DE3733836A1 - Magnetfeldsonde zur messung der magnetfeldstaerke unter verwendung des halleffektes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfeldsonde zur Messung der Magnetfeldstärke unter Verwendung des Halleffektes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Setzt man einen bandförmigen, stromdurchflossenen Leiter einem transversalen Magnetfeld aus, so werden die bewegten Elektronen durch die Lorentzkraft zur Seite abgelenkt. Durch die Ansammlung der Elektronen an einem Rand des Leiters entsteht ein elektri­ sches Feld quer zum Leiter, dessen Kraft auf die Elektronen im Gleichgewichtsfall die Lorentzkraft gerade aufhebt. Die elektri­ sche Feldstärke quer zum Leiter entspricht der sogenannten Hall­ spannung, die merkliche Werte annimmt, wenn als Leitermaterial bestimmte Halbleiterverbindungen, z.B. die halbleitenden III-V-Verbindungen des Indiumantimonids verwendet werden. Bei diesen Halbleitermaterialien wird der Stromfluß nicht von sehr vielen, äußerst langsam bewegten Elektronen getragen, sondern von wenigen sehr schnell bewegten Elektronen. Dementsprechend ist die Hallspannung um mehrere Größenordnungen höher als bei Metallen und kann bis zu einigen 100 mV betragen. Diese kann verstärkt und elektronisch ausgewertet werden.

Für die Herstellung der leitenden Halbleiterschicht kann auch die Ionenimplantation Verwendung finden. Die leitende Halblei­ terschicht wird hierbei hergestellt durch Implantieren und ther­ misches Aktivieren von geeigneten Ionen in semi-isolierendes kristallines Halbleitermaterial, wobei das Halbleitermaterial einen ersten Leitungstyp und der implantierte Leiter einen ent­ gegengesetzten zweiten Leitungstyp aufweist. Die Anschlüsse zum Einspeisen eines Stromes durch den Leiter und diejenigen An­ schlüsse zum Abgreifen der Hallspannung sind üblicherweise an den Rändern des Halbleiterplättchens angeordnet.

Mit den bekannten Magnetfeldsonden dieses Typs kann die Magnet­ feldstärke nur in einer Richtung transversal zum Leiter bestimmt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine den Halleffekt ausnützende Magnetfeldsonde anzugeben, die großtechnisch sehr leicht hergestellt und zur Messung der Magnetfeldstärke in seinen drei Komponenten eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zur Realisierung der Erfindung werden hiernach zwei Gedanken ausgenutzt:

Zum einen wird das Magnetfeld durch auf gegenüberliegenden Seiten des Leiters, der vorzugsweise als Balken ausgebildet ist, angeordnete Magnetfeldleitstege aus magnetisch leitendem Mate­ rial in Koordinatenrichtung geführt und zum Zweck der senkrech­ ten Durchströmung der Balken um 90° richtungsverändert.

Zum anderen werden die Balken mit ihren Anschlüssen lediglich in ausgewählten Bereichen eines Halbleiterplättchens integriert, wodurch die für die Massenproduktion von Halbleiterelementen bekannten billigen Herstellverfahren verwendet werden können, so z. B. die Planar- und Maskentechnik sowie Ätzverfahren.

Diese beiden Maßnahmen geben auch die Möglichkeit, auf einem Halbleiterplättchen mehrere Richtungskomponenten des zu messen­ den Magnetfeldes zu bestimmen, wenn die Magnetfeldleitstege in Vorzugsrichtungen angeordnet sind, die der jeweiligen Richtung der zu messenden Komponente des Magnetfeldes entsprechen. Das Magnetfeld wird zur Messung der X- bzw. der Y-Komponente durch zwei auf einer Seite der Balken gelegenen Magnetfeldleit­ stegteilen sowie einen auf der anderen Seite (der Rückseite) des Leiters gelegenen weiteren Leitstegteil geführt. Es durchsetzt dabei den in das Halbleiterplättchen integrierten Leiter zweimal in unterschiedlicher Richtung. Dadurch kommt es zur Bildung der Hallspannung (Lorentzkraft) quer zum Balken. Die Z-Kompo­ nente des Magnetfeldes wird durch die Antiparallelanordnung (zweimalige Durchsetzung des Balkens durch das Magnetfeld in unterschiedlicher Richtung) unterdrückt. Zur Messung der Z-Komponente sind keine balkenförmigen Magnetfeldleitstege er­ forderlich.

Die Anschlüsse zum Einspeisen des Stromes und zum Abgreifen der Hallspannung sind ebenfalls in dem Halbleiterplättchen inte­ griert und können mit herkömmlichen Bondtechniken mit externen Anschlußdrähten versehen werden.

Mit einer Magnetfeldsonde gemäß der Erfindung kann durch be­ stimmte Ausrichtung der Magnetfeldleitstege ein Magnetfeld in drei senkrecht aufeinander stehenden Komponenten, d. h. einer X-, Y- und Z-Komponente gemessen werden. Die Magnetfeld­ leitstege auf der den Balken entgegengesetzten Seite des Halb­ leiterplättchens sind hierzu bevorzugt in Gruben, vorzugsweise Ätzgruben angeordnet, wobei für die Messung der Magnetfeldstärke senkrecht zu der Oberfläche des Halbleiterplättchens keine Magnetfeldleitstege erforderlich sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteran­ sprüchen hervor.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeich­ nung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine Aufsicht auf eine in einem Halbleiterplättchen integrierte Magnetfeldsonde gemäß der Erfindung zur Messung eines Magnetfeldes in drei Richtungen; Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Teil der freien Oberfläche des Halbleiterplättchens im Meßbereich;

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Magnetfeldsonde gemäß Fig. 1 längs III-III;

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Magnetfeldsonde gemäß Fig. 1 längs IV-IV.

In Fig. 1 ist eine Magnetfeldsonde 1 dargestellt, die auf der Basis eines Halbleiterplättchens 2 aus n-dotiertem Halbleiter­ material aufgebaut ist. Auf den Halbleiterplättchen sind drei Einzelsonden angeordnet, mit denen unterschiedliche Richtungs­ komponenten eines nicht dargestellten Magnetfeldes erfaßt und gemessen werden. Die Teilsonde 3 mißt Richtungskomponenten in X-Richtung parallel zur Oberkante des Halbleiterplättchens in Fig. 1, die Teilsonde 4, Richtungskomponenten in Y-Richtung parallel zu der Seitenkante des Halbleiterplättchens und die Teilsonde 3 Richtungskomponenten in Z-Richtung senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterplättchens.

In die Oberfläche des Halbleiterplättchens sind für jede Teil­ sonde 3, 4 und 5 Muster aus p-dotiertem Halbleitermaterial ein­ gebaut, deren Gestalt in Verbindung mit den weiteren Figuren be­ schrieben wird. Die Oberfläche des Halbleiterplättchens ist mit einer Isolierschicht 6, z. B. aus Siliziumoxid abgedeckt. Der Einbau der p-dotierten Bereiche und das Aufbringen der Isolier­ schicht 6 erfolgt nach herkömmlichen, aus der Halbleitertechnik bekannten Verfahren.

Auf diese Isolierschicht sind für die Teilsonde 3 zwei mit ihrer Längsrichtung in X-Richtung verlaufende längliche Magnetfeld­ leitstege 7-1 und 7-2 vorgesehen, ebenso fur die Teilsonde 4 zwei gleicherart angeordnete, jedoch in Y-Richtung ausgerichtete Magnetfeldleitstege 8-1 und 8-2, wohingegen für die Teilsonde 5 keine Magnetfeldleitstege erforderlich sind.

Die Teilsonden 3 und 4 für die in X-Richtung bzw. Y-Richtung verlaufenden Komponenten des zu messenden Magnetfeldes sind gleich aufgebaut, so daß lediglich die Teilsonde 3 in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 beschrieben wird.

Das in die Oberfäche des n-dotierten Halbleiterplättchens 2 integrierte p-dotierte Material ist in zwei paralelle Balken 10 aufgeteilt, die sich an ihren Stirnseiten in schmalen Bändern 11 fortsetzen, die in rechteckigen Anschlußschlußbereichen 12 enden. Diese rechteckigen Anschlußbereiche werden nach der Ent­ fernung der über ihnen befindlichen Isolierschicht 6 nach einer herkömmlichen Bond-Technik mit Anschlußdrähten 13 verbunden, wo­ bei jeweils gegenüberliegende Anschlußdrähte beider Balken mit den beiden Polen einer nicht dargestellten Stromquelle verbunden werden, so daß durch die Balken 10 in deren Längsrichtung je­ weils ein Strom I fließt. Etwa in der Mitte der Balken 10 sind diese über eine Leitung 14 miteinander verbunden, die als eben­ falls p-dotierter Kanal ausgebildet ist. Diese Leitung 14 ist etwa in der Mitte mit einer gemeinsamen Leitung 15 verbunden, die ebenfalls als Kanal aus p-dotiertem Material ausgebildet ist und in einem Anschlußbereich 16 endet. Auf den der Leitung 14 gegenüberliegenden Seiten der beiden Balken 10 sind Leitungen 17 vorgesehen, die wiederum jeweils in einem Anschlußbereich 18 enden. Die Anschlußbereiche 16 und 18 sind, hier nicht darge­ stellt, in gleicher Weise wie die Anschlußbereiche 12 mit Anschlußdrähten verbunden. Ferner ist noch das n-dotierte Halb­ leiterplättchen 2 mit einem Anschlußdraht 19 verbunden, der di­ rekt mit dem n-dotierten Material über eine Metallisierung 20 in Verbindung steht. Diese Metallisierung kann entweder auf der Rückseite des Halbleiterplättchens oder auf der Oberseite des Halbleiterplättchens nach Durchbrechen der Isolierschicht 6 angeordnet sein. Der Anschlußdraht 19 ist mit dem Pluspol der nicht gezeigten Spannungsquelle verbunden.

Die dargestellte und beschriebene Anordnung kann bereits als Magnetfeldsensor arbeiten. Werden die beiden Halbleiterplättchen von einem transversalen Magnetfeld durchflossen, so kann jeweils zwischen den Anschlußbereichen 16 und 18 die Hallspannung abge­ nommen werden. Die dargestellte Anordnung der p-dotierten Lei­ terbereiche ist spiegelbildlich aufgebaut, so daß die doppelte Hallspannung zwischen den Anschlußbereichen abgenommen werden kann. Zur Führung des Magnetfeldes sind die Magnetfeldleitstege 7-1 und 7-2 vorgesehen, die in Fig. 2 schematisch angedeutet sind, wobei deren äußere Begrenzung gepunktet dargestellt ist. Der Magnetfeldleitsteg 7-1 überdeckt an ihrem äußeren Rand den in Fig. 2 linken Balken 10, während der Magnetfeldleitsteg 7-2 mit seinem äußeren linken Rand den anderen Balken 10 überdeckt. Dadurch wird die Drehung des Magnetfeldes im Bereich der Balken um 90° erzielt.

Die Unterseite des Halbleiterplättchens 2 ist in einem die bei­ den Balken 10 umfassenden und in Fig. 2 gestrichelt dargestell­ ten Bereich A zu einer Grube 21 ausgeätzt, die mit ihrem Boden knapp unterhalb der p-dotierten Bereiche des in Fig. 2 darge­ stellten Musters reicht; vgl. Fig. 3. Der Boden dieser Ätzgrube 21 ist mit einem weiteren Magnetfeldleitsteg 22 beschichtet, die sich in einer hier gestrichelt dargestellten Beschichtung 22′ an den Seitenwänden der Ätzgruppe fortsetzen kann. Durch die Ma­ gnetfeldleitstege 7-1, 7-2 und 22 wird das zu messende Magnet­ feld geführt und transversal durch die stromführenden Balken 10 geleitet. Die entsprechende Hallspannung kann dann an den An­ schlüssen 16 und 18 abgenommen werden.

Der Teilsensor 5 für Z-Komponenten des zu messenden Magnetfeldes weist einen ebenso gestalteten Bereich 23 aus p-dotiertem Halb­ leitermaterial, aber keine Magnetfeldleitstege auf. Dies ist nicht notwendig, da eine Drehung des Magnetfeldes um 90° nicht erforderlich ist. Wie aus den Fig. 1 und 4 hervorgeht, sind für den p-Bereich 23 des Leiters Anschlußbereiche 26 vorgesehen, die mit den beiden Polen der Stromquelle verbunden sind, so daß der p-Bereich 23 von einem Strom durchflossen wird. Zu beiden Seiten des quadratischen p-Bereiches 23 sind als p-dotierte Kanäle aus­ gebildete Leitungen 27 vorgesehen, die in Anschlußbereichen 28 enden. Zwischen den beiden Anschlußbereichen 28 wird die Hall­ spannung abgenommen.

Der beschriebene Magnetfeldsensor ist in der Lage, auf kleinstem Raum das Magnetfeld in seinen drei Komponenten zu messen, wobei die Hallspannungen im Gegensatz zu bekannten Magnetfeldsensoren wesentlich größer sind, so daß die Feldstärke auch von schwachen Magnetfeldern gut gemessen werden kann. Die Grenzen zwischen den p-dotierten und den n-dotierten Bereichen in den Halbleiter­ plättchen haben Diodenwirkung, so daß der Strom auf die p-do­ tierten Bereiche begrenzt und die Meßergebnisse zuverlässig re­ produzierbar sind.

Der beschriebene Magnetfeldsensor ist auf der Basis eingeführter Verfahren monolithisch integrierbar und daher bestens für preis­ günstige Massenproduktion geeignet. Je nach Wahl des Halbleiter­ materiales kann der beschriebene Magnetfeldsensor Bestandteil eines monolithisch integrierten Systemes sein. Der beschriebene Magnetfeldsensor mißt das Magnetfeld in seinen drei Komponenten.

Claims (5)

1. Magnetfeldsonde zur Messung der Magnetfeldstärke unter Verwendung des Halleffektes mit einem Halbleiterplättchen aus einem Material eines ersten Leitungstypes, in dessen Oberfläche ein Leiter aus einem Halb­ leitermaterial eines zweiten entgegengesetzten Leitungstyps integriert ist, sowie mit Anschlüssen zum Einspeisen eines Stromes durch den Leiter und zum Abgreifen einer der Magnetfeldstärke zuzuordnenden Halbspannung am Leiter quer zur Stromrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (10, 23) mit den Anschlüssen (12, 16, 18, 28) lediglich in ausgewählten diskreten Bereichen des Halbleiterplättchens (2) integriert ist, daß auf der Oberseite des Leiters (10) gegen diesen elektrisch isoliert ein Magnetfeldleitsteg (7, 8) aus magnetisch leitendem Material angeordnet ist, und daß auf der Gegenseite des Leiters (10, 23) auf dem Halbleiter­ plättchen (2) ein weiterer Magnetfeldleitsteg (22) vorgesehen ist.

2. Magnetfeldsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldleitstege (22, 25) auf der dem Leiter (10, 23) gegenüberlie­ genden Unterseite des Halbleiterplättchens in Gruben (21), vorzugsweise Ätzgruben des Halbleiterplättchens (2) angeordnet sind.

3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Halbleiterplättchen (2) mehrere Leiter (10, 23) in ausgewählten Bereichen integriert sind, denen jeweils in unterschiedlichen Richtungen ausgerichtete Magnetfeldleitstege (7, 8) zugeordnet sind.

4. Magnetfeldsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der mit dem Leiter (10) versehenen Oberseite des Halbleiterplättchens (2) zwei mit ihren Längsachsen senkrecht zueinander verlaufende längliche Magnetfeldstege (7, 8) vorgesehen sind, denen jeweils im Bereich des Leiters (10) ein in einer Grube (21) angeordneter gegenüber­ liegender Magnetfeldleitsteg (22) zugeordnet ist.

5. Magnetfeldsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Magnetfeldleitsteg (7, 8) auf der Oberseite des Halbleiterplättchens durch zwei Teilstege (7-1, 7-2, 8-1, 8-2) gebildet ist.