CN110174198A - 具有机械解耦的温度传感器的应变仪 - Google Patents

具有机械解耦的温度传感器的应变仪 Download PDF

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Abstract

本申请的各实施例涉及具有机械解耦的温度传感器的应变仪。半导体器件包括衬底上的应变仪，应变仪被配置为测量衬底的应力；以及被设置在衬底内的温度传感器，温度传感器与衬底的应力解耦。

Description

具有机械解耦的温度传感器的应变仪
技术领域
本发明总体上涉及用于应变仪的系统和方法，并且在具体实施例中涉及具有温度补偿的半导体应变仪。
背景技术
应变仪通常被用于感测主体材料(subject material)中的应力(例如压力、力、转矩)。应变仪具有被附接或附着到主体材料的应变感测元件。当主体材料变形时，感测元件的电阻与其经受的变形成比例地变化。感测元件中的电阻在其变形(例如，被压缩或拉长)时的变化被测量，并且被用于计算主题材料中的应变。具有金属感测元件的泊式应变仪通常被用于测量应变。然而，金属感测元件具有相对低的计量系数，这降低了计量的灵敏性。通过将半导体材料(例如，掺杂的单晶硅或者多晶硅)用作感测元件的半导体应变仪，动态地增加了应变仪的计量系数。增加的计量系数与小形状因数和高集成密度一起，使得半导体应变仪在跨不同产业的各种应用中普及。
发明内容
在一些实施例中，半导体器件包括衬底上的应变仪，应变仪被配置为测量衬底的应力；以及被设置在衬底内的温度传感器，温度传感器从衬底的应力解耦。
在一些实施例中，半导体器件包括具有半导体材料的框，框围绕框中的腔；以及温度传感器，温度传感器被设置在腔中、并且通过具有半导体材料的弹簧而被弹性地附接到框。
在一些实施例中，操作应力传感器的方法包括使用温度传感器测量衬底的温度以获得为校准的温度值；使用应变仪测量衬底的应力以获得为校准的应力值，应力传感器包括应变仪和温度传感器，应变仪被集成在衬底上，温度传感器与衬底的应力解耦；将未校准的温度值转换成经校准的温度值；以及使用经校准的温度值来将未校准的应力值转换成经校准的应力值。
附图说明
本发明的一个或多个实施例的细节在下文的附图和具体实施方式中被阐述。本发明的其他特征、对象、和优势根据具体实施方式和附图、以及根据权利要求将是明显的。在附图中，相同的附图标记在整个各个视图中指定相同的组件部分，为简洁起见这通常不会被重复描述。针对发明的更完整理解，现在结合附图来参照下文的描述，其中：
图1A图示了在一些实施例中的半导体器件的平面图；
图1B图示了在一些实施例中的图1A的半导体器件的温度传感器的一部分；
图1C图示了在一些实施例中的图1A的半导体器件的截面图；
图1D图示了在一些实施例中的半导体电阻器的压阻系数；
图2图示了在一些实施例中的惠斯通桥；
图3图示了在一些实施例中的应力感测系统的功能图；
图4A图示了用于使用一个或多个应力传感器来测量被施加到对象的力的实施例配置；
图4B图示了图4A的对象的截面；
图5A和图5B分别图示了在一些实施例中的、用于测量压力的系统的截面图和俯视图；
图5C图示了在一些实施例中的用于测量应力的设备的截面图；
图6A至图6H图示了在实施例中的在制造的各个阶段处的应力传感器的截面图；
图6I和图6J图示了在实施例中的在制造的各个阶段处的应力传感器的截面图；
图7图示了膜上的应力组合的分布；以及
图8图示了在一些实施例中的用于操作应力传感器的方法的流程图。
具体实施方式
下面详细讨论当前优选实施例的制作和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体上下文中体现的可应用的发明概念。所讨论的具体实施例仅说明制作和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。
本发明将在具体上下文中关于示例性实施例而被描述，即半导体器件，即具有集成在一起的应变仪和温度传感器的半导体器件(例如，在相同的半导体管芯上)。
半导体应变仪广泛被用作应力传感器以测量例如压力、力、或者转矩。与金属应变仪相比，半导体应变仪具有增加的灵敏度的优势(例如，增加的计量系数)。然而，半导体应变仪对温度变化敏感，并且即使当将被测量的应力保持不变，半导体应变仪的输出也可能随着温度变化而热漂移(例如，变化)，从而限制半导体应变仪的精度。基于半导体应变仪的传感器的热漂移的一大部分可以被归因于在传感器中使用的不同材料的热膨胀系数(CTE)。例如，由于温度的增加，衬底可能比半导体应变仪膨胀的更多，引起半导体应变仪被扩展。通常，CTE的失配引起可能随温度变化的内部应力，并且内部应力反过来影响半导体应变仪的感测桥，从而引起不希望的与温度成比例的输出。
为了移除或减少热漂移，温度传感器有时与半导体应变仪集成在一起。然后，从温度传感器测量的温度使用例如等式、曲线、或者查找表而被用于补偿热漂移，等式、曲线、或者查找表基于半导体应变仪的物理特性而被生成，因此通过操作温度范围而增加半导体应变仪的精度。然而，温度传感器的温度感测元件(例如，热桥)也可能受将被测量的机械应力的影响。例如，当温度传感器经受将被测量的应力时，温度传感器的热桥中的电阻器可能响应于该应力而改变其电阻。因此，不具有在温度传感器与半导体应变仪之间的正确机械解耦，温度传感器的输出也可能具有不期望的、从属于应力的分量，并且因此导致不精确的温度测量。不精确的温度测量可能降低热漂移的温度补偿的有效性。
本公开的实施例将温度传感器从在半导体应变仪上受到的应力解耦。在实施例中，温度传感器由弹簧(例如，硅弹簧)悬挂，并且与半导体应变仪的衬底(例如，半导体应变仪在其上被形成的衬底)物理分离。作为结果，温度传感器与衬底机械解耦，并且温度传感器的输出不受衬底中应力的影响。因此，本公开中描述的温度传感器提供了温度的改进测量，该温度的改进测量独立于应力。然后，温度传感器测量的改进测量被用于提供更好的温度补偿，以移除半导体应变仪的热漂移。
图1A图示了包括半导体应变仪130和温度传感器107的半导体器件100的平面图。如图1A中所示，半导体应变仪130被形成在衬底101中和/或衬底101上。在图示的示例中，温度传感器107被设置在衬底101的开口109中，并且通过硅弹簧105而从衬底101悬挂。换句话说，温度传感器107通过硅弹簧105而被附接到衬底101，并且与衬底101物理分离。导电垫109(诸如，铜垫)被形成在衬底101上，并且被电耦合到半导体器件100的其他电路和/或组件(例如，温度传感器107、硅应变仪130)。导电垫109还可以提供用于半导体器件100的输入/输出端口(I/O端口)。在本公开中，衬底101还可以被称为温度传感器107被附接到的框。
衬底101可以包括硅(掺杂的或未掺杂的)，或者绝缘体上半导体(SOI)衬底的有源层。衬底101可以包括其他半导体材料，诸如，锗；化合物半导体，包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、氮化镓、磷化铟、砷化铟和/或锑化铟；合金半导体，包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP和/或GaInAsP；或其组合。其他衬底，诸如多层或梯度衬底也可以被使用。器件(诸如三极管、二极管、电容器、电阻器等)可以被形成在衬底101中和/或衬底101上，并且可以通过由例如半导体衬底101上的一个或多个介电层中的金属化图案而被互连，以形成功能电路。
图1A图示了半导体应变仪130，其中除其他器件包括四个电阻器(例如，103A、103B、103C、103D)，诸如硅压敏电阻器。为了清楚，并没有图示半导体应变仪130的所有器件。在图示的实施例中，电阻器103是硅压敏电阻器，并且以惠斯通电桥(参见例如图2)被电连接以形成半导体应变仪130的感测桥。在一些实施例中，感测桥的四个电阻器103是相同类型的半导体电阻器(例如，n型三极管或p型三极管)。感测桥被用于测量被施加到电阻器103的应力，例如衬底101中的应力。
在一些实施例中，半导体器件100的底盖(参见例如图1C中的113)被附接(例如，胶合)到将被测量的主体材料的表面。在一些实施例中，当主体材料的表面因例如施加的力或压力而变形时，半导体器件100也变形，因此引起半导体器件100的衬底中的应力(例如，沿着图1A中的方向200)。电阻器130(例如，硅压敏电阻器)的电阻响应于衬底101的应力而变化，该电阻变化反过来引起感测桥的输出(例如，图2中图示的惠斯通电桥中的节点201与节点203之间的电压)的变化。因此，感测桥的输出可以被用于计算衬底101的应力，其可以等于或与将被测量的主体材料的应力成比例。
如图1A中图示的，电阻器中的两个电阻器(例如，电阻器103A和103B)与衬底101中的应力的方向200垂直。换句话说，电阻器103A/103B中的每个电阻器的纵轴线与方向200垂直。电阻器中的另两个电阻器(例如，电阻器103C和103D)与方向200平行。换句话说，电阻器103C/103D中的每个电阻器与方向200平行。图1A中图示的应力的方向200仅是示例，应力的方向可以在其他方向上，诸如与图1A中图示的方向200垂直的方向。
图1A进一步图示了坐标系相对于衬底101(例如，(100)硅晶圆)的结晶方向的定向，其中X方向和Y方向分别沿着结晶轴[110]和X方向和Y方向相对于主结晶轴[100]和[010](见图1D)被旋转45度，而Z方向与主结晶方向[001]平行。在图1A中，方向200因此相对于结晶轴[100]和[010]被旋转45度。相应地，半导体应变仪130的四个电阻器103A/103B/103C/103D的纵轴线相对于结晶方向[100]和[010]被旋转45度。换句话说，四个电阻器103中的每个电阻器的纵轴线与结晶轴线[100]和[010]形成45度的角，其有利地使电阻器103(例如，硅压敏电阻器)对衬底101的应力的敏感度最大。
在一些实施例中，通过将电阻器中的两个电阻器(例如，103A/103B)相对于其他两个电阻器(例如，103C/103D)旋转90度，电阻器103A/103B和电阻器103C/103D具有相反的与应力的相关迹象(sign of correlation)。具体地，电阻器中的两个电阻器(例如，103C/103D)可以与将被测量的应力呈正相关。换句话说，电阻器中的两个电阻器(例如，103C/103D)的电阻随着例如沿方向200的应力水平的增加而增加，并且随着沿方向200的应力水平的减少而减少。相反，其他两个电阻器(例如，103A/103B)可以与将被测量的应力呈负相关。换句话说，其他两个电阻器(例如，103A/103B)的电阻随着例如沿方向200的应力水平的增加而减少，并且随着沿方向200的应力水平的减少而增加。在一些实施例中，电阻器103A/103B被用作图2的惠斯通电桥中的电阻器R2/R4。由于相反的相关迹象，因此与其中感测桥中的所有四个电阻器具有相同的与应力的相关迹象的实施例相比，感测桥(例如，惠斯通桥)的敏感度被增加。
在一些实施例中，电阻器103A/103B/130C/130D是多晶压敏电阻器。在其他实施例中，电阻器103A/103B/130C/130D是单晶压敏电阻器。在又一实施例中，电阻器103A/103B/130C/130D中的两个电阻器是多晶压敏电阻器，并且电阻器103A/103B/130C/130D中的其他两个电阻器是多晶压敏电阻器。压敏电阻器可以通过在衬底101上沉积压阻材料而被形成。图1A中的电阻器103的定向仅是示例而非限制，电阻器103A/103B/103C/103D可以在相同方向上定向(例如，彼此平行)，当衬底的应力不均匀(例如，在不同位置不同)时这可能是合适的。
在图1A的示例中，应变仪包括以惠斯通电桥配置而连接的压敏电阻器。在其他实施例中，应变仪130包括电容元件(例如电容器)，而不是以惠斯通电桥配置而连接的压敏电阻器。电容元件的电容可以与衬底中的应力成比例，并且可以被配置为响应于衬底中的应力的变化而变化。例如，电容元件可以具有形成两个梳齿的两个电枢。在其他实施例中，应变仪130包括压电材料，在这种情况下，应变仪使用例如单个压电材料而不是具有四个压敏电阻器的惠斯通电桥来感测应力。应变仪130因此测量来自由应力而引起的压电材料的电压。具有压电材料的应变仪130可以良好地适配于动态系统。
仍然参考图1A，温度传感器107通过硅弹簧105而从衬底101悬挂，其具有在例如约20μm与约100μm之间的宽度W(参见图1C中的标记W)，尽管其他尺寸也是可行的。沿与衬底101的上表面101U(参见图1C中的标记)垂直的方向测量的硅弹簧105的厚度可以在约100μm与约200μm之间。在实施例中，硅弹簧105的厚度等于温度传感器107的厚度T1(参见图1C中的标记)。硅弹簧105是由弹性半导体材料(诸如，硅，硅锗，碳化硅或其他合适的材料)制成的灵活结构。在一些实施例中，硅弹簧105包括与衬底101相同的材料。本领域技术人员将立即硅弹簧105的材料不限于硅，并且可以替代地包括任何合适的弹性材料。
由于温度传感器107通过硅弹簧105而被悬挂，不与衬底101物理接触，因此硅弹簧105将温度传感器107从衬底101机械地解耦，使得衬底101中的应力与温度传感器107解耦(例如，不影响)。在图示的实施例中，在硅弹簧105中形成导电特征，诸如导电线，以将温度传感器107与衬底101上的其他电路和/或导电特征(诸如衬底101上集成的导电垫107、或者数字逻辑(参见例如图3中的140))电耦合。另外在图示的实施例中，硅弹簧105将温度传感器107与衬底101热耦合。
尽管硅弹簧105在图1A中被图示为具有L形，但是诸如直线形状的其他合适形状也可以被使用。另外，多于一个硅弹簧(例如，两个、四个)可以被用于悬挂温度传感器107。例如，附接到温度传感器107的相对侧(例如，侧壁)的两个硅弹簧可以被形成，以从衬底107悬挂温度传感器107。
图1B图示了温度传感器107的一部分。为了参考，图1A中示出的坐标系(例如，X方向、Y方向和Z方向)也在图1B中被绘制。不是温度传感器107的所有元件在图1B中被图示。如图1B中图示的，温度传感器107包括具有四个电阻器123、125、127和129的热桥。在一些实施例中，电阻器123、125、127和129是在温度传感器107的衬底121中和/或上形成的压敏电阻器(诸如，单晶电阻器或多晶电阻器)。衬底121可以与衬底101相同或类似，因此不再重复细节。在一些实施例中，与硅弹簧105对应的图案、器件、和/或电路与半导体应变仪130被首先形成在衬底101中/上，然后衬底101的部分例如使用合适的(多个)蚀刻方法而被移除，以形成硅弹簧105并且将温度传感器107与衬底101的剩余部分分离。
在一些实施例中，半导体衬底101的结晶平面的定向和压敏电阻器103的定向以使得由机械应力而引起的压敏电阻器103的输出最大化的这种方式而被选择。在一些实施例中，硅衬底101的结晶平面的定向和热压敏电阻器(例如，123、125、127、129)的定向以使得应力对热桥的影响最小化的这种方式而被选择。
电阻器123、125、127和129以惠斯通电桥配置(参见例如2)而被电连接，以形成用于温度测量的热桥。在图示的示例中，热桥中的所有四个电阻器相对于衬底101中应力的方向200(参见图1A)成45度被定向。换句话说，电阻器123、125、127和129中的每个电阻器的纵轴线与方向200形成角度α，该角度α是45度。回想图1A，方向200与结晶轴线[100]和[010]成45度的角度。因此，电阻器123、125、127和129中的每个电阻器的纵轴线与结晶轴线[100]和[010]对齐(例如，平行)，这有利地使应力对热桥的影响最小。
在一些实施例中，热桥中的两个电阻器(例如，123和129)与温度呈正相关，并且其他两个电阻器(例如，125和127)与温度呈负相关。在一些实施例中，特定的掺杂类型(例如，N型掺杂、或者P型掺杂)可以在半导体电阻器123/125/127/129的制造过程中被使用，以达成所设计的与温度的相关性(例如，正相关性、或者负相关性)。因此，热桥中的电阻器中的两个电阻器(例如，123/129)可以被掺杂有第一类型的掺杂(例如，N型)，而其他两个电阻器(例如，125/127)可以被掺杂有与第一类型的掺杂不同的第二类型的掺杂(例如，P型)。在一些实施例中，第一类型的电阻器(例如，N型电阻器或P型电阻器)通过离子注入和/或通过扩散而被形成，而第二类型的电阻器(例如，P型电阻器、或者N型电阻器)通过化学气相沉积(CVD)而被形成。因此，第一类型的电阻器可以是单晶的，而第二类型的电阻器可以是多晶的。换句话说，热桥中的电阻器中的两个电阻器(例如，123和129)可以是P型单晶半导体电阻器，而热桥中的其他两个电阻器(例如，125和127)可以是N型多晶半导体电阻器。通过使用具有相反的与温度的相关迹象(例如，正相关和负相关)的电阻器，热桥(例如，惠斯通桥)的灵敏度被有利地增加。
图1D是图示了在衬底101中形成的P型单晶电阻器(例如，P型单晶硅压敏电阻器)的压阻系数的极坐标图，衬底101是示例中图示的(100)硅晶圆。具体地，曲线151和153分别图示了半导体电阻器相对于沿着纵向和相反方向的衬底的应力的压阻系数。注意，图1D仅绘制在0度与180度之间的角度内。曲线153绘制在图的下半部分以指示负值。为了参照，图1A中示出的坐标系(例如，X方向、Y方向和Z方向)也在图1D中绘制。在图1D的示例中，最大的压阻系数沿着X方向、Y方向，以及X方向、Y方向的相反方向上被达成。因此，使应力对热桥中电阻器的影响最小，热桥中电阻器的方向可以沿着图1D中图示的D1方向被形成，其中D1方向从X方向被旋转45度。注意，图1D仅是示例，具有不同结晶平面的其他衬底中的其他类型(例如，P型、N型)的半导体电阻器的压阻系数的极坐标图与图1D中图示的极坐标图不同，并且因此，热桥中的电阻器的定向应当被相应地选择，以使应力对热桥中的电阻器的影响最小化，其定向可以沿着任何合适的方向。
返回参考图1B，热桥中的电阻器的两个电阻器(例如，123、129)是P型单晶硅压敏电阻器，并且其他两个电阻器(例如，125、127)是N型多晶硅压敏电阻器。在图示的实施例中，P型多晶硅压敏电阻器(例如，123、129)在预定方向上定向(例如，沿着方向D1)，以使应力对其的影响最小化。尽管多晶硅压敏电阻器的定向不影响多晶硅压敏电阻器的压阻系数，为了简化热桥107的设计，N型多晶硅压敏电阻器(例如，125、127)的定向被选择成与P型多晶硅压敏电阻器电阻器(例如，123、129)的定向相同(例如，平行)。衬底121可以被掺杂(例如，通过N型掺杂)以进一步简化P型单晶压敏电阻器的使用。
注意，图1B仅是示例，热桥107中的电阻器的每个电阻器的定向可以沿任何合适的方向，这取决于诸如电阻器的类型(例如，N型、或者P型)的因素，电阻器是多晶电阻器或单晶电阻器，以及衬底掺杂类型(例如，P型、或者N型)。例如，在另一实施例中，热桥中的电阻器的两个电阻器(例如，123、129)是N型多晶硅压敏电阻器，并且热桥中的其他两个电阻器(例如，125、127)是P型多晶硅压敏电阻器。N型多晶硅压敏电阻器(例如，123、129)在第一方向上定向以最小化应力的影响，并且P型多晶硅亚明电阻器(例如，125、127)在与第一方向不同的(例如，交叉)第二方向上定向，以最小化应力的影响。第一方向与第二方向之间的角度可以是任何角度(例如，不限于45度或45度的倍数)，这取决于N型多晶硅电阻器和P型多晶硅电阻器的压阻系数的极坐标图。
图1C图示了沿着图1A的半导体器件100沿着截面A-A的截面图，并且图1A示出了半导体器件100沿着图1B的截面B-B的平面图。如图1C中图示的，温度传感器107在被形成在开口109中，并且通过硅弹簧105而被悬挂。温度传感器107的厚度T1小于衬底101的厚度T2，其中T2可以在例如约300μm与约400μm之间。这允许温度传感器107将在开口109中被悬挂，而不接触周围的结构，例如，温度传感器107下方的接合材料117。接合材料117(可以是玻璃接合材料)，将衬底101的下表面接合到底盖113。底盖113可以由弹性材料形成，诸如硅、碳化硅、玻璃、陶瓷、金属(如钢)或其他弹性材料。底盖113可以随后被附接(例如，使用例如锡-银-铜(SnAgCu)合金(也被称为SAC合金)来粘合或焊接)到将被测量的主体材料。在一些实施例中，为了改进温度传感器107的线性，弹性材料被用于主体材料与温度传感器107之间的组件，这些组件包括例如底盖113和接合材料117。
仍然参考图1C，接合材料115(可以是玻璃接合材料)将衬底101的上表面接合到顶盖111。顶盖可以由与底盖113的弹性材料相同或类似的弹性材料形成，但是也可以由非弹性材料制成，诸如橡胶，环氧树脂或硅树脂。顶盖111和底盖113提供对温度传感器107和半导体应变仪130的保护。如图1C中图示的，顶盖111在温度传感器107的正上方的中间部分具有凹槽。例如，顶盖的111中心部分的下表面111B1(例如，在温度传感器107的正上方的部分)比顶盖111的外围部分的下表面111B2从衬底101更进一步延伸。下表面111B1与下表面111B2之间的偏移H可以在约50μm与约250μm之间的范围中，尽管其他尺寸也是可行的。在本文的讨论中，半导体器件100也可以被称为应力传感器、具有集成的温度传感器的应力传感器、或者具有温度补偿的应力传感器。
由于半导体应变仪130和温度传感器107都被集成在相同的半导体管芯上，因此该应力传感器(例如，半导体器件100)具有比其中应变仪和温度传感器被形成在分离管芯上的设计的形状因子小得多的形状因子。如将参考图7而在此后描述的，更小的形状因子允许应力传感器在该应力传感器被附接到的薄膜上的更灵活的放置。应力传感器的灵活放置允许应力传感器将被放置在薄膜的最优位置或接近最优位置，以用于增加灵敏度。作为另一优势，本公开的小形状因子允许当空间受限时多于一个应力传感器将被放置在将被测量的主体上。附加的传感器可以被用于提供冗余以防止设备故障，该冗余针对诸如汽车安全、或者医疗应用的关键应用可能很重要。
对图示的实施例的变型是可行的，并且完全旨在被包括在本公开的范围内。例如，在图1C中温度传感器107的上表面与衬底101的上表面101U齐平。这仅是示例并非意在限制。在其他实施例中，温度传感器107的上表面低于衬底101的上表面101U(例如，更靠近玻璃接合材料117)。换句话说，温度传感器107的上表面和下表面可以都被设置在衬底101的上表面101U与101U对面的衬底101的下表面之间，其可以通过T1小于T2而实现。作为另一示例，顶盖111、底盖113、或者顶盖111和底盖113两者可以被省略。例如，衬底101的下表面可以通过接合材料117而被直接接合到主体材料。
图2图示了针对惠斯通电桥的电路图。注意，作为电路图，图2图示了电气组件(例如，电阻器R1、R2、R3和R4)之间的电气连接，但是未图示电气组件在衬底101上的物理位置和/或物理定向。惠斯通电桥可以在用于各种测量应用的电路设计中被使用，因为它的高精度和高灵敏度。取决于将被测量的值的特性，惠斯通电桥中的电阻器的类型可以被选择以适配特定感测需要。例如，压敏电阻器可以被用于测量应力。
图3图示了应力感测系统300的功能图，该感测系统300包括图1A至图1C中图示的半导体应变仪130和温度传感器107。在图3中，半导体应变仪130和温度传感器107被电耦合到数字逻辑140，该数字逻辑140被进一步电耦合到存储器模块145和通信模块146。在一些实施例中，数字逻辑140可以包括在衬底101中/衬底101上形成的、被设计来执行应力感测系统300的校准和/或测量功能的集成电路(例如，模数转换器、微处理单元、其组合等)。存储器模块145可以包括存储器设备(例如，静态存储器、动态存储器、其组合等)，该存储器设备被用于存储例如半导体应变仪130的校准参数和温度传感器107的校准参数。在一些实施例中，存储器模块145可以被形成在衬底101中/上。通信模块146可以包括被配置为向主系统传输经校准的输出的、或者向用于存储的云传输经校准的输出的有线或无线通信设备(例如，CAN、RS232、RS485、以太网、SPI、I2C、SENT、PSI5、蓝牙、蓝牙低功耗、WiFi、ZigBee、3G、NFC、RFID、其组合等)。通信模块146还可以被配置为接收用于感测系统300的配置数据(例如，来自主系统)，使得配置数据(例如，校准参数或初始化参数)可以被本地存储在存储器模块145中。在一些实施例中，通信模块146被形成在衬底101中/衬底101上。
应力感测系统300的各种功能划分方式以及各种集成度是可行的，并且完全旨在被包括在本公开的范围内。在一些实施例中，半导体应变仪130、温度传感器107、数字逻辑140、存储器模块145、以及通信模块146被集成在与集成的半导体器件相同的半导体管芯中。例如，图3中示出的功能块中的所有功能块可以被集成在图1A至图1C中图示的半导体器件100中。在其他实施例中，半导体应变仪130、温度传感器107、存储器设备145、以及通信模块146被集成在相同的半导体管芯上，并且数字逻辑140可以被形成在单独的管芯上。在其他实施例中，半导体应变仪130和温度传感器107被集成在相同的半导体管芯上，以及数字逻辑140、存储器模块145、和通信模块146被形成在包括130和107的半导体管芯的外部。
本文讨论了使用温度传感器170补偿半导体应变仪130的热漂移的校准功能和测量功能的细节。温度传感器170的校准功能和测量功能被首先讨论，之后讨论半导体应变仪130的校准功能和测量功能。
回想温度传感器107从衬底101的机械应力被解耦。因此，温度传感器107的输出独立于衬底101的应力。假设温度传感器107的原始输出(也可以被称为未处理的输出)与将被测量的温度值线性相关，则温度传感器107的校准可以通过以下而被执行：分别记录在两个一直温度值T1和T2下的来自温度传感器107的未校准输出Tout_T1和Tout_T2，并且计算温度敏感度Tsen和温度漂移Toff。具体地，温度敏感度Tsen和温度漂移Toff可以使用以下等式而被计算：
温度敏感度Tsen的单位可以是mV/V/℃，并且温度偏移Toff的单位可以是℃。温度传感器107(以及半导体应变仪130)的校准在半导体器件100的最后制造步骤处被正常执行。一旦温度敏感度Tsen和温度偏移Toff(也被称为温度传感器的校准参数)通过校准过程而被获得，则其被存储在例如图3的存储器模块145中，并且在正常操作模式中被用于将温度传感器107的未校准的输出转换成经校准的输出。
温度传感器107的正常操作模式(例如，用于测量温度和应力)现在被描述。将来自温度传感器107的未校准的输出标记为Tout，然后经校准的温度输出Tcalibrated可以通过图3的数字逻辑140、使用以下等式而被计算：
因此，等式(3)将来自温度传感器107的未校准的输出Tout转换成经校准的输出Tcalibrated，这给出了对将被测量的温度值的估计。
半导体应变仪130的校准是类似的但更复杂，因为温度和应力都影响半导体应变仪130的输出。在一些实施例中，半导体应变仪130的校准包括在四个不同的校准条件下记录半导体应变仪130的输出，这些校准条件是在两个不同的已知温度条件(例如，温度值T1和T2)与两个不同的已知应力条件(例如，应力值P1和P2)之间的组合。
将温度T1处、并且在应力水平P1下的半导体应变仪130的原始输出(也可以被称为未处理的输出或未校准的输出)标记为Pout_T1_P1，将温度T1处、并且在应力水平P2下的半导体应变仪130的原始输出标记为Pout_T1_P2，将温度T2处、并且在应力水平P1下的半导体应变仪130的原始输出标记为Pout_T2_P1，将温度T2处、并且在应力水平P2下的半导体应变仪130的原始输出标记为Pout_T2_P2。半导体应变仪130的校准过程使用以下等式来计算温度T1处的压力灵敏度Psen_T1和压力偏移Poff_T1：
另外，半导体应变仪130的校准过程使用以下等式来计算温度T2处的压力灵敏度Psen_T2和压力偏移Poff_T2：
一旦获得压力灵敏度值(例如，Psen_T1和Psen_T2)和压力偏移(例如，Poff_T1和Poff_T2)，校准过程使用以下等式计算压力灵敏度漂移率Psen_drift和压力偏移漂移率Poff_drift：
压力灵敏度(例如，Psen_T1、Psen_T2)可以是mV/V/bar，压力偏移(例如，Poff_T1，Poff_T2)的单位可以是bar，压力灵敏度漂移率的单位可以是mV/V/bar/℃，以及压力偏移漂移率的单位可以是bar/℃。一旦校准过程被完成(例如，在半导体制造过程的最后)，经校准的参数(诸如Psen_drift、Poff_drift、Psen_T1和Poff_T1)被存储在例如图3的存储器模块145中，以用于在半导体应变仪130的正常操作模式中后续使用，这在下文被描述。已知的温度值T1和T2也可以被存储在存储器模块145中。
在半导体应变仪130的正常操作期间，图3的数字逻辑140执行以下操作来计算用于应力的温度补偿值。具体地，将来自温度传感器107的原始输出标记为Tout，以及将来自半导体应变仪130的原始输出标记为Pout，数字逻辑140首先使用上文的等式(3)将原始温度输出Tout转换成经校准的温度Tcalibrated。接下来，使用校准参数，通过数字逻辑140通过以下等式在经校准的温度Tcalibrated处执行线性插值以计算压力敏感度Psen：
Psen＝Psen_drfft*(Tcalibrated-T1)+Psen_T1 (10)
Poff＝Poff_drift*(Tcalibrated-T1)+Poff_T1 (11)
接下来，经校准的应力值Pcalibrated(例如，温度补偿的应力值)使用以下等式而被计算：
上文的等式(1)至(12)仅是可以被用于估计温度值和/或应力值的各种算法的示例。其他等式和/或其他算法是可行的并且整体旨在被包括在本公开的范围内。例如，在等式(2)中，温度偏移Toff可以使用在温度T2而不是温度T1处收集的校准数据而被计算。作为另一示例，在等式(10)和(11)中执行的线性插值可以使用Psen_T2和Poff_T2作为插值的参考点而不是Psen_T1和Poff_T1。
上文描述的等式是仅使用两个温度和压力点的线性插值。为了增加精度，由于在传感器设备中可能存在二阶非线性效应，因此可以针对插值使用非线性特性(例如，二次或三次插值)。另外，可以将操作范围(例如，温度范围、或者压力范围)划分成两个或多个分段，并且计算针对每个分段的校准参数集合。
作为另一示例，校准程序可以在传感器被附接到(例如，焊接)其应力将被测量的传感器100之后被执行。在这种情况下，在上文的等式中将被测量的变量(例如，压力)可以由力(例如，以牛顿(N)为单位)或扭矩(例如，以牛顿米(Nm)为单位)代替。
图4A图示了用于测量被施加到对象的力的实施例配置。如图4A中图示的，力被施加到垫环形物体401的圆形区域403。图4B图示了沿着图4A中的线C-C的垫圈形物体401的截面。如图4B中所示的，垫圈形物体401具有外部的环形部分405和内部的环形部分407。在外部环形部分405与内部环形部分407之间存在垂直偏移，使得外部环形部分405的上表面405U和下表面405L分别高于内部环形部分的上表面407U和下表面407L。在图4A和图4B的示例中，夹持设备(未示出)夹持到上表面405U和下表面407L以施加力。因此，
图4A中的环形区域403对应于外部环形部分405的上表面405U。另外，力被施加到内部环形部分407的下表面407L。在图示的示例中，垫圈形物体401是金属物体(例如，由钢制成的物体)。
在图4A中，四个半导体传感器100’(可以与图1A中图示的半导体设备100相同)被用于测量被施加到物体401的力。在一些实施例中，半导体传感器100’中的每个半导体传感器包括半导体应变仪和温度传感器，以提供对施加到对象401的力的经温度补偿的估计，其经温度补偿的估计基本上没有热漂移。通过使用三个半导体传感器100’，针对例如不均匀施加的力三维感测可以被达成。第四个半导体传感器100’提供在设备故障情况下的冗余，该冗余针对关键任务应用(诸如，汽车安全和医疗应用)可能很重要。在其中不需要三维感测的实施例中，两个半导体传感器100’可以被使用，一个用于测量以及一个用于提供冗余。在一些实施例中，例如针对低成本应用，仅一个半导体传感器100’被使用。在物体401具有高导热性(例如，钢物体)并且在全局具有均匀温度分布的实施例中，半导体传感器100’中的一个(或两个已提供冗余)传感器可以包括温度传感器和半导体应变仪，并且剩余的半导体传感器100’可以仅具有半导体应变仪(例如，不具有集成的温度传感器)，因为来自温度传感器的测量的温度值可以被所有传感器共享。这允许用于三维感测的低成本解决方案。
图5A和图5B图示了在一些实施例中的用于测量压力(例如，流体压力)的系统的截面图和顶视图。在图5A中，图1A的两个半导体器件100被附接(粘合)到膜501(例如，金属膜)的上表面。膜501被附接到框503，这可以形成围绕空间505外壳。在图示的示例中，高压流体填充空间505并且被设置在膜501的下侧(例如，在膜501的下表面)。膜501的上册可以被暴露于例如环境空气。半导体器件100中的第一半导体器件可以被用于测量流体的压力，而半导体器件100中的第二半导体器件可以被用于提供冗余。
图5C图示了用于测量应力的实施例设备400的截面图。在图5C中，膜(例如，金属膜、硅膜、碳化硅膜或陶瓷膜)701被附接到框703。在一些实施例中，框703包括提供结构支撑的合适材料，诸如金属(例如，钢)或半导体材料(例如，硅，碳化硅，锗等，或其组合)。在一些实施例中，温度传感器107(诸如，图1A中图示的温度传感器107)通过弹簧707而被附接到框703，该弹簧707可以与图1A中的硅弹簧105相同或类似。除半导体材料之外，弹簧707可以包括其他合适的材料，诸如钢、铜、钨等。温度传感器107从例如框703和/或膜701中的应力被解耦，并且因此，测量的温度值不受机械应力影响。半导体应变仪130(诸如，图1A中图示的半导体应变仪130)通过粘合剂层709(例如，玻璃接合)而被附接到膜701。可选地，半导体应变仪130通过弹簧707’而被附接到框703，弹簧707’可以与弹簧707相同或类似。设备400可以进一步包括用于半导体应变仪130和温度传感器107的保护的、被附接到框703的盖705，该盖705可以包括与框703相同的材料。在测量期间，膜701的最下层可以与将被测量的主体材料(未示出)的表面接触(例如，直接接触、或经由胶层或接合层(诸如玻璃)间接接触)，或者可以与将被测量的流体或气体直接接触。类似于上文针对半导体器件100的描述，温度传感器107提供独立于机械应力地、对温度的精确测量，并且温度的精确测量被用于提供改进的温度补偿，以用于移除半导体应变仪130的热漂移。
图6A至图6H图示了根据实施例的在各个制造阶段的、具有集成的温度传感器的应力传感器700的截面图。应力传感器700可以与图5C中的器件400相同或相似。除非另有阐述，否则图6A至图6H和图5C中的相同附图标记指代相同或类似的组件，因此不在重复细节。
图6A图示了衬底701的截面图，衬底701可以包括半导体材料，诸如硅、碳化硅、锗等。在一些实施例中，衬底701包括金属(例如，钢)、陶瓷、或者其他合适的材料。接下来，在图6B中，衬底701的部分例如通过蚀刻过程而被移除，以形成多个凹槽710。接下来，在图6C中，外延材料713在衬底701上方被形成。外延材料713覆盖(例如，密封)凹槽710，如图6C中图示的。接下来，在图6D中，使用氢的高温退火被执行。在衬底701是硅衬底的实施例中，高温退火可以在约900℃与约1200℃之间的温度处被执行。高温退火引起凹槽710之间的衬底701的部分朝向边界迁移，并且作为结果，相邻的凹槽710合并以形成更大的凹槽711。高温退火过程在美国专利No.7811848 B2中被描述，其通过引用而被并入本文。
接下来参考图6E，外延材料713例如使用光刻和蚀刻技术而被图案化。图案化的外延材料713的部分形成弹簧707’和707。接下来，在图6F中，半导体应变仪130和温度传感器107例如在图6E中的弹簧707’与弹簧707之间分别被形成在外延材料713的部分中/上。
接下来，在图6G中，凹槽715通过移除(例如，使用蚀刻过程)衬底701的部分而被形成在衬底701的下表面，衬底701被设置在半导体应变仪130下方以及在温度传感器107下方。在凹槽715上方的衬底701的剩余部分形成膜701。衬底701的剩余部分围绕凹槽715(例如，在图6G中在凹槽715的左侧和右侧)形成框703。图6G进一步图示了盖705，盖705通过形成包括盖705的材料的层的下表面中的凹槽而被形成。
接下来，在图6H中，盖705被附接(例如，接合)到框703以形成应力传感器700。应力传感器700可以被用于使用膜701来测量压力，膜701可以与其压力将被测量的流体直接接触。
图6I和图6J图示了应力传感器700A的截面图，应力传感器700A与图6H的应力传感器700类似，但是不具有衬底701的下表面中的凹槽715(参见图6G)。在图I中图示的处理在图6A至图6F图示的处理步骤之后。在图6I中，衬底701的下表面701L不被蚀刻，因此保留为平坦的下表面。盖705可以与图6G中的盖705被类似地形成。接下来，在图6J中，盖705被附接(例如，接合)到衬底701以形成应力传感器700A。应力传感器700A的平坦的下表面701L可以被焊接到将被测量的衬底(未示出)，其中应力传感器700A测量衬底(未示出)的应力，其应力是通过压力、力、或力矩而引起的。
图7示出了在一些实施例中的Sigma L-Sigma T的趋势(其中L代表纵向方向，其沿着电阻器的相同方向，而T代表横向方向，其与电阻器垂直)，Sigma L-Sigma T的趋势图示了膜(例如，图5B中的501)上的应力组合的分布。由于硅压敏电阻器的电阻率变化与这些应力组合成比例，因此惠斯通电桥的输出也与Sigma L-Sigma T成比例。在图7中，X轴指示沿着直到膜边缘(参见，例如图5B的501E)的特定轴的、膜的一般点与膜的中心(参见，例如图5B的501C)之间的距离。例如，位置620对应于膜的中心，以及位置610对应于膜的边缘。Y轴指示应力组合(并且因此也指示传感器输出)，其中这些组合的绝对值随着半径而非线性增加。在膜上的各个位置处的应力组合值通过曲线601而被示出。例如，在实施例中，半导体器件100、电阻器130被适当放置(例如，两个水平放置以及两个垂直放置)以便使传感器输出最大化。具体地，传感器输出将与图7中的分段标记S1_out成比例。图7还图示了参考应力传感器的输出(参见图7中的标记S2_out)，其中电阻器的所有电阻器在相同方向上被放置。
如图7中图示的，应力组合从膜的中心向膜的边缘增加。具体地，在膜的中心中，两个应力分量是相等的，因此导致Sigma L-Sigma T是零。在位置630(其接近于膜的边缘610)和位置610之间，应力水平动态增加，并且可能变得不稳定。因此，为了达成增加的灵敏度，在一些实施例中，膜上的应力传感器的位置(例如，应力传感器的中心)可以被选择为尽可能地接近位置630(其中应力水平大并且易于测量)，而不在X轴上的右侧(其中应力水平针对测量目的可能不稳定)上方跨过。
图7中的虚线圆圈170图示了实施例应力传感器170的位置，其可以与图1A的半导体器件100相同。如果电阻器是两个水平地被放置，并且两个垂直的被放置，惠斯通电桥配置中的传感器的输出与连个点170C之间的距离(在Y轴上)成比例。为了对比，两个虚线椭圆150在图7中被示出，指示由于低集成度而包括连个分离的管芯的参考应力传感器的位置。在参考应力传感器中，两个分离的管芯中的每个管芯包括两个压敏电阻器以提供在惠斯通电桥中使用的四个电阻器。由于低集成度，参考应力传感器的管芯的每个管芯的大小大于半导体器件170的大小。
如图7中图示的，由于实施例应力传感器170的更小的形状因子，实施例应力传感器170的中心170C比参考应力传感器的中心150C更接近于位置630。这允许实施例应力传感器170将达成比参考应力传感器更好的灵敏度。另外，更小的形状因子可以允许第二实施例应力传感器被附接到膜以提供冗余。相反，参考应力传感器的较大的大小使得不能将参考应力传感器放置在膜上以用于冗余。
图8图示了在一些实施例中的操作应力传感器的方法1000的流程图。应当理解，图8中示出的实施例方法仅是多个可能实施例方法中的示例。本领域技术人员将识别多种变型、备选以及修改。例如，如图8中图示各种步骤可以被添加、移除、替换、重新布置或重复。
参考图8，在步骤1010处，衬底的温度使用温度传感器而被测量，以获得未校准的温度值。在步骤1020，衬底的应力使用应变仪而被测量以获得为校准的应力值，应力传感器包括应变仪和温度传感器，应变仪被集成在衬底上，温度传感器与衬底的应力解耦。在步骤1030处，未校准的温度值被转换成经校准的温度值。在步骤1040，未校准的应力值使用经校准的温度值而被转换成经校准的应力值。
实施例可以达成优点。例如，由于温度传感器(例如，107)从衬底的应力的解耦，因此温度传感器的测量不受将被测量的应力的影响，这允许对温度的精确测量。温度的精确测量反过来允许更好的温度补偿以移除来自应力传感器的输出的热漂移。由于高集成度(例如，半导体应变仪和温度传感器被集成在相同管芯上)，更小的形状因子被达成，这允许应力传感器的灵活放置以达成增加的灵敏度。小的形状因子还允许多个应力传感器被放置在将被测量的主体上以提供用于关键任务应用的冗余。
本发明的示例实施例在此处总结。根据本文提交的整个说明书和权利要求可以理解其他实施例。
示例1.在一个实施例中，半导体器件包括：衬底上的应变仪，应变仪被配置为测量衬底的应力；以及，被设置在衬底内的温度传感器，温度传感器与衬底的应力解耦。
示例2.根据示例1的半导体器件，其中温度传感器通过硅弹簧而被附接到衬底。
示例3.根据前述示例中的一个示例的半导体器件，其中衬底具有开口，并且其中温度传感器在开口中并且通过硅弹簧而被附接到衬底。
示例4.根据示例3的半导体器件，其中温度传感器的厚度小于衬底的厚度。
示例5.根据示例3的半导体器件，其中硅弹簧包括第一导电特征，第一导电特征将温度传感器电耦合到衬底的第二导电特征。
示例6.根据示例3的半导体器件，其中硅弹簧将温度传感器热耦合到所述衬底。
示例7.根据示例1的半导体器件，其中应变仪包括感测桥，其中感测桥包括第一压敏电阻器、第二压敏电阻器、第三压敏电阻器、以及第四压敏电阻器，其中第一压敏电阻器和第二压敏电阻器与衬底的应力呈正相关，并且其中第三压敏电阻器和第四压敏电阻器与衬底的应力成负相关。
示例8.根据示例7的半导体器件，其中第一压敏电阻器和第二压敏电阻器与衬底的应力的方向平行，以及第三压敏电阻器和第四压敏电阻器与衬底的应力所述方向垂直。
示例9.根据示例7的半导体器件，其中第一压敏电阻器、第二压敏电阻器、第三压敏电阻器、以及第四压敏电阻器彼此平行。
示例10.根据示例7的半导体器件，其中第一压敏电阻器、第二压敏电阻器、第三压敏电阻器、以及第四压敏电阻器包括四个单晶压敏电阻器，四个多晶压敏电阻器，或者两个单晶压敏电阻器和两个多晶压敏电阻器。
示例11.根据示例7的半导体器件，其中第一压敏电阻器、第二压敏电阻器、第三压敏电阻器、以及第四压敏电阻器包括压阻材料。
示例12.根据示例1的半导体器件，其中应变仪包括电容元件，其中电容元件的电容被配置为响应于衬底的应力的变化而变化。
示例13.根据示例1的半导体器件，其中应变仪包括压电材料。
示例14.根据示例1的半导体器件，其中热桥包括第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、以及第四电阻器，并且其中第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第四电阻器以惠斯通电桥配置被电连接。
示例15.根据示例14的半导体器件，其中第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、以及第四电阻器在相同方向上定向。
示例16.根据示例14和示例15的半导体器件，其中第一电阻器和第二电阻器与温度呈正相关，以及第三电阻器和第四电阻器与温度呈负相关。
示例17.根据示例15的半导体器件，其中第一电阻器和第二电阻器是多晶半导体电阻器，并且第三电阻器和第四电阻器是单晶半导体电阻器。
示例18.根据示例1的半导体器件，其中应变仪和温度传感器被集成在相同的半导体管芯上。
示例19.在一个实施例中，半导体器件包括：半导体材料的框，框围绕框中的腔；以及温度传感器，温度传感器被设置在腔中、并且通过包括半导体材料的弹簧而被弹性地附接到框。
示例20.根据示例19的半导体器件，其中温度传感器从框物理分离。
示例21.根据示例19或20的半导体器件，其中温度传感器包括热桥，并且热桥包括以惠斯通电桥配置连接的第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器和第四电阻器。
示例22.根据示例21的半导体器件，其中第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、以及第四电阻器彼此平行。
示例23.根据示例21的半导体器件，其中第一电阻器和第二电阻器中的每个电阻器的电阻与温度呈正相关，并且第三电阻器和第四电阻器中的每个电阻器的电阻与温度呈负相关。
示例24.在一个实施例中，操作应力传感器的方法包括：使用温度传感器测量衬底的温度以获得未校准的温度值；使用应变仪测量衬底的应力以获得未校准的应力值，应力传感器包括应变仪和温度传感器，应变仪被集成在衬底上，温度传感器从衬底的应力解耦；将未校准的温度值转换成经校准的温度值；以及使用经校准的温度值来将未校准的应力值转换成经校准的应力值。
示例25.根据示例24的方法，进一步包括，在测量温度之前校准温度传感器以获得温度灵敏度和温度偏移，其中转换未校准的温度值使用温度灵敏度和温度偏移而被执行。
示例26.根据示例24或25的方法，进一步包括，在测量应力之前校准应变仪以获得多个校准参数，多个校准参数包括：在第一温度处的第一压力灵敏度；在第一温度处的第一压力偏移；在第二温度处的第二压力灵敏度；以及在第二温度处的第二压力偏移，其中转换未校准的应力值使用多个校准参数而被执行。
示例27.根据示例26的方法，其中校准应变仪包括在多个校准条件下收集应变仪的输出，多个校准条件包括：第一压力和第一温度；第二压力和第一温度；第一压力和第二温度；以及第二压力和第二温度。
示例28.根据示例26的方法，其中转换未校准的压力值包括：使用多个校准参数和经校准的温度值来执行线性插值，以计算第三压力灵敏度和第三压力偏移；以及使用第三压力灵敏度和第三压力偏移来计算经校准的应力值。
虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述并不旨在以限制意义来解释。参考说明书，本领域技术人员将清楚说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (28)

1.一种半导体器件，包括：
衬底上的应变仪，所述应变仪被配置为测量所述衬底的应力；以及
被设置在所述衬底内的温度传感器，所述温度传感器与所述衬底的所述应力解耦。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述温度传感器通过硅弹簧被附接到所述衬底。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中所述衬底具有开口，并且其中所述温度传感器在所述开口中、并且通过所述硅弹簧被附接到所述衬底。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中所述温度传感器的厚度小于所述衬底的厚度。
5.根据权利要求3所述的半导体器件，其中所述硅弹簧包括第一导电特征，所述第一导电特征将所述温度传感器电耦合到所述衬底的第二导电特征。
6.根据权利要求3所述的半导体器件，其中所述硅弹簧将所述温度传感器热耦合到所述衬底。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述应变仪包括感测桥，其中所述感测桥包括第一压敏电阻器、第二压敏电阻器、第三压敏电阻器、以及第四压敏电阻器，其中所述第一压敏电阻器和所述第二压敏电阻器与所述衬底的所述应力呈正相关，并且其中所述第三压敏电阻器和所述第四压敏电阻器与所述衬底的所述应力成负相关。
8.根据权利要求7所述的半导体器件，其中所述第一压敏电阻器和所述第二压敏电阻器与所述衬底的所述应力的方向平行，并且所述第三压敏电阻器和所述第四压敏电阻器与所述衬底的所述应力的所述方向垂直。
9.根据权利要求7所述的半导体器件，其中所述第一压敏电阻器、所述第二压敏电阻器、所述第三压敏电阻器、以及所述第四压敏电阻器彼此平行。
10.根据权利要求7所述的半导体器件，其中所述第一压敏电阻器、所述第二压敏电阻器、所述第三压敏电阻器、以及所述第四压敏电阻器包括四个单晶压敏电阻器、四个多晶压敏电阻器、或者两个单晶压敏电阻器和两个多晶压敏电阻器。
11.根据权利要求7所述的半导体器件，其中所述第一压敏电阻器、所述第二压敏电阻器、所述第三压敏电阻器、以及所述第四压敏电阻器包括压阻材料。
12.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述应变仪包括电容元件，其中所述电容元件的电容被配置为响应于所述衬底的所述应力的变化而变化。
13.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述应变仪包括压电材料。
14.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述温度传感器包括热桥，其中所述热桥包括第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、以及第四电阻器，并且其中所述第一电阻器、所述第二电阻器、所述第三电阻器、所述第四电阻器以惠斯通电桥配置被电连接。
15.根据权利要求14所述的半导体器件，其中所述第一电阻器、所述第二电阻器、所述第三电阻器、以及所述第四电阻器在相同方向上被定向。
16.根据权利要求15所述的半导体器件，其中所述第一电阻器和所述第二电阻器与温度呈正相关，并且所述第三电阻器和所述第四电阻器与温度呈负相关。
17.根据权利要求15所述的半导体器件，其中所述第一电阻器和所述第二电阻器是多晶半导体电阻器，并且所述第三电阻器和所述第四电阻器是单晶半导体电阻器。
18.根据权利要求1所述的半导体器件，其中所述应变仪和所述温度传感器被集成在相同的半导体管芯上。
19.一种半导体器件，包括：
包括半导体材料的框，所述框围绕所述框中的腔；以及
温度传感器，所述温度传感器被设置在所述腔中、并且通过包括所述半导体材料的弹簧被弹性地附接到所述框。
20.根据权利要求19所述的半导体器件，其中所述温度传感器从所述框被物理分离。
21.根据权利要求19所述的半导体器件，其中所述温度传感器包括热桥，并且所述热桥包括以惠斯通电桥配置连接的第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器和第四电阻器。
22.根据权利要求21所述的半导体器件，其中所述第一电阻器、所述第二电阻器、所述第三电阻器、以及所述第四电阻器彼此平行。
23.根据权利要求21所述的半导体器件，其中所述第一电阻器和所述第二电阻器中的每个电阻器的电阻与温度呈正相关，并且所述第三电阻器和所述第四电阻器中的每个电阻器的电阻与温度呈负相关。
24.一种操作应力传感器的方法，所述方法包括：
使用温度传感器测量衬底的温度以获得未校准的温度值；
使用应变仪测量所述衬底的应力以获得未校准的应力值，所述应力传感器包括所述应变仪和所述温度传感器，所述应变仪被集成在所述衬底上，所述温度传感器与所述衬底的所述应力解耦；
将所述未校准的温度值转换成经校准的温度值；以及
使用所述经校准的温度值来将所述未校准的应力值转换成经校准的应力值。
25.根据权利要求24所述的方法，进一步包括：在测量所述温度之前，校准所述温度传感器以获得温度灵敏度和温度偏移，其中转换所述未校准的温度值是使用所述温度灵敏度和所述温度偏移而被执行的。
26.根据权利要求24所述的方法，进一步包括：在测量所述应力之前，校准所述应变仪以获得多个校准参数，所述多个校准参数包括：
在第一温度处的第一压力灵敏度；
在所述第一温度处的第一压力偏移；
在第二温度处的第二压力灵敏度；以及
在所述第二温度处的第二压力偏移，
其中转换所述未校准的应力是使用所述多个校准参数而被执行的。
27.根据权利要求26所述的方法，其中校准所述应变仪包括：在多个校准条件下收集所述应变仪的输出，所述多个校准条件包括：
第一压力和所述第一温度；
第二压力和所述第一温度；
所述第一压力和所述第二温度；以及
所述第二压力和所述第二温度。
28.根据权利要求26所述的方法，其中转换所述未校准的应力值包括：
使用所述多个校准参数和所述经校准的温度值来执行线性插值，以计算第三压力灵敏度和第三压力偏移；以及
使用所述第三压力灵敏度和所述第三压力偏移来计算所述经校准的应力值。
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