DE60222162T2 - Verfahren zum effektiven trimmen von widerständen durch wärmepulse - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Trimmen eines Widerstands oder von Widerständen, die zur Nutzung in irgendeinem Bereich der Kette vom Hersteller zum Verbraucher geeignet sind. Noch genauer bezieht sie sich auf das Trimmen durch Widerstandsheizen unter Verwendung eines elektrischen Stroms im Widerstand selbst oder in einem benachbarten Widerstand.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Das Trimmen (die Anpassung) von Widerständen ist ein weit verwendetes Verfahren bei der Herstellung von Mikroelektronik und elektronischen Komponenten sowie beim allgemeinen Entwurf von Anwenderschaltungen, insbesondere wenn eine Präzisionskalibrierung erwünscht ist. Grundsätzlich trimmt man den Widerstand, bis ein beobachtbarer lokaler oder globaler Schaltungsparameter einen gewünschten Wert erreicht. Widerstandstrimmen ist weit verbreitet sowohl beim Herstellen einer Vielzahl von Komponenten und Instrumenten als auch in der Gemeinschaft der Anwender.
  • Etliche Verfahren zum Trimmen vom Widerständen bestehen, die auf verschiedenen Ebenen der Kette vom Hersteller zum Anwender anwendbar sind, einschließlich Laser-Trimmen, elektrischem Trimmen, Trimmen durch Rekonfiguration von Widerstandsnetzwerken unter Verwendung von Sicherungen und dem Gebrauch von Trimmpots (Potentiometer) mit eine variablen Anzahl von resistiven Windungen.
  • Elektrothermische Trimmphänomene sind von etlichen Autoren für das Trimmen einer Vielzahl von Widerstandsmaterialen beobachtet worden. Zum Beispiel brachten Kato und Ono („Constant Voltage Trimming of Heavily-Doped Polysilicon Resistors", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 34, 1995, Seiten 45-53) experimentelle Ergebnisse in Bezug zu einem theoretischen Modell, wodurch die Instabilität von Polysilikon als eine Funktion von angewandter Spannung und Strom durch Schmelz-Segregation an Korngrenzen im Polysilikon erklärt wurden, modifziert durch die Temperaturabhängigkeit des Kornwiderstandes. in ihrer Formulierung wurde herausgefunden, dass das Widerstandsverhalten im hohen Maße nicht linear ist mit kleiner oder keiner Änderung im Widerstand bei geringer Verlustleistung (unter einem bestimmten Grenzwert) und dramatisch wachsender Instabilität über einem bestimmten Grenzwert. Auch eine Forschung bei Motorola durch D. Feldbaumer, J. Babcock („Theory and Application of Polysilicon Resistor Trimming", Solid-State Electronics, 1995, vol. 38, Seiten 1861-1869) stellt unter Beweis, dass Polysilikonwiderstände, die bei höherer/n Temperatur(en) so getrimmt sind, eine exzellente Stabilität bei absolutem Widerstand während einem Betrieb bei oder nahe Raumtemperatur zeigen.
  • Die thermische Instabilität (instabile Widerstandsänderung mit Temperatur) von Polysilikonwiderständen, die auf einer mikro-bearbeiteten Plattform, die über Hohlräumen angeordnet oder aufgehängt ist, angeordnet sind, ist bekannt (Canadian Microeletronics Corporation Report #IC95-08 September 1995; und O. Grudin, R. Marinescu, L. M. Landsberger, D. Cheeke, M. Kahrizi, „CMOS-Compatible High-Temperature Micro-Heater: Microstructure Release and Testing," Canadian Journal of Elec. and Corp. Engineering, 2000, Vol. 25, No. 1, Seiten 29-34). Es ist bekannt, dass für ein Widerstandelement auf einer Mikro-Plattform der Widerstand gesteigert oder verringert werden könnte in Abhängigkeit der Leistung, die auf das Widerstandelement angewandt wird. Dies wird üblicher Weise als ein Nachteil für die Verwendung von Polysilikon für resistive Elemente betrachtet, wo eine Stabilität von Bedeutung ist. Die vorliegende Erfindung betrifft den Gebrauch dieser Instabilität (oder irgendeiner ähnlich grenzwertabhängigen Instabilität in resistiven Materialien) um irgendwelche einer Gruppe von etlichen Hindernissen zu überwinden, die in der Anhäufung des Standes der Technik präsent sind. Insbesondere sollte das Material unter einem bestimmten Grenzwert der Temperatur oder Verlustleistung stabil sein und relativ weniger stabil über einem derartigen Grenzwert, so dass sein Widerstand modifiziert werden kann.
  • Es gibt ein elektrisches Trimmen von Metallwiderständen, das auf einem Induzieren einer Elektromigration in den resistiven Elementen durch Pulsieren hoher Ströme beruht ( US-Patente 4,870,472 ; 4,606,781 ). Dieses Verfahren beruht auf einer sehr hohen Stromdichte, um die Elektromigration zu verursachen.
  • Es gibt ein elektrisches Trimmen, dass auf thermisch induzierten Veränderungen in Resistivität von Polysilikonwiderständen basiert, die auf einem Substrat ruhen ( US-Patent 4,210,996 ; D. Feldbaumer, J. Babcock, V. Mercier5, C. Chun, „Pulse Current Trimming of Polysilicon Resistors", IEEE Trans. Electron Devices, 1995, vol. 42, Seiten 689-695; D. Feldbaumer, J. Babcock, „Theory and Application of Polysilicon Resistor Trimming", Solid-State Electronics, 1995, vol. 38, Seiten 1861-1869), oder von Widerständen, die aus anderen thermisch veränderlichen Materialarten hergestellt sind. Dieses Verfahren beruht auf der Anwendung von hoch dissipierter Leistung (wie mehrere Watt) um die Widerstände ausreichend aufzuheizen, während sie auf dem Substrat sind, das effektiv wie eine Wärmesenke wirkt. Dies erfordert wiederum eine hohe Spannung und bringt die Gefahr eines Schadens in Folge elektrostatischer Entladung (ESD) mit sich. Wenn Widerstände auf dem Substrat platziert werden, entweicht Wärme gleichmäßig nach unten in Richtung auf das Substrat, nicht nach außen an den Kanten oder entlang von Stützarmen, wie im dem Fall, wenn sie auf einer Mikro-Plattform platziert sind. Da der Pfad, über den Wärme entweicht, in Abhängigkeit von der Umgebung variiert, in der die funktionalen Resistoren platziert sind, sind die Geometrien, die erforderlich sind um gleichmäßige Temperaturverteilungen zu erhalten, ziemlich unterschiedlich.
  • Wohl um weitergehend um dieses Problem herum zu kommen, hat Motorola ein thermisches Trimmen eines funktionalen Widerstandes durch einen Hilfswiderstand erfunden, der von dem funktionalen Widerstand elektrisch isoliert ist. Dies gestattet eine funktionales Trimmen, um einen Parameter einer größeren Schaltung zu setzten ( US-Patente 5,679,275 ; 5,635,893 ; 5,466,484 ) mit dem trimmbaren Widerstand als einer Komponente ohne eine wiederholte Trennung und Wiederverbindung des funktionalen Widerstandes. Dies erlaubt auch das Trimmen von Widerständen mit hohen Widerstandswerten ohne zusätzliche Beschränkungen hinsichtlich des Heizwiderstandes.
  • Die Motorola-Erfindung umfasst ein Platzieren der Widerstände einer über dem anderen, getrennt durch einen sehr dünnen elektrisch isolierenden Film. Diese Konfiguration ist grundsätzlich erforderlich, da die zwei Widerstände auf dem Substrat angeordnet sind, dass als eine Wärmesenke wirkt. Damit ist eine beträchtliche Leistungsmenge nötig, die dissipiert werden muss, um die Trimmtemperatur zu erhalten. Folglich wird die Huckepackkonfiguration in Stand der Technik bevorzugt, um die Wärme zu maximieren, die von dem Heizwiderstand auf den funktionalen Widerstand übertragen wird. Jede andere Konfiguration, wie eine Anordnung Seite an Seite und von der selben abgeschiedenen Schicht hergestellt, würde eine viel höhere Verlustleistung im Heizwiederstand erfordern, was wiederum eine höhere Versorgungsspannung erfordern würde und übermäßig das Substrat erwärmen würde. Es ist anzumerken, dass die beträchtliche Leistung, die in dem Heizwiderstand dissipiert wird, durch die isolierenden Oxide, funktionalen Widerstand und andere umgebende Schichten und Einrichtungen abgeführt werden muss.
  • Das Konzept einer Mikro-Plattform oder Mikrostruktur, die über einer Kavität in einem Substrat angeordnet oder aufgehängt ist (wie eine Kavität, die in Silikon mikro-hergestellt ist) einschließlich elektrisch-resistiver Elemente zum Heizen und/oder Erfassen ist in der Literatur seit einem Jahrzehnt oder länger wohl bekannt (Canadian Microelektronics Corporation Report #IC95-08 September 1995; F. Volklein und H. Baltes, „A Microstructure for Measurement of Thermal Conductivity of Polysilicon Thin Films", J. Microelectromechanical Systems, Vol. 1, No. 4, Dezember 1992, Seite 193, und dortige Referenzen; Y. C. Tai and R. S. Muller, „Lightly-Doped Polysilicon Bridge as an Anemometer," Transducers '87, Rec. of the 4th International Conference an Solid-States Sensors and Actuators 1987, Seiten 360-363; N. R. Swart und A. Nathan, "Reliability Study of Polysilicon for Micro-hotplates," Solid State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, 13.-16. Juni 1994, Seiten 119-122., US Patent 4,624,137 ). Mikro-Plattformen mit eingebetteten resistiven Elementen sind allgemein in der Mikro-Sensor-, Mikro-Aktuator- und mikroelektromechanischen Systeme (MEMS)-Literatur seit 1990 oder früher zu sehen (z.B. I. H. Choi und K. Wise, „A Silicon-Thermopile-Based Infrared Sensing Array for Use in Automated Manufacturing," IEEE Transactions an Electron Devices, vol. ED-33, No. 1, Seiten 72-79, Januar 1986).
  • Das Konzept einer Verwendung eines resistiven Heizers, um eine vollständige, aufgehängte Mikro-Plattform oder Mikrostruktur aufzuheizen, ist ebenfalls in der Literatur seit wenigstens etwa einem Jahrzehnt bekannt (C. H. Mastrangelo, J. H.–L. Yeh, R. S. Muller, „Electrical and Optical Characteristics of Vacuum-Sealed Polysilicon Micro-lamps", IEEE Trans. Electron. Dev., Vol. 39, No. 6, Juni 1992, Seiten 1363-1375; N. R. Swart, und A. Nathan, „Reliability of Polysilicon for Micro-plates," Solid-State Sensor und Actuators Workshop, Hilton Head, South California, 13.-16. Juni 1994, Seiten 119-122; S. Wessel, M. Parameswaran, R. F. Frindt, und R. Morrison, "A CMOS Thermally-isolated Heater Structure as Substrate for Semiconductor Gas Sensors," Microelectronics, Vol. 23, No. 6, September 1992, Seiten 451-456; M. Paramenswaran, A. M. Robinson, Lj. Ristic, K. C. Chau und W. Allegretto, „A CMOS Thermally Isolated Gas Flow Sensor," Sensors und Materials, 2, 1, (1990), Seiten 17-26). Die Universität von Michigan hat die thermisch induzierte Modifikation von Parametern wie einer Resonanzfrequenz und Q von mikro-hergestellten Resonatoren und anderer Mikro-Strukturen patentiert ( US-Patent 6,169,321 ), die auf einer Mikro-Plattform ruhen, unter Verwendung eines gesonderten Mikro-Heizers ebenfalls auf der Mikro-Plattform.
  • Ein thermisches Trimmen eines thermoanemometerartigen Sensortyp (wie einem thermischen Beschleunigungsmesser) ist bekannt ( US-Patent 5,808,197 ), wobei Temperatur empfindliche Metallwiderstände aufgeheizt werden, bis sie oxidieren, wobei damit der Widerstand des Metallfilms verändert wird. Dieser Prozess ist nicht reversibel und kann nur auf der Herstellerstufe verwendet werden (nicht geeignet für Anwender-Trimmen oder beim Trimmen im Feldeinsatz).
  • Ein Verfahren zur Erzeugung eines präzisen Widerstands mit einer geringen bis keinen Temperaturdrift (sogenannter „Null-TCR"), die auf einer Kombination (Verbindung) von zwei Widerständen mit einem positiven und einem negativen Temperaturwiderstandskoeffizienten (TCR's) basiert, mit nachfolgendem Lasertrimmen wurde ebenfalls erfunden ( US-Patent 6,097,276 ). Dieses Verfahren umfasst Kalibrierungsschritte, wobei der Widerstand bis zu einer vorbestimmten Temperatur (T) aufgeheizt wird, dann die T-induzierte Widerstandsdrift gemessen wird, dann die Struktur Laser-getrimmt wird, um einen netto TCR des kombinierten Widerstands zu minimieren, und dann wird der Prozess wiederholt, bis der TCR auf ein gewünschtes Level verringert ist.
  • Die Einbeziehung von trimmbaren Widerständen in bestimmten Einrichtungen und Anwendungen ist ebenfalls in früheren Erfindungen berücksichtig worden ( US-Patente 5,679,275 ; 5,635,893 ; 5,466,484 ). Insbesondere ist die Verwendung in Operationsverstärkern, in Referenzspannungsquellen und in Digital/Analogwandlern und Analog/Digitalwandlern (DAC/ADC's) ausgeführt worden ( US- Patente 5,679,275 ; 5,635,893 ; 5,466,484 ).
  • Es gibt ein Bedürfnis für ein hochgenaues Trimmen, das die Genauigkeit übersteigen kann, die durch Lasertrimmen erreicht wird, und keine spezielle Einrichtung wie leistungsstarke Laser erfordert.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein effektives Trimmen von funktionalen Widerständen durchzuführen, die aus einem instabilen Material hergestellt sind, wobei das Trimmverhalten empfindlich von der Temperatur oberhalb eines bestimmten Grenzwertes abhängt, indem eine über die Zeit relativ konstante Temperatur in dem Zielelement erhalten wird und indem ein relativ flaches Raumtemperaturprofil in dem Zielelement erhalten wird. Dies sollte zu einem effektiven Trimmen von Widerständen in einem weiteren Bereich von Vorrichtungen und unter einem weiteren Bereich von Umständen führen und dazu führen, ein praktisches Anwender-Trimmen und Trimmen vor Ort von Anwendungseinrichtungen zu ermöglichen wie Widerstandsteilern, Trimmpots, Widerstandsnetz werken, Operationsverstärkern, Instrumentenverstärkern, Referenzspannungsquellen, DAC/ADC's, Signalkonditionierungsschaltungen, Verstärker mit programmierbarerer Verstärkung, Piezowiderständen und Sensoren.
  • Es ist ebenso eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, funktionale Elemente wie Widerstände unabhängig zu Trimmen, während sie in engem thermischen Kontakt bleiben.
  • Es ist ebenso eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Leistungsmenge zu verringern, die zur Durchführung eines Trimmens erforderlich ist.
  • Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine funktionales Element wie einen Widerstand zu trimmen, wobei ein gewünschtes Ausgangssignal kritisch von der interaktiven Antwort von wenigstens zwei funktionalen, unabhängig trimmbaren Elementen abhängt.
  • Vorzugweise sind Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 8 vorgesehen, wobei ein Pulsheizen beabsichtigt ist, um einen Unter- oder Teilbereich der thermisch isolierten Platte zu heizen. Hier ist es für die Wärmeabfuhr (oder den Großteil der Wärmeabfuhr) beabsichtigt, dass sie innerhalb eines relativ kleinen Abschnitts (der die Bereiche oder Regionen beinhaltet, für die die Wärme bestimmt ist, und die Flächen oder Volumina sein können) einer thermisch isolierten Platte lokalisiert wird, ohne andere Elemente auf der Platte zu beinträchtigen. Vier Arten von Pulsen (eingeschwungene Rechteckpulse, quasi-statische Rechteckpulse, dynamische Rechteckpulse und dynamisch geformte Pulse) werden in diesem besonderen Modus verwendet (Heizen eines Unterbereichs einer thermisch Isolierten Platte).
  • Zusätzlich zu diesem Modus sind die anderen zwei möglichen Wärmelokalisierungsmodi bezüglich der Wärmeableitung in Zonen, die die Bereiche umgeben, für die die Wärme bestimmt ist, der „Unterbereich auf Substrat" und der „thermisch-isolierte Platte"-Modus. In dem Unter- oder Teilbereich auf Substrat wird für die Wärmeableitung (oder den Großteil der Wärmeableitung) beabsichtigt, dass sie innerhalb eines Unterbereichs (der den Bereich enthält, für den die Wärme bestimmt ist) einer Einrichtung lokalisiert ist, wo jener Unterbereich einfach auf einem Substrat, üblicherweise einem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Der Bereich, für den die Wärme bestimmt ist, kann unmittelbar auf dem Substrat oder abgestützt oder getrennt durch dünne Filme vom Hauptsubstrat sein, die isolierend sein können. Bei der thermisch isolierten Platte wird für die Wärmeableitung (oder den Großteil der Wärmeableitung) beabsichtigt, dass sie in einer thermisch relativ isolierten Platte lokalisiert wird, die den Bereich enthält, für den die Wärme bestimmt ist. Die Platte ist vom Hauptsubstrat, übli cherweise einem Halbleitersubstrat, relativ gut thermisch isoliert. Ein Weg, um diese thermische Isolierung auszuführen, besteht darin, die Platte über einer Kavität angeordnet oder aufgehängt herzustellen. Die Platte kann meist aus verschiedenen Schichten wie Isolatoren oder Leitern oder Halbleitern zusammengesetzt sein, solange die thermische Isolierung insgesamt beträchtlich ist. Im wesentlichen können alle drei Wärmelokalisierungsarten mit einem dynamisch geformten Puls verwendet werden.
  • Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 oder 8 und durch Schaltungen gemäß den Ansprüchen 14 oder 19 und die entsprechenden Unteransprüche gelöst, deren Vorteile durch die folgende Beschreibung deutlich werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich mit Blick auf die folgende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen, wobei:
  • 1 einen Graph der Temperatur über der Zeit darstellt, der verschiedene Pulsheizarten bezüglich der Temperatur zeigt, die in dem Bereich erhalten wird, für den die Wärme bestimmt ist;
  • 2 ist eine schematische Draufsicht einer möglichen Konfiguration der Mikro-Plattform mit vier Widerständen, aufgehängt über einer Kavität;
  • 3 ist eine Querschnittansicht der in 2 gezeigten Struktur,
  • 4 zeigt schematisch ein mögliches Layout von zwei Paar funktionalen und Heizwiderständen auf der Mikro-Plattform mit entsprechenden Temperaturverteilungen unter vorübergehenden und statischen Temperaturbedingungen;
  • 5 zeigt schematisch ein mögliches Layout einer Mikro-Plattform, ähnlich zu 4, mit einem Mehrzahl von Schlitzen;
  • 6 zeigt schematisch ein mögliches Layout einer Mikro-Plattform, ähnlich zu den 4, 5, mit durchgängigen Schlitzen;
  • 7 ist eine Ansicht der elektrischen Kontakte, die auf eine der Brücken der Mikro-Plattform führen, für die Unanfälligkeit gegenüber thermischen Gradienten auf dem Substrat;
  • 8 zeigt schematisch ein mögliches Layout eine R-2R-Teilers, der auf einer einzelnen Mikro-Plattform angeordnet ist;
  • 9 zeigt ein Beispiel von Widerstandspaaren auf gesonderten, eng beieinander liegenden Mikro-Plattformen;
  • 10 zeigt ein Beispiel von Widerstandspaaren auf gesonderten, eng beieinander liegenden Mikro-Plattformen mit Brücken und Verbindungen, die angeordnet sind, um gegenüber thermischen Gradienten auf dem Substrat immun zu sein;
  • 11 zeigt schematisch ein Beispiel eines Layouts eines trimmbaren R-2R-Teilers auf gesonderten Mikro-Plattformen (oder einer einzigen Mikro-Plattform mit durchgängigem Schlitz);
  • 12 zeigt drei Bespiele von Layouts, die dafür bestimmt sind mehr Leistung an den Kanten eines Bereichs zu dissipieren, für den die Wärme bestimmt ist;
  • 13 ist ein Bespiel einer Konfiguration, die eine zeitveränderliche thermische Isolierung erlaubt;
  • 14 zeigt die elektrische Schemaschaltung von zwei funktionalen Widerständen und zwei Heizwiderständen, die elektrisch von den funktionalen Widerständen isoliert sind;
  • 15 zeigt eine mögliche Ausführungsform für einen trimmbaren thermischen Sensor (z.B. ein Thermoanemometer oder einen thermischen Beschleunigungsmesser), der auf einer einzelnen Mikro-Plattform mit einem Schlitz angeordnet ist;
  • 16 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines thermischen Sensors (z.B. eines Thermoanemometers oder eines thermischen Beschleunigungsmessers), der auf einer Vielzahl von Mikro-Plattformen angeordnet ist.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Es ist anzumerken, dass für die Zwecke dieser Offenbarung unter einem Trimmen ein Erhöhen oder Verringern des Raumtemperaturwiderstandswerts eines Widerstands verstanden wird. Es ist auch anzumerken, dass thermisch isoliert ein Element beschreiben soll, dass von anderen Elementen so isoliert ist, dass der Wärmefluss (proportional zur Temperaturdifferenz), der zwischen dem Element und anderen Elmenten erzeugt wird, im Allgemeinen gering ist. Elektrisch isoliert soll ein Element beschreiben, das von anderen Elementen so isoliert ist, dass der Widerstand zwischen diesem Element und anderen Elementen sehr hoch ist (z.B. Hunderte von Kiloohm). Der Begriff Signal soll irgendwelche Daten- oder Steuersignale beschreiben, sei es ein elektrischer Strom, ein Lichtpuls oder irgendein Äquivalent. Ferner ist ein Erhalten einer konstanten oder flachen Temperaturverteilung T(x) äquivalent zu einer relativ flachen oder im wesentlichen konstanten Temperaturverteilung über einen Widerstand. Der gesamte Widerstand kann nicht auf derselben Temperatur sein, da ein Abschnitt oder Teil des Widerstands außerhalb der Mikro-Plattform sein muss (in Folge der kontinuierlichen Natur von Widerständen) und elektrische Kontakte auf einer niedrigen Temperatur sein müssen. Daher wird ein Erhalten einer im Wesentlichen konstanten Temperaturverteilung über einen Widerstand dahingehend verstanden, dass sie über einen möglichst großen Abschnitt des Widerstands bedeutet. Ein Puls soll als eine kurze Dauer eines Stromflusses verstanden werden.
  • Um die hier vorliegende Erfindung zu unterlegen, ist eine Kurzfassung und Diskussion von bestimmten Arten des Heizens und der Wärmelokalisierung angebracht. Ein thermisches und elektrothermisches Trimmen eines Widerstands umfasst die Anwendung von Wärme auf einen Zielwiderstand für eine bestimmte Zeitperiode. Damit wird nahezu per Definition jedes derartige zielgerichtete Trimmen durch einen Wärmepuls oder Pulse erfolgen. Wenn das Verhalten des Widerstands gut bekannt und hoch vorhersehbar ist, kann ein effektives Trimmen mit einem einzigen wohlgeformten Puls erfolgen. Wenn nicht oder wenn eine größere Präzision erwünscht ist, kann eine adaptive Serie von Pulsen angewandt werden. Im Allgemeinen können derartige Pulse eine einfache Form (z.B. Rechteck) oder eine kompliziertere Form abhängig von der gewünschten Änderung des Heizverhaltens über die Zeit aufweisen.
  • Da ein derartiges Trimmen üblicherweise auch auf ein bestimmtes resistives Element abzielt, das in einem bestimmten Unter- oder Teilvolumen oder einer Unter- oder Teilfläche einer größeren (üblicherweise integrierten) Einrichtung angeordnet ist (, die üblicherweise ihre Betriebstemperatur innerhalb bestimmter enger Grenzen beibehalten muss), kann die Lokalisierung von Wärme in und um die Zielelemente herum von beträchtlicher Bedeutung sein. Insbesondere kann die Zeitveränderung und räumliche Veränderung des Heizens in dem/den Zielelement(en) sehr wichtig beim Erhalt des gewünschten Trimmergebnisses sein, das stark von der Kombination von Puls und Wärmelokalisierungseigenschaften beeinflusst wird.
  • Dies ist insbesondere von Bedeutung angesichts der in hohem Maße nicht linearen Natur eines Trimmens. Z.B. kann sowohl der Grad eines Trimmens als auch, ob der Widerstand eines resistiven Elements erhöht oder verringert wird (nach oben gegenüber unten getrimmt wird), sehr empfindlich von der tatsächlichen augenblicklichen Temperatur des Widerstandselements abhängen. Damit kann ein genaues und effizientes Trimmen in kritischem Maße von einer sehr präzisen Steuerung der Zeit- und räumlichen Änderung des Heizens und daher von Puls und Wärmelokalisierungsarten abhängen. Eine Reihe von Fällen ist bei dieser Erfindung von besonderem Interesse, die im Folgenden ausgeführt und diskutiert werden.
  • Die Situation, die in 1.a dargestellt ist, wenn ein Rechteckpuls verwendet wird und das Element, für das die Wärme bestimmt ist, einen thermisch stationären Zustand mit der Umgebung für einen substantiellen Abschnitt des Pulses erhält (z.B. innerhalb von 2% für mehr als 90% der Pulsdauer). Während das räumliche Profil mit der Position innerhalb oder um den Bereich herum variieren kann, für den die Wärme bestimmt ist, wird dieses T(x)-Profil mit der Zeit konstant, nach einem anfänglichen Einschwingen Δtss, das im wesentlichen kürzer als die Dauer des Rechteckpulses Δtp ist. Dieser Typ von Puls wird ein eingeschwungener Rechteckpuls genannt.
  • Die Situation, die in 1.b dargestellt ist, ist wiederum ein Rechteckpuls und der Bereich, für den die Wärme bestimmt ist, erhält eine Gleichgewichtsmaßnahme mit der Umgebung innerhalb eines etwas mehr gelockerten Faktors wie 10% des Werts bei stationärem Zustand für einen etwas signifikanten Anteil (z.B. ½) der Pulsdauer. Dies ist ein zu (a) oben ähnliches Prinzip, kann jedoch in Fällen verwendet werden, in denen die Genauigkeitsanforderung der Temperatursteuerung nicht so stringent ist. Dieser Pulstyp wird ein quasistatischer Rechteckpuls genannt.
  • Die Situation, die in 1.c dargestellt ist, repräsentiert einen Rechteckpuls, bei dem die Pulsdauer Δtp viel kleiner als die Zeitkonstante Δtss für ein Erreichen eines stationären Zustands der Wärmeverteilung in und um den Bereich herum ist, für den die Wärme bestimmt ist. Der Bereich, für den die Wärme bestimmt ist, erfährt nur einen schnellen Anstieg und Abfall der Temperatur ohne Ausgleich. Diese Art von Puls wird ein dynamischer Rechteckpuls genannt.
  • Im Hinblick auf das Fehlen des Temperaturausgleiches in 1.c oben kann der Puls geformt werden für den Zweck eines Herstellens der augenblicklichen (erhöhten) Temperaturkonstante mit der Zeit in dem Bereich, für den die Wärme bestimmt ist. Wieder ist die Pulsdauer Δtp viel geringer als die Zeitkonstante Δtss für Gleichgewicht, jedoch ist hier die Pulsform zum Erhalten eines relativ flachen Zeit-Verhaltens designt mit der Ausnahme von schnellen Einschalt- und Ausschaltübergängen. Ein Beispiel dieser Situation ist in 1.d dargestellt, die einen dynamisch geformten Puls zeigt.
  • Bei einem DC/quasi-statischen Trimmen und einem Trimmen im stationären Zustand kann man relativ lange Trimmpulse verwenden wie z.B. 100 ms und länger und die beheizte Mikrostruktur kann oder kann nicht relativ gleichmäßig und vollständig durch jene Pulse beheizt werden. Wenn man die beheizte Mikrostruktur als gleichmäßig und vollständig durch jene Pulse aufgeheizt modelliert, dann kann man eine maximale vertretbare Leistung Pmax für viele Anwendungen auf P = IV = I2R = V2/R = Pmax = 100 mW abschätzen. Dies könnte z.B. einem RHeizer = 500 Ω (relativ niedrig), I = 15 mA, V = 7,5 V (niedrig genug für viele Anwendereinrichtungen) entsprechen. Bei diesen Parametern muss die Mikrostruktur, um eine erhöhte Temperatur von 500°C bis 700°C (grob realistisch für den Fall thermisch getrimmter Widerstände) zu erreichen, eine thermische Isolierung höher als 5-7°K/mW aufweisen. Die obige numerische Analyse ist ebenso für den Fall eines Unterbereichs der zu heizenden Mikrostruktur gültig. Die Geometrie, Materialien und Layout der Struktur müssen in geeigneter Weise entworfen sein, um dieser Anforderung zu genügen. Z.B. überträgt sich dies bei einer Einrichtung, die auf einer aufgehängten Mikrostruktur basiert, auf Beschränkungen bei solchen Parametern wie Länge und Breite der unterstützenden Brücken, Dicke, thermische Leitfähigkeit der Schichten, die die Mikrostruktur ausmachen, und Tiefe der Kavität.
  • Bei einem Puls-basierten Trimmen nach dieser Erfindung verwendet man Pulse, die kurz genug sind, um bestimmte lokalisierte Gebiete einer bestimmten Mikrostruktur aufzuheizen, ohne nahegelegene Gebiete auf derselben Mikrostruktur (oder einer anderen nahegelegenen Mikrostruktur) zu beeinträchtigen. Damit ein Pulstrimmen in der Praxis effektiv ist, darf wiederum die Trimmleistung nicht zu hoch sein für dieselben Anwender-basierten Beschränkungen und es gibt die zusätzliche Beschränkung, dass die thermische Leitfähigkeit innerhalb der Mikrostruktur selbst nicht zu hoch sein darf. Dies wiederum beschränkt solche Paqrameter wie die Dicke h der Mikrostruktur (unter der Annahme, dass sie von einer im Allgemeinen ebenen Form ist). Ein einzelner Trimmpuls, der eine Energie E = P Δt hat, muss ein Gebiet Ah, der Mikrostruktur mit einer Dicke h heizen bis über die Trimmtemperatur Ttrim definiert durch die Gleichung:
    Figure 00110001
  • Das beheizte Volumen Vh kann beschrieben werden als (Ah h), wobei Ah die effektive Fläche des beheizten Bereiches ist. Da eine Wärmediffusion eine charakteristische Länge Lhd = √2χΔt hat (wobei das thermische Diffusionsvermögen χ = k/ρcv ist; k die thermische Leitfähigkeit ist; ρ die Dichte ist und Cv die spezifische Wärme des Materials der Mikrostruktur ist), die beheizte Fläche Ah = (πLhd 2 + AR), wobei AR das Gebiet des Heizwiderstands ist. Wenn daher die Fläche des Heizwiderstands vernachlässigt wird
    Figure 00120001
    Relativ zur Maximalleistung Pmax, muss die Dicke h der Mikrostruktur deutlich kleiner sein als:
    Figure 00120002
  • Wenn z.B. Pmax = 100 mW, Ttrim = 700°C und k = 0,014 W/cm °K (für Silikondioxid) ist, muss die Dicke h kleiner als ~17 μm sein. In der Praxis sollte die Dicke h kleiner als ~10 μm sein, da (1) die tatsächliche Größe des Heizers und des getrimmten Widerstands nicht vernachlässigt werden kann und (2) die thermische Leitfähigkeit k für eine reale (üblicherweise mehrschichtige) Struktur normalerweise höher ist (z.B. einschließlich Silikonnitrid (k = 0,16 W/cm °K) und Polysilikon (k = 0,3 W/cm °K)). Eine weitere Verringerung von h ermöglicht das Erhalten höherer Temperaturen in der beheizten Fläche für eine gegebene Pulsenergie.
  • Eine mögliche Konfiguration der erfundenen Einrichtung ist schematisch in den 2 bis 4 gezeigt. 2 stellt einen zweibrückigen Kragarm 1 dar, der als eine mechanische Abstützung für vier Widerstände dient – zwei funktionale Widerstände R1, R2 und zwei elektrisch beheizte Widerstände R1h, R2h. Die Widerstände werden auf der zentralen Fläche 2 des Kragarms 1 platziert. Der Kragarm 1 ist über der Kavität 9 aufgehängt, die in ein Silikonsubstrat 3 geätzt ist, wobei dadurch der Kragarm 1 von dem Silikonsubstrat 3 thermisch isoliert ist, das als eine Wärmesenke wirkt. Elektrische Verbindungen zu den Widerständen 4, 5, 6, 7 gelangen durch die beiden Brücken 8 und erreichen den nicht thermisch isolierten Bereich über dem Silikonsubstrat 3. 3 gibt eine Querschnittansicht der mikro-hergestellten Struktur wieder.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Standard Mikro-Herstellungstechnologie wie CMOS (oder BiCMOS oder andere) verwendet, um resistive und dielektrische Schichten herzustellen, um den Kragarm zu formen. Es ist wohl bekannt, dass derartige dielektrische Schichten wie Silikonoxid und Silikonnitrit eine geringe thermische Leitfähigkeit haben. Daher kann eine hohe thermische Isolation (ungefähr 2050°K/mW) für den Typ der hier beschriebenen Mikrostruktur erreicht werden.
  • Widerstände R1, R2, R1h und R2h können z.B. aus Silikon mit einem Flächenwiderstand von 20 bis 100 Ω/square hergestellt werden, was für CMOS-Technologie typisch ist. Es ist aus dem Stand der Technik auch bekannt, dass Polysilikonwiderstände thermisch durch ein Aufheizen bis zu einer Temperatur höher als ein bestimmter Grenzwert Tth, so wie Tth ~ 500°C thermisch getrimmt werden können.
  • Ein Polysilikonwiderstand mit einem Widerstand von 10 kΩ (z.B.) kann leicht in einer Fläche von ungefähr 30 μm × 30 μm hergestellt werden, wenn ein technologischer Prozess mit einer 1 μm Auflösung verwendet wird. Für einen 0,8 μm oder 0,35 μm oder einen Prozess kleinerer Merkmalsgröße, kann die Größe des Widerstands signifikant kleiner sein. Daher können alle vier Widerstände, zwei funktionale mit einem Widerstand von z.B. jeweils 10 kΩ und zwei Hilfswiderstände mit vorzugsweise einem kleineren Widerstand wie ungefähr 1 kΩ auf der thermisch isolierten Fläche oder Bereichs 2 mit einer typischen Fläche in einem ungefähren Bereich von 500 μm2-20.000 μm2, z.B. 50 μm × 100 μm hergestellt werden. Diese Größe ist für viele mögliche Anwendungen vertretbar und ein Lösen der gesamten Struktur kann durch wohlbekannte Mikro-Herstellungstechniken wie z.B. ein chemisches Ätzen in (einer) isotropen Ätzlösung(en) oder durch isotrope Trockensilikonätztechniken erfolgen.
  • 4 zeigt schematisch ein mögliches Layout von Widerständen, die auf dem Kragarm bzw. einer Mikro-Plattform 1 platziert sind. Widerstände R1 10, R1h 12 und R2 11, R2h 13 werden eingebettet und gruppiert, sodass die Lage der Abschnitte der resistiven Elemente in R1/R1h und R2/R2h-Widerständen entlang des zentralen thermisch isolierten Bereichs 2 der Mikro-Plattform 1 alterniert. Ein Abstand L, der in 4 gezeigt ist, trennt diese resistiven Abschnitte voneinander.
  • Die Heizwiderstände R1h 12 und R2h 13 können entweder innerhalb oder außerhalb der funktionalen Widerstände in den Schlangenmustern vorgesehen sein. 4 zeigt die Heizer auf der Innenseite des Musters. Viele mögliche Layouts sind erhältlich. Um eine Aufrechterhaltung eines relativen räumlich flachen T(x)-Profils zu unterstützen, kann es von Vorteil sein, die Heizwiderstände an der Außenseite zu haben (wie später in 12 gezeigt).
  • Die Einrichtung arbeitet wie folgt: Zur Erleichterung der Erklärung wird vor einem Trimmpuls (bei t0) die Struktur bei einer Ruhetemperatur T = TRuhe) stabilisiert, wie in 4 gezeigt. Wenn ein kurzer Spannungspuls (der rechteckförmig oder geformt sein kann) mit einer Dauer Δt auf den Widerstand R1h 12 angewandt wird, wird ein bestimmter Wärmebetrag in die beschränkten resistiven Bereiche 14 injiziert, die grob als diagonal schattierte Kreise in 4 gezeigt sind, entsprechend R1 und R1h, während die beschränkten Gebiete, die R2 und R2h 15 entsprechend (umschattierte Kreise) bei oder nahe der Ruhetemperatur verbleiben. Diese Situation wird durch den Plot T(x) zur Zeit t1 (am Ende des Puls in 4) dargestellt (qualitative dynamische Temperaturverteilung). Quantitativ kann die Überheiztemperatur dieser besonderen Gebiete als (Tmax – TRuhe) ≈ (PΔt)/C abgeschätzt werden, wobei P die Verlustleistung und C die thermische Kapazität der beheizten Stelle ist. Diese Annäherung ist nur für Pulse gültig, die kurz genug sind (dynamisch gepulste Fälle (c) und (d)). Um eine bevorzugte Pulsdauer zu evaluieren, können die folgenden Empfehlungen gemacht werden. Während einer Zeit tT wird Wärme entlang des Kragarms bis zu einer bestimmten Distanz L übertragen, die durch eine Gleichung definiert ist: tT = L2/2χ, bei der thermisches Diffusionsvermögen χ = k/ρv; k ist die thermische Leitfähigkeit, ρ ist die Dichte und cv ist die spezifische Wärme des Materials des Kragarms. Wenn daher L die Distanz zwischen den beheizten Stellen 14 und „kalten" Stellen des nicht getrimmten Widerstands 15 ist, sollte die Dauer des Pulses Δt vorzugsweise kleiner als eine Zeit tT sein. Dies bedeutet, dass ein Heizen des Widerstands R1 10 beendet ist, bevor die Wärme Widerstand R2 11 erreicht. Nach dem Ende des Pulses verbreitet sich die angehäufte Wärme weiter über die Struktur, wobei sie eine gleichmäßigere Temperaturverteilung über die Zeit liefert. Temperaturverteilungen T(x) entlang der Struktur bei den Zeiten t2 < t3 < t4 entsprechend diesem Fall sind ebenfalls schematisch in 4 gezeigt. Die gesamte Temperatur verringert sich ebenfalls auf TRuhe, da die Wärme an die Umgebung und Substrat abgeführt wird. Das wichtige Merkmal des beschriebenen Trimmzyklus ist, dass die Temperatur an den Stellen R2/R2h nie die Trimmgrenztemperatur Tth überschreitet. Daher wird nur Widerstand R1 10 getrimmt. Analog kann Widerstand R2 11 unabhängig getrimmt werden, ohne ein Trimmen des Widerstands R1 10. Eine Abschätzung des Trimmprozess eines Polysilikonwiderstands, der auf einem Kragarm zwischen Silikondioxid-Schichten platziert ist (die für traditionelle CMOS-Technologie typisch sind), und einen Abstand L = 20 μm zwischen „heißen" und „kalten" Stellen gibt eine ungefähre Pulsdauer Δt von weniger als 0,4 ms (k = 0,014 W/cm °K; ρ = 2,19 g/cm3; cv = 1,4 J/g °K für Silikondioxid (R. S. Muller, T. I. Kamins. Device Electronics for integrated circuits John Wiley & Sons Inc. N.Y, Second Edition, 1986)
  • Elemente im Stand der Technik (z.B. D. Feldbaumer, J. Babcock, V. Mercier, C. Chun, Pulse Current Trimming of Polysilicon Resistors, IEEE Trans. Electron Devices, 1995, vol. 42, Seiten 689-695) zeigen, dass ein Trimmen zum Verringern eines Widerstands durch kurze Pulse bei hoher Temperatur durchgeführt wird und dass ein Trimmen zum Erhöhen eines Widerstands (Erholung) durch ein längeres Aussetzen gegenüber Wärme bei einer Temperatur durchgeführt wird, die niedriger ist als sie zum Verringern des Widerstands benötigt wird, jedoch höher als der Grenzwert für Instabilität. Während die kurzen Hochtemperaturpulse leicht angewandt werden können, um unabhängig ein Element zu trimmen, ohne die anderen zu beeinträchtigen, kann das lange Ausgesetztsein, das zum Erhöhen (Erholen) eines Widerstandes benötigt wird, Beschränkungen auf das unabhängige Trimmen eines Widerstands unter einer Vielzahl auf einer Mikro-Plattform auferlegen. Um dieses Problem zu lösen, kann in solchen Fällen der folgende nützliche Algorithmus umrissen werden: (1) Wende ein langes Wärme-Ausgesetztsein bei einer Temperatur an, die den Widerstand erhöht, für alle trimmbaren Elemente auf der Mikro-Plattform; (2) messe sämtliche der trimmbaren Widerstände; (3) verwende kurze Pulse bei hoher Temperatur, um jeden trimmbaren Widerstand auf seinen gewünschten Wert unabhängig herunter zu trimmen.
  • Im Allgemeinen kann TRuhe von der Umgebungstemperatur verschieden sein. Z.B. kann die Situation, bei der TRuhe im Wesentlichen höher als die Umgebungstemperatur jedoch niedriger als Tth ist, in manchen Situationen wünschenswert sein für ein Management von Trimmpulsparametern und erhältlichen Spannungsbeschränkungen. Wenn z.B. Tth >> 200°C und wenn TRuhe ≈ 200°C ist, was entweder durch DC-Heizen oder ein geeignetes Verhältnis von Pulsweiten zu Pulsperioden (z.B. ½) erhalten werden kann, dann müsste die örtliche Überhitzung nur (Tth – 200°C) sein, um ein Trimmen zu initiieren. Im Ergebnis können die Trimmpulsamplituden niedriger sein als sie sein müssten, wenn TRuhe bei oder nahe der Raumtemperatur wäre.
  • Für viele Anwendungen kann eine Kombination von Widerständen R1 10 und R2 11 als ein Teiler (z.B. R-R oder R-2R-Teiler) oder ein Trimmerpotentiometer verwendet werden. Die Stabilität dieser Einrichtungen kann auf sehr hoch eingestellt werden, selbst wenn die Widerstände einen TCR ungleich Null haben, solange sie bei der selben (gemeinsamen) Temperatur betrieben werden. Wenn jedoch die beiden Widerstände bei verschiedenen dissipierten Leistungen betrieben werden (wie sie oft sein können), kann die Differenz in dissipierter elektrischer Leistung in verschieden erhöhten Temperaturen der Widerstände R1 10 und R2 11 resultieren, die auf einer Mikrostruktur platziert sind. Wenn z.B. der TCR der Widerstände 0,001/°K ist, eine typischer Wert für hochdotiertes Polysilikon, dann wird ein Temperaturungleichgewicht von 0,001/°K eine Unausgeglichenheit der Widerstands von 1 ppm ergeben. Dieser Effekt ist insbesondere von Bedeutung bei einer Einrichtung mit einer hohen thermischen Isolierung, bei der große Temperaturunausgeglichenheiten wahrscheinlich sind, selbst für moderate funktionale Stromlevel.
  • Um diesen Effekt zu unterdrücken oder zu minimieren, werden in dieser Erfindung verteilte alternierende Widerstandspakete vorgeschlagen. Kleine Pakete von R1/R1h und R2/R2h werden wenigstens zweimal abgewechselt, um für die zwei funktionalen Widerstände die Wärme untereinander aufzuteilen, die in einem oder beiden von ihnen durch thermische Ableitung über die Struktur dissipiert wird. Selbst wenn in diesem Fall verschiedene Leistungsdichten in den zwei funktionalen Widerständen dissipiert werden, wird das Temperaturangleichgewicht der beiden Widerstände drastisch verringert. Diese Situation wird in 4 unten schematisch dargestellt (qualitative statische Temperaturverteilung), wo die Temperatur-Ungleichmäßigkeit klein ist und alle Temperaturen deutlich unter Tth liegen. Um die thermische Ableitung durch die Mikrostruktur für eine bessere Temperaturangleichung bei stationären Bedingungen zu verbessern, kann zusätzliches Material 16 mit vorzugsweise hoher thermischer Leitfähigkeit und relativ hoher thermischer Masse pro Flächeneinheit nahe und zwischen den Stellen der trimmbaren funktionalen Widerstände platziert werden. Zum Beispiel kann Polysilicon für diesen Zweck verwendet werden, da es hohen Temperaturen während eines Trimmen widerstehen kann.
  • Ein effizientes Layout der erfundenen Einrichtung muss zwei Beschränkungen/Geboten genügen die teilweise widersprüchlich sind: (1) Eine thermische Isolierung zwischen den Widerständen R1 10 und R2 11 während eine dynamischen Heizens (Trimmens) und (2) eine hohe thermische Angleichung zwischen diesen Widerständen beim Betrieb bei sich langsam ändernden oder DC dissipierten Leistungsleveln. 5 zeigt eine mögliche Konfiguration der Struktur. Schlitze 17 zwischen beheizten 14 und nicht beheizten Gebieten 15 verringern eine Wärmeübertragung und erhöhen eine thermische Isolierung zwischen den Widerständen R1 10 und R2 11 während des Trimmens. Beim Betrieb bei DC oder sich langsam ändernden Bedingungen breitet sich die Wärme durch die gesamte Struktur durch die Pfade an beiden Seiten der Schlitze 17 aus. Um diese Wärmeübertragung unter DC oder sich langsam ändernden Bedingungen effizienter zu machen, wird zusätzlich Material 16 mit vorzugsweise hoher thermischer Leitfähigkeit auf der Struktur platziert. Eine Verwendung dieser Schlitze erlaubt eine engere Platzierung der zwei funktionalen Widerstände, die die Größe der Mikrostruktur verringert und seine Herstellung/Ätzen vereinfacht.
  • Im Allgemeinen kann der Designer Layout-Parameter wie den Abstand L zwischen getrimmten Gebieten 14, Breite der Mikrostruktur 2, Größe der Schlitze 17, Größe und Dicke der Elemente 16, die aus thermisch hochleitfähigem Material hergestellt sind, und Level an thermischer Isolierung der gesamten Mikrostruktur oder Mikro-Plattform 1 variieren, um Betrieb und Trimmbarkeit der Einrichtung zu optimieren.
  • 6 zeigt schematisch eine zusätzliche Ausführungsform des Heizers und einen getrimmten Widerstand mit thermischer Isolierung zwischen getrimmten und nicht getrimmten Widerständen, die durch kontinuierliche Schlitze 17 vorgesehen ist.
  • Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass die Trimm-Magnitude ΔRTrim quantitativ dargestellt werden kann als:
    Figure 00170001
    wobei R0 der anfängliche Widerstand des getrimmten Widerstandes ist. Beachte, dass Funktionen F(Ttrim – Tth) und Φ(ttrim) prinzipiell nicht-linear sind. Wie zum Beispiel in Canadian Microelectronics Corporation Report #IC95-08 Sept. 1995, Seite 91 beschrieben wurde, resultiert eine 30%ige Steigerung der dissipierten Leistung (von 14 mW auf 20 mW) in einem thermisch isolierten Polysilikonwiderstand in einer dramatischen Beschleunigung des Trimmens. Ein Verstehen und ein verständiger Gebrauch dieses Merkmals des thermischen Trimmprozesses ist für seine Optimierung und Verringerung der erforderlichen Energie (von Bedeutung bei batteriebetriebenen Anwendungen) essentiell (z.B. ein feiner Anstieg in der gelieferten Leistung/getrimmten Temperatur) kann in einem beträchtlich kürzeren dem Trimmen Ausgesetztsein ttrim resultieren. Es ist nicht nur von Bedeutung eine Trimm-Nichtlinearität schnell zu erreichen, sondern auch ein genaues Trimmen. Dieses Merkmal kann auf so eine Weise verwendet werden, dass ein grobes und schnelles Trimmen/Abstimmen bei einer Trimmtemperatur zu Beginn des Abstimmens erfolgt. Dann kann ein feines und vergleichsweise langsames Abstimmen bei einer anderen (möglicherweise niedrigeren) Trimmtemperatur (Ttrim > Tth) erfolgen. Ferner kann die Trimmrichtung (Erhöhen gegenüber Absenken) empfindlich von T abhängen.
  • Das Konzept des dynamischen thermischen Trimmens erfordert kurze Trimmpulse mit einer Dauer, die niedriger ist als die Wärmeausbreitungszeit zwischen getrimmten und nicht getrimmten lokalen Gebieten der Mikrostruktur. Die Pulsweite Δt ist ebenfalls beträchtlich kürzer als die charakteristische Zeit die erforderlich ist, um ein Temperaturgleichgewicht mit der Umgebung zu erreichen. Daher kann die typische Reaktion des getrimmten Bereichs auf einen rechteckförmigen Spannungspuls dargestellt werden, wie es schematisch in 1c gezeigt ist. Beachte, dass die Trimmzeit signifikant kürzer ist als die Pulsweite. Um (1) eine energetische Effizienz eines Trimmens durch Erhöhen einer Trimmzeit während jedes Trimmpulses zu verbessern und (2) eine bessere Steuerung der Trimmtemperatur vorzusehen, wird ein Trimmpuls mit optimierter Wellenform vorgeschlagen (siehe 1d). Zu Beginn des Pulses ist die Spannungsamplitude beträchtlich höher als im Durchschnitt über den Puls, um die Trimmtemperatur schnell zu erreichen. Dann wird die Spannungsamplitude verringert, so dass die gelieferte Leistung den Wärmeverlust in Folge der Wärmeableitung in die Umgebung kompensiert und die Trimmtemperatur auf einem vorbestimmten Wert aufrecht erhält. Eine Temperatursteuerung während des Trimmens ist von Bedeutung, um eine gewünschte Trimmrate zu erreichen und ein grobes/schnelles und feines/langsames Widerstandsabstimmen vorzusehen. Neben dem umgekehrten Trimmen (reverse trimming), das (in D. Feldbaumer, J. Babcock, „Theory and Application of Polysilicon Resistor Trimming", Solid-State Electronics, 1995, vol. 38, Seiten 1861-1869) im Fall von Polysilikon beschrieben ist, kann im Allgemeinen ein Widerstandstrimmen bei höheren Temperaturen nur verwirklicht werden, wenn die Trimmtemperatur in geeigneter Weise gesteuert ist (wie in 1d, nicht in 1c gezeigt).
  • Ein anderes Thema, das bei der Erfindung behandelt wird, ist eine Immunität der ausgeglichenen Widerstände R1 10 und R2 11 auf Temperaturgradienten über das Silikonsubstrat 3 hinweg, die von weiteren oder Neben-Wärmequellen resultieren, die auf denselben Chip oder selbst außerhalb des Chips oder seiner Elektronikbauteile angeordnet sind. Wie zuvor erklärt, resultiert eine Differenz der Betriebstemperatur der Widerstände R1 10 und R2 11, die im Allgemeinen ein TCR ungleich Null haben kann, in ihrer Unausgeglichenheit und verschlechtert die Langzeitstabilität der Einrichtung. Es gibt wenigstens drei Mechanismen zu Verringerung der Effekte von derartigen Temperaturgradienten über den Chip. Der erste Mechanismus besteht darin, dass eine Fläche oder ein Bereich 2 thermisch vom Substrat 3 isoliert wird und daher eine geringere Empfindlichkeit auf Temperaturgradienten über den Chip hinweg hat. Der zweite Mechanismus besteht darin, dass eine Temperaturangleichung durch wechselnde Widerstandspakete, die auf einer Fläche 2 platziert sind, wie oben beschrieben, weiter die Unempfindlichkeit auf Temperaturgradienten über den Chip hinweg verbessert. Für den dritten Mechanismus zeigt 7 eine der Brücken 8, einen Abschnitt der Mikrostruktur oder Mikro-Plattform 1. Elektrische Leitungen 5 und 6 sind mit den Widerständen R1 10 und R2 11 verbunden. Eine Temperaturdifferenz ΔT0 an der Grenze der Gravität 9, die durch ein ungleichförmiges Heizen des Substrats 3 verursacht ist, kann durch eine Verringerung einer Trennung zwischen den zwei Verbindungsleitungen 5 und 6 auf einen Bereich von wenigen Mikron oder weniger minimiert werden. Darüberhinaus ist das Temperaturdifferential ΔT1 bei einem bestimmten Abstand von der Kante der Kavität 9 noch kleiner als ΔT0 in Folge der Wärmeübertragung über die Brücke 8.
  • Daher stellt das Platzieren von zwei abgestimmten Widerständen R1 10 und R2 11 auf einer thermisch isolierten Mikro-Plattform mit einem kleinen Abstand zwischen elektrischen Kon taktleitungen 5 und 6 und wechselnder Stellung von R1/R1h- und R2/R2h-Gebieten eine beträchtliche Immunität auf Temperaturgradienten über das Substrat 3 hinweg zur Verfügung.
  • Ein anderes Verfahren der Temperaturangleichung der Widerstände R1 10 und R2 11 kann verwendet werden, wenn das Verhältnis der dissipierten Leistung an jedem von ihnen während des Betriebes bekannt ist, z.B. bei einem R-2R-Teiler, der mit demselben Strom betrieben wird, der durch beide funktionalen Widerstände gelangt. In diesem Fall kann der Widerstand mit höherer Verlustleistung (2R) am Kragarm so angeordnet werden, dass seine thermische Isolierung von dem Silikonsubstrat geringer ist als die des Widerstands mit geringerer Verlustleistung (R). Als Beispiel zeigt 8 schematisch ein mögliches Layout eines R-2R-Teilers mit dem Widerstand R2 11 mit höherem Widerstand als Widerstand R1 10. Widerstand R2 11 wird nahe den Kanten des Kragarmes und näher an dem Silikonsubstrat platziert als der Widerstand R1 10. Daher hat er einen besseren thermischen Kontakt mit dem Silikonsubstrat. Wenn die Leistung, die in dem Widerstand R2 11 dissipiert wird, zweimal höher ist als in dem Widerstand R1 10 und wenn das Layout der aufgehängten Mikrostruktur eine zweimal höhere thermische Isolierung für den Widerstand R1 10 als für den Widerstand R2 11 vorsieht, dann wird die erhöhte Temperatur von beiden Widerständen ungefähr dieselbe sein. Eine enge Nähe auf dem Kragarm bzw. der Mikro-Plattform sowie wechselnde resistive Pakete helfen weiter die Betriebstemperatur der zwei Widerstände auszugleichen. Dieser Ansatz kann verwendet werden, um eng beieinanderliegende Betriebstemperaturen der zwei Widerstände vorzusehen, die gemäß irgendeinem Verhältnis abgestimmt sind (nicht notwendigerweise 2:1).
  • Andererseits kann man auch ein Paar von Mikro-Plattformen mit designen, um eng abgestimmte Temperaturen beim Betrieb zu erhalten. Ein derartiges Alternativlayout besteht aus zwei Widerständen, die auf zwei verschiedenen thermisch isolierten Membranen (z.B. über einer gemeinsam mikro-hergestellten Kavität) angeordnet sind. Ein derartiges Layout kann unter manchen Umständen bevorzugt sein, z.B. wenn sowohl eine geringere Trimmleistung erwünscht ist (DC-Trimmen) und einfachere Anforderungen an ein Temperaturungleichgewicht beim Betrieb anwendbar sind. Unter manchen Umständen kann selbst eine Anordnung der Widerstandspaare, wobei jedes Paar aus einem funktionalen Widerstand 10, 11 und einem Heizwiderstand 12, 13 besteht, auf einer gesonderten Mikro-Plattform 1, wie in 9 und 10 gezeigt, bestimmte Vorteile bieten (was in manchen Anwendungen bevorzugt sein kann). Als Beispiel eines Vorteils: Die Struktur kann durch ein DC-Signal (ohne kurze Pulse) trimmbar sein, was den Trimmprozess vereinfacht. Die T-Stabilität könnte nicht so gut sein, jedoch dürfte sie für manche Anwendungen ausreichend sein. Zwei gesonderte Mikrostruk turen oder Mikro-Plattformen 1, die in 9 und 10 gezeigt sind, werden über der Kavität 9 in einem Halbleitersubstrat aufgehängt und haben verschiedene abstützende Brücken 8. Der Unterschied zwischen diesen zwei Layouts besteht darin, dass die Brücken 8 im zweiten (10) enger zueinander platziert sind, was bevorzugt ist, wenn Temperaturgradienten in dem Substrat induziert werden, wie oben erläutert.
  • 11 zeigt schematisch das Layout eines trimmbaren R-2R-Teilers mit zwei Paar von funktionalen Widerständen 10, 11 und Heizwiderständen 12, 13, die auf gesonderten Kragarmen 1 platziert sind, die über der Kavität 9 in dem Substrat angeordnet oder aufgehängt sind. Wenn die Leistung, die an dem Widerstand R2 11 (2R) während des Betriebs dissipiert wird, zweimal höher ist als die Leistung, die an dem Widerstand R1 10 (R) dissipiert wird, sollte das bevorzugte Layout eine thermische Isolierung des Widerstands R1 10 (R) bereitstellen, die zweimal höher ist als die des Widerstands R2 11 (2R). In diesem Fall wären die (erhöhten) Temperaturen der zwei funktionalen Widerstände nahezu dieselben, was einen stabilen Widerstandsteiler erbringt, selbst wenn der absolute Widerstand sich ändern kann.
  • Es ist anzumerken, dass die Widerstände innerhalb der beschränkten resistiven Bereiche nicht Seite an Seite auf der Mikrostruktur sein müssen. Stattdessen können sie auch übereinander angeordnet sein, so lange die elektrische Isolierung zwischen ihnen ausreichend ist.
  • Wie oben angedeutet, kann das Trimmverhalten bei Temperaturen oberhalb des Trimmgrenzwertes eine komplexe und empfindliche Funktion von T sein. Somit ist es für eine genaue Steuerung eines Trimmens im funktionalen Widerstand von Bedeutung, für das gesamte funktionale zu trimmende resistive Element, dass es auf derselben (und steuerbaren) Temperatur gehalten wird. Somit sollte das räumliche T-Profil T(x) in dem Bereich, für den die Wärme bestimmt ist, konstant sein. Da jedoch das Element, für das die Wärme bestimmt ist, selbst im stationären Zustand dafür bestimmt ist, auf einer höheren T als seine Umgebung zu sein, tendieren die Grenzen des Bereichs, für den die Wärme bestimmt ist, dazu, auf einer Temperatur zu sein, die niedriger ist als das T im Zentrum. Um dies zu kompensieren, zeigen 12a, 12b und 12c Beispiele von Layouts, die beabsichtigen mehr Leistung an den Kanten des Bereichs zu dissipieren, für den die Wärme bestimmt ist. Mehr Leistung kann an den Kanten des Bereichs dissipiert werden, für den die Wärme bestimmt ist, in dem der resistive Pfad um den Umfang erhöht wird und/oder die Resistivität der Elemente am Umfang gesteigert wird. Da die Trimmrichtung empfindlich von der Temperatur abhängt, ist es bevorzugt, einen großen Teil des funktionalen Widerstands mit einer flachen Tempera turverteilung zu haben, so dass das meiste des Großteils des resistiven Elements in derselben Richtung getrimmt wird. Daher kann eine Verlustleistungsgeometrie für das Heizelement aufweisen, dass mehr Wärme an den Rändern des funktionalen Widerstands aufgebracht wird, um einer schnelleren Wärmeableitung an den Rändern und resultierenden Temperaturgradienten über die thermisch isolierte Mirko-Plattform entgegenzuwirken.
  • Man kann die funktionalen und Heizelemente auf einer beweglichen Mikro-Plattform oder Mikrostruktur so platzieren, dass sie beim Betrieb im thermischen Kontakt mit dem Substrat ist, um geringere Überhitzungstemperaturen zu erhalten, und so, dass sie beim Trimmen thermisch isoliert ist (bei Gebrauch weniger Leistung). 13 zeigt eine solche Konfiguration.
  • Trimmpotentiometer. 14 zeigt schematisch die elektrische Verbindung von zwei Widerständen R1 10 und R2 11. Ihr Widerstand kann thermisch durch zwei elektrisch isolierte Heizwiderstände R1h 12 und R2h 13 getrimmt werden, wie oben erklärt wurde. Eine hohe thermische Isolierung der Widerstände, die in den 1 bis 12 gezeigt ist, erlaubt ein Trimmen durch Dissipieren elektrischer Leistungen so niedrig wie 10 bis 30 mW (d.h. 5 V und 2-6 mA). Ein beträchtlicher Unterschied der vorgeschlagenen Trimmpotentiometer (Trimmpot) gegenüber digitalen Potentiometern, die am Markt erhältlich sind, ist der folgende: Während ein digitales Potentiometer eine diskrete Änderung des Widerstandes gestattet (üblicherweise nicht mehr als 256 Schritte ≈0,4%) stellt der Trimmpot eine kontinuierliche Abstimmung mit viel höherer Genauigkeit als 0,4% zur Verfügung. Zum Beispiel sind zwei Polysilikonwiderstände in einer Prototypeinrichtung, die in einem Standard 1,5 μm CMOS-Prozess hergestellt worden sind, wiederholt thermisch getrimmt worden mit einer Genauigkeit von besser als 5 ppm (5 × 10-6). Ihr anfängliches Ungleichgewicht nach der Herstellung war ungefähr 1%. Der Widerstand dieser Polysilikonwiderstände stellte sich als getrimmt heraus bei so viel wie ungefähr +/–15% ihres anfänglichen Wertes.
  • 15 und 16 zeigen schematisch zwei mögliche Ausführungsformen eines thermischen Sensors mit drei Elementen (z.B. Thermoanemometer, thermische Beschleunigungsmesser) mit zwei funktionalen, thermisch trimmbaren, temperaturempfindlichen Elementen RS1 19 und RS2 20 mit zugehörigen Heizern RS1h 21 und RS2h 22. Der thermische Sensor beinhaltet auch den funktionalen Heizer RHEIZ 18, der zwischen zwei temperaturempfindlichen Elementen 19 und 20 platziert ist. Alle funktionalen Elemente 18, 19, 20 und Hilfsheizer 21 und 22, die z.B. aus Polysilikon hergestellt sein können, sind auf einer thermisch isolierten Plattform (15) analog zu jenen angeordnet, die im US Patent 4,478,077 beschrieben sind.
  • Eine Modifikation der Formen der Öffnungen zur Kavität 9 und Schlitz 17 (Draufsicht) überführt eine Plattform in drei getrennte, die in 16 gezeigt sind, mit besserer gegenseitiger thermischer Isolation der funktionalen Elemente. Für beide Strukturen, die in 15 und 16 gezeigt sind, kann das offenbarte Verfahren zum Trimmen von funktionalen Widerständen RS1 19, RS2 20 angewandt werden. Man beachte, dass eine höhere gegenseitige thermische Isolierung der funktionalen Widerstände in der zweiten Struktur (16) ein ungewolltes Trimmen des zentralen Heizers RHEIZ 18 während des Trimmens eines der Widerstände RS1 19 oder RS2 20 nicht garantieren kann. Daher müssen die selben Überlegungen (Vorsichtsmaßnahmen) beim Wählen der Parameter des gepulsten thermischen Trimmprozesses vorgenommen werden.
  • Im Allgemeinen ist diese Erfindung auf jeden bestehenden Trimmprozess anwendbar, der vom Hersteller in einer Vielzahl von elektronischen Einrichtungen vorgenommen wird, wo diese Widerstände als funktionale Elemente verwendet werden. Z.B. können derartige getrimmte Widerstände in Analog/Digitalkonvertem, Digital/Analogkonvertem, Referenzspannungsquellen, Operations- und Instrumentenverstärkern, Widerstandsnetzwerken und anderen Einrichtungen verwendet werden. Die Genauigkeit des Trimmens kann sehr hoch sein, wobei sie die Genauigkeit übersteigt, die durch Lasertrimmen gegeben ist. Zusätzlich erfordert die Realisierung der erfundenen Technik kein spezielles Equipment (leistungsstarke Laser) und kann leicht unter Verwendung allgemeiner elektronischer Ausstattung wie Spannungsquellen, Controller oder Regler automatisiert werden. Trimmbare Widerstände können in einem Standard-CMOS-(oder BiCMOS-)Prozess hergestellt werden, der ihre Integration in integrierte Schaltkreise erlaubt.
  • Zusätzlich zu den obigen wohlbekannten möglichen Anwendungen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, kann die erfundene Trimmtechnik in einer neuen „anwenderorientierten" Gruppe von Anwendungen eingesetzt werden, die durch niedrige elektrische Spannung und Leistung charakterisiert ist, die zum Initiieren eines Trimmens erforderlich ist. Dies ermöglicht es verschiedenen Anwenderebenen, ein Trimmen von elektronischen Komponenten durchzuführen. Dies könnte während des Zusammenbaus komplexer Elektroniksysteme sein (Abstimmung, Anpassung, Steuerung von Spannungs-Offset und Verstärkung, u.s.w.) und manuell oder automatisch initiiert während des Betriebs eines Systems, um eine attraktive Steuerung/Abstimmung vorzusehen.
  • Spannungs-Offsets bei Operations- und Instrumentenverstärkern resultieren typischerweise von Veränderungen der Umgebungstemperatur, sich ändernden Temperaturradienten, Alte rungseffekten und anderen Gründen, die ein Ungleichgewicht der Inputkaskade des Verstärkers verursachen. Man beachte, dass ein Einschalten des Verstärkers in seiner Selbstheizung und einem unvermeidbaren Drift der Offsetspannung während eines Zeitraums von einigen Zigsekunden bis zu mehreren Minuten resultiert. Ein Ausgleichen des Verstärkers durch einen externen Trimmpot hilft die Offsetspannung zu verringern, kann jedoch seine Drift beim Betrieb nicht eliminieren. Eine Verwendung des erfundenen thermisch aktivierten Trimmpot (als ein integrierter Teil des Verstärkers oder als eine gesonderte Komponente, die elektrisch mit dem Verstärker verbunden ist, gestattet eine automatische adaptive Steuerung der Offsetspannung). Ein möglicher Algorithmus für dieses Ausgleichen besteht aus (1) der Eingang des Verstärkers muss zeitweise von der Eingangsspannungsquelle getrennt werden; (2) eine Nullspannung sollte am Eingang angelegt werden; (3) die Ausgangsspannung wird gemessen; (4) ein thermisches Trimmen wird aktiviert, um eine Offsetausgangsspannung zu minimieren; (5) ein Eingangssignal wird wieder an den Verstärker angelegt. Der Unterschied zwischen dieser erfundenen Offsetspannungsregelung und der Verwendung eines Zerhackerverstärkers besteht darin, dass bei dieser Erfindung dieses zerhackerartige Schema nur für kurze Zeitperioden aktiviert werden muss, was dem Verstärker gestattet in einer nicht zerhackten Art und Weise für den Rest der Zeit zu arbeiten. In diesem Fall ist das übliche fortwährende Rauschen, das durch ein Zerhacken eingeführt wird, nicht vorhanden. In diesem Fall erhält man den Vorteil eines Nahe-Null-Offsetbetriebs ohne die Rauschstrafe des Zerhackens. Ein derartiges Schema kann in Verbindung mit einem On-Board T-Sensor eingesetzt werden, was ein intelligentes Management von Trimmereignissen erlaubt: Ein häufiges Trimmen muss nur während Zeiten einer rapiden Temperaturänderung initiiert werden, wie beim Einschalten oder einem anderen Fall von sich schnell ändernder Umgebung (wenn der Anwender z.B. sein Mobilphone im Winter im Freien aus der Tasche zieht).
  • Die erfundene Technik kann bei Verstärkern mit programmierbarer Verstärkung eingesetzt werden. Bei derzeit typischen Verstärkern wird die Verstärkung auf diskrete Weise durch Schalten von geeigneten Widerständen in einem Array geregelt. Thermisch getrimmte Widerstände würden eine kontinuierliche Abstimmung der Verstärkung gestatten.
  • Wenn funktionale Widerstände R1 10 und R2 11 (und gegebenenfalls mehr Widerstände) Erfassungselemente in einem Sensor sind und das Sensorausgangssignal im Wesentlichen von ihrem Widerstand abhängt, kann die erfundene Trimmtechnik angewandt werden. Z.B. können thermisch getrimmt Widerstände Teil eines Thermoanemometers oder thermischer Beschleunigungsmesser oder Drucksensoren wie in den 15, 16 sein. Dieses Verfahren kann eingesetzt werden, um Einrichtungen und Strukturen zu trimmen, die ähnlich zu jenen Variationen sind, die in US-Patenten 4,472,239 und 4,478, 076 beschrieben sind. Jene mikro-hergestellten Strukturen beinhalten eine Vielzahl von Thermo-Widerständen, die auf einer aufgehängten thermisch isolierten Platte platziert sind mit verschiedenen Konfigurationen von Schlitzen und Öffnungen. Die Widerstände könnten in jenen und ähnlichen Sensoren und Layouts geändert werden, um sie aus einem geeigneten Material für die hier vorgeschlagene Erfindung zum Trimmen herzustellen (z.B. aus Polysilikon oder anderen Materialien, die ein thermisches Trimmen gestatten). In diesem Fall würden die Verfahren (dynamische Rechteckpulse und geformte Pulse), die hier erfunden sind, ein selektives Trimmen von (einem) bestimmten Thermowiderstand/-widerständen erlauben, ohne andere zu beeinträchtigen.
  • Eine Vielzahl an Level an Leistung und Ergebnis wären erhältlich: (1) Gepulstes Trimmen eines bestimmten Widerstands durch direkte Anwendung eines elektrischen Signals auf den Widerstand selbst. Man müsste sich in Acht nehmen, dass das Heizen eines bestimmten Widerstands nicht einen nah benachbarten Widerstand ins Ungleichgewicht bringen würde (z.B., da der benachbarte Widerstand der Widerstand sein könnte, der die Wärme für den Betrieb des thermischen Sensors zur Verfügung stellt (z.B. ein Thermoanemometer, dessen Leistung auf der Symmetrie seiner Wärmeableitung beruht). (2) Man kann die Breite der Schlitze und/oder Trennung der Thermowiderstände steigern, um eine bessere gegenseitige thermische Isolierung zwischen den Thermowiderständen zu erhalten, was längere Pulse für ein Trimmen verwendbar macht. Dies kann auf sehr große Trennungen oder Schlitze zurückführen (, die äquivalent zum Platzieren der Widerstände auf gesonderten Mikro-Plattformen sein können) oder kann die Form von einem tatsächlichen Platzieren der Thermowiderstände auf getrennten Mikro-Plattformen annehmen, wobei sie getrennt getrimmt werden. (3) Man kann gesonderte Heizelemente zum Heizen der das Ziel darstellenden Thermowiderstände einbinden, wie in dieser Erfindung oben beschrieben, was ein Trimmen unter einem breiteren Bereich von Bedingungen gestattet. Elektrisch isolierte Heizwiderstände wie R1h 12 und R2h 13 (oder mehr) können zum Trimmen verwendet werden, wie vorher erläutert. Im Allgemeinen variiert man abhängig von der gegenseitigen thermischen Isolierung die Pulsdauer und Form. Ebenso sollte das bevorzugte Layout der Widerstände ein insgesamt hohes Level an thermischer Isolierung zur Verfügung stellen, um die elektrische Leistung zu verringern, die für ein Trimmen und selektives Trimmen erforderlich ist.
  • Ein Gebrauch der erfundenen Technik in Sensorapplikationen gestattet ein adaptives Abstimmen/Angleichen des Sensors beim Betrieb, was automatisch erfolgen kann. Z.B. kann ein periodisches Ausgleichen (Offsetregelung) eines thermoanemometerartigen Durchfluss sensors in einem Mengenflussregler beim Betrieb erfolgen, wenn ein Gas/Flüssigkeitsstrom für eine kurze Zeitdauer unterbrochen wird. Derselbe Ansatz kann in anderen sensorbasierten Systemen implementiert werden, wenn ein Eingangssignal von Null auf den Sensor für eine bestimmte Zeitdauer angewandt werden kann.
  • Sensoren, die thermisch getrimmte Widerstände und Sensormodule enthalten (die Sensoren und zugehörige Elektronik enthalten), können unter Verwendung der erfundenen Technik durch einen Sensorhersteller oder Systemhersteller abgestimmt werden. In diesem Fall können manuell angepasste und möglicherweise unzuverlässige mechanische Potentiometer eliminiert werden.
  • Das Konzept eines Präzisionswiderstands mit einem TCR nahe Null, der aus zwei Teilen mit einem negativen und einem positiven TCR besteht, ist aus dem Stand der Technik bekannt ( US-Patent 6,097,276 ). Eine Herstellung eines derartigen Widerstands umfasst mehrere Stufen eines Lasertrimmens von beiden resistiven Teilen mit nachfolgender Messung des Widerstands bei verschiedenen Temperaturen. Die erfundene thermische Trimmtechnik kann angewandt werden, um ein Lasertrimmen zu ersetzen, eine Genauigkeit einer Abstimmung von zwei resistiven Teilen zu verbessern und Herstellungsprozesse zu vereinfachen. In Übereinstimmung mit einem generellen Konzept beinhaltet ein Präzisionswiderstand zwei funktionale Widerstände R1 10 und R2 11 sowie zwei Heizwiderstände R1h 12 und R2h 13, die auf thermisch isolierten, abstützenden, mechanischen Mikrostrukturen platziert sind, wie oben beschrieben. Einer der funktionalen Widerstände, sagen wir R1 10, hat einen positiven TCR und ein anderer, R2 11, hat einen negativen TCR. Materialtypen dieser Widerstände sind nicht spezifiziert, jedoch kann als ein Beispiel Polysilikon für diesen Zweck verwendet werden. Es ist bekannt, dass TCR von Polysilikon von der Dotierung abhängt und positiv sein kann (ungefähr +10-3/°K) bei einem hohen Dotierungslevel und negativ sein kann (von –10-4/°K bis zu mehreren –10-3/°K (bei geringer Dotierung). Daher kann ein thermisches Trimmen von zwei Widerständen so erfolgen, dass ein Zielwert eines Gesamtwiderstands und ein Gesamt TCR von Null bereitgestellt wird. Es ist anzumerken, dass ein periodisches Heizen des Widerstands, das erforderlich ist, um seinen TCR während des Herstellungsprozesses vor und nach einem Trimmen zu messen, keine externen Heizquellen (heiße Platten oder Öfen) erfordert und durch Heizwiderstände R1h 12 und R2h 13 erfolgen kann. Offensichtlich sollte die angehobene Temperatur in diesem Fall viel niedriger als bei Zwecken des thermischen Trimmens sein. Eine zusätzliche Annehmlichkeit einer Verwendung von Heizwiderständen R1h 12 und R2h 13 besteht darin, dass ein Heizen und Kühlen sehr schnell durchgeführt werden kann mit einer typischen Zeit von 20-50 ms, die durch die thermische Trägheit der Mikrostruktur definiert ist. Man beachte, dass dasselbe Heizen und Trimmen von einer anderen Heizquelle wie einem Laser oder Selbstheizung des funktionalen Widerstands selbst vorgesehen werden kann. Auch in diesen Fällen werden die Heiz- und Kühlzeiten durch die thermische Trägheit der Mikro-Plattform bestimmt, wie oben erläutert. Daher kann der gesamte Herstellungsprozess im wesentlichen schneller sein. Für viele Anwendungen ist eine genaue Kenntnis des Temperaturverhaltens von TCR erforderlich einschließlich der Glieder höherer Ordnung der Abweichung mit der Temperatur. Dies erfordert eine Messung bei einer Vielzahl erhöhter Temperaturen. In einem anderen Beispiel könnte man einen funktionalen Widerstand selbst heizen bis zu einer bekannten relativ hohen Temperatur (immer noch deutlich unter der Trimmtemperatur) und dann seinen Widerstand mehrere bekannte Mal messen, wenn er auf Raumtemperatur bei einer bekannten Abkühlrate gekühlt wird. Die erfundene Technik erstattet auch eine Verringerung der Anzahl verworfener Widerstände und verbessert eine technologische Ausbeute, da ein thermisches Trimmen reversibel sein kann. Eine Verwendung von CMOS-kompatiblen Materialien wie Polysilikon mit verschiedenen Dotierungsleveln gestattet eine Integration von derartigen Präzisionswiderständen in integrierte Schaltkreise.
  • Noch allgemeiner gestattet das Platzieren eines funktionalen Elements auf thermisch isolierten Mikro-Plattformen mit geringer thermischer Masse die Beschleunigung des Messprozesses seiner physikalischen Parameter, wenn diese Messungen eine Messung bei einer oder mehreren erhöhten Temperaturen erfordern. Natürlich stets deutlich unterhalb der Grenzwerte für ein Trimmen oder eine Rückstellung. Man beachte, dass diese Messungen in vielen Kalibrier- oder Trimmprozessen verwendet werden können.
  • Entgegenhaltungen, die in der Beschreibung zitiert sind Diese Liste von Entgegenhaltungen, die vom Anmelder zitiert sind, dient lediglich der Bequemlichkeit des Lesers. Sie stellt keinen Teil des europäischen Patentdokuments dar. Selbst wenn große Sorgfalt bei der Zusammenstellung der Referenzen aufgebracht wurde, können Fehler und Unterlassungen nicht ausgeschlossen werden und das Europäische Patentamt schließt jegliche Haftung in dieser Hinsicht aus:
  • Patentdokumente, die in der Beschreibung zitiert sind
  • Nicht-Patent Literatur, die in der Beschreibung zitiert ist
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    • • D. Feldbaumer; J. Babcock, Theory and Application of Polysilicon Resistor Trimming. Solid-State Electronics, 1995, vo. 38, 1861-1869 [0003] [0050]
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    • • D. FELDBAUMER; J. BABCOCK; V. MERCIER; C. CHUN. Pulse Current Trimming of Polysilicon Resistors. IEEE Trans. Electron Devices, 1995, vol. 42, 689-695 [0006] [0042]
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Claims (23)

  1. Verfahren zum Bereitstellen und Trimmen einer Schaltung, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen wenigstens einer Mikro-Plattform (1), die über einer Kavität (9) auf einem Substrat (3) aufgehängt ist; Platzieren vom wenigstens zwei resistiven Elementen mit einer Temperaturinduzierten Drift, die nicht Null ist, auf der wenigstens einen Mikro-Plattform, wobei die wenigstens zwei resistiven Elemente einer ähnlichen Betriebsumgebung hinsichtlich der thermischen Bedingungen unterworfen sind; elektrisches Verbinden der wenigstens zwei resistiven Elemente gemeinsam in der Schaltung; dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der wenigstens zwei resistiven Elemente auf der wenigstens einen Mikro-Plattform (1) durch Temperaturzyklen thermisch trimmbar ist, um die Schaltung zu trimmen, und unter Verwendung wenigstens eines Wärmepulses getrimmt wird; und dass Wärme, die während des Betriebs auf der wenigstens einen Mikro-Plattform (1) erzeugt wird, unter den wenigstens zwei resistiven Elementen verteilt wird, indem die wenigstens zwei resistiven Elemente über die wenigstens eine Mikroplattform verteilt werden, um die Wärme untereinander aufzuteilen, die in einem von ihnen dissipiert wird, so dass die Temperaturdrift im Wesentlichen kompensiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gemeinsame Verbinden der wenigstens zwei resistiven Elemente ein Verbinden der wenigstens zwei Elemente in Serie umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Platzieren der wenigstens zwei resistiven Elemente der Schaltung auf der wenigstens einen Mikro-Plattform (1) umfasst, dass die wenigstens zwei resistiven Elemente temperaturempfindliche Elemente (19, 20) sind, die benachbart auf der wenigstens einen Mikro-Plattform angeordnet sind, und deren Signale kombiniert werden, um eine Temperaturdifferenz zu messen, die während des Betriebs induziert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Signale kombiniert werden, um eine Temperaturdifferenz zu messen, die durch eine Gasbewegung hervorgerufen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es ferner ein Platzieren eines Heizwiderstandes (12, 13) auf der wenigstens einen Mikro-Plattform (1) benachbart zu dem wenigstens einen thermisch trimmbaren resistiven Element umfasst, wobei ein Trimmen des wenigstens einen thermisch trimmbaren resistiven Elements das Leiten eines Signals durch den Heizwiderstand umfasst, um seine Temperatur signifikant zu Zwecken eines Trimmens des wenigstens einen thermisch trimmbaren resistiven Elements zu erhöhen, wobei vorzugsweise der Heizwiederstand und das wenigstens eine thermisch trimmbare resistive Element auf gesonderten Mikro-Plattformen angeordnet sind.
  6. Verfahren nach eine der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Trimmen ein Bereitstellen einer Vielzahl von elektrischen Pulsen umfasst, um das wenigstens eine thermisch trimmbare resistive Element zu trimmen, und ein Messen des Widerstandswert des wenigstens einen thermisch trimmbaren resistiven Elements (19, 20) zwischen jedem der Vielzahl von elektrischen Impulsen umfasst, um zu bestimmen, ob eine Zielwiderstandswert erhalten worden ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Heizen ein zur Verfügung Stellen dynamisch geformter Pulse umfasst, um eine im Wesentlichen konstante Temperatur des funktionalen Widerstands als eine Funktion der Zeit während eines Trimmpulses zu erhalten.
  8. Verfahren zur Trimmen eines funktionalen Widerstands (10, 11), wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Mikro-Plattform (1), die über einer Kavität (9) auf einen Substrat (3) aufgehängt ist; Platzieren des funktionalen Widerstands auf der Mikro-Plattform; Unterwerfen des funktionalen Widerstands einer Wärmequelle; dadurch gekennzeichnet, dass der funktionale Widerstand thermisch trimmbar ist und unter Verwendung wenigstens eines Wärmepulses getrimmt wird und dass die Wärmequelle eine Verlustleistungsgeometrie hat, die geeignet ist, um eine im Wesentlichen konstante Temperaturverteilung über den funktionalen Widerstand (10, 11) durch Dissipieren von mehr Leistung an den Rändern eines Wärme ausgesetzten Bereich dort zu erhalten, wo es einen größeren Wärmeverlust gibt, wenn eine Temperatur für Trimmzwecke angehoben wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Trimmen ein Leiten eines Signals durch den funktionalen Widerstand umfasst, wobei der funktionale Widerstand die Wärmequelle bereit stellt und/oder wobei das Unterwerfen ein Platzieren eines Heizwiderstandes (12, 13) auf der Mikro-Plattform (1) benachbart zu dem funktionalen Widerstand (10, 11) umfasst, und wobei das Trimmen ein Leiten eines Signals durch den Heizwiderstand umfasst, um den funktionalen Widerstand zu trimmen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Unterwerfen ferner ein Gestalten eines Wärmepfads umfasst, um den funktionalen Widerstand (10, 11) zu umranden, und/oder um im Wesentlichen den funktionalen Widerstand mit dem Heizwiderstand zu umgeben.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Unterwerfen ein Bereitstellen von mehr Wärme um die Ränder eines Bereichs herum umfasst, in dem das Meiste des funktionalen Widerstands (10, 11) sich befindet, um einen schnelleren Wärmeverlust an den Rändern und resultierenden Temperaturgradienten über die Mikro-Plattform (1) entgegen zu wirken, und/oder wobei das Unterwerfen ein Steigern einer Dichte von Widerstandsleitungen in der Nähe von Stellen umfasst, wo es einen größeren Wärmeverlust gibt, um den Wärmeverlust zu kompensieren.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Trimmen ein Bereitstellen einer Vielzahl von elektrischen Pulsen umfasst, um das wenigstens eine thermisch trimmbare resistive Element zu trimmen, und ein Messen des Widerstandswerts eines der Vielzahl von funktionalen Widerständen (10, 11) zwischen jedem der Vielzahl von elektrischen Pulsen umfasst, um zu bestimmen, ob ein Zielwiederstandswert erhalten worden ist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Trimmen ein Bereistellen von dynamisch geformten Pulsen umfasst, um eine im Wesentlichen konstante Temperatur des funktionalen Widerstands (10, 11) als eine Funktion der Zeit während eine Trimmpulses zu erhalten.
  14. Schaltung zum Trimmen von Schaltungselementen, wobei die Schaltung aufweist: wenigstens eine Mikro-Plattform (1), die über einer Kavität (9) auf einem Substrat (3) aufgehängt ist; wenigstens zwei resistive Elementen mit einer Temperatur induzierten Drift, die nicht Null ist, auf der wenigstens einen Mikro-Plattform, wobei die wenigstens zwei re sistiven Elemente einer ähnlichen Betriebsumgebung hinsichtlich der thermischen Bedingungen unterworfen sind und gemeinsam in der Schaltung elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der wenigstens zwei resistiven Elemente (19, 20) auf der wenigstens einen Mirko-Plattform thermisch trimmbar ist durch Anwenden wenigstens eines Wärmepulses; dass eine Trimmschaltung zum thermischen Trimmen des wenigstens einen der wenigstens zwei resistiven Elmente durch Temperaturzyklen vorgesehen ist; und dass Wärme, die auf der wenigstens einen Mikro-Plattform (1) erzeugt wird, unter den wenigstens zwei Schaltungselementen verteilt wird, indem die wenigstens zwei resistiven Elemente über die wenigstens eine Mikro-Plattform verteilt werden, um die Wärme untereinander aufzuteilen, die in einem von Ihnen dissipiert wird, so dass eine Temperaturdrift im Wesentlichen kompensiert wird.
  15. Schaltung nach Anspruch 14, wobei die wenigstens zwei resistiven Elemente gemeinsam in Serie verbunden sind.
  16. Schaltung nach Anspruch 14, wobei die wenigstens zwei resistiven Elemente temperaturempfindliche Elemente (19, 20) sind, die benachbart auf der wenigstens einen Mikro-Plattform angeordnet sind und deren Signale kombiniert werden, um eine Temperaturdifferenz zu messen.
  17. Schaltung nach Anspruch 14, wobei sie fernen einen Heizwiderstand (12, 13) auf der wenigstens einen Mikro-Plattform benachbart zu dem wenigstens einen thermisch trimmbaren resistiven Element (19, 20) umfasst, wobei die Trimmschaltung ferner eine Schaltung zum Leiten eines Signals durch den Heizwiderstand umfasst, um seine Temperatur signifikant für die Zwecke eines Trimmens des wenigstens einen thermisch trimmbaren resistiven Elements zu erhöhen, wobei vorzugsweise der Heizwiederstand und das wenigstens eine resistive Element auf gesonderten Mikro-Plattformen angeordnet sind.
  18. Schaltung nach Anspruch 14, wobei die Trimmschaltung zum Heizen ferner eine Schaltung zum Übermitteln einer Vielzahl von elektrischen Pulsen aufweist, um das wenigstens eine thermisch trimmbare resistive Element zu trimmen, und zum Messen des Widerstandswerts des wenigstens einen thermisch trimmbaren resistiven Elements (19, 20) zwischen jedem der Vielzahl von elektrischen Pulsen, um zu bestim men, ob ein Zielwiderstandswert erhalten worden ist, und/oder zum Übermitteln dynamisch geformter Pulse, um eine im Wesentlichen konstante Temperatur des funktionalen Widerstands (10, 11) als eine Funktion der Zeit während eines Trimmpulses zu erhalten.
  19. Schaltung zum Trimmen eines funktionalen Widerstandes (10, 11), wobei die Schaltung aufweist: eine Mikro-Plattform (1), die über einer Kavität (9) auf einem Substrat (3) aufgehängt ist; und einen funktionalen Widerstand (10, 11) auf der Mikro-Plattform, der einer Wärmequelle unterworfen werden kann, gekennzeichnet dadurch, dass der funktionale Widerstand ein thermisch trimmbarer funktionaler Widerstand ist, dass eine Trimmschaltung zum thermischen Trimmen des funktionalen Widerstands vorgesehen ist, und dass die Wärmequelle eine Verlustleistungsgeometrie hat, die geeignet ist, eine im Wesentlichen konstante Temperaturverteilung über den funktionalen Widerstand (10, 11) durch Dissipieren von mehr Leistung an den Rändern eines Wärme ausgesetzten Bereichs dort zu erhalten, wo es einen größeren Wärmeverlust gibt, wenn eine Temperatur für Trimmzwecke angehoben wird.
  20. Schaltung nach Anspruch 19, wobei die Wärmequelle einen Heizwiderstand (12, 13) auf der Mikro-Plattform (1) benachbart zu dem funktionalen Widerstand aufweist, und wobei die Trimmschaltung eine Schaltung zum Leiten eines Signals durch den Heizwiederstand zum Trimmen des funktionalen Widerstands (10, 11) aufweist.
  21. Schaltung nach Anspruch 19, wobei die Verlustleistungsgeometrie einen Heizpfad umfasst, der den funktionalen Widerstand (10, 11) umrandet und/oder die im Wesentlichen den funktionalen Widerstand mit dem Heizwiderstand (12, 13) umgibt.
  22. Schaltung nach Anspruch 19, wobei die Verlustleistungsgeometrie ferner einen Heizpfad umfasst, der mehr Wärme an den Rändern des funktionalen Widerstands und resultierend Temperaturgradienten über die wenigstens eine Mikro-Plattform zur Verfügung stellt und/oder eine gesteigerte Dichte von Widerstandsleitungen in der Nähe von Stellen aufweist, wo es einen größeren Wärmeverlust gibt, um den Wärmeverlust zu kompensieren.
  23. Schaltung nach Anspruch 19, wobei die Trimmschaltung zum Heizen eine Schaltung zum Übermitteln einer Vielzahl von elektrischen Pulsen umfasst, um den wenigstens einen funktionalen Widerstand zu trimmen, und zum Messen des Widerstandwerts von einem der Vielzahl von funktionalen Widerständen (10, 11) zwischen jedem der Vielzahl von elektrischen Pulsen, um zu bestimmen, ob ein Zielwiderstandswert erhalten worden ist und/oder zum Übermitteln dynamisch geformter Pulse, um eine im Wesentlichen konstante Temperatur als eine Funktion der Zeit während eines Trimmpulses zu erhalten.
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