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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfeldsensor zum
Messen eines Magnetfelds.
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Integrierte
Sensoranordnungen, wie z. B. Hallsonden einschließlich deren
Ansteuer- und Auswerteelektronik (ASICs, ASIC = Application Specific
IC = anwendungsspezifische integrierte Schaltung), werden zunehmend
bei vielen Anwendungen, z. B. in der Automobilindustrie bei Lüftermotoren,
oder als Stromzähler
mit großen
Stückzahlen
verwendet. In Stromzählern
werden Hallsonden eingesetzt, um eine Wechselstromgröße zu messen.
Dabei ist in Stromzählern
häufig
die Anforderung vorhanden, dass eine Langzeitdrift, also eine Abweichung
der Magnetfeldempfindlichkeit über
viele Jahre hinweg weniger als ein Prozent ist. Hierbei ist eine Verwendung
vertikaler Hallsonden zur Strommessung vorteilhaft, da bei diesem
Typ von Sonden die Oberfläche,
an der sich instabile Grenzflächenzustände anlagern
können,
minimiert wird.
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Der
Nachteil vertikaler Hallsonden ist jedoch, dass man nicht das sogenannte
Spinning Current Verfahren anwenden kann, um den Offset der Sonde
vom Signalanteil zu trennen und somit können sie auch kein Gleichstrom-Feld
genau erfassen.
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Mit
diesen integrierten Sensoranordnungen zum Messen eines Magnetfelds
ergibt sich die Möglichkeit,
Magnetfeldsensoren mit Zusatzfunktionen, z. B. mit der Möglichkeit
der Programmierbarkeit und sogenannte Smartsensors in bewährter CMOS-
oder BiCMOS-Technologie mit Silizium als Halbleitergrundmaterial in
großen
Stückzahlen
zu fertigen. Dabei werden immer seltener diskrete Hallsonden einschließlich deren
Ansteuerschaltungen, bestehend aus direkten Halbleitermate rialien,
wie z. B. GaAs und InSb eingesetzt. Direkte Halbleitermaterialien
sind dabei solche Halbleiter, bei denen das Energiemaximum des Valenzbandes
und das Energieminimum des Leitungsbandes bei identischen Kristallpulsen
liegt.
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Jedoch
treten in zunehmenden Maße
damit die Nachteile von indirekten Halbleitermaterialien, wie z. B.
Silizium oder Germanium zu Tage, wobei indirekte Halbleitermaterialien
solche Halbleiter sind, bei denen das Energiemaximum des Valenzbandes
und das Energieminimum des Leitungsbandes bei verschiedenen Kristallpulsen
vorliegt. Bei indirekten Halbleitermaterialien sind im Allgemeinen
starke Piezo-Effekte anzutreffen. Unter Piezo-Effekten werden in
diesem Zusammenhang die Änderungen
von elektrischen Parametern des Halbleitermaterials unter dem Einfluss
einer mechanischen Spannung in dem Halbleitermaterial bezeichnet. Einer
dieser Effekte, die nachteilig sind für Hallsonden, die auf indirekten
Halbleitern implementiert sind, ist der Piezo-Hall-Effekt. Bei dem Piezo-Hall-Effekt ändert sich
der Hallfaktor und somit die magnetische Empfindlichkeit der Sonde,
wenn eine mechanische Spannung, die z. B. durch das Package bzw.
Gehäuse
verursacht wird, auf den Halbleiter wirkt.
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Die
Effekte werden in dem Artikel „The
piezo-Hall effect in n-silicon for arbitrary crystal orientation", IEEE Sensors 2004,
Wien, 24.–27.
10. 2004, S. 1121–1124,
ISBN 0-7803-8693-0
beschrieben.
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Wie
in dem oben erwähnten
Artikel dargelegt, ist der Piezo-Hall-Effekt
für n-Dotierung
bei {100}-Silizium am stärksten
ausgeprägt,
und in {111}-Silizium am schwächsten.
Jedoch verwenden moderne CMOS- und BICMOS-Prozesse {100}-Silizium.
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Der
Piezo-Hall-Effekt hängt
bei herkömmlichen
Hallsonden von der Waferebene ab. Er ist jedoch bei herkömmlichen
Sonden unabhängig
davon, wie man die Sonde in der Waferebene dreht (rotationsinvariant). Der
Piezo-Hall-Effekt ist bei vertikalen Hallsonden analog zu herkömmlichen
Hallsonden auch von der Ebene der Sonde abhängig. Bei einer herkömmlichen
Sonde ist aber diese Ebene identisch zur Waferebene, während bei
vertikalen Sonden diese Ebene normal zur Waferebene ist.
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Bisher
wurde die Piezo-Abhängigkeit
der Hallsonden bei der Angabe der Toleranzen der entsprechenden
Sensoren berücksichtigt.
Dies führte
dazu, dass bei extremer Feuchtigkeit ein Driften eines spezifizierten Werts
des Sensors, wie z. B. einer magnetischen Empfindlichkeit, in einem
Bereich von 1 % bis 9 % auftreten kann. Diese feuchtigkeitsbedingte
Abweichung eines elektrischen Verhaltens des Sensors von einem spezifizierten
Wert steht einer exakten Messung eines Magnetfelds mittels einer
herkömmlichen
Hallsonde entgegen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnetfeldsensor
zu schaffen, der eine exaktere Bestimmung eines Magnetfelds ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Magnetfeldsensor gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen Magnetfeldsensor zum Messen
eines Magnetfelds mit einer ersten Hallsonde mit einem ersten Eingang
und einem ersten Ausgang, wobei die erste Hallsonde so ausgelegt
ist, dass beim Anlegen eines ersten Eingangssignals an den ersten
Eingang in ihr ein erster Hallstrom in einer ersten Hallstrom-Richtung
fließt,
und dass die erste Hallsonde an dem ersten Ausgang ein erstes Ausgangssignal
liefert, das von dem Magnetfeld und dem ersten Eingangssignal abhängt, einer
zweiten Hallsonde mit einem zweiten Eingang und einem zweiten Ausgang,
wobei die zweite Hallsonde ausgelegt ist, dass beim Anlegen eines
zweiten Eingangssignals an dem zweiten Eingang in ihr ein zweiter
Hallstrom in einer zweiten Hallstrom-Richtung fließt, wobei
die zweite Hallsonde bezüglich
der ersten Hallsonde so angeordnet ist, dass die erste Hallstrom-Richtung sich von
der zweiten Hallstrom-Richtung unter scheidet, und dass die zweite
Hallsonde an dem zweiten Ausgang ein zweites Ausgangssignal liefert,
das von dem Magnetfeld und dem zweiten Eingangssignal abhängt, und
einer dritten Hallsonde mit einem dritten Eingang und einem dritten
Ausgang, wobei die Hallsonde ausgelegt ist, dass beim Anlegen eines
dritten Eingangssignals an dem dritten Eingang in ihr ein dritter
Hallstrom in einer dritten Hallstrom-Richtung fließt, wobei
die dritte Hallsonde bezüglich
der ersten und der zweiten Hallsonde so angeordnet ist, dass sich
die dritte Hallstrom-Richtung von der ersten Hallstrom-Richtung
und der zweiten Hallstrom-Richtung unterscheidet, und dass die dritte
Hallsonde an dem dritten Ausgang ein drittes Ausgangssignal liefert,
das von dem Magnetfeld und dem dritten Eingangssignal abhängt, wobei
die erste Hallsonde, die zweite Hallsonde und die dritte Hallsonde
auf einem Chip integriert sind.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass drei
Hallsonden auf einem Chip so zueinander angeordnet werden können, dass
die von ihnen gelieferten Ausgangssignale es einer nachgelagerten
Auswertungs-Einrichtung ermöglichen,
die Signale so auszuwerten, dass ein ermittelter Wert des Magnetfelds
in einem geringeren Umfang durch die an dem Chip anliegenden mechanischen
Spannungen beeinflusst ist.
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Daher
weist in einer Massenfertigung ein höherer Anteil der gefertigten
Magnetfeldsensoren durch die Reduzierung des Einflusses der Spannungen
auf den ermittelten Magnetfeldwert ein elektrisches Verhalten auf,
das innerhalb einer vorbestimmten Toleranz liegt. Die Auswirkungen
der z. B. durch das Chipgehäuse
oder das Leadframe erzeugten Normalspannungen auf die magnetische
Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors sind damit reduziert. Hierdurch
lässt sich
in der Massenfertigung der Magnetfeldsensoren eine höhere Ausbeute
erzielen, was wiederum zu geringeren Fertigungskosten führt.
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Darüber hinaus
ermöglicht
die Reduzierung des Einflusses der Spannung auf den durch den Magnetfeldsensor
ermittelten Wert des Magnetfelds flexiblere Einsatzmöglichkeiten
für den
Magnetfeldsensor. Die mechanischen Spannungen an dem Chip werden
dabei häufig
durch eine in der Umgebung des Chips herrschende Feuchtigkeit hervorgerufen,
die zu einer Volumenänderung
der Vergussmasse des Sensorgehäuses Anlaß gibt und
damit eine mechanische Verspannung des Sensorgehäuses in bezug auf den Halbleiterchip verursacht.
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Durch
die Reduzierung des Einflusses der Spannungen auf den gemessenen
Magnetfeldwert lässt sich
der Chip damit auch in Umgebungen einsetzen, in denen typischerweise
eine größere Feuchtigkeit herrscht
bzw. die Feuchtigkeit schwankt.
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Außerdem ermöglicht die
Reduzierung des Einflusses der mechanischen Spannungen auf den ermittelten
Wert eines Magnetfelds ein einfacheres Betreiben des Magnetfeldsensors.
Eine Kalibrierung, die bisher erforderlich ist, um eine exakte Bestimmung
des Magnetfelds unter Berücksichtigung
der an dem Chip herrschenden mechanischen Spannungen zu ermöglichen,
ist damit nicht mehr erforderlich.
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Zusätzlich ermöglicht die
Reduzierung des Einflusses der mechanischen Spannungen an dem Chip auf
den ermittelten Wert des Magnetfelds, Magnetfeldsensoren herzustellen,
die eine höhere
magnetische Genauigkeit aufweisen. Mit diesen Sensoren läßt sich
der Wert des ermittelten Magnetfelds genauer bestimmen.
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Außerdem ermöglicht die
Reduzierung des Einflusses der mechanischen Spannungen an dem Chip auf
den ermittelten Wert des Magnetfelds in einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung Magnetfeldsensoren in einfacher Weise
mittels dreier vertikaler Hallsonden auf einem Chip herzustellen.
Durch den Einsatz einer geringen Anzahl an Masken lässt sich
ein Magnetfeldsensor herstellen, der eine genaue Bestimmung des
anliegenden Magnetfelds durchführen
kann.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmen auf die
beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Magnetfeldsensor gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Prinzipskizze einer vertikalen Hallsonde, die in dem in 1 gezeigten
Magnetfeldsensor eingesetzt ist; und
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3a-c
allgemeine Definitionen der kristallographischen Richtungen in der
Ebene (Waferebene) eines Halbleitermaterials.
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Um
das Verständnis
der folgenden detaillierten Beschreibung des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors
auf einem Chip zu vereinfachen, werden nun zuerst anhand der 3a-c
kurz die im Folgenden verwendeten Definition hinsichtlich des verwendeten
Halbleitermaterials und der vorgegebenen Richtungen auf demselben
bezüglich
der Kristallausrichtung des Halbleitermaterials dargestellt.
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Für die Herstellung
integrierter Schaltungen werden die Halbleiterwafer, z. B. Siliziumwafer
bzw. Siliziumscheiben, derart von einem Einkristallstab abgesägt, dass
die Waferoberfläche
einer kristallographischen Ebene zugeordnet ist. Um die jeweilige
Ebene in einem kubischen Kristall festzulegen, werden dabei die
sogenannten „Miller'schen Indizes" verwendet, die im
Folgenden in runden Klammern angegeben sind. 3a zeigt
beispielsweise eine Draufsicht auf einen Halbleiterwafer, der in
der (100)-Ebene geschnitten ist.
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Ferner
sind in 3a-c die kristallographischen
Hauptrichtungen in der Waferebene gekennzeichnet, wobei die Hersteller
dieser Siliziumwafer ein sogenanntes „Primary Flat" an der Siliziumscheibe
vorsehen. Üblicherweise
verlaufen die Kanten der rechteckförmigen Geometrien der Schaltungsstrukturen
auf dem Halbleiterchip parallel bzw. senkrecht zu den Primary Flats.
In 3a sind insbesondere die kristallographischen Richtungen
bzw. Achsen in der Ebene des Halbleiterwafers dargestellt, wobei
diese im Folgenden in rechteckigen Klammern dargestellt sind. Das
Koordinatensystem wird üblicherweise
derart verwendet, dass die [110]-Richtung
senkrecht zu dem Primary Flat verläuft, während die [–110]-Richtung parallel zu
dem Primary Flat verläuft.
Die Richtungen [010] und [100] verlaufen dabei in einem Winkel von
+/–45° zu der [110]-Richtung.
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Ferner
wird ein Winkel ϕ bezüglich
der [110]-Richtung definiert, wobei der Winkel ϕ bei der
Draufsicht auf die Waferoberseite entgegen dem Uhrzeigersinn ausgehend
von der [110]-Richtung gezählt
wird. Üblicherweise
werden die einzelnen Chips am Wafer so positioniert, dass die Richtungen ϕ =
0° und ϕ =
90° der
IC-Vertikal- bzw. Horizontalrichtung entsprechen, wobei diese Richtungen
vertauscht sein können,
je nachdem, ob der IC hochkant oder liegend vorliegt. Im Folgenden
werden ferner die Richtungen ϕ = 90° als x-Achse ([–110]-Richtung)
sowie die Richtung ϕ = 0° als
negative y-Achse
([110]-Richtung) bezeichnet.
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Da
bei einer Mehrzahl von Anwendungsfällen für Magnetfeldsensoren ein {100}-Silizium-Material
verwendet wird, sind die folgenden Ausführungen zur Vereinfachung der
Erläuterungen
und aufgrund der besonderen praktischen Bedeutungen vor allem auf
die Zahlenwerte für
{100}-Silizium-Material, die für
dieses Material relevant sind, bezogen. Es sollte jedoch offensichtlich
sein, dass entsprechend auch andere Halbleitermaterialien bzw. auch
andere Silizium-Materialien verwendet werden können.
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Im
Folgenden wird nun in 1 ein Magnetfeldsensor 11 zum
Messen eines Magnetfelds gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung erläutert.
Der Magnetfeldsensor 11 umfasst eine erste Hallsonde 13,
eine zweite Hallsonde 15 und eine dritte Hallsonde 17.
Das Substrat, auf dem der Magnetfeldsensor implementiert ist, ist
in diesem Ausführungsbeispiel
so geschnitten, dass es ein {100}-Silizium umfasst.
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Die
erste Hallsonde 13 ist dabei entlang einer [100]-Richtungsachse 19 angeordnet,
während
die zweite Hallsonde 15 entlang einer [010]-Richtungsachse 21 angeordnet
ist. Die dritte Hallsonde 17 ist entlang einer [110]-Richtungsachse 23 angeordnet,
so dass sie mit der [100]-Richtungsachse 19 und
der [110]-Richtungsachse 23 jeweils einen Winkel von 45° einschließt. Die
erste 13, die zweite 15 und die dritte 17 Hallsonde
sind in einer (001)-Ebene des Substrats bzw. Halbleitersubstrats
angeordnet. Ein Pfeil 25 zeigt eine Richtung eines Magnetfelds,
das an dem Magnetfeldsensor 11 angelegt ist. Die Richtung
des Magnetfelds 25 und die [110]-Richtungsachse 23 schließen dabei
einen Winkel von 90° ein.
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Die
erste Hallsonde 13, die zweite Hallsonde 15 und
die dritte Hallsonde 17 sind jeweils als vertikale Hallsonden
ausgeführt,
wobei die Funktionsweise der vertikalen Hallsonde in 2 später noch
erläutert
wird.
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In
den folgenden Formeln steht E jeweils für die elektrische Feldstärke, J für die Stromdichte
des Hallstroms während
R der jeweilige Hallfaktor ist. Das Symbol ph ist ein Faktor, der
den Einfluß der
mechanischen Spannung auf den Hallfaktor ausdrückt. Die jeweiligen tiefgestellten
Indizes drücken
die Richtungen der jeweiligen Größen in Relation
zu dem Kristallgitter des Substrats aus. Die Größe B[100] ist
also das B-Feld normal zu der ersten Hallsonde 13, also
normal zu der [100]-Richtungsachse 23 und die Größe J[100] ist der Stromfluss bzw. die Stromdichte
durch die erste Hallsonde 13, die ja entlang der [100]-Richtungsachse 23 ausgerichtet
ist.
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Die
Formeln sind dabei dem oben bereits zitierten Artikel „The piezo-Hall
effect in n-silicon for arbitrary crystal orientation" entnommen. Die erste
Hallsonde 13 ist so angeordnet, dass ihre Elektroden bzw.
Kontakte auf einer Linie entlang der [100]-Richtungsachse 19 angeordnet
sind, die in der (001)-Ebene liegt. Damit ergibt sich eine elektrische
Feldstärke
entlang der [100]-Richtungsachse 19: EH,[100] = –B[100]J[100]R0(1 + ph[100])
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Der
Faktor ph läßt sich
aus den jeweiligen mechanischen Spannungen σ und den Piezo-Hall-Koeffizienten
Pi,j bestimmen. Dabei gilt: ph[100] = P11σ[100] +
P12(σ[001] + σ[100])
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Die
zweite Hallsonde, die ja entlang der [010]-Richtungsachse angeordnet ist, weist
für das
elektrische Feld folgenden Zusammenhang auf: EH,[010] = –B[010]J[010]R0(1 + ph[010])
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Dabei
gilt: ph[010] = P12(σ[010] + σ[001]) + P11σ[100]
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Die
dritte Hallsonde 17, die entlang der [110]-Richtungsachse 23 angeordnet
ist, liegt wie die erste und die zweite Hallsonde in der (001)-Ebene.
Der Stromfluss in der dritten Hallsonde 17 findet dabei
in der (–110)-Ebene
statt. Für
den Piezo-Hall-Effekt in der dritten Hallsonde folgt dabei in einem
Koordinatensystem, bei dem die x-Achse entlang der [–110]-Richtung,
die z-Achse entlang der [001]-Richtung
und die y-Achse entlang der [110]-Achse angeordnet ist: EH,[110] = –B[110]J[110]R0(1 + ph[110])
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Wenn
man das Koordinatensystem x, z, y um die z-Achse um 45° in mathematisch
negative Richtung dreht, so erhält
man das Kristallsystem ([010], [100], [001]). Die Koordinatentransformation
lautet dabei:
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Dabei
bedeutet σ(001) die Schubspannung in der (001)-Ebene.
Somit gilt folgender Zusammenhang: ph[110] = (P11 + P12)(σ[010] + σ[100]) + P12σ[001] +
P44σ(001)
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In
obigen Gleichungen sind die Piezo-Hall-Koeffizienten P11 = –93 %/GPa,
P12 = +45 %/GPa, P44 = +6 %/Gpa (in Prozent per Giga Pascal), wobei
diese Werte bei Raumtemperaturen und niedriger Dotierung bis einer
Dotierungsgröße von maximal
1016 cm–3 gültig sind.
Bei der Messung der Hallspannungen bzw. Ausgangsspannungen der ersten
Hallsonde 13, der zweiten Hallsonde 15 und der
dritten Hallsonde 17 ergeben sich somit drei Gleichungen
mit drei Unbekannten, dem Wert des Magnetfelds B, der Normalspannung
in [100]-Richtung und der Normalspannung in [010]-Richtung. Denn
die Normalspannung in [001]-Richtung kann dabei vernachlässigt werden,
da diese wesentlich kleiner ist als die beiden Normalspannungen
in der Ebene des Chips, auf der der Magnetfeldsensor 11 integriert
ist. Außerdem
lassen sich die Schubspannungen in der (001)-Ebene vernachlässigen.
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Die
Vernachlässigung
der Schubspannungen ist zulässig,
da in obigen Gleichungen der Piezo-Hall-Koeffizient P44 erheblich
niedriger ist als der Piezo-Hall-Koeffizient P11 und der Piezo-Hall-Koeffizient P12.
Außerdem
lassen sich in dem Magnetfeldsensor 11 kleine Schubspannungen
in der (001)-Ebene
erzielen, indem die erste Hallsonde 13, die zweite Hallsonde 15 und
die dritte Hallsonde 17 in der Nähe des Zentrums des Chips angeordnet
werden und das Gehäuse
des Chips möglichst
symmetrisch zu dem Chip ausgelegt wird.
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Werden
in obigen Gleichungen die Größen wie
erläutert
vernachlässigt,
so ergibt sich folgendes Gleichungssystem: S1 = Bcos(π/4)(1
+ P11σ[100] + P12σ[010]) S2 = Bcos(π/4)(1 + P12σ[100] + P11σ[010]) S3 = B(1 + (P11 + P12)(σ[100] + σ[010]))
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Dabei
bezeichnen die Größen S1,
S2 und S3 die Ausgangssignale der ersten Hallsonde 13,
der zweiten Hallsonde 15 und der dritten Hallsonde 17.
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Wenn
nun das obige Gleichungssystem nach dem Wert des Magnetfelds B aufgelöst wird,
erhält
man folgende Formel: B = √2(S1 + S2) – S3
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Damit
ist der für
das Magnetfeld B ermittelte Wert annähernd unabhängig von dem an dem Chip anliegenden
mechanischen Stress. Im Rahmen der gemachten Näherung ist sogar eine exakte Übereinstimmung
erreicht. Die drei Ausgangssignale S1, S2 und S3 können mittels
der obigen Formel in einer dem Magnetfeldsensor nachgelagerten Auswertungs-Einrichtung so ausgewertet
werden, daß der
Einfluß der
me chanischen Spannungen σ[100] und σ[011] auf den ermittelten Wert des Magnetfelds
eliminiert bzw. reduziert ist.
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Die
Auswertungs-Einrichtung kann dabei z. B. in Form eines Hallsensor-ASICs
ausgeführt
sein, in dem der oben dargestellte Algorithmus in dem Signalpfad
des ASICs implementiert ist. Dieser Hall-Sensor-ASIC ist beispielsweise
als eine analoge Rechenschaltung, ein DSP oder ein Hybrid ausgeführt.
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In
dem obigen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wurde die Annahme getroffen, dass alle
drei Hallsonden, also die erste Hallsonde 13, die zweite
Hallsonde 15 und die dritte Hallsonde 17 einen identischen
Aufbau haben, wodurch auch ihre Kennzahlen, und insbesondere damit
ihre magnetische Empfindlichkeit im Wesentlichen gleich sind. Hierdurch
ist eine Abstimmung der Hallsonden aufeinander nicht erforderlich.
In obigen Gleichungen ist überdies
angenommen worden, dass in der ersten Hallsonde 13, der
zweiten Hallsonde 15 und der dritten Hallsonde 17 jeweils
der selbe Strom fließt.
Selbstverständlich
lässt sich
der Strom durch die erste Hallsonde 13, die zweite Hallsonde 15 und
die dritte Hallsonde 17 auch ungleich einstellen, was jedoch
in dem Gleichungssystem für
die Signale S1, S2 und S3 entsprechend zu berücksichtigen ist.
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In
dem obigen Ausführungsbeispiel
lassen sich in dem Substrat, in dem der Magnetfeldsensor implementiert
ist, hier ein {100}-Silizium vertikale Hallsonden so anordnen, dass
der Hallsondenversorgungsstrom entweder in einer {100}-Ebene oder in einer
{110}-Ebene fließt.
Da der Piezo-Hall-Effekt
in der {100}-Ebene und in der {110}-Ebene unterschiedlich stark
ausgeprägt
ist, kann man durch geeignete Gewichtung und Addition/Subtraktion
der Hallsondenausgangssignale im System ein Gesamtsignal erzielen,
bei dem sich trotzdem der Piezo-Hall-Effekt im Wesentlichen aufhebt.
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Bei
dem in 1 gezeigten Magnetfeldsensor ist es vorteilhaft,
wenn der Strom dem Magnetfeldsensor von außen zugeführt wird, so dass der Strom
bzw. die Verteilung des Stroms auf dem Magnetfeldsensor 11 unabhängig von
dem mechanischen Stress auf dem Magnetfeldsensor 11 ist.
Jedoch könnte
der Strom auch in dem Magnetfeldsensor 11 erzeugt werden,
wobei es jedoch häufig
erforderlich ist, Maßnahmen
zu ergreifen, um den piezo-resistiven Effekt möglichst niedrig zu halten.
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Dafür gibt es
in {100}-Silizium die Möglichkeit,
p-dotierte Widerstände
in einer L-Anordnung auf dem Chip bzw. dem Magnetfeldsensor 11 aufzubringen
und die in der L-Anordnung angeordneten Widerstände elektrisch in Serie oder
parallel zu schalten. Unter einer L-Anordnung versteht man hierbei
eine Anordnung, in der die zwei p-dotierten Zonen in dem Substrat
im wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind. Nähere Details
hierzu sind auch in der Schrift „The piezo-resistive effect
in silicon for arbitrary crystal orientation", die auf der IEE Sensors im Oktober
2004 veröffentlicht
wurde, erläutert.
erläutert.
Die Stressempfindlichkeit des Widerstands und somit des Stroms kann
dabei in einer Hallsonde unter einen Wert von 3 %/GPa gebracht werden.
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Im
Folgenden wird in 2 erläutert, wie die in 1 gezeigte
erste Hallsonde 13, die zweite Hallsonde 15 und
die dritte Hallsonde 17 vorzugsweise ausgeführt sind.
Eine dort gezeigte vertikale Hallsonde 51 umfasst ein Substrat 53,
in dem eine wannenförmige
dotierte Zone 54 eingebracht ist, eine Stromeingangselektrode 55,
eine erste Spannungselektrode 57a, eine zweite Spannungselektrode 57b,
eine erste Masseelektrode 59a und eine zweite Masseelektrode 59b.
Die wannenförmige
Zone 54 ist hier z. B. n-dotiert, während das Substrat 53 eine
p-Dotierung aufweist, wobei die Dotierung der dotierten Zone 54 vorzugsweise
höher ist
als die Dotierung des Substrats 53. Das Substrat 53 kann
auch ein hochohmiges i-Substrat sein, das mit dem gleichen Typ wie
die Wanne dotiert ist, wobei die Wanne aber stärker als das Substrat dotiert
ist. Die Stromeingangselektrode 55 ist dabei auf der dotierten
Zone 54 zwischen der ersten Spannungselektrode 57a und
der zweiten Spannungselektrode 57b angeordnet. Die erste
Spannungselektrode 57a ist wiederum zwischen der ersten
Masseelektrode 59a und der Stromeingangselektrode 55 angeordnet.
Die zweite Spannungselektrode 57b ist auf der dotierten
Zone 54 zwischen der Stromeingangselektrode 55 und
der zweiten Masseelektrode 59b aufgebracht.
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Der
Strom wird der in 2 gezeigten vertikalen Hall-Sonde 51 über den
mittleren Kontakt, also die Stromeingangselektrode 55,
zugeführt
und fließt
zu den beiden äußersten
Kontakten, also zu der ersten Masseelektrode 59a und der
zweiten Masseelektrode 59b. Falls die Komponente des Magnetfelds
senkrecht zur Zeichenebene Null ist, teilt sich der Strom in zwei
gleiche Teile auf und verursacht somit an der ersten Spannungselektrode 57a und
an der zweiten Spannungselektrode 57b ein identische Potential.
Somit ist die Differenzspannung zwischen diesen beiden Spannungselektroden
Null.
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Wenn
jetzt ein Magnetfeld senkrecht zu der Zeichenebene anliegt, so wirken
in Folge der Lorentzkraft auf die sich bewegenden Ladungsträger und
damit auf den Strom zwischen der Stromeingangselektrode 55 und
der ersten Masseelektrode 59a andere Einflüsse als
auf den Strom zwischen der Stromeingangselektrode 55 und
der zweiten Masseelektrode 59b. Dies führt dazu, dass der Strom beispielsweise
bei dem entsprechenden Magnetfeld zwischen der Stromeingangselektrode 55 und
der ersten Masseelektrode 59a erhöht wird, während der Strom zwischen der
Stromeingangselektrode 55 und der zweiten Masseelektrode 59b verringert wird.
Dadurch weist dann beispielsweise die erste Spannungselektrode 57a ein
anderes Potential als die zweite Spannungselektrode 57b auf.
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Eine
hier nicht gezeigte Einrichtung ermittelt z. B. eine Potentialdifferenz
zwischen dem Potential der ersten Spannungselektrode 57a gegenüber Masse
und dem Potential der zweiten Spannungselektrode 57b gegenüber Masse
oder die Einrichtung bestimmt beispielsweise eine Differenzspannung
zwischen der ersten Spannungselektrode 57a und der zweiten
Spannungselektrode 57b. Dabei ist die Differenzspannung
linear proportional zu dem einwirkenden Magnetfeld. Aus der Differenzspannung
kann die hier nicht gezeigte Einrichtung damit den Wert des angelegten
Magnetfelds ermitteln. Die Differenzspannung liegt dabei z. B. unter
50 mV solange eine Komponente des angelegten Magnetfelds senkrecht
zu der Ebene, in der der Hallstrom zwischen der Stromeingangselektrode 55 und
den Masseelektroden 59a, 59b fließt, unterhalb
einer Sensorschwelle der vertikalen Hallsonde 51 liegt.
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Die
vertikale Hallsonde ist dabei vorzugsweise so dimensioniert, dass,
wenn eine Komponente des Magnetfelds senkrecht zu der Zeichenebene
kleiner als eine Sensorschwelle ist, ein Potentialunterschied zwischen
der ersten Spannungselektrode 57a und zwischen einem hier
nicht gezeigten Masseanschluss um weniger als 10 % von einem Potentialunterschied
zwischen der zweiten Spannungselektrode 57b und dem Masseanschluss
abweicht.
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In
dem in 1 gezeigten Magnetfeldsensor gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist für
die Ermittlung des Magnetfelds mit der dargestellten Formel eine
Voraussetzung, dass das Magnetfeld in einer [–110]-Richtung ausgerichtet ist. Wenn das
Magnetfeld nicht in einer [–110]-Richtung
ausgerichtet ist, was beispielsweise in Folge von Montagetoleranzen
der Fall sein kann, so ist das erwähnte Gleichungssystem nicht
mehr exakt anzuwenden und es ist erforderlich, den Signalen S1, S2, S3 jeweils
Vorfaktoren A, C, D zuzuordnen. Eine Formel für die Berechnung des Magnetfelds
wäre dann: B = AS1 + CS2 +
DS3
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Die
Vorfaktoren A, C und D können
dann in Kalibrierungsverfahren ermittelt werden. Hierbei wird nach der
Montage des Magnetfeldsensors ein unbekanntes Magnetfeld einer vorgegebenen
Richtung oder ein bekanntes Magnetfeld undefinierter Richtung angelegt
und die Signale S1, S2, S3 werden mit Vorfaktoren beaufschlagt,
so dass sie gleich groß sind.
Hierdurch wird auch der Einfluss des bei der Kalibrierung vorhandenen Stresses
kompensiert und das System korrigiert nur noch Änderungen des Stresses gegenüber diesem
Anfangszustand.
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Darüber ist
es auch möglich,
zu den in 1 gezeigten Hallsensoren 13, 15, 17 einen
dazu rechtwinklig angeordneten vierten Hallsensor hinzuzufügen. Der
ersten Hallsonde 13 ist dabei die zweite Hallsonde 15 zugeordnet,
wobei die erste Hallsonde 13 und die zweite Hallsonde 15 einen
rechten Winkel einschließen.
Der dritten Hallsonde 17 wird dann eine nicht gezeigte
vierte Hallsonde in einer [–110]-Richtung zugeordnet,
so dass die vierte Hallsonde und die dritte Hallsonde senkrecht
aufeinander stehen.
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Wenn
jetzt ein Magnetfeld unbekannter Richtung auf eine der Sonden einwirkt,
so wirkt jeweils nur die Projektion auf die Ebene der Sonde, wobei
die Sondenebene jene Ebene ist, in der Strom fließt.
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Obiges
Gleichungssystem wird dann um eine Komponente des Magnetfelds B
in einer [–110]-Komponente
des Magnetfelds und eine [110]-Komponente des Magnetfelds B erweitert,
wodurch man vier Gleichungen erhält.
Die Gleichungen ergeben sich jeweils aus der Berechnung der Signale
S1, S2, S3, S4 der ersten Hallsonde 13, der zweiten Hallsonde 15,
der dritten Hallsonde 17 und der nicht gezeigten vierten
Hallsonde. Dabei treten in dem Gleichungssystem vier Unbekannte,
die Komponente des Magnetfelds in der [110]-Richtung, die Komponente
des Magnetfelds in der [–110]-Richtung
sowie die mechanischen Normalspannungen σ[100], σ[010] auf.
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Mit
diesen vier Gleichungen lassen sich somit die vier Unbekannten – das sind
die beiden Komponenten des Magnetfelds in der Waferebene und die
beiden Komponenten des Stresstensors – durch Auflösen ermitteln.
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Mittels
dieser vier Gleichungen läßt sich
damit auch die Richtung des Magnetfelds in der (001)-Ebene ermitteln.
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Falls
nur die Absolutgröße des Magnetfelds
B, nicht aber dessen Richtung ermittelt werden soll, so lassen sich
die Komponenten des Magnetfelds in der [110]-Richtung und der [–110]-Richtung
jeweils quadrieren und anschließend
addieren, so dass sich der Betrag des Gesamtmagnetfelds parallel
zur Chipebene ergibt. Dieser Betrag kann dann wiederum mittels der
Signale der drei Sonden, die in 1 gezeigt
sind, ermittelt werden.
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In
dem obigen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind die erste Hallsonde 13 und
die zweite Hallsonde 15 so angeordnet, dass ein in ihnen
fließender
erster Hallstrom eine erste Hallstrom-Richtung aufweist und ein
in ihnen fließender
zweiter Hallstrom eine zweite Hallstrom-Richtung aufweist, wobei die erste Hallstrom-Richtung
und die zweite Hallstrom-Richtung einen Winkel in einem Bereich
von 80° bis
100° einschließen. Jedoch
sind beliebige Winkel hierzu Alternativen. In dem obigen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung sind die erste Hallsonde 13 und
die dritte Hallsonde 17 so angeordnet, dass ein in der
ersten Hallsonde fließender
erster Hallstrom in einer ersten Hallstrom-Richtung und ein in der
dritten Hallsonde fließender
dritter Hallstrom in einer dritten Hallstrom-Richtung einen Winkel
in einem Bereich von 40° bis
50° einschließen. Jedoch
sind beliebige Winkel hierzu Alternativen. Im strengen mathematischen
Sinn reichen drei unterschiedliche Richtungen aus, da sich dann
bereits drei unabhängige
Gleichungen ergeben, die sich nach den drei Unbekannten – dem B-Feld
sowie den Stresskomponenten – auflösen lassen.
In der Pra xis funktioniert das System nicht optimal, wenn zwei oder
alle drei Richtungen sehr ähnlich
sind, denn aufgrund der Fehlerfortpflanzung wird das Endergebnis
dann sehr stark von unvermeidlichem Rauschen und Rundungsfehlern beeinträchtigt.
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Auch
ist der Piezo-Hall-Effekt anisotrop bezüglich der Ebene, in der die
Hallsonden angeordnet sind, so dass die Ebenen, in denen die vertikalen
Hallsonden angeordnet werden, bei dem Layout des Magnetfeldsensors 11 im
Wesentlichen frei wählbar
sind, solange die Hallsonden nicht parallel zueinander angeordnet sind.
Dabei können
drei beliebige Richtungen in der Waferebene bzw. auf der Oberfläche des
Substrats ausgebildet werden, in der die Hallsonden dann in den
jeweiligen Richtungen positioniert werden. Damit kann man den Piezo-Hall-Effekt
für die
jeweilige Richtung ermitteln und über die Werte der drei Hallsignale
die drei Unbekannten, die beiden Normalspannungen senkrecht zu der
Waferebene und das Magnetfeld ermitteln. Voraussetzung ist hierfür nur, dass
die für
die drei Signale sich ergebenden Gleichungen linear unabhängig sind. Vorteilhaft
ist dabei, auch, wenn sie nicht fast linear abhängig sind, da sonst das Gleichungssystem
schlecht konditioniert wäre
und somit nur mit einem großen
numerischen Fehler lösbar
wäre.
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In
der in 2 gezeigten vertikalen Hallsonde 51 sind
die Stromeingangselektrode 55, die erste 57a und
die zweite 57b Spannungselektrode und die erste 59a und
die zweite 59b Masseelektrode auf einer geraden Linie angeordnet.
Allerdings sind beliebige Anordnungen Alternativen, solange die
erste Spannungselektrode 57a zwischen der ersten Masseelektrode 59a und
der Stromeingangselektrode 55 und die zweite Spannungselektrode 57b zwischen
der zweiten Masseelektrode 59b und der Stromeingangselektrode 55 angeordnet
sind.
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In
der in 2 gezeigten vertikalen Hallsonde 51 liegt
die Differenzspannung z. B. unter 50 mV, solange eine Kompo nente
des angelegten Magnetfelds senkrecht zu der Ebene, in der der Hallstrom
zwischen der Stromeingangselektrode 55 und den Masseelektroden 59a, 59b fließt, unterhalb
einer Sensorschwelle der vertikalen Hallsonde 51 liegt.
Hierzu sind aber beliebige Obergrenzen für den Wert der Differenzspannung
Alternativen, wenn das angelegte Magnetfeld unterhalb der Sensorschwelle
liegt.
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In
dem obigen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 1 der Magnetfeldsensor 11 auf
einem {100}-Silizium angeordnet, jedoch sind beliebige Schnittrichtungen,
wie z. B. eine Schnittrichtung, daß das Substrat ein {111}-Silizium
ist, Alternativen. Auch könnte
das Substrat in einem beliebigen Halbleitermaterial, wie z. B. Germanium,
ausgeführt
sein.
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- 11
- Magnetfeldsensor
- 13
- erste
Hallsonde
- 15
- zweite
Hallsonde
- 17
- dritte
Hallsonde
- 19
- [100]-Richtungsachse
- 21
- [010]-Richtungsachse
- 23
- [110]-Richtungsachse
- 25
- Pfeil
der Richtung des Magnetfelds
- 51
- vertikale
Hallsonde
- 53
- Substrat
- 54
- dotierte
Zone
- 55a
- Stromeingangselektrode
- 57a
- erste
Spannungselektrode
- 57b
- zweite
Spannungselektrode
- 59a
- erste
Masseelektrode
- 59b
- zweite
Masselektrode
- S1
- erstes
Ausgangssignal
- S2
- zweites
Ausgangssignal
- S3
- drittes
Ausgangssignal
