magnetic field - ETH E

DISS. ETH No. 16081
TRENCH HALL AND RESONANT
MAGNETIC FIELD
MIRCOSENSORS
A thesis submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH
for the degree of
DOcrOR OF NATURAL SCIENCES
presented by
ROBERT SUNIER
ING.MICROTECHN. DIPL. EPFL
BORN FEBRUARY 21~ 1975
CITIZEN OF NODS~ SWITZERLAND
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. H. Baltes, examiner
Prof. Dr. O. Brand, co-examiner
Dr. T. Vancura, co-examiner
2005
ABSTRACT
Trench Hall and resonant magnetic field sensors, two kinds of silicon-based
microsystems for the detection of in-chip-plane magnetic fields, are reported on
in this thesis. By arranging such devices in quadrature on a single chip, monolithic 2-D magnetic vector probes can be realized. Contactless angle measurement systems therefore represent the main application of these sensors.
Trench Hall devices (THDs) are presented first. As in the case of traditional Hall
plates, the piezo-resistive effect is expected to be one of the primary offset
sources of THDs. The usual modeling of this effect by lumped elements is not
adapted to vertical Hall sensors (VHSs), because of the strongly non-rectilinear
current flow inherent to these kinds of structures, Therefore, a new method based
on mapping techniques has been developed. The insight offered by this
quasi-analytical approach demonstrates that the judicious positioning of the
active-area borders may considerably reduce the parasitic offset voltage generated.
The sensors have been fabricated in-house using a custom-designed process.
Combining dry and wet etching led to the precise release of the device active
area, and thus resulted in the desired elimination of the bottom pn-junction insulation. Furthermore, the stress on the sensitive structure could be reduced by
removing the polysilicon, which was used to fill the trenches, by means of a
mask-less XeF 2 dry-etching step. The obtained devices exhibit high current- and
voltage-related sensitivities of around 1000 V/AT and 0.05 V/VT, respectively,
and a relatively low residual offset typically remaining below 0.5 mT for a bias of
10 pA. A strong field effect generated by the difference of potential between the
bulk and the active area was identified. It can be decreased by the XeF2 polysilicon etching, but constitutes the largest source of electrical non-linearity, which is
closely linked to the sensor residual offset voltage.
A new type of resonant magnetic field sensor providing a frequency output is the
focus of the second part of the thesis. The system consists of an electrical harmonic oscillator, in which the frequency-determining element was replaced by a
resonating cantilever. An electro-thermal bimorph effect performs the actuation
of the mechanical structure, and a Wheatstone bridge of 4 piezoresistive transis-
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tors detects the beam deflection. The cantilever's equivalent mass and spring c,onstant detennine its resonance· frequency, which is also the oscillation frequency
of the system. By generating a current proportional to the cantilever position, an
additional restoring force (Lorentz force) is created in the presence of an external
magnetic field. The resulting effect is hence equivalent to a modification of the
resonator spring constant, and consequently, of the oscillation frequency of the
system. That is to say, the device oscillation frequency becomes a function of the
magnetic field.
The transducing elements of the resonator as well as the first amplification stage
were fabricated in a standard industrial CMOS process. During a post-processing
sequence, the cantilever beam, which consists of the n-well, the dielectric layers,
and the metal interconnections of the CMOS process, was released by an anisotropie wet-etching step from the back-side of.the wafer, and by a dry-etching step
from the front side. The devices realized oscillate at 175 kHz with a sensitivity of
60 kHz/T. Their frequency stability (calculated from the oscillator Allan variance) reaches 0.025.Hz, which correspond to aresolution of less than 1 ]lT. Measurements perfonned at 50 pT show that this working principle may be exploited .
in earth-fie1d applications. At such weak fields, it is however necessary to use the
difference of frequencies measured with the excitation current on and off as the
output signal. Indeed, the drifts would rapidly exceed the signal value if this continuous offset cancellation method would not be applied.
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RESUME
Cette these traite de capteurs Hall a tranchees et de capteurs de champ magnetique resonant, qui sont deux microsystemes fabriques sur une base de silicium et
destines la detection de champs magnetiques situes dans le plan de la puce. Disposer de tels dispositifs en quadrature sur une seule puce permet de creer une
sonde de champs magnetiques bi-dimensionnels monolithique. Les systemes de
mesure angulaire sans contact representent ainsi le domaine d' application privilegie de ces capteurs.
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Les dispositifs Hall tranchees (DHTs) font l' objet de la premiere partie du travail. Comme pour les capteurs Hall 'planaires traditionnels, I' effet piezoresistif
est suppose compter parmi les sources majeures d' offset des DHTs. Sa modelisation habituelle par elements discrets n' est toutefois pas adaptee au cas des capteurs Hall verticaux, en raison du flux de courant fortement non-rectilignequi
s'etablit dans ce genre de structures. C'est pourquoi une nouvelle methode basee
sur des techniques de "mapping" a etedeveloppee. La vision du problerne rendue
possible par cette approche quasi-analytique, montre que le positionnement
judicieux des limites de la region active peut considerablement reduire la tension
d' offset parasite engendree.
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Les capteurs etudies ont ete fabriques en interne I' aide de procedes specialement concus cet effet. la combinaison de gravure seche et humide utilisee a permis la decoupe precise de la region active du dispositif, etainsi I'elimination de
la jonction pn isolant le fond du capteur, Les contraintes mecaniques exercees sur
la partie sensible ont quant elles pu etre reduites par la suppression du polysilicium remplissant les tranchees l'aide d'une etape de gravure seche au XeF2 ,
sans masque supplementaire. Les dispositifs obtenus presentent une haute sensibilite relative au courant et la tension d'environ 1000 V/AT. et O.OS'V/VT
respectivement, ainsi qu'un offset residuel relativement bas, puisque typiquement
en-dessous de 0.5 mT pour un courant de polarisation de 10 ]tA. Un puissant
effet de champ induit par la difference de potentiel entre le caisson et la region
active a ete mis en evidence. Il peut etre diminue par la gravure du polysilicium,
mais constitue la plus importante source de non-Iinearite electrique du capteur,
qui est intimement liee sa tension d'offset residuel.
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La seconde partie de la these est consacree un nouveau type· de capteur de
champ magnetique resonant, qui delivre une sortie en frequence. Le systerne consiste en un oscillateur harmonique electrique dans lequel I' element determinant
la frequence a ete remplace par un resonateurä poutre cantilever. La structure
mecanique est mue par un effet bimorphe electrothermique, et sa position
detectee par un pont de Wheatstone comprenant 4 transistors piezoresistifs. La
masse et la constante de ressort equivalente de la poutre determine sa frequence
de resonance, qui est egalement la frequence d'oscillation du dispositif. En
generaut un courant proportionnel la deflection de la structure, une force de rappel supplementaire est induite en presence d'un champ magnetique externe.
L'effet resultant est equivalent a la modification de la constante de ressort du
resonateur, et par consequent, de la frequence d' oscillation du systeme. En
d'autres termes, la frequence d'oscillation du capteur devient une fonction du
champ magnetique.
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Les elements de transduction du resonateur, ainsi que le premier etage d'amplification ont ete fabriques dans un procede CMOS industriel standard. La poutre
cantilever qui se compose du caisson n, mais aussi des couches dielectriques et
metalliques de la fabrication CMOS, a ete liberee par une gravure humide anisotrope de la face arriere de la plaque de silicium, et par une gravure seche de la
face avant. Les dispositifs realises oscillent 175 kHz avec une sensibilite de
60 kHz/T. Leur stabilite en frequence (calculee partir de la variance de Allan)
une resolution en-dessous du
atteint environ 0.025 Hz, ce qui correspond
microtesla. Des mesures effectuees 50 pT montrent que ce principe de fonctionnement peut etre exploite pour des applications s'interessant aux champs terrestres. Pour la mesure de champs si faibles, il est toutefois necessaire d'utiliser
la difference de frequence mesuree avec et sans courant d'excitation commesignal de sortie. Les derives excederaient en effet rapidement la valeur du signal, si
cette methode d'annulation continue de I'offset n'etait pas appliquee.
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