DE69531266T2

DE69531266T2 - Magnetsensor

Info

Publication number: DE69531266T2
Application number: DE69531266T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Kawasaki-ku Matsuzaki
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1994-04-06
Filing date: 1995-04-04
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2015-04-05
Also published as: JP3227985B2; DE69531266D1; EP0676646A1; US5592081A; EP0676646B1; JPH07283459A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen sehr kleinen und hochempfindlichen Magnetsensor, der den Hall-Effekt ausnutzt.
Zur Erfassung oder Messung magnetischer Felder wird eine Vielfalt magnetischer Sensoren eingesetzt, wie beispielsweise Supraleitungs-Quantum-Interferenzeinrichtungs-Flußmeter (SQUID), die in der Lage sind, extrem schwache Magnetfelder von 10^–14 T (Tesla) zu messen, oder Halbleiter-Hall-Magnetsensoren, die in der Lage sind, ultrastarke Magnetfelder von 10 T oder mehr zu messen. Solche Magnetsensoren werden im großen Umfang nicht nur zur Messung der Intensität magnetischer Felder, sondern auch zur Erfassung von Strömen, oder, in Kombination mit magnetischen Substanzen, zur Messung anderer physikalischer Größen wie Lage und Beschleunigung oder auch zum Schalten als Schaltelemente eingesetzt. 7 zeigt Betriebsbereiche und Hauptanwendungsfelder verschiedener bekannter Magnetsensoren (gemäß Kiyoshi Takahashi et al., "Dictionary of Sensors", Asakura shoten, 1991). In 7 ist mit A der Bereich von Halbleitermagnetsensoren bezeichnet, mit B derjenige von Magnetsensoren mit ferromagnetischem Material, mit C derjenige von Flußgate-Flußmessern und auf Nuklearmagnetresonanz beruhenden Flußmessern, mit D derjenige von SQUID-Flußmessern, mit E derjenige von medizinischen und biologischen Magnetmessungen, mit F derjenige von Beschleunigern, NMR, Massenspektrometern und Linearmotorwagen, mit G derjenige von Untersuchungen des Erdmagnetismus und mit H derjenige von Strommessungen, zum Auslesen von Magnetspeichern, Hall-Motoren und kontaktfreien Schaltern. I bezeichnet das Magnetfeld des Gehirn, K Städterauschen und L Erdmagnetismus.
Wie in 7 gezeigt, wird bei der herkömmlichen Magnetismusmessung von verschiedensten Magnetsensoren mit unterschiedlichen Arbeitsprinzipien und Strukturen in einem weiten Meßbereich Gebrauch gemacht, was zur Notwendigkeit geführt hat, die einzelnen Sensoren abhängig von ihren Meßbereichen geeignet einzusetzen. Wenn die beschriebene Vielfalt von Sensoren eingesetzt wird, müssen die jeweiligen Beschränkungen bei ihren Einsatzbedingungen berücksichtigt werden. Beispielsweise muß der Sensor eines SQUID-Flußmessers auf eine sehr niedrige Temperatur gekühlt werden und kann daher nicht ohne weiteres benutzt werden.
Halbleitermagnetsensoren werden von den herkömmlichen Magnetsensoren in großem Umfang eingesetzt, weil sie in der Lage sind, Magnetfelder in einem relativ weiten Bereich zu messen. Als Arbeitsprinzip von Halbleitermagnetsensoren wird meistens der Hall-Effekt angewendet, wie er bei Hall-Element-Magnetsensoren ausgenutzt wird. Das Dokument EP-A-0 168 312 beschreibt ein Beispiel solch eines Halbleiter-Hall-Sensors.
Der Hall-Effekt soll nachfolgend kurz beschrieben werden. Wenn ein Magnetfeld (mit einer Magnetflußdichte B) senkrecht zur Flußrichtung eines einen Leiter durchfließenden Stroms (I) angelegt wird, wird ein elektrisches Hall-Feld in einer Richtung senkrecht sowohl zur Stromrichtung als auch zur Richtung des angelegten Magnetfeldes hervorgerufen, das über dem Leiter eine Spannung erzeugt.
Diese als Hall-Spannung V_H bezeichnete Spannung ist gegeben durch: VH = KH·B·I (1)wobei d, w und L die Dicke, die Breite bzw. die Länge des Leiters bezeichnen, durch den der Strom fließt. Das bedeutet, daß die Magnetflußdichte B durch Messen der Hall-Spannung V_H ermittelt werden kann, die zur Magnetflußdichte B proportional ist. K_H stellt ein Empfindlichkeitsprodukt dar, das durch folgende Gleichung gegeben ist KH = RH·fH/d (2)wobei R_H ein Hall-Koeffizient ist und f_H einen Formfaktor darstellt, bei dem es sich um einen zum Verhältnis L/w und einem Hall-Winkel θ in Beziehung stehenden Wert handelt, der sich mit zunehmendem θ an 1 annähert, das heißt mit zunehmender Hall-Beweglichkeit μ_W = R_H·σ (σ: elektrische Leitfähigkeit) und der Magnetflußdichte. Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich: VH = RH·fH·I/d. (3)
Wenn man Betrieb bei konstanter Spannung annimmt, wird aus Gleichung (3): VH = (w/L)RH·fH·σ·B·V, (4)wobei die V die angelegte Spannung ist.
Daher kann die Hall-Spannung V_H wirksam erhöht werden, indem (w/L), R_H und σ erhöht werden. Da jedoch (w/L) ein Parameter ist, der von der Form des Bauelements abhängt, und keine signifikante Änderung in f_H auftritt, wenn der Hall-Winkel θ groß ist, ergeben sich R_H und σ als Schlüsselfaktoren.

(a) R_H ist durch folgende Gleichung gegeben, wobei n die Elektronendichte darstellt, e die Elektronenladung darstellt und c die Lichtgeschwindigkeit ist: RH = –(nec)–1(CGS system) (5)das heißt, R_H ist umgekehrt proportional zur Elektronendichte n.
(b) σ ist durch folgende Gleichung gegeben, wobei τ die Zeit zwischen Elektronenkollisionen darstellt und m* die effektive Elektronenmasse ist: σ = ne2τ/m* (6)das heißt σ ist proportional n und τ.

Wie sich aus den Gleichungen (5) und (6) ergibt, beeinflußt die Elektronendichte n R_H und r in entgegengesetzter Weise. Es ist daher keine wirksame Maßnahme, sowohl R_H als auch σ zu erhöhen.
Ein Magnetsensor mit einem Hall-Halbleiterelement ist kompakt und in der Lage, die Größe eines Magnetfelds in einem weiten Bereich zu messen, wie in 7 gezeigt. Seine Empfindlichkeit und Auflösung sind jedoch für die Messung von Magnetflußdichten von 10^–9 T oder weniger nicht zufriedenstellend. Außerdem kann ein Halbleiter nicht bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, bei denen die Ladungsträgerdichte des Halbleiters rapide ansteigt. Weiterhin leidet solch ein Bauelement an dem Problem der Strahlungsempfindlichkeit. Somit ist das Anwendungsgebiet solch eines Bauelements tatsächlich infolge der Beschränkungen der Anwendungsbedingungen beschränkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die folgenden beiden Probleme zu lösen:

[1] Die magnetische Empfindlichkeit zu verbessern und den Meßbereich auszudehnen, das heißt die Empfindlichkeit zu verbessern und es zu ermöglichen, daß ein einzelner Magnetsensor einen weiten Meßbereich abdeckt;
[2] Die Anwendungsbedingungen auszuweiten, das heißt ausgezeichnete Umgebungsbeständigkeitseigenschaften zu schaffen und insbesondere den Betrieb bei hohen Temperaturen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird mit einem Magnetsensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Spezielle Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Zur Lösung der oben beschriebenen Probleme weist ein Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung einen Aufbau ähnlich dem der sogenannten Feldemissions-Mikrovakuumröhre auf. Bei einem Magnetsensor mit dem oben beschriebenen Ausbau kann die Hall-Beweglichkeit verbessert werden, um die Hall-Spannung verglichen mit herkömmlichen Magnetsensoren zu erhöhen, die auf einem Hall-Halbleiterelement beruhen, womit die magnetische Empfindlichkeit verbessert wird. Dies beruht auf der verlängerten Zeit τ zwischen Kollisionen, was eine wirkungsvolle Maßnahme zur Erzielung eines vergrößerten Produkts aus dem Hall-Koeffizienten R_H und der elektrischen Leitfähigkeit σ ist, welches zur Verbesserung der magnetischen Empfindlichkeit erforderlich ist, wie sich aus den Gleichungen (4), (5) und (6) ergibt. Bei einem Magnetsensor aus einem Hall-Element, bei dem Ladungsträger in einem Vakuum fließen, kann die Zeit zwischen Kollisionen um wenigstens eine Größenordnung verlängert werden, verglichen mit einem herkömmlichen Hall-Element, bei dem die Ladungsträger in einem Festkörper fließen.
Da Elektronen, die auf ein externes Magnetfeld reagieren, in einem Vakuum fließen, ist die Temperaturabhängigkeit des Sensors vernachlässigbar im Vergleich mit jener, die sich bei herkömmlichen Festkörperbauelementen zeigt. Aufgrund der geringeren Beeinträchtigung durch die Temperatur verglichen mit Halbleitern, kann das Bauelement bei hohen Temperaturen eingesetzt werden.
Da der Magnetsensor darüber hinaus einen Aufbau ähnlich dem der sogenannten Feldemissions-Mikrovakuumröhre aufweist, kann er auf einem isolierten Substrat oder einer Isolatorschicht auf einem Halbleitersubstrat unter Einsatz von Halbleiterverarbeitungstechniken in einer Größer gleich wie oder kleiner als herkömmliche Halbleiter-Magnetsensoren ausgebildet werden.
Dadurch, daß die Hall-Elektroden so vorgesehen werden, daß sie sich von der Oberseite der Isolierschicht auf die Oberfläche der Innenwand der Ausnehmung erstrecken, wird die Elektroneneinfangrate verbessert und damit eine genauere Messung von Magnetfeldern erreicht.
Außerdem verhindert der Einsatz einer Kappe aus nichtmagnetischem Material eine Störung des zu messenden Magnetflusses, was ebenfalls die Meßgenauigkeit erhöht.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Magnetsensors gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
2 eine Schnittansicht eines Magnetsensors längs der Linie A-A in 1 ist.
3 eine Schnittansicht des Magnetsensors längs der Linie B-B in 1 ist.
4 eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer negativen Elektrode des in 1 gezeigten Magnetsensors ist.
5 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform eines Magnetsensors gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
6 eine Schnittansicht des Magnetsensors längs der Linie B-B in 5 ist.
7 den Betriebsbereich und das Anwendungsfeld herkömmlicher Magnetsensoren zeigt.
1 ist eine Draufsicht auf einen Magnetsensor als einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das zu erfassende Magnetfeld senkrecht zur Papierfläche angelegt wird. Eine rechteckige Ausnehmung 7 ist in einer Oberflächenschicht einer Quarzplatte 5 ausgebildet, und eine negative Elektrode 1 und eine positive Elektrode 2 sind auf der Oberfläche der Quarzplatte 5 so angeordnet, daß ihre Enden von zwei gegenüberliegenden Seiten des Rechtecks über die Ausnehmung 7 vorstehen. Hall-Elektroden 4 sind auf der Oberfläche der Quarzplatte 5 an den verbleibenden zwei Seiten des Rechtecks angeordnet. Außerdem ist eine Gateelektrode 3 am Boden der Ausnehmung 7 so angeordnet, daß sie der negativen Elektrode 1 zugewandt ist. Die Breite der negativen Elektrode 1 und der positiven Elektrode 2 beträgt 1100 μm und der Abstand zwischen ihnen beträgt 100 μm. Die Bezugszahl 8 bezeichnet eine Kappe für den Vakuumeinschluß. Damit verhindert wird, daß das zu messende Magnetfeld gestört wird, besteht die Kappe 8 aus Glas oder einem anderen nichtmagnetischen Material.
2 ist eine Schnittansicht längs der Linie A-A in 1, wobei das zu erfassende Magnetfeld in der Abwärtsrichtung der Figur angelegt wird. Es ist erkennbar, daß die Ausnehmung 7 in der Oberflächenschicht der Quarzplatte 5 mit einer Tiefe von 1 μm ausgebildet ist und der Endabschnitt der negativen Elektrode 1 und der Endabschnitt der positiven Elektrode 2 wie Dachüberhänge über die Ausnehmung 7 vorstehen. Das vorstehende Ende der negativen Elektrode enthält wenigstens eine Elektronenemissionsspitze mit einem kleinen Krümmungsradius. Bei der gezeigten Ausführungsform besitzt der Endabschnitt der negativen Elektrode 1 Spitzen in Form von Kammzähnen. Die Gateelektrode 3 ist am Boden der Ausnehmung 7 in der Nähe des Endabschnitts der negativen Elektrode 1 ausgebildet, damit ein elektrisches Feld angelegt wird, das dazu führt, daß die negative Elektrode 1 Elektronen emittiert. Der von der Ausnehmung 7 und der Kappe 8 gebildete Raum ist abgedichtet und wird über eine nicht gezeigte Öffnung evakuiert.
3 ist eine Schnittansicht längs der Linie B-B senkrecht zur Linie A-A in 1. Wie aus 1 ersichtlich, tauchen in diesem Schnitt, der zu dem in 2 gezeigten senkrecht ist, die Hall-Elektroden 4 zur Erfassung der Hall-Spannung auf.
4 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Aufbaus des einen Endabschnitts der negativen Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Endabschnitt der negativen Elektrode 1 ist in der Form eines Kamms mit 270 Spitzen 9 ausgebildet. Eine Spitze 9 hat eine Breite von 2 μm und eine Länge von 6 μm. Die Spitzen 9 sind in einem Rastermaß von 4 μm angeordnet. Das elektrische Feld infolge der zwischen der Gateelektrode 3 und der negativen Elektrode 1 angelegten Spannung bewirkt, daß Elektronen von dem Ende jeder Kante bzw. Spitze 9 in das Vakuum emittiert werden. Die negative Elektrode 1 und die Gateelektrode 3 bestehen aus 0,2 μm dicken Dünnfilmen aus Wolfram bzw. Niob.
5 ist eine Draufsicht auf einen Magnetsensor als ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei das zu erfassende Magnetfeld senkrecht zur Papierfläche angelegt wird. Als isolierendes Substrat wird hier anstelle der Quarzplatte ein Siliziumsubstrat mit einem darauf ausgebildeten Oxidfilm verwendet. Eine rechteckige Ausnehmung 7 mit einer Tiefe von 1 μm ist ähnlich wie bei der Ausführungsform von 1 in einem 2 μm dicken Oxidfilm 10 auf einem Siliziumsubstrat 6 ausgebildet, und eine negative Elektrode 1 und eine positive Elektrode 2 sind auf der Oberfläche des Oxidfilms 10 so ausgebildet, daß ihre Enden von zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Rechtecks Ober die Ausnehmung 7 überstehen. An den übrigen beiden Seiten des Rechtecks sind Hall-Elektroden 4 so vorgesehen, daß sie von der Oberfläche des Oxidfilms 10 längs der Innenwand der Ausnehmung 7 verlängert sind. Ähnlich wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist eine Gateelektrode 3 am Boden der Ausnehmung 7 so vorgesehen, daß sie der negativen Elektrode 1 zugewandt ist. Diese Ausführungsform verwendet keine Quarzplatte, die teuer ist, insbesondere wenn sie einen großen Durchmesser aufweist. Statt dessen wird ein Siliziumsubstrat eingesetzt, das problemlos verwendet werden kann, da es einfacher als eine Quarzplatte durch Anwendung der Techniken für die Halbleiterverarbeitung bearbeitet werden kann.
6 ist eine Schnittansicht längs der Linie B-B in 5, die deutlich die Hall-Elektroden 4 zur Erfassung der Hall-Spannung zeigt, welche sich von der Oberfläche des Oxidfilms 10 längs der Innenwand der Ausnehmung 7 erstrecken. Die Fläche der Elektroden wird dadurch vergrößert, um die Elektroneneinfangrate zu verbessern und eine höhere Meßgenauigkeit zu erzielen.
Der Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung hat einen Aufbau ähnlich demjenigen der sogenannten Feldemissions-Mikrovakuumröhren, die kürzlich Aufmerksamkeit erregt haben. Es ist daher möglich, den Sensor mit einem ähnlichen Verfahren herzustellen, wie es für die Herstellung von Mikrovakuumröhren eingesetzt wird und beispielsweise von Kanamaru et al. beschrieben wird auf Seite 62 von "Semiconductor World", März 1992.
Die Erfassung von Magnetismus mit den Magnetsensoren der Figuren wird auf folgende Weise durchgeführt. Eine Spannung von etwa 50 Volt wird zwischen der negativen Elektrode 1 und der Gateelektrode 3 angelegt, damit die negative Elektrode 1 Elektronen emittiert. Wenn die emittierten Elektronen sich aufgrund eines elektrischen Feldes infolge der an die positive Elektrode 2 angelegten Spannung zur positiven Elektrode 2 bewegen, werden sie von einer Kraft abgelenkt, die auf einem vorhandenen Magnetfeld beruht. Somit wird eine Hall-Spannung zwischen den beiden Hall-Elektroden 4 erzeugt.
Die Tabelle 1 zeigt die Eigenschaften eines Magnetsensors mit dem oben beschriebenen Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu jenen eines herkömmlichen Magnetsensors mit einem Silizium-Hall-Element.
Tabelle 1
Wie in der Tabelle gezeigt, wird die Produktempfindlichkeit als eine Empfindlichkeit für die magnetische Messung um den Faktor 10 oder mehr verbessert, was zu einer Ausdehnung des Meßbereichs führt. Was die anderen Punkte angeht, so ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Magnetsensor besser als der herkömmlicher Silizium-Hall-Elemente ist, weil er einen um den Faktor 5 verbesserten Linearitätsfehler aufweist und die anderen Eigenschaften um den Faktor 10 oder mehr verbessert sind, mit Ausnahme der Abmessungen des Meßfühlerabschnitts, die annähernd gleich sind.
Der Silizium-Hall-Element-Magnetsensor kann nicht bei Temperaturen oberhalb von 100°C verwendet werden, weil die durch Eigenleitung bedingte Ladungsträgerdichte rasch zunimmt. Auf der anderen Seite kann der Magnetsensor gemäß der vorliegenden Erfindung bei Temperaturen bis hin zu 400°C eingesetzt werden und ist weniger strahlungsempfindlich.
Was die Geometrie angeht, kann er gleich groß oder kleiner als herkömmliche Magnetsensoren mit einem Halbleiter-Hall-Element ausgebildet werden.
Das Isoliersubstrat ist nicht auf eine Quarzplatte und das Siliziumsubstrat mit einem darauf ausgebildeten Oxidfilm gemäß obiger Beschreibung beschränkt, sondern kann vielmehr modifiziert werden, um beispielsweise aus Keramik wie Siliziumnitrid oder einem Siliziumnitridfilm auf einem Polyimid- oder Siliziumsubstrat zu bestehen.
Die Spitze der negativen Elektrode kann andere Formen als die beschriebene kammartige Form aufweisen, etwa keilförmig, so lange die Form die Erhöhung der elektrischen Feldintensität erlaubt.
Außerdem kann, obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen nur der Meßfühlerabschnitt auf dem isolierten Substrat durch die Kappe vakuumdicht verschlossen wird, ersichtlich das gesamte isolierte Substrat, das heißt der gesamte Chip in einem Vakuumbehälter eingeschlossen werden.
Wie anhand der Ausführungsformen beschrieben, schafft die vorliegende Erfindung einen Magnetsensor, der eine höhere Empfindlichkeit und einen größeren Meßbereich aufweist als herkömmliche Magnetsensoren mit einem Hall-Element. Außerdem führt der Elektronenfluß in einem Vakuum gemäß der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zu demjenigen in einem Festkörper zu dem Vorteil, daß keine Beeinträchtigung durch Strahlung oder erhöhte Temperaturen besteht, was es dem Sensor ermöglicht, unter erweiterten Anwendungsbedingungen eingesetzt zu werden.

Claims

Magnetsensor, umfassend: ein isoliertes Substrat (5; 6, 10) mit einer rechteckigen Ausnehmung (7), die in einer Oberflächenschicht (10) desselben ausgebildet ist, eine die Ausnehmung (7) umgebende Isolierschicht (5; 10), eine positive Elektrode (2), die auf einer Oberseite der Isolierschicht so ausgebildet ist, daß ihr Ende über die Ausnehmung von einer ersten Seite des Rechtecks aus vorsteht, eine negative Elektrode (1 ), die auf der Oberseite der Isolierschicht so ausgebildet ist, daß ihr Ende ausgehend von einer zweiten Seite des Rechtecks, der ersten Seite gegenüberliegend, über die Ausnehmung vorsteht, wobei das vorstehende Ende der negativen Elektrode wenigstens eine Elektronenemissionsspitze (9) aufweist; zwei Hall-Elektroden (4) die auf der Isolierschicht an einer dritten und einer gegenüberliegenden vierten Seite des Rechtecks vorgesehen sind, wobei die dritte und die vierte Seite andere Seiten als die erste und die zweite Seite sind, und eine Gateelektrode (3), die an dem Boden der Ausnehmung so ausgebildet ist, daß sie der negativen Elektrode zugewandt ist, wobei die negative Elektrode und die positive Elektrode, die Hall-Elektroden und die Gateelektrode sich in einem Vakuum befinden.
Sensor nach Anspruch 1, bei dem die Hall-Elektroden (4) so vorgesehen sind, daß sie sich von der Oberseite der Isolierschicht (10) längs der Oberfläche der Innenwand der Ausnehmung (7) erstrecken.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das isolierte Substrat (6, 10) durch Bilden einer Isolierschicht (10) auf einem Halbleitersubstrat (6) gebildet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, feiner umfassend eine Kappe (8) aus einem nichtmagnetischen Material.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das vorstehende Ende der negativen Elektrode (1) in Form von Kammzähnen ausgebildet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vorstehende Ende der negativen Elektrode (1) in Form eines Keiles ausgebildet ist.