应力传感器电路和测量机械应力的方法与流程

本公开的领域主要涉及应力传感器，并且更具体地，涉及包括被配置用于应力监测的桥接电路的应力传感器。

背景技术：

许多电气系统用半导体晶圆(包括例如但不限于硅晶圆)上制造的电子电路实现或包括半导体晶圆上制造的电子电路。半导体晶圆的加工和封装有时会在从晶圆自身切割的晶片上引入机械应力，这是由于锯切操作本身或随后的模制工艺将晶片封装在封装内。这样的应力可能影响电气系统、其电路和结构的性能。例如，封装后应力对模数转换器、数模转换器和电压基准电路的精度有显著影响。这样的应力可能进一步影响晶圆上实现的晶体管中的载流子迁移率。因此，应力传感器通常结合到电子电路中以表征作用在更大电路或片上系统(soc)上的机械应力。

传统上，这样的传感器包括例如范德堡电阻器结构或莲座布置，其中施加到半导体晶圆或基板的应力通过传感器电路的特定部件的电容或电阻的变化来感测。基板是固体表面，或晶圆，通常是平面的，在其上实现电子电路，并且可以包括例如硅、二氧化硅、氧化铝、锗、砷化镓、磷化铟或以上材料中一种或多种的一些组合。莲座布置可包括例如与应变仪中使用的那些类似的不对称蛇形几何形状。应力传感器的这些传统实现方式通常需要向传感器提供精确电流，以及精确读出电路以轮询应力测量。因此，由于对阵列中的每个应力传感器电路的精确电流供应和精确读出信号的必要路由，多个传感器或阵列的实现变得越来越复杂。一些替代实现方式包括片上电流源；然而，这样的电流源进而对所测量的机械应力敏感，并且可能导致测量误差。其他实现方式包括共享电流和电压监测接线；然而，这样的实现方式通常需要多个测量、多个仪表和/或电流和电压表之间的物理切换，所有这些都削弱了消除导线的益处。

期望具有易于操作的简单应力传感器，例如，供电和轮询，或读取或感测，并且提供高灵敏度。此外，期望具有容易排列的应力传感器以实现对大结构的测量。

技术实现要素：

根据本公开的一个方面，提供了一种应力传感器电路。应力传感器电路包括基板和设置在其上的桥接电路。桥接电路耦接在输出节点和接地节点之间。桥接电路包括第一分支和第二分支，第一分支具有第一电阻器r1，第一电阻器r1具有第一取向并且在第一中间节点处耦接到调谐电阻器rtune。第二分支包括第二电阻器r2，其具有不同于第一取向的第二取向，并且在第二中间节点处耦接到可变电阻器rvar。桥接电路包括放大器，放大器具有耦接到第二中间节点的正输入端子，以及耦接到第一中间节点的负输入端子。放大器根据施加到基板的机械应力在输出节点处产生电压输出。rvar基于电压输出是非线性可调谐的。

根据本公开的另一方面，提供了一种应力传感器阵列。应力传感器阵列包括电压源和多个桥接电路。多个桥接电路设置在相应的基板上，其中每个基板被配置为沿着至少一个维度承受相应的机械应力。多个桥接电路中的每个桥接电路并联耦接到电压源，并且每个桥接电路包括：至少一个电阻器，所述电阻器具有根据其相应基板所经受的相应机械应力而变化的值，以及放大器，被配置为根据施加到基板的机械应力在桥接电路的输出节点处产生相应的电压输出。

根据本公开的又一方面，提供了一种测量基板上的机械应力的方法。该方法包括向耦接在输出节点和地之间的桥接电路提供电压，该桥接电路包括至少一个电阻器，所述电阻器的值根据基板所经受的机械应力而变化。该方法包括比较桥接电路的第一分支的中间节点和第二分支的中间节点处的电压，以根据机械应力在输出节点处产生电压输出。该方法包括使用可变频率信号和可变电容中的至少一个来调谐第二分支中的开关电容电阻器。

已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实施例中独立地实现，或者可以在其他实施例中组合，其进一步的细节可以参考以下描述和附图看出。

附图说明

图1是应力传感器电路的一个实施例的示意图。

图2a是应力传感器电路的另一实施例的示意图；

图2b是图2a中所示的对应力传感器电路内的电阻值偏移的示例性灵敏度的曲线图。

图3a是应力传感器电路的又一实施例的示意图；

图3b是对图3a中所示的应力传感器电路内的电阻值偏移的示例性灵敏度的曲线图；

图4a是应力传感器电路的又一实施例的示意图；

图4b是对图4a中所示的应力传感器电路内的电阻值偏移的示例性灵敏度的曲线图；

图5是开关电容电阻器的一个实施例的示意图；

图6是变容二极管的一个实施例的示意图；

图7是变容二极管的另一实施例的示意图；

图8是应力传感器电路的一个实施例的根据输出电压的电阻和频率的曲线图；

图9是应力传感器电路的一个实施例的根据输出电压的电阻和电容的曲线图；

图10是应力传感器电路的一个实施例的根据输出电压的中间节点电压的曲线图；

图11是应力传感器电路的另一个实施例的根据输出电压的中间节点电压的曲线图；以及

图12是测量基板上的机械应力的方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

如本文所使用的，以单数形式且以单词“一(a)”或“一个(an)”开头的元件或步骤应理解为不排除多个元件或步骤，除非明确地叙述了这种排除。此外，对本发明的“一个实施例”或“示例性实施例”的引用不旨在被解释为排除也包含所述特征的另外的实施例的存在。

本文描述的应力传感器的实施例提供桥接电路，该桥接电路的结构类似于某些精确电压参考(pvr)电路，例如在转让给伊利诺伊州芝加哥的波音公司的名称为“precisionvoltagereferencecircuitwithtunableresistance(具有可调谐电阻的精确电压参考电路)”的第9405305号美国专利中描述的pvr电路，其全部内容通过引用结合于此。这样的pvr电路通常被设计成提供在不同阶段、温度变化和辐射事件下稳定的电压输出。这样的精度至关重要，因为即使电压参考的微小偏移也会转换成加速度、位置和旋转的误差。例如，一些车辆，诸如远程引导车辆，包括洲际导弹和太空飞行器，使用基于惯性摆的导航系统、基于陀螺仪的导航系统或两者的某种组合来满足它们对精度和准确性误差的低容差。

本文描述的应力传感器的某些实施例包括相对于pvr电路修改的桥接电路。更具体地，在本文描述的应力传感器的实施例中，操纵pvr电路设计的各方面以根据例如施加在半导体晶圆基板上的机械应力提供期望的动态输出范围或灵敏度。例如，形成桥接电路的回路的反馈路径中的电阻元件用作应变元件，其反映它们在由桥接电路合成的输出电压范围内的机械应力变化。传统上，根据带隙参考电路设计基本原理，反馈路径中的电阻分量(即偏置元件)尽可能地匹配。本文描述的桥接电路反而利用这些电阻元件的电阻值由于拉伸或缩短以及使电阻元件变窄或变宽的机械应力的不对称性。在这种机械应力下，电阻元件作为电位计工作，并且由于桥接电路内的电压和电流的相互依赖性，反映在桥接电路的相对分支中的电阻变化(具有相反的符号)，从而将桥接电路的灵敏度复合到机械应力中。

类似地，桥接电路的参考分支中的其他可调谐半导体电阻器可以保持固定或恒定，并且仅由于机械应力而根据半导体自身中的晶格改变而变化，并且晶格改变在电桥接电路的输出电压中显现。相反，基本上保持桥接电路相对于电源和温度的稳定性。

示例性桥接电路包括通过负反馈回路自参考的放大器，其消除了对从电路电源输出的电压的直接依赖性。一些示例性桥接电路包括可变分支中的可变电阻器，其被配置为基于输出电压进行调谐，以在由可变分支形成的分压器中提供期望的非线性。一些示例性桥接电路包括开关电容电阻器，其被配置为由控制可变频率信号和可变电容中的至少一个的控制信号调谐。通常，任何这样的开关和电容器将赋予分压器固有的非线性。

在某些实施例中，可变频率信号与恒定电容配对。这样的实施例属于第一类实施例。本文描述的利用可变频率信号的应力传感器的实施例使用压控振荡器(vco)产生可变频率信号，该压控振荡器被配置为基于电压输出被调谐到可变频率。某些vco，例如弛豫vco和差分l-c槽vco，可以实现特别温度稳定和辐射稳定。在替代实施例中，可变频率信号被调谐到恒定频率以维持恒定的电阻值，尽管分压器中的固有非线性至少在恒定电容的实现方式中持续存在。

在其他实施例中，可变电容与由诸如晶体振荡器的精确时钟设备产生的恒定频率信号配对，该精确时钟设备也是温度和辐射稳定的。这样的实施例属于第二类实施例。本文描述的利用可变电容器(下文称为“变容二极管”)的应力传感器的实施例基于电压参考将电容调谐到可变电容值c。某些变容二极管，例如mos变容二极管、mosfet电容器和mems变容二极管，也可以实现为温度和辐射稳定的。在替代实施例中，可变电容被调谐到恒定电容值以维持恒定电阻值，尽管分压器中的固有非线性至少在变容二极管的实施中持续存在。

本文描述的应力传感器可以实施在集成到较大机械结构中的半导体晶圆上，其中更大机械结构的机械应变紧密耦接到半导体晶圆自身的机械应变。这样的实施例使得能够对更大机械结构上的局部应力进行微尺度监测。本文描述的应力传感器的实施例提供了更高的灵敏度，更简单的实现和更容易的操作，例如更简单的供电和更简单的读出。

图1是设置在基板102上的应力传感器电路100的一个实施例的示意图。应力传感器电路100包括耦接在输出节点vout和接地节点gnd之间的桥接电路110。输出节点和输出节点上存在的输出电压在本文中可互换地称为vout。桥接电路110包括第一分支112，有时称为调谐分支，具有值为r1的电阻器和值为rtune的另一个电阻器。r1也称为rtop-tune。在第一分支112内，在r1和rtune之间，是第一中间节点120。桥接电路110还包括第二分支114，有时称为可变分支，具有值r2的电阻器和值为rvar的可变电阻器。r2也称为rtop-var，并且相对于r1的取向被约90度定向，使得r1和r2的相应取向基本上正交。当电阻器设置在基板102上或在电子电路或其他设备内实现时，电阻器具有由其纵向轴线或长度尺寸限定的取向。出于本文所述的应力传感器电路的目的，基本上正交被定义为具有相隔90度的相对取向，具有正或负10度的容差。在替代实施例中，r1和r2可以具有相隔至少10度的相应取向，使得r1和r2由于施加在r1和r2所位于的基板102上的机械应力而表现出电阻值的变化。换句话说，为了本文所述的应力传感器电路的目的，r1和r2应具有不同的取向。在第二分支114内，在r1和rvar之间，是第二中间节点130。在某些实施例中，分别在第一分支112和第二分支114中的电阻器r1和r2以及rtune是精确电阻器，使得它们成为温度和辐射稳定的。

桥接电路110还包括耦接作为第一中间节点120和第二中间节点130之间的桥接的放大器140。向放大器140提供电压vdd。放大器140包括耦接到第一中间节点120的负输入端子和耦接到第二中间节点130的正输入端子。放大器140还包括耦接到vout的输出端子。在某些实施例中，放大器140包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，使得放大器140温度稳定且辐射稳定。

在操作期间，vout分别基于r1和rtune以及r2和rvar的值被第一分支112和第二分支114分压。电压va出现在第一中间节点120处，并且电压vb出现在第二中间节点130处。由第一分支112形成的分压器是相对线性的，即va相对于vout是线性的。在某些实施例中，例如在pvr电路中，由第二分支114形成的分压器优选地基本上是非线性的，即，vb相对于vout基本上是非线性的。这样的布置使得pvr电路输出相对于r1、r2、rtune和rvar的电阻值的变化不太敏感。在本文所述的桥接电路的其他实施例中，随着例如由于机械应力r1、r2、rtune和rvar的相对电阻值相对于彼此偏移，由第二分支114形成的分压器优选地更加线性以产生更大的vout动态范围或灵敏度。更具体地，r1和r2相对于彼此正交取向。由于作用在其上实现桥接电路110的晶圆或基板102的二维上的机械应力，这样的取向使得电阻值的变化增加，这类似于应变仪。r1和r2中的每一个由于沿纵轴和横轴的压缩和张紧而表现出电阻值的变化；然而，这种变化沿电阻器的纵轴更明显。

放大器140作为线性高增益误差放大器操作并产生vout，其被反馈到分支，用作桥接电路110的自参考。使用放大器140的桥接电路110的自参考基本上消除了电源依赖性并一旦经由启动电路(未示出)施加启动电压则提供闭环收敛。启动电路例如通过在通电时升高第二中间节点130处的电压vb来激活回路。放大器140由很大程度上非稳压的电压源供电，并且可以以至少100db的电源抑制(psr)来实现。此外，放大器140在闭环的前向路径中操作，这减小和/或最小化其自身偏移的影响，例如，相对于温度和辐射对桥的稳定性的影响。可以设计自启动实现方式，使得放大器本身用作启动电路，这至少部分地由于在初始施加电源电压时其输出的上拉动作。

在某些实施例中，频率f是可变的和可调谐的，并且电容c是恒定的，这被称为第一类实施例。在其他实施例中，频率f是稳定的并且电容c是可调谐的，这被称为第二类实施例。在第三类实施例中，频率f和电容c被调谐到相应的恒定值，以改善本文所述的应力传感器的灵敏度。

基于r1、r2、rtune和rvar的值来调谐应力传感器电路100的灵敏度。更具体地，桥接电路110基于rvar相对于rtune的值并且基于r1相对于r2的值而收敛于电压输出vout。在某些实施例中，值为rvar的可变电阻器被实现为具有恒定电容c的开关电容电阻器，其通过由具有频率f的正弦波或方波信号控制的开关交替地充电和放电。通常，随着控制信号的频率增加，rvar减小，这是因为开关电容电阻器中的电容是恒定的。这样的实施例属于第一类实施例。

在其他实施例中，值rvar的可变电阻器被实现为由具有稳定频率的信号控制的变容二极管。通常，随着变容二极管的电容值c随vout增加，rvar减小，这是因为操作rvar的频率f是恒定的。这样的实施例属于第二类实施例。

在本文所述的应力传感器的替代实施例中，通过将频率f调谐到恒定值，将电容c调谐到恒定值，并依赖于寄生元件(诸如形成开关电容器装置的开关的结电容器)的小的残余非线性，rvar的值保持准恒定，以提供桥接的中间节点的平衡voi，并随后提供整个电路的平衡，包括其输出(vo)。这样的实施例属于第三类实施例。

图2a是应力传感器电路200的另一实施例的示意图。应力传感器电路200属于第一类实施例。应力传感器电路200包括耦接在vout和地gnd之间的桥接电路210，类似于桥接电路110(图1中所示)。桥接电路210包括电阻器r1和r2，电阻器rtune和开关电容电阻器rvar(均在图1中示出)。桥接电路210还包括第一中间节点220、第二中间节点230和耦接在其之间的放大器240。放大器240被提供电压vdd。桥接电路210与桥接电路110的操作相同。

应力传感器电路200还包括压控振荡器(vco)250。开关电容电阻器rvar包括电容c，并且由频率为f的周期性信号控制。周期性信号由vco250以频率f产生。频率f基于vout调谐到可变频率，并且电容c恒定。在这样的实施例中，vco250可以是例如环形vco、弛豫vco或差分lc槽vco。

由于r1和r2、rtune和rvar的相应灵敏度，应力传感器电路200表现出对施加到半导体晶圆或基板102的机械应力的敏感性。图2b是对图2a中所示的应力传感器电路200内的电阻值偏移的示例性灵敏度的曲线图252。曲线图252表示在给定应力传感器电路200的一个或多个部件在半导体结温度范围内的电阻值的偏移的情况下应力传感器电路200的电压输出。曲线图252的垂直轴254表示以毫伏(mv)表示的电压，并且范围从848mv到866mv。水平轴256表示以摄氏度(c)表示的半导体结温度，并且范围从0.0度(c)到100度(c)。

曲线图252包括表示平衡条件下的应力传感器电路200的基线电压参考258。换句话说，基线电压参考258表示当部件的电阻值没有由于机械应力而偏移时应力传感器电路200的电压输出vout。在曲线图252中所示的实施例中，基线电压参考258在约25度c下约为854mv，其由垂直指示线260指示。

曲线图252包括曲线262和264，曲线262和264表示当rtune的电阻值加上或减去1％时应力传感器电路200的电压输出vout。曲线262示出当rtune在约25度c下偏移-1％时vout约为859mv。同样，曲线264示出当rtune在约25度c下偏移+1％时vout约为849mv。类似地，曲线图252包括曲线266和268，曲线266和268表示当r1或r2的电阻值偏移+1％时应力传感器电路200的电压输出vout。曲线266示出当r1在约25度c下偏移+1％时vout约为859mv，曲线268示出当r2在约25度c下偏移+1％时vout约为849mv。这些偏移表示每1％元件电阻器偏移约5mv，或0.6％输出偏移的灵敏度：或可比较的莲座电路的灵敏度为约60％。

曲线图252包括曲线270，曲线270表示当r1和r2的电阻值相互偏移1％时(例如，当响应于相同的机械应力刺激r1偏移+1％且r2偏移-1％时)应力传感器电路200的电压输出vout。曲线270示出当r1和r2在约25度c下相互偏移1％时vout约为864mv。该偏移表示每1％元件电阻器偏移约10mv或1.2％输出偏移的灵敏度。

尽管rvar(开关电容电阻器)由vco250产生的周期性信号控制并且随周期性信号的频率f而变化，但rvar的电阻值也随着机械应力产生的拉力和压力而变化。此外，vco250本身对机械应力敏感。曲线图252包括曲线272和274，其表示当vco250内的内部电阻值rvco偏移正或负1％时应力传感器电路200的电压输出vout。曲线272示出当rvco在约25度c下偏移+1％时vout约为856mv。同样，曲线274示出当rvco在约25度c下偏移-1％时vout约为853mv，突出显示桥接对那些相应元件电阻器的偏移的灵敏度较低，然而，这些相应的元件电阻器中的偏移可以有利地与主要元件电阻器(例如，r1和r2)中的偏移复合。

在某些实施例中，其中由vco250产生的周期性信号由桥接电路210的偏移平衡调制，周期性信号的频率f也响应于机械应力而偏移。频率f可以用传统的脉冲计数器读取，传统的脉冲计数器通常具有比电压更高的精度。此外，在某些实施例中，vco250的频率f耦接到天线或以其他方式与天线集成，并且周期性信号可以由天线广播，即，天线根据周期性信号的频率f进行辐射，使得在适当范围内的远程读取器或天线可以感测由vco250产生的周期性信号的频率f，并且随后轮询影响桥接电路210的相应应力水平。

图3a是应力传感器电路300的又一实施例的示意图。应力传感器电路300属于第二类实施例。应力传感器电路300包括耦接在vout'和地gnd之间的桥接电路302(类似于图1中所示的桥接电路110)、锁相环(pll)电路304和加法器306。桥接电路302包括电阻器r1和r2、电阻器rtune和开关电容电阻器rvar(均在图1中示出)。桥接电路302还包括第一中间节点308、第二中间节点310和耦接在其之间的放大器312。向放大器312提供电压vdd。桥接电路302与桥接电路110的操作相同。

在开关电容电阻器中，rvar被实现为变容二极管313，其具有可变电容c并且可基于vout'的值调谐到可变电容值。开关电容电阻器由具有恒定频率f的周期性信号控制。周期性信号由精确时钟314产生。在某些实施例中，精确时钟314包括用于产生恒定频率f的周期性信号的晶体振荡器。在某些实施例中，省略了pll电路304和加法器306，并且精确时钟314直接驱动开关电容电阻器rvar。

变容二极管313包括恒定电容ctop和变容二极管cvar。变容二极管cvar的电容由分压器调谐，该分压器包括耦接在桥接电路302的输出电压vout'和gnd之间的电阻器rtop和电阻器rv。

pll电路304还包括相位和频率检测器(pfd)316、低通滤波器318和vco320。vco320由与值为rvar的电阻器的开关电容器中相同类型的变容二极管调谐。vco320被配置为生成正弦信号，该正弦信号被反馈到pfd316，在pfd316中将其与由精确时钟314生成的频率f的周期性信号进行比较。pll电路304调谐vco320以发出频率为f的周期性信号。由此，pll电路304产生内部调谐电压vvco，其补偿vco320和开关电容电阻器rvar中的变容二极管的任何外部变化，包括温度、辐射和工艺角偏斜等。调谐电压vvco由pll电路304施加到vco320，以基本上抵消影响rvar中的变容二极管的相同变化。因此，当在夏季306将vvco添加到vout'时，所得到的电压vout被补偿这种外部效应。

由于r1和r2、rtune和rvar的相应灵敏度，应力传感器电路300表现出对施加到半导体晶圆或基板102的机械应力的敏感性。图3b是对图3a中所示的应力传感器电路300内的电阻值偏移的示例性灵敏度的曲线图322。曲线图322表示在给定应力传感器电路300的一个或多个部件在半导体结温度范围内的电阻值的偏移的情况下应力传感器电路300的电压参考，即电压输出。曲线图322的垂直轴324表示以毫伏(mv)表示的电压，并且范围从915mv到995mv。水平轴326表示以摄氏度(c)表示的半导体结温度，并且范围从0.0度(c)到100度(c)。

曲线图322包括表示在平衡条件下的应力传感器电路300的基线电压参考328。换句话说，基线电压参考328表示当部件的电阻值没有由于机械应力而偏移时应力传感器电路300的电压输出vout。在曲线图322中所示的实施例中，基线电压参考328在约25度(c)下约为963mv，其由垂直指示线330指示。曲线图322示出了应力传感器电路300对温度变化的灵敏度，以及传感器电路300对机械应力的灵敏度如何在半导体结温范围内相对稳定。

曲线图322包括曲线332和334，曲线332和334表示当rtune的电阻值偏移正或负1％时应力传感器电路300的电压输出vout。曲线332示出当rtune在约25度c下偏移-1％时vout约为986mv。同样，曲线334示出当rtune在约25度c下偏移+1％时vout约为942mv。类似地，曲线322包括曲线336和338，曲线336和338表示当r1或r2的电阻值偏移+1％时应力传感器电路300的电压输出vout。曲线336示出当r1在约25度c下偏移+1％时vout约为985mv，并且曲线338示出当r2在约25度c下偏移+1％时vout约为942mv。这些偏移表示每1％元件电阻偏移约21mv或2.1％输出偏移的灵敏度，或可比较的莲座电路的约210％灵敏度；并且接近可比较的范德堡电路的灵敏度，如在ieee传感器杂志2006年4月，第6卷，第2册，a.mian，j.c.suhling和r.c.jaeger的thevanderpauwstresssensor(a.mian,j.c.suhling,andr.c.jaeger,thevanderpauwstresssensor,ieeesensorsjournal,vol.6,no.2,april2006)所描述的。

曲线图322包括曲线340，曲线340表示当r1和r2的电阻值相互偏移1％时，例如当r1偏移-1％且r2偏移+1％时应力传感器电路300的电压输出vout。曲线340示出当r1和r2在约25度c下相互偏移1％时vout约为922mv。该偏移表示每1％元件电阻器偏移约41mv或4.1％输出偏移的灵敏度。

曲线图322包括曲线342、344和346，曲线342、344和346表示当变容二极管313内的部件的电阻值偏移+1％时应力传感器电路300的电压输出vout。例如，曲线342示出当rtop在约25度c下偏移+1％时vout约为970mv，而曲线344示出当rv在约25度c下偏移+1％时vout约为960mv。该偏移表示每1％元件电阻器偏移约3mv至7mv的灵敏度。曲线346示出当变容二极管的电容cvar本身在约25度c下偏移+1％时vout约为953mv。该偏移表示每1％元件电阻器偏移约10mv或1％输出偏移的灵敏度。

图4a是应力传感器电路400的又一实施例的示意图。应力传感器电路400属于第三类实施例。应力传感器电路400包括耦接在vout和地gnd之间的桥接电路402，类似于桥接电路110(图1中所示)。桥接电路402包括电阻器r1和r2、电阻器rtune和开关电容电阻器rvar(均在图1中示出)。桥接电路402还包括第一中间节点404、第二中间节点406和耦接在其之间的放大器408。向放大器408提供电压vdd。桥接电路402包括调谐分支412，包括电阻器r1和rtune，以及可变分支414，包括电阻器r2和rvar。桥接电路402与桥接电路110的操作相同。

rvar被实现为具有恒定电容c的开关电容电阻器。开关电容电阻器由具有恒定频率f的周期性信号控制。周期性信号由精确时钟(未示出)产生，诸如，例如，由用于产生恒定频率f周期性信号的晶体振荡器产生。

在替代实施例中，开关电容电阻器内的电容c实现为变容二极管。通常，随着变容二极管的电容值c随vout增加，rvar减小，因为操作rvar的频率f是恒定的。在本文描述的应力传感器的实施例中，通过将电容c调谐到恒定值并且依赖于寄生元件410(诸如形成开关电容器配置的开关的结电容器)的小的残余非线性，用以提供桥的中间节点的平衡voi，并且随后提供整个电路的平衡，包括其输出(vo)，来将rvar的值保持准恒定。恒定电容c结合这种固有的寄生电容410产生由可变分支414形成的分压器产生的电压vb，该分压器相对于vout是相对线性的(rvar是准恒定的)。由于寄生电容410，vb总是表现出至少一些非线性。

由于r1和r2、rtune和rvar的相应灵敏度，应力传感器电路400表现出对施加到半导体晶圆或基板102的机械应力的敏感性。图4b是对图4a中所示的应力传感器电路400内的电阻值偏移的示例性灵敏度的曲线图416。曲线图416表示在给定应力传感器电路400的一个或多个部件在半导体结温度范围内的电阻值的偏移情况下应力传感器电路400的电压输出。曲线图416的垂直轴418表示以伏特(v)表示的电压，并且范围从0.100mv到1.200mv。水平轴420表示以摄氏度(c)表示的半导体结温度，并且范围从0.0度(c)到100度(c)。

曲线图416包括表示在平衡条件下的应力传感器电路400的基线电压输出422。换句话说，基线电压输出422表示当部件的电阻值没有由于机械应力而偏移时应力传感器电路400的电压输出vout。在曲线图416中所示的实施例中，基线电压输出422在约25度c下约为0.970v，其由垂直指示线424指示。曲线图416示出了应力传感器电路400对温度变化的灵敏度，以及应力传感器电路400对机械应力的灵敏度如何在半导体结温范围内相对稳定。

曲线图416包括曲线426和428，它们表示当rtune的电阻值偏移负或正0.1％时应力传感器电路400的电压输出vout。曲线426示出当rtune在约25度c下偏移-0.1％时vout约为1.133v，产生每+0.1％偏移约163mv的灵敏度。同样地，曲线428示出当rtune在约25度c下偏移+0.1％时vout约为0.649v，产生每-0.1％偏移约321mv的灵敏度。此外，曲线图416包括曲线430和432，它们表示当rtune的电阻值偏移少到负或正0.01％时应力传感器电路400的电压输出vout。曲线430示出当rtune在约25度c下偏移-0.01％时vout约为1.004v。同样，曲线432示出当rtune在约25度c下偏移+0.01％时vout约为0.934v。这些偏移表示至少每0.01％元件电阻器偏移34mv的灵敏度，或是可比较的莲座电路的灵敏度的约340倍，并且是可比较的范德堡电路的灵敏度的约108倍。

曲线图416包括曲线434，其表示当rtune的电阻值偏移多达+1％时应力传感器电路400的电压输出vout。曲线434示出当rtune在约25度c下偏移+1％时vout约为0.173v，突出显示在存在元件电阻器偏移的情况下电路的虚拟饱和，之前仅以更加适度的增益检测到。

图5是用于应力传感器电路(例如应力传感器电路100、200、300和400(图1至图4中所示))的开关电容电阻器500的一个实施例的示意图。开关电容电阻器500包括电容器510、第一mosfet520和第二mosfet530。第一mosfet520和第二mosfet530在第一端子v1和第二端子v2之间源极到漏极串联耦接。第一mosfet520和第二mosfet530可以是nmos或pmos器件。在替代实施例中，第一mosfet520和第二mosfet530可以由任何其他合适的开关器件代替，包括例如继电器。例如，机电继电器具有的优点在于它们比其对应的半导体对应物更耐温和辐射稳定。

电容器510耦接在地与第一mosfet520和第二mosfet530之间的节点之间。第一mosfet520和第二mosfet530分别由第一mosfet520和第二mosfet530的相应栅极处的第一开关信号s1和第二开关信号s2控制。第一mosfet520和第二mosfet530交替地断开和导通。在某些实施例中，第一开关信号s1和第二开关信号s2被实现为具有频率f的单个周期性信号。例如，在具有互补nmos和pmos开关的实施例中，单个周期性信号可以控制第一mosfet520和第二mosfet530。

当电压v在v1处出现时，在第一mosfet520导通且第二mosfet530断开时电容器510被充电。当第一mosfet520断开并且第二mosfet530导通时，电容器510被放电，将电荷移动到v2，v2可以例如连接到地。电荷从v1到v2的移动是电流。对于电容c和具有频率f的控制信号而言，电流量通过电荷随时间变化的变化，或者i＝dq/dt(其可以表示为i＝c·v·f)而量化。基尔霍夫定律r＝v/i，允许开关电容电阻器500的电阻表示为r＝1/(c·f)。电容c或频率f的可调谐性允许将应力传感器电路分类为上面参照图2至图4描述的第一类或第二类。

在某些实施例中，电容器510是恒定电容平行板电容器，并且第一mosfet520和第二mosfet530由作为第一开关信号s1和第二开关信号s2的可变频率信号控制。随着可变频率信号的频率增加，开关电容电阻器500的电阻减小。在某些实施例中，电容器510是可变电容，例如变容二极管，并且第一mosfet520和第二mosfet530由恒定频率信号控制。随着可变电容增加，开关电容电阻器500的电阻减小。在某些实施例中，电容器510是可变电容，例如变容二极管，并且第一mosfet520和第二mosfet530由可变频率信号控制。改变电容器510的电容和第一开关信号s1和第二开关信号s2的频率都有助于更精细地进行调谐并补偿开关电容电阻器500的电阻。

在某些实施例中，电容器510被实现为硅上的变容二极管，例如硅结或mos电容器。在其他实施例中，电容器510用分立元件实现，例如控制变容二极管的一个或多个继电器。在某些实施例中，电容器510是使用微机电系统(mems)器件实现的变容二极管，以形成电控平行板电容器。在mems变容二极管中，两个端子用于通过将板推或拉在一起或分开来控制平行板的分离。另外两个端子用作电容器的端子。mems变容二极管提供良好的温度和辐射稳定性，这是因为电介质和板在机械和化学上都是稳定的。mems变容二极管还需要外部提供的控制电压。

图6是用于开关电容电阻器的半导体变容二极管600的一个实施例的示意图，例如开关电容电阻器500(图5中示出)和电容调谐vco(例如vco250和vco320)(如图2和3所示)。半导体变容二极管600包括在电压v+和电压v-之间串联连接的恒定电容器c1、变容二极管d和恒定电容器c2。第一控制端子vc1通过阻抗r1耦接到变容二极管d的阴极。第二控制端子vc2通过阻抗r2耦接到变容二极管d的阳极。半导体变容二极管600使用变容二极管d的反向偏置p-n结的依赖电压的电容来调谐到期望的电容。电压v+、v-和施加在vc1和vc2处的电压的组合效应有助于通过将变容二极管d中的2端子器件变换为半导体变容二极管600中的4端子器件来调谐半导体变容二极管600。在替代实施例中，半导体变容二极管600利用具有依赖电压的电容的mos电容器。

图7是变容二极管700的另一实施例的示意图，该变容二极管700用在开关电容电阻器中，例如开关电容电阻器500(图5中所示)和电容调谐vco，例如vco250和vco320(如图2和图3所示)。变容二极管700包括具有栅极端子g、漏极端子d、源极端子s和主体720的mosfet710。通过将源极s和漏极d耦接到主体720并提供主体端子b，mosfet710被布线为电容器。变容二极管700的电容在栅极端子g和主体端子b上测量，并且取决于这些端子两端的电压。主体720可以用与源极s和漏极d的扩散/注入相同或相反极性的硅阱实现，便于mosfet710作为累积变容二极管或反相fet电容器的操作。mos变容二极管提供良好的辐射稳定性，这是因为它们的沟道迁移率降低根本不会影响电容值。

图8是根据落入第一类实施例中的示例性应力传感器电路(例如应力传感器电路100和200(图1和图2中所示))的输出电压vout的电阻r和频率f的曲线图800。更具体地，电阻r是开关电容电阻器的电阻，例如开关电容电阻器500(图5中所示)，并且频率f是控制第一mosfet520和第二mosfet530的开关的周期性信号。在某些实施例中，周期性信号由外部精确时钟设备(例如vco或电容调谐vco)产生。

基于电压vout单调调谐频率f。曲线800示出了f随vout线性增加。在替代实施例中，f可以随vout非线性地增加。给定开关电容电阻器的双曲线r＝1/(c·f)关系，在两种情况下，电阻r随着vout的增加而非线性地减小。

图9是根据落入第二类实施例的示例性应力传感器电路(例如应力传感器电路100和300(图1和图3中所示))的参考电压vout的电阻r和电容c的曲线图900。更具体地，电阻r是开关电容电阻器，例如开关电容电阻器500(图5中所示)，并且电容器c是变容二极管，例如变容二极管600和700(如图6和图7所示)，在开关电容电阻器500中使用。

电容c基于电压vout单调调谐。曲线900示出了c随vout线性增加。在替代实施例中，c可以随vout非线性地增加。给定开关电容电阻器的双曲线r＝1/(c·f)关系，在两种情况下，电阻r随着vout的增加而非线性地减小。

图10是应力传感器电路100或应力传感器电路200和300(图1至图3中所示)的中间桥节点电压的曲线图1000。对于耦接在vout和地gnd之间的桥接电路，例如桥接电路110，电压va在第一中间节点120处的参考电阻rtune两端出现。va是具有串联的电阻r1和rtune的调谐支路112两端的vout的恒定电压分压的结果。类似地，电压vb出现在第二中间节点130处具有电阻rvar的开关电容电阻器两端。vb是vout在具有串联的电阻r2和rvar的可变支路114两端的可变电压分压的结果。

曲线1000示出了rtune两端的电压va随vout线性增加。曲线1000还示出了rvar两端的电压vb随vout非线性地增加。曲线800和900示出了开关电容电阻器的电阻随电容和频率反向且非线性地变化。在应力传感器电路100中，基于vout本身调谐频率、电容或两者。桥接电路110中的开关电容电阻器rvar同样随vout反向且非线性地变化。因此，电压vb可表示为：

vb随着r(vout)的值减小的变化在曲线1000中示出的vb段中减小。放大器140使桥接电路110平衡电压va和vb，并且使应力传感器电路100收敛在单个非平凡(non-trivial)稳定的vout(称为平衡输出vo)上，其与va和vb的交点相关联到用voi所示的相同的电平。通过使用启动电路来驱动桥接电路110的环路以收敛于非平凡的稳定平衡电压输出vo，避免了平凡零解的收敛。

图11是应力传感器电路100或应力传感器电路400(图1和图4中所示)的桥接电压的曲线图1100。对于耦接在vout和地gnd之间的桥接电路，例如桥接电路110，电压va在第一中间节点120处的参考电阻rtune两端出现。va是具有串联电阻r1和rtune的调谐支路112两端的vout的恒定电压分压的结果。类似地，电压vb出现在第二中间节点130处具有rvar的准恒定电阻的开关电容电阻器两端。vb是在具有串联电阻r2和rvar的可变支路114两端的vout的准恒定电压分压的结果。

曲线1100示出了rtune两端的电压va随着vout线性增加，如曲线1000中所示。曲线1100还示出了rvar两端的电压vb随vout准线性地增加，这是因为开关电容电阻器被调谐到恒定电容并且切换到恒定频率，并且依赖于电压输出的唯一剩余元件由寄生元件(例如形成开关电容器布置的开关的结电容器)的小的残余非线性表示。相反，曲线图800和900示出了开关电容电阻器的电阻随电容和频率反向且非线性地变化。在应力传感器电路200和300中，基于vout调谐频率、电容或两者。在应力传感器电路400中，调谐频率和电容以产生准恒定的rvar值。因此，电压vb可表示为：

放大器408使桥接电路402将电压va和vb平衡到相同的电平voi，并且应力传感器电路400收敛于单个非平凡的稳定平衡电压输出vo，其表示在施加机械应力之前的桥接的标称状态。通过使用启动电路来驱动桥接电路402的环路以收敛于非平凡的稳定平衡电压输出vo，避免了平凡零解的不期望的收敛。假设va和vb表现出相似的线性，则桥接电路402内的电阻值的小的偏移，例如r1、r2、rtune和rvar的电阻值的小的偏移，导致va和vb的交叉平衡点的位置的大的变化，如通过例如中间节点404处的电压的交替曲线va'和va'所示。由于平衡点偏差明确地取决于(例如，确定中间节点404处的电压的)元件电阻器中的偏移，所以在桥接的输出节点处表现出的平衡点偏差是对施加到半导体晶圆或基板102的机械应力的测量，其通过va和vb到va'和vb或va”和vb的交叉偏移中来反映：分别产生输出电压电平vo、vo'和vo”。

图12是测量基板102上的机械应力的方法1200的一个实施例的流程图，在该基板上设置桥接电路110。电压源被提供(1210)给桥接电路110，桥接电路110耦接在输出节点vout和接地节点gnd之间。桥接电路110包括至少一个电阻器r1、r2、rtune或rvar，其具有随基板102所经受的机械应力而变化的值。对调谐分支112和可变分支114的中间节点120和130上出现的电压va和vb进行比较(1220)，以根据基板102上的机械应力在输出节点vout处产生电压输出。rvar被实现为可变支路114中的开关电容电阻器，例如开关电容电阻器500。rvar的电阻值使用可变频率信号和可变电容中的至少一个来调谐(1230)。

在一个实施例中，开关电容电阻器由可变频率信号控制，基于输出节点vout处的电压输出进行调谐。开关电容电阻器内的电容器是恒定电容。

在另一个实施例中，开关电容电阻器包括基于电压输出调谐的变容二极管，并由恒定频率信号控制。类似地，在又一个实施例中，开关电容电阻器包括恒定电容，并且由恒定频率信号控制。

本文描述的方法、系统和装置的示例性技术效果包括以下中的至少一个：(a)采用pvr桥接电路来测量施加在实现pvr电路的基板上的机械应力；(b)相对于已知的莲座和范德堡检测电路，提高应力传感器电路的灵敏度；(c)消除对应力传感电路的精确电流供应的需要；(d)简化对从应力传感器电路输出的电压的应力测量的轮询或读取；(e)通过使用简单的电压源和桥接电路的简化电压输出，简化应力传感器阵列的实现方式；(f)降低桥接电路中可变电阻器的电压响应的非线性，以提高对机械应力的灵敏度。

此外，本公开包括根据以下项的实施例：

项1.一种可操作以产生电压输出的应力传感器电路，包括：

基板，被配置为沿至少一个维度受到机械应力；以及

桥接电路，设置在基板上并且耦接在输出节点和接地节点之间，桥接电路包括：

第一分支，具有值为r1的第一电阻器，第一电阻器具有第一取向并且在第一中间节点处耦接到值为rtune的调谐电阻器，

第二分支，具有值为r2的第二电阻器，第二电阻器具有不同于第一取向的第二取向，第二电阻器在第二中间节点处耦接到值为rvar的可变电阻器，其中rvar基于电压输出是非线性可调谐的，以及

放大器，具有耦接到第二中间节点的正输入端子，以及耦接到第一中间节点的负输入端子，放大器被配置为根据施加到基板的机械应力在输出节点处产生电压输出。

项2.根据项1所述的应力传感器电路，其中，第一电阻器的值r1、调谐电阻器的值rtune、第二电阻器的值r2和可变电阻器的值rvar中的至少一个分别根据基板被配置为所受的机械应力而可变。

项3.根据项1-2中任一项所述的应力传感器电路，还包括压控振荡器(vco)，其基于电压输出而被调谐并且被配置为产生可变频率信号以控制可变电阻器，其中，可变电阻器包括：具有恒定电容值c的开关电容电阻器。

项4.根据项3所述的应力传感器电路，其中，恒定电容包括平行板电容器。

项5.根据项3-4中任一项所述的应力传感器电路，其中，放大器包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。

项6.根据项3-5中任一项所述的应力传感器电路，其中，开关电容电阻器包括半导体集成电路。

项7.根据项3-6中任一项所述的应力传感器电路，还包括耦接到vco并且被配置为根据由vco产生的可变频率信号辐射的天线。

项8.根据项1-7中任一项所述的应力传感器电路，其中，第一电阻器的第一取向相对于第二电阻器的第二取向基本正交。

项9.根据项1-8中任一项所述的应力传感器电路，其中，可变电阻器包括开关电容电阻器，开关电容电阻器具有被配置为基于电压输出进行调谐的变容二极管。

项10.根据项9所述的应力传感器电路，还包括振荡器，振荡器被配置为产生稳定的频率信号以控制开关电容电阻器。

项11.根据项10所述的应力传感器电路，还包括由振荡器驱动并且被配置为复制稳定的频率信号的锁相环(pll)电路，其中，pll电路包括基于与可变电阻器的变容二极管相同类型的第二变容二极管可调谐的压控振荡器(vco)，并且其中，pll电路被配置为产生输出电压以与电压输出相加。

项12.根据项9-11中任一项所述的应力传感器电路，其中，变容二极管包括电控微机电系统(mems)可调板电容器。

项13.根据项9-12中任一项所述的应力传感器电路，其中，变容二极管包括金属氧化物半导体变容二极管。

项14.根据项9-13中任一项所述的应力传感器电路，其中，变容二极管包括p-n结变容二极管。

项15.根据项1-14中任一项所述的应力传感器电路，其中，可变电阻器包括具有恒定电容的开关电容电阻器。

项16.根据项15所述的应力传感器电路，还包括振荡器，振荡器被配置为产生稳定的频率信号以控制开关电容电阻器。

项17.根据项1-16中任一项所述的应力传感器电路，还包括被配置为向桥接电路供电的电压源。

项18.一种应力传感器阵列，包括：

电压源；以及

多个桥接电路，设置在相应的基板上，每个基板被配置为沿至少一个维度承受相应的机械应力，并且多个桥接电路与电压源并联耦接，多个桥接电路的每个桥接电路包括：

至少一个电阻器，具有根据其相应的基板所经受的相应机械应力而变化的值，以及

放大器，被配置为根据施加到基板的机械应力在桥接电路的输出节点处产生相应的电压输出。

项19.一种测量基板上的机械应力的方法，包括：

向耦接在输出节点和地之间的桥接电路提供电压源，桥接电路包括具有根据基板所经受的所述机械应力而变化的阻抗值的至少一个器件，

比较桥接电路的第一支路和第二支路的中间节点处的电压，以根据机械应力在输出节点处产生电压输出；以及

使用可变频率信号和可变电容中的至少一个来调谐第二分支中的开关电容电阻器。

项20.根据项19所述的方法，其中，调谐第二分支中的开关电容电阻器包括基于电压输出调谐可变频率信号，可变频率信号被配置为控制开关电容电阻器。

项21.根据项19-20中任一项所述的方法，其中，调谐第二分支中的所述开关电容电阻器包括：

提供恒定的频率信号以控制开关电容电阻器；以及

基于电压输出调谐可变电容。

项22.根据项19-21中任一项所述的方法，其中，调谐第二分支中的开关电容电阻器包括：

提供恒定的频率信号以控制开关电容电阻器；以及

基于电压输出调谐由开关电容电阻器内的主恒定电容和辅助寄生电容形成的可变电容。

本文描述的系统和方法不限于本文描述的特定实施例，而是系统的部件和/或方法的步骤可以独立地并且与本文描述的其他部件和/或步骤分开使用。

尽管本公开的各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来参考和/或要求保护附图的任何特征。

本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的各种实施例，以使本领域技术人员能够实践那些实施例，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。