Ebenfalls anhängige Patentanmeldungen
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Diese Patentanmeldung ist auf die folgenden
gleichzeitig eingereichten europäischen Patentanmeldungen Nr.
89 307 123.3 (EP-A-0 357 200); 89 307 122.5
(EP-A-0 375 108); und 89 307 120.9 (EP-A-0 375 107)
bezogen, welche auf den folgenden früher eingereichten
Patentanmeldungen der Vereinigten Staaten USSN 229 396,
USSN 289 634 bzw. USSN 289 646 basiert sind.
Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf einen Positionssensor
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, z.B. wie in der
EP-A-0 151 002 offenbart. Insbesondere bezieht er sich
auf ein verbessertes Magnetfeld erfassendes System mit
einem verbesserten Magnetoresistoranordnungssensor zum
Nachweis von Änderungen im magnetischen Fluß, der durch
ein magnetischer Fluß-empfindliches Element tritt.
Hintergrund der Erfindung
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Diese Erfindung ist eine weitere Verbesserung des
verbesserten Magnetfeld erfassenden Systems, das schon in
der oben genannten europäischen Patentanmeldung
89 307 123.3 (EP-A-0 357 200 A) beschrieben und
beansprucht wird.
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Der Bedarf, auf akkurate und einfache Weise die
Position, die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung zu
erfassen, ist wachsend, insbesondere im Automobil-Gebiet.
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Antiblockierbremssysteme, Traktionssteuersysteme,
elektrische Leistungslenkung, Vierradlenkung und
Drosselkontrolle sind Beispiele von Funktionen, die die
derartige Erfassung verwenden können. Derartige Anwendungen
erfordern nicht nur Akkuranz und Präzision, sondern
beziehen häufig harte Umgebungen ein. Die Kosten von
derartigen Systemen sind ebenfalls ein wichtiger Faktor.
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Für derartige Anwendungen ist es wünschenswert, einen
Positionssensor (die Geschwindigkeit und die
Beschleunigung können aus einem Positionssignal abgeleitet
werden) zu haben, der unempfindlich und zuverlässig, klein
und billig, fähig zur Erfassung niederer
(einschließlich Null-)Geschwindigkeit ist, und welcher relativ
immun gegen elektromagnetische Feldinterferenzen von
anderen Steuersystemen ist, die in einem Automobil
verwendet werden.
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Eine wohlbekannte Form eines Positionssensors ist ein
Halbleitermagnetoresistoranordnungssensor. Ein
derartiger Sensor umfaßt einen magnetischen Schaltkreis, der
zwei grundlegende Teile umfaßt. Einer dieser Teile, der
typischerweise stationär gehalten wird, umfaßt ein
halbleitendes erfassendes Element, das auf die magnetische
Flußdichte empfindlich ist, die durch seine Oberfläche
tritt, und umfaßt weiter einen Permanentmagneten, um
einen Bezugsfluß zu erzeugen. Der andere der zwei Teile,
der als der Erreger bezeichnet wird, umfaßt ein Element
hoher magnetischer Permeabilität mit einer Reihe von
Zähnen, das sich mit Bezug auf das stationäre Element
bewegt, um den magnetischen Widerstand des magnetischen
Kreises zu ändern und um den magnetischen Fluß durch
das erfassende Element dazu zu veranlassen, in einer
Weise zu variieren, die der Position der Zähne
entspricht.
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Ein derartiger Sensor ist auf die magnetische
Flußdichte statt die Rate der Flußdichtenänderung
empfindlich und hat so keinen Grenzwert niedrigerer
Geschwindigkeit. Dies macht ihn auch weniger empfindlich auf
E.M.I.. Darüber hinaus ist sein Ansprechen vorhersagbar
auf die Verteilung der Flußdichte über die Oberfläche
des erfassenden Elementes bezogen.
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Typischerweise beinhaltet der stationäre Teil ein
Magnetoresistoranordnungselement, das ein halbleitendes
Element einschließt, dessen Widerstandswert mit der
magnetischen Flußdichte variiert, der durch es in einer
steuerbaren Weise tritt, so daß ein elektrisches
Ausgangssignal hergeleitet werden kann. Darüber hinaus
kann, wenn diese Magnetoresistoranordnung aus einem
Halbleiter hoher Elektronenmobilität erzeugt wird, wie
Verbindungshalbleitern, Indiumantimonid oder
Indiumarsenid, ein großes elektrisches Ausgangssignal erhältlich
sein. Wenn das Ausgangssignal hinreichend groß ist,
gibt es die Möglichkeit, ein Ausgangssignal vorzusehen,
das wenig oder keine weitere Verstärkung erfordert, ein
Faktor von beträchtlichem Vorteil.
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Es ist wünschenswert, einen Positionssensor von hoher
Empfindlichkeit zu haben, so daß ein großes
elektrisches Ausgangssignal auf effiziente Weise erzeugt
werden kann, und welcher von einfacher Herstellung ist, so
daß er zuverlässig und bei niedrigen Kosten hergestellt
werden kann.
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Die Größe der Flußvariationen in dem erfassenden
Element für eine gegebene Änderung in der Position des
Erregers ist ein wichtiger Faktor in der Bestimmung der
Empfindlichkeit des Sensors. Demgemäß ist eine Vielfalt
von Entwürfen bislang unternommen worden, um die
Änderung in der Flußdichte durch den Sensor in Abhängigkeit
von einer gegebenen Änderung der Erregerposition zu
maximieren.
Typischerweise bezogen diese Versuche den
Einschluß einer Flußführung für den Permanentmagneten ein,
der in dem stationären Teil des magnetischen Kreises
beinhaltet ist, um einen Rückkehrpfad für das Magnetfeld
des Magneten vorzusehen. Zusätzlich ist manchmal ein
Feldkonzentrator von angemessener Größe die
Magnetoresistoranordnung berührend vorgesehen worden,
um den Fluß durch die Magnetoresistoranordnung zu
konzentrieren.
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Jedoch haben zum Beispiel derartige Techniken
typischerweise magnetische Schaltkreisempfindlichkeiten nicht
höher als 5 % für einen typischen Erregerentwurf mit
einem drei Millimeter Zahnabstand und einem Millimeter
Lücke erzeugt, wobei die Empfindlichkeit als die
Differenz der maximalen und minimalen erfaßten Flußdichten
geteilt durch die mittlere erfaßte Flußdichte (die
Hälfte der Summe der maximalen und minimalen erfaßten
Flußdichten) definiert ist.
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Zwei europäische Begleitpatentanmeldungen werden
gleichzeitig eingereicht, basierend auf der USSN 289 634 und
der USSN 289 646, welche vollständiger oben
identifiziert sind. Diese zwei Begleitpatentanmeldungen
beschreiben die Herstellung und Eigenschaften eines neuen
Typus von Magnetoresistoranordnungs-Element aus dünnem
Film. Die Patentanmeldung, die auf der USSN 289 634
beruht, führt den Prozeß des Wachsenlassens eines dünnen
Films von Indiumarsenid (InAs) eines Halbleiters mit
enger Lücke, auf einem halbisolierendem
Indiumphosphidsubstrat (InP) aus, und zeigt, daß dieses
Bauelement eine ziemlich große Empfindlichkeit des
elektrischen Widerstandswertes auf Magnetfelder hat. Die
Patentanmeldung, die auf der USSN 289 646 beruht,
streicht verschiedene Verfahren zur Verstärkung der
Empfindlichkeit des Bauelementes auf der Basis der
Existenz einer dünnen Oberflächenschicht (bekannt als eine
Akkumulations- oder Inversionsschicht) von Elektronen
hoher Dichte und Mobilität heraus. Derartige
Elektronenanreicherungs- oder starke Inversionsschichten
können in einer Vielfalt von dünnen Halbleitermaterialien
aus dünnem Film induziert werden. Während die darin
beschriebenen Bauelemente in einer breiten Vielfalt von
Magnetfelderfassungsanwendungen ohne signifikante
weitere Entwicklung verwendet werden könnten, erfordert
die Anwendung dieser Magnetoresistoranordnungen als
Positionssensoren in strengen Betriebsbedingungen, (wie
jene, welche in einem Automobil existieren) das
Schnittstellenverbinden der Magnetoresistoranordnung
mit einem geeigneten erfassenden System.
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Die Erfinder haben erkannt, daß der Typus des
magnetischen Kreises, der in der europäischen Patentanmeldung
offenbart ist, die der USSN 229 396 entspricht, so
wirksam im Konzentrieren des Magnetfeldes ist, daß weniger
empfindliche Magnetoresistoranordnungen noch gut genug
funktionieren, um bei einigen Anwendungen nützlich zu
sein. Zusätzlich haben die Erfinder erkannt, daß einige
der weniger empfindlichen
Magnetoresistoranordnungsmaterialien bei höheren Temperaturen magnetisch
empfindlich sind. Die Erfinder haben auch erkannt, daß die
verbesserten Magnetoresistoranordnungskonzepte der
Patentanmeldungen, die auf der USSN 289 634 und der USSN
289 646 beruhen, eine Verstärkung magnetisch weniger
empfindlicher Materialien vorsehen. Die Erfinder haben
so erkannt, daß die Kombination all dieser Konzepte
besonders durchschlagenden Nutzen schaffen könnte. Diese
Patentanmeldung beschreibt und beansprucht insbesondere
diese Kombination.
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Es gibt mehrere Gründe, warum die verbesserten
Magnetoresistoranordnungen, die in den
Patentanmeldungen, die auf der USSN 289 634 und der USSN
289 646 beruhen, insbesondere wünschenswert für die
Verwendung
in einem derartigen Erfassungssystem waren.
Diese Gründe werden nicht in der Reihenfolge der Bedeutung
erwähnt. Zuerst macht die extreme Kompaktheit dieser
Sensoren ihre Verwendung ideal an irgendeiner
erfassenden Stelle, unabhängig von den Raumbeschränkungen.
Zweitens bietet ihre verbesserte Empfindlichkeit auf
Magnetfelder dem Designer ein großes Maß an Freiheit in der
Anordnung des Sensors mit Bezug auf das Erregerrad.
Dies bedeutet, daß der Luftspalt zwischen dem Erreger
und dem Sensor größer als für ein weniger empfindliches
Bauelement ohne irgendeine Beeinträchtigung in der
Größe des elektrischen Signals sein kann. Dies könnte sich
in Anwendungen wichtig zu sein erweisen, wo die
Vibration und thermische Ausdehnungsprobleme den Grad der Nähe
des Sensors zu dem Erregerrad begrenzen. Auch die
hervorragende Temperaturstabilität der Empfindlichkeit der
verbesserten Magnetoresistoranordnungen wird ihre
Anwendung in Umgebungen extremer Temperatur erlauben, wie in
Automobilantiblockierbremssystemen, in welchen die
Temperaturen von -50ºC bis +200ºC reichen können. Andere
Anwendungen können den Betrieb bei Temperaturen so hoch
wie +300ºC erfordern. Die Erfinder glauben, daß die
Verstärkung der Systemempfindlichkeit, die durch die
magnetischen Kreiskonzepte gewährleistet ist, die in der
europäischen Patentanmeldung offenbart sind, die der USSN
229 396 entspricht, und die Verstärkung der
Magnetoresistoranordnungsempfindlichkeit, die durch die
Konzepte gewährleistet wird, die in den
Patentanmeldungen offenbart sind, die auf der USSN 289 634 und
der USSN 289 646 in Kombination beruhen, macht eine
breitere Gruppe von Halbleitermaterialien nun für die
Verwendung in der Erfassung von Magnetfeldern
verfügbar. Materialien, die vorhergehend als unakzeptabel
betrachtet wurden, können nun verwendet werden, und
werden eine akzeptable Leistung bei viel höherer
Temperatur vorsehen. Dies dehnt den Bereich der Anwendungen
aus, wo eine derartige Erfassung praktisch ist und
schafft genauso andere Nutzen.
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Demgemäß betrachten die Erfinder, daß die Kombination,
die in dieser Patentanmeldung vorgeschlagen ist,
insbesondere für Automobilanwendungen als Teil von linearen
oder Rotationspositionsmeßsystemen attraktiv ist. Die
Empfindlichkeit auf Magnetfelder und die hohe
thermische Stabilität dieser Sensoren wären besonders
vorteilhaft.
Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Positionssensor gemäß der vorliegenden Erfindung
ist durch die Merkmale gekennzeichnet, die in Anspruch
1 spezifiziert sind. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind durch die Merkmale gekennzeichnet,
die in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 10 spezifiziert
sind.
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Der neuartige Typus von Magnetoresistoranordnung
verbessert den Kreis signifikant. Die Kombination ist einfach
und planar in der Anordnung, was sie für die
Stapelverarbeitung zugänglich macht mit einer konsequenten
Ersparnis in den Herstellungskosten. Darüber hinaus macht
es den Erhalt von Empfindlichkeiten und/oder der
Erfassung bei höheren Temperaturen möglich, und zwar
merklich höher als Aufbauten des Standes der Technik.
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Insbesondere verwendet der neuartige magnetische
Schaltkreis einen stationären Teil, der einen
Permanentmagneten umfaßt, dessen Breite mehrere Male breiter als jene
des magnetischen erfassenden Elementes und
vorteilhafterweise zumindest 1 1/2 mal des Abstandes der
Erregerzähne ist. Das erfassende Element ist eine
Magnetoresistoranordnung mit einer Anreicherungsschicht
auf ihrer Erfassungsbereichoberfläche. Darüber hinaus
ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel für die
weitere
Verbesserung der Empfindlichkeit die Oberfläche
des Magneten, benachbart an welcher die Zähne
vorbeikommen, mit einer dünnen Schicht eines magnetischen
Materials von hoher Permeabilität vorgesehen. Das magnetische
erfassende Element ist vorteilhafterweise auf dieser
magnetischen Schicht zentriert und ist wie in den
Patentanmeldungen beschrieben, die auf der USSN 289 634 oder
der USSN 289 646 beruhen. Zusätzlich ist die Breite des
magnetischen erfassenden Elementes wünschenswerterweise
eng für die maximale Empfindlichkeit, aber ist breit
genug, um einen geeigneten Widerstandswert für die gute
Impedanzübereinstimmung mit dem elektrischen
Schaltkreis zu haben, der verwendet wird, um die Änderung in
den Eigenschaften nachzuweisen, die aus dem
magnetischen Fluß resultieren, der erfaßt wird. Vorzugsweise
wird jede Flußführung oder jeder Feldkonzentrator
vermieden, indem ein Magnet von adäquater Stärke verwendet
wird.
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Es ist charakteristisch für diesem magnetischen Kreis,
daß die vorbeikommenden Zähne des Erregers im
wesentlichen nur die räumliche Verteilung der magnetischen
Flußdichte längs der Breite des Magnetes variieren, um
scharfe lokale Flußdichtenvariationen zu erzeugen, die
ohne weiteres durch das erfassende Element erfaßt
werden können, während die gesamte Flußdichte, die durch
die dünne ferromagnetische Schicht tritt, im
wesentlichen konstant bleibt. Im Gegensatz dazu variieren in
magnetischen Kreisen nach dem Stand der Technik die
vorbeikommenden Zähne des Erregers den magnetischen
Widerstand des Kreises und variieren infolgedessen den
gesamten magnetischen Fluß in dem Kreis.
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Die Erfindung wird besser aus der folgenden
detailliertne Beschreibung verstanden werden, die mit den
begleitenden Zeichnungen genommen ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1A ist eine schematische Ansicht einer
Magnetoresistoranordnung, die ihre
elektrischen Stromflußlinien zeigt, wenn
kein Magnetfeld daran angelegt ist.
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Fig. 1B ist eine schematische Ansicht einer
Magnetoresistoranordnung, die zeigt,
wie die elektrischen Stromflußlinien,
die in Fig. 1 gezeigt sind, in der
Ebene einer Hauptoberfläche der
Magnetoresistoranordnung in eine andere
Richtung gebracht werden, wenn ein
Magnetfeld senkrecht zu dieser Oberfläche
angelegt wird.
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Fig. 2 ist eine isometrische Ansicht, die eine
Magnetoresistoranordnung mit zwei
einstückigen erfassenden Flächen zeigt,
die elektrisch parallel sind.
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Fig. 3 ist eine dreidimensionale oder
Konturenauftragung, die die Änderung des
elektrischen Widerstandswertes in einer
Einzelelementhalbleitermagnetoresistoranordnung mit größerer Bandlücke mit
Änderungen der Temperatur und der
magnetischen Feldstärke zeigt.
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Fig. 4 ist eine zweidimensionale graphische
Auftragung des fraktionellen
Magnetowiderstandswertes über einen breiteren
Temperaturbereich als in Fig. 3
gezeigt.
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Fig. 5 ist eine zweidimensionale graphische
Auftragung, die die Änderung des
Widerstandswertes ohne angelegtes Magnetfeld
über einen breiteren Temperaturbereich
als in Fig. 3 gezeigt, zeigt.
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Fig. 6 ist eine Draufsicht, die einen
Halbleiterfilm in einem Muster zeigt, um
eine reihengeschaltete Vielzahl von
erfassenden Flächen vorzusehen, die in einer
einzelnen Magnetoresistoranordnung
integriert sind.
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Fig. 7A ist eine Draufsicht, die ein
Metallisierungsmuster für die Überlagerung auf
dem Fig. 6 Muster zeigt.
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Fig. 7B ist eine Draufsicht, die das Fig. 7A
Metallisierungsmuster dem Fig. 6
Halbleitermuster überlagert zeigt, um die
Vielzahl der Erfassungsflächen
abzugrenzen.
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Fig. 8 ist eine dreidimensionale oder
Konturauftragung, die die Änderung des
elektrischen Widerstandswertes einer
Magnetoresistoranordnung mit vielfach
erfassenden Bereichen, wie die in Fig.
7B gezeigte zeigt.
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Fig. 9 und 10 sind zweidimensionale
Elektronenenergie- gegen- Tiefe- Auftragungen, die
zeigen, wie Elektronen in einer
Anreicherungsschicht unter speziellen
Schichten auf einer Oberfläche der
erfassenden Fläche der Magnetoresistoranordnung
beschränkt werden könnten.
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Fig. 11A, 11B und 11C schematische Ansichten sind,
die eine Magnetoresistoranordnung mit
einer Gateanschlußelektrode über jeder
einer Vielzahl von erfassenden Flächen
zeigen, um eine Anreicherungsschicht in
jeder erfassenden Fläche zu induzieren.
In den Fig. 11B und 11C sind die
Gateanschlußelektroden intern elektrisch
vorgespannt und zwar durch zwei
verschiedene Techniken.
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Fig. 12 ist eine schematische Ansicht, die eine
Magnetoresistoranordnung zeigt, die
Anreicherungsschichten nicht nur in den
erfassenden Flächen hat, sondern auch
als Leiter, die einen elektrischen
Kontakt mit den Rändern der erfassenden
Flächen herstellen.
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Fig. 13 zeigt einen typischen magnetischen
Kreis eines Positionssensors
herkömmlicher Technik des Typus, der einen
Flußführungsrückkehrpfad verwendet;
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Fig. 14 zeigt einen magnetischen Kreis eines
Positionssensors in Übereinstimmung mit
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 15 zeigt in größerem Detail einen
stationären erfassenden Teil des magnetischen
Kreises, der in Fig. 14 gezeigt ist;
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Fig. 16A und 16B zeigen den magnetischen Kreis von
Fig. 14 für zwei verschiedene
Positionen seines Permanentmagneten relativ zu
dem Erreger; und
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Fig. 17 und 18 sind Auftragungen, die in der
Diskussion von Entwurfsbetrachtungen der
Erfindung nützlich sind.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Wie oben angedeutet, wird eine neue Annäherung zur
Herstellung von Magnetoresistoranordnungen in den
Patentanmeldungen, die auf der USSN 289 634 und der USSN
289 046 beruhen, beschrieben und beansprucht. Es wurde
gefunden, daß, wenn eine Anreicherungsschicht in der
Oberfläche eines extrem dünnen Filmes des halbleitenden
Materials induziert wird, die Eigenschaften der
Anreicherungsschicht, die für die magnetische
Empfindlichkeit relevant sind, über jene des Restes des Films
dominieren können.
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Derartige Anreicherungsschichten können
Halbleitermaterialien mit höherer Bandlücke bilden, die in
Magnetoresistoranordnungen nützlich sind. Derartige
Materialien können bei höheren Betriebstemperaturen als
Halbleitermaterial mit niedrigerer Bandlücke, wie
Indiumantimonid, verwendet werden. Jedoch kann es selbst die
Empfindlichkeit von Indiumantimonid genug verstärken,
um ihm zu ermöglichen, bei höheren Temperaturen
verwendet zu werden. In dieser Diskussion wird der Ausdruck
"Anreicherungsschicht" verwendet. In dieser
Patentanmeldung ist der Ausdruck "Anreicherungsschicht"
beabsichtigt, auch eine Inversionsschicht einzuschließen,
falls nicht anders bemerkt.
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Die Anreicherungsschicht ist insbesondere auf die
Benutzung in Magnetoresistoranordnungen gerichtet, die aus
halbleitenden Materialien mit höherer Bandlücke
hergestellt sind. Jedoch wird sie erwartet, in
Magnetoresistoranordnungen nützlich zu sein, die aus
noch anderen Halbleitermaterialien hergestellt sind.
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Ein typisches Magnetoresistoranordnungselement besteht
aus einer Platte des Halbleiters, typischerweise
viereckig im Umriß, durch welche ein Strom durchgeführt
wird. Eine derartige Magnetoresistoranordnung ist durch
S. Kataoka in "Recent development of Magnetoresistive
Devices and Applications", Circulars of
Electrotechnical Laboratory No. 182, Agency of Industrial Science
and Technology, Tokyo (Dezember 1974) beschrieben.
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In der Abwesenheit eines Magnetfeldes gehen die
Stromlinien von einer injizierenden Elektrode zur anderen in
parallelen Linien (siehe Fig. 1A). Dieser Fluß befindet
sich zwischen Elektroden längs der Oberseiten- und
Bodenränder des Rechtecks in Fig. 1A. Die Anordnung
(ein Rechteck in diesem Beispiel) ist so gewählt, daß
ein angelegtes Magnetfeld, senkrecht zu der Platte, die
Stromlinientrajektorie (siehe Fig. 1A) vergrößert. Das
Magnetfeld senkrecht zu der Ebene des Rechtecks
verlängert so die Stromflußlinien. Die größeren Längen führen
zu höherem elektrischem Widerstandswert, solange wie
die entsprechende Lateralspannungsdifferenz elektrisch,
wie gezeigt, durch die Oberseiten- und
Unterseitenrandelektroden, kurzgeschlossen ist.
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Die beste Anordnung, damit dieser Effekt auftritt, ist
eine, wo die strominjizierenden Elektroden längs der
längsten Seite des Rechtecks sind und das Verhältnis
dieser Abmessung ("Breite") zu der kürzesten Abmessung
("Länge") so groß wie möglich ist. Die Länge der kurzen
Kanten der rechteckigen erfassenden Fläche ist
vorzugsweise ungefähr 30 % bis 50 % der Länge der langen
Kanten der rechteckigen erfassenden Fläche. Eine derartige
optimale Bauelementanordnung führt so zu einem sehr
niedrigen Widerstandswert. Kataoka lehrt, daß die
Magnetfeld-Empfindlichkeit derartiger Bauelemente am
besten ist, wenn die Bauelemente aus Halbleitern mit so
großer Ladungsträgerbeweglichkeit wie möglich
hergestellt werden. Der Widerstand derartiger Bauelemente
ist weniger temperaturabhängig gemacht, wenn das
Halbleitermaterial eine große Donorkonzentration hat, was
eine größere Ladungsträgerdichte ergibt. Diese letzten
zwei Beschränkungen implizieren, daß Halbleiter mit
hoher elektrischer Leitfähigkeit am besten für praktische
Anwendungen geeignet sind.
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Kombiniert mit den geometrischen Beschränkungen, die
früher beschrieben wurden, kann man schließen, daß das
schließliche Magnetoresistoranordnungselement einen
niedrigen Widerstandswert haben wird. Dies hat einen
praktischen Nachteil. Unter einer konstanten Spannung
ist die durch das Bauelement dissipierte Leistung dem
Inversen des Widerstandswertes proportional. Um die
ohmsche Heizung zu begrenzen, (welche den
Betriebstemperaturbereich des Sensors begrenzen, falls nicht
den Sensor selbst zerstören würde) während eine große
Spannungsausgabe während der Sensorbefragung
aufrechterhalten wird, ist es wünschenswert, daß ein
Magnetoresistoranordnungselement einen Widerstandswert
um 1 kW hat. Die Erfinder betrachten dies
typischerweise einem Widerstandswert von ungefähr 300 W bis 3 kW
äquivalent zu sein. Eine Anzahl von Wegen ist
vorgeschlagen worden, um derartige Widerstandswerte zu
erreichen. Zum Beispiel kann man, wie Kataoka
herausgestrichen hat, eine Anzahl von elementaren
Bauelementen in Serie setzen. Das Herstellen einer Vielzahl von
erfassenden Flächen als einstückige Teile eines
einzelnen Elementes ist in Fig. 2 gezeigt. Während nur zwei
erfassende Flächen (d.h. Bauelemente) gezeigt sind,
könnte man ein Element mit zehnen oder hunderten von
einstückigen erfassenden Flächen (d.h. Bauelementen)
herstellen.
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Wenn der (Magnetfeld unabhängige) Metall-Halbleiter
Kontaktübergangswiderstandswert eines derartigen
elementaren Bauelementes ein erheblicher Bruchteil des
Halbleiterwiderstandswertes dieses elementaren Bauelementes
ist, wird er die Empfindlichkeit auf ein Magnetfeld
erniedrigen. So müssen Metalle deponiert werden, welche
einen sehr niedrigen Metall-Halbleiter-
Kontaktübergangswiderstandswert haben, um diese
Empfindlichkeitsherabsetzung zu vermeiden. In den meisten Fällen wäre
es bevorzugt, daß der Kontaktübergangswiderstandswert
zwischen der erfassenden Fläche und ihren Elektroden 10
bis 100 mal weniger als der Widerstandswert der
erfassenden Fläche zwischen diesen Elektroden sei. Eine
andere Option, welche das Problem des niedrigen
Magnetoresistoranordnungsbauelementwiderstandswertes
mindert, ist gewesen, aktive Schichten zu verwenden,
die so dünn wie möglich sind. Dies ist getan worden,
indem Wafer d.h.Kristallscheiben von Indiumantimonid
(InSb), welche aus Volumeneingüßen in Scheiben
geschnitten wurden, zu Dicken so klein wie 10 um ausgedünnt
wurden. Der Waferausdünnungsprozeß ist ein sehr
schwieriger Prozeß, da jeder verbleibende Schaden aus dem
Ausdünnungsprozeß die Elektronenmobilität erniedrigen
wird. Die Verringerung der Elektronenmobilität wird die
Empfindlichkeit auf ein Magnetfeld von Bauelementen
erniedrigen, die aus diesem Material hergestellt werden.
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Eine andere Annäherung ist gewesen, Filme von InSb auf
ein isolierendes Substrat zu deponieren. Auf der
anderen Seite ist in diesem letzteren Fall die
Elektronenmobilität des resultierenden Films zu einem Bruchteil von
der des Volumen-InSb reduziert. Diese Reduzierung tritt
wegen Defekten in dem Film auf. Mit typischen
Mobilitäten von 20.000 cm²V&supmin;¹s&supmin;¹ erzeugen diese Filme
Bauelemente mit in großem Maße verringerter
Empfindlichkeit auf ein Magnetfeld verglichen mit Bauelementen,
die aus Volumen-InSb hergestellt sind. Der übliche
Bauelementaufbau für die vorhergehenden
Magnetoresistoranordnungen, die aus einem Film
hergestellt werden, ist schematisch in Fig. 2 gezeigt.
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Die große Mehrheit der vorhergehenden Arbeit bis jetzt,
hat sich auf InSb fokussiert. Dies kann aus den Daten
in der folgenden Tabelle I verstanden werden.
TABELLE I
Potentielle Magnetoresistoranordnungs-Materialien
bei 300ºK
Halbleitendes Material
Maximale Elektronen-Mobilität (cm²V&supmin;¹s&supmin;¹)
Kristallgitterkonstante (A)
Energiebandlücke (eV)
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Da der Magnetoresistoranordnungseffekt proportional dem
Quadrat der Elektronenmobilität für kleine Magnetfelder
ist, ist InSb hochgradig bevorzugt. Jedoch führte die
Schwierigkeiten zusammengesetzte Halbleiter im
allgemeinen wachsen zu laßen, und die Tatsache, daß es kein
geeignetes gitterangepaßtes isolierendes Substrat gibt,
auf welchem es wachsen gelassen werden kann, die
Erfinder dazu, das Wachsenlassen von Bi-Filmen zu versuchen.
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Derartige Arbeit ist vorhergehend von Partin et al in
Physical Reviews B, 38, 3818-3824 (1988) und von
Heremans et al in Physical Reviews B, 38, 10280-10284
(1988) berichtet worden. Erfolg wurde im Wachsenlassen
von epitaxialen dünnen Bi-Filmen erhalten, mit
Mobilitäten so hoch wie 25.000 cm²V&supmin;¹s&supmin;¹ bei 300ºK und 27.000
cm²V&supmin;¹s&supmin;¹ für Bi1-xSbx bei 300ºK.
Magnetoresistoranordnungen, die aus diesen Filmen hergestellt wurden,
hatten sehr niedrige Empfindlichkeiten.
Modellierungsstudien, welche die Erfinder gerade abgeschlossen
haben, zeigen an, daß dies nach ihrem Wissen ein
unerkannter Effekt der Tatsache ist, daß die
Energiebandstruktur von Bi verschiedene entartete
Leitungsbandminima hat. Andere Hochmobilitätsmaterialien, die in
Tabelle I gezeigt sind, haben ein einzelnes, nicht
entartetes Leitungsbandminimum. Dünne InSb-Filme
(halbisolierende GaAs-Substrate) wurden dann wachsen
gelaßen, indem die metallorganisch-chemische
Dampfdeposition (MOCVD) Wachstumstechniken verwendet wurden.
Nach vielen Monaten der Bemühungen wurden Filme mit
elektronischen Mobilitäten von nur 5.000 cm²V&supmin;¹s&supmin;¹
erzeugt.
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Das Wachstum von Indiumarsenid (InAs) auf
halbisolierendem GaAs und auch auf halbisolierenden
InP-Substraten, wurden ausprobiert. Mit
"halbisolierend" sind Substrate von so hohem Widerstandswert
gemeint, daß sie als im wesentlichen isolierend
betrachtet werden können. Diese letzteren Substrate wurden
halbisolierend gemacht, indem sie mit Fe dotiert
wurden. Sie wurden zusätzlich zu GaAs ausprobiert, weil es
weniger Gitterfehlanpassung mit InAs gibt (siehe
Tabelle I). Nach einiger Zeit waren die Erfinder fähig,
InAs-Filme mit einer Raumtemperaturmobilität von 13.000
cm²V&supmin;¹s&supmin;¹ auf InP-Substraten zu erzeugen, und von
niedrigerer Mobilität auf GaAs-Substraten. Die besseren
InAs-Filme wurden durch den folgenden Prozeß gebildet.
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Ein MOCVD-Reaktor, der von Emcore Corporation, USA,
hergestellt wurde, wurde verwendet. InP-Substrate wurden
zu der Wachstumstemperatur in einer Atmosphäre von 5333
Pa (40 Torr) von hochreinem (Palladium-diffundiertem)
Wasserstoff erhitzt, zu welchem eine moderate Menge von
Arsin zugefügt wurde (80 SCCM oder
Standardkubikzentimeter pro Minute). Dies erzeugte ungefähr 0.02
Molbruchteil von Arsin. Das Arsin wurde verwendet, um die
thermische Zersetzung auf der InP-Oberfläche, die durch den
Verlust des flüchtigeren Phosphors verursacht wurde, zu
verzögern. Der Weg, in welcher Arsin die
Oberflächenrauheit während dieses Verfahrens reduziert, ist nicht gut
verstanden. Phosphin wäre bevorzugt gewesen, war aber
zu der Zeit in dem Reaktor nicht vertügbar. Nachdem
eine Temperatur von 600ºC erreicht wurde, wurde der
Arsinfluß zu 7 SCCM reduziert und Ethyldimethylindium
(EDMIn) wurde in die Wachstumskammer eingeführt, indem
Wasserstoff hoher Reinheit (100 SCCM) durch EDMIn
durchgeperlt wurde, welches bei 40ºC gehalten wurde. Höhere
oder niedrigere Arsinflüße während des Wachstums gaben
niedrigere Mobilitäten und schlechtere
Oberflächenmorphologien. Nach 2,5 Stunden der InAs-Wachstumszeit
wurde der EDMIn-Fluß zu der Wachstumskammer gestoppt und
die Proben wurden zu Raumtemperatur in einer
arsinreichen Atmosphäre abgekühlt (wie während des
Aufheizens).
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Die Dicke des resultierenden InAs-Films betrug 2,3 um.
Nach herkömmlichen Halleffektmessungen bei 300ºK betrug
die Elektronendichte 1,4 x 10¹&sup6; cm&supmin;³ und die
Elektronenmobilität betrug 13.000 cm²V&supmin;¹s&supmin;¹. Dies sind
effektivDurchschnittswerte, da die Elektronendichte und
-mobilität innerhalb eines Films variieren kann. Der Film
war nicht beabsichtigterweise dotiert. Selbst obwohl
dies eine sehr enttäuschende Mobilität ist, wurde eine
grobe Magnetoresistoranordnung hergestellt, da dies
sehr wenig Anstrengung erforderte. Eine viereckige
Probe wurde von dem Wachsengelaßenen abgespalten und
Indiummetall wurde von Hand längs zweier gegenüberliegender
Ränder der Probe handgelötet und Leitungen wurden mit
dem Indiummetall verbunden. Die Länge, welche die
vertikale Abmessung in Fig. 1A und 1B ist, betrug 2 mm und
die Breite, welche die horizontale Abmessung in Fig. 1A
und 1B ist, betrug 5 mm.
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Wie erwartet war der Widerstandswert des Bauelementes
niedrig (ungefähr 50 W), da die Erfinder nicht viele
Elemente in Reihe hatten. Jedoch war der
Magnetoresistoranordnungseffekt groß. Er ist in Fig. 3
gezeigt. Überdies war der Bauelementwiderstandswert und
der Magnetoresistoranordnungswiderstand
überraschenderweise mit der Temperatur in dem in Fig. 3 gezeigten
Bereich stabil, welcher -50ºC bis +100ºC ist. Ein zweites
ähnliches Bauelement wurde weniger gründlich bei
Temperaturen bis zu +230ºC getestet. Die Resultate dieses
letzteren Testens sind in den Fig. 4 und 5 gezeigt. In
Fig. 4 betrug das angelegte Magnetfeld 0,4 Tesla. Der
fraktionelle Magnetowiderstandswert ist als eine
Funktion der Temperatur zwischen B = 0,4 Tesla und B = 0
aufgetragen. Trotz der Tatsache, daß das verwendete
Indiummetall für die Kontakte einen Schmelzpunkt von
156ºC hat, funktionierte die Magnetoresistoranordnung
sehr überraschenderweise noch gut bei 230ºC, und zwar
mit der fraktionellen Erhöhung im Widerstandswert für
ein gegebenes Magnetfeld (0,4 Tesla), die um 1/2
verglichen mit dem Ansprechen nahe Raumtemperatur (wie in
Fig. 4 gezeigt) verringert war.
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Der Bauelementwiderstandswert im Magnetfeld Null, R(0),
verringerte sich über den gleichen Temperaturbereich um
einen Faktor von 5 (wie in Fig. 5 gezeigt). Die
Erfinder haben dies auch gefunden, überraschenderweise gut
zu sein, selbst wenn die relativ große Energielücke von
InAs in Betracht gezogen wird.
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Die erfindereigene detaillierte Analyse der
Transportdaten aus diesen Filmen legt nahe, daß dort Stromträger
mit zwei verschiedenen Mobilitäten vorliegen. In der
Retrospektive sieht es danach aus, daß die Resultate auf
eine Anreicherungsschicht von Elektronen bei der
Oberfläche der erfassenden Schicht bezogen sind. Die
Erfinder haben nun erkannt, daß Wieder in Appl. Phys.
Letters, 25, 206 (1974) berichtet hat, daß eine derartige
Anreicherungsschicht gerade innerhalb des InAs nahe des
Luft/InAs-Übergangs existiert. Es scheint den
Erfindern, daß es in dem Wieder-Bericht einige Fehler gibt.
Jedoch denken die Erfinder, daß die grundlegende
Schlußfolgerung, daß eine elektronische Anreicherungsschicht
existiert, korrekt ist. Diese Elektronen sind räumlich
von der positiven Ladung bei dem Luft/InAs-Übergang
getrennt. So werden sie relativ wenig durch diese Ladung
gestreut, was eine höhere Mobilität zur Folge hat, als
normalerweise der Fall wäre. Sie existieren auch in
einer sehr hohen Dichte in einer derartigen
Anreicherungsschicht, so daß, wenn sich die Temperatur erhöht, die
Dichte der thermisch erzeugten Träger ein relativ
kleiner Bruchteil der Dichte in der Anreicherungsschicht
ist. Dies hilft, den Widerstandswert (beim Magnetfeld
Null) mit der Temperatur zu stabilisieren. So scheint
es, daß die relativ niedrige gemessene
Elektronenmobilität von 13.000 cm²V&supmin;¹s&supmin;¹ ein Durchschnitt für
Elektronen in der Anreicherungsschicht und für jene in dem
Rest der Dicke des Films ist.
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So würde man normalerweise wollen, eine relativ dicke
Schicht von InAs wachsen zu lassen, um eine gute
Magnetoresistoranordnung herzustellen, da die
Kristallqualität (und die Mobilität) sich im allgemeinen mit
der Dicke verbessern, wenn auf einem
gitter-fehlangepaßten Substrat wachsengelassen wird. Jedoch wird, je
dicker die Schicht wird, desto größer ihre
Leitfähigkeit und desto weniger offensichtlich wären die Nutzen
oder die Gegenwart einer Oberflächenanreicherungs
schicht. So legt das augenblickliche Verstehen der
Erfinder ihres Bauelementes nahe, daß relativ dünnere
Schichten bevorzugt sind, selbst wenn die
durchschnittliche Filmmobilität sich etwas verringert, da dies die
Leitfähigkeit der Oberflächenanreicherungsschicht zu
einem größeren Bruchteil der gesamten Filmleitfähigkeit
macht. Der monokristalline Indiumarsenid-Film in dem
Positionssensor der vorliegenden Erfindung ist ungefähr 1
bis 3 um dick und hat eine durchschnittliche
Elektronendichte der Größenordnung von 10¹&sup6; Elektronen pro
Kubikzentimeter und eine durchschnittliche
Elektronenmobilität von ungefähr 10.000 - 15.000 cm²V&supmin;¹s&supmin;¹. Die exakten
Beziehungen zwischen der Filmdicke, der
Kristallqualität und Eigenschaften der
Oberflächenanreicherungsschicht sind augenblicklich im Studium.
-
Multielementmagnetoresistoranordnungen wurden
nachfolgend aus diesem Material hergestellt, indem eine Au
(oder Sn) Metallisierung verwendet wurde. Zuerst wurden
herkömmliche Photolithographietechniken verwenden, um
ungewollte Bereiche eines Indiumarsenid (InAS) Films
von der Oberfläche des Indiumphosphid (InP) Substrates
wegzuätzen, um das Muster zu begrenzen, das in Fig. 6
gezeigt ist. Eine verdünnte Lösung (0,5 %) von Brom in
Methanol wurde verwendet, um das Indiumarsenid zu
ätzen. Dann wurde eine Deckschicht der Au-Metallisierung
100 nm (1000 Angström) dick deponiert, unter Verwendung
herkömmlicher Vakuumverdampfungstechniken, und zwar
über die gesamte Oberfläche der Probe, nach der
Entfernung des Photolacks. Herkömmliche Photolithographie
wurde dann verwendet, um ungewollte Bereiche des
Goldfilmes wegzuätzen, um das Goldmuster zu begrenzen, das
in Fig. 7A gezeigt ist. Eine verdünnte wässrige Lösung
von KCN wurde für diesen Schritt verwendet. (Die
Erfinder
denken, daß gelöster Sauerstoff hilfreich ist,
welcher in die Lösung aus der Umgebungsluft
hineindiffundieren oder in der Form eines sehr kleinen Zusatzes von
Wasserstoffperoxid geliefert werden kann.) Das
resultierende Komposit der zwei Muster, wobei das Goldmuster
über dem Indiumarsenidfilmmuster liegt, ist in Fig. 7B
gezeigt.
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Leitungen wurden dann durch Silberepoxydharz an die
großen Au-Endkontaktieranschlußflecken befestigt.
Leitungen könnten auch durch normale und akzeptierte
Filamentdrahtkontaktiertechniken angebracht werden. Falls
so, und insbesondere, wenn ein moderner
Drahtkontaktierapparat verwendet würde, könnten die
Kontaktierungsanschlußflecken ohne weiteres viel kleiner gemacht
werden. Auch könnten viele Bauelemente, wie die in den
Fig. 6, 7A und 7B gezeigten, simultan hergestellt
werden, indem herkömmliche integrierte
Schaltkreistechnologie verwendet wird. Die resultierenden
Bauelemente haben typischerweise einen Widerstandswert
nahe 1 KW (typischerweise + oder - 20%), bei
Raumtemperatur im Magnetfeld Null. Überraschenderweise war
der Magnetoresistoranordnungseffekt des
Multi-Erfassungsbereich-Bauelementes viel größer als der Effekt
auf einem Einzelerfassungsbereich-Bauelement. Für den
Vergleich dieser Effekte bei einem gegebenen Magnetfeld
siehe Fig. 8 und 3. In dem Multielementbauelement (d.h.
dem Bauelement pluraler erfassender Bereiche) hatten
die erfassenden Bereiche ein
Längen-zu-Breiten-Verhältnis von 2/5. Die Erfinder verstehen nicht, warum das
Multielementbauelement besser arbeitet, da das
Längen-zu-Breiten-Verhältnis von jedem Element 2/5
beträgt, das gleiche wie für das
Einzel-Element-Bauelement, das in Fig. 3 gekennzeichnet ist, welches
hergestellt wurde, indem ein Teil der gleichen wachsen
gelassenen Indiumarsenid-Schicht verwendet wurde. Eine
andere Multielementmagnetorsistoranordnung wurde
ähnlich
zu der einen, gerade beschriebenen, hergestellt,
aber mit einem Längen-zu-Breiten-Verhältnis von 4/5. Es
hatte einen nahezu so großen Magnetowiderstandswert wie
die eine, die gemäß den Mustern in Fig. 4 und 5
hergestellt wurde. Wieder verstehen die Erfinder dies noch
nicht, aber die resultierenden Bauelemente
funktionieren sehr gut. Selbst ein Bauelement mit einem
Längen-zu-Breiten-Verhältnis von 6/5 funktioniert gut.
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Die relative Stabilität dieser
Magnetoresistoranordnungen mit der Temperatur scheint
nun auch zunehmend wichtig zu sein, da einige
Automobilanwendungen den Betrieb von -50º bis so hoch wie +170ºC
bis +200ºC erfordern, und es gibt bekannte Anwendungen,
die noch höhere Temperaturen erfordern (bis 300ºC). Es
gibt Grund zu glauben, daß die vorliegende Erfindung
Magnetoresistoranordnungen schaffen wird, die bei der
Temperatur so hoch wie 300ºC und noch höher arbeiten.
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Ein potentielles Problem mit
InAs-Magnetoresistoranordnungen, die in Übereinstimmung
mit dieser Erfindung hergestellt sind, ist die
potentielle Wichtigkeit des Luft-/Indiumarsenid-Übergangs,
welcher die Bauelementcharakteristiken dazu veranlassen
könnte, auf Änderungen in der Zusammensetzung der
Umgebungsluft empfindlich zu sein oder die
Charakteristiken veranlassen könnte, sich langsam mit der Zeit
oder der thermischen Geschichte wegen der fortgesetzten
Oxidierung der Oberfläche zu verändern. Ein bevorzugter
Sensor gemäß dieser Erfindung ist einer, in welchem es
einen schützenden, aber gaspermeablen Überzug über
jeder erfassenden Fläche des Sensors gibt. Vorzugsweise
ist ein derartiger Überzug zur Umgebungsluft permeabel.
Das Überziehen der Oberflächen von zwei Bauelementen
mit einem speziellen Epoxydharz, das von Emerson and
Cuming, eines Bereichs der Grace Co. USA, hergestellt
wird, ist ausprobiert worden. Das verwendete Epoxydharz
war "Stycast", Nr. 1267. Die Teile A und B wurden
gemischt, auf die Bauelemente aufgebracht und bei 70º für
zwei Stunden ausgehärtet. Die Erfinder beobachteten
keine signifikanten Änderungen in den
Bauelementcharakteristiken bei Raumtemperatur als einer Folge
dieses Einkapselungsprozesses. Die Erfinder haben diese
Bauelemente noch nicht systematisch bei anderen
Temperaturen getestet, aber sie sind durch dieses vorläufige
Resultat ermutigt. Die Erfinder denken, daß andere
Formen von Einschlußmitteln erforscht werden müssen, wie
andere Epoxydharze und Dielektrika aus dünnem Film wie
SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4;.
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Um noch einen sehr niedrigen
Metall-Halbleiter-Kontaktwiderstandswert zwischen dem Indiumarsenid und dem
Kontakt zu haben und die Balkenmetallisierung abzukürzen,
kann es notwendig sein, die Verarbeitungssequenz, die
vorhergehend in Verbindung mit den Fig. 6, 7A und 7B
beschrieben worden ist, zu modifizieren. Zum Beispiel
könnte mit einem Inversen der in der vorhergehenden
Diskussion betrachteten Maske der Photolack auf der
Oberfläche dann als eine Maske für das Naßätzen (d.h. durch
nasse Chemikalien oder reaktive Ionen oder
Ionenstrahlen) des Dielektrikums oder der Halbleiterschicht
mit hoher Energielücke verwendet werden, um das InAs
frei zu legen. Au oder andere Metalle könnten dann
durch Vakuumverdampfung (oder durch andere herkömmliche
Prozesse wie Sputtern oder Galvanisierung) abgelagert
werden und dann könnte der Photolack entfernt werden,
was ein Abheben der unerwünschten Bereiche von Metall
zur Folge hätte. Tn alternativer Weise könnte nach dem
Durchätzen zu dem Indiumarsenid der Photolack entfernt
werden, Gold oder anderes Metall könnte gleichförmig
über die Oberfläche deponiert werden und dann könnte
nach der Deponierung des Photolacks das Maskenmuster in
Fig. 7A mit dem Muster ausgerichtet werden, das in das
Dielektrikum hinein geätzt wurde, und das Gold könnte,
wie vorher, mit einem Muster versehen werden.
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Als eine zusätzliche Alternative könnte, wenn eine
hinreichend dünne Schicht (z.B. 20 nm (200 Angström)) vom
Hochenergielückenhalbleiter vorliegt, die
Originalverarbeitungssequenz, die beschrieben wurde, durch die
Deposition einer eutektischen Legierung niedriger
Schmelztemperatur, wie Au-Ge, Au-Ge-Ni oder Ag-Sn anstelle von
Au modifiziert werden. Nachdem Versehen mit Muster in
ähnlicher Weise zu der Art, auf die Au mit einem Muster
versehen wurde (oder indem das Inverse der Maske in
Fig. 7A und das Abheben verwendet wird), wird die Probe
zu einer moderaten Temperatur, typischerweise auf
irgendwo im Bereich von 360ºC bis 500ºC für auf Au-Ge
beruhenden Legierungen geheizt, was dem flüssigen Metall
erlaubt, die dünne Schicht des
Hochenergielückenhalbleiters lokal aufzulösen, was effektiv das InAs
kontaktiert.
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In der jüngsten Arbeit werden die
InAs-Wachstumsverfahren etwas geändert. Die Prozeduren sind die
gleichen wie vorher, aber der InP-Wafer wird auf 460ºC in
einem größeren Arsinmolanteil (0,1) erhitzt. Nach
0,5 Minuten bei 460ºC, während welchen das natürlich
vorkommende Oxid auf dem InP zu desorbieren geglaubt
wird, wird die Temperatur zu 400ºC erniedrigt und 20 nm
(200 Angström) von Indiumarsenid in der Dicke wird
wachsen gelassen. Die Temperatur wird dann zu der
Wachstumstemperatur von 625ºC erhöht (mit dem Arsin-Molanteil
noch 0,1) und dann wird EDMIn eingeführt, während der
Arsinfluß abrupt zu 5 SCCM (ungefähr 0,001 Molanteile)
reduziert wird. Das EDMIn wird bei 50ºC gehalten und
der Wasserstoff mit hoher Reinheit wird durch es bei
einer Rate von 75 SCCM einperlend gehalten. Wieder
scheint der Arsinfluß von 5 SCCM optimumnah für diese
Wachstumsbedingungen zu sein. Die resultierenden Filme
haben etwas verstärkte Empfindlichkeit auf ein
Magnetfeld
relativ zu jenen, die früher wachsen gelassen
wurden.
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Während sich alles der jüngsten Arbeit auf
Magnetoresistoranordnungen konzentriert hat, die aus
InAs-Film auf halbisolierenden (d.h. im wesentlichen
elektrisch isolierenden) InP-Substraten hergestellt
wurden, denken die Erfinder, daß eine ausgereiftere
Wachstums fähigkeit Filmen von Indiumarsenid mit nahezu
vergleichbarer Qualität erlauben wird, auf
halbisolierenden GaAs-Substraten genauso wachsengelassen zu
werden. In jedem Fall können andere Wachstumstechniken,
wie die Molekularstrahlepitaxie, die
Flüssigphasentepitaxie oder die Chloridtransportdampfphasenepitaxie sich
auch als nützlich erweisen.
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Die oben erwähnten dünnen Indiumarsenid (InAs-)
Filmbauelemente, der Fabrikationsprozeß und die
Arbeitscharakteristiken sind in einer separaten europäischen
Patentanmeldung beschrieben und darin beansprucht, die auf
der USSN 289 634 beruht.
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Auf der anderen Seite denken die Erfinder, daß die
Gegenwart von dem, was eine auf natürliche Weise
auftretende Anreicherungsschicht in dem oben genannten
InAs-Magnetoresistoranordnungen aus dünnem Film sein
kann, ist, was sie so gut funktionieren macht, und was
die Produktion eines praktischen Bauelementes
ermöglicht hat. Die Erfinder glauben, daß dieses
fundamentale Konzept neu für Magnetoresistoranordnungen ist und
daß dieses Konzept in einer Vielfalt von Wegen
ausgedehnt werden kann, nicht nur auf Indiumarsenid, sondern
auf andere halbleitende Materialien genauso. In dieser
Patentanmeldung ist weiter eine Vielzahl von Techniken
beschrieben und beansprucht, durch welche eine
Anreicherungsschicht in der Halbleiterschicht induziert werden
kann, durch anderes als ein natürliches Auftreten oder
ein inhärentes Auftreten als eine Folge des
Herstellungsprozesses.
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Die folgende Diskussion beschreibt einige der anderen
Arten, eine elektronische Anreicherungs- oder
Inversionsschicht in dünnen InAs-Filmen und in anderen
Halbleitermaterialien in der Form dünner Filme zu
induzieren oder zu verstärken, um wirksame hohe Mobilitäten zu
erhalten. Es gibt drei grundlegende Vorteile für die
Verwendung von starken Elektronenanreicherungsschichten
in aktiven Magnetoresistoranordnungsbereichen. Es wird
hier wiederholt, daß der Ausdruck
"Elektronenanreicherungsschicht", wie in dieser Patentanmeldung verwendet,
auch beabsichtigt ist, Elektroneninversionsschichten
einzuschließen.
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Zuerst können Elektronenanreicherungsschichten oder
starke Elektroneninversionsschichten eine Dichte von
Elektronen signifikant größer als die intrinsische
Dichte bei irgendeiner gegebenen Temperatur enthalten. Dies
muß die Temperaturstabilität verbessern, da die
thermisch erregten Träger ein kleiner Bruchteil der
angereicherten oder stark invertierten sind.
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Zweitens verstärken Anreicherungsschichten die
Mobilität der Träger in dem Halbleiter. Dieser Effekt ist
experimentell in dünnem Indiumarsenid (InAs-)Filmen
beobachtet worden, insbesondere bei höheren Temperaturen.
Sie werden die Empfindlichkeit der
Magnetoresistoranordnungen verstärken. Eine mögliche
Ursache dieses Effektes kann sein, daß in derartigen
angereicherten oder stark invertierten Schichten große
Elektronendichten ohne die Gegenwart einer großen
Dichte von ionisierten Verunreinigungen in dem gleichen
räumlichen Bereich erreicht werden können, welches die
Trägermobilität begrenzen würde. Dieser Effekt ist
ähnlich der "Modulationsdotierung" von Schichten, die von
G. Burns in Solid State Physics, Seiten 726-747,
Academic Press (1985) beschrieben worden sind. Ein
derartiger Effekt wird in der Herstellung von
Hochelektronenmobilitätstransistoren (HEMTs) verwendet.
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Drittens sind Anreicherungs- oder starke
Inversionsschichten der Oberfläche oder dem Übergang eines
Halbleiters inhärent nahe. Dies macht es relativ einfach,
diese Anreicherungs- oder starken Inversionsschichten
durch die Verwendung von Strukuren aus dünnem Film, die
auf der Oberseite des Halbleiters deponiert werden, zu
induzieren, verstärken oder steuern, und zwar
möglicherweise in Kombination mit Spannungsvorspannungen.
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Anreicherungsschichten sind in Silizium MOSFET
Hall-Platten verwendet worden und durch H. P. Baltes et
al in Proc. IEEE, 74, Seiten 1107-1132, insbesondere
Seiten 1116-7 (1986) beschrieben worden. In dem MOSFET
Halleffekt-Bauelement wurde eine vorgespannte
Gateanschlußelektrode in einem Metalloxidhalbleiter
verwendet, um eine geeignete dünne Elektronenschicht nahe dem
Halbleiteroxidübergang zu erzeugen. Vier Elektroden
wurden dann verwendet, um diese Schicht zu kontaktieren:
Ein Sourceanschluß und ein Drainanschluß, durch welche
Strom geführt wird, und zwei dazwischenliegende
Elektroden, über welche die Hallspannung erzeugt wird. Weiter
beschreiben Baltes et al ibid. einen MOSFET mit
gespaltenem Drainanschluß, der einen
anreicherungsschicht-basierten Sensor mit nur vier Elektroden verwendet (einen
Sourceanschluß, zwei Drainanschlüsse und ein
Gateanschluß). Einer der Vorzüge von Magnetoresistoranord
nungen über ein Halleffektbauelement ist, daß die
Magnetoresistoranordnungen nur zwei Elektroden hat. Um
dies in dem verbesserten
Magnetoresistoranordnungskonzept der vorliegenden Erfindung zu erhalten,
schlagen die Erfinder vor, in Verbindung mit dem
Magnetoresistoranordnungslayout, wie es in Fig. 2
beschrieben ist, eine Anzahl von neuen Wegen zu
verwenden, um die Anreicherungs- oder Inversionsschicht ohne
die Verwendung extern vorgespannter
Gateanschlußelektroden zu erzeugen.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel wird Verwendung von
der Tatsache gemacht, daß der natürliche Übergang
zwischen InAs und Luft bekannt dafür ist, eine
Elektronenanreicherungsschicht in InAs zu erzeugen. Ein ähnlicher
Effekt kann in InSb existieren und die Technik kann
daher auf Magnetoresistoranordnungen dünner Filme
anwendbar sein, die mit diesem Halbleitermaterial
hergestellt sind. Die Erfinder würden jedoch nicht erwarten,
daß derartige Bauelemente genausogut wie InAs bei sehr
hohen Temperaturen funktionieren. Die sehr kleine
Energielücke von InSb (siehe Tabelle I) würde die
thermische Erzeugung von Trägern verursachen, welche die
erhöhte Leitfähigkeit in dem InSb-Film benachbart der
Anreicherungsschicht verursachen würde, was die
Leitfähigkeit der Anreicherungsschicht zu einem relativ kleinen
Bruchteil der Gesamtbauelementleitfähigkeit macht. So
wären die Nutzen der Anreicherungsschicht bei einer
niedrigeren Temperatur in InSb als in dem InAs mit
höherer Energiebandlücke verloren. Die Erfinder haben
experimentell eine 2,3 dicke Epitaxialschicht von InAs auf
einem isolierenden InP-Substrat wachsenlassen, und zwar
unter der Verwendung von metallorganisch-chemischer
Dampfdeposition (MOCVD). Hall- und
Magnetoresistoranordnungsmessungen auf der Schicht in
dem Temperaturbereich von 350ºK bis 0,5ºK und in
Magnetfeldern bis zu 7 Tesla verraten die Gegenwart von
zumindest zwei "Arten" von Trägern, in grob gleichen
Konzentrationen, aber mit sehr verschiedenen Mobilitäten
(um einen Faktor von 2 bis 3). In retrospektiver Sicht
der zuvor erwähnten Wieder-Veröffentlichung ist es
vernünftig anzunehmen, daß eine von ihnen die
Anreicherungsschicht ist, die nahe dem Luftübergang angeordnet
ist. Die Erfinder haben zwei 2 mm lange, 5 mm breite
Magnetoresistoranordnungen aus diesem Film gebaut,
welcher eine sehr verwendbare Magnetfeldempfindlichkeit
entwickelt hat, während gute Temperaturstabilität
aufrechterhalten wurde (siehe Fig. 3, 4 und 5). Die
Erfinder halten es für möglich, diese Empfindlichkeit nach
dem Abdecken der InAs-Oberfläche mit einem geeigneten
einschließenden Überzug (z.B. ein Epoxydharz oder ein
anderes dielektrisches Material) zu erhalten.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann eine
abdeckende Schicht eines Halbleiters mit großer Lücke wie
GaAs, InP, AlSb oder In1-yAlyAs auf der Oberseite des
Halbleiters aktiver Schicht mit enger Lücke
(typischerweise InAs oder In1-xGaxAs mit 0 < x < 0,5, obwohl eine
ähnliche Struktur, die InSb verwendet, gedacht werden
kann), wachsen gelassen. In diese Abdeckungsschicht
setzten die Erfinder Verunreinigungen des Donortypes
wie Si, Te, Se oder S. Diese werden ein Elektron
freigeben, welches in der Schicht enden wird, wo es eine
minimale Energie hat, d.h. dem Halbleiter mit enger Lücke.
Dies läßt eine Schicht von positiv ionisierten
Donor-Verunreinigungen in der Deckungsschicht mit großer
Lücke; aber sie sind räumlich von den Elektronen in der
aktiven Schicht entfernt und streuen sie somit nicht
signifikant.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel schlagen die
Erfinder vor, eine Schicht von Metall auf der Oberseite des
aktiven Bauelementebereiches mit dem Zweck der
Schaffung einer Schottky-Barriere zu deponieren. Eine
Auftragung der Elektronenenergieniveaus benachbart dem
Metall-Halbleiter-Übergang in diesem dritten
Ausführungsbeispiel ist in Fig. 9 gezeigt. Bezug nehmend auf Fig.
9, kann es gesehen werden, daß es eine Abreicherung des
obersten Bereiches aktiven Halbleiters mit enger Lücke
geben wird. Wenn die aktive Schicht dünn genug ist
(100-200 nm (1000-2000 Angström)), wird dies Elektronen
in der aktiven Schicht in Richtung auf das Substrat
eingrenzen, was elektrische Eigenschaften ähnlich zu jenen
einer Anreicherungsschicht zur Folge hat. Metalle, die
im allgemeinen Schottky-Barrieren zu III-V Verbindungen
bilden, wie Au oder Al, können nützlich sein, obwohl
die Erfinder diesen Aufbau noch nicht adäquat
experimentell studiert haben.
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In einem vierten Ausführungsbeispiel schlagen die
Erfinder vor, auf der aktiven Schicht eines Halbleiters mit
enger Lücke eine Schicht eines Halbleiters mit großer
Lücke oder eines Dielektrikums wie SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4; zu
deponieren und auf der Oberseite davon eine
Gateanschlußelektrode. Eine Elektronenenergieauftragung, die durch
die Schichten an den relevanten Übergängen geht, ist in
Fig. 10 gezeigt. Das Metall der Gateanschlußelektrode
in Fig. 10 kann so ausgewählt werden, daß es einen
Anreicherungsbereich nahe dem
Halbleiterdielektrikumsübergang induziert, und zwar durch den Effekt des
Unterschiedes zwischen der Elektronenaffinität in dem
Halbleiter und der Austrittsarbeit in dem Metall.
Umgekehrterweise kann ein unterschiedliches Metall mit
größerer Austrittsarbeit verwendet werden, um den
Halbleiter-Dielektrikum-Übergang abzureichern und die
Elektronen nahe dem Substrat elektrostatisch zu begrenzen,
etwa wie in dem dritten Ausführungsbeispiel, das oben
erwähnt wurde.
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In einem fünften Ausführungsbeispiel wird es
vorgeschlagen, daß die Gateanschlußelektroden, die in dem vierten
Ausführungsbeispiel beschrieben sind, vorgespannt
seien, um so Anreicherungsschichten in dem Halbleiter
unter ihnen zu erzeugen. Ein derartiges Konzept ist
schematisch in den Fig. 11A, 11B und 11C gezeigt. In Fig.
11A kann es gesehen werden, daß, falls gewünscht, man
einen oder mehrere hinzugefügte Kontakte verwenden
könnte,
um die Gateanschlußelektroden separat vorzuspannen.
Dies würde üblicherweise nicht bevorzugt sein, könnte
aber getan werden. Es wäre nicht bevorzugt, weil einer
der Vorteile einer Magnetoresistoranordnung darin
liegt, daß sie nur zwei Kontakte hat. Es ist hier nur
zur Vollständigkeit gezeigt. Auf der anderen Seite sind
zusätzliche Kontakte nicht tatsächlich notwendig. Die
Gateanschlußelektroden können elektrisch durch einen
internen Widerstandsschaltkreis vorgespannt werden, von
welchem Beispiele in den Fig. 11B und 11C gezeigt sind.
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Bezug wird nun insbesondere zu dem fünften Typus der
Ausführungsbeispiele genommen, der in den Fig. 11b und
11C gezeigt ist. Da die Gateanschlußleckströme sehr
minimal sind, kann ein Schaltkreis mit sehr hohem
Widerstandswert (> 1 MW) für das Vorspannen verwendet
werden. Als ein spezieller Fall in Fig. 11B kann der
Widerstand R1 extrem groß gemacht werden (offener
Schaltkreis), und die anderen Widerstände können alle dazu
gemacht werden, um den Widerstandswert Null zu haben
(Kurzschlußschaltkreis). So wird die volle positive
Vorspannung, die an eine externe Elektrode (relativ zu den
anderen externen Elektroden) angelegt wird, an alle
Gateanschlüsse in diesem speziellen Fall angelegt. Eine
Alternative ist, die Gateanschlüsse über jedem
Halbleiterbereich mit den Kurzschlußbügeln zwischen zwei
anderen Halbleiterbereichen, die so angeordnet sind, daß
die Potentialdifferenz zwischen dem Gateanschluß (d.h.
dem Kurzschlußbügel) und dem aktiven Bereich eine
Anreicherungsschicht in dem letzteren induziert, zu
verbinden. Diese letztere Version der internen Vorspannung
der Gateanschlußelektroden ist in Fig. 11C gezeigt. Ein
Spezialfall dieser Anordnung ist einer, in welchem
jeder Gateanschluß mit dem benachbarten Kurzschlußbügel
verbunden ist. In dieser Anordnung kann jedes Element
betrachtet werden, ein MISFET-Transistor mit
kurz-33geschlossenem
Gateanschluß und Drainanschluß zu sein.
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In den fünf vorhergehenden Ausführungsbeispielen wurde
die Anreicherungsschicht nur verwendet, um die
erwünschten Transporteigenschaften des Halbleiters in dem
erfassenden Bereich zu verstärken. Die Anordnung der
Magnetoresistoranordnung, d. h. das
Breite-über-Länge-Verhältnis von jedem aktiven Element, war noch durch
die Verwendung von metallischen Kurzschlußbügeln
festgelegt. Der Aufbau von Fig. 11B kann erweitert werden, um
die Anordnung der Magnetoresistoranordnungselemente
selbst festzulegen, indem die Trägerdichte und damit
die Leitfähigkeit innerhalb der aktiven
Halbleiterschicht moduliert wird. Dies bildet ein sechstes
Ausführungsbeispiel dieser Erfindung. Ein Beispiel eines
derartigen Aufbaus ist schematisch in Fig. 12 gezeigt.
Wieder wird ein externes (in den Chip hinein integriertes)
Widerstandswertnetzwerk in diesem sechsten
Ausführungsbeispiel verwendet, um eine Folge von
Gateanschlußelektroden vorzuspannen, um eine Reihe von stark
angereicherten Bereichen zu schaffen. Dies kann verwendet
werden anstatt der metallischen Kurzschlußbügel, um einen
geometrischen Magnetowiderstandswert zu schaffen. Ein
derartiger Aufbau könnte potentiell einem überlegen
sein, in welchem metallische Kurzschlußbügel verwendet
werden, weil die feldunempfindlichen
Kontaktwiderstandswerte zwischen dem Metall und dem Halbleiter eliminiert
wären.
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Wieder kann ein spezieller Fall für dieses sechste
Ausführungsbeispiel betrachtet werden, wie in dem fünften
Ausführungsbeispiel betrachtet wurde. In diesem
speziellen Fall des sechsten Ausführungsbeispiels ist der
Widerstand R1 von Fig. 12 offengeschaltet und die anderen
Widerstände (R2, R3, ...) sind kurzgeschloßen, so daß
die gesamte positive Vorspannung, die an eine externe
Elektrode angelegt wird, auch an jeden Gateanschluß
angelegt wird. So würde die natürliche
Anreicherungsschicht, die normalerweise auf einer InAs-Oberfläche
vorhanden wäre, zwischen den Gateanschlüssen, wie in
Fig. 11A, existieren, aber eine niedrigere
Elektronendichte haben. Falls gewünscht, könnten die
Gateanschlüsse negativ vorgespannt werden, um die
Elektronenanreicherungsschichten zwischen den Gateanschlüssen zu
eliminieren oder selbst eine starke Inversionsschicht mit
Trägern des entgegengesetzten Typus (Löcher) zu
erzeugen. Während die Betonung dieses Berichtes der
Erfindung auf Bauelementen mit nur zwei externen Leitungen
liegt, könnten die Gateanschlüsse durch ein
Widerstandsnetzwerk mit einer dritten externen Leitung verbunden
werden, was diese Version des Magnetfeld-Sensors extern
durch eine Spannungsvorspannung steuerbar macht, die
extern an die Gateanschlußleitung geliefert wird. Wie
hierin vorher angezeigt, könnte ein ähnliches
Dreianschlußbauelement mit dem in Fig. 11A gezeigten
Bauelement hergestellt werden.
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In einem siebten Ausführungsbeispiel wird ein
geringfügig p-Typus-artiger Film wachsengelassen
(typischerweise dotiert mit Zn, Cd, Mg, Be oder C). In dem Fall
von InAs würde die Oberfläche, glauben die Erfinder,
noch eine stark entartete Elektronenschicht haben, aber
es wäre eine Inversionsschicht. Eine derartige
Inversionsschicht würde eine große Elektronendichte nahe der
Oberfläche haben und dann einen relativ dicken
(typischerweise 0,1 mm bis 1 mm oder mehr, abhängig von
der Dotierungsmitteldichte) Bereich von sehr niedriger
Trägerdichte, ähnlich dem Raumladungsbereich eines
n+/p-Übergangs. Dies könnte vorteilhafterweise
verwendet werden, um die Leitfähigkeit des Films benachbart
der elektronenstarken Inversionsschicht zu reduzieren.
Bei sehr hohen Bauelementbetriebstemperaturen würde die
intrinsische Trägerdichte der Halbleiter mit enger
Energielücke, wie InAs dazu neigen, diese Strategie etwas
aufzuheben, und andere Halbleiter mit höherer
Energielücke wie In1-xGaxAs könnten bevorzugt sein (siehe
Tabelle I). In0,53Ga0,47As ist ein Spezialfall, da es an
halbisolierende InP-Substrate gitterangepaßt werden
kann. Dies macht es einfacher, derartige Filme mit
hoher kristalliner Qualität wachsen zu lassen.
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Die Akzeptordotierungsmittel, die oben erwähnt wurden
(d.h. Zn, Cd, Mg, Be und C) haben kleine
Aktivierungsenergien in den III-V Verbindungen von Interesse
(siehe Tabelle I). Jedoch gibt es
Akzeptordotierungsmittel mit relativ großen Aktivierungsenergien, wie Fe in
In0,53Ga0,47As. Dies bedeutet, daß eine relative große
thermische Energie erforderlich ist, um das Eisen dazu
zu bringen, zu ionisieren und ein Loch zur Leitung
beizutragen. Jedoch wird das Eisen eine Konzentration von
Donor-Verunreinigungen kompensieren, die häufig in dem
Material vorhanden sind, so daß sie keine Elektronen zu
dem Leitungsband beitragen. So wird die Dotierung
dieses Materials mit Eisen es dazu bringen, zu einem hohen
Widerstand zu neigen, außer in der elektronenreichen
Anreicherungsschicht. Es wäre in diesem Fall
wünschenswert, eine dünne undotierte In0,53Ga0.47As-Schicht
(z.B. 0,1 um dick nach dem Korrigieren auf
Eisen-Diffusionseffekte) auf der Oberseite der eisendotierten
Schicht wachsen zu lassen, um die höchste mögliche
Elektronenmobilität und Dichte in der Anreicherungsschicht
zu erhalten. Es wird jedoch erkannt, daß das Finden
geeigneter Dotierungsmittel mit großen
Aktivierungsenergien für Halbleitermaterialien mit kleinerer Bandlücke
nicht praktisch sein kann. Überdies könnten auch die
anderen Ausführungsbeispiele, die oben diskutiert wurden,
in Verbindung mit diesem einen vorteilhafterweise
verwendet werden, um die Leitfähigkeit des Films
benachbart des Bereiches mit hoher Elektronendichte zu
verringern.
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Die Betonung der obigen Diskussion lag auf
Elektronenanreicherungs- oder Inversionsschichten.
Lochanreicherungs- oder Inversionsschichten könnten auch verwendet
werden. Jedoch werden Elektronen üblicherweise als
Stromträger in Magnetoresistoranordnungen bevorzugt, da
sie in den in Tabelle I gezeigten Materialien höhere
Mobilitäten haben.
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Nun mit Bezug auf die Zeichnungen, zeigt Fig. 13 eine
typische Form herkömmlicher Technik von Positionssensor
10, in welcher der magnetische Kreis einen Erregerteil
12 aus ferromagnetischem Material umfaßt, der aus einer
Folge von Zähnen 12A hergestellt ist, die durch Lücken
12B beabstandet sind, und ein stationäres erfassendes
Teil, das einen Permanentmagneten 14 umfaßt, der auf
einer Oberfläche ein erfassendes Element 16 und eine
Flußführung 18 trägt, um einen Rückkehrpfad für das
Magnetfeld zu schaffen. Wie gezeigt, ist die Breite von jedem
Zahn ungefähr gleich der Breite des Magneten und des
erfassenden Elementes. Wahlweise kann ein
Feldkonzentrator (nicht gezeigt) über dem erfassenden
Element 16 in der Form einer dünnen Schicht von einem
ferromagnetischen Material hoher Permeabilität
angeordnet werden.
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Der Erreger 12 hat typischerweise eine Scheibe mit
beabstandeten Zähnen längs einer Kante und ist dazu
angepaßt, sich horizontal zu bewegen, so daß seine Zähne
unter den Permanentmagneten 14 und dem erfassenden
Element 16 in Übereinstimmung mit der Bewegung von einer
Position, die erfaßt wird, durchtreten. In alternativer
Weise kann der Erreger eine kreisförmige Scheibe sein,
und zwar mit Zähnen um seinen Umfang herum, der mit
Spalten durchsetzt ist, die sich um ein feststehendes
Zentrum dreht, um die Position der Zähne relativ zu dem
erfassenden Element zu variieren. Der Erreger ist
typischerweise aus einem ferromagnetischen Material
hoher
Permeabilität, wie Eisen.
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Der Permanentmagnet ist vertikal in der Papierebene
polarisiert, wie angedeutet. Das erfassende Element ist
typischerweise eine Magnetoresistoranordnung, ein
Zweianschlußelement, dessen Widerstandswert sich mit
erhöhendem Magnetfluß erhöht, der vertikal durch sein
Volumen tritt, und hätte typischerweise nahezu die gleiche
Breite wie der Magnet. Das erfassende Element 16 ist
wie hierin vorher beschrieben.
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Die Flußführung 18 ist auch vorteilhafterweise von
einem Material hoher Permeabilität wie Eisen und ihre
Gegenwart kann die Flußdichte durch den Sensor erhöhen,
indem ein effizienter Rückkehrpfad für den Fluß, der
durch den Erreger tritt, vorgesehen wird. Zu diesem
Zweck sind die Mittelpunkt-zu-Mittelpunkt-Beabstandung
von benachbarten Zähnen des Erregers und die
Mittelpunkt-zu-Mittelpunkt-Beabstandung des magnetischen
Pfades, der durch den Permanentmagneten gebildet wird, und
die Flußführung im wesentlichen gleichgemacht, wie
gezeigt. Eine derartige Flußführung trägt jedoch in der
Tat wenig zu der Empfindlichkeit bei und ist so
unnotig, wenn eine adäquate Flußdichte vorgesehen wird,
entweder durch einen Magnet hinreichender Dicke oder die
Wahl des Magnetmaterials.
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Typische Abmessungen könnten ungefähr ein Millimeter,
sowohl für die vertikale Dicke als auch für die
horizontale Breite des Magneten 12 sein, ähnlich ungefähr ein
Millimeter für die Höhe und Breite von jedem Zahn 12A,
ungefähr zwei Millimeter für die Breite einer Lücke 12B
und ungefähr ein Millimeter für die Trennung zwischen
einem Zahn und dem Magneten in der gezeigten Position.
Die Flußführung 18 wäre typischerweise vom gleichen
Maßstab und würde ungefähr einen weiteren Millimeter zu
der Höhe des Magnetpfades addieren. Die laterale
Abmessung
des Magneten senkrecht zu der Ebene der Zeichnung
ist typischerweise breit genug, um irgendwelche
Randeffekte in dem erfassenden Element niedrig zu halten.
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Bei einem magnetischen Kreis dieser Art neigt die
maximale Empfindlichkeit, die erhalten wird, dazu, weniger
als ungefähr 5 % zu sein. Darüber hinaus sind Sensoren
bekannt, in welchen der stationäre Teil des
magnetischen Kreises ein Paar von magnetischen erfassenden
Elementen für die Verwendung als separate Schenkel eines
differentiellen Sensors einschließt. In derartigen
Fällen sind die zwei erfassenden Elemente typischerweise
so beabstandet, daß, wenn eines der erfassenden
Elemente direkt gegenüber einen Zahn positioniert ist, das
andere erfassende Element direkt gegenüber dem
Mittelpunkt der Lücke zwischen benachbarten Zähnen
positioniert ist, um die Differenz der Ausgänge von dem
zeiterfassenden Element zu maximieren. Derartige Sensoren
schaffen höhere Empfindlichkeiten, aber auf Kosten der
größeren Komplexizität.
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In Fig. 14 ist ein Positionssensor 20 in
Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung gezeigt. Sein magnetischer Kreis
umfaßt den Erreger 12, der dem Erreger ähnlich sein kann,
der in dem Positionssensor 10 beinhaltet ist, der in
Fig. 13 gezeigt ist, und so wird die gleiche Bezugszahl
verwendet. Der stationäre Teil des magnetischen Kreises
ist in größerer Ausführlichkeit in Fig. 15 gezeigt. Er
umfaßt einen Permanentmagneten 22, der vertikal wie
gezeigt magnetisiert ist und auf seiner Bodenoberfläche
ist ein erfassendes Element 16 vorgesehen, das ähnlich
dem erfassenden Element 16 in dem Positionssensor 10
von Fig. 13 sein kann. In Übereinstimmung mit einem
Merkmal der Erfindung ist, zwischen dem erfassenden
Element 16 und dem Permanentmagneten 22 angeordnet, eine
Schicht 24 von magnetischem Material hoher
Permeabilität
wie Eisen eingeschlossen, das die gesamte
Bodenoberfläche des Permanentmagneten 22 abdeckt. Zusätzlich
ist, um sicherzustellen, daß diese Schicht das
erfassende Element 16 nicht elektrisch kurzschließt, eine
isolierende Schicht 26 zwischen dem erfassenden Element
16 und der Schicht 24 dazwischenliegend beinhaltet.
Wenn die Schicht 24 von einem nichtleitenden Material
wäre, wie ein Ferrit hoher Permeabilität, würde die
isolierende Schicht 26 überflüssig und könnte so
weggelassen werden.
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Im Sensor 20 ist in Übereinstimmung mit einem Merkmal
der Erfindung für die erhöhte Empfindlichkeit die
Breite W des Permanentmagneten 22 beträchtlich breiter als
die typische Breite des Sensors 10 herkömmlicher
Technik, der in Fig. 13 gezeigt ist. Vorteilhafterweise ist
die Breite des Permanentmagneten dazu gemacht, die
Summe der Breite von einem Zahn und zwei Lücken des
Erregers wie gezeigt zu sein, wie in Fig. 14 gesehen, und
so ungefähr 1 1/2 mal des Abstandes der Zähne des
Erregers. Im Kontrast dazu ist in dem in Fig. 13 gezeigten
Sensor die Breite des Permanentmagneten 14 im
wesentlichen jener eines Zahns 12A des Erregers angepaßt.
Darüber hinaus wird die Verbesserung in der
Empfindlichkeit, die durch diese Erhöhung in der Magnetbreite
geschaffen wird, durch die Gegenwart der magnetischen
Schicht 18 weiter verbessert.
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Für die maximale magnetische Empfindlichkeit ist es in
dem vorliegenden Entwurf ein anderes Merkmal, daß die
Breite des erfassenden Elementes wünschenswerterweise
so eng ist wie angebracht. Jedoch ist es für die
elektrische Schaltkreiseffizienz wünschenswert, daß das
Element einen hinreichend hohen Widerstandswert hat, z.B.
zumindest 100 Ohm, welches praktische Grenzwerte
auflegt, wie eng das Element sein kann. Auch muß das
erfassende Element breit genug sein, um adäquate
Leistungsdissipationsfähigkeiten
zu haben. Nichtsdestotrotz wäre
das erfassende Element typischerweise signifikant enger
als das Zahnelement, falls nicht der Erregerentwurf
ungewöhnlich enge Zähne miteinbezieht. Wie gezeigt, ist
das erfassende Element 16 an entgegengesetzten Enden
mit Elektroden 16A und 16B vorgesehen, vermittels
welcher es in einen geeigneten elektrischen Schaltkreis
hinein geschaltet werden kann. Diese sind
typischerweise metallische Beläge, die auf der isolierenden
Schicht 26 niedergeschlagen wurden.
Veranschaulichenderweise kann die ferromagnetische Schicht ungefähr 0,1 mm
dick und von einem Material wie Niedrigkohlenstoffstahl
1008 sein. Die Folge ist eine Anordnung, die aus einer
Reihe von planaren Schichten aufgebaut ist, die einfach
herzustellen ist.
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Das erfassende Element 16 ist typischerweise in
Übereinstimmung mit der speziellen beabsichtigten Anwendung
gewählt. Eine Magnetoresistoranordnung ist bevorzugt, aus
dem Grund, der aus dem Vorhergehenden offensichtlich
ist. Es ist bevorzugt, daß das Magnetfeld senkrecht zu
der Hauptstirn der erfassenden Fläche in dem
erfassenden Element angelegt sei.
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Die Fig. 16A und 16B veranschaulichen die Bedingungen
für maximalen bzw. minimalen Fluß durch das erfassende
Element 16 für den Positionssensor 20, der in Fig. 14
gezeigt ist. Wie in Fig. 16A gesehen, ist, wenn das
erfassende Element 16 einem Zahn 12A direkterweise
gegenüberliegt, die Flußdächte, die durch die Linien 30
dargestellt sind, durch das erfassende Element 16
vergleichsweise hoch. Jedoch ist, wenn der Erreger sich so
bewegt hat, daß das erfassende Element 16 dem
Mittelpunkt einer Lücke 12B zwischen den Zähnen
gegenüberliegend ist, die Flußdichte durch das erfassende Element
16 vergleichsweise weniger. Typischerweise kann die
maximale Flußdichte 0,2 Tesla und der minimale Fluß 0,15
Tesla für einen 2 mm dicken MQ2-Magneten sein. Das
MQ2-Magnetmaterial ist eine NdFeB-Legierung, die ein
Energieprodukt zwischen 13 bis 15 MGOe hat, isotrop und
100 % dicht ist und ein als Warenzeichen eingetragenes
Produkt der General Motors Corporation ist.
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Die Rolle der ferromagnetischen Schicht 24 macht es für
den Fluß einfacher, sich in Richtung auf das oder weg
von dem erfassenden Element 16 auszubreiten, was so den
maximalen Fluß erhöht und den minimalen Fluß
erniedrigt, der durch das erfassende Element tritt und
dadurch die Empfindlichkeit erhöht, welche von der
Differenz zwischen den maximalen und minimalen erfaßten
Flüssen abhängig ist.
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Insbesondere beeinflußt die Bewegung der Erregerzähne
die Gesamtflußdichte wenig, sondern variiert die
räumliche Verteilung der Flußdichte längs der Breite des
Magneten, was scharfe lokale Flußdichtevariationen
schafft, die durch ein lokalisiertes erfassendes
Element, wie eine Magnetoresistoranordnung erfaßt werden
können. Die ferromagnetische Schicht erlaubt der
Flußdichte, längs der Magnetbreite in einer Weise verteilt
zu sein, die das Profil des Luftspalts zwischen dem
stationären Teil des magnetischen Kreises und dem Erreger
wiederspiegelt. Wo dieser Luftspalt eng ist, ist die
Flußdichte hoch, wo dieser Spalt breit ist, ist die
Flußdichte niedrig. Da dieser Luft"spalt" längsseits
eines Zahns des Erregers am engsten ist, wird die
Flußdichte dort am höchsten sein und diese Dichtespitze
wird der Zahnbewegung längs der Breite des Magneten
folgen. Insbesondere haben Tests gezeigte daß der Zusatz
der dünnen ferromagnetischen Schicht 24 in der
beschriebenen Weise im wesentlichen die Empfindlichkeit eines
Sensors mit einem Magneten schon optimaler Breite
verdoppeln kann. Die optimale Dicke der ferromagnetischen
Schicht ist durch die maximale Flußdichte bestimmt, die
sie ohne Sättigung zu führen gewünscht ist. Selbst
Schichten so dünn wie 5 um haben sich als nützlich für
eine erfaßte maximale Flußdichte von ungefähr 0,12 T
erwiesen. Für diese Flußdichte neigt die Verbesserung
dazu, nivelliert zu werden, wenn die Dicke ungefähr 25 um
erreicht.
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Die magnetische Schicht 24 kann auf einfache Weise als
eine dünne metallische Folie vorgesehen werden, die an
die Oberfläche des Permanentmagneten 22 angebracht
wird, wobei herkömmliche Haftmittel verwendet werden.
In alternativer Weise können Magnete, die durch
Komprimieren und/oder Sintern von magnetischem Pulver, wie
MQ2, das vorhergehend beschrieben wurde, eine
ferromagnetische Schicht als einen einstückigen Teil des
Permanentmagneten erzeugen. Zu diesem Zweck wird in den
Gesenkformhohlraum eine geeignete Menge von Eisenpulver
bevor oder nachdem das magnetische Pulver eingeführt
wird, eingeführt, und dann werden die Pulver zusammen
komprimiert. Darüber hinaus macht die planare Anordnung
der Bauelemente die Stapelverarbeitung durchführbar,
wobei hunderte von Magnetoresistoranordnungen simultan
auf einem relativ dünnen unmagnetisierten
Permanentmagnetwafer mit einer ferromagnetischen Schicht und einer
isolierenden Schicht deponiert werden können. Der Wafer
würde dann in getrennte Sensoren geschnitten, die
Sensoren gepackt und die Permanentmagneten magnetisiert.
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Es scheint, daß die Erhöhung in der Empfindlichkeit auf
Kosten einer Erniedrigung der mittleren Flußdichte
erhöht wird. Wenn dies von Belang für die effektive
Modulierung der speziellen Magnetoresistoranordnung ist,
die verwendet wird, kann die mittlere Flußdichte zu dem
gewünschten Niveau mit wenig Auswirkung auf die
Empfindlichkeit erhöht werden, und zwar durch die Erhöhung der
Dicke des Magneten und/oder den Magnettypen, wodurch
die gewünschte Planarität des Sensors aufrechterhalten
wird und der Bedarf für eine Flußführung vermieden
wird, um die Flußdichte zu verbessern. Jedoch kann in
speziellen Fällen, wo keines dieser Hilfsmittel adäquat
ist, eine Flußführung herbeigeführt werden, um die
Flußdichte zu verbessern, was die Zähne weiter entlang des
Erregers miteinbezieht.
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Um die hohe magnetische Empfindlichkeit des
beschriebenen magnetischen Kreises optimal zu einer hohen
elektrischen Empfindlichkeit zu übersetzen, muß das erfassende
Element in geeigneter Weise auf dem Magneten
positioniert werden. Fig. 17 zeigt einen typischen Umriß der
maximal erhältlichen Empfindlichkeit, aufgetragen gegen
den normalisierten Abstand d/W des erfassenden
Elementes, wobei d der Abstand von dem Mittelpunkt des
Magneten der Breite W ist. Es kann gesehen werden, daß die
erhältliche Spitzenempfindlichkeit bei dem Mittelpunkt
des Magneten (d = 0) ist und auf einem Minimum bei
jedem Ende des Magneten (d/W = 0,5). Demgemäß ist der
optimale Ort des erfassenden Elementes an dem Mittelpunkt
des Magneten.
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Es ist auch wichtig, eine richtige Breite für das
erfassende Element zu haben, insbesondere, wenn das Element
eine Magnetoresistoranordnung ist, die ein elektrisches
Ausgangssignal entsprechend dem Durchschnitt der
Flußdichte auf ihrer Oberfläche erzeugt.
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Die Flußdichteverteilung längs der Länge der
Magnetoresistoranordnung kann jedoch konstant zu sein
angenommen werden. So wird von einem erforderlich sein,
die Flußdichte- oder Empfindlichkeitsverteilungen nur
längs der Magnetoresistoranordnungsbreite zu
betrachten. Deshalb wird die effektive elektrische
Empfindlichkeit direkt auf die magnetische
Durchschnittsempfindlichkeit, die bestimmt wird, indem die
magnetische Empfindlichkeitsverteilung integriert wird,
bezogen
sein, die in Fig. 18 über der
Magnetoresistoranordnungsbreite WMR gegeben ist. Fig.
18 zeigt, wie die Empfindlichkeit längs der
Magnetbreite für die Ausrichtung variiert, die in den Fig.
16A und 16B gezeigt ist. Auf die
Empfindlichkeitsverteilung blickend, würde man dazu neigen, die
elektrische Empfindlichkeit zu maximieren, indem versucht
wird, WMR so klein wie möglich zu machen. Die kleine
Größe würde jedoch den Widerstandswert und die
hinreichend große Leistungsdissipationsfähigkeit der
Magnetoresistoranordnung erniedrigen und wiederum zu
einem niedrigeren Ausgangssignal führen. Die Auswahl von
WMR hat ein Kompromiß zu sein, welcher verschiedene,
miteinander in Konflikt stehende Anforderungen
berücksichtigt, wie die praktischen Begrenzungen der
Magnetoresistoranordnungslänge, die bestmögliche
Empfindlichkeit, hinreichend großer Widerstandswert und
Leistungsdissipation und die kleinstmöglichen
Magnetoresistoranordnungskosten (kleinere
Magnetoresistoranordnungen sind im allgemeinen weniger
teuer). Die vorhergehend erhältliche
Magnetoresistoranordnungstechnologie betrachtend,
scheint der minimale praktische Wert von WMR für den
Erregerentwurf, der diskutiert worden ist, ungefähr 0,3
mm zu sein, welches auf d/W = 0,033 hinaus läuft und
eine effektive magnetischee Empfindlichkeit 5M von
ungefähr 28 % ergibt. Die Erfinder wissen zu dieser Zeit
nicht, wie dies durch die in dieser Erfindung
betrachtete verbesserte Magnetoresistoranordnung beeinflußt
wird. Eine 0,6 mm Breite würde noch eine
Empfindlichkeit von ungefähr 26 % schaffen. Die Breite WMR sollte
wünschenswerterweise in jedem Fall weniger als die
Breite der Zähne in dem üblichen Entwurf sein. Die Höhe des
erfassenden Elementes kann klein sein, typischerweise
einige 10 um, wodurch die Planarität der zugehörigen
Oberfläche wenig durch seine Gegenwart gestört ist.
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Es ist auch in dem vorliegenden Entwurf gefunden
worden, daß das Verhältnis der Zahnbreite T zum
Zahnabstand P die Empfindlichkeit auch beeinflußt. Es ist
gefunden worden, daß die Empfindlichkeit dazu neigt,
maximal für T/P-Verhältnisse von ungefähr 0,25 zu sein,
aber relativ flach über den Bereich zwischen 0,17 und
0,37 zu bleiben.
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Es ist auch in dem vorliegenden Entwurf gefunden
worden, daß der Zahnabstand die Empfindlichkeit beeinflußt
und insbesondere, daß das Erhöhen des Zahnabstandes die
Empfindlichkeit merklich erhöhen kann. Zum Beispiel
kann für den diskutierten Entwurf eine Änderung im
Abstand von 3 mm bis 5 mm die maximale Empfindlichkeit
auf ungefähr 58 % erhöhen, wenn die Bedingungen
optimiert werden. Da die Empfindlichkeit mit ansteigender
Luftspaltgröße zwischen dem Erreger und dem Magneten
abnimmt, bietet die Erhöhung des Zahnabstandes einen Weg,
größere Luftspaltgrößen zu kompensieren und bietet
einem Designer eine Fähigkeit, zwischen der
Luftspaltbreite und dem Zahnabstand abzuwägen.
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Zusätzlich ist es gefunden worden, daß der stationäre
Teil eines Sensors der beschriebenen Art in effektiver
Weise mit einem breiten Bereich von Erregerrad-Zahnab
standsgrößen verwendet werden kann. Dieses Merkmal
bietet ein erhebliches Kostenersparnispotential, z.B. für
Anwendungen wie ABS-Entwürfe, die in weitem Maße
differierende Zahnabstandsgrößen verwenden. Wenn ein Sensor
eines speziellen stationären Entwurfs dazu beabsichtigt
ist, mit Rädern zu arbeiten, die verschiedene
Zahnabstandsgrößen haben, sollte die Magnetbreite
vorzugsweise gewählt werden, um den Sensor für die kleinste
Zahnabstandsgröße zu optimieren, so daß die niedrigste
Empfindlichkeit, die angetroffen wird, wenn das
Erregerrad der kleinsten Zahnabstandsgröße verwendet wird, so
hoch wie möglich sein wird. Wie vorhergehend
diskutiert,
ist die optimale Magnetbreite ungefähr 1,5 mal
der Zahnabstandsgröße.
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Es ist zu verstehen, daß die spezifischen
Ausführungsbeispiele bloß erläuternd der allgemeinen Prinzipien
der Erfindung beschrieben sind und zahlreiche
Modifikationen innerhalb des Bereichs der Erfindung, wie
beansprucht, ausfindig gemacht werden können. Zum Beispiel
ist es durchführbar, die Rollen des stationären Teils
und des bewegbaren Teils des Positionssensors
umzukehren. Zusätzlich sind die verschiedenen Abmessungen und
Materialien, die erwähnt wurden, bloß erläuternd für
einen typischen Entwurf und andere Entwürfe könnten
andere Abmessungen und Materialien erforderlich machen.