title: Volumetrische Hall-Elemente mit integrierter Spule
title: Volumetric Hall elements with integrated coil
Creators: name: Hohnloser, Daniel
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Hall-Element
subject: Sensor
subject: integrierte Spule
subject: Finite-Elemente-Simulation
subject: Halbleiter
subject: Rückseitentechnologie
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::62 Ingenieurwissenschaften::621 Angewandte Physik

description: Hall-Sensoren sind ein wichtiger Baustein in der Automatisierungstechnik, da mit ihrer Hilfe beispielsweise der Drehwinkel einer Achse ermittelt werden kann. Die Sensoren weisen mittlerweile eine so hohe Empfindlichkeit auf, dass elektrische Ströme über das Magnetfeld gemessen werden können. Dies stellt insbesondere bei Anwendungen mit hohen Strömen, wie in der Elektromobilität, einen Vorteil dar, da der Strommesswiderstand entfällt und gleichzeitig auch die damit verbundenen parasitären Effekte. Die Hall-Sensoren, welche regulär als Bauelement mit integriertem Schaltkreis erhältlich sind, enthalten Hall-Elemente, die eine durch die Lorentz-Kraft erzeugte Hall-Spannung ausgeben. Diese Hall-Elemente sind der Grundbaustein der Sensoren und damit essentiell für deren Leistungsfähigkeit. In aktuell vorherrschenden Chips wird die Geometrie von Hall-Elementen über pn-Übergänge definiert. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, eine Rückseitentechnologie auf Hall-Elemente anzuwenden und auf diese Weise die Geometrie mit Oxidgräben statt mit pn-Übergängen zu definieren. Diese Rückseitentechnologie wird auf horizontale sowie auf vertikale Hall-Elemente angewendet. Alle Hall-Elemente wurden jeweils einzeln und als gekoppeltes Bauelement mit vier Hall-Elementen vermessen. Bei den horizontalen Hall-Elementen wurden drei unterschiedliche Geometrien analysiert: eine kreuzförmige, eine quadratische mit den Kontakten in den Ecken und eine quadratische mit den Kontakten an den Kanten. Mit einer strombezogenen Empfindlichkeit der Einzelelemente von jeweils 409 V/A/T, 300 V/𝐴/𝑇 und 279 V/𝐴/𝑇 erreichen diese Bauelemente ähnliche Werte wie gängige, vergleichbare Elemente aus der Literaturrecherche zeigten. Die Besonderheit der vertikalen Hall-Elemente dieser Arbeit besteht darin, dass sie über Kontakte auf der Rückseite des Chips verfügen. In der Regel besitzen vergleichbare vertikale Hall-Elemente der Literatur lediglich Kontakte auf der Vorderseite. Durch diese neue Geometrie ergeben sich Vorteile in der Leistungsfähigkeit. Mit einer strombezogenen Empfindlichkeit von 199 V/A/T und einer spannungsbezogenen Empfindlichkeit von 55.3 𝑚𝑉/V/T liefern diese Bauelemente mit Werten aus der Literatur vergleichbare Resultate. Für die Bauelemente wurde ein Simulationsmodell basierend auf der Finite-Elemente-Methode erstellt. Mit diesem Modell konnte gezeigt werden, dass Störstellen an den Randflächen eine zentrale Rolle hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Hall-Elemente spielen. Können diese Störstellen minimiert werden, so lässt sich die Leistungsfähigkeit der Hall-Elemente weiter steigern. Sowohl für die horizontalen als auch für die vertikalen Hall-Elemente wurde eine integrierte Spule entwickelt. Diese zeigten jeweils eine Effektivität von 67.7 𝑚𝑇/A und 96.0 𝑚𝑇/A. Die Spulen stellen je ein Magnetfeld für alle vier gekoppelten Hall-Elemente bereit. Die Messergebnisse der Spulen konnten durch ein hierfür erstelltes Simulationsmodell bestätigt und nachgebildet werden.
description: Hall sensors are an important component in automation technology. These sensors can be used to determine the angle of rotation of a shaft, for example. The sensors are now so sensitive that electrical currents can be measured via the magnetic field. This is a particular advantage in applications with high currents, such as in electromobility, as the shunt resistor is eliminated and therewith the parasitic effects that it entails. Hall sensors, which are normally available as components with an integrated circuit, contain Hall elements that output a Hall voltage generated by the Lorentz force. These Hall elements are the basic devices of the sensors and are therefore essential for their performance. In currently prevailing chips, the geometry of Hall elements is defined via pn junctions. The aim of this work is to apply a backside technology to Hall elements and to define the geometry with oxide trenches instead of pn junctions. The backside technology is applied to both horizontal and vertical Hall elements. All Hall elements were measured individually and as a matched device with four Hall elements. Three different geometries were analyzed for the horizontal Hall elements: a cross-shaped one, a square one with contacts in the corners and a square one with contacts at the edges. With a current-related sensitivity of the individual elements of 409 V/𝐴/𝑇, 300 V/𝐴/𝑇 and 279 V/𝐴/𝑇, respectively, these devices can keep up with values from the literature. The special feature of the vertical Hall elements in this work is that they have contacts on the backside of the chip. Normally, comparable vertical Hall elements in the literature only have contacts on the front side. The new geometry results in performance advantages. With a current-related sensitivity of 199 V/𝐴/𝑇 and a voltage-related sensitivity of 55.3 𝑚𝑉/V/T, these devices deliver results comparable to those in the literature. A simulation model based on the finite element method was created for the devices. With this model, it could be shown that imperfections at the boundary surfaces play a central role with regard to the performance of the Hall elements. If these impurities can be minimized, the performance of the Hall elements can be further increased. An integrated coil was developed for both the horizontal and vertical Hall elements. These showed an effectiveness of 67.7 𝑚𝑇/A and 96.0 𝑚𝑇/A, respectively. The coils each provide a magnetic field for all four matched Hall elements. The measurement results of the coils could be confirmed by a simulation model created for this purpose.