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Hintergrund
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Shuntwiderstände können in Stromfühlsystemen (CSS) verwendet werden. Der Artikel „A micropower battery current sensor with ±0.03% (3σ) inaccuracy from –40°C to +85°C," Dig. ISSCC, S. 386–387, Feb. 2013, S. H. Shalmany, D. Draxelmayr, und K. A. A. Makinwa offenbart einen metallischen Shuntwiderstand, der mit einer Batterie in Reihe verbunden ist. Batteriestrom, der durch den Shuntwiderstand fließt, bewirkt einen Spannungsabfall, der mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) gemessen wird. Der Shuntwiderstand weist einen großen Temperaturkoeffizienten von etwa 0,35%/°C auf und erwärmt sich um etwa 6°C pro 1A Strom durch den Widerstand. Es kann Shuntwiderstände mit einem anderen Temperaturkoeffizienten geben. Zum Beispiel kann dieser abhängig von der Zusammensetzung des Shuntwiderstandes (Kupfer/Aluminium, durch die Bauweise, ...) variieren. Ferner sind Präzisionsshuntwiderstände als externe Bauteile mit relativ niedrigen Temperaturkoeffizienten (nominell null) verfügbar. Dies kostet jedoch Platz auf der Leiterplatte und Geld. Das Ausgabesignal eines Temperatursensors wird in einem Korrekturschaltkreis des Analog-Digital-Wandlers verwendet, um die Eigenerwärmung des Widerstandes zu kompensieren. Sogar mit diesem Kompensationsschema bleibt aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Shuntwiderstandes eine Ungenauigkeit der Stromfühlung. Es gibt im Grunde genommen zwei Haupteinflussfaktoren: die Ungenauigkeit des Temperaturkoeffizienten und die Ungenauigkeit der Messung der tatsächlichen Shuntwiderstandtemperatur.
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Es ist ein Ziel der Erfindung, die Ungenauigkeit eines Stromfühlsystems zu reduzieren.
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Dieses Ziel wird mithilfe des Gegenstandes des unabhängigen Anspruches erreicht.
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Zusammenfassung
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In einer Ausführungsform wird ein Shuntwiderstand bereitgestellt, der zwei Anschlüsse, ein Halbleitersubstrat, das zumindest einen, zumindest ein temperaturempfindliches Element umfassenden Temperatursensor enthält, und zumindest zwei Metallschichten über dem Halbleitersubstrat umfasst, wobei zumindest die obere der Metallschichten einen Pfad umfasst, der die beiden Anschlüsse elektrisch verbindet, wobei der Temperatursensor unterhalb und innerhalb des Randes der oberen Metallschicht ist. Das temperaturempfindliche Element kann einen pn-Übergang umfassen.
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Die vorangehende Zusammenfassung ist rein veranschaulichend und soll in keiner Weise beschränkend sein. Zusätzlich zu den oben beschriebenen veranschaulichenden Aspekten, Ausführungsformen und Merkmalen werden weitere Aspekte, Ausführungsformen und Merkmale durch Bezugnahme auf die Zeichnungen und die folgende Detailbeschreibung offensichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die vorangehenden und andere Merkmale dieser Offenbarung werden, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, aus der folgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen stärker offensichtlich. In dem Verständnis, dass diese Zeichnungen mehrere Ausführungsformen gemäß der Offenbarung darstellen und daher nicht als deren Schutzumfang beschränkend zu betrachten sind, wird die Offenbarung mit zusätzlicher Genauigkeit und Detailliertheit durch die Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine schematische Übersicht über die Funktionsblöcke eines Stromfühlsystems (CSS) zeigt.
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2 einen Querschnitt durch einen Nebenschlusswiderstand und einen Teil eines Spannungsreferenzschaltkreises des CSS aus 1 zeigt.
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3 die Layoutdes CSS aus 1 zeigt.
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Detailbeschreibung der Zeichnungen
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In der folgenden Detailbeschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die auch Teil der Beschreibung sind. Sofern nicht anders erwähnt, kann die Beschreibung nachfolgender Zeichnungen auf Merkmale aus einer oder mehreren der vorangehenden Zeichnungen Bezug nehmen, um einen klareren Kontext sowie eine umfangreichere Erklärung der aktuellen, beispielhaften Ausführungsform bereitzustellen. Dennoch sollen die beispielhaften Ausführungsformen, die in der Detailbeschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen beschrieben werden, nicht beschränkend sein. Andere Ausführungsformen können verwendet werden, und andere Änderungen können vorgenommen werden, ohne vom Sinn und vom Schutzumfang des hier präsentierten Gegenstandes abzuweichen. Es wird leicht zu verstehen sein, dass die Aspekte der vorliegenden Offenbarung, wie allgemein hier beschrieben und in den Figuren dargestellt, in einer großen Vielzahl von unterschiedlichen Konfigurationen angeordnet, ausgetauscht, kombiniert, getrennt und ausgelegt werden kann, die alle explizit hierin erfasst sind.
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1 zeigt eine schematische Übersicht der Funktionsblöcke eines Stromfühlsystems (CSS) 1. Das CSS 1 umfasst eine Last 2, eine Batterie 3 und einen Shuntwiderstand 4, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 5, einen Korrekturschaltkreis 6 und einen Bandlücken-Referenzschaltkreis (BGR) 21. Die Batterie 3 stellt eine Spannung bereit, wobei ein Anschluss der Batterie 3 mit einem Anschluss der Last verbunden ist, deren zweiter Anschluss mit Masse 33 verbunden ist. Der zweite Anschluss der Batterie 3 ist mit einem ersten Anschluss des Shuntwiderstandes 4 verbunden, dessen zweiter Anschluss mit Masse 33 verbunden ist. Daher fließt der Strom durch die Batterie auch durch den Shuntwiderstand 4. Die Spannung zwischen den beiden Anschlüssen des Shuntwiderstandes 4 ist Vshunt. Da dies eine Reihenschaltung von Elementen ist, könnte diese Reihenschaltung auch in einer anderen Reihenfolge sein. Zum Beispiel könnte man auch in Erwägung ziehen, den Shuntwiderstand mit dem positiven Anschluss der Batterie zu verbinden. Die „Batterie” könnte jedoch eine beliebige Energiequelle sein. Sie könnte auch ein elektronischer Schaltkreis sein, zum Beispiel ein Transformator mit einem Gleichrichter. Der Shuntwiderstand wird auch in einer 4-Draht-Abfühlkonfiguration (Kelvinschaltung) verwendet, welche den Fehler bei der I-zu-V-Umwandlung eliminiert, der durch den parasitären Shuntwiderstand/Anschlusswiderstand verursacht wird.
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Die Bandlückenreferenz 21 umfasst einen ersten Bipolartransistor 9, einen zweiten Bipolartransistor 10, die beide pnp-Transistoren sind. Die Basen und die Kollektoren der Transistoren 9 und 10 sind mit Masse 33 verbunden, während der Emitter des ersten Transistors 9 mit einem ersten Anschluss einer ersten Stromquelle 8 verbunden ist und der Emitter des zweiten Transistors 10 mit einem ersten Anschluss einer zweiten Stromquelle 7 verbunden ist. Die Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter des zweiten Transistors 10 ist die Spannung VBE („Diodenspannung”) mit einem signifikant negativen Temperaturkoeffizienten, und die Spannung zwischen den Emittern des ersten Transistors 9 und des zweiten Transistors 10 ist die temperaturabhängige Spannung Delta VBE mit einem positiven Temperaturkoeffizienten. Die Stromdichte durch den zweiten Transistor 10 ist 16 Mal kleiner als der Strom durch den ersten Transistor. Die Dimensionen des Strompegels, die Fläche für die PNPs und das Stromdichteverhältnis sollte sehr genau definiert sein. Zu diesem Zweck können dynamische Elementanpassungstechniken verwendet werden. Die Stromdichte sollte nicht zu hoch sein, wenn der parasitäre Widerstand des Transistors die Genauigkeit herabsetzt, und sollte nicht zu gering sein, wenn das Beta der Transistoren nicht gleich ist.
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Der Temperatursensor umfasst ein temperaturempfindliches Element mit zumindest einem pn-Übergang. Es gibt viele mögliche Varianten: pnp könnte npn sein, die Transistoren könnten Dioden sein, die Manipulation des positiven und negativen TC könnte analog oder digital nach dem ADC erfolgen.
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In jedem Fall dienen diese „Bandlückenspannungen” dazu, die Temperatur zu bestimmen. Es ist jedoch allgemein gut bekannt, wie Bandlückenelemente zur Temperaturmessung verwendet werden können. Es ist auch bekannt, wie eine einzelne Diode (die in diesem Fall die PNPs ersetzen würde) für Temperaturmessungen verwendet werden kann.
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Der ADC 5 empfängt die Spannungen Vshunt, Delta VBE und VBE. Der ADC 5 wandelt die Spannungen Vshunt und Delta VB in einem Zeitmultiplexverfahren in digitale Signale Vm und Tm um, wobei Vm die Shuntwiderstandspannung und Tm die Temperatur angibt.
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Man könnte auch die Verwendung zweier ADCs in Erwägung ziehen: den einen für Shuntwiderstandsmessungen und den anderen für Temperaturmessungen. Dies erlaubt ununterbrochene Strommessungen, die in dynamischen Situationen wichtig sein könnten.
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Die Signale Vm und Tm sind Eingangssignale für den Korrekturschaltkreis, der ein Signal Vmc ausgibt, das einen temperaturkompensierten Wert für den Strom durch den Shuntwiderstand 4 angibt.
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Der Batteriestrom Ibat wird durch das Digitalisieren des Spannungsabfalls Vshunt an einem 10-mΩ-MetallShuntwiderstand gemessen. Üblicherweise wird der Wert des Shuntwiderstandes Rshunt in Abhängigkeit des Wertes des maximal zu messenden Stromes gewählt. Der Shuntwiderstand nutzt vier Metallschichten (M2 bis M5) parallel und ist relativ groß, um niederohmige Kontakte zur Außenwelt über acht Bondkontakte zu erleichtern. Diese Zahlen können sich in verschiedenen Ausführungsformen unterscheiden. Rshunt leidet jedoch unter Prozessstreuung (bis zu ±15%) und einem großen Temperaturkoeffizienten (etwa 0,35%/°C). Erstere wird durch Raumtemperatur-Kalibrierung korrigiert, während letzterer mittels eines Temperaturkompensationsschemas abgeschwächt wird. Dies beinhaltet das Messen der Temperatur des Shuntwiderstandes (mit den PNPs des BGR) und die darauffolgende Durchführung einer Polynomkorrektur des digitalisierten Wertes von Vshunt.
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2 zeigt einen Querschnitt durch den Shuntwiderstand 4 und die Transistoren 9 und 10 des CSS aus 1. 2 zeigt ein Halbleitersubstrat 100, das sich in die horizontale Richtung erstreckt. Die pnp-Transistoren 9 und 10 sind in einer Region 14, welche Teil der oberen Oberfläche des Substrats 100 ist, in das Substrat eingebettet. Während der Herstellung der Vorrichtung wurden die p- und n-Regionen in der Region 14 durch das Dotieren des Siliziums in der oberen Oberfläche 101 des Substrats 100 hergestellt. Über der oberen Oberfläche 101 des Substrats 100 wird eine erste Oxidschicht 191 bereitgestellt, die durch Durchkontaktierungen 102 unterbrochen wird. Über der ersten Oxidschicht 191 wird eine erste Metallschicht M1 bereitgestellt. Die Schichten über der ersten Metallschicht M1 sind, in vertikaler Reihenfolge von unten nach oben, eine zweite Oxidschicht 192, eine zweite Metallschicht M2, eine dritte Oxidschicht 193, eine dritte Metallschicht M3, eine vierte Oxidschicht 194, eine vierte Metallschicht M4, eine fünfte Oxidschicht 195 und eine fünfte Metallschicht M5. Benachbarte Schichten sind über Durchkontaktierungen 11 elektrisch miteinander verbunden.
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Die erste Metallschicht M1 umfasst verschiedene Leitungen. Die Leitungen 15, 16, 17, 18, 19 und 20 sind über die Durchkontaktierungen 102 mit den Anschlüssen der Transistoren 9 und 10 verbunden.
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Die Leitungen 103, 104 und 105 sind mit der zweiten Metallschicht M2 verbunden. Es ist jedoch ein Ziel einer Ausführungsform, dass letztere Leitungen keinen Shuntwiderstandsstrom leiten, weil der Strom unvermeidbar durch die Durchkontaktierungen innerhalb der Kelvin-Schaltung fließt, die einen anderen und nicht so gut definierten Temperaturkoeffizienten aufweisen könnte. Sie sollten jedoch die Wärme vom Shuntwiderstand zum Temperatursensor leiten, um eine genaue Temperaturmessung der Shuntwiderstandstemperatur zu erlauben. Die Leitungen 15–20 dienen dazu, die temperaturabfühlenden Elemente mit dem Rest des Schaltkreises (Stromquellen, ADC) zu verbinden.
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Anschlüsse für den Shuntwiderstand 4 sind die Anschlüsse T1 und T2 auf der Metallschicht, wo die Anschlüsse durch Schaltungen außerhalb des Shuntwiderstandes verbunden sein können. Die Metallschichten M2 bis M5 sind parallel verbunden, sodass der Shuntwiderstand einen geringen spezifischen Widerstand aufweist. Ein geringer spezifischer Widerstand bedeutet geringe Energieverluste im Shuntwiderstand. Die erste Metallschicht M1 umfasst Leitungen, die dazu verwendet werden, um Anschlüsse der pnp-Transistoren zu verbinden. Daher wird ein Teil der vertikal angeordneten Metallschichten dazu verwendet, um den Temperatursensor zu verbinden, und der andere Teil wird dazu verwendet, um den Strom durch den Shuntwiderstand zu führen. Dies erlaubt eine kurze Wärmekopplung zwischen den stromleitenden Schichten und dem Temperatursensor. Daher ist die Temperatur am Sensor nahe an der Temperatur der leitfähigen Schichten, was die Genauigkeit der Temperaturmessung verbessert. Ferner spart das Bereitstellen des Temperatursensors unter den leitfähigen Metallschichten Platz im Vergleich zu Schaltkreisen, bei denen der Temperatursensor außerhalb des Randes der leitfähigen Metallschichten bereitgestellt wird. Sogar einige der Leitungen der ersten Metallschicht M1 werden ebenfalls zur Stromleitung verwendet. Daher können sich diese Leitungen ebenfalls erwärmen, wenn sie Strom leiten.
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Es kann andere Ausführungsformen geben, in denen Leitungen der ersten Metallschicht M1 Shuntwiderstandsstrom leiten.
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Der Shuntwiderstand nutzt die oberen Metallschichten (M2 bis M5), was es möglich macht, die temperaturabfühlenden PNPs direkt darunter anzuordnen und dadurch eine Wärmekopplung mit dem Shuntwiderstand zu verbessern. Wie in 2 gezeigt, wird diese Kopplung weiter durch die Verwendung thermischer Durchkontaktierungen zwischen dem Shuntwiderstand und einer M1-Schicht verbessert, welche die PNPs umgibt. Messungen zeigen, dass diese Modifikationen zu einer drei Mal höheren Verbesserung der Genauigkeit der geschätzten Shuntwiderstandstemperatur im Vergleich zu vorhergehenden Publikationen führen.
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Die Joulsche Erwärmung des parasitären Widerstandes der Schaltungen zwischen dem CSS und der Außenwelt gibt die Verlustleistung an. Ferner bewirkt sie Temperaturgradienten auf dem Chip, die wiederum zu Fehlern bei der geschätzten Shuntwiderstandstemperatur führen. Um solche parasitären Widerstände zu minimieren, wurde der Chip direkt auf eine Leiterplatte montiert, mit der der Shuntwiderstand auf dem Chip durch 32 kurze (< 1 mm lange) Bonddrähte verbunden wurde. Der gesamte parasitäre Reihenwiderstand ist weniger als 10 mOhm. In der Massenproduktion können solch geringe Widerstände durch die Verwendung von Einhausungen auf Waferebene und Ball-Bonden erzielt werden.
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Um sowohl T als auch Ibat zu digitalisieren, wird der ADC in einem inkrementellen Modus betrieben und zeitlich gemultiplext: mit Umwandlungszeiten von 22,5 ms für Ibat beziehungsweise 2,5 ms für T. Ein Temperaturmittelungsschema (TAS), bei dem das Mittel aus zwei aufeinanderfolgenden T-Messungen verwendet wird, um jede Ibat-Messung zu kompensieren, führt zu einer verbesserten Genauigkeit, besonders während transienter Ströme.
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3 zeigt eine Layout des CSS. Das CSS ist in einen integrierten Schaltkreis 1000 integriert, was bedeutet, dass die Bauteile des CSS ein gemeinsames Siliziumsubstrat teilen, wobei das Substrat 100 in 2 gezeigt wird.
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Die die von links nach rechts in folgender Reihenfolge angeordneten Bauteile des CSS sind: Shuntwiderstand 4, Bandlücke 21, Analog-Digital-Wandler 5 und Korrekturschaltkreis 6. Der Shuntwiderstand 4 ist eine Draufsicht. Die Linie A-A zeigt den Querschnitt in 2 an. Die Metallschicht M5 umfasst eine ununterbrochene Leitung 23. Auf der ununterbrochenen Leitung 23 sind Anschlüsse 30 bereitgestellt, die über Leitungen 26 mit Bondkontakten 27 verbunden sind, die über Drahtbondverbindungen 27 mit der Außenseite des integrierten Schaltkreises 1000 verbunden sind. Die Anschlüsse 30 definieren den Rand P. Der Strom durch die Anschlüsse des Shuntwiderstandes fließt innerhalb des Randes P. Anders gesagt ist der Pfad zwischen den Anschlüssen innerhalb des Randes P. Die Transistoren 9 und 10, welche die PNPs sind, die Teil der ”Bandlücke” sind, sind unter der Metallschicht 23 in einer mittigen Position angeordnet und weisen etwa dieselben Abstände zu den Randleitungen auf. Die Transistoren sind innerhalb des Randes der Metallschichten, was sicherstellt, dass sie – in der ebenen Ansicht in 3 – nicht außerhalb der Metallleitungen sind. Die Leitungen 18 und 20, die Teil der ersten Metallschicht 18 sind, erstrecken sich bis zu den Stromquellen 7 und 8. Der Analog-Digital-Wandler ist rechts von der Bandlücke 21 bereitgestellt und empfängt Spannungen von der Bandlücke 21 und vom Shuntwiderstand 4. Rechts vom Analog-Digital-Wandler ist der digitale Korrekturschaltkreis, der unter anderem die Temperaturabhängigkeit des Shuntwiderstandes 4 kompensiert. Der kompensierte Ausgabewert der Ausgang der Bondkontakt 25, der mit einer Drahtbondverbindung verbunden ist, die externe Komponenten mit dem integrierten Schaltkreis 1000 verbindet.
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Während verschiedene Aspekte und Ausführungsformen hier offenbart wurden, werden andere Aspekte und Ausführungsformen für Fachleute offensichtlich sein. Die hier offenbarten verschiedenen Aspekte und Ausführungsformen dienen der Veranschaulichung und sollen nicht beschränkend sein, wobei der wahre Schutzumfang und Sinn durch die folgenden Ansprüche angezeigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „A micropower battery current sensor with ±0.03% (3σ) inaccuracy from –40°C to +85°C,” Dig. ISSCC, S. 386–387, Feb. 2013, S. H. Shalmany, D. Draxelmayr, und K. A. A. Makinwa [0001]
