DE3407923C2 - Magnetfeldsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem in der Technik integrierter Halbleiterschaltkreise herstellbaren Magnetfeldsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Magnetfeldmessungen werden in verschiedenen Bereichen, wie in der Navigation, der Messung starker Ströme, der Bestimmung der Relativpo­ sition von zwei Objekten usw., verwendet. Es sind bereits integrierte ma­ gnetische Wandler bekannt, von denen die verbreitetsten Wandler die sind, bei denen der Hall-Effekt ausgenutzt wird. Zahlreiche Arbeiten wur­ den ebenfalls in bezug auf empfindliche elektronische Vorrichtungen vor­ genommen, wie Magnetdioden oder Magnettransistoren. Die Empfindlichkeit dieser Wandler ist jedoch verhältnismäßig gering und kann zwischen etwa 0,75 V pro Tesla für einen Hall-Effektwandler, der einen integrierten Verstärkerkreis aufweist, und 10 V pro Tesla für einen Magnettransistor variieren. Andererseits zeigen diese elektronischen Vorrichtungen Parame­ ter, die beträchtlich durch Temperaturänderungen beeinträchtigt werden.

Ein Sensor, der die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale aufweist, ist aus GB-PS 1,154,679 bekannt. Der bekannte Sensor ist als Feldeffekt-Transistor aufgebaut, dessen Gate-Elektrode von dem Plattenteil gebildet wird; in einer Ausführungsform ist die ferromagnetische Beschichtung eine permanentmagnetische Beschichtung.

Es ist noch auf die GB-OS 2 101 336 A zu verweisen, die einen bezüglich des mechanischen Aufbaus ähnlichen, allerdings zur Erfassung von Beschleunigungen dienenden Mikro-Sensor offenbart.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen in der Technik integrierter Halbleiterschaltkreise herstellbaren Sensor zu schaffen, der auf Magnetfelder anspricht und die genannten Nachteile nicht aufweist. Insbesondere soll der Sensor funktionsstabil in bezug auf Temperaturände­ rungen sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst; die von ihm abhängenden Unteransprüche definieren Ausgestaltungen dieses Konzepts.

Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungs­ gemäßen auf Magnetfelder ansprechenden Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 3 zeigt im Schnitt ein Meßgerät mit einer auf Magnetfelder ansprechenden Vorrichtung.

Fig. 4 bis 6 zeigen verschiedene Ausführungs­ formen, bei denen die Wirkung des auf die Klappe der Vorrichtung ausgeübten Magnet­ feldes kompensiert wird.

Fig. 1 zeigt, wie es möglich ist, auf dem Träger der erfindungsgemäßen Vorrichtung selbst einen Elektromagneten zu integrieren, der dazu bestimmt ist, ein Polarisations­ feld B_p für die auf dem Plattenteil oder der Klappe 1 angeordnete Schicht 30 zu erzeugen. Das magnetische Feld des Elektromagneten wird durch das Aufbringen einer ferromagnetischen Schicht 50 der glei­ chen Art wie auf der Klappe 1 auf dem Träger 2 realisiert. Die Erregerspule wird durch parallele Leiterbänder 61 aus Aluminium gebildet, die untereinander durch Diffusionszonen 62 verbunden sind, die unter der ferromagnetischen Schicht 50 realisiert sind. Kontaktfenster 63 ermöglichen die elek­ trische Verbindung zwischen den Leiterbanden 61 und den Diffusionszonen 62. Die Versorgung der Spule 60 mit einem Strom I bewirkt die Erzeugung eines Polarisationsfeldes B_p, das die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 30 auf der Klappe 1 ermöglichen. Das Plattenteil ist mittels Auf­ hängungen 3 drehbar aufgehangen.

Fig. 2 zeigt eine weitere Art der Magnetisierung der auf der Klappe 1 aufgebrachten Schicht 30. Hierbei durch­ setzt ein Leiterband 70, beispielsweise aus Aluminium, die Klappe 1 in ihrer Mitte. Wenn das Leiterband 70 von einem Strom I durchflossen wird, erzeugt er ein Feld, das die Po­ larisation der Schicht 30 in der Ebene und senkrecht zur Ro­ tationsachse der Klappe 1 ermöglicht. Diese Methode ist identisch zu derjenigen, die in Bezug auf Speicher auf den Seiten 21-2 und 21-3 des Handbuchs "Handbook of thin film technology", veröffentlicht 1970 durch McGraw-Hill Book Company, beschrieben ist. Wie im Falle von Fig. 1 können mehrere Spiralwindungen um die Schicht 30 der Klappe 1 herum angeordnet sein.

Die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen können in einem Gerät zum Messen des magnetischen Feldes verwendet werden, das eine elektrische Größe liefert, die proportional zu der Kraft ist, die durch das zu messende magnetische Feld auf die Klappe ausgeübt wird.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt längs der Rotationsachse der Klappe eines solchen Meßgeräts. Die Klappe 1 ist in einem Siliziumsubstrat, das leicht n-dodiert ist, ausge­ bildet, das einen Träger 2 bildet, an dem die Klappe 1 durch Halterungen 3 befestigt ist. Die Klappe 1 trägt eine ferromagnetische gemäß Fig. 1 oder 2 polarisierte Schicht 30. Die Klappe 1 selbst wird durch dotiertes Silizium gebildet (beispielsweise p⁺); sie kann daher elek­ trisch über eine Leiterschicht 80 mit einem integrierten Schaltkreis 100 auf dem Träger 2 verbunden werden. Der Schaltkreis 100 dient dazu, die Kapazität des veränder­ lichen Kondensators zu messen, der durch die Klappe 1 einer­ seits und eine feststehende Gegenelektrode 91 andererseits gebildet wird. Die Gegenelektrode 91 ist auf einer Platte 90 aufgebracht, die aus Glas sein kann und an dem Träger 2 durch "anodische Bindung" befestigt ist. Eine Ausnehmung 92 ist in der Platte 90 gegenüber von dem Meßkreis 100 angeordnet. Fig. 3 zeigt des weiteren eine Diffusionszone 82, die die elektrische Verbindung zwischen der Gegenelektrode und dem Anschluß 83 aus Aluminium realisiert und eine Diffusions­ zone 85, die die elektrische Verbindung zwischen dem Meß­ kreis 100 und dem Anschluß 86 aus Aluminium realisiert. Außerhalb der Kontaktstellen mit den Diffusionszonen sind die Anschlüsse aus Aluminium wie die Anschlüsse 80, 83 und 86 auf einer isolierenden Schicht 81 aus SiO₂ angeordnet. Desgleichen kann die Innenfläche des Trägers 2 durch eine Schicht 88 aus SiO₂ geschützt sein.

Das Verfahren zur Herstellung des Geräts von Fig. 5 umfaßt beispielsweise die folgenden Hauptschritte:

• - Ätzen des Siliziums zum Bilden der Ausnehmung zwischen der Klappe und ihrer Gegenelektrode,
• - Integration des Meßkreises und Aufbringung und Gravierung der ferromagnetischen Schicht,
• - Angreifen des Siliziums von der Rückseite her durch anisotropes Ätzen und Behandlungen, die bezüglich des Do­ tierungstyps des Siliziums empfindlich sind (beispiels­ weise anodisches Ätzen oder anodische Passivierung),
• - Ausschneiden der Klappe auf feuchtem Wege oder mittels Plasmas,
• - Ablagerung und Gravierung des Aluminiums auf der Glas­ platte zum Bilden der Gegenelektrode,
• - Befestigung der Glasplatte auf dem Siliziumträger durch anodisches Schweißen.

Wie bereits erwähnt, ist die mit einer polarisierten ferromagnetischen Schicht bedeckte Klappe eine empfindliche Vorrichtung, die sich in Anwesenheit eines mag­ netischen Feldes senkrecht zu ihrer Ebene um einen Winkel proportional zum angelegten Feld bewegt. Bei dem Gerät der Fig. 3 wird die Drehung der Klappe gemessen, indem die ent­ sprechende Änderung der Kapazität des Kondensators gemessen wird, der durch die Klappe 1 einerseits und die Gegenelek­ trode 91 andererseits gebildet wird. Diese Messung der Ände­ rung der Kapazität ist bekannt und beispielsweise in der GB-OS 2 101 336A beschrieben. Damit vermieden wird, daß die Klappe 1 die Gegenelektrode 91 berühren kann, ist es möglich, auf der Klappe 1 oder der Platte 90, die die Gegenelektrode 91 trägt, Anschläge aus isolierendem Material anzuordnen. Im Falle einer Vorrichtung mit symmetrischer Klappe oder Plattenteil ist es mög­ lich, zwei Gegenelektroden vorzusehen, von denen jeweils eine gegenüber einem der beiden Teile der Klappe auf der einen bzw. anderen Seite der Rotationsachse angeordnet ist. Die beiden Gegenelektroden und die entsprechenden Teile der Klappe bilden dann zwei Kondensatoren, deren Kapazi­ tätsänderungen gemessen werden, um den Betrag des magneti­ schen Feldes zu erhalten.

Bei dem vorstehend beschriebenen Meßgerät muß der Ab­ stand zwischen der Klappe 1 und der Gegenelektrode 91 ge­ nügend gering sein (in der Größenordnung von 2 µm), damit die Kapazität zwischen den beiden Elementen genügend groß ist. Diese Bedingung impliziert eine Begrenzung der mög­ lichen Drehung der Klappe 1 und folglich eine Begrenzung des Meßbereichs für das magnetische Feld. Eine Lösung, um derartige Einschränkungen zu beseitigen, besteht darin, daß ein Kompensationskreis vorgesehen wird, dessen Aufgabe darin besteht, auf der Klappe 1 einen Effekt zu erzeugen, der genau entgegengesetzt zu demjenigen ist, der durch das zu messende magnetische Feld erzeugt wird derart, daß die Klappe 1 immer in ihrer Ruhestellung gehalten wird. Der Kompensa­ tionskreis wird vorzugsweise durch eine elektrische Größe ge­ steuert, deren Wert ein direktes Maß des zu messenden mag­ netischen Feldes ist. Die Fig. 4 bis 6 zeigen drei mögliche Kompensationsvarianten. In diesen drei Figuren ist die Klappe 1 in einem Schnitt senkrecht zu ihrer Rotationsachse darge­ stellt. Sie ist an dem Träger 2 durch die Halterungen 3 be­ festigt und der Träger 2 ist an einem Bodenteil 4 befestigt. Eine Platte 90, die ebenfalls an dem Trä­ ger 2 befestigt ist und die gleiche Rolle wie diejenige in Fig. 3 spielt, ist ebenfalls in den Ausführungsformen der drei Figuren vorgesehen.

Fig. 4 zeigt eine asymmetrische Klappe 1. Die Wirkung des zu messenden magnetischen Feldes kann kompensiert werden, indem ein anderes magnetisches Feld der gleichen Intensität aber entgegengesetzter Richtung erzeugt wird, indem auf der Platte 90 ein Leiterband 94 angeordnet wird. Der Stromfluß in dem Leiterband 94 führt zur Erzeugung eines Feldes proportional zu dem Strom. Es ist daher möglich, die Wirkung des zu messenden magnetischen Feldes exakt zu kompensieren und dieses magnetische Feld zu messen, indem der Strom gemessen wird, der für die Kompensation notwendig ist. Offensichtlich kann dabei das Leiterband 94 eine Vielzahl von Spiralwindungen bilden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine andere Ausführungsform zum Kompensieren des durch das zu messende magnetische Feld auf die Klappe 1 ausgeübten Effektes. Hierzu wird zwischen der Klappe 1 und einer Elektrode ein elektrisches Feld er­ zeugt, dessen Wirkung exakt das mechanische Moment kompen­ sieren muß, das durch das zu messende magnetische Feld auf die Klappe 1 ausgeübt wird. Diese Art der Kompensation ist besonders dann geeignet, wenn die Klappe 1 mit einer ferro­ magnetischen Schicht versehen ist. Wie erwähnt, kann die Klappe 1 durch geeignete Dotierung leitend sein, und es ist möglich, mit Hilfe eines elektrischen Feldes eine Anzie­ hungskraft zu erzeugen. Daher sind in dem Fall einer symme­ trischen Klappe 1 (Fig. 5) zwei Elektroden 95 und 96 auf der Platte 90 vorgesehen, von denen die eine oder andere entsprechend der Richtung des zu messenden magnetischen Feldes dazu dienen kann, eine Anziehungskraft zu erzeugen, die geeignet ist, die Wirkung des zu messenden magnetischen Feldes zu kompensieren. Gemäß Fig. 6 sind die beiden Elek­ troden 97 und 41 auf der einen bzw. anderen Seite der Klappe 1 angeordnet, die asymmetrisch ist. Die Spannung, die not­ wendig ist, um exakt die Wirkung des zu messenden magneti­ schen Feldes zu kompensieren und zwischen der Klappe und einer der Elektroden angelegt wird, ist ein Maß für das magnetische Feld.

Anstelle der aufgeführten Materialien können auch andere verwendet werden, ebenso wie andere Methoden zum Messen der auf die Klappe ausgeübten Kraft. Auch ist es möglich, die Spule auf der Klappe mit einem Wechselstrom zu versorgen oder die mechanische Resonanz der Klappe zur Erhöhung der Empfind­ lichkeit anzuregen.

Claims (10)

1. In der Technik integrierter Halbleiterschaltkreise her­ stellbarer Magnetfeldsensor, umfassend ein mit einem Träger über elasti­ sche Aufhängungen verbundenes Plattenteil, das eine ferromagnetische Beschichtung aufweist und unter der Wirkung eines äußeren Magnetfeldes mechanisch unter elastischer Deformation der Aufhängungen auslenkbar ist, sowie mit Mitteln zum Umsetzen der Auslenkung in ein elektrisches Signal, gekennzeichnet durch in den Sensor integrierte stromdurchflosse­ ne Leitungen zum Erzeugen eines Polarisationsfeldes (B_p), das die ferro­ magnetische Beschichtung (30) in Richtung parallel zur Plattenebene und senkrecht zu einer von den Aufhängungen definierten Achse magnetisiert.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenteil (1) eine symmetrische Form in Bezug auf eine Rotationsachse aufweist.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromdurchflossenen Leitungen (70) eine Vielzahl von Spiralwindungen auf­ weisen.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger (2) eine ferromagnetische Schicht (50) angeordnet ist und einen Magnetkreis mit der ferromagnetischen Schicht (30) des Plattenteils (1) bildet, und daß die Leitungen wenigstens eine Spiralwindung (60) umfas­ sen, die die ferromagnetische Schicht (50) auf deren Träger (2) derart umgibt, daß sie in ihr das Polarisationsfeld für die ferromagnetische Schicht (30) des Plattenteils (1) erzeugt.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch

• - wenigstens eine Elektrode (91), die gegenüber dem Plattenteil (1) und parallel zu dessen Ruhestellung angeordnet ist und eine erste Kondensatorplatte bildet,
• - eine zweite Kondensatorplatte auf dem Plattenteil (1) und
• - einen Schaltkreis (100), der mit der ersten und zweiten Kon­ densatorplatte zur Messung der Änderung der Kapazität des Kondensators verbunden ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er wenigstens zwei Elektroden (95, 96 oder 97, 41) und Mit­ tel zum Anlegen zwischen einer der beiden Elektroden und dem Plattenteil (1) einer Spannung derart umfaßt, daß das elektrische Feld, das durch diese Spannung erzeugt wird, auf das Plattenteil (1) eine Kraft ausübt, die genau die Wirkung eines zu messenden Magnetfeldes kompensiert, wobei der Wert der angelegten Spannung ein Maß für das zu messende Magnetfeld bildet.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenteil (1) eine symmetrische Form in bezug auf eine Drehachse auf­ weist und daß die beiden Elektroden (95 und 96) auf einer Platte (90) an­ geordnet sind, die an dem Träger (2) und gegenüber von jedem der bewegli­ chen Teile des Plattenteils (1) befestigt ist.

8. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bei­ den Elektroden (97 und 41) beidseitig des Plattenteils (1) angeordnet sind.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensor in einem Siliziumsubstrat realisiert und das Plattenteil (1) wenigstens derart dotiert ist, daß es eine Kondensator­ platte bildet.

10. Sensor nach Anspruch 5 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (100) auf dem Siliziumsubstrat integriert ist.