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Die Erfindung betrifft einen Hallsensor und ein Verfahren zum Betreiben eines Hallsensors, insbesondere einer quadratischen Hallsensoranordnung im Spinning-Current-Betrieb.
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Stand der Technik
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Hallsensoren basieren auf dem Lorentz-Effekt, durch welchen sich bewegende Ladungen in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung der Ladungen und senkrecht zu einem externen Magnetfeld abgelenkt werden. In Hallelementen kann daher bei einem vorbestimmten Strom zwischen zwei Elektrodenanschlüssen, welche mit einer Versorgungsspannung beaufschlagt werden, eine Hallspannung abgegriffen werden, welche Rückschlüsse auf die Stärke eines senkrecht zu der Stromrichtung stehenden Magnetfeldes zulässt.
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Derartige Hallsensoren können auch in Produkten eingesetzt werden, mit denen beispielsweise die Stärke des geomagnetischen Feldes erfasst werden kann. In Elektronikgeräten für Verbraucher, die derartige Hallsensoren umfassen, beispielsweise Navigationsgeräte oder digitale Kompasse, ist oft nur eine geringe Versorgungsspannung im Bereich zwischen 1 Volt und 5 Volt verfügbar. Hallspannungen, welche auf das geomagnetische Feld zurückzuführen sind, liegen aufgrund der geringen Stärke des geomagnetischen Feldes von einigen µT im Bereich von einigen wenigen Nanovolt. Daher müssen Hallsensoren für geomagnetische Felddetektion eine sehr hohe Auflösung besitzen und benötigen eine gute Abstimmung der einzelnen Komponenten.
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Intrinsische Messversätze bzw. Offsets von Hallsensoren bedingen üblicherweise einen hohen dynamischen Verstärkungsbereich der Hallsensoren, der etwa zwei bis vier Größenordnungen über dem Wertebereich des zu messenden Signals der geomagnetischen Feldstärke liegen kann. Der hohe Verstärkungsbereich kann sich auf das Signal-Rausch-Verhalten des Hallsensors auswirken und folglich auf den Stromverbrauch und die Linearität der verwendeten Auswerteelektronik.
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Die Druckschrift
US 7,345,376 B2 offenbart eine Hallsensorschaltung mit Hallelementen in quadratischer Geometrie, bei der Hallströme über ein geeignetes Spinning-Current-Verfahren ausgewertet werden.
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Die Druckschrift
US 6,154,027 offenbart ein Hallelement mit einer Auswerteschaltung im Spinning-Current-Betrieb, mithilfe derer externe Temperaturdifferenzen ausgeglichen werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft daher gemäß einer Ausführungsform einen Hallsensor, mit vier Hallelementen, welche jeweils ein erstes Paar von entlang einer ersten Verbindungslinie gegenüberliegenden ersten Anschlüssen und ein zweites Paar von entlang einer zweitenVerbindungslinie gegenüberliegenden zweiten Anschlüssen aufweisen, einer Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, in vier verschiedenen Messphasen eine Versorgungsspannung über jeweils eines der Paare von Anschlüssen jedes der Hallelemente anzulegen, und einer Messeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, in jeder der vier Messphasen an dem jeweils anderen der Paare von Anschlüssen jedes der Hallelemente eine Einzelhallspannung zu erfassen und die erfassten Einzelhallspannungen zu einer Messspannung zu addieren.
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Die Steuereinrichtung ist in einer ersten Messphase dazu ausgelegt, einen Versorgungsspannungsanschluss, welche die Versorgungsspannung bereitstellt, mit jeweils einem der Anschlüsse jedes der Hallelemente zu verbinden, wobei der jeweils verbundene Anschluss eines Hallelements bezüglich des im Uhrzeigersinn benachbart gelegenen Hallelements dem um 90° gegen den Uhrzeigersinn versetzten Anschluss entspricht. In den drei auf die erste Messphase folgenden Messphasen kann die Steuereinrichtung jeweils dazu ausgelegt sein, denjenigen Anschluss jedes der Hallelemente mit dem Versorgungsspannungsanschluss zu verbinden, der dem gegenüber der vorangegangen Messphase um 90° im Uhrzeigersinn versetzten verbundenen Anschluss entspricht.
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einer weiteren Ausführungsform ein Verfahren zum Betreiben eines Hallsensors mit vier Hallelementen, welche jeweils ein erstes Paar von entlang einer ersten Verbindungslinie gegenüberliegenden ersten Anschlüssen und ein zweites Paar von entlang einer zweiten, senkrecht zu der ersten Verbindungslinie stehenden Verbindungslinie gegenüberliegenden zweiten Anschlüssen aufweisen, und welche auf den Eckpunkten einer quadratischen Grundfläche angeordnet sind.
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In einer ersten von vier Messphasen umfasst das Verfahren die Schritte des Anlegens einer Versorgungsspannung an jeweils einen der Anschlüsse jedes der Hallelemente, wobei der jeweils verbundene Anschluss eines Hallelements bezüglich des im Uhrzeigersinn benachbart gelegenen Hallelements dem um 90° gegen den Uhrzeigersinn versetzten Anschluss entspricht, des Erfassens von ersten Einzelhallspannungen jedes der Hallelemente an dem Paar von Anschlüssen, das den jeweils verbundenen Anschluss des Hallelements nicht umfasst, und des Addierens der ersten Einzelhallspannungen zu einer ersten Messspannung.
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In jeweils einer von drei auf die erste Messphase folgenden Messphasen kann das Verfahren dann die Schritte des Anlegens einer Versorgungsspannung an denjenigen Anschluss jedes der Hallelemente, der dem gegenüber der vorangegangen Messphase um 90° im Uhrzeigersinn versetzten verbundenen Anschluss entspricht, des Erfassens von weiteren Einzelhallspannungen jedes der Hallelemente an dem Paar von Anschlüssen, das den jeweils verbundenen Anschluss des Hallelements nicht umfasst, und des Addierens der weiteren Einzelhallspannungen zu einer weiteren Messspannung umfassen.
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Vorteile der Erfindung
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Eine grundlegende Idee der Erfindung ist es, mithilfe einer quadratischen Hallsensoranordnung, welche in einem Spinning-Current-Betrieb oder Spinning-Voltage-Betrieb betrieben wird, die Vertauschung der Anschlüsse, an denen die Versorgungsspannung anliegt, und der Anschlüsse, an denen die Hallspannung abgegriffen wird, in allen vier Messphasen des Spinning-Current-Betriebs derart vorzunehmen, dass in jeder Messphase eine Messspannung durch Addition der einzelnen Hallspannungen der Hallelemente erhalten werden kann, die nicht mehr auf eine durch den Seebeck-Effekt hervorgerufenen Messwertversatz korrigiert werden muss.
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Dies bietet den Vorteil, dass ein Hallsensor mit einer entsprechenden Hallsensoranordnung den Messwertversatz bereits durch die Messmethode bedingt kompensieren kann, so dass der Hallsensor ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweist, und damit besonders gut für Anwendungen mit sehr niedrigen Signalwerten, beispielsweise für die Detektion des geomagnetischen Felds geeignet ist.
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Durch die verfahrensbedingte Kompensation von Versatzeffekten, die durch den Seebeck-Effekt hervorgerufen werden, ist es nicht mehr nötig, zusätzliche Ausgleichsmaßnahmen bzw. -schaltungen vorzusehen, wodurch die Hallsensoranordnung einfacher, leichter und kostengünstiger herzustellen ist.
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Überdies werden Maßnahmen, die zur Kompensation weiterer Versatzeffekte, wie beispielsweise Verspannungseffekte eingesetzt werden, durch das Betriebsverfahren der Hallsensoranordnung nicht beeinflusst. Dadurch können sich bekannte Ausgleichsverfahren zur Reduktion von Verspannungseinflüssen ideal mit dem Betriebsverfahren der Erfindung kombinieren.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Hallelements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Messanordnung für ein Hallelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Hallsensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung einer Hallsensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine schematische Darstellung eines Hallsensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
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6 eine schematische Darstellung der Phasen eines Spinning-Current-Betriebs für eine Hallsensoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Komponenten – sofern nichts Anderes ausgeführt ist – jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Es versteht sich, dass Komponenten und Elemente in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit und Verständlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander wiedergegeben sind.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Hallelements 10. Das Hallelement 10 umfasst zwei Paare von elektrischen Anschlüssen 12a, 12b und 13a, 13b, welche sich jeweils entlang von Verbindungslinien gegenüberliegen, die senkrecht zueinander stehen. Das Hallelement 10 kann beispielsweise in einem Substrat 11, beispielsweise einem Halbleitersubstrat 11 wie Silizium gefertigt sein, und in der durch die Anschlüsse 12a, 12b und 13a, 13b definierten Ebene elektrisch leitfähig sein.
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An das Hallelement 10 kann beispielsweise eine Versorgungsspannung Vdd angelegt werden, im Beispiel der 1 zwischen den Anschlüssen 13a und 13b. Die Versorgungsspannung Vdd kann dabei in beide Richtungen angelegt werden, das heißt mit einem negativen oder einem positiven Vorzeichen. Beispielsweise kann an dem Anschluss 13b ein Versorgungsspannungsanschluss mit einer positiven Versorgungsspannung Vdd angelegt werden und an dem Anschluss 13a ein Massenanschluss. In diesem Fall ergibt sich ein Spannungsabfalls der Versorgungsspannung Vdd wie in 1 angedeutet. Es ist jedoch ebenso möglich, an jeden der anderen Anschlüsse 12a, 12b und 13b den Versorgungsspannungsanschluss anzuschließen. Durch Anlegen einer Versorgungsspannung Vdd kommt es zu einem Stromfluss zwischen den jeweiligen Anschlüssen 12a, 12b bzw. 13a, 13b des mit der Versorgungsspannung Vdd beaufschlagten Anschlusspaares.
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Liegt nun ein Magnetfeld B an, welches senkrecht zu dem Stromfluss steht – im Beispiel der 1 ein Magnetfeld B, welches in die Zeichenebene hinein weist – so ergibt sich aufgrund des Lorentz-Effekts eine Ablenkung des bewegten Ladungen des Stromflusses in der Zeichenebene senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Ladungen. Im vorliegenden Beispiel der 1 kommt es daher zu einer Auslenkung der Ladungen in Richtung des Anschlusses 12a. Zwischen den Anschlüssen 12a und 12b lässt sich daher eine Hallspannung Vh abgreifen, welche von der Stärke des Magnetfelds B abhängig ist.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung für das Hallelement 10 der 1. Die Messanordnung umfasst eine Mess- und Steuereinrichtung 15, welche über Anschlüsse 15a, 15b, 15c und 15d verfügt, die mit den Anschlüssen 12a, 12b, 13a bzw. 13b des Hallelements 10 verbunden sind. In 2 liegt beispielsweise zwischen den Anschlüssen 12a und 12b die Versorgungsspannung Vdd an, beispielsweise wenn an dem Anschluss 15a der Mess- und Steuereinrichtung 15 eine negative Versorgungsspannung an den Anschluss 12a angelegt wird und der Anschluss 12b mit einem Masseanschluss verbunden ist. Über die Anschlüsse 13a und 13b, welche mit Anschlüssen 15b und 15d der Mess- und Steuereinrichtung 15 verbunden sind, kann dann die Hallspannung Vh abgegriffen werden, die ein Indikator für die Stärke des Magnetfelds B ist.
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Ein erheblicher Anteil eines Offsets oder Messversatzes in Hallelementen wird durch den Seebeck-Effekt verursacht. Der Seebeck-Effekt tritt an Materialübergängen wie beispielsweise an Metall-Halbleiter-Übergängen oder Halbleiter-Halbleiter-Übergängen auf. An den Anschlüssen 13a und 13b können solche Übergänge vorliegen, wenn die Metall- oder Halbleiterleitungen mit dem Halbleitersubstrat 11 verbunden werden. Der Seebeck-Effekt ist ein temperaturabhängiger Effekt, welcher eine temperaturabhängige Spannung an Metall-Halbleiter-Übergängen oder Halbleiter-Halbleiter-Übergängen erzeugt. In 2 entsteht an dem Anschluss 13a durch den Seebeck-Effekt beispielsweise die Seebeck-Spannung Vs1. An dem Anschluss 13b entsteht durch den Seebeck-Effekt beispielsweise die Seebeck-Spannung Vs2. Solange die Temperaturen beider Anschlüsse 13a und 13b gleich sind, sind die Seebeck-Spannungen Vs1 und Vs2 betragsmäßig gleich groß und besitzen unterschiedlich Vorzeichen, so dass sie sich bei der Messung der Hallspannung Vh gerade aufheben und kein Seebeck-Offset entsteht.
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In 2 liegen die beiden Anschlüsse 13a und 13b jedoch auf unterschiedlichen Temperaturniveaus. Beispielsweise weist der Anschluss 13b die Temperatur T2 auf, wohingegen der Anschluss 13a die Temperatur T1 aufweist. Die ansonsten vorherrschende Umgebungstemperatur beträgt beispielsweise T0. Die Temperaturbereiche sind dabei durch die Bereichsgrenzen 14a und 14b illustrativ angedeutet. In diesem Fall haben die Seebeck-Spannungen Vs1 und Vs2 unterschiedliche Beträge, so dass deren Summe nicht Null ist. Vs1 = α(T1 – T0) (1) Vs2 = α(T2 – T0) (2) Vs1 – Vs2 = α(T1 – T0) – α(T2 – T0) = α(T1 – T2) (3)
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Dabei ist α ein materialabhängiger Seebeck-Koeffizient. Der Seebeck-Koeffizient α für Übergänge zwischen Metall und schwach dotiertem Silizium kann beispielsweise um die 1000 µV/°C betragen. Die Spannungsdifferenz Vm, die von der Mess- und Steuereinrichtung 15 zwischen den Anschlüssen 15b und 15d gemessen werden kann beträgt damit: Vm = Vs1 + Vh – Vs2 = Vh + α(T1 – T2) = Vh + Voff (4)
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Die eigentliche Messspannung Vh wird dabei um einen Seebeck-Offset Voff, welcher von der Temperaturdifferenz (T1 – T2) abhängig ist, versetzt. Für Metall-Halbleiter-Übergänge in typischen Hallelementen kann sich für den Seebeck-Offset Voff ein Wert ergeben, welcher in der Größenordnung der Hallspannung Vh für die typische Stärke des geomagnetischen Felds liegt. Bereits geringe Temperaturdifferenzen T1 – T2 können daher parasitische Signale Voff erzeugen, die als erheblicher Offset der Messspannung Vh überlagert sind.
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In 3 wird im Zusammenhang mit den Darstellungen in 4 und 6 ein Verfahren zum Betreiben eines Hallsensors erläutert, mit welchem Messwertversätze, welche auf Seebeck-Effekten beruhen, eliminiert oder zumindest reduziert werden können.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Hallsensoranordnung 30. Die Hallsensoranordnung 30 umfasst vier Hallelemente 10, welche jeweils ein erstes Paar von entlang einer ersten Verbindungslinie gegenüberliegenden ersten Anschlüssen 12a, 12b und ein zweites Paar von entlang einer zweiten, senkrecht zu der ersten Verbindungslinie stehenden Verbindungslinie gegenüberliegenden zweiten Anschlüssen 13a, 13b aufweisen. Die Hallelemente 10 können dabei den Hallelementen 10 aus 1 entsprechen. Die vier Hallelemente können in einer deckungsgleichen Orientierung jeweils auf den Eckpunkten einer quadratischen Grundfläche angeordnet sein. Deckungsgleiche Orientierung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich die Ausrichtung der Anschlüsse 12a, 12b, 13a und 13b lediglich durch laterale Verschiebung der Anschlussgeometrie jedes der Hallelemente, nicht aber durch Rotation, Zerrung, Spiegelung oder sonstige geometrische Operationen ergibt. Weiterhin liegen die Hallelemente mit ihren geometrischen Schwerpunkten auf Eckpunkten einer gedachten quadratischen Grundfläche, das heißt, dass die gedachten Verbindungslinien der Schwerpunkte lateral benachbarter Hallelemente senkrecht aufeinander stehen, und eine identische Länge aufweisen.
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Die Anordnung 30 der Hallelemente 10 bedingt durch den Betrieb der Hallelemente 10 eine Temperaturverteilung, welche in etwa der durch die gestrichelten Kreise angedeuteten Temperaturverteilung entspricht. In einem Außenbereich der Hallelemente 10 herrscht die konstante Raumtemperatur T0. Nach innen hin zu dem Mittelpunkt der gedachten quadratischen Grundfläche, an deren Eckpunkten die Hallelemente 10 angeordnet sind, nimmt die Temperatur zu. Etwa in der Mitte der Hallelemente 10 kann die Temperatur beispielsweise T1 > T0 betragen. Auf der Höhe der Anschlüsse der Hallelemente, welche in die Mitte der quadratischen Grundfläche weisen, kann die Temperatur beispielsweise T2 > T1 > T0 betragen. Da in der Mitte der quadratischen Grundfläche mehr Komponenten betrieben werden und der Temperaturabfluss dort schlechter ist, ist die Temperatur T2 höher als die Raumtemperatur T0.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Verfahrens 20 zum Betreiben eines Hallsensors mit einer Hallsensoranordnung 30 wie in 4 dargestellt. Das Verfahren 20 kann in vier Messphasen P1, P2, P3 und P4 eingeteilt werden, welche schematisch in 6 dargestellt sind. Die Darstellungen der 6 zeigen jeweils die Hallsensoranordnung 30 der 4 mit den entsprechenden Temperaturbereichen, wobei in den Messphasen P1 bis P4 jeweils unterschiedliche Versorgungsspannungen Vdd an unterschiedlichen Anschlüssen der Hallelemente 10 angelegt werden, wie jeweils durch die Pfeile veranschaulicht. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind die Hallelemente 10 zum besseren Verständnis mit den fortlaufenden Nummern 1 bis 4 gekennzeichnet. Die vier Hallelemente 1 bis 4 in 6 weisen dabei jeweils vier Anschlüsse 12a, 12b, 13a und 13b auf, welche derart angeordnet sind, dass die Bezeichnungen der Anschlüsse jedes Hallelements jeweils den Bezeichnungen des benachbarten, um 90° gedrehten Hallelements entsprechen. Beispielsweise liegt der Anschluss 12a des Hallelements 1 in 6 links oben, während des Anschluss 12a des Hallelements 2 rechts oben liegt.
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Das Verfahren 20 kann auch als Spinning-Current-Verfahren, das heißt als Verfahren mit wechselnden Stromrichtungen bezeichnet werden. Spinning-Current-Verfahren bei Hallsensoren zeichnen sich dadurch aus, dass eine Messung eines Magnetfelds mithilfe eines Hallsensors in verschiedenen Messphasen erfolgt, die sich jeweils in der relativen Orientierung der Stromrichtung in dem Hallsensor unterscheiden. Dazu wird die Versorgungsspannung zwischen mit den Messphasen wechselnden Anschlüssen des Hallsensors angelegt, so dass die Stromrichtung jeweils wechselt.
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Das Verfahren 20 umfasst vier Messphasen P1 bis P4, wobei die Messphase P1 in Schritt 21 und die darauffolgenden Messphasen P2 bis P4 jeweils in Schritt 25 dargestellt sind. In einem ersten Schritt 22 erfolgt ein Anlegen einer Versorgungsspannung Vdd an jeweils einen der Anschlüsse jedes der Hallelemente, wobei der jeweils verbundene Anschluss eines Hallelements bezüglich des im Uhrzeigersinn benachbart gelegenen Hallelements dem um 90° gegen den Uhrzeigersinn versetzten Anschluss entspricht.
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Im Beispiel in 6 kann an das Hallelement 1 eine positive Versorgungsspannung Vdd an den Anschluss 12a, also den Anschluss links oben angelegt werden. Gleichzeitig kann an den gegenüberliegenden Anschluss 12b rechts unten ein Massepotential angelegt werden, so dass, wie durch den entsprechenden Pfeil angedeutet, ein Stromfluss mit einer Stromflussrichtung von Anschluss 12a zu dem Anschluss 12b, also von links oben nach rechts unten erfolgt. An den übrigen Hallelementen 2 bis 4 kann an jeweils anderen Anschlüssen als dem Anschluss 12a des Hallelements 1 entsprechenden Anschlüssen die Versorgungsspannung Vdd angelegt werden. Das Hallelement 2 ist dem Hallelement 1 im Uhrzeigersinn gesehen benachbart gelegen. Das Hallelement 2 wird daher an demjenigen Anschluss mit der Versorgungsspannung Vdd beaufschlagt, der im Bezug auf das Hallelement 1 gegen den Uhrzeigersinn um 90° versetzt ist, das heißt an dem Anschluss 13b. Das Hallelement 3 wiederum ist dem Hallelement 2 im Uhrzeigersinn gesehen benachbart gelegen. Das Hallelement 3 wird entsprechend an demjenigen Anschluss mit der Versorgungsspannung Vdd beaufschlagt, der im Bezug auf das Hallelement 2 gegen den Uhrzeigersinn um 90° versetzt ist, das heißt an dem Anschluss 12b. Für das Hallelement 4 gilt eine entsprechende Vorgehensweise, so dass dessen Anschluss 13a mit dem Versorgungsspannungsanschluss verbunden ist.
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Auf diese Weise ergibt sich eine Hallelementansteuerung der Hallelemente 1 bis 4 in der Messphase P1, in der sämtliche Anschlüsse der Hallelemente, zwischen denen kein Stromfluss erfolgt, das heißt, die nicht zu einem Anschlusspaar gehören, an denen die Versorgungsspannung Vdd und ein Massepotential anliegt, die gleiche Temperatur aufweisen, wie sich anhand der Isothermen T0 bzw. T1 erkennen lässt. Dadurch sind die Einzelhallspannungen Vh1 bis Vh4, welche sich an den Hallelementen 1 bis 4 in der Messphase P1 in Schritt 23 erfassen lassen, frei von einem Seebeck-Offset Voff. In Schritt 24 ist daher ein Addieren der ersten Einzelhallspannungen Vh1 bis Vh4 zu einer ersten Messspannung Vm möglich, ohne dass eine externe Offsetkorrektur hinsichtlich des Seebeck-Effekts erfolgen müsste.
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Jeweils vier korrespondierende Anschlüsse der Hallelemente 1 bis 4 können dabei an einem von vier Knotenanschlüssen zusammengeführt werden, so dass zum Einen das Anlegen der Versorgungsspannung an einen der Anschlüsse jedes Hallelements 1 bis 4 durch Anlegen an einen der Knotenanschlüsse erfolgen kann. Andererseits kann das Abgreifen einer Hallspannung an jeweils einem anderen der Knotenanschlüsse erfolgen, so dass sich die Einzelhallspannungen Vh1 bis Vh4 der vier verschiedenen Anschlüsse der Hallelemente 1 bis 4 summieren und an dem jeweiligen Knotenanschluss als Mittelspannung abgreifen lassen. Die Mittelspannung ist dabei die gemittelte Summenspannung der Einzelhallspannungen Vh1 bis Vh4 und bereits aufgrund der Messgeometrie frei von Seebeck-Offsets.
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Nachdem die Messphase P1 abgeschlossen ist, erfolgt der Eintritt bei Schritt 25 in die Messphase P2. Dazu werden in Schritt 26 zunächst die jeweils mit dem Versorgungsanschluss verbundenen Anschlüsse der Hallelemente 1 bis 4 verändert. Demnach erfolgt ein Anlegen der Versorgungsspannung Vdd an denjenigen Anschluss jedes der Hallelemente, der dem gegenüber der vorangegangen Messphase um 90° im Uhrzeigersinn versetzten verbundenen Anschluss entspricht. Im Beispiel in 6 war in der Messphase P1, die der Messphase P2 vorangegangen ist, der Anschluss 12a des Hallelements 1 mit dem Versorgungsanschluss verbunden. Der gegenüber dem Anschluss 12a um 90° im Uhrzeigersinn versetzte Anschluss ist für das Hallelement 1 der Anschluss 13a, welcher demzufolge in der Messphase P2 nun mit dem Versorgungsanschluss verbunden wird. Folglich wird an den dem Anschluss 13a gegenüberliegenden Anschluss 13b das Massepotential angelegt, so dass sich der durch den Pfeil angedeutete Stromfluss von Anschluss 13a zu Anschluss 13b des Hallelements 1 in Messphase P2 ergibt. Für die Hallelemente 2 bis 4 gilt entsprechendes, so dass in der Messphase P2 wie in der Messphase P1 jeweils unterschiedliche der Anschlüsse jedes der Hallelemente 1 bis 4 mit dem Versorgungsspannung Vdd beaufschlagt werden.
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In Schritt 27 erfolgt dann ein Erfassen von weiteren Einzelhallspannungen Vh1' bis Vh4' jedes der Hallelemente 1 bis 4 an dem Paar von Anschlüssen, das den jeweils verbundenen Anschluss des Hallelements nicht umfasst, ähnlich wie in Schritt 23. Da die jeweils gegenüberliegenden Anschlüsse jedes der Hallelemente 1 bis 4 in unterschiedlichen Temperaturbereichen liegen, ergeben sich für die weiteren Einzelhallspannungen Vh1' bis Vh4' jeweils Seebeck-Offsets, wie im Zusammenhang mit 2 und Gleichungen (1) bis (4) erläutert.
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In einem Schritt 28 erfolgt ein Addieren der weiteren Einzelhallspannungen Vh1' bis Vh4' zu einer weiteren Messspannung Vm'. Wie sich zeigen lässt, besitzen die Einzelhallspannungen Vh1' bis Vh4' mit der Versorgungsspannungsansteuerung in der Messphase P2 allerdings gerade sich paarweise aufhebende Seebeck-Offsets. Beispielsweise weisen die Einzelhallspannungen Vh1' und Vh2' Seebeck-Offsets gleichen Betrags, aber unterschiedlichen Vorzeichens auf. Dies liegt daran, dass die Temperaturverteilung der Anschlüsse im Hallelement 1, über die die Einzelhallspannung Vh1' abgegriffen wird, gerade invers zu der Temperaturverteilung der Anschlüsse im Hallelement 2 ist, über die die Einzelhallspannung Vh2' abgegriffen wird. Gleiches gilt entsprechend für das Hallelementpaar der Hallelemente 3 und 4. Auf diese Weise heben sich durch die Addition der Einzelhallspannungen Vh1' bis Vh4' die Seebeck-Offsets paarweise auf, so dass die weitere Messspannung Vm' wieder offsetfrei ist. Wie in Messphase P1 ist damit auch in Messphase P2 keine externe Offsetkorrektur notwendig.
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Wiederum kann in der zweiten Messphase P2 die Versorgungsspannung an einem anderen Knotenanschluss gegenüber der Messphase P1 angelegt werden, so dass die Mittelspannung der Einzelhallspannungen Vh1' bis Vh4' ebenfalls an einem unterschiedlichen der Knotenanschlüsse abgegriffen werden kann.
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Das Verfahren 20 wird nach Abschluss der Messphase P2 für die Messphasen P3 und P4 mit der jeweiligen Wiederholung der Schritte 26 bis 28 iteriert. Für die Messphasen P3 und P4 gelten hinsichtlich der Hallsensoranordnungen analoge Aussagen wie für die Messphasen P1 bzw. P2, wie sich aus der Darstellung in 6 für den Fachmann leicht erkennen lässt.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Hallsensors 40, welcher über eine Hallsensoranordnung 30 gemäß 4 bzw. 6 verfügt. Der Hallsensor 40 kann insbesondere mit einem Verfahren 20 gemäß 3 betrieben werden. Der Hallsensor 40 umfasst eine Steuereinrichtung 41, eine Messeinrichtung 45, erste Schalteinrichtungen 42a und zweite Schalteinrichtungen 42b. Die Steuereinrichtung 41 ist mit der Messeinrichtung 45, den ersten Schalteinrichtungen 42a und den zweiten Schalteinrichtungen 42b verbunden. Die Steuereinrichtung 41 ist dazu ausgelegt ist, in vier verschiedenen Messphasen P1, P2, P3, P4 eine Versorgungsspannung Vdd über jeweils eines der Paare von Anschlüssen jedes der Hallelemente der Hallsensoranordnung anzulegen. Dazu ist die Steuereinrichtung 41 dazu ausgelegt, einen Versorgungsspannungsanschluss 43, welche die Versorgungsspannung Vdd bereitstellt, über entsprechende Ansteuerung der ersten Schalteinrichtungen 42a mit jeweils einem der Anschlüsse jedes der Hallelemente der Hallsensoranordnung 30 zu verbinden. Entsprechend der Ansteuerung der ersten Schalteinrichtungen 42a kann die Steuereinrichtung 41 dazu ausgelegt sein, einen Masseanschluss 44, welcher beispielsweise ein Masse- oder Referenzpotential zu der Versorgungsspannung Vdd bereitstellt, über entsprechende Ansteuerung der zweiten Schalteinrichtungen 42b mit jeweils einem der gegenüberliegenden Anschlüsse jedes der Hallelemente der Hallsensoranordnung 30 zu verbinden.
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Die Messeinrichtung 45 ist dazu ausgelegt, in jeder der vier Messphasen an den jeweils nicht über die Schalteinrichtungen 42a und 42b mit dem Versorgungsspannungsanschluss 43 bzw. dem Masseanschluss 44 verbundenen Anschlüssen jedes der Hallelemente der Hallsensoranordnung eine Einzelhallspannung zu erfassen und die erfassten Einzelhallspannungen zu einer Messspannung zu addieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7345376 B2 [0005]
- US 6154027 [0006]
