CH704694A1 - Stresssensor zur Erfassung mechanischer Spannungen in einem Halbleiterchip und stresskompensierter Hallsensor. - Google Patents

Abstract

Ein Stresssensor (1) zur Erfassung der Differenz von zwei mechanischen Spannungskomponenten in einem Halbleiterchip (2) weist eine durch vier integrierte Widerstände Ri bis R4 gebildete Wheatstone Brücke auf. Die Widerstände R 1 bis R 4 sind bevorzugt p-Typ-Widerstände und haben den gleichen nominalen Wert. Die Widerstände R 1 und R 4 weisen eine erste Orientierung und die Widerstände R 2 und R 3 eine zweite, zur ersten um 90° gedrehte Orientierung auf. Ein Hallsensor umfasst mindestens ein Hallelement (12) und mindestens einen solchen Stresssensor (1), dessen Ausgangssignal verwendet wird, um den von der Differenz der beiden mechanischen Spannungskomponenten herrührenden Offset des mindestens einen Hallelementes (12) zu kompensieren.

Description

[0001] Stresssensor zur Erfassung mechanischer Spannuneen in einem Halbleiterchip und stresskompensierter Hallsensor

[0002] Die Erfindung betrifft einen Stresssensor zur Erfassung mechanischer Spannungen in einem Halbleiterchip und einen stresskompensierten Hallsensor.

[0003] 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 verringert werden. Dies ist bekannt aus einer Vielzahl von Patentdokumenten, z.B.WO 0 118 556, EP 548 391, DE 4 302 342.

[0004] 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 teilweise unterdrückt. Um die Änderungen der Empfindlichkeit zu kompensieren, ist es bekannt, beispielsweise aus DE 10 154 495, DE 10 154 498, DE 102 004 003 853, DE 102 008 051 949, 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.

[0005] Der Erfindung liegen die Aufgaben zugrunde, auf möglichst einfache Weise die durch mechanische Belastungen bewirkte Änderung des Offsets eines Hallelementes zu kompensieren und einen bezüglich Offset weitgehend stresskompensierten Hallsensor zu entwickeln.

[0006] Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 4.

[0007] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. Fig. 1<sep>zeigt das elektrische Schaltbild eines erfindungsgemässen, durch Widerstände gebildeten Stresssensors, Fig. 2<sep>zeigt eine Sensorzelle, die ein Hallelement und vier p-Typ Widerstände umfasst, und Fig. 3<sep>zeigt das elektrische Schaltbild eines erfindungsgemässen, bezüglich Offset weitgehend stresskompensierten Hallsensors.

[0008] Die Fig. 1 zeigt das elektrische Schaltbild eines erfindungsgemässen Stresssensors 1. Der Stresssensor 1 besteht aus einer durch vier längliche Widerstände R1, R2, R3 und R4 gebildeten Wheatstone-B rücke, 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 bei Standard (100) Silizium mit einer <110> Orientierung des Fiats die x-Achse und die y-Achse parallel bzw. senkrecht zur <110> Kristallrichtung verlaufen. Die Widerstände R1 und R2 sind in Reihe geschaltet, die Widerstände R3 und R4sind in Reihe und parallel zu den Widerständen R1und R2 geschaltet. Die Widerstände R1und R3 haben einen gemeinsamen Knoten 4 und die Widerstände R2 und R4 haben einen gemeinsamen Knoten 5, die an eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle anschliessbar sind. Die Widerstände R1und 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.

[0009] Die Widerstände R1 bis R4 weisen folgende Merkmale auf: 1. Die Widerstände R1 bis R4sind entweder alle n-Typ oder alle p-Typ Widerstände, bevorzugt p-Typ Widerstände. P-Typ Widerstände sind im Halbleiterchip 2 integrierte Widerstände mit einer p-Typ Dotierung, die in ein Gebiet mit n-Typ Dotierung eingebettet sind. N-Typ Widerstände sind im Halbleiterchip 2 integrierte Widerstände mit einer n-Typ Dotierung, die in ein Gebiet mit p-Typ Dotierung eingebettet sind. 2. Die für die Widerstände R1, R2, R3 und R4verwendeten Dotierungen sind vorzugsweise die für die Herstellung der Kontakte verwendeten hoch dotierten N+ bzw. P+ Dotierungen. 3. Jeder der Widerstände R1, R2, R3 und R4 weist in der durch die aktive Oberfläche 3 des Halbleiterchips definierten xy-Ebene eine vorbestimmte Orientierung auf, wobei die Widerstände Rj und R4eine erste Orientierung und die Widerstände R2 und R3 eine zweite, zur ersten um 90° gedrehte Orientierung aufweisen. Im Beispiel verlaufen die Widerstände R1 und R4 parallel zur x-Achse, die Widerstände R2 und R3parallel zur y-Achse. 4. Die Nominalwerte der vier Widerstände R1 bis R4 sind, abgesehen von prozessbedingten Toleranzen, gleich gross, d.h. R1= R2 = R3 = R4. 5. Die in den Widerständen R1 bis R4 fliessenden Ströme fliessen im wesentlich parallel zur aktiven Oberfläche 3 des Halbleiterchips 2. Die Widerstände R1bis R4 können deshalb als laterale Widerstände bezeichnet werden.

[0010] 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.

[0011] Die Widerstandsweite der Widerstände R1 bis R4hängen unter anderem ab von den mechanischen Belastungen, im wesentlichen von den Spannungskomponenten Txx und Tyy, die die in Richtung der x-Achse bzw. y-Achse gerichteten Normalspannungskomponenten des mechanischen Spannungstensors bezeichnen.

[0012] Im Beispiel verlaufen die länglichen Widerstände Ri und R4 parallel zur x-Achse, die Widerstände R2 und R3parallel zur y-Achse. Es gilt dann:

wobei πL einen longitudinalen und πT einen transversalen Spannungskoeffizienten bezeichnen. Die Ausgangsspannung Uw der Wheatstone-Brücke des Stresssensors 1 ist gegeben durch

wobei Uo die an die Knoten 4 und 5 angelegte Spannung bezeichnet.

[0013] Wenn alle vier Widerstände RL bis R4 den gleichen Nominalwert aufweisen, dann gilt auch bei mechanischer Belastung in guter Näherung R1 R2 R3 R4 und die Gleichung (3) vereinfacht sich zu

[0014] Aus den Gleichungen (1), (2) und (4) ergibt sich

[0015] Für Standard (100) Silizium mit einer <110> Orientierung des Fiats gilt für p-Typ Widerstände bei der bevorzugten relativ hohen p-Dotierung:

[0016] Die angegebenen Zahlen (0.35, -0.33) sind als Näherungswerte zu verstehen.

[0017] Unter Berücksichtigung der Terme erster Ordnung von Txx und Tyy erhält man aus den Gleichungen (5) bis (7)

[0018] Die Gleichung (8) ergibt sich, weil in (100) Silizium integrierte p-Typ Widerstände die Eigenschaft haben. Die Widerstände R1 bis R4 sind deshalb bevorzugt p-Typ Widerstände.

[0019] Für Standard (100) Silizium mit einer <110> Orientierung des Fiats gilt für n-Typ Widerstände bei der bevorzugten relativ hohen n-Dotierung:

[0020] Die angegebenen Zahlen (-0.16, -0.09) sind als Näherungswerte zu verstehen.

[0021] Der erfindungsgemässe Stresssensor eignet sich beispielsweise, um bei einem auf dem Hall-Effekt basierenden Magnetfeldsensor die durch mechanische Belastungen verursachte Änderung des Offsets zu kompensieren.

[0022] Die Fig. 2 zeigt in Aufsicht eine Sensorzelle 11, die ein Hallelement 12 und vier p-Typ Widerstände R1 bis R4umfasst. Das Hallelement 12 ist bei diesem Beispiel eine quadratische n-Wanne (oder eine p-Wanne) mit vier Kontakten 13 für die Zuführung des Hallstroms und den Abgriff der Hallspannung, die in den Ecken des Quadrats angeordnet sind. Bei Standard (100) Silizium mit einer <110> Orientierung des Fiats verlaufen zwei Kanten des Quadrats parallel zur <110> Kristallachse, die hier als x-Achse bezeichnet wird, und zwei Kanten des Quadrats verlaufen senkrecht zur <110> Kristallachse und somit parallel zur y-Achse. Das Hallelement ist empfindlich auf die Komponente des Magnetfelds, die senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterchips verläuft, und ist somit ein sogenanntes horizontales Hallelement. Die Widerstände R1 bis R4 sind bevorzugt p-Typ Widerstände, können aber auch n-Typ Widerstände sein, und sind parallel zu den Kanten des Hallelements 12 angeordnet. Die Widerstände R1 und R4verlaufen somit parallel zur x-Achse und die Widerstände R2und R3 parallel zur y-Achse. Die Widerstände R1 bis R4 sind wie anhand der Fig. 1 erläutert durch elektrische Leiterbahnen miteinander verbunden und als Wheatstone-Brücke geschaltet.

[0023] Die elektrische Ausgangsspannung UA des Hallelementes 12 kann dargestellt werden als

wobei UHall(B) die vom Magnetfeld abhängige Spannung und UOffset die bei Abwesenheit eines Magnetfeldes vorhandene Spannung bezeichnen. Die Offsetspannung UOffset ihrerseits hat verschiedene Anteile, nämlich einen aus Abweichungen von der geometrischen Symmetrie resultierenden Anteil, einen von der Differenz der anliegenden mechanischen Spannungskomponenten Txx - Tyy abhängigen Anteil, einen von Raumladungseffekten abhängigen Anteil, usw. Der erfindungsgemässe Stresssensor 1 liefert ein Ausgangssignal, das proportional zur Differenz Txx - Tyy der mechanischen Spannungskomponenten ist und eignet sich deshalb, um diesen Anteil des Offsets des Hallelementes 12 zu kompensieren.

[0024] Die vier Kontakte 13 des Hallelements 12 sind so angeordnet, dass die Linie, die jeweils zwei einander gegenüberliegende Stromkontakte verbindet, parallel zu der aktiven Oberfläche 3 unter einem Winkel von 45° oder -45° schräg zur <110> Kristallrichtung, d.h. hier auch der x-Achse, verläuft.

[0025] Die Fig. 3 zeigt das funktionale, elektrische Schaltbild eines Hallsensors, der ein Hallelement 12, einen erfindungsgemässen Stresssensor 1 und eine analoge Verstärkerschaltung 8 umfasst, die das Ausgangssignal des Stresssensors 1 verwendet, um den von der Differenz Txx - Tyy der mechanischen Spannungskomponenten abhängigen Anteil des Offsets des Hallelementes 12 zu kompensieren. Der Hallsensor hat vorzugsweise die Struktur der in der Fig. 2 gezeigten Sensorzelle 11. An die Knoten 4 und 5 der Wheatstone-Brücke wird eine vorbestimmte Betriebsspannung U0 angelegt. Das Ausgangssignal der Wheatstone-Brücke wird als differenzielles Spannungssignal abgegriffen und der Verstärkerschaltung 8 zugeführt, wo es beispielsweise mittels des ersten Operationsverstärkers 9 in ein Differenzsignal umgewandelt und mittels des zweiten Operationsverstärkers 10 durch Subtraktion eines konstanten Werts Vi offsetkompensiert wird. Das Hallelement 12 ist mittels eines Multiplexers 14 an eine Stromquelle 15 und einen dritten Operationsverstärker 16 angeschlossen. Der Multiplexer 14 ist Teil einer Steuerschaltung 17, die den Betrieb des Hallelementes 12 mit der Spinning Current Methode ermöglicht. Das differenzielle Ausgangssignal des Hallelementes 12 wird mittels des dritten Operationsverstärkers 16 in ein Differenzsignal und mittels eines von der Steuerschaltung 17 gesteuerten Demultiplexers 18 in ein Gleichspannungssignal umgewandelt. Die Ausgangssignale des zweiten Operationsverstärkers 10 und des Demultiplexers 18 werden mittels eines Differenzgliedes 19, im Beispiel mittels eines vierten Operationsverstärkers, voneinander subtrahiert. Die Verstärkungsfaktoren der beiden Operationsverstärker 10 und 16 sind so aufeinander abgestimmt, dass der von der Differenz der anliegenden mechanischen Spannungskomponenten Txx - Tyy abhängige Anteil des Offsets des Hallelementes 12 kompensiert wird.

[0026] Hallsensoren enthalten mit Vorteil mehrere Hallelemente, die zusammen einen Cluster bilden, und werden bevorzugt mit der bekannten Spinning Current Methode betrieben. Es ist deshalb vorteilhaft, den Hallsensor aus mehreren Sensorzellen 11 mit der in der Fig. 2 gezeigten Struktur zu bilden, wobei die vier Widerstände Ri bis R4, die ein Hallelement 12 umgeben, jeweils eine Wheatstone-Brücke bilden, und den Mittelwert der differenziellen Ausgangsspannungen aller Wheatstone-Brücken zu bilden, um auf diese Weise ein gemitteltes Stresssignal zu erhalten, das für die Kompensation der Offsetspannung des mit der Spinning Current Methode betriebenen Clusters verwendet wird. Alternativ können die Widerstände Ri aller Sensorzellen 11, die Widerstände R2 aller Sensorzellen 11, die Widerstände R3 aller Sensorzellen 11, und die Widerstände R4 aller Sensorzellen 11 des Hallsensors parallel geschaltet und dann zu einer einzigen Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet werden.

[0027] Anstelle der in der Fig. 3gezeigten analogen Verarbeitung kann die Verarbeitung des Ausgangssignals des Stresssensors 1 und des Hallelementes 12 bzw. der Ausgangssignale mehrerer Stresssensoren und mehrerer Hallelemente auch auf digitale Weise erfolgen. Insbesondere das Differenzglied 19 kann ein digitales Bauteil sein, das die Ausgangssignale des zweiten Operationsverstärkers 10 und des Demultiplexers 18 digitalisiert und voneinander subtrahiert.

[0028] Bei der Spinning Current Methode werden die Strom- und Spannungskontakte in zwei oder vier Phasen zyklisch vertauscht. Die Spinning Current Methode ist aus der Literatur gut bekannt und beispielsweise im Artikel von P J A Munter, «A low-offset spinning-current Hall plate», Sensors and Actuators A21-A23 (1990) 743-746 wie auch in der WO 03/036733 beschrieben, auf die hier explizit verwiesen wird.

[0029] Ein wichtiger Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Kombination der Verwendung des Stresssensors und der Spinning Current Methode durch mechanische Spannungen bewirkte Offsetfehler eines Hallelementes bereits bei Betrieb mit einer 2-Phasen Spinning Current Methode wirksam verringert. Die Verringerung des Offsets ist noch besser bei Betrieb des Hallelementes mit einer 4-Phasen Spinning Current Methode.

Claims (4)

1. Stresssensor (1) zur Erfassung einer Differenz von zwei mechanischen Spannungskomponenten 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 längliche Widerstände Ri bis R4 gebildete Wheatstone Brücke ist, bei der die Widerstände R1 und R2in Reihe geschaltet, die Widerstände R3 und R4 in 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 R4einen gemeinsamen Knoten (5) haben, wobei die Widerstände R1 und Rheine erste Orientierung und die Widerstände R2 und R3 eine zweite, zur ersten um 90° gedrehte Orientierung aufweisen und wobei alle Widerstände R1 bis R4 den gleichen nominalen Wert haben.

2. Stresssensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Widerstände R1 bis R4 p-Typ Widerstände sind.

3. Hallsensor, umfassend mindestens ein Hallelement (12) und einen Stresssensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine Hallelement (12) in den gleichen Halbleiterchip (2) integriert ist wie der Stresssensor (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzglied (19) ein um einen vorbestimmten Faktor verstärktes Ausgangssignal des Stresssensors (1) vom Ausgangssignal des Hallelementes (12) subtrahiert.

4. Hallsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Hallelement (12) in einem Halbleiterchip (2) aus (100) Silizium eingebettet ist, wobei eine Linie, die zwei einander gegenüberliegende Stromkontakte verbindet, parallel zu der aktiven Oberfläche (3) unter einem Winkel von 45° oder -45° schräg zur <110> Kristallrichtung, verläuft, dass die Widerstände Rj und R4 des Stresssensors (1) parallel zur <110> Kristallrichtung verlaufen, und dass die Widerstände R2 und R3 des Stresssensors (1) senkrecht zur <110> Kristallrichtung verlaufen.