CN102636761B - 低偏移自旋电流霍尔板及其操作方法 - Google Patents

低偏移自旋电流霍尔板及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低偏移自旋电流霍尔板及其操作方法。本发明的一个实施方式涉及用于去除接触电阻对霍尔效应器件触点的影响的方法和设备。在一个实施方式中，该设备包括霍尔效应器件，其包括多个施加和感测触点对。施加和感测触点对包括施加触点以及分离的不同的感测触点。施加触点被配置为用作接收输入信号的供应端子，而感测触点被配置为用作提供指示测量磁场值的输出信号的输出端子。通过为输入信号(例如，施加电流)和读出信号(例如，感应电压)使用分离的触点，可以去除由接触电阻生成的非线性，从而使测量磁场的零点偏移电压最小化。

Description

低偏移自旋电流霍尔板及其操作方法
技术领域
本发明主要涉及霍尔效应器件，更具体地，涉及低偏移自旋电流霍尔板及其操作方法。
背景技术
霍尔效应器件通常被用于磁场的非接触式感应的传感器应用中。霍尔效应器件在许多汽车和工业应用中有广泛使用。例如，在汽车应用中，霍尔效应器件可以被用于通过测量磁体的速度测量自动刹车系统(ABS)速度传感器的轮速。在这种实例中，如果磁体靠近霍尔传感器，则霍尔传感器将测量到磁场增大，从而允许检测轮速度。
霍尔效应器件是基于霍尔效应原理响应于磁场而运行的固态电子器件，霍尔效应原理是在存在磁场的情况下通过其在导电体中生成电压差的现象。传统霍尔效应器件通常包括称为霍尔板的平面结构，其被配置为生成与所施加的磁场成比例的输出信号(例如，电压或电流)。
霍尔板具有正交轴，这样，在存在磁场的情况下，沿一个正交轴施加电流使得沿另一正交轴生成电压。通常，霍尔板通过向第一输入端注入电流、将同一轴上的空间相对的第二输入端接地、并测量正交轴组的输入端之间的电压来运行。例如，如图1所示，可以在二维导电霍尔板102中施加电流104。根据霍尔原理，磁场B的存在使得电流104的负电荷携带粒子改变其运动(根据106所示的右手法则)，并在节点V1和V2之间生成与磁场B成比例的感应电压差。
在许多应用中，将霍尔效应器件(例如，霍尔板)整合成半导体主体(例如，硅衬底)在很多应用中很普遍。霍尔效应器件的一个主要问题是零点偏移/误差，零点偏移/误差是在不存在磁场(即，磁场等于零)情况下由霍尔效应器件提供的非零输出信号(例如，电压、电流)。霍尔效应器件的偏移是由因制造公差或机械应施加或热电电压引起的器件的微小不对称引起的。为了减小/去除霍尔效应器件经历的该偏移误差，霍尔效应器件可以被配置为沿器件的不同方向读数。这种称为“电流自旋”的方法通过霍尔效应器件在不同方向发送电流，并以减小偏移的方式组合输出信号。例如，霍尔效应器件可以在测量之间自旋90°，然后可以取自旋周期的霍尔输出信号的平均。虽然电流自旋方法可以减小偏移误差(例如，减小到20μT量级)，但是单靠这种方法并不能完全去除零点误差降到100nT...1μT的噪声水平。
该残留零点误差的原因不清楚。可以证明，为了有完美的线性电压-电流关系的霍尔效应器件，其必须消失。然而，在现代CMOS技术中，使用结绝缘技术来将霍尔效应器件与同一衬底上的其他电路元件隔离。与这些反相偏置结相关的耗尽层的宽度取决于所施加的电势，并且这导致了集成霍尔效应器件的非线性电流-电压-特征。上述霍尔效应器件的微小不对称通过器件的非线性混在一起，产生了不能通过自旋电流原理消除的更高阶偏移误差项。因此，需要一种在自旋电流周期期间更好地控制霍尔效应器件内的电势的方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的一个实施方式提供了一种霍尔效应器件，包括：具有第一掺杂类型的导电衬底；具有与第一掺杂类型不同的第二掺杂类型的一个或多个阱，其中，向霍尔效应器件应用偏置条件允许形成非导电耗尽区，非导电耗尽区在阱和导电衬底之间引起结绝缘；以及多个施加和感测触点对，分别包括位于一个或多个阱中的不同的施加触点和感测触点，其中，各个施加触点被配置为向霍尔效应器件提供电能量，各个感测触点被配置为从霍尔效应器件提供输出信号。
本发明的另一个实施方式还提供了一种霍尔效应器件，包括：设置在霍尔效应器件上的多个施加和感测触点对，其中，各个施加和感测触点对包括被配置为接收输入信号的施加触点和被配置为提供输出信号的分离的感测触点，其中，所述多个施加和感测触点对被配置为提供：至少两个供应端子，沿第一轴设置，并被配置为接收所述输入信号；以及至少一个输出端子，沿垂直于所述第一轴的第二轴设置，并被配置为提供指示作用于所述霍尔效应器件的磁场的所述输出信号。
本发明的又一个实施方式还提供了一种减小霍尔效应器件的零点偏移的方法，包括：向空间上相对的施加和感测触点对中包括的施加触点供应端子施加输入信号，以在位于所述空间上相对的施加和感测触点对之间的活性区中生成感应电流；在电流自旋周期中，测量与一个或多个正交的感测触点输出端子相关的、与所施加的磁场成比例的输出信号；以及处理在所述电流自旋周期中测量的所述输出信号，以计算磁场值。
本发明通过为输入信号(例如，施加电流)和读出信号(例如，感应电压)使用分离的触点，可以去除由接触电阻生成的非线性，从而使测量磁场的零点偏移电压最小化。
附图说明
图1示出了霍尔板，特别地，示出了霍尔效应器件的操作原理。
图2示出了包括多个施加和感测触点对的横向霍尔板的第一实施方式的俯视图。
图3示出了图2中示出的横向霍尔板的等效电路图。
图4示出了图2中示出的横向霍尔板的横截面视图。
图5a示出了具有耦合到各施加和感测触点对以调节感测触点的电势的多个专用反馈电路的霍尔板。
图5b示出了包括跨导输入级和电流控制电流源的示例性反馈电路。
图6示出了具有反馈电路配置的霍尔板，其中，反馈电路被配置为在相对供施加触点提供电流，以将反向输出感测触点的电压电势保持在明确定义的值。
图7a示出了具有包括差分反馈电路的反馈电路配置的霍尔板。
图7b示出了示例性差分反馈电路。
图8a至图8b示出了霍尔板反馈电路配置的可选实施方式，包括分别专用于特殊用途的反馈电路。
图9示出了示例性反馈电路配置，其中，使用自适应控制单元来控制反馈电路，以在操作过程中改变一个以上基准电势。
图10示出了示出示例性电流自旋方法的流程图。
图11a至图11d示出了垂直霍尔器件的横截面图，示出了供应到霍尔器件的不同施加触点的电流序列。
图12示出了示出降低霍尔板的零点偏移的方法的流程图。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明，其中，通篇使用相同的参考标号来表示相同的元件，其中，所示出的结构和器件不一定按比例绘制。
发明人已经指出，在集成霍尔效应器件中观察到的零点误差可能与非线性电流-电压特征和接触电阻的组合有关。例如，当电流输入到霍尔板端子中时，电流经历一些非零接触电阻。该接触电阻能够产生自旋电流序列没有去除的零点偏移/误差信号。
于是，本文提供了一种用于从霍尔效应器件测量去除接触电阻的影响的方法和设备。在一个实施方式中，该设备包括具有霍尔板的霍尔效应器件，该霍尔板包括多个施加和感测触点对，其中，各个施加和感测触点对都包括配置为被供给输入信号的施加触点(force contact)和配置为提供指示触点对的电压电势的输出信号的感测触点(sence contact)。通过为输入信号(例如，施加电流)和读出信号(例如，感应电压)使用单独的触点，可以基本上去除接触电阻的影响。例如，使用高阻抗电压测量电路(例如，在感测触点中施加小电流)来测量感测触点的电压允许接触电阻引起的电压降最小化。
在一个实施方式中，施加和感测触点对可以耦合到一个或多个反馈电路，配置为检测接触电阻，并校正这些接触电阻的电压降。特别地，各反馈电路可以配置为从感测触点接收感应值。如果感应值指示关联的施加和感测触点之间的电压降，则反馈电路能够在施加触点提供反馈信号(例如，电流)，以调节感测触点的电压电势，从而在感测触点定义任何所需的电势。可以测量并处理由一个或多个反馈电路生成的反馈信号，以生成具有进一步减小的零点偏移的磁场值。
图2示出了如本文设置的包括多个施加和感测触点对(触点对)的霍尔效应器件200的第一实施方式的俯视图。特别地，每个触点对都包括施加触点/端子202以及分离的不同的感测触点/端子204。一个或多个施加触点202(例如，F1和F3)可以被配置为接收输入信号(即，作为供应端子)，而一个或多个感测触点204(例如，S2和S4)可以被配置为提供输出信号(即，作为输出端子)。因此，使用施加和感测触点允许为提供输入信号和读取输出信号使用分离的触点。还允许在施加触点(例如，F1)注入信号(例如，电流)，以控制关联感测触点(例如，S1)的电压电势。
例如，在霍尔板的典型操作期间，通过将一个或多个信号(例如，电流)注入空间相对的施加触点供应端子(例如，将第一电流注入施加触点F1以及将第二电流注入施加触点F3)，通过位于相对触点对之间的活性区的导电路径，可以生成施加电流，同时能够在一个或多个正交感测触点输出端子间测量指示所施加的磁场的霍尔电压(例如，从感测触点S2和感测触点S4读取电压)。因此，能够为两个施加触点供应端子提供输入信号，而至少一个分离的感测触点输出端子能够提供指示作用于霍尔器件的磁场的输出信号。
此外，与具有为板供应电能量的两个输入端子以及提供输出电压的两个输出端子的现有技术霍尔板相比，霍尔效应器件200的不同的施加和感测触点可以包括与感测触点一样多的输出信号。例如，如图2所示，与供应端子关联的两个感测触点(例如，S1和S3)可以用于测量提供活动霍尔区中的电压电势的输出信号(例如，不依赖于所施加的磁场)，而与输出端子相关联的另外两个感测触点(例如，S2和S4)提供依赖于所施加的磁场的输出信号(例如，霍尔电压)。因此，霍尔效应器件可以提供来自感测触点供应端子和感测触点输出端子的输出信号。
如图2所示，施加和感测触点的大小在不同实施方式中可以改变。在一个实施方式中，感测触点S1-S4可以小于施加触点F1-F4。例如，如图2所示，感测触点S3大小在横向维度上小于施加触点F3的大小(例如，s1＜s2)。使感测触点小于施加触点减小了感测触点对霍尔电压的短路影响，但是增大了见于感测触点之间的内部电阻(例如，其增大了霍尔器件的噪声)。在一个实施方式中，可以将感测触点的大小选择为达到短路效应和内部电阻之间的平衡。
可以在霍尔板上对称地设置施加和感测触点对。例如，在图2示出的一个实施方式中，霍尔板包括具有90°对称性的四个触点对。在这种实施方式中，第二触点对相对于第一触点对以90°空间定向，第三触点对相对于第一触点对以180°空间定向，第四触点对相对于第一触点对以270°空间定向。换句话说，配置为作为供应端子触点对操作的两个相对施加和感测触点对的中心之间的线206垂直于配置为作为输出端子触点对操作的两个相对施加和感测触点对的中心之间的线208。在可选实施方式中，霍尔板可以包括具有120°对称性的三个触点对，或者四个以上的对称触点对(例如，具有60°对称性的六个触点对，具有30°对称性的十二个触点对等)。
图3示出了图2的霍尔板的等效电路图300，示出了见于施加和感测触点的接触电阻。特别地，电路图300将霍尔板的电阻示出为以平衡桥配置排列的六个霍尔板电阻R1-R6。电阻r1-r4表示触点的接触电阻。
通过使用高阻抗测量器件以低电流对感测触点S1-S4进行霍尔电压测量，分离的施加触点F1-F4和感测触点S1-S4的使用允许有效地避免由接触电阻r1-r4引起的电压降。因此，如图3所示，由于在霍尔电压测量期间感测触点S1-S4将看不到接触电阻r1-r4，因此感测触点S1-S4示出为在施加触点F1-F4的“内部”(即，感测触点S1-S4将从本质上避免与霍尔板的每个接触有关的接触电阻)。
因此，虽然施加和感测触点均具有相关的接触电阻，但是针对高阻抗电压测量使用感测触点允许在感应霍尔电压的测量中忽略感测触点电阻(在图3中通过示出施加触点电阻而不是感测触点电阻而示出)。例如，在一个实施方式中，施加的电流可以由电流源302提供到相对施加触点F1和F3，以在霍尔板的活性区中生成施加的电流，这在存在磁场的情况下在正交相对感测触点S2和S4之间引起了电势差。分离的施加和感测触点的使用允许使用高阻抗电压测量电路304在正交相对感测触点S2和S4之间执行电势差的测量，从而减小/去除由接触电阻引起的电压降(例如，因为由于电压表的高阻抗，电流很小，因此根据欧姆定律V＝IR，高阻抗电压测量电路所见的由接触电阻引起的电压很小)。换句话说，因为测量的电流很小，因此感测触点的感应霍尔电压的测量受接触电阻的影响极微小。
图4示出了具有施加和感测触点对的霍尔板400(例如，对应于图2的霍尔板并通过接触S1、F1至S3、F3延伸)的横截面图。将认识到，图4中示出的霍尔板的结构是非限制性实施方式，旨在说明本文提出的发明构思。本领域普通技术人员将认识到，霍尔板横截面的变化将视为包括在本文提出的发明中。例如，在可选实施方式中，霍尔板的横截面可以包括在大p阱中具有小n阱的n型衬底，其中，小n阱是霍尔效应器件，并且结绝缘在小n阱和大p阱之间、大p阱和n衬底之间、或者小n阱和大p阱之间以及大p阱和n衬底之间。
参照图4，霍尔板400包括具有第一掺杂型(例如，轻n掺杂)的阱404，其形成在具有不同于第一掺杂型的第二掺杂型(例如，CMOS中具有1015-1016掺杂/立方厘米的p掺杂区域)的导电衬底402中。在不同实施方式中，一个或多个阱404可以包括衬底、扩散、或外延层的植入。当应用了适当的偏置条件时，阱404和导电衬底402的相反掺杂可引起阱404与导电衬底402的其余部分的结绝缘。结绝缘致使霍尔板中的电非线性。
例如，阱404和导电衬底402可以被偏置，从而导致阱404和导电衬底402之间的结被反向偏置，产生引起了在一个方向不导电的绝缘p-n结的非导电耗尽区/层406(例如，可以向阱施加正电势，同时衬底接地)。非导电耗尽区/层406的大小可以基于在绝缘结间施加的电压大小来改变。例如，随着在绝缘结间施加的反向电压增大，耗尽层406的大小增大，从而在霍尔效应器件中引起电非线性。
施加和感测触点对(例如，F1和S1、F3和S3等)位于阱404中。在一个实施方式中，施加和感测触点可以形成在具有比阱404更高掺杂的高掺杂接触植入区内。活性区408(发生霍尔效应的地方)横向位于施加和感测触点对之间。阱404的厚度通常为4μm，施加和感测触点的深度在1μm至2μm之间。阱404的宽度通常在50μm至100μm之间，施加触点和感测触点之间的间距(例如，F1和S1之间)在1μm至10μm之间，并且感测触点S1和S3之间的间距在20μm至100μm之间。
虽然图4示出了施加触点(例如，F1和F3)和感测触点(例如，S1和S3)形成在同一植入阱中，但是本领域普通技术人员将意识到，霍尔效应器件可以包括多于一个的阱，其中，施加和感测触点可以形成在不同阱中。例如，施加触点(例如，F1和F3)可以比形成在比感测触点(例如，S1和S3)更深的阱内。
在一个实施方式中，施加和感测触点对的施加触点(例如，F1)可以被设置为比触点对的关联感测触点(例如，S1)更靠近霍尔板的周界(即，感测触点更靠近霍尔板的中心，施加触点更靠近其周界)。如图4所示，施加触点F1的边缘和霍尔板的周界之间的距离d1小于感测触点S1的边缘和霍尔板的周界之间的距离d2。施加触点(例如，F1)的这种设置允许在施加触点注入的施加电流流过霍尔板。在另一实施方式中，触点对的施加和感测触点之间的间距d3(例如，F3和S3之间的间距)小于两个相对触点对的感测触点之间的间距d4(例如，S3和S1之间的间距)。
将意识到，虽然图2-4示出了横向霍尔板，但是该横向霍尔板配置是可以应用本发明的霍尔效应器件的非限制性实施方式。本领域普通技术人员将意识到，本文所设置的施加和感测触点对还可以应用于其他霍尔效应器件(例如，垂直霍尔效应器件，其中，如以下在图11a-图11d中示出的，垂直霍尔效应器件排列为感测通常平行于器件表面延伸的磁场。)
在另外的实施方式中，通过使用配置为检测接触电阻并校正这些接触电阻间的电压降的一个或多个高阻抗反馈电路，特定地控制霍尔效应器件的感测触点输出端子的电压电势，可以进一步降低接触电阻对霍尔效应器件的零点偏移的影响。在一个实施方式中，该一个或多个反馈电路耦合到一个或多个施加和感测触点对，并被配置为感测感测触点的电压电势值，并向关联的施加触点提供反馈信号(例如，电流)，其中，反馈信号定义了感测触点的电压电势。反馈信号的测量本质上允许感应霍尔电压的测量，而“看”不到由接触的电阻引起的电压降。
例如，施加触点的电阻使电流流过施加触点，导致定义不明确的电压降。使用感测触点，高阻抗反馈电路能够检测该定义不明确的电压，并提供可将微小电压降添加回来的反馈信号以生成明确定义的电势。例如，为了供给霍尔板2V，可在施加触点F1施加2V电势。然而，由于施加触点的电阻，高阻抗反馈电路可以测量关联感测触点S1的电势为+1.9V(因为，在施加触点的接触电阻损耗了0.1V)。反馈电路可以在对接触电阻负责的施加触点F1提供反馈信号，以便感测触点S1将具有需要的2V电势。
于是，在另外的实施方式中，可以在整个电流自旋周期上测量并处理由一个或多个输出端子反馈电路生成的反馈信号，以进一步去除由使用施加和感测触点对的霍尔效应器件中剩余的接触电阻的残留效应引起的零点偏移电压。图5a-8b示出了可以用于通过积极地控制霍尔效应器件(例如，霍尔板)的各种感测触点的电压电势，进一步去除霍尔效应器件的零点偏移的各种反馈电路配置。具体地，图5a-图8b示出了使能霍尔效应器件的各种操作模式(例如，共模操作、差分操作)的不同配置。
将意识到，图5a-图8b示出了电流自旋周期的单个时钟相位。在完整的电流自旋周期上，所示出的基准电势和/或反馈电路连接可以被循环，从而以360°的旋转改变施加感应电流。例如，图5a示出了第一时钟周期1的基准电势值(例如，U1＝2V，U3＝0.5V)，而在第二时钟周期2，基准电势可以旋转90°(例如，因此，U2＝2V，U4＝0.5V)，在第三时钟周期3，基准电势可以旋转180°(例如，因此U3＝2V，U1＝0.5V)，在第四时钟周期4，基准电势可以旋转270°(例如，因此U4＝2V并且U2＝0.5V)。另外，将意识到，时钟周期的序列(例如，时钟周期1、2、3、4)可以反转为时钟周期4-3-2-1，或者可以改变成时钟周期1-3-2-4，时钟周期1-3-4-2，或者甚至随机重新分配，以消除热电误差。为了更好地抑制零点偏移电压，还可以使用具有不同时钟周期序列的几个霍尔效应器件。
在图5a示出的一个实施方式中，霍尔效应器件500可以包括耦合到霍尔板502的各施加和感测触点对的多个反馈电路504，以用明确定义的值调节感测触点的电压电势(例如，感测触点S1的电势由专用反馈电路FB1控制，感测触点S2的电势由专用反馈电路FB2控制等)。特别地，通过将反馈电路504耦合到施加触点和感测触点对(例如，将高阻抗反馈电路输入节点耦合到一个或多个感测触点并将反馈电路输出节点耦合到一个或多个施加触点)，形成了反馈回路，其向施加触点提供反馈信号(例如，反馈电流In，其中，n＝1、2、3、4)，以将关联感测触点的电压电势保持在明确定义的电压电势值。例如，反馈电路FB1可以被配置为向施加触点F1提供反馈电流I1，以将相关感测触点S1的电压电势保持在明确定义的电压电势。这种反馈电路配置允许控制正交空间相对感测触点输出端子之间的差分电压和/或共模电压。
由于每个触点对都包括不同的施加和感测触点，因此每个感测触点都可以向关联反馈电路提供输出信号。例如，如图5a所示，与供应端子关联的感测触点S1和S2可以被用于测量向关联反馈电路FB1和FB3提供活动霍尔区内的输出电势的输出信号(例如，不依赖于所施加的磁场)。与输出端子相关联的感测触点S2和S4提供依赖于所施加的磁场的信号的输出。
在一个实施方式中，两个反馈电路可以配置为在空间相对的供应端子实现明确定义的电压电势，而另外两个反馈电路可以配置为为正交空间相对输出端子实现基本上相同的明确定义的电压电势。例如，如果基准电势U1和U3被设置为不同值(例如，基准电势U1＝3V，基准电势U3＝0.5V)，则反馈电路FB1和FB3将向施加触点F1和F3分别提供电流I1和I3，以将关联感测触点驱动到使施加电流在霍尔效应器件的活性区中流动(例如，从S1到S3)的不同电压。在没有磁场的情况下，感测触点S4和S2的电压电势在相同电势。然而，在存在磁场的情况下，施加电流产生使感测触点S2和S4的电压电势不同的感应电压。如果在存在磁场的情况下将S2和S4的电压电势控制为相同，则反馈电路FB2和FB4将分别提供反馈电流I2和I4，以实现相同的电压电势。
在一个实施方式中，在整个自旋周期上，处理单元506可以测量施加到正交空间相对输出感测触点的反馈电流(例如，I2和I4)之间的差，以有效地去除由接触电阻引起的残留零点偏移的影响。具体地，提供到空间相对感测触点的反馈电流I2和I4之间的差本质上线性相关(即，其中，线性相关意味着(I4-I2)＝k*B+c，其中，B为磁场，k为常数，c为偏移)，以便能够在全自旋周期上测量并处理(例如，减去)反馈电流I2和I4之间的差，以提供具有减小的零点偏移的磁场测量。
图5b示出了示例性反馈电路508(例如，对应于图5A中的反馈电路FB1)，包括跨导输入级TC1和电流控制电流源CCCS1。跨导输入级TC1包括正非反向输入(+)和负反相输入(-)。跨导输入级TC1被配置为输出与其非反相(+)和反相(-)输入之间的电压成比例的电流ITC。如果非反相输入对反相输入的电压为正，则输出电流ITC为正。如果非反相输入对反相输入的电压为负，则输出电流ITC为负。
跨导级TC1的输出电流ITC被提供到CCCS1，CCCS1向施加触点F1输出反馈电流I1，以将关联感测触点的电压电势驱动到基准电压电势U1(例如，反馈电流I1被提供到F1，以将S1的电压电势驱动为等于U1)。由于I1与电流ITC成比例并且不依赖于电流提供到的接触电阻，因此如果TC1包括大比例因子，则反相输入之间的微小电压差能够向CCCS1提供大输出电流。
因此，在操作期间，如果感测触点(例如，S1)的电压电势低于反馈电路的基准或目标电压电势(例如，U1)，则反馈电路(例如，FB1)将大正电流(例如，I1)注入到霍尔效应器件的施加接触(例如，F1)中，以增大感测触点(例如，S1)的电势，直至其等于基准电压(例如，U1)。类似地，如果感测触点(例如，S1)的电压电势高于反馈电路的基准或目标电压电势(例如，U1)，则反馈电路(例如，FB1)大幅减小其提供到霍尔效应器件的施加触点(例如，F1)的输出电流，从而降低感测触点(例如，S1)的电势，直至其等于基准电压(例如，U1)。
在一个实施方式中，基准电压电势可以被选择为保证反馈电路为施加触点拉(source)电流。例如，如果反馈电路FB1和FB3被配置为分别具有基准电势U1＝2V以及U3＝0.5V，则在零磁场，非线性霍尔板可以在S2和S4具有1.1V的电压电势。零磁场的偏移电压的标准偏差1.3V(例如，7.8mV的六西格玛值)以及S2和S4之间的20mV的最大可测量电压摆动，由于最大施加磁场，提供给S2和S4的电势具有上限1.1V+(7.8mV+20mV/2)＝1.1178V。因此，选择U2＝U4＝1.2V，使CCCS2和CCCS4拉电流。
图6示出了霍尔板反馈电路配置600的可选实施方式，其中，两个反馈电路FB1和FB3耦合到空间相对的施加和感测触点对。反馈电路FB1和FB3被配置为向相对施加触点供应端子拉电流，以将S1的电压电势设置为大于S3的电压电势(例如，U1＝3V，U3＝0.5V)，从而使反馈电路生成在霍尔板的活性区中流动的施加电流。具体地，反馈电路FB1生成提供给施加触点F1的反馈电流I1，以将关联感测触点S1的电压电势保持在第一明确定义值。类似地，反馈电路FB3生成提供给施加触点F3的反馈电流I3，以将关联感测触点S3的电压电势保持在小于第一明确定义值的第二明确定义值。由于没有反馈电路耦合到S2和S4，因此霍尔板可自由地在S2和S4建立一些电压电势。测量元件604被配置为测量S2和S4之间的电压电势。测量的电压可以在完整的自旋周期上由处理单元606处理，以计算具有减小的零点偏移的磁场，其中，处理单元606被配置为由所测量的电压计算磁场值。
因此，在与在霍尔器件的施加触点供应端子和感测触点输出端子均使用反馈电路的图5a的相比之下，图6使用反馈电路来驱动霍尔器件的施加触点供应端子的电流。
图7a示出了霍尔板反馈电路配置700的另一可选实施方式，霍尔板反馈电路配置700包括被配置为以差分运行模式运行的反馈电路。如图7a所示，反馈电路FB1和FB3被耦合到空间相对施加和感测触点对，以在霍尔板的活性区中生成施加电流。差分反馈电路FBDIFF被配置为测量感测触点S2和S4之间的感应电压差。基于测量的电压差，差分反馈电路FBDIFF被配置为生成提供到施加触点F4的差分反馈电流I4，以控制感测触点S2和S4之间的电压差，从而在它们之间形成明确定义的电压电势差。因此，如图7a所示，差分反馈电路FBDIFF被配置为提供与感测触点S2和感测触点S4之间的电压电势差成比例的差分反馈电流I4，以使S2-S4间的电压差等于0V。通过测量在完整的自旋周期上从差分反馈电路FBDIFF输出的差分反馈电流，并处理测量的差分反馈电流，能够计算具有减小的零点偏移的磁场。
图7b示出了示例性差分反馈电路704，其对应于图7a中的差分节点702a和反馈电路702b。如图7b所示，差分反馈电路704可以具有用作简单运算放大器的跨导输入级TCDIFF，从而在差分输入接收到的输入信号INS2和INS4包括感测触点S2和S4的电压电势。跨导输入级TCDIFF将与其差分输入之间的电压成比例的电流ITC输出到电流控制电流源CCCSDIFF，电流控制电流源CCCSDIFF将差分反馈电流I4输出到施加触点F4，以将感测触点S4和S2之间的差分电压驱动到基准值(例如，UDIFF)。
图8a和图8b示出了霍尔效应器件反馈电路配置的另一可选实施方式，其包括分别专用于特殊用途的反馈电路。具体地，图8a和图8b示出了专用拉反馈电路FBSRC、专用灌反馈电路FBSNK、专用共模反馈电路FBCM、以及专用差分反馈电路FBDIFF。专用拉反馈电路FBSRC可以被配置为生成高压反馈信号，该信号将霍尔效应器件的供应端子触点对驱动到高压。专用灌反馈电路FBSNK可以被配置为生成低压反馈信号，该信号驱动低压的相对供应端子触点对。专用共模反馈电路FBCM可以被配置为生成将正交输出端子触点对驱动到中级电压电势(例如，(S2+S4)/2)的反馈信号，而专用差分反馈电路FBDIFF可以被配置为生成将正交输出端子触点对驱动到零差分输出电压的反馈信号。
在这种实施方式中，霍尔效应器件反馈电路配置可以进一步包括开关矩阵802，开关矩阵802被配置为根据时钟周期序列将专用反馈电路连接至触点对，以便每个反馈电路为其专用目的运行。专用反馈电路的使用可以允许反馈电路的专用用途的优化。例如，确定用于将正交感测触点间的电压电势强制为零的电流差的差分反馈电路FBDIFF可以被优化用于低噪声，而可以允许其他三个反馈电路对噪声不敏感。
此外，在操作期间，使用专用反馈电路可以允许系统以两种方式运行：使用差分反馈电路FBDIFF来控制正交感测触点输出端子之间的电压差(例如，设置差分反馈电压＝0V)，或者使用共模反馈电路FBDIFF来控制正交感测触点输出端子的绝对电压(例如，设置共模电压电势＝1.2V)。
例如，如图8a所示，霍尔效应器件反馈电路配置800包括共模反馈电路FBCM，其被配置为接收感测触点S2和S4的电压电势的和。在一个实施方式中，可以在共模反馈电路FBCM中执行该求和。共模反馈电路FBCM用2除电压电势的和，并输出将感测触点S2和S4驱动到电压电势等于(S2+S4)/2(即，设置UCM＝(S2+S4)/2)的电流I2。由于I2可以为正或负，因此共模反馈电路能够产生双极性输出电流(即，能够拉(source)和灌(sink)输出电流)。
差分反馈电路FBDIFF被配置为接收感测触点S2和S4的电压电势差，并将该差与0V比较。在一个实施方式中，该差可以在差分反馈电路FBDIFF(例如，如图7b所示)中计算。然后，差分反馈电路FBDIFF输出将感测触点S2和S4驱动到0V的差分电压电势的电流I4。由于I4可以为正或负，因此差分反馈电路能够产生双极性输出电流(即，能够拉和灌输出电流)。
图8b示出了霍尔效应器件反馈电路配置804的可选实施方式，其中，每个差分反馈电路FBDIFF和共模反馈电路FBCM都包括两个反馈输出FA和FB。共模反馈电路FBCM具有两个反馈输出FA和FB，配置为输出相同的反馈电流。差分反馈电路FBDIFF还具有两个反馈输出FA和FB，配置为输出反相输出(例如，FA＝FB)。因此，如果差分反馈电路FBDIFF在FA拉电流，则其在FB灌相同的电流，反之亦然。
在一个实施方式中，如图9所示，可以使用自适应控制单元902来控制反馈电路，以改变操作期间的基准电势。具体地，自适应控制单元902可以耦合至霍尔效应器件反馈电路配置904(例如，对应于图5a、6、7a、8a、8b中示出的霍尔效应器件反馈电路配置)，并配置为使用一些自适应控制技术控制基准电势Ux(x＝1，...4)。例如，在一个实施方式中，自适应控制单元902能够观察注入到输出触点对(例如，在第一和第三时钟相位注入到触点对2和4中，在第二和第四时钟相位注入到触点对1和3中)中的平均反馈电流。然后，自适应控制单元902能够计算若干个全时钟序列(例如，2或200或20000周期)的时间平均，并能够调节基准电势，直至到进入输出对中的平均反馈电流为0。
图10示出了在包括多个时钟相位(例如，时钟相位1002、1008、1014、和1018)的自旋周期中，具有本文提供的多个施加和感测触点对的霍尔板的示例电流自旋方法的流程图。虽然方法1000以下示出和描述为一系列动作或事件，但是将意识到，所示出的诸如动作或事件的次序不应被解释为限制性的。例如，除了本文示出和/或描述的次序，一些动作可以以不同次序发生和/或与其他动作或事件同时发生。另外，实施本公开的一个或多个方面或实施方式并不需要所有示出的动作。并且，本文描述的一个或多个动作可以以一个或多个分离的动作和/或阶段来执行。
此外，所要求的主题可以实施为方法、装置、或使用标准程序和/或工程技术制造控制计算机实施所公开的主题的软件、固件、硬件、或其任意组合的制品(例如，图5a中示出的电路是可以用于实施方法1000的电路的非限制实例)。这里使用的术语“制品”意在包括可从任何计算机可读器件、载体、或媒体访问的计算机程序。当然，本领域普通技术人员将认识到，在不背离所要求的主题的范围或精神的情况下，可以对该配置作出多种修改。
图11a至图11d示出了垂直霍尔器件1100的示例性横截面图。输入和输出端子包括位于模具(例如，布线在其顶部)表面的接触点F1、S1、...S4、F4，而矩形1102表示轻n掺杂阱。垂直霍尔器件1100具有包括窄长条的几何图形，其中输入和输出端子以交替序列沿单条直线一字排开，因此在两个输出端子之间有输入端子(例如，S2和S3之间的F2)，反之亦然(例如，F1和F2之间的S2)。图11a至图11d示出了在方法1000的多个时钟相位期间施加到垂直霍尔器件的不同施加触点的电流序列，示出了在垂直霍尔器件中使用施加-感测-触点对。
在1004，在第一时钟相位1002期间，将感测触点S1的电压电势设置为大于感测触点S3的电压电势的值，从而产生如图11a所示的从施加触点F1流向施加触点F3的电流。此外，将电流I2和I4提供到施加触点F2和F4，以将感测触点S2的电压电势设置为等于感测触点S4的电压电势。
在1006，在第一时钟相位1002期间，计算施加电流之间的差I4-I2。
在1010，在第二时钟相位1008期间，将感测触点S2的电压电势设置为大于感测触点S4的电压电势的值，从而产生如图11b所示的从施加触点F2流向施加触点F4的电流。此外，将电流I3和I1提供到施加触点F3和F1，以将感测触点S3的电压电势设置为等于感测触点S1的电压电势。
在1012，在第二时钟相位1008期间，计算施加电流之间的差I1-I3。
在1016，在第三时钟相位1014期间，将感测触点S3的电压电势设置为大于感测触点S1的电压电势的值，从而产生如图11c所示的从施加触点F3流向施加触点F1的电流。此外，将电流I4和I2提供到施加触点F4和F2，以将感测触点S4的电压电势设置为等于感测触点S2的电压电势。
在1014，在第三时钟相位1014期间，计算施加电流之间的差I2-I4。
在1022，在第四时钟相位1020期间，将感测触点S4的电压电势设置为大于感测触点S2的电压电势的值，从而产生如图11d所示的从施加触点F4流向施加触点F2的电流。此外，将电流I1和I3提供到施加触点F1和F3，以将感测触点S1的电压电势设置为等于感测触点S3的电压电势。
在1024，在第四时钟相位1020期间，施加电流之间的差I3-I1与接触电阻线性相关。
在1026，将计算的施加电流之间的差相加(例如，(I4-I2)+(I1-I3)+(I2-I4)+(I3-I1))。相加的差与施加的磁场线性相关，并在零磁场基本上消失(即，偏移误差小于1μT)。在一个实施方式中，在时钟相位1002、1008、1014、1020施加的供应电压相等，这意味着，时钟相位1002的S1的电势＝时钟相位1008的S2的电势＝时钟相位1014的S3的电势＝时钟相位1020的S4的电势，并且时钟相位1002的S3的电势＝时钟相位1008的S4的电势＝时钟相位1014的S1的电势＝时钟相位1020的S2的电势。因此，如图10至图11a-11d所示，通过确定霍尔效应器件的不同方向上的反馈电流，具有一个或多个反馈电路的霍尔效应器件可以减小/去除零点偏移，电路能够计算与施加的磁场线性相关并在零磁场基本上消失的信号。
图12示出了用于减小霍尔效应器件的零点偏移误差的示例性方法1200的流程图。
在1202，向分别包括在霍尔效应器件的空间相对施加和感测触点对中的相对施加触点供应端子施加输入信号，以向霍尔效应器件的关联感测触点分配明确定义的电压电势。可以选择明确定义的电压电势，以在位于空间相对施加和感测触点对之间的活性区中生成感应电流。在一个实施方式中，明确定义的电压电势可以被分配为在相对施加和感测触点对不同，使感应电流在霍尔效应器件的活性区中流动。在一个实施方式中，反馈电路被配置为向相对施加触点供应端子施加反馈信号，以在相对施加和感测触点对生成明确定义的电压电势，使感应电流在霍尔效应器件的活性区中流动。
在1204，将一个或多个正交感测触点输出端子的电压电势可选地保持在明确定义的电压电势。在一个实施方式中，一个或多个电流从一个或多个反馈电路输出到正交相对感测触点输出端子，以将相对感测触点的电压电势驱动到单个明确定义的值。
在1206，测量与霍尔效应器件的一个或多个正交感测触点输出端子关联的一个或多个输出信号。与一个或多个正交感测触点输出端子关联的输出信号与施加的磁场成比例。在一个实施方式中，可以从正交触点对的感测触点输出端子直接测量输出信号(例如，如图3所示)。在可选实施方式中，可以从一个或多个反馈电路输出到正交触点对的反馈电流来测量输出信号(例如，如图5a所示)。
线1208指示当在电流自旋周期中使用该方法时，在进行到步骤1210之前，可以重复多次执行步骤1202-1206的方法。例如，在具有包括90°对称性的触点对的霍尔板中，在进行到步骤1210之前，步骤1202-1206将重复四次，而在具有包括60°对称性的触点对的霍尔板中，在进行到步骤1210之前，步骤1202-1206可以重复六次。
在1210，处理所测量的信号，以计算磁场值。在一个实施方式中，所测量的信号可以包括在自旋电流周期中测量的反馈电流。在一个实施方式中，在完整的自旋周期中，可以将计算的施加到相对感测触点输出端子的反馈电流之间的差相加，以获得磁场值。
本文提出的发明主要就横向霍尔板配置(例如，图2、5a、6等中)进行了图示和描述。然而，将意识到，这是可以应用本发明的霍尔效应器件的一个非限制实施方式。本领域普通技术人员将意识到，本文公开的发明可以应用于依赖霍尔效应来检测磁场的霍尔元件的各种物理实施方式。例如，虽然图2-4示出了关于水平霍尔板的施加和感测触点配置，但是施加和感测触点的发明构思可以应用于任何霍尔效应器件(例如，垂直霍尔板)。
虽然本发明已经图示和描述了一个或多个实施方式，但是在不背离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以对所示出的实施方式进行替换和/或修改。特别地，除非另外指明，即使不是结构上等同于执行本文示出的本发明的示例性实施的功能的所公开的结构，关于由上述部件或结构(组件、器件、电路、系统等)执行的各种功能、用于描述这种部件的术语(包括对“是指”的引用)意在对应于执行所述部件的特定功能的任何组件或结构(例如，功能上等同)。另外，虽然本发明的特定特征可能已经只关于若干个实施之一公开，但是，如果任何给定或特定的应用有需求且有利，这种特征可以与其他实施的一个或多个其他特征相结合。此外，就在详细说明和权利要求中使用的术语“包括(including/includes)”、“具有(having/has)”、“带(with)”或其变形，这种术语意在表示与术语“包括(comprising)”类似方式的包括性。

Claims (18)

1.一种霍尔效应器件，包括：
具有第一掺杂类型的导电衬底；
具有与所述第一掺杂类型不同的第二掺杂类型的一个或多个阱，其中，向所述霍尔效应器件应用偏置条件允许形成非导电耗尽区，所述非导电耗尽区在所述阱和所述导电衬底之间引起结绝缘；多个施加和感测触点对，分别包括位于所述一个或多个阱中的不同的施加触点和感测触点，其中，各个施加触点被配置为向所述霍尔效应器件提供电能量，各个感测触点被配置为从所述霍尔效应器件提供输出信号，以及
多个反馈电路，被耦合到所述多个施加和感测触点对，并被配置为通过向施加和感测触点对的所述施加触点提供一个或多个反馈信号来控制所述霍尔效应器件的所述施加和感测触点对的感测触点的电压电势，
其中，对在电流自旋周期中测量的被提供给一个或多个输出端子触点对的施加触点的反馈信号所进行的处理提供了具有基本上零点偏移电压的磁场值。
2.根据权利要求1所述的霍尔效应器件，其中，所述霍尔效应器件具有施加和感测触点对之间的90°对称，以便被配置为作为供应端子运行的两个相对施加和感测触点对的中心之间的线垂直于被配置为作为输出端子运行的一个或多个施加和感测触点对的中心之间的线，所述输出端子提供与所施加的磁场成比例的所述输出信号。
3.根据权利要求1所述的霍尔效应器件，其中，触点对供应端子和触点对输出端子这两者的感测触点被配置为提供与各自感测触点的电压电势成比例的输出信号。
4.根据权利要求1所述的霍尔效应器件，其中，各个施加和感测触点对的所述施加触点被设置为比所述施加和感测触点对的所述感测触点更靠近所述霍尔效应器件的周界。
5.根据权利要求1所述的霍尔效应器件，其中，各个施加和感测触点对的施加触点和感测触点之间的间距小于相对的施加和感测触点对的感测触点之间的间距。
6.根据权利要求1所述的霍尔效应器件，其中，所述霍尔效应器件包括垂直霍尔效应器件，所述垂直霍尔效应器件包括沿单条直线以交替序列排列的输入施加触点和输出感测触点。
7.根据权利要求1所述的霍尔效应器件，进一步包括：
自适应控制单元，被配置为使用自适应控制技术控制与所述霍尔效应器件的各个反馈电路相关的基准电势值，其中，所述霍尔效应器件的各个反馈电路将各个施加和感测触点对的电压电势驱动到所述基准电势。
8.一种霍尔效应器件，包括：
设置在霍尔效应器件上的多个施加和感测触点对，其中，各个施加和感测触点对包括被配置为接收输入信号的施加触点和被配置为提供输出信号的分离的感测触点，
其中，所述多个施加和感测触点对被配置为提供：至少两个供应端子，沿第一轴设置，并被配置为接收所述输入信号；以及至少一个输出端子，沿垂直于所述第一轴的第二轴设置，并被配置为提供指示作用于所述霍尔效应器件的磁场的所述输出信号，
所述霍尔效应器件进一步包括：
一个或多个反馈电路，耦合到所述多个施加和感测触点对中的一个或多个，各个反馈电路被配置为生成控制所耦合的感测触点的电压电势的反馈信号，
其中，所述一个或多个反馈电路包括耦合到一个或多个感测触点的高阻抗反馈电路输入节点和耦合到一个或多个施加触点的反馈电路输出节点。
9.根据权利要求8所述的霍尔效应器件，其中，所述各个反馈电路包括：
跨导输入级，具有：第一输入节点，被配置为接收来自所述一个或多个感测触点的输入信号；第二输入节点，被配置为接收基准信号；以及输出节点，被配置为输出与所述第一和第二输入节点之间的电压差成比例的电流；以及
电流控制电流源，被配置为接收所述输出信号，并基于此生成提供给与所述一个或多个感测触点相关的所述一个或多个施加触点的反馈电流。
10.根据权利要求8所述的霍尔效应器件，其中，所述一个或多个反馈电路包括：
第一和第三反馈电路，分别耦合到空间上相对的第一和第三触点对，所述第一和第三反馈电路被配置为生成在相对的第一和第三感测触点处建立第一和第三电势的第一和第三反馈电流。
11.根据权利要求10所述的霍尔效应器件，其中，所述一个或多个反馈电路进一步包括：
第二和第四反馈电路，分别耦合到空间上相对的第二和第四触点对，所述第二和第四反馈电路被配置为生成在第二和第四感测触点处建立等电压电势的第二和第四反馈电流，
其中，所述第二和第四反馈电流之间的差与作用于所述霍尔效应器件的磁场基本上线性相关。
12.根据权利要求10所述的霍尔效应器件，进一步包括：
差分反馈电路，耦合到空间上相对的第二和第四触点对，所述差分反馈电路具有：输入端，被配置为接收第二和第四感测触点之间的电压电势差；以及输出端，被配置为提供减小所述第二和第四感测触点之间的电势差的差分反馈电流。
13.根据权利要求10所述的霍尔效应器件，进一步包括：
共模反馈电路，耦合到空间上相对的第二和第四触点对，所述共模反馈电路具有输入端，所述输入端被配置为接收第二和第四感测触点处的电压电势的和，并具有输出端，所述输出端被配置为提供将所述第二和第四感测触点之间的电势差驱动为等于所述第二和第四感测触点的所述电压电势的和除以2的共模反馈电流。
14.根据权利要求8所述的器件，其中，所述一个或多个反馈电路包括：
专用拉反馈电路，被配置为生成所述霍尔效应器件的第一感测触点处的第一电压电势；
专用灌反馈电路，被配置为生成与所述第一感测触点在空间上相对的第三感测触点处的第二电压电势，其中，所述第二电压电势小于所述第一电压电势；
差分反馈电路，被配置为在与所述第一和第三感测触点正交的相对的第二和第四感测触点上生成基本为0的电压电势；
共模反馈电路，被配置为在所述第二和第四感测触点上生成共模电压电势，其小于所述第一电压电势并大于所述第二电压电势；以及
开关矩阵，被配置为根据时钟周期序列将所述一个或多个反馈电路连接至所述施加和感测触点对。
15.根据权利要求8所述的霍尔效应器件，进一步包括：
自适应控制单元，被配置为使用自适应控制技术控制与所述一个或多个反馈电路相关的基准电势，其中，所述霍尔效应器件的各个反馈电路将所耦合的施加和感测触点对处的电压电势驱动到相关的基准电势。
16.根据权利要求8所述的器件，其中，包括所述施加触点和分离的感测触点的触点对允许使用高阻抗电压测量电路在包括相对的感测触点的两个输出端子之间执行感应霍尔电压的测量，从而减小接触电阻对所述测量的影响。
17.一种减小霍尔效应器件的零点偏移的方法，包括：
向空间上相对的施加和感测触点对中包括的施加触点供应端子施加输入信号，以在位于所述空间上相对的施加和感测触点对之间的活性区中生成感应电流；
在电流自旋周期中，测量与一个或多个正交的感测触点输出端子相关的、与所施加的磁场成比例的输出信号；以及
处理在所述电流自旋周期中测量的所述输出信号，以计算磁场值。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
提供反馈信号，所述反馈信号将一个或多个正交的感测触点端子处的电势保持在基本上相等的电压电势；
其中，测量所述输出信号包括在所述电流自旋周期中测量所述反馈信号。
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