DE102016109878A1 - Hall-Sensor und Messverfahren sowie entsprechende Vorrichtung - Google Patents

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Roberto Canegallo
Marco Marchesi
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Abstract

Ein Hall-Sensor weist Folgendes auf: – ein planares Hall-Messelement (10), das einem Magnetfeld (B) ausgesetzt werden kann und eine das Magnetfeld anzeigende Hall-Spannung erzeugt, wenn es von einem elektrischen Strom durchflossen wird, – ein erstes Paar von Vorspannungselektroden (B1, B2), die einander über das Messelement (10) hinweg in einer ersten Richtung (D1) gegenüberliegen, – ein zweites Paar von Vorspannungselektroden (B3, B4), die einander über das Messelement (10) hinweg in einer zweiten Richtung (D2) gegenüberliegen, wobei die zweite Richtung (D2) zu der ersten Richtung (D1) orthogonal ist, – ein erstes Paar von Messelektroden (S1, S3), die einander über das Messelement (10) hinweg in einer dritten Richtung (D3) gegenüberliegen, – ein zweites Paar von Messelektroden (S2, S4), die einander über das Messelement (10) hinweg in einer vierter Richtung (D4) gegenüberliegen, wobei die vierte Richtung (D4) zu der dritten Richtung (D3) orthogonal ist. Die die dritte (D3) und die vierte (D4) Richtung sind in Bezug auf die erste (D1) und die zweite (D2) Richtung rotationsmäßig um 45° versetzt, so dass eine jeweilige Messeelektrode (S1, S2, S3, S4) zwischen einer Vorspannungselektrode des ersten Paares (B1, B2) und einer Vorspannungselektrode des zweiten Paares (B3, B4) angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Beschreibung betrifft Hall-Sensoren.
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen können sich auf Hall-Sensorsysteme mit großer Bandbreite zur Verwendung z. B. auf dem Automobilsektor sowie bei weiteren industriellen Anwendungen (z. B. Geschwindigkeitserfassung, verlustfreie Strommessung usw.) beziehen.
  • Das gesteigerte Interesse für Hall-Sensoren mit hoher Geschwindigkeit (z. B. mit einer Bandbreite von 1 MHz), die zur Verwendung in solchen Anwendungen wie der verlustfreien Strommessung geeignet sind, ist mit intrinsischen Einschränkungen z. B. aufgrund der kapazitiven Last von Schaltern sowie der Schaltungskomplexität (z. B. doppelte Rückkopplungsschleife mit Analog-Digital-Wandlung und Digital-Analog-Wandlung in der Schleife) konfrontiert.
  • Es besteht somit ein Bedarf für alternative Hall-Sensorsysteme mit großer Bandbreite, die unter anderem eine Komprimierung des Datenausgangs ermöglichen.
  • Ein Ziel von einer oder mehreren Ausführungsformen besteht in der Erfüllung eines solchen Bedarfs.
  • Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein solches Ziel erreicht mittels eines Hall-Sensors, der die in den nachfolgenden Ansprüchen angegebenen Merkmale aufweist.
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen können auch ein entsprechendes Messverfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung betreffen.
  • Die Ansprüche sind integraler Bestandteil der Offenbarung von Ausführungsformen, wie diese hierin angegeben sind.
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen können ein ”spinning” bzw. rotierendes Stromflussschema aufweisen, z. B. um Offset zu reduzieren.
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen können z. B. ein oktogonales Hall-Messelement mit getrennten Kontakten beinhalten, wobei das ausgelesene Messsignal auf zwei Kanälen vorliegen kann, die Hall-Spannungen in zwei orthogonalen Richtungen erfassen.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann ein analoger Ausgang mit Daten digitalisiert werden, die durch einen komprimierenden Messalgorithmus komprimiert werden.
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen können einen oder mehreren der nachfolgenden Vorteile bereitstellen:
    • – Möglichkeit der verlustfreien Strommessung mit hoher Bandbreite z. B. bis zu 1 MHz,
    • – Abstoßung des Erdmagnetfeldes,
    • – komprimierte Erfassung von Messdaten,
    • – Erfassung kann mittels eines geregelten Stromspiegels erfolgen, um einen hohen Spannungsabfall an dem Sensor zu erzielen,
    • – eine analoge Ausleseschaltung mit zwei symmetrischen Kanälen kann Hall-Spannungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen mit automatischem Nullabgleich von Operationsverstärker-Offset ermitteln,
    • – geringe Offset-induzierte Welligkeit bei der Spinning-Frequenz.
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen können die Möglichkeit zur dynamischen Änderung der Ermittlungsbandbreite (z. B. B) mit der Frequenz fck, eines externen Takts bereitstellen, wobei z. B. B = fck/32 beträgt.
  • Im Folgenden werden eine oder mehrere Ausführungsformen lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung des der Hall-Effekt-Messung zu Grunde liegenden Prinzips;
  • 2 ein allgemeines Blockdiagramm von einer oder mehreren Ausführungsformen;
  • 3 und 4 exemplarische Darstellungen einer Zeitsignal-(Phasensignal-)Erzeugung bei einer oder mehreren Ausführungsformen;
  • 5 eine schematische Darstellung einer Vorspannungsstromerzeugung bei einer oder mehreren Ausführungsformen; und
  • 6 ein schematisches Blockdiagramm der Signalerfassung bei einer oder mehreren Ausführungsformen.
  • In der nachfolgenden Beschreibung sind ein oder mehrere spezielle Details veranschaulicht, die auf ein vertieftes Verständnis von Beispielen von Ausführungsformen abzielen. Die Ausführungsformen können ohne das eine oder die mehreren speziellen Details oder auch mit anderen Verfahren, Komponenten, Materialien usw. erzielt werden. In anderen Fällen werden bekannte Konstruktionen, Materialien oder Vorgänge nicht ausführlich beschrieben oder dargestellt, um bestimmte Aspekte von Ausführungsformen nicht unklar zu machen.
  • Eine Bezugnahme auf ”eine Ausführungsform” oder ”eine einzelne Ausführungsform” im Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll bedeuten, dass eine bestimmte Konfiguration, Konstruktion oder Eigenschaft, die in Bezug auf die Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform vorhanden ist. Derartige Ausdrücke wie z. B. ”bei einer Ausführungsform” oder ”bei einer einzelnen Ausführungsform”, die an einer oder mehreren Stellen der vorliegenden Beschreibung vorhanden sein können, beziehen sich daher nicht notwendigerweise auf ein und dieselbe Ausführungsform. Ferner können bestimmte Gestaltungen, Strukturen oder Eigenschaften in einer beliebigen angemessenen Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden.
  • Die vorliegend verwendeten Verweise dienen lediglich der Erläuterung und stellen somit keine Definition des Schutzumfangs oder des Umfangs der Ausführungsformen dar.
  • 1 zeigt eine allgemein exemplarische Darstellung des der Hall-Effekt-Messung zu Grunde liegenden Grundprinzips.
  • In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein planares Hall-Messelement mit z. B. einer Dicke t, das ein Halbleitermaterial beinhalten kann, das z. B. einen n-leitenden Dotierungsbereich aufweist, der als eigentlicher Hall-Messungsbereich dient und einem p-leitenden, schwach dotierten Bereich überlagert ist.
  • Eine Spannung Vdd von einem Source-Anschluss 2, die zwischen zwei Vorspannungselektroden 3, 4 anliegt, die mit einer Distanz L parallel zueinander angeordnet sind, kann das Fließen eines Vorspannungsstroms über ein Messelement 1 mit einer Breite W hervorrufen.
  • Bei Vorhandensein eines anliegenden Magnetfeldes B quer zu dem planaren Messelement 1 kann eine Hall-Spannung VH über dem Messelement 1 quer zu der Richtung des Flusses des Vorspannungsstroms IBIAS zwischen den Vorspannungselektroden 3 und 4 erfasst werden, der die Stärke des Magnetfeldes B anzeigt, wobei z. B. VH proportional zu RHBI/BIAS/t ist, wobei RH als Hall-Widerstand bekannt ist.
  • Die grundlegenden Prinzipien des Betriebs von Hall-Sensoren sind ansonsten in der Technik allgemein bekannt, so dass es nicht notwendig ist, an dieser Stelle eine ausführlichere Beschreibung anzugeben.
  • Verschiedene Implementierungen können über das vorstehend zusammengefasste Grundprinzip hinausgehen, indem sie z. B. auf ”Spinning”-Anordnungen zurückgreifen, um solchen Nachteilen wie Offset-Spannungen und/oder Welligkeit entgegenzuwirken, die während des Betriebs eines Hall-Sensors auftreten können.
  • Exemplarisch für derartige Implementierungen sind z. B.:
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen, wie sie in den 2 bis 6 exemplarisch dargestellt sind, können ein planares Hall-Messelement 10 aufweisen, das dazu ausgebildet ist, einem (quer verlaufenden) Magnetfeld B ausgesetzt zu werden, und das ein Material (z. B. Halbleitermaterial) beinhaltet, das eine Hall-Spannung erzeugt, die die Stärke des Magnetfelds angibt, wenn es von einem elektrischen Strom durchflossen wird.
  • Die allgemeinen Prinzipien der Arbeitsweise eines solchen Messelements sind vorstehend bereits in Verbindung mit 1 beschrieben worden.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen können auf dem planaren Messelement 10 ein Satz von Vorspannungselektroden B1, B2, B3, B4 und ein Satz von Messelektroden S1, S2, S3, S4 (mittels bekannter Einrichtungen) vorgesehen sein.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Messelement 10 eine insgesamt oktogonale Formgebung aufweisen; es versteht sich im übrigen, dass eine solche Formgebung optional zwar vorliegen kann, dies jedoch nicht zwingend erforderlich ist.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann eine Anordnung von Vorspannungselektroden Folgendes beinhalten:
    • – ein erstes Paar von Vorspannungselektroden B1, B2, die einander über das Messelement 10 hinweg in einer ersten Richtung D1 gegenüberliegen, und
    • – ein zweites Paar von Vorspannungselektroden B3, B4, die einander über das Messelement 10 hinweg in einer zweiten Richtung D2 gegenüberliegen, die orthogonal zu der ersten Richtung D1 ist, so dass die Vorspannungselektroden B1, B2, B3, B4 sozusagen in einem kreuzförmigen Muster angeordnet sind.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann eine Anordnung von Messelektroden Folgendes beinhalten:
    • – ein erstes Paar von Messelektroden S1, S3, die einander über das Messelement 10 hinweg in einer dritten Richtung D3 gegenüberliegen, und
    • – ein zweites Paar von Messelektroden S2, S4, die einander über das Messelement 10 hinweg in einer vierten Richtung D4 gegenüberliegen, wobei die vierte Richtung D4 zu der dritten Richtung D3 orthogonal ist.
  • Ähnlich den Vorspannungselektroden B1 bis B4 können somit auch die Messelektroden S1 bis S4 in einem kreuzartigen Muster angeordnet sein.
  • Wie in 2 gezeigt ist, in der die Richtungen D1 bis D4 ausdrücklich dargestellt sind (diese sind in den anderen Zeichnungsfiguren aus Gründen der Vereinfachung nicht gezeigt), sind die dritte und die vierte Richtung D3, D4 in Bezug auf die erste und die zweite Richtung D1, D2 um 45° rotationsmäßig versetzt.
  • Somit kann bei einer oder mehreren Ausführungsformen eine jeweilige der Messelektroden S1 bis S4 zwischen einer Vorspannungselektrode des ersten Paares B1, B2 und einer Vorspannungselektrode des zweiten Paares B2, B4 angeordnet sein.
  • Beispielsweise kann bei einer oder mehreren Ausführungsformen:
    • – die Messelektrode S1 zwischen der Vorspannungselektrode B1 (erstes Paar) und der Vorspannungselektrode B3 (zweites Paar) angeordnet sein,
    • – die Messelektrode S2 zwischen der Vorspannungselektrode B3 (zweites Paar) und der Vorspannungselektrode B2 (erstes Paar) angeordnet sein,
    • – die Messelektrode S3 zwischen der Vorspannungselektrode B2 (erstes Paar) und der Vorspannungselektrode B4 (zweites Paar) angeordnet sein, und
    • – die Messelektrode S4 zwischen der Vorspannungselektrode B1 (erstes Paar) und der Vorspannungselektrode B4 (zweites Paar) angeordnet sein.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen handelt es sich bei den Vorspannungselektroden B1 bis B4 um stabartige Elektroden, wobei die Vorspannungselektroden in dem ersten Paar B1, B2 sich parallel zueinander erstrecken; dies kann auch für die Vorspannungselektroden B3 und B4 in dem zweiten Paar gelten, bei denen es sich wiederum um stabartige Elektroden handeln kann und die sich parallel zueinander erstrecken.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Messelement 10 gekoppelt sein mit:
    • – einem Vorspannungsmodul 20, das (wie im Folgenden noch ausführlicher beschrieben) dazu ausgebildet ist, Vorspannungsströme zwischen den Elektroden B1, B2 des ersten Paares und zwischen den Vorspannungselektroden B3, B4 des zweiten Paares bereitzustellen, und
    • – einem Auslesemodul 30, das (wie ebenfalls im Folgenden noch ausführlicher beschrieben) dazu ausgebildet ist, die zwischen den Messelektroden des ersten Paares (S1, S3) und den Messelektroden des zweiten Paares (S2, S4) erzeugten Hall-Spannungen zu lesen.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Vorspannungsmodul 20 durch ein externes Referenzsignal Rext angesteuert werden.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Auslesemodul 20 ein Ausgangs-Messsignal Vout erzeugen.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann ein Phasengenerator 40 gekoppelt mit dem Vorspannungsmodul 20 und dem Auslesemodul 30 vorgesehen sein, um einen gegenseitig in zeitlicher Phase abgestimmten Betrieb (d. h. einen zeitlich koordinierten Betrieb) des Vorspannungsmoduls 20 und des Auslesemoduls 30 zu veranlassen.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann dies z. B. eine erste, zweite, dritte und vierte Vorspannungsphase CK<1:4> beinhalten, die mit einer ersten, zweiten, dritten und vierten Messphase (d. h. Auslesephase) PH<1:4> gegenseitig koordiniert sind.
  • Wie im Folgenden noch ausführlicher beschrieben wird, kann bei einem oder mehreren Ausführungsformen das Vorspannungsmodul 20 dazu ausgebildet sein, die Richtung der Vorspannungsströme zwischen den Vorspannungselektroden des ersten Paares B1, B2 und den Vorspannungselektroden des zweiten Paares B3, B4 selektiv zu variieren. D. h., ein Vorspannungsstrom kann in einer ersten Richtung von der Elektrode B1 zu der Elektrode B2 fließen und kann auch in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung von der Elektrode B2 zu der Elektrode B1 fließen. In ähnlicher Weise kann ein Vorspannungsstrom in einer ersten Richtung von der Elektrode B3 zu der Elektrode B4 fließen sowie auch in einer zweiten, entgegengesetzten Richtung von der Elektrode B4 zu der Elektrode B3 fließen.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Phasengenerator 40 durch ein Taktsignal CLK angesteuert werden, das z. B. von einem Systemtaktgenerator der elektronischen Vorrichtung stammt, die einen Hall-Sensor beinhaltet, wie er vorliegend exemplarisch beschrieben wird. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Phasengenerator 40 zueinander phasengleiche Ansteuersignale für das Vorspannungsmodul 20 bzw. das Auslesemodul 30 generieren.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen können diese Ansteuersignale Rechteckwellensignale CK1, CK3 mit einem Tastverhältnis von 50% beinhalten, wobei die Signale CK1, CK3 in ”Phasenquadratur”, d. h. um 90° zueinander versetzt, vorgesehen sind.
  • Die Taktsignale CK1, CK3 können dazu verwendet werden, um innerhalb des Vorspannungsmoduls 20 einen Satz von Ansteuersignalen CK1, CK2, CK3, CK4 zu erzeugen, wobei CK2 logisch komplementär zu CK1 ist (d. h. CK1neg) und CK4 logisch komplementär zu CK3 ist (d. h. CK3neg).
  • Die Ansteuersignale CK1, CK2, CK3, CK4 können an einen Satz von Schaltern 61, 62, 63, 64 angelegt werden (z. B. elektronische Schalter, wie z. B. MOSFETs), die gemäß der in 5 dargestellten exemplarischen Konfiguration derart angeordnet sind, dass Vorspannungsströme, wie diese durch einen möglicherweise über einen Eingang Rext gesteuerten Stromgenerator 65 bereitgestellt werden, zwischen den Elektroden B1, B2 (erstes Paar) und B3, B4 (zweites Paar) zum Fließen gebracht werden. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann es sich bei dem Stromgenerator 65 um einen Festkörper-Stromgenerator handeln (z. B. einen Stromspiegel oder einen Stromgenerator), der für den Betrieb bei einer Versorgungsspannung Vdd ausgebildet ist.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen können die acht Schalter 61, 62, 63, 64 als ”Ein” (d. h. leitend) angenommen werden, wenn das entsprechende Ansteuersignal (CK1, CK2, CK3, CK4, wie in 5 dargestellt) ”hoch” ist, und sodann als ”Aus” (d. h. nicht-leitend) angenommen werden, wenn das jeweilige Ansteuersignal CK1, CK2, CK3, CK4 ”niedrig” ist.
  • Bei der exemplarischen Konfiguration der 5 sind die Schalter 61, 62, 63, 64 nach Art einer ”Vollbrücken”-Anordnung vorgesehen, so dass die Richtung des Flusses der Vorspannungsströme zwischen den Elektroden B1, B2 und B3, B4 als Funktion der Logikwerte (”hoch” oder ”niedrig”) von CK1, CK2, CK3, CK4 umgekehrt werden kann.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann eine solche Anordnung die Implementierung von vier Vorspannungsphasen CK<1:4> (in zyklischer Weise) gemäß dem folgenden Muster zulassen:
    • – In einer ersten Vorspannungsphase (Phase 1) sind CK1 und CK4 hoch, und CK2 und CK3 sind niedrig, so dass Vorspannungsströme von dem Generator 65 von dem Kontakt B1 zu dem Kontakt B2 sowie von dem Kontakt B4 zu dem Kontakt B3 fließen;
    • – in einer zweiten Vorspannungsphase (Phase 2) ist CK1 immer noch hoch, während CK2 immer noch niedrig ist, und CK4 schaltet auf niedrig, während CK3 auf hoch umschaltet; somit fließt weiterhin ein Vorspannungsstrom wie bisher von B1 zu B2, während die Richtung des Vorspannungsstroms zwischen den Elektroden des zweiten Paares geändert wird, wobei der Strom nun von B3 zu B4 fließt;
    • – in einer anschließenden dritten Vorspannungsphase (Phase 3) sind CK2 und CK3 hoch, während CK1 und CK4 niedrig sind; es fließt weiterhin ein Vorspannungsstrom wie zuvor von B3 zu B4, während die Richtung des Stroms zwischen den Elektroden des ersten Paares geändert wird, wobei der Strom nun von B2 zu B1 fließt;
    • – schließlich sind während einer vierten Vorspannungsphase (Phase 4) CK2 und CK4 hoch, während CK1 und CK3 niedrig sind und der Strom von B2 zu B1 sowie von B4 zu B3 fließt.
  • Allgemeiner ausgedrückt, ist die Situation wären der vorstehend genannten ersten, zweiten, dritten und vierten Vorspannungsphase folgendermaßen:
    • – der Vorspannungsstrom zwischen den Vorspannungselektroden in dem ersten Paar, d. h. B1, B2, fließt während der ersten und der zweiten Vorspannungsphase in der einen Richtung sowie in der dritten und vierten Vorspannungsphase in der entgegengesetzten Richtung;
    • – der Vorspannungsstrom zwischen den Vorspannungselektroden des zweiten Paares, d. h. B3 und B4, fließt in der ersten und der vierten Vorspannungsphase in der einen Richtung sowie in der zweiten und der dritten Vorspannungsphase in der entgegengesetzten Richtung.
  • 4 zeigt eine exemplarische Darstellung eines einfachen Kombinationsnetzwerks, das vier logische Produkte (UND-Gatter) 71, 72, 73, 74 aufweist, denen die Signale CK1, CK2, CK3, CK4 zugeführt werden können, um vier Taktsignale Ph1, Ph2, Ph3, Ph4 zu erzeugen, die dazu ausgebildet sind, entsprechende Schalter 81 bis 86 in dem Auslesemodul 30 zu betätigen, wie diese schematisch in 6 dargestellt sind.
  • Im Übrigen ist darauf hinzuweisen, dass das Vorspannungsrnodul 20, das Auslesemodul 30 und der Phasengenerator 40 aus Gründen der Vereinfachung in der schematischen Darstellung der 2 zwar als unabhängige Module dargestellt sind, diese jedoch de facto in eine einzige Schaltung integriert sein können, die (in an sich bekannter Weise) zum Erzeugen der Ansteuersignale Ck1 bis Ck4 für die Schalter 61 bis 64 der 5 sowie der Ansteuersignale Ph1 bis Ph4 für die Schalter 81 bis 86 der 6 ausgebildet sind.
  • Spezielle Anwendungserfordernisse können Optionen für eine andere Unterteilung dieser verschiedenen Schaltungselemente vorschreiben.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Auslesemodul 30 einen ersten und einen zweiten Detektor 31 und 32 beinhalten, um z. B. die Hall-Spannungen zwischen den Messelektroden S1, S3 des ersten Paares (Differenzdetektor 31) und zwischen den Messelektroden S2, S4 des zweiten Paares (Differenzdetektor 32) in differentieller Weise zu messen.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen können die Differenzdetektoren 31, 32 differentielle Differenzverstärker (DDA) beinhalten, die zusätzlich zu der Differenzstufe, der die Hall-Spannungen von den Messelektroden S1, S3 (erstes Paar) und S2, S4 (zweites Paar) zugeführt werden, auch eine zweite Differenzstufe beinhalten, die die differentielle Rückkopplung im Hinblick auf eine stabile Gleichtaktspannung Vcm abschließt.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen können die Differenzdetektoren (z. B. DDA) 31, 32 einen nicht-invertierenden Ausgangsverstärker beinhalten, der die eingegebene Differenzspannung (z. B. mal 25) verstärkt und eine unsymmetrische Spannung (single-ended voltage) abgibt. Der Eingangs-DDA kann eine hohe Verstärkung aufweisen, beispielsweise um Rauschen als üblichen Offset zu reduzieren, und zwar optional zusammen mit einem raschen Einschwingverhalten.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen können die Ausgangssignale von den Differenzdetektoren 31, 32 beispielsweise einer Schaltkondensator-Schaltung zugeführt werden, die zwei Kondensatoren C110, C120 für den ersten Erfassungskanal bzw. Messkanal aufweist, der den Differenzdetektor 31 beinhaltet, sowie zwei Kondensatoren C130, C140 für den zweiten Erfassungskanal bzw. Messkanal aufweisen, der den Differenzdetektor 32 beinhaltet.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen können die betreffenden Schaltkondensator-Schaltungen dafür vorgesehen sein, die Hall-Spannungen mit entgegengesetzten Polaritäten voneinander zu subtrahieren, die zwischen den Messelektroden des ersten Paares S1, S3 und den Messelektroden des zweiten Paares S2, S4 gemessen werden, wenn die Richtung der Ströme zwischen den Vorspannungselektroden B1, B2 (erstes Paar) und B3, B4 (zweites Paar) umgekehrt wird, wie dies vorstehend beschrieben wurde.
  • Die Spannungen, die man durch Subtrahieren dieser Hall-Spannungen mit entgegengesetzten Polaritäten voneinander erhält, kann dann an zweiten Kondensatoren C21 (erster Kanal) und C22 (zweiter Kanal) kapazitiv gespeichert werden.
  • Es kann wiederum bei einer oder mehreren Ausführungsformen davon ausgegangen werden, dass die Schalter 81, 82, 83, 84, 85, 86 (z. B. elektronische Schalter, wie MOSFETs) ”Ein” (d. h. leitend) sind, wenn das entsprechende Ansteuersignal (Ph1, Ph2, Ph3, Ph4, wie in 6 gezeigt) ”hoch” ist, sowie ”Aus” (d. h. nicht leitend) sind, wenn das jeweilige Ansteuersignal Ph1, Ph2, Ph3, Ph4 ”niedrig” ist.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen können die Messspannungen, die von den beiden Messkanälen mit den Detektoren 31 und 32 erzeugt werden, einer weiteren nicht-invertierenden Verstärkerstufe 33 zugeführt werden, die die eingegebene Differenzspannung mit einer bestimmten Verstärkung verstärken kann, z. B. unter Abgabe einer unsymmetrische Ausgangsspannung V. Hierbei kann es sich wiederum um einen differentiellen Differenzverstärker (DDA) handeln.
  • Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Ausgangsspannung Vout einer Abtast- und Halte-(S&H-)Verarbeitung bei dem Bezugszeichen 34 sowie einer Analog/Digital-Umwandlung unterzogen werden, worauf optional eine digitale Komprimierung bei dem Bezugszeichen 35 folgt. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann es sich bei einem einzelnen Eingangssignal des Verstärkers 33 um eine externe einstellbare Spannung handeln, die eine Kompensation für den durch den Verstärker 33 eingebrachten Offset bildet, während die Gleichtaktspannung Vcm dazu verwendet wird, die DC-Gleichtaktvorspannung mit der Hälfte der Versorgungsspannung vorzugeben.
  • Ein zeitlich in Phase erfolgender Betrieb des Vorspannungsmoduls 20 und des Auslesemoduls 30, wie diese in 2 exemplarisch dargestellt sind, kann eine erste, zweite, dritte und vierte Erfassungsphase bzw. Messphase in Bezug zu der vorstehend betrachteten ersten, zweiten, dritten und vierten Vorspannungsphase beinhalten (d. h. in zeitlich koordinierter Weise). Bei einer oder mehreren Ausführungsformen können die jeweiligen Vorspannungs- und Messphasen somit miteinander übereinstimmen, so dass z. B. während der ”gemeinsamen” Phase 1 ein Vorspannungsstrom in B1 und B4 fließen kann, während eine Messung zwischen S1 und S3 erfolgt. Dies kann z. B. beinhalten CK1 = CK4 = PH1 = 1, während alle anderen Signale gleich 0 sind, wobei die anschließenden Phasen einer Art von getaktetem ”Spinning” bzw. Rotieren entsprechen.
  • Aus Gründen der Vereinfachung kann eine solche erste Phase als Ausgangspunkt bei der Darstellung einer möglichen zyklischen Sequenz von Messphasen betrachtet werden.
  • Während dieser Phase kann der erste Messkanal (der den Differenzdetektor 31 beinhaltet) die eingegebene Differenzspannung zwischen den Messelektroden S1, S3 des ersten Paares verstärken, wobei eine derartige Spannung an dem Kondensator C110 gespeichert wird.
  • Während einer nachfolgenden zweiten Messphase kann der den Detektor 31 beinhaltende erste Messkanal in die Sättigung gelangen, während der zweite Messkanal (der den Differenzdetektor 32 beinhaltet) das Eingangssignal zwischen den Messelektroden S2, S4 des zweiten Paares verstärken kann und dieses an dem Kondensator C130 speichern kann.
  • In einer weiteren nachfolgenden dritten Phase kann der Turnus bzw. Ablauf zu dem ersten Messkanal (der den ersten Differenzdetektor 31 beinhaltet) zurückkehren, wobei berücksichtigt wird, dass zu diesem Zeitpunkt die Polarität der zwischen den Elektroden S1, S3 gemessenen Eingangsspannung aufgrund der Richtungsumkehr des Stroms zwischen den Vorspannungselektroden B1, B2 umgekehrt ist. Eine solche Spannung kann an dem Kondensator C120 gespeichert werden, wobei die Differenz zwischen den an den Kondensatoren C110 und C120 gespeicherten Spannungen (über den Schalter 85) zu dem Kondensator C21 zur kapazitiven Speicherung an diesem übertragen werden kann.
  • Der zweite Messkanal, der den Differenzdetektor 32 beinhaltet, kann (aufgrund des zyklischen Musters der Messphasen) während einer vierten Messphase in der gleichen Weise arbeiten, wie dies soeben für den den Differenzdetektor 31 beinhaltenden ersten Messkanal während der zuvor erläuterten dritten Phase beschrieben worden ist, wobei z. B. das Ergebnis der Subtraktion der an den Kondensatoren C130 und C140 gespeicherten Spannungen zu dem Kondensator C22 übertragen und an diesem kapazitiv gespeichert wird.
  • Die Differenz der an den Kondensatoren C21 und C22 gespeicherten Spannungen kann abgetastet, subtrahiert und verstärkt werden, und zwar mittels der Verstärkerstufe 33, die eine Verstärkung von beispielsweise 4 aufweist.
  • Es versteht sich, dass die vorliegend betrachteten Schaltkondensator-Schaltungen auch den Effekt eines Nullabgleichs des Offset der Eingangs-Differenzdetektoren 31, 32 aufweisen können: tatsächlich ändert der Offset von solchen Differenzdetektoren nicht die Polarität in verschiedenen Phasen. Der Sensor-Offset kann durch orthogonale Messungen eliminiert werden, d. h. durch die Subtraktion der Ausgangssignale von dem ersten Detektionskanal (der den Differenzdetektor 31 beinhaltet) und dem zweiten Messkanal (der den Differenzdetektor 32 beinhaltet).
  • Eine oder mehrere Ausführungsformen können zu einer signifikanten Reduzierung von Offset-induzierier Welligkeit führen, die bei der ”Spinning”-Frequenz auftritt: eine oder mehrere Ausführungsformen können dieses Resultat erzielen, indem sie synchron mit der Spinning-Frequenz arbeiten (wobei diese durch die Frequenz des Taktsignals CLK diktiert werden kann – siehe 2).
  • Darüber hinaus versteht es sich, dass der Betrieb, wie er vorstehend exemplarisch beschrieben worden ist, unabhängig von den tatsächlichen Richtungen des zwischen den Vorspannungselektroden des ersten Paares B1, B2 und eines zweiten Paares B3, B4 fließenden Vorspannungsstroms sein kann, vorausgesetzt dass sich diese Richtungen in der vorstehend betrachteten Weise derart ändern, dass eine entsprechende Änderung der Polarität der Messspannungen erzeugt werden kann. D. h., während bei der vorstehenden Beschreibung davon ausgegangen wurde, dass während der ersten und der zweiten Vorspannungsphase (Phase 0, Phase 1) der Strom z. B. von der Elektrode B1 zu der Elektrode B2 fließt, kommt es zu keiner Beeinträchtigung des Betriebs, falls während der gleichen Phasen der Strom von der Elektrode B2 zu der Elektrode B1 fließen sollte, wobei Vorstehendes auch für den zwischen den Elektroden B1 und B4 fließenden Vorspannungsstrom gilt.
  • Unbeschadet der zu Grunde liegenden Prinzipien können die Details und Ausführungsformen in Bezug auf das Vorstehende, das lediglich eine exemplarische Beschreibung darstellt, auch beträchtlich variieren, ohne dass man den Schutzumfang verlässt.
  • Der Schutzumfang ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (12)

  1. Hall-Sensor, aufweisend: – ein planares Hall-Messelement (10), das einem Magnetfeld (B) ausgesetzt werden kann und eine das Magnetfeld anzeigende Hall-Spannung erzeugt, wenn es von einem elektrischen Strom durchflossen wird, – ein erstes Paar von Vorspannungselektroden (B1, B2), die einander über das Messelement (10) hinweg in einer ersten Richtung (D1) gegenüberliegen, – ein zweites Paar von Vorspannungselektroden (B3, B4), die einander über das Messelement (10) hinweg in einer zweiten Richtung (D2) gegenüberliegen, wobei die zweite Richtung (D2) zu der ersten Richtung (D1) orthogonal ist, – ein erstes Paar von Messelektroden (S1, S3), die einander über das Messelement (10) hinweg in einer dritten Richtung (D3) gegenüberliegen, – ein zweites Paar von Messelektroden (S2, S4), die einander über das Messelement (10) hinweg in einer vierter Richtung (D4) gegenüberliegen, wobei die vierte Richtung (D4) zu der dritten Richtung (D3) orthogonal ist, wobei die dritte (D3) und die vierte (D4) Richtung in Bezug auf die erste (D1) und die zweite (D2) Richtung rotationsmäßig um 45° versetzt sind, so dass eine jeweilige Messeelektrode (S1, S2, S3, S4) zwischen einer Vorspannungselektrode des ersten Paares (B1, B2) und einer Vorspannungselektrode des zweiten Paares (B3, B4) angeordnet ist.
  2. Hall-Sensor nach Anspruch 1, wobei es sich bei den Vorspannungselektroden um stabartige Elektroden handelt, wobei sich die Vorspannungselektroden in dem ersten Paar (B1, B2) und die Vorspannungselektroden in dem zweiten Paar (B3, B4) parallel zueinander erstrecken.
  3. Hall-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend: – ein Vorspannungsmodul (20) zum selektiven Anlegen von Vorspannungsströmen zwischen den Vorspannungselektroden des ersten Paares (B1, B2) und zwischen den Vorspannungselektroden des zweiten Paares (B3, B4), und – ein Auslesemodul (30) zum selektiven Messen von Hall-Spannungen zwischen den Messelektroden des ersten Paares (S1, S3) und zwischen den Messelektroden des zweiten Paares (S2, S4).
  4. Hall-Sensor nach Anspruch 3, mit einem Phasengenerator (40), der mit dem Vorspannungsmodul (20) und dem Auslesemodul (30) gekoppelt ist, um einen zueinander zeitlich in Phase befindlichen Betrieb des Vorspannungsmoduls (20) und des Auslesemoduls (30) zu erzeugen.
  5. Hall-Sensor nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Vorspannungsmodul (20) dazu ausgebildet ist, die Richtung der Vorspannungsströme zwischen den Vorspannungselektroden des ersten Paares (B1, B2) und zwischen den Vorspannungselektroden des zweiten Paares (B3, B4) selektiv zu variieren,
  6. Hall-Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Auslesemodul einen ersten (31) und einen zweiten (32) Differenzdetektor zum differentiellen Messen der Hall-Spannungen zwischen den Messelektroden des ersten Paares (S1, S3) und zwischen den Messelektroden des zweiten Paares (S2, S4) aufweist.
  7. Hall-Sensor nach Anspruch 6, wobei der erste (31) und der zweite Differenzdetektor (32) mit Subtraktionsschaltungen gekoppelt sind, vorzugsweise mit Schaltkondensator-Schaltungen (81 bis 86), um die zwischen den Messelektroden des ersten Paares (S1, S3) und zwischen den Messelektroden des zweiten Paares (S2, S4) gemessenen Hall-Spannungen mit entgegengesetzter Polarität voneinander zu subtrahieren.
  8. Hall-Sensor nach Anspruch 7, mit Kondensatorschaltungen (C21, C22) zum kapazitiven Speichern der Messspannungen, die durch Subtrahieren der zwischen den Messelektroden des ersten Paares (S1, S3) und zwischen den Messelektroden des zweiten Paares (S2, S4) gemessenen Spannungen mit entgegengesetzter Polarität voneinander ermittelt worden sind.
  9. Hall-Sensor nach Anspruch 8, der mindestens eines aufweist von: – Abtast- und Halte-Schaltungen (34) zum Anwenden einer Abtast- und Halte-Verarbeitung an den Messspannungen, und – Analog/Digital-Wandlerschaltungen (35) zum Umwandeln der Messspannungen von Analog in Digital, vorzugsweise unter Komprimierung derselben.
  10. Verfahren zum Betreiben eines Hall-Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren eine erste, zweite, dritte und vierte Vorspannungsphase (PH<0:3>) aufweist, die aufeinander folgen, wobei: – ein Vorspannungsstrom zwischen den Vorspannungselektroden des ersten Paares (B1, B2) in der ersten und der zweiten Vorspannungsphase in der einen Richtung fließt und in der dritten und der vierten Vorspannungsphase in der entgegengesetzten Richtung fließt, und – ein Vorspannungsstrom zwischen den Vorspannungselektroden des zweiten Paares (B3, B4) in der ersten und der vierten Vorspannungsphase in der einen Richtung fließt und in der zweiten und der dritten Vorspannungsphase in der entgegengesetzten Richtung fließt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, das eine erste, zweite, dritte und vierte Messphase aufweist, die aufeinander folgen und jeweils mit der ersten, zweiten, dritten und vierten Vorspannungsphase synchronisiert sind, die aufeinander folgen, wobei das Verfahren das Erzeugen einer ersten (C21) und einer zweiten (C22) Messspannung für die Messelektroden des ersten Paares (S1, S3) sowie für die Messelektroden des zweiten Paares (S2, S4) beinhaltet, wobei die erste Messspannung (C21) erzeugt wird durch Subtrahieren der von dem ersten Paar der Messelektroden (S1, S3) in der zweiten und der vierten Messphase erzeugten Hall-Spannungen (C110, C120) voneinander und die zweite Messspannung (C22) erzeugt wird durch Subtrahieren der von dem zweiten Paar der Messelektroden (S2, S4) in der dritten und der ersten Messphase erzeugten Hall-Spannungen (C130, C140) voneinander.
  12. Elektronische Vorrichtung mit dem Hall-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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