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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Leistungshalbleiter und insbesondere
eine Vorrichtung mit einem mikroelektromechanischen System (MEMS), die
on-board Strom- und Spannungsmessmöglichkeiten für Leistungshalbleiter
bereitstellen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Viele
Schaltungsanwendungen, die heutzutage eingesetzt werden, nutzen
Halbleitervorrichtungen, um große
Ströme
und Spannungen zu steuern. Die Messungen dieser Spannungen und Ströme sind bedeutsam,
um beispielsweise einen mittleren Stromfluss, einen RMS-Strom, einen
Basisspitzenstrom, eine mittlere Spannung, eine RMS-Spannung oder
eine Basisspitzenspannung zu bestimmen. Der gemessene Wert kann
zum Vorrichtungsschutz, für die
Regelung oder für
viele andere Zwecke genutzt werden. Da die Spannung oder der Strom
typischerweise nicht auf den gleichen Schaltungspunkt wie die übrige Elektronik
hinweisen kann, ist üblicherweise eine
Entkopplung der Messung erforderlich. Des Weiteren ist es wünschenswert,
die mit den Messungen verbundenen Kosten zu minimieren.
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Ein
herkömmlicher
Stromsensor 25, der zusammen mit einem Leistungshalbleiter 11 eingesetzt wird,
ist in 1 dargestellt, wobei eine Vielzahl von Transistorelementen 19 auf
einem einzigen Chip hergestellt sind und parallel mit einer Quelle 23 verbunden
sind, um einen Verbraucher 17 zu steuern.
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Ein
externer Stromsensor 25, der die Form eines Parallelwiderstandes
und eines verbundenen Schaltkreises, eines Stromumformers und eines
verbundenen Schaltkreises, eines Hall-Effekt-Sensors und eines verbundenen
Schaltkreises und dergleichen annehmen kann, ist mit den Transistorelementen 19 in
Reihe geschaltet. Die Transistorelemente 19 sind parallel
geschaltet, um den Betrag des Stroms zu begrenzen, der durch jedes
Transistorelement fließen
muss. Nachteilhafterweise erfordert der Sensor 25 eine
externe Verbindung mit der Schaltung und für einen zuverlässigen Betrieb
eine nachfolgende Kalibrierung durch den Endnutzer.
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In ähnlicher
Weise ist ein herkömmlicher Spannungssensor,
der zusammen mit einem Leistungshalbleiter 11 eingesetzt
wird, in 2 dargestellt. Die Spannung
an den Transistorelementen 19 wird mittels des Sensors 27 abgetastet
und gemessen.
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Elektrische
Entkoppler werden eingesetzt, um eine elektrische Entkopplung zwischen
Schaltungselementen für
die Zwecke einer Spannungspegeländerung,
einer Verringerung eines elektrischen Rauschens und einer Hochspannungs-
und Stromsicherung bereitzustellen.
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Schaltungselemente
können
als elektrisch entkoppelt betrachtet werden, wenn kein Pfad vorliegt,
auf dem ein Gleichstrom (DC) zwischen ihnen fließen kann. Eine Entkopplung
dieser Art kann durch kapazitive oder induktive Kopplung erreicht
werden. Bei einer kapazitiven Kopplung wird ein elektrisches Eingangssignal
an eine Platte eines Kondensators angelegt, um ein elektrostatisches
Signal über
ein isolierendes Dielektrikum zu einer zweiten Platte zu übermitteln,
an der ein Ausgangssignal erzeugt wird. Bei der induktiven Kopplung
wird ein elektrisches Eingangssignal an eine erste Spule angelegt,
um ein elektromagnetisches Feld über
einen Isolationsspalt zu einer zweiten Spule zu übertragen, die das entkoppelte
Ausgangssignal erzeugt. Beide derartigen Entkoppler blocken im Wesentlichen
dauerhafte oder mit Gleichstrom verbundene elektrische Signale.
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Derartige
Entkoppler blocken, obwohl sie einfach aufgebaut sind, die Kommunikation
von Signalen, die signifikante Niederfrequenzkomponenten aufweisen.
Des Weiteren können
diese Entkoppler eine signifikante frequenzabhängige Dämpfung und eine Phasenverzerrung
in das übertragene
Signal einbringen. Diese Merkmale machen derartige Entkoppler ungeeignet
für viele
Typen von Signalen, die viele Typen von digitalen Hochgeschwindigkeitskommunikationen
einschließen.
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Zudem
ist es gelegentlich wünschenswert, eine
eine Hochspannung (> 2
kV) betreffende Entkopplung zwischen zwei verschiedenen Bereichen eines
Systems bereitzustellen, während
ein Kommunikationspfad zwischen diesen beiden Bereichen aufrecht
gehalten wird. Dies triff häufig
bei industriellen Steueranwendungen zu, bei denen es wünschenswert
ist, die Sensor/Aktuator-Bereiche von Steuerbereichen des Gesamtsystems
zu entkoppeln.
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Die
US 6,188,322 B1 offenbart
eine mikromechanische Vorrichtung zur Erfassung und Messung eines
elektrischen Stroms, umfassend ein Substrat, ein Element, das von
dem Substrat getragen ist und zwischen einer und einer zweiten Position
beweglich ist, einen Aktuator, der an dem Element zur Aufnahme eines
elektrischen Eingangssignals befestigt ist, wobei der Aktuator eine
von dem Eingangssignal abhängige
Kraft ausübt, die
das Element in eine Richtung antreibt, eine an dem Element angebrachte Vorspannkonstruktion,
um eine Gegenkraft auf das Element auszuüben, die das Element in die
andere Richtung antreibt, und einen Sensor, der an dem Element angebracht
ist, um ein elektrisches Ausgangssignal bereitzustellen, das eine
Bewegung des Elementes anzeigt.
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Die
WO 02/067293 A2, die ein nachveröffentlichtes
Dokument darstellt und als solches nur hinsichtlich Neuheit relevant
ist, offenbart ein mikroelektromechanisches System, umfassend ein
Substrat, ein Element, das von dem Substrat zur Bewegung zwischen
einer ersten und einer zweiten Position bezüglich des Substrats getragen
ist, wobei zumindest ein Bereich des Elementes zwischen einer ersten
und einer zweiten Stelle an dem Element ein elektrischer Isolator
ist, um die erste und die zweite Stelle voneinander elektrisch zu
entkoppeln, einen Aktuator, der an dem ersten Bereich des Elementes angebracht
ist, um ein elektrisches Eingangssignal aufzunehmen und eine von
dem elektrischen Eingangssignal abhängige Kraft auszuüben, die
das Element in Richtung der zweiten Position antreibt, eine Vorspannkonstruktion,
die an dem Element angebracht ist, um eine bestimmte Gegenkraft
aus das Element auszuüben,
die das Element in Richtung der ersten Position antreibt, und einen
Sensor, der an der zweiten Position des Elementes angebracht ist,
um ein elektrisches Ausgangssignal bereitzustellen, das eine Bewegung
des Elementes zwischen der ersten und der zweiten Position anzeigt,
wobei ein Eingangssignal, das über
einem festgelegten Wert liegt, die Gegenkraft übersteigt, um zu bewirken,
dass das Element sich schnell von der ersten zu der zweiten Position
bewegt, um das von dem elektrischen Eingangssignal entkoppelte elektrische
Ausgangssignal zu erzeugen.
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Die
EP 0 869 370 A1 offenbart
ein Verfahren zur Prüfung
eines DMOS-Leistungstransistors, umfassend folgende Phasen: Anordnen
eines Schalters zwischen einer Niederspannungsschaltung und dem Basisanschluss
eines DMOS-Leistungstransistors; Halten des Schalters in einer Öffnungsstellung;
Anlegen einer Belastungsspannung an den Basisanschluss; Prüfen der
Funktionalität
des DMOS-Leistungstransistors; und, wenn die Prüfung ein positives Ergebnis
hat, Kurzschließen
des Schalters durch Zapping.
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Die
EP-A-0 955 668 offenbart die Verwendung eines Trägers, über dem nicht nur eine MEMS-Vorrichtung,
sondern auch eine elektronische Vorrichtung, wie ein Transistor
oder ein integrierter Schaltkreis angeordnet ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mikromechanische
elektrische Vorrichtung zur Messung einer elektrischen Eigenschaft eines
Leistungstransistors, insbesondere eines Stroms und/oder einer Spannung,
und eine Leistungshalbleitervorrichtung bereitzustellen, die Messmöglichkeiten
haben, um die Verwendung auf Seiten des Endnutzers zu vereinfachen,
und die ein entkoppeltes Ausgangssignal bereitstellen.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese
Aufgabe ist durch eine mikroelektromechanische Vorrichtung nach
Anspruch 1 und eine Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch
6 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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Hierbei
wird auf folgenden Figuren Bezug genommen, bei denen gleiche Bezugszeichen
für gleiche
Elemente einheitlich verwendet werden und bei denen:
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1 ein
vereinfachtes schematisches Schaltbild eines Strommesssystems nach
dem Stand der Technik zeigt;
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2 ein
vereinfachtes schematisches Schaltbild eines Strommesssystems nach
dem Stand der Technik zeigt;
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3 ein
vereinfachtes Blockschaubild des vorliegenden Analog-Entkopplers
zeigt, das dessen Elemente Aktuator, Steuerelement und Sensor darstellt,
welcher Entkoppler entlang des einzigen mechanischen Elementes kommuniziert,
das beweglich ist, um Daten zwischen dem Aktuator und dem Sensor
zu übertragen,
und das isolierende Bereiche des beweglichen Elementes darstellt;
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4 eine
Draufsicht einer Ausführungsform
des Entkopplers nach 3 ist, der drei elektrostatische
Motoren und einen kapazitiven Sensor nutzt, wobei eine Lagerung
eines beweglichen Trägers
dargestellt ist, der diese Komponenten mittels flexibler Querarme
verbindet, und wobei die Ausführung
der isolierenden Abschnitte des Trägers dargestellt sind;
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5 eine
Ansicht eines Paars von Querarmen gemäß 4 zeigt,
wobei eine elektrische Trennung der Arme des Paars dargestellt ist,
um einem an dem Arm anliegenden Strom zu ermöglichen, einen Lorentzkraftmo tor
zu erzeugen, wie er für
die elektrostatischen Motoren nach 4 eingesetzt werden
kann;
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6 eine
vereinfachte schematische Ansicht eines Halbleitercontrollers zeigt,
der on-board einen MEMS-Spannungssensor
hat;
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7 ein
vereinfachtes, schematisches Blockschaubild eines Halbleitercontrollers
zeigt, der on-board einen Stromsensor hat;
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8 ein
vereinfachtes, schematisches Blockschaubild eines Halbleitercontrollers
mit einem MEMS-Stromsensor
on-board und eine damit verbundenen Kompensationsschaltung zeigt;
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9 ein
vereinfachtes, schematisches Blockschaubild eines Halbleitercontrollers
mit MEMS-Strom- und Spannungssensoren on-board zeigt; und
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10 ein
schematisches Systemschaubild der in 9 dargestellten
Ausführungsform
zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Unter
nun erfolgender Bezugnahme auf 3 umfasst
ein analoger MEMS-Entkoppler 10 gemäß der bevorzugten Ausführungsform
einen Aktuator 12, ein Steuerelement 14 und einen
Sensor 18, welche mechanisch durch einen beweglichen Träger 20 verbunden
sind.
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Der
Aktuator 12 umfasst Anschlüsse 22a-22b und 22c-22d, über die
ein analoges elektrisches Eingangssignal 21 aufgenommen
und in eine mechanische Kraft umgewandelt werden kann, die den Träger 20 in
eine Betätigungsrichtung
antreibt. In dem mikroskopischen Maßstab des analogen MEMS-Entkopplers 10 kann der
Aktuator ein piezoelektrischer Aktuator, ein thermischer Entspannungsmotor,
ein mechanischer Verdrängungsmotor,
ein elektrostatischer Motor oder ein Lorentzkraftmotor sein, der
grundsätzlich
bekannt ist. Bei einem Lorentzkraftmotor oder einem thermischen
Entspannungsmotor wird das analoge elektrische Eingangssignal 21 ein
Strom sein und bei dem piezoelektrischen oder elektrostatischen
Motor wird das Eingangssignal eine Spannung sein. Demgemäß ist der analoge
MEMS-Entkoppler 10 betreibbar, um entweder als Stromsensor
oder als Spannungssensor zu arbeiten, wie sich aus der nachfolgenden
Beschreibung deutlicher ergibt.
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Der
Aktuator kommuniziert mit einem ersten Ende des Trägers 20.
Ein gegenüberliegendes
Ende des Trägers
wird von dem Sensor 18 aufgenommen, der eine Bewegung des
Trägers 20 detektiert
und über
seine Anschlüsse 26a, 26b, 26c und 26d ein elektrisches
Signal erzeugt, das direkt gemessen werden kann oder mittels einer
Verarbeitungselektronik 28 weiterverarbeitet werden kann,
um ein Ausgangssignal 20 zu erzeugen, das eine Bewegung
des Trägers 20 anzeigt.
Der Sensor 18 kann ein Sensor vom piezoelektrischen Typ,
ein fotoelektrischer Sensor, ein resistiver Sensor, ein optisch
schaltender Sensor oder ein kapazitiver Sensor entsprechend bekannter
Techniken bei der MEMS-Auslegung sein. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform
nutzt der Sensor 18 mit einer Gegenkraft beaufschlagte,
bewegbare Plattenkondensatoren, wie unten genauer beschrieben werden
wird.
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An
dem Träger 20 ist
zwischen dem Aktuator 12 und dem Sensor 18 das
Steuerelement 14 angebracht, das eine Kraft auf den Träger 20 bereitstellt, die
entgegen der Betätigungsrichtung 24 gerichtet
ist und der Wirkung Betrieb des Aktuators 12 entgegenwirkt,
oder parallel zur Betätigungsrichtung 24 wirkt, was
die Wirkung des Aktuators verstärkt,
wie durch Doppelpfeile 35 angegeben.
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Wenn
kein analoges elektrisches Eingangssignal 21 vorliegt,
kann das Steuerelement 14 den Träger in einer Position an dem
Sensor 18 halten. Idealerweise stellt das Steuerelement 14 eine
Kraft bereit, die mit der Bewegung des Trägers 20 in der Betätigungsrichtung 24 ansteigt.
Auf diese Weise wird eine einfache Beziehung zwischen der Antriebskraft
und der Bewegung des Trägers 20 erzeugt
(z. B. mit einem einfachen System vom Federtyp). Der analoge MEMS-Entkoppler 10 ist
mit einer extrem niedrigen Reibung und Trägheit behaftet, so dass die
Bewegung oder Kraft gleichmäßig und
schnell ist.
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Alternativ
kann das Steuerelement 14 eine schnell wachsende Kraft
(in einem Rückmeldungssystem)
bereitstellen, die die Bewegung des Trägers 20 bei jeder
Betätigungskraft
bremst. Hier stellt der Betrag der Bremskraft das Ausgangssignal
dar.
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Wie
beschrieben, kann die von dem Steuerelement 14 bereitgestellte
Kraft durch Änderung
eines Stroms oder einer Spannung auf den Aufbau einstellbar sein
und in einem Rückmeldungsmodus
verwendet werden, um im Wesentlichen jegliche noch so kleine Bewegung
des Trägers 20 zu
eliminieren. Eine geringe Bewegung des Trägers 20 ist für den Sensor
erforderlich, um die erforderliche Kompensationsrückmeldung
bereitzustellen, aber die Bewegung kann auf ein Maß verringert
werden, dass Nichtlinearitäten
in den Aktuatoren und den mechanischen Elementen des analogen MEMS-Entkopplers 10,
die mit einer ausgeprägteren
Bewegung auftreten könnten,
eliminiert werden. In diesem Modus wird insbesondere die Bewegung
des Trägers
durch eine Verarbeitungselektronik 28 detektiert, um ein
Positionssignal zu erzeugen. Das Positionssignal wird mit einem
Referenzsignal 29 verglichen, um ein Fehlersignal 31 zu
erzeugen, das an das Steuerelement ausgegeben wird, um eine Rückstellkraft
zu erzeugen, die den Träger 20 an
den Nullpunkt zurückführt. Die
Verbindung zwischen dem Fehlersignal und dem Steuerelement kann
direkt sein oder kann weiter modifiziert werden durch ein Rückmeldungsnetzwerk 33,
das eine Kompensation für
das System gemäß bekannter
Rückmeldungstechniken
bereitstellt. Das Rückmeldungsnetzwerk 33 kann
eine Spannung an beiden Anschlüssen 38c und 38d mit
einer Erdung am Anschluss 50 zur Betätigung in Richtung des Sensors 18 oder
an den Anschlüsse 38a und
mit einer Erdung am Anschluss 50 zur Betätigung in
Richtung des Aktuators 12 anlegen, was die Tatsache wiedergibt,
dass die elektrostatischen Motoren nur eine einzige Kraftrichtung
bereitstellen.
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Der
Träger 20 umfasst
leitfähige
Abschnitte 32a und 32b, die bei dem Aktuator 12 bzw.
dem Sensor 18 angeordnet sind und so einen Teil des Aktuators 12 bzw.
des Sensors 18 bilden können.
Die isolierenden Abschnitte 34a und 34b trennen
leitfähige Abschnitte 32a und 32b von
einem zentralen leitfähigen
Abschnitt 32c, der Teil des Steuerelementes 14 sein
kann; die isolierenden Abschnitte 34a und 34b legen
somit drei Isolationsbereiche 36a-c fest. Der erste Bereich 36a umfasst
den Aktuator 12 und den leitfähigen Abschnitt 32a,
der zweite Bereich 36b umfasst den zentralen leitfähigen Abschnitt 32c und
das Steuerelement 14 und der dritte Bereich 36c umfasst den
leitfähigen
Abschnitt 32b und den Sensor 18.
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Der
isolierte Träger 20 stellt
einen Mechanismus bereit, durch den das elektrische analoge Eingangssignal 21,
das durch den Aktuator 12 wirkt, ein korrespondierendes
Ausgangsignal an dem Sensor 18 erzeugen kann, das von dem
analogen elektrischen Eingangssignal 21 elektrisch entkoppelt
ist. Das Steuerelement 14 kann von dem Eingangssignal und/oder
dem Ausgangssignal 30 elektrisch entkoppelt sein.
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Das
Steuerelement 14 ist vorzugsweise ein Lorentzkraftmotor
oder ein elektrostatischer Motor eines Typs, der unten beschrieben
werden wird. Bei dem ersteren der zwei Steuerelemente sind die Anschlüsse 38a und 38b und
die Erdung 50 ausgelegt, um einen bidirektionalen Strom
bereitzustellen, der die von dem Steuerelement 14 zur Verfügung gestellte,
kompensierende Kraft vorgibt. Die Richtung des Stroms gibt die Richtung
der Kraft vor. Bei dem letzteren elektrostatischen Aufbau sind die
Anschlüsse 38a-d
vorgesehen. Spannung wird entweder an das Anschlusspaar 38a und 38b (unter
Bezugnahme auf die Erdung 50) oder an das Anschlusspaar 38c und 38d (unter
Bezugnahme auf die Erdung 50) angelegt, um die Richtung
der Kraft zu bestimmen.
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Wobei
nun auch auf die 4 und 6 Bezug
genommen wird, erstreckt sich der Träger 20 oberhalb eines
Substrats 41 entlang einer Längsachse 40, die entlang
einer Mittellinie zwischen in Querrichtung einander gegenüberliegenden Ästen 44 verläuft, die
an ein Substrat 41 angebracht sind. Die Äste 44 bilden
die Anschlüsse 22a und 22b, 38a-b, 26a und 26b,
die oben beschrieben wurden. Idealerweise ist das Substrat 41 ein
isolierendes Substrat und sind die Äste 44 jeweils gegeneinander
isoliert und sind besonders leitfähige Schichten angebracht oder
wird eine Drahtverbindung verwendet, um die erforderlichen Verbindungen
herzustellen.
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Der
Träger
20 ist
von dem Substrat
41 entfernt gelagert und zur Bewegung
entlang der Längsachse
40 mittels
eines beweglichen Armpaars
46 gehalten, das sich an einander
gegenüberliegenden Seiten
beider Enden des Trägers
20 und
in dessen Mitte in Querrichtung erstreckt. Bei der Herstellung des
MEMS-Entkopplers
10 kann
der bewegbare Träger
20 von
dem Substrat
41 durch Ätzen
in einen internen Hohlraum, der entweder in dem Substrat, wie in
der US-Patentanmeldung Nr. 09/843,563 (= US 20020158040) beschrieben,
eingereicht am 26. April 2001 und betitelt mit "Method For Fabricating A Microelectromechanical
System (MEMS) Device Using A Pre-Patterned Substrate", oder von dem Träger selbst
entfernt werden, wie in der US-Patentanmeldung
Nr. 09/843,545 (=
US 6,761,829 )
beschrieben, eingereicht am 26. April 2001 und betitelt mit "Method For Fabricating
An Isolated Microelectromechanical System (MEMS) Device Using An
Internal Void".
Die biegsamen Arme erstrecken sich weg von dem Träger
20 zu
Winkelstücken
48,
die von dem Träger
20 an
jeder Seite des Trägers
20 in
Querrichtung versetzt sind. Die Winkelstücke
48 sind wiederum
mit Expansionskompensatoren
50 verbunden, die zurückgeführt sind,
um an dem Substrat
41 an einer Stelle nahe des Trägers
20 angebracht
zu sein. Wie oben erwähnt,
sind die Expansionskompensatoren nicht zwingend erforderlich. Vielmehr
dienen sie, wenn erforderlich, zum Spannungsabbau. Die biegsamen
Querarme
46 liegen grundsätzlich parallel zu den Expansionskompensatoren
50,
mit denen sie verbunden sind. Die biegsamen Querarme
46,
die Winkelstücke
48 und
die Expansionskompensatoren sind ausgeführt, um elektrische Verbindungen
zwischen den leitfähigen
Bereichen
32a,
32b und
32c und stationären elektrischen
Anschlüssen
(nicht dargestellt) herzustellen.
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Der
Abschnitt 32a des Trägers 20 kann
sich, wenn er einen Abschnitt des Aktuators darstellt, in Querrichtung
nach außen
erstreckende, bewegliche Kondensatorplatten 66 haben, die
sich mit korrespondierenden, sich in Querrichtung nach innen erstreckenden
stationären
Kondensatorplatten 68 überlappen,
die an dem Arm 44 angebracht sind, der die Anschlüsse 22a und 22b verkörpert. Jede
der beweglichen Kondensatorplatten 66 und der korrespondierenden
stationären
Kondensatorplatten 68 kann wechselseitig ineinander greifende
Finger haben (die einender gegenüber
liegen, um einfache parallele Kondensatoren zu sein), um eine gleichförmigere elektrostatische
Kraft über
einen größeren longitudinalen
Bewegungsbereich des Trägers 20 bereitzustellen.
Der so gebildete elektrostatische Motor arbeitet unter Nutzung der
Anziehung zwischen Kondensatorplatten 66 und 68 mit
den verbundenen Anschlüssen 22b und 22a,
um eine Spannungsdifferenz bezüglich
des Trägers 20 (verbunden
mit den Anschlüssen 22c und 22d)
zu haben, so dass der Träger
in die Betätigungsrichtung 24 angetrieben
wird. Aus diesem Grund sind die stationären Kondensatorplatten 68 hinter
den beweglichen Kondensatorplatten 66 an beiden Seiten
des Trägers
angeordnet, wenn er sich gemäß der Betätigungsrichtung 24 bewegt.
Die Kondensatorplatten 66 und 68 sind frei tragend über dem
Substrat 41 ausgeführt,
und zwar durch den gleichen Ätzvorgang,
der zur Trennung des Trägers 20 von
dem Substrat 41 eingesetzt wird, wie oben beschrieben.
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Die
Arme 44, die den Abschnitt 32c des Trägers als
angeformte Blocks 38a und 38d ebenfalls flankieren,
umfassen die beweglichen und stationären Kondensatorplatten 66 und 68 in
zwei verschiedenen Paaren. Wie angemerkt, stellt dieser Abschnitt das
Steuerelement 14 und als solcher zwei elektrostatische
Motoren bereit; einen unter Verwendung der Anschlüsse 38a und 38d,
der hergestellt ist, um eine Kraft in der Gegenrichtung des Aktuators 12 mit den
beweglichen Kondensatorplatten 66 erzeugen, die den stationären Kondensatorplatten 68 folgen, wenn
sich dieser in der Betätigungsrichtung 24 bewegt,
und der andere (unter Nutzung der Anschlüsse 38a und 38b),
der hergestellt ist, um eine Kraft in der gleichen Richtung bezüglich des
Aktuators 12 zu erzeugen, mit den beweglichen Kondensatorplatten 66, die
vor den stationären
Kondensatorplatten 68 liegen, wenn sich dieser in der Betätigungsrichtung 24 bewegt.
Diese beiden Aktuatoren können
in Kombination eingesetzt werden, um eine Steuerung des geschlossenen
Regelsystems bereitzustellen.
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Der
Abschnitt 32b des Trägers
trägt auch
die beweglichen Kondensatorplatten 66 und die stationären Kondensatorplatten 68.
Jedoch dienen in diesem Fall die Kondensatorplatten nicht dem Zweck
der Erzeugung eines elektrostatischen Motors, sondern statt dessen
als Messeinrichtung, bei der Änderungen
der Kapazität
der beweglichen Kondensatorplatten 66 und der stationären Kondensatorplatten 68 zur Anzeige
der Position des Trägers 20 dienen.
In dieser Hinsicht ist die Reihenfolge der stationären und
der beweglichen Kondensatorplatten 66 und 68 an
den einander gegenüberliegenden
Seiten des Trägers 20 umgekehrt.
Somit liegen die beweglichen Kondensatorplatten 66 an einer
ersten Seite des Trägers
(der Oberseite, wie in 4 dargestellt) den stationären Kondensatorplatten 68,
wenn sich dieser in der Betätigungsrichtung 24 bewegt
(wie gemessen zwischen dem Anschluss 26a und dem Anschluss 26b + 26d), wohingegen
die umgekehrte Reihenfolge an der Unterseite des Trägers 20 vorliegt
(wie gemessen zwischen dem Anschluss 26b und dem Anschluss 26c + 26d).
Wenn sich der Träger 20 in
der Betätigungsrichtung 24 bewegt,
erhöht
sich demgemäß die Kapa zität, die von
den oberen beweglichen Kondensatorplatten 66 und stationären Kondensatorplatten 68 gebildet
ist, wohingegen die von den unteren Platten gebildete Kapazität abnimmt.
Der Punkt, an dem der Wert der oberen Kapazität den Wert der unteren Kapazität überschreitet,
definiert präzise
einen Nullpunkt und wird vorzugsweise auf halber Strecke der Bewegung
des Trägers 20 festgelegt.
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Bekannte
Techniken zum Vergleich von Kapazitäten können eingesetzt werden, um
die Position des Trägers
20 abzuschätzen. Eine
Schaltung zur Bereitstellung extrem genauer Messungen dieser Kapazitäten ist
in der ebenfalls anhängigen
Anmeldung Nr. 09/677,037 beschrieben, die am 29. September 2000
eingereicht wurde. Grundsätzlich
ist der analoge MEMS-Entkoppler
10 bezüglich einer Achse durch die
Mitte des Trägers
20 entlang
der Längsachse
40 symmetrisch
aufgebaut, um thermische Ausdehnungen besser zu kompensieren. Zudem
sind die Arbeitsflächen
der Platten der Kondensatoren, d.h. der Platten
66 und
68 auf
beiden Seiten des Trägers
20 für den Aktuator
12 und
das Steuerelement
14 gleich, um im Gleichgewicht zu sein.
Aus ähnlichen Gründen sind
die Kondensatoren der elektrostatischen Motoren und das Steuerelement
14 zwischen den
Paaren flexibler Querarme
46 angeordnet, um geringe Torsionsbeträge, die
durch ungleichmäßige Kräfte zwischen
den Kondensatorplatten
66 und
68 ausgelöst sind,
besser zu kontrollieren. Obwohl der Entkoppler
10 hier
als analoger dargestellt und erläutert
ist, sollte der Durchschnittsfachmann verstehen, dass statt dessen
ein digitaler Entkoppler eingesetzt werden könnte. Solch ein digitaler Entkoppler
ist beispielsweise in der anhängigen
Patentanmeldung Nr. 09/788,928 (=
US
6,583,374 ) beschrieben, die den Titel "Microelectromechanical System (MEMS)
Digital Electrical Isolator" trägt.
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Wobei
nun auf die 3 und 5 Bezug genommen
wird, sollte es einem Fachmann bewusst sein, dass einer oder beide
der elektrostatischen Motoren, die den Aktuator 12 und
das Steuerelement 14 bilden, welche oben beschrieben sind,
durch Lorentzkraftmotoren 75 ersetzt werden können, in
denen Kräfte
nicht zwischen elektrostatischer Anziehung zwischen Kondensatorplatten,
sondern durch Wechselwirkung eines Stroms mit einem magnetischen
Feld erzeugt werden. Bei dem Lorentzkraftmotor 75 kann
ein magnetisches Feld (z. B. mit einem nicht dargestellten Permanentmagneten)
benachbart zu dem analogen MEMS-Entkoppler 10 erzeugt werden,
um einen magnetischen Fluss 70 normal zu dem Substrat zu
erzeugen. Die Expansionskompensatoren 50, die den biegsamen
Querarm 46 an einander gegenüberliegenden Seiten des Trägers 20 tragen, sind
voneinander elektrisch entkoppelt, so dass eine Spannung über den
Expansionskondensatoren 50 entwickelt werden kann, um einen
Strom 72 durch den biegsamen Querarm 46 fließen zu lassen.
Dieser Stromfluss in dem magnetischen Feld, das durch den Magneten
erzeugt wird, erzeugt eine Längskraft
auf den Träger 20,
die an Stelle der elektrostatischen Motoren wirkt. Der Betrag der
Ablenkung wird grundsätzlich
durch die Flussdichte des magnetischen Feldes 70, den Betrag
des Stroms und die Flexibilität
der biegsamen Querarmpaare 46 gemäß der Rechtehandregel bestimmt.
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Die
Lorentzkraftmotoren 75 haben eine Zweiquadrantenbedeutung,
so dass sie Ströme
in jeder Richtung akzeptieren werden, um eine Kraft gemäß oder entgegengesetzt
zu der Betätigungsrichtung 24 zu
erzeugen. Anders als ein optischer Entkoppler kann der analoge MEMS-Entkoppler 10 folglich
mit Lorentzkraftmotoren 75 (oder dem oben beschriebenen
bidirektio nalen elektrostatischen Motor des Steuerelementes 14)
mit zwei Polaritäten
arbeiten.
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Es
wird nun insbesondere auf 6 Bezug genommen.
Jeder Leistungshalbleiter besteht aus einer Vielzahl von Transistoren 92,
die parallel geschaltet sind, so dass ein IGBT, ein bipolarer NPN-Transistor
oder ein MOSFET-Leistungstransistor 69 (siehe z. B. 10)
bereitgestellt wird, wie es diejenigen mit einem durchschnittlichen
Fachwissen verstehen. Es sollte somit verstanden werden, dass die
vorliegende Erfindung nicht auf einen speziellen Typ einer Halbleitervorrichtung
beschränkt
ist, die gemessen wird.
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Ein
Transistorelement 92 kann beispielsweise einen n-dotierten Siliziumwafer 93 umfassen,
der von einem leitfähigen
Rohchip 88 getragen ist, um ein Multichip-Modul (MCM) bereitzustellen.
Der Rohchip kann nicht leitend sein und beispielsweise Harz, Keramik,
Glas oder dergleichen umfassen. Alternativ kann der Rohchip 88 ein
thermisch leitfähiges
Material umfassen, um eine thermische Ableitung zu erleichtern.
Eine Bindemetallschicht 90 kann zwischen dem Wafer 93 und
dem Rohchip 88 angeordnet sein. Eine Wärmeableitung von dem Wafer 93 kann
somit über
das Bindemetall 90 und durch den Rohchip 88 erreicht
werden. Die Metallschicht 90 bewirkt auch, den Stromfluss
in dem Wafer 93 zu sammeln. Ein Anschluss 94,
der an dieser Schicht angebracht ist, ist dann der Kollektorkontakt.
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Eine
Schicht von p-dotiertem Silizium 95 erstreckt sich teilweise über den
oberen Bereich des Wafers 93. Ein Basisanschluss 96 ist
mit der Schicht 95 verbunden. Da die Schicht 95 halbleitend
ist, besteht kein Bedarf, eine zusätzliche I solierung zwischen
dem Anschluss 96 und der Schicht 93 vorzusehen.
Eine Schicht n-dotiertes Silizium 101 ist in der p-dotierten Schicht 95 eingebettet
und stellt eine freie Fläche
dar, die mit einem Emitteranschluss 98 verbunden ist, der
zur Spannungsmessung eingesetzt wird, wie unten ausführlicher
beschrieben werden wird. Ein Kollektoranschluss 100 ist
auf der Metallschicht 90 als weiterer Kollektorkontakt
angeordnet. Der Kollektoranschluss 94 ist auf der Metallschicht 90 angeordnet
und mit einer (nicht dargestellten) Quelle verbunden. Alternativ
könnte
der Wafer 93 direkt auf dem Rohchip 88 angeordnet
sein, in welchem Falle der Kollektoranschluss 94 direkt
auf dem Rohchip 88 angeordnet wäre. Der Kollektoranschluss 94 könnte alternativ
auf jedem leitfähigen
Material angeordnet sein, das geeignet ist, die Spannung auf den
Kollektoranschluss 100 zu übertragen. Es sollte erkannt werden,
dass der Halbleiter 92 alternativ unter Verwendung jedes
Dotierverfahrens hergestellt werden kann, das vom Durchschnittsfachmann
verstanden wird.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform ist
der Transistor
92 hergestellt, um von dem Rohchip
88 getragen
zu werden, der auch die MEMS-Vorrichtung
10 trägt, so dass
das Endprodukt eine Halbleitervorrichtung mit On-board-MEMS-Spannungssensor
ist. Eine MEMS-Vorrichtung
10 des oben beschriebenen Typs
ist in
6 schematisch dargestellt und stellt einen On-board-Spannungssensor für den Transistor
92 bereit,
wie nun beschrieben werden wird. Der Entkoppler
10 kann
unter Verwendung jeder der in den folgenden, anhängenden US-Patentanmeldungen beschriebenen Verfahren
hergestellt werden: (1) Anmeldung Nr. 09/843,563 (= US 20020158040),
eingereicht am 26. April 2001 und mit dem Titel "Method For Fabricating A Microelectromechanical
System (MEMS) Device Using A Pre- Patterned
Substrate" versehen;
(2) Anmeldung Nr. 09/842,975 (=
US
6,768,628 ), eingereicht am 26. April 2001 und mit dem Titel "Method For Fabrication An
Isolated Microelectromechanical System (MEMS) Device Incorporating
A Wafer Label Cap" versehen; (3)
Anmeldung Nr. 09/843,545 (=
US
6,761,829 ), eingereicht am 26. April 2001 und mit dem Titel "Method For Fabricating
An Isolated Microelectromechanical System (MEMS) Device Using An
Internal Void" versehen;
und (4) "Method
For Constructing An Isolated Microelectromechanical (MEMS) Device
Using Surface Fabrication Techniques", eingereicht am 26. September 2001.
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Die
Vorrichtung 10 umfasst ein Paar von Armen 64,
die sich oberhalb eines Substrats 41 erstrecken und zwischen
denen ein bewegliches Element angeordnet ist, wie ein Träger 20,
der von dem Substrat über
einen internen Spalt 45 beabstandet ist, der eine Relativbewegung
ermöglicht,
wie oben beschrieben. Die stationären Arme 44 und der
bewegliche Träger 20 legen
zwischen sich einen Spalt 47 fest, dessen Größe in Abhängigkeit
von der Bewegung des Elementes 20 schwankt, was zur genauen Bestimmung
einer Eingangsspannung verwendet werden kann.
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Die
MEMS-Vorrichtung 10 ist auf einem Substrat 41 angeordnet,
das wiederum von dem Rohchip 88 getragen ist. Obwohl das
Substrat 41 gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
isolierend ist, so wie es der Fall ist, wenn ein hoher Grad an elektrischer Entkopplung
bei einer bestimmten Anwendung erforderlich ist, kann es in Abhängigkeit
von der beabsichtigten Verwendung der MEMS-Vorrichtung leitfähig sein.
Das Substrat 41 kann somit Glas, Silizium mit hohem Widerstand,
kristallinen Saphir, kristallines Silizium, polykristallines Silizium,
Si liziumcarbid oder eine Keramik wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und
dergleichen oder Galliumarsenid umfassen. In der Tat kann das Substrat
jegliches Material umfassen, das zum Tragen einer MEMS-Vorrichtung 10 geeignet
ist. Alternativ kann die MEMS-Vorrichtung direkt auf dem Rohchip 88 angeordnet
sein, wenn eine elektrische Isolierung zwischen dem beweglichen Element 20 und
dem Rohchip 88 erreicht wird.
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Die
Arme 44 umfassen eine Basisschicht 76, die vorzugsweise
isolierend ist, wenn eine gute Isolierung gewünscht ist und erforderlich
ist, wenn das Substrat 41 leitend ist. Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
umfasst die Schicht 76 Siliziumdioxid (SiO2),
das durch thermische Oxidation eines Siliziumwafers oder durch Abscheidung
einer Schicht Siliziumdioxid beispielsweise durch chemische Abscheidung
aus der Gasphase (CVD) oder plasmaverstärkte chemische Abscheidung
aus der Gasphase (PECVD) hergestellt werden, wie es dem Durchschnittsfachmann
bekannt ist. Alternativ kann ein Wafer mit Silizium auf einem Isolator
(SOI) bereitgestellt, behandelt und gestaltet werden, um eine isolierende
Schicht 76 bereitzustellen, die eine leitfähige Siliziumschicht 78 aufweist,
die hiervon vorsteht.
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Eine
zusätzliche
leitfähige
Schicht 80 kann ebenfalls oberhalb der Schicht 76 angeordnet
werden. Alternativ kann die Schicht 80 an der Oberseite der
Schicht 78 angeordnet werden. Das bewegliche Element 20 umfasst
eine Basis 82, die vorzugsweise isolierend ist, um eine
elektrische Isolierung zu erreichen, und leitfähige Elemente 84,
die hiervon vorspringen und gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
Silizium umfassen. Eine optionale leitfähige Schicht 86 ist
innerhalb des Elementes 20 angeordnet und mit der leitfähigen Schicht 80 aus gerichtet, um
eine verbesserte elektrische Kommunikation zwischen den Armen 44 und
dem beweglichen Element 20 zu erhalten.
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Anschlüsse 102 sind
in der isolierenden Schicht 76 eingebettet, um die MEMS-Vorrichtung 10 an
die Anschlüsse 98 und 100 über Verbindungsdrähte 22b bzw. 22a verbinden
zu können.
Anschlüsse 102 können in
Kombination mit einer Wafer Labelcap ausgeführt werden, wie oben angemerkt.
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Demgemäß wird die
Spannung, die von dem Kollektoranschluss 94 zu dem Anschluss 100 übertragen
wird, über
den Verbindungsdraht 22a zu dem Anschluss 102 an
einem Ende der MEMS-Vorrichtung 10 übertragen.
Ein zweiter Anschluss 102, der an dem anderen Ende der
MEMS-Vorrichtung 10 angeordnet ist (aber an der gleichen
Seite eines beweglichen Elementes 20), wird über einen
Draht 22b mit dem Anschluss 98 verbunden, so dass
die MEMS-Vorrichtung parallel mit dem Transistor 92 verdrahtet
ist, um eine Spannung genau zu messen. Ein Draht 97 ist
der Emitterverbindungsdraht, und der Rohchip 88 stellt
eine Verbindung zwischen den anderen parallel geschalteten Transistorzellen
auf Rohchipebene dar, wie oben beschrieben. Die gemessene Ausgangsspannung
der MEMS-Vorrichtung 10 läuft entlang von Signal- und
Verbindungsdrähten 104 zu
jedem Schaltungspotential in der Gesamtvorrichtung oder -maschine,
in der der Halbleiter und die MEMS-Vorrichtung installiert sind.
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Es
wird nun auf 7 Bezug genommen. Die oben beschriebene
MEMS-Vorrichtung 10 kann auch einen reagierenden Stromsensor
mit einem Lorentzkraftmotor bereitstellen, wie oben beschrieben.
Der Transistor 92 und die MEMS-Vorrichtung 10 sind
direkt auf einem Rohchip 88 anstatt auf einer leitfähigen Zwi schenschicht
angeordnet. Wie oben beschrieben, ist der Transistor 92 einer
einer Vielzahl von parallel geschalteten Transistoren, die zusammen
einen IGBT, einen bipolaren NPN-Transistor oder
einen MOSFET-Transistor darstellen. Der Transistor 92 umfasst
einen Kollektoranschluss 94, der direkt auf dem Rohchip 88 angeordnet
ist. Ein Basisanschluss 96 ist auf dem p-dotierten Abschnitt 95 eines n-dotierten
Siliziumwafers 93 angeordnet. Ein Emitteranschluss 100 ist
direkt auf dem leitfähigen
Rohchip 88 angeordnet. Demgemäß fließt ein Strom von dem Kollektor 94 in
den Emitteranschluss 100. Ein Verbindungsdraht 42a überträgt den Strom
von dem Emitteranschluss 100 zu dem leitfähigen Anschluss 80 an
einen Arm 44. Ein zweiter Anschluss 80, der an dem
anderen Ende der MEMS-Vorrichtung 10 (aber an
der gleichen Seite des beweglichen Elementes 20) angeordnet
ist, verbindet die MEMS-Vorrichtung 10 mit den anderen
Transistoren über
einen Draht 42b und einen Emitter 100' in Reihe. Der
Transistor 92 ist somit eine Multi-Emitter-Vorrichtung,
in der ein Emitter 100 durch die MEMS-Vorrichtung 10 umgangen
wird und dann die anderen Transistoren über den Emitter 100' verbindet.
Die MEMS-Vorrichtung 10 misst
den Strom unter Nutzung der Prinzipien der Lorentzkräfte, wie
oben beschrieben, und gibt den Strom zu jedem Schaltungspotential
in der Gesamtvorrichtung oder -maschine aus, in der der Transistor 92 und
die MEMS-Vorrichtung 10 über Verbindungsdrähte 104 installiert
sind.
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Wie
oben beschrieben, nimmt der MEMS-Stromsensor nur einen Teil des
Gesamtstromflusses durch die Vielzahl von Transistoren 92 auf
die parallel geschaltet sind, um zu verhindern, dass ein großer Strom
durch die MEMS-Vorrichtung 10 fließt. Der von der MEMS-Vorrichtung
aufgenommene Strom ist somit idealerweise ein Verhältnis des Äquivalents
einer Vielzahl von parallel geschalteten Transistoren, von denen
einer einen Strom an die MEMS-Vorrichtung ausgibt. Demgemäß kann das gemessene
Stromausgangssignal mit der Anzahl an Transistoren in der Schaltung
multipliziert werden, um eine tatsächliche Strommessung für die Schaltung
zu erhalten.
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Es
wird nun auf 8 Bezug genommen. Eine MEMS-Vorrichtung 10 umfasst
einen Stromsensor, wie er oben beschrieben ist, wobei der Transistor 92 auf
einer Verbindungsmetallschicht 90 angeordnet ist und die
MEMS-Vorrichtung 10 auf einem Substrat 41 angeordnet
ist. Die Verbindungsmetallschicht 90 und das Substrat 41 sind,
wie oben beschrieben, auf einem Rohchip 88 angeordnet.
Diese Ausführungsform
erkennt, dass, obwohl in der Theorie der Transistor 92 ein
Stromlevel ausgeben wird, das proportional zu der Anzahl der Transistoren
der Schaltung ist, in der Realität
das Stromausgangssignal jedes Transistors geringfügig davon
abweicht, dass es tatsächlich
proportional ist. Demgemäß kann der
Transistor 92 während
der Herstellung durch Leiten eines festgelegten Strombetrags durch
die Vielzahl an Transistoren, durch Messen des Ausgangssignals des
Transistors 92 mit der MEMS-Vorrichtung 10 und
durch Berechnen der Stromvarianz kalibriert werden. Die Berechnung
wird mittels eines (nicht dargestellten) Prozessors in einer Kompensationsschaltung 106 durchgeführt. Wenn
die Varianz während der
Herstellung für
den Transistor 92 bestimmt wurde, wird die Kompensationsschaltung 106 während der
Verwendung durch den Endnutzer eine zuverlässigere Angabe ausgeben. Es
wird des Weiteren erkannt, dass Temperaturfluktuation ebenfalls
die Varianz beeinflussen können.
Demgemäß kann die
Kompensationsschaltung 106 des Weiteren eine Messung der
Halbleitervorrichtungstemperatur umfassen, beispielsweise durch Überwachung
der Durchlassvorspannung einer Pulsdiode, wie es in der Technik
bekannt ist, um das Ausgangssignal auf Grundlage des voraussagbaren
Verhaltens des Transistors auf die Temperatur weiter erfassen zu
können.
Eine einheitliche Vorrichtung ist somit bereitgestellt, die eine
Stromquelle mit einem isolierten und kompensierten Strommesssystem
hat, das im Grunde bei jeder Leistungshalbleitervorrichtung angewendet
werden kann.
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Es
wird nun auf die 9 und 10 Bezug genommen.
Ein Paar von MEMS-Vorrichtungen 10 und 10' kann auf einem
einzigen Substrat 88 zusammen mit einem Leistungstransistor 92 hergestellt werden,
um Messungen sowohl eines Spannungsausgangssignals als auch eines
Stromausgangssignals in der oben beschriebenen Weise bereitzustellen.
Insbesondere ist eine erste MEMS-Vorrichtung 10 mit dem
Transistor 92 verbunden, wobei sie einen Spannungssensor
bereitstellt, wie oben unter Bezugnahme auf 6 beschrieben,
und ist eine zweite MEMS-Vorrichtung 10' elektrisch
mit dem Transistor 92 verbunden, wobei diese einen Stromsensor
darstellt, wie er oben unter Bezugnahme auf 7 beschrieben
ist.
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Der
Transistor 92 umfasst einen Basisanschluss 96,
der auf dem p-dotierten Abschnitt 95 eines n-dotierten
Siliziumwafers 93 angeordnet ist. Strom fließt von einem
Kollektor 94 durch einen Rohchip 88 und einen
Emitteranschluss 100. Ein zweiter Emitter 100' ist auf einem
n-dotierten Abschnitt 101' des
p-dotierten Abschnitts 95 des
Siliziumwafers 93 angebracht. Der MEMS-Spannungssensor 10 ist über eine
Leitung 42a, die sich von dem Emitter 100 zu dem
Anschluss 80 erstreckt, mit einem Umsetzer 92 und
parallel über
einen Emitter 102' mit
den anderen Transistoren verbunden. Die Spannung wird wie oben beschrieben
abgegriffen und über
Leitungen 104 ausgegeben.
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Der
MEMS-Stromsensor 10' ist über einen Leitungsdraht 42b,
der mit dem Emitter 100' verbunden
ist, mit dem Transistor 92 verbunden. Der Sensor 10' bestimmt ein
Stromausgangssignal, wie oben beschrieben, und kann es optional über Leitungen 104' als gemessenen
Strom ausgeben, wie oben beschrieben. Der Sensor 10' ist über eine
Leitung 22b und den Emitter 102' in Reihe mit den anderen Transistoren
verbunden. Vorteilhafterweise wird einem Endnutzer ein Leistungstransistor
bereitgestellt, der on-board eine zuverlässige Strom- und Spannungsmessung
hat.
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Das
Obige wurde als bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dem Fachmann wird sich erschließen, dass
viele Modifikationen erfolgen können.
Beispielsweise sind die Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht
nur bei den oben beschriebenen Leistungshalbleitervorrichtungen
anwendbar, sondern bei jedem Halbleiter oder jeder ähnlichen
Vorrichtung, wie bei einer Diode, in breiter Weise anwendbar. Um
die Öffentlichkeit von
den verschiedenen Ausführungsformen
in Kenntnis zu setzen, die von der Erfindung abgedeckt sind, wird
Folgendes beansprucht.