DE3733836C2 - - Google Patents

Description

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

Derartige Sensoren sind aus dem Siemens-Buch: Sensoren · Magnetfeld­ halbleiter, Teil 1, 1983, S. 19 ff. bekannt.

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 elektrisches Feld quer zum Leiter, dessen Kraft auf die Elektronen im Gleichgewichtsfall die Lorentzkraft gerade aufhebt. Die elektrische Feldstärke quer zum Leiter entspricht der sogenannten Hallspannung, 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 Elektroden getragen, sondern von wenigen sehr schnell bewegten Elektroden. 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 Halbleiterschicht wird hierbei hergestellt durch Implantieren und thermisches Aktivieren von geeigneten Ionen in semiisolierendes kristallines Halbleitermaterial, wobei das Halbleitermaterial einen ersten Leitungstyp und der implantierte Leiter einen entgegengesetzten zweiten Leitungstyp aufweist. Die Anschlüsse zum Einspeisen eines Stromes durch den Leiter und diejenigen Anschlüsse 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.

Aus der DE-OS 34 26 785 ist ein magnetoresistiver Sensor bekannt, mit dem die Änderung einer einzigen Magnetfeldkomponente gemessen werden kann. Die Meßelemente sind hierbei als magnetoresistive Meßstreifen ausgebildet und auf einem Halbleiterchip angeordnet, in den auch die Eingangs- und Ausgangsschaltung für den Sensor integriert ist. Die Meßstreifen sind in Dünnschichttechnik auf dem Halbleiterchip isoliert aufgebracht und mit der Schaltung kontaktiert. Ein solcher Sensor kann als Hybridelement mit automatischen Fertigungsverfahren mit hoher Genauigkeit und auch kostengünstig hergestellt werden. Der Halleffekt wird jedoch bei diesem Sensor nicht ausgenutzt.

In der DE-OS 34 20 709 ist ein Magnetfeldsensor zum Bestimmen ebenfalls nur einer Komponente eines Magnetfeldes beschrieben. Das Meßelement ist eine in Dünnschichttechnik auf einem Halbleiterchip aufgebrachte Meßsonde aus einer Spule mit einem ferromagnetischem Kern, die mit einer Eingangs- und Ausgangsschaltung kontatiert ist, die ihrerseits in das Halbleiterplättchen integriert ist.

In der DE-OS 34 24 631 ist ein bipolarer lateraler Magnetotransistor beschrieben, demnach ein Magnetfeldsensor, der nicht den Halleffekt ausnutzt. Vielmehr wirkt ein Magnetfeld bei diesem Sensor auf die nichtbasischen Träger in den Injektionszonen des Magnetotransistors, wobei durch eine bestimmte Anordnung dieser Injektionszonen eine erhöhte magnetische Empfindlichkeit und ein erhöhter Rauschabstand ermöglicht werden. Die Messung der Komponenten eines Magnetfeldes in mehreren Richtungen ist mit diesem Magnetotransistor nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine den Halleffekt ausnützende Magnetfeldsonde anzugeben, die großtechnisch leicht hergestellt und zum Messen der Magnetfeldstärke an allen drei Komponenten eingesetzt werden kann.

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

Demgemäß ist die Magnetfeldsonde aus drei Teilsonden aufgebaut, die auf dem Halbleiterplättchen angeordnet sind und zum Messen der Magnetfeldstärke in drei zueinander senkrechten Richtungen dienen. Das Magnetfeld wird durch auf gegenüberliegenden Seiten eines Leiters, der vorzugsweise als Balken ausgebildet ist, angeordnete Magnetfeldleitstege aus magnetisch leitendem Material in der jeweiligen Koordinatenrichtung geführt und zum Zweck der senkrechten Durchströmung der Balken um 90° richtungsverändert. Die Balken mit ihren Anschlüssen werden lediglich in ausgewählten Bereichen des Halbleiterplättchens integriert, wodurch die für die Massenproduktion von Halbleiterelementen bekannten billigen Herstellungsverfahren verwendet werden können, so z. B. Planartechnik, Maskentechnik und Ätzverfahren.

Zum Messen sämtlicher drei Komponenten des Magnetfeldes wird dieses zum Bestimmen der X- bzw. der Y-Komponente durch zwei auf einer Seite der Balken gelegene Magnetfeldleitstege sowie einen auf der anderen, d. h. der Rückseite des Leiters gelegenen weiteren Magnetfeldleitsteg geführt. Hierdurch wird der in das Halbleiterplättchen integrierte Leiter zweimal in unterschiedlicher Richtung durchsetzt, so daß eine Hallspannung quer zum Balken generiert wird. Die Z-Komponente des Leitfeldes wird mit Hilfe eines dritten Teilsensors mit einem flächigen stromdurchflossenen Leiter gemessen, der an seinen Rändern senkrecht zur Stromrichtung Anschlüsse zum Abgreifen der Hallspannung aufweist.

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

Eine bevorzugte Ausführungsform ist in dem Unteranspruch 2 angegeben.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellt 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.

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 5 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 für 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 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 Oberfläche des n-dotierten Halbleiterplättchens 2 integrierte p-dotierte Material ist in zwei parallele Balken 10 aufgeteilt, die sich an ihren Stirnseiten in schmalen Bändern 11 fortsetzen, die in rechteckigen Anschlußbereichen 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 Fig. 1 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 (2)

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 Hallspannung am Leiter quer zur Stromrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsonde drei Teilsonden (3, 4, 5) aufweist, die auf dem Halbleiterplättchen angeordnet sind und zur Messung der Magnetfeldstärke in drei zueinander senkrechten Richtungen dienen, daß die erste und zweite Teilsonde (3, 4) jeweils einen balkenförmigen stromführenden Leiter (10) aufweisen, der senkrecht zur jeweiligen Meßrichtung (X, Y) gelegen ist und an gegenüberliegenden Rändern Anschlüsse (15, 16, 17, 18) zum Abgreifen der Hallspannung aufweist, daß auf der Oberseite des jeweiligen Leiters (10) elektrisch gegen diesen isoliert jeweils ein in Meßrichtung (X, Y) gelegener Magnetfeldleitsteg (7-1, 7-2, 8-1, 8-2) vorgesehen ist, der mit seinem einen Ende jeweils den Leiter (10) überdeckt, daß am Boden einer von der Unterseite des Halbleiterplättchens ausgehenden und knapp unterhalb der Leiter (10) der Teilsonden (3, 4) endenden Grube jeweils ein den Leiter überlappender weiterer Magnetfeldleitsteg (22) vorgesehen ist, und daß ferner der dritte Teilsensor (5) einen flächigen stromdurchflossenen Leiter (23) aufweist, der an seinen Rändern senkrecht zur Stromrichtung die Anschlüsse (28) zum Abgreifen der Hallspannung aufweist.

2. Magnetfeldsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Teilsonden (3, 4) jeweils zwei nebeneinander angeordnete und zueinander parallele balkenförmige stromführende Leiter (10) aufweisen, die in ihrer Mitte durch einen Verbindungssteg (14) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei mit diesem Steg ein Anschluß (16) zum Abgreifen einer Hallspannung verbunden ist, daß für jeden dieser Teilsensoren (3, 4) zwei Magnetfeldleitstege (7-1, 7-2, 8-1, 8-2) vorgesehen sind, die mit ihrem einen Ende jeweils einen der Leiter (10) überdecken, und daß der am Boden der Grube (21) angeordnete Magnetleitsteg (22) beide Leiter überdeckt.