DE102020203911A1

DE102020203911A1 - Spannungssensor

Info

Publication number: DE102020203911A1
Application number: DE102020203911.9A
Authority: DE
Inventors: Franz Dietz; Jingyao SUN
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2021-09-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Spannungssensor mit einer Wheatstone-Brückenschaltung sowie eine Verfahren zum Betrieb des Spannungssensors, wobei die Wheatstone-Brückenschaltung eine erste Halbbrücke und eine zweite Halbbrücke umfasst, wobei die erste Halbbrücke einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor umfasst, wobei die zweite Halbbrücke einen dritten Transistor und einen vierten Transistor umfasst, und wobei sich Spannungen, welche an Gate-Anschlüssen der ersten bis vierten Transistoren anliegen, zumindest teilweise voneinander unterscheiden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungssensor mit einer Wheatstone-Brückenschaltung. Der Spannungssensor kann insbesondere als Stresssensor zum Ermitteln eine Materialspannung eines elektronischen Schaltkreises eingesetzt werden. Weiter kann der Spannungssensor als Drucksensor ausgestaltet sein.
Stand der Technik
Analoge und digitale Stromkreise reagieren empfindlich auf Materialspannungen (englisch: stress). Damit integrierte Stromkreise oder auch im gleichen Gehäuse integrierte mikromechanische Sensoren ideal funktionieren, ist es von Vorteil, die Stressverteilung auf dem Chip messbar zu machen. Insbesondere die Stressverteilung auf bzw. in der Umgebung der Oberfläche des Chips ist von besonderer Bedeutung.
Aus der US 10 337 942 B2 ist ein widerstandsbasierter piezoresistiver Stresssensor bekannt. Hierzu werden Komponenten zu einer Wheatstone-Brückenschaltung verschaltet, welche eine Vielzahl von Widerständen aufweisen. Durch Messen von Spannungsunterschieden zwischen den Abgriffspunkten der Wheatstone-Brückenschaltung können die Unterschiede der Widerstände erfasst werden, welche wiederum vom mechanischen Stress abhängen. Dadurch kann auf den mechanischen Stress zurückgeschlossen werden.
Ein weiterer Sensor ist bekannt aus Gardner et al, „Thin-Film MOSFET-based Pressure Sensor", IEEE Sensors Letters, 2019, S. 1-4. Hierbei ist eine Wheatstone-Brückenschaltung mit vier MOSFETs als druckabhängigen Elementen vorgesehen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt einen Spannungssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bereit.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Die Erfindung stellt demnach einen Spannungssensor mit einer Wheatstone-Brückenschaltung bereit, wobei die Wheatstone-Brückenschaltung eine erste Halbbrücke und eine zweite Halbbrücke umfasst, wobei die erste Halbbrücke einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor umfasst, und wobei die zweite Halbbrücke einen dritten Transistor und einen vierten Transistor umfasst. Spannungen, welche an Gate-Anschlüssen der ersten bis vierten Transistoren anliegen, unterscheiden sich zumindest teilweise voneinander.
Vorteile der Erfindung
Durch Verwendung von zumindest teilweise voneinander unterschiedenen Spannungen kann die Wheatstone-Brückenschaltung mit Feedback betrieben werden. Dadurch erhöht sich das Ausgangssignal signifikant, und der Aufwand für die Signalerfassung und damit der benötigte Flächenverbrauch für die Auswerteschaltung kann dadurch signifikant reduziert werden. Die Erfindung betrifft die Verbesserung des Stromkreisverhaltens und ist prinzipiell für verschiedene Technologien und Materialien anwendbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Spannungssensors ist mindestens eine der Spannungen, welche an den Gate-Anschlüssen der zweiten und vierten Transistoren anliegen, einstellbar. Durch Einstellen der mindestens einen Spannung kann die Linearität beim Messen der Spannungen verbessert werden. Durch Einstellen einer Vorspannung an den Gates der Transistoren kann eine aufgrund herstellungsbedingter Nicht-Idealität bestehende intrinsische Vorspannung korrigiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Spannungssensors ist mindestens eine der Spannungen, welche an den Gate-Anschlüssen der ersten bis vierten Transistoren anliegen, einstellbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Spannungssensors weist die erste Halbbrücke eine erste Ausgangsspannung auf, wobei die zweite Halbbrücke eine zweite Ausgangsspannung aufweist, und wobei an dem Gate-Anschluss des ersten Transistors und an dem Gate-Anschluss des dritten Transistors die erste Ausgangsspannung oder die zweite Ausgangsspannung als gemeinsame Spannung anliegt. Der Spannungssensor wird in einem Feedback-Modus betrieben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Spannungssensors weist die erste Halbbrücke eine erste Ausgangsspannung auf, wobei die zweite Halbbrücke eine zweite Ausgangsspannung aufweist, und wobei an dem Gate-Anschluss des ersten Transistors die zweite Ausgangsspannung anliegt und an dem Gate-Anschluss des dritten Transistors die erste Ausgangsspannung anliegt. Der Spannungssensor kann somit in einem überkreuzten Zustand (Latch-Zustand) betrieben werden, wodurch die Sensitivität der Messungen der Ausgangsspannungen erhöht werden kann. Weiter wird der Bereich der möglichen Ausgangsspannungen erhöht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Spannungssensors weist die erste Halbbrücke eine erste Ausgangsspannung auf, wobei die zweite Halbbrücke eine zweite Ausgangsspannung aufweist, und wobei die Wheatstone-Brückenschaltung eine erste Schalteinrichtung aufweist, welche zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand umschaltbar ist. In dem ersten Schaltzustand liegt an dem Gate-Anschluss des ersten Transistors und an dem Gate-Anschluss des dritten Transistors die erste Ausgangsspannung oder die zweite Ausgangsspannung als gemeinsame Spannung an. In dem zweiten Schaltzustand liegt an dem Gate-Anschluss des ersten Transistors die zweite Ausgangsspannung an und an dem Gate-Anschluss des dritten Transistors liegt die erste Ausgangsspannung an.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Spannungssensor eine zweite Schalteinrichtung auf, welche zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand umschaltbar ist, wobei in dem ersten Schaltzustand ein Source-Anschluss und ein Bulk-Anschluss des zweiten Transistors und/oder ein Source-Anschluss und ein Bulk-Anschluss des vierten Transistors auf verschiedene Potentiale gebracht werden, und wobei in dem zweiten Schaltzustand der Source-Anschluss und der Bulk-Anschluss des zweiten Transistors und/oder der Source-Anschluss und der Bulk-Anschluss des vierten Transistors auf dasselbe Potential gebracht werden. In dem ersten Schaltzustand treten somit Body-Effekte auf, während diese in dem zweiten Schaltzustand nicht auftreten. Die Body-Effekte liefern negatives Feedback, um eine übermäßige Verstärkung zu kompensieren. Bei reduziertem Platzbedarf kann die Linearität der Spannungsmessung verbessert werden. Die Vermeidung von Body-Effekten führt zu relativ hoher Sensitivität. Umgekehrt kann durch Beibehaltung von Body-Effekten der Platzbedarf reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Spannungssensor eine dritte Schalteinrichtung auf, welche zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand umschaltbar ist, wobei in dem ersten Schaltzustand an dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors und an dem Gate-Anschluss des vierten Transistors dieselbe Spannung anliegt, und wobei in dem zweiten Schaltzustand an dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors eine erste Gate-Spannung und an dem Gate-Anschluss des vierten Transistors eine zweite Gate-Spannung anliegt, wobei die erste Gate-Spannung und/oder die zweite Gate-Spannung einstellbar sind. Die Einstellbarkeit der ersten Gate-Spannung und/oder zweiten Gate-Spannung ermöglicht die Korrektur eines Offsets (Vorspannung) und dadurch eine erhöhte Sensitivität des Stromkreises. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auch auf die Einstellbarkeit verzichtet werden, was sich durch geringeren Platzverbrauch der Schaltanordnung, eine geringere Komplexität der Schaltanordnung und eine verbesserte Verlässlichkeit der Schaltanordnung auszeichnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Spannungssensors sind die ersten bis vierten Transistoren NFET-Transistoren, wobei in dem ersten Schaltzustand der dritten Schalteinrichtung an dem Gate-Anschluss des zweiten Transistors und an dem Gate-Anschluss des vierten Transistors eine Versorgungsspannung der Wheatstone-Brückenschaltung anliegt. Die Verwendung von NFET-Transistoren erlaubt es, den Spannungssensor mittels moderner Technologien herzustellen, wodurch eine hohe Sensitivität bei niedrigem Stromverbrauch erreicht werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Spannungssensors sind die ersten bis vierten Transistoren PFET-Transistoren, wobei in dem ersten Schaltzustand der dritten Schalteinrichtung der Gate-Anschluss des zweiten Transistors und der Gate-Anschluss des vierten Transistors auf Masse geschaltet sind. Die Verwendung von PFET-Transistoren ermöglicht ebenfalls eine hohe Sensitivität bei niedrigem Stromverbrauch.
Sowohl für NMOS- als auch PMOS-basierte Spannungssensoren ist das Gleichtaktniveau der Ausgangssignale in der Nähe von der Hälfte der Versorgungsspannung der Wheatstone-Brückenschaltung. Dadurch werden die Anforderungen an einen Ausleseschaltkreis zum Messen der Ausgangsspannungen hinsichtlich des erforderlichen Messbereichs reduziert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Spannungssensor eine Steuereinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, die ersten bis dritten Schalteinrichtungen gemäß mindestens einem der folgenden Ansteuerzuständen anzusteuern:

a) einem ersten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung im ersten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung im zweiten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung im ersten Schaltzustand befinden;
b) einem zweiten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung im ersten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung im zweiten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung im zweiten Schaltzustand befinden;
c) einem dritten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung im zweiten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung im ersten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung im ersten Schaltzustand befinden;
d) einem vierten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung im zweiten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung im ersten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung im zweiten Schaltzustand befinden; und
e) einem fünften Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung im zweiten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung im zweiten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung im zweiten Schaltzustand befinden.

Während eine Steuereinrichtung vorgesehen sein kann, um zwischen den verschiedenen Ansteuerzuständen zu wechseln, kann auch vorgesehen sein, den Spannungssensor dauerhaft derart auszugestalten, dass dieser in einem der oben beschriebenen Ansteuerzustände betrieben wird. Auf die Schalter und nicht mehr benötigten Verbindungselemente kann verzichtet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Spannungssensors dient dieser als Drucksensor. Anhand der an den Gate-Anschlüssen gemessenen Ausgangsspannungen wird somit ein Druck ermittelt. Hierzu können die Halbbrücken der Wheatstone-Brückenschaltung zumindest teilweise auf einer Membran des Spannungssensors angeordnet werden. Aufgrund der verbesserten Sensitivität der Messungen kann die Größe der erforderlichen Membran bzw. des erforderlichen Chips reduziert werden.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Ansteuerung des Spannungssensors beansprucht. Dabei kann das Verfahren in der Steuereinrichtung ablaufen und die vorstehenden Verfahrensschritte zur Ansteuerung der Ansteuerzustände aufweisen.
Figurenliste
Es zeigen:

1 ein schematisches Schaltdiagramm eines Spannungssensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 ein schematisches Schaltdiagramm eines Spannungssensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz für zwei verschiedene Schaltanordnungen;
4 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung von einer Versorgungsspannung für zwei verschiedene Schaltanordnungen;
5 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz für verschiedene Gate-Vorspannungen;
6 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz für zwei verschiedene Schaltanordnungen;
7 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz für eine Schaltanordnung ohne Body-Effekt;
8 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz für eine Schaltanordnung mit Body-Effekt;
9 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz für zwei verschiedene Schaltanordnungen;
10 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz für sechs verschiedene Schaltanordnungen;
11 eine vergrößerte Detail-Teilansicht der in 10 gezeigten Abhängigkeit;
12 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Sensitivität von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz für sechs verschiedene Schaltanordnungen; und
13 eine vergrößerte Detail-Teilansicht der in 12 gezeigten Abhängigkeit.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein schematisches Schaltdiagramm eines Spannungssensors 1a mit einer Wheatstone-Brückenschaltung. Die Wheatstone-Brückenschaltung umfasst eine erste Halbbrücke 2a und eine zweite Halbbrücke 3a. Die erste Halbbrücke 2a umfasst einen ersten Transistor 21a und einen zweiten Transistor 22a. Die zweite Halbbrücke 3a umfasst einen dritten Transistor 31a und einen vierten Transistor 32a. Die ersten bis vierten Transistoren 21a bis 32a sind als NFET-Transistoren ausgebildet.
Der Drain-Anschluss D des ersten Transistors 21a ist mit dem Source-Anschluss S des zweiten Transistors 22a verbunden, wobei eine erste Ausgangsspannung V_WB1, gemessen wird. Weiter sind der Drain-Anschluss D des dritten Transistors 31a und der Source-Anschluss S des vierten Transistors 32a miteinander verbunden, wobei eine zweite Ausgangsspannung V_WB2 gemessen wird. Die Differenz von erster und zweiter Ausgangsspannung V_WB1 - V_WB2 wird als Messspannung ausgegeben.
Die Drain-Anschlüsse D der zweiten und vierten Transistoren 22a, 32a werden mit einer extern angelegten Versorgungsspannung V_supply versorgt. Die Source-Anschlüsse S der ersten und dritten Transistoren 21a, 31a sind auf Masse geschaltet.
Materialspannungen (Stress) verändern die Gitterstruktur von Silizium und beeinflussen die Mobilität µ der Elektronen bzw. Löcher. Die Elektronenmobilität beeinflusst ebenfalls die Schalteigenschaften der Transistoren 21a, 22a, 31a, 32a. Ein Stresssignal kann daher mittels der Transistoren 21a, 22a, 31a, 32a in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.
Eine erste Schalteinrichtung S1 ist vorgesehen, welche zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand umschaltbar ist. In dem ersten Schaltzustand liegt an den Gate-Anschlüssen G der ersten und dritten Transistoren 21a, 31a die erste Ausgangsspannung V_WB1, an. In dem zweiten Schaltzustand (überkreuzter „Latch“-Zustand) liegt an dem Gate-Anschluss G des ersten Transistors 21a die zweite Ausgangsspannung V_WB2 an, während an dem Gate-Anschluss G des dritten Transistors 31a die erste Ausgangsspannung V_WB1, anliegt.
Weiter ist eine zweite Schalteinrichtung mit zwei Schaltern S2a, S2b vorgesehen. Die beiden Schalter S2a, S2b sind jeweils zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand umschaltbar. Im ersten Schaltzustand sind Bulk-Anschluss B und Source-Anschluss S des zweiten Transistors 22a bzw. Bulk-Anschluss B und Source-Anschluss S des vierten Transistors 32a auf verschiedene Potentiale gebracht. Hierzu werden die Bulk-Anschlüsse B des ersten Transistors 22a und des vierten Transistors 32a auf Masse geschaltet. In dem zweiten Schaltzustand sind Bulk-Anschluss B und Source-Anschluss S über die Schalter S2a, S2b verbunden, sodass diese auf dasselbe Potential gebracht werden.
Schließlich ist eine dritte Schalteinrichtung mit zwei Schaltern S3a, S3b vorgesehen, welche jeweils zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand umschaltbar sind. In dem ersten Schaltzustand werden der Gate-Anschluss G des zweiten Transistors 22a und der Gate-Anschluss G des vierten Transistors 32a mit der Versorgungsspannung V_supply versorgt, sodass dieselbe Spannung anliegt. In dem zweiten Schaltzustand liegt an dem Gate-Anschluss G des zweiten Transistors 22a eine erste Gate-Spannung V_GO an, während an dem Gate-Anschluss des vierten Transistors 32a eine zweite Gate-Spannung V_G anliegt. Die erste und/oder zweite Gate-Spannung V_G, V_GO sind einstellbar. Insbesondere kann eine der Gate-Spannungen, etwa die erste Gate-Spannung V_GO fest vorgegeben sein, während die andere Gate-Spannung V_G einstellbar ist. Die erste Gate-Spannung V_GO kann der Versorgungsspannung V_supply entsprechen.
Der Spannungssensor 1a umfasst eine Steuereinrichtung 4, etwa einen Mikroprozessor oder dergleichen, welche die ersten bis dritten Schalteinrichtungen S1, S2a, S2b, S3a, S3b ansteuert, um einen jeweiligen Schaltzustand einzustellen bzw. zwischen den Schaltzuständen zu wechseln. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 4 zwischen einem oder mehreren der folgenden Ansteuerzuständen auswählt:

a) einem ersten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung S1 im ersten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung S2a, S2b im zweiten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung S3a, S3b im ersten Schaltzustand befinden;
b) einem zweiten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung S1 im ersten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung S2a, S2b im zweiten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung S3a, S3b im zweiten Schaltzustand befinden;
c) einem dritten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung S1 im zweiten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung S2a, S2b im ersten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung S3a, S3b im ersten Schaltzustand befinden;
d) einem vierten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung S1 im zweiten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung S2a, S2b im ersten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung S3a, S3b im zweiten Schaltzustand befinden; und
e) einem fünften Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung S1 im zweiten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung S2a, S2b im zweiten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung S3a, S3b im zweiten Schaltzustand befinden.

In dem ersten Ansteuerzustand liegt an den Gate-Anschlüssen G des ersten Transistors 21a und des dritten Transistors 31b die erste Ausgangsspannung V_WB1, an. Im Vergleich zu einer bekannten Schaltanordnung (im Folgenden: Vergleichsschaltanordnung), bei welcher dieselbe Spannung an allen Gate-Anschlüssen G der Transistoren anliegt, wird dadurch verhindert, dass der zweite Transistor 22a und der vierte Transistor 32a frühzeitig in einen Sättigungsbereich eintreten. Eine Erhöhung der Versorgungsspannung erhöht damit weiterhin die Ausgangsspannung. In dem ersten Ansteuerzustand werden der erste Transistor 21a und/oder der dritte Transistor 31a im Sättigungsbereich betrieben. Weiter werden in dem ersten Ansteuerzustand Body-Effekte verhindert, um die Sensitivität zu erhöhen.
In dem zweiten Ansteuerzustand werden die zweiten und vierten Transistoren 22a, 32a nicht mehr direkt mit der Versorgungsspannung V_supply sondern mit externen Spannungen V_G, V_G0 versorgt. Dadurch kann eine intrinsische Druckkompensation vorgenommen werden. Durch Anpassen einer Vorspannung V_G, V_G0 kann die anfängliche Spannung auf 0 V gesetzt werden. Weiter kann die Sensitivität erhöht werden, da die Betriebsbereiche des zweiten Transistors 22a und des vierten Transistors 32a derart verändert werden können, dass diese in einem linearen Bereich betrieben werden. Die Sensitivität wird weiter durch das Verhindern von Body-Effekten erhöht.
In dem dritten Ansteuerzustand werden die Gate-Anschlüsse der ersten und dritten Transistoren 21a, 31a von der jeweils gegenüberliegenden Ausgangsspannung V_WB1, V_WB2 versorgt. An den Gate-Anschlüssen der zweiten und vierten Transistoren 22a, 32a liegt die Versorgungsspannung an. Falls in diesem Fall ein Body-Effekt verhindert werden würde, wäre die Ausgangsspannung sehr sensitiv und nichtlinear. Daher ist vorgesehen, den Body-Effekt beizubehalten.
Der Strom eines Transistors in dem Sättigungsbereich unter Vernachlässigung der Kanallängenmodulation ist durch folgende Formel gegeben: $I_{D, s a t} = \frac{1}{2} μ_{0} \cdot C_{0 x} \cdot \frac{W}{L} \cdot {(V_{G S} - V_{T H})}^{2} .$
Hierbei ist µ₀ die durchschnittliche Ladungsträgermobilität, C_0x, ist die Gate-Oxid-Kapazität pro Einheitsfläche, W ist die Kanalbreite, L die Kanallänge, V_GS ist die Gate-Source-Spannung und VTH ein Spannungsschwellenwert. Bei Berücksichtigung des Body-Effekts ergibt sich: $V_{T H} = V_{T 0} + γ (\sqrt{| V_{S B} + 2 ϕ_{F} |} - \sqrt{| 2 ϕ_{F} |}) .$
Hierbei ist V_T0 der Wert mit VSB = 0 V, γ ist der Body-Schwellenwertparameter, Φ_F ist das Oberflächenpotential und VSB ist die Source-Body-Substrat-Vorspannung. Die Erhöhung von VSB führt zu einer Erhöhung von V_TH. Body-Effekte führen somit zu einem negativen Feedback, welches die Sensitivität in gewissem Maße verringert.
In dem vierten Ansteuerzustand werden die zweiten und vierten Transistoren 22a, 32a mittels einer externen Spannung vorgespannt. Die Sensitivität und die intrinsische Druckkorrektur sind verbessert.
In dem fünften Ansteuerzustand sind die ersten und dritten Transistoren 21a, 31a im Latch-Zustand. Durch Steuern der Werte von V_G und V_G0 kann die Sensitivität erhöht werden, wobei durch Vermeidung von Body-Effekten eine gute Linearität erreicht werden kann.
Die dritten bis fünften Ansteuerzustände zeichnen sich gegenüber dem ersten und dem zweiten Ansteuerzustand durch eine höhere Sensitivität aus. Durch die Möglichkeit, zwischen verschiedenen Ansteuerzuständen zu wechseln, ist der Spannungssensor 1a auf einem breiten Anwendungsgebiet einsatzfähig.
2 zeigt ein schematisches Schaltdiagramm eines weiteren Spannungssensors 1b mit zwei Halbbrücken 2b, 3b. Dieser Spannungssensor 1b unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Spannungssensor 1a dadurch, dass die Transistoren 21b, 22b, 31b, 32b als PFET-Transistoren ausgebildet sind. In dem ersten Schaltzustand der dritten Schalteinrichtung S3b sind der Gate-Anschluss G des zweiten Transistors 22b und der Gate-Anschluss G des vierten Transistors 32b auf Masse geschaltet.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz m (in Prozent) für zwei verschiedene Schaltanordnungen. Kurven 301, 302 bilden die Abhängigkeiten der Ausgangsspannungen V_WB1 bzw. V_WB2 (in der Einheit Volt) für die oben beschriebene Vergleichsschaltanordnung ab, während Kurven 303, 302 die Abhängigkeiten der Ausgangsspannungen V_WB1 bzw. V_WB2 des Spannungssensors 1a, 1b im dritten Schaltzustand abbilden. Die Versorgungsspannung beträgt jeweils V_supply = 5 V.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung (Differenz zwischen erster und zweiter Ausgangsspannung V_WB1 - V_WB2) von einer Versorgungsspannung V_supply (in der Einheit Volt) für zwei verschiedene Schaltanordnungen. Eine Kurve 402 bildet die Abhängigkeit der Ausgangsspannung für die oben beschriebene Vergleichsschaltanordnung ab, während eine weitere Kurve 401 die Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Spannungssensors 1a, 1b im ersten Schaltzustand abbildet. Wie zu erkennen ist, verzögert sich das Auftreten des Sättigungsbereichs.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung (Differenz zwischen erster und zweiter Ausgangsspannung V_WB1 - V_WB2) von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz m für verschiedene Gate-Vorspannungen V_G0. Fünf verschiedene Gate-Vorspannungen V_G0 sind illustriert (Kurven 501 bis 505). Dadurch ist es möglich, einen intrinsischen, herstellungsbedingten Druck zu kompensieren.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung (Differenz zwischen erster und zweiter Ausgangsspannung V_WB1 - V_WB2) von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz m für den ersten Ansteuerzustand (Kurve 602) und den zweiten Ansteuerzustand (Kurve 601).
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung (Differenz zwischen erster und zweiter Ausgangsspannung V_WB1 - V_WB2) von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz für eine Schaltanordnung ohne Body-Effekt.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung (Differenz zwischen erster und zweiter Ausgangsspannung V_WB1 - V_WB2) von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz m für eine Schaltanordnung mit Body-Effekt (dritter Ansteuerzustand).
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung (Differenz zwischen erster und zweiter Ausgangsspannung V_WB1 - V_WB2) von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz m für zwei verschiedene Schaltanordnungen. Eine erste Kurve 901 entspricht dem vierten Ansteuerzustand und eine zweite Kurve 902 entspricht dem dritten Ansteuerzustand.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Ausgangsspannung (Differenz zwischen erster und zweiter Ausgangsspannung V_WB1 - V_WB2) von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz m für sechs verschiedene Schaltanordnungen. Eine erste Kurve 1001 entspricht dem fünften Ansteuerzustand, eine zweite Kurve 1002 entspricht dem vierten Ansteuerzustand, eine dritte Kurve 1003 entspricht dem dritten Ansteuerzustand und vierte bis sechste Kurven 1004 bis 1006 entsprechen dem ersten Ansteuerzustand, dem zweiten Ansteuerzustand sowie der Vergleichsschaltanordnung.
11 zeigt eine vergrößerte Detail-Teilansicht der in 10 gezeigten Abhängigkeit.
12 zeigt eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Sensitivität S von einer Ladungsträgermobilitätsvarianz m für sechs verschiedene Schaltanordnungen. Eine erste Kurve 1201 entspricht dem fünften Ansteuerzustand, eine zweite Kurve 1202 entspricht dem vierten Ansteuerzustand, eine dritte Kurve 1203 entspricht dem dritten Ansteuerzustand und vierte bis sechste Kurven 1204 bis 1206 entsprechen dem ersten Ansteuerzustand, dem zweiten Ansteuerzustand sowie der Vergleichsschaltanordnung.
13 zeigt eine vergrößerte Detail-Teilansicht der in 12 gezeigten Abhängigkeiten.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren vorgesehen, welches die zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen aufgezeigten Verfahrensschritte zur Ansteuerung der Sensorvorrichtung ausführt.
Dabei ist insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines Spannungssensors (1a; 1b) mit einer Wheatstone-Brückenschaltung mit einer ersten Halbbrücke (2a; 2b) und einer zweiten Halbbrücke (3a; 3b) vorgesehen, wobei die erste Halbbrücke (2a; 2b) einen ersten Transistor (21a; 21b) und einen zweiten Transistor (22a; 22b) umfasst, und wobei die zweite Halbbrücke (3a; 3b) einen dritten Transistor (31a; 31b) und einen vierten Transistor (32a; 32b) umfasst. Das Verfahren ist dabei in der Lage, voneinander unterschiedliche Spannungen an die Gate-Anschlüssen (G) der ersten bis vierten Transistoren (21a, 22a, 31a, 32a; 21b, 22b, 31b, 32b) anzulegen, wobei mindestens eine der Spannungen, welche an den Gate-Anschlüssen (G) der zweiten und vierten Transistoren (22a, 32a; 22b, 32b) anliegen, eingestellt werden kann.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die erste Halbbrücke (2a; 2b) eine erste Ausgangsspannung (VWB1) aufweist und die zweite Halbbrücke (3a; 3b) eine zweite Ausgangsspannung (VWB2) aufweist. Das Verfahren kann dabei insbesondere mittels der einen erste Schalteinrichtung (S1) zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand umschalten, wobei in dem ersten Schaltzustand an dem Gate-Anschluss (G) des ersten Transistors (21a; 21b) und an dem Gate-Anschluss (G) des dritten Transistors (31a; 31b) die erste Ausgangsspannung (VWB1) oder die zweite Ausgangsspannung (VWB2) als gemeinsame Spannung angelegt wird, und wobei in dem zweiten Schaltzustand an dem Gate-Anschluss (G) des ersten Transistors (21a; 21b) die zweite Ausgangsspannung (VWB2) angelegt wird und an dem Gate-Anschluss (G) des dritten Transistors (31a; 31b) die erste Ausgangsspannung (VWB1) angelegt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10337942 B2 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Gardner et al, „Thin-Film MOSFET-based Pressure Sensor“, IEEE Sensors Letters, 2019, S. 1-4 [0004]

Claims

Spannungssensor (1a; 1b) mit einer Wheatstone-Brückenschaltung, wobei die Wheatstone-Brückenschaltung eine erste Halbbrücke (2a; 2b) und eine zweite Halbbrücke (3a; 3b) umfasst, wobei die erste Halbbrücke (2a; 2b) einen ersten Transistor (21a; 21b) und einen zweiten Transistor (22a; 22b) umfasst, und wobei die zweite Halbbrücke (3a; 3b) einen dritten Transistor (31a; 31b) und einen vierten Transistor (32a; 32b) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass sich Spannungen, welche an Gate-Anschlüssen (G) der ersten bis vierten Transistoren (21a, 22a, 31a, 32a; 21b, 22b, 31b, 32b) anliegen, zumindest teilweise voneinander unterscheiden.
Spannungssensor (1a; 1b) nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Spannungen, welche an den Gate-Anschlüssen (G) der zweiten und vierten Transistoren (22a, 32a; 22b, 32b) anliegen, eingestellt wird.
Spannungssensor (1a; 1b) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Halbbrücke (2a; 2b) eine erste Ausgangsspannung (VWB1) aufweist und wobei die zweite Halbbrücke (3a; 3b) eine zweite Ausgangsspannung (VWB2) aufweist, und wobei an dem Gate-Anschluss (G) des ersten Transistors (21a; 21b) und an dem Gate-Anschluss (G) des dritten Transistors (31a; 31b) die erste Ausgangsspannung (VWB1) oder die zweite Ausgangsspannung (VWB2) als gemeinsame Spannung anliegt.
Spannungssensor (1a; 1b) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Halbbrücke (2a; 2b) eine erste Ausgangsspannung (VWB1) aufweist und wobei die zweite Halbbrücke (3a; 3b) eine zweite Ausgangsspannung (VWB2) aufweist, und wobei an dem Gate-Anschluss (G) des ersten Transistors (21a; 21b) die zweite Ausgangsspannung (VWB2) anliegt und an dem Gate-Anschluss (G) des dritten Transistors (31a; 31b) die erste Ausgangsspannung (VWB1) anliegt.
Spannungssensor (1a; 1b) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Halbbrücke (2a; 2b) eine erste Ausgangsspannung (VWB1) aufweist und wobei die zweite Halbbrücke (3a; 3b) eine zweite Ausgangsspannung (VWB2) aufweist, und wobei die Wheatstone-Brückenschaltung eine erste Schalteinrichtung (S1) aufweist, welche zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand umschaltbar ist, wobei in dem ersten Schaltzustand an dem Gate-Anschluss (G) des ersten Transistors (21a; 21b) und an dem Gate-Anschluss (G) des dritten Transistors (31a; 31b) die erste Ausgangsspannung (VWB1) oder die zweite Ausgangsspannung (VWB2) als gemeinsame Spannung anliegt, und wobei in dem zweiten Schaltzustand an dem Gate-Anschluss (G) des ersten Transistors (21a; 21b) die zweite Ausgangsspannung (VWB2) anliegt und an dem Gate-Anschluss (G) des dritten Transistors (31a; 31b) die erste Ausgangsspannung (VWB1) anliegt.
Spannungssensor (1a; 1b) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer zweiten Schalteinrichtung (S2a, S2b), welche zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand umschaltbar ist, wobei in dem ersten Schaltzustand ein Source-Anschluss (S) und ein Bulk-Anschluss (B) des zweiten Transistors (22a; 22b) und/oder ein Source-Anschluss (S) und ein Bulk-Anschluss (B) des vierten Transistors (32a; 32b) auf verschiedene Potentiale gebracht werden, und wobei in dem zweiten Schaltzustand der Source-Anschluss (S) und der Bulk-Anschluss (B) des zweiten Transistors (22a; 22b) und/oder der Source-Anschluss (S) und der Bulk-Anschluss (B) des vierten Transistors (32a; 32b) auf dasselbe Potential gebracht werden.
Spannungssensor (1a; 1b) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer dritten Schalteinrichtung (S3a, S3b), welche zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand umschaltbar ist, wobei in dem ersten Schaltzustand an dem Gate-Anschluss (G) des zweiten Transistors (22a; 22b) und an dem Gate-Anschluss (G) des vierten Transistors (32a; 32b) dieselbe Spannung anliegt, und wobei in dem zweiten Schaltzustand an dem Gate-Anschluss (G) des zweiten Transistors (22a; 22b) eine erste Gate-Spannung und an dem Gate-Anschluss (G) des vierten Transistors (32a; 32b) eine zweite Gate-Spannung anliegt, wobei die erste Gate-Spannung und/oder die zweite Gate-Spannung einstellbar sind.
Spannungssensor (1a; 1b) nach Anspruch 7, wobei die ersten bis vierten Transistoren (21a, 22a, 31a, 32a) NFET-Transistoren sind, und wobei in dem ersten Schaltzustand der dritten Schalteinrichtung (S3a, S3b) an dem Gate-Anschluss (G) des zweiten Transistors (22a) und an dem Gate-Anschluss (G) des vierten Transistors (32a) eine Versorgungsspannung der Wheatstone-Brückenschaltung anliegt.
Spannungssensor (1b) nach Anspruch 7, wobei die ersten bis vierten Transistoren (21b, 22b, 31b, 32b) PFET-Transistoren sind, und wobei in dem ersten Schaltzustand der dritten Schalteinrichtung (S3a, S3b) der Gate-Anschluss (G) des zweiten Transistors (22b) und der Gate-Anschluss (G) des vierten Transistors (32b) auf Masse geschaltet sind.
Spannungssensor (1a; 1b) nach den Ansprüchen 5, 6 und einem der Ansprüche 7 bis 9, weiter mit einer Steuereinrichtung (4), welche dazu ausgebildet ist, die ersten bis dritten Schalteinrichtung (S1, S2a, S2b, S3a, S3b) gemäß folgenden Ansteuerzuständen anzusteuern: a) einem ersten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung (S1) im ersten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung (S2a, S2b) im zweiten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung (S3a, S3b) im ersten Schaltzustand befinden; b) einem zweiten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung (S1) im ersten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung (S2a, S2b) im zweiten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung (S3a, S3b) im zweiten Schaltzustand befinden; c) einem dritten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung (S1) im zweiten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung (S2a, S2b) im ersten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung (S3a, S3b) im ersten Schaltzustand befinden; d) einem vierten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung (S1) im zweiten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung (S2a, S2b) im ersten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung (S3a, S3b) im zweiten Schaltzustand befinden; und e) einem fünften Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung (S1) im zweiten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung (S2a, S2b) im zweiten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung (S3a, S3b) im zweiten Schaltzustand befinden.
Verfahren zum Betrieb eines Spannungssensor (1a; 1b) mit einer Wheatstone-Brückenschaltung, insbesondere eines Spannungssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Wheatstone-Brückenschaltung eine erste Halbbrücke (2a; 2b) und eine zweite Halbbrücke (3a; 3b) umfasst, wobei die erste Halbbrücke (2a; 2b) einen ersten Transistor (21a; 21b) und einen zweiten Transistor (22a; 22b) umfasst, und wobei die zweite Halbbrücke (3a; 3b) einen dritten Transistor (31a; 31b) und einen vierten Transistor (32a; 32b) umfasst, wobei sich Spannungen, welche an Gate-Anschlüssen (G) der ersten bis vierten Transistoren (21a, 22a, 31a, 32a; 21b, 22b, 31b, 32b) anliegen, zumindest teilweise voneinander unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren. mindestens eine der Spannungen, welche an den Gate-Anschlüssen (G) der zweiten und vierten Transistoren (22a, 32a; 22b, 32b) anliegen, eingestellt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste Halbbrücke (2a; 2b) eine erste Ausgangsspannung (VWB1) aufweist und wobei die zweite Halbbrücke (3a; 3b) eine zweite Ausgangsspannung (VWB2) aufweist, und wobei die Wheatstone-Brückenschaltung eine erste Schalteinrichtung (S1) aufweist, mittels der zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand umgeschaltet wird, wobei in dem ersten Schaltzustand an dem Gate-Anschluss (G) des ersten Transistors (21a; 21b) und an dem Gate-Anschluss (G) des dritten Transistors (31a; 31b) die erste Ausgangsspannung (VWB1) oder die zweite Ausgangsspannung (VWB2) als gemeinsame Spannung angelegt wird, und wobei in dem zweiten Schaltzustand an dem Gate-Anschluss (G) des ersten Transistors (21a; 21b) die zweite Ausgangsspannung (VWB2) angelegt wird und an dem Gate-Anschluss (G) des dritten Transistors (31a; 31b) die erste Ausgangsspannung (VWB1) angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 der 12, wobei das Verfahren die ersten bis dritten Schalteinrichtung (S1, S2a, S2b, S3a, S3b) gemäß folgenden Ansteuerzuständen anzusteuert: a) einem ersten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung (S1) im ersten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung (S2a, S2b) im zweiten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung (S3a, S3b) im ersten Schaltzustand befinden; b) einem zweiten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung (S1) im ersten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung (S2a, S2b) im zweiten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung (S3a, S3b) im zweiten Schaltzustand befinden; c) einem dritten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung (S1) im zweiten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung (S2a, S2b) im ersten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung (S3a, S3b) im ersten Schaltzustand befinden; d) einem vierten Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung (S1) im zweiten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung (S2a, S2b) im ersten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung (S3a, S3b) im zweiten Schaltzustand befinden; und e) einem fünften Ansteuerzustand, wobei sich die erste Schalteinrichtung (S1) im zweiten Schaltzustand, die zweite Schalteinrichtung (S2a, S2b) im zweiten Schaltzustand und die dritte Schalteinrichtung (S3a, S3b) im zweiten Schaltzustand befinden.