使用半导体技术的热电器件制造技术

本发明专利技术涉及使用半导体技术的集成热电器件，包括布置在热源附近的热侧(Th)、以及冷侧(Tc)，输出取决于所述热侧与所述冷侧之间的温度差的信号(U)。布置所述热侧和所述冷侧，以使得当所述热源的温度变化时(换言之，当传感器具有较差的操作条件时)，它们的温度趋于相等。测量电路根据所述信号的从所述热源的温度变化的时间(t0)起的连续可变的部分(t0-t1)，提供有用信息。如果热源的温度停止变化，则热侧和冷侧的温度最终相等，并且该信号被取消并停止变化。热侧与冷侧之间的距离可以小于100μm。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种集成热电器件，特别涉及半导体技术中的塞贝克(kebeck)效应器件。
技术介绍
如今，许多集成电路包含内置的热传感器以提供关于电路的发热的信息。当传感器的温度到达阈值时，电源管理电路将例如能够停止功能、使时钟减慢、或者触发风扇。目前用在集成电路中的热传感器通常是正向偏置的p-n结的形式。在二极管的端子处的电压指示结的温度。这样的传感器呈现出消耗约20 μ A的恒流的缺点、以及最重要的是在阈值温度(估计为+/_20°C)上并非非常精确的缺点。虽然它们当前一般使用在移动设备中，但是，由于壳体中不断增加的功率耗散(这与更快或新的功能的并入有关)，使用这些传感器的局限性开始变得明显。存在更精确且不消耗电流的自发(autonomous)传感器，称作塞贝克效应传感器。它们还被称为“热电偶”。这些热传感器是差动式的(differential)，并要求冷源和热源同时可用。图1描绘了 CMOS技术中具有塞贝克效应的集成差动传感器，如在Therminic2005 会议上公布的 Eduardo Aldrete-Vidrio> Diego Mateo 和 Jos印 Altet 的题目为"Differential Temperature Sensor in 0. 35 μ m CMOS Technology，，的文章中所描述的。一些平行的传导条(bar)形成在硅衬底上。这些条的一端位于冷源的位置(level)处(在左侧)，而另一端位于热源的位置处(在右侧)。所述条通过金属化(metallization) 10而电串联连接。奇数行的条12和偶数行的条14具有不同的特性，一者由多晶硅“polyl”制造，而另一者由多晶硅“poly2”制造或者通过衬底的ρ+注入而制造。因此，一些热电偶形成在金属化10的位置处，所述热电偶串联连接以便提高传感器的灵敏度。此布置也称为“热电堆”。热电堆的长度为约500 μ m，而其宽度为约16 μ m。在传感器的端子处的提供给测量电路15的电压U与处于热源侧的热电偶和处于冷源侧的热电偶(下面为了简化，我们将称为传感器的热和冷侧)之间的温度差成比例。比例系数自身与热电偶的数量成比例，并且与用于所述条的金属对的塞贝克系数成比例。图2描绘了热电堆的热侧的温度Th响应于由热源耗散的理想功率步幅P的瞬时变化的示例。温度Th逐渐增长并渐进地趋于与热动力学平衡对应的温度值。增长速率取决于热源的功率和热容量。最大值取决于热源除热的功率和能力。在冷侧的温度Tc不变的情况下，传感器的端子处的电压直接指示热源的温度变化Th。上述文章在表征芯片上的功能单元的热行为的上下文中描述了这种传感器，并且提出将其集成在专用于热表征的电路系列中。由于传感器的尺寸(约8000 μ m2)，其不能按原样用在具有典型尺寸为约150000 μ m2的热源(功率晶体管)的商用集成电路中(传感器将占功率晶体管的表面的5% )。
技术实现思路
已经觉察到了对既精确、又具有低消耗且具有使其适于用在商用集成电路中的尺寸的热传感器的需求。为了满足此需求，特别提供了半导体技术中的集成热电器件，其包括布置在热源附近的热侧、以及冷侧，并提供根据热侧与冷侧之间的温度差的信号。以如下方式布置热侧和冷侧当热源的温度变化时，即，当传感器处于差的操作条件时，它们的温度趋于相等(equal out)。测量电路根据信号从热源的温度变化的时间起的连续可变的部分，提供有用信息。如果热源的温度停止变化，则热侧和冷侧的温度最终相等，并且该信号被取消(annul)并停止变化。热侧与冷侧之间的距离可以小于100 μ m。附图说明依据下面对仅仅为了非限制性示例的目的而给出且通过附图说明的特定实施例的描述，其他优点和特征将变得更加无疑地明显，其中图1(在前所述的)描绘了 CMOS技术中的具有塞贝克效应的传统集成差动热传感器；图2(在前所述的)描绘了在有利的情形中图1的类型的传感器中的温度响应于功率步幅的瞬时变化；图3描绘了在冷侧Tc不能被认为是固定的情况下、图1的类型的传感器中的温度和电压响应于功率步幅的瞬时变化；图4a、4b和如描绘了在三个特定的操作模式下、小尺寸的差动热传感器中的温度和电压的瞬时变化；图5描绘了布置在集成电路中的用以测量MOS功率晶体管的温度的小尺寸的差动热传感器；图6描绘了能够被应用于小尺寸的差动热传感器的各种优化；以及图7描绘了在小尺寸的差动热传感器的特定示例上测量的温度和电压的变化。具体实施例方式为了受益于塞贝克效应热传感器或差动传感器的优点，在商用集成电路中，期望减小其总尺寸。由于传感器的宽度能够由该技术的各维度以及由使得能够实现所需灵敏度的结的数量决定，所以传感器的长度是唯一的自由度(latitude)。在当前技术中，此长度需要小于100 μ m，优选地小于50 μ m，S卩，比关于图1描述的传统传感器的长度小五到十倍。然而，减小传感器的长度牵涉到使热源和冷源彼此更接近，这引起到目前为止还无法解决的缺点。图3描绘了在不利的情形(非恒温的冷侧Tc)中、图1的类型的塞贝克效应热传感器的温度和端子处的电压U响应于施加在热源上的功率步幅P的变化的示例。这样的情形越不利，传感器的长度减小得越多。热侧温度Th如图2中那样变化。然而，在热源的位置处产生的热通过传导而传递至冷源，由于取决于传感器的长度以及热源与冷源之间的材料的热特性的一定时滞，冷源的温度Tc从时间tl起开始增长。温度Tc的增长不及温度Th的增长快，这是因为热源的热在此源的周围扩散并且仅有一小部分扩散至冷源。取决于冷源的除热能力，温度Tc渐进地趋于热动力学平衡温度，其在所描绘的最坏情况下等于Th的最大值。直到时间tl为止，传感器的端子处的电压U都跟随温度Th的变化。从时间tl起，当温度Tc开始增长时，随着温度Tc逼近温度Th，电压U开始向着0逐渐减小。由于当前技术中集成约50 μ m的传感器长度，电压U的此脉冲的持续时间是约几微秒。因此，传感器在几微秒之后变得不可操作，并且不能执行现有技术中所提及的测量。事实上，如果更严密地分析与集成电路的功能单元对应的区域的发热现象，则可以观察到此区域在稳定条件下的温度建立在对其加热的各个器件(特别是构成功能单元的功率晶体管)的平均温度。这些功率晶体管通常操作在斩波模式中，也就是说，它们以高频率交替地呈现导通和截止阶段，所述导通和截止阶段分别对应于发热和冷却阶段。即使该区域的平均温度恒定，也可以看出功率晶体管的位置处的温度以斩波频率可觉察到地变化。因为，为了使小尺寸的差动传感器可用，将其热侧放置为紧挨着为温度增长负责或者具有需要测量的温度增长的功率晶体管。将冷侧放置为远离该晶体管，优选地，放置在不受另一个功率晶体管影响并且如果可能靠近连接至电路的导电接地平面的接地器的区域中，以便受益于更大的热惯性。然后，代替在稳定条件下测量连续的温度差，测量温度差的瞬时幅度。图如描绘了在斩波导通阶段基本上等于温度Tc和Th在晶体管的导通之后到达相同水平所用的时间的情况下、传感器的热侧温度Th和冷侧温度Tc、以及在传感器的端子处的对应电压U的变化的示例。在时间t0，晶体管导通，这对应于施加功率步幅P。从对应于该区域的平均温度的平衡温度TO开始，温度Th和Tc以及电压U本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：D柯廷，G萨维利，V雷蒙迪尔，M普利桑尼尔，
申请(专利权)人：ST埃里克森格勒诺布尔公司，原子能和代替能源委员会，
类型：发明
国别省市：