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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Die Messung von Ladungsmengen ist ein weitverbreitetes Problem in vielen elektronischen Anwendungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine kapazitive Struktur, ein Verfahren zum Herstellen einer kapazitiven Struktur, ein Verfahren zum Bestimmen einer Ladungsmenge unter Verwendung der kapazitiven Struktur, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein System zum Bestimmen einer Ladungsmenge sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Bei einem Kondensator mit einer spannungsabhängigen Kapazität kann zum Bestimmen einer Ladungsmenge eine Änderung der Kapazität erfasst werden. Dazu kann ein bekannter Arbeitspunkt beziehungsweise eine Referenzkapazität des Kondensators eingestellt werden. Die Ladungsmenge verändert dann ausgehend von dem Arbeitspunkt die Kapazität des Kondensators. Die Änderung der Kapazität kann durch bekannte Verfahren schnell, einfach und mit einer hohen Genauigkeit erfasst werden.
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Es wird eine kapazitive Struktur vorgestellt, die eine Elektrodeneinrichtung, ein Dielektrikum mit einer spannungsabhängigen Permittivität und eine Gegenelektrodeneinrichtung aufweist. Dabei kann das Dielektrikum zwischen der Elektrodeneinrichtung und der Gegenelektrodeneinrichtung angeordnet sein, sodass die Elektrodeneinrichtung und die Gegenelektrodeneinrichtung auf einander gegenüberliegenden Seiten des Dielektrikums angeordnet sind. Alternativ können die Elektrodeneinrichtung und die Gegenelektrodeneinrichtung auf ein und derselben Seite des Dielektrikums in das Dielektrikum eingebettet sein, oder es kann das Dielektrikum nur in einem Zwischenraum zwischen den in einer Ebene liegenden Elektrodeneinrichtungen angeordnet sein. Außerdem können die Elektrodeneinrichtungen, z.B. durch Dotierung, in ein Substrat eingebracht werden und wiederum ein planes Dielektrikum abgeschieden werden.
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Unter einer kapazitiven Struktur kann ein elektrischer Kondensator verstanden werden.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen einer kapazitiven Struktur vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Elektrodeneinrichtung;
Abscheiden eines Dielektrikums mit einer spannungsabhängigen Permittivität auf der Elektrodeneinrichtung; und
Abscheiden einer Gegenelektrodeneinrichtung auf dem Dielektrikum.
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Alternativ kann beispielsweise das Dielektrikum bereitgestellt werden und es können die Elektrodeneinrichtung und die Gegenelektrodeneinrichtung auf dem Dielektrikum angeordnet werden.
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Somit kann das Verfahren zum Herstellen der kapazitiven Struktur in allgemeiner Form die Schritte des Bereitstellens einer Elektrodeneinrichtung des Bereitstellens einer Gegenelektrodeneinrichtung, des Bereitstellens eines Dielektrikums mit einer spannungsabhängigen Permittivität und einen Schritt des Anordnens des Dielektrikums benachbart zu der Elektrodeneinrichtung und der Gegenelektrodeneinrichtung umfassen.
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Ferner wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Ladungsmenge unter Verwendung einer kapazitiven Struktur gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Einstellen eines elektrischen Referenzpotenzials zwischen der Elektrodeneinrichtung und der Gegenelektrodeneinrichtung, um eine Referenzkapazität einzustellen;
Anlegen eines durch die Ladungsmenge resultierenden elektrischen Potenzials zusätzlich zu dem Referenzpotenzial, um eine resultierende Kapazität zu erhalten; und
Erfassen einer Kapazitätsänderung zwischen der Referenzkapazität und der resultierenden Kapazität, um die Ladungsmenge zu bestimmen.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Unter einem Referenzpotenzial kann eine elektrische Referenzspannung verstanden werden. Ein resultierendes Potenzial kann eine elektrische Spannung sein. Während des Anlegens des durch die Ladungsmenge resultierenden elektrischen Potenzials, also des Anlegens der zu messenden Ladungsmenge, zusätzlich zu dem Referenzpotenzial kann eine Spannungsquelle zum Einstellen des Referenzpotenzials von der kapazitiven Struktur getrennt werden.
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Die Elektrodeneinrichtung kann eine Elektrode aufweisen. Die Gegenelektrodeneinrichtung kann eine Gegenelektrode aufweisen. Durch einzelne Elektroden auf beiden Seiten des Dielektrikums kann die kapazitive Struktur einfach hergestellt werden.
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Das Referenzpotenzial kann zwischen der Elektrode der Elektrodeneinrichtung und der Gegenelektrode der Gegenelektrodeneinrichtung eingestellt werden. Das elektrische Potenzial kann zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode angelegt werden. Dabei kann zwischen dem Referenzpotenzial und dem Potenzial umgeschaltet werden.
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Die Elektrodeneinrichtung kann eine erste Teilelektrode und eine weitere Teilelektrode umfassen. Die erste Teilelektrode und die weitere Teilelektrode können benachbart zueinander und elektrisch isoliert voneinander angeordnet sein. Die Gegenelektrodeneinrichtung kann eine Teilgegenelektrode und eine weitere Teilgegenelektrode umfassen. Die Teilgegenelektrode und die weitere Teilgegenelektrode können benachbart zueinander und elektrisch isoliert voneinander angeordnet sein. Durch eine räumliche Trennung der Teilelektroden und der Teilgegenelektroden kann eine einfache Schaltung zum Betreiben der kapazitiven Struktur verwendet werden.
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Das Referenzpotenzial kann zwischen der Teilelektrode der Elektrodeneinrichtung und der Teilgegenelektrode der Gegenelektrodeneinrichtung eingestellt werden. Das elektrische Potenzial kann zwischen der weiteren Teilelektrode der Elektrodeneinrichtung und der weiteren Teilgegenelektrode der Gegenelektrodeneinrichtung angelegt werden. Durch die getrennten Teilelektroden und Teilgegenelektroden können das Referenzpotenzial und das Potenzial gleichzeitig angelegt werden. Dadurch kann das Referenzpotenzial geändert werden, ohne das Potenzial zu beeinflussen.
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Das Dielektrikum kann ein Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) sein. Alternativ kann das Dielektrikum ein Barium-(Strontium)-Titanat (B(S)T) sein. Durch die hier vorgestellten Materialien kann eine hohe Empfindlichkeit erreicht werden. Das Dielektrikum kann als eine verspannte Dünnschicht ausgeführt sein.
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Es kann zumindest eine weitere Dünnschicht zwischen der Elektrodeneinrichtung und der Gegenelektrodeneinrichtung angeordnet sein. Durch die weitere Dünnschicht können elektrische und/oder mechanische Eigenschaften der kapazitiven Struktur positiv beeinflusst werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die kapazitive Struktur als Potentialsensor oder Ladungssensor verwendet. Dazu können unterschiedliche Kalibrierungsmethoden verwenden werden. Die gemessenen Änderungen durch eine bestimmte Ladungsmenge hängen dabei stark von der Elektrodenkonfiguration ab.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Es wird ein System zum Bestimmen einer Ladungsmenge vorgestellt, wobei das System eine kapazitive Struktur gemäß dem hier vorgestellten Ansatz und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Ladungsmenge unter Verwendung der kapazitiven Struktur gemäß dem hier vorgestellten Ansatz umfasst.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Blockschaltbild eines Systems zum Bestimmen einer Ladungsmenge gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine Schnittdarstellung einer kapazitiven Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 eine räumliche Darstellung einer kapazitiven Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4 eine Darstellung einer bereitgestellten Elektrodeneinrichtung für eine kapazitive Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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5 eine Darstellung einer abgeschiedenen Gegenelektrodeneinrichtung für eine kapazitive Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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6 eine Darstellung eines Zusammenhangs zwischen einer elektrischen Spannung und einer elektrischen Kapazität an einer kapazitiven Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer Ladungsmenge gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer kapazitiven Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems 100 zum Bestimmen einer Ladungsmenge Q gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das System 100 umfasst eine kapazitive Struktur 102 und eine Vorrichtung 104 zum Bestimmen der Ladungsmenge Q unter Verwendung der kapazitiven Struktur 102. Die kapazitive Struktur 102 und die Vorrichtung 104 sind elektrisch miteinander verbunden. Die kapazitive Struktur 102 besteht aus einer Elektrodeneinrichtung 106, einem Dielektrikum 108 und einer Gegenelektrodeneinrichtung 110. Das Dielektrikum 108 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Elektrodeneinrichtung 106 und der Gegenelektrodeneinrichtung 110 angeordnet, sodass sich ein stapelförmiger Aufbau ergibt. Alternativ können alle Elektrodeneinrichtungen 106, 110 auf einer Seite des Dielektrikums 108 angeordnet sein. Generell sollen möglichst viele Feldlinien zwischen den einzelnen Elektrodeneinrichtungen 106, 110 durch das Dielektrikum 108 hindurchgehen. Das Dielektrikum 108 weist eine spannungsabhängige Permittivität auf. Die kapazitive Struktur kann als Messkondensator 102 bezeichnet werden.
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Die Vorrichtung 104 umfasst eine Einstelleinrichtung 112, eine Anlegeeinrichtung 114 und eine Erfassungseinrichtung 116 auf. Die Einstelleinrichtung 112 ist dazu ausgebildet, ein Referenzpotenzial 118 zwischen der Elektrodeneinrichtung 106 und der Gegenelektrodeneinrichtung 110 einzustellen, um eine Referenzkapazität C1 einzustellen. Die Anlegeeinrichtung 114 ist dazu ausgebildet, ein durch die Ladungsmenge Q resultierendes elektrisches Potenzial 120 zusätzlich zu dem Referenzpotenzial 118 zwischen der Elektrodeneinrichtung 106 und der Gegenelektrodeneinrichtung 110 anzulegen, um eine resultierende Kapazität C2 zu erhalten. Die Erfassungseinrichtung 116 ist dazu ausgebildet, die Referenzkapazität C1 und die resultierende Kapazität C2 zu erfassen und eine Kapazitätsänderung ∆C zu bestimmen.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 104 eine Ermittlungseinrichtung 122. Die Ermittlungseinrichtung 122 ist dazu ausgebildet, unter Verwendung der Kapazitätsänderung ∆C und eines Zusammenhangs 124 zwischen dem elektrischen Potenzial und der elektrischen Kapazität einen Wert 126 der Ladungsmenge Q zu ermitteln.
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Der beschriebene Ansatz ermöglicht eine Ladungsmessung mit ferroelektrischen Dünnschichten 108 als Dielektrikum 108.
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Die Messung von Ladungsmengen Q ist eine häufige Aufgabe in vielen elektronischen Anwendungen. Beispiele sind das Auslesen von CCD-Chips, Fotodetektoren und anderen Sensoren. Wenn eine hohe Genauigkeit gefordert ist, steigt die nötige Auflösung der entsprechenden Wandler stark an, die Bauelemente (ASICs) werden aufwendig und teuer. Herkömmlich kann eine Ladung Q durch ein Aufladen einer festen, bekannten Kapazität und eine Diskretisierung der anliegenden Spannung mit einem AD-Wandler mit hoher Auflösung bestimmt werden.
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Ferroelektrika 108 können in integrierten Bauelementen, wie beispielsweise Ferroelectric Random Access Memory, FRAM verwendet werden. Die Materialien zeichnen sich durch eine stark spannungsabhängige Permittivität aus, wie in 6 dargestellt ist.
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Die extrem sensitive, dynamische Messung von Kapazitäten C im Bereich von Attofarad, aF ist eine Standardtechnologie im Bereich mikromechanischer Sensoren.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine hochgenaue Messung einer Ladungsmenge Q ermöglicht.
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Ferroelektrika 108 und andere Materialien, wie beispielsweise Oxide mit mobilen Ionen, ändern ihre Permittivität in Abhängigkeit des angelegten Feldes. Demzufolge ändern Kondensatoren 102, in denen derartige Materialien als Dielektrika 108 verwendet werden, spannungsabhängig ihre Kapazität C. Werden solche Strukturen 102 also durch einen zu messenden Ladungsstrom Q aufgeladen, führt dies zu einer Kapazitätsänderung ∆C. Die Kapazitätsänderung ∆C kann sehr genau ausgewertet werden.
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Beispielsweise kann die Kapazitätsänderung ∆C durch hoch aufgelöste Kapazitätsmessungen, wie über die Messung der Frequenzverstimmung eines Schwingkreises, in den die Kapazität integriert ist, technisch einfach bestimmt werden.
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Durch das hier vorgeschlagene Messprinzip können Kosten und Bauraum bei einer großen Zahl, beispielsweise sensorischer Anwendungen eingespart werden.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung einer kapazitiven Struktur 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die kapazitive Struktur 102 entspricht im Wesentlichen der kapazitiven Struktur in 1. Im Gegensatz dazu ist die kapazitive Struktur 102 hier auf einem Trägermaterial 200 beziehungsweise Substrat 200 aufgebracht. Auf dem Substrat 200 ist eine Elektrode 202 der Elektrodeneinrichtung 106 angeordnet. Auf der Elektrode 202 und dem Substrat 200 ist das Dielektrikum 108 angeordnet. Das polarisierbare Dielektrikum 108 beziehungsweise Ferroelektrikum 108 weist dabei eine im Wesentlichen gleichmäßige Schichtdicke auf. Auf dem Dielektrikum 108 ist eine Gegenelektrode 204 der Gegenelektrodeneinrichtung 110 angeordnet. Die Elektrode 202 und die Gegenelektrode 204 sind durch das Dielektrikum 108 voneinander beabstandet und elektrisch isoliert.
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3 zeigt eine räumliche Darstellung einer kapazitiven Struktur 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die kapazitive Struktur 102 entspricht im Wesentlichen der kapazitiven Struktur in 2. Das Dielektrikum 106 ist hier transparent dargestellt. Im Gegensatz zu der Elektrodeneinrichtung in 2 weist die Elektrodeneinrichtung 106 hier eine erste Teilelektrode 300 und eine zweite Teilelektrode 302 auf. Die beiden Teilelektroden 300, 302 sind elektrisch voneinander isoliert. Die Teilelektroden 300, 302 weisen jeweils vier fingerartige Zinken auf, die ineinander verschachtelt sind, wobei die Teilelektroden 300, 302 durch einen Zwischenraum voneinander beabstandet sind. Die Teilelektroden 300, 302 können als Interdigitalelektroden 300, 302 bezeichnet werden.
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Die Gegenelektrodeneinrichtung 110 weist hier eine erste Teilgegenelektrode 304 und eine zweite Teilgegenelektrode 306 auf. Die Teilgegenelektroden 304, 306 weisen ebenfalls jeweils vier fingerartige Zinken 308 auf, die ineinander verschachtelt sind, wobei die Teilgegenelektroden 304, 306 ebenfalls durch einen Zwischenraum voneinander beabstandet sind. Die Teilgegenelektroden 304, 306 können als Interdigitalgegenelektroden 304, 306 bezeichnet werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Teilelektroden 300, 302 und die Teilgegenelektroden 304, 306 ähnlich ausgeführt und weisen im Wesentlichen identische Abmessungen auf. Die Teilelektroden 300, 302 und die Teilgegenelektroden 304, 306 sind hier gleich ausgerichtet, sodass die Zinken 308 im Wesentlichen deckungsgleich sind. Mit anderen Worten ist jeweils einer der Zinken der ersten Teilelektrode 300 gegenüberliegend zu einem der Zinken 308 der ersten Teilgegenelektrode 304 angeordnet. Jeweils ein Zinken der zweiten Teilelektrode 302 ist gegenüberliegend zu einem der Zinken 308 der zweiten Teilgegenelektrode 306 angeordnet.
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In einem Ausführungsbeispiel können beim Bestimmen der Ladungsmenge die erste Teilelektrode 300 und die erste Teilgegenelektrode 304 durch das Referenzpotenzial und die zu messende Ladungsmenge geladen werden. Die zweite Teilelektrode 302 und die zweite Teilgegenelektrode 306 können zum Messen der Kapazität und Einstellung des Arbeitspunktes (Referenzkapazität) der kapazitiven Struktur 102 verwendet werden. Damit können die zweite Teilelektrode 302 und die zweite Teilgegenelektrode 306 als Messelektroden 302, 306 bezeichnet werden.
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4 zeigt eine Darstellung einer bereitgestellten Elektrodeneinrichtung 106 für eine kapazitive Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei ist hier die Elektrodeneinrichtung 106 wie in den 2 und 3 gezeigt, auf dem Substrat 200 angeordnet. Die Elektrodeneinrichtung 106 weist wie in 3 gezeigt, eine erste Teilelektrode 300 und eine, mit der ersten Teilelektrode 300 verzahnte zweite Teilelektrode 302 auf. Zwischen den Teilelektroden 300, 302 besteht ein Abstand 400. Der Abstand 400 weist eine rechteckig mäanderartige Form auf und isoliert die Teilelektroden 300, 302 voneinander.
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5 zeigt eine Darstellung einer abgeschiedenen Gegenelektrodeneinrichtung 110 für eine kapazitive Struktur 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei ist ein auf den in 4 dargestellten Fertigungszustand nachfolgender Fertigungszustand der kapazitiven Struktur 102 dargestellt. Hier ist über die auf dem Substrat angeordnete Elektrodeneinrichtung das Dielektrikum 108 als zumindest eine durchgehende Schicht abgeschieden worden. Auf dem Dielektrikum 108 ist die Gegenelektrodeneinrichtung 110 angeordnet. Wie in 3 gezeigt, weist die Gegenelektrodeneinrichtung 110 eine erste Teilgegenelektrode 304 und eine, mit der ersten Teilgegenelektrode 304 verzahnte zweite Teilgegenelektrode 306 auf. Zwischen den Teilgegenelektroden 304, 306 besteht der Abstand 400. Der Abstand 400 wird durch eine Breite eines rechteckig mäanderartigen Zwischenbereichs gebildet, durch den die Teilgegenelektroden 304, 306 voneinander isoliert sind.
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Die 2 bis 5 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der einer kapazitiven Struktur 102. Diese besteht im Wesentlichen aus zwei Elektroden 106, 110, zwischen denen sich eine Dünnschicht 108 mit spannungsabhängiger Permittivität befindet. Die Dünnschicht 108 kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen des hier vorgestellten Ansatzes Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Barium-(Strontium)-Titanat (B(S)T) sowie komplexere Oxide oder verspannte Dünnschichten umfassen. Zusätzlich können andere dielektrische Dünnschichten, wie LaNiO3, SiO2, Si3N4 in dem Stapel 102 ergänzt werden, um beispielsweise eine Passivierung zu erreichen oder die Gitterkonstanten von Elektrodenmaterial 106, 110 und Dielektrikum 108 aufeinander anzupassen. Die in den Abbildungen obere und untere Elektrode 106, 110, auf welche die zu messende Ladung aufgebracht werden, beziehungsweise die zur Messung der Kapazität verwendet werden, können jeweils aus einer zusammenhängenden Fläche bestehen oder elektrisch voneinander getrennt sein, beispielsweise ähnlich einer lnterdigitalelektrode; dabei können wiederum geeignete Isolationsschichten zwischen den Elektroden 300, 302, 304, 306 zum Einsatz kommen. Zudem können sie in Form eines metallisch leitfähigen Materials, beispielsweise Pt, Al, Polysilizium abgeschieden werden, oder in das Substratmaterial 200 implantiert werden.
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6 zeigt eine Darstellung eines Zusammenhangs 124 zwischen einer elektrischen Spannung U und einer elektrischen Kapazität C an einer kapazitiven Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Zusammenhang 124 ist als Kurve 600 in einem Diagramm aufgetragen, das auf der Abszisse die Spannung U und auf der Ordinate die Kapazität C aufgetragen hat. Die Kurve 600 repräsentiert eine typische spannungsabhängige Permittivität bzw. Kapazität eines Ferroelektrikums als Dielektrikum in der kapazitiven Struktur. Wird beispielsweise mit einer Messung im Arbeitspunkt A begonnen, führt eine ladungsinduzierte Spannungsänderung ∆U zu einer Kapazitätsänderung ∆C.
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Mit anderen Worten zeigt 6 schematisch das Prinzip der Ladungsmessung. Die Kapazität C beziehungsweise die Impedanz der Struktur wird in einem bestimmten Arbeitspunkt A gemessen, also bei einer bestimmten angelegten Spannung U. Wird dann zusätzliche Ladung auf die Elektroden beziehungsweise die davon getrennten Elektroden aufgebracht, erzeugt diese eine überlagertes elektrisches Feld, wirkt also wie ein Spannungsoffset ∆U. Daraus folgt aufgrund der spannungsabhängigen Permittivität des Dielektrikums unmittelbar eine Kapazitätsänderung ∆C beziehungsweise lmpedanzänderung, die mithilfe bekannter Verfahren aus der MEMS-Technologie, wie Anlegen einer Wechselspannung und Erfassen des Blindstromes oder insbesondere Integration der Kapazität in einen Schwingkreis und Detektion der Verstimmung der Resonanzfrequenz sehr genau ausgelesen werden kann. Die entsprechenden Verbindungen der Struktur mit der dazugehörigen Ausleseelektronik sind in den 2 bis 5 nicht gezeigt.
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Neben der direkten Messung der Kapazitätsänderung ∆C beziehungsweise der Impedanzänderung bei einem festen Arbeitspunkt A ist es denkbar, Frequenzsweeps oder Vorspannungssweeps durchzufahren und die Auswirkung der Ladungsänderung beziehungsweise der Verschiebung auf die komplette Kapazitäts-Frequenz-Kurve 600 beziehungsweise Kapazitäts-Spannungs-Kurve 600 auszuwerten.
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Zur Messung kleiner Ströme können die Elektroden mit einer bestimmten Wiederholrate aufgeladen und zwischenzeitlich wieder entladen werden. Aus der gemessenen Ladung und der Wiederholrate ergibt sich dann unter Berücksichtigung der Aufladungscharakteristik des Kondensators unmittelbar der Strom.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Bestimmen einer Ladungsmenge gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 700 kann beispielsweise auf einem System, wie in 1 ausgeführt werden. Das Verfahren 700 wird an einer kapazitiven Struktur gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ausgeführt. Das Verfahren 700 weist einen Schritt 702 des Einstellens, einen Schritt 704 des Anlegens und einen Schritt 706 des Erfassens auf. Im Schritt 702 des Einstellens wird als Arbeitspunkt ein elektrisches Referenzpotenzial zwischen der Elektrodeneinrichtung und der Gegenelektrodeneinrichtung der kapazitiven Struktur eingestellt, um eine Referenzkapazität einzustellen. Im Schritt 704 des Anlegens wird ein durch die Ladungsmenge resultierendes elektrisches Potenzial zusätzlich zu dem Referenzpotenzial angelegt, um eine resultierende Kapazität zu erhalten. Im Schritt 706 des Erfassens wird eine Kapazitätsänderung zwischen der Referenzkapazität und der resultierenden Kapazität erfasst, um die Ladungsmenge zu bestimmen. Der Schritt 706 des Erfassens wird gemäß einem Ausführungsbeispiel parallel zu dem Schritt 704 des Anlegens ausgeführt, um die Kapazität mit und ohne Zusatzladung sowie zusätzlich oder alternativ während der Umladung zu messen.
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8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 800 zum Herstellen einer kapazitiven Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren weist einen Schritt 802 des Bereitstellens einer Elektrodeneinrichtung und einer Gegenelektrodeneinrichtung, einen Schritt 804 des Bereitstellens eines Dielektrikums mit einer spannungsabhängigen Permittivität sowie einen Schritt des Anordnens (806) des Dielektrikums benachbart zu der Elektrodeneinrichtung und der Gegenelektrodeneinrichtung auf. Die Schritte 802, 804, 806 können dabei in einer beliebigen Reihenfolge, auch gleichzeitig, ausgeführt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 802 des Bereitstellens die Elektrodeneinrichtung bereitgestellt. Beispielsweise kann die Elektrodeneinrichtung wie in 4 gezeigt auf einem Substrat abgeschieden werden. Im Schritt 804 wird das Dielektrikum mit der spannungsabhängigen Permittivität auf der Elektrodeneinrichtung abgeschieden. Anschließend wird der Schritt 802 erneut ausgeführt, um wie in 5 gezeigt die Gegenelektrodeneinrichtung auf dem Dielektrikum abzuscheiden. Der Schritt des Anordnens 806 wird in diesem Fall parallel zu den Schritten 802, 804 des Bereitstellens ausgeführt, um die bereitgestellten Elemente zu der kapazitiven Struktur zusammenzufügen.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
