KR20160098353A

KR20160098353A - 반도체 압력 센서

Info

Publication number: KR20160098353A
Application number: KR1020167018644A
Authority: KR
Inventors: 아폴로니우스 야코부스 반 데르 비엘
Original assignee: 멜렉시스 테크놀로지스 엔브이
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-08-18
Also published as: ES2652265T3; EP3080572B1; CN105829849B; WO2015086680A1; US20160265999A1; US9689767B2; EP3080572A1; CN105829849A; GB2521163A; JP2017500545A; GB201321867D0

Abstract

반도체 압력 센서
센서 상에 가해지는 외부 압력을 측정하기 위한 반도체 압력 센서로서, 상기 반도체 압력 센서는 멤브레인, 및 멤브레인(2)의 제1 및 제2 변부(S1, S2) 상에 배열되는 제1 및 제2 저항기 쌍(P1, P2)을 포함하는 브리지를 포함한다. R1과 R2가 실질적으로 동일한 온도를 갖도록 제1 저항기 쌍(P1)은 직렬로 연결되고 서로 가까이 위치하는 기다란 형태의 압전-저항 스트립을 포함하는 제1 저항기 및 제2 저항기(R1, R2)를 포함한다. 센서는 1) 멤브레인 상에서의 온도 구배, 그리고 또한 선택사항으로서 2) 패키징에 의해 야기되는 불균질한 응력 구배, 및 3) 센서에 수직인 불균질하게 분포된 전기장에 대한 감소된 감도를 가진다. 제1 저항기 및 제2 저항기의 압전-저항 스트립(8, 9)이 최대 압전-저항 계수의 직교하는 방향으로 배향될 수 있다. 제2 브리지가 패키지 압력을 보상하기 위해 멤브레인(2) 외부에 추가될 수 있다.

Description

반도체 압력 센서{SEMICONDUCTOR PRESSURE SENSOR}

본 발명은 압력 센서의 분야와 관련되며, 구체적으로 반도체 소자 내에 집적되는 특정 압력 센서에 관한 것이다.

반도체 압력 센서가 해당 분야에 알려져 있다.

미국 특허 4,672,411 (Hitachi)가 반도체 본체에 형성된 다이어프램(diaphragm)을 갖는 압력 센서(도 1 참조)를 개시하며, 이때 상기 다이어프램은 자신의 주 표면에 한 쌍의 압력 감지 반도체 스트립(도 1의 수직 압전-저항성 스트립(30, 310))을 가진다. 스트립(30, 31) 각각이 반도체 영역(도 1의 삼각형 영역(32))에 의해 서로의 단부끼리 연결된다. 반도체 영역(32)은 작은 압전-저항성 계수의 방향으로 형성되며, 스트립(30, 31)은 큰 압전-저항 계수의 방향으로 형성된다. 반도체 영역(32)(삼각형)은 스트립(30, 31)의 시트 저항보다 더 작은 시트 저항을 가진다. 또한 전극 리드-아웃 영역이 스트립(30, 31)의 다른 단부에 제공되며, 이 영역은 작은 저항을 가지며, 작은 압전-저항 계수의 방향으로 확장되고, 다이어프램의 에지 너머까지 뻗어 있어서, 전극이 다이어프램의 외부에서 반도체 본체와 접촉할 수 있다. 저항성 스트립(30, 31)이 브리지로 연결된다. 다이어프램의 형성이 확산 저항기 층(즉, 압전-저항 스트립)이 이들의 저항을 변경하도록 확장 또는 축소될 수 있게 한다. 압력 센서는 저항의 변경을 전기적으로 검출함으로써 압력 변화를 감지한다.

그러나 이 압력 센서는 모든 환경에서 정확한 것은 아닌데, 가령, 온도 변동이 있는 환경, 및 잔존 패키지-응력의 경우 그리 정확하지 않다.

우수한 반도체 압력 센서를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

특히, 반도체 기판의 불균질한 온도의 경우 및/또는 불균질한 패키징-응력의 경우, 및/또는 불균질한 전기장의 경우, 또는 이의 조합의 경우, 압력 센서에 우수한 정확도를 제공하는 것이 본 발명의 실시예의 목적이다.

우수한 정확도, 가령, 불균질한 온도 및/또는 불균질한 응력 및/또는 불균질한 전기장이 존재할 때 그리고 상기 온도, 응력 또는 전기장이 시간의 흐름에 따라 변할 때 개선된 정확도가 제공되는 것이 본 발명의 실시예의 이점이다.

개선된 제로 오프셋 보상을 갖는 반도체 압력 센서에 제공하는 것이 본 발명의 구체적 실시예의 하나의 목적이다.

이들 목적은 본 발명의 실시예에 따르는 소자에 의해 이뤄진다.

제1 양태에서, 본 발명은 센서에 가해지는 외부 압력을 측정하기 위한 반도체 압력 센서를 제공한다: 상기 센서는 외부 압력으로 인해 변형되는 반도체 기판의 일부인 멤브레인 - 상기 멤브레인은 멤브레인 에지 및 멤브레인 두께를 가짐 - , 멤브레인의 제1 변부 상에 또는 이에 인접하게 위치하는 제1 저항기 쌍 및 상기 멤브레인의 제2 변부 상에 또는 이에 인접하게 위치하는 제2 저항기 쌍을 포함하는 제1 브리지 회로를 포함하며, 제1 저항기 쌍은 제1 바이어스 노드와 제1 출력 노드 사이에 연결된 제1 저항기, 및 제1 출력 노드와 제2 바이어스 노드 사이에 연결된 제2 저항기를 포함하고, 제2 저항기 쌍은 제1 바이어스 노드와 제2 출력 노드 사이에 연결된 제3 저항기 및 제2 출력 노드와 제2 바이어스 노드 사이에 연결된 제4 저항기를 포함하며, 제1 저항기, 제2 저항기, 제3 저항기, 및 제4 저항기 중 적어도 하나는 측정될 외부 압력으로 인한 멤브레인의 변형을 측정하기 위한 하나 이상의 기다란 형태의 압전-저항 스트립을 포함하며, 제1 저항기의 한 점과 제2 저항기의 한 점 간 최장 거리와 멤브레인의 최장 치수의 비는 50% 미만이고, 제3 저항기의 한 점과 제4 저항기의 한 점 간 최장 거리와 멤브레인의 최장 치수의 비가 50% 미만이다.

"외부 압력"은 가령, 압력 센서가 위치하는 대기의 공기 압력 또는 기체 압력을 의미하며 이와 달리 "내부 압력"은 예를 들어 패키징에 의해 야기된다. 동일한 변부 부분 상의 또는 이에 인접하게 제1 저항기 및 제2 저항기를 제공하여, 제1 저항기의 한 점과 제2 저항기의 한 점 간 최장 거리와 멤브레인의 최장 치수(가령, 정사각형 멤브레인의 폭, 또는 원형 멤브레인의 지름)의 비가 50% 미만 또는 25% 미만이며, 이는 저항기 R1과 R2가 멤브레인의 치수에 비교할 때 "서로 가까이" 위치하고, 이들 저항기의 온도가 실질적으로 동일하며, 따라서 제1 저항기와 제2 저항기의 저항 값 R1/R2의 비가 제1 변부에서의 (시간의 흐름에 따른) 온도 변동, 및 제1 변부와 멤브레인의 그 밖의 다른 임의의 다른 위치 간 온도 차이에 실질적으로 감응하지 않음을 의미한다. 마찬가지로, 저항 값 R3/R4의 비가 제2 변부에서의 (시간의 흐름에 따른) 온도 변동 및 제2 변부와 그 밖의 다른 임의의 멤브레인 위치, 특히, 제1 변부 간 온도 차이에 실질적으로 감응하지 않는다. 따라서 지시된 바와 같이 저항기를 배열함으로써, 브리지의 정확도가 센서 칩에 걸친, 특히, 멤브레인에 걸쳐 온도 구배에 비교적 감응하지 않는다(또는 적어도 감소된 감도를 가진다).

제1 저항기, 제2 저항기, 제3 저항기 및 제4 저항기 중 적어도 하나가 하나 이상의 압전-저항 요소, 가령, 하나 이상의 압전-저항 스트립을 갖기 때문에, 외부 압력에 의해 초래되는 멤브레인의 변형이 브리지 회로의 불균형을 야기할 것이며, 따라서 멤브레인에 인가되는 외부 압력이 브리지의 출력 노드에 걸쳐 측정될 수 있고, 이러한 방식으로 멤브레인에 걸친 온도 구배에 감응하지 않는다. 본 발명의 발명자가 아는 한, 멤브레인에 걸쳐 온도 차이(가령, 온도 구배)를 보상하는 것이 종래 기술에 알려져 있지 않다. 이러한 온도 구배의 존재 및 센서의 정확도에 미치는 이의 영향이 해당 분야에 알려져 있지 않을 수 있다.

출력 노드에 걸쳐 측정될 수 있는 브리지의 출력 신호가 멤브레인의 변형에 대해 나타나고, 따라서 외부 압력에 대해 나타난다.

동일한 변부 상에 각각의 쌍의 저항기를 위치시키고 서로를 "비교적 가까이" 위치시킴으로써, 멤브레인 상에 존재할 수 있는 온도 구배의 영향이 크게 감소되고 심지어 상쇄된다. 다시 말하면, 멤브레인 상의 온도 구배로 인한 제로 오프셋이 감소되거나 상쇄된다.

구체적 실시예에서, 제1 브리지의 압전-저항 스트립이 멤브레인 상에 완전히 위치하지만, 반드시 그러한 것은 아니다. 실제로, 시뮬레이션이 벌크 물질 상에 압전-저항 스트립을 부분적으로 위치시킴으로써, 센서의 최대 감도가 획득될 수 있음을 보였다.

압전-저항 스트립이 알려진 방식으로, 특히, 결정 격자에 대한 스트립을 배향시킴으로써 실리콘 소자 상에 조립될 수 있다.

하나의 실시예에서, 제1 저항기, 제2 저항기, 제3 저항기 및 제4 저항기 중 적어도 2개의 저항기는 측정될 외부 압력으로 인한 멤브레인의 변형을 측정하기 위해 배열된 하나 이상의 기다란 형태의 압전-저항 스트립을 포함하며, 압력이 멤브레인에 가해질 때 브리지의 불균형 상태에 협업하도록 압전-저항 스트립이 배향된다.

이는 적어도 2개의 압전-저항 스트립을 이용하는 이점이며, 각각의 압전-저항 요소의 개별 영향이 출력 전압에 누적되도록 스트립이 배향될 수 있다. 둘 이상의 압전-저항기를 이용함으로써 감도가 증가하고 압력 측정의 정확도가 증가한다.

그러나 이는 저항기가 브리지의 불균형 상태에 협력하도록 배향될 것을 요구한다. 예를 들어, (도 4의 배열을 참조할 때) R1 및 R2만 압전-저항을 요구할 경우, 이들 압전-저항 스트립이 실질적으로 직교하도록 배향될 필요가 있는 경우, (p형 실리콘 스트립의 경우) 압력으로 인한 R1의 증가와 함께 동일 압력으로 인한 R2의 감소가 동반된다. 예를 들어, R1 및 R3이 압전-저항이고 R1 및 R3이 정사각형 멤브레인의 인접한 변부들 상에 배열되는 경우, 이들의 압전-저항 스트립은 실질적으로 평행하게 배향될 필요가 있을 것이다. 그러나 R1 및 R3만 압전-저항이고, R1 및 R3이 정사각형 멤브레인의 대향하는 변부 상에 배열되는 경우, 이들의 압전-저항 스트립이 직교하도록 배향될 필요가 있을 것이다.

하나의 실시예에서, 제1 저항기, 제2 저항기, 제3 저항기 및 제4 저항기 중 적어도 3개의 저항기는 측정될 외부 압력으로 인한 멤브레인의 변형을 측정하도록 배열된 하나 이상의 기다란 형태의 압전-저항 스트립을 포함하며, 상기 압전-저항 스트립은 압력이 멤브레인 상에 가해질 때 브리지의 불균형 상태에 협력하도록 배향된다.

적어도 3개의 압전-저항 스트립을 이용함으로써, 압력 측정의 감도 및 정확도가 훨씬 더 증가한다.

하나의 실시예에서, 제1 저항기, 제2 저항기, 제3 저항기 및 제4 저항기 각각은 측정될 외부 압력으로 인한 멤브레인의 변형을 측정하도록 배열된 하나 이상의 기다란 형태의 압전-저항 스트립을 포함하며, 상기 압전-저항 스트립이 압력이 멤브레인 상에 가해질 때 브리지의 불균형 상태에 협력하도록 배향된다.

도 4의 배열을 참조할 때, 외부 압력이 멤브레인에 인가할 때, 제1 저항기, 제2 저항기, 제3 저항기, 및 제4 저항기의 압전-저항 스트립이 선택된다. 외부 압력이 멤브레인에 적용될 때, 멤브레인의 변형에 의해 제1 저항 값과 제3 저항 값이 증가되며, 제2 및 제 저항 값이 감소되거나, 그 반대로 이뤄져서, 브리지 불균형 상태 R1/R2 대(versus) R3/R4가 최대화될 것이며, 따라서 센서 감도가 증가할 것이다.

하나의 실시예에서, 하나 이상의 기다란 형태의 압전-저항 스트립을 포함하는 적어도 하나의 저항기가 직렬로 연결된 적어도 2개 또는 적어도 3개의 압전-저항 스트립을 포함한다.

직렬로 연결된 적어도 2개 또는 적어도 3개의 압전-저항 스트립을 제공함으로써, 도핑 레벨을 감소시킬 필요 없이 저항 값이 증가될 수 있다. 각각의 저항기가 적어도 하나의 압전-저항 스트립을 갖는 경우, 각각의 저항기가 직렬로 연결된 적어도 2개 또는 적어도 3개의 이러한 스트립을 갖는 것이 바람직하다. 칩의 치수가 테크놀로지 스케일링으로 인해 더 작아질 때 특히 중요하다. 각각의 개별 저항기의 압전-저항 스트립이 실질적으로 평행하게 배향된다.

하나의 실시예에서, 제2 변부가 멤브레인의 중심으로부터 측정될 때, 제1 변부로부터 실질적으로 또는 정확히 90도 각 거리에 위치한다.

제2 변부가 제1 변부와 관련하여 실질적으로 또는 정확히 90도에 위치한다는 것이 본 발명의 실시예의 이점인데(가령, 정사각형 멤브레인의 경우, 이는 제1 쌍 및 제2 쌍이 인접한 변부에 위치함을 의미한다), 왜냐하면, 이러한 구조는 균일한 응력, 가령, 기판에 평행인 응력의 영향에 대해 감소된 감도를 가진다. 이 구성에 의해, 멤브레인 양단의 균일한 응력이 추가 차동 신호가 아니라 출력 노드의 공통 모드 전압 편이를 야기한다.

하나의 실시예에서, 제1 저항기의 한 점과 제2 저항기의 한 점 간 최장 거리, 및 멤브레인의 최장 치수의 비가 25% 미만이며, 제3 저항기의 한 점과 제4 저항기의 한 점 간 최장 거리와 멤브레인의 최장 치수 간 비가 25% 미만이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 제1 저항기 및 제2 저항기의 압전-저항 스트립이 "서로 비교적 가까이" 위치한다. 상기 비에 의해 "가까이"를 정의하는 이유는, "비교적 가까이"의 의미를 분명하게 정의하려는 것이다.

압전-저항 스트립들 간 간격이 작을수록, 이들의 온도 차이도 작을 것이어서, 브랜치 간 온도 차이가 존재하더라도, 브리지의 하나의 브랜치 내 모든 스트립의 온도가 비교적 동일해질 것이다.

하나의 실시예에서, 멤브레인은 실질적으로 정사각형이며, 최장 치수가 사각형의 폭이고, 제1 변부가 정사각형의 제1 변부이며, 제2 변부는 상기 제1 변부에 인접한 정사각형의 제2 변부이며, 제1 저항기와 제2 저항기가 상기 사각형의 제1 변부의 실질적으로 중앙에 배열되며, 제3 저항기 및 제4 저항기는 정사각형의 제2 변부의 실질적으로 중앙에 배열된다.

이 실시예에서, 압력 센서는 정사각형의 멤브레인을 가진다. 압력이 상기 정사각형 멤브레인에 가해질 때, 변형이 모서리 근방에서보다 변부의 중앙에서 더 크고 멤브레인의 중앙에서보다 변부에서 더 크다, 따라서 변부의 실질적으로 중앙에 저항기를 제공함으로써, 압력 센서의 감도가 증가되고, 예컨대 최대화된다.

변부의 중앙에서 그리고 멤브레인 에지의 수직인 방향으로, 멤브레인 상에 가해지는 압력으로 인한 응력이 멤브레인 두께의 약 2배(2x)의 거리에서 이 최대 값의 약 50%인 것이 일반적이다. 따라서 제1, 제2, 제3 및 제4 저항기가 멤브레인 에지로부터 멤브레인 두께의 3배(≤3x)의 거리 내에 완전히 위치하는 것이 바람직하며, (원리적으로) 상기 저항기의 압전-저항 스트립 중 적어도 하나가 상기 거리 내에 위치하는 것이 충분하다.

하나의 실시예에서, 멤브레인이 실질적으로 원형이며, 원형의 지름의 최장 치수는 원의 지름이거나, 멤브레인이 실질적으로 직사각형이며 최장 치수는 상기 직사각형의 길이 및 폭 중 더 큰 것이거나, 멤브레인이 실질적으로 타원형이고 최장 치수는 타원의 제1 축 및 제2 축 중 장축이다.

이들은 멤브레인 형태의 몇 가지 예시이며, 멤브레인의 적절한 치수가 특정되지만, 본 발명은 이들 예시에 한정되지 않고, 그 밖의 다른 형태, 가령, 삼각형 등을 갖는 멤브레인이 또한 사용될 수 있다.

하나의 실시예에서, 어떠한 응력도 인가되지 않을 때, 제1 저항기의 저항과 제2 저항기의 저항의 비가 50% 내지 200%에 있으며, 제3 저항기의 저항과 제4 저항기의 저항의 비가 50% 내지 200%의 범위 내에 있다.

저항은 "전기 저항"을 의미한다.

제2 저항 값과 대략 동일하도록 제1 저항 값을 선택하는 것이 바람직한데, 출력 노드에서의 전압이 브리지에 인가될 바이어스 전압의 약 50%여서, 양의 방향 또는 음의 방향으로의 최대 제로 오프셋을 허용한다. 동시에, 공급 전압 또는 접지로 출력 신호를 클립핑(clip)하는 위험이 감소된다.

하나의 실시예에서, 제2 변부가 멤브레인의 중앙에서 측정될 때 제1 변부로부터 90도 각 거리에 위치하며, 제1 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제2 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하여 배향되고, 제3 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제4 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하여 배향되고, 제1 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제3 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 평행하게 배향된다.

이는 특히 (단일 브리지만 이용할 때) 관심 있는 배열이며, 이는 멤브레인에 걸친 온도 구배에 대한 감소된 감도를 가지며, 추가로 균일한 패키지에 대한 감소된 감도를 가진다.

또 다른 실시예에서, 제2 변부가 멤브레인의 중앙으로부터 측정될 때 제1 변부로부터 180도 각 거리에 위치하며, 제1 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제2 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되며, 제3 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제4 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되며, 제1 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제3 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하여 배향된다.

이는 (단일 브리지만 이용할 때) 또 다른 특히 흥미로운 배열이며, 이는 멤브레인에 걸친 온도 구배에 대해 감소된 감도를 갖지만, 불행히도, 균일한 패키지 응력에 대해 여전히 감응한다.

하나의 실시예에서, 반도체 압력 센서는 멤브레인의 외부에서 멤브레인의 제1 변부에 배열되는 제3 저항기 쌍 및 멤브레인의 외부에서 멤브레인의 제2 변부에 배열되는 제4 저항기 쌍을 포함하는 제2 브리지 회로를 더 포함하고, 제3 저항기 쌍은 제1 바이어스 노드와 제3 출력 노드 사이에 연결된 제5 저항기, 및 제3 출력 노드와 제2 바이어스 노드 사이에 연결된 제6 저항기를 포함하며, 제4 저항기 쌍은 제1 바이어스 노드와 제4 출력 노드 사이에 연결된 제7 저항기와 제4 출력 노드와 제2 바이어스 노드 사이에 연결된 제8 저항기를 포함하며, 제5 저항기, 제6 저항기, 제7 저항기, 및 제8 저항기 중 적어도 하나는 반도체 기판 상에 패키징에 의해 가해지는 응력만 측정하기 위한(멤브레인 상에 가해지는 압력은 측정하지 않음) 목적으로 멤브레인 두께의 적어도 4배(≥4x)만큼 멤브레인 에지로부터의 거리에 배열되는 하나 이상의 기다란 형태의 압전-저항 스트립을 포함하고, 제2 브리지에 의해 측정된 값을 이용해 제1 브리지에 의해 측정된 값을 보상하기 위한 회로를 포함한다.

제3 저항기 및 제4 저항기 쌍을 기판 상에 멤브레인 외부에 멤브레인 에지로부터 멤브레인 두께의 적어도 4배(≥4x), 가령, 멤브레인 두께의 적어도 8배(≥8x) 의 거리에 위치시킴으로써, 이들 스트립은, 멤브레인 상에 주로, 멤브레인 두께의 최대 3배(≤3x)의 거리 내에 위치하여 패키지 응력과 측정될 외부 압력 모두에 감응하는 제1 저항기 쌍 및 제2 저항기 쌍과 달리, 외부 압력에 의한 멤브레인의 변형에는 감응하지 않고 패키지 응력에만 감응한다.

가령, 제1 브리지와 제2 브리지로부터의 신호를 조합, 가령, 뺌으로써, 최종 응력 측정 값에서 패키지 응력이 보상되거나, 이의 영향이 적어도 최소화될 수 있다.

따라서, 공통 모드 온도, 가령, (제1 브리지로 인해) 주변 온도에 대해 감소된 감도, 및 ("서로 가까이" 배열되는 저항기 쌍을 이용함으로써) 온도 구배에 대해 감소된 감도, 및 (멤브레인의 외부에서 제2 브리지의 저항기 쌍에 의해) 공통 모드 패키지 응력에 대해 감소된 감도, 및 선택사항으로서 (가령, 저항기 쌍이 약 90도 각 거리에 배열되는 경우 기판에 평행인 방향으로 가해지는) 균일한 패키지 응력에 대해 감소된 감도를 갖는 반도체 압력 센서가 제공된다.

하나의 실시예에서, 제5 저항기, 제6 저항기, 제7 저항기, 및 제8 저항기 각각은 반도체 기판 상에 패키징에 의해 야기되는 응력을 측정하도록 배열되는 하나 이상의 기다란 형태의 압전-저항 스트립을 포함한다.

제1 저항기 쌍 및 제2 저항기 쌍에서와 같이, 제5 내지 제8 저항기 각각이 압전-저항 스트립을 포함할 때 더 큰 신호가 획득되고, 더 정확한 신호를 도출한다.

하나의 실시예에서, 제5 저항기 및 제6 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 직교 방향으로 배향되며, 제5 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제1 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 평행 또는 직교하며, 제7 저항기 및 제8 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 직교하는 방향으로 배향되며, 제5 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제1 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 평행 또는 직교이다.

4개의 압전-저항 저항기를 이용하고, 이들을 이러한 방식으로 배열함으로써, 브리지의 불균형 상태가 증가(가령, 최대화)되며, 따라서 센서의 감도가 증가, 가령, 최적화된다.

하나의 실시예에서, 제5, 제6, 제7 및 제8 저항기 각각의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제1 저항기, 제2 저항기, 제3 저항기 및 제4 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립 각각과 동일한 치수를 가진다.

이는 제1 브리지 및 제2 브리지의 거동이 훨씬 더 잘 정합되는 이점을 가진다.

하나의 실시예에서, 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6, 제7 및 제8 저항기는 동일한 개수의 압전-저항 스트립을 가지며, 이들 모든 압전-저항 스트립의 치수가 동일하다.

이는 제1 브리지와 제2 브리지의 거동이 최적으로 정합된다는 이점을 가진다. 바람직하게는, 이 경우, 저항기 쌍의 레이아웃은 회전, 직선이동, 거울대칭 및/또는 스케일링을 제외하고) 가능한 동일하다. 이렇게 함으로써, 제1 (내부) 브리지의 제로 오프셋과 제2(외부) 브리지의 제로 오프셋 간 매우 우수한 상관관계가 존재함으로써, 제1 브리지의 보상이 훨씬 더 (적어도 2배) 개선될 수 있다.

특정 실시예에서, 제2 변부가 멤브레인의 중앙으로부터 측정될 때 제1 변부로부터 90도 각 거리에 위치하며, 제1 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제6 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하며, 제7 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제8 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하여 배향되고, 제5 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제7 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 평행하게 배향되며, 제5 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제1 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 평행하게 배향된다.

이는 특히 (이중 브리지를 이용할 때) 흥미로운 배열이며, 멤브레인에 걸쳐 온도 구배에 대해 감소된 감도를 가지지만, 덧붙여 균일한 패키지 응력에 감소된 감도를 가지며, xrmgl, 저항기의 레이아웃이 (회전, 직선이동 및 거울 대칭을 제외하고) "동일"할 때 압전-저항기의 정합으로 인해, 제1 브리지의 개선된 제로 오프셋 교정을 가진다.

또 다른 특정 실시예에서, 제2 변부가 멤브레인의 중앙에서 측정될 때 제1 변부로부터 180도 각 거리에 위치하며, 제5 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제6 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되며, 제7 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제8 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되며, 제5 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제7 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되며, 제5 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제1 저항기의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 평행하도록 배향된다.

이는 (이중 브리지를 이용할 때) 특히 흥미로운 배열이다.

실시예에서, 반도체 압력 센서는 CMOS 웨이퍼 상에 배열되며, 멤브레인이 (100) 평면에 위치하며 압전-저항 요소들 중 적어도 하나가 <110> 방향으로 배향된다.

본 발명의 특정 및 바람직한 양태가 이하의 독립항 및 종속항에서 제공된다. 종속 청구항으로부터의 특징이 적절하게 독립 청구항의 특징 및 그 밖의 다른 종속 청구항의 특징과 조합될 수 있다.

본 발명의 이들 및 그 밖의 다른 양태가 이하에 기재된 실시예를 참조하여 자명해질 것이다.

도 1은 종래 기술의 반도체 압력 센서를 도시한다.
도 2는 종래 기술에서 알려진 각각 2개씩의 저항기를 포함하는 2개의 브랜치를 갖는 휘스톤 브리지 구성을 도시한다.
도 3은 종래 기술에서 알려진 또 다른 반도체 압력 센서를 도시한다.
도 4는 본 발명에 대한 관련 특정 양태의 추가 지시를 갖는 도 2의 휘스톤 브리지를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따르는 압력 센서에서 사용될 수 있는 저항기 쌍 및 리드-아웃 부분을 포함하는 레이아웃 패턴의 하나의 예시의 평면도를 도시한다. 상기 저항기 쌍은 멤브레인 에지의 가까운 근접부에서의 압전-저항 스트립(어두운 회색)을 포함한다.
도 6은 도 5의 압전-저항 스트립의 확대도를 도시하며, 여기서 "제1 저항기의 한 점과 제2 저항기의 한 점 간 최장 거리"가 지시된다.
도 7은 도 5의 레이아웃 패턴의 변형예를 도시하며, 여기서 출력 노드의 리드-아웃 영역이 바이어싱 노드의 리드-아웃 영역들 사이에 놓인다.
도 8은 도 7의 레이아웃 패턴의 변형예이며, 여기서 각각의 저항기는 3개가 아니라 2개의 직렬 연결된 병렬 압전-저항 스트립을 가진다.
도 9는 정사각형 반도체 멤브레인의 인접한 변부 상에 위치하는 도 5의 레이아웃 패턴(또는 이의 일부)을 이용하는 2개의 저항기 쌍을 갖는 본 발명의 실시예에 따르는 압력 센서의 제1 실시예의 일부를 도시하며, 이때 2개의 저항기 쌍이 브리지로 연결된다.
도 10은 도 5의 패턴(또는 이의 일부)을 이용하는 4개의 저항기 쌍을 갖는 본 발명의 실시예에 따르는 압력 센서의 제2 실시예의 일부분을 도시하며, 이때 2개의 쌍이 멤브레인 상에 위치하며 제1 브리지에 연결되고, 다른 2개의 쌍이 멤브레인 밖에 위치하며 제2 브리지로 연결되고, 제3 쌍 및 제4 쌍이 제1 쌍 및 제2 쌍에 근접하여 위치한다.
도 11은 도 9의 압력 센서의 실시예의 변형예를 도시하며ㅡ 이때 제1 저항기 쌍 및 제2 저항기 쌍이 정사각형 멤브레인의 대향하는 변부 상에 위치한다.
도 12는 도 11의 압력 센서의 실시예의 변형예로서, 제1, 제2, 제3, 및 제4 저항기 쌍이 정사각형 멤브레인의 대향하는 변부 상에 위치한다.
도 13은 도 5의 패턴 대신 도 8의 레이아웃 패턴(또는 이의 일부분)을 이용해 도 11의 압력 센서의 실시예의 변형예를 도시한다.
도 14는 멤브레인의 4개의 위치에서의 (가령, 압력에 의해 야기된) 방사방향 응력의 개략도이며, 이때 응력은 기판에 수직인 방향으로 멤브레인 상에 가해지는 압력에 의해 발생하는 것이 일반적이다.
도 15는 멤브레인의 4개의 위치에서의 (이 경우, 좌에서 우 방향으로) 균일한 응력의 개략도를 도시하며, 이때 응력은 패키징에 의해 야기된다.
도 16은 도 5의 패턴을 대신하여 도 8의 패턴(또는 이의 일부분)을 이용해 도 9의 압력 센서의 실시예의 변형예를 도시한다.
도면은 개념적인 것에 불과하며 한정하려는 것이다. 도면에서, 일부 요소의 크기가 과장될 수 있고 설명 목적으로 실제 비율로 도시되지 않았다.
청구범위에서의 임의의 도면부호가 범위를 한정하는 것으로 해석되지 않는다.
상이한 도면에서, 동일한 도면 부호가 동일하거나 유사한 요소를 지칭한다.

본 발명은 특정 실시예와 관련하여 특정 도면을 참조하여 기재될 것이나 본 발명은 이에 한정되지 않고 오직 청구범위에 의해서만 한정된다. 설명된 도면은 개략적인 것에 불과하며 비제한적이다. 도면에서, 요소들 중 일부의 크기가 과장될 수 있고 설명을 위해, 실제 비율로 그려지지 않는다. 치수 및 상대적 치수가 본 발명의 구성요소의 실제 축소 비율에 대응하지 않는다.

덧붙여, 상세한 설명 및 청구항에서 용어 제1, 제2, 등은 유사한 요소들을 구별하기 위해 사용되며 시간, 공간, 등급, 또는 그 밖의 다른 임의의 방식으로 순서를 기술하는 것은 아니다. 이렇게 사용되는 용어는 적절한 조건하에서 상호 교환 가능하며, 본 발명의 실시예는 기재되거나 도시된 바와 다른 순서로 동작할 수 있다

덧붙여, 상세한 설명 및 청구항에서 상부, 아래 등의 용어는 설명 목적으로 사용되며 반드시 상대적 위치를 기술하기 위한 것은 아니다. 이렇게 사용되는 용어는 적절한 조건하에서 상호 교환 가능하며 본 발명의 실시예는 기재되거나 도시된 바와 다른 순서로 동작할 수 있다.

용어 "~를 포함하는"은 청구항에서 사용될 때 앞에 나열되는 것으로 한정됨으로 해석되어서는 안 되며, 그 밖의 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 따라서 언급된 특징, 정수, 단계 또는 구성요소의 존재를 특정하는 것으로 해석될 것이다.

따라서 언급된 수치, 정수, 단계 또는 구성요소의 존재를 특정한다고 해석될 것이지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계 또는 구성요소 또는 이의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하는 것은 아니다. 따라서 "수단 A 및 B를 포함하는 소자"라는 표현의 범위는 구성요소 A 및 B만으로 구성된 소자에 한정되지 않는다. 본 발명에 대해, 소자의 유일한 관련 구성요소는 A 및 B이다.

본 명세서 전체에서, "하나의 실시예 또는 "실시예"라는 언급은 실시예와 관련하여 기재된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서 본 명세서의 다양한 위치에서의 "하나의 실시예에서" 또는 "실시예에서"의 구문의 등장이 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니며, 동일한 실시예를 지칭할 수도 있다. 덧붙여, 하나 이상의 실시예에서, 특정 특징, 구조 또는 특성이 해방 분야의 통상의 기술자에게 자명할 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.

마찬가지로, 본 발명의 예시적 실시예의 기재에서, 개시 내용을 간소화하고 다양한 본 발명의 양태 중 하나 이상의 이해를 보조하기 위해, 단일 실시예, 도면, 또는 도면에 대한 기재에서 본 발명의 다양한 특징들이 함께 그룹화된다. 그러나 이러한 개시 방법은 청구되는 발명이 각각의 청구항에 명시적으로 언급된 것보다 더 많은 특징을 필요로 한다는 의도를 반영한다고 해석되지 않는다. 오히려, 이하의 청구항이 반영하는 바와 같이, 본 발명의 양태는 앞서 개시된 단일 실시예의 모든 특징보다 적은 특징을 포함한다. 따라서 상세한 설명 이하의 청구항이 이 상세한 설명에 명시적으로 포함되며, 각각의 청구항은 본 발명의 개별 실시예를 나타낸다.

덧붙여, 본 명세서에 기재된 일부 실시예가 다른 실시예에 포함되는 다른 특징부를 제외한 특징부만 포함할 수 있지만, 해당 분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 바와 같이, 상이한 실시예의 특징의 조합이 본 발명의 범위 내에 있음이 이해되고 상이한 실시예를 형성한다. 예를 들어, 다음의 청구항에서 청구된 실시예 중 임의의 것이 임의의 조합으로 사용될 수 있다.

본 명세서에 제공된 기재에서, 복수의 특정 상세사항이 제공된다. 그러나 본 발명의 실시예가 이들 특정 세부사항 없이 실시될 수 없음이 이해된다. 또 다른 예를 들면, 잘 알려진 방법, 구조 및 기법이 본 발명의 기재에 대한 이해를 흐리지 않도록 상세히 도시되지 않는다.

본 발명에서, 용어 "다이어프램" 및 "멤브레인(멤브레인)"은 주면 기판 물질(이른바 "벌크")에 비해 감소된 두께를 가지며 측정될 압력이 인가될 때 기계적으로 변형하도록 구성된 반도체 기판의 영역을 가리키는 동의어로서 사용된다.

본 발명에서, "멤브레인의 가장 큰 치수" 또는 단순히 "멤브레인의 치수"라고 언급될 때, 이는 멤브레인이 실질적으로 정사각형인 경우, 한 변의 길이, 또는 멤브레인이 둥근 모서리를 갖는 사각형인 경우, 대향하는 변들 사이의 거리, 또는 멤브레인이 실질적으로 원형인 경우 지름, 또는 멤브레인이 실질적으로 타원형인 경우 장축의 길이, 또는 멤브레인이 실질적으로 직사각형인 경우 길이와 폭 중 더 긴 것, 또는 멤브레인이 정다각형, 예컨대, 육각형 또는 팔각형인 경우, 내접원의 지름을 지칭한다.

용어 "멤브레인의 두께"는 기판에 수직인 방향을 측정될 수 있는 치수라는 일반적인 의미를 가진다.

배경 기술 섹션에 기재되고 도 1에 도시된 US 4,672,411 (Hitachi)의 회로는 일부 단점을 갖지만, 본 명세서에 기재된 기본 원리 중 다수가 또한 본 발명에서 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 실시예의 멤브레인 에지는, 멤브레인 에지에 수직인 적어도 2개의 영역에서 인가되는 압력에 의해 야기되는 최대 응력에 도달하고 멤브레인 에지가 <110> 방향으로 배향되도록 구현되는 것이 바람직하다. 실리콘에서의 사각형 멤브레인의 이방성 에칭이, 종종 <111> 평면 상에서의 이방성 에칭 종료로 인해 멤브레인 에지의 중앙에서 이러한 영역을 4개 형성함으로써 사용된다. 다른 에칭 방법을 이용함으로써 둥근 멤브레인이 또한 이러한 영역 4개 도출하며 타원형 멤브레인이 이러한 영역을 2개 도출한다. 압전-저항기의 응력 감도가 또한 결정 배향에 따라 달라지고 p 도핑된 저항기는 <110> 방향을 따라 저항의 최대 변화를 가지며 <110> 방향에 45도인 <100> 방향을 따라 저항의 최소 변화를 가진다. 금속 연결이 실리콘에 응력을 야기하고 크리프(creep) 때문에 이 응력은 또한 시간의 흐름에 따라 변할 수 있다. 따라서 고도로 도핑된 p 도핑된 경로가 금속과 압전-저항 스트립 사이에서 구현된다. <110> 방향과 45도인 <100> 방향에 이들 고도로 p 도핑된 경로를 배치함으로써, 금속 라인으로부터의 응력이 이들 스트립의 저항을 변화시키지 않음이 보장된다.

이들 기본 개념의 불필요한 반복을 피하기 위해, 본 발명은 결정 평면 및 방향을 추가로 상세히 기재하지는 않을 것이며 종래 기술에 비교되는 본 발명의 구성에 집중할 것이다. 세부사항을 위해 US 4,672,411를 참조할 수 있다. 그 밖의 다른 결정 방향이 사용될 수 있지만, 본 발명에 따른 압력 센서의 멤브레인은 CMOS 웨이퍼의 (100) 결정 평면에 위치하며, 압전-저항 스트립은 <110> 방향으로 위치한다고 가정된다. CMOS 웨이퍼를 이용함으로써 압력 멤브레인 및 CMOS 회로, 가령, 적어도 리드아웃-회로의 조합이 동일한 웨이퍼 상에 집적될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 압력 센서가 기재되기 전에, 우선 휘트스톤-브리지 회로(Wheatstone-bridge circuit)의 원리가 설명된다. 도 2에 도시된 4개의 저항기가 배열된 휘트스톤-브리지 회로는 종래 기술에서 잘 알려져 있다. 이러한 회로는 다른 3개의 저항기 값 R1, R2 및 R3이 알려져 있을 때 알려지지 않은 저항기 값 Rx를 결정하는 데 또는 모든 4개의 저항기 값이 알려져 있을 때 작은 저항 변화를 측정하는 데 매우 적합하다. 도 2의 브리지가 4개의 저항기 R1, R2, R3 및 R4 (또는 Rx)를 가진다. 공급 전압(가령, DC 전압) Vdd 및 Gnd가 노드 A 및 C에 각각 인가될 때, 제1 전류가 R2와 직렬 연결된 R1에 의해 형성되는 제1 브랜치를 통해 A에서 C로 흐를 것이며, 제2 전류가 R4와 직렬 연결된 R3에 의해 형성된 제2 브랜치를 통해 흐를 것이다. 차동 전압 출력 "Vout"이 노드 D 및 B에 걸쳐 제공되며, Vout=Vd-Vb로 형성된다.

브리지가 "균형 상태"일 때, 다음의 공식이 적용된다:

R1 / R2 = R3 / R4 (1)

이는 다음과 등가이다:

R1 x R4 = R2 x R3 (2)

브리지가 균형 상태일 때, R1과 R2 사이에서 노드 D에서의 전압 "Vd"가 R3과 R4 사이에서 노드 B에서의 전압 "Vb"와 정확히 동일할 것이며, 어떠한 전류도 (가령, Vg로 지시되는 검류계를 통해) 노드 B와 노드 D 사이에의 경로에서 흐르지 않을 것이다. 저항기 값 R1 내지 R4 중 하나 이상이 이 균형 상황에서, 약간이라도 벗어날 때, 브리지는 더는 균형 상태가 아니며 전압 차이 Vout이 노드 D와 노드B 양단에서 나타날 것이며, 이러한 전압 차이는 종래 기술의 임의의 방식으로, 가령, 약 100 이상의 증폭 계수를 갖는 증폭기에 의해 측정될 수 있다. 상기 수학식(1)에서 이해될 수 있는 바와 같이, 절대 저항값이 중요하지 않고 이들의 비만 중요하기 때문에 이러한 브리지 회로는 공통 모드 온도 변화, 즉, 모든 저항기 R1 내지 R4의 온도가 동일한 만큼씩 증가 또는 감소될 때에 반응하지 않는다.

이상적인 압력 센서에서, 어떠한 압력 차이(간단히 "압력"이라고 지칭됨)도 멤브레인(2)에 적용되지 않을 때 노드 D 및 B에서의 전압 출력이 정확히 0이어야 하며, 이상적으로 이 값은 상기 압력이 부재할 때 센서 온도에 무관하게 정확히 0을 유지한다. 그러나 실제로, 0-압력에 대응하는 이 출력 전압 값 Vg가 정확히 0이 아니며, 정확한 압력 측정값을 획득하기 위해 보상될 필요가 있다. 어떠한 외부 압력도 센서 멤브레인에 가해지지 않을 때 이러한 0 아닌 값이 "제로 오프셋(zero offset)", 즉, 노드 D와 노드 B 간 전압 오프셋 값이라고 불린다. 이러한 제로 오프셋에 대해 다양한 이유가 존재하는데, 가령, 반도체 공정의 결함으로 인한 다양한 저항값 간 오정합, 반도체(가령, 실리콘)의 패키징으로 인한 멤브레인 내 잔류 응력, 또는 기판에 수직인 불균질 전기장이 있으며, 이들은 저항기를 동일한 방식으로 수정하지 않는다(공핍 층이 변한다). 이산(두꺼운 필름) 저항기에 대해, 제작 스테이지에서의 레이저 트리밍에 의해 반도체 공정으로 인한 다양한 저항값 간 오정합이 교정될 수 있지만, CMOS 회로의 일부인 압전 저항기에 대해 레이저 트리밍이 가능하지 않다. 덧붙여, 또한 복수의 다른 효과, 가령, 패키징 및 온도 구배로 인한 응력이 남아 있다.

제로 오프셋을 감소시키기 위한 다양한 시도가 이뤄졌다. 예를 들어, 도 3은 Honeywell에 의해 EP0083496로 개시된 종래 기술 압력 센서를 도시한다. 본 명세서의 도시는 차후 더 명확해지도록 검은색 선을 도 3에 추가하여, 압전-저항 스트립의 위치 및 배향을 명확히 가리킬 수 있다. 이 센서는 멤브레인에 가해지는 압력을 측정하기 위해 멤브레인 상에 위치하는 저항기와의 제1 브리지를 가진다. 제1 브리지는 온도 변동 및 패키지 응력으로 인한 제로 오프셋을 가진다. 이 오프셋은 제2 브리지를 이용하여, 멤브레인 외부에 위치하는 4개의 저항기를 가짐으로써 감소된다. 이러한 총 이중 브리지 센서가 패키지 응력에 대해 보상되는 압력 값을 제공하지만, 이러한 보상은 완벽하지 않다.

패키지 응력을 보상하는 문제가 Honeywell에 의해 해결되었지만, 본 발명의 발명자에게 알려진 바와 같이, 지금까지 기판에서의, 특히, 멤브레인(2)에서의 온도 차이 또는 온도 구배를 고려하는 어떠한 압력 센서도 개발되지 않았다. 그러나 발명자는 저항기 R1 내지 R4 중 하나의 0.1℃만큼 작은 온도 차이가 일반적으로 1% 전체 규모 에러를 초래할 것이다. 심지어 이 문제는 해당 분야에서 인식되어 있지도 않는다. 이는 모든 저항기에 대해 공통인 가변 온도를 보상하는 상이한 문제이며, 이 문제는 브리지 구조를 이용함으로써 본질적으로 해결된다.

본 발명의 발명자는 이러한 온도 차이(또는 온도 구배)가 예컨대, 집적 압력 센서 상의 복수의 서브-회로에 의해 소산되는 전력에 의해 초래될 수 있기 때문에, 그리고 심지어 펌웨어 종속적일 수 있기 때문에(가령, 센서가 특정 서브-회로를 활성화 또는 비활성화하거나 이들의 클록 주파수를 변경하는 프로세서와의 집적 칩의 일부일 때) 예측되기 어렵거나 심지어 불가능할 수 있음을 깨달았다. 그러나 가령, 압력 센서가 불균질 및/또는 시간 종속적 열 흐름에 노출될 때, 반도체 다이, 가령, 실리콘 다이 상의 온도 구배가 또한 환경에 의해 초래될 수 있다.

멤브레인 상의 온도 구배의 존재를 인지한 후, 도 1의 종래 기술 센서를 면밀히 살펴보면, 저항기가 서로 다른 멤브레인 에지에서 서로 비교적 멀리 이격되어 배치됨이 나타난다(저항기 간 간격이 멤브레인 크기의 0.7배와 대략 동일하다). (측정될 외부 압력을 나타내는) 리드아웃-신호에 추가로, 멤브레인에 걸쳐 온도 구배가 존재하는 경우 에러 신호가 생성된다. 저항기는 이들 온도 차이로 인한 서로 다른 값을 가질 것이다. 저항기의 증가하는 온도 차이에 따라(가령, 비례하여) 에러 신호가 증가하고, 저항기들이 멀리 떨어져 있을수록 이들 온도 차이가 커질 것이다. 유사한 방식으로, 저항기 상의 잔류 응력(가령, 측정될 외부 압력에 의해 야기되지 않는 응력)이 모든 저항기에 대해 동일하지 않고 심지어 시간의 흐름에 따라 변할 수 있을 때 에러 신호가 생성된다. 예를 들어 이러한 응력은 센서의 패키징에 의해 유도되는 힘에 의해 야기될 수 있다. 이러한 응력의 변화는 예를 들어 센서를 표면에 접착하는 글루(glue)의 소성 변형, 표면의 소성 변형 및/또는 종종 도포되는 보호 겔의 소성 변형에 의해 야기될 수 있다. 에러의 세 번째 원인은 개별 저항기에 대해 동일하지 않은 불균질한 외부 전기장에 의해 야기될 수 있으며, 다시 말하면, 저항기들이 서로 멀리 떨어져 있을수록, 이들의 저항 값이 더 많이 차이날 것이다. 이러한 전기장이 절연 공핍 층을 변경할 때 확산된 저항기의 값을 변화시킨다. 가능한 원인은 칩 근방의 외부 구성요소, 칩 상에 집적되는 전자소자 또는 압전 저항기 위의 물질에 포착된 전하로부터의 전기장의 방출일 수 있다. 덧붙여, 이들 현상(온도, 패키지 응력, 전기장) 중 둘 이상이 동시에 발생할 수 있다.

온도 구배에 의해 야기되는 부정확성을 감소시키기 위한 해결책을 찾으면서, 본 발명의 발명자는 도 2의 휘트스톤 브리지의 4개의 저항기 R1 내지 R4가 모두 브리지가 평형 상태(equilibrium)에 있도록(또는 평형 상태를 유지하도록) 동일한 온도를 가질 필요가 없으며, 도 4에서 "Pair1(T1)" 및 "Pair2(T3)"로 지시되는 바와 같이, 제1 브랜치의 저항기 R1 및 R2의 온도가 (실질적으로) 동일하고, 제2 브랜치의 저항기 R3 및 R4의 온도가(실질적으로) 동일한 것이 충분함을 깨달았다. 수학적 표시에서, i=1 내지 4에 대해 Ti가 저항기 Ri의 온도를 나타내는 경우, 브리지가 평형 상태이도록(또는 평형 상태를 유지하도록) T1 = T2, 및 T3 = T4인 것이 충분하며, T1은 T3과 실질적으로 상이할 수 있다. 실제로, 물론, T1은 T2와 정확히 동일하지 않을 것이며, T3은 D4와 정확히 동일하지 않을 것이지만, 온도 차이 절댓값 ｜T1-T2｜가 온도 차이 절댓값 ｜T1-T3｜보다 바람직하게는 적어도 2배만큼, 더 바람직하게는 적어도 5배만큼 작다. 그러나 설명의 편의를 위해, T1=T2이고 T1은 T3과 상이하다고 가정할 것이다. 예를 들어, R1 및 R2의 저항 값 모두, 예를 들어 이들의 명목 값보다 2%만큼 증가하는 경우(가령, T1 및 T2 모두 2℃ 만큼 증가했기 때문에), 비 R1/R2는 변경되지 않은 채 유지되고, 따라서 노드 D에서의 전압 Vd가 변하지 않은 채 유지된다. 동시에 R3 및 R4의 저항 값이 이들의 명목 값보다 가령 4$만큼 증가하는 경우(가령, T3 및 T4 모두 4℃만큼 증가했기 때문에), 비 R3/R4가 변하지 않은 채 유지되며, 따라서 노드 B에서의 전압 Vb가 변하지 않은 채 유지되고, 따라서 T1과 T3 간 온도 차이에서 불과하고 브리지가 균형 상태를 유지한다. 이러한 이해는 본 발명의 기본 아이디어 중 하나이다.

브리지가 완전히 평형 상태에 있을 때, 즉, Vout <>0일 때에도 해당된다. 브리지가 균형 상태가 아닐 때 다음의 공식이 적용될 수 있다.

Vout / Vdd = R2 / (R2 + R1) - R4 / (R3 + R4) (3), 또는

Vout / Vdd = 1 / (1 + R1/R2) - 1 / (1 + R3/R4) (4)

수학식(4)의 경우, 각각의 쌍 내 정합만 중요하며, 모든 저항기가 정합될 필요는 없음을 알 수 있다. 이 이해는, 2개의 저항기 R1 및 R2를 (멤브레인(2)의 폭(W)에 비교할 때) 서로에 대해 "가까이" 위치시켜, 멤브레인(2) 상에서 온도 구배가 존재할 때 종래 기술의 실시예에 비교할 때 온도 차이 T1과 T2가 감소됨으로써, 본 발명에서 활용된다. 실제로, 온도 구배의 효과는 일반적으로 저항기들 간 거리에 비례한다. 종래 기술(가령, 도 1 및 도 3)에서의 저항기들 간 거리는 멤브레인 길이(또는 지름)의 약 1/2√2배 또는 약 0.7배이며, 본 발명의 저항기 쌍의 경우 이 거리는 더 작게, 가령, 멤브레인 길이 또는 지름의 0.50배보다 작게, 가령, 멤브레인 길이 또는 지름의 0.35배 미만, 가령, 멤브레인 길이 또는 지름의 0.20배 미만, 또는 멤브레인 길이 또는 지름의 0.10배 미만으로 선택된다. 따라서 온도 차이 ｜T1-T2｜가 약 2배만큼(0.35의 경우), 또는 약 10배만큼(0.10의 경우) 감소된다. 마찬가지로, 저항기 R3 및 R4가 서로 "가까이" 위치한다. 상대적 용어 "가까이"를 피하기 위해, "가까이"가 의미하는 바에 대한 더 정확한 정의가 도 6과 관련하여 제공될 것이다.

동시에, 2개의 쌍 자체가 서로 가까이 위치할 필요가 없으며, 높은 감도를 갖는 멤브레인 상의 위치(가령, 사각형 멤브레인의 변부의 중앙 가까이)에 위치하는 것이 바람직하다. 모든 4개의 저항기를 함께 위치시키기 보다 저항기 쌍들을 서로 이격시켜(가령, 서로 다른 에지 상에) 위치시키는 것이 바람직한데, 왜냐하면, 이러한 방식으로 각각의 쌍의 2개의 저항기가 멤브레인 상의 높은 감도를 갖는 위치(가령, 사각형 멤브레인의 경우, 대향하는 변부의 중앙)에 서로 가까이 위치할 수 있기 때문이다. 더 중요한 것은, 4개의 저항기를 함께 위치시키지 않음으로써, (측정될) 압력에 의한 응력과 패키지에 의해 유발되는 응력을 구별하는 것이 가능하다는 것이다.

적어도 2개의 압전-저항 요소를 갖는, 특히, 단 2개 또는 단 3개 또는 4개의 압전-저항 요소를 갖는 본 발명의 실시예의 두 번째(선택적) 아이디어는 이들 압전-저항 요소, 가령, 압전-저항 스트립을, 브리지의 불균형에 "협력"하도록 배향시키는 것이다. 이들의 값이 압력 때문에 변할 때, 몇 가지 예시가 다음에서 기재된다.

첫 번째 예시에서, R1 및 R2가 압전-저항인데, R3 및 R4는 아니다. R1 및 R2를 적절하게 배향시킴으로써, 멤브레인에 인가되는 외부 압력이 R1의 값을 증가시키면서 동시에 R2의 값을 감소시킬 것이며, 그 반대도 가능하다. 이는 R1의 변화 및 R2의 변화 모두에 의해, 노드 D에서 Vd의 값이 동일한 방향으로 변하는(가령, 감소하는) 효과를 가지며, 노드 B에서의 Vb의 값이 상기 압력으로 인해 변하지 않은 채 유지될 것이다. 따라서 이들 배향에 의해, 저항기 R1 및 R2는 브리지의 불균형에 "협력"한다. 두 번째 예시로서, R1 및 R3가 압전-저항인 경우, 압력에 의해 R1이 증가할 때 R3이 감소하도록 R1 및 R3이 배향되어야 하며, 그렇지 않은 경우, Vd 및 Vb 모두가 동일한 방향으로 변할 것이고, 따라서 Vout이 변하지 않은 채 유지될 것이다. 세 번째 예시로서, R1 및 R4가 압전-저항인 경우, 압력에 의해 R1이 증가할 때, R4가 또한 증가하여, 노드 D에서의 Vd가 감소하고 노드 B에서의 Vb는 증가함으로써, Vout이 변하도록 하는 방식으로 R1 및 R4가 배향되어야 한다. 네 번째 예시에서, R2 및 R4가 압전-저항인 경우, R2가 감소할 때(따라서 Vd가 감소할 때), R4가 증가하도록(따라서 Vb가 증가하도록) R2와 R4는 배향되어야 한다. 다섯 번째 예시에서, 모든 저항기 R1 내지 R4가 압전-저항기인 경우, 이들은 R1이 증가할 때, R2가 감소해야 하고, R3가 감소해야 하며 R4가 감소해야 하도록 배향되어야 한다. 해당 분야의 통상의 기술자라면 도 4의 화살표, 즉, 상향 화살표(가령, 압력에 의해 증가) 또는 하향 화살표(가령, 압력에 의해 감소)(그러나 화살표는 반전될 수 있음)를 관찰함으로써 둘 또는 세 개의 압전-저항 요소의 그 밖의 다른 가능한 조합을 쉽게 도출할 수 있다. 이하에서 더 기재될 바와 같이, 저항기 R1, R2, R3, R4가 멤브레인(2)의 어느 에지에 위치하는지에 따라, 실질적으로 평행하게 또는 실질적으로 수직으로 배향될지를 결정한다.

앞서 설명된 바와 같이, 최대 감도에 대해 선호되지만, 모든 4개의 저항기 R1 내지 R4가 하나 이상의 압전-저항 요소(8, 9)를 갖는 것이 절대적으로 요구되는 것은 아니다. 실제로, 저항기 중 단 하나, 가령, R1만 멤브레인(2)에 가해지는 압력에 감응하는 압전-저항 요소를 갖는 경우에도, 본 발명은 또한 효과가 있을 것이다. 어느 경우라도, 비 R1(T1,p)/R2(T2)는 압력에 반응하지만 (T1

T2를 가정할 때) 온도 구배에는 (실질적으로) 반응하지 않을 것이지만, 비 R3(T3)/R4(T4)는 (T3

T4를 가정할 때) 압력 "p"와 온도 구배 모두에 (실질적으로) 반응하지 않을 것이다. 이러한 센서의 감도가 저항기 R1 내지 R4 각각이 압전-저항 요소를 갖는 압력 센서보다 대략 4배 더 작을 것이다.

본 발명의 세 번째 양태는 멤브레인 상의 압력이 압전-저항기 내 응력의 유일한 원인이 아니라는 "이해"를 기초로 한다. 이러한 추가 응력은 멤브레인 표면에 수직인 방향으로 배향된 인가된 압력과 동일한 효과(방사 방향의 응력)를 가질 수 있지만, 추가 응력이 또한 모든 저항기에 대해 공통 방향으로 그리고 기판 표면에 실질적으로 평행하게 배향될 수 있다. 또한 이하에서 더 기재될 바와 같이 이 응력은 멤브레인 상에 저항기를 적절하게 위치시킴으로써 감소될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 압력 센서에서 사용될 수 있는 바와 같이, 제1 저항기 R1과 제2 저항기 R2를 포함하는 저항기 쌍 P1의 가능한 패턴의 실시예를 나타낸다.

도시된 예시에서, 제1 저항기 R1은 직렬로 연결된 3개의 기다란 압력 감응성 반도체 스트립(8a, 8b, 8c)을 포함하지만, 4개 이상 또는 2개 이하의 스트립, 예컨대 단 2개의 스트립이 또한 사용될 수 있다. 이들 스트립(8a, 8b, 8c)은 제1 도펀트 유형의 도펀트로 도핑된 반도체 물질, 가령, p형 실리콘으로 만들어지고 제1 방향 Y로, 가령, 비교적 큰, 가령, 최대 압전-저항 계수의 결정 격자 방향에 대응하는 방향으로 배향된다. 압전-저항 계수 및 결정 격자 방향과의 이들 관계에 대한 더 많은 정보를 위해, US 4,672,411, 특히, 도 9 및 기재의 대응한 부분을 참조할 수 있다.

제2 저항기 R2가 직렬로 연결된 3개의 기다란 압력 감응성 반도체 스트립(9a, 9b, 9c)을 포함하지만, 4개 이상 또는 2개 이하의 스트립이 또한 사용될 수 있다. 이들 스트립(9a, 9b, 9c)은 제1 도펀트 유형의 도펀트로 도핑된 반도체 물질, 가령, p형 실리콘으로 만들어지고, 상기 제1 방향 Y와 실질적으로 직교이며 또한 비교적 큰, 가령, 최대 압전-저항 계수의 결정 격자 방향에 대응하는 제2 방향 X로 배향된다.

제1 저항기 R1의 (기다란) 스트립(8a, 8b, 8c) 및 제2 저항기 R2의 (기다란) 스트립(9a, 9b, 9c)의 직교 배향 때문에, 전류에 평행인 방향으로의 변형(strain)으로 인한 스트립(8a, 8b, 8c)의 응력의 증가가 제2 저항기 R2의 스트립(9)의 전류의 방향에 수직인 유사한 응력을 수반할 것이다. 따라서 제1 저항기 R1의 전기 저항의 증가를 야기하는 멤브레인(2) 상의 압력이 동시에 제2 저항기 R2의 전기 저항의 감소를 야기하며, 이의 반대로 가능하다. 실제로, 이는 p형 저항기에 대해서만 사실이다. 브리지 불균형을 야기하면서, 이는 또한, 각각의 브랜치의 총 저항, 가령, (R1 + R2)가 압력에 의해 '많이' 변화하지 않는다, 더 정확히 말하면, 합 (R1+R2)의 변화의 절댓값 ｜Δ(R1+R2)｜가 개별 변화 ｜ΔR1｜ 및 ｜ΔR2｜ 중 가장 큰 것보다 작기 때문에, 브리지를 통과하는 전류가 압력에 꽤 독립적이라는 효과를 가진다.

전극 리드-아웃 영역(lead-out region)(6)이 저항기 R1 및 R2의 직렬 연결에 걸쳐 바이어스 전압(가령 Vdd 및 Gnd)을 인가하고, 저항기 R1과 R2 사이의 중간 노드 "D"의 전압을 측정하기 위해 제공된다. 이들 리드-아웃 영역(6)뿐 아니라 압전-저항 스트립(8a, 8b, 8c)과 스트립(9a, 9b, 9c)을 상호연결하는 "모서리 부분"(3)까지 제1 도펀트 유형의 고농도 도핑된 층, 가령, 고농도 도핑된 p+ 유형 확산 층으로 만들어진다. 이들은 비교적 낮은 전기 저항을 가지며, 비교적 작은 압전-저항 계수의 방향으로(도시된 예시에서, 바람직하게는 제1 및 제2 방향 Y, X에 대해 +/- 45도의 각도로) 뻗어 있다. 리드-아웃 영역(6)이 멤브레인(2)의 에지(21) 너머까지 뻗어 있고, 전도체 전극, 가령, 멤브레인(2)의 외부에서 금속 전극(4)과 옴 접촉하고 있다. 이러한 금속 전극(4)은 예를 들어 알루미늄을 포함할 수 있다. 노드 D로연결된 전극 리드-아웃 영역(6) 전체가 제1 및 제2 방향 Y, X에 대해 +/- 45도의 각도로 배향되지 않았음을 알 수 있는데, 왜냐하면 실제로 이 리드(lead)를 통해 실질적으로 어떠한 전류로 흐르지 않기 때문에 이 구성이 이 리드에 대해 필요하지 않기 때문이다. 실제로, 노드 D 및 B(도 5에는 노드 D만 도시됨)가 일반적으로 출력 전압 Vout을 증폭시키기 위한 증폭기(도시되지 않음)의 입력으로 연결된다.

압력 감지 요소를 구성하는 제1 도펀트 유형의 확산 층, 가령, p형 확산 층(8a, 8b, 8c, 9a, 9b, 9c)이 비교적 큰, 가령, 최대 압전-저항 계수를 갖기 때문에, 반도체, 실리콘, 멤브레인(2)의 변형으로 인한 변형에 의해, 이들 전기 저항이 크게 달라진다. 즉, 이들 압력 감지 요소가 압력 등에 매우 민감하다. 이와 달리, 확산 층이 제1 도펀트 유형의 도펀트로 고농도 도핑된 것, 가령, 고농도 도핑된 p+ 확산 층이기 때문에, 인터커넥션(3 및 6)이 비교적 작은, 가령, 최소 압전-저항 계수의 배향으로 배열되며, 이들은 압력 변화에 최소로 반응한다. 제1 저항기 R1의 압전-저항 스트립(8a, 8b, 8c)을 제2 저항기 R2의 압전-저항 스트립(9a, 9b, 9c)의 가까이에서 이와 직교하도록 배향시킴으로써, 멤브레인(2)에 가해진 압력이 제1 및 제2 저항기 R1, R2의 전기 저항에 반대되는 효과를 가질 것이다, 즉, 가해진 압력으로 인해 제1 저항기의 저항이 증가할 때, 제2 저항기 R2의 저항이 감소되도록(또는 그 반대이도록) 할 것이며, 따라서 브리지의 비 R1/R2가 변형으로 인해 실질적으로 변함으로써 회로의 감도를 크기 높일 수 있다.

전도성, 가령 금속 전극(4)과 제1 도펀트 유형의 리드-아웃 영역(6), 가령 p+ 형 리드 아웃 영역 간 콘택트를 멤브레인(2) 외부에 주로 위치시킴으로써, 콘택트 부분의 인근에서 형성된 잔류 응력 및 임의의 온도 히스테리시스에 의해 반도체, 가령, 실리콘, 멤브레인의 변형에 미치는 영향이 감소, 가령, 최소화될 수 있다.

이 양태는 도 7 및 도 8에 도시된 레이아웃에서 개선되며, 이때, (구조물의 중앙의) 출력 노드의 리드 아웃 영역(6)이 구조물 외부로 라우팅되지 않고 바이어싱 노드의 리드 아웃 영역들 사이에 위치한다. 도 7의 구조에서, 각각의 저항기 R1, R2가 3개의 압전-저항 스트립을 포함한다. 도 8의 실시예에서, 각각의 저항기가 단 2개의 압전-저항 스트립을 포함한다. 그러나 본 발명은 이들 특정 레이아웃에 한정되지 않으며, 그 밖의 다른 변형예, 가령, 회전, 거울반사, 스케일링 및/또는 확장된 버전, 또는 3개의 압전-저항 스트립을 갖는 제1 저항기 R1 및 단 2개의 압전-저항 스트립을 갖는 제2 저항기를 갖는 변형, 또는 반대 경우가 또한 사용될 수 있다.

도 5를 참조하면, 제3 저항기 R3의 전기 저항이 제4 저항기 R4의 전기 저항과 실질적으로 동일한 것이 바람직한 것처럼, 제1 저항기 R1의 전기 저항(이 저항기 R1에 스트립이 존재하기 때문에, 하나의 압전-저항 스트립(8a, 8b, 8c)의 전기 저항의 복수배와 거의 동일함, 가령, 도시된 실시예에서, 3개의 압전-저항 스트립(8a, 8b, 8c)을 포함하는 R1을 고려할 때 3배와 거의 동일함)이 제2 저항기 R2의 전기 저항과 실질적으로 동일한 것이 바람직한데, 왜냐하면, 이 경우 출력 전압 Vd 및 Vb, 즉 저항기 R1과 R2 사이의 노드 D 및 저항기 R3과 R4 사이의 노드 B의 전압이 바이어스 전압 Vdd와 Gnd의 실질적으로 중간이어서, 공급 전압 Vdd의 약 50%일 것이기 때문이다. 그러나 이는 절대적으로 그런 것은 아니며 본 발명은 한편으로는 R1 및 R2의 저항기 값과 다른 한편으로는 R3 및 R4의 값이 실질적으로 상이한 경우에도 효과가 있다.

도 9는 도 5에서 나타난 패턴 또는 이의 직선 이동된, 회전된, 거울대칭된, 스케일링된 또는 확장된 버전을 갖는 2개의 저항기 쌍 P1, P2를 이용해 본 발명의 실시예에 따르는 압력 센서의 첫 번째 실시예의 일부분을 도시한다. 도 9의 압력 센서는 폭 W의 4개의 변부 S1, S2, S3, S4를 갖는 정사각형의 멤브레인(2)을 갖지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 직사각형, 타원형, 원형 또는 그 밖의 다른 적합한 형태를 가질 수 있다. 변부 S1 및 S2는 인접한 변부이며, 변부 S1 및 S3은 대향하는 변부이다. 센서는 노드 A와 C 간 2개의 브랜치를 갖는 브리지 회로를 더 포함한다. 상기 노드 A 및 C는 종래의 알려진 임의의 적합한 방식으로 전압 Vdd 및 Gnd에 의해 바이어싱될 수 있다. 제1 브랜치는 직렬 연결된 저항기 R1 및 R2를 포함하는 제1 저항기 쌍 P1을 포함한다. 제2 브랜치는 직렬 연결된 저항기 R3 및 R4를 포함하는 제2 저항기 쌍 P2를 포함한다. 저항기 R1 및 R2는 실질적으로 변부 S1의 중앙에 서로 "가까이" 위치하며, 멤브레인(2)의 에지에 "가까이" 위치한다. 저항기 R3 및 R4는 변부 S1의 중앙에 서로 "가까이" 위치하며 멤브레인(2)의 에지에 "가까이" 위치한다. 저항기 R3 및 R4는 제2 변부 S2의 중앙에 실질적으로 서로 "가까이" 위치하며, 멤브레인(2)의 에지에 "가까이" 위치한다.

제1 쌍 P1의 저항기 R1 및 R2가 (멤브레인(2)의 크기에 비교할 때) 서로 "가까이" 위치할 때, 제1 저항기 R1의 한 점과 제2 저항기 R2의 한 점 간에 정의된, 특히, 저항기 R1 및 R2의 압전-저항 스트립(8a)의 한 점과 압전-저항 스트립(9a)의 한 점 간에 정의된 최대 거리 L73이 도 6에 도시된 바와 같이 결정되며, 여기서 상기 점들은 설명 목적으로 검은 점으로 표시된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 최대 거리 L73 및 멤브레인(2)의 치수(정사각형 멤브레인의 경우 상기 치수는 멤브레인의 폭 W가 되도록 선택될 것임)의 비, 즉, L73/W는 50% 미만이며, 바람직하게는, 40% 미만, 더 바람직하게는 35% 미만, 더 바람직하게는 30% 미만, 더 바람직하게는 25% 미만, 더 바람직하게는 20% 미만, 더 바람직하게는 15% 미만, 가령, 약 10%일 수 있다. 멤브레인(2)이 원형인 경우, 비는 원의 지름에 대한 상기 최대 거리 L73 이다. 멤브레인이 타원형인 경우, 비는 타원의 2개의 축 중 장축에 대한 최대거리 L73으로 계산될 것이다. 멤브레인(2)이 실질적으로 8각형인 경우, 비는 상기 8각형의 대향하는 변부들 간 거리에 대한 상기 대각선 L73의 길이로서 계산될 것이다.

도 5 또는 6에 도시되지 않지만 도 9 내지 13 및 16에 도시되는 바와 같이, 저항기는 멤브레인(2)의 변부의 거의 중앙에 위치하는 것이 바람직한데, 왜냐하면, 정사각형 멤브레인의 경우, 이 곳이 압력이 최대 인장 응력을 야기하는 곳이기 때문이다. 원형 또는 타원형 멤브레인의 경우, 어떠한 "변부"도 없으며 저항기가 멤브레인의 에지 가까이에, 멤브레인 중심에서 볼 때 실질적으로 90도 또는 180도 떨어져서 적합한 결정학적 위치 및 배향으로 위치하는 것이 바람직하며, 특히, CMOS 웨이퍼의 경우, 멤브레인이 (100) 평면에 놓이고, 압전-저항 스트립은 <110> 방향으로 배향되는 것이 바람직하다.

도 6에 도시된 바와 같이, (점선으로 지시된 바와 같이) 멤브레인 에지(21)에 대해 압전-저항 스트립(8, 9)의 위치, 특히, 스트립(8)의 중심과 멤브레인 에지(21) 간 거리 "d1"이, 압력이 인가될 때 3개의 스트립 모두의 저항 변화의 최대치(가령 ΔR1)를 갖도록 선택될 수 있다. 압전-저항 스트립의 선택된 개수(가령, 도시된 실시예의 경우 3개) 및 선택된 치수(스트립의 길이 및 폭, 및 스트립들 간 거리)에 대해, 압력에 대한 최대 감도와 관련된 최적 거리 "d1"이 결정될 수 있다, 가령, 임의의 다른 방식으로 가령, 설계 변동을 통해, 계산 또는 시뮬레이션되거나 결정될 수 있다. 마찬가지로, 스트립(9)의 선택된 개수 및 이의 선택된 치수에 대해, 압력에 대한 최대 감도와 관련된 최적의 거리 "d2"가 결정될 수 있다. "d2"의 값은 "d1"의 값에는 독립적으로 결정될 수 있지만, 멤브레인 크기 및 멤브레인 두께 T에는 종속적이다. 이들 "최적" 거리를 결정하기 위해 유한 요소 모델링이 사용될 수 있다. 그러나 본 발명은 또한, 공식(4)이 여전히 적용되기 때문에, 차선의 위치와 함께 동작할 것이다. 이러한 최적 위치가, 가령, 저항성 스트립(8)을 멤브레인 에지(21)을 따라 약 25% 만큼 "이동"시키고, 멤브레인 에지(21)에 전체에 걸쳐 저항성 스트립(9c)을 "이동"시킴으로써 획득될 수 있지만, 제1 저항기 R1 및 제2 저항기 R2가 멤브레인 두께 T의 많아야 3배, 바람직하게는 2.5배 미만, 가령, 2.0배 미만의 거리 내에서, 그리고 멤브레인의 변부의 중앙 근처에서, 멤브레인 에지(21)에 "인접하게" 위치하는 한(왜냐하면, 이 영역에서 응력이 가장 높기 때문) d1 및 d2에 대한 그 밖의 다른 값이 또한 가능할 것이다. 시뮬레이션이, 멤브레인(2)에 압력이 인가될 때, 멤브레인(2) 상에서 에지(21)에 가까운 곳에서 이의 최대 값을 갖는 응력 구배가 확립되는 것을 보여준다. 그러나 에지에서 응력이 갑작스럽게 정지하지 않으며, 벌크의 방향 및 멤브레인의 방향으로 에지(21)로부터의 거리에 따라 감소한다. 에지로부터 멀어지는 방향으로 멤브레인 두께 T의 약 2.0배의 거리에서, 벌크 실리콘의 응력이 일반적으로 최대 응력의 약 50%이다.

도 9를 참조하면, 따라서 제1 쌍의 저항기 R1 및 R2가 (멤브레인(2)의 크기에 비해) 서로 "가까이" 배열되고, 따라서 R1 및 R2의 압전-저항 스트립의 온도가 모두 실질적으로 동일하다, 즉, T1이라고 가정될 수 있다. 마찬가지로, 제2 쌍의 저항기 R3 및 R4이 서로 "가까이" 배열되며, 따라서 압전-저항 스트립의 온도가 실질적으로 동일, 즉, T3이라고 가정될 수 있지만, 제2 쌍 P2의 저항기 R3 및 R4는 제1 쌍 P1의 저항기 R1 및 R2와 "비교적 멀리" 위치할 수 있으며, 제2 쌍 P2의 온도 T3은 제1 쌍 P1의 온도 T1과 상이할 수 있다. 이 기술적 효과는, 저항기 R1, R2, R3, R4 중 단 하나가 압전-저항인 경우라도 획득된다.

따라서 저항기 R1 및 R2의 스트립(8, 9)을 서로 "비교적 가까이" 더 구체적으로 스트립에 의해 정의되는 가능한 가장 긴 거리 L73이 멤브레인(2)의 가장 큰 치수 W(길이, 폭, 지름 등)의 분수 값(가령, 50% 미만, 바람직하게는, 20% 미만)이도록, 위치시킴으로써, 저항기 R1, R2 간 온도 차이 ｜T1-T2｜가 멤브레인(2)에 걸쳐 존재할 수 있는 총 온도 차이의 분수 값에 불과할 것이다. 따라서 멤브레인(2)에 걸친 온도 구배와 관련한 압력 센서의 감도가 급격하게 감소되며, 따라서 압력 센서의 정확도가 증가된다.

공식 (4)에서 나타날 수 있는 바와 같이, R1 및 R2의 재료 및 이들의 온도가 실질적으로 동일한 한 R1, R2의 저항이 온도에 따라 선형으로 변하는지 또는 비선형으로 변화하는지 여부는 중요하지 않다. 실제로, R1 및 R2 모두 온도 T에 따라 동일한 비선형 기능에 따라 변하는 경우, 이들의 비가 동일하게 유지된다. 완성도를 위해, (T1 <> T3인 경우 브리지의 무감도에 대한) 앞서 기재된 효과가 종래 기술에서 알려진 공통 모드 온도 제거와 상이함으로써, 브리지-구조물 자체가 저항기 R1 내지 R4(이들 모두 동일한 온도를 가진다고 가정할 때)의 공통 모드 온도를 상쇄시키는 역할을 한다.

도 9를 계속 참조하면, R1 및 R2를 포함하는 제1 저항기 쌍 P1이 실질적으로 멤브레인(2)의 제1 변부 S1의 중앙에 인접하게 위치하며, R3 및 R4를 포함하는 제2 저항기 쌍 P2은 제2 변부 S2의 중앙에 인접하게 위치한다. 도 9의 실시예에서, 제1 쌍 P1 및 제2 쌍 P2가 멤브레인의 인접한 변부 상에 위치하며, 도 11의 실시예에서, 제1 쌍 P1 및 제2 쌍 P2가 멤브레인(2)의 대향하는 변부 상에 위치한다(따라서 180도 떨어져 있다). "실질적으로 변부의 중앙에 위치"는 변부의 중앙을 중심으로 갖고 앞서 언급된 "멤브레인의 치수" (가령, 사각형의 폭, 원의 지름 등)의 50% 미만, 바람직하게는 40% 미만, 더 바람직하게는 30% 미만, 더 바람직하게는 20% 미만의 지름을 갖는 가상의 원 내에 위치함을 의미한다.

R1 및 R2의 압전-저항 스트립의 배향이 서로에 직교이다. 이의 효과는, 압력이 멤브레인(2)의 평면 XYdp 실질적으로 수직인 방향으로(z-방향) 가해질 때, 도 14에 개략적으로 도시된 바와 같이 방사형 응력(방사방향 응력)이 도출될 것이며, 이는 R1의 값이 증가하게 할 것이고, R2의 값이 감소하게 할 것이다(또는 그 반대도 가능). R3 및 R4의 압전-저항 스트립이 또한 서로 직교이지만, 추가로, 변부 S2 상의 방사방향 응력이 R4의 값을 증가시킬 것이고 R3의 값을 감소시키며, 따라서 도 4와 관련하여 모든 저항기 R1 및 R4가 앞서 기재된 바와 같이 "협력"하기 때문에 R3의 스트립이 R1의 압전-저항 스트립에 실질적으로 평행이다.

멤브레인(2)이 원형 또는 타원형 또는 8각형을 가질 경우, 제1 쌍 P1의 위치 및 제2 쌍 P2의 위치가 멤브레인 중심으로부터 측정될 때 90도 각 거리에 있도록 선택되는 것이 이상적일 것이다. 그러나 실시예에서, 각 거리가 70도 내지 110도, 바람직하게는 80도 내지 100도도 가능할 것이다.

본 발명의 발명자는 저항기 R1, R2, R3, R4의 이러한 배열이 균일한 응력 성분, 가령, 도 15에서 개략적으로 도시된 바와 같이 멤브레인(2)의 평면에 실질적으로 평행이며, 좌에서 우로 배향된 응력-성분의 효과를 또한 감소시킴을 발견했다. 이러한 응력은 가령 패키징 때문에 야기될 수 있다. 도 9의 브리지 회로가 이러한 응력에 어떻게 반응할 것인가? 이 경우, R2 및 R4의 값이 감소하며, R1 및 R3이 증가할 것이다, 따라서 도 4를 참조하며, 값 Vd 및 값 Vb가 모두 감소할 것이지만, 값 Vout은 실질적으로 변하지 않은 채 유지될 것이다. 따라서 도 9의 실시예가 멤브레인(2)에 야기되는 균일한 응력에 비-방사 방향으로 실질적으로 감응하지 않는다.

도 11은 도 9의 변형예를 도시하며, 여기서 저항기의 제1 및 제2 쌍 P2가 90도 각 거리로 배열되지 않고(정사각형 멤브레인의 경우 이는 인접한 변부를 의미함), 180도 각 거리로 배열된다(정사각형 멤브레인의 경우 이는 대향하는 변부를 의미함). 이 실시예는 또한 (각각의 저항기 쌍의 저항기가 서로 "가까이" 위치하기 때문에) 온도 구배에 대해 감소된 감도를 갖고, 실질적으로 최대 감도를 가진다는 이점을 가진다(4개의 모든 저항기 R1 내지 R4가 압전-저항 요소를 갖고, 외부 압력이 인가될 때 상기 압전-저항 요소는 브리지의 불균형에 "협업"하도록 배향되고, 방사 방향 응력 성분을 도출하기(도 14 참조) 때문에 그리고 저항기 쌍이 멤브레인 상의 최대 감도 위치에 위치하기 때문이다). 도 9의 실시예와 달리, 이 경우 R1 및 R4의 스트립이 (도 9의 직교와 달리) 평행하게 배향되며, 이렇게 함으로써, 도 14의 방사 방향 응력 패턴을 야기하는 외부 압력이 R2 및 R3의 감소를 야기하면서 R1 및 R4의 증가를 야기할 것이다.

그러나 이 배열의 단점은 도 15에 도시된 바와 같이 이 센서가 기판에 실질적으로 평행인 방향으로 균일한 응력을 실질적으로 상쇄시키지 않는다는 것이다. 실제로, 이러한 응력 패턴은 외부 압력으로 인한 방사방향 응력 패턴이 그럴 것처럼 R1 및 R4의 값을 증가시킬 것이고 R2 및 R3의 값을 감소시킬 것이다. 따라서 패키지 응력의 변화가 인가되는 압력의 변화로 해석될 것이다.

도 10은 본 발명에 따르는 압력 센서의 제2 실시예를 도시한다. 도 9의 압력 센서에 대해 언급된 것들 중 대부분 또는 전부가 도 10의 압력 센서에 인가된다. 도 9에 도시된 멤브레인(2) 및 제1 브리지(P1 및 P2를 포함)에 추가로, 도 10의 압력 센서가 제2 브리지(P3 및 P4 포함)를 더 포함한다. 제2 브리지는 제1 브리지와 동일한 바이어스 전압 Vdd 및 접지 전압 Gnd에 의해 바이어싱되는 것이 바람직하나, 필수는 아니다. 제2 브리지는 2개의 브랜치를 포함하며, 하나의 브랜치가 제3 저항기 쌍 P3을 포함하고, 다른 한 브랜치가 제4 저항기 쌍 P4를 포함한다. 제3 저항기 쌍 P3은 직렬로 연결된 2개의 저항기 R5 및 R6을 포함하고, 제4 저항기 쌍 P4은 직렬로 연결된 2개의 저항기 R7 및 R8을 포함한다. 제3 출력 "Ve"가 제5 저항기 R5와 제6 저항기 R6 사이의 노드 E에 제공된다. 제4 출력 "Vf"가 제7 저항기 R7과 제8 저항기 R8 사이의 노드 F에 제공된다. 노드 E 및 F에서의 출력 전압 Vf 및 Ve가 제2 브리지의 차동 출력 전압을 제공한다. 저항기 R1, R2, R3, R4가 멤브레인(2)의 제1 및 제2 변부 S1 및 S2의 실질적으로 중앙에 인접하게 위치한다.

제3 및 제4 저항기 쌍 P3, P4의 저항기 R5, R6, R7, R8가 멤브레인(2) 외부에, 벌크 물질 상에 위치하며, 멤브레인(2)의 결함을 측정하기 위한 것이 아니고 패키징으로 인한 변형을 측정하기 위한 것이다. 앞서 이미 언급된 바와 같이, 멤브레인(2)에 야기되는 응력에 실질적으로 감응하지 않도록, 저항기 R5 내지 R8가 멤브레인 에지로부터 이격되어, 멤브레인 두께 T의 적어도 4.0배, 가령, T의 적어도 6배, 가령, T의 약 10배인 거리에, 위치하는 것이 바람직하다. 저항기 R5의 온도가 R6의 온도, 즉, T5와 실질적으로 동일해야 하며, 본 발명의 양태에 따라, 이는 R5를 R6에 비교적 가까이 위치시킴으로써 획득되지만, 저항기 R5의 온도는 R1의 온도와 상이할 수 있다.

도 5 또는 7 또는 9에 도시된 동일한(또는 유사한, 가령, 회전된, 직선이동된, 거울대칭) 패턴을 이용함으로써, R5 및 R6의 압전-저항 스트립이 (동일한 공식 L73/W를 이용해) 멤브레인 크기에 대해 "서로 가까이" 위치하며, 따라서 제5 및 제6 저항기 R5, R6의 온도가 실질적으로 동일한 것으로, 즉 T5인 것으로 간주될 수 있다. 마찬가지로, 제7 및 제8 저항기 R7, R8의 온도가 실질적으로 동일한 것으로 간주될 수 있다. 수학적으로 표기할 때, Ti가 저항기 Ri (i=5 내지 8)의 온도를 나타내는 경우, T5=T6 및 T7=T8로 가정될 수 있지만(또는 적어도 근사될 수 있지만), 브리지를 불균형 상태로 만들지 않으면서 T5는 T7과 실질적으로 상이할 수 있다. 따라서 제2(외부) 브리지의 저항기를 (종래 기술에서처럼 개별 저항기가 아니라) 쌍으로 구성함으로써, 제2 브리지가 온도 구배에 감응하지 않으며, 이는 제2 브리지의 출력을 이용해 제1 브리지의 출력을 교정할 때 종래 기술에 비한 주요 이점이 된다.

멤브레인(2)의 두께 T, 일반적으로 10 내지 100 마이크로미터 수준의 두께가 멤브레인의 크기(가령, 200 내지 2000 마이크로미터인 멤브레인의 폭)보다 일반적으로 훨씬 더, 가령, 적어도 10배 더 작기 때문에, 제3 저항기 쌍 P3이 제1 저항기 쌍 P1에 비교적 "가까이" 위치하고, 제4 저항기 쌍 P4이 제2 저항기 쌍 P2에 비교적 "가까이" 위치함으로써, 패키징에 의해 제3 저항기 쌍 P3에 의해 감지되는 압력이 제1 저항기 쌍 P1 상에 패키지에 의해 가해지는 압력과 실질적으로 동일하며, 패키징에 의해 제4 저항기 쌍 P4에 의해 감지되는 압력이 제2 저항기 쌍 P2 상의 패키지에 의해 가해지는 압력과 실질적으로 동일하다.

따라서 제1(내부) 브리지에 의해 측정되는 값이 외부 압력 및 패키지 응력을 나타내며, 제2 브리지에 의해 측정된 값이 패키지 응력만 나타낸다. 제1 및 제2 브리지의 저항기에 대해 동일한 레이아웃이 선택되고 제1 및 제2 브리지에 대해 동일한 바이어스 전압이 선택된 경우, 제2 브리지의 값이 제1 브리지의 값에서 빼져서 패키지 응력을 보상할 수 있다. 본 발명이 이에 한정되지 않고, 일반적으로 제2 브리지의 값이 패키지 응력에 비례할 것이며, 상기 값의 분수값이 제1 브리지의 출력에서 빼져서 패키지 응력에 대한 제로 오프셋을 보상할 수 있다.

패키지 응력으로 인한 오프셋 에러를 보상하기 위한 시도에서, 제2 브리지의 사용이 이미 종래 기술에서 언급되어 있지만(EP0083496A2 참조), 실험에 의하면, 종래 기술에서 개시된 방식으로 구성되는 (개별 저항기가 멤브레인의 4개의 변부와 벌크 상에 분산되어 있는) 제2 브리지에 의한 제1 브리지의 오프셋 보상이 그다지 효과가 없으며 온도 구배에 민감함이 나타났다.

본 발명에 따라 기재되고 도 10 및 도 12의 예시로서 도시된 바와 같이, 2개의 브리지의 각각의 브랜치의 저항기가 쌍으로 구성될 때, 멤브레인의 압력을 측정하는 제1(내부) 브리지와 패키지 응력만 측정하는 제2(외부) 브리지 간 정합이, 브리지가 개별 저항기가 아닌 저항기 쌍을 포함할 때 적어도 3.0배 더 크며, 이는 주요 개선점이다.

쌍으로 구성된 브리지의 정합이 종래 기술 브리지의 정합보다 상당히 더 큰 이유 중 하나는 쌍 내의 압전-저항 스트립 간 거리가 종래의 브리지의 압전 저항 스트립들 간 거리보다 훨씬 더 짧다는 사실과 크게 관련되어 있으나, 본 발명은 이이에 구속 받지 않는다.

제3 쌍 P3를 제1 쌍 P1에 "가까이" 위치시킴으로써, 저항기 R1, R2, R5 및 R6의 온도가 또한 자동으로 실질적으로 동일해 지지만(즉, T1=T2=T5=T6) 필수는 아니며, T1=T2 및 T5=T6이 충분하다. 앞서 언급된 바와 같이, 제3 쌍 P3을 제1 쌍 P1에 가까이 위치시키는 주요 이유가 가능한 우수하게 패키지 응력을 정합하기 위함이다. 저항기 R1 내지 R4가 멤브레인(2) 상에 위치하기 때문에(또는 더 정확히 말하자면, R1 및 R4 중 큰 부분이 멤브레인 상에 위치), 멤브레인(2)에 가해지는 압력뿐 아니라 패키지에 의해 가해지는 압력에 감응한다. 이와 달리, 저항기 R5 내지 R8은 멤브레인(2)의 외부에 "충분히 멀리" 위치하기 때문에, 가령, 멤브레인 에지(21)로부터 멤브레인 두께 T의 적어도 4.0배(≥4x) 떨어져 위치하기 때문에, 이들은 패키지에 의해 가해지는 압력에만 감응하다. 따라서 저항기 R5 내지 R8을 포함하는 제2 브리지가 기판에 패키지에 의해 가해지는 공통 모드 압력을 결정하도록 사용될 수 있고, 이 공통 모드 압력은 알려진 방법을 이용해 제1 브리지로부터 획득된 압력 값을 보상하도록 사용될 수 있다.

실제로, 제1 및 제2 저항기 쌍 P1, P2 대한 제3 및 제4 저항기 쌍 P3, P4의 위치와 관련하여 상충관계(trade-off)가 이뤄질 필요가 있다: P3이 멤브레인 에지(및 따라서 P1)에 "지나치게 가까이" 위치하는 경우, P1 및 P2의 저항기에 가해지는 패키지 압력의 우수한 지시(더 높은 상관도)를 제공하지만, P3은 멤브레인 상의 외부 압력에 더 감응할 것이다. P3이 멤브레인 에지로부터 "지나치게 멀리" 위치하는 경우, 제1 브리지에 의해 측정된 외부 압력에 실질적으로 감응하지 않을 것이지만, P3이 겪는 패키지 응력이 P1이 겪는 패키지 응력으로부터 더 벗어날 수 있다(상관도가 낮아짐). 경험상, 제3 및 제4 저항기 쌍 P3, P4가 멤브레인 두께 T의 약 4.0배(4x) 내지 약 10.0배(10x)와 동일한 거리에 위치할 수 있다.

최종 결과는 도 10의 압력 센서가 멤브레인(2)에 가해지는 압력을, (4개의 압전-저항기가 사용되기 때문에) 높은 감도를 갖고, (브리지 회로를 이용함으로써 저항기의 절대 값이 아니라 저항기 값의 비만 중요하기 때문에) 공통 모드 온도에 독립적인 방식으로, 그리고 (제2 브리지의 제공에 의해 보상이 제공되고, 또한 제1 쌍과 제3 쌍 간 각 거리 및 제2 쌍과 제4 쌍 간 각 거리가 90도임으로써) 패키지 응력에 대해 감소된 감도, 및 (각각의 브리지 내 각각의 쌍의 2개의 저항기의 가까운 위치설정으로 인해) 칩 상의 온도 구배에 대해 감소된 감도를 갖고, 정확히 측정할 수 있다는 것이다.

도 12는 도 10의 변형예를 도시하며, 여기서 저항기 쌍 P1 및 P2, P3 및 P4가 인접한 변부를 대신해 멤브레인(2)의 대향하는 변부 상에 위치한다. 이 실시예는 또한 도 11의 변형예로서 나타날 수 있음으로써, 제3 및 제4 저항기 쌍이 멤브레인의 외부에 추가된다. 도 12의 실시예는 도 15와 관련하여 앞서 기재된 바와 같이 기판에 평행인 평면에서 균일한 응력을 감소시키는 단점을 제외하고, 도 10의 실시예와 동일한 이점을 가진다.

도 9의 압력 센서의 또 다른 변형예(도시되지 않음)에서, 압력 센서는 멤브레인(2) 상에, 제3 및 제4 변부 S3, S4 상에 주로 위치하는 2개의 저항기 쌍 P3 및 P4를 갖는 제2 브리지를 가질 수 있다. 이러한 압력 센서는 단 2개의 위치가 아니라 4개의 위치에서 멤브레인(2)에 가해지는 압력을 측정할 것이다. 이러한 제2 브리지는 일반적으로 제1 브리지와 동일하거나 유사한 값을 제공할 것이며, 따라서 (두 브리지의 값들을 비교함으로써) 자체 시험(self-test) 또는 신뢰성-체크(reliability-check)를 위해 사용되거나, 국소적 결함을 보상하거나 증가된 정확도를 위해 값들이 합산되거나 평균이 내어질 수 있다. 그러나 이러한 제2 브리지는 (벌크 물질 상에 저항기 쌍을 갖지 않기 때문에) 방사방향으로 배향된 패키지 응력을 보상하지 않을 것이나, (각각의 브리지의 저항기 쌍이 90도의 각 거리에 있기 때문에) 균일한 패키지 응력을 보상할 것이다.

기재된 압력 센서의 추가 변형예에서, 도 10의 실시예와 유사하게, 압력 센서는 방사 방향 패키지 응력을 보상하기 위해 멤브레인 외부에 위치하는 제3 및 제4 브리지를 가질 수 있다. 실제로, 본 발명은 제4 브리지가 생략된 경우라도 잘 동작할 것이다.

도 13은 원형 멤브레인(2)을 갖고 도 8의 저항기 쌍의 레이아웃 구조물을 갖는 도 11의 실시예의 하나의 변형예를 도시한다. 각각의 저항기가 3개 대신 2개씩의 압전-저항 요소를 가지며, 멤브레인 에지가 직선이 아니라는 것을 제외하고, 도 11의 실시예에 대해 기재된 모든 것이 또한 여기에 적용 가능하다. 도시된 바와 같이, 멤브레인의 중앙으로부터 볼 때, 저항기 쌍이 180도 각 거리에 배열된다.

도 11과 관련하여 기재되고 도 12에서 도시된 바와 같이, 도 13의 실시예의 변형은 패키지 응력을 측정 및 보상하기 위해 벌크 상에 위치하거나 이중화(redundancy) 이유로 또는 (평균을 구하거나 교정 동안 최상의 성능을 갖는 회로를 선택함으로써) 개선된 정확도의 이유로 멤브레인 상에 위치하는 제2 브리지를 또한 가질 수 있다.

도 16은 원형 멤브레인(2)을 갖고 도 8의 저항기 쌍의 레이아웃 구조를 갖는 도 9의 실시예의 변형을 도시한다. 각각의 저항기가 3개 대신 2개씩의 압전-저항 요소를 갖고, 멤브레인 에지가 직선이 아님을 제외하고, 도 9의 실시예에 대해 기재된 모든 것이 또한 여기서 적용 가능하다. 도시된 바와 같이, 저항기 쌍이 멤브레인의 중앙에서 볼 때, 90도 각 거리에서 배열된다.

도 9와 관련하여 기재되고 도 10에 도시된 바와 같이, 도 16의 실시예의 변형예가 또한 패키지 응력을 측정 및 보상하기 위해 벌크 상에 위치하거나 (평균을 구하거나 교정 동안 최상의 성능을 갖는 회로를 선택함으로써) 이중화 이유 또는 개선된 정확성을 위해 멤브레인 상에 위치하는 제2 브리지를 가질 수 있다.

2 멤브레인 21 멤브레인 에지
3 모서리 부분 4 금속 전극
6 전극 리드-아웃 영역 73 최장 거리
8 제1 저항기의 압전-저항 스트립
9 제2 저항기의 압전-저항 스트립
10 제3 저항기의 압전-저항 스트립
11 제4 저항기의 압전-저항 스트립
P1 제1 저항기 쌍 R1 제1 저항기
S1 사각형 멤브레인의 제1 변부 W 사각형 멤브레인의 폭
T 멤브레인 두께 Vdd 공급 전압
Gnd 접지 전압

Claims

센서에 가해지는 외부 압력을 측정하기 위한 반도체 압력 센서로서, 상기 센서는
외부 압력으로 인해 변형되는 반도체 기판의 일부로서의 멤브레인(2) - 상기 멤브레인은 멤브레인 에지(21) 및 멤브레인 두께(T)를 가짐 - ,
상기 멤브레인(2)의 제1 변부(S1) 상에 또는 인접하여 위치하는 제1 저항기 쌍(P1) 및 멤브레인의 제2 변부(S2) 상에 또는 인접하여 위치하는 제2 저항기 쌍(P2)을 포함하는 제1 브리지 회로를 포함하며,
제1 저항기 쌍(P1)은 제1 바이어스(A)와 제1 출력 노드(D) 사이에 연결된 제1 저항기(R1), 및 제1 출력 노드(D)와 제2 바이어스 노드(C) 사이에 연결된 제2 저항기(R2)를 포함하며,
제2 저항기 쌍(P2)은 제1 바이어스 노드(A)와 제2 출력 노드(B) 사이에 연결된 제3 저항기(R3), 및 제2 출력 노드(B)와 제2 바이어스 노드(C) 사이에 연결된 제4 저항기(R4)를 포함하고,
제1 저항기, 제2 저항기, 제3 저항기 및 제4 저항기(R1, R2, R3, R4) 중 적어도 하나는 측정될 외부 압력으로 인한 멤브레인(2)의 변형을 측정하도록 배열된 하나 이상의 기다란 형태의 압전-저항 스트립(8, 9, 10, 11)을 포함하며,
제1 저항기(R1)의 한 점과 제2 저항기(R2)의 한 점 간 최장 거리(L73)와 멤브레인(2)의 최장 치수(W)의 비가 50% 미만이고,
제3 저항기(R3)의 한 점과 제4 저항기(R4)의 한 점 사이의 최장 거리와 멤브레인(2)의 최장 치수(W)의 비가 50% 미만인,
반도체 압력 센서.
제1항에 있어서,
제1 저항기, 제2 저항기, 제3 저항기 및 제4 저항기(R1, R2, R3, R4) 중 적어도 두 개의 저항기는 측정될 외부 압력으로 인한 멤브레인(2)의 변형을 측정하도록 배열된 하나 이상의 기다란 형태의 압전-저항 스트립(8, 9, 10, 11)을 포함하며,
압력이 멤브레인(2)에 가해질 때 브리지의 불균형 상태에 협력하도록 하나 이상의 압전-저항 스트립이 배향되는,
반도체 압력 센서.
제2항에 있어서,
제1 저항기, 제2 저항기, 제3 저항기 및 제4 저항기(R1, R2, R3, R4) 중 적어도 세 개의 저항기는 측정될 외부 압력으로 인한 멤브레인(2)의 변형을 측정하도록 구성된 하나 이상의 기다란 형태의 압전-저항 스트립(8, 9, 10, 11)을 포함하며,
멤브레인(2)에 압력이 가해질 때, 브리지의 불균형 상태에 협력하도록 하나 이상의 압전-저항 스트립이 배향되는,
반도체 압력 센서.
제3항에 있어서,
제1 저항기, 제2 저항기, 제3 저항기 및 제4 저항기(R1, R2, R3, R4) 각각은 측정될 외부 압력으로 인한 멤브레인(2)의 변형을 측정하도록 배열된 하나 이상의 기다란 형태의 압전-저항 스트립(8, 9, 10, 11)을 포함하고,
멤브레인(2)에 압력이 가해질 때, 브리지의 불균형 상태에 협력하도록 하나 이상의 압전-저항 스트립이 배향되는, 반도체 압력 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 기다란 압전-저항 스트립을 포함하는 적어도 하나의 저항기는 직렬 연결된 적어도 2개의 압전-저항 스트립을 포함하는, 반도체 압력 센서.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 변부(S2)는 멤브레인(2)의 중심에서 측정될 때, 제1 변부(S1)와 실질적으로 또는 정확히 90도 각 거리에 위치하는, 반도체 압력 센서.
제1항 애지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 저항기(R1)의 한 점과 제2 저항기(R2)의 한 점 사이의 최장 거리(L73)와 멤브레인(2)의 최장 치수(W)의 비가 25% 미만이며,
제3 저항기(R3)의 한 점과 제4 저항기(R4)의 한 점 사이의 최장 거리(L73')와 멤브레인(2)의 최장 치수(W)의 비가 25% 미만인, 반도체 압력 센서.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
멤브레인(2)은 실질적으로 정사각형이며, 상기 최장 치수(W)는 정사각형의 폭이고, 제1 변부는 상기 정사각형의 제1 변부(S1)이고, 제2 변부는 상기 제1 변부(S1)에 인접한 정사각형의 제2 변부(S2)이며,
제1 저항기(R1) 및 제2 저항기(R2)는 상기 정사각형의 제1 변부(S1)의 실질적으로 중앙에 배열되고,
제3 저항기(R3) 및 제4 저항기(R4)는 상기 정사각형의 제2 변부(S2)의 실질적으로 중앙에 배열되는, 반도체 압력 센서.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 멤브레인은 실질적으로 원이고 최장 치수(W)는 상기 원의 지름이거나,
상기 멤브레인은 실질적으로 직사각형이고 최장 치수(W)는 상기 직사각형의 길이 및 폭 중 더 긴 것이거나,
상기 멤브레인은 실질적으로 타원형이고 최장 치수(W)는 상기 타원의 제1 축 및 제2 축 중 더 긴 축이며,
상기 멤브레인은 실질적으로 8각형이며 최장 치수(W)는 8각형의 대향하는 변부 간 거리인, 반도체 압력 센서.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 저항기(R1)의 저항과 제2 저항기(R2)의 저항의 비는 50% 내지 200%이며,
제3 저항기(R3)의 저항과 제4 저항기(R4)의 저항의 비는 50% 내지 200%인, 반도체 압력 센서.
제1항 애지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 변부(S2)는 멤브레인(2)의 중심으로부터 측정될 때 제1 변부(S1)로부터 90도의 각 거리에 위치하며,
제1 저항기(R1)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제2 저항기(R2)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되며,
제3 저항기(R3)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제4 저항기(R4)의 기다란 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되고,
제1 저항기(R1)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제4 저항기(R4)의 기다란 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되며,
제1 저항기(R1)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제3 저항기(R3)의 기다란 압전-저항 스트립에 평행하게 배향되는,
반도체 압력 센서.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 변부(S2)는 멤브레인(2)의 중심으로부터 측정될 때 제1 변부(S1)로부터 180도 각 거리에 위치하며,
제1 저항기(R1)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립은 제2 저항기(R2)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되고,
제3 저항기(R3)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립은 제4 저항기(R4)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되며,
제1 저항기(R1)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립은 제3 저항기(R3)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되는
반도체 압력 센서.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는
멤브레인의 외부에서 멤브레인(2)의 제1 변부(S1)에 배열된 제3 저항기 쌍(P3) 및 멤브레인의 외부에서 멤브레인(2)의 제2 변부(S2)에 배열된 제4 저항기 쌍(P4)을 포함하는 제2 브리지 회로를 더 포함하며,
상기 제3 저항기 쌍(P3)은 제1 바이어스 노드(A)와 제3 출력 노드(E) 사이에 연결된 제5 저항기(R5), 및 제3 출력 노드(E)와 제2 바이어스 노드(C) 사이에 연결된 제6 저항기(R6)를 포함하고,
제4 저항기 쌍(P4)은 제1 바이어스 노드(A)와 제4 출력 노드(F) 사이에 연결된 제7 저항기(R7) 및 제4 출력 노드(F)와 제2 바이어스 노드(C) 사이에 연결된 제8 저항기(R8)를 포함하며,
제5 저항기, 제6 저항기, 제7 저항기, 및 제8 저항기(R5, R6, R7, R8) 중 적어도 하나는, 반도체 기판 상에 패키징에 의해 가해지는 응력만 측정하기 위해 멤브레인 에지(21)로부터 멤브레인 두께(T)의 적어도 4배인 거리에 배열된 하나 이상의 기다란 형태의 압전-저항 스트립(10, 11)을 포함하고,
상기 센서는 제2 브리지에 의해 측정된 값을 이용해 제1 브리지에 의해 측정된 값을 보상하기 위한 회로를 더 포함하는, 반도체 압력 센서.
제12항에 있어서,
제5 저항기, 제6 저항기, 제7 저항기, 및 제8 저항기 (R5, R6, R7, R8) 각각은 반도체 기판 상에 패키징에 의해 야기되는 응력을 측정하기 위해 배열된 하나 이상의 기다란 형태의 압전-저항 스트립을 포함하는, 반도체 압력 센서.
제14항에 있어서,
제5 저항기(R5) 및 제6 저항기(R6)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 서로 직교하는 방향으로 배향되며, 제5 저항기(R5)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제1 저항기(R1)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 평행, 또는 직교하며,
제7 저항기(R7) 및 제8 저항기(R8)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립은 서로 직교하는 방향으로 배향되며, 제5 저항기(R5)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립은 제1 저항기(R1)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 평행 또는 직교하는, 반도체 입력 센서.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 제5 저항기, 제6 저항기, 제7 저항기, 및 제8 저항기 (R5, R6, R7, R8) 각각의 기다란 형태의 압전-저항 스트립(10, 11)은 제1 저항기, 제2 저항기, 제3 저항기 및 제4 저항기(R1, R2, R3, R4)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립(10, 11) 각각과 동일한 치수를 갖는, 반도체 입력 센서.
제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 저항기, 제2 저항기, 제3 저항기, 제4 저항기, 제5 저항기, 제6 저항기, 제7 저항기 및 제8 저항기(R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8) 각각은 동일한 개수의 압전-저항 스트립(10, 11)을 가지며, 이들 모든 압전-저항 스트립의 치수는 동일한, 반도체 입력 센서.
제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 변부(S2)는 멤브레인(2)의 중심으로부터 측정될 때, 제1 변부(S1)로부터 90도 각 거리에 위치하며,
제1 저항기(R5)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립은 제6 저항기(R6)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되며,
제7 저항기(R7)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립은 제8 저항기(R8)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되고,
제5 저항기(R5)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립은 제7 저항기(R7)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 평행하게 배향되며,
제5 저항기(R5)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립은 제1 저항기(R1)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 평행하게 배향되는, 반도체 입력 센서.
제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 변부(S2)는 멤브레인(2)의 중심으로부터 측정될 때 제1 변부(S1)으로부터 180도 각 거리에 위치하며,
제5 저항기(R5)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립은 제6 저항기(R6)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되며,
제7 저항기(R7)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립은 제8 저항기(R8)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되고,
제5 저항기(R5)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제7 저항기(R7)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 직교하도록 배향되며,
제5 저항기(R5)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립이 제1 저항기(R1)의 기다란 형태의 압전-저항 스트립에 평행하도록 배향되는, 반도체 입력 센서.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 압력 센서는 CMOS 웨이퍼 상에 배열되며, 멤브레인은 (100) 평면에 위치하고, 압전-저항 요소 중 적어도 하나는 <110> 방향으로 배향되는, 반도체 입력 센서.
제1 항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따르는 반도체 압력 센서를 포함하는 반도체 소자.