机械应力的探测与补偿的制作方法

机械应力的探测与补偿的制作方法
【专利摘要】本发明涉及机械应力的探测和补偿。例如建议了一种电子电路的支承体，所述支承体具有用于基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之和确定第一信号的第一传感器和具有用于基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之差确定第二信号的第二传感器。
【专利说明】
机械应力的探测与补偿
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于探测机械应力的支承体(Traeger)、一种用于减小基于机械 应力的干扰的电路以及一种用于减小这样的干扰的方法。
【背景技术】
[0002] 从US 6,906,514 B1中公知了一种用于应力补偿的电路。
[0003] 从US 7,437,260 B2中公知的是基于p掺杂的和n掺杂的电阻来提供机械应力传感 器。
[0004] US 7,980,138 B1公开了一种由相同掺杂类型的横向电阻和纵向电阻构成的机械 应力传感器。
[0005] US 8,240,218 B2示出了具有带有三个接触部的共同的槽(Wanne)的机械应力传 感器。
[0006] 公知的是确定可以干扰性地对电子器件造成影响的机械应力。当然，不利的是，公 知的应力补偿电路不能确定任意的机械应力分量，这限制了所述应力补偿电路的使用或所 述补偿的可能性。

【发明内容】

[0007] 本发明的任务在于，克服前面所提到的缺点和提出用于探测和补偿机械应力的有 效并且有利的解决方案。
[0008] 该任务按照独立权利要求所述的特征来解决。优选的实施形式尤其是可从从属权 利要求中得知。
[0009] 为了解决该任务，建议了一种电子电路(或用于电子电路）的支承体，所述电子电 路的支承体： 一具有用于基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之和确定第一信号的第一传 感器， 一具有用于基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之差确定第二信号的第二传 感器。
[0010] 不仅第一传感器而且第二传感器在所有情况下都可以具有至少一个传感器元件。 尤其是，所述传感器中的每个都具有多个传感器元件（例如n掺杂的或者P掺杂的电阻元 件），所述传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)探测通过电流。 例如可以将第一和/或第二传感器实施为半桥或者全桥。第一信号可以是在传感器元件或 传感器的组成部分之间的电压差。这相对应地适用于第二信号。
[0011] 通过具有第一和第二传感器的支承体，可能探测并且在补偿电路的范围内相对应 地考虑各个法向应力分量和因此法向应力分量的任意组合。
[0012] 在这种情况下要注意的是，在一个平面中存在两个法向应力分量，所述两个法向 应力分量基本上确定在支承体的表面中或者平行于支承体的表面的平面。此外还存在第三 法向应力分量，所述第三法向应力分量垂直于该表面地被取向。尤其是涉及。
[0013]也可以将电子电路的支承体实施为半导体支承体。该支承体可以由不同的材料实 施，例如由玻璃、陶瓷、印刷电路板(Printplatte)实施。
[0014] -扩展方案是:第一法向应力分量和第二法向应力分量平行于支承体的表面地被 取向。
[0015] 尤其是第一法向应力分量和第二法向应力分量彼此正交并且撑开位于支承体的 表面中或者平行于该支承体的表面地被取向的平面。
[0016] 此外要注意的是，支承体的表面可以肉眼可见得平坦(planar)地被实施。可替换 地，该表面也可以具有压型(Prof ilierung)。
[0017] 也有一扩展方案是:第一传感器和第二传感器被布置在共同的位置上。
[0018] 此外还有一构建方案是:第一传感器和第二传感器彼此相邻地被布置。
[0019] -扩展方案在于，支承体是衬底(Substrat)。
[0020] 也有一构建方案是：支承体被布置在芯片(Chip)或者层压部(Laminat)之上或者 之中。
[0021] 该层压部可以包括尤其是芯片、框架（引线框架（Leadframe))和/或塑料套 (Plastik-Ummantelung)〇
[0022] 此外，一构建方案是:第一传感器和/或第二传感器具有如下的组成部分： 一至少一个n掺杂的或者p掺杂的器件(尤其是电阻、二极管或者晶体管）； 一由至少两个电阻构成的串联电路； 一两个电阻，其中所述电阻中的一个基本上正交于另一个电阻地被布置。
[0023]也有一扩展方案:支承体具有用于确定第三信号的第三传感器，所述第三信号基 于在第一法向应力分量和第二法向应力分量的平面中的剪应力（Schubspannung)。
[0024] 针对该解决方案也给出了一种用于减小基于机械应力的干扰的电路，所述电路包 括： 一用于基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之和确定第一信号的第一传感 器， 一用于基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之差确定第二信号的第二传感 器， 一被设立为以便基于第一信号和第二信号来减小由机械应力所引起的干扰的处理单 J L 〇
[0025] 该电路尤其是可以使用这里所描述的支承体连同该处理单元，以便减小或补偿由 机械应力所引起的干扰。在这种情况下要注意的是，"补偿"在这里所描述的情况下也包括 部分补偿。因此，由机械应力所引起的效应可以完全地或者部分地被补偿。
[0026] 一选项（Option)在于，第一传感器和第二传感器具有至少一个共同的器件（例如 电阻兀件、晶体管等等）。
[0027] 一构建方案是:第一法向应力分量和第二法向应力分量平行于芯片的表面地被取 向。
[0028]尤其是这里所描述的电路被布置在该芯片上。
[0029]此外，一构建方案是:该处理单元被设立为以便基于第一信号和第二信号来提供 控制信号，依据所述控制信号，可以至少部分地减小至少一个电子器件的由机械应力所引 起的干扰。
[0030] 该干扰涉及所述至少一个电子器件。通过这里所描述的传感器(第一和第二传感 器），可能确定对所述至少一个电子器件的干扰负责的机械应力。通过对干扰的认知可以进 行后置处理或者预处理，使得所述由至少一个电子器件提供的信号(大致)就好像机械应力 不存在(或者几乎不存在)似的。因此，可以有效地减小(通过机械应力引起的）该干扰对所 提供的信号的效应。
[0031] 在这种情况下要注意的是，"干扰被减小/减小了"的表达暗含地包括：由该干扰所 引起的效应被减小/减小了。就这方面来说，没有涉及减小出现的机械应力本身，而是涉及 减弱由所述机械应力所引起的效应、即干扰。
[0032] 附加地，一构建方案是:所述至少一个电子器件包括如下中的至少一个： 一测量传感器， 一压力传感器， 一尤其是包括霍尔板的霍尔传感器， 一振荡器、尤其是弛张振荡器， 一电压源、尤其是基于带隙的恒压源， 一电流源、尤其是恒流源， 一温度传感器。
[0033]也有一扩展方案是:该处理单元被设立为以便基于第一信号和第二信号的线性组 合或者非线性组合来减小由机械应力所引起的干扰。
[0034] 另一扩展方案在于，该电路此外还以如下方式被实施： 一具有用于确定第三信号的第三传感器，所述第三信号基于在第一法向应力分量和 第二法向应力分量的平面中的剪应力， 一其中该处理单元被设立为以便基于第一信号、第二信号和第三信号来减小由机械 应力所引起的干扰。
[0035] 第三信号例如与在如下平面中的剪应力成比例:所述平面由芯片的表面确定或者 平行于该表面地被取向。例如，第一法向应力分量在x方向上走向，而第二法向应力分量在y 方向上走向。接着，这里所提到的剪应力示例性在x-y平面中走向。
[0036] 相对应地，另外的（附加的）传感器也是可采用的，依据所述另外的（附加的）传感 器，其它的剪应力或者法向应力被测量。这些传感器的信号可以被用于减弱由机械应力所 产生的干扰。
[0037]这里所提到的处理单元尤其是可以被实施为处理器单元和/或至少部分地被固定 布线的（festverdrahtet)或者逻辑的电路装置，所述处理器单元和/或电路装置例如被设 立为使得该方法如在这方面所描述的那样是可执行的。提到过的处理单元可以是或者包括 每种类型的具有相对应地必需的外围（存储器、输入/输出接口、输入一输出设备等等)的处 理器或者计算器或者计算机。
[0038] 前面的涉及这些设备(支承体、电路）的阐述相对应地适用于方法。相应的设备可 以在一个部件中或者分布到多个部件上地被实施。
[0039] 附加地，建议了一种具有如下步骤的方法： 一借助于第一信号并且借助于第二信号减小由机械应力所引起的干扰， 一其中第一传感器的第一信号基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之和被确 定，并且 一其中第二传感器的第二信号基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之差被确 定。
[0040] 按照一扩展方案，该方法此外还包括步骤： 一基于第一信号和第二信号提供控制信号，其中依据该控制信号，至少一个电子器件 的由机械应力所引起的干扰可以至少部分地被减小。
[0041] -构建方案在于，所述至少一个电子器件包括至少一个用于检测物理量的传感 器。
[0042] 另一构建方案是:所述至少一个电子器件包括电路。
[0043] 附加地，上面的任务借助于一种设备被解决，该设备包括： 一用于借助于第一信号并且借助于第二信号减小由机械应力所引起的干扰的装置， 一其中第一传感器的第一信号基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之和被确 定，并且 一其中第二传感器的第二信号基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之差被确 定。
【附图说明】
[0044] 上面所描述的特性、特征和优点以及如何实现这些特性、特征和优点的方式和方 法与下面的对实施例的示意性描述相关联地继续被实施，所述实施例与附图相关联地进一 步被阐明。在此，为了清楚起见，相同的或者起相同作用的要素可以被配备有相同的参考符 号。
[0045]图1示出了用于确定信号Sp的示例性电路，所述信号Sp与在芯片表面上、在芯片表 面中或者沿着芯片表面的法向应力分量之和成比例； 图2示出了用于确定信号Sm的两个横向布置的电阻的示例性装置，所述信号Sm与在芯 片表面上、在芯片表面中或者沿着芯片表面的法向应力分量之差成比例； 图3示出了用于确定信号Sm的四个横向地以惠斯登电桥的形式被布置的电阻的示例性 装置，所述信号Sm与在芯片表面上、在芯片表面中或者沿着芯片表面的法向应力分量之差 成比例； 图4示出了两个横向布置的电阻的示例性装置，所述两个横向布置的电阻相比于图2旋 转了 45度并且被用于确定与机械剪应力〇xy有关的信号； 图5示出了四个横向地以惠斯登电桥的形式被布置的电阻的示例性装置，所述电阻相 比于图3旋转了 45度并且被用于确定与机械剪应力〇xy有关的信号； 图6示出了针对用于减弱机械应力对测量结果的影响的补偿电路的示例性电路装置。
【具体实施方式】
[0046]机械应力〇是每单位面积的力，所述每单位面积的力在所设想的截面中通过物体 (Koerper)、液体或者气体起作用。
[0047] 应力张量是二阶张量，所述二阶张量描述了在通过在物质之内的确定的点的任意 定向的截面中的力传递。该应力张量的分量有力每面积的量纲，针对所述力每面积的量纲， 在固体力学中例如单位通常是兆帕(MPa)，对应于牛顿每平方毫米(N/mm 2)。在经过该物质 的所设想的截面中，在想象中被切去的物质对剩余的物质施加每单位面积的力，所述每单 位面积的力作为向量由一个法向应力分量〇 nn(与截面t成直角地起作用)和两个剪应力分量 〇tn(在截面t中起作用）组成（参见例如http://de.wikipedia.org/wiki/ Spannungstensor)。所述剪应力分量也利用Ttn被标明。在此，第一索引（Index)详细说明面 法线的方向，而第二索引详细说明力的方向。因此，法向应力分量有相同的索引，剪应力分 量有不同的索引。
[0048] 机械应力因此是具有六个独立的分量的张量： Y去向 力:〇xx、〇yy和， 剪应力:〇xy、〇xz取l〇yz。
[0049] 感兴趣的尤其是在芯片表面上或者在芯片表面旁边起作用的机械应力，所述芯片 表面位于电器件上。该芯片表面是x-y平面，因而Z轴垂直于芯片表面。
[0050] 在很多应用中，该芯片相对于它的高度有大的面积，也就是说在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的芯片面积和0.2mm的高度 (在z方向上的伸展）。该芯片在壳体中示例性地被粘接或者被焊接到框架（引线框架)上，其 中该框架同样扁平地被实施（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，整个结构因此也可以被视为层压部。由芯片、框架和塑料构成的层压部具有相比于z 高度(厚度)大的x_y面积。
[0051 ] 因此，按照圣维南（St. Venant)原理，在芯片表面上，以距边缘的间距（其中该间 距大于芯片的高度(厚度））适用:法向应力〇xx和〇yy相对于剩下的应力分量占主导。此外，在 芯片的角附近，剪应力〇 Xy可有重要的意义。因此，随后尤其是应力〇XX、〇yy和〇Xy被考虑。
[0052]公知的应力补偿电路有如下缺点：不能确定任意的机械应力分量。例如，利用公知 的方法不可能确定法向应力分量0XX、机械应力的线性组合〇XX+l .349 ? 〇yy或者机械应力的 机械平方和(0xx)2+(〇yy)2。
[0053] 存在众多的应用情况，在所述应用情况中电路（不仅是传感器电路)使用如下器 件:所述器件不仅与作为法向应力分量之和的机械应力〇 xx+〇yy有关，而且与其它的不可忽 略的机械应力分量有关。
[0054] 例如，可以利用长的N-M0S晶体管实现具有微小的消耗功率的振荡器。在此，N-M0S 晶体管的电流强度(Stromergiebigkeit)0与作用于它的机械应力有关：
前面的公式尤其是适用于具有在[:1:10]方向上的通过电流方向的N-M0S晶体管。在这 种情况下，针对低n掺杂的硅的压阻系数被假定为系数。
[0055] 系数例如要在Yozo Kanda的 "Piezoresistance effect of silicon(娃的压阻效 应)"（Sensors and Actuators(传感器与执行机构)A卷，28( 1991年），第83-91页）中被找到 并且对于低的n掺杂内容是：
或对于低的P掺杂内容是：
[0056]对于电阻的方向关系适用：
其中a标明在x轴（[-1，1，0])和电阻之间的角度。7轴（[-1，-1，0])对应于角度€1 = + 90。。
[0057]这里所提到的百分比数值示例性地适用于低掺杂的n区域(ND〈1018/cm 3);对于在n 沟道中的较高的载流子密度，该数值在数额方面可以变得更小。
[0058] 如果晶体管（例如晶体管的电流强度)和由此在本例中所提到的振荡器的频率基 本上应该与机械应力无关，那么首先有利的是，单个地确定机械应力〇 xx、〇yy，以便以前面所 提到的方式将这些机械应力组合并且根据其生成补偿信号（也参见图6)，依据所述补偿信 号可跟振荡器频率与机械应力的关系相反地起作用。
[0059] 此外还存在如下器件:所述器件的特性非线性地与对其产生影响的机械应力有 关。例如，对于双极晶体管公知的是:这些特性不仅与机械应力〇 xx+〇yy有关，而且与机械应 力的向量积0xx ? Oyy有关，以及与机械应力的平方和(〇xx)2~K〇yy)2有关。
[0060] 因此必要的是：也可以借助于（多个)应力传感器单个地提供机械应力分量~4口 C%，以便可以执行适当的补偿。
[0061] 此外，存在用于隔离在芯片上的相邻器件的技术，所述技术使用所谓的深沟槽 ("deep trench"）。这样，例如一个器件或者一组器件可以被环形的沟槽结构包围，以便将 其与被设置在芯片上的电路的剩余电路电隔离。在这种情况下，首先(例如有25wii深度的） 深沟槽被蚀刻到原材料中，此后用薄的介电层覆盖沟槽的侧壁。最后，所述沟槽例如用多晶 硅填充。所述沟槽的填充材料有不同于原材料的机械特性参数，即带有不同于原材料的热 膨胀系数(CTE= "Coefficient of Thermal Expansion"）的另一弹性模量(也被称作E模量 或者杨氏模量）。这以具有机械应力的复杂的局部分布的总复合物(Gesamtverbund)的过大 张力为条件。特别是当半导体芯片的厚度只还是沟槽深度的2至4倍时，也就是说当芯片被 磨薄（到100M1或者更小）时，那么该效应影响可出现。如果例如在x和y方向上、即平行于芯 片的棱边的沟槽长度是不一样长和/或宽，或如果相应的电器件的有源区域距在x和y方向 上的最近的沟槽的间距不一样大，那么该器件由此可与在该器件的活跃的（aktive)位置 "a"上的机械应力 〇xx_a + 〇yy_a有关。反之，测量想在与该活跃的位置a不同的测量位置m上进 行，并且提供机械应力分量〇 XX_m和〇yy_m。
[0062] 在可在器件的位置a上至少部分地补偿机械应力的效果之前，目标是要知道机械 应力〇xx_a十〇 yy_a。然而，该机械应力只可以在(测量的）传感器的位置m上被确定。当然，可以 以一定的方式从在测量的位置m上的机械应力(例如借助于线性近似)如下地回推出在器件 的位置a上的机械应力： 〇xx_a 〇yy_a -kx ? 〇xx-m-!-ky ? 〇yy-m， 其中kx矣ky。如果该芯片例如由于深沟槽而在横向的方向上应该是不均匀的，则这主 要适用。反之，如果该芯片不具有沟槽并且因此在直线方向上(尽可能地)均匀的材料，那么 以足够的近似也可以适用kx=ky。
[0063] 因此有利的是:可以单个地确定机械应力分量〇xx_jP〇yy_m，以便接着可以例如将任 意的线性组合kx ? 〇xx_m + ky ? 〇yy_m计算为〇xx_a + 〇yy_￡^近似值(估计值）。
[0064] 因此，〇xx_m和〇yy_m是在测量的位置m上的在X和y方向上的法向应力分量，而〇 xx_a和 0yy_a是在要补偿的器件的活跃的位置a上的在X和y方向上的法向应力分量。传感器在位置m 上没有测量实际的对在位置a上的器件起作用的机械应力，当然可以通过在位置m和a上的 机械应力的确定性的(deterministisch)親合来实现具有进行修正的因子k的补偿。在这种 情况下要注意的是，"补偿"涉及对通过机械应力对器件起作用的效应的至少部分的或者也 完全的均衡(Ausgleich)。这样，遭受机械应力的器件的特性的改变可以至少部分地被考虑 并且借助于补偿电路被均衡。
[0065] 例如，霍尔探针(Hallsonde)被放置在其上的活跃的位置a在深沟槽的左侧20lim 处。然而，应力传感器位于深沟槽的右侧10M1的位置m上。在这两个位置a和m上的机械应力 不一致，然而按照如下关系可以使用这些位置的刚性耦合： 〇xx_a〇yy_a -k2 ? ( 〇xx-m-!-kl ? 〇yy-m)，kl 矣 1， 也就是说应力张量的x和y分量变得不是相同的，而是在远离测量的位置m的情况下朝 向有源位置a不同程度地强烈改变。
[0066]例如可以（通过在实验室中的一系列实验)凭经验确定进行修正的因子h、k2的值。 这些值可以作为固定的或者可编程的系数被提供给补偿电路。
[0067] 这里所建议的解决方案使得能够单个地确定机械应力且基于此提供 (线性)组合： k2 ? (〇xx-m+kl ? 〇yy-m)〇
[0068] 尤其被建议的是:基于两个信号确定机械应力分量〇xx和〇yy的任意组合(也就是说 机械应力的两个组合），也就是 (1) f目号Sp = 〇xx+〇yy，和 (2) -〇xx 〇yyo
[0069]用于确定Sp的机械应力传感器和用于确定Sm的机械应力传感器是公知的。在这种 情况下，有利地采用如下传感器:所述传感器允许具有高灵敏度的测量以及具有由温度波 动或制造公差所决定的微小的误差。
[0070] 在这种情况下要注意的是，所介绍的解决方案允许基于信号Sp和Sm的任意的（线 性)组合，以便实现对由机械应力所引起的干扰的至少部分的补偿。
[0071] 例如，可以将例如信号Sp和Sm的如下组合之一考虑用于减小干扰： ki ? Sp + k2 ? Sm ki ? Spel + k2 ? Sme2 (ki ? Sp + k2 ? Sm)e1。
[0072]在这种情况下，lu、k2是正的或者负的实数值系数，而el、e2是正的或者负的实数值
[0073] 例如，可以实现减小干扰，其方式是对应于没有被补偿的输出信号的信号S1按照 如下式子被乘以由信号Sp和Sm构成的被增多了值1的组合： Slc〇mp = Sl ? (H~ki ? Sp-|-k2 ? Sm)〇
[0074] 这对应于乘性补偿(multipiikative Kompensation)。例如，弛张振荡器的振荡器 频率通过提高在芯片表面上的机械法向应力分量而升高了3%，因为给弛张振荡器的电容 再充电的电流由于对电路的确定该电流的那部分产生影响的机械应力而变大了 3%。在这 样一种情况下，可以通过"电流放大器"、例如电流镜来处理电流，所述电流放大器的放大因 数与 1 + ki ? Sp + k2 ? Sm 成比例。在这种情况下，系数k#Pk2被选择为使得放大因数由于产生影响的机械应力 而被减小了 3%并且这样跟机械法向应力分量的提高相反地起作用。因此，以有针对性的方 式使得电流放大器的放大因数与信号Sp和Sm有关，以便由此抵制由机械应力所决定的电流 提尚。
[0075] 除了乘性补偿以外，也可以采用按照下式的加性补偿： Slc〇mP = SH-ki ? Sp-|-k2 ? Sm〇
[0076]在这种情况下，没有被补偿的输出信号S1与由Sp和Sm构成的组合不是相乘地、而 是相加地相结合。这样的补偿的优点是:测量桥的零点误差由于产生影响的机械法向应力 分量而形成并且因此可以有利地通过相对应的减法而至少按份额地被消除。
[0077] 用于确定Sp的应力传感器 用于确定Sp的机械应力传感器例如在US 7，980,138 B1中或者在US 2012/0210800 A1 中被描述。
[0078] 例如，可以采用至少两个不同掺杂的电阻性器件:在一实例中可以将n掺杂的电阻 与P掺杂的电阻相比较;在另一实例中可以将匪0S晶体管与PM0S晶体管相比较;在还又一实 例中可以将低掺杂的n电阻与高掺杂的n电阻相比较。
[0079] 可替换地，可以将至少一个横向地起作用的电阻性元件与至少一个纵向地起作用 的电阻性元件相比较。在这种情况下，所述横向地起作用的电阻性元件基本上具有平行于 芯片表面的通过电流，而所述纵向地起作用的电阻性元件基本上具有垂直于芯片表面的通 过电流。
[0080] 图1示出了具有电压源101的示例性电路，所述电压源101在运算放大器102的非反 相输入端和接地之间提供电压U0。运算放大器102的输出端与匪0S 104的栅极端子相连。 匪0S 104的源极端子与运算放大器102的反相输入端相连。在NM0S 104的源极端子和接地 之间设置有电阻装置105。
[0081]电压U0借助于具有运算放大器102和匪0S 104的反馈装置而被复制到电阻装置 105上。经过电阻装置105的电流被NM0S 104耦合输出（auskoppeln)并且通过可调整的电流 镜103被注入到电阻装置106。
[0082]电流镜103的输入端与NM0S 104的漏极端子相连，而电流镜103的输出端通过电阻 装置106与接地相连。
[0083]电压Sp附在NM0S 104的源极端子和电流镜103的输出端之间。为了平衡 (Abgleich)，可以调节所述可调整的电流镜103,使得电压Sp变为零。
[0084] 因此，按照图1的电路将电阻装置105和106的电阻进行比较。如果对电阻装置105 和106产生影响的机械应力改变，那么它们的阻值之比改变，因为电阻装置105有不同于电 阻装置106的与机械应力的关系，而且电压Sp偏尚零，更确切地说与机械应力分量〇xx + 〇yy、 即在芯片表面中的法向应力之和成比例。
[0085] 例如，电阻装置105可以具有两个以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）的横向电阻。相对应地，电阻装置106可以具有两个以L形布局的横向电 阻。电阻装置105的横向电阻可以具有第一掺杂，而电阻装置106的横向电阻可以具有第二 掺杂。尤其是，第一掺杂可以不同于第二掺杂。
[0086] -选项在于，电阻装置105具有两个以L形布局的横向电阻，而电阻装置106具有纵 向电阻（即具有在 z方向上的通过电流方向的电阻）。
[0087] 因为在实践中经常很难在半导体衬底的深度中安置接触部，以便由此将（唯一地 或基本上）垂直的通过电流親合输入(einkoppeln)到电阻元件中，所以替代于其地可以将 至少两个接触部接近半导体衬底的表面地布置，使得通过电流线呈现显著的弧形，也就是 说通过电流线类似于在从一个接触部到衬底的深度中并且又回到第二接触部所在的表面 的弧中的半圆地走向。
[0088] 弧形的通过电流线对于由水平的和垂直的通过电流线构成的混合物是意义相同 的，所述水平的和垂直的通过电流线的混合物通过弧的拉伸(Streckung)而变化。以这种方 式，例如可以制造这两个具有技术上相同的槽（和因此相同的掺杂分布 (Dotierungsprofile))的电阻元件105和106,其中在第一电阻元件中的这些接触部比在第 二电阻元件中的这些接触部进一步毗邻。由此，在第二电阻元件中的通过电流线的弧形比 在第一电阻元件中的更多地朝水平面被拉伸，使得有效的纵向的通过电流份额在这个两电 阻元件中有所不同。因此，通过机械应力对这两个电阻元件的电阻的影响也有所不同。
[0089] 优选地，电阻装置105和106被放置为使得可能发生的温度变化导致电阻比例没有 或者只是尽可能微小地改变。必要时，电压Sp可以也围绕温度关系被澄清。对此，在图1中， 电压U0(作为控制电压）具有至少部分地进行补偿的温度历程(Temperaturgang)。也有用于 对温度影响至少按份额地补偿的选项：电压Sp被检测并且被乘以与温度有关的因子。
[0090] 用于确定Sm的应力传感器 用于确定Sm的机械应力传感器可以如下面那样被实现:例如可以布置两个横向的电阻 装置，使得出现基本上相互垂直地流动的电流。
[0091] 这两个电阻装置也可以串联;在这种情况下，相同的电流流经这两个电阻装置(这 对应于半桥）。在这两个串联的电阻装置之间的节点上的电势在被校准的状态下在等大的 电阻情况下对应于大约一半的电压，所述一半的电压降落在这两个电阻装置上。与所述一 半的电压的偏差基本上与Sm成比例。
[0092] 这两个串联的电阻装置在所有情况下都可以具有至少一个电阻。这两个电阻装置 可以有相同的电阻值或者不同的电阻值。例如，第一电阻装置可以具有为3千欧姆的电阻 值，而第二电阻装置可以具有为1千欧姆的电阻值。如果没有机械应力作用到这两个电阻装 置上，那么在半桥的节点上得到为串联电路的总电压的:1/4或3/4.的分配。
[0093] 也有一实例:将电流注入到两个相互垂直地被布置的横向的n掺杂的电阻。在这种 情况下，在这两个电阻上的电压之差与Sm成比例。
[0094]图2示出了两个横向地被布置的电阻201和202的示例性装置。电阻201示例性地被 布置在y方向上，而电阻202示例性地被布置在x方向上。
[0095] 电阻201被布置在端子203和节点204之间，而电阻202被布置在节点204和接地之 间。供电电压Vin附在节点203上，在节点204上量取输出电压Vout。在图2中示出的装置是半 桥。电阻201和202具有例如掺杂为ND〈1018/cm3的弱n掺杂的硅。
[0096]在图2中所示出的实例中，电阻201的通过电流方向平行于密勒指数(Millerscher Index)[:ll0]。因此它的电阻值与机械应力的关系计为：
[0097]电阻202的通过电流方向平行于密勒指数[:il0]。它的电阻值与机械应力的关系被 得到为：
[0098]由此，（尤其是在用于不太大的机械应力的线性近似中）对于输出电压Vout与供电 电压Vin之间的比来说得出：
[0099]图3示出了四个横向地以惠斯登电桥(也称作全桥)的形式被布置的电阻301、302、 303和304的示例性装置。电阻301和302示例性地被布置在y方向上，而电阻303和304示例性 地被布置在x方向上。
[0100]在图3中所示出的全桥的情况下，电流在第一方向上流经电阻301和302,而电流在 第二方向上流经电阻303和304,其中第一方向和第二方向相互垂直。
[0101] 电阻301被布置在端子307和节点305之间，电阻302被布置在节点306和接地之间， 电阻303被布置在节点307和节点306之间，而电阻304被布置在节点305和接地之间。供电电 压Vin附在节点307上。在节点305和306之间量取输出电压Vout。
[0102]在图3中所示出的实例中，电阻301至304的通过电流方向平行于如下的密勒指数： 一电阻301 和302: [110]， 一电阻303和304: [il0]。
[0103] 如果电阻301至304具有例如掺杂为ND〈1018/cm 3的弱n掺杂的硅，那么输出电压 Vout被得到为：
[0104] 如果电阻301至304具有例如掺杂为NA〈l〇18/cm 3的弱p掺杂的硅，那么输出电压 Vout被得到为：
[0105] 在所述实例中，尤其是涉及（loo)硅，也就是说芯片表面是（mo)平面并且因此与 [wo ]方向垂直。在（1〇〇)晶片的常用的定向的情况下，矩形的芯片沿着]和[ip]方向 从该晶片中被锯开。X和y方向标明芯片坐标系并且平行于芯片棱边。
[0106] 通过将在图2和图3中所示出的电阻旋转45度可以实现：可确定的不是机械应力 〇xx-〇yy而是机械应力〇 xy。在这种情况下可以采用n掺杂的电阻，以便针对机械应力〇xy实现 较高的灵敏度，而P掺杂的电阻允许针对机械应力- Oyy的较高的灵敏度。示例性地使用 低的n或p掺杂，其中高掺杂也是可能的。
[0107] 图4示出了两个横向地被布置的电阻401和402的示例性装置。电阻401示例性地相 对于在x-y平面中的x轴旋转了 45度，而电阻402与之正交地被布置。
[0108] 电阻401被布置在端子403和节点404之间，而电阻402被布置在节点404和接地之 间。供电电压Vin附在节点403上，在节点404上量取输出电压Vout。图4中所示出的装置是半 桥。电阻401和402具有例如掺杂为N D〈1018/cm3的弱n掺杂的硅。
[0109] 在图4中所示出的实例中，电阻401的通过电流方向平行于密勒指数[100 ]。它的电 阻值与机械应力的关系因此计为：
[0110] 电阻402的通过电流方向平行于密勒指数[|_|10]。它的电阻值与机械应力的关系 被得到为：
[0111] 由此，（尤其是在用于不太大的机械应力的线性近似中）对于输出电压Vout与供电 电压Vin之间的比来说得出：
[01口」 图5不出J四个横冋地以患斯登电析C也称作全析）的形式骰布宣的电阻501、502、 503和504的示例性装置。电阻501和502示例性地相对于在x-y平面中的x轴旋转了45度，而 电阻503和504与之正交地被布置。
[0113] 在图5中所示出的全桥的情况下，电流在第一方向上流经电阻501和502,而电流在 第二方向上流经电阻503和504,其中第一方向和第二方向相互垂直。
[0114] 电阻501被布置在端子507和节点505之间，电阻502被布置在节点506和接地之间， 电阻503被布置在节点507和节点506之间，而电阻504被布置在节点505和接地之间。供电电 压Vin附在节点507上。在节点505和506之间量取输出电压Vout。
[0115] 在图5中所示出的实例中，电阻501至504的通过电流方向平行于密勒指数： 一电阻501 和502: [100]， 一电阻503和504: [GlCi]。
[0116] 如果电阻501至504具有例如掺杂为ND〈1018/cm 3的弱n掺杂的硅，那么输出电压 Vout被得到为：
[0117] 其它实施形式和优点 除了电阻以外，也可以将晶体管、尤其是M0S晶体管用作用于探测机械应力的传感器。 在这种情况下，可以充分利用机械应力与多数载流子的移动性有关的效应。
[0118] 例如，两个M0S晶体管可以被放置为使得相应的经过M0S晶体管的通过电流相互垂 直地走向。在此，这两个M0S晶体管优选地平行于芯片表面地被布置。此外，M0S晶体管的栅 极端子可以彼此相连，并且M0S晶体管的源极端子可以彼此相连。如果现在电流通过源极端 子被输送给所述M0S晶体管（在匪0S晶体管的情况下被导入，在PM0S晶体管的情况下被引 出），那么基于所述M0S晶体管的W/L比(W:空间电荷区的宽度;L:空间电荷区的长度)得到它 们的漏极电流(流过漏极端子的电流)之比。如果这两个M0S晶体管的W/L比相同，那么所述 漏极电流之比与如下信号成比例： 1 + k ? Sm, 其中k ? Sm相对于1是小的。换句话说，电流镜比在相同的W/L比的情况下接近于值1，并 且只有与值1的微小的偏差受机械应力影响。
[0119] 该方法尤其是对于具有平行于密勒指数[11:0]和的通过电流方向的晶体管 是有利的。尤其是压电系数k在PM0S晶体管的情况下相对大。
[0120] 如果经过晶体管的通过电流方向在[:106 ]和[010 ]方向上走向，那么所述电流镜 比与1 + k ? %成比例，其中在使用NM0S晶体管的情况下，所述压电系数k是特别有利(大） 的。
[0121] 可以将这样的包括两个M0S晶体管的装置作为电流镜运行。可替换地，这两个M0S 晶体管可以被用作运算放大器的被短接的差分输入端。这些实例可以与级联(例如包括至 少两个用于放大的晶体管的级联电路）和/或与在源极端子上的负反馈电阻 (Degenerationswiderstand)相组合。这样的负反馈电阻可以被实施为具有相互正交的通 过电流方向的横向电阻。如果也使用这样布置的负反馈电阻，那么可以根据机械应力〇 xx - (%实现输出电流比的高灵敏度。
[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"（发表于：Integration Issues of Miniaturized Systems-M0Ms，M0EMS，ICS and Electronic Components(SSI)，2008年第 二届欧洲会议及展览，2008年4月9至10日，第1至8页，西班牙，巴塞罗那，ISBN 978-3-8007-3081 -0，出版商:VDE)中所描述的电流镜可以被用于本方法。
[0123] 两个M0S晶体管也可以作为如在岳瑞峰等人的"M0S力敏运算放大器（Stress- sensitive MOS Operational amplifier)"（清华大学微电子学研究所，中国，北京， 100084,电子学报(ATCA ELECTRONICA SINICA)，第29卷，第8期，2001年8月）中所描述的运 算放大器的输入级被采用。
[0124] 图6示出了针对用于减弱机械应力对测量结果的影响的补偿电路的示意性的电路 装置。
[0125] 就这方面来说，可以至少部分地补偿机械应力对器件(或包括多个器件的电路)的 影响。
[0126] 示例性地，该电路装置具有两个电路部分610和611，其中这些电路部分也可以（部 分地或者完全地)被集成到一个电路中。测量传感器605基于物理量607确定测量信号612。 例如，测量信号612可以是霍尔电压，所述霍尔电压由作为测量传感器605的霍尔传感器基 于附上的作为物理量607的磁场而被确定。在这种情况下，测量传感器605不仅遭受要测量 的物理量607而且遭受机械应力602,由此所述测量信号612被干扰。为了减小或（至少部分 地)补偿该干扰，设置有探测机械应力601的机械应力传感器603。机械应力传感器603优选 地包括用于基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之和确定第一信号的第一传感器 和用于基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之差确定第二信号的第二传感器。
[0127] 机械应力601和作用于测量传感器605的机械应力602遭到确定性的耦合(通过箭 头614表示），也就是说可以使用在机械应力603的位置上出现的机械应力601，以便减小测 量传感器605的由机械应力602所引起的干扰。
[0128] 对此，机械应力601由机械应力传感器603检测，由处理单元604适当地预加工 (aufberei ten)并且作为控制信号608被提供给处理单元606。处理单元606根据测量信号 612并且根据控制信号608确定被补偿的输出信号609。可选地，可以省去处理单元604,并且 机械应力传感器603可以将它的信号提供给处理单元606(通过连接613表示）。
[0129] 作为补充地要注意的是，可以将这里所建议的补偿用于测量传感器605或者任意 的构件或任意的电路。就这方面来说，测量传感器605只能被看作可能的实例。代替测量传 感器605或者除了测量传感器605以外，例如可以设置下列部件中的至少一个:参考电压源、 参考电流源、振荡器(作为参考频率源）、时钟或任意的定时器。
[0130] 例如，对于必需参考频率源(也就是说频率标准）的应用来说，可以节省到目前为 止普遍的石英并且替代于其地可以采用这里所建议的补偿电路。在没有石英的情况下，在 芯片中的较高的集成度是可能的。
[0131] 另一实例涉及(可再充电的）电池，所述电池应该用精确的电压来充电，以便优化 其使用寿命。高度精确的充电电压要求相对应地精确的参考电压。也可以将这里所介绍的 补偿电路用于此。
[0132] 用于补偿外部的机械应力对集成电路的物理功能参数的影响的补偿电路也在DE 101 54 495 B4或US 6,906,514 B1 中被描述。
[0133] 尽管本发明已经详细地通过所述至少一个所示出的实施例进一步被阐明并且被 描述，但是本发明并不限于此，而且其它的变型方案可以由本领域技术人员从中得出，而不 离开本发明的保护范围。
【主权项】
1. 电子电路的支承体，其 一具有用于基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之和确定第一信号的第一传 感器， 一具有用于基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之差确定第二信号的第二传 感器。2. 根据权利要求1所述的支承体，其中，第一法向应力分量和第二法向应力分量平行于 支承体的表面地被取向。3. 根据上述权利要求之一所述的支承体，其中，所述第一传感器和所述第二传感器被 布置在共同的位置上。4. 根据上述权利要求之一所述的支承体，其中，所述第一传感器和所述第二传感器彼 此相邻地被布置。5. 根据上述权利要求之一所述的支承体，其中，所述支承体是衬底。6. 根据上述权利要求之一所述的支承体，其中，所述支承体被布置在芯片或者层压部 之上或者之中。7. 根据上述权利要求之一所述的支承体，其中，所述第一传感器和/或所述第二传感器 具有如下组成部分： 一至少一个η掺杂的或者p掺杂的器件、尤其是电阻、二极管或者晶体管； 一由至少两个电阻构成的串联电路； 一两个电阻，其中所述电阻中的一个基本上正交于另一个电阻地被布置。8. 根据上述权利要求之一所述的支承体，其具有用于确定第三信号的第三传感器，所 述第三信号基于在第一法向应力分量和第二法向应力分量的平面中的剪应力。9. 用于减小基于机械应力的干扰的电路，其包括 一用于基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之和确定第一信号的第一传感 器， 一用于基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之差确定第二信号的第二传感 器， 一处理单元，所述处理单元被设立为以便基于第一信号和第二信号来减小由机械应 力所引起的干扰。10. 根据权利要求9所述的电路，其中，所述第一法向应力分量和所述第二法向应力分 量平行于芯片的表面地被取向。11. 根据权利要求9或10所述的电路，其中，所述处理单元被设立为以便基于第一信号 和第二信号来提供控制信号，依据所述控制信号，至少一个电子器件的由机械应力所引起 的干扰至少部分地能被减小。12. 根据权利要求11所述的电路，其中，所述至少一个电子器件包括如下中的至少一 个： 一测量传感器， 一压力传感器， 一尤其是包括霍尔板的霍尔传感器， 一振荡器、尤其是弛张振荡器， 一电压源、尤其是基于带隙的恒压源， 一电流源、尤其是恒流源， 一温度传感器。13. 根据权利要求9至11之一所述的电路，其中，所述处理单元被设立为以便基于第一 信号和第二信号的线性组合或者非线性组合来减小由机械应力所引起的干扰。14. 根据权利要求9至13之一所述的电路， 一具有用于确定第三信号的第三传感器，所述第三信号基于在第一法向应力分量和 第二法向应力分量的平面中的剪应力， 一其中所述处理单元被设立为以便基于第一信号、第二信号和第三信号来减小由机 械应力所引起的干扰。15. 方法，其具有如下步骤： 一借助于第一信号并且借助于第二信号减小由机械应力所引起的干扰， 一其中第一传感器的第一信号基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之和被确 定，并且 一其中第二传感器的第二信号基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之差被确 定。16. 根据权利要求15所述的方法，所述方法此外还包括步骤： 一基于第一信号和第二信号提供控制信号，其中依据所述控制信号，至少一个电子器 件的由机械应力所引起的干扰至少部分地能被减小。17. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述至少一个电子器件包括至少一个用于检测 物理量的传感器。18. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述至少一个电子器件包括电路。19. 设备，其包括： 一用于借助于第一信号和借助于第二信号减小由机械应力所引起的干扰的装置， 一其中第一传感器的第一信号基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之和被确 定，并且 一其中第二传感器的第二信号基于第一法向应力分量和第二法向应力分量之差被确 定。
【文档编号】G01L5/16GK105910735SQ201610092489
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年2月19日
【发明人】U.奥瑟莱希纳, M.莫茨
【申请人】英飞凌科技股份有限公司