用于芯片上机械应力感测的装置及方法制造方法及图纸

本申请案涉及芯片上机械应力感测的装置及方法。一种集成电路IC芯片(800)包含具有压电材料的衬底(402)，压电材料具有与纵向于第一晶体轴[100]的第一方向(X轴)相关联的第一电阻率系数(πLONG)及与横向于第一晶体轴的第二方向(Y轴)相关联的第二电阻率系数(πTRAN)。第一电阻率系数与第二电阻率系数具有相反正负号。IC芯片还包含形成于衬底中且经耦合以使第一电流从中穿过(从A到B)的第一应力感测元件(100A)。第一应力感测元件包含：第一电阻器(R1)，其经对准使得通过第一电阻器的主电流流动方向在第一方向上；及第二电阻器(R2)，其与第一电阻器串联耦合且经对准使得通过第二电阻器的主电流流动方向在第二方向上。第二电阻器的电阻与第一电阻器的电阻的比率等于值α，其中α等于第一电阻率系数与第二电阻率系数的比率。

【技术实现步骤摘要】
用于芯片上机械应力感测的装置及方法优先权主张及相关专利申请案此非临时申请案基于以下先前美国临时专利申请案而主张优先权：(i)2017年2月15日提出申请的属于尤米德贾·缪密特夫(UmidjonNurmetov)、拉尔夫·彼得·布里德鲁(RalfPeterBrederlow)及穆罕哈龙(BaherHaroun)的第62/459,140号申请案“芯片上传感器的机械应力感测的新颖方法及应力补偿电路(ANovelMethodofMechanicalStressSensingforOn-chipSensorsandStressCompensationCircuits)”；所述申请案特此以其全文引用方式并入。
所揭示实施例大体来说涉及半导体装置中的机械应力感测领域。更特定来说且不具任何限制性，本专利技术针对用于芯片上机械应力感测的装置及方法。
技术介绍
机械应力会改变装置，例如装置的尺寸，这会改变与装置相关联的电路参数。这些电路参数(例如电阻器的电阻率及集成振荡器的频率)可对x方向及y方向上的机械应力作出不同响应，因此期望确定主应力分量中的每一者的值以便准确地测量应力并对应力作出响应。先前方法已利用扩散电阻器的组合来提取应力分量。然而，这些解决方案往往会增加电路复杂性且在所得测量值的后处理期间需要进行复杂的数学计算。
技术实现思路
所揭示实施例提供将施加于集成电路(IC)芯片上的应力的分量的确定简化的方法及装置。在一个实施例中，应力分量中的一者在应力传感器内被消去，使得可直接测量应力分量而无需额外电路组件。所述方法对两个应力分量同样敏感，这减轻了所述补偿电路中的信息处理。此外，所揭示实施例实现这些优势而不需要在后处理时执行复杂数学计算。在一个方面中，揭示一种集成电路的实施例。所述集成电路包含：衬底，其包括压电材料，所述压电材料具有与纵向于第一晶体轴[100]的第一方向相关联的第一电阻率系数及与横向于所述第一晶体轴的第二方向相关联的第二电阻率系数，所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数具有相反正负号；第一应力感测元件，其形成于所述衬底中且经耦合以使第一电流从中穿过，所述第一应力感测元件包括：第一电阻器，其经对准使得通过所述第一电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上；及第二电阻器，其与所述第一电阻器串联耦合且经对准使得通过所述第二电阻器的主电流流动方向在所述第二方向上，其中所述第二电阻器的电阻与所述第一电阻器的电阻的比率等于值α，α等于所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数的比率。在另一方面中，揭示一种集成电路的实施例。所述集成电路包含：衬底，其包括压电材料，所述压电材料具有与纵向于第一晶体轴的第一方向相关联的第一电阻率系数及与横向于所述第一晶体轴的第二方向相关联的第二电阻率系数，所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数具有相反正负号；及第一应力感测元件，其形成于所述衬底中，所述第一应力感测元件包括：第一电阻器，其耦合于第一电流源与下部轨之间，所述第一电阻器经对准使得通过所述第一电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上，第一电压是在所述第一电流源与所述第一电阻器之间获取；及第二电阻器，其耦合于第二电流源与所述下部轨之间，所述第二电阻器经对准使得通过所述第二电阻器的主电流流动方向在所述第二方向上，第二电压是在所述第二电流源与所述第二电阻器之间获取，由所述第一电流源提供的电流与由所述第二电流源提供的电流的比率等于α，α等于所述第二电阻率系数与所述第一电阻率系数的比率；及第一组合电路，其经耦合以将所述第一电压与所述第二电压相加，且提供和与所述第二方向相关联的应力分量成比例的第三电压。在又一方面中，揭示一种集成电路的实施例。所述集成电路包含：衬底，衬底，其包括压电材料，所述压电材料具有与纵向于第一晶体轴的第一方向相关联的第一电阻率系数及与横向于所述第一晶体轴的第二方向相关联的第二电阻率系数，所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数具有相反正负号；第一应力感测元件，其形成于所述衬底中，所述第一应力感测元件包括：第一电阻器，其耦合于第一电流源与下部轨之间，所述第一电阻器经对准使得通过所述第一电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上；第二电阻器，其耦合于第二电流源与所述下部轨之间，所述第二电阻器经对准使得通过所述第二电阻器的主电流流动方向在正交于所述第一方向及所述第二方向两者的第三方向上，所述第一电流源及所述第二电流源各自提供给定电流；及第一差分电路，其经耦合以接收在所述第一电阻器与所述第一电流源之间获取的第一电压及在所述第二电阻器与所述第二电流源之间获取的第二电压，所述第一差分电路提供等于所述第一电压与所述第二电压之间的差的第三电压。附图说明在随附图式的各图中以实例方式而非限制方式图解说明本专利技术的实施例，在图中相似参考指示类似元件。应注意，对本专利技术中的“一”或“一个”实施例的不同提及未必是指同一实施例，且这些提及可意指至少一者。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，应认为：在所属领域的技术人员的知识范围内结合其它实施例实现此特征、结构或特性，而无论是否明确描述。如本文中所使用，术语“耦合(couple或couples)打算意指间接电连接或直接电连接，除非限定为可包含无线连接的“可以通信方式耦合”。因此，如果第一装置耦合到第二装置，那么所述连接可以是通过直接电连接或通过经由其它装置及连接的间接电连接。随附图式被并入到说明书中并形成说明书的一部分以图解说明本专利技术的一或多个示范性实施例。将从结合所附权利要求书且参考附图作出的以下详细描述理解本专利技术的各种优势及特征，在附图中：图1A描绘根据本专利技术的实施例的提供横向于[100]晶体轴的应力分量的应力感测元件的实例；图1B描绘根据本专利技术的实施例的电阻器的实例，所述电阻器可以是应力感测元件的一部分；图1C描绘根据本专利技术的实施例的提供纵向于[100]晶体轴的应力分量的应力感测元件的实例；图2A描绘根据本专利技术的实施例的可用于形成应力感测元件以确定纵向于且横向于[100]晶体轴的应力分量的两个电阻器；图2B描绘根据本专利技术的实施例的电路，在所述电路中图2A的两个电阻器可用于形成应力感测元件以确定横向于[100]晶体轴的应力分量的；图2C描绘根据本专利技术的实施例的电路，在所述电路中图2A的两个电阻器可用于形成应力感测元件以确定纵向于[100]晶体轴的应力分量；图3A描绘根据本专利技术的实施例的电路，在所述电路中图2A的电阻器中的一者可用于与垂直电阻器结合以形成应力感测元件以确定横向于[100]晶体轴的应力分量；图3B描绘根据本专利技术的实施例的电路，在所述电路中图2A的电阻器中的一者可用于与垂直电阻器结合以形成应力感测元件以确定纵向于[100]晶体轴的应力分量；图4及5描绘可实施于所揭示实施例中的实例性侧向电阻器；图6A及6B描绘可实施于所揭示实施例中的实例性垂直电阻器；图7A描绘根据本专利技术的实施例的提供数字应力信息的应力传感器的高级实例；图7B描绘根据本专利技术的实施例的图7A的电路的实例性实施方案；图8描绘根据本专利技术的实施例的含有可并入应力传感器的谐振器与驱动电路的IC芯片的实例；图9A描绘与相对于[100]晶体轴的应力定向相关的电阻改变与原始电阻的比率的曲线图；图9B描绘根据本专利技术的实施例的额外电阻器，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成电路IC芯片，其包括：衬底，其包括压电材料，所述压电材料具有与纵向于第一晶体轴的第一方向相关联的第一电阻率系数及与横向于所述第一晶体轴的第二方向相关联的第二电阻率系数，所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数具有相反正负号；及第一应力感测元件，其形成于所述衬底中且经耦合以使第一电流从中穿过，所述第一应力感测元件包括：第一电阻器，其经对准使得通过所述第一电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上；及第二电阻器，其与所述第一电阻器串联耦合且经对准使得通过所述第二电阻器的主电流流动方向在所述第二方向上，其中所述第二电阻器的电阻与所述第一电阻器的电阻的比率等于值α，α等于所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数的比率。

【技术特征摘要】
2017.02.15 US 62/459,140;2017.07.14 US 15/649,9341.一种集成电路IC芯片，其包括：衬底，其包括压电材料，所述压电材料具有与纵向于第一晶体轴的第一方向相关联的第一电阻率系数及与横向于所述第一晶体轴的第二方向相关联的第二电阻率系数，所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数具有相反正负号；及第一应力感测元件，其形成于所述衬底中且经耦合以使第一电流从中穿过，所述第一应力感测元件包括：第一电阻器，其经对准使得通过所述第一电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上；及第二电阻器，其与所述第一电阻器串联耦合且经对准使得通过所述第二电阻器的主电流流动方向在所述第二方向上，其中所述第二电阻器的电阻与所述第一电阻器的电阻的比率等于值α，α等于所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数的比率。2.根据权利要求1所述的IC芯片，其中所述第一电流的改变与施加于所述IC芯片的应力的第一应力分量成比例，所述第一应力分量横向于所述第一晶体轴。3.根据权利要求1所述的IC芯片，其进一步包括第二应力感测元件，所述第二应力感测元件形成于所述衬底中且经耦合以使第二电流从中穿过，所述第二应力感测元件包括：第三电阻器，其经对准使得通过所述第三电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上；及第四电阻器，其与所述第三电阻器串联耦合且经对准使得通过所述第四电阻器的主电流流动方向在所述第二方向上，其中所述第三电阻器的电阻与所述第四电阻器的电阻的比率等于所述值α。4.根据权利要求3所述的IC芯片，其中所述第二电流的改变与施加于所述IC芯片的所述应力的第二应力分量成比例，所述第二应力分量纵向于所述第一晶体轴。5.根据权利要求4所述的IC芯片，其中所述IC进一步包括频率补偿电路，所述频率补偿电路经耦合以从所述第一应力感测元件及所述第二应力感测元件接收输入。6.根据权利要求5所述的IC芯片，其中所述IC进一步包括振荡器，所述振荡器经耦合以从所述补偿电路接收频率调整。7.根据权利要求3所述的IC芯片，其进一步包括形成于所述衬底中的第三应力感测元件，所述第三应力感测元件包括：第五电阻器，其耦合于第一电流源与下部轨之间，所述第五电阻器经对准使得通过所述第五电阻器的主电流流动方向在第三方向上，所述第三方向基本上纵向于与所述第一晶体轴不同的第二晶体轴；第六电阻器，其耦合于第二电流源与所述下部轨之间，所述第六电阻器经对准使得通过所述第六电阻器的主电流流动方向在基本上横向于所述第二晶体轴的第四方向上，其中由所述第一电流源提供的电流等于由所述第二电流源提供的电流；及差分电路，其经耦合以从所述第五电阻器与第五电流源之间的点接收第一电压且从所述第六电阻器与第六电流源之间的点接收第二电压，且提供等于所述第一电压与所述第二电压之间的差的第三电压。8.一种集成电路IC芯片，其包括：衬底，其包括压电材料，所述压电材料具有与纵向于第一晶体轴的第一方向相关联的第一电阻率系数及与横向于所述第一晶体轴的第二方向相关联的第二电阻率系数，所述第一电阻率系数与所述第二电阻率系数具有相反正负号；及第一应力感测元件，其形成于所述衬底中，所述第一应力感测元件包括第一电阻器，其耦合于第一电流源与下部轨之间，所述第一电阻器经对准使得通过所述第一电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上，第一电压是在所述第一电流源与所述第一电阻器之间获取，及第二电阻器，其耦合于第二电流源与所述下部轨之间，所述第二电阻器经对准使得通过所述第二电阻器的主电流流动方向在所述第二方向上，第二电压是在所述第二电流源与所述第二电阻器之间获取，由所述第一电流源提供的电流与由所述第二电流源提供的电流的比率等于α，α等于所述第二电阻率系数与所述第一电阻率系数的比率，及第一组合电路，其经耦合以将所述第一电压与所述第二电压相加，且提供和与所述第二方向相关联的应力分量成比例的第三电压。9.根据权利要求8所述的IC芯片，其进一步包括：第二应力感测元件，其形成于所述衬底中，所述第二应力感测元件包括第三电阻器，其耦合于第三电流源与所述下部轨之间，所述第三电阻器经对准使得通过所述第三电阻器的主电流流动方向在所述第一方向上，第四电压是在所述第三电流源与所述第三电阻器之间获取，第四电阻器，其耦合于第四电流源与所述下部轨之间，所述第四电...

【专利技术属性】
技术研发人员：乌米琼·努尔梅多夫，拉尔夫·彼得·布雷德罗，巴赫尔·哈龙，
申请(专利权)人：德州仪器公司，德州仪器德国股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US