CN102997942B

CN102997942B - 具有强制传感节点的霍尔传感器

Info

Publication number: CN102997942B
Application number: CN201210345928.4A
Authority: CN
Inventors: 马里奥·莫茨
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2032-09-17
Also published as: US20130069641A1; CN102997942A; DE102012216388A1; US9024629B2

Abstract

本发明实施方式涉及具有强制传感节点的霍尔传感器。在实施方式中，与常规方法相比，强制霍尔传感器能够减小剩余偏移、降低电流消耗以及改善或者完全消除非线性反偏压效应。

Description

具有强制传感节点的霍尔传感器

技术领域

本发明主要涉及霍尔传感器，更具体地讲，涉及用于改善偏移减少(offset reduction)的具有强制传感节点的自旋霍尔传感器。

背景技术

在自旋霍尔传感器中，特别是垂直霍尔传感器，观察到自旋后的不需要的剩余偏移。这种偏移主要是由霍尔板中的非线性压敏电阻器引起的，被称作霍尔板的“结型场效应”或者“反偏压效应(backbias effect)”。

参考图1，应对剩余偏移的常规方式包括霍尔板的90度平行切换(图1A)，在每个自旋相(spinning phase)中施加偏置电压或者电流且差分电压或电流读作输出(图1B)。然而，这种“强制对称”方法只是减少但是不能消除(reject)所述偏移。尽管该情况也涉及在霍尔板本身和/或局部应力效应中存在失配的横向霍尔板，但在不同的自旋相是非对称的竖直的霍尔板尤其如此。

因此，有必要对霍尔传感器进行改进。

发明内容

实施方式涉及强制霍尔传感器。在实施方式中，方法包括将偏置信号施加到霍尔板的第一节点；强制在霍尔板的第二和第三节点的电压电平为固定值；测量分别耦接第二和第三节点的每个第一和第二反馈电路中的差分信号；并且从所述差分信号确定磁场输出信号。

在实施方式中，霍尔传感器包括偏置源；霍尔板，包括至少四个节点，第一节点，耦接到偏置源；第一反馈电路，耦接到第二节点；第二反馈电路，耦接到第三节点；第一源，耦接到第一或第二反馈电路的至少一个，被配置为将所述第二或第三节点的至少一个固定在强制电压(force voltage)；第二源，耦接到第一或第二反馈电路的至少一个，被配置为将所述第二或第三节点的至少一个固定在强制电压；和传感器的磁场信号输出，从每个第一和第二反馈电路中的差分信号确定。

在实施方式中，霍尔传感器包括偏置源；霍尔板，具有耦接偏置源的第一节点；第一反馈电路，耦接霍尔板的第二节点；第二反馈电路，耦接霍尔板的第三节点；至少一个源，被配置为将第二或者第三节点的至少一个固定到强制电压；传感器的磁场信号输出，从每个第一和第二反馈电路中的差分信号确定。

在实施方式中，方法包括在霍尔板中提供偏置电流，该偏置电流通过首先在霍尔板的偏置节点注入电荷载流子；强制霍尔板的至少一个传感节点为固定电压，该强制包括将电荷从至少一个传感节点以外传送到至少一个传感节点，以便通过电荷的传送补偿由第一电荷载流子偏转引起的在至少一个传感节点的电压的影响；并且根据电荷从至少一个传感节点以外传送到至少一个传感节点的至少一个特征确定磁场输出信号。

在实施方式中，霍尔传感器电路包括霍尔板；第一电压源，耦接霍尔板的第一节点，从而提供偏置电压；在霍尔板第二节点和第三节点之间的连接；第二电压源，在第一相(phase，阶段)中耦接到霍尔板的第二节点，并且在第二相中耦接霍尔板的第三节点，从而提供与偏置电压有关的电压；电流表，耦接到所述连接，从而在第一相和第二相中测量第二和第三节点之间的电流，该电流与霍尔传感器电路的磁场输出信号有关。

在实施方式中，霍尔传感器包括霍尔板；偏置源，耦接到霍尔板的第一节点；反馈电路，耦接到霍尔板的第二节点和第三节点；电压源，耦接到反馈电路；第一电源，耦接到反馈电路，并且能选择性地耦接到第二和第三节点的一个或另一个，被配置为在第二或者第三节点注入共模电流(common mode current)；第二电流源，耦接到反馈电路并能选择性地耦接到第三和第二节点的一个或另一个，并且被配置为在第三或者第二节点注入共模电流；电路，能选择性地耦接到第二和第三节点；和输出信号，其与反馈电路的输出和电路的输出的差分信号相关。

在实施方式中，霍尔传感器包括霍尔板，偏置源，被配置为将偏置信号施加到霍尔板的第一节点；第一节点，耦接到霍尔板的第二节点，被配置为强制第二节点为固定值；第二源，耦接到霍尔板的第三节点，被配置为将第三节点强制到固定值；第一反馈电路，能选择性地耦接到霍尔板的第二节点；第二反馈电路，能选择性地耦接到霍尔板的第三节点；磁场信号输出，其与第一反馈电路的第一差分信号和第二反馈电路的第二差分信号相关。

附图说明

参照以下本发明各种实施方式的详细说明及附图，可以更彻底理解本发明，其中：

图1A是根据实施方式的霍尔板的常规90度平行切换的图。

图1B是根据实施方式的霍尔板的常规偏置设置的图。

图2A是根据实施方式的霍尔板电路的图。

图2B是根据实施方式的霍尔板电路的图。

图3是根据实施方式的霍尔板电路的图。

图4是根据实施方式的霍尔板电路的图。

图5A是根据实施方式的霍尔板电路的图。

图5B是根据实施方式的霍尔板电路的图。

图6是根据实施方式的霍尔板电路的图。

尽管本发明可进行各种修改和替换，其详细说明已经通过附图中的实例示出并且将详细描述。然而，应该理解的是，本发明不限于所述的特定实施方式。相反，所有的变形例、等价物和替换例，都属于权利要求限定的本发明的精神和保护范围内。

具体实施方式

实施方式涉及强制自旋霍尔传感器。在实施方式中，当与常规方法相比较时，强制霍尔传感器能够缩减剩余偏移、减少电流消耗以及改善或者完全消除非线性反偏压效应。

参考图2A，示出霍尔板等效电路100的实施方式。在所示的实施方式中，霍尔板电路100包括四个电阻器102、104、106和108，设置在节点或触点的上下方之间和左右方之间。在其他实施方式中，电路100中能够包括其他数目的电阻器。在实施方式中，在霍尔板电路100的每个自旋相施加固定偏置电压Vbias 110。在另一个实施方式中，施加固定偏置电流Ibias，其中在全部自旋相中电流相同的背景中使用固定值，但是能够被调整或者控制，以便补偿温度或者技术变化。在另一个实施方式中，也能够使用每个自旋相的两个部分相。

另外，固定电压112和114被施加在霍尔板100的传感节点。在一个实施方式中，固定电压112、114各自约为Vbias或者Vbias/2的一半。在其他实施方式中，固定电压112、114是其它的固定电压。在另一个实施方式中，霍尔板电路100的传感节点被强制为共模电压，例如Vbias/2或者其它固定电压，在如上所述的背景中再次固定，其中所述电压在全部自旋相中被调整或者控制到相同水平。例如，在一个实施方式中，固定电压被调整到来自先前的四个自旋相的共模电压的均值。

尽管在传感节点固定电压(或者电流)刚开始看起来是违反直觉的，但是在该输出的反馈电路能够提供能够测量的电压降或者数字值，并且该电压降被转变为磁场传感器输出。下面将更详细地描述并讨论这些及其他实施方式。

在操作中，并且也参考图3，偏置电压Vbias如图所示被施加于偏置节点，下方的偏置节点接地。在传感节点的差分电压通常源于在传感节点的磁场，共模电压也源于等价霍尔板电路100的电阻分压器。这个共模电压不是完全等于Vbias/2，因为反偏压将电阻器调制到不同程度。例如，该上方的电阻器102和104能看到更多与衬底电压有关的电压，其通常是接地的。因此，J-FET或者反偏压效应导致，其依次使得上方的电阻器102和104比下方的电阻器106和108电阻性更高。使得共模电压或者接地的传感节点的平均值变得略微小于Vbias/2。

反偏压效应具有线性和非线性系数这二者。在霍尔板电路100的每个自旋相中，电阻器102至108出现不同节点电压并且以非线性方式变化。将电阻器102至108的电阻器桥梁不可避免的失配乘以这些非线性相关性，产生自旋后的剩余偏移。

同时在每个自旋相中，在反馈电路120和122的放大器116和118的输出能够分别实现斩波电流电压转换。在实施方式中，反馈电路120、122调整传感节点到例如Vbias/2，因为在放大器116和118的输入之间出现虚零电压(virtual zero-voltage)。因此，在传感节点消除差分电压(通常是信号电压)，并且该传感节点在该实施方式中被强制为Vbias/2。

然而，在该输出节点初始差分电压被转换为差分电流，因为这些节点现在是虚差分短路：

Idiff_out＝Vdiff_out/Rdiff

其中，Rdiff是在传感节点之间的霍尔板100的内电阻。因此，差分电流只能够流过反馈电阻器124和126，产生能够跨可测量的电阻器124和126的差分电压降。忽略所得电压的共模值(common mode value)，该差分电压提供指示磁场传感器输出的补偿的输出信号。

在实施方式中，任何时候都只使用一个强制电压112、114。另外，能够通过在每个自旋相中各自与相反的传感节点互换，实质上将四相自旋系统翻倍为八相自旋系统，消除放大器116和118的偏移。因此，电路100也包括用于耦接和去耦的开关128和130，从而完成这个互换。

参考图2B，在另一个实施方式中，也能够使用每个自旋相的两个部分相。在图2B的实施方式中，霍尔板等效电路100的第一传感节点由电源112强制为固定电压，例如Vbias/2，其中电源110是Vbias。例如通过电流表111在第一节点和第二传感节点之间形成短路。所述短路使第二节点强制为固定电压，在这个实施方式中是Vbias/2。然后短路中的电流能够在如图所示的相1和2的两个相中测量，以便确定差分输出信号。

在另一个实施方式以及参考图4中，固定电压112、114被强制为共模电压，或者被强制为接地的传感节点的平均值。在实施方式中，通过在电路100的两侧电流注入相同的电流至传感节点，该固定电压可以是Vbias/2或者任何其他固定电压。在实施方式中，电流源132和134之间的失配能够通过斩波每个自旋相或者随后的自旋相中的电流减少或去除。

在图4的实施方式中，反馈电路120和122包括数模转换器(DAC)和追踪逻辑块以及比较器块136和138。追踪逻辑块136和138还能够包括一个或更多动态追踪、逐次逼近、Σ-△调制技术和/或其他逻辑，从而在一个实施方式中在其他可能任务中追踪磁性输入信号。电路120和122将传感节点强制为Vbias/2或者其他实施方式中的其他强制电压，因为调整回路试图在比较器116、118的输入之间达到虚零电压。在设立反馈回路之后，区136、138的DAC含有能够被忽略的共模信号和斩波(chop)之后的补偿输出信号。

在实施方式中，能够在一个自旋相或者连续的自旋相之间完成DAC和比较器116、118的斩波。同时，DAC能够与共模DAC和差分DAC互换。

图5A中示出另一个实施方式，其中电路100包括用于电流到电压转换的差分反馈电路和具有斩波DAC的共模调整。在电路100的左侧(如页面上所示)，共模调整回路120在共模调整放大器116的双负输入(double negative input，双负输入端)提供传感节点的平均值。回路120将两个大体上相等的电流注入霍尔板的传感节点，因此能够改变在传感节点的共模电压。在这个实施方式中，在设置的调整模式中，放大器116的正输入(positive input，正输入端)与双负输入之间的虚零电压将共模电压强制为Vbias/2或者其它固定电压。包括需要补偿霍尔信号的差分电流由电路100右侧的差分电流电压转换器122转换为差分电压。

例如，在图5B所示的另一个实施方式中，电路100包括斩波仪器用放大器，其用于放大差分电压和具有斩波调整电流源或者电流导引DAC的共模调整。类似于图5A，图5B的电路100以同样方式调整共模电压。然而，在图5B中，用差分输出电压代替差分输出电流，能够用斩波仪器用放大器118测量并放大，该放大器在其输入时是高度电阻性的。

在图6中，示出电路100的实施方式包括用于电流到电压转换的差分反馈电路和用于传感节点偏置电压的缓慢共模调整。缓慢的调整或者比自旋相更慢调整能够避免产生纹波(ripple)共模电流。这种电流能够经由不同的接触电阻产生不需要的差分电压。在图6中，缓慢偏置调整块(slow bias regulation block)136的反馈DAC提供传感节点的共模移位，从而使传感节点强制为Vbias/2或者其它的固定电压或者缓慢稳定电压。斩波差分电流电压转换器包括补偿差分输出信号。

由此，实施方式与常规方法存在着区别，并对常规方法进行了改进。例如，在实施方式中，在放大器的输入调整共模电压，该放大器耦接电阻性传感器桥梁的差分输出节点。这不同于常规方法，常规方法是在放大器的中间或者输出节点调整共模电压。其他优点包括缩减剩余偏移、降低电流消耗(因为不需要霍尔探针的平行开关)，并且改进或完全消除非线性反偏压效应。

已在本文中描述了系统、器件和方法的各种不同的实施方式。这些实施方式仅以示例的形式给出，并不用于限制本发明的范围。此外，应理解的是，所描述的实施方式的各种特征可以各种方式组合以产生很多其他的实施方式。此外，虽然已经描述用于所公开的实施方式的各种材料、尺寸、形状、配置和位置等，但是除了这些已公开的外，在不超出本发明的范围的情况下，也可以采用其它材料、尺寸、形状、配置和位置等。

相关技术领域的普通技术人员能理解，本发明可包括比上述的任何单独实施方式中示例性说明的特征更少的特征。本文所描述的实施方式不意味着是本发明的各种特征可结合的方式的穷尽呈现。因此，实施方式不是特征的排他性组合；相反，本发明可包括选自不同单个实施方式的不同的单个特征的组合，如本技术领域的普通技术人员所理解的那样。

任何通过引用上述文件的结合被限制为与本文清楚公开的内容相矛盾的主题被排除在外。任何通过引用上述文件的结合进一步限制为包括在这些文件中权利要求并不通过引用方式而结合到本文。任何通过引用上述文件的结合进一步限制为在这些文件中的定义并不通过引用方式而结合到本文，除非已清楚地包括在本文中。

Claims

1.一种霍尔传感方法，包括：

将偏置信号施加到霍尔板的第一节点；

强制在所述霍尔板的第二和第三节点的电压电平为固定值；

测量分别耦接到所述第二和第三节点的各个第一和第二反馈电路中的差分信号；和

由所述差分信号确定磁场输出信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，施加偏置信号包括施加偏置电压。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，强制电压电平包括施加约等于所述偏置电压的一半的电压。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，施加偏置信号包括施加偏置电流。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，强制电压电平包括施加偏置电流，从而将所述第二和第三节点强制为约等于所述偏置电压信号的一半的电压。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，测量差分信号包括测量差分电压、差分电流或差分数字值中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，确定磁场输出信号包括忽略所述差分信号的共模值。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以自旋模式操作所述霍尔板。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二反馈电路包括单个差分反馈电路。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，测量差分信号进一步包括测量跨耦接至运算放大器的反馈电阻器的电压降，其中所述第一和第二反馈电路都包括反馈电阻器和运算放大器。

11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过切换来选择性交换所述第一和第二反馈电路与所述第二和第三节点的耦接。

12.一种霍尔传感器，包括：

偏置源；

霍尔板，包括至少四个节点，所述节点中的第一节点耦接到所述偏置源；

第一反馈电路，耦接到所述节点中的第二节点；

第二反馈电路，耦接到所述节点中的第三节点；

第一源，耦接到所述第一或第二反馈电路中的至少一个，并被配置为将所述第二或第三节点中的至少一个固定在强制电压；

第二源，耦接到所述第一或第二反馈电路中的至少一个，并被配置为将所述第二或第三节点中的至少一个固定在所述强制电压；和

所述传感器的磁场信号输出，由各个所述第一和第二反馈电路中的差分信号确定。

13.根据权利要求12所述的霍尔传感器，其中，所述偏置源是电压源。

14.根据权利要求13所述的霍尔传感器，其中，所述强制电压大约等于所述电压源的电压的一半。

15.根据权利要求12所述的霍尔传感器，其中，所述偏置源是电流源。

16.根据权利要求12所述的霍尔传感器，进一步包括第一和第二开关，各自耦接到所述第二和第三节点中的一个并被配置为选择性交换所述第一和第二反馈电路与所述第二和第三节点的耦接。

17.根据权利要求12所述的霍尔传感器，其中，所述第一和第二反馈电路都包括反馈电阻器或数模转换器电路中的至少一个和放大器。

18.根据权利要求17所述的霍尔传感器，其中，所述第一和第二反馈电路都包括放大器，并且其中各个所述第一和第二源耦接到所述放大器中的一个的正输入。

19.根据权利要求12所述的霍尔传感器，其中，所述第一和第二源都包括电压源。

20.根据权利要求19所述的霍尔传感器，其中，所述第一和第二源包括共同电压源。

21.根据权利要求12所述的霍尔传感器，其中，所述第一和第二源都包括电流源。

22.根据权利要求12所述的霍尔传感器，其中，所述霍尔传感器包括自旋霍尔传感器。

23.根据权利要求12所述的霍尔传感器，其中，根据所述霍尔传感器的至少一个先前的自旋相的共模电压调整所述强制电压。

24.根据权利要求12所述的霍尔传感器，其中，根据固定电压调整所述强制电压。

25.根据权利要求12所述的霍尔传感器，其中，根据温度参数或机械应力测量中的至少一种调整所述强制电压。

26.一种霍尔传感器，包括：

偏置源；

霍尔板，具有耦接到所述偏置源的第一节点；

第一反馈电路，耦接到所述霍尔板的第二节点；

第二反馈电路，耦接到所述霍尔板的第三节点；

至少一个源，被配置为将所述第二或第三节点中的至少一个固定在强制电压；

所述传感器的磁场信号输出，从各个所述第一和第二反馈电路的差分信号确定。

27.根据权利要求26所述的霍尔传感器，其中所述至少一个源包括电压源，所述电压源耦接到所述第一或第二反馈电路的至少一个的放大器的输入。

28.根据权利要求27所述的霍尔传感器，进一步包括第二源，其包括电压源，所述电压源耦接到所述第一或第二反馈电路中的另一个的放大器的输入。

29.根据权利要求26所述的霍尔传感器，进一步包括多个源，所述多个源中的至少一个包括电流源。

30.根据权利要求26所述的霍尔传感器，进一步包括耦接到所述第一或第二反馈电路中的至少一个的逻辑电路，并且被配置为调整所述霍尔传感器的共模电压。

31.根据权利要求26所述的霍尔传感器，其中，所述差分信号包括电压、电流或数字值中的至少一个。

32.根据权利要求26所述的霍尔传感器，进一步包括被配置为强制在所述第二和第三节点的共模电压为所述强制电压的共模反馈电路，其中所述第一和第二反馈电路包括被配置为调节霍尔信号的差分反馈电路。

33.一种霍尔传感方法，包括：

在霍尔板中提供偏置电流，所述偏置电流通过在所述霍尔板的偏置节点注入第一电荷载流子而生成；

强制所述霍尔板的至少一个传感节点为固定电压，所述强制包括将电荷从所述至少一个传感节点的外部传送到所述至少一个传感节点，使得由第一电荷载流子偏转引起的对在所述至少一个传感节点的电压的影响通过所述电荷的传送来补偿；和

基于从所述至少一个传感节点的外部到所述至少一个传感节点的电荷传送的至少一个特征，确定磁场输出信号。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述至少一个特征包括差分电压、差分电流或数字信号值中的至少一个。

35.一种霍尔传感器电路，包括：

霍尔板；

第一电压源，耦接到所述霍尔板的第一节点以提供偏置电压；

连接部，在所述霍尔板的第二节点和第三节点之间；

第二电压源，在第一相中耦接到所述霍尔板的所述第二节点，在第二相中耦接到所述霍尔板的第三节点，从而提供与所述偏置电压相关的电压；和

电流表，耦接到所述连接部以测量所述第一相和所述第二相中的所述第二和第三节点之间的电流，所述电流与所述霍尔传感器电路的磁场输出信号相关。

36.根据权利要求35所述的霍尔传感器电路，其中，所述连接部包括短路连接部。

37.根据权利要求35所述的霍尔传感器电路，其中，与所述偏置电压相关的电压大约是所述偏置电压的一半。

38.根据权利要求35所述的霍尔传感器电路，其中与所述偏置电压相关的电压根据所述霍尔传感器电路的先前测量的共模电压的平均值调整。

39.根据权利要求35所述的霍尔传感器电路，其中，所述电流表包括被配置为测量差分信号电流的差分反馈电路。

40.一种霍尔传感器，包括：

霍尔板；

偏置源，耦接到所述霍尔板的第一节点；

反馈电路，耦接到所述霍尔板的第二节点和第三节点；

电压源，耦接到所述反馈电路；

第一电流源，耦接到所述反馈电路并能选择性地耦接到所述第二和第三节点中的一个或另一个，并且被配置为在所述第二或第三节点注入共模电流；

第二电流源，耦接到所述反馈电路并能选择性地耦接到所述第三和第二节点中的一个或另一个，并且被配置为在所述第三或第二节点注入共模电流；

电路，能选择性地耦接到所述第二和第三节点；和

输出信号，与在所述反馈电路的输出和所述电路的输出的差分信号相关。

41.根据权利要求40所述的霍尔传感器，其中，能选择性地耦接到所述第二和第三节点的所述电路包括放大器或模数转换器(ADC)中的至少一个。

42.一种霍尔传感器，包括：

霍尔板；

偏置源，被配置为将偏置信号施加到所述霍尔板的第一节点；

第一源，耦接到所述霍尔板的第二节点，并被配置为强制所述第二节点为固定值；

第二源，耦接到所述霍尔板的第三节点，并被配置为强制所述第三节点为所述固定值；

第一反馈电路，能选择性地耦接到所述第二节点；

第二反馈电路，能选择性地耦接到所述第三节点；和

磁场输出信号，与所述第一反馈电路的第一差分信号和所述第二反馈电路的第二差分信号相关。

43.根据权利要求42所述的霍尔传感器，其中，所述第一反馈电路能选择性地耦接到所述第三节点，并且所述第二反馈电路能选择性地耦接到所述第二节点。

44.根据权利要求42所述的霍尔传感器，其中，所述固定值大约是所述偏置信号的一半。

45.根据权利要求42所述的霍尔传感器，其中，所述偏置信号和所述固定值都包括电压、电流或数字信号这三者之一。

46.根据权利要求42所述的霍尔传感器，其中，所述第一和第二差分信号包括电压、电流或数字值这三者之一。

47.根据权利要求42所述的霍尔传感器，其中，所述第一和第二反馈电路都包括放大器和电阻器，并且其中跨各自的电阻器测量所述第一和第二差分信号。

48.根据权利要求42所述的霍尔传感器，其中，所述固定值通过温度测量或机械应力测量中的至少一种调整。