CN107703466B - 霍尔传感器装置和霍尔感测方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及3维霍尔传感器装置(100;300)，所述3维霍尔传感器装置(100;300)包括霍尔传感器元件(102;302)，所述霍尔传感器元件(102;302)具有在3维外壳(106;306)中实现的霍尔效应区域(104;304)并且包括至少三个端子(108;308)。每个端子连接到霍尔效应区域(104;304)的至少一个电触点(110;310)，并且每个电触点被布置在3维外壳的不同区域。本公开还公开用于这种3维霍尔传感器装置中的偏移抵消的旋转电流/电压方案。

Description

霍尔传感器装置和霍尔感测方法

技术领域

本公开一般地涉及磁场传感器装置，并且更具体地讲，涉及霍尔传感器装置。

背景技术

霍尔效应装置是用于测量磁场的半导体装置。它们产生与磁场成比例的输出信号。在零磁场，它们倾向于输出通常不同于零的信号：这是它们的偏移误差(=零场误差)。

霍尔效应装置包括霍尔效应发生的霍尔效应区域，并且三个或更多个触点位于霍尔效应区域中或与霍尔效应区域欧姆接触。例如，通过接触扩散或注入过程，可以实现与霍尔效应区域的电气接触。有时，几个触点可以经金属线(在半导体技术的互连层中)连接到相同端子。端子可以被用于为所述装置供应电功率，并且用于引出它的输出信号。

如果霍尔效应区域是二维电子气(2DEG)，则它可以被视为具有零厚度的片层(在实践中，所述厚度可以是大约10 nm)，并且可以与利用夹头（tub）的情况不同地进行接触(因为薄的装置)。要注意的是，2DEG是这样的电子气：它在两个维度中自由移动，但在第三维度中被紧紧地限制。

霍尔板(我们也称之为水平霍尔效应装置或HHall)是平坦装置，其厚度是它们的侧向尺寸的1/5至无穷小(通常1/50)。它们被用于检测沿着它们的厚度方向(即，通向半导体基底的方向)的磁场分量。在硅技术中，霍尔板当前通常是1到3 µm厚，并且在侧向方向上是10到100 µm大。它们的布局可以是矩形、正方形、圆形、八边形、十字形或甚至三角形。

垂直霍尔效应装置或VHall是粗大的装置，其中一个侧向尺寸与它们的厚度方向(即，通向半导体基底的方向)相当(0.2倍至10倍)。它们经常具有长条形状，多数是直的，有时是弯曲的、弧形的或者甚至圆形的环。它们可以被用于检测平行于半导体主表面的磁场分量。

术语“水平”和“垂直”表示板状几何形状的装置相对于半导体管芯的主表面的取向。

如前所述，霍尔效应装置可能遭受偏移误差。偏移误差是在不存在某个输入量的情况下存在输出信号。对于霍尔传感器，偏移误差将会是当事实上不存在磁场时指示输入磁场的输出信号。

偏移误差可能与不同原因相关，其中的两个原因是原始偏移误差和剩余偏移误差。原始偏移误差可以表示存在于特定操作阶段的偏移误差。剩余偏移误差可以表示存在于总体或总输出信号(诸如，作为来自各个操作阶段的那些信号的组合的信号)中的偏移误差。

用于减小或抵消偏移误差的一个方案是使用多触点霍尔传感器。三触点或四触点HHall或VHall可以在旋转电流类型模式下操作，旋转电流类型模式在多个时钟阶段改变触点的供电或感测作用，以使得当组合来自所述多个时钟阶段的信号时减小任何偏移。即使如此，剩余偏移误差也可能保留得高于预期值，诸如处于大约1毫特斯拉(mT)的范围中。

针对在3维(3D)空间中检测磁场分量，传统HHall和VHall都受到限制。因此希望具有这样的霍尔传感器装置：在3D空间中对特定磁场分量具有高的磁灵敏度。还希望以有利的方式组合在不同操作模式下引出的信号以抵消偏移误差并且仍然保持高的3D磁灵敏度。

发明内容

根据第一方面，本公开提供一种霍尔传感器装置，所述霍尔传感器装置包括3维霍尔传感器元件，所述3维霍尔传感器元件具有在3维外壳中实现的霍尔效应区域并且包括至少三个端子。3维外壳可以被视为三维实心体，当与其它维度相比时，该三维实心体的厚度非常小。每个端子连接到霍尔效应区域的至少一个电触点。每个电触点被布置在3维外壳的不同区域。

在一些实施例中，3维外壳的厚度可以小于在任何其它维度的延伸的10%，小于其5%，或甚至小于其1%。

在一些实施例中，3维外壳包括半导体材料。例如，经半导体材料的掺杂区域，霍尔效应区域可以被实现在3维外壳中。在2DEG的情况下，霍尔效应区域可以被实现在由半导体制成的晶体管状结构中。因此，在一些实施例中，3维外壳可以包括2DEG。

在一些实施例中，3维外壳是对称体。例如，3维外壳可以具有反射对称、旋转对称、平移对称、螺旋对称、标度对称或它们的组合。

在一些实施例中，所述至少三个电触点未被布置在3维外壳上的共同平面内。

在一些实施例中，所述至少三个电触点相对于一个或多个对称轴被对称地布置在3维外壳上。

在一些实施例中，3维外壳可以包围与3维外壳不同电气特性的体积或主体。例如，3维外壳的内部可以是中空的(腔)。

在一些实施例中，3维外壳是环状外壳。

在一些实施例中，3维外壳是包围多面体体积的多面体外壳。多面体可以被理解为在三个维度具有平坦多边形面、直的边缘和尖锐拐角或顶点的实心体。因此，多面体外壳可以被理解为多面体的“皮肤”。因此，3维外壳的至少一个部分是平坦表面。在一些实施例中，3维外壳包括整数数量的平坦表面。

在一些实施例中，多面体外壳是下面的组中的一种外壳：棱锥、截棱锥、倒截棱锥或倒棱锥。

在一些实施例中，多面体外壳的一对相邻面(侧壁)沿着接合所述一对相邻面的共同边缘处于欧姆接触。

在一些实施例中，所述至少三个触点中的每个触点被布置在多面体外壳的不同顶点。

在一些实施例中，具有关联的电触点的多面体外壳的每个面被配置为相应平面霍尔传感器元件。

在一些实施例中，多面体外壳的每个面包括布置在相应面的不同顶点的至少三个触点。

在一些实施例中，霍尔传感器装置还可以可选地包括：传感器电路，耦合到所述至少三个端子，并且被配置为在至少两个操作阶段操作霍尔传感器元件。传感器电路被配置为在第一操作阶段使用所述至少三个端子中的第一对端子作为供电端子以产生第一电输出量，并且在第二操作阶段使用所述至少三个端子中的第二对端子作为供电端子以产生第二电输出量。霍尔传感器装置还可以包括：组合电路，被配置为组合第一和第二电输出量以用于偏移抵消或减小。受益于本公开的技术人员将会理解，电输出量可以是电流或电压。

在一些实施例中，组合电路被配置为基于第一和第二电输出量之和或第一和第二输出量之差产生偏移校正输出信号。

在一些实施例中，传感器电路被配置为：在第一操作阶段，经所述三个端子中的第一对端子施加供电量，将所述三个端子中的剩余端子接地，并且在所述三个端子中的第一对端子测量第一电输出量。在第二操作阶段，传感器电路被配置为：经所述三个端子中的第二对端子施加供电量，将所述三个端子中的剩余端子接地，并且在所述三个端子中的第二对端子测量第二电输出量。在第三操作阶段，传感器电路被配置为：经所述三个端子中的第三对端子施加供电量，将所述三个端子中的剩余端子接地，在所述三个端子中的第三对端子测量第三电输出量。组合电路被配置为组合第一、第二和第三电输出量。受益于本公开的技术人员将会理解，供电量可以是电流或电压。同样地，受益于本公开的技术人员将会理解，电输出量可以是电流或电压。所述多个操作阶段(所述多个操作阶段也可以包括超过三个操作阶段)因此导致用于关于3维霍尔传感器元件的动态偏移抵消的旋转电流或旋转电压方案。

在与旋转电流方案相关的一些实施例中，传感器电路可以被配置为：在第一操作阶段，经所述三个端子中的第一端子注入供电电流，经所述三个端子中的第二端子注入供电电流，将所述三个端子中的第三端子接地，并且响应于相应注入的供电电流来测量第一和第二端子之间的第一输出电压。在第二操作阶段，传感器电路可以被配置为经所述三个端子中的第二端子注入供电电流，经所述三个端子中的第三端子注入供电电流，将所述三个端子中的第一端子接地，并且响应于相应注入的供电电流来测量第二和第三端子之间的第二输出电压。在第三操作阶段，传感器电路可以被配置为经所述三个端子中的第三端子注入供电电流，经所述三个端子中的第一端子注入供电电流，将所述三个端子中的第二端子接地，响应于相应注入的供电电流来测量第三和第一端子之间的第三输出电压。组合电路可以被配置为组合第一、第二和第三输出电压以用于动态偏移抵消。

在与旋转电压方案相关的一些实施例中，在第一操作阶段，传感器电路可以被配置为：经所述三个端子中的第一端子施加供电电压，经所述三个端子中的第二端子施加供电电压，将所述三个端子中的第三端子接地，测量取决于第一端子处的第一电流和第二端子处的第二电流的至少一个第一量(例如，第一和第二端子之间的电流差)。在第二操作阶段，传感器电路可以被配置为：经所述三个端子中的第二端子施加供电电压，经所述三个端子中的第三端子施加供电电压，将所述三个端子中的第一端子接地，测量取决于第二端子处的第三电流和第三端子处的第四电流的至少一个第二量(例如，第二和第三端子之间的电流差)。在第三操作阶段，传感器电路可以被配置为：经所述三个端子中的第三端子施加供电电压，经所述三个端子中的第一端子施加供电电压，将所述三个端子中的第二端子接地，测量取决于第三端子处的第五电流和第一端子处的第六电流的至少一个第三量(例如，第三和第一端子之间的电流差)。组合电路可以被配置为组合所述至少三个测量量(例如，所述六个电流或三个电流差)以用于动态偏移抵消。

在一些实施例中，霍尔传感器装置包括至少四个端子并且传感器电路被配置为：在第一操作阶段，使用所述四个端子中的第一对端子作为输入端子施加第一供电量，并且响应于第一供电量而测量作为输出端子的所述四个端子中的第二对端子之间的第一电输出量。在第二操作阶段，传感器电路可以被配置为使用所述四个端子中的第二对端子作为输入端子施加第二供电量，并且响应于第二供电量而测量作为输出端子的所述四个端子中的第一对端子之间的第二电输出量。

在一些实施例中，霍尔传感器元件包括至少八个触点，每个触点被布置在3维外壳的不同点或区域。所述至少四个端子中的每个端子可以连接到所述至少八个触点中的不同触点，或者所述至少四个端子中的每个端子可以连接到所述至少八个触点中的不同触点对。在一些实施例中，每对触点包括与3维外壳的相对的面(侧壁)关联的触点。在一些实施例中，霍尔传感器装置还可以可选地包括多个开关，其中每个开关被配置为选择性地使一对触点短路。

在与具有至少四个端子的霍尔传感器装置相关的一些实施例中，传感器电路被配置为将电流注入到输入端子之一中，并且测量输出端子之间的电压，或者在输入端子之间施加电压，并且测量输出端子之间的短路电流。

在一些实施例中，传感器电路被配置为将一个输入端子接地，同时电流被注入到另一个输入端子中。

在与具有至少四个端子的霍尔传感器装置相关的一些实施例中，传感器电路被配置为：在第三操作阶段，使用所述四个端子中的第一对端子作为输入端子来施加具有第一供电量的反向极性的第三供电量，响应于第三供电量来测量作为输出端子的所述四个端子中的第二对端子之间的第三电输出量。在第四操作阶段，传感器电路可以被配置为：使用所述四个端子中的第二对端子作为输入端子来产生具有第二供电量的反向极性的第四供电量，响应于第四供电量，测量作为输出端子的所述四个端子中的第一对端子之间的第四电输出量。组合电路可以被配置为基于第一、第二、第三和第四电输出量的组合产生组合输出信号。

在一些实施例中，组合电路被配置为基于第一和第二电输出量的第一总和与第三和第四电输出量的第二总和之差产生偏移校正输出信号。

在与在多面体外壳中实现霍尔效应区域相关的一些实施例中，传感器电路被配置为：在第一操作阶段，使用布置在3维外壳表面的第一面的不同顶点的四个触点中的第一和第二触点来施加第一供电量，并且响应于第一供电量而测量第一面的所述四个触点中的第三和第四触点之间的第一电输出量。在第二操作阶段，传感器电路可以被配置为：使用第一面的所述四个触点中的第三和第四触点来施加第二供电量，并且响应于第二输入信号而测量第一面的所述四个触点中的第一和第二触点之间的第二电输出量。在第三操作阶段，传感器电路可以被配置为：使用第一面的所述四个触点中的第一和第二触点施加具有第一供电量的反向极性的第三供电量，响应于第三供电量测量第一面的所述四个触点中的第三和第四触点之间的第三电输出量。在第四操作阶段，传感器电路可以被配置为：使用第一面的所述四个触点中的第三和第四触点施加具有第二供电量的反向极性的第四供电量，响应于第四供电量而测量第一面的所述四个触点中的第一和第二触点之间的第四电输出量。在第五操作阶段，传感器电路可以被配置为：使用布置在3维外壳表面的与第一面相对的第二面的不同顶点的四个触点中的第一和第二触点施加第五供电量，响应于第五供电量测量第二面的所述四个端子中的第三和第四端子之间的第五电输出量。在第六操作阶段，传感器电路可以被配置为：使用第二面的所述四个端子中的第三和第四端子施加第六供电量，并且响应于第六供电量而测量第二面的所述四个端子中的第一和第二端子之间的第六电输出量。在第七操作阶段，传感器电路可以被配置为：使用第二面的所述四个端子中的第一和第二端子施加具有第五供电量的反向极性的第七供电量，并且响应于第七供电量而测量第二面的所述四个端子中的第三和第四端子之间的第七电输出量。在第八操作阶段，传感器电路可以被配置为：使用第二面的所述四个端子中的第三和第四端子施加具有第六供电量的反向极性的第八供电量，并且响应于第八供电量而测量第二面的所述四个端子中的第一和第二端子之间的第八电输出量。组合电路可以被配置为基于第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电输出量的组合产生组合输出信号。

根据另一方面，本公开提供一种霍尔传感器装置，所述霍尔传感器装置具有3维霍尔传感器元件，所述3维霍尔传感器元件包括半导体材料的3维多面体外壳中的3维有源霍尔效应区域。3维霍尔传感器元件还包括与3维多面体半导体外壳的不同顶点关联的至少三个端子。每个端子连接到霍尔效应区域的至少一个电触点。每个电触点被布置在3维外壳的不同区域。霍尔传感器装置还包括：传感器电路，耦合到所述至少三个端子，并且被配置为在至少两个操作阶段操作霍尔传感器元件。传感器电路被配置为：在第一操作阶段使用所述至少三个端子中的第一对端子作为供电端子来产生第一电输出量，并且在第二操作阶段使用所述至少三个端子中的第二对端子作为供电端子来产生第二电输出量。霍尔传感器装置还包括：组合电路，被配置为组合第一和第二电输出量以用于偏移抵消。

在一些实施例中，多面体外壳是包括下面各项的组中的一个：棱锥、截棱锥、倒截棱锥或倒棱锥。

根据另一方面，本公开提供一种使用至少三个端子的集成在3维外壳中的霍尔效应区域的霍尔感测方法。每个端子连接到霍尔效应区域的至少一个电触点。每个电触点被布置在3维外壳的不同区域。所述方法包括：在第一操作阶段期间使用所述至少三个端子中的第一对端子作为供电端子来产生第一电输出量，并且在第二操作阶段期间使用所述至少三个端子中的第二对端子作为供电端子来产生第二电输出量。所述方法还包括：组合第一和第二电输出量以用于偏移抵消。

附图说明

将在下面仅作为示例并且参照附图描述设备和/或方法的一些实施例，其中

图1a示出霍尔传感器装置的实施例，所述霍尔传感器装置包括3维霍尔传感器元件，所述3维霍尔传感器元件具有在3维棱锥状外壳中实现的霍尔效应区域；

图1b示出霍尔传感器装置的另一实施例，所述霍尔传感器装置包括3维霍尔传感器元件，所述3维霍尔传感器元件具有在3维截棱锥状外壳中实现的霍尔效应区域；

图2a示出截棱锥状实心体和其中的电流分布；

图2b示出截棱锥状外壳和其中的电流分布；

图3a示出霍尔传感器装置的实施例和其中的电压分布，所述霍尔传感器装置包括3维霍尔传感器元件，所述3维霍尔传感器元件具有在3维截棱锥状外壳中实现的霍尔效应区域和八个触点；

图3b示出图3a的实施例和其中的电流分布；

图4a示出针对一个特定对的供电触点的在3维霍尔传感器装置的不同触点处的电势；

图4b示出针对一个特定对的供电触点的在3维霍尔传感器装置的不同触点处的磁灵敏度；

图5示出3维截棱锥状外壳的2维表示；

图6示出具有四个端子和八个触点的霍尔传感器装置的实施例，其中所述四个端子中的每个端子连接到所述八个触点中的不同对；

图7a-d图示针对不同操作阶段的电势分布和电流流线；

图8a示出3D环状外壳的实施例；

图8b图示针对图8a的3D环状外壳的一个操作阶段的电势分布和电流流线的2维表示；

图9a、b图示针对另外的可能操作阶段的电势分布和电流流线；

图10a-f示出在各种3维外壳中实现的霍尔效应区域的不同示例；和

图11图示根据示例的霍尔感测方法的流程图。

具体实施方式

现在将参照图示一些示例性实施例的附图更充分地描述各种示例性实施例。在附图中，线、层和/或区域的厚度可以为了清楚而被夸大。

因此，尽管另外的实施例能够具有各种修改和替代形式，但其一些示例性实施例被作为示例示出在附图中并且将在这里详细地描述。然而，应该理解，并不意图将示例性实施例限制于公开的特定形式，而是相反地，示例性实施例将覆盖落在本公开的范围内的所有修改、等同物和替代物。相似的标号在附图的描述中始终表示类似或相似的元件。

将会理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可直接连接或耦合到所述另一元件，或者可存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其它词语应该被以相似的方式解释(例如，“位于…之间”与“直接位于…之间”、“相邻”与“直接相邻“等)。

这里使用的术语仅用于描述特定示例性实施例的目的，并且不意图限制另外的示例性实施例。如这里所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚地指示不同情况。还将会理解，当在这里使用时，术语“包含”和/或“包括”指定存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。

除非另外定义，否则这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与示例性实施例所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。还将会理解，术语(例如，在常用词典中定义的那些术语)应该被解释为具有与在相关技术的情境中它们的含义一致的含义，除非在这里明确地定义另外的情况。

各实施例涉及在3维形状外壳结构中实现的3维多触点霍尔传感器装置及其操作方法，所述3维多触点霍尔传感器装置及其操作方法可以减小或消除偏移误差。在实施例中，3维霍尔传感器装置可以包括三个或更多个触点，并且多个这种传感器装置可以被组合。可以针对3维多触点霍尔传感器装置实现操作模式，这些操作模式提供对传统旋转电流/电压原理的显著修改和改进，包括减小的剩余偏移。如前所述，偏移误差可以与不同原因相关，其中的两个原因是原始偏移误差和剩余偏移误差。原始偏移误差可以表示存在于特定操作阶段的偏移误差，而剩余偏移误差可以表示存在于总体或总输出信号(诸如，作为来自各个操作阶段的那些信号的组合的信号)中的偏移误差。因此，多个操作阶段的原始偏移误差可以被组合以创建所不希望的增加的剩余偏移误差，或者部分地或完全地抵消原始偏移误差，以使得减小或消除剩余偏移误差。

实施例涉及不是平面结构的3维霍尔效应区域。我们通过平面结构表示可以在一张平坦的纸上绘制并且沿垂直于这个平面的方向拉伸的任何基本上2维的几何形状，诸如例如矩形长方体。多数现有技术霍尔效应区域是平面结构：经典霍尔板是平面结构并且经典垂直霍尔效应装置也是平面结构，因为通过绘制它们的横截面并且沿与所述横截面正交的方向拉伸所述横截面可以获得这二者。平面和非平面霍尔效应区域之间的一个重要差异在于：仅对于平面霍尔效应区域而言，可沿特定方向(也就是说，垂直于平面)施加磁场，从而磁场在至少一个操作阶段垂直于霍尔效应区域中的所有电流流线。在这里公开的非平面霍尔效应区域中，电流密度和沿任意方向的均匀磁场之间的角度在整个霍尔效应区域中将不是恒定的。

图1a图示根据实施例的霍尔传感器装置100的示例。

霍尔传感器装置100包括3维霍尔传感器元件102，3维霍尔传感器元件102具有在3维外壳结构106中实现的3维霍尔效应区域104，3维外壳结构106不是落在以上定义内的平面结构。霍尔传感器装置100包括至少三个端子108。3维外壳106可以被视为三维实心体，当与其它维度相比时，其厚度非常小。换句话说，3维外壳结构106仅仅是薄壳或薄膜，而不是完全的实心体。然而，在一些实施例中，它可覆盖这种实心体。由3维外壳106包围的这个实心体或体积可以具有与3维外壳106本身不同的电气特性。因此，3维外壳106可以包括电绝缘或导电的区域，但在后者的情况下，该区域与3维外壳表面的大部分以电气方式隔离，或者没有电流在它里面流动。

每个端子108连接到3维霍尔效应区域104的至少一个电触点110。每个电触点110被布置在3维外壳结构106的不同区域。在图示的示例中，所述至少三个触点110中的每个触点110被布置在3维外壳结构106的不同顶点。因此，全部触点110可以被布置在不同平面中(不共面)，而一部分触点110可以被布置在共同平面中(共面)或布置在不同平面中。优选地，所述至少三个电触点110相对于一个或多个对称轴112被对称地布置在3维外壳106上或布置在3维外壳106周围。在这种情况下，随后将会变得清楚的是，可实现更好的偏移抵消结果。

在图示的示例中，外壳结构106是棱锥外壳。在一些实施例中，棱锥外壳106的侧壁/面可以是等边三角形或等腰三角形。然而，其它3维外壳结构也将会是可能的。仅列出一些示例，根据本公开的3维外壳结构106的其它示例是半球形外壳或它的一部分(球形外壳曲面)、圆柱形外壳、圆锥形外壳、截棱锥外壳、平行六面体外壳和立方体外壳。因此，在更一般的意义上，3维外壳106可以是部分或完全地覆盖对应体积(诸如，例如多面体体积或多面体)的弯曲或多面体外壳。因此，外壳结构106的至少一些侧壁/面可以是弯曲的或以其它方式倾斜。所述外壳可以是封闭的(因此它们包围内部体积，这些外壳是包壳)或敞开的。在后者的情况下，将会没有图1a的棱锥外壳106的底板。在不同方面，棱锥外壳106的底部将会是敞开的。

在一些实施例中，3维外壳可以包括半导体材料。例如，可以在棱锥或截棱锥的表面上制造根据本公开的霍尔效应装置，所述霍尔效应装置可以在(100)-硅(=棱锥)顶部上生长或蚀刻到(100)-硅(倒棱锥)中。在示例中，III-V异质结可以在所述硅棱锥(外表面)或倒棱锥(内表面)顶部上生长，它可以用作极薄(2DEG=二维电子气)霍尔效应区域104。由此，异质结表示存在于不同的晶体半导体的两个层或区域之间的界面。

在一些实施例中，霍尔效应区域104可以覆盖3维外壳结构106（诸如例如倒棱锥或棱锥）的整个表面。因此，我们称它为外壳。需要注意的是，霍尔效应区域104像桌布一样覆盖图1a的棱锥(截棱锥)，但它不需要覆盖棱锥的底表面。类似地，如果我们具有倒截棱锥，则霍尔效应区域104可以覆盖倾斜侧壁和小的底表面，但不覆盖大的底表面。可以在(倒)棱锥外壳的一些或全部拐角/顶点制造触点110。由于可能无法将3维外壳结构106的所有面彼此隔离，所以我们可能必须接受：电流并不仅仅在3维外壳结构106的单个面上流动，而是也跨越到其它面。因此，3维外壳106的一对相邻面可沿着接合所述一对相邻面的共同边缘114处于欧姆接触。因此，电流可以在两侧流经感测触点110。然而，这可能稍微降低磁灵敏度。

图1a的3维外壳结构106具有特定孔径角。在图1a的示例中，棱锥的侧壁可以是(111)-硅表面，而它的底表面可以是(100)-硅表面。因此，在这个示例中，两个表面法线之间的角度可以等于arcos(1/sqrt(3) = 54.74°。受益于本公开的技术人员将会理解，其它几何形状也是可能的。

下面的描述集中于具有至少三个电触点的示例性3维霍尔外壳结构的操作模式。它示出在哪些触点110可以供应和提取供电量(电流或电压)以及在哪些触点可以测量霍尔或输出信号以及几个霍尔信号可以如何被组合以抵消偏移(=旋转电流/电压方案)。本公开的一个方面公开对3D空间中的特定磁场分量具有较大磁灵敏度的操作模式。本公开的另一方面公开如何以有利的方式组合不同操作模式的电输出量以抵消偏移误差并且仍然保持较大磁灵敏度。

已发现：3维外壳的磁灵敏度大于3维实心体的磁灵敏度。参照图2a、b，我们将比较针对实心截棱锥(图2a)和截棱锥的敞开外壳(图2b)的Bx场的磁灵敏度。截棱锥的敞开外壳被称为敞开，因为没有大的底表面。在两个示例中，(正方形)底部b具有135.5 µm的长度，并且顶表面具有t = 22.4 µm的长度，并且所述结构具有h = 80 µm的高度。在所述外壳(图2b)的情况下，我们简单地复制原始棱锥(图2a)，将它向下移动2 µm(沿负z方向)，并且从原始棱锥去掉它。在两种情况下，在侧壁或面的一个点/顶点202注入电流，同时这个同一侧壁的相对点/顶点204接地，并且在这个侧壁的其它两个顶点206、208处引出电压。图2a、b的上部示出实心和敞开壳体的几何形状，而图2a、b的下部示出相应电流流线。

我们使用低掺杂硅的示例性参数：188.54 S/m电导率、0.1177/T迁移率。在实心情况(图2a)下的供电电压相关磁灵敏度是0.75 mV/V/T，而在外壳情况(图2b)下该灵敏度是3.3 mV/V/T。在实心情况(图2a)下的供电电流相关磁灵敏度是14.8 V/A/T，而该灵敏度在外壳情况(图2b)下是164.6 V/A/T。因此，外壳具有显著更大的电压和电流相关磁灵敏度。这就是为什么我们优选外壳。另外，我们具有我们可以用于优化的外壳厚度的另外参数。特别地，在2DEG的情况下，可以使外壳厚度相当小以实现高电流相关磁灵敏度。

返回到图1a，受益于本公开的技术人员将会理解，触点110或端子108可以被耦合到某个电气控制电路(未示出)，所述电气控制电路也将在下面被称为传感器电路。传感器电路可以被配置为在多个操作阶段中操作霍尔传感器元件102以用于偏移抵消。在第一操作阶段，传感器电路可以被配置为使用所述至少三个端子108-1至108-x中的第一对端子作为供电端子来产生第一电输出量(电压或电流)。在第二操作阶段，传感器电路可以被配置为在第二操作阶段使用所述至少三个端子108-1至108-x中的第二对端子作为供电端子来产生第二电输出量。第一和第二电输出量可以随后被组合成组合输出量或信号。例如，通过专用组合电路(未示出)可以实现组合输出量或信号。需要注意的是，存在传感器和/或组合电路的各种可能的模拟和/或数字实现方式，为了简洁起见将不会在这里对此进行讨论。

考虑图1a的对称棱锥外壳106，例如，可以针对棱锥外壳的每个侧壁或面使用三个操作阶段。将会理解，具有相应关联的电触点的棱锥外壳106的每个面被配置为相应平面霍尔传感器元件。因此，在图1a的示例中，我们具有彼此处于欧姆接触的至少三个倾斜平面霍尔传感器元件(对应于所述至少三个倾斜侧壁)。在第一操作阶段，可以经所述三个端子中的第一对端子(例如，108-1和108-2)施加供电量，而所述三个端子中的剩余端子(例如，108-3)接地。可以在所述三个端子中的第一对端子(例如，108-1和108-2)处测量第一电输出量(电压或电流)。在第二操作阶段，可以经所述三个端子中的第二对端子(例如，108-2和108-3)施加供电量，而所述三个端子中的剩余端子(例如，108-1)接地。在所述三个端子中的第二对端子(例如，108-2和108-3) 处测量第二电输出量。在第三操作阶段，可以经所述三个端子中的第三对端子(例如，108-1和108-3)施加供电量，而所述三个端子中的剩余端子(例如，108-2)接地。可以在所述三个端子中的第三对端子(例如，108-1和108-3) 处测量第三电输出量。然后，第一、第二和第三电输出量可以被组合以用于偏移抵消或减小。

霍尔传感器装置100的旋转电流方案的示例可以看起来如此：

第一操作阶段：

-经所述三个端子中的第一端子(例如，108-1)注入供电电流，

-经所述三个端子中的第二端子(例如，108-2)注入(相同的)供电电流，

-将所述三个端子中的第三端子(例如，108-3)接地，

-响应于相应注入的供电电流，测量第一和第二端子(例如，108-1和108-2)之间的第一输出电压V12。

第二操作阶段：

-经所述三个端子中的第二端子(例如，108-2)注入供电电流，

-经所述三个端子中的第三端子(例如，108-3)注入供电电流，

-将所述三个端子中的第一端子(例如，108-1)接地，

-响应于相应注入的供电电流来测量第二和第三端子之间的第二输出电压V23。

第三操作阶段：

-经所述三个端子中的第三端子(例如，108-3)注入供电电流，

-经所述三个端子中的第一端子(例如，108-1)注入供电电流，

-将所述三个端子中的第二端子(例如，108-2)接地，

-响应于相应注入的供电电流来测量第三和第一端子之间的第三输出电压V31。

然后，例如通过利用正确符号的相加，可以组合第一、第二和第三输出电压。

霍尔传感器装置100的替代旋转电压方案的示例可以看起来如此：

第一操作阶段：

-经所述三个端子中的第一端子(例如，108-1)施加供电电压，

-经所述三个端子中的第二端子(例如，108-2)施加(相同的)供电电压，

-将所述三个端子中的第三端子(例如，108-3)接地，

-在第一端子(例如，108-1)处测量第一电流，

-在第二端子(例如，108-2) 处测量第二电流。

第二操作阶段：

-经所述三个端子中的第二端子(例如，108-2)施加供电电压，

-经所述三个端子中的第三端子(例如，108-3)施加供电电压，

-将所述三个端子中的第一端子(例如，108-1)接地，

-在第二端子处测量第三电流，

-在第三端子处测量第四电流。

第三操作阶段：

-经所述三个端子中的第三端子(例如，108-3)施加供电电压，

-经所述三个端子中的第一端子(例如，108-1)施加供电电压，

-将所述三个端子中的第二端子(例如，108-2)接地，

-在第三端子处测量第五电流，

-在第一端子处测量第六电流。

然后，所述六个电流(或三个所获得的电流差)可以被组合以用于偏移减小/抵消。替代于在每个操作阶段中单独在两个端子处测量电流，所述电路也可利用电流表电路使两个端子短路并且测量两个端子中的电流之差并且最后组合所述三个操作阶段的三个电流差。类似于旋转电流方案，针对3维外壳106的每个面或侧壁的三个操作阶段可以进一步与3维外壳106的至少一个另外的面/侧壁的操作阶段组合。

针对3维外壳106的每个面或侧壁的三个操作阶段可以进一步和与3维外壳106的至少一个另外的面/侧壁相关的操作阶段组合。

需要注意的是，以上原理也可以被应用于具有敞开截棱锥外壳的形状的3维外壳结构106，参见图1b。图1b的截棱锥外壳106包括八个接触区域110-1至110-8。四个触点110-1至110-4被布置在截棱锥外壳106的底部周围，而其它四个触点110-5至110-8被布置在截棱锥外壳106的上水平面周围。四个触点110-5至110-8被短路并且连接到共同端子108-3，而下触点110-1至110-4中的每个触点可以与相应自己的端子108-1至108-4关联。以这种方式，我们获得与图1a相当的设置。

图3a图示根据实施例的霍尔传感器装置300的另一示例。

霍尔传感器装置300包括3维霍尔传感器元件302，所述3维霍尔传感器元件302具有3维霍尔效应区域304，3维霍尔效应区域304在具有敞开截棱锥外壳的形状的3维外壳结构306中实现。霍尔传感器装置300包括八个电触点310-1至310-8，每个电触点被布置在截棱锥外壳306的不同顶点。触点310-1至310-4(C1–C4)与截棱锥外壳306的底部的顶点关联，而触点310-5至310-6(C5–C8)与截棱锥外壳306的上面(顶端)的顶点关联。需要注意的是，在图示的示例中，底部和顶部具有正方形形状。这种对称可以有益于偏移减小。

3维霍尔传感器装置300可以现在适应于用于旋转方案或动态偏移抵消。耦合到触点310的传感器电路可以被配置为在多个操作阶段中操作霍尔传感器装置300。在第一操作阶段，可以经截棱锥外壳306的面的四个触点310中的第一对触点施加第一供电量(电流或电压)。可以响应于第一供电量而在定义所述面的所述四个触点中的第二对触点之间测量第一电输出量(电压或电流)。在第二操作阶段，可以使用所述四个触点中的第二对触点施加第二供电量。可以响应于第二供电量而在所述四个端子中的第一对端子之间测量第二电输出量。在两个操作阶段中，相应供电量可以是相同的。

根据说明性示例，触点C3和C6可以被用作所述四个触点中的第一对触点，而触点C2和C7可以被用作所述四个触点中的第二对触点，这可以导致下面的旋转电流方案：

第一操作阶段：

-使用C3和C6作为输入和输出触点，例如将316 µA的恒定电流注入到C6中，将C3接地，

- 引出C2和C7之间的输出电压。

图3b的下部图示在316 µA的恒定电流被注入到触点C3 310-3中而触点C6 310-6接地的情况下截棱锥外壳306上的电流的分布。同样地，图3a的下部图示在第一操作阶段期间1 V的恒定电压被施加于触点C3 310-3而触点C6 310-6接地的情况下截棱锥外壳306上的电势的分布。两个触点C3和C6都属于截棱锥外壳306的同一个面，然而属于不同边缘。触点C3和C7定义边缘314-2，边缘314-2接合由C2、C3、C6和C7定义的倾斜面以及由C3、C4、C7和C8定义的倾斜面，而触点C6和C7定义水平边缘314-5，水平边缘314-5接合由C2、C3、C6和C7定义的倾斜侧面以及由C5、C6、C7和C8定义的水平上面。在零磁通密度(即，零磁场)情况下，在图4a中描述在八个触点处的电势。

不幸地，不存在处于相等电势的两个触点310。因此，如果我们引出两个触点之间的电压，则这个信号遭受较大的原始偏移。例如，C2和C7之间的电压是0.41V-0.26V =0.15V，这是巨大的：供电电压的15%。然而，清楚的是，人们可以重新调整触点C1… C4和C5… C8的尺寸以及截棱锥外壳306的底部长度与截棱锥外壳306的高度之比的大小，以便使这个偏移变小。因为涉及大量的参数，所以应该存在满足零偏移电压的准则的许多解决方案。图4b示出针对这个第一操作阶段的所有三个磁场分量Bx、By、Bz的磁灵敏度的总结。由此，供电电压相关磁灵敏度是Sux @ Cn = dV(Cn)/dBx/V(C3)，Suy @ Cn = dV(Cn)/dBy/V(C3)，Suz @ Cn = dV(Cn)/dBz/V(C3)，其中n = 1,2,4,5,6,7,8。一个重要点在于：每个触点(除了两个供电触点C3和C6之外)处的电压取决于所有三个磁场分量。因此，如果电路组合各个操作阶段中的各个触点的电势，则它必须使总体偏移误差最小化并且它同时必须使针对某个磁场方向的磁灵敏度最大化。

第二操作阶段：

-交换输入和输出触点，例如将316 µA注入到C7中，将C2接地，

-引出C3和C6之间的输出电压。

根据示例的旋转电流方案包括第一和第二操作阶段，并且根据以下公式组合输出电势

Vtotal = V(C2)–V(C7) + V(C3)–V(C6)，

其中在第一操作阶段引出V(C2)和V(C7)，并且在第二操作阶段引出V(C3)和V(C6)。因此，第一和第二电输出量可以被组合成偏移校正输出量。为了这个目的，霍尔传感器装置300可以包括组合电路或处理器，所述组合电路或处理器具有适应于执行加法和/或减法的数字和/或模拟电路部件。这个方案可以抵消偏移误差，并且总电压Vtotal可仅具有非常低的偏移误差并且仍然具有对Bx和Bz的较大的磁灵敏度。

根据以上解释的示例性旋转电流方案，传感器电路可以被配置为将电流注入到输入端子之一中并且测量输出端子之间的电压。另外，传感器电路可以被配置为将一个输入端子接地，同时电流被注入到另一个输入端子中。

使第一和第二操作阶段中的电流极性反转可以产生另外的可选的第三和第四操作阶段。因此，控制触点310的传感器电路还可以被配置为：在第三操作阶段，使用所述四个端子中的第一对端子C3、C6作为输入端子施加具有第一供电量的反向极性的第三供电量(电流或电压)，响应于第三供电量而测量作为输出端子的所述四个端子中的第二对端子C2、C7之间的第三电输出量(电压或电流)。在第四操作阶段，传感器电路可以被配置为：使用所述四个端子中的第二对端子C2、C7作为输入端子产生具有第二供电量的反向极性的第四供电量，响应于第四供电量，测量作为输出端子的所述四个端子中的第一对端子C3、C6之间的第四电输出量。

如果我们以主要部分来指示在第3和第4阶段引出的电势，则根据示例性电流方案的改进的旋转的总电压可以被表示为：

Vtotal=V(C2)–V(C7)+V(C3)–V(C6)–V(C2’)+V(C7’)–V(C3’)+V(C6’)

因此，霍尔传感器装置300的组合电路可以被配置为基于第一电输出量(V(C2)–V(C7))、第二电输出量(V(C3)–V(C6))、第三电输出量(V(C2’)-V(C7’))和第四电输出量(V(C3’)-V(C6’))的组合产生组合输出信号Vtotal。

因此，在第一操作阶段，可以使用定义截棱锥外壳306的面的所述四个触点中的第一对触点C3、C6来注入恒定供电电流。特别地，所述电流可以被注入到C3中，而C6接地。响应于供电电流，可以在所述四个触点中的第二对触点C2、C7之间测量第一输出电压V(C2)–V(C7)。在第二操作阶段，可以使用所述四个触点中的第二对触点C2、C7施加恒定供电电流。特别地，所述供电电流可以被注入到C7中，而C2接地。响应于供电电流，可以在所述四个触点中的第一对触点C3、C6之间测量第二输出电压V(C3)–V(C6)。在第三操作阶段，使用所述四个端子中的第一对端子C3、C6作为输入端子施加反向极性的恒定供电电流。特别地，所述电流可以被注入到C6中，而C3接地。可以在所述四个端子中的第二对端子C2、C7之间测量第三输出电压V(C2’) - V(C7’)。在第四操作阶段，使用所述四个触点中的第二对触点C2、C7作为输入触点施加反向极性的恒定供电电流。特别地，所述电流可以被注入到C2中，而C7接地。响应于反向极性的供电电流，可以在作为输出端子的所述四个端子中的第一对端子C3、C6之间测量第四输出电压V(C3’) - V(C6’)。

操作模式的另一修改将会是不在旋转电流方案的所有阶段注入恒定电流，而是在旋转电压方案的所有阶段将恒定电压施加于供电触点310，并且不在旋转电流模式的所有阶段引出输出触点之间的电压，而是在旋转电压模式的所有阶段测量输出触点之间的短路电流，并且组合短路电流。这里，在输入端子之间施加电压并且在输出端子之间测量短路电流。这可以导致：

Itotal = I27 + I36–I27’–I36’

其中I27是在触点C2和触点C7在第一阶段被短路的情况下从触点C2流动至触点C7的电流，I36是在C3和C6在第二阶段被短路的情况下从C3流动至C6的电流，I27’是在C2和C7在第三阶段被短路的情况下从C2至C7的电流，并且C36’是在C3和C6在第四阶段被短路的情况下从C3至C6的电流。

因此，在第一操作阶段，可以经定义截棱锥外壳306的面的所述四个触点中的第一对触点C3、C6施加恒定供电电压(例如，1 V)。特别地，例如1 V的供电电势可以被施加于C3，而C6接地。响应于供电电压，可以在所述四个触点中的短路的第二对触点C2、C7之间测量第一短路电流I27。在第二操作阶段，可以使用所述四个触点中的第二对触点C2、C7施加恒定供电电压。特别地，例如1V的供电电势可以被施加于C7，而C2接地。响应于C2和C7之间的供电电压，可以在所述四个触点中的第一对触点C3、C6之间测量第二短路电流I36。在第三操作阶段，使用所述四个端子中的第一对端子C3、C6作为输入端子施加反向极性的恒定供电电压(例如，-1V)。特别地，例如1V的供电电势可以被施加于C6，而C3接地。可以在所述四个端子中的短路的第二对端子C2、C7之间测量第三短路电流I27’。在第四操作阶段，使用所述四个触点中的第二对触点C2、C7作为输入触点施加反向极性的恒定供电电压。响应于反向极性的供电电压，可以在作为输出端子的所述四个端子中的第一对端子C3、C6之间测量第四短路电流I36’。

在前面，我们已解释了应用于在单个侧壁的顶点的四个触点C2、C3、C6、C7的操作模式和旋转电流方案。具有在C2、C3、C6、C7的顶点的面平行于y轴，并且因此，应用于这些触点的任何旋转方案的信号取决于Bx和Bz，而不取决于By。旋转方案可以被应用于外壳结构306的任何面，并且甚至在更一般的意义上，我们可以采用整个外壳结构306的四个触点中的任何一组触点并且将这个方案应用于所述任何一组触点。然后，所述信号理想地没有偏移，并且根据使用的触点的组合，对某个磁场分量Bx、By、Bz或其混合敏感。

例如，人们可以组合在棱锥外壳306的两个相对的侧壁从各操作模式获得的信号以便抵消输出信号的Bz相关性。例如，在完整旋转周期中使用左侧壁作为传统霍尔板并且然后类似地使用右侧壁；最后组合所有八个信号以去除Bz。

详细地讲：

阶段p1：将电流I0注入到C1中，将C6接地，在C2(-)和C5(+)处对电势进行采样

阶段p2：将电流I0注入到C2中，将C5接地，在C1(+)和C6(-)处对电势进行采样

阶段p3：将电流I0注入到C6中，将C1接地，在C2(+)和C5(-)处对电势进行采样

阶段p4：将电流I0注入到C5中，将C2接地，在C1(-)和C6(+)处对电势进行采样

阶段p5：将电流I0注入到C7中，将C4接地，在C3(+)和C8(-)处对电势进行采样

阶段p6：将电流I0注入到C8中，将C3接地，在C4(-)和C7(+)处对电势进行采样

阶段p7：将电流I0注入到C4中，将C7接地，在C3(-)和C8(+)处对电势进行采样

阶段p8：将电流I0注入到C3中，将C8接地，在C4(+)和C7(-)处对电势进行采样

将具有(+)的所有电势相加并且减去具有(-)的所有电势以获得总信号，所述总信号对Bx敏感，但对By和Bz不敏感。

更一般地讲，对于旋转电流和旋转电压方案：

第一操作阶段：

-使用布置在3维外壳表面的第一面的不同(例如，沿对角线方向相对的)顶点处的四个触点中的第一和第二触点施加第一供电量(电流或电压)

-响应于第一供电量，测量第一面的所述四个触点中的第三和第四触点之间的第一电输出量(电压或电流)。

第二操作阶段：

-使用第一面的所述四个触点中的第三和第四触点施加第二供电量，

-响应于第二输入信号，测量第一面的所述四个触点中的第一和第二触点之间的第二电输出量。

第三操作阶段：

-使用第一面的所述四个触点中的第一和第二触点施加具有第一供电量的反向极性的第三供电量，

-响应于第三供电量，测量第一面的所述四个触点中的第三和第四触点之间的第三电输出量。

第四操作阶段：

-使用第一面的所述四个触点中的第三和第四触点施加具有第二供电量的反向极性的第四供电量，

-响应于第四供电量，测量第一面的所述四个触点中的第一和第二触点之间的第四电输出量。

第五操作阶段：

-使用布置在3维外壳表面的与第一面相对的第二面的不同顶点处的四个触点中的第一和第二触点施加第五供电量，

-响应于第五供电量，测量第二面的所述四个端子中的第三和第四端子之间的第五电输出量。

第六操作阶段：

-使用第二面的所述四个端子中的第三和第四端子施加第六供电量，

-响应于第六供电量，测量第二面的所述四个端子中的第一和第二端子之间的第六电输出量。

第七操作阶段：

-使用第二面的所述四个端子中的第一和第二端子施加具有第五供电量的反向极性的第七供电量，

-响应于第七供电量，测量第二面的所述四个端子中的第三和第四端子之间的第七电输出量。

第八操作阶段：

-使用第二面的所述四个端子中的第三和第四端子施加具有第六供电量的反向极性的第八供电量，

-响应于第八供电量，测量第二面的所述四个端子中的第一和第二端子之间的第八电输出量。

通过组合第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电输出量，可产生组合偏移误差校正输出信号。需要注意的是，可以与操作阶段5、6、7、8中的任何操作阶段同时执行前四个操作阶段中的任何操作阶段。数字未必表示执行操作阶段的任何顺序次序。

现在转向图5，我们像卡片盒一样沿着棱锥外壳306的倾斜边缘314切开外壳306以使它在平面中变平，这更容易绘制和计算。通过将外壳306展开成平面结构，可在2D中进行工作。然后，人们获得与截棱锥外壳306的侧面/壁和顶面对应的五个平面形状。所有四个侧壁可以连接到中心顶面，然而截棱锥外壳306的倾斜边缘314的连接必须被切开：人们必须在那里应用合适的边界条件，所述合适的边界条件实现像在原始棱锥中一样的电气接触(电势跨从一个面到另一个面的边缘必须是连续的)。此外，磁场的x分量Bx被施加于具有相反的符号的两个相对的面(沿x方向)，By也被施加于具有相反的符号的两个相对的面(沿y方向)，并且Bz被施加于具有相同的符号的所有面 – 并且在2D模型中，Bx、By、Bz全都垂直于2D平面：(对于特定棱锥，所有角度是有效的，其中侧壁是(111)-硅表面并且顶板是(100)-硅表面 – 当然，对于具有不同孔径角的不同形状的棱锥，人们可以改变这一点)。在图5中，每个触点C1… C4被分成两个部分C1-C1、C2-C2、C3-C3、C4-C4，如果人们再次将卡片盒折叠成它的3D形状的棱锥，则所述两个部分C1-C1、C2-C2、C3-C3、C4-C4接触。

在本公开的一些示例中，我们可以将两个不同触点短路并且将短路的触点连接到同一个端子。因此，我们可以将八个触点310-1至310-8仅连接到四个端子。特别地，我们可以将触点与它在多面体外壳306的相对侧壁上的对应触点短路。这可以简化操作。仍然存在几种可能性。一个这种可能性是下面的情况：

我们将触点C1-C7短路到端子T17，将C2-C8短路到端子T28，将C3-C5短路到端子T35，将C4-C6短路到端子T46。这个示例被图示在图6中。

现在，我们可以使用四个操作阶段操作如同具有四个端子的装置的装置600。

第一操作阶段：

-使用所述四个端子中的第一和第二端子作为输入端子(例如，T17和T46)施加第一电输入量(电流或电压)；

-响应于第一电输入量，测量作为输出端子的所述四个端子中的第三和第四端子(例如，T28和T35)之间的第一电输出量(电压或电流)。

图7a示出第一操作阶段的电势分布和电流流线，其中电流被注入到端子T17中(每个触点316 µA)，而端子T46接地。作为响应，可以在端子T28和T35之间测量电压。在这个附图中，未绘出触点C1… C8。替代地，触点的边界代表用作触点的短路边界。

第二操作阶段：

-使用所述四个端子中的第三和第四端子(例如，T28和T46)作为输入端子施加第二电输入量，

-响应于第二电输入量，测量作为输出端子的所述四个端子中的第一和第二端子(例如，T17和T35)之间的第二电输出量。

图7b示出第二操作阶段的电势分布和电流流线，其中电流被注入到端子T28中(每个触点316 µA)，而端子T35接地。作为响应，可以在端子T17和T46之间测量电压。

两个阶段1和2可以被用作抵消偏移的旋转电流方案。由此，人们可以在阶段1中在端子T28和T35处引出电压并且在阶段2中在端子T17和T46处引出电压。总电压对Bx的灵敏度相当低(12 mV/V/T)，但至少总电压不对By或Bz做出响应。也可以检测By场并且通过旋转来抵消偏移。在阶段1、2中，对By的磁灵敏度等于对Bx的磁灵敏度：11.9 mV/V/T。

。

浅灰色字段表示注入电流的触点(每个触点316 µA)，并且深灰色字段表示这个触点接地。

例如，可以使用另外的可选操作阶段：

第三操作阶段：

-使用所述四个端子中的第一和第三端子(例如，T17和T28)作为输入端子施加第三电输入量，

-响应于第三输入信号，测量作为输出端子的所述四个端子中的第二和第四端子(例如，T35和T46)之间的第三输出信号。

图7c示出第三操作阶段的电势分布和电流流线，其中电流被注入到端子T17中(每个触点316 µA)，而端子T28接地。作为响应，可以在端子T35和T46之间测量电压。

第四操作阶段：

-使用所述四个端子中的第二和第四端子(例如，T35和T46)作为输入端子施加第四输入信号，

-响应于第四输入信号，测量作为输出端子的所述四个端子中的第一和第三端子(例如，T17和T28)之间的第四输出信号。

图7d示出第四操作阶段的电势分布和电流流线，其中电流被注入到端子T35中(每个触点316 µA)，而端子T46接地。作为响应，可以在端子T17和T28之间测量电压。

在图7a-d中，霍尔区域被模仿为具有一些小孔，这些小孔代表真实装置中的导致不对称性和随机原始偏移的裂缝。图7a-d示出阶段1-4中的电势分布和电流流线。

如果我们组合阶段3和4的输出信号，则旋转电流抵消也有效。

图6的装置可以检测Bx场和By场

它不能检测Bz场。因此，好的情况将是，外壳306的顶表面没有霍尔效应区域，因为它仅分流电流，而不添加信号。这为我们带来图8a中示出的3D环状外壳的实施例，所述实施例由孔820替换顶表面。在这个示例中，外壳804仅包括棱锥外壳的四个围起来的薄侧壁(它没有底板和顶板)。需要注意的是，实施例也允许具有超过一个孔的外壳。所述一个或多个孔甚至可以被不对称地放置，而非像图8a中一样被中心对称地放置。

为了比较，图8b示出阶段2的电势分布和电流流线，其中外壳306的中心顶表面已被禁用以尝试增加磁灵敏度。可以看出，它上升42%并且上升至17 mV/V/T。

。

浅灰色字段表示注入电流的触点(每个触点316 µA)，并且深灰色字段表示这个触点接地。

参照图9a和b，用于By测量的另一可能的布置可以使C1-C2、C3-C4、C5-C6、C7-C8短路。然后，电流可以被注入到C1-C2(端子T12)中，而C7-C8(端子T78)接地。因此，电流沿对角线方向流经下翼和上翼，并且仅非常少的电流被浪费(即，流经其它面)：阶段5和6

。

针对By场的磁灵敏度：-30.1 mV/V/T(针对Bx和Bz没有灵敏度) – 并且如果我们禁用顶表面，则这个灵敏度可以再次增加。

如果我们组合阶段5和6的输出信号，则旋转电流抵消也起作用。然而，触点的这种特定连接仅可以检测Bx场，而不能检测By场和Bz场。用于By场、Bz场的另外的装置将会是有帮助的。如果包括其在触点和端子之间的连接的装置围绕z轴旋转90°，则输出信号将会对By场而非Bx场做出响应。

在一些实施例中，我们可以想到将触点短路或将几个触点连接到单个端子的开关(例如，MOS-FET开关)。所述开关可能可重新配置为检测Bx场和By场。因此，根据实施例的霍尔传感器装置还可包括多个开关，其中每个开关被配置为选择性地使霍尔效应区域104、304的一对触点短路。由于开关可能具有非零Rds-on电阻(这可能增加旋转方案中的误差)，所以我们可以激活C1和C2之间的两个串联连接的开关以使它们短路，但随后我们引出它们的中点以在那里注入电流或引出电压。以这种方式，C1-C2之间的电阻在旋转周期期间大体恒定，并且不增加剩余偏移。不幸地，这在严格意义上不成立，因为MOS-FET的沟道在旋转期间处于不同的共模电势 – 然而，我们可以提升它们的体积以减小这种反向偏置效应。

图10a-f图示3D外壳的一些其它示例性形状：

图10a示出倒棱锥外壳(没有截断)。触点C1、C2、C3、C4位于基底的顶表面，棱锥可以被蚀刻到基底中，并且例如通过将薄层植入到露出的基底中或通过在露出的表面上方生长薄层，可以制造薄外壳，所述薄外壳覆盖棱锥的可访问的顶表面。然后，可以制造底部触点C5，所述底部触点C5接触倒棱锥外壳的尖端。然后，可以制造导线，所述导线将C5连接到倒棱锥外壳的顶部，连接到端子T5 – 当然，必须在霍尔效应区域1004和所述导线之间引入电流隔离。例如，在制造所述导线之前，可以由薄介电层覆盖倒棱锥。图10a的右侧部分与左侧部分相同，但所述装置的一半被切掉以观察所述导线和触点C5的横截面。

如果其中生长倒棱锥的基底被颠倒并且随后取走，则霍尔效应区域1004将会看起来像图10b的左侧部分。图10b的右侧部分示出位于其周围基底中的倒棱锥外壳霍尔效应区域1004：

当然，倒棱锥外壳的内部可以填充有某种非活性介质，例如某种绝缘材料，比如模制化合物、顶部包封、塑料或与霍尔效应区域的主要部分隔离的某种绝缘材料 – 然后，它可以由多晶硅制成，并且它可以通过单个点而连接到某个参考电势或触点C1…C5之一，从而没有电流流经它。对于传统霍尔板，通常的实践是由某种电屏蔽器覆盖霍尔板的露出面：在一些情况下，这是浅p夹头(而霍尔板是n掺杂顶部)，所述浅p夹头的电势被限制为足够低以与霍尔效应区域隔离。在其它情况下，这是多晶硅板或金属板，所述多晶硅板或金属板通过某种不导电间隙层(比如，氧化物或氮化物层)而与霍尔效应区域隔离。在所有情况下，这些电屏蔽器是导电的，并且它们的电势被限制为某个参考电势。它们的目的是保护霍尔效应区域免受电场干扰，这可能对霍尔板附近的界面层中的俘获电荷施加力，并且这可能引起霍尔板的磁灵敏度的长期漂移。当然，类似的技术可以被应用于非平面霍尔效应装置：为此，人们可以利用类似于现有技术的电屏蔽器覆盖所述装置的露出表面 – 唯一差别在于，所述屏蔽器也是非平面的。在一些情况下，甚至可能有必要在3D霍尔外壳的两侧(即，内部和外部)应用屏蔽器。有时，尤其是如果我们考虑3D霍尔外壳内部的屏蔽器，则这些屏蔽器也可以是较大的，而非片状的。在这个意义上，图1a的装置可以是n掺杂的，并且它的内部可填充有限制到低电势的p掺杂材料。然后，p掺杂填充物用作针对从下侧到达3D霍尔外壳区域中的电场的屏蔽器。

图10c示出具有棱锥外壳的形式的霍尔效应区域。3D视图被图示在左手侧，右手侧示出所述结构的切过的一半：需要注意的是，来自C5的导线未触碰霍尔效应区域：之间存在某个绝缘层，从而除了触点C5之外，所述导线以电气方式与霍尔效应区域隔离。

图10d和e示出具有截圆锥外壳的形状的霍尔效应区域，所述截圆锥外壳具有八个触点。未示出顶部四个触点C5、C6、C7、C8的导线，该导线向下延伸到触点C1、C2、C3、C4所位于的基底的顶表面。图10d的右侧部分再次示出横截面，所述横截面示出霍尔效应区域是中空的，因此是外壳。所述外壳的内部可以填充有基底材料或其它惰性材料，其中惰性意味着：这种材料不可以对霍尔外壳区域内部的电流密度分布具有任何显著影响。因此，这种材料不可以使霍尔外壳区域的不同区域短路，不能使邻近区域短路，也不能使霍尔外壳区域的相隔(例如，相对)区域短路。惰性也意味着：这种材料不可以具有在范围0.5至2之外的相对磁导率，因为那样它将会使磁通线转向(像通量集中器一样)，并且这将会扰乱磁场的各个分量的检测。

一个重要方面在于：四个触点C2、C3、C7、C6可以被视为面的顶点，所述面由图10d和e中的连接线1030限定并且不是平面，而是稍微弯曲。因为曲率较小，所以这个结构的有效性质非常类似于如以上所讨论的截棱锥外壳。需要注意的是，截圆锥外壳也包括一个平面，所述平面是由触点C5、C6、C7、C8限定的顶部圆形 – 因此，这个示例性外壳具有弯曲和平面：弯曲面可以被用于检测Bx场和By场分量，但它们也可以被以一种方式组合以检测Bz场分量的，而位于顶部的平面仅能被用于检测Bz场分量。当我们像图10e中示出的一样切掉顶表面时，所述结构可以被修改以变成环状外壳。

图10f在透明视图中示出具有半球形外壳的形状的霍尔效应区域，所述半球形外壳具有八个触点：这个结构在任何四个邻近触点之间仅具有弯曲面，然而，明显的是，我们可以将这些弯曲面中的任何弯曲面与已解释的截棱锥外壳中的平面进行比较。因此，根据一些实施例，霍尔效应区域可以被视为碗形。

图10a-f也图示了：外壳状霍尔效应区域的至少三个触点位于所述外壳的不同高度。一些触点可以位于底部，而其它触点可以位于顶部。换句话说，触点不必全都位于平行于基底的主表面的同一平面中，所述外壳结构形成在所述基底上或基底中。

总之，本公开涉及3维霍尔传感器装置，所述3维霍尔传感器装置包括霍尔传感器元件，所述霍尔传感器元件具有在3维外壳中实现的霍尔效应区域并且包括至少三个端子。每个端子连接到霍尔效应区域的至少一个电触点，并且每个电触点被布置在3维外壳的不同区域。本公开还公开用于这种3维霍尔传感器装置中的偏移抵消的旋转电流/电压方案。

在用于集成在3维外壳中的霍尔效应区域的霍尔感测方法1100(参见图11)中，至少三个端子耦合到霍尔效应区域。每个端子连接到霍尔效应区域的至少一个电触点。每个电触点被布置在3维外壳的不同区域。方法1100包括：在第一操作阶段，使用所述至少三个端子中的第一对端子作为供电端子来产生1110第一电输出量，并且在第二操作阶段使用所述至少三个端子中的第二对端子作为供电端子来产生1120第二电输出量。所述方法还包括：基于第一和第二电输出量的组合产生1130组合输出信号。

描述和附图仅仅说明本公开的原理。因此，将会理解，本领域技术人员将会能够设计各种设备，虽然未在这里明确地描述或示出，但所述各种设备体现本公开的原理并且被包括在本公开的精神和范围内。另外，这里叙述的所有示例明确地主要旨在仅用于教学目的以帮助阅读者理解由（一个或多个）发明人为了促进本领域而贡献的本公开的原理和构思，并且应该被解释为不限于这种具体地叙述的示例和条件。此外，这里叙述本公开的原理、方面和实施例以及本公开的特定示例的所有陈述旨在包括其等同物。

另外，下面的权利要求因此被包括在具体描述中，其中每个权利要求可独立充当单独的示例性实施例。尽管每个权利要求可独立充当单独的示例性实施例，但应该注意的是，虽然从属权利要求可在权利要求中表示与一个或多个其它权利要求的特定组合，但其它示例性实施例还可包括所述从属权利要求与每个其它从属权利要求或独立权利要求的主题的组合。除非指出特定组合是不想要的，否则这里提出了这种组合。另外，还意图将权利要求的特征包括到任何其它独立权利要求，即使这个权利要求不直接从属于该独立权利要求。

还应该注意的是，在说明书中或在权利要求中公开的方法可由一种装置实现，该装置具有用于执行这些方法的相应动作中的每个动作的构件。

另外，应该理解，在说明书或权利要求中公开的多个动作或功能的公开不可被解释为落在所述特定次序内。因此，多个动作或功能的公开将不会将它们限制于特定次序，除非这种动作或功能由于技术原因是不可互换的。另外，在一些实施例中，单个动作可包括多个子动作或者可被分解成多个子动作。除非明确地排除，否则这种子动作可被包括并且是这个单个动作的公开的一部分。

Claims (24)

1.一种霍尔传感器装置，包括：

霍尔传感器元件，包括3维多面体外壳中的霍尔效应区域并且包括至少三个端子和至少三个电触点，其中所述至少三个端子中的每个端子连接到所述至少三个电触点中相应的电触点，其中所述至少三个电触点中的每个电触点被布置在3维多面体外壳的不同区域，并且其中所述至少三个电触点中的每个电触点被布置在所述3维多面体外壳的不同顶点处。

2.如权利要求1所述的霍尔传感器装置，其中所述3维多面体外壳包括半导体材料。

3.如权利要求1所述的霍尔传感器装置，其中所述至少三个电触点相对于对称轴被对称地布置在3维多面体外壳上。

4.如权利要求1所述的霍尔传感器装置，其中由所述3维多面体外壳包围的实心体具有与3维多面体外壳不同的电气特性。

5.如权利要求1所述的霍尔传感器装置，其中所述3维多面体外壳的一对相邻面沿着接合所述一对相邻面的共同边缘处于欧姆接触。

6.如权利要求1所述的霍尔传感器装置，其中所述3维多面体外壳是如下各项之一：棱锥、截棱锥、倒截棱锥或倒棱锥。

7.如权利要求1所述的霍尔传感器装置，其中具有关联的电触点的多面体外壳的每个面被配置为相应的平面霍尔传感器元件。

8.如权利要求1所述的霍尔传感器装置，其中所述3维多面体外壳的每个面包括布置在相应面的不同顶点处的至少三个触点。

9.如权利要求1所述的霍尔传感器装置，还包括：

传感器电路，耦合到所述至少三个端子并且被配置为在至少两个操作阶段中操作霍尔传感器元件，

其中所述传感器电路被配置为：在第一操作阶段中使用所述至少三个端子中的第一对端子作为供电端子来产生第一电输出量，并且在第二操作阶段中使用所述至少三个端子中的第二对端子作为供电端子以产生第二电输出量；和

组合电路，被配置为组合第一和第二电输出量。

10.如权利要求9所述的霍尔传感器装置，其中组合电路被配置为基于第一和第二输出信号之和产生组合输出信号。

11.如权利要求9所述的霍尔传感器装置，其中所述传感器电路被配置为：

在第一操作阶段中，

经所述三个端子中的第一对端子施加供电量，

将所述三个端子中的剩余端子接地，

在所述三个端子中的第一对端子处测量第一电输出量，

在第二操作阶段中，

经所述三个端子中的第二对端子施加供电量，

将所述三个端子中的剩余端子接地，

在所述三个端子中的第二对端子处测量第二电输出量，

在第三操作阶段中，

经所述三个端子中的第三对端子施加供电量，

将所述三个端子中的剩余端子接地，

在所述三个端子中的第三对端子处测量第三电输出量，

其中所述组合电路被配置为组合第一、第二和第三电输出量。

12.如权利要求9所述的霍尔传感器装置，其中所述传感器电路被配置为，

在第一操作阶段中，

经所述三个端子中的第一端子注入供电电流，

经所述三个端子中的第二端子注入供电电流，

将所述三个端子中的第三端子接地，

响应于注入的供电电流，测量第一和第二端子之间的第一输出电压，并且

在第二操作阶段中，

经所述三个端子中的第二端子注入供电电流，

经所述三个端子中的第三端子注入供电电流，

将所述三个端子中的第一端子接地，

响应于注入的供电电流，测量第二和第三端子之间的第二输出电压，并且

在第三操作阶段中，

经所述三个端子中的第三端子注入供电电流，

经所述三个端子中的第一端子注入供电电流，

将所述三个端子中的第二端子接地，

响应于相应注入的供电电流，测量第三和第一端子之间的第三输出电压，并且

其中所述组合电路被配置为组合第一、第二和第三输出电压。

13.如权利要求9所述的霍尔传感器装置，其中所述传感器电路被配置为：

在第一操作阶段中，

经所述三个端子中的第一端子施加供电电压，

经所述三个端子中的第二端子施加供电电压，

将所述三个端子中的第三端子接地，

测量取决于第一端子处的第一电流和第二端子处的第二电流的至少一个第一量，

在第二操作阶段中，

经所述三个端子中的第二端子施加供电电压，

经所述三个端子中的第三端子施加供电电压，

将所述三个端子中的第一端子接地，

测量取决于第二端子处的第三电流和第三端子处的第四电流的至少一个第二量，

在第三操作阶段中，

经所述三个端子中的第三端子施加供电电压，

经所述三个端子中的第一端子施加供电电压，

将所述三个端子中的第二端子接地，

测量取决于第三端子处的第五电流和第一端子处的第六电流的至少一个第三量，

其中所述组合电路被配置为组合测量的至少三个量。

14.如权利要求9所述的霍尔传感器装置，包括至少四个端子并且其中所述传感器电路被配置为，

在第一操作阶段中，

使用所述四个端子中的第一对端子作为供电端子施加第一供电量，

响应于第一供电量，测量作为输出端子的所述四个端子中的第二对端子之间的第一电输出量，并且所述传感器电路被配置为，

在第二操作阶段中，

使用所述四个端子中的第二对端子作为供电端子施加第二供电量，并且

响应于第二供电量，测量作为输出端子的所述四个端子中的第一对端子之间的第二电输出量。

15.如权利要求14所述的霍尔传感器装置，其中所述霍尔传感器元件包括至少八个触点，每个触点被布置在3维多面体外壳的不同点处，其中所述至少四个端子中的每个端子连接到不同对的触点。

16.如权利要求15所述的霍尔传感器装置，其中每对触点包括布置在3维多面体外壳的相对面的触点。

17.如权利要求15所述的霍尔传感器装置，还包括：多个开关，其中每个开关被配置为选择性地使一对触点短路。

18.如权利要求9所述的霍尔传感器装置，其中所述传感器电路被配置为：

将电流注入到供电端子之一中并且测量输出端子之间的电压，或者

在供电端子之间施加电压并且测量输出端子之间的短路电流。

19.如权利要求18所述的霍尔传感器装置，其中所述传感器电路被配置为将一个供电端子接地，同时电流被注入到另一个供电端子。

20.如权利要求14所述的霍尔传感器装置，其中所述传感器电路被配置为：

在第三操作阶段中，

使用所述四个端子中的第一对端子作为供电端子来施加具有第一供电量的反向极性的第三供电量，

响应于第三供电量，测量作为输出端子的所述四个端子中的第二对端子之间的第三电输出量，并且

在第四操作阶段中，

使用所述四个端子中的第二对端子作为供电端子施加具有第二供电量的反向极性的第四供电量，

响应于第四供电量，测量作为输出端子的所述四个端子中的第一对端子之间的第四电输出量；以及

其中所述组合电路被配置为基于第一、第二、第三和第四电输出量的组合产生组合输出信号。

21.如权利要求20所述的霍尔传感器装置，其中所述组合电路被配置为基于第一和第二电输出量的第一总和以及第三和第四电输出量的第二总和之间的组合产生组合输出信号。

22.如权利要求9所述的霍尔传感器装置，其中传感器电路被配置为：

在第一操作阶段中，

使用布置在3维多面体外壳表面的第一面的不同顶点处的四个触点中的第一对触点作为供电端子施加第一供电量，

响应于第一供电量，测量作为输出的第一面的所述四个触点中的第二对触点之间的第一电输出量，

在第二操作阶段中，

使用第一面的所述四个触点中的第二对触点施加第二供电量，并且

响应于第二供电量，测量第一面的所述四个触点中的第一对触点之间的第二电输出量，

在第三操作阶段中，

使用第一面的所述四个触点中的第一对触点施加具有第一供电量的反向极性的第三供电量，

响应于第三供电量，测量第一面的所述四个触点中的第二对触点之间的第三电输出量，并且

在第四操作阶段中，

使用第一面的所述四个触点中的第二对触点产生具有第二供电量的反向极性的第四供电量，

响应于第四供电量，测量第一面的所述四个触点中的第一对触点之间的第四电输出量；并且

在第五操作阶段中，

使用布置在3维多面体外壳表面的与第一面相对的第二面的不同顶点处的四个触点中的第一对触点施加第五供电量，

响应于第五供电量，测量第二面的所述四个触点中的第二对触点之间的第五电输出量，

在第六操作阶段中，

使用第二面的所述四个触点中的第二对触点施加第六供电量，

响应于第六供电量，测量第二面的所述四个触点中的第一对触点之间的第六电输出量，

在第七操作阶段中，

使用第二面的所述四个触点中的第一对触点施加具有第五供电量的反向极性的第七供电量，

响应于第七供电量，测量第二面的所述四个触点中的第二对触点之间的第七电输出量，并且

在第八操作阶段中，

使用第二面的所述四个触点中的第二对触点施加具有第六供电量的反向极性的第八供电量，

响应于第八供电量，测量第二面的所述四个触点中的第一对触点之间的第八电输出量，

其中组合逻辑被配置为基于第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八电输出量的组合产生补偿输出信号。

23.一种霍尔传感器装置，包括：

3维霍尔传感器元件，包括3维多面体半导体外壳中的3维有源霍尔效应区域并且包括至少三个端子和至少三个电触点，其中所述至少三个端子中的每个端子连接到所述至少三个电触点中相应的电触点，其中所述至少三个电触点中每个电触点被布置在3维多面体半导体外壳的不同区域，其中所述至少三个电触点中的每个电触点被布置在所述3维多面体半导体外壳的不同顶点处，并且其中所述3维多面体半导体外壳的一对相邻面沿着接合所述一对相邻面的共同边缘处于欧姆接触；和

传感器电路，耦合到所述至少三个端子并且被配置为在至少两个操作阶段中操作3维霍尔传感器元件，

其中所述传感器电路被配置为：在第一操作阶段中使用所述至少三个端子中的第一对端子作为供电端子产生第一电输出量，并且在第二操作阶段中使用所述至少三个端子中的第二对端子作为供电端子产生第二电输出量；和

组合电路，被配置为组合第一和第二电输出量。

24.一种用于霍尔效应区域的霍尔感测方法，所述霍尔效应区域被集成在3维多面体外壳中并且耦合到至少三个端子，所述至少三个端子中的每个端子连接到至少三个电触点中相应的电触点，至少三个电触点中的每个电触点被布置在3维多面体外壳的不同区域并且被布置在所述3维多面体外壳的不同顶点处，所述方法包括：

在第一操作阶段中，使用所述至少三个端子中的第一对端子作为供电端子来产生第一电输出量，

在第二操作阶段中，使用所述至少三个端子中的第二对端子作为供电端子来产生第二电输出量；以及

基于第一和第二电输出量的组合产生组合输出信号。

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