专利名称：具有电阻式传感器的温度开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有电阻式传感器的温度开关，并且更具体而言，涉及包括惠斯通电桥(Wheatstone bridge)的传感器,该惠斯通电桥具有三个各自具有低电阻温度系数的电阻器和具有高电阻温度系数的第四电阻器。
背景技术：
许多电子设备具有它们在其中运行的温度范围。如果设备处于在该温度范围之外的环境中，则设备的可靠性受到影响，使得设备可能停止正确运行或者完全停止。智能电话,例如iPhone、Blackberry和其他手机或移动设备是具有用于最佳性能的温度范围的设备的实例。存在运行温度和存储温度的推荐的范围。推荐的运行温度处于O到75摄氏度的范围内。推荐的存储温度处于-20到45摄氏度的范围内。如果智能电话处于在这些范围之外的环境中或者电话自身加热到这些范围之外的温度，则电话可能停止充电、显示器变暗、经历蜂窝信号降低、禁用位置服务或者禁用照相机闪光灯。在一些电话中，温度警告屏幕将出现并且指示电话需要冷却才能再使用。为了防止电话或其他电子设备被热量损坏，温度传感器被集成到电话和设备中。例如在智能电话中，当达到最佳温度的任意极端边界时，温度开关可以触发安全模式。该安全模式可以关闭电话或者限制功耗以降低电话的运行温度。如果检测到边界温度，则使用各种温度传感器来关闭电话或设备或者关闭电话或设备的组件。例如，可以将热电偶包括在电话或设备的印刷电路板上以检测温度改变。该热电偶被配置为产生与两个导体之间的温度差成正比的电压。热电偶的一个限制在于周期性和精确性。图1和图2是用于温度开关的电路的现有技术方案，其中门限温度值是到与用于检测温度的传感器独立的电路的输入。图1是由德州仪器(Texas Instruments)制造的并且被称为TMP300的电阻器可编程温度开关100。温度开关100使用外部设置电阻器Rset来编程用于输出OUT的跳变温度(trip temperature)。在与温度开关100独立的传感器中感测温度并且将该温度提供给温度开关100作为电气信号VTEMP。将信号Vtemp与用于表示门限温度Tset的设定的电阻器值进行比较。在该开关中，门限温度值被输入到电子装置中而不是到传感器中。图2是由微芯(Microchip)制造并且被称为MCP9510的可以用单个外部电阻器Rset来编程的用户可编程温度开关200。开关200能够针对_40到125摄氏度之间的温度触发。用户选择Rset的电阻，以编程用于触发温度开关200的门限温度。将Rset上的电压Vset与被配置为感测温度的内部热二极管202上的电压进行比较。用比较器204将热二极管202的电压与Rset上的电压Vset进行比较。如果热二极管202的电压超过Vset则将激活输出OUT。如同图1中的温度开关100，图2中的温度开关200需要将温度门限值输入与温度开关相邻的电子装置中并且不是与温度开关整体提供的。这两个温度开关100、200是与电话或其他电子设备的其他组件(如处理器、母板和晶振)独立的组件。温度开关100、200和附加外部电阻器必须被依附到处理器和其他组件所依附到的印刷电路板上。
发明内容
本公开内容涉及形成这样一种温度传感器开关，其具有存储在该传感器中的门限温度并且执行该门限温度与环境温度的内部比较。该温度传感器开关的输出被用作基于测量的和存储的温度的打开/关闭。在一个实施方式中，将该温度传感器与半导体器件的诸如用于微处理器或微控制器等的有源电路一体化。该温度传感器开关包括具有四个电阻器的惠斯通电桥，其中三个电阻器具有低电阻温度系数并且第四个电阻器具有高电阻温度系数。该第四个电阻器被配置为检测该器件运行所处于的环境温度。该四个电阻器的电阻被选择为响应于该门限温度。因此，至少将该惠斯通电桥的该第四个电阻器形成在该器件的最后的金属层上或在其附近。更加靠近环境定位将使得温度传感器更加精确。另外，在该温度传感器开关中并且不是在独立的电子装置中执行该门限温度与该环境温度的比较。并且，每个电阻器被修整为允许在该惠斯通电桥中实现精确电阻。
当结合附图来考虑下文的详细描述时，本发明的前述和其他特征和优点将从中变得更好理解，随之变得更加易于理解。图1和2是已知温度开关的电路图；图3是根据本公开内容的一个实施方式的温度开关的电路图；图4是根据本公开内容的一个实施方式所形成的温度开关的惠斯通电桥的俯视图；图5是经过图4的横截面5-5的横截面视图；图6是经过图4的横截面6-6的横截面视图；图7是根据本公开内容所形成的温度开关的一个实施方式的一部分的放大横截面视图；图8是根据本公开内容的两个加热器之间的电阻器的简化实施方式；图9和10是根据本公开内容所形成的温度开关的惠斯通电桥的可替换的实施方式的横截面视图；图11和12是图3的温度开关的输出的响应曲线；以及图13是在控制器中包括温度开关的系统的框图。
具体实施例方式在下文的描述中，阐述一些具体细节以便提供本公开内容的各种实施方式的透彻理解。但是，本领域的熟练技术人员将理解，没有这些具体细节也可以实施本公开内容。在一些实例中，未详细描述与半导体制造相关联的公知结构，以免模糊本公开内容的实施方式的描述。除非上下文需要，否则将遍及以下说明书和权利要求书，词语“包括”和它的变形理解为开放式、包容的意义，即“包括但不限于”。遍及本说明书，对于“一个实施方式”或“实施方式”的参考意味着结合该实施方式所述的具体特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此在遍及本说明书的各个地方的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”的出现无需全部涉及相同的实施方式。此外，在一个或多个实施方式中可以用合适的方式组合具体的特征、结构或特性。在附图中，相同的附图标记标识相似的特征或元件。附图中的特征的大小和相对位置无需按比例绘制，但是在一些实例中，反应组件之间的实际比例和相对大小。图3是根据本公开内容形成的温度开关300的电路图。温度开关300包括耦合到比较器304的惠斯通电桥302。惠斯通电桥302包括四个电阻器R1、R2、R3和R4。第一电阻器Rl耦合到第一节点NI和第二节点N2。第二电阻器Rl耦合到第二节点N2和第三节点N3。第三电阻器R3耦合到第三节点N3和第四节点N4。第四电阻器R4耦合到第四节点N4和第一节点NI。电压源Vin耦合在第一节点NI与第三节点N3之间。在一个实施方式中，如果惠斯通电桥的电压源Vin是5伏，则温度传感器消耗的功率小于I毫瓦。比较器304具有第一输入310、第二输入312和输出Vout。第一输入310 f禹合到惠斯通电桥302的第二节点N2，并且第二输入312耦合到惠斯通电桥的第四节点。温度开关300被配置为检测高于门限温度的温度改变并且提供可以被用作为开关(即打开或关闭)的输出。惠斯通电桥302作为传感器来确定温度是否达到门限温度。具体而言，第一电阻器R1、第二电阻器R2和第四电阻器R4各自具有低电阻温度系数，第三电阻器R3具有高电阻温度系数。第三电阻器R3被配置为当温度超过门限时改变电阻。第三电阻器R3是热敏电阻器，它是电阻随着温度显著改变的电阻器。通常，热敏电阻器的电阻与温度之间的关系是线性的，因而电阻的改变等于温度的改变乘以电阻的温度系数。见方程式1:AR = kAT (I)其中，AR是电阻的改变，Λ T是温度的改变，并且k是电阻的温度系数。如果k为正，则电阻随温度增加而增加。如果k为负则电阻随温度增加而减小。当第二电阻器R2与第一电阻器Rl的比(R2/R1)等于第三电阻器R3与第四电阻器R4的比(R3/R4)时，惠斯通电桥302平衡并且惠斯通电桥302的输出电压Vg将会是零。随着环境温度或含有惠斯通电桥302的器件的温度发生改变，则第三电阻器R3的电阻将改变。第三电阻器R3的电阻的改变将导致惠斯通电桥302不平衡并且Vg的输出将不是零。流经Vg的电流的方向将指定温度是过于还是低于门限温度。惠斯通电桥302极其准确并且对于不平衡高度敏感。第三电阻器R3的电阻的非常小的改变打破平衡并且容易被检测到。可以选择并且制造第三电阻器R3的品质，以提供将触发惠斯通电桥302的不平衡的具体的参考或门限温度。可以使用具有第三电阻器R3的该品质的参考或门限温度来对惠斯通电桥302进行编程。可以通过制造技术或者通过电阻修整来实现这一编程，这将在下面更详细地讨论。这一布置允许将环境温度与被编程到传感器(惠斯通电桥302)中的参考或门限温度进行比较。温度开关300测量或检测门限温度并且给出电气输出Vout。当门限温度超过(高于或者低于)一个边界时，比较器304提供输出信号Vout。例如,如果第一输入310大于第二输入312，则输出Vout被接地，并且如果第二输入312大于第一输入310，则输出Vout被打开或开启。在一个可替换的实施中，当检测到参考或者门限温度时，可以使用电流来触发温度开关300。温度开关300还可以包括一个或多个加热器306，可以由控制电路308控制每个加热器306。加热器306被配置为提供局部化的热处理以改变相邻电阻器的电阻。在该实施方式中，加热器306仅被显示为与第四电阻器R4相邻。但是在其他实施方式中，可以存在与电阻器Rl、R2、R3和R4中的一个或多个相邻的加热器。这允许最终用户具有对于电阻器Rl、R2、R3和R4并且因此对于用于触发温度开关300的门限温度的更大的控制。例如，如果环境温度超过75摄氏度，则智能电话制造商可能希望电话上的处理器和其他器件停止运行或者开始在在安全模式中运行。当温度极其高或及其低时，在安全模式中运行或者关闭电话将帮助防止对于电话和包括在电话上的其他组件的不能挽回的损坏。如上所述，存在与第四电阻器R4相邻定位的加热器306。然而，也可以提供多个加热器306以修整电阻器Rl、R2和R3，参见图4_10中的可替换的加热器布置。每个加热器306将被耦合到控制电路308或其他类似控制电路。更具体而言，每个加热器可以具有它自己的控制电路或者全部加热器可以耦合到控制电路的一个集合。在可替换的实施方式中，第一电阻器R1、第二电阻器R2和第四电阻器R4可以耦合到控制电路的一个集合并且第三电阻器R3耦合到控制电路的另一个集合。将在下文中关于图4-10更详细地描述加热器306和局部热处理。在一个实施方式中，第一、第二、第三和第四电阻器的电阻R相等，如方程式2所
/Jn οR = Rl = R2 = R3 = R4 (2)第一、第二和第四电阻器与第三电阻器的差异是电阻温度系数的差异。第一电阻器R1、第二电阻器R2和第四电阻器R4的电阻改变是相等的，因为每个电阻器具有相同的低电阻温度系数。在一个实施方式中，第一、第二和第四电阻器的电阻在运行期间的电阻改变是零，如方程式3中所示的。
权利要求
1.一种集成电路器件，包括: 衬底； 形成在所述衬底上的惠斯通电桥，所述惠斯通电桥包括: 耦合在第一互连与第二互连之间的第一薄膜电阻器，所述第一电阻器对温度不敏感； 耦合在所述第二互连与第三互连之间的第二薄膜电阻器，所述第二电阻器对温度不敏感； 耦合在所述第三互连与第四互连之间的第三薄膜电阻器，所述第三电阻器对温度敏感； 耦合在所述第一互连与所述第四互连之间的第四薄膜电阻器，所述第四电阻器对温度不敏感； 形成在所述衬底上并且耦合 在所述第一互连与所述第三互连之间的电压源；以及形成在所述衬底上并且具有耦合到所述第二互连的第一输入、耦合到所述第四互连的第二输入、以及输出的比较器。
2.如权利要求1所述的集成电路器件，其中，所述第一薄膜电阻器、所述第二薄膜电阻器和所述第四薄膜电阻器具有第一电阻温度系数并且所述第三薄膜电阻器具有第二电阻温度系数，所述第二电阻温度系数大于所述第一电阻温度系数。
3.如权利要求1所述的集成电路器件，其中，所述第一薄膜电阻器、所述第二薄膜电阻器、所述第三薄膜电阻器和所述第四薄膜电阻器包括铬和硅。
4.如权利要求3所述的集成电路器件，其中，在所述第一薄膜电阻器、所述第二薄膜电阻器和所述第四薄膜电阻器中的铬硅比大于在所述第三薄膜电阻器中的铬硅比。
5.如权利要求1所述的集成电路器件，还包括与所述第一薄膜电阻器、所述第二薄膜电阻器、所述第三薄膜电阻器和所述第四薄膜电阻器相邻的多个加热器，所述多个加热器中的每个加热器被配置为独立地操作以改变相应的薄膜电阻器的电阻。
6.如权利要求1所述的集成电路器件，还包括与所述第三薄膜电阻器相邻的加热器，所述加热器被配置为改变所述第三薄膜电阻器的电阻。
7.如权利要求1所述的集成电路器件，其中，所述第一电阻器、所述第二电阻器、所述第三电阻器和所述第四电阻器中的每个电阻器的电阻相同。
8.如权利要求1所述的集成电路器件，还包括用于将所述第一电阻器、所述第二电阻器和所述第四电阻器与所述第三电阻器分隔的第一电介质以及用于将所述第三电阻器与环境分隔的第二电介质。
9.如权利要求8所述的集成电路器件，其中，所述第一电介质是不导热的而所述第二电介质是导热的。
10.一种方法，包括: 形成集成电路器件，所述形成所述器件包括: 形成惠斯通电桥，所述形成惠斯通电桥包括: 在衬底之上形成多个第一互连结构； 形成与所述第一互连结构相接触的第一薄膜电阻性层，所述第一薄膜电阻性层具有第一电阻温度系数； 通过去除所述第一薄膜电阻性层的部分形成第一电阻器、第二电阻器和第三电阻器；在所述第一电阻器、所述第二电阻器和所述第三电阻器以及所述第一互连结构之上形成第一层间电介质； 在所述第一层间电介质层之上形成多个第二互连结构； 形成与所述第二层间电介质层相接触的第二薄膜电阻性层，所述第二薄膜电阻性层具有大于所述第一电阻温度系数的第二电阻温度系数；以及通过去除所述第二薄膜电阻性层的部分形成第四电阻器。
11.如权利要求10所述的方法，还包括: 利用所述第一互连将所述第一电阻器耦合到所述第三电阻器； 利用所述第二互连将所述第一电阻器耦合到所述第二电阻器； 利用所述第三互连将所述第二电阻器耦合到所述第四电阻器； 利用所述第四互连将所述第三电阻器耦合到所述第四电阻器。
12.如权利要求11所述的方法，还包括: 形成具有第一输入和第二输入的比较器，所述形成包括: 将所述第一输入耦合到所述第二互连；以及 将所述第二输入耦合到所述第四互连。
13.如权利要求12所述的方法，还包括将电压源耦合到所述第一互连和所述第三互连。
14.如权利要求10所述的方法，还包括: 在所述第一电阻器、所述第二电阻器和所述第三电阻器之上形成第一导热电介质层； 在所述第一导热电介质层之上形成第一加热器层；以及 通过去除所述第一加热器层的部分，在所述第一电阻器、所述第二电阻器和所述第三电阻器之上形成第一加热器、第二加热器和第三加热器。
15.如权利要求14所述的方法，还包括: 在所述第四电阻器之上形成第二导热电介质层； 在所述第二导热电介质层之上形成第二加热器层；以及 通过去除所述第二加热器层的部分，在所述第四电阻器之上形成第四加热器。
16.—种系统,包括: 存储器；以及 控制器，所述控制器包括: 衬底； 形成在所述衬底上的惠斯通电桥，所述惠斯通电桥包括: 耦合在第一互连与第二互连之间的第一薄膜电阻器，所述第一电阻器对温度不敏感； 耦合在所述第二互连与第三互连之间的第二薄膜电阻器，所述第二电阻器对温度不敏感； 耦合在所述第三互连与第四互连之间的第三薄膜电阻器，所述第三电阻器对温度敏感； 耦合在所述第一互连与所述第四互连之间的第四薄膜电阻器，所述第四电阻器对温度不敏感； 在所述衬底上并且耦合在所述第一互连与所述第三互连之间的电压源；以及所述衬底上的比较器，所述比较器具有耦合到所述第二互连的第一输入、耦合到所述第四互连的第二输入以及输出。
17.如权利要求16所述的系统，其中，所述控制器包括逻辑电路和控制电路，并且所述惠斯通电桥包括位于与所述第一电阻器、所述第二电阻器、所述第三电阻器和所述第四电阻器中的至少一个相邻的多个加热器，所述控制电路耦合到所述加热器。
18.如权利要求16所述的系统，其中，所述第一薄膜电阻器、所述第二薄膜电阻器和所述第四薄膜电阻器具有第一电阻温度系数，并且所述第三薄膜电阻器具有第二电阻温度系数，所述第二电阻温度系数大于所述第一电阻温度系数。
19.如权利要求16所述的系统，还包括用于将所述第一电阻器、所述第二电阻器和所述第四电阻器与所述第三电阻器分隔的第一电介质以及用于将所述第三电阻器与环境分隔的第二电介质。
20.如权利要求19所述的系统，其中，所述第一电介质是不导热的而所述第二电介质是导热的。
全文摘要
本发明公开了一种具有电阻式传感器的温度开关，其涉及用于形成精确温度传感器的器件和方法，该温度传感器开关具有四个电阻器与一个比较器的惠斯通电桥配置。当温度传感器检测到温度高于门限时，开关将改变状态。惠斯通电桥中的四个电阻器具有相同的电阻，其中，三个电阻器具有低电阻温度系数并且第四个电阻器具有高电阻温度系数。随着温度增加，第四电阻器的电阻将改变。第四电阻器的电阻改变将改变该桥上的电压。该桥上的电压被耦合到比较器并且将该电压与门限温度进行比较，使得当超过门限温度时该比较器关闭输出。
文档编号G01K7/16GK103186108SQ20121051971
公开日2013年7月3日 申请日期2012年11月27日 优先权日2011年12月30日
发明者O·伦菲尔, R·尚卡 申请人:意法半导体有限公司