DE102015119025A1

DE102015119025A1 - Bias-Schaltung für gestapelte Hall-Bauelemente

Info

Publication number: DE102015119025A1
Application number: DE102015119025.7A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2016-05-12
Also published as: US20160124055A1; CN107942269A; US9651635B2

Abstract

Ausführungsformen betreffen Stapel von Halleffekt-Strukturen, bei denen sich das Potential an den Kontakten jeder Halleffekt-Struktur in einem Stapel von Halleffekt-Strukturen monoton ändert. Eine mit der Halleffekt-Struktur in jeder Schicht des Stapels assoziierte Ausgabe kann mit der Ausgabe einer gegenstückigen Halleffekt-Struktur in einem anderen Stapel verglichen werden, um die Stärke eines anliegenden Magnetfelds festzustellen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen betreffen allgemein Anordnungen und Betriebsverfahren von Halleffekt-Strukturen und Sensorsystemen und insbesondere Zwischenverbindungen von Halleffekt-Sensorstrukturstapeln, die einen geringen Restoffsetfehler, einen geringen Stromverbrauch und eine hohe Magnetfeldempfindlichkeit bereitstellen, wenn sie in einem Spinning-Schema betrieben werden.
HINTERGRUND
Halleffekt-Sensoren werden in einer Vielzahl von Systemen verwendet, um ein Magnetfeld zu messen. Halleffekt-Sensoren nutzen den Halleffekt, wodurch eine Spannung an einem Leiter oder Halbleiter aufgrund von Lorentz-Kräften an beweglichen Ladungsträgern generiert wird. Diese als die Hall-Spannung bezeichnete Spannung kann gemessen werden, um die Stärke eines angelegten Magnetfelds festzustellen. Die Hall-Spannung ist umgekehrt proportional zur Dichte der Ladungsträger. Dementsprechend bestehen Halleffekt-Bauelemente oftmals aus einem halbleitenden Material mit einer relativ niedrigeren Ladungsträgerdichte als typische Leiter.
Halleffekt-Sensoren können in einem Halbleiterchip oder- die entweder vertikal oder horizontal orientiert sein. Horizontale Halleffekt-Bauelemente, auch als Hall-Platten bezeichnet, reagieren auf eine Magnetfeldkomponente senkrecht zur Hauptoberfläche des Rohchips (Die), in dem sie ausgebildet sind. Im Gegensatz dazu reagieren vertikale Halleffekt-Bauelemente auf eine Magnetfeldkomponente parallel zur Hauptoberfläche des Rohchips.
Vier-Kontakt- und Drei-Kontakt-Halleffekt-Bauelemente sind bekannt. Bei einem Vier-Kontakt-Bauelement wird die Leistung (wie etwa ein Versorgungsstrom) von einem ersten Kontakt zu einem zweiten Kontakt angesteuert (üblicherweise gegenüber dem Halleffekt-Bauelement von dem ersten Kontakt entlang einer Primärachse positioniert). Dritte und vierte Kontakte sind positioniert, um die durch den Stromfluss unter der Wirkung eines Magnetfelds generierte Hall-Spannung zu messen, und sind gleichermaßen üblicherweise gegenüber dem Halleffekt-Bauelement voneinander entlang einer Sekundärachse positioniert. Dritte und vierte Kontakte sind derart positioniert, dass sie in Abwesenheit eines Magnetfelds auf dem gleichen Potential sind. Dies wird oftmals dadurch erzielt, dass Primär- und Sekundärachsen senkrecht zueinander angeordnet werden. Aufgrund kleiner Ungenauigkeiten und Asymmetrien beim Bauelement sind dritte und vierte Kontakte üblicherweise nicht perfekt auf dem gleichen Potential bei einem Magnetfeld von null. Dies ergibt eine kleine Spannung zwischen diesen Kontakten, die als der Offsetfehler bezeichnet wird.
Bei einem Drei-Kontakt-Bauelement wird die Leistung (wie etwa ein Versorgungsstrom) von einem ersten Kontakt zu einem zweiten Kontakt angesteuert. Die Spannung an einem dritten Kontakt ist eine Funktion nicht nur der zugeführten Leistung, sondern auch eines beliebigen Magnetfelds, das auf die Halleffekt-Einrichtung in einer Richtung einwirkt, in der dieses Bauelement empfindlich ist. Drei-Kontakt-Bauelemente können vertikal ausgelegt sein (z.B. mit einem Halleffekt-Gebiet, das sich in das Substrat erstreckt, in dem die Kontakte ausgelegt sind) oder horizontal (z.B. eine Hall-Platte, bei der das Halleffekt-Gebiet im Wesentlichen koplanar mit den drei Kontakten ist).
Die Rolle der Kontakte (z.B. Versorgung- oder Signalkontakte) in einem vertikalen Drei-Kontakt-Halleffekt-Bauelement können permutiert werden, um das angelegte Feld in jeder von sechs verschiedenen Betriebsphasen zu messen. Diese Permutation wird als Spinning bezeichnet. Verschiedene Offsets werden während des Spinning-Betriebs erzeugt. Innerhalb einer gegebenen Betriebsphase kann bei einem angelegten Magnetfeld von null eine Signalspannung beobachtet werden, als ein „Rohoffset“ bezeichnet. Durch Spinnen des Halleffekt-Bauelements und Kombinieren der resultierenden Signalspannungen in dem ganzen Spinning-Schema kann der größte Teil des Rohoffset korrigiert werden. Der Rest wird als „Restoffset“ bezeichnet. „Elektrisches Offset“ ist der Teil des Offset, der durch ein äquivalentes Ersatzwiderstandsmodell aus dem Halleffekt-Bauelement und von Schaltern modelliert werden kann. „Thermo-Offset“ bezieht sich auf Offsetfehler aufgrund thermischer Effekte wie etwa Seeback- und Peltier-Effekte, die in dem Halleffekt-Bauelement auftreten.
Allgemein gesprochen versuchen Spinning-Schemata für Halleffekt-Bauelemente, eine hohe magnetische Empfindlichkeit zu erzeugen, während der Restoffset des Systems reduziert wird. Beim Verwenden eines Spinning-Schemas werden Halleffekt-Bauelemente allgemein in einer endlosen Sequenz von Betriebsphasen betrieben. Dies bedeutet, dass ein Spinning-Schema, das eine gewisse Anzahl an Betriebsphasen umfasst, ausgeführt wird und die Ausgangssignale der Halleffekt-Bauelemente dieser Betriebsphasen kombiniert werden; nach dem ersten Ausführen des Spinning-Schemas wird es wiederholt – vielleicht intermittierend und mit verwürfelter oder stochastischer Reihenfolge – aber endlos, solange die Schaltung eingeschaltet ist oder der Betrieb unterbrochen ist, wenn die Schaltung einen gewissen Befehl von außen empfängt. In einem allgemeineren Sinne wird so eine beliebige repetitive Sequenz von finiten Betriebsphasen, in denen das Halleffekt-Bauelement betrieben wird, als ein Spinning-Schema bezeichnet.
Es ist eine Aufgabe, Möglichkeiten bereitzustellen, derartige Spinning-Schemata effektiv implementieren zu können, z.B. indem hierfür geeignete Strukturen bereitgestellt werden.
KURZDARSTELLUNG
Es werden ein Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 19 sowie ein Verfahren nach Anspruch 11 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Ausführungsformen betreffen ein Magnetfeldsensorsystem, das Folgendes umfasst: einen ersten Satz (d.h. eine erste Gruppe) von Halleffekt-Strukturen, die konfiguriert sind zum Zusammenschalten als ein Stapel, wobei jede Halleffekt-Struktur des ersten Satzes zwei Versorgungskontakte und einen Signalkontakt umfasst; und einen zweiten Satz von Halleffekt-Strukturen, die konfiguriert sind zum Zusammenschalten als ein Stapel, wobei jede Halleffekt-Struktur des zweiten Satzes zwei Versorgungskontakte und einen Signalkontakt umfasst; wobei jede der Halleffekt-Strukturen des ersten Satzes konfiguriert ist zum Zusammenschalten als ein komplementäres Gegenstück zu einer der Halleffekt-Strukturen des zweiten Satzes.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfelds, um ein Signal zu generieren: Anordnen eines ersten Stapels von Halleffekt-Strukturen, um eine Magnetfeldkomponente zu messen; Anordnen eines zweiten Stapels von Halleffekt-Strukturen, um eine Magnetfeldkomponente zu messen; und Generieren einer Ausgabe entsprechend einem ersten und zweiten Potential an Signalkontakten von mindestens zweien des ersten Stapels von Halleffekt-Strukturen und eines zweiten Potentials an einem Signalkontakt einer komplementären Gegenstück-Halleffekt-Struktur des zweiten Stapels.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Sensorsystem: mehrere k > 1 Schichten, wobei jede der Schichten eine erste Halleffekt-Struktur, eine zweite Halleffekt-Struktur umfasst, wobei jede der ersten und zweiten Halleffekt-Struktur mindestens drei Anschlüsse umfasst. Das System enthält weiterhin mehrere Versorgungsschalter, wobei die Versorgungsschalter ausgelegt sind zum Zusammenschalten eines ersten der Kontakte der ersten Halleffekt-Struktur der zweiten bis k-ten Schicht mit einem der Kontakte der ersten Halleffekt-Struktur einer elektronisch benachbarten Schicht auf höherem Potential und zum Zusammenschalten eines zweiten der Kontakte der ersten Halleffekt-Struktur jeder ersten bis k-1-ten Schichten mit einem der Kontakte der ersten Halleffekt-Struktur einer ersten elektronisch benachbarten Schicht auf niedrigerem Potential. Die Versorgungsschalter sind weiterhin ausgelegt zum Zusammenschalten eines ersten der Kontakte der zweiten Halleffekt-Struktur der zweiten bis k-ten Schicht mit einem der Kontakte der zweiten Halleffekt-Struktur einer elektronisch benachbarten Schicht auf höherem Potential und zum Zusammenschalten eines zweiten der Kontakte der zweiten Halleffekt-Struktur jeder der ersten bis k-1-ten Schicht mit einem der Kontakte der zweiten Halleffekt-Struktur einer elektronisch benachbarten Schicht auf niedrigerem Potential. Das System enthält weiterhin mehrere Signalschalter, wobei die Signalschalter konfiguriert sind zum Empfangen von Daten bezüglich mindestens eines der Kontakte der ersten Halleffekt-Struktur und mindestens eines der Kontakte der zweiten Halleffekt-Struktur von identischen Schichten, um differenzielle Ausgaben (hier auch als Differenzausgaben bezeichnet) zu generieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen können bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen umfassender verstanden werden. Es zeigen:
1A–1F Querschnittsansichten einer vertikalen Halleffekt-Struktur, die in sechs Betriebsphasen konfiguriert ist, gemäß einer Ausführungsform,
2A–2F Ersatzschaltbilder entsprechend den Betriebsphasen der jeweils in 1A–1F gezeigten Ausführungsform,
3 ein Schemadiagramm eines Systems mit sechs vertikalen Drei-Kontakt-Halleffekt-Strukturen und entsprechender Schaltungsanordnung, konfiguriert zum Generieren eines Ausgangssignals, gemäß einer Ausführungsform,
4 eine schematische Ansicht eines Versorgungskontaktschaltsystems gemäß einer Ausführungsform,
5 eine schematische Ansicht eines Signalkontaktschaltsystems gemäß einer Ausführungsform,
6A und 6B Draufsichten auf eine horizontale Drei-Kontakt-Halleffekt-Struktur in jeder von zwei Betriebsphasen gemäß einer Ausführungsform,
7A und 7B vertikale Drei-Kontakt-Halleffekt-Sensoren gemäß zwei Ausführungsformen,
8A–8C eine Vier-Kontakt-Halleffekt-Struktur in jeder von drei Betriebsphasen gemäß einer Ausführungsform,
9 ein Ersatzschaltbild entsprechend den Betriebsphasen der Vier-Kontakt-Halleffekt-Struktur-Ausführungsform von 8A–8C,
10 ein Schemadiagramm eines Systems mit zwei Stapeln jeweils aus drei Vier-Kontakt-Halleffekt-Strukturen und entsprechende Schaltungsanordnung, konfiguriert zum Generieren eines Ausgangssignals, gemäß einer Ausführungsform,
11 eine Perspektivansicht einer vertikalen Vier-Kontakt-Halleffekt-Struktur gemäß einer Ausführungsform,
12 ein Schemadiagramm eines Stapels aus zwei Vier-Kontakt-Halleffekt-Strukturen gemäß einer Ausführungsform,
13 ein Schemadiagramm von zwei Stapeln, die jeweils zwei Vier-Kontakt-Halleffekt-Strukturen umfassen, und einer sie verbindenden Schaltungsanordnung.
Wenngleich sich Ausführungsformen für verschiedene Modifikationen und alternative Formen anbieten, wurden spezifische Details davon in den Zeichnungen beispielhaft gezeigt und werden im Detail beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Absicht nicht besteht, die Erfindung auf die beschriebenen bestimmten Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil ist die Absicht, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abzudecken, die in den Schutzbereich der Erfindung fallen, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen betreffen Halleffekt-Strukturen und Systeme, die konfiguriert sind zum Messen einer Magnetfeldstärke. Bei Ausführungsformen sind Halleffekt-Strukturen in Stapeln angeordnet, und die Halleffekt-Strukturen innerhalb jedes Stapels sind miteinander in Reihe zusammengeschaltet. Bei Ausführungsformen können die Strukturen innerhalb jedes Stapels zwischen verschiedenen Betriebsphasen gemäß eines Spinning-Schemas geschaltet werden, und trotz unvermeidlicher Spannungsabfälle über Schaltern in jedem Stapel können die Signale dieser Betriebsphasen derart kombiniert werden, dass der Offsetfehler in dieser Kombination von Signalen stark reduziert ist.
Unter Bezugnahme auf die 1A–1F wird eine weggeschnittene Querschnittsansicht einer Halleffekt-Struktur 110 gezeigt. Die Halleffekt-Struktur 110 ist eine vertikale Halleffekt-Struktur; das heißt, die Halleffekt-Struktur 110 misst Magnetfelder in einer Ebene mit dem Substrat (nicht gezeigt), in dem sie angeordnet ist. In der hier gezeigten Orientierung sind solche Feldkomponenten jene, die in die Seite oder aus ihr heraus weisen, wie durch die Feldkomponente B dargestellt. Die Halleffekt-Struktur 110 enthält Kontakte 112A–112C, die im Halleffekt-Gebiet 114 entlang einer oberen Oberfläche 114S positioniert sind.
In 1A ist die Halleffekt-Struktur 110 in einer ersten Betriebsphase gezeigt. Die Betriebsphase der Halleffekt-Struktur 110 wird durch die relativen Positionen von Versorgungs- und Signalkontakten bestimmt. Wie durch die Pfeile dargestellt (d.h. in den Kontakt 112A und aus dem Kontakt 112B weisend), sind die Kontakte 112A und 112B in der ersten Betriebsphase Versorgungskontakte. Das heißt, Strom wird durch das Halleffekt-Gebiet 114 über Kontakte 112A und 112B angesteuert. Dies kann bewerkstelligt werden, indem eine Stromquelle am Kontakt 112A und eine Senke am Kontakt 112B bereitgestellt wird, oder es kann bewerkstelligt werden, indem eine Spannungsdifferenz an den Kontakten 112A und 112B bereitgestellt wird, als Beispiel.
Zur leichteren Beschreibung in den folgenden Absätzen wird eine Richtungsnotation verwendet, um auf Positionen und Orientierungen der Komponenten der Halleffekt-Struktur 110 und von Strömen und Feldern darin Bezug zu nehmen. Es versteht sich, dass diese Referenzen auf Richtungen der Zweckmäßigkeit dienen und nicht beschränkend sein sollen. Verschiedene alternative Richtungen, Referenzrahmen und/oder Orientierungen könnten verwendet werden, ohne von dem Schutzbereich der beschriebenen Strukturen und Ausführungsformen abzuweichen.
Bezüglich der in 1A gezeigten Ausführungsform ist der Kontakt 112C ein Signalkontakt, wie durch den sich von dem Kontakt 112C aus erstreckenden Knoten gezeigt. Das heißt, es gibt keine substantielle Leistungsquelle, die Strom zu oder von dem Signalkontakt 112C steuert. Die am Signalkontakt 112C in der in 1A gezeigten Ausführungsform anliegende Spannung ist eine Funktion des Magnetfeldes B. Mit der in 1A gezeigten Orientierung besitzt das Magnetfeld B eine in die Seite weisende Richtung.
Die Größe der Lorentz-Kräfte und somit das Potential im ganzen Halleffekt-Gebiet 114 wird durch die Stärke und Richtung des Magnetfelds B modifiziert. Somit würde für ein Magnetfeld B mit der in 1A gezeigten Richtung eine höhere Feldstärke am Signalkontakt 112C eine höhere Spannung verursachen. Umgekehrt würde eine Reduktion bei der Feldstärke oder eine Änderung bei der Richtung des Magnetfelds B von der bezüglich 1A gezeigten Orientierung eine Abnahme bei der Spannung am Signalkontakt 112C verursachen.
Durch Einführen einer elektrischen Stromversorgung an den Versorgungskontakten 112A und 112B und Messen der Spannung am Signalkontakt 112C kann eine dem Magnetfeld B entsprechende Spannung erhalten werden. Die Stärke des Magnetfelds B kann direkt anhand der Ausgangsspannung ermittelt werden. In der Praxis gibt es oftmals verschiedene Arten von Offsets innerhalb einer beliebigen gegebenen Halleffekt-Struktur, die die Zuverlässigkeit dieser Art von Messung reduzieren.
Die 1B–1F veranschaulichen die gleiche, zuvor bezüglich 1A beschriebene Halleffekt-Struktur 110. In den 1B–1F jedoch sind die Funktionen der Kontakte 112A–112C in fünf zusätzliche Betriebsphasen umgeordnet. In jeder Phase wird die Spannung am Signalkontakt durch die Stärke des Magnetfelds B beeinflusst.
In der in 1B gezeigten Betriebsphase wird die elektrische Versorgung von dem Versorgungskontakt 112B an das Halleffekt-Gebiet 114 geliefert und verlässt bei Versorgungskontakt 112C. Elektrisches Potential kann am Signalkontakt 112A gemessen werden, um ein die Stärke des Magnetfelds B anzeigendes Signal zu liefern.
In der in 1C gezeigten Betriebsphase wird die elektrische Versorgung von dem Versorgungskontakt 112C an das Halleffekt-Gebiet 114 geliefert und verlässt bei Versorgungskontakt 112B. Elektrisches Potential kann am Signalkontakt 112A gemessen werden, um ein die Stärke des Magnetfelds B anzeigendes Signal zu liefern.
In der in 1D gezeigten Betriebsphase wird die elektrische Versorgung von dem Versorgungskontakt 112B an das Halleffekt-Gebiet 114 geliefert und verlässt bei Versorgungskontakt 112A. Elektrisches Potential kann am Signalkontakt 112C gemessen werden, um ein die Stärke des Magnetfelds B anzeigendes Signal zu liefern.
In der in 1E gezeigten Betriebsphase wird die elektrische Versorgung von dem Versorgungskontakt 112A an das Halleffekt-Gebiet 114 geliefert und verlässt bei Versorgungskontakt 112C. Elektrisches Potential kann am Signalkontakt 112B gemessen werden, um ein die Stärke des Magnetfelds B anzeigendes Signal zu liefern.
In der in 1F gezeigten Betriebsphase wird die elektrische Versorgung von dem Versorgungskontakt 112C an das Halleffekt-Gebiet 114 geliefert und verlässt bei Versorgungskontakt 112A. Elektrisches Potential kann am Signalkontakt 112B gemessen werden, um ein die Stärke des Magnetfelds B anzeigendes Signal zu liefern.
Orthogonale Phasen sind jene Phasen, bei denen sich die elektrischen Offsets aufheben, falls die Ausgaben von Sensoren in diesen beiden Phasen kombiniert werden, so dass in der Theorie ein Signal nur auf der Basis des Magnetfelds verbleibt. Für die bezüglich 1 gezeigten vertikalen drei Kontakt-Halleffekt-Strukturen müssen nur zwei Phasen kombiniert werden, um die elektrischen Offsets aufzuheben. Insbesondere werden in den 1B–1F drei vollständige orthogonale Sätze von orthogonalen Betriebsphasen gezeigt:

• Orthogonale Betriebsphase Satz A: Phase 1 und Phase 3;
• Orthogonale Betriebsphase Satz B: Phase 2 und Phase 5; und
• Orthogonale Betriebsphase Satz C: Phase 4 und Phase 6.

Die 2A–2F sind vereinfachte Schemadiagramme entsprechend den sechs Betriebsphasen der jeweils in 1A–1F gezeigten vertikalen Halleffekt-Struktur 110. Insbesondere veranschaulichen die 2A–2F ein vereinfachtes Widerstandswertmodell, mit dem das elektrische (nicht das thermische oder magnetische) Verhalten der Halleffekt-Struktur 110 der 1A–1F beschrieben werden kann. Knoten 212A–212C entsprechen jeweils Kontakten 112A–112C der 1A–1F. Die Widerstandswerte R1, R2 und R3 entsprechen den Widerstandswerten zwischen den Knoten 212A und 212B; 212B und 212C bzw. 212A und 212C durch ein Halleffekt-Gebiet (z.B. Halleffekt-Gebiet 114 der 1A–1F).
Falls die Halleffekt-Struktur als elektrisch linear angesehen werden kann, bleiben die Widerstandswerte R1, R2, R3 in allen in 2A–2F gezeigten Betriebsphasen unverändert. Auf der Basis dieser Annahme kann die am Signalkontakt jeder Phase anliegende Spannung relativ zu den an den Versorgungskontakten anliegenden Spannungen berechnet werden. Für die bezüglich 2A gezeigte Betriebsphase kann die Spannung am Signalkontakt 212C bei einem Magnetfeld von null als Funktion der Spannung am Versorgungsanschluss 212A bestimmt werden, indem das System als ein Spannungsteiler angesehen wird (unter der Annahme, dass sich der Kontakt 112B auf Masse befindet): V_212C = V_212A R2 / R2 + R3. [1]
Weiterhin kann die Spannung am Versorgungskontakt 212A bestimmt werden. Der Gesamtwiderstandswert zwischen Versorgungskontakt 212A und Versorgungskontakt 212B, R_Thévenin, kann bestimmt werden:
Die Spannung am Versorgungswiderstand 212A, V_212A, die der Thévenin-Widerstandwert multipliziert mit dem Eingangsstrom I sein wird: V_212A = I R1(R2 + R3) / R1 + R3 + R3. [3]
Die Ausgangsspannung am Signalkontakt 212C kann durch Kombinieren der Gleichungen [1] und [3] bestimmt werden: V_212C = I R1 × R2 / R1 + R3 + R3
Man beachte, dass die Ausgangsspannung in Phase 1 bei einem Magnetfeld von null die gleiche ist wie die der Phase 3, ihrer orthogonalen Betriebsphase. Mit anderen Worten ist die Rohoffsetspannung am Signalkontakt 212C von 2A die gleiche wie die Rohoffsetspannung am Signalkontakt 212A von 2C. Gleichermaßen kann die Rohoffsetausgangsspannung für jedes orthogonale Paar bestimmt werden. Insbesondere gilt für die orthogonalen Betriebsphasen von Satz B: V_212A(FIG. 2B) = V_212B(FIG. 2E) = I R2 × R3 / R1 + R3 + R3. und schließlich gilt für die orthogonalen Betriebsphasen von Satz C: V_212C(FIG. 2D) = V_212B(FIG. 2F) = I R1 × R3 / R1 + R3 + R3.
Praktischerweise können Schalter wie etwa MOS-Schalter verwendet werden, um die Funktionen jedes Kontakts zuzuweisen, indem jeder der Kontakte mit einer Stromquelle, einer Senke oder einem Spannungsmesser verbunden oder von diesem getrennt wird. Beim Arbeiten in einem Spinning-Schema können, wie unten beschrieben, ein oder mehrere Schalter zwischen dem Versorgungsanschluss für den Stromfluss aus der Halleffekt-Struktur 210 und einer anderen Struktur oder Masse vorliegen. Für stromgesteuerte Ausführungsformen wie etwa jene oben beschriebenen sind der Einschaltwiderstandswert der an dem Eingangsversorgungskontakt und dem Signalkontakt angebrachten Schalter nicht wichtig, weil der Strom durch die Stromquelle erzwungen wird und die abgegriffene Spannung nicht durch kleine Widerstandswerte von Schaltern beeinflusst wird, solange das Spannungsmessgerät eine sehr hohe Impedanz besitzt. Der Versorgungskontakt, der mit der Stromsenke verbunden ist, kann jedoch einen Spannungsabfall von mehreren Millivolt in Abhängigkeit von dem Strompegel durch die Versorgungskontakte bewirken. Die orthogonalen Sätze von Betriebsphasen verwenden den gleichen Versorgungsanschluss für den Stromfluss aus der Halleffekt-Struktur 210 hinaus, doch hebt sich dieser Spannungsabfall auf, wenn die Signale von orthogonalen Betriebsphasen verglichen werden.
3 ist ein Schemadiagramm eines Sensorsystems 300, das sechs Halleffekt-Strukturen 310 enthält. Das Sensorsystem 300 enthält einen ersten Stapel 316A und einen zweiten Stapel 316B. Das Sensorsystem 300 enthält weiterhin eine Schaltungsanordnung 317. Das Sensorsystem 300 enthält auch eine Schaltungsanordnung 317, die Vorverstärker 318A–318C und einen Summierer 320 enthält. Der erste Stapel 316A und der zweite Stapel 316B sind jeweils mit einer Stromquelle (322, 322‘) und Masse 324 verbunden. Die Stromquellen 322 und 322‘ sind mit jedem Stapel 316A bzw. 316B verbunden und können zwei verschiedene Stromquellen sein, die nominell identisch sind, wenngleich es bei einigen Ausführungsformen geringfügige Unterschiede zwischen dem Strom, der tatsächlich von jeder geliefert wird, geben kann. Das Schemadiagramm zeigt nur jene Schalter, die in dieser spezifischen Kombination von Betriebsphasen „ein“ sind (d.h. leiten) – es gibt nichtgezeigte zusätzliche Schalter, die in 3 „aus“ sind (d.h. nicht leitend), aber in anderen Kombinationen von Betriebsphasen „ein“ sein können.
Stapel wie etwa die in 3 gezeigten Stapel 316A und 316B sind Anordnungen von Einrichtungen, die elektronisch innerhalb einer bestimmten Kombination von Betriebsphasen geordnet sind, die ein Spinning-Schema bilden. Innerhalb einer Betriebsphase besitzen alle Kontakte einer ersten Halleffekt-Struktur ein niedrigeres oder gleiches Potential wie beliebige der Kontakte einer zweiten Halleffekt-Struktur dieses Stapels usw. Eine letzte Einrichtung besitzt Kontakte mit Potentialen, die höher oder gleich einem beliebigen der Kontakte einer beliebigen vorherigen Einrichtung sind. Mit anderen Worten ändert sich das Potential an den Kontakten jeder Einrichtung in einem Stapel von Halleffekt-Strukturen monoton. Bei solchen Ausführungsformen können Stapel Sätze von in Reihe geschalteten Halleffekt-Strukturen umfassen, so dass Gesamtstrom durch die erste Einrichtung, dann durch die zweite usw. fließt, bis er schließlich durch die letzte Einrichtung und in Masse fließt. Bei anderen Ausführungsformen können kleine Teile des Stroms auch in die Signalkontakte oder aus ihnen heraus fließen, so dass nicht allen Einrichtungen exakt der gleiche Strom geliefert wird, sondern immer noch die Potentiale entlang des Stapels monoton variieren. Ein Stapel umfasst mindestens zwei Halleffekt-Strukturen. Oftmals sind Stapel aus Halleffekt-Strukturen so orientiert, dass sie das Magnetfeld in einer gemeinsamen Richtung messen. Es ist jedoch auch möglich, mehrere Halleffekt-Einrichtungen zu einem Stapel anzuordnen, wobei einige von ihnen auf Magnetfelder in einer ersten Richtung (z.B. der x-Richtung) reagieren und andere auf ein Magnetfeld in einer zweiten Richtung reagieren (z.B. der y-Richtung, wobei x und y parallel zur Rohchip-Oberfläche verlaufen). Es ist dadurch möglich, alle Sensorausgaben eines Stapels zu kombinieren, um ein Signal zu erhalten, das Magnetfeldkomponenten in mehreren Richtungen anzeigt. Es ist auch möglich, die auf eine einzelne Feldkomponente reagierenden Ausgaben zu kombinieren und alle auf eine zweite Feldkomponente reagierenden Ausgaben zu kombinieren, indem zwei Summierschaltungen implementiert werden.
Bei der gezeigten Ausführungsform enthält jeder der Stapel 316A und 316B drei der Halleffekt-Strukturen 310. Der erste Stapel 316A enthält eine obere Halleffekt-Struktur 310 (die in der vierten Betriebsphase arbeitet, wie in 1–2 beschrieben), eine mittlere Halleffekt-Struktur 310C (zweite Betriebsphase) und eine untere Halleffekt-Struktur 310E (fünfte Betriebsphase). Der zweite Stapel 316B enthält eine obere Halleffekt-Struktur 310B (zweite Betriebsphase), eine mittlere Halleffekt-Struktur 310D (vierte Betriebsphase) und eine untere Halleffekt-Struktur 310F (sechste Betriebsphase). Wie hierin verwendet, beziehen sich „obere“, „mittlere“ und „untere“ auf die Positionen – innerhalb der elektrischen Schaltungsanordnung 317 der Stapel 316A und 316B – der Halleffekt-Strukturen. Somit kann die Nummer der Schicht (in den Figuren als k gezeigt) verwendet werden, um die relative elektrische Nähe der jeweiligen Halleffekt-Struktur als zwischen Stromquelle 322 und Masse 324 innerhalb einer bestimmten Betriebsphase zu identifizieren. Die Halleffekt-Strukturen jedes Stapels innerhalb einer gegebenen Schicht sind komplementäre Gegenstücke zueinander, und ihre Ausgaben können über eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung (wie etwa die Schaltungsanordnung 317 wie gezeigt) verglichen werden. Somit umfasst jede Schicht der Ausführungsform eine gerade Anzahl an Halleffekt-Strukturen, die insoweit komplementär sind, als die Hälfte von ihnen zunehmende Ausgangssignale bei einem zunehmenden Magnetfeld zeigt, während die andere Hälfte dieser Halleffekt-Strukturen abnehmende Ausgangssignale bei zunehmendem Magnetfeld zeigt. Die erste Hälfte kann mit den nichtinvertierenden Eingängen des Vorverstärkers verbunden sein, und die zweite Hälfte kann mit den invertierenden Eingängen der Vorverstärker 318 verbunden sein. Dies bildet einen Differenzsignalweg, der gegenüber Gleichtaktstörungen robust ist.
In 3 verschwindet die Spannung zwischen Ausgängen von komplementären Halleffekt-Strukturen nominell bei Abwesenheit von Magnetfeldern.
Bei alternativen Ausführungsformen könnten vielmehr Halleffekt-Strukturen 310 zwischen der Stromquelle 322 und Masse 324 enthalten sein, wobei jedes Paar an einem Vorverstärker 318 gekoppelt ist und der Vorverstärker an den Summierer 320 gekoppelt ist. In den Figuren wird auf diese Schichten als auf einen k-Wert Bezug genommen, doch können die mit jeder Schicht k = n assoziierten Halleffekt-Strukturen zwischen Betriebsphasen variieren. Wenngleich Vorverstärker 318 bezüglich 3 gezeigt sind, ist bei anderen Ausführungsformen kein Vorverstärker notwendig. Invertierende und nichtinvertierende Anschlüsse könnten vorliegen, die konfiguriert sind zum Senden eines Signals von den Halleffekt-Strukturen 310 zu einem Vorverstärker oder Vergleicher oder einem Analog-Digital-Wandler oder allgemein irgendeiner Art von Differenzsignalkonditionierungsschaltung.
Es versteht sich, dass die Schichten Halleffekt-Strukturen eines oder mehrerer Stapel enthalten können. Beispielsweise enthalten einige Ausführungsformen zwei Stapel, und jede Schicht k = 1 bis k = n enthält eine Halleffekt-Struktur von jedem Stapel. Tatsächlich können in vielen Ausführungsformen Ausgaben entsprechend der Spannung an den Signalkontakten von Halleffekt-Strukturen verschiedener Stapel miteinander verglichen werden. In verschiedenen Betriebsphasen kann die erste, letzte und dazwischenliegende Halleffekt-Struktur des Stapels variieren. Beispielsweise kann sich eine Halleffekt-Struktur in der ersten Schicht in einer ersten Betriebsphase befinden, einer vierten Schicht in einer zweiten Betriebsphase und einer dritten Schicht in einer dritten Betriebsphase. Die Schichten beziehen sich auf eine elektrische anstatt eine geometrische Position und die eine beliebige gegebene Schicht umfassenden Halleffekt-Strukturen innerhalb einer ersten Betriebsphase können sich in anderen Schichten als eine andere in einer zweiten Betriebsphase befinden. Die Halleffekt-Strukturen 310A–310F sind zwischen Stapeln gepaart; d.h., die obere Halleffekt-Struktur des ersten Stapels 316A und die obere Halleffekt-Struktur des zweiten Stapels 316B werden beim Vorverstärker 318A verglichen.
Die Schaltungsanordnung 317 ist konfiguriert zum Lenken der Signalausgaben von Halleffekt-Strukturen 310 zu Vorverstärkern 318, Verstärken der Differenzen zwischen verschiedenen Signalen und Kombinieren der Ausgabe der Vorverstärker 318 am Summierer 320. Die Ausgabe des bei jedem Vorverstärker 318A–318C durchgeführten Vergleichs wird zum Summierer 320 gelenkt. Zudem können die Vorverstärker 318A–318C auch als Transkonduktanzstufen implementiert werden, die einen Ausgangsstrom liefern, der proportional zur Spannung zwischen nichtinvertierenden und invertierenden Eingängen ist. Eine derartige Transkonduktanzstufe kann mehr als zwei Eingänge besitzen. Beispielsweise kann sie vier Eingänge besitzen, die in zwei Paare gruppiert sind, und ihr Ausgangsstrom kann dann proportional zum Mittelwert von zwei Spannungen sein, wobei jede an eines ihrer zwei Eingangspaare angelegt ist.
Das Sensorsystem 300 kann durch eine oder mehrere Stromquellen angesteuert werden, die Strom durch die Stapel 316A und 316B lenken. Wie in 3 gezeigt, liefern die Stromquellen 322 und 322‘ einen konstanten Strom zur oberen Halleffekt-Struktur in jedem der Stapel 316A und 316B. Strom fließt von Stromquellen 322 und 322‘ zu jeder der Halleffekt-Strukturen 310 jedes Stapels in Reihe zu Masse 324. Falls beide Stapel identische Einrichtungen umfassen, kann der Strom in beide Stapel gleich sein und die Einrichtungen können in einer derartigen Reihenfolge angeordnet sein, dass bei einem Magnetfeld von null die Nennspannung an den Eingängen der Vorverstärker null beträgt. Das heißt, das Gleichtaktpotential (d.h. das elektrische Nennpotential bei einem verschwindenden Magnetfeld) eines Ausgangsanschlusses einer Halleffekt-Struktur des ersten Stapels in der k-ten Schicht kann gleich dem Gleichtaktpotential eines Ausgangsanschlusses einer Halleffekt-Struktur des zweiten Stapels in der k-ten Schicht sein, und dies kann für jede Schicht gelten.
Zum Fördern einer hohen magnetischen Empfindlichkeit sind die Betriebsphasen der Stapel 316 zueinander komplementär. Das heißt, bei zunehmendem Magnetfeld nimmt das Ausgangssignal der k-ten Halleffekt-Struktur 310 des ersten Stapels 316A zu, während das Ausgangssignal der k-ten Halleffekt-Struktur 310 des zweiten Stapels 316B abnimmt. Bei vertikalen Halleffekt-Strukturen bedeutet dies, dass die beiden Halleffekt-Strukturen spiegelsymmetrisch sind – bei Hall-Platten können sie ebenfalls spiegelsymmetrisch sein, doch gilt die Spiegelsymmetrie möglicherweise auch nicht. Diese komplementären Paare fördern eine größere magnetische Empfindlichkeit, weil das Signal einer spiegelsymmetrischen Betriebsphase mit abnehmendem Signal der ursprünglichen Betriebsphase zunimmt und umgekehrt. Somit wird die an dem mit den k-ten Einrichtungen assoziierten Vorverstärker 318 gemessene Differenzspannung die magnetische Empfindlichkeit in Anwesenheit eines homogenen Magnetfelds erhöht haben. Die Nummer der Schicht, k, entspricht, ob sich die Einrichtung im Stapel höher oder niedriger befindet, wobei „obere“ „mit einem höheren Potential“ bedeutet und somit eine niedrigere Zahl der Schicht als eine entsprechende „niedrigere Halleffekt-Struktur“. Bei alternativen Ausführungsformen sind die Magnetfelder an Stapeln 316A, 316B möglicherweise nicht homogen, und das System kann so ausgelegt sein, dass es den Gradienten des Magnetfelds zwischen einem ersten Ort, wo der erste Stapel platziert ist, und einem zweiten Ort, wo der zweite Stapel platziert ist, erfasst. In einem derartigen Fall sind die komplementären Halleffekt-Strukturen im zweiten Stapel identisch mit den Halleffekt-Strukturen im ersten Stapel.
Bei alternativen Ausführungsformen brauchen die Halleffekt-Strukturen 310 hinsichtlich Größe und Geometrie zueinander nicht identisch sein. Wenngleich zwei beliebige gegebene Halleffekt-Strukturen 310, die durch einen Vorverstärker 318 miteinander verglichen werden, oftmals die gleiche Geometrie und Größe besitzen, können die Halleffekt-Strukturen 310 anderer Schichten in jedem der Stapel 316 eine beliebige andere Geometrie oder Größe besitzen.

Das System 300 kann im Spinning-Strom-Modus betrieben werden. Das heißt, die Betriebsphasen der verschiedenen Halleffekt-Strukturen 310 können geändert werden, um die gleiche Magnetfeldkomponentenstärke auf eine Vielzahl von Weisen zu messen. Wie zuvor beschrieben, enthält das System 300 spiegelsymmetrische oder komplementäre Stapel 318A und 316B, so dass der Einfachheit halber nur die Phasen des ersten Stapels 316A unten beschrieben werden, und es versteht sich, dass die entsprechenden Phasen des zweiten Stapels 316B lediglich die Spiegelseite jener sind, die bezüglich des ersten Stapels 316A beschrieben sind. Für jedes aus der unteren Halleffekt-Struktur 310E gemessene Signal muss die mittlere Halleffekt-Struktur 310C in einem vollständigen Spinning-Zyklus in mindestens zwei orthogonalen Phasen arbeiten. Die untere Halleffekt-Struktur 310E kann in sechs verschiedenen Betriebsphasen arbeiten, und jede von ihnen führt zu einem anderen Potential als an ihrer positiven Versorgung. Für jedes Potential an der positiven Versorgung der mittleren Halleffekt-Struktur 310C muss die obere Halleffekt-Struktur 310A in einem vollständigen Spinning-Zyklus in mindestens zwei orthogonalen Phasen arbeiten, um das elektrische Offset aufzuheben. Somit beträgt bei einem beliebigen Stapel (z.B. Stapel 316A von 3) die Gesamtzahl an Betriebsphasenkombinationen, die für einen vollen Spinning-Zyklus benötigt werden, 6 × 2^n-1, wobei n die Anzahl von Schichten von Halleffekt-Strukturen in jedem Stapel ist. Ein Beispiel eines Spinning-Schemas für den ersten Stapel 316A von System 300 ist unten gezeigt, in dem die Zahlen den Betriebsphasen der jeweiligen Halleffekt-Struktur entsprechen. Im Gegensatz zu der in 3 gezeigten statischen Darstellung werden die Halleffekt-Strukturen im Spinning-Zyklus in verschiedenen Betriebsphasen betrieben. Die erste Zeile der Tabelle bedeutet, dass die Einrichtung 310A in Phase 1 betrieben wird, während die Einrichtung 310C in Phase 2 betrieben wird und während Einrichtung 310E in Phase 4 betrieben wird. Somit bezeichnet jede Zeile eine spezifische Kombination von Betriebsphasen für die individuellen Einrichtungen, und die ganze Tabelle spezifiziert, wie viele und welche Kombinationen von Betriebsphasen benötigt werden, um den Offset der Halleffekt-Einrichtungen aufzuheben – die sequentielle Reihenfolge der Zeilen ist jedoch willkürlich:

Kennung der Kombination von Betriebsphasen	Kennung der Betriebsphase der oberen Halleffekt-Struktur (310A)	Kennung der Betriebsphase der mittleren Halleffekt-Struktur (310C)	Kennung der Betriebsphase der unteren Halleffekt-Struktur (310E)
1	1	2	4
2	1	2	6
3	1	5	1
4	1	5	3
5	3	4	2
6	3	4	5
7	3	6	4
8	3	6	6
9	2	1	1
10	2	1	3
11	2	3	2
12	2	3	5
13	5	2	4
14	5	2	6
15	5	5	1
16	5	5	3
17	4	4	2
18	4	4	5
19	4	6	4
20	4	6	6
21	6	1	1
22	6	1	3
23	6	3	2
24	6	3	5

Tabelle 1

Gemäß Tabelle 1 wird jede Halleffekt-Struktur 310A, 310C, 310E in den Betriebsphasen 1, 2, 3, 4, 5 und 6 betrieben. Somit beträgt die Gesamtzahl an Betriebsphasen für jede Struktur sechs. Die ganze Spinning-Sequenz von Tabelle 1 besteht aus 24 Zeilen, somit beträgt die Anzahl an Kombinationen von Betriebsphasen 24. Die individuellen Betriebsphasen von Halleffekt-Strukturen werden durch Kennungen 1, 2, 3, 4, 5 und 6 identifiziert, doch können diese Zahlen mit einer Zeitsequenz verknüpft oder nicht verknüpft sein. Die individuellen Kombinationen von Betriebsphasen in dem Spinning-Schema werden durch Kennungen 1, 2, ... 24 identifiziert, doch sind diese Zahlen möglicherweise mit einer zeitlichen Sequenz verknüpft oder nicht verknüpft.
Die Betriebsphasen können sequentiell unter Verwendung eines digitalen Takts zum zeitlichen Steuern der Betriebsphasenänderungen durchgeführt werden, als Beispiel. Das Betreiben einer beliebigen gegebenen Halleffekt-Struktur 310 in der gleichen Betriebsphase über mehrere konsekutive Betriebsphasen kann erhöhtes Flackerrauschen erzeugen. Die Spinning-Frequenz hat einen Effekt auf die Eckfrequenz des Flackerrauschens des Sensorsystems 300. Als solches kann die Schaltungsanordnung 317 auch Signalkonditioniersysteme enthalten. Diese Signalkonditioniersysteme können so ausgelegt sein, dass sie mit der mit der Taktfrequenz assoziierten Spinning-Frequenz fertig wird. Als solches ist es oftmals wünschenswert, die Betriebsphasen jeder Halleffekt-Struktur 310 so zu „verwürfeln“, dass sie bei beliebigen zwei nachfolgenden Betriebsphasen nicht in der gleichen Betriebsphase durchgeführt wird. In Tabelle 1 ist die Sequenz derart eingestellt, dass mindestens die untere Halleffekt-Struktur 310E in allen sechs Betriebsphasen innerhalb der ersten sechs Betriebsphasen arbeitet. Bei anderen Ausführungsformen kann die Sequenz derart eingestellt sein, dass alle Halleffekt-Strukturen des Stapels in allen sechs Betriebsphasen innerhalb von sechs aufeinanderfolgenden Betriebsphasen arbeiten.
Weil einige Gruppen von Betriebsphasen (z.B. Betriebsphasen 5 und 6) einen anderen Widerstandswert als andere besitzen (z.B. Betriebsphasen 1, 2, 3, 4), können zudem mehrere Halleffekt-Strukturen 310 in einem beliebigen gegebenen Stapel 316, die sich in Reihe nebeneinander befinden und in der gleichen Gruppe von Phasen arbeiten, bewirken, dass dieser Abschnitt des Stapels 316 einen höheren oder niedrigeren Widerstandswert besitzt. Dies kann dazu führen, dass einige Halleffekt-Strukturen 310 dieses Stapels 316 mit einem insgesamt höheren oder niedrigeren elektrischen Potential in einigen Betriebsphasen als in anderen arbeiten, was wiederum einen Fehler verursachen kann, da es einen signifikanten Potentialsprung an der Einrichtung mit dem höchsten Potential im Stapel geben kann. Solche großen Potentialsprünge können durch ausreichendes Verwürfeln der Betriebsphasen vermieden werden, so dass es keine Stapel 316, die große Anzahlen von Halleffekt-Strukturen 310 enthalten, in der gleichen Gruppe von Phasen mit ähnlichen Eingangswiderstandswerten gibt. Mit anderen Worten sollten die Betriebsphasen von Halleffekt-Strukturen in einem Stapel so kombiniert werden, dass der Widerstandswert des kompletten Stapels sich über das Spinning-Schema hinweg so wenig wie möglich ändert.

Ein Beispiel eines verwürfelten Spinning-Schemas unter Verwendung der gleichen Betriebsphasen wie zuvor bezüglich Tabelle 1 beschrieben, ist unten in Tabelle 2 gezeigt:

Zeit	Nummer der Kombinationen	Kennung der Betriebsphase der Halleffekt-Struktur 310A	Kennung der Betriebsphase der Halleffekt-Struktur 310C	Kennung der Betriebsphase der Halleffekt-Struktur 310E
1	1	1	2	4
2	8	3	6	6
3	9	2	1	1
4	13	5	2	4
5	17	4	4	2
6	21	6	1	1
7	2	1	2	6
8	7	3	6	4
9	10	2	1	3
10	14	5	2	6
11	18	4	4	5
12	22	6	1	3
13	3	1	5	1
14	6	3	4	5
15	11	2	3	2
16	15	5	5	1
17	19	4	6	4
17	23	6	3	2
18	4	1	5	3
19	5	3	4	2
20	12	2	3	5
21	16	5	5	3
22	20	4	6	6
23	24	6	3	5

Tabelle 2

4 ist ein elektrisches Schemadiagramm, das die Verbindungen zwischen einer oberen Halleffekt-Struktur 410 und einer unteren Halleffekt-Struktur 410‘ darstellt. Wie zuvor bezüglich 3 beschrieben, bedeutet „obere“ „mit einem höheren Potential“ und somit eine niedrigere Zahl der Schicht als eine entsprechende „niedrigere Halleffekt-Struktur“. 4 enthält ähnliche Strukturen wie jene bezüglich vorausgegangenen Figuren beschriebenen und enthält auch Schalter 424 und einen Anschluss 426, doch zeigt sie auch Schalter, die „aus“ sind (die nicht in vorausgegangenen Figuren gezeigt wurden). Die Schalter 424a–424c sind an Kontakte 412A, 412B und 412C der oberen Halleffekt-Struktur 410 angeschlossen. Analog sind Schalter 424a′–424c′ an Kontakte 412A′, 412B′ und 412C′ der unteren Halleffekt-Struktur 410′ angeschlossen. Die mehreren Schalter 424, 424′ arbeiten ähnlich einem analogen Multiplexer, der einen von mehreren analogen Eingangssignalanschlüssen verbindet und sie durch einen festen analogen Ausgangssignalanschluss lenkt.
Die elektrische Verbindung zwischen der oberen Halleffekt-Struktur 410 und der unteren Halleffekt-Struktur 410′ erfolgt derart über den Anschluss 426, dass es für jeden Kontakt 412A–412C in der oberen Halleffekt-Struktur 410 einen zum Anschluss 426 aktivierten Schalter 424b gibt und dass für jeden Kontakt 412A′–412C′ in der unteren Halleffekt-Struktur 410‘ es ebenfalls einen zum Anschluss 426 aktivierten Schalter 424a‘ gibt. Als solches erfolgt die Verbindung zwischen beiden Einrichtungen über zwei in Reihe geschaltete Schalter: einen Schalter 424b und einen Schalter 424a′. Ein dieses Schaltschema verwendendes System (z.B. System 300) besitzt insgesamt 6·n Schalter. Dieses Schaltschema ist auch in 3 in weniger Detail gezeigt (man beachte, dass zwei aktivierte MOS-Schalter entlang der Schaltungsanordnung 317 gezeigt sind, die eine beliebige untere Halleffekt-Struktur mit der benachbarten und höheren Halleffekt-Struktur verbindet, wohingegen die deaktivierten MOS-Schalter in 3 nicht gezeigt sind).
Einer der Schalter 424a–424c und einer der Schalter 424a′– 424c′ wird in einer beliebigen gegebenen Betriebsphase geschlossen sein. Durch Wählen, welche Schalter offen sind und welche geschlossen sind, können die verschiedenen Betriebsphasen eines gewünschten Spinning-Schemas erzeugt werden. 4 veranschaulicht nur die Versorgungsschalter zwischen zwei benachbarten Schichten, doch kann eine ähnliche Schaltungsanordnung verwendet werden, um eine Einrichtung 410 mit einer oberen Schicht zu verbinden (nicht gezeigt) und/oder jede der Halleffekt-Strukturen mit einem Vorverstärker zu verbinden (nicht gezeigt) oder einer anderen Schaltungsanordnung.
Die Schalter, die verwendet werden, um die Halleffekt-Strukturen 310 zu verbinden, können einfache NMOS-Transistoren oder PMOS-Transistoren oder Übertragungsgatter sein, die parallel geschaltete NMOS- und PMOS-Transistoren umfassen, doch sind noch komplexere Schaltkreise möglich (die beispielsweise Schaltungen umfassen, um den Ein-Widerstandswert gemäß Betriebsbedingungen der Halleffekt-Struktur 310 einzustellen, um eine bessere Kontrolle der Potentialverteilung in den Halleffekt-Strukturen zu haben).
Bei alternativen Zusammenschaltungsschemata ist es möglich, einen Schalter zwischen jedem Kontakt der unteren Halleffekt-Struktur und Masse sowie einen Schalter zwischen jedem Kontakt der unteren Halleffekt-Struktur und jedem Kontakt der mittleren Halleffekt-Struktur usw. zu haben. Ein derartiges Zwischenverbindungsschema würde erfordern, dass ein System (z.B. System 300 von 3) 9·n – 3 Schalter enthält, wobei n die Anzahl der Halleffekt-Einrichtungen in jedem Stapel ist (z.B. Stapel 316A von 3). Falls ein derartiges Schaltschema verwendet werden sollte, könnte eine Verbindung zwischen Kontakten verschiedener Halleffekt-Strukturen über einen einzelnen Schalter ausgebildet werden. Wenngleich dieses alternative Schema eine größere Anzahl an Schaltern verwendet, weil keine zwei in Reihe sind, können sie kleinere Schalter sein und dennoch den gleichen Einschalt-Widerstandswert erzielen.
5 ist ein elektrisches Schemadiagramm der Halleffekt-Struktur 510 und der Halleffekt-Struktur 510‘, die sich jeweils in der k-ten Schicht, aber in unterschiedlichen Stapeln, befinden. Beispielsweise könnten die Halleffekt-Struktur 510 und die Halleffekt-Struktur 510‘ die untere Schicht des zuvor bezüglich 3 beschriebenen Systems 300 sein. In dem in 5 gezeigten Schemadiagramm ist nur eine Schaltungsanordnung bezüglich Signalmessung gezeigt. Es versteht sich, dass diese Schaltungsanordnung in Verbindung mit einer Versorgungsschaltungsanordnung, wie etwa der zuvor bezüglich 4 beschriebenen Schaltungsanordnung, verwendet werden könnte.
Die Verbindung zwischen den Signalkontakten der Halleffekt-Strukturen 510 und 510‘ zum Vorverstärker 518 kann einen einzelnen Schalter oder zwei Schalter enthalten, wie zuvor bezüglich der Versorgungsschaltungsanordnung in 4 beschrieben. Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform können zwei der Schalter 524a–524e aktiviert werden, um einen Weg zwischen einem beliebigen Kontakt (512a–512c, 512a′–512c′) der Halleffekt-Strukturen 510 und 510‘ und dem Vorverstärker 518 auszubilden. Jeder Kontakt 512a–512c, 512a′–512c′ dient als ein Signalkontakt in zwei der zuvor beschriebenen Betriebsphasen, und die Polarität des Signals ist verschieden, wie zwischen jenen Betriebsphasen. Alle Kontakte 512a–512c, 512a′–512c′ sind mit einem Anschluss verbunden: die Kontakte 512a–512c sind jeweils über Schalter 524a–512c mit dem Anschluss 526 verbunden, und die Kontakte 512a′–512c′ sind über Schalter 524a′–524c′ mit dem Anschluss 526‘ verbunden. Nur ein einzelner der Schalter 524a–524c ist jeweils geschlossen, und gleichermaßen ist nur ein einzelner Schalter des Satzes 524a′–524c′ jeweils geschlossen. Ein weiterer der Schalter 524 ist zwischen dem Anschluss 526 und dem Vorverstärker 518 geschlossen, und ein anderer der Schalter 524a′–524c′ ist zwischen dem Anschluss 526‘ und dem Vorverstärker 518 geschlossen. Auf diese Weise kann die Verbindung zu dem Vorverstärkereingang mit entsprechender Polarität hergestellt werden.
Der Widerstandswert dieser Signalschalter 524a–524c, 524a′–524c′ kann innerhalb einer Größenordnung des Ausgangswiderstandswerts der assoziierten Halleffekt-Struktur 510, 510′ liegen, um nicht unerwünschterweise das mit der Schaltung assoziierte Rauschen zu vergrößern. Die Widerstandswerte jener Schalter, die den Versorgungsstrom leiten (wie zuvor bezüglich 4 beschrieben), sollten signifikant niedriger sein als die Eingangswiderstandswerte der assoziierten Halleffekt-Struktur, um nicht zu viel Versorgungsspannung über die Schalter 424a–424c, 424a‘–424c‘ zu verschwenden. Somit können die stromleitenden Schalter 424a–424c, 424a′–424c′ bei einigen Ausführungsformen ungefähr zehnmal größer sein als die Schalter, die die Signalkontakte 524a–524c, 524a′–524c′ verbinden.
Bei alternativen Ausführungsformen oder sogar in alternativen Betriebsphasen kann jeder der Stapel invertiert werden; das heißt, Strom kann in der entgegengesetzten Richtung zu der fließen, die zuvor bezüglich 3–5 beschrieben wurde. Weiterhin kann die Reihenfolge der individuellen Halleffekt-Strukturen (z.B. obere, mittlere und untere Halleffekt-Strukturen 310 von 3) in einigen Schaltschemata durch entsprechendes Umschalten zwischen Taktphasen umgestellt werden.
6A ist eine Draufsicht auf eine in einer ersten Betriebsphase gezeigte horizontale Drei-Kontakt-Halleffekt-Struktur 610A. Die horizontale Drei-Kontakt-Halleffekt-Strukturen können anstelle der zuvor beschriebenen vertikalen Halleffekt-Strukturen verwendet werden. Die typische seitliche Größe einer horizontalen Halleffekt-Struktur liegt zwischen etwa 10 µm und etwa 200 µm, die Dicke liegt zwischen etwa 0,3 µm und etwa 7 µm, und die Dicke ist typischerweise mindestens etwa zehnmal kleiner als die seitliche Größe. Verschiedene Betriebsmodi von horizontalen Drei-Kontakt-Halleffekt-Strukturen sind bekannt. Beim Spinning-Strom-Betrieb wird ein konstanter Strom in einen Versorgungskontakt eingekoppelt (hier als Kontakt 612A gezeigt), ein weiterer Versorgungskontakt (hier als Kontakt 612C gezeigt) ist an ein Referenzpotential gebunden, und das Potential am Signalkontakt (hier als Kontakt 612B gezeigt) zeigt ein Magnetfeld an, das durch die horizontale Hall-Einrichtung bezüglich der in 6 gezeigten Orientierung in die Seite oder aus der Seite heraus verläuft. Die Kontakte können permutiert werden, um drei Betriebsphasen zu erhalten, und die resultierenden Signale können addiert werden.
6B veranschaulicht einen alternativen Weg zum Betreiben der in 6A gezeigten Struktur. Hier wird Strom vom Versorgungskontakt 612C entnommen, eine konstante Spannung wird an den Kontakt 612A angelegt und das Signal wird wieder am Signalkontakt 612B gemessen.
7A ist eine weggeschnittene Perspektivansicht einer vertikalen Drei-Kontakt-Halleffekt-Struktur 710. Ein Hauptunterschied zwischen der Art von Einrichtungen in 1 und 7 besteht darin, dass sich die Kontakte nur in 1 entlang einer geraden Linie befinden. Die Halleffekt-Struktur 710 enthält viele Komponenten ähnlich jenen, die zuvor bezüglich anderer Ausführungsformen in früheren Figuren beschrieben wurden, und gleiche Teile sind mit Bezugszahlen angegeben, die von ihren Gegenstücken in den vorausgegangenen Figuren um Faktoren von 100 iteriert sind. Im Gegensatz zu jenen vorausgegangenen Ausführungsformen enthält die Halleffekt-Struktur 710 weiterhin eine optionale vergrabene Schicht 728 und Entkoppelabschnitte 730. Zudem ist der dritte Kontakt 712C gegabelt – beide Teile des Kontakts 712C können mit etwas Draht in der Zwischenverbindungsschicht miteinander verbunden sein, so dass die gesamte Einrichtung nur drei Anschlüsse besitzt und somit wie zuvor bezüglich der 3–5 beschrieben betrieben werden kann. Hier bezeichnen die Ausdrücke „vergrabene Schicht“ und „Zwischenverbindungsschicht“ physische Strukturelemente einer Halbleitertechnologie im Gegensatz zu dem Ausdruck „Schicht“, der an anderer Stelle in dieser Anmeldung verwendet wird, der eine Gruppe von Halleffekt-Strukturen von mindestens zwei Stapeln bezeichnet, wobei die Halleffekt-Strukturen komplementäre Ausgangssignale besitzen. Entkoppelabschnitte 730 verhindern einen seitlichen Stromfluss, fördern einen Stromfluss stattdessen zu den Entkoppelabschnitten 730. Diese vergrößerte Stromflusstiefe erhöht die Empfindlichkeit gegenüber der Magnetfeldkomponente B. Der dritte Kontakt 712C ist gegabelt, so dass er um den ersten Kontakt 712A und den zweiten Kontakt 712B symmetrisch ist. Die beiden Abschnitte des dritten Kontakts 712C können derart aneinander gekoppelt sein, dass sie sich auf dem gleichen elektrischen Potential befinden.
7B ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform einer Halleffekt-Struktur 710‘, die ebenfalls eine optionale vergrabene Schicht 728‘ und einen Entkoppelabschnitt 730‘ enthält. Aus ähnlichen Gründen wie denen oben bezüglich der Halleffekt-Struktur 710 von 7A beschrieben, besitzt die Halleffekt-Struktur 710‘ eine vergrößerte Magnetfeldempfindlichkeit wegen der vergrößerten Tiefe des Stromflusses um den Entkoppelabschnitt 730‘ und durch die vergrabene Schicht 728‘.
8A zeigt einen Abschnitt eines Sensorsystems 800. 8A zeigt insbesondere eine alternative Ausführungsform einer Halleffekt-Struktur 810, eine Vier-Kontakt-Halleffekt-Struktur. Dies kann eine herkömmliche Vier-Kontakt-Hall-Platte sein, auch als horizontale Vier-Kontakt-Halleffekt-Struktur bezeichnet, oder eine vertikale Vier-Kontakt-Halleffekt-Einrichtung, wie in 11 gezeigt. Die horizontale Vier-Kontakt-Halleffekt-Struktur 810 kann zum Messen eines Magnetfelds in der gleichen Richtung wie die zuvor bezüglich 6A und 6B beschriebene horizontale Drei-Kontakt-Halleffekt-Struktur verwendet werden. Bei einer horizontalen Vier-Kontakt-Halleffekt-Struktur jedoch kann eine zusätzliche Schaltungsanordnung 817 verwendet werden, um ein Signal Sig bezüglich der Stärke der Magnetfeldkomponente B zu erhalten.
Weil die Halleffekt-Struktur 810 vier Kontakte besitzt, können zwei von ihnen als Versorgungskontakte verwendet werden (hier Kontakte 812A und 812D), während zwei als Signalkontakte verwendet werden können (hier Kontakte 812B und 812C). Das „+“ bei den Signalkontakten 812B und 812C bezieht sich auf die Polarität des Signals und zeigt an, dass das Potential mit dem Magnetfeld B steigt. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen anstatt das Potential am Signalkontakt 812B mit dem Potential am Signalkontakt 812C zu vergleichen, ist die Schaltungsanordnung 817 konfiguriert, jedes Potential unabhängig mit einem eine negative Polarität aufweisenden Signalkontakt irgendeiner komplementären Halleffekt-Struktur zu vergleichen.
Die 8B und 8C veranschaulichen die gleiche horizontale Halleffekt-Struktur 810, in zwei verschiedenen Betriebsphasen angeordnet, bei denen die Polarität des Ausgangssignals modifiziert ist. In der in 8B gezeigten Betriebsphase gibt es eine eine positive Polarität aufweisende Signalausgabe und eine eine negative Polarität aufweisende Signalausgabe, wohingegen in 8C zwei eine negative Polarität aufweisende Signalausgaben vorliegen, wie durch die „–“-Vorzeichen bei den Ausgangskontakten dargestellt. In der ersten Betriebsphase fließt Strom über die Schalter 824A und 824D; in einer zweiten Betriebsphase fließt Strom über die Schalter 824B und 824D; und in einer dritten Betriebsphase fließt er über die Schalter 824C und 824D. In jeder Betriebsphase führt dies zu einem Spannungsabfall an den Schaltern 824. Der Spannungsabfall an dem Schalter 824D liegt in den Ausgangssignalen in allen Phasen vor, wohingegen die Spannungsabfälle an Schaltern, die die Stromquelle der Halleffekt-Einrichtung verbinden, irrelevant ist, da sie sich nicht im Ausgangssignal zeigt. Somit bleibt der Spannungsabfall am Schalter 824D und folglich das Potential am assoziierten Kontakt 812D während aller drei Betriebsphasen konstant. Somit kann der Spannungsabfall aufgehoben werden, indem die Ausgangssignale während diesen drei Phasen entsprechend kombiniert werden. In allen drei Betriebsphasen gibt es durch den mit dem Schalter 824D assoziierten Potentialabfall einen kleinen Beitrag zum Ausgangssignal, und durch Kombinieren der Ausgaben der drei Betriebsphasen (i) hebt sich dieser Beitrag auf, (ii) hebt sich der elektrische Offset der Einrichtung auf und (iii) ist die magnetische Empfindlichkeit des Ergebnisses immer noch groß.
Die Potentiale an den Kontakten 812A–812D können berechnet werden. Als Beispiel:

a. das Potential an Kontakt 812B in Phase 1 (in 8A gezeigt) ist das Gleiche wie das Potential an Kontakt 812A in Phase 2 (in 8B gezeigt);
b. das Potential an Kontakt 812C in Phase 1 ist das Gleiche wie das Potential an Kontakt 812A in Phase 3 (in 8C gezeigt); und
c. das Potential an Kontakt 812C in Phase 2 ist das Gleiche wie das Potential an Kontakt 812B in Phase 3.

Da ein in die Seite weisendes angelegtes Magnetfeld die Feldstärke erhöht, steigen die Potentiale auf der linken Seite der Strukturen (bezüglich der in 8A–8C gezeigten Orientierung), wohingegen die Potentiale auf der rechten Seite der Strukturen abnehmen. Somit sind diese drei oben gezeigten Sätze orthogonale Sätze. Deshalb besitzt ein Signal, das die Differenz zwischen dem Potential am Kontakt 812B in Phase 1 und dem Potential an Kontakt 812A in Phase 2 ist, eine große magnetische Empfindlichkeit und ist frei von elektrischem Offset. Dieses Signal würde jedoch nicht frei von thermischem Offset sein. Falls das Signal bestimmt ist als (Potential an Kontakt 812B in Phase 1) – (Potential an Kontakt 812A in Phase 2) + (Potential an Kontakt 812C in Phase 2) – (Potential an Kontakt 812B in Phase 3), dann behält das Signal einen hohen Pegel an magnetischer Empfindlichkeit aufrecht und ist frei von elektrischem Offset und ist auch frei von thermischem Offset bezüglich des Kontakts 812B, aber nicht von den Kontakten 812A und 812C.
Der Kontakt 812A könnte anstelle des Kontakts 812D mit Masse verbunden sein. Dies liefert drei zusätzliche Betriebsphasen (d.h. jene, bei denen Strom in Anschlüsse 812B, 812C und 812D eingekoppelt wird). Drei zusätzliche Phasen können definiert werden, wobei Masse mit jedem der Kontakte 812B und 812C verbunden ist. Insgesamt gibt es deshalb zwölf Betriebsphasen. Durch Kombinieren zusätzlicher Phasen zu einem Signal, wie oben beschrieben, kann ein weiteres thermisches Offset berücksichtigt werden. Wenn alle zwölf möglichen Phasen kombiniert werden, können die elektrischen und thermischen Offsets in ihrer Gänze korrigiert werden.
9 ist ein vereinfachtes Schemadiagramm entsprechend einem horizontalen oder vertikalen Vier-Kontakt-Halleffekt-Sensor wie etwa beispielsweise der zuvor bezüglich der 8A–8C beschriebenen Halleffekt-Struktur 810. Sie beschreibt vollständig das elektrische Verhalten der Einrichtung bei einem Magnetfeld von null, aber nicht das magnetische oder thermische Verhalten.
10 ist ein Schemadiagramm eines Sensorsystems 1000, das die Potentiale an den Signalkontakten jeder von sechs horizontalen oder vertikalen Vier-Kontakt-Halleffekt-Strukturen 1010A–1010F verwendet. Die Schaltungsanordnung 1017 ist konfiguriert zum Lenken der Potentiale von den beiden Signalkontakten jeder Halleffekt-Struktur 1010A–1010F zu einem der Vorverstärker 1018. Insbesondere werden negative Polarität aufweisende Ausgaben der k-ten Halleffekt-Struktur 1010 im Stapel 1016A mit den einer positiven Polarität aufweisenden Ausgaben der k-ten Halleffekt-Struktur 1010 in Stapel 1016B verglichen. Die verstärkten Differenzen zwischen diesen Ausgaben werden beim Summierer 1020 kombiniert, um das Signal Sig zu erzeugen. Der Übersichtlichkeit halber zeigt 10 nur aktive Schalter (d.h. Schalter, die in dieser spezifischen Kombination von Betriebsphasen alle sechs Halleffekt-Strukturen „ein“ sind).
11 ist eine Perspektivansicht einer vertikalen Vier-Kontakt-Halleffekt-Struktur 1110, die anstelle der horizontalen Vier-Kontakt-Halleffekt-Strukturen 1010 von 10 verwendet werden kann. Die vertikale Vier-Kontakt-Halleffekt-Struktur 1110 enthält ein erstes Halleffekt-Gebiet 1114A und ein zweites Halleffekt-Gebiet 1114B innerhalb eines gemeinsamen Halbleiterkörpers. Die Kontakte 1112A–1112D sind in einer rechteckigen Anordnung angeordnet. Das erste Halleffekt-Gebiet 1114A und das zweite Halleffekt-Gebiet 1114B sind in einer gemeinsamen Wanne oder Mulde angeordnet, so dass sie durch eine relativ große Distanz vom zweiten Paar von Kontakten 1112C und 1112D elektrisch isoliert sind.
11 veranschaulicht weiterhin eine blockförmige Hall-Wanne 1132, die eine rechteckige Hauptoberfläche besitzt, an der sich zwei Paare von Kontakten 1112A–1112D befinden. Der Umfang der Hall-Wanne 1132 ist beispielsweise durch eine Sperrschichtisolation oder durch eine Grabenisolation gegen andere Teile des Substrat- oder Halbleiterkörpers isoliert. Die Hall-Wanne 1132 umfasst eine gegenüberliegende Fläche, die eine hoch leitende vergrabene Schicht 1128 ist. Falls Strom zwischen zweien der vier Kontakte fließt, moduliert ein Magnetfeld parallel zu den langen Kontakten 1112A–D das Potential an den anderen beiden der vier Kontakte.
12 zeigt eine Draufsicht auf einen Stapel 1216, der zwei Vier-Kontakt-Halleffekt-Strukturen 1210A und 1210B gemäß 11 oder gemäß herkömmlicher Hall-Platten umfasst. Die erste Halleffekt-Struktur 1210A kann in zwölf Phasen betrieben werden, wie zuvor beschrieben. Für jede Betriebsphase der Halleffekt-Struktur 1210A kann die Halleffekt-Struktur 1210B in drei Betriebsphasen arbeiten, die einen kompletten orthogonalen Satz bilden, mit insgesamt 36 Betriebsphasen pro Spinning-Zyklus. Die Halleffekt-Struktur 1210A kann mit einer Taktfrequenz betrieben werden, die das Dreifache der der Halleffekt-Struktur 1210B beträgt, oder die Halleffekt-Struktur 1210B kann mit einer Taktfrequenz betrieben werden, die das Dreifache der Halleffekt-Struktur 1210A beträgt, oder die beiden Halleffekt-Strukturen 1210A und 1210B können mit der gleichen Taktfrequenz wie andere betrieben werden, in verschiedenen Ausführungsformen. Falls alle zwölf Betriebsphasen einer der Halleffekt-Strukturen 1210A und 1210B konsekutiv durchgeführt werden, kann das bezüglich Offset kompensierte Signal nach zwölf Betriebsphasen bestimmt werden und zwei zusätzliche unabhängige Messungen des bezüglich Offset kompensierten Signals können innerhalb 36 Betriebsphasen gemessen werden (zu welchem Zeitpunkt die „langsame“ Einrichtung unter der Annahme, dass die beiden Halleffekt-Strukturen 1210A und 1210B mit unterschiedlichen Taktgeschwindigkeiten arbeiten, einen zyklischen Durchlauf durch alle der Betriebsphasen des Spinning-Zyklus abgeschlossen haben wird). Somit ist die analoge Bandbreite des Systems um mindestens einen Faktor von zwölf niedriger als die Spinning-Frequenz.
Die Anzahl der Schalter zwischen den Halleffekt-Strukturen 1210A und 1210B kann beispielsweise 16 betragen, wobei dann jeder der vier Kontakte der Halleffekt-Struktur 1210A über einen Schalter mit jedem der vier Kontakte der Halleffekt-Struktur 1210B verbunden wird. Zusätzliche acht Schalter sind konfiguriert zum selektiven Verbinden jedes der Kontakte jeder Halleffekt-Struktur (1210A, 1210B) mit der Stromquelle, und weitere acht Schalter sind konfiguriert zum selektiven Verbinden jedes der Kontakte jeder Halleffekt-Struktur (1210A, 1210B) mit Masse. Wie in 12 gezeigt, sind zu einer beliebigen gegebenen Zeit nur einige Schalter „ein“, um die verschiedenen Betriebsphasen des Spinning-Zyklus auszuführen. Mit allen „Ein“-Schaltern und „Aus“-Schaltern (in 12 nicht gezeigt) würde der Stapel 1216 von 12 16 + 8 + 8 = 32 Schalter enthalten. Diese Anzahl von Schaltern würde auch in einem komplementären Stapel vorliegen (in 12 nicht gezeigt), der konfiguriert ist zum Zusammenarbeiten mit dem Stapel 1216, um eine Magnetfeldstärke zu messen. Bei alternativen Ausführungsformen, wie zuvor beschrieben, können alternative Schaltsysteme verwendet werden, um die Gesamtzahl an Schaltern zu reduzieren, und zusätzliche Halleffekt-Sensoren können zu einem Stapel kombiniert werden.

Für die in 12 gezeigte Ausführungsform wird, falls beide Einrichtungen mit identischer Taktfrequenz betrieben werden, ein Beispiel eines Spinning-Zyklus in der folgenden Tabelle gezeigt. Es versteht sich, dass eine Vielzahl alternativer Spinning-Zyklen durchgeführt werden kann, bei denen die verschiedenen Betriebsphasen in unterschiedlicher Reihenfolge sind, und dass die folgende Tabelle lediglich ein Beispiel eines Spinning-Zyklus ist. Die linke Spalte zeigt die Reihenfolge, in der diese Betriebsphasen gemäß einem „Verwürfelungsschema“ durchgeführt werden können, wie zuvor beschrieben. Die Tabelle zeigt, dass in einer mit #1 bezeichneten ersten Kombination von Betriebsphasen die Einrichtungen 1210A und 1210B beide in Phase 1 von 8A betrieben werden, in einer mit #26 bezeichneten zweiten Kombination von Betriebsphasen die Einrichtung 1210A in Phase und die Einrichtung 1210B in Phase 2 betrieben wird, usw.

#	Betriebsphase (1210A)	Betriebsphase (1210B)
1	1	1
26	1	2
15	1	3
4	2	4
29	2	5
18	2	6
7	3	7
32	3	8
21	3	9
10	4	10
35	4	11
24	4	12
13	5	1
2	5	2
27	5	3
16	6	4
5	6	5
30	6	6
19	7	7
8	7	8
33	7	9
22	8	10
11	8	11
36	8	12
25	9	1
14	9	2
3	9	3
28	10	4
17	10	5
6	10	6
31	11	7
20	11	8
9	11	9
34	12	10
23	12	11
12	12	12

Tabelle 3

Gemäß noch einem weiteren Spinning-Zyklus kann die Anzahl an Schaltereignissen für Versorgungs- und Masseschalter minimiert werden, wie in der folgenden Tabelle gezeigt.

#	Betriebsphase (1210A)	Betriebsphase (1210B)
1	1	1
2	1	4
3	1	7
4	2	1
5	2	4
6	2	7
7	3	1
8	3	4
9	3	7
10	4	2
11	4	5
12	4	10
13	5	2
14	5	5
15	5	10
16	6	2
17	6	5
18	6	10
19	7	3
20	7	8
21	7	11
22	8	3
23	8	8
24	8	11
25	9	3
26	9	8
27	9	11
28	10	6
29	10	9
30	10	12
31	11	6
32	11	9
33	11	12
34	12	6
35	12	9
36	12	12

Tabelle 4

Bei anderen Ausführungsformen kann die Anzahl an Schaltereignissen zwischen den Einrichtungen L1 und L2 durch Vertauschen der Reihenfolge der Spalten in der obigen Tabelle minimiert werden.
13 zeigt zwei Stapel 1316A und 1316B. Der erste Stapel 1316A umfasst zwei vertikale Vier-Kontakt-Halleffekt-Strukturen (wie etwa jene zuvor in 11 gezeigten), 1310A und 1310C. Der zweite Stapel 1316B umfasst zwei vertikale Vier-Kontakt-Halleffekt-Strukturen 1310B und 1310D. Die Stapel 1316A und 1316B messen das Magnetfeld und können gesponnen werden, wie zuvor bezüglich 8A–8C und 9–12 beschrieben. Bemerkenswerterweise sind die Halleffekt-Strukturen innerhalb jedes Stapels orientiert zum Messen eines Magnetfelds entlang verschiedener Richtungen. Das heißt, die Halleffekt-Struktur 1310A erstreckt sich primär entlang der y-Achse, während sich die Halleffekt-Struktur 1310C primär entlang der x-Achse erstreckt, gemäß dem in 13 gezeigten willkürlichen Referenzrahmen. Somit werden die Ausgaben der komplementären Halleffekt-Strukturen 1310A im ersten Stapel und 1310B im zweiten Stapel, wobei sich beide Halleffekt-Strukturen in der ersten Schicht befinden, zu dem Signal Sy kombiniert, das auf Magnetfelder in y-Richtung reagiert. Umgekehrt werden die Ausgaben der komplementären Halleffekt-Strukturen 1310C im ersten Stapel und 1310D im zweiten Stapel, wobei sich beide Halleffekt-Strukturen in der zweiten Schicht befinden, zum Signal Sx kombiniert, das auf Magnetfelder in der x-Richtung reagiert. In der Figur sind nur die aktiven (d.h. leitenden) Schalter als NMOS-Transistoren gezeigt, wenngleich die Schalter auch mit anderen Arten von Schaltungsanordnung implementiert werden könnten. In 13 werden beide Stapel von der gleichen Stromquelle versorgt, doch können sie auch von verschiedenen Stromquellen versorgt werden, wie in 3 gezeigt, oder sogar durch Spannungsquellen. Die Kombinierschaltung 1317 zeigt OTAs (Operational Transconductance Stages). In der Praxis könnte ein OTA ein einfaches Differenzeingangspaar von Transistoren sein, das durch eine Stromquelle vorgespannt wird und auf einem Stromspiegel arbeitet. Jedoch sind im Stand der Technik viele alternative Wege zum Implementieren von OTAs bekannt. Die Signale können auch durch andere Schaltungstechniken als OTAs kombiniert werden. Bei alternativen Ausführungsformen können verschiedene Schichten von Stapeln in einer beliebigen einer Vielzahl unterschiedlicher Richtungen orientiert sein, um Magnetfeldkomponenten in jenen Richtungen zu messen.
Verschiedene Ausführungsformen von Systemen, Einrichtungen und Verfahren wurden hier beschrieben. Diese Ausführungsformen werden lediglich beispielhaft vorgelegt und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung beschränken. Es versteht sich jedoch, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsformen, die beschrieben worden sind, auf verschiedene Weisen kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsformen herzustellen. Wenngleich verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Konfigurationen und Orte usw. zur Verwendung mit offenbarten Ausführungsformen beschrieben worden sind, können zudem andere neben jenen offenbarten genutzt werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu übersteigen.
Der Durchschnittsfachmann erkennt, dass die Erfindung weniger Merkmale umfassen kann, als in einer beliebigen, oben beschriebenen individuellen Ausführungsform dargestellt. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen sollen keine erschöpfende Darstellung der Wege sein, wie die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Dementsprechend sind die Ausführungsformen nicht sich gegenseitig ausschließende Kombinationen von Merkmalen; vielmehr kann die Erfindung eine Kombination unterschiedlicher individueller Merkmale umfassen, die unter verschiedenen individuellen Ausführungsformen ausgewählt sind, wie der Durchschnittsfachmann versteht. Zudem können bezüglich einer Ausführungsform beschriebene Elemente in anderen Ausführungsformen implementiert werden, selbst wenn sie nicht in solchen Ausführungsformen beschrieben werden, sofern nicht etwas anderes angegeben ist. Wenngleich sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann, können andere Ausführungsformen auch eine Kombination aus dem abhängigen Anspruch mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder eine Kombination aus einem oder mehreren Merkmalen mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen enthalten. Solche Kombinationen werden hier vorgeschlagen, sofern nicht festgestellt wird, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Zudem ist auch beabsichtigt, Merkmale eines Anspruchs in einen beliebigen anderen unabhängigen Anspruch aufzunehmen, selbst falls dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht worden ist.
Jede Aufnahme durch Bezugnahme auf Dokumente oben ist derart beschränkt, dass kein Gegenstand aufgenommen ist, der der explizierten Offenbarung hierin entgegengesetzt ist. Jede Aufnahme durch Bezugnahme von Dokumenten oben ist weiter derart beschränkt, dass keine in den Dokumenten enthaltenen Ansprüche durch Bezugnahme hier aufgenommen werden. Jede Aufnahme durch Bezugnahme von Dokumenten oben ist noch weiter derart beschränkt, dass beliebige, in den Dokumenten gelieferte Definitionen nicht durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind, sofern nicht ausdrücklich hierin enthalten.
Zum Zweck der Auslegung der Ansprüche für die vorliegende Erfindung ist ausdrücklich beabsichtigt, dass die Vorkehrungen von Abschnitt 112, sechster Absatz von 35 U.S.C. nicht geltend gemacht werden sollen, sofern nicht die spezifischen Ausdrücke „Mittel für“ oder „Schritt für“ in einem Anspruch aufgeführt sind.

Claims

Magnetfeld-Sensorsystem, das Folgendes umfasst: eine erste Gruppe von Halleffekt-Strukturen, die eingerichtet sind, als ein Stapel zusammengeschaltet zu werden, wobei jede Halleffekt-Struktur der ersten Gruppe zwei Versorgungskontakte und einen Signalkontakt umfasst; und eine zweite Gruppe von Halleffekt-Strukturen, die eingerichtet sind, als ein Stapel zusammengeschaltet zu werden, wobei jede Halleffekt-Struktur der zweiten Gruppe zwei Versorgungskontakte und einen Signalkontakt umfasst; wobei jede der Halleffekt-Strukturen der ersten Gruppe eingerichtet ist, als ein komplementäres Gegenstück zu einer der Halleffekt-Strukturen der zweiten Gruppe betrieben zu werden.
Sensorsystem nach Anspruch 1, wobei die erste Gruppe und die zweite Gruppe jeweils zum Erfassen von Magnetfeldkomponenten in einer ersten Richtung eingerichtet sind.
Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2 und weiterhin umfassend mehrere Signalschalter, wobei: einer der mehreren Signalschalter zum Verbinden eines Kontakts einer ersten der Halleffekt-Strukturen des ersten Stapels mit einem invertierenden Anschluss eingerichtet ist; und einer der mehreren Signalschalter zum Verbinden eines Kontakts einer ersten der Halleffekt-Strukturen des zweiten Stapels mit einem nicht-invertierenden Anschluss eingerichtet ist.
Sensorsystem nach Anspruch 3, wobei die Signalschalter zum Liefern von Signalspannungen von einer der Halleffekt-Strukturen jedes Stapels zu einem Vorverstärker eingerichtet sind.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der erste Stapel k Halleffekt-Strukturen enthält, die jeweils in einer separaten Schicht angeordnet sind, wobei: eine in einer ersten Schicht angeordnete erste Halleffekt-Struktur des ersten Stapels eingerichtet ist, an mindestens eine Strom- oder Spannungsquelle gekoppelt zu werden; und eine in einer k-ten Schicht angeordnete k-te Halleffekt-Struktur des ersten Stapels eingerichtet ist, an mindestens eine Stromsenke oder mindestens ein Referenzpotential gekoppelt zu werden.
Sensorsystem nach Anspruch 5, wobei die Halleffekt-Strukturen innerhalb jeder Schicht eine im Wesentlichen gleichförmige Geometrie und Orientierung besitzen
Sensorsystem nach Anspruch 5 oder 6 und weiterhin umfassend mehrere Versorgungsschalter, wobei: für die erste Schicht mindestens einer der mehreren Versorgungsschalter zwischen einer Versorgungsschaltung und einem Versorgungskontakt der Halleffekt-Struktur des ersten Stapels in der ersten Schicht angeordnet ist; für jede Schicht von der ersten Schicht bis zu einer k-1-ten Schicht mindestens einer der mehreren Versorgungsschalter zwischen einem Versorgungskontakt der Halleffekt-Struktur des ersten Stapels, in der jeweiligen Schicht angeordnet, und einem Versorgungskontakt der Halleffekt-Struktur des ersten Stapels, in der jeweils folgenden Schicht angeordnet, angeordnet ist; und für die k-te Schicht mindestens einer der mehreren Versorgungsschalter zwischen einem Versorgungskontakt der Halleffekt-Struktur, in der k-ten Schicht angeordnet, und der Stromsenke angeordnet ist.
Sensorsystem nach Anspruch 7, wobei die Versorgungsschalter zum Aktivieren in einem Muster, so dass das höchste Potential in jedem Stapel durch das Muster hinweg im Wesentlichen gleich ist, eingerichtet sind.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1–8, wobei jede Halleffekt-Struktur mindestens einer Schicht eine 3-Kontakt-Halleffekt-Struktur ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1–8, wobei jede Halleffekt-Struktur mindestens einer Schicht eine 4-Kontakt-Halleffekt-Struktur ist.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfelds zum Erzeugen eines Signals, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anordnen eines ersten Stapels von Halleffekt-Strukturen, um mindestens eine Magnetfeldkomponente zu messen; Anordnen eines zweiten Stapels von Halleffekt-Strukturen, um mindestens eine Magnetfeldkomponente zu messen; und Erzeugen einer Ausgabe entsprechend einem ersten Potential und zweiten Potential an Signalkontakten von mindestens zweien des ersten Stapels von Halleffekt-Strukturen und eines dritten Potentials an einem Signalkontakt einer Gegenstück-Halleffekt-Struktur des zweiten Stapels.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei mindestens eine Halleffekt-Struktur des ersten Stapels eine Magnetfeldkomponente in einer ersten Richtung misst und eine andere Halleffekt-Struktur des ersten Stapels eine Magnetfeldkomponente in einer zweiten Richtung misst.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, weiterhin umfassend ein Spinning durch: Lenken von Strom durch eine erste Gruppe von zwei Versorgungskontakten entsprechend einer ersten Betriebsphase in einer ersten Halleffekt-Struktur des ersten Stapels von Halleffekt-Strukturen und Abgreifen eines ersten Ausgangssignals; Lenken von Strom durch eine zweite Gruppe von zwei Versorgungskontakten entsprechend einer zweiten Betriebsphase in der ersten Halleffekt-Struktur des ersten Stapels von Halleffekt-Strukturen und Abgreifen eines zweiten Ausgangssignals, wobei die erste Gruppe von zwei Versorgungskontakten nicht die gleiche ist wie die zweite Gruppe von zwei Versorgungskontakten und ein Spinning-Ausgangssignal mindestens basierend auf dem ersten und zweiten Ausgangssignal erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Potential an den Versorgungskontakt mit dem niedrigsten Potential in der ersten und zweiten Betriebsphase im Wesentlichen identisch bleibt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei jede Halleffekt-Struktur des ersten Stapels und jede Halleffekt-Struktur des zweiten Stapels Drei-Kontakt-Halleffekt-Strukturen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin umfassend ein Betreiben einer Halleffekt-Struktur des ersten Stapels in einer Gruppe von sechs verschiedenen und wechselseitig unterschiedlichen Betriebsphasen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–14, wobei jede Halleffekt-Struktur des ersten Stapels und jede Halleffekt-Struktur des zweiten Stapels Vier-Kontakt-Halleffekt-Strukturen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–17, wobei das Spinning ein Aktivieren von Versorgungsschaltern in einem derartigen Muster besteht, dass die resultierenden Kombinationen von Betriebsphasen eingerichtet sind zum Minimieren von Änderungen eines höchsten Potentials innerhalb jedes Stapels.
Sensorsystem, das Folgendes umfasst: mehrere k > 1 Schichten, wobei jede der Schichten eine erste Halleffekt-Struktur und eine zweite Halleffekt-Struktur umfasst, wobei jede der ersten und zweiten Halleffekt-Struktur mindestens drei Anschlüsse umfasst; mehrere Versorgungsschalter, wobei: die Versorgungsschalter angeordnet sind zum Zusammenschalten eines ersten der Kontakte der ersten Halleffekt-Struktur der zweiten bis k-ten Schicht mit einem der Kontakte der ersten Halleffekt-Struktur einer elektronisch benachbarten Schicht auf höherem Potential und zum Zusammenschalten eines zweiten der Kontakte der ersten Halleffekt-Struktur jeder ersten bis k-1-ten Schichten mit einem der Kontakte der ersten Halleffekt-Struktur einer elektronisch benachbarten Schicht auf niedrigerem Potential; und die Versorgungsschalter eingerichtet sind zum Zusammenschalten eines ersten der Kontakte der zweiten Halleffekt-Struktur der zweiten bis k-ten Schicht mit einem der Kontakte der zweiten Halleffekt-Struktur einer elektronisch benachbarten Schicht auf höherem Potential und zum Zusammenschalten eines zweiten der Kontakte der zweiten Halleffekt-Struktur jeder der ersten bis k-1-ten Schicht mit einem der Kontakte der zweiten Halleffekt-Struktur einer elektronisch benachbarten Schicht auf niedrigerem Potential; und mehrere Signalschalter, wobei die Signalschalter eingerichtet sind zum Empfangen von Daten bezüglich mindestens eines der Kontakte der ersten Halleffekt-Struktur und mindestens eines der Kontakte der zweiten Halleffekt-Struktur von identischen Schichten, um differentielle Ausgaben zu erzeugen.
Sensorsystem nach Anspruch 19, wobei: die ersten Halleffekt-Strukturen jeder Schicht eingerichtet sind zum Arbeiten als ein Stapel; und die zweiten Halleffekt-Strukturen jeder Schicht eingerichtet sind zum Arbeiten als ein weiterer Stapel.
Sensorsystem nach Anspruch 19 oder 20, wobei Strom zwischen benachbarten Schichten jedes Stapels über zwei in Reihe geschaltete Schalter fließt.