DE102016110613A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ansteuerung einer Hall-Struktur mit vergrößerter Signalamplitude - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Ansteuerung einer Hall-Struktur mit vergrößerter Signalamplitude Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zur Vermessung der Flussdichte B eines Magnetfeldes mittels des Hall-Effekts. Die Vorrichtung umfasst eine Hall-Struktur (1) mit n = 2·m, mindestens sechs Kontakten (2, 3, 4, 5, 17, 18), mehrere, mindestens vier Messstromquellen (10, 66, 67, 68). Die vier Messstromquellen (10, 66, 67, 68) leiten jeweils einen Messstrom (I1, I2, I3, I4) in vorzugsweise genau einen der sechs Kontakte ein. Die Summe der Messströme (I1, I2, I3, I4) ist dabei Null. Die vier Messströme (I1, I2, I3, I4) sind dabei vorzugsweise betragsgleich oder zumindest ähnlich. Die Hallstruktur weist eine n-zählige Symmetrie und mehrere Spiegelachsen auf. Zwei Kontakte werden für die Erfassung der Hall-Potenziale für die Hall-Spannung verwendet. Durch Umschalter kann ein Kontaktpaar für die Stromein- und -ableitung mit dem Kontaktpaar für die Hall-Spannungserfassung die Kontaktfunktion tauschen. Besitzt die Hallstruktur n = 2·m Kontakte, so leiten vorzugsweise m – 1 Kontakte Strom ein und m – 1 Kontakte Strom ab. Die Strom einleitenden Kontakte sind mit ihren eingeleiteten Strömen vorzugsweise punkt- oder spiegelsymmetrisch zu den Strom ableitenden Kontakten mit ihren abgeleiteten Strömen angeordnet. Zwei Kontakte werden zur Hall-Spannungsmessung verwendet. Sie liegen vorzugsweise auf der Symmetrieachse für die Strom ein- und ableitenden Kontakte.

Description

  • Oberbegriff
  • Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zum Messen einer magnetischen Größe und zwar der magnetischen Flussdichte B mittels eines galvano-magnetischen Bauelementes. Dieses Galvano magnetische Bauelement arbeitet in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Basis des Hall-Effekts (IPC G01R 15/20, G01R 33/07, H01L 43/00)
  • Allgemeine Einleitung
  • Aus dem Stand der Technik sind hinlänglich Vorrichtungen zur Vermessung der Flussdichte B eines Magnetfeldes mittels des Hall-Effekts auf Basis integrierter halbleitender Hall-Strukturen (1) bekannt. Solche Strukturen werden bevorzugt mikrotechnisch integriert auf einem halbleitenden Substrat hergestellt und vielfältig verwendet. Insbesondere werden solche Sensoren als Ist-Wertgeber in Regelsystemen mit magnetischen Feldgrößen (G05F 1/635) oder Schrittzähler (G06M 1/274) oder als Schalter (H01H 36/00) eingesetzt. Eine besonders wichtige Anwendung ist die in elektrischen Maschinen (H02K 11/215, H02K 29/08) beispielsweise zur Positionsbestimmung des Läufers. Auch Anwendungen für magnetische Aufzeichnungs- und Wiedergabegeräte (G11B 5/37, G11B 5/37) sind bekannt. Besonders bevorzugt ist die Integration zusammen mit anderen mikroelektronischen Bauelementen auf einem Substrat. (H01L 27/22) Des Weiteren werden solche Bauelemente in Schwingungserzeugern oder Verstärkern (H03B 15/00) und insbesondere zur Amplitudenmodulationssteuerung (H03C 1/48, H03C 1/48) eingesetzt.
  • Eine solche Hall-Struktur (1) ist dabei vorzugsweise in einem einkristallinen Halbleitermaterial als möglichst dünne Schicht an der Oberfläche des einkristallinen Halbleitermaterials fotolithografisch gefertigt. Die Hall-Struktur (1) weist dabei typischerweise mindestens vier Kontakte (2, 3, 4, 5) auf. Im Folgenden werden diese mindestens vier Kontakte (2, 3, 4, 5) als erster Kontakt (2), zweiter Kontakt (3), dritter Kontakt (4) und vierter Kontakt (5) bezeichnet. Besonders bevorzugt wird die Hall-Struktur (1) rotationssymmetrisch mit einer vierzähligen Symmetrieachse senkrecht zur Oberfläche des halbleitenden Substrats, in dem die Hall-Struktur gefertigt ist, konstruiert und realisiert. Diese vier Kontakte sind in ihrer Funktionalität auch bei solchen Hall-Strukturen vorhanden, die mehr als vier Kontakte aufweisen. Eine Messvorrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, weist darüber hinaus eine Messstromquelle (10) auf, die einen Messstrom (I1) in die Hall-Struktur (1) über eine Messstromzuleitung (11) einspeist und über eine Messstromableitung (12) dieser Hall-Struktur (1) wieder entnimmt. Um die Hall-Spannung, die Basis der Messwertermittlung für die Flussdichte B ist, zu ermitteln, wird die Hall-Struktur (1) über eine erste Hall-Potenzialleitung (13) und eine zweite Hall-Potenzialleitung (14) angeschlossen. Aus dem Stand der Technik ist hinlänglich bekannt, dass Inhomogenitäten, Fertigungsfehler und insbesondere beispielsweise mechanischer Stress, der auf den Kristall der monolithisch integrierten Schaltung einwirkt, zu Spannungs-Offsets der Hall-Spannung führen können. Daher werden die vier grundlegenden Kontaktfunktionen, Stromeinspeisung, Stromentnahme, Erfassung des ersten Hall-Potenzials, Erfassung des zweiten Hall-Potenzials und typischerweise auch das Vorzeichen des Messstroms (I1) im Stand der Technik zyklisch oder nach einem Zufallsmuster getauscht und die variierenden Messwerte zu einem gemeinsamen, fehlerkorrigierten Messwert verrechnet. Hierzu verfügt eine Messvorrichtung aus dem Stand der Technik über einen ersten Umschalter (6), einen zweiten Umschalter (7), einen dritten Umschalter (8) und einen vierten Umschalter (9). Die Umschalter (6, 7, 8, 9) können beispielsweise als Analog-Multiplexer auf Basis von MOS- oder anderen Transistoren, aber auch mechanisch, beispielsweise als mikromechanischer Umschalter realisiert werden. Der eigentliche Hall-Messwert wird dann durch einen Hallspannungsauswerteschaltkreis (15) aus dem erfassten ersten und zweiten Hall-Potenzial ermittelt. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Analogschaltkreis mit einem analogen Messsignalausgang (16) handeln oder aber auch um einen Mikrokontroller mit einem ADC und vorgeschaltetem Verstärker, der ein digitales Messsignalausgang (16) als Datum auf einen Datenbus als Messsignalausgang (16) liefert.
  • Im Einfachsten Fall wird die Zuordnung der vier grundlegenden möglichen Kontaktfunktionen zu den den mindestens vier Kontakten zwischen lediglich zwei Konfigurationen hin und her geschaltet. Die Vorrichtung befindet sich dann entweder in einem ersten Zustand oder alternativ zu diesem ersten Zustand in zumindest einem zweiten, weiteren Zustand. Der der erste Zustand ist vom zweiten Zustand verschieden. Der Unterschied ist typischer Weise durch eine sich unterscheidende Zuordnung der vier grundlegenden möglichen Kontaktfunktionen zu den mindestens vier Kontakten gekennzeichnet.
  • Der erste Umschalter (6) verbindet den ersten Kontakt (2) der Hall-Struktur (1) mit der Messstromzuleitung (11) im ersten Zustand elektrisch und trennt den ersten Kontakt (2) der Hall-Struktur (1) von der zweiten Hall-Potenzialleitung (14) im ersten Zustand elektrisch.
  • Umgekehrt verbindet erste Umschalter (6) den ersten Kontakt (2) der Hall-Struktur (1) mit der zweiten Hall-Potenzialleitung (14) im zweiten Zustand elektrisch und trennt ihn von der Messstromzuleitung (11) im zweiten Zustand elektrisch.
  • Der zweite Umschalter (7) verbindet den zweiten Kontakt (3) der Hall-Struktur (1) mit der ersten Hall-Potenzialleitung (13) im ersten Zustand elektrisch und trennt den zweiten Kontakt (3) der Hall-Struktur (1) von der der Messstromableitung (12) im ersten Zustand. Im zweiten Zustand verbindet der zweite Umschalter (7) den zweiten Kontakt (3) der Hall-Struktur (1) mit der Messstromableitung (12) elektrisch und trennt den zweiten Kontakt (3) der Hall-Struktur (1) von der ersten Hall-Potenzialleitung (13) elektrisch.
  • Der dritte Umschalter (8) verbindet den dritten Kontakt (4) der Hall-Struktur (1) mit der Messstromableitung (12) im ersten Zustand elektrisch und trennt den dritten Kontakt (4) der Hall-Struktur (1) von der ersten Hall-Potenzialleitung (13) im ersten Zustand elektrisch. Im zweiten Zustand verbindet der dritte Umschalter (8) den dritten Kontakt (4) der Hall-Struktur (1) mit der ersten Hall-Potenzialleitung (13) elektrisch und trennt den dritten Kontakt (4) der Hall-Struktur (1) von der der Messstromableitung (12) im zweiten Zustand elektrisch.
  • Der vierte Umschalter (9) verbindet den vierten Kontakt (5) der Hall-Struktur (1) mit der ersten Hall-Potenzialleitung (13) im ersten Zustand elektrisch und trennt den vierten Kontakt (5) der Hall-Struktur (1) von der der Messstromzuleitung (11) im ersten Zustand elektrisch. Im zweiten Zustand verbindet der vierte Umschalter (9) den vierten Kontakt (5) der Hall-Struktur (1) mit der Messstromzuleitung (11) elektrisch und trennt den vierten Kontakt (5) der Hall-Struktur (1) von der Hall-Potenzialleitung (13) im zweiten Zustand elektrisch.
  • Der Hallspannungsauswerteschaltkreis (15) erzeugt das Messausgangssignal (16), das einen Wert besitzt. Dieser Wert des Messausgangssignals (16) hängt dabei typischerweise von der Spannungsdifferenz zwischen dem elektrischen Potenzial der ersten Hall-Potenzialleitung (13) und dem elektrischen Potenzial der zweiten Hall-Potenzialleitung (14) ab. Dieser Wert des Messausgangssignals (16) stellt zumindest zeitweise die ermittelte Flussdichte B zumindest eines Anteils des Magnetfeldes dar, das die Hall-Struktur (1) durchströmt.
  • Hierbei tritt nun das Problem auf, dass für eine optimale Erfassung der Hall-Spannung die Kontakte, die für die Hall-Spannungserfassung genutzt werden, möglichst klein und punktförmig sein sollten. Anderenfalls schließen die Kontakte die Hall-Spannung teilweise kurz, sodass das verbleibende Hall-Messsignal eine verkleinerte Hall-Messspannung zeigt. Daher verringert sich der Wirkungsgrad der Hallspannungserfassung bezogen auf ein Paar idealer punktförmiger Kontakte bei steigender Kontaktgröße.
  • Umgekehrt sollte die Stromeinspeisung des Messstroms (I1) in die zu vermessende Hall-Struktur (1) durch die verwendete Messstromquelle (10) maximal sein. Typischerweise werden die Vorrichtungen jedoch mit Spannungsquellen als Energiequellen betrieben. Daher wird der Messstrom (I1) typischerweise durch die Betriebsspannung begrenzt. Dies führt zu der Problematik, dass Spannungsabfälle über die Kontaktwiderstände des Einleitungskontakts und des Ableitungskontakts bei gegeben Widerstand der Hall-Struktur zu einem verringerten Messstrom (I1) und damit zu einer Verkleinerung der Hall-Spannung führen. Um die Kontaktwiderstände zu verringern, ist es daher sinnvoll, den Einleitungskontakts und den Ableitungskontakt zu vergrößern und so den Kontaktwiderstand zu verringern.
  • Durch die notwendige zyklische Verwürfelung der vier grundlegenden Kontaktfunktionen unter den vier Kontakten über die Zeit kommt es nun zu dem Problem, das ein und derselbe Kontakt in einer ersten Messphase in einem ersten Zustand der Verwürfelung der Kontakte als Einleitungskontakt oder als Ableitungskontakt für den Messstrom (I1) betrieben wird und beispielsweise in einer zweiten Messphase zu einem anderen Zeitpunkt in einem ersten Zustand der Verwürfelung der Kontakte als Kontakt zur Erfassung der Hall-Spannung verwendet wird. In der ersten Messphase wäre also eine Maximierung der Kontaktfläche wünschenswert während in der zweiten Messphase eine Minimierung dieser Kontaktfläche wünschenswert ist. Im Stand der Technik wird heute ein Kompromiss zwischen diesen Extremen genutzt.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die den obigen Nachteil des Stands der Technik nicht aufweist und ggf. weitere Vorteile aufweist. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 7 gelöst.
  • Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
  • Bei einer Hall-Struktur der eingangs beschriebenen Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie neben den mindestens vier Kontakten (2, 3, 4, 5) weitere zu- und wegschaltbare Kontakte aufweist. Im einfachsten Fall ist dies ein zuschaltbarer Kontakt pro Kontakt aus dem Stand der Technik. Jeder Kontakt (2, 3, 4, 5) aus dem Stand der Technik bildet mit mindestens einem zu- oder wegschaltbaren zusätzlichen Kontakt eine Kontaktgruppe, die die aktuelle Kontaktfunktion des Kontakts aus dem Stand der Technik nun in ihrer Gesamtheit jeweils übernimmt. Durch die Zu- und Wegschaltbarkeit weiterer Kontakte kann die effektive Kontaktfläche je nach Kontaktfunktion (Stromeinleitung bzw. Stromableitung auf der einen Seite und Erfassung des ersten und zweiten Hall-Potenzials auf der anderen Seite) vergrößert und verkleinert werden. Hierfür erzeugt eine Steuervorrichtung für jeden Schalter oder Umschalter, mit dem das Zu- bzw. Wegschalten der zusätzliche Kontakte ausgeführt wird, geeignete Steuersignale in Abhängigkeit von der Zeit und/oder Steuersignalen für diese Steuervorrichtung und/oder Registerinhalten, sofern die Steuervorrichtung über einen Datenbusanschluss verfügt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist also über den Stand der Technik mindestens einen fünften Kontakt (17), einen sechsten Kontakt (18), einen siebten Kontakt (19) und einen achten Kontakt (20) der Hall-Struktur (1) auf. Zum Zu- und Wegschalten dieser Kontakte (17, 18, 19, 20) weist sie einen ersten Schalter (21), einen zweiten Schalter (22), einem dritten Schalter (23) und einen vierten Schalter (24) auf, die von der Steuervorrichtung gesteuert werden. Die Vorrichtung muss erfindungsgemäß mindestens zwei Zustände aufweisen, die sich durch die Zuordnung der Kontaktfunktionen zu den Kontakten (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20) unterscheiden. Weitere Zustände können sich durch andere Zuordnungen und/oder auch die Messstromrichtung des Messstroms (I1) der Messstromquelle (10) unterscheiden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung befindet sich daher, wie die Vorrichtungen aus dem Stand der Technik in einem ersten Zustand oder alternativ zu diesem ersten Zustand zumindest zweitweise in zumindest einem zweiten, weiteren Zustand, wobei der der erste Zustand von zweiten Zustand verschieden ist;
  • Das Zu- und Wegschalten der zusätzlichen mindestens vier Kontakte (17, 18, 19, 20) zu den ursprünglich vorhandenen Kontakten (2, 3, 4, 5) geschieht über mindestens vier Schalter (21, 22, 23, 24). Diese können beispielsweise als Transistoren oder aber auch als mechanische und/oder mikromechanische Schalter ausgeführt sein.
  • Der zusätzliche erste Schalter (21) verbindet den fünften Kontakt (17) mit der Messstromzuleitung (11) im ersten Zustand und trennt den fünften Kontakt (17) von der Messstromzuleitung (11) im zweiten Zustand. Der zweite Schalter (22) verbindet den sechsten Kontakt (18) mit der Messstromableitung (12) im zweiten Zustand und trennt den sechsten Kontakt (18) von der Messstromableitung (12) im ersten Zustand. Der dritte Schalter (23) verbindet den siebten Kontakt (19) mit der Messstromableitung (12) im ersten Zustand und trennt den siebten Kontakt (19) von der Messstromableitung (12) im zweiten Zustand. Der vierte Schalter (24) verbindet den achten Kontakt (20) mit der Messstromzuleitung (11) im zweiten Zustand und trennt den achten Kontakt (20) von der Messstromzuleitung (11) im zweiten Zustand.
  • Wie zuvor erzeugt der Hallspannungsauswerteschaltkreis (15) das Messausgangssignal (16), das einen Wert besitzt. Dieser Wert des Messausgangssignals (16) hängt von der Spannungsdifferenz zwischen dem elektrischen Potenzial der ersten Hall-Potenzialleitung (13) und dem elektrischen Potenzial der zweiten Hall-Potenzialleitung (14) ab. Dieser Wert des Messausgangssignals (16) stellt auch hier zumindest zeitweise die ermittelte Flussdichte B zumindest eines Anteils des Magnetfeldes dar, das die Hall-Struktur (1) durchströmt.
  • Vorteil der Erfindung
  • Eine Solche Hall-Struktur (1) ermöglicht zumindest in einigen Realisierungen eine Maximierung der Empfindlichkeit im µV/Tesla-Bereich. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
  • Beschreibung der Weiterbildungen/Ausbildungen der Erfindung
  • In einer ersten besonderen Ausführungsform der Erfindung weist diese weitere zusätzliche Kontakte aus, die zu- oder weggeschaltet werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist dann beispielsweise einen neunten Kontakt (26), einen zehnten Kontakt (27), einen elften Kontakt (28) und einen zwölften Kontakt (29) der Hall-Struktur (1) zusätzlich auf. Zusätzlich weist die Vorrichtung einen fünften Schalter (30), einen sechsten Schalter (31), einen siebten Schalter (32) und einen achten Schalter (33) auf, die von einer Steuervorrichtung gesteuert werden. Für diese gilt das für die anderen Schalter bereits gesagte. Der fünfte Schalter (30) verbindet den neunten Kontakt (26) mit der Messstromzuleitung (11) im ersten Zustand und trennt den neunten Kontakt (26) von der Messstromzuleitung (11) im zweiten Zustand. Der sechste Schalter (31) verbindet den zehnten Kontakt (27) mit der Messstromableitung (12) im zweiten Zustand und trennt den zehnten Kontakt (27) von der Messstromableitung (12) im ersten Zustand. Der siebte Schalter (32) verbindet den elften Kontakt (28) mit der Messstromableitung (12) im ersten Zustand und trennt den elften Kontakt (28) von der Messstromableitung (12) im zweiten Zustand. Der achte Schalter (33) verbindet den zwölften Kontakt (29) mit der Messstromzuleitung (11) im zweiten Zustand und trennt den zwölften Kontakt (29) von der Messstromzuleitung (11) im zweiten Zustand. Durch diese weiteren Kontakte wird der Kontaktwiderstand für die Kontaktgruppen, über die der Messstrom (I1) eingeleitet bzw. abgeleitet wird, bei Bedarf weiter verringert. Vorzugsweise werden die Kontakte einer Kontaktgruppe in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Vorzugsweise haben alle Kontakte eine minimale Größe und werden möglichst dicht bei einander in maximaler Entfernung von einem typischerweise zentrierten Symmetriepunkt der Hall-Struktur (1) oder dem Flächenschwerpunkt der Hall-Struktur (1) angeordnet. Typischerweise befinden sich alle Kontakte auf einem Kreis um diesen Symmetrie oder Flächenschwerpunkt herum.
  • Die Erfindung kann auch auf Basis von Kontaktgruppen beschrieben werden. Eine Kontaktgruppe weist dabei Kontakte auf, die in einem Zustand in dem die Kontaktgruppe zur Einleitung oder Ableitung des Messstroms (I1) benutzt wird, typischerweise alle Kontakte dieser Kontaktgruppe für diese Ein- bzw. Ableitung des Messstroms (I1) benutzt werden.
  • Eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens vier Kontaktgruppen (34, 35, 36, 37) für jeweils eine der vier Mindestkontaktfunktionen, die nun eine Kontaktgruppenfunktion ist. Jede der Kontaktgruppen umfasst jeweils mindestens n Kontakte (2, 17, 26; 3, 18, 27; 4, 19, 28; 5, 20, 29), die die Hall-Struktur (1) elektrisch kontaktieren. Hierbei ist n eine positive, ganze Zahl, die vorzugsweise für alle Kontaktgruppen gleich ist. Um den gewünschten Effekt zu erzielen, ist es erforderlich, dass die Anzahl n der Kontakte pro Kontaktgruppe jeder dieser Kontaktgruppen in jeder Kontaktgruppe größer als die Anzahl eins pro Kontaktgruppe ist. Die Vorrichtung befindet sich, wie zuvor, zumindest zeitweise während des Betriebes der Vorrichtung in einem ersten Zustand (Z1) oder alternativ zu diesem ersten Zustand (Z1) zu anderen Zeiten des Betriebs der Vorrichtung zumindest zeitweise in zumindest einem weiteren, zweiten Zustand (Z2). Zumindest zwei Zustände dieser Zustände unterscheiden sich dabei durch eine unterschiedliche Konfiguration der Kontaktgruppenfunktionen in Bezug zur Zuordnung der vier Mindestkontaktgruppenfunktionen zu den Kontaktgruppen. Die Zustände (Z1, Z2) sind also voneinander verschieden. Der Zustand der mindestens zwei Zustände, der zu einem Betriebszeitpunkt vorliegt, wird im Folgenden der aktuelle Zustand (Za) zur besseren Klarheit bezeichnet. Der Wechsel des aktuellen Zustands (Za) beispielsweise von einem ersten Zustand (Z1) zu einem zweiten Zustand (Z2) und umgekehrt oder beispielsweise von einem anderen, hier nicht beschriebenen Zustand in den ersten Zustand (Z1) oder den zweiten Zustand (Z2) und umgekehrt oder beispielsweise von einem anderen, hier nicht beschriebenen Zustand in einen weiteren, ebenfalls nicht beschriebenen Zustand und umgekehrt ist stets mit einem Wechsel der Konfiguration im Sinne dieser Offenbarung verbunden. Hierbei können die Kontaktgruppen mindestens folgende Kontaktgruppenfunktionen (Mindestkontaktgruppenfunktionen) einnehmen:
    • 1. Kontaktgruppe zur Einleitung des Messstromes (I1) (erste Mindestkontaktgruppenfunktion)
    • 2. Kontaktgruppe zur Ableitung des Messstromes (I1) (zweite Mindestkontaktgruppenfunktion)
    • 3. Kontaktgruppe zur Erfassung eines ersten Hall-Potenzials (dritte Mindestkontaktgruppenfunktion)
    • 4. Kontaktgruppe zur Erfassung eines zweiten Hall-Potenzials (vierte Mindestkontaktgruppenfunktion)
  • In weiteren Ausprägungen der Erfindung können die Kontaktgruppen beispielsweise folgende Kontaktgruppenfunktionen übernehmen, wobei die vier Mindestkontaktgruppenfunktionen erfüllt und die Krischhoffschen Gesetze sein müssen:
    • • Kontaktgruppe zur Einleitung eines positiven Messstromes (I1)
    • • Kontaktgruppe zur Einleitung eines negativen Messstromes (I1)
    • • Kontaktgruppe zur Ableitung eines positiven Messstromes (I1)
    • • Kontaktgruppe zur Ableitung eines negativen Messstromes (I1)
    • • Kontaktgruppe zur Erfassung eines ersten Hall-Potenzials
    • • Kontaktgruppe zur Erfassung eines zweiten Hall-Potenzials
    • • Kontaktgruppe zur Einleitung eines weiteren positiven Messstromes (I2)
    • • Kontaktgruppe zur Einleitung eines weiteren negativen Messstromes (I2)
    • • Kontaktgruppe zur Ableitung eines zusätzlichen positiven Messstromes (I3)
    • • Kontaktgruppe zur Ableitung eines zusätzlichen negativen Messstromes (I3)
    • • usw.
    • • Isolierte Kontaktgruppe ohne Funktion
    • • Kontaktgruppe zur Erfassung eines dritten Hall-Potenzials
    • • Kontaktgruppe zur Erfassung eines vierten Hall-Potenzials
    • • usw.
  • Die Anzahl der möglichen Konfigurationen wird somit durch die Anzahl der Kontaktgruppen und die Anzahl der sinnvollen Kontaktgruppenfunktionen bestimmt. Typischerweise werden aus diesen möglichen Konfigurationen von Kontaktgruppenfunktionen mehrere ausgewählt und zyklisch angelegt. Für jede Konfiguration werden die mindestens zwei Hall-Potenziale an den entsprechenden Kontaktgruppen, die eine entsprechende dritte oder vierte Kontaktgruppenfunktion zur Erfassung eines Hall-Potenzials in der entsprechenden Konfiguration haben, erfasst. Nach dem Anlegen aller ausgewählten Konfigurationen, bei denen Konfigurationen auch mehrfach angelegt werden können, wird ein gemeinsamer Messwert berechnet. Die Berechnung dieses Messwertes variiert je nach der gewählten Sequenz von Konfigurationen.
  • In einer Konfiguration wird also jeder der mindestens vier Kontaktgruppen (34, 35, 36, 37) genau eine von mindestens vier möglichen Kontaktgruppenfunktionen im aktuellen Zustand (Za) zugeordnet. Umgekehrt muss jeder der vier Mindestkontaktgruppenfunktionen mindestens eine der mindestens vier Kontaktgruppen (34, 35, 36, 37) im aktuellen Zustand (Za) zugeordnet sein, damit eine sinnvolle Berechnung des Messwertes möglich ist.
  • Die im Folgenden erste Kontaktgruppenfunktion genannte Kontaktgruppenfunktion ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktgruppe, der diese erste Kontaktgruppenfunktion zugeordnet ist, zur Stromeinleitung des Messstroms (I1) in die Hall-Struktur benutzt wird;
  • Die im Folgenden zweite Kontaktgruppenfunktion genannte Kontaktgruppenfunktion ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktgruppe, der diese zweite Kontaktgruppenfunktion zugeordnet ist, zur Stromableitung des Messstroms (I1) aus der Hall-Struktur benutzt wird;
  • Die im Folgenden dritte Kontaktgruppenfunktion genannte Kontaktgruppenfunktion ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktgruppe, der diese dritte Kontaktgruppenfunktion zugeordnet ist, zur Erfassung eines ersten Hall-Potenzials benutzt wird;
  • Die im Folgenden vierte Kontaktgruppenfunktion genannte Kontaktgruppenfunktion ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktgruppe, der diese vierte Kontaktgruppenfunktion zugeordnet ist, zur Erfassung eines zweiten Hall-Potenzials benutzt wird;
  • In einer Kontaktgruppe, der die erste Kontaktgruppenfunktion zugeordnet ist, werden mehr Kontakte als die Anzahl von einem Kontakt dieser Kontaktgruppe für die Stromeinleitung benutzt. Hierdurch wird der Kontaktwiderstand der Kontaktgruppe bei dieser ersten Kontaktgruppenfunktion gesenkt.
  • In einer Kontaktgruppe, der die zweite Kontaktgruppenfunktion zugeordnet ist, werden mehr Kontakte als die Anzahl von einem Kontakt dieser Kontaktgruppe für die Stromableitung benutzt. Hierdurch wird der Kontaktwiderstand der Kontaktgruppe bei dieser zweiten Kontaktgruppenfunktion ebenfalls gesenkt.
  • In einer Kontaktgruppe, der die dritte Kontaktgruppenfunktion zugeordnet ist, wird vorzugsweise genau ein Kontakt dieser Kontaktgruppe zur Erfassung des ersten Hall-Potenzials benutzt. Die anderen Kontakte dieser Kontaktgruppe sind dann ausschließlich über die Hall-Struktur miteinander elektrisch verbunden. Ansonsten ohne die Verbindung über die Hall-Struktur selbst sind diese elektrisch gegeneinander isoliert. Hierdurch wird verhindert, dass die Hall-Spannung durch die zusätzliche Kontaktfläche der Kontaktgruppe für die Stromeinleitung bei Benutzung dieser Kontaktgruppe im Zusammenhang mit einer ersten oder zweiten Kontaktgruppenfunktion, lokal innerhalb der Kontaktgruppenfläche kurzgeschlossen wird. Der Pegel der Hall-Spannung wird erhöht.
  • In einer Kontaktgruppe, der die vierte Kontaktgruppenfunktion zugeordnet ist, wird vorzugsweise genau ein Kontakt dieser Kontaktgruppe zur Erfassung des zweiten Hall-Potenzials benutzt. Die anderen Kontakte dieser Kontaktgruppe sind dann ebenfalls ausschließlich über die Hall-Struktur miteinander elektrisch verbunden. Ansonsten ohne die Verbindung über die Hall-Struktur selbst sind diese elektrisch wiederum gegeneinander isoliert. Hierdurch wird auch hier verhindert, dass die Hall-Spannung durch die zusätzliche Kontaktfläche der Kontaktgruppe für die Stromeinleitung bei Benutzung dieser Kontaktgruppe im Zusammenhang mit einer ersten oder zweiten Kontaktgruppenfunktion, lokal innerhalb der Kontaktgruppenfläche kurzgeschlossen wird. Der Pegel der Hall-Spannung wird somit ebenfalls erhöht.
  • Um in Abhängigkeit vom aktuellen Zustand (Za) jeder der vier Kontaktgruppen (34, 35, 36, 37) genau eine der mindestens vier Kontaktgruppenfunktionen oder weitere Kontaktgruppenfunktionen zuzuordnen, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignete Mittel auf. Dies sind im vorliegenden Fall die Umschalter und Schalter. Diese Vorrichtung weist darüber hinaus Mittel auf, um den aktuellen Zustand zu ändern. Es handelt sich dabei typischerweise um eine Steuerungsvorrichtung, die die Entscheidung über die anzulegende Konfiguration und die Steuerung der Messung übernimmt.
  • Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Hall-Struktur einen Symmetriepunkt (S) auf. Die Hall-Struktur (1) weist dabei vorzugsweise eine m-zählige Symmetrie auf, wobei m vorzugsweise größer oder gleich vier ist. Ganz besonders bevorzugt sind Symmetrien mit einer m = k·4-zähligen Symmetrieachse wobei k den Wert größer gleich 1 haben kann.
  • Dementsprechend weist die erfindungsgemäße Hallstruktur vorzugsweise m Kontaktgruppen entsprechend der Zähligkeit m der Symmetrie-Achse auf. Diese Kontaktgruppen bilden untereinander besonders bevorzugt eine m-zählige symmetrische Kontaktgruppenstruktur, deren Symmetriepunkt besonders bevorzugt mit dem Symmetriepunkt (S) der Hall-Struktur (1) zusammenfällt.
  • Besonders bevorzugt werden die Konfigurationen nun so gewählt, dass der geometrische Schwerpunkt der Kontaktgruppen, die die Messströme (I1, I2, I3) einleiten im Symmetriepunkt (S) der Hall-Struktur (1) liegt. Gleichzeitig werden besonders bevorzugt die Konfigurationen so gewählt, dass der geometrische Schwerpunkt der Kontaktgruppen, die zur Erfassung der Hall-Potenziale in der betreffenden Konfiguration dienen, im Symmetriepunkt (S) der Hall-Struktur (1) liegt. Sofern dies nicht geschieht, werden die mehreren Konfigurationen vorzugsweise so ausgewählt, dass der Mittelwert der entsprechenden geometrischen Schwerpunktskoordinaten der entsprechenden geometrischen Schwerpunkte der gleichen Art im Symmetriepunkt (S) der Hall-Struktur (1) liegt. Somit können mehrere zeitlich hintereinander erfasste Messwerte dann so kombiniert werden, dass sich wieder eine gemittelte Schwerpunktslage für eine Art von Kontaktgruppenfunktionen im Symmetriepunkt (S) ergibt.
  • Im Falle der ersten und zweiten Kontaktgruppenfunktion der Stromeinleitung oder Stromableitung ist es denkbar, die Konfigurationen auch dahingehend voneinander zu unterscheiden, dass die Anzahl n der Kontakte, über die der Messstrom über die betreffende Kontaktgruppe eingeleitet oder abgeleitet wird, in einer Konfiguration eine andere Anzahl ist als in einer anderen. Es ist somit denkbar, dass die Gesamtkontaktfläche der stromeinleitenden oder ableitenden Kontaktgruppen zwei Konfigurationen voneinander unterscheidet. Besonders bevorzugt aber nicht notwendigerweise weisen alle Kontaktgruppen, die in einer Konfiguration zur Stromeinleitung oder Stromableitung benutzt werden, die gleiche Gesamtkontaktfläche, also vorzugsweise die gleiche Anzahl von Kontakten, auf, die zu diesem Zweck der Stromeinleitung oder Stromableitung in der betreffenden Konfiguration benutzt wird. Die nicht benutzten Kontakte einer solchen Kontaktgruppe sind nur über die Hall-Struktur selbst dann mit den anderen Kontakten der Hall-Struktur verbunden. Es ist also auch denkbar, dass in einer Kontaktgruppe weniger als alle Kontakte der betreffenden Kontaktgruppe für die Stromeinleitung oder Stromableitung verwendet werden. Aus den Messunterschieden zwischen einer Konfiguration, in der pro Kontaktgruppe beispielsweise alle Kontakt zur Ein- und Ableitung des Messstromes verwendet werden, und einer weiteren Konfiguration, bei der beispielsweise je Kontaktgruppe ein Kontakt weniger zur Einspeisung des Messstromes verwendet wird, kann somit auf den Kontaktwiderstand geschlossen werden. Der parasitäre Effekt des Kontaktwiderstands kann somit genutzt werden, um weitere Informationen über die Stromdichteverteilung im Bereich der Kontakte einer Kontaktgruppe zu erlangen, die ebenfalls für die Auswertung verwendet werden können.
  • Auch im Falle der Kontaktgruppenfunktion der Erfassung des Hall-Potenzials an einer Kontaktgruppe ist es denkbar, die Konfigurationen auch dahingehend voneinander zu unterscheiden, dass die Anzahl der Kontakte, über die das Hall-Potenzial an der betreffenden Kontaktgruppe erfasst wird, in einer Konfiguration eine andere Anzahl ist als in einer anderen. Es ist somit denkbar, dass die Gesamtkontaktfläche der zur Erfassung des Hall-Potenzials an der Position der Kontaktgruppe verwendeten Kontakte der betreffenden Kontaktgruppe zwei Konfigurationen voneinander unterscheidet. Besonders bevorzugt aber nicht notwendigerweise weisen alle Kontaktgruppen, die in einer Konfiguration zur des Hall-Potenzials benutzt werden, die gleiche Gesamtkontaktfläche auf, die zu diesem Zweck der des Hall-Potenzials in der betreffenden Konfiguration benutzt wird. Die nicht benutzten Kontakte einer solchen Kontaktgruppe sind nur über die Hall-Struktur selbst dann mit den anderen Kontakten der Hall-Struktur verbunden. Es ist also auch denkbar, dass in einer Kontaktgruppe mehr als ein Kontakt der betreffenden Kontaktgruppe für die Erfassung des Hall-Potenzials verwendet wird. Aus den Messunterschieden zwischen einer Konfiguration in der pro Kontaktgruppe nur ein Kontakt zur Erfassung des Hall-Potenzials und einer weiteren Konfiguration, bei beispielsweise je Kontaktgruppe zwei Kontakte zur Erfassung des Hall-Potenzials verwendet werden, kann somit auf eine Hall-Spannung parallel zur Verbindungslinie der beiden betreffenden Kontakte in der jeweiligen Kontaktgruppe geschlossen werden. Der parasitäre Effekt des Kurzschlusses kann somit genutzt werden, um Informationen über die Stromdichteverteilung im Bereich der Kontakte einer Kontaktgruppe zu erlangen. Es ist somit im Gegensatz zum Stand der Technik mit gewissen Einschränkungen möglich, Informationen nicht nur über den Betrag der Hall-Spannung, sondern auch über Stärke und Richtung desselben innerhalb einer Kontaktgruppe zu erlangen und diese für die Ermittlung der Flussdichte und von weiteren Informationen wie z.B. Verzerrungen durch parasitäre Effekte wie beispielsweise mechanischen Stress zu nutzen.
  • Zwei beliebige Zustände der mindestens zwei Zustände sind auf jeden Fall genau dann verschieden, wenn die Zuordnung der mindestens vier Kontaktgruppenfunktionen zu den mindestens vier Kontaktgruppen der Vorrichtung unterschiedlich ist.
  • In bestimmten Fällen kann es aber ausreichend sein, zwei beliebige Zustände dann als unterschiedlich zu betrachten, wenn bezogen auf die Messaufgabe die Anzahl n der Kontakte variiert, mit n als ganzer, positiver Zahl. In jedem Fall ist es aber zu empfehlen, mindestens die vier Mindestkontaktgruppenzustände für die Erfassung eines Messwerts zu benutzen.
  • Neben der Vorrichtung lässt sich somit auch ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Hall-Struktur (1) angeben. Das Verfahren setzt dabei eine Vorrichtung voraus, die mindestens vier Kontaktgruppen (34, 35, 36, 37) von jeweils mindestens n Kontakten (2, 17, 26; 3, 18, 27; 4, 19, 28; 5, 20, 29) aufweist, die die Hall-Struktur (1) elektrisch kontaktieren. Die Anzahl n der Kontakte pro Kontaktgruppe jeder dieser Kontaktgruppen in jeder Kontaktgruppe ist dabei größer als die Anzahl eins pro Kontaktgruppe, was die erfindungsgemäßen Vorteile ermöglicht. Die Vorrichtung befindet sich wieder zeitweise während des Betriebes der Vorrichtung in einem ersten Zustand (Z1) oder alternativ zu diesem ersten Zustand (Z1) zu anderen Zeiten des Betriebs der Vorrichtung zumindest zeitweise in zumindest einem weiteren, zweiten Zustand (Z2). Wobei diese Zustände (Z1, Z2) sind voneinander verschieden. Der Zustand der mindestens zwei Zustände (Z1, Z2), der zu einem Betriebszeitpunkt vorliegt, wird wieder im Folgenden aktueller Zustand (Za) genannt. Der aktuelle Zustand ist im Folgenden somit einer der mindestens zwei Zustände (Z1, Z2).
  • Jeweils einer von mindestens vier Kontaktgruppen unter den Kontaktgruppen ist in jedem Zustand (Z1, Z2) genau eine der folgenden vier Mindestkontaktgruppenfunktionen als Kontaktgruppenfunktion zugeordnet. Diese Mindestkontaktgruppenfunktionen sind:
    • a. Eine erste Kontaktgruppenfunktion ist die Mindestkontaktgruppenfunktion des Einleitens eines Messstromes (I1) in die Hall-Struktur (1).
    • b. Eine zweite Kontaktgruppenfunktion ist die Mindestkontaktgruppenfunktion des Ableitens eines Messstromes (I1) aus der Hall-Struktur (1).
    • c. Eine dritte Kontaktgruppenfunktion ist die Mindestkontaktgruppenfunktion der Erfassung eines ersten Hall-Potenzials der Hall-Struktur (1).
    • d. Eine vierte Kontaktgruppenfunktion ist die Mindestkontaktgruppenfunktion der Erfassung eines zweiten Hall-Potenzials der Hall-Struktur (1).
  • Das Verfahren umfasst daher die Schritte
    • 1. Festlegen eines aktuellen Zustand (Za) zu Beginn;
    • 2. Zuordnen jeweils einer der vier Mindestkontaktgruppenfunktionen zu jeder der mindestens vier Kontaktgruppen (34, 35, 36, 37), • wobei die Zuordnung vom aktuellen Zustand (Za) abhängig ist und • wobei die mindestens zwei Zustände (Z1, Z2), von denen ein Zustand dieser mindestens zwei Zustände (Z1, Z2) immer der aktuelle Zustand (Za) ist, sich durch unterschiedliche Zuordnungen der mindestens vier Kontaktgruppenfunktionen unterscheiden.
    • 3. Einleiten eines Messstromes (I1) in die Hall-Struktur (1) über mindestens eine erste Anzahl von Kontakten der Kontaktgruppen, denen die erste Kontaktgruppenfunktion im aktuellen Zustand (Za) zugeordnet ist, wobei diese erste Anzahl größer als die Zahl eins ist;
    • 4. Ableiten des Messstromes (I1) aus die Hall-Struktur (1) über mindestens eine zweite Anzahl von Kontakten der Kontaktgruppen, denen die zweite Kontaktgruppenfunktion im aktuellen Zustand (Za) zugeordnet ist, wobei diese zweite Anzahl größer als die Zahl eins ist;
    • 5. Erfassung eines ersten Hall-Potenzials über eine dritte Anzahl von Kontakten pro Kontaktgruppe der Kontaktgruppen, denen die dritte Kontaktgruppenfunktion im aktuellen Zustand (Za) zugeordnet ist, wobei die anderen Kontakte dieser Kontaktgruppe ausschließlich über die Hall-Struktur miteinander elektrisch verbunden sind und wobei die dritte Anzahl kleiner ist als die zweite Anzahl und erste Anzahl;
    • 6. Erfassung eines zweiten Hall-Potenzials über eine vierte Anzahl von Kontakten pro Kontaktgruppe der Kontaktgruppen, denen die vierte Kontaktgruppenfunktion im aktuellen Zustand (Za) zugeordnet ist, wobei die anderen Kontakte dieser Kontaktgruppe ausschließlich über die Hall-Struktur miteinander elektrisch verbunden sind und wobei die vierte Anzahl kleiner ist als die zweite Anzahl und erste Anzahl;
    • 7. Abspeichern der erfassten Werte des ersten und zweiten Hall-Potenzials, sofern noch nicht alle einzunehmenden Zustande eingenommen wurden, oder optionale Abspeicherung der im aktuellen Zustand erfassten Werte des ersten und zweiten Hall-Potenzials, sofern alle einzunehmenden Zustande eingenommen wurden.
    • 8. Ändern des aktuellen Zustands (Za) und Wiederholung der Messung ab dem Schritt 2 bis alle einzunehmenden Zustände eingenommen wurden.
    • 9. Ermittlung eines Messwertes für einen Parameter des Magnetfeldes oder einer Teilkomponente des Magnetfeldes, das die Hall-Struktur (1) durchströmt auf Basis der gespeicherten Werte des Hall-Potenzials und ggf. aufgrund der zuletzt erfassten Werte des Hall-Potenzials, wenn diese nicht gespeichert wurden. In diesem Schritt wird die Hall-Spannung in Abhängigkeit vom dem erfassten ersten und dem erfassten zweiten Hall-Potenzial ermittelt.
  • Im Rahmen der Ausarbeitung der Erfindung wurde nun erkannt, dass eine Verbindung über Schalter (21, 22, 23, 24, 30, 31, 32, 33, 42, 44, 49, 51, 56, 58, 63, 65) immer noch zu einem gewissen Kurzschluss der Hall-Spannung führt. Es wurde nun erkannt, dass das Superpositionsprinzip der Elektrodynamik genutzt werden kann. Hierzu müssen die Kontakte einer Kontaktgruppe voneinander potenzialmäßig unabhängig werden. Es wurde erkannt, dass es sinnvoll ist, jeden Kontakt einer Kontaktgruppe mit einer eigenen Stromquelle anzusteuern. Hierdurch ist das Potenzial jedes Kontaktes nicht mehr durch den Mittelwert aller Kontakte einer Kontaktgruppe festgelegt und die Hall-Spannung erhöht sich nochmals.
  • Die Erfindung umfasst daher des Weiteren auch eine Vorrichtung zur Vermessung der Flussdichte B eines Magnetfeldes mittels des Hall-Effekts mit einer Hall-Struktur (1) mit n = 2·m Kontakten (2, 3, 4, 5, 17, 18), die die Hall-Struktur (1) elektrisch kontaktieren, wobei m eine ganze positive Zahl ist. Zu diesen dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18) zählen dann zumindest ein erster Kontakt (2) und ein zweiter Kontakt (3) und ein dritter Kontakt (4) und ein vierter Kontakt (5) und ein fünfter Kontakt (17) und ein sechster Kontakt (18). Die Vorrichtung kann weitere Kontakte aufweisen, die entweder auf einem neutralen Potenzial liegen, wie beispielsweise ein Kontakt im Symmetriepunkt, oder anderen Zwecken dienen und während einer Messung abgeschaltet sind. Solche zusätzlichen Kontakte dürfen die Symmetrie nicht stören und werden bevorzugt erst gar nicht vorgesehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist in dieser Ausprägung mehrere Messstromquellen (10, 66, 67, 68) auf. Zu diesen Messstromquellen gehören mindestens eine erste Messstromquelle (10) und eine zweite Messstromquelle (66) und eine dritte Messstromquelle (67) und eine vierte Messstromquelle (68). Wie zuvor gehört zu dieser Ausprägung auch ein Hallspannungsauswerteschaltkreis (15) mit einem Messsignalausgang (16).
  • Die erste Messstromquelle (10) gibt einen ersten Messstrom (I1) ab und leitet ihn in den ersten Kontakt (2) ein.
  • Die zweite Messstromquelle (66) gibt einen zweiten Messstrom (I2) ab und leitet ihn in den zweiten Kontakt (3) ein..
  • Die dritte Messstromquelle (67) gibt einen dritten Messstrom (I3) ab und leitet ihn in den dritten Kontakt (4) ein. Dieser dritte Messstrom (I3) weicht vom zweiten Messstrom (I2) betragsmäßig nicht mehr als 10% und/oder besser nicht mehr als 5% ab.
  • Die vierte Messstromquelle (68) gibt einen vierten Messstrom (I4) ab und leitet ihn in den vierten Kontakt (5) ein. Dieser vierte Messstrom (I4) weicht vom ersten Messstrom (I1) betragsmäßig nicht mehr als 10% und/oder besser nicht mehr als 5% ab. Die Hall-Struktur (1) weist dabei bevorzugt eine erste Symmetrieachse (SL1) für eine Spiegelsymmetrie und eine zweite Symmetrieachse (SL2) für eine Spiegelsymmetrie senkrecht zur ersten Symmetrieachse (SL1) auf. Der fünfte Kontakt (17) und der sechste Kontakt (18), mit den das erste und zweite Hall-Potenzial und damit die Hall-Spannung erfasst werden, liegen auf der ersten Symmetrieachse (SL1). Der fünfte Kontakt (17) liegt dabei spiegelsymmetrisch zum sechsten Kontakt (18) bezüglich der zweiten Symmetrieachse (SL2).
  • Der der erste Kontakt (2) liegt spiegelsymmetrisch zum vierten Kontakt (5) bezüglich der ersten Symmetrieachse (SL1). Hierdurch und durch die zuvor beschriebene Stromeinspeisungssymmetrie wird sichergestellt, dass der Stromdichtevektor des Stroms aus der ersten Messstromquelle (10) und der vierten Messstromquelle (68) senkrecht die erste Symmetrieachse (SL1) kreuzt.
  • Aus dem gleichen Grund ist der zweite Kontakt (3) ebenfalls spiegelsymmetrisch zum dritten Kontakt (4) bezüglich der ersten Symmetrieachse (SL1) angeordnet.
  • Aufgrund des Kischhoffschen Gesetzes muss die Summe der Messströme (I1, I2, I3, I4) bezogen auf die Hall-Struktur (1) null sein.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist nun in dieser Ausprägung dieser Variante Mittel (13, 14, 15, 16) zum Erfassen der Hall-Spannung zwischen dem fünften Kontakt (17) und dem sechsten Kontakt (18) und zur Erzeugung und Verarbeitung oder Weitergabe eines Messwertes auf. Diese Mittel sind beispielsweise die erste Hall-Potenzialleitung (13), die zweite Hall-Potenzialleitung (14), der Hallspannungsauswerteschaltkreis (15) und der Messsignalausgang (16) zur Signalisierung des erfassten Messwertes. Typischerweise findet eine Umwandlung der Hall-Spannung in einen analogen Messwert und/oder ein digitales Datenwort statt. Das digitale Datenwort wird über den Messsignalausgang (16), der dann typischerweise ein Datenbus ist, ausgegeben. Eine Ausgabe kann aber auch die Betätigung eines Aktors und der gleichen darstellen. Der Begriff Messignalausgang (16) ist also sehr weit gefasst.
  • In einer weiteren Ausprägung dieser Variante der Erfindung ist die Symmetrie noch vergrößert, was typischerweise vorteilhaft ist. Der erste Kontakt (2) liegt dann beispielsweise auch spiegelsymmetrisch zum zweiten Kontakt (3) bezüglich der zweiten Symmetrieachse (SL2) und der dritte Kontakt (4) spiegelsymmetrisch zum vierten Kontakt (5) bezüglich dieser zweiten Symmetrieachse (SL2). Hierdurch werden parasitäre Elemente weiter minimiert.
  • In einer anderen weiteren Ausprägung dieser Variante der Erfindung weist die Hall-Struktur (1) eine n = 2·m-zählige Rotationssymmetrie auf. In den Beispielen der Zeichnungen sind 4-zählige, sechszählige und achtzählige Beispiele angegeben. Höher zählige Strukturen wie beispielsweise 10-, 12- 14-, oder 16,- zählige Strukturen sind durchaus denkbar und sinnvoll. Auch ist es sinnvoll, aber nicht zwingend notwendig, im Symmetriepunkt (S) einen Kontakt als Potenzialreferenzpunkt vorzusehen, zudem relativ die Hall-potenziale gemessen werden können. In der hier beschriebenen Vorrichtung ist dieser Kontakt im Symmetriepunkt nicht in den n = 2·m Kontakten (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20) enthalten, die die Hall-Struktur (1) elektrisch kontaktieren, wobei m eine ganze positive Zahl größer 3 ist. In dieser Ausprägung dieser Variante der Erfindung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest einem siebten Kontakt (19) und zumindest einem achten Kontakt (20) zusätzlich unter den Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20) auf. Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Vorrichtung in dieser Ausprägung mehrere Messstromquellen (10, 66, 67, 68, 69, 70) auf. Unter diesen Messstromquellen (10, 66, 67, 68, 69, 70) ist mindestens eine fünfte Messstromquelle (69) und eine sechste Messstromquelle (70). Somit weist die erfindungsgemäße Vorrichtung in dieser Ausprägung sechs Messstromquellen auf. Zwei weniger als Kontakte. An dieser Stelle sei nur kurz bemerkt, dass offensichtlich die Kontakte auch durch Kontaktgruppen mehrere Kontakte ersetzt werden können. Nun liegt vorzugsweise der siebte Kontakt (19) und der achte Kontakt (20) auf der zweiten Symmetrieachse (SL2). Gleichzeitig liegt der siebte Kontakt (19) spiegelsymmetrisch zum achten Kontakt (20) bezüglich der ersten Symmetrieachse (SL1). Durch diese beiden Symmetriebedingungen stört das zusätzliche Kontaktpaar (19, 20) die Symmetrie der Hall-Struktur nicht. Die fünfte Messstromquelle (69) leiten nun einen fünften Messstrom (I5) in den dem siebten Kontakt (19) ein. Die sechste Messstromquelle (70) leiten einen sechsten Messstrom (I6) aus dem achten Kontakt (20) ab und nimmt diesen sechsten Messstrom (I6) auf, der vom fünften Messstrom (I1) betragsmäßig nicht mehr als 10% und/oder nicht mehr als 5% abweicht. Vorzugsweise weichen alle Messströme (I1, I2, I3, I4, I5, I6) von einander nicht mehr als 10% und/oder nicht mehr als 5% voneinander ab.
  • In einer weiteren Ausprägung dieser Variante umfasst die Vorrichtung wieder Mittel (6, 7, 8, 9, 43, 50, 57, 64, 78, 79) zur Änderung der Zuordnungen zwischen den Messstromquellen (10, 66, 67, 68, 69, 70) und den Mittel (13, 14, 15, 16) zum Erfassen der Hall-Spannung auf der einen Seite sowie den Kontakten (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20) auf der anderen Seite. Bei diesen Mitteln handelt es sich vorzugsweise um Schalter, Umschalter, Analogmultiplexer, schaltbare Verstärker mit mehreren Eingängen und ähnliches sowie deren Verschaltungen. Die Steuerung dieser Mittel wird mittels einer in den Zeichnungen nicht gezeichneten Steuervorrichtung zum Betätigen der Mittel vorgenommen, die Teil der Vorrichtung ist. Diese Steuerung erfolgt dabei so, dass jedem Kontakt, dem eine Messstromquelle der mehreren Messstromquellen zugeordnet ist, keine weitere Messstromquelle der mehreren Messstromquellen zugeordnet werden kann. Um die Hall-Spannung erfassen zu können werden mindestens zwei Kontakte keiner Messstromquelle zugeordnet.
  • Die die Mittel (6, 7, 8, 9, 43, 50, 57, 64, 78, 79) und deren Steuerung sind so gestaltet, dass mindestens zwei verschiedene Zuordnungen, also ein erster Zustand (Z1) und ein zweiter Zustand (Z2) durch die Steuervorrichtung eingestellt werden können. Hierbei sind dieser Mittel (6, 7, 8, 9, 43, 50, 57, 64, 78, 79) und deren Steuerung so gestaltet, dass die zuvor beschriebenen Merkmale auch nach Wechsel der der Zuordnung, also des aktuellen Zustands (Za), weiter zutreffen, wenn einer dieser mindestens zwei Zuordnungen durch die Steuervorrichtung eingestellt wird. Beispielsweise können Kontaktpaare, die bisher die Kontaktfunktion Messstromeinspeisung wahrgenommen haben, die Kontaktfunktion mit einem anderen Kontaktpaar tauschen, das bisher die Kontaktfunktion Hall-Spannung-Erfassen wahrgenommen hat. Auch können die Vorzeichen der Messströme umgedreht werden etc.
  • Dem Fachmann ist sicherlich klar, dass statt zwei auf ein Bezugspotenzial bezogenen Messstromquellen, die ein Kontaktpaar mit Messstrom versorgen, auch eine einzelne potenzialfreie Stromquelle möglich ist, die dieses Kontaktpaar mit Messstrom versorgt. Die Hall-Struktur (1) weist in diesem Fall zumindest zwei Symmetrieachsen (SL1, SL2) auf, die sich in einem Symmetriepunkt (S) schneiden. Mindestens ein Paar aus zwei Messstromquellen ((10, 67), (66, 68), (69, 70)) wird in diesem Sinne durch eine Messstromquelle ersetzt, die potenzialfrei ist. Diese neue Messstromquelle leitet mit dem ersten Anschluss dieser Messstromquelle einen Messstrom mittels eines Kontakt der Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20) in die Hall-Struktur (1) ein und mit dem zweiten Anschluss dieser Messstromquelle diesen Messstrom wieder aus einem anderen Kontakt der Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20) ab. Auch in dieser Variante sind diese beiden Kontakte vorzugsweise zueinander spiegelsymmetrisch bezüglich des Symmetriepunkts (S) angeordnet.
  • Liste der Figuren
  • 1 zeigt eine Hall-Struktur (1) entsprechend dem Stand der Technik in einem ersten Zustand (Z1).
  • 2 zeigt eine Hall-Struktur (1) entsprechend dem Stand der Technik in einem zweiten Zustand (Z2).
  • 3 zeigt eine Hall-Struktur (1) entsprechend dem Stand der Technik in einem dritten Zustand (Z3), der dem ersten Zustand (Z1) mit umgekehrten Messstrom (I1) entspricht.
  • 4 zeigt eine Hall-Struktur (1) entsprechend dem Stand der Technik in einem vierten Zustand (Z4), der dem zweiten Zustand (Z1) mit umgekehrten Messstrom (I1) entspricht.
  • 5 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) in einem ersten Zustand (Z1).
  • 6 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) in einem zweiten Zustand (Z2).
  • 7 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) in einem dritten Zustand (Z3), der dem ersten Zustand (Z1) mit umgekehrten Messstrom (I1) entspricht.
  • 8 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) in einem vierten Zustand (Z4), der dem zweiten Zustand (Z2) mit umgekehrten Messstrom (I1) entspricht.
  • 9 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) mit drei Kontakten je Kontaktgruppe in einem ersten Zustand (Z1).
  • 10 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) mit drei Kontakten je Kontaktgruppe in einem ersten Zustand (Z1) mit markierten Kontaktgruppen.
  • 11 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) mit drei Kontakten je Kontaktgruppe in einem zweiten Zustand (Z2) mit markierten Kontaktgruppen.
  • 12 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) mit drei Kontakten je Kontaktgruppe in einem dritten Zustand (Z3) mit markierten Kontaktgruppen.
  • 13 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) mit drei Kontakten je Kontaktgruppe in einem vierten Zustand (Z4) mit markierten Kontaktgruppen.
  • 14 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) mit drei Kontakten je Kontaktgruppe UND 2x4 Kontaktgruppen in einem ersten Zustand (Z1) mit markierten Kontaktgruppen.
  • 15 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) mit drei Kontakten je Kontaktgruppe UND 2x4 Kontaktgruppen in einem zweiten Zustand (Z2) mit markierten Kontaktgruppen. Die Stromeinspeisung ist um 45° verdreht.
  • 16 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) mit zwei Kontakten je Kontaktgruppe und sechs Kontaktgruppen in einem ersten Zustand (Z1).
  • 17 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) ohne Umkonfigurationsmöglichkeit mit einem Kontakt je Kontaktgruppe und sechs Kontakten (2, 3, 17, 4, 5, 18) in einem ersten, nicht änderbaren Zustand (Z1) und mit vier unabhängigen Messstromquellen (68, 67, 66, 10).
  • 18 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) mit Umkonfigurationsmöglichkeit mit einem Kontakt je Kontaktgruppe und sechs Kontakten (2, 3, 17, 4, 5, 18) in einem ersten Zustand (Z1) und mit vier unabhängigen Messstromquellen (68, 67, 66, 10) und Mitteln (6, 7, 8, 9, 43, 50, 57, 64) zur Umkonfiguration zum Zustandswechsel.
  • 19 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) mit Umkonfigurationsmöglichkeit mit einem Kontakt je Kontaktgruppe und sechs Kontakten (2, 3, 17, 4, 5, 18) in einem ersten Zustand (Z1) und mit sechs unabhängigen, abschaltbaren Messstromquellen (70, 69, 68, 67, 66, 10) und weiteren Mitteln (6, 7) zur Umkonfiguration zum Zustandswechsel.
  • 20 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) mit Umkonfigurationsmöglichkeit mit einem Kontakt je Kontaktgruppe und acht Kontakten (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20) in einem ersten Zustand (Z1) und mit sechs unabhängigen Messstromquellen (70, 69, 68, 67, 66, 10) und Mitteln (6, 7, 8, 9, 43, 50, 57, 64, 78, 79) zur Umkonfiguration zum Zustandswechsel.
  • 21 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) mit Umkonfigurationsmöglichkeit mit einem Kontakt je Kontaktgruppe und sechs Kontakten (2, 3, 17, 4, 5, 18) in einem ersten (Z1) und mit drei unabhängigen, potenzialfreien Messstromquellen (68, 67, 10) und Mitteln (6, 7, 8, 9, 43, 50) zur Umkonfiguration zum Zustandswechsel.
  • 22 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) mit Umkonfigurationsmöglichkeit mit einem Kontakt je Kontaktgruppe (34, 35, 36, 37, 41, 48, 55, 62) und acht Kontakten (2, 46, 3, 17, 4, 5, 18) in einem ersten (Z1) und mit drei unabhängigen, potenzialfreien Messstromquellen (68, 67, 10) und Mitteln (6, 7, 8, 9, 43, 50, 57, 64) zur Umkonfiguration zum Zustandswechsel.
  • 23 zeigt einen typischen Messablauf
  • Beschreibung der Figuren
  • Fig. 1
  • 1 zeigt eine beispielhafte Hall-Struktur (1) mit vereinfachter, schematischer, beispielhafter Verschaltung aus dem Stand der Technik (SdT). Die Hall-Struktur (1) wird durch einen ersten Kontakt (2), einen zweiten Kontakt (3), einen dritten Kontakt (4) und einen vierten Kontakt (5) elektrisch kontaktiert.
  • Die Verschaltung weist einen ersten Umschalter (6), einen zweiten Umschalter (7), einen dritten Umschalter (8) und einen vierten Umschalter (9) auf, die durch eine nicht gezeichnete Steuervorrichtung gesteuert werden. Es ist ein beispielhafter erster Zustand (Z1) in der Figur 1 dargestellt.
  • In diesem beispielhaften ersten Zustand (Z1) verbindet der erste Umschalter (6) den ersten Kontakt (2) mit einer Messstromzuleitung (11). Der erste Umschalter (6) hat dabei eine Stellung inne, in der die ebenfalls an den ersten Umschalter (6) angeschlossene zweite Hall-Potenzialleitung (14) nicht mit dem ersten Kontakt (2) verbunden ist. Der erste Umschalter (6) wird vorzugsweise als Transistorschaltung realisiert.
  • In dem beispielhaften ersten Zustand (Z1) verbindet der zweite Umschalter (7) den zweiten Kontakt (3) mit der zweiten Hall-Potenzialleitung (14). Der zweite Umschalter (7) hat dabei eine Stellung inne, in der die ebenfalls an den zweiten Umschalter (7) angeschlossene Messstromableitung (12) nicht mit dem zweiten Kontakt (3) verbunden ist. Der zweite Umschalter (7) wird vorzugsweise als Transistorschaltung realisiert.
  • In dem beispielhaften ersten Zustand (Z1) verbindet der dritte Umschalter (8) den dritten Kontakt (4) mit einer Messstromableitung (12). Der dritte Umschalter (8) hat dabei eine Stellung inne, in der die ebenfalls an den dritten Umschalter (8) angeschlossene erste Hall-Potenzialleitung (13) nicht mit dem dritten Kontakt (4) verbunden ist. Der dritte Umschalter (8) wird vorzugsweise als Transistorschaltung realisiert.
  • In dem beispielhaften ersten Zustand (Z1) verbindet der vierte Umschalter (9) den vierten Kontakt (5) mit der ersten Hall-Potenzialleitung (13). Der vierte Umschalter (9) hat dabei eine Stellung inne, in der die ebenfalls an den vierten Umschalter (9) angeschlossene Messstromzuleitung (11) nicht mit dem vierten Kontakt (5) verbunden ist. Der vierte Umschalter (9) wird vorzugsweise als Transistorschaltung realisiert.
  • Da die Umschalter hier in diesem Beispiel nur zwei Positionen einnehmen können, können die an die Umschalter (6, 7, 8, 9) angeschlossenen Kontakte (2, 3, 4, 5) nur zwei der vier möglichen Kontaktfunktionen durchführen:
    • 1. Einleiten des Messstroms (I1) (erste Kontaktfunktion)
    • 2. Ableiten des Messstroms (I1) (zweite Kontaktfunktion)
    • 3. Erfassen des ersten Hall-Potenzials (dritte Kontaktfunktion)
    • 4. Erfassen des zweiten Hall-Potenzials (vierte Kontaktfunktion)
  • Der erste Kontakt (2) kann in diesem Beispiel nur die Kontaktfunktionen 1 und 4 wahrnehmen. Der zweite Kontakt (3) kann in diesem Beispiel nur die Kontaktfunktionen 2 und 4 wahrnehmen. Der dritte Kontakt (4) kann in diesem Beispiel nur die Kontaktfunktionen 2 und 3 wahrnehmen. Der vierte Kontakt (5) kann in diesem Beispiel nur die Kontaktfunktionen 1 und 3 wahrnehmen.
  • Gemäß dieser Offenbarung ist es zusätzlich auch denkbar, eine Verschaltung beispielsweise so zu wählen, dass jeder Kontakt alle Kontaktfunktionen wahrnehmen kann.
  • Die Messstromzuleitung (11) ist vorzugsweise mit dem ersten Pol einer Messstromquelle (10) verbunden. Diese Messstromquelle (10) speist über die Messstromzuleitung (11) und den entsprechenden Umschalter (6) den Messstrom (I1) in den Kontakt (2), der gerade die erste Kontaktfunktion ausführt. Die Messstromquelle (10) wird vorzugsweise nach Betrag und/oder Vorzeichen durch die Steuervorrichtung gesteuert, die mit dem Hallspannungsauswerteschaltkreis (15) identisch sein kann oder ein Teil desselben sein kann.
  • Die Messstromableitung (12) ist vorzugsweise mit dem zweiten Pol der Messstromquelle (10) verbunden. Die Messstromquelle (10) leitet über die Messstromableitung (12) und den Umschalter (8) den Messstrom (I1) aus dem Kontakt (4), der gerade die zweite Kontaktfunktion ausführt, ab.
  • Ein Hallspannungsauswerteschaltkreis (15) wertet das Potenzial der ersten Hall-Potenzialleitung (13) aus. Die erste Hall-Potenzialleitung (13) ist über den entsprechenden Umschalter (9) mit dem Kontakt (5) verbunden, der die dritte Kontaktfunktion ausführt.
  • Der Hallspannungsauswerteschaltkreis (15) wertet zusätzlich das Potenzial der zweiten Hall-Potenzialleitung (14) aus. Die zweite Hall-Potenzialleitung (14) ist über den entsprechenden Umschalter (7) mit dem Kontakt (3) verbunden, der die vierte Kontaktfunktion ausführt.
  • Der Hallspannungsauswerteschaltkreis (15) ermittelt aus den Potenzialen der ersten Hall-Potenzialleitung (13) und der zweiten Hall-Potenzialleitung (14) den Wert des Messsignalausgangs und gibt diesen Wert über den Messsignalausgang (16) aus.
  • In diesem Beispiel der 1 stehen die Umschalter (6, 7, 8, 9) so, dass der erste Kontakt die erste Kontaktfunktion 1 ausführt, der zweite Kontakt (3) die vierte Kontaktfunktion 4 ausführt, der dritte Kontakt (4) die zweite Kontaktfunktion 2 ausführt und der vierte Kontakt (5) die dritte Kontaktfunktion 3 ausführt.
  • Fig. 2
  • Dieses Beispiel aus dem Stand der Technik entspricht bis auf die Stellung der Umschalter (6, 7, 8, 9) dem der 1. Hier ist ein zweiter Zustand (Z2) dargestellt. In diesem Beispiel der 2 stehen die Umschalter (6, 7, 8, 9) so, dass der erste Kontakt die vierte Kontaktfunktion 4 ausführt, der zweite Kontakt (3) die zweite Kontaktfunktion 2 ausführt, der dritte Kontakt (4) die dritte Kontaktfunktion 3 ausführt und der vierte Kontakt (5) die erste Kontaktfunktion 1 ausführt.
  • Durch Umschalten zwischen dem ersten Zustand (Z1) und dem zweiten Zustand (Z2) kann bereits eine gewisse Kompensation erreicht werden. Der Stromfluss wird dabei aber nur um 90° gedreht. Erst die folgenden 3 und 4 zeigen die Möglichkeit einer Drehung um 360° in 90°-Schritten.
  • Fig. 3
  • Dieses Beispiel aus dem Stand der Technik entspricht bis auf die Richtung des Messstroms (I1) dem der 1. Hier ist ein dritter Zustand (Z3) beispielhaft dargestellt.
  • Fig. 4
  • Dieses Beispiel aus dem Stand der Technik entspricht bis auf die Richtung des Messstroms (I1) dem der 2. Hier ist ein vierter Zustand (Z4) beispielhaft dargestellt.
  • Fig. 5 bis Fig. 8
  • In 5 ist das Beispiel der 1 wieder dargestellt. Erfindungsgemäß ist jeder der Kontakte (2, 3, 4, 5) um einen benachbarten weiteren Kontakt (17, 18, 19, 20) ergänzt. Es handelt sich um den fünften Kontakt (17), den sechsten Kontakt (18), den siebten Kontakt (19) und den achten Kontakt (20). Der fünfte Kontakt (17) ist in diesem Beispiel dem ersten Kontakt (2) benachbart. Der sechste Kontakt (18) ist in diesem Beispiel dem zweiten Kontakt (3) benachbart. Der siebte Kontakt (19) ist in diesem Beispiel dem dritten Kontakt (4) benachbart. Der achte Kontakt (20) ist in diesem Beispiel dem vierten Kontakt (5) benachbart.
  • Ein erster Schalter (21) verbindet den fünften Kontakt (17) mit der Messstromzuleitung (11), wenn der erste Kontakt (2) die erste Kontaktfunktion ausführt. Dies ist in 5 dargestellt. Dadurch führt der fünfte Kontakt (17) ebenfalls die erste Kontaktfunktion aus. Der erste Kontakt (2) und der fünfte Kontakt (17) bilden in diesem Beispiel der 5 eine Kontaktgruppe, die die erste Kontaktgruppenfunktion der Einleitung des Messstroms (I1) in die Hall-Struktur (1) ausführt.
  • Ein zweiter Schalter (22) verbindet den sechsten Kontakt (18) mit der Messstromableitung (12), wenn der zweite Kontakt (3) die zweite Kontaktfunktion ausführt. Dies ist in 6 dargestellt. Dadurch führt der sechste Kontakt (18) ebenfalls die zweite Kontaktfunktion aus. Der zweite Kontakt (3) und der sechste Kontakt (18) bilden in diesem Beispiel der 6 eine Kontaktgruppe, die die zweite Kontaktgruppenfunktion der Ableitung des Messstroms (I1) aus der Hall-Struktur (1) ausführt.
  • Ein dritter Schalter (23) verbindet den siebten Kontakt (19) mit der Messstromableitung (12), wenn der dritte Kontakt (4) die zweite Kontaktfunktion ausführt. Dies ist in 5 dargestellt. Dadurch führt der siebte Kontakt (19) ebenfalls die zweite Kontaktfunktion aus. Der dritte Kontakt (4) und der siebte Kontakt (19) bilden in diesem Beispiel der 5 eine Kontaktgruppe, die die zweite Kontaktgruppenfunktion der Ableitung des Messstroms (I1) aus der Hall-Struktur (1) ausführt.
  • Ein vierter Schalter (24) verbindet den achten Kontakt (20) mit der Messstromeinleitung (11), wenn der vierte Kontakt (5) die erste Kontaktfunktion ausführt. Dies ist in 6 dargestellt. Dadurch führt der achte Kontakt (20) ebenfalls die erste Kontaktfunktion aus. Der vierte Kontakt (5) und der achte Kontakt (20) bilden in diesem Beispiel der 6 eine Kontaktgruppe, die die erste Kontaktgruppenfunktion der Einleitung des Messstroms (I1) aus der Hall-Struktur (1) ausführt.
  • Die 7 und 8 entsprechen den 5 und 6 mit dem Unterschied, dass das Vorzeichen des Messstroms (I1) gewechselt wurde. Die 5 stellt somit einen ersten Zustand (Z1), die 6 einen zweiten Zustand (Z2), die 7 einen dritten Zustand (Z3) und die 8 einen vierten Zustand (Z4) dar. Diese Vorrichtung ist nur ein Beispiel mehrerer möglicher Implementierungen.
  • 9 zeigt die Figur folgende 10 zur besseren Übersicht ohne eingezeichnete Kontaktgruppen.
  • Fig. 10 bis Fig. 13
  • In 10 ist das Beispiel der 5 wieder dargestellt. Erfindungsgemäß ist jeder der Kontakte (2, 3, 4, 5) und (17, 18, 19, 20) und damit jede der entsprechenden Kontaktgruppen um einen benachbarten weiteren Kontakt (26, 27, 28, 29) gegenüber der 5 ergänzt. Es handelt sich um den neunten Kontakt (26), den zehnten Kontakt (27), den elften Kontakt (28) und den zwölften Kontakt (29). Der neunte Kontakt (26) ist in diesem Beispiel dem ersten Kontakt (2) und dem fünften Kontakt (17) benachbart. Der zehnte Kontakt (27) ist in diesem Beispiel dem zweiten Kontakt (3) und dem sechsten Kontakt (18) benachbart. Der elfte Kontakt (28) ist in diesem Beispiel dem dritten Kontakt (4) und dem siebten Kontakt (19) benachbart. Der zwölfte Kontakt (29) ist in diesem Beispiel dem vierten Kontakt (5) und dem achten Kontakt (20) benachbart.
  • Ein fünfter Schalter (30) verbindet den neunten Kontakt (26) mit der Messstromzuleitung (11), wenn der erste Kontakt (2) die erste Kontaktfunktion ausführt. Dies ist in 10 dargestellt. Dadurch führt der neunte Kontakt (26) ebenfalls die erste Kontaktfunktion aus. Der erste Kontakt (2), der fünfte Kontakt (17) und der neunte Kontakt (26) bilden in diesem Beispiel der 10 und 11 eine erste Kontaktgruppe (34), die im Beispiel der 10 die erste Kontaktgruppenfunktion der Einleitung des Messstroms (I1) in die Hall-Struktur (1) ausführt. Hierbei führen im Beispiel der 10 alle drei Kontakte (2, 17, 26) die erste Kontaktfunktion der Einleitung des Messstroms (I1) in die Hall-Struktur (1) aus.
  • Ein sechster Schalter (31) verbindet den zehnten Kontakt (27) mit der Messstromableitung (12), wenn der zweite Kontakt (3) die zweite Kontaktfunktion ausführt. Dies ist in 11 dargestellt. Dadurch führt der zehnte Kontakt (27) ebenfalls die zweite Kontaktfunktion aus. Der zweite Kontakt (3), der sechste Kontakt (18) und der zehnte Kontakt (27) bilden in diesem Beispiel der 10 und 11 eine zweite Kontaktgruppe (35), die im Beispiel der 11 die zweite Kontaktgruppenfunktion der Ableitung des Messstroms (I1) aus der Hall-Struktur (1) ausführt. Hierbei führen im Beispiel der 11 alle drei Kontakte (3, 18, 27) die zweite Kontaktfunktion der Ableitung des Messstroms (I1) aus der Hall-Struktur (1) aus.
  • Ein siebter Schalter (32) verbindet den elften Kontakt (28) mit der Messstromableitung (12), wenn der dritte Kontakt (4) die zweite Kontaktfunktion ausführt. Dies ist in 10 dargestellt. Dadurch führt der elfte Kontakt (28) ebenfalls die zweite Kontaktfunktion aus. Der dritte Kontakt (4), der siebte Kontakt (19) und der elfte Kontakt (28) bilden in diesem Beispiel der 10 und 11 eine dritte Kontaktgruppe (36), die im Beispiel der 10 die zweite Kontaktgruppenfunktion der Ableitung des Messstroms (I1) aus der Hall-Struktur (1) ausführt. Hierbei führen im Beispiel der 10 alle drei Kontakte (4, 19, 28) die zweite Kontaktfunktion der Ableitung des Messstroms (I1) aus der Hall-Struktur (1) aus.
  • Ein achter Schalter (33) verbindet den zwölften Kontakt (29) mit der Messstromeinleitung (11), wenn der vierte Kontakt (5) die erste Kontaktfunktion ausführt. Dies ist in 11 dargestellt. Dadurch führt der zwölfte Kontakt (29) ebenfalls die erste Kontaktfunktion aus. Der vierte Kontakt (5), der achte Kontakt (20) und der zwölfte Kontakt (29) bilden in diesem Beispiel der 10 und 11 eine vierte Kontaktgruppe (37), die im Beispiel der 11 die erste Kontaktgruppenfunktion der Einleitung des Messstroms (I1) aus der Hall-Struktur (1) ausführt. Hierbei führen im Beispiel der 11 alle drei Kontakte (5, 20, 29) die zweite Kontaktfunktion der Ableitung des Messstroms (I1) aus der Hall-Struktur (1) aus.
  • Die 12 und 13 entsprechen den 10 und 11 mit dem Unterschied, dass das Vorzeichen des Messstroms (I1) gewechselt wurde. Die 10 stellt somit einen ersten Zustand (Z1), die 11 einen zweiten Zustand (Z2), die 12 einen dritten Zustand (Z3) und die 13 einen vierten Zustand (Z4) dar. Diese Vorrichtung ist nur ein Beispiel mehrerer möglicher Implementierungen.
  • Fig. 14
  • 14 basiert auf 10. Nun sind jedoch vier weitere Kontaktgruppen, eine fünfte Kontaktgruppe (41) und eine sechste Kontaktgruppe (48) und ein siebte Kontaktgruppe (55) und eine achte Kontaktgruppe (62), hinzugekommen. Diese können wie die Struktur in 10 betrieben werden. In dem Beispiel des Zustands der 14 nehmen diese zusätzlichen Kontaktgruppen eine fünfte Kontaktgruppenfunktion wahr. Diese fünfte Kontaktgruppenfunktion ist die einer neutralen Kontaktgruppe.
  • Wie zuvor können die Kontaktgruppen wieder verschiedene Kontaktgruppenfunktionen wahrnehmen. Jede Konfiguration stellt dabei einen Zustand dar. Aufgrund der vielfältigeren Verschaltungsmöglichkeiten entstehen mehr mögliche Zustände. Durch vorzugsweise zyklisches Umschalten zwischen den vermehrten Zuständen kann ein Messwert nun genauer ermittelt werden.
  • Vorzugsweise werden die vier zusätzlichen Kontaktgruppen, wenn sie keine neutrale Kontaktgruppenfunktion wahrnehmen, so betrieben, wie in 10 gezeigt. Die ursprünglichen vier Kontaktgruppen werden dann vorzugsweise in die neutrale Kontaktgruppenfunktion geschaltet. Somit kommt das Ergebnis dann einer Drehung der Struktur in 10 um 45° gleich.
  • Fig. 15
  • 15 basiert auf 14 mit dem Unterschied, dass ein anderer Zustand als in 14 dargestellt wird. Die Verschaltung durch die Umschalter ist nun so, dass der Stromfluss um 45° gegenden Uhrzeigersinn in der Struktur gedreht wurde. Im Extremfall kann mir dieser Struktur ein zeitlich rotierender Stromdichtevektor erzeugt werden.
  • Fig. 16
  • Die 16 entspricht im Wesentlichen der 10 mit dem Unterschied, dass nur zwei Kontaktgruppen hinzugekommen sind. Diese Konfiguration hat allerdings den Nachteil, dass das Hall-Signal typischerweise schwächer ist.
  • Fig. 17
  • Erfindungsgemäß wurde, wie oben erwähnt erkannt, dass es sinnvoll sein kann, jeden Kontakt mit einer eigenen Stromquelle zu versorgen. 17 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) ohne Umkonfigurationsmöglichkeit mit einem Kontakt je Kontaktgruppe und sechs Kontakten (2, 3, 17, 4, 5, 18) in einem ersten, nicht änderbaren Zustand (Z1) und mit vier unabhängigen Messstromquellen (68, 67, 66, 10). Die Kontakte, bzw. Kontaktgruppen (2, 3, 4, 5), in die Strom eingeleitet bzw. aus den Strom abgeleitet wird, werden jeweils mit einer eigenen Stromquelle (10, 66, 67, 68) versorgt. Hierdurch sind die Potenziale der Kontakte (2, 3, 4, 5) nicht festgelegt und können gegeneinander durch die lokalen Hall-Potenziale verschoben werden.
  • Fig. 18
  • 18 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) basierend auf 17 nun aber mit Umkonfigurationsmöglichkeit mit einem Kontakt je Kontaktgruppe und sechs Kontakten (2, 3, 17, 4, 5, 18) in einem ersten (Z1) und mit vier unabhängigen Messstromquellen (68, 67, 66, 10) und Mitteln (6, 7, 8, 9, 43, 50, 57, 64) zur Umkonfiguration zum Zustandswechsel. Hier handelt es sich um acht Umschalter (6, 7, 8, 9, 43, 50, 57, 64).
  • Fig. 19
  • 19 zeigt eine erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) mit Umkonfigurationsmöglichkeit mit einem Kontakt je Kontaktgruppe und sechs Kontakten (2, 3, 17, 4, 5, 18) in einem ersten Zustand (Z1) und mit sechs unabhängigen, abschaltbaren Messstromquellen (70, 69, 68, 67, 66, 10) und weiteren Mitteln (6, 7) zur Umkonfiguration zum Zustandswechsel. Die schaltbaren Messstromquellen (70, 69, 68, 67, 66, 10) werden statt der Umschalter der 18 verwendet. Dies hat den Vorteil, dass der Stromquellentransistor hierfür verwendet werden kann, wodurch die Transistoren der Umschalter entfallen. Statt eines Ein- und Ausschaltens sind auch Zwischenzustände mit reduziertem Messstrom für die Messstromquellen (70, 69, 68, 67, 66, 10) als Zustandsvarianten denkbar.
  • Fig. 20
  • Die 20 entspricht der 18 mit dem Unterschied, dass die erfindungsgemäße Hall-Struktur (1) acht Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20) aufweist. Dementsprechend verfügt sie über sechs unabhängigen Messstromquellen (70, 69, 68, 67, 66, 10) und entsprechende Umschaltmittel (6, 7, 8, 9, 43, 50, 57, 64, 78, 79) zur Umkonfiguration zum Zustandswechsel. Die Hall-Spannung wird in diesem ersten Zustand hier beispielhaft an dem fünften Kontakt (17) und dem sechsten Kontakt (18) abgegriffen und dem Hallspannungsauswerteschaltkreis (15) zugeführt. Vorzugsweise wird über drei Kontakte (2, 19, 3) bzw. über drei Kontaktgruppen jeweils ein vordefinierter Messstrom (I1, I2, I3) eingeprägt. Damit dieser möglichst senkrecht zur ersten Symmetrieachse (SL1) diese kreuzt und so eine maximale Hall-Spannung hervorruft, wird der gleiche Strom (I1, I2, I3) an den entsprechend symmetrisch jenseits der ersten Symmetrieachse liegenden Kontakt (5, 20, 4) wieder entnommen und den entsprechenden Messstromquellen (67, 68, 70) wieder zugeführt. Die Strom in die Hall-Struktur injizierenden Kontakte (2, 19, 3) liegen hier spiegelsymmetrisch bezüglich der ersten Symmetrieachse (Sl1) zu den Strom entnehmenden Kontakten (5, 20, 4). Durch diese Verschaltung wird eine maximale symmetrische Stromdichteverteilung entlang der ersten Symmetrieachse (SL1) erreicht. Besonders bevorzugt ist eine sechs-zählige Symmetrie für diese Anzahl an Kontakten. Bei einer entsprechenden Erhöhung der Kontaktanzahl sollte die Zähligkeit der Symmetrie entsprechend erhöht werden.
  • Fig. 21
  • 21 entspricht im Wesentlichen 18 mit dem Unterschied, dass die Funktion des Umschaltens zwischen Stromeinspeisung und Erfassung des Hall-Potenzials über Umschalter (6, 7, 8, 9, 43, 50) vorgenommen wird und die Stromquellen potenzialfrei sind. Die in 21 gezeichneten Stromquellen entsprechen jede für sich je zwei Stromquellen entsprechend 19. Da die Stromrichtung umgepolt werden kann, können alle relevanten Messungen auch mit dieser Anordnung vorgenommen werden. Die Ströme werden in diesem Beispiel durch den zentralen Symmetriepunkt geführt. Statt dessen wäre es auch möglich die Verschaltung abweichend von 21 so zu wählen, dass die Ströme immer parallel zur Bildsenkrechten, also vertikal zur Richtung der Hall-Spannung verlaufen. Hierfür müsste die erste Messstromquelle (10) bei Stromeinspeisung nicht mit dem ersten Kontakt (2) und dem dritten Kontakt (4) verbunden sein, sondern mit dem ersten Kontakt (2) und dem vierten Kontakt (5) und die zweite Messstromquelle (10) bei Stromeinspeisung nicht mit dem zweiten Kontakt (3) und dem vierten Kontakt (5) verbunden sein, sondern mit dem zweiten Kontakt (3) und dem dritten Kontakt (4). In dem Fall wären aber mehr Umschalterpositionen notwendig, um diese Geometrie der Ströme zu wiederholen, wenn die Erfassung der Hallspannung durch Umkonfiguration gedreht wird. Daher wäre ggf. die Verwendung einer Umschalteranordnung wie in 20 hier auch sinnvoll.
  • Fig. 22
  • 22 entspricht 21 mit dem Unterschied, dass nun acht Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20) für die Hall-Messung benutzt werden. Davon werden in diesem Zustand sechs Kontakte (2, 4, 19, 17, 18, 20) für die Einspeisung der Messströme (I1, I2, I3, I4) der vier Stromquellen (10, 66, 67, 68) in die Hall-Struktur (1) benutzt und zwei (3, 5) zur Erfassung des Hall-Potenzials.
  • Fig. 23
  • 23a zeigt eine typische Messabfolge: Die Vorrichtung wird zunächst im ersten Zustand (Z1), beispielsweise dem der 5, betrieben. Es wird mindestens ein erster Messwert ermittelt. Die Vorrichtung wird dann in einen zweiten Zustand (Z2) gebracht, beispielsweise den der 23. Es wird mindestens ein erster Messwert ermittelt. Aus so erfassten Messwerten wird dann ein korrigierter Messwert ermittelt. Der Prozess wiederholt sich.
  • 23b Zeigt den entsprechenden Ablauf mit n Zuständen. Besonders bevorzugt ist ein Prozessablauf mit m = 4 oder m = k·4 Zuständen mit k als ganzer positiver Zahl.
  • Glossar
  • Betrieb
  • Mit Betrieb sind Zeiten des bestimmungsgemäßen Gebrauchs der Vorrichtung gemeint.
  • Betriebszeitpunkt
  • Mit Betriebszeitpunt ist ein Zeitpunkt während des Betriebs der Vorrichtung gemeint.
  • Folgendes
  • Mit dem Wort „Folgenden“ ist in den Ansprüchen nachfolgender Text innerhalb des Anspruchs bis zu seinem Ende gemeint.
  • Mittel
  • Mittel sind Vorrichtungen und Verfahren, die in Vorrichtungen angewendet werden können, aller Art zur Erreichung des angegeben Zwecks.
  • Hallspannungsauswerteschaltkreis
  • Der Hallspannungsauswerteschaltkreis (15) ist eine Teilvorrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die die erfassten Hall-Potenziale in einen Messwert umwandelt, diesen speichert und/oder ausgibt oder sonst wie, beispielsweise zur Steuerung elektromagnetisch betriebener Vorrichtungen etc. verwendet.
  • Hall-Struktur
  • Eine Hall-Struktur (1) im Sinne dieser Offenbarung ist eine halbleitende Struktur, die dazu vorgesehen und geeignet ist, mit Hilfe des Hall-Effekts eine Hall-Spannung zu erfassen, die von einer Teilkomponente eines magnetischen Feldes abhängt, das die Hall-Struktur (1) durchströmt. Eine typische Hall-Struktur (1) ist beispielsweise eine Van der Pauw Struktur.
  • Hall-Potenzialleitung
  • Eine Hall-Potenzialleitung dient im Sinne dieser Offenbarung zur Ermittlung eines Hall-Potenzials. Eine Hall-Potenzialleitung verbindet über einen Umschalter zumindest einen Kontakt der Hall-Struktur mit einer Vorrichtung zur Auswertung der Hall-Potenziale, beispielsweise mit einem Hallspannungsauswerteschaltkreis (15).
  • Hall Potenzial
  • Mit Hall-Potenzial ist ein elektrisches Potenzial gemeint, dass an der Hall-Struktur erfasst wird.
  • Hall-Spannung
  • Mit Hall-Spannung ist eine gewichtete Summe mindestens zweier Hall-Potenziale zu verstehen. Typischerweise handelt es sich um die Differenz dieser mindestens zwei Hall-Potenziale.
  • Kontakt
  • Ein Kontakt im Sinne dieser Offenbarung ist eine Struktur in einer mikrointegrierten Schaltung, der einen elektrischen Kontakt zu einer halbleitenden Schicht in einem halbleitenden Substrat herstellt. Ein Kontakt dient zum Anschluss elektrischer Leitungen der Verdrahtung.
  • Kontaktgruppe
  • Eine Kontaktgruppe besteht aus Kontakten, die gemeinschaftliche eine erste und/oder zweite Kontaktgruppenfunktion wahrnehmen, wenn der aktuelle Zustand eine dieser Kontaktgruppenfunktionen für diese Kontaktgruppe vorsieht.
  • erste Kontaktgruppenfunktion
  • Die erste Kontaktgruppenfunktion ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktgruppe, der diese Kontaktgruppenfunktion zugeordnet ist, zur Stromeinleitung in die Hall-Struktur benutzt wird.
  • zweite Kontaktgruppenfunktion
  • Die zweite Kontaktgruppenfunktion ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktgruppe, der diese Kontaktgruppenfunktion zugeordnet ist, zur Stromableitung aus der Hall-Struktur benutzt wird.
  • dritte Kontaktgruppenfunktion
  • Die dritte Kontaktgruppenfunktion ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktgruppe, der diese Kontaktgruppenfunktion zugeordnet ist, zur Erfassung eines ersten Hall-Potenzials benutzt wird.
  • vierte Kontaktgruppenfunktion
  • Die vierte Kontaktgruppenfunktion ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktgruppe, der diese Kontaktgruppenfunktion zugeordnet ist, zur Erfassung eines zweiten Hall-Potenzials benutzt wird.
  • neutrale Kontaktgruppenfunktion
  • Die neutrale Kontaktgruppenfunktion ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte einer Kontaktgruppe, der diese Kontaktgruppenfunktion zugeordnet ist, voneinander bis auf die Verbindung über die Hall-Struktur isoliert sind und kein Messstrom in die Hall-Struktur (1) über die Kontakte der Kontaktgruppe eingeleitet oder aus dieser abgeleitet wird und kein Hall-Potenzial erfasst wird.
  • Messsignalausgang
  • Der Messsignalausgang kann jede Art von Signalisierung z.B. elektrisch, optisch, akustisch etc. oder Aktuatorik umfassen, die in Anhängigkeit von dem Messergebnis erfolgt. Dies kann auch eine Speicherzelle sein, deren Inhalt in Abhängigkeit vom Messergebnis beispielsweise durch den Hallspannungsauswerteschaltkreis geändert oder festgelegt wird.
  • Messstromquelle
  • Eine Messstromquelle ist eine Stromquelle, die einen elektrischen Strom liefert, dessen Stärke mittels eines Stromvorgabewertes vorgegeben wird oder ausreichend genau als Messstromwert erfasst wird, sodass mit Hilfe zumindest eines dieser Werte eine Vorrichtung, beispielsweise ein Hallspannungsauswerteschaltkreis (15) das Messwertsignal am Messsignalausgang (16) erzeugen kann.
  • Messstromableitung
  • Dies ist die Leitung, über die der Messstrom (I1) der Messstromquelle (1) in die Hall-Struktur (1) eingeleitet wird.
  • Messstromableitung
  • Dies ist die Leitung, über die der Messstrom (I1) der Messstromquelle (1) aus der Hall-Struktur (1) abgeleitet wird.
  • Schalter
  • Ein Schalter verbindet im Sinne dieser Offenbarung zwei Leitungen in einem Zustand miteinander und trennt sie in einem anderen Zustand wieder.
  • Stromeinleitung
  • Stromeinleitung bezeichnet die Einleitung des Messstroms in die Hall-Struktur (1).
  • Stromableitung
  • Stromableitung bezeichnet die Ableitung des Messstroms aus der Hall-Struktur (1).
  • Umschalter
  • Ein Umschalter ist eine Teilvorrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die zwei Anschüsse oder mehr Anschlüsse (l Anschüsse) auf der einen Seite aufweist und typischerweise einen Anschluss auf der anderen Seite. Der Umschalter selektiert typischerweise in Abhängigkeit vom aktuellen Zustand einen Anschluss auf der ersten Seite und verbindet ihn mit dem typischerweise einen Anschluss auf der anderen Seite. Alle anderen Anschlüsse der ersten Seite sind isoliert voneinander und von dem typischerweise einen Anschluss auf der anderen Seite. Es handelt sich ggf. um einen l:1 analog Multiplexer.
  • Zustand
  • Ein Zustand der Vorrichtung im Sinne dieser Offenbarung ist durch die Konfiguration von Kontaktgruppenfunktionen der Kontaktgruppen der Vorrichtung und durch den Messstrom (I1) gekennzeichnet. Zwei Zustände können sich auch durch unterschiedliche Messströme (I1) unterscheiden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Hallplatte
    2
    erster Kontakt (2) der Hall-Struktur (1);
    3
    zweiter Kontakt (3) der Hall-Struktur (1);
    4
    dritter Kontakt (4) der Hall-Struktur (1);
    5
    vierter Kontakt (5) der Hall-Struktur (1);
    6
    erster Umschalter
    7
    zweiter Umschalter
    8
    dritter Umschalter
    9
    Vierter Umschalter
    10
    Messstromquelle
    11
    erste Messstromzuleitung
    12
    zweite Messstromableitung
    13
    erste Hall-Potenzialleitung
    14
    zweite Hall-Potenzialleitung
    15
    Hallspannungsauswerteschaltkreis
    16
    Messsignalausgang
    17
    fünfter Kontakt (17) der Hall-Struktur (1);
    18
    sechster Kontakt (18) der Hall-Struktur (1);
    19
    siebter Kontakt (19) der Hall-Struktur (1);
    20
    achter Kontakt (20) der Hall-Struktur (1);
    21
    erster Schalter
    22
    zweiter Schalter
    23
    dritter Schalter
    24
    vierter Schalter
    25
    nicht benutzt
    26
    neunter Kontakt (26) der Hall-Struktur (1);
    27
    zehnter Kontakt (27) der Hall-Struktur (1);
    28
    elfter Kontakt (28) der Hall-Struktur (1);
    29
    zwölfter Kontakt (29) der Hall-Struktur (1);
    30
    fünfter Schalter (30);
    31
    sechster Schalter (31);
    32
    siebter Schalter (32);
    33
    achter Schalter (33);
    34
    erste Kontaktgruppe der Hallstruktur umfassend in dem Beispiel der 4 den ersten Kontakt (2), den fünften Kontakt (17) und den neunten Kontakt (26)
    35
    zweite Kontaktgruppe der Hallstruktur umfassend n dem Beispiel der 4 den zweiten Kontakt (3), den sechsten Kontakt (18) und den zehnten Kontakt (27)
    36
    dritte Kontaktgruppe der Hallstruktur umfassend n dem Beispiel der 4 den dritten Kontakt (4), den siebten Kontakt (19) und den elften Kontakt (28)
    37
    vierte Kontaktgruppe der Hallstruktur umfassend n dem Beispiel der 4 den vierten Kontakt (5), den achten Kontakt (20) und den zwölften Kontakt (29)
    38
    dreizehnter Kontakt
    39
    vierzehnter Kontakt
    40
    fünfzehnter Kontakt
    41
    fünfte Kontaktgruppe der Hall-Struktur (1) umfassend in dem Beispiel der 14 den dreizehnten Kontakt (38), den vierzehnten Kontakt (39) und den fünfzehnten Kontakt (40)
    42
    neunter Schalter
    43
    fünfter Umschalter
    44
    zehnter Schalter
    45
    sechzehnter Kontakt
    46
    siebzehnter Kontakt
    47
    achtzehnter Kontakt
    48
    sechste Kontaktgruppe der Hall-Struktur (1) umfassend in dem Beispiel der 14 den sechzehnten Kontakt (45), den siebzehnten Kontakt (46) und den achtzehnten Kontakt (47)
    49
    elfter Schalter
    50
    sechster Umschalter
    51
    zwölfter Schalter
    52
    neunzehnter Kontakt
    53
    zwanzigster Kontakt
    54
    einundzwanzigster Kontakt
    55
    siebte Kontaktgruppe der Hall-Struktur (1) umfassend in dem Beispiel der 14 den neunzehnten Kontakt (52), den zwanzigsten Kontakt (53) und den einundzwanzigsten Kontakt (54)
    56
    dreizehnter Schalter
    57
    siebter Umschalter
    58
    vierzehnter Schalter
    59
    zweiundzwanzigster Kontakt
    60
    dreiundzwanzigster Kontakt
    61
    vierundzwanzigster Kontakt
    62
    achte Kontaktgruppe der Hall-Struktur (1) umfassend in dem Beispiel der 14 den zweiundzwanzigsten Kontakt (59), den dreiundzwanzigsten Kontakt (60) und denvierundzwanzigsten Kontakt (61)
    63
    fünfzehnter Schalter
    64
    achter Umschalter
    65
    sechzehnter Schalter
    66
    zweite Messstromquelle
    67
    dritte Messstromquelle
    68
    vierte Messstromquelle
    69
    fünfte Messstromquelle
    70
    sechste Messstromquelle
    71
    zweite Messstromzuleitung
    72
    dritte Messstromzuleitung
    73
    vierte Messstromzuleitung
    74
    zweite Messstromableitung
    75
    dritte Messstromableitung
    76
    vierte Messstromableitung
    77
    neunter Umschalter
    78
    zehnter Umschalter
    79
    I1
    erster Messstrom
    I2
    zweiter Messstrom
    I3
    dritter Messstrom
    I4
    vierter Messstrom
    I5
    fünfter Messstrom
    I6
    sechster Messstrom
    S
    Symmetriepunkt der Hall-Struktur (1)
    SdT
    Stand der Technik
    SL
    Symmetrieachse
    SL1
    erste Symmetrieachse
    SL2
    zweite Symmetrieachse
    SL3
    dritte Symmetrieachse
    SL4
    vierte Symmetrieachse
    Z1
    erster Zustand
    Z2
    zweiter Zustand
    Z3
    dritter Zustand
    Z4
    vierter Zustand
    Zn
    n-ter Zustand
    Za
    aktueller Zustand

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Vermessung der Flussdichte B eines Magnetfeldes mittels des Hall-Effekts – mit einer Hall-Struktur (1); – mit n = 2·m Kontakten (2, 3, 4, 5, 17, 18), die die Hall-Struktur (1) elektrisch kontaktieren, wobei m eine ganze positive Zahl ist; – mit zumindest einem ersten Kontakt (2) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18); – mit zumindest einem zweiten Kontakt (3) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18); – mit zumindest einem dritten Kontakt (4) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18); – mit zumindest einem vierten Kontakt (5) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18); – mit zumindest einem fünften Kontakt (17) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18); – mit zumindest einem sechsten Kontakt (18) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18); – mit mehreren Messstromquellen (10, 66, 67, 68); – mit mindestens einer ersten Messstromquelle (10) dieser Messstromquellen (10, 66, 67, 68); – mit mindestens einer zweiten Messstromquelle (66) dieser Messstromquellen (10, 66, 67, 68); – mit mindestens einer dritten Messstromquelle (67) dieser Messstromquellen (10, 66, 67, 68); – mit mindestens einer vierten Messstromquelle (68) dieser Messstromquellen (10, 66, 67, 68); – mit einem Hallspannungsauswerteschaltkreis (15); – mit einem Messsignalausgang (16); – wobei die erste Messstromquelle (10) einen ersten Messstrom (I1) abgibt und in den ersten Kontakt (2) einleitet; – wobei die zweite Messstromquelle (66) einen zweiten Messstrom (I2) abgibt und in den zweiten Kontakt (3) einleitet; – wobei die dritte Messstromquelle (67) einen dritten Messstrom (I3) aus dem vierten Kontakt (5) ableitet und aufnimmt, der vom zweiten Messstrom (I2) betragsmäßig nicht mehr als 10% und/oder nicht mehr als 5% abweicht; – wobei die vierte Messstromquelle (68) einen vierten Messstrom (I4) aus dem dritten Kontakt (4) ableitet und aufnimmt, der vom ersten Messstrom (I1) betragsmäßig nicht mehr als 10% und/oder nicht mehr als 5% abweicht; – wobei die Hall-Struktur (1) eine erste Symmetrieachse (SL1) für eine Spiegelsymmetrie aufweist; – wobei die Hall-Struktur (1) eine zweite Symmetrieachse (SL2) für eine Spiegelsymmetrie senkrecht zur ersten Symmetrieachse (SL1) aufweist; – wobei der fünfte Kontakt (17) auf der ersten Symmetrieachse (SL1) liegt; – wobei der sechste Kontakt (18) auf der ersten Symmetrieachse (SL1) liegt; – wobei der fünfte Kontakt (17) spiegelsymmetrisch zum sechsten Kontakt (18) bezüglich der zweiten Symmetrieachse (SL2) liegt; – wobei der erste Kontakt (2) spiegelsymmetrisch zum vierten Kontakt (5) bezüglich der ersten Symmetrieachse (SL1) liegt; – wobei der zweite Kontakt (3) spiegelsymmetrisch zum dritten Kontakt (4) bezüglich der ersten Symmetrieachse (SL1) liegt; – wobei die Summe der Messströme (I1, I2, I3, I4) bezogen auf die Hall-Struktur (1) null ist; – wobei die Vorrichtung Mittel (13, 14, 15, 16) zum Erfassen der Hall-Spannung zwischen dem fünften Kontakt (17) und dem sechsten Kontakt (18) und zur Erzeugung und Verarbeitung oder Weitergabe eines Messwertes aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 – wobei der erste Kontakt (2) spiegelsymmetrisch zum zweiten Kontakt (3) bezüglich der zweiten Symmetrieachse (SL2) liegt; – wobei der dritte Kontakt (4) spiegelsymmetrisch zum vierten Kontakt (5) bezüglich der zweiten Symmetrieachse (SL2) liegt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 – wobei die Hall-Struktur (1) eine n = 2·m-zählige Rotationssymmetrie aufweist;
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 – mit n = 2·m Kontakten (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20), die die Hall-Struktur (1) elektrisch kontaktieren, wobei m eine ganze positive Zahl größer 3 ist; – mit zumindest einem siebten Kontakt (19) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20); – mit zumindest einem achten Kontakt (20) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20); – mit mehreren Messstromquellen (10, 66, 67, 68, 69, 70); – mit mindestens einer fünften Messstromquelle (69) dieser Messstromquellen (10, 66, 67, 68, 69, 70); – mit mindestens einer sechsten Messstromquelle (70) dieser Messstromquellen (10, 66, 67, 68, 69, 70); – wobei der siebten Kontakt (19) auf der zweiten Symmetrieachse (SL2) liegt; – wobei der achte Kontakt (20) auf der zweiten Symmetrieachse (SL2) liegt; – wobei der siebte Kontakt (19) spiegelsymmetrisch zum achten Kontakt (20) bezüglich der ersten Symmetrieachse (SL1) liegt; – wobei die fünfte Messstromquelle (69) einen fünften Messstrom (I5) in den dem siebten Kontakt (19) einleitet; – wobei die sechste Messstromquelle (70) einen sechsten Messstrom (I6) aus dem achten Kontakt (20) ableitet und aufnimmt, der vom fünften Messstrom (I5) betragsmäßig nicht mehr als 10% und/oder nicht mehr als 5% abweicht;
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 – mit Mitteln (6, 7, 8, 9, 43, 50, 57, 64, 78, 79) zur Änderung der Zuordnungen zwischen den Messstromquellen (10, 66, 67, 68, 69, 70) und den Mittel (13, 14, 15, 16) zum Erfassen der Hall-Spannung auf der einen Seite und den Kontakten (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20) auf der anderen Seite aufweist; – mit einer Steuervorrichtung zum Betätigen der Mittel; – wobei jedem Kontakt, dem eine Messstromquelle der mehreren Messstromquellen zugeordnet ist, keine weitere Messstromquelle der mehreren Messstromquellen zugeordnet werden kann; – wobei mindestens zwei Kontakte keiner Messstromquelle zugeordnet werden; – wobei die Mittel (6, 7, 8, 9, 43, 50, 57, 64, 78, 79) und deren Steuerung so gestaltet sind, dass mindestens zwei verschiedene Zuordnungen durch die Steuervorrichtung eingestellt werden können; – wobei die Mittel (6, 7, 8, 9, 43, 50, 57, 64, 78, 79) und deren Steuerung so gestaltet sind, dass die Merkmale des Anspruchs 1 zutreffen, wenn einer dieser mindestens zwei Zuordnungen durch die Steuervorrichtung eingestellt wird.
  6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche – wobei die Hall-Struktur zumindest zwei Symmetrieachsen (SL1, SL2) aufweist, die sich in einem Symmetriepunkt (S) schneiden. – wobei mindestens ein Paar aus zwei Messstromquellen ((10, 67), (66, 68), (69, 70)) durch eine einzelne Messstromquelle mit zwei Anschlüssen ersetzt ist, die mit dem ersten Anschluss dieser Messstromquelle einen Messstrom mittels eines Kontakt der Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20) in die Hall-Struktur (1) einleitet und mit dem zweiten Anschluss dieser Messstromquelle diesen Messstrom wieder aus einem anderen Kontakt der Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20) ableitet; – wobei diese beiden Kontakte zueinander spiegelsymmetrisch bezüglich des Symmetriepunkts (S) sind.
  7. Verfahren zur Vermessung der Flussdichte B eines Magnetfeldes mittels des Hall-Effekts mit den Schritten – Bereitstellen einer Vorrichtung • mit einer Hall-Struktur (1); • mit n = 2·m Kontakten (2, 3, 4, 5, 17, 18), die die Hall-Struktur (1) elektrisch kontaktieren, wobei m eine ganze positive Zahl ist; • mit zumindest einem ersten Kontakt (2) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18); • mit zumindest einem zweiten Kontakt (3) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18); • mit zumindest einem dritten Kontakt (4) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18); • mit zumindest einem vierten Kontakt (5) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18); • mit zumindest einem fünften Kontakt (17) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18); • mit zumindest einem sechsten Kontakt (18) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18); • mit mehreren Messstromquellen (10, 66, 67, 68); • mit mindestens einer ersten Messstromquelle (10) dieser Messstromquellen (10, 66, 67, 68); • mit mindestens einer zweiten Messstromquelle (66) dieser Messstromquellen (10, 66, 67, 68); • mit mindestens einer dritten Messstromquelle (67) dieser Messstromquellen (10, 66, 67, 68); • mit mindestens einer vierten Messstromquelle (68) dieser Messstromquellen (10, 66, 67, 68); • mit einem Hallspannungsauswerteschaltkreis (15); • mit einem Messsignalausgang (16); • wobei die Hall-Struktur (1) eine erste Symmetrieachse (SL1) für eine Spiegelsymmetrie aufweist; • wobei die Hall-Struktur (1) eine zweite Symmetrieachse (SL2) für eine Spiegelsymmetrie senkrecht zur ersten Symmetrieachse (SL1) aufweist; • wobei der fünfte Kontakt (17) auf der ersten Symmetrieachse (SL1) liegt; • wobei der sechste Kontakt (18) auf der ersten Symmetrieachse (SL1) liegt; • wobei der fünfte Kontakt (17) spiegelsymmetrisch zum sechsten Kontakt (18) bezüglich der zweiten Symmetrieachse (SL2) liegt; • wobei der erste Kontakt (2) spiegelsymmetrisch zum vierten Kontakt (5) bezüglich der ersten Symmetrieachse (SL1) liegt; • wobei der zweite Kontakt (3) spiegelsymmetrisch zum dritten Kontakt (4) bezüglich der ersten Symmetrieachse (SL1) liegt; – Abgeben eines ersten Messstroms (I1) und Einleitung dieses ersten Messstroms (I1) in den ersten Kontakt (2) durch die erste Messstromquelle (10); – Abgeben eines zweiten Messstroms (I2) und Einleitung dieses zweiten Messstroms (I2) in den zweiten Kontakt (3) durch die zweite Messstromquelle (66); – Ableiten eines dritten Messstroms (I3) aus dem vierten Kontakt (5) und Aufnehmen dieses dritten Messstroms (I3) und durch die dritte Messstromquelle (67), wobei der dritte Messstrom (I3) vom zweiten Messstrom (I2) betragsmäßig nicht mehr als 10% und/oder nicht mehr als 5% abweicht; – Ableiten eines vierten Messstroms (I4) aus dem dritten Kontakt (4) und Aufnehmen dieses vierten Messstroms (I4) und durch die vierte Messstromquelle (68), wobei der vierte Messstrom (I4) vom ersten Messstrom (I1) betragsmäßig nicht mehr als 10% und/oder nicht mehr als 5% abweicht; – wobei die Summe der Messströme (I1, I2, I3, I4) bezogen auf die Hall-Struktur (1) null ist; – Erfassen der Hall-Spannung zwischen dem fünften Kontakt (17) und dem sechsten Kontakt (18) – Erzeugung und Verarbeitung oder Weitergabe eines Messwertes.
  8. Verfahren nach Anspruch 7 mit folgenden zusätzlichen Schritten – Bereitstellen der Vorrichtung, • mit nun n = 2·m Kontakten (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20), die die Hall-Struktur (1) elektrisch kontaktieren, wobei m eine ganze positive Zahl größer 3 ist; • mit nun zumindest einem siebten Kontakt (19) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20); • mit nun zumindest einem achten Kontakt (20) dieser Kontakte (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20); • mit nun mehreren Messstromquellen (10, 66, 67, 68, 69, 70); • mit nun mindestens einer fünften Messstromquelle (69) dieser Messstromquellen (10, 66, 67, 68, 69, 70); • mit nun mindestens einer sechsten Messstromquelle (70) dieser Messstromquellen (10, 66, 67, 68, 69, 70); • wobei der siebten Kontakt (19) auf der zweiten Symmetrieachse (SL2) liegt; • wobei der achte Kontakt (20) auf der zweiten Symmetrieachse (SL2) liegt; • wobei der siebte Kontakt (19) spiegelsymmetrisch zum achten Kontakt (20) bezüglich der ersten Symmetrieachse (SL1) liegt; – Einleitung eines fünften Messstroms (I5) in den dem siebten Kontakt (19) durch die fünfte Messstromquelle (69); – Ableitung eines sechsten Messstroms (I6) aus dem achten Kontakt (20) und Aufnahme des sechsten Messstroms (I6) durch die sechste Messstromquelle (70), wobei der sechste Messstrom (I6) vom fünften Messstrom (I5) betragsmäßig nicht mehr als 10% und/oder nicht mehr als 5% abweicht;
  9. Verfahren nach Anspruch 8 oder 7 mit folgenden zusätzlichen Schritten – Bereitstellen der Vorrichtung, – nun mit Mitteln (6, 7, 8, 9, 43, 50, 57, 64, 78, 79) zur Änderung der Zuordnungen zwischen den Messstromquellen (10, 66, 67, 68, 69, 70) und den Mittel (13, 14, 15, 16) zum Erfassen der Hall-Spannung auf der einen Seite und den Kontakten (2, 3, 4, 5, 17, 18, 19, 20) auf der anderen Seite aufweist und wobei die Mittel (6, 7, 8, 9, 43, 50, 57, 64, 78, 79) und deren Steuerung so gestaltet sind, dass mindestens zwei verschiedene Zuordnungen durch die Steuervorrichtung eingestellt werden können; • ; • mit einer Steuervorrichtung zum Betätigen der Mittel; – Zuordnen von mindestens zwei Messstromquellen der Messstromquellen zu jeweils einem Kontakt von mindestens vier Kontakten der Kontakte, wobei jedem Kontakt, dem eine Messstromquelle der mehreren Messstromquellen zugeordnet wird, keine weitere Messstromquelle der mehreren Messstromquellen zugeordnet wird und wobei mindestens zwei Kontakte keine Messstromquelle zugeordnet werden; – Sequentielles Einstellen der mindestens zwei verschiedenen Zuordnungen und Erfassen mindestens eines Messwertes in jeder dieser mindestens zwei Zuordnungen
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