CN102881818A

CN102881818A - 霍尔传感器

Info

Publication number: CN102881818A
Application number: CN2012102439847A
Authority: CN
Inventors: R·拉茨; T·考夫曼; P·吕特尔; O·保罗
Original assignee: MEIKENAS CO; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Tdk- Maikenasi LLC; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: US9097753B2; JP2013024871A; US20130015853A1; EP2546670B1; EP2546670A3; DE102011107767A1; EP2546670A2; JP5430038B2; CN102881818B

Abstract

霍尔传感器，具有：一个具有第一连接端子、具有第二连接端子及具有第三连接端子的第一霍尔元件，一个具有第四连接端子、具有第五连接端子及具有第六连接端子的第二霍尔元件，一个具有第七连接端子、具有第八连接端子及具有第九连接端子的第三霍尔元件，一个具有第十连接端子、具有第十一连接端子及具有第十二连接端子的第四霍尔元件，其中，这四个霍尔元件中的每一个具有至少两个围绕一中间连接端子布置的连接端子，所述围绕中间连接端子布置的连接端子与后面的霍尔元件的围绕中间连接端子布置的连接端子相连接，使得第一霍尔元件和第二霍尔元件和第三霍尔元件和第四霍尔元件串联连接。

Description

霍尔传感器

技术领域

本发明涉及一种霍尔传感器。

背景技术

由DE 101 50 955 C1公开了一种霍尔传感器。该霍尔传感器具有多个垂直的、分别具有五个连接端子的霍尔元件。在此，这些直到四个霍尔元件彼此平行地构造并且这些连接端子借助循环的交换彼此连接，以便与各个单独的霍尔元件的偏移电压相比减小该霍尔传感器的偏移电压。附加地，偏移电压可借助所谓“旋转电流法（Spinning-Current-Methode）”被进一步减小。值得期望的是，改进霍尔传感器的复杂布置、偏移和功率损耗。

发明内容

在此背景下，本发明的任务在于，提供一种装置，该装置改进现有技术。

该任务通过具有本发明特征的霍尔传感器解决。本发明有利的构型是从属权利要求的技术方案。

根据本发明技术方案，提供一种霍尔传感器，其具有：一个具有第一连接端子、具有第二连接端子及具有第三连接端子的第一霍尔元件，一个具有第四连接端子、具有第五连接端子及具有第六连接端子的第二霍尔元件，一个具有第七连接端子、具有第八连接端子及具有第九连接端子的第三霍尔元件，一个具有第十连接端子、具有第十一连接端子及具有第十二连接端子的第四霍尔元件，其中，该第一霍尔元件、第二霍尔元件、第三霍尔元件和第四霍尔元件串联地连接。可见，该霍尔传感器由四个彼此串联连接的霍尔元件构成。在此，四个霍尔元件中的每一个具有一个中间连接端子和至少两个围绕该中间连接端子布置的连接端子。一个霍尔元件的围绕中间连接端子布置的连接端子与下一个霍尔元件的围绕中间连接端子布置的连接端子相连接。在此优选的是，借助该连接产生一个闭合的环，也就是说串联中最后的霍尔元件与串联中的第一霍尔元件相连接。由此，所构成的霍尔传感器具有四个连接端子，其中，这四个连接端子由各个霍尔元件的四个中间连接端子构成。

本发明装置的优点是，通过四个单个的、各具有三个端子的霍尔元件的根据本发明的连接，可减小霍尔传感器的偏移电压。为此，四个霍尔元件的串联连接优选按照所谓“旋转电流”法在四种不同模式中运行并且将各个模式的偏移电压相加为一个总偏移电压。申请人的研究显示，该总偏移电压明显小于具有五个端子、以“旋转电流”法运行的一个单个垂直霍尔元件的偏移电压，意想不到地几乎为零。由于偏移电压已经几乎为零，多个霍尔传感器的费事的并联连接成为多余。

该新的传感器方案的优点在于，在所有四个模式中，在各个霍尔元件中的控制电流分布得到相同的组合。在一个具有五个端子的单个霍尔元件的情况下，各个模式之间的控制电流分布是不同的。研究显示，也可使用分别具有例如五个端子的霍尔元件来根据本发明串联连接。在此优选，分别使用位于内部的三个端子。此外，也可将具有4个端子、具有6个端子或相应地多于6个端子的霍尔元件根据本发明串联连接来接线。

另一优点是，在四个霍尔元件串联连接时接触电阻及连接阻抗可对称地分布并且在所有模式中几乎相同大。由此，各个模式的偏移电压极近似反向等大小。

当然，用于产生霍尔电压的霍尔传感器的所述四个霍尔元件具有一个被电流流过的面，其中，该面的法向矢量构造得平行于穿过该面的磁场的待测量的分量的方向。此外，偏移电压优选在磁场不存在的情况下测量。这种测量循环也被称为校准。

在又一实施方式中，第二连接端子和第五连接端子和第八连接端子及第十一连接端子分别构造为供电电压接头或构造为霍尔电压引出头。在此，待测量的霍尔电压的符号取决于电流的方向和施加的磁场方向和在其中构造有霍尔元件的半导体区域的掺杂。为了构造串联连接，在另一个实施方式中，第一连接端子与第十二连接端子相连接。在再一个实施方式中，第三连接端子与第四连接端子连接并且第六连接端子与第七连接端子连接以及第九连接端子与第十连接端子连接。为了表示出来，在表1中列出了用于运行霍尔传感器的四种模式，也就是说，模式1至模式4。在此，标题C1至C4分别表示各个霍尔元件的中间端子，以及VB1，VB2表示两个运行电压，VH1和VH2表示两个测量电压，其中，两个测量电压的差也被称为霍尔电压。

表1：

	C1	C2	C3	C4
					模式1(M1)	VB1	VH1	VB2	VH2
模式2(M2)	VB2	VH2	VB1	VH1
					模式3(M3)	VH2	VB1	VH1	VB2
模式4(M4)	VH1	VB2	VH2	VB1

在一个优选实施方式中，对于第一霍尔元件直到（包括）第四霍尔元件，每三个连接端子设置在一条直线上并且这些直线优选彼此平行地设置，也就是说，这些霍尔元件彼此平行地布置。根据一个扩展构型，第一霍尔元件直到（包括）第四霍尔元件的连接端子布置在一条公共的直线上。尤其优选的是，第一霍尔元件直到（包括）第四霍尔元件分别构造为垂直的霍尔元件。可见，优选的是，用于将各个霍尔元件彼此连接的印制导线阻抗尽可能选择得相同大。

申请人的研究显示，符合目的的是，第一霍尔元件、第二霍尔元件、第三霍尔元件和第四霍尔元件布置在一个半导体基体上并且在该半导体基体上构造有一个集成电路。由此能够将一个构造为该集成电路一部分并与该霍尔传感器作用连接的控制电路和一个求值分析电路单片地集成。要注意，对于概念“作用连接”还理解为集成电路与霍尔传感器之间的电连接。此外优选，将第一霍尔元件、第二霍尔元件、第三霍尔元件和第四霍尔元件与该集成电路布置在一个唯一的公共壳体中并且优选彼此电连接。

附图说明

本发明在下面结合附图被详细说明。在此，相同类型的部件被标记相同的符号。示出的实施方式是很示意性的，也就是说，距离和横向尺寸及垂直尺寸不是按照比例的，并且，只要没有其它说明，它们相互也不具有可推导出的几何比例关系。图中示出了：

图1一个霍尔传感器的四个霍尔元件根据本发明的串联连接的实施方式的示意图，

图2图1的一个单个霍尔元件的实施方式的横截面示意图，

图3a图1的四个霍尔元件的第一种几何布置可能性，

图3b图1的四个霍尔元件的第二种几何布置可能性，

图4n-掺杂的霍尔传感器在四种模式中的、偏移电压与施加的供电电压之间的关系的示意图。

具体实施方式

图1的图像示出了霍尔传感器10的根据本发明的串联连接的实施方式的示意图，该霍尔传感器具有：一个优选垂直构造的第一霍尔元件20，它具有第一连接端子23、第二连接端子26和第三连接端子29；一个优选垂直构造的第二霍尔元件30，它具有第四连接端子33、第五连接端子36和第六连接端子39；一个优选垂直构造的第三霍尔元件40，它具有第七连接端子43、第八连接端子46和第九连接端子49；以及一个优选垂直构造的第四霍尔元件50，它具有第十连接端子53、第十一连接端子56和第十二连接端子59。此外，第一连接端子23与第十二连接端子59连接。视模式而定，根据表1的设置，带有第一连接点C1的第二连接端子26和带有第二连接点C2的第五连接端子36、带有第三连接点C3的第八连接端子46以及带有第四连接点C4的第十一连接端子56分别构造为供电电压接头或构造为霍尔电压引出头。视模式而定，在第一到第四连接点上施加一供电电压VB1或一与该供电电压不同的参考电位VB2或测量一霍尔电压VH1或霍尔电压VH2。

在图2中以图1的第一霍尔元件20为例的示出一个单个霍尔元件的实施方式的横截面示意图。下面仅说明与图1中描绘的实施方式的差别。在第一连接端子23到第三连接端子29的紧下方构造有一高掺杂的n型接触区100，以使各个连接端子23至29低电阻地连接到一低掺杂的n型凹槽区110。该n型凹槽区110构造在一半导体基体120中。在各个n型接触区之间各构造有一个绝缘区130，它优选由氧化物或高掺杂的P⁺-扩散构成。该半导体基体120优选构造为P型衬底。优选地，该n型凹槽区具有磷掺杂并且该n型接触区优选具有比n型凹槽区更高的磷掺杂。相反，p衬底具有硼掺杂。

根据图2中示出的实施方式，待测量的磁场的方向指向z方向，也就是说，指入或指出附图平面，而第一霍尔元件20构造在x-y平面中。

在图3a的描绘中示出了图1的四个霍尔元件的第一种几何上布置可能性。下面仅说明与图1中描绘的实施方式相比的不同之处。对于第一霍尔元件20直到第四霍尔元件50，每三个连接端子被设置在一条直线（未绘出）上，其中，各条直线基本上彼此平行地设置。

在图3b的描绘中示出了图1的四个霍尔元件的第二种几何布置可能性。下面仅说明与图1中描绘的实施方式相比的不同之处。据此，第一霍尔元件直到第四霍尔元件的所有连接端子被设置在一条公共的直线（未绘出）上。

在图4的描绘中示出，无磁场影响的偏移电压VOFF=VH1-VH2与对于n型掺杂的霍尔传感器施加的供电电压VB=VB1-VB2之间的关系的示意图。要注意，有利的是，在所谓校准阶段期间在不存在磁场的情况下确定该偏移电压。根据一种替换的做法，该偏移电压可借助所谓“旋转电流”法很大程度上不依赖于磁场地被消除。由此，生成的测量信号、也就是霍尔电压已经很大程度上、优选完全不含有偏移电压。已经表明，测量到的偏移电压VOFF在第一模式M1或第二模式M2或第三模式M3或第四模式M4中是正或负的，并且，在将各个模式的偏移电压相加后，用求平均值算出的总偏移电压GOFF（用三角形符号示出）几乎构成一条斜度为零的直线。

Claims

1.霍尔传感器（10），具有：

一个具有第一连接端子（23）、具有第二连接端子（26）及具有第三连接端子（29）的第一霍尔元件（20），

一个具有第四连接端子（33）、具有第五连接端子（36）及具有第六连接端子（39）的第二霍尔元件（30），

一个具有第七连接端子（43）、具有第八连接端子（46）及具有第九连接端子（49）的第三霍尔元件（40），

一个具有第十连接端子（53）、具有第十一连接端子（56）及具有第十二连接端子（59）的第四霍尔元件（50），

其特征在于，

这四个霍尔元件中的每一个具有至少两个围绕一中间连接端子布置的连接端子，所述围绕中间连接端子布置的连接端子与后面的霍尔元件的围绕中间连接端子布置的连接端子相连接，使得

第一霍尔元件（20）和第二霍尔元件（30）和第三霍尔元件（40）和第四霍尔元件（50）串联地连接。

2.根据权利要求1所述的霍尔传感器（10），其特征在于，第二连接端子（26）和第五连接端子（36）和第八连接端子（46）和第十一连接端子（56）分别构造为供电电压接头或构造为霍尔电压引出头。

3.根据权利要求1或2所述的霍尔传感器（10），其特征在于，第一连接端子（23）与第十二连接端子（59）相连接。

4.根据以上权利要求中任一项所述的霍尔传感器（10），其特征在于，第三连接端子（29）与第四连接端子（33）、第六连接端子（39）与第七连接端子（43）并且第九连接端子（49）与第十连接端子（53）连接。

5.根据以上权利要求中任一项所述的霍尔传感器（10），其特征在于，对于第一霍尔元件（20）至第四霍尔元件（50），每三个连接端子布置在一条直线上并且这些直线优选彼此平行地设置。

6.根据以上权利要求中任一项所述的霍尔传感器（10），其特征在于，第一霍尔元件（20）至第四霍尔元件（50）的连接端子布置在一条公共的直线上。

7.根据以上权利要求中任一项所述的霍尔传感器（10），其特征在于，第一霍尔元件（20）至第四霍尔元件（50）在一个半导体基体（120）中分别构造为垂直的霍尔元件。

8.根据权利要求7所述的霍尔传感器（10），其特征在于，在该半导体基体（120）上构造有一个集成电路。

9.根据权利要求8所述的霍尔传感器（10），其特征在于，第一霍尔元件（20）和第二霍尔元件（30）和第三霍尔元件（40）和第四霍尔元件（50）以及该集成电路电连接并且被设置在一个唯一的公共壳体中。