DE102012201727A1

DE102012201727A1 - Hallplatte mit niedrigem spinning-strom-versatz und verfahren zum betreiben derselben

Info

Publication number: DE102012201727A1
Application number: DE102012201727A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-02-08
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2032-02-07
Also published as: US20150168508A1; US8829900B2; US9261572B2; DE102012201727B4; US20120200290A1; CN102636761A; CN102636761B

Abstract

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Apparatur zum Beseitigen der Auswirkung von Kontaktwiderständen auf Kontakte von Hall-Effekt-Vorrichtungen. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Apparatur eine Hall-Effekt-Vorrichtung auf, die eine Mehrzahl von Kraft- und Erfassungskontaktpaaren aufweist. Die Kraft- und Erfassungskontaktpaare weisen einen Kraftkontakt und einen separaten und gesonderten Erfassungskontakt auf. Der Kraftkontakt ist dazu konfiguriert, als Versorgungsanschluss zu fungieren, der ein Eingangssignal empfängt, während der Erfassungskontakt dazu konfiguriert ist, als Ausgangsanschluss zu fungieren, um ein Ausgangssignal zu liefern, das einen gemessenen Magnetfeldwert angibt. Durch Verwenden separater Kontakte zum Eingeben eines Signals (z. B. eines angelegten Stroms) und Auslesen eines Signals (z. B. einer induzierten Spannung) können die durch Kontaktwiderstände erzeugten Nicht-Linearitäten beseitigt werden, wodurch die Nullpunktversatzspannung des gemessenen Magnetfeldes minimiert wird.

Description

Hall-Effekt-Vorrichtungen werden oft bei Sensoranwendungen zum kontaktlosen Erfassen von Magnetfeldern verwendet. Hall-Effekt-Vorrichtungen werden vielfach bei vielen Automobil- und industriellen Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise kann eine Hall-Effekt-Vorrichtung bei Automobilanwendungen dazu verwendet werden, eine Radgeschwindigkeit bei einem Automatisches-Bremssystem(ABS)-Geschwindigkeitssensor zu messen, indem die Geschwindigkeit eines Magneten gemessen wird. Bei einem derartigen Beispiel misst der Hall-Sensor dann, wenn sich ein Magnet an einen Hall-Sensor annähert, eine Zunahme des Magnetfeldes, wodurch ermöglicht wird, dass die Geschwindigkeit des Rades detektiert wird.
Hall-Effekt-Vorrichtungen sind Festkörperelektron-Vorrichtungen, die ansprechend auf ein Magnetfeld auf der Basis des Prinzips des Hall-Effekts arbeiten – eines Phänomens, anhand dessen in der Gegenwart eines Magnetfeldes über einen elektrisch leitenden Körper hinweg eine Spannungsdifferenz erzeugt wird. Herkömmliche Hall-Effekt-Vorrichtungen weisen üblicherweise eine planare Struktur, als Hall-Platte bekannt, auf, die dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal (z. B. entweder Spannung oder Strom) zu erzeugen, das proportional zu einem angelegten Magnetfeld ist.
Hall-Platten weisen orthogonale Achsen auf, sodass ein Anlegen eines Stroms entlang einer der orthogonalen Achsen bewirkt, dass in der Gegenwart eines Magnetfeldes eine Spannung entlang einer anderen orthogonalen Achse erzeugt wird. Üblicherweise wird eine Hall-Platte betrieben, indem ein Strom in einen ersten Eingang eingespeist wird, ein räumlich gegenüberliegender zweiter Eingang auf denselben Achsen geerdet wird und eine Spannung zwischen Eingängen eines orthogonalen Satzes von Achsen gemessen wird. Wie in 1 gezeigt ist, kann beispielsweise ein Strom 104 über eine zweidimensionale leitfähige Hall-Platte 102 hinweg angelegt werden. Gemäß dem Hall-Prinzip bewirkt die Gegenwart eines Magnetfeldes B, dass die eine negative Ladung tragenden Teilchen des Stroms 104 ihre Bewegung (gemäß der Rechte-Hand-Regel, wie bei 106 gezeigt ist) variieren und eine induzierte Spannungsdifferenz zwischen Knoten V₁ und V₂ erzeugen, die proportional zu dem Magnetfeld B ist.
Die Integration von Hall-Effekt-Vorrichtungen (z. B. Hall-Platten) in Halbleiterkörper (z. B. Siliziumsubstrat) ist bei vielen Anwendungen mittlerweile üblich. Ein Hauptproblem von Hall-Effekt-Vorrichtungen ist der Nullpunktversatz/-fehler, der ein nicht null betragendes Ausgangssignal (z. B. Spannung, Strom) ist, das in Abwesenheit eines Magnetfeldes (d. h. Magnetfeld gleich null) durch die Hall-Effekt-Vorrichtung bereitgestellt wird. Der Versatz von Hall-Effekt-Vorrichtungen wird durch kleine Asymmetrien der Vorrichtung bewirkt, die durch Herstellungstoleranzen oder mechanische Beanspruchung oder thermoelektrische Spannungen verursacht werden. Um die Versatzfehler, die eine Hall-Effekt-Vorrichtung erfährt, zu verringern/beseitigen, kann die Hall-Effekt-Vorrichtung dazu konfiguriert sein, Ablesungen entlang verschiedener Orientierungen der Vorrichtung vorzunehmen. Derartige Verfahren, die als „Strom-Spinning” (current spinning) bezeichnet werden, senden Strom durch eine Hall-Effekt-Vorrichtung in verschiedene Richtungen und kombinieren die Ausgangssignale auf eine Weise, die den Versatz verringert. Beispielsweise kann eine Hall-Effekt-Vorrichtung zwischen Messungen um 90° gedreht werden, und anschließend kann der Mittelwert der Hall-Ausgangssignale über einen Spinning-Zyklus (Drehzyklus) genommen werden. Obwohl Strom-Spinning-Verfahren die Versatzfehler verringern können (z. B. in einer Größenordnung von bis zu 20 μT), schaffen es derartige Verfahren alleine nicht, den Nullpunktfehler bis hinunter zu dem Rauschpegel von 100 nT ... 1 μT vollständig zu beseitigen.
Der Grund dafür liegt darin, dass dieser restliche Nullpunktfehler unklar ist. Es kann bewiesen werden, dass er für Hall-Effekt-Vorrichtungen mit einer absolut linearen Spannung/Strom-Beziehung verschwinden muss. Jedoch werden bei modernen CMOS-Technologien Übergangsisolationstechniken verwendet, um die Hall-Effekt-Vorrichtungen von anderen Schaltungselementen auf demselben Substrat zu isolieren. Die Breite der diesen in Sperrrichtung vorgespannten Übergängen zugeordneten Verarmungsschichten hängt von angelegten Potentialen ab, und dies führt zu nichtlinearen Strom/Spannung-Charakteristika von integrierten Hall-Effekt-Vorrichtungen. Die oben angegebenen geringen Asymmetrien der Hall-Effekt-Vorrichtung werden durch die Nichtlinearität der Vorrichtung hochgemischt und führen zu Versatzfehlertermen einer höheren Ordnung, die nicht mittels des Spinning-Strom-Prinzips eliminiert werden können. Deshalb wird ein Verfahren gesucht, um eine bessere Kontrolle über die Potentiale im Inneren der Hall-Effekt-Vorrichtung während eines Spinning-Strom-Zyklus zu haben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Hall-Effekt-Vorrichtungen sowie ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Hall-Platte, wobei sie insbesondere das Betriebsprinzip von Hall-Effekt-Vorrichtungen zeigt;
2 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer lateralen Hall-Platte, die eine Mehrzahl von Kraft- und Erfassungskontaktpaaren aufweist;
3 ein Ersatzschaltungsdiagramm der in 2 gezeigten lateralen Hall-Platte;
4 eine Querschnittsansicht der in 2 gezeigten lateralen Hall-Platte;
5a eine Hall-Platte, die eine Mehrzahl zweckgebundener Rückkopplungsschaltungen aufweist, die mit jeweiligen Kraft- und Erfassungskontaktpaaren gekoppelt sind, um das Potential an den Erfassungskontakten zu regeln;
5b eine exemplarische Rückkopplungsschaltung, die eine Transkonduktanz-Eingangsstufe und eine stromgesteuerte Stromquelle aufweist;
6 eine Hall-Platte, die eine Rückkopplungsschaltungskonfiguration aufweist, wobei Rückkopplungsschaltungen dazu konfiguriert sind, Strom an gegenüberliegenden Versorgungskraftkontakten bereitzustellen, um das Spannungspotential an gegenüberliegenden Ausgangserfassungskontakten bei einem wohldefinierten Wert zu halten;
7a eine Hall-Platte, die eine Rückkopplungsschaltungskonfiguration aufweist, die eine Differenzrückkopplungsschaltung aufweist;
7b eine exemplarische Differenzrückkopplungsschaltung;
8a–8b zusätzliche alternative Ausführungsbeispiele von Hall-Platte-Rückkopplungsschaltungskonfigurationen, die Rückkopplungsschaltungen aufweisen, die jeweils für eine bestimmte Nutzung gedacht sind;
9 eine exemplarische Rückkopplungsschaltungskonfiguration, bei der Rückkopplungsschaltungen unter Verwendung einer adaptiven Steuereinheit dazu gesteuert werden, während des Betriebs ein oder mehrere Referenzpotentiale zu verändern;
10 ein Flussdiagramm, das ein exemplarisches Strom-Spinning-Verfahren zeigt;
11a–11d Querschnittsskizzen einer vertikalen Hall-Vorrichtung, die die Sequenz von Strömen veranschaulichen, die an die verschiedenen Kraftkontakte der Hall-Vorrichtung angelegt sind; und
12 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Verringern des Nullpunktversatzes einer Hall-Platte zeigt.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei durchgehend gleiche Bezugszeichen dazu verwendet werden, auf gleiche Elemente Bezug zu nehmen, und wobei die veranschaulichten Strukturen und Vorrichtungen nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind.
Der Erfinder hat erkannt, dass der bei integrierten Hall-Effekt-Vorrichtungen beobachtete Nullpunktfehler auf die Kombination von nichtlinearen Strom/Spannung-Charakteristika und Kontaktwiderständen bezogen sein kann. Wenn beispielsweise ein Strom in einen Hall-Platte-Anschluss eingegeben wird, wird der Strom einem gewissen nicht null betragenden Kontaktwiderstand unterworfen. Der Kontaktwiderstand kann einen Nullpunktversatz/ein Nullpunktfehlersignal erzeugen, den bzw. das eine Spinning-Strom-Sequenz nicht beseitigt.
Demgemäß sind hierin ein Verfahren und eine Apparatur vorgesehen, um die Auswirkung von Kontaktwiderständen aus Hall-Effekt-Vorrichtung-Messungen zu beseitigen. Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Apparatur eine Hall-Effekt-Vorrichtung auf, die eine Hall-Platte aufweist, die eine Mehrzahl von Kraft- und Erfassungskontaktpaaren aufweist, wobei jeweilige Kraft- und Erfassungskontaktpaare einen Kraftkontakt, der dazu konfiguriert ist, mit einem Eingangssignal versorgt zu werden, und einen Erfassungskontakt, der dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal zu liefern, das ein Spannungspotential des Kontaktpaares angibt, aufweisen. Durch Verwendung separater Kontakte zum Eingeben eines Signals (z. B. eines angelegten Stroms) und Auslesen eines Signals (z. B. einer induzierten Spannung) kann die Auswirkung von Kontaktwiderständen im Wesentlichen beseitigt werden. Beispielsweise ermöglicht eine Verwendung einer Hochimpedanzspannungsmessschaltung (die z. B. einen kleinen Strom über die Erfassungskontakte hinweg anlegt), um die Spannung von einem Erfassungskontakt zu messen, dass der durch den Kontaktwiderstand bewirkte Spannungsabfall minimiert wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel können die Kraft- und Erfassungskontaktpaare mit einer oder mehreren Rückkopplungsschaltungen gekoppelt sein, die dazu konfiguriert sind, Kontaktwiderstände zu detektieren und den Spannungsabfall über diese Kontaktwiderstände hinweg zu korrigieren. Insbesondere können jeweilige Rückkopplungsschaltungen dazu konfiguriert sein, einen erfassten Wert von einem Erfassungskontakt zu empfangen. Falls der erfasste Wert einen Spannungsabfall zwischen zugeordneten Kraft- und Erfassungskontakten angibt, kann die Rückkopplungsschaltung ein Rückkopplungssignal (z. B. Strom) an dem Kraftkontakt bereitstellen, um das Spannungspotential an dem Erfassungskontakt anzupassen und dadurch ein beliebiges gewünschtes Potential an dem Erfassungskontakt zu definieren. Das Rückkopplungssignal, das durch eine oder mehrere Rückkopplungsschaltungen erzeugt wird, kann gemessen und verarbeitet werden, um einen Magnetfeldwert zu erzeugen, der einen weiter verringerten Nullpunktversatz aufweist.
2 veranschaulicht eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer Hall-Effekt-Vorrichtung 200, die eine Mehrzahl von Kraft- und Erfassungskontaktpaaren (Kontaktpaaren), wie sie hierin vorgesehen sind, aufweist. Insbesondere weist jedes Kontaktpaar einen Kraftkontakt/-anschluss 202 und einen separaten und gesonderten Erfassungskontakt/-anschluss 204 auf. Ein oder mehrere Kraftkontakte 202 (z. B. F₁ und F₃) können dazu konfiguriert sein, ein Eingangssignal zu empfangen (d. h. als Versorgungsanschluss zu agieren), während ein oder mehrere Erfassungskontakte 204 (z. B. S₂ und S₄) dazu konfiguriert sein können, ein Ausgangssignal bereitzustellen (d. h. als Ausgangsanschluss zu fungieren). Deshalb ermöglicht die Verwendung von Kraft- und Erfassungskontakten, dass separate Kontakte zum Bereitstellen eines Eingangssignals und zum Auslesen eines Ausgangssignals verwendet werden. Ferner ermöglicht sie, dass ein Signal (z. B. Strom) an einem Kraftkontakt (z. B. F₁) eingespeist wird, um das Spannungspotential an einem zugeordneten Erfassungskontakt (z. B. S₁) zu steuern.
Beispielsweise kann während eines typischen Betriebs der Hall-Platte ein angelegter Strom durch eine Leiterbahn in einer zwischen gegenüberliegenden Kontaktpaaren gelegenen aktiven Region durch die Einspeisung eines oder mehrerer Signale (z. B. Ströme) in räumlich gegenüberliegende Kraftkontaktversorgungsanschlüsse (z. B. Einspeisen eines ersten Stroms in den Kraftkontakt F₁ und eines zweiten Stroms in den Kraftkontakt F₃) erzeugt werden, während eine Hall-Spannung, die ein angelegtes Magnetfeld angibt, über einen oder mehrere orthogonale Erfassungskontaktausgangsanschlüsse hinweg gemessen werden kann (z. B. Lesen einer Spannung von dem Erfassungskontakt S₂ und Erfassungskontakt S₄). Deshalb können zwei Kraftkontaktversorgungsanschlüsse mit einem Eingangssignal versorgt werden, während zumindest ein separater Erfassungskontaktausgangsanschluss ein Ausgangssignal bereitstellen kann, das ein auf die Hall-Vorrichtung einwirkendes Magnetfeld angibt.
Im Gegensatz zu Hall-Platten des Standes der Technik, die zwei Eingangsanschlüsse aufweisen, um die Platte mit elektrischer Energie zu versorgen, und zwei Ausgangsanschlüsse aufweisen, um eine Ausgangsspannung zu liefern, können die gesonderten Kraft- und Erfassungskontakte der Hall-Effekt-Vorrichtung 200 außerdem so viele Ausgangssignale wie Erfassungskontakte aufweisen. Wie in 2 gezeigt ist, können beispielsweise zwei den Versorgungsanschlüssen zugeordnete Erfassungskontakte (z. B. S₁ und S₃) dazu verwendet werden, Ausgangssignale zu messen, die Spannungspotentiale in der aktiven Hall-Region bereitstellen (z. B. die nicht von dem angelegten Magnetfeld abhängen), während zwei zusätzliche Erfassungskontakte (z. B. S₂ und S₄), die den Ausgangsanschlüssen zugeordnet sind, ein Ausgangssignal (z. B. eine Hall-Spannung) bereitstellen, das von einem angelegten Magnetfeld abhängt. Deshalb kann die Hall-Effekt-Vorrichtung Ausgangssignale sowohl von Erfassungskontaktversorgungsanschlüssen als auch von Erfassungskontaktausgangsanschlüssen bereitstellen.
Wie in 2 gezeigt ist, kann die Größe der Kraft- und Erfassungskontakte bei verschiedenen Ausführungsbeispielen variieren. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Erfassungskontakte S₁–S₄ kleiner sein als die Kraftkontakte F₁–F₄. Wie in 2 gezeigt ist, ist beispielsweise die Größe des Erfassungskontakts S₃ in der lateralen Abmessung kleiner als die Größe des Kraftkontakts F₃ (z. B. S₁ < S₂). Wenn man die Erfassungskontakte kleiner gestaltet als die Kraftkontakte, reduziert dies Kurzschlusseffekte der Erfassungskontakte bezüglich der Hall-Spannung, erhöht jedoch den Innenwiderstand, der zwischen den Erfassungskontakten anzutreffen ist (z. B. der das Rauschen der Hall-Vorrichtung erhöht). Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Größe der Erfassungskontakte dahin gehend gewählt werden, eine Balance zwischen den Kurzschlusseffekten und dem Innenwiderstand zu erreichen.
Die Kraft- und Erfassungskontaktpaare können symmetrisch über die Hall-Platte hinweg angeordnet sein. Beispielsweise weist die Hall-Platte bei einem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel vier Kontaktpaare auf, die eine Symmetrie von 90° aufweisen. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel ist ein zweites Kontaktpaar bezüglich eines ersten Kontaktpaares räumlich bei 90° orientiert, ein drittes Kontaktpaar ist bezüglich des ersten Kontaktpaars räumlich bei 180° orientiert und ein viertes Kontaktpaar ist bezüglich des ersten Paars räumlich bei 270° orientiert. Mit anderen Worten ist eine Linie 206 zwischen den Mitten zweier gegenüberliegender Kraft- und Erfassungskontaktpaare, die dazu konfiguriert sind, als Versorgungsanschlusskontaktpaare zu arbeiten, senkrecht zu einer Linie 208 zwischen den Mitten zweier gegenüberliegender Kraft- und Erfassungskontaktpaare, die dazu konfiguriert sind, als Ausgangsanschlusskontaktpaare zu arbeiten. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die Hall-Platte drei Kontaktpaare mit einer Symmetrie von 120° aufweisen oder mehr als vier symmetrische Kontaktpaare (z. B. sechs Kontaktpaare, die eine Symmetrie von 60° aufweisen, zwölf Kontaktpaare, die eine Symmetrie von 30° aufweisen, usw.).
3 veranschaulicht ein Ersatzschaltungsdiagramm 300 der Hall-Platte der 2, wobei es Kontaktwiderstände zeigt, die an den Kraft- und Erfassungskontakten zu sehen sind. Insbesondere veranschaulicht das Schaltungsdiagramm 300 den Widerstand der Hall-Platte als sechs Hall-Platten-Widerstände R1–R6, die in einer symmetrischen Brückenkonfiguration angeordnet sind. Widerstände r1–r4 bezeichnen die Kontaktwiderstände der Kontakte.
Die Verwendung getrennter Kraftkontakte F₁–F₄ und Erfassungskontakte S₁–S₄ ermöglicht, dass Spannungsabfälle, die auf die Kontaktwiderstände r1–r4 zurückzuführen sind, effektiv vermieden werden können, indem Hall-Spannungsmessungen durch die Erfassungskontakte S₁–S₄ unter Verwendung einer Hochimpedanzmessvorrichtung mit niedrigem Strom durchgeführt werden. Wie in 3 gezeigt ist, werden die Erfassungskontakte S₁–S₄ deshalb als „innerhalb” der Kraftkontakte F₁–F₄ liegend gezeigt, da die Erfassungskontakte S₁–S₄ den Kontaktwiderstand r1–r4 während einer Hall-Spannungsmessung nicht sehen werden (d. h. die Erfassungskontakte S₁–S₄ vermeiden im Wesentlichen den Kontaktwiderstand, der jedem Kontakt der Hall-Platte zugeordnet ist).
Demgemäß ermöglicht eine Verwendung der Erfassungskontakte für Hochimpedanzspannungsmessungen, obwohl sowohl Kraft- als auch Erfassungskontakte zugeordnete Kontaktwiderstände aufweisen, dass die Erfassungskontaktwiderstände bei der Messung einer induzierten Hall-Spannung ignoriert werden (in 3 veranschaulicht, indem Kraftkontaktwiderstände, jedoch nicht Erfassungskontaktwiderstände gezeigt sind). Beispielsweise kann bzw. können bei einem Ausführungsbeispiel ein angelegter Strom bzw. angelegte Ströme seitens einer Stromquelle 302 gegenüberliegenden Kraftkontakten F₁ und F₃ bereitgestellt werden, um einen angelegten Strom in einem aktiven Bereich der Hall-Platte zu erzeugen, was eine Potentialdifferenz zwischen orthogonalen gegenüberliegenden Erfassungskontakten S2 und S4 in der Gegenwart eines Magnetfeldes bewirkt. Die Verwendung getrennter Kraft- und Erfassungskontakte ermöglicht, dass die Messung der Potentialdifferenz zwischen den orthogonalen gegenüberliegenden Erfassungskontakten S₂ und S₄ unter Verwendung einer Hochimpedanzspannungsmessschaltung 304 durchgeführt wird, wodurch der durch den Kontaktwiderstand bewirkte Spannungsabfall verringert/beseitigt wird (z. B. ist der Spannungsabfall, der auf einen Kontaktwiderstand zurückzuführen ist, auf den die Hochimpedanzspannungsmessungsschaltung trifft, gemäß dem ohmschen Gesetz V = IR gering, da der Strom aufgrund der hohen Impedanz des Voltmeters gering ist). Mit anderen Worten wird die Messung einer induzierten Hall-Spannung an Erfassungskontakten durch die Kontaktwiderstände minimal beeinflusst, da der Strom der Messung gering ist.
4 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Hall-Platte 400, die Kraft- und Erfassungskontaktpaare aufweist (die z. B. der Hall-Platte der 2 entspricht und sich durch die Kontakte S₁, F₁–S₃, F₃ erstreckt). Man wird erkennen, dass die Struktur der in 4 veranschaulichten Hall-Platte ein nicht-einschränkendes Ausführungsbeispiel ist, das das hierin bereitgestellte erfindungsgemäße Konzept veranschaulichen soll. Gewöhnlichen Fachleuten wird einleuchten, dass Variationen des Querschnitts der Hall-Platte als in der hierin bereitgestellten Erfindung enthalten gedacht sind. Beispielsweise kann ein Querschnitt der Hall-Platte bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ein Substrat vom n-Typ aufweisen, das eine kleine n-Wanne in einer großen p-Wanne aufweist, wobei die kleine n-Wanne die Hall-Effekt-Vorrichtung ist und die Übergangsisolation entweder zwischen der kleinen n-Wanne und der großen p-Wanne, der großen p-Wanne und dem n-Substrat oder zwischen beiden vorliegt.
Unter Bezugnahme auf 4 weist die Hall-Platte 400 eine Wanne 404 auf, die einen ersten Dotierungstyp aufweist (z. B. leicht n-dotiert) und in einem leitfähigen Substrat 402 gebildet ist, das einen zweiten Dotierungstyp aufweist, der sich von dem ersten Dotierungstyp unterscheidet (z. B. eine p-dotierte Region, die 10¹⁵–10¹⁶ Dotierungsmittel/Kubikzentimeter bei CMOS aufweist). Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die eine Wanne oder können die mehreren Wannen 404 eine Implantation des Substrats, eine Diffusion oder Epitaxialschicht aufweisen. Die entgegengesetzte Dotierung der Wannen 404 und des leitfähigen Substrats 402 kann eine Übergangsisolation der Wannen 404 von einem Rest des leitfähigen Substrats 402 bewirken, wenn geeignete Vorspannungsbedingungen angewendet werden. Die Übergangsisolation führt zu elektrischen Nichtlinearitäten bei der Hall-Platte.
Beispielsweise können die Wanne 404 und das leitfähige Substrat 402 dahin gehend vorgespannt werden, zu bewirken, dass der Übergang zwischen der Wanne 404 und dem leitfähigen Substrat 402 in Sperrrichtung vorgespannt wird, was zu einer nicht-leitenden Verarmungsregion/-schicht 406 führt, die einen isolierenden p-n-Übergang bewirkt, der in einer Richtung nicht-leitend ist (z. B. kann ein positives Potential an die Wanne angelegt werden, während das Substrat geerdet ist). Die Größe der nicht-leitenden Verarmungsregion/-schicht 406 kann sich auf der Basis der Größe der über den Isolationsübergang hinweg angelegten Spannung ändern. Wenn beispielsweise die über den Isolationsübergang hinweg angelegte Sperrspannung zunimmt, nimmt die Größe der Verarmungsschicht 406 zu, wodurch elektrische Nichtlinearitäten bei der Hall-Effekt-Vorrichtung bewirkt werden.
Kraft- und Erfassungskontaktpaare (z. B. F₁ und S₁, F₃ und S₃ usw.) befinden sich in der Wanne 404. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Kraft- und Erfassungskontakte in hochdotierten Kontaktimplantationsregionen gebildet sein, die eine höhere Dotierung aufweisen als die Wanne 404. Eine aktive Region 408 (bei der der Hall-Effekt stattfindet) ist lateral zwischen den Kraft- und Erfassungskontaktpaaren positioniert. Die Dicke der Wanne 404 beträgt üblicherweise etwa 4 μm, wobei die Kraft- und Erfassungskontakte eine Tiefe von zwischen 1 μm und 2 μm aufweisen. Die Breite der Wanne 404 liegt üblicherweise zwischen 50 μm und 100 μm, wobei eine Beabstandung zwischen den Kraftkontakten und Erfassungskontakten (z. B. zwischen F₁ und S₁) zwischen 1 μm und 10 μm liegt und eine Beabstandung zwischen den Erfassungskontakten S₁ und S₃ zwischen 20 μm und 100 μm liegt.
Obwohl 4 Kraftkontakte (z. B. F₁ und F₃) und Erfassungskontakte (z. B. S₁ und S₃) veranschaulicht, die in derselben Implantationswanne gebildet sind, wird Fachleuten einleuchten, dass die Hall-Effekt-Vorrichtung mehr als eine Wanne aufweisen kann, wobei der Kraft- und Erfassungskontakt in verschiedenen Wannen gebildet sein kann. Beispielsweise können die Kraftkontakte (z. B. F₁ und F₃) in einer tieferen Wanne gebildet sein als die Erfassungskontakte (z. B. S₁ und S₃).
Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein Kraftkontakt (z. B. F₁) eines Kraft- und Erfassungskontaktpaares näher an dem Außenrand der Hall-Platte angeordnet sein als ein zugeordneter Erfassungskontakt des Kontaktpaares (z. B. S₁) (d. h. die Erfassungskontakte befinden sich näher bei der Mitte der Hall-Platte, und die Kraftkontakte befinden sich näher an ihrem Außenrand). Wie in 4 gezeigt ist, ist der Abstand d₁ zwischen der Kante des Kraftkontakts F₁ und dem Außenrand der Hall-Platte kleiner als der Abstand d₂ zwischen der Kante des Erfassungskontakts S₁ und dem Außenrand der Hall-Platte. Eine derartige Platzierung eines Kraftkontakts (z. B. F₁) ermöglicht, dass ein angelegter Strom, der an dem Kraftkontakt eingespeist wird, durch die Hall-Platte wandert. Bei einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel ist die Beabstandung zwischen Kraft- und Erfassungskontakten d₃ (z. B. Beabstandung zwischen F₃ und S₃) eines Kontaktpaares geringer als die Beabstandung zwischen Erfassungskontakten d₄ (z. B. Beabstandung zwischen S₃ und S₁) zweier gegenüberliegender Kontaktpaare.
Man wird erkennen, dass, obwohl 2–4 eine laterale Hall-Platte veranschaulichen, die Konfiguration der lateralen Hall-Platte ein nicht-einschränkendes Ausführungsbeispiel einer Hall-Effekt-Vorrichtung ist, auf das die vorliegende Erfindung angewendet werden kann. Fachleuten wird einleuchten, dass die hierin vorgesehenen Kraft- und Erfassungskontaktpaare auch auf andere Hall-Effekt-Vorrichtungen angewendet werden können (z. B. eine vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung, wobei die vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung dazu angeordnet ist, ein Magnetfeld zu erfassen, das sich allgemein parallel zu der Oberfläche der Vorrichtung erstreckt, wie nachfolgend in 11a–11d gezeigt ist).
Bei zusätzlichen Ausführungsbeispielen kann die Auswirkung des Kontaktwiderstands auf den Nullpunktversatz einer Hall-Effekt-Vorrichtung weiter verringert werden, indem insbesondere das Spannungspotential an den Erfassungskontaktausgangsanschlüssen der Hall-Effekt-Vorrichtung durch die Verwendung einer oder mehrerer Hochimpedanz-Rückkopplungsschaltungen gesteuert wird, die dazu konfiguriert sind, Kontaktwiderstände zu detektieren und den Spannungsabfall an diesen Kontaktwiderständen zu korrigieren. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die eine oder die mehreren Rückkopplungsschaltungen mit einem oder mehreren Kraft- und Erfassungskontaktpaaren gekoppelt und dazu konfiguriert, einen Spannungspotentialwert an einem Erfassungskontakt zu erfassen und Rückkopplungssignale (z. B. Ströme) an einen zugeordneten Kraftkontakt zu liefern, wobei das Rückkopplungssignal das Spannungspotential an dem Erfassungskontakt definiert. Eine Messung der Rückkopplungssignale ermöglicht im Wesentlichen eine Messung der induzierten Hall-Spannung, ohne Spannungsabfälle, die durch den Widerstand der Kontakte bewirkt werden, zu „sehen”.
Beispielsweise bewirkt der Widerstand eines Kraftkontakts, dass ein Strom, der über den Kraftkontakt hinweg fließt, zu einem schlecht definierten Spannungsabfall führt. Unter Verwendung der Erfassungskontakte kann eine Hochimpedanz-Rückkopplungsschaltung diese schlecht definierte Spannung detektieren und ein Rückkopplungssignal bereitstellen, das den geringen Spannungsabfall eventuell wieder hinzufügt, um ein wohldefiniertes Potential zu erzeugen. Um beispielsweise die Hall-Platte mit 2 V zu versorgen, kann an dem Kraftkontakt F₁ ein Potential von 2 V angelegt werden. Aufgrund des Widerstands des Kraftkontakts kann jedoch die Hochimpedanz-Rückkopplungsschaltung an einem zugeordneten Erfassungskontakt S₁ das Potential von 1,9 V messen (da 0,1 V über den Kontaktwiderstand des Kraftkontakts hinweg verloren ging). Die Rückkopplungsschaltung kann an dem Kraftkontakt F₁ ein Rückkopplungssignal liefern, das den Kontaktwiderstand berücksichtigt, sodass der Erfassungskontakt S₁ das gewünschte Potential von 2 V aufweist.
Demgemäß kann bei zusätzlichen Ausführungsbeispielen das durch eine oder mehrere Ausgangsanschlussrückkopplungsschaltungen erzeugte Rückkopplungssignal über einen Strom-Spinning-Zyklus (Stromdrehzyklus) hinweg gemessen und verarbeitet werden, um Nullpunktversatzspannungen, die durch die Resteffekte eines Kontaktwiderstands bewirkt werden, der in einer Hall-Effekt-Vorrichtung verbleibt, unter Verwendung von Kraft- und Erfassungskontaktpaaren zu beseitigen. 5a–8b veranschaulichen verschiedene Konfigurationen von Rückkopplungsschaltungen, die dazu verwendet werden können, den Nullpunktversatz einer Hall-Effekt-Vorrichtung ferner zu beseitigen, indem das Spannungspotential an verschiedenen Erfassungskontakten der Hall-Effekt-Vorrichtung (z. B. Hall-Platte) aktiv gesteuert wird. Insbesondere veranschaulichen die 5a–8b verschiedene Konfigurationen, die diverse Betriebsmodi (z. B. Gleichtaktbetrieb, Differentialbetrieb usw.) für eine Hall-Effekt-Vorrichtung ermöglichen.
Es wird einleuchten, dass 5a–8b eine einzelne Taktphase eines Strom-Spinning-Zyklus veranschaulichen. Über einen vollständigen Strom-Spinning-Zyklus hinweg können die veranschaulichten Referenzpotentiale und/oder Rückkopplungsschaltungsverbindungen einem Zyklus unterworfen werden, um den angelegten und induzierten Strom über eine Drehung von 360° hinweg zu verändern. Beispielsweise veranschaulicht 5a die Referenzpotentialwerte (z. B. U₁ = 2 V, U₃ = 0,5 V) bei einem ersten Taktzyklus 1, während die Referenzpotentiale bei einem zweiten Taktzyklus 2 um 90° gedreht sein können (z. B. sodass U₂ = 2 V und U₄ = 0,5 V), und bei einem dritten Taktzyklus 3 die Referenzpotentiale um 180° gedreht sein können (z. B. sodass U₃ = 2 V und U₁ = 0,5 V) und bei einem vierten Taktzyklus 4 die Referenzpotentiale um 270° gedreht sein können (z. B. sodass U₄ = 2 V und U₂ = 0,5 V). Ferner wird einleuchten, dass die Sequenz von Taktzyklen (z. B. Taktzyklen 1, 2, 3, 4) zu Taktzyklen 4-3-2-1 umgekehrt werden kann oder zu Taktzyklen 1-3-2-4, Taktzyklen 1-3-4-2 oder sogar zu einer stochastischen Neuzuweisung geändert werden kann, um thermoelektrische Fehler zu eliminieren. Man kann zur besseren Unterdrückung von Nullpunktversatzspannungen außerdem mehrere Hall-Effekt-Vorrichtungen mit verschiedenen Sequenzen von Taktzyklen verwenden.
Bei einem Ausführungsbeispiel, in 5a gezeigt, kann eine Hall-Effekt-Vorrichtung 500 eine Mehrzahl von Rückkopplungsschaltungen 504 aufweisen, die mit jeweiligen Kraft- und Erfassungskontaktpaaren einer Hall-Platte 502 gekoppelt sind, um das Spannungspotential an den Erfassungskontakten bei wohldefinierten Werten zu regeln (z. B. wird das Potential an dem Erfassungskontakt S₁ durch eine zweckgebundene Rückkopplungsschaltung FB₁ gesteuert, das Potential an dem Erfassungskontakt S₂ wird durch eine zweckgebundene Rückkopplungsschaltung FB₂ gesteuert usw.). Insbesondere wird dadurch, dass die Rückkopplungsschaltungen 504 mit einem Kraftkontakt- und einem Erfassungskontaktpaar gekoppelt werden (z. B. Koppeln eines Hochimpedanz-Rückkopplungsschaltung-Eingangsknotens mit einem oder mehreren Erfassungskontakten und eines Rückkopplungsschaltungsausgangsknotens mit einem oder mehreren Kraftkontakten), eine Rückkopplungsschleife gebildet, die ein Rückkopplungssignal (z. B. Rückkopplungsstrom I_n, wobei n = 1, 2, 3, 4) an einen Kraftkontakt liefert, um das Spannungspotential an einem zugeordneten Erfassungskontakt bei einem wohldefinierten Spannungspotentialwert zu halten. Beispielsweise kann die Rückkopplungsschaltung FB₁ dazu konfiguriert sein, einen Rückkopplungsstrom I₁ an einen Kraftkontakt F₁ zu liefern, um das elektrische Potential an einem zugeordneten Erfassungskontakt S₁ bei einem wohldefinierten Spannungspotential zu halten. Eine derartige Rückkopplungsschaltungskonfiguration ermöglicht eine Steuerung der Differenzspannung und/oder der Gleichtaktspannung zwischen den orthogonalen, räumlich gegenüberliegenden Erfassungskontaktausgangsanschlüssen.
Da jedes Kontaktpaar gesonderte Kraft- und Erfassungskontakte aufweist, kann jeder Erfassungskontakt einer zugeordneten Rückkopplungsschaltung ein Ausgangssignal bereitstellen. Wie beispielsweise in 5a gezeigt ist, können Erfassungskontakte S₁ und S₂, die den Versorgungsanschlüssen zugeordnet sind, dazu verwendet werden, Ausgangssignale zu messen, die Ausgangspotentiale in der aktiven Hall-Region (die z. B. nicht von dem angelegten Magnetfeld abhängen) zugeordneten Rückkopplungsschaltungen FB₁ und FB₃ bereitstellen. Erfassungskontakte S₂ und S₄, die den Ausgangsanschlüssen zugeordnet sind, liefern ein Ausgangssignal, das von dem angelegten Magnetfeld abhängt.
Bei einem Ausführungsbeispiel können zwei der Rückkopplungsschaltungen dazu konfiguriert sein, wohldefinierte Spannungspotentiale an räumlich gegenüberliegenden Versorgungsanschlüssen zu erzielen, wobei zwei zusätzliche Rückkopplungsschaltungen dazu konfiguriert sein können, wohldefinierte Spannungspotentiale zu erzielen, die für orthogonale, räumlich gegenüberliegende Ausgangsanschlüsse im Wesentlichen dieselben sind. Falls beispielsweise Referenzpotentiale U₁ und U₃ auf unterschiedliche Werte festgelegt werden (z. B. Referenzpotential U₁ = 3 V, Referenzpotential U₃ = 0,5 V), liefern die Rückkopplungsschaltungen FB₁ und FB₃ den Strom I₁ bzw. I₃ an die Kraftkontakte F₁ und F₃, um zugeordnete Erfassungskontakte auf unterschiedliche Spannungen zu treiben, die bewirken, dass in der aktiven Region der Hall-Effekt-Vorrichtung ein angelegter Strom fließt (z. B. von S₁ zu S₃). In Abwesenheit eines Magnetfeldes befindet sich das Spannungspotential an den Erfassungskontakten S₄ und S₂ auf demselben Potential. Jedoch erzeugt die Gegenwart eines Magnetfeldes des angelegten Stroms eine induzierte Spannung, die bewirkt, dass die Spannungspotentiale an den Erfassungskontakten S₂ und S₄ unterschiedlich sind. Falls die Spannungspotentiale bei S₂ und S₄ dahin gehend gesteuert sind, dass sie in der Gegenwart eines Magnetfeldes identisch sind, liefern die Rückkopplungsschaltungen FB₂ und FB₃ einen Rückkopplungsstrom I₂ bzw. I₄, um die identischen Spannungspotentiale zu erzielen.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann eine Verarbeitungseinheit 506 die Differenz zwischen den Rückkopplungsströmen, die an die orthogonalen, räumlich gegenüberliegenden Ausgangserfassungskontakte angelegt sind (z. B. I₂ und I₄), über einen Spinning-Zyklus (Spinning-Zyklus) hinweg messen, um die Auswirkung des restlichen Nullpunktversatzes, der auf Kontaktwiderstände zurückzuführen ist, effektiv zu beseitigen. Insbesondere ist die Differenz zwischen den Rückkopplungsströmen I₂ und I₄, die räumlich gegenüberliegenden Erfassungskontakten bereitgestellt werden, im Wesentlichen linear abhängig (wobei linear abhängig bedeutet: (I₄ – I₂) = k·B + c, wobei B das Magnetfeld ist, k eine Konstante ist und c der Versatz ist), sodass die Differenz zwischen den Rückkopplungsströmen I₂ und I₄ über einen vollständigen Spinning-Zyklus hinweg gemessen und verarbeitet (z. B. subtrahiert) werden kann, um eine Magnetfeldmessung vorzusehen, die einen verringerten Nullpunktversatz aufweist.
5b veranschaulicht eine exemplarische Rückkopplungsschaltung 508 (die z. B. der Rückkopplungsschaltung FB₁ in 5a entspricht), die eine Transkonduktanz-Eingangsstufe TC₁ und eine stromgesteuerte Stromquelle CCCS₁ aufweist. Die Transkonduktanz-Eingangsstufe TC₁ weist einen positiven nicht-invertierenden Eingang (+) und einen negativen invertierenden Eingang (–) auf. Die Transkonduktanz-Eingangsstufe TC₁ ist dazu konfiguriert, einen Strom I_TC auszugeben, der proportional zu der Spannung zwischen ihrem nicht-invertierenden (+) und invertierenden (–) Eingang ist. Falls die Spannung an dem nicht-invertierenden Eingang bezüglich des invertierenden Eingangs positiv ist, ist der Ausgangsstrom I_TC positiv. Falls die Spannung an dem nichtinvertierenden Eingang bezüglich des invertierenden Eingangs negativ ist, ist der Ausgangsstrom I_TC negativ.
Der Ausgangsstrom I_TC der Transkonduktanzstufe TC₁ wird an CCCS₁ geliefert, das an einen Kraftkontakt F₁ einen Rückkopplungsstrom I₁ ausgibt, um das Spannungspotential an einem zugeordneten Erfassungskontakt auf das Referenzspannungspotential U₁ zu treiben (z. B. wird der Rückkopplungsstrom I₁ an F₁ geliefert, um die Spannungspotentiale bei S₁ so zu treiben, dass sie gleich U₁ sind). Falls TC₁ einen großen Proportionalitätsfaktor aufweist, kann eine geringe Spannungsdifferenz zwischen den invertierenden Eingängen einen großen Ausgangsstrom an CCCS₁ liefern, da I₁ proportional zu dem Strom I_TC ist und unabhängig von dem Kontaktwiderstand ist, an den der Strom geliefert wird.
Deshalb speist die Rückkopplungsschaltung (z. B. FB₁) während des Betriebs in dem Fall, dass das Spannungspotential an einem Erfassungskontakt (z. B. S₁) niedriger ist als das Referenz- oder Zielspannungspotential der Rückkopplungsschaltung (z. B. U₁), einen großen positiven Strom (z. B. I₁) in einen Kraftkontakt (z. B. F₁) zu der Hall-Effekt-Vorrichtung ein, um das Potential an dem Erfassungskontakt (z. B. S₁) zu erhöhen, bis es gleich der Referenzspannung (z. B. U₁) ist. Desgleichen reduziert die Rückkopplungsschaltung (z. B. FB₁) in dem Fall, dass das Spannungspotential an einem Erfassungskontakt (z. B. S₁) höher ist als das Referenz- oder Zielspannungspotential der Rückkopplungsschaltung (z. B. U₁), ihren Ausgangsstrom, der an einen Kraftkontakt (z. B. F₁) der Hall-Effekt-Vorrichtung geliefert wird, drastisch, wodurch sie das Potential an dem Erfassungskontakt (z. B. S₁) verringert, bis es gleich der Referenzspannung (z. B. U₁) ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Referenzspannungspotential dahin gehend gewählt werden, zu gewährleisten, dass eine Rückkopplungsschaltung den Kraftkontakten einen Strom zuführt. Falls beispielsweise Rückkopplungsschaltungen FB₁ und FB₃ dazu konfiguriert sind, Referenzpotentiale U₁ = 2 V bzw. U₃ = 0,5 V zu haben, kann eine nichtlineare Hall-Platte bei einem Nullmagnetfeld ein Spannungspotential von 1,1 V bei S₂ und S₄ aufweisen. Eine Standardabweichung einer Versatzspannung von 1,3 mV (z. B. einem Six-Sigma-Wert von 7,8 mV) bei einem Nullmagnetfeld und einem zwischen S₂ und S₄ messbaren maximalen Spannungshub von 20 mV, der auf ein maximales angelegtes Magnetfeld zurückzuführen ist, sehen ein Potential bei S₂ und S₄ vor, das eine Obergrenze von 1,1 V + (7,8 mV + 20 mV/2) = 1,1178 V aufweist. Deshalb bewirkt ein Auswählen von U₂ = U₄ = 1,2 V, dass CCCS₂ und CCCS₄ einen Strom zuführen.
6 veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Hall-Platten-Rückkopplungsschaltungskonfiguration 600, bei der zwei Rückkopplungsschaltungen, FB₁ und FB₃, mit räumlich gegenüberliegenden Kraft- und Erfassungskontaktpaaren gekoppelt sind. Die Rückkopplungsschaltungen FB₁ und FB₃ sind dazu konfiguriert, Strom gegenüberliegenden Kraftkontaktversorgungsanschlüssen zuzuführen, um die Spannungspotentiale bei S₁ größer festzulegen als das Spannungspotential bei S₃ (z. B. U₁ = 3 V, U₃ = 0,5 V), wodurch bewirkt wird, dass die Rückkopplungsschaltungen einen angelegten Strom erzeugen, der in der aktiven Region der Hall-Platte fließt. Insbesondere erzeugt eine Rückkopplungsschaltung FB₁ einen Rückkopplungsstrom I₁, der dem Kraftkontakt F₁ bereitgestellt wird, um das Spannungspotential bei einem zugeordneten Erfassungskontakt S₁ auf einem ersten wohldefinierten Wert zu halten. Desgleichen erzeugt eine Rückkopplungsschaltung FB₃ einen Rückkopplungsstrom I₃, der dem Kraftkontakt F₃ bereitgestellt wird, um das Spannungspotential an einem zugeordneten Erfassungskontakt S₃ auf einem zweiten wohldefinierten Wert zu halten, der kleiner ist als der erste wohldefinierte Wert. Da keine Rückkopplungsschaltungen mit S₂ und S₄ gekoppelt sind, steht es der Hall-Platte frei, ein gewisses Spannungspotential bei S₂ und S₄ herzustellen. Ein Messelement 604 ist dazu konfiguriert, das Spannungspotential zwischen S₂ und S₄ zu messen. Gemessene Spannungen können durch eine Verarbeitungseinheit 606 verarbeitet werden, die dazu konfiguriert ist, einen Magnetfeldwert anhand der gemessenen Spannung über einen vollständigen Spinning-Zyklus hinweg zu berechnen, um ein Magnetfeld mit einem verringerten Nullpunktversatz zu berechnen.
Deshalb verwendet 6 Rückkopplungsschaltungen, um einen Strom an den Kraftkontaktversorgungsanschlüssen der Hall-Vorrichtung zu treiben, im Gegensatz zu 5a, die Rückkopplungsschaltungen sowohl bei Kraftkontaktversorgungsanschlüssen als auch Erfassungskontaktausgangsanschlüssen der Hall-Vorrichtung verwendet.
7a veranschaulicht ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer Hall-Platten-Rückkopplungsschaltungskonfiguration 700, die Rückkopplungsschaltungen aufweist, die dazu konfiguriert sind, in einem Differentialbetriebsmodus zu arbeiten. Wie in 7a gezeigt ist, sind Rückkopplungsschaltungen FB₁ und FB₃ mit räumlich gegenüberliegenden Kraft- und Erfassungskontaktpaaren gekoppelt, um in der aktiven Region der Hall-Platte einen angelegten Strom zu erzeugen. Eine Differenzrückkopplungsschaltung FB_DIFF ist dazu konfiguriert, eine induzierte Spannungsdifferenz zwischen den Erfassungskontakten S₂ und S₄ zu messen. Auf der Basis der gemessenen Spannungsdifferenz ist die Differenzrückkopplungsschaltung FB_DIFF dazu konfiguriert, einen Differenzrückkopplungsstrom I₄ zu erzeugen, der dem Kraftkontakt F₄ bereitgestellt wird, um die Spannungsdifferenz zwischen den Erfassungskontakten S₂ und S₄ zu steuern, um eine wohldefinierte Spannungspotentialdifferenz zwischen denselben zu bilden. Wie in 7a gezeigt ist, ist die Differenzrückkopplungsschaltung FB_DIFF deshalb dazu konfiguriert, einen Differenzrückkopplungsstrom I₄ zu liefern, der zu der Differenz des Spannungspotentials zwischen dem Erfassungskontakt S₂ und dem Erfassungskontakt S₄ proportional ist, sodass die Spannungsdifferenz über S₂ – S₄ hinweg gleich 0 V ist. Durch Messen des Differenzrückkopplungsstroms, der aus der Differenzrückkopplungsschaltung FB_DIFF ausgegeben wird, über einen vollständigen Spinning-Zyklus hinweg und durch ein Verarbeiten der gemessenen Differentialrückkopplungsströme kann ein Magnetfeld berechnet werden, das einen verringerten Nullpunktversatz aufweist.
7b veranschaulicht eine exemplarische Differenzrückkopplungsschaltung 704, die einem Differenzknoten 702a und einer Rückkopplungsschaltung 702b in 7a entspricht. Wie in 7b gezeigt ist, kann die Differenzrückkopplungsschaltung 704 eine Transkonduktanz-Eingangsstufe TC_DIFF aufweisen, die als einfacher Operationsverstärker fungiert, sodass die an den Differentialeingängen IN_S2 und IN_S4 empfangenen Eingangssignale das Spannungspotential an den Erfassungskontakten S₂ und S₄ aufweisen. Die Transkonduktanz-Eingangsstufe TC_DIFF gibt einen Strom I_TC, der proportional zu der Spannung zwischen ihren Differentialeingängen ist, an eine stromgesteuerte Stromquelle CCCS_DIFF aus, die einen Differenzrückkopplungsstrom I₄ an einen Kraftkontakt F₄ ausgibt, um die Differenzspannung zwischen den Erfassungskontakten S₄ und S₂ auf einen Referenzwert (z. B. U_DIFF) zu treiben.
8a und 8b veranschaulichen zusätzliche alternative Ausführungsbeispiele von Hall-Effekt-Vorrichtung-Rückkopplungsschaltungskonfigurationen, die Rückkopplungsschaltungen aufweisen, die jeweils für eine bestimmte Nutzung vorgesehen sind. Insbesondere veranschaulichen 8a und 8b eine zweckgebundene Zufuhr-Rückkopplungsschaltung FB_SRC, eine zweckgebundene Ableit-Rückkopplungsschaltung FB_SNK, eine zweckgebundene Gleichtaktrückkopplungsschaltung FB_CM und eine zweckgebundene Differenzrückkopplungsschaltung FB_DIFF. Die zweckgebundene Zufuhr-Rückkopplungsschaltung FB_SRC kann dazu konfiguriert sein, ein Hochspannungs-Rückkopplungssignal zu erzeugen, das ein Versorgungsanschlusskontaktpaar der Hall-Effekt-Vorrichtung auf eine hohe Spannung treibt. Die zweckgebundene Ableit-Rückkopplungsschaltung FB_SNK kann dazu konfiguriert sein, ein Niederspannungs-Rückkopplungssignal zu erzeugen, das ein gegenüberliegendes Versorgungsanschlusskontaktpaar auf eine niedrige Spannung treibt. Die zweckgebundene Gleichtaktrückkopplungsschaltung FB_CM kann dazu konfiguriert sein, ein Rückkopplungssignal zu erzeugen, das orthogonale Ausgangsanschlusskontaktpaare auf ein Spannungspotential eines mittleren Pegels (z. B. (S₂ + S₄)/2) treibt, wohingegen die zweckgebundene Differenzrückkopplungsschaltung FB_DIFF dazu konfiguriert sein kann, ein Rückkopplungssignal zu erzeugen, das orthogonale Ausgangsanschlusskontaktpaare auf eine Differenzausgangsspannung von null treibt.
Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann die Hall-Effekt-Vorrichtung-Rückkopplungsschaltungskonfiguration ferner eine Schaltmatrix 802 aufweisen, die dazu konfiguriert ist, die zweckgebundenen Rückkopplungsschaltungen gemäß einer Sequenz von Taktzyklen mit Kontaktpaaren zu verbinden, sodass jede Rückkopplungsschaltung für ihren vorgesehenen Zweck arbeitet. Die Verwendung zweckgebundener Rückkopplungsschaltungen kann eine Optimierung der Rückkopplungsschaltungen für ihre vorgesehene Nutzung ermöglichen. Beispielsweise kann die Differenzrückkopplungsschaltung FB_DIFF, die die Differenz von Strömen ermittelt, die dazu verwendet werden, das Spannungspotential über orthogonale Erfassungskontakte hinweg auf null zu zwingen, auf ein niedriges Rauschen hin optimiert sein, wohingegen die anderen drei Rückkopplungsschaltungen weniger rauschempfindlich sein dürfen.
Ferner kann die Verwendung zweckgebundener Rückkopplungsschaltungen während des Betriebs ermöglichen, dass das System auf zweierlei Arten und Weisen betrieben wird: Verwendung der Differenzrückkopplungsschaltung FB_DIFF, um eine Spannungsdifferenz (z. B. festgelegte Differenzrückkopplungsschaltung = 0 V) zwischen orthogonalen Erfassungskontaktausgangsanschlüssen (z. B. S₂ und S₄) zu steuern, oder Verwenden der Gleichtaktrückkopplungsschaltung FB_DIFF, um die absolute Spannung (z. B. festgelegtes Gleichtaktspannungspotential = 1,2 V) der orthogonalen Erfassungskontaktausgangsanschlüsse zu steuern.
Wie in 8a gezeigt ist, weist die Hall-Effekt-Vorrichtung-Rückkopplungsschaltungskonfiguration 800 beispielsweise eine Gleichtaktrückkopplungsschaltung FB_CM auf, die dazu konfiguriert ist, die Summe von Spannungspotentialen an den Erfassungskontakten S₂ und S₄ zu empfangen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Summierung in der Gleichtaktrückkopplungsschaltung FB_CM durchgeführt werden. Die Gleichtaktrückkopplungsschaltung FB_CM dividiert die Summierung von Spannungspotentialen durch zwei und gibt einen Strom I₂ aus, der die Erfassungskontakte S₂ und S₄ auf ein Spannungspotential treibt, das gleich (S₂ + S₄)/2 ist (d. h. sie legt U_CM = (S₂ + S₄)/2 fest). Da I₂ positiv oder negativ sein kann, ist die Gleichtaktrückkopplungsschaltung in der Lage, einen bipolaren Ausgangsstrom zu erzeugen (d. h. ist in der Lage, Ausgangsströme zuzuführen und abzuleiten).
Die Differenzrückkopplungsschaltung FB_DIFF ist dazu konfiguriert, die Differenz von Spannungspotentialen an den Erfassungskontakten S₂ und S₄ zu empfangen und die Differenz mit 0 V zu vergleichen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Differenz in der Differenzrückkopplungsschaltung FB_DIFF berechnet werden (wie z. B. in 7b gezeigt ist). Die Differenzrückkopplungsschaltung FB_DIFF gibt anschließend einen Strom I₄ aus, der die Erfassungskontakte S₂ und S₄ auf ein Differenzspannungspotential von null Volt treibt. Da I₄ positiv oder negativ sein kann, ist die Differenzrückkopplungsschaltung in der Lage, einen bipolaren Ausgangsstrom zu erzeugen (d. h. ist in der Lage, Ausgangsströme zuzuführen und abzuleiten).
8b veranschaulicht ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Hall-Effekt-Vorrichtung-Rückkopplungsschaltungskonfiguration 804, bei der sowohl die Differenzrückkopplungsschaltung FB_DIFF als auch die Gleichtaktrückkopplungsschaltung FB_CM zwei Rückkopplungsausgänge F_A und F_B aufweisen. Die Gleichtaktrückkopplungsschaltung FB_CM weist zwei Rückkopplungsausgänge F_A und F_B auf, die dazu konfiguriert sind, identische Rückkopplungsströme auszugeben. Die Differenzrückkopplungsschaltung FB_DIFF weist ebenfalls zwei Rückkopplungsausgänge F_A und F_B auf, die dazu konfiguriert sind, invertierte Ausgänge auszugeben (z. B. F_A = –F_B). Falls also die Differenzrückkopplungsschaltung FB_DIFF einen Strom bei F_A zuführt, leitet sie denselben Strom bei F_B ab, und umgekehrt.
Bei einem Ausführungsbeispiel können die Rückkopplungsschaltungen unter Verwendung einer adaptiven Steuereinheit 902 dahin gehend gesteuert werden, das Referenzpotential während des Betriebs zu verändern, wie in 9 gezeigt ist. Insbesondere kann die adaptive Steuereinheit 902 mit einer Hall-Effekt-Vorrichtung-Rückkopplungsschaltungskonfiguration 904 (die z. B. den in 5a, 6, 7a, 8a, 8b gezeigten Hall-Effekt-Vorrichtung-Rückkopplungsschaltungskonfigurationen entspricht) gekoppelt sein und ist dazu konfiguriert, die Referenzpotentiale U_x (x = 1, ... 4) unter Verwendung einiger adaptiver Steuertechniken zu steuern. Beispielsweise kann die adaptive Steuereinheit 902 bei einem Ausführungsbeispiel die mittleren Rückkopplungsströme beobachten, die in Ausgangskontaktpaare eingespeist werden (z. B. in Kontaktpaare 2 und 4 in der ersten und dritten Taktphase und in Kontaktpaare 1 und 3 in der zweiten und vierten Taktphase). Die adaptive Steuereinheit 902 kann anschließend den zeitlichen Mittelwert über mehrere vollständige Taktsequenzen (z. B. über 2 oder 200 oder 20.000 Zyklen) hinweg berechnen und kann die Referenzpotentiale anpassen, bis der mittlere Rückkopplungsstrom in die Ausgangspaare null beträgt.
10 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Strom-Spinning-Verfahrens für eine Hall-Platte, die eine Mehrzahl von Kraft- und Erfassungskontaktpaaren, wie sie hierin vorgesehen sind, aufweist, über einen Spinning-Zyklus hinweg, der eine Mehrzahl von Taktphasen (z. B. Taktphasen 1002, 1008, 1014 und 1018) aufweist. Obwohl das Verfahren 1000 nachstehend als Serie von Handlungen oder Ereignissen veranschaulicht und beschrieben wird, wird einleuchten, dass die veranschaulichte Reihenfolge derartiger Handlungen oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinn zu interpretieren ist. Beispielsweise können manche Handlungen in anderer Reihenfolge und/oder gleichzeitig mit anderen Handlungen oder Ereignissen, abgesehen von den hierin veranschaulichten und/oder beschriebenen, auftreten. Außerdem sind eventuell nicht alle veranschaulichten Handlungen erforderlich, um einen oder mehrere Aspekte oder ein oder mehrere Ausführungsbeispiele der Offenbarung hierin zu implementieren. Auch kann bzw. können eine oder mehrere der hierin gezeigten Handlungen in einer oder mehreren getrennten Handlungen und/oder Phasen durchgeführt werden.
Ferner kann der beanspruchte Gegenstand als Verfahren, Apparatur oder Herstellungsartikel, das bzw. die bzw. der standardmäßige Programmierungs- und/oder Konstruktionstechniken verwendet, implementiert werden, um Software, Firmware, Hardware oder eine beliebige Kombination derselben zu erzeugen, um einen Computer dahin gehend zu steuern, den offenbarten Gegenstand zu implementieren (z. B. ist die in 5a gezeigte Schaltung nicht-einschränkende Beispiele von Schaltungen, die zum Implementieren des Verfahrens 1000 verwendet werden können). Der Begriff „Herstellungsartikel”, wie er hierin verwendet wird, soll ein Computerprogramm einschließen, das von einer bzw. einem beliebigen computerlesbaren Vorrichtung, Träger oder Medium aus zugänglich ist. Selbstverständlich wird Fachleuten einleuchten, dass an dieser Konfiguration viele Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang oder der Wesensart des beanspruchten Gegenstands abzuweichen.
11a–11d veranschaulichen exemplarische Querschnittsskizzen einer vertikalen Hall-Vorrichtung 1100. Eingangs- und Ausgangsanschlüsse weisen Kontakte F₁, S₁, ... S₄, F₄ auf, die sich an der Oberfläche des Chips befinden (wobei sich z. B. Drähte auf denselben befinden), während ein Rechteck 1102 die leicht n-dotierte Wanne bezeichnet. Die vertikale Hall-Vorrichtung 1100 weist eine Geometrie auf, die einen langen schmalen Streifen aufweist, wobei der Eingangs- und der Ausgangsanschluss an einer einzelnen geraden Linie und in einer abwechselnden Reihenfolge aufgereiht sind, sodass ein Eingangsanschluss zwischen zwei Ausgangsanschlüssen vorliegt (z. B. F₂ zwischen S₂ und S₃), und umgekehrt (z. B. S₂ zwischen F₁ und F₂). 11a–11d zeigen eine Sequenz von Strömen, die an die verschiedenen Kraftkontakte der vertikalen Hall-Vorrichtung während der Mehrzahl von Taktphasen des Verfahrens 1000 angelegt werden, wobei sie die Verwendung von Kraft/Erfassungs-Kontaktpaaren bei einer vertikalen Hall-Vorrichtung veranschaulichen.
Bei 1004 wird während der ersten Taktphase 1002 ein Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₁ auf einen Wert festgelegt, der größer ist als ein Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₃, was dazu führt, dass ein Strom von dem Kraftkontakt F₁ zu dem Kraftkontakt F₃ fließt, wie in 11a gezeigt ist. Ferner werden die Ströme I₂ und I₄ an die Kraftkontakte F₂ und F₄ geliefert, um das Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₂ gleich dem Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₄ festzulegen.
Bei 1006 wird während der ersten Taktphase 1002 die Differenz zwischen den angelegten Strömen I₄ – I₂ berechnet.
Bei 1010 wird während der zweiten Taktphase 1008 ein Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₂ auf einen Wert festgelegt, der größer ist als ein Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₄, was dazu führt, dass ein Strom von dem Kraftkontakt F₂ zu dem Kraftkontakt F₄ fließt, wie in 11b gezeigt ist. Ferner werden die Ströme I₃ und I₁ an die Kraftkontakte F₃ und F₁ geliefert, um das Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₃ gleich dem Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₁ festzulegen.
Bei 1012 wird während der zweiten Taktphase 1008 die Differenz zwischen den angelegten Strömen I₁ – I₃ berechnet.
Bei 1016 wird während der dritten Taktphase 1014 ein Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₃ auf einen Wert festgelegt, der größer ist als ein Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₁, was dazu führt, dass ein Strom von dem Kraftkontakt F₃ zu dem Kraftkontakt F₁ fließt, wie in 11c gezeigt ist. Ferner werden die Ströme I₄ und I₂ an die Kraftkontakte F₄ und F₂ geliefert, um das Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₄ gleich dem Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₂ festzulegen.
Bei 1014 wird während der dritten Taktphase 1014 die Differenz zwischen den angelegten Strömen I₂ – I₄ berechnet.
Bei 1022 wird während der vierten Taktphase 1020 ein Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₄ auf einen Wert festgelegt, der größer ist als ein Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₂, was dazu führt, dass ein Strom von dem Kraftkontakt F₄ zu dem Kraftkontakt F₂ fließt, wie in 11d gezeigt ist. Ferner werden die Ströme I₁ und I₃ an die Kraftkontakte F₁ und F₃ geliefert, um das Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₁ gleich dem Spannungspotential an dem Erfassungskontakt S₃ festzulegen.
Bei 1024 ist während der vierten Taktphase 1020 die Differenz zwischen den angelegten Strömen I₃ – I₁ linear abhängig von dem Kontaktwiderstand.
Bei 1026 werden die berechneten Differenzen zwischen den angelegten Strömen summiert (z. B. (I₄ – I₂) + (I₁ – I₃) + (I₂ – I₄) + (I₃ – I₁)). Die summierte Differenz ist linear abhängig von dem angelegten Magnetfeld, und bei einem Magnetfeld von null verschwindet sie im Wesentlichen (d. h. sie weist einen Versatzfehler unterhalb 1 μT auf). Bei einem Ausführungsbeispiel sind die in den Taktphasen 1002, 1008, 1014, 1020 angelegten Versorgungsspannungen gleich, was bedeutet, dass das Potential bei S₁ der Taktphase 1002 = Potential bei S₂ der Taktphase 1008 = Potential bei S₃ der Taktphase 1014 = Potential bei S₄ der Taktphase 1020; und das Potential bei S₃ der Taktphase 1002 = Potential bei S₄ der Taktphase 1008 = Potential bei S₁ der Taktphase 1014 = Potential bei S₂ der Taktphase 1020. Wie in den 10-11a-11d gezeigt ist, kann somit eine Hall-Effekt-Vorrichtung, die eine oder mehrere Rückkopplungsschaltungen aufweist, einen Nullpunktversatz verringern/beseitigen, indem sie Rückkopplungsströme in verschiedenen Orientierungen der Hall-Effekt-Vorrichtung ermittelt, die Schaltung kann ein Signal berechnen, das linear abhängig von dem angelegten Magnetfeld ist und das bei einem Magnetfeld von null im Wesentlichen verschwindet.
12 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 1200 zum Verringern eines Nullpunktversatzfehlers einer Hall-Effekt-Vorrichtung.
Bei 1202 wird ein Eingangssignal an gegenüberliegende Kraftkontaktversorgungsanschlüsse angelegt, die jeweils in räumlich gegenüberliegenden Kraft- und Erfassungskontaktpaaren einer Hall-Effekt-Vorrichtung enthalten sind, um wohldefinierte Spannungspotentiale zugeordneten Erfassungskontakten der Hall-Effekt-Vorrichtung zuzuweisen. Die wohldefinierten Spannungspotentiale können dahin gehend gewählt werden, einen induzierten Strom in einer aktiven Region zu erzeugen, die sich zwischen den räumlich gegenüberliegenden Kraft- und Erfassungskontaktpaaren befindet. Bei einem Ausführungsbeispiel können die wohldefinierten Spannungspotentiale dahin gehend zugewiesen werden, dass sie bei gegenüberliegenden Kraft- und Erfassungskontaktpaaren unterschiedlich sind, was bewirkt, dass ein induzierter Strom in einer aktiven Region der Hall-Effekt-Vorrichtung fließt. Bei einem Ausführungsbeispiel sind Rückkopplungsschaltungen dazu konfiguriert, Rückkopplungssignale an gegenüberliegende Kraftkontaktversorgungsanschlüsse anzulegen, um wohldefinierte Spannungspotentiale an gegenüberliegenden Kraftund Erfassungskontaktpaaren zu erzeugen, was bewirkt, dass ein induzierter Strom in einer aktiven Region der Hall-Effekt-Vorrichtung fließt.
Bei 1204 wird das Spannungspotential eines oder mehrerer orthogonaler Erfassungskontaktausgangsanschlüsse optional auf einem wohldefinierten Spannungspotential gehalten. Bei einem Ausführungsbeispiel wird bzw. werden ein oder mehrere Ströme aus einer oder mehreren Rückkopplungsschaltungen an orthogonale gegenüberliegende Erfassungskontaktausgangsanschlüsse ausgegeben, um das Spannungspotential der gegenüberliegenden Erfassungskontakte auf einen einzelnen wohldefinierten Wert zu treiben.
Bei 1206 wird bzw. werden ein oder mehrere Ausgangssignale, die einem oder mehreren orthogonalen Erfassungskontaktausgangsanschlüssen der Hall-Effekt-Vorrichtung zugeordnet sind, gemessen. Die Ausgangssignale, die dem einen oder den mehreren orthogonalen Erfassungskontaktausgangsanschlüssen zugeordnet sind, sind zu einem angelegten Magnetfeld proportional. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Ausgangssignale direkt ausgehend von den Erfassungskontaktausgangsanschlüssen der orthogonalen Kontaktpaare gemessen werden (wie z. B. in 3 gezeigt ist). Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Ausgangssignale ausgehend von einem Rückkopplungsstrom bzw. Rückkopplungsströmen gemessen werden, der bzw. die von einer oder mehreren Rückkopplungsschaltungen an die orthogonalen Kontaktpaare ausgegeben wird bzw. werden (wie z. B. in 5a gezeigt ist).
Die Linie 1208 gibt an, dass das Verfahren der Schritte 1202–1206 mehrere Male wiederholt werden kann, bevor zu Schritt 1210 übergegangen wird, wenn das Verfahren bei einem Strom-Spinning-Zyklus verwendet wird. Beispielsweise werden bei einer Hall-Platte, die Kontaktpaare aufweist, die eine Symmetrie von 90° aufweisen, die Schritte 1202–1206 viermal wiederholt, bevor zu Schritt 1210 übergegangen wird, wohingegen bei einer Hall-Platte, die Kontaktpaare aufweist, die eine Symmetrie von 60° aufweisen, die Schritte 1202–1206 sechsmal wiederholt werden können, bevor zu Schritt 1210 übergegangen wird.
Bei 1210 werden die gemessenen Signale verarbeitet, um einen Magnetfeldwert zu berechnen. Bei einem Ausführungsbeispiel können die gemessenen Signale Rückkopplungsströme aufweisen, die über einen Spinning-Strom-Zyklus hinweg gemessen werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann eine berechnete Differenz zwischen den Rückkopplungsströmen, die an gegenüberliegende Erfassungskontaktausgangsanschlüsse angelegt werden, über einen vollständigen Spinning-Zyklus hinweg summiert werden, um einen Magnetfeldwert zu erzielen.
Die hierin bereitgestellte Erfindung wird üblicherweise in Bezug auf laterale Hall-Platten-Konfigurationen veranschaulicht und beschrieben (z. B. in 2, 5a, 6 usw.). Jedoch wird man erkennen, dass dies ein nicht-einschränkendes Ausführungsbeispiel einer Hall-Effekt-Vorrichtung ist, auf das die vorliegende Erfindung angewendet werden kann. Fachleuten wird einleuchten, dass die hierin offenbarte Erfindung auf diverse physische Ausführungsbeispiele von Hall-Elementen angewendet werden kann, die sich auf den Hall-Effekt stützen, um ein Magnetfeld zu detektieren. Obwohl 2 bis 4 Kraft- und Erfassungskontaktkonfigurationen bezüglich einer lateralen Hall-Platte veranschaulichen, kann das erfindungsgemäße Konzept der Kraft- und Erfassungskontakte beispielsweise auf jegliche Hall-Effekt-Vorrichtung (z. B. eine vertikale Hall-Platte) angewendet werden.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen veranschaulicht und beschrieben wurde, können Änderungen und/oder Modifikationen an den veranschaulichten Beispielen vorgenommen werden, ohne von der Wesensart und dem Schutzumfang der angehängten Patentansprüche abzuweichen. Insbesondere in Bezug auf die verschiedenen Funktionen, die die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme usw.) erfüllen, sollen die Begriffe (einschließlich einer Bezugnahme auf eine „Einrichtung”), die zum Beschreiben derartiger Komponenten verwendet werden, dann, wenn nichts Anderes angegeben ist, jeglicher Komponente oder Struktur entsprechen, die die angegebene Funktion der beschriebenen Komponente erfüllt (z. B. die funktionell äquivalent ist), auch wenn sie zu der offenbarten Struktur, die die Funktion bei den hierin veranschaulichten exemplarischen Implementierungen der Erfindung erfüllt, nicht strukturell äquivalent ist. Obwohl ein bestimmtes Merkmal der Erfindung in Bezug auf lediglich eine von mehreren Implementierungen offenbart worden sein mag, kann ein derartiges Merkmal außerdem mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie dies für eine beliebige gegebene oder bestimmte Anwendung erwünscht und vorteilhaft sein mag. In dem Ausmaß, wie die Begriffe „umfassen”, „umfasst”, „haben”, „hat”, „mit” oder Varianten derselben entweder in der ausführlichen Beschreibung oder in den Patentansprüchen verwendet werden, sollen derartige Begriffe auf eine Weise einschließlich sein, die dem Begriff „aufweisen” ähnlich ist.

Claims

Eine Hall-Effekt-Vorrichtung (200), die folgende Merkmale aufweist: ein leitfähiges Substrat (402), das einen ersten Dotierungstyp aufweist; eine oder mehrere Wannen (404), die einen zweiten Dotierungstyp aufweisen, der sich von dem ersten Dotierungstyp unterscheidet, wobei ein Anlegen von Vorspannungsbedingungen auf die Hall-Effekt-Vorrichtung eine Bildung einer nicht-leitenden Verarmungsregion, die eine Übergangsisolation bewirkt, zwischen den Wannen und dem leitfähigen Substrat ermöglicht; und eine Mehrzahl von Kraft- und Erfassungskontaktpaaren, die jeweils gesonderte Kraftkontakte (202; F₁–F₄) und Erfassungskontakte (204; S₁–S₄) aufweisen, die sich in der einen oder den mehreren Wannen befinden, wobei jeweilige Kraftkontakte dazu konfiguriert sind, der Hall-Effekt-Vorrichtung elektrische Energie bereitzustellen, und jeweilige Erfassungskontakte dazu konfiguriert sind, ein Ausgangssignal von der Hall-Effekt-Vorrichtung bereitzustellen.
Hall-Effekt-Vorrichtung (200) gemäß Anspruch 1, wobei die Hall-Effekt-Vorrichtung eine Symmetrie von 90° zwischen Kraft- und Erfassungskontaktpaaren aufweist, derart, dass eine Linie zwischen den Zentren zweier gegenüberliegender Kraft- und Erfassungskontaktpaare, die dazu konfiguriert sind, als Versorgungsanschlüsse zu arbeiten, senkrecht zu einer Linie zwischen den Zentren eines oder mehrerer Kraft- und Erfassungskontaktpaare ist, die dazu konfiguriert sind, als Ausgangsanschlüsse zu arbeiten und die das Ausgangssignal bereitstellen, das proportional zu einem angelegten Magnetfeld ist.
Hall-Effekt-Vorrichtung (200) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Erfassungskontakte von sowohl Kontaktpaarversorgungsanschlüssen als auch Kontaktpaarausgangsanschlüssen dazu konfiguriert sind, Ausgangssignale bereitzustellen, die proportional zu einem Spannungspotential an einem jeweiligen Erfassungskontakt sind.
Hall-Effekt-Vorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Kraftkontakt der jeweiligen Kraft- und Erfassungskontaktpaare näher an dem Außenrand der Hall-Effekt-Vorrichtung angeordnet ist als der Erfassungskontakt des Kraft- und Erfassungskontaktpaares.
Hall-Effekt-Vorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der eine Beabstandung zwischen Kraft- und Erfassungskontakten jeweiliger Kraft- und Erfassungskontaktpaare geringer ist als eine Beabstandung zwischen Erfassungskontakten gegenüberliegender Kraft- und Erfassungskontaktpaare.
Hall-Effekt-Vorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Hall-Effekt-Vorrichtung eine vertikale Hall-Effekt-Vorrichtung aufweist, die die Eingangskraftkontakte und Ausgangserfassungskontakte aufweist, die in einer einzelnen geraden Linie und in einer abwechselnden Reihenfolge ausgerichtet sind.
Hall-Effekt-Vorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die ferner folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von Rückkopplungsschaltungen, die mit der Mehrzahl von Kraft- und Erfassungskontaktpaaren gekoppelt sind und dazu konfiguriert sind, ein Spannungspotential an einem Erfassungskontakt eines Kraft- und Erfassungskontaktpaares der Hall-Effekt-Vorrichtung zu steuern, indem sie ein oder mehrere Rückkopplungssignale an den Kraftkontakt des Erfassungskontaktpaares liefern, wobei ein Verarbeiten gemessener Rückkopplungssignale, die über einen Strom-Spinning-Zyklus hinweg an einen Kraftkontakt eines oder mehrerer Ausgangsanschlusskontaktpaare geliefert werden, einen Magnetfeldwert mit einer im Wesentlichen im Nullpunkt liegenden Versatzspannung liefert.
Hall-Effekt-Vorrichtung (200) gemäß Anspruch 7, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine adaptive Steuereinheit (902), die dazu konfiguriert ist, einen Referenzpotentialwert, der jeweiligen Rückkopplungsschaltungen der Hall-Effekt-Vorrichtung zugeordnet ist, unter Verwendung einer adaptiven Steuertechnik zu steuern, wobei jeweilige Rückkopplungsschaltungen der Hall-Effekt-Vorrichtung das Spannungspotential an einem jeweiligen Kraft- und Erfassungskontaktpaar auf das Referenzpotential treiben.
Hall-Effekt-Vorrichtung (500), die folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von Kraft- und Erfassungskontaktpaaren, die auf einer Hall-Effekt-Vorrichtung angeordnet sind, wobei jeweilige Kraft- und Erfassungskontaktpaare einen Kraftkontakt, der zum Empfangen eines Eingangssignals konfiguriert ist, und einen separaten Erfassungskontakt, der zum Bereitstellen eines Ausgangssignals konfiguriert ist, aufweisen, wobei die Mehrzahl von Kraft- und Erfassungskontaktpaaren dazu konfiguriert ist, zumindest zwei Versorgungsanschlüsse, die sich entlang einer ersten Achse befinden und dazu konfiguriert sind, das Eingangssignal zu empfangen, und zumindest einen Ausgangsanschluss bereitzustellen, der sich entlang einer zu der ersten Achse senkrechten zweiten Achse befindet und dazu konfiguriert ist, das Ausgangssignal zu liefern, das ein auf die Hall-Effekt-Vorrichtung wirkendes Magnetfeld angibt.
Hall-Effekt-Vorrichtung (500) gemäß Anspruch 9, die ferner folgende Merkmale aufweist: eine oder mehrere Rückkopplungsschaltungen (504), die mit einem oder mehreren der Mehrzahl von Kraft- und Erfassungskontaktpaaren gekoppelt sind, wobei jeweilige Rückkopplungsschaltungen dazu konfiguriert sind, ein Rückkopplungssignal zu erzeugen, das ein Spannungspotential an einem gekoppelten Erfassungskontakt steuert, wobei die eine oder die mehreren Rückkopplungsschaltungen einen Hochimpedanz-Rückkopplungsschaltungseingangsknoten, der mit einem oder mehreren Erfassungskontakten gekoppelt ist, und einen Rückkopplungsschaltungsausgangsknoten, der mit einem oder mehreren Kraftkontakten gekoppelt ist, aufweisen.
Hall-Effekt-Vorrichtung (500) gemäß Anspruch 10, bei der jeweilige Rückkopplungsschaltungen (504) folgende Merkmale aufweisen: eine Transkonduktanz-Eingangsstufe (TC₁), die einen ersten Eingangsknoten, der zum Empfangen eines Eingangssignals von dem einen oder den mehreren Erfassungskontakten konfiguriert ist, einen zweiten Eingangsknoten, der zum Empfangen eines Referenzsignals konfiguriert ist, und einen Ausgangsknoten aufweist, der dazu konfiguriert ist, einen Strom auszugeben, der proportional zu der Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsknoten ist; und eine stromgesteuerte Stromquelle (CCCS₁), die dazu konfiguriert ist, das Ausgangssignal zu empfangen und auf der Basis dessen einen Rückkopplungsstrom zu erzeugen, der an den einen oder die mehreren Kraftkontakte, die dem einen oder den mehreren Erfassungskontakten zugeordnet sind, geliefert wird.
Hall-Effekt-Vorrichtung (500) gemäß Anspruch 10 oder 11, bei der die eine oder die mehreren Rückkopplungsschaltungen folgende Merkmale aufweisen: eine erste und eine dritte Rückkopplungsschaltung, die mit einem ersten beziehungsweise dritten Kontaktpaar, die einander räumlich gegenüberliegen, gekoppelt sind, wobei die erste und die dritte Rückkopplungsschaltung dazu konfiguriert sind, einen ersten und einen dritten Rückkopplungsstrom zu erzeugen, der ein erstes beziehungsweise ein drittes Potential an gegenüberliegenden ersten und dritten Erfassungskontakten herstellt.
Hall-Effekt-Vorrichtung (500) gemäß Anspruch 12, bei der die eine oder die mehreren Rückkopplungsschaltungen ferner folgende Merkmale aufweisen: eine zweite und eine vierte Rückkopplungsschaltung, die mit einem zweiten beziehungsweise einem vierten Kontaktpaar, die einander räumlich gegenüberliegen, gekoppelt sind, wobei die zweite und die vierte Rückkopplungsschaltung dazu konfiguriert sind, einen zweiten und einen vierten Rückkopplungsstrom zu erzeugen, der ein gleiches Spannungspotential an dem zweiten und dem vierten Erfassungskontakt herstellt, wobei die Differenz zwischen dem zweiten und dem vierten Rückkopplungsstrom im Wesentlichen linear abhängig von dem auf die Hall-Effekt-Vorrichtung wirkenden Magnetfeld ist.
Hall-Effekt-Vorrichtung (500) gemäß Anspruch 12 oder 13, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Differenzrückkopplungsschaltung, die mit dem zweiten und dem vierten Kontaktpaar, die einander räumlich gegenüberliegen, gekoppelt ist, wobei die Differenzrückkopplungsschaltung einen Eingang, der zum Empfangen einer Spannungspotentialdifferenz zwischen dem zweiten und dem vierten Erfassungskontakt konfiguriert ist, und einen Ausgang aufweist, der dazu konfiguriert ist, einen Differenzrückkopplungsstrom zu liefern, der die Potentialdifferenz zwischen dem zweiten und dem vierten Erfassungskontakt verringert.
Hall-Effekt-Vorrichtung (500) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Gleichtaktrückkopplungsschaltung, die mit dem zweiten und dem vierten Kontaktpaar, die einander räumlich gegenüberliegen, gekoppelt ist, wobei die Gleichtaktrückkopplungsschaltung einen Eingang, der zum Empfangen einer Summierung des Spannungspotentials an dem zweiten und dem vierten Erfassungskontakt konfiguriert ist, und ferner einen Ausgang aufweist, der dazu konfiguriert ist, einen Gleichtaktrückkopplungsstrom zu liefern, der Potentialdifferenz zwischen dem zweiten und dem vierten Erfassungskontakt dahin gehend treibt, gleich der Summe des Spannungspotentials an dem zweiten und dem vierten Erfassungskontakt, geteilt durch zwei, zu sein.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, bei der die eine oder die mehreren Rückkopplungsschaltungen folgende Merkmale aufweisen: eine zweckgebundene Zufuhr-Rückkopplungsschaltung (FB_SRC), die dazu konfiguriert ist, ein erstes Spannungspotential an einem ersten Erfassungskontakt der Hall-Effekt-Vorrichtung zu erzeugen; eine zweckgebundene Ableit-Rückkopplungsschaltung (FB_SNK), die dazu konfiguriert ist, ein zweites Spannungspotential an einem dritten Erfassungskontakt, der dem ersten Erfassungskontakt räumlich gegenüberliegt, zu erzeugen, wobei das zweite Spannungspotential geringer ist als das erste Spannungspotential; eine Differenzrückkopplungsschaltung (FB_DIFF), die dazu konfiguriert ist, an dem zweiten und dem vierten Erfassungskontakt, die einander gegenüberliegen und orthogonal zu dem ersten und dem dritten Erfassungskontakt sind, ein Spannungspotential von im Wesentlichen null zu erzeugen; eine Gleichtaktrückkopplungsschaltung (FB_CM), die dazu konfiguriert ist, an dem zweiten und dem vierten Erfassungskontakt ein Gleichtaktspannungspotential zu erzeugen, das kleiner ist als das erste Spannungspotential und größer als das zweite Spannungspotential; und eine Schaltmatrix (802), die dazu konfiguriert ist, die eine oder die mehreren Rückkopplungsschaltungen mit den Kraft- und Erfassungskontaktpaaren gemäß einer Sequenz von Taktzyklen zu verbinden.
Hall-Effekt-Vorrichtung (500) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 16, die ferner folgendes Merkmal aufweist: eine adaptive Steuereinheit (902), die dazu konfiguriert ist, Referenzpotentiale, die der einen oder den mehreren Rückkopplungsschaltungen zugeordnet sind, unter Verwendung einer adaptiven Steuertechnik zu steuern, wobei jeweilige Rückkopplungsschaltungen der Hall-Effekt-Vorrichtung das Spannungspotential an einem gekoppelten Kraft- und Erfassungskontaktpaar auf das zugeordnete Referenzpotential treiben.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 17, bei der Kontaktpaare, die die Kraft- und separaten Erfassungskontakte aufweisen, ermöglichen, dass eine Messung einer induzierten Hall-Spannung zwischen zwei Ausgangsanschlüssen, die gegenüberliegende Erfassungskontakte aufweisen, unter Verwendung einer Hochimpedanzspannungsmessschaltung durchgeführt wird, wodurch die Auswirkung eines Kontaktwiderstands auf die Messung verringert wird.
Verfahren zum Verringern eines Nullpunktversatzes bei einer Hall-Effekt-Vorrichtung (200; 500), das folgende Schritte aufweist: Anlegen von Eingangssignalen an Kraftkontaktversorgungsanschlüsse, die in sich räumlich gegenüberliegenden Kraft- und Erfassungskontaktpaaren enthalten sind, um einen induzierten Strom in einer aktiven Region zu erzeugen, die sich zwischen den räumlich gegenüberliegenden Kraft- und Erfassungskontaktpaaren befindet; Messen eines Ausgangssignals, das proportional zu einem angelegten Magnetfeld ist, das einem oder mehreren orthogonalen Erfassungskontaktausgangsanschlüssen ist, über einen Strom-Spinning-Zyklus hinweg; und Verarbeiten des gemessenen Ausgangssignals über den Strom-Spinning-Zyklus hinweg, um einen Magnetfeldwert zu berechnen.
Verfahren gemäß Anspruch 19, das ferner folgenden Schritt aufweist: Liefern eines Rückkopplungssignals, das das Potential an einem oder mehreren orthogonalen Erfassungskontaktanschlüssen auf einem im Wesentlichen gleichen Spannungspotential hält; wobei das Messen des Ausgangssignals ein Messen des Rückkopplungssignals über den Strom-Spinning-Zyklus hinweg aufweist.