CN114207399B - 应变测量电路 - Google Patents
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Abstract
一种应变测量电路(10)包括布置在衬底(30)上的多个延迟元件(110a、…、110n)的至少第一延迟链(110)和多个延迟元件(210a、…、210n)的至少第二延迟链(210)。至少一个第一和第二延迟链(110、210)的各个延迟元件(110a、…、110n；220a、…、220n)的传播延迟时间取决于施加到衬底(30)的应变。至少一个第一延迟链(110)的延迟元件(110a、…、110n)具有与至少一个第二延迟链(210)的延迟元件(210a、…、210n)不同的取向。电路(10)还包括处理电路(900)，用于根据第一延迟链(110)和第二延迟链(210)的第一信号传播延迟时间来确定施加在衬底(30)上的应变的大小。
Description
本专利申请要求欧洲专利申请19191055.3的优先权，其公开内容通过引用并入本申请。
技术领域
本公开涉及一种用于测量由衬底的机械变形引起的应变的电路。
背景技术
其上设置有电子电路或其中嵌入有电子电路的衬底(例如硅衬底)的电子特性对由应变和应力引起的机械变形高度敏感。应变经常引起寄生效应，这降低了衬底上电子电路在温度漂移、精度、分辨率或电子电路的其他参数方面的性能。通常，应变的大小和最大应变的方向都无法获得。
应变主要利用连接到模-数转换器的应变仪来测量。通常，应变仪箔片必须粘贴在感兴趣的物体上，并且有线连接到放大器或模-数转换器。这项技术用于称重传感器以及实验装置。通常在这些装置中，力或应力是根据测量的应变结果计算出来的。
间接使用应变的另一种方式是微机械传感器。应变传感元件集成在像加速度传感器的悬臂或压力传感器的膜片这样的微机械传感元件上。应变传感元件通常是工艺上可用的硅电阻器，以及用于信号处理的放大器和/或模-数转换器。根据应用的要求，电子器件集成在同一衬底上或分立连接。典型的问题是，整片衬底的应变变形使得布置在衬底上的电子器件在分辨率、精度或温度漂移方面受到影响。因此，电子器件通常远离传感器放置，有时甚至放置在单独的晶圆片上。
此外，已知设置用于测量在更多的实验装置中由封装引起的衬底上的应力，更多的是为了通过进一步的测量来控制或减小应变。
期望提供一种应变测量电路，其允许精确测量施加在衬底上的由应力如弯曲、扭矩、力等引起的应变的大小。
发明内容
权利要求1中提出了应变测量电路的实施例，该电路允许确定施加到衬底上的机械应力的大小。
应变测量电路包括布置在衬底上的多个延迟元件的至少第一延迟链和多个延迟元件的至少第二延迟链。至少一个第一和第二延迟链的各个延迟元件的传播延迟时间取决于施加到衬底的应变。至少一个第一延迟链的延迟元件具有与至少一个第二延迟链的延迟元件不同的取向。电路包括处理电路，用于根据第一延迟链的第一信号传播延迟时间和第二延迟链的第二信号传播延迟时间来确定施加在衬底上的应变的大小。
根据一个可能的实施例，至少第一环形振荡器和至少第二环形振荡器以不同的取向布置在衬底上。至少一个第一环形振荡器包括至少一个第一延迟链，并且至少一个第二环形振荡器包括至少一个第二延迟链。至少一个第一环形振荡器具有取决于施加在衬底上的应变的方向的第一振荡频率。至少一个第二环形振荡器具有取决于施加在衬底上的应变的方向的第二振荡频率。电路还包括用于根据第一和第二振荡频率确定施加在衬底上的应变的大小的处理电路。
管芯通常被熔化成封装件，并且该封装件被焊接在印刷电路板上。因此，施加在印刷电路板上的任何机械应力都会转移到硅片上，并能够作为应变进行测量。与用于应变测量的常规方法不同，所提出的电路允许将应变测量与标准的主要是数字CMOS工艺上的同一管芯上的电子器件单片集成。在衬底上集成应变测量是革命性的。
换句话说，衬底，例如硅衬底，被认为是传感器本身，其中集成电路是应变传感器。应变可以由于任何原因施加到衬底上。用于应变测量的电路/传感器和其他部件在同一衬底上以相同的工艺集成在同一管芯上。电路的主要元件是不同取向的环形振荡器，该环形振荡器将应变转换成取决于应变的振荡。根据可能的实施例，电路可以包括具有皮秒时间分辨率的时间-数字转换器，以将振荡周期转换成数字值。
此外，采取某些措施(例如通过比率测量)使电路对应变不敏感。现有技术的模拟电子器件将应用放大器和模-数转换器。对于片内信号处理，现有技术的电子器件缺乏应变对所有电子部件(即放大器和模-数转换器)的影响。模-数转换器本身存在应变不准确的问题。在电压、温度、电压和寿命的所有工艺范围中控制这些电子器件的应变依赖性是一项高度专业化的工程任务。所提出的应变测量电路使用比率测量和/或时间-数字转换器来对抗和补偿这些影响。
根据可能的实施例，在数字标准工艺上，电路可以提供完全集成的传感器。电路可以被配置为标准封装中的数字门之外的单片集成应变传感器。特别地，在数字标准工艺中，应变测量电路能够与其他电子元件单片集成。然而，通过其他工艺实现例如更复杂的工艺(如模拟CMOS或硅锗工艺)也是可能的。
应变测量电路允许检测应变的幅度和应变的角度。通过在衬底上提供具有不同角度取向的环形振荡器来测量应变的主轴。测量的应变可以转换成数字值。通过使用应变测量电路阵列/传感器阵列，应变的梯度也是可检测的。
该电路允许利用片内基准测量应变。不需要外部时间参考用于计数。该电路提供测量电子器件的集成应变补偿。所使用的比率测量原理允许PVT补偿。应变测量电路适合作为ASIC、IP或标准产品。该电路允许过程和寿命监控，并且具有低电流消耗。此外，电路提供了快速的转换率。电路可以用作一种新的传感器类型，如弯曲检测器或力开关。此外，具有数字接口的应变仪易于应用。
电路的典型应用可以是装置寿命期间的应变监测。更多的应用构思例如是感测由在衬底(例如PCB)上安装芯片引起的应变。PCB本身可以被视为应变传感器，就像应变触发开关一样。此外，这种开关对类似EMC的电容开关也不敏感。例如在冬天或工业恶劣环境中，这种非电容开关也可以用手套触发(电容影响小)。
在下面的详细描述中阐述了附加的特征和优点。应当理解，前面的概述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，并且旨在提供用于理解权利要求的性质和特征的概述或框架。
附图说明
附图被包括以提供进一步的理解，并且被结合在说明书中，构成说明书的一部分。因此，结合附图，从以下详细描述中将更全面地理解本公开，在附图中：
图1示出了应变测量电路的部件的框图；
图2A示出了使用延迟元件链的应变测量电路的第一实施例；
图2B示出了使用环形振荡器的应变测量电路的第一实施例；
图3示出了使用环形振荡器的应变测量电路的第二实施例；
图4A和图4B示出了时间-数字转换器的环形振荡器的不同实现方式，以便为应变测量电路提供应变不敏感的时间基础；
图5示出了使用环形振荡器的应变测量电路的第三实施例；
图6示出了用于应变测量电路环形振荡器的晶片上的门的可能取向；
图7A示出了用于平面应变分析的具有四个环形振荡器的电路的实施例；
图7B示出了用于平面应变分析的具有四个环形振荡器的电路的另一实施例；
图8示出了具有二阶PVT效应补偿的应变测量电路的实施例；
图9示出了包括应变测量电路的传感器器件；
图10示出了包括单片集成在同一衬底中的应变测量电路和附加电路的电子器件；和
图11示出了传感器装置，其具有以菊链配置相互耦合的传感器器件。
具体实施方式
图1示出了表示应变测量电路10的电路块的框图。电路10能够用于测量衬底30(例如单片集成电路中的硅衬底)的变形。图1中示出的电路10的实施例包括几个应变相关的环形振荡器100、200、时间-数字转换器300和计算单元900，它们集成在同一衬底30上，其中所有部件都有相同的变形。根据图1的框图中所示的实施例，电路10能够被配置为单片集成式应变传感器，其能够测量衬底/管芯30的变形。电路可以在数字标准工艺上实现，其中，电子器件也放置在管芯/衬底的应变区域中。在其他工艺(模拟、硅锗)上实现也是可能的。
电路10可以被配置成测量施加在衬底30上的所有平面应变分量。特别地，电路被配置成测量最大和最小应变的主轴、给定轴上的应变、正交应变的差异、衬底上的应变梯度以及拉伸或压缩应变。电路10的衬底/管芯可以组装在标准芯片封装(QFN、QFP等)、芯片级封装、板上芯片、玻璃上芯片、表面上芯片、柔性芯片/传感器箔或模制成材料中。
电路的应变传感元件可以实施为环形振荡器100、200，其中MOSFET中电子和空穴的迁移率取决于应变，并且其中，振荡周期随着应变而变化。环形振荡器可以排列成具有几个角度方向的玫瑰花形。
时间-数字转换器300被提供用于时间-数字转换，其允许快速的测量周期(小于1微秒)和最高的分辨率。此外，时间-数字转换器300可以通过垂直MOSFET的组合来提供降低的时间基准的应变灵敏度。数字标准门的设计是可能的。另一个优点是，不需要像电容器或应变仪这样的外部元件。此外，整个电路可以设置为无电流待机模式。
电路10可以包括用于应变检测的两个环形振荡器，这使得能够测量环形振荡器的应变敏感元件的应变大小方向，以及检测纵向或横向于主轴的拉伸或压缩应变。根据另一实施例，电路10可以包括允许测量应变大小以及最大和最小应变的轴的四个环形振荡器。
由于环形振荡器不同延迟的比率评估，电路提供PVT(过程电压温度)的比率补偿。特别地，环形振荡器成对布置成90°旋转偏移。电子和空穴的迁移率沿相反方向纵向和横向受所施加应变的影响，但PVT变化保持不变。总之，过程、温度或电压的变化通过比率测量来抵消。
图2A示出了应变测量电路10的实施例，该电路包括布置在衬底30(例如硅衬底)上的多个延迟元件110a、…、110n的至少第一延迟链110和多个延迟元件210a、…、210n的至少第二延迟链210。至少一个第一和第二延迟链110和210的各个延迟元件110a、…、110n和220a、…、220n的传播延迟时间取决于施加到衬底30的应变。在衬底30上至少一个第一延迟链110的延迟元件110a、…、110n具有与至少一个第二延迟链210的延迟元件210a、…、210n不同的取向。至少一个第一延迟链110具有取决于施加在衬底30上的应变的方向的第一信号传播延迟时间。至少一个第二延迟链210具有取决于施加在衬底30上的应变的方向的第二信号传播延迟时间。电路10还包括用于根据第二延迟链210和第一延迟链110的第一信号传播延迟时间来确定施加在衬底30上的应变的大小的处理电路900。
至少一个第一延迟链110的延迟元件110a、…、110n和至少一个第二延迟链210的延迟元件210a、…、210n可以彼此垂直取向。应当注意，第一和第二延迟链110、210的延迟元件以90°的角偏移对准不是强制性的。重要因素是第一和第二延迟链110和210中的各个延迟元件以不同的方向布置在衬底30上。
应变测量电路10包括具有环形振荡器301的时间-数字转换器/TDC 300。环形振荡器301包括延迟元件/门310a、…、310n，它们随后排列成链。时间-数字转换器300可以被配置为环形时间-数字转换器。然而，时间-数字转换器300的任何其他配置都是可行的。时间-数字转换器的环形振荡器301具有响应于时间-数字转换器300的环形振荡器301的状态生成环形振荡器301的输出信号的输出侧O301。
处理电路900被配置为根据在第一时间检测到的表示时间-数字转换器300的环形振荡器301的第一解码状态的第一值N1和在第二时间检测到的表示时间-数字转换器300的环形振荡器301的第二解码状态的第二值N2之间的比率来确定施加在衬底30上的应变的大小。
第一时间由至少一个第一延迟链110的信号传播延迟时间确定。至少一个第一延迟链110的信号传播延迟时间取决于延迟元件110a、…、110n的传播延迟时间。至少一个第一延迟链110的信号传播延迟时间可以表示信号传播通过延迟元件110a、…、110n的完整链所需的时间。
第二时间由至少一个第二延迟链210的信号传播延迟时间确定。至少一个第二延迟链210的信号传播延迟时间取决于延迟元件210a、…、210n的传播延迟时间。至少一个第二延迟链210的信号传播延迟时间可以表示信号传播通过延迟元件210a、…、210n的完整链所需的时间。
应变测量电路包括用于存储时间-数字转换器300的环形振荡器301的第一状态的至少一个第一存储电路410。环形振荡器301的第一状态的存储由至少一个第一延迟链110控制。电路还包括用于存储时间-数字转换器300的环形振荡器301的第二状态的至少一个第二存储电路420。环形振荡器301的第二状态的存储由至少一个第二延迟链210控制。
图2A的时间-数字转换器300包括用于提供存储在存储电路410和420之一中的计数值的计数器320，该计数值代表时间-数字转换器300的状态。存储电路410和420可以被配置为采样和保持元件。
图2A的电路10的电路配置的特征在于延迟链110和210的延迟元件在衬底30上的不同取向，例如垂直取向。延迟链110和210二者同时启动。处理电路900指定施加到衬底30的应变大小的结果与TDC计数N1和N2的比率成比例。因为电路通过对值N1和N2的比率评估来执行应变测量，因此电路10的特征还在于消除了TDC环形振荡器301的应变依赖性。
图2A所示实施例的电路10具有作为时间基础的延迟链110和210。电路10有带有存储电路410和存储电路420的两个通道，分别连接到TDC环形振荡器301。TDC环形振荡器301具有自己的使能信号EN来开始或停止振荡。这对于在不进行测量时达到最低电流消耗非常重要。应变相关延迟链110和210触发一个通道的存储电路/采样和保持元件410和420的存储级。
量化的时间基础是TDC环形振荡器301中延迟元件/门的传播延迟。下面的处理单元900能够计算代表每个延迟链110和210的信号传播延迟时间或者代表时间-数字转换器300的环形振荡器301的第一和第二解码状态的值N1和N2。
图2B、图3和图5示出了应变测量电路10的不同实施例，该电路至少包括包含第一延迟链110的第一环形振荡器100和包含第二延迟链210的至少第二环形振荡器200。第一和第二环形振荡器100和200以不同的取向布置在衬底30(例如是硅衬底)上。至少一个第一环形振荡器100具有取决于施加在衬底30上的应变的方向的第一振荡频率。至少一个第二环形振荡器200具有取决于施加在衬底30上的应变的方向的第二振荡频率。电路10还包括用于根据第一和第二振荡频率确定施加在衬底30上的应变的大小的处理电路900。
如图2B、图3和图5所示，至少一个第一环形振荡器100包括多个延迟元件/门110a、…、110n的第一延迟链110，并且第二环形振荡器200包括多个延迟元件/门210a、…、210n的第二延迟链210。至少一个第一和第二环形振荡器100、200的各个延迟元件110a、…、110n和210a、…、210n的传播延迟时间取决于施加到衬底30的应变。至少一个第一和第二环形振荡器100和200被布置在衬底30上，使得至少一个第一环形振荡器100的延迟元件/门110a、…、110n具有不同于至少一个第二环形振荡器200的延迟元件210a、…、210n的取向。
在图2B、图3和图5所示的应变测量电路10的实施例中，环形振荡器100和200可以彼此垂直取向。特别地，至少一个第一环形振荡器100的延迟元件110a、…、110n和至少一个第二环形振荡器200的延迟元件210a、…、210n可以彼此垂直取向。必须注意，晶片上的取向可以不固定，只是两者之间的角度固定。因此，在图中，仅表示相对角度(±0°，+90°)。这意味着至少一个第一环形振荡器100中的延迟元件/门以例如晶片的[110]取向定向，而至少一个第二环形振荡器200的延迟元件210a、…、210n以例如晶片的[-110]取向定向。
然而，必须注意，只要环形振荡器之间的角度为90°，晶片的任何其他方向也是有效的。此外，应当注意，第一和第二延迟链110、210的延迟元件与环形振荡器100和200之间的90°角偏移的对准不是强制性的。决定性因素是环形振荡器100和200中的各个延迟元件以不同方向布置在衬底30上。
如图2B和图5中的应变测量电路10的实施例所示，至少一个第一和第二环形振荡器100和200同时共同启动。
参照图2B和图3所示的应变测量电路10的实施例，电路中的每个都包括具有环形振荡器301的时间-数字转换器/TDC 300。环形振荡器301包括延迟元件/门310a、…、310n，这些延迟元件/门随后被排列成链，如图2B和图3所示。时间-数字转换器300可以被配置为环形时间-数字转换器。然而，时间-数字转换器300的任何其他配置都是可行的。时间-数字转换器的环形振荡器301具有响应于时间-数字转换器300的环形振荡器301的状态产生环形振荡器301的输出信号的输出侧O301。
参照图2B和图3，处理电路900被配置为根据在第一时间检测到的表示时间-数字转换器300的环形振荡器301的第一解码状态的第一值N1与在第二时间检测到的表示时间-数字转换器300的环形振荡器301的第二解码状态的第二值N2之间的比率来确定施加在衬底30上的应变的大小。
第一时间由至少一个第一环形振荡器100的周期持续时间确定。至少一个第一环形振荡器100的周期持续时间取决于至少一个第一环形振荡器100的延迟元件110a、…、110n的传播延迟时间。至少一个第一环形振荡器100的周期持续时间可以表示信号传播通过延迟元件110a、…、110n的完整链所需的时间。至少一个第一环形振荡器100的周期持续时间可以表示信号传播通过延迟元件110a、…、110n的完整链两次所需的时间。
第二时间由至少一个第二环形振荡器200的周期持续时间确定。至少一个第二环形振荡器200的周期持续时间取决于至少一个第二环形振荡器200的延迟元件210a、…、210n的传播延迟时间。至少一个第二环形振荡器200的周期持续时间可以表示信号传播通过延迟元件210a、…、210n的完整链所需的时间。至少一个第二环形振荡器200的周期持续时间可以表示信号传播通过延迟元件210a、…、210n的完整链210两次所需的时间。
参照图2B所示的电路10的实施例，应变测量电路包括用于存储时间-数字转换器300的环形振荡器301的第一状态的至少一个第一存储电路410。环形振荡器301的第一状态的存储由至少一个第一环形振荡器100控制。电路还包括用于存储时间-数字转换器300的环形振荡器301的第二状态的至少一个第二存储电路420。环形振荡器301的第二状态的存储由至少一个第二环形振荡器200控制。
图2B和图3的时间-数字转换器300包括提供计数值的计数器320，该计数值存储在存储电路410和420之一中，并代表时间-数字转换器300的状态。存储电路410和420可以被配置为采样和保持元件。
图2B的电路10的电路配置的特征在于环形振荡器100和200在衬底30上的不同取向，例如垂直取向。两个环形振荡器同时启动。处理电路900指定施加到衬底30的应变大小的结果与TDC计数N1和N2的比率成比例。因为电路通过对值N1和N2的比率评估来执行应变测量，因此电路10的特征还在于消除了TDC环形振荡器301的应变依赖性。
图2B所示实施例的电路10具有作为时间基础的环形振荡器100和200。电路10有带有存储电路410和存储电路420的两个通道，分别连接到TDC环形振荡器301。TDC环形振荡器301具有自己的使能信号EN来开始或停止振荡。这对于在不进行测量时达到最低电流消耗非常重要。在衬底上以彼此不同的角度定向的环形振荡器100和200的周期可以由分频器元件800预处理，例如通过用分频器800计数每一秒脉冲而加倍。各个分频器元件800可以连接在各个环形振荡器与存储电路410和420之间。应变相关环形振荡器100和200触发一个通道的存储电路/采样和保持元件410和420的存储级。应变环形振荡器频率的周期是环形振荡器链中延迟元件/门的所有传播延迟的总和，例如环形振荡器链中延迟元件/门的所有上升沿和下降沿的传播延迟。
包括存储电路410和420的存储级被设置成测量连接的环形振荡器的周期。根据可能的实施例，每一级对所施加的应变环形振荡器时钟的两个时钟脉冲的TDC计数进行采样。两个时钟脉冲的两个TDC计数之差就是应变环形振荡器周期的TDC测量值。
量化的时间基础是TDC环形振荡器301中延迟元件/门的传播延迟。下面的处理单元900能够计算代表每个环形振荡器100和200的当前周期或者代表时间-数字转换器300的环形振荡器301的第一和第二解码状态的值N1和N2。
图3示出了使用环形振荡器100和200的应变测量电路10的第二实施例，它是图2A所示电路10的第一实施例的变型。图3的电路10包括仅一个时间测量通道的时间-数字转换器。根据图3所示的电路10的实施例，电路10仅包括一个TDC通道和一个存储电路400，例如采样和保持元件。
特别地，图3所示的电路10包括用于存储时间-数字转换器300的环形振荡器301的第一和第二状态的存储电路400。时间-数字转换器300的环形振荡器301的第一和第二状态的存储由至少一个第一和第二环形振荡器100和200控制。应变相关环形振荡器100和200一个接一个地被测量。因此，两个环形振荡器100和200都具有单独的开始信号start1、start2。
电路10包括用于选择激活的环形振荡器100和200连接到后续存储电路400的逻辑门/多路器700。多路器700被布置在存储电路400的控制输入节点C400与用于产生第一输出信号的至少一个第一环形振荡器100和用于产生第二输出信号的至少一个第二环形振荡器200的相应输出侧O100、O200之间，所述控制输入节点用于施加控制信号来控制时间-数字转换器300的环形振荡器301的第一和第二状态的存储。
多路器/逻辑门700被配置为控制环形振荡器301的第一和第二状态的存储，使得根据至少一个第一环形振荡器100的第一输出信号，将时间-数字转换器300的环形振荡器301的第一状态在第一时间存储在存储电路400中。至少一个第一环形振荡器100的输出信号取决于至少一个第一振荡器的周期持续时间，即通过至少一个第一环形振荡器的延迟元件110a、…、110n的信号传播延迟时间。
多路器/逻辑门700被配置为控制环形振荡器301的第一和第二状态的存储，使得根据至少一个第二环形振荡器200的第二输出信号，将时间-数字转换器300的环形振荡器301的第二状态在第一时间之后的第二时间存储在存储电路400中。至少一个第二环形振荡器200的输出信号取决于至少一个第二振荡器的周期持续时间，即通过至少一个第二环形振荡器的延迟元件210a、…、210n的信号传播延迟时间。
图3所示的应变测量电路10的方法降低了门数量，因此降低了管芯的实现面积，代价是降低了对TDC环形振荡器中的温度、电压、工艺和应变的抑制。由于时间-数字转换器的快速测量周期在几个MSPS(每秒百万个样本)的范围内，而电压、温度、过程或应变的变化被认为要慢得多，因此这种方法也是可行的。
关于图2B和图3所示的实施例，时间-数字转换器300中的时间基础应该对应变和感测环形振荡器不太敏感。图4A和图4B示出了时间-数字转换器300的用于提供应变不敏感的时间基础的两种可能配置。如上所述，已知环形振荡器周期的变化取决于衬底/管芯上环形振荡器的各个延迟元件的取向。
特别是在垂直环形振荡器中，如图4A所示，变化方向可以相反。因此，环形振荡器301的延迟元件/门可以有利地以几个取向布置，并且并联连接。
环形振荡器301可以包括多个延迟级301a、…、301n。每个延迟级包括至少两个彼此并联的延迟元件，其中每个延迟级301a、…、301n的相应延迟元件以不同的取向布置在衬底30上。具体而言，图4A示出了每个延迟级301a、…、301n的延迟元件以并联配置彼此垂直地布置。图4B示出了每个延迟级301a、…、301n中延迟元件的并联配置，其中，延迟元件以几个取向布置。根据可能的实施例，所示的四个延迟元件中的至少两个可以彼此垂直地布置。
图4A和图4B的并联延迟元件的取向能够在一定程度上平均时间-数字转换器300的应变依赖性。如图4B所示，对于两个以上的取向，抑制率将进一步提高。
图5示出了应变测量电路10的包括环形振荡器100和200的第三实施例。电路10被配置为具有垂直取向的环形振荡器100和200的所谓的游标TDC。垂直取向的环形振荡器100和200包括延迟元件/门110a、…、110n和210a、…、210n，其中，至少一个第一环形振荡器100的延迟元件110a、…、110n和至少一个第二环形振荡器200的延迟元件210a、…、210n彼此垂直定向。如上所述，第一和第二环形振荡器100、200的延迟元件的垂直对准不是强制性的。重要的因素是环形振荡器100和200中的各个延迟元件在衬底30上以不同的方向布置。两个环形振荡器100和200都由公共开始信号“开始”启动。
图5中所示的电路10包括第一计数器电路510，其被布置在至少一个第一环形振荡器100与处理电路900之间，以对在向至少一个第一环形振荡器100施加开始信号以启动至少一个第一环形振荡器与向至少一个第一环形振荡器100施加停止信号以停止至少一个第一环形振荡器之间通过至少一个第一环形振荡器100的第一数量个完整信号进行计数。电路100包括第二计数器电路520，其被布置在至少一个第二环形振荡器200和处理电路900之间，以对在向至少一个第二环形振荡器200施加开始信号以启动至少一个第二环形振荡器与向至少一个第二环形振荡器200施加停止信号以停止至少一个第二环形振荡器之间通过至少一个第二环形振荡器200的第二数量个完整信号进行计数。
根据图5所示的应变测量电路10的实施例，电路包括早-晚检测器单元610a、…、610n的链600，以检测至少一个第一和第二环形振荡器100、200的状态。早-晚检测器单元610a、…、610n中的每一个耦合到至少一个第一环形振荡器100的延迟元件110a、…、110n中的相应一个和至少一个第二环形振荡器200的延迟元件210a、…、210n中的相应一个。早-晚检测器单元610a、…、610n的链600被实施为使得：如果早-晚检测器单元610a、…、610n中的至少一个检测到连接到早-晚检测器单元中的所述一个的至少一个第一环形振荡器100的延迟元件110a、…、110n中的相应一个和连接到早-晚检测器单元中的所述一个的至少一个第二环形振荡器200的延迟元件210a、…、210n中的相应一个同时改变其各自的状态，则早-晚检测器单元610a、…、610n中的所述一个产生停止信号。
处理电路900被配置为确定第一值N1，该第一值代表在施加开始和停止信号之间经过至少一个第一环形振荡器100的完整信号的数量，以及由早-晚检测器单元610a、…、610n的链600检测到的至少一个第一环形振荡器100的当前状态。处理电路900还被配置为确定第二值N2，该第二值代表在施加开始和停止信号之间经过至少一个第二环形振荡器200的完整信号的数量，以及由早-晚检测器单元610a、…、610n的链600检测到的至少一个第二环形振荡器100的当前状态。处理电路900被配置成根据第一值N1和第二值N2的比率来确定施加在衬底30上的应变的大小。结果N1和N2量化具有不同的应变相关分辨率的同一时间段。
图5所示的方法基于具有应变相关的环形振荡器100和200的所谓的游标TDC。早-晚检测器单元链将指示环形振荡器100和200中的延迟元件何时同相切换，并且还将停止环形振荡器100和200。环形振荡器100和200的公共停止信号由早-晚检测器单元600的元件之一触发。设计的一些修改是可能的，例如将每个早-晚检测器单元601a、…、610n的相应停止信号施加到第一环形振荡器100的延迟元件之一和第二环形振荡器200的延迟元件之一，以及将开始信号施加给耦合到第一环形振荡器的第一门和耦合到第二环形振荡器的第二门。
由于所施加的应变，环形振荡器100和200中的一个可以比另一个正交取向的环形振荡器稍慢或稍快地切换它们的延迟元件。两个环形振荡器共同启动和停止，但是延迟并因此周期由于施加的应变而不同，每个环形振荡器中经过的延迟元件的第一值N1和第二值N2是不同的。
由于温度和电压的温度敏感性以及对振荡器100和200的工艺变化的依赖性基本相同，因此通过确定N1和N2两个TDC计数的比值，温度、电压或测量过程的影响能够显著降低。
参照图2B、图3和图5所示的电路10的实施例，应用其中延迟元件具有不同角度取向的应变相关环形振荡器具有几个优点。如果环形振荡器的周期为1000ns(纳秒)，封装件中施加的应变将使该周期最多变化4ns。借助现有时间-数字转换器的速度和分辨率，例如10ps(皮秒)的分辨率，可以将这4ns细分为400部分或8、6位。
TDC结合时间的高分辨率和几纳秒的快速转换时间。由于这个原因，如图2和图3的实施例中所示的基于环形振荡器的TDC(如抽头环形振荡器)或者如图5的实施例中所示的游标TDC对于用于频率计数器上的应变测量电路10是优选的。这两种类型的TDC的典型之处在于，它们还应用其中定时驱动元件基于数字门的传播延迟的环形振荡器。
由于测量速度快，有可能对几个结果进行平均，从而提高结果的分辨率。TDC解决了传播延迟的分辨率，例如，50ps或甚至更低的子门分辨率技术。快速的测量速度还可以测量出多个环形振荡器，并将结果组合起来进行补偿。
通常，环形振荡器中的门/反相器的传播延迟是TDC的量化LSB。根据所提出的应变测量电路10，该定时元件也集成在同一衬底上，并且位于同一应变之下。这种依赖性必须得到补偿。环形振荡器中的一个门通常是启用或禁用环形振荡器的门。利用这个门，由于转换速度快，在许多应用中不可能一直测量。因此，通过在死区时间内关闭所有环形振荡器，电流消耗能够显著降低。
关于应变测量电路的方法，指出在所有实施例中，完全切断工作电流是可能的，因为环形振荡器结合了使能/禁止门101、201或1001、2001。通过在应用中操作该门，平均电流消耗只有几微安是可能的。
TDC的时间分辨率在皮秒范围，计数器的时间分辨率在纳秒范围。因此，用频率计数器测量要慢得多，例如慢一百倍。这将限制分辨率，增加电流消耗，并降低对电压和温度以及可能的应变效应的抑制。
图6示出了环形振荡器的门/延迟元件在具有001平面的标准晶片的衬底上的可能取向的示例。用±0°表示的门(在这个示例中是反相器)确实具有进入晶片(110)方向的漏极-源极方向的电流。
图7A和图7B示出了应变测量电路10的配置，其可以用于平面应变分析。根据可能的实施例，为了平面应变分析的目的，提供了至少三个、但优选四个环形振荡器和时间-数字转换器。电路10的图7A和图7B所示的实施例包括四个应变相关环形振荡器100、200、1000、2000，它们包括各自的延迟元件。
环形振荡器100包括延迟元件110a、…、110n，而环形振荡器200包括在衬底上彼此垂直布置的延迟元件210a、…、210n。环形振荡器1000包括延迟元件1100a、…、1100n，而环形振荡器2000包括延迟元件2100a、…、2100n，延迟元件2100a、…、2100n彼此垂直地布置在衬底上。如上所述，延迟元件相对于彼此的其他不同角度取向是可能的。
根据图7A所示的实施例，延迟元件110a、…、110n沿90°方向布置，延迟元件210a、…、210n沿±0°方向取向。关于环形振荡器1000和2000，延迟元件1100a、…、1100n在+45°方向定向，延迟元件2100a、…、2100n在-45°方向定向。图7A的电路10的其他元件对应于图3所示的电路10的配置。环形振荡器100、200、1000和2000连接到一个时间-数字转换器300。环形振荡器在0°和45°取向以及各自的正交取向上彼此对齐。根据对称性，环形振荡器平行于[110]，[-110]，[100]和[010]的主晶面取向。由于标准晶片材料的对称性，环形振荡器100、200和1000、2000的电子特性成对相同。
关于图7B的电路10的实施例，环形振荡器100和200的延迟元件在-22.5°+90°和-22.5°的方向定向。环形振荡器1000和2000的延迟元件在+22.5°-90°和+22.5°的方向定向。环形振荡器100、200和1000、2000中的每个连接到各自的存储电路/采样和保持元件410、420、430和440。存储电路410、…、440连接到处理单元900，以计算各个环形振荡器的值/计数N1、N2和M1、M2。
与图7A的电路10的实施例相比，图7B所示的电路10的另一实施例使用了延迟元件的相对于环形振荡器的图7A的先前布置旋转22.5°并且正交的角度取向。该角度取向对应于标准(001)晶片上的[2-10]、[210]、[120]和[-120]晶格取向。在这种情况下，因为晶片材料的对称性导致更好地抑制PVT变化，因此每个环形振荡器100、200、1000、2000的电子特性是相同的。在图7B所示的电路10的实施例中，每个环形振荡器100、200、1000、2000连接到自己的TDC通道，并具有公共的开始信号。这保证了在计算应变测量值时对电压温度和TDC中的常见应变的高度抑制。
必须注意的是，平面应变分析也可以使用适用于三个环形振荡器的方法来执行，例如以120°角分布的三个环形振荡器。然而，由于晶片和封装上的对称性，因此图7A和图7B所示的使用四个环形振荡器的方法是优选的。
图8示出了在比率补偿之后具有对剩余温度效应的补偿的应变测量电路10的实施例。电路包括环形振荡器100和200以及环形振荡器1000和2000，环形振荡器100和200包括各自的彼此垂直取向的延迟元件，环形振荡器1000和2000包括各自的彼此垂直取向的延迟元件。每个环形振荡器连接到自己的TDC通道，该TDC通道包括连接到处理单元900的存储电路410、420、430和440。
已知压电系数以不同的方式与温度相关，依赖于延迟元件的NMOS晶体管和PMOS晶体管中的沟道宽度W或沟道长度L。在图8所示的方法中，沟道仅在NMOS和PMOS晶体管的沟道宽度W上变化。
具体而言，电路10包括第一组应变相关环形振荡器100和200，其具有相应延迟元件的NMOS晶体管的W1N和PMOS晶体管的W1P的沟道宽度，比率为W1N/W1P。此外，图8中所示的电路10包括第二组应变相关环形振荡器1000、2000，取向与之前相同，但是具有相应延迟元件的NMOS晶体管的W2N和PMOS晶体管的W2P宽度，比率W2N/W2P不同于W1N/W1P。WN、WP的这种差异将导致不同的温度漂移，然后能够使用该温度漂移例如通过将两个结果的加权和相加来补偿尽管采用比率测量法但仍存在的温度漂移。对于利用最初四个应变相关环形振荡器的平面应变分析布置，可能有必要为此目的应用另外四个具有不同WN/WP的应变相关环形振荡器。
已经发现，电路10也可以用于检测施加到衬底的压缩或拉伸应变。应变能够通过弯曲衬底的轴来施加，例如通过在衬底的0°轴上施加压缩应变或者在衬底的90°轴上施加与拉伸应变正交的压缩应变。在这两种情况下，尽管有两个施加应变的轴，应变相关环形振荡器周期的TDC测量值也具有相同的符号。仅用两个环形振荡器的两个测量计数N1和N2的比率不可能检测施加应变的方向。
实验已经表明，通常，指向应变方向的环形振荡器(例如在0°方向上具有压缩应变的0°取向的环形振荡器)的TDC测量值略高于指向正交于应变方向的环形振荡器(例如在0°方向上具有压缩应变的90°取向的环形振荡器)的TDC测量值。通过比较从垂直布置的环形振荡器获得的结果，即使应变的方向未知，也可以区分拉伸应变或压缩应变。两个轴和两种应变类型导致四种特征和可检测的应变类型。特别地，两个环形振荡器的测量振幅的符号和大小使得区分所有四种情况成为可能。
当考虑单片集成芯片时，总是可以应用较多的延迟链，如图2A所示，或者应用环形振荡器，如图2B、图3、图5、图7A、图7B和图8所示。此外，可以提供应变测量电路10的阵列。利用从几个环形振荡器或各种电路10获得的该附加信息，可以进一步检测例如由芯片的扭转引起的应变梯度。
图9示出了包括应变测量电路10的传感器器件1的实施例。传感器器件1的电路10被实施为测量施加在衬底30上的应变的大小和/或方向和/或应变梯度。电路10封装在外壳40中。
图10示出了包括传感器器件1的电子器件的实施例，传感器器件1包括应变测量电路10和另一电路20，二者都单片集成在衬底30中。
图11示出了包括多个传感器器件1a、1b、…、1n的传感器装置的实施例。根据有利的实施例，传感器器件1以菊链配置彼此连接。
应变感测通常限于芯片本身的面积。许多应用将需要在较大范围内检测应变状态。典型的应用是整个PCB上的应变分析、键盘按钮的更换、任何种类的坐或躺区域的应变状态、步行鞋中的应变和弯曲测量等。
对于这些种类的应用，至少需要几个器件，而且大规模上需要几十个器件。处理器或控制器必须操作所有这些器件。例如，在SPI协议中，每个器件都有自己的选择线，导致处理器或控制器需要几十个额外的引脚。例如，在I2C协议中，每个器件都需要一个专用总线地址。这意味着在任何情况下，为了分配单独的地址，对每个器件都要进行专门的处理。此外，具体到I2C协议，可用器件地址的范围是有限的。
克服这个问题的解决方案以菊链连接所有器件，如图11所示。整个总线或总线的一部分通过每个器件形成环。所有器件都连接到串行链。每个器件以相同的方式连接到左侧和右侧的相邻芯片。
菊链连接的具体优势是每个传感器节点/器件使用相同的电路，以及外壳或PCB中芯片的相同联接。此外，对于电缆连接的PCB，每个PCB都是相同的。控制器只需要引脚或总线地址等资源就可以与单个器件通信。
电路10的各种实施例可以用于多个应用领域中的应变测量。应变测量电路10可用于例如移动电话、个人电脑、笔记本或平板电脑的领域，用于强制按压检测、深度按压检测、动手检测或在PCB、外壳等上记录损坏。此外，电路10可以应用于工业应用中，用于应变仪的数字替换，用于数字扭矩感测、机械应力感测和分析，用于使传感机器人能够进行力和抓握以及重量感测。此外，电路10可用于力或弯曲激活开关(确定触发水平)或用于夹子、附件等的力传感器。此外，电路10可以用于过程和产品监控和分析。电路10的阵列可以用作能够进行机械应力的2D和3D记录和分析的传感器。
另一个应用领域是家用电器，其中，电路10能够用作厨房电器(咖啡机、皂液分配器等)的填充水平传感器。在可再生能源领域，应变测量电路10可用于风力发电设备的无线监测或水轮机监测和诊断。在健康领域，作为衣服和织物中的智能传感器，作为鞋或袜子中的传感器器件，或者作为限制对牙齿的过度力的传感电子牙刷，电路10可以用于健康监测目的或分析。在运动/可穿戴器件领域，电路10可以用作力和弯曲感测装置。通用功能是这些器件能够通过NFC供电，并通过超低功率运行。所有器件都为人工智能分析生成数据。
此外，应变测量电路10可以应用于图像传感器的一般领域，以提供弯曲图像传感器的弯曲控制或背照式薄晶片的厚度控制。特别地，在弯曲图像传感器领域，应变测量电路10使得透镜的形状因子较小，提供了弯曲图像传感器中局部或整体弯曲的测量，改进了该过程，并且可以用作例如聚焦的附加补偿措施的基础。
附图标记列表
1 传感器器件
2 电子器件
10 应变测量电路
20 电子电路
30 衬底
40 外壳
100 环形振荡器
110 延迟元件
200 环形振荡器
210 延迟元件
300 时间-数字转换器
301 环形振荡器
310 延迟元件
400、…、440 存储电路
510、520 计数器电路
600 早-晚检测器单元的链
610 早-晚检测器单元
700 多路器
800 分频器
900 处理电路
1000 环形振荡器
1100 延迟元件
2000 环形振荡器
2100 延迟元件。
Claims (13)
1.一种应变测量电路，包括：
-布置在衬底(30)上的具有多个延迟元件(110a、…、110n)的至少一个第一延迟链(110)和具有多个延迟元件(210a、…、210n)的至少一个第二延迟链(210)，至少一个第一和第二延迟链(110、210)的各个延迟元件(110a、…、110n；210a、…、210n)的传播延迟时间取决于施加到衬底(30)的应变，
-其中，在衬底(30)上，所述至少一个第一延迟链(110)的延迟元件(110a、…、110n)具有与所述至少一个第二延迟链(210)的延迟元件(210a、…、210n)不同的取向，
-处理电路(900)，其用于根据第一延迟链(110)的第一信号传播延迟时间和第二延迟链(210)的第二信号传播延迟时间来确定施加在衬底(30)上的应变的大小；
其中所述应变测量电路包括：
-以不同的取向布置在所述衬底(30)上的至少一个第一环形振荡器(100)和至少一个第二环形振荡器(200)，其中，所述至少一个第一环形振荡器(100)包括至少一个第一延迟链(110)，并且所述至少一个第二环形振荡器(200)包括至少一个第二延迟链(210)，
-其中，所述至少一个第一环形振荡器(100)具有取决于施加在衬底(30)上的应变的方向的第一振荡频率，
-其中，所述至少一个第二环形振荡器(200)具有取决于施加在衬底(30)上的应变的方向的第二振荡频率，并且
-其中，所述处理电路(900)配置为根据所述第一振荡频率和所述第二振荡频率来确定施加在衬底(30)上的应变的大小；
其中所述应变测量电路包括：
-具有环形振荡器(301)的时间-数字转换器(300)，
-其中，所述时间-数字转换器的环形振荡器(301)具有用于响应于所述时间-数字转换器(300)的环形振荡器(301)的状态来生成时间-数字转换器的环形振荡器(301)的输出信号的输出侧(O301)；
-其中，根据所述至少一个第一环形振荡器(100)的周期持续时间确定第一时间，所述至少一个第一环形振荡器(100)的周期持续时间取决于所述至少一个第一环形振荡器(100)的延迟元件(110a、…、110n)的传播延迟时间，并且
-其中，根据所述至少一个第二环形振荡器(200)的周期持续时间确定第二时间，所述至少一个第二环形振荡器(200)的周期持续时间取决于所述至少一个第二环形振荡器(200)的延迟元件(210a、…、210n)的传播延迟时间。
2.根据权利要求1所述的应变测量电路，
-其中，所述处理电路(900)被配置成根据在所述第一时间检测到的表示时间-数字转换器(300)的环形振荡器(301)的第一解码状态的第一值(N1)与在所述第二时间检测到的表示时间-数字转换器(300)的环形振荡器(301)的第二解码状态的第二值(N2)之间的比率来确定施加在衬底(30)上的应变的大小。
3.根据权利要求2所述的应变测量电路，包括：
-用于存储所述时间-数字转换器(300)的环形振荡器(301)的第一状态的至少一个第一存储电路(410)，其中，所述第一状态的存储由至少一个第一环形振荡器(100)控制，以及
-用于存储所述时间-数字转换器(300)的环形振荡器(301)的第二状态的至少一个第二存储电路(420)，其中，所述第二状态的存储由至少一个第二环形振荡器(200)控制。
4.根据权利要求1所述的应变测量电路，包括：
-第一计数器电路(510)，其被布置在至少一个第一环形振荡器(100)与所述处理电路(900)之间，以对在向所述至少一个第一环形振荡器(100)施加开始信号以启动所述至少一个第一环形振荡器与向所述至少一个第一环形振荡器(100)施加停止信号以停止所述至少一个第一环形振荡器之间通过所述至少一个第一环形振荡器(100)的第一数量个完整信号进行计数，以及
-第二计数器电路(520)，其被布置在至少一个第二环形振荡器(200)与所述处理电路(900)之间，以对在向所述至少一个第二环形振荡器(200)施加开始信号以启动所述至少一个第二环形振荡器与向所述至少一个第二环形振荡器(200)施加停止信号以停止所述至少一个第二环形振荡器之间通过所述至少一个第二环形振荡器(200)的第二数量个完整信号进行计数。
5.根据权利要求4所述的应变测量电路，包括：
-具有早-晚检测器单元(610a、…、610n)的链(600)，其用于检测至少一个第一和第二环形振荡器(100、200)的状态，
-其中，所述早-晚检测器单元(610a、…、610n)中的每个耦合到所述至少一个第一和第二环形振荡器(100、200)的延迟元件(110a、…、110n；210a、…、210n)中的相应一个，以及
-其中，所述具有早-晚检测器单元(610a、…、610n)的链(600)被实施为使得如果早-晚检测器单元(610a、…、610n)中的至少一个检测到连接到所述早-晚检测器单元中的所述一个的所述至少一个第一环形振荡器(100)的延迟元件(110a、…、110n)中的相应一个与连接到所述早-晚检测器单元中的所述一个的所述至少一个第二环形振荡器(200)的延迟元件(210a、…、210n)中的相应一个同时改变其各自的状态，则所述早-晚检测器单元(610a、…、610n)中的所述一个产生停止信号。
6.根据权利要求5所述的应变测量电路，
-其中，所述处理电路(900)配置为确定第一值(N1)并确定第二值(N2)，所述第一值表示在施加所述开始信号和与所述停止信号之间经过所述至少一个第一环形振荡器(100)的完整信号的数量以及由所述具有早-晚检测器单元(610a、…、610n)的链(600)检测到的所述至少一个第一环形振荡器(100)的当前状态，所述第二值表示在施加所述开始信号和与所述停止信号之间经过所述至少一个第二环形振荡器(200)的完整信号的数量以及由所述具有早-晚检测器单元(610a、…、610n)的链(600)检测到的所述至少一个第二环形振荡器(200)的当前状态，并且
-其中，所述处理电路(900)配置为根据所述第一值(N1)和所述第二值(N2)的比率来确定施加在所述衬底(30)上的应变的大小。
7.根据权利要求1所述的应变测量电路，
其中，至少一个第一和第二环形振荡器(100、200)同时共同启动。
8.根据权利要求1所述的应变测量电路，包括：
存储电路(400)，其用于存储所述时间-数字转换器(300)的环形振荡器(301)的第一和第二状态，其中，所述时间-数字转换器(300)的环形振荡器(301)的第一和第二状态的存储由至少一个第一和第二环形振荡器(100、200)控制。
9.根据权利要求8所述的应变测量电路，包括：
-多路器(700)或逻辑门，其被布置在用于控制所述时间-数字转换器(300)的环形振荡器(301)的第一和第二状态的存储的所述存储电路(400)的控制输入节点(C400)与用于产生第一输出信号的至少一个第一环形振荡器(100)和用于产生第二输出信号的至少一个第二环形振荡器(200)的相应输出侧(O100、O200)之间，
-其中，所述多路器(700)或逻辑门被配置为控制环形振荡器(301)的第一和第二状态的存储，使得根据至少一个第一环形振荡器(100)的第一输出信号，将所述时间-数字转换器(300)的环形振荡器(301)的第一状态在第一时间存储在所述存储电路(400)中，并且
-其中，所述多路器(700)或逻辑门被配置为控制环形振荡器(301)的第一和第二状态的存储，使得根据至少一个第二环形振荡器(200)的第二输出信号，将所述时间-数字转换器(300)的环形振荡器(301)的第二状态在第一时间之后的第二时间存储在所述存储电路(400)中。
10.根据权利要求1所述的应变测量电路，
其中，所述至少一个第一和第二环形振荡器(100、200)的相应振荡由单独的开始信号(start1、start2)开始。
11.一种传感器器件，包括：
-如权利要求1至10中任一项所述的应变测量电路(10)，
-其中，所述传感器器件(1)的应变测量电路(10)被实施为测量施加在衬底(30)上的应变的大小和/或方向和/或应变梯度，
-封装所述应变测量电路(10)的外壳(40)。
12.一种电子器件，包括：
-如权利要求11所述的传感器器件(1)，以及
-电子电路(20)，
-其中，所述应变测量电路(10)和电子电路(20)单片集成在所述衬底(30)中。
13.一种传感器装置，包括：
多个根据权利要求11所述的传感器器件(1)，其中，多个所述传感器器件(1)以菊链配置彼此连接。
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