DE10154495A1 - Konzept zur Kompensation der Einflüsse externer Störgrößen auf physikalische Funktionsparameter von integrierten Schaltungen - Google Patents

Konzept zur Kompensation der Einflüsse externer Störgrößen auf physikalische Funktionsparameter von integrierten Schaltungen

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Abstract

Eine Schaltung (100) zum Erzeugen eines Ausgangssignals (116), das von einer physikalischen Nutzgröße (108) abhängt, umfaßt eine Einrichtung (106) zum Erfassen der physikalischen Nutzgröße (108), wobei die Einrichtung (106) zum Erfassen angeordnet ist, um ein Ausgangssignal (116) zu erzeugen, das von der physikalischen Nutzgröße (108), von einem Steuersignal (112) für die Einrichtung (106) zum Erfassen und bei einem unveränderten Steuersignal (112) von einer externen Steuergröße (118) abhängt. Die Schaltung umfaßt ferner eine Sensoreinrichtung (120) zum Erfassen der externen Störgröße und zum Liefern eines Sensorsignals (122), das von der externen Störgröße (118) abhängt, und eine Einrichtung (124) zum Verarbeiten des Sensorsignals (122), um das Steuersignal (112) abhängig von dem Sensorsignal (122) so zu beeinflussen, daß der Einfluß der externen Störgröße (118) auf das Ausgangssignal reduziert ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltungen, und insbesondere auf ein Systemkonzept zur Verringerung bzw. zur Kompensation von Einflüssen externer Störgrößen, wie z. B. von mechanischen Verspannungen in einem Halbleitermaterial, auf die physikalischen Funktionsparameter von integrierten Schaltungen.
  • Das Problem der Beeinflussung physikalischer Funktionsparameter von integrierten Schaltungen durch externe Störgrößen, wie z. B. durch mechanische Verspannungen in dem verwendeten Halbleitermaterial der integrierten Schaltungen, tritt im wesentlichen bei allen integrierten Halbleiterschaltungen auf, wobei dieses Problem insbesondere bei integrierten Sensoren störend auffällt, da diese einen physikalischen Funktionsparameter des jeweiligen Sensorelements verwenden, um damit eine zu erfassende physikalische Nutzgröße in eine elektrische Ausgangsgröße umzuwandeln. In der Praxis ist dieser physikalische Funktionsparameter der integrierten Schaltung insbesondere in Silizium-Technologie zumeist relativ stark durch mechanische Verspannungen in dem Halbleitermaterial beeinflußt.
  • Im Gegensatz zu integrierten Sensoren tritt bei anderen integrierten Schaltungen diese Problematik seltener auf, denn dort wird fast immer ein elektrisches Eingangssignal in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt, so daß nicht die absolute Größe der physikalischen Parameter der integrierten Schaltung für deren Funktion wesentlich ist, sondern nur relative Größenverhältnisse, vgl. paarweise Toleranz, Matching, einander zugeordneter Schaltungsteile relevant sind.
  • Integrierte Sensoranordnungen, wie z. B. Hallsonden einschließlich deren Ansteuer- und Auswerteelektronik (ASICs, ASIC = Application Specific IC = anwendungsspezifische integrierte Schaltung), werden zunehmend bei vielen Anwendungen, z. B. in der Automobilindustrie, als Stromzähler oder bei Lüftermotoren, in großen Stückzahlen eingesetzt. Seit einigen Jahren ist es auch in integrierter Schaltungstechnik möglich, mit dem Prinzip der Spinning-Current-Hallsonde ein störendes Offset-Signal einer Hallsonde durch eine zumeist zeitdiskrete Signalverarbeitung vom Nutzsignal der Hallsonde zu trennen.
  • Mit diesen integrierten Sensoranordnungen ergibt sich die Möglichkeit, sehr genaue Magnetfeldsensoren mit umfangreichen Zusatzfunktionen, z. B. mit der Möglichkeit der Programmierbarkeit und sogenannte "Smart Sensors", in bewährter CMOS- oder BiCMOS-Technologie mit Silizium als Halbleitergrundmaterial zuverlässig und kostengünstig in großen Stückzahlen zu fertigen. Insbesondere durch diese Kombination an Vorteilen kommen die ehemals bevorzugt verwendeten diskreten Hallsonden einschließlich deren Ansteuerschaltungen bestehend aus direkten Halbleitermaterialien, wie z. B. GaAs und InSb, immer seltener zum Einsatz. Direkte Halbleitermaterialien sind dabei solche Halbleiter, bei denen das Energiemaximum des Valenzbandes und das Energieminimum des Leitungsbandes bei identischen Kristallimpulsen vorliegen.
  • Dabei treten in zunehmendem Maße bestimmte Nachteile von indirekten Halbleitermaterialien, wie z. B. Silizium oder Germanium, zu Tage, wobei indirekte Halbleitermaterialien solche Halbleiter sind, bei denen das Energiemaximum des Valenzbandes und das Energieminimum des Leitungsbandes bei verschiedenen Kristallimpulsen vorliegen. Bei indirekten Halbleitermaterialien sind relativ häufig sogenannte Piezo-Effekte anzutreffen. Unter Piezo-Effekten werden in diesem Zusammenhang die Änderungen von elektrischen Parametern des Halbleitermaterials unter dem Einfluß einer mechanischen Verspannung in dem Halbleitermaterial bezeichnet. Insbesondere wird bei den Piezo-Effekten zwischen dem piezoresistiven Effekt und dem Piezo-Hall-Effekt in einem Halbleitermaterial unterschieden.
  • Der piezoresistive Effekt gibt an, wie sich der spezifische Ohmsche Widerstand ρ des jeweiligen Halbleitermaterials unter dem Einfluß eines mechanischen Spannungstensors verhält, wobei gilt:

    ρ = ρ0(1 + Σπi,jσi,j)
  • Der Piezo-Hall-Effekt beschreibt dagegen die Abhängigkeit der Hallkonstante vom mechanischen Spannungszustand in dem Halbleitermaterial, wobei gilt:

    Rh = Rh0(1 + ΣPi,jσi,j)
  • Dabei ist σi,j der mechanische Spannungstensor, πi,j sind die piezoresistiven Koeffizienten, Pi,j sind die Piezo-Hall- Koeffizienten, wobei sich die Summation über i = 1 . . . 3, und j = 1 . . . 3 erstreckt.
  • Beide Effekte sind beim Betrieb einer Sensoranordnung, wie z. B. einer integrierten Hallsonde einschließlich Ansteuer- und Auswerteelektronik, störend. Durch den Piezo-Hall-Effekt ändert sich beispielsweise die strombezogene Empfindlichkeit Si der Hallsonde, je nach dem wie dieser Funktionsparameter der Sensoranordnung aufgrund der Änderungen der mechanischen Eigenschaften des Sensorgehäuses beeinflußt wird, wobei für die die strombezogene Empfindlichkeit Si der Hallsonde folgende Beziehung gilt:


  • Dabei ist Uh die Hallspannung an der Ausgangsseite der Hallsonde, IH ist der Strom durch die Hallsonde, B ist die magnetische Flußdichte, t ist die effektive Dicke der aktiven Schicht der Hallsonde und G ist ein Geometriefaktor, der den Einfluß der Kontaktelektroden auf die Hallspannung beschreibt.
  • Darüber hinaus ändert sich infolge des piezoresistiven Effekts bei Anliegen mechanischer Verspannungen in dem Halbleitermaterial der Hallstrom durch die Hallsonde, da dieser beispielsweise nur über einen Widerstand definiert ist, an dem man eventuell in einer Regelschleife eine Spannung abfallen läßt. Eine Änderung des Hallstroms aufgrund einer Widerstandsänderung führt daher zu einer Änderung der Empfindlichkeit S der Hallsonde, da diese identisch mit dem Produkt aus strombezogener Empfindlichkeit Si mal Hallstrom IH ist:

    S = SiIH = Uh/B
  • Bei integrierten Sensorschaltungen, die in einem Gehäuse untergebracht sind, ist ferner zu beachten, daß die Vergußmasse des Gehäuses im allgemeinen einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Halbleitermaterial, wie z. B. der Silizium-Chip, aufweist, wodurch sich die beiden Komponenten ähnlich einem Bimetallstreifen bei verschiedenen Temperaturen gegeneinander verspannen können. Die dabei in dem Halbleitermaterial auftretenden Druck- und Schubspannungskomponenten können ohne weiteres eine Größenordnung von 100 MPa (1 Pa = 1 N/m2) aufweisen und können sogar zu einer mechanischen Beschädigung des Chips, d. h. zu Rissen an der Oberfläche des Chips oder auch zum Bruch des Chips, führen.
  • Bei der vorliegenden Erfindung ist das Hauptaugenmerk jedoch nicht auf mögliche Beschädigungen durch mechanische Verspannungen in dem Halbleitermaterial gerichtet, sondern im wesentlichen auf die Beeinflussung physikalischer Parameter des Halbleitermaterials durch diese mechanischen Verspannungen, die beispielsweise die elektrischen und magnetischen Charakteristika einer integrierten Sensoranordnung, wie z. B. einer Hallsensoranordnung, beeinflussen können.
  • Die mechanische Verspannung in dem Halbleitermaterial kann vergleichbar mit einer elastischen Formänderungsarbeit als eine Art Anregungsenergie angesehen werden, die zur Energiebilanz in dem Halbleitermaterial hinzugezählt werden muß. Insbesondere führt eine mechanische Verspannung in dem Halbleitermaterial zu einer Änderung der Bandstruktur des Halbleiters. Bei indirekten Halbleitermaterialien kommt es dabei zu einer Aufspaltung von Energieminima, die eigentlich im verspannungsfreien Fall identisch sind. Dies bewirkt als weitere Folge eine Umbesetzung dieser Energieminima mit freien Ladungsträgern, wobei ein überwiegender Anteil der Ladungsträger den energetisch günstigeren Zustand annehmen wird. Da die Krümmung der Bandkanten, d. h. die Kanten der Energiebänder der freien Ladungsträger im Halbleiterkristall, also die Leitungsbandkante für die freien Elektronen und die Valenzbandkante für die freien Löcher, in den unterschiedlichen Energieminima ebenfalls unterschiedlich ist, kann den Ladungsträgern in diesen Energieminima eine unterschiedliche effektive Masse zugeordnet werden, wodurch sich ihr Verhalten hinsichtlich des Ladungsträgertransports unterscheidet. Auf diese Weise bewirkt eine mechanische Verspannung in dem Halbleitermaterial, daß sich die Eigenschaften der Ladungsträger hinsichtlich des Ladungsträgertransports, wie z. B. Beweglichkeit, Kollisionszeit, Streufaktor, Hallkonstante, ändern.
  • Es ist bislang noch nicht gelungen, diese mechanischen Verspannungen über die gesamte Lebensdauer und den gesamten Temperaturbereich einer Sensoranordnung in einem definierten, vorgegebenen Bereich zu halten. Außerdem kommt erschwerend hinzu, daß Magnetfeldsensoren in besonders dünne Gehäusetypen vergossen werden, so daß man sie im jeweiligen Anwendungsfall in schmale Luftspalte einbauen kann, da gilt, je schmaler der Luftspalt gewählt ist, desto höher ist das Magnetfeld in diesem Spalt. Für derart dünne Gehäusetypen läßt sich außerdem aus Platzmangel kein Gel auf den die Sensoranordnung tragenden Halbleiter-Chip aufbringen, wie es ansonsten häufig verwendet wird, um den Halbleiterchip verspannungsarm zu vergießen. Bezüglich der piezoresistiven Effekte in Silizium wird beispielsweise auf die wissenschaftliche Veröffentlichung von Yozo Kanda "A graphical representation of the piezoresistive coefficients in silicon", in IEEE Trans. Electron Devices, Bd. ED-29, S. 64-70, Jan. 1982 verwiesen. In Verbindung mit integrierten Hallsonden gibt es auch einige Untersuchungen, die zeigen, daß ein Großteil des Offset-Signals dieser Hallsensoren durch den piezoresistiven Effekt erklärt werden kann, siehe dazu die Patentschriften US-5,614,754 "Hall device", Aug. 2, 1994 von Kazuhiko Inoue und US-4,025,941 "Hall element", Aprl. 8, 1975 von Yozo Kanda et. al.
  • Es gibt außerdem umfangreiche Untersuchungen zur Richtungsabhängigkeit des piezoresistiven Effekts in n- und p-dotiertem Silizium sowohl für leichte Dotierungen unter 1017 cm-3 als auch für starke Dotierungen bis 1023 cm-3, siehe dazu "Piezoresistance effect in germanium and silicon", Physical Rev., Bd. 94, S. 42-49, 1954, und "Piezoresisitive Properties of Heavily Doped n-Type Silicon", von O. N. Tufte und E. L. Stelzer, Physical Rev., Bd. 133, Nr. 6A, S. A1705-1716, 16 März 1964. Dazu gibt es auch eine gut ausgearbeitete Theorie, die die experimentell erhaltenen Meßergebnisse quantitativ auf Basis der Bandstruktur der Halbleiter untermauert, siehe "Transport and deformation-potential theory for many-valley semiconductors with anisotropic scattering", von C. Herring und E. Vogt, Physical Rev., Bd. 101, S. 944-961, 1956. Bezüglich Untersuchungen und theoretischer Erklärungen des Piezo- Hall-Effekts in n-dotiertem Silizium wird auf die wissenschaftliche Veröffentlichung "Piezo-Hall coefficients of n- type silicon", von B. Hälg, J. Appl. Phys., 64 (1), S. 276-282, 1 Juli 1988 verwiesen.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Konzept zur Kompensation von störenden Einflüssen auf physikalische Parameter von integrierten Schaltungen zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung zum Erzeugen eines Ausgangssignals gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Ausgangssignals gemäß Anspruch 14 gelöst.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Beeinflussung eines Ausgangssignals einer integrierten Schaltung durch eine Störgröße, wie z. B. durch eine mechanische Verspannung in dem Halbleitermaterial der integrierten Schaltung, vermindert bzw. kompensiert werden kann, indem eine Kompensationsschaltung, wie z. B. eine Regelschleife, aufgebaut wird, die die wesentlichen Komponenten des auf das Halbleitermaterial einwirkenden Spannungstensors in einem On- Chip-Streß-Sensor in ein Signal umwandelt, das elektrischer, elektronischer, thermischer, mechanischer, usw. Natur sein kann, wobei dieses Signal nun verwendet wird, um die integrierte Schaltung, z. B. eine Sensoranordnung, derart anzusteuern, daß das Ausgangssignal der integrierten Schaltung gezielt beeinflußt wird, so daß der Einfluß der externen Störgröße, wie z. B. der mechanischen Verspannung in dem Halbleitermaterial, auf das Ausgangssignal der integrierten Schaltung wesentlich vermindert bzw. vollständig kompensiert werden kann.
  • Es sollte im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung beachtet werden, daß das erfindungsgemäße Konzept im allgemeinsten Sinn auf jegliche elektronischen Schaltungen bzw. auf die Kompensation der Beeinflussung eines Funktionsparameters einer elektronischen Schaltung durch eine externe Störgröße anwendbar ist. Der Funktionsparameter der integrierten Schaltung wandelt dabei eine anliegende physikalische Nutzgröße in ein Ausgangssignal der elektronischen Schaltung um, wobei im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung die physikalische Nutzgröße ein elektrisches, elektronisches, optisches, mechanisches, thermisches usw. Signal sein kann, das beispielsweise eine von der elektronischen Schaltung zu erfassende physikalische Größe, wie z. B. ein Magnetfeld, darstellt. Wichtig ist bei der vorliegenden Erfindung nur, daß zumindest ein Ausgangssignal der elektronischen Schaltung von dem Funktionsparameter, der durch die externe Störgröße beeinflußt wird, abhängt.
  • Zur besseren Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung bietet es sich an, das erfindungsgemäße Konzept zur Kompensation der Einflüsse externer Störgrößen auf physikalische Funktionsparameter von integrierten Schaltungen beispielhaft anhand von integrierten Sensorschaltungen, wie z. B. Hall- Sensoren, zu erläutern, deren Funktionsparameter, d. h. deren Empfindlichkeit S, durch eine externe Störgröße, wie z. B. mechanische Verspannungen in dem verwendeten Halbleitermaterial, beeinflußt wird, wobei es offensichtlich sein sollte, daß die vorliegende Erfindung nicht nur auf Hallsensoren beschränkt ist, sondern im wesentlichen auf jegliche elektronischen Halbleiterschaltungen anwendbar ist.
  • Wenn eine mechanische Verspannung in dem Halbleitermaterial auf ein Ausgangssignal einer integrierten Schaltung Einfluß nimmt, so muß zuallererst diese mechanische Verspannung in dem Halbleitermaterial meßtechnisch erfaßt werden. Da die mechanischen Verspannungen an der integrierten Schaltung in dem Halbleitermaterial im allgemeinen schlecht reproduzierbar sind, weil diese von der Kombination der verwendeten Materialien und den Verarbeitungsparametern, wie z. B. Aushärtetemperatur und Aushärtezeit der Verbundmasse des Gehäuses der integrierten Schaltung, abhängt, kann eine einmalige Charakterisierung aller beteiligter Parameter im Labor üblicherweise nicht zum gewünschten Ziel führen. Statt dessen muß die mechanische Verspannung in dem Halbleitermaterial bei jeder integrierten Schaltung individuell und andauernd während des Betriebs gemessen werden. Daher benötigt das erfindungsgemäße System zur Kompensation von Einflüssen mechanischer Verspannungen auf die physikalischen Parameter bei integrierten Schaltungen einen On-Chip-Verspannungssensor, wobei unter einer mechanischen Verspannung bzw. unter mechanischem Streß in diesem Zusammenhang rein mechanische Verspannungen verstanden werden, wie sie durch einen mechanischen Spannungstensor beschrieben werden.
  • Der Verspannungszustand in einem Halbleitermaterial ist im allgemeinen sehr komplex darzustellen, da es für den mechanischen Spannungstensor allein sechs unabhängige Komponenten gibt. Für den ebenen Spannungszustand, wie er auf die Oberfläche einer integrierten Schaltung einwirkt, kann man die Anzahl der interessierenden Komponenten des Spannungstensors auf drei reduzieren, d. h. auf zwei Normalspannungskomponenten und eine Schubspannungskomponente. Es zeigt sich außerdem, daß diese Komponenten unter den gegebenen Randbedingungen nicht unabhängig sind. Aus numerischen Berechnungen und experimentellen Daten zeigt sich ferner, daß zwar die absolute Größe der Tensorkomponenten unter Umständen großen Streuungen unterliegt, jedoch ihr Verhältnis zueinander wesentlich besser korreliert ist.
  • Der Verspannungszustand auf der Oberfläche der integrierten Schaltung ist dabei vom Aufpunkt abhängig, d. h. er variiert mit der Position auf dem Halbleitermaterial. Will man daher den mechanischen Spannungstensor an einem kritischen Bauelement an dem Halbleiterchip mit einem Verspannungssensor messen, so besteht die Schwierigkeit, daß man den Tensor eigentlich nur einem zweiten Ort messen kann, d. h. an einem von der integrierten Schaltung unterschiedlichen Ort. Das erfindungsgemäße Kompensationskonzept trägt diesem Sachverhalt dadurch Rechnung, daß es von zwei verschiedenen Verspannungen (σi,j und σ'i,j) an diesen beiden verschiedenen Orten ausgeht und lediglich einen vorwiegend determinierten Zusammenhang zwischen beiden voraussetzt. Dabei stellt σi,j die mechanische Verspannung am Ort des ersten Schaltungsteils dar, die einen/den Funktionsparameter des ersten Schaltungsteils beeinflußt, während σ'i,j die mechanische Verspannung am Ort des zweiten Schaltungsteils darstellt, an dem der mechanische Verspannungszustand in dem Halbleitermaterial erfaßt wird.
  • Zu dem vorwiegend determinierten Zusammenhang ist zu bemerken, daß es in der Technik natürlich immer eine stochastische Komponente bei allen physikalischen Zusammenhängen gibt. Diese Komponente muß zur Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Kompensationskonzeptes nur hinreichend gering sein. Wenn beispielsweise der statistische Anteil 50% beträgt, so wird bei einer ansonsten idealen Kompensation nur etwa die Hälfte des Gesamteffekts, d. h. des Einflusses mechanischer Verspannungen in dem Halbleitermaterial auf das Ausgangssignal, eliminiert werden können.
  • Die Ursache statistischer Fluktuationen im mechanischen Spannungszustand an der Oberfläche des integrierten Schaltungschips ist vorwiegend durch die granulare Struktur der Vergußmasse des Gehäuses gegeben. Dies ergibt sich dadurch, daß man dem Kunststoffmaterial der Vergußmasse des Gehäuses eines Halbleiterchips einen möglichst großen Prozentsatz Quarzsand beigibt, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Vergußmasse an den von Silizium anzugleichen, wenn Silizium als Halbleitermaterial verwendet wird. Die einzelnen Quarzkörner können dann auf die Halbleiteroberfläche drücken und dort lokale Fluktuationen des Verspannungszustands hervorrufen. Durch geeignete Passivierungsschichten und Polyimid-Schichten auf der Halbleiteroberfläche können diese Effekte reduziert werden.
  • Um den Einfluß von mechanischen Verspannungen auf einen Funktionsparameter der integrierten Schaltung entgegenzuwirken, wird ein zur mechanischen Verspannung proportionales Signal verwendet, das als ein Eingangs- bzw. Ansteuersignal in die integrierte Schaltung eingespeist wird, und das in einer Kompensationsschaltung aktiv gegen den Einfluß der mechanischen Verspannung geregelt wird. Die detaillierte Ausführung dieser aktiven Regelung zur Kompensation der Einflüsse externer Störgrößen auf den Funktionsparameter einer elektronischen Schaltung wird hier nur exemplarisch angedeutet, da es eine Vielzahl von Möglichkeiten dafür gibt und auch eine Vielzahl von Angriffspunkten für diese Regelung zur Kompensation.
  • Handelt es sich beispielsweise um einen integrierten Hallsensor, dessen Empfindlichkeit bei mechanischen Verspannungen steigt, so ließe sich der Strom durch die Hallsonde in gleichem Maße zurückregeln, wie die Empfindlichkeit steigt, so daß die Gesamtempfindlichkeit aus Produkt von Sondenempfindlichkeit und Sondenstrom konstant bleibt. In diesem Fall steuert das Verspannungssignal des On-Chip- Verspannungssensors jene Schaltung an, die den Strom durch die Hallsonde erzeugt.
  • Es ist jedoch auch denkbar, daß beispielsweise jener Verstärker, der das Ausgangssignal der Hallsonde verstärkt in Abhängigkeit des Verspannungssignals des On-Chip- Verspannungssensors seinen Verstärkungsfaktor variiert (VGA- Verstärker, VGA = variable gain amplifier = Verstärker mit variabler Verstärkung), wobei der VGA-Verstärker seine Verstärkung in dem Maße reduziert, wie die Sondenempfindlichkeit durch mechanische Verspannungen steigt, so daß das Produkt beider wiederum konstant bleibt. Als weiterer Fall ist ein magnetischer Schaltsensor denkbar, der bei Überschreiten eines gewissen Magnetfeldes ein Ausgangssignal einschalten soll. Unter der Annahme, daß durch mechanische Verspannungen die Empfindlichkeit der Hallsonde auf dem integrierten Schaltungschip zunimmt, würde sein Ausgangssignal bereits bei kleineren Magnetfeldern eingeschaltet werden. Anstelle der oben genannten Eingreifmechanismen zur Kompensation des Verspannungseffektes könnte man dieses Vergleichssignal, das von der Hallsonde ausgegeben werden muß, verspannungsabhängig variieren, um den Ausgang umzuschalten. In diesem Fall steuert das Verspannungssignal des On-Chip-Verspannungssensors jene Schaltung an, die dieses Vergleichssignal erzeugt, wobei dieses Vergleichssignal zumeist eine Referenzspannung eines Komparators ist.
  • Im vorhergehenden wurden nur drei einfache Ausführungsformen angesprochen, die verdeutlichen sollen, daß praktisch jeder Schaltungsblock, der die Hallsonde ansteuert oder von ihr angesteuert wird, dazu verwendet werden kann, die Kompensationsregelschleife zu schließen. An dieser Stelle ändert also ein Eingangssignal, das zugleich das Ausgangssignal des On- Chip-Verspannungssensors ist, einen Funktionsparameter des betreffenden Schaltungsblocks, um gerade dem Einfluß auf das Ausgangssignal durch die mechanische Verspannung entgegenzusteuern und diesen Einfluß damit zu kompensieren.
  • Da die beteiligten Übertragungsfunktionen in der Kompensationsregelschleife im allgemeinen nicht oder nicht genau genug bekannt sind, muß zumeist ein Abgleich erfolgen. Dabei ist es entsprechend der vorliegenden Erfindung jedoch nicht erforderlich, daß man zu diesem Abgleich den absoluten Wert der verschiedenen Tensorkomponenten der mechanischen Verspannung ermitteln muß. Statt dessen ist es ausreichend, zwei Zustände mit unterschiedlicher, unbekannter mechanischer Verspannung zu vergleichen, wobei dies beispielsweise bei der Herstellung der integrierten Halbleiterschaltung auf Waferebene und nach der Vereinzelung der integrierten Schaltung und Unterbringung in einem Gehäuse durchgeführt wird. Falls nun im wesentlichen identische Randbedingungen bei dem Test auf Waferebene und dem Test nach der Unterbringung in einem Gehäuse vorliegen, kann die Änderung des Funktionsparameters der elektronischen Schaltung allein auf die Unterbringung des Chips in einem Gehäuse zurückgeführt und diese Änderung wirksam kompensiert werden, indem die Übertragungsfunktion der Kompensationsregelschleife so abgeglichen wird, daß bei ansonsten gleichen Bedingungen für beide mechanischen Verspannungsfälle identische Ausgangssignale auftreten.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine integrierte Schaltung zum Erzeugen eines gegenüber Störgrößen unabhängigen Ausgangssignals gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2 eine integrierte Schaltung zum Erzeugen eines gegenüber Störgrößen unabhängigen Ausgangssignals gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • Fig. 3 eine integrierte Hallsensoranordnung zum Erzeugen eines gegenüber mechanischen Verspannungen in dem Halbleitermaterial unabhängigen Ausgangssignals der Hallsensoranordnung gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Im folgenden wird nun anhand von Fig. 1 der allgemeine Aufbau einer integrierten Schaltung zum Erzeugen eines gegenüber externen Störeinflüssen unabhängigen Ausgangssignals, das von einer physikalischen Nutzgröße der integrierten Schaltung abhängt, detailliert erläutert.
  • Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, weist die erfindungsgemäße integrierte Schaltung 100 einen ersten Schaltungsteil 102 und einen zweiten Schaltungsteil 104 auf. Der erste Schaltungsteil 102 umfaßt eine Einrichtung 106 zum Erfassen einer physikalischen Nutzgröße 108 mittels eines Funktionsparameters der Einrichtung 106 zum Erfassen, wobei die physikalische Nutzgröße 108 im Fall eines Hall-Sensorelements beispielsweise ein zu erfassendes Magnetfeld B ist.
  • Im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung ist der Begriff "physikalische Nutzgröße" jedoch sehr allgemein aufzufassen, da die physikalische Nutzgröße ein elektrisches, elektronisches, optisches, mechanisches, thermisches usw. Signal sein kann, das beispielsweise eine von der elektronischen Schaltung zu erfassende bzw. zu verarbeitende physikalische Größe darstellt.
  • Der erste Schaltungsteil 102 der integrierten Schaltung 100 umfaßt ferner einen Eingang 110 zum Aufnehmen eines Steuersignals 112 (Ssens) und einen Ausgang 114 zum Ausgeben eines Ausgangssignals 116 (Sout). Das Ausgangssignal 116 ist dabei von der physikalischen Nutzgröße 108, von dem Steuersignal 112 und bei unverändertem Steuersignal 112 von einer externen Störgröße 118 abhängig. Die Nutzgröße 108 geht über den Funktionsparameter des ersten Schaltungsteils 102, d. h. der Einrichtung 106 zum Erfassen einer physikalischen Nutzgröße, in das Ausgangssignal des ersten Schaltungsteils 102 ein, wobei der Funktionsparameter durch die Störgröße 118 (σi,j) am Ort des ersten Schaltungsteils 102 beeinflußt wird.
  • Der zweite Schaltungsteil 104 der integrierten Schaltung 100 umfaßt eine Sensoreinrichtung 120 zum Erfassen einer externen Störgröße 118' (σ'i,j) am Ort des zweiten Schaltungsteils 104 und zum Bereitstellen eines Sensorsignals 122, das von der erfaßten externen Störgröße 118' abhängt. Der zweite Schaltungsteil 104 umfaßt ferner eine Einrichtung 124 zum Verarbeiten des Sensorsignals 122, um abhängig von dem Sensorsignal 122 das Steuersignal 112 zu erzeugen, das dem Eingang 110 des ersten Schaltungsteils 102 bereitgestellt wird, um den Einfluß der externen Störgröße 118 am Ort des ersten Schaltungsteils 102 über die Messung der externen Störgröße 118' am Ort des zweiten Schaltungsteils 104 auf das Ausgangssignal 116 der integrierten Schaltung 100 zu reduzieren. Es ist zu beachten, daß die Erfassungseinrichtung 120 und die Verarbeitungseinrichtung 124 auch als eine gemeinsame Schaltungskomponente ausgeführt sein können. Das Steuersignal 112 der Einrichtung 124 wird an einem Ausgang 128 des zweiten Schaltungsteils 104 bereitgestellt, wobei der Ausgang 128 des zweiten Schaltungsteils 104 mit dem Eingang 110 des ersten Schaltungsteils 102 verbunden ist, um das von der Verarbeitungseinrichtung 124 erzeugte Steuersignal 112 dem ersten Schaltungsteil 102 zur Kompensation zuführen zu können.
  • Die integrierte Schaltung 100 ist üblicherweise auf einem Halbleitersubstrat angeordnet, wobei die externe Störgröße 118 beispielsweise eine mechanische Verspannung in dem Halbleitersubstrat ist, die das Ausgangssignal 116 der integrierten Schaltung 100 beeinflußt. Die Sensoreinrichtung 120 zum Erfassen der externen Störgröße 118' ist beispielsweise ein Verspannungssensor zum Erfassen zumindest einer Komponente der mechanischen Verspannung in dem Halbleitersubstrat. Im allgemeinen sind der erste Schaltungsteil 102 und der zweite Schaltungsteil 104 der integrierten Schaltung 100 so auf dem Halbleitersubstrat angeordnet, daß die externe Störgröße 118, wie z. B. eine mechanische Verspannung in dem Halbleitermaterial, die auf den ersten Schaltungsteil 102 einwirkt und das Ausgangssignal 116 der integrierten Schaltung 100 beeinflußt, in einem im wesentlichen determinierten Zusammenhang mit der erfaßten externen Störgröße 118' steht, die von der Sensoreinrichtung 120 in dem zweiten Schaltungsteil 104 erfaßt wird.
  • Dieser im wesentlichen determinierte Zusammenhang zwischen der externen Störgröße 118, z. B. einer mechanischen Verspannung im Bereich des ersten Schaltungsteils 102, und der erfaßten externen Störgröße 118', z. B. einer mechanischen Verspannung im Bereich des zweiten Schaltungsteils 104, wird von der Einrichtung 124 zum Verarbeiten des Sensorsignals 122 verarbeitungstechnisch berücksichtigt, um das Steuersignal 112 abhängig von dem Sensorsignal 122 so zu beeinflussen, daß der Einfluß der externen Störgröße 118 auf das Ausgangssignal 116 der integrierten Schaltung kompensiert bzw. zumindest reduziert ist.
  • Um den Zusammenhang zwischen der externen Störgröße 118', die auf die Sensoreinrichtung 120 in dem zweiten Schaltungsteil 104 einwirkt, und der externen Störgrößen 118, die auf die Einrichtung 106 zum Erfassen einer physikalischen Nutzgröße 108 in dem ersten Schaltungsteil 102 und damit auf das Ausgangssignal 116 der integrierten Schaltung 100 einwirkt, in einem möglichst determinierten Zusammenhang zu halten, sind in der Praxis die Sensoreinrichtung 120 und die Erfassungseinrichtung 106 üblicherweise verschachtelt oder unmittelbar benachbart zueinander auf dem Halbleitersubstrat angeordnet.
  • Im folgenden wird nun detailliert die Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten integrierten Schaltung 100 zum Erzeugen eines Ausgangssignals 116, das von einer physikalischen Nutzgröße 108 abhängt, erläutert.
  • Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht die integrierte Schaltung 100 aus zwei Schaltungsteilen 102, 104. Der erste Schaltungsteil 102 erzeugt ein Ausgangssignal 116, das von zumindest einem Funktionsparameter dieses ersten Schaltungsteils 102 abhängt, der wiederum durch eine externe Störgröße 118, wie z. B. durch den Einfluß des mechanischen Spannungszustands 118 (σi,j) auf den ersten Schaltungsteil 102, beeinflußt wird. Dieser mechanische Verspannungszustand 118 wird nun über den zweiten Schaltungsteil 104 erfaßt und auf ein Steuersignal 112 abgebildet, das als das Eingangssignal 112 in den Kern, d. h. in die Erfassungseinrichtung 106, des ersten Schaltungsteils 102 dient und dort dem Einfluß der mechanischen Verspannung auf den Funktionsparameter des ersten Schaltungsteils 102 entgegenwirkt, so daß insgesamt der störende Einfluß der externen Störgröße, d. h. der mechanischen Verspannung 118 (σi,j), auf das Ausgangssignal 116 der Erfassungseinrichtung 106 reduziert bzw. weitestgehend eliminiert wird.
  • Der Kern 106 des ersten Schaltungsteil 102 ist dabei eine elektronische Schaltung im allgemeinsten Sinn. Es kann dies z. B. ein Smart-Sensor sein oder auch eine signalverarbeitende Schaltung. Insbesondere hat dieser Schaltungskern 106 des ersten Schaltungsteils 102 unter Umständen noch andere Eingangssignale und Ausgangssignale. Wichtig ist im vorliegenden Fall nur, daß zumindest ein Ausgangssignal von einem Funktionsparameter beeinflußt wird. Wenn beispielsweise der Kern des ersten Schaltungsteils 106 ein integrierter Hallsensor samt Auswerteelektronik ist, so ist z. B. die strombezogene magnetische Empfindlichkeit Si der Hallsonde als Funktionsparameter anzusehen, der infolge des Piezo-Hall-Effekts abhängig vom Grad der mechanischen Verspannung des Halbleitermaterials beeinflußt wird.
  • Als Sensor 120 zur Erfassung der mechanischen Verspannung 118 des Halbleitermaterials könnte man beispielsweise einen integrierten Widerstand verwenden, der infolge des piezoresistiven Effekts vom mechanischen Verspannungszustand in dem Halbleitermaterial beeinflußt wird. Als Einrichtung 124 zum Verarbeiten des Sensorsignals 122, die hier als Kompensationsschaltung wirksam ist, könnte man außerdem eine Stromquelle ansehen, die mittels des zuvor genannten integrierten Widerstands einen Ansteuerstrom definiert und in die Hallsonde 106 einprägt, der in dem Maße verändert wird, indem sich die strombezogene Empfindlichkeit Si der Hallsonde verändert, so daß das Ausgangssignal der Hallsonde vom mechanischen Spannungszustand 118 in dem Halbleitermaterial unbeeinflußt bleibt.
  • Es sollte bei der vorliegenden Erfindung beachtet werden, daß absichtlich nur Signale in einem allgemeinen Sinn beschrieben werden. Diese Signale müssen keine elektrischen bzw. elektronischen Signale sein, sie könnten beispielsweise zum Teil auch thermisch oder mechanisch sein. Falls diese Signale jedoch elektrisch sind, kann es sich dabei sowohl um Spannungen als auch um Ströme handeln. In einem abstrakteren Sinn kann es sich bei den Signalen auch um reine Informationen, z. B. in Form von Bit-Strömen, handeln.
  • Die Unterscheidung zwischen den mechanischen Verspannungszuständen 118, 118' (σi,j, σ'i,j) in dem Bereich des ersten bzw. zweiten Schaltungsteils 102, 104 in dem Halbleitermaterial hat folgenden Sinn. Da die mechanischen Verspannungen im allgemeinen nicht homogen über das Halbleitersubstrat verteilt sind, muß man davon ausgehen, daß sich die mechanische Verspannung 118, die den ersten Schaltungsteil 102 beeinflußt, von der mechanischen Verspannung 118', die von dem zweiten Schaltungsteil 104 erfaßt wird, unterscheidet. Im mathematisch strengen Sinn ist dieser Zusammenhang praktisch immer gültig. In der Praxis läßt sich durch geeignete Layout- Maßnahmen hinreichend genau erzielen, daß der mechanische Verspannungszustand 118 (σi,j) der auf den ersten Schaltungsteil 102 einwirkt, und die mechanische Verspannungskomponente 118' (σ'i,j), die auf den zweiten Schaltungsteil 104 einwirkt, übereinstimmen, indem man beispielsweise den ersten und zweiten Schaltungsteil 102, 104 ineinander verschachtelt bzw. eng aneinander angrenzend anordnet. Auch wenn der erste und der zweite Schaltungsteil 102, 104 an unterschiedlichen Orten auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind, kann man von einer vorwiegend determinierten Abhängigkeit bzw. einem vorwiegend determinierten Zusammenhang zwischen den mechanischen Verspannungen 118, 118' an beiden Orten ausgehen. Somit kann eine Kompensationsregelschleife zur Kompensation der Beeinflussung des Funktionsparameters und damit des Ausgangssignals der integrierten Schaltung 100 wirksam greifen, die aus "dem Funktionsparameter der Verarbeitungseinrichtung 106 - den mechanischen Verspannungen in dem Halbleitermaterial 118, 118' (σi,j, σ'i,j) - der Sensoreinrichtung 120 - der Verarbeitungseinrichtung 124" besteht.
  • Der deterministischen Kopplung zwischen den mechanischen Verspannungen 118, 118' (σi,j und σ'i,j), d. h. zwischen den tatsächlich auf den Funktionsparameter des ersten Schaltungsteils 102 wirkenden mechanischen Verspannungen 118 und den in dem zweiten Schaltungsteil erfaßten mechanischen Verspannungen 118', ist auch immer eine stochastische Komponente überlagert, wobei man sich z. B. vorstellen kann, daß Quarzkörner, die in die Vergußmasse eines Gehäuses für die integrierte Schaltung eingebettet sind, an beliebige Stellen der Oberfläche der integrierten Schaltung drücken und damit eine lokale Erhöhung der mechanischen Verspannung verursachen. Selbst in diesem Fall kann man aber durch hinreichend große Sensoren in dem zweiten Schaltungsteil 104 zur Erfassung der mechanischen Verspannung in dem Halbleitermaterial und durch eine hinreichend große verspannungsempfindliche Erfassungseinrichtung 106 im ersten Schaltungsteil 102, deren Funktionsparameter beeinflußt wird, eine beliebig gute Mittelwertbildung vornehmen und somit einen quasi-determinierten Zusammenhang zwischen den tatsächlich auf den Funktionsparameter des ersten Schaltungsteils 102 wirkenden mechanischen Verspannungen 118 und den in dem zweiten Schaltungsteil erfaßten mechanischen Verspannungen 118' herstellen.
  • Im folgenden wird nun anhand von Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer integrierten Schaltung 150 zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das von einer physikalischen Nutzgröße abhängt, detailliert erläutert.
  • Den Schaltungselementen der in Fig. 2 dargestellten integrierten Schaltung 150, die mit den Schaltungsteilen der in Fig. 1 dargestellten integrierten Schaltung 100 übereinstimmen, sind im folgenden die gleichen Bezugszeichen zugewiesen und werden nicht nochmals detailliert erörtert.
  • Die in Fig. 2 dargestellte integrierte Schaltung 150 weist wie die bereits anhand von Fig. 1 erläuterte integrierte Schaltung 100 zwei Schaltungsteile 102, 104 auf. Der erste Schaltungsteil 102 umfaßt eine Einrichtung 106 zum Erfassen einer physikalischen Nutzgröße 108, die beispielsweise im Fall eines Hall-Sensorelements das zu erfassende Magnetfeld ist.
  • Der erste Schaltungsteil 102 der integrierten Schaltung 150 umfaßt ferner einen Eingang 110 zum Aufnehmen eines Steuersignals 112 und einen Ausgang 114 zum Ausgeben eines Ausgangssignals 116 (Sout). Das Ausgangssignal 116 ist dabei von der physikalischen Nutzgröße 108, von dem Steuersignal 112 und bei unverändertem Steuersignal 112 von einer externen Störgröße 118 abhängig. Die Nutzgröße geht über den Funktionsparameter des ersten Schaltungsteils 102 in das Ausgangssignal des ersten Schaltungsteils 102 ein, wobei der Funktionsparameter durch die Störgröße 118 (σi,j) am Ort des ersten Schaltungsteils 102 beeinflußt wird.
  • Der zweite Schaltungsteil 104 der integrierten Schaltung 150 umfaßt eine Sensoreinrichtung 120 zum Erfassen einer externen Störgröße 118', die in einem im wesentlichen determinierten Zusammenhang mit der auf den ersten Schaltungsteil wirkenden mechanischen Verspannung 118 steht, und zum Bereitstellen eines Sensorsignals 122, das von der erfaßten externen Störgröße 118' abhängt. Der zweite Schaltungsteil 104 umfaßt ferner eine Einrichtung 124 zum Verarbeiten des Sensorsignals 122, um das Steuersignal 112 (Ssens) abhängig von dem Sensorsignal 122 so zu beeinflussen, daß der Einfluß der externen Störgröße 118 auf das Ausgangssignal 116 der integrierten Schaltung 150 reduziert bzw. kompensiert ist. Das Steuersignal 112 der Einrichtung 124 wird an einem Ausgang 128 des zweiten Schaltungsteils 104 bereitgestellt, wobei der Ausgang 128 des zweiten Schaltungsteils 104 mit dem Eingang 110 des ersten Schaltungsteils 102 verbunden ist.
  • Die integrierte Schaltung 150 ist üblicherweise auf einem Halbleitersubstrat angeordnet, wobei die externen Störgrößen 118, 118' beispielsweise mechanische Verspannungen in dem Halbleitersubstrat sind, die das Ausgangssignal 116 der integrierten Schaltung 150 beeinflussen. Die Sensoreinrichtung 120 zum Erfassen der externen Störgröße 118 ist beispielsweise ein Verspannungssensor zum Erfassen zumindest einer Komponente der mechanischen Verspannung in dem Halbleitersubstrat. Im allgemeinen sind der erste Schaltungsteil 102 und der zweite Schaltungsteil 104 der integrierten Schaltung 150 so auf dem Halbleitersubstrat angeordnet, daß die externe Störgröße 118, wie z. B. eine mechanische Verspannung in dem Halbleitermaterial, die das Ausgangssignal 116 der integrierten Schaltung 150 beeinflußt, in einem im wesentlichen bekannten und determinierten Zusammenhang mit der externen Störgröße 118' steht, die von der Sensoreinrichtung 120 erfaßt wird.
  • Zusätzlich weist die in Fig. 2 dargestellte integrierte Schaltung 150 gegenüber der in Fig. 1 dargestellten integrierten Schaltung 100 ferner einen Speicher 152, z. B. einen Permanentspeicher, auf. Die integrierte Schaltung 150 weist darüber hinaus in dem zweiten Schaltungsteil 104 eine Kompensationseinrichtung 154 auf.
  • Wenn die integrierte Schaltung 150 in einem Gehäuse untergebracht ist, werden in dem Speicher 152 Informationen gespeichert, die die Beeinflussung der externen Störgröße 118 aufgrund der Unterbringung der integrierten Schaltung 150 in einem Gehäuse wiedergeben. Die Kompensationseinrichtung 154 ist vorgesehen, um abhängig von dem in dem Speicher 152 gespeicherten Informationen das Steuersignal 112 zu beeinflussen, um den Einfluß der externen Störgröße 118 auf das Ausgangssignal 116 aufgrund der Unterbringung der integrierten Schaltung 150 in einem Gehäuse zu kompensieren. Es ist dabei auch möglich, daß die Kompensationseinrichtung 154 der Sensoreinrichtung 120 bzw. das Sensorsignal 122 der Sensoreinrichtung 120 beeinflußt.
  • Im folgenden wird nun die genaue Funktionsweise der in Fig. 2 dargestellten integrierten Schaltung 150 detailliert erläutert.
  • Um eine möglichst vollständige Kompensation der Beeinflussung des/der Funktionsparameter(s) der Erfassungseinrichtung 106durch eine mechanische Verspannung 118 (σi,j) einzustellen, müssen alle Übertragungsfunktionen der Kompensationsregelschleife bekannt sein, die aus "dem Funktionsparameter der Einrichtung 106 zum Erfassen einer physikalischen Nutzgröße - der mechanischen Verspannung 118 (σi,j), die auf die Einrichtung 106 wirkt - der mechanisch thermischen Kopplung zwischen der auf die Einrichtung 106 wirkenden mechanischen Verspannung 118 (σi,j) und der von der Erfassungseinrichtung 120 erfaßten mechanischen Verspannung 118' (σ'i,j) - der mechanischen Verspannung 118 (σ'i,j), die von der Einrichtung 120 zum erfassen einer externen Störgröße erfaßt wird - dem Verspannungssensor 120 - der Verarbeitungseinrichtung 124 - der Kompensationsschaltung 154" besteht.
  • Dies ist im Einzelfall unter Umständen jedoch nur sehr kompliziert erreichbar, da es sich um ein kombiniertes elektronisch-mechanisch-thermisches Problem handelt, wobei ein Teil der Regelschleife, d. h. der Spannungstensor σi,j und die Kopplung zwischen der externen Störgröße 118, die auf die Sensoreinrichtung 120 in dem zweiten Schaltungsteil 104 einwirkt, und der externen Störgröße 118, die auf die Einrichtung 106 zum Erfassen einer physikalischen Nutzgröße 108 in dem ersten Schaltungsteil 102 einwirkt, rein mechanischer Natur ist. Die mechanisch thermischen Eigenschaften sind dabei vom Gehäusetyp, von den verwendeten Materialien, wie z. B. der Anschlußleitungsrahmenlegierung (leadframe-Legierung), dem Kleber zur Chipbefestigung, der chemischen Zusammensetzung der Vergußmasse, sowie dem Anteil der Quarz-Füllstoffe, und von der Verarbeitungsprozedur, d. h. der Aushärtetemperatur und den Aushärtezeiten der Vergußmassen und Kleber, abhängig. Bisweilen ändern sich diese Parameter je nach dem verwendeten Equipment in der Fertigungslinie, ohne daß dabei mit dem Schaltungsentwickler Rücksprache gehalten wird, da die Rückwirkung von mechanisch thermischen Eigenschaften auf das Analog-Verhalten von Schaltungen weder offensichtlich noch hinreichend bekannt ist. Daher ist zumeist ein Abgleich der Kompensationsregelschleife auch bei geringfügigen Änderungen bei den Fertigungsschritten notwendig.
  • Für den Abgleich wird entsprechend der vorliegenden Erfindung folgende Vorgehensweise bevorzugt. Die integrierte Schaltung 150 wird zuerst auf Waferebene (Scheibenebene) vermessen, wobei diese Messung im folgenden als Wafertest bezeichnet wird. Anschließend wird der Wafer vereinzelt und die integrierte Schaltung 150 wird im Gehäuse montiert wird. Daraufhin wird die integrierte Schaltung 150 nochmals im Gehäuse vermessen, wobei diese Messung im folgenden als Endtest bezeichnet wird. Beim Wafertest wird dazu ein Testpunkt eingestellt, bei dem die integrierte Schaltung 150 in einen definierten Zustand, der im folgenden als Zustand Z bezeichnet wird, gebracht wird, wobei z. B. interne Register geladen werden, eine definierte Versorgungsspannung angelegt wird, eine definierte Temperatur aufgebracht wird, und eventuell weitere physikalisch relevante Größen entsprechend eingeprägt werden. Falls die integrierte Schaltung 150 ein Magnetfeldsensor ist, so wird beispielsweise ein definiertes Magnetfeld angelegt. Daraufhin wird das Ausgangssignal 116 (Sout) der integrierten Schaltung 150, z. B. eine Ausgangsspannung Sout(Z, Wafertest), gemessen. Beim Endtest wird ein dazu analoger Testpunkt eingestellt, bei dem die integrierte Schaltung 150 in den gleichen Testzustand Z gebracht wird und deren Ausgangssignal 116, d. h. die Ausgangsspannung Sout(Z, Endtest), erfaßt wird. Wenn es gelingt, den Testzustand Z exakt zu reproduzieren, so sind alle Änderungen zwischen den beiden Ausgangsspannungen auf schädliche Einflüsse des Gehäuses in Form von mechanischen Verspannungen in dem Halbleitermaterial zurückzuführen.
  • Für die Kompensation wird beim Endtest ein Abgleich vorgenommen, bei dem in den zweiten Schaltungsteil eingegriffen wird, indem dort die Kompensationseinrichtung 154 beeinflußt wird, die wiederum entweder auf die Sensoreinrichtung 120 und/oder die Einrichtung 124 zum Verarbeiten des Sensorsignals 122 einwirkt, so lange bis gilt, daß das Ausgangssignal Sout(Z, Wafertest) während des Wafertests unter dem Zustand Z möglichst gleich dem Ausgangssignal Sout(Z, Endtest) während des Endtests unter dem Zustand Z ist, d. h. bis Sout(Z, Wafertest) = Sout(Z, Endtest). Damit wird die Übertragungsfunktion der Kompensationsregelschleife bestehend aus "dem Funktionsparameter der Einrichtung 106 zum Erfassen einer physikalischen Nutzgröße - der mechanischen Verspannung 118 (σi,j), die auf die Einrichtung 106 wirkt - der mechanisch thermischen Kopplung zwischen der auf die Einrichtung 106 wirkenden mechanischen Verspannung 118 (σi,j) und der auf die Erfassungseinrichtung 120 wirkenden mechanischen Verspannung 118' (σ'i,j) - der mechanischen Verspannung 118' (σ'i,j), die von der Einrichtung 120 zum Erfassen einer externen Störgröße erfaßt wird - dem Verspannungssensor 120 - der Verarbeitungseinrichtung 124 - der Kompensationsschaltung 154" derart abgestimmt, daß sie den Einfluß der Gehäuseverspannungen auf das Ausgangssignal 116 kompensiert.
  • Ein Beispiel des Eingreifens der Kompensationseinrichtung 154 in den zweiten Schaltungsteil 104 könnte darin bestehen, die Empfindlichkeit des Verspannungssensors 120 gegenüber mechanischen Verspannungen 118 in dem Halbleitersubstrat zu verändern. Äquivalent dazu kann man aber auch eine Verstärkung in der Verarbeitungseinrichtung 124 einstellbar machen. Beides sind Beispiele, bei denen die Eigenschaften, z. B. die Verstärkung, der Kompensationsregelschleife verändert werden. Man kann sich aber auch vorstellen, daß man das zeitliche Verhalten der Kompensationsregelschleife, also ihren Phasengang, abgleichbar macht, oder daß man ein einstellbares Signal im Inneren der Regelschleife hinzu addiert, um z. B. einen Verstärker- oder Sensor-Offset abzugleichen.
  • Es ist darüber hinaus auch möglich, während des Wafertests einen Zustand Zw und während des Endtests einen davon unterschiedlichen Zustand Ze zu definieren, wenn man die zugehörigen Ausgangssignale (z. B. Ausgangsspannungen) ohne Einfluß der Gehäuseverspannungen ineinander umrechnen kann, d. h. wenn gilt, daß das Ausgangssignal während des Wafertests bei dem Zustand Ze eine Funktion des Ausgangssignals während des Wafertests bei dem Zustand Zw ist, wobei gilt Sout(Ze, Wafertest) = f(Sout(Zw, Wafertest)), so daß beim Abgleich der integrierten Schaltung 150 beim Endtest die Bedingung Sout(Ze, Endtest) = f(Sout(Zw, Wafertest)) angestrebt werden muß.
  • Um das Ergebnis des oben erörterten Abgleichs permanent zu machen, ist der Speicher 152 erforderlich. Dieser kann in analoger oder digitaler Form vorliegen. Als analoger Permanentspeicher können z. B. Laser-getrimmte Referenzwiderstände eingesetzt werden, wobei als digitale Permanentspeicher z. B. EEPROMs, Zener-Zapping oder Hohlraumfuses eingesetzt werden können. Voraussetzung ist dabei lediglich, daß dieser Speicher nach der Montage des Chips im Gehäuse programmiert werden kann. Die Ergebnisse des Wafertests Sout(Z, Wafertest) müssen für jede integrierte Schaltung individuell zuordenbar sein. Dazu kann z. B. die integrierte Schaltung 150 mit einem EEPROM-Speicher ausgerüstet sein, in den das Waferergebnis abgespeichert wird und beim Endtest wieder ausgelesen wird. Ein anderer Weg besteht darin, an dem Wafer einen weiteren Abgleich vorzunehmen, so daß das Ergebnis des Ausgangssignals während des Wafertests bei dem Zustand Z, d. h. Sout(Z, Wafertest), eine Konstante ist, die für alle funktionierenden integrierten Schaltungen 150 identisch ist. Damit erübrigt sich eine individuelle Zuordnung.
  • Im folgenden wird nun anhand von Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zur Kompensation der Einflüsse von externen Störsignalen, wie mechanischen Verspannungen, auf integrierte Schaltungen erörtert, wobei das erfindungsgemäße Prinzip nun auf eine integrierte Hallsensoranordnung 200 angewendet wird.
  • Den Elementen der in Fig. 3 dargestellten integrierten Hallsensoranordnung 200, die zu den Elementen der in Fig. 1 und 2 dargestellten integrierten Schaltungen 100, 150 äquivalent sind, sind im folgenden wieder die gleichen Bezugszeichen zugeordnet, wobei auf eine nochmalige detaillierte Erörterung dieser Elemente verzichtet wird.
  • Fig. 3 zeigt einen integrierten Hallsensor 200, der einen ersten Schaltungsteil 102 und einen zweiten Schaltungsteil 104 aufweist. Der erste Schaltungsteil 102 der integrierten Hallsensoranordnung 200 weist eine Hallsonde 202, eine Einrichtung 204 zum Versorgen bzw. Ansteuern der Hallsonde 202 und eine Einrichtung 206 zur Verarbeitung eines Ausgangssignals 207 der Hallsonde 202 auf.
  • Wie in Fig. 3 prinzipiell dargestellt ist, wird die magnetische Empfindlichkeit der Hallsonde 202 einerseits durch mechanische Verspannungen 118 (σH) auf die Hallsonde 202 beeinflußt, d. h. durch einen Effekt, der als Piezo-Hall- Effekt bekannt ist, und andererseits wird die magnetische Empfindlichkeit der Hallsonde 202 auch durch mechanische Verspannungen 119 (σE) auf die Schaltung 202 zur Energieversorgung der Hallsonde 202 beeinflußt.
  • Die Versorgungseinrichtung 204 weist als Betriebsgröße einen Ansteuerstrom IH für die Hallsonde 202 auf. Die Versorgungseinrichtung 204 weist ferner einen Abgleichparameter 208 auf, mittels dem die Betriebsgröße IH eingestellt werden kann, um den Einfluß der externen Störgröße 119 (σE) auf die Betriebsgröße IH zu kompensieren. Die Versorgungseinrichtung 204 ist mit der Hallsonde 202 verbunden. Die Hallsonde 202 weist als Funktionsparameter deren strombezogene magnetische Empfindlichkeit Si auf, wobei dieser Funktionsparameter des jeweiligen Sensorelements verwendet wird, um damit eine physikalische Nutzgröße 108, d. h. das zu erfassende Magnetfeld B, in ein elektrisches Ausgangssignal 216 (Sout) der integrierten Schaltung 200 umzuwandeln.
  • Die Hallsonde 202 weist ferner einen Abgleichparameter 210 auf, mittels dem der Einfluß durch die externe Störgröße σHkompensiert werden kann. Die Hallsonde 202 ist optional bidirektional mit der Verarbeitungseinrichtung 206 verbunden. Die Verarbeitungseinrichtung 206 weist einen Abgleichparameter 212 auf. Der Ausgang 214 der Verarbeitungseinrichtung 206 bildet ferner den Ausgang des ersten Schaltungsteils 102, an dem das Ausgangssignal 216 (Sout) der integrierten Hallsondenanordnung 200 abgreifbar ist. Der zweite Schaltungsteil 104 der integrierten Hallsensoranordnung 200 weist ferner einen Streßsensor 120 auf, wobei der Streßsensor 120 ferner einen Abgleichparameter 218 aufweist. Das Ausgangssignal 122 (Ssens) des Verspannungssensors 120 bildet das Ausgangssignal des zweiten Schaltungsteils 104 und ferner das Eingangssignal des ersten Schaltungsteils 102. Die integrierte Hallsensoranordnung weist ferner einen Permanentspeicher 152 auf, der mit dem ersten Schaltungsteil 102, d. h. jeweils mit der Versorgungseinrichtung 204, der Hallsonde 202 und der Verarbeitungseinrichtung 206, verbunden ist. Der Permanentspeicher 152 ist ferner mit dem zweiten Schaltungsteil 104 und insbesondere mit dem Verspannungssensor 120 in dem zweiten Schaltungsteil 104 verbunden.
  • Im folgenden wird nun detailliert die Funktionsweise der in Fig. 3 dargestellten integrierten Hallsensoranordnung 200 beschrieben, und insbesondere die Kompensation der Einflüsse mechanischer Verspannungen auf den physikalischen Funktionsparameter der integrierten Hallsensoranordnung 202 erörtert.
  • Wie in Fig. 3 dargestellt, umfaßt der erste Schaltungsteil der integrierten Hallsensoranordnung 200 mindestens eine integrierte Hallsonde 202, eine Versorgungseinrichtung 204 zur Versorgung der Hallsonde 202 mit elektrischer Energie, sowie eine Einrichtung 206 zur Verarbeitung des Ausgangssignals 207 der Hallsonde 202. Der gestrichelt eingezeichnete Pfeil 207' zwischen der Verarbeitungseinrichtung 206 und der Hallsonde 202 soll andeuten, daß der Signalfluß optional auch zum Teil von der Verarbeitungseinrichtung 206 in die Hallsonde 202 rückgekoppelt werden kann. Die Verarbeitung des Ausgangssignals 207 der Hallsonde 202 in der Verarbeitungseinrichtung 206 ist im vorliegenden Fall sehr allgemein aufzufassen. Es kann sich dabei beispielsweise um eine einfache Verstärkung handeln, wobei es sich jedoch auch um eine komplexe Schaltfunktion handeln kann, bei der bei Erreichen bestimmter Schaltschwellen das Ausgangssignal 116 des ersten Schaltungsteils 102 eingeschaltet bzw. ausgeschaltet werden kann. Insbesondere können in der Verarbeitungseinrichtung 206 komplexe Signalverarbeitungsalgorithmen enthalten sein.
  • Der erste Schaltungsteil 102 hat außerdem mindestens ein Ausgangssignal 216 (Sout), das von dem Funktionsparameter, z. B. der strombezogenen magnetischen Empfindlichkeit Si der Hallsonde, abhängt. Der erste Schaltungsteil 102 der integrierten Schaltung 200 umfaßt ferner mindestens ein Eingangssignal 112, das der Beeinflussung des Ausgangssignals durch die oben erläuterten externen Störgrößen entgegenwirkt. Die Möglichkeiten dieses Entgegenwirkens sind vielfältig.
  • Bei derartigen Schaltungen beeinflussen die mechanischen Verspannungen 118 (σH) in dem Halbleitermaterial zum einen die strombezogene Empfindlichkeit Si der Hallsonde 202, wobei die mechanischen Verspannungen 119 (σE) zum anderen auch den Betriebsparameter der Versorgungseinrichtung 204 und damit den Ansteuerstrom IH durch die Hallsonde beeinflussen. Dadurch wird die Empfindlichkeit (S = Si × IH) der Hallsonde 202 beeinflußt. Um diese Beeinflussung zu vermindern, wird die mechanische Verspannung 118' (σS) in dem Halbleitermaterial mit der Sensoreinrichtung 120 erfaßt und in ein geeignetes Sensorsignal 112 umgewandelt, das dem ersten Schaltungsteil 102 zugeführt wird. Das Eingangssignal 112 des ersten Schaltungsteils 102 ist nicht einem einzigen Block in dem ersten Schaltungsteil 102 zugeordnet, da es auf jeden beliebigen Block, d. h. auf die Hallsonde 202, auf die Versorgungseinrichtung 204 und/oder auf die Verarbeitungseinrichtung 206 des ersten Schaltungsteils 102 einwirken kann. Es muß lediglich ein Großteil der Wirkung der mechanischen Verspannungen 118, 119 (σH, σE) auf das Ausgangssignal 116 der integrierten Hallsensoranordnung 200 entgegenwirken. Dies kann theoretisch auch erst in der Verarbeitungseinrichtung 206 des ersten Schaltungsteils 102 erfolgen.
  • Aus Fig. 3 wird ferner ersichtlich, daß bei der erfindungsgemäßen integrierten Hallsensoranordnung 200 der Abgleich der Kompensationsbedingung über den Permanentspeicher 152 an jedem der Blöcke, d. h. an der Sensoreinrichtung 120, an der Hallsonde 202, an der Versorgungseinrichtung 204 und/oder an der Verarbeitungseinrichtung 206, ausgeführt werden kann.
  • Wie bereits angegeben wird die magnetische Empfindlichkeit der Hallsonde 202 einerseits durch mechanische Verspannungen 118 (σH) auf die Hallsonde 202 beeinflußt, d. h. durch einen Effekt, der als Piezo-Hall-Effekt bekannt ist, wobei andererseits die strombezogene magnetische Empfindlichkeit der Hallsonde 202 auch durch mechanische Verspannungen 119 (σE) auf die Schaltung 204 zur Energieversorgung der Hallsonde 202 beeinflußt wird.
  • Der zweite Schaltungsteil 104 der integrierten Schaltung 200 umfaßt zumindest ein Sensorelement 120, das zumindest eine auf ihn einwirkende Komponente des mechanischen Spannungstensors 118' (σs) in ein Sensorsignal 122 umwandelt und dieses Signal dem besagten Eingang des ersten Schaltungsteils 102 zuführt.
  • Zwischen dieser Komponente 118' (σS) des Spannungstensors am Ort des Sensorelements 120 und zumindest einer wesentlichen Komponente des Spannungstensors 118, 119 (σH, σE) am Ort der Hallsonde 202 und/oder am Ort der Schaltung 204 zur Energieversorgung der Hallsonde 202 besteht ein überwiegend determinierter Zusammenhang, wobei bzgl. Der detaillierten Erläuterung des determinierten Zusammenhangs auf die Beschreibung von Fig. 1 und 2 verwiesen wird.
  • Der Kompensationsregelkreis, der aus dem/den Betriebsparameter(n) des ersten Schaltungsteils 102 - der mechanischen Verspannung auf Teile des ersten Schaltungsteils - der mechanisch-thermischen Kopplung zwischen den mechanischen Verspannungen - der mechanischen Verspannung auf Teile des zweiten Schaltungsteils - dem Verspannungssensor - dem Sensorsignal - dem Eingangssignal des ersten Schaltungsteils - Teilen des ersten Schaltungsteils, auf die das Eingangssignal wirkt, besteht, wird nun derart dimensioniert, daß das Ausgangssignal des ersten Schaltungsteils 102 weitestgehend unabhängig von den mechanischen Verspannungen des integrierten Schaltungschips 200 ist, wie sie beispielsweise von einem IC-Gehäuse verursacht werden.
  • Die integrierte Schaltung 200 weist nun zusätzlich einen Permanentspeicher 152 auf, der nach der Bausteinmontage programmiert wird. Der Inhalt des Permanentspeichers 152 beeinflußt mindestens einen Parameter der obigen Kompensationsregelschleife. Er wird nun so gewählt, daß das Ausgangssignal 216 der integrierten Schaltung 200 weitestgehend unabhängig von dem mechanischen Verspannungszustand 118, 119 (σH, σE) des Halbleitermaterials wird.
  • Der Abgleich gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei einer integrierten Hallsensoranordnung 200 folgendermaßen durchgeführt. Es wird anläßlich des Wafertests ein Testpunkt eingestellt, bei dem der integrierte Schaltungschip einer Bedingung Z unterworfen wird, die durch ein definiertes Magnetfeld B, eine definierte Temperatur, eine definierte Versorgungsspannung, eine definierte Beschaltung, und/oder einem definierten Inhalt sämtlicher aktiver Speicherzellen gekennzeichnet ist. Somit stellt sich ein Ausgangssignal Sout(Z, Wafertest) ein. Nach der Vereinzelung der integrierten Schaltungschips und der Gehäusemontage wird ein Endtest durchgeführt, bei dem anläßlich eines Testpunktes der integrierte Schaltungschip denselben Bedingungen Z ausgesetzt wird. Es stellt sich dann ein Ausgangssignal Sout(Z, Endtest) ein.
  • Während des Endtests wird nun eine Abgleichsprozedur ausgeführt, die nun einen oder mehrere Betriebsparameter der obigen Kompensationsregelschleife variiert und schließlich jene optimalen Betriebsparameter auswählt, für die dann gilt, daß |Sout(Z, Endtest) - Sout(Z, Wafertest)| minimal ist. Der/die Betriebsparameter bzw. ein analoger/digitaler Code zur geeigneten Beeinflussung dieses Betriebsparameters wird/werden dann in den Permanentspeicher programmiert.
  • Bezüglich der anhand von Fig. 2 und Fig. 3 beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele sollte ferner beachtet werden, daß die verwendeten Begriffe "Wafertest" und "Endtest" für die einzelnen Schaltungstests nur beispielhaft gewählt wurden, wobei die vorzunehmenden Schaltungstests nicht nur auf integrierte Schaltungen sondern allgemein auf jegliche elektronische Schaltungen anwendbar sind. Dabei ist lediglich zu beachten, daß die Schaltung bei einem ersten Schaltungstest in einem Zustand ohne eine anliegende externe Störgröße, z. B. in einem verspannungsarmen Zustand, bei vorgegebenen Umgebungsparametern vermessen wird, woraufhin die Schaltung bei einem zweiten Schaltungstest in einem Zustand mit einer anliegenden externen Störgröße, z. B. einer mechanischen Verspannung, wieder bei den vorgegebenen Umgebungsparametern vermessen wird. Daraufhin wird die Kompensationsregelschleife solange eingestellt, bis beide erfaßten Ausgangssignale der Schaltung übereinstimmen.
  • Das erfindungsgemäße Konzept zur Kompensation der Einflüsse externer Störgrößen, wie z. B. mechanischer Verspannungen in einem Halbleitermaterial, auf die physikalischen Parameter integrierter Schaltungen wird nun zur Verdeutlichung nochmals folgendermaßen zusammengefaßt dargestellt.
  • Entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, weist eine integrierte Schaltung 100 zum Erzeugen eines Ausgangssignals 116, das von einer physikalischen Nutzgröße 108 abhängt, einen ersten Schaltungsteil 102 und einen zweiten Schaltungsteil 104 auf. Der erste Schaltungsteil 102 umfaßt mindestens ein Ausgangssignal 116, das von einem Betriebsparameter der Erfassungseinrichtung 106 abhängt, der wiederum durch mechanische Verspannungen 118 (σ) auf Teile des ersten Schaltungsteils 102 beeinflußt wird, sowie mindestens ein Eingangssignal 126, das der besagten Beeinflussung des Ausgangssignals 116 durch mechanische Verspannungen 118 entgegenwirkt. Der zweite Schaltungsteil 104 der integrierten Schaltung 100 bildet zumindest eine Komponente des mechanischen Verspannungszustandes 118 (σ) auf die Erfassungseinrichtung 106 des ersten Schaltungsteils 102 auf ein Eingangssignal 112 ab, das dem Eingang 110 des ersten Schaltungsteils 102 zugeführt wird. Ein Kompensationsregelkreis, der aus dem Betriebsparameter des ersten Schaltungsteils 102, dem mechanischen Verspannungszustand σ auf Teile des ersten Schaltungsteils 102, der mechanisch thermischen Kopplung zwischen σ und σ' der Verspannung σ' auf Teile des zweiten Schaltungsteils, der Verspannungssensor-Kompensationsschaltung, Ausgangssignal des zweiten Schaltungsteils und der Erfassungseinrichtung des ersten Schaltungsteils besteht, wird nun derart dimensioniert, daß das Ausgangssignal 116 der integrierten Schaltung 100 weitestgehend unabhängig von dem mechanischen Verspannungszustand σ in dem Halbleitermaterial ist.
  • Dabei ist zu beachten, daß bei diesem Ausführungsbeispiel die oben dargestellte Kompensationsschaltung nicht abgleichbar ist. Sie wird durch eine Schaltungsdimensionierung so eingestellt, daß das Ausgangssignal 116 der integrierten Schaltung 100 unabhängig von dem mechanischen Verspannungszustand σ in dem Halbleitermaterial ist. Dies funktioniert nur, wenn alle elektrischen und mechanisch thermischen Parameter hinreichend gut reproduzierbar sind, also auch technologisch hinreichend stabil sind.
  • Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die integrierte Schaltung 150, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, zusätzlich zu der in Fig. 1 dargestellten integrierten Schaltung 100 einen Permanentspeicher 152 auf, der nach der Bausteinmontage programmiert wird. Als Bausteinmontage werden in diesem Zusammenhang alle Schritte verstanden, die notwendig sind, um einen Halbleiter-Chip in einem Gehäuse unterzubringen und mit elektrischen Anschlüssen zu versehen. Der Dateninhalt des Permanentspeichers beeinflußt mindestens einen Betriebsparameter besagter Kompensationsregelschleife. Er wird so gewählt, daß das Ausgangssignal 116 der integrierten Schaltung 150 weitestgehend unabhängig vom mechanischen Verspannungszustand σ in dem Halbleitermaterial ist.
  • Der Abgleich der Kompensationsregelschleife erfolgt nun folgendermaßen. Es wird anläßlich des Wafertests ein Testpunkt durchgeführt, bei dem die integrierte Schaltung einer Bedingung Zw unterworfen wird. Als Bedingungen werden in diesem Zusammenhang alle physikalischen Umgebungsparameter bezeichnet, die die Funktion der integrierten Schaltung beeinflussen, wie z. B. Umgebungstemperatur, Umgebungsfeuchte, elektromagnetische Felder, Umgebungsdruck, Versorgungsspannung, an die integrierte Schaltung angeschlossene elektrische Lasten, eventuell relevante Speicherinhalte diverser Register in der integrierten Schaltung oder aktivierte Testmodi. Somit stellt sich ein Ausgangssignal Sout(Zw, Wafertest) ein. Nach der Vereinzelung der integrierten Schaltungschips und der Gehäusemontage wird ein Endtest durchgeführt, bei dem anläßlich eines Testpunktes die integrierte Schaltung einer Bedingung Ze ausgesetzt wird. Es stellt sich dann ein Ausgangssignal Sout(Ze, Endtest) ein.
  • Der Zusammenhang der Ausgangssignale der beiden Bedingungen im verspannungsarmen Zustand "Wafertest" soll nun hinlänglich genau und zuverlässig bekannt sein, so daß Sout(Ze, Wafertest) = f(Sout(Zw, Wafertest)), wobei y = f(x) einen funktionalen Zusammenhang in dem Sinne beschreibt, daß y eindeutig aus der Kenntnis von x folgt. Während des Endtests wird nun eine Abgleichprozedur ausgeführt, die den Betriebsparameter der oben genannten Kompensationsregelschleife variiert und schließlich jenen optimalen Betriebsparameter auswählt, für den gilt: |Sout(Ze, Endtest) - f(Sout(Zw, Wafertest))| = minimal. Der Betriebsparameter, bzw. ein analoger/digitaler Code zur geeigneten Beeinflussung dieses Betriebsparameters, wird nun in den Permanentspeicher programmiert.
  • Es sollte beachtet werden, daß man, um diesen Abgleich durchführen zu können, für jeden Chip individuell eine Zuordnung seines Wafermeßergebnisses Sout(Ze, Wafertest) zu Sout(Ze, Endtest) erreichen muß. Wie diese Zuordnung letztendlich ausgeführt wird, ist dabei nicht maßgeblich.
  • Eine weitere Möglichkeit gemäß der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die individuelle Zuordnung der Wafermeßergebnisse Sout(Zw, Wafertest) zu Sout(Ze, Endtest) dadurch auszuführen, daß die Wafermeßergebnisse Sout(Zw, Wafertest) in codierter Form in einen Teil des Speicherbereichs der integrierten Schaltung programmiert werden. Dabei kann der Speicherbereich der integrierten Schaltung ein Permanentspeicher sein, wobei es sich vorteilhafterweise um einen wiederbeschreibbaren Speicher (z. B. einen EEPROM-Speicher), handelt.
  • Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Wert Sout(Zw, Wafertest) ein wohldefinierter Wert ist, der keine nennenswerten individuellen Schwankungen von Chip zu Chip aufweist. Dies kann durch Selbstkompensationsmaßnahmen erreicht werden oder durch einen weiteren Abgleich auf Waferebene. Somit wird der Wert Sout(Ze, Endtest) bei allen integrierten Schaltungs-ICs auf denselben wohl definierten Wert abgeglichen.
  • Falls ein Abgleich auf Waferebene vorgenommen wird, empfiehlt es sich, ein Flächen- und/oder Leistungsoptimiertes Speichermedium für die permanente Speicherung dieses Abgleichwertes zu verwenden, z. B. Laserfuses.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, weist die integrierte Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung in dem ersten Schaltungsteil eine integrierte Hallsonde sowie elektronische Schaltungen zu deren Versorgung mit elektrischer Energie und elektronische Schaltungen zur Verarbeitung des Ausgangssignals der Hallsonde auf. Der erste Schaltungsteil hat außerdem mindestens ein Ausgangssignal, das von dem Betriebsparameter, z. B. der magnetischen Empfindlichkeit der Hallsonde, abhängt.
  • Die Empfindlichkeit der Hallsonde wird einerseits durch mechanische Verspannungen auf die Hallsonde beeinflußt, d. h. ein Effekt, der als Piezo-Hall-Effekt bekannt ist, und andererseits wird die magnetische Empfindlichkeit der Hallsonde auch durch mechanische Verspannungen auf die Schaltung zur Energieversorgung der Hallsonde beeinflußt.
  • Der erste Schaltungsteil der integrierten Schaltung umfaßt ferner mindestens ein Eingangssignal, das der Beeinflussung des Ausgangssignals durch die oben erläuterten externen Störgrößen entgegenwirkt. Der zweite Schaltungsteil der integrierten Schaltung umfaßt zumindest ein Sensorelement, das zumindest eine auf ihn einwirkende Komponente des mechanischen Spannungstensors in ein Sensorsignal umwandelt und dieses Signal dem besagten Eingang des ersten Schaltungsteils zuführt. Zwischen dieser Komponente des Spannungstensors am Ort des Sensorelements und zumindest einer wesentlichen Komponente des Spannungstensors am Ort der Hallsonde und/oder am Ort der Schaltung zur Energieversorgung der Hallsonde besteht ein überwiegend determinierter Zusammenhang.
  • Der Kompensationsregelkreis, der aus dem Betriebsparameter des ersten Schaltungsteils - der mechanischen Verspannung auf Teile des ersten Schaltungsteils - der mechanisch thermischen Kopplung zwischen den mechanischen Verspannungen - der mechanischen Verspannung auf Teile des zweiten Schaltungsteils - dem Verspannungssensor - dem Sensorsignal - dem Eingangssignal des ersten Schaltungsteils - Teilen des ersten Schaltungsteils, auf die das Eingangssignal wirkt, besteht, wird nun derart dimensioniert, daß das Ausgangssignal des ersten Schaltungsteils weitestgehend unabhängig von den mechanischen Verspannungen des integrierten Schaltungschips ist, wie sie beispielsweise von dem IC-Gehäuse verursacht werden.
  • Der integrierte Schaltkreis weist nun ferner einen Permanentspeicher auf, der nach der Bausteinmontage programmiert wird. Der Inhalt des Permanentspeichers beeinflußt mindestens einen Parameter der obigen Kompensationsregelschleife. Er wird nun so gewählt, daß das Ausgangssignal der integrierten Schaltung weitestgehend unabhängig von dem mechanischen Verspannungszustand des Halbleitermaterials wird.
  • Der Abgleich gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer integrierten Hallsensoranordnung wird folgendermaßen durchgeführt. Es wird anläßlich des Wafertests ein Testpunkt durchgeführt, bei dem der integrierte Schaltungschip einer Bedingung Z unterworfen wird, die durch ein definiertes Magnetfeld, eine definierte Temperatur, eine definierte Versorgungsspannung, eine definierte Beschaltung, und einem definierten Inhalt sämtlicher aktiver Speicherzellen gekennzeichnet ist. Somit stellt sich ein Ausgangssignal Sout(Z, Wafertest) ein. Nach der Vereinzelung der integrierten Schaltungschips und der Gehäusemontage wird ein Endtest durchgeführt, bei dem anläßlich eines Testpunktes der integrierte Schaltungschip denselben Bedingungen Z ausgesetzt wird. Es stellt sich dann ein Ausgangssignal Sout(Z, Endtest) ein.
  • Während des Endtests wird nur eine Abgleichsprozedur ausgeführt, die den Betriebsparameter der obigen Kompensationsregelschleife variiert und schließlich jenen optimalen Betriebsparameter auswählt, für den gilt, daß |Sout(Z, Endtest) - Sout(Z, Wafertest)| minimal ist. Der Betriebsparameter, bzw. ein analoger/digitaler Code zur geeigneten Beeinflussung dieses Betriebsparameters, wird nun in den Permanentspeicher programmiert.
  • Es sollte ferner beachtet werden, daß die verwendeten Begriffe "Wafertest" und "Endtest" für die einzelnen Schaltungstests nur beispielhaft gewählt wurden. So sind die vorzunehmenden Schaltungstests nicht nur auf integrierte Schaltungen sondern allgemein auf jegliche elektronische Schaltungen anwendbar. Es ist lediglich zu beachten, daß das Ausgangssignal der Schaltung bei einem ersten Schaltungstest ohne eine anliegende externe Störgröße, z. B. in einem verspannungsarmen Zustand, bei vorgegebenen Umgebungsparametern erfaßt wird, woraufhin das Ausgangssignal der Schaltung bei einem zweiten Schaltungstest in einem Zustand mit einer anliegenden externen Störgröße, z. B. einer mechanischen Verspannung, wieder bei der vorgegebenen Umgebungsparametern erfaßt wird. Daraufhin wird die Kompensationsregelschleife solange eingestellt, bis beide erfaßten Ausgangssignale der Schaltung übereinstimmen. Bezugszeichenliste 100 Integrierte Schaltung
    102 Erster Schaltungsteil
    104 Zweiter Schaltungsteil
    106 Erfassungseinrichtung
    108 Physikalische Nutzgröße
    110 Eingang des ersten Schaltungsteils
    112 Steuersignal
    114 Ausgang
    116 Ausgangssignal
    118 Externe Störgröße
    118' Externe Störgröße
    119 Externe Störgröße
    120 Sensoreinrichtung
    122 Sensorsignale
    124 Verarbeitungseinrichtung
    128 Ausgang des zweiten Schaltungsteils
    150 Integrierte Schaltung
    152 Speicher
    154 Kompensationseinrichtung
    200 Integrierter Hallsensor
    202 Hallsonde
    204 Versorgungseinrichtung
    206 Verarbeitungseinrichtung
    207 Ausgangssignal der Hallsonde
    208 Abgleichparameter
    210 Abgleichparameter
    212 Abgleichparameter
    214 Ausgang
    216 Ausgangssignal
    218 Abgleichparameter

Claims (16)

1. Schaltung (100; 150; 200) zum Erzeugen eines Ausgangssignals (116), das von einer physikalischen Nutzgröße (108) abhängt, mit folgenden Merkmalen:
einer Einrichtung (106) zum Erfassen der physikalischen Nutzgröße (108), wobei die Einrichtung (106) zum Erfassen angeordnet ist, um ein Ausgangssignal (116) zu erzeugen, das von der physikalischen Nutzgröße (108), von einem Steuersignal (112) für die Einrichtung (106) zum Erfassen, und bei einem unveränderten Steuersignal (112) von einer externen Steuergröße (118; 118, 119) abhängt;
einer Sensoreinrichtung (120) zum Erfassen der externen Störgröße (118; 118, 119) und zum Liefern eines Sensorsignals (122), das von der externen Störgröße (118; 118, 119) abhängt; und
einer Einrichtung (124) zum Verarbeiten des Sensorsignals (122), um das Steuersignal (112) abhängig von dem Sensorsignal (122) so zu beeinflussen, daß der Einfluß der externen Störgröße (118; 118, 119) auf das Ausgangssignal reduziert ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Schaltung (100; 150; 200) eine integrierte Schaltung auf einem Halbleitersubstrat ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die externe Störgröße (118; 118, 119) eine mechanische Verspannung in dem Halbleitersubstrat ist, die das Ausgangssignal (116) beeinflußt, wobei die Sensoreinrichtung (120) zum Erfassen der externen Störgröße (118; 118, 119) ein Verspannungssensor zum Erfassen zumindest einer Komponente der mechanischen Verspannung (118; 118, 119) in dem Halbleitermaterial ist.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Einrichtung (106) zum Erfassen einer physikalischen Nutzgröße (108) und die Einrichtung (120) zum Erfassen der externen Störgröße so auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind, daß die externe Störgröße (118; 118, 119), die das Ausgangssignal (116) der Schaltung (100; 150; 200) beeinflußt, in einem im wesentlichen determinierten Zusammenhang mit der externen Störgröße, die von der Sensoreinrichtung (120) erfaßt wird, steht.
5. Schaltung nach Anspruch 4, bei der der determinierte Zusammenhang von der Verarbeitungseinrichtung (124) berücksichtigt wird, um das Steuersignal (112) zu erzeugen.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Einrichtung (106) zum Erfassen einer Nutzgröße (108) und die Sensoreinrichtung (120) zum Erfassen der externen Störgröße verschachtelt oder benachbart zueinander auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind.
7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die in einem Gehäuse untergebracht ist, die ferner einen Speicher (152) aufweist, in dem Informationen gespeichert werden können, die den Einfluß der externen Störgröße (118; 118, 119) aufgrund der Unterbringung der Schaltung in einem Gehäuse wiedergeben.
8. Schaltung nach Anspruch 7, die ferner eine Kompensationseinrichtung (218) aufweist, die abhängig von den in dem Speicher (152) gespeicherten Informationen das Steuersignal (112) beeinflußt, um den Einfluß der externen Störgröße (118) auf das Ausgangssignal (116) aufgrund der Unterbringung der Schaltung in einem Gehäuse zu kompensieren.
9. Schaltung nach Anspruch 8, bei der die Kompensationseinrichtung (154) auf die Sensoreinrichtung (120) einwirkt, um das Sensorsignal (122) der Sensoreinrichtung (120) zu beeinflussen.
10. Schaltung nach Anspruch 8, bei der die Kompensationseinrichtung (154) auf die Einrichtung 124 zur Verarbeitung des Sensorsignals (122) der Sensoreinrichtung (120) einwirkt, um das Ausgangssignal (112) des zweiten Schaltungsteils (104) zu beeinflussen.
11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die eine integrierte Hallsensoranordnung (200) aufweist, wobei die physikalische Nutzgröße (108) ein zu erfassendes Magnetfeld und das Ausgangssignal (116) eine Hallspannung ist.
12. Schaltung nach Anspruch 11, wobei die integrierte Hallsensoranordnung folgende Merkmale aufweist:
ein Hallsensorelement (202),
eine Einrichtung (204) zum Versorgen des Hallsensorelements mit Energie, und
eine Einrichtung (206) zum Verarbeiten des Ausgangssignals des Hallsensorelements.
13. Schaltung nach Anspruch 11 oder 12, bei der das Hallsensorelement (202), die Einrichtung (204) zum Versorgen des Hallsensorelements, und die Einrichtung (206) zum Verarbeiten des Ausgangssignals des Hallsensorelements steuerbar sind, wobei in dem Speicher (152) Daten gespeichert sind, auf deren Basis das Hallsensorelement (202), die Einrichtung (204) zum Versorgen des Hallsensorelements (202) und die Einrichtung (206) zum Verarbeiten steuerbar sind.
14. Verfahren zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das von einer physikalischen Nutzgröße abhängt, mit folgenden Schritten:
Erfassen der physikalischen Nutzgröße, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das von der physikalischen Nutzgröße, von einem Steuersignal und bei einem unveränderten Steuersignal von einer externen Störgröße abhängt;
Erfassen der externen Störgröße und Liefern eines Sensorsignals, das von der externen Störgröße abhängt; und
Verarbeiten des Sensorsignals, um das Steuersignal abhängig von dem Sensorsignal so zu beeinflussen, daß der Einfluß der externen Störgröße auf das Ausgangssignal reduziert ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, ferner mit folgenden Schritten:
Erfassen des Ausgangssignals in Abhängigkeit von Schaltungs- und Umgebungsparametern bei einem ersten Schaltungstest ohne anliegender externer Störgröße;
Speichern der Parameter in einem Speicher;
Erfassen des Ausgangssignals der Schaltung bei einem zweiten Schaltungstest mit anliegender externer Störgröße; und
Abgleichen des Steuersignals, bis das Ausgangssignal der Schaltung bei dem ersten Schaltungstest mit dem Ausgangssignal bei dem zweiten Schaltungstest im wesentlichen übereinstimmt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Schaltung eine integrierte Schaltung ist, wobei der erste Schaltungstest ein Wafertest auf Waferebene ist, und wobei der zweite Schaltungstest ein Endtest der in einem Gehäuse untergebrachten integrierten Schaltung ist.
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