DE102013110633B4

DE102013110633B4 - Hall-Sensoren und Erfassungsverfahren

Info

Publication number: DE102013110633B4
Application number: DE102013110633.1A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2022-08-25
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: US20140084911A1; DE102013110633A1; US9170307B2

Abstract

Magnetfeldsensor, umfassend:ein Hall-Gebiet (102; 112) umfassend genau drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c), undeine Schaltung (800; 900), welche eingerichtet ist, in jeder von drei Betriebsphasen zur Messung eines Magnetfeldes wahlweise zumindest zwei der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) als Versorgungsanschlüsse zu koppeln und zwei der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) als Signalanschlüsse zu koppeln,so dass jeder der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) in der gleichen Anzahl von Betriebsphasen als Versorgungsanschluss gekoppelt ist wie die anderen der drei Anschlüsse (104a-c;114a-c), und jeder der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) in der gleichen Anzahl von Betriebsphasen als Signalanschluss gekoppelt ist wie die anderen der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Sensoren und insbesondere auf die Beseitigung oder das Ausgleichen eines Offsets in Hall-Sensoreinrichtungen.
HINTERGRUND
Magnetfeldsensoren wie Hall-Sensoren sind für Magnetfelder sensitiv, aber können einen Offset-Fehler aufweisen. Ein Offset-Fehler ist beispielsweise das Vorhandensein eines Ausgangssignals in Abwesenheit einer Eingangsgröße. Bei einem auf Hall-Sensor bezogenen Beispiel würde der Offset-Fehler ein Ausgangssignal sein, welches ein Magnetfeld als Eingangsgröße anzeigt, wenn tatsächlich kein Magnetfeld vorliegt. Ein Offset-Fehler kann sowohl herkömmliche Hall-Einrichtungen als auch vertikale Hall-Einrichtungen oder auch andere Hall-Bauelemente oder -Einrichtungen betreffen.
Ein Offset-Fehler kann mit verschiedenen Ursachen verknüpft sein. Beispielsweise kann ein Offset-Fehler ein „roher“ Offset-Fehler oder ein verbleibender Offset-Fehler sein. Ein „roher“ Offset-Fehler kann sich auf einen Offset-Fehler beziehen, welcher in einer bestimmten Betriebsphase des Sensors vorliegt. Ein verbleibender Offset-Fehler kann sich auf einen Offset-Fehler beziehen, welcher in einem gesamten oder totalen Ausgangssignal vorliegt, wie z.B. einem Ausgangssignal, welches eine Kombination aus Signalen von verschiedenen Betriebsphasen ist.
Eine Herangehensweise zum Verringern oder Beseitigen von Offset-Fehlern ist die Benutzung eines Hall-Sensors mit mehreren Anschlüssen. Hall-Sensoren mit vier Anschlüssen können in einer Betriebsart mit drehendem Strom betrieben werden, bei dem Kopplungen der Anschlüsse in jeder einer Vielzahl von Taktphasen geändert werden. Dabei kann erreicht werden, dass jeglicher Offset verringert wird, wenn die Signale von den mehreren Taktphasen kombiniert werden. Hall-Einrichtungen mit drei Anschlüssen erfordern typischerweise herkömmlich die Benutzung von mindestens zwei derartigen Hall-Einrichtungen und einer modifizierten Technik mit sich drehendem Strom, um ähnlich betrieben zu werden. Selbst dann kann der verbleibende Offset-Fehler höher sein als erwünscht, beispielsweise im Bereich von etwa 1 Millitesla (mT).
Aus der DE 10 2006 037 226 A1 ist es bekannt, eine Spinning-Current-Technik zu verwenden, bei welchen eine Messrichtung zur Erfassung einer Hall-Spannung mit einer bestimmten Taktfrequenz um beispielsweise 90 Grad zyklisch weiter gedreht wird und über alle Messsignale einer vollen Drehung um 360 Grad aufsummiert wird. Dabei wird bei einem Hall-Sensorelement mit 4 Kontaktbereichen, von denen jeweils zwei Kontaktbereiche paarweise einander zugeordnet sind, jedes der Kontaktpaare je nach Spinning-Current-Phase sowohl als Stromsteuerkontaktbereich zur Stromeinspeisung als auch als Messkontaktbereich zum Abgreifen des Hall-Signals benutzt.
Zudem sind aus dieser Druckschrift vertikale Hall-Sensorelemente mit 3 Pins bekannt. Dabei können insbesondere 4 derartige 3-Pin-Elemente zu einem Sensor mit 4 Anschlüssen verschaltet werden.
Ein weiterer kompakter vertikaler Hall-Sensor ist aus der DE 101 50 950 C1 bekannt.
KURZZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 14 sowie ein Magnetfeldsensor nach Anspruch 19 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
Verschiedene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Verringerung eines verbleibenden Offsets in Sensoreinrichtungen mit mehreren Anschlüssen.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Magnetfeldsensor ein Hall-Gebiet umfassend genau drei Anschlüsse, und eine Schaltung, welche eingerichtet ist, in jeder von drei Betriebsphasen wahlweise zumindest zwei der drei Anschlüsse als Versorgungsanschlüsse und zwei der drei Anschlüsse als Signalanschlüsse zu koppeln, so dass jeder der drei Anschlüsse in der gleichen Anzahl von Betriebsphasen als ein Versorgungsanschluss wie die anderen der drei Anschlüsse gekoppelt ist, und jeder der drei Anschlüsse in der gleichen Anzahl von Betriebsphasen wie die anderen der drei Anschlüsse als Signalanschluss gekoppelt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Magnetfeldsensors mit genau drei Anschlüssen ein Betreiben des Magnetfeldsensors in einer ersten Betriebsphase durch Koppeln eines ersten und eines zweiten Anschlusses der drei Anschlüsse mit einer Versorgung eines ersten Pegels und eines dritten der drei Anschlüsse mit einer Versorgung eines zweiten Pegels, und Erhalten eines ersten Phasenausgangssignals durch Kombinieren von Signalen, welche an dem ersten und dem zweiten der drei Anschlüsse erfasst werden, Betreiben des Magnetfeldsensors in einer zweiten Betriebsphase durch Koppeln des ersten und des dritten der drei Anschlüsse mit der Versorgung des ersten Pegels und des zweiten der drei Anschlüsse mit der Versorgung des zweiten Pegels, und Erhalten eines zweiten Phasenausgangssignals durch Kombinieren von Signalen, welche an dem ersten und dem dritten der drei Anschlüsse erfasst werden, Betreiben des Magnetfeldsensors in einer dritten Betriebsphase durch Koppeln des zweiten und des dritten der drei Anschlüsse mit der Versorgung des ersten Pegels und des ersten der drei Anschlüsse mit einer Versorgung eines zweiten Pegels, und Erhalten eines dritten Phasenausgangssignals durch Kombinieren von Signalen, welche an dem zweiten und dem dritten der drei Anschlüsse erfasst werden, und Kombinieren des ersten, zweiten und dritten Phasenausgangssignals.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Magnetfeldsensor eine erste Magnetfeldsensoreinrichtung umfassend ein Hall-Gebiet und genau drei auf dem Hall-Gebiet angeordnete Anschlüsse, eine zweite Magnetfeldsensoreinrichtung umfassend ein Hall-Gebiet und genau drei auf dem Hall-Gebiet angeordnete Anschlüsse, eine dritte Magnetfeldsensoreinrichtung umfassend ein Hall-Gebiet und genau drei auf dem Hall-Gebiet angeordnete Anschlüsse, und eine Schaltung, welche eingerichtet ist, die erste, zweite und dritte Magnetfeldsensoreinrichtung wahlweise zu koppeln, wobei jede der ersten, zweiten und dritten Magnetfeldsensoreinrichtung einen ersten, einen zweiten und einen dritten Anschluss umfasst, welche in der gleichen Reihenfolge angeordnet sind, und wobei die Schaltung eingerichtet ist, wahlweise den ersten Anschluss der ersten Einrichtung, den zweiten Anschluss der zweiten Einrichtung und den dritten Anschluss der dritten Einrichtung zu koppeln, um einen ersten Gesamtanschluss zu bilden; den zweiten Anschluss der ersten Einrichtung, den dritten Anschluss der zweiten Einrichtung und den ersten Anschluss der dritten Einrichtung zu koppeln, um einen zweiten Gesamtanschluss zu bilden; und den dritten Anschluss der ersten Einrichtung, den ersten Anschluss der zweiten Einrichtung und den zweiten Anschluss der dritten Einrichtung zu koppeln, um einen dritten Gesamtanschluss zu bilden.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

1A ist ein Diagramm einer Hall-Platte gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1B ist ein Diagramm einer Hall-Platte gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1C ist ein Diagramm einer Hall-Platte gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1D ist ein Diagramm einer Hall-Platte gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1E ist ein Diagramm einer Hall-Platte gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1F ist ein Diagramm einer Hall-Platte gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1G ist ein Diagramm einer Hall-Platte gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2A ist ein Diagramm einer Hall-Platte und einer Isolationsstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2B ist ein Diagramm einer Hall-Platte und einer Isolationsstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2C ist ein Diagramm einer Hall-Platte und einer Isolationsstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2D ist ein Diagramm einer Hall-Platte und einer Isolationsstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3 ist ein Diagramm einer vertikalen Hall-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens mit drehendem Strom gemäß einem Ausführungsbeispiel.
5A ist ein Simulationsergebnis einer ersten Phase mit drehendem Strom gemäß einem Ausführungsbeispiel.
5B ist ein Simulationsergebnis einer zweiten Phase mit drehendem Strom gemäß einem Ausführungsbeispiel.
5C ist ein Simulationsergebnis einer dritten Phase mit drehendem Strom gemäß einem Ausführungsbeispiel.
6 ist ein Diagramm einer Kopplungsanordnung von drei vertikalen Hall-Einrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
7A ist ein Diagramm einer Kopplungsanordnung von drei Hall-Platten und Isolationsstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
7B ist ein Diagramm einer Kopplungsanordnung von drei Hall-Platten und Isolationsstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
7C ist ein Diagramm einer Kopplungsanordnung von drei Hall-Platten und Isolationsstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
7D ist ein Diagramm einer Kopplungsanordnung von drei Hall-Platten und Isolationsstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
7E ist ein Diagramm einer Kopplungsanordnung von drei Hall-Platten und Isolationsstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
8A ist ein Diagramm einer Vorspannungs- und Signalextrahierungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
8B ist ein Diagramm einer Vorspannungs- und Signalextrahierungsschaltung mit zwei Stromquellen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
9 ist ein Diagramm einer Vorspannungs- und Signalextrahierungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Während in den Zeichnungen spezifische Merkmale und Elemente dargestellt und nachfolgend beschrieben werden, ist zu bemerken, dass die Anmeldung nicht auf die typischen dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Verschiedene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Sensoreinrichtungen mit mehreren Anschlüssen und Betriebsverfahren für diese, welche einen Offset-Fehler verringern oder beseitigen können. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können Sensoreinrichtungen drei oder weniger Anschlüsse umfassen, und mehrere derartiger Sensoreinrichtungen können kombiniert werden, indem sie miteinander gekoppelt werden. Die Sensoreinrichtungen können Hall-Sensoreinrichtungen wie vertikale Hall-Einrichtungen oder andere Sensoreinrichtungen umfassen. Es können Betriebsarten für die Sensoreinrichtungen mit mehreren Anschlüssen implementiert werden, welche Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Techniken mit drehendem Strom aufweisen, beispielsweise die Verringerung eines verbleibenden Offsets.
Wie bereits erwähnt, kann ein Offset-Fehler mit verschiedenen Ursachen verknüpft sein und ein roher Offset-Fehler oder ein verbleibender Offset-Fehler sein. Ein roher Offset-Fehler kann sich auf einen Offset-Fehler, der in einer bestimmten Betriebsphase vorliegt, beziehen, während ein verbleibender Offset-Fehler sich auf einen Offset-Fehler beziehen kann, welcher in einem gesamten oder totalen Ausgangssignal vorliegt, beispielsweise einem Signal, welches eine Kombination von Signalen aus einzelnen Betriebsphasen ist. Daher können hohe Offset-Fehler mehrerer Betriebsphasen kombiniert werden, um entweder einen vergrößerten verbleibenden Offset-Fehler zu erzeugen, was unerwünscht ist, oder derart, dass die hohen Offset-Fehler teilweise oder ganz ausgeglichen werden und sich aufheben, so dass der verbleibende Offset-Fehler verringert oder beseitigt wird.
Bei Ausführungsbeispielen können die Sensoreinrichtungen mit mehreren Anschlüssen Hall-Sensoreinrichtungen wie Hall-Platten oder vertikale Hall-Einrichtungen umfassen. Jede dieser Arten wird untenstehend diskutiert.
Jede Hall-Platteneinrichtung umfasst ein aktives Hall-Gebiet, welches eine dreidimensionale Form aufweist mit lateralen Abmessungen, die im Allgemeinen größer sind als die vertikale Abmessung, wobei lateral in diesem Kontext sich auf eine Abmessung parallel zu einer Oberfläche eines Rohchips („Dies“) und vertikale Abmessung auf die Dickenrichtung des Rohchips bezieht. Das aktive Hall-Gebiet umfasst ein Material mit einer hohen Beweglichkeit von Ladungsträgern, wie ein Gebiet, welches hauptsächlich n-dotiert mit einer niedrigen Dotierkonzentration zwischen 10¹⁴/cm³ und etwa 10¹⁷/cm³ ist, eine Wanne, welche durch einen Diffusions- oder Implantationsprozess hergestellt ist oder eine Epitaxieschicht, um einige Ausführungsbeispiele zu nennen. Das Hall-Gebiet ist durch seine Grenzen definiert, welche typischerweise isolierend sind. Beispielsweise ist für eine Hall-Platteneinrichtung die Unterseite isolierend, während für vertikale Hall-Einrichtungen die Unterseite isolierend oder leitend sein kann, wie beispielsweise bei einem Ausführungsbeispiel eine vergrabene n-Schicht. Die lateralen Grenzen des Hall-Gebiets sind typischerweise, wenn auch nicht immer, isolierend.
Die Anschlüsse der Hall-Einrichtungen mit mehreren Anschlüssen umfassen Gebiete mit höherer Leitfähigkeit als das aktive Hall-Gebiet, welche in ohmschem Kontakt mit dem aktiven Hall-Gebiet stehen. Somit können bei manchen Ausführungsbeispielen die Anschlüsse hoch n-dotierte Gebiete mit Dotierstoffkonzentrationen sein, welche mindestens zehnmal größer sind als in dem aktiven Hall-Gebiet. Die Anschlüsse können bei manchen Ausführungsbeispielen flache Anschlüsse sein, welche sich nur auf etwa 1/10 der Tiefe des Hall-Gebiets beziehen, oder bei anderen Ausführungsbeispielen tiefere Anschlüsse sein, welche sich beispielsweise zwischen 30 % und etwa 100 % der Tiefe des Hall-Gebiets erstrecken.
Hall-Platteneinrichtungen umfassen allgemein eine relativ flache Hall-Platte, Hall-Wanne oder ein flaches Hall-Gebiet, in welchem die Tiefe der Wanne viel kleiner ist als die laterale Abmessung. Eine Vielzahl von Anschlüssen wie beispielsweise bei Ausführungsbeispielen drei Anschlüsse sind auf oder in der Hall-Platte angeordnet. Die Anschlüsse stellen die elektrischen Funktionen des Versorgens und/oder Erfassens für die Hall-Platteneinrichtung bereit. Wie untenstehend erläutert werden wird, können manche Anschlüsse sowohl Funktionen des Versorgens als auch des Erfassens bereitstellen, während andere nur eine Funktion bereitstellen, beispielsweise versorgen. Bei einem Ausführungsbeispiel, welches nicht mehr als drei Anschlüsse umfasst, sind die Anschlüsse von einem Mittelpunkt der Hall-Platte in Abständen von näherungsweise 120 Grad äquidistant zueinander angeordnet. Die Anschlüsse können bei verschiedenen Ausführungsbeispielen bei, nahe der oder entfernt von einem Rand der Hall-Platte angeordnet sein.
Bei Ausführungsbeispielen, welche vertikale Hall-Einrichtungen umfassen, umfasst die Hall-Platte allgemein eine langgestreckte Wanne, welche tiefer ist als das Hall-Gebiet einer nicht vertikalen Hall-Einrichtung, wobei eine Vielzahl von Anschlüssen, wie beispielsweise drei, in einer Oberfläche der Wanne angeordnet sind. Die Anschlüsse sind typischerweise, wenn auch nicht immer, auf einer geraden Linie angeordnet und gleichmäßig voneinander beabstandet. Bei Ausführungsbeispielen weist die Wanne eine Tiefe auf, welche größer ist als eine Beabstandung zwischen benachbarten Anschlüssen. Wenn die Rohchipoberfläche, auf oder in der die Anschlüsse angeordnet sind, die x,y-Ebene ist, dann kann die vertikale Hall-Einrichtung Magnetfelder in der x- oder y-Richtung oder einer Kombination bzw. Überlagerung hiervon detektieren.
Bezug nehmend auf 1 sind verschiedene Beispiele für Hall-Platten gemäß verschiedener nicht vertikaler Ausführungsbeispiele von Hall-Einrichtungen dargestellt. Beispielsweise ist in 1A eine Hall-Platte 102 allgemein dreieckförmig. Während die Hall-Platte 102 als ein gleichseitiges Dreieck dargestellt ist, kann die Hall-Platte 102 bei anderen Ausführungsbeispielen ein gleichschenkliges oder ungleichseitiges Dreieck umfassen. Nicht mehr als drei Anschlüsse 104a, 104b, 104c sind auf der Platte 102 voneinander beabstandet. Die Anschlüsse 104a-c sind galvanische Verbindungen zwischen einem Ort auf der Hall-Platte 102 und irgendeiner Schaltung, Versorgung oder Element, welches extern ist oder auf andere Weise nicht zu der Hall-Platte 102 gehört. Bei Ausführungsbeispielen sind die Anschlüsse 104a-c an jeder Spitze der dreieckigen Platte 102 gleichmäßig beabstandet. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind die Anschlüsse gleichmäßig beabstandet, aber nicht an den Spitzen oder an der Spitze angeordnet, wie in 1B gezeigt, oder sind auf andere Weise geeignet auf der Platte 102 angeordnet. Beispielsweise sind in 1C die Anschlüsse 104a-c rund statt dreieckförmig und sind voneinander bei oder nahe den Spitzen der Platte 102 beabstandet. Die Anschlüsse 104a-c können andere Formen und Größen als in den 1A-C dargestellt aufweisen, wie eine quadratische, ovale, rechteckige oder andere Form.
Die Form des Hall-Gebiets kann bei Ausführungsbeispielen ebenso variieren. Beispielsweise ist in 1D die Hall-Platte 102 rund, und die Anschlüsse 104a-c sind rechteckförmig. In 1E umfasst die Hall-Platte 102 drei Speichen, wobei die Anschlüsse 104a-c rechteckförmig sind und an den Enden der Speichen angeordnet sind. In 1F ist die Hall-Platte 102 unregelmäßig geformt und auch verglichen mit der Fläche, über der die Anschlüsse 104a-c angeordnet sind, sehr groß. Die Anschlüsse 104a-c sind rund und nahe eines mittleren Gebietes der Platte 102 gleichmäßig beabstandet.
Bezug nehmend auf 1G können einer oder mehrere der Anschlüsse 104a-c mehrere Kontakte umfassen. Beispielsweise umfasst in 1G jeder Anschluss 104a-c zwei Kontakte 105. Die einem bestimmten Anschluss, beispielsweise 104a, zugeordneten Kontakte 105 sind miteinander kurzgeschlossen oder gekoppelt, um diesen Anschluss 104a zu bilden. Das Ausführungsbeispiel der 1G umfasst zudem eine obere Platte 107, welche das aktive Hall-Gebiet der Hall-Platte 102 zwischen den Kontakten 105 abdeckt, und einen floatenden Kontakt 109, welcher zwischen dem Mittelpunkt der Hall-Platte 102 und der oberen Platte 107 angeordnet ist, um die zwei Platten miteinander zu koppeln. Es ist zu bemerken, dass der Kontakt 109 keinen Anschluss in dem Sinne, in welchem dieser Begriff hier benutzt wird, ist, im Gegensatz zu den Anschlüssen 104a-c wie oben diskutiert. Manche Ausführungsbeispiele können auch Kraft-Erfassungs-Kontakte umfassen, bei welchen ein erster Kontakt ein Kraft-Kontakt und ein zweiter Kontakt ein Erfassungs-Kontakt ist. Ein derartiges Paar von Kraft- und Erfassungs-Kontakten kann in einer Rückkopplungsschleife benutzt werden, welche eine Spannung oder einen Strom an den Kraft-Kontakt steuert bzw. regelt, bis das Potenzial an dem Erfassungs-Kontakt gleich einem Zielwert ist. Daher fließt die elektrische Leistung über den Kraft-Kontakt, während kein Strom über den Erfassungs-Kontakt fließt. Ein Paar von Kraft-Erfassungs-Kontakten wird auch als Kelvin-Kontakte bezeichnet. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel umfasst oder bildet das Paar von Kraft-Erfassungs-Kontakten einen einzigen Anschluss in dem Sinne, in welchem der Begriff Anschluss hier benutzt wird.
Bei diesem und anderen Ausführungsbeispielen können Größe und Form der Platte 102 und die Größen, Formen und Anordnungen der Anschlüsse 104a-c variieren. Beispielsweise kann die runde Platte 102 der 1C mit den runden Anschlüssen 104a-c der 1C gepaart werden, oder die Anschlüsse 104a-c der 1E können zu der Mitte der Platte 102 hin bewegt werden und/oder können rund, quadratisch oder eine andere Form aufweisen. In anderen Worten stellen die Platten 102, die Anschlüsse 104a-c und die Kontakte 105 der 1 lediglich mehrere Beispiele dar, wobei viele andere Möglichkeiten verfügbar sind, wie Fachleute unschwer erkennen können.
Beispielsweise kann die Hall-Platte 102 unbegrenzt sein, wobei die Kontakte auf der Oberseite eines Rohchips ausgebildet oder angeordnet sind. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel und wie untenstehend zumindest bezüglich 2 diskutiert ist die Hall-Platte 102 von anderen Teilen der Schaltung und Komponenten, welche den Halbleiterrohchip bilden oder von diesem umfasst werden, isoliert. Diese Isolierung kann bei Ausführungsbeispielen vertikal, lateral oder beides sein.
Bezug nehmend auf 2 sind Beispiele von Ausführungsbeispielen, welche p-Isolierungen benutzen, dargestellt. Da die p-Isolierungen unter Ungenauigkeiten leiden können, werden bei Ausführungsbeispielen Abstände zwischen den Kontakten der Hall-Platte und der p-Isolierung ausreichend groß gehalten. Diese Anordnung kann z.B. auch elektrische Nichtlinearitäten der Hall-Platteneinrichtung, welche von der spannungsabhängigen Verarmungsschicht an dem in Sperrrichtung vorgespannten pn-Übergang verursacht werden, verringern.
In 2A ist eine Hall-Platte 102 mit drei Anschlüssen 104a, 104b, 104c dargestellt. Die Hall-Platte 102, welche ein n-Gebiet ist, wobei die Anschlüsse 104a-c n(+)-Kontakte sind, ist von einer p-Wanne 106 und einem p-Graben 108 umgeben. Somit kann die p-Wanne eine geringere Tiefe als das aktive Hall-Gebiet aufweisen, d.h. Hall-Platte 102. Andere ähnliche Ausführungsbeispiele sind in den 2B, 2C und 2D dargestellt.
Somit umfasst bei Ausführungsbeispielen die Hall-Platte eine allgemein flache, plattenähnliche Struktur einer gewissen Form, wobei die Tiefe der Hall-Platte klein bezüglich eines Abstands zwischen den Kontakten in oder auf der Hall-Platte ist. Allgemein umfasst jede Hall-Platte unabhängig von ihrer Form, Größe und Ausgestaltung eine Vielzahl von Anschlüssen, beispielsweise drei wie in 1 dargestellt.
In 3 ist eine vertikale Hall-Einrichtung 112 als Querschnittsansicht dargestellt. Die vertikale Hall-Einrichtung 112 umfasst wie die Hall-Platte 102 eine Vielzahl von Anschlüssen, wie beispielsweise drei Anschlüsse 114a, 114b und 114c, welche wie in 3 dargestellt auf einer oberen Oberfläche der Einrichtung 112 angeordnet sind.
Unabhängig von der Ausgestaltung des Gebiets 102 (oder der vertikalen Hall-Einrichtung 112) und der Anschlüsse 104a-c (oder der Anschlüsse oder Kontakte 114a-c) kann ein Hall-Sensor bei Benutzung in einer einem sich drehenden Strom ähnlichen Betriebsart betrieben werden. Eine Betriebsart mit sich drehendem Strom ist eine Betriebsart, in welcher eine Vielzahl von Betriebsphasen implementiert sind, und die Anschlüsse einer Einrichtung oder eines Bauelements je nach Betriebsphase auf unterschiedliche Weise gekoppelt sind, beispielsweise mit einer oder mehreren Versorgungen elektrischer Energie umfassend positiver Versorgungen, negativer Versorgungen und Masseversorgungen, beispielsweise Versorgungsspannungen. Bei Ausführungsbeispielen können die Versorgungen elektrischer Energie insbesondere Spannungsversorgungen oder Stromversorgungen sein. Beispielsweise können ein erster und einer zweiter Anschluss mit einer oder mehreren Versorgungen eines ersten Pegels gekoppelt werden, beispielsweise einer positiven oder negativen Spannung oder Stromversorgung, und ein dritter Anschluss kann mit einer Versorgung eines zweiten Pegels, beispielsweise Masse, bei einem Ausführungsbeispiel gekoppelt sein. Die Versorgungen können bei Ausführungsbeispielen die gleiche Quelle oder zwei unterschiedliche Quellen sein. Allgemein werden bei einem Ausführungsbeispiel, welches nicht mehr als drei Anschlüsse umfasst, zumindest zwei der drei Anschlüsse benutzt, um elektrische Energie zuzuführen, und zumindest zwei werden zudem benutzt, um ein Ausgangssignal abzuleiten, unabhängig davon, ob diese Anschlüsse auf ein Magnetfeld antworten, wobei dies in jeder Betriebsphase geschieht. Daher dient zumindest ein Anschluss bei Ausführungsbeispielen in jeder Betriebsphase sowohl als Versorgungsanschluss als auch als Erfassungsanschluss, d.h. als Anschluss zum Erhalten eines Ausgangssignals.
Ausgangssignale von jeder Betriebsphase können dann kombiniert werden, um ein Gesamtausgangssignal zu erhalten. Bei dem in dem vorherigen Absatz erwähnten Beispiel, welches zwei Anschlüsse, die mit einer Versorgung eines ersten Pegels gekoppelt sind, und einem dritten Anschluss, welcher mit einer Versorgung eines zweiten Pegels gekoppelt ist, benutzt, können beispielsweise Signale an jedem der Versorgungsanschlüsse gemessen werden, so dass jeder auch als Erfassungsanschluss oder Signalanschluss arbeitet, und eine Differenz zwischen den Signalen kann das Ausgangssignal in jeder einzelnen Phase sein, wobei die Ausgangssignale von jeder Phase dann kombiniert werden. Unabhängig von der Spannungs- oder Stromversorgung können Offset-Fehler und andere Fehler, welche in jeder der Betriebsphasen vorliegen, beim Erhalten des Gesamtausgangssignals verringert oder ausgelöscht werden.
Der Hall-Sensor kann bei Ausführungsbeispielen eine Hall-Platteneinrichtung umfassend eine Hall-Platte 102 und Anschlüsse 104a-c wie in irgendeiner der 1A-1E dargestellt oder eine vertikale Hall-Einrichtung 112 wie die in 3 dargestellte Einrichtung umfassen. Ausführungsbeispiele von hier diskutierten Herangehensweisen mit sich drehendem Strom sind auf alle der Hall-Platten 102 der 1 oder auch auf die vertikale Hall-Einrichtung 112 der 3 anwendbar, auch wenn sie der Einfachheit halber zunächst unter Bezugnahme auf die 1A und 4 diskutiert werden. Während die Hall-Platte 102 der 1A in der untenstehenden Diskussion benutzt wird, ist die Betriebsart mit drehendem Strom ebenso auf die Einrichtungen der 1B-1E und 3 und andere Einrichtungen anwendbar und kann auf gleiche Weise implementiert werden. Daher sind die unter Bezugnahme auf 1 diskutierten Beispiele in keiner Weise einschränkend oder auf Hall-Platten statt vertikaler Hall-Einrichtungen oder anderer Einrichtungen eingeschränkt.
Bezug nehmend auf die Hall-Platte 102 der 1A und das Flussdiagramm der 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Betriebsart mit drehendem Strom der Hall-Platte 102 beispielsweise wie folgt ausgestaltet. Bei 402 wird eine erste Phase des drehenden Stroms implementiert. Zwei Anschlüsse, wie die Anschlüsse 104a und 104c, werden jeweils mit einer oder mehreren Versorgungen eines ersten Pegels, beispielsweise Spannungsversorgungen, gekoppelt, und der dritte Kontakt, hier der Anschluss 104b, wird mit einer Versorgung eines zweiten Pegels gekoppelt, wie Masse oder irgendein anderes Referenzpotenzial. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die mit den Anschlüssen 104a und 104c gekoppelten Versorgungsspannungen identisch. So gekoppelt fließt jeweils etwa die Hälfte des Stroms zu dem Anschluss 104a und zu dem Anschluss 104c, und die Differenz zwischen den zwei Strömen in jeder Phase des drehenden Stroms, z.B. Ia_1 und Ic_1 in Phase 1, ist proportional zu dem Magnetfeld, wobei das Magnetfeld den Anteil des Stroms, welcher von bzw. zu einem Kontakt oder von bzw. zu dem anderen fließt, ändert. Der bei jedem der Anschlüsse 104a und 104c fließende Strom, d.h. Ia_1 bzw. Ic_1, kann dann gemessen werden, und ein Ausgangsstrom I1 der Phase 1 kann durch Differenzbildung berechnet werden, z.B. I1 = Ia_1 - Ic_1.
Bei einem Simulationsbeispiel eines Ausführungsbeispiels, welches nun unter Bezugnahme auf 5 beschrieben wird, wird eine Hall-Platte ähnlich der in 1A dargestellten Hall-Platte benutzt mit etwa 40 µm langen Seiten und einer Dicke von etwa 0,9 µm. Die Anschlüsse 104a-c können wie in 5 dargestellt gekrümmte innere Kanten aufweisen, auch wenn sie bei anderen Ausführungsbeispielen wie in 1A gerade sein können. Beispielsweise würde das Zeichnen eines imaginären Kreises wie in 5 dargestellt, welcher einen Durchmesser von etwa 30 µm aufweist und über dem Dreieck zentriert ist, zu drei Anschlüssen 104a-c wie in 5 dargestellt führen. Die Größe und/oder Ausgestaltung der Platte 102 und/oder der Anschlüsse 104a-c kann variieren, wobei verschiedene Ausgestaltungen verschiedene Innenwiderstände, Rauschverhältnisse und andere Parameter liefern. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel wird in der Phase 1 eine Versorgungsspannung von etwa 1 V an die Anschlüsse 104a und 104c angelegt (5A), und der Anschluss 104b wird mit einer Referenzspannung wie Masse gekoppelt, wobei ein Magnetfeld von 1 T in z-Richtung, d.h. senkrecht zu der Oberfläche des Rohchips, welcher in der x,y-Ebene der Seite dargestellt ist, vorliegt. Die magnetische Sensitivität liegt bei etwa 8,36 µA/V/T. In der Phase 1 ist Ia_1 etwa 7,64·10^-5 A, Ic_1 ist etwa 6,80·10^-5 A und I1 ist ungefähr 8, 36·10^-6 A.
Bei 404 wird eine zweite Phase (Phase 2) des drehenden Stroms implementiert. Die Anschlüsse 104a und 104b werden mit Versorgungsspannungen eines ersten Pegels gekoppelt, und der Anschluss 104c wird mit einer Versorgungsspannung eines zweiten Pegels wie Masse gekoppelt. Der erste Pegel und der zweite Pegel können, müssen aber nicht, gleich dem ersten Pegel und zweiten Pegel der ersten Phase sein. Der bei jedem der Anschlüsse 104a und 104b fließende Strom Ia_2 bzw. Ib_2 kann dann gemessen werden, und ein Ausgangsstrom I2 der Phase 2 kann durch Differenzbildung berechnet werden, z.B. $I 2 = Ia_2 - Ib_2.$
In dem Simulationsbeispiel der 5 sind in der Phase 2 (5B) das Magnetfeld und die Versorgungsspannungen die gleichen wie in Phase 1. Dann gilt Ia_2 = 6,80·10^-5 A, Ib_2 = 7,64·10^-5 A und I2 = -8,35·10^-6 A.
Bei 406 wird eine dritte Phase (Phase 3) des drehenden Stroms implementiert. Die Anschlüsse 104b und 104c sind mit einer Versorgungsspannung eines ersten Pegels gekoppelt, und der Anschluss 104a ist mit einer Versorgungsspannung eines zweiten Pegels, beispielsweise Masse, gekoppelt. Wiederum können der erste Pegel und der zweite Pegel mit dem ersten Pegel und zweiten Pegel der ersten Phase und/oder zweiten Phase identisch sein, auch wenn dies nicht notwendigerweise der Fall ist. Der bei jedem der Anschlüsse 104b und 104c fließende Strom, Ib_3 bzw. Ic_3, kann dann gemessen werden, und ein Ausgangsstrom I3 der dritten Phase kann durch Differenzbildung berechnet werden, z.B. I3 = Ib_3 - Ic_3.
Bei dem Simulationsbeispiel der 5 sind in der Phase 3 (5C) das Magnetfeld und die Versorgungsspannungen die gleichen wie in Phase 1. Dann gilt Ib_3 = 6,80·10^-5 A, Ic_3 = 7,64·10^-5 A und I3 = -8,36·10^-6 A.
Ein Gesamtausgangssignal Iausgang kann dann aus den einzelnen Ausgangssignalen jeder Phase 11, 12, I3 berechnet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel gilt Iausgang = I1 - I2 - 13. Die Benutzung von mehreren Phasen mit sich drehendem Strom (d.h. wechselnden Kopplungen der Anschlüsse) und die Kombination der einzelnen Ausgangssignale der Phasen zu einem einzigen Gesamtausgangssignal kann dazu führen, dass ein Offset wesentlich verringert oder beseitigt wird.
Bei Ausführungsbeispielen können die genauen Kopplungen oder die Reihenfolge der Phasen variieren. Beispielsweise können die oben beschriebenen Phasen in der Reihenfolge 3, 1, 2 oder einer anderen Reihenfolge implementiert werden. Zudem können die Kopplungen der Anschlüsse, die Versorgungen des ersten Pegels und Versorgungen des zweiten Pegels in jeder Phase bei manchen Ausführungsbeispielen variieren. In anderen Worten sind die spezifischen diskutierten Kopplungen und Phasen lediglich als Beispiele für ein Ausführungsbeispiel zu verstehen und schränken das allgemeine Konzept, System oder die Herangehensweise für andere Ausführungsbeispiele nicht ein.
Hinsichtlich des vertikalen Hall-Ausführungsbeispiels der 3 kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine einzige Einrichtung benutzt werden, oder eine Vielzahl von Einrichtungen kann kombiniert werden. Ein Kombinieren mehrerer vertikaler Hall-Einrichtungen kann eine Asymmetrie der vertikalen Hall-Einrichtung 112 kompensieren, welche dazu führen kann, dass die zwei der vertikalen Hall-Einrichtung zugeführten Ströme groß sind und entgegengesetzte Vorzeichen haben, selbst wenn das Magnetfeld Null ist. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 sind die in die Anschlüsse 114a und 114b fließenden Ströme unterschiedlich, selbst wenn an jedem Anschluss 114a und 114 bei einem Magnetfeld von Null das gleiche Potenzial angelegt wird. Dies führt zu einem großen rohen Offset-Strom in dieser Betriebsphase, obwohl es wie beschrieben zwei weitere Betriebsphasen gibt. In einer von diesen Betriebsphasen liegen die Anschlüsse 114a und 114c auf dem gleichen Potenzial, und der rohe Offset ist klein, da die Einrichtung 112 bezüglich dieser Betriebsbedingung symmetrisch ist. In der anderen weiteren Betriebsphase liegen jedoch die Anschlüsse 114b und 114c auf dem gleichen Potenzial, und der rohe Offset ist wiederum groß. Wenn die Signale aller drei Betriebsphasen miteinander kombiniert werden heben sich die rohen Offsets theoretischerweise auf, auch wenn sie es in der Praxis aufgrund von Schaltungsunvollkommenheiten und anderen Realitäten nicht vollkommen tun. Wenn die Einrichtung daher symmetrischer gefertigt werden kann, können die rohen Offsets selbst verringert werden.
Daher können wie in 6 dargestellt mehrere vertikale Hall-Einrichtungen 112a, 112b, 112c miteinander gekoppelt werden, um die Symmetrie zu verbessern und den rohen Offset zu verringern. In 6 sind die Einrichtungen 112a bis 112c im Wesentlichen identisch zueinander, und jede Einrichtung umfasst drei Anschlüsse, welche auf jeder der Einrichtungen 112a-c in der gleichen Reihenfolge angeordnet sind. In anderen Worten weist die Einrichtung 112a drei Anschlüsse 1a, 2a und 3a auf, welche von links nach rechts wie in der Figur dargestellt angeordnet sind, die Einrichtung 112b weist drei Anschlüsse 1b, 2b und 3b auf, welche von links nach rechts angeordnet sind, und die Einrichtung 112c weist drei Anschlüsse 1c, 2c und 3c auf, welche von links nach rechts angeordnet sind. Die gekoppelte Kombination der Einrichtungen 112a-c kann als eine einzige Hall-Einrichtung mit drei Anschlüssen 1, 2 und 3 wie dargestellt betrachtet werden, auf welche die Techniken mit Phasen sich drehenden Stroms wie diskutiert angewendet werden können. Der Anschluss 1 ist eine Kurzschlussverbindung zwischen dem Anschluss 1a der Einrichtung 112a, dem Anschluss 2b der Einrichtung 112b und dem Anschluss 3c der Einrichtung 112c. Der Anschluss 2 ist eine Kurzschlussverbindung zwischen dem Anschluss 2a der Einrichtung 112a, dem Anschluss 3b der Einrichtung 112b und dem Anschluss 1c der Einrichtung 112c. Der Anschluss 3 ist eine Kurzschlussverbindung zwischen dem Anschluss 3a der Einrichtung 112a, dem Anschluss 1b der Einrichtung 112b und dem Anschluss 2c der Einrichtung 112c. In einer anderen Betriebsphase kann der Anschluss 1 eine Kurzschlussverbindung zwischen den Anschlüssen 2a, 3b und 1c sein; der Anschluss 2 eine Kurzschlussverbindung zwischen den Anschlüssen 3a, 1b und 2c sein; und der Anschluss 3 eine Kurzschlussverbindung zwischen den Anschlüssen 1a, 2b und 3c sein. In noch einer anderen Betriebsphase kann der Anschluss 3 eine Kurzschlussverbindung zwischen den Anschlüssen 3a, 1b und 2c sein; der Anschluss 2 kann eine Kurzschlussverbindung zwischen den Anschlüssen 1a, 2b und 3c sein, und der Anschluss 3 kann eine Kurzschlussverbindung zwischen den Anschlüssen 2a, 3b und 1c sein, wobei die drei Anschlüsse für jeden der Anschlüsse 1, 2 und 3 in der Reihenfolge der Einrichtungen 112a, b, c aufgelistet werden.
Bei anderen Ausführungsbeispielen können drei Hall-PlattenEinrichtungen in der in 6 dargestellten Weise gekoppelt werden, auch wenn die zu erreichenden Vorteile im Allgemeinen nicht so signifikant wie für vertikale Hall-Einrichtungen sein werden. Selbst wenn die Geometrie symmetrisch ist, kann die Leitfähigkeit beispielsweise anisotrop sein. Zudem kann die Geometrie trotz gegenteiliger Anstrengungen wegen Maskenfehlausrichtungen, Unterätzen, schrägen Implantationsrichtungen und anderen Herstellungsfaktoren leicht asymmetrisch sein. Nichtsdestoweniger kann eine derartige gekoppelte Anordnung von Hall-Platten beispielsweise Maskenfehleinrichtungen, welche die Symmetrie beeinflussen, mechanische Belastungen oder andere Faktoren zumindest teilweise kompensieren. In 7 sind fünf Ausführungsbeispiele dargestellt. Bei jedem Ausführungsbeispiel kann es ebenso wie bei anderen Ausführungsbeispielen vorteilhaft sein, jede Einrichtung 102a, 102b, 102c bezüglich jeder benachbarten Einrichtungen um 60 Grad zu drehen, so dass die Einrichtungen 102a-c in einer derartigen Weise gekoppelt sind, dass, wenn an jede der Einrichtungen 102a-c ein Strom von dem ersten zu dem zweiten Kontakt angelegt wird, dann der dritte Kontakt jeder Einrichtung 102a-c auf der gleichen Seite, rechts oder links, des Stroms liegt und die Hall-Signale zueinander addiert werden, statt sich auszulöschen.
Zudem kann der Strom in jeder Platte bezüglich jeder benachbarten Einrichtung um 120 Grad gedreht sein. Beispielsweise kann wie in 7A dargestellt der Strom in der Platte 102b bezüglich der Einrichtung 102a um 120 Grad gedreht sein, während der Strom in der Platte 102c bezüglich der Einrichtung 102a um -120 Grad gedreht ist. Die Symmetrie kann zudem bezüglich von „Reihen“ von Anschlüssen betrachtet werden. Beispielsweise sind in 7A sechs Anschlüsse in einer unteren „Reihe“ angeordnet, während nur drei in einer oberen „Reihe“ ausgerichtet sind. Ein Dotierungsgradient, Temperaturgradient oder anderer Gradient kann daher einen übermäßigen nachteiligen Effekt auf das Hall-Signal haben. Daher kann bei manchen Ausführungsbeispielen die Anordnung von Kontakten der 7B, welche als drei Reihen aufweisend beschrieben werden kann, verwendet werden. Diesbezüglich kann auch das Ausführungsbeispiel der 7C, welches dem der 7A ähnlich ist, mit den Ausführungsbeispielen der 7D und 7E verglichen werden, in welchen die Kontakte zwischen den zwei Reihen durch die Rotation der Einrichtung 102b gleichmäßiger verteilt sind.
In den 7A und 7B weist jede Platte 102a-c ihre eigene Wanne 106 auf, wobei Gräben (englisch: „trench“) 108 zwischen den Wannen 106a, 106b, 106c etc. angeordnet sind. In den 7C, 7D und 7E sind jedoch die Platten 102a-c in einer einzigen Wanne 106 mit einem einzigen umgebenden Graben 108 angeordnet. Die genaue Anordnung der Wanne(n) 106 und des Grabens bzw. der Gräben 108 kann ebenso wie die jeweilige Kopplungsanordnung der Kontakte, um drei Kontakte aus Kurzschlussverbindungen eines Kontakts von jeder Platte 102a-c bereitzustellen, ausgewählt werden, um die magnetische Sensitivität zu maximieren, Effekte von Temperatur oder mechanischen Belastungen zu minimieren oder andere Faktoren eines bestimmten Ausführungsbeispiels und/oder einer bestimmten Anwendung zu berücksichtigen. Die Ausführungsbeispiele der 7 sind lediglich Beispiele für mehrere Möglichkeiten und sind nicht bezüglich anderer Möglichkeiten, welche benutzt werden können, als einschränkend zu sehen.
Zusätzliche Merkmale können praktische Implementierungen der oben diskutierten Herangehensweise mit sich drehendem Strom verbessern. Beispielsweise ist es bei manchen Ausführungsbeispielen möglicherweise nicht praktikabel, den Strom an jeden Anschluss mit positiver Versorgung in jeder Phase separat zu messen und sie dann später zu subtrahieren, wenn man bedenkt, dass die Ströme verglichen mit einer Differenz zwischen ihnen relativ groß sind. Beispielsweise kann bei dem Simulationsbeispiel der 5 bei einem Ausführungsbeispiel jeder Strom etwa 70 µA sein, wobei eine Differenz zwischen ihnen nur ungefähr 80 pA ist, wenn das angelegte Magnetfeld ungefähr 10 µTesla beträgt.
Wie in den 8A und 8B dargestellt, kann eine Schaltung 800, welche mit der Hall-Platte oder der vertikalen Hall-Einrichtung gekoppelt ist (als Beispiel wird in 8 eine Hall-Platte 102 benutzt) benutzt werden, um die kleinen Stromdifferenzen aus den viel größeren Strömen zu extrahieren. Insbesondere umfasst die Schaltung 800 eine Rückkopplungsschaltung, welche eine Gleichtakt-(Common Mode) Rückkopplungsausgestaltung benutzt, um den Anschlüssen 104a und 104b zwei relativ große Ströme Ia_2 und Ib_2 bereitzustellen, wobei ein getrennter differentieller Rückkopplungsabschnitt die relativ kleinen Differenzen zwischen den Strömen bestimmt, ohne beispielsweise Fehler in den Strömen selbst zu verschlimmern. Die Schaltung 800 ist ein Beispiel einer geeigneten Schaltung, und andere Schaltungen können in diesen und in anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden.
In der Schaltung 800 der 8A sind die Anschlüsse 104a und 104b in einer Phase dargestellt, in welcher jeder Anschluss sowohl ein Versorgungsanschluss als auch ein Signalanschluss ist, wobei jeder der beiden Anschlüsse mit einer Versorgung eines ersten Pegels (z.B. einem positiven Potenzial) gekoppelt ist und ein Ausgangssignal einer Differenz zwischen Signalen an den Anschlüssen 104a und 104d entspricht. Der Anschluss 104c ist ebenso ein Versorgungsanschluss, welcher in der dargestellten Phase mit einer Versorgung eines zweiten Pegels gekoppelt ist, welche in 8A Masse sein kann. Die Gleichtaktströme Ia_2 und Ib_2 (eine Kopplungsanordnung und Notation einer zweiten Phase werden hier nur zur Vereinfachung der Diskussion benutzt) zu den Anschlüssen 104a bzw. 104b der Hall-Platte 102 werden durch eine Spannungsquelle VS versorgt, welche Kraft-Erfassungs-Kontakte benutzt. VS erzeugt eine Spannung an ihren Kraftausgang, welche mit einem gemeinsamen Knoten von Widerständen R und R' gekoppelt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel sind R und R' identisch oder nahezu identisch, obwohl jegliche Differenz zwischen ihnen aus dem schlussendlichen Ausgangssignal herausgelöscht wird, indem die Herangehensweise mit Phasen mit drehendem Strom wie hier diskutiert verwendet wird. Eine Spannung Vcm wird wiederum an ihrem Erfassungseingang erzeugt. Die Strommesseinrichtung A schließt die Anschlüsse 104a und 104b wie in 8A gekoppelt kurz, so dass ein identisches Potenzial an jedem Anschluss 104a, 104b vorliegt. Der von der Strommesseinrichtung A gemessene Strom i kann ausgedrückt werden durch: $i = {(I 1_2 + I 2_2) * (R - R^{'}) / 2 + (I 2_2 - I 1_2) * [R + R^{'}]} / {2 * [r + R + R^{'}]}$
wobei r der Innenwiderstand der Strommesseinrichtung A selbst ist. Wie vorstehend erwähnt, ist bei Ausführungsbeispielen R = R', und von daher misst die Strommesseinrichtung A die Stromdifferenz, wobei jegliche Differenz zwischen R und R' zwischen den mehreren Phasen ausgelöscht wird. Im Hinblick auf das Obige kann das Ausführungsbeispiel der 8A als eine Hall-Sensor-Einrichtung mit drei Anschlüssen betrachtet werden, welche mit zwei Versorgungsanschlüssen implementiert ist, welche in jeder Phase auf das gleiche Potenzial gezwungen werden. Die Stromdifferenz zwischen Strömen, welche diesen auf das gleiche Potenzial gezwungenen Anschlüssen zugeführt wird, ist charakteristisch für das Magnetfeldsignal. Es ist weiter zu bemerken, dass wenn ein Schema mit drehenden Strömen angewendet wird, die Anschlüsse 104a, 104b und 104c vertauscht werden können, zum Beispiel in rotierender Weise mit den Versorgungen in einem im Uhrzeigersinn, gegen den Uhrzeigersinn oder anders laufenden Schema gekoppelt werden.
In der Schaltung 800 der 8B ist die Spannungsquelle VS durch zwei Stromquellen IS1 und IS2 ersetzt. IS1 ist mit dem Anschluss 104a gekoppelt, und IS2 ist mit dem Anschluss 104b gekoppelt, so dass die Anschlüsse 104a und 104b Versorgungsanschlüsse sind. Die Ströme Ia_2 und Ib_2 werden dem Anschluss 104a bzw. dem Anschluss 104b zugeführt. Ein Komparator 802 vergleicht die Spannung Va_2 an dem Anschluss 104a und die Spannung Vb_2 an dem Anschluss 104b, welche als Signalanschlüsse dienen, um ein Ausgangssignal zu erhalten. Im Hinblick auf das Obige kann das Ausführungsbeispiel der 8B als eine Hall-Sensor-Einrichtung mit drei Anschlüssen betrachtet werden, welche mit zwei Versorgungsanschlüssen implementiert ist, welche gezwungen werden, den gleichen Strom aufzuweisen. Die Differenz der Potenziale an den Anschlüssen, welche auf dem gleichen Strom gezwungen wurden, ist charakteristisch für das Magnetfeldsignal. Es ist weiter zu bemerken, dass, wenn ein Schema mit drehenden Strömen angewendet wird, die Anschlüsse 104a, 104b, 104c mit den Versorgungen in einem Schema im Uhrzeigersinn, gegen dem Uhrzeigersinn oder einem anderen Schema rotierend gekoppelt werden können.
Andere Ausführungsbeispiele von Vorspannungs- und Signalextrahierungsschaltungen, welche geeignet zur Benutzung mit Ausführungsbeispielen der Einrichtungen und Techniken mit drehendem Strom wie hier beschrieben sind, werden in der US-Anmeldung US 2014 / 0 028 304 A1 der Anmelderin beschrieben
Während Ausführungsbeispiele, bei welchen der Hall-Einrichtung (horizontale Platte oder vertikale Einrichtung) eine Spannung zugeführt wird und ein Ausgangssignal basierend auf dem Strom extrahiert wird hier diskutiert wurden, können andere Ausführungsbeispiele einen Strom injizieren und eine Spannung extrahieren. Eine Beispielschaltung 900 für ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in 9 dargestellt, insbesondere eine beispielhafte Anordnung für eine zweite der drei Phasen des drehenden Stroms wie hier diskutiert. Die zweite Phase des drehenden Stroms ist lediglich als Beispiel und der Einfachheit halber dargestellt. Wie dargestellt, sind die Anschlüsse 104a und 104c Versorgungsanschlüsse, während die Anschlüsse 104a und 104b Signalanschlüsse sind. Eine Stromquelle IS injiziert einen Strom Ia_2 in den Anschluss 104a der Einrichtung 102. In Abwesenheit eines Magnetfeldes ist das Ausgangssignal am Anschluss 104b die Hälfte von Va_2, der Spannung an den Anschlüssen 104a und 104c, wenn die Einrichtung symmetrisch ist. Um diesen Offset auszulöschen, wird die Versorgungsspannung Va 2 mit einem Faktor k = 0,5 bei 902 multipliziert und von der Ausgangsspannung Vb 2 abgezogen, was die Ausgangsspannung der zweiten Phase bereitgestellt wird, was in 9 als Ua2 der Technik mit drehendem Strom bezeichnet ist. Die anderen Phasen mit drehendem Strom können im Wesentlichen wie hier bezüglich anderer Ausführungsbeispiele beschrieben implementiert werden, wobei die gleiche Herangehensweise wie unter Bezugnahme auf 9 diskutiert verwendet wurde, was die folgenden Ausgangssignale in jeder der drei Phasen des drehenden Stroms bei einem Ausführungsbeispiel bereitstellt: $Ua 1 = I 0 \cdot R 2 \cdot (R 1 + R 3) / (R 1 + R 2 + R 3) \cdot (k - R 1 / (R 1 + R 3)) - S \cdot Bz$
$Ua 2 = I 0 \cdot R 3 \cdot (R 1 + R 2) / (R 1 + R 2 + R 3) \cdot (k - R 2 / (R 1 + R 2)) - S \cdot Bz$
$Ua 3 = I 0 \cdot R 1 \cdot (R 2 + R 3) / (R 1 + R 2 + R 3) \cdot (k - R 3 / (R 2 + R 3)) - S \cdot Bz$
wobei die z-Komponente des Magnetfeldes, Bz, senkrecht zu der Ebene der Hall-Einrichtung 102 ist. S bezeichnet eine Sensitivität. Ein Kombinieren der Ausgangssignale der drei Phasen ergibt: $Ua 1 + Ua 2 + Ua 3 = I 0 \cdot (R 1 \cdot R 2 + R 2 \cdot R 3 + R 3 \cdot R 1) / (R 1 + R 2 + R 3) \cdot (2 \cdot k - 1) - 3 \cdot S \cdot Bz$
und mit k = 0,5 ist das schlussendliche Ausgangssignal in Abwesenheit von irgendeinem Offset-Fehler $Ua 1 + Ua 2 + Ua 3 = - 3 \cdot S \cdot Bz$
Ausführungsbeispiele stellen daher Techniken mit drehendem Strom für Hall-Sensoreinrichtungen mit mehreren Anschlüssen, einschließlich Hall-Platteneinrichtungen und vertikalen Hall-Einrichtungen, bereit, welche Offset-Fehler verringern oder beseitigen. Bei Ausführungsbeispielen werden Hall-Einrichtungen mit nicht mehr als drei Anschlüssen in drei aufeinanderfolgenden Betriebsphasen betrieben, und Ausgangssignale von jeder der Phasen werden kombiniert, was zu einem verringerten oder beseitigten Offset-Fehler führt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können mehrere Hall-Einrichtungen miteinander gekoppelt werden und in den drei Betriebsphasen betrieben werden, um ein ähnliches Ergebnis zu erzielen.
Verschiedene Ausführungsbeispiele von Systemen, Einrichtungen, Elementen und Verfahren wurden beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sind nur als Beispiel zu verstehen und nicht als einschränkend auszulegen. Es ist weiter zu bemerken, dass die verschiedenen Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele auf verschiedene Weise miteinander kombiniert werden können, um so weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Während verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Ausgestaltungen und Anordnungen und dergleichen hinsichtlich der dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, können diese auch variiert werden.
Andere Ausführungsbeispiele können weniger Merkmale als beschrieben oder dargestellt aufweisen. Hinsichtlich eines Ausführungsbeispiels beschriebene Elemente können auch in anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, auch wenn dies nicht explizit beschrieben ist, sofern nichts anderes vermerkt ist.
Merkmale, die in einem Unteranspruch definiert werden, welcher sich auf einen Hauptanspruch oder nebengeordneten Anspruch bezieht, können auch mit den Merkmalen eines anderen Hauptanspruchs oder nebengeordneten Anspruchs kombiniert werden.

Claims

Magnetfeldsensor, umfassend: ein Hall-Gebiet (102; 112) umfassend genau drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c), und eine Schaltung (800; 900), welche eingerichtet ist, in jeder von drei Betriebsphasen zur Messung eines Magnetfeldes wahlweise zumindest zwei der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) als Versorgungsanschlüsse zu koppeln und zwei der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) als Signalanschlüsse zu koppeln, so dass jeder der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) in der gleichen Anzahl von Betriebsphasen als Versorgungsanschluss gekoppelt ist wie die anderen der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c), und jeder der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) in der gleichen Anzahl von Betriebsphasen als Signalanschluss gekoppelt ist wie die anderen der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c).
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, wobei das Hall-Gebiet eine Hall-Platte (102) umfasst.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 2, wobei die drei Anschlüsse (104a-c) auf der Hall-Platte (102) symmetrisch angeordnet sind.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei die drei Anschlüsse (104a-c) voneinander äquidistant auf der Hall-Platte (102) beabstandet sind.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, wobei das Hall-Gebiet (112) eine Wanne umfasst, und der Sensor einen vertikalen Hall-Sensor umfasst.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1-5, weiter umfassend eine Isolationswanne (106), welche das Hall-Gebiet (102; 112) umgibt.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 6, wobei das Hall-Gebiet (102; 112) ein n-Hall-Gebiet umfasst, wobei die drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) n(+)-Kontakte umfassen, und wobei die Isolationswanne (106) eine p-Wanne umfasst.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 6 oder 7, weiter umfassend einen die Isolationswanne (106) umgebenden Isolationsgraben (108).
Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, wobei die drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) einen ersten Anschluss (104a; 114a), einen zweiten Anschluss (104b; 114b) und einen dritten Anschluss (104c; 114c) umfassen, und wobei die Schaltung (800; 900) eingerichtet ist, in einer der drei Betriebsphasen den ersten Anschluss (104a; 114a) und den dritten Anschluss (104c; 114c) als Versorgungsanschlüsse eines ersten Pegels zu koppeln, den zweiten Anschluss (104b; 114b) als einen Versorgungsanschluss eines zweiten Pegels zu koppeln und den ersten Anschluss (104a; 114a) und den dritten Anschluss (104c; 114c) als Signalanschlüsse zu koppeln; in einer weiteren der drei Betriebsphasen den ersten Anschluss (104a; 114a) und den zweiten Anschluss (104b; 114b) als Versorgungsanschlüsse eines ersten Pegels zu koppeln, den dritten Anschluss (104c; 114c) als Versorgungsanschluss eines zweiten Pegels zu koppeln und den ersten Anschluss (104a; 114a) und den zweiten Anschluss (104b; 114b) als Signalanschlüsse zu koppeln; und in noch einer weiteren der drei Betriebsphasen den zweiten Anschluss (104b; 114b) und den dritten Anschluss (104c; 114c) als Versorgungsanschlüsse eines ersten Pegels zu koppeln, den ersten Anschluss (104a; 114a) als Versorgungsanschluss eines zweiten Pegels zu koppeln und den zweiten Anschluss (104b; 114b) und den dritten Anschluss (104c; 114c) als Signalanschlüsse zu koppeln.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1-9, wobei zwei Anschlüsse der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) Signalanschlüsse eines Pegels umfassen, und wobei die Schaltung (800; 900) eingerichtet ist, eine Differenz von Signalen an den als die Signalanschlüsse gekoppelten zwei Anschlüsse als ein Ausgangssignal jeder Betriebsphase zu bestimmen.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 10, wobei die Schaltung (800; 900) eingerichtet ist, die Ausgangssignale jeder Betriebsphase zu kombinieren, um ein Gesamtausgangssignal zu erhalten.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1-11, wobei die Versorgung eine Spannungsversorgung oder eine Stromversorgung ist.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1-12, wobei die drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) einen ersten Anschluss (104a; 114a), einen zweiten Anschluss (104b; 114b) und einen dritten Anschluss (104c; 114c) umfassen, und wobei die Schaltung (800; 900) eingerichtet ist, in einer der drei Betriebsphasen zumindest den dritten Anschluss (104c; 114c) als Versorgungsanschluss eines ersten Pegels zu koppeln, den zweiten Anschluss (104b; 114b) als Versorgungsanschluss eines zweiten Pegels zu koppeln und den ersten Anschluss (104a; 114a) und den dritten Anschluss (104c; 114c) als Signalanschlüsse zu koppeln; in einer weiteren der drei Betriebsphasen zumindest den ersten Anschluss (104a; 114a) als einen Versorgungsanschluss eines ersten Pegels zu koppeln, den dritten Anschluss (104c; 114c) als Versorgungsanschluss eines zweiten Pegels zu koppeln und den ersten Anschluss (104a; 114a) und den zweiten Anschluss (104b; 114b) als Signalanschlüsse zu koppeln; und in noch einer weiteren der drei Betriebsphasen zumindest den zweiten Anschluss (104b; 114b) als Versorgungsanschluss eines ersten Pegels zu koppeln, den ersten Anschluss (104a; 114a) als Versorgungsanschluss eines zweiten Pegels zu koppeln und den zweiten Anschluss (104b; 114b) und den dritten Anschluss (104c; 114c) als Signalanschlüsse zu koppeln.
Verfahren zum Betreiben eines Magnetfeldsensors mit genau drei Anschlüssen (104a-c; 114a-c), umfassend: Betreiben des Magnetfeldsensors in einer ersten Betriebsphase zum Bestimmen eines Magnetfeldes durch: Koppeln eines ersten Anschlusses (104a) und eines zweiten Anschlusses (104b; 114b) der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) mit einer Versorgung eines ersten Pegels und eines dritten Anschlusses (104c; 114c) der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) mit einer Versorgung eines zweiten Pegels, und Erhalten eines Ausgangssignals der ersten Phase durch Kombinieren von Signalen, welche an den ersten Anschluss (104a; 114a) und dem zweiten Anschluss (104b; 114b) der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) erfasst wurden; Betreiben des Magnetfeldsensors in einer zweiten Betriebsphase zum Bestimmen des Magnetfeldes durch: Koppeln des ersten Anschlusses (104a; 114a) und des dritten Anschlusses (104c; 114c) der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) mit einer Versorgung eines ersten Pegels und des zweiten Anschlusses (104b; 114b) der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) mit einer Versorgung eines zweiten Pegels, und Erhalten eines Ausgangssignals der zweiten Phase durch Kombinieren von Signalen, welche an dem ersten Anschluss (104a; 114a) und dem dritten Anschluss (104c; 114c) der drei Anschlüsse erfasst werden, Betreiben des Magnetfeldsensors in einer dritten Betriebsphase zum Bestimmen des Magnetfeldes durch: Koppeln des zweiten Anschlusses (104b; 114b) und des dritten Anschlusses (104c; 114c) der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) mit einer Versorgung eines ersten Pegels und des ersten Anschlusses (104a; 114a) der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) mit einer Versorgung eines zweiten Pegels, und Erhalten eines Ausgangssignals der dritten Phase durch Kombinieren von Signalen, welche an den zweiten Anschluss (104b; 114b) und den dritten Anschluss (104c; 114c) der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) erfasst werden, und Kombinieren der Ausgangssignale der ersten Phase, der zweiten Phase und der dritten Phase.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Magnetfeldsensor einen Hall-Effektsensor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Hall-Effektsensor einen vertikalen Hall-Effektsensor umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14-16, wobei die Versorgung des ersten Pegels und/oder die Versorgung des zweiten Pegels eine Spannungsversorgung oder eine Stromversorgung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14-17, wobei eine erste Spannungs- oder Stromversorgung und eine zweite Spannungs- oder Stromversorgung benutzt wird, wobei jede der ersten Spannungs- oder Stromversorgung und zweiten Spannungs- und Stromversorgung als eine Spannungs- oder Stromversorgung benutzt wird, welche in jeder der ersten, zweiten und dritten Betriebsphase mit einem anderen der drei Anschlüsse (104a-c; 114a-c) gekoppelt ist.
Magnetfeldsensor, umfassend: eine erste Magnetfeldsensoreinrichtung umfassend ein Hall-Gebiet (102a; 112a) und genau drei auf dem Hall-Gebiet (102a; 112a) angeordnete Anschlüsse (1a-3a), eine zweite Magnetfeldsensoreinrichtung umfassend ein Hall-Gebiet (102b; 112b) und genau drei auf dem Hall-Gebiet (102b; 112b) angeordnete Anschlüsse (1b-3b), eine dritte Magnetfeldsensoreinrichtung umfassend ein Hall-Gebiet (102c; 112c) und genau drei auf dem Hall-Gebiet (102c; 112c) angeordnete Anschlüsse (1c-3c), und eine Schaltung, welche eingerichtet ist, die erste, zweite und dritte Magnetfeldsensoreinrichtung wahlweise zu koppeln, wobei jede der ersten, zweiten und dritten Magnetfeldsensoreinrichtungen einen ersten Anschluss (la-c), einen zweiten Anschluss (2a-c) und einen dritten Anschluss (3a-c), welche in der gleichen Reihenfolge angeordnet sind, umfasst, und wobei die Schaltung eingerichtet ist, wahlweise zur Bildung eines ersten Gesamtanschlusses den ersten Anschluss (1a) der ersten Magnetfeldsensoreinrichtung, den zweiten Anschluss (2b) der zweiten Magnetfeldsensoreinrichtung und den dritten Anschluss (3c) der dritten Magnetfeldsensoreinrichtung zu koppeln, zur Bildung eines zweiten Gesamtanschlusses den zweiten Anschluss (2a) der ersten Magnetfeldsensoreinrichtung, den dritten Anschluss (3b) der zweiten Magnetfeldsensoreinrichtung und den ersten Anschluss (1c) der dritten Magnetfeldsensoreinrichtung zu koppeln, und zur Bildung eines dritten Gesamtanschlusses den dritten Anschluss (3a) der ersten Magnetfeldsensoreinrichtung, den ersten Anschluss (1b) der zweiten Magnetfeldsensoreinrichtung und den zweiten Anschluss (2c) der dritten Magnetfeldsensoreinrichtung zu koppeln.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 19, wobei die Hall-Gebiete Hall-Platten (102a-c) umfassen.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 19, wobei die Hall-Gebiete vertikale Hall-Einrichtungen (112a-c) umfassen.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 19-21, wobei die Hall-Gebiete der ersten, zweiten und dritten Magnetfeldsensoreinrichtungen in einer Isolationswanne angeordnet sind.
Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 19-21, wobei das Hall-Gebiet der ersten Magnetfeldsensoreinrichtung in einer ersten Isolationswanne (106a) angeordnet ist, das Hall-Gebiet der zweiten Magnetfeldsensoreinrichtung in einer zweiten Isolationswanne (106b) angeordnet ist und das Hall-Gebiet der dritten Magnetfeldsensoreinrichtung in einer dritten Isolationswanne (106c) angeordnet ist.
Magnetfeldsensor nach Anspruch 23, wobei benachbarte Isolationswannen der ersten, zweiten und dritten Isolationswanne (106a-c) durch einen Isolationsgraben (108) getrennt sind.