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Stabiler Hallsonden IC

IP.com Disclosure Number: IPCOM000029177D
Published in the IP.com Journal: Volume 4 Issue 7 (2004-07-25)
Included in the Prior Art Database: 2004-Jul-25
Document File: 2 page(s) / 44K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

In Hallsonden-ICs (IC - Integrated Circuit) wird das magnetische Feld mit Hallsonden in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird verstaerkt und ausgegeben. Die Ausgabe erfolgt bei den linearen Hallsonden-ASICs (Application Specific Integrated Circuit) direkt. In diesem Fall soll die magnetische Empfindlichkeit S, welche die Abhaengigkeit der Ausgangsspannung von der magnetischen Flussdichte angibt, moeglichst konstant bleiben. Bei sog. Schaltsensoren oder Hallschaltern wird das Signal zuerst mit einer Schaltschwelle verglichen und ein davon abhaengiges Ausgangssignal erzeugt. Dabei soll die Schaltschwelle moeglichst konstant bleiben. Es stellt sich heraus, dass in beiden Faellen das Verhaeltnis aus strombezogener magnetischer Empfindlichkeit SI ( ) zu einem Widerstand R ausschlaggebend ist fuer die Stabilitaet der Transfercharakteristik. Problematisch ist nun, dass sowohl SI als auch R nicht hinreichend stabil sind. Insbesondere aendern sie sich, wenn mechanische Spannung auf den IC einwirkt. Mechanische Spannung (Stress) am IC entsteht vor allem durch das IC-Gehaeuse, dessen Vergussmasse einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweist als das Silizium und der Anschlussleiterrahmen, auf den der IC geklebt oder geloetet wird. Durch Alterungseffekte sowie Feuchtigkeitsaufnahme aendert sich die mechanische Spannung selbst bei konstanter Umgebungstemperatur, so dass sich die Sensoreigenschaften mit der Zeit aendern.

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S

Stabiler Hallsonden IC

Idee: Udo Ausserlechner, AT-Villach

In Hallsonden-ICs (IC - Integrated Circuit) wird das magnetische Feld mit Hallsonden in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird verstaerkt und ausgegeben. Die Ausgabe erfolgt bei den linearen Hallsonden-ASICs (Application Specific Integrated Circuit) direkt. In diesem Fall soll die magnetische Empfindlichkeit S, welche die Abhaengigkeit der Ausgangsspannung von der magnetischen Flussdichte angibt, moeglichst konstant bleiben. Bei sog. Schaltsensoren oder Hallschaltern wird das Signal zuerst mit einer Schaltschwelle verglichen und ein davon abhaengiges Ausgangssignal erzeugt. Dabei soll die Schaltschwelle moeglichst konstant bleiben. Es stellt sich heraus, dass in beiden Faellen das Verhaeltnis aus strombezogener magnetischer Empfindlichkeit SI

( I

   S SI = ) zu einem Widerstand R ausschlaggebend ist fuer die Stabilitaet der

Transfercharakteristik.

Problematisch ist nun, dass sowohl SI als auch R nicht hinreichend stabil sind. Insbesondere aendern

sie sich, wenn mechanische Spannung auf den IC einwirkt. Mechanische Spannung (Stress) am IC entsteht vor allem durch das IC-Gehaeuse, dessen Vergussmasse einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweist als das Silizium und der Anschlussleiterrahmen, auf den der IC geklebt oder geloetet wird. Durch Alterungseffekte sowie Feuchtigkeitsaufnahme aendert sich die mechanische Spannung selbst bei konstanter Umgebungstemperatur, so dass sich die Sensoreigenschaften mit der Zeit aendern.

Den Einfluss mechanischer Spannung auf SI beschreibt der Piezo-Hall-Effekt. Er ist in (100)- und

(111)-Silizium unabhaengig von der Orientierung der Hallsonde. Fuer uebliche n-dotierte Hallsonden aendert sich SI im Betrieb aufgrund von Stresskomponenten in der Chipebene in der

Groessenordnung von 100MPa um ca. 4,3%. Gelegentlich entsteht durch den Druck einzelner Quarzkoerner im IC-Gehaeuse eine weitere Stresskomponente normal zur Chipebene.

Bisher wurde angenommen, dass der n-Typ Piezo-Hall-Effekt in (110)-Ebenen des Siliziums minimal wird. (B. Haelg, J.Appl. Phys. 64(1), 1 July 1988, pp. 276-282)

Den Einfluss der mechanischen Spannung auf R beschreibt der Piezo-Resistive-Effekt. Dieser Effekt ist ausgepraegt richtungsabhaengig. Der Piezo-Resistive-Effekt ist bei n-Dotierung und Raumtemperatur ca. halb so gross sie der Piezo-Halleffekt.

Die Stressabhaengigkeit des gesamten Hall-ICs erhaelt man durch Addition beider Effekte.

Im Stand der Technik wird die Richtungsabhaengigkeit des Piezo-Resistive-Effekts dadurch reduziert, dass man den Widerstand als "L" layoutet: man teilt ihn in 2 nominell gleich grosse Anteile und orientiert sie so, dass sie wie Schenkel eines L-s senkrecht aufeinander stehen. Elektrisch schaltet man beide Anteile senkrecht oder parallel. Der Widerstand des "L " ist konstant bezueglich Drehungen in der Waferebene, haengt aber von der mechanischen Spannung ab.

Um die Stressabhaengigkeit des Widerstands zu verri...