 20 mindestens eine Größe 24 bezüglich der variierbaren Kapazität C und/oder abhängig von der variierbaren Kapazität C. Man kann dies auch so umschreiben, dass mittels der Elektronikeinrichtung 20 ein Detektionsverfahren/Kapazitätsdetektionsverfahren ausführbar ist, welches in der Lage ist, die mindestens eine Größe 24 präzise bei verschiedenen Frequenzen f/Erregerfrequenzen zu ermitteln. Die mindestens eine Größe 24 kann beispielsweise eine Stromstärke und/oder die Kapazität C sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausbildbarkeit der Elektronikeinrichtung 20 nicht auf eine Ermittlung einer Stromstärke/Kapazität C als die mindestens eine Größe 24 beschränkt ist.
Mittels der Elektronikeinrichtung 20 ist mindestens eine Abweichungsgröße (Differenzgröße) Δ1 bis Δ3 bezüglich eines Abweichens der für die verschiedenen Frequenzen f ermittelten Größen 24 voneinander festlegbar. Die Elektronikeinrichtung 20 ist außerdem dazu ausgelegt, die mindestens eine Information 22 nicht nur unter Berücksichtigung der mindestens einen ermittelten Größe 24, sondern auch unter zusätzlicher Berücksichtigung der mindestens einen Abweichungsgröße (Differenzgröße) Δ1 bis Δ3 festzulegen.
Als die mindestens eine Information 22 kann beispielsweise festlegbar und ausgebbar sein, dass das mindestens eine Medium, wie beispielsweise die Wassermoleküle 18, zwischen den mindestens zwei Elektroden 12 und damit auch in zumindest einer Teilumgebung des Sensors (zumindest in einer vorgegebenen/gerade noch detektierbaren Mindestkonzentration) vorliegt. Allerdings kann auch die mindestens eine Konzentration des Mediums als die mindestens eine Information 22 festgelegt und ausgegeben werden. Somit kann der Sensor zum Ermitteln einer Vielzahl von Informationen und Messgrößen nutzbar sein.
In der Ausführungsform der 1a bis 1e ist die Elektronikeinrichtung 20 dazu ausgelegt, die mindestens eine Information 22 unter Berücksichtigung einer bei genau einer vorgegebenen Frequenz f ermittelten Größe 24 festzulegen. Anschließend korrigiert die Elektronikeinrichtung 20 die mindestens eine Information 22 unter Berücksichtigung der ermittelten Abweichungsgröße Δ1 bis Δ3.
1e zeigt ein Koordinatensystem, dessen Abszisse die Frequenzen f (in Hz), mit welchen die zwischen den Elektroden 12 angelegte Spannung variiert wird, anzeigt. Mittels der Ordinate des Koordinatensystems der 1e ist die Kapazität C, welche als die mindestens eine Größe 24 bei den verschiedenen Frequenzen f jeweils gemessen wird, wiedergegeben. (Die in das Koordinatensystem der 1e eingezeichneten Kapazitäten C sind alle bei einer gleichen und konstant gehaltenen Luftfeuchtigkeits-Konzentrationen cH₂O gemessen.)
Ein Graph g31 gibt die für die verschiedenen Frequenzen f mittels einer neuen kapazitiven Messeinrichtung 10 (bei einem Alter/einer vergangenen Betriebszeit von 0 Stunden) ermittelten Kapazitäten C an. Die Werte des Graphen g32 sind mit einer kapazitiven Messeinrichtung 10 mit einem Alter/einer vergangenen Betriebszeit von 50 Stunden gemessen. Während des Messens der Werte des Graphen g33 weist die kapazitiven Messeinrichtung 10 ein Alter/eine Betriebszeit von 150 Stunden auf.
Wie anhand des Koordinatensystems der 1e erkennbar ist, nimmt die Abweichungsgröße Δ1 bis Δ3 zwischen den jeweils bei einer Frequenz f von 100 Hz gemessenen Kapazitäten C und den bei einer Frequenz f von 100 kHz gemessenen Kapazitäten C mit zunehmendem Alter der kapazitiven Messeinrichtung 10 zu. Für das Beispiel der Polyimid-Schicht 14 als das mindestens eine Dielektrikum 14 und der Wassermoleküle 18 ist dies darauf zurückführen, dass die Wassermoleküle 18 mit zunehmender Degradierung der Polyimid-Schicht 14 eine Einschränkung ihrer Bewegungsfreiheit erfahren. Eine Wechselwirkung der Wassermoleküle 18 mit dem zwischen den mindestens zwei Elektroden 12 anliegenden elektrischen Wechselfeld 26 ändert sich somit mit zunehmender Degradierung der Polyimid-Schicht 14. Obwohl die altersbedingte Änderung der Abweichungsgrößen Δ1 bis Δ3 hier am Beispiel der Polyimid-Schicht 14 und der Wassermoleküle 18 erklärt ist, ist der zugrunde liegende Effekt jedoch nicht auf die hier beschriebenen Materialien limitiert.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Ermitteln der mindestens einen Größe 24 für die verschiedenen Frequenzen f in einem vergleichsweise kurzen Zeitintervall ausführbar ist. Somit ist zum Bestimmen der mindestens einen Abweichungsgröße Δ1 bis Δ3 nur ein sehr geringer Zeitaufwand nötig.
Aufgrund der vorteilhaften Ermittlung der mindestens einen Abweichungsgröße Δ1 bis Δ3 können somit durch eine Änderung des mindestens einen Dielektrikums 14 und/oder durch ein Eindringen von Wassermolekülen/Fremdmolekülen unerwünschte Kapazitätsänderungen herauskompensiert werden. Speziell kann die Elektronikeinrichtung 20 dazu ausgelegt sein, unter Berücksichtigung der mindestens einen Abweichungsgröße Δ1 bis Δ3 einen Alterungsfaktor und/oder einen Verschmutzungsfaktor festzulegen, und unter Berücksichtigung des festgelegten Alterungsfaktors und/oder Verschmutzungsfaktors die mindestens eine Information 22 festzulegen, zu korrigieren oder neufestzulegen. Somit ist selbst nach einem langen Betrieb des Sensors, auch in einer Umgebung mit einem hohen Verschmutzungsrisiko, noch eine gute Genauigkeit und eine geringe Fehlerrate der mindestens einen ausgegebenen Information 22 gewährleistet.
Eine „Rekonditionierung“ oder eine Aushärtung des mindestens einen Dielektrikums 14 ist damit nicht mehr notwendig. Stattdessen wird bei dem Sensor mittels der mindestens einen Abweichungsgröße Δ1 bis Δ3 ein Fehlerbild einer Alterungsdrift und/oder einer Verschmutzungsdrift mit verschiedenen Frequenzen f erfasst. Eine Frequenzabhängigkeit der Moleküle des mindestens einen zu detektierenden Mediums und/oder der Fremdmoleküle kann vorteilhaft genutzt werden. Da sich diese Frequenzabhängigkeit mit einer Änderung der Eigenschaften des mindestens einen Dielektrikums 14 verändert, kann das Fehlerbild verlässlich erfasst werden. Anstelle einer Beseitigung von Alterungseffekten und/oder Verschmutzungen ist mittels der qualitativen oder quantitativen Erfassung des Fehlerbildes eine Kompensation der Alterungseffekte und der Verschmutzungen möglich. Außerdem kann auf diese Weise gezielt ein frequenzabhängiges Charakteristikum des Fehlerbilds untersucht werden, anstatt dass eine weitere Messgröße zu erfassen wäre. Man kann diesen Vorgang auch als ein Erfassen einer dielektrischen Relaxation umschreiben.
In der Ausführungsform der 1a bis 1e ist die kapazitive Messeinrichtung 10 auf und/oder in einem Halbleitersubstrat 28 ausgebildet. Das Halbleitersubstrat 28 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein. Anstelle oder als Ergänzung zu Silizium kann das Halbleitersubstrat 28 jedoch auch andere Materialien aufweisen. Speziell kann eine Oberfläche des Halbleitersubstrats 28 mit mindestens einer dielektrischen Schicht 30 zumindest teilweise abgedeckt sein, wobei die mindestens zwei Elektroden 12 und das mindestens eine Dielektrikum 14 auf die mindestens eine dielektrische Schicht aufgebracht sind. Der in 1b wiedergegebene Schichtaufbau ist jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform können die kapazitive Messeinrichtung 10 und die Elektronikeinrichtung 20 auf und/oder in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 28 ausgebildet sein. Dies ist leicht realisierbar, da sowohl die kapazitive Messeinrichtung 10 als auch die Elektronikeinrichtung 20 mittels eines CMOS-Prozesses herstellbar sind. Als Alternative können die kapazitive Messeinrichtung 10 und die Elektronikeinrichtung 20 jedoch auch auf verschiedenen Trägerstrukturen ausgebildet sind.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Sensors.
Der in 2 schematisch wiedergegebene Sensor weist zusätzlich zu der kapazitiven Messeinrichtung 10 noch eine Elektronikeinrichtung 20 auf, welche eine Steuereinheit 32, eine Speichereinheit 34 und eine Rechnereinheit 36 umfasst. Mittels eines Steuersignals 38 der Steuereinheit 32 wird das Anlegen der mit unterschiedlichen Frequenzen f variierten Spannung zwischen den mindestens zwei Elektroden 12 der kapazitiven Messeinrichtung 10 gesteuert. Dazu kann ein Algorithmus auf der Steuereinheit 32 hinterlegt sein.
Die mindestens eine jeweils ermittelte Größe wird mittels eines Datensignals 40 an die Rechnereinheit 36 ausgegeben. Auch an die Steuereinheit 32 kann das Datensignal 40 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die Steuereinheit 32 die mindestens eine ermittelte Größe mittels eines Ablagesignals 41 an die Speichereinheit 34 weiterleiten.
Die Rechnereinheit 36 ist dazu ausgelegt, die mindestens eine oben schon beschriebene Abweichungsgröße anhand der mittels des Datensignals 40 gelieferten Daten zu ermitteln. Die Rechnereinheit 36 führt anschließend eine Kompensation der bei einer einzigen vorgegebenen Frequenz ermittelten Information unter Berücksichtigung der mindestens einen ermittelten Änderungsgröße durch. Die Rechnereinheit 36 kann dabei eine von der Speichereinheit 34 verwendete Look-Up-Tabelle 42, Gleichung, Messkennlinie und/oder Umrechnungsformel heranziehen.
Der Sensor der 2 weist auch eine Temperaturmesseinrichtung 44 auf, welche mittels der Elektronikeinrichtung 20 betreibbar und auswertbar ist. Ein von der Temperaturmesseinrichtung 44 ermitteltes Temperatursignal 46 kann sowohl an die Steuereinheit 32 als auch an die Rechnereinheit 36 bereitstellbar sein. Somit kann auch die an dem Sensor vorliegende Temperatur bei dem Betreiben der kapazitiven Messeinrichtung 10 und/oder bei der Festlegung der mindestens einen später ausgegebenen Information 22 mitberücksichtigt werden.
Die Elektronikeinrichtungen 20 der oben beschriebenen Sensoren können speziell dazu ausgelegt sein, die mindestens eine Abweichungsgröße (bzw. den Alterungsfaktor und/oder den Verschmutzungsfaktor) lediglich periodisch oder aperiodisch (sporadisch) neufestzulegen. Man kann dies auch so umschreiben, dass die oben beschriebenen Sensoren für einen lediglich periodisch oder aperiodisch (sporadisch) ausgeführten Selbsttest (durch Neubestimmen der mindestens einen Änderungsgröße) ausgelegt sind. Zwischen zwei Selbsttests können die Sensoren während ihres Normalbetriebs die mindestens eine Information 22 unter Verwendung einer während einer früheren Messung/eines vorhergehenden Selbsttests bestimmten mindestens einen Änderungsgröße festlegen, korrigieren oder neufestlegen. Da es sich bei einem Alterungsprozess erfahrungsgemäß um einen sehr langsamen Vorgang handelt, ist es ausreichend, die Neuermittlung der Alterung in großen Abständen durchzuführen.
Unter einer aperiodischen/sporadischen Neufestlegung der mindestens einen Abweichungsgröße (bzw. des Alterungsfaktors und/oder des Verschmutzungsfaktors) kann verstanden werden, dass die Elektronikeinrichtung 20 zu diesem Vorgang durch ein extern oder intern bereitgestelltes Steuersignal angesteuert wird. Beispielsweise kann mittels mindestens eines externen oder internen Sensorelements das Steuersignal an die Elektronikeinrichtung 20 ausgegeben werden, welches diese zur Ausführung des oben beschriebenen Selbsttests anregt. Somit kann der Selbsttest gezielt nach einem Erkennen eines Vorliegens von Ursachen für eine wahrscheinliche Zustandsänderung an der kapazitiven Messeinrichtung ausgeführt werden. Der Sensor kann z.B. gezielt mit einem Selbsttest auf eine extreme Temperatur und/oder ein Eindringen von Flüssigkeit/Schmutz reagieren.
Alle oben beschriebenen Sensoren können in einen Luftmassesensor integriert sein.
3 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben einer kapazitiven Messeinrichtung.
Das im Weiteren beschriebene Verfahren kann beispielsweise mittels der in 1a und 1b schematisch wiedergegebenen kapazitiven Messeinrichtung ausgeführt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausführbarkeit des Verfahrens nicht auf diese kapazitive Messeinrichtung limitiert ist. Stattdessen kann das Verfahren mit jeder kapazitiven Messeinrichtung ausgeführt werden, welche mindestens zwei Elektroden und mindestens ein zwischen den mindestens zwei Elektroden vorliegendes Dielektrikum aufweist. Unter dem Dielektrikum ist ein Material zu verstehen, dessen mindestens eine Permittivität abhängig von mindestens einer Konzentration mindestens eines Mediums zwischen den mindestens zwei Elektroden ist, wodurch mindestens eine zwischen den mindestens zwei Elektroden anliegende Kapazität variiert.
Während des Verfahrens wird eine zwischen den mindestens zwei Elektroden anliegende Spannung mit mindestens zwei verschiedenen Frequenzen variiert. Für jede der Frequenzen wird mindestens eine Größe bezüglich der variierenden Kapazität und/oder abhängig von der variierenden Kapazität ermittelt. Mindestens eine Abweichungsgröße (Differenzgröße) bezüglich eines Abweichens der für die verschiedenen Frequenzen ermittelten Größen voneinander wird festgelegt. Die mindestens eine Abweichungsgröße kann beispielsweise eine Differenz zwischen einer bei einer ersten Frequenz gemessenen Größe und einer bei einer zweiten Frequenz bestimmten Größe sein. Auch eine Abweichung/Streuung mehrerer bei verschiedenen Frequenzen ermittelter Größen von einem Mittelwert kann als die mindestens eine Abweichungsgröße festgelegt werden.
Ein Festlegen mindestens einer Information bezüglich eines Vorliegens des mindestens einen Mediums und/oder der mindestens einen Konzentration des mindestens einen Mediums erfolgt unter Berücksichtigung mindestens einer der ermittelten Größen und der mindestens einen Abweichungsgröße. Die festgelegte Information wird anschließend ausgegeben.
In der Ausführungsform der 3 wird zuerst in einem Verfahrensschritt S1 die mindestens eine Größe bei genau einer vorgegebenen (ersten) Frequenz gemessen. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt S2 die mindestens eine Information unter Berücksichtigung der bei genau der einen vorgegebenen Frequenz ermittelten Größe festgelegt.
In einem weiteren Verfahrensschritt S3 wird die mindestens eine Größe zumindest noch bei einer weiteren (zweiten) Frequenz (ungleich der ersten Frequenz) bestimmt. (Der Verfahrensschritt S3 kann wahlweise vor dem Verfahrensschritt S2 ausgeführt werden.) Mindestens eine Abweichungsgröße wird in einem Verfahrensschritt S4 unter Berücksichtigung der in den Verfahrensschritten S1 und S3 gemessenen Größen bestimmt. Des Weiteren wird in einem Verfahrensschritt S5 die (in dem Verfahrensschritt S2 festgelegte) Information unter Berücksichtigung der mindestens einen Abweichungsgröße neufestgelegt oder korrigiert.
Optionaler Weise kann in einem Zwischenschritt zwischen den Verfahrensschritten S4 und S5 unter Berücksichtigung der mindestens einen Abweichungsgröße ein Alterungsfaktor und/oder ein Verschmutzungsfaktor festgelegt werden. In diesem Fall wird in dem Verfahrensschritt S5 die mindestens eine Information unter Berücksichtigung des festgelegten Alterungsfaktors und/oder Verschmutzungsfaktors neufestgelegt oder korrigiert.
Die mindestens eine Abweichungsgröße kann wahlweise auch lediglich periodisch oder aperiodisch (sporadisch) neufestgelegt werden. Die Verfahrensschritt S3 und S4 können somit zwischenzeitlich weggelassen werden. Beispielsweise können die Verfahrensschritt S3 und S4 nur dann ausgeführt werden, wenn mit einer hohen Wahrscheinlichkeit von einer zwischenzeitlich erfolgten Änderung an dem mindestens einen Dielektrikum ausgegangen werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. So ist beispielsweise, obwohl zuvor mit drei Deltas beschreiben, ein beliebiges Delta in Abhängigkeit der Alterung möglich. Oder anders ausgedrückt: Die Deltas sind nur exemplarisch für unterschiedliche Alterungsstufen. Das Delta wächst in Abhängigkeit von der Alterung und der Frequenz.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2508881 A1 [0002, 0002]

Claims

Sensor zum Detektieren mindestens eines Mediums (18) mit einer kapazitiven Messeinrichtung (10), umfassend mindestens zwei Elektroden (12) und mindestens ein zwischen den mindestens zwei Elektroden (12) vorliegendes Dielektrikum (14), wobei mindestens eine Permittivität des mindestens einen Dielektrikums (14) abhängig ist von mindestens einer Konzentration (cH₂O) des mindestens einen Mediums (18) zwischen den mindestens zwei Elektroden (12), wodurch mindestens eine zwischen den mindestens zwei Elektroden (12) anliegende Kapazität (C) variierbar ist; und einer Elektronikeinrichtung (20), welche dazu ausgelegt ist, mindestens eine Größe (24, C) bezüglich der variierbaren Kapazität (C) und/oder abhängig von der variierbaren Kapazität (C) zu ermitteln und unter Berücksichtigung der mindestens einen ermittelten Größe (24, C) mindestens eine Information (22) bezüglich eines Vorliegens des mindestens einen Mediums (18) und/oder der mindestens einen Konzentration (cH₂O) des mindestens einen Mediums (18) festzulegen und auszugeben; dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinrichtung (20) zusätzlich dazu ausgelegt ist, eine zwischen den mindestens zwei Elektroden (12) anliegende Spannung mit mindestens zwei verschiedenen Frequenzen (f) zu variieren, wobei die mindestens eine Größe (24, C) für jede der Frequenzen (f) ermittelbar ist, und wobei mittels der Elektronikeinrichtung (20) mindestens eine Abweichungsgröße (Δ1 bis Δ3) bezüglich eines Abweichens der für die verschiedenen Frequenzen (f) ermittelten Größen (24, C) voneinander festlegbar ist, und die mindestens eine Information (22) unter zusätzlicher Berücksichtigung der mindestens einen Abweichungsgröße (Δ1 bis Δ3) festlegbar ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die Elektronikeinrichtung (20) zusätzlich dazu ausgelegt ist, die mindestens eine Information (22) unter Berücksichtigung einer bei genau einer vorgegebenen Frequenz (f) ermittelten Größe (24, C) festzulegen, und die mindestens eine Information (22) vor deren Ausgabe unter Berücksichtigung der mindestens einen Abweichungsgröße (Δ1 bis Δ3) zu korrigieren oder neufestzulegen.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektronikeinrichtung (20) zusätzlich dazu ausgelegt ist, unter Berücksichtigung der mindestens einen Abweichungsgröße (Δ1 bis Δ3) einen Alterungsfaktor und/oder einen Verschmutzungsfaktor festzulegen, und unter Berücksichtigung des festgelegten Alterungsfaktors und/oder Verschmutzungsfaktors die mindestens eine Information (22) festzulegen, zu korrigieren oder neufestzulegen.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektronikeinrichtung (20) zusätzlich dazu ausgelegt ist, die mindestens eine Abweichungsgröße (Δ1 bis Δ3), den Alterungsfaktor und/oder den Verschmutzungsfaktor lediglich periodisch oder angesteuert durch ein extern oder intern bereitgestelltes Steuersignal neufestzulegen.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kapazitive Messeinrichtung (10) und die Elektronikeinrichtung (20) auf und/oder in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat (28) ausgebildet sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor zusätzlich eine Temperaturmesseinrichtung (44) umfasst, welche mittels der Elektronikeinrichtung (20) betreibbar und auswertbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer kapazitiven Messeinrichtung (10) mit mindestens zwei Elektroden (12) und mindestens einem zwischen den mindestens zwei Elektroden (12) vorliegenden Dielektrikum (14), dessen mindestens eine Permittivität abhängig ist von mindestens einer Konzentration (cH₂O) mindestens eines Mediums (18) zwischen den mindestens zwei Elektroden (12), wodurch mindestens eine zwischen den mindestens zwei Elektroden (12) anliegende Kapazität (C) variiert, mit den Schritten: Variieren einer zwischen den mindestens zwei Elektroden (12) anliegenden Spannung mit mindestens zwei verschiedenen Frequenzen (f); Ermitteln mindestens einer Größe (24, C) bezüglich der variierenden Kapazität (C) und/oder abhängig von der variierenden Kapazität (C), wobei die mindestens eine Größe (24, C) für jede der Frequenzen (f) ermittelt wird; Festlegen mindestens einer Abweichungsgröße (Δ1 bis Δ3) bezüglich eines Abweichens der für die verschiedenen Frequenzen (f) ermittelten Größen (24, C) voneinander; Festlegen und Ausgeben mindestens einer Information (22) bezüglich eines Vorliegens des mindestens einen Mediums (18) und/oder der mindestens einen Konzentration (cH₂O) des mindestens einen Mediums (18), wobei die mindestens eine ausgegebene Information (22) unter Berücksichtigung mindestens einer der ermittelten Größen (24, C) und der mindestens einen Abweichungsgröße (Δ1 bis Δ3) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine Information (22) unter Berücksichtigung einer bei genau einer vorgegebenen Frequenz (f) ermittelten Größe (24, C) festgelegt wird, und wobei die Information (22) unter Berücksichtigung der mindestens einen Abweichungsgröße (Δ1 bis Δ3) neufestgelegt oder korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei unter Berücksichtigung der mindestens einen Abweichungsgröße (Δ1 bis Δ3) ein Alterungsfaktor und/oder ein Verschmutzungsfaktor festgelegt wird, und unter Berücksichtigung des festgelegten Alterungsfaktors und/oder Verschmutzungsfaktors die mindestens eine Information (22) festgelegt, neufestgelegt oder korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die mindestens eine Abweichungsgröße (Δ1 bis Δ3), der Alterungsfaktor und/oder der Verschmutzungsfaktor lediglich periodisch oder aperiodisch neu festgelegt werden.