CN104285158A

CN104285158A - 霍尔传感器以及传感器装置

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Publication number: CN104285158A
Application number: CN201280068703.7A
Authority: CN
Inventors: 乔治·勒雷尔
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2032-11-13
Also published as: JP2015507192A; US20140361766A1; EP2624001A1; JP2016194527A; JP5997295B2; JP6431004B2; CN104285158B; WO2013113418A1; EP2624001B1; US10042010B2

Abstract

霍尔传感器(HS)包括用于连接霍尔传感器(HS)的至少四个传感器端子(EXT_A，EXT_B，EXT_C，EXT_D)以及连接在一起的至少两个霍尔传感元件(11，12，……，44)，霍尔传感元件(11，12，……，44)的元件端子(A，B，C，D)连接在传感器端子(EXT_A，EXT_B，EXT_C，EXT_D)之间。霍尔传感元件(11，12，……，44)中的每个霍尔传感元件被配置成提供其元件端子(A，B，C，D)中的两个元件端子之间的各个传感器值。该至少两个霍尔传感元件(11，12，……，44)被基本上等分地分配成两个半部(B₁，B₂)并且被连接，使得在传感器端子(EXT_A，EXT_B，EXT_C，EXT_D)中的两个之间以电的形式形成由相应的各个传感器值产生的差值。一个半部(B₁)的各个传感器值形成差值的被减数，并且另一个半部(B₂)的各个传感器值形成差值的减数，使得在将强度相同且方向相同的均匀磁场施加至两个半部(B₁，B₂)的情况下，被减数和减数彼此相消。

Description

霍尔传感器以及传感器装置

本发明涉及具有若干霍尔传感元件的霍尔传感器，并且涉及具有这样的霍尔传感器的传感器装置。

当存在垂直于电流的磁场时则发生霍尔效应，霍尔效应是根据美国物理学家Edwin Herbert Hall(1855-1938)的名字命名的。在这种情况下，磁场在既垂直于磁场方向又垂直于电流方向的方向上产生被称为霍尔电压的电势差。通过测量霍尔电压，可以确定磁场分量的大小。

用于测量霍尔电压的霍尔传感器可以实现为半导体器件。在该半导体器件中也可以集成求值电路，其例如作为CMOS工艺的一部分来生产。如果在其中工作电流进行流动并且产生霍尔电压的活动区的平面被定位成与半导体本体的顶部共面，则可以对垂直于该顶部定向的磁场分量所引起的霍尔电压进行测量。如果活动区的平面布置成与顶部垂直，即在半导体本体内是纵向的，则可以对平行于该顶部的磁场分量所引起的霍尔电压进行测量。

使用霍尔传感器半导体器件，可实现的灵敏度受限于所使用的半导体材料中的电荷载流子的迁移率。在硅中，通过霍尔电压相对于磁场强度和工作电压的大小而测量的霍尔传感器的最大灵敏度大约是0.1V/T。其他的半导体材料具有更高的电荷载流子迁移率，但是它们可能不太适合用于霍尔传感器与控制和求值电子器件的集成。

在各种应用例如旋转编码器或电流传感器中，测量两个位置之间的磁场的差。根据传统布置，使用两个霍尔传感器，针对每个霍尔传感器具有放大级，其中，通过数字减法或模拟减法来对放大级的输出的差进行求值。

本发明的目的是提供用于对不同位置的磁场的差进行求值的改进的概念。

这个目的通过使用独立权利要求的主题来实现。进展及另外的实施方式是从属权利要求的主题。

改进的概念基于下述思想：提供具有测量不同位置处的磁场的至少两个霍尔传感元件的霍尔传感器。霍尔传感元件以下述方式连接在一起：当霍尔传感元件可以测量同一方向的磁场时，以电的形式形成各个传感器值之间的差。此外，霍尔传感元件在霍尔传感器的传感器端子之间连接。因此，霍尔传感元件不直接连接至求值电路，而是经过霍尔传感器的数目减少的传感器端子连接。因此，霍尔传感器的输出信号，即与两个位置处的磁场的差相对应的差值，可以由单个放大级直接求值和放大。因此，改进的概念导致装置的较少的功耗以及减小的噪声。因此，在一个单个的测量中，针对两个位置同时地或同步地形成差值。

根据一个实施方式，霍尔传感器包括用于连接霍尔传感器的至少四个传感器端子以及连接在一起的至少两个霍尔传感元件，霍尔传感元件的元件端子连接在传感器端子之间。霍尔传感元件中的每个被配置成提供其元件端子中的两个元件端子之间的各个传感器值。至少两个霍尔传感元件被分成基本相同的两个半部并且被连接，使得在传感器端子中的两个之间以电的形式形成由相应的各个传感器值引起的差值。一个半部的各个传感器值形成差值的被减数，而另一个半部的各个传感器值形成差值的减数。

因此，霍尔传感元件中的每一个半部的霍尔传感元件的各个传感器值都对霍尔传感器的两个传感器端子之间的作为结果的差值有贡献。例如，布置两个半部使得在将强度相同且方向相同的均匀磁场施加至两个半部的情况下，被减数和减数彼此相消。

例如，霍尔传感器及所包括的霍尔传感元件布置在半导体本体上。霍尔传感器经由传感器端子接通，传感器端子也可以称为外部端子。与之相比，霍尔传感元件的元件端子是不可直接接通的，尤其是不能作为单个接触件接通，使得元件端子也被称为内部端子。具体地，霍尔传感器可以如传统的霍尔传感器那样分别经由外部端子或传感器端子接通和工作。然而，与传统的霍尔传感器不同的是，不是测量绝对的磁场强度，而是测量两个磁场强度的差。

例如，不是所有的元件端子引向霍尔传感器的相应的外部传感器端子，而是仅在各个霍尔传感元件之间存在部分的元件端子的连接。

例如，传感器端子中的两个传感器端子用于提供功率信号如霍尔传感器的供给电流，而另外两个传感器端子用于例如以差电压的形式记录测量信号，即差值。特别地，霍尔传感元件的元件端子通常不与外部直接连接，而是仅经由相应的传感器端子连接。换言之，由下述事实限定元件端子：没有供给信号如供给电流经由这些端子提供至霍尔传感器。如果霍尔传感元件的一些元件端子连接至外部的端子，则如果这些端子用于在操作期间特别是在测量操作的操作期间接通霍尔传感器，这些端子仅被认为是传感器端子。然而，如果连接至外部的这样的元件端子仅用于内部目的例如霍尔传感器内的测量，则这样的端子被认为是霍尔传感器的另外的辅助端子。

传感器端子由下述事实在功能上定义：多个互连的霍尔传感元件可以像单个霍尔传感器一样经由传感器端子接通。在这方面，传感器端子与可选地连接至外部的元件端子不同。特别地，传感器端子被配置用于在工作期间接通霍尔传感器。

优选地，霍尔传感器的所有的霍尔传感元件被同性质地构建。术语“同性质的霍尔传感元件”被理解为：这些霍尔传感元件具有至少部分地相同的属性。例如，霍尔传感元件具有相等数量的元件端子并且/或者具有相同的几何尺寸。然而，在各种实施方式中，未被同性质地构建的霍尔传感元件被相互连接。

例如，在霍尔传感器内使用的霍尔传感元件被构建为横向霍尔传感元件，特别是被构建为霍尔片。这样的霍尔传感元件测量方向分别垂直于霍尔传感元件或霍尔片的表面的磁场。

在其他实施方式中，霍尔传感器的霍尔传感元件被构建为纵向霍尔传感元件。这样的霍尔传感元件测量方向平行于霍尔传感元件的表面的磁场。例如，至少两个霍尔传感元件被构建为纵向霍尔传感元件，其测量平行于表面的不同取向的磁场。因此，例如，彼此垂直且同时平行于霍尔传感元件的表面的磁场可以形成差值。各个传感器值可以与表面的平面中的不同的坐标轴相对应。

然而，在各种实施方式中，也可以在霍尔传感器中组合纵向霍尔传感元件和横向霍尔传感元件，其中，霍尔传感元件的电参数可以彼此适配。

在一些实施方式中，霍尔传感器正好包括两个霍尔传感元件，使得在两个霍尔传感元件之间形成差值。在其他实施方式中，霍尔传感器包括更大数量的霍尔传感元件，优选地，霍尔传感器包括偶数数量的霍尔传感元件，其中，霍尔传感元件中的一些提供差值的正的部分并且一些霍尔传感元件提供差值的负的部分。在任何情况下，霍尔传感器的霍尔传感元件可以分成两个基本等同的部分。

根据一个实施方式，一个半部的霍尔传感元件布置在霍尔传感器的第一邻接区域，并且另一个半部的霍尔传感元件布置在霍尔传感器的第二邻接区域。优选地，第二邻接区域与第一邻接区域不交叠。因此，由第一区域中的霍尔传感元件的各个传感器值确定第一位置处的磁场强度的值，例如，这个第一区域内的平均值。类似地，在第二区域内的霍尔传感元件的各个传感器值贡献第二位置的磁场强度的值。

例如，第一邻接区域和第二邻接区域具有类似的形状并且间隔开布置。因此，可以预计相应的霍尔传感元件的可比性的贡献。可以由霍尔传感器的具体应用确定区域之间的间隔。例如，如果霍尔传感器用于旋转编码器，则间隔可以基于用于生成磁场的磁铁的尺寸。如果霍尔传感器用于电流传感器，则间隔可以基于根据要测量的电流生成磁场的两个线圈的距离。

根据一个实施方式，至少两个霍尔传感元件以反并联的方式连接。例如，如果霍尔传感器包括两个霍尔传感元件，则霍尔传感端子的两个元件端子以相同的极性连接，以使得例如供给电流以相同的方向流经霍尔传感元件。其他两个元件端子以彼此相反的极性连接，以使得例如它们的电压贡献具有相反的方向，因此形成差电压。特别地，霍尔传感器的每个传感器端子正好连接至每个霍尔传感元件的元件端子中的一个元件端子。虽然针对两个霍尔传感元件进行了阐述，但是该原理也可以应用至更大数量的霍尔传感元件，优选地，该原理也可以应用至偶数数量的霍尔传感元件。

例如，至少两个霍尔传感元件每个具有第一、第二、第三和第四元件端子。在元件端子中的两个元件端子处，至少两个霍尔传感元件以直接连接的方式连接，并且在元件端子中的另外两个的元件端子处，至少两个霍尔传感元件以交叉连接的方式连接。

在霍尔传感器中使用霍尔传感元件的上述连接，与使用单独的霍尔传感器的传统的应用相比，降低了霍尔传感器的输入电阻。此外，针对给定的噪声级别，与传统应用相比，降低了霍尔传感器的工作期间的电流消耗。

在上述实施方式的一些方面，霍尔传感元件中的一个被布置成相对于霍尔传感元件中的另一个旋转。因此，可以降低偏置或残余偏置的影响。

在另外的实施方式中，至少两个霍尔传感元件以反串联的方式连接。例如，如果霍尔传感器包括同一几何取向的两个霍尔传感元件，则用于测量各个传感器值例如霍尔电压的传感端子以串联的方式连接但是具有相反的极性，使得一个霍尔传感元件对作为结果的差提供正的贡献，而另一个霍尔传感元件则对差值提供负的贡献。霍尔传感元件的剩余的元件端子可以用于对霍尔传感元件提供供给信号，这可以针对每个霍尔传感元件单独地进行，或者针对所有的霍尔传感元件使用公共供给信号进行。因此，霍尔传感器可以包括用于提供作为结果的差值的两个传感器端子以及用于施加供给信号的两个或更多个传感器端子。

传感器端子之间的连接可以是固定的。为了能够实施如电流旋转的技术，传感器端子之间的互连可以是可变化的。例如，霍尔传感元件的元件端子被配置成用作信号端子或用作供给端子。霍尔传感器还包括开关网络，该开关网络被配置成在连续运行阶段改变供给端子至相应的传感器端子的连接，并且在连续运行阶段改变相应的两个传感器端子之间的信号端子的连接，以使得在两个传感器端子之间以电的形式形成差值。

同样，针对具有反串联连接的实施方式，在改进了噪声性能的同时减少了霍尔传感器的电流消耗。

在另外的实施方式中，霍尔传感器包括以具有多于一维的网格的形式互连的至少四个霍尔传感元件。例如，网格在每个方向上包括至少两个霍尔传感元件。如上所述，霍尔传感元件被分配成两个半部。因此，半数的霍尔传感元件在网格的一部分中互连，另一半数的霍尔传感元件在网格的另一部分中互连，同时网格的两部分也互连。

通过使用网格结构，实现了霍尔传感元件的二维互连或多维互连。另外，通过网格结构形成了阵列状互连。换言之，在网格中互连的霍尔传感器元件跨过至少一个平面。在一些实施方式中，以网格的形式布置单个霍尔传感元件，使得网格的一个或更多个列或行分别与相邻的列或行交叠，而不必使霍尔传感元件彼此交叠。例如，霍尔传感元件以蜂窝状的网格结构进行互连。例如，以N×M网格或阵列来分别布置多个霍尔传感元件，其中，N大于1并且M大于1。N和M可以相等或不同。例如，N和M可以是以2为底的指数。例如，网格是具有相应数量的霍尔传感元件的4×4网格、8×8网格、16×16网格或者甚至更大的网格。更大数量的霍尔传感元件允许分别进一步减少偏置电压或残余偏置电压。不需要完全填满网格，以使得可以保持不占用网格的各个节点。因此，也可以使用矩形以外的形状如圆形或十字形或者多边形形状来形成网格连接。通过以网格的形式对霍尔传感元件进行布线，可以实现二维互连或多维互连。

例如，网格的一个半部的霍尔传感元件以限定的模式互连，产生对将要在传感器端子处提供的差值的正的贡献。因此，在一个实施方式中，网格的另一个半部的霍尔传感元件以与第一个半部的霍尔传感元件对称的方式互连。

因此，一个半部的霍尔传感元件以与另一个半部的霍尔传感元件对称的方式连接，特别是以镜像的方式连接。

在所有的上述实施方式中，优选的是，对霍尔传感元件或霍尔传感元件的互连分别提供一定对称，特别是镜像对称。通过对霍尔传感器的霍尔传感元件应用对称，可以容易地实现对所期望的差值的正的贡献和负的贡献。通过在霍尔传感器内应用霍尔传感元件的直接互连，与各自需要单独的供给电路和单独的放大电路的单独的霍尔传感器的传统的应用相比，可以减少霍尔传感器或作为结果的传感器应用的复杂性。此外，减少了功率消耗以实现所期望的噪声级别。

因此，根据另外的实施方式，传感器装置包括：根据所描述的实施方式中的一个实施方式的霍尔传感器、连接至霍尔传感器的偏置电路以及连接至霍尔传感器的两个传感器端子的放大器，特别地，两个传感器端子提供差值，用于基于在两个传感器端子之间形成的差值生成放大的差信号。例如，由偏置电路将供给信号提供至霍尔传感器。

因此，在测量与两个位置处的磁场强度的差相对应的差值的应用中，只需要单个偏置电路和单个放大器。

下面的文本参考附图使用示例实施方式详细阐述了本发明。相同的附图标记用于各附图中的相同元件或者具有类似功能的元件。在附图中：

图1：示出了包括霍尔传感器的传感器装置的实施方式，

图2：示出了霍尔传感元件的实施方式，

图3：示出了具有两个霍尔传感元件的霍尔传感器的实施方式，

图4：示出了具有两个霍尔传感元件的霍尔传感器的另一实施方式，

图5：示出了具有两个霍尔传感元件的霍尔传感器的另一实施方式，

图6：示出了具有多个霍尔传感元件的霍尔传感器的实施方式，

图7：示出了具有多个霍尔传感元件的霍尔传感器的另一实施方式，

图8：示出了霍尔传感元件的各种实施方式，

图9：示出了具有多个霍尔传感元件的霍尔传感器的另一实施方式，

图10：示出了具有多个霍尔传感元件的霍尔传感器的另一实施方式，

图11：示出了具有多个霍尔传感元件的霍尔传感器的另一实施方式，以及

图12：示出了具有多个霍尔传感元件的霍尔传感器的另一实施方式。

在用于确定与不同位置的磁场强度的差相对应的差值的传统方法中，针对每个位置为独立的传感器提供各自的供给电路和各自的放大器，其中，通过对两个放大器的输出信号进行求值来形成有效的差值。例如，在传统的方法中，每个霍尔传感器包括单个霍尔传感元件。

针对具有电阻R_H的霍尔传感器或霍尔传感元件的一定带宽△f的与输入相关的热噪声B_Noise-Sensor是：

B_{Noise - Sensor} = \frac{\sqrt{4 kT \cdot Δf \cdot R_{H}}}{S_{0}}

其中，通过霍尔传感器的供给电压V_IN或供给电流I_IN以及与电压或电流相关的灵敏度S_V或S_I来确定某工作点S₀处的灵敏度：

S₀＝V_IN·S_V＝I_IN·S_I

用于放大霍尔传感器的输出信号的放大器的与输入相关的噪声B_Noise-FE可以由下述等式近似：

B_{Noise - FE} = \frac{\sqrt{4 kT \cdot Δf \cdot R_{FE} (I_{FE})}}{S_{0}}

其中，I_FE是提供至放大器的电流，并且R_FE(I_FE)是取决于I_FE的等效噪声电阻。

因此，霍尔传感器和放大的总的与输入相关的噪声B_Noise的结果为：

B_{Noise} = \frac{\sqrt{4 kT \cdot Δf (R_{H} + R_{FE} (I_{FE}))}}{S_{0}}

为了测量磁场的差，传统方法中需要具有放大的两个霍尔传感器。因此，由几何相加得到的完整的系统的噪声B_Noise-total是：

B_{Noise - total} = \frac{\sqrt{2}}{2} \frac{\sqrt{4 kT \cdot Δf (R_{H} + R_{FE} (I_{FE}))}}{S_{0}}

使用I_H作为用于霍尔传感器的供给电流，所需要的总电流I_tot是：

I_tot＝2·I_H+2·I_FE

图1示出了具有霍尔传感器HS、供给电路或偏置电路BIAS、开关网络SWN和放大器AMP的传感器装置。霍尔传感器HS包括至少两个霍尔传感元件，其中至少一个霍尔传感元件位于霍尔传感元件的第一半部B₁中，至少一个霍尔传感元件位于霍尔传感元件的第二半部B₂中。使用连接霍尔传感器HS的霍尔传感元件的元件端子的不同连接件将第一半部B₁和第二半部B₂连接在一起。

霍尔传感器HS的一些内部连接件经由外部连接件或者传感器端子EXT_A、EXT_B、EXT_C以及EXT_D连接至外部。这些传感器端子用于操作霍尔传感器HS。为此，霍尔传感器HS经由开关网络SWN连接至偏置电路BIAS和连接至放大器AMP。开关网络SWN是可选的，例如，用于进行作为本技术领域中已知的电流旋转技术的偏置减少技术的目的。然而，如果在不同实施方式中不使用这样的技术，则可以省略开关网络SWN，使得偏置电路BIAS和放大器AMP直接连接至霍尔传感器HS或者分别连接至传感器端子EXT_A、EXT_B、EXT_C以及EXT_D。

每个霍尔传感元件被配置成提供其元件端子中的两个元件端子之间的各个传感器值，其中，各个传感器值与同一方向的磁场相对应。由两个半部B₁、B₂包括的至少两个霍尔传感元件内部地连接，以使得以电的形式在传感器端子EXT_A、EXT_B、EXT_C以及EXT_D中的两个传感器端子之间形成由相应的各个传感器值引起的差值。因此，差值被提供至放大器AMP，以基于差值生成放大的差值信号SB12。差值与分别在第一半部B₁和第二半部B₂的两个位置之间的磁场的差成正比。

因此，与上面所描述的传统方法中需要两个供给电路和两个放大器相比，仅需要单个放大器中的单个供给电路来操作霍尔传感器并且生成差值信号SB12。因此，图1的实施方式的与输入相关的噪声和电流消耗优于传统方法，随后将针对可以在图1的传感器装置中使用的霍尔传感器HS的各种实施方式对此进行更详细地阐述。此外，如果在半导体本体上实现霍尔传感器HS和其他电路路径BIAS、SWN、ANP，则与传统的方法相比需要较少的面积。

可以以本身已知的实现的各种形式来构建霍尔传感器HS的霍尔传感元件。在图2中，示出了在操作期间具有可能的电流流向的霍尔传感元件的示例实施方式。在此，图2A示出了横向霍尔传感元件的实施方式，其中，例如，在旋转电流技术的一个工作阶段中，电流I1从元件端子A流到元件端子C，而在另一工作阶段中，电流I2从元件端子B流到元件端子D。例如，在被示为方形的霍尔传感元件的边上的中间，设置了用作元件连接件A、B、C、D的电接触件。使用这样的横向霍尔传感元件，可以测量垂直于被示为方形的元件的表面的磁场。

图2B示出了纵向霍尔传感元件的实施方式，例如，针对纵向霍尔元件在p型掺杂半导体本体HL内设置有n型掺杂阱W。在半导体本体HL的表面和阱W上分别设置有用于元件端子A、B、C、D的接触垫，其中，用于元件端子A的接触垫分别被对称地执行或被执行两次。

与图2A中示出的霍尔传感元件类似，在第一工作阶段中，图2B的纵向霍尔传感元件中的电流从元件端子C流动至元件端子A的接触垫，通过流动箭头I1A、I1B来表征。在第二工作阶段中，电流I2以类似的方式从元件端子B流动至元件端子D。使用图2B中示出的霍尔传感元件，可以测量平行于阱W或半导体本体HL的表面的磁场。特别地，对在图2B的图示中形象地纵向行进的磁场进行测量。

优选地，当应用于图1的霍尔传感器HS时，所有的霍尔传感元件以同一类型构建，即都是纵向霍尔传感元件或都是横向霍尔传感元件。此外，霍尔传感器HS的所有的霍尔传感元件同性质地构建，例如具有相同的尺寸和相同的电参数。

针对霍尔传感器HS的具体实现，存在各种实现，将结合下面的图更详细地阐述各种实现中的一些。

例如，图3示出了具有以反并联的方式连接的两个霍尔传感元件11、21的霍尔传感器HS的实施方式。霍尔传感元件11、21中的每个包括连接至传感器端子EXT_A、EXT_B、EXT_C以及EXT_D的四个元件端子A、B、C、D。霍尔传感元件11形成霍尔传感元件的第一半部B₁，而霍尔传感元件21形成霍尔传感元件的第二半部B₂。

霍尔传感元件11、21彼此对称，特别是镜像对称地布置。在这方面，顺时针方向标记霍尔传感元件11的元件端子，以左上角的元件端子A开始并且以左下角的元件端子D结束。由于对称，逆时针方向标记霍尔传感元件21的元件端子，还是以左上角的元件端子A开始但是以右上角的元件端子D结束。因此，通过将相应的元件端子A连接至传感器端子EXT_A，将元件端子B连接至传感器端子EXT_B，将元件端子C连接至传感器端子EXT_C并且将元件端子D连接至传感器端子EXT_D，在两个相对的传感器端子之间隐含地形成差。例如，在着眼于在霍尔传感元件11、21之间切换的元件端子B和D时，这个差将变得明显。

图4示出了与图3中示出的实施方式类似的，具有以反并联的方式连接的两个霍尔传感元件11、21的霍尔传感器HS的另一实施方式。然而，在图4的实施方式中，右霍尔传感元件21相对于图3中示出的对应物顺时针旋转了90°。因此，几何旋转被应用至霍尔传感元件21。因此，改进了产生的霍尔传感器的残余偏置。

在图3的实施方式和图4的实施方式二者中，将霍尔传感元件11和霍尔传感元件21连接，使得与霍尔传感元件21的贡献相比，霍尔传感元件11对产生的差值提供了具有相反的符号的贡献。因此，差值与分别在第一半部B₁、第二半部B₂的两个位置之间的磁场的差成正比。

在下面，将图3和图4中示出的霍尔传感器的性能与上面所描述的传统方法进行比较。

例如，由下式给出图3和图4的实施方式的与输入相关的噪声B_Noise：

B_{Noise} = \frac{\sqrt{4 kT \cdot Δf (\frac{R_{H}}{2} + R_{FE} (I_{FE}))}}{S_{0}}

并且总电流I_tot是

I_tot＝2·I_H+I_FE

由两个霍尔传感元件11、21的并联连接产生上面的等式中的霍尔传感器的有效电阻，因此，等分每个霍尔传感元件的各个电阻R_H。虽然来自霍尔传感器的与输入相关的噪声B_Noise与传统的方法中的相同，但是增大了放大器的贡献，即S₀对2*S₀。为了具有与传统方法中一样的噪声以用于更好的比较，可以将霍尔传感器供给电流或电压增加倍并且可以将霍尔传感元件电阻R_H加倍。然后，与输入相关的噪声B_Noise是

B_{Noise} = \frac{\sqrt{4 kT \cdot Δf (\frac{2 \cdot R_{H}}{2} + R_{FE} (I_{FE}))}}{\sqrt{2} \cdot S_{0}}

并且总电流I_tot是

I_{tot} = \sqrt{2} \cdot I_{H} + I_{FE}

因此，使用所描述的图3和图4的实施方式，在这个工作点处实现了具有较少的电流消耗的相等的噪声性能，优于传统的方法。

图5示出了具有两个霍尔传感元件11、21的霍尔传感器的另一实施方式。在这个实施方式中，霍尔传感元件11、21以反串联的方式连接。与图3和图4的实施方式类似，分别顺时针标记和逆时针标记霍尔传感元件11、21的元件端子，以便提供在形成霍尔传感元件的第一半部B₁的第一霍尔传感元件11与形成霍尔传感元件的第二半部B₂的第二霍尔传感元件21之间的对称。

在这个实施方式中，元件端子A、C分别连接至传感器端子EXT_A、EXT_A′、EXT_C、EXT_C′。例如，可以将供给信号，特别是供给电流经由这些传感器端子提供至霍尔传感元件11、21。霍尔传感元件11的元件端子B连接至霍尔传感元件21的元件端子D。霍尔传感元件11的元件端子D连接至传感器端子EXT_D，并且霍尔传感元件21的元件端子B连接至传感器端子EXT_B。如可以从图5中所看到的那样，在传感器端子EXT_B、EXT_D之间特别地形成反串联连接。因此，在传感器端子EXT_B、EXT_D之间的产生的差值与霍尔传感元件11、21的位置之间的磁场强度的差相对应。

因此，任意同质单向的磁场相消，使得产生的霍尔传感器HS只对要测量的磁场的差灵敏，要测量的磁场例如通过移动磁铁或通过线圈的电流来产生。

传感器端子EXT_A、EXT_A′、EXT_B、EXT_C、EXT_C′、EXT_D之间的连接可以是固定的。为了能够实施如电流旋转的技术，传感器端子EXT_A、EXT_A′、EXT_B、EXT_C、EXT_C′、EXT_D之间的相互连接可以是变化的。例如，霍尔传感元件11、12的元件端子A、B、C、D被配置成用作信号端子或者用作供给端子。霍尔传感器还可以包括开关网络，其被配置成在连续工作阶段改变供给端子到相应的传感器端子EXT_A、EXT_A′、EXT_C、EXT_C′的连接，并且被配置成在连续工作阶段改变传感器端子EXT_B、EXT_D之间的信号端子的连接，使得在两个传感器端子EXT_B、EXT_D之间以电的形式形成差值。例如，要被连接的元件端子在不同的工作阶段之间轮流。

例如，使用比图5中示出的更多数量的霍尔传感元件或者使用电流源的实现等来实现用于反串联实施方式的另外的具体实现是可能的。特别地，德国专利申请102011017096中描述的用于具有串联连接的霍尔传感器的霍尔传感器半导体器件的开关技术可以适于技术人员反串联霍尔传感器，上述专利申请的公开内容的全部内容通过引用合并在本文中。

例如，由下式给出图5的实施方式的与输入相关的噪声B_Noise：

B_{Noise} = \frac{\sqrt{4 kT \cdot Δf (2 \cdot R_{H} + R_{FE} (I_{FE}))}}{2 \cdot S_{0}}

并且总电流I_tot是：

I_tot＝2·I_H+I_FE

因此，与传统方法相比，使用所描述的图5的实施方式，实现了具有较少的电流消耗的更好的噪声性能。

图6示出了具有布置在第一半部B₁和第二半部B₂中的多个霍尔传感元件的霍尔传感器HS的另一实施方式。具体地，第一半部B₁包括霍尔传感元件11、12、13、14、21、22、23、24，而第二半部B₂包括霍尔传感元件31、32、33、34、41、42、43、44。将第一半部B₁的霍尔传感元件11、12、……、24连接，使得其贡献与第一半部B₁的区域或形状中的磁场强度对应的一个极性的值。类似地，霍尔传感元件31、32、……、44贡献与第二半部B₂的区域或形状中的磁场强度对应的相反极性的值。此外，将第一半部和第二半部连接，或者分别将第一半部B₁和第二半部B₂的霍尔传感元件连接，使得两个贡献在外部传感器端子EXT_A、EXT_B、EXT_C以及EXT_D中的两个传感器端子之间形成与两个半部B₁、B₂处的磁场强度的差相对应的差值。例如，第一半部B₁和第二半部B₂形成具有相似形状并且被间隔开布置的第一邻接区域和第二邻接区域。第一半部B₁和第二半部B₂可以具有除了矩形的形状，如圆形或十字形的形式或者多边形形状。

为了生成差值，霍尔传感元件12、13的元件端子A连接至传感器端子EXT_A，霍尔传感元件21、31的元件端子B连接至传感器端子EXT_B，霍尔传感元件42、43的元件端子C连接至传感器端子EXT_C，并且霍尔传感元件24、34的元件端子D连接至传感器端子EXT_D。此外，霍尔传感元件11、……、34的元件端子C连接至它们相应的右近邻，即霍尔传感元件21、……、44的元件端子A。上三行的霍尔传感元件的元件端子D以类似的方式连接至它们的近邻，即它们下三行的霍尔传感元件的元件端子B。

与图3、图4和图5的实施方式类似，顺时针标记第一半部B₁的霍尔传感元件的元件端子，而逆时针标记第二半部B₂的霍尔传感元件的元件端子。因此，第二半部B₂的霍尔传感元件相对于第一半部B₁的霍尔传感元件对称地布置。

图6的实施方式中的霍尔传感元件的布置因提出的连接而减少了产生的霍尔传感器的残余偏置。

霍尔传感元件11、12、……、44在霍尔传感器HS中形成了二维网格，其中，网格仅经由传感器端子EXT_A、EXT_B、EXT_C和EXT_D接通。

图7示出了包括以网格的形式连接的多个霍尔传感元件11、12、……、22的霍尔传感器的另一实施方式。与图6的实施方式相比，图7的霍尔传感元件旋转了45°。此外，霍尔传感元件中的一些连接至相邻的霍尔传感元件，使得元件端子A、B、C、D中的两个或四个连接在一起。例如，霍尔传感元件21的元件端子A连接至其下邻的霍尔传感元件22的元件端子B，连接至左下邻的霍尔传感元件12的元件端子C，并且连接至左邻的霍尔传感元件11的元件端子D。针对霍尔传感元件22、23、31、32、33、41、42、43及其相应的左邻、左下邻及下邻也呈现类似的连接。

如之前的实施方式中那样，顺时针标记第一半部B₁的霍尔传感元件的元件端子，而逆时针标记第二半部B₂的霍尔传感元件的元件端子，均开始于左下角的元件端子A。因此，图7的布置也具有对称性。

布置的边缘处的霍尔传感元件仅连接至其相邻的霍尔传感元件。图7中示出的霍尔传感器经由连接至霍尔传感元件14的元件端子A的传感器端子EXT_A、连接至霍尔传感元件11的元件端子B的传感器端子EXT_B、连接至霍尔传感元件41的元件端子C的传感器端子EXT_C以及连接至霍尔传感元件44的元件端子D的传感器端子EXT_D连接。

与图6的实施方式类似，可以测量与在第一半部B₁、第二半部B₂的位置处的磁场的差相对应的传感器端子中的两个之间的差值。

例如，由下式给出具有网格配置的实施方式的与输入相关的噪声B_Noise：

B_{Noise} = \frac{\sqrt{4 kT \cdot Δf (R_{H} + R_{FE} (I_{FE}))}}{S_{0}}

并且总电流I_tot是

I_tot＝I_H+I_FE

在上面的等式中，电阻R_H是在传感器端子呈现的连接的霍尔传感元件的有效电阻。因此，与传统的方法相比，电流减半，噪声增加倍。为了得到与传统的方法同样的噪声，供给电流或供给电压可以增加倍。于是，总电流I_tot是

I_{tot} = \sqrt{2} \cdot I_{H} + I_{FE},

与传统方法相比，此电流仍然较小。

图8示出了霍尔传感元件的各种可能的配置，其主要的不同是各个元件端子它们的标记。例如，图8A、图8B、图8C和图8D的配置示出了其中以接着各个箭头的加号表示的顺时针来标记元件端子配置。类似地，图8E、图8F、图8G和图8H示出了其中以接着各个箭头的减号表示的逆时针来标记元件端子的配置。

箭头的方向指示霍尔传感器的哪个角被标记为参考元件端子例如元件端子A。具体地，图8A和图8E中使用的右指向箭头指示左下角被标记为元件端子A。如图8B和图8F中所示出的那样，下指向箭头表示左上角被标记为元件端子A。如图8C和图8G中所指示的那样，左指向箭头指示右上角被标记为元件端子A。最后，上指向箭头指示元件端子A位于右下角。各种配置可以用于根据上面所描述的实施方式中的一个实施方式的霍尔传感器中。例如，如上面所述，具有顺时针标记的图8A、图8B、图8C、图8C的配置用于霍尔传感器的第一半部B₁中，而具有逆时针标记的图8E、图8F、图8G和图8H的配置用于霍尔传感器的第二半部B₂中。

在下面的图中示出了使用图8中示出的各个配置的霍尔传感器的另一实施方式。相应的配置被绘制为分别具有加号或减号的相应的箭头。

例如，图9示出了其中左半部B₁中设置有根据图8A的配置的八个霍尔传感元件的霍尔传感器的实施方式。在霍尔传感器的右半部B₂中，设置有相对于左半部B₁的对称布置。针对右半部B₂的霍尔传感元件应用图8E的配置产生对称性。例如，与图6或图7类似地进行各个霍尔传感元件之间的互连。例如，也可以对图6或图7的实施方式中的一个提供传感器端子EXT_A、EXT_B、EXT_C、EXT_D。

在图9的实施方式中，所使用的霍尔传感元件具有基本相同的取向。图10示出了与图9的实施方式类似的霍尔传感器的另一实施方式，其中，各个霍尔传感元件相对于彼此旋转，这可以通过指向不同方向的箭头看出。然而，因为以由加号表示的顺时针来标记左侧B₁的霍尔传感元件，并且以由减号表示的逆时针来标记右侧B₂的霍尔传感元件，所以分别设置或保持了两半部B₁、B₂之间的对称性。因此，由于对称性，在上述实施方式中提供了传感器端子处的差值。

图11示出了与图10的实施方式在所使用的霍尔传感元件的数量方面不同的霍尔传感器的另一实施方式。具体地，图11的霍尔传感器包括分布至两个半部B₁、B₂的六十四个霍尔传感元件。与图10的实施方式类似，各个霍尔传感元件相对于彼此旋转。

图12示出了具有六十四个霍尔传感元件的霍尔传感器的另一实施方式。对称线基本上沿着布置的对角线将霍尔传感器分开。然而，与之前的实施方式类似，第一半部B₁包括顺时针标记的霍尔传感元件，而第二半部B₂包括逆时针标记的霍尔传感元件，顺时针或逆时针由相应的加号或减号表示。因此，同样在这个实施方式中，可以由图12的霍尔传感器提供与第一半部B₁和第二半部B₂的两个位置处的磁场强度的差相对应的差值。

当将上述实施方式的霍尔传感器应用至图1的传感器布置时，仅需要单个放大器和单个供给电路或偏置电路用于操作霍尔传感器。此外，如果将斩波/去斩波机制用于对霍尔传感器的信号进行求值，则传感器装置只需要单个斩波/去斩波电路。因此，与传统的方法相比，需要较少的电路部件并且减少了功率消耗。

示出了反并联配置的图3和图4的实施方式以及图6、图7、图9至图12的实施方式可以像传统的霍尔传感器一样直接操作，这是因为传感器端子中的两个用于提供供给信号，而传感器端子中的另外两个用于提供差值。因此，与传统的霍尔传感器相比，可以在不加修改的情况下应用如电流旋转的技术。

然而，如上面所指示的那样，也可以通过供给电流的相应的交替来用电流旋转技术操作图5的实施方式的反串联配置。

使用霍尔传感器的网格状配置，例如通过选择连接至传感器端子的元件端子的数量或位置，可以改变或影响产生的霍尔传感器的电阻。具体地，可以通过增加直接连接至传感器端子的霍尔传感元件的数量来减少霍尔传感器的电阻。

Claims

1.一种霍尔传感器(HS)，包括用于连接所述霍尔传感器(HS)的至少四个传感器端子(EXT_A，EXT_B，EXT_C，EXT_D)以及连接在一起的至少两个霍尔传感元件(11，12，……，44)，所述霍尔传感元件(11，12，……，44)的元件端子(A，B，C，D)在所述传感器端子(EXT_A，EXT_B，EXT_C，EXT_D)之间连接，其中

-所述霍尔传感元件(11，12，……，44)中的每个被配置成提供其元件端子(A，B，C，D)中的两个之间的各个传感器值；

-所述至少两个霍尔传感元件(11，12，……，44)被基本上等分地分配成两个半部(B₁，B₂)并且被连接，使得在所述传感器端子(EXT_A，EXT_B，EXT_C，EXT_D)中的两个之间以电的形式形成由相应的各个传感器值引起的差值；以及

-一个半部(B₁)的各个传感器值形成所述差值的被减数，并且另一个半部(B₂)的各个传感器值形成所述差值的减数，使得在将强度相同且方向相同的均匀磁场施加至两个半部(B₁，B₂)的情况下，所述被减数与所述减数彼此相消。

2.根据权利要求1所述的霍尔传感器(HS)，

其中，所述一个半部(B₁)的所述霍尔传感元件布置在所述霍尔传感器(HS)的第一邻接区域中，而所述另一个半部(B₂)的所述霍尔传感元件布置在所述霍尔传感器(HS)的第二邻接区域中，所述第二邻接区域与所述第一邻接区域不交叠。

3.根据权利要求2所述的霍尔传感器(HS)，

其中，所述第一邻接区域与所述第二邻接区域具有相似的形状，并且被间隔开布置。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的霍尔传感器(HS)，

其中，所述至少两个霍尔传感元件(11，12，……，44)以反并联的方式连接。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的霍尔传感器(HS)，

其中

-所述至少两个霍尔传感元件(11，12，……，44)每个具有第一、第二、第三和第四元件端子(A，B，C，D)；

-在所述元件端子(A，B，C，D)中的两个处，所述至少两个霍尔传感元件以直接连接的方式连接；以及

-在所述元件端子(A，B，C，D)中的另外两个处，所述至少两个霍尔传感元件以交叉连接的方式连接。

6.根据权利要求4或5所述的霍尔传感器(HS)，

其中，所述霍尔传感元件中的一个被布置为相对于所述霍尔传感元件中的另一个旋转。

7.根据权利要求5所述的霍尔传感器(HS)，

包括第一和第二霍尔传感元件(11，21)，其中，所述第一霍尔传感元件(11)被布置为相对于所述第二霍尔传感元件(21)旋转，特别是旋转90°。

8.根据权利要求7所述的霍尔传感器(HS)，

其中，将所述第一和第二霍尔传感元件(11，21)连接，使得与所述第二霍尔传感元件(21)的贡献相比，所述第一霍尔传感元件(11)对所述差值提供具有相反的符号的贡献。

9.根据权利要求1至3中的一项所述的霍尔传感器(HS)，

其中，所述至少两个霍尔传感元件(11，12，……，44)以反串联的方式连接。

10.根据权利要求9所述的霍尔传感器(HS)，

其中，所述霍尔传感元件(11，12，……，44)的所述元件端子(A，B，C，D)被配置成用作信号端子或者用作供给端子，所述霍尔传感器(HS)还包括开关网络，所述开关网络被配置成在连续工作阶段改变所述供给端子到相应的传感器端子(EXT_A，EXT_A′，EXT_C，EXT_C′)的连接并且在所述连续工作阶段改变在相应的两个传感器端子(EXT_B，EXT_D)之间的所述信号端子的连接，使得在所述两个传感器端子(EXT_B，EXT_D)之间以电的形式形成所述差值。

11.根据权利要求1至3中的一项所述的霍尔传感器(HS)，

其中，所述霍尔传感器(HS)包括至少四个霍尔传感元件(11，12，……，44)，所述至少四个霍尔传感元件(11，12，……，44)以具有多于一维的网格的形式互连。

12.根据权利要求11所述的霍尔传感器(HS)，

其中，所述一个半部(B₁)的霍尔传感元件以相对于所述另一个半部(B₂)的霍尔传感元件对称的方式特别是镜像的方式连接。

13.根据权利要求11或12所述的霍尔传感器(HS)，其中

-所述一个半部(B₁)的霍尔传感元件被连接，使得它们贡献与所述一个半部(B₁)的区域中的磁场强度对应的第一值；

-所述另一个半部(B₂)的霍尔传感元件被连接，使得它们贡献与所述另一个半部(B₂)的区域中的磁场强度对应的第二值；以及

-与所述第二值的贡献相比，所述第一值对所述差值提供具有相反的符号的贡献。

14.根据权利要求1至13中的一项所述的霍尔传感器(HS)，

其中，所有的所述霍尔传感元件(11，12，……，44)被构建为横向霍尔传感元件，特别是霍尔片。

15.根据权利要求1至13中的一项所述的霍尔传感器(HS)，

其中，所有的所述霍尔传感元件(11，12，……，44)被构建为纵向霍尔传感元件。

16.根据权利要求1至15中的一项所述的霍尔传感器(HS)，

其中，所有的所述霍尔传感元件(11，12，……，44)被同性质地构建。

17.根据权利要求1至16中的一项所述的霍尔传感器(HS)，

其中，所述两个半部(B1，B2)的所述差值同时地形成或同步地形成。

18.一种传感器装置，包括：根据权利要求1至17中的一项所述的霍尔传感器(HS)；偏置电路(BIAS)，其连接至所述霍尔传感器(HS)；以及放大器(AMP)，其连接至所述霍尔传感器的两个传感器端子，用于基于在所述两个传感器端子之间形成的差值生成放大的差信号(SB12)。