CN108027284A - 热事件传感器 - Google Patents

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CN108027284A CN201680051495.8A CN201680051495A CN108027284A CN 108027284 A CN108027284 A CN 108027284A CN 201680051495 A CN201680051495 A CN 201680051495A CN 108027284 A CN108027284 A CN 108027284A
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罗博·A·布斯凯
布伦特·M·霍洛斯
扎卡里·R·斯米格斯基
韦斯·乌伊
杰雷米·弗雷费尔德
穆拉里·查帕罗拉
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Abstract

一种热事件传感器，其包括电荷存储部件，所述电荷存储部件形成在基板上，并且所述电荷存储部件被构造成保存初始电荷且被构造成以依赖于温度的速率损失电荷。感测接口连接至所述电荷存储部件，并且读出机构连接至所述感测接口。所述读出机构感测所述电荷存储部件上的剩余电荷并且提供指示所述剩余电荷的读出值。

Description

热事件传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年7月10日提交的题目为“无源CMOS热传感器”、申请号为62/191,015的共同未决的美国临时专利申请的权益，并且为了所有的目的，将该美国临时专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
联邦政府资助的研究
本发明是在DARPA(美国国防部高级研究计划局)/MTO(微系统技术办公室)授予的合同号HR0011-15-C-0009的政府支持下做出的。政府对本发明享有一定的权利。
背景技术
许多半导体和集成电路或它们在其中作为部件的设备和产品被设计成精确的性能标准，并且可以被认证成符合这样的标准或可以被声称取得了一定的性能认证。供应链中的干涉可能会使零件、部件、配件、设备或系统不能表现出预期的水平，或可能会使它们彻底失败并伴随有极端的后果。因此，从初始的部件制造到最终的设备或系统装配，都需要检测供应链中对零件、部件和配件的潜在干涉。
发明内容
本发明涉及传感器，更具体地，涉及如下基于半导体的传感器：该传感器能够通过感测在极端温度事件中的暴露而指示设备或部件是否可能已经经受干涉或经受其他的负面操纵或影响。
根据一个方面，提供了一种热事件传感器。所述热事件传感器包括电荷存储部件，所述电荷存储部件被构造成保存初始电荷且以依赖于所述电荷存储部件的温度的速率损失电荷。感测接口连接至所述电荷存储部件，并且所述感测接口被构造成允许读出机构与所述电荷存储部件上的剩余电荷相互作用。
在一个实施例中，所述电荷存储部件形成在基板上。
在一个实施例中，所述热事件传感器还包括读出机构，所述读出机构连接至所述感测接口且被构造成感测所述剩余电荷。进一步针对这个实施例，所述读出机构可以被构造成提供指示所述剩余电荷的读出值。
在一个实施例中，所述读出机构在大体上不改变所述剩余电荷的情况下感测所述剩余电荷。在替代实施例中，所述读出机构可以在感测所述剩余电荷时改变或移除电荷。
在一个实施例中，所述电荷存储部件包括浮动栅极，并且所述感测接口包括至少一个场效应晶体管沟道，所述至少一个场效应晶体管沟道靠近所述浮动栅极且通过栅极氧化物而连接至所述浮动栅极。
在进一步的实施例中，所述浮动栅极是由单层的多晶硅材料形成的。
在一个实施例中，所述电荷存储部件包括由相应的场氧化物层隔开的多个金属层，所述多个金属层彼此电连接且与所述浮动栅极电连接。
在一个实施例中，所述感测接口包括连接至所述浮动栅极的至少两个场效应晶体管沟道，所述至少两个场效应晶体管沟道彼此以横向构造形成。
在一个实施例中，所述感测接口包括靠近所述浮动栅极的控制栅极。
在一个实施例中，所述读出机构是电气、光学、红外或光致发光机构中的一种。
在一个实施例中，所述读出机构是读出电路。在进一步的实施例中，所述读出电路连接至所述场效应晶体管沟道，并且所述读出电路被构造成检测通过所述场效应晶体管沟道的感测电流。
在一个实施例中，充电机构连接至所述感测接口，并且所述充电机构被构造成将所述初始电荷放置在所述电荷存储部件上。进一步针对这个实施例，所述充电机构是电气、光学、红外或光致发光机构中的一种。进一步针对这个实施例，所述充电机构可以被构造成经由福勒-诺德海姆(Fowler-Nordheim)隧道和热载流子注入中的至少一者将所述初始电荷放置在所述电荷存储部件上，且所述充电机构可以被构造成在将所述初始电荷放置在所述电荷存储部件上之后被禁用。
在一个实施例中，所述电荷存储部件包括掺杂电介质，所述掺杂电介质被构造成通过俘获所述初始电荷来保存所述初始电荷。
在另一个方面中，提供了一种热事件检测方法。所述方法包括：在第一时间点，经由充电机构将第一电荷提供到电荷存储部件上，所述电荷存储部件被构造成以与温度对应的速率损失电荷；在第二时间点，感测所述电荷存储部件上的剩余电荷；且将感测到的所述剩余电荷与所述第一电荷进行比较。
在一个实施例中，感测所述剩余电荷包括：感测靠近所述电荷存储部件的晶体管沟道的导电性，所述剩余电荷影响所述晶体管沟道的场效应。
在一个实施例中，将第一电荷提供到电荷存储部件上包括：将电荷存放在由相应的场氧化物层隔开的多个金属层上，所述多个金属层彼此电连接。
在一个实施例中，所述方法还包括：基于所述比较来判断所述电荷存储部件是否已经暴露在热事件下。
在一个实施例中，所述方法还包括：在提供所述第一电荷之后，禁用所述充电机构。
在又一个方面中，提供了一种温度变化检测方法。所述方法包括：在第一时间点，经由充电机构将第一电荷提供到电荷存储部件上，所述电荷存储部件被构造成以与温度对应的速率损失电荷；在第二时间点，确定所述电荷存储部件上剩余的预期电荷；在所述第二时间点，感测所述电荷存储部件上剩余的第二电荷；将所述第二电荷与所述预期电荷进行比较；且基于所述比较来判断所述电荷存储部件是否已经暴露在超出允许范围的温度变化下。
在一个实施例中，感测剩余的所述电荷包括：感测靠近所述电荷存储部件的晶体管沟道的导电性，所述剩余的所述电荷影响所述晶体管沟道的场效应。
在一个实施例中，将第一电荷提供到电荷存储部件上包括：将电荷存放在由相应的场氧化物层隔开的多个金属层上，所述多个金属层彼此电连接。
在一个实施例中，所述方法还包括：在提供所述第一电荷之后，禁用所述充电机构。
下面还将详细说明这些示例性方面及实施例的其他方面、实施例和优势。本文中公开的实施例可以以符合本文中公开的至少一种原理的任何方式与其他实施例进行组合，并且“实施例”、“一些实施例”、“替代实施例”、“各种实施例”或“一个实施例”等的指代未必是相互排斥的，而是旨在表明所述的特定特征、结构或特性可以包含在至少一个实施例中。在这里，这些术语的出现未必都指代同一实施例。
附图说明
下面，将参照附图说明至少一个实施例的各种方面，附图不旨在按照比例绘制。所包括的附图是为了提供各种方面及实施例的图解和进一步理解，而且附图被并入本说明书中且构成本说明书的一部分，但是附图并不旨在作为限制本发明的限定。在附图中，由相同的附图标记来表示各个附图中所示的相同或几乎相同的各部件。为了清楚，并不是在每幅图中都标出了每个部件。在附图中：
图1是根据本发明的方面的热事件传感器的框图；
图2A是根据本发明的方面的热事件传感器的一个示例的示意图；
图2B是根据本发明的方面的热事件传感器的另一个示例的示意图；
图3A是根据本发明的方面的示例性读出电路的示意图；
图3B是根据本发明的方面的另一个示例性读出电路的示意图；
图4A是根据本发明的方面的热事件传感器的随着时间的示例性温度暴露的曲线图；
图4B是根据本发明的方面的热事件传感器的响应于图4A的温度暴露的示例性电荷水平(charge level)的曲线图；
图5是根据本发明的方面的热事件传感器的示例性寿命的一个电荷水平响应的图解；以及
图6是根据本发明的方面的热事件传感器的示例性寿命的另一个电荷水平响应的图解。
具体实施方式
传统的温度传感器指示任何给定时刻的温度，且在操作时需要电力。根据本文公开的热事件传感器和方法的方面及实施例，无源地检测热事件，且传感器的读出提供如下指示：部件或设备是否已经经受超出正常预期范围的温度，该指示可以表明干涉。本文公开的热事件传感器的实施例利用如下电荷存储部件：在例行处理的期间内，该电荷存储部件可以表现出稳定(或缓慢衰减)的电荷，但是当经受极端的温度事件时，该电荷存储部件将表现出显著的电荷损失。
电荷存储部件可以包括一个或多个能够存储或俘获电荷的基板层，且电荷存储部件与其他部件和材料是介质隔离的。电荷存储部件基板材料可以是导体、半导体或电介质材料。例如，电荷存储部件基板材料可以是能够保存或俘获电荷的金属、多晶硅、掺杂电介质或其他材料、或上述的任何组合。在至少一个实施例中，电荷存储部件包括一个或多个金属层以及通向集成电路结构的多晶硅浮动栅极接口。在另一个实施例中，电荷存储部件可以是被构造用于电荷俘获的非导电电介质材料。在各种实施例中，电荷存储部件包括一个或多个基板层，且电荷存储部件与集成电路制造技术兼容。
如下面更详细的说明，电荷存储部件的基板架构将表现出固有的热依赖性电荷损失机制，该机制可以以无源或有源的方式被开发利用来检测各种事件的热特征。热依赖性电荷损失机制可以因基板层几何结构的修改和/或由替代材料制成的具有各种几何结构的其他基板的添加而改变或调整。一旦制造出来，就能够通过无源和/或有源机制将电荷传输至电荷存储部件，且可以以不扰乱或大体上不改变电荷的方式，通过无源或有源技术感测存储电荷，从而允许对存储电荷进行后续的进一步感测。
本文公开的实施例可以用来通过在任何给定时间检测电荷存储部件上的剩余电荷且通过将剩余电荷与任何事先已知的电荷状态进行比较来判断热事件是否已经发生。在至少一个实施例中，通过电荷存储部件的多晶硅耦合元件可以检测电荷存储部件上的剩余电荷，该多晶硅耦合元件是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET：Metal-OxideSemiconductor Field Effect Transistor)的浮动栅极(FG：Floating Gate)。电荷存储部件上的剩余电荷会通过浮动栅极影响MOSFET的沟道。MOSFET半导体沟道的响应将如下所述地依赖于剩余电荷，并且可以由读出机构检测。例如，在至少一个实施例中，单栅横向存储单元结构(single-poly lateral memory cell structure)可以提供合适的接口，以允许读出电路检测电荷存储部件上的电荷，因为通过浮动栅极接口起作用的存储电荷会影响半导体沟道的导电性。
极端温度会显著影响放电速率。因此，任何特定时间的剩余电荷都能够指示暴露在温度漂移(temperature excursion)下的累积历史，温度漂移在这里被定义为显然超出设备的使用或存储所用的正常预期温度范围的温度。在一些实施例中，放置在电荷存储部件上的初始电荷足够用于传感器的整个预期寿命(例如，使用传感器的设备的寿命)，使得任何时间的剩余电荷足够用于检测且传感器不需要被擦除、复位或再充电。此外，从传感器的读取可以是不会改变、复位或擦除传感器的存储电荷或温度历史的记录的非侵入式活动。
应当理解的是，本文所述的方法和装置的实施例在应用方面不限于下面说明所阐述的或附图所示的构造的细节和部件的布置。该方法和装置能够在其他实施例中实施，且能够以各种方式实践或能够以各种方式实现。本文提供的具体实施方式的示例仅用于说明性目的，并非旨在限制。而且，本文使用的用语和术语用于说明的目的，且不应被认为是限制。本文使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”、“涉及”以及它们的变型意味着涵盖随后列出的项及其等同物以及额外项。“或”的引用可以被理解为包括，使得使用“或”说明的任何术语可以指示所述术语中的单个、多个和所有中的任一个。前后、左右、顶部和底部、上下以及垂直和水平的任何引用旨在便于说明，而不是将本系统和方法或它们的部件限制为任何一个位置取向或空间取向。
参照图1，图示了热事件传感器的一个示例的高级框图。图1的热事件传感器包括电荷存储器件100、感测接口200、读出机构300和充电机构400。读出机构300经由感测接口200连接至电荷存储器件100。充电机构400也可以经由感测接口200连接至电荷存储器件100。充电机构400可以用来将初始电荷放置在电荷存储器件100上，且可以用来在稍后的时间放置新电荷或用来使电荷存储器件100放电。充电机构400可以与传感器一起提供以用于传感器的周期性充电，但是可替代地，充电机构400可以仅在最初制造或初始充电的期间内使用且可以被移除、被毁掉或以其他方式不作为传感器的一部分。此外，一旦初始电荷被放置在传感器上，即被放置在传感器的电荷存储器件100上，电荷存储器件100、或感测接口200、或这两者就可以被构造成禁止电荷的任何进一步放置，以防止干涉将来的暴露在温度漂移下的指示。
下面将详细说明电荷存储器件100、感测接口200、读出机构300和充电机构400的至少一个示例。读出机构300和充电机构400均可以包括例如电路、光学器件、光致发光器件、红外器件等等，且可以涉及与诸如电子、光子等具有或不具有静止质量(resting mass)的带电或中性的各种粒子的相互作用。
图2A图示了电荷存储器件100和感测接口200的示例性实施例。如图所示，示例性电荷存储器件100是由金属层110构成的多层结构，金属层110a至110n之间具有场氧化物120和过孔130。金属层110可以是任何合适的能够保存和分配电荷的材料。场氧化物120是层间电介质，并且场氧化物120不导电，但是场氧化物120可以在金属层110的热离子发射的期间内接受或允许来自金属层110的电子在场氧化物120内隧穿或扩散，并且可以允许电子在场氧化物120内被例如由于离子污染而造成的多余粒子捕获。过孔130由导电材料(例如，金属)制成，且过孔130将金属层110电连接在一起，以便金属层110中的一者或多者一起用来分配或共享存储电荷。在图2A的示例性实施例中，电荷存储器件100还包括浮动栅极112，浮动栅极112通过一个或多个过孔130a电连接至金属层110。如下面进一步所述，浮动栅极112是电荷存储器件100的与感测接口200相互作用的部件，且浮动栅极112可以是多晶硅或其他材料。图2A的示例性电荷存储器件100被示出为由场氧化物隔开的金属层的堆叠，但是在各种实施例中，电荷存储器件100可以采用其他形式。例如，电荷存储器件100可以由电荷俘获介质材料(charge-trapping dielectric material)形成，或可以包括导体、半导体和非导体的不同布置。此外，电荷存储器件100的各种实施例可以与许多半导体制造技术兼容，且因此很适合本文公开的热事件传感器以合并到半导体部件和器件中。
金属氧化物半导体通常表现出能够影响它们的部件上的电荷的机制，并且图2A的示例性电荷存储器件100表现出能够影响其部件(例如，金属层110)上的电荷的机制。上面提到的这两种机制包括热离子发射和离子污染。简而言之，热离子发射是电子从物体(例如，金属层110)的表面发射出去，其部分原因在于电子因温度而产生的动能。离子污染造成在一种材料的表面附近的电子损失到相邻材料(例如，场氧化物120)中的带正电的离子(通常是H+离子)。电子的负电荷可以吸引正离子，并且使正离子通过材料且在一定范围内迁移以“捕获”电子。场氧化物120中的离子污染的密度将会影响通过离子污染而造成的电荷泄漏速率。此外，金属层110与场氧化物120之间的表面面积或界面面积的大小将会影响通过离子污染和热离子发射这两种机制而造成的电荷泄漏速率。这两种机制都对温度敏感，使得较高温度将会增大由于离子污染和热离子发射这两者造成的电荷泄漏速率。
假设带电金属与电介质接触，例如图2A的示例性电荷存储器件100的金属层110与场氧化物120接触，热离子发射和离子污染分别造成具有不同时间常数的指数衰减。时间常数依赖于温度。根据构造参数和电荷量，高温可能造成显著的电荷损失，而正常的操作温度可能会在感兴趣的时段内造成可忽略的电荷泄漏。换言之，正常的操作温度可以与如此长的时间常数关联：在传感器寿命的一部分内，该时间常数不会发生明显的电荷损失；而在激活水平之上的温度可以与较短的时间常数关联，使得即使较高的温度仅维持短的时间段，也会发生可测量的电荷损失。
此外，由于大量的离子(通过捕获电子)被中和，所以离子污染将随着时间而减小，使得由于离子污染而造成的电荷损失即使在高温度下也变得可忽略，或可以完全终止。在各种实施例中，可以以在例如装配和焊接的处理的期间内预期到的电荷损失倾向于中和大部分的离子污染的方式选择初始电荷，使得热离子发射变成装配之后的主导机制。
可以使用各种材料、各种数量和几何结构的金属层110和过孔130来设计电荷存储器件100，且可以针对离子污染水平来控制场氧化物120。例如，各种设计参数将会影响可以被存储的电荷总量、暴露电荷(例如，在材料界面附近的电荷)与总电荷的比值、以及器件的热导率。在器件周围的封装和其他物理结构也将会影响热导率。通过控制这些和其他设计参数，可以针对特定的操作参数或应用来设计电荷存储器件100。在至少一个实施例中，可以针对总电荷容量和电荷损失(例如，泄漏)机制来设计电荷存储器件100，使得传感器能适应器件或部件的装配和制造，这将会涉及到在诸如焊接和回流等各种操作的期间内的温度漂移。
在至少一个实施例中，可以将电荷存储器件100设计成容纳足够的初始电荷，使得在装配和封装的期间内的预料的处理和预料的电荷损失机制之后，剩余电荷量将会在标称温度下表现出可忽略的电荷损失。任何将来的温度漂移暴露都将会造成剩余电荷进一步减少，这可以通过读取传感器来检测，即通过感测电荷存储器件100中的剩余电荷来检测。例如，在模块装配、返工和系统装配之后的电荷读出(即，感测剩余电荷)将会建立参考感测电荷水平，该电荷水平将基本保持不变，只要零件、部件或系统不经受进一步的温度漂移。进一步的温度漂移的暴露可以指示干涉，例如未经授权地移除零件或部件(例如，脱焊(de-soldering))和在其他配件上重新使用零件或部件(例如，额外焊接)。
在至少一个实施例中，可以将电荷存储器件100设计成具有在100℃的温度下对于装配之后的电荷水平表现出可忽略的电荷损失的特性，该特性将会在所有预期的处理和返工后实现。在至少一个其他实施例中，可以将电荷存储器件100设计成在120℃的温度下对于装配之后的电荷水平表现出可忽略的电荷损失。可以针对在其他标称温度下可忽略的电荷损失来设计其他实施例。剩余电荷量可以影响电荷损失是否是可忽略的。因此，在各种实施例中，可以以使得在系统装配之后的剩余电荷处于在标称温度下表现出可忽略的电荷损失的范围内的方式来建立电荷存储器件100的总电荷容量或不论容量多少而放置在电荷存储器件100上的初始电荷，然而，如果零件或部件经受例如显著高于标称温度的温度漂移，则该范围也足够用于检测额外的电荷损失。
在各种实施例中，为了改变操作需求或应用，可以提供可变的和定制的设计。例如，选择更多或更少的金属层110用于制造可以允许制造商制做用于不同应用或用途的具有不同特性的多种热事件传感器。通过移除过孔130中的一者或多者来减少电连接在一起的金属层110的数量，可以使具有多个金属层110的传感器变为可定制的。增加或减少通过过孔130连接的金属层110的数量允许集成器(integrator)将传感器定制成特定的应用或操作参数。例如通过使用开关晶体管来代替图2A所示的过孔130中的一者或多者而使一个或多个金属层110互相连接，可以将金属层110构造成彼此电连接或彼此电断开。此外，能够设置额外的元件，例如影响泄漏速率和/或泄漏速率与温度的关系的寄生元件，从而允许灵敏度、寿命和其他参数的许多变化。
图2A所示的还是用于电荷存储器件100的感测接口200的示例性实施例。图2A的示例性感测接口200包括具有掺杂沟道212、222、232的三个场效应晶体管(FET：Field EffectTransistor)部件210、220、230，掺杂沟道212、222、232靠近浮动栅极112，但是由通常为诸如二氧化硅(SiO2)等氧化物的介电绝缘层或栅极氧化物250隔开。三个FET部件210、220、230中的各者具有：漏极触点214、224、234；源极触点216、226、236；以及块触点(bulkcontact)218、228、238。三个FET部件210、220、230将分别用作如下面更详细地说明的控制栅极、隧道栅极和感测晶体管。浮动栅极112是例如多晶硅材料的半导体层，且浮动栅极112与图2A所示的栅极氧化物250和底层的半导体结构组合可以形成与单栅浮动栅极横向存储单元类似的金属氧化物半导体(MOS：metal-oxide-semiconductor)器件。在其他实施例中，浮动栅极112和感测接口200可以被构造成多栅堆叠栅极单元。例如，感测接口200可以包括布置在额外层上的控制栅极，使得浮动栅极112被放置成在一侧具有控制栅极且在另一侧具有FET沟道，因此控制栅极和浮动栅极彼此相对地“堆叠”。
浮动栅极112可以是电荷存储器件100的通过过孔130a而与金属层110电接触的一部分。浮动栅极112可以是通过过孔130a而经由金属层110a彼此电连接的三个单独的浮动栅极，或浮动栅极112可以是以图2A未示出(例如，在其他观察面中)的方式连接的一个连续的浮动栅极。在其他实施例中，浮动栅极112可以不同地构造。
如下面更详细地所述，FET部件210、220、230中的一者被构造成且用来通过诸如福勒-诺德海姆(FN)隧道或热载流子注入(HCI：Hot-Carrier Injection)等隧道工艺而将初始电荷放置在电荷存储器件100上。FET部件210、220、230中的另一者被构造成且用来在稍后的时间点感测电荷存储器件100上的剩余电荷。第三个FET部件被构造成且用来当放置初始电荷时或当感测剩余电荷时经由浮动栅极112控制并在电荷存储器件100上施加电场。
在一些实施例中，可以存在更多或更少的FET部件210、220、230。例如，不同的物理结构可以适应控制功能、隧道功能和感测功能中的任一者。因此，图2A的示例性实施例的变型例可以具有更多或更少的FET部件210、220、230，且本文公开的器件和技术的实施例不限于使用三个FET的情况。此外，具有不同构造的感测接口200可以设置在各种实施例中。例如，虽然图2A的示例性感测接口200被示出为包括多个P掺杂阱的具有共用N掺杂阱的P掺杂基板，但是其他实施例可以包括不同的掺杂布置和不同数量和/或布置的基板和/或阱，每个P掺杂阱形成FET部件210、220、230中的一者的块体。此外，与图2A所示的感测接口结构不同的感测接口结构可以设置在各种实施例中，例如碳纳米管结构、纳米线或非CMOS器件。
图2B示出了具有关于三个FET部件210、220、230的示例性连接的细节的感测接口200的进一步示意图。使用简化的电读出电路作为读出机构300和简化的电充电电路作为充电机构400来示出图2B中的示例性感测接口200。
在图2A和图2B的示例性感测接口200中，如下面进一步所述，将功能分配给三个FET部件210、220、230中的各者。
在图2B的示例性实施例中，FET部件230是感测FET 230。如下面进一步所述，可以使用感测电流350来测试感测FET 230的沟道(即，感测沟道232)的导电性，以确定电荷存储器件100上的剩余电荷的测量。
在图2B的示例性实施例中，FET部件210是控制FET 210，且FET部件210被示出为具有电连接在一起的漏极触点214、源极触点216和块触点218，以形成单个控制端子310。控制FET 210像电容器一样起作用，以通过电容耦合来增大或减小浮动栅极112上的电压，从而当感测电压340施加于控制端子310时，能够增大或减小电荷存储器件100和感测沟道232上的电压。因此，通过将感测电压340施加在控制端子310上，可以改变感测沟道232的导电性。而且，施加的感测电压340的影响将依赖于电荷存储器件100上的剩余电荷量，因此，可以通过当感测电压340施加于控制端子310时由感测电流350检测到的感测沟道232的导电性来感测剩余电荷。在一些实施例中，施加的感测电压340可以是0伏，在这种情况下，在电荷存储器件100上的剩余电荷单独经由浮动栅极112发生影响的情况下直接测量感测沟道232的导电性。下面将更详细地说明示例性读出电路300a和感测操作。
同样在图2B的示例性实施例中，FET部件220是被示出为具有两个端子的隧道FET220。一个端子是提供通向隧道FET 220的漏极触点224的电连接的D端子410，且另一个端子是提供通向连接在一起的源极触点226和块触点228的电连接的SB端子420。隧道FET 220可以与控制FET 210组合地使用，以精确地且有意地建立或移除电荷存储器件100的电荷。因此，隧道FET 220可以用来将电荷初始地放置在电荷存储器件100上，或在稍后的时间，隧道FET 220可以用来移除电荷存储器件100上的剩余电荷和可选地将新的电荷放置在电荷存储器件100上。在各种实施例中，在将初始电荷放置在电荷存储器件100上之后，可以禁用隧道FET 220，以防止干涉，即防止某人通过将新的电荷放置在电荷存储器件100上而擦除传感器的历史。
在常规使用中，传感器通过电荷损失对温度漂移事件作出反应。因此，传感器的正常操作可以是无源的，一旦被初始充电就不需要电力。感测接口200提供用于在任何时间感测剩余电荷的接口，但是感测接口200也可以用来在正常操作的期间内通过例如创建偏置电压来调整灵敏度或激活水平而与电荷存储器件100相互作用。感测接口200、控制FET210、隧道FET 220和感测FET 230不需要涉及热事件的无源感测。尤其是当暴露在高到足以达到激活水平的温度下时，电荷存储器件100将会在不与感测接口或FET部件210、220、230中任一者相互作用的情况下无源地损失电荷到氧化物。如上所述且如下更详细地所述，FET部件210、220、230可以用来将初始电荷放置在电荷存储器件100上。同样如上所述且如下更详细地所述，控制FET 210和感测FET 230可以用来读出，即感测电荷存储器件100上的剩余电荷，以检测或判断是否已经发生了温度漂移暴露或热事件。
将参照图3A说明用来感测或确定电荷存储器件100上的剩余电荷的操作，图3A示出了读出机构300的示例性实施例。在图3A的示例中，读出机构300被示出为可以与示例性感测接口200组合使用的读出电路300a。为了感测电荷存储器件100上的剩余电荷，将感测电压340提供至控制FET 210，且测量允许流过感测FET 230的感测电流350。如上所述，通过图3A的示例中的运算放大器360施加于控制端子310的感测电压340可以改变感测沟道232的导电性。根据不同的应用和操作参数，可以选择通过感测FET 230的特定的感测电流350或可以选择感测FET230的特定的状态转变(例如，从截止至导通)作为用于感测剩余电荷的测量点或标准。例如，感测电压340可以是变化的，直至感测电流350达到测量点。实现给定感测电流350的感测电压340是读出电压并且指示电荷存储器件100上的剩余电荷。例如，可以选择一百微安(100uA)的感测电流350，并且产生100uA的感测电流350且指示剩余电荷的感测电压340是读出电压。
可替代地，施加于控制端子310的电压可以是变化的，直至感测FET230作出转变。转变发生时的电压可以指示电荷存储部件上的剩余电荷。
可替代地，在一些实施例中，可以选择特定的感测电压340作为测量标准，且可以测量产生的通过感测FET 230的电流以指示电荷存储部件上的剩余电荷。
可替代地，基于例如在先参考读出值的预期剩余电荷可以是已知的，且可以用来在没有发生热事件的情况下建立预期的设置点或转变点。然后，读出电路300a能够建立该设置点且能够检测读出值是否偏离预期值，且如果读出值偏离了预期值，则读出电路300a能够确定或指示可能已经发生了热事件。
在任一实施例中，无论是针对给定的感测电流350测量感测电压340还是针对给定的感测电压340测量感测电流350，都可以直接将确定的值(电压或电流)用作剩余电荷的指示。
图3B示出了读出电路300a的实施例的示例性一部分，所示的这一部分测量感测电流350，且包括积分器电路370和计数器电路380。积分器电路370包括与反馈电容器374和输出376连接而作为积分放大器的运算放大器372。半导体感测沟道232(参见图2A和图2B)用作积分器电路370的电流源。计数器电路380包括比较器382、参考电压384、控制逻辑386、复位开关388和计数器390。当感测沟道232允许感测电流350流动时，反馈电容器374进行充电，且输出376接近参考电压384。以这种方式，积分器电路370对电容器374上的电流进行积分。每当输出376(通过反馈电容器374的充电)达到参考电压384时，比较器382就触发控制逻辑386。每当达到参考电压时，控制逻辑386就通过经由复位开关388使反馈电容器374放电来使积分器电路370复位，且控制逻辑386向计数器390指示已经完成积分器周期。计数器390测量完成积分器周期所花费的时间，且完成积分器周期所花费的时间可以指示感测电流350。
图3A和图3B示出了可以在各种实施例中用作如上所述的读出电路的电路的一部分。其他实施例可以使用额外或不同布置的电路部件，或可以使用完全不同的读出机构。已经参照感测接口200的特定实施例论述了公开的示例性读出电路部件。为了兼容性，感测接口200的各种实施例可能需要不同的读出机构。同样地，读出机构300的各种实施例可能需要不同的感测接口。在各种实施例中，感测接口200和读出机构300可以包括任何合适的用于感测电荷存储器件100上的剩余电荷的布置。
在各种实施例中，剩余电荷的确定不是字面上的电荷的数值确定(例如，库伦)，而是感测剩余电荷以确定与电荷相关或指示电荷的值，例如读出电压。而且，例如读出电压的数值是能够指示电荷的相对变化的间接测量。数值可以与剩余电荷量线性相关，或可以与剩余电荷量线性不相关。
关于电荷存储器件100损失电荷，它必须从充电状态开始。FET部件210、220、230的组合可以用来将电荷放置在电荷存储器件100上(或移除电荷存储器件100上的电荷)。例如且参照图2B所示的示例性充电机构400的简化图解，与电压水平(voltage level)施加于控制端子310组合，电压水平可以施加于隧道FET 220的端子410、420。例如，如果负电压施加于隧道端子410、420且正电压施加于控制端子310，那么在控制FET 210与隧道FET 220之间产生的电压差可以足够使福勒-诺德海姆(FN)隧道经由浮动栅极112将电子存放到电荷存储器件100上。类似地，隧道FET 220处的正电压和控制FET 210处的负电压可以足够使福勒-诺德海姆隧道移除电子。
可以通过如下方法建立期望的初始电荷：例如，在期望的时间段内存放电子、如上所述地感测电荷、且进一步存放或移除电子直至取得期望的初始电荷。存放的实际电荷的精确数量是不重要的，在初始时间点，仅仅确定感测的电荷指示(如上所述)可能就足够了。
一种替代将电荷放置在电荷存储器件100上的方法是经由热载流子注入(HCI)。在至少一个实施例中，待放置在电荷存储器件100上的载流子是电子，且因此，该操作可以被称为载流子热电子注入(CHEI：Carrier Hot Electron Injection)。再次参照图2B的示例性实施例，如果控制端子310和隧道FET 220的漏极端子410均连接至大于剩余端子的电压，则从图的左边至右边的显著场梯度可能足以诱导电子跨过结构流动，一些电子高速度(即，热)流动，使电子中的一些电子通过栅极氧化物层进入(即，注入)，且进入到浮动栅极112上，从而进入到电荷存储器件100上。
下面的表1示出了用于至少一个实施例的各种操作的一组端子连接。实际的电压和极性依赖于众多因素，包括例如基板材料、掺杂因素、沟道长度、氧化物厚度和其他几何结构等等，且实际的电压和极性可以针对不同的实施例而不同。
表1-用于图2B的实施例的示例性值
在各种实施例中，读出电压(例如，感测电压340)指示电荷存储器件100上的电荷。图4A和图4B是图示了根据本文公开的方面和实施例的热事件传感器在传感器暴露在两个热事件下的时间段内的响应于温度曲线的曲线图。图4A示出了传感器的温度暴露，且图4B示出了对应的读出电压，该读出电压指示电荷存储器件100上剩余的电荷。在图示的场景下，温度恰好保持在作为标称操作温度的100℃下。在图解中，在20分钟和40分钟附近施加热事件或温度漂移，其中，温度在短时间内上升至约230℃。下面的曲线图示出了：在当温度保持在标称水平时的标称时段430内，电荷存储器件100上的电荷基本保持恒定，而在热事件440内，电荷大幅减少。
在较广的时间段(可能包括根据本文公开的方面和实施例的热事件传感器的整个寿命)内，热事件传感器能够指示部件、器件或系统是否已经暴露在大幅高于标称操作温度的温度下。如上所述，暴露在温度漂移下可以是干涉部件、器件或系统的证据。
图5图示了根据本文公开的方面和实施例的热事件传感器的示例性寿命。图5的下部图示了传感器的生命事件，而上部是电荷存储器件100上的电荷(其可以由读出电压指示)的曲线图。可以在时间500处在晶片或半导体铸模的一部分上制造传感器。一旦制造出来，就可以在时间510处如上所述地将初始电荷放置在电荷存储器件100上。在存放初始电荷之后，可以禁用或甚至毁掉充电机构，以防止通过重新建立新的电荷而干涉传感器。可以在时间520处读出初始电荷且记录该初始电荷，以建立参考值522，即初始传感器读出，由此可以检测造成电荷损失的任何将来的热事件。传感器或传感器中集成的零件或部件在时间530内可能通过涉及到封装、存储、运输、仓储等等的供应链，且在该时间段内，可以以周期性的间隔读出传感器，以确认还没有发生电荷损失，即还没有发生温度漂移暴露。
最后，在时间540内，将传感器、零件或部件装配到器件、产品或系统中。在装配期间内，传感器、零件或部件可能在装配到设备或系统中的同时暴露在如在工作、焊接、回流和返工的期间内所预期的温度漂移下。因此，在装配时间540内，电荷存储器件100上的电荷可以如通过减小电荷水平542所示地减少。当完成最后装配时，在装配之后的时间550处，装配后读出可以建立新的装配后参考值552。可以将系统处于部署560时的周期性读出与参考值552进行比较，以判断传感器是否已经暴露在可以指示干涉的温度漂移事件下。
在各种实施例或应用中，传感器寿命和电荷曲线可以不同于上述情况。例如，一些可能使传感器暴露在较高的温度下并且造成电荷损失的处理可能在时间520时的初始传感器读出之前发生，例如，封装步骤，且因此参考值522可能低于在时间510处放置的初始电荷。而且，供应链中可能存在额外的能够减少电荷的预期处理，且在时间540处的系统装配之前，可以建立(和授权或认证)新的参考值。实际的寿命事件和电荷曲线将是不同的且可能依赖于众多因素，且可以适应于变化的操作参数或应用。
虽然已经说明了关于电荷存储器件100以及支持用感测接口200和读出机构300的至少一个实施例的细节，但是各种实施例可以包括与传感器集成的额外支持电路，且可以包括与传感器协同工作的额外设备和功能。例如，根据本文公开的方面和实施例的包括电荷存储器件100、感测接口200和读出机构300的传感器还可以包括射频(RF：radiofrequency)接口，诸如RFID(射频识别)、Bluetooth(蓝牙)、Zigbee(紫峰)、Wi-Fi(无线保真)、蜂窝网络等等，以支持传感器的无线询问。传感器可以包括使用与读出值(例如，读出电压)一起报告的唯一标识符进行编程的存储器或数据存储器。手持或固定的询问器可以提供RF信号，该RF信号触发由传感器作出的提供其唯一标识符和当前读出值的响应。传感器可以将各询问或读出值记录在存储器或数据存储器中。询问器还可以将读出值、唯一标识符和日期-时间组(date-time group)记录在数据库中。当记录参考值时，可以将它们发送至记录授权部以将参考值记录在数据库中，以作为认证参考值供将来参考。以周期性的间隔实施的传感器读出可以将读出值与来自记录授权部的参考值进行比较。
图6图示了使用根据本文公开的各种方面和实施例的传感器来检测干涉事件的示例。图6的图解类似于图5，下部示出了传感器的一系列生命事件，且上部示出了电荷存储器件100上的电荷的曲线图。在时间600处，将传感器制造成晶片或铸模的一部分，且可以将传感器集成至特定的零件或部件，例如封装的集成电路。在时间610处，将初始电荷放置在电荷存储器件100上，且毁掉充电机构。在时间620处，感测(例如，读出)初始电荷，且使用中央授权部(例如，集成电路的制造商)记录参考值622。可以将传感器运送至经销商。经销商在时间630处实施周期性读出并且将周期性值632与参考值622进行比较，以确认零件还没有暴露在温度漂移下。在图6中，热事件发生在时间640处。热事件可以指示：例如，人拿走了这个特定的零件，且将它焊接到电路板上。然后，可能稍后从电路移除该零件，且将它放回到新零件的存货清单上。然而，焊接和脱焊活动可能已经显著损害了零件对故障的恢复力或缩短了其寿命。本文公开的热事件传感器的实施例提供了一种检测可能的干涉并提供警告的方法。稍后的在时间650处的周期性读出将会具有低于参考值622(且低于在先的周期性值632)的读出值652，这指示：零件(传感器)经历了温度漂移，从而指示可能的干涉，因为在时间620处的初始读出或在时间630处的之前的周期性读出。
因此，已经公开了提供热事件传感器的方面和实施例。在各种实施例中，热事件传感器是能够在不需要电力或有源外部控制的情况下在感测周期内创建温度历史可读指示的CMOS兼容性传感器。热事件传感器能够以低功耗和低成本的能力来监视和检测温度漂移暴露。
上面已经说明了至少一个实施例的数个方面，应当理解的是，对本领域技术人员来说，将容易出现各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在作为本发明的一部分且旨在处于本发明的范围内。因此，前述的说明以及附图仅是示例性的，且本发明的范围应当根据随附权利要求及其等同物的适当解释来确定。

Claims (20)

1.一种热事件传感器，其包括：
电荷存储部件，所述电荷存储部件形成在基板上，并且所述电荷存储部件被构造成保存初始电荷且以依赖于所述电荷存储部件的温度的速率损失电荷；
感测接口，所述感测接口连接至所述电荷存储部件；以及
读出机构，所述读出机构连接至所述感测接口，所述读出机构被构造成感测所述电荷存储部件上的剩余电荷而大体上不改变所述剩余电荷，且所述读出机构被构造成提供指示所述剩余电荷的读出值。
2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述电荷存储部件包括浮动栅极，并且所述感测接口包括至少一个场效应晶体管沟道，所述至少一个场效应晶体管沟道靠近所述浮动栅极且通过栅极氧化物而连接至所述浮动栅极。
3.如权利要求2所述的传感器，其中，所述浮动栅极是由单层的多晶硅材料形成的。
4.如权利要求2所述的传感器，其中，所述电荷存储部件包括由相应的场氧化物层隔开的多个金属层，所述多个金属层彼此电连接且与所述浮动栅极电连接。
5.如权利要求4所述的传感器，其中，所述感测接口包括连接至所述浮动栅极的至少两个场效应晶体管沟道，所述至少两个场效应晶体管沟道彼此以横向构造形成。
6.如权利要求2所述的传感器，其中，所述感测接口还包括靠近所述浮动栅极的控制栅极。
7.如权利要求2所述的传感器，其中，所述读出机构是连接至所述场效应晶体管沟道的读出电路，并且所述读出电路被构造成检测通过所述场效应晶体管沟道的感测电流。
8.如权利要求1所述的传感器，其还包括充电机构，所述充电机构连接至所述感测接口，并且所述充电机构被构造成将所述初始电荷放置在所述电荷存储部件上。
9.如权利要求8所述的传感器，其中，所述充电机构被构造成经由福勒-诺德海姆隧道和热载流子注入中的至少一者将所述初始电荷放置在所述电荷存储部件上。
10.如权利要求8所述的传感器，其中，所述充电机构被构造成在将所述初始电荷放置在所述电荷存储部件上之后被禁用。
11.如权利要求1所述的传感器，其中，所述电荷存储部件包括掺杂电介质，所述掺杂电介质被构造成通过俘获所述初始电荷来保存所述初始电荷。
12.一种热事件检测方法，所述方法包括：
在第一时间，经由充电机构将第一电荷提供到电荷存储部件上，所述电荷存储部件被构造成以与温度对应的速率损失电荷；
在第二时间，感测所述电荷存储部件上的剩余电荷；且
将感测到的所述剩余电荷与所述第一电荷进行比较。
13.如权利要求12所述的方法，其中，感测所述剩余电荷包括：感测靠近所述电荷存储部件的晶体管沟道的导电性，所述剩余电荷影响所述晶体管沟道的场效应。
14.如权利要求12所述的方法，其中，将第一电荷提供到电荷存储部件上包括：将电荷存放在由相应的场氧化物层隔开的多个金属层上，所述多个金属层彼此电连接。
15.如权利要求12所述的方法，其还包括：基于所述比较来判断所述电荷存储部件是否已经暴露在热事件下。
16.如权利要求12所述的方法，其还包括：在提供所述第一电荷之后，禁用所述充电机构。
17.一种温度变化检测方法，所述方法包括：
在第一时间，经由充电机构将第一电荷提供到电荷存储部件上，所述电荷存储部件被构造成以与温度对应的速率损失电荷；
在第二时间，确定所述电荷存储部件上剩余的预期电荷；
在所述第二时间，感测所述电荷存储部件上剩余的第二电荷；
将所述第二电荷与所述预期电荷进行比较；且
基于所述比较来判断所述电荷存储部件是否已经暴露在超出允许范围的温度变化下。
18.如权利要求17所述的方法，其中，感测剩余的所述电荷包括：感测靠近所述电荷存储部件的晶体管沟道的导电性，所述剩余的所述电荷影响所述晶体管沟道的场效应。
19.如权利要求17所述的方法，其中，将第一电荷提供到电荷存储部件上包括：将电荷存放在由相应的场氧化物层隔开的多个金属层上，所述多个金属层彼此电连接。
20.如权利要求17所述的方法，其还包括：在提供所述第一电荷之后，禁用所述充电机构。
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