应力传感器电路和测量机械应力的方法技术

本发明专利技术涉及应力传感器电路和测量机械应力的方法。一种应力传感器，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，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，其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。

Circuit of Stress Sensor and Method of Measuring Mechanical Stress

The invention relates to a stress sensor circuit and a method for measuring mechanical stress. A stress sensor includes a substrate and a bridge circuit arranged thereon. The bridge circuit is coupled between the output node and the ground node. The bridge circuit includes the first branch and the second branch, the first branch has the first resistor R1, the first resistor R1 has the first orientation and is coupled to the tuned resistor Rtune at the first intermediate node. The second branch includes a second resistor, which has a second orientation different from the first orientation, and is coupled to a variable resistor Rvar at the second intermediate node. The bridge circuit includes an amplifier with a positive input terminal coupled to the second intermediate node and a negative input terminal coupled to the first intermediate node. The amplifier generates a voltage output at the output node according to the mechanical stress applied to the substrate. Rvar is non-linear tunable based on voltage output.

【技术实现步骤摘要】
应力传感器电路和测量机械应力的方法
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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，对本专利技术的“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，以在由可变分支形本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，设置在所述基板上并且耦接在输出节点和接地节点之间，所述桥接电路包括：第一分支，具有值为R1的第一电阻器，所述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，所述第二电阻器具有与所述第一取向不同的第二取向，所述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基于所述电压输出是非线性可调谐的，以及放大器，具有耦接到所述第二中间节点的正输入端子，以及耦接到所述第一中间节点的负输入端子，所述放大器被配置为根据施加到所述基板的机械应力在所述输出节点处产生所述电压输出。

【技术特征摘要】
2017.11.21 US 15/819,6881.一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，设置在所述基板上并且耦接在输出节点和接地节点之间，所述桥接电路包括：第一分支，具有值为R1的第一电阻器，所述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，所述第二电阻器具有与所述第一取向不同的第二取向，所述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基于所述电压输出是非线性可调谐的，以及放大器，具有耦接到所述第二中间节点的正输入端子，以及耦接到所述第一中间节点的负输入端子，所述放大器被配置为根据施加到所述基板的机械应力在所述输出节点处产生所述电压输出。2.根据权利要求1所述的应力传感器电路，其中，所述第一电阻器的值R1、所述调谐电阻器的值Rtune、所述第二电阻器的值R2和所述可变电阻器的值Rvar中的至少一个分别能够根据所述基板所受的机械应力而变化。3.根据权利要求1-2中任一项所述的应力传感器电路，还包括压控振荡器，所述压控振荡器基于所述电压输出而被调谐，并且被配置为产生可变频率信号以控制所述可变电阻器，其中，所述可变电阻器包括具有值为C的恒定电容的开关电容电阻器。4.根据权利要求3所述的应力传感器电路，其中，所述恒定电容包括平行板电容器。5.根据权利要求3所述的应力传感器电路，其中，所述放大器包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管。6.根据权利要求3所述的应力传感器电路，其中，所述开关电容电阻器包括半导体集成电路。7.根据权利要求3所述的应力传感器电路，还包括天线，所述天线耦接到所述压控振荡器...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔菲奥·赞金，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国,US