CH704509A1 - Stresssensor zur Erfassung mechanischer Spannungen in einem Halbleiterchip und stresskompensierter Hallsensor. - Google Patents

Abstract

Ein Stresssensor (1) zur Erfassung mechanischer Spannungen in einem Halbleiterchip (2) weist eine durch vier integrierte Widerstände R 1 bis R 4 gebildete Wheatstone Brücke auf, wobei die Widerstände R 1 und R 4 p-Typ Widerstände und die Widerstände R 2 und R 3 n-Typ Widerstände sind. Jeder der Widerstände R 1 , R 2 , R 3 und R 4 besteht aus länglichen Widerstandsabschnitten (13.1 bis 13.5), die direkt oder über elektrische Leiter miteinander verbunden sind, wobei jeder der Widerstandsabschnitte (13.1 bis 13.5) in der durch die aktive Oberfläche (3) des Halbleiterchips (2) definierten Ebene (xy) eine vorbestimmte Orientierung aufweist, wobei eine Summe der Widerstandswerte aller Widerstandsabschnitte, die eine erste Orientierung aufweisen und zum gleichen der Widerstände R 1 , R 2 , R 3 bzw. R 4 gehören, und eine Summe der Widerstandswerte aller Widerstandsabschnitte, die eine zweite, zur ersten um 90° gedrehte Orientierung aufweisen und ebenfalls zum gleichen der Widerstände R 1 , R 2 , R 3 bzw. R 4 gehören, den gleichen nominalen Wert haben.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen Stresssensor zur Erfassung mechanischer Spannungen in einem Halbleiterchip und einen stresskompensierten Hallsensor.

[0002] Hallsensoren sind Magnetfeldsensoren, die auf dem Hall-Effekt basieren und ein elektrisches Ausgangssignal liefern, das proportional zu einer vorbestimmten Komponente des Magnetfeldes ist. Ein Hallsensor umfasst ein Hallelement oder ein Cluster von Hallelementen und eine elektronische Schaltung für den Betrieb der Hallelemente und die Auswertung der Ausgangssignale der Hallelemente. Der Hallsensor wird als integrierte Schaltungen hergestellt, die in einen Halbleiterchip eingebettet ist. Der Halbleiterchip ist in ein Gehäuse verpackt. Hallelemente weisen einen Offset auf, der von prozess- und geometriebedingten Abweichungen herrührt. Der Offset kann durch die Parallelschaltung von mehreren Hallelementen (Cluster) und/oder den Betrieb mit der bekannten Spinning Current Methode wirksam verringert werden. Dies ist bekannt aus einer Vielzahl von Patentdokumenten, z.B. WO 0 118 556, EP 548 391, DE 4 302 342.

[0003] Der im Gehäuse verpackte Halbleiterchip ist mechanischen Spannungen ausgesetzt, die von Umwelteinflüssen wie Temperatur und Feuchtigkeit, etc. abhängen. Die wechselnden mechanischen Spannungen bewirken einerseits Veränderungen des Offsets der Hallelemente und wegen des Piezo-Hall-Effekts auch Veränderungen der Empfindlichkeit der Hallelemente. Veränderungen des Offsets werden durch die oben beschriebenen Massnahmen wirksam unterdrückt. Um die Änderungen der Empfindlichkeit zu kompensieren, ist es bekannt, beispielsweise aus DE 10 154 495, DE 10 154 498, DE 10 2004 003 853, DE 10 2008 051 949, einen Stresssensor einzusetzen, der die mechanischen Spannungen erfasst, und dessen Ausgangssignal zu verwenden, um die durch den Piezo-Hall-Effekt bewirkte Änderung der Empfindlichkeit der Hallelemente zu kompensieren.

[0004] Der Erfindung liegen die Aufgaben zugrunde, auf möglichst einfache Weise die durch den Piezo-Hall-Effekt bewirkte Änderung der Empfindlichkeit eines Hallelementes zu kompensieren und einen weitgehend stresskompensierten Hallsensor zu entwickeln.

[0005] Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 3.

[0006] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. <tb>Fig. 1<sep>zeigt das elektrische Schaltbild eines erfindungsgemässen, durch Widerstände gebildeten Stresssensors, <tb>Fig. 2<sep>illustriert die prinzipielle interne Struktur der Widerstände, <tb>Fig. 3A-C<sep>zeigen Ausführungsbeispiele der Widerstände, <tb>Fig. 4<sep>zeigt eine Sensorzelle, die ein Hallelement, einen p-Typ Widerstand und einen n-Typ Widerstand umfasst, <tb>Fig. 5<sep>zeigt zwei Sensorzellen, die einen erfindungsgemässen Stresssensor und einen Hall-Sensor bilden, <tb>Fig. 6<sep>zeigt eine Schaltung zum Betrieb eines Hallelementes, <tb>Fig. 7<sep>zeigt in Aufsicht eine Sensorzelle, die ein Hallelement, zwei n-Typ Widerstände und zwei p-Typ Widerstände umfasst, und <tb>Fig. 8 bis 10<sep>zeigen einen weiteren erfindungsgemässen Stresssensor.

[0007] Die Fig. 1 zeigt das elektrische Schaltbild eines erfindungsgemässen Stresssensors 1. Der Stresssensor 1 besteht aus einer durch vier Widerstände R1, R2, R3 und R4gebildeten Wheatstone-Brücke, die in einen Halbleiterchip 2 integriert sind. Im Folgenden bezeichnen x, y und z die Achsen eines kartesischen Koordinatensystems, wobei die z-Achse senkrecht zur aktiven Oberfläche 3 des Halbleiterchips und die x-Achse und die y-Achse parallel zu denjenigen Kanten des Halbleiterchips verläuft, die die aktive Oberfläche 3 umschliessen. Die Widerstände R1 und R2sind in Reihe geschaltet, die Widerstände R3und R4 sind in Reihe und parallel zu den Widerständen R1 und R2 geschaltet. Die Widerstände R1 und R3 haben einen gemeinsamen Knoten 4 und die Widerstände R2 und R4haben einen gemeinsamen Knoten 5, die an eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle anschliessbar sind. Die Widerstände R1 und R2 haben einen gemeinsamen Knoten 6 und die Widerstände R3 und R4 haben einen gemeinsamen Knoten 7, über die das Ausgangssignal der Wheatstone-Brücke als differenzielles Spannungssignal abgegriffen und einer Verstärkerschaltung 8 zugeführt wird.

[0008] Die Widerstände R1, R2, R3 und R4 weisen folgende Merkmale auf: <tb>1.<sep>Die Widerstände R1 und R4 sind p-Typ Widerstände, d.h. im Halbleiterchip 2 integrierte Widerstände mit einer p-Typ Dotierung. <tb><sep> <tb>2.<sep>Die Widerstände R2 und R3 sind n-Typ Widerstände, d.h. im Halbleiterchip 2 integrierte Widerstände mit einer n-Typ Dotierung. <tb>3.<sep>Die für die Widerstände R1, R2, R3und R4 verwendeten Dotierungen sind vorzugsweise die für die Herstellung der Kontakte verwendeten hoch dotierten N+ bzw. P+ Dotierungen. <tb>4.<sep>Jeder der Widerstände R1, R2, R3und R4 ist aus länglichen Widerstandsabschnitten zusammengesetzt, die direkt oder über elektrische Leiter miteinander verbunden sind und den Widerstand bilden, wobei jeder der Widerstandsabschnitte in der durch die aktive Oberfläche 3 des Halbleiterchips definierten xy-Ebene eine vorbestimmte Orientierung aufweist, wobei eine Summe der Widerstandswerte aller Widerstandsabschnitte, die eine erste Orientierung aufweisen und zum gleichen der Widerstände R1, R2, R3 bzw. R4 gehören, und eine Summe der Widerstandswerte aller Widerstandsabschnitte, die eine zweite, zur ersten um 90° gedrehte Orientierung aufweisen und ebenfalls zu diesem gleichen der Widerstände R1, R2, R3 bzw. R4gehören, den gleichen nominalen Wert haben. <tb>5.<sep>Die Nominalwerte der vier Widerstände R1, R2, R3 und R4 sind, abgesehen von prozessbedingten Toleranzen, gleich gross, d.h. R1= R2 = R3 = R4. Dies wird erreicht durch ein den Schichtwiderständen der p-Typ Dotierung bzw. n-Typ Dotierung entsprechendes Verhältnis von Länge zu Breite der Widerstandsstreifen. <tb>6.<sep>Die in den Widerstands abschnitten fliessenden Ströme fliessen im wesentlich parallel zur aktiven Oberfläche 3 des Halbleiterchips 2. Die Widerstände R1, R2, R3und R4 können deshalb als laterale Widerstände bezeichnet werden.

[0009] Der in Merkmal 4 angegebene Grundsatz lässt sich am einfachsten realisieren durch ein Paar von länglichen Widerstandsstreifen, wobei die beiden Widerstandsstreifen des Paares in der xy-Ebene des Halbleiterchips 2 um 90° gedreht zueinander angeordnet und in Reihe geschaltet sind. D.h. die beiden Widerstandsstreifen eines Paares bilden zusammen einen L-förmigen Widerstand.

[0010] Für Standard (100) Silizium mit einer <110> Orientierung des Fiats ist die Abhängigkeit der Widerstandswerte vom Stress annähernd durch folgende Gleichungen gegeben: <tb>ΔRn/Rn = -24%/GPa*(Txx +Tyy) + 53%/GPa*Tzz<sep>(1) <tb>ΔRp/Rp = 2.7%/GPa*(Txx +Tyy) - 1.1%/GPa*Tzz<sep>(2),wobei Txx, Tyy und Tzz die drei in Richtung der x-Achse bzw. y-Achse bzw. z-Achse gerichteten Normalspannungskomponenten des mechanischen Spannungstensors bezeichnen. Die angegebenen Prozentzahlen (24%, 53%, 2.7% und 1.1%) sind als Näherungswerte bei niedriger Dotierung zu verstehen und bei (100) Silizium unabhängig von der Drehlage des Siliziumswafers.

[0011] Weil Tzz in der Praxis meistens viel kleiner als Txx und Tyy ist, gilt angenähert <tb>ΔRn/Rn = -24%/GPa*(Txx +Tyy)<sep>(3) <tb>ΔRp/Rp = 2.7%/GPa*(Txx +Tyy)<sep>(4).

[0012] Die durch mechanische Belastungen bewirkte Änderung der Widerstandswerte der n-Typ Widerstände ist einerseits um etwa eine Grössenordnung (hier etwa um den Faktor 9) grösser als die Änderung der Widerstandswerte der p-Typ Widerstände. Dies ist eine Voraussetzung, dass die durch die Widerstände R1bis R4, gebildete Wheatstone Brücke überhaupt ein Ausgangssignal liefert. Das Ausgangssignal der Wheatstone Brücke ist proportional zur Summe Txx + Tyy. Andererseits haben die n-Typ Widerstände R1 und R4etwa ähnliche Temperaturkoeffizienten wie die p-Typ Widerstände R2 und R3, mit der Folge, dass das Ausgangssignal der Wheatstone Brücke durch Temperaturänderungen nur wenig beeinflusst wird. Die Temperaturkoeffizienten der hoch dotierten N<+> bzw. P<+> Widerstände sind bei dem verwendeten CMOS-Prozess um etwa den Faktor 2.5 geringer als die Temperaturkoeffizienten der weniger stark dotierten n-Wannen bzw. p-Wannen. Dies ist der Grund, weshalb für die Widerstände bevorzugt die hoch dotierten N<+> bzw. P<+> Dotierungen verwendet werden.

[0013] Das differenzielle Ausgangssignal der Wheatstone Brücke wird der Verstärkerschaltung 8 zugeführt, wo es beispielsweise mittels eines ersten Operationsverstärkers 9 in ein Differenzsignal umgewandelt und mittels eines zweiten Operationsverstärkers 10 durch Subtraktion eines konstanten Werts V1offsetkompensiert wird und dann als Ausgangssignal Vsdes Stresssensors 1 zur Verfügung steht.

[0014] Die Fig. 2 illustriert die prinzipielle interne Struktur der Widerstände R1, R2, R3 und R4 nämlich dass sie je mindestens zwei längliche Widerstandsstreifen 11 und 12 aufweisen, die den gleichen nominalen Widerstandswert aufweisen, zueinander um 90° verdreht und in Reihe geschaltet sind. Im Beispiel sind die vier Widerstandsstreifen 11 parallel zur x-Achse und die vier Widerstandsstreifen 12 parallel zur y-Achse ausgerichtet. Die Widerstandsstreifen 11 und 12 können jedoch innerhalb der durch die x- und die y-Achse aufgespannten Ebene um einen beliebigen Winkel gedreht werden, wichtig ist einzig, dass ihre aufeinander bezogene, relative Drehlage erhalten bleibt, d.h. dass sie in der xy-Ebene liegen und einen Winkel von 90° einschliessen. Bei dem in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Widerstandsstreifen 11 und 12 jedes der Widerstände R1, R2, R3und R4 zwei einzelne, voneinander getrennte Widerstandsstreifen, die durch einen elektrischen Leiter miteinander verbunden sind und so zusammen den entsprechenden Widerstand R1, R2, R3 bzw. R4 ergeben.

[0015] Die Fig. 3A zeigt in Aufsicht auf die aktive Oberfläche 3 des Halbleiterchips 2 ein Ausführungsbeispiel eines der Widerstände R1, R2, R3 und R4. Der Widerstand ist aus mehreren länglichen Widerstandsabschnitten 13.1 bis 13.4 zusammengesetzt, wobei jeweils zwei Widerstandsabschnitte 13, von denen der eine Widerstandsabschnitt 13 in Bezug auf den anderen Widerstandsabschnitt 13 in der xy-Ebene um 90° gedreht ist, den gleichen nominalen Widerstandswert haben und ein Paar bilden. Hier gibt es zwei Paare: Das erste Paar bilden die Widerstandsabschnitte 13.1 und 13.3, das zweite Paar bilden die Widerstandsabschnitte 13.2 und 13.4. Der Widerstandsabschnitt 13.2 ist gegenüber dem Widerstandsabschnitt 13.1 um den Winkel 45° gedreht. Der Widerstandsabschnitt 13.4 ist gegenüber dem Widerstandsabschnitt 13.1 um den Winkel 45° gedreht. Die Widerstandsabschnitte 13.1 bis 13.4 können wie dargestellt durch elektrische Leiter miteinander in Reihe geschaltet sein. In diesem Fall können sich die Widerstandsabschnitte an beliebigen und unterschiedlichen Orten auf dem Halbleiterchip 2 befinden. Die Widerstandsabschnitte 13.1 bis 13.4 können aber auch wie in der Fig. 3B dargestellt direkt miteinander verbunden sein und einen einzigen zusammenhängenden Widerstandsstreifen bilden.

[0016] Die Fig. 3C zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines der Widerstände R1, R2, R3 und R4. Der Widerstand ist aus fünf länglichen Widerstandsabschnitten 13.1 bis 13.5 zusammengesetzt. Die Widerstandsabschnitte 13.2, 13.3 und 13.4 haben den gleichen nominalen Widerstandswert, R. Die Widerstandsabschnitte 13.1 und 13.5 haben den halben Widerstandswert R/2, sie sind deshalb als ein gemeinsamer Widerstandabschnitt mit dem nominalen Widerstandswert R anzusehen, der geometrisch in zwei Teile aufgespalten ist. Die Summe der Widerstandswerte der Widerstandsabschnitte 13.1, 13.3 und 13.5, die eine gleiche, erste Orientierung haben, beträgt 2*R und ist gleich der Summe der Widerstandswerte der Widerstandsabschnitte 13.2 und 13.4, die eine gleiche, zweite Orientierung haben, wobei die erste und zweite Orientierung in der durch die aktive Oberfläche 3 des Halbleiterchips 2 definierten xy-Ebene zueinander um 90° gedreht sind.

[0017] Das Verhältnis von Länge zu Breite der Widerstandsabschnitte, die dem gleichen Paar zuzuordnen sind, ist im Grundsatz so bemessen, dass eine mechanische Belastung durch die Normalspannungskomponente Txx eine gleich grosse Änderung des durch die Widerstandsabschnitte gebildeten Widerstands bewirkt wie eine mechanische Belastung durch die Normalspannungskomponente Tyy.

[0018] Der erfindungsgemässe Stresssensor eignet sich beispielsweise, um bei einem auf dem Hall-Effekt basierenden Magnetfeldsensor die durch den Piezo-Hall Effekt verursachte Änderung der Empfindlichkeit zu kompensieren. Die Fig. 4 zeigt in Aufsicht eine Sensorzelle 14, die ein Hallelement 15, einen n-Typ Widerstand 16 und einen p-Typ Widerstand 17 umfasst. Das Hallelement 15 ist bei diesem Beispiel eine quadratische n-Wanne (oder eine p-Wanne) und die vier Kontakte 18 für die Zuführung des Hallstroms und den Abgriff der Hallspannung sind in den Ecken des Quadrats angeordnet. Der n-Typ Widerstand 16 ist durch vier gerade n-Typ Widerstandsbahnen 19 gebildet, die parallel zu den vier Seiten der quadratischen n-Wanne ausgerichtet und durch elektrische Leiterbahnen miteinander verbunden sind. Je zwei der vier n-Typ Widerstandsbahnen 19 verlaufen somit parallel zur x-Achse und zur y-Achse. Der p-Typ Widerstand 17 ist durch vier gerade p-Typ Widerstandsbahnen 20 gebildet, die parallel zu den Seiten des Quadrats ausgerichtet und durch elektrische Leiterbahnen miteinander verbunden sind. Je zwei der vier p-Typ Widerstandsbahnen 20 verlaufen somit parallel zur x-Achse und zur y-Achse. Das Layout der einzelnen Elemente der Sensorzelle 14 ist mit einer möglichst hohen Symmetrie ausgeführt, so dass mechanische Belastungen sich möglichst gleichmässig über die Sensorzelle 14 verteilen.

[0019] Die Fig. 5 zeigt in Aufsicht zwei Sensorzellen 14 des in der Fig. 4 gezeigten Typs. Die beiden n-Typ Widerstände 16 und die beiden p-Typ Widerstände 17 der beiden Sensorzellen 14 sind gemäss dem in der Fig. 1 gezeigten elektrischen Schaltbild als Wheatstone-Brücke verdrahtet und bilden einen erfindungsgemässen Stresssensor. Zur Darstellung der Verdrahtung werden aus Gründen der zeichnerischen Klarheit verschiedenartige Linien, nämlich ausgezogene, gestrichene und punktierte Linien verwendet. Die beiden Hallelemente 15 bilden zusammen mit der für ihren Betrieb nötigen elektronischen Schaltung einen Hall-Sensor. Das differenzielle Ausgangssignal der Wheatstone Brücke wird einer Verstärkerschaltung 8 zugeführt, beispielsweise der in der Fig. 1erläuterten Verstärkerschaltung 8, wo es verstärkt und der Offset der Wheatstone Brücke soweit als möglich eliminiert wird, so dass das Ausgangssignal Vs des Stresssensors als offsetkompensiertes Ausgangssignal zur Verfügung steht.

[0020] Die Fig. 6 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, wie das Ausgangssignal Vs des in der Fig. 5 gezeigten Stresssensors verwendet wird, um die durch den Piezo-Hall Effekt bewirkte Änderung der magnetfeldbezogenen Empfindlichkeit der beiden Hallelemente 15, zu kompensieren. Die durch den Piezo-Halleffekt bewirkte Änderung der Empfindlichkeit der beiden Hallelemente 15 ist in erster Näherung proportional zur Summe Txx + Tyy der in die x-Richtung und die y-Richtung wirkenden mechanischen Belastungen.

[0021] Die beiden Hallelemente 15 werden mit Vorteil in bekannter Weise durch Parallelschaltung und Betrieb mit der Spinning Current Methode offsetkompensiert (siehe z.B. EP 548 391). Die beiden Hallelemente 15 werden dabei getrennt voneinander mit der Spinning Current Methode betrieben, wobei jedes von einer eigenen Konstantstromquelle gespeist wird, und dann ihre Ausgangssignale addiert. Die Fig. 6zeigt deshalb nur das elektrische Schaltschema der elektronischen Schaltung für ein Hallelement 15. Die elektronische Schaltung umfasst in diesem Beispiel vier Stromquellen 21 bis 24, deren Ströme addiert und/oder subtrahiert und dem Hallelement 15 als Strom I über einen Spinning Current Multiplexer 25 zugeführt werden. Die am Ausgang des Multiplexers anliegende Hallspannung ist eine Wechselspannung, die in bekannter Weise verarbeitet und ausgewertet werden kann.

[0022] Die erste Stromquelle 21 ist eine PTAT Konstantstromquelle (PTAT = proportional to absolute temperature) und liefert einen Strom II, der proportional zur absoluten Temperatur ist. Die zweite Stromquelle 22 ist eine CTAT Konstantstromquelle (CTAT = complementary to absolute temperature) und liefert einen Strom I2, der mit zunehmender Temperatur abnimmt. Die dritte Stromquelle 23 wird von einem temperaturunabhängigen Widerstand RQ gesteuert und liefert einen von der Temperatur unabhängigen Strom I3. Die vierte Stromquelle 24 wird vom Ausgangssignal Vsdes Stresssensors 1 gesteuert und liefert einen Strom I4, der proportional zur Summe (Txx + Tyy) ist. II= Ip * [ 1 + a * (T - T0) ] I2 = Ic * [ 1 - b * (T – T0) ] I3 = IR I4= c * Vs wobei T0 eine ausgewählte fixe Temperatur ist.

[0023] Die vier Stromquellen 21 bis 24 sind so aufeinander abgestimmt, dass die Ströme II bis I4 innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches gegeben sind durch: I = α * I1 + β * I2 -I3 + γ * L4 = l0 * [ 1 + δ * (T - T0) + λ * Vs]

[0024] Die Koeffizienten α, β, γ, δ und λ sind Konstanten, I0bezeichnet den bei der Temperatur T0 und bei Abwesenheit von mechanischen Belastungen von den Stromquellen 21 bis 24 gelieferten Strom.

[0025] Der Temperaturbereich, in dem das Hallelement 15 eingesetzt werden soll, ist typischerweise in mehrere, z.B. drei, Temperaturbereiche unterteilt, in denen die Koeffizienten α, β, γ und T0 so gewählt sind, dass in jedem einzelnen Temperaturbereich durch den Strom I einerseits die lineare Abhängigkeit der strombezogenen Empfindlichkeit des Hallelementes als auch die lineare Abhängigkeit des Ausgangssignals Vs des Stresssensors von der Temperatur und andererseits die Abhängigkeit der strombezogenen Empfindlichkeit des Hallelementes von mechanischen Belastungen kompensiert wird, und dass über alle Temperaturbereiche auch die quadratische Abhängigkeit der strombezogenen Empfindlichkeit des Hallelementes und die quadratische Abhängigkeit des Ausgangssignals Vs des Stresssensors von der Temperatur kompensiert werden, so dass die vom Hallelement 15 gelieferte Hallspannung UH weitgehend unabhängig von der Temperatur T und von mechanischen Belastungen Txx und Tyy ist. Für (100) Silizium mit <110> Flat ergibt sich der Strom I = I0 * [ 1 + δ * (T – 25 °C) + ε * (T – 25 °C)<2> +λ * Vs] wobei die Konstanten 5, s und X in einem experimentellen Beispiel folgende Werte hatten: δ = 300 ppm/°C ε =5 ppm/°C<2> <>λ = 2.2/V

[0026] Es ist aus Gründen der Offsetkompensation bekanntermassen vorteilhaft, zwei oder mehr Hallelemente parallel und zudem mit der Spinning Current Methode zu betreiben und ihre Hallspannungen vorzeichenrichtig zu addieren. Die beiden Hallelemente 15 des in der Fig. 5gezeigten Hall-Sensors sind zusammen von zwei n-Typ Widerständen 16 und zwei p-Typ Widerständen 17 umgeben, die zusammen die Wheatstone Brücke des Stresssensors 1 bilden. Wenn der Hall-Sensor vier Hallelemente 15 umfasst, dann ist es vorteilhaft, den Hall-Sensor und den Stresssensor 1 weiterhin aus Sensorzellen 14 des in der Fig. 4gezeigten Typs zu bilden. Da die Wheatstone Brücke des Stresssensors 1 nur vier Widerstände benötigt, kann sie beispielsweise gebildet werden, indem je zwei n-Typ Widerstände 16 und zwei p-Typ Widerstände 17 der insgesamt acht Widerstände ausgewählt werden und die anderen vier Widerstände nicht benutzt werden. Alternativ können alle acht Widerstände der vier Sensorzellen 14 benutzt werden, indem je zwei Widerstände des gleichen Typs in Reihe oder parallel geschaltet und daraus die Wheatstone Brücke des Stresssensors 1 gebildet werden. Eine andere Möglichkeit ist, zwei Typen von Sensorzellen vorzusehen, wobei der erste Typ ein Hallelement und einen das Hallelement umgebenden n-Typ Widerstand und der zweite Typ ein Hallelement und einen das Hallelement umgebenden p-Typ Widerstand umfasst.

[0027] Die Fig. 7 zeigt in Aufsicht eine Sensorzelle 14, die ein Hallelement 15, zwei n-Typ Widerstände 16.1 und 16.2 und zwei p-Typ Widerstände 17.1 und 17.2 umfasst. Die n-Typ Widerstände 16.1 und 16.2 sind durch je zwei gerade, um 90° zueinander verdreht angeordnete n-Typ Widerstandsbahnen 19 gebildet, die parallel zu den Seiten der quadratischen Wanne des Hallelementes 15 ausgerichtet und durch elektrische Leiterbahnen miteinander verbunden sind. Die p-Typ Widerstände 17.1 und 17.2 sind durch je zwei gerade, um 90° zueinander verdreht angeordnete p-Typ Widerstandsbahnen 20 gebildet, die parallel zu den Seiten der quadratischen Wanne des Hallelementes 15 ausgerichtet und durch elektrische Leiterbahnen miteinander verbunden sind. Diese Sensorzelle 14 enthält somit zwei n-Typ und zwei p-Typ Widerstände, die alle für die Bildung eines erfindungsgemässen Stresssensors 1 erforderlichen Eigenschaften aufweisen, und ein Hallelement und stellt somit das einfachste Beispiel dar, um einen beispielsweise gemäss dem in der Fig. 6 gezeigten Schaltschema weitgehend temperatur- und stresskompensierten Magnetfeldsensor zu bilden.

[0028] Die Fig. 8 bis 10 zeigen weitere Hallsensoren, die ein Hallelement 15 (oder einen Cluster aus Hallelementen) und einen erfindungsgemässen Stresssensor 26 umfassen. Der Stresssensor 26 besteht wiederum aus einer durch vier Widerstände R1, R2, R3 und R4 gebildeten Wheatstone-Brücke, die in einen Halbleiterchip 2 integriert sind. Die Widerstände R1und R2 sind in Reihe geschaltet, die Widerstände R3 und R4 sind in Reihe und parallel zu den Widerständen R1 und R2 geschaltet. Die Widerstände R1 und R3 haben einen gemeinsamen Knoten 4 und die Widerstände R2und R4 haben einen gemeinsamen Knoten 5, die an eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle anschliessbar sind. Die Widerstände R1 und R2 haben einen gemeinsamen Knoten 6 und die Widerstände R3 und R4 haben einen gemeinsamen Knoten 7, über die das Ausgangssignal der Wheatstone-Brücke als differenzielles Spannungssignal abgegriffen und einer Verstärkerschaltung zugeführt wird. Die Widerstände R1 und R4sind p-Typ Widerstände, die Widerstände R2 und R3sind n-Typ Widerstände.

[0029] Wenn man ausgehend von der in der Fig. 2gezeigten prinzipiellen Struktur der Widerstände R1, R2, R3 und R4eine Vielzahl von Paaren von kurzen Widerstands streifen 11 und 12 aneinanderreiht, erhält man einen treppenförmigen Widerstand und wenn man die Widerstandsstreifen 11 und 12 im Limes unendlich kurz macht, erhält man einen bezüglich der x-Achse um 45° oder -45° gedrehten, länglichen Widerstand. Die in den Fig. 8bis 10 gezeigten Widerstände R1, R2, R3 und R4 des Stresssensors 26 sind solche Widerstände.

[0030] Der Stresssensor 26 und das Hallelement 15 (bzw. ein Cluster aus Hallelementen) lassen sich bei Verwendung von (100) Silizium mit <110> Fiat zu einem stresskompensierten Hallsensor kombinieren, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind: - Die Widerstände R1; R2, R3und R4 sind längliche Widerstände, die bezüglich der <110> Kristallrichtung des Siliziums um 45° oder -45° gedreht sind (die in den Figuren gezeigte x-Achse verläuft parallel zur <110> Kristallrichtung). - Das Hallelement 15 (bzw. die Hallelemente eines Clusters) weist wenigstens vier Kontakte auf, die so ausgerichtet sind, dass bei Beaufschlagung von zwei dieser vier Kontakte mit einem Strom der Strom unter einem Winkel von 45° oder -45° schräg zur <110> Kristallrichtung durch das Hallelement 15 fliesst.

[0031] Das Ausgangssignal der Wheatstone Brücke steuert eine Stromquelle, deren Strom dem Hallelement 15 wie bei den vorhergehenden Beispielen zugeführt wird, um den Einfluss von mechanischen Belastungen zu verringern.

[0032] Das in der Fig. 10 gezeigte Hallelement 15 hat einen octogonalen Umriss mit acht gleich langen Seiten und acht Kontakten 18, wobei in jeder Betriebsphase der Spinning Current Methode jeweils zwei einander diametral gegenüberliegenden Kontakte als Stromkontakte und zwei weitere dazu um 90° gedreht angeordnete, einander diametral gegenüberliegende Kontakte als Spannungskontakte dienen. Hier fliesst der Strom in den einzelnen Betriebsphasen jeweils unter einem Winkel von 0°, 45°, -45° oder 90° zur <110> Kristallrichtung.

Claims (3)

1. Stresssensor (1) zur Erfassung mechanischer Spannungen in einem Halbleiterchip (2), wobei der Stresssensor in eine aktive Oberfläche (3) des Halbleiterchips (2) integrierte Widerstände aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stresssensor (1) eine durch vier integrierte Widerstände R1 bis R4 gebildete Wheatstone Brücke ist, bei der die Widerstände R1 und R2 in Reihe geschaltet, die Widerstände R3 und R4 in Reihe und parallel zu den Widerständen R1 und R2geschaltet sind, wobei die Widerstände R1und R3 einen gemeinsamen Knoten (4) und die Widerstände R2 und R4 einen gemeinsamen Knoten (5) haben, wobei die Widerstände R1 und R4p-Typ Widerstände und die Widerstände R2und R3 n-Typ Widerstände sind, wobei jeder der Widerstände R1, R2, R3 und R4 aus länglichen Widerstandsabschnitten (13.1 bis 13.5) besteht, die direkt oder über elektrische Leiter miteinander verbunden sind, wobei jeder der Widerstandsabschnitte (13.1 bis 13.5) in der durch die aktive Oberfläche (3) des Halbleiterchips (2) definierten Ebene (xy) eine vorbestimmte Orientierung aufweist, wobei eine Summe der Widerstandswerte aller Widerstandsabschnitte, die eine erste Orientierung aufweisen und zum gleichen der Widerstände R1, R2, R3 bzw. R4 gehören, und eine Summe der Widerstands werte aller Widerstandsabschnitte, die eine zweite, zur ersten um 90° gedrehte Orientierung aufweisen und ebenfalls zum gleichen der Widerstände R1, R2, R3 bzw. R4 gehören, den gleichen nominalen Wert haben.

2. Hallsensor, umfassend mindestens ein Hallelement (15), einen Stresssensor (1) nach Anspruch 1 und mindestens zwei Stromquellen (21, 22, 23, 24) für die Beaufschlagung des Hallelementes (15) mit einem Strom, wobei ein Ausgangssignal des Stresssensors (1) eine der mindestens zwei Stromquellen steuert.

3. Hallsensor, umfassend mindestens ein Hallelement (15), einen Stresssensor (26) und mindestens zwei Stromquellen (21, 22, 23, 24) für die Beaufschlagung des Hallelementes (15) mit einem Strom, wobei ein Ausgangssignal des Stresssensors (1) eine der mindestens zwei Stromquellen steuert, dadurch gekennzeichnet, dass - das mindestens eine Hallelement (15) in einem Halbleiterchip (2) aus (100) Silizium eingebettet ist, wobei die Kanten des Halbleiterchips (2) parallel und senkrecht zur <110> Kristallrichtung verlaufen, - dass der Stresssensor (26) eine durch vier integrierte Widerstände R1 bis R4 gebildete Wheatstone Brücke ist, bei der die Widerstände R1 und R2in Reihe geschaltet, die Widerstände R3 und R1in Reihe und parallel zu den Widerständen R1und R2 geschaltet sind, wobei die Widerstände R1 und R3 einen gemeinsamen Knoten (4) und die Widerstände R2 und R4 einen gemeinsamen Knoten (5) haben, wobei die Widerstände R1und R4, p-Typ Widerstände und die Widerstände R2 und R3 n-Typ Widerstände sind, wobei jeder der Widerstände R1, R2, R3 und R4 ein länglicher Widerstand ist, der bezüglich der <110> Kristallrichtung des Siliziums um 45° oder -45° gedreht ist, und - dass vier Kontakte (18) des mindestens einen Hallelements (15) so ausgerichtet sind, dass bei Beaufschlagung von zwei dieser vier Kontakte (18) mit einem Strom der Strom unter einem Winkel von 45° oder -45° schräg zur <110> Kristallrichtung fliesst.