Das Ziel der vorliegenden Arbeit war eine Optimierung von Silizinm-Hall-Sensoren hinsichtlich Offsetreduktion und Sensitivität für einen schwerpunktmäßigen Einsatz im Bereich der Automobiltechnik. Die angestrebten Anwendungen, wie z.B. die berührungslose Messung mechanischer Größen, verlangen ein temperaturstabiles, offsetreduziertes Ausgangssignal des Sensorsystems in dem weiten Temperaturbereich von -40 bis 150 Grad C. Dabei sollte der Restoffset 100 mikroT nicht überschreiten. Als weitere Randbedingung wurde vorausgesetzt, daß die Sensoren zusammen mit integrierter Auswerteelektronik in halbleitertechnologischen Standardprozessen gefertigt werden können. Aufgrund der höheren Mobilität wurden ausschließlich n-leitende Schichten für die Hall-Sensoren benutzt, wobei sich die relativ niedrigdotierten n-Well und n-Epi-Schichten als besonders geeignet erwiesen. Eine Vielzahl von Sensorstrukturen wurde eigenhändig entworfen und mit kommerziellen CMOS oder Mischprozessen in (100)-Silizium realisiert. Die Sensoren wurden typischerweise in Plastikverpackungen eingekapselt, um realistische Bedingungen zu garantieren. In Ergänzung der experimentellen Untersuchungen wurde eine Modellierung der Hall-Sensoren mit Ersatzschaltbildern aufgebaut, welche kompatibel zu Netzwerksimulatoren ist. Dabei wurden der Hall-Effekt, diverse Störeffekte und die Temperaturabhängigkeit modelliert und in der Arbeit angewendet. Außerdem wurde die Sensitivität der Hall-Sensoren eingehend untersucht. Als bedeutsam stellte sich die Modulation der effektiven Schichtdicke durch die anliegende Spannung heraus, welche zu einer reversiblen Veränderung der Sensitivität und des Eingangswiderstandes um etwa 10% bei typischen Betriebsbedingungen führt. Bei temperaturabhängigen Messungen stellte sich heraus, daß der Temperaturgang der Sensitivität bei verpackten Proben nur relativ schlecht mit bekannten Modellen aus der Literatur verstanden werden kann. Daher wurden systematische Messungen des Temperaturgangs bei verpackten und bei freitragend aulgebauten Proben durchgeführt. Es wurde eine mit der dynamischen Offsetreduktion kompatible Methode zur Kompensation des Temperaturgangs der Sensitivität vorgestellt.
Offsetreduktion und Sensitivität bei Silizium-Hall-Sensoren
2001
150 Seiten, 58 Bilder, 15 Tabellen, 79 Quellen
Theses
German
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