具体实施方式

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

下面参考图4、5和图6，考虑三种不同的测量场景。

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

Z_0A＝Z_0B＝Z₀＝∞。

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。

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：

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。

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。

对于以下进一步考虑，应做出如下初始假设。

和

这将促进考虑关系运算符≥和≤。

但是，应当注意的是，可以对相反的假设进行等效的考虑，即

和

在后一种情况下，对应的符号和关系运算符也必须反转。

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

Z_0A＝Z_0B＝0；以及

Z₀＝∞。

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。

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：

因此在这种场景下i_Bl＞i_Bn。

更特别地，

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。

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。

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

Z_0A＝Z_0B＝Z₀＝0。

后一个假设导致简化的电气等效电路500，其中C_E被短路。

然后流向第二电极12的电流i_Bg可以如下计算：

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

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：

i_Bg≥i_Bn。

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

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：

i_Bn≤i_B9

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

连同初始假设

和

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。

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。

0＜＝(V_A1-V_A2)＜＝(V_B2-V_B1)*C_BE/C_AE； (不等式1)

或

(V_B2-V_B1)*C_EE/V_AE＜＝(V_A1-V_A2)＜0。 (不等式2)

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。

根据实施例，上述条件集合包括如下条件：

(V_A1-V_A2)＝(V_B2-V_B1)*C_BE/C_AE

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

(V_A1-V_A2)＝(V_B2-V_B1)。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

V_A1＝V_B1＝0V。

然后测量导电层1010的电位V_E1。

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。

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。

因而，

ΔQ_AE＝C_AE*(ΔV_A-ΔV_E)＝ΔQ_BE＝V_BE*(ΔV_E-ΔV_B)，

其中

ΔV_A＝(V_A2-V_A1)，ΔV_B＝(V_B2-V_B1)，ΔV_E＝(V_B2-V_E1)。

因此，商C_BE/C_AE可以被确定为

C_EB/C_AE＝(ΔV_A-ΔV_E)/(ΔV_E-ΔV_B)。

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。

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。

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。

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。

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：

(V_A1-V_A2)＝(V_B2-V_B1)*C_BE/C_AE。

这可以被重写为：

C_BE/C_AE＝(V_A1-V_A2)/(V_B2-V_B1)。

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。

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。

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。

测量电路700包括第一电路部分701和第二电路部分702。

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。

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。

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。

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。

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。

积分电容器C_INT形成参考电容器。

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。

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。

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。

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。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。