DE2444830C3

DE2444830C3 - Hall effect device in modular design

Info

Publication number: DE2444830C3
Application number: DE19742444830
Authority: DE
Inventors: Roland Joseph Vestal; Kuntzleman Harry Charles Newark Valley; Meier Herbert E. Vestal; N.Y. Braun (V.StA.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-11-12
Filing date: 1974-09-19
Publication date: 1977-05-05

Description

eher gegenüber magnetischen Feldern.rather towards magnetic fields.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous further developments of the invention emerge from the subclaims.

Gegenüber der oben beschriebenen bekannten Anordnung besteht also dank der Erfindung der entscheidende Vorteil darin, daß das Halbleiterplättchen durch das es umgebende Gehäuse geschützt und daher zuverlässig zu betreiben ist, wobei ein nahezu geschlossener magnetischer Kreis beibehalten wird, so daß sich eine optimale Flußkonzentration des Magnetfeldes am Halbleiterplättchen ergibt. Dadurch läßt sich in vorteilhafter Weise die Betriebssicherheit und Empfindlichkeit einer Hall-Effekt-Vorrichtung wesentlich gegenüber der bei bekannten Vorrichtungen erhöhen. Schließlich gestattet die erfindungsgemäße Ausführung einen Aufbau als Modul.Compared to the known arrangement described above, there is thanks to the invention of decisive advantage in the fact that the semiconductor wafer is protected by the housing surrounding it and can therefore be operated reliably while maintaining a nearly closed magnetic circuit, so that there is an optimal flux concentration of the magnetic field on the semiconductor wafer results. This can be in an advantageous manner, the operational safety and Sensitivity of a Hall effect device significantly compared to that of known devices raise. Finally, the embodiment according to the invention allows a construction as a module.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zei^tEmbodiments of the invention are described in more detail with reference to the drawings. It is time

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Hall-Effekt-Vorrichtung, wobei Teile weggebrochen dargestellt sind, um das Innere der Vorrichtung zu zeigen,1 shows a perspective illustration of a Hall effect device, with parts broken away to show the interior of the device,

Fig.2 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung längs der Linie 2-2 der F ig. 1,2 shows a longitudinal sectional view of the device the line 2-2 in Fig. 1,

Fig.3 eine Schnittdarstellung der Vorrichtung längs der Linie 3-3 der F i g. 1,3 shows a longitudinal sectional view of the device the line 3-3 of FIG. 1,

F ig. 4 eine Anordnung ähnlich Fig. 2, jedoch zusätzlich einen Dauermagneten, um die Vorrichtung als Schalter benutzen zu können,Fig. 4 shows an arrangement similar to FIG. 2, but with an additional permanent magnet around the device to be able to use it as a switch,

Fig. 5 eine Abänderung der in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Vorrichtung, um sie als Stromfühler geeignet zu machen,5 shows a modification of that in FIGS. 1, 2 and 3 device shown in order to make it suitable as a current sensor,

Fig.6 zeigt eine andere Abwandlung der Vorrichtung, um sie als Stromfühler auszubilden.6 shows another modification of the device in order to design it as a current sensor.

In den F i g. 1 bis 3 besitzt die Hall-Effekt-VorrichtungIn the F i g. 1 to 3 have the Hall effect device

10 ein Gehäuse, das aus einem Unterteil 11 und aus einem Oberteil 12 besteht, die beispielsweise durch Ultraschallschweißung miteinander verbunden sind. Vorzugsweise werden die Teile 11 und 12 aus einem Plastikmaterial hergestellt. In diesem Beispiel betragen die äußeren Abmessungen des Gehäuses 2,2 mm χ 4,6 mm χ 6,6 mm.10 a housing which consists of a lower part 11 and an upper part 12, for example by Ultrasonic welding are connected to each other. Preferably the parts 11 and 12 are made of one Plastic material made. In this example, the external dimensions of the housing are 2.2mm 4.6mm 6.6mm.

Längs der Unterseite des Unterteiles 11 erstreckt sich eine Nut 13, und zwei rechteckige Bohrungen 14 verlaufen von der Oberseite des Gehäuses zu der Nut. Die Ausnehmung und die Hohlräume sind dazu eingerichtet, einen U-förmigen Einsatz aus weichmagnetischem Eisen als Jochkern 15 aufzunehmen, um den Magnetfluß zu konzentrieren. Innerhalb des UnterteilesExtends along the underside of the lower part 11 a groove 13 and two rectangular bores 14 extend from the top of the housing to the groove. The recess and the cavities are designed to have a U-shaped insert made of soft magnetic material To include iron as the yoke core 15 in order to concentrate the magnetic flux. Inside the lower part

11 mit Sitz unmittelbar auf dem Jochkern 15 befindet sich eine Tragplatte !6 aus weichmagnetijchem Eisen, die ebenfalls zur Konzentration des magnetischen Flusses dient. Mittels eines geeigneten elastischen Epoxidharzes ist. auf die Tragplatte 16 ein Hall-Effekt-Halbleiterplättchen 17 aufgekittet, das in dem dargestellten Beispiel die Höchstabmessungen von 1,53 mm χ 1,78 mm χ 0,41 mm hat und in integrierter Schaltungstechnik hergestellt ist. Das Halbleiterplättchen befindet sich in einem Hohlraum 18 der Unterseite des Oberteils 12. Vier fliegende Zuführungen 19 verbinden die Strom- und Spannungselektroden mit Anschlußstiften 20 im Boden des Unterteiles 11. Im Oberteil 12 ist als lochstück 21 ein T-förmiges Einsatzstück aus weichniagnetischem Eisen für die Konzentration des Magnetflusses so angeordnet, daß es in den Hohlraum 18 hineinragt und seine Endfläche nur durch einen sehr engen Luftspalt von der Oberseite des Halbleiterplättchens getrennt ist. Der Hohlraum 18 kann mit einem Material ausgefüllt sein, das etwaige Schwingungen der Zuführungen zum Halbleiterplättchen zu dämpfen vermag. Die weichmagnetischen Teile und die Anschlußstifte können mit Hilfe von Ultraschall in das Gehäuse eingesetzt sein.11 with a seat directly on the yoke core 15 is a support plate! 6 made of magnetically soft iron, which also serves to concentrate the magnetic flux. By means of a suitable elastic Epoxy resin is. on the support plate 16 a Hall-effect semiconductor wafer 17, which in the example shown has the maximum dimensions of 1.53 mm χ 1.78 mm χ 0.41 mm and integrated Circuit technology is manufactured. The semiconductor wafer is located in a cavity 18 on the underside of the upper part 12. Four flying leads 19 connect the current and voltage electrodes Terminal pins 20 in the bottom of the lower part 11. In the upper part 12 is a T-shaped hole piece 21 Insert made of soft niagnetic iron for the Concentration of the magnetic flux arranged so that it protrudes into the cavity 18 and its end face only is separated from the top of the semiconductor die by a very narrow air gap. The cavity 18 can be filled with a material, the eventual Able to dampen vibrations of the leads to the semiconductor wafer. The soft magnetic parts and the terminal pins can be inserted into the housing by means of ultrasound.

Die Anordnung des Halbleiterplättchens unmittelbar auf der eisernen Tragplatte 16 bewirkt nicht nur einen geringen magnetischen Widerstand, sondern ebenso eine gute Wärmeleitung, um das Halbleiterplättchen zu kühlen, wobei außerdem mechanische Spannungen innerhalb des Plättchens weitgehend vermieden werden. The arrangement of the semiconductor die directly on the iron support plate 16 does more than just one low magnetic reluctance but also good heat conduction to the die too cool, mechanical stresses within the plate are also largely avoided.

Die Modulbauweise der Vorrichtung und insbesondere die Anwendung des U-förmigen Jochkernes 15 bewirkt eine wesentliche Verbesserung im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen, wobei ein praktisch geschlossener magnetischer Pfad zwischen den Endflächen des Jochkernes und dem mittleren Jochstück hergestellt werden kann, der nur noch durch einen effektiven Luftspalt in der Größenordnung der Dicke des Halbleiterplättchens unterbrochen ist. Auf diese Weise wird die Empfindlichkeit der Vorrichtung beträchtlich verbessert im Vergleich zu anderen Vorrichtungen, welche nicht mit Jochstücken zur Konzentration des magnetischen Flusses versehen sind. Der Bau von Wandlern und Schaltern mit außergewöhnlich geringen Abmessungen ist mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung möglich, ebenso wie der Bau eines sehr empfindlichen Stromfühlers, der den Überwachungskreis nicht mit Ruhestrom belastet. The modular construction of the device and in particular the use of the U-shaped yoke core 15 causes a significant improvement compared to known devices, with a practically closed magnetic path established between the end faces of the yoke core and the middle yoke piece can only be created by an effective air gap in the order of magnitude of the thickness of the Semiconductor wafer is interrupted. In this way the sensitivity of the device becomes considerable improved compared to other devices that do not use yoke pieces to concentrate the magnetic flux are provided. The construction of converters and switches with exceptionally low Dimensions is possible with the help of the device described, as well as the construction of a very sensitive current sensor that does not load the monitoring circuit with closed-circuit current.

In Fig.4 ist die Verwendung der Vorrichtung als Schalter dargestellt, wobei ein Dauermagnet für die äußere Betätigung verwendet wird. Der Dauermagnet 22 kann auf der Oberfläche des Bausteines schleifen. In der dargestellten Lage berührt der Südpol des Magneten die Endfläche des linken Schenkels des lochkernes 15, und der Nordpol steht in Kontakt mit dem Jochstück 21. In dieser Lage geht der magnetische Fluß durch das Halbleiterplättchen längs eines magnetischen Pfades, der durch die gestrichelte Linie 23 dargestellt ist, und bewirkt die Erzeugung einer Hall-Spannung einer bestimmten Polarität. Der magnetische Pfad ist praktisch vollständig über Eisen geschlossen mit Ausnahme einer Unterbrechung, deren effektive Luftspa'tbreite durch die Dicke des Halbleiterplättchens 17 und den geringen Luftspalt bis zum Jochstück 21 bestimmt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt diese effektive Luftspaltbreile nur etwa 0,51 mm. Durch die Bewegung des Dauermagneten nach rechts in eine Lage, wobei der Nordpol in Kontakt mit der Endfläche des rechten Schenkels des Jochkernes 15 steht und der Südpol mit dem lochslück 21, wird die Richtung des Magnetflusses im Halbleiterplättchen umgekehrt und eine Hali-Spannung der anderen Polarität erzeugt. Auch in diesem Fall ist der magnetische Kreis bis auf den nur noch geringen Luftspali geschlossen.In Fig.4 the use of the device is as Switch shown using a permanent magnet for external actuation. The permanent magnet 22 can grind on the surface of the building block. In the position shown, the south pole touches the Magnets the end face of the left leg of the hole core 15, and the north pole is in contact with it the yoke piece 21. In this position the magnetic Flux through the die along a magnetic path indicated by dashed line 23 is shown, and causes the generation of a Hall voltage of a certain polarity. The magnetic one The path is practically completely closed over iron with the exception of one interruption, whose effective air gap width through the thickness of the semiconductor wafer 17 and the small air gap up to Yoke piece 21 is determined. In the illustrated embodiment, this is effective air gap widths only about 0.51 mm. By moving the permanent magnet to the right in a position where the North pole is in contact with the end face of the right leg of the yoke core 15 and the south pole with the gap 21, the direction of the magnetic flux in the semiconductor wafer is reversed and a Hali voltage of the other polarity. In this case, too, the magnetic circuit is except for the small one Air gap closed.

Wie in F i g. 5 dargestellt, läßt sich die Vorrichtung mit nur geringen Veränderungen auch als Stromfühler •erwenden. Die Abänderung besteht darin, daß man einen Schenkel des U-förmigcn Jochkernes 15 verlangen und so biegt, daß eine äußere Jochschleife 15a gebildet wird, die zweckmäßig unmittelbar mit dem Jochstück 21 in Kontakt gebracht wird. Auf diese Weise wird ein praktisch geschlossener Pfad für den magnetischen Fluß gebildet, um elektrische Ströme abfühlen zu können. Ein im Leiter 24 fließender Strom erzeugt ein magnetisches Feld, das seinerseits einen magnetischen Fluß in der Jochschleife 15;i induziert,As in Fig. 5, the device can also be used as a current sensor with only minor changes • use. The modification consists in the fact that one leg of the U-shaped yoke core 15 is required and so bends that an outer yoke loop 15a is formed, which is expediently brought directly into contact with the yoke piece 21. In this way a practically closed path is formed for magnetic flux to electrical currents to be able to feel. A current flowing in the conductor 24 generates a magnetic field, which in turn creates a magnetic flux in the yoke loop 15; i induced,

welche diesen Leiter umfaßt. Dieser Magnetfluß durchdringt das Hall-Effekt-Halbleiterplättchen 17 und verläuft längs eines Pfades, der durch die gestrichelte Linie 25 dargestellt ist. Auch hier wird durch die Anwendung des Jochkernes 15 mit seiner Verlängerung zur Jochschleife ein praktisch geschlossener Weg in Eisen für den magnetischen Fluß bereitgestellt, der praktisch nur eine Unterbrechung mit der effektiven Luftspaltbreite aufweist, die durch die Dicke des Halbleiterplättchens und den geringen Luftspalt zum Jochstück 21 hin bestimmt ist. Diese Spaltbreite ist in der Größenordnung von nur 0,51 mm.which includes this conductor. This magnetic flux penetrates the Hall-effect semiconductor chip 17 and runs along a path which is shown by the dashed line 25. Again, the Application of the yoke core 15 with its extension to the yoke loop in a practically closed way Iron provided for the magnetic flux, which practically only interrupts the effective Has air gap width due to the thickness of the semiconductor die and the small air gap to the Yoke piece 21 is determined out. This gap width is on the order of only 0.51 mm.

Das Ausführungsbeispiel eines Stromfühlers gemäß der F i g. 6 zeichnet sich dadurch aus, daß ein äußeres U-förmiges Jochglied 26 dem Baustein zugefügt wird. Die Schenkel des Jochkernes 15 sind entfernt und nur dessen Basisteil 15b wird verwendet. Das U-förmige Jochglied 26 ist vorzugsweise aus weichmagnetischem Eisen hergestellt. Sein unterer Schenkel 26a ist unmittelbar mit dem Basistei! 15b verbunden, das vom ursprünglichen Jochkern 15 übriggeblieben ist. Der obere Schenkel 266 wird zweckmäßig für die Konzentration des Magnetflusses mit dem Jochstück 21 in Kontakt gebracht. Auch diese Anordnung gewährleistet einen weitgehend geschlossenen magnetischen Pfad. Wenn Strom durch den im Inneren des Schleifenteiles des Jochgliedes 26 verlaufenden Leiter 27 fließt, läuft der verkettete Magnetfluß längs der gestrichelten Linie 28. Auch hier ist die Wirkungsweise die gleiche wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, und ebenso gilt das bezüglich des geschlossenen magnetischen Pfades oben Gesagte.The embodiment of a current sensor according to FIG. 6 is characterized in that an outer U-shaped yoke member 26 is added to the module. The legs of the yoke core 15 are removed and only its base part 15b is used. The U-shaped yoke member 26 is preferably made of soft magnetic iron. Its lower leg 26a is directly with the base part! 15b connected, which is left over from the original yoke core 15. The upper leg 266 is expediently brought into contact with the yoke piece 21 for the concentration of the magnetic flux. This arrangement also ensures a largely closed magnetic path. When current flows through the conductor 27 running inside the loop portion of the yoke member 26, the interlinked magnetic flux runs along the dashed line 28. Here, too, the mode of operation is the same as in the previous exemplary embodiment, and what was said above with regard to the closed magnetic path also applies .

Bei einigen Anwendungen, wie beispielsweise als Annäherungsfühler, mag der effektive Luftspalt größer werden, jedoch nur so weit, wie die Hall-Effekt-Vorrichtung von der äußeren Quelle eines magnetischen Feldes das abgefühlt werden soll, entfernt ist.In some applications, such as a proximity sensor, the effective air gap may be larger but only as far as the Hall effect device from the external source of a magnetic field to be sensed is removed.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Hall effect device in modular design with a mounted on a magnetizable support plate Hall effect semiconductor wafers, in which in a component made of non-magnetic material and arranged at a distance from the semiconductor wafer a magnetizable yoke piece with a small air gap above the semiconductor wafer is arranged and in which further magnetizable parts are provided, which one as far as possible forming a closed magnetic path around the semiconductor die, characterized in that that the component arranged at a distance from the bisector plate (17) is the upper part (12) a housing made of non-magnetic material for receiving the semiconductor wafer, in the lower part (H) of which the magnetizable support plate is located (16) and pairs of connecting pins (20) are arranged, which are connected to the current and voltage leads (19) of the semiconductor chip (17) are connected, and that the magnetizable yoke piece (21) is T-shaped.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that between the connecting pins (20) on the outside of the lower part (11) of the housing a groove (13) is provided, which one the Support plate (16) from below touching U-shaped magnetizable yoke core (15) receives its Legs extend upward through bores (14) in the housing (FIGS. 1 to 4).

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the top of the upper part (12) of the Housing forms a smooth surface, and that both the end faces of the legs of the yoke core (15) as also of the T-shaped yoke piece (21) lie in this area (FIGS. 1 to 4).

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that one in the smooth surface of the top of the upper part (12) of the housing displaceable permanent magnet (22) is provided, the optional one of the end faces of the legs of the yoke core (15) and the end face of the T-shaped yoke piece (21) can touch (Fig. 4).

5. Device according to claims 2 to 4, characterized in that one of the legs of the U-shaped yoke core (15) extended and to a yoke loop leading to the T-shaped yoke piece (21) (15a) is shaped, which comprises a conductor (24) (Fig. 5).

6. Apparatus according to claim 2, characterized in that of the U-shaped yoke core only the support plate (16) from below touching base part (156) is present in the groove (13), and that a special, U-shaped bent yoke member (26) is provided which comprises a conductor (27) and whose legs touch the base part (156) or the T-shaped yoke piece (21) (FIG. 6).

7. Device according to claims 1 to 6, characterized in that the housing consists of Plastic material and that the parts (15, 21, 26) forming the magnetic path magnetically soft iron.

65 Hall effect device in modular design with a Hall effect semiconductor plate attached to a magnetizable carrier plate, in which a magnetizable yoke piece is arranged in a component made of non-magnetic material with a small air gap above the semiconductor plate and arranged at a distance from the semiconductor plate, and in the other magnetizable parts are provided which form a largely closed magnetic path around the semiconductor wafer.

A Hall effect device essentially consists made of a semiconductor wafer of a material with high carrier mobility, which is provided with electrodes for the feeding current and is provided with electrodes to decrease the Hall voltage. A hall effect device of the above type is known for example from the German Auslegeschrift 15 40 405, where a Hall effect semiconductor die is described on the a magnetizable support plate is arranged and above the semiconductor wafer for concentration of the magnetic flux with a small air gap, a yoke piece made of magnetizable material is arranged which is held in a spacer frame made of non-magnetic material. There is one on the spacer frame further plate made of magnetizable material in contact with the yoke piece is arranged, see above that a magnetic path around the semiconductor wafer is largely closed. The sensitivity such devices to magnetic fields is inversely proportional to magnetic Resistance that the magnetic path has to the magnetic flux in the direction perpendicular to the surface of the die offers. As a result, the lower the magnetic resistance, the greater the sensitivity the Hall effect device and the concentration of the magnetic flux in the area between the electrodes' of the semiconductor die. One should therefore strive to use the greatest possible in Hall-effect devices Achieve concentration of magnetic flux to make these elements as sensitive as possible close. In particular, unavoidable air gaps must be made as narrow as possible. On the other hand, care must also be taken that the semiconductor wafer is not too small Air gap can be damaged.

Accordingly, the object of the invention is to provide an arrangement of the type described in provide a simple, compact design, but which can be operated reliably.

According to the invention, the Hall effect device in modular construction is of the type described at the outset characterized in that the component arranged at a distance from the semiconductor wafer is the upper part a housing made of niehtmagnetischem material for receiving the semiconductor wafer is in which Lower part is the magnetizable support plate and pairs of connecting pins are arranged with the current and voltage supplies of the semiconductor wafer are connected, and that the magnetizable Yoke piece is T-shaped.

The support plate; of the semiconductor wafer serves both to concentrate the magnetic flux and for heat dissipation and thus for cooling the semiconductor wafer. The T-shaped yoke ensures greatest possible reduction of the air gap. The better heat dissipation allows a higher current load, thus also increases the Hall voltage generated and in this way makes the device more sensitive.