DE69738435T2

DE69738435T2 - Magnetischer stromsensor

Info

Publication number: DE69738435T2
Application number: DE69738435T
Authority: DE
Inventors: William C. Ames BLACK; Theodore M. Eden Prairie HERMANN
Original assignee: NVE Corp
Current assignee: NVE Corp
Priority date: 1996-08-16
Filing date: 1997-07-24
Publication date: 2009-01-02
Anticipated expiration: 2017-07-25
Also published as: AU3892697A; EP0979419B1; CN1251171A; EP0979419A4; EP1906194A2; WO1998007165A2; KR20000029928A; US6252390B1; EP0979419A2; CA2261312A1; US5831426A; WO1998007165A3; JP2000516714A; DE69738435D1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ferromagnetische Dünnfilmstrukturen, welche verhältnismäßig große magnetoresistive Charakteristika aufweisen und, spezieller ausgedrückt, auf derartige Strukturen, welche benutzt werden, um magnetische Felder nachzuweisen.
Viele Arten von elektronischen Systemen benutzen magnetische Einrichtungen, wobei sowohl digitale Systeme beinhaltet sind, wie z. B. Speicher, und analoge Systeme, wie z. B. Feldsensoren. Magnetmessgeräte und andere magnetische Abtasteinrichtungen werden extensiv in vielen Arten von Systemen benutzt, wobei magnetische Plattenspeicher und magnetische Bandspeichersysteme verschiedener Arten beinhaltet sind. Derartige Einrichtungen liefern Ausgangssignale, welche das magnetische Feld repräsentieren, welches dadurch in einer Vielfalt von Situationen erfasst wird.
Eine Anwendung für derartige Magnetfeldsensoren ist das Erfassen von Magnetfeldern, welche durch elektrische Ströme in einem Leiter erzeugt werden, als eine Grundlage, um auf die Natur eines derartigen Stromes zu schließen, welcher die Ursache für diese Felder ist. Während dies eine lange Zeit für magnetische Felder durchgeführt wurde, welche durch kräftige Ströme erzeugt sind, wird dieses Erfassen bei geringeren Strombereichen, welche verhältnismäßig kleine Ströme beinhalten, schwieriger zu erreichen. Die Notwendigkeit des Erfassens von Feldern aufgrund derartig kleiner Ströme entsteht beispielsweise bei Situationen, wo die Ströme, welche die Felder erzeugen, die zu messen sind, nur als Grundlage zum Weiterbefördern von Signalinformation dienen, im Gegensatz zur Übertragung von beträchtlich großer elektrischer Energie.
Eine derartige Situation tritt in vielen medizinischen Systemen, Instrumentensystemen und Steuersystemen auf, wo es häufig eine Notwendigkeit gibt, Signale zu Systemteilen über Signalverbindungen von einer externen Quelle oder von einem anderen Teil des Systems zu kommunizieren. Häufig müssen die Leiter, welche Signalströme für derartige Zwecke tragen, elektrisch von dem Teil des Systems isoliert werden, welche die Sensoranordnung für diese Signale beinhaltet, um die resultierenden magnetischen Felder zu messen. Als ein Beispiel kann ein langer Stromkreis, welcher Signalinformation in dem Kreis trägt, durch Blitzschlag oder statische elektrische Entladungen in die Lage kommen, großen Spannungspotentialen im Verhältnis zur Erde, welche sich daraufhin entwickeln, ausgesetzt zu sein. Derartige Potentiale müssen in vielen Fällen von der Signalabtastung und der Empfangsschaltung ferngehalten werden, um Schaden für diese zu vermeiden, obwohl sogar die Schaltung noch in der Lage sein muss, die Signalinformation, welche in dem Kreisstrom enthalten ist, zu erfassen.
Signalisolatoren für diese Zwecke sind häufig vorzugsweise in monolithisch integrierten Schaltungschips wegen der Kosten, der Bequemlichkeit und Systemleistungsfähigkeit gebildet. In einer derartigen Anordnung werden einer oder mehrere Festkörper-Magnetfeldsensoren benutzt, um die magnetischen Felder zu detektieren, welche durch die Ströme geliefert werden, welche die Signale enthalten. Eine Art von magnetischem Feldsensor, welcher in einer derartigen Situation benutzt wurde, ist eine Hall-Effekt-Einrichtung. Derartige Einrichtungen sind häufig nicht zufrieden stellend für das Erfassen der Magnetfelder aufgrund zu kleiner Ströme wegen der begrenzten Empfindlichkeit, welche sie in Bezug auf die magnetischen Felder aufweisen.
Außerdem gibt es häufig ein Nichtvorhandensein von zufrieden stellenden korrigierenden oder ergänzenden Messungen in derartigen Anordnungen, um die begrenzte Empfindlichkeit von Hall-Effekt-Einrichtungen zu verbessern. Das Benutzen von Feldkonzentratoren ist in einer monolithisch integrierten Schaltung, welche eine Hall-Einrichtung enthält, aufgrund der magnetisch empfindlichen Achse einer derartigen Einrichtung, welche sich senkrecht zu den Richtungen der Hall-Einrichtung in der monolithisch integrierten Schaltung über das Substrat erstreckt, welches die Einrichtung stützt, schwierig zu liefern, d. h. die Empfindlichkeitsachse der Einrichtung ist parallel zu der Dicke der Einrichtung anstatt zu der Breite oder der Länge derselben. Auch liegt die Information, welche durch die Hall-Einrichtungen geliefert wird, bezüglich der magnetischen Felder, welche dadurch gemessen werden, in der Form einer Spannung vor, was das Gebrauchen derartiger Einrichtungen in Brückenschaltungen einschränkt, welche anderenfalls für Zwecke des Erhöhens des Ausgangssignals genutzt werden könnten, wobei die Stromsignalinformation geliefert wird.
Eine andere Möglichkeit, sowohl bei hybrid integrierten Schaltungen als auch bei monolithisch integrierten Schaltungen, für die Signalisolation besteht im Anwenden einer Lichtquelle, deren elektromagnetische Strahlintensitäten durch Signalströme von einer Signalquelle gesteuert werden. Eine derartige Lichtquelle ist elektrisch von einem Lichtdetektor isoliert, welcher in der integrierten Schaltung geliefert wird, welche benutzt wird, um auf die Natur der Signalströme des Lichtes, das zu diesem übertragen und durch dieses empfangen wird, zu schließen. Schwierige Ingenieur- und ökonomische Probleme machen dies zu einer nicht zufrieden stellenden Lösung, da damit verschiedene alternative, kapazitätsbasierte Kopplungslösungen auftreten. Deshalb gibt es eine Notwendigkeit für eine Signalisoliereinrichtung, welche eine verhältnismäßig hohe Empfind lichkeit aufweist, welche bei vernünftigen ökonomischen Kosten hergestellt werden kann.
Die EP-A-0 710 850 (IBM), B. Mai 1996 (08-05-1996), bezieht sich auf einen magnetischen Feldsensor und auf ein Verfahren für dessen Herstellung.
In der US-A-5,260,653 (Smith Neil et al.), 9. November 1993 (09-11-1993), wird ein Dünnfilm-magnetoresistives Magnetmessgerät mit sehr hoher Empfindlichkeit veröffentlicht, welches eine Temperaturkompensation und eine einfache Domäne-Stabilität besitzt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung liefert ein Strombestimmungsglied, welches einen Ausgang besitzt, an welchem Darstellungen von Eingangsströmen für Eingangsströme geliefert werden, welche von einer Quelle geliefert werden, wobei das Strombestimmungsglied aufweist: einen Eingangsleiter und einen ersten Stromsensor, welche beide auf einem Substrat aufgebaut sind, welches benachbart zueinander und welche voneinander beabstandet sind, so dass sie elektrisch isoliert zu dem ersten Stromsensor sind, welcher in jenen Magnetfeldern positioniert ist, welche auf Grund von Eingangsströmen erstehen. Der erste Stromsensor ist aus einer Vielzahl von magnetoresistiven, anisotropen, ferromagnetischen Dünnfilmschichten gebildet, von welchen wenigstens zwei über eine nichtmagnetische, elektrisch leitende Schicht, welche dazwischen angeordnet ist, voneinander getrennt sind.
Dieser erste Stromsensor erstreckt sich in erster Linie entlang einer ersten Richtung über das Substrat hinweg, und der Eingangsleiter erstreckt sich in erster Linie entlang einer zweiten Richtung über das Substrat hinweg, welche nahezu orthogonal zu der ersten Richtung ist. Eine Schicht aus Material, welches im Wesentlichen eine magnetische Permeabilität aufweist, kann dabei benutzt werden, welches sowohl nahe dem Eingangsleiter als auch nahe dem ersten Stromsensor positioniert ist, um als ein magnetischer Feldkonzentrator und als eine Abschirmung gegen irgendwelche ungewünschten externen magnetischen Felder zu dienen.
Dieser Sensor kann elektrisch an eine andere elektronische Schaltung, welche in dem Substrat gebildet ist, angeschlossen sein. Eine derartige Schaltung kann eine nicht lineare Adaptionsschaltung beinhalten, um genauere Repräsentationen bzw. Darstellungen der Eingangsströme trotz der Nichtlinearitäten in dem Stromsensor zu liefern. Weitere Stromsensoren, welche auch benachbart zu dem Eingangsleiter oder einem Ausgangsleiter sind, können geliefert werden, um Brückenschaltungen zu bilden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A und 1B stellen eine Draufsicht eines Teils einer monolithisch integrierten Schaltungsstruktur dar, welche die vorliegende Erfindung verwirklicht,
2A, 2B, 2C und 2D stellen Schichtdiagramme von Teilen des Strukturbereichs dar, welcher in 1 gezeigt wird,
3 zeigt eine Charakteristik einer Struktur, ähnlich zu jener, welche in den 1 und 2 dargestellt wird,
4 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm für eine Schaltung, welche die vorliegende Erfindung verwirklicht,
5 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm einer alternativen Schaltung, welche die vorliegende Erfindung verwirklicht, und
6 stellt eine Draufsicht eines Teiles einer anderen monolithisch integrierten Schaltungsstruktur dar, welche die vorliegende Erfindung verwirklicht.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Magnetische Feldsensoren für derartige Signalisolatoren, welche auf magnetoresistivem Abtasten von magnetischen Zuständen, welche darin auftreten, basieren, können vorteilhaft hergestellt werden, indem ferromagnetische Dünnfilmmaterialien benutzt werden. Derartige Einrichtungen können auf einer Oberfläche einer monolithisch integrierten Schaltung geliefert werden, um dadurch zu gestatten, dass geeignete elektrische Verbindungen zwischen der Sensoreinrichtung und der Betriebsschaltung hierfür geliefert werden.
In jüngster Vergangenheit wurde herausgefunden, dass das Liefern derartiger Sensoren in Form einer dünnen Zwischenschicht eines trennenden Materials, welches zwei größere Oberflächen besitzt, wobei auf jeder derselben ein anisotroper magnetischer Dünnfilm positioniert ist, zu einem "riesigen magnetoresistiven Effekt" in dem Sensor führt, falls die Dicke der ferromagnetischen Dünnfilme und der dazwischenliegenden Schichten in einer derartigen "Sandwich"-Struktur ausreichend dünn in der Dicke gemacht wurde. Dieser Effekt kann verstärkt werden, indem derartige Sensoren mit zusätzlichen alternierenden ferromagnetischen Filmen und dazwischenliegenden Schichten gebildet werden, um Supergitter zu bilden. Der sich ergebende verstärkte "riesige magnetoresistive Effekt" kann zu einer magnetoresistiven Rückantwort führen, welche im Bereich von bis zu einer Größenordnung größer als die aufgrund des sehr bekannten anisotropen magnetoresistiven Verhaltens sein kann. Sensoren ähnlich zu denen, welche hierin für das Erfassen magnetischer Felder extern zu diesen monolithisch integrierten Struktureinrichtungen, welche derartige Sensoren enthalten, beschrieben werden, werden in den früher eingereichten, damit zusammenhängenden Anmeldungen von J. M. Daughton mit dem Titel "Magnetoresistive Structure With Alloy Lager", welches die Seriennr. 08/384,647 besitzt, und "Magnetic Structure with Stratified Lagers", welches die Seriennr. 08/096,765 besitzt, von J. M. Daughton, beide dem gleichen Aasmelder wie die vorliegende Anmeldung zugeordnet, beschrieben.
1A zeigt eine Draufsicht eines Signalisolators, welcher als ein Teil einer monolithisch integrierten Schaltung gebildet ist, wobei ein Stützhalbleiterchip des Isolatorsubstrats beinhaltet ist, welcher eine darin passend gelieferte Betriebsschaltung für diesen Signalisolator besitzen kann. Alternativ kann der Signalisolator als Teil einer hybriden integrierten Schaltung auf einem Keramiksubstrat gebildet sein. 1B zeigt eine aufgebrochene Ansicht eines Teils der Ansicht, welche in 1A gezeigt wird, der größeren Klarheit wegen vergrößert, und besitzt auch ein Teil davon, welches herausgebrochen ist, um die Struktur darunter, der größeren Klarheit wegen, zu offenbaren. Die optionale Schutzschicht, welche über der Struktur geliefert wird, welche als benutzt gezeigt wird, wurde in dieser Ansicht der Klarheit wegen weggelassen, ebenso wie einige andere Schichten, welche diese besitzt, so dass die Strukturteile in einer durchgezogenen Linienform gezeigt werden, außer für die Strukturteile, welche unterhalb anderer Strukturteile liegen, welche in diesen Figuren erscheinen, welche in gestrichelter Linienform gezeigt werden.
Entsprechend den 1A und 1B sind die 2A, 2B, 2C, 2D und 2E, welche Schichtdiagramme der entsprechenden Teile der Strukturen sind, welche in den 1A und 1B gezeigt sind, wie darin gekennzeichnet. Diese Schichtdiagramme liefern ein Aufzeigen der Strukturschichten, welche zu Strukturen führen, welche in 1A und 1B gezeigt werden, sind jedoch keine wahrhaften Querschnittsansichten, da viele Dimensionen der Klarheit wegen vergrößert oder verkleinert sind.
Wie oben aufgezeigt, wird die Stromabtaststruktur typischerweise auf einem Halbleiterchip 10 geliefert, welcher eine geeignete Betriebsschaltung für den Sensor darin liefert. Eine elektrische Isolierschicht 11, welche auf dem Halbleiterchip 10 durch Sputter-Ablagerung von Siliciumnitrid gebildet ist, stützt eine Stromsensor-"Sandwich"-Struktur, welche ein Paar von ferromagnetischen Dünnfilmschichten aufweist, welche voneinander durch eine nicht magnetische, elektrisch leitende Zwischenschicht getrennt sind, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben wird. Das Substrat für den Stromsensor, welcher auf dem Halbleiterchip 10 gebildet ist, und die Stützschicht 11 sind in den 2A, 2B, 2C und 2E mit 10, 11 gekennzeichnet, da die Isolierschicht 11 und der Halbleiterchip 10 in diesen Figuren nicht voneinander unterschieden sind. Ein Teil der Schicht 11 wird in der höher auflösenden Zeichnung der 2D gezeigt. Typischerweise ist die Schicht 11 aus Siliciumnitrid bis zu einer Dicke von ungefähr 10.000 Å (1 Å = 10^–10 m) gebildet.
Nachfolgend ist die oben erwähnte "Sandwich"-Struktur auf der Schicht 11 mit jeder der ferromagnetischen Dünnfilmschichten und der Zwischenschicht ausgestattet, welche durch Sputter-Ablagerung als die Basis geliefert wird, um den magnetoresistiven Schaltwiderstand zu bilden, welcher als Stromsensor dient. Diese Vielschichtstruktur wird einen Blattwiderstand von ungefähr 13 Ω/oder höher besitzen und wird einen riesigen magnetoresistiven Effekt aufweisen, welcher fünf Prozent zusammen mit einem Sättigungsfeld von ungefähr 40 Oe (1 Oe = 10^–4 Tesla) übersteigt.
In dieser Struktur ist die erste Schicht, welche geliefert wird, eine ferromagnetische Verbund-Dünnfilmschicht, welche auf der Nitridschicht 11 über Sputtern aufgebracht ist, mit dem Ergebnis, welches in 2D gezeigt wird, einer ersten Schicht 12 dieser ferromagnetischen Verbund-Dünnfilmschicht, welche auf einer Legierung aus 65% Nickel, 15% Eisen und 20% Kobalt bis zu einer Dicke von 40 Å gebildet ist, welche eine magnetische Sättigungsinduktion von typischerweise ungefähr 10.000 Gauß (1 Gauß = 10^–4 Tesla) besitzen wird. Das Ablagern dieser Schicht tritt in Gegenwart eines externen magnetischen Feldes in der Ebene des Filmes auf, welches entlang einer Richtung parallel zu der Ebene der Figur orientiert ist, was dazu führt, dass der Film eine nach vorne zentrierte kubische Struktur besitzt. Dieses Herstellungsfeld wird den leichten Zugang hinterlassen, welcher entlang der Ebene der Figur gerichtet ist. Eine zweite Schicht 13 wird auch in einem Sputter-Ablagerungsschritt in Gegenwart eines ähnlichen magnetischen Herstellungsfeldes geliefert. Die zweite Schicht ist aus 5% Eisen und 95% Kobalt bis zu einer Dicke von 15 Å gebildet, was dazu führt, dass dieses Material ein magnetisches Moment von ungefähr 16.000 Gauß besitzt, welches ein Wert ist, welcher größer als das magnetische Moment der ersten Schicht 12 ist. Dieses Material mit größerem magnetischem Moment wird benachbart der Zwischenschicht, welche als Nächstes zu bilden ist, geliefert, um einen größeren riesen-magnetoresistiven Effekt zu erhalten, jedoch wird die Schicht 12 mit niedrigerem Moment geliefert, um den sich ergebenden Stromsensor beizubehalten, welcher empfindlicher gegenüber kleineren Feldern ist als er wäre, wenn diese nicht vorhanden wäre.
Nachfolgend wird eine Zwischenschicht 14 durch Sputter-Ablagerung auf der Schicht 13 geliefert, wobei diese Zwischenschicht elektrisch leitend, jedoch nicht magnetisch ist. Die Schicht 14 ist typischerweise aus Kupfer bis zu einer Dicke von 35 Å gebildet. Das Vorsehen der Schicht 14 wird gefolgt vom Bilden einer zweiten ferromagnetischen Dünnfilm-Verbundschicht, welche auf einer Schicht 14 geliefert wird, und deren Struktur passt zu der der ersten Verbundschicht, welche die Schichten 13 und 12 aufweist, außer dass diese aufgrund des Benützens der gleichen Ablagerungsschritte in umgekehrter Reihenfolge sind. Als Ergebnis ist die Schicht, welche das größere magnetische Moment besitzt, wiederum benachbart zu der Schicht 14, und die Schicht mit weniger magnetischem Moment wird darauf geliefert. Da die Schichten ansonsten die gleichen sind, wurden sie in den 2D als 13' und 12' entsprechend zu den Schichten 13 und 12 bezeichnet.
Nach dem Vollenden dieser "Sandwich"-Struktur wird eine Schicht von 200 Å aus Tantal oder Tantalnitrid auf der Schicht 12' über Sputtern aufgebracht, um die Schicht 12' darunter zu passivieren und zu schützen und um zu gestatten, dass die elektrischen Zwischenverbindungen dorthin zu Schaltungszwecken realisiert werden. Die resultierende Schicht 15, aus Tantal oder aus Tantalnitrid, führt, aufgrund ihrer Leitfähigkeit, zum Auftreten eines gewissen Wegshuntens des Stromes vom Rest des Stromsensors, um dadurch zu einer effektiven Reduktion des riesen-magnetoresistiven Effektes, welcher durch den aufgebauten Stromsensor erreicht wird, zu führen. Die Schicht 15 wird, aufgrund ihrer verglichen mit den ferromagnetischen Verbundschichten und der nichtmagnetischen Zwischenschicht signifikant größeren Dicke, in aufgebrochener Form in 2D gezeigt.
In ähnlicher Weise wird eine weitere Schicht 16, welche auf der Schicht 15 aufgebracht ist, aufgrund ihrer verhältnismäßig größeren Dicke von 100 Å in aufgebrochener Form in 2D gezeigt. Die Schicht 15 wird zuerst über Sputtern gereinigt, was etwa 75 Å davon entfernt. Die Schicht 16 ist auf der gereinigten Schicht 15 als eine Chromsiliziumschicht mit 40% Chrom und 60% Silizium über Sputtern aufgebracht, um als ein Ätz-Stoppen für das nachfolgende Ätzen einer gefrästen Maskenschicht zu dienen, welche darüber aufgebracht werden soll.
Deshalb wird eine weitere Schicht aus Siliziumnitrid auf der Schicht 16 bis zu einer Tiefe von 1000 Å aufgesputtert, welche als eine Fräsmaske benutzt wird, jedoch wird diese Schicht nicht in 2D gezeigt, da ihre Überreste in einer weiteren isolierenden Schicht eingebaut werden, welche später zu liefern ist. Auf dieser Siliziumnitrid-Maskenschicht wird Photolack aufgebracht und in einer derartigen Weise gemustert, dass eine Ätzmaske gebildet wird, um nach dem Ätzen ein Maskenmuster auf der Siliziumnitrid-Maskenschicht zu hinterlassen. Dieses letzte Muster dient dazu, nach dem Fräsen durch diese hindurch zu einer Serpentinen-Widerstandsstruktur zu führen, um als der Stromsensor mit Verbindungsanschlüssen zu dienen, welche sich davon zum Anschließen dieses Widerstands an die Einrichtung des Schaltungsnetzes erstrecken. Reaktives Ionenätzen wird zusammen mit dem gemusterten Photolack benutzt, um die belichteten Teile der Siliziumnitrid-Maskenschicht hinunter zur Chromsiliziumschicht 16 zu entfernen, welche als ein Ätzstopp dient. Die verbleibenden Teile der Siliziumnitridschicht dienen, wie die oben erwähnte Fräsmaske, für den nachfolgenden Ionenfrässchritt, welcher die belichteten Teile der Chromsiliziumschicht 16 und dann die nun belichteten Teile der zweiten ferromagnetischen Dünnfilm-Verbundschicht, welche als Schicht 13' und 12' gebildet sind, dann die neu belichteten Teile der nicht magnetischen Zwischenschicht 14 und dann die neu belich teten Teile der ersten ferromagnetischen Dünnfilmverbundschicht, welche als Schichten 13 und 12 gebildet sind, bis zu der Siliziumnitridschicht 11 entfernt.
Der sich ergebende Stromsensor und die Verbindungsstruktur 17 werden als eine einzelne Schichtstruktur gezeigt, wobei dies in den Schichtdiagrammfiguren erscheint, anders als in 2D, vielmehr als die Vielfachschichtstruktur, was aufgrund des größeren Maßstabs, welcher in diesen Figuren benutzt wird, der Fall ist. Deshalb wird in dieser einzelnen Schichtform der sich ergebende Stromsensor und die Verbindungsstruktur 17 sowohl in 2B als auch in 2C gezeigt. Teile dieser Struktur können auch in der Draufsicht der 1A und 1B gesehen werden, und die Struktur ist in diesen Figuren ebenfalls mit der Nummer 17 versehen. Die leichten Achsen der ferromagnetischen Dünnfilmverbandschichten sind senkrecht zur Richtung der Ausdehnung der längsten Segmente des Stromsensors in der Struktur 17.
Auf die Vollendung des Stromsensors und der Verbindungsstruktur 17 folgend, wird eine Isolierschicht 20 von 10.000 Å aus Siliziumnitrid oder mehr durch Aufsputtern über die Struktur 17 hinweg (wobei die Überreste der Silizumnitrid-Frässchicht beinhaltet sind, welche zusammen in dieser Isolierschicht in den 2A, 2B, 2C und 2E gezeigt werden) und auf den belichteten Teilen der Siliziumnitridschicht 11 geliefert. Die Qualität und die Dicke der Isolierschicht 20 sind ganz wichtig, da sie die Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannung dieser Schicht zwischen den Spannungen bestimmen, welche an dem Eingangsleiter vorzusehen sind, um die Signalströme und den Stromsensors und die Verbindungsstruktur 17 zu tragen, wie dies weiter unten beschrieben wird. Die Isolierschicht 20 von guter Qualität und einer Dicke von 10.000 Å wird eine Durchschlagspannung, welche 1000 V übersteigt, liefern, und es kön nen dickere Schichten benutzt werden, um die Fähigkeit der Isolierschicht 20 zu erhöhen, um wesentlich größeren Spannungen zu widerstehen.
Zwei getrennte Ätzungen der Schicht 20 werden nach diesem Vorsehen geliefert. In der ersten wird der Photolack darüber gemustert, um Öffnungen darin zu liefern, wobei die Öffnungen in der Isolierschicht 20 gewünscht sind, um elektrische Verbindungen mit der Struktur 17 zu bilden. Reaktives Ionenätzen wird zum Liefern der Öffnungen 21 in der Schicht 20 benutzt, um die Schicht 16 der Struktur 17 zu belichten, wie dies in 2C gezeigt wird. In dem zweiten Ätzschritt wird wieder Photolack für das Muster geliefert, welches Öffnungen darin besitzt, wobei die Öffnungen 22 in der Isolierschicht 20, in der Isolierschicht 11 und in irgendwelchen anderen Schichten in dem Halbleiterchip-Substrat 10 zu bilden sind, welche erforderlich sind, um die Verbindungspads 23 darin zur Verbindung des Stromsensors und der Verbindungsstruktur 17 mit Schaltungen zu belichten, welche an die Pads 23 in der monolithisch integrierten Schaltung angeschlossen sind, welche den Halbleiterchip 10 bilden. Ein Teil eines Pads 23, welcher in 2C gezeigt wird, mit dem Überrest der Verbindungsschaltung und den elektronischen Schaltungen, welche elektrisch daran angeschlossen sind, wird nicht gezeigt.
Wenn diese Öffnungen in dem Isolator 20 vollendet sind, wird eine erste Schicht 24 aus Metallverbindungen geliefert, wobei mit Sputter-Reinigen begonnen wird, um nahezu die Hälfte der Dicke der belichteten Teile der Chromsiliziumschicht 16 zu entfernen. Auf dieses Reinigen folgt das Aufsputtern einer Schicht aus Aluminium mit einer Legierung aus 2% Kupfer, welches in die Öffnungen 21 und 22 gefüllt wird, welche auf andere Weise auf der oberen Oberfläche der Isolierschicht 20 gestützt ist. Die Schicht 24 ist mit dem "Sandwich"-Strukturteil der Struktur 17 durch das Einfüllen in die Öffnungen 21 leitend verbunden, welche leitend hierzu anzuschliessen sind, über die verbleibenden Teile der Chromsiliziumschicht 16 und der Tantalschicht 15, und sie wird ferner durch das Einfüllen der Öffnungen 22 direkt an die Pads 23 angeschlossen. Der Photolack wird über der Schicht 24 geliefert und wird so gemustert, dass unerwünschte Teile derselben belichtet werden, welche nachfolgend durch reaktives Ionenätzen entfernt werden, um zu der gewünschten Verbindungsstruktur für die erste Metallschicht 24 zu führen.
Das Entfernen von unerwünschten Teilen der Schicht 24 führt zu mehreren Strukturen, von denen die wichtigste die Majorität des Eingangsleiters ist, über welchen die Signalströme geführt sind, wobei dieser größere Teil in Form einer Sechsumlaufspule 25 in 1A gezeigt ist, wobei dabei einem nahezu hexagonalen Pfad gefolgt wird. Teile der Spule 25 sind mit der gleichen Nummernbezeichnung in 1B, 2A und 2B versehen. Ein Spulenverbindungsteil 25' ist auf dem gleichen ersten Schichtverbindungsmetall gebildet und führt von der rechten Seite der Spule 25 in 1A hinunter zu einer Verbindungspad-Anordnung 26, welche eine erste Schichtverbindungsmetallbasis aufweist, welche ein zweites Verbindungsschichtmetallteil besitzt, welches darauf geliefert ist, wie dies nachfolgend weiter beschrieben wird. Das andere Ende der Spule 25 ist auch an eine Verbindungspad-Anordnung 27 angeschlossen, wie dies nachfolgend weiter beschrieben wird. Zusätzlich erstrecken sich Verbindungspfade 28 und 29 von den Enden der Verbindungsanschlüsse in dem Stromsensor und der Verbindungsstruktur 17 zu den Verbindungspads 30 und 31, welche auch in 1A gezeigt werden. Der Verbindungspfad 28 wird auch mit der gleichen Nummernbezeichnung in 2E versehen.
Die erste Metallverbindungsschicht 24 ist typischerweise in einer Dicke von 5000 bis 7500 Å aufgebracht, um sicherzustellen, dass einige der sich ergebenden leitenden Strukturen Stromdichten bis hinauf zu 5 mA/μm in dem Stromleiter, welcher die Signalströme trägt, aufnehmen können, ohne das Auftreten von übermäßigem Erwärmen oder von übermäßiger Elektromigration. Es können alternative Metalle, wie z. B. Gold oder Kupfer oder Wolfram, für diese erste Schicht der Verbindungen benutzt werden, wenn dies gewünscht ist. Als weitere Alternativen kann die Anzahl der Umläufe in der Spule und sowohl die Dicke als auch die Breite der Leiter, welche die Spule bilden, variiert werden, um auf die Impedanz Einfluss zu nehmen, welche diese den Quellen der Eingangsströme liefert. zusätzliche Schaltungsstrukturen können dabei aus Gründen der Impedanzeinstellung hergestellt werden.
Auf das Vollenden der Spule 25 und der Verbindungspaare 28 und 29 folgt das Aufbringen einer weiteren Schicht von typischerweise 7500 Å aus Siliziumnitrid darüber und über die bestrahlten Teile der Schicht 20, um eine weitere isolierende Schicht 35 zu bilden. Photolack wird über der Schicht 35 mit gemusterten bzw. gerasterten Öffnungen darin aufgebracht, unter welcher Öffnungen in der Schicht 35 vorzusehen sind, um Verbindungen aufzunehmen, welche durch eine zweite Schicht von Verbindungsmetall hergestellt sind, was nachfolgend zu beschreiben ist. Reaktives Ionenätzen wird benutzt, um diese Öffnungen 36 in der Schicht 35 zu bilden, wie dies in 2A und 2E gezeigt wird.
Auf einer zweiten Isolatorschicht 35 wird eine weitere Metallablagerung hergestellt, um eine zweite Metallverbindungsschicht 37 zu bilden, ebenfalls aus einer Legierung mit 2% Kupfer, um diese Schicht abzudecken und in die Öffnungen 36 zu füllen. Das Befüllen der Öffnungen 36 mit der Metallschicht 37 verbindet diese Schicht direkt mit den belichteten Teilen der Strukturen, welche auf den verbleibenden Teilen der Schicht 24 gebildet sind, wie dies in den 2A und 2E gezeigt wird. Die Schicht 37 ist typischerweise bis zu einer Dicke von 3500 Å aufgebracht. Photolack wird darüber gesprüht, mit Öffnungen darin, wobei die unerwünschten Teile der Schicht 37 zu entfernen sind, und reaktives Ionenätzen wird vorgenommen, um dieses Eliminieren der Teile der Schicht 37 zu liefern. Die Strukturen, welche sich aus diesem Eliminieren ergeben, werden in 1A gezeigt, wobei eine Auslaufrille 38 beinhaltet ist, welche sich von dem inneren Ende der Spule 25, wie dies in 2A zu sehen ist, über den Isolator 35 und damit über die Spule 25 bis zu dem Pad 27 erstreckt. Die verbleibenden Teile der zweiten Metallschicht 37 werden auch benutzt, um die Metallbasisteile 39 für die Pads 26, 30 und 31 zu bilden, welche auch Signale von den verbleibenden Teilen der ersten Metallschicht 24 hinauf übertragen, wie dies in 2E gezeigt wird. Es wird nicht mit Hilfe gestrichelter Linien versucht, zu zeigen, welche Schichten durch andere Schichten in 1A überdeckt sind.
Eine weitere Isolierschicht 40 wird durch Aufbringen über Sputtern von 7500 Å aus Siliziumnitrid über den verbleibenden Teilen der Metallschicht 37 und den belichteten Teilen der Isolierschicht 35 geliefert. Die Isolierschicht 40 dient als eine Passivier- und Schutzschicht für die Einrichtungsstrukturen darunter und dient auch als eine Basis für eine permeable Masse, welche vorzuziehen ist, um als Flussabschirmung und Konzentrator über dem Teil der Spule 25 zu dienen, welche oberhalb des Stromsensorteils des Stromsensors und der Verbindungsstruktur 17 ist.
Die Struktur für einen derartigen Konzentrator wurde durch Aufbringen einer ferromagnetischen Dünnfilm-Initiierschicht 41 begonnen, welche als eine Elektrode für die nachfolgenden Elektroplattierschritte und als eine Klebeschicht für das Anheften der nächsten Schicht aus Metall dient, welche darauf für die Isolierschicht 40 zu liefern ist. Der Photolack wird dann aufgebracht und so gemustert, dass er eine Öffnung darin über dem Teil der Schicht 41 oberhalb eines Teils des Stromsensors in dem Stromsensor und der Verbindungsstruktur 17 liefert. In diese Öffnung werden dann 20.000 Å aus Gold elektroplattiert, um als eine Entspannungsschicht 42 für die permeable Materialmasse zu dienen, welche nachfolgend darauf abzulagern ist. Der Photolack, welcher nach dem Aufbringen der Initiierschicht aufgebracht ist, wird dann entfernt, und eine neue Schicht aus Photolack wird aufgebracht, welche eine Öffnung oberhalb der Entspannungsschicht 42 definiert. Eine permeable Masse 43 wird dann in dieser letzten Öffnung durch Elektroplattieren gebildet, wobei die gebildete Masse einer permeablen Materiallegierung, welche 80% Eisen und 20% Nickel aufweist, mit einer Dicke von 14 Mikrometern aufgebracht wird.
Der Photolack, welcher das Platzieren der Schicht 43 führt, wird dann entfernt. Die Einrichtung wird in ein Säurebad aus einer Mischung aus phosphorischer, essigsaurer und stickstoffhaltiger Säure getaucht, um die Initiierschicht 41 von den Teilen davon, nicht unter die Schichten 42 und 43, zu entfernen. Das sich ergebende permeable Massenschutzschild und der Konzentrator werden in 2B gezeigt. Eine weitere Schicht aus Photolack wird dann auf der Einrichtung abgelegt, mit Öffnungen über die Verbindungspads 26, 27, 30 und 31 darin, wobei Wegöffnungen 44 in der Schicht 40 vorzusehen sind. Reaktives Ionenätzen wird benutzt, um derartige Öffnungen, wie sie in 2E zu sehen sind, zu liefern, welche das Bilden nachfolgender Verbindungen zu externen Schaltungen zulassen, gewöhnlicherweise über Ball-Bond-Drähte zu Basisflächen 39 hindurch. Die Wafer, in welchen die Einrichtungen, welche gerade be schrieben wurden, hergestellt wurden, sind dann fertig für das Wafertesten, das Auftrennen der einzelne Einrichtungen in getrennte Chips und für das Paketieren bzw. die Montage derselben.
Ein Basismodus des Betriebs der Signalisolatoreinrichtung, welche in den 1A, 1B, 2A, 2B, 2C, 2D und 2E gezeigt wird, würde darin bestehen, einen konstanten Strom über den Stromsensor und die Verbindungsstruktur 17 zu liefern, während die Spannung, welche auftritt, über der Struktur überwacht wird. Diese Spannung wird eine Funktion der Größe des Signalstromes sein, welcher über die Spule 25 eingeführt wird, aufgrund der magnetoresistiven Natur der Struktur 17. Die gemessene Spannung ist deshalb eine Anzeige des elektrischen Widerstandes des Stromsensors und der Verbindungsstruktur 17 ebenso wie die Größe des Stromes, welcher in der Spule 25 fließt, wenigstens für Ströme in der Spule 25, welche einen ausreichend kleinen Frequenzumfang besitzen.
Für den gemessenen Widerstand der Struktur 17 wird herausgefunden, dass dieser nahezu symmetrisch zu Strömen mit ungefähr null Signal in der Spule 25 ist, so dass die Widerstände, welche sowohl für die positiven als auch die negativen Ströme gefunden werden, durch diese Spule der gleichen Größe nahezu gleich zueinander sind. Es wird jedoch gefunden, dass der Widerstand der Struktur 17 nahezu eine nicht lineare Funktion der Größen der Signalströme in der Spule 25 ist, wie dies in 3 ersehen werden kann. Es wird angenommen, dass diese Nichtlinearität von der strukturellen Anordnung der Einrichtung, welche in diesen Figuren beschrieben wird, und von den magnetischen Eigenschaften der "Sandwich"-Struktur, welche den Stromsensor in dem Stromzentrum in der Verbindungsstruktur 17 bildet, ebenso wie von den magnetischen Eigenschaften des Materials in dem Abschirmschild und der Konzentratorschicht 43 herrührt. Zusätzlich, für ausreichend große Signalströme in der Spule 25, werden auch thermische Effekte den Widerstand des Stromsensors und der Verbindungsstruktur 17 beeinträchtigen, aufgrund der Temperaturkoeffizienten der Struktur, welche typischerweise Werte um 1400 ppm/°C besitzt. Der Frequenzbereich, über welchen hinweg der Betrieb der Einrichtung typischerweise nicht beeinträchtigt wird, liegt bei Frequenzen bis hinauf zu mehreren zehn oder Hunderten von Megahertz.
Signalisolatoren, wie jene, welche in den 1A, 1B, 2A, 2B, 2C, 2D und 2E beschrieben werden, werden Darstellungen an ihrem Ausgang für die Ströme aufweisen, welche in der Spule 25 fließen, welche aufgrund der gerade erwähnten Nichtlinearität in ihrer Genauigkeit begrenzt sind. Diese Begrenzung der Leistungsfähigkeit kann durch das Gebrauchen von zwei oder mehr derartigen Signalisolatoren in einer Eingangsschaltung wesentlich reduziert werden, um zuzulassen, dass derartige hinzugefügte Isolatoren auf entgegengesetzte Effekte der Nichtlinearität zielen, welche durch den Initial- bzw. Anfangsisolator ausgewiesen sind. Eine derartige Eingangsschaltung zum Erreichen dieses Ergebnisses ist das Gebrauchen eines Eingangs-Ausgangs-Stromführgliedes 50, welches in 4 gezeigt wird.
Das Stromführglied 50 wird zwischen einem ersten Anschluss 51, welcher für die Verbindung zu einer Lieferung der positiven Spannung geeignet ist, und einem weiteren Anschluss 52, welcher für die Verbindung zu einer Lieferung einer negativen Spannung geeignet ist, betrieben. Ein anderer Anschluss 53 ist angeschlossen, um eine Referenzspannung oder eine Erdreferenzspannung zu liefern, in Bezug auf jene Spannungen, welche an den Anschlüssen 51 und 52 geliefert werden.
Das Führungsglied 50 besitzt ein Paar von Eingangsanschlüssen, welche zu Verbindungspad-Anordnungen 26 und 27 der 1A ge hören, und diese Bezeichnungen wurden wiederum in 4 für diese Eingangsanschlüsse benutzt. In ähnlicher Weise ist die Spule 25 aus 1A zwischen den Anschlüssen 26 und 27 angeschlossen, und diese ist wiederum mit 25 in 4 bezeichnet. Das Spulenverbindungsteil 25' und die Spulenauslassrinne 38 der 1A sind mit diesen Bezeichnungen gekennzeichnet, entsprechend den äquivalenten Leiterteilen, welche in 4 gezeigt werden. Schließlich werden der Stromsensor und die Verbindungsstruktur 17 aus 1A und 1B als ein äquivalenter Widerstand in 4 gekennzeichnet. Die Spule 25 und der Stromsensor und die Verbindungsstruktur 17 werden zusammen in einer Box 54 mit gestrichelter Linie gezeigt, um zu zeigen, dass sie zusammen einen magnetoresistiven Effekt bilden, basierend auf der Stromsensoranordnung.
Die verbleibenden Teile des Stromführungsgliedes 50 in 4 unterscheiden sich von dem, was in den 1A und 1B gezeigt wird, beginnend mit dem Hinzufügen einer weiteren Stromsensoranordnung 55, auf dem magnetoresistiven Effekt basierend, wobei beabsichtigt ist, dass diese hergestellt wird, um zu der Struktur des auf dem magnetoresistiven Effekt basierenden Stromsensors 54 zu passen. Als Ergebnis wird das magnetoresistive Glied des Sensors 55 mit 17' bezeichnet, und das Spulenglied wird mit 25'' in der Box mit gestrichelter Linie bezeichnet, welche den Stromsensor 55, basierend auf dem magnetoresistiven Effekt, wiedergibt.
Die magnetoresistiven Glieder 17 und 17' der Sensoren 54 und 55 werden jeweils mit einem konstanten Strom während des Betriebes durch ein entsprechendes Paar von Konstantstromquellen 56 und 57 beliefert. Diese Konstantstromquellen sollen so hergestellt werden, dass sie in der Struktur zueinander passen, so dass der Strom, welcher von jeder geliefert wird, sehr nahe an dem ist, welcher durch den anderen geliefert wird. Die Stromquelle 56 ist zwischen dem Anschluss 51 und dem magnetoresistiven Glied 17 angeschlossen, und die Stromquelle 57 ist zwischen dem Anschluss 51 und dem magnetoresistiven Glied 17' angeschlossen. Jedes der magnetoresistiven Glieder 17 und 17' besitzt gegenüberliegende Enden derselben, welche an den Anschluss 52 angeschlossen sind, um eine Halbbrückenschaltung zu bilden, wobei jedes ein Brückenschaltungsglied besitzt, welches durch eine entsprechende Konstantstromquelle geliefert wird, und wobei jedes Glied derart ist, dass es einen Widerstandswert besitzt, welcher durch Ströme verändert wird, welche in der Spule benachbart dazu fließen.
Ein Operationsverstärker 58 besitzt Differentialeingänge, welche jeweils an die entsprechende Verbindung einer der Stromquellen und der magnetoresistiven Glieder angeschlossen ist. Deshalb ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 58 an die Verbindung der Stromquelle 56 und dem magnetoresistiven Glied 17 angeschlossen. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 58 ist an die Verbindung der Stromquelle 57 und dem magnetoresistiven Glied 17 angeschlossen. Der Ausgang des Operationsverstärkers 58 ist an die Anode einer Diode 59 und einen Ausgang 60 des Stromführungsgliedes 50 angeschlossen. Zusätzlich ist der Operationsverstärker 58 sowohl an die Anschlüsse 51 als auch 52 bei deren entsprechenden positiven und negativen Spannungszulieferanschlüssen angeschlossen. Der Operationsverstärker 58 ist ein Verstärker mit differentialem Eingang, einzelnem Ausgang, hoher Verstärkung, hoher Eingangsimpedanz, niedriger Ausgangsimpedanz, welcher in der Schaltung der 4 als ein Transkonduktanzverstärker betrieben wird.
Die Diode 59 ist mit ihrer Kathode an das Spulenglied 25'' des Sensors 55 angeschlossen. Die gegenüberliegende Seite des Spulengliedes 25'' ist an den Erdanschluss 53 angeschlossen. Die Diode 59 wird benutzt, um zu verhindern, dass der Stromfluss durch das Spulenglied 25'' zur Erde fließt und nicht von der Erde durch diese Spule fließt. Dies wird aufgrund der Symmetrie in der Widerstandscharakteristik der magnetoresistiven Glieder 17 und 17' gegenüber dem Strom in der benachbarten Spule durchgeführt, eine Symmetrie, welche zu Rauschpulsen führen kann, welche die Schaltung dazu zwingen, einen stabilen Zustand für Stromflüsse in beiden Richtungen durch das Spulenglied 25'' zu erreichen, trotz eines Stromflusses in nur einer Richtung in dem Eingangsspulenglied 17.
Eingangsströme, welche zu erfassen sind und durch das Stromführglied 50 zu führen sind, werden an den Eingangsanschluss 26 des Führungsgliedes 50 geliefert, was dazu führt, dass der Strom durch die Spule 25 des Sensors 54 und heraus aus dem Anschluss 27 erstellt wird. Ein derartiger Strom löst aus, dass ein magnetisches Feld darum gebildet wird und so um das magnetoresistive Glied 17 in dem Sensor 54, um effizient den Widerstand desselben zu verändern. Eine derartige Widerstandsänderung löst eine Veränderung in der Spannung aus, welche an der Verbindung des Gliedes 17 und der Stromquelle 56 vorhanden ist, und führt so zu einer Spannungsdifferenz zwischen der Spannung, welche an der Verbindung des Gliedes 17 und der Stromquelle 56 auftritt, und der Spannung, welche an der Verbindung des magnetoresistiven Gliedes 17' und der Stromquelle 57 auftritt.
Diese Spannungsdifferenz tritt simultan auch zwischen den Differentialeingängen des Operationsverstärkers 58 auf, welcher als ein Transkonduktanzverstärker oder als Spannung-zu-Strom-Wandler dient, und wird so durch den Verstärker verstärkt, um einen entsprechenden Ausgangsstrom davon über die Diode 59 in das Spulenglied 25'' zu liefern. Ein derartiger Strom verursacht einen magnetoresistiven Effekt basierend auf der Veränderung den Widerstands des Gliedes 17 in einer Richtung, welche zu null tendiert, aus der Differentialspannung heraus, welche anfangs zwischen den Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers 58 aufgrund des Eingangsstromes auftritt, welcher am Anschluss 26 eingeführt wird.
Da die magnetoresistiven Glieder 17 und 17' in den Sensoren 54 und 55 jeweils so hergestellt sind, dass sie gut zueinander passen, besteht das beabsichtigte Ergebnis darin, dass die Veränderung des Widerstands in dem Glied 17' aufgrund des Stromes in der Spule 25'' gleich zu der Veränderung sein sollte, welche in dem Glied 17 aufgrund des Eingangsstromes auftritt, welcher in die Spule 25 eingeführt wird. Deshalb sollte ein derartiges Ausgleichen der Widerstandsveränderungen zu keiner signifikanten Spannungsdifferenz führen, welche zwischen den Differenzialeingangsanschlüssen des Operationsverstärkers 58 verbleibt, wenn der Strom, welcher an seinem Ausgang der Spule 25'' zugeführt wird, genau zu dem passt, welcher über den Anschluss 26 eingeführt wird. Daher wird ein Ausgangsstrom an dem Ausgang des Operationsverstärkers 58 an die Spule 25'' geliefert, welche im Wesentlichen gleich dem Strom ist, welcher durch den Anschluss 26 geliefert wird, sogar obwohl die magnetoresistiven Glieder 17 und 17' nicht notwendigerweise lineare Funktionen der Ströme sind, welche in den Spulengliedern 25 und 25' fließen. Unter diesen Umständen ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 58, welche an den Ausgangsanschluss 60 geliefert wird, ein Maß des Stromes, welcher in den Eingangsanschluss 26 fließt.
Dieses gewünschte Ergebnis der angepassten Eingangs- und Ausgangsströme hängt jedoch von dem Grad der Übereinstimmung der Charakteristika der magnetoresistiven Glieder 17 und 17' der Sensoren 54 und 55 und dem Grad der Übereinstimmung der Ströme, welche durch die Stromquellen 56 und 57 bereitgestellt werden, ab. Das Vorhandensein von Nichtlinearitäten im Verhalten der magnetoresistiven Glieder 17 und 17' jeweils gegenüber den Strömen 25 und 25' verändert nicht dieses gewünschte Ergebnis, wenn die Glieder 17 und 17 gut angepasst sind, wobei nicht lineare Gesichtspunkte in ihnen beinhaltet sind, jedoch derartige Nichtlinearitäten, welche nur schwach angepasst sind, können zu einem weniger erwünschten Ergebnis führen.
Dies kann in den Gleichungen gesehen werden, welche das Verhalten des Stromführgliedes 50 charakterisieren, welche gefunden werden können, basierend auf dem Einstellen des Ausgangsstromes in Spule 25'' gleich zu der verstärkten Differenz in den Spannungen an den Eingängen des Verstärkers 58, wie dies durch die Werte der widerstandscharakteristischen Ausdrücke für die magnetoresistiven Glieder 17 und 17', die Ströme, welche durch die Stromquellen 56 und 57 geliefert werden, und den Eingangsstrom, welcher sich ergibt, bestimmt wird. Iout = G[I57(R17'K0 + R17'K1Iout + R17'K2I2out ) – I56(R17K0 + R17K1Iin + R17I2in )]
In diesem Ausdruck stellt I_out den Ausgangsstrom des Verstärkers 58 dar, welcher an dessen Ausgang durch die Spule 25'' erstellt ist, und I_in stellt den Eingangsstrom dar, welcher an dem Anschluss 26 geliefert wird, um durch die Spule 25 zu laufen. Die Ströme I₅₆ und I₅₇ sind die Ströme, welche durch die entsprechenden Stromquellen 56 und 57 erstellt werden. Die Verstärkungskonstante G stellt die Transkonduktanz des Operationsverstärkers 58 zwischen seinem Ausgang und seinen differentialen Eingängen dar.
Jedes der magnetoresistiven Glieder 17 und 17' ist in der vorausgegangenen Gleichung als nicht lineare Widerstände der zweiten Ordnung mit Bezug auf die Ströme in den entsprechenden der Spulen 25 und 25'' aufgestellt. Die Ausdrücke für diese Modelle bzw. Aufstellungen sind R17 = R17K0 + R17K1Iin + R17K2I2in R17' = R17'K0 + R17'K1Iout + R17'K2I2out .
D. h., die magnetoresistiven Glieder 17 und 17' sind als nicht lineare Widerstände durch Leistungsreihen in dem Strom aufgestellt, welcher durch sie für die zweite Ordnung jener Ströme erfasst wird. Die Koeffizienten in diesen Ausdrücken für die nullte Leistung sind jeweils R17K₀ und R17'K₀, für die erste Leistung sind sie jeweils R17K₁ und R17'K₁, und für die zweite Leistung sind sie jeweils R17K₂ und R17'K₂. Eine beste Anpassung für die Charakteristika, welche in 3 für ein magnetoresistives Glied, wie z. B. das Glied 17 und 17', gezeigt wird, indem eine Polynomregression der zweiten Ordnung benutzt wird, ergibt einen Ausdruck für diese magnetoresistiven Glieder von: R17, R17' = 5742 – 10.060 Iin + 72.710 I2in
Diese Gleichung kann für I_out gelöst werden, welcher von dem Ausgang des Verstärkers 58 über die Spule 25'' in Form von Eingangsstrom I_in, welcher zu erfassen ist, welcher an den Anschluss 26 geliefert wird, um über die Spule 25 zu laufen, und von Schaltungsparametern basierend auf den Schaltungskomponenten und deren Topologie bereitgestellt wird. Nimmt man an, dass G ausreichend groß ist, so ist das Ergebnis:
Die charakteristischen Koeffizienten des Widerstands der magnetoresistiven Glieder können aus der Best-Fit-Gleichung der zweiten Ordnung, welche oben gegeben ist, im Wert bestimmt werden. Das Treffen der Wahl für die Stromwerte aus den Stromquellen 56 und 57 gestattet dann, dass der vorherige Ausdruck für I_out gegenüber den Werten von I_in ausgewertet wird.
Derartige Auswertungen von I_out als eine Funktion zeigen schnell, dass der Grad an Übereinstimmung zwischen I_out und I_in stark von der Qualität der Übereinstimmung der Parameter der magnetoresistiven Glieder 17 und 17' abhängt. Wenn es eine Fehlanpassung in den nominellen Widerstandswerten der magnetoresistiven Glieder 17 und 17' in Abwesenheit jeglicher Ströme in den Spulen 25 und 25'' gibt, d. h. eine Fehlanpassung in den Werten von R17K₀ und R17K'K₀, tritt ein signifikanter Unterschied zwischen I_out und I_in auf, wie durch den zweiten Term unter der Wurzel in dem letzten Ausdruck für I_out berechnet wird. Dieser Unterschied bleibt bestehen, bis der dritte Term unter der Wurzel, abhängig von I_in, eine Größenordnung gewinnt, welche ausreicht, dass die Größe des zweiten Terms relativ klein wird. Deshalb ist die Übereinstimmung zwischen I_out und I_in verhältnismäßig gering für relativ kleine Werte von I_in bei Vorhandensein einer Fehlanpassung in den nominellen Widerständen der Glieder 17 und 17'. Die Übereinstimmung zwischen I_out und I_in verbessert sich durchschlagend für ausreichend größere Werte von I_in.
Die Übereinstimmung zwischen I_out und I_in wird ferner durch eine enge Übereinstimmung der Koeffizienten der Terme der zweiten Ordnung in den Darstellungen für die magnetoresistiven Glieder 17 und 17', R17K₂ und R17'K₂ verbessert, wie dies in dem dritten Term unter der Wurzel in dem letzten Ausdruck für I_out gesehen werden kann. Diese Übereinstimmung wird weiter verbessert, falls die Koeffizienten für die linearen Terme, hier R17'K₁, in der Darstellung der zweiten Ordnung für die magnetoresistiven Glieder signifikant geringer sind als der Koeffizient für die Terme der zweiten Ordnung in diesen Darstellungen.
In Anbetracht der Bedeutung der Übereinstimmung zwischen den Widerstandscharakteristika als Funktion des benachbarten Spulenstromes für die magnetoresistiven Glieder 17 und 17' jeweils der Sensoren 54 und 55 in dem Stromführungsglied 50 wird es in einigen Fällen eine Notwendigkeit für wesentliche Anstrengungen geben, um eine gute Übereinstimmung für diese Charakteristika sicherzustellen oder den Effekten jeglicher Fehlanpassung entgegenzuwirken. Ein Standardweg, um die Übereinstimmung zu verbessern, würde darin bestehen, den Widerstandswert einer dieser magnetoresistiven Glieder dichter an den der anderen Herstellung anzupassen, indem gut bekannte Widerstands-Trimmtechniken benutzt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Positionen der Stromquellen in der Schaltung der 4 während des Betriebs ausreichend häufig zu tauschen, um effektiv die Ergebnisse zu mitteln, welche in jeder dieser Situationen beim Liefern des Schaltungsausgangs erhalten werden, um die Fehlanpassungen in diesen Stromquellen zu überwinden. Ein derartiges Austauschen bzw. Umlagern kann durch das Verwenden von komplementären Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren als analoge Übertragungs-Gates erreicht werden, welche in der gleichen monolithisch integrierten Schaltung integriert werden können, wie die Stromquellen 56 und 57 und die magnetoresistiven Glieder 17 und 17'.
Eine weitere Möglichkeit würde darin bestehen, zu einer vollen Brückenschaltung überzugehen, wie sie in der Schaltung benutzt wird, welche in 5 gezeigt wird. Dort werden zwei weitere auf dem magnetoresistiven Effekt basierte Stromsensoranordnungen 56' und 57' anstatt der Stromquellen 56 und 57 der 4 benutzt, und sie würden natürlich auch Strom zu den Sensoren 54 und 55 liefern. Der Eingangsstrom in der Schaltung der 5, welcher zu dem Anschluss 26 geliefert wird, läuft sowohl durch das magnetoresistive Glied 17 als auch das magnetoresistive Glied 17''', während der Ausgangsstrom von dem Verstärker 58 sowohl durch das magnetoresistive Glied 17' als auch das magnetoresistive Glied 17'' läuft. Das Gebrauchen von zwei weiteren magnetoresistiven Gliedern 17'' und 17''' jeweils in den Sensoren 56' und 57' wird die Signalspannung an dem Eingang des Operationsverstärkers 58 in Antwort auf einen Eingangsstrom verdoppeln, welcher durch den Anschluss 26 geliefert wird. Diese Erhöhung wird jegliche Offset-Ströme aufgrund der magnetoresistiven Gliederfehlanpassung reduzieren und die Linearität verbessern, da sie bei näher identischen Strömen aufgrund derart reduzierter Offsets betrieben wird.
Ein mögliches Layout in einem monolithisch integrierten Schaltungschip für die Schaltung der 5 wird in 6 für die magnetisch miteinander wirkenden Teile dieser Schaltung gezeigt, welche wiederum in dem obigen Chip geliefert werden, wobei die elektronischen Schaltungen in dem Halbleitermaterialsubstrat gebildet sind. Diese elektronischen Schaltungsteile dieser Schaltung sind in dem Substrat innerhalb des Rechtecks mit gestrichelter Linie enthalten, welches hier gezeigt wird, um die Interaktionen mit dem Eingangsstrom zu minimieren. Die selben Nummernbezeichnungen werden bei den Strukturelementen der 6 gezeigt, wie sie mit den entsprechenden Schaltelementen in der Schaltung der 5 benutzt werden. Der Aufbau dieser Elemente ist im Wesentlichen der, welcher bei den Elementen benutzt wird, welche in den 1 und 2 gezeigt werden.

Claims

Strombestimmungsglied zum Liefern von elektronischen Signalen an einem Ausgang desselben, welche Eingangsströme darstellen, welche innerhalb desselben von einer Quelle derartiger Ströme geliefert werden, wobei das Strombestimmungsglied aufweist: ein Substrat bzw. Trägermaterial (10, 11); einen Eingangsleiter (25), welcher durch das Substrat (10, 11) gestützt ist, welcher geeignet ist, die Eingangsströme durch denselben zu leiten; und ein erstes Strommessglied (17), welches von dem Substrat (10, 11), welches benachbart, jedoch etwas von demselben beabstandet ist, gestützt ist, wobei der Eingangsleiter (25) dadurch von jeglicher direkten Schaltungsverbindung elektrisch isoliert ist, welche sich auf dem Substrat befindet, um so wenigstens 1000 V auszuhalten, jedoch in jenen magnetischen Feldern positioniert, welche aufgrund der Eingangsströme entstehen, wobei der erste Stromsensor (17) aus einer Vielzahl von magnetoresistiven, anisotropen, ferromagnetischen Dünnfilmschichten (12, 13; 12', 13') gebildet ist, wobei wenigstens zwei derselben voneinander über eine nicht magnetische Schicht (14) getrennt sind, welche dazwischen positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass: der erste Stromsensor (17) von dem Eingangsleiter (25) wenigstens zum Teil durch elektrisches isolierendes Material (20) beabstandet ist, und dadurch dass: das elektrisch isolierende Material zwischen dem Eingangsleiter und dem ersten Stromsensor wenigstens 10.000 Å dick ist.
Gerät nach Anspruch 1, welches ferner eine Schicht aus Material (43) aufweist, welches eine wesentliche magnetische Permeabilität aufweist, welche sowohl nahe dem Eingangsleiter (25) als auch dem ersten Stromsensor (17) positioniert ist, um als ein Magnetfeld-Konzentrator zu dienen.
Gerät nach Anspruch 1, wobei sich der erste Stromsensor (17) primär entlang einer ersten Richtung auf dem Substrat (10, 11) erstreckt und der Eingangsleiter (25) sich primär entlang einer zweiten Richtung auf dem Substrat im Wesentlichen orthogonal zu der ersten Richtung erstreckt.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Substrat (10, 11) ferner eine monolithische integrierte Schaltkreisstruktur (10) aufweist, welche elektronische Schaltbauteile enthält, von denen wenigstens eines elektrisch (23, 24) mit dem ersten Stromsensor (17) verbunden ist.
Gerät nach Anspruch 1, welches ferner einen zweiten Stromsensor (17') aufweist, welcher durch das Substrat (10, 11) benachbart zu, jedoch beabstandet von einem alternativen Leiter (25'') gestützt ist, welcher durch das Substrat gestützt ist, so dass dieser von irgendeiner direkten Verbindung mit dem zweiten Stromsensor (17') auf dem Substrat (10, 11) mit dem zweiten Stromsensor (17') elektrisch isoliert ist, welcher in jenen Magnetfeldern positioniert ist, welche von Strömen hervorgerufen werden, welche in dem alternativen Leiter (25'') auftreten, wobei der zweite Stromsensor (17') aus einer Vielzahl von magnetoresistiven, anisotropen, ferromagnetischen Dünnfilmschichten gebildet ist, von welchen wenigstens zwei voneinander durch eine nichtmagnetische Schicht getrennt sind.
Gerät nach Anspruch 4, welches ferner eine Schicht aus Material (43) aufweist, welches im Wesentlichen eine magne tische Permeabilität aufweist, welche im Wesentlichen parallel zu dem Substrat (10, 11) ausgerichtet ist, wobei sowohl der Eingangsleiter (25) als auch der erste Stromsensor (17), welche wenigstens zum Teil zwischen der Schicht aus permeablem Material (43) und dem Substrat (10, 11) positioniert sind, wobei die Schicht aus permeablem Material (43) als ein Magnetfeld-Konzentrator dient.
Gerät nach Anspruch 5, wobei jeder erste und zweite Stromsensor (17, 17') elektrisch miteinander und mit einer entsprechenden ersten oder zweiten Stromversorgung (56, 57) verbunden ist, welche in der Lage ist, diesem Strom zu liefern.
Gerät nach Anspruch 5, wobei jeder der ersten und zweiten Stromsensoren (17, 17') elektrisch miteinander und mit einem entsprechenden dritten und vierten Stromsensor (17'', 17''') verbunden sind, wobei der dritte und der vierte Stromsensor (17'' 17''') jeweils aus einer Vielzahl von magnetoresistiven, anisotropen, ferromagnetischen Dünnfilmschichten gebildet ist, wobei wenigstens zwei dieser voneinander durch eine nicht magnetische Schicht getrennt sind, welche dazwischenliegt, wobei der vierte Stromsensor (17''') elektrisch mit dem dritten Stromsensor (17'') verbunden ist, wobei der erste und der dritte Stromsensor (17, 17'') elektrisch in Reihe miteinander über eine Quelle von elektrischer Energieerzeugung (51, 52) verbunden sind, und der zweite und der vierte Stromsensor (17', 17''') elektrisch in Reihe miteinander über eine Quelle von elektrischer Energieerzeugung (51, 52) verbunden sind, um eine Brückenschaltung zu bilden, wobei der dritte Stromsensor (17'') durch das Substrat (10, 11) gestützt ist, benachbart zu, jedoch beabstandet von dem Eingangsleiter (25), so dass dieser dadurch elektrisch von demsel ben isoliert ist, jedoch in jenen Magnetfeldern positioniert, welche aus den Eingangsströmen entstehen und wobei der vierte Stromsensor (17'''), welcher durch das Substrat, benachbart zu diesem, jedoch beabstandet von diesem, gestützt ist, so dass der alternative Leiter (25'') dadurch elektrisch von demselben isoliert ist, jedoch in jenen Magnetfeldern positioniert, welche von den Strömen herrühren, welche in dem alternativen Leiter (25'') auftreten.
Gerät nach Anspruch 7, welches ferner einen Differenzialverstärker (58) aufweist, welcher einen Ausgang und ein Paar von Eingängen besitzt, so dass Spannungsdifferenziale, welche dazwischen auftreten, zu einer verstärkten Darstellung der Differenziale führen, welche an dem Ausgang auftreten, wobei die verstärkten Eingänge jeweils elektrisch mit einer Verbindung zwischen einem entsprechenden der ersten und zweiten Stromsensoren (17, 17') und einem entsprechenden der ersten und zweiten Stromversorgungsgerate (56, 57) verbunden sind.
Gerät nach Anspruch 8, welches ferner einen Differenzialverstärker (58) aufweist, welcher einen Ausgang und ein Paar von Eingängen besitzt, so dass Spannungsdifferenziale, welche zwischen diesen auftreten, zu einer verstärkten Darstellung der Differenziale führen, welche an dem Ausgang auftreten, wobei einer der Verstärkereingänge elektrisch mit einer Verbindung zwischen dem ersten und dem dritten Stromsensor (17, 17'') verbunden ist und der andere der Verstärkereingänge elektrisch mit einer Verbindung zwischen dem zweiten und dem vierten Stromsensor (17', 17'') verbunden ist.
Gerät nach Anspruch 9, wobei der Differenzialverstärkerausgang elektrisch mit dem alternativen Leiter (25'') verbunden ist.
Gerät nach Anspruch 10, wobei der Differenzialverstärkerausgang elektrisch mit dem alternativen Leiter (25'') verbunden ist.
Gerät nach Anspruch 1, welches ferner einen zweiten Stromsensor (17''') aufweist, welcher durch das Substrat (10, 11) gestützt ist, benachbart zu, jedoch beabstandet von diesem, so dass der Eingangsleiter (25) elektrisch von irgendeiner direkten Schaltverbindung damit auf dem Substrat (10, 11) isoliert ist, jedoch in denjenigen Magnetfeldern positioniert, welche von Strömen herrühren, welche in dem Eingangsleiter (25) auftreten, wobei der zweite Stromsensor (17''') aus einer Vielzahl von magnetoresistiven, anisotropen, ferromagnetischen Dünnfilmschichten gebildet ist, von welchen wenigstens zwei voneinander durch eine nicht magnetische Schicht getrennt sind, welche zwischen diesen positioniert ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei der Eingangsleiter (25), welcher durch das Substrat (10, 11) gestützt ist, als eine Spule gebildet ist, welche um einen Punkt innerhalb zu dieser Spule gewickelt ist, ohne sich im Wesentlichen entlang einer Achse zu erstrecken, welche durch diesen inneren Punkt im Wesentlichen senkrecht zu der Spule läuft.
Gerät nach Anspruch 2, wobei der Eingangsleiter (25), welcher durch das Substrat gestützt ist, als eine Spule gebildet ist, welche um einen Punkt innerhalb der Spule gewickelt ist, ohne sich im Wesentlichen entlang einer Achse zu erstrecken, welche durch diesen inneren Punkt im Wesentlichen senkrecht zu der Spule läuft.