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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetfeldsensoranordnung, ein entsprechendes Herstellungsverfahren sowie ein Betriebsverfahren.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2008 042 800 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung von Richtung und/oder Stärke eines Magnetfeldes bekannt. Die Vorrichtung ist dabei auf einem Substrat angeordnet. Auf der Oberfläche des Substrats ist ein Hallsensor angeordnet, welcher dazu vorgesehen ist eine Magnetfeldkomponente in z-Richtung nachzuweisen, welche im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Substrats wirkt. Des Weiteren sind zwei Fluxgatesensoren vorgesehen, um eine Magnetfeldkomponente in der X-Y Ebene des Substrats nachzuweisen. Zusammen mit dem Hallsensor können somit drei Komponenten in allen drei Raumrichtungen bestimmt werden.
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Der Hallsensor wird bei dieser Vorrichtung auf oder in einem Siliziumsubstrat vorgesehen, wohingegen die zwei Fluxgatesensoren separat durch mikromechanische Bauelemente hergestellt und nachfolgend auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats befestigt werden.
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Die
DE 10 2012 209 232 A1 beschreibt einen Magnetfeldsensor mit einem ersten magnetischen Sensorkern zum Messen eines Magnetfelds in einer ersten Messrichtung und einem zweiten magnetischen Sensorkern zum Messen eines Magnetfelds in einer zweiten Messrichtung, wobei der erste und zweite magnetische Sensorkern eine gemeinsame magnetische Anisotropie aufweisen. Die Sensorkerne sind Bestandteile von Flipcore-Fluxgatesensoren, welche geeignet sind, Magnetfelder in der Waferebene zu detektieren.
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Die
US 6,536,123 B1 beschreibt einen Magnetfeldsensor mit zwei Fluxgatesensoren und einem Hallsensor, wobei ein Hybrid-IC zur Auswertung der Sensorsignale verwendet wird.
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Es ist allgemein bekannt, dass mit III-V-Halbleitermaterialien Hallsensoren auf einem Substrat hergestellt werden können. Aus der
US 6,803,638 ist ein InSb-Hallsensor bekannt, der auf einem GaAs-Substrat durch Molekularstrahlepitaxie abgeschieden wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Magnetfeldsensoranordnung nach Anspruch 1, ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 11 sowie ein Betriebsverfahren nach Anspruch 13.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, zumindest einen aus einem III-V-Halbleitermaterial gebildeten Hallsensorbereich oberhalb eines ASIC-Substrats vorzusehen.
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Die erfindungsgemäße Magnetfeldsensoranordnung nach Anspruch 1 und das entsprechende Herstellungsverfahren nach Anspruch 11 erlauben eine direkte Abscheidung des aus dem III-V-Halbleitermaterial gebildeten Hallsensorbereichs, insbesondere eines InSb(Indiumantimonid)-Halbleiterbereichs über einem ASIC-Wafersubstrat. Somit lässt sich das III-V-Halbleitermaterial direkt auf einem Auswertewafer der Magnetfeldsensoranordnung integrieren. Dies ermöglicht eine kleinere Baugröße, geringere Kosten, einen geringeren Stromverbrauch sowie eine höhere Datenrate.
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Gegenüber einem in einen Siliziumwafer integrierten Hallsensorbereich liefert der Hallsensorbereich gemäß der vorliegenden Erfindung eine wesentlich verbesserte Performance.
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Durch die mögliche Integration weiterer Sensorbereiche, wie z.B. Magnetkernbereiche und Magnetspuleneinrichtungen für Fluxgatesensoreinrichtungen kann eine kompakte mehrdimensionale, insbesondere dreidimensionale, Magnetfeldsensoranordnung mit geringer Gehäusegröße geschaffen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hallsensorbereich aus InSb gebildet. Dieses Material läßt sich besonders kontrolliert durch Sputtern aufbringen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Hallsensorbereich eine Schichtenfolge mit Materialschichten unterschiedlicher Kristallkorngröße auf. Dies fördert die Haftung und den Zusammenhalt des Hallsensorbereich auf dem Substrat.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind abwechselnd erste Schichten mit einer ersten Kristallkorngröße und zweite Schichten mit einer zweiten Kristallkorngröße gebildet, wobei die zweite Kristallkorngröße wesentlich kleiner als die erste Kristallkorngröße ist. Dies führt zu einer vorteilhaften Verzahnung der Schichten
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine Fluxgatesensoreinrichtung, welche einen aus einem ferromagnetischen Material gebildeten Magnetkernbereich und eine Magnetspuleneinrichtung aufweist, in die auf die Vorderseite aufgebrachte Isolationsschichtenanordnung eingebettet, wobei der Magnetkernbereich und die Magnetspuleneinrichtung über eine durch die Isolationsschichtenanordnung geführte zweite Leiterbahneinrichtung elektrisch mit einer im ASIC-Substrat gebildeten Fluxgatesensor-Auswerteschaltungseinrichtung verbunden ist. So läßt sich eine Kombi-Sensoranordnung bilden, beispielsweise ein 3D-Magnetsensor.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Hallsensoreinrichtung und die Fluxgatesensoreinrichtung in verschiedenen Ebenen der Isolationsschichtenanordnung eingebettet. Dies ermöglicht eine gute Isolation und eine einfache Prozessierbarkeit.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Hallsensorbereich oberhalb oder unterhalb benachbart zu einem Ende des Magnetkernbereichs angeordnet. So läßt sich eine Doppelfunktion der Hallsensoreinrichtung realisieren, die einen Platzgewinn ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein aus einem ferromagnetischen Material gebildeter Magnetfeld-Flußkonzentratorbereich oberhalb oder unterhalb benachbart zum Hallsensorbereich in die Isolationsschichtenanordnung eingebettet. Dies erhöht die Messperformance.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetfeld-Flußkonzentratorbereich als Hohlzylinder ausgebildet, dessen Zylinderachse im wesentlichen senkrecht zum Hallsensorbereich steht. Dies ermöglicht eine günstige Feldverteilung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Magnetkernbereich und/oder der Flußkonzentratorbereich aus Ni/Fe/Al gebildet. Dieses Material läßt sich kontrolliert in Dünnschichttechnik verarbeiten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine schematische Draufsicht einer Magnetfeldsensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Querschnittsdarstellung der Magnetfeldsensoranordnung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Linie A-A‘ in 1;
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3 eine schematische vergrößerte Querschnittsdarstellung des Hallsensorbereichs der Magnetfeldsensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Draufsicht einer Magnetfeldsensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5a) eine schematische vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Hallsensorbereichs einer Magnetfeldsensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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5b) eine schematische Draufsicht des Hallsensorbereichs der Magnetfeldsensoranordnung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht einer Magnetfeldsensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung der Magnetfeldsensoranordnung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Linie A-A‘ in 1.
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In 1 und 2 bezeichnet Bezugszeichen AC ein ASIC-Substrat, insbesondere Wafersubstrat, mit einer Vorderseite VS und einer Rückseite RS. Eine Hallsensoreinrichtung H, welche einen aus einem III-V-Halbleitermaterial gebildeten Hallsensorbereich HS, hier aus InSb (Indiumantimonid), aufweist, ist in einer auf der Vorderseite VS aufgebrachte Isolationsschichtenanordnung mit einer Mehrzahl von Isolationsschichten I0, I1, I2, I3, beispielsweise aus Oxid, eingebettet.
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Wie aus 2 ersichtlich, ist der Hallsensorbereich HS über eine durch die Isolationsschichten I0, I1, I2 der Isolationsschichtenanordnung I0, I1, I2, I3 geführte erste Leiterbahneinrichtung L2 elektrisch mit einer im ASIC-Substrat AC gebildeten Hallsensor-Auswerteschaltungseinrichtung 101 verbunden.
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Dazu werden innerhalb der Isolationsschichtenanordnung I0, I1, I2, I3 (nicht dargestellte) Leiterbahnschichten abgeschieden und strukturiert sowie entsprechende Vias für die Durchkontaktierungen gebildet.
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Die Leiterbahneinrichtung L2 ist in 1 und 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur schematisch dargestellt und weist tatsächlich eine Mehrzahl von Leiterbahnen auf, welche für die Funktionen der Hallsensoreinrichtung H erforderlich sind.
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Des Weiteren sind zwei Fluxgatesensoreinrichtungen F1, F2 in die auf die Vorderseite VS aufgebrachte Isolationsschichtenanordnung I0, I1, I2, I3 eingebettet.
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Beim vorliegenden Beispiel ist eine erste Fluxgatesensoreinrichtung F1 vorgesehen, welche einen ersten Magnetkernbereich FC1 und eine erste Magnetspuleneinrichtung SE1 aufweist. Eine zweite Fluxgatesensoreinrichtung F2, welche orthogonal zur ersten Fluxgatesensoreinrichtung F1 angeordnet ist, weist einen zweiten Magnetkernbereich FC2 und eine zweite Magnetspuleneinrichtung SE2 auf. Die Magnetspuleneinrichtungen SE1, SE2 weisen üblicherweise eine Anregungsspule und eine Pick-Up-Spule auf.
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Wie aus 2 ersichtlich, sind die Magnetkernbereiche FC1, FC2 und die Magnetspuleneinrichtungen SE1, SE2 über eine durch die Isolationsschichten I0, I1 der Isolationsschichtenanordnung I0, I1, I2, I3 geführte zweite Leiterbahneinrichtung L1 elektrisch mit einer im ASIC-Substrat AC gebildeten Fluxgatesensor-Auswerteschaltungseinrichtung 100 verbunden.
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Die Leiterbahneinrichtungen L1, L2 sind beispielsweise aus Aluminium hergestellt.
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Die in 1 und 2 dargestellte Magnetfeldsensoranordnung ist somit ein dreidimensionaler Magnetfeldsensor, wobei die Fluxgatesensoreinrichtungen F1, F2 die Magnetfeldkomponenten in x- bzw. y-Richtung messen, wohingegen die Hallsensoreinrichtung H die Magnetfeldkomponente in z-Richtung misst.
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Zur Herstellung der in 1 und 2 dargestellten Magnetfeldsensoranordnung bildet das ASIC-Substrat AC die Grundlage. Auf das ASIC-Substrat AC wird eine erste Isolationsschicht I0 aufgebracht, welche beispielsweise aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid besteht. In einem darauffolgenden Prozessschritt wird das ferromagnetische Material der Magnetkernbereiche FC1, FC2 mittels Dünnschichttechnik auf die erste Isolationsschicht I0 aufgebracht und strukturiert, beispielsweise Ni/Fe/Al (Nickel/Eisen/Aluminium). Anschließend wird eine zweite Isolationsschicht I1 aufgebracht, in die die strukturierten Magnetkernbereiche FC1, FC2 eingebettet werden. Anschließend wird das III-V-Halbleitermaterial für den Hallsensorbereich HS durch ein Sputterverfahren mehrlagig aufgebracht und strukturiert. Dieser Hallsensorbereich HS wird dann in eine dritte Isolationsschicht I2 eingebettet und schließlich eine vierte Isolationsschicht I3 abgeschieden, welche die Struktur nach oben hin isoliert.
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Nicht dargestellt und beschrieben sind die an sich bekannten Verfahrensschritte des Bildens von Leiterbahnebenen und weiteren Isolationsebenen sowie von Vias zur Bildung der Leiterbahneinrichtungen L1, L2 sowie die Schritte zum Bilden der ersten und zweiten Spuleneinrichtungen SE1, SE2.
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Die Hallsensoreinrichtung H und die Fluxgatesensoreinrichtungen F1, F2 sind somit in verschiedenen Ebenen der Isolationsschichtenanordnungen I0, I1, I2, I3 eingebettet, was jedoch ggfs. nicht erforderlich ist.
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3 zeigt eine schematische vergrößerte Querschnittsdarstellung des Hallsensorbereichs der Magnetfeldsensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Wie aus 3 ersichtlich, wird bei dieser Ausführungsform der Hallsensorbereich HS durch eine Schichtenfolge S1, SS1, S2, SS2, S3 usw. mit Materialschichten unterschiedlicher Korngröße durch einen Sputterprozess gebildet, wobei die unterschiedliche Korngröße insbesondere durch Temperaturvariationen beim Sputtern erreicht wird, um so eine möglichst glatte Morphologie zu erhalten.
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Beim vorliegenden Beispiel ist ein typischer Variationsbereich für die Sputtertemperatur 250 bis 450°C. Dabei werden beim vorliegenden Beispiel auf eine Startschicht ST aus InSb abwechselnd erste Schichten S1, S2, S3 mit einer ersten Kristallkorngröße und zweite Schichten SS1, SS2 mit einer zweiten Kristallkorngröße gebildet, wobei die zweite Kristallkorngröße wesentlich kleiner als die erste Kristallkorngröße ist. Typische Kristallkorngrößen für die ersten und zweiten Schichten sind 5–50nm und 500–1000nm.
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Eine derartige glatte Morphologie des Hallelements bringt eine bessere Prozessierbarkeit für folgende Prozessebenen, da die Justiermarken sichtbar bleiben, sowie einen geringeren elektrischen Offset.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht einer Magnetfeldsensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 4 ist der ASIC-Chip mit Bezugszeichen AC' bezeichnet. Auf seiner Vorderseite VS eingebettet ist eine einzige Fluxgatesensoreinrichtung F0 mit einem aus einem ferromagnetischen Material gebildeten Magnetkernbereich FC0 und einer Magnetspuleneinrichtung SE0 mit einer einzelnen Magnetspule, welche lediglich zur Anregung dient. Ein Hallsensorbereich HS' ist oberhalb oder unterhalb benachbart zu einem ersten Ende E1 des Magnetkernbereichs FC0 angeordnet, wobei das zweite Ende mit Bezugszeichen E2 bezeichnet ist.
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Die Einbettung des Hallsensorbereichs HS' und der Fluxgatesensoreinrichtung F0 mit dem Magnetkernbereich FC0 und der Magnetspuleneinrichtung SE0 in die Isolationsschichten I0, I1, I2, I3 erfolgt analog zur oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
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Bei dieser zweiten Ausführungsform ist eine Einsparung der Pick-up-Spule der Fluxgatesensoreinrichtung F0 möglich, da man die Hallsensoreinrichtung H' zur Erfassung einer Flussänderung nach Anregung der Fluxgatesensoreinrichtung F0 verwenden kann. Insbesondere wird dazu der Moment der Ummagnetisierung des Magnetkernbereichs FC0 anhand der von der Hallsensoreinrichtung H' erfassten Änderung des Magnetfeldes in z-Richtung detektiert.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, einen weiteren Hallsensorbereich an das zweite Ende E2 des Magnetkernbereichs FC0 entweder oberhalb oder unterhalb davon zu platzieren, um die Messsensitivität bzw. Messgenauigkeit zu erhöhen.
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Dies Ausführungsform hat den Vorteil, dass das Bauteil kleiner gestaltet werden kann. 5a) zeigt eine schematische vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Hallsensorbereichs einer Magnetfeldsensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und 5b) zeigt eine schematische Draufsicht des Hallsensorbereichs der Magnetfeldsensoranordnung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der dritten Ausführungsform gemäß 5 ist ein aus einem ferromagnetischen Material gebildeter Magnetfeld-Flusskonzentratorbereich FLC oberhalb, möglicherweise auch unterhalb, benachbart zum Hallsensorbereich HS'' in die Isolationsschichtenanordnung I0, I1, I2, I3, I4, I5 eingebettet. Der Flusskonzentratorbereich FLC ist in Form eines Hohlzylinders mit einem Hohlraum HL vorgesehen, wobei die Zylinderachse im Wesentlichen senkrecht zum Hallsensorbereich HS'' steht.
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Die Herstellung des Flusskonzentratorbereichs FLC geschieht vorzugsweise durch eine Dünnschicht-Abscheidung mit demselben Material wie demjenigen für die Magnetkernbereiche SE1, SE2 der Fluxgatesensoreinrichtungen, also beispielsweise Ni/Fe/Al (Nickel/Eisen/Aluminium).
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Hierzu wird in eine oberhalb der dritten Isolationsschicht aufgebrachte vierte Isolationsschicht I4 ein Loch geätzt und darüber eine Ni/Fe/Al-Schicht abgeschieden und zurückgeätzt. Zur Isolation der Struktur nach oben dient hier eine fünfte Isolationsschicht I5.
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Das zusätzliche Vorsehen des Flusskonzentratorbereichs FLC bewirkt eine erhöhte Empfindlichkeit der Hallsensoreinrichtung H'' sowie ein geringeres Rauschen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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Selbstverständlich ist es möglich, mehr als nur eine Hallsensoreinrichtung mit mehreren Hallsensorbereichen in der Isolationsschichtenanordnung vorzusehen, um Offset durch Verpackungsspannungen zu reduzieren. Auch können weitere Fluxgatesensoreinrichtungen vorgesehen werden.
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Obwohl bei den obigen Ausführungsformen die Hallsensorbereiche im Wesentlichen parallel zur Vorderseite VS verlaufen, können diese durch entsprechende Strukturierungstechniken auch auf schrägen Ebenen innerhalb des Isolationsschichtenstapels vorgesehen werden, um auf magnetische Felder in der x-, y-Ebene sensitiv gestaltet zu werden.
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Die Geometrien der oben dargestellten Ausführungsformen, insbesondere die Geometrien der Hallsensorbereiche, lassen sich je nach Anforderung variieren.
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Auch ist die vorliegende Erfindung nicht auf das III-V-Halbleitermaterial InSb beschränkt, sondern für beliebige III-V-Halbleitermaterialien, welche hallsensitiv sind, anzuwenden.
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Bei der ersten Ausführungsform umfassen die Magnetspuleneinrichtungen SE1, SE2 jeweils eine erste und eine zweite Spuleneinrichtung, welche zur Anregung bzw. zum Pick-up dienen. Es ist jedoch auch möglich, bei der ersten Ausführungsform lediglich eine erste Spule, welche sowohl zur Anregung als auch zum Pick-up dient, vorzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008042800 A1 [0002]
- DE 102012209232 A1 [0004]
- US 6536123 B1 [0005]
- US 6803638 [0006]
