DE102006045141B3

DE102006045141B3 - Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung

Info

Publication number: DE102006045141B3
Application number: DE102006045141A
Authority: DE
Inventors: Udo Dr. Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: US7474093B2; US20080074108A1; DE102006045141B9

Abstract

Eine Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (11, 51, 101) umfasst einen ersten Magnetfeld-Sensor (113; 53) und einen zweiten Magnetfeld-Sensor (15; 55), die voneinander entfernt auf einem Substrat (120) angeordnet sind, einen ersten Temperatur-Sensor (16b; 61) mit einem Ausgang für ein erstes Temperatur-Sensor-Signal (ST1) und einem zweiten Temperatur-Sensor (19; 63) mit einem Ausgang für ein zweites Temperatur-Sensor-Signal (ST2), einem ersten Stress-Sensor (16a; 53) mit einem Ausgang für ein erstes Stress-Sensor-Signal (SsigSignal (Ssigma2), wobei der erste Temperatur-Sensor (16b; 61) und der erste Stress-Sensor (16a; 57) näher an dem ersten Magnetfeld-Sensor (13; 53) als an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (15; 55) oder an einer zu dem ersten Magnetfeld-Sensor (13; 55) identischen Stelle angeordnet sind, und der zweite Temperatur-Sensor (19; 63) und der zweite Stress-Sensor (17; 59) näher an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (15; 55) als an dem ersten Magnetfeld-Sensor (13; 53) oder an einer zu dem zweiten Magnet sind.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung auf einem Substrat und insbesondere auf eine Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung, die zwei Magnetfeld-Sensoren aufweist.
Zu einer Bestimmung einer Position bzw. einer Drehrichtung eines Geberobjekts, wie z. B. eines Permanentmagneten, werden Winkelsensoren auf Hallsondenbasis bzw. Magnetfeldsondenbasis eingesetzt. Dazu werden auf einem Chip mehrere Hallsonden in den Ecken platziert. Wenn man über dem Chip das Geberobjekt bzw. den Permanentmagneten dreht, so detektieren die auf dem Chip angeordneten Hallsonden jeweils ein unterschiedliches Feld, und sind in der Lage anhand der detektierten Felder die Winkelstellung des Magneten zu berechnen. Da die Hallsonden darauf angewiesen sind, die Inhomogenitäten des magnetischen Felds zu detektieren, sind die Hallsonden auf dem Chip in großer Entfernung voneinander angeordnet.
Jedoch ergibt sich durch die Anordnung der Hallsonden in großer Entfernung voneinander ein schlechtes bzw. ungünstiges Matching (Matching = Anpassung), so dass die Hallsonden in ihrer magnetischen Empfindlichkeit Abweichungen voneinander aufweisen. Da bei einer Berechnung eines Winkels ein Verhältnis von zwei an den jeweiligen Sondenorten herrschenden Magnetfeldern ermittelt wird, kann es in Folge der Variation der magnetischen Empfindlichkeit und des ungünstigen Matchings zu Winkelfehlern kommen. Während einer Kalibrierung eins Winkelsensors können dabei zwar einmalige konstantbleibende Mismatches der Hallsonden bzw. Sonden bestimmt werden und die dabei gemessenen Störgrößen z. B. in einem EEPROM (EEPROM = electrically erasable programmable Read-Only-Memory Elektrisch-löschbarer-programmierbarer-Nur-Lese-Speicher) abgelegt werden, wobei die Mismatches bzw. Störgrößen durch eine nachgelagerte digitale Signalverarbeitung bei einem Einsatz der Hallsonden-Anordnung eliminiert werden können.
Wenn sich jedoch ein Mismatch der Sonden bzw. Hall-Sensoren über eine Lebensdauer bzw. einen Betrieb der Hallsonden-Anordnung hinweg ändert, so ist ein dann auftretender Fehler in Folge der variierenden magnetischen Empfindlichkeiten der Hall-Sonden nicht behebbar. Die häufigsten Ursachen für einen Drift der magnetischen Empfindlichkeit der Hallsonden über ihre Lebensdauer hinweg sind dabei ein sich ändernder mechanischer Stress an der Hallsonden-Anordnung oder eine sich ändernde Temperatur an der Hallsonden-Anordnung. Von besonderer Bedeutung für einen Lebensdauerdrift der magnetischen Empfindlichkeit der Hallsonden sind dabei nicht die absoluten Werte eines Stresses bzw. eines mechanischen Stresses an den jeweiligen Hall-Sonden auf dem Chip oder einer Temperatur an den jeweiligen Hall-Sonden auf dem Chip, sondern ein sich über die Betriebsdauer bzw. Lebensdauer der Hallsonden-Anordnung hinweg ändernder Unterschied des mechanischen Stresses an den jeweiligen Hall-Sonden bzw. ein sich ändernder Unterschied der Temperaturen an den jeweiligen Hall-Sonden.
Die DE 10339939 A1 offenbart eine integrierte Schaltungsanordnung auf einem Halbleitersubstrat. Die integrierte Schaltungsanordnung umfasst eine integrierte Schaltung, die in einem Schaltungsbereich des Halbleitersubstrats angeordnet ist, und eine stressempfindliche Struktur auf dem Halbleitersubstrat zum Erfassen einer mechanischen Stresskomponente in dem Halbleitersubstrat. Die stressempfindliche Struktur ist ausgebildet, um ansprechend auf eine Anregung und auf eine mechanische Stresskomponente ein von der mechanischen Stresskomponente abhängiges Ausgangssignal zu liefern. Die stressempfindliche Struktur ist in einem Sensorbereich des Halbleitersubstrats angeordnet und der Schaltungsbereich und der Sensorbereich sind räumlich getrennt.
Die DE 10154498 A1 offenbart ein Hallsondensystem, das einen Halbleiterbereich aufweist, durch den ein Hallstrom fließen kann und an dem eine Hallspannung abgreifbar ist. Eine Einrichtung zum Erzeugen einer elektrischen Steuerspannung in Abhängigkeit eines Einflußparameters des leitfähigen Hallbereichs und ein Elektrodenbereich zum Anlegen der Steuerspannung sind vorgesehen. Der Elektrodenbereich ist von dem Hallbereich elektrisch isoliert und ausgebildet, um die Hallspannung durch eine Beeinflussung der für den Hallstrom zur Verfügung stehenden Ladungsträger durch die angelegte Steuerspannung zu steuern.
Aus der DE 69432102 T2 ist eine Einrichtung zur Messung magnetischer Hall-Spannungen, Scher-piezoelektrischer Spannungen oder anderer nicht-diagonaler Spannungen bekannt, die ein planares Element aus einem Halbleitermaterial aufweist, das eine Grenze und Spannungs- und Stromkontakte an der Grenze aufweist. Ferner sind Strom- und Spannungsquellen zur Injektion von Strom oder zum Anlegen von Spannung an das planare Element vorgesehen. Das planare Element weist eine rotationssymmetrische Geometrie auf. Die Strom- und Spannungskontakte weisen erste Kontaktpaare zum Messen von Spannungen und zweite Kontaktpaare zum Anlegen der Ströme oder der Spannungen auf. Die zweiten Kontaktpaare sind mit endlichen Winkeln in Bezug aufeinander angeordnet und für eine uniaxiale Strominjektion oder Spannungsdifferenzzufuhr eingerichtet.
Die DE 102004003853 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung auf einem Halbleiterchip, die ein erstes Funktionselement mit einem ersten elektronischen Funktionselementparameter umfasst, wobei der erste elektronische Funktionselementparameter eine Abhängigkeit bezüglich des mechanischen Stress in dem Halbleiterschaltungschip gemäß einer ersten Funktionselementstresseinflußfunktion aufweist, und wobei das erste Funktionselement ausgebildet ist, um ein erstes Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem ersten elektronischen Funktions elementparameter und dem mechanischen Stress bereitzustellen. Ein zweites Funktionselement mit einem zweiten elektronischen Funktionselementparameter ist vorgesehen, wobei der zweite elektronische Funktionselementparameter eine Abhängigkeit bezüglich des mechanischen Stress in dem Halbleiterschaltungschip gemäß einer zweiten Funktionselementstresseinflußfunktion aufweist, und wobei das zweite Funktionselement ausgebildet ist, um ein zweites Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem zweiten elektronischen Funktionselementparameter und dem mechanischen Stress bereitzustellen. Ferner ist eine Kombinationseinrichtung zum Kombinieren des ersten und zweiten Ausgangssignals vorgesehen, um ein resultierendes Ausgangssignal mit einer vorgegebenen Abhängigkeit von dem mechanischen Stress in dem Halbleiterschaltungschip zu erhalten. Das erste Funktionselement und das zweite Funktionselement sind auf dem Halbleiterschaltungschip integriert und so geometrisch angeordnet, daß die erste und die zweite Funktionselementstresseinflussfunktion innerhalb eines Toleranzbereichs gleich sind.
Zusammenfassung
Eine Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung weist einen ersten Magnetfeld-Sensor und einen zweiten Magnetfeld-Sensor auf, die voneinander entfernt auf einem Substrat angeordnet sind, einen ersten Temperatur-Sensor mit einem Ausgang für ein erstes Temperatursensor-Signal und einen zweiten Temperatur-Sensor mit einem Ausgang für ein zweites Temperatursensor-Signal, einen ersten Stress-Sensor mit einem Ausgang für ein erstes Stress-Sensor-Signal und einen zweiten Stress-Sensor mit einem Ausgang für ein zweites Sensor-Signal, wobei der erste Temperatur-Sensor und der erste Stress-Sensor näher an dem ersten Magnetfeld-Sensor als an dem zweiten Magnetfeld- Sensor oder an einer zu dem ersten Magnetfeld-Sensor identischen Stelle angeordnet sind, und der zweite Temperatursensor und der zweite Stress-Sensor näher an dem zweiten Magnetfeld-Sensor als an dem ersten Magnetfeld-Sensor oder an einer zu dem zweiten Magnetfeld-Sensor identischen Stelle angeordnet sind.
Figurenkurzbeschreibung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3a eine Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3b schematische Ansicht der in einem symmetrischen Hall-Sensor auftretenden stressabhängigen Widerstände;
4 eine Anordnung von Stress-Sensoren in einer Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
5 einen Winkel-Sensor mit einer Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine Prinzipskizze einer Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist einen ersten Magnetfeld-Sensor 13, einen zweiten Magnetfeld-Sensor 15, einen ersten Stress-Sensor 16a, einen ersten Temperatur-Sensor 16b, einen zweiten Stress-Sensor 17 und einen zweiten Temperatursensor 19 auf. Der erste Magnetfeld-Sensor 13 kann hier als der erste Hall-Sensor 13 und der zweite Magnetfeld-Sensor 15 als der zweite Hall-Sensor 15 ausgeführt sein. Der erste Hall-Sensor 13, der zweite Hall-Sensor 15, der erste Stress-Sensor 16a, der erste Temperatur-Sensor 16b, der zweite Stress-Sensor 17 und der zweite Temperatur-Sensor 19 sind auf einem Substrat 21 angeordnet.
Der erste Stress-Sensor 16a und der erste Temperatur-Sensor 16b sind dabei näher dem ersten Hall-Sensor 13 als dem zweiten Hall-Sensor 15 angeordnet. Ein Abstand zwischen dem ersten Stress-Sensor 16a und dem ersten Hall-Sensor 13 kann dabei so gering sein, dass ein Unterschied zwischen einem Stress an dem ersten Stress-Sensor 15a und einem Stress an dem ersten Hall-Sensor 13 in einem Bereich von weniger als einem 0,2-fachen eines Unterschieds zwischen dem Stress an dem ersten Hall-Sensor 13 und einem Stress an dem zweiten Hall-Sensor 15 liegt. Zugleich kann ein Abstand zwischen dem ersten Temperatur-Sensor 16b und dem ersten Hall-Sensor 13 so gering sein, dass ein Unterschied zwischen einer Temperatur an dem ersten Temperatur-Sensor 16b und einer Temperatur an dem ersten Hall-Sensor 13 in einem Bereich von weniger als einem 0,2-fachen eines Unterschieds zwischen der Temperatur an dem ersten Hall-Sensor 13 und einer Temperatur an dem zweiten Hall-Sensor 15 liegt.
Außerdem kann ein Abstand zwischen dem zweiten Stress-Sensor 17 und dem zweiten Hall-Sensor 15 so gering sein, dass ein Unterschied zwischen einem Stress an dem zweiten Stress-Sensor 17 und dem Stress an dem zweiten Hall-Sensor 15 in einem Bereich von weniger als einem 0,2-fachen eines Unterschieds zwischen dem Stress an dem ersten Hall-Sensor 13 und dem Stress an dem zweiten Hall-Sensor 15 liegt. Zugleich kann ein Abstand zwischen dem zweiten Temperatur-Sensor 19 und dem zweiten Hall-Sensor 15 so gering sein, dass ein Unterschied zwischen einer Temperatur an dem zweiten Temperatur-Sensor 19 und der Temperatur an dem zweiten Hall-Sensor 15 in einem Bereich von weniger als einem 0,2-fachen eines Unterschieds zwischen der Temperatur an dem ersten Hall-Sensor 13 und der Temperatur an dem zweiten Hall-Sensor 15 liegt.
Zugleich können der erste Stress-Sensor 16a und der erste Temperatur-Sensor 16b und der zweite Stress-Sensor 17 und der zweite Temperatur-Sensor 19 jeweils in einem so geringen Abstand zueinander angeordnet sein, dass der erste Stress-Sensor 16a näher dem ersten Temperatur-Sensor 16b als dem zweiten Hall-Sensor 17 angeordnet ist, und der zweite Stress-Sensor 17 näher dem zweiten Temperatur-Sensor 19 als dem ersten Hall-Sensor 13 angeordnet ist.
Dabei kann ein Abstand zwischen dem ersten Stress-Sensor 16a und dem ersten Temperatur-Sensor 16b so gering sein, dass ein Unterschied zwischen dem Stress an dem ersten Stress-Sensor 16a und dem Stress an dem ersten Temperatur-Sensor 16b in einem Bereich von weniger als einem 0,2-fachen des Stressunterschieds zwischen dem Stress an dem ersten Hall-Sensor 13 und dem Stress an dem zweiten Hall-Sensor 15 liegt. Zugleich kann der Abstand zwischen dem ersten Stress-Sensor 16a und dem ersten Temperatur-Sensor 16b so gering sein, dass ein Unterschied zwischen der Temperatur an dem ersten Stress-Sensor 16 und der Temperatur an dem ersten Temperatur-Sensor 16b in einem Bereich von weniger als einem 0,2-fachen des Temperaturunterschieds zwischen der Temperatur an dem ersten Hall-Sensor 13 und der Temperatur an dem zweiten Hall-Sensor 15 liegt.
Außerdem kann ein Abstand zwischen dem zweiten Stress-Sensor 17 und dem zweiten Temperatur-Sensor 19 so gering sein, dass ein Unterschied zwischen dem Stress an dem zweiten Stress-Sensor 17 und dem Stress an dem zweiten Temperatur-Sensor 19 in einem Bereich von weniger als einem 0,2-fachen des Stressunterschieds zwischen dem Stress an dem ersten Hall-Sensor 13 und dem Stress an dem zweiten Hall-Sensor 15 liegt. Zugleich kann der Abstand zwischen dem zweiten Stress-Sensor 17 und dem zweiten Temperatur-Sensor 19 so gering sein, dass ein Unterschied zwischen der Temperatur an dem zweiten Stress-Sensor 17 und der Temperatur an dem zweiten Temperatur-Sensor 19 in einem Bereich von weniger als einem 0,2-fachen des Temperaturunterschieds zwischen der Temperatur an dem ersten Hall-Sensor 13 und der Temperatur an dem zweiten Hall-Sensor 15 liegt.
Der erste Hall-Sensor 13 ist zwischen einen ersten Hallstrom-Anschluss 13a des ersten Hall-Sensors 13 und einen zweiten Hallstrom-Anschluss 13b des ersten Hall-Sensors 13 geschaltet, über die ein Strom durch den ersten Hall-Sensor 13 eingeprägt wird. Zugleich ist der erste Hall-Sensor 13 mit einem ersten Hall-Spannungsabgriff 13c des ersten Hall-Sensors 13 und einem zweiten Hall-Spannungsabgriff 23a des ersten Hall-Sensors 13 elektrisch verbunden, an dem eine von dem ersten Hall-Sensor 13 erzeugte Hallspannung zwischen dem ersten Hall-Spannungsabgriff 13c und dem zweiten Hall-Spannungsabgriff 23a des ersten Hall-Sensors 13 abgegriffen wird.
Der zweite Hall-Sensor 15 ist zwischen einen ersten Hallstrom-Anschluss 15a des zweiten Hall-Sensors 15 und einen zweiten Hallstrom-Anschluss 15b des zweiten Hall-Sensors 15 geschaltet, so dass über die Hallstrom-Anschlüsse 15a, 15b ein durch den zweiten Hall-Sensor 15 fließender Hallstrom eingeprägt wird. Eine von dem zweiten Hall-Sensor 15 erzeugte Hallspannung wird zwischen einem ersten Hallspannungs-Abgriff 15c des zweiten Hall-Sensors 15 und einem zweiten Hall-Spannungsabgriff 23b des zweiten Hall-Sensors 15 abgegriffen.
Bei der Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind der erste Stress-Sensor 16a und der erste Temperatur-Sensor 16b jeweils über Leitungen mit Anschlüssen an dem auf dem Substrat 21 implementierten Chip verbunden, so dass die Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 an den Anschlüssen ein von dem ersten Stress-Sensor 16a erzeugtes erstes Stressmess-Signal bzw. erstes Stress-Sensor-Signal liefert und ein von dem ersten Temperatur-Sensor 16b erzeugtes erstes Temperaturmess-Signal bzw. erstes Temperatur-Sensor-Signal liefert. Die Anschlüsse bzw. die Leitungen können durch pn-Übergänge von dem Substrat 21 isoliert sein. Zugleich sind bei der Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der zweite Stress-Sensor 17 und der zweite Temperatur-Sensor 19 jeweils über Leitungen mit den Anschlüssen an dem auf dem Substrat 21 implementierten Chip verbunden, so dass die Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 an den Anschlüssen ein von dem zweiten Stress-Sensor 19 erzeugtes zweites Stressmess-Signal bzw. zweites Stress-Sensor-Signal liefert und ein von dem zweiten Temperatur-Sensor 19 erzeugtes zweites Temperaturmess-Signal bzw. zweites Temperatur-Sensor-Signal liefert, wobei die Anschlüsse bzw. die Leitungen, wie bereits oben erläutert, von dem Substrat 21 isoliert sein können.
Die Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung liefert somit neben Ausgangssignalen der Hall-Sensoren 13, 15, die als Spannungen zwischen den Anschlüssen 13c, 23 bzw. 15c, 23 abgegriffen werden, zusätzlich das erste Temperaturmess-Signal, das erste Stressmess-Signal, das zweite Temperaturmess-Signal und das zweite Stressmess-Signal. In einer in der
1 nicht gezeigten nachgelagerten Auswertungseinrichtung kann damit basierend auf den Ausgangssignalen der Hall-Sensoren 13, 15, den Temperaturmess-Signalen und den Stressmess-Signalen eine Relation bzw. ein Verhältnis zwischen einem Magnetfeld an dem ersten Hall-Sensor 13 und dem zweiten Hall-Sensor 15 ermittelt werden.
Da die Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zusätzlich an den Anschlüssen an dem Substrat 21 die Temperaturmess-Signale und die Stressmess-Signale liefert, kann die der Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 nachgelagerte Auswertungseinrichtung einen Einfluss der Temperaturunterschiede der Temperaturen an dem ersten Hall-Sensor 13 und dem zweiten Hall-Sensor 15 bei der Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 und bzw. oder einen Einfluss der Stressunterschiede des Stresses an dem ersten Hall-Sensor 13 und des Stresses an dem zweiten Hall-Sensor 15 bei einer Ermittlung einer Relation eines Werts eines Magnetfelds an dem ersten Hall-Sensor 13 zu einem Wert des Magnetfelds an dem zweiten Hall-Sensor 15 herausrechnen, so dass ein Einfluss der Störgrößen des Temperaturunterschieds und des Unterschieds der mechanischen Spannungen bzw. Stresse bei der Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auf die ermittelte Relation zwischen dem Magnetfeld an dem ersten Hall-Sensor 13 und dem Magnetfeld an dem zweiten Hall-Sensor 15 reduziert ist.
Anders ausgedrückt, lassen sich somit die Störgrößen Temperaturunterschied bzw. Stressunterschied an der Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der nachgeladenen Auswertungseinrichtung rechnerisch kompensieren.
Die Hall-Sensor-Vorrichtung 11 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung liefert daher zusätzlich eine Information über die Störgrößen der Unterschiede der mechanischen Stresse und der Temperaturen an der Hall- Sensoren-Vorrichtung 11, die in der nachgelagerten Auswertungseinrichtung zumindest teilweise herausgerechnet werden können, wobei die Auswertungseinrichtung das Verhältnis der Werte der Ausgangssignale der Hall-Sensoren 13, 15 mit einer rationalen Funktion multiplizieren kann. Die rationale Funktion kann dann beispielsweise aus einem Zähler- und einem Nennerpolynom von fixen Koeffizienten und Potenzen der Temperaturunterschiede und der Stressunterschiede bestehen. Somit ermöglicht die Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 eine präzisere Messung einer Relation zwischen den Magnetfeldern an dem ersten Hall-Sensor 13 und dem zweiten Hall-Sensor 15 über eine Lebensdauer der Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11. Denn ein Einfluss der sich über die Lebensdauer der Hall-Sensor-Vorrichtung 11 ändernden Temperaturunterschiede oder der sich über die Lebensdauer ändernden Stressunterschiede an den Hall-Sensoren 13, 15 auf die ermittelte Relation ist geringer, so dass die Hall-Sensor-Vorrichtung 11 zugleich über ihre Lebensdauer hinweg mit einer höheren Zuverlässigkeit eine Relation zwischen dem an dem ersten Hall-Sensor 13 anliegenden Magnetfeld und dem an zweiten Hall-Sensor 15 anliegenden Magnetfeld ermitteln kann.
Damit kann z. B. die Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel einen Winkel eines Magnetfelds mit einer Abweichung von weniger als 1° erfassen, indem die sich ändernden Störgrößen wie die Temperaturunterschiede und Stressunterschiede an der Hall-Sensor-Vorrichtung 11 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei der Ermittlung des Winkels des Magnetfelds herausgerechnet werden können. Besonders vorteilhaft ist an der Hall-Sensor-Vorrichtung 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, dass diese sich in einfacher Weise durch eine Implementierung der Hall-Sensoren 13, 15 der Stress-Sensoren 16a, 17 und der Temperatur-Sensoren 16b, 19 auf dem Substrat 21 realisieren lässt, wobei die genannten Komponenten mittels stabiler FE-Prozesse (FE-Prozesse = Front-End-Prozesse) hergestellt werden können, und Chips, auf denen diese Elemente 13, 15, 16a, 16b, 17, 19 implementiert sind, damit eine hohe Ausbeute bei der Fertigung aufweisen sowie durch eine entsprechende Robustheit bzw. Unempfindlichkeit gegen Fertigungsschwankungen bzw. Schwankungen in dem Fertigungsprozess gekennzeichnet sind. Dabei sind für die Herstellung der genannten Komponenten nur eine geringe Anzahl an Masken erforderlich, was zu kurzen Durchlaufzeiten in der Fertigung und wiederum zu niedrigen Herstellungskosten führt.
Die Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ermöglicht dabei eine hysteresefreie Bestimmung einer Relation zwischen einem Magnetfeld an dem ersten Hall-Sensor 13 und einem Magnetfeld an dem zweiten Hall-Sensor 15 und damit eine hysteresefreie Bestimmung eines Winkels des Magnetfelds, was insbesondere vorteilhaft ist gegenüber herkömmlichen AMR-Systemen (AMR-System = Anisotropic-Magneto-Resistive-System = Anisotrop-Magneto-Resistiv-System) bzw. GMR-Systemen (GMR = Giant-Magneto-Resistive-System = Gigant-Magneto-Resistiv-System), bei denen bei der Bestimmung eines Winkels eines Magnetfelds die entsprechenden Hystereseeffekte zu berücksichtigen sind.
Im Folgenden wird ein Aufbau einer Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in 2 erläutert. Die Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 51 bzw. die Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen ersten Hall-Sensor 53, einen zweiten Hall-Sensor 55, einen ersten Stress-Sensor 57, einen zweiten Stress-Sensor 59, einen ersten Temperatur-Sensor 61, einen zweiten Temperatur-Sensor 63, eine Differenzbildungs-Einrichtung 65, einen ersten Analog-Digital-Wandler 67 einen zweiten Analog-Digital-Wandler 69, einen DSP 71 (DSP = Digital Signal Processor = digitaler Signalprozessor), einen Einstellungs-Transistor 73, einen Operationsverstärker 75, eine Referenzspannungsquelle 77 und eine Stromspiegelschaltung 79 auf.
Der erste Hall-Sensor 53 ist an einem ersten Anschluss mit einem ersten Ausgangsanschluss der Stromspiegelschaltung 79 verbunden und an einem zweiten Anschluss mit einem Masseanschluss gekoppelt. Des Weiteren ist der erste Hall-Sensor 53 an einem dritten Anschluss mit einem ersten Eingang des zweiten Analog-Digital-Wandlers 69 verbunden. Der zweite Hall-Sensor 55 ist an einem ersten Anschluss mit einem zweiten Ausgangsanschluss der Stromspiegelschaltung 79 gekoppelt, während der zweite Hallsensor 55 an einem zweiten Anschluss mit dem Masseanschluss elektrisch leitend verbunden ist. Ein dritter Anschluss des zweiten Hall-Sensors 55 ist mit einem zweiten Eingang des zweiten Analog-Digital-Wandlers 69 gekoppelt.
Bei der in 2 gezeigten Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die vier Anschlüsse der Hall-Sensoren 53, 55 bzw. deren Verbindungen jeweils paarweise diagonal getauscht werden, so dass über hier nicht gezeigte Umschalter sich gegenüberliegende Anschlüsse in einer ersten Taktphase mit dem Masseanschluss und dem Ausgangsanschluss des Stromspiegels verbunden sind, und in einer zweiten darauf folgenden Taktphase mit dem ersten Eingang des zweiten Analog-Digital-Wandlers 69 und dem Masseanschluss gekoppelt sind. Dieses Prinzip des Umschaltens der Anschlüsse der Hall-Sensoren 53, 55, wobei jedem Anschluss ein Schalter zugeordnet sein kann, wird später vor allem bei der in 3 gezeigten Hall-Sensor-Vorrichtung 51 noch detaillierter erläutert werden.
Ein erster Anschluss des Stress-Sensors 57 ist mit einem ersten Eingang des Operationsverstärkers 75, einem ersten Anschluss des Einstellungs-Transistors 73 und einem ersten Eingang der Differenzbildungs-Einrichtung 65 verbunden. Ein zweiter Anschluss des ersten Stress-Sensors 57 ist mit dem Masseanschluss gekoppelt. Ein zweiter Anschluss des Einstellungs-Transistors 73 ist mit einem Eingangsanschluss der Stromspiegelschaltung 79 gekoppelt, während ein Steueranschluss des Einstellungs-Transistors 73 mit einem Ausgang des Operationsverstärkers 75 verbunden ist. Die Stromspiegelschaltung 79 besteht aus vier Stromspiegeltransistoren, die jeweils an einem ersten Anschluss und an einem Steueranschluss miteinander verbunden sind, während der Eingangsanschluss der Stromspiegelschaltung 79 mit den jeweiligen Steueranschlüssen der Stromspiegeltransistoren gekoppelt ist. Ein zweiter Eingang des Operationsverstärkers 75 ist mit einem ersten Anschluss der Referenzspannungsquelle 77 verbunden, während ein zweiter Anschluss der Referenzspannungsquelle 77 mit dem Masseanschluss gekoppelt ist. Um ein präziseres Einprägen der Hall-Ströme in die Sensoren 53, 55, 59 zu erzielen, werden die jeweiligen Stromspiegel in der Stromspiegelschaltung 79 kaskodiert bzw. in Kaskoden zusammengeschaltet.
Ein erster Anschluss des zweiten Stress-Sensors 59 ist mit einem dritten Ausgangsanschluss der Stromspiegelschaltung 79 und einem zweiten Eingang der Differenzbildungs-Einrichtung 65 gekoppelt, während ein zweiter Anschluss des zweiten Stress-Sensors 59 mit dem Masseanschluss leitend verbunden ist.
Ein Ausgang des ersten Temperatur-Sensors 61 ist mit einem dritten Eingang der Differenzbildungs-Einrichtung 65 verbunden, während ein Ausgang des zweiten Temperatur-Sensors 63 mit einem vierten Eingang der Differenzbildungs-Einrichtung 65 gekoppelt ist. Ein Ausgang der Differenzbildungs-Einrichtung 65 ist mit einem Eingang des ersten Analog-Digital-Wandlers 67 leitend verbunden, während ein Ausgang des ersten Analog-Digital-Wandlers 67 mit einem ersten Eingang des DSPs 71 gekoppelt ist. Ein Ausgang des zweiten Analog-Digital-Wandlers 69 ist mit einem zweiten Eingang des DSPs 71 leitend verbunden. Der DSP 71 liefert an einem Ausgang ein Ausgangssignal der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Der Operationsverstärker 75 ist als ein Komparator geschaltet und dient dazu, über ein Potential an dem Steueranschluss des Einstellungs-Transistors 73 einen Strom I₀ durch den ersten Stress-Sensor 57 so einzustellen, dass ein Spannungsabfall an dem ersten Stress-Sensor 57 einer Spannung U₀ der Referenzspannungsquelle 77 entspricht. Die Stromspiegelschaltung 79 stellt den Strom an dem ersten bis dritten Ausgangsanschluss so ein, dass die Ströme an dem ersten Ausgangsanschluss, dem zweiten Ausgangsanschluss und dem dritten Ausgangsanschluss proportional zu dem Strom I₀ sind, wobei der Strom an dem ersten Ausgangsanschluss und dem zweiten Ausgangsanschluss so festgelegt wird, so dass er z. B. jeweils gleich ist bzw. innerhalb einer Toleranz von 2% gleich einem Wert des Stroms an dem Eingangsanschluss der Stromspiegelschaltung 79 sein kann. Somit sind die dem ersten Hall-Sensor 53 und dem zweiten Hall-Sensor 55 eingeprägten Ströme gleich dem Strom I₀, und der dem zweiten Stress-Sensor 59 eingeprägte Strom ist proportional zu dem Strom I₀ durch den ersten Stress-Sensor 57. Anders ausgedrückt wird der Strom I₀ zu einer skalierten Versorgung der Hall-Sensoren 53, 55 und der Stress-Sensoren 57, 59 eingesetzt, wobei die Ströme durch die beiden Stress-Sensoren 57, 59 vorteilhafterweise identisch bzw. gleich sein können. Die Referenzspannung U₀ wird somit auf den ersten Stress-Sensor 57, der einen ersten Ohmschen Widerstand aufweist, dessen Widerstandswert von einer Temperatur T₁ und einem Stress σ₁ an dem ersten Hall-Sensor 53 abhängt, kopiert.
Der erste Hall-Sensor 53 liefert ein Ausgangssignal S_H,1, dessen Wert von einem an dem ersten Hall-Sensor 53 anliegenden Magnetfeld und dem den ersten Hall-Sensor 53 durchfließenden Hall-Strom I₀ abhängt. Der zweite Hall-Sensor 55 liefert ein Ausgangssignal S_H,2 dessen Wert von einem an dem zweiten Hall-Sensor 55 anliegenden Magnetfeld und dem den zweiten Hall-Sensor 55 durchfließenden Hall-Strom I₀ abhängt. Der erste Stress-Sensor 57 liefert ein Ausgangssignal S_σ1, dessen Wert von dem an dem ersten Hall-Sensor 53 anliegenden mechanischen Stress σ₁ abhängt. Der zweite Stress-Sensor 59 liefert ein Ausgangssignal S_σ2, dessen Wert von einem an dem zweiten Hall-Sensor 55 anliegenden mechanischen Stress σ₂ abhängt. Der erste Temperatur-Sensor 61 liefert ein Ausgangssignal S_T1, dessen Wert von der Temperatur T₁ an dem ersten Hall-Sensor 53 abhängt. Der zweite Temperatur-Sensor 63 liefert ein Ausgangssignal S_T2, dessen Wert von einer Temperatur T₂ an dem zweiten Hall-Sensor 55 abhängt.
Die Differenzbildungs-Einrichtung 65 ermittelt zum Einen eine Differenz der Werte des Ausgangssignals S_σ2 des zweiten Stress-Sensors 59 und des Ausgangssignals S_σ1 des ersten Stress-Sensors 57 und zum Anderen eine Differenz der Werte des Ausgangssignals S_T2 von dem zweiten Temperatur-Sensor 63 und des Ausgangssignals S_T1 des ersten Temperatur-Sensors 61. Die Differenzbildungs-Einrichtung 65 stellt daraufhin an ihrem Ausgang einen Wert des Ausgangssignals der Differenzbildungs-Einrichtung 65 so ein, so dass dessen Wert in einer ersten Zeitspanne von der Differenz der Ausgangssignale S_σ1, S_σ2 der Stress-Sensoren 57, 59 und in der zweiten darauffolgenden Zeitspanne von einer Differenz der Ausgangssignale S_T1, S_T2 der Temperatur-Sensoren 61, 63 abhängt.
Anders ausgedrückt überträgt die Differenzbildungs-Einrichtung 65 in zeitlich gemultiplexter Form ein erstes Differenzsignal (S_σ2 – S_σ1), dessen Wert von der Differenz der Ausgangssignale S_σ1, S_σ2 der Stress-Sensoren 57, 59 abhängt, und ein zweites Differenzsignal (S_T2 – S_T1), dessen Wert von der Differenz der Ausgangssignale S_T1, S_T2 der Temperatur-Sensoren 61, 63 abhängt, an den ersten Analog-Digital-Wandler 67. Der erste Analog-Digital-Wandler wandelt die beiden zeitlich gemultiplexten analogen Differenzsignale (S_σ2 – S_σ1), (S_T2 – S_T1), jeweils in einen digitalen Wert um und überträgt in zeitlich gemultiplexter Form bzw. in einer zeitlichen Abfolge jeweils einen digitalen Wert des ersten Differenzsignals und einen digitalen Wert des zweiten Differenzsignals an den DSP 71.
Ein Einsatz eines einzigen Analog-Digital-Wandlers, bzw. eines einzigen A/D-Wandlers in einem Zeitmultiplex-Betrieb ist bei der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 möglich, da sich die Temperaturen an den Temperatur-Sensoren 61, 63 und die mechanischen Stresse an den Stress-Sensoren 57, 59 erheblich langsamer ändern als das von der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel erfasste Magnetfeld. Damit ist eine Erfassung der Unterschiede zwischen den Signalen von den Temperatur-Sensoren 61, 63 und den Signalen von den Stress-Sensoren 57, 59 zeitunkritisch.
Der zweite Analog-Digital-Wandler 69 bestimmt ein Verhältnis bzw. einen Quotienten aus dem Wert des Ausgangssignals S_H,2 des zweiten Hall-Sensors 55 zu dem Wert des Ausgangssignals S_H,1 des ersten Hall-Sensors 53 und wandelt den so ermittelten Quotientenwert in einen digitalen Quotientenwert um. Der digitale Quotientenwert wird dann ebenfalls an den DSP 71 übertragen.
Der DSP 71 bestimmt dann basierend auf dem digitalen Quotientenwert und dem digitalen Wert des ersten Differenzsignals (S_σ2 – S_σ1) und dem digitalen Wert des zweiten Differenzsignals (S_T2 – S_T1) einen Winkel des Magnetfelds an dem zweiten Hall-Sensor 55. Vorteilhaft ist dabei, dass der DSP 71 bei der Ermittlung des Magnetfelds an dem zweiten Hall-Sensor 55 die Einflüsse der Temperaturen T₁, T₂ und der mechanischen Stresse σ₁, σ₂ an den Hall-Sensoren 53, 55 berücksichtigen kann, so dass ein Einfluss der Störgrößen T₁, T₂, σ₁, σ₂ bei der Ermittlung des Winkels des Magnetfelds zumindest teilweise herausgerechnet werden kann. Anders ausgedrückt werden bei der Ermittlung des Winkels des Magnetfelds an dem zweiten Hall-Sensor 55, die z.B. mittels eines differentiellen Prinzips erfolgen kann, die störenden Einflüsse der Unterschiede der Temperaturen T₁, T₂ und der mechanischen Spannungen σ₁, σ₂ an den Hall-Sensoren 53, 55 durch geeignete rechnerische Maßnahmen in dem DSP 71 kompensiert.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung den Stress- und Temperaturunterschied der z. B. voneinander weit entfernten Hall-Sensoren 53, 55, die auf einem hier nicht gezeigten Chip angeordnet sind, bestimmt und anschließend einen Einfluss der so bestimmten Unterschiede auf die magnetischen Empfindlichkeiten der Hall-Sensoren 53, 55 bzw. der Hall-Sonden 53, 55 ermittelt. Diese Einflüsse werden dann abschließend bei der Signalverarbeitung in dem DSP 71 wieder herausgerechnet. Die Hall-Sensor-Vorrichtung 51 führt damit kein Nachregeln einer Eingangsgröße, wie z. B. der Hallströme durch die Hall-Sensoren 53, 55, durch sondern erfasst die Störgrößen und ermittelt in einer Korrekturrechnung nach einer feststehenden Formel den Wert des Winkels des Magnetfelds an dem Hall-Sensor 55.
Im Folgenden wird eine Herleitung der Korrekturformel, mit der der DSP 71 den Einfluss der Störgrößen herausrechnet, erläutert. Der erste Hall-Sensor 53 bzw. die erste Sonde dient in der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 zum Ermitteln einer Referenzgröße, so dass das von dem ersten Hall-Sensor 53 gelieferte Signal S_H,1 als Bezugsgröße für die Winkelberechnung des Magnetfelds an dem zweiten Hall-Sensor 55 dient. Der Wert des Ausgangssignals des ersten Hall-Sensors 53 steht dabei in einem Nenner einer Formel, aus der der DSP 71 unter Verwendung einer Arcustangens-Berechnung bzw. Arcus-Tangens-Funktion den Winkel des Magnetfelds ermittelt. Das Ausgangssignal S_H,2 des zweiten Hall-Sensors 55 bzw. der zweiten Sonde steht dabei im Zähler der Formel.
Bei der Ermittlung der folgenden Gleichungen wird angenommen, dass in dem Layout der erste Stress-Sensor 57 und der erste Temperatur-Sensor 61 nahe dem ersten Hall-Sensor 53 angeordnet sind, und der zweite Stress-Sensor 59 und der zweite Temperatur-Sensor 63 nahe dem zweiten Hall-Sensor 55 angeordnet sind, so dass die von den Sensoren 53, 57, 59, 63 erfass ten Störgrößen den Störgrößen an den Hall-Sensoren 53, 55 entsprechen. Die Stress-Sensoren 57, 59 sind dabei als zwei in dem Layout jeweils senkrecht zueinander angeordnete n-dotierte Diffusions-/Implantationswiderstände in einem (100)-Silizium-Substrat implementiert, so dass die Stress-Sensoren 57, 59 als Ohmsche Widerstände ausgeführt sind, die aus zwei nominal gleich großen Teilwiderständen bestehen, wobei die Teilwiderstände in der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Serie geschaltet sind. Vorteilhaft ist an der derartigen Ausführung der Stress-Sensoren 57, 59, dass sowohl die beiden n-dotierten Hall-Sensoren 53, 55 als auch die als Ohmsche Widerstände implementierten Stress-Sensoren 57, 59 jeweils auf die gleiche Linearkombination von Tensorkomponenten des mechanischen Stresses bzw. des mechanischen Spannungszustands, nämlich auf die Summe der Hauptachsenspannungen reagieren. Die Tensorkomponenten sind dabei die Hauptachsenspannungen σ_xx, σ_yy in einer Chipebene senkrecht zu einer Chipdicke, wobei die Hall-Sensoren 53, 55 auf die Summe der Hauptachsenspannungen σ_xx, σ_yy in ähnlicher Weise wie die Stress-Sensoren 57, 59 bzw. die in ihnen zugrunde liegenden Stress-Widerstände reagieren.
Dabei gilt für einen Wert des Widerstands R_n der Stress-Sensoren 57, 59 folgender Zusammenhang: Rn = Rn,0(1 + πnσ) (1)
In obiger Formel steht R_n für einen Widerstandswert des n-dotierten Widerstands der Stress-Sensoren 57, 59, während R_n,0 für einen Wert des Ohmschen Widerstands steht, wenn kein mechanischer Stress an den Stress-Sensoren 50, 59 anliegt. Die Variable π_n steht für einen piezoresistiven Koeffizienten der Hall-Sensor-Vorrichtung 51, der u. a. von einem Material des Substrats abhängig ist.
σ steht für eine Summe der Hauptachsenspannungen in der Chipebene, wobei folgender Zusammenhang gilt: σ = σxx + σyy (2)
σ_xx, σ_yy stehen dabei für die jeweiligen Normalspannungen senkrecht zu einer Chipdicke, wobei die Summe der Größen σ_xx, σ_yy unabhängig davon ist, wie die x-y-Achsen in der Chipebene verdreht werden. Zwar ändern sich die Normalspannungen σ_xx, σ_yy bei einer Drehung des Koordinatenkreuzes, nicht jedoch die Summe der Normalspannungen. Für einen Wert S_i,0, der eine strombezogene magnetische Empfindlichkeit der Hall-Sonde bzw. der Hall-Sensoren 53, 55 in Abhängigkeit von einem Piezo-Hall-Koeffizienten P ausdrückt, gilt dabei folgender Zusammenhang: Si = Si ,0(1 + Pσ) (3)
In der Hall-Sensor-Vorrichtung 51, die auf einem (100)-Silizium-Substrat angeordnet ist gilt dabei, dass die n-dotierten Widerstände der beiden Stress-Sensoren 57, 59 den höchsten piezoresistiven Effekt in dem (100)-Silizium-Substrat aufweisen, wobei ein Wert des piezoresistiven Koeffizienten π_n bei dem (100)-Silizium-Substrat bei –24,4%/GPa liegt. Daher werden bei der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise n-dotierte Widerstände eingesetzt. Die Hall-Sensoren 53, 55 selbst sind auch als n-dotierte Zonen auf dem Silizium-Substrat ausgeführt, da diese Form der Implementierung die höchste magnetische Empfindlichkeit aufweist.
Dabei ist eine Stressabhängigkeit der magnetischen Empfindlichkeit der Hall-Sensoren 53, 55 in dem (100)-Silizium-Substrat noch höher, wobei ein Wert des Piezo-Hall-Koeffizienten P bei 44%/GPa liegt. Für Hall-Sensor-Vorrichtungen, bei denen die Hall-Sensoren 53, 55 in einer n- dotierten Zone auf einem (100)-Silizium-Substrat ausgeführt sind, gilt dabei, dass die Ohmschen Widerstände, in denen die Stress-Sensoren 57, 59 implementiert sind, eine möglichst hohe Stressabhängigkeit der Ohmschen Widerstände aufweisen sollen, wobei ein Idealwert für den piezoresistiven Koeffizienten der Ohmschen Widerstände 44%/GPa wäre, so dass eine Stressabhängigkeit des Ohmschen Widerstands der Stress-Sensoren 57, 59 gleich einer Stressabhängigkeit der Hall-Sensoren 53, 55 wäre.
Vorteilhaft ist dabei an der Hall-Sensor-Vorrichtung 51, bei der sowohl die Ohmschen Widerstände der Stress-Sensoren 57, 59 als auch die aktiven Bereiche der Hall-Sensoren 53, 55 als n-dotierte Zonen ausgeführt sind, dass den Stress-Sensoren 57, 59 ein Strom eingeprägt werden kann, der proportional zu dem Strom I₀ durch die Hall-Sensoren 53, 55 ist, so dass ein Einfluss etwaiger Prozessstreuungen auf das elektrische Verhalten der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 und insbesondere auf den ermittelten Winkel des Magnetfelds nicht berücksichtigt werden braucht, wobei der Strom, wie bereits erläutert, durch die Hall-Sensoren 53, 55 in Abhängigkeit von den Werten des Ohmschen Widerstands des Stress-Sensors 57 eingestellt wird.
Da bei der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung der erste Hall-Sensor 53, der erste Stress-Sensor 57 und der erste Temperatur-Sensor 61 nahe zueinander in einer ersten Sensor-Gruppe I angeordnet sind und der zweite Hall-Sensor 55, der zweite Stress-Sensor 59 und der zweite Temperatur-Sensor 62 nahe zueinander in einer zweiten Sensor-Gruppe II angeordnet sind, gilt, dass an den Sensoren 53, 57, 61 der ersten Sensor-Gruppe I die erste Temperatur T₁ und der erste mechanische Stress σ₁ herrschen und an den Sensoren 55, 59, 63 in der zweiten Sensor-Gruppe II die Temperatur T₂ und der mechanische Stress σ₂ herrschen. Für eine Differenz U_σ der Span nungsabfälle an den Stressmesswiderständen R_n1, R_n2 der Stress-Sensoren 57, 59 gilt dabei folgender Zusammenhang:
In der Gleichung (4) steht R_n1 für einen Wert des Ohmschen Widerstands des ersten Stress-Sensors 57, R_n2 für einen Wert des Ohmschen Widerstands des zweiten Stress-Sensors 59 und U₀ für einen Wert der Spannung der Referenzspannungsquelle 77. Die Gleichung (4) lässt sich auch in folgender Form angeben:
R_n1,0, R_n2,0 stehen dabei jeweils für einen Wert des Widerstands bzw. des Ohmschen Widerstands R_n1 des ersten Stresssensors 57 und einen Ohmschen Widerstand R_n2 bzw. Stressmesswiderstand des zweiten Stress-Sensors 59 jeweils bei einer Referenztemperatur und einem Referenzstress. Eine Variable ε(T) steht dabei jeweils für eine Temperaturabhängigkeit der Ohmschen Widerstände der Stress-Sensoren 57, 59 bei den an den Stress-Sensoren 57, 59 herrschenden Temperaturen T₁, T₂ während der Term π_n(T₂)·σ₂ die piezoresistive Abhängigkeit des Widerstands R_n2 und der Term π_n(T₁)·σ₁ die piezoresistive Abhängigkeit des Widerstands R_n1 bei den jeweiligen Werten des temperaturabhängigen Piezokoeffizienten π_n(T₂) und π_n(T₁) angeben.
Nach einer Linearisierung der Gleichung (5) erhält man schließlich für einen Wert eines digitalen Differenz-Signals das von dem ersten Analog-Digital-Wandler 65 geliefert wird, und von einem Wert der Differenz der Spannungsabfälle an den Stress-Sensoren 57, 59 abhängt bzw. zu einer Differenz der Spannungsabfälle proportional ist, folgenden Zusammenhang: Sσ = μσ + ε'(T2 – T1) + πn(T)(σ2 – σ1) (6)
In der Gleichung (6) steht μ_σ für den digitalen Wert, der sich einstellt, bei einem initialen Mismatch der Stressmesswiderstände R_n1, R_n2, sprich der Wert μ_σ stellt den anfänglichen digitalen Wert des Differenz-Signals S_σ dar, wenn noch kein Unterschied der mechanischen Spannungen an den Stress-Sensoren 57, 59 in Folge eines Lebensdauerdrifts vorhanden ist. In der Variable μ_σ ist dabei auch ein anfänglicher bzw. initialer störender Einfluss der PMOS-Stromspiegelschaltung 79 berücksichtigt. Bei einer Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der initiale Mismatch bzw. die anfängliche Fehlanpassung durch entsprechende Layoutmaßnahmen unter eine Wahrnehmungsschwelle gedrückt oder die anfängliche Fehlanpassung wird im Rahmen einer Kalibriermessung der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 ermittelt und in einem Speicher, wie z. B. einem EEPROM-Speicher, als digitaler Wert hinterlegt und bei zeitlich nachfolgenden Berechnungen ausgelesen und berücksichtigt. Der Wert ε' steht für eine Temperaturabhängigkeit des von dem zweiten Analog-Digital-Wandler 69 gelieferten Werts des Stress-Sensor-Differenzsignal S_σ. Die übrigen Variablen T₂, T₁, π_n(T), σ₂, σ₁ und deren Bedeutung wurden bereits oben erläutert. Zur Vereinfachung ist für eine Ermittlung der Gleichung (6) vorausgesetzt worden, dass der erste Analog-Digital-Wandler 67 bei der Digitalisierung des Eingangssignals U_σ die Referenzspannung U₀ verwendet.
Bei der Ermittlung der Gleichung (6) wird außerdem zur Vereinfachung vorausgesetzt, dass ein Einfluss des Temperaturunterschieds zwischen dem ersten Stress-Sensor 57 und dem zweiten Stress-Sensor 59 gering ist, so dass bei einer Ermittlung des piezoresistiven Koeffizienten π_n(T) der Temperaturunterschied zwischen dem ersten Stress-Sensor 57 und dem zweiten Stress-Sensor 59 vernachlässigt werden kann, und in der Gleichung (6) zu der Ermittlung des Werts des piezoresistiven Koeffizienten π_n eine mittlere Chiptemperatur T des Chips, auf dem die Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ange ordnet ist, eingesetzt werden kann. Diese Annahme kann insbesondere auch deshalb getroffen werden, da sich ein Unterschied der Temperaturen T₁, T₂ bei der Ermittlung des piezoresistiven Koeffizienten π_n nur als ein Fehler höherer Ordnung äußert.
Aus der Gleichung (6) wird somit deutlich, dass der digitale Wert S_σ des Stress-Sensor-Differenzsignals von einem Unterschied des mechanischen Stresses an dem ersten Hall-Sensor 53 und an dem zweiten Hall-Sensor 55 abhängig ist, wobei der Wert S_σ des digitalen Stress-Sensor-Differenzsignals jedoch noch einen Temperaturfehler aufweist, der aus einem Unterschied der Temperaturen an dem ersten Hall-Sensor 53 und dem zweiten Hall-Sensor 55 resultiert.
Im Folgenden wird erläutert, wie der Temperaturfehler, der u. a. den Wert des Signals S_σ verfälscht und die ermittelte Relation der Magnetfelder an den Hall-Sensoren 53, 55 beeinflusst bzw. verfälscht, kompensiert bzw. herausgerechnet werden kann. Zu diesem Zweck wird ein digitaler Wert eines Temperatur-Sensor-Differenzsignals S_T berücksichtigt, das von einer Differenz U_T der Spannungen an den Temperatur-Sensoren 61, 63 abhängt. Die Temperatur-Sensoren 61, 63 sind dabei z. B. jeweils als PTAT-Bandgag-Kerne (PTAT-Bandgag-Kern = Proportional-to-Absolute-Temperature-Bandgag-Kern = Proportional-zu-der-Absoluten-Temperatur-Kern) implementiert. Die Temperatur-Sensoren 61, 63 stellen somit jeweils eine Spannung zwischen ihren Ausgangsanschlüssen und dem Masseanschluss ein, der proportional zu der an ihnen herrschenden absoluten Temperatur ist. Somit ist der Spannungsunterschied U_T in erster Näherung proportional zu dem Unterschied der Temperaturen T₂, T₁.
Jedoch ist bei der Ermittlung des digitalen Werts des Signals S_T ein Mismatch der Temperatur-Sensoren 61, 63 bzw. der PTAT-Bandgaps PTAT1 und PTAT2, die ja das Differenzsignal U_T beeinflussen und damit den Wert des digitalen Temperatur- Sensor-Differenzsignals S_T beeinflussen, und ein Einfluss der unterschiedlichen mechanischen Stresse bzw. mechanischen Spannungen an den Temperatur-Sensoren 61, 63 zu berücksichtigen. Dabei wirken sich die unterschiedlichen mechanischen Stresse an den Temperatur-Sensoren 61, 63 über einen sogenannten Piezojunction-Effekt der Bipolartransistoren in den PTATs aus. Durch geeignete Layout-Maßnahmen bei einem Schaltungsentwurf der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung lässt sich dieser Mismatch bzw. die Fehlanpassung reduzieren. Zugleich lässt sich durch eine geeignete Dimensionierung der Bipolartransistoren in den PTATs ein Einfluss des Piezojunction-Effekts reduzieren. Falls sich jedoch die beiden Effekte nicht durch geeignete Layout-Maßnahmen ausreichend reduzieren lassen, so kann ein Einfluss der störenden Effekte auf das Temperatur-Sensor-Differenzsignal S_T wiederum bei einer Kalibriermessung ermittelt und in einem EEPROM hinterlegt werden und von dem DSP 71 bei der Erfassung des Temperaturunterschieds ausgelesen werden und entsprechend berücksichtigt werden. Für einen Wert S_T des digitalen Temperatur-Sensor-Differenzsignals gilt dabei folgender Zusammenhang: ST = μT + δ'(T2 – T1) + ζ(T)(σ2 – σ1) (7)
Dabei steht in der obigen Gleichung (7) die Variable μ_T für einen initialen Mismatch bzw. eine anfängliche Fehlanpassung der Temperatur-Sensoren 53, 55, die von einer Differenz U_T der elektrischen Spannungen der Temperatur-Sensoren 61, 63 abhängig ist, wenn an den Temperatur-Sensoren 61, 63 dieselbe Temperatur herrscht. Des Weiteren gibt in der Gleichung (7) die Variable δ' eine Empfindlichkeit der Temperatur-Sensor-Schaltung an und damit eine Abhängigkeit des Werts des digitalen Temperatur-Sensor-Differenzsignals S_T von einem Unterschied der Temperaturen T₁ und T₂. Des Weiteren drückt eine Variable ξ(T) eine Empfindlichkeit der Temperatur-Sensor-Schaltung hinsichtlich unterschiedlicher Stresse an den beiden Temperatur-Sensoren 61, 63 und damit eine Abhängigkeit des digitalen Temperatur-Sensor-Differenzsignals S_T von einem Unterschied zwischen dem mechanischen Stress σ₂ an dem zweiten Temperatur-Sensor 63 und dem mechanischen Stress σ₁ an dem ersten Temperatur-Sensor 61 aus.
Ein aus den Gleichungen (6), (7) bestehendes Gleichungssystem weist die Unbekannten (T₂ – T₁) und (σ₂ – σ₁) auf. Dieses Gleichungssystem kann nach den genannten Unbekannten (T₂ – T₁) und (σ₂ – σ₁) aufgelöst werden. Somit ergeben sich Gleichungen (8) und (9), in denen ein Zusammenhang zwischen der Unbekannten (T₂ – T₁) und S_σ, S_T dargelegt ist, und ein Zusammenhang zwischen der Unbekannten (σ₂ – σ₁) und den Größen S_σ, S_T dargelegt ist.
und
Für ein Verhältnis der von den Hall-Sensoren 53, 55 gelieferten Signale bzw. deren Werte ergibt sich damit folgender Zusammenhang:
In der Gleichung (10) steht die Variable S_h,2(T₂) für einen Wert des von dem zweiten Hall-Sensor 55 gelieferten Ausgangssignals, während die Variable S_h,1(T₁) für einen Wert des Ausgangssignals steht, das von dem ersten Hall-Sensor 53 bzw. der ersten Hallsonde geliefert wird. Die Variable B₁ steht für einen Wert des B-Felds an dem ersten Hall-Sensor 53 bzw. einen Wert des Magnetfelds senkrecht zu einer Chipebene, in der die Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angeordnet ist, während die Variable B₂ für eine entsprechende Komponente des Magnetfelds senkrecht zu der Chipebene an dem zweiten Hall-Sensor 55 steht. Die Variable S_hi,1 steht für eine strombezogene magnetische Empfindlichkeit des ersten Hall-Sensors 53, während die Variable S_hi,2 für eine strombezogene magnetische Empfindlichkeit des zweiten Hall-Sensors 55 steht.
Des Weiteren ist in der Formel (10) vorausgesetzt worden, dass die Stromspiegelschaltung 79, wie bereits oben erläutert, so ausgelegt ist, dass in den beiden Hall-Sensoren 53, 55 der gleiche Strom I₀ eingespeist wird, so dass die beiden Hall-Sensoren 53, 55 von dem gleichen Strom I₀ durchflossen werden.
Vorteilhaft ist dabei bei der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, dass die beiden Hallsonden 53, 55 jeweils von dem gleichen Strom durchflossen werden, so dass eine Temperatur- oder Stressabhängigkeit dieses Stroms bei einer Ermittlung des Winkels durch die Hall-Sensor-Vorrichtung 51 irrelevant ist bzw. nicht berücksichtigt werden muss. Anders ausgedrückt können mittels der Stromspiegelschaltung 79 beliebige Ströme in den Hall-Sensoren 53, 55 eingeprägt werden, ohne den durch die Hall-Sensor-Vorrichtung 51 ermittelten Wert des Winkels zu beeinflussen, wobei die Hall-Sensoren 53, 55 auch an beliebigen Stellen auf dem Chip angeordnet werden können, da die Stromspiegelschaltung 79 dafür sorgt, dass der durch sie fließende Strom gleich ist.
Im Folgenden wird angenommen, dass auch die Stress-Sensoren 57, 59 von demselben Strom durchflossen werden, wie die beiden Hall-Sensoren 53, 55. Dies wird durch die Einstellung des durch die Stress-Sensoren 57, 59 fließenden Stroms über die Stromspiegelschaltung 79 erreicht. Ein Verhältnis der strombezogenen magnetischen Empfindlichkeiten S_hi,2(T₂)/S_hi,1(T₁) lässt sich damit, wie folgt, in Abhängigkeit von einem Piezo-Hall-Koeffizienten P(T) ermitteln:
In der Gleichung (11) steht die Variable S_hi0,1 für eine strombezogene magnetische Empfindlichkeit des ersten Hall-Sensors 53 bei einem Referenzstress, der zu einem Zeitpunkt einer Kalibrierung auftritt, während eine Variable S_hi0,2 für eine strombezogene magnetische Empfindlichkeit des zweiten Hall-Sensors 55 bei dem Referenzstress steht. Ähnlich zu obigem Vorgehen, bei dem ein Einfluss der unterschiedlichen Temperaturen T₁, T₂ auf den piezoresistiven Koeffizienten π_n vernachlässigt worden ist, wird auch hier ein Einfluss des geringen Temperaturunterschieds (T₂ – T₁) zwischen den beiden Hall-Sensoren 53, 55 nicht in dem Wert des Piezo-Hall-Koeffizienten P(T) berücksichtigt. Stattdessen wird angenommen, dass der Wert des Piezo-Hall-Koeffizienten P(T) an den beiden Hall-Sensoren 53, 55 gleich ist, und dass der Wert des Piezo-Hall-Koeffizienten P(T) nur von der mittleren Chiptemperatur T abhängig ist.
Der Zusammenhang zwischen den strombezogenen magnetischen Empfindlichkeiten S_hi0,1(T₂), S_hi0,1(T₁) und den Werten der strombezogenen magnetischen Empfindlichkeit S_hi0,2(T), S_hi0,1 (T) bei der mittleren Chiptemperatur T lässt sich in Abhängigkeit von dem Temperaturunterschied (T₂ – T₁), wie folgt darstellen:
In der oben dargelegten Gleichung (12) steht die Variable κ(T) für eine normierte differentielle strombezogene magnetische Empfindlichkeit. Die Variable κ(T) lässt sich nach folgender Formel ermitteln:
In der Gleichung (13) steht die Variable S_hi0(T) für einen angenäherten Wert bzw. Näherungswert der strombezogenen magnetischen Empfindlichkeit der Hall-Sensoren 53, 55 in der Hall-Sensor-Vorrichtung 51. Setzt man nun den in der Gleichung (12) dargelegten Zusammenhang in die Gleichung (11) ein, so erhält man eine Gleichung (14), die wie folgt lautet:
In der Gleichung (14) ist der Term κ(T)·(T₂ – T₁)·P(T)·(σ₂ – σ₁) aufgrund des geringen Werts, den ein Produkt aus dem Unterschied der Störgrößen, nämlich dem Temperaturunterschied (T₂ – T₁) und dem Unterschied der mechanischen Spannungen (σ₂ – σ₁) einnimmt, vernachlässigt. Des Weiteren gilt für die Gleichung (14), dass ein Wert des Verhältnisses S_hi0,2(T)/S_hi0,1(T) abgesehen von einem geringfügigen Mismatch bzw. einer geringfügigen Fehlanpassung der magnetischen Empfindlichkeiten der Hall-Sensoren 53, 55 gleich 1 ist.
Die Gleichung (8) zur Bestimmung des Temperaturunterschieds (T₂ – T₁) und die Gleichung (9) zur Bestimmung des Unterschieds (σ₂ – σ₁) der mechanischen Stresse σ₁, σ₂ werden in die Gleichung (14) eingesetzt, und zugleich die oben bereits erläuterte Näherung durchgeführt, nämlich dass S_hi0,2(T)/S_hi0,1(T) ~ 1 gilt. Der so ermittelte Term wird in die Gleichung (10) eingesetzt. Die Gleichung (10) wird anschließend nach einem Verhältnis des Werts B₂ des Magnetfelds an dem zweiten Hall-Sensor 55 zu einem Wert B₁ des Magnetfelds an dem ersten Hall-Sensor 53 aufgelöst, so dass sich der in einer Formel (15) dargelegte Zusammenhang, wie unten dargestellt, ergibt:
Da in der Gleichung (15) der zweite Bruch nur noch materialabhängige Größen bzw. die Materialparameter der Stress-Sensoren 57, 59 der Hall-Sensoren 51, 53 und der Temperatur-Sensoren 61, 63 und die digitalen Werte des Stress-Sensor-Differenzsignals S_σ und des Temperatur-Sensor-Differenzsignals S_T aufweist, kann aus dem das Verhältnis der Werte der Ausgangssignale der Hall-Sensoren (S_h,2(T₂)/S_h,1(T₁)) bei gleichzeitiger rechnerischer Kompensation des Temperaturunterschieds (T₂ – T₁) und des Unterschieds der mechanischen Spannungen (σ₂ – σ₁) das Verhältnis der Werte B₂, B₁ der Magnetfelder an den Hall-Sensoren 53, 55 ermittelt werden.
Die Parameter bzw. Materialparameter können dabei z. B auf einfache Art während einer Charakterisierung der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 oder bei einem Feintuning bzw. einer Feinabstimmung der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 ermittelt werden und anschließend in binärer Form in einem ROM-Speicher (ROM-Speicher = Read-only-Memory-Speicher = Nur-Lese-Speicher) auf dem Chip hinterlegt werden.
Vorteilhaft ist dabei, dass bisherige Untersuchungen zeigen, dass Schwankungen in einem Fertigungsprozess nur einen geringen Einfluss auf die in dem ROM-Speicher abgelegten Parameter haben, und damit auf die für die Kompensation erforderlichen Parameter nur einen geringen Einfluss haben.
Wie bereits erläutert, ermittelt der DSP 71 aus der Gleichung (15) einen Zusammenhang zwischen einem Verhältnis des Werts des Magnetfels B₂ zu einem Wert des Magnetfelds B₁, wobei er in die Formel (15) den digitalen Wert des Differenz-Signals S_σ der Stress-Sensoren 57, 59 den digitalen Wert des Differenz-Signals S_T der Temperatur-Sensoren 61, 63 und die von den Hall-Sensoren 53, 55 gelieferten Ausgangssignale S_H,2, S_H,1 einsetzt und die bei der Charakterisierung oder dem Feintu ning ermittelten Materialparameter aus dem Speicher ausliest und ebenfalls in die Gleichung (15a) einsetzt. Die Einrichtungen 65, 67, 69, 71 bilden dabei eine Kompensationsschaltung, die den Einfluss der Störgrößen, nämlich des Temperaturunterschieds (T₂ – T₁) und des Stressunterschieds (σ₂ – σ₁) zwischen dem ersten Hall-Sensor 53 und dem zweiten Hall-Sensor 55 bei der Berechnung des Winkels des Magnetfelds ermittelt und herausrechnet.
In 3a ist eine Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 101 bzw. eine Hall-Sensor-Vorrichtung 101 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der, wie noch detaillierter erläutert wird, die beiden Hall-Sensoren 53, 55 selbst zur Stressmessung eingesetzt werden. Im Folgenden werden gleiche oder gleich wirkende Elemente zu der in 2 gezeigten Hall-Sensor-Vorrichtung 51 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Des Weiteren beschränkt sich eine Beschreibung der Funktion und des Aufbaus der in 3 gezeigten Hall-Sensor-Vorrichtung 101 auf die Unterschiede in der Funktion und dem Aufbau zu der in 2 gezeigten Hall-Sensor-Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Hall-Sensor-Vorrichtung 101 unterscheidet sich von der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dadurch, dass in der dritten Hall-Sensor-Vorrichtung 101 statt der Stromspiegelschaltung 79 eine weitere Stromspiegelschaltung 103 angeordnet ist.
Die weitere Stromspiegelschaltung 103 ist an einem Eingangsanschluss mit dem zweiten Anschluss des Einstellungs-Transistors 73 gekoppelt, während die weitere Stromspiegelschaltung an einem ersten Ausgangsanschluss mit dem ersten Anschluss des ersten Hall-Sensors 53 und an einem zweiten Ausgangsanschluss mit dem ersten Anschluss des zweiten Hall-Sensors 55 gekoppelt ist.
In dem weiteren Stromspiegel 103 angeordnete Stromspiegeltransistoren sind jeweils an einem Anschluss der Stromspiegeltransistoren leitend miteinander verbunden, und zugleich sind Steueranschlüsse der drei Stromspiegeltransistoren jeweils miteinander gekoppelt. Der erste Eingangsanschluss der ersten Differenzbildungs-Einrichtung 65 ist mit dem ersten Anschluss des ersten Hall-Sensors 53 verbunden, während der zweite Eingangsanschluss der Differenzbildungs-Einrichtung 65 mit dem ersten Anschluss des zweiten Hall-Sensors 55 verbunden ist.
Die weitere Stromspiegelschaltung 103 dient dazu, den ersten Hallstrom durch den ersten Hall-Sensor 53 und den zweiten Hall-Strom durch den zweiten Hall-Sensor 55 so einzustellen, dass der erste Hallstrom und der zweite Hallstrom jeweils proportional sind zu dem an dem Eingangsanschluss der weiteren Stromspiegelschaltung 103 eingeprägten Strom I₀. Die Hall-Sensoren 53, 55 fungieren bei der Hall-Sensor-Vorrichtung 101 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel zugleich als Stress-Sensoren, wobei die Differenzbildungs-Einrichtung 65 das Stress-Sensor-Differenzsignal ermittelt aus einer Differenz des Spannungsabfalls, der durch den zweiten Hallstrom an dem zweiten Hall-Sensor 55 hervorgerufen wird, und dem Spannungsabfall, der durch den ersten Hallstrom an dem ersten Hall-Sensor 53 hervorgerufen wird. Vorteilhaft ist an der Hall-Sensor-Vorrichtung 101 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, dass der zweite Stress-Sensor 59 gegenüber der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weggelassen werden, kann, da, wie bereits erläutert, die Hall-Sensoren 53, 55 selbst jetzt als Stress-Sensoren dienen.
Besonders vorteilhaft ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei der Hall-Sensor-Vorrichtung 101 zwei nicht gezeigte Umschalteinrichtungen vorzusehen, die jeweils mit den Hall-Sensoren 53, 55 und dem ersten und dem zweiten Eingang der Differenzbildungs-Einrichtung 65 sowie den Eingängen des Analog-Digital-Wandlers 69 verbunden sind, so dass gemäß einem Prinzip einer Spinning-Current-Sonde (Spinning-Current-Sonde = drehender-Strom-Sonde) der Strom in einer ersten Taktphase der Umschalteinrichtungen z.B. vertikal durch die Hall-Sensoren 53, 55 fließt, während der Strom in einer nächsten Taktphase bzw. einer zeitlich darauffolgenden Taktphase in einer horizontalen Richtung durch die Hall-Sensoren 53, 55 fließt. Dabei wird jeweils der Anschluss des ersten Hall-Sensors, an dem das Versorgungspotential anliegt, bzw. der Anschluss des ersten Hall-Sensors 53, an dem das höhere Potential anliegt, mit dem ersten Anschluss Differenzbildungs-Einrichtung 65 durch die Umschalteinrichtung verbunden, während der Anschluss, an dem das niedrigere Potenzial anliegt, mit dem ersten Eingang des Analog-Digital-Wandlers 69 verbunden wird.
In der selben Weise wird dabei mittels der nicht gezeigten mit dem zweiten Hall-Sensor 55 elektrisch wirksam verbundenen Umschalteinrichtung jeweils der Anschluss des zweiten Hall-Sensors 55 an dem das Versorgungspotential anliegt, mit dem zweiten Eingang der Differenzbildungs-Einrichtung 65 verbunden, während der Eingang, an dem das niedrigere Potential anliegt, mit dem zweiten Eingang des Analog-Digital-Wandlers 69 verbunden wird. Anders ausgedrückt, spinnen die Versorgungssignale bzw. die Versorgungspotentiale an den Hall-Sensoren 53, 55 bzw. deren Verbindungen mit dem ersten und dem zweiten Eingang der Differenzbildungs-Einrichtung 65 und dem ersten Eingang des Analog-Digitalwandlers gemäß der Spinning-Current-Methode mit, so dass in einer ersten Taktphase die Differenz der beiden Vertikalwiderstände der beiden Hall-Sensoren 53, 55 in der Differenzbildungs-Einrichtung 65 ermittelt wird, während in einer darauffolgenden Phase die Differenz der beiden Horizontalwiderstände der beiden Hall-Sensoren 53, 55 in der Differenzbildungs-Einrichtung 65 ermittelt wird. Aus den Unterschieden der beiden Vertikalwi derstände und der beiden Horizontalwiderstände wird ein Mittelwert gebildet, der abhängig ist von einem Unterschied des mechanischen Stresses an dem ersten Hall-Sensor 53 und dem zweiten Hall-Sensor 55.
Dabei kann man sich in vorteilhafter Weise eine implizite Tiefpassfunktion bzw. eine Bandbegrenzung der Differenzbildungs-Einrichtung 65 bzw. des Analog-Digital-Wandlers 67 zu Nutze zu machen, und über die hier nicht gezeigten Umschalteinrichtungen, die Richtungen der Ströme in den Hall-Sensoren 53, 55 mit einer ausreichend schnellen Geschwindigkeit bzw. ausreichend hohen Taktrate schalten bzw. umschalten, so dass die Frequenz der Umschalteinrichtungen hoch ist in Relation zu der Grenzfrequenz des Tiefpasses der Differenzbildungs-Einrichtung 65 und des Analog-Digital-Wandlers 69. Ein so erfasster Mittelwert aus einer Differenz des Versorgungspotentials des ersten Hall-Sensors 53 und des zweiten Hall-Sensors 55 ist somit abhängig von einem Unterschied der mechanischen Stresse an dem ersten Hall-Sensor 53 und dem zweiten Hall-Sensor 55, so dass die Stressmesswiderstände R_n1 und R_n2 weggelassen werden können.
Das Prinzip, die Hall-Sensoren 53, 55 als Spinning-Current-Sensoren einzusetzen ist besonders vorteilhaft, wenn die Hall-Sensoren 53, 55 bzw. die Hall-Sonden eine 90° Symmetrie aufweisen, d.h. bei ihrer Drehung um 90° um ihren Symmetriepunkt in sich selbst übergehen. Die symmetrisch ausgeführten Hall-Sensoren 53, 55 können hierbei z.B. quadratisch oder kreisrund sein, oder eine Form eines beliebigen symmetrischen Kreuzes oder eines Achtecks aufweisen. 3b erläutert einen Aufbau des symmetrischen Hall-Sensors 53, 55. Wenn man mit dem so ausgeführten Hall-Sensor 53, 55 neben dem magnetischen Feld zugleich den Stress bestimmen will, so bringt man an den so geformten Hall-Sensor bzw. die so ausgeführte Hall-Sonde vier Kontakte bzw. Abgriffe an, die im Uhrzeigersinn mit den Ziffern 1, 2, 3, 4 in 3b nummeriert sind. Danach misst man einen Ohmschen Widerstand R₁₃ zwischen den Anschlüs sen 1, 3. Anschließend wird ein Ohmscher Widerstand R₂₄ zwischen den ebenfalls sich gegenüberliegenden Anschlüssen 2, 4 ermittelt.
Bei der symmetrisch ausgebildeten Sonde bzw. dem symmetrischen Hall-Sensor 53, sind bei einem Zustand, bei dem kein mechanischer Stress an dem Hall-Sensor 53 anliegt, die Widerstände R₁₃, R₂₄ zwischen den diagonal angeordneten Abgriffen 1, 2, 3, 4 gleich bzw. innerhalb einer Toleranz von 10% gleich, so dass gilt: R₁₃ = R₂₄
Falls jedoch ein mechanischer Stress auf den symmetrischen Hall-Sensor 53 einwirkt, weisen die beiden Ohmschen Widerstände R₁₃, R₂₄ unterschiedliche Werte auf, so dass folgender Zusammenhang gilt: R₁₃ ≠ R₂₄
Für die Summe der beiden stressabhängigen Widerstände R₁₃ und R₁₄ gilt jedoch folgender Zusammenhang: R13 + R24 = R·⌊1 + πn(σxx + σyy)⌋ (16)
Somit ist bei den symmetrischen Hall-Sensoren 53, 55 die Summe aus den beiden Widerständen R₁₃, R₂₄ zwischen den jeweils diagonal gegenüberliegenden Anschlüssen nur von der Summe der Normalspannungskomponenten σ_xx, σ_yy, die auf die Hall-Sensoren 53, 55 einwirken, abhängig. Ähnlich den Stress-Sensoren 57, 59, die ja ebenfalls aus zwei Komponenten, nämlich einer vertikalen und einer horizontalen Widerstandskomponente bzw. einer senkrechten und einer waagrechten Widerstandskomponente, die in Serie geschaltet sind, bestehen, gilt somit wieder der oben bereits erläuterte Zusammenhang, dass der Widerstand von einer Summe der Normalspannungen σ_xx, σ_yy abhängt. Anders ausgedrückt kann bei der Spinning-Current-Methode erst der in senkrechter Richtung verlaufende Widerstand der Sonden bzw. Hall-Sensoren 53, 55 erfasst und danach der in horizontaler Richtung verlaufende Wider stand der Sonden bzw. der Hall-Sensoren 53, 55 gemessen werden, und anschließend die so gemessenen Größen im DSP 71 miteinander addiert werden und ausgewertet werden.
In 4 ist eine Stress-Messbrücke 111 gezeigt, die beispielsweise in der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, um eine Empfindlichkeit der Bestimmung des Stressunterschiedes (σ₂ – σ₁) zwischen dem Stress σ₁ an dem ersten Hall-Sensor 53 und dem Stress σ₂ an dem zweiten Hall-Sensor 55 zu erhöhen. Die Stress-Messbrücke 111 weist einen Stress-Sensor 113 zum Bestimmen des ersten Stresses σ₁, einen weiteren Stress-Sensor 115 zum Bestimmen des ersten Stresses σ₁, einen Stress-Sensor 117 zum Bestimmen des zweiten Stresses σ₂ und einen weiteren Stress-Sensor 119 zum Bestimmen des zweiten Stresses σ₂ auf.
Der erste Stress σ₁ tritt, wie bereits erläutert, an dem ersten Hall-Sensor 53 auf, während der zweite Stress σ₂ an dem zweiten Hall-Sensor 55 auftritt. Der Stress-Sensor 113 und der weitere Stress-Sensor 115 sind dabei jeweils näher dem ersten Hall-Sensor 53 als dem zweiten Hall-Sensor 55 angeordnet. Ein Abstand des Stress-Sensors 113 und des Stress-Sensors 115 von dem ersten Hall-Sensor 53 kann dabei so gering sein, dass ein Unterschied zwischen einem Stress an den Stress-Sensoren 113, 115 und dem Stress σ₁ an dem ersten Hall-Sensor 53 in einem Bereich von weniger als einem 0,2-fachen eines Unterschieds zwischen dem Stress σ₁ an dem ersten Hall-Sensor 53 und dem Stress σ₂ an dem zweiten Hall-Sensor 55 liegt.
Außerdem sind der Stress-Sensor 117 und der weitere Stress-Sensor 119 jeweils näher dem zweiten Hall-Sensor 55 als dem ersten Hall-Sensor 53 angeordnet. Ein Abstand des Stress-Sensors 117 und des Stress-Sensors 119 jeweils von dem zweiten Hall-Sensor 55 kann dabei so gering sein, dass ein Unterschied zwischen einem Stress an den Stress-Sensoren 117, 119 und dem Stress σ₂ an dem zweiten Hall-Sensor 55 in einem Bereich von weniger als einem 0,2-fachen eines Unterschieds zwischen dem Stress σ₁ an dem ersten Hall-Sensor 53 und dem Stress σ₂ an dem zweiten Hall-Sensor 55 liegt.
Der erste Hall-Sensor 53 ist dabei zwischen den Stress-Sensoren 113, 115 angeordnet, während der zweite Hall-Sensor 55 zwischen den Stress-Sensoren 117, 119 angeordnet ist. Der Stress-Sensor 113 besteht aus zwei Ohmschen Widerständen, die z. B. als längliche dotierte Zone auf einem Substrat ausgeführt sind und in einem Winkel in einem Bereich von 80° bis 100° zueinander angeordnet sind. Selbiges gilt für den weiteren Stress-Sensor 115, der ebenfalls aus zwei länglichen dotierten Zonen besteht, die einen Winkel in einem Bereich von 80° bis 100° einschließen. Die länglichen dotierten Zonen weisen dabei z. B. jeweils eine n-Dotierung auf. Der Stress-Sensor 117 bzw. der Stress-Sensor 119 sind hier in derselben Weise wie die Stress-Sensoren 113, 115 implementiert.
Der Stress-Sensor 113 zum Bestimmen des ersten Stresses ist an einem ersten Anschluss mit einem Eingangsanschluss 121 der Stress-Messbrücke 111 verbunden und an einem zweiten Anschluss mit einem ersten Anschluss des weiteren Stress-Sensors 119 zum Bestimmen des zweiten Stresses σ₂ sowie mit einem ersten Ausgangsanschluss 123 der Stress-Messbrücke 111 verbunden. Der weitere Stress-Sensor 119 ist an einem zweiten Anschluss mit dem Masseanschluss gekoppelt. Zugleich ist der Eingangsanschluss 121 mit einem ersten Anschluss des Stress-Sensors 117 zum Bestimmen des zweiten Stresses verbunden. Darüber hinaus ist ein zweiter Anschluss des Stress-Sensors 117 zum Bestimmen bzw. Ermitteln des zweiten Stresses mit einem ersten Anschluss des weiteren Stress-Sensors 115 zum Bestimmen des ersten Stresses sowie einem zweiten Ausgangsanschluss 125 der Stressmessbrücke 111 gekoppelt. Der weitere Stress-Sensor 115 zum Bestimmen des ersten Stresses σ₁ ist an einem zweiten Anschluss mit dem Masseanschluss gekoppelt.
Die Stress-Sensoren 115, 117, 119, 121 sind damit jeweils in einer Halbbrücke für die Stress-Sensoren zur Bestimmung des ersten Stresses und des zweiten Stresses verschaltet. Anders ausgedrückt sind dabei in einer Hauptdiagonalen der Stress-Messbrücke 111 die Stress-Sensoren 113, 115 zur Bestimmung des ersten Stresses σ₁ an dem ersten Hall-Sensor 53 angeordnet, während in einer Nebendiagonalen der Stress-Messbrücke 111 die Stress-Sensoren 117, 119 zum Bestimmen des zweiten Stresses σ₂ an dem zweiten Hall-Sensor 55 angeordnet sind. Eine zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 123 und dem zweiten Ausgangsanschluss 125 abgegriffene Spannung bzw. ein Brückenausgangssignal der Stress-Messbrücke 111 kann dabei wieder mittels der Differenzbildungs-Einrichtung 65 ausgewertet werden. Somit erzeugt die Differenzbildungs-Einrichtung 65 basierend auf der abgegriffenen Spannung ein analoges Stress-Sensor-Differenzsignal. Für die Spannung zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 123 und dem zweiten Ausgangsanschluss 125 gilt dabei der in einer Gleichung (17) dargestellte Zusammenhang:
In der Gleichung (17) steht die Variable U₀ für eine Eingangsspannung der Stress-Messbrücke 111, während die Variable R_n1 für einen Ohmschen Widerstand der Stress-Sensoren zum Bestimmen des ersten Stresses 113, 115 steht, wobei die Stress-Sensoren 113, 115 so ausgeführt sind, dass sie denselben Widerstandswert aufweisen. Des Weiteren steht in der Gleichung (17) die Variable R_n2 für den Widerstand der Stress-Sensoren 117, 119 zum Bestimmen des zweiten Stresses σ₂, wobei die beiden Stress-Sensoren 117, 119 hier denselben Widerstandswert aufweisen. Die Gleichung (17) kann dann ähnlich der in den Gleichungen (1)–(15) dargelegten Herleitung wiederum linearisiert werden, wodurch sich eine Gleichung ergibt, mit der ein Verhältnis des Magnetfelds 82 an dem zweiten Hall-Sensor 55 zu einem Magnetfeld B₁ an dem ersten Hall-Sensor 53 aus dem Ausgangssignal der Stress-Messbrücke, dem Temperatur-Sensor-Differenzsignal S_T und den Ausgangssignalen S_h1, S_h2 der Hall-Sensoren 53, 55 sowie den Materialparametern ermittelt werden kann.
5 erläutert eine Winkelmess-Einrichtung 131, die einen Drehwinkel eines rotierenden Körpers 133a mit einem Drehmagnet 133b mittels einer Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 135 bzw. Hall-Sensor-Vorrichtung 135 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfasst. Im Folgenden soll somit eine Einsatzmöglichkeit der Hall-Sensor-Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Körper 133a rotiert um eine z-Achse, die in 5 gezeigt ist. An einer Stirnseite des Körpers 133a ist ein kleiner Magnet bzw. der Drehmagnet 133b befestigt, der z.B. flach und zylinderförmig ausgeführt sein kann. Der Magnet ist dabei z. B. diametral magnetisiert, d.h. die Magnetisierung ist senkrecht zur z-Achse. Beispielsweise könnte die Magnetisierung dabei in Richtung einer in 5 gezeigten x-Achse liegen, so dass der Drehmagnet 133b einen in 5 gezeigten Südpol S und einen Nordpol N aufweist.
Die Hall-Sensor-Vorrichtung 135 wird bei der Winkelmess-Einrichtung 131 in einer xy-Ebene positioniert, die identisch ist mit einer Chipebene der Hall-Sensor-Vorrichtung 135, so dass die Drehachse bzw. die z-Achse senkrecht auf dem Chip steht, bzw. die Drehachse und die Chipebene einen Winkel in einem Bereich von 80° bis 100° einschließen. Auf dem Chip bzw. der Hall-Sondenvorrichtung 135 sind wie in 5 gezeigt vier Hall-Sensoren 135a, 135b, 135, 135c, 135d angeordnet, wobei zwischen dem Drehmagneten 133b und der Hall-Sensoren-Vorrichtung 135 ein Luftspalt liegt, so dass der Drehmagnet 133b von der Chipoberfläche der Hall-Sensoren-Vorrichtung 135 beabstandet ist. Ein Abstand des Drehmagneten 133b von der Chipoberfläche liegt dabei z. B. in einem Bereich von 1 bis 5mm. Die Hall-Sensoren 135a, 135b, 135c, 135d sind jeweils nahe den Ecken des Chips mit der Hallsenso ren-Vorrichtung 135 angeordnet, wobei eine Ausdehnung des Chips in einer x-Richtung bzw. in einer Richtung parallel zur x-Achse 2L_x beträgt und in einer y-Richtung bzw. einer Richtung parallel zur y-Achse 2L_y beträgt.
Die Hall-Sensoren 135a, 135b, 135c, 135d sind dabei jeweils nur in der Lage, eine z-Komponente einer Magnetfeldlinie 137 zu erfassen. Für einen Wert B_z einer z-Komponente eines Magnetfelds gilt: B_z(x, y, z) = B₀.x
Dabei ist B₀ ein Wert des in einer schiefen Ebene auftretenden Magnetfelds an den jeweiligen Hall-Sensoren 135a–d, für die folgende Zusammenhänge gelten:
Für die Hall-Sonde 135a, die bei Koordinaten x = L_x, y = L_y angeordnet ist, gilt für einen Wert des Magnetfelds H₁ an dem ersten Hall-Sensor 135a folgender Zusammenhang: H₁ = B₀.L_x
Für ein Magnetfeld H₂ an der Hall-Sonde 135b bei den Koordinaten x = L_x, y = –L_y gilt folgender Zusammenhang: H₂ = B₀·L_x
Ein Magnetfeld H₃ an der dritten Hall-Sonde 135c bei den Koordinaten x = –L_x, y = L_y lässt sich folgendermaßen ermitteln: H₃ = –B₀·L_x
Ein Magnetfeld H4 an dem vierten Hall-Sensor 135d bei den Koordinaten x = –L_x und y = –L_y lässt sich bestimmen aus: H4 = –B0·Lx
Wenn der Körper 133a mit dem Drehmagnet 133b um die z-Achse rotiert, so dass eine Magnetisierung mit der x-Achse einen Winkel φ einnimmt, so dreht sich auch die schiefe Ebene mit, in der die Magnetfeldlinien liegen.
Somit kann die z-Komponente B_z grundsätzlich nach folgendem Zusammenhang in Abhängigkeit von den x, y-Koordinaten der Positionen der Hall-Sensoren 135a–d ermittelt werden: Bz (x, y, z, φ) = B0·[cos(φ)·x + sin(φ)·y] (18)
Für den ersten Hall-Sensor 135a gilt damit : H1 = B0·⌊cos(φ)·Lx + sin(φ)·Ly⌋ (18a)
An der zweiten Hall-Sonde 135b gilt folgender Zusammenhang: H2 = B0·⌊cos(φ)·Lx – sin(φ)·Ly⌋ (18b)
Für das Magnetfeld an der dritten Hall-Sonde 135c gilt folgender Zusammenhang: H3 = B0·⌊cos(φ)·Lx + sin(φ)·Ly⌋ (18c)
Für das Magnetfeld an der vierten Hall-Sonde 135d gilt folgender Zusammenhang: H4 = B0·⌊–cos(φ)·Lx – sin(φ)·Ly⌋ (18d)
Mittels obiger Gleichungen (18a)–(18d) lässt sich eine Tangens-Funktion mit dem Winkel φ herleiten, wobei gilt:
Der Winkel φ kann nach folgendem Zusammenhang ermittelt werden:
Aus obigen Gleichungen wird deutlich, dass sich ein Winkel φ des Magnetfelds aus einem Verhältnis H₂/H₁ ermitteln lässt. Da die Tangensfunktion in einem Bereich von 0° bis 360° jedoch mehrdeutig ist, sprich einem Wert der Arcus-Tangens-Funktion zwei Winkelwerte zugeordnet sind, ist es erforderlich, dass in einer nachgelagerten Auswertungseinrichtung die Signale der vier Hall-Sonden 135a–d ausgewertet werden. Die aus jeweils zwei Paaren 135a–b und 135c–d ermittelten Winkelwertepaare werden in einer nachgelagerten Vergleichseinrichtung mit dort hinterlegten Wertepaaren verglichen, so dass eine eindeutige Zuordnung bzw. Erfassung des Drehwinkels φ möglich ist.
Bei den Hall-Sensor-Vorrichtungen 51, 101 und der Stress-Messbrücke 111 sind die Stress-Sensoren jeweils als zwei n-dotierte Widerstände bzw. n-dotierte Zonen ausgeführt, die in einem Winkel in einem Bereich von 80° bis 100° bei einer Hall-Sensor-Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zueinander angeordnet sind. Die n-dotierten Widerstände sind dabei z. B. als Diffusions- oder Implantationswiderstände ausgeführt, die bei der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 und der Stress-Messbrücke 111 in Serie geschaltet sind. Die n-dotierten Zonen bei den Hall-Sensor-Vorrichtungen 51, 101 und bei der Stress-Messbrücke 111 sind bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem (100)-Silizium-Substrat eingebettet. Dabei weisen die n-dotierten Zonen der Ohmschen Widerstände jeweils eine längliche Form auf. Denkbar sind jedoch beliebige Ausführungen der Stress-Sensoren bei einer Hall-Sensor-Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, oder beliebige Implementierungen der Ohmschen Widerstände, auch z. B. als p-dotierte Zone z. B. auch in einem beliebigen Substrat, wie Z. B. einem (111)-Silizium-Substrat. Denkbar ist dabei auch z. B. einen Stress-Sensor durch eine Parallelschaltung zweier Ohmscher Widerstände auszuführen, die jeweils in einer dotierten Zone implementiert sind.
Bei der Hall-Sensor-Vorrichtung 101 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der mechanische Stress an dem Hall-Sensor 53, 55 über eine an dem Hall-Sensor 53, 55 anliegende Spannung bestimmt, wobei den Hall-Sensoren 53, 55 der Strom eingeprägt wird. Hierzu sind der erste Hall-Sensor 13, 53 und der erste Stress-Sensor 16a, 57 jeweils in einem einzigen Bauelement ausgeführt bzw. an einer identischen Stelle angeordnet oder der zweite Hall-Sensor 15, 55 und der zweite Stress-Sensor 17, 59 sind jeweils in einem einzigen Bauelement ausgeführt bzw. an einer identischen Stelle angeordnet. Jedoch können die Stress-Sensoren 16a, 17, 57, 59 und die Hall-Sensoren 13, 15, 53, 55 jeweils auch als separate Bauelemente ausgeführt sein.
Bei der Stress-Messbrücke 111 sind die vier Stress-Sensoren 113, 115, 117, 119 jeweils so angeordnet, dass der Hall-Sensor 53 zwischen den Stress-Sensoren 113, 115 und der Hall-Sensor 55 zwischen den Stress-Sensoren 117 und 119 angeordnet ist. Denkbar sind jedoch beliebige Anordnungen der Stress-Sensoren 113, 115 bzw. der Stress-Sensoren 117, 119 jeweils zu den Hall-Sensoren 53, 55, solange die Stress-Sensoren 113, 115 näher dem ersten Hall-Sensor 53 als dem zweiten Hall-Sensor 55 und die Stress-Sensoren 117, 119 näher dem zweiten Hall-Sensor 55 als dem ersten Hall-Sensor 53 angeordnet sind.
Alternativ zu der bei der Hall-Sensor-Vorrichtung 51 gezeigten Anordnung und Zusammenschaltung der Stress-Sensoren 57, 59, könnten die Stress-Sensoren, die ja aus den Stressmesswiderständen R_n1 und R_n2 bestehen, auch als eine Serienschaltung der beiden Stress-Sensoren 57, 59 bzw. der Stressmesswiderstände R_n1 und R_n2 ausgeführt sein, wobei an die so ausgeführte Serienschaltung eine Referenzspannung angelegt werden könnte. Basierend auf einem Wert des Potentials an dem Verbindungsknoten zwischen den beiden Widerständen R_n1, R_n2 könnte dann der Unterschied zwischen dem mechanischen Stress an dem ersten Hall-Sensor 53 und dem mechanischen Stress an dem zweiten Hall-Sensor 55 ermittelt werden. Dabei würde dann z. B. eine Differenz zwischen dem Spannungsabfall zwischen dem Verbindungsknoten und dem Masseanschluss und der halben Referenzspannung ermittelt werden, und die so ermittelte Spannungsdifferenz in ein Stressmess-Signal umgesetzt werden.
Des Weiteren könnte der DSP 71 bei den Hall-Sensor-Vorrichtungen 51, 101 bei einer Hall-Sensor-Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch eine beliebige Auswertungseinrichtung ersetzt werden, die Z. B. auch analoge Stressdifferenz-Signale oder analoge Temperaturdifferenz-Signale verarbeiten könnten. Bei den Hall-Sensor-Vorrichtungen 51, 101 liest der DSP 71 die Materialparameter aus einem ROM-Speicher aus, denkbar wäre jedoch auch die Materialparameter nicht im Rahmen einer Charakterisierung der Hall-Sensor-Vorrichtungen 51, 101 zu bestimmen, sondern diese erst bei der Kalibrierung der Hall-Sensor-Vorrichtungen 51, 101 zu ermitteln und anschließend in einem programmierbaren Speicher, wie z. B. einem EEPROM-Speicher oder einem OTP-Speicher (OTP = One-Time-Programmable-Speicher = Einmal-Programmierbarer-Speicher) abzulegen.
Bei den Hall-Sensor-Vorrichtungen 51, 101 sind die Temperatur-Sensoren 61, 63 als PTAT-Bandgag-Schaltungen ausgeführt, jedoch könnten die Temperatur-Sensoren 61, 63 in beliebiger Form implementiert sein, wie Z. B. als NTC-Widerstände (NTC-Widerstand = Negative-Temperature-Coefficient-Widerstand = Negativer-Temperatur-Koeffizient-Widerstand).
Des Weiteren sind bei den Hall-Sensor-Vorrichtungen 11, 51, 101 die Hall-Sensoren 13, 15, 51, 53 voneinander entfernt auf dem Chip angeordnet, so dass ein Abstand des ersten Hall-Sensors 13, 53 von dem zweiten Hall-Sensor 15, 55 in einem Bereich oberhalb von einem 0,5-fachen aus einer Wurzel der Chipfläche liegt. Jedoch sind bei Hall-Sensor-Vorrichtungen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beliebige Anordnungen der Hall-Sensoren 51, 53 auf dem Chip hierzu Alternativen.
Die Hall-Sensor-Vorrichtungen 51, 101 dienen dazu, eine Winkelmessung eines Magnetfelds durchzuführen, jedoch könnten die Hall-Sensor-Vorrichtungen 51, 101 in beliebigen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine Bestimmung des Verhältnisses bzw. einer Relation der Magnetfelder an dem ersten Hall-Sensor 53 und an dem zweiten Hall-Sensor 55 zueinander durchgeführt wird. Vorteilhaft wäre dabei auch der Einsatz der Hall-Sensor-Vorrichtungen 51, 101 bei sogenannten Schalter-Sensoren, die eingesetzt werden, um die Drehzahl oder die Position eines Zahnrads zu detektieren, und bei denen sich zwei oder drei Hallsonden in einem Abstand eines Zahnradmoduls auf einem Chip befinden. Bei diesen Schalter-Sensoren könnte dann z. B. die Genauigkeit hinsichtlich deren Schaltpunkt und Jitter verbessert werden.
Die Hall-Sensor-Vorrichtungen 11, 51, 101 weisen z. B. eine Positions-Auswertungseinrichtung auf, um basierend auf einem Ausgangssignal S_h1 des ersten Hall-Sensors und einem Ausgangssignal S_h2 des zweiten Hall-Sensors eine Position eines magnetischen Körpers gegenüber dem Substrat zu ermitteln. Dabei könnte z. B. mittels einer Arcus-Tangens-Funktion eines Verhältnisses eines Werts des Ausgangssignals des ersten Hall-Sensors zu einem Wert des Ausgangssignals des zweiten Hall-Sensors ein Drehwinkel zu ermittelt werden. Jedoch sind beliebige Anwendungen der Hall-Sensor-Vorrichtungen 11, 51, 101 hierzu Alternativen.
Bei den Hall-Sensor-Vorrichtungen 51, 101 bestimmt der DSP 71 basierend auf den Ausgangssignalen S_h1, S_h2 der Hall-Sensoren 53, 55, den Differenz-Signalen S_σ, S_T von den Temperatur-Sensoren 61, 63 und den Stress-Sensoren 57, 59 das Verhältnis des Magnetfelds an dem ersten Sensor 53 zu dem Magnetfeld an dem zweiten Hall-Sensor 55 unter Berücksichtigung der Unterschiede der Temperaturen der Hall-Sensoren 53, 55 und der mechanischen Stresse an den Hall-Sensoren 53, 55. Das Ziel ist dabei, dass der Einfluss des Unterschieds der Temperaturen oder der Einfluss des Unterschieds der mechanischen Stresse an den Hall-Sensoren 53, 55 auf das ermittelte Verhältnis der Magnetfelder zueinander reduziert ist.
Bei den Hall-Sensor-Vorrichtungen 51, 101 sind die Stromspiegeltransistoren so dimensioniert, dass die Hall-Ströme durch die Hall-Sensoren 53, 55 innerhalb einer Toleranz von 10% gleich einem Strom durch den Stress-Sensor 57 oder den Stress-Sensor 59 sind, jedoch sind beliebige Verhältnisse der Ströme durch die Hall-Sensoren 53, 55 zu den Strömen durch die Stress-Sensoren 57, 59 hierzu Alternativen. Vorteilhafterweise ist dabei bei einer Hall-Sensor-Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sogar die Stromspiegelschaltung 79 so dimensioniert, dass der Strom durch die Stressmesswiderstände bzw. die Stress-Sensoren 57, 59 zwar proportional, aber um einen definierten Faktor geringer ist als der Strom durch die Hall-Sensoren 53, 55 um einen Leistungsverbrauch der Hall-Sensor-Vorrichtung 51, 101 zu reduzieren.
Der erste Stress-Sensor 16a kann auf dem Substrat 21 so nahe dem ersten Hall-Sensor 13 angeordnet sein, dass der Unterschied zwischen dem mechanischen Stress an dem ersten Hall-Sensor 13 und dem mechanischen Stress an dem ersten Stress-Sensor 16a geringer ist als ein 0,2-faches des Stressunterschiedes zwischen dem mechanischen Stress an dem ersten Hall-Sensor 13 und dem mechanischen Stress an dem zweiten Hall-Sensor 15. Der zweite Stress-Sensor 17 kann dabei so nahe dem zweiten Hall-Sensor 15 angeordnet sein, dass ein Unterschied zwischen dem mechanischen Stress an dem zweiten Stress-Sensor 17 und dem mechanischen Stress an dem zweiten Hall-Sensor 15 geringer ist als ein 0,2-faches des Unterschieds des mechanischen Stresses an dem ersten Hall-Sensor 13 und des mechanischen an dem zweiten Hall-Sensor 15. Jedoch sind beliebige Anordnungen des ersten Stress-Sensors 13, 53 und des zweiten Stress-Sensors in Relation zu dem ersten Hall-Sensor und dem zweiten Hall-Sensor Alternativen, solange der erste Stress-Sensor näher dem ersten Hall-Sensor als dem zweiten Hall-Sensor angeordnet ist, und der zweite Stress-Sensor näher dem zweiten Hall-Sensor als dem ersten Hall-Sensor angeordnet ist.
Der erste Temperatur-Sensor 16b kann dabei auf dem Substrat 21 so nahe dem ersten Hall-Sensor 13 angeordnet sein, dass der Unterschied zwischen der Temperatur an dem ersten Temperatur-Sensor 16b und der Temperatur an dem ersten Hall-Sensor 13 geringer ist als ein 0,2-faches des Temperaturunterschieds zwischen der Temperatur an dem ersten Hall-Sensor 13 und der Temperatur an dem zweiten Hall-Sensor 15. Zugleich kann der zweite Temperatur-Sensor 19 auf dem Substrat 21 so nahe dem zweiten Hall-Sensor 15 angeordnet sein, dass ein Temperaturunterschied zwischen dem zweiten Temperatur-Sensor 19 und dem zweiten Hall-Sensor 15 geringer ist als ein 0,2-faches des Temperaturunterschieds zwischen dem ersten Hall-Sensor 13 und dem zweiten Hall-Sensor 15. Jedoch sind beliebige Anordnungen des ersten Temperatur-Sensors 16b, 61 und des zweiten Temperatur-Sensors 19, 63 in Relation zu dem ersten Hall-Sensor 13, 53 und dem zweiten Hall-Sensor 15, 55 Alternativen, solange der erste Temperatur-Sensor näher dem ersten Hall-Sensor als dem zweiten Hall-Sensor angeordnet ist, und der zweite Temperatur-Sensor näher dem zweiten Hall-Sensor als dem ersten Hall-Sensor angeordnet ist.
Bei der in 2 gezeigten Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 51 können die Ströme durch die Stress-Sensoren 57, 59 und durch die Hall-Sensoren 53, 55 auch so gewählt werden, dass diese sich voneinander unterscheiden, wobei die daraus resultierenden Abweichungen in dem DSP 71 entsprechend korrigiert bzw. herausgerechnet werden können. Vorteilhaft ist dabei bei einer Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung 51 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die in den Stress-Sensoren 57, 59 eingeprägten Ströme so einzustellen, dass die Ströme durch die Stress-Sensoren 57, 59 geringer sind als die Ströme durch die Hall-Sensoren 53, 55, um eine Stromaufnahme der Magnetfeld-Sensor- Vorrichtung 51 zu reduzieren.

11: Hall-Sensor-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
13: erster Hall-Sensor
15: zweiter Hall-Sensor
16a: erster Stress-Sensor
16b: erster Temperatur-Senor
17: zweiter Stress-Sensor
18: zweiter Temperatur-Sensor
21: Substrat
13a: erster Hallstrom-Anschluss des ersten Hall-Sensors
13b: zweiter Hallstrom-Anschluss des ersten Hall-Sensors
13c: Hallspannungs-Abgriff des ersten Hall-Sensors
15a: erster Hallstrom-Anschluss des zweiten Hall-Sensors
15b: zweiter Hallstrom-Anschluss des zweiten Hall-Sensors
15c: Hallspannungs-Abgriff des zweiten Hall-Sensors
23: Masseanschluss
51: Hall-Sensor-Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
53: erster Hall-Sensor
55: zweiter Hall-Sensor
57: erster Stress-Sensor
59: zweiter Stress-Sensor
61: erster Temperatur-Sensor
63: zweiter Temperatur-Sensor
65: Differenzbildungs-Einrichtung
67: erster Analog-Digital-Wandler
69: zweiter Analog-Digital-Wandler
71: DSP
73: Einstellungs-Transistor
75: Operationsverstärker
77: Referenzspannungsquelle
79: Stromspiegelschaltung
I: erste Sensor-Gruppe
II: zweite Sensor-Gruppe
101: Hall-Sensor-Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
103: weitere Stromspiegelschaltung
111: Stress-Messbrücke
113: Stress-Sensor zum Bestimmen des ersten Stresses
115: weiter Stress-Sensor zum Bestimmen des ersten Stresses
117: Stress-Sensor zum Bestimmen des zweiten Stresses
119: weiterer Stress-Sensor zum Bestimmen des zweiten Stresses
121: Eingangsanschluss der Stress-Messbrücke
123: erster Ausgangsanschluss der Stress-Messbrücke
125: zweiter Ausgangsanschluss der Stress-Messbrücke
131: Winkelmess-Einrichtung
133a: Rotierender Körper
133b: Drehmagnet
135: Hall-Sonden-Vorrichtung
135a: erste Hall-Sonde
135b: zweite Hall-Sonde
135c: dritte Hall-Sonde
135d: vierte Hall-Sonde
S: Südpol des Drehmagneten
N: Nordpol des Drehmagneten

Claims

Eine Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (11; 51; 101), mit folgenden Merkmalen: einem ersten Magnetfeld-Sensor (13; 53) und einem zweiten Magnetfeld-Sensor (15; 55), die voneinander entfernt auf einem Substrat (21) angeordnet sind; einem ersten Temperatur-Sensor (16b; 61) mit einem Ausgang für ein erstes Temperatur-Sensor-Signal (S_T1), einem zweiten Temperatur-Sensor (19; 63) mit einem Ausgang für ein zweites Temperatur-Sensor-Signal (S_T2), einem ersten Stress-Sensor (16a; 57) mit einem Ausgang für ein erstes Stress-Sensor-Signal (S_σ1) und einem zweiten Stress-Sensor (17; 59) mit einem Ausgang für ein zweites Stress-Sensor-Signal (S_σ2); wobei der erste Temperatur-Sensor (16b; 61) und der erste Stress-Sensor (16a; 57) näher an dem ersten Magnetfeld-Sensor (13; 53) oder an einer zu dem ersten Magnetfeld-Sensor (13; 53) identischen Stelle angeordnet sind, und der zweite Temperatur-Sensor (19; 63) und der zweite Stress-Sensor (17; 59) näher an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (55) als an dem ersten Magnetfeld-Sensor (53) oder an einer zu dem zweiten Magnetfeld-Sensor (55) identischen Stelle angeordnet sind.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (11; 51; 101) gemäß Anspruch 1, bei der der erste Temperatur-Sensor (16b; 61) so nahe dem ersten Magnetfeld-Sensor (13; 53) angeordnet ist, und der zweite Temperatur-Sensor (19; 63) so nahe dem zweiten Magnetfeld-Sensor (57) angeordnet ist, dass ein Temperaturunterschied zwischen einer Temperatur an dem ersten Temperatur-Sensor (16b; 61) und einer Temperatur (T₁) an dem ersten Magnetfeld-Sensor (15; 57) und ein Temperaturunterschied zwischen einer Temperatur an dem zweiten Temperatur-Sensor (19; 63) und einer Temperatur (T₂) an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (15; 55) jeweils in einem Bereich von weniger als einem 0,2-fachen eines Temperaturunterschieds (T₂ – T₁) zwischen der Temperatur (T₁) an dem ersten Magnetfeld-Sensor (13; 53) und der Temperatur (T₂) an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (15; 55) liegen.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (11; 51; 101) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der erste Stress-Sensor (16a; 57) so nahe dem ersten Magnetfeld-Sensor (13; 53) angeordnet ist, und der zweite Stress-Sensor (17; 59) so nahe dem zweiten Magnetfeld-Sensor (15; 55) angeordnet ist, dass ein Stressunterschied zwischen einem Stress an dem ersten Stress-Sensor und einem Stress (σ₁) an dem ersten Magnetfeld-Sensor (15; 55) und ein Stressunterschied zwischen einem Stress an dem zweiten Stress-Sensor (17; 59) und einem Stress (σ₂) an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (15; 55) jeweils in einem Bereich von weniger als einem 0,2-fachen eines Stressunterschieds zwischen dem Stress (σ₁) an dem ersten Magnetfeld-Sensor (13; 53) und dem Stress (σ₂) an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (15; 55) liegen.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (11; 51; 111) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, mit folgendem weiteren Merkmal: einer Auswertungseinrichtung; wobei der erste Magnetfeld-Sensor (13; 53) einen ersten Ausgang für ein erstes Magnetfeld-Sensor-Signal (S_H1) und der zweite Magnetfeld-Sensor (15; 55) einen Ausgang für ein zweites Magnetfeld-Sensor-Signal (S_H2) hat; wobei die Auswertungseinrichtung einen Eingang für das erste Temperatur-Sensor-Signal (Sr_i), einen Eingang für das zweite Temperatur-Sensor-Signal (S_T2), einen Eingang für das erste Stress-Sensor-Signal (S_σ1), einen Eingang für das zweite Stress-Sensor-Signal (S_σ2) und einen Ausgang für ein Ausgangssignal hat; wobei ein Wert des Ausgangssignals der Auswertungseinrichtung von einem Verhältnis eines Werts des ersten Magnetfeld-Sensor-Signals (S_H1) zu einem Wert des zweiten Magnetfeld-Sensor-Signals (S_H2), dem ersten Stress-Sensor-Signal (S_σ1), dem zweiten Stress-Sensor-Signal (S_σ2), dem ersten Temperatur-Sensor-Signal (S_T1) und dem zweiten Temperatur-Sensor-Signal (S_T2) abhängt; und wobei das Ausgangssignal einen ermittelten Wert eines Verhältnisses eines ersten Magnetfelds an dem ersten Magnetfeld-Sensor (53) zu einem Magnetfeld an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (55) liefert, so dass ein Einfluss eines Temperaturunterschieds zwischen einer Temperatur (T₁) an dem ersten Magnetfeld-Sensor (53) und einer Temperatur (T₂) an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (57) und eines Stressunterschieds zwischen einem Stress (σ₁) an dem ersten Magnetfeld-Sensor (53) und einem Stress (σ₂) an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (55) auf den ermittelten Wert des Verhältnisses reduziert ist.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51; 101) gemäß Anspruch 4, bei der die Auswertungseinrichtung eine Temperaturdifferenzbildungs-Einrichtung aufweist mit einem Eingang für das erste Temperatur-Sensor-Signal (S_T1), einem Eingang für das zweite Temperatur-Sensor-Signal (S_T2) und einem Ausgang für ein von einer Differenz eines Werts des ersten Temperatur-Sensor-Signals (S_T1) und eines Werts des zweiten Temperatur-Sensor-Signals (S_T2) abhängiges Temperaturdifferenz-Signal (S_T).
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51; 101) gemäß Anspruch 5, bei der die Auswertungseinrichtung eine Stressdifferenzbildungs-Einrichtung aufweist mit einem Eingang für das erste Stress-Sensor-Signal (S_σ1), einem Eingang für das zweite Stress-Sensor-Signal (S_σ2) und einem Ausgang für ein von einer Differenz eines Werts des ersten Stress-Sensor-Signals (S_σ1) und eines Werts des zweiten Stress-Sensor-Signals (S_σ2) abhängiges Stressdifferenz-Signal (S_σ).
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51; 101) gemäß Anspruch 6, bei der die Auswertungseinrichtung eine Magnetfeld-Verhältnis-Ermittlungs-Einrichtung aufweist mit einem Eingang für das erste Magnetfeld-Sensor-Signal (S_H1), einem Eingang für das zweite Magnetfeld-Sensor-Signal (S_H2) und einem Ausgang für ein von dem Verhältnis des Werts des ersten Magnetfeld-Sensor-Signals (S_H1) zu dem Wert des zweiten Magnetfeld-Sensor-Signals (S_H2) abhängiges Magnetfeldverhältnis-Signal.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51; 101) gemäß Anspruch 7, bei der die Auswertungseinrichtung eine Recheneinrichtung aufweist mit einem Eingang für das Temperaturdifferenz-Signal (S_T), einem Eingang für das Stressdifferenz-Signal (S_σ), einem Eingang für das Magnetfeldverhältnis-Signal und einem Ausgang für ein Kompensations-Signal; wobei ein Wert des Kompensations-Signals von einem Wert des Temperaturdifferenz-Signals, einem Wert des Stressdifferenz-Signals (S_σ) und einem Wert des Magnetfeldverhältnis-Signals abhängt, so dass der Wert des Kompensations-Signals einem Wert des Magnetfeldverhältnis-Signals entspricht, der mit einer rationalen Funktion aus einem Zähler- und einem Nennerpolynom mit fixen Koeffizienten und Potenzen multipliziert ist; wobei die fixen Koeffizienten und Potenzen Koeffizienten und Potenzen des Temperaturunterschieds (T₂ – T₁) zwischen der Temperatur (T₁) des ersten Magnetfeld-Sensors (53) und der Temperatur (T₂) des zweiten Magnetfeld-Sensors (55) und des Stressunterschieds (σ₂ – σ₁) zwischen dem Stress (σ₁) an dem ersten Magnetfeld-Sensor und dem Stress (σ₂) an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (55) aufweisen.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (11; 51; 101) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der ein Abstand zwischen dem ersten Magnetfeld-Sensor (13; 53) und dem zweiten Magnetfeld-Sensor (15; 55) in einem Bereich oberhalb von einem 0,5-fachen aus einer Wurzel einer Chipfläche eines Chips liegt, auf dem der erste Magnetfeld-Sensor (13; 53) und der zweite Magnetfeld-Sensor (15; 55) angeordnet sind.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der erste Stress-Sensor (57) eine erste längliche dotierte Zone und eine zweite längliche dotierte Zone aufweist, in denen eine Dotierung jeweils höher ist als eine Grunddotierung des Substrats (21), in dem der erste Stress-Sensor (57) implementiert ist, oder die einen zu der Grunddotierung entgegengesetzten Dotierungstyp aufweisen, wobei die erste längliche dotierte Zone und die zweite längliche dotierte Zone in einem Winkel in einem Bereich von 80° bis 100° zueinander angeordnet sind.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (101) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der erste Stress-Sensor (57) und der erste Magnetfeld-Sensor (53) in einem einzigen Bauelement implementiert sind, wobei die Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (101) einen Eingang für einen eingeprägten Strom (I₀) und einen Abgriff für ein Potential aufweist, dessen Wert von dem eingeprägten Strom (I₀) und einem mechanischen Stress (σ₁) an dem ersten Magnetfeld-Sensor (53) abhängt.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51, 101) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der der zweite Stress-Sensor (59) eine erste längliche dotierte Zone und eine zweite längliche dotierte Zone aufweist, in denen eine Dotierung jeweils höher ist als eine Grunddotierung des Substrats (21), in dem der zweite Stress-Sensor (59) implementiert ist, oder die einen zu der Grunddotierung entgegengesetzten Dotierungstyp aufweisen, wobei die länglichen dotierten Zonen in einem Winkel in einem Bereich von 80° bis 100° zueinander angeordnet sind.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (101) gemäß Anspruch 10 oder 11, bei der der zweite Stress-Sensor (59) und der zweite Magnetfeld-Sensor (55) in einem Bauelement ausgeführt sind, und der zweite Magnetfeld-Sensor (55) einen Eingang für einen weiteren eingeprägten Strom und einen Abgriff für ein weiteres Potential, dessen Wert von dem weiteren eingeprägten Strom und dem mechanischen Stress (σ₂) an dem zweiten Hall-Sensor (55) abhängt, aufweist.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 oder 12, mit einem dritten Stress-Sensor (115), der auf dem Substrat (21) näher dem ersten Magnetfeld-Sensor (53) als dem zweiten Magnetfeld-Sensor (55) angeordnet ist, so dass der erste Magnetfeld-Sensor (53) zwischen dem ersten Stress-Sensor (113) und dem dritten Stress-Sensor (115) angeordnet ist.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51) gemäß Anspruch 14, bei der der dritte Stress-Sensor (115) zwei längliche dotierte Zonen aufweist, deren Dotierung jeweils höher als eine Grunddotierung des Substrats (21) ist, in dem der dritte Stress-Sensor (115) implementiert ist, oder die einen zu der Grunddotierung unterschiedlichen Dotierungstyp aufweisen, wobei die zwei länglichen dotierten Zonen in einem Winkel in einem Bereich von 80° bis 100° angeordnet sind.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51) gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, mit einem vierten Stress-Sensor (119), der auf dem Substrat (21) näher dem zweiten Magnetfeld-Sensor (55) als dem ersten Magnetfeld-Sensor (53) angeordnet ist, so dass der zweite Magnetfeld-Sensor (55) zwischen dem zweiten Stress-Sensor (117) und dem vierten Stress-Sensor (119) angeordnet ist.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51) gemäß Anspruch 16, bei der der vierte Stress-Sensor (119) zwei längliche dotier te Zonen aufweist, deren Dotierung jeweils höher als eine Grunddotierung des Substrats (21) ist, in dem der vierte Stress-Sensor (119) implementiert ist, oder die einen zu der Grunddotierung unterschiedlichen Dotierungstyp aufweisen, wobei die zwei länglichen dotierten Zonen in einem Winkel in einem Bereich von 80° bis 100° angeordnet sind.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51) gemäß Anspruch 17, bei der der erste (113), der zweite (117), der dritte (115) und der vierte (119) Stress-Sensor jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweisen; wobei der erste (113), der zweite (117), der dritte (115) und der vierte (119) Stress-Sensor in einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind; wobei ein erster Anschluss des ersten Stress-Sensors (113) mit einem ersten Anschluss des zweiten Stress-Sensors (117) elektrisch wirksam verbunden ist, und ein zweiter Anschluss des ersten Stress-Sensors (113) mit einem ersten Anschluss des vierten Stress-Sensors (119) elektrisch wirksam verbunden ist; wobei ein zweiter Anschluss des zweiten Stress-Sensors (117) mit einem ersten Anschluss des dritten Stress-Sensors (115) elektrisch wirksam verbunden ist, und ein zweiter Anschluss des dritten Stress-Sensors (115) mit einem zweiten Anschluss des vierten Stress-Sensors (119) elektrisch wirksam verbunden ist; und wobei der zweite Anschluss des dritten Stress-Sensors (115) und der erste Anschluss des zweiten Stress-Sensors (117) einen Eingang für ein Eingangssignal der Brückenschaltung bilden, und der zweite Anschluss des ersten Stress-Sensors (113) und der zweite Anschluss des zweiten Stress-Sensors (117) einen Ausgang für ein Ausgangssignal der Brückenschaltung bilden, dessen Wert von einem Unterschied eines Stresses (σ₁) an dem ersten Magnetfeld-Sensor (53) und eines Stresses (σ₂) an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (55) abhängig ist.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51; 101) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, bei der der erste Magnetfeld-Sensor (53) und der zweite Magnetfeld-Sensor (55) so auf dem Substrat (21) angeordnet sind, dass bei einem Anlegen einer ersten Eingangsspannung an den ersten Magnetfeld-Sensor (53) ein erster eingeprägter Strom fließt, und bei einem Anlegen einer zweiten Eingangsspannung an den zweiten Magnetfeld-Sensor (55) ein zweiter eingeprägter Strom fließt, wobei der erste eingeprägte Strom und der zweite eingeprägte Strom einen Winkel in einem Bereich von 170° bis 190° oder in einem Bereich von 350° bis 10° einschließen.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51; 101) gemäß Anspruch 1 bis 19, bei der der erste Temperatur-Sensor (61) eine erste Bandgag-Schaltung mit einem Ausgang für das erste Temperatur-Sensor-Signal (S_T1) aufweist, dessen Wert proportional zu einer absoluten Temperatur an dem ersten Magnetfeld-Sensor (53) ist.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51; 101) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der der zweite Temperatur-Sensor (63) eine zweite Bandgag-Schaltung mit einem Ausgang für das zweite Temperatur-Sensor-Signal (S_T2) aufweist, dessen Wert proportional zu einer absoluten Temperatur an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (55) ist.
Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51; 101) gemäß Anspruch 8, bei der die Recheneinrichtung den Ausgang für das Kompensations-Signal aufweist, dessen Wert von folgender Formel abhängt:
wobei V₃ für einen Wert des Verhältnisses steht, T₁ für einen Wert der Temperatur an dem ersten Magnetfeld-Sensor (53) steht, T₂ für einen Wert der Temperatur an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (55) steht, B1 einen Wert des Magnetfelds an dem ersten Magnetfeld-Sensor (53) definiert, B2 einen Wert des Magnetfelds an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (55) definiert, S_h1 für einen Wert des ersten Magnetfeld-Sensor-Ausgangssignals steht, S_h2 für einen Wert des zweiten Magnetfeld-Sensor-Ausgangssignals steht κ(T) für einen Wert einer normierten differentiellen strombezogenen magnetischen Empfindlichkeit der Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51, 101) steht, S_T einen Wert des Temperaturdifferenz-Signals darstellt, für den gilt: ST = ST2 – ST1 wobei S_T2 für einen Wert des zweiten Temperatur-Sensor-Signals steht, S_T1 für einen Wert des ersten Temperatur-Sensor-Signals steht, und S_σ einen Wert des Stressdifferenz-Signals darstellt, wobei gilt: Sσ = Sσ2 – Sσ1 wobei S_σ1 einen Wert des ersten Stress-Sensor-Signals angibt, S_σ2 einen Wert des zweiten Stress-Sensor-Signals angibt; und wobei eine Variable P(T) einen Wert eines temperaturabhängigen Piezo-Hall-Koeffizienten der Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51; 101) angibt, μ_T für einen Wert des Temperaturdifferenz-Signals S_T steht, wenn die Temperatur T₁ an dem ersten Magnetfeld-Sensor (51) und die Temperatur T₂ an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (55) innerhalb einer Toleranz von 2% gleich sind, die Variable μ_σ für einen Wert des Differenzsignals S_σ steht, wenn der mechanische Stress an dem ersten Magnetfeld-Sensor (53) innerhalb einer Toleranz von 2 gleich dem mechanischen Stress an dem zweiten Magnetfeld-Sensor (55) ist; und wobei die Variable ζ(T) einen temperaturabhängigen Wert einer Stressabhängigkeit des Werts S_T des Temperaturdifferenz-Signals darstellt, ε' eine Temperaturabhängigkeit des Werts S_σ des Stressdifferenz-Signals angibt, δ' eine Temperatur-Sensor-Empfindlichkeit der Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51; 101) angibt, π_n einen Wert des piezoresistiven Koeffizienten der Magnetfeld-Sensor-Vorrichtung (51; 101) angibt und die Variable T für eine mittlere Temperatur des Substrats (21) steht.