Robuste dreidimensionale Hall-Sensoren für mehrachsige Positionsmesssysteme

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Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung dreidimensionaler Hall-Sensoren in CMOS für mehrachsige Positionsmesssysteme. Dies geschieht zum einen auf Hall-Elementebene, wo durch Modifikationen der Elementgeometrien und durch Verwendung zusätzlicher, normalerweise nicht benötigter Masken, die Eigenschaften der vertikalen Hall-Elemente verbessert werden. Des Weiteren wird die Verschaltung der vertikalen und lateralen Hall-Elemente hin zum 3D- Hall-Sensor untersucht und optimiert. Zum anderen werden mit neuen Methoden auf Systemebene die Eigenschaften des Sensorsystems unabhängig von den Hall- Elementen verbessert. Die Empfindlichkeit der Sensoren kann mit integrierten Spulen unabhängig von den Prozesstoleranzen sogar im laufenden Betreib gemessen werden. Beim Offset lässt sich der Großteil mithilfe der Offsetzentrierung bereits im Hall- Element kompensieren. Anschließend kann der verbleibende Restoffset mithilfe auf dem Chip gemessener Offsettemperaturkoeffizienten nachgebildet werden. Werden mehrere dieser 3D-Hall-Sensoren auf einem Chip platziert, so kann der Gradient der magnetischen Flussdichte in der Chipebene gemessen werden. Anschließend lässt sich sogar der Gradient senkrecht zur Chipebene mithilfe der Maxwellschen Gleichungen berechnen. Mit diesen zusätzlichen linear unabhängigen Messgrößen lassen sich bisher nicht realisierbare robuste und mehrachsige Positionsmesssysteme aufbauen.