DE10154498A1 - Hall probe system has Hall voltage controlled by control voltage applied between electrode region and conductive Hall region by influencing charge carriers available for Hall current - Google Patents

Hall probe system has Hall voltage controlled by control voltage applied between electrode region and conductive Hall region by influencing charge carriers available for Hall current

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Abstract

The system has a conductive Hall region (10) through which a Hall current can flow and at which a Hall voltage can be tapped, a device for producing a control voltage depending on an influencing parameter and an electrode region (22) electrically isolated from the Hall region. The Hall voltage is controlled by a control applied between the electrode and conductive Hall regions that influencing the charge carriers available for a Hall current. AN Independent claim is also included for the following: a method of manufacturing an inventive system.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Hallsondensystemen und insbesondere auf das Gebiet von empfindlichen Hallsondensystemen mit Steuerungseinrichtungen zum Steuern einer Hallspannung. The present invention relates to the field of Hall probe systems and in particular in the field of sensitive Hall probe systems with control devices for Controlling a Hall voltage.

Hallsonden, die zusammen mit einer Auswerteelektronik (ASICs, ASIC = application specific integrated circuit = anwendungsspezifische integrierte Schaltung) in Halbleiterchips integriert sind, werden heutzutage in großer Stückzahl bei vielen Anwendungen, beispielsweise in Automobilen, Stromzählern, Lüftermotoren usw., verwendet. Hall probes, which together with evaluation electronics (ASICs, ASIC = application specific integrated circuit = application-specific integrated circuit) in semiconductor chips are integrated in large numbers at many nowadays Applications, for example in automobiles, electricity meters, Fan motors etc. used.

Mit diesen integrierten Hallsensoren ist es möglich, genaue Magnetfeldsensoren mit umfangreichen Zusatzfunktionen, die beispielsweise eine Programmierbarkeit und intelligente Sensoren bzw. Smartsensors umfassen, herzustellen. Dabei kann die gut bekannte CMOS- oder BiCMOS-Siliziumtechnologie zur Herstellung von zuverlässigen und kostengünstigen integrierten Hallsonden in großen Stückzahlen eingesetzt werden. Aufgrund dieser Vorteile kommen die vormals bevorzugt verwendeten diskreten Hallsonden, die aus einem direkten Halbleiter bestehen, immer seltener zum Einsatz, wobei ein direkter Halbleiter derart definiert ist, daß das Energiemaximum des Valenzbands und das Energieminimum des Leitungsbands bei gleichen Kristallimpulsen liegen. Beispiele für direkte Halbleiter sind GaAs und InSb. With these integrated Hall sensors it is possible to get accurate Magnetic field sensors with extensive additional functions that for example a programmability and intelligent Include sensors or smart sensors to manufacture. It can the well-known CMOS or BiCMOS silicon technology for Manufacture of reliable and inexpensive integrated Hall probes can be used in large quantities. Because of these advantages, the former are preferred used discrete Hall probes made from a direct semiconductor exist, increasingly rarely used, whereby a direct Semiconductor is defined such that the energy maximum of Valence band and the energy minimum of the conduction band same crystal impulses. Examples of direct Semiconductors are GaAs and InSb.

Entsprechend ist ein indirekter Halbleiter dadurch definiert, daß das Energiemaximum des Valenzbands und das Energieminimum des Leitungsbands nicht bei gleichen Kristallimpulsen liegen. Beispiele für indirekte Halbleiter sind Silizium und Germanium. Accordingly, an indirect semiconductor is defined by that the energy maximum of the valence band and the energy minimum of the conduction band are not at the same crystal impulses. Examples of indirect semiconductors are silicon and Germanium.

Bekannterweise werden Hallsondensysteme und insbesondere in einem Chip integrierte Hallsondensysteme durch viele Parameter beeinflußt. Beispielsweise wird die magnetische Empfindlichkeit S durch eine Temperatur und einen mechanischen Spannungszustand des Substrats beeinflußt. Ferner ist es bekannt, daß bei hohen Magnetfeldern, d. h. über 200 mT, die magnetische Empfindlichkeit von dem angelegten Magnetfeld abhängt, so daß die Hallspannung keine lineare Funktion von dem angelegten Magnetfeld ist. Typischerweise ist die magnetische Empfindlichkeit einer Hallsonde von allen obig genannten Einflußparametern, d. h. von dem magnetischen Feld B, der Temperatur T und der mechanischen Verspannung σ, abhängig. As is known, Hall probe systems and in particular in Hall sensor systems integrated on one chip by many Parameters affected. For example, the magnetic Sensitivity S by temperature and mechanical Voltage state of the substrate is affected. It is also known that with high magnetic fields, d. H. over 200 mT, the magnetic sensitivity depends on the applied magnetic field, so the Hall voltage is not a linear function of that applied magnetic field is. Typically the magnetic one Hall sensor sensitivity of all of the above Influencing parameters, d. H. from the magnetic field B, which Temperature T and the mechanical stress σ, depending.

Hinsichtlich eines mechanischen Spannungszustands des Substrats, auf dem die Hallsonde aufgebracht ist, ist insbesondere die mechanische Wechselwirkung des Substrats und insbesondere einer lokalen Umgebung am Substrat mit dem Sensorgehäuse und seinen Elementen, wie beispielsweise einem Chip, einem Kleber, einem Führungsrahmen oder der Vergußmasse, für die Beeinflussung verantwortlich. Dazu addiert sich die mechanische Umgebung in der Anwendung, die beispielsweise einen Kleber oder andere Befestigungsmittel umfassen kann. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien ändert sich dabei auch der Spannungszustand σ gegenüber der Temperatur, wobei jedoch die Abhängigkeit des mechanischen Spannungszustands von der Temperatur sehr schlecht definiert ist, wenig stabil und schlecht reproduzierbar ist. Folglich ist es wünschenswert, die magnetische Empfindlichkeit einer Hallsonde in gezielter Weise zu beeinflussen. With regard to a mechanical stress state of the Substrate on which the Hall probe is applied in particular the mechanical interaction of the substrate and in particular a local environment on the substrate with the Sensor housing and its elements, such as a chip, an adhesive, a guide frame or the potting compound, for influencing responsible. Add to that the mechanical environment in the application, for example a May include glue or other fasteners. by virtue of of the different coefficients of thermal expansion the materials used also change Stress state σ versus temperature, however, the Dependence of the mechanical stress state on the Temperature is very poorly defined, unstable and poor is reproducible. Therefore, it is desirable that magnetic sensitivity of a Hall probe in a targeted manner influence.

Bevor im weiteren auf bekannte Verfahren zum Beeinflussen der magnetischen Empfindlichkeit eingegangen wird, sollen an dieser Stelle Grundlagen einer Hallsonde erklärt werden. Before further on known methods for influencing the Magnetic sensitivity is considered to be the basics of a Hall probe are explained here.

Um der Einfachheit wegen soll im folgenden eine Hallsonde derart abstrahiert werden, daß dieselbe einen aktiven Bereich bzw. Hallbereich aufweist, der als ein quadratisches Plättchen mit konstanter Dicke aufgefaßt werden kann. In den Ecken dieses Quadrates werden Kontakte angebracht, wobei jeweils zwei diagonal gegenüberliegende Kontakte zur Primärseite bzw. zur Sekundärseite zusammengefaßt werden. Primärseitig wird die Sonde mit elektrischer Energie versorgt, indem entweder eine Stromquelle einen Strom IH einspeist oder eine Spannungsquelle eine Spannung UH primärseitig anlegt. In dem ersteren Fall entsteht eine Spannung UH als eine Reaktion auf den Stromfluß IH, wobei in dem zweiten Fall der Spannungsabfall UH einen Strom IH erzeugt. Für beide Fälle gilt das Ohmsche Gesetz UH = RH × IH, wobei RH als primärseitiger Widerstand der Hallsonde bezeichnet wird. For the sake of simplicity, a Hall probe is to be abstracted below in such a way that it has an active region or Hall region, which can be understood as a square plate with a constant thickness. Contacts are attached in the corners of this square, two diagonally opposed contacts to the primary side and to the secondary side being combined. The probe is supplied with electrical energy on the primary side by either feeding a current I H into a current source or applying a voltage U H on the primary side to a voltage source. In the first case, a voltage U H arises as a reaction to the current flow I H , in the second case the voltage drop U H generates a current I H. Ohm's law U H = R H × I H applies to both cases, whereby R H is referred to as the primary-side resistance of the Hall probe.

In Abwesenheit eines externen magnetischen Felds sind im Idealfall die zwei verbleibenden Kontakte der Hallsonde auf gleichem Potential. Sobald jedoch ein externes, d. h. ein nicht von dem Strom IH verursachtes magnetisches Feld BZ senkrecht auf das Hallplättchen steht, kann zwischen den beiden verbleibenden Kontakten, also sekundärseitig, eine kleine Spannung Uh gemessen werden. Sofern die magnetische Induktion Bz nicht all zu groß ist, d. h. für Hallsonden in Silizium nicht größer als etwa 200 mT, ist die Hallspannung Uh proportional zu der magnetischen Induktion Bz. Der Proportionalitätsfaktor wird dabei als Empfindlichkeit bzw. magnetische Empfindlichkeit S bezeichnet. Es gilt Uh = S × Bz. Da die Empfindlichkeit in erster Näherung linear von dem Strom IH abhängt, ist die strombezogene Empfindlichkeit SI = S/IH unabhängig von dem Primärstrom. Dabei gilt


wobei rn der Streufaktor der Majoritätsladungsträger in dem Material der Hallsonde ist, n die Dichte der freien Ladungsträger in dem Material der Hallsonde ist, t die Dicke des Hallplättchens ist, G ein Geometriefaktor und q die Elementarladung ist.
In the absence of an external magnetic field, the two remaining contacts of the Hall probe are ideally at the same potential. However, as soon as an external, ie a magnetic field B Z not caused by the current I H is perpendicular to the Hall plate, a small voltage U h can be measured between the two remaining contacts, ie on the secondary side. If the magnetic induction B z is not too great, ie for Hall probes in silicon not greater than about 200 mT, the Hall voltage U h is proportional to the magnetic induction B z . The proportionality factor is referred to as sensitivity or magnetic sensitivity S. U h = S × B z . Since the sensitivity in a first approximation depends linearly on the current I H , the current-related sensitivity S I = S / I H is independent of the primary current. The following applies


where r n is the scattering factor of the majority charge carriers in the material of the Hall probe, n is the density of the free charge carriers in the material of the Hall probe, t is the thickness of the Hall plate, G is a geometry factor and q is the elementary charge.

Vorzugsweise werden in der Praxis Hallsonden verwendet, bei denen die Majoritätsladungsträger freie Elektronen sind, weshalb in der obigen Gleichung für die Dichte der freien Ladungsträger die Bezeichnung n verwendet wurde. Gemäß der obigen Gleichung ist zu erkennen, daß die strombezogene Empfindlichkeit SI ausschließlich durch physikalische und geometrische Parameter der Sonde definiert ist, wodurch sich diese Größe sehr gut als Kenngröße der Sonde eignet. Alternativ kann auch eine spannungsbezogene Empfindlichkeit SU = S/UH definiert werden, wobei sich für dieselbe die folgende Beziehung ergibt:


Hall probes in which the majority charge carriers are free electrons are preferably used in practice, which is why the term n was used in the above equation for the density of the free charge carriers. According to the above equation, it can be seen that the current-related sensitivity S I is defined exclusively by physical and geometric parameters of the probe, which makes this variable very suitable as a parameter of the probe. Alternatively, a voltage-related sensitivity S U = S / U H can also be defined, which results in the following relationship:


Bei der obigen Gleichung ist µ *|n eine Hallbeweglichkeit, wobei sich dieselbe als Produkt einer Elektronenbeweglichkeit µn und des Streufaktors rn ergibt, so daß gilt:


In the above equation µ * | n is a Hall mobility, which results as the product of an electron mobility µ n and the scattering factor r n , so that:


Das Verhältnis der Länge des stromtragenden Querschnitts zu seiner Breite, d. h. l/w, ist identisch mit der Anzahl an Quadraten (Squares), wobei es in der Mikroelektronik allgemein üblich ist, jeden Widerstand als das Produkt von Quadratwiderstand mal Anzahl an Quadraten anzugeben. Dabei wird der Quadratwiderstand als ein Zehntel des Widerstandswerts eines Widerstands definiert, dessen Länge 10 mal seiner Breite entspricht. The ratio of the length of the current carrying cross section to its width, d. H. l / w, is identical to the number of Squares (squares), being common in microelectronics is common to any resistance as the product of Square resistance times the number of squares. The Square resistance as a tenth of the resistance value of a Resistance defined, its length 10 times its width equivalent.

Die strombezogene Empfindlichkeit SI hat dabei die für viele Anwendungen günstige Eigenschaft, daß dieselbe lediglich geringfügig von der Temperatur abhängt. Dies liegt daran, daß die Anzahl der freien Ladungsträger in einem hinreichend hoch dotierten Halbleitermaterial für übliche Temperaturen von mehr als -40°C und für übliche Dotierstoffkonzentrationen im wesentlichen konstant ist, d. h. gleich der Dotierstoffkonzentration ist. Ferner ändert sich der Streufaktor ebenfalls nur geringfügig mit der Temperatur, d. h. um wenige Prozent in dem Bereich von -40°C bis 150°C. Die weiteren Einflußgrößen der strombezogenen Empfindlichkeit sind ferner entweder Naturkonstanten oder konstante geometrische Größen. The current-related sensitivity S I has the favorable property for many applications that it only depends slightly on the temperature. This is because the number of free charge carriers in a sufficiently highly doped semiconductor material is essentially constant for usual temperatures of more than -40 ° C. and for usual dopant concentrations, ie it is equal to the dopant concentration. Furthermore, the scattering factor also changes only slightly with temperature, ie by a few percent in the range from -40 ° C to 150 ° C. The other influencing variables of the current-related sensitivity are either natural constants or constant geometric variables.

Die Hallsonde kann für geringe Anforderungen an die Genauigkeit bezüglich der Temperatur folglich mit einem konstanten Primärstrom betrieben werden. Dabei wird die Empfindlichkeit der Hallsonde vorwiegend durch eine Änderung des Streufaktors geändert. The Hall probe can be used for low requirements Accuracy in temperature therefore with a constant Primary current are operated. The sensitivity the Hall probe mainly due to a change in the scattering factor changed.

Für Anwendungen, bei denen eine hohe Genauigkeit von typischerweise 1% oder weniger für einen Temperaturbereich von -40°C bis 150°C gefordert ist, ist dies jedoch nicht ausreichend. Insbesondere bei integrierten Hallsonden in Magnetfeld-ASIC-Vorrichtungen ergibt sich dahingehend ein weiteres Problem, daß es schwierig ist, einen Strom mit einer perfekten Temperaturkonstantheit auf der integrierten Schaltung zu erzeugen. Typischerweise wird bei bekannten Hallsensoren eine elektrische Spannung, die in einem bestimmten Temperaturbereich sehr konstant ist, mittels eines Bandgap-Prinzips erzeugt, wobei die elektrische Spannung daraufhin mittels einer Regelschleifenschaltung an einem Widerstand zum Abfallen gebracht wird. Der durch das Abfallen entstehende elektrische Strom durch diesen Widerstand kann daraufhin ausgekoppelt werden und als der Primärstrom durch die Hallsonde verwendet werden. For applications where high accuracy of typically 1% or less for a temperature range of -40 ° C to 150 ° C is required, however, this is not sufficient. Especially with integrated Hall probes in Magnetic field ASIC devices result in another Problem that it is difficult to run a stream with a perfect temperature constant on the integrated circuit too produce. Typically, one is used in known Hall sensors electrical voltage in a given Temperature range is very constant, using a bandgap principle generated, the electrical voltage then using a Control loop circuit on a resistor to drop brought. The electrical resulting from the drop Current through this resistor can then be coupled out are used and as the primary current through the Hall probe become.

Das obige Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß elektrische Widerstände selbst immer einen Temperaturgang aufweisen, so daß durch das Anlegen einer Temperaturkonstanten Spannung an einen Widerstand kein Temperatur-konstanter Primärstrom erzeugt werden kann. Geringfügige Verbesserungen lassen sich durch eine Parallelschaltung und/oder Serienschaltung von Widerständen unterschiedlicher Technologie, beispielsweise Polysilizium-Hochohm-, Polysilizium-Niederohm- oder Diffusions-Widerständen, erreichen, wobei jedoch der derart erzeugte Strom als Funktion der Temperatur stets eine negative Krümmung aufweist, d. h. daß der Kurvenverlauf Strom gegen Temperatur nach unten hin offen bzw. von unten gesehen konkav ist. However, the above method has the disadvantage that electrical resistors themselves always have a temperature response have so that by applying a temperature constant Voltage across a resistor is not a temperature constant Primary electricity can be generated. Minor improvements can be connected in parallel and / or Series connection of resistors of different technologies, for example high-resistance polysilicon, low-resistance polysilicon or diffusion resistors, but the electricity generated in this way is always a function of temperature has negative curvature, d. H. that the curve current open towards the bottom or viewed from below is concave.

Die Wirkung dieser Abnahme des erzeugten Stroms mit zunehmender Temperatur auf die Empfindlichkeit wird dadurch noch verstärkt, daß der Temperaturgang der strombezogenen Empfindlichkeit SI(T) ebenfalls mit steigender Temperatur abnimmt. Ferner kommt es bei hohen Temperaturen zu einem Einbruch der Empfindlichkeit aufgrund von Leckströmen von der integrierten Sonde in das Substrat. The effect of this decrease in the current generated with increasing temperature on the sensitivity is further increased by the fact that the temperature response of the current-related sensitivity S I (T) also decreases with increasing temperature. Furthermore, at high temperatures there is a drop in sensitivity due to leakage currents from the integrated probe into the substrate.

Es ist folglich für genaue Hallsonden erforderlich, den Primärstrom durch die Hallsonde bei tiefen und hohen Temperaturen geringfügig, d. h. in einem Bereich von etwa 2%, anzuheben. Dies stellt eine nicht-lineare Temperaturkompensation dar, da der zusätzlich in die Hallsonde eingespeiste Korrekturstrom über der Temperatur einen parabelförmigen Verlauf mit einer positiven Krümmung, d. h. einem Kurvenverlauf, der nach oben hin offen bzw. von oben gesehen konkav ist, aufweisen soll. Schaltungen, die einen solchen Strom erzeugen, sind bekannt und werden als Parabelgeneratoren bezeichnet. It is therefore necessary for accurate Hall probes Primary current through the Hall probe at low and high Temperatures slightly, d. H. in a range of about 2%, to raise. This represents a non-linear temperature compensation because it is also fed into the Hall probe Correction current over the temperature a parabolic course with a positive curvature, i.e. H. a curve that is open at the top or concave when viewed from above, should have. Circuits that generate such a current are known and are referred to as parabolic generators.

Das obig beschriebene Prinzip eines Anhebens des Primärstroms durch Verwendung eines Parabelgenerators zum Temperaturabgleich von Hallsonden weist jedoch den Nachteil auf, daß eine Ratiometrie sehr schwierig zu erreichen ist. The principle of raising the primary current described above by using a parabola generator Temperature adjustment of Hall probes has the disadvantage that a Ratiometry is very difficult to achieve.

Unter Ratiometrie ist zu verstehen, daß das Ausgangssignal exakt proportional zu der Betriebsspannung ist. Dabei ist es mit relativ geringem Aufwand an Chipfläche und Leistungsverbrauch möglich, den Primärstrom durch die Hallsonde exakt proportional zu der Betriebsspannung zu machen, um der Forderung nach Ratiometrie für eine Hallsonde nachzukommen. Ratiometry means that the output signal is exactly proportional to the operating voltage. It is with relatively little chip area and Power consumption possible, the primary current through the Hall probe exactly proportional to the operating voltage to make the Compliance with ratiometry for a Hall probe.

Jedoch ist es wesentlich aufwendiger und mit einem großen Aufwand an Chipfläche verbunden, einen Korrekturstrom zum Kompensieren beispielsweise der obig beschriebenen Temperatureinflüsse ratiometrisch zu entwerfen. Zum Erreichen eines ratiometrischen Korrekturstroms müßte eine Schaltung verwendet werden, die zwei Spannungen miteinander multipliziert, genauer gesagt eine ratiometrische und zugleich Temperaturkonstante Spannung mit einer Spannung eines gewünschten Temperaturgangs, die jedoch unabhängig von der Betriebsspannung sein muß. Die üblichen Analogmultiplikator-Schaltungen sind dabei nicht ausreichend genau genug. However, it is much more complex and with a big one Chip area connected, a correction current for Compensate for example the one described above To design temperature influences ratiometrically. To achieve one ratiometric correction current would need a circuit be used that multiplies two voltages together, more specifically a ratiometric and at the same time Temperature constant voltage with a voltage of a desired one Temperature response, which is independent of the operating voltage have to be. The usual analog multiplier circuits are not sufficiently precise.

Folglich erzeugen bekannte Parabelgeneratoren Korrekturströme, deren Proportionalität zur Versorgungsspannung für viele Anwendungszwecke nicht hinreichend exakt ratiometrisch ist. As a result, known parabola generators generate Correction currents, their proportionality to the supply voltage for many Applications is not sufficiently precise ratiometric.

Eine weitere Vorgehensweise zum Durchführen von Korrekturen bezüglich beispielsweise eines Temperaturgangs, mechanischer Verspannungen oder nicht-linearer Magnetfeldabhängigkeit, besteht darin, das Ausgangssignal, beispielsweise durch einen Analog/Digital-Wandler, zu digitalisieren und daraufhin die Korrektur auf eine digitale Weise durchzuführen. Ein sich dabei eventuell anschließender Digital/Analog-Wandler kann dabei wieder eine analoge Ausgangsspannung erzeugen und diese zugleich im wesentlichen ratiometrisch machen. Dieses Prinzip weist jedoch einen erhöhten Chipflächenverbrauch auf, so daß dasselbe lediglich für Anwendungen, wie beispielsweise bei einem integrierten Drucksensor, angewendet wird, bei denen aufgrund der durch die Komplexität der ASIC-Vorrichtungen erhöhten Chipfläche ein derartiger Chipflächenverbrauch toleriert werden kann. Another way to make corrections regarding, for example, a temperature response, mechanical Tensions or non-linear magnetic field dependency, consists of the output signal, for example by a Analog / digital converter, digitize and then the Make corrections in a digital way. A yourself possibly subsequent digital / analog converter can generate an analog output voltage again and this make essentially ratiometric at the same time. This principle however, has an increased chip area consumption, so that the same only for applications such as an integrated pressure sensor, which is used due to the complexity of the ASIC devices such chip area consumption increased chip area can be tolerated.

Typischerweise sind jedoch bei einfachen Magnetfeldsensoren die erlaubten Chipflächen sehr gering, und ferner durch ein sehr kleines Gehäuse limitiert, so daß eine solche Schaltungskonzeption in der Regel nicht akzeptabel ist. However, typical for simple magnetic field sensors the allowed chip areas are very small, and furthermore by a very small housing limited, so that Circuit design is usually not acceptable.

Es ist ferner bekannt, siehe beispielsweise Ch. Schott, H. Blanchard, R. S. Popovic, R. Racz, und J. Hrejsa, "High- Accuracy Analog Hall Probe" in IEEE Trans. Instrum. Meas., Bd. 46, Nr. 2, April 1997, zur Kompensation einer Abnahme der Empfindlichkeit einer Hallsonde bei starker magnetischer Induktion und zur Kompensation von Temperatureffekten eine Kompensationsschaltung zu verwenden, bei der eine Kompensation durch ein rückkopplungsmäßiges Einstellen des primären Hallstroms durchgeführt wird. It is also known, see for example Ch. Schott, H. Blanchard, R. S. Popovic, R. Racz, and J. Hrejsa, "High- Accuracy Analog Hall Probe "in IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 46, No. 2, April 1997, to compensate for a decrease in Hall probe sensitivity to strong magnetic Induction and to compensate for temperature effects Compensation circuit to be used in the case of compensation by a feedback adjustment of the primary Hall current is carried out.

Ferner ist in Ch. Schott and R. S. Popovic, "Linearizing integrated Hall devices, Transducers '97, 1997 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, June 16-19, 1997 eine Hallvorrichtung beschreiben, die eine Abschirmung aufweist. Elektrische Spannungen werden ferner an Abtastbereichen einer Hallvorrichtung abgegriffen werden und einem Mittelungsverfahren unterzogen. Die gemittelte elektrische Spannung wird daraufhin an die Abschirmung angelegt. Further in Ch. Schott and R. S. Popovic, "Linearizing integrated Hall devices, Transducers '97, 1997 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, June 16-19, 1997 describe a Hall device that a Shielding has. Electrical voltages are also on Scanning areas of a Hall device can be tapped and subjected to an averaging process. The averaged electrical voltage is then applied to the shield.

Bekannterweise werden ferner Kompensationen von Hallssondensystemen bezüglich der Wirkung mechanischer Verspannungen auf den Versatz der Hallspannung durchgeführt. Unter einem Versatz der Hallspannung ist diejenige elektrische Spannung zu verstehen, die trotz eines ausgeschalteten Magnetfelds an den Abgriffen der Hallspannungen gemessen werden kann. Der Versatz der Hallspannung ist folglich ein additiver Anteil, der zu dem Meßsignal hinzuaddiert wird, wobei der Großteil des Versatzes von integrierten Hallsonden durch den piezoresistiven Effekt erklärt werden kann. As is known, compensation from Hall probe systems with regard to the effect of mechanical tension performed the offset of the Hall voltage. Under a The offset of the Hall voltage is that electrical voltage understand that despite a switched off magnetic field at the Taps of the Hall voltages can be measured. The Hall voltage offset is therefore an additive component that is added to the measurement signal, the majority of the Offset of integrated Hall probes by the piezoresistive effect can be explained.

Die US-5,614,754 beschreibt beispielsweise eine Reduktion von Piezo-Einflüssen auf den Versatz der Hallspannung einer auf einem Substrat angeordneten Hallsonde, indem ein aktiver Bereich der Hallsonde in bestimmten Richtungen des Substrats angeordnet wird. For example, US 5,614,754 describes a reduction of Piezo influences on the offset of the Hall voltage one Hall probe arranged by a substrate by an active Area of the Hall probe in certain directions of the substrate is arranged.

Ferner offenbart die US-4,037,150 ein Konzept zum Eliminieren der Wirkung einer Nicht-Äquipotential-Spannung auf die Hallspannung, bei dem ein Hall-Generator zwei Paare entgegengesetzter Elektroden aufweist, die abwechselnd mit Energie versorgt werden. Der Wert der elektrischen Spannung des Hall- Generators wird dabei aus dem Signal des ersten und dem Signal des zweiten Elektrodenpaars gewonnen, indem ein arithmetisches Mittel gebildet wird. Furthermore, US 4,037,150 discloses a concept for elimination the effect of a non-equipotential voltage on the Hall voltage, in which a Hall generator two pairs has opposite electrodes that alternate with energy be supplied. The value of the electrical voltage of the Hall The generator is the signal of the first and the Signal of the second pair of electrodes obtained by a arithmetic mean is formed.

Ferner beschreibt die US-3,886,446 eine Verwendung einer digitalen Vorrichtung zum Elliminieren eines Einflusses der Nicht-Äquipotential-Spannung auf die Ergebnisse einer Messung der elektromotorischen Kraft einer Hallvorrichtung. Furthermore, US 3,886,446 describes the use of a digital device for eliminating an influence of the Non-equipotential voltage on the results of a measurement the electromotive force of a Hall device.

Die US-5,260,614 beschreibt einen Hallsensor mit einer automatischen Kompensation. Dabei werden Veränderungen der Sensitivität des Hallelements, die durch eine Temperatur oder bei einer Herstellung eingebracht werden, durch eine definierte Steuerung des Versorgungsstroms und des Versatzstroms kompensiert. US 5,260,614 describes a Hall sensor with a automatic compensation. Changes in the Sensitivity of the Hall element caused by a temperature or at a production can be introduced by a defined Control of the supply current and the offset current compensated.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Konzept zum empfindlichen Messen von Magnetfeldern mit Hallsondensystemen zu schaffen. The object of the present invention is a improved concept for sensitive measurement of Create magnetic fields with Hall probe systems.

Diese Aufgabe wird durch ein Hallsondensystem nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 27 oder 28 gelöst. This object is achieved by a Hall probe system according to claim 1 and a method according to claim 27 or 28 solved.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine strombezogene Empfindlichkeit eines Hallsondensystems in Abhängigkeit eines externen Einflußparameters des leitfähigen Hallbereichs gesteuert werden kann, indem an einen Elektrodenbereich, der von dem Hallbereich elektrisch isoliert ist und in der Nähe des Hallbereichs angeordnet ist, eine Steuerspannung angelegt wird, die von dem Einflußparameter des leitfähigen Hallbereichs abhängt. Durch das Anlegen der Steuerspannung an den Elektrodenbereich wird die strombezogene Empfindlichkeit und daher die Hallspannung durch eine Beeinflussung der für den Hallstrom zur Verfügung stehenden Ladungsträger durch die angelegte Steuerspannung gesteuert. The present invention is based on the knowledge that a current-related sensitivity of a Hall probe system in Dependency of an external influencing parameter of the conductive Hall range can be controlled by connecting to a Electrode area that is electrically isolated from the Hall area and located near the Hall area, one Control voltage is applied by the influence parameter of the conductive hall range. By creating the Control voltage at the electrode area becomes the current-related Sensitivity and therefore the Hall voltage by a Influencing those available for the Hall current Charge carriers controlled by the applied control voltage.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch das erfindungsgemäße Konzept bei einem ratiometrischen Hallsondensystem unter Beibehaltung der Ratiometrie eine Kompensation bzw. Reduktion von externen Einflüssen auf die Hallsonde durchgeführt werden kann. An advantage of the present invention is that through the concept according to the invention in a ratiometric Hall probe system while maintaining the ratiometry one Compensation or reduction of external influences on the Hall probe can be performed.

Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird als Elektrodenbereich zum Anlegen der Steuerspannung eine leitfähige Abdeckung bzw. ein leitfähiger Deckel verwendet, die durch eine Isolationsschicht, die zwischen dem Hallbereich und der leitfähigen Deckschicht angeordnet ist, von dem Hallbereich elektrisch isoliert ist. In one embodiment of the present invention as an electrode area for applying the control voltage conductive cover or cover used, by an insulation layer between the Hall region and the conductive cover layer is arranged, of which Hall area is electrically isolated.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Elektrodenbereich durch einen dotierten Bereich, der beispielsweise eine Deckschicht, eine dotierte Wanne oder das Substrat selbst sein kann, gebildet, wobei der dotierte Bereich an den Hallbereich anstößt und einen Dotiertyp aufweist, der entgegengesetzt zu dem Dotiertyp des Hallbereichs ist. Dadurch bildet sich bei entsprechenden angelegten Spannungen an einem zwischen dem Hallbereich und dem dotierten Bereich gebildeten pn-Übergang eine elektrisch isolierende Raumladungszone zwischen dem Hallbereich und dem dotierten Bereich aus, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel die Steuerung der Hallspannung durch eine Veränderung der Breite der Raumladungszone in dem Hallbereich des Hallsondensystems erfolgt. In another embodiment, the Electrode region by a doped region, for example a Top layer, a doped trough or the substrate itself can be formed, wherein the doped region to the Hall region abuts and has a doping type that is opposite to the doping type of the Hall region. This forms with appropriate applied voltages on one formed between the Hall region and the doped region pn junction an electrically insulating space charge zone between the Hall region and the doped region, where in this embodiment, the control of the Hall voltage by changing the width of the space charge zone in the Hall area of the Hall probe system takes place.

Das erfindungsgemäße Konzept wird bei einem Ausführungsbeispiel verwendet, um ein Reduzieren bzw. Kompensieren eines Einflusses einer mechanischen Verspannung des Substrats auf den Hallbereich zu erreichen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird eine Reduktion von temperaturbedingten Effekten und eine Reduktion von nicht-linearen Magnetfeldabhängigkeiten der Hallspannung bei hohen Magnetfeldern durchgeführt. The concept according to the invention is used in a Embodiment used to reduce or compensate for a Influence of a mechanical strain on the substrate to reach the hall area. With others A reduction of temperature-related effects is exemplary embodiments and a reduction of non-linear Magnetic field dependencies of the Hall voltage are carried out at high magnetic fields.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments of the present invention are described below with reference to the accompanying Drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1a ein Schaubild einer Abhängigkeit der strombezogenen Empfindlichkeit SI als Funktion einer Spannung zwischen einer leitfähigen Deckschicht und einem Common-Mode-Potential eines Hallbereichs; Figure 1a is a diagram showing a dependence of the current-related sensitivity S I as a function of a voltage between a conductive layer and a common-mode potential of a Hall range.

Fig. 1b ein Blockdiagramm einer Meßschaltung zum Ermitteln des Kurvenverlaufs von Fig. 1a; Fig. 1b is a block diagram of a measuring circuit for determining the curve of Fig. 1a;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Beeinflußung der Hallsonde durch ein Einstellen eines Potentials einer leitfähigen Abdeckung und durch ein Einstellen des Common-Mode-Potentials erfolgt; Fig. 2 is a block diagram of an embodiment of the present invention, in which is carried an influence of the Hall sensor by adjusting a potential of a conductive cover, and by setting the common-mode potential;

Fig. 3a ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels zum Linearisieren eines Temperaturgangs einer Empfindlichkeit eines ratiometrischen Hallsondensystems; FIG. 3a shows a block diagram of one embodiment for linearizing a response of a temperature sensitivity of a ratiometric Hall probe system;

Fig. 3b ein Schaubild zur Erklärung der Wirkung des Schaltungsaufbaus nach Fig. 3b auf den Temperaturverlauf der Empfindlichkeit; FIG. 3b is a diagram for explaining the operation of the circuitry of Figure 3b to the temperature history of sensitivity.

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Schaltungsaufbaus zur Linearisierung der Empfindlichkeit eines ratiometrischen Hallsondensystems; Fig. 4 is a block diagram of a circuit structure for linearization of the sensitivity of a Hall probe ratiometric system;

Fig. 5a ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zum Reduzieren von Einflüssen mechanischer Verspannungen; Figure 5a is a block diagram of an embodiment of the present invention for reducing influences of mechanical tension.

Fig. 5b ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zum Reduzieren von Einflüssen mechanischer Verspannungen; Figure 5b is a block diagram of another embodiment of the present invention for reducing mechanical influences of tension.

Fig. 6a ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verspannungssensoreinrichtung zum Erfassen einer mechanischen Verspannung; 6a is a first embodiment of a strain sensor device for detecting mechanical tension.

Fig. 6b ein zweites Ausführungsbeispiel einer Verspannungssensoreinrichtung zum Erfassen einer mechanischen Verspannung; Figure 6b is a second embodiment of a strain sensor device for detecting mechanical tension.

Fig. 7a ein Schaltungsdiagramm einer Stromsteuerung einer Hallsonde; FIG. 7a is a circuit diagram of a current control of a Hall probe;

Fig. 7b ein Schaltungsdiagramm einer Spannungssteuerung einer Hallsonde; FIG. 7b is a circuit diagram of a voltage control of a Hall probe;

Fig. 8 ein bekanntes Ausführungsbeispiel einer Spannungsquelle zum Erzeugen einer Spannung mit vorbestimmtem Temperaturgang; und Fig. 8 is a known embodiment of a voltage source for generating a voltage having a predetermined temperature coefficient; and

Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem mehrere Verspannungssensoren zum Erfassen mechanischer Verspannungen verwendet werden, und das zwei Möglichkeiten aufzeigt, wie die Empfindlichkeit der Hallsonde durch ein elektrisches Signal (A1, A2) beeinflusst werden kann. Figure 9 is an embodiment of the present invention may be used in which a plurality of strain sensors for detecting mechanical tension, and the two ways shows., As the sensitivity of the Hall probe can be influenced by an electric signal (A1, A2).

Fig. 1a zeigt einen Kurvenverlauf einer strombezogenen Empfindlichkeit SI als Funktion einer elektrischen Spannung, die zwischen einer von dem Hallbereich isolierten Abdeckung und dem Common-Mode-Punkt des Hallbereichs anliegt. FIG. 1a is a graph showing a current-related sensitivity S I as a function of an electrical voltage applied to the Hall range between a region of the Hall insulated cover and the common-mode point.

Unter Common-Mode-Punkt bzw. Gleichtaktpunkt wird dabei derjenige Punkt in dem Hallbereich verstanden, bei dem das elektrische Potential dem arithmetischen Mittelwert der elektrischen Potentiale an den sekundärseitigen Hallanschlüssen entspricht. Common mode point or common mode point understood the point in the reverberation area at which the electrical potential the arithmetic mean of electrical potentials on the secondary Hall connections equivalent.

Fig. 1b zeigt ein Blockdiagramm zur Ermittlung des in Fig. 1a gezeigten Kurvenverlaufs. Gemäß Fig. 1b weist ein Hallbereich 10 primärseitig einen ersten Anschluß 12 und einen zweiten Anschluß 14 auf. Der erste Anschluß 12 ist mit einem Ausgang eines Differenzverstärkers 15 verbunden. Der Hallbereich 10 weist ferner einen ersten und zweiten Hallanschluß 18 und 20 auf, die jeweils mit einem Eingang einer Additionsvorrichtung 21 verbunden sind. Ein Ausgang der Additionsvorrichtung 21 ist mit dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 15 verbunden. Der positive Eingang des Differenzverstärkers 15 ist mit einer Spannungsquelle 23 verbunden. Über dem Hallbereich 10 ist ein isolierter Deckel 22 angeordnet, der mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle 25 verbunden ist. Der zweite Pol der Spannungsquelle 25 ist mit Masse verbunden. FIG. 1b shows a block diagram for the determination of the curve shown in Fig. 1a. Referring to FIG. 1b 10 comprises a Hall field on the primary side to a first terminal 12 and second terminal 14. The first connection 12 is connected to an output of a differential amplifier 15 . The Hall region 10 also has a first and a second Hall connection 18 and 20 , each of which is connected to an input of an addition device 21 . An output of the adder 21 is connected to the negative input of the differential amplifier 15 . The positive input of the differential amplifier 15 is connected to a voltage source 23 . An insulated cover 22 is arranged above the Hall area 10 and is connected to a first pole of a voltage source 25 . The second pole of the voltage source 25 is connected to ground.

Durch den ersten Anschluß 12 wird der Hallbereich an ein geregeltes Primärpotential USUP gelegt, wodurch sich zwischen dem ersten Anschluß 12 und dem zweiten Anschluß 14 ein konstanter Primärstrom IH ergibt. Sekundärseitig ergibt sich die Hallspannung Uh als eine Differenzspannung der Spannungen U2 und U3. Die Hallspannung Uh gibt die senkrechte Magnetfeldkomponente eines Magnetfelds 27 an. Die an den ersten Anschluß 12 anliegende Spannung USUP wird von einer Regelschaltung, die durch den Differenzverstärker 15, und die Additionsvorrichtung 21 in Verbindung mit dem ersten Anschluß 12 und den Hallanschlüssen 18 und 20 gebildet ist, so geregelt, daß das Potential des Common-Mode-Punkts eine konstante Spannung gegenüber Masse aufweist. Der Wert des Common-Mode- Potentials ist dabei gemäß der Formel UCM = 0,5.(U2 + U3) definiert, wobei das Common-Mode-Potential von dem Magnetfeld unbeeinflußt ist. Die Abdeckung über der Sonde wird nun auf ein gegen UCM bezogenes Potential UD-CM = UD - UCM gelegt. Through the first connection 12 , the Hall region is connected to a regulated primary potential U SUP , which results in a constant primary current I H between the first connection 12 and the second connection 14 . On the secondary side, the Hall voltage U h results as a differential voltage between the voltages U 2 and U 3 . The Hall voltage U h indicates the vertical magnetic field component of a magnetic field 27 . The voltage U SUP applied to the first connection 12 is regulated by a control circuit which is formed by the differential amplifier 15 and the addition device 21 in connection with the first connection 12 and the Hall connections 18 and 20 , so that the potential of the common Mode point has a constant voltage to ground. The value of the common mode potential is defined in accordance with the formula U CM = 0.5. (U 2 + U 3 ), the common mode potential being unaffected by the magnetic field. The cover over the probe is now made to a related against U CM potential U D-CM = U D - set U CM.

Um den alleinigen Einfluß des Deckelpotentials auf die strombezogene Empfindlichkeit zu ermitteln, muß das Potential des Substrats gegenüber dem Common-Mode-Potential konstant sein. Dazu wird die Regelschaltung aus den beiden Eingangsgrößen U2, U3, der Additionsvorrichtung 21, dem Differenzverstärker 15 und der Referenzspannung 2 UCM, die an den positiven Eingang des Differenzverstärkers 15 anliegt, verwendet. Diese Schaltung regelt USUP so nach, daß UCM stets der arithmetische Mittelwert der beiden Potentiale U2 und U3 ist. In order to determine the sole influence of the cover potential on the current-related sensitivity, the potential of the substrate must be constant compared to the common mode potential. For this purpose, the control circuit comprising the two input variables U 2 , U 3 , the addition device 21 , the differential amplifier 15 and the reference voltage 2 U CM , which is applied to the positive input of the differential amplifier 15, is used. This circuit regulates U SUP so that U CM is always the arithmetic mean of the two potentials U 2 and U 3 .

Würde die Regelschaltung zum Konstanthalten des Common-Mode- Potentials nicht verwendet, indem man die elektrische Spannung USUP an dem ersten Anschlag 12 auf einen konstanten Wert einstellt, so wird durch eine Änderung der Spannung UD der primärseitige Widerstand der Hallsonde geändert, so daß sich die primärseitige Spannung an der Hallsonde ändert, wodurch sich das Common-Mode-Potential auf der Sekundärseite um etwa die Hälfte der Spannungsänderung ändert. Dadurch würde sich die Sperrspannung zwischen dem Hallbereich 10 und einem Substrat um diesen Betrag ändern, so daß man anstatt einen reinen Einfluß des Deckelpotentials zu messen auch noch einen kleinen Einfluß des Substratpotentials mißt, der allerdings um einen Faktor 10 stärker ist. If the control circuit for keeping the common mode potential constant were not used by setting the electrical voltage U SUP at the first stop 12 to a constant value, the primary side resistance of the Hall probe is changed by a change in the voltage U D , so that the voltage on the primary side of the Hall probe changes, as a result of which the common mode potential on the secondary side changes by approximately half the voltage change. This would change the reverse voltage between the Hall region 10 and a substrate by this amount, so that instead of measuring a pure influence of the lid potential, a small influence of the substrate potential is also measured, which is, however, a factor of 10 stronger.

Die Deckschicht bzw. der Deckel ist typischerweise bei bekannten Hallsondensystemen vorhanden und von dem Hallbereich durch eine Isolierschicht, wie beispielsweise eine dielektrische Schicht, elektrisch isoliert. The cover layer or the cover is typically at known Hall probe systems available and from the Hall area through an insulating layer, such as a dielectric layer, electrically insulated.

Bekannterweise wird dabei an die Deckschicht eine konstante elektrische Spannung angelegt, um die Beeinflussung der strombezogenen Empfindlichkeit, wie es in Fig. 1a gezeigt ist, durch ein sich änderndes elektrisches Potential der Deckschicht in Bezug auf das Common-Mode-Potential des Hallbereichs klein zu halten. Folglich ist die in Fig. 1a gezeigte Abhängigkeit der strombezogenen Empfindlichkeit bei bekannten Hallsondensystemen unerwünscht und wird durch das Anlegen der konstanten Spannung unterdrückt. As is known, a constant electrical voltage is applied to the cover layer in order to keep the influence of the current-related sensitivity, as shown in FIG. 1 a, small by a changing electrical potential of the cover layer in relation to the common mode potential of the Hall region , Consequently, the dependence of the current-related sensitivity shown in FIG. 1a is undesirable in known Hall probe systems and is suppressed by the application of the constant voltage.

Erfindungsgemäß kann jedoch die in Fig. 1a gezeigte Abhängigkeit verwendet werden, um durch Anlegen einer Steuerspannung die magnetische Empfindlichkeit gezielt zu beeinflussen und zu steuern. According to the invention, however, the dependency shown in FIG. 1a can be used in order to specifically influence and control the magnetic sensitivity by applying a control voltage.

Der in Fig. 1a gezeigte Kurvenverlauf bezieht sich auf einen n-dotierten Hallbereich, bei dem die Majoritätsladungsträger in dem Hallbereich Elektronen sind, wodurch sich das Abfallen der strombezogenen Empfindlichkeit SI mit steigender Spannung zwischen der Deckschicht und dem Common-Mode-Potential UD-CM ergibt. The curve shown in FIG. 1a relates to an n-doped Hall region, in which the majority charge carriers in the Hall region are electrons, as a result of which the current-related sensitivity S I drops with increasing voltage between the cover layer and the common mode potential U D -CM results.

Die physikalische Ursache dafür ergibt sich aus der Tatsache, daß durch die angelegte Spannung Ladungsträger je nach Vorzeichen der Spannung und nach Art der Ladungsträger zwischen der Deckschicht und der aktiven Schicht angezogen oder abgestoßen werden, so daß sich eine effektive Schichtdicke t des Hallbereichs verändert. Die Änderung der effektiven Schichtdicke t bewirkt die Änderung der strombezogenen Empfindlichkeit SI des Hallsondensystems. The physical reason for this arises from the fact that charge carriers are attracted or repelled between the cover layer and the active layer, depending on the sign of the voltage and the type of charge carriers, so that an effective layer thickness t of the Hall region changes. The change in the effective layer thickness t causes the change in the current-related sensitivity S I of the Hall probe system.

Folglich ist es verständlich, daß sich bei einem p-dotierten Hallbereich eine Steigung der Kurve mit entgegengesetzten Vorzeichen ergibt, wobei jedoch das Vorsehen eines p- dotierten Hallbereichs bei bekannten Anwendungen eher unüblich ist. Consequently, it is understandable that with a p-doped Hall range an incline of the curve with opposite Sign, but the provision of a p- doped Hall range in known applications rather is unusual.

Die dabei erreichten Empfindlichkeitsänderungen liegen in einem Bereich von etwa -1,5%/V, wenn der Elektrodenbereich durch eine Deckschicht gebildet ist, die durch eine Isolierschicht aus einem Feldoxid von dem Hallbereich isoliert ist. The changes in sensitivity achieved are in a range of approximately -1.5% / V when the electrode area is formed by a cover layer, which by a Insulating layer of a field oxide is isolated from the Hall area.

Folglich ist es möglich, einen Feinabgleich der Empfindlichkeit in einem Ausmaß von etwa 2% durchzuführen, indem an die Abdeckung geeignete Spannungen in einem Bereich von unter 3 V angelegt werden. Consequently, it is possible to fine tune the Perform sensitivity to an extent of about 2% by following the Cover suitable voltages in a range below 3V be created.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann anstatt der leitfähigen Abdeckung der Sonde der Elektrodenbereich zum Anlegen der Steuerspannung aus einem dotierten Bereich bestehen, der eine Dotierung mit einem Dotiertyp aufweist, der sich von dem Dotiertyp des Hallbereichs unterscheidet. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen umfaßt der dotierte Bereich eine Wanne, in der der Hallbereich angeordnet ist, eine dotierte Abdeckschicht oder das Substrat selbst. In a further embodiment, instead of conductive cover of the probe to apply the electrode area the control voltage consist of a doped region which has a doping with a doping type that differs from that Doping type of the Hall region differs. With preferred In exemplary embodiments, the doped region comprises a trough, in which the Hall area is arranged, a doped Cover layer or the substrate itself.

Da der dotierte Bereich direkt an dem Hallbereich anliegt und einen zu dem Hallbereich entgegengesetzten Dotiertyp aufweist, wird zwischen dem dotierten Bereich und dem Hallbereich ein pn-Übergang mit einer elektrisch isolierten Raumladungszone gebildet. Im Unterschied zu der durch eine Isolationsschicht isolierte Deckschicht muß bei diesem Ausführungsbeispiel während des Betriebs der Sonde gewährleistet sein, daß der zwischen dem Deckbereich und dem Hallbereich gebildete pn-Übergang stets in Sperrichtung geschaltet ist. Folglich muß bei einem Hallsondensystem, bei dem der Hallbereich n- dotiert ist, der p-dotierte Deckbereich stets auf einer negativeren Spannung liegen als der Hallbereich. Since the doped area lies directly on the Hall area and a doping type opposite to the Hall region has between the doped region and the Hall area a pn junction with an electrically isolated Space charge zone formed. In contrast to the one Insulation layer insulated cover layer must be in this Embodiment can be ensured during operation of the probe, that between the deck area and the reverb area formed pn junction is always switched in the reverse direction. consequently with a Hall probe system in which the Hall area n- is doped, the p-doped cover area always on one voltage is more negative than the Hall range.

Bei den Ausführungsbeispielen mit einem gebildeten pn- Übergang findet die Beeinflussung der strombezogenen Empfindlichkeit durch die Veränderung der Breite der Raumladungszone in dem Hallbereich und folglich durch die Veränderung der effektiven Schichtdicke t des Hallbereichs statt. In the embodiments with a pn- Transition takes place influencing the current-related Sensitivity by changing the width of the space charge zone in the reverb area and consequently by changing the effective layer thickness t of the Hall area instead.

Bei dem obigen Fall eines n-dotierten Hallbereichs und eines p-dotierten Deckbereichs zeigt sich eine gleiche funktionelle Abhängigkeit, d. h., das mit zunehmendem UD-CM, und folglich einer abnehmenden Sperrspannung die strombezogene Empfindlichkeit abnimmt. In the case of an n-doped Hall region and a p-doped covering region, the same functional dependency is shown, ie that the current-related sensitivity decreases with increasing U D-CM and consequently with a decreasing blocking voltage.

Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel mit einem gebildeten pn-Übergang kann bei dem Ausführungsbeispiel mit einer isolierten leitfähigen Abdeckung der gesamte Betriebsspannungsbereich als ein Aussteuerbereich des Deckelpotentials verwendet werden. Darüber hinaus ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch die elektrische Isolationsschicht verhindert, daß bei hohen Temperaturen Leckströme von der leitfähigen Abdeckung in den Hallbereich des Hallsondensystems oder umgekehrt auftreten. In contrast to the embodiment with an educated pn transition can in the embodiment with a insulated conductive cover the entire Operating voltage range as a control range of the lid potential be used. In addition, this one Embodiment prevented by the electrical insulation layer at high temperatures leakage currents from the conductive Coverage in the Hall area of the Hall probe system or vice versa occur.

Wie es weiter unten näher erklärt wird, kann die erfindungsgemäße Steuerung der strombezogenen Empfindlichkeit verwendet werden, um beispielsweise einen Temperaturgang der magnetischen Empfindlichkeit der Sonde in geringem Maße zu ändern, die Abhängigkeit der magnetischen Empfindlichkeit des Hallsondensystems von einer mechanischen Verspannung des Substrats zu reduzieren bzw. zu kompensieren oder die Empfindlichkeit derart zu steuern, daß nicht-lineare Magnetfeldabhängigkeiten reduziert werden. As explained in more detail below, the Control of current-related sensitivity according to the invention used be, for example, a temperature response of the to slightly change the magnetic sensitivity of the probe, the dependence of the magnetic sensitivity of the Hall probe system from mechanical tensioning of the To reduce or compensate for the substrate or Control sensitivity so that non-linear Magnetic field dependencies can be reduced.

Die Ausführung der isolierten Abdeckung umfaßt eine große Vielzahl von Möglichkeiten. Hinsichtlich des Materials kann die isolierte Abdeckung beispielsweise aus einem Metall, wie beispielsweise einer Aluminium-Metallisierung, oder einer leitfähigen Halbleiterschicht, wie beispielsweise einer Schicht aus Polysilizium, gebildet sein. Typischerweise bedeckt die isolierte Abdeckung weite Teile der Sonde, wobei eine Vielzahl von Ausbildungen zur Verfügung steht. Beispielsweise kann die isolierte Abdeckung durch ein Vollmaterial gebildet sein, um den Durchgriff mechanischer Kräfte von einem Gehäuse, das auf das Hallsondensystem aufgebracht wird, auf das Substrat abzuleiten. Ferner kann der isolierte Deckel als ein geschlitzter Deckel gebildet sein, um mechanische Spannungen, die von dem Deckelmaterial auf die Sonde ausgeübt werden, über nicht allzu große Flächen aufzubauen. The insulated cover has a large design Variety of possibilities. Regarding the material can the insulated cover, for example made of a metal, such as for example an aluminum metallization, or one conductive semiconductor layer, such as one Layer of polysilicon can be formed. typically, covers the insulated cover large parts of the probe, whereby a variety of training courses are available. For example, the insulated cover can be covered by a Solid material can be formed to withstand the penetration of mechanical forces a housing that is applied to the Hall probe system, derived on the substrate. Furthermore, the insulated cover be formed as a slotted lid to mechanical Tensions exerted by the lid material on the probe to build up on not too large areas.

Ferner kann bei einem weiteren Ausführungsbeispiel die isolierte leitfähige Abdeckung als ein Gitter gebildet sein, um Wirbelstromeffekte zu reduzieren. Vorzugsweise können dabei die senkrechten und waagerechten Gitterstäbe in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein, wodurch die Strompfade von induzierten Wirbelströmen, in Analogie zu einem laminierten Trafoblech, unterbrochen sind. Furthermore, in a further embodiment insulated conductive cover to be formed as a grid Reduce eddy current effects. Preferably you can the vertical and horizontal bars in be arranged at different levels, whereby the current paths of induced eddy currents, analogous to a laminated Transformer plate, are interrupted.

Als eine weitere mögliche Ausbildung kann die isolierte Abdeckung durch eine Mehrzahl von senkrechten oder waagerechten parallelen Leitungen gebildet sein. As another possible education, the isolated one Covered by a variety of vertical or horizontal parallel lines can be formed.

Ferner kann die Abdeckung aus mehreren Teilen gebildet werden, wobei dieselben mittels externer Leitungen miteinander verschaltet werden können, was vorzugsweise sternförmig erfolgt, um Schleifen zu verhindern und dadurch die Wirbelstrom-bedingten Effekte zu reduzieren. Ebenso können dabei auch einzelne Teile der Abdeckung auf ein festes konstantes Potential gelegt werden. Beispielsweise kann die Abdeckung in vier Teile unterteilt sein, wobei zwei Teile auf Masse gelegt sind, während die beiden verbleibenden Teile zum Anlegen der elektrischen Steuerspannung, die die Empfindlichkeit der Hallsonde auf die obig beschriebene Art und Weise beeinflußt, verwendet werden. Alternativ können dabei auch zwei Teile auf das Common-Mode-Potential des Hallbereichs gelegt werden, während die beiden verbleibenden Teile zum Anlegen der Steuerspannung verwendet werden. Furthermore, the cover can be formed from several parts be, the same with each other by means of external lines can be interconnected, which is preferably star-shaped is done to prevent loops and thereby the Reduce eddy current effects. You can also do this even individual parts of the cover to a fixed constant Potential. For example, the cover in four parts can be divided, with two parts connected to ground while the two remaining parts are used to create the electrical control voltage that affects the sensitivity of the Hall probe influenced in the manner described above, be used. Alternatively, two parts can be used the common mode potential of the reverb area is set, while the two remaining parts for creating the Control voltage can be used.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel stellt der Elektrodenbereich zum Anlegen einer Steuerspannung das Substrat selbst dar, wobei bei diesem Beispiel das Substrat eine Dotierung mit einem Dotiertyp aufweist, der entgegengesetzt zu dem Dotiertyp des Hallbereichs ist. Entsprechend zu dem Ausführungsbeispiel, bei dem ein dotierter Deckbereich mit entgegengesetztem Dotiertyp verwendet wurde, bildet sich auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine Raumladungszone aus, die in diesem Fall zwischen dem Hallbereich und dem dotierten Substrat ausgebildet wird. Dabei muß wiederum beachtet werden, daß die Steuerspannung lediglich in einem solchen Bereich angelegt wird, daß der zwischen Substrat und Hallbereich gebildete pn-Übergang stets in Sperrichtung geschaltet ist, so daß die gebildete Raumladungszone als elektrische Isolation wirkt. In a further embodiment, the Electrode area for applying a control voltage to the substrate itself represents, in this example, the substrate doping with a doping type opposite to that Is the doping type of the Hall region. Corresponding to that Embodiment in which a doped covering area with opposite doping type was used, also forms with this embodiment, a space charge zone, which in in this case between the Hall region and the doped Substrate is formed. Again, it must be taken into account that the control voltage is only in such a range is applied that between the substrate and Hall area formed pn junction is always switched in the reverse direction, so that the space charge zone formed as electrical insulation acts.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Steuerung der strombezogenen Empfindlichkeit durch die Abdeckung 22 als auch durch ein Verändern der Spannung zwischen dem Common-Mode-Punkt des Hallbereichs 10 und einem dotierten Bereich, der eine Dotierung mit einem zu dem Hallbereich entgegengesetzten Dotiertyp aufweist. Wie bereits erwähnt wurde, kann der dotierte Bereich beispielsweise eine dotierte Wanne oder das Substrat selbst umfassen. Fig. 2 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. In this embodiment, control of the current-related sensitivity by the cover 22 as well as by changing the voltage between the common mode point of the Hall region 10 and a doped region which is doped with a doping type opposite to the Hall region. As already mentioned, the doped region can comprise, for example, a doped well or the substrate itself.

Der Schaltungsaufbau von Fig. 2 entspricht im wesentlichen dem in Fig. 1b gezeigten Schaltungsaufbau, der in Fig. 1b zum Messen des Kurvenverlaufs von Fig. 1a verwendet wurde. Im Unterschied zu dem Schaltungsaufbau gemäß Fig. 1b weist der Schaltungsaufbau anstatt der Spannungsquelle 23 eine erste Steuereinrichtung 27 zum Anlegen einer ersten Steuerspannung und anstatt der Spannungsquelle 25 eine zweite Steuereinrichtung 29 zum Anlegen einer zweiten Steuerspannung auf. Die erste Steuereinrichtung 27 erzeugt in Abhängigkeit von einem oder mehreren Einflußparametern, die einen Einfluß auf den Hallbereich beschreiben und beispielsweise eine Temperatur, einen mechanischen Verspannungszustand des Substrats oder ein angelegtes Magnetfeld sein können, eine erste Steuerspannung USt1, die an den positiven Eingang des Differenzverstärkers 15angelegt wird. Durch die erste Steuerspannung USt1 wird von dem Differenzverstärker 15 ein solches Potential USUP an den ersten Anschluß 12 des Hallbereichs 10 angelegt, daß der Common-Mode-Punkt des Hallbereichs 10 auf ein elektrisches Potential gelegt wird, das der Hälfte der ersten Steuerspannung USt1 entspricht. Folglich gilt:

USt1 = 2.UCM.
The circuit configuration of FIG. 2 essentially corresponds to the circuit configuration shown in FIG. 1b, which was used in FIG. 1b for measuring the curve shape of FIG. 1a. In contrast to the circuit structure according to FIG. 1b, the circuit structure has a first control device 27 for applying a first control voltage instead of the voltage source 23 and a second control device 29 for applying a second control voltage instead of the voltage source 25 . The first control device 27 generates a first control voltage U St1 , which is applied to the positive input of the differential amplifier, as a function of one or more influencing parameters that describe an influence on the Hall area and can be, for example, a temperature, a mechanical tension state of the substrate or an applied magnetic field 15 is created. By means of the first control voltage U St1 , the differential amplifier 15 applies such a potential U SUP to the first connection 12 of the Hall region 10 that the common mode point of the Hall region 10 is set to an electrical potential which is half of the first control voltage U St1 corresponds. Hence:

U St1 = 2.U CM .

Wie es obig bereits erwähnt wurde, verändert sich dadurch die an dem Grenzbereich des Hallbereichs 10 und des Substrats ausgebildete Ausdehnung der Raumladungszone, so daß sich die strombezogene Empfindlichkeit ändert. Dabei ergibt sich eine Empfindlichkeit der Änderung der strombezogenen Empfindlichkeit von +10%/V bezogen auf das Potential zwischen dem Common-Mode-Punkt und dem Substrat. Die Steuereinrichtung legt dabei in Abhängigkeit von einem oder mehreren Einflußparametern eine solche Steuerspannung an, daß die durch Einflußparametern beschriebenen externen Einflüsse auf den Hallbereich reduziert oder kompensiert werden. As already mentioned above, this changes the extent of the space charge zone formed at the boundary region of the Hall region 10 and of the substrate, so that the current-related sensitivity changes. This results in a sensitivity to the change in the current-related sensitivity of + 10% / V based on the potential between the common mode point and the substrate. Depending on one or more influencing parameters, the control device applies such a control voltage that the external influences on the Hall area described by influencing parameters are reduced or compensated for.

Die zweite Einflußnahme auf die strombezogene Empfindlichkeit stellt bei diesem Ausführungsbeispiel das Anlegen einer elektrischen Steuerspannung an die Abdeckung 22 durch die zweite Steuereinrichtung 29 dar. Die zweite Steuereinrichtung 29 erzeugt dabei in Abhängigkeit von einem oder mehreren Einflußparametern, die beispielsweise eine Temperatur des Hallbereichs, ein mechanischer Verspannungszustand des Substrats oder ein den Hallbereich 10 durchsetzendes Magnetfeld sein kann, eine zweite Steuerspannung USt2, die an die Abdeckung 22 angelegt wird, um externe Einflüsse auf den Hallbereich zu reduzieren bzw. zu kompensieren. Im Gegensatz zu der Einflußnahme durch die Veränderung des Common-Mode-Potentials gegenüber dem Substratpotential bzw. Wannenpotential, wird durch die Veränderung des Potentials der Abdeckung 22 eine geringere Änderung der strombezogenen Empfindlichkeit pro zwischen der Abdeckung 22 und dem Common-Mode-Potential anliegender Spannung erreicht, wobei die Änderung etwa -1,5%/V beträgt. The second influence on the current-related sensitivity is in this embodiment, the application of an electrical control voltage to the cover 22 by the second control device 29. The second control means 29 generates in dependence on one or more effect parameters, for example, a temperature of the Hall region, a mechanical Tension state of the substrate or a magnetic field penetrating the Hall region 10 , a second control voltage U St2 , which is applied to the cover 22 in order to reduce or compensate for external influences on the Hall region. In contrast to the influence by changing the common mode potential compared to the substrate potential or well potential, the change in the potential of the cover 22 results in a smaller change in the current-related sensitivity per voltage present between the cover 22 and the common mode potential reached, the change being about -1.5% / V.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann eine Beeinflussung des Hallbereichs 10 entweder durch beide Steuereinrichtungen 27, 29 oder lediglich durch eine der Steuereinrichtungen, d. h. die Steuereinrichtung 27 oder die Steuereinrichtung 29, erfolgen. In dem letzteren Fall legt die Steuereinrichtung, die nicht zum Steuern verwendet wird, ein konstantes Potential an den Elektrodenbereich, der mit derselben verbunden ist, d. h. entweder an die Abdeckung 22 oder das dotierte Substrat bzw. die dotierte Wanne. Beispielsweise kann durch ein Erzeugen einer konstanten Steuerspannung USt2 durch die zweite Steuereinrichtung 29 das Potential der Abdeckung 22 auf einen konstanten Wert eingestellt werden, während die erste Steuereinrichtung 27 zur Steuerung der strombezogenen Empfindlichkeit des Hallbereichs 10 die erste Steuerspannung USt1 in Abhängigkeit eines oder mehrerer Einflußparameter des Hallbereichs 10 erzeugt. Dabei kann das elektrische Potential der Abdeckung 22 durch die zweite Steuereinrichtung 29 auch konstant auf das Common-Mode-Potential eingestellt werden. In the present exemplary embodiment, the Hall region 10 can be influenced either by both control devices 27 , 29 or only by one of the control devices, ie the control device 27 or the control device 29 . In the latter case, the control device, which is not used for control, applies a constant potential to the electrode region which is connected to it, ie either to the cover 22 or the doped substrate or the doped well. For example, by generating a constant control voltage U St2 by the second control device 29, the potential of the cover 22 can be set to a constant value, while the first control device 27 for controlling the current-related sensitivity of the Hall region 10, the first control voltage U St1 depending on one or more Influence parameters of the Hall area 10 generated. The electrical potential of the cover 22 can also be constantly set to the common mode potential by the second control device 29 .

Wie es bereits unter Bezugnahme auf Fig. 1b erklärt wurde, bewirkt die durch die Additionsvorrichtung 21, den Differenzverstärker 15 und die erste Steuerspannung USt1 gebildete Regelschaltung, daß der Common-Mode-Punkt unabhängig von einer an die Abdeckung 22 angelegten Spannung auf einem durch die erste Steuerspannung vorbestimmten Wert gehalten wird. Entfällt diese Regelschaltung, indem man USUP konstant hält, so ändert sich durch die an die Abdeckung angelegte zweite Steuerspannung USt2 der primärseitige Widerstand der Hallsonde, so daß sich ferner die primärseitige Spannung an dem Hallbereich 10 ändert und sich das Common-Mode-Potential, das das arithmetische Mittel der an dem ersten Hallanschluß 18 und dem zweiten Hallanschluß 20 abgegriffenen Spannungen darstellt, auf der Sekundärseite um etwa die Hälfte dieser Spannungsänderung ändert. As has already been explained with reference to FIG. 1b, the control circuit formed by the addition device 21 , the differential amplifier 15 and the first control voltage U St1 causes the common mode point to be independent of a voltage applied to the cover 22 the first control voltage predetermined value is maintained. If this control circuit is omitted by keeping U SUP constant, the primary side resistance of the Hall probe changes due to the second control voltage U St2 applied to the cover, so that the primary side voltage at Hall region 10 also changes and the common mode potential changes , which represents the arithmetic mean of the voltages tapped at the first Hall connection 18 and the second Hall connection 20 , changes on the secondary side by approximately half of this voltage change.

Folglich ändert sich auch die Sperrspannung zwischen dem Hallbereich 10 und dem Substrat an dem Common-Mode-Punkt um diesen Betrag, so daß durch diese Änderung ein kleiner Einfluß des Substratpotentials bzw. Wannenpotentials zu dem Einfluß des Abdeckungspotentials hinzuaddiert wird, wobei jedoch eine Beeinflußung, die durch das Substratpotential bewirkt wird, um etwa einen Faktor 10 stärker ist. As a result, the reverse voltage between the Hall region 10 and the substrate at the common mode point also changes by this amount, so that this change adds a small influence of the substrate potential or well potential to the influence of the cover potential, but an influence, which is caused by the substrate potential is about a factor of 10 stronger.

Dabei kann durch das Anlegen der zweiten Steuerspannung USt2 an die Abdeckung 22 als alleinige Steuerspannung die strombezogene Empfindlichkeit des Hallbereichs 10 mit einer größeren Empfindlichkeit gegenüber einem festgelegten Common-Mode- Potential beeinflußt werden, so daß allein durch die Steuerung mittels einer an die Abdeckung 22 angelegten Steuerspannung eine Beeinflussung um einige Prozent erreicht werden kann. In this case, by applying the second control voltage U St2 to the cover 22 as the sole control voltage, the current-related sensitivity of the Hall region 10 can be influenced with a greater sensitivity to a fixed common mode potential, so that the control 22 by means of a applied control voltage can be influenced by a few percent.

Die Einflußnahme auf die strombezogene Empfindlichkeit des Hallbereichs 10 ist dabei unabhängig von einer Steuerung der Empfindlichkeit durch ein Verändern des Hallstroms IH. Bei einem Ausführungsbeispiel kann dies beispielsweise derart ausgenützt werden, daß zunächst der Hallstrom IH eine Grobsteuerung, beispielsweise zum Erreichen einer Kompensation von Temperatur-bedingten Einflüssen auf die Empfindlichkeit, durchgeführt wird, wohingegen durch die obig beschriebene erfindungsgemäße Beeinflussung über die erste Steuerspannung USt1 und/oder die zweite Steuerspannung USt2 eine Feinsteuerung durchgeführt wird. Ferner besteht auch die Möglichkeit, einen Einfluß eines Parameters auf den Hallbereich, der einen linearen und nicht-linearen Anteil aufweist, wie beispielsweise einen Temperaturkoeffizienten, der Temperatur-bedingte Effekte auf den Hallbereich 10 beschreibt, derart durchzuführen, daß der lineare Anteil über die Einstellung des Hallstroms IH durchgeführt wird, während die Kompensation eines nicht-linearen Einflusses über das erfindungsgemäße Anlegen der ersten und/oder zweiten Steuerspannung an die Abdeckung 22 bzw. an das Common-Mode-Potential durchgeführt wird. The influence on the current-related sensitivity of the Hall region 10 is independent of controlling the sensitivity by changing the Hall current I H. In one embodiment, this can be used, for example, such that first the Hall current I H is roughly controlled, for example to achieve compensation for temperature-related influences on the sensitivity, whereas the above-described influencing according to the invention via the first control voltage U St1 and / or the second control voltage U St2 is fine- tuned . Furthermore, there is also the possibility of influencing a parameter on the Hall region, which has a linear and non-linear component, such as a temperature coefficient, which describes temperature-related effects on the Hall region 10 , in such a way that the linear component is adjusted of the Hall current I H is carried out while the compensation of a non-linear influence is carried out by applying the first and / or second control voltage according to the invention to the cover 22 or to the common mode potential.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Konzepts besteht darin, daß die Empfindlichkeit durch die Steuerspannungen, die an der Abdeckung 22 und/oder an dem dotierten Bereich anliegen, eine multiplikative Natur aufweisen, d. h. daß die Ratiometrie des Ausgangssignals durch die Änderung der strombezogenen Empfindlichkeit nicht wesentlich beeinträchtigt wird, wenn der Primärstrom der Sonde ratiometrisch ist. Folglich ist es mit dem erfindungsgemäßen Konzept möglich, auf eine einfache Art und Weise ein ratiometrisches Hallsondensystem zu schaffen, bei dem eine Steuerung der Hallsonde zum Reduzieren von externen Einflüssen ebenfalls ratiometrisch durchgeführt wird und folglich die Ratiometrie des Hallsondensystems nicht beeinträchtigt. An advantage of the concept according to the invention is that the sensitivity due to the control voltages applied to the cover 22 and / or to the doped region has a multiplicative nature, that is to say that the ratiometry of the output signal is not significantly impaired by the change in the current-related sensitivity if the primary current of the probe is ratiometric. It is consequently possible with the concept according to the invention to create a ratiometric Hall probe system in a simple manner, in which a control of the Hall probe to reduce external influences is also carried out ratiometrically and consequently does not impair the ratiometry of the Hall probe system.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem das Hallsondensystem ein ratiometrisches Hallsondensystem ist, kann dies erreicht werden, indem das Potential der Abdeckung 22 bzw. das Potential des Common-Mode-Punkts unabhängig von der Betriebsspannung sind, wobei jedoch die Regelschaltung zum Festlegen des Common-Mode-Punkts aktiv sein muß. Dadurch wird eine weitgehendst perfekte Ratiometrie des Sensorsignals der Hallsonde erreicht. In a particularly preferred embodiment, in which the Hall probe system is a ratiometric Hall probe system, this can be achieved in that the potential of the cover 22 or the potential of the common mode point are independent of the operating voltage, but the control circuit for determining the common Mode point must be active. A largely perfect ratiometry of the sensor signal of the Hall probe is thereby achieved.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3a soll nun ein Schaltungsaufbau zur Linearisierung eines Temperaturgangs der Empfindlichkeit einer Hallsonde erklärt werden, bei dem die Hallsonde als eine ratiometrische Hallsonde ausgebildet ist. A circuit structure for linearizing a temperature response of the sensitivity of a Hall probe, in which the Hall probe is designed as a ratiometric Hall probe, will now be explained with reference to FIG. 3a.

Der Schaltungsaufbau nach Fig. 3a entspricht im wesentlichen dem Schaltungsaufbau nach Fig. 2, wobei in Fig. 3a zusätzlich ein bekannter Schaltungsaufbau gezeigt ist, um einen ratiometrischen Hallstrom IH zu erreichen. Dazu ist der zweite Anschluß 14 mit einem Drainanschluß eines N-MOS-Transistors 31 verbunden. Der Sourceanschluß des N-MOS-Transistors 31 ist über einen Widerstand 33 mit Masse verbunden. Ferner ist der Source-Anschluß des N-MOS-Transistors 31 mit einem negativen Eingang eines Differenzverstärkers 33 verbunden. Der positive Eingang des Differenzverstärkers 33 ist mit einem Spannungsteiler verbunden, der aus einem ersten Widerstand 35a und einem zweiten Widerstand 35b besteht. Der Ausgang des Differenzverstärkers 33 ist mit einem Gate-Anschluß des N-MOS- Transistors 31 verbunden. The circuit configuration of FIG. 3a substantially corresponds to the circuit configuration of FIG. 2, where a well-known circuit construction is shown in Fig. 3a, in addition, to achieve a ratiometric Hall current I H. For this purpose, the second connection 14 is connected to a drain connection of an N-MOS transistor 31 . The source terminal of the N-MOS transistor 31 is connected to ground via a resistor 33 . Furthermore, the source terminal of the N-MOS transistor 31 is connected to a negative input of a differential amplifier 33 . The positive input of the differential amplifier 33 is connected to a voltage divider, which consists of a first resistor 35 a and a second resistor 35 b. The output of the differential amplifier 33 is connected to a gate connection of the N-MOS transistor 31 .

An dem Spannungsteiler wird eine Betriebsspannung VDD angelegt, wobei zwischen den Widerständen 35a und 35b ein Bruchteil k der Betriebsspannung VDD anliegt. Die durch den Spannungsteiler auf einen Wert von k.VDD heruntergeteilte Spannung wird in den positiven Eingang des Differenzverstärkers 33 eingegeben und legt die heruntergeteilte Spannung durch die Regelschleife, die aus dem Differenzverstärker 33 und dem N-MOS-Transistor 31 gebildet ist, an einen Widerstand 37 an. Der durch den Widerstand 37, der einen Widerstandswert RS aufweist, zu der Masse fließende Strom IH = k.VDD/Rs ist folglich proportional zu der Betriebsspannung VDD und daher ratiometrisch. An operating voltage V DD is applied to the voltage divider, a fraction k of the operating voltage V DD being present between the resistors 35 a and 35 b. The voltage divided by the voltage divider to a value of kV DD is input to the positive input of the differential amplifier 33 and applies the divided voltage to a resistor 37 through the control loop, which is formed from the differential amplifier 33 and the N-MOS transistor 31 on. The current I H = kV DD / Rs flowing through the resistor 37 , which has a resistance value R S , to the ground is consequently proportional to the operating voltage V DD and is therefore ratiometric.

Um nun eine Hallspannung Uh zu erhalten, die linear proportional zu der Betriebsspannung VDD ist, wird das Common-Mode- Potential der Hallsonde, das durch das arithmetische Mittel der Potentiale U2 und U3 definiert ist, mittels der Regelschleife, die durch die Additionsvorrichtung 21 und den Differenzverstärker 15 gebildet wird, und die bei diesem Ausführungsbeispiel konstante Steuerspannung, die auf einen Wert Uconst eingestellt ist, konstant bezüglich der Betriebsspannung gehalten werden. In order to obtain a Hall voltage U h which is linearly proportional to the operating voltage V DD , the common mode potential of the Hall probe, which is defined by the arithmetic mean of the potentials U 2 and U 3 , is determined by means of the control loop the addition device 21 and the differential amplifier 15 are formed, and the control voltage which is constant in this exemplary embodiment and which is set to a value U const is kept constant with respect to the operating voltage.

Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 25 ausgebildet, um an die Abdeckung 22 eine Steuerspannung Ust2 anzulegen, wobei die Steuerspannung verwendet wird, um einen Temperaturgang der Empfindlichkeit einer Hallsonde zu linearisieren. Wie es in Fig. 3a schematisch dargestellt ist, wird dazu eine Steuerspannung mit einer nach unten geöffneten Parabelform verwendet, was im folgenden erklärt wird. In the embodiment, the controller 25 is adapted to be applied to the cover 22, a control voltage U st2, the control voltage is used to provide a temperature response of the sensitivity to linearize a Hall probe. As is shown schematically in FIG. 3a, a control voltage with a parabolic shape open at the bottom is used for this, which is explained below.

Da der Widerstand 37, der den Hallstrom IH definiert, seinen Widerstandswert RS in Abhängigkeit von der Temperatur nicht linear ändert, verläuft auch der Strom bezüglich der Temperatur nicht linear. Mit anderen Worten gesagt, ändert sich die an den Hallanschlüssen 18 und 20 abgegriffene Hallspannung Uh nicht linear gegenüber der Temperatur, selbst wenn die strombezogene Empfindlichkeit des Hallsondensystems in erster Näherung konstant bezüglich der Temperatur ist. Since the resistor 37 , which defines the Hall current I H , does not change its resistance value R S linearly as a function of the temperature, the current is also not linear with respect to the temperature. In other words, the Hall voltage U h tapped at the Hall connections 18 and 20 does not change linearly with respect to the temperature, even if the current-related sensitivity of the Hall probe system is constant with respect to the temperature.

Das Anlegen der geeigneten Steuerspannung erfolgt durch ein Erfassen der Temperatur des Hallbereichs und/oder des Substrats durch eine Temperaturerfassungseinrichtung (nicht gezeigt) und ein Auswählen der zugeordneten Spannung. Die zugeordnete Spannung wird aus dem parabelförmigen Kurvenverlauf gewonnen, die die jeweils zur Linearisierung des Temperaturverlaufs erforderliche Steuerspannung gegen die Temperatur festlegt. Durch das Anlegen der Spannung USt2, die aus dem parabelförmigen Kurvenverlauf gewonnen wurde, an die Abdeckung 22 kann die strombezogene Empfindlichkeit des Hallsondensystems derart gesteuert werden, daß dieselbe bei tiefen und hohen Temperaturen um einige Prozent angehoben wird, so daß die Hallspannung Uh eine wesentlich größere Linearität aufweist, d. h., daß nicht-lineare Terme bezüglich der Temperatur stark vermindert sind. Dabei ist es wichtig, daß die Steuerspannung USt2 im wesentlichen unabhängig von der Betriebsspannung VDD ist, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, daß ein bekannter Parabelgenerator zum Erzeugen der Steuerspannung USt2 verwendet wird, der von einer On-Chip- Konstantspannungsquelle mit einer Spannung Ub versorgt wird, die bezüglich der Betriebsspannung VDD der Hallsonde konstant ist. The appropriate control voltage is applied by detecting the temperature of the Hall region and / or the substrate by a temperature detection device (not shown) and selecting the assigned voltage. The assigned voltage is obtained from the parabolic curve, which defines the control voltage required for the linearization of the temperature curve against the temperature. By applying the voltage U St2 , which was obtained from the parabolic curve, to the cover 22 , the current-related sensitivity of the Hall probe system can be controlled such that the same is raised by a few percent at low and high temperatures, so that the Hall voltage U h a has much greater linearity, ie that non-linear terms are greatly reduced in terms of temperature. It is important that the control voltage U St2 is substantially independent of the operating voltage V DD , which can be achieved, for example, by using a known parabola generator to generate the control voltage U St2 , which is provided by an on-chip constant voltage source with a Voltage U b is supplied, which is constant with respect to the operating voltage V DD of the Hall probe.

Fig. 3b zeigt ein Schaubild, bei dem die Wirkung der obig beschriebenen Linearisierung des Temperaturgangs der strombezogenen Empfindlichkeit dargestellt ist. FIG. 3b shows a graph in which the effect of the linearization above-described is shown of the temperature response of the current-related sensitivity.

Gemäß Fig. 3b ist die Empfindlichkeit S = Uh/B des Hallsondensystems bezogen auf die Betriebsspannung VDD als Funktion der Temperatur aufgetragen. Eine gestrichelte Kurvenlinie stellt dabei den Verlauf der Empfindlichkeit dar, der sich bei Anlegen eines konstanten Potentials an die Abdeckung 22 ergibt. Im Vergleich dazu ist als eine durchgezogene Linie ein Kurvenverlauf der Empfindlichkeit dargestellt, der sich durch eine Steuerung des Potentials der Abdeckung 22 durch einen Parabelgenerator ergibt. Wie es zu erkennen ist, zeigt die mittels Steuerung erhaltene durchgezogene Kurve einen Verlauf, der bei niedrigen und hohen Temperaturen eine wesentlich größere Linearität im Vergleich zu dem nicht- gesteuerten Kurvenverlauf aufweist, der durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Folglich eignet sich das in Fig. 3a beschriebene Hallsondensystem zur Linearisierung der Empfindlichkeit, wobei die Ratiometrie des Hallspannungs- Ausgangssignals Uh erhalten bleibt, da die Beinflußung zum Reduzieren der nicht-linearen Temperaturbeiträge durch das Modulieren der strombezogenen Empfindlichkeit SI erfolgt, wie es obig erklärt wurde. According to FIG. 3b, the sensitivity S = U h / B of the Hall probe system based on the operating voltage V DD is plotted as a function of the temperature. A dashed curve line represents the course of the sensitivity that results when a constant potential is applied to the cover 22 . In comparison, a curve of sensitivity is shown as a solid line, which results from a control of the potential of the cover 22 by a parabola generator. As can be seen, the solid curve obtained by means of the control shows a course which, at low and high temperatures, has a substantially greater linearity compared to the uncontrolled course of the curve, which is represented by a dashed line. Accordingly, the Hall probe system described in FIG. 3a is suitable for linearizing the sensitivity, the ratiometry of the Hall voltage output signal U h being retained, since the influence on reducing the non-linear temperature contributions is achieved by modulating the current-related sensitivity S I , as described above was explained.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird nun ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erklärt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein nicht-linearer Einfluß des magnetischen Felds auf die Hallsonde reduziert. Another embodiment of the present invention will now be explained with reference to FIG . In this exemplary embodiment, a non-linear influence of the magnetic field on the Hall probe is reduced.

Der Schaltungsaufbau nach Fig. 4 entspricht dem in Fig. 3a gezeigten Schaltungsaufbau mit der Ausnahme, daß bei diesem Ausführungsbeispiel die Steuereinrichtung 29 ausgebildet ist, um die Steuerspannung USt2 in Abhängigkeit des Magnetfelds, das den Hallbereich 10 durchsetzt, zu erzeugen. The circuit configuration of Fig. 4 corresponds to generate in Fig. Circuit structure shown 3a with the exception that is formed in this embodiment, the control device 29 to the control voltage U St2 in dependence of the magnetic field passes through the Hall region 10.

Gemäß Fig. 4 ist eine Magnetfelderfassungseinrichtung 39 mit dem ersten Hallanschluß 18 und dem zweiten Hallanschluß 20 verbunden. Der Ausgang der Magnetfelderfassungseinrichtung 39 ist über einen Widerstand mit einem negativen Eingang eines Differenzverstärkers 41 verbunden. Eine Spannungsquelle 43 ist mit einem ersten Pol auf Masse gelegt, während ein zweiter Pol der Spannungsquelle 43 mit dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 41 verbunden ist. Der Ausgang des Differenzverstärkers 41 ist rückkopplungsmäßig über einen Widerstand 45 mit dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 41 verbunden. Ferner ist der Ausgang des Differenzverstärkers 41 mit der Abdeckung 22 verbunden. According to FIG. 4, a magnetic field detecting device 39 with the first Hall terminal 18 and the second Hall terminal 20 is connected. The output of the magnetic field detection device 39 is connected via a resistor to a negative input of a differential amplifier 41 . A voltage source 43 is connected to ground with a first pole, while a second pole of the voltage source 43 is connected to the positive input of the differential amplifier 41 . The output of the differential amplifier 41 is connected in terms of feedback via a resistor 45 to the negative input of the differential amplifier 41 . Furthermore, the output of the differential amplifier 41 is connected to the cover 22 .

Bei dem Schaltungsaufbau nach Fig. 4 wird durch die Magnetfelderfassungseinrichtung 39 ein Signal an die Steuereinrichtung 25, d. h. genauer gesagt an den negativen Eingang des Differenzverstärkers 41, angelegt. Die Erfassung des Magnetfelds durch die Magnetfelderfassungseinrichtung 39 erfolgt durch ein Abgreifen der Spannung an dem ersten Hallanschluß 18 und ein Abgreifen der Spannung an dem zweiten Hallanschluß 20, wobei das Ausgangssignal der Magnetfelderfassungseinrichtung 39 durch Subtraktion U3-U2 mit einer anschließenden Betragsbildung und Invertierung in einem invertierenden Verstärker erzeugt wird. Das Ausgangssignal, das folglich proportional zu dem Betrag der senkrechten Komponente der magnetischen Induktion ist, wird über den Widerstand an den negativen Eingang des Differenzverstärkers 41 angelegt. Der Differenzverstärker 41 subtrahiert die an dem negativen Eingang angelegte Spannung von einer Referenzspannung Uref, die von der Spannungsquelle 43 erzeugt wird, so daß an dem Ausgang des Differenzverstärkers 41 die Steuerspannung USt2 erzeugt wird, die von dem Betrag der senkrechten Komponente der magnetischen Induktion abhängt. Bei einem starken Magnetfeld wird dabei eine niedrige Spannung an die Abdeckung 22 angelegt, wodurch sich die Empfindlichkeit der Hallsonde erhöht, um den nicht-linearen Einfluß des Magnetfelds auf den Hallbereich zu reduzieren bzw. zu kompensieren. In the circuit construction of FIG. 4 is a signal to the controller 25, ie more specifically to the negative input of the differential amplifier 41, is applied by the magnetic field detecting device 39. The magnetic field is detected by the magnetic field detection device 39 by tapping the voltage at the first Hall connection 18 and tapping the voltage at the second Hall connection 20 , the output signal of the magnetic field detection device 39 being subtracted U3-U2 with subsequent magnification and inversion in an inverting manner Amplifier is generated. The output signal, which is consequently proportional to the amount of the vertical component of the magnetic induction, is applied via the resistor to the negative input of the differential amplifier 41 . The differential amplifier 41 subtracts the voltage applied to the negative input from a reference voltage U ref , which is generated by the voltage source 43 , so that the control voltage U St2 is generated at the output of the differential amplifier 41 , which is from the amount of the vertical component of the magnetic induction depends. In the case of a strong magnetic field, a low voltage is applied to the cover 22 , which increases the sensitivity of the Hall probe in order to reduce or compensate for the non-linear influence of the magnetic field on the Hall area.

Ferner wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 über die Regelschleife, die aus dem Differenzverstärker 15, der Addiervorrichtung 21, dem Anschluß 12 und den Hallanschlüssen 18, 20 gebildet ist, eine elektrische Spannung USUP an den zweiten Anschluß des Hallbereichs 10 angelegt, die bewirkt, daß das Common-Mode-Potential auf die durch die Steuereinrichtung 27 erzeugte Steuerspannung USt1 eingestellt wird, wie es unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3a erklärt wurde. Die Steuerspannung USt1 kann entweder von einem externen Parameter abhängen oder vorzugsweise auf einen konstanten Wert eingestellt sein, so daß die Steuerung der Empfindlichkeit der Hallsonde lediglich durch die Steuereinrichtung 29, d. h. über die an die leitfähige Abdeckung 22 angelegte Steuerspannung USt2, die von dem Wert des Magnetfelds abhängt, erfolgt. Furthermore, in the exemplary embodiment according to FIG. 4, an electrical voltage U SUP is applied to the second connection of the Hall region 10 via the control loop, which is formed from the differential amplifier 15 , the adding device 21 , the connection 12 and the Hall connections 18 , 20 causes the common mode potential to be set to the control voltage U St1 generated by the control device 27 , as was explained with reference to FIGS . 2 and 3a. The control voltage U St1 can either depend on an external parameter or can preferably be set to a constant value, so that the sensitivity of the Hall probe can only be controlled by the control device 29 , that is to say via the control voltage U St2 applied to the conductive cover 22 , that of the Value of the magnetic field depends.

Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3a ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Hallsonde ratiometrisch, da der Hallstrom IH als ein ratiometrischer Hallstrom erzeugt wird und das Common-Mode-Potential über die durch die Additionsvorrichtung 21 und den Differenzverstärker 15 gebildete Regelschaltung sowie durch die konstante Spannung, die an dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 15 anliegt, auf einem festgelegten Potential gehalten wird. As in the embodiment according to FIG. 3a, the Hall probe in this embodiment is ratiometric, since the Hall current I H is generated as a ratiometric Hall current and the common mode potential via the control circuit formed by the addition device 21 and the differential amplifier 15 and by the constant voltage, which is present at the positive input of the differential amplifier 15, is kept at a fixed potential.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist zu beachten, daß die durch den Differenzverstärker 41 und den Widerstand 45 gebildete Regelschleife eine Schwingneigung entstehen kann, die durch geeignete Stabilisierungsmaßnahmen, wie sie im Stand der Technik in der Theorie über Rückkopplungen hinreichend bekannt sind, vermieden werden kann. In the embodiment according to FIG. 4, it should be noted that the control loop formed by the differential amplifier 41 and the resistor 45 can develop a tendency to oscillate, which can be avoided by suitable stabilization measures, as are well known in the prior art in theory of feedback can.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Konzepts besteht darin, daß bei einer Kompensation von Temperatureinwirkungen auf die strombezogene Empfindlichkeit die Krümmung des Verlaufs im Bereich von -40°C bis 150°C zumeist in der Größenordnung von 2% ist, so daß die durch das Anlegen der Steuerspannung an die Abdeckung 22 erreichten Änderungen an diese Problemstellung sehr gut angepaßt ist. Die durch das Anlegen der Steuerspannung erreichten Änderungen sind dabei ausreichend groß, um den genannten Bereich hinreichend abzudecken, wobei dieselben andererseits jedoch nicht zu groß sind, um ein Einstellen der Steuerspannung mit einer aufwendigen und nicht-erwünschten Exaktheit durchzuführen. Dabei läßt sich die Abhängigkeit der strombezogenen Empfindlichkeit SI in gewissen Grenzen dadurch verstärken, daß in dem Fall einer isolierten Abdeckung die Isolationsschicht möglichst dünn gemacht wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß anstelle eines Feldoxids ein Gate-Oxid verwendet wird. Bei den Ausführungsbeispielen, bei denen die Steuerung durch eine an einem pn-Übergang ausgebildete Raumladungszone erfolgt, kann die Empfindlichkeit der Steuerung dadurch erhöht werden, daß die Dotierung des Elektrodenbereichs, d. h. die Dotierung einer Deckschicht oder die Dotierung des Substrats, bzw. einer Wanne des Substrats, größer als die Dotierkonzentration des Hallbereichs 10 gewählt wird. Dies bewirkt, daß sich die Raumladungszone vorwiegend in dem Hallbereich mit niedrigerer Dotierung ausbreitet, so daß sich bei einer Erhöhung der Sperrspannung an dem gebildeten pn-Übergang die effektive Tiefe des Hallbereichs mit einem größeren Hub moduliert wird, wodurch sich die magnetische Empfindlichkeit stärker ändert. Another advantage of the concept according to the invention is that when compensating for temperature effects on the current-related sensitivity, the curvature of the curve in the range from -40 ° C to 150 ° C is usually of the order of 2%, so that the by the application of Control voltage to the cover 22 changes are very well adapted to this problem. The changes achieved by the application of the control voltage are sufficiently large to adequately cover the range mentioned, but on the other hand they are not too large to carry out an adjustment of the control voltage with a complex and undesired accuracy. The dependence of the current-related sensitivity S I can be increased within certain limits by making the insulation layer as thin as possible in the case of an insulated cover. This can be done, for example, by using a gate oxide instead of a field oxide. In the exemplary embodiments in which the control takes place through a space charge zone formed at a pn junction, the sensitivity of the control can be increased in that the doping of the electrode region, ie the doping of a cover layer or the doping of the substrate or a trough of the Substrate, larger than the doping concentration of the Hall region 10 is selected. This causes the space charge zone to spread predominantly in the Hall region with a lower doping, so that when the reverse voltage at the pn junction formed increases, the effective depth of the Hall region is modulated with a larger stroke, as a result of which the magnetic sensitivity changes more.

Die erfindungsgemäße Steuerung der Potentiale der Elektrodenbereiche kann ferner verwendet werden, um Einflüsse, die durch mechanische Verspannungen des Substrats hervorgerufen werden, zu reduzieren bzw. zu kompensieren. The control of the potentials of the invention Electrode areas can also be used to control the influences caused by mechanical tension of the substrate be reduced or compensated.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 9 werden nun weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erklärt, bei denen das erfindungsgemäße Steuerungskonzept verwendet wird, um einen Einfluß einer mechanischen Verspannung auf den Hallbereich zu reduzieren bzw. zu kompensieren. With reference to FIGS. 5 to 9, further exemplary embodiments of the present invention will now be explained, in which the control concept according to the invention is used in order to reduce or compensate for an influence of a mechanical tension on the Hall area.

Bevor auf die einzelnen Ausführungsbeispiele eingegangen wird, soll an dieser Stelle eine kurze Erklärung der Grundlagen von mechanischen Verspannungen und deren Auswirkungen auf den Hallbereich erfolgen. Before going into the individual embodiments a brief explanation of the Basics of mechanical tension and its effects on the reverb area.

Indirekte Halbleiter zeigen, im Gegensatz zu direkten Halbleitern, starke Piezo-Effekte, was die Verwendung von Hallsonden beispielsweise auf Siliziumsubstraten erschwert. Da integrierte Hallsonden heutzutage vorwiegend in Siliziumsubstraten hergestellt werden, ist es wünschenswert, derartige Einflüsse zu reduzieren. Indirect semiconductors show, in contrast to direct ones Semiconductors, strong piezo effects, what the use of Hall probes, for example on silicon substrates, are more difficult. There integrated Hall probes nowadays mainly in Silicon substrates are manufactured, it is desirable to such Reduce influences.

Unter Piezo-Effekt wird eine Änderung elektrischer Parameter des Halbleitermaterials unter dem Einfluß einer mechanischen Spannung verstanden. Genauer kann ein piezoresistiver Effekt und ein Piezo-Hall-Effekt unterschieden werden. Under piezo effect is a change in electrical parameters of the semiconductor material under the influence of a mechanical Understood tension. More specifically, a piezoresistive effect and a piezo Hall effect can be distinguished.

Beide Effekte beruhen auf einer Veränderung der Bandstruktur unter der mechanischen Verspannung und einer darausfolgenden Umbesetzung der Energieminimas des Leitungsbandes bzw. der Energiemaximas des Valenzbandes durch die Ladungsträger. Both effects are based on a change in the band structure under the mechanical tension and a consequent Realization of the energy minima of the conduction band or Energy maxima of the valence band through the charge carriers.

Genauer gesagt, führt die Anwendung von Druck zu einer Aufhebung der Entartung der Energieminima des Leitungsbandes und der Energiemaximas des Valenzbandes und einer darausfolgenden Aufspaltung derselben. More specifically, the application of pressure leads to one Removal of the degeneracy of the energy minima of the conduction band and the energy maxima of the valence band and a subsequent one Splitting them up.

Der piezoresistive Effekt gibt an, wie sich der spezifische Ohmsche Widerstand unter dem Einfluß eines mechanischen Spannungssensors verändert. Dabei gilt:

ρ = ρ0(1 + Σπi,jσi,j) [1]
The piezoresistive effect indicates how the specific ohmic resistance changes under the influence of a mechanical tension sensor. The following applies:

ρ = ρ 0 (1 + Σπ i, j σ i, j ) [1]

In Gl. 1 ist σi,j ein mechanischer Spannungssensor und πi,j ein piezoresistiver Koeffizient, wobei sich die Summation über i = 1 . . . 3, j = 1 . . . 3 erstreckt. In Eq. 1 σ i, j is a mechanical tension sensor and π i, j is a piezoresistive coefficient, the summation over i = 1. , , 3, j = 1. , , 3 extends.

Hinsichtlich des piezoresistiven Effekts und der piezoresistiven Koeffizienten, sowie der Richtungsabhängigkeiten des piezoresistiven Effekts in n- und p-dotiertem Silizium, sind umfangreiche Untersuchungen bekannt, siehe beispielsweise Yozo Kanda: "A graphical representation of the piezoresistive coefficients in silicon", by Y. Kanda, IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-29, pp. 64-70, Jan. 1982. Regarding the piezoresistive effect and the piezoresistive coefficients, as well as the directional dependencies of the piezoresistive effect in n- and p-doped silicon, extensive investigations are known, see for example Yozo Kanda: "A graphical representation of the piezoresistive coefficients in silicon ", by Y. Kanda, IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-29, pp. 64-70, Jan. 1982.

Ferner beschreibt der Piezo-Hall-Effekt die Änderung der Hallkonstante abhängig von dem mechanischen Spannungszustand. Dabei gilt:

Rh = Rh0(1 + ΣPi,jσi,j) [2]
Furthermore, the piezo-Hall effect describes the change in the Hall constant depending on the mechanical stress state. The following applies:

R h = R h0 (1 + ΣP i, j σ i, j ) [2]

In Gl. 2 sind σi,j ein mechanischer Spannungssensor und Pi,j Piezo-Hall-Koeffizienten, wobei sich die Summation wiederum über i = 1 . . . 3, j = 1 . . . 3 erstreckt. In Eq. 2 are σ i, j a mechanical tension sensor and P i, j piezo Hall coefficients, the summation in turn over i = 1. , , 3, j = 1. , , 3 extends.

Untersuchungen des Piezo-Hall-Effekts und der Piezo-Hall- Koeffizienten sind beispielsweise in der wissenschaftlichen Druckschrift B. Hälg, "Piezo-Hall coefficients of n-type silicon", J. Appl. Phys., 64(1), pp. 276-282, 1. Juli 1988 beschrieben, wobei es aus derselben bekannt ist, daß sich ein Temperaturkoeffizient des Piezo-Hall-Effekts deutlich von einem Temperaturkoeffizienten des piezoresistiven Effekts unterscheidet. Investigations of the Piezo Hall effect and the Piezo Hall Coefficients are, for example, in the scientific B. Hälg, "Piezo-Hall coefficients of n-type silicon ", J. Appl. Phys., 64 (1), pp. 276-282, July 1, 1988 described, it being known from the same that a Temperature coefficient of the piezo Hall effect clearly from a temperature coefficient of the piezoresistive effect different.

Wie obig bereits erwähnt wurde, wird insbesondere aufgrund der sehr gut bekannten CMOS- oder BiCMOS-Siliziumtechnologie, dennoch die Nachteile der auftretenden Piezo-Effekte in Kauf genommen, um eine zuverlässige und kostengünstige Herstellung von integrierten Hallsonden in großen Stückzahlen zu erreichen. As mentioned above, is due in particular to the very well known CMOS or BiCMOS silicon technology, nevertheless the disadvantages of the occurring piezo effects in purchase taken to produce a reliable and inexpensive of integrated Hall probes in large numbers to reach.

Daher werden heutzutage überwiegend integrierte Hallsonden aus Silizium verwendet, wobei die Verwendung derselben insbesondere durch das Prinzip der Spinning-Current Hallsonde ermöglicht wurde, bei der durch eine zeitdiskrete Signalverarbeitung erreicht werden kann, daß ein störender Versatz bzw. Offset der Hallspannungen einer integrierten Hallsonde von einem Nutzsignal getrennt wird. Therefore, nowadays mainly integrated Hall probes made of silicon, using the same in particular through the principle of the spinning current Hall probe was made possible by a time-discrete Signal processing can be achieved that a disruptive offset or Offset of the Hall voltages of an integrated Hall probe from a useful signal is separated.

Im folgenden wird die Auswirkung des piezoresistiven Effekts und des Piezo-Hall-Effekt auf den Betrieb einer integrierten Hallsonde und einer Auswerteelektronik näher erläutert. The following is the impact of the piezoresistive effect and the Piezo Hall effect on the operation of an integrated Hall probe and evaluation electronics explained in more detail.

Der Piezo-Hall-Effekt bewirkt eine Veränderung der strombezogenen Empfindlichkeit SI der Hallsonde, je nach dem wie sich die Verspannungen eines Substrats der Hallsonde, beispielsweise durch Änderungen der mechanischen Eigenschaften eines Sensor-Gehäuses, ändern. Die strombezogene Empfindlichkeit SI ist folgendermaßen definiert:


The piezo Hall effect causes a change in the current-related sensitivity S I of the Hall probe, depending on how the tensions of a substrate of the Hall probe change, for example due to changes in the mechanical properties of a sensor housing. The current-related sensitivity S I is defined as follows:


In Gl. 3 ist Uh die Hallspannung der Hallsonde, IH der Strom durch die Hallsonde, B die magnetische Flußdichte, t die effektive Dicke der aktiven Schicht der Hallsonde und G ein Geometriefaktor, der den Einfluß der Kontaktelektroden auf die Hallspannung beschreibt. RH ist die Hallkonstante, die umgekehrt proportional zu einer Ladungsträgerdichte in der Hallsonde ist. In Eq. 3 is U h the Hall voltage of the Hall probe, I H the current through the Hall probe, B the magnetic flux density, t the effective thickness of the active layer of the Hall probe and G a geometry factor which describes the influence of the contact electrodes on the Hall voltage. R H is the Hall constant, which is inversely proportional to a charge carrier density in the Hall probe.

Zusätzlich zu dem Piezo-Hall-Effekt wirkt auf die Hallsonde der piezoresistive Effekt, der bewirkt, daß sich ein Strom durch die Hallsonde ändert, wenn dieser, wie es bei integrierten Schaltungen üblich ist, über einen Widerstand definiert wird, an dem man, eventuell unter Verwendung einer Regelschleife, eine elektrische Spannung abfallen läßt. Da sich die Empfindlichkeit S aus dem Produkt der strombezogenen Empfindlichkeit SI mal dem Hallstrom IH ergibt, wirkt sich die Änderung des Stroms durch den piezoresistiven Effekt multiplikativ auf die Änderung der Empfindlichkeit S der Hallsonde auf. Es gilt:

S = SiIH = Uh/B [4]
In addition to the piezo Hall effect, the Hall probe is affected by the piezoresistive effect, which causes a current through the Hall probe to change when, as is customary in integrated circuits, it is defined by a resistor, to which one, possibly using a control loop, an electrical voltage drops. Since the sensitivity S results from the product of the current-related sensitivity S I times the Hall current I H , the change in the current due to the piezoresistive effect has a multiplicative effect on the change in the sensitivity S of the Hall probe. The following applies:

S = S i I H = U h / B [4]

Durch die Tatsache, daß die Halbleiterchips typischerweise mit einem Gehäuse versehen werden, das aus einer Vergußmasse besteht, die einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizient als der Silizium-Chip aufweist, entstehen auf dem Silizium- Chip durch die Verspannung der beiden Komponenten ähnlich einem Bimetallstreifen bei verschiedenen Temperaturen sehr hohe mechanische Verspannungen. Die auftretenden Druck- und Schubspannungskomponenten können ohne weiteres in einer Größenordnung von 100 MPa liegen und sogar zu einer mechanischen Beschädigung des Chips führen, was sich beispielsweise durch Risse in der Oberfläche des Chips oder einen Bruch des Chips zeigt. Due to the fact that the semiconductor chips are typically be provided with a housing made of a potting compound which has a different coefficient of thermal expansion than the silicon chip has, Chip due to the bracing of the two components similar a bimetal strip very high at different temperatures mechanical tension. The occurring pressure and Shear stress components can easily be in one Order of magnitude of 100 MPa and even mechanical Damage to the chip can result, for example Cracks in the surface of the chip or a break in the chip shows.

Eine wohldefinierte Aufbringung dieser mechanischen Verspannungen über die gesamte Lebensdauer und den gesamten Temperaturbereich eines integrierten Hallsondensystems ist bislang noch nicht für kommerzielle Anwendungen gelungen. Daher ist es erforderlich, eine Kompensation der mechanischen Spannungen durchzuführen, bei der die Kompensation geänderten Bedingungen angepaßt wird. A well-defined application of this mechanical Tensions over the entire service life and the entire So far, the temperature range of an integrated Hall probe system has been not yet successful for commercial applications. thats why it is necessary to compensate for the mechanical To carry out voltages at which the compensation changed Conditions is adjusted.

Zusätzlich wirkt sich erschwerend aus, daß Magnetfeldsensoren typischerweise in besonders dünne Gehäusetypen vergossen werden, damit dieselben bei einer Anwendung in schmale Luftspalte eingebaut werden können. Das Vorsehen in einem schmalen Luftspalt wird durchgeführt, um ein hohes Magnetfeld zu erhalten, wobei die Größe des Magnetfelds von der Ausmessung des Spalts abhängt. Die Anforderung eines sehr dünnen Gehäuses schließt dabei aufgrund des vorliegenden Platzmangels ein Aufbringen eines Gels auf den Chip der integrierten Schaltung aus, wie es bei anderen Anordnungen verwendet wird, um integrierte Schaltungen verspannungsarm zu vergießen. In addition, magnetic field sensors have an aggravating effect typically cast in particularly thin housing types so that they are narrow when used Air gaps can be installed. Providing in a narrow Air gap is carried out to create a high magnetic field obtained, the size of the magnetic field from the measurement depends on the gap. The requirement of a very thin Housing includes due to the lack of space Applying a gel to the integrated circuit chip from how it is used in other arrangements to Pouring integrated circuits with low stress.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Fig. 5-9 bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert, bei denen eine Kompensation bzw. Reduktion von Einflüßen, die durch mechanische Verspannungen des Substrats bewirkt werden, durchgeführt wird. Preferred exemplary embodiments of the present invention are explained below with reference to FIGS. 5-9, in which compensation or reduction of influences which are brought about by mechanical tensioning of the substrate is carried out.

Fig. 5a zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, bei dem auf einem Substrat (nicht gezeigt), das vorzugsweise ein (100)-Siliziumsubstrat ist, ein aktiver Bereich bzw. leitfähiger Hallbereich 10 gebildet ist. Vorzugsweise ist der leitfähige Hallbereich 10 als eine Wanne in dem Substrat integriert, wobei die Wanne durch ein Dotieren mit Dotierstoffatomen gemäß bekannter Techniken für integrierte Schaltungen gebildet ist. FIG. 5a is a block diagram showing an embodiment of the present invention (not shown) in which on a substrate, which is preferably a (100) silicon substrate is an active region or conductive Hall area 10 is formed. The conductive Hall region 10 is preferably integrated as a well in the substrate, the well being formed by doping with dopant atoms in accordance with known techniques for integrated circuits.

Vorzugsweise ist das Substrat mit einem ersten Ladungsträgertyp, beispielsweise einem p-Typ, leicht dotiert, während der leitfähige Hallbereich 10 mit dem entgegengesetzten Ladungsträgertyp dotiert ist, so daß sich durch eine Raumladungszone, die in einem Grenzbereich des Hallbereichs mit dem Substrat auftritt, eine elektrische Isolation des Hallbereichs gegenüber dem Substrat ergibt. Preferably, the substrate is lightly doped with a first charge carrier type, for example a p-type, while the conductive Hall region 10 is doped with the opposite charge carrier type, so that an electrical charge occurs through a space charge zone which occurs in a boundary region of the Hall region with the substrate Isolation of the Hall area from the substrate results.

Der leitfähige Hallbereich 10 weist einen ersten Anschluß 12 und einen zweiten Anschluß 14 auf, um einen vorbestimmten Hallstrom IH durch den Hallbereich 10 zu leiten. Der Hallstrom IH kann entweder durch eine Stromsteuerung oder eine Spannungssteuerung erzeugt werden, wie es weiter unten erklärt wird. The conductive Hall region 10 has a first connection 12 and a second connection 14 in order to conduct a predetermined Hall current I H through the Hall region 10 . The Hall current I H can be generated by either a current controller or a voltage controller, as explained below.

Durch die an dem ersten Anschluß 12 und dem zweiten Anschluß 14 anliegenden elektrischen Potentiale wird in dem Hallbereich 10 ein Common-Mode-Punkt bzw. Gleichtakt-Punkt derart definiert, daß für jedes Magnetfeld das elektrische Potential des Common-Mode-Punkts gleich dem arithmetischen Mittel aus dem an dem ersten Anschluß 18 anliegenden elektrischen Potential und dem an dem zweiten Anschluß 20 anliegenden elektrischen Potential ist. A common mode point or common mode point is defined in the Hall region 10 by the electrical potentials present at the first connection 12 and the second connection 14 such that the electrical potential of the common mode point is equal to the arithmetic one for each magnetic field Is the mean of the electrical potential present at the first connection 18 and the electrical potential present at the second connection 20 .

Folglich gilt für das Common-Mode-Potential UCM, wenn U3 das Potential des ersten Anschlusses 18 und U2 das Potential des zweiten Anschlusses 20 ist:

UCM = 0,5 × (U2 + U3) [5].
Consequently, for the common mode potential U CM , if U3 is the potential of the first connection 18 and U2 is the potential of the second connection 20 :

U CM = 0.5 × (U2 + U3) [5].

Der Hallbereich 10 weist ferner senkrecht zu dem Stromverlauf des Hallstroms IH angeordnete Hallanschlüsse 18 und 20 auf, um eine Hallspannung Uh an denselben abzugreifen. The Hall region 10 also has Hall connections 18 and 20 arranged perpendicular to the current profile of the Hall current I H in order to tap a Hall voltage U h at the same.

Die Hallspannung Uh entsteht, wenn ein magnetisches Feld den leitfähigen Hallbereich 10 durchsetzt, so daß die durch den Hallstrom IH injizierten Ladungsträger durch die Lorentzkraft senkrecht zu der Hallstromrichtung abgelenkt werden. Der erste und zweite Hallanschluß 18 und 20 sind vorzugsweise in Richtung des Hallstroms IH in der Mitte zwischen dem ersten Anschluß 12 und dem zweiten Anschluß 14 angeordnet, um die Hallspannung auf eine definierte Weise abzugreifen. Typischerweise, d. h. bei einem Hallbereich 10 mit homogenem spezifischen Widerstand, befindet sich der Common-Mode-Punkt ebenfalls etwa in der Mitte zwischen dem ersten Anschluß 12 und dem zweiten Anschluß 14, so daß sich für den Magnetfeldfreien Fall der erste Hallanschluß 18 und der zweite Hallanschluß 20 näherungsweise auf dem Potential des Common-Mode- Punkts befinden. The Hall voltage U h arises when a magnetic field passes through the conductive Hall region 10 , so that the charge carriers injected by the Hall current I H are deflected by the Lorentz force perpendicular to the Hall current direction. The first and second Hall connections 18 and 20 are preferably arranged in the direction of the Hall current I H in the middle between the first connection 12 and the second connection 14 in order to tap the Hall voltage in a defined manner. Typically, ie in a Hall region 10 with a homogeneous specific resistance, the common mode point is also approximately in the middle between the first connection 12 and the second connection 14 , so that the first Hall connection 18 and the second are for the magnetic field-free fall Hall connection 20 are approximately at the potential of the common mode point.

Auf dem leitfähigen Hallbereich 10 ist ferner eine leitfähige Abdeckung 22 vorgesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Abdeckung 22 durch eine isolierende Schicht aus Siliziumoxid von dem leitfähigen Hallbereich 10 elektrisch isoliert. Die leitfähige Abdeckung 22 dient als elektrischer Schutz für den Hallbereich 10, um elektrische Störungen auf denselben zu reduzieren, und wird mit bekannten Verfahren aufgebracht. A conductive cover 22 is also provided on the conductive Hall region 10 . In this exemplary embodiment, the cover 22 is electrically insulated from the conductive Hall region 10 by an insulating layer made of silicon oxide. The conductive cover 22 serves as electrical protection for the Hall region 10 in order to reduce electrical interference thereon, and is applied using known methods.

Bei alternativen Ausführungsbeispielen ist die Abdeckung 22 als eine dotierte Schicht direkt an dem Hallbereich angeordnet, wobei eine elektrische Isolation dadurch erreicht wird, daß die Dotierung der Abdeckung 22 entgegengesetzt zu der Dotierung des Hallbereichs 10 gewählt ist, so daß sich in einem Grenzbereich Raumladungszone ausbildet, die isolierend wirkt. In alternative exemplary embodiments, the cover 22 is arranged as a doped layer directly on the Hall region, electrical insulation being achieved in that the doping of the cover 22 is selected opposite to the doping of the Hall region 10 , so that a space charge zone is formed in a border region. that has an isolating effect.

Auf dem Substrat ist ferner eine Verspannungssensoreinrichtung 24 zum Erfassen von mechanischen Verspannungen des Substrats vorgesehen. Die Ausbildung und Anordnung der Verspannungssensoreinrichtung 24 wird weiter unten detaillierter erläutert. Ein Ausgang der Verspannungssensoreinrichtung 24 ist mit einem Eingang einer Kompensationseinrichtung 26 verbunden. Die Kompensationseinrichtung 26 weist ferner zwei Ausgänge 26a, 26b, und zwei Eingänge 26c, 26d auf, wobei der Ausgang 26a mit dem Versorgungsanschluß 12, der zweite Ausgang 26b mit der Abdeckung 22, der erste Eingang 26c mit dem Hallanschluß 18 und der zweite Eingang 26d mit dem Hallanschluß 20 verbunden ist. A tension sensor device 24 for detecting mechanical tension of the substrate is also provided on the substrate. The configuration and arrangement of the tension sensor device 24 is explained in more detail below. An output of the tension sensor device 24 is connected to an input of a compensation device 26 . The compensation device 26 also has two outputs 26 a, 26 b, and two inputs 26 c, 26 d, the output 26 a with the supply connection 12 , the second output 26 b with the cover 22 , the first input 26 c with the Hall connection 18 and the second input 26 d is connected to the Hall connection 20 .

Im folgenden wird das Durchführen einer Kompensation der Hallspannung bei dem Ausführungsbeispiel hinsichtlich mechanischer Verspannungen des Substrats erläutert. The following is a compensation for the Hall voltage in the embodiment regarding mechanical stresses of the substrate explained.

Die Verspannungssensoreinrichtung 24 erfaßt die mechanische Verspannung und erzeugt ein Verspannungssensorsignal A, das von einer Kompensationseinrichtung 26 empfangen wird. Das Verspannungssensorsignal A, das von der mechanischen Verspannung des Substrats abhängt, wird an den Eingang der Kompensationseinrichtung 26 angelegt und von derselben verwendet, um an einem Ausgang desselben ein Kompensationssignal zur Kompensation bzw. Reduktion von Einflüssen der mechanischen Verspannung des Substrats auf die Empfindlichkeit S der Hallsonde zu erzeugen. The tension sensor device 24 detects the mechanical tension and generates a tension sensor signal A, which is received by a compensation device 26 . The tension sensor signal A, which depends on the mechanical tensioning of the substrate, is applied to the input of the compensation device 26 and used by the same, in order to output a compensation signal to compensate or reduce influences of the mechanical tensioning of the substrate on the sensitivity S of the Hall probe to generate.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Kompensationssignal eine elektrische Spannung, die von der Kompensationseinrichtung 26 zwischen dem Common-Mode-Punkt und der Abdeckung 22 erzeugt wird. In the exemplary embodiment described, the compensation signal is an electrical voltage which is generated by the compensation device 26 between the common mode point and the cover 22 .

Im folgenden wird das Durchführen der Kompensation unter Verwendung des Verspannungssensorsignals A näher erläutert. Wie bereits vorhergehend erwähnt wurde, kann eine Beeinflussung der Ladungsträger in dem Hallbereich und folglich eine Beeinflussung der Hallspannung durch ein Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen einer Abdeckung und dem Common-Mode- Punkt des Hallbereichs erfolgen. The following is the performing the compensation under Use of the tension sensor signal A explained in more detail. How An influencing can already be mentioned before the charge carrier in the Hall area and consequently one Influencing the Hall voltage by applying a electrical voltage between a cover and the common mode Point of the reverberation area.

Die zwischen dem Common-Mode-Punkt und der Abdeckung 22 angelegte elektrische Spannung bewirkt, daß sich in einem Oberflächenbereich des Hallbereichs 10, der der Abdeckung 22 gegenüberliegt, je nach Polarität der angelegten elektrischen Spannung Ladungsträger anreichern oder abgezogen werden. Dadurch läßt sich die Empfindlichkeit S einer Hallsonde in gewissen Grenzen beeinflussen, wie es nachfolgend erklärt wird. The electrical voltage applied between the common mode point and the cover 22 has the effect that charge carriers accumulate or are drawn off in a surface region of the Hall region 10 which is opposite the cover 22 , depending on the polarity of the electrical voltage applied. This allows the sensitivity S of a Hall probe to be influenced within certain limits, as will be explained below.

Die Empfindlichkeit einer Hallsonde kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:


The sensitivity of a Hall probe can be expressed by the following equation:


Gleichung 6 kann aus den in der Beschreibungseinleitung angeführten Gleichungen 1-4 hergeleitet werden, bei denen die Definition für den Piezo-Hall-Effekt und den piezoresistiven Effekt und die Definition der Empfindlichkeit der Hallsonde gegeben wird. Equation 6 can be found in the introduction to the description Equations 1-4 are derived, in which the Definition for the piezo Hall effect and the piezoresistive Effect and definition of sensitivity of the Hall probe is given.

In Gleichung 6 stellt S0 einen Faktor dar, der jene Terme umfaßt, die nicht von einer mechanischen Verspannung beeinflußt werden. Gleichung 6 beschreibt den Einfluß auf die Empfindlichkeit, der sich aus dem Piezo-Hall-Effekt auf die Hallsonde und dem piezoresistiven Effekt auf einen Widerstand zusammensetzt, der den Hallstrom definiert. Ortsabhängige Größen sind dabei mit einem hochgestellten Index gekennzeichnet. Der hochgestellte Index H bezieht sich auf den Hallbereich, wohingegen R sich auf den Widerstand bezieht, der den Hallstrom erzeugt. In equation 6, S 0 represents a factor that includes those terms that are not affected by mechanical stress. Equation 6 describes the influence on the sensitivity, which is composed of the piezo Hall effect on the Hall probe and the piezoresistive effect on a resistor, which defines the Hall current. Location-dependent variables are identified by a superscript. The superscript H refers to the Hall range, whereas R refers to the resistance that generates the Hall current.

In die Empfindlichkeit geht auch der Strom der Sonde ein, wobei der Strom durch eine Stromsteuerung der Hallsonde, bei der eine weitere Schaltung verwendet wird, die durch einen Widerstand einen Strom erzeugt, oder durch eine Spannungsschaltung erzeugt werden. Im Fall der Stromsteuerung ist der Widerstand räumlich von dem Hallbereich getrennt, während im Fall einer Spannungssteuerung der Hallsonde der Innenwiderstand der Hallsonde den Strom bestimmt, so daß in diesem Fall der hochgestellte Index R durch den hochgestellten Index H ersetzt werden muß. The current of the probe also goes into the sensitivity, wherein the current through a current control of the Hall probe, at which uses another circuit which is replaced by a Resistance generates a current, or through a Voltage circuit are generated. In the case of current control, the Resistance spatially separated from the Hall area, while in Case of voltage control of the Hall probe Internal resistance of the Hall probe determines the current, so that in this case the superscript R through the superscript H must be replaced.

Gleichung 6 suggeriert, daß der Piezo-Hall-Effekt bezüglich einer Wirkung auf die Empfindlichkeit einer Hallsonde dem piezoresistiven Effekt entgegengesetzt ist. Tatsächlich hängt es jedoch von dem Vorzeichen der Koeffizienten Pi,j und πi,j ab, ob eine reduzierende Wirkung der beiden Effekte oder, bei entgegengesetzten Vorzeichen derselben, eine verstärkende Wirkung vorliegt. Equation 6 suggests that the Piezo Hall effect is opposite to the piezoresistive effect in terms of an effect on the sensitivity of a Hall probe. In fact, however, it depends on the sign of the coefficients P i, j and π i, j whether there is a reducing effect of the two effects or, if the signs are opposite, a reinforcing effect.

Folglich könnte unter dem günstigen Fall einer reduzierenden Wirkung unter Umständen eine Kompensation dadurch durchgeführt werden, daß sich bei einer geeigneten Wahl der Piezo- Hall-Effekt und der piezoresistive Effekt in der Gleichung 6 gegenseitig aufheben. Consequently, under the auspicious case of a reducing This may result in compensation be carried out so that with a suitable choice of the piezo Hall effect and the piezoresistive effect in Equation 6 cancel each other out.

Dieses Verfahren ist jedoch nachteilig, da die Kompensation lediglich bei einer Temperatur erreicht werden kann, da sich die Piezo-Hall-Koeffizienten Pi,j und die piezoresistiven Koeffizienten Πi,j mit der Temperatur verändern, wobei dieselben erheblich unterschiedliche Temperaturkoeffizienten aufweisen. This method is disadvantageous, however, since the compensation can only be achieved at one temperature, since the piezo-Hall coefficients P i, j and the piezoresistive coefficients, i, j change with the temperature, the temperature coefficients being significantly different.

Mit der erfindungsgemäßen Durchführung der Kompensation durch eine Beeinflussung der Ladungsträger in dem Hallbereich und damit der Empfindlichkeit der Hallsonde werden die obig genannten Nachteile vermieden. With the implementation of the compensation according to the invention influencing the charge carriers in the Hall area and thus the sensitivity of the Hall probe will be the above mentioned disadvantages avoided.

Anstelle der Beeinflussung der Ladungsträger durch eine über dem Hallbereich angeordnete Abdeckung, wie es obig beschrieben wurde, kann bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, das nachfolgend beschrieben wird, eine Beeinflussung von Ladungsträger durch die Veränderung einer Ausdehnung von Raumladungszonen an Grenzbereichen des Hallbereichs 10 durchgeführt werden. Instead of influencing the charge carriers by means of a cover arranged above the Hall area, as described above, in an alternative exemplary embodiment which is described below, the charge carriers can be influenced by changing the extent of space charge zones at border areas of the Hall area 10 .

Dies kann bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Abdeckung 22 ein auf dem Substrat implantierter leitfähiger Bereich mit einer entgegengesetzten Dotierung zu dem Hallbereich 10 ist, durch ein Regeln der elektrischen Spannung zwischen dem Common-Mode-Punkt und der Abdeckung 22 erfolgen. Folglich kann die sich in dem Grenzbereich Hallbereich/Abdeckung ausbildende Raumladungszone und dadurch die Empfindlichkeit der Hallsonde in gewissen Grenzen gesteuert werden. In an exemplary embodiment in which the cover 22 is a conductive region implanted on the substrate with an opposite doping to the Hall region 10 , this can be done by regulating the electrical voltage between the common mode point and the cover 22 . As a result, the space charge zone that forms in the boundary region of the Hall region / cover and thus the sensitivity of the Hall probe can be controlled within certain limits.

Ferner kann die Beeinflussung einer Raumladungszone bei einem Ausführungsbeispiel durch ein Regeln einer elektrischen Spannung zwischen dem Common-Mode-Punkt des Hallbereichs und dem Substrat durchgeführt werden, wenn das Substrat und der Hallbereich Dotierungen entgegengesetzter Ladungsträger aufweist. Furthermore, the influencing of a space charge zone in a Embodiment by regulating an electrical Voltage between the common mode point of the reverb area and the Be performed when the substrate and the substrate Hall region has doping of opposite charge carriers.

Alternativ ist der Hallbereich bei dem Ausführungsbeispiel, das unter Bezugnahme auf Fig. 5b erklärt wird, selbst in einer Wanne des Substrats gebildet, wobei in diesem Fall die Beeinflussung der Raumladungszone in dem Hallbereich durch ein Regeln einer elektrischen Spannung zwischen der Wanne, in dem der Hallbereich bzw. die integrierte Hallsonde angeordnet ist, und dem Common-Mode-Punkt durchgeführt wird. Alternatively, in the embodiment explained with reference to FIG. 5b, the Hall region is itself formed in a well of the substrate, in which case the influencing of the space charge zone in the Hall region by regulating an electrical voltage between the well in which the Hall area or the integrated Hall probe is arranged, and the common mode point is carried out.

Fig. 5b zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Hallbereich 10 in einer Wanne 58 angeordnet ist. Die Wanne 58 ist dabei mit einem Dotierstoff dotiert, der entgegengesetzt zu der Dotierung des Hallbereichs 10 ist. Dadurch bildet sich an Grenzbereichen des Hallbereichs 10 zu der Wanne 58 ein Raumladungsbereich aus, dessen Ausdehnung in dem Hallbereich 10 von der Potentialdifferenz zwischen der Wanne 58 und dem Hallbereich 10 abhängt. Da der erste 12 und zweite 14 Anschluß auf unterschiedlichen Potentialen liegen, ist die Ausdehnung der Raumladungszone in dem Hallbereich 10 nicht konstant, sondern ändert sich in Richtung des Verlaufs des Hallstroms. Ist beispielsweise die Wanne 58 p-dotiert und liegt auf Masse, und wird der erste Anschluß 12 der n-dotierten Hallsonde 10 auf positives Potential, der zweite Anschluß 14 auf Masse gelegt, so weist die Potentialdifferenz zwischen dem Hallbereich 10 und der Wanne 58 in dem Bereich des zweiten Anschlusses 14 den geringsten Wert auf und im Bereich des ersten Anschlusses 12 die größte Spannungsdifferenz auf. Folglich ist die Dicke der Raumladungszone im Bereich des ersten Anschlusses 12 maximal, im Bereich des zweiten Anschlusses 14 minimal. Fig. 5b shows an embodiment in which the Hall region is arranged in a tub 58 10. The tub 58 is doped with a dopant that is opposite to the doping of the Hall region 10 . Thereby, a space charge region 10 is formed at the border areas of the Hall region to the tub 58 from whose extent is dependent in the Hall region 10 by the potential difference between the tub 58 and the Hall area 10th Since the first 12 and second 14 connections are at different potentials, the expansion of the space charge zone in the Hall region 10 is not constant, but changes in the direction of the course of the Hall current. For example, if the well 58 is p-doped and is grounded, and if the first connection 12 of the n-doped Hall probe 10 is connected to positive potential and the second connection 14 is connected to ground, then the potential difference between the Hall region 10 and the well 58 in the lowest value in the area of the second connection 14 and the greatest voltage difference in the area of the first connection 12 . Consequently, the thickness of the space charge zone is maximum in the area of the first connection 12 and minimal in the area of the second connection 14 .

Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5a ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Kompensationseinrichtung 26 mit der Wanne 58 anstelle der Abdeckung 22 verbunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel führt die Kompensationseinrichtung 26 eine Kompensation derart durch, daß unter Verwendung des Verspannungssensorsignals A eine elektrische Spannung zwischen dem Common-Mode-Punkt und der Wanne 58 erzeugt wird, die die Raumladungszone an dem Grenzbereich zwischen der Hallsonde 10 und der Wanne 58 beeinflußt, wodurch wiederum die Sensitivität der Hallsonde und folglich die an dem ersten Hallanschluß 18 und dem zweiten Hallanschluß 20 abgegriffene Hallspannung Uh beeinflußt wird. In contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 5 a, in this exemplary embodiment the compensation device 26 is connected to the trough 58 instead of the cover 22 . In this embodiment, the compensation device 26 carries out a compensation in such a way that an electrical voltage is generated between the common mode point and the well 58 using the tension sensor signal A, which voltage influences the space charge zone at the boundary region between the Hall probe 10 and the well 58 , which in turn influences the sensitivity of the Hall probe and consequently the Hall voltage U h tapped at the first Hall connection 18 and the second Hall connection 20 .

Eine Einstellung der elektrischen Spannung zwischen dem Common-Mode-Punkt und der Wanne 58 wird bevorzugt dadurch erreicht, daß der Wert des Common-Mode-Potentials durch ein Erfassen der Potentiale an dem ersten Hallanschluß 18 und dem zweiten Hallanschluß 20 und ein Durchführen einer arithmetischen Mittelung dieser Potentiale erfaßt wird. Dabei wird das erfaßte Common-Mode-Potential in einer Nachfolgerschaltung mit dem durch das Kompensationssignal vorgegebenen Wert einer elektrischen Spannung zwischen Common-Mode-Punkt und Substrat bzw. Abdeckung verglichen und daraufhin das Potential an dem Anschluß 12 so eingestellt, daß die zur Kompensation erforderliche elektrische Spannung zwischen dem Common-Mode-Punkt und Substrat bzw. Abdeckung 22 anliegt. Wie es weiter unten bei einem Ausführungsbeispiel erklärt wird, kann dazu eine bekannte Regelschleife verwendet werden, die aus einem Mittelwertbilder und einem Differenzverstärker aufgebaut ist. Adjustment of the electrical voltage between the common mode point and the well 58 is preferably achieved in that the value of the common mode potential by detecting the potentials at the first Hall connection 18 and the second Hall connection 20 and performing an arithmetic Averaging these potentials is detected. The detected common-mode potential is compared in a subsequent circuit with the value of an electrical voltage between the common-mode point and the substrate or cover given by the compensation signal, and the potential at the connection 12 is then set so that the compensation required electrical voltage is present between the common mode point and substrate or cover 22 . As will be explained below in one exemplary embodiment, a known control loop can be used for this purpose, which is constructed from an average value image and a differential amplifier.

Mathematisch kann die durch die Beeinflussung der Ladungsträger in dem Hallbereich 10 bewirkte Veränderung der Empfindlichkeit der Hallsonde folgendermaßen dargestellt werden. Für die Beeinflussung durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem Deckel und dem Common-Mode-Punkt gilt:

S0 ∼ S00(1 + cDBUD-CM) [7]

wobei cDB ein Deckel-Bias-Koeffizient ist und UD-CM die elektrische Spannung zwischen der Abdeckung und dem Common-Mode- Potential der Hallsonde. Der Deckel-Bias-Koeffizient beschreibt die Wirkung der elektrischen Spannung UD-CM zwischen der Abdeckung und dem Common-Mode-Potential der Hallsonde auf die Ladungsträger und folglich auf die strombezogene Empfindlichkeit S0.
The change in the sensitivity of the Hall probe caused by the influencing of the charge carriers in the Hall region 10 can be represented mathematically as follows. The following applies to the influencing by applying an electrical voltage between the cover and the common mode point:

S 0 ∼ S 00 (1 + c DB U D-CM ) [7]

where c DB is a cover bias coefficient and U D-CM is the electrical voltage between the cover and the common mode potential of the Hall probe. The cover bias coefficient describes the effect of the electrical voltage U D-CM between the cover and the common mode potential of the Hall probe on the charge carriers and consequently on the current-related sensitivity S 0 .

Für den Fall, daß eine Kompensation durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Substrat und Common-Mode-Punkt durchgeführt wird, gilt folgende Beziehung:

S0 ∼ S00(1 + CBBUCM-B) [8]
In the event that compensation is carried out by applying an electrical voltage between the substrate and the common mode point, the following relationship applies:

S 0 ∼ S 00 (1 + C BB U CM-B ) [8]

Dabei ist cBB ein Back-Bias-Koeffizient und UCM-B die Spannungsdifferenz zwischen dem Common-Mode-Potential und dem Substratpotential. Entsprechend zu dem Deckel-Bias-Koeffizient beschreibt der Back-Bias-Koeffizient die Empfindlichkeit der Beeinflußung der strombezogenen Empfindlichkeit S0 durch die elektrische Spannung UD-CM zwischen dem Substrat und dem Common-Mode-Potential Typischerweise liegt das Substrat auf Masse, so daß das Potential des Substrats 0 V beträgt. C BB is a back bias coefficient and U CM-B is the voltage difference between the common mode potential and the substrate potential. Corresponding to the lid bias coefficient, the back bias coefficient describes the sensitivity of the influence of the current-related sensitivity S 0 by the electrical voltage U D-CM between the substrate and the common mode potential. Typically, the substrate is at ground, so that the potential of the substrate is 0 V.

Unter Berücksichtigung der Formeln in Gl. 6, Gl. 7 und Gl. 8 ergibt sich für die Empfindlichkeit der Hallsonde folgende Beziehung:


Taking into account the formulas in Eq. 6, Eq. 7 and Eq. 8, the following relationship results for the sensitivity of the Hall probe:


Die von der Kompensationseinrichtung 26 angelegte elektrische Spannung UD-CM bzw. UCM-B wird unter Verwendung des Verspannungssensorsignals A so bestimmt, daß die von der Verspannung abhängigen Terme eliminiert werden, wodurch die Empfindlichkeit S der Hallsonde bzw. die abgegriffene Hallspannung Uh weitestgehend unabhängig von mechanischen Verspannungen des Substrats wird. The electrical voltage U D-CM or U CM-B applied by the compensation device 26 is determined using the tension sensor signal A in such a way that the terms dependent on the tension are eliminated, as a result of which the sensitivity S of the Hall probe or the tapped Hall voltage U h largely independent of mechanical stresses on the substrate.

Die geeignete Wahl der elektrischen Spannungen UD-CM bzw. UCM-B wird von der Kompensationseinrichtung 26 unter Verwendung des Verspannungssensorsignals A durchgeführt. Dabei können in dem Verspannungssensorsignal bestimmte Komponenten des Spannungstensors betont werden, wie es im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 6a und 2b erklärt wird. The suitable choice of the electrical voltages U D-CM or U CM-B is carried out by the compensation device 26 using the tension sensor signal A. Certain components of the voltage tensor can be emphasized in the tension sensor signal, as will be explained below with reference to FIGS. 6a and 2b.

Fig. 6a zeigt ein Ausführungsbeispiel der Verspannungssensoreinrichtung 26. Ein erster 28 und zweiter 30 piezoresistiver Widerstand eines ersten Typs und ein erster 32 und zweiter 34 piezoresistiver Widerstand eines zweiten Typs sind in einer H-Schaltung angeordnet. FIG. 6a shows an embodiment of the strain sensor device 26. A first 28 and a second 30 piezoresistive resistor of a first type and a first 32 and a second 34 piezoresistive resistor of a second type are arranged in an H circuit.

Wie es nachfolgend noch genauer erklärt wird, unterscheidet sich der piezoresistive Widerstand eines ersten Typs von einem piezoresistiven Widerstand eines zweiten Typs dadurch, daß dieselben auf dem Substrat in unterschiedliche Richtungen angeordnet sind, wodurch bestimmte Komponenten des Spannungstensors betont werden. As it is explained in more detail below, differs the piezoresistive resistance of a first type of a piezoresistive resistor of a second type, that the same on the substrate in different directions are arranged, whereby certain components of the Stress tensors are emphasized.

In der H-Schaltung sind der erste piezoresistive Widerstand eines ersten Typs 28 und der zweite piezoresistive Widerstand eines zweiten Typs 34 in einem ersten Zweig in Reihe geschaltet, während in einem zweiten Zweig der erste piezoresistive Widerstand eines zweiten Typs 32 mit dem zweiten piezoresistiven Widerstand eines ersten Typs in Reihe geschaltet sind. Der erste Zweig und der zweite Zweig sind ferner parallel verschaltet. Ausgehend von einem ersten Knotenpunkt an dem sich der erste und zweite Zweig verzweigen, ist in dem ersten Zweig der erste piezoresistive Widerstand eines ersten Typs 28 mit dem ersten Knotenpunkt 36 verbunden, während in dem zweiten Zweig der erste piezoresistive Widerstand eines zweiten Typs 32 mit dem ersten Knotenpunkt 36 verbunden ist. In the H circuit, the first piezoresistive resistor of a first type 28 and the second piezoresistive resistor of a second type 34 are connected in series in a first branch, while in a second branch the first piezoresistive resistor of a second type 32 is connected to the second piezoresistive resistor one first type are connected in series. The first branch and the second branch are also connected in parallel. Starting from a first node at which the first and second branches branch, in the first branch the first piezoresistive resistor of a first type 28 is connected to the first node 36 , while in the second branch the first piezoresistive resistor of a second type 32 is connected to the first node 36 is connected.

Folglich ist in einem zweiten Knotenpunkt 38 der H-Schaltung in dem ersten Zweig der zweite piezoresistive Widerstand eines zweiten Typs 34 und der zweite piezoresistive Widerstand eines ersten Typs 30 mit dem zweiten Knotenpunkt 38 verbunden. Der erste Knotenpunkt 36 und der zweite Knotenpunkt 38 sind ferner mit einer Spannungsquelle 40 verbunden. Consequently, in a second node 38 of the H circuit in the first branch, the second piezoresistive resistor of a second type 34 and the second piezoresistive resistor of a first type 30 are connected to the second node 38 . The first node 36 and the second node 38 are also connected to a voltage source 40 .

Indem zwischen dem ersten Knotenpunkt 36 und dem zweiten Knotenpunkt 38 durch die Spannungsquelle 40 eine elektrische Spannung angelegt ist, kann an einem ersten Abgriff 42, der zwischen dem ersten piezoresistiven Widerstand eines ersten Typs 28 und dem zweiten piezoresistiven Widerstand 34 eines zweiten Typs in dem ersten Zweig angeordnet ist und einem zweiten Abgriff 44, der zwischen dem ersten piezoresistiven Widerstand eines zweiten Typs 32 und dem zweiten piezoresistiven Widerstand eines ersten Typs 30 angeordnet ist, eine Differenzspannung UΔ abgegriffen werden. By applying an electrical voltage between the first node 36 and the second node 38 through the voltage source 40 , a first tap 42 can be connected between the first piezoresistive resistor of a first type 28 and the second piezoresistive resistor 34 of a second type in the first Branch is arranged and a second tap 44 , which is arranged between the first piezoresistive resistor of a second type 32 and the second piezoresistive resistor of a first type 30 , a differential voltage U Δ can be tapped.

Wie es weiter unten erklärt wird, ist die abgegriffene Differenzspannung UΔ dabei proportional zu bestimmten Komponenten des mechanischen Spannungstensors, der auf die piezoresistiven Widerstände 28-34 wirkt. As will be explained further below, the tapped differential voltage U Δ is proportional to certain components of the mechanical stress tensor which acts on the piezoresistive resistors 28-34 .

Ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Schaltungsaufbaus der Verspannungssensoreinrichtung, bei dem eine Stromspiegeleinrichtung verwendet wird, ist in Fig. 6b gezeigt. An alternative exemplary embodiment of a circuit structure of the tension sensor device, in which a current mirror device is used, is shown in FIG. 6b.

Gemäß Fig. 6b ist ein piezoresistiver Widerstand eines ersten Typs 46 über einen ersten Anschluß mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle 50, der auf Masse liegt, verbunden. Ein zweiter Anschluß des piezoresistiven Widerstands eines ersten Typs 46 ist mit einem negativen Eingang eines Differenzverstärkers 52 verbunden. Ein positiver Eingang des Differenzverstärkers 52 ist mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle 50 verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers 52 ist mit einem Gate-Anschluß eines nMOS-Transistors 54 verbunden. Ein Source-Anschluß des nMOS-Transistors 54 ist wiederum mit dem zweiten Anschluß des piezoresistiven Widerstands eines ersten Typs verbunden. Ein Drain-Anschluß des nMOS-Transistors 54 ist mit einem Eingang einer Stromspiegeleinrichtung 56 verbunden. Der Ausgang der Stromspiegelschaltung 56 ist wiederum mit einem zweiten Anschluß eines piezoresistiven Widerstands eines zweiten Typs 48 verbunden. Ein erster Anschluß des piezoresistiven Widerstands eines zweiten Typs 48 ist wiederum mit dem ersten Pol der Spannungsquelle 50, der auf Masse liegt, verbunden. Referring to FIG. 6b, a piezo-resistive resistance is of a first type 46, connected via a first terminal connected to a first pole of a voltage source 50 which is grounded. A second connection of the piezoresistive resistor of a first type 46 is connected to a negative input of a differential amplifier 52 . A positive input of the differential amplifier 52 is connected to a second pole of the voltage source 50 . The output of the differential amplifier 52 is connected to a gate connection of an nMOS transistor 54 . A source terminal of the nMOS transistor 54 is in turn connected to the second terminal of the piezoresistive resistor of a first type. A drain terminal of the nMOS transistor 54 is connected to an input of a current mirror device 56 . The output of the current mirror circuit 56 is in turn connected to a second connection of a piezoresistive resistor of a second type 48 . A first connection of the piezoresistive resistor of a second type 48 is in turn connected to the first pole of the voltage source 50 , which is connected to ground.

Die Verschaltung des Differenzverstärkers 52 und des Transistors 54 gemäß Fig. 6b mit dem zweiten Anschluß des piezoresistiven Widerstands eines ersten Typs 64 stellt eine Nachfolgeschaltung dar, die die das an dem zweiten Pol der Spannungsquelle 50 anliegende Potential, das durch eine Referenzspannung U0 der Spannungsquelle 50 definiert ist, an den zweiten Anschluß des piezoresistiven Widerstands eines ersten Typs 64 anlegt. Gemäß dem Ohmschen Gesetz ergibt sich daraus ein Stromfluß

Iφ = U0/Rφ
The connection of the differential amplifier 52 and the transistor 54 according to FIG. 6b with the second connection of the piezoresistive resistor of a first type 64 represents a subsequent circuit which detects the potential present at the second pole of the voltage source 50 , which is generated by a reference voltage U 0 of the voltage source 50 is defined, is applied to the second connection of the piezoresistive resistor of a first type 64 . According to Ohm's law, this results in a current flow

I φ = U 0 / R φ

Der Strom Iφ wird über die Drain-Source-Verbindung des Feldeffekt-Transistors 54 in die Stromspiegeleinrichtung 56 übertragen, die einen Strom mit dem Wert des Stroms Iφ auf den piezoresistiven Widerstand eines zweiten Typs 48 überträgt. Folglich fließt über den piezoresistiven Widerstand eines ersten Typs 46 und den piezoresistiven Widerstand eines zweiten Typs 48 der gleiche Strom. The current I φ is transmitted via the drain-source connection of the field effect transistor 54 into the current mirror device 56 , which transfers a current with the value of the current I φ to the piezoresistive resistor of a second type 48 . As a result, the same current flows through the piezoresistive resistor of a first type 46 and the piezoresistive resistor of a second type 48 .

Um die Schaltung gemäß Fig. 6b zum Erfassen einer mechanischen Verspannung des Substrats zu benützen, wird an dem zweiten Anschluß des piezoresistiven Widerstands eines ersten Typs 46 und dem zweiten Anschluß des piezoresistiven Widerstands eines zweiten Typs 48 jeweils das Potential erfaßt und die Spannungsdifferenz UΔ der Potentiale als Verspannungssensorsignal A ausgegeben. In order to use the circuit according to FIG. 6b for detecting a mechanical tension of the substrate, the potential is detected at the second connection of the piezoresistive resistor of a first type 46 and the second connection of the piezoresistive resistor of a second type 48 , and the voltage difference U Δ of Potentials are output as tension sensor signal A.

Die in den Fig. 6a und 2b gezeigten Ausführungsbeispiele der Verspannungssensoreinrichtung 24 verwenden beide das gleiche Prinzip, nämlich daß ein gleicher Strom durch einen Widerstand eines ersten Typs und einen Widerstand eines zweiten Typs fließt. The exemplary embodiments of the tension sensor device 24 shown in FIGS. 6a and 2b both use the same principle, namely that an equal current flows through a resistor of a first type and a resistor of a second type.

Da der piezoresistive Widerstand eines zweiten Typs um einen Winkel α gegenüber dem piezoresistiven Widerstand eines ersten Typs gedreht ist, unterscheiden sich die beiden Widerstände bezüglich des piezoresistiven Effekts, wenn auf beide Widerstände gleiche mechanische Verspannungen einwirken. Folglich fallen in den Widerständen eines ersten Typs und den Widerständen eines zweiten Typs unterschiedliche elektrische Spannungen ab, wenn ein gleicher Strom durch dieselben fließt. Die abgegriffene Differenz UΔ der elektrischen Spannungen ist folglich proportional zu einer Linearkombination bestimmter Komponenten des Spannungssensors und zu der elektrischen Spannung U0, die den elektrischen Strom durch die Widerstände erzeugt. Es gilt:

UΔ = U0Σπi,jσi,j
Since the piezoresistive resistor of a second type is rotated by an angle α with respect to the piezoresistive resistor of a first type, the two resistors differ with respect to the piezoresistive effect if the same mechanical stresses act on both resistors. As a result, different voltages drop in the resistors of a first type and the resistors of a second type when an equal current flows through them. The tapped difference U Δ of the electrical voltages is consequently proportional to a linear combination of certain components of the voltage sensor and to the electrical voltage U 0 , which generates the electrical current through the resistors. The following applies:

U Δ = U 0 Σπ i, j σ i, j

Welche Terme des Spannungstensors betont werden, hängt dabei von der Wahl der Richtungen der Referenzwiderstände und der Dotierung, d. h. ob ein n- oder ein p-Typ vorliegt, ab, wie es nachfolgend für ein (100)-Siliziumsubstrat ausführlich erklärt wird. Dabei werden andere Terme des Spannungstensors praktisch vernachlässigbar klein gestaltet. Die Differenz der elektrischen Spannungen an den piezoresistiven Widerständen eines ersten und zweiten Typs stellen somit ein direktes Maß für bestimmte Terme des Spannungssensors dar. It depends on which terms of the stress tensor are emphasized on the choice of the directions of the reference resistors and the Doping, d. H. whether there is an n or a p type, depending on how it is detailed below for a (100) silicon substrate is explained. Thereby other terms of the stress tensor designed practically negligible small. The difference in electrical voltages at the piezoresistive resistors of a first and second type are therefore a direct measure for certain terms of the voltage sensor.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6a weist den Vorteil auf, daß es einfach zu realisieren ist, da zur Realisierung keine aktiven Bauelemente, wie beispielsweise Transistoren oder Differenzverstärker, benötigt werden. The embodiment according to FIG. 6a has the advantage that it is easy to implement, since no active components such as transistors or differential amplifiers are required for implementation.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6a weist jedoch den Nachteil auf, daß sich die beiden Widerstandstypen nicht auf dem dem gleichen elektrischen Potential befinden, da sie in Serie geschaltet sind. Dies kann sich bei einer Ausbildung der piezoresistiven Widerstände als Diffusionswiderstände in dem Substrat störend auswirken, da dieselben zum Teil ausgeprägte Nicht-Linearitäten aufweisen. Dies bedeutet, daß der Widerstandswert von dem Common-Mode-Potential des Widerstands gegenüber dem Substrat bzw. gegenüber jener Wanne, in der der Widerstand angeordnet ist, abhängig ist. The embodiment according to FIG. 6a, however, has the disadvantage that the two types of resistance are not at the same electrical potential, since they are connected in series. If the piezoresistive resistors are designed as diffusion resistors in the substrate, this can have a disruptive effect, since they sometimes have pronounced non-linearities. This means that the resistance value is dependent on the common-mode potential of the resistor with respect to the substrate or with respect to the well in which the resistor is arranged.

Streng genommen ist es nicht möglich, exakt gleiche Spannungstensoren auf zwei unterschiedliche Widerstände einwirken zu lassen. Für die Funktionsfähigkeit des obig beschriebenen Prinzips, das in den Schaltungen gemäß Fig. 6a und 2b realisiert ist, lediglich erforderlich ist, daß beide Spannungstensoren, die auf die zwei piezoresistiven, unterschiedlichen Widerstände wirken, einander in einem determinierten Sinn zuordenbar sind. Genauer gesagt, muß die Differenz der maßgeblichen Komponenten des Spannungstensors auf die piezoresistiven Widerstände determiniert sein, da die Differenz der elektrischen Spannungen an den piezoresistiven Widerständen, und folglich das Verspannungssensorsignal A, durch folgenden Ausdruck beschrieben ist:


Strictly speaking, it is not possible to have exactly the same voltage tensor act on two different resistors. For the functionality of the principle described above, which is implemented in the circuits according to FIGS. 6a and 2b, it is only necessary that the two voltage tensor, which act on the two piezoresistive, different resistances, can be assigned to one another in a determined sense. More precisely, the difference between the relevant components of the voltage tensor must be determined on the piezoresistive resistors, since the difference of the electrical voltages across the piezoresistive resistors, and consequently the strain sensor signal A, is described by the following expression:


Dabei bezeichnet σ (1)|i,j einen Spannungstensor an dem Ort des piezoresistiven Widerstands eines ersten Typs und σ (2)|i,j einen Spannungstensor an dem Ort des piezoresistiven Widerstands eines zweiten Typs. Here σ denotes  (1) | i, j a stress tensor at the location of the piezoresistive resistance of a first type and σ  (2) | i, j one Voltage tensor at the location of the piezoresistive resistor of a second type.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, das eine Erweiterung des obig erwähnten Prinzips darstellt, sind für die piezoresistiven Widerstände auch unterschiedliche technologische Realisierungen möglich. Dadurch ergeben sich für die piezoresistiven Koeffizienten unterschiedliche Werte, so daß die Differenzausgangsspannung UΔ folgende Form annimmt:


In a further exemplary embodiment, which represents an extension of the principle mentioned above, different technological implementations are also possible for the piezoresistive resistors. This results in different values for the piezoresistive coefficients, so that the differential output voltage U Δ takes the following form:


Dabei bezeichnet π (1)|i,j den piezoresistiven Koeffizienten des Widerstands eines ersten Typs und π (2)|i,j den piezoresistiven Koeffizienten des Widerstands eines zweiten Typs. Here denotes π  (1) | i, j the piezoresistive coefficient of Resistance of a first type and π  (2) | i, j the piezoresistive Coefficients of resistance of a second type.

Die Widerstände können unterschiedlich technologisch realisiert werden, wodurch eine größere Flexibilität bzw. eine größere Auswahl von Widerständen erzielt wird. The resistors can vary in technology can be realized, whereby a greater flexibility or greater choice of resistors is achieved.

Nachteilig dabei ist jedoch, daß die paarweise Toleranz (Matching) der beiden Widerstände wesentlich schlechter ist, insbesondere wenn die beiden Widerstände technologisch mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren hergestellt wurden. Beispielsweise kann ein Herstellungsverfahren unterschiedliche Masken und/oder Implantationsschritte umfassen. The disadvantage, however, is that the tolerance in pairs (Matching) of the two resistors is much worse, especially if the two resistors are technologically compatible different manufacturing processes were produced. For example, a manufacturing process include different masks and / or implantation steps.

Die unterschiedlichen piezoresistiven Koeffizienten erfordern daher, daß die prozeßbedingten Toleranzen durch einen nachträglichen Abgleich getrimmt werden. Bei der Verspannungssensoreinrichtung gemäß Fig. 6b kann dies im einfachsten Fall dadurch erreicht werden, daß die Stromspiegeleinrichtung ausgebildet ist, um einen Abgleich durch das Einstellen unterschiedlicher Ströme zu ermöglichen. Ein solcher Abgleich wird vorzugsweise bei einem Testen des Wafers durchgeführt, da in diesem Zustand die integrierte Schaltung einen Zustand mit den geringsten mechanischen Verspannungen aufweist, und bei nachfolgenden Verarbeitungsschritten, die ein Sägen des Wafers und ein Anbringen eines Gehäuses umfassen, große mechanische Verspannung auf den Wafer bzw. das Substrat ausgeübt werden. The different piezoresistive coefficients therefore require that the process-related tolerances are trimmed by subsequent adjustment. In the case of the tension sensor device according to FIG. 6b, this can be achieved in the simplest case by designing the current mirror device in order to enable an adjustment by setting different currents. Such a comparison is preferably carried out when testing the wafer, since in this state the integrated circuit has a state with the least mechanical stresses, and in subsequent processing steps, which include sawing the wafer and attaching a housing, large mechanical stresses on the Wafers or the substrate are exercised.

Ferner kann es erforderlich sein, einen Abgleich selbst dann durchzuführen, wenn die piezoresistiven Widerstände technologisch gleich hergestellt wurden. Ein solcher Abgleich ist beispielsweise erforderlich, wenn sich durch die unterschiedlichen Stromrichtungen der piezoresistiven Widerstände Lithographie-bedingte Unterschiede ergeben, die zu großen Differenzen der Ausgangsspannungen führen. It may also be necessary to carry out a comparison even then perform when the piezoresistive resistors were technologically the same. Such a comparison is for example, required if the different current directions of the piezoresistive resistors Lithography-related differences result that are too big Differences in the output voltages.

Eine Bestimmung absoluter Größen einzelner Komponenten des Spannungstensors wird dadurch erreicht, daß die Differenzausgangsspannung UΔ gemessen wird. Dies erfordert, daß die exakte Größe der piezoresistiven Koeffizienten bekannt ist. Da für Dotierungen unter 1018 cm-3 die piezoresistiven Koeffizienten weitgehend unabhängig von einer exakten Dotierstoffkonzentration sind, eignen sich vorzugsweise niedrig dotierte piezoresistive Widerstände zur Realisierung als Verspannungssensorelemente zur Erfassung mechanischer Verspannungen. Durch diese schwache Dotierungen wird der piezoresistive Koeffizient durch Schwankungen der Dotier-Konzentration, die im Rahmen der Herstellungsprozesse liegen, kaum beeinflußt. A determination of absolute sizes of individual components of the voltage tensor is achieved by measuring the differential output voltage U Δ . This requires that the exact size of the piezoresistive coefficients be known. Since the piezoresistive coefficients are largely independent of an exact dopant concentration for dopings below 10 18 cm -3 , low-doped piezoresistive resistors are preferably suitable for implementation as stress sensor elements for detecting mechanical stresses. With these weak dopings, the piezoresistive coefficient is hardly influenced by fluctuations in the doping concentration, which are part of the manufacturing processes.

Nachdem nun der Schaltungsaufbau der Verspannungssensoreinrichtung erklärt wurde, wird nun die Ausbildung und Anordnung der piezoresistiven Widerstände auf dem Substrat und die damit verbundene Hervorhebung bestimmter Komponenten des mechanischen Spannungstensors bei der Erfassung näher erläutert. Now that the circuit structure of the Tension sensor device has been explained, the training and arrangement the piezoresistive resistors on the substrate and the related highlighting of certain components of the mechanical tension tensor explained in more detail during the detection.

Dabei wird im folgenden von einem (100)-Siliziumsubstrat ausgegangen, das typischerweise für CMOS und BiCMOS-Prozesse und teilweise auch für reine Bipolar-Prozesse verwendet. The following is a (100) silicon substrate assumed that typically for CMOS and BiCMOS processes and partly also used for pure bipolar processes.

Die piezoresistiven Widerstände können entweder p- oder n- dotiert werden. Bei einem (100)-Siliziumsubstrat bietet sich als Diffusions- bzw. Implantations-Widerstand ein p-Typ an, d. h., daß die Majoritätsladungsträgerdichte durch Löcher bestimmt ist. The piezoresistive resistors can be either p- or n- be endowed. In the case of a (100) silicon substrate, this offers itself a p-type as diffusion or implantation resistance, d. i.e. the majority carrier density through holes is determined.

Im folgenden wird nun für den p-Typ eine bevorzugte Anordnung der piezoresistiven Widerstände erklärt. Die Anordnung der piezoresistiven Widerstände wird dabei als ein Winkel φ in Bezug auf die [110]-Richtung in Kristall angegeben. φ ist der Winkel zwischen der Stromflußrichtung durch den piezoresistiven Widerstand und der [110]-Richtung des Wafers, wobei der Winkel bei einer Draufsicht auf die Waferoberseite entgegen dem Uhrzeigersinn positiv gezählt wird. Die [110]-Richtung ist normal zu einem Primary Flat des Wafers, wodurch die Richtung eindeutig definiert ist. The following is a preferred arrangement for the p-type of piezoresistive resistors explained. The arrangement of the piezoresistive resistors is called an angle φ in Referred to the [110] direction in crystal. φ is the Angle between the direction of current flow through the piezoresistive resistance and the [110] direction of the wafer, the Angle against a top view of the top of the wafer is counted positive clockwise. The [110] direction is normal to a primary flat of the wafer, causing the Direction is clearly defined.

Bevorzugt sind die piezoresistiven Widerstände als längliche integrierte Widerstände in dem Substrat ausgebildet, so daß die Stromflußrichtung der Widerstände parallel zu der längeren Seite der Widerstände ist. The piezoresistive resistors are preferred as elongated ones integrated resistors are formed in the substrate so that the current flow direction of the resistors parallel to the longer side of the resistors.

Die Abhängigkeit eines Diffusions- bzw. Implantations- Widerstands vom mechanischen Spannungszustand kann nun durch die folgende Gleichung angegeben werden:


The dependence of a diffusion or implantation resistance on the mechanical stress state can now be given by the following equation:


Dabei wird durch σ'11 eine Normalspannungskomponente der mechanischen Verspannung definiert, die in der Waferebene liegt und in die [110]-Richtung zeigt. Diese Richtung entspricht einem Winkel von φ = 0°. A normal stress component of the mechanical stress is defined by σ '11 , which lies in the wafer plane and points in the [110] direction. This direction corresponds to an angle of φ = 0 °.

Ferner zeigt σ'22 eine Normalspannungskomponente an, die in der Waferebene liegt und in die [1,1,0] zeigt, wobei dies einem Winkel von φ = 90° entspricht. Ferner entspricht σ'33 einer Normalspannungskomponente, die normal auf die Waferebene in die [001]-Richtung zeigt. σ'12 zeigt ferner eine in der Waferebene liegende Schubspannung an. Furthermore, σ '22 indicates a normal stress component, which lies in the wafer plane and into which [ 1 , 1,0] shows, which corresponds to an angle of φ = 90 °. Furthermore, σ '33 corresponds to a normal stress component that points normally to the wafer plane in the [001] direction. σ '12 also indicates a shear stress lying in the wafer plane.

Eine Änderung des Widerstands durch mechanische Verspannungen des Substrats wird gemäß Gleichung 11 durch die drei piezoresistiven Koeffizienten π11, π12, π14 vollständig beschrieben. A change in the resistance due to mechanical tensioning of the substrate is completely described according to equation 11 by the three piezoresistive coefficients π 11 , π 12 , π 14 .

Üblicherweise sind die einzelnen Chips auf dem Wafer derart angeordnet, daß die Richtungen φ = 0° und φ = 90° der Vertikal- bzw. Horizontalrichtung der integrierten Schaltung entsprechen. Diese Richtungen können vertauscht sein, je nach dem, ob die integrierte Schaltung hochkant oder liegend vorliegt. The individual chips on the wafer are usually such arranged that the directions φ = 0 ° and φ = 90 ° Vertical or horizontal direction of the integrated circuit correspond. These directions can be interchanged, depending on whether the integrated circuit is upright or lying down is present.

Der Vorteil der Anordnung der Widerstände in die Richtungen φ = 0° und φ = 90° bei p-dotierten Widerständen und die Auswirkungen auf das Verspannungssensorsignal werden nun erklärt. The advantage of arranging the resistors in the directions φ = 0 ° and φ = 90 ° for p-doped resistors and the Effects on the strain sensor signal will now be explained.

Dazu werden zunächst die bekannten piezoresistiven Konstanten für p-dotierte Widerstände betrachtet. In leicht dotiertem p- Silizium gelten für die piezoresistiven Konstanten folgende Zahlenwerte:


For this purpose, the known piezoresistive constants for p-doped resistors are considered first. The following numerical values apply to the piezoresistive constants in lightly doped p-silicon:


Dabei bedeutet TPa Tera-Pascal, d. h. 1012 N/m2. TPa means Tera-Pascal, ie 10 12 N / m 2 .

Vergleicht man die Werte der piezoresistiven Koeffizienten, so fällt auf, daß π p|44 einen um etwa 20-fach höheren Wert als der nächstgrößere Koeffizient aufweist. Es ist folglich vorteilhaft, diesen Koeffizienten für eine sensitive Messung der mechanischen Verspannung des Substrats zu verwenden. Um in der Gleichung 11 eine Trennung der Terme mit π p|44 von allen anderen Termen zu erreichen werden im folgenden zwei identische Widerstände betrachtet, die sich lediglich in einer Ausrichtung bezüglich der Stromflußrichtung unterscheiden. Folglich gilt für einen ersten Widerstand, der eine Ausrichtung mit φ = 0° aufweist, d. h. dessen Stromrichtung in die [110]- Richtung zeigt, die folgende Gleichung:


If you compare the values of the piezoresistive coefficients, you will notice that π p | 44 has a value that is about 20 times higher than the next larger coefficient. It is therefore advantageous to use this coefficient for a sensitive measurement of the mechanical tension of the substrate. In order to achieve a separation of the terms with π p | 44 from all other terms in equation 11, two identical resistances are considered below, which differ only in an orientation with respect to the current flow direction. Consequently, the following equation applies to a first resistor which has an orientation with φ = 0 °, ie whose current direction points in the [110] direction:


Ferner gilt für einen Widerstand, der bezüglich der [110]- Richtung um α = 90° gedreht ist, d. h. der eine Stromflußrichtung in die [1,1,0]-Richtung zeigt, folgende Gleichung für den Widerstand:


Furthermore, for a resistor which is rotated by α = 90 ° with respect to the [110] direction, ie which is a current flow direction in the [ 1 , 1,0] direction shows the following equation for resistance:


Betrachtet man die Gleichungen 12 und 13, so erkennt man, daß in beiden eine π p|44-Abhängigkeit auftritt, wobei sich die jeweiligen Terme bezüglich des Vorzeichens unterscheiden. Ferner ist zu erkennen, daß sämtliche anderen Terme in beiden Gleichungen 12 und 13 mit dem gleichen Vorzeichen auftreten. Folglich kann durch eine Subtraktion der Gleichung 12 von der Gleichung 13 der π p|44-Term isoliert werden, wobei gilt:


If one looks at equations 12 and 13, it can be seen that a π p | 44 dependency occurs in both, the respective terms differing in terms of the sign. It can also be seen that all other terms in both equations 12 and 13 occur with the same sign. Consequently, by subtracting equation 12 from equation 13, the π p | 44 term can be isolated, where:


Die Realisierung eines Schaltungsaufbaus, der eine solche Subtraktion durchführt, wird durch den Schaltungsaufbau gemäß Fig. 6a oder den Schaltungsaufbau gemäß Fig. 6b erreicht. The realization of a circuit structure which carries out such a subtraction is achieved by the circuit structure according to FIG. 6a or the circuit structure according to FIG. 6b.

Nachdem nun erklärt wurde, daß die Differenzausgangsspannung von der Differenz der Normalspannungskomponenten in horizontaler und vertikaler Richtung der integrierten Schaltung direkt proportional abhängig ist, wobei die Proportionalitätskonstante das Produkt aus π p|44 und der Referenzspannung U0 ist, ist es zum Erfassen der mechanischen Verspannung notwendig, daß die Differenz der Normalspannungskomponente nicht verschwindet. Mit anderen Worten gilt:

σ' 11 - σ' 22 ≠ 0
Now that it has been explained that the differential output voltage is directly proportional dependent on the difference between the normal voltage components in the horizontal and vertical directions of the integrated circuit, the proportionality constant being the product of π p | 44 and the reference voltage U 0 , it is for detecting the mechanical stress necessary that the difference of the normal stress component does not disappear. In other words:

σ '11 - σ' 22 ≠ 0

Wird die Differenz der Normalspannungskomponenten null oder liegt dieselbe in der Nähe von null, so verschwindet die Differenzausgangsspannung bzw. nimmt einen kleinen Wert an, obwohl die einzelnen Normalspannungskomponenten groß sein können. Dies stellt den Fall dar, bei dem die Schaltungsanordnung der Widerstände eine Messung der Verspannung des Substrats nicht mehr ermöglicht bzw. ungenau ist. If the difference between the normal stress components becomes zero or if it is close to zero, it disappears Differential output voltage or takes a small value, although the individual normal voltage components are large can. This is the case where the Circuit arrangement of the resistors a measurement of the tension of the Substrate is no longer possible or inaccurate.

Um die Auslöschung der Differenz der Normalspannungskomponenten zu verhindern, ist es notwendig, gewisse ungünstige Symmetrien zu erkennen, bei denen sich die Normalspannungskomponenten aufheben. Eine solche Symmetrie stellt der Fall dar, daß auf einem quadratischen Substrat ein quadratisches Gehäuse mit einem quadratischen Führungsrahmen zentrisch angebracht ist. Eine solche Symmetrie kann verhindert werden, indem das Substrat bzw. der Chip, auf dem die Hallsonde angebracht ist, mit einem großen Längenverhältnis (Aspect Ratio) verwendet wird, bei dem eine Breite deutlich größer als eine Höhe oder eine Höhe wesentlich größer als eine Breite ist. To wipe out the difference of To prevent normal voltage components, it is necessary to certain unfavorable Recognize symmetries at which the Remove normal voltage components. Such symmetry is the case that on a square substrate a square Housing with a square guide frame centric is appropriate. Such symmetry can be prevented by the substrate or the chip on which the Hall probe is appropriate with a large aspect ratio is used in which a width significantly larger than one Height or height is significantly greater than a width.

Weiters besteht eine Möglichkeit, ein Verschwinden der Differenz der Normalspannungskomponenten zu verhindern, darin, daß die Widerstände nicht in der Mitte des Chips sondern in der Nähe des Randes angeordnet werden. Im Gegensatz zu der Mitte des Chips unterscheiden sich die Hauptachsenkomponenten am Rand des Chips selbst dann, wenn die obig beschriebene quadratische Symmetrie vorliegt. Vorzugsweise werden die piezoresistiven Widerstände nicht direkt an dem Rand sondern mit einem Abstand zu dem Rand angeordnet, der einer Dicke des Chips entspricht, da die mechanischen Verspannungen in der Nähe des Rands extrem unterschiedlich zu den Verspannungen in der Mitte sind, was als Prinzip de Saint Venant bekannt ist, und sich ferner die mechanischen Verspannungen an dem Rand nach dem Durchlaufen von thermischen Zyklen während einer Lebensdauer stark ändern können, wodurch ein deterministischer Zusammenhang nicht mehr vorhanden ist. There is also a possibility that the To prevent difference in the normal voltage components in that the resistors are not in the middle of the chip but in the Be placed near the edge. In contrast to the middle of the chip, the main axis components differ on Edge of the chip even if the one described above quadratic symmetry is present. Preferably the Piezoresistive resistors not directly on the edge but with a distance from the edge which corresponds to a thickness of the Corresponds to chips because of the mechanical tension in the Near the edge extremely different to the tension in the middle are what is known as the Principle de Saint Venant and further the mechanical tension on the edge after going through thermal cycles during a Life can change significantly, making a deterministic Connection no longer exists.

Nachdem nun für p-dotierte integrierte Widerstände eine vorteilhafte Ausrichtung zum empfindlichen Erfassen einer mechanischen Verspannung des Substrats hergeleitet wurde, werden nun Ausrichtungen für n-dotierte integrierte Widerstände betrachtet. Now that for p-doped integrated resistors advantageous alignment for sensitive detection of a mechanical strain of the substrate was derived now alignments for n-doped integrated resistors considered.

Die piezoresistiven Koeffizienten für n-dotiertes Silizium sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:


The piezoresistive coefficients for n-doped silicon are summarized in the following table:


Aus der obigen Tabelle ist zu erkennen, daß der größte Term π n|11 - π n|12 ist, wodurch zur Erzielung einer großen Empfindlichkeit die Anordnung der n-dotierten piezoresistiven Widerstände mit einem Winkel von φ = ±45° bezüglich der [110]- Richtung des (100)-Siliziumwafers vorzusehen ist. Dabei ergibt sich für den Widerstand mit φ = -45° der folgende Zusammenhang:


From the table above it can be seen that the largest term is π n | 11 - π n | 12, so that the arrangement of the n-doped piezoresistive resistors with an angle of φ = ± 45 ° with respect to the [110 ] - direction of the (100) silicon wafer. The following relationship results for the resistance with φ = -45 °:


Ebenso ergibt sich für die Anordnung des Widerstands mit φ = +45° folgender Zusammenhang:


The following relationship also results for the arrangement of the resistor with φ = + 45 °:


Die obigen Gleichungen zeigen nun, daß durch eine Subtraktion von Rφ - Rφ + α der Term mit π n|11 - π n|12 isoliert werden kann, so daß gilt:


The above equations now show that by subtracting R φ - R φ + α the term can be isolated with π n | 11 - π n | 12, so that:


Indem man für den Widerstand R und den Widerstand Rφ + α einen gleichen Strom vorsieht, beispielsweise durch die H-Brückenschaltung gemäß Fig. 6a oder die Stromspiegel-Schaltung gemäß Fig. 6b, kann ein Signal UΔ als eine Differenzspannung abgegriffen werden, die proportional zu der Schubspannungskomponente σ'12 ist. Folglich gilt:


By providing the same current for the resistor R and the resistor R φ + α , for example through the H-bridge circuit according to FIG. 6a or the current mirror circuit according to FIG. 6b, a signal U Δ can be tapped as a differential voltage which is proportional to the shear stress component σ '12 . Hence:


Aus der obigen Gleichung läßt sich erkennen, daß n-dotierte Widerstände vorzugsweise zur Erfassung der Schubspannungskomponente σ'12 eingesetzt werden, wobei wiederum gewährleistet sein muß, daß diese Komponente an dem Ort des Chips, an dem der Widerstand zum Erfassen der mechanischen Verspannung angebracht ist, nicht verschwindet. Wie bei der Anordnung der p-dotierten Widerstände ist auch für die Anordnung der n- dotierten Widerstände zu fordern, daß der n-dotierte Widerstand nicht in der Mitte eines Chips angeordnet wird, wenn der Chip selbst eine quadratische Form aufweist und insbesondere ein auf dem Chip angebrachtes Gehäuse mit einer quadratischen Form zentrisch auf dem Chip angebracht ist. From the above equation reveals that n-doped resistors preferably for detecting the shear stress component σ 'are used 12, where again it must be guaranteed that this component at the location of the chip on which the resistor is mounted for detecting the mechanical stress , does not disappear. As with the arrangement of the p-doped resistors, it must also be required for the arrangement of the n-doped resistors that the n-doped resistor is not arranged in the middle of a chip if the chip itself has a square shape and in particular one on the Chip-attached housing with a square shape is mounted centrally on the chip.

Vorteilhafterweise bieten sich wieder die Möglichkeiten, einen Chip mit einem großen Längenverhältnis zu wählen oder die Widerstände in der Nähe des Randes mit entsprechendem Abstand zu dem Rand hin anzuordnen. Advantageously, there are again the possibilities to choose a chip with a large aspect ratio or the Resistances near the edge with the appropriate distance to be arranged towards the edge.

Nachdem nun die vorteilhaften Ausrichtungen von p-dotierten Widerständen und n-dotierten Widerständen zur Erfassung mechanischer Verspannungen erklärt wurde, soll nun auf die Frage eingegangen werden, welche Widerstandsanordnung, d. h. p- dotierte Widerstände mit φ = 0° und 90° oder n-dotierte Widerstände mit einer Ausrichtung von φ von +45° und -45° am vorteilhaftesten verwendet wird. Now that the advantageous orientations of p-doped Resistors and n-doped resistors for detection mechanical tension has been explained, is now said to Question are asked which resistor arrangement, i. H. p- doped resistors with φ = 0 ° and 90 ° or n-doped Resistors with an alignment of φ of + 45 ° and -45 ° am most advantageous is used.

Die Auswahl hängt davon ab, welche der Spannungstensoren, σ'11 und σ'22 oder σ'12 für die jeweilige Anwendung relevanter ist, d. h. den größten Einfluß auf die Hallspannung aufweist. Da sich dies für die unterschiedlichen Anwendungen und Ausführungsformen des Chips stark ändern kann, lassen sich dafür keine allgemein gültigen Regeln angeben. Vorzugsweise erfolgt eine Bestimmung durch Finite-Elemente-Simulationen und/oder experimentelle Messungen, um für den jeweiligen Chip und das jeweilige Gehäuse den Spannungstensor auf dem Chip zu analysieren. The selection depends on which of the stress tensor, σ '11 and σ' 22 or σ '12 is relevant for the particular application, that is the greatest influence on the Hall voltage has. Since this can change greatly for the different applications and embodiments of the chip, no generally applicable rules can be specified for this. A determination is preferably carried out by finite element simulations and / or experimental measurements in order to analyze the voltage tensor on the chip for the respective chip and the respective housing.

Aus fertigungstechnischer Sicht empfiehlt sich eine gleiche Dotierung der Widerstände zum Erfassen der mechanischen Verspannung und des Hallbereichs. Bei einer Stromsteuerung empfiehlt sich ferner auch die Dotierung des Widerstands, der den Hallstrom definiert, gleich zu wählen. Das heißt, daß bei n-dotierte Widerstände bevorzugt sind, wenn der Hallbereich und/oder der Widerstand n-dotiert sind. Ebenso ist es aus fertigungstechnischer Sicht vorteilhaft, für eine Kompensation eines p-dotierten Hallstromwiderstands und/oder eines p- dotierten Hallbereichs p-dotierte Widerstände als Verspannungssensorelemente zum Erfassung der mechanischen Verspannung zu verwenden. From a manufacturing perspective, the same is recommended Doping the resistors to detect the mechanical Tension and the reverberation area. With a current control doping of the resistor, the defined the Hall current to choose immediately. That means that at n-doped resistors are preferred when the Hall region and / or the resistor is n-doped. It's the same way manufacturing technology advantageous for a Compensation of a p-doped Hall current resistor and / or a p- doped Hall area p-doped resistors as Tension sensor elements for detecting the mechanical To use bracing.

Der Vorteil dieser Vorgangsweise besteht darin, daß sich fertigungsbedingte Streuungen des piezoresistiven Effekts sowohl auf die als Verspannungssensorelement zum Erfassen mechanischer Verspannungen dienenden Widerstände als auch auf den Hallstromwiderstand und den Hallbereich auswirken und sich weitgehend ausgleichen. Beispielsweise kann aufgrund einer überhöhten Implantationsdosis ein piezoresistiver Koeffizient vorliegen, der kleiner als der nominale, gewünschte ist, wodurch das Ausgangssignal A des Verspannungssensorelements kleiner als das gewünschte wird. Entgegengesetzt dazu wird jedoch aufgrund der überhöhten Implantationsdosis der Hallstromwiderstand und/oder der Hallbereich weniger stark als erwartet auf den Piezo-Effekt reagieren, wodurch zur Kompensation auch ein kleineres Verspannungssensorsignal benötigt wird. The advantage of this approach is that manufacturing-related scattering of the piezoresistive effect both on the as a tension sensor element for detection mechanical tension serving resistors as well as on the Hall current resistance and the Hall area and impact largely compensate. For example, due to a excessive implantation dose a piezoresistive coefficient that is smaller than the nominal, desired, whereby the output signal A of the tension sensor element becomes smaller than the desired one. The opposite is true however due to the excessive implant dose Hall current resistance and / or the Hall area less than expected to respond to the piezo effect, causing to Compensation also requires a smaller strain sensor signal becomes.

Nachdem nun die Erzeugung des Verspannungssensorsignals durch eine Anordnung von piezoresistiven Widerständen erklärt wurde, soll nun unter Bezugnahme auf die Fig. 7a und 7b auf die Erzeugung des Hallstroms eingegangen werden. Dabei kann entweder eine Stromsteuerung oder eine Spannungssteuerung verwendet werden. Now that the generation of the tension sensor signal has been explained by an arrangement of piezoresistive resistors, the generation of the Hall current will now be discussed with reference to FIGS. 7a and 7b. Either a current control or a voltage control can be used.

Fig. 7a zeigt eine Stromsteuerung, bei der der Hallstrom unabhängig von dem Widerstand der Hallsonde ist. Ein erster Pol einer Spannungsquelle 60, der auf Masse liegt, ist mit einem ersten Anschluß eines Referenzwiderstands 62 verbunden. Ein zweiter Anschluß des Referenzwiderstands 62 ist mit einem negativen Eingang eines Differenzverstärkers 64 verbunden. Der positive Eingang des Differenzverstärkers ist mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle 60 verbunden. Der zweite Anschluß des Referenzwiderstands 62 ist ferner mit einem Drain- Anschluß eines Feldeffekt-Transistors 66 verbunden. Das Gate des Transistors 66 ist mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 64 verbunden, während das Drain des Transistors mit einem Eingang einer Stromspiegeleinrichtung 68 verbunden ist. Ein Ausgang der Stromspiegeleinrichtung 68 ist mit dem ersten Anschluß des Hallbereichs 10 verbunden, wohingegen der zweite Anschluß des Hallbereichs 10 mit dem ersten Pol der Spannungsquelle 60 verbunden ist. Der Hallbereich 10 weist ferner den ersten Hallanschluß 18 und den zweiten Hallanschluß 20 zum Abgreifen der Hallspannung auf. Fig. 7a shows a current control in which the Hall current is independent of the resistance of the Hall probe. A first pole of a voltage source 60 , which is grounded, is connected to a first terminal of a reference resistor 62 . A second connection of the reference resistor 62 is connected to a negative input of a differential amplifier 64 . The positive input of the differential amplifier is connected to a second pole of the voltage source 60 . The second connection of the reference resistor 62 is also connected to a drain connection of a field effect transistor 66 . The gate of transistor 66 is connected to the output of differential amplifier 64 , while the drain of the transistor is connected to an input of a current mirror device 68 . An output of the current mirror device 68 is connected to the first connection of the Hall region 10 , whereas the second connection of the Hall region 10 is connected to the first pole of the voltage source 60 . The Hall region 10 also has the first Hall connection 18 and the second Hall connection 20 for tapping the Hall voltage.

Wie es zu erkennen ist, entspricht der Schaltungsaufbau dem Schaltungsaufbau eines Ausführungsbeispiels der Verspannungssensoreinrichtung 24, bei dem eine Stromspiegel-Einrichtung verwendet wird, um einen identischen Strom zu erzeugen. Im Gegensatz dazu sind bei diesem Schaltungsaufbau die piezoresistiven Widerstände durch den Referenzwiderstand 62 und den Widerstand des Hallbereichs 10 ersetzt. As can be seen, the circuit configuration corresponds to the circuit configuration of an embodiment of the tension sensor device 24 , in which a current mirror device is used to generate an identical current. In contrast to this, the piezoresistive resistors are replaced by the reference resistor 62 and the resistance of the Hall region 10 in this circuit construction.

Durch den Regelkreis, der aus der Spannungsquelle 60, dem Differenzverstärker 64, dem Transistor 66 und dem Referenzwiderstand 62 besteht, wird eine durch die Spannungsquelle 60 definierte Spannung an dem zweiten Anschluß des Referenzwiderstands 62 erzeugt, der gemäß dem Ohmschen Gesetz einen Strom durch den Referenzwiderstand 62 erzeugt. Dieser Strom wird durch die Stromspiegeleinrichtung 68 auf den Hallbereich 10 kopiert, so daß durch den Hallbereich 10 ein Strom mit dem gleichen Wert, wie der Strom durch den Referenzwiderstand 62, erzeugt wird. Der Schaltungsaufbau stellt eine Stromsteuerung dar, da der Ausgangswiderstand der Stromspiegeleinrichtung wesentlich höherohmiger als der Widerstand des Hallbereichs 10 ist, so daß der Strom durch den Hallbereich 10 unabhängig von dem Widerstand desselben ist. The control loop, which consists of the voltage source 60 , the differential amplifier 64 , the transistor 66 and the reference resistor 62 , generates a voltage defined by the voltage source 60 at the second connection of the reference resistor 62 , which according to Ohm's law flows a current through the reference resistor 62 generated. This current is copied to the Hall region 10 by the current mirror device 68 , so that a current having the same value as the current through the reference resistor 62 is generated by the Hall region 10 . The circuit structure represents a current control, since the output resistance of the current mirror device is substantially higher impedance than the resistance of the Hall region 10 , so that the current through the Hall region 10 is independent of the resistance thereof.

Wie es für einen Fachmann bekannt ist, können auch andere Schaltungen verwendet werden, um einen konstanten Strom zu erzeugen, der unabhängig von dem Widerstand des Hallbereichs ist. Allgemein gilt jedoch, daß die auf dem Substrat untergebrachte Stromquelle Widerstände und/oder MOS-Transistoren aufweist, die einer piezoresistiven Beeinflussung unterliegen. In Fig. 7a ist dies durch den Spannungstensor σ R|i,j, der auf den Referenzwiderstand 62 wirkt, und den Spannungstensor σ H|i,j, der auf den Hallbereich 10 wirkt, dargestellt. As is known to those skilled in the art, other circuits can be used to generate a constant current that is independent of the resistance of the Hall region. In general, however, the current source accommodated on the substrate has resistors and / or MOS transistors which are subject to a piezoresistive influence. In FIG. 7 a, this is represented by the voltage tensor σ R | i, j, which acts on the reference resistor 62 , and the voltage tensor σ H | i, j, which acts on the Hall region 10 .

Wie es bereits vorhergehend erklärt wurde, wirkt ferner auf den Hallbereich der Piezo-Hall-Effekt, so daß sich die Gesamtbeeinflussung der Empfindlichkeit als Summe des piezoresistiven Effekts an dem Ort des stromdefinierenden Widerstands 62 und aus dem Piezo-Hall-Effekt auf den Hallbereich 10 ergibt. Folglich gilt:


As has already been explained above, the piezo Hall effect also acts on the Hall region, so that the overall influence on the sensitivity is the sum of the piezoresistive effect at the location of the current-defining resistor 62 and from the Piezo Hall effect on the Hall region 10 results. Hence:


Da der mechanische Spannungstensor im allgemeinen nicht homogen über die Chipoberfläche verteilt ist, unterscheiden sich die Spannungstensoren an dem Ort des Referenzwiderstands 62 und dem Hallbereich 10. Since the mechanical tension tensor is generally not homogeneously distributed over the chip surface, the tension tensor differs at the location of the reference resistor 62 and the Hall region 10 .

Unter Bezugnahme auf Fig. 7b wird nun ein Ausführungsbeispiel für eine Spannungssteuerung einer integrierten Hallsonde erläutert. Eine Spannungsquelle 70 ist über einen ersten Pol, der auf Masse liegt, mit dem zweiten Anschluß des Hallbereichs 10 verbunden. Ferner ist der zweite Pol der Spannungsquelle 70 mit dem positiven Eingang eines Differenzverstärkers 72 verbunden. Der negative Eingang des Differenzverstärkers 72 ist rückkopplungsmäßig mit einem Ausgang des Differenzverstärkers 72 verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers 72 ist ferner mit dem ersten Anschluß 12 des Hallbereichs 10 verbunden. Der Hallbereich 10 weist ferner den ersten Hallanschluß 18 und den zweiten Hallanschluß 20 zum Abgreifen der Hallspannung auf. Durch die rückkopplungsmäßige Verschaltung des Differenzverstärkers 72 wirkt die Spannungsquelle in Verbindung mit dem Differenzverstärkers 72 als Spannungsfolger, so daß an dem ersten Anschluß 14 des Hallbereichs 10 die durch die Spannungsquelle 70 definierte elektrische Spannung UH anliegt. Gemäß dem Ohmschen Gesetz ergibt sich durch den Hallbereich 10 ein Hallstrom IH, der durch einen piezoresistiven Einfluß auf den Hallbereich 10 beeinflußt wird. Zusätzlich unterliegt der Hallbereich 10 dem Einfluß des Piezo-Hall-Effekts, so daß sich die Gesamtempfindlichkeit folgendermaßen ergibt:


An exemplary embodiment for voltage control of an integrated Hall probe will now be explained with reference to FIG. 7b. A voltage source 70 is connected to the second connection of the Hall region 10 via a first pole, which is grounded. Furthermore, the second pole of the voltage source 70 is connected to the positive input of a differential amplifier 72 . The negative input of the differential amplifier 72 is connected in terms of feedback to an output of the differential amplifier 72 . The output of the differential amplifier 72 is also connected to the first connection 12 of the Hall region 10 . The Hall region 10 also has the first Hall connection 18 and the second Hall connection 20 for tapping the Hall voltage. By the feedback moderate interconnection of the differential amplifier 72, the voltage source acting in conjunction with the differential amplifier 72 as a voltage follower, so that the Hall region 10 defined by the voltage source 70, electric voltage U H is present at the first terminal of the fourteenth According to Ohm's law, the Hall region 10 results in a Hall current I H which is influenced by a piezoresistive influence on the Hall region 10 . In addition, the Hall region 10 is subject to the influence of the Piezo Hall effect, so that the overall sensitivity is as follows:


Im Unterschied zu der Stromsteuerung ist folglich bei der Spannungssteuerung die Empfindlichkeit lediglich von einem mechanischen Spannungstensor an dem Ort des Hallbereichs 10 abhängig, wobei die Empfindlichkeit durch den Piezo-Hall- Effekt und den piezoresistiven Effekt des Hallbereichs 10 beeinflußt wird. In contrast to the current control, the sensitivity in the voltage control is therefore dependent only on a mechanical voltage tensor at the location of the Hall region 10 , the sensitivity being influenced by the Piezo Hall effect and the piezoresistive effect of the Hall region 10 .

Im folgenden soll anhand der Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 5 (Deckel-Common-Mode-Potential) und gemäß Fig. 5b (Wanne- Common-Mode-Potential) die Erzeugung des Signals zur Kompensation durch die Kompensationseinerichtung 26 näher erklärt werden. The generation of the signal for compensation by the compensation device 26 will be explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments according to FIG. 5 (cover common mode potential) and according to FIG. 5b (trough common mode potential).

Bei beiden Ausführungsbeispielen führt die Kompensationseinrichtung 26 eine Verstärkung des Verspannungssensorsignals A mit einem Verstärkungsfaktor VA durch. Folglich ergibt sich für das erste Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 eine Abhängigkeit der Empfindlichkeit gemäß den folgenden Formeln:


In both exemplary embodiments, the compensation device 26 amplifies the tension sensor signal A with an amplification factor V A. Consequently, for the first exemplary embodiment according to FIG. 5 there is a dependency of the sensitivity according to the following formulas:


Dabei beschreibt die erste Gleichung den Fall, daß zur Erfassung der mechanischen Verspannung p-dotierte piezoresistive Widerstände in einer Anordnung mit 0° bzw. 90° verwendet werden. Die untere Gleichung beschreibt den Fall, das n-dotierte piezoresistive Widerstände als Verspannungssensorelemente verwendet werden, die in einer Anordnung mit +45° und -45° angeordnet sind. The first equation describes the case where Detection of the mechanical stress p-doped piezoresistive Resistors used in a 0 ° or 90 ° arrangement become. The equation below describes the case that is n-doped Piezoresistive resistors as strain sensor elements be used in an arrangement with + 45 ° and -45 ° are arranged.

Ferner ergibt sich für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5b für die Hallempfindlichkeit:


Furthermore, for the exemplary embodiment according to FIG. 5b, the following results for the Hall sensitivity:


Die erste Gleichung beschreibt dabei den Fall von p-dotierten piezoresistiven Widerständen in einer Anordnung von 0° bzw. 90°, während die untere Gleichung den Fall beschreibt, daß als Verspannungssensorelemente n-dotierte piezoresistive Widerstände mit einer Anordnung von +45° bzw. -45° verwendet werden. The first equation describes the case of p-doped piezoresistive resistors in an arrangement of 0 ° or 90 °, while the equation below describes the case that as tension sensor elements n-doped piezoresistive Resistors with an arrangement of + 45 ° or -45 ° used become.

Wie bereits erwähnt wurde beschreibt der hochgestellte Index einen Ort auf dem Substrat. Durch die obigen Gleichungen werden folglich die Komponenten an den drei verschiedenen Orten, d. h. dem Ort des Hallbereichs, dem Ort des stromdefinierenden Widerstands und dem Ort des zur Erfassung der mechanischen Verspannung dienenden piezoresistiven Widerstands verknüpft. Da diese im allgemeinen nicht identisch sind, ergeben sich komplizierte funktionelle Abhängigkeiten. As already mentioned, the superscript describes a place on the substrate. Through the equations above consequently, the components in the three different places, d. H. the location of the reverb area, the location of the current defining Resistance and the location of the mechanical Linked piezoresistive resistance. Since these are generally not identical, they result complicated functional dependencies.

Um eine Kompensation durchzuführen, ist die Verstärkung VA so bestimmt, daß die Empfindlichkeit S unabhängig von einer mechanischen Verspannung auf dem Substrat wird. In diesem Fall gilt S = S00 wobei sich für die Größe VA U0 die folgenden Abhängigkeiten ergeben:


In order to carry out a compensation, the gain V A is determined in such a way that the sensitivity S becomes independent of mechanical tension on the substrate. In this case, S = S 00 applies, whereby the following dependencies result for the variable V A U 0 :


Die erste Gleichung der obigen Gleichungen beschreibt dabei den Fall von p-dotierten piezoresistiven Verspannungssensorwiderständen mit einer Beeinflussung des Deckel/Common-Mode- Potentials durch die Kompensationseinrichtung 26, die zweite Gleichung beschreibt den Fall von n-dotierten piezoresistiven Verspannungssensorwiderständen mit einer Beeinflussung des Deckel/Common-Mode-Potentials, die dritte Gleichung beschreibt den Fall von p-dotierten piezoresistiven Verspannungssensorwiderständen mit einer Beeinflussung des Wannen/Common-Mode-Potentials und die vierte Gleichung beschreibt den Fall von n-dotierten piezoresistiven Verspannungssensorwiderständen mit einer Beeinflussung des Wanne/Common-Mode-Potentials durch die Kompensationseinrichtung 26. The first equation of the above equations describes the case of p-doped piezoresistive tension sensor resistors with an influence on the lid / common mode potential by the compensation device 26 , the second equation describes the case of n-doped piezoresistive tension sensor resistors with an influence on the lid / Common-mode potential, the third equation describes the case of p-doped piezoresistive strain sensor resistors with an influence on the well / common-mode potential and the fourth equation describes the case of n-doped piezoresistive strain sensor resistors with an influence on the well / common Mode potential by the compensation device 26 .

Die zur Kompensation benötigte geeignete Verstärkung VA muß aus numerischen Berechnungen zur Verspannung des Gehäuses, die sehr umfangreich sein können, und/oder aus experimentell ermittelten Daten bestimmt werden. The suitable gain V A required for compensation must be determined from numerical calculations for tensioning the housing, which can be very extensive, and / or from experimentally determined data.

Die obigen Herleitungen wurden unter der Annahme durchgeführt, daß auf dem Substrat eine konstante Temperatur vorliegt. Es ist jedoch bekannt, daß sich die piezoresistiven Koeffizienten, die Hall-Piezo-Koeffizienten sowie Verspannungen des Substrats abhängig von der Substrattemperatur ändern. Folglich ist es vorteilhaft, die Kompensation abhängig von der Substrattemperatur durchzuführen, wie es bei einem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel erklärt wird. The above derivations were based on the assumption performed that on the substrate a constant temperature is present. However, it is known that the piezoresistive Coefficients, the Hall piezo coefficients as well Change the tension of the substrate depending on the substrate temperature. It is therefore advantageous to make the compensation dependent on perform the substrate temperature, as in a The embodiment described below is explained.

Um eine temperaturabhängige Kompensation mechanischer Spannungszustände zu erreichen, muß die von der Kompensationseinrichtung 26 ausgegebene elektrische Spannung einen Temperaturgang aufweisen, der diese Temperatur-bedingten Einflüsse kompensiert, derart, daß die Hallspannung zumindest in einem bestimmten Temperaturbereich unabhängig von Verspannungseinflüssen des Substrats und unabhängig von der Temperatur des Substrats ist. In order to achieve a temperature-dependent compensation of mechanical voltage states, the electrical voltage output by the compensation device 26 must have a temperature response that compensates for these temperature-related influences, such that the Hall voltage at least in a certain temperature range is independent of the stress influences of the substrate and independent of the temperature of the substrate.

Die Temperaturabhängigkeit der Verspannung des Substrats ergibt sich dabei aus der Tatsache, daß die beteiligten Materialien, die typischerweise das Silizium-Halbleitermaterial, die Vergußmasse, den Führungsrahmen und ein Haftmittel umfassen, unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dabei kann es auch zu einer Aufhebung der Verspannung an dem Substrat kommen, wenn die Vergußmasse eine hohe Temperatur aufweisen, die über ihrer Glassivierungstemperatur liegt. The temperature dependence of the substrate tension arises from the fact that the parties involved Materials typically the silicon semiconductor material the sealing compound, the guide frame and an adhesive include different thermal expansion coefficients exhibit. This can also lead to a lifting of the Tension on the substrate come when the potting compound have high temperature above their Glass activation temperature is.

Bezüglich der Temperaturabhängigkeiten der piezoresistiven Koeffizienten πi,j und der Piezo-Hall-Koeffizienten Pi,j ist zu bemerken, daß dieselben zwar ausgeprägte Temperaturkoeffizienten aufweisen, wobei für niedrig dotierte Widerstände und Hallbereiche diese Temperaturkoeffizienten jedoch robust gegenüber prozeßbedingten Schwankungen der Dotierstoffkonzentrationen, die im üblichen Maß liegen, sind. Ferner unterscheiden sich die Temperaturkoeffizienten der piezoresistiven Koeffizienten πi,j und der Piezo-Hall-Koeffizienten Pi,j wesentlich. With regard to the temperature dependencies of the piezoresistive coefficients π i, j and the piezo-Hall coefficients P i, j , it should be noted that they have pronounced temperature coefficients, but for low-doped resistors and Hall ranges, these temperature coefficients are robust to process-related fluctuations in the dopant concentrations are in the usual measure. Furthermore, the temperature coefficients of the piezoresistive coefficients π i, j and the piezo Hall coefficients P i, j differ significantly.

Dadurch hebt sich der Term


lediglich für eine bestimmte Temperatur auf, wohingegen derselbe für andere Temperaturen die Empfindlichkeit der Hallsonde bei einem Vorliegen von mechanischen Verspannungen beeinflußt.
This raises the term


only for a certain temperature, whereas the same for other temperatures affects the sensitivity of the Hall probe in the presence of mechanical tension.

Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der durch die Temperatur bestimmte Einfluß dadurch ausgeglichen, daß an das Verspannungssensorelement eine elektrische Spannung U0 angelegt wird, die einen Temperaturgang U0(T) aufweist, so daß die Gleichungen 14 für alle Temperaturen gelten. Unter Bezugnahme auf Fig. 6a und Fig. 6b kann dies dadurch erfolgen, daß die Spannungsquelle 40 bzw. Spannungsquelle 50 mit einer Temperatursteuereinrichtung verbunden ist, die die Spannungsquelle 40 bzw. Spannungsquelle 50 steuert, so daß diese einen voreingestellten Temperaturgang aufweist. Die Temperatursteuereinrichtung weist dabei einen Temperatursensor auf, der eine Temperatur des Substrats erfaßt. In one embodiment of the present invention, the influence determined by the temperature is compensated for by applying an electrical voltage U 0 to the tension sensor element, which has a temperature response U 0 (T), so that the equations 14 apply to all temperatures. . 6b, this may take place in that the voltage source 40 or voltage source 50 is connected to a temperature controller that controls the voltage source 40 or voltage source 50 so that it has a preset temperature response with reference to Fig. 6a and Fig. The temperature control device has a temperature sensor that detects a temperature of the substrate.

Unter Verwendung des erfaßten Temperaturwerts des Substrats liefert die Steuereinrichtung daraufhin ein Signal, das die Spannungsquelle 40 bzw. 50 steuert, so daß die von der Spannungsquelle 40 bzw. 50 angelegte elektrische Spannung temperaturabhängig ist und einen Temperaturgang aufweist, so daß das von dem Verspannungssensorelement ausgegebene Verspannungssensorsignal A ebenfalls einen Temperaturgang aufweist. Da das Verspannungssensorsignal A von der Kompensationseinrichtung 26 empfangen wird und die Kompensationseinrichtung 26 eine Kompensation unter Verwendung des Verspannungssensorsignals A durchführt, wird die durchgeführte Kompensation ebenfalls temperaturabhängig, wobei durch den geeignet gewählten Temperaturgang der Spannungsquelle der Temperatureinfluß auf die Piezo-Empfindlichkeit des Hallsondensystems ausgeglichen wird. Using the detected temperature value of the substrate, the control device then delivers a signal which controls the voltage source 40 or 50 , so that the electrical voltage applied by the voltage source 40 or 50 is temperature-dependent and has a temperature response, so that that output by the tension sensor element Tension sensor signal A also has a temperature response. Since the tension sensor signal A is received by the compensation device 26 and the compensation device 26 performs a compensation using the tension sensor signal A, the compensation performed is also temperature-dependent, the temperature influence on the piezo sensitivity of the Hall sensor system being compensated for by the suitably chosen temperature response of the voltage source.

Die geeignete Wahl des Temperaturgangs muß dabei aus den bekannten Temperaturkoeffizienten der piezoresistiven Koeffizienten und der Piezo-Hall-Koeffizienten ermittelt werden. The appropriate choice of the temperature response must be from the known temperature coefficients of the piezoresistive Coefficients and the Piezo Hall coefficient can be determined.

Die Einstellung eines definierten Temperaturgangs kann ferner durch bekannte Schaltungen erfolgen, die die Temperaturabhängigkeit der Bandlücke von Halbleitern ausnützen. The setting of a defined temperature response can also done by known circuits that the Take advantage of the temperature dependence of the band gap of semiconductors.

Fig. 8 zeigt eine solche bekannte Schaltung, die eine temperaturabhängige elektrische Spannung U(T) aufgrund eines sogenannten Bandlücken-Prinzips erzeugt. Ein erster Transistor 74 mit einer Emitterfläche F1 und ein zweiter Transistor 76 mit einer Emitterfläche F2 sind jeweils durch Verbinden eines Kollektors und Basis zu einer Diode verschaltet, wobei der Kollektor bzw. Basis jeweils auf Masse gelegt ist. Dadurch ist der Transistor 74 und der Transistor 76 zu einer Diode verschaltet und masseseitig miteinander verbunden. Ein erster Anschluß eines Widerstands 78 ist mit dem Emitter des Transistors 76 verbunden. Der zweite Anschluß des Widerstands 78 ist mit einem negativen Eingang eines Differenzverstärkers 80 verbunden. Der positive Eingang des Differenzverstärkers 80 ist ferner mit dem Emitter des Transistors 74 verbunden. Ferner ist der Emitter des Transistors 74 mit einem ersten Eingang einer regelbaren Stromquelle 82 verbunden. Der Ausgang des Differenzverstärkers 80 ist mit einem Steuereingang der regelbaren Stromquelle 82 verbunden. Ferner ist der zweite Anschluß des Widerstands 78 mit einem ersten Anschluß eines Widerstands 84 verbunden, wobei der zweite Anschluß des Widerstands 84 mit einem zweiten Eingang der regelbaren Stromquelle 82 verbunden ist. Die Wirkungsweise des Schaltungsaufbaus beruht auf der Tatsache, daß bei einem gleichem Strom zwischen Emitter und Kollektor in dem Transistor 76 eine geringere elektrische Spannung abfällt, da der Transistor 76 eine Emitterfläche F2 aufweist, die größer als die Emitterfläche F1 des Transistors 74 ist. Der Differenzverstärker 80 führt einen Vergleich des Potentials des Emitters des Transistors 74 und des zweiten Anschlusses des Widerstands 78 durch, wobei die regelbare Stromquelle 82 einen Strom, der von dem zweiten Eingang der regelbaren Stromquelle 82 über den Emitter des Transistors 74 zu der Masse fließt gleich einem Strom einstellt, der von dem zweiten Eingang der regelbaren Stromquelle 82 über den Transistor 84, den Transistor 78 und den Transistor 76 zu der Masse fließt. Durch die Regelschleife wird der Stromwert I, der durch den Widerstand 74 bzw. durch die Widerstände 84, 78 und den Transistor 76 fließt, derart eingestellt, daß der Spannungsabfall an dem Transistor 76 und an dem Widerstand 78 gleich dem Spannungsabfall an dem Transistor 74 ist. Indem nun die Diffusionsspannungen der Transistor 74 und der Transistor 76 aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Halbleiter-Bandlücken einen Temperaturgang aufweisen, kann durch ein Einstellen des Verhältnisses der Emitterflächen F1 und F2 sowie durch eine geeignete Wahl der Widerstandswerte der Widerstände 78 und 84 der Temperaturgang des Stroms I auf einen gewünschten Temperaturgang eingestellt werden. Fig. 8 shows such a known circuit which includes a temperature dependent electrical voltage U (t) due to a so-called produced bandgap principle. A first transistor 74 with an emitter area F1 and a second transistor 76 with an emitter area F2 are each connected to a diode by connecting a collector and base, the collector or base being connected to ground. As a result, transistor 74 and transistor 76 are connected to form a diode and are connected to one another on the ground side. A first terminal of a resistor 78 is connected to the emitter of transistor 76 . The second terminal of resistor 78 is connected to a negative input of a differential amplifier 80 . The positive input of differential amplifier 80 is also connected to the emitter of transistor 74 . Furthermore, the emitter of transistor 74 is connected to a first input of a controllable current source 82 . The output of the differential amplifier 80 is connected to a control input of the adjustable current source 82 . Furthermore, the second connection of the resistor 78 is connected to a first connection of a resistor 84 , the second connection of the resistor 84 being connected to a second input of the controllable current source 82 . The mode of operation of the circuit construction is based on the fact that a lower electrical voltage drops in transistor 76 when the current between emitter and collector is the same, since transistor 76 has an emitter area F2 which is larger than emitter area F1 of transistor 74 . Differential amplifier 80 compares the potential of the emitter of transistor 74 and the second terminal of resistor 78 , the controllable current source 82 being equal to a current flowing from the second input of the controllable current source 82 to the ground through the emitter of transistor 74 sets a current that flows from the second input of controllable current source 82 to transistor 84 via transistor 84 , transistor 78 and transistor 76 . The control loop adjusts the current value I, which flows through the resistor 74 or through the resistors 84 , 78 and the transistor 76 , such that the voltage drop across the transistor 76 and across the resistor 78 is equal to the voltage drop across the transistor 74 , Since the diffusion voltages of the transistor 74 and the transistor 76 now have a temperature response due to the temperature dependence of the semiconductor bandgaps, the temperature response of the current I can be adjusted by adjusting the ratio of the emitter areas F1 and F2 and by a suitable choice of the resistance values of the resistors 78 and 84 can be set to a desired temperature response.

Durch ein Abgreifen einer elektrischen Spannung zwischen Masse und dem zweiten Anschluß des Widerstands 84 kann über den Temperaturgang des Stroms I ein Temperaturgang einer elektrischen Spannung U(T) eingestellt werden. Diese elektrische Spannung U(T) wird nun durch einen Spannungsfolger gebuffert und als temperaturabhängige elektrische Spannung anstatt der elektrischen Spannung U0 an die Verspannungssensorelemente angelegt, wie es in den Fig. 6a und 2b dargestellt ist. By tapping an electrical voltage between ground and the second connection of the resistor 84 , a temperature response of an electrical voltage U (T) can be set via the temperature response of the current I. This electrical voltage U (T) is now buffered by a voltage follower and applied as a temperature-dependent electrical voltage instead of the electrical voltage U 0 to the tension sensor elements, as shown in FIGS . 6a and 2b.

Die Erzeugung der elektrischen Verspannungssensorelement- Spannungen durch die bekannten Bandlücke-Prinzipien, wie beispielsweise durch die Schaltung gemäß Fig. 8, weist ferner den Vorteil auf, daß eine solche Schaltung in integrierter Schaltungstechnik leicht zu erzeugen ist, wobei dennoch eine Unempfindlichkeit gegenüber mechanischen Verspannungen des Substrats weitgehend erreicht ist. Folglich kann sowohl der Absolutwert der Verspannungssensorspannung U0 als auch der Temperaturgang von U0 mit einer hinreichend guten Genauigkeit reproduziert werden. The generation of the electrical tension sensor element voltages by the known bandgap principles, such as, for example, the circuit according to FIG. 8, also has the advantage that such a circuit is easy to produce in integrated circuit technology, yet being insensitive to mechanical stresses of the Substrate is largely achieved. Consequently, both the absolute value of the tension sensor voltage U 0 and the temperature response of U 0 can be reproduced with a sufficiently good accuracy.

Die Temperaturabhängigkeit von U0 stellt dahingehend einen Vorteil dar, daß es erst durch diese Temperaturabhängigkeit möglich wird, auf dem Chip ein temperaturkompensiertes Signal zu erzeugen, das proportional zu der Verspannung des Chips ist. Im Gegensatz zu bekannten Verspannungssensoren, bei denen Widerstandsrosetten verwendet werden, die jedoch einzeln vermessen werden und folglich mit Anschlüssen versehen werden müssen, um sie mit weiter verarbeitenden Vorrichtungen zu verbinden, stellt die beschriebene Lösung, bei der aus einer Versorgungsspannung des Chips eine Verspannungssensorspannung erzeugt wird und in der weiteren Folge ein Verspannungssensorsignal UΔ, das als ein Eingangssignal an die Kompensationseinrichtung 26 angelegt wird, ein vollständig autarkes Prinzip dar. The temperature dependency of U 0 represents an advantage in that it is only through this temperature dependency that it is possible to generate a temperature-compensated signal on the chip which is proportional to the tension of the chip. In contrast to known tension sensors, in which resistance rosettes are used, but which are measured individually and therefore have to be provided with connections in order to connect them to further processing devices, the solution described provides a tension sensor voltage that is generated from a supply voltage of the chip and subsequently a tension sensor signal U Δ , which is applied as an input signal to the compensation device 26 , represents a completely self-sufficient principle.

Das erfindungsgemäße Konzept bietet eine große Flexibilität, da sowohl für die Wahl der Verspannungssensoreinrichtung (n- Typ, p-Typ, Anordnung und Ort auf dem Substrat) als auch für die Durchführung der Kompensation (Abdeckung/Common-Mode- Spannung, Wanne/Common-Mode-Spannung) mehrere Möglichkeiten existieren. Dabei können die einzelnen Möglichkeiten auch kombiniert werden, wodurch sich eine große Menge an Realisierungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung bietet. The concept according to the invention offers great flexibility, because both for the selection of the tension sensor device (n- Type, p-type, arrangement and location on the substrate) as well as for performing compensation (coverage / common mode Voltage, trough / common mode voltage) several options exist. The individual options can also can be combined, resulting in a large amount of Realization possibilities of the present invention offers.

Ein Ausführungsbeispiel, bei dem Verspannungssensorelemente verschiedener Art und unterschiedliche Kompensationsmöglichkeiten verwendet werden, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 9 näher erläutert. An embodiment in which tension sensor elements of different types and different compensation options are used is explained in more detail below with reference to FIG. 9.

Gemäß Fig. 9 weist die Verspannungssensoreinrichtung mehrere auf einem Substrat angeordnete Verspannungssensorelemente 85 auf. Die Verspannungssensorelemente können sich dabei bezüglich der Dotierung (n-Dotierung, p-Dotierung) und bezüglich einer Ausrichtung unterscheiden. Ein Verspannungssensorelement weist ein Paar von Widerständen auf, die in vorbestimmten Richtungen auf dem Substrat angeordnet sind, wie es vorhergehend beschrieben wurde. Ferner können sich die Verspannungssensorelemente durch den Ort unterscheiden, an dem dieselben angeordnet sind. According to FIG. 9, the tension sensor device has a plurality of tension sensor elements 85 arranged on a substrate. The tension sensor elements can differ in terms of doping (n-doping, p-doping) and in terms of an alignment. A strain sensor element has a pair of resistors arranged in predetermined directions on the substrate, as previously described. Furthermore, the tension sensor elements can differ in the location at which they are arranged.

Jedes der Verspannungssensorelemente weist eine Spannungsquelle auf, die eine Verspannungssensorspannung U0 für jedes Verspannungssensorelement liefert. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel weist jede der Spannungsquellen für die Verspannungssensorelemente einen eigenen Temperaturgang auf, was eine verbesserte Temperaturkompensation ermöglicht. Each of the tension sensor elements has a voltage source that supplies a tension sensor voltage U 0 for each tension sensor element. In an alternative exemplary embodiment, each of the voltage sources for the tension sensor elements has its own temperature response, which enables improved temperature compensation.

Jedes der Verspannungssensorelemente erzeugt ein Verspannungssensorsignal A(1), A(n), das proportional zu der Verspannungssensorspannung U (1)|0, U (n)|0 ist. Das Verspannungssensorsignal ist proportional zu der mechanischen Verspannung am Ort des Verspannungssensorelements, so daß für das n-te Verspannungssensorelement gilt:


Each of the tension sensor elements generates a tension sensor signal A (1) , A (n) which is proportional to the tension sensor voltage U (1) | 0, U (n) | 0. The tension sensor signal is proportional to the mechanical tension at the location of the tension sensor element, so that the following applies for the nth tension sensor element:


Jedes der von den Verspannungssensorelementen erzeugten Verspannungssensorsignale A(1), A(n) wird über einen Ausgang der jeweiligen Verspannungssensorelemente an einen ersten (E(1)) bis n-ten (E(n)) Eingang einer Kombinationseinrichtung angelegt. Die Kombinationseinrichtung führt eine Linearkombination der Verspannungssensorsignale A(1), A(n) durch und erzeugt ein erstes Ausgangssignal A1 und ein zweites Ausgangssignal A2. Das erste Ausgangssignal A1 wird über einen ersten Ausgang 88 an den positiven Eingang eines Differenzverstärkers 92 angelegt. Der Ausgang des Differenzverstärkers 92 wird an den ersten Anschluß 12 eines Hallbereichs 10 angelegt. Ein erster Hallanschluß 18 und ein zweiter Hallanschluß 20, an denen die Hallspannung Uh als Differenzspannung abgegriffen wird, sind jeweils mit einem ersten und zweiten Eingang einer Mittelwert-Einrichtung 94 verbunden. Ein Ausgang der Mittelwert-Einrichtung 94 ist ferner mit dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 92 verbunden. Der zweite Ausgang 90 der Kombinationseinrichtung 86 ist ferner mit einer Abdeckung 22 des Hallbereichs 10 verbunden, wobei der Hallbereich 10 in einer Wanne des Substrats angeordnet ist. Der Hallbereich 10 ist ferner mit einer Stromerzeugungseinrichtung verbunden, so daß das Hallsondensystem in Stormsteuerung betrieben wird, wie es in Fig. 7a gezeigt wurde. Each of the tension sensor signals A (1) , A (n) generated by the tension sensor elements is applied via an output of the respective tension sensor elements to a first (E (1) ) to n-th (E (n) ) input of a combination device. The combination device carries out a linear combination of the tension sensor signals A (1) , A (n) and generates a first output signal A1 and a second output signal A2. The first output signal A1 is applied to the positive input of a differential amplifier 92 via a first output 88 . The output of the differential amplifier 92 is applied to the first connection 12 of a Hall region 10 . A first Hall connection 18 and a second Hall connection 20 , at which the Hall voltage U h is tapped as a differential voltage, are each connected to a first and second input of an average device 94 . An output of the mean device 94 is also connected to the negative input of the differential amplifier 92 . The second output 90 of the combination device 86 is also connected to a cover 22 of the Hall region 10 , the Hall region 10 being arranged in a trough of the substrate. Hall area 10 is also connected to a power generation device, so that the Hall probe system is operated in storm control, as was shown in FIG. 7a.

Die Kombinationseinrichtung erzeugt aus den Verspannungssensorsignalen A(1), A(n) unter Verwendung geeigneter Gewichtungen für die Verspannungssensorsignale das erste Ausgangssignal A1, gemäß der Vorschrift

A1 = a(0) + a(1).E(1) + . . . +) + a(n).E(n)
The combination device generates the first output signal A1 from the tension sensor signals A (1) , A (n) using suitable weights for the tension sensor signals, in accordance with the regulation

A1 = a (0) + a (1) .E (1) +. , , + ) + a (n) .E (n)

Entsprechend wird mit einer zweiten Gewichtung das Ausgangssignal A2 gemäß der folgenden Vorschrift erzeugt:

A2 = b(0) + b(1).E(1) + . . . +) + b(n).E(n).
Accordingly, the output signal A2 is generated with a second weighting in accordance with the following regulation:

A2 = b (0) + b (1) .E (1) +. , , + ) + b (n) .E (n) .

Die Erzeugung der Ausgangssignale A1 und A2 als gewichtete Linearkombinationen aus den Verspannungssensorsignalen weist nun den Vorteil auf, daß bestimmte Verspannungskomponenten, die einen starken Einfluß auf die Veränderung der Hallspannung an dem Ort des Hallbereichs 10 ausüben, betont werden können, so daß über die Ausgangssignale A1 und A2 eine Kompensation mit großer Genauigkeit durchgeführt werden kann. The generation of the output signals A1 and A2 as weighted linear combinations from the tension sensor signals now has the advantage that certain tension components which have a strong influence on the change in the Hall voltage at the location of the Hall region 10 can be emphasized, so that the output signals A1 and A2 compensation can be performed with great accuracy.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Kombinationseinrichtung derart ausgebildet, daß lediglich eine Addition der Verspannungssensorsignale A(1), A(n) durchgeführt wird, wobei die Gewichtung durch die jeweils an den Verspannungssensorelementen anliegenden elektrischen Spannungen U0 durchgeführt wird. Dies weist den Vorteil auf, daß die Kombinationseinrichtung 86 einfach ausgebildet ist, wobei dennoch über die Verspannungssensorspannung U0 ein Hervorheben einzelner Spannungskomponenten des mechanischen Spannungstensors und eine Einstellung der Gewichtungsfaktoren über die Einstellung des elektrischen Spannungswerts ermöglicht ist. In one embodiment, the combination device is designed such that only an addition of the strain sensor signals A (1) , A (n) is carried out, the weighting being carried out by the electrical voltages U 0 applied to the strain sensor elements. This has the advantage that the combination device 86 is of simple design, with the tension sensor voltage U 0 nevertheless making it possible to emphasize individual tension components of the mechanical tension tensor and to set the weighting factors by setting the electric voltage value.

Ferner wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel für jedes Verspannungssensorelement ein eigener Temperaturgang eingestellt, um die unterschiedliche Temperaturabhängigkeit der Komponenten des mechanischen Verspannungstensors zu berücksichtigen und eine Kompensation mit hoher Genauigkeit durchzuführen. Furthermore, in a preferred embodiment for each tension sensor element has its own temperature response adjusted to the different temperature dependence of the Components of the mechanical stress tensor take into account and compensation with high accuracy perform.

Die Auswahl der Verspannungssensorelemente hinsichtlich Dotierung, Ausrichtung und Ort auf dem Substrat wird dabei durch das Kriterium festgelegt, daß die wesentlichen Komponenten des mechanischen Verspannungstensors auf dem Substrat erfaßt werden sollen. Die Orte der Verspannungssensorelemente sollen ferner derart gewählt sein, daß ein deterministischer Rückschluß mit einem möglichst einfachen Zusammenhang zwischen den an den Orten der Verspannungssensorelemente vorliegenden Verspannungen und den Verspannungen an dem Ort des Hallbereichs und dem Ort des stromdefinierenden Widerstands vorliegt, an denen die Beeinflussung der Hallspannung Uh stattfindet. Zur Festlegung dieser Auswahlkriterien ist es erforderlich, Berechnungen, beispielsweise durch eine Finite- Elemente-Methode, der Verspannungen an dem Substrat und/oder experimentelle Messungen durchzuführen. Unter Zuhilfenahme dieser berechneten oder experimentell gewonnenen Ergebnisse kann daraufhin eine Auswahl der Verspannungssensorelemente zusammen mit dem Festlegen der geeigneten Gewichtungen der Linearkombinationen und der Verspannungssensorspannung oder der Verspannungssensorspannung mit einem Temperaturverlauf erfolgen. The selection of the tension sensor elements with regard to doping, alignment and location on the substrate is determined by the criterion that the essential components of the mechanical tension tensor on the substrate are to be detected. The locations of the tension sensor elements should also be selected such that there is a deterministic conclusion with the simplest possible connection between the tensions present at the locations of the tension sensor elements and the tensions at the location of the Hall region and the location of the current-defining resistance at which the Hall voltage is influenced U h takes place. To determine these selection criteria, it is necessary to carry out calculations, for example using a finite element method, of the stresses on the substrate and / or experimental measurements. With the aid of these calculated or experimentally obtained results, the tension sensor elements can then be selected together with the determination of the suitable weights of the linear combinations and the tension sensor voltage or the tension sensor voltage with a temperature profile.

Das von der Kombinationseinrichtung 86 erzeugte erste Signal A1 wird über den ersten Ausgang 88 an den positiven Eingang des Differenzverstärkers 92 angelegt. Das Ausgangssignal A1 stellt eine elektrische Spannung dar, die zwischen dem Common-Mode-Punkt des Hallbereichs 10 und einem Wannenbereich, in dem der Hallbereich 10 angeordnet ist, angelegt werden soll, um die auf dem Substrat vorliegenden Verspannungen zu kompensieren. Wie es bereits erklärt wurde, kann durch eine Mittelwertbildung der Potentiale an dem ersten Hallanschluß 18 und dem zweiten Hallanschluß 20 das Common-Mode-Potential erfaßt werden. Indem nun das Potential des ersten Hallanschluß 18 an dem ersten Eingang der Mittelwertbildungseinrichtung 94 und das Potential des zweiten Hallanschluß 20 an dem zweiten Eingang der Mittelwertbildungseinrichtung 94 anliegt, liegt an dem Ausgang der Mittelwertbildungseinrichtung 94 ein Potential an, das dem Potential des Common-Mode-Punkts des Hallbereichs 10 entspricht. The first signal A1 generated by the combination device 86 is applied via the first output 88 to the positive input of the differential amplifier 92 . The output signal A1 represents an electrical voltage which is to be applied between the common mode point of the Hall region 10 and a trough region in which the Hall region 10 is arranged, in order to compensate for the stresses present on the substrate. As has already been explained, the common mode potential can be detected by averaging the potentials at the first Hall connection 18 and the second Hall connection 20 . By now the potential of the first Hall terminal 18 to the first input of the averaging means 94 and the potential of the second Hall terminal 20 to the second input of the averaging means 94 is applied, is located at the output of the averaging means 94, a potential at which the potential of the common-mode Point of the Hall area 10 corresponds.

Da das Common-Mode-Potential an den negativen Eingang des Differenzverstärkers 92 angelegt wird, wirkt der Differenzverstärker 92 als aktiver Teil einer Regelschaltung, und stellt das Potential an dem ersten Anschluß 12 des Hallbereichs 10 so ein, daß das Common-Mode-Potential gegenüber Masse einen Wert aufweist, der dem Ausgangssignal A1 entspricht. Da bei diesem Ausführungsbeispiel der Hallbereich 10 in einer Wanne angeordnet ist, die auf Masse gelegt ist, weist der Common-Mode-Punkt nach dem Durchführen der obig beschriebenen Kompensation eine elektrische Spannung gegenüber dem Wannenbereich auf, der dem gewünschten Ausgangssignal A1 entspricht. Since the common mode potential is applied to the negative input of the differential amplifier 92 , the differential amplifier 92 acts as an active part of a control circuit and adjusts the potential at the first connection 12 of the Hall region 10 so that the common mode potential is opposite Ground has a value that corresponds to the output signal A1. Since, in this exemplary embodiment, the Hall region 10 is arranged in a trough which is connected to ground, the common mode point, after performing the compensation described above, has an electrical voltage in relation to the trough region which corresponds to the desired output signal A1.

Wie es bereits beschrieben wurde, wird dadurch die Raumladungszone in dem Hallbereich 10 beeinflußt, wodurch wiederum die Empfindlichkeit so beeinflußt wird, daß Einflüsse aufgrund mechanischer Verspannungen reduziert bzw. kompensiert ist. As has already been described, this affects the space charge zone in the Hall region 10 , which in turn influences the sensitivity in such a way that influences due to mechanical tension are reduced or compensated for.

Wie es durch die Pfeile in Fig. 9 angedeutet ist, wird die Empfindlichkeit S durch die piezoresistive Beeinflussung und Piezo-Hall-Beeinflussung in dem Hallbereich 10 und die piezoresistive Beeinflussung eines Widerstands, der in der Stromerzeugungseinrichtung 96 den Hallstrom definiert, beeinflußt. As indicated by the arrows in FIG. 9, the sensitivity S is influenced by the piezoresistive influencing and piezo-Hall influencing in the Hall region 10 and the piezoresistive influencing of a resistance which defines the Hall current in the current generating device 96 .

Es soll an dieser Stelle bemerkt werden, daß der Wert des Hallstrom durch die Änderung des Common-Mode-Potentials nicht verändert wird, da der Hallstrom bei diesem Ausführungsbeispiel von der Stromerzeugungseinrichtung 96 in einer Stromsteuerung erzeugt wird. It should be noted at this point that the value of the Hall current is not changed by the change in the common mode potential, since the Hall current in this exemplary embodiment is generated by the current generating device 96 in a current controller.

Ferner wird das zweite Ausgangssignal A2 über den zweiten Ausgang 86 der Kombinationseinrichtung an die Abdeckung 22 angelegt. Da für die Beeinflussung das Potential zwischen der Abdeckung 22 und dem Common-Mode-Potential des Hallbereichs 10 entscheidend ist, das Common-Mode-Potential jedoch bereits durch den Differenzverstärker 92 auf einen Wert festgelegt ist, wird das Ausgangssignals A2 an die Abdeckung 22 angelegt, um dieselbe auf ein definiertes Potential einzustellen. Dazu muß das Ausgangssignal A2 in der Kompensationseinrichtung 26 unter Berücksichtigung des festgelegten Common-Mode- Potentials geeignet bestimmt werden. Furthermore, the second output signal A2 is applied to the cover 22 via the second output 86 of the combination device. Since the potential between the cover 22 and the common mode potential of the Hall region 10 is decisive for influencing, but the common mode potential is already set to a value by the differential amplifier 92 , the output signal A2 is applied to the cover 22 to set it to a defined potential. For this purpose, the output signal A2 must be suitably determined in the compensation device 26 , taking into account the fixed common mode potential.

Durch die geeignete Abstimmung der Koeffizienten bei der Linearkombination, der Verspannungssensorspannungen sowie der Anordnung der Spannungssensoren auf dem Siliziumchip kompensiert diese Schaltung die störenden Piezo-Effekte auf die Hallsonde und auf die zugehörige Stromerzeugungseinrichtung mit großer Genauigkeit. Zusätzlich kann, wie es obig beschrieben wurde, durch das Vorsehen eines definierten Temperaturgangs der Verspannungssensorspannung für jedes Verspannungssensorelement die Kompensation der mechanischen Verspannung in einem weiten Temperaturbereich durchgeführt werden, so daß die magnetische Empfindlichkeit und folglich die Hallspannung weitestgehend unabhängig von mechanischen Verspannungen des Chips ist. Bezugszeichenliste 10 Hallbereich
12 erster Anschluß
14 zweiter Anschluß
15 Differenzverstärker
18 erster Hallanschluß
20 zweiter Hallanschluß
21 Additionsvorrichtung
22 Abdeckung
23 Spannungsquelle
24 Sensoreinrichtung
25 Spannungsquelle
26 Kompensationseinrichtung
26a Ausgang
26b Ausgang
26c Eingang
26d Eingang
27 Steuereinrichtung
28 erster piezoresistiver Widerstand eines ersten Typs
29 Steuereinrichtung
30 zweiter piezoresistiver Widerstand eines ersten Typs
31 N-MOS-Transistor
32 erster piezoresistiver Widerstand eines zweiten Typs
33 Differenzverstärker
34 zweiter piezoresistiver Widerstand eines zweiten Typs
35a Widerstand
35b Widerstand
36 erster Knotenpunkt
37 Widerstand
38 zweiter Knotenpunkt
39 Magnetfelderfassungseinrichtung
40 Spannungsquelle
41 Differenzverstärker
42 erster Abgriff
43 Spannungsquelle
44 zweiter Abgriff
45 Widerstand
46 piezoresistiver Widerstand eines ersten Typs
48 piezoresistiver Widerstand eines zweiten Typs
50 Spannungsquelle
52 Differenzverstärker
54 Transistor
56 Stromspiegeleinrichtung
58 Wanne
60 Spannungsquelle
62 Referenzwiderstand
64 Differenzverstärker
66 MOS-Transistor
68 Stromspiegeleinrichtung
70 Spannungsquelle
72 Differenzverstärker
74 erster Transistor
76 zweiter Transistor
78 Widerstand
80 Differenzverstärker
82 regelbare Stromquelle
84 Widerstand
86 Kombinationseinrichtung
88 erster Ausgang
90 zweiter Ausgang
92 Differenzverstärker
94 Mittelwertbildungs-Einrichtung
96 Stromerzeugungseinrichtung
Due to the suitable coordination of the coefficients in the linear combination, the tension sensor voltages and the arrangement of the voltage sensors on the silicon chip, this circuit compensates the disruptive piezo effects on the Hall probe and on the associated power generation device with great accuracy. In addition, as described above, by providing a defined temperature response of the tension sensor voltage for each tension sensor element, the compensation of the mechanical tension can be carried out in a wide temperature range, so that the magnetic sensitivity and consequently the Hall voltage is largely independent of mechanical tension of the chip. Legend: 10 Hall area
12 first connection
14 second connection
15 differential amplifiers
18 first Hall connection
20 second Hall connection
21 adding device
22 cover
23 voltage source
24 sensor device
25 voltage source
26 compensation device
26 a exit
26 b output
26 c entrance
26 d entrance
27 control device
28 first piezoresistive resistor of a first type
29 control device
30 second piezoresistive resistor of a first type
31 N-MOS transistor
32 first piezoresistive resistor of a second type
33 differential amplifier
34 second piezoresistive resistor of a second type
35 a resistance
35 b resistance
36 first node
37 resistance
38 second node
39 Magnetic field detection device
40 voltage source
41 differential amplifier
42 first tap
43 voltage source
44 second tap
45 resistance
46 piezoresistive resistor of a first type
48 piezoresistive resistor of a second type
50 voltage source
52 differential amplifier
54 transistor
56 current mirror device
58 tub
60 voltage source
62 Reference resistance
64 differential amplifiers
66 MOS transistor
68 Current mirror device
70 voltage source
72 differential amplifier
74 first transistor
76 second transistor
78 resistance
80 differential amplifiers
82 adjustable power source
84 resistance
86 combination device
88 first exit
90 second exit
92 differential amplifier
94 Averaging facility
96 power generation facility

Claims (29)

1. Hallsondensystem mit folgenden Merkmalen:
einem leitfähigen Hallbereich (10), durch den ein Hallstrom fließen kann und an dem eine Hallspannung abgreifbar ist;
einer Einrichtung (26; 27; 29) zum Erzeugen einer elektrischen Steuerspannung in Abhängigkeit eines Einflußparameters, der einen Einfluß einer externen Größe auf den leitfähigen Hallbereich (10) darstellt; und
einem Elektrodenbereich (22; 58) der von dem Hallbereich (10) elektrisch isoliert ist;
wobei bei einer zwischen dem Elektrodenbereich (22; 58) und dem leitfähigen Hallbereich (10) angelegten Steuerspannung die Hallspannung durch eine Beeinflussung der für den Hallstrom zur Verfügung stehenden Ladungsträger durch die angelegte Steuerspannung gesteuert wird.
1. Hall probe system with the following features:
a conductive Hall region ( 10 ) through which a Hall current can flow and from which a Hall voltage can be tapped;
means ( 26 ; 27 ; 29 ) for generating an electrical control voltage as a function of an influencing parameter which represents an influence of an external variable on the conductive Hall region ( 10 ); and
an electrode region ( 22 ; 58 ) which is electrically insulated from the Hall region ( 10 );
in the case of a control voltage applied between the electrode area ( 22 ; 58 ) and the conductive Hall area ( 10 ), the Hall voltage is controlled by influencing the charge carriers available for the Hall current by the applied control voltage.
2. Hallsondensystem nach Anspruch 1, bei dem das Hallsondensystem ein Substrat aufweist, wobei der Hallbereich (10), die Steuereinrichtung und der Elektrodenbereich (22; 58) in dem Substrat angeordnet sind. 2. Hall probe system according to claim 1, wherein the Hall probe system has a substrate, wherein the Hall region ( 10 ), the control device and the electrode region ( 22 ; 58 ) are arranged in the substrate. 3. Hallsondensystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Elektrodenbereich (22) durch eine Isolationsschicht, die zwischen dem Hallbereich (10) und der leitfähigen Abdeckung angeordnet ist, von dem Hallbereich (10) elektrisch isoliert ist, wobei die Beeinflussung der für den Hallstrom zur Verfügung stehenden Ladungsträger durch ein Verarmen oder Anreichern von Ladungsträgern in dem Hallbereich (10) erfolgt. 3. Hall probe system according to claim 1 or 2, wherein the electrode region ( 22 ) is electrically insulated from the Hall region ( 10 ) by an insulation layer which is arranged between the Hall region ( 10 ) and the conductive cover, the influencing of the for the Hall current available charge carriers by depleting or enriching charge carriers in the Hall area ( 10 ). 4. Hallsondensystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Elektrodenbereich (58) durch eine Raumladungszone eines gesperrten pn-Übergangs von dem Hallbereich (10) elektrisch isoliert ist, wobei eine Beeinflussung der für den Hallstrom zur Verfügung stehenden Ladungsträger durch ein Verändern der Ausdehnung der Raumladungszone erfolgt. 4. Hall probe system according to claim 1 or 2, in which the electrode region ( 58 ) is electrically insulated from the Hall region ( 10 ) by a space charge zone of a blocked pn junction, wherein an influencing of the charge carriers available for the Hall current by changing the expansion the space charge zone. 5. Hallsondensystem nach Anspruch 4, bei dem der Elektrodenbereich ein dotierter Bereich (58) ist, der an dem leitfähigen Hallbereich (10) angrenzt, wobei der dotierte Bereich (58) einen Dotiertyp aufweist, der entgegengesetzt zu einem Dotiertyp des Hallbereichs (10) ist, wobei sich zwischen dem Hallbereich (10) und dem dotierten Bereich (58) die elektrisch isolierende Raumladungszone ausbildet. 5. Hall probe system according to claim 4, in which the electrode region is a doped region ( 58 ) which adjoins the conductive Hall region ( 10 ), the doped region ( 58 ) having a doping type which is opposite to a doping type of the Hall region ( 10 ) , the electrically insulating space charge zone being formed between the Hall region ( 10 ) and the doped region ( 58 ). 6. Hallsondensystem nach Anspruch 5, bei dem der dotierte Bereich (58) eine Dotierkonzentration aufweist, die größer als eine Dotierkonzentration des Hallbereichs (10) ist. 6. Hall probe system according to claim 5, wherein the doped region ( 58 ) has a doping concentration which is greater than a doping concentration of the Hall region ( 10 ). 7. Hallsondensystem nach Anspruch 6, bei dem der dotierter Bereich entweder eine dotierte Abdeckung, eine dotierte Wanne (58) des Substrats oder das Substrat ist. 7. Hall probe system according to claim 6, wherein the doped region is either a doped cover, a doped well ( 58 ) of the substrate or the substrate. 8. Hallsondensystem nach Anspruch 3, bei dem der Elektrodenbereich eine leitfähige Abdeckung (22) ist, wobei die leitfähige Abdeckung eine durchgehende Schicht, eine Schicht mit Schlitzen, eine gitterförmige Struktur oder eine stabförmige Struktur aufweist. 8. Hall probe system according to claim 3, wherein the electrode region is a conductive cover ( 22 ), wherein the conductive cover has a continuous layer, a layer with slots, a lattice-shaped structure or a rod-shaped structure. 9. Hallsondensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Elektrodenbereich (22; 58) zumindest einen ersten Abschnitt und zumindest einen zweiten Abschnitt, der von dem ersten elektrisch isoliert ist, aufweist, wobei die elektrischen Steuerspannung zum Steuern der Hallspannung an dem zumindest einen ersten Abschnitt anliegt, während an dem zumindest einen zweiten Bereich eine konstante elektrische Spannung anliegt. 9. Hall probe system according to one of claims 1 to 8, wherein the electrode region ( 22 ; 58 ) has at least a first section and at least a second section which is electrically insulated from the first, the electrical control voltage for controlling the Hall voltage on the at least a first section is present, while a constant electrical voltage is present at the at least one second area. 10. Hallsondensystem nach Anspruch 3, 8 oder 9, bei dem der Elektrodenbereich eine leitfähige Abdeckung (22) ist, die mehrere voneinander isolierte Schichten aufweist. 10. Hall probe system according to claim 3, 8 or 9, wherein the electrode area is a conductive cover ( 22 ) having a plurality of mutually insulated layers. 11. Hallsondensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Einrichtung (26; 27; 29) zum Erzeugen einer elektrischen Steuerspannung ferner eine Einrichtung (12, 15, 18, 20, 21; 92, 94) zum Regeln des elektrischen Potentials des Common-Mode-Punkts des Hallbereichs (10) auf ein vorbestimmtes Potential aufweist. 11. Hall probe system according to one of claims 1 to 10, wherein the means ( 26 ; 27 ; 29 ) for generating an electrical control voltage further comprises means ( 12 , 15 , 18 , 20 , 21 ; 92 , 94 ) for regulating the electrical potential of the common mode point of the Hall region ( 10 ) to a predetermined potential. 12. Hallsondensystem nach einem der Anspruch 11, bei dem die Einrichtung (12, 15, 18, 20, 21; 92, 94) zum Regeln des elektrischen Potentials des Common-Mode-Punkts des Hallbereichs (10) ausgebildet, um die elektrische Spannung zwischen dem Common-Mode-Punkt der Hallsonde und dem Elektrodenbereich (22; 58) auf die elektrische Steuerspannung einzustellen. 12. Hall probe system according to one of claim 11, in which the device ( 12 , 15 , 18 , 20 , 21 ; 92 , 94 ) for regulating the electrical potential of the common mode point of the Hall region ( 10 ) is designed to measure the electrical voltage between the common mode point of the Hall probe and the electrode area ( 22 ; 58 ) to the electrical control voltage. 13. Hallsondensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Einrichtung (26; 27; 29) zum Erzeugen einer elektrischen Steuerspannung ausgebildet ist, um eine zweite elektrische Steuerspannung in Abhängigkeit eines Einflußparameters des leitfähigen Hallbereichs (10) zu erzeugen, wobei das Hallsondensystem zusätzlich zu dem einen Elektrodenbereich (22; 58) einen zweiten Elektrodenbereich aufweist, der von dem Hallbereich (10) isoliert ist und ausgebildet ist, um die Hallspannung durch eine Beeinflussung der für den Hallstrom zur Verfügung stehenden Ladungsträger durch die angelegte zweite Steuerspannung zu steuern. 13. Hall probe system according to one of claims 1 to 12, wherein the device ( 26 ; 27 ; 29 ) is designed to generate an electrical control voltage in order to generate a second electrical control voltage as a function of an influencing parameter of the conductive Hall region ( 10 ), wherein the Hall probe system in addition to the one electrode area ( 22 ; 58 ) has a second electrode area which is insulated from the Hall area ( 10 ) and is designed to control the Hall voltage by influencing the charge carriers available for the Hall current by the applied second control voltage , 14. Hallsondensystem nach Anspruch 13, wobei der eine Elektrodenbereich eine leitfähige Abdeckung (22) ist, die von dem Hallbereich (10) durch eine Isolationsschicht elektrisch isoliert ist, während der zweite Elektrodenbereich ein dotierter Bereich (58) des Substrats ist, der an den leitfähigen Hallbereich (10) angrenzt. 14. Hall probe system according to claim 13, wherein the one electrode region is a conductive cover ( 22 ) which is electrically insulated from the Hall region ( 10 ) by an insulation layer, while the second electrode region is a doped region ( 58 ) of the substrate which is connected to the conductive Hall area ( 10 ) adjoins. 15. Hallsondensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Hallsondensystem ferner eine Magnetfelderfassungsvorrichtung (39) aufweist, um die den leitfähigen Hallbereich (10) durchsetzende magnetische Induktion zu erfassen und wobei die Einrichtung (26; 27; 29) zum Erzeugen einer elektrischen Steuerspannung ausgebildet ist, um die elektrische Steuerspannung in Abhängigkeit der erfaßten magnetischen Induktion derart zu erzeugen, daß durch das Anlegen der Steuerspannung ein nicht-linearer Magnetfeldeinfluß auf die Hallspannung reduziert wird. 15. Hall probe system according to one of claims 1 to 14, wherein the Hall probe system further comprises a magnetic field detection device ( 39 ) to detect the magnetic induction passing through the conductive Hall region ( 10 ) and wherein the device ( 26 ; 27 ; 29 ) for generating an electrical Control voltage is designed to generate the electrical control voltage depending on the detected magnetic induction such that a non-linear magnetic field influence on the Hall voltage is reduced by the application of the control voltage. 16. Hallsondensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Hallsondensystem ferner eine Temperaturerfassungsvorrichtung aufweist, um die Temperatur des Hallbereichs (10) zu erfassen, und wobei die Einrichtung (26; 27; 29) zum Erzeugen einer elektrischen Steuerspannung ausgebildet ist, um die elektrische Steuerspannung in Abhängigkeit von der Temperatur derart zu erzeugen, daß durch das Anlegen der Steuerspannung Temperatureinflüsse auf die Hallspannung reduziert werden. 16. Hall probe system according to one of claims 1 to 14, wherein the Hall probe system further comprises a temperature detection device for detecting the temperature of the Hall region ( 10 ), and wherein the means ( 26 ; 27 ; 29 ) for generating an electrical control voltage is configured to generate the electrical control voltage as a function of temperature in such a way that temperature effects on the Hall voltage are reduced by the application of the control voltage. 17. Hallsondensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 14, wobei das Hallsondensystem ferner eine Verspannungssensoreinrichtung (24) zum Erfassen einer mechanischen Verspannung des Substrats und zum Erzeugen eines Verspannungssensorsignals, das von einer mechanischen Verspannung des Substrats abhängt, aufweist, und wobei die Einrichtung (26; 27; 29) zum Erzeugen einer elektrischen Steuerspannung ausgebildet ist, um das Verspannungssensorsignal zu empfangen und die elektrische Steuerspannung unter Verwendung des Verspannungssensorsignals zu erzeugen. 17. Hall probe system according to one of claims 2 to 14, wherein the Hall probe system further comprises a strain sensor device ( 24 ) for detecting a mechanical strain of the substrate and for generating a strain sensor signal that depends on a mechanical strain of the substrate, and wherein the device ( 26 ; 27 ; 29 ) is configured to generate an electrical control voltage in order to receive the strain sensor signal and to generate the electrical control voltage using the strain sensor signal. 18. Hallsondensystem nach Anspruch 17, bei dem die Verspannungssensoreinrichtung (24) ein Verspannungssensorelement aufweist, das auf dem Substrat angeordnet ist, wobei das Verspannungssensorelement eine Spannungsquelle (40; 50) zum Erzeugen eines Stroms in dem Verspannungssensorelement aufweist, wobei das Verspannungssensorsignal (A) als eine elektrische Spannung an dem Verspannungssensorelement abgreifbar ist. 18. Hall probe system according to claim 17, in which the tension sensor device ( 24 ) has a tension sensor element which is arranged on the substrate, the tension sensor element having a voltage source ( 40 ; 50 ) for generating a current in the tension sensor element, the tension sensor signal (A) can be tapped as an electrical voltage on the tension sensor element. 19. Hallsondensystem nach Anspruch 18, bei dem das Verspannungssensorelement eine H-Brückenschaltung ist, die einen ersten und zweiten Zweig aufweist, wobei in dem ersten Zweig ein erster Widerstand eines ersten Typs (28) und ein zweiter Widerstand eines zweiten Typs (34) in Reihe verschaltet sind und zwischen denselben ein erster Abgriffpunkt (42) definiert ist und wobei ein erster Widerstand des zweiten Typs (32) und ein zweiter Widerstand des ersten Typs (32) in dem zweiten Zweig in Reihe geschaltet sind und zwischen denselben ein zweiter Abgriffpunkt (44) definiert ist, wobei die Spannungsquelle (40) ausgebildet ist, um eine Spannung an den ersten und zweiten Zweig, die parallel verschaltet sind, anzulegen, und wobei das Verspannungssensorsignal an dem ersten (42) und zweiten (44) Abgriffpunkt abgreifbar ist. 19. Hall probe system according to claim 18, wherein the tension sensor element is an H-bridge circuit having a first and second branch, wherein in the first branch a first resistor of a first type ( 28 ) and a second resistor of a second type ( 34 ) in Are connected in series and between them a first tap point ( 42 ) is defined and a first resistor of the second type ( 32 ) and a second resistor of the first type ( 32 ) are connected in series in the second branch and between them a second tap point ( 44 ) is defined, wherein the voltage source ( 40 ) is designed to apply a voltage to the first and second branches, which are connected in parallel, and the tension sensor signal can be tapped at the first ( 42 ) and second ( 44 ) tapping point. 20. Hallsondensystem nach Anspruch 18, bei dem das Verspannungssensorelement eine Schaltungsanordnung aus einem Widerstand eines ersten Typs (46), einem Widerstand eines zweiten Typs (48) und einer Stromspiegeleinrichtung ist, wobei die Stromspiegeleinrichtung (56) ausgebildet ist, um einen Strom der durch das Anlegen einer elektrischen Spannung durch die Spannungsquelle (50) an den Widerstand eines ersten Typs (46) erzeugt wird, in dem Widerstand eines zweiten Typs (48) zu erzeugen, wobei das Verspannungssensorsignal als die Spannungsdifferenz der elektrischen Spannung, die an dem Widerstand des ersten Typs (46) abfällt, und der elektrischen Spannung abgreifbar ist, die an dem Widerstand des zweiten Typs (48) abfällt. 20. Hall probe system according to claim 18, wherein the tension sensor element is a circuit arrangement of a resistor of a first type ( 46 ), a resistor of a second type ( 48 ) and a current mirror device, the current mirror device ( 56 ) being designed to detect a current through the application of an electrical voltage by the voltage source ( 50 ) to the resistor of a first type ( 46 ) is generated in the resistor of a second type ( 48 ), the strain sensor signal being the voltage difference of the electrical voltage applied to the resistor of the first type ( 46 ) drops, and the electrical voltage can be tapped, which drops across the resistor of the second type ( 48 ). 21. Hallsondensystem nach Anspruch 19 oder 20, bei dem der Widerstand des ersten Typs (28, 30; 46) ein integrierter Widerstand ist, der eine Stromrichtung in einer ersten Richtung des Substrats aufweist, und der Widerstand des zweiten Typs (32, 34; 48) ein integrierter Widerstand ist, der eine Stromrichtung in einer zweiten Richtung des Substrats aufweist. 21. Hall probe system according to claim 19 or 20, wherein the resistor of the first type ( 28 , 30 ; 46 ) is an integrated resistor having a current direction in a first direction of the substrate, and the resistor of the second type ( 32 , 34 ; 48 ) is an integrated resistor that has a current direction in a second direction of the substrate. 22. Hallsondensystem nach Anspruch 21, bei dem das Substrat ein (100)-Substrat aus Silizium ist und der Widerstand des ersten Typs (28, 30; 46) ein p-dotierter integrierter Widerstand mit einer Stromrichtung in einer [100]-Richtung ist, und der Widerstand des zweiten Typs (32, 34; 48) ein p- dotierter integrierter Widerstand ist, der eine Stromrichtung in einer Richtung aufweist, die in einer Ebene des Substrats um einen Winkel von 90° bezüglich der [100]-Richtung gedreht ist. 22. Hall probe system according to claim 21, wherein the substrate is a ( 100 ) substrate made of silicon and the resistor of the first type ( 28 , 30 ; 46 ) is a p-doped integrated resistor with a current direction in a [100] direction , and the resistor of the second type ( 32 , 34 ; 48 ) is a p-doped integrated resistor having a current direction in a direction rotated in a plane of the substrate by an angle of 90 ° with respect to the [100] direction is. 23. Hallsondensystem nach Anspruch 21, bei dem das Substrat ein (100)-Substrat aus Silizium ist und der Widerstand eines ersten Typs (28, 30; 46) ein n-dotierter integrierter Widerstand ist, der eine Stromrichtung in einer Richtung aufweist, die in der Ebene des Substrats gegenüber der [100]-Richtung um +45° gedreht ist, und der Widerstand eines zweiten Typs ein n-dotierter integrierter Widerstand ist, der eine Stromrichtung in einer Richtung des Substrats aufweist, die in der Ebene des Substrats um einen Winkel von 45° gegenüber der [100]-Richtung gedreht ist. 23. Hall probe system according to claim 21, wherein the substrate is a ( 100 ) substrate made of silicon and the resistor of a first type ( 28 , 30 ; 46 ) is an n-doped integrated resistor having a current direction in a direction that is rotated by + 45 ° in the plane of the substrate with respect to the [100] direction, and the resistor of a second type is an n-doped integrated resistor which has a current direction in a direction of the substrate which is in the plane of the substrate is rotated at an angle of 45 ° to the [100] direction. 24. Hallsondensystem nach einem der Ansprüche 17 bis 23, bei dem die Verspannungssensoreinrichtung (24) mehrere Verspannungssensorelemente aufweist, wobei jedes der Verspannungssensorelemente eine Spannungsquelle aufweist, um eine elektrische Spannung an jedes der Verspannungssensorelemente anzulegen, so daß an jedem Verspannungssensorelement ein Verspannungssensorsignal abgreifbar ist, das von der mechanischen Verspannung und der durch die Spannungsquelle angelegten Sensorspannung abhängt, und wobei die Einrichtung (26) zum Erzeugen einer elektrischen Steuerspannung ausgebildet ist, um unter Verwendung der Verspannungssensorsignale eine elektrische Steuerspannung zum Reduzieren eines Einflusses einer mechanischen Verspannung auf die Hallspannung zu erzeugen. 24. Hall probe system according to one of claims 17 to 23, in which the tension sensor device ( 24 ) has a plurality of tension sensor elements, each of the tension sensor elements having a voltage source in order to apply an electrical voltage to each of the tension sensor elements, so that a tension sensor signal can be tapped at each tension sensor element, which depends on the mechanical tension and the sensor voltage applied by the voltage source, and wherein the means ( 26 ) for generating an electrical control voltage is designed to use the strain sensor signals to generate an electrical control voltage for reducing an influence of a mechanical tension on the Hall voltage. 25. Hallsondensystem nach einem der Ansprüche 17 bis 24, bei dem das Verspannungssensorelement ferner eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Temperatur des Substrats und Ausgeben eines Temperatursignals, das von einer Temperatur abhängt, und eine Temperatursteuereinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um unter Verwendung des Temperatursignals die Spannungsquelle (40; 50) derart zu steuern, daß die von der Einrichtung (26) zum Erzeugen einer elektrischen Steuerspannung erzeugte elektrische Steuerspannung einen Einfluß einer mechanischen Verspannung auf die Hallspannung für unterschiedliche Temperaturen reduziert. 25. Hall probe system according to one of claims 17 to 24, wherein the tension sensor element further comprises a temperature detection device for detecting a temperature of the substrate and outputting a temperature signal that depends on a temperature, and a temperature control device that is configured to use the temperature signal To control the voltage source ( 40 ; 50 ) in such a way that the electrical control voltage generated by the device ( 26 ) for generating an electrical control voltage reduces an influence of a mechanical tension on the Hall voltage for different temperatures. 26. Hallsondensystem nach Anspruch 24 oder 25, bei dem die Einrichtung (26) zum Erzeugen einer elektrischen Steuerspannung eine Kombinationseinrichtung (86) aufweist, die ausgebildet ist, um durch eine erste Kombination der Verspannungssensorsignale ein erstes Kompensationssignal (A1) zu erzeugen und durch eine zweite Kombination der Verspannungssensorsignale ein zweites Kompensationssignal (A2) zu erzeugen, und wobei die Einrichtung (26) zum Erzeugen einer elektrischen Steuerspannung eine erste Vorrichtung (92, 94) zum Kompensieren aufweist, die das erste Kompensationssignal empfängt, um unter Verwendung desselben einen Einfluß einer mechanischen Verspannung des Substrats auf die Hallspannung zu reduzieren und eine zweite Vorrichtung zum Kompensieren aufweist, die das zweite Kompensationssignal empfängt, um unter Verwendung desselben einen Einfluß einer mechanischen Verspannung des Substrats auf die Hallspannung zu reduzieren. 26. Hall probe system according to claim 24 or 25, wherein the device ( 26 ) for generating an electrical control voltage comprises a combination device ( 86 ) which is designed to generate a first compensation signal (A1) by a first combination of the tension sensor signals and by a second combination of the strain sensor signals to generate a second compensation signal (A2), and wherein the means ( 26 ) for generating an electrical control voltage comprises a first compensation device ( 92 , 94 ) which receives the first compensation signal to use an influence thereof reduce mechanical tension of the substrate to the Hall voltage and has a second compensation device which receives the second compensation signal in order to reduce the influence of a mechanical tension of the substrate on the Hall voltage using the same. 27. Verfahren zum Herstellen eines Hallsondensystems mit folgenden Schritten:
Erzeugen eines leitfähigen Hallbereichs (10), durch den ein Hallstrom fließen kann und an dem eine Hallspannung abgreifbar ist;
Erzeugen einer Einrichtung (26; 27; 29) zum Erzeugen einer elektrischen Steuerspannung in Abhängigkeit eines Einflußparameters, der einen Einfluß einer externen Größe auf den leitfähigen Hallbereich (10) darstellt; und
Erzeugen eines Elektrodenbereichs (22; 58) der von dem Hallbereich (10) elektrisch isoliert ist und ausgebildet ist, um bei einer zwischen dem Elektrodenbereich (22; 58) und dem leitfähigen Hallbereich angelegte Steuerspannung die Hallspannung durch eine Beeinflussung der für den Hallstrom zur Verfügung stehenden Ladungsträger durch die angelegte Steuerspannung zu steuern.
27. A method for producing a Hall probe system comprising the following steps:
Generating a conductive Hall region ( 10 ) through which a Hall current can flow and from which a Hall voltage can be tapped;
Generating a device ( 26 ; 27 ; 29 ) for generating an electrical control voltage as a function of an influencing parameter which represents an influence of an external variable on the conductive Hall region ( 10 ); and
Generating an electrode area ( 22 ; 58 ) which is electrically insulated from the Hall area ( 10 ) and is designed to make the Hall voltage available at a control voltage applied between the electrode area ( 22 ; 58 ) and the conductive Hall area by influencing the Hall current to control standing charge carriers by the applied control voltage.
28. Verfahren zum Steuern einer Hallspannung, die an einem Hallbereich (10) abgreifbar ist, mit folgenden Schritten: a) Erfassen eines Einflußparameters des Hallbereichs (10), der einen Einfluß einer externen Größe auf den leitfähigen Hallbereich (10) darstellt; b) Erzeugen einer elektrischen Steuerspannung in Abhängigkeit des erfaßten Einflußparameters des Hallbereichs (10); c) Anlegen der elektrischen Steuerspannung zwischen dem Elektrodenbereich (22; 58) und dem leitfähigen Bereich, um die Hallspannung durch eine Beeinflußung der für den Hallstrom zur Verfügung stehenden Ladungsträger zu steuern. 28. A method for controlling a Hall voltage that can be tapped from a Hall region ( 10 ), with the following steps: a) detecting an influence parameter of the Hall region ( 10 ), which represents an influence of an external variable on the conductive Hall region ( 10 ); b) generating an electrical control voltage as a function of the detected influencing parameter of the Hall region ( 10 ); c) applying the electrical control voltage between the electrode region ( 22 ; 58 ) and the conductive region in order to control the Hall voltage by influencing the charge carriers available for the Hall current. 29. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem Schritt (a) ein Erfassen der mechanischen Verspannung eines Substrats, auf dem der leitfähige Hallbereich (10) angeordnet ist, Schritt (b) ein Erzeugen einer elektrischen Steuerspannung in Abhängigkeit von der mechanischen Verspannung des Substrats und Schritt (c) ein Anlegen der elektrischen Steuerspannung zwischen dem Elektrodenbereich (22; 58) und dem leitfähigen Bereich, um einen Einfluß der mechanischen Verspannung des Substrats auf die Hallspannung zu reduzieren, umfaßt. 29. The method according to claim 28, wherein step (a) detecting the mechanical tension of a substrate on which the conductive Hall region ( 10 ) is arranged, step (b) generating an electrical control voltage as a function of the mechanical tension of the substrate and Step (c) comprises applying the electrical control voltage between the electrode region ( 22 ; 58 ) and the conductive region in order to reduce an influence of the mechanical tension of the substrate on the Hall voltage.
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