电容式传感器设备的制作方法

本发明涉及用于感测被测对象(例如，流体的特性)的电容式传感器设备，具体地，涉及一种提供不受温度或湿度相关寄生电容显著影响的精确测量的电容式传感器设备。

背景技术：

1、传感器的重要性不断升高并且在日常生活中变得越来越普遍。对于满足提高传感器性能以及减小尺寸和成本的需求，微机电系统(mems)是一种有吸引力的选择。例如，已知温度传感器、压力传感器和湿度传感器或它们的组合以及用于检测流体的特性(例如油的粘度、密度或介电常数)的传感器被用于各种各样的应用。

2、电容式传感器设备代表了一类允许相对准确测量的传感器。例如，在本领域中，已知一种湿度传感器设备，其包括介电基板、介电基板上形成的两个电极和用于吸收和/或吸附水的灵敏层。由水的吸收和/或吸附引起的电容的变化可被测量，并用于测定环境的(相对)湿度，前提是传感器检测到的水量与环境中的水的气态部分处于热平衡。一般而言，其他电容式传感器设备被配置用于感测诸如流体的温度、压力或性质的被测对象。

3、通常，电容式传感器设备的感测元件连接到携带或连接于分析电路的印刷电路板(pcb)，该分析电路被配置用于接收和处理由感测元件提供的输入数据。这种pcb提供寄生电容，寄生电容可能影响电容式传感器设备进行的测量的准确性。通过适当校准电容式传感器设备，可以相对容易地补偿恒定的寄生电容。然而，在实际应用中，pcb的寄生电容取决于测量环境的温度和/或湿度。这种时间依赖性寄生电容可能以某种不可预测的方式不利地影响测量，特别是在皮可法拉(farad range)范围内或皮可法拉范围以下的低电容测量的情况下，可能导致错误的测量结果。

4、鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种电容式传感器设备，该电容式传感器设备允许可靠的感测操作，该感测操作不受包含在电容式传感器设备中的pcb的时间依赖性寄生电容的显著影响。

技术实现思路

1、本发明通过提供一种电容式传感器设备来解决上述目标，电容式传感器设备包括印刷电路板(即pcb)、感测设备(元件)以及补偿装置，pcb包括第一过孔和与第一过孔连接的第一轨道(迹线)，感测设备(通过合适的接触件)与pcb的第一过孔连接，补偿装置被配置用于减少pcb的在第一过孔之间和/或第一轨道之间的时间依赖性寄生电容。在本文中，术语“电容式传感器设备”涵盖包括电容式感测元件的任何设备和包括灵敏元件的任何设备，灵敏元件提供可能是主感测数据之外的可用于被测对象的测量的电容(所需的或寄生的)。pcb可以是多层pcb。值得注意的是，pcb可以包括或连接微控制器、微处理器、一些专用集成电路(asic)和/或专用标准产品(assp)，它们用于分析测量数据和控制电容式传感器设备的操作。

2、与感测设备连接的第一过孔和第一轨道对于电容式传感器设备的感测操作至关重要。pcb(例如，其由环氧材料制成或包含环氧材料)的时间依赖性寄生电容可以特别取决于电容式传感器设备的环境的温度和/或湿度。

3、根据本发明，电容式传感器设备包括专用补偿装置，专用补偿装置用于减少pcb的在第一过孔和/或第一轨道的网络之间的区域中的时间依赖性寄生电容，第一过孔和/或第一轨道的网络对pcb的时间依赖性寄生电容的影响灵敏，使得由电容式传感器设备进行的测量会受到显著影响。由于提供补偿装置，pcb的时间依赖性寄生电容可以显著降低，并且因此，与本领域的传感器设备相比，由电容式传感器设备进行的电容式测量的准确性可以提高。

4、根据一个实施例，补偿装置包括或由第二过孔和第二轨道组成，第二过孔布置在pcb中并在第一过孔之间和/或在第一轨道之间，其中第二过孔与恒定电势源连接，第二轨道布置在pcb中并与第二过孔连接。例如，可以适当提供的恒定电势的可靠源是电学地。第二轨道可以设置在多层pcb的每层或一些层中。

5、第二过孔代表第一过孔之间和/或第一轨道之间的一些孔列(stitching)，这导致第一过孔之间和/或第一轨道之间的pcb材料被分成相对小的部分，与第一过孔之间和/或第一轨道之间的pcb的无孔列区域提供的时间依赖性寄生电容相比，这些相对小的部分提供较低的时间依赖性总寄生电容。通过与恒定电势源的连接，提供了不影响测量的明确定义的电容。灵敏的第一过孔和/或第一轨道被第二过孔和第二轨道提供的恒定电势网屏蔽/防护以抵御干扰。事实上，在电网和第一过孔和/或第一轨道之间提供电容，但在灵敏元件的连接之间没有电压变化，这将导致时间依赖性寄生电容。通过添加由第二过孔和第二轨道制成的偏置(例如，电学地)网，导致了电场线的分离(分割)，否则电场线将从一个灵敏元件引脚运行到另一个灵敏元件引脚，并且因此，可以基本上抑制在没有偏置网的形式的补偿装置的情况下由此类电场线产生的等效寄生电容变化。

6、实验证明，低电容测量的准确性可以通过提供第二过孔和第二轨道的网来显著提高。在pcb生产过程中，通过适当的掩模，可以很容易地形成第二过孔和第二轨道的网。与用于本领域的传感器设备的常规pcb相比，必须形成额外的过孔和轨道，这可以在大规模生产的背景下以低成本轻松完成。

7、根据替代实施例，补偿装置包括或由在第一过孔之间和/或在第一轨道之间并形成在pcb中的一个或多个开口组成。由于pcb材料的去除，根据本实施例，第一过孔之间和第一轨道之间的寄生电容分别取决于空气的介电常数。

8、与pcb(例如，环氧树脂)材料的介电常数相比，空气的介电常数仅略微取决于温度和湿度，因此不显示高波动。因此，由开口控制的寄生电容可以通过适当的校准处理相对容易地处理。值得注意的是，高成本材料，例如陶瓷材料，可用于生产pcb，该pcb也具有仅略微取决于温度和湿度的介电常数。然而，使用这种高成本材料将不利地显著增加电容式传感器设备的总体生产成本。可以以低成本提供开口形式的补偿装置。例如，开口可以通过铣削形成。

9、如上所述，pcb可包含环氧材料(作为基板)。第一过孔可以形成在环氧材料中，并且第一轨道可以形成在环氧材料中或在环氧材料上。基于环氧材料的pcb可以以低成本大规模生产。由环氧材料的介电常数对温度和湿度的灵敏性引起的任何缺点可以通过根据本发明提供的补偿装置来补偿。特别地，上述补偿装置可至少部分地在环氧材料中形成。

10、电容式传感器设备的pcb寄生电容问题在低电容测量的背景下具有特别的相关性。因此，根据本发明提供的补偿装置可对于低电容测量应用特别有利。因此，根据一个实施例，电容式传感器设备被配置用于感测低于一皮可法拉(例如，在毫微微皮可法拉(femtofarad range)范围内)的电容。

11、原始测量数据由电容式传感器设备的感测设备提供，感测设备通过第一过孔与电容式传感器设备的pcb电连接。感测设备可以被配置为接触流体，使得电容式传感器设备可以测量该流体的特性。

12、根据一个实施例，感测设备包括感测电极(例如，交叉指型电极)和感测层，感测电极和感测层形成电容器。感测设备可包括基板，感测层形成在基板上方或基板上。至少一个感测电极可以形成在基板上方，特别是在感测层上方。同样可部署确保将电极稳定粘附到基板的粘附层(例如，由铬制成)。例如，感测层表现出在感测电极之间形成的电容，该电容根据被测对象的值(例如，温度、压力、湿度、粘度或介电常数/电容率)而变化。感测层可以是有机或无机电介质层，例如，展现出明确定义的水吸附/吸收速率，并且感测电极中的至少一个可以在感测层上或其上方形成。无机电介质层可由氮化物材料，特别是si3n4或碳化硅制成或包括这些材料。

13、原则上，电容式传感器设备可被配置用于感测温度、压力、相对湿度或绝对湿度或它们的组合。根据特定实施例，电容式传感器设备被配置用于感测流体(液体或气体)的特性，特别是粘度、密度、介电常数或污染物。流体可以是油，例如润滑油、传动油、齿轮箱油、发动机油等，或者流体可以是作为燃料的汽车流体或冷却剂等。流体可以是空气。

14、此外，根据上述实施例中的一个，提供了一种通过电容式传感器设备来感测流体的特性的方法，包括使电容式传感器设备的感测设备与该流体接触。流体可以是油或作为燃料的汽车流体或冷却剂等，并且性质可以是密度、粘度、温度、介电常数和污染物中的至少一种。