CN104181475B - 用于探测空间磁场的三维霍尔传感器和测量空间磁场的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于探测空间磁场的三维霍尔传感器。此外，本发明还涉及一种用于借助该霍尔传感器来测量空间磁场的方法。霍尔传感器包括能导电的基体和至少三个电极对，其中每个电极对都包括第一接口和第二接口，它们以如下方式布置在基体上，即，可以使电流从第一接口穿过基体流至第二接口。至少三个第一接口布置在基体的第一表面上，并且至少三个第二接口布置在基体的与第一表面不同的第二表面上，其中，第一表面和第二表面相互对置。

Description

用于探测空间磁场的三维霍尔传感器和测量空间磁场的方法

技术领域

本发明涉及一种用于探测空间磁场的三维霍尔传感器。此外，本发明还涉及一种用于借助该霍尔传感器来测量空间磁场的方法。测量三维的磁场向量B，也就是其关于坐标系x、y、z的三个分量B_x、B_y、B_z具有很大的技术意义。

背景技术

霍尔传感器例如经常用于借助在一个或多个永磁体与霍尔传感器之间的磁交互作用以无接触的方式测量运动。对运动和位置的这种测量在气动设备中、在自动化技术和机器人中以及在汽车领域中例如用于对机床进行控制。

尤其地，无接触地检测运动提供了无磨损的优点。在公知的无接触的测量方法中，光学法和磁力法得到最广泛的扩展。光学法基于很小的光波长保证了非常高的精确性，而磁力法对于污染和损害很不敏感，这尤其是由于可以将磁体和传感器部件完全封装在非磁性的密封罩内。

由不同的制造商提供行程传感器系统，其中，可移动的永磁体的位置借助三维霍尔传感器来测定。在此，为了检测在某个位置上的线性相对运动必须测量至少两个，最好是三个相互垂直的磁场分量，并且对它们的份额进行评估以识别位置。该方式具有如下优点：在假定一个磁场分量为极限值并且因此没有探测到很小的移动的区域中，其他磁场分量分别对移动做出如下这样强烈的反应，即，使得在整个测量区域中得到近似一样高的测量精确性。但必要的是，可以测量到所有三个具有相同的，即各向同性的敏感度的分量B_x、B_y、B_z。

磁场传感器的广泛扩展的种类利用以半导体技术的方法制成的半导体，尤其是硅芯片中的霍尔效应。由于技术限制，测量与芯片表面垂直的磁场分量的结构明显与可以测量位于芯片表面中的分量的传感器不同。在第一种情况中，为了测量所谓的霍尔板，在芯片的表面上在其周围具有四个接触部的通常延展的薄的n型传导的区域被用于测量。这种霍尔板和用于制造该霍尔板的理论基础例如由R.S.的文章“霍尔效应设备(Hall-Effect Devices)”，传感器和执行器(Sensors an Actuators)，17(1989)，第39-53页公知。图6示出在该文献中示出的测量原理，其中，具有与用于测量垂直的磁场分量的n型传导的区域接触的四个接触部的霍尔板。

此外，还公知有所谓的直立式霍尔传感器，它们例如在T.Kaufmann、F.Purkl、P.Ruther和O.Paul的文章“针对具有五个接触部的直立式霍尔传感器的新型耦合方案(Novel Coupling Concept for Five-Contact Vertical Hall Devices)”，Transducers’11，北京，中国，2011年6月5日至9日，第2855至2858页(参见图7)中或者在M.Banjevic、B.Furrer、R.S.的文章“以圆形的小型直立式霍尔设备为基础的2D CMOS集成磁力计(2D CMOS Integrated Magnetometer Based on the Miniaturized CircularVertical Hall Devices)”，Transducers2009，丹佛，美国，2009年6月21日至25日，第877-880页(参见图8)中作了描述。这种直立式霍尔传感器通过长形的或者环形的、根据实施类型具有3个至64个共线的或者环形布置的接触部的传导区域形成。

图7示出直立式霍尔传感器的示意图，该霍尔传感器具有用于接触窄且深的n沟道的五个n⁺扩散部，用以测量水平的磁场分量。

像由图7得知的那样，传感器包括具有五个n⁺型掺杂的接触部的深的n沟道，这些接触部通过p⁺扩散区域彼此分开。最外面的接触部C1和C5短路并形成输入接口。如果电压V_in施加在该接触部上并由磁通量密度B应该横向于传感器纵轴线来测量出发，那么当位于中部的n⁺接触部C3接地时，在接触部C2与C4之间可以截取出依赖于磁场的输出电压。

为了实现三维的磁场敏感度，在公知的传感器系统中，相同芯片上的这种结构组合成向量磁场传感器(例如参见P.Kejik等的“第一种完全集成式3D霍尔探头(First FullyIntegrated 3D Hall Probe)”，Transducers’05，首尔，韩国，2005年6月5日至9日)。

替选地也公知了将多个相互正交地布置的具有相同的传感器的芯片组合成如下系统，其中，每个芯片都负责测量磁场分量。针对该方式的示例是Hoeben Electronics公司在2013年4月10号的系统HE344和HE444，可以在http://www.hoeben.com/products.html下载。

由直立的且以霍尔板为基础的传感器构成的集成解决方案的缺点是组合系统对于平面中的或者垂直于该平面的磁场分量不同的敏感度，由此由传感器芯片和电路组成的系统的复杂性明显提高。

而在多个相互正交地布置的相同种类的芯片的组合的情况下，构建和连接费用以及整个布置的结构大小都提高了。

用于测量三个磁场分量的其他解决方案具有在技术上费事地实现侧向安装或掩埋在三维基底上的接触部的缺点。这些传感器例如由US 3373272 A和DE 1197938 B公知。此外，一些具有接触部在半导体芯片的表面上的不同布置的传感器完全可以测量磁场的多个且最多三个分量。然而，它们毫无例外地承受结构对于磁场分量的不同的敏感度(例如参见US 2010/0097059 A1、DE 102009027338 A1和DE 102010000769 A1)。

因此，整个系统需要提高的校准和数据评估费用。根本原因在于结构对于三个空间方向x、y和z缺少对称性。

发明内容

因此，本发明的任务在于提供一种三维霍尔传感器，该霍尔传感器利用唯一的设有接口的半导体结构探测磁场的所有三个具有相同的、即各向同性的敏感度的空间分量。

该任务通过根据本发明的用于探测空间磁场的三维霍尔传感器以及根据本发明的用于借助根据本发明的三维霍尔传感器来测量空间磁场的方法来解决。

本发明以如下想法为基础，即，将传感器构建成使传感器结构具有固有的对称性。以该方式可以测量三个具有相同的敏感度的磁场分量，并且可以使计算和校准费用显著减少。

根据本发明的霍尔传感器尤其包括能导电的基体和至少三个电极对，其中每个电极对都具有第一接口和第二接口，它们以如下方式布置在基体上，即，可以使电流从第一接口穿过基体流至第二接口。电极对的接口布置在基体的至少两个不同的、相互对置的表面上。

根据有利的实施方式，至少三个电极对的对形成至少三个四触头结构，这些四触头结构能够实现在利用霍尔效应的情况下分别测量磁场的空间分量，其中，磁场的至少三个测得的分量的方向撑开三维空间。

在相应确定规格的情况下，一方面提供了可以在没有磁场的情况下避免横向于电流的电极对之间的偏置电压，也就是信号，并且确保传感器布置的各向同性的敏感度。

按照根据本发明的布置的有利改进方案，不同的电极对的对彼此间具有在第一表面上的共同的第一接口和/或在第二表面上的共同的第二接口。由此，简化了结构和其与外部系统部件(像例如电路或测量仪器)的连接。

可以更容易地与半导体技术的制造方法协调一致的传感器布置承载在基体的第一表面上的平面中的至少三个第一接口和在基体的第二表面上的平面中的至少三个第二接口，并且第一和第二表面相互对置。这种布置能以有利的方式与半导体技术的标准方法兼容。例如，第一和第二表面基本上相互平行地布置。

为了简化由测得的空间分量来计算三维磁场向量，电极对的对可以绕穿过第一和第二表面的轴线旋转对称地布置。同样，基体的形状也可以是对称的并且具有至少与电极对的布置相同的旋转对称性。

当至少三个第一接口和至少三个第二接口以如下方式布置，即，它们彼此间的连接线分别形成三角形时，可以利用最少的接口实现根据本发明的磁场传感器。换言之：按照根据本发明的方案的特殊的改进方案，电极对的对的各单个接口重合，从而使接口的总数减少。

在此，通过相应的电极对的第一和第二接口之间的连接线形成的坐标系必须既不必与用于输出B磁场信号的第二坐标系成直角，也不必与其一致。由电极布置限定的第一坐标系与第二坐标系之间的相应的换算根据公知的坐标转换的数学方法总是可以实现的，在该第二坐标系中应该输出用于B磁场的测量信号。

例如，由接口的面重心，例如中心点来计算，在基体的第一表面上的三个第一接口可以形成等边三角形，并且三个第二接口可以在对置的基体表面上同样形成等边三角形。这两个三角形在理想情况下可以相互对中，并且彼此间以180°转动地布置在表面上。由此，相应的第一和第二接口之间的连接线在共同的点相交。

当两个三角形一样大时，该点位于基体的中间。否则，该点靠近具有较小的三角形的表面。该共同的点可以定义为坐标系的原点，该坐标系是正交的并且关于基体表面的法向量对称地布置，也就是说坐标系的轴和基体表面的法向量围成相同的角。由此，第一和第二接口分别构造出电极对，其中，总是有其中两个电极对可以为了测量磁场分量被运行。在适当地确定构件规格的情况下，可以用该方式测量霍尔电压，该霍尔电压以第一近似与磁场分量B_x、B_y、B_z成比例，并且不具有几何结构上的偏置部分。基于该结构的对称性，测得所有三个具有相同的敏感度的磁场分量。

通过借助公知的数学方法的坐标转换，通过接口形成的坐标系中的磁场分量可以容易地换算成例如通过结构元件的棱边限定的分量。

必需的敏感度最好以如下方式来实现，即，基体由低掺杂的、具有高载流子迁移率的半导体材料制成。这例如可以是硅，但也可以是砷化铟或锑化铟。根据本发明的原理，通常可以使用所有对于专业人员来说公知的具有高霍尔敏感度的材料。像专业人员公知的那样，也可以相应地使用混合材料或异性结构。

成本低廉且设定的材料选择提供了由n型传导的硅来制造基体。

此外，可以在根据本发明的磁场传感器上设置电流引导结构。在磁场传感器的该设计方案中，基体受到额外的、引入到基体中且围绕接口布置的电流引导结构的影响。由此实现了将电流集中到基体的中心区域上，由此可以提高电流密度和敏感度，并且可以减小偏置的大小。

用于借助根据本发明的三维霍尔传感器来测量空间磁场的方法以如下基本思想为基础，即，所有电极对原则上可以是平等的并且可以在相应的测量过程中始终用作供给电流接口和用于霍尔电压的测量接口。此外，该完全的对称性和平等性允许使用公知的正交转换法(Orthogonal-Switching-Verfahren)和旋转电流法(Spinning-Current-Verfahren)以抑制偏置分量。在此，电极对的对的接口在测量步骤期间单次或多次地循环调换，并且因此可以通过求平均来消除不期望的几何结构上的压电或热电的偏置分量。正交转换法和旋转电流法例如在P.Munter的文章“低偏置量的旋转电流霍尔板(A Low-Offset Spinning Current Hall Plate)”，传感器和执行器A 22，No.1-3(1989)743页-746页中作了描述。

根据本发明的方法包括如下步骤：

(a)供入从第一电极对的第一接口流至第二接口的第一供给电流；

(b)截取其中第二电极对的第一接口与第二接口之间的第一霍尔电压；

(c)从测得的第一霍尔电压来计算第一磁场分量，该第一磁场分量横向于供入的供给电流且横向于其中第二电极对的第一接口与第二接口之间的连接线延伸。

根据本发明，这三个步骤利用调换的电极对来执行，从而最后测定出至少三个磁场分量，从这三个磁场分量可以计算出三维磁场向量B。当参与测量的在每个霍尔电压测量配置内的接口单次或多次循环调换时，测量可以在适当地确定传感器布置的规格的情况下完全无偏置地进行。

当该方法特别使用如下霍尔传感器，其中，至少三个第一接口和至少三个第二接口布置成使它们彼此间的连接线分别形成三角形时，这导致三个特定的磁场分量在适当地确定电极布置的规格的情况下以理想的方式相互垂直并且各向同性地来测量。由此，计算在期望的坐标系中的空间磁场变得特别简单。

附图说明

为了更好地理解本发明，本发明借助在附图中示出的实施例来详细阐述。在此，相同的部分设有相同的附图标记和相同的构件名称。此外，示出和描述的实施方式的各单个特征或特征组合也可以是本身独立的、有创造性的或根据本发明的解决方案。其中：

图1示出根据第一实施方式的三维霍尔传感器的透视原理图；

图2示出根据第二实施方式的三维霍尔传感器的透视原理图；

图3示意性地在俯视图(a)中示出具有电流引导结构的磁场传感器的设计方案并示意性地示出沿图3(a)的线A-A’的截面图(b)；

图4以透视图(a)和侧视图(b)示出根据另一实施方式的三维霍尔传感器的原理图；

图5(a)到(j)示意性地示出其他有利的电极几何结构；

图6示出公知的三维霍尔传感器的透视原理图；

图7示出另一公知的直立式霍尔传感器；

图8示出另一公知的霍尔传感器。

具体实施方式

接下来应参考附图来详细阐述本发明。在图1中示意性地示出三维霍尔传感器100的第一实施方式。

图1示出该新式磁场传感器在其最普通的设计方案中的原理结构。磁场传感器100包括有传导能力的基底102，该基底在空间方向上通过两个理想但并不必需是平坦的表面104、106来限定，这些表面理想但并不必需是相互平行地取向。限界面104、106接下来被称为上限界面或下限界面。有传导能力的结构可以在两个不同的空间方向上来限定。至少三个接口C_i(i＝1、2…N，N≥3)及C_i’(i’＝1、2…N’，N’≥3且不一定等于N)分别集成在上限界面或下限界面104、106中，通过这些接口可以电操控结构100并且可以读出依赖于磁场的测量信号。

在磁场传感器100的运行中，在其中一个限界面104的接口C_i与对置的限界面106的第二接口C_i’之间施加有供给电压V_bias或者等效地供入或引入供给电流I_bias，并且在另一电极对C_j-C_j’(j≠i并且j’≠i’)上测量以第一近似线性地依赖于磁场分量B₁的电压差△V_Hall,1(B₁)＝V_j(B₁)-V_j’(B₁)。

为了测量磁场的两个其他的线性地依赖于B₁且线性相互依赖的分量B₂和B₃，其他用于施加供给电压V_bias(等效于供入供给电流I_bias)或用于测量依赖于磁场的电压差△V_Hall,2(B₂)或者△V_Hall,3(B₃)的电极对C_k-C_k’或C_I-C_I’(I≠k并且I’≠k’)以及C_m-C_m’或C_n-C_n’(n≠m并且n’≠m’)被接触。磁场分量B_i(i＝1…3)理想但并不必需是相互垂直的。

在非理想的情况下，可以在另一步骤中并且在事前对传感器进行校准之后从三个测量电压中提取出三个正交的磁场分量。由这些磁场分量可以通过另一坐标转换计算出B在任意坐标系中的三个分量。

图1中任意成形的具有其接口的基底的缺点在于具有通常很高的偏置电压和对于测量B的三个分量来说不同的敏感度。

像图2示出的那样，本发明提出如下磁场传感器，利用该磁场传感器可以基于传感器结构的固有的对称性利用具有相同敏感度的霍尔效应来测量磁场向量B的三个线性独立的分量B₁、B₂、B₃。为此必需的接口位于传感器结构的对置的表面上。在适宜地确定传感器结构规格的情况下，三个测得的磁场分量是相互正交的，并且这些磁场分量在很小且在适宜地确定传感器结构规格的情况下消失的偏置的情况下来测量。

因此像图2所示那样，磁场传感器100的优选设计方案具有有传导能力的基底102以及侧向的边缘面108和六个接口，该基底具有两个相互平行的平坦的限界面104、106，并且该优选设计方案具有三重旋转对称性和反对称性。前侧和后侧上的接口通过以±120°绕垂直的对称轴线的转动对称地布置。前侧和后侧的接口布置以180°相对彼此转动。

根据该设计方案的磁场传感器100具有关于对称中心的反对称性和关于与限界面垂直且包含对称中心的轴线的三重旋转对称性。因此，其在上限界面104上的三个接口C₁、C₂、C₃和其在下限界面106上的三个接口C_1’、C_2’、C_3’形成具有从接口中心到接口中心测得的边长L的等边三角形。C₁与C_1’之间的、C₂与C_2’之间的以及C₃与C_3’之间的连接线在芯片中部的对称中心110处相交。

该共同的点110可以定义为卡迪尔坐标系的原点，从该原点出发示出大约在接口C₁的方向的x轴、大约在接口C₂的方向的y轴以及大约在接口C₃的方向的z轴。x轴、y轴和z轴在此相互正交且绕磁场传感器的垂直的对称轴线对称地布置。该情况在图2中描绘出。要注意的是，电极对之间的直接的连接线在接触距离L和基底厚度t的普通值的情况下不一定正交地相交。

在图2的磁场传感器100的优选运行中，首先在接口C₁-C_1’之间施加有供给电压V_bias或者等效地供入或引入供给电流I_bias，并且在接口C₂-C_2’之间测量以第一近似线性地依赖于磁场分量B₁的电压差△V_Hall,1(B₁)＝△V_offset,1+S_HallB₁，其中，△V_offset,1表示不依赖于磁场的偏置量，并且S_Hall表示磁敏感度。

通过应用正交转换法或者旋转电流法，即，通过在应用相同的供给电流值I_bias的情况下单次或多次地循环调换供给接口，偏置量△V_offset,1可以通过平均测得的电压差被成功消除，从而剩下了消除偏置的测量信号S_HallB₁。在此示出B₁的方向从由接口C₁、C_1’、C₂和C_2’撑开的斜面出发并且顺着z轴的方向指向。

在第二次测量中，磁场传感器100利用接口C₂-C_2’(供给电压V_bias或等效地供给电流I_bias)和接口C₃-C_3’(从消除偏置的第二测量信号S_HallB₂来确定第二磁场分量B₂)进行运行。

最后在第三次测量中，磁场传感器100利用接口C₃-C_3’(供给电压V_bias或等效地供给电流I_bias)和接口C₁-C_1’(从消除偏置的第三测量信号S_HallB₃来确定第三磁场分量B₃)进行运行。

基于磁场传感器的三重对称性来测量磁场向量B的具有相同的敏感度S_Hall的三个分量B₁、B₂、B₃。分量B₂和B₃在此顺着x方向或y方向指向。在相应地确定磁场传感器和接口的几何结构的规格的情况下可以实现使三个测得的磁场分量相互垂直，即，这些磁场分量是磁场向量B在卡迪尔坐标系中的三个分量。同时也可以实现在理想情况下使偏置消失，或仅必须补偿很小的偏置量。

在磁场传感器的另一设计方案中，接口仅近似具有上面提到的三重对称性和反对称性。已经表明，即使在这样的非理想的条件下，测量三个独立的磁场分量并由这些分量计算出磁场向量B也是完全可行的。

在磁场传感器的另一设计方案中，这两个上限界面和下限界面仅是近似平行和平坦的。已经表明，即使在这样的非理想的条件下，测量三个独立的磁场分量并由这些分量计算出磁场向量B也完全可行的。在磁场传感器的另一设计方案中，侧向的边缘面不满足对称性条件。已经表明，在足够大(与L和t相比很大)的基底的情况下，基底在基底平面中的精确形状仅对磁场传感器的特性(例如敏感度和偏置量)产生很小或甚至可忽略的影响。

图3示出具有电流引导结构112的磁场传感器的另一有利的实施方式的示意图。

在磁场传感器的该设计方案中，基底102受到额外的引入到基底102内且围绕接口布置的电流引导结构112的影响。由此实现了将电流集中到基底的中心区域上，由此可以提高电流密度和敏感度并且可以减小偏置量的大小。

这些电流引导结构112可以用不同的方式和方法来实现。例如，这些电流引导结构可以制造为引入到基底中的结构化部(缝隙、槽、凹部)。这些结构化部可以(也可以仅部分地)由不能传导的材料填充。但如果基底是半导体材料，那么电流引导结构112也可以通过扩散到基底102中的具有与基底掺杂相反的掺杂的区域形成。

在此适宜但不一定必需的是，基底102的由电流引导结构112限定的区域具有上面提到的对称性，该对称性能够在理想情况下实现对磁场的具有相同的敏感度和消失的偏置的三个正交的分量的测量。在此，基底102本身不必非得满足对称性条件，而是基底可以具有更简单的形状，例如长方体形。

根据本发明的磁场传感器的制造例如利用基底和微电子方法(例如热氧化、离子注入、扩散、金属层溅射、晶片切割…)以及微系统技术方法(反应性的、各向异性的硅深度蚀刻(deep reactive ion etching博世工艺))。

在具有平面平行的限界面104、106的传感器的几何结构的情况下，工艺步骤类似于制造以半导体为基础的集成电路地执行。在此，在例如由n型掺杂的硅晶片的前侧或后侧中，首先通过离子注入引入n⁺接触扩散部并将其热激活。

离子注入例如通过在硅晶片的前侧和后侧上的结构化的热硅氧化物来限制。n⁺扩散部的电接触例如通过金属化物(例如铝)的沉淀和结构化来实现，该金属化物与有传导能力的结构的n⁺型掺杂的区域的接触电阻通过热愈合步骤被减小。这尤其是在低掺杂的具有强烈的霍尔效应的半导体材料中是有利的。

金属化的接触部可以用作接触垫或者替选地通过导线与接触垫连接。类似地，n⁺扩散部可以通过其他扩散区域与接触垫连接。对称的结构通过对硅基底进行单侧或双侧地结构化，例如反应性的硅深度蚀刻来实现。

替选地，基底也可以通过深度蚀刻的凹部来结构化，这些凹部将接口之间流动的电流集中到对称的中心区域上。在该情况下，磁场传感器的基底本身也可以简单地通过晶片切割从硅晶片分理出来。在使用构建和连接技术的标准设备的情况下，该几何结构使磁场传感器的操纵变得容易。

磁场传感器的电连接可以通过覆晶技术技术、丝焊或构建和连接技术的其他常见的方法来实现。

根据本发明提出的三个电极对限定了用于测量三个线性独立的磁场分量必需的接触部的最小数量。如果以如下方式设置了多于三个的电极对，即，在每个芯片表面上例如设置四个、五个、六个或更多个以正方形、五边形或六边形布置的接口，那么可以通过选择在两个芯片表面上不同的以四个为一组的接口来执行霍尔测量，这些霍尔测量分别表示了三个磁场分量的线性组合。最后，由至少三个这种测量可以提取出磁场的三个线性独立的分量。如果对多于三个的这种测量进行评估，那么这些测量的结果显然不再是彼此线性独立的。但是，该冗余度可以用于所提取出的磁场分量的提高的精确性。

接下来参考图4和图5阐述根据本发明的磁场传感器的其他有利的实施方式，这些实施方式中一部分具有多于三个的电极对。

图4示出电极对的布置，其中，各两个电极对分别联合成允许测量不同的磁场分量的电极对的对(即，四触头结构)。图4(a)在此是可以用于测量磁场在方向x、y和z上的三个分量的三对电极对的透视图。在此，方向x、y和z撑开三维空间。

图4(b)示出在电极对的对(C₅、C_5’；C₆、C_6’)的y’方向上的侧视图。x方向表示磁场的可以利用电极对的对(C₅、C_5’；C₆、C_6’)借助霍尔效应确定的分量的方向。

图5示出电极布置的其他有利的变型方案。在图5(a)和图5(f)中示出具有任意布置的电极对的对的磁场传感器，其中，至少三对电极对分别形成四触头结构，该四触头结构能够实现在利用霍尔效应的情况下测量出磁场的空间分量，其中，磁场的至少三个测得的分量的方向撑开三维空间。

图5(c)至图5(e)以及图5(h)至图5(j)示出具有电极对的对的共同的接口的磁场传感器，其中，不同的电极对的对彼此具有在第一表面上的共同的第一接口和/或在第二表面上的共同的第二接口。

此外，图5(b)至图5(e)以及图5(g)至图5(j)示出用于旋转对称的布置的示例，其中，电极对的对绕穿过第一和第二表面的轴线旋转对称地布置。

此外，图5(d)以及图5(g)至5(j)是用于具有对称的基体的磁场传感器的示例，其中，基体形状至少具有与电极对的布置相同的旋转对称性。

图5(e)示出具有(最小数量的)三个第一接口和三个第二接口的磁场传感器，其中，三个第一接口和三个第二接口以如下方式布置，即，使他们彼此间的连接线分别形成三角形。

在图5(e)和图5(j)中分别特别地强调一个电极对的对，而其他电极对的对通过单独的分别将四个接口连接成四触头结构的不同的划线或点划线示意出。

Claims (16)

1.一种用于探测空间磁场的三维霍尔传感器，其中，所述霍尔传感器(100)包括能导电的基体(102)和至少三个电极对(C₁、C_1’；…C_N、C_N’)，

其中，每个所述电极对都包括第一接口(C₁、…C_N)和第二接口(C_1’、…C_N’)，所述第一接口和第二接口以如下方式布置在所述基体(102)上，即，能够使电流从所述第一接口穿过所述基体(102)流至所述第二接口，

其中，至少三个第一接口布置在所述基体的第一表面(104)上，并且至少三个第二接口布置在所述基体的与所述第一表面不同的第二表面(106)上，并且其中，所述第一表面和所述第二表面相互对置，

其中，至少三对电极对形成至少三个四触头结构，所述四触头结构能够实现在利用霍尔效应的情况下分别测量出磁场的空间分量，其中，磁场的至少三个测得的分量的方向撑开三维空间，

其中，第一接口(C₁、…C_N)和第二接口(C_1’、…C_N’)按如下方式布置，即，每一个电极对的接口都具有关于与限界面垂直的轴线的三重旋转对称性。

2.根据权利要求1所述的霍尔传感器，其中，不同的电极对的对彼此间具有在所述第一表面上的共同的第一接口和/或在所述第二表面上的共同的第二接口。

3.根据权利要求1或2所述的霍尔传感器，其中，所述第一表面和所述第二表面基本上相互平行地布置。

4.根据权利要求1或2所述的霍尔传感器，其中，所述电极对的对绕穿过所述第一表面(104)和所述第二表面(106)的轴线旋转对称地布置。

5.根据权利要求4所述的霍尔传感器，其中，所述基体的形状是对称的并且具有至少与所述电极对的布置相同的旋转对称性。

6.根据权利要求1或2所述的霍尔传感器，其中，所述至少三个第一接口和所述至少三个第二接口以如下方式布置，即，第一接口彼此间的连接线形成三角形，并且第二接口彼此间的连接线形成另外的三角形。

7.根据权利要求1所述的霍尔传感器，其中，至少所述第一接口至少部分地被具有比基体材料更小的导电性的电流引导结构(112)包围。

8.根据权利要求7所述的霍尔传感器，其中，所述电流引导结构(112)制造为引入到基体中的结构化部。

9.根据权利要求8所述的霍尔传感器，其中，所述结构化部至少部分由不传导的材料填充。

10.根据权利要求7所述的霍尔传感器，其中，所述电流引导结构(112)通过扩散到半导体基底中的、具有与基底掺杂相反的掺杂的区域形成。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的霍尔传感器，其中，所述电流引导结构(112)具有与所述电极对相同的旋转对称性。

12.根据权利要求1或2所述的霍尔传感器，其中，所述基体(102)由硅、砷化铟、锑化铟或其他半导体材料制成。

13.根据权利要求12所述的霍尔传感器，其中，所述基体(102)由n型传导的硅制成。

14.根据权利要求8所述的霍尔传感器，其中，所述电流引导结构(112)是缝隙、槽或凹部。

15.一种用于借助根据前述权利要求中任一项所述的三维霍尔传感器来测量空间磁场的方法，其中，所述方法在所述至少三对电极对中的每一对上应用如下步骤：

(a)供入从其中一个所述电极对的第一接口流至第二接口的第一供给电流；

(b)截取所述电极对中的第二电极对的第一接口与第二接口之间的第一霍尔电压；

(c)从测得的霍尔电压来计算第一磁场分量，所述第一磁场分量横向于供入的第一供给电流且横向于其中所述第二电极对的第一接口与第二接口之间的连接线延伸；

(d)利用根据正交转换原理或旋转电流原理单次或多次调换的电极对来执行所述步骤(a)至(c)，以便消除几何结构上的压电或热电的偏置分量；

其中，由至少三个特定的磁场分量能够计算出在期望的坐标系中的空间磁场。

16.根据权利要求15所述的方法，所述方法使用根据权利要求6所述的霍尔传感器，从而使得所述三个特定的磁场分量以理想的方式相互垂直。