DE4442852A1 - Hallsensor mit verringertem Einfluß mechanischer Spannungen auf den Offset - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hallsensor.

Hallsensoren messen magnetische Felder unter Ausnutzung des Halleffektes. Das zu messende Magnetfeld bewirkt eine Ände­ rung des elektrischen Widerstands eines Hallelements, die als Meßsignal ausgewertet werden kann. Gegenüber induktiven Magnetfeldsensoren haben Hallsensoren den Vorteil, daß neben zeitlich veränderlichen Magnetfeldern (magnetischen Wechsel­ feldern) auch über einen vorgegebenen Zeitraum zeitlich kon­ stante Magnetfelder (magnetische Gleichfelder) gemessen wer­ den können. Insbesondere bei der Messung magnetischer Gleich­ felder ist eine gute Stabilität des Arbeitspunktes (Offset) des Hallsensors erforderlich. Der Arbeitspunkt des Hallsen­ sors entspricht seinem Ausgangssignal bei nichtanliegendem Magnetfeld.

Es sind in Silicium integrierte Hallsensoren bekannt, bei denen ein oder mehrere Hallelemente auf einem Siliciumchip integriert sind. Der Siliciumchip mit den Hallelementen ist im allgemeinen zum Schutz vor Umwelteinflüssen in einer Ver­ gußmasse eingegossen. Bei solchen in Silicium integrierten Hallsensoren kann der Offset des Hallsensors durch mechani­ sche Spannungen beeinflußt werden, die auf den Siliciumchip einwirken. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes ändert sich proportional zum lokalen Spannungszustand der Grund­ widerstand des Hallelements und damit der Offset des Hallsen­ sors. Solche mechanische Spannungen können durch unterschied­ liche Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien, insbesondere zwischen dem Siliciumchip und der Vergußmasse, verursacht werden. Diese mechanische Spannungen sind überdies temperaturabhängig und bauen im wesentlichen von den Kanten des Siliciumchips her ein inhomogenes Spannungsfeld auf. So­ mit wird auch der Nullpunkt oder Offset des Ausgangssignals temperaturabhängig. Eine weitere Ursache für mechanische Spannungen sind Quarzkörner in den verwendeten Vergußmassen, die gegen die Chipoberfläche gedrückt werden und lokale, inhomogene Spannungsfelder aufbauen, die sich ebenfalls mit der Temperatur ändern. Eine dritte Ursache für mechanische Spannungen können Änderungen in der Haftung zwischen der Ver­ gußmasse und dem Hallsensor sein, die im Langzeitverhalten des Hallsensors zu einer undefinierten Arbeitspunktdrift füh­ ren.

Auch beim Einbau eines Hallsensors in ein Gehäuse können mechanische Spannungen und eine damit verbundene Änderung des Arbeitspunktes auftreten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Hallsen­ sor anzugeben, bei dem Einflüsse von mechanischen Spannungen auf den Arbeitspunkt des Hallsensors, beispielsweise bei Ein­ gießen des Hallsensors in eine Vergußmasse oder beim Einbau des Hallsensors in ein Gehäuse, verringert werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merk­ malen des Anspruchs 1. Der Hallsensor umfaßt wenigstens ein Hallelement, das von einem Trägerkörper getragen wird und eine Haltevorrichtung, die einen Hohlraum umschließt. Der Trägerkörper ist über wenigstens einen, mit der Haltevorrich­ tung verbundenen Aufhängekörper in dem Hohlraum aufgehängt. Dieser wenigstens eine Aufhängekörper ist zwischen der Halte­ vorrichtung und dem Trägerkörper zur Erhöhung seiner mechani­ schen Deformierbarkeit wenigstens teilweise mit einem gerin­ geren Querschnitt versehen als der Trägerkörper. Mechanische Spannungen, die nun von außen auf die Haltevorrichtung ein­ wirken, werden weitgehend in eine Deformation des wenigstens einen Aufhängekörpers umgesetzt und wirken daher nicht mehr so stark in den Trägerkörper und das Hallelement hinein. Das Hallelement und sein Trägerkörper sind somit mechanisch von der Haltevorrichtung weitgehend entkoppelt. Die Stabilität des Arbeitspunktes des Hallsensors beim Eingießen in eine Vergußmasse oder beim Einbau in ein Gehäuse wird damit deut­ lich verbessert.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Hallsen­ sors ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprü­ chen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 ein prinzipieller Aufbau eines Hallsensors,

Fig. 2 eine Ausführungsform eines Hallsensors mit ziehharmo­ nikaartigen Aufhängekörpern,

Fig. 3 ein mit Silicium gefertigter Hallsensor im Quer­ schnitt,

Fig. 4 und 5 jeweils eine Ausführungsform eines solchen mit Silicium gefertigten Hallsensors in jeweils einer Draufsicht und

Fig. 6 ein in einer Vergußmasse eingegossener Hallsensor in einer teilweise geöffneten Ansicht schematisch veranschaulicht sind. Einander entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 sind ein Hallelement mit 2, eine Haltevorrichtung mit 3, wenigstens ein Aufhängekörper mit 4, ein Hohlraum in­ nerhalb der Haltevorrichtung mit 5 und ein Trägerkörper mit 6 bezeichnet.

Ein nicht dargestelltes, am Hallsensor anliegendes Magnetfeld erzeugt aufgrund des Halleffekts eine Widerstandsänderung im Hallelement 2, die als Meßsignal erfaßt werden kann. Das Hallelement 2 besteht im allgemeinen aus einem Halbleiter, vorzugsweise aus Silicium (Si) oder Galliumarsenid (GaAs).

Der Trägerkörper 6 trägt das Hallelement 2. Das Hallelement 2 kann dazu auf oder in dem Trägerkörper 6 angeordnet sein. Der Trägerkörper 6 ist über den wenigstens einen Aufhängekörper 4 mit der Haltevorrichtung 3 verbunden und freitragend in dem Hohlraum 5 aufgehängt.

Der wenigstens eine Aufhängekörper 4 weist entlang einer zwi­ schen der Haltevorrichtung 3 und dem Trägerkörper 6 gedach­ ten, nicht dargestellten Verbindungslinie oder Verbindungs­ fläche wenigstens teilweise einen geringeren Querschnitt auf als der Trägerkörper 6. Im dargestellten Querschnitt der Fig. 1 sind die zur Verbindungslinie bzw. Verbindungsfläche verti­ kale Ausdehnung d des wenigstens einen Aufhängekörpers und die entsprechende vertikale Ausdehnung D des Trägerkörpers 6 eingezeichnet. Die Ausdehnung d des Aufhängekörpers 4 ist in der dargestellten Ausführungsform über die gesamte Verbin­ dungslinie bzw. Verbindungsfläche kleiner als die Ausdehnung D des Trägerkörpers 6. Der wenigstens eine Aufhängekörper 4 kann allerdings auch nur in einem Teilbereich zwischen der Haltevorrichtung 3 und dem Trägerkörper 6 einen geringeren Querschnitt aufweisen als der Trägerkörper 6. Durch in der Haltevorrichtung 3 auftretende Spannungen wird nun der wenig­ stens eine Aufhängekörper 4 in seinem den geringeren Quer­ schnitt aufweisenden Bereich verformt. Der Trägerkörper 6 und damit das Hallelement 2 werden durch diese Verformung des wenigstens einen Aufhängekörpers 4 zwar gegebenenfalls etwas ausgelenkt, bleiben jedoch weitgehend frei von den mechani­ schen Spannungen in der Haltevorrichtung 3. Der Trägerkörper 6 und der Hohlraum 5 sind dabei so bemessen, daß der Träger­ körper 6 genug Bewegungsspielraum hat und auch bei einer maximal vorgegebenen Deformation des wenigstens einen Aufhän­ gekörpers 4 nicht an die den Hohlraum 5 umgebenden Innenflä­ chen der Haltevorrichtung 3 anschlägt.

Das Verhältnis der Querschnitte von Trägerkörper 6 und dem wenigstens einen Aufhängekörper 4 und damit insbesondere das Verhältnis D/d ihrer beiden jeweiligen maximalen Ausdehnungen D und d, hängt ab von dem Elastizitätsmodul des Material des wenigstens einen Aufhängekörpers 4 und von der geometrischen Gestalt des Aufhängekörpers 4, insbesondere von der Ausdeh­ nung a des querschnittsverringerten Bereichs des Aufhänge­ körpers 4 in Richtung der Verbindungslinie bzw. Verbindungs­ fläche. Je länger zumindest der querschnittsverringerte Bereich des wenigstens einen Aufhängekörpers 4 entlang der Verbindungslinie bzw. der Verbindungsfläche ausgedehnt ist, d. h. je größer seine Ausdehnung a ist, um so kleiner kann das Verhältnis D/d < 1 der vertikalen Ausdehnungen D und d bzw. das Verhältnis der Querschnitte von Trägerkörper 6 und dem wenigstens einen Aufhängekörper 4 gewählt werden, um eine vorgegebene Reduktion der mechanischen Spannungen im Träger­ körper 6 zu erreichen. Vorzugsweise wird das Verhältnis D/d, das ein Maß für das Verhältnis der Querschnitte von Träger­ körper 6 und Aufhängekörper 4 ist, größer als etwa 2 einge­ stellt. Die vertikale Ausdehnung d des wenigstens einen Auf­ hängekörpers 4 ist im allgemeinen größer als etwa 2 µm und vorzugsweise größer als etwa 10 µm.

Die Ausdehnung a des Aufhängekörpers 4 entlang der Verbin­ dungslinie oder -fläche wird im allgemeinen größer als etwa 10 µm und vorzugsweise größer als etwa 50 µm gewählt. Der mit b bezeichnete Abstand des Hallelements 2 von dem wenigstens einen Aufhängekörper 4 ist überdies vorzugsweise größer als die oder gleich der Querschnittsausdehnung d des wenigstens einen Aufhängekörpers 4.

Als Aufhängekörper 4 können beispielsweise eine zusammenhän­ gende Membran oder auch mehrere einzelne Aufhängestege vorge­ sehen sein. Der Aufhängekörper 4 kann außerdem auch eine ge­ krümmte oder entlang der Verbindungslinie bzw. Verbindungs­ fläche V-förmige oder ziehharmonikaförmige Gestalt haben. Bei einer V-förmigen oder ziehharmonikaförmigen Gestalt des wenigstens einen Aufhängungskörpers 4 wird die mechanische Entkopplung des Trägerkörpers 6 und des Hallelements 2 von der Haltevorrichtung 3 noch verbessert, da für die Verformung des wenigstens einen Aufhängekörpers 4 zusätzliche Bewegungs­ freiheitsgrade zur Verfügung stehen.

Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Hallsensors, bei der der wenigstens eine Aufhängekörper 4 wenigstens in einem Teilbereich entlang einer Verbindungslinie zwischen Haltevor­ richtung 3 und Trägerkörper 6 ziehharmonikaartig geformt ist. Ein solcher ziehharmonikaartig geformter Aufhängekörper 4 kann vorzugsweise aus einem Siliciumkörper durch naßchemi­ sches, anisotropes Ätzen von V-förmigen Gruben in zwei ein­ ander gegenüberliegende Oberflächen dieses Siliciumkörpers erzeugt werden, wobei diese Gruben parallel zu den Oberflä­ chen zueinander versetzt sind. Außerdem können auch zuein­ ander versetzte Gruben durch einen Trockenätzprozeß erzeugt werden zum Bilden eines ziehharmonikaartigen Aufhängekör­ pers 4.

Die Haltevorrichtung 3 ist vorzugsweise aus drei Teilen auf­ gebaut. Auf einem unteren Teil 30, der beispielsweise aus Kupfer bestehen kann, ist ein mittlerer Teil 31 angeordnet, und auf diesem mittleren Teil 31 ist ein oberer Teil 32 ange­ ordnet. Der mittlere Teil 31 der Haltevorrichtung 3, der wenigstens eine Aufhängekörper 4, der Trägerkörper 6 und das Hallelement 2 sind vorzugsweise mit einem gemeinsamen, zusam­ menhängenden Siliciumkörper gebildet. Dazu ist dieser Sili­ ciumkörper durch Standardtechniken der Silicium-Mikrostruk­ turtechnik entsprechend strukturiert, um den Aufhängekörper 4, den Trägerkörper 6, das Hallelement 2 und einen unteren Bereich des Hohlraums 5, der vom unteren Teil 30 und dem mittleren Teil 31 der Haltevorrichtung 3 eingeschlossen wird, zu bilden. Vorzugsweise werden Lithographieschritte mit Hilfe naßchemischen, anisotropen Atzens eingesetzt. Der obere Teil 32 der Haltevorrichtung 3 besteht vorzugsweise ebenfalls aus einem Siliciumkörper, der mit einer Ausnehmung versehen ist, die einen oberen Bereich des Hohlraums 5 bildet.

Das Hallelement 2 ist vorzugsweise durch Diffusion oder Implantation von Dotierstoffen in dem Trägerkörper 6 erzeugt und wird über nicht dargestellte elektrische Verbindungen mit seinem Betriebsstrom versorgt.

In der Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform eines Hallsen­ sors im Querschnitt dargestellt. Die Haltevorrichtung 3 um­ faßt wieder einen unteren Teil 30, einen aus Silicium beste­ henden mittleren Teil 31 und einen aus Silicium bestehenden oberen Teil 32. Der wenigstens eine Aufhängekörper, der Trä­ gerkörper 4, der Trägerkörper 6 und das Hallelement 2 sind wieder vorzugsweise zusammen mit dem mittleren Teil 31 mit einem einzigen, zusammenhängenden Siliciumkörper gebildet. Zwischen dem mittleren Teil 31 und dem oberen Teil 32 der Haltevorrichtung 3 ist eine Isolationsschicht 8 zur elektri­ schen Isolation angeordnet. Diese Isolationsschicht 8 ist vorzugsweise auch auf dem wenigstens einen Aufhängekörper 4 und dem Trägerkörper 6 angeordnet und hat dabei die technolo­ gische Funktion als Ätzstoppschicht beim naßchemischen Ätz­ prozeß zum Erzeugen des Aufhängekörpers 4 und des Trägerkör­ pers 6. Der Trägerkörper 6 trägt in der dargestellten Ausfüh­ rungsform zwei Hallelemente 2. Es können auch mehr als zwei Hallelemente 2 vorgesehen sein. Die Hallelemente 2 sind über nicht dargestellte Verbindungsleitungen mit einem elektri­ schen Kontakt 11 elektrisch verbunden. Der Kontakt 11 ist vorzugsweise auf einem freiliegenden Bereich der Isolations­ schicht 8 auf dem mittleren Teil 31 der Haltevorrichtung 3 angeordnet. Der wenigstens eine Aufhängekörper 4 ist in der dargestellten Ausführungsform im wesentlichen parallel zu einer Verbindungsebene als Verbindungsfläche zwischen Halte­ vorrichtung 3 und Trägerkörper 6 ausgebildet.

Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei Ausgestaltungen der Ausführungs­ form eines Hallsensors gemäß Fig. 3 in jeweils einer Drauf­ sicht auf eine zwischen den mit I und II bezeichneten Pfeilen verlaufende Ebene mit abgehobenem oberen Teil 32 der Halte­ vorrichtung 3 und abgehobener Isolationsschicht 8. Der Quer­ schnitt gemäß Fig. 3 verläuft dabei entlang einer durch die Punkte A und B bezeichneten Ebene in den Fig. 4 und 5.

In der Fig. 4 ist als Aufhängekörper eine durchgehende Mem­ bran 40 vorgesehen. Der Trägerkörper 6 ist als zentrale Ver­ dickung oder Mittelstempel dieser Membran 40 ausgebildet und kann vorzugsweise durch anisotropes Atzen eine rings um den Trägerkörper 6 verlaufenden Nut in den Siliciumkörper erzeugt werden. Der Abstand des als Trägerkörper 6 vorgesehenen Mit­ telstempels oder der zentralen Verdickung vom Rand der Mem­ bran 40 entspricht der Ausdehnung a. Die Membran 40 kann rechteckig oder auch kreisrund sein.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Trägerkörper 6 über mehrere, beispielsweise vier, Aufhängestege 41 an der Haltevorrichtung 3 befestigt ist. Die Länge der einzelnen Aufhängestege 41 ist mit a bezeichnet.

Aus den beschriebenen planaren Ausführungsformen der Aufhän­ gekörper können V- oder ziehharmonikaförmige Aufhängekörper erzeugt werden, indem von beiden Seiten in den jeweiligen Aufhängekörpern 4, 40 oder 41 jeweils gegeneinander versetzte V-förmige Ätzgruben erzeugt werden. Damit werden besonders leicht verformbare Schwachstellen in den Aufhängekörpern 4 geschaffen. Bei einer Membran 40 können beispielsweise ein oder mehrere ringsum verlaufende Nuten vorgesehen sein.

Die Fig. 6 zeigt einen in einer Vergußmasse 9 eingegossenen Hallsensor. Der Hallsensor ist gemeinsam mit elektrischen Kontaktierungsmitteln 13 in der Vergußmasse 9 eingegossen. Die Kontaktierungsmittel 13 sind über eine elektrische Lei­ tung 12 mit dem elektrischen Kontakt 11 auf dem mittleren Teil 31 der Haltevorrichtung 3 des Hallsensors elektrisch verbunden.

Claims (8)

1. Hallsensor mit

• a) wenigstens einem Hallelement (2),
• b) wenigstens einem Trägerkörper (6), der das wenigstens eine Hallelement (2) trägt, und
• c) einer Haltevorrichtung (3), die einen Hohlraum (5) um­ schließt, wobei
• d) der Trägerkörper (6) über wenigstens einen, mit der Halte­ vorrichtung (3) verbundenen Aufhängekörper (4) in dem Hohlraum (5) aufgehängt ist und
• e) dieser wenigstens eine Aufhängekörper (4) zwischen der Haltevorrichtung (3) und dem Trägerkörper (6) zur Erhöhung seiner mechanischen Deformierbarkeit wenigstens teilweise einen geringeren Querschnitt aufweist als der Trägerkörper (6)

2. Hallsensor nach Anspruch 1, bei dem als Aufhängekörper (4) eine Membran (40) vorgesehen ist.

3. Hallsensor nach Anspruch 1, bei dem mehrere als Stege (41) ausgebildete Aufhängekörper (4) vorgesehen sind.

4. Hallsensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Haltevorrichtung (3) mit einem unteren Teil (30), einem auf dem unteren Teil (30) angeordneten mittleren Teil (31) und einem auf dem mittleren Teil (31) angeordneten oberen Teil (32) gebildet ist.

5. Hallsensor nach Anspruch 4, bei dem der wenigstens eine Aufhängekörper (4) und der Trägerkörper (6) sowie der mittle­ re Teil (31) der Haltevorrichtung (3) aus einem zusammenhän­ genden Körper erzeugt sind.

6. Hallsensor nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem zwi­ schen dem mittleren Teil (31) und dem oberen Teil (32) der Haltevorrichtung (3) eine Isolationsschicht (8) angeordnet ist.

7. Hallsensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das wenigstens eine Hallelement (2) und der wenigstens eine Trägerkörper (6) für das Hallelement (2) sowie wenig­ stens teilweise auch die Haltevorrichtung (3) aus Silicium bestehen.

8. Hallsensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Haltevorrichtung (3) in eine Vergußmasse eingegossen ist.