DE102015103075B4

DE102015103075B4 - Detektion und kompensation mechanischer spannungen

Info

Publication number: DE102015103075B4
Application number: DE102015103075.6A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner; Mario Motz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2017-04-20
Anticipated expiration: 2035-03-04
Also published as: CN105910735A; CN105910735B; DE102015103075A1; US20160245668A1; US10386250B2

Abstract

Träger einer elektronischen Schaltung zur Reduzierung einer auf einer mechanischen Spannung basierenden Störung – mit einem ersten Sensor zur Bestimmung eines ersten Signals basierend auf einer Summe einer ersten Normalspannungskomponente und einer zweiten Normalspannungskomponente, – mit einem zweiten Sensor zur Bestimmung eines zweiten Signals basierend auf einer Differenz der ersten Normalspannungskomponente und der zweiten Normalspannungskomponente.

Description

Die Erfindung betrifft einen Träger zur Detektion einer mechanischen Spannung, eine Schaltung zur Reduzierung einer auf einer mechanischen Spannung basierenden Störung sowie ein Verfahren zum Reduzieren einer derartigen Störung.
Aus US 6,906,514 B1 ist eine Schaltung zur Spannungskompensation bekannt.
Aus US 7,437,260 B2 ist bekannt, einen mechanischen Spannungssensor basierend auf einem p- und n-dotierten Widerstand bereitzustellen.
US 7,980,138 B1 offenbart einen mechanischen Spannungssensor aus einem lateralen und einem vertikalen Widerstand gleichen Dotiertyps.
US 8,240,218 B2 zeigt einen mechanischen Spannungssensor, der eine gemeinsame Wanne mit drei Kontakten aufweist.
Aus der CH 704 509 A1 ist ein Stresssensor zur Erfassung mechanischer Spannungen in einem Halbleiterchip bekannt.
Es ist bekannt, mechanische Spannungen, die sich störend auf elektronische Bauelemente auswirken können, zu bestimmen. Allerdings ist es von Nachteil, dass bekannte Spanungskompensationsschaltungen keine beliebigen mechanischen Spannungs-Komponenten bestimmen können, was deren Einsatz bzw. die Möglichkeiten der Kompensation einschränkt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den vorstehend genannten Nachteil zu überwinden und eine effiziente und günstige Lösung zur Detektion und Kompensation mechanischer Spannung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Träger einer elektronischen Schaltung (bzw. für eine elektronische Schaltung) vorgeschlagen

– mit einem ersten Sensor zur Bestimmung eines ersten Signals basierend auf einer Summe einer ersten Normalspannungskomponente und einer zweiten Normalspannungskomponente,
– mit einem zweiten Sensor zur Bestimmung eines zweiten Signals basierend auf einer Differenz der ersten Normalspannungskomponente und der zweiten Normalspannungskomponente.

Sowohl der erste Sensor also auch der zweite Sensor kann jeweils mindestens ein Sensorelement aufweisen. Insbesondere weist jeder der Sensoren mehrere Sensorelemente, z. B. n- oder p-dotierte Widerstandselemente auf, die einen Stromfluss in zueinander unterschiedliche Richtungen, z. B. (im Wesentlichen) senkrecht zueinander, detektieren können. Der erste und/oder zweite Sensor kann z. B. als Halbbrücke oder Vollbrücke ausgeführt sein. Das erste Signal kann eine Differenzspannung zwischen Sensorelementen bzw. Bestandteilen des Sensors sein. Dies gilt für das zweite Signal entsprechend.
Durch den Träger mit dem ersten und dem zweiten Sensor ist es möglich einzelne Normalspannungskomponenten und somit beliebige Kombinationen von Normalspannungskomponenten zu detektieren und im Rahmen einer Kompensationsschaltung entsprechend zu berücksichtigen.
Hierbei sei angemerkt, dass es zwei Normalspannungskomponenten in einer Ebene gibt, die im Wesentlichen eine Ebene in oder parallel zu der Oberfläche des Trägers bestimmt. Weiterhin gibt es eine dritte Normalspannungskomponente, die senkrecht zu dieser Ebene ausgerichtet ist.
Der Träger der elektronischen Schaltung kann auch als Halbleiterträger ausgeführt sein. Der Träger kann aus unterschiedlichen Materialien ausgeführt sein, z. B. Glas, Keramik, Printplatte.
Es ist eine Weiterbildung, dass die erste Normalspannungskomponente und die zweite Normalspannungskomponente parallel zu einer Oberfläche des Trägers ausgerichtet sind.
Insbesondere sind die erste Normalspannungskomponente und die zweite Normalspannungskomponente orthogonal zueinander und spannen eine Ebene auf, die in der Oberfläche des Trägers liegt oder parallel zu dieser Oberfläche des Trägers ausgerichtet ist.
Ferner sei angemerkt, dass die Oberfläche des Trägers makroskopisch planar ausgeführt sein kann. Alternativ kann diese Oberfläche auch eine Profilierung aufweisen.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass der erste Sensor und der zweite Sensor an einem gemeinsamen Ort angeordnet sind.
Ferner ist es eine Ausgestaltung, dass der erste Sensor und der zweite Sensor benachbart zueinander angeordnet sind.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass der Träger ein Substrat ist.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass der Träger auf oder in einem Chip oder einem Laminat angeordnet ist.
Das Laminat kann insbesondere einen Chip, einen Rahmen (Leadframe) und/oder eine Plastik-Ummantelung umfassen.
Weiterhin ist es eine Ausgestaltung, dass der erste Sensor und/oder der zweite Sensor folgende Bestandteile aufweist:

– mindestens ein n- oder p-dotiertes Bauelement, insbesondere Widerstand, Diode oder Transistor;
– eine Serienschaltung aus mindestens zwei Widerständen;
– zwei Widerstände, wobei einer der Widerstände im Wesentlichen orthogonal zu dem anderen Widerstand angeordnet ist.

Auch ist es eine Weiterbildung, dass der Träger einen dritten Sensor aufweist zur Bestimmung eines dritten Signals, das auf einer Schubspannung in einer Ebene der ersten Normalspannungskomponente und der zweiten Normalspannungskomponente basiert.
Zur Lösung wird auch eine Schaltung zur Reduzierung einer auf einer mechanischen Spannung basierenden Störung angegeben, umfassend

– einen ersten Sensor zur Bestimmung eines ersten Signals basierend auf einer Summe einer ersten Normalspannungskomponente und einer zweiten Normalspannungskomponente,
– einen zweiten Sensor zur Bestimmung eines zweiten Signals basierend auf einer Differenz der ersten Normalspannungskomponente und der zweiten Normalspannungskomponente,
– eine Verarbeitungseinheit, die eingerichtet ist, um basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal eine durch die mechanische Spannung hervorgerufene Störung zu reduzieren.

Insbesondere kann die Schaltung den hier beschriebenen Träger zusammen mit der Verarbeitungseinheit nutzen, um die durch die mechanische Spannung hervorgerufene Störung zu reduzieren bzw. zu kompensieren. Hierbei sei angemerkt, dass ”kompensieren” in den hier beschriebenen Fällen auch ein teilweises Kompensieren umfasst. Somit kann ein Effekt, der durch die mechanische Spannung hervorgerufen wird, vollständig oder teilweise kompensiert werden.
Eine Option besteht darin, dass der erste Sensor und der zweite Sensor mindestens ein gemeinsames Bauelement, z. B. ein Widerstandselement, einen Transistor, etc. aufweisen.
Es ist eine Ausgestaltung, dass die erste Normalspannungskomponente und die zweite Normalspannungskomponente parallel zu einer Oberfläche eines Chips ausgerichtet sind.
Insbesondere ist die hier beschriebene Schaltung auf dem Chip angeordnet.
Ferner ist es eine Ausgestaltung, dass die Verarbeitungseinheit eingerichtet ist, um basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal ein Steuersignal bereitzustellen, anhand dessen die durch die mechanische Spannung hervorgerufene Störung mindestens eines elektronischen Bauelements zumindest teilweise reduzierbar ist.
Die Störung betrifft das mindestens eine elektronische Bauelement. Durch die hier beschriebenen Sensoren (erster und zweiter Sensor) ist es möglich, die mechanische Spannung zu bestimmen, die für die Störung des mindestens einen elektronischen Bauelements verantwortlich ist. Durch Kenntnis der Störung kann eine Nachverarbeitung oder eine Vorverarbeitung erfolgen, so dass das von dem mindestens einen elektronischen Bauelement bereitgestellte Signal (in etwa) so ist als wäre die mechanische Spannung nicht (oder kaum) vorhanden. Der Effekt der Störung (durch die mechanische Spannung) auf das bereitgestellte Signal kann somit wirksam reduziert werden.
Hierbei sei angemerkt, dass die Formulierung, dass die ”Störung reduziert wird/ist” implizit umfasst, dass der durch die Störung hervorgerufene Effekt reduziert wird/ist. Insoweit geht es nicht darum, die auftretende mechanische Spannung selbst zu reduzieren, sondern den durch sie hervorgerufenen Effekt, also die Störung, zu vermindern.
Zusätzlich ist es eine Ausgestaltung, dass das mindestens eine elektronische Bauelement mindestens eines der folgenden umfasst:

– einen Mess-Sensor,
– einen Druck-Sensor,
– einen Hall-Sensor, insbesondere umfassend Hall-Platten,
– einen Oszillator, insbesondere einen Relaxationsoszillator,
– eine Spannungsquelle, insbesondere eine auf einer Bandlücke basierenden Konstantspannungsquelle,
– eine Stromquelle, insbesondere eine Konstantstromquelle,
– einen Temperatursensor.

Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Verarbeitungseinheit eingerichtet ist, um basierend auf einer Linearkombination oder einer nichtlinearen Kombination des ersten Signals und des zweiten Signals die durch die mechanische Spannung hervorgerufene Störung zu reduzieren.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die Schaltung ferner ausgeführt ist

– mit einem dritten Sensor zur Bestimmung eines dritten Signals, das auf einer Schubspannung in einer Ebene der ersten Normalspannungskomponente und der zweiten Normalspannungskomponente basiert,
– wobei die Verarbeitungseinheit eingerichtet ist, um basierend auf dem ersten Signal, dem zweiten Signal und dem dritten Signal eine durch die mechanische Spannung hervorgerufene Störung zu reduzieren.

Das dritte Signal ist beispielsweise proportional zu einer Schubspannung in der Ebene, die durch die Oberfläche des Chips bestimmt oder parallel zu dieser Oberfläche ausgerichtet ist. Beispielsweise verläuft die erste Normalspannungskomponente in x-Richtung und die zweite Normalspannungskomponente in y-Richtung. Die hier genannte Schubspannung verläuft dann beispielhaft in der x-y-Ebene.
Entsprechend sind auch andere (zusätzliche) Sensoren einsetzbar, anhand derer weitere Schub- oder Normalspannungen gemessen werden. Signale dieser Sensoren können zur Verminderung der durch mechanische Spannungen erzeugten Störung eingesetzt werden.
Die hier genannte Verarbeitungseinheit kann insbesondere als eine Prozessoreinheit und/oder eine zumindest teilweise festverdrahtete oder logische Schaltungsanordnung ausgeführt sein, die beispielsweise derart eingerichtet ist, dass das Verfahren wie hierin beschrieben durchführbar ist. Besagte Verarbeitungseinheit kann jede Art von Prozessor oder Rechner oder Computer mit entsprechend notwendiger Peripherie (Speicher, Input/Output-Schnittstellen, Ein-Ausgabe-Geräte, etc.) sein oder umfassen.
Die vorstehenden Erläuterungen betreffend die Vorrichtungen (Träger, Schaltung) gelten für das Verfahren entsprechend. Die jeweilige Vorrichtung kann in einer Komponente oder verteilt auf mehrere Komponenten ausgeführt sein.
Zusätzlich wird ein Verfahren vorgeschlagen mit folgenden Schritten:

– Reduzieren mittels eines ersten Signals und mittels eines zweiten Signals einer durch eine mechanische Spannung hervorgerufene Störung,
– wobei das erste Signal von einem ersten Sensor basierend auf einer Summe einer ersten Normalspannungskomponente und einer zweiten Normalspannungskomponente bestimmt wird und
– wobei das zweite Signal von einem zweiten Sensor basierend auf einer Differenz der ersten Normalspannungskomponente und der zweiten Normalspannungskomponente bestimmt wird.

Gemäß einer Weiterbildung umfasst das Verfahren ferner den Schritt:

– Bereitstellen eines Steuersignals basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal, wobei anhand des Steuersignals die durch die mechanische Spannung hervorgerufene Störung mindestens eines elektronischen Bauelements zumindest teilweise reduzierbar ist.

Eine Ausgestaltung besteht darin, dass das mindestens eine elektronische Bauelement mindestens einen Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe umfasst.
Eine andere Ausgestaltung ist es, dass das mindestens eine elektronische Bauelement eine Schaltung umfasst.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden weiter ausgeführt im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
Es zeigen:
1 eine beispielhafte Schaltung zur Bestimmung eines Signals Sp, das proportional ist zu der Summe der Normalspannungskomponenten an, in oder entlang einer Chipoberfläche;
2 eine beispielhafte Anordnung zweier lateral angeordneter Widerstände zur Bestimmung eines Signals Sm, das proportional ist zu der Differenz der Normalspannungskomponenten an, in oder entlang einer Chipoberfläche;
3 eine beispielhafte Anordnung vier lateral in Form einer Wheatstone-Brücke angeordneter Widerstände zur Bestimmung des Signals Sm, das proportional ist zu der Differenz der Normalspannungskomponenten an, in oder entlang einer Chipoberfläche;
4 eine beispielhafte Anordnung zweier lateral angeordneter Widerstände, die im Vergleich zu 2 um 45 Grad gedreht sind und zur Bestimmung eines Signals, das von der mechanischen Schubspannung σ_xy abhängt, genutzt werden;
5 eine beispielhafte Anordnung vier lateral in Form einer Wheatstone-Brücke angeordneter Widerstände, die im Vergleich zu 3 um 45 Grad gedreht sind und zur Bestimmung eines Signals, das von der mechanischen Schubspannung σ_xy abhängt, genutzt werden;
6 eine schematische Schaltungsanordnung für eine Kompensationsschaltung zur Verminderung der Einflüsse mechanischer Spannungen auf ein Messergebnis.
Die mechanische Spannung σ ist eine Kraft pro Flächeneinheit, die in einer gedachten Schnittfläche durch einen Körper, eine Flüssigkeit oder ein Gas wirkt.
Ein Spannungstensor ist ein Tensor zweiter Stufe, der die Kraftübertragung in einer beliebig orientierten Schnittfläche durch einen bestimmten Punkt innerhalb der Materie beschreibt. Seine Komponenten haben die Dimension Kraft pro Fläche, für die in der Festkörpermechanik z. B. die Einheit Megapascal (MPa), entspricht Newton pro Quadratmillimeter (N/mm²), üblich ist. In einer gedachten Schnittfläche durch die Materie übt die in Gedanken weggeschnittene Materie auf die verbliebene Materie eine Kraft pro Flächeneinheit aus, die sich als Vektor aus einer Normalspannungskomponente σ_nn (rechtwinklig zur Schnittfläche t wirkend) und zwei Schubspannungskomponenten σ_tn (in der Schnittfläche t wirkend) zusammensetzt (vergleiche z. B. http://de.wikipedia.org/wiki/Spannungstensor). Die Schubspannungskomponenten werden auch mit τ_tn bezeichnet. Dabei spezifiziert der erste Index die Richtung einer Flächennormale, während der zweite Index die Richtung der Kraft angibt. Folglich haben die Normalspannungskomponenten gleiche Indizes, die Schubspannungskomponenten haben unterschiedliche Indizes.
Die mechanische Spannung ist also ein Tensor mit sechs unabhängigen Komponenten:

– Normalspannungen: σ_xx, σ_yy und σ_zz;
– Schubspannungen: σ_xy, σ_xz und σ_yz.

Insbesondere von Interesse ist die mechanische Spannung, die auf oder nahe einer Chipoberfläche, auf der sich elektrische Bauelemente befinden, wirkt. Bei der Chipoberfläche handelt es sich um die x-y-Ebene, die z-Achse steht demnach senkrecht zu der Chipoberfläche.
Der Chip hat in vielen Anwendungen gegenüber seiner Höhe eine große Fläche, d. h. die Abmessungen in x- und y-Richtung sind groß im Vergleich zu der Ausdehnung in z-Richtung. Ein beispielhafter Chip hat eine Chipfläche von 2 mm mal 3 mm und eine Höhe (Ausdehnung in z-Richtung) von 0,2 mm. Der Chip wird beispielhaft in einem Gehäuse auf einen Rahmen (Leadframe) geklebt oder gelötet, wobei der Rahmen ebenfalls flach ausgeführt ist (also eine geringe Ausdehnung in z-Richtung aufweist). Der Chip mit Rahmen wird von Plastik ummantelt, der Gesamtaufbau kann somit auch als ein Laminat betrachtet werden. Das Laminat aus Chip, Rahmen und Plastik weist eine große x-y-Fläche im Vergleich zur z-Höhe (Dicke) auf.
Somit gilt auf der Chipoberfläche in einem Abstand zum Rand, wobei dieser Abstand größer als die Höhe (Dicke) des Chips ist, gemäß dem Prinzip von St. Venant: die Normalspannungen σ_xx und σ_yy dominieren gegenüber den restlichen Spannungskomponenten. In der Nähe der Ecke des Chips kann weiterhin die Schubspannung σ_xy eine relevante Bedeutung haben. Somit werden nachfolgend insbesondere die Spannungen σ_xx, σ_yy und σ_xy berücksichtigt.
Bekannte Spanungskompensationsschaltungen haben den Nachteil, dass keine beliebigen mechanischen Spannungs-Komponenten bestimmt werden können. Beispielsweise ist es mit bekannten Ansätzen nicht möglich, die Normalspannungs-Komponente σ_xx, die Linearkombination mechanischer Spannungen σ_xx + 1,349·σ_yy oder die mechanische Summe der Quadrate mechanischer Spannungen (σ_xx)² + (σ_yy)² zu bestimmen.
Es gibt zahlreiche Anwendungsfälle, in denen eine Schaltung (nicht nur eine Sensor-Schaltung) Bauelemente verwendet, die nicht nur von der mechanischen Spannung σ_xx + σ_yy als Summe der Normalspannungskomponenten, sondern auch von anderen nicht vernachlässigbaren mechanischen Spannungskomponenten abhängt.
Beispielsweise kann ein Oszillator mit geringer Leistungsaufnahme mit langen N-MOS Transistoren realisiert werden. Dabei ist die Stromergiebigkeit β eines N-MOS Transistors abhängig von der mechanischen Spannung, die auf ihn wirkt: β = β₀·(1 – 17,6% / GPa·σ_xx – 31,2% / GPa·σ_yy)
Die vorstehende Formel gilt insbesondere für N-MOS Transistoren mit Stromflussrichtung in [110]-Richtung. Als Koeffizienten werden hierbei piezo-resistive Koeffizienten für niedrig n-dotiertes Silizium angenommen.
Koeffizienten sind z. B. zu finden in [Yozo Kanda: Piezoresistance effect of silicon; Sensors and Acutators A, 28 (1991), 83–91] und lauten für niedrige n-Dotierung π n / 11 = – 102,2% / GPa, π n / 12 = 53,4% / GPa, π n / 44 = –13,6% / GPa bzw. für niedrige p-Dotierung π p / 11 = 6,6% / GPa, π p / 12 = –1,1%GPa, π p / 44 = 138,1% / GPa.
Für die Richtungsabhängigkeit eines Widerstands gilt:
wobei α einen Winkel zwischen der x-Ache ([–1, 1, 0]) und dem Widerstand bezeichnet. Die y-Ache ([–1, –1, 0]) entspricht einem Winkel α = +90°.
Die hier genannten Prozent-Zahlenwerte gelten beispielhaft für ein niedrig-dotiertes n-Gebiet (N_D < 10¹⁸/cm³); für höhere Ladungsträgerdichten im n-Kanal können die Zahlenwerte betragsmäßig kleiner ausfallen.
Soll der Transistor, z. B. die Stromergiebigkeit des Transistors, und damit die Frequenz des im Beispiel genannten Oszillators im Wesentlichen unabhängig von der mechanischen Spannung sein, so sind zunächst vorteilhaft die mechanischen Spannungen σ_xx, σ_yy einzeln zu bestimmen, um sie in der vorstehend genannten Weise zu kombinieren und daraus ein Kompensationssignal (vergleiche auch 6) zu generieren, anhand dessen der Abhängigkeit der Oszillationsfrequenz von der mechanischen Spannung entgegen gewirkt werden kann.
Ferner gibt es Bauelemente, deren Eigenschaften nichtlinear von der auf sie einwirkenden mechanischen Spannung abhängen. Beispielsweise ist für Bipolar-Transistoren bekannt, dass diese nicht nur von der mechanischen Spannung σ_xx + σ_yy, sondern auch von dem Kreuzprodukt der mechanischen Spannung σ_xx·σ_yy sowie von der Summe der Quadrate der mechanischen Spannung (σ_xx)² + (σ_yy)² abhängen.
Somit ist es erforderlich, dass mittels Spannungssensor(en) auch die mechanischen Spannungskomponenten σ_xx und σ_yy einzeln zur Verfügung gestellt werden können, um eine geeignete Kompensation durchführen zu können.
Weiterhin gibt es Technologien, die sogenannte tiefe Gräben (”deep trenches”) nutzt, zur Isolation benachbarter Bauelemente auf einem Chip. So kann beispielsweise ein Bauelement oder eine Gruppe von Bauelementen von einer ringförmigen Grabenstruktur umgeben sein, um diese vom Rest der auf dem Chip vorgesehenen Schaltung elektrisch zu isolieren. Hierbei wird zunächst ein tiefer Graben (von beispielsweise 25 μm Tiefe) in das Ausgangsmaterial geätzt, danach werden die Seitenwände des Grabens mit dünnen dielektrischen Schichten bedeckt. Schließlich wird der Graben z. B. mit Poly-Silizium gefüllt. Das Füllmaterial des Grabens hat andere mechanische Kenngrößen, also einen anderen Elastizitäts-Modul (auch bezeichnet als E-Modul oder Youngscher Modul) mit anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE = ”Coefficient of Thermal Expansion”), als das Ausgangsmaterial. Dies bedingt eine Verspannung des Gesamtverbunds mit komplizierten örtlichen Verteilungen mechanischer Spannungen. Dieser Effekt kann besonders dann auftreten, wenn die Dicke des Halbleiterchips nur noch um Faktor 2 bis 4 größer als die Grabentiefe ist, d. h. wenn Chips dünn (auf 100 μm oder weniger) geschliffen werden. Wenn beispielsweise die Grabenlängen in x- und y-Richtung, also parallel zu den Kanten des Chips, unterschiedlich lang und/oder breit sind bzw. wenn der Abstand der aktiven Gebiete des jeweiligen elektrischen Bauelements zu dem nächstgelegenen Graben in x- und y-Richtung unterschiedlich groß ist, kann dadurch das Bauelement von der mechanischen Spannung σ_{xx_a} + σ_{yy_a} am aktiven Ort ”a” des Bauelements abhängen. Eine Messung hingegen mag an einem von dem aktiven Ort a unterschiedlichen Ort m der Messung erfolgen und die mechanischen Spannungskomponenten σ_{xx_m} und σ_{yy_m} liefern.
Ehe eine zumindest teilweise Kompensation der Auswirkungen der mechanischen Spannungen an dem Ort a des Bauelements erfolgen kann, ist es ein Ziel die mechanische Spannung σ_{xx_a} + σ_{yy_a} zu kennen. Diese kann jedoch nur an dem Ort m des Sensors (der Messung) bestimmt werden. Allerdings kann in gewisser Weise von der mechanischen Spannung am Ort m der Messung auf die mechanische Spannung am Ort a des Bauelements (z. B. mittels linearer Näherung) rückgeschlossen werden wie folgt: σ_{xx_a} + σ_{yy_a} = k_x·σ_{xx_m} + k_y·σ_{yy_m} mit k_x ≠ k_y. Dies gilt vor allem, wenn der Chip in lateraler Richtung inhomogen, z. B. aufgrund tiefer Gräben, sein sollte. Weist hingegen der Chip keine Gräben und somit in linearer Richtung (weitgehend) homogenes Material auf, kann in ausreichender Näherung auch k_x = k_y gelten.
Folglich ist es von Vorteil, die mechanischem Spannungskomponenten σ_{xx_m} und σ_{yy_m} einzeln bestimmen zu können, um dann z. B. eine beliebige Linearkombination k_x·σ_{xx_m} + k_y·σ_{yy_m} berechnen zu können als ein Näherungswert (Schätzwert) für σ_{xx_a} + σ_{yy_a}.
Somit sind σ_{xx_m} und σ_{yy_m} die Normalspannungskomponenten in x- und y-Richtung am Ort m der Messung und σ_{xx_a} und σ_{yy_a} sind die Normalspannungskomponenten in x- und y-Richtung am aktiven Ort a des zu kompensierenden Bauelements. Der Sensor misst an dem Ort m nicht die tatsächliche auf das Bauelement am Ort a wirkende mechanische Spannung, allerdings kann durch eine deterministische Kopplung der mechanischen Spannungen an den Orten m und a eine Kompensation mit dem korrigierenden Faktor k erreicht werden. Hierbei sei angemerkt, dass sich die ”Kompensation” auf einen zumindest teilweisen oder auch vollständigen Ausgleich des Effekts bezieht, der durch die mechanische Spannung auf das Bauelement wirkt. So kann die Veränderung der Eigenschaften des Bauelements, das einer mechanischen Spannung ausgesetzt ist, zumindest teilweise berücksichtigt und mittels einer Kompensationsschaltung ausgeglichen werden.
Beispielsweise ist ein aktiver Ort a, an dem eine Hallsonde platziert ist, 20 μm links eines tiefen Grabens. Der Spannungssensor befindet sich jedoch an einem Ort m 10 μm rechts des tiefen Grabens. Die mechanische Spannung an beiden Orten a und m ist nicht identisch, jedoch kann die starre Kopplung der Orte gemäß der Beziehung σ_{xx_a} + σ_{yy_a} = k₂·(σ_{xx_m} + k₁·σ_{yy_m}), k₁ ≠ 1 genutzt werden, d. h. die x- und y-Komponenten des Spannungstensors werden nicht gleich, sondern unterschiedlich stark verändert beim Entfernen vom Ort m der Messung hin zum aktiven Ort a.
Die Werte der korrigierenden Faktoren k₁, k₂ können z. B. empirisch ermittelt werden (durch Versuchsreihen im Labor). Sie können der Kompensationsschaltung als fixe oder programmierbare Koeffizienten bereitgestellt werden.
Die hier vorgeschlagene Lösung ermöglicht es, die mechanischen Spannungen σ_{xx_m} und σ_{yy_m} einzeln zu bestimmen und basierend hierauf eine (Linear-)Kombination k₂·(σ_{xx_m} + k₁·σ_{yy_m}) bereitzustellen.
Es wird insbesondere vorgeschlagen, beliebige Kombinationen von mechanischen Spannungskomponenten σ_xx und σ_yy auf Basis zweier Signale (d. h. zweier Kombinationen von mechanischen Spannungen) zu bestimmen, nämlich

(1) dem Signal Sp = σ_xx + σ_yy und
(2) dem Signal Sm = σ_xx – σ_yy.

Mechanische Spannungssensoren zur Bestimmung von Sp und mechanische Spannungssensoren zur Bestimmung vom Sm sind bekannt. Vorteilhaft werden hierbei Sensoren eingesetzt, die eine Messung mit hoher Empfindlichkeit erlauben sowie einen geringen Fehler bedingt durch Temperaturschwankungen bzw. Fertigungstoleranzen aufweisen.
Hierbei sei angemerkt, dass die vorgestellten Lösungen beliebige (Linear-)Kombinationen basierend auf den Signalen Sp und Sm erlauben, um eine zumindest teilweise Kompensation einer durch eine mechanische Spannung hervorgerufenen Störung zu erreichen.
Beispielsweise kann z. B. eine der folgenden Kombinationen der Signale Sp und Sm für die Reduzierung einer Störung herangezogen werden: k₁·Sp + k₂·Sm k₁·Sp^e1 + k₂·Sm^e2 (k₁·Sp + k₂·Sm)^e1
Hierbei sind k₁, k₂ positive oder negative reellwertige Koeffizienten und e1, e2 positive oder negative reellwertige Exponenten.
Die Reduzierung der Störung kann z. B. erreicht werden, indem ein Signal S1, das einem nicht kompensierten Ausgangssignal entspricht, mit einer um einen Wert 1 vergrößerten Kombination aus den Signalen Sp und Sm multipliziert wird gemäß S1_comp =S1·(1 + k₁·Sp + k₂·Sm).
Dies entspricht einer multiplikativen Kompensation. Beispielsweise kann eine Oszillatorfrequenz eines Relaxiationsoszillators durch Erhöhung der mechanischen Normalspannungskomponenten auf der Chipoberfläche um 3% steigen, weil der Strom, der die Kapazität des Relaxiationsoszillators umlädt, um 3% größer wird infolge einer einwirkenden mechanischen Spannung auf jene Teile der Schaltung, die den Strom bestimmen. In so einem Fall kann der Strom durch einen ”Stromverstärker”, beispielsweise einen Stromspiegel, verarbeitet werden, dessen Verstärkungsfaktor proportional zu 1 + k₁·Sp + k₂·Sm ist. Hierbei werden die Koeffizienten k₁ und k₂ so gewählt, dass der Verstärkungsfaktor infolge der einwirkenden mechanischen Spannung um 3% reduziert wird und so der Erhöhung der mechanischen Normalspannungskomponenten entgegen wirkt. Der Verstärkungsfaktor des Stromverstärkers wird also in gezielter Weise von den Signalen Sp und Sm abhängig gemacht, um damit der Erhöhung des Stroms bedingt durch mechanische Spannung entgegenzuwirken.
Neben der multiplikativen Kompensation kann auch eine additive Kompensation eingesetzt werden gemäß S1_comp = S1 + k₁·Sp + k₂·Sm.
In solch einem Fall wird das nicht kompensierte Ausgangssignal S1 nicht multiplikativ, sondern additiv mit der Kombination aus Sp und Sm verknüpft. Eine derartige Kompensation ist von Vorteil, wenn ein Nullpunktfehler einer Messbrücke durch einwirkende mechanische Normalspannungskomponenten entsteht und somit vorteilhaft durch eine entsprechende Subtraktion zumindest anteilig eliminiert werden kann.
Spannungssensoren zur Bestimmung von Sp
Mechanische Spannungssensoren zur Bestimmung von Sp sind z. B. in US 7,980,138 B1 oder in US 2012/0210800 A1 beschrieben.
Beispielsweise können mindestens zwei unterschiedlich dotierte resistive Bauelemente eingesetzt werden: In einem Beispiel kann ein n-dotierter Widerstand mit einem p-dotierten Widerstand verglichen werden; in einem anderen Beispiel kann ein NMOS-Transistor mit einem PMOS-Transistor verglichen werden; in noch einem anderen Beispiel kann ein niedrig dotierter n-Widerstand mit einem hoch dotierten n-Widerstand verglichen werden.
Alternativ kann mindestens ein lateral wirkendes resistives Element mit mindestens einem vertikal wirkendem resistivem Element verglichen werden. Hierbei weist das lateral wirkende resistive Element im Wesentlichen einen Stromfluss parallel zur Chipoberfläche auf und das vertikal wirkende resistive Element weist im Wesentlichen einen Stromfluss vertikal zur Chipoberfläche auf.
1 zeigt eine beispielhafte Schaltung mit einer Spannungsquelle 101, die eine Spannung U0 zwischen dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 102 und Masse bereitstellt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 102 ist mit dem Gate-Anschluss eines NMOS 104 verbunden. Der Source Anschluss des NMOS 104 ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 102 verbunden. Zwischen dem Source Anschluss des NMOS 104 und Masse ist eine Widerstandsanordnung 105 vorgesehen.
Die Spannung U0 wird mittels Rückkopplung mit dem Operationsverstärker 102 und dem NMOS 104 auf die Widerstandsanordnung 105 kopiert. Der Strom durch die Widerstandsanordnung 105 wird durch den NMOS 104 ausgekoppelt und über einen trimmbaren Stromspiegel 103 einer Widerstandsanordnung 106 eingeprägt.
Der Eingang des Stromspiegels 103 ist mit dem Drain-Anschluss des NMOS 104 verbunden und der Ausgang des Stromspiegels 103 ist über die Widerstandsanordnung 106 mit Masse verbunden.
Zwischen dem Source-Anschluss des NMOS 104 und dem Ausgang des Stromspiegels 103 liegt die Spannung Sp an. Zum Abgleichen kann der trimmbare Stromspiegel 103 so eingestellt werden, dass die Spannung Sp zu Null wird.
Die Schaltung gemäß 1 vergleicht also die Widerstände der Widerstandsanordnungen 105 und 106. Ändert sich die mechanische Spannung, die auf die Widerstandsanordnungen 105 und 106 einwirkt, so verändert sich das Verhältnis ihrer Widerstandswerte, da die Widerstandsanordnung 105 eine andere Abhängigkeit von der mechanischen Spannung hat als die Widerstandsanordnung 106, und die Spannung Sp weicht von Null ab und zwar proportional zu den mechanischen Spannungskomponenten σ_xx + σ_yy, also der Summe der Normalspannungen in der Chipoberfläche.
Beispielsweise kann die Widerstandsanordnung 105 zwei laterale Widerstände in einem L-Layout (also senkrecht zueinander in x- und y-Richtung, z. B. in der Ebene der Chipoberfläche) aufweisen. Entsprechend kann die Widerstandsanordnung 106 zwei laterale Widerstände in einem L-Layout aufweisen. Die lateralen Widerstände der Widerstandsanordnung 105 können eine erste Dotierung aufweisen und die lateralen Widerstände der Widerstandsanordnung 106 können eine zweite Dotierung aufweisen. Insbesondere kann die erste Dotierung verschieden von der zweiten Dotierung sein.
Eine Option besteht darin, dass die Widerstandsanordnung 105 zwei laterale Widerstände in einem L-Layout und die Widerstandsanordnung 106 einen vertikalen Widerstand (also einen Widerstand mit Stromflussrichtung in z-Richtung) aufweist.
Da es in der Praxis oft schwierig ist, einen Kontakt in der Tiefe eines Halbleitersubstrats anzubringen, um damit einen (ausschließlich bzw. im Wesentlichen) senkrechten Stromfluss in das Widerstandelement einzukoppeln, können stattdessen mindestens zwei Kontakte so nahe an der Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet werden, dass die Stromflusslinien eine ausgeprägte Bogenform annehmen, d. h. die Stromflusslinien verlaufen ähnlich einem Halbkreis in einem Bogen von dem einen Kontakt in die Tiefe des Substrats und wieder zurück zu der Oberfläche, wo der zweite Kontakt liegt.
Bogenförmige Stromflusslinien sind gleichbedeutend zu einer Mischung aus horizontalen und vertikalen Stromflusslinien, deren Mischung durch die Streckung des Bogens variiert wird. Auf diese Weise können z. B. die beiden Widerstandselemente 105 und 106 mit technologisch gleichen Wannen (und somit gleichen Dotierungsprofilen) hergestellt werden, wobei die Kontakte in dem ersten Widerstandselement näher zusammen liegen als in dem zweiten Widerstandselement. Dadurch ist die Bogenform der Stromflusslinien in dem zweiten Widerstandselement mehr in Richtung der Horizontalen gestreckt als in dem ersten Widerstandselement, so dass der effektive vertikale Stromflussanteil in beiden Widerstandselementen unterschiedlich ist. Folglich ist auch die Beeinflussung der Widerstände beider Widerstandselemente durch die mechanische Spannung unterschiedlich.
Vorzugsweise werden die Widerstandsanordnungen 105 und 106 so platziert, dass etwaige Temperaturänderungen zu keiner oder nur einer möglichst geringen Veränderung des Widerstandsverhältnisses führen. Gegebenenfalls kann die Spannung Sp auch um eine Temperaturabhängigkeit bereinigt werden. Dazu kann in 1 die Spannung U0 (als Steuerspannung) einen zumindest teilweise kompensierenden Temperaturgang aufweisen. Auch ist es eine Option zur zumindest anteiligen Kompensation der Temperatureinflüsse, dass die Spannung Sp erfasst und mit einem temperaturabhängigen Faktor multipliziert wird.
Spannungssensoren zur Bestimmung von Sm
Mechanische Spannungssensoren zur Bestimmung von Sm können wie folgt realisiert werden: Beispielsweise können zwei laterale Widerstandsanordnungen derart angeordnet werden, dass im Wesentlichen zueinander senkrecht fließender Strom auftritt.
Die beiden Widerstandsanordnungen können auch in Serie geschaltet sein; in diesem Fall fließt der gleiche Strom durch die beiden Widerstandsanordnungen (dies entspricht einer Halbbrücke). Das elektrische Potential an einem Knoten zwischen den beiden in Serie geschalteten Widerstandsanordnungen entspricht im kalibrierten Zustand bei gleich großen Widerständen ca. der halben Spannung, die über den beiden Widerstandsanordnungen abfällt. Abweichungen von dieser halben Spannung sind im Wesentlichen proportional zu Sm.
Die beiden in Serie geschalteten Widerstandsanordnungen können jeweils mindestens einen Widerstand aufweisen. Beide Widerstandsanordnungen können den gleichen Widerstandswert oder unterschiedliche Widerstandswerte haben. Beispielsweise kann die erste Widerstandsanordnung einen Widerstandswert von 3 kOhm und die zweite Widerstandsanordnung kann einen Widerstandswert von 1 kOhm aufweisen. Wirkt keine mechanische Spannung auf die beiden Widerstandsanordnungen, so ergibt sich an dem Knoten der Halbbrücke eine Teilung von ¹/₄ bzw. 3/₄ der Gesamtspannung der Serienschaltung.
Auch ist es ein Beispiel, einen Strom in zwei laterale n-dotierte Widerstände einzuprägen, die senkrecht zueinander angeordnet sind. In diesem Fall ist die Differenz der Spannungen an beiden Widerständen proportional zu Sm.
2 zeigt eine beispielhafte Anordnung zweier lateral angeordneter Widerstände 201 und 202. Der Widerstand 201 ist beispielhaft in y-Richtung und der Widerstand 202 ist beispielhaft in x-Richtung angeordnet.
Der Widerstand 201 ist zwischen einem Anschluss 203 und einem Knoten 204 und der Widerstand 202 ist zwischen dem Knoten 204 und Masse angeordnet. An dem Knoten 203 liegt eine Versorgungsspannung Vin an, an dem Knoten 204 wird eine Ausgangsspannung Vout abgegriffen. Bei der in 2 gezeigten Anordnung handelt es sich um eine Halbbrücke. Die Widerstände 201 und 202 weisen schwach n-dotiertes Silizium auf, beispielsweise mit eine Dotierung von ND < 10¹⁸/cm³.
In dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Stromflussrichtung des Widerstands 201 parallel zu dem Millerschen Index [110]. Die Abhängigkeit seines Widerstandswerts von der mechanischen Spannung beträgt somit: R₂₀₁ = 1 – 17,6% / GPa·σ_xx – 31,2% / GPa·σ_yy.
Die Stromflussrichtung des Widerstands 202 ist parallel zu dem Millerschen Index [110]. Die Abhängigkeit seines Widerstandswerts von der mechanischen Spannung ergibt sich zu: R₂₀₂ = 1 – 31,2% / GPa·σ_xx – 17,6% / GPa·σ_yy.
Hieraus folgt (insbesondere in linearer Näherung für nicht allzu große mechanische Spannung) für das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung Vout zu Versorgungsspannung Vin:
3 zeigt eine beispielhafte Anordnung vier lateral in Form einer Wheatstone-Brücke (auch bezeichnet als Vollbrücke) angeordneter Widerstände 301, 302, 303 und 304. Die Widerstände 301 und 302 sind beispielhaft in y-Richtung und die Widerstände 303 und 304 sind beispielhaft in x-Richtung angeordnet.
Bei der in 3 gezeigten Vollbrücke fließt der Strom durch die Widerstände 301 und 302 in einer ersten Richtung und der Strom durch die Widerstände 303 und 304 in einer zweiten Richtung, wobei erste Richtung und zweite Richtung zueinander senkrecht sind.
Der Widerstand 301 ist zwischen einem Anschluss 307 und einem Knoten 305, der Widerstand 302 ist zwischen einem Knoten 306 und Masse, der Widerstand 303 ist zwischen dem Knoten 307 und dem Knoten 306 und der Widerstand 304 ist zwischen dem Knoten 305 und Masse angeordnet. An dem Knoten 307 liegt eine Versorgungsspannung Vin an. Zwischen den Knoten 305 und 306 wird eine Ausgangsspannung Vout abgegriffen.
In dem in 3 gezeigten Beispiel sind die Stromflussrichtungen der Widerstände 301 bis 304 parallel zu den folgenden Millerschen Indizes:

– Widerstände 301 und 302: [110],
– Widerstände 303 und 304: [110].

Weisen die Widerstände 301 bis 304 schwach n-dotiertes Silizium auf, beispielsweise mit eine Dotierung von ND < 10¹⁸/cm³, ergibt sich die Ausgangsspannung Vout zu: Vout = – 6,8% / GPa·(σ_xx – σ_yy).
Weisen die Widerstände 301 bis 304 schwach p-dotiertes Silizium auf, beispielsweise mit eine Dotierung von NA < 10¹⁸/cm³, ergibt sich die Ausgangsspannung Vout zu: Vout = + 69,05% / GPa·(σ_xx – σ_yy).
In den Beispielen handelt es sich insbesondere um (100)-Silizium, d. h. dass die Chipoberfläche eine (100)-Ebene ist und somit senkrecht auf eine [100]-Richtung steht. Bei der gebräuchlichen Orientierung von (100)-Wafern werden die rechteckigen Chips längs der [110] und [110] Richtungen aus dem Wafer gesägt. Die x- und y-Richtungen bezeichnen das Chip-Koordinatensystem und sind parallel zu den Chipkanten.
Durch eine Drehung der in 2 und 3 gezeigten Widerstände um 45 Grad kann erreicht werden, dass anstatt der mechanischen Spannungen σ_xx – σ_yy die mechanische Spannung σ_xy bestimmbar ist. Hierbei können n-dotierte Widerstände eingesetzt werden, um eine höhere Empfindlichkeit für die mechanische Spannung σ_xy zu erreichen und p-dotierte Widerstände erlauben eine höhere Empfindlichkeit für mechanische Spannungen σ_xx – σ_yy. Beispielhaft werden niedrige n- bzw. p-Dotierungen verwendet, wobei auch hohe Dotierungen möglich sind.
4 zeigt eine beispielhafte Anordnung zweier lateral angeordneter Widerstände 401 und 402. Der Widerstand 401 ist beispielhaft um 45 Grad gegenüber der x-Achse in der x-y-Ebene gedreht und der Widerstand 402 ist hierzu orthogonal angeordnet.
Der Widerstand 401 ist zwischen einem Anschluss 403 und einem Knoten 404 und der Widerstand 402 ist zwischen dem Knoten 404 und Masse angeordnet. An dem Knoten 403 liegt eine Versorgungsspannung Vin an, an dem Knoten 404 wird eine Ausgangsspannung Vout abgegriffen. Bei der in 4 gezeigten Anordnung handelt es sich um eine Halbbrücke. Die Widerstände 401 und 402 weisen schwach n-dotiertes Silizium auf, beispielsweise mit einer Dotierung von ND < 10¹⁸/cm³.
In dem in 4 gezeigten Beispiel ist die Stromflussrichtung des Widerstands 401 parallel zu dem Millerschen Index [100]. Die Abhängigkeit seines Widerstandswerts von der mechanischen Spannung beträgt somit: R₄₀₁ = 1 – 24,4%1 / GPa·(σ_xx + σ_yy) – 155,6% / GPa·σ_xy.
Die Stromflussrichtung des Widerstands 402 ist parallel zu dem Millerschen Index [010]. Die Abhängigkeit seines Widerstandswerts von der mechanischen Spannung ergibt sich zu: R₄₀₂ = 1 – 24,4% / GPa·(σ_xx + σ_yy) + 155,6%1 / GPa·σ_xy.
Hieraus folgt (insbesondere in linearer Näherung für nicht allzu große mechanische Spannung) für das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung Vout zu Versorgungsspannung Vin:
5 zeigt eine beispielhafte Anordnung vier lateral in Form einer Wheatstone-Brücke (auch bezeichnet als Vollbrücke) angeordneter Widerstände 501, 502, 503 und 504. Die Widerstände 501 und 502 sind beispielhaft um 45 Grad gegenüber der x-Achse in der x-y-Ebene gedreht und die Widerstände 503 und 504 sind hierzu orthogonal angeordnet.
Bei der in 5 gezeigten Vollbrücke fließt der Strom durch die Widerstände 501 und 502 in einer ersten Richtung und der Strom durch die Widerstände 503 und 504 in einer zweiten Richtung, wobei erste Richtung und zweite Richtung zueinander senkrecht sind.
Der Widerstand 501 ist zwischen einem Anschluss 507 und einem Knoten 505, der Widerstand 502 ist zwischen einem Knoten 506 und Masse, der Widerstand 503 ist zwischen dem Knoten 507 und dem Knoten 506 und der Widerstand 504 ist zwischen dem Knoten 505 und Masse angeordnet. An dem Knoten 507 liegt eine Versorgungsspannung Vin an. Zwischen den Knoten 505 und 506 wird eine Ausgangsspannung Vout abgegriffen.
In dem in 5 gezeigten Beispiel sind die Stromflussrichtungen der Widerstände 501 bis 504 parallel zu den Millerschen Indizes:

– Widerstände 501 und 502: [100],
– Widerstände 503 und 504: [010].

Weisen die Widerstände 501 bis 504 schwach n-dotiertes Silizium auf, beispielsweise mit einer Dotierung von ND < 10¹⁸/cm³, ergibt sich die Ausgangsspannung Vout zu: Vout = 155,6% / GPa·σ_xy.
Weitere Ausführungsformen und Vorteile
Als Sensoren zur Detektion einer mechanischen Spannung können neben Widerständen auch Transistoren, insbesondere MOS-Transistoren, genutzt werden. Hierbei kann der Effekt ausgenutzt werden, dass die mechanische Spannung von der Beweglichkeit der Majoritätsladungsträger abhängt.
Beispielsweise können zwei MOS-Transistoren so platziert werden, dass die jeweiligen Stromflüsse durch die MOS-Transistoren senkrecht zueinander verlaufen. Die beiden MOS-Transistoren sind dabei vorzugsweise parallel zur Chipoberfläche angeordnet. Ferner können die Gate-Anschlüsse der MOS-Transistoren miteinander und die Source-Anschlüsse der MOS-Transistoren miteinander verbunden werden. Wird nun über die Source-Anschlüsse den MOS-Transistoren ein Strom zugeführt (eingeleitet im Falle von NMOS-Transistoren, herausgeführt im Falle von PMOS-Transistoren), so ergibt sich basierend auf den W/L-Verhältnissen (W: Breite; L: Länge der Raumladungszone) der MOS-Transistoren ein Verhältnis ihrer Drain-Ströme (Ströme, die über die Drain-Anschlüsse fließen). Ist das W/L-Verhältnis der beiden MOS-Transistoren gleich, so ist das Verhältnis der Drain-Ströme proportional zu dem Signal 1 + k·Sm, wobei k·Sm klein gegenüber 1 ist. Mit anderen Worten ist das Stromspiegelverhältnis bei identischem W/L-Verhältnis nahe bei dem Wert 1 und nur die geringe Abweichung von dem Wert 1 wird durch die mechanische Spannung beeinflusst.
Dieser Ansatz ist insbesondere von Vorteil für Transistoren mit Stromflussrichtungen parallel zu den Millerschen Indizes [110] und [110]. Insbesondere ist der Piezokoeffizient k bei PMOS-Transistoren relativ groß.
Verlaufen die Stromflussrichtungen durch die Transistoren in [100] und [010]-Richtungen, so ist das Stromspiegelverhältnis proportional zu 1 + k·σ_xy, wobei im Falle der Verwendung von NMOS-Transistoren der Piezokoeffizient k besonders günstig (groß) ist.
Eine derartige Anordnung umfassend zwei MOS-Transistoren kann als Stromspiegel betrieben werden. Alternativ können die beiden MOS-Transistoren als kurzgeschlossener differentieller Eingang eines Operationsverstärkers genutzt werden. Diese Beispiele können mit einer Kaskode (z. B. einer Kaskodenschaltung umfassend mindestens zwei Transistoren zur Verstärkung) und/oder mit Degenerationswiderständen an den Source-Anschlüssen kombiniert werden. Derartige Degenerationswiderstände können als Lateralwiderstände ausgeführt sein mit zueinander orthogonalen Stromflussrichtungen. Nutzt man auch derartig angeordnete Degenerationswiderstände, können hohe Empfindlichkeiten des Ausgangsstromverhältnisses in Abhängigkeit von der mechanischen Spannung σ_xx – σ_yy erreicht werden.
Beispielsweise kann ein Stromspiegel, wie er in [H. Kittel et al.: Novel Stress Measurement System for Evaluation of Package Induced Stress, published in: Integration Issues of Miniaturized Systems – MOMs, MOEMS, ICS and Electronic Components (SSI), 2008 2^nd European Conference & Exhibition, 9–10 April 2008, p. 1 to 8, Barcelona, Spain, ISBN 978-3-8007-3081-0, publisher: VDE] beschrieben ist, für den vorliegenden Ansatz genutzt werden.
Auch können zwei MOS-Transistoren als Eingangsstufe eines Operationsverstärkers, wie dies in [VUE Rui-feng et al.: Stress-sensitive MOS Operational amplifier; Institute of Microelectronics, Tsinghua Univerity, Beijing 100084, China, ATCA ELECTRONICA SINICA, Vol. 29, No. 8, August 2001] beschrieben ist, eingesetzt werden.
6 zeigt eine schematische Schaltungsanordnung für eine Kompensationsschaltung zur Verminderung der Einflüsse mechanischer Spannungen auf ein Messergebnis.
Insoweit können die Einflüsse mechanischer Spannungen auf ein Bauelement (bzw. eine Schaltung umfassend mehrere Bauelemente) zumindest teilweise kompensiert werden.
Beispielhaft weist die Schaltungsanordnung zwei Schaltungsteile 610 und 611 auf, wobei diese Schaltungsteile auch (teilweise oder vollständig) in einer Schaltung integriert sein können. Ein Mess-Sensor 605 bestimmt basierend auf einer physikalischen Größe 607 ein Mess-Signal 612. Beispielsweise kann es sich bei dem Mess-Signal 612 um eine Hall-Spannung handeln, die von einem Hall-Sensor als Mess-Sensor 605 basierend auf einem anliegenden Magnetfeld als physikalische Größe 607 ermittelt wird. Hierbei ist der Mess-Sensor 605 nicht nur der zu messenden physikalischen Größe 607, sondern auch einer mechanischen Spannung 602 ausgesetzt, wodurch das Mess-Signal 612 gestört wird. Um diese Störung zu reduzieren bzw. (zumindest teilweise) zu kompensieren, ist ein mechanischer Spannungssensor 603 vorgesehen, der eine mechanische Spannung 601 detektiert. Der mechanische Spannungssensor 603 umfasst vorzugsweise einen ersten Sensor zur Bestimmung eines ersten Signals basierend auf einer Summe einer ersten Normalspannungskomponente und einer zweiten Normalspannungskomponente und einen zweiten Sensor zur Bestimmung eines zweiten Signals basierend auf einer Differenz der ersten Normalspannungskomponente und der zweiten Normalspannungskomponente.
Die mechanische Spannung 601 und die auf den Mess-Sensor 605 wirkende mechanische Spannung 602 unterliegen einer deterministischen Kopplung (angedeutet durch einen Pfeil 614), d. h. die an dem Ort des mechanischen Spannungssensors 603 auftretende mechanische Spannung 601 kann genutzt werden, um die durch die mechanische Spannung 602 hervorgerufene Störung des Mess-Sensors 605 zu reduzieren.
Hierzu wird die mechanische Spannung 601 von dem mechanischen Spannungssensor 603 erfasst, von einer Verarbeitungseinheit 604 geeignet aufbereitet und als Steuersignal 608 einer Verarbeitungseinheit 606 bereitgestellt. Die Verarbeitungseinheit 606 bestimmt aus dem Mess-Signal 612 und aus dem Steuersignal 608 ein kompensiertes Ausgangssignal 609. Optional kann die Verarbeitungseinheit 604 entfallen und der mechanische Spannungssensor 603 sein Signal der Verarbeitungseinheit 606 bereitstellen (angedeutet durch eine Verbindung 613).
Ergänzend sei angemerkt, dass die hierin vorgeschlagene Kompensation für einen Mess-Sensor 605 oder ein beliebiges Bauteil bzw. eine beliebige Schaltung eingesetzt werden kann. Insoweit ist der Mess-Sensor 605 nur als ein mögliches Beispiel zu sehen. Anstelle des Mess-Sensors 605 oder zusätzlich zu diesem kann z. B. mindestens eine der folgenden Komponenten vorgesehen: eine Referenzspannungsquelle, eine Referenzstromquelle, ein Oszillator (als eine Referenzfrequenzquelle), eine Uhr bzw. ein beliebiger Zeitgeber.
Beispielsweise kann für Anwendungen die eine Referenzfrequenzquelle (d. h. ein Frequenznormal) benötigen, ein bisher üblicher Quarz eingespart und stattdessen die hier vorgeschlagene Kompensationsschaltung eingesetzt wird. Ohne Quarz ist eine höhere Integration in den Chip möglich.
Ein anderes Beispiel betrifft (wieder aufladbare) Batterien, die mit einer genauen Spannung geladen werden sollen, um deren Lebensdauer zu optimieren. Eine hochgenaue Ladespannung erfordert eine entsprechend genaue Referenzspannung. Auch hierfür kann die hier vorgestellte Kompensationsschaltung eingesetzt werden.
Eine Kompensationsschaltung zur Kompensation der Einflüsse externer mechanischer Spannungen auf physikalische Funktionsparameter integrierter Schaltungen ist auch in DE 101 54 495 B4 bzw. US 6,906,514 B1 beschrieben.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Träger einer elektronischen Schaltung zur Reduzierung einer auf einer mechanischen Spannung basierenden Störung – mit einem ersten Sensor zur Bestimmung eines ersten Signals basierend auf einer Summe einer ersten Normalspannungskomponente und einer zweiten Normalspannungskomponente, – mit einem zweiten Sensor zur Bestimmung eines zweiten Signals basierend auf einer Differenz der ersten Normalspannungskomponente und der zweiten Normalspannungskomponente.
Träger nach Anspruch 1, wobei die erste Normalspannungskomponente und die zweite Normalspannungskomponente parallel zu einer Oberfläche des Trägers ausgerichtet sind.
Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Sensor und der zweite Sensor an einem gemeinsamen Ort angeordnet sind.
Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Sensor und der zweite Sensor benachbart zueinander angeordnet sind.
Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger ein Substrat ist.
Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger auf oder in einem Chip oder einem Laminat angeordnet ist.
Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Sensor und/oder der zweite Sensor folgende Bestandteile aufweist: – mindestens ein n- oder p-dotiertes Bauelement, insbesondere Widerstand, Diode oder Transistor; – eine Serienschaltung aus mindestens zwei Widerständen; – zwei Widerstände, wobei einer der Widerstände im Wesentlichen orthogonal zu dem anderen Widerstand angeordnet ist.
Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem dritten Sensor zur Bestimmung eines dritten Signals, das auf einer Schubspannung in einer Ebene der ersten Normalspannungskomponente und der zweiten Normalspannungskomponente basiert.
Schaltung zur Reduzierung einer auf einer mechanischen Spannung basierenden Störung, umfassend – einen ersten Sensor zur Bestimmung eines ersten Signals basierend auf einer Summe einer ersten Normalspannungskomponente und einer zweiten Normalspannungskomponente, – einen zweiten Sensor zur Bestimmung eines zweiten Signals basierend auf einer Differenz der ersten Normalspannungskomponente und der zweiten Normalspannungskomponente, – eine Verarbeitungseinheit, die eingerichtet ist, um basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal eine durch die mechanische Spannung hervorgerufene Störung zu reduzieren.
Schaltung nach Anspruch 9, bei der die erste Normalspannungskomponente und die zweite Normalspannungskomponente parallel zu einer Oberfläche eines Chips ausgerichtet sind.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei der die Verarbeitungseinheit eingerichtet ist, um basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal ein Steuersignal bereitzustellen, anhand dessen die durch die mechanische Spannung hervorgerufene Störung mindestens eines elektronischen Bauelements zumindest teilweise reduzierbar ist.
Schaltung nach Anspruch 11, bei der das mindestens eine elektronische Bauelement mindestens eines der folgenden umfasst: – einen Mess-Sensor, – einen Druck-Sensor, – einen Hall-Sensor, – einen Relaxationsoszillator, – eine auf einer Bandlücke basierende Konstantspannungsquelle, – eine Konstantstromquelle, – einen Temperatursensor.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die Verarbeitungseinheit eingerichtet ist, um basierend auf einer Linearkombination oder einer nichtlinearen Kombination des ersten Signals und des zweiten Signals die durch die mechanische Spannung hervorgerufene Störung zu reduzieren.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, – mit einem dritten Sensor zur Bestimmung eines dritten Signals, das auf einer Schubspannung in einer Ebene der ersten Normalspannungskomponente und der zweiten Normalspannungskomponente basiert. – wobei die Verarbeitungseinheit eingerichtet ist, um basierend auf dem ersten Signal, dem zweiten Signal und dem dritten Signal eine durch die mechanische Spannung hervorgerufene Störung zu reduzieren.
Verfahren zur Reduzierung einer auf einer mechanischen Spannung basierenden Störung mit folgenden Schritten: – Bestimmen eines ersten Signals mit einem ersten Sensor basierend auf einer Summe einer ersten Normalspannungskomponente und einer zweiten Normalspannungskomponente, – Bestimmen eines zweiten Signals mit einem zweiten Sensor basierend auf einer Differenz der ersten Normalspannungskomponente und der zweiten Normalspannungskomponente und – Verarbeiten des ersten Signals und des zweiten Signals zur Reduzierung der durch eine mechanische Spannung hervorgerufenen Störung.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend den Schritt: – Bereitstellen eines Steuersignals basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal, wobei anhand des Steuersignals die durch die mechanische Spannung hervorgerufene Störung mindestens eines elektronischen Bauelements zumindest teilweise reduzierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das mindestens eine elektronische Bauelement mindestens einen Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das mindestens eine elektronische Bauelement eine Schaltung umfasst.