CN103576102A

CN103576102A - 霍尔传感器和感测方法

Info

Publication number: CN103576102A
Application number: CN201310319841.4A
Authority: CN
Inventors: U.奥塞勒奇纳
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-07-26
Also published as: US9018948B2; DE102013022432B4; CN103576102B; DE102013108050A1; DE102013108050B4; US20140028304A1

Abstract

霍尔传感器和感测方法。实施例涉及降低或消除偏移误差的多触点传感器装置和其操作方法。传感器装置可包括三个或更多个触点，并且多个这种传感器装置可被组合。传感器装置可包括霍尔传感器装置，或其它传感器类型。可实现用于多触点传感器装置的操作模式，其对传统的自旋电流原理提供了重要修改和改进，包括降低的残留偏移。在此处被称作Iu偏置的第一个这种操作模式中，传感器在全部操作阶段中被提供有相同的输入电流，并且所有操作周期的输出电压被感测和处理。在此处被称作Ui强制的另一操作模式中，传感器装置在全部操作阶段中被提供有相同的输入电压，感测端子被箝位（或者强制）到恒定电势，并且流入或者流出感测端子的电流被感测和处理。

Description

霍尔传感器和感测方法

技术领域

本发明一般地涉及传感器并且更具体地涉及在霍尔传感器装置中的偏移抵消。

背景技术

磁场传感器，例如霍尔传感器，对磁场敏感，但是可能会遭受偏移误差。偏移误差是在缺少某输入量时存在输出信号。在与霍尔传感器相关的实例中，当实际上不存在磁场时，偏移误差将是表示输入磁场的输出信号。

偏移误差可与不同原因相关联，其中两个是原始偏移误差和残留偏移误差。原始偏移误差可以指代存在于特定操作阶段中的偏移误差。残留偏移误差可以指代存在于总的或者整个输出信号中的偏移误差，例如作为来自各个单独操作阶段的那些的组合的信号。

用于降低或者消除偏移误差的一个方法是使用多触点霍尔传感器。三触点或者四触点霍尔传感器可以以自旋电流型模式操作，其在多个时钟相位中改变触点的供给或感测作用，使得当来自多个时钟相位的信号被组合时降低任何偏移。即使这样，残留偏移误差可以保持比期望的更高，例如在大约1毫特斯拉（mT）范围中。

因此，存在对改进的多触点霍尔传感器装置的需要。

发明内容

实施例涉及在多触点传感器装置中降低残留偏移。

在实施例中，传感器装置包括被配置成感测物理特性并且包括三个触点的至少一个传感器元件；和传感器电路，其被耦合到至少一个传感器元件并且被配置成在多个操作阶段中操作该至少一个传感器元件，使得在每个操作阶段中供给电流被注入到所述三个触点的作为供给触点的一个并且在所述三个触点的作为信号触点的第二个处测量电势，每个操作阶段具有作为供给触点和信号触点的三个触点的第一布置并且具有对应的操作阶段，其中与第一布置相比，三个触点的第二布置是作为供给触点和信号触点的所述三个触点的反向布置，并且传感器装置的输出与在多个操作阶段中在信号触点处测量的电势的组合相关，其中该多个包括每个操作阶段和对应的操作阶段。

在实施例中，传感器装置包括被配置成感测物理特性并包括三个触点的至少一个传感器元件；和传感器电路，其被耦合到所述至少一个传感器元件并被配置为在多个操作阶段中操作所述至少一个传感器元件，使得在每个操作阶段中第一和第二供给电势被分别施加到所述三个触点中的作为供给触点的两个并且供给电势中的一个被施加到所述三个触点中的作为信号触点的第三个，测量在所述三个触点中的第三个处的电流，并且传感器装置的输出与跨越所有操作阶段在信号触点处测量的电流的组合相关。

在实施例中，传感器装置包括被配置成感测物理特性并包括三个触点的至少一个传感器元件；和传感器电路，其被耦合到所述至少一个传感器元件并被配置成在多个操作阶段中操作该至少一个传感器元件，使得在每个操作阶段中第一和第二供给电势被分别施加到所述三个触点中的作为供给触点的两个并且在该多个操作阶段的每个中相同的被强制的电势（forced potential）被施加到所述三个触点中的作为信号触点的第三个，测量在所述三个触点的第三个处的电流，并且传感器装置的输出与在多个操作阶段中在信号触点处测量的电流的组合相关。

附图说明

考虑下面结合附图的本发明的各种实施例的详细描述，本发明可以被更加完全地理解，在附图中：

图1是根据实施例的传感器系统的框图。

图2A是根据实施例的在第一操作阶段中的传感器装置的电路图。

图2B是根据实施例的在第二操作阶段中的传感器装置的电路图。

图2C是根据实施例的在第三操作阶段中的传感器装置的电路图。

图2D是根据实施例的在第四操作阶段中的传感器装置的电路图。

图2E是根据实施例的在第五操作阶段中的传感器装置的电路图。

图2F是根据实施例的在第六操作阶段中的传感器装置的电路图。

图2G是图2A-2F的六个操作阶段的图。

图3A是根据实施例的在第一操作阶段中的传感器装置的电路图。

图3B是根据实施例的在第二操作阶段中的传感器装置的电路图。

图3C是根据实施例的在第三操作阶段中的传感器装置的电路图。

图3D是根据实施例的在第四操作阶段中的传感器装置的电路图。

图3E是根据实施例的在第五操作阶段中的传感器装置的电路图。

图3F是根据实施例的在第六操作阶段中的传感器装置的电路图。

图4A是根据实施例的在第一操作阶段中的传感器装置的电路图。

图4B是根据实施例的在第二操作阶段中的传感器装置的电路图。

图4C是根据实施例的在第三操作阶段中的传感器装置的电路图。

图4D是根据实施例的在第四操作阶段中的传感器装置的电路图。

图5A是根据实施例的在第一操作阶段中的传感器装置的电路图。

图5B是根据实施例的在第二操作阶段中的传感器装置的电路图。

图5C是根据实施例的在第三操作阶段中的传感器装置的电路图。

图5D是根据实施例的在第四操作阶段中的传感器装置的电路图。

图5E是根据实施例的在第五操作阶段中的传感器装置的电路图。

图5F是根据实施例的在第六操作阶段中的传感器装置的电路图。

图6A是根据实施例的在第一操作阶段中的传感器装置的电路图。

图6B是根据实施例的在第二操作阶段中的传感器装置的电路图。

图6C是根据实施例的在第三操作阶段中的传感器装置的电路图。

图6D是根据实施例的在第四操作阶段中的传感器装置的电路图。

图7是根据实施例的微分反馈电路的框图。

图8是对于Vf=0V的耦合到图6A的传感器装置的图7的电路的框图。

图9是根据实施例的电路的框图。

图10是对于二、四和六阶段实施例的残留偏移对比供给电压的曲线图。

图11A是根据实施例的具有多于三个触点的传感器装置的示意图。

图11B是根据实施例的分别具有多于三个触点的被耦合的两个传感器装置的示意图。

图12是根据实施例的在第一操作阶段中的传感器装置的电路图。

图13A是根据实施例的传感器元件的触点的框图。

图13B是根据实施例的传感器元件的触点的框图。

图14A是根据实施例的在第一操作阶段中的传感器装置的电路图。

图14B是根据实施例的在第二操作阶段中的图14A的传感器装置的电路图。

图14C是根据实施例的在第三操作阶段中的图14A和14B的传感器装置的电路图。

图15A是根据实施例的在第一操作阶段中的传感器装置的电路图。

图15B是根据实施例的在第一操作阶段中的传感器装置的电路图。

虽然本发明服从各种修改和替代形式，其细节已经由在附图中的实例被示出并且将被详细地描述。然而应该理解不旨在将本发明限制到描述的特定实施例。正相反，旨在覆盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物、和替代物。

具体实施方式

实施例涉及可降低或消除偏移误差的多触点传感器装置和其操作方法。在实施例中，传感器装置可以包括三个或者更多个触点，并且多个这种传感器装置可被组合。传感器装置可以包括霍尔传感器装置，例如垂直霍尔装置，或者在实施例中的其它传感器类型。操作模式可被实施用于多触点传感器装置，所述多触点传感器装置提供包括降低的残留偏移的对传统的自旋电流原理的重要修改和改进。如前面提及的，偏移误差可以与不同原因相关，其中的两个是原始偏移误差和残留偏移误差。原始偏移误差可以指代存在于特定操作阶段中的偏移误差，而残留偏移误差可以指代存在于总的或者整个输出信号中的偏移误差，例如作为来自各个单独操作阶段的那些的组合的信号。因此，在多个操作阶段中的原始偏移误差可以被组合以生成不希望有的被增加的残留偏移误差或者部分地或完全地抵消原始偏移误差，使得残留偏移误差被减小或者被消除。

因此，在此处被称作Iu偏置的第一个这种操作模式中，在所有操作阶段中传感器被提供有相同的输入电流，并且所有操作周期的输出电压被感测和处理。在此处被称作Ui强制（Ui-forcing）的另一个操作模式中，所述传感器装置在所有操作阶段中被提供有相同输入电压，感测端子被箝位（或者被强制）到恒定的电势，并且流入感测端子或者流出感测端子的电流被感测和处理。在每种模式中，实施例提供残留偏移的降低，其提供优于传统自旋电流和其它技术的优点。

参照图1，传感器系统10被描绘。传感器系统10包括耦合到电路101的传感器装置100。电路101可以包括开关电路，信号处理电路和其它电路以实现此处在下面讨论的各种阶段和/或模式以及系统10的其它功能。例如，在实施例中传感器装置100包括三触点装置，并且所述三个触点在第一操作模式的六个阶段的每个中分别与电力供给和输出信号不同地耦合。下面将关于至少两个这种操作模式：Iu偏置和Ui强制来更详细地讨论这个和其它实施例。

参照图2，Iu偏置操作模式将参照以截面描绘的并且具有三个触点102，104和106的传感器装置100被讨论。传感器装置100包括如在图中描绘的从顶部表面向下延伸到装置100中的响应于物理特性的有源区域，所述物理特性例如是磁场，温度，机械应力或者一些其它量。触点102，104和106被设置在顶部表面上与有源区域欧姆接触。可以在其它实施例中使用更多或者更少的触点，并且所述触点可在其它实施例中被另外布置。

在图2的实施例中，传感器装置100包括霍尔效应传感器装置，例如垂直霍尔装置，然而在其它实施例中传感器装置100可以包括一些其它类型的传感器。如在图2中描绘的，传感器装置100包括以截面描绘的垂直霍尔装置，其中有源霍尔区域从装置100的顶部表面延伸到合适深度并且包括在那个顶部表面上以及与有源霍尔区域欧姆接触的三个触点102，104和106。图2也包括传感器装置100的简化的等效电路图，并且R1代表触点102和104的耦合或者触点102和104之间的电阻；R2代表触点104和106之间的耦合或者触点104和106之间的电阻；并且R3代表触点102和106之间的耦合或者触点102和106之间的电阻。在此处的实例中，考虑到装置100的对称，R1和R2被假定成大约相等，但是因为容差，机械应力，电非线性和其它因素，可以具有相互间在大约1%到大约5%数量级的失配，而R3通常更大。标记“B+”的触点102，104或者106表明在这个触点处的信号随着磁场的增加而增加，而标记“B-”的触点表示相反的情况，即在那个触点处的信号随着磁场的增加而降低。

在实施例中，六个不同的操作阶段以改进的类似自旋电流的技术实现，其中触点102，104和106与电流供给，输出信号和例如地或者一些其它电势（例如，1V）的参考电势的耦合布置在每个阶段中变化。这些阶段中的每个将在下面被讨论，然而例如根据自旋电流顺序频率或者一些其它因素，在实施例中特定数字和阶段的相对次序可以变化。例如，阶段的相对次序可以被选择，使得在顺序操作阶段中的电压至少在感测端子处少量地改变，以避免需要放电的杂散电容的积累。因此，在实施例中阶段次序可以是阶段1和3，2和5，以及4和6，以避免例如改变在阶段之间（例如从阶段1到阶段2）的在所有触点处的电势。在其它实施例中，所述阶段可以是顺序时钟相位。

在图2A中，阶段1，第一触点102是供给触点，并且第三触点106是信号触点：

U3_1 = U1_1 * R2/(R2+R3),

并且

U1_1 = I0 * R1//(R2+R3)

使得

U3_1 = I0*R1*R2/(R1+R2+R3),

其中U1_1表示在第一阶段中在第一触点102处的电压，并且U3_1表示在第一阶段中在第三触点106处的电压（这个标记系统将在此通篇使用）。

在图2B中，阶段2，触点102，104和106被再耦合，使得第一触点102是信号触点，并且第二触点104是供给触点：

U1_2 = U2_2 * R3/(R1+R3)

并且

U2_2 = I0 * R2//(R1+R3)

使得

U1_2 = I0*R2*R3/(R1+R2+R3)。

此处在这里和其它地方使用的记号“∥”表示两个电阻的并联连接，即

R1//R2 = R1*R2/(R1+R2)。

在图2C中，阶段3，第一触点102是信号触点，并且第三触点106是供给触点：

U1_3 = U3_3 * R1/(R1+R3)

并且

U3_3 = I0 * R2//(R1+R3)

使得

U1_3 = I0*R1*R2/(R1+R2+R3)。

在图2D中，阶段4，第二触点104是供给触点，并且第三触点106是信号触点：

U3_4 = U2_4 * R3/(R2+R3)

并且

U2_4 = I0 * R1//(R2+R3)

使得

U3_4 = I0*R1*R3/(R1+R2+R3)。

在图2E中，阶段5，第一触点102是供给触点，并且第二触点104是信号触点：

U2_5 = U1_5 * R2/(R1+R2)

并且

U1_5 = I0 * R3//(R1+R2)

使得

U2_5 = I0*R2*R3/(R1+R2+R3)。

最后，在图2F中，阶段6，第二触点104是信号触点，并且第三触点106是供给触点：

U2_6 = U3_6 * R1/(R1+R2)

并且

U3_6 = I0 * R3//(R1+R2)

使得

U2_6 = I0*R1*R3/(R1+R2+R3)。

图2G总结了在六个阶段的每个中的操作模式。所述箭头表示从正到负的端子的当前流线。记号“+”和“-”分别是如上面相对于“B+”和“B-”所讨论的。耦合到传感器装置100的信号处理电路101然后可以处理来自每个阶段的信号以得到有利结果。

例如，虽然U1_2-U3_4加倍磁场的贡献，但它未抵消所述偏移电压。U2_6-U2_5提供相同的结果。然而，看其它信号，如果从U3_1减去U1_3，施加的磁场的贡献被加入，同时因为这些信号是相同的，即U1_3=I0*R1*R2/(R1+R2+R3)并且U3_1=I0*R1*R2/(R1+R2+R3)，所以偏置电压被抵消。换句话说，在装置100中的任何偏移对于每个阶段是相同的并且因此通过从一个减去另一个被去除。对于U1_2-U2_5和U2_6-U3_4也是如此。注意，这通常适用于线性装置，而对于非线性装置其通常仅在逼近时是有效的。如果更多对信号被组合，该逼近是更精确的，使得有利的总信号是：

U_total = (U3_1 – U1_3) + (U1_2 – U2_5) + (U2_6 – U3_4) =

U3_1 + U1_2 + U2_6 – U1_3 – U3_4 – U2_5。

根据这个方程，六个操作阶段被分组在三个组中，每个组包括两个操作阶段。根据线性电路理论，在每个组中的偏移完全抵消，而在存在小的非线性的情况下，在每个组中的偏移仍然是小的但不同于零。而且，至少在线性情况下，显然电流不需要在所有六个操作阶段上是恒定的；对在每个组中的两个操作阶段都保持电流恒定就足够了，而它可不同于在所述三个组的其它组中的电流。因此，在实施例中以其中在每个组中的两个阶段在时间上是邻近的或者接近的顺序来实行不同操作阶段可以是有利的。实际上，虽然可以在实施例中通过顺序地立即执行组的阶段来最小化这些效果，但是热漂移，闪变噪声或者其它事件可以逐阶段地改变电流。

参照图3，Iu偏置方法可以被扩展用于多个多触点传感器装置，并且每一个的输出被不同地考虑。这可帮助降低电路101的信号处理电路所需要的精确程度，其在下面被更详细地讨论。因此，在实施例中可以使用两个三触点垂直霍尔传感器装置100和200，每个包括三个触点102，104，106并且具有差分输出电压。使用两个电流源，每个装置100和200一个。期望电流源为相同的，然而如果不是，任何失配可以作为部分偏移消除被抵消。

参照图3A，在阶段1中，装置100如同其在上面参照图2讨论的单一装置实施例的阶段1中那样被操作，而装置200如同单个装置在阶段3中那样被操作。表示为U31_1的输出电压（数字指代装置100的第三触点（3），装置200的第一触点（1）和阶段1（1））是两个装置100和200的输出电压之间的差，并且主值（prime value）指代装置200并且其它值指代装置100：

U31_1 = U3_1–U1_1’= I0*R1*R2/(R1+R2+R3)–I0’*R1’*R2’/(R1’+R2’+R3’)。

这降低原始偏移同时也加倍磁灵敏度。原始偏移是在单一操作阶段中在零输入磁场的输出信号。例如，对于R1=R2 =1kΩ，R3=2kΩ并且I0 =1mA，装置100的原始偏移是U3_1=250mV。对于R1’=R2’=1010Ω，R3’=1900Ω和I0’=1.01mA，装置100’的原始偏移是U1_1’=262.8mV。微分信号的原始偏移是U31_1=-12.8mV，其大致减小至二十分之一。

在图3B中描绘了阶段2，其中装置100如在图2的实施例的阶段2中那样被耦合并且装置200如在阶段4中那样被耦合。所述原始偏移输出U13_2是：

。

参照图3C，在阶段3中，原始偏移输出电压U13_3是：

。

参照图3D，在阶段4中，原始偏移输出电压是：

。

在图3E中描绘了阶段5的耦合布置，其中原始偏移输出电压是：

U22_5=U2_5 – U2_5’=I0*R2*R3/(R1+R2+R3)–I0’*R1’*R3’/(R1’+R2’+R3’)。

在图3F中描绘了最终阶段，阶段6。原始偏移输出电压是：

U22_6=U2_6–U2_6’=I0*R1*R3/(R1+R2+R3)–I0’*R2’*R3’/(R1’+R2’+R3’)。

如在图2的单一装置实施例中，阶段1和3之间的输出电压差（U31_1–U13_3）抵消所述偏移并且加倍磁灵敏度。对于阶段2和5（U13_2–U22_5）和对于阶段4和6（U31_4–U22_6）也是如此。总的输出信号可以是这些子组合中的任何一个，然而可以通过组合它们中的至少两个或者全部三个来得到改进的结果。使用全部三个，总的输出信号Utotal变成：

。

因此，阶段1，2和6的信号被添加，其是阶段3，4和5的输出信号，然后从第一个和减去第二个和，其提供改进的偏移抵消同时保持高的磁灵敏度。

图3（两个装置）的Iu偏置模式优于对于单一装置（图2）的相同模式的优点是原始偏移可以被减小了大约两个或者三个数量级。例如，在图2A中，原始偏移是在零磁场处的电压U3_1。例如，如果U1_1是1V，那么U3_1大约是0.4V。相反，并且参照图3A，如果装置100和200是相同的，U3_1再次为0.4V，但U1_1’也是0.4V。实际上，在装置100和200之间通常有小的失配，使得U3_1 – U1_1’等于几毫伏。然而，这仍然比图2A的0.4V小得多。这意味着在一个实例中，装置10的信号调整电路不需要同样精确。例如，在单一装置的实施例中，精确度可以是在大约6ppm内，而对于图2的实施例，它可以是大约3000ppm。

关于Iu偏置，现在将参照单一装置和多装置实施例两者来讨论第二个操作模式，Ui强制。在Ui强制中，Iu偏置模式的电流源被电压源Vsupply代替，所述电压源对跨越所有操作阶段或者至少跨越操作阶段1和3、2和5、或者4和6的供给端子提供恒定电压源。所述信号触点也被提供有电压Vf。所述电压Vf将感测端子箝位或者强制到与中心端子相同的电压。如果仅存在单一装置100并且希望在输出处测量电流，将输出箝位到某一电势可以实现上述。在实施例中，已经发现将在每个阶段中的Vf选择为与中心触点相同是有利的，使得跨越例如四个阶段抵消偏移。因此，Vf不是任意的并且在每个阶段中也不是相同的。在其它实施例中，Vf可以是任意的，例如如果使用更多（诸如六个）阶段的话。流到输出端子中的电流然后被测量以得到该输出。

参照图4A，描绘了如同在图2A中的关于Ui强制而不是Iu偏置耦合的传感器装置100的等效电路。换句话说，耦合到触点102的图2A的电流源被电压源Vsupply替代，并且触点106，所述感测端子，被强制到与触点104相同的电势，其在图2A中被接地。因此，在图4A中的触点106被提供有Vf=0的电压。在触点106处的输出I3_1是：

I3_1 = -Vsupply/R3。

在图4B中描绘了阶段2，其中触点102是感测端子，触点104是供给端子并且触点106被接地。因此，触点102被强制到Vf=Vsupply。于是在触点102处的输出I1_2是：

I1_2= Vsupply/R3。

在图4C中描绘了阶段3。触点102是感测端子，触点104被接地并且触点106是供给端子，并且触点102被强制到Vf=0。输出I1_3是：

I1_3 = -Vsupply/R3。

跳过了阶段5和6，使得在这个实施例中，在图4D中描绘的阶段4为最终阶段。触点102是地，触点104是供给端子和触点106是感测端子，并且触点106被强制到Vf=Vsupply。输出I3_4是：

I3_4 = Vsupply/R3。

于是总的信号Itotal是：

Itotal = I3_1 + I1_2 – I1_3 – I3_4。

这抵消了偏移同时加入了施加的磁场。在其它实施例中，只有两个阶段可以被使用，例如阶段1和2或者阶段3和4或者其它，然而使用四个提供更好的偏移抵消。如上面讨论的，两个阶段可以被布置成组，使得每个阶段的原始偏移在线性电路逼近（例如，I3_1+I1_2或者I3_1–I1_3）中抵消。其它两个阶段形成第二组。这使得在实施例中在第一和第二组中具有不同的供给电压成为可能，然而在实施例中使用跨越各组的相同电压通常可以是有利的。然而，用于第二组的供给电压可以例如在行结束测试中被修整，以得到小的残留偏移。然而在其它实施例中，也可以使用附加的操作阶段。

在其它的实施例中，在感测端子处的电势可以被强制到除了存在于中心触点104处的电势的其它电势。参照图5，描绘了六阶段实施例。除了Vf不必要与在中心触点104处的电势相同之外，图5A-5D的阶段1-4与上面在图4A-4D中讨论的相同阶段是一致的。在图5E和5F中分别加入阶段5和6。在阶段5中，触点102是供给触点，触点104是被强制到电压Vf的感测触点，并且触点106是地。在阶段6中，触点102是地，触点104是被强制到Vf的感测触点，并且触点106是供给端子。

于是在每个阶段中的输出电流如下：

I3_1 = Vf/R2 + (Vf-V0)/R3

I1_2 = (Vf-V0)/R1 + Vf/R3

I1_3 = Vf/R1 + (Vf-V0)/R3

I3_4 = Vf/R3 + (Vf-V0)/R2

I2_5 = Vf/R2 + (Vf-V0)/R1

I2_6 = Vf/R1 + (Vf-V0)/R2,

并且总信号Itotal是：

I3_1 + I1_2 – I1_3 – I3_4 – I2_5 + I2_6。

这抵消了偏移同时放大了磁灵敏度。不将Vf强制到中心触点104的电势提供了附加的灵活性，其可在实施例中被战略性地使用以进一步降低残留偏移。根本地，可以从开始就选择Vf以最小化残留偏移。因为残留偏移至少部分取决于传感器装置100的非线性，所以如果非线性跨越多个装置100是相对恒定的，在实施例中Vf可以是固定值。在其它实施例中，可以在行结束测试中测试装置100，并且Vf可以在传感器10的存储器中被编程。

像Iu偏置一样，Ui强制也可以被扩展到多传感器装置。在多传感器Iu偏置模式中，使用两个电流源，每个装置一个。然而，在多传感器Ui强制的实施例中，仅使用单个电压源。然而由于在电路设计方面的限制，可能发生：使用标称相同的电压源，然而它们具有稍微的失配。因此，所述图示出Vsupply和Vsupply’以解释该失配。如同在Iu偏置的一些实施例中，感测端子被强制到电压Vf，其与在多触点Ui强制的实施例中的中心触点104处的电势是相同的。在实施例中，所述电势Vf在自旋电流方案的全部阶段期间可以是恒定的，或者在其它实施例中它可以变化。在一个实施例中，电路可以对于每个操作阶段调整电势Vf，使得共模电流（即在图6A的阶段1中的[I3_1 + I1_1’]/2）消失。在每个阶段中的多传感器装置的输出是在所述两个装置的输出电流的差，并且四个阶段被使用，然而在其它实施例中阶段的数目和其次序可以变化。在实施例中，总信号可被看作在阶段1和3之间的差，或者在阶段2和4之间的差，然而在另一实施例中总的输出信号是这两个差的和，以提供最有效的残留偏移降低。

考虑到这个，在图6A-6D中分别描绘了阶段1-4。在图6A的阶段1中，所述原始偏移是：

I31_1 = I3_1 – I1_1’ = -Vsupply/R3 + Vsupply’/R3’。

在图6B的阶段2中，原始偏移是：

I13_2 = I1_2 – I3_2’ = Vsupply/R3 - Vsupply’/R3’。

在图6C的阶段3中，所述原始偏移与在阶段1中相同，如前面在其它实施例中提到的，其抵消了所述偏移并且加倍所述磁灵敏度：

I13_3 = I1_3 – I3_3’ = -Vsupply/R3 + Vsupply’/R3’。

Itotal可以是在相似阶段中的差，即，I31_1–I13_3或者I13_2–I31_4，或者全部可以被组合用于最大地降低残留偏移抵消：

Itotal = (I31_1 – I13_3) + (I13_2 – I31_4) = I31_1 + I13_2 – I13_3 – I31_4。

如果使用六个而不是四个阶段，Itotal变为：

。

如果使用四个阶段，所述信号触点被强制到中心触点的电势。相反，如果使用六个阶段，信号触点被强制到电势Vf，其在实施例中在全部六个阶段期间，或者如在上面方程中的括号中那样，至少在每个组的阶段期间是恒定的。在包括两个装置100和六个阶段的实施例中，如上面关于调节Vf提到的，Vf也可以随着操作阶段变化，使得共模电流消失。

虽然实施例提供残留偏置的降低或者消除，通过电路101的两个大电流的减法导致（其可能是挑战）要求电路101的高精确度。改善这个的一个方法是通过使用例如如在图7中描绘的微分反馈电路300来将所述共模感测电流从微分模式感测电流分离。图7的电路300只是这种电路的一个实施例，并且在其它实施例中电路300可以变化。电路300操作以将例如图6的传感器100和200的传感器元件的感测端子强制到Vf。

电路300可以是传感器10的电路101的一部分。在实施例中，电路300具有两个输入，U1和U2，其中从U1中减去U2。电路300的输出是三个电流：I1，I2和dI。电路300使用两个参考电压Ud和Ucm并且控制I1和I2，使得U1-U2=Ud并且(U1+U2)/2=Ucm。通过放大器TCd比较U1和U2之间的差与Ud。如果U1-U2<Ud，那么TCd将大电流输出到两个电流控制的电流源CCCSd，其在图7中的CCCSds的输出处也输出由箭头表示的大的正电流。因此，ICCCSd = -(U1-U2-Ud)*Ad*gmd，其中Ad是TCd的开环增益并且gmd是CCCSd的跨导。

在如图7中描绘的较低部分中，电路300也将U1和U2取平均并且通过TCcm比较这个值和Ucm。如果该平均值大于Ucm，那么TCcm将大的电压输出到两个CCCScm，该两个CCCScm又输出大的电流。因此，ICCCScm=(U1/2+U2/2-Ucm)*Acm*gmc=ICCCScm，其中Acm是TCcm的开环增益并且gmc是CCCScm的跨导。

因为对于 ICCCsd > 0，I1=ICCCSd+ICCCScm并且I2=ICCCScm，I1>I2。而且，(U1+U2)/2=Ucm并且U1–U2=0。在多传感器实施例中，电路300可以被耦合到传感器装置100和200。图8描绘了用于Ui强制的阶段1的这种耦合。在图8中，电路300将两个感测触点（传感器100的触点106和传感器200的触点102）强制到Vf并且输出用于阶段1的I3_1 – I1_1’。在随后的阶段中，在电路300与传感器100和200之间的耦合布置仅根据此处描绘和讨论的阶段图改变。

在图9中描绘用于使用多装置实现Ui强制的另一电路400。电路400使用用于Vf的单个电压源402和电流计404。在操作中，电压源402在两个感测端子（分别在左边和右边装置100中的触点106和102）的至少一个上建立共模电压Vcm，并且电流计404将触点106和102短路以测量它们之间的短路电流。两个电阻器R确保相同的电流被提供到两个触点106和102。在电阻器R之间的失配可以产生一部分共模电流以流过电流计404。因此，在实施例中电路400可以进一步包括开关来切换端子CI1和CI2以抵消任何失配。在另一实施例中，端子CI3和CI4也可以被切换。

实质上，电路400提供仅用于微分电流(I3_1 + I1_1’)/2流过电流计404的方式，而由电压源402只提供共模电流。

在单个或者多传感器结构中，Iu偏置和Ui强制两者都提供残留偏移的降低，其比包括传统自旋电流模式的常规方法更显著。参照图10，相对于单一传感器结构（例如相对于图2和图4讨论的那些结构），当与在霍尔传感器装置的六阶段中的具有低于例如1.5V的某电压的供给电压的Iu偏置相比，在四阶段中的Ui强制可以提供增大的残留偏移抵消。另一方面，对于较大供给电压，六阶段Iu偏置可以优于Ui强制。

根本地，图10示出此处讨论的由四阶段和六阶段实施例提供的优于具有仅两阶段的那些实施例的优点。在两阶段实施例中，在高于大约0.9V的供给电压处，可以看到残留偏移高得多并且逐渐离开了图表。

参照图11，虽然已经在此处相对于三触点装置讨论了各实施例，在实施例中也可以使用具有多于三个触点的装置。在这些实施例中，所述触点中的三个基本上仍然如此处讨论的那样被使用，而附加的触点不只是用于这些供给和感测目的。例如，可以使用具有触点C1，C2，C3，C4和C5的五触点垂直霍尔装置100。在实施例中，如此处参照触点102，104和106讨论的，触点C2，C3和C4被用作在不同操作阶段中的供给和感测端子，而在实施例中，C1和C5不被使用或者被用于其它目的，或者被短路，以改进装置的对称性。具有多于三个触点的这些装置可适用于此处讨论的实施例中的任何一个（例如图11B的实施例），如由本领域技术人员领会到的，其将两个装置100和100’耦合。

然而在其它实施例中，可通过利用多个基本相同的相互耦合的传感器装置100取代单个传感器装置100来改进对称性。参照图12，以截面描绘互相耦合的第一装置100和第二装置100’。如在其它实施例中那样，每个装置100和100’分别包括三个触点102，104，106和102’，104’，106’，然而触点的数目可以如同本文上面讨论的那样变化。然后如本文上面讨论的在不同阶段中三个端子T1，T2，T3可以被耦合到其它装置的端子，例如装置100和100’的另一布置。

而且，每个装置100和100’的特定结构和构成可以在与此处讨论的装置100和100’以及其它装置相关的实施例中变化。关于包括装置100和100’的实施例，只要每个装置100和100’保持互相基本相同，可以发生变化。例如，每个装置100和100’可以横向地或者垂直地与另一个隔离，或者装置100和100’可以相对于彼此被布置，使得通过在每个装置100和100’的触点（如在图12的平面图中描绘的106和102’）之间的距离大于装置100和100’的一个或者另一个的触点之间（例如，在触点102和104之间等）的距离来实现隔离。每个触点102，104，106，102’，104’，106’可以是相同的，或者一个或多个可以是更大的或更小的。例如，在图13A的平面图中描绘的一个实施例中，触点102，104，102’和104’是类似大小的，而触点106和106’更大。这只是一个实例。在图13B中，触点102，104，106，102’，104’，106’也是类似大小的，但是均为圆形的，在每个装置100或者100’上以大约120度相互间隔开，并且还在装置100和100’之间旋转了大约60度。虽然图13A描绘了垂直霍尔装置，图13B可响应于面内和面外磁场两者。在实施例中也可存在其它结构差异，例如，如由本领域技术人员认识到的，存在或者缺少顶板，附加槽区，槽区图案化，以及其它元件。

再次参照图12，外部磁场的方向是如在每个装置100和100’上所指示的，即如在图中描绘的进入页面。在其它实施例中这可以变化。如被描绘的，触点102和104’；触点104和106’；以及触点106和102’均被互相耦合以分别形成三个端子T1，T2和T3。这对应于第一阶段，阶段1，其中T1是供给端子，T2是地并且T3是信号端子。

因为触点106和102’的耦合，在T3处的电压大约是供给电压的电压的一半。在图12中的0.3和0.7表明在相应触点上的电势大约是供给电压的该百分比，即，在零磁场处并且在触点106和102’之间没有短路的情况下，在触点106处为大约30%并且在触点102’处为大约70%。因此，在阶段1中在T3处将该两个耦合产生平均值，或者大约50%。在其它阶段中，共模电压为更高或者更低，即，分别为60%或者40%，其仍然表示对其中电压可以分别是70%或者30%的传统解决办法的改进。换句话说，在操作阶段之间实现了共模电压的较小的增加或者跃变，改进了传感器性能。

在一个实施例的随后的阶段中，在装置100和100’之间的耦合保持相同，而端子T1，T2，T3的使用变化。例如，在一个实施例中，在阶段2中，T1是信号端子，T2是供给端子和T3是地；在阶段3中，T1是地，T2是信号和T3是供给；在阶段4中，T1是供给，T2是信号和T3是地；在阶段5中，T1是地，T2是供给和T3是信号；并且在阶段6中，T1是信号，T2是地和T3是供给。在其它实施例中这些耦合布置和顺序可以变化，但最终结果通常是来自全部阶段的信号的组合提供磁灵敏度的增加和偏移误差的减小，同时也具有共模电压的减小的跃变。

在其它实施例中，可以使用多于两个装置100和100’。参照图14，描绘了包括三个装置100，100’和100’’的实施例。又在此处，在每个操作阶段中（在图14A，14B和14C中分别描绘的阶段1，2和3），在信号端子处的共模电势是供给电压的50%。参照图15，在图15A和图15B的每个中，四个装置100，100’，100’’，100’’’以两种不同的方式被耦合。注意到在图15中描绘的是顶视图，而不是截面图。

通常，n个器件可以被耦合在一起。如果第n个装置的触点是Cn1 C_N,1, C_N,2, C_N,3，那么耦合所述装置的一个实施例如下：

因此，在具有5个装置100的实施例中，端子T1，T2和T3被耦合如下：

这又只是一个实例实施例，并且在其它实施例中，其它结构，装置的数目和其它特性可以变化。然后这种五装置100的结构可以被耦合到另一这种结构，或者被耦合到某种其它结构，如本文上面所讨论的。

此处已经描述了系统，装置和方法的不同实施例。这些实施例仅是作为实例给出的并且不旨在限制本发明的范围。而且应该领会到已经描述的实施例的不同特征可以以各种方式被组合以产生很多的附加的实施例。而且，虽然已经描述了不同材料，尺寸，形状，结构和位置等以供所公开的实施例使用，但是在不超出本发明的范围的情况下可以使用除了被公开的那些之外的其它实施例。

相关领域的普通技术人员将认识到本发明可以包括比在上面描述的任何单个实施例中示出的更少的特征。此处描述的实施例不意味着是其中本发明的不同特征可被组合的方法的穷举展示。因此，实施例不是相互排他的特征组合；更确切地说，如由本领域普通技术人员理解的，本发明可以包括选自不同单个实施例的不同单个特征的组合。而且，即使当在这种实施例中未被描述时，相对于一个实施例描述的元件可以被实现在其它实施例中，除非另外表明。尽管在权利要求中从属权利要求可以指代与一个或者多个其它权利要求的特定的组合，但是其它实施例也可以包括该从属权利要求与每个其它从属权利要求的主题的组合，或者一个或多个特征与其它从属或独立权利要求的组合。这种组合在此被提出，除非声明特定的组合是不被预期的。而且，本文也旨在包括在任何其它独立权利要求中的权利要求的特征，即使这个权利要求不直接从属于该独立权利要求。

上面通过引用的文献的任何并入是受限的，使得没有与此处明确的公开相反的主题被并入。上面通过引用的文献的任何并入被进一步限制，使得包括在所述文献中的权利要求没有通过引用被并入此处。上面通过引用的文献的任何并入仍被进一步限制，使得在所述文献中提供的任何定义没有通过引用被并入此处，除非明确被包括在此。

出于为本发明解释权利要求的目的，明确地旨在将不援引35 U.S.C.的第112节的第六段的条款，除非特定术语“用于……的装置”或者“用于……的步骤”在权利要求中被阐述。

Claims

1.一种传感器装置，包括：

至少一个传感器元件，其被配置成感测物理特性并且包括三个触点；和

传感器电路，其被耦合到所述至少一个传感器元件并且被配置成在多个操作阶段中操作该至少一个传感器元件，使得在每个操作阶段中供给电流被注入到所述三个触点的作为供给触点的一个并且在所述三个触点的作为信号触点的第二个处测量电势，每个操作阶段具有作为供给触点和信号触点的三个触点的第一布置并且具有对应的操作阶段，其中与第一布置相比，三个触点的第二布置是作为供给触点和信号触点的所述三个触点的反向布置，并且传感器装置的输出与在多个操作阶段中在信号触点处测量的电势的组合相关，其中该多个包括每个操作阶段和对应的操作阶段。

2.权利要求1的传感器装置，其中所述至少一个传感器元件包括霍尔传感器元件。

3.权利要求2的传感器装置，其中所述霍尔传感器元件是垂直霍尔传感器元件。

4.权利要求1的传感器装置，其中所述多个操作阶段包括至少两个操作阶段。

5.权利要求4的传感器装置，其中所述多个操作阶段包括至少六个操作阶段。

6.权利要求1的传感器装置，其中所述传感器元件包括响应于物理特性的有源区域，所述有源区域从所述传感器元件的第一表面延伸到所述传感器元件中。

7.权利要求6的传感器装置，其中所述三个触点被布置在传感器元件的第一表面上与所述有源区域欧姆接触。

8.权利要求6的传感器装置，其中所述有源区域响应于垂直或者平行于所述第一平面的磁场分量。

9.权利要求1的传感器装置，包括第一和第二传感器元件，其中所述传感器电路被配置为测量在所述第一传感器元件的信号触点和所述第二传感器元件的信号触点之间的电势，其中所述传感器装置的输出与在所述多个操作阶段中测量的电势的组合相关。

10.权利要求9的传感器装置，其中所述多个操作阶段包括至少两个操作阶段。

11.权利要求1的传感器装置，其中所述三个触点是第一触点，第二触点和第三触点，并且其中所述多个操作阶段包括下面组中的至少两个：组1，其中第一操作阶段包括作为供给触点的第一触点和作为信号触点的第三触点，并且第二操作阶段包括作为信号触点的第一触点和作为供给触点的第三触点；组2，其中第三操作阶段包括作为供给触点的第一触点和作为信号触点的第二触点，并且第四操作阶段包括作为信号触点的第一触点和作为供给触点的第二触点；以及组3，其中第五操作阶段包括作为供给触点的第二触点和作为信号触点的第三触点，并且第六操作阶段包括作为信号触点的第二触点和作为供给触点的第三触点。

12.权利要求1的传感器装置，其中在所述操作阶段和所述对应的操作阶段中供给电流的幅度是相同的。

13.一种传感器装置，包括：

至少一个传感器元件，其被配置为感测物理特性并且包括三个触点；以及

传感器电路，其被耦合到所述至少一个传感器元件并被配置为在多个操作阶段中操作所述至少一个传感器元件，使得在每个操作阶段中第一和第二供给电势被分别施加到所述三个触点中的作为供给触点的两个并且供给电势中的一个被施加到所述三个触点中的作为信号触点的第三个，测量在所述三个触点中的第三个处的电流，并且传感器装置的输出与跨越所有操作阶段在信号触点处测量的电流的组合相关。

14.权利要求13的传感器装置，其中所述至少一个传感器元件包括霍尔传感器元件。

15.权利要求14的传感器装置，其中所述霍尔传感器元件是垂直霍尔传感器元件。

16.权利要求13的传感器装置，其中所述多个操作阶段包括至少两个操作阶段。

17.权利要求16的传感器装置，其中所述多个操作阶段包括至少四个操作阶段。

18.权利要求13的传感器装置，其中所述多个操作阶段中的每个具有作为供给触点和信号触点的三个触点的第一布置，并且具有对应的操作阶段，其中与所述第一布置相比，所述三个触点的第二布置包括所述供给触点中的同一个供给触点，并且所述供给触点中的另一个和所述信号触点被反过来。

19.权利要求13的传感器装置，进一步包括第一和第二传感器元件，其中在每个操作阶段中的输出是在第一和第二传感器元件的信号触点处的电流的差，并且其中传感器装置的输出与每个操作阶段的输出的组合相关。

20.权利要求19的传感器装置，其中所述多个操作阶段包括至少四个操作阶段。

21.权利要求13的传感器装置，其中所述传感器元件包括响应于所述物理特性的有源区域，所述有源区域从所述传感器元件的第一表面延伸到传感器元件中。

22.权利要求21的传感器装置，其中所述三个触点被布置在所述传感器元件的第一表面上与所述有源区域欧姆接触。

23.权利要求21的传感器装置，其中所述有源区域响应于垂直或者平行于所述第一表面的磁场分量。

24.一种传感器装置，包括：

至少一个传感器元件，其被配置为感测物理特性并且包括三个触点；和

传感器电路，其被耦合到所述至少一个传感器元件并被配置成在多个操作阶段中操作该至少一个传感器元件，使得在每个操作阶段中第一和第二供给电势被分别施加到所述三个触点中的作为供给触点的两个并且在该多个操作阶段的每个中相同的被强制的电势被施加到所述三个触点中的作为信号触点的第三个，测量在所述三个触点的第三个处的电流，并且传感器装置的输出与在多个操作阶段中在信号触点处测量的电流的组合相关。

25.权利要求24的传感器装置，其中所述多个操作阶段包括至少三个操作阶段，使得在第一操作阶段中所述三个触点的第一个是信号触点，在第二操作阶段中所述三个触点的第二个是信号触点，并且在第三操作阶段中所述三个触点的第三个是信号触点。

26.权利要求24的传感器装置，其中所述多个操作阶段包括至少六个操作阶段，使得在第一操作阶段中所述三个触点的第一个是信号触点，所述第一供给电势被提供到所述三个触点的第二个，并且所述第二供给电势被提供到所述三个触点中的第三个；在第二操作阶段中所述三个触点的第一个是信号触点，所述第二供给电势被提供到所述三个触点的第二个，并且所述第一供给电势被提供到所述三个触点的第三个；在第三操作阶段中所述三个触点的第二个是信号触点，所述第一供给电势被提供到所述三个触点的第一个，并且第二供给电势被提供到所述三个触点的第三个；在第四操作阶段中所述三个触点的第二个是信号触点，所述第二供给电势被提供到所述三个触点的第一个，并且所述第一供给电势被提供到所述三个触点的第三个；在第五操作阶段中所述三个触点的第三个是信号触点，所述第一供给电势被提供到所述三个触点的第一个，并且所述第二供给电势被提供到所述三个触点的第二个；并且在第六操作阶段中所述三个触点的第三个是信号触点，所述第二供给电势被提供到所述三个触点的第一个，并且所述第一供给电势被提供到所述三个触点的第二个。

27.权利要求26的传感器装置，其中所述第一，第二，第三，第四，第五和第六操作阶段在数字次序方面不是相继的。

28.权利要求24的传感器装置，其中所述至少一个传感器元件包括霍尔传感器元件。

29.权利要求28的传感器装置，其中所述霍尔传感器元件是垂直霍尔传感器元件。

30.权利要求24的传感器装置，其中所述传感器元件包括响应于物理特性的有源区域，所述有源区域从所述传感器元件的第一表面延伸到所述传感器元件中。

31.权利要求30的传感器装置，其中所述三个触点被布置在所述传感器元件的所述第一表面上与所述有源区域欧姆接触。

32.权利要求30的传感器装置，其中所述有源区域响应于与所述第一表面垂直或者平行的磁场分量。

33.权利要求24的传感器装置，进一步包括第一和第二传感器元件，其中在所述多个操作阶段的每个中，施加到第一和第二传感器元件的每个的所述第一和第二供给电势是相同的，所述多个操作阶段的任何一个的输出与在第一和第二传感器元件的信号触点处测量的电流的差相关，并且所述传感器装置的输出与跨越所述多个操作阶段的差的组合相关。

34.权利要求33的传感器装置，其中施加到所述第一和第二传感器元件的每个的被强制的电势是相同的。