DE4141386C2 - Hall sensor - Google Patents

Hall sensor

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Description

Die Erfindung betrifft einen in einem Halbleiterkörper integrierten Hallsensor.The invention relates to an integrated in a semiconductor body Hall sensor.

Sensoren sind die Fühlerelemente der Mikroelektronik, sie sind gleichzeitig Schnittstelle zwischen Umgebung und Informationsverarbeitung, und werden vor allem in der Automatisierung von Steuer- und Regelprozessen angewendet. Sie sind ferner Meßwertaufnehmer, die eine Rückmeldung über Zustandsveränderungen der technischen Systeme ermöglichen. Als Bindeglieder zwischen der analogen Erfassung von Temperatur, Druckbeschleunigung etc. mit der digitalen Einrichtung der Prozessoren entscheiden sie wesentlich über die Meßgeschwindigkeit mit.Sensors are the sensor elements of microelectronics, they are at the same time the interface between environment and Information processing, and are mainly used in the Automation of control and regulation processes applied. They are also sensors that provide feedback on Enable changes in the state of the technical systems. As a link between the analog acquisition of Temperature, pressure acceleration etc. with the digital They make a significant decision about the setup of the processors the measuring speed with.

Die Messung von Gleichströmen erfolgt üblicherweise über einen Spannungsabfall von Widerständen. Hohe Stromstärken erzeugen jedoch große Leistungen und bei vielen Anwendungsgebieten einen nicht zu tolerierenden Spannungsabfall. Besonders kritisch ist diese Art der Messung, wenn mit kurzen hohen Stromspitzen zu rechnen ist.DC currents are usually measured using a voltage drop of resistors. High currents but produce great accomplishments and with many Areas of application an intolerable Voltage drop. This type of is particularly critical Measurement when short, high current peaks can be expected.

Die Messung von Wechselströmen über Spulen haben den Nachteil, daß sehr schnelle Stromänderungen hohe Spitzenspannungen erzeugen, die eine Auswerteelektronik zerstören können. Die Verwendung von Hallsensoren kann dies vermeiden.The measurement of alternating currents via coils have the Disadvantage that very fast current changes are high Generate peak voltages that an evaluation electronics can destroy. The use of Hall sensors can do this avoid.

Hallsensoren haben sich als eine wesentliche Bereicherung der Sensorpalette erwiesen. Sie stellen ein ideales Interface zwischen dem genannten mechanischen und den elektronischen Systemen dar.Hall sensors have proven to be a significant asset of the sensor range. They represent an ideal Interface between the mechanical and the electronic systems.

Die bislang bekannten Hallsensoren, hergestellt mittels Halbleitertechnik in Silizium, sind aufgrund der geringen Elektronenbeweglichkeit darin nicht sehr empfindlich. Magnetfeldstärken von 100 G und mehr sind notwendig, um die Toleranzen bei der Herstellung der Hallplatte und der Auswerteelektronik abzudecken.The Hall sensors known to date, produced by means of  Semiconductor technology in silicon, are due to the low Electron mobility in it is not very sensitive. Magnetic field strengths of 100 G and more are necessary in order to Tolerances in the manufacture of the Hall plate and the Cover evaluation electronics.

Der Abstand der Hallsensoren vom Magneten oder der magnetfelderzeugenden Spule oder dergleichen darf deshalb nur sehr gering sein. Zwangsläufig wird er durch das Gehäuse, in dem sich der Sensor befindet, und der verwendeten Mechanik bestimmt. Mißt man den elektrischen Strom über sein Magnetfeld, so kann der Sensor unbeweglich gegenüber dem Magnetfeld gehalten sein. Da ein stromdurchflossener Leiter nur ein sehr schwaches Magnetfeld erzeugt, das zudem mit gemäß der Formel ¹/r abnimmt, ist der Leiter möglichst unmittelbar in der Nähe des Hallelements anzubringen.The distance of the Hall sensors from the magnet or the magnetic field generating coil or the like may therefore only be very small. It is inevitably determined by the housing in which the sensor is located and the mechanics used. If one measures the electric current over his magnetic field, the sensor can be held immovably in relation to the magnetic field. Since a current-carrying conductor only generates a very weak magnetic field, which also decreases with the formula ¹ / r , the conductor should be attached as close as possible to the Hall element.

Bei einer Stromstärke von ca. 1 A erzeugt ein Stromleiter im Abstand von 100 µm ein Magnetfeld in der Größenordnung von 20 G, das heißt eine Feldstärke, die einen sehr empfindlichen Sensor erfordern. Mit Hilfe einer Spule und entsprechenden Windungen bzw. einem höheren Strom läßt sich der Wert erhöhen, so daß der Hallsensor anspricht. Eine Spule läßt sich jedoch zusammen mit einem Halbleiterchip nicht integrieren und die Anordnung wäre auch zu teuer.At a current of approx. 1 A, a current conductor in the Distance of 100 µm a magnetic field on the order of 20 G, that means a field strength that a very sensitive sensor. With the help of a coil and corresponding turns or a higher current can increase the value so that the Hall sensor responds. A However, the coil can be used together with a semiconductor chip not integrate and the arrangement would also be too expensive.

Aus Elektronik 7/1991, S. 142-150 ist eine Anordnung bekannt, bei der auf einem Halbleitersubstrat ein Leiter und zwei zu dem Leiter symmetrisch angeordnete in den Halbleiterkörper integrierte Hallplatten vorgesehen sind. Fließt ein Strom durch den Leiter, so kann in den Hallsensoren aufgrund der Unterschiede des dort erzeugten Magnetfeldes eine räumliche Verschiebung des Leiters gemessen werden.Electronics 7/1991, pp. 142-150 is one Known arrangement in which on a Semiconductor substrate one conductor and two to that Conductors symmetrically arranged Hall plates integrated in the semiconductor body are provided. A current flows through it Conductor, so it may be due to the Hall sensors the differences in the magnetic field generated there measured a spatial displacement of the conductor become.

Aus dem Sonderheft der Zeitschrift Technisches Messen tm "Sensoren '90", S. 23-30 sind Hallsensoren bekannt, die zwischen den Polen eines Permanentmagneten angeordnet werden.From the special issue of the magazine Technisches Measure tm "Sensors '90", pp. 23-30 Hall sensors known between the poles a permanent magnet can be arranged.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hallsensor anzugeben, der bei Integrierung auf einem Halbleiterchip eine hinreichende Empfindlichkeit aufweist.The invention the task is based on a Hall sensor to be specified when integrated on a semiconductor chip has sufficient sensitivity.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is through the subject of claim 1 solved.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen offenbart.Preferred embodiments are in the Subclaims disclosed.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der einzelnen Figuren der Zeichnung näher erläutert, die verschiedene Ausführungsbeispiele darstellen. Gleiche Merkmale in ihnen sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.The invention is described below with reference to the individual figures the drawing explains the various Represent embodiments. Same features in them are provided with the same reference numerals.

Die Isolierschichten können aus Siliziumdioxid, und die Metallschleife aus Aluminium bestehen.The insulating layers can be made of silicon dioxide, and the metal loop made of aluminum consist.

Auch kann die Metallschleife als Teil des Trägerbandes ausgebildet sein und aus Kupfer bestehen. Auf dem Halbleiterplättchen kann eine Schaltung zur Auswertung des Sensorsignals mitintegriert sein.Can too the metal loop as part of the Carrier tape be formed and made of copper. One can be on the semiconductor wafer Integrated circuit for evaluating the sensor signal his.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Abdeckung als einschaliger Hüllkörper ausgebildet sein.According to a further embodiment of the invention the cover as a single-shell envelope be trained.

Die Abdeckung kann aber auch zweischalig mit ineinandergreifender Unterschale und Abdeckkappe ausgebildet sein.The cover can also be double-skinned with interlocking Bottom shell and cover cap should be formed.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Halbleiterbauelement mit der Hallplatte auf einer gedruckten Schaltungsplatine aufgesetzt sein, und die ferromagnetische Abdeckung sowohl das Hallbauelement als auch eine oder mehrere Leiterbahnen der Platine umgeben. According to another embodiment, can the semiconductor device with the Hall plate be placed on a printed circuit board, and the ferromagnetic cover both the Hall device and also surround one or more conductor tracks of the circuit board.  

Fig. 1 zeigt den Schnitt durch das Grundprinzip der Erfindung, Fig. 1 shows a section through the basic principle of the invention,

Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf eine spezielle Ausbildungsform, Fig. 2 shows the plan view on a special design form,

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausbildungsform der Erfindung. Fig. 3 shows a further embodiment of the invention.

Das in Fig. 1 gezeigte Grundprinzip des erfindungsgemäßen Hallsensors zeigt den Siliziumhalbleiterkörper 1 vom p-Leitungstyp, in dessen Oberfläche eine Zone 2 vom entgegengesetzten Leitungstyp eingelassen ist, die die Hallplatte darstellt. Eine erste Isolierschicht 3 aus z. B. Siliziumdioxid deckt den Aufbau ab. Auf der Isolierschicht ist eine Metallschleife 4, die Zone 2 überlappend, aufgebracht, um ein starkes Magnetfeld bei kleinen Strömen auf dem Halbleiterplättchen zu erzeugen. Metallbahnen in der Halbleitertechnik sind sehr dünn, sie können aber im Durchmesser galvanisch verstärkt werden. Die Metallschleife 4 wird von einer zweiten Isolierschicht 5 abgedeckt, die selbst wiederum mit einer Deckschicht 6 aus ferromagnetischem Material überzogen ist, die gleichsam den gesamten Aufbau umhüllt und damit das Magnetfeld verstärkt.The basic principle of the Hall sensor according to the invention shown in FIG. 1 shows the silicon semiconductor body 1 of the p-conductivity type, in whose surface a zone 2 of the opposite conductivity type is embedded, which represents the Hall plate. A first insulating layer 3 made of z. B. Silicon dioxide covers the structure. A metal loop 4 , overlapping zone 2 , is applied to the insulating layer in order to generate a strong magnetic field with small currents on the semiconductor die. Metal tracks in semiconductor technology are very thin, but they can be galvanically reinforced in diameter. The metal loop 4 is covered by a second insulating layer 5 , which itself is in turn covered with a covering layer 6 made of ferromagnetic material, which, as it were, envelops the entire structure and thus reinforces the magnetic field.

In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem das Halbleiter-Trägerband 7 (leadframe) derart ausgebildet ist, daß ein Teil desselben eine Leiterbahn bildet, die als Metallschleife 4 für den Hallsensor wirkt. Diese Ausbildungsform eignet sich besonders für die Flip-Chip-Technik. FIG. 2 shows an exemplary embodiment in which the semiconductor carrier tape 7 (leadframe) is designed such that part of the latter forms a conductor track which acts as a metal loop 4 for the Hall sensor. This type of training is particularly suitable for flip-chip technology.

Es ist die Draufsicht auf das montierte, verkapselte Bauelement in geöffnetem Zustand gezeigt. Auf dem Trägerband 7 ist das Halbleiterplättchen 8 mit der Hallplatte 2 befestigt, wobei diese über der Öffnung 9 in dem Trägerband zu liegen kommt. Man sieht, daß die Plattform des Trägerbandes 7, die das Halbleiterplättchen 8 trägt, von der üblichen Ausbildung derart abweicht, daß sie die erforderliche Metallschleife 4 bildet. Auf den Halbleiterplättchen 8 sind die entsprechenden Anschlußpads 10 angeordnet, die mit den Kontaktfingern 11 verbunden sind. The top view of the assembled, encapsulated component is shown in the open state. The semiconductor plate 8 is fastened on the carrier tape 7 with the Hall plate 2 , which comes to lie above the opening 9 in the carrier tape. It can be seen that the platform of the carrier tape 7 , which carries the semiconductor die 8 , deviates from the usual design in such a way that it forms the required metal loop 4 . The corresponding connection pads 10 , which are connected to the contact fingers 11 , are arranged on the semiconductor wafer 8 .

Eine weitere Ausbildungsform, und zwar die Anwendung der Erfindung in Verbindung mit einer gedruckten Schaltung ist in Fig. 3 gezeigt. Auf der Schaltungsplatine 17 sitzt der Halbleiterkörper 8 mit der integrierten Hallplatte 2. Er ist über Bonddrähte 111 mit den auf der Platine aufgelöteten Leiterbahnen 112 verbunden. Der Aufbau aus den genannten Teilen und der Kunststoffumhüllung 12 ist von einer aus der Unterschale 13 und der Abdeckkappe 14 bestehenden Hülle aus ferromagnetischem Material umgeben. Dabei erstreckt sich von der Unterschale 13 ausgehend der Fuß 18 in Richtung auf die Hallplatte 2. Der Durchmesser des Fußes 18 soll dabei nicht größer als die Hallplatte 2 sein.Another embodiment, the application of the invention in connection with a printed circuit is shown in Fig. 3. The semiconductor body 8 with the integrated Hall plate 2 sits on the circuit board 17 . It is connected via bond wires 111 to the conductor tracks 112 soldered onto the circuit board. The structure of the parts mentioned and the plastic covering 12 is surrounded by a covering made of the lower shell 13 and the cover cap 14 made of ferromagnetic material. The foot 18 extends from the lower shell 13 in the direction of the Hall plate 2 . The diameter of the foot 18 should not be larger than the Hall plate 2 .

Die Vorteile der Erfindung bestehen somit darin, daß in ihr ein Hallsensor angegeben wird, der auf einem Halbleiterplättchen integriert ist und gleichzeitig eine ausreichende Empfindlichkeit aufweist.The advantages of the invention are thus that in it a Hall sensor is specified which is based on a Is integrated and at the same time a has sufficient sensitivity.

Claims (8)

1. In einem Halbleiterkörper integrierter Hallsensor mit einem Substrat (1) des einen Leitungstyps mit einer in seiner Oberfläche eingelassenen, die Hallplatte darstellenden Zone (2) des entgegengesetzten Leitungstyps, einer die Substratoberfläche abdeckenden Isolierschicht (3), einer als Stromleiter dienenden Metallschleife (4) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, die auf der Isolierschicht (3) die Zone (2) überlappend aufgebracht ist, einer zweiten die Metallschleife (4) abdeckenden Isolierschicht (5) und einer den gesamten Aufbau umgebenden Abdeckung (6, 13, 14) aus ferromagnetischem Material. 1. Hall sensor integrated in a semiconductor body with a substrate ( 1 ) of the one conduction type with a zone ( 2 ) of the opposite conduction type embedded in its surface, which represents the Hall plate, an insulating layer ( 3 ) covering the substrate surface, and a metal loop ( 4 ) to generate a magnetic field which is applied to the insulating layer ( 3 ) overlapping the zone ( 2 ), a second insulating layer ( 5 ) covering the metal loop ( 4 ) and a cover ( 6, 13, 14 ) made of ferromagnetic surrounding the entire structure Material. 2. Hallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschichten (3, 5) aus Siliziumdioxid bestehen.2. Hall sensor according to claim 1, characterized in that the insulating layers ( 3, 5 ) consist of silicon dioxide. 3. Hallsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschleife (4) aus Aluminium besteht.3. Hall sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the metal loop ( 4 ) consists of aluminum. 4. Hallsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschleife (4) als Teil eines Trägerbandes ausgebildet ist und aus Kupfer besteht.4. Hall sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the metal loop ( 4 ) is formed as part of a carrier tape and consists of copper. 5. Hallsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleiterkörper eine Schaltung zur Auswertung des Sensorsignals mitintegriert ist.5. Hall sensor according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that on the semiconductor body Integrated circuit for evaluating the sensor signal is. 6. Hallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (6) als einschaliger Hüllkörper ausgebildet ist.6. Hall sensor according to claim 1, characterized in that the cover ( 6 ) is designed as a single-shell envelope. 7. Hallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung zweischalig mit ineinandergreifender Unterschale (13) und Abdeckkappe (14) ausgebildet ist.7. Hall sensor according to claim 1, characterized in that the cover is formed with two shells with an interlocking lower shell ( 13 ) and cover cap ( 14 ). 8. Hallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (8) mit der Hallplatte (2) auf einer gedruckten Schaltungsplatine (17) aufgesetzt ist und die ferromagnetische Abdeckung (13, 14) sowohl das Hallbauelement als auch eine oder mehrere Leiterbahnen der Platine umgibt.8. Hall sensor according to claim 1, characterized in that the semiconductor component ( 8 ) with the Hall plate ( 2 ) is placed on a printed circuit board ( 17 ) and the ferromagnetic cover ( 13, 14 ) both the Hall component and one or more conductor tracks Surrounds circuit board.
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