機械應力的探測與補償?shù)闹谱鞣椒?br>【專利摘要】本發(fā)明涉及機械應力的探測和補償。例如建議了一種電子電路的支承體，所述支承體具有用于基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之和確定第一信號的第一傳感器和具有用于基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之差確定第二信號的第二傳感器。
【專利說明】
機械應力的探測與補償
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于探測機械應力的支承體(Traeger)、一種用于減小基于機械 應力的干擾的電路以及一種用于減小這樣的干擾的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 從US 6,906,514 B1中公知了一種用于應力補償?shù)碾娐贰?br>[0003] 從US 7,437,260 B2中公知的是基于p摻雜的和n摻雜的電阻來提供機械應力傳感 器。
[0004] US 7,980,138 B1公開了一種由相同摻雜類型的橫向電阻和縱向電阻構(gòu)成的機械 應力傳感器。
[0005] US 8,240,218 B2示出了具有帶有三個接觸部的共同的槽(Wanne)的機械應力傳 感器。
[0006] 公知的是確定可以干擾性地對電子器件造成影響的機械應力。當然，不利的是，公 知的應力補償電路不能確定任意的機械應力分量，這限制了所述應力補償電路的使用或所 述補償?shù)目赡苄浴?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的任務(wù)在于，克服前面所提到的缺點和提出用于探測和補償機械應力的有 效并且有利的解決方案。
[0008] 該任務(wù)按照獨立權(quán)利要求所述的特征來解決。優(yōu)選的實施形式尤其是可從從屬權(quán) 利要求中得知。
[0009] 為了解決該任務(wù)，建議了一種電子電路(或用于電子電路）的支承體，所述電子電 路的支承體： 一具有用于基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之和確定第一信號的第一傳 感器， 一具有用于基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之差確定第二信號的第二傳 感器。
[0010] 不僅第一傳感器而且第二傳感器在所有情況下都可以具有至少一個傳感器元件。 尤其是，所述傳感器中的每個都具有多個傳感器元件（例如n摻雜的或者P摻雜的電阻元 件），所述傳感器元件可以在彼此不同的方向上(例如(基本上)相互垂直地)探測通過電流。 例如可以將第一和/或第二傳感器實施為半橋或者全橋。第一信號可以是在傳感器元件或 傳感器的組成部分之間的電壓差。這相對應地適用于第二信號。
[0011] 通過具有第一和第二傳感器的支承體，可能探測并且在補償電路的范圍內(nèi)相對應 地考慮各個法向應力分量和因此法向應力分量的任意組合。
[0012] 在這種情況下要注意的是，在一個平面中存在兩個法向應力分量，所述兩個法向 應力分量基本上確定在支承體的表面中或者平行于支承體的表面的平面。此外還存在第三 法向應力分量，所述第三法向應力分量垂直于該表面地被取向。尤其是涉及。
[0013]也可以將電子電路的支承體實施為半導體支承體。該支承體可以由不同的材料實 施，例如由玻璃、陶瓷、印刷電路板(Printplatte)實施。
[0014] -擴展方案是:第一法向應力分量和第二法向應力分量平行于支承體的表面地被 取向。
[0015] 尤其是第一法向應力分量和第二法向應力分量彼此正交并且撐開位于支承體的 表面中或者平行于該支承體的表面地被取向的平面。
[0016] 此外要注意的是，支承體的表面可以肉眼可見得平坦(planar)地被實施?？商鎿Q 地，該表面也可以具有壓型(Prof ilierung)。
[0017] 也有一擴展方案是:第一傳感器和第二傳感器被布置在共同的位置上。
[0018] 此外還有一構(gòu)建方案是:第一傳感器和第二傳感器彼此相鄰地被布置。
[0019] -擴展方案在于，支承體是襯底(Substrat)。
[0020] 也有一構(gòu)建方案是：支承體被布置在芯片(Chip)或者層壓部(Laminat)之上或者 之中。
[0021] 該層壓部可以包括尤其是芯片、框架（引線框架（Leadframe))和/或塑料套 (Plastik-Ummantelung)〇
[0022] 此外，一構(gòu)建方案是:第一傳感器和/或第二傳感器具有如下的組成部分： 一至少一個n摻雜的或者p摻雜的器件(尤其是電阻、二極管或者晶體管）； 一由至少兩個電阻構(gòu)成的串聯(lián)電路； 一兩個電阻，其中所述電阻中的一個基本上正交于另一個電阻地被布置。
[0023]也有一擴展方案:支承體具有用于確定第三信號的第三傳感器，所述第三信號基 于在第一法向應力分量和第二法向應力分量的平面中的剪應力（Schubspannung)。
[0024] 針對該解決方案也給出了一種用于減小基于機械應力的干擾的電路，所述電路包 括： 一用于基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之和確定第一信號的第一傳感 器， 一用于基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之差確定第二信號的第二傳感 器， 一被設(shè)立為以便基于第一信號和第二信號來減小由機械應力所引起的干擾的處理單 J L 〇
[0025] 該電路尤其是可以使用這里所描述的支承體連同該處理單元，以便減小或補償由 機械應力所引起的干擾。在這種情況下要注意的是，"補償"在這里所描述的情況下也包括 部分補償。因此，由機械應力所引起的效應可以完全地或者部分地被補償。
[0026] 一選項（Option)在于，第一傳感器和第二傳感器具有至少一個共同的器件（例如 電阻兀件、晶體管等等）。
[0027] 一構(gòu)建方案是:第一法向應力分量和第二法向應力分量平行于芯片的表面地被取 向。
[0028]尤其是這里所描述的電路被布置在該芯片上。
[0029]此外，一構(gòu)建方案是:該處理單元被設(shè)立為以便基于第一信號和第二信號來提供 控制信號，依據(jù)所述控制信號，可以至少部分地減小至少一個電子器件的由機械應力所引 起的干擾。
[0030] 該干擾涉及所述至少一個電子器件。通過這里所描述的傳感器(第一和第二傳感 器），可能確定對所述至少一個電子器件的干擾負責的機械應力。通過對干擾的認知可以進 行后置處理或者預處理，使得所述由至少一個電子器件提供的信號(大致)就好像機械應力 不存在(或者幾乎不存在)似的。因此，可以有效地減小(通過機械應力引起的）該干擾對所 提供的信號的效應。
[0031] 在這種情況下要注意的是，"干擾被減小/減小了"的表達暗含地包括：由該干擾所 引起的效應被減小/減小了。就這方面來說，沒有涉及減小出現(xiàn)的機械應力本身，而是涉及 減弱由所述機械應力所引起的效應、即干擾。
[0032] 附加地，一構(gòu)建方案是:所述至少一個電子器件包括如下中的至少一個： 一測量傳感器， 一壓力傳感器， 一尤其是包括霍爾板的霍爾傳感器， 一振蕩器、尤其是弛張振蕩器， 一電壓源、尤其是基于帶隙的恒壓源， 一電流源、尤其是恒流源， 一溫度傳感器。
[0033]也有一擴展方案是:該處理單元被設(shè)立為以便基于第一信號和第二信號的線性組 合或者非線性組合來減小由機械應力所引起的干擾。
[0034] 另一擴展方案在于，該電路此外還以如下方式被實施： 一具有用于確定第三信號的第三傳感器，所述第三信號基于在第一法向應力分量和 第二法向應力分量的平面中的剪應力， 一其中該處理單元被設(shè)立為以便基于第一信號、第二信號和第三信號來減小由機械 應力所引起的干擾。
[0035] 第三信號例如與在如下平面中的剪應力成比例:所述平面由芯片的表面確定或者 平行于該表面地被取向。例如，第一法向應力分量在x方向上走向，而第二法向應力分量在y 方向上走向。接著，這里所提到的剪應力示例性在x-y平面中走向。
[0036] 相對應地，另外的（附加的）傳感器也是可采用的，依據(jù)所述另外的（附加的）傳感 器，其它的剪應力或者法向應力被測量。這些傳感器的信號可以被用于減弱由機械應力所 產(chǎn)生的干擾。
[0037]這里所提到的處理單元尤其是可以被實施為處理器單元和/或至少部分地被固定 布線的（festverdrahtet)或者邏輯的電路裝置，所述處理器單元和/或電路裝置例如被設(shè) 立為使得該方法如在這方面所描述的那樣是可執(zhí)行的。提到過的處理單元可以是或者包括 每種類型的具有相對應地必需的外圍（存儲器、輸入/輸出接口、輸入一輸出設(shè)備等等)的處 理器或者計算器或者計算機。
[0038] 前面的涉及這些設(shè)備(支承體、電路）的闡述相對應地適用于方法。相應的設(shè)備可 以在一個部件中或者分布到多個部件上地被實施。
[0039] 附加地，建議了一種具有如下步驟的方法： 一借助于第一信號并且借助于第二信號減小由機械應力所引起的干擾， 一其中第一傳感器的第一信號基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之和被確 定，并且 一其中第二傳感器的第二信號基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之差被確 定。
[0040] 按照一擴展方案，該方法此外還包括步驟： 一基于第一信號和第二信號提供控制信號，其中依據(jù)該控制信號，至少一個電子器件 的由機械應力所引起的干擾可以至少部分地被減小。
[0041] -構(gòu)建方案在于，所述至少一個電子器件包括至少一個用于檢測物理量的傳感 器。
[0042] 另一構(gòu)建方案是:所述至少一個電子器件包括電路。
[0043] 附加地，上面的任務(wù)借助于一種設(shè)備被解決，該設(shè)備包括： 一用于借助于第一信號并且借助于第二信號減小由機械應力所引起的干擾的裝置， 一其中第一傳感器的第一信號基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之和被確 定，并且 一其中第二傳感器的第二信號基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之差被確 定。
【附圖說明】
[0044] 上面所描述的特性、特征和優(yōu)點以及如何實現(xiàn)這些特性、特征和優(yōu)點的方式和方 法與下面的對實施例的示意性描述相關(guān)聯(lián)地繼續(xù)被實施，所述實施例與附圖相關(guān)聯(lián)地進一 步被闡明。在此，為了清楚起見，相同的或者起相同作用的要素可以被配備有相同的參考符 號。
[0045]圖1示出了用于確定信號Sp的示例性電路，所述信號Sp與在芯片表面上、在芯片表 面中或者沿著芯片表面的法向應力分量之和成比例； 圖2示出了用于確定信號Sm的兩個橫向布置的電阻的示例性裝置，所述信號Sm與在芯 片表面上、在芯片表面中或者沿著芯片表面的法向應力分量之差成比例； 圖3示出了用于確定信號Sm的四個橫向地以惠斯登電橋的形式被布置的電阻的示例性 裝置，所述信號Sm與在芯片表面上、在芯片表面中或者沿著芯片表面的法向應力分量之差 成比例； 圖4示出了兩個橫向布置的電阻的示例性裝置，所述兩個橫向布置的電阻相比于圖2旋 轉(zhuǎn)了 45度并且被用于確定與機械剪應力〇xy有關(guān)的信號； 圖5示出了四個橫向地以惠斯登電橋的形式被布置的電阻的示例性裝置，所述電阻相 比于圖3旋轉(zhuǎn)了 45度并且被用于確定與機械剪應力〇xy有關(guān)的信號； 圖6示出了針對用于減弱機械應力對測量結(jié)果的影響的補償電路的示例性電路裝置。
【具體實施方式】
[0046]機械應力〇是每單位面積的力，所述每單位面積的力在所設(shè)想的截面中通過物體 (Koerper)、液體或者氣體起作用。
[0047] 應力張量是二階張量，所述二階張量描述了在通過在物質(zhì)之內(nèi)的確定的點的任意 定向的截面中的力傳遞。該應力張量的分量有力每面積的量綱，針對所述力每面積的量綱， 在固體力學中例如單位通常是兆帕(MPa)，對應于牛頓每平方毫米(N/mm 2)。在經(jīng)過該物質(zhì) 的所設(shè)想的截面中，在想象中被切去的物質(zhì)對剩余的物質(zhì)施加每單位面積的力，所述每單 位面積的力作為向量由一個法向應力分量〇 nn(與截面t成直角地起作用)和兩個剪應力分量 〇tn(在截面t中起作用）組成（參見例如http://de.wikipedia.org/wiki/ Spannungstensor)。所述剪應力分量也利用Ttn被標明。在此，第一索引（Index)詳細說明面 法線的方向，而第二索引詳細說明力的方向。因此，法向應力分量有相同的索引，剪應力分 量有不同的索引。
[0048] 機械應力因此是具有六個獨立的分量的張量： Y去向 力:〇xx、〇yy和， 剪應力:〇xy、〇xz取l〇yz。
[0049] 感興趣的尤其是在芯片表面上或者在芯片表面旁邊起作用的機械應力，所述芯片 表面位于電器件上。該芯片表面是x-y平面，因而Z軸垂直于芯片表面。
[0050] 在很多應用中，該芯片相對于它的高度有大的面積，也就是說在x和y方向上的尺 寸相比于在z方向上的伸展是大的。示例性的芯片有2mm乘3mm的芯片面積和0.2mm的高度 (在z方向上的伸展）。該芯片在殼體中示例性地被粘接或者被焊接到框架（引線框架)上，其 中該框架同樣扁平地被實施（即在z方向上具有微小的伸展）。所述具有框架的芯片被塑料 套上，整個結(jié)構(gòu)因此也可以被視為層壓部。由芯片、框架和塑料構(gòu)成的層壓部具有相比于z 高度(厚度)大的x_y面積。
[0051 ] 因此，按照圣維南（St. Venant)原理，在芯片表面上，以距邊緣的間距（其中該間 距大于芯片的高度(厚度））適用:法向應力〇xx和〇yy相對于剩下的應力分量占主導。此外，在 芯片的角附近，剪應力〇 Xy可有重要的意義。因此，隨后尤其是應力〇XX、〇yy和〇Xy被考慮。
[0052]公知的應力補償電路有如下缺點：不能確定任意的機械應力分量。例如，利用公知 的方法不可能確定法向應力分量0XX、機械應力的線性組合〇XX+l .349 ? 〇yy或者機械應力的 機械平方和(0xx)2+(〇yy)2。
[0053] 存在眾多的應用情況，在所述應用情況中電路（不僅是傳感器電路)使用如下器 件:所述器件不僅與作為法向應力分量之和的機械應力〇 xx+〇yy有關(guān)，而且與其它的不可忽 略的機械應力分量有關(guān)。
[0054] 例如，可以利用長的N-M0S晶體管實現(xiàn)具有微小的消耗功率的振蕩器。在此，N-M0S 晶體管的電流強度(Stromergiebigkeit)0與作用于它的機械應力有關(guān)：
前面的公式尤其是適用于具有在[:1:10]方向上的通過電流方向的N-M0S晶體管。在這 種情況下，針對低n摻雜的硅的壓阻系數(shù)被假定為系數(shù)。
[0055] 系數(shù)例如要在Yozo Kanda的 "Piezoresistance effect of silicon(娃的壓阻效 應)"（Sensors and Actuators(傳感器與執(zhí)行機構(gòu))A卷，28( 1991年），第83-91頁）中被找到 并且對于低的n摻雜內(nèi)容是：
或?qū)τ诘偷腜摻雜內(nèi)容是：
[0056]對于電阻的方向關(guān)系適用：
其中a標明在x軸（[-1，1，0])和電阻之間的角度。7軸（[-1，-1，0])對應于角度€1 = + 90。。
[0057]這里所提到的百分比數(shù)值示例性地適用于低摻雜的n區(qū)域(ND〈1018/cm 3);對于在n 溝道中的較高的載流子密度，該數(shù)值在數(shù)額方面可以變得更小。
[0058] 如果晶體管（例如晶體管的電流強度)和由此在本例中所提到的振蕩器的頻率基 本上應該與機械應力無關(guān)，那么首先有利的是，單個地確定機械應力〇 xx、〇yy，以便以前面所 提到的方式將這些機械應力組合并且根據(jù)其生成補償信號（也參見圖6)，依據(jù)所述補償信 號可跟振蕩器頻率與機械應力的關(guān)系相反地起作用。
[0059] 此外還存在如下器件:所述器件的特性非線性地與對其產(chǎn)生影響的機械應力有 關(guān)。例如，對于雙極晶體管公知的是:這些特性不僅與機械應力〇 xx+〇yy有關(guān)，而且與機械應 力的向量積0xx ? Oyy有關(guān)，以及與機械應力的平方和(〇xx)2~K〇yy)2有關(guān)。
[0060] 因此必要的是：也可以借助于（多個)應力傳感器單個地提供機械應力分量~4口 C%，以便可以執(zhí)行適當?shù)难a償。
[0061] 此外，存在用于隔離在芯片上的相鄰器件的技術(shù)，所述技術(shù)使用所謂的深溝槽 ("deep trench"）。這樣，例如一個器件或者一組器件可以被環(huán)形的溝槽結(jié)構(gòu)包圍，以便將 其與被設(shè)置在芯片上的電路的剩余電路電隔離。在這種情況下，首先(例如有25wii深度的） 深溝槽被蝕刻到原材料中，此后用薄的介電層覆蓋溝槽的側(cè)壁。最后，所述溝槽例如用多晶 硅填充。所述溝槽的填充材料有不同于原材料的機械特性參數(shù)，即帶有不同于原材料的熱 膨脹系數(shù)(CTE= "Coefficient of Thermal Expansion"）的另一彈性模量(也被稱作E模量 或者楊氏模量）。這以具有機械應力的復雜的局部分布的總復合物(Gesamtverbund)的過大 張力為條件。特別是當半導體芯片的厚度只還是溝槽深度的2至4倍時，也就是說當芯片被 磨?。ǖ?00M1或者更?。r，那么該效應影響可出現(xiàn)。如果例如在x和y方向上、即平行于芯 片的棱邊的溝槽長度是不一樣長和/或?qū)挘蛉绻鄳碾娖骷挠性磪^(qū)域距在x和y方向 上的最近的溝槽的間距不一樣大，那么該器件由此可與在該器件的活躍的（aktive)位置 "a"上的機械應力 〇xx_a + 〇yy_a有關(guān)。反之，測量想在與該活躍的位置a不同的測量位置m上進 行，并且提供機械應力分量〇 XX_m和〇yy_m。
[0062] 在可在器件的位置a上至少部分地補償機械應力的效果之前，目標是要知道機械 應力〇xx_a十〇 yy_a。然而，該機械應力只可以在(測量的）傳感器的位置m上被確定。當然，可以 以一定的方式從在測量的位置m上的機械應力(例如借助于線性近似)如下地回推出在器件 的位置a上的機械應力： 〇xx_a 〇yy_a -kx ? 〇xx-m-!-ky ? 〇yy-m， 其中kx矣ky。如果該芯片例如由于深溝槽而在橫向的方向上應該是不均勻的，則這主 要適用。反之，如果該芯片不具有溝槽并且因此在直線方向上(盡可能地)均勻的材料，那么 以足夠的近似也可以適用kx=ky。
[0063] 因此有利的是:可以單個地確定機械應力分量〇xx_jP〇yy_m，以便接著可以例如將任 意的線性組合kx ? 〇xx_m + ky ? 〇yy_m計算為〇xx_a + 〇yy_￡^近似值(估計值）。
[0064] 因此，〇xx_m和〇yy_m是在測量的位置m上的在X和y方向上的法向應力分量，而〇 xx_a和 0yy_a是在要補償?shù)钠骷幕钴S的位置a上的在X和y方向上的法向應力分量。傳感器在位置m 上沒有測量實際的對在位置a上的器件起作用的機械應力，當然可以通過在位置m和a上的 機械應力的確定性的(deterministisch)親合來實現(xiàn)具有進行修正的因子k的補償。在這種 情況下要注意的是，"補償"涉及對通過機械應力對器件起作用的效應的至少部分的或者也 完全的均衡(Ausgleich)。這樣，遭受機械應力的器件的特性的改變可以至少部分地被考慮 并且借助于補償電路被均衡。
[0065] 例如，霍爾探針(Hallsonde)被放置在其上的活躍的位置a在深溝槽的左側(cè)20lim 處。然而，應力傳感器位于深溝槽的右側(cè)10M1的位置m上。在這兩個位置a和m上的機械應力 不一致，然而按照如下關(guān)系可以使用這些位置的剛性耦合： 〇xx_a〇yy_a -k2 ? ( 〇xx-m-!-kl ? 〇yy-m)，kl 矣 1， 也就是說應力張量的x和y分量變得不是相同的，而是在遠離測量的位置m的情況下朝 向有源位置a不同程度地強烈改變。
[0066]例如可以（通過在實驗室中的一系列實驗)憑經(jīng)驗確定進行修正的因子h、k2的值。 這些值可以作為固定的或者可編程的系數(shù)被提供給補償電路。
[0067] 這里所建議的解決方案使得能夠單個地確定機械應力且基于此提供 (線性)組合： k2 ? (〇xx-m+kl ? 〇yy-m)〇
[0068] 尤其被建議的是:基于兩個信號確定機械應力分量〇xx和〇yy的任意組合(也就是說 機械應力的兩個組合），也就是 (1) f目號Sp = 〇xx+〇yy，和 (2) -〇xx 〇yyo
[0069]用于確定Sp的機械應力傳感器和用于確定Sm的機械應力傳感器是公知的。在這種 情況下，有利地采用如下傳感器:所述傳感器允許具有高靈敏度的測量以及具有由溫度波 動或制造公差所決定的微小的誤差。
[0070] 在這種情況下要注意的是，所介紹的解決方案允許基于信號Sp和Sm的任意的（線 性)組合，以便實現(xiàn)對由機械應力所引起的干擾的至少部分的補償。
[0071] 例如，可以將例如信號Sp和Sm的如下組合之一考慮用于減小干擾： ki ? Sp + k2 ? Sm ki ? Spel + k2 ? Sme2 (ki ? Sp + k2 ? Sm)e1。
[0072]在這種情況下，lu、k2是正的或者負的實數(shù)值系數(shù)，而el、e2是正的或者負的實數(shù)值
[0073] 例如，可以實現(xiàn)減小干擾，其方式是對應于沒有被補償?shù)妮敵鲂盘柕男盘朣1按照 如下式子被乘以由信號Sp和Sm構(gòu)成的被增多了值1的組合： Slc〇mp = Sl ? (H~ki ? Sp-|-k2 ? Sm)〇
[0074] 這對應于乘性補償(multipiikative Kompensation)。例如，弛張振蕩器的振蕩器 頻率通過提高在芯片表面上的機械法向應力分量而升高了3%，因為給弛張振蕩器的電容 再充電的電流由于對電路的確定該電流的那部分產(chǎn)生影響的機械應力而變大了 3%。在這 樣一種情況下，可以通過"電流放大器"、例如電流鏡來處理電流，所述電流放大器的放大因 數(shù)與 1 + ki ? Sp + k2 ? Sm 成比例。在這種情況下，系數(shù)k#Pk2被選擇為使得放大因數(shù)由于產(chǎn)生影響的機械應力 而被減小了 3%并且這樣跟機械法向應力分量的提高相反地起作用。因此，以有針對性的方 式使得電流放大器的放大因數(shù)與信號Sp和Sm有關(guān)，以便由此抵制由機械應力所決定的電流 提尚。
[0075] 除了乘性補償以外，也可以采用按照下式的加性補償： Slc〇mP = SH-ki ? Sp-|-k2 ? Sm〇
[0076]在這種情況下，沒有被補償?shù)妮敵鲂盘朣1與由Sp和Sm構(gòu)成的組合不是相乘地、而 是相加地相結(jié)合。這樣的補償?shù)膬?yōu)點是:測量橋的零點誤差由于產(chǎn)生影響的機械法向應力 分量而形成并且因此可以有利地通過相對應的減法而至少按份額地被消除。
[0077] 用于確定Sp的應力傳感器 用于確定Sp的機械應力傳感器例如在US 7，980,138 B1中或者在US 2012/0210800 A1 中被描述。
[0078] 例如，可以采用至少兩個不同摻雜的電阻性器件:在一實例中可以將n摻雜的電阻 與P摻雜的電阻相比較;在另一實例中可以將匪0S晶體管與PM0S晶體管相比較;在還又一實 例中可以將低摻雜的n電阻與高摻雜的n電阻相比較。
[0079] 可替換地，可以將至少一個橫向地起作用的電阻性元件與至少一個縱向地起作用 的電阻性元件相比較。在這種情況下，所述橫向地起作用的電阻性元件基本上具有平行于 芯片表面的通過電流，而所述縱向地起作用的電阻性元件基本上具有垂直于芯片表面的通 過電流。
[0080] 圖1示出了具有電壓源101的示例性電路，所述電壓源101在運算放大器102的非反 相輸入端和接地之間提供電壓U0。運算放大器102的輸出端與匪0S 104的柵極端子相連。 匪0S 104的源極端子與運算放大器102的反相輸入端相連。在NM0S 104的源極端子和接地 之間設(shè)置有電阻裝置105。
[0081]電壓U0借助于具有運算放大器102和匪0S 104的反饋裝置而被復制到電阻裝置 105上。經(jīng)過電阻裝置105的電流被NM0S 104耦合輸出（auskoppeln)并且通過可調(diào)整的電流 鏡103被注入到電阻裝置106。
[0082]電流鏡103的輸入端與NM0S 104的漏極端子相連，而電流鏡103的輸出端通過電阻 裝置106與接地相連。
[0083]電壓Sp附在NM0S 104的源極端子和電流鏡103的輸出端之間。為了平衡 (Abgleich)，可以調(diào)節(jié)所述可調(diào)整的電流鏡103,使得電壓Sp變?yōu)榱恪?br>[0084] 因此，按照圖1的電路將電阻裝置105和106的電阻進行比較。如果對電阻裝置105 和106產(chǎn)生影響的機械應力改變，那么它們的阻值之比改變，因為電阻裝置105有不同于電 阻裝置106的與機械應力的關(guān)系，而且電壓Sp偏尚零，更確切地說與機械應力分量〇xx + 〇yy、 即在芯片表面中的法向應力之和成比例。
[0085] 例如，電阻裝置105可以具有兩個以L形布局（即例如在芯片表面的平面中在x和y 方向上相互垂直）的橫向電阻。相對應地，電阻裝置106可以具有兩個以L形布局的橫向電 阻。電阻裝置105的橫向電阻可以具有第一摻雜，而電阻裝置106的橫向電阻可以具有第二 摻雜。尤其是，第一摻雜可以不同于第二摻雜。
[0086] -選項在于，電阻裝置105具有兩個以L形布局的橫向電阻，而電阻裝置106具有縱 向電阻（即具有在 z方向上的通過電流方向的電阻）。
[0087] 因為在實踐中經(jīng)常很難在半導體襯底的深度中安置接觸部，以便由此將（唯一地 或基本上）垂直的通過電流親合輸入(einkoppeln)到電阻元件中，所以替代于其地可以將 至少兩個接觸部接近半導體襯底的表面地布置，使得通過電流線呈現(xiàn)顯著的弧形，也就是 說通過電流線類似于在從一個接觸部到襯底的深度中并且又回到第二接觸部所在的表面 的弧中的半圓地走向。
[0088] 弧形的通過電流線對于由水平的和垂直的通過電流線構(gòu)成的混合物是意義相同 的，所述水平的和垂直的通過電流線的混合物通過弧的拉伸(Streckung)而變化。以這種方 式，例如可以制造這兩個具有技術(shù)上相同的槽（和因此相同的摻雜分布 (Dotierungsprofile))的電阻元件105和106,其中在第一電阻元件中的這些接觸部比在第 二電阻元件中的這些接觸部進一步毗鄰。由此，在第二電阻元件中的通過電流線的弧形比 在第一電阻元件中的更多地朝水平面被拉伸，使得有效的縱向的通過電流份額在這個兩電 阻元件中有所不同。因此，通過機械應力對這兩個電阻元件的電阻的影響也有所不同。
[0089] 優(yōu)選地，電阻裝置105和106被放置為使得可能發(fā)生的溫度變化導致電阻比例沒有 或者只是盡可能微小地改變。必要時，電壓Sp可以也圍繞溫度關(guān)系被澄清。對此，在圖1中， 電壓U0(作為控制電壓）具有至少部分地進行補償?shù)臏囟葰v程(Temperaturgang)。也有用于 對溫度影響至少按份額地補償?shù)倪x項：電壓Sp被檢測并且被乘以與溫度有關(guān)的因子。
[0090] 用于確定Sm的應力傳感器 用于確定Sm的機械應力傳感器可以如下面那樣被實現(xiàn):例如可以布置兩個橫向的電阻 裝置，使得出現(xiàn)基本上相互垂直地流動的電流。
[0091] 這兩個電阻裝置也可以串聯(lián);在這種情況下，相同的電流流經(jīng)這兩個電阻裝置(這 對應于半橋）。在這兩個串聯(lián)的電阻裝置之間的節(jié)點上的電勢在被校準的狀態(tài)下在等大的 電阻情況下對應于大約一半的電壓，所述一半的電壓降落在這兩個電阻裝置上。與所述一 半的電壓的偏差基本上與Sm成比例。
[0092] 這兩個串聯(lián)的電阻裝置在所有情況下都可以具有至少一個電阻。這兩個電阻裝置 可以有相同的電阻值或者不同的電阻值。例如，第一電阻裝置可以具有為3千歐姆的電阻 值，而第二電阻裝置可以具有為1千歐姆的電阻值。如果沒有機械應力作用到這兩個電阻裝 置上，那么在半橋的節(jié)點上得到為串聯(lián)電路的總電壓的:1/4或3/4.的分配。
[0093] 也有一實例:將電流注入到兩個相互垂直地被布置的橫向的n摻雜的電阻。在這種 情況下，在這兩個電阻上的電壓之差與Sm成比例。
[0094]圖2示出了兩個橫向地被布置的電阻201和202的示例性裝置。電阻201示例性地被 布置在y方向上，而電阻202示例性地被布置在x方向上。
[0095] 電阻201被布置在端子203和節(jié)點204之間，而電阻202被布置在節(jié)點204和接地之 間。供電電壓Vin附在節(jié)點203上，在節(jié)點204上量取輸出電壓Vout。在圖2中示出的裝置是半 橋。電阻201和202具有例如摻雜為ND〈1018/cm3的弱n摻雜的硅。
[0096]在圖2中所示出的實例中，電阻201的通過電流方向平行于密勒指數(shù)(Millerscher Index)[:ll0]。因此它的電阻值與機械應力的關(guān)系計為：
[0097]電阻202的通過電流方向平行于密勒指數(shù)[:il0]。它的電阻值與機械應力的關(guān)系被 得到為：
[0098]由此，（尤其是在用于不太大的機械應力的線性近似中）對于輸出電壓Vout與供電 電壓Vin之間的比來說得出：
[0099]圖3示出了四個橫向地以惠斯登電橋(也稱作全橋)的形式被布置的電阻301、302、 303和304的示例性裝置。電阻301和302示例性地被布置在y方向上，而電阻303和304示例性 地被布置在x方向上。
[0100]在圖3中所示出的全橋的情況下，電流在第一方向上流經(jīng)電阻301和302,而電流在 第二方向上流經(jīng)電阻303和304,其中第一方向和第二方向相互垂直。
[0101] 電阻301被布置在端子307和節(jié)點305之間，電阻302被布置在節(jié)點306和接地之間， 電阻303被布置在節(jié)點307和節(jié)點306之間，而電阻304被布置在節(jié)點305和接地之間。供電電 壓Vin附在節(jié)點307上。在節(jié)點305和306之間量取輸出電壓Vout。
[0102]在圖3中所示出的實例中，電阻301至304的通過電流方向平行于如下的密勒指數(shù)： 一電阻301 和302: [110]， 一電阻303和304: [il0]。
[0103] 如果電阻301至304具有例如摻雜為ND〈1018/cm 3的弱n摻雜的硅，那么輸出電壓 Vout被得到為：
[0104] 如果電阻301至304具有例如摻雜為NA〈l〇18/cm 3的弱p摻雜的硅，那么輸出電壓 Vout被得到為：
[0105] 在所述實例中，尤其是涉及（loo)硅，也就是說芯片表面是（mo)平面并且因此與 [wo ]方向垂直。在（1〇〇)晶片的常用的定向的情況下，矩形的芯片沿著]和[ip]方向 從該晶片中被鋸開。X和y方向標明芯片坐標系并且平行于芯片棱邊。
[0106] 通過將在圖2和圖3中所示出的電阻旋轉(zhuǎn)45度可以實現(xiàn)：可確定的不是機械應力 〇xx-〇yy而是機械應力〇 xy。在這種情況下可以采用n摻雜的電阻，以便針對機械應力〇xy實現(xiàn) 較高的靈敏度，而P摻雜的電阻允許針對機械應力- Oyy的較高的靈敏度。示例性地使用 低的n或p摻雜，其中高摻雜也是可能的。
[0107] 圖4示出了兩個橫向地被布置的電阻401和402的示例性裝置。電阻401示例性地相 對于在x-y平面中的x軸旋轉(zhuǎn)了 45度，而電阻402與之正交地被布置。
[0108] 電阻401被布置在端子403和節(jié)點404之間，而電阻402被布置在節(jié)點404和接地之 間。供電電壓Vin附在節(jié)點403上，在節(jié)點404上量取輸出電壓Vout。圖4中所示出的裝置是半 橋。電阻401和402具有例如摻雜為N D〈1018/cm3的弱n摻雜的硅。
[0109] 在圖4中所示出的實例中，電阻401的通過電流方向平行于密勒指數(shù)[100 ]。它的電 阻值與機械應力的關(guān)系因此計為：
[0110] 電阻402的通過電流方向平行于密勒指數(shù)[|_|10]。它的電阻值與機械應力的關(guān)系 被得到為：
[0111] 由此，（尤其是在用于不太大的機械應力的線性近似中）對于輸出電壓Vout與供電 電壓Vin之間的比來說得出：
[01口」 圖5不出J四個橫冋地以患斯登電析C也稱作全析）的形式骰布宣的電阻501、502、 503和504的示例性裝置。電阻501和502示例性地相對于在x-y平面中的x軸旋轉(zhuǎn)了45度，而 電阻503和504與之正交地被布置。
[0113] 在圖5中所示出的全橋的情況下，電流在第一方向上流經(jīng)電阻501和502,而電流在 第二方向上流經(jīng)電阻503和504,其中第一方向和第二方向相互垂直。
[0114] 電阻501被布置在端子507和節(jié)點505之間，電阻502被布置在節(jié)點506和接地之間， 電阻503被布置在節(jié)點507和節(jié)點506之間，而電阻504被布置在節(jié)點505和接地之間。供電電 壓Vin附在節(jié)點507上。在節(jié)點505和506之間量取輸出電壓Vout。
[0115] 在圖5中所示出的實例中，電阻501至504的通過電流方向平行于密勒指數(shù)： 一電阻501 和502: [100]， 一電阻503和504: [GlCi]。
[0116] 如果電阻501至504具有例如摻雜為ND〈1018/cm 3的弱n摻雜的硅，那么輸出電壓 Vout被得到為：
[0117] 其它實施形式和優(yōu)點 除了電阻以外，也可以將晶體管、尤其是M0S晶體管用作用于探測機械應力的傳感器。 在這種情況下，可以充分利用機械應力與多數(shù)載流子的移動性有關(guān)的效應。
[0118] 例如，兩個M0S晶體管可以被放置為使得相應的經(jīng)過M0S晶體管的通過電流相互垂 直地走向。在此，這兩個M0S晶體管優(yōu)選地平行于芯片表面地被布置。此外，M0S晶體管的柵 極端子可以彼此相連，并且M0S晶體管的源極端子可以彼此相連。如果現(xiàn)在電流通過源極端 子被輸送給所述M0S晶體管（在匪0S晶體管的情況下被導入，在PM0S晶體管的情況下被引 出），那么基于所述M0S晶體管的W/L比(W:空間電荷區(qū)的寬度;L:空間電荷區(qū)的長度)得到它 們的漏極電流(流過漏極端子的電流)之比。如果這兩個M0S晶體管的W/L比相同，那么所述 漏極電流之比與如下信號成比例： 1 + k ? Sm, 其中k ? Sm相對于1是小的。換句話說，電流鏡比在相同的W/L比的情況下接近于值1，并 且只有與值1的微小的偏差受機械應力影響。
[0119] 該方法尤其是對于具有平行于密勒指數(shù)[11:0]和的通過電流方向的晶體管 是有利的。尤其是壓電系數(shù)k在PM0S晶體管的情況下相對大。
[0120] 如果經(jīng)過晶體管的通過電流方向在[:106 ]和[010 ]方向上走向，那么所述電流鏡 比與1 + k ? %成比例，其中在使用NM0S晶體管的情況下，所述壓電系數(shù)k是特別有利(大） 的。
[0121] 可以將這樣的包括兩個M0S晶體管的裝置作為電流鏡運行。可替換地，這兩個M0S 晶體管可以被用作運算放大器的被短接的差分輸入端。這些實例可以與級聯(lián)(例如包括至 少兩個用于放大的晶體管的級聯(lián)電路）和/或與在源極端子上的負反饋電阻 (Degenerationswiderstand)相組合。這樣的負反饋電阻可以被實施為具有相互正交的通 過電流方向的橫向電阻。如果也使用這樣布置的負反饋電阻，那么可以根據(jù)機械應力〇 xx - (%實現(xiàn)輸出電流比的高靈敏度。
[0122] 例如，如在 H ? Ki tte 1 等人的 "No ve 1 Stre ss Measurement System for Evaluation of Package Induced Stress"（發(fā)表于：Integration Issues of Miniaturized Systems-M0Ms，M0EMS，ICS and Electronic Components(SSI)，2008年第 二屆歐洲會議及展覽，2008年4月9至10日，第1至8頁，西班牙，巴塞羅那，ISBN 978-3-8007-3081 -0，出版商:VDE)中所描述的電流鏡可以被用于本方法。
[0123] 兩個M0S晶體管也可以作為如在岳瑞峰等人的"M0S力敏運算放大器（Stress- sensitive MOS Operational amplifier)"（清華大學微電子學研究所，中國，北京， 100084,電子學報(ATCA ELECTRONICA SINICA)，第29卷，第8期，2001年8月）中所描述的運 算放大器的輸入級被采用。
[0124] 圖6示出了針對用于減弱機械應力對測量結(jié)果的影響的補償電路的示意性的電路 裝置。
[0125] 就這方面來說，可以至少部分地補償機械應力對器件(或包括多個器件的電路)的 影響。
[0126] 示例性地，該電路裝置具有兩個電路部分610和611，其中這些電路部分也可以（部 分地或者完全地)被集成到一個電路中。測量傳感器605基于物理量607確定測量信號612。 例如，測量信號612可以是霍爾電壓，所述霍爾電壓由作為測量傳感器605的霍爾傳感器基 于附上的作為物理量607的磁場而被確定。在這種情況下，測量傳感器605不僅遭受要測量 的物理量607而且遭受機械應力602,由此所述測量信號612被干擾。為了減小或（至少部分 地)補償該干擾，設(shè)置有探測機械應力601的機械應力傳感器603。機械應力傳感器603優(yōu)選 地包括用于基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之和確定第一信號的第一傳感器 和用于基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之差確定第二信號的第二傳感器。
[0127] 機械應力601和作用于測量傳感器605的機械應力602遭到確定性的耦合(通過箭 頭614表示），也就是說可以使用在機械應力603的位置上出現(xiàn)的機械應力601，以便減小測 量傳感器605的由機械應力602所引起的干擾。
[0128] 對此，機械應力601由機械應力傳感器603檢測，由處理單元604適當?shù)仡A加工 (aufberei ten)并且作為控制信號608被提供給處理單元606。處理單元606根據(jù)測量信號 612并且根據(jù)控制信號608確定被補償?shù)妮敵鲂盘?09。可選地，可以省去處理單元604,并且 機械應力傳感器603可以將它的信號提供給處理單元606(通過連接613表示）。
[0129] 作為補充地要注意的是，可以將這里所建議的補償用于測量傳感器605或者任意 的構(gòu)件或任意的電路。就這方面來說，測量傳感器605只能被看作可能的實例。代替測量傳 感器605或者除了測量傳感器605以外，例如可以設(shè)置下列部件中的至少一個:參考電壓源、 參考電流源、振蕩器(作為參考頻率源）、時鐘或任意的定時器。
[0130] 例如，對于必需參考頻率源(也就是說頻率標準）的應用來說，可以節(jié)省到目前為 止普遍的石英并且替代于其地可以采用這里所建議的補償電路。在沒有石英的情況下，在 芯片中的較高的集成度是可能的。
[0131] 另一實例涉及(可再充電的）電池，所述電池應該用精確的電壓來充電，以便優(yōu)化 其使用壽命。高度精確的充電電壓要求相對應地精確的參考電壓。也可以將這里所介紹的 補償電路用于此。
[0132] 用于補償外部的機械應力對集成電路的物理功能參數(shù)的影響的補償電路也在DE 101 54 495 B4或US 6,906,514 B1 中被描述。
[0133] 盡管本發(fā)明已經(jīng)詳細地通過所述至少一個所示出的實施例進一步被闡明并且被 描述，但是本發(fā)明并不限于此，而且其它的變型方案可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員從中得出，而不 離開本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 電子電路的支承體，其 一具有用于基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之和確定第一信號的第一傳 感器， 一具有用于基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之差確定第二信號的第二傳 感器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的支承體，其中，第一法向應力分量和第二法向應力分量平行于 支承體的表面地被取向。3. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的支承體，其中，所述第一傳感器和所述第二傳感器被 布置在共同的位置上。4. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的支承體，其中，所述第一傳感器和所述第二傳感器彼 此相鄰地被布置。5. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的支承體，其中，所述支承體是襯底。6. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的支承體，其中，所述支承體被布置在芯片或者層壓部 之上或者之中。7. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的支承體，其中，所述第一傳感器和/或所述第二傳感器 具有如下組成部分： 一至少一個η摻雜的或者p摻雜的器件、尤其是電阻、二極管或者晶體管； 一由至少兩個電阻構(gòu)成的串聯(lián)電路； 一兩個電阻，其中所述電阻中的一個基本上正交于另一個電阻地被布置。8. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的支承體，其具有用于確定第三信號的第三傳感器，所 述第三信號基于在第一法向應力分量和第二法向應力分量的平面中的剪應力。9. 用于減小基于機械應力的干擾的電路，其包括 一用于基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之和確定第一信號的第一傳感 器， 一用于基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之差確定第二信號的第二傳感 器， 一處理單元，所述處理單元被設(shè)立為以便基于第一信號和第二信號來減小由機械應 力所引起的干擾。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電路，其中，所述第一法向應力分量和所述第二法向應力分 量平行于芯片的表面地被取向。11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的電路，其中，所述處理單元被設(shè)立為以便基于第一信號 和第二信號來提供控制信號，依據(jù)所述控制信號，至少一個電子器件的由機械應力所引起 的干擾至少部分地能被減小。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電路，其中，所述至少一個電子器件包括如下中的至少一 個： 一測量傳感器， 一壓力傳感器， 一尤其是包括霍爾板的霍爾傳感器， 一振蕩器、尤其是弛張振蕩器， 一電壓源、尤其是基于帶隙的恒壓源， 一電流源、尤其是恒流源， 一溫度傳感器。13. 根據(jù)權(quán)利要求9至11之一所述的電路，其中，所述處理單元被設(shè)立為以便基于第一 信號和第二信號的線性組合或者非線性組合來減小由機械應力所引起的干擾。14. 根據(jù)權(quán)利要求9至13之一所述的電路， 一具有用于確定第三信號的第三傳感器，所述第三信號基于在第一法向應力分量和 第二法向應力分量的平面中的剪應力， 一其中所述處理單元被設(shè)立為以便基于第一信號、第二信號和第三信號來減小由機 械應力所引起的干擾。15. 方法，其具有如下步驟： 一借助于第一信號并且借助于第二信號減小由機械應力所引起的干擾， 一其中第一傳感器的第一信號基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之和被確 定，并且 一其中第二傳感器的第二信號基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之差被確 定。16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，所述方法此外還包括步驟： 一基于第一信號和第二信號提供控制信號，其中依據(jù)所述控制信號，至少一個電子器 件的由機械應力所引起的干擾至少部分地能被減小。17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述至少一個電子器件包括至少一個用于檢測 物理量的傳感器。18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述至少一個電子器件包括電路。19. 設(shè)備，其包括： 一用于借助于第一信號和借助于第二信號減小由機械應力所引起的干擾的裝置， 一其中第一傳感器的第一信號基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之和被確 定，并且 一其中第二傳感器的第二信號基于第一法向應力分量和第二法向應力分量之差被確 定。
【文檔編號】G01L5/16GK105910735SQ201610092489
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月19日
【發(fā)明人】U.奧瑟萊希納, M.莫茨
【申請人】英飛凌科技股份有限公司