專利名稱：在壓力傳感器的恒電流或恒電壓工作中多功能使用的集成電阻網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓力傳感器，更具體地說，涉及在采用同一傳感器芯片的恒電流或恒電壓配置中多功能使用的獨特的集成電阻網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
壓敏電阻電橋壓力傳感器己廣泛用于包括汽車、工業(yè)、醫(yī)藥和環(huán)保的各種應(yīng)用中。這種傳感器一般包括內(nèi)含離子注入形成的壓敏電阻惠斯頓電橋的硅膜片。所施加的壓力使膜片變形并使電橋失去平衡，產(chǎn)生正比于壓力引起的電阻變化與電橋激勵電壓乘積的差動比率輸出信號。
在高性能壓力傳感器應(yīng)用中，傳感器還包括檢測溫度的集成全惠斯頓電橋，該電橋一般不包含在膜片內(nèi)以使其對壓力敏感度降至最小。溫度電橋一般用兩種類型的離子注入電阻構(gòu)成，一種類型具有高電阻溫度系數(shù)(TCR)，位于一組對角相對的電橋臂，而另一種類型具有低TCR(電阻溫度系數(shù))，位于另一組對角相對的電橋臂。所施加的溫度使電橋失去平衡，產(chǎn)生與溫度和電橋激勵電壓成比例的差動比率輸出信號。
其它的離子注入電阻也可被結(jié)合到芯片上，以提供與外部運算放大器連接的偏壓和反饋增益電阻，然后由運算放大器提供經(jīng)單端放大和信號調(diào)節(jié)的與溫度和壓力相關(guān)的輸出。溫度輸出可用作單獨的溫度測量值或模擬溫度補償值，或者更普遍地用于基于微處理器的傳感器，從而精確校正和補償在壓力和溫度全部工作范圍內(nèi)的壓力傳感器輸出。
在壓力電橋配置中，對角相對的兩臂的電阻值隨壓力引起的機械變形而相等且相同方向地變化。當(dāng)一組對角相對的兩臂的電阻值在壓力下增加，另一組的電阻值下降，反之亦然。電壓或電流形式的電橋激勵加在電橋兩個相對的節(jié)點上。這些節(jié)點通常稱為激勵輸入端或驅(qū)動輸入端。在電橋輸出節(jié)點的壓敏電阻電橋差動輸出在所施加的滿度壓力內(nèi)等于壓敏電阻應(yīng)變系數(shù)與電橋激勵電壓的乘積，應(yīng)變系數(shù)定義為在滿度壓力條件下由于應(yīng)變引起的電阻值變化(ΔR)除以在零壓力輸入條件下的電阻值(R)。假如電橋元件的(ΔR/R)大小是相等的，則在滿度壓力下差動電壓(ΔV)表示為(ΔV)(@FS)＝(ΔR/R)×Vbridge對于硅壓敏電阻傳感器，在25℃的應(yīng)變系數(shù)(ΔR/R)的范圍可以從0.03到高達(dá)0.12，這取決于例如線性度和過壓額定值等應(yīng)用上的限制。應(yīng)變系數(shù)的這個范圍在5V電橋激勵時對應(yīng)于150mV至600mV的滿度輸出范圍，這要比典型的金屬應(yīng)變儀傳感器明顯地大得多(約100倍)。然而，未經(jīng)補償?shù)膲好綦娮鑲鞲衅鞯娜砍梯敵?FSO)可能呈現(xiàn)由壓敏電阻應(yīng)變系數(shù)(ΔR)/R對溫度的固有的非線性依賴所引起的強烈的非線性溫度依賴，而零壓(零點)偏移和零點偏移對溫度的依賴性保持得相對較小。
滿度量程輸出定義為對應(yīng)于最大和最小施加壓力的傳感器輸出差值。隨溫度的量程偏移定義為作為溫度函數(shù)的量程除以在25℃時的量程。以百分比表示的量程偏移(T)等于100％×[量程(T℃)/量程(25℃)]。如圖4所示，量程偏移曲線是非線性的，相對溫度為負(fù)斜率，在圖4中標(biāo)以k3，k3定義為作為溫度函數(shù)的重度離子注入壓敏電阻電橋的壓力敏感度(ΔR/R)相對25℃的值規(guī)范化的比值。運用方程形式表示k3(T)＝[ΔR/R(T)]/[ΔR/R(25℃)]，可以用下列的五階多項式表示為
K3(T)＝-(6.265753E-14)·T^5+(5.393845E-11)·T^4-(2.440481E-08)·T^3+(8.022881E-06)·T^2-(2.585262E-03)·T+(1.058300)斜率的大小隨溫度增加而減小。K3在25℃的典型值是-0.25％/℃。因此，在大多數(shù)應(yīng)用場合，傳感器電橋輸出在可以實際使用之前必須要被補償，尤其是對于量程偏移(T)。
圖4也畫出重度離子注入電阻(k2)和輕度離子注入電阻(k1)的溫度特性。重度離子注入電阻(k2)定義為K2＝作為溫度函數(shù)的重度離子注入電阻值相對25℃的值規(guī)范化的比值。運用方程形式表示k2(T)＝[R重(T)]/[R重(25℃)]，可以用下列的五階多項式表示為K2(T)＝-(3.018497E-14)·T^5+(4.603604E-11)·T^4-(2.282857E-08)·T^3+(7.538750E-06)·T^2-(2.252834E-05)·T+(0.9963789)輕度離子注入電阻(k1)定義為K1＝作為溫度函數(shù)的輕度離子注入電阻值相對25℃的值規(guī)范化的比值。運用方程形式表示k1(T)＝[R輕(T)]/[R輕(25℃)]，可以用下列的五階多項式表示為K1(T)＝-(8.171496E-14)·T^5+(9.930398E-11)·T^4-(3.557091E-08)·T^3+(9.691127E-06)·T^2+(2.958093E-03)·T+0.923953要指出作為溫度函數(shù)的輕度離子注入電阻的電阻值改變K1(T)遠(yuǎn)大于重度離子注入電阻的電阻值改變K2(T)。
在溫度電阻電橋配置中，對角相對的兩臂的電阻值隨溫度變化相等地并且相同方向地變化。當(dāng)一組對角相對的兩臂的電阻值由于高正溫度電阻系數(shù)(TCR)增加較多，另一組的電阻值由于低正溫度電阻系數(shù)(TCR)增加較小。以電壓形式的電橋激勵加在電橋兩個相對的節(jié)點上。這些節(jié)點通常稱為激勵輸入端或驅(qū)動輸入端。
因此，壓敏電阻電橋壓力傳感器往往包括信號調(diào)節(jié)和校正電路。例如，高增益低噪聲溫度穩(wěn)定放大器可以用于測量更多可用值的輸出。信號調(diào)節(jié)電路一般也包括量程補償。壓敏電阻電橋壓力傳感器的總電阻和壓電靈敏度(電橋輸出對電橋激勵電壓之比)是與溫度相關(guān)的。一般說，電橋電阻隨溫度增加，而壓電靈敏度隨溫度減小。
而且，為了設(shè)定在芯片上的溫度電阻電橋輸出的增益(反饋)，現(xiàn)在的壓敏電阻壓力傳感器只有一個固定的輕度離子注入電阻元件(高TCR)。因此，這個電阻對特定的工作溫度范圍提供特定值，因而，對于不同的或者擴展的運用溫度范圍不是最佳的。
還有，現(xiàn)在的壓力傳感器(為恒電壓工作設(shè)計的)并不提供當(dāng)用在恒電流模式時重度離子注入電阻(低TCR)壓力電橋的獨特的量程補償?shù)募晒δ?。為了減小壓力電橋輸出的預(yù)熱時漂移效應(yīng)和非比率誤差，在SOI(Silicon-On-Insulator)應(yīng)用中它們也不提供專門設(shè)計用于芯片外延層上的集成電勢。
本發(fā)明打算解決上述這些或其它問題。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明一方面，傳感器芯片設(shè)有第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一和第十二端子；壓敏電阻電橋；溫度電阻電橋；第一和第二電阻網(wǎng)絡(luò)；以及第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二和第十三導(dǎo)電路徑。第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一和第十二端子能夠?qū)崿F(xiàn)與傳感器芯片的外部連接。壓敏電阻電橋形成在襯底上，壓敏電阻電橋包括第一和第二輸入節(jié)點和第一和第二輸出節(jié)點。溫度電阻電橋形成在襯底上，溫度電阻電橋包括第三和第四輸入節(jié)點和第三和第四輸出節(jié)點。第一電阻網(wǎng)絡(luò)形成在襯底上，第一電阻網(wǎng)絡(luò)包括具有公用接點的第一、第二和第三電阻。第二電阻網(wǎng)絡(luò)形成在襯底上，第二電阻網(wǎng)絡(luò)包括具有公用接點的第四、第五和第六電阻。第一導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第一輸入節(jié)點與第一端子連接。第二導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第二輸入節(jié)點與第二端子連接。第三導(dǎo)電路徑包括第三電阻，形成在襯底上，將第一輸出節(jié)點與傳感器芯片的第三端子連接。第四導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第二輸出節(jié)點與傳感器芯片的第四端子連接。第五導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第六電阻與傳感器芯片的第五端子連接。第六導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第五電阻與傳感器芯片的第六端子連接。第七導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第四電阻與傳感器芯片的第七端子連接。第八導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第三輸入節(jié)點與第十二端子連接。第九導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第四輸入節(jié)點與第九端子連接。第十導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第三輸出節(jié)點與傳感器芯片的第八端子連接。第十一導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第四輸出節(jié)點與傳感器芯片的第五端子連接。第十二導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第二電阻與傳感器芯片的第十一端子連接。第十三導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第一電阻與傳感器芯片的第十端子連接。
按照本發(fā)明的另一方面，傳感器芯片設(shè)有第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一和第十二端子；第一電阻電橋；第二電阻電橋；第一和第二電阻網(wǎng)絡(luò)；以及第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二和第十三導(dǎo)電路徑。第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一和第十二端子能夠?qū)崿F(xiàn)與傳感器芯片的外部連接。第一電阻電橋形成在襯底上，第一電阻電橋包括第一和第二輸入節(jié)點和第一和第二輸出節(jié)點。第二電阻電橋形成在襯底上，第二電阻電橋包括第三和第四輸入節(jié)點和第三和第四輸出節(jié)點。第一電阻網(wǎng)絡(luò)形成在襯底上，第一電阻網(wǎng)絡(luò)包括具有公用接點的第一、第二和第三電阻。第二電阻網(wǎng)絡(luò)形成在襯底上，第二電阻網(wǎng)絡(luò)包括具有公用接點的第四、第五和第六電阻。第一導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第一輸入節(jié)點與第一端子連接。第二導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第二輸入節(jié)點與第二端子連接。第三導(dǎo)電路徑包括第三電阻，形成在襯底上，將第一輸出節(jié)點與傳感器芯片的第三端子連接。第四導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第二輸出節(jié)點與傳感器芯片的第四端子連接。第五導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第六電阻與傳感器芯片的第五端子連接。第六導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第五電阻與傳感器芯片的第六端子連接。第七導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第四電阻與傳感器芯片的第七端子連接。第八導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第三輸入節(jié)點與第十二端子連接。第九導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第四輸入節(jié)點與第九端子連接。第十導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第三輸出節(jié)點與傳感器芯片的第八端子連接。第十一導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第四輸出節(jié)點與傳感器芯片的第五端子連接。第十二導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第二電阻與傳感器芯片的第十一端子連接。第十三導(dǎo)電路徑形成在襯底上，將第一電阻與傳感器芯片的第十端子連接。
按照本發(fā)明的又一方面，制造傳感器芯片方法包括如下步驟形成第一電阻電橋，使第一電阻電橋有第一和第二輸入節(jié)點和第一和第二輸出節(jié)點，并使第一電阻電橋有第一、第二、第三和第四電阻；形成第二電阻電橋，使第二電阻電橋有第三和第四輸入節(jié)點和第三和第四輸出節(jié)點，并使第二電阻電橋有第五、第六、第七和第八電阻；形成至少第九和第十電阻，使得由用于第一電阻電橋恒電流工作的量程補償而確定的第九和第十電阻的電阻值總和由在包含用于第二電阻電橋恒電壓工作的第二電阻電橋的通道中用作反饋電阻而確定的第九和第十電阻的電阻值總和具有相同的值；以及形成第十一電阻，第十一電阻的一端與第九和第十電阻的節(jié)點連接，另一端可與傳感器芯片的一層連接。
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，從而能對本發(fā)明的種種特征和優(yōu)點更加明了，附圖中

圖1表示本發(fā)明實施例的傳感器芯片；圖2表示為恒電流工作而配置的圖1的傳感器芯片；圖3表示為恒電壓工作而配置的圖1的傳感器芯片；圖4表示本發(fā)明的作為溫度函數(shù)的兩種類型離子注入電阻和壓敏電阻量程偏移的特性；圖5表示并比較傳感器芯片配置成用于圖2所示的恒電流工作時、利用和不利用量程補償用的下述多功能電阻網(wǎng)絡(luò)的作為溫度的函數(shù)的恒電流壓敏電阻電橋滿度量程輸出，；圖6表示并比較配置成用于圖2所示的恒電流工作時、利用和不利用下述多功能電阻網(wǎng)絡(luò)的作為溫度的函數(shù)的恒電流壓力傳感器輸入電阻；圖7表示并比較配置成用于圖2所示恒電流工作時、利用和不利用下述多功能電阻網(wǎng)絡(luò)的作為溫度的函數(shù)的恒電流壓力傳感器輸入電阻的溫度電阻系數(shù)(TCR)；圖8表示并比較配置成用于圖2所示的恒電流工作時、利用和不利用下述多功能電阻網(wǎng)絡(luò)的作為溫度的函數(shù)的恒電流壓力傳感器溫度電壓(VT)；圖9表示并比較配置成用于圖2所示的恒電流工作時、利用和不利用下述多功能電阻網(wǎng)絡(luò)的作為溫度的函數(shù)的恒電流壓力傳感器溫度電壓(VT)的線性；圖10表示并比較傳感器芯片配置成用于圖3所示的恒電壓工作時、利用下述的多功能3端電阻網(wǎng)絡(luò)作為標(biāo)稱反饋增益電阻的在溫度范圍-55℃至225℃的溫度通道輸出的恒電壓工作；圖11表示并比較傳感器芯片配置成用于圖3所示的恒電壓工作時利用下述多功能3端電阻網(wǎng)絡(luò)作為最大反饋增益電阻的在溫度范圍-55℃至225℃的溫度通道輸出的恒電壓工作；圖12表示并比較傳感器芯片配置成用于圖3所示的恒電壓工作時利用下述多功能3端電阻網(wǎng)絡(luò)作為最小反饋增益電阻的在溫度范圍-55℃至225℃的溫度通道輸出的恒電壓工作；具體實施方式
如圖1所示，傳感器芯片20可以使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝技術(shù)制造。傳感器芯片20包括可以是硅襯底的襯底。襯底20上設(shè)有接線端1-14，接線端1-14使得能夠在傳感器芯片20上的各點做外部連線。而且，傳感器芯片20可以具有外延層(例如n型外延層)和法拉第屏蔽層(二者均未圖示)。
傳感器芯片20包括壓力壓敏電阻電橋24、溫度電阻電橋26和在襯底22上形成的第一電阻網(wǎng)絡(luò)28。第一電阻網(wǎng)絡(luò)28包含一個或多個電阻，例如電阻30、32和34。壓力壓敏電阻電橋24包含壓敏電阻36、38、40和42。溫度電阻電橋26包括電阻44、46、48和50。傳感器芯片20還包含在襯底22上形成的第二電阻網(wǎng)絡(luò)52。第二電阻網(wǎng)絡(luò)52包含電阻54、56和58。
而且，在襯底22上形成多個導(dǎo)電路徑，使得傳感器芯片20中各元件能按圖1所示方式內(nèi)部連接。在襯底22上形成各個接線端1-14，使得傳感器芯片20中各元件能按圖2和3所示所想要的方式外部互連。
導(dǎo)電路徑60將端子1與壓敏電阻36和38的一個接點形成的第一激勵輸入節(jié)點62內(nèi)部連接。導(dǎo)電路徑64將端子2與壓敏電阻40和42的一個接點形成的第二激勵輸入節(jié)點66內(nèi)部連接。
導(dǎo)電路徑68將端子4與壓敏電阻36和40的一個接點形成的第一電橋輸出節(jié)點70內(nèi)部連接。導(dǎo)電路徑72將電阻54一端與壓敏電阻38和42的一個接點形成的第二電橋輸出節(jié)點74內(nèi)部連接，而導(dǎo)電路徑76將電阻54的另一端連接到端子3。導(dǎo)電路徑78將電阻54的另一端與電阻56的一端內(nèi)部連接，而導(dǎo)電路徑80將電阻56的另一端與端子11連接。導(dǎo)電路徑82將電阻54和56的公用接點與電阻58的一端內(nèi)部連接，而導(dǎo)電路徑84將電阻58的另一端與端子10內(nèi)部連接。
導(dǎo)電路徑86將電阻30的一端與端子5內(nèi)部連接，而導(dǎo)電路徑88將電阻30的另一端與電阻32的另一端內(nèi)部連接。導(dǎo)電路徑90將電阻32的另一端與端子6內(nèi)部連接。導(dǎo)電路徑92將電阻32和30的公用接點與電阻34的一端連接，而導(dǎo)電路徑94將電阻34的另一端與端子7內(nèi)部連接。因此，電阻30、32和34共用一個公用接點，第一電阻網(wǎng)絡(luò)28提供具有通用傳感器設(shè)計的多功能用途。
導(dǎo)電路徑96將端子12與溫度電阻電橋26的電阻44和46形成的第一激勵輸入節(jié)點98內(nèi)部連接。導(dǎo)電路徑100將電阻48和50形成的第二激勵輸入節(jié)點102與端子9內(nèi)部連接。導(dǎo)電路徑104將第一電橋輸出節(jié)點106與端子8內(nèi)部連接。導(dǎo)電路徑108將第二電橋輸出節(jié)點110與端子5內(nèi)部連接。
傳感器芯片20的屏蔽層通過適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電路徑與端子14內(nèi)部連接，而傳感器芯片20的外延層通過適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電路徑與端子13內(nèi)部連接。
通過端子1-14的適當(dāng)外部連接，圖1的傳感器芯片20可用于恒電流應(yīng)用或者恒電壓應(yīng)用。圖2表示對于恒電流應(yīng)用的圖1的傳感器芯片20端子1-14的適當(dāng)外部連接。端子1和5外部連接到外部恒電流源112，從而將恒電流供給壓力壓敏電阻電橋24的第一激勵輸入節(jié)點62和電阻30的一端。端子2和6外部連接到基準(zhǔn)電位，例如接地。端子3和4是傳感器芯片22的輸出端，可被外部連接到外部的高輸入電阻差分放大器(未圖示)的適當(dāng)?shù)妮斎攵恕?br> 端子7、13和14連接在一起。端子10、11、12、8和9處于開路狀態(tài)。
在形成壓力壓敏電阻電橋24、溫度電阻電橋26、第一電阻網(wǎng)絡(luò)28和第二電阻網(wǎng)絡(luò)52時，電阻30、32、34、46、48、56和58作為輕度離子注入電阻形成，壓敏電阻36、38、40和42以及電阻44、50和54作為重度離子注入電阻形成。離子注入材料(例如)可以是硼。由于離子注入的結(jié)果，電阻30、32、34、46、48、56和58，壓敏電阻36、38、40和42以及電阻44、50和54各具有預(yù)定的摻雜濃度和薄層電阻率。
輕度離子注入電阻的電阻系數(shù)與重度離子注入電阻的電阻系數(shù)之比，例如可以為7左右。在第一例中，輕度離子注入電阻可以具有電阻率860Ω/每平方，而重度離子注入電阻可以具有電阻率120Ω/每平方。因此，在第一例中，電阻30、32、34、46、48、56和58各具有電阻率860Ω/每平方，而壓敏電阻36、38、40和42以及電阻44、50和54可以各具有電阻率120Ω/每平方。在第二例中，輕度離子注入電阻可以具有電阻率2064Ω/每平方，而重度離子注入電阻可以具有電阻率288Ω/每平方。因此，在第二例中，電阻30、32、34、46、48、56和58可以各具有電阻率2064Ω/每平方，而壓敏電阻36、38、40和42以及電阻44、50和54可以各具有電阻率288Ω/每平方。然而，也可以采用其它的比值和電阻率。而且，電阻30的電阻值可以選擇為等于電阻32的電阻值。
而且，對于電阻率860Ω/每平方和2045Ω/每平方輕度離子注入電阻的摻雜濃度是相同的。同樣，對于電阻率120Ω/每平方和288Ω/每平方重度離子注入電阻摻雜濃度是相同的。例如，輕度離子注入電阻率可以具有摻雜濃度大約為3×1017離子/cm3，而重度離子注入電阻率可以具有摻雜濃度大約為1×1019離子/cm3。上述兩例的輕度離子注入電阻率和重度離子注入電阻率的兩個組合是使用相同的晶片掩模和晶片工藝實現(xiàn)的。電阻率值的變化通過控制電阻成品厚度的晶片起始材料的參數(shù)確定。
對于圖2所示的恒電流應(yīng)用，多用途的電阻網(wǎng)絡(luò)28的輕度離子注入電阻30和32串聯(lián)地跨接在重度離子注入壓敏電阻電橋24的第一和第二激勵輸入節(jié)點62和66上。該連接提供作為溫度的函數(shù)的壓敏電阻電橋輸出的量程補償，如圖5所示，在并聯(lián)電阻30和32和不并聯(lián)電阻30和32的兩種情況下作為溫度的函數(shù)的壓敏電阻電橋輸出的量程偏移(相對于25°的變化，以％表示)。如圖5所示，輸入電阻的TCR增加同樣也將激勵電壓增加所要求的量，以補償重度離子注入壓力壓敏電阻電橋24的量程輸出。該輸入電阻定義為串聯(lián)的電阻30和32與壓力壓敏電阻電橋24并聯(lián)后的等效電阻。
圖6表示對應(yīng)于具有和不具有并聯(lián)電阻這兩種情況的作為溫度的函數(shù)的輸入電阻，這是達(dá)到圖5表示的壓力電橋輸出的量程補償所需要的。輸入電阻的TCR可以由電阻30和32的阻值控制。電阻30和32的阻值減小，就增加輸入電阻的TCR，也就增加量程偏移量，而電阻30和32的阻值增加，就減小輸入電阻的TCR，也就減小量程偏移量。圖6表示在具有和不具有并聯(lián)電阻這兩種情況下作為溫度的函數(shù)的輸入電阻，這是為了達(dá)到圖5所示的壓力電橋輸出的量程補償所需要的。
圖7表示在具有和不具有并聯(lián)電阻30和32這兩種情況下作為溫度的函數(shù)的圖6所示的輸入電阻的合成TCR。
輕度離子注入電阻30和32的標(biāo)稱室溫阻值可以由(例如)提供所想要的量程補償?shù)闹荡_定。該值通過如下方式確定控制輸入電阻的增加、因而控制跨接在端子1/5和2/6上的輸入電壓的增加，以在特定所想要的溫度抵消壓力壓敏電阻電橋的量程減小。對于此例，如圖5所示，在125℃時量程補償設(shè)定為將量程誤差從-11.5％減小為接近零。
例如在125℃，輕度離子注入電阻30和32的串聯(lián)組合當(dāng)與重度離子注入壓敏電阻電橋并聯(lián)時，將輸入電阻從+8％增加至+21％，如圖6表示。這個阻值的增加轉(zhuǎn)而又按比例增加了跨接在壓力電橋上的激勵電壓，這提供了所想要的量程補償，如圖8所示。
此外，對于SOI(silicon-on-insulator)器件，端子7和14外部連接在一起，使得電阻34與外延層連接。這個連接提供等于電橋電壓的1/2的偏置電位，這可以減小預(yù)熱效應(yīng)并改善壓力壓敏電阻電橋24的比例性。
如上所建議，離子注入可以與標(biāo)準(zhǔn)的硅壓敏電阻傳感器工藝同樣地使用，制造輕度離子注入的高正TCR電阻即電阻30、32、34、46、48、56和58(在25℃時一般為2500ppm/℃)和重度離子注入低正TCR電阻即壓敏電阻電橋電阻36、48、40、42，電阻46和54以及溫度電橋電阻44和50(在25℃時一般為500ppm/℃)用于制造電阻30、32和34的離子注入類型由用于制造電阻36、38、40和42的離子注入類型決定。例如，如上所述，壓敏電阻36、38、40和42作為重度離子注入電阻制造。因此，電阻30、32和34作為輕度離子注入電阻制造。然而，或者壓敏電阻36、38、40和42作為輕度離子注入電阻制造，在這種場合，電阻30、32和34作為重度離子注入電阻制造。
以下的工藝次序假定在25℃的條件下進(jìn)行，可以用于制造傳感器芯片22。首先，根據(jù)所要求的預(yù)定技術(shù)規(guī)范確定在端子1和2之間的壓力壓敏電阻電橋24的最終電阻R24。
其次，電阻30和32的阻值之和這樣確定就是使得如圖2表示電阻30和32與壓力壓敏電阻電橋24并聯(lián)(即串聯(lián)的電阻30和32跨接在端子1和2上)達(dá)到對恒電流工作的預(yù)定的特定量程補償，其中恒電流值設(shè)定為在25℃時的所要求的VT值(例如5V)除以在25℃時的電阻值Rin，Rin定義為壓力壓敏電阻電橋與電阻30和32的串聯(lián)組合并聯(lián)后的阻值。
確定過程可以分二步進(jìn)行。第一步，推導(dǎo)在電阻30和32與壓敏電阻電橋24并聯(lián)從而提供量程補償?shù)那闆r下，對恒電流激勵的壓敏電阻電橋24輸出傳遞函數(shù)VP。對圖2的傳感器芯片，這個傳遞函數(shù)由下列方程給出
VP=VT(1-R36R42R40R381+R36R40+R36R42R40R38)---(1)]]>式中VT是壓敏電阻電橋24的激勵輸入電壓，R36是壓敏電阻36的阻值，R38是壓敏電阻38的阻值，R40是壓敏電阻40的阻值，R42是壓敏電阻42的阻值。
在第二步，為了達(dá)到傳感器芯片20在適當(dāng)?shù)臏囟确秶臐M度壓力工作的所要求的量程補償，使用壓敏電阻電橋24和電阻30、32和34的適當(dāng)阻值，將對滿度壓力工作的條件下作為溫度函數(shù)的傳遞函數(shù)的性能模型化。壓力壓敏電阻電橋24的阻值(例如)可以是10209Ω，而電阻30和32的每個阻值(例如)對于總和值為10435Ω時可以是5217.5Ω。因此，在這例中，輸入電阻Rin經(jīng)計算是5160.4Ω(10209與10435并聯(lián))。為在25℃提供5V的VT所需要的恒電流(Icc)經(jīng)計算為0.968921mA例如)。對于恒電流配置，VT(T)可以用作為溫度信號。
圖8表示具有和不具有與壓力壓敏電阻電橋24并聯(lián)的輕度離子注入電阻30和32串聯(lián)組合的情況下在-55℃至+225℃溫度范圍內(nèi)作為溫度函數(shù)的VT。在并聯(lián)情況下從-55℃至+225℃的平均靈敏度是10.272mV/℃，對比之下在只有壓力壓敏電阻電橋的情況下卻是+3.372mV/℃。從平均靈敏度來看靈敏度大約有3倍的增加。
圖9表示在具有和不具有與壓力壓敏電阻電橋24并聯(lián)的輕度離子注入電阻30和32串聯(lián)組合的情況下在-55℃至+225℃溫度范圍內(nèi)作為溫度的函數(shù)的VT線性度。在并聯(lián)情況下從-55℃至+225℃的MTBL(maximum terminal base linearity)誤差是-11.03％，相比之下在只有壓敏電阻電橋時卻是-44.70％。從平均MTBL誤差來看平均MTBL誤差大約有4倍的增加。
因此，集成電阻網(wǎng)絡(luò)28的同一輕度離子注入電阻組合與重度離子注入壓敏電阻電橋24并聯(lián)時，同時提供壓敏電阻輸出對溫度的量程補償并明顯地增加靈敏度和VT溫度電壓的線性度。
第三，為了實現(xiàn)多功能使用，使得由用于壓力壓敏電阻電橋24恒電流應(yīng)用的量程補償而確定的電阻30和32的電阻值總和與由用作溫度電阻電橋26的恒電壓應(yīng)用的在溫度通道中的反饋電阻而確定的電阻30和32的電阻值總和被要求具有相同的值。換言之，電阻30和32應(yīng)該具有相同的阻值，不論它們是用于恒電流應(yīng)用的量程補償，還是用于恒電壓應(yīng)用的在溫度通道中反饋電阻。
溫度通道如圖3所示包括外部放大器，溫度通道的增益G由下列方程給出G=1+R30+R32R46/50---(2)]]>式中R46/50是電阻46和50的并聯(lián)組合，R30是電阻30的阻值，R32是電阻32的阻值。
增益G可規(guī)定為一組設(shè)計指標(biāo)的函數(shù)。工作于恒電壓應(yīng)用的傳感器芯片20的示例性的一組設(shè)計指標(biāo)如下-55℃時的標(biāo)稱輸出應(yīng)該大約為恒電壓的25％，+225℃時的標(biāo)稱輸出應(yīng)該大約為恒電壓的75％；對于重度和輕度離子注入電阻的最差情況的±10％容差內(nèi)輸出應(yīng)該保持在0％至100％。在這些示范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，標(biāo)稱增益為1.952滿足這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)增益技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)上述提及的電阻30和32的示范阻值，那未按照下列方程計算RinR46/50=R30+R32G-1=104351.952-1=10.961ohms---(3)]]>對于這個示例設(shè)計，溫度電橋電阻44、46、48和50的阻值分別是23561Ω、20494Ω、20494Ω和23561Ω。溫度電橋電阻44、46、48和50的這些阻值被要求在大約75℃使溫度電阻電橋26達(dá)到平衡，這將放大器輸出設(shè)定在中間范圍。在給定的例中，電阻36、38、40和42的各阻值可以是10207Ω，使得壓力電橋在零壓力時達(dá)到電平衡。
電阻34的阻值被加以確定，以提供兩個另外的任選增益選擇(高增益和低增益)。對于上述給出的示例設(shè)計規(guī)范，該電阻34的阻值是9368Ω。
如上所述，通過對端子1-14進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐獠窟B接，傳感器芯片20也可用于恒電壓應(yīng)用。圖3表示恒電壓應(yīng)用的一例。端子1外部連接恒電壓源114，使得在壓力壓敏電阻電橋24的第一激勵輸入節(jié)點62上施加作為基準(zhǔn)電壓的外部恒電壓。端子2被外部連接到例如接地的基準(zhǔn)電位。端子3和4是傳感器芯片20的壓力通道的輸出端，分別外部連接到外部放大器116的正、負(fù)輸入端。
端子1和10外部連接在一起，將偏壓供給外部放大器116的負(fù)輸入端，而端子11外部連接到外部放大器116的輸出端，為外部放大器116提供反饋電阻。
端子12外部連接到恒電壓源114，使得在溫度電阻電橋26的第一激勵輸入節(jié)點98上施加作為基準(zhǔn)電壓的外部恒電壓。端子9外部連接到基準(zhǔn)電位，例如接地。端子5和8是傳感器芯片20的溫度通道的輸出端，分別外部連接到外部放大器118的正、負(fù)輸入端。端子6外部連接到外部放大器118的輸出端，為外部放大器118提供反饋電阻。
壓敏電阻36、38、40、42、44、50和54是重度離子注入電阻，而電阻30、32、34、46、48、56和58仍是輕度離子注入電阻。
對于恒電壓工作，電阻網(wǎng)絡(luò)28為溫度電阻電橋26的輸出提供針對特定溫度工作范圍定制的三種增益選擇。這三種增益選擇可以根據(jù)溫度電阻電橋26的溫度工作范圍由端子6和7的接法加以選擇。例如，為了控制外部放大器118的增益，可用端子6和7的不同組合與外部放大器118連接。
圖10例示在溫度范圍-55℃至+225℃內(nèi)溫度通道輸出(以Vref的％表示)，對應(yīng)于端子6連接到外部放大器118的輸出端且端子5連接到外部放大器118的負(fù)輸入端的標(biāo)稱增益選擇(如圖3表示)。
圖11例示在溫度范圍-55℃至+150℃內(nèi)溫度通道輸出(以Vref的％表示)，對應(yīng)于端子7連接到外部放大器118輸出端且端子5連接到外部放大器118負(fù)輸入端的最大增益選擇(如圖3表示)。
圖12例示在溫度范圍-55℃至+300℃內(nèi)溫度通道輸出(以Vref的％表示)，對應(yīng)于端子6和7連接到外部放大器118的輸出端且端子5連接到外部放大器118的負(fù)輸入端的最小增益選擇(如圖3表示)。
至此已詳述本發(fā)明的一些變形，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)會想到本發(fā)明的其它變形。因此，本發(fā)明的敘述僅為說明而已，告訴本領(lǐng)域技術(shù)人員實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式。其具體細(xì)節(jié)可以有很大變化而并不脫離本發(fā)明的精神，申請人保留對于所附權(quán)利要求書內(nèi)所有改型的獨家使用權(quán)。
權(quán)利要求
1.一種傳感器芯片，設(shè)有第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一和第十二端子，這些端子使得可進(jìn)行所述傳感器芯片的外部連接，所述傳感器芯片包含形成在襯底上的壓敏電阻電橋，所述壓敏電阻電橋包含第一和第二輸入節(jié)點與第一和第二輸出節(jié)點；形成在所述襯底上的溫度電阻電橋，所述溫度電阻電橋包含第三和第四輸入節(jié)點與第三和第四輸出節(jié)點；形成在所述襯底上的第一電阻網(wǎng)絡(luò)，所述第一電阻網(wǎng)絡(luò)包含具有一公用接點的第一、第二和第三電阻；形成在所述襯底上的第二電阻網(wǎng)絡(luò)，所述第二電阻網(wǎng)絡(luò)包含具有一公用接點的第四、第五和第六電阻；形成在所述襯底上的第一導(dǎo)電路徑，將第一輸入節(jié)點與第一端子連接；形成在所述襯底上的第二導(dǎo)電路徑，將第二輸入節(jié)點與第二端子連接；形成在所述襯底上的包含第三電阻的第三導(dǎo)電路徑，將第一輸出節(jié)點與所述傳感器芯片的第三端子連接；形成在所述襯底上的第四導(dǎo)電路徑，將第二輸出節(jié)點與所述傳感器芯片的第四端子連接；形成在所述襯底上的第五導(dǎo)電路徑，將第六電阻與所述傳感器芯片的第五端子連接；形成在所述襯底上的第六導(dǎo)電路徑，將第五電阻與所述傳感器芯片的第六端子連接；形成在所述襯底上的第七導(dǎo)電路徑，將第四電阻與所述傳感器芯片的第七端子連接；形成在所述襯底上的第八導(dǎo)電路徑，將第三輸入節(jié)點與第十二端子連接；形成在所述襯底上的第九導(dǎo)電路徑，將第四輸入節(jié)點與第九端子連接；形成在所述襯底上的第十導(dǎo)電路徑，將第三輸出節(jié)點與所述傳感器芯片的第八端子連接；形成在所述襯底上的第十一導(dǎo)電路徑，將第四輸出節(jié)點與所述傳感器芯片的第五端子連接；形成在所述襯底上的第十二導(dǎo)電路徑，將第二電阻與所述傳感器芯片的第十一端子連接；以及形成在所述襯底上的第十三導(dǎo)電路徑，將第一電阻與所述傳感器芯片的第十端子連接。
2.權(quán)利要求1所述的傳感器芯片，其中第一和第五端子連接在一起，第二和第六端子連接在一起。
3.權(quán)利要求2所述的傳感器芯片，其中第一端子連接到恒電流源，第二端子連接到基準(zhǔn)電位。
4.權(quán)利要求1所述的傳感器芯片，其中所述壓敏電阻電橋包含重度離子注入電阻，第四、第五和第六電阻包含對應(yīng)的輕度離子注入電阻。
5.權(quán)利要求4所述的傳感器芯片，其中所述重度離子注入電阻具有第一電阻率，所述輕度離子注入電阻具有第二電阻率，第二電阻率對第一電阻率之比約為7。
6.權(quán)利要求4所述的傳感器芯片，其中第一和第五端子連接在一起，第二和第六端子連接在一起。
7.權(quán)利要求6所述的傳感器芯片，其中第一端子連接到恒電流源。
8.權(quán)利要求4所述的傳感器芯片，其中笫七端子連接到所述傳感器芯片的外延層。
9.權(quán)利要求8所述的傳感器芯片，其中第一端子連接到恒電流源。
10.權(quán)利要求8所述的傳感器芯片，其中所述壓敏電阻電橋包含重度離子注入電阻，第四、第五和第六電阻包含對應(yīng)的輕度離子注入電阻。
11.權(quán)利要求10所述的傳感器芯片，其中所述重度離子注入電阻具有第一電阻率，所述輕度離子注入電阻具有第二電阻率，第二電阻率對第一電阻率之比約為7。
12.權(quán)利要求10所述的傳感器芯片，其中第一和第五端子連接在一起，第二和第六端子連接在一起。
13.權(quán)利要求10所述的傳感器芯片，其中第一端子連接到恒電流源。
14.權(quán)利要求1所述的傳感器芯片，其中第一、第十和第十二端子連接在一起，第二和第九端子連接在一起，第三和第四端子連接到第一放大器的對應(yīng)輸入端，第五和第八端子連接到第二放大器的對應(yīng)輸入端，第十一端子連接到所述第一放大器的輸出端，第六和第七端子中至少一個連接到所述第二放大器的輸出端。
15.權(quán)利要求14所述的傳感器芯片，其中第一端子連接到恒電壓源。
16.權(quán)利要求15所述的傳感器芯片，其中所述壓敏電阻電橋、所述溫度電阻電橋的一部分和所述第三電阻包含重度離子注入電阻，所述溫度電阻電橋的其余部分以及所述第一、第二、第四、第五和第六電阻包含對應(yīng)的輕度離子注入電阻。
17.權(quán)利要求16所述的傳感器芯片，其中所述重度離子注入電阻具有第一電阻率，所述輕度離子注入電阻具有第二電阻率，第二電阻率對第一電阻率之比約為7。
18.權(quán)利要求16所述的傳感器芯片，其中第一端子連接到恒電壓源。
19.權(quán)利要求14所述的傳感器芯片，其中第六端子連接到所述第二放大器的輸出端，所述第七端子為開路狀態(tài)。
20.權(quán)利要求14所述的傳感器芯片，其中第七端子連接到所述第二放大器的輸出端，所述第六端子為開路狀態(tài)。
21.權(quán)利要求14所述的傳感器芯片，其中第六和第七端子連接到所述第二放大器的輸出端。
22.一種傳感器芯片，設(shè)有第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一和第十二端子，這些端子使得可進(jìn)行所述傳感器芯片的外部連接，所述傳感器芯片包含形成在襯底上的第一電阻電橋，所述第一電阻電橋包含第一和第二輸入節(jié)點與第一和第二輸出節(jié)點；形成在所述襯底上的第二電阻電橋，所述第二電阻電橋包含第三和第四輸入節(jié)點與第三和第四輸出節(jié)點；形成在所述襯底上的第一電阻網(wǎng)絡(luò)，所述第一電阻網(wǎng)絡(luò)包含具有公用接點的第一、第二和第三電阻；形成在所述襯底上的第二電阻網(wǎng)絡(luò)，所述第二電阻網(wǎng)絡(luò)包含具有公用接點的第四、第五和第六電阻；形成在所述襯底上的第一導(dǎo)電路徑，將第一輸入節(jié)點與第一端子連接；形成在所述襯底上的第二導(dǎo)電路徑，將第二輸入節(jié)點與第二端子連接；形成在所述襯底上的包含第三電阻的第三導(dǎo)電路徑，將第一輸出節(jié)點與所述傳感器芯片的第三端子連接；形成在所述襯底上的第四導(dǎo)電路徑，將第二輸出節(jié)點與所述傳感器芯片的第四端子連接；形成在所述襯底上的第五導(dǎo)電路徑，將第六電阻與所述傳感器芯片的第五端子連接；形成在所述襯底上的第六導(dǎo)電路徑，將第五電阻與所述傳感器芯片的第六端子連接；形成在所述襯底上的第七導(dǎo)電路徑，將第四電阻與所述傳感器芯片的第七端子連接；形成在所述襯底上的第八導(dǎo)電路徑，將第三輸入節(jié)點與第十二端子連接；形成在所述襯底上的第九導(dǎo)電路徑，將第四輸入節(jié)點與第九端子連接；形成在所述襯底上的第十導(dǎo)電路徑，將第三輸出節(jié)點與所述傳感器芯片的第八端子連接；形成在所述襯底上的第十一導(dǎo)電路徑，將第四輸出節(jié)點與所述傳感器芯片的第五端子連接；形成在所述襯底上的第十二導(dǎo)電路徑，將第二電阻與所述傳感器芯片的第十一端子連接；以及形成在所述襯底上的第十三導(dǎo)電路徑，將第一電阻與所述傳感器芯片的第十端子連接。
23.權(quán)利要求22所述的傳感器芯片，其中第一和第五端子連接在一起，第二和第六端子連接在一起。
24.權(quán)利要求23所述的傳感器芯片，其中第一端子連接到恒電流源，第二端子連接到基準(zhǔn)電位。
25.權(quán)利要求22所述的傳感器芯片，其中第一電阻電橋包含重度離子注入電阻，第四、第五和第六電阻包含輕度離子注入電阻。
26.權(quán)利要求25所述的傳感器芯片，其中所述重度離子注入電阻具有第一電阻率，所述輕度離子注入電阻具有第二電阻率，第二電阻率對第一電阻率之比約為7。
27.權(quán)利要求25所述的傳感器芯片，其中第一和第五端子連接在一起，第二和第六端子連接在一起。
28.權(quán)利要求27所述的傳感器芯片，其中第一端子連接到恒電流源。
29.權(quán)利要求25所述的傳感器芯片，其中笫七端子連接到所述傳感器芯片的外延層。
30.權(quán)利要求29所述的傳感器芯片，其中第一端子連接到恒電流源。
31.權(quán)利要求29所述的傳感器芯片，其中第一電阻電橋包含重度離子注入電阻，第四、第五和第六電阻包含對應(yīng)的輕度離子注入電阻。
32.權(quán)利要求31所述的傳感器芯片，其中所述重度離子注入電阻具有第一電阻率，所述輕度離子注入電阻具有第二電阻率，第二電阻率對第一電阻率之比約為7。
33.權(quán)利要求31所述的傳感器芯片，其中第一和第五端子連接在一起，第二和第六端子連接在一起。
34.權(quán)利要求31所述的傳感器芯片，其中第一端子連接到恒電流源。
35.權(quán)利要求22所述的傳感器芯片，其中第一、第十和第十二端子連接在一起，第二和第九端子連接在一起，第三和第四端子連接到第一放大器的對應(yīng)輸入端，第五和第八端子連接到第二放大器的對應(yīng)輸入端，第十一端子連接第一放大器的輸出端，第六和第七端子中至少一個連接到第二放大器的輸出端。
36.權(quán)利要求35所述的傳感器芯片，其中第一端子連接到恒電壓源。
37.權(quán)利要求36所述的傳感器芯片，其中第一電橋、第二電橋的一部分和第三電阻包含重度離子注入電阻，第二電橋的其余部分以及第一、第二、第三、第四和第六電阻包含對應(yīng)的輕度離子注入電阻。
38.權(quán)利要求37所述的傳感器芯片，其中所述重度離子注入電阻具有第一電阻率，所述輕度離子注入電阻具有第二電阻率，第二電阻率對第一電阻率之比約為7。
39.權(quán)利要求37所述的傳感器芯片，其中第一端子連接到恒電壓源。
40.權(quán)利要求35所述的傳感器芯片，其中第七端子為開路狀態(tài)。
41.權(quán)利要求35所述的傳感器芯片，其中第六端子連接到第二放大器的輸出端，第七端子為開路狀態(tài)。
42.權(quán)利要求35所述的傳感器芯片，其中第七端子連接到第二放大器的輸出端，第六端子為開路狀態(tài)。
43.權(quán)利要求35所述的傳感器芯片，其中第六和第七端子連接到第二放大器的輸出端。
44.一種制造傳感器芯片的方法，包括如下步驟形成第一電阻電橋，使所述第一電阻電橋含有第一和第二輸入節(jié)點與第一和第二輸出節(jié)點，并使第一電阻電橋含有第一、第二、第三和第四電阻；形成第二電阻電橋，使所述第二電阻電橋含有第三和第四輸入節(jié)點與第三和第四輸出節(jié)點，并使第二電阻電橋含有第五、第六、第七和第八電阻；至少形成第九和第十電阻，使得由用于第一電阻電橋恒電流工作的量程補償而確定的第九和第十電阻的總阻值和由在包含用于第二電阻電橋恒電壓工作的第二電阻電橋的通道中用作反饋電阻而確定的第九和第十電阻的總阻值具有相同的值；以及形成第十一電阻，其一端與第九和第十電阻之間的節(jié)點連接，另一端與所述傳感器芯片的一層連接。
45.權(quán)利要求44所述的方法，其中還包括根據(jù)下列方程來確定電阻R3的步驟R3=R1+R2G-1]]>式中R1是第一電阻的阻值，R2是第二電阻的阻值，G是設(shè)計指標(biāo)，R3是與第七和第八電阻的并聯(lián)組合的阻值。
全文摘要
一種傳感器芯片含有壓敏電阻電橋、溫度電阻電橋和多功能電阻網(wǎng)絡(luò)，該多功能電阻網(wǎng)絡(luò)可以用于壓敏電阻電橋工作在恒電流模式時的量程補償。在恒電流模式，所述多功能電阻網(wǎng)絡(luò)也可以用于為傳感器芯片外延層提供偏置電位。在恒電壓模式，多功能電阻網(wǎng)絡(luò)可用于為包含溫度電阻電橋的溫度通道提供三種不同增益，從而為特定溫度運行范圍定制溫度電阻電橋輸出。
文檔編號H01L29/82GK1823268SQ200480020521
公開日2006年8月23日 申請日期2004年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月20日
發(fā)明者R·L·約翰遜 申請人:霍尼韋爾國際公司