半导体压力传感器的制作方法

发明领域

本发明涉及压力传感器的领域，具体地涉及集成在半导体器件中的压力传感器。

发明背景

半导体压力传感器在本领域中是已知的。

us4,672,411(hitachi)公开了一种具有在半导体主体中形成的隔膜的压力传感器(在图1中示出)，该隔膜具有在其主表面中的一对压力感测半导体带(图1中的垂直压阻带30、31)。带30、31中的每一者在一端通过半导体区域(图1中的三角形区域32)连接到另一者。半导体区域32是在朝着小压阻系数的方向形成的，而带30、31是朝着大压阻系数的方向形成的。半导体区域32(三角形)具有比带30、31的电阻更小的薄膜电阻。还在带30、31的另一端处提供电极引出区域，这些区域具有低电阻、在小压阻系数的方向上延伸、并且延伸超出隔膜的边缘以使得电极在该隔膜外部接触半导体主体。电阻带30、31以惠斯通电桥来连接。隔膜的变形造成扩散电阻层(即，压阻带)扩张或收缩以改变它们的电阻。压力传感器通过电气地检测电阻的变化来感测压力变化。

然而，这一压力传感器并非在所有情形中都是非常准确的，例如在温度波动的情形中以及在残余封装应力的情形中。

发明概述

本发明的目标是提供良好的半导体压力传感器。

具体而言，本发明的各实施例的一目标是提供具有良好准确度的压力传感器，具体而言在半导体基板的非均匀温度(例如，温度梯度)的情形中和/或在封装应力的情形中和/或在非均匀电场的情形中或它们的组合。

本发明的各实施例的一目标是提供一种压力传感器，该压力传感器具有经改进线性度和/或经改进敏感度，同时对温度梯度相对不敏感，并且在特定实施例中也对均匀(非径向)封装应力相对不敏感和/或也对垂直于传感器表面的电场相对不敏感。

这些目标由根据本发明的各实施例的器件来实现。

在第一方面，本发明提供一种用于确定施加于其上的外部压力的半导体压力传感器，包括：作为半导体基板的一部分的膜，所述膜用于归因于所述外部压力而变形且具有膜边缘和膜厚度；位于所述膜的第一侧部分之上或附近的第一电阻器对，所述第一电阻器对包括连接在第一偏置节点和第一输出节点之间的第一电阻器以及连接在所述第一偏置节点和不同于所述第一输出节点的第二输出节点之间的第二电阻器，所述第二电阻器的电阻等于所述第一电阻器的电阻；第一电流源，所述第一电流源连接到或能连接到所述第一输出节点并被适配成使得第一预定义电流流过所述第一电阻器使得所述第一输出节点采取第一输出电压；第二电流源，所述第二电流源连接到或能连接到所述第二输出节点并被适配成使得第二预定义电流流过所述第二电阻器使得所述第二输出节点采取第二输出电压，其中所述第二预定义电流基本上等于所述第一预定义电流；所述第一电阻器包括布置在第一方向上的用于测量所述膜归因于要测量的外部压力的变形的一个或多个第一延长压阻带，所述第二电阻器包括布置在第二方向上的用于测量所述膜归因于要测量的外部压力的变形的一个或多个第二延长压阻带，其中所述第二方向基本上垂直于所述第一方向；第一和第二输出电压形成指示要测量的外部压力的第一差分电压信号。

每一输出节点连接到电流源以获得各节点之间的与外部压力成比例的输出电压是有利的。

第一电阻器和第二电阻器位于同一侧(例如，正方形膜的边缘)是有利的，因为通过这样做，电阻器之间的距离很小并且因而这两个电阻器的温度基本上相同。因为第一和第二电阻器的电阻相等，并且因为这两个电阻器由相同材料制成，所以这两个电阻器的电阻将随温度以相同方式变化(例如，这两者以5％增加)。这将使得这两个输出电压以相等的量来降低，而将不影响它们之差。换言之，这一电路对(随时间的)温度变化基本上不敏感并且对膜上的温度梯度基本上不敏感。

使用与单个电阻器(而非两个电阻器，这是惠斯通子电路的情形)串联连接的电流源是有利的，因为它允许较大电流(约等于供电电压除以标称电阻值＝vdd/r)流过电阻器，与惠斯通子电路的情形中的仅vdd/2r形成对比。因为这应用于这两个输出节点，所以敏感度通常增加80％到95％(与惠斯通子电路相比)。

使用电流源是有利的，因为它允许发送固定的电流通过电阻器，这一电流与所施加的压力无关，这移除了惠斯通子电路中发现的非线性的原因，其中通过特定电阻器(例如图2中的r2)的电流随所施加的压力而变化(因为r1和r2在外部压力下不按相同量来改变)，并且还因为电阻值本身随所施加的压力而变化(归因于压阻效果)，跨惠斯通子电路中的所述电阻器的电压随压力非线性地变化。

因而，根据本发明的压力传感器具有超过(至少一些)现有技术压力传感器的更高的敏感度和经改进的线性度。

优选地，第一电阻带的布局和第二电阻带的布局是相匹配的。

本发明的各实施例的一优点是良好的准确度，例如提供了经改进的准确度，甚至在存在非均匀温度和/或非均匀应力和/或非均匀电场的情形中，并且甚至在所述温度、应力或场随时间变化时。

在一实施例中，该半导体压力传感器进一步包括：包括用于将第一差分电压信号转换成指示要测量的压力的第一压力信号的第一差分放大器的第一读出电路。

在一实施例中，第一和第二压阻带被形成为n阱内的p掺杂区；并且偏置节点电连接到n阱。

这样的实施例的一优点在于偏置电压(优选地，芯片的供电电压)被施加到n阱并且也施加到电阻器的一端，因为这将造成(p掺杂)电阻器与(n掺杂)n阱之间的耗尽层的最小(平均)厚度，从而允许更高的电路带宽。

在一实施例中，该半导体压力传感器进一步包括：位于所述膜的第二侧部分之上或附近的第二电阻器对，其中所述第二侧部分被基本上或精确地定位在距所述第一侧部分90°角距离处，所述角距离是从所述膜的中心测量的；所述第二电阻器对包括与所述第二电阻器并联连接在所述第一偏置节点和所述第二输出节点之间的第三电阻器以及与所述第一电阻器并联连接在所述第一偏置节点和所述第一输出节点之间的第四电阻器；所述第三电阻器包括布置在所述第一方向上的一个或多个延长压阻带，所述第四电阻器包括布置在所述第二方向上的一个或多个延长压阻带。

将第一和第四电阻器并联连接到第一电流源并且以所描述的方式来布置它们是有利的，因为通过这样做，它们对径向应力相似地作出反应(例如，两者都增加)，但对均匀应力相反地作出反应。因此，由流过它们的并联连接的第一电流造成的电压具有对(例如，由外部压力造成的)径向应力的高敏感度以及对(例如，由封装应力造成的)均匀应力的降低敏感度。

通过将第三和第四电阻器紧密定位在一起(例如，在膜的第二侧上)，它们两者将具有相似的温度行为(例如，两者都随温度增加或两者都随温度降低)。因为r1和r2相对于(在膜的第一侧处的)温度t1相同地作出反应，并且r3和r4相对于(在膜的第二侧处的)温度t2相同地作出反应，所以一方面r1与r2的并联连接以及另一方面r3和r4的并联连接将相对于温度变化几乎相同地作出反应(在第一量级)，同时对膜上的温度梯度(相对)不敏感。

因而，这一实施例具有与以上提及的相同优点(高敏感度、良好线性度、低温度影响)，但另外具有对均匀应力(例如，封装应力)的低敏感度。

在一实施例中，该半导体压力传感器进一步包括：布置在所述膜的所述第一侧部分处但在所述膜外部的第三电阻器对，所述第三电阻器对包括连接在所述第一偏置节点与第三输出节点之间的第五电阻器和连接在所述第一偏置节点与不同于第三输出节点的第四输出节点之间的第六电阻器；第三电流源，所述第三电流源连接到所述第三输出节点并被适配成使得第三预定义电流流过第五电阻器以使得所述第三输出节点提供第三输出电压；第四电流源，所述第四电流源连接到所述第四输出节点并被适配成使得第四预定义电流流过所述第六电阻器以使得所述第四输出节点提供第四输出电压，其中所述第三和第四预定义电流基本上等于所述第一预定义电流；所述第五电阻器包括布置在所述第一方向上的一个或多个延长压阻带，并且所述第六电阻器包括布置在所述第二方向上的用于测量封装应力的一个或多个延长压阻带；以及布置在所述膜的所述第二侧部分处但在所述膜外部的第四电阻器对，所述第四电阻器对包括与所述第六电阻器并联连接在所述第一偏置节点与所述第四输出节点之间的第七电阻器和与所述第五电阻器并联连接在所述第一偏置节点与第三输出节点之间的第八电阻器，所述第七电阻器包括布置在所述第一方向上的一个或多个延长压阻带，所述第八电阻器包括布置在所述第二方向上的一个或多个延长压阻带；其中所述第五和第六以及第七和第八电阻器的所述一个或多个压阻带被布置在距所述膜边缘至少4.0倍所述膜厚度的距离处，以用于只测量由封装施加在所述半导体基板上的应力；所述第三和第四输出电压形成指示所述封装应力的第二差分电压信号。

通过将第三和第四电阻器对定位在基板上在膜的外部距膜边缘至少4倍(≥4x)膜厚度(例如，至少8倍(≥8x)膜厚度)的距离处，这些带只对(径向)封装应力敏感而不对膜归因于外部压力的变形敏感，与主要位于膜上在膜厚度的最多3倍(≤3x)距离内的第一和第二电阻器对(它们对(径向)封装应力和要测量的外部压力两者敏感)形成对比。

第二差分电压信号可由第二读出电路(例如包括差分放大器，adc，等等)读出，并可由处理单元使用以供显示，或用于针对封装应力补偿第一差分电压信号，例如通过从第一差分信号减去第二差分信号。以此方式，封装应力可得到极大地补偿，或者其影响可至少在最终应力测量值中被降低。

因而，提供了一种半导体压力传感器，该半导体压力传感器具有对共模温度(例如，环境温度)的经降低敏感度(通过使用差分信令)、以及对温度梯度的经降低敏感度(通过将电阻器作为各对“紧靠在一起”布置)、以及对共模封装应力的经降低敏感度(通过在膜的外部使用第三和第四电阻器以及第三和第四电流源)，并具有经改进敏感度和经改进线性度(通过使用电流源而非电压源)，并且具有对温度梯度的低或经降低敏感度(通过使用位于不同位置的电阻器的并联连接)，并且具有对均匀应力的经降低敏感度(通过将四个电阻器的压电带定位在膜上的90°角位置处并通过将四个电阻器的压电带平行地定向或如权利要求所述定向在90°处)。

在一实施例中，该半导体压力传感器进一步包括：用于将所述第一差分电压信号和所述第二差分电压信号选择性地施加到所述第一差分放大器的复用器；和/或包括用于将所述第二差分电压信号转换成指示所述封装应力的第二压力信号的第二差分放大器的第二读出电路。

在一实施例中，电阻器中的每一者包括串联连接的至少两个或至少三个压阻带。

通过提供串联连接的至少两个或至少三个压阻带，电阻值可被增加而不必降低掺杂水平。在芯片的尺寸由于技术伸缩而变得更小时，这尤其有利。每一单独电阻器的压阻带被平行地定向。

在一实施例中，电阻器中的每一者包括相等数目的延长压阻带，并且所有压阻带的尺寸是相同的。

换言之，优选地，压阻带的布局并且属于单个电阻器的各带之间的互连是相同的(除了旋转、偏移、镜像之外)，使得各电阻器更好地“匹配”。这提供了以下优点：第一、第二等电阻器的电阻在该工艺的公差范围内(例如，在+/-0.5％内)相等。

在一实施例中，每一电阻器的布局进一步包括用于到外部节点的电互连的第一和第二引出区以及用于到公共偏置节点的电互连的第三引出区，其中第三引出区位于第一和第二引出区之间。

与连接到公共节点的两个电阻器的已知布局结构(并且其中公共(中央)节点通过跨膜的布线来互连)相对比，如权利要求所述的为公共节点布线是有利的，因为以此方式，膜上的互连被最小化，这可进一步降低压力影响并从而改进线性度。

在一实施例中，基板是cmos晶片；以及膜位于(100)平面中，并且所述压阻元件中的至少一者被定向在<110>方向上。

使用这一晶体学平面和方向是有利的，因为这一方向是最大压阻效应的方向。通过使用这一方向，可获得具有经改进(例如，最大)敏感度的传感器。

在一实施例中，膜具有正方形或圆形形状。

在膜具有正方形形状时，将该正方形的各侧定向在最大和最小压电敏感度的晶体学方向上是有利的。

此外，将第一和第二电阻器定位得靠近正方形膜的各侧之一的中间是有利的。当压力被施加在正方形膜上时，变形在各侧的中间比靠近角处更大，并且在各侧上比在膜的中心更大，从而通过在基本上各侧中间提供电阻器，压力传感器的敏感度被增加，例如被最大化。

在也具有第三和第四电阻器的实施例中，将第三和第四电阻器定位在膜的与第一侧相邻的第二侧上(因而在90°处)，而非在膜的相对侧上(因而在180°处)是有利的，因为布置在90°处允许这些电阻器以使得传感器具有对均匀应力(例如，封装应力)的经降低敏感度的方式来定向。

在圆形形状的情形中，将电阻器对定位在如上所述的相同位置，以实现外切该圆形膜的假想正方形是有利的。

在第二方面，本发明提供了一种包括根据第一方面的半导体压力传感器的半导体器件。

在第三方面，本发明提供了一种确定施加在半导体基板上的外部压力的方法，该半导体基板包括：膜，所述膜被布置成归因于所述外部压力而变形且具有膜边缘和膜厚度；位于所述膜的第一侧部分之上或附近的第一电阻器对，所述第一电阻器对包括连接在第一偏置节点和第一输出节点之间的第一电阻器以及连接在所述第一偏置节点和不同于所述第一输出节点的第二输出节点之间的第二电阻器，所述第二电阻器的电阻等于所述第一电阻器的电阻；所述第一电阻器包括布置在第一方向上的用于测量所述膜归因于要测量的外部压力的变形的一个或多个第一延长压阻带，所述第二电阻器包括布置在第二方向上的用于测量所述膜归因于要测量的外部压力的变形的一个或多个第二延长压阻带，其中所述第二方向基本上垂直于所述第一方向；

所述方法包括以下步骤：将第一电流源连接到所述第一输出节点，所述第一电流源被适配成使得第一预定义电流流过所述第一电阻器以使得所述第一输出节点采取第一输出电压；将第二电流源连接到所述第二输出节点，所述第二电流源被适配成使得第二预定义电流流过所述第二电阻器以使得所述第二输出节点采取第二输出电压，其中所述第二预定义电流基本上等于所述第一预定义电流；获得跨所述第一和第二输出节点的第一差分电压信号作为要被测量的所述外部压力的指示。

在一实施例中，该方法是使用进一步包括如上所述地布置的第二电阻器对的基板来执行的。

在一实施例中，该方法是使用进一步包括如上所述的第三和第四电阻器对的基板来执行的，并且该方法进一步包括以下步骤：使用第三电流源将第三预定义电流施加到所述第五电阻器和所述第八电阻器的所述并联连接；以及使用第四电流源将第四预定义电流施加到所述第六电阻器和所述第七电阻器的所述并联连接；以及测量跨第三和第四输出节点的第二差分电压信号；以及使用与第二差分电压信号相对应的值来校正与第一差分电压信号相对应的值。

在所附独立和从属权利要求中阐明了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征相组合，并且在适当时与其他从属权利要求的特征相组合，并且不仅仅是权利要求中显式地阐明的。

本发明的这些和其他方面将从以下描述的实施例中变得明显并且与其一起阐明。

附图说明

图1示出现有技术已知的半导体压力传感器。

图2示出现有技术已知的具有两个分支(左、右)的惠斯通电桥配置，每一分支包括两个电阻器。

图3示出现有技术已知的另一半导体压力传感器，其中一个电桥在膜上而另一电桥在膜外部。

图4示出根据本发明的压力传感器的第一实施例的示意框图，该压力传感器的第一实施例具有电阻器对(并联地连接到公共偏置节点)，电阻器的另一端连接到两个电流源。

图5示出图4的压力传感器的(一部分的)示例性布局。

图6示出根据本发明的压力传感器的第二实施例的示意框图，它是图4的变型。

图7示出根据本发明的压力传感器的第三(并且优选)实施例的示意框图。

图8示出图7的压力传感器的(一部分的)示例性布局。

图9示出可在根据本发明的各实施例的压力传感器中使用的包括并联连接到公共偏置节点的电阻器对以及引出部的布局模式的示例。

图10示出图9的布局模式的变型，由此每一电阻器包含串联连接的三个压阻带，而不是只有两个。

图11示出图10的压阻带的放大(且镜像)视图，具有第一电阻带的一点与第二电阻带的一点之间的“最大距离”md的指示。

图12是在正方形或圆形膜的四个位置处的径向应力的示意表示，这一应力通常由在垂直于基板的方向上施加在该膜上的(要测量的)压力所引起。

图13是在正方形或圆形膜的四个位置处的(在所示示例中：从左至右)均匀(非径向)应力的示意表示，该应力可由封装引起。

图14示出根据本发明的压力传感器的第四实施例。

图15示出了根据本发明的方法。

这些附图只是示意性而非限制性的。在附图中，出于解说的目的，各元件中的一些的大小可被夸张并且不按比例绘制(例如，电阻器的相对尺寸对膜的尺寸)。然而，要注意，图9和图10是按比例绘制的。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

在不同的附图中，相同的附图标记指相同或相似的元件。

说明性实施例的详细描述

虽然将关于具体实施例并参考特定附图描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求来限定。所示附图只是示意性而非限制性的。在附图中，出于说明目的，将某些元素的尺寸放大且未按比例绘出。尺寸和相对尺寸并不对应于为实践本发明的实际缩减。

此外，在说明书中且在权利要求中的术语“第一”、“第二”等等用于在类似的元件之间进行区分，并且不一定用于临时地、空间地、以排序或以任何其他方式描述顺序。应该理解，如此使用的这些术语在合适环境下可以互换，并且在此描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或示出的之外的其他顺序来操作。

此外，在说明书中且在权利要求中的术语“顶部”、“底部”等等用于描述性的目的并且不一定用于描述相对位置。应该理解，如此使用的这些术语在合适环境下可以互换，并且在此描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或示出的之外的其他顺序来操作。

应当注意，权利要求中所使用的术语“包括”不应被解释为限于此后列出的手段；它不排除其他元件或步骤。它由此应当被解释为指定存在所声明的特征、整数、如所称谓的步骤或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或者它们的组。因此，措词一种包括装置“a和b的设备”的范围不应当被限定于仅由组件a和b构成的设备。这意味着该设备的唯一与本发明有关的组件是a和b。

本说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在贯穿本说明书的各个地方的出现不一定都引用相同的实施例，但是可以如此。此外，在一个或多个实施例中，具体特征、结构、或者特性可以任何合适的方式组合，如根据本公开对本领域普通技术人员将是显而易见的。

类似地，应当领会在本发明的示例性实施例的描述中，出于流线型化本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个发明性方面的理解的目的，本发明的各个特征有时被一起归组在单个实施例、附图、或者其描述中。然而，这种公开方式不应被解释为反映了这样一种意图，即所要求保护的发明需要比各权利要求清楚记载的特征要多的特征。相反，如所附权利要求书所反映，创造性方面存在于比单个先前已公开实施例的所有特征少的特征中。因此，详细描述之后的权利要求由此被明确地结合到该详细描述中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。

此外，尽管此处描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合意图落在本发明的范围内，并且形成如本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。

在本文中所提供的描述中，大量具体细节得到阐述。然而，应当理解可在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他实例中，为了不混淆对本说明书的理解，未详细地示出熟知的方法、结构和技术。

定义

在本发明中，术语“隔膜”和“膜”被用作同义词，用于指示半导体基板的具有与周围基板材料(也称为“块体”)相比降低的厚度的区域，它适配成在向其施加(要测量的)外部压力时在机械上变形。

当在本发明中作出对“膜的最大尺寸”或简单地“膜的尺寸”的引用时，在该膜具有基本正方形形状的情况下作出对一侧的长度的引用，或者在该膜具有有圆角的正方形形状的情况下作出对相对两侧之间的距离的引用，或者在该膜是基本圆形的情况下作出对直径的引用，或者在该膜是基本上椭圆形的情况下作出对最长轴的长度的引用，或者在该膜是基本上矩形的情况下作出对长和宽中的较大者的引用，或者在该膜具有正多边形的形状(诸如例如六边形或八边形)的情况下作出对内切圆的直径的引用。

术语“膜的厚度”具有其普通含义，如可在垂直于基板表面的方向上测量的。

术语“电流源”或“电流阱”具有其普通含义。理想电流源是递送或吸收与跨它的电压无关的电流的电子电路。理想电流源的内部电阻是无限大的。在本发明的各实施例中，电流源具有连接到它的电阻器的电阻至少五倍的内部电阻。

术语“差分电压”具有其普通含义。它意指两个节点之间的电压差，与单个节点的单端电压信号(隐式地相对于接地电压来测量)形成对比。

“电阻”意指“电气电阻”，除非另外明确提及。

“外部压力”意指例如压力传感器处于其中的环境的空气压力或气体压力或流体压力，这与例如由半导体传感器的封装所造成的“内部压力”形成对比。

晶体学：

尽管在背景部分中描述且在图1中解说的us4,672,411(hitachi)的电路具有一些缺陷，但其中描述的基本原理中的许多也被用在本发明中。例如，本发明的各实施例的膜边缘优选地以如下方式实现：在垂直于膜边缘的至少两个区域中达到所施加的压力所造成的最大应力，并且其中膜边缘被定向在<110>方向上。硅中的正方形膜的各向异性蚀刻通常被使用，因为它归因于各向异性蚀刻在<111>面上停止而在膜边缘的中间创建四个这样的区域。通过使用其他蚀刻方法，圆膜也将得到四个这样的区域并且椭圆膜在较短直径上得到两个这样的区域。压阻器的应力敏感度还依赖于晶体取向，并且p掺杂电阻器沿<110>方向具有最大电阻变化且沿<100>方向(与<110>方向成45°)具有最小电阻变化。金属连接造成硅中的应力，并且归因于蠕变，这一应力也可随时间变化。因此，高度掺杂的p掺杂路径被实现在金属与压阻带之间。通过将这些高度p掺杂的路径置于与<110>方向成45度的<100>方向上，确信来自金属线的应力不改变这些带的电阻。

为避免不必要地重复这些基本概念，本申请将不详细描述晶体学平面和方向，并且将集中于本发明对现有技术的贡献。读者可参考通过援引纳入于此的us4,672,411来获得更多细节，具体地参考其图9以及说明书的对应部分。虽然其他晶体学方向也可被使用，但将假定根据本发明的压力传感器的膜2位于cmos晶片的(100)晶体学平面并且压阻带8、9、10、11位于<110>方向上来解释本发明的原理。使用cmos晶片允许压力膜和cmos电路系统(例如至少读出电路系统)的组合被集成在同一晶片上。

惠斯通电桥：

在描述根据本发明的各实施例的压力传感器之前，首先解释惠斯通电桥电路的原理，因为这在现有技术压力传感器中通常被使用并且它帮助解释与本发明的相似性和差异。

具有如图2所示地布置的四个电阻器r1、r2、r3、r4的惠斯通电桥电路在现有技术中是已知的。这样的电路非常适于在三个其他电阻器值r1、r2和r3已知时确定未知电阻器值rx，或者在所有四个电阻器值都已知时用于检测/测量微小电阻变化。图2的电桥具有四个电阻器r1、r2、r3以及r4(或rx)。在供电电压(例如，dc电压)vdd和gnd被分别施加到节点a和c时，第一电流将通过由r1与r2串联所形成的第一分支从a流到c，并且第二电流将流过由r3与r4串联所形成的第二分支。差分电压输出“vout”跨节点d和b提供，并且定义差分电压：vout＝vd-vb。电压vd和vb可由具有大输入阻抗(以便不吸取附加电流)的电路读出。典型地，节点d和b连接到对差分电压vout进行放大的差分放大器。经放大信号随后可被用于进一步处理。

在电桥“处于平衡”时，以下公式适用：

r1/r2＝r3/r4(1)

这等价于：

r1xr4＝r2xr3(2)

在电桥处于平衡中时，r1和r2之间的节点d处的电压“vd”将完全等于r3和r4之间的节点b处的电压“vb”，并且没有电流将在节点b和d之间的路径中流动(例如，通过检流计，由vg指示)。在电阻器值r1到r4中的一者或多者甚至稍微偏离这一平衡情形时，电桥不再处于平衡中，并且电压差vout将跨节点d和b出现，这可按现有技术中已知的任何方式来测量，例如通常通过具有约100或更大放大因子的差分放大器来测量。在所有电阻器r1、r2、r3、r4由相同材料制成并具有相同值r时，这样的电桥电路对于共模温度变化相对不敏感，因为所有电阻器r1到r4的温度以相同的百分比来升高和降低。

理想/非理想压力传感器：

理想压力传感器具有高敏感度(用于甚至小压力的大输出信号)，具有零偏移，具有完美线性行为(输出电压与所施加的压力完全成比例)，并且对温度变化和封装应力不敏感。此外，它对垂直于表面的电场不敏感。

实际上，当然，理想压力传感器不存在，并且需要找出降低或移除非线性度的原因和/或降低温度应力和/或电场变化的影响的方式。

“零偏移”意味着在没有压力被施加到膜2时跨节点d和b的电压输出应当完全为零，并且理想地，这一值应当在缺少外部压力下保持完全为零而不管传感器温度如何。然而，在实践中，与零压力相对应的输出电压值vg不完全为零，并且需要补偿以得到准确的压力测量值。这一非零值被称为“零-偏移”，即在没有外部压力被施加在(或施加到)传感器膜上时节点d和b之间的电压偏移值。可存在这样的零-偏移的各种原因，例如归因于半导体处理的瑕疵的各电阻值之间的失配、归因于半导体(例如，硅)管芯的封装的膜中的残余应力、或垂直于基板的异质电场(这没有以相同的方式来修改电阻器(耗尽层变化))。尽管对于不同(厚膜)电阻器，归因于半导体处理的各电阻值之间的失配可通过在生产阶段进行激光微调来校正，但激光微调未被用于作为cmos电路的一部分的压阻器。另外，还留有若干其他效应(诸如例如归因于封装的应力和温度梯度(即，在不同电阻器不具有相同的温度时))。

已知技术：

已在现有技术中作出各种尝试来降低零-偏移。

例如，图3示出由honeywell在ep0083496中公开的现有技术压力传感器。注意，在本文的解说中向图3添加了黑线，以清楚地指示压阻带的位置和定向。这一传感器具有第一电桥，其中各电阻器位于膜上以用于测量施加在膜上的外部压力。这一第一电桥具有归因于温度变化和归因于封装应力的零-偏移。这一偏移可通过使用第二电桥的输出来补偿，第二电桥具有位于膜外的四个电阻器。这一总共双电桥传感器提供针对封装应力进行了补偿的压力值，然而该补偿不是完美的。

用于零-偏移补偿的其他技术在本领域中也是已知的，例如通过在校准阶段期间测量偏移(在零外部压力下)并将偏移值存储在非易失性存储器(例如，闪存)中并且通过测量温度来补偿读出以及通过减去所存储的值。

然而，已经证明极其难以找出同时解决所有问题的单个解决方案。因此，在实践中，总是需要作出一些折中，例如在线性度(优选地完美线性)、对外部压力的敏感度(取决于应用，但通常优选地尽可能高)、对温度变化和温度梯度的敏感度(优选地在特定温度范围中尽可能低)、对封装应力和漂移的敏感度(优选地尽可能低)方面。

本发明：

图4示出根据本发明的半导体压力传感器100的第一实施例的示意框图且图5示出其部分布局的示例。

重申图5(以及图8和图14)的绘图不一定按比例绘制，并且单个绘图中的不同元件的相对尺寸不一定完全与绘图中所示的相同。例如，压阻带的长度可以是6μm到60μm的范围中的值，并且膜的宽度可例如是150μm到1500μm的范围中的值，但带的长度与膜的宽度的比率不必等于1/10，而是例如可以是1/50到1/10的范围中的值，例如是0.5％到30％的范围中的值或者是1％到20％的范围中的值或者是2％到10％的范围中的值，例如约4％或约8％或约12％或约15％。

压力传感器100包括膜2作为具有用于允许膜2由于外部压力而在机械上变形的形状和尺寸的半导体基板的一部分。膜2具有膜边缘21和膜厚度。膜2有利地具有正方形或圆形形状，但也可使用其他形状，例如：矩形、多边形、六边形、八边形、或任何其他合适的形状。

压力传感器100进一步包括位于膜2的第一侧部分s1之上或附近的(第一)电阻器对p1。(第一)电阻器对p1包括连接在第一偏置节点a和第一输出节点d之间的第一电阻器r1以及连接在所述(相同的)第一偏置节点a和不同于第一输出节点d的第二输出节点b之间的第二电阻器r2。

在操作期间，偏置电压(例如，芯片供电电压vdd)被施加到偏置节点a。这提供如下优点：(芯片上的)最高电压被施加到电阻器的公共节点，并且所有电阻器连接到低阻电压源(从而在电流被吸取时电压值将不显著变化)。在图4和图5的实施例中，这一低阻触点还被用来将p型压阻器周围的n型硅的电势维持得等于或高于p型电阻器的局部电势，以形成隔离耗尽层。

第二电阻器r2的(电)阻(在没有外部压力的情况下)基本上等于例如在非常小的公差范围内(例如，小于1％，优选地小于0.25％)等于第一电阻器r1的电阻，这尤其通过匹配电阻器的布局并且在一些实施例中通过将这两个电阻器置于单个n阱中来实现。

压力传感器100进一步包括第一电流源cs1和第二电流源cs2，第一电流源cs1连接到第一输出节点d并被适配成使第一预定义电流i1流过第一电阻器r1以使得第一输出节点d采取第一输出电压vout-，第二电流源cs2连接到第二输出节点b并被适配成使第二预定义电流i2流过第二电阻器r2以使得第二输出节点b采取第二输出电压vout+。适配成提供与温度相当无关的电流的电流源在半导体器件的领域中是已知的并且因此不必在此详细描述。电流源cs1和cs2是“相匹配的”，并且提供在小于1.0％(优选地小于0.5％或甚至小于0.25％)的公差范围内相等的预定义电流i1和i2。在优选实施例中，电流源cs1和cs2具有与电阻器r1和r2基本上相同的匹配质量，或通过使用开关技术而具有更好的匹配质量。电流源cs1、cs2具有“大”输出阻抗，例如至少5倍电阻r1、r2，例如至少10倍或至少20倍。

如可从图5(以及图9和图10中更详细地)看到的，第一电阻器r1包括布置在第一方向x上的用于测量归因于要测量的外部压力的膜2的变形的一个或多个(例如两个或三个)第一延长压阻带8。同样，第二电阻器r2包括布置在与第一方向x基本正交的第二方向y上的用于测量归因于所述外部压力的膜2的变形的一个或多个(例如两个或三个)第二延长压阻带9。优选地，第一和第二压阻带8、9的布局是相匹配的，从而意味着这些带具有相同布局(除平移、旋转、以及镜像之外)。

回头参考图4，注意，r1中的“向上箭头”和r2中的“向下箭头”是如下的图形指示：r1和r2被布置成使得如果r1由于外部压力而增加，则r2降低，反之亦然。

还要注意，在图4和图5中，电流源cs1和cs2直接连接到电阻器r1、r2以及接地，但这对本发明而言不是绝对必需的。然而，从节点a通过r1和cs1以及接地的路径中的任何附加组件(例如，电阻器、二极管，等等)将降低vout-信号的可用电压摆幅，这是不合乎需要的，因为它负面地影响敏感度。

本发明的优点：

如可在图5中看到的，第一电阻器r1和第二电阻器r2有意地位于同一侧(更具体而言，接近正方形膜的第一侧s1的中间)，而非被布置在膜2的不同侧上。通过这样做，电阻器之间的距离“很小”，并且因而电阻器r1、r2的温度t1、t2基本上相同(t1≈t2)。因为第一和第二电阻器的电阻相等，并且因为这两个电阻器由相同材料制成，所以这两个电阻器的电阻将随温度以相同方式变化(例如，在温度升高时，这两者以5％增加)。这一变化随温度是线性还是非线性是没有关系的，只要函数对于这两个电阻器而言相同即可，当使用相同材料时情况即是如此。电阻r1、r2随温度这样增加(或降低)将使得输出电压vout-、vout+两者以大致相同的量(在第一量级)降低(或增加)，但将不显著影响它们之差。换言之，温度变化(主要)表现为共模信号，但不影响差分信号。从上文可以理解，图4的电路对温度变化(随时间)基本不敏感，并且还对膜2上的温度梯度基本不敏感(归因于电阻器位于紧密邻近度中)。对温度梯度的不敏感性是本发明的一主要优点。

通过使用与单个电阻器r1串联连接的电流源cs1(而非如惠斯通电桥的情况那样使用串联的两个电阻器)允许使用较大电流i1流过电阻器(在假定跨电流源有0.3v的压降的情况下，处于vdd/r-0.3v的量级，相反在惠斯通电桥的情况中处于vdd/2r的量级)。对于约3.3v的供电电压vdd，这意味着图4的电路的敏感度大约提高80％。这一提高的敏感度是本发明的一主要优点。

第一和第二输出电压vout-、vout+形成指示要测量的外部压力的第一差分电压信号δvout。第一差分电压信号δvout与施加到压力传感器的外部压力基本上成比例，因为该电路提供与电阻r1、r2的变化呈线性地改变的两个输出电压，这进而与膜的变形呈线性地改变，这进而与施加到膜2的外部压力的量呈线性地改变。本发明的电路提供了比使用惠斯通电桥的现有技术电路更好的线性度，因为流过(本发明的)电流源cs1、cs2的电流与施加到膜的压力无关，而流过惠斯通电桥的左和右分支的电流的确随所施加的压力而变化，因为横向压阻系数不像纵向压阻系数一样大，因而r1+r2的总电阻(参见图2)的确随外部压力而变化，因此流过左分支的电流i＝vbias/(r1+r2)的确随压力而变化，这将非线性引入敏感度中。通过使用电流源cs1、cs2在本发明所提出的电路中避免了这一非线性。本发明的一主要优点是它提供具有经改进的线性度的输出信号δvout。

电阻器布局：

图9更详细地(并以镜像)示出图5的布局图。“引出区”6以及将压阻带8、9互连的“角部”3由第一掺杂物类型的重度掺杂层制成，例如重度掺杂p+型扩散层。它们具有相对低的电阻，并且在相对小的压阻系数的方向上延伸(在所示示例中，优选地相对于第一和第二方向y、x成+/-45°角)。引出区6延伸超出膜2的边缘21，并且在膜2之外与位于块体上的导电电极(例如，金属电极4)欧姆接触。这样的金属电极4可以例如包括铝。

因为第一掺杂物类型的扩散层(例如，构成压力感测元件的p型扩散层8、9)具有相对大(例如，最大值)压阻系数，所以它们的电阻根据应力极大地变化，该应力由于半导体(例如，硅)膜2的变形而发生。即，这些压力感测元件对压力等非常敏感。相反，因为扩散层重度掺杂了第一掺杂物类型的掺杂物，例如重度掺杂p+扩散层，所以互连3和6被布置在相对小(例如，最小值)压阻系数的定向上，它们对压力变化最不敏感。通过将第一电阻器r1的压阻带8定向得接近第二电阻器r2的压阻带9并与其正交，施加在膜2上的压力在以下意义上将对第一和第二电阻器r1、r2的电阻具有相反的影响：当第一电阻器r1的电阻由于施加于其上的压力而增加时，第二电阻器r2的电阻降低，反之亦然，从而使得第一输出电压vout-降低且第二输出电压vout+升高(或反之)，从而对各输出电压具有相反的影响，从而提供随所施加的压力剧烈变化的差分输出信号。

通过将触点定位在导电(例如，金属)电极4与第一掺杂物类型的引出区6(例如，p+型引出区)之间，大部分在膜2外部，由在触点部的附近发展的残余应力对半导体(例如，硅)膜的变形施加的影响以及归因于温度变化的任何滞后可被降低，例如最小化。

图9中示出的布局的特定优点在于(公共)节点a的引出部6b在输出节点d、b的引出部6a、6b之间布线。这提供了布线只在膜2上的最小距离上通过(或根本没有距离)的优点。

在图9所示的示例中，电阻器r1和r2具有p型半导体材料，嵌入在n阱结构中。在本发明的优选实施例中，n阱电连接到偏置节点a(如图4和图6中显式地示出的)。在优选实施例中，整个膜由n型材料制成，充当n阱。在这种情形中，膜为所有电阻器建立耗尽层。通过这样做，p型电阻器材料与n阱之间的耗尽层的厚度被降低到最小值，并且对于这两个电阻器而言保持相同，这允许更快的读出(更高的带宽)。的确，在图4的实施例中：在电阻器的一端(连接到偏置节点a)，在电阻器与n阱之间存在零电压差，在电阻器的相对端(在输出节点d、b处)，电压差是ixr，因而耗尽层上存在平均电压差ixr/2。

相反，在图6的实施例中，它是根据本发明的压力传感器200的第二实施例，具有本发明的压力传感器100的第一实施例的相同特征和优点中的许多，电阻器r1、r2与n阱之间的电压差在电阻器的一端处是(vbias-ixr)，在电阻器的另一端处是vbias，从而平均是：vbias-(ixr)/2，这通常有点高于图4的情况。因而，与图4的实施例相比，在图6的实施例中，电阻器与n阱之间的耗尽层(通常)将具有更大的厚度t，这对于快速读出而言是不利的。

如可看到的，图6的电路需要四个触点，因为优选地n阱连接到具有等于或高于节点d和b上的电压的电压的低欧姆电压节点。耗尽层形成电容负载并且通过将它连接到输出之一且没有分开，电阻器的匹配受到损害，因为连接到n阱的电阻器将具有比未连接到n阱的电阻器高得多的电容。在使用接合线作出到传感器的连接时，图6的配置将需要四个接合垫，而图4的配置只需要三个接合垫。换言之，如果图9的电阻器布局结构要被用在图6的电路中，则(在膜-基板与具有电流源的基板不同的情形中)n阱可被连接到偏置电压(例如，经由附加接合垫)，或者另选地，n阱可被连接到输出节点之一，但这具有造成流过电阻器r1、r2的非对称电容阻抗的缺点。

图10示出布局模式的另一示例，如可在上述压力传感器100、200的实施例中使用的。在这一示例中，每一电阻器r1、r2包含布置在膜边缘21“紧密附近”的三个压阻带8、9(以深灰来指示)。“紧密”和“附近”的含义将在描述图11时量化。如图9和图10中所示，每一特定电阻器的压阻带8、9彼此平行，但该对的不同电阻器的压阻带相对于彼此正交地定向。

图11示出图10的压阻带8、9的放大视图。如可看到的，压阻带8、9“一起紧密地靠近膜边缘”来定位。为了量化第一对p1的电阻器r1和r2彼此“紧密”地定位(与膜2的大小相比)，最大距离md被定义在(第一电阻器r1的)第一电阻器带8的一点与(第二电阻器r2的)第二电阻器带9的一点之间，其中所述点由黑点指示以用于解说的目的。在本发明的优选实施例中，所述最大距离md与膜2的尺寸(在正方形膜的情形中，所述尺寸将被选择为膜的宽度w)的比率即md/w小于50％，优选地小于40％，优选地小于35％，优选地小于30％，优选地小于25％，优选地小于20％，优选地小于15％，诸如例如约10％。在膜2具有圆形形状的情形中，该比率将被计算为所述最大距离md的长度除以该圆的直径。在膜具有椭圆形的情形中，该比率将被计算为最大距离md除以椭圆的两个轴中的较大者。在膜2具有基本上八边形形状的情形中，该比率将被计算为所述最大距离md的长度除以该八边形的相对侧之间的距离，等等。

虽然在图9到图11中不可见，但在图5中可见，电阻器r1、r2优选地也定位在膜2的侧s1的“约中间”处，因为对于正方形膜形状，在每一侧的中间造成最大张应力。“约在一侧的中间”意味着在其圆心位于该侧中间且直径小于以上提及的“膜的尺寸”(例如，正方形的宽度、圆的直径，等等)的50％、优选地小于40％、更优选地小于30％、更优选地小于20％的假想圆内。在圆形膜的情形中，膜不具有“侧边”，但可以考虑外切正方形(如图所示)来使用相同定义。同样对于圆形膜而言，各带必须在<110>方向上对齐以具有最大压阻敏感度。

如在图11中解说的，压阻带8、9相对于膜边缘21(以虚线指示)的位置，具体而言带8的中心与膜边缘21之间的距离“d1”，可被选择成创建在施加压力时这三个带一起的电阻变化(例如，δr1)的最大值。对于所选数目的压阻带(例如，在所示实施例中是三个)并且对于所选尺寸(带的长度和宽度以及各带之间的距离)，可确定根据相对于压力的最大敏感度的最优距离“d1”，例如任何其他方式(例如，经由设计变型)来计算或仿真或确定。同样，对于所选数目的带9，并且对于其所选尺寸，可确定根据相对于压力的最大敏感度的最优距离“d2”。“d2”的值可独立于“d1”的值来确定，但依赖于膜大小和膜厚度t。有限元素建模可被用来确定这些“最优”距离d1、d2。然而，本发明也将能以次优位置来工作。仿真显示这样的最优位置可例如通过将电阻带8“移位”越过膜边缘21约25％并通过将电阻带9c整体“移位”越过膜边缘21来获得，但d1和d2的其他值也行得通，只要第一电阻器r1和第二电阻器r2位于膜边缘21“附近”并且基本上靠近膜2的任一侧的中间，在最多3倍(≤3x)膜厚度t的距离之内，优选地小于2.5倍t，例如小于2.0倍t。

回头参考图5，因而可以看到，第一对的电阻器r1和r2被布置成“紧靠”在一起(相对于膜2的大小)，并且因此可以假定(或约计)r1和r2的压阻带的温度基本上相同，比如为t1。因而，通过将电阻器r1和r2的带8、9定位得“相对紧靠”在一起，更具体而言使得由这些带限定的最大可能距离md只是膜2的最大尺寸w(长度、宽度、直径，等等)的一小部分(例如，小于50％，优选地小于20％)，电阻器r1、r2之间的温差|t1-t2|也将只是可能存在于膜2上的总温差的一小部分。因此，压力传感器相对于膜2上的任何温度梯度的敏感度被极大降低，并且因而压力传感器的准确度增加。

图12是在正方形膜的四个位置处示出的径向应力(例如，由外部压力引起)的示意表示，这一应力通常由在垂直于基板的方向上施加在该膜上的(要测量的)压力所引起。随后可以理解，在r1和r2的压阻带8、9的定向彼此正交时，在基本上垂直于膜2的平面xy的方向上(在z方向上)施加这样的径向压力的效果将使得r1的值增加(因为压阻带的长度增加)并且r2的值降低(因为它们的宽度增加)，或反之亦然。

图13是在正方形膜的四个位置处的(在所示示例中：从左至右)均匀(非径向)应力的示意表示，该均匀非径向应力可由封装引起。图4的电路将对这样的压力作何反应？在图13中解说的示例中，r1的值将增加并且r2的值将降低，因此图4的电路不能区分外部压力和均匀非径向封装应力，这是第一实施例的缺点。(当然，可仍然以其他方式来降低对应零-偏移，例如通过在生产期间测量零-偏移、将所述值存储在闪存中以及在该设备的实际使用期间减去该值)。

概括而言，并回头参考图4，根据第一实施例，针对个体电阻器r1、r2以及针对压力传感器100的表1的行为现在可被理解：

表1：第一实施例的行为

已经在上文讨论了图5。该附图在单个附图中示出了具有圆形膜和具有正方形膜的实施例。这两个实现的行为非常相似。尽管图9的双电阻器布局(具有两个电阻器，每一者具有两个压阻带)被用在图5的压力传感器100中，但应清楚，图10的布局(具有两个电阻器，每一者具有三个压阻带)也可被使用。

图6示出根据本发明的压力传感器的压力传感器200的第二实施例的示意框图。这是图4的变体，并且已经在上文简短讨论。以上针对第一实施例100提及的每一事物也适用于这一实施例，除了电阻器r1、r2与电流源cs1、cs2的位置被对换。的确，在图4中，电流源一端连接到接地，而在图6中，电流源一端连接到偏置节点a。此外，在图4中，电阻器r1和r2的一个节点连接到偏置节点a，而在图6中，这些电阻器的一个节点连接到接地。

第二实施例200的行为和性能非常类似于第一实施例100，除了电阻器r1、r2的电容(这与ac测量和瞬态行为相关)。在图6中电阻器r1、r2与n阱之间的耗尽层的厚度通常大于图4的厚度，因此图6的实施例可具有降低的带宽。除此之外，该第二实施例提供了高/经改进敏感度、良好/经改进线性度、对温度变化和温度梯度不敏感的相同优点(在表1中列出)。通过为n阱添加独立的偏置触点，电阻器r1、r2也可针对耗尽层的电容来被匹配。

图7示出根据本发明的压力传感器300的第三实施例的示意框图，并且图8示出其一部分的可能布局的示例。压力传感器300具有第一实施例的压力传感器100的所有组件，并且因此以上针对第一实施例提及的每一事物也适用于这一实施例，除非另外具体指明。

另外，这一实施例还包括：位于膜2的第二侧部分s2之上与附近的第二电阻器对p2。第二侧部分s2位于距第一侧部分s190°角距离处，如从膜2的中心测量的。第二电阻器对p2包括与第二电阻器r2并联连接在所述(第一)偏置节点a和所述第二输出节点b之间的第三电阻器r3以及与第一电阻器r1并联连接在所述(第一)偏置节点a和所述第一输出节点d之间的第四电阻器r4。第三电阻器r3包括布置在第一方向x上的一个或多个(例如两个或三个)第三延长压阻带10。这一方向是与第一电阻器r1的压阻带8相同的方向是必要的(如将进一步描述的)。第四电阻器r4包括布置在第二方向y上的一个或多个第二延长压阻带11。

注意，在图7中，r1、r2、r3、r4中的“向上/向下箭头”是图形指示，意指如果r1的电阻值由于外部压力而增加，则r4的值也增加，但r2和r3的值降低。

然而，为完全明白这一电路300的优点，读者还应当考虑图8的布局结构，并且想象在温度随时间变化的情形中将发生什么、在膜上的温度梯度的情形中将发生什么(t1＝t2且t3＝t4，但t1ot3)、在外部压力被施加到膜的情形中将发生什么(参见图12的径向应力模式)、以及在均匀非径向封装应力的情形中将发生什么(参见图13的示例)。这一行为被概括在表2中：

表2：第三实施例的行为

[*1]：压力传感器300对膜上的温度梯度(即，t1不等于t3)相对不敏感，因为r1和r2两者都将按相同方式增加或降低，且r3和r4两者都将按相同方式增加或降低，因此r1和r4的并联连接也将以与r2和r3的并联连接基本上相同的方式来增加或降低(并非完全相同，而是在第一量级近似中的相同)。一方面r1和r2的带8、9越靠近并且另一方面r3和r4的压阻带10、11被一起定位，r1和r2之间的温差越小且r3和r4之间的温差越小。即使这一补偿可能不完美，但清楚的是，在压阻带位于膜的四个不同侧上时，这一效果根本不存在。因此，将电阻器r1和r2定位得靠近第一侧且r3和r4靠近第二侧提供了优于现有技术的清楚优点。

[*2]：压力传感器300对均匀(非径向)应力(例如，封装应力)相对不敏感，因为r1和r4具有相反的行为(归因于它们的压阻带的定向和位置)：如果r1由于均匀应力增加(参见图13)，则r4将降低，因为r1和r4的带彼此垂直)。同样，r2和r3对于均匀非径向应力具有相反的行为(参见图13)。并且，r1和r4并联连接，且r2和r3并联连接，组合效果被极大降低，或甚至消除(在第一量级)。换言之：施加在器件300上的均匀(非径向)应力(例如由于封装应力)将不显著改变输出电压δvout，但在横向和纵向系数的比率不恰是负1时，输出节点d、b处的电压vout-、vout+的小共模偏移可被观察到。

表2和表1的比较显示根据第三实施例的压力传感器300的主要优点在于它具有对均匀(非径向)应力(例如，封装应力)相对不敏感的附加优点。

图8将不被详细描述，因为它非常类似于图5。读者将理解，即使电阻器r1、r2、r3、r4仅以压阻带来示出(使用图9的布局)，具有三个压阻带的电阻器-布局(使用图10的布局)当然也是可能的。如果相同的布局模式(除了偏移、旋转以及镜像之外)被用于第一电阻器对p1和第二电阻器对p2则是优选的，但这不是绝对需要的，并且如果例如第一电阻器对p1将使用图9的布局且第二电阻器对p2将使用图10的布局，或反之，本发明也将行得通，假定相对定向和电阻值r1＝r2＝r3＝r4被维持。然而，使用单个布局-模式将造成更好的匹配，因此预期更高的准确度。电阻器的敏感度受布局的影响并且因此压阻带的相同布局是优选的。

已经在上文描述了图9。然而，当用在第二实施例200(图6)中时，需要作出修改，因为vbias将实际上是接地，并且n阱将连接到vdd，而非接地。因而，“n-触点”将必须经由第四触点而非经由vbias的触点来提供。当用在第二实施例200中时，同样情形适用于图10。

这反映了图9和图10的布局结构的另一优点。当电流源没有被集成在传感器芯片上时，图9和图10的电阻器布局只需要3个接合垫，而惠斯通电桥总是需要4个接合垫：vdd一个、gnd一个以及输出信号两个。

上文已经讨论了图11到13。

图14示出根据本发明的压力传感器400的第四实施例。根据第四实施例的压力传感器400具有根据第三实施例的压力传感器的所有特征。为了描述第四实施例，图7中示出的电路将被称为“第一子电路”。根据第四实施例的压力传感器于是也具有在电学上等同于图7中所示的第一子电路的“第二子电路”，但包括第三和第四电阻器对p3、p4(代替p1、p2)并且具有第三和第四电流源cs3、cs4(代替cs1、cs2)。

包括p3、p4、cs3、cs4的第二子电路优选地由与第一子电路相同的偏置电压vbias和接地gnd来偏置，但这不是绝对必需的。第二子电路提供第二差分输出信号δvref。第三对p3包括两个电阻器r5、r6(对应于第一子电路的r1和r2)并且第四对p4包括两个电阻器r7、r8(对应于第一子电路的r3和r4)。电阻器r5、r6、r7、r8位于膜2的第一和第二侧s1、s2的附近且基本上在其中间、在膜2外部、在块体材料上。它们不旨在用于测量膜2的挠度，而是只用于测量归因于封装的(径向)应力。

通过使用图9或图10中所示的相同或相似布局模式(或旋转、平移、镜像)，r5和r6的压阻带相对于膜大小而言“紧密地一起”定位(使用相同的公式md/w)，并且因此第五和第六电阻器r5、r6的温度可被认为基本相同，比如t5。同样，第七和第八电阻器r7、r8的温度可被认为基本上相同。因而，通过按对p3、p4组织第二(外侧)子电路的电阻器(而非作为分散在膜2周围的各单独电阻器，如现有技术中所做的)，该第二子电路也基本上不敏感，例如对温度梯度不敏感，在使用包括p3、p4的第二子电路的输出δvref来校正包括p1、p2的第一子电路的输出δvout时，这是优于现有技术的一主要优点。

因为膜2的厚度t(通常是10到100微米的量级)通常比膜的大小小得多，例如至少小10倍(例如，膜宽度在200到2000微米的范围内)，所以第三电阻器对p3被定位为相对“紧靠”第一电阻器对p1，并且第四电阻器对p4被定位为相对“紧靠”第二电阻器对p2，使得由第三电阻器对p3感测的归因于封装的压力基本上与该封装施加在第一电阻器对p1上的压力相同，并且由第四电阻器对p4感测的归因于封装的压力基本上与该封装施加在第二电阻器对p2上的压力相同。

因而，由第一(内侧)子电路测得的值指示外部压力和封装应力，而由第二子电路测得的值只指示封装应力。如果为第一和第二子电路的电阻器r1-r4以及r5-r8选择同等布局，并且如果为第一和第二子电路选择相同的偏置电压vbias(在图14中，它们被硬连线)，则可以按本领域已知的方式(例如，通过在adc之后的数字控制器)从第一子电路的值中减去第二子电路的值以补偿封装应力。但本发明不限于此，并且一般而言，第二子电路的值将与封装应力成比例，并且可以按另一方式(例如，以模拟方式)从第一子电路的输出δvout减去值δvref的预定义小部分以针对封装应力补偿零-偏移。

虽然使用第二子电路以尝试补偿归因于封装应力的偏移误差已经在现有技术中提及(参见ep0083496a2)，但各实验已经显示现有技术中公开的偏移补偿(其中各单独电阻器分布在膜和块体的四侧上)并不能非常好地工作，并且对温度梯度相当敏感。

已经发现，在两个子电路的电阻器按对p1、p2和p3、p4组织时，如在本发明中描述的并且例如在图14中示出的，测量膜的压力的第一(内侧)子电路与只测量封装应力的第二(外侧)子电路之间的匹配是现有技术的至少3倍。因而，尽管现有技术具有用于补偿封装应力的准备，但该准备的准确度并不很高，而本发明所提供的准确度至少比其高3倍。这是优于现有技术的一个主要改进。

据信，本文描述的按对组织的各子电路的匹配显著好于现有技术子电路的匹配的底层原因之一主要与以下事实相关：各对内的压阻带之间的距离远小于经典子电路的压阻带之间的距离，然而，发明人不希望受任何理论的限制。

通过将第三对p3定位得“紧靠”第一对p1，电阻器r1、r2、r5和r6的温度也自动将基本上相同(t1＝t2＝t5＝t6)，但这不是绝对需要的，t1＝t2且t5＝t6也是足够的。如上所述，将第三对p3定位得紧靠第一对p1的原因是尽可能好地匹配封装应力。因为电阻器r1到r4被定位在膜2上，(或更准确而言：r1和r4的大部分被定位在膜上)，所以它们对施加在膜2上的压力以及封装所施加的压力敏感。相反，因为电阻器r5到r8被在定位膜2之外“充分远”，例如远离膜边缘21至少膜厚度t的4.0倍(≥4x)，或至少6.0倍，或至少10.0倍，所以它们只对由封装施加的压力敏感。因此，包括电阻器r5到r8的第二子电路可被用来确定由封装施加在基板上的径向压力，可使用已知方法将这一径向压力用来补偿从第一子电路获得的压力值。

在实践中，需要就第三和第四电阻器对p3、p4分别相关于第一和第二电阻器对p1、p2的位置作出折中：如果p3被定位得“过于靠近”膜边缘(并且因而过于靠近p1)，则它提供施加在p1和p2的电阻器上的封装压力的更好指示(更高相关)，但p3也将对膜上的外部压力更敏感。如果p3距膜边缘“过远”，它将基本上对由第一子电路测量的外部压力不敏感，但p3体验到的封装应力可能与p1体验到的封装应力偏离更大(较低相关)。根据经验，第三和第四电阻器对p3、p4可以例如被定位在等于膜厚度t的约4.0倍(4x)到约10.0倍(10x)的距离处。

从上文可以理解，根据第三实施例的压力传感器400具有根据第三实施例的压力传感器的所有优点(表2中列出)，并且另外具有经改进的准确度，因为它具有对(径向)封装应力的经改进的补偿。

在第二方面，本发明还涉及一种包括上述压力传感器100、200、300、400的半导体器件。

参考图15，在第三方面，本发明涉及一种确定施加在半导体基板上的外部压力的方法1500，其中该半导体基板包括膜2和具有如上所述地布置的一个电阻器对p1(第一实施例或第二实施例并在图4到图6中示出)的电阻器结构，由此该方法包括以下步骤：通过连接第一电流源cs1将第一预定义电流i1施加1501到所述第一电阻器r1；通过连接第二电流源cs2将第二预定义电流i2施加1502到所述第二电阻器r2；获得1503跨第一和第二输出节点b、d的第一差分电压信号δvout。

注意，当前电流源cs1和cs2可以是或可以不是膜所处于的同一基板的一部分，而是可被定位在可经由例如三个或四个接合垫连接到第一基板的第二基板(未示出)上。

本发明还涉及一种确定施加在具有膜2和如上所述地布置的两个电阻器对p1、p2(第三实施例，并且在图7和图8中示出)的半导体基板上的外部压力的方法。这一方法包括以下步骤：使用第一电流源cs1将第一预定义电流i1施加到第一电阻器r1和第四电阻器r4的所述并联连接；使用第二电流源cs2将第二预定义电流i2施加到第二电阻器r2和第三电阻器r3的所述并联连接；以及测量跨第一和第二输出节点b、d的第一差分电压信号δvout。

本发明还涉及一种确定施加在具有膜2和如上所述地布置的两个电阻器对p1、p2(第四实施例，并且在图14中示出)的半导体基板上的外部压力的方法。这一方法包括以下步骤：使用第一电流源cs1将第一预定义电流i1施加到第一电阻器r1和第四电阻器r4的所述并联连接；

使用第二电流源cs2将第二预定义电流i2施加到第二电阻器r2和第三电阻器r3的所述并联连接；以及

测量跨第一和第二输出节点b、d的第一差分电压信号δvout；以及

使用第三电流源cs3将第三预定义电流i3施加到r5和r8的所述并联连接；

使用第四电流源cs4将第四预定义电流i4施加到r6和r7的所述并联连接；以及

测量跨第三和第四输出节点b2、d2的第二差分电压信号δvref；以及

使用与第二差分电压信号δvref相对应的值来校正与第一差分电压信号δvout相对应的值。

附图标记：

100,200,300,400压力传感器21膜边缘

3角部4金属电极

6电极引出区md最大距离

8,9,10,11第一、第二、第三、第四电阻器的压阻带

p1,p2,...第一、第二、...、电阻器对r1,r2,...第一、第二、...、电阻器

s1,s2,...正方形膜的第一、第二侧t膜厚度

w正方形膜的宽度vdd供电电压

gnd接地电压vbias偏置电压