DE102006022336A1

DE102006022336A1 - Magnetfeldsensor, Sensor mit demselben und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102006022336A1
Application number: DE102006022336A
Authority: DE
Inventors: Mario Motz; Wolfgang Granig; Christian Dr. Kolle; Tobias Werth
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-05-13
Also published as: DE102006022336B8; DE102006022336B4; US20070200564A1

Abstract

Ein Magnetfeldsensor umfasst einen ersten Sensor (202), der angeordnet ist, um ein in einer Ebene wirkendes Magnetfeld zu erfassen, und einen zweiten Sensor (204), der bezüglich des ersten Sensors (202) angeordnet ist, um eine Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der Ebene zu erfassen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfeldsensor, und insbesondere auf einen fehlerkompensierten xMR-Sensor sowie auf einen Sensor, der einen solchen Magnetfeldsensor verwendet, auf Verfahren zur Erfassung und Auswertung von Signalen von einem solchen Magnetfeldsensor, und auf ein Verfahren zur Herstellung des Magnetfeldsensors bzw. des Sensors.

Sensoren, die magnetische oder magnetisch codierte Informationen in ein elektrisches Signal umwandeln, spielen in der heutigen Technik eine immer größere Rolle. Sie kommen in allen Bereichen der Technik zur Anwendung, in denen das magnetische Feld als Informationsträger dienen kann, also z.B. in der Fahrzeugtechnik, im Maschinenbau/Robotik, der Medizintechnik, der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und in der Mikrosystemtechnik. Mit Hilfe solcher Sensoren werden eine Vielzahl von unterschiedlichen mechanischen Parametern erfasst, wie z.B. Position, Geschwindigkeit, Winkelstellung, Drehzahl, Beschleunigung usw., aber auch Stromfluss, Verschleiß oder Korrosion können gemessen werden.

Zur Erfassung und Auswertung von magnetischen oder magnetisch codierten Informationen werden in der Technik immer mehr magnetoresistive Bauelemente bzw. Sensorelemente eingesetzt. Magnetoresistive Bauelemente, die als Einzelelemente oder auch in Form einer Mehrzahl von verschalteten Einzelelementen angeordnet sein können, kommen heutzutage bei zahlreichen Anwendungen zur berührungslosen Positions- und/oder Bewegungserfassung eines Geberobjekts bezüglich einer Sensoranordnung insbesondere in der Automobiltechnik, wie z.B. für ABS-Systeme, Systeme zur Traktionskontrolle, usw. immer stärker zur Anwendung. Zu diesem Zweck werden häufig Drehwinkelsensoren auf der Basis von magnetoresistiven Elementen bzw. Strukturen, die im xMR-Strukturen bezeichnen allgemein magnetoresistive Strukturen, wie z.B. AMR-Strukturen (AMR = Anisotropic Magnetoresistance = anisotroper Magnetwiderstand), GMR-Strukturen (GMR = Giant Magnetoresistance = Riesenmagnetwiderstand), CMR-Strukturen (CMR = Colossal Magnetoresistance = kollossaler Magnetwiderstand), TMR-Strukturen (TMR = Tunnel Magnetoresistance = Tunnelmagnetwiderstand) oder EMR-Strukturen (EMR = Extraordinary Magnetoresistance = außerordentlicher Magnetwiderstand). In technischen Anwendungen von GMR-Sensoranordnungen werden heute vorzugsweise sogenannte Spin-Valve-Strukturen (Spinn-Ventil-Strukturen) verwendet, wie sie beispielsweise in 1a-c dargestellt ist.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein Magnetfeldsensor umfasst
einen ersten Sensor, der angeordnet ist, um ein in einer Ebene wirkendes Magnetfeld zu erfassen; und
einen zweiten Sensor, der bezüglich des ersten Sensors angeordnet ist, um eine Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der Ebene zu erfassen.

Ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes in einer Ebene umfasst folgende Schritte:
Erfassen eines Ausgangssignals eines ersten Sensors, der das in der Ebene wirkende Magnetfeld erfasst;
Erfassen eines Ausgangssignals eines zweiten Sensors, der eine Magnetfeldkomponente senkrecht zu der Ebene erfasst; und
basierend auf dem Ausgangssignals des zweiten Sensors, Korrigieren des Ausgangssignals des ersten Sensors in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des zweiten Sensors.

Ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetfeldsensors, umfasst folgende Schritte:
Bereitstellen eines Substrats;
Erzeugen einer ersten Sensorstruktur auf dem Substrat, derart, dass die Sensorstruktur eine Magnetfeldkomponente erfasst, die senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats anliegt; und
Erzeugen einer zweiten Sensorstruktur auf dem Substrat, wobei die zweite Sensorstruktur wirksam ist, um ein Magnetfeld parallel zu der Oberfläche des Substrats zu erfassen.

Es ist ein Vorteil der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dass ein verbesserter Magnetfeldsensor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes geschaffen werden, die eine Verfälschung von Messsignalen bei der Erfassung eines Magnetfeldes in einer Erfassungsebene vermeiden.

KURZE BESCHREIBUNG DER DARSTELLUNGEN IN DEN ZEICHNUNGEN
Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1(a)-(c) schematische Darstellungen des prinzipiellen Aufbaus verschiedener Typen von herkömmlichen GMR-Sensorelementen und die zugehörige schematische Darstellung der Magnetfeldabhängigkeit der Magnetisierung und des Widerstandswerts der magnetoresistiven Struktur;
2 eine schematische Darstellung eines magnetoresistiven TMR-Sensorelements
3 eine Darstellung der Änderung des Offset und der Empfindlichkeit eines GMR-Sensors abhängig von einem auch senkrecht zu der Erfassungsebene wirkenden Magnetfeld;
4 eine schematische Darstellung eines Magnetfeldsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5(a) eine GMR-Brücke mit zugeordneten Hall-Sensoren zur Querempfindlichkeits-Kompensation;
5(b) die Anordnung der vier GMR-Sensoren aus 5(a) zusammen mit zwei Hall-Sensoren auf einem gemeinsamen Substrat;
6(a) eine schematische Darstellung eines Magnetfeldsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit optimaler Ausrichtung von Magnetfeld und Magnetfeldsensor;
6(b) schematisch die Verteilung der von den einzelnen Sensoren in 6(a) erfassten Magnetfeldkomponenten;
7(a) den Magnetfeldsensor aus 6(a) mit schiefer Ausrichtung von Magnetfeld und Magnetfeldsensor;
7(b) schematisch die Verteilung der von den einzelnen Sensoren in 7(a) erfassten Magnetfeldkomponenten;
8 eine Draufsichtdarstellung eines Magnetfeldsensors gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel in einer weiteren Ausführungsform;
9A eine schematische Darstellung eines Teils eines Magnetfeldsensors gemäß einem wiederum weiteren Ausführungsbeispiel mit einem zusätzlichen Magnetfeldkonzentrator;
9B eine schematische Darstellung eines Magnetfeldsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 9A, bei dem der Magnetfeldkonzentrator durch den GMR-Sensor gebildet ist;
10 eine Draufsichtdarstellung eines Magnetfeldsensors gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 9A;
11 eine FEM-Simulation, die die Magnetfeldverteilung des Magnetfeldsensors aus 10 zeigt;
12 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts X aus 11;
13 einen Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem Magnetfeldsensor und zugeordneter Signalverarbeitungsschaltung.
14A eine Querschnittsdarstellung eines Magnetfeldsensors zur Erläuterung des Verfahrens zu dessen Herstellung; und
14B eine Querschnittsdarstellung eines weiteren Sensors zur Erläuterung des Verfahrens zu dessen Herstellung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird nun zunächst allgemein kurz auf GMR-Strukturen eingegangen. GMR-Strukturen werden fast immer in einer sog. CIP-Konfiguration (CIP = Current-In-Plane) betrieben, d.h. der angelegte Strom fließt parallel zur Lagenstruktur. Bei den GMR-Strukturen gibt es einige grundlegende Typen, die sich in der Praxis durchgesetzt haben. In der Praxis, z.B. beim Einsatz in der Automobiltechnik, sind vor al lem große Temperaturfenster, beispielsweise von –40°C bis +150°C, und kleine Feldstärken von wenigen kA/m für einen optimalen und sicheren Betrieb notwendig. Die für den praktischen Einsatz wichtigsten GMR-Strukturen sind in den 1a-c dargestellt.
Die in 1a dargestellte GMR-Struktur zeigt den Fall eines gekoppelten GMR-Systems 100, bei dem zwei magnetische Schichten 102, 106, z.B. aus Kobalt (Co), durch eine nicht-magnetische Schicht 104, z.B. aus Kupfer (Cu), getrennt sind. Die Dicke der nicht-magnetischen Schicht 104 wird dabei so gewählt, dass sich ohne ein anliegendes Magnetfeld eine antiferromagnetische Kopplung der weichmagnetischen Schichten 102, 106 einstellt. Dies soll durch die dargestellten Pfeile verdeutlicht werden. Ein äußeres Feld erzwingt dann die parallele Ausrichtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schichten 102, 106, wodurch der Widerstandswert der GMR-Struktur abnimmt.
Die in 1b dargestellte GMR-Struktur zeigt ein Spin-Valve-System 101, bei dem die nicht-magnetische Schicht 104 so dick gewählt ist, dass keine Kopplung der weichmagnetischen Schichten 102, 106 mehr zustande kommt. Die untere magnetische Schicht 106 ist stark an eine antiferromagnetische Schicht 108 gekoppelt, so dass sie magnetisch hart ist (vergleichbar zu einem Permanentmagneten). Die obere magnetische Schicht 102 ist weichmagnetisch und dient als Messschicht. Sie kann bereits durch ein kleines äußeres Magnetfeld M ummagnetisiert werden, wodurch sich der Widerstandswert R ändert.
Im folgenden wird nun näher auf die in 1b dargestellte Spin-Valve-Anordnung 101 eingegangen. Eine solche Spin-Valve-Struktur 101 besteht also aus einer weichmagnetischen Schicht 102, die durch eine nicht-magnetische Schicht 104 von einer zweiten weichmagnetischen Schicht 106 getrennt ist, deren Magnetisierungsrichtung aber durch die Kopplung an eine anti ferromagnetische Schicht 108 mittels der sogenannten „Exchange-Bias-Wechselwirkung" festgehalten wird. Die prinzipielle Funktionsweise einer Spin-Valve-Struktur kann mittels der Magnetisierungs- und R(H)-Kurve in 1b verdeutlicht werden. Die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 106 wird in negativer Richtung festgehalten. Wird nun das äußere Magnetfeld M von negativen zu positiven Werten erhöht, so schaltet in der Nähe des Nulldurchgangs (H = 0) die „freie", weichmagnetische Schicht 102 um und der Widerstandswert R steigt steil an. Der Widerstandswert R bleibt dann solange hoch, bis das äußere Magnetfeld M groß genug ist, um die Austauschkopplung zwischen der weichmagnetischen Schicht 106 und der antiferromagnetischen Schicht 108 zu überwinden und auch die magnetische Schicht 106 umzuschalten.
Die in 1c dargestellte GMR-Struktur 101 unterscheidet sich von der in 1b dargestellten GMR-Struktur darin, dass hier die untere antiferromagnetische Schicht 108 eine Kombination aus einem natürlichen Antiferromagneten 110 und einem darüber befindlichen künstlichen Antiferromagneten 106, 107, 109 ("synthetic antiferromagnet", SAF) ersetzt ist, der sich aus der magnetischen Schicht 106, einer ferromagnetischen Schicht 107 und einer dazwischen befindlichen nicht-magnetischen Schicht 109 zusammensetzt. Auf diese Weise wird die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 106 festgehalten. Die obere, weichmagnetische Schicht 102 dient wiederum als Messschicht, deren Magnetisierungsrichtung leicht durch ein äußeres Magnetfeld M gedreht werden kann. Der Vorteil der Verwendung Der Kombination aus natürlichem und künstlichem Antiferromagneten im Vergleich zum Aufbau gemäß 1b ist dabei die größere Feld- und Temperaturstabilität.
Im folgenden wird nun allgemein auf sog. TMR-Strukturen eingegangen. Für TMR-Strukturen ist das Anwendungsspektrum demjenigen von GMR-Strukturen sehr ähnlich. 2 zeigt nun eine typische TMR-Struktur 120. Der Tunnelmagnetwiderstand TMR wird in Tunnelkontakten erhalten, bei denen zwei ferromagnetische Elektroden 122, 126 durch eine dünne isolierende Tunnelbarriere 124 entkoppelt werden. Elektronen können durch diese dünne Barriere 124 zwischen den beiden Elektroden 122, 126 hindurch tunneln. Der Tunnelmagnetwiderstand beruht darauf, dass der Tunnelstrom von der relativen Orientierung der Magnetisierungsrichtung in den ferromagnetischen Elektroden abhängt.
Die im Vorhergehenden verschiedenen magnetoresistiven Strukturen (GMR/TMR) weisen also somit eine von einem anliegenden Magnetfeld abhängige elektrische Charakteristik auf, d.h. der spezifische Widerstand einer xMR-Struktur eines magnetoresistiven Bauelements, wird durch ein einwirkendes äußeres Magnetfeld beeinflusst.
Die oben beschriebenen empfindlichen Magnetfeldsensoren, liegen in Form eines Chips vor und messen ein Magnetfeld in der Chipebene, also in einer Ebene parallel zu einer Oberfläche des Chips. xMR-Sensoren zeichnen sich dadurch aus, dass diese eine Hauptempfindlichkeit in eben dieser Chipebene aufweisen, um ein in dieser Chipebene anliegendes Magnetfeld zu erfassen. Allerdings ist bei solchen xMR-Sensoren auch ein Ansprechen auf Magnetfeldkomponenten senkrecht zu dieser Ebene zu beobachten, was insbesondere in einer Änderung der Empfindlichkeit (Sensitivität) des xMR-Sensors sowie in einer Veränderung des Offset bei einer Brückenverschaltung der xMR-Sensoren beobachtet werden kann.
Die 3 zeigt eine Darstellung der Änderung des Offset und der Empfindlichkeit eines xMR-Sensors abhängig von einem auch senkrecht zur Erfassungsebene wirkenden Magnetfeld. In 3 ist über die X-Achse eine der Magnetfeldkomponenten Bx angetragen, die durch den xMR-Sensor zu erfassen ist. Die andere, nicht gezeigte Komponente ist die Komponente By, so dass das Magnetfeld in der XY-Ebene anliegt. Ferner ist eine senkrecht zu dieser Ebene wirkende Magnetfeldkomponente Bz angezeich net. Die durchgezogene Linie in 3 zeigt das Verhalten des xMR-Sensors ohne senkrechte Magnetfeldkomponente Bz, und die gestrichelte Linie zeigt das xMR-Sensorverhalten bei Anliegen einer senkrechten Magnetfeldkomponente Bz in der Höhe von 50mT. Wie zu erkennen ist, verschiebt sich der Offset im Fall einer senkrecht wirkenden Magnetkomponente nach unten und gleichzeitig nimmt die Empfindlichkeit ab, wie durch die Steigung der Geraden angegeben ist.
Dieses Verhalten führt zu einer Verfälschung des Ausgangssignals des xMR-Sensors, welches vorzugsweise nur Signalanteile enthalten soll, die auf das in der Chipebene existierende Magnetfeld zurückgehen, welches gerade durch die xMR-Sensorzellen erfasst werden soll. Die gerade beschriebene Veränderung der Empfindlichkeit des xMR-Sensors wird nachfolgend auch als Querempfindlichkeit bezüglich eines senkrecht zu der Chipebene auftreffenden Magnetsignals bezeichnet, und aufgrund der Verfälschung der Messergebnisse ist diese Querempfindlichkeit nachteilhaft. Insbesondere in Situationen, in denen sogenannte Backbias-Magnete (Magneten zum Vorspannen der xMR-Sensorzelle) in einer Sensor-Zahnrad-Anordnung benutzt werden sollen, stellt diese Querempfindlichkeit ein erhebliches Problem dar. Das Backbias-Signal steht hierbei senkrecht zu der Chipebene und ändert sich mit dem Abstand von dem Zahnrad zu dem Sensor, wodurch das eigentlich zu messende Nutzsignal in der Chipebene verfälscht wird.
Ferner sind integrierte xMR-Winkelsensoren bekannt, die in Form eines Chips aufgebaut sind, wobei der xMR-Winkelsensor aus einer Sensorbrücke besteht, welche bezüglich einer X-Komponente des Magnetfeldes empfindlich ist, und einer Sensorbrücke, welche bezüglich einer Y-Komponente des Magnetfeldes empfindlich ist.
Die oben beschriebene Querempfindlichkeit tritt bei einem solchen xMR-Winkelsensor auf, falls das Magnetfeld, welches im Regelfall durch einen Dauermagneten bereitgestellt wird, nicht absolut parallel und mittig über dem xMR-Winkelsensorchip angeordnet ist. Dies führt zu Messfehlern, die von einer Verkippung und von der Lagetoleranz zwischen dem Sensor und dem Magnetfeld abhängt.
Ein weiteres Problem bei solchen xMR-Sensoren besteht darin, dass xMR-Sensorbrücken auch dann ein Signal liefern, falls kein Magnetfeld anliegt. Dieses Phänomen ist einerseits abhängig von der Herstellung und der Geometrie des xMR-Sensors und andererseits auch zufällig, so dass nicht eindeutig sichergestellt sein kann, ob die ausgegebenen X-, Y-Werte tatsächlich gültig sind oder ob das Magnetfeld aufgrund einer Fehlfunktion in der Gesamtanordnung nicht mehr an dem xMR-Sensor anliegt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind der xMR-Sensor und der Hall-Sensor zumindest teilweise überlappend zueinander angeordnet, vorzugsweise derart, dass der Hall-Sensor angeordnet ist, um mit der Mitte des xMR-Sensors ausgerichtet zu sein.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen die Kombination eines xMR-Sensors und eines Hall-Sensors, wobei der Vorteil des Hall-Sensors darin besteht, dass dieser lediglich ein Magnetfeld in einer Richtung detektiert. Für den Fall, dass dieser in einem Chip integriert ist, detektiert der Hall-Sensor nur Magnetfeldkomponenten senkrecht zu der Oberfläche des Chips, also senkrecht zur Chipebene. Durch die Kombination von xMR-Sensor und Hall-Sensor wird eine Messung der dreidimensionalen Magnetfeldrichtung ermöglicht, wodurch die Auswirkung des Bz-Signals in einem xMR-Sensor kompensiert werden kann. Vorzugsweise wird unter jedem xMR-Sensor oder unter jeder Gruppe von xMR-Sensoren zusätzlich ein Hall-Sensor integriert, wobei dieser derart angeordnet ist, dass nur das senkrecht zur Chipebene wirkende Magnetfeld erfasst wird. Dies ermöglicht es, dass aufgrund des von dem Hall-Sensor erhaltenen Messsignals eine Korrektur des Offsets und/oder der Empfindlichkeit des xMR-Sensorsignals in der Chipebene unter Verwendung einer Kompensationsschaltung oder Korrekturschaltung erreicht werden kann.
Der Vorteil eines Ausführungsbeispiels besteht darin, dass ein deutlich genaueres Nutzsignal bei gleichzeitig höheren Einbaulagetoleranzen erreichbar ist, was wiederum zu einer deutlichen Reduzierung der Systemkosten beiträgt. Ferner ist nur wenig zusätzliche Chipfläche, etwa in der Größenordnung von 25μm², erforderlich, da der Hall-Sensor unter dem xMR-Sensor in dem Substrat integriert werden kann. Zusätzlich ist ein weiterer Vorteil in der Möglichkeit der monolithischen Integration zu sehen.
Durch die Ausgestaltung gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird somit mittels eines Hall-Sensors, der unter dem xMR-Sensor integriert ist, ein Signal erzeugt, um die Querempfindlichkeit des xMR-Sensors auf das senkrecht zu der Chip-Ebene eintreffende Magnetfeld zu kompensieren.
Ferner kann eine Ausrichtung des Magnetfeldsensors bezüglich des Magnetfeldes bestimmt werden, indem das Ausgangssignal des Hall-Sensors als Positionssignal beim Einbau des Magnetfeldsensors verwendet wird. Abhängig von einer Position des Hall-Sensors bezüglich des xMR-Sensors und abhängig von einer erfassten Feldstärke an dem Hall-Sensor kann auf die Position des Magnetfeldsensors bezüglich des Magnetfeldes geschlossen werden. Ist der Hall-Sensor beispielsweise mittig bezüglich des xMR-Sensors angeordnet, so kann beim Erfassen eines minimalen Ausgangssignals, welches ein minimales Feld, welches durch den Hall-Sensor erfasst wird, widerspiegelt, eine optimale Position des Magnetfeldsensors, und insbesondere des xMR-Sensors bezüglich des Magneten erkannt werden.
Alternativ kann bei Kenntnis der Position des Hall-Sensors des xMR-Sensors sowie bei Absinken des Ausgangssignals des Hall-Sensors, entsprechend einem Absinken des Magnetfeldes, unter eine vorbestimmte Schwelle eine optimale Position des xMR-Sensors bezüglich des Magneten erkannt werden. Hierdurch wird eine Positioniergenauigkeit des Magnetfeldsensors beim Einbau ermöglicht. Zusätzlich oder alternativ kann hierdurch auch unter Verwendung eines Referenzmagneten die Positionierung des Magnetfeldsensors innerhalb eines Anwendungsmoduls bestimmt werden. Das Anwendungsmodul kann dann mit entsprechenden Markierungen für einen Einbau bezüglich eines im Betrieb verwendeten Magneten so positioniert werden, dass aufgrund der genauen Positionierung des Magnetfeldsensors innerhalb des Moduls auch eine optimale Positionierung gegenüber dem zu erfassenden Magnetfeld gegeben ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Magnetfeldsensor, der entweder anstelle des mittig angeordneten Hall-Sensors oder zusätzlich zu demselben eine Mehrzahl von weiteren Hall-Sensoren aufweist, die versetzt zu der Mitte des xMR-Sensors angeordnet sind, vorzugsweise symmetrisch zu der Mitte des xMR-Sensors.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann durch die Erfassung/Detektion des Magnetfeldes mit Hilfe des einen oder der mehreren zusätzlichen Hall-Sensoren sicher festgestellt werden, ob das erforderliche Magnetfeld auch anliegt, und somit kann auch sichergestellt werden, ob die erhaltenen X-, Y-Werte betreffend die X-, Y-Komponenten des Magnetfeldes gültig sind. Ferner lässt sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Inhomogenität des Feldes durch die Hall-Sensoren detektieren, und basierend auf dem Ergebnis der Erfassung einer Inhomogenität kann auch eine Fehlerkorrekturrechnung durchgeführt werden, wodurch aufgrund der Fehlerkorrektur eine Erhöhung der Genauigkeit, beispielsweise der Winkelgenauigkeit eines xMR-Winkelsensors, erreicht wird.
Ein wiederum weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Magnetfeldsensor, der auch bei einem in der Erfassungsebene homogenen Magnetfeld die oben beschriebene Funktionalität bezüglich der Erfassung auf das Vorliegen eines Magnetfeldes bzw. die Er zeugung eines Positionssignals aufweist. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lösen die in der Beschreibungseinleitung dargelegten Probleme unter Verwendung des zusätzlichen Hall-Sensors, der die gekrümmten Feldlinien, beispielsweise eines Permanentmagneten, verwendet, um eine Z-Komponente zu messen. Sofern ein solche Z-Komponente vorliegt, kann durch die Erfassung derselben unter Verwendung des Hall-Sensors sichergestellt werden, dass das nötige Magnetfeld auch anliegt und die durch den xMR-Sensor erhaltenen X- und Y-Werte gültig sind. Ist das Magnetfeld jedoch vollständig eben bzw. planar zu der X,Y-Ebene, so scheitert dieser Ansatz. Aus diesem Grund wird bei diesem Ausführungsbeispiel der Magnetfeldsensor zusätzlich mit Einrichtungen zur Umlenkung des Magnetfeldes ausgestattet, sogenannten Feldkonzentratoren. Um auch ein vollständig planares X,Y-Feld bezüglich dessen Feldstärke unter Verwendung des Hall-Sensors detektieren zu können, werden über dem Hall-Sensor Feldkonzentratoren positioniert, um die X,Y-Feldkomponenten des Magnetfeldes in die Z-Richtung umzulenken. Hierfür kann ein zusätzliches, magnetisches Element vorgesehen sein, welches eine Umlenkung des Magnetfeldes in eine Richtung senkrecht zur Chipoberfläche bewirkt, wobei hier entweder ein zusätzliches magnetisches Material aufgebracht wird, nachdem der xMR-Sensor auf der Substratoberfläche erzeugt wurde. Alternativ kann der Feldkonzentrator aus dem xMR-Material bestehen, so dass lediglich eine etwas anders geartete Strukturierung der aufgebrachten xMR-Materialschicht erforderlich ist, jedoch kein zusätzlicher Prozessschritt, wie bei der Aufbringung eines zusätzlichen Elements. Weiterhin alternativ kann der xMR-Sensor als Feldkonzentrator wirken, wobei hier der Hall-Sensor und der xMR-Sensor derart angeordnet sind, dass der Hall-Sensor über den Umfang des xMR-Sensors hervorsteht.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird durch die Umlenkung der Feldlinien auch dann eine Funktionalität gemäß den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ermöglicht, wenn ein vollständig planares Feld anliegt. Ferner kann der Ansatz gemäß diesem Ausführungsbeispiel auch in Verbindung mit den oben erwähnten Ausführungsbeispielen eingesetzt werden, um ein durch den Hall-Sensor zu erfassendes Magnetfeld zusätzlich zu verstärken, um so eine sichere Detektion bezüglich des Vorhandenseins eines Magnetfeldes zu ermöglichen.
Weitere Ausführungsbeispiels betreffen ein Verfahren und einen Sensor mit einem Magnetfeldsensor und einer Signalverarbeitungsschaltung, um basierend auf den Ausgangssignalen von dem xMR-Sensor und dem Hall-Sensor ein Signal entsprechend einem in der Ebene des xMR-Sensors wirkenden Magnetfeldes zu erzeugen, und um die im Zusammenhang mit den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen genannten Korrekturmöglichkeiten durchzuführen bzw. die Positionsinformationen zu erzeugen. Zur Erzeugung des Sensors mit Auswerteschaltung wird vorzugsweise zusätzlich zu der ersten Sensorstruktur die Signalverarbeitungsschaltung in dem Substrat erzeugt, wobei weiterhin vorzugsweise die Sensorstrukturen und die Signalverarbeitungsschaltung durch planare Prozessschritte erzeugt werden.
Der erste Sensor ist vorzugsweise ein magnetoresistiver Sensor, beispielsweise ein xMR-Sensor, welcher beispielsweise ein AMR-Sensor, ein GMR-Sensor oder ein TMR-Sensor sein kann. Der zweite Sensor ist vorzugsweise ein Hall-Sensor. Weiterhin vorzugsweise sind die zwei Sensoren integriert aufgebaut, vorzugsweise unter Verwendung einer planaren Prozesstechnologie, auf einem gemeinsamen Substrat.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Bestimmen, ob ein Magnetfeld an einem Magnetfeldsensor anliegt, wobei der Magnetfeldsensor einen ersten Sensor zum Erfassen eines in einer Ebene wirkenden Magnetfeldes und einen zweiten Sensor zum Erfassen einer senkrecht zu der Ebene wirkenden Komponente des Magnetfeldes umfasst, wobei eine senkrecht zu der Ebene wirkenden Magnetfeldkomponente erfasst wird, und basierend auf einem Pegel der senkrecht zu der Ebe ne erfassten Magnetfeldkomponente bestimmt wird, ob das Magnetfeld vorliegt.
Ein wiederum weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Magnetfeldsensors bezüglich eines Magnetfeldes, wobei der Magnetfeldsensor einen ersten Sensor zum Erfassen eines in einer Ebene wirkenden Magnetfeldes und einen zweiten Sensor zum Erfassen einer zu der Ebene senkrecht wirkenden Komponente des Magnetfeldes umfasst, wobei eine senkrecht zu der Ebene wirkenden Magnetfeldkomponente erfast wird, und basierend auf einer Position des zweiten Sensors bezüglich des ersten Sensors und auf dem Pegel der senkrecht zu der Ebene erfassten Magnetfeldkomponente die Position des Magnetfeldsensors bezüglich dem Magnetfeld bestimmt wird.
Ein Ausführungsbeispiel ist ein Magnetfeldsensor mit einem ersten Sensor mit einem Ausgang für ein erstes Signal, das ein in einer Ebene wirkendes Magnetfeld anzeigt, und einem zweiten Sensor mit einem Ausgang für ein zweites Signal, das eine Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der Ebene anzeigt, wobei der erste Sensor und der zweite Sensor mittels planarer Prozessschritte auf einem gemeinsamen Substrat aufgebracht sind.
Ein Ausführungsbeispiel ist ein Magnetfeldsensor mit einem ersten Sensor mit einem Ausgang für ein erstes Signal, das ein in einer Ebene wirkendes Magnetfeld anzeigt, und einem zweiten Sensor mit einem Ausgang für ein zweites Signal, das eine Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der Ebene anzeigt, wobei der zweite Sensor mittig bezüglich des ersten Sensors angeordnet ist.
Ein Ausführungsbeispiel ist ein Magnetfeldsensor mit einem ersten Sensor mit einem Ausgang für ein erstes Signal, das ein in einer Ebene wirkendes Magnetfeld anzeigt, einem zweiten Sensor mit einem Ausgang für ein zweites Signal, das eine Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der Ebene anzeigt, und einem Magnetfeldkonzentrator, der benachbart zu dem zweiten Sensor angeordnet ist.
Ein Ausführungsbeispiel ist ein Magnetfeldsensor mit einem ersten Sensor mit einem Ausgang für ein erstes Signal, das ein in einer Ebene wirkendes Magnetfeld anzeigt, und einem zweiten Sensor mit einem Ausgang für ein zweites Signal, das eine Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der Ebene anzeigt, wobei der erste Sensor und der zweite Sensor nicht-überlappend angeordnet sind.
Ein Ausführungsbeispiel ist eine Vorrichtung zum Erfassen eines Magnetfelds mit einer ersten Einrichtung zum Erfassen eines in einer Ebene wirkenden Magnetfeldes, und einer zweiten Einrichtung, die bezüglich der ersten Einrichtung angeordnet ist, um eine Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der Ebene zu erfassen.
Ein Ausführungsbeispiel ist ein Sensor mit einem Magnetfeldsensor mit einem ersten Sensor mit einem Ausgang für ein erstes Signal, das ein in einer Ebene wirkendes Magnetfeld anzeigt, und einem zweiten Sensor mit einem Ausgang für ein zweites Signal, das eine Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der Ebene anzeigt, und einer Signalverarbeitungsschaltung mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des ersten Sensors gekoppelt ist, einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des zweiten Sensors gekoppelt ist, und mit einem Ausgang für ein Ausgangssignal, das ein in der Ebene des ersten Sensors wirkendes Magnetfeld anzeigt und das bezüglich der senkrecht zu der Ebene wirkenden Magnetfeldkomponente basierend auf dem an dem zweiten Eingang anliegenden Signal korrigiert ist.
Ein Ausführungsbeispiel ist ein Sensor mit einem Magnetfeldsensor mit einem ersten Sensor mit einem Ausgang für ein erstes Signal, das ein in einer Ebene wirkendes Magnetfeld an zeigt, und einem zweiten Sensor mit einem Ausgang für ein zweites Signal, das eine Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der Ebene anzeigt, und einer Signalverarbeitungsschaltung mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des ersten Sensors gekoppelt ist, einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des zweiten Sensors gekoppelt ist, und mit einem Ausgang für ein Ausgangssignal, das basierend auf dem an dem zweiten Eingang anliegenden Signal anzeigt, ob ein zu erfassendes Magnetfeld vorliegt.
Ein Ausführungsbeispiel ist ein Sensor mit einem Magnetfeldsensor mit einem ersten Sensor mit einem Ausgang für ein erstes Signal, das ein in einer Ebene wirkendes Magnetfeld anzeigt, und einem zweiten Sensor mit einem Ausgang für ein zweites Signal, das eine Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der Ebene anzeigt, und einer Signalverarbeitungsschaltung mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des ersten Sensors gekoppelt ist, einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des zweiten Sensors gekoppelt ist, und mit einem Ausgang für ein Positionssignal, das basierend auf einer Position des zweiten Sensors bezüglich des ersten Sensors und basierend auf einem an dem zweiten Eingang anliegenden Signal eine Position des Magnetfeldsensors bezüglich eines Magneten anzeigt.
Ein Ausführungsbeispiel ist ein Sensor mit einem Magnetfeldsensor mit einem ersten Sensor mit einem Ausgang für ein erstes Signal, das ein in einer Ebene wirkendes Magnetfeld anzeigt, und einer Mehrzahl von zweiten Sensoren mit jeweils zumindest einem Ausgang für ein zweites Signal, das eine Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der Ebene anzeigt, und einer Signalverarbeitungsschaltung mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des ersten Sensors gekoppelt ist, einer Mehrzahl von zweiten Eingängen, die mit den Ausgängen der zweiten Sensoren gekoppelt sind, und mit einem Ausgang für ein Ausgangssignal, das basierend auf einem Mittelwert der an den zweiten Eingängen anliegenden Signale anzeigt, ob ein zu erfassendes Magnetfeld vorliegt.
Ein Ausführungsbeispiel ist ein Sensor mit einem Magnetfeldsensor mit einem ersten Sensor mit einem Ausgang für ein erstes Signal, das ein in einer Ebene wirkendes Magnetfeld anzeigt, und einer Mehrzahl von zweiten Sensoren mit jeweils zumindest einem Ausgang für ein zweites Signal, das eine Komponente des Magnetfeldes senkrecht zu der Ebene anzeigt, und einer Signalverarbeitungsschaltung mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des ersten Sensors gekoppelt ist, einer Mehrzahl von zweiten Eingängen, die mit den Ausgängen der zweiten Sensoren gekoppelt sind, und mit einem Ausgang für ein Ausgangssignal, das basierend auf den Differenzen der an den zweiten Eingängen anliegenden Signale eine Schräglage des Magnetfeldes bezüglich des Magnetfeldsensors anzeigt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer Kombination eines GMR-Sensors und eines Hall-Sensors näher erläutert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Vielmehr kann das Konzept auf eine Kombination eines ersten Sensors, der ein Magnetfeld in einer Ebene erfasst, und eines zweiten Sensors, der ein Magnetfeld nur in einer Richtung senkrecht zu der Ebene erfasst, angewandt werden. Anstelle des GMR-Sensors kann z.B. ein anderer magnetoresistiver Sensor verwendet werden, z.B. ein sogenannter xMR-Sensor, wie z.B. ein AMR-Sensor (AMR = Anisotropic Magnetoresistance), ein GMR-Sensor (GMR = Giant Magnetoresistance), ein CMR-Sensor (CMR = Colossal Magnetoresistance), ein EMR-Sensor (EMR = Extraordinary Magnetoresistance) oder ein TMR-Sensor (TMR = Tunnel Magnetoresistance). Ferner können andere Sensoren mit Magnetwiderstandstrukturen oder Spin-Valve-Sensoren (Spin-Ventil-Sensoren) verwendet werden.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Magnetfeldsensors, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 200 bezeichnet ist. Der Magnetfeldsensor 200 umfasst einen GMR-Sensor 202, der auf herkömmliche Art und Weise aufgebaut ist, und an einem Ende mit einem Masseanschluss GND verbindbar ist, und an einem anderen Ende eine GMR-Sensor-Vorspannung Vbias_GMR empfängt. Ferner umfasst der Magnetfeldsensor 200 einen Hall-Sensor 204, der bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Substrat 206 gebildet ist. Entlang der X-Richtung ist der Hall-Sensor 204 an einem Anschluss mit Masse GND und an einem anderen Anschluss mit einer Hall-Vorspannung Vbias_HALL verbunden. Quer zur X-Richtung wird über zwei Elektroden das Hall-Potential VH+ und VH– abgegriffen. Auf einer Oberfläche 208 des Substrats 206 ist der GMR-Sensor 202 angeordnet, wobei in 4 aus Darstellungsgründen der GMR-Sensor beabstandet von dem Hall-Sensor gezeigt ist, vorzugsweise sind diese zwei Sensoren jedoch übereinander angeordnet. Abhängig von den Gegebenheiten ist entweder der GMR-Sensor auf der oberen Oberfläche 208 oder auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats 206 angeordnet.
In 4 sind ferner die verschiedenen Richtungen des Magnetfeldes gezeichnet, zum Einen die Magnetfeldkomponenten Bx und By wobei Bx das in der Chipebene zu messende Nutzsignal ist, das durch die Widerstandsänderung ΔR/R des GMR-Sensors 202 gemessen wird. Bz ist die senkrecht zu der Chipebene oder der Substratoberfläche 208 vorhandene Störmagnetfeldkomponente oder ein Backbias-Magnetfeld einer Differenz-Sensoranordnung. Während der GMR-Sensor aufgrund seiner Querempfindlichkeit ein Ausgangssignal erzeugt, das neben den Magnetfeldkomponenten in der Chipebene, also den Komponenten Bx und By, auch von der Komponente senkrecht, nämlich der Komponente Bz, abhängt, ermöglicht der Hall-Sensor lediglich die Erfassung der Komponente senkrecht zur Chipebene 208, also der Bz-Komponente.
5 zeigt eine GMR-Brücke mit Hall-Sensoren zur Querempfindlichkeits-Kompensation, wobei 5(a) die zwischen Masse GND und einer Versorgungsspannung Vs geschalteten vier GMR-Sensoren R1 bis R4 zeigt. Am Brückenausgang wird das Signal UAUS abgegeben. 5(b) zeigt die Anordnung der vier GMR-Sensoren zusammen mit zwei Hall-Sensoren 204₁ und 204₂ auf einem gemeinsamen Substrat 206, wobei die jeweiligen Sensor-Anordnungen einen Abstand d aufweisen. Wie aus 5(b) zu erkennen ist, sind die GMR-Sensoren und der jeweils zugeordnete Hall-Sensor zumindest teilweise überlappend zueinander angeordnet, so dass Magnetfeldlinien in der Richtung senkrecht zur Chipebene, welche die GMR-Sensoren durchdringen auch durch die zugeordneten Hall-Sensoren erfasst werden, um sicherzustellen, dass auch diejenigen Magnetfeld-Komponenten durch den Hall-Sensor erfasst werden, die einen negativen Einfluss auf das Ausgangssignal/Nutzsignal der GMR-Sensoren R1 bis R4 haben. Obwohl grundsätzlich auch eine Anordnung der Hall-Sensoren in einer nichtüberlappenden Art mit den GMR-Sensoren möglich wäre, wird die oben beschriebene Ausführungsform bevorzugt, um eine effiziente und sichere Kompensation der Querempfindlichkeit der Sensoren sicherzustellen.
Anhand der 6 wird nachfolgend das weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. 6(a) zeigt eine Querschnittdarstellung von integrierten Hall-Sensoren in einem integrierten GMR-Sensor bei einer optimalen Ausrichtung zwischen dem Sensor und dem Magneten. 6(a) zeigt den Sensor 200 mit dem Substrat 206 auf dessen oberer Oberfläche der GMR-Sensor 202 angeordnet ist. In dem Substrat 206 sind drei Hall-Sensoren 204, 210₁ und 210₂ gezeigt. Ferner ist der Magnet 212 sowie die von diesem ausgehenden Magnetfeldlinien 214 gezeigt. Wie zu erkennen ist, umfasst der Magnetfeldsensor 200 gemäß dem in 6(a) gezeigten Ausführungsbeispiel zusätzliche Magnetfeldsensoren 210₁ und 210₂ , die bezüglich einer Mitte der GMR-Sensorstruktur versetzt angeordnet sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 210₁ und 210₂ zusätzlich zu dem bezüglich der GMR-Sensorstruktur mittig angeordneten Hall-Sensor 204 angeordnet. Im Zusammenhang mit diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Vielmehr kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel auch auf den mittigen Hall-Sensor 204 verzichtet werden.
6(b) zeigt schematisch die Verteilung der von den einzelnen Sensoren 210₁ , 210₂ und 202 erfassten Magnetfeldkomponenten und wie zu erkennen ist, erfasst der GMR-Sensor lediglich die in der Chipebene liegenden Magnetfeldkomponenten BX und BY wohingegen die Hall-Sensoren die Komponenten BZ erfassen. Wie ferner aus 6(b) zu erkennen ist, ist der Betrag der Signal-Amplituden BZ der beiden Hall-Sensoren 210₁ und 210₂ gleich.
7(a) zeigt die Sensorstruktur 200 aus 6(a), wobei anders als in 6(a) der Sensor 200 und der Magnet 212 schief zueinander angeordnet sind, was zur Folge hat, wie aus 7(b) zu erkennen ist, dass die Signal-Amplituden BZ der beiden Hall-Sensoren nicht mehr gleich sind.
8 zeigt eine Draufsichtdarstellung eines Magnetfeldsensors 200 gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 6 in einer weitern Ausführungsform. Wie aus der Draufsichtdarstellung zu erkennen ist, umfasst der Sensor 200 das Substrat 206, in dem eine Mehrzahl von Hall-Sensoren 210₁ bis 210₅ gebildet ist, die bezüglich einer Mitte des GMR-Sensors 202 versetzt angeordnet sind, derart, dass GMR-Sensor und Hall-Sensoren nicht-überlappend angeordnet sind. Ferner ist der optionale Hall-Sensor 202 gezeigt. Anstelle der in 8 gezeigten Anordnung könnte auch auf den Sensor 210₄ verzichtet werden oder eine anders ausgestaltete, symmetrische Anordnung der Hall-Sensoren gewählt werden, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf eine symmetrische Anordnung von Hall-Sensoren beschränkt ist.
Der anhand der 6 bis 8 gezeigte Magnetfeldsensor 200 gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel bildet einen integrierten GMR-Sensor mit zusätzlichen integrierten Hall-Sensoren 210₁ bis 210₅ , die dazu dienen, die Stärke eines Magnetfeldes in eine Richtung senkrecht zur Chipoberfläche zu messen, wobei, wie oben schon erwähnt, wesentlich ist, dass die GMR-Sensoren auf Magnetfelder in der X-, Y-Ebene reagieren, wohingegen die Hall-Sensoren 210₁ bis 210₄ nur auf die Z-Komponente des Magnetfeldes reagieren.
Vorzugsweise wird bei einer Verwendung der Magnetfeldsensoren gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel ein Magnetfeld 214 durch einen kleinen Magneten 212 erzeugt, so dass das Magnetfeld 214 nicht vollständig homogen in der X-, Y-Ebene ist, vielmehr sind die Feldlinien, wie aus 6(a) und 7(a) zu erkennen ist, gekrümmt. Die Krümmung ist naturgemäß umso stärker, je kleiner die ebene Magnet-Oberfläche ist. In diesem Fall ist es ausreichend, planare Hall-Elemente nicht direkt unter den GMR-Sensor zu platzieren, sondern etwas von der magnetischen Mitte entfernt.
Wie erwähnt, messen diese Hall-Sensoren die entsprechenden Z-Komponenten des Magnetfeldes, wodurch eine Verfälschung von Messsignalen bei der Erfassung eines Magnetfeldes in einer Erfassungsebene vermieden werden.
Dieses weitere Ausführungsbeispiel hat eine Vielzahl von Vorteilen, insbesondere bei der Anwendung der Magnetfeldsensoren. So kann in sicherheitsrelevanten Systemen der Wegfall des Ausgangssignals des GMR-Sensors bzw. eine Verfälschung desselben aufgrund einer Fehlfunktion ohne weiteres, auch online, und über die gesamte Lebensdauer mitgemessen werden. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass aufgrund der Ausgangssignale des Magnetfeldsensors eine entsprechende Auswertung durchgeführt werden kann, die während des gesamten Einsatzes des Sensors dessen ordnungsgemäßen Betrieb sicherstellt, so dass man nicht mehr nur auf den ordnungsgemäßen Einbau gemäß den vorgegebenen Toleranzen angewiesen ist, sondern eine ständige Überprüfungsmöglichkeit hat.
Der oben optional beschriebene, mittig positionierte Hall-Sensor 204 wird in Systemen verwendet, bei denen eine genaue Positionierung von Magnet zu GMR-Sensor erforderlich ist, da hierdurch eine optimale, aufeinander ausgerichtete Position von Magnet und Sensor bei einem minimalen Wert der senkrecht zur Chipebene wirkenden Magnetfeldkomponente Bz erkannt werden kann. Zusätzlich kann durch eine Erfassung der Feldstärken an den einzelnen Hall-Sensoren auch allgemein die Positioniergenauigkeit des Sensors innerhalb des Gesamtmoduls gesteuert werden.
Eine Verfälschung von Messsignalen bei der Erfassung eines Magnetfeldes in einer Erfassungsebene wird dadurch vermieden, dass das Magnetfeld unter Verwendung der Hall-Sensoren gemessen wird, um das Fehlen eines Magnetfeldes im Fehlerfall detektieren zu können. Ferner kann aufgrund der Messergebnisse bei der Messung des Magnetfeldes mit Hall-Sensoren eine Fehlerkorrekturrechnung durchgeführt werden, um die Winkel-Messgenauigkeit der GMR-Winkelsensoren zu erhöhen.
Wie oben erwähnt, ist ein Hall-Sensor bei einer Anordnung, wie sie anhand der 6, 7 und 8 gezeigt ist, nur in der Z-Komponente des Magnetfeldes empfindlich, nicht jedoch hinsichtlich des in der X-, Y-Richtung wirkenden Magnetfelds.
Unter Verwendung eines Hall-Sensors, beispielsweise des Sensors 210₁ wird eine Z-Komponente des Magnetfeldes an einem Punkt außerhalb der Mitte des Magneten gemessen, da auch dort eine Z-Komponente aufgrund der Inhomogenität des Magnetfeldes entsteht. Basierend auf dem Ausgangssignal dieses Hall-Sensors kann dann erfasst werden, ob ein Magnetfeld tatsächlich vorhanden ist oder nicht, ob also ein erforderlicher Magnet noch vorhanden ist.
Ebenso wie bei dem erstgenannten Ausführungsbeispiel kann der Sensor 204 in der Mitte des Magneten unterhalb des GMR-Sensors vorgesehen sein, um die Z-Komponente des Magnetfeldes bei einer Fehlerkorrekturrechnung aus dem Ausgangssignal des GMR-Sensors herauszurechnen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des weiteren Ausführungsbeispiels werden die Z-Komponenten des Magnetfeldes über die Mehrzahl von Hall-Sensoren 210₁ bis 210₅ an mehreren Punkten außerhalb der Mitte des Magneten erfasst, als so an Positionen, die von dem GMR-Sensor entfernt sind. Damit lässt sich einerseits ein mittleres Magnetfeld feststellen, das wiederum dazu herangezogen wird, um zu beurteilen, ob ein Magnet überhaupt vorhanden ist. Andererseits kann eine Fehlerkorrektur über die ermittelten Feldstärken durchgeführt werden.
Der Mittelwert der Beträge aller Feldstärken der Hall-Sensoren repräsentiert die Stärke des von außen angelegten Magnetfeldes, und über diese Stärke kann festgestellt werden, ob überhaupt ein Magnetfeld vorhanden ist.
Die Differenzen der Feldstärken zwischen den einzelnen Hall-Sensoren repräsentieren eine Schieflage des Magnetfeldes bezüglich des GMR-Sensors, wobei diese Werte zur Fehlerkorrektur des Ausgangssignals des GMR-Sensors herangezogen werden können.
Nachfolgend wird anhand der 9 bis 12 ein wiederum weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wurde davon ausgegangen, dass der Hall-Sensor auf eine senkrecht zur Substratoberfläche wirkende Feldkomponente des anliegenden Magnetfeldes reagiert, um hierdurch eine Korrektur des Ausgangssignals des GMR-Sensors bzw. weitergehende Informationen hinsichtlich der Position des Sensors bezüglich des Magnetfeldes zu erfassen. Durch diese Detektion mit Hilfe des Hall-Sensors kann sicher gestellt werden, dass erkannt wird, ob das erforderliche Magnetfeld auch anliegt und die ausgegebenen X,Y-Werte gültig sind. Existiert jedoch ein homogenes Magnetfeld in der X,Y- Richtung, so erzeugt der zusätzliche Hall-Sensor, der lediglich sensibel auf die Z-Komponente des Magnetfeldes ist, kein Ausgangssignal. Um diese Problematik zu lösen, ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Einrichtung zum Umlenken der Feldkomponenten vorgesehen, um die X,Y-Feldkomponenten zumindest teilweise in die Z-Komponenten umzulenken.
9a zeigt eine erste Ausgestaltung des weiteren Ausführungsbeispiels, bei der ein Ausschnitt des Magnetfeldsensors gezeigt ist (ohne GMR-Sensor). Der Hall-Sensor 204 ist in dem Substrat 206 (Chip) integriert aufgebaut, und auf einer Oberfläche des Substrats 206 ist ein Feldkonzentrator 217 aus einem geeigneten magnetischen Material angeordnet, der bei dem dargestellten Beispiel mit dem Hall-Sensor 204 teilweise überlappend angeordnet ist. Die Feldlinien sind mit den Bezugszeichen 214 bezeichnet. Wie zu erkennen ist, erfolgt durch die Bereitstellung des Feldkonzentrators 217 eine Umlenkung der in der X,Y-Ebene wirkenden Feldkomponenten in die Z-Richtung, so dass diese durch den Hall-Sensor 204 erfasst werden können. Der in 9a gezeigte separate Feldkonzentrator aus magnetischem Material wird nachträglich aufgebracht. Alternativ kann der Feldkonzentrator 217 aus einem GMR-Material hergestellt werden, welches bei der Herstellung des GMR-Sensors ohnehin verwendet wird, so dass hier bei der Herstellung z.B. nur eine veränderte Strukturierungsmaske zur Strukturierung des GMR-Materials erforderlich ist, jedoch ansonsten keinerlei zusätzliche Prozessschritte. Der Feldkonzentrator wird in diesem Fall im gleichen Herstellungsschritt wie der GMR-Sensor erzeugt.
9b zeigt eine alternative Ausführungsform, bei dem der GMR-Sensor 202 selbst als Feldkonzentrator wirksam ist. Wie in 9b gezeigt ist, ist in dem Chip 204 ein erster Hall-Sensor 210₁ sowie ein zweiter Hall-Sensor 210₂ angeordnet. Auf der Chipoberfläche ist der GMR-Sensor 202 angeordnet, und mit dem Bezugszeichen 214 sind wiederum die Feldlinien bezeichnet. Die Hall-Sensoren sind bei dem Beispiel in 9b bezüglich dem Umfang des GMR-Sensors so angeordnet, dass die Sensoren 210₁ und 210₂ über den äußeren Umfang des GMR-Sensors hervorstehen, wie dies in der Draufsichtdarstellung 210 deutlicher zu erkennen ist, wobei hier auch noch die zusätzlichen Hall-Sensoren 210₃ und 210₄ zu sehen sind. Bei den in 9b und in 10 gezeigten Beispiel ist der Feldkonzentrator 217 durch den Mess-GMR-Sensor selbst gebildet. Somit ist keine zusätzliche magnetische Struktur nötig, da der vorhandene GMR-Sensor neben der Messung der X,Y-Feldkomponenten auch noch eine Umlenkung der Komponenten in die Z-Richtung bewirkt, und so als Feldkonzentrator dient.
Die Auswirkung des GMR-Sensors als Feldkonzentrator zur Umlenkung der X,Y-Komponente des Magnetfelds in die Z-Komponente für eine sichere Erfassung durch die Hall-Sensoren ist in 11 nochmals anhand einer FEM-Simulation gezeigt, die eine Querschnittdarstellung eines Sensors 200 und des zugeordneten Magneten 212 zeigt. Mit X ist der in 12 vergrößert gezeigte Ausschnitt dargestellt. Wie insbesondere aus 12 gut zu erkennen ist, erfolgt hier eine entsprechende Umleitung der Feldkomponenten aus der X,Y-Ebene in die Z-Ebene.
Somit wird durch die Anordnung eines zusätzlichen Feldkonzentrators gemäß 9a bzw. durch die in 9b gezeigte Anordnung von GMR-Sensor und Hall-Sensor relativ zueinander sichergestellt, dass auch bei einem vollständig planaren Magnetfeld eine Umlenkung der planaren Komponenten in die Z-Ebene erfolgt, um hierdurch eine Erfassung durch den Hall-Sensor sicherzustellen.
Zusätzlich wird darauf hingewiesen, dass das anhand der 9 bis 12 beschriebene Ausführungsbeispiel nicht auf einen Einsatz eines Magnetfeldsensors mit rein planarer Ausgestaltung des Magnetfelds beschränkt ist. Vielmehr kann dieser Ansatz auch bei den oben Ausführungsbeispielen verwendet werden, um eine Verstärkung des Ausgangssignals des Hall-Sensors zu bewirken, indem die Feldkonzentration in der Z-Ebene nochmals verstärkt wird und so ein sicheres Ausgangssignal am Hall-Sensor erzeugt werden kann.
13 zeigt schematisch einen Sensor mit dem Magnetfeldsensor 200 bestehend aus dem GMR-Sensor 202 und dem Hall-Sensor 204, wobei die Ausgangssignale von den Ausgängen AUS und AUS_H der zwei Sensoren über die Leitungen 216 und 218 an die Eingange EIN_G und EIN_H einer Signalverarbeitungsschaltung 220 ausgegeben werden, die ihrerseits am Ausgang AUS ein korrigiertes Signal, ein Positionssignal und/oder ein Fehlersignal ausgibt. Obwohl in 13 ein Beispiel gezeigt ist, bei dem die Signalverarbeitungsschaltung mit einem Magnetfeldsensor gemäß dem anhand der 4 und 5 beschriebenen Ausführungsbeispiel verbunden ist, kann der Sensor auch einen Magnetfeldsensor gemäß den anhand der 6 bis 11 beschriebenen Ausführungsbeispielen umfassen.
Wird die Signalverarbeitungsschaltung zusammen mit einem Magnetfeldsensor gemäß dem anhand der 4 und 5 beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet, so ist die Signalverarbeitungsschaltung ferner konfiguriert, um basierend auf dem Ausgangssignal des Hall-Sensors das Ausgangssignal des GMR-Sensors bezüglich der senkrecht zu der Ebene wirkenden Magnetfeldkomponente zu kompensieren und/oder um basierend auf dem Ausgangssignal des Hall-Sensors zu bestimmen, ob ein zu erfassendes Magnetfeld vorliegt oder nicht.
Wird die Signalverarbeitungsschaltung 220 zusammen mit einem Magnetfeldsensor gemäß den anhand der 6 bis 11 beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet, so ist die Signalverarbeitungsschaltung ferner konfiguriert, um basierend auf den Ausgangssignalen der Mehrzahl von Hall-Sensoren einen Mittelwert der Beträge der durch die Hall-Sensoren erfassten Feldstärken zu erzeugen, und um basierend auf dem Mittelwert zu bestimmen, ob ein zu erfassendes Magnetfeld vorliegt. Zusätzlich oder alternativ kann die Signalverarbeitungsschal tung in diesem Fall konfiguriert sein, um basierend auf den Ausgangssignalen der Hall-Sensoren Differenzen der durch die einzelnen Hall-Sensoren erfassten Feldstärken zu bestimmen, und um basierend auf diesen Differenzen eine Schräglage des Magnetfeldes bezüglich des Magnetfeldsensors zu bestimmen, wobei die Signalverarbeitungsschaltung ferner konfiguriert sein kann, um basierend auf den erfassten Differenzen ein Fehlersignal zu erzeugen oder das Ausgangssignal des GMR-Sensors basierend auf den erfassten Differenzen zu korrigieren.
Für den Fall, dass ein Hall-Sensor mittig bezüglich des GMR-Sensors angeordnet ist, wie dies den obigen Ausführungsbeispielen der Fall sein kann, ist die Signalverarbeitungsschaltung zusätzlich konfiguriert, um basierend auf dem Ausgangssignal des Hall-Sensors ein Positionssignal zu erzeugen, das eine Position des Magnetfeldsensors bezüglich eines Magneten anzeigt, der das zu erfassende Magnetfeld erzeugt.
Ferner kann eine Ausrichtung des Magnetfeldsensors bezüglich des Magnetfeldes bestimmt werden, indem das Ausgangssignal des Hall-Sensors als Positionssignal beim Einbau des Magnetfeldsensors verwendet wird. Abhängig von einer Position des Hall-Sensors bezüglich des xMR-Sensors und abhängig von einer erfassten Feldstärke an dem Hall-Sensor kann auf die Position des Magnetfeldsensors bezüglich des Magnetfeldes geschlossen werden. Ist der Hall-Sensor beispielsweise mittig bezüglich des XMR-Sensors angeordnet, so kann beim Erfassen eines minimalen Ausgangssignals, welches ein minimales Feld, welches durch den Hall-Sensor erfasst wird, widerspiegelt, eine optimale Position des Magnetfeldsensors, und insbesondere des xMR-Sensors bezüglich des Magneten erkannt werden.
Anhand der 14 wird nun ein Ausführungsbeispiel für einen integrierten Magnetfeldsensor und einen integrierten Sensor (Magnetfeldsensor und Signalverarbeitungsschaltung) sowie für deren Herstellung beschrieben.
14a zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Magnetfeldsensor der vorliegenden Erfindung. Der Magnetfeldsensor umfasst das Halbleitersubstrat 206, z.B. aus Siliziummaterial, mit einer ersten Hauptoberfläche 208, wobei eine Hall-Sensorstruktur 204 angrenzend an die Hauptoberfläche 208 des Halbleitersubstrats 206 in bekannter Weise in dasselbe integriert ist. Gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die in das Halbleitersubstrat 206 integrierte Hall-Sensorstruktur 204 im Wesentlichen mittels beliebiger MOS- und Bipolar-Techniken bzw. Kombinationen dieser Techniken (BiCMOS-Prozesse) hergestellt werden. Diese Verfahrensschritte münden typischerweise in einen abschließenden Passivierungsschritt, bei dem die für die Verdrahtung der elektrischen Komponenten des(r) Hall-Sensor(en) 204 erforderlichen Verdrahtungsebenen mit einer elektrisch isolierenden Passivierungsschicht, z.B. aus Siliziumoxid oder Nitrid, bis auf gewünschte Kontaktlöcher abdeckt werden. Daher ist die Hauptoberfläche 208 typischerweise durch die Oberfläche der elektrisch isolierenden Passivierungsschicht (nicht gezeigt in 14a-b) definiert.
Auf der Hauptoberfläche 208 des Halbleitersubstrats 206 ist nun die magnetoresistive Sensorstruktur 202, z.B. in Form einer GMR-Sensorstruktur, mittels planarer Prozessschritte aufgebracht. Mögliche Schichtfolgen der GMR-Sensorstruktur sind z.B. in den 1a)-1c) und in 2 dargestellt. Die Dicke der magnetoresistiven Sensorstruktur 202 liegt im Bereich von etwa 2 bis 200 nm und vorzugsweise in einem Bereich um etwa 50 nm. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung umfassen magnetoresistive Strukturen bzw. Sensorstrukturen alle xMR-Strukturen, also insbesondere AMR-Strukturen (AMR = Anisotropic Magnetoresistance), GMR-Strukturen (GMR = Giant Magnetoresistance), CMR-Strukturen (CMR = Colossal Magnetoresistance), EMR-Strukturen (EMR = Extraordinary Magnetoresistance) und TMR-Strukturen (TMR = Tunnel Magnetoresistance), sowie Magnetwiderstandstrukturen und Spin-Valve- Strukturen (Spin-Ventil-Strukturen). Es sei darauf hingewiesen, dass die obige Aufzählung nicht abschließend ist.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass das Verfahren zwar nur anhand eines einzelnen Magnetfeldsensors erläutert wurde, das Verfahren jedoch gleichermaßen zur Massenfertigung solcher Magnetfeldsensoren auf Waferebene anwendbar ist. Ferner können eine Mehrzahl von Hall-Sensoren gebildet werden, wie dies oben anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben wurde.
Bevor die weiteren Schritte zur Herstellung beschrieben werden, wird zunächst ein Herstellungsverfahren für einen Sensor, d.h. einen integrierten Magnetfeldsensor mit Signalverarbeitungsschaltung anhand der 14b erläutert. Der grundsätzliche Unterschied zu 14a besteht darin, dass zusätzlich zu dem/den Hall-Sensor(en) die Signalverarbeitungsschaltung 220 in dem Substrat 206 integriert ist, wie dies in 14b schematisch gezeigt ist. Die Signalverarbeitungsschaltung 220 ist derart integriert, dass diese elektrisch mit dem(n) Hall-Sensor(en) 204 und bevorzugt auch mit dem GMR-Sensor (202) verbunden ist, so dass die oben beschriebene Funktionalität zur Korrektur des Ausgangssignals des GMR-Sensors bzw. zum Erfassen der anderen beschriebenen Signale durchgeführt werden kann. Die Kontaktierung des GMR-Sensors 202 mit der Signalverarbeitungsschaltung 220 kann beispielsweise mittels einer herkömmlichen Durchkontaktierung erfolgen, die den GMR-Sensor 202 mit einer Verdrahtungsebene der Signalverarbeitungsschaltung 220 verbindet.
14b zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Sensor gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Der Sensor umfasst ein Halbleitersubstrat 206, z.B. aus Silizium, mit einer ersten Hauptoberfläche 208, wobei eine Hall-Sensorstruktur 204 und eine Halbleiterschaltungsanordnung 220 angrenzend an die Hauptoberfläche 208 des Halbleitersubstrats 206 im Wesentlichen mittels beliebiger MOS- und Bipolar-Techniken bzw. Kombinationen dieser Techniken (BiCMOS-Prozesse) in dasselbe integriert ist, wobei die integrierte Schaltungsanordnung 220 sowohl aktive Bauelemente wie Transistoren als auch passive Bauelemente wie Dioden, Widerstände und Kondensatoren sowie die Verdrahtung dieser Komponenten aufweisen kann.
Wie oben bei dem anhand der 14a beschriebenen Ausführungsbeispiel wird auch hier darauf hingewiesen, dass das Verfahren zwar nur anhand eines Sensors erläutert wurde, das Verfahren jedoch gleichermaßen zur Massenfertigung solcher Sensoren auf Waferebene anwendbar ist. Ferner können eine Mehrzahl von Hall-Sensoren gebildet werden, wie dies oben anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben wurde.
Im Folgenden wird nun beispielhaft auf einen CMOS-Basisprozess eingegangen. Bei einem CMOS-Basisprozess werden zuerst die p- bzw. n-Wannen zur Erzeugung der Substratbereiche der n-Kanal- bzw. p-Kanal-MOS-Transistoren hergestellt (Wannen-Prozessmodul). Es folgt im Prozessablauf die Isolation benachbarter Transistoren, indem zwischen den Transistoren ein sogenanntes Feldoxid erzeugt wird. In den sogenannten aktiven Bereichen, d.h. die Gebiete, die nicht vom Feldoxid bedeckt sind, entstehen anschließend die MOS-Transistoren. Damit ist der vordere Teil des Gesamtprozesses, der die Transistoren und ihre gegenseitige Isolation bereitstellt, abgeschlossen. Er wird auch als FEOL (= Front End Of Line) bezeichnet. Im BEOL-Teil (BEOL = Back End Of Line) geht es nun um das Kontaktieren und Verbinden der einzelnen mono- oder polykristallinen Halbleiterbereiche (z.B. Siliziumbereiche) des FEOL-Teils gemäß der gewünschten integrierten Schaltungsanordnung 220.
Für die Kontaktierung und Verbindung der Halbleiterbereiche ist zumindest eine Metalllage, wobei häufig auch zwei und mehr Metalllagen verwendet werden, wobei man in diesen Fall von einer Mehrlagenmetallisierung spricht. Den Abschluss des Prozesses bildet die Passivierung, die die integrierte Schal tung gegen mechanische Schädigungen aufgrund von Umgebungseinflüssen und gegen das Eindringen von Fremdstoffen schützen soll.
Mit fortschreitender Strukturverkleinerung bei gleichzeitig immer größerer Dicke des Gesamt-Schichtaufbaus spielt die Einebnung von Oberflächen mit steilen Stufen eine immer größere Rolle, so dass auch gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Einebnungsverfahren erforderlich sein können, um beispielsweise möglichst ebene Oberflächen der verschiedenen Ebenen, wie z.B. der Metalllage(n) oder der Isolationsschichten und damit der magnetoresistiven Struktur 202, zu erhalten.
Auf der Oberfläche 208 des Substrats 206 ist die magnetoresistive Sensorstruktur 202 aufgebracht. Die Dicke der magnetoresistiven Sensorstrukturen 202 liegt im Bereich von etwa 2 bis 200 nm und vorzugsweise in einem Bereich um etwa 50 nm. Wie erwähnt, umfassen magnetoresistive Strukturen bzw. Sensorstrukturen alle xMR-Strukturen, also insbesondere AMR-Strukturen (AMR = Anisotropic Magnetoresistance), GMR-Strukturen (GMR = Giant Magnetoresistance), CMR-Strukturen (CMR = Colossal Magnetoresistance), EMR-Strukturen (EMR = Extraordinary Magnetoresistance) und TMR-Strukturen (TMR = Tunnel Magnetoresistance), sowie Magnetwiderstandstrukturen und Spin-Valve-Strukturen (Spin-Ventil-Strukturen). Es sei darauf hingewiesen, dass die obige Aufzählung nicht abschließend ist
Um nun den in 14a bzw. in 14b dargestellten Magnetfeldsensor bzw. Sensor mit der integrierten Schaltungsanordnung 220, dem integrierten Hall-Sensor 204 und der magnetoresistiven Sensorstruktur 202 gegen Korrosion und mechanische Beschädigungen zu schützen, kann nach der Strukturierung bzw. nach dem strukturierten Aufbringen der magnetoresistiven Sensorstruktur 202 optional eine Passivierungsschichtanordnung 222/224 aufgebracht werden, die lediglich an denjenigen Stel len geöffnet wird, an denen Kontaktstellen 226 zu kontaktieren sind. Die Passivierungsschichtanordnung 222 kann beispielsweise aus einem Oxid, z.B. Plasmaoxid, oder einem Nitrid, z.B. Plasmanitrid, mit jeweils einer Schichtdicke von etwa 0,1 bis 5 μm und vorzugsweise von etwa 0,5 bis 1 μm bestehen. Es sind aber auch Doppelschichten aus Oxid- und/oder Nitrid-Materialien mit den obigen Schichtdicken denkbar.
Die Vorgehensweise zur Herstellung eines Magentfeldsensors bzw. eines Sensors gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung lässt sich somit folgendermaßen zusammenfassen. Der Grundprozess des Halbleiterbasisherstellungsprozesses wird bis zur Herstellung der Hall-Sensorstruktur 204 (14a) bzw. der Hall-Sensorstruktur 204 und der Halbleiterschaltungsanordnung 220 (14b) durchgeführt. Ein Ausheilen des bis dahin vorliegenden Bauelements kann (falls erforderlich) mit einem Anneal-Vorgang, z.B. bei Temperaturen von 150 bis 350 °C, erfolgen.
Auf der Oberfläche 208 des Substrats 206 wird die magnetoresistive Sensorstruktur 202 aufgebracht und strukturiert. Schließlich wird optional die Passivierungsanordnung 222/224 aufgebracht, die beispielsweise eine Oxid/Nitrid-Passivierungsschicht 222 und eine zusätzliche Passivierungsschicht 224 aus einem Photoimid-Material aufweist. Zu diesem Zeitpunkt kann auch hier ein zusätzlicher Anneal-Vorgang erfolgen, der aber mit der bereits aufgebrachten magnetoresistiven Sensorstruktur verträglich sein sollte. Abschließend werden Anschlusspads 226 mit dem Standardprozess des Basisherstellungsprozesses geöffnet und mit einem leitfähigen Material 228 gefüllt, so dass die Kontaktstelle 226 und ggf. weitere Kontaktstellen zum Kontaktieren der Hallsensorstruktur 204 und/oder der integrierten Schaltung 220 mit einem Anschlussleitungsrahmen (lead frame) eines Bausteingehäuses verbunden werden können.
Aus dem anhand der 14 beschriebenen Herstellungsverfahren wird deutlich, dass die magnetoresistive Sensorstruktur in einem Prozess zur Herstellung der Hall-Sensorstruktur 204 bzw. der Hall-Sensorstruktur 204 und der Halbleiterschaltungsanordnung 220 integriert werden kann. Die Kontaktierung der magnetoresistiven Sensorstruktur kann von unten (bezüglich der magnetoresistiven Sensorstruktur in Richtung des Halbleitersubstrats) durch die Verwendung eines Standard-Intermetall-Kontaktprozesses (d.h. z.B. W-Plugs) erreicht werden. Ferner kann eine Kontaktierung der magnetoresistiven Sensorstruktur 202 von oben entweder durch eine zusätzliche Metallschicht oder durch einen zusätzlichen Metallkontakt erhalten werden.
Darüber hinaus ist das Herstellungsverfahren dahin gehend vorteilhaft, dass eine beispielsweise mit einer CMP-Vorgehensweise planarisierte und entsprechend konditionierte Oberfläche als Ausgangspunkt und Wachstumsunterlage für die magnetoresistive Sensorstruktur, die vorzugsweise als xMR-Schichtstapel ausgebildet ist, verwendet wird. Damit kann gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine mit einer Hall-Sensorstruktur/aktiven Schaltungsanordnung integrierte magnetoresistive Sensorstruktur erhalten werden.
Wie aus den obigen Ausführungen deutlich wird, ist es aus Kosten- und Performancegründen vorteilhaft, die magnetoresistive Sensorstruktur und die Hall-Sensorstruktur zusammen mit der Auswerte-/Ansteuerelektronik auf dem Halbleiterschaltungssubstrat (vertikal) zu integrieren. Für höchste Kompatibilität mit dem Fertigungsprozess ist es erforderlich, auch eine vertikale Integration zu ermöglichen, d.h. oberhalb der integrierten elektronischen Halbleiterschaltungsanordnungen die magnetoresistiven Sensorstrukturen zu positionieren, sowie auch eine zum Teil notwendige Zusatzpassivierung mit einem photosensitiven Polyimid zu implementieren. Das Polyimid-Material ist häufig ein sehr wichtiger Bestandteil, um die Haftung zwischen dem Gehäuse und der Chipoberfläche deutlich zu verbessern. Das Photoimid-Material ist dabei typischerweise zwischen 2,5 μm und 6 μm dick.
Das Herstellungsverfahren bietet somit eine Reihe von Vorteilen. So kann das Verfahren mit einer aktiven Halbleiterschaltungsanordnung mit geringfügigen Anpassungen in jeden Halbleiterbasisherstellungsprozess eingebaut werden. Die aufgebrachte magnetoresistive Sensorstruktur setzt dabei auf eine planare und unabhängig vom Halbleiterbasisherstellungsprozess zu konditionierende Oberfläche auf. Damit ermöglicht der ideal planare Kontaktbereich zwischen magnetoresistiver Sensorstruktur und Kontaktanschlussflächen eine äußerst robuste und zuverlässige Kontaktierung der magnetoresistiven Sensorstruktur, d.h. der xMR-Schichtsysteme. Probleme wie Abrisse, Verdünnungen usw. werden vermieden. Ferner wird die aktive Sensorschicht, d.h. die magnetoresistive Sensorstruktur, nicht durch einen Ätzprozess von oben verändert.
Aufgrund der geringen Dicke der magnetoresistiven Sensorstrukturen im Bereich von etwa 2 bis 200 nm und vorzugsweise in einem Bereich um etwa 50 nm setzt ferner die abschließende Passivierung mit der Passivierungsanordnung 222 und/oder der zusätzlichen Passivierungsschicht 224 auf eine weitgehend planare Oberfläche auf und ist damit in einem großen Prozessfenster dicht. Optional ist es ferner möglich, dass die letzten Intermetallverbindungen (Via) des Halbleiterbasisherstellungsprozesses als Sensoranschluss, d.h. als Anschluss der magnetoresistiven Sensorstruktur, verwendet werden.
Darüber hinaus kann bei dem Herstellungsverfahren der abschließende Anneal-Vorgang für den integrierten Prozess, d.h. den Halbleiterbasisherstellungsprozess, und für das magnetoresistive Sensormodul unabhängig erfolgen, so dass insbesondere der bei geringerer Temperatur durchführbare Annealvorgang für der Sensormodul später durchgeführt werden kann, ohne dass die anderen integrierten Schaltungsteile beschädigt werden, und umgekehrt der bei hohen Temperaturen stattfinden de Annealvorgang für die restliche Integration vor der Erzeugung des Sensormoduls durchführbar ist, so dass keine Beeinträchtigung bzw. Zerstörung des Sensormoduls auftritt.
Somit wird deutlich, dass für das Herstellungsverfahren planare Prozessschritte und im Wesentlichen nur Standard-Halbleiterherstellungsprozesse erforderlich sind. Der resultierende Magnetfeldsensor bzw. Sensor kann platzsparend auf die aktive integrierte Halbleiterschaltung aufgesetzt werden, wobei in diesem Zusammenhang von einer vertikalen Integration gesprochen wird.
Es sei weiterhin erwähnt, dass das beschriebene Verfahren zur Integration von magnetoresistiven Sensoren mit Hall-Sensoren in einem Siliziumsubstrat mit entsprechender Anpassung auch für eine Integration von magnetoresistiven Sensoren mit Hall-Sensoren in einem GaAs Substrat verwendet werden kann.
Die Sensoren kommen in allen Bereichen der Technik zur Anwendung, in denen das magnetische Feld als Informationsträger dienen kann, also z.B. in der Fahrzeugtechnik, im Maschinenbau/Robotik, der Medizintechnik, der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und in der Mikrosystemtechnik. Mit Hilfe der Sensoren werden eine Vielzahl von unterschiedlichen mechanischen Parametern erfasst, wie z.B. Position, Geschwindigkeit, Winkelstellung, Drehzahl, Beschleunigung usw., aber auch Stromfluss, Verschleiß oder Korrosion können gemessen werden.

100: gekoppeltes GMR-System
101: GMR-Struktur
102: magnetische Schicht
104: nicht-magnetische Schicht
106: magnetische Schicht
107: ferromagnetische Schicht
108: anti-ferromagnetische Schicht
109: nicht-magnetische Schicht
110: natürlicher Antiferromagnet
120: TMR-Struktur
122: ferromagnetische Elektrode
124: isolierende Tunnelbarriere
126: ferromagnetische Elektrode
200: Magnetfeldsensor
202: GMR-Sensor
204: Hall-Sensor
204₁: Hall-Sensor
204₂: Hall-Sensor
206: Substrat
208: Oberfläche des Substrats
210_1-4: Hall-Sensor
212: Magnet
214: Magnetfeld
216: Leitung
217: Feldkonzentrator
218: Leitung
220: Signalverarbeitungsschaltung
222: Passivierungsschicht
224: Passivierungsschicht
226: Kontaktstelle
228: Metall-Plug
AUS: Ausgang der Signalverarbeitungsschaltung
EIN_G: erster Eingang der Signalverarbeitungsschaltung
EIN_H: zweiter Eingang der Signalverarbeitungsschaltung
AUS: Ausgang des GMR-Sensors
EIN_H: Ausgang des Hall-Sensors

Claims

Magnetfeldsensor, mit einem ersten Sensor (202), der angeordnet ist, um ein in einer Ebene wirkendes Magnetfeld (214) zu erfassen; und einem zweiten Sensor (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ), der bezüglich des ersten Sensors (202) angeordnet ist, um eine Komponente (B_z) des Magnetfeldes (214) senkrecht zu der Ebene zu erfassen.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, bei dem der erste Sensor (202) ein magnetoresistiver Sensor ist.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 2, bei dem der magnetoresistive Sensor (202) ein AMR-Sensor, ein GMR-Sensor, ein CMR-Sensor, ein EMR-Sensor oder ein TMR-Sensor ist.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der zweite Sensor (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) ein Hall-Sensor ist.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der erste Sensor (202) und der zweite Sensor (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) integriert aufgebaut sind.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der erste Sensor (202) und der zweite Sensor (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) auf einem gemeinsamen Substrat (206) hergestellt sind.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der erste Sensor (202) und der zweite Sensor (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) durch planare Prozessschritte auf einem gemeinsamen Substrat (206) hergestellt sind.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der zweite Sensor (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) in dem Substrat (206) gebildet ist, und bei dem der erste Sensor (202) auf einer Oberfläche (208) des Substrats (206) angeordnet ist.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der erste Sensor (202) und der zweite Sensor (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) zumindest teilweise überlappend zueinander angeordnet sind.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 9, bei dem der zweite Sensor (204) angeordnet ist, um mit der Mitte des ersten Sensors (202) ausgerichtet zu sein.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der erste Sensor (202) und der zweite Sensor (204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₄ ) nicht-überlappend angeordnet sind.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem benachbart zu dem zweiten Sensor (204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₄ ) ein Magnetfeldkonzentrator (217) angeordnet ist, um in der Ebene wirkende Magnetfeldkomponenten zumindest teilweise in eine Richtung senkrecht zu der Ebene umzulenken.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 12, bei dem der Magnetfeldkonzentrator (217) auf der Oberfläche (208) des Substrats (206) zumindest teilweise überlappend mit dem zweiten Sensor (204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₄ ) angeordnet ist.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 10, bei dem der erste Sensor (202) und der zweite Sensor (210₁ -210₄ ) derart angeordnet sind, dass der zweite Sensor (210₁ -210₄ ) über einen Umfangsabschnitt des ersten Sensors (202) vorsteht, so dass der erste Sensor (202) als Magnetfeldkonzentrator für den zweiten Sensor (210₁ -210₄ ) wirksam ist, um in der Ebene wir kende Magnetfeldkomponenten zumindest teilweise in eine Richtung senkrecht zu der Ebene umzulenken.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einer Mehrzahl von zweiten Sensoren (210₁ -210₅ ), die versetzt zu der Mitte des ersten Sensors (202) angeordnet sind.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 15, bei dem die versetzt angeordneten zweiten Sensoren (210₁ -210₅ ) symmetrisch zu der Mitte des ersten Sensors (202) angeordnet sind.
Sensor, mit: einem Magnetfeldsensor (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 16; und einer Signalverarbeitungsschaltung (220), die konfiguriert ist, um basierend auf den Ausgangssignalen von dem ersten Sensor (202) und dem zweiten Sensor (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) ein Signal entsprechend einem in der Ebene des ersten Sensors (202) wirkenden Magnetfeld (214) zu erzeugen, das bezüglich der senkrecht zu der Ebene wirkenden Magnetfeldkomponente (B_z) korrigiert ist.
Sensor, mit: einem Magnetfeldsensor (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 16; und einer Signalverarbeitungsschaltung (220), die konfiguriert ist, um basierend auf dem Ausgangssignal des zweiten Sensors (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) zu bestimmen, ob ein zu erfassendes Magnetfeld vorliegt.
Sensor, mit: einem Magnetfeldsensor (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 16; und einer Signalverarbeitungsschaltung (220), die konfiguriert ist, um basierend auf einer Position des zweiten Sensors (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) bezüglich des ersten Sensors (202) und basierend auf einem Ausgangssignal des zweiten Sensors (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) ein Positionssignal zu erzeugen, dass eine Position des Magnetfeldsensors (200) bezüglich eines Magneten (212) anzeigt, der das zu erfassende Magnetfeld (214) erzeugt.
Sensor, mit: einem Magnetfeldsensor (200) nach Anspruch 15 oder 16; und einer Signalverarbeitungsschaltung (220), die konfiguriert ist, um basierend auf den Ausgangssignalen der zweiten Sensoren (204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) einen Mittelwert der Beträge der durch die zweiten Sensoren (204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) erfassten Feldstärken zu erzeugen, und um basierend auf dem Mittelwert zu bestimmen, ob ein zu erfassendes Magnetfeld (214) vorliegt.
Sensor, mit: einem Magnetfeldsensor (200) nach Anspruch 15 oder 16; und einer Signalverarbeitungsschaltung (220), die konfiguriert ist, um basierend auf den Ausgangssignalen der zweiten Sensoren (210₁ -210₅ ) Differenzen der durch die einzelnen zweiten Sensoren (210₁ -210₅ ) erfassten Feldstärken zu bestimmen, und um basierend auf den Differenzen eine Schräglage des Magnetfeldes (214) bezüglich des Magnetfeldsensors (200) zu bestimmen.
Sensor nach Anspruch 21, wobei dem die Signalverarbeitungsschaltung (220) ferner konfiguriert ist, um abhängig von einem Betrag der erfassten Differenzen ein Fehlersignal zu erzeugen, oder um das Ausgangssignal des ersten Sensors (202) basierend auf den erfassten Differenzen zu korrigieren.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes (214) in einer Ebene, mit folgenden Schritten: Erfassen eines Ausgangssignals eines ersten Sensors (202), der das in der Ebene wirkende Magnetfeld (214) erfasst; Erfassen eines Ausgangssignals eines zweiten Sensors (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ), der eine Magnetfeldkomponente (B_z) senkrecht zu der Ebene erfasst; und basierend auf dem Ausgangssignals des zweiten Sensors (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ), Korrigieren des Ausgangssignals des ersten Sensors (202) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des zweiten Sensors.
Verfahren zum Bestimmen, ob ein Magnetfeld (214) an einem Magnetfeldsensor (200) anliegt, wobei der Magnetfeldsensor (200) einen ersten Sensor (202) zum Erfassen eines in einer Ebene wirkenden Magnetfeldes (214) und einen zweiten Sensor (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) zum Erfassen einer senkrecht zu der Ebene wirkenden Komponente des Magnetfeldes umfasst, mit folgenden Schritten: Erfassen einer senkrecht zu der Ebene wirkenden Magnetfeldkomponente (B_z); und basierend auf einem Pegel der senkrecht zu der Ebene erfassten Magnetfeldkomponente (B_z), Bestimmen ob das Magnetfeld (214) vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem der Magnetfeldsensor (200) eine Mehrzahl von zweiten Sensoren (210₁ -210₅ ) umfasst, mit folgenden Schritten: Erfassen der Ausgangssignale von den zweiten Sensoren (210₁ -210₅ ); Bilden des Mittelwerts der Ausgangssignale; und basierend auf dem Mittelwert, Bestimmen, ob das Magnetfeld (214) vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem der Magnetfeldsensor (200) eine Mehrzahl von zweiten Sensoren (210₁ -210₅ ) umfasst, mit folgenden Schritten: Erfassen der Ausgangssignale von den zweiten Sensoren (210₁ -210₅ ); Bestimmen von Differenzen der Ausgangssignale der zweiten Sensoren (210₁ -210₅ ); und basierend auf den Differenzen, Bestimmen einer Schräglage des Magnetfeldes (214) bezüglich des Magnetfeldsensors (200).
Verfahren nach Anspruch 24, mit folgenden Schritten: abhängig von einem Betrag der erfassten Differenzen, Erzeugen eines Fehlersignals; oder basierend auf den erfassten Differenzen, Korrigieren eines Ausgangssignals des ersten Sensors (202).
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, bei dem das Vorliegen des Magnetfeldes (214) während des Betriebs des Magnetfeldsensors (200) überwacht wird.
Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Magnetfeldsensors (200) bezüglich eines Magnetfeldes (214), wobei der Magnetfeldsensor (200) einen ersten Sensor (202) zum Erfassen eines in einer Ebene wirkenden Magnetfeldes (214) und einen zweiten Sensor (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) zum Erfassen einer zu der Ebene senkrecht wirkenden Komponente (B_z) des Magnetfeldes umfasst, mit folgenden Schritten: Erfassen der senkrecht zu der Ebene wirkenden Magnetfeldkomponente (B_z); basierend auf einer Position des zweiten Sensors (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) bezüglich des ersten Sensors (202) und auf dem Pegel der senkrecht zu der Ebene erfassten Magnetfeldkomponente (B_z), Bestimmen der Position des Magnetfeldsensors (200) bezüglich dem Magnetfeld (214).
Verfahren nach Anspruch 29, bei der der zweite Sensor (204) mittig bezüglich des ersten Sensors (202) angeordnet ist, so dass ein minimaler Pegel der senkrecht zu der Ebene erfassten Magnetfeldkomponente (B_z) eine optimale Position des Magnetfeldsensors (200) bezüglich des Magnetfeldes (214) anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, bei dem die Position des Magnetfeldsensors (200) beim Einbau und/oder während dessen Betrieb überwacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 31, bei dem der erste Sensor (202) ein magnetoresistiver Sensor ist.
Verfahren nach Anspruch 31, bei dem der magnetoresistive Sensor (202), ein AMR-Sensor, ein GMR-Sensor, ein CMR-Sensor, ein EMR-Sensor oder ein TMR-Sensor ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 33, bei dem der zweite Sensor ein Hall-Sensor ist.
Verfahren zum Herstellen eines Magnetfeldsensors (200), mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats (206); Erzeugen einer ersten Sensorstruktur (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) auf dem Substrat (206), derart, dass die Sensorstruktur (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) eine Magnetfeldkomponente (B_z) erfasst, die senkrecht zu einer Oberfläche (208) des Substrats (206) anliegt; und Erzeugen einer zweiten Sensorstruktur (202) auf dem Substrat (206), wobei die zweite Sensorstruktur (202) wirksam ist, um ein Magnetfeld (214) parallel zu der Oberfläche (208) des Substrats (206) zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 33, mit folgenden Schritten: Erzeugen einer Signalverarbeitungsschaltung (220) in dem Substrat (206).
Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, bei dem die erste Sensorstruktur (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) und die zweite Sensorstruktur (202) durch planare Prozessschritte erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 34, bei dem die erste Sensorstruktur (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) in dem Substrat (206) erzeugt wird, und bei dem die zweite Sensorstruktur (202) auf dem Substrat (206) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 36, bei dem die erste Sensorstruktur (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) und die zweite Sensorstruktur (202) zumindest teilweise überlappend erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 37, bei dem die zweite Sensorstruktur (202) derart auf dem Substrat (206) erzeugt wird, dass die erste Sensorstruktur (204) mittig bezüglich der zweiten Sensorstruktur (202) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 38, bei dem die erste Sensorstruktur (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) und die zweite Sensorstruktur (202) nicht überlappend erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 40 wobei das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst: Erzeugen eines Magnetfeldkonzentrators (217) benachbart zu der ersten Sensorstruktur (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ), um die parallel zu der Oberfläche (208) wirkenden Magnetfeldkomponenten zumindest teilweise in eine Richtung senkrecht zu der Oberfläche (208) des Substrats (206) umzulenken.
Verfahren nach Anspruch 42, bei dem der Magnetfeldkonzentrator (217) auf der Oberfläche (208) des Substrats (206) zumindest teilweise überlappend mit der ersten Sensorstruktur (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 43, bei dem der Schritt des Erzeugens einer ersten Sensorstruktur das Erzeugen einer Mehrzahl von ersten Sensorstrukturen (204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 44, bei dem die ersten Sensorstrukturen (204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) symmetrisch zu der Mitte der zweiten Sensorstruktur (202) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 45, mit folgendem Schritt: Planarisieren der Oberfläche (208) des Substrats (206) vor dem Aufbringen der zweiten Sensorstruktur (202).
Verfahren nach Anspruch 46, bei dem der Schritt des Planarisierens einen CMP-Prozess umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 47, mit folgendem Schritt: Aufbringen eines Isolationsmaterials (222) auf der Oberfläche (208) des Substrats (206) und auf der zweiten Sensorstruktur (202).
Verfahren nach Anspruch 48, bei dem das Isolationsmaterial (222) eine Passivierungsanordnung aus einem Oxid und/oder Nitritmaterial aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 48, mit folgendem Schritt: Aufbringen einer zusätzlichen Passivierungsanordnung (224).
Verfahren nach Anspruch 50, bei dem die zusätzliche Passivierungsanordnung (224) ein Photoimid-Material aufweist.
Verfahren nach Anspruch 50 oder 51, mit folgendem Schritt: Öffnen der Passivierungsanordnung (222) und/oder der Zusatzpassivierungsanordnung (224).
Verfahren nach Anspruch 52, bei dem das Öffnen der Passivierungsanordnung (222) und/oder der Zusatzpassivierungsanordnung (224) das Freilegen von Kontaktanschlussflächen (226) der zweiten Sensorstruktur (202) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 53, mit folgendem Schritt: Anordnen des Magnetfeldsensors (200) in einem Gehäuse mit Kontaktanschlüssen, um einen Sensorbaustein zu erhalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 54, bei dem die zweite Sensorstruktur (202) eine magnetoresistive Sensorstruktur ist.
Verfahren nach Anspruch 55, bei dem die magnetoresistive Struktur (202) eine AMR-Struktur, eine GMR-Struktur, eine CMR-Struktur, eine EMR-Struktur, eine TMR-Struktur oder eine Magnetwiderstandsstruktur ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 56, bei dem die erste Sensorstruktur (204, 204₁ , 204₂ ; 210₁ -210₅ ) eine Hall-Sensorstruktur ist.