DE102016014891B4

DE102016014891B4 - Kalibrierungsverfahren für einen Hall-Effekt-Sensor

Info

Publication number: DE102016014891B4
Application number: DE102016014891.8A
Authority: DE
Inventors: Timo Kaufmann; Jörg Franke
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2016-12-15
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2036-12-16
Also published as: DE102016014891A1; US10605872B2; US20180172780A1

Abstract

Kalibrationsverfahren für einen Hallsensor (10) mit einer Hall-sensitiven Schicht (12) mit vier elektrischen Kontakten (12.1, 12.2, 12.3, 12.4) und einer ersten Feldplatte (14), wobei- in einen Kalibiermodus bei einer ersten Temperatur (T1) und bei einer ersten magnetischen Flussdichte (B1) für mindestens zwei unterschiedliche an der ersten Feldplatte (14) anliegende Feldplattenspannungen (V, V, V) jeweils ein Widerstandswert (R, R, R) der Hall-sensitiven Schicht (12) bestimmt wird,- anhand der mindestens zwei Widerstandswerten (R, R, R) eine Messkurve (20) berechnet wird,- ein Abweichungswert (24) der Messkurve (20) von einer Referenzmesskurve (22) ermittelt wird, und in einer ersten Alternative ein Fehlerzeiger zu setzen oder- in einer zweiten Alternative eine während eines normalen Betriebsmodus des Hallsensors (10) an der Feldplatte (14) anliegende Feldplattenspannung (V) oder eine während eines Betriebs des Hallsensors (10) an der sensitiven Schicht anliegende Betriebsspannung um einen dem Abweichungswert (24) entsprechenden Korrekturwert nachgeregelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kalibrationsverfahren für einen Hall-Effekt-Sensor.
Es ist bekannt, dass sich das galvanomagnetische Verhalten von Hallsensoren, also die elektrischen und magnetischen Eigenschaften, über die Lebensdauer verändern. Dies gilt insbesondere für Hall-Effekt-Sensoren mit Schichten aus Graphen.
Kalibrierverfahren für Hallsensoren sind aus der US 7 746 065 B2 , der DE 10 2015 112 895 A1 und der US 2005 / 0 280 107 A1 bekannt. Hallsensoren und Magnetfeldsensoren sind aus der US 2016 / 0 299 199 A1 und der DE 195 04 229 A1 bekannt.
Ein Hallsensor mit einer Graphen-Schicht ist beispielsweise aus der DE 10 2013 008 794 A1 sowie aus dem Artikel „Batch-fabricated high-performance graphene Hall elements“ von H. Xu et al., Scientific Reports 3, 1207 (2013) bekannt.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, das den Stand der Technik weiterbildet.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird ein Kalibrationsverfahren für einen Hallsensor bereitgestellt, wobei der Hallsensor eine Hall-sensitive Schicht mit vier elektrischen Kontakten und eine erste Feldplatte aufweist.
In einem Kalibiermodus wird bei einer ersten Temperatur und bei einer ersten magnetischen Flussdichte für mindestens zwei unterschiedliche an der Feldplatte anliegende Feldplattenspannungen jeweils ein Widerstandswert der Hall-sensitiven Schicht bestimmt.
Anhand der ermittelten Widerstandswerte wird eine Messkurve berechnet, bevorzugt gibt die Messkurve den Widerstand oder die Ladungsträgermobilität oder die Sensitivität der Hall-sensitiven Schicht in Abhängigkeit von der Feldplattenspannung dar.
Anschließend wird ein Abweichungswert der Messkurve von einer Referenzmesskurve ermittelt.
In einer ersten Alternative wird ein Fehlerzeiger bzw. eine Fehlerflag gesetzt, oder in einer zweiten Alternative wird eine während eines normalen Betriebsmodus des Hall -Sensors an der ersten Feldplatte anliegende Feldplattenspannung oder eine während eines Messbetriebs des Hallsensors an der sensitiven Schicht anliegende Betriebsspannung um einen dem Abweichungswert entsprechenden Korrekturwert nachgeregelt bzw. nachgeführt.
Es sei angemerkt, dass die Begriffe normalen Betriebsmodus und Messmodus synonym verwendet werden. Es versteht sich, dass die Feldplatte vorzugswiese unmittelbar oberhalb der Hallplatte angeordnet wird, wobei die Feldplattenspannung zwischen der Feldplatte und der Hall -Sensors angelegt wird.
Es versteht sich, dass die Hall-sensitive Schicht bei einem anliegenden Magnetfeld mit einem Anteil des magnetischen Flusses der die Oberfläche der Hall-sensitiven Schicht senkrecht durchdringt eine Hallspannung erzeugt, wobei hierzu die Hall-sensitive Schicht von einem Betriebsstrom durchflossen ist.
Vorzugsweise ist die Hall-sensitive Schicht als Hallplatte ausgebildet, wobei die Hallplatte insbesondere aus einer Graphen-Verbindung oder einem III-V-Halbleiter oder einer Silizium-Verbindung besteht oder eine der genannten Verbindungen umfasst. In einer Weiterbildung umfasst die Hall-sensitive Schicht ein AMR oder ein GMR Material.
Es versteht sich weiterhin, dass das Fehlerflag von dem Silizium IC gesetzt wird und vorzugsweise an einem Ausgang des Silizium-ICS die Fehlermeldung als ein Ausgangssignal zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt wird.
Die Feldplatte ist als elektrisch leitfähige insbesondere als metallische Schicht ausgebildet. Mittels der Feldplatte bzw. einer Änderung einer an der Feldplatte anliegenden Spannungshöhe lässt sich der Arbeitspunkt der Hall-sensitiven Schicht einstellen. Insbesondere lässt sich ein Ausbilden von Oberflächenströmen unterdrücken.
Insbesondere lässt sich an der Feldplatte mittels der angelegten Spannung einstellen, inwieweit die Hallspannung der Hall-sensitiven Schicht von Elektronen oder von Löchern erzeugt wird.
In einer Ausführungsform ist eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht auf oder oberhalb der Hall-sensitiven Schicht angeordnet, d.h. die Passivierungsschicht ist zwischen der Feldplatte angeordnet und der Hall-sensitiven Schicht angeordnet.
Vorzugsweise umfasst oder besteht die Passivierungsschicht eine Silizium-Bor-Nitrid-Verbindung und oder eine Silizium-Nitrid-Schicht.
Die Referenzmesskurve gibt die Abhängigkeit der Hall-sensitiven Schicht von der Feldplattenspannung zu einem initialen Zeitpunkt, z.B. bei einem Abgleich in der Fertigung oder bei einer ersten Inbetriebnahme des Hall-Sensors, wieder.
Das Nachregeln bzw. das Kalibrieren geschieht bevorzugt durch eine externe Steuereinheit oder durch einen mit der Hall-sensitiven Schicht elektrisch leitend verbundenen IC. Des Weiteren wird angemerkt, dass die Feldplatte mit der externen Steuereinheit oder mit dem IC verschaltet ist, d.h. in einer elektrischen Wirkverbindung besteht.
Vorzugsweise sind die Steuereinheit und die Hallplatte monolithisch integriert. Anders ausgedrückt, ist die Hallplatte an der Oberfläche des Siliziumhalbleiterkörpers ausgebildet und mit einer Passivierungsschicht bedeckt.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens ist, dass es über die gesamte Lebensdauer des Hall-Sensors wiederholt durchführen lässt, ohne dass der Sensor hierfür ausgebaut werden muss. Vorzugsweise liegt bei der Kalibrierung ein vorgegebenes Magnetfeld d.h. ein vorgegebener magnetischer Fluss an.
Das Kalibrierverfahren wird zusätzlich zu einem normalen Betriebsmodus als Kalibriermodus bereitgestellt und in regelmäßigen zeitlichen Abständen und ohne zusätzliche Hilfsmittel durchgeführt.
Gemäß einer ersten Ausführungsform werden die Widerstandswerte durch Messung an mindestens zwei elektrischen Kontakten der Hall-sensitiven-Schicht bestimmt. Bevorzugt werden die Widerstandswerte gemäß der Vander-Pauw-Messmethode bestimmt.
Gemäß einer Weiterbildung wird die Feldplattenspannung zwischen der Feldplatte und der Hall-sensitiven Schicht angelegt.
In einer anderen Weiterbildung wird in dem Kalibiermodus bei einer ersten Temperatur und bei einer ersten magnetischen Flussdichte für genau drei oder mehr als unterschiedliche an der Feldplatte anliegende Feldplattenspannungen jeweils ein Widerstandswert der Hall-sensitiven Schicht bestimmt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände, und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt:

1a, b eine Aufsicht bzw. Seitenansicht eines als Hallplatte ausgebildeten Hall-Sensors,
2 eine Veranschaulichung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Kalibrationsverfahrens,
3 eine Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform des Kalibrationsverfahrens.

Die Abbildungen der 1a und 1b zeigt schematisch eine Aufsicht bzw. eine Seitenansicht eines zu kalibrierenden Hall-Sensors 10. Der Hallsensor weist eine als Hallplatte ausgebildete Hall-sensitive Schicht 12 mit vier elektrischen Kontakte 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 sowie eine oberhalb der Hallplatte angeordnete Feldplatte 14 auf. Die Hall-sensitive Schicht 12 ist gegenüber der Feldplatte 14 durch einen Abstand 15 beabstandet und elektrisch isoliert. Der Abstand 15 ist als Luftspalt ausgebildet oder umfasst eine oder mehrere Passivierungsschichten. Unterhalb der Hallplatte ist eine Träger 16 angeordnet.
An der Feldplatte 14 liegt während eines Messbetriebs des Hallsensors eine konstante Feldplattenspannung V_F an - nicht dargestellt.
An jeweils zwei gegenüberliegenden Kontakten 12.1 und 12.3 oder 12.2 und 12.4 liegt sowohl während des Kalibrationsmodus als auch während des Messbetriebs bzw. Messmodus eine Betriebsspannung oder es liegt genau keine Betriebsspannung sondern nur eine Spannung zur Ermittlung des Widerstandswertes an. An den anderen beiden Kontakten 12.1 und 12.3 oder 12.2 und 12.4 wird eine Hallspannung abgegriffen, sofern ein magnetischer Fluss den Hall-Sensor durchdringt.
In einer alternativen Ausführungsform wird die Widerstandsmessung an zwei einander nicht gegenüberliegenden Kontakten 12.1, 12.2, 12.3 und 12.4 ausgeführt.
In der Abbildung der 2 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kalibrationsverfahren veranschaulicht. Während eine erste Temperatur T1 und eine erste magnetische Flussdichte B1 vorliegt, wird für eine erste an der Feldplatte 14 anliegende Feldplattenspannung VF=V1 ein erster Widerstandswert RS=R1 der Hall-sensitiven Schicht bestimmt. Entsprechend werden für eine zweite Feldplattenspannung VF=V2 ein zweiter Widerstandswert RS=R2 bestimmt. Vorzugsweise wird eine gekrümmte Kurve hierbei nur linear angenähert. In einer anderen Ausführungsform wird zusätzlich für eine dritte Feldplattenspannung VF=V3 ein dritter Widerstandswert RS=R3.
Anhand der drei Widerstandswerte R1, R2, R3 wird während des Kalibiermodus ein als Messkurve 20 eine Widerstandsmesskurve bestimmt und mit einer Referenzmesskurve 22 verglichen. Anhand der Kurven wird ein Abweichungswert 24 der Messkurve 20 zu der Referenzmesskurve 22 ermittelt, z.B. die Differenz der Widerstandswerte der beiden Kurven für eine bestimmte Feldplattenspannung oder gemittelt über ein Intervall von Feldplattenspannungen.
Anschließend wird die Feldplattenspannung oder eine an die sensitive Schicht anliegende Betriebsspannung um einen dem Abweichungswert entsprechenden Korrekturwert nachgeregelt.
Alternativ wird zu den drei Widerstandswerten R1, R2, R3 jeweils ein Mobilitätswert oder Sensitivitätswert berechnet. Wie in der 3a bzw. 3b veranschaulicht ist. Hierbei wird entsprechend aus den Mobilitätswerten bzw. den Sensitivitätswerten als Messkurve 20 eine Mobilitätskurve bzw. eine Sensitivitätskurve bestimmt und ein Abweichungswert zu einer entsprechenden Referenzkurve 22 bestimmt.

Claims

Kalibrationsverfahren für einen Hallsensor (10) mit einer Hall-sensitiven Schicht (12) mit vier elektrischen Kontakten (12.1, 12.2, 12.3, 12.4) und einer ersten Feldplatte (14), wobei - in einen Kalibiermodus bei einer ersten Temperatur (T1) und bei einer ersten magnetischen Flussdichte (B1) für mindestens zwei unterschiedliche an der ersten Feldplatte (14) anliegende Feldplattenspannungen (V₁, V₂, V₃) jeweils ein Widerstandswert (R₁, R₂, R₃) der Hall-sensitiven Schicht (12) bestimmt wird, - anhand der mindestens zwei Widerstandswerten (R₁, R₂, R₃) eine Messkurve (20) berechnet wird, - ein Abweichungswert (24) der Messkurve (20) von einer Referenzmesskurve (22) ermittelt wird, und in einer ersten Alternative ein Fehlerzeiger zu setzen oder - in einer zweiten Alternative eine während eines normalen Betriebsmodus des Hallsensors (10) an der Feldplatte (14) anliegende Feldplattenspannung (V_F) oder eine während eines Betriebs des Hallsensors (10) an der sensitiven Schicht anliegende Betriebsspannung um einen dem Abweichungswert (24) entsprechenden Korrekturwert nachgeregelt wird.
Kalibrationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkurve (20) den Widerstand der Hall-sensitiven Schicht (12), die Ladungsträgermobilität in der Hall-sensitiven Schicht (12) oder die Sensitivität der Hall-sensitiven Schicht (12) in Abhängigkeit von der Feldplattenspannung (V_F) angibt.
Kalibrationsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswerte (R₁, R₂, R₃) durch Messung an mindestens zwei elektrischen Kontakten (12.1, 12.2, 12.3, 12.4) der Hall-sensitiven-Schicht (12) bestimmt werden.
Kalibrationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswerte (R₁, R₂, R₃) gemäß der Vander-Pauw-Messmethode bestimmt werden.
Kalibrationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hall-sensitiven Schicht (12) als Hallplatte ausgebildet ist und die Hallplatte vorwiegend Silizium oder Graphene umfasst und die Feldplatte (14) unmittelbar oberhalb der Hallplatte angeordnet wird, wobei die Feldplattenspannung (V_F) zwischen der Feldplatte (14) und der Hallplatte angelegt wird.
Kalibrationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hall-sensitiven Schicht (12) und der Feldplatte (14) eine Passivierungsschicht angeordnet ist.
Kalibrationsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kalibiermodus bei einer ersten Temperatur und bei einer ersten magnetischen Flussdichte für genau drei oder mehr als drei unterschiedliche an der Feldplatte anliegende Feldplattenspannungen jeweils ein Widerstandswert der Hall-sensitiven Schicht bestimmt wird.