DE102016224958A1

DE102016224958A1 - Sensoranordnung mit Thermo-EMK-Kompensation

Info

Publication number: DE102016224958A1
Application number: DE102016224958.4A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2036-12-15
Also published as: CN110345971B; CN106885588B; CN106885588A; CN110345971A; DE102016224958B4

Abstract

Sensoranordnung, die ein Signal bereitstellt, das auf einen Temperaturunterschied zwischen einem Ausgangskontakt einer Halleffektvorrichtung und einem Referenzpunkt anspricht, wobei die Anordnung Folgendes umfasst: eine erste Kontaktwanne, die in der Nähe einer Außenfläche der Halleffektregion angeordnet ist; eine zweite Kontaktwanne, die in der Nähe des Referenzpunkts angeordnet ist; ein erstes Leiterelement, das einen ersten und einen zweiten Endabschnitt aufweist, wobei der erste Endabschnitt mit der ersten Kontaktwanne thermisch gekoppelt ist und der zweite Endabschnitt mit der zweiten Kontaktwanne thermisch gekoppelt ist; ein zweites Leiterelement, das einen dritten und einen vierten Endabschnitt umfasst, wobei der dritte Endabschnitt mit der ersten Kontaktwanne thermisch gekoppelt ist; ein drittes Leiterelement, das einen fünften und einen sechsten Endabschnitt umfasst, wobei der fünfte Endabschnitt mit der zweiten Kontaktwanne thermisch gekoppelt ist, wobei der erste und der dritte Endabschnitt elektrisch gekoppelt sind, der zweite und der fünfte Endabschnitt elektrisch gekoppelt sind, mindestens zwei des ersten, zweiten und dritten Leiterelements im Wesentlichen unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten aufweisen und das Signal am vierten und sechsten Endabschnitt abgegriffen ist.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine Teilfortführungsanmeldung der Anmeldung Nr. 13/920,777, eingereicht am 18. Juni 2013, deren gesamte Offenbarung hier mittels Verweis aufgenommen wird.
GEBIET DER TECHNIK
Die Offenbarung betrifft im Allgemeinen Sensoren und im Besonderen Sensoren, Systeme und Verfahren, die Effekte von thermo-elektromotorischer Kraft (EMK) kompensieren.
HINTERGRUND
Sensoren können durch viele verschiedene innere und äußere Eigenschaften, die die Sensorausgangssignale ungenauer werden lassen, beeinträchtigt werden. Eine dieser Eigenschaften ist die thermo-elektromotorische Kraft (Thermo-EMK), die die Effekte betrifft, die Temperatur auf die Bewegung von elektrischer Ladung in einem Material haben kann. Ein Temperaturgradient in einem Material kann zum Beispiel den Ladungsfluss im Material, ähnlich einem angelegten elektrischen Feld, beeinflussen, indem Ladungen in eine bestimmte Richtung gedrängt werden. Dies kann in Anwesenheit von elektrischen oder Magnetfeldern, oder auch Konzentrationsgradienten verstärkt sein. Thermo-EMK können ferner temperaturbedingte Ladungen in zwei primären Situationen verursachen: erstens inhomogene Temperatur (d. h. ein Temperaturgradient) in homogenem Material, und zweitens homogene Temperatur in inhomogenem Material. Zweiteres kann z. B. an Vorrichtungskontakten eintreten, wobei die entsprechende Spannung als Thermo-Kontaktspannung bezeichnet wird. Beides ist in Bezug auf den Sensorbetrieb und die Genauigkeit des Ausgangssignals nicht wünschenswert.
Temperatur kann Ladung auf verschiedene Weise beeinflussen, und nur in einigen Fällen steht dies mit Thermo-EMK in Verbindung. Zum Beispiel sind magnetische Empfindlichkeit in Hall-Effekt-Vorrichtungen und temperaturbedingte Widerstandsänderungen im Allgemeinen mit keinerlei Thermo-EMK-Effekten verbunden, weshalb sie von hier erörterten Ausführungsformen nicht berücksichtigt oder kompensiert werden. Sensorausgangssignale, besonders dann, wenn die Sensoren gemäß Spinning-Strom- oder -Spannungsschemata arbeiten, können jedoch durch Thermo-EMK beeinflusst werden. In einem Beispiel umfasst ein Sensorsystem Hallplatten die in sequenziellen Betriebsphasen betrieben werden. Verschiedene Anschlüsse der Hallplatten werden in jeder Betriebsphase als Versorgungs- und Ausgangsanschlüsse angeschlossen, sodass die Stromflussrichtung oder räumliche Stromverteilung von Phase zu Phase unterschiedlich ist. Ein Spinning-Ausgangssignal kann durch Kombinieren der Signale der einzelnen Betriebsphasen erhalten werden. Hallplatten, in Wahrheit Magnetfeldsensoren im Allgemeinen, können Offset-Fehlern ausgesetzt sein, die in einem Ausgangssignal resultieren, wenn kein Magnetfeld angelegt ist. Offset-Fehler in jeder Betriebsphase können in Spinning-Schemata aufgrund der Kombination der einzelnen Betriebsphasensignale weitgehend beseitigt werden, sodass kaum oder kein restlicher Offset im kombinierten Ausgangssignal zurückbleibt.
Leider bleiben oft restliche Offset-Fehler zurück, sodass einige Spinning-Schemata-Sensorsysteme eine Kompensation restlichen Offsets bereitstellen. In Bezug auf 1 umfassen solche Systeme typischerweise einen Temperatursensor, der sehr nahe zur Hallplatte angeordnet ist, weil üblicherweise Offsetkorrektur über der Temperatur nicht konstant ist. Das System kann daher die Temperatur abfühlen, ein Kompensationssignal basierend auf der Temperatur bestimmen und dieses Kompensationssignal im Spinning-Ausgangssignal berücksichtigen. Somit kombiniert dieser herkömmliche Ansatz die Phasentemperatursignale nur durch Mittelung, was als äquivalent mit einem impliziten Tiefpassfiltern eines langsamen Temperatursensors angesehen werden kann. Eine Herausforderung stellt jedoch die Bestimmung des Kompensationssignals dar. Da der restliche Offset von Spinning-Hallschemata stochastisch ist, hängt er von der jeweiligen einzelnen Vorrichtung und der Temperatur dieser Vorrichtung ab und kann sich während der Betriebslebensdauer der Vorrichtung ändern. Selbst wenn eine Kalibrierung der einzelnen Vorrichtung während Funktionsprüfungen am Bandende effizient und effektiv durchgeführt werden könnte, können Veränderungen über die Lebensdauer der Vorrichtung die Genauigkeit der Kalibrierung verringern und Thermo-EMK-bezogene restliche Offset-Fehler bewirken.
Herkömmliche Lösungen gehen davon aus, dass Thermo-EMK-Effekte durch Verwendung einer Polaritätsumkehr in sequenziellen Betriebsphasen (d. h. nur die Polarität der Versorgung ändert sich) und einem Spinning-Spannungs- anstatt Strom-Verfahren beseitigt werden. Allerdings ist dies möglicherweise nicht der Fall, da die Temperaturverteilung sich in der Praxis ändern kann, wenn die Polarität der Versorgungsspannung umgekehrt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Offenbarung wird bei der Lektüre der nun folgenden detaillierten Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen umfassender verständlich werden, wobei:
1 ein Blockdiagramm eines Sensorsystems ist;
2A eine schematische Darstellung einer Hallplatte gemäß einer Ausführungsform ist;
2B eine schematische Darstellung einer vertikalen Hallsensorvorrichtung nach einer Ausführungsform ist;
2C eine schematische Darstellung einer Hallplatte gemäß einer Ausführungsform ist;
2D eine perspektivische Ansicht einer Potentialverteilung in einer Hallplatte während einer Betriebsphase gemäß einer Ausführungsform ist;
2E eine Kopplungsanordnung einer Hallplatte in einer ersten Betriebsphase gemäß einer Ausführungsform ist;
2F eine Kopplungsanordnung einer Hallplatte in einer zweiten Betriebsphase gemäß einer Ausführungsform ist;
2G eine Kopplungsanordnung einer Hallplatte in einer dritten Betriebsphase gemäß einer Ausführungsform ist;
2H eine Kopplungsanordnung einer Hallplatte in einer vierten Betriebsphase gemäß einer Ausführungsform ist;
2I ein Blockdiagramm eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist;
3 eine seitliche Querschnittsansicht einer Anordnung von ersten und zweiten Sensorvorrichtungen gemäß einer Ausführungsform ist;
4A eine schematische Darstellung einer Sensorkopplungsanordnung gemäß einer Ausführungsform ist;
4B eine schematische Darstellung einer Sensorkopplungsanordnung gemäß einer Ausführungsform ist;
5A ein Blockdiagramm eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist;
5B ein Blockdiagramm eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist;
6A eine schematische Darstellung einer weiteren Kopplungsanordnung gemäß einer Ausführungsform ist;
6B ein Blockdiagramm eines weiteren Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist;
6C ein Blockdiagramm eines weiteren Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform ist;
7A eine schematische Darstellung einer Kopplungsanordnung einer Hallplatte gemäß einer Ausführungsform ist;
7B eine schematische Darstellung einer Kopplungsanordnung einer Hallplatte gemäß einer Ausführungsform ist;
7C eine schematische Darstellung einer Kopplungsanordnung eines Hallplattensystems gemäß einer Ausführungsform ist;
7D eine schematische Darstellung einer Kopplungsanordnung einer Hallplatte in zwei Betriebsphasen eines Spinning-Strom-Schemas gemäß einer Ausführungsform ist;
7E eine schematische Darstellung einer Kopplungsanordnung einer Hallplatte in zwei Betriebsphasen eines Spinning-Strom-Schemas gemäß einer Ausführungsform ist;
8A eine Darstellung einer Temperaturverteilung in einer Hallplatte gemäß einer Ausführungsform ist;
8B eine Darstellung eines vorübergehenden Temperaturverhaltens in einer Hallplatte gemäß einer Ausführungsform ist;
9 eine seitliche Querschnittsansicht einer Anordnung einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform ist;
10 eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform ist;
11 eine schematische Darstellung einer weiteren Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform ist;
12 eine schematische Darstellung einer weiteren Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform ist;
13 eine schematische Darstellung einer weiteren Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform ist;
14A und 14B Schaltdiagramme einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform sind.
Obwohl Ausführungsformen der Offenbarung verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen unterworfen werden können, werden spezifische Einzelheiten davon als Beispiel in den Zeichnungen dargestellt und detailliert beschrieben. Es ist jedoch klar, dass nicht beabsichtigt ist, die Offenbarung auf die besonderen beschriebenen Ausführungsformen zu begrenzen. Im Gegenteil soll die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in den Grundgedanken und Schutzumfang der Offenbarung, wie durch die beigeschlossenen Ansprüche definiert, fallen.
DETAILLIERTE OFFENBARUNG
Ausführungsformen betreffen Sensorsysteme und Verfahren, die Thermo-EMK-Effekte, welche restlichen Offset und sonstige Fehler in Sensorsystemen verursachen können, kompensieren können. In einer Ausführungsform umfasst ein Sensorsystem mindestens einen Temperatur- oder Temperaturgradientensensor, der in der Nähe eines ersten Sensorelements angeordnet ist, welcher konfiguriert ist, um eine physikalische Größe, wie etwa ein Magnetfeld, Temperatur, Druck, Kraft, mechanischer Stress oder eine sonstige physikalische Größe abzufühlen. Zum Beispiel umfasst das erste Sensorelement in einer Ausführungsform beispielsweise eine Hallplatte, wobei das Sensorsystem ein Hall-Effekt-Magnetfeld-Abfühlsystem umfasst, obwohl in weiteren Ausführungsformen andere Typen von Magnetfeldsensoren und Sensoren im Allgemeinen als erster Sensor verwendet werden können. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Vielzahl von Temperatursensoren verwendet werden, wobei jeder einzelne in der Nähe eines unterschiedlichen Sensorkontakts oder -elements angeordnet ist. In einem Beispiel, in dem die Hallplatte entsprechend eines Spinning-Betriebsschemas betrieben wird, kann der mindestens eine Temperatursensor konfiguriert sein, um in jeder Betriebsphase eine Temperatur abzufühlen, und die einzelnen abgefühlten Temperaturen können kombiniert und verwendet werden, um ein temperaturabhängiges Kompensationssignal bereitzustellen Thermo-EMK, die Eigenschaft, die Ausführungsformen kompensieren sollen, kann durch den Seebeck-Koeffizienten für ein jegliches besonderes Material quantifiziert werden. Für n-dotiertes Silizium mit einer Konzentration von ungefähr 10^16/cm³ was für die aktive Region von hier in einigen Ausführungsformen erörterten Halleffektvorrichtungen typisch ist, beträgt der Seebeck-Koeffizient ungefähr –1,200 μV/°C bei Raumtemperatur. N-dotiertes Poly-Silizium mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr 7 Milliohm·cm weist einen Seebeck-Koeffizienten von ungefähr 200 μV/°C auf, und n-dotiertes Poly-Silizium mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr 0,8 Milliohm·cm einen Seebeck-Koeffizienten von ungefähr 80 μV/°C. Aluminium, das häufig für Metallzwischenverbindungsleitungen in integrierten Schalttechnologien verwendet wird, weist einen vernachlässigbaren Seebeck-Koeffizienten von nur ungefähr –0,5 μV/°C auf. Diese Seebeck-Koeffizienten sind repräsentative Beispiele für Materialien, die zur Verwendung in Ausführungsformen geeignet sein könnten, doch ist diese Liste weder vollständig noch in Bezug auf Materialien, die verwendet werden dürfen oder können, als Einschränkung zu verstehen, wie Fachleute erkennen werden. Ferner ist der Seebeck-Koeffizient nicht von kritischer Bedeutung und die Ausführungsformen betreffen die Verringerung oder Beseitigung der zugrundeliegenden Thermo-EMK.
Ausführungsformen betreffen Situationen, in denen Ausgangssignale an Anschlüssen, die geringen zusätzlichen Spannungen aufgrund von Thermo-EMK ausgesetzt sein können, abgegriffen werden. In den meisten Fällen werden die Signale zwischen zwei Anschlüssen, die verschiedene Temperaturen aufweisen, abgegriffen, weshalb das abgegriffene Signal einen kleinen zusätzlichen Teil aufweist, der proportional zum Temperaturunterschied zwischen den Anschlüssen ist. In weiteren Fällen können die Signale zwischen einem Anschluss und einem Referenzanschluss, wie z. B. einem auf Massepotential liegenden, abgegriffen werden. Auch hier können der Anschluss und der Referenzanschluss unterschiedliche Temperaturen aufweisen, was geringe überlagerte zusätzliche Thermo-EMK-Signale verursachen kann. In noch weiteren Fällen kann ein Signal auf demselben Kontakt zu verschiedenen Zeitpunkten (z. B. in verschiedenen Betriebsphasen) abgegriffen werden, wobei dann mehrere abgefühlte Werte kombiniert werden, um ein Gesamtsignal bereitzustellen. Wenn die Temperatur auf dem Kontakt sich über die Zeit ändert, können die Signale durch eine geringe zusätzliche Thermo-EMK überlagert werden. Es ist ferner zu bedenken, dass die unterschiedlichen Temperaturen an den Anschlüssen das isothermische Signal (d. h. das Signal, wenn die Anschlüsse die gleiche Temperatur aufweisen würden) nicht beeinflusst, weshalb das isothermische Signal nicht durch einen vom Temperaturabschied abhängigen Faktor vervielfacht wird. Stattdessen ist das zwischen den Anschlüssen bei verschiedenen Temperaturen abgegriffene Signal gleich dem isothermischen Signal plus einem geringen zusätzlichen Thermo-EMK-Beitrag, der proportional zum Temperaturunterschied zwischen den Anschlüssen ist. Dies ist der Thermo-EMK-Beitrag, den die Ausführungsformen betreffen.
In Bezug auf 2A ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer Hallplatte 202 dargestellt. Die Darstellung in 2 ist nicht maßstabsgetreu. Die schematische Darstellung von 2, ebenso wie andere, die hier verwendet werden können, dienen als Beispiel sowie zur Veranschaulichung und werden durch diese Erörterung, die weiteren Figuren und diese gesamte Anmeldung ergänzt. Einige Zeichnungen können Blockdiagramme umfassen, wobei die Blöcke physikalische Objekte, Funktionen, Konzepte und/oder Kombinationen davon darstellen können. Während einige hier erörterte Ausführungsformen sich auf Magnetfeldsensoren, einschließlich Hall- und vertikale Hallvorrichtungen, beziehen, können in weiteren Ausführungsformen andere Sensoren verwendet werden, und die Verwendung und Darstellung der Hallplatte 202 in dieser Ausführungsform ist nicht als Einschränkung aufzufassen.
Eine Hallplatte 202 umfasst drei Kontakte 204a, 204b und 204c. In Ausführungsformen kann die Hallplatte 202 in einem Spinning-Schema betrieben werden, in dem die Kontakte 204a, 204b und 204c in verschiedenen Betriebsphasen unterschiedlich als Versorgungs- und Signalkontakte gekoppelt sein können. Wie zuvor erwähnt, sind verschiedene Kontakte der Hallplatte 202 in einem Spinning-Strom- oder -Spannungsschema in jeder sequenziellen Betriebsphase derart gekoppelt, dass die Stromflussrichtung oder die räumliche Stromverteilung in der Hallplatte 202 von einer Betriebsphase zur nächsten unterschiedlich ist. Die Anzahl an Kontakten und die Anzahl an Betriebsphasen kann in Ausführungsformen variieren.
Während in 2A eine einzelne Hallplatte 202 dargestellt ist, kann der Sensor in anderen Ausführungsformen eine Vielzahl von Hallplatten 202 umfassen, die auf ähnliche Weise in verschiedenen Betriebsphasen unterschiedlich miteinander gekoppelt sind. 2B zeigt einen Querschnitt der Hallvorrichtung 212, wo die Oberseite der Vorrichtung 212 gleich der Oberseite des Halbleitersubstrats ist. Im Gegensatz dazu ist 2A eine Draufsicht auf die Hauptfläche eines Halbleitersubstrats. 2B zeigt ein Beispiel einer vertikalen Hallvorrichtung 212, die drei Kontakte 214a, 214b, 214c umfasst und ähnlich wie die Hallplatte 202 betrieben werden kann, außer dass die vertikale Hallvorrichtung 212 auf eine unterschiedliche Magnetfeldkomponente als die Hallplatte 202 empfindlich ist, wie für Fachleute zu erkennen ist. 2C ist ebenfalls eine Draufsicht und zeigt eine beispielhafte oktogonale Hallplatte 202, die vier Kontakte oder Kontaktdiffusionen 204a, 204b, 204c, 204d umfasst. Wie zuvor erwähnt, können Größe, Form, Konfiguration und Anzahl an Kontakten, neben weiteren Eigenschaften, je nach Ausführungsform variieren, und die Hallplatte 202 bezieht sich hier im Allgemeinen auf Hallplatten ohne Einschränkung in Bezug auf die Ausführungsformen von 2A, 2C oder sonstige dargestellte Hallplatten, die vertikale Hallvorrichtung 212 von 2B, oder sonstige besondere Eigenschaften, die von Ausführungsform zu Ausführungsform variieren können. Die Hallplatte 202 umfasst eine aktive Region 226 und eine Begrenzung oder Isolierung der aktiven Region 226 am Umfang 227. 2D zeigt eine beispielhafte Potentialverteilung in der Hallplatte 202 während des Betriebs. Die Potentialverteilung in der Hallplatte 202 führt zur Verteilung von Temperaturen in der Hallplatte 202 oder zu einer räumlichen Temperaturverteilung. Die Effekte von Thermo-EMK können die Potentialverteilung in der Hallplatte 202 beeinflussen und damit auch die räumliche Temperaturverteilung darin.
In einer Ausführungsform kann mindestens ein Temperatursensor in der Nähe zur Hallplatte 202 angeordnet sein. Zum Beispiel kann die Hallplatte 202 auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sein, und ein Temperatursensor kann physikalisch sehr nahe bei einem oder mehreren Kontakten 204a, 204b, 204c, zur Hallplatte 202 im Allgemeinen oder zu einem sonstigen relevanten Abschnitt der Hallplatte 202 angeordnet sein. In einer Ausführungsform wird ein einzelner Temperatursensor verwendet, und dieser einzelne Temperatursensor ist konfiguriert, um Temperaturen in der Hallplatte 202, die den verschiedenen Wärmeverlusten, die in der Hallplatte 202 in verschiedenen Betriebsphasen des Spinning-Schemas auftreten können, zugeordnet sind, abzufühlen. Anhand dieser Messungen kann ein System 100 Thermo-EMK-Änderungen oder -Schwankungen von Phase zu Phase schätzen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Temperatursensor eine Vielzahl von Temperatursensorelementen, zum Beispiel eines, das jedem Kontakt der Hallplatte 202 zugeordnet ist, eines, das jeweils zwischen benachbarten Kontakten der Hallplatte 202 angeordnet ist und/oder eines, das eine Vielzahl von Drähten oder Anschlüssen umfasst, die mit der Hallplatte 202 derart gekoppelt sind, dass eine räumliche Temperaturverteilung in der Hallplatte 202 abgefühlt werden kann. Im Wesentlichen soll jedoch mindestens ein Temperatursensor Thermo-EMK-Fehlanpassungen zwischen verschiedenen Kontakten in der Hallplatte 202, z. B. zwei Kontakten, die in einer Differentialmessung verwendet werden, abfühlen und messen.
Der Temperatursensor kann ferner in Ausführungsformen verwendet werden, der Einzel-Ausgangsspannungen oder -Ströme im Gegensatz zu differentiellen Ausgängen umfasst. In diesen Ausführungsformen trägt die gesamte Thermo-EMK zum Ausgangssignal an einem Ausgangskontakt bei. Ein Beispiel ist eine vertikale Hallvorrichtung 212 von 2B, in der Strom zwischen zwei Kontakten fließt und ein Ausgangssignal ein an dem dritten Kontakt gemessenes Potential ist. Unabhängig davon, ob der jeweilige umgesetzte Sensor in einer einzigen Phase oder gemäß einem Mehrphasen-Spinning-Strom- oder -Spannungsschema betrieben wird, ist die Thermo-EMK an jedem Ausgang oder Signalanschluss in jeder Betriebsphase relevant für den Kompensationsaufwand. Die vertikale Hallvorrichtung 212 kann auch in Spinning-Schemata in weiteren Ausführungsformen verwendet werden.
Der Temperatursensor kann während des Abfühlens der Hallplatte 202 in Ausführungsformen abgefühlt werden, sodass eine momentane Temperatur erhalten werden kann. In einem Beispiel sind Betriebsphasen einer Sensorvorrichtung, die die Hallplatte 202 umfasst, mindestens ungefähr 1 Mikrosekunde (μs) lang, zum Beispiel ungefähr 2 μs, und es ist ein Temperatursensor erforderlich, der damit Schritt halten und Signale in geeigneten Zeitintervallen abfühlen kann. In Ausführungsformen ist der Temperatursensor daher einer, der eine geringe thermische wirksame Masse und Wärmespeicherkapazität aufweist. Der Temperatursensor kann ferner in Ausführungsformen eine hohe Bandbreite aufweisen. Zum Beispiel kann, wenn der Hallsensor 202 in einem Spinning-Strom-Schema bei 500 kHz betrieben wird, eine geeignete Bandbreite ungefähr 1 MHz sein. Ferner ist es von Vorteil, wenn Ausführungsformen für den Temperatursensor eine hohe räumliche Auflösung aufweisen, um räumliche Temperaturgradienten in der Hallplatte 202 zu detektieren. In Ausführungsformen beträgt die räumliche Auflösung des Temperatursensors mindestens ungefähr 10 Mikrometer (μm), zum Beispiel ungefähr 1 μm. Außerdem kann der Temperatursensor in Ausführungsformen relativ simpel sein, um nicht zusätzliche Komplexität und Kosten für das gesamte Sensorsystem zu verursachen, zumal er, ebenso wie das zugrundeliegende Ziel der Thermo-EMK-Kompensation, eine Nachrüst-Funktion in verschiedenen Sensorsystemen und Umsetzungen sein kann. Der Temperatursensor sollte ferner keine parasitäre Effekte hinzufügen oder verstärken, wie Hochtemperatur-Leckströme oder Streukapazitäten, besonders solche, die sich auf den Hallsensor auswirken könnten. Somit sind Temperatursensoren, die zu viel Leistung, hochentwickelte Signalverarbeitung, eine große Fläche oder sonstige Merkmale, die die Kosten oder den Bedarf an Ressourcen in einem Sensorsystem steigern können, erfordern, in den meisten Ausführungsformen möglicherweise weniger gut geeignet, könnten jedoch in bestimmten spezialisierten Anwendungen angewandt werden.
Gleich, ob der Temperatursensor ein einziges Temperatursensorelement oder eine Vielzahl davon umfasst, und ob der Temperatursensor gemäß den Ausführungsformen von 3, 4 oder anderen unten erörterten Ausführungsformen umgesetzt ist, der Temperatursensor kann in jeder Betriebsphase eines Spinning-Schemas der Hallplatte 202 oder einer sonstigen Sensorvorrichtung betrieben werden. In weiteren Ausführungsformen braucht der Temperatursensor nicht in jeder Phase betrieben zu werden. Die verschiedenen Temperatursignale des Temperatursensors von einzelnen Phasen können kombiniert werden, während die einzelnen Phasensignale von der Hallplatte 202, durch dieselbe oder eine andere Schaltung, auf dem Chip oder nicht, ebenfalls kombiniert werden können. Es können ein Temperatursignal und ein Spinning-Ausgangssignal bestimmt werden, wobei das Temperatursignal verwendet wird, um ein temperaturabhängiges Offset-Korrektursignal zu bestimmen, das mit dem Spinning-Ausgangssignal kombiniert werden kann, um ein Gesamtsystem-Ausgangssignal bereitzustellen.
Zum Beispiel und in Bezug auf 21 kann ein Raumgradienten-Temperatursensor 230 auf einem Substrat 234 in thermischer Nähe zu einem weiteren Sensorelement 232 platziert sein, das einen Spinning-Hallsensor oder einen sonstigen Sensor in verschiedenen Ausführungsformen umfassen kann. Der Sensor 230 ist konfiguriert, um einen räumlichen Temperaturgradienten im Sensorelement 232 während mindestens eines Abschnitts von mindestens einer Betriebsphase abzufühlen. Zum Beispiel kann der Sensor 232 in einer Vielzahl von Betriebsphasen entsprechend einem Spinning-Schema in einer Ausführungsform betrieben werden. Eine Schaltung 236, die in Ausführungsformen auf dem Substrat 234 oder an anderer Stelle angeordnet sein kann, ist mit den Sensoren 230 und 232 gekoppelt und kann konfiguriert sein, um Signale des Sensors 232 in Bezug auf eine abgefühlte physikalische Größe (z. B. ein Magnetfeld) in jeder der mindestens einen Betriebsphasen zu kombinieren und um Signale vom Sensor 230 in Bezug auf einen abgefühlten räumlichen Temperaturgradienten im Sensor 232, der während desselben Abschnitts der mindestens einen Betriebsphase abgetastet wurde, zu kombinieren. Diese Signale können dann kombiniert werden, um ein Gesamtausgangssignal zu erhalten, das die physikalische Größe anzeigt. Unter Verwendung der kombinierten Signale vom Sensor 230 kann eine Offset-Korrektur bestimmt und beim Kombinieren verwendet werden, um das Gesamtausgangssignal zu erhalten, wodurch das Gesamtausgangssignal für einen Offset in Bezug auf Thermo-EMK korrigiert wird.
Was spezifische beispielhafte Ausführungsformen eines Temperatursensors und/oder Sensors für räumliche Temperaturgradienten betrifft, umfasst der Sensor in einer beispielhaften Ausführungsform einen pn-Übergang. Pn-Übergänge werden oft verwendet, um eine Temperatur auf Halbleitersubstraten zu messen, und können somit in verschiedenen Ausführungsformen geeignet sein. Pn-Übergänge bieten weiters den Vorteil, dass sie relativ leicht sehr nah zu den Kontakten z. B. einer Hallplatte 202 angeordnet werden können. Eine beispielhafte Ausführungsform eines Temperatursensors 104, der einen pn-Übergang umfasst, ist in 3 dargestellt. Der Temperatursensor 104 ist in der Nähe einer Hallplatte 202, insbesondere des Kontakts 204a, beabstandet auf einem Substrat 302 in einem Abstand d mit optionaler galvanischer Isolierung. In weiteren Ausführungsformen können der Temperatursensor 104 und die Hallplatte 202 elektrisch gekoppelt sein, obwohl dies einen Effekt auf die Leistungsfähigkeit von einem oder beiden der Hallplatte 202 und des Sensors 104 haben würde und daher möglicherweise nicht für jede Umsetzung geeignet ist.
Der Temperatursensor 104 umfasst eine n-Wanne 304 und eine p-Wanne 306, obwohl diese in anderen Ausführungsformen umgekehrt sein können, und ist durch eine konstante Stromquelle 308 vorgespannt. Die Spannung an der Stromquelle 308 ist eine starke Funktion von Temperatur und kann daher als Temperatursensor verwendet werden. Es können zusätzliche Komponenten, die nicht spezifisch dargestellt sind, einschließlich Signalverarbeitungsschaltungskomponenten wie Präzisionsverstärker und Analog-Digital-Umsetzer (ADC), in verschiedenen Ausführungsformen umfasst sein.
Eine alternative Ausführungsform zu der in 3 dargestellten ist in 4 gezeigt. Hier ist die Temperaturabfühlung mit einem Hall- oder sonstigen Sensor oder Vorrichtungstyp integriert, indem zusätzliche Kontakte, Anschlüsse, Drähte und/oder sonstige Elemente bereitgestellt sind, um Temperaturen und/oder räumliche Temperaturgradienten in der Hallplatte 202 abzufühlen. Die Temperaturabfühlung der Ausführungsform von 4 kann simpler sein als die von 3 und kann die Temperatur oder einen Temperaturgradienten an oder in Kontakten der Hallplatte 202 basierend auf thermischen Spannungsunterschieden zwischen verschiedenen Materialien bestimmen.
In 4A sind zwei Anschlüsse 204a und 204b auf einer Hallplatte 202 gezeigt (z. B. wie in 2C oder einer anderen Figur gezeigt, oder mit einer anderen Konfiguration, gleich ob diese explizit gezeigt ist oder nicht). Die Anschlüsse 204a und 204b können in Ausführungsformen Drähte, Metallleitungen oder eine sonstige geeignete Konfiguration umfassen. Im Allgemeinen können ein Anschluss oder ein Draht eine Vorrichtung, Schaltung oder Schaltungskomponente mit einem Widerstand sein, der weniger als ungefähr 10 mal ein Signalausgangswiderstand einer Sensorvorrichtung am entsprechenden Kontakt, den der Anschluss oder Draht abgreift, obwohl dies in Ausführungsformen variieren kann. Es kann in Ausführungsformen von Vorteil sein, Drähte oder Anschlüsse mit einem geringen Widerstand und geringen parasitären Effekten zu haben. Die Anschlüsse 204a und 204b sowie die Anschlüsse 410a und 410b weisen im Allgemeinen die gleiche Temperatur T auf. Obwohl dies in 4A nicht gezeigt ist, können die Anschlüsse 204a und 240b (z. B. über eine oder einen Stapel von Wolfram-Stopfen) mit Transistorpaaren in einer Signalverstärker- oder sonstigen Schaltung, die ebenfalls isothermisch angeordnet ist, gekoppelt sein.
Die Schaltung und Elemente von 4A können relativ zu einem oder mehreren Kontakten einer Hallplatte oder sonstigen Vorrichtung angeordnet sein, und die Hallplatte kann in einer Ausführungsform eine niedrig dotierte n-Region oder in weiteren Ausführungsformen eine andere Konfiguration oder Zusammensetzung umfassen. Die Anschlüsse 204a und 204b sind jeweils durch Stopfen 402 mit einer Zwischenverbindungsleitung 404a und 404b gekoppelt, die zwischen Zwischenmetalloxidschichten in oder auf dem Substrat 400 angeordnet sein können. In Ausführungsformen können Stopfen 402 mit Wolfram befüllten Löcher umfassen, die in Intermetalloxidschichten des Substrats 400 geätzt oder auf sonstige Weise ausgebildet wurden, obwohl weitere Materialien, Konfigurationen und Ausbildungsverfahren in anderen Ausführungsformen verwendet werden können. Die Zwischenverbindungsleitungen 404a und 404b können in Ausführungsformen Leitungen, Drähte oder sonstige geeignete Strukturen umfassen und über verschiedene zusätzliche Stopfen 403a, 403b, die dieselben oder unterschiedlich voneinander sein können, und/oder Stopfen 402 die Kontakte 204a und 204b des Sensors mit den jeweiligen Kontaktdiffusionen 406a und 406b koppeln. In einer Ausführungsform umfassen die Kontaktdiffusionen 406a und 406b dünne n + S/D-Kontaktdiffusionen, die in den Regionen 408a und 408b ausgebildet sind. Die Kontaktdiffusionen 406a und 406b sind jeweils mit Anschlüssen 410a und 410b über Stopfen 403a und 403b verbunden und können jeweils einen Ausgangskontakt des Sensors zum Bereitstellen eines Signals in Bezug auf die vom Sensor abgefühlte physikalische Größe oder einen Referenzpunkt zur Verwendung beim Abfühlen eines Temperaturunterschieds zwischen zwei Punkten umfassen.
In Ausführungsformen können die Anschlüsse 410a und 410b Drähte, Metallleitungen oder sonstige geeignete Materialien oder Strukturen umfassen. Im Allgemeinen können die in 4A gezeigten Elemente 204a, 204b, 404a, 404b, 410a und 410b jeweils als Draht, Anschluss, Verbindung oder sonstige Struktur angesehen werden, einschließlich in verschiedenen Zusammenhängen, da die Figur eine teilweise Darstellung und rein beispielhaft ist, obwohl verschiedene Begriffe (z. B. Zwischenverbindungsleitung gegenüber Anschlüsse und/oder Drähte) hier als Beispiel und zur Veranschaulichung verwendet werden können. Was in Ausführungsformen von größerem Interesse sein kann, ist der Seebeck-Koeffizient und/oder das Material, das diese Elemente 204a, 204b, 404a, 404b, 410a und 410b umfassen, besonders hinsichtlich ihres Bezugs zueinander und der Stelle, an der Signale abgegriffen werden (d. h. zwischen welchen Anschlüssen und/oder Drähten, und/oder zwischen Kontakten), oder verschiedenen Ausführungsformen in sonstiger Hinsicht.
In Ausführungsformen umfassen zum Beispiel Zwischenverbindungsleitungen 404a und 404b ein unterschiedliches Material und/oder sie weisen einen anderen Seebeck-Koeffizienten als die Anschlüsse 410a, 410b auf. In einer Ausführungsform umfassen die Zwischenverbindungsleitungen 404a und 404b ein Halbleitermaterial, wie etwa Polysilizium, Silizium, Germanium, ein Einzelkristall-Halbleitermaterial oder ein polykristallines Halbleitermaterial, obwohl in anderen Ausführungsformen andere Materialien verwendet werden können, sodass das Material der Zwischenverbindungsleitungen 404a und 404b eine andere Kontaktspannung als das Material der Anschlüsse 410a, 410b aufweist. In einer weiteren Ausführungsform können die Materialien derart ausgewählt sein, dass die Differenz zwischen ihren Seebeck-Koeffizienten maximiert ist. Somit kann es einen Unterschied von Thermo-EMK zwischen den Materialien geben, der an den Anschlüssen 410a und 410b und den Anschlüssen 204a und 204b abgefühlt und zur Messung der Thermo-EMK verwendet werden kann. Hier wird nun durchgehend ein Beispiel herangezogen, in dem Verbindungen 404a und 404b Polysilizium umfassen und Anschlüsse 410a und 410b ein Metall umfassen, obwohl dieses Beispiel in Bezug auf weitere Ausführungsformen nicht als Einschränkung zu verstehen ist. Das Potential kann daher an den Enden der Anschlüsse 410a und 410b abgegriffen werden, aber auch an den Anschlüssen 204a und 204b, sodass die Anschlüsse 204a und 204b verwendet werden können, um ein Differenzsignal zu messen, das dann mit einem Differenzsignal an den Anschlüssen 410a und 410b verglichen werden kann, die sich um die thermischen Kontaktspannungen zwischen den Polysilizium der Zwischenverbindungsleitungen 404a und 404b und dem Metall der Zwischenverbindungsleitungen 410a und 410b voneinander unterscheiden sollten.
Mit anderen Worten, ein zwischen den Anschlüssen 410a und 410b gemessenes Signal kann einen unbekannten Thermo-EMK-Beitrag umfassen, der mindestens teilweise durch unterschiedliche Temperaturen T1, T2 der jeweiligen Kontakte 406a, 406b verursacht ist, und ein zwischen den Anschlüssen 204a und 204b gemessenes Signal kann den gleichen unbekannten Thermo-EMK-Beitrag zusätzlich zu einem Beitrag von den Polysilizium-Zwischenverbindungsleitungen 404a und 404b umfassen. Es besteht eine starke Korrelation zwischen dem zusätzlichen Polysilizium-Beitrag und dem unbekannten Thermo-EMK-Beitrag, weil sie proportional zum Temperaturunterschied T1 – T2 der Kontakte 406a und 406b sind. Somit gilt Folgendes: V(C1') – V(C2') = F[B] + Off' und V(C1'') – V(C2'') = F[B] + Off'' wobei F[B] eine Funktion des Magnetfelds ist, wobei F[0] = 0 und Off'' = Off' + k(T1 – T2), wobei k die Differenz zwischen den Seebeck-Koeffizienten der Materialien der Anschlüsse 410a und 410b und den Zwischenverbindungsleitungen 404a und 404b ist. C1' steht für den Anschluss 410a, 02' steht für den Anschluss 410b, C1'' steht für den Anschluss 204a und C2” steht für den Anschluss 204b in einer Betriebsphase, obwohl die Kopplungsanordnungen sich von einer Betriebsphase zur nächsten ändern werden. Besonders in Bezug auf 4: V(204a) – V(204b) = k(404a)·(T1 – T') + k(408)·(T2 – T1) + V(408ab) + k(404b)·(T' – T2) V(410a) – V(410b) = k(410a)·(T1 – T') + k(408)·(T2 – T1) + V(408ab) + k(410b)·(T' – T2) → V(204a) – V(204b) – (V(410a) – V(410b)) == (k(404a) – k(410a))·(T1 – T') + (k(404b) – k(410b))·(T' – T2)
Hier wird davon ausgegangen, dass die leitfähigen Regionen 408a und 408b einen effektiven Seebeck-Koeffizienten k(408) aufweisen und dass bei isothermischen Bedingungen (T1 = T2) eine Spannung V(408ab) (z. B. eine Ausgangsspannung einer Halleffektvorrichtung) zwischen den Regionen 408a und 408b vorhanden ist, die z. B. an den Kontaktdiffusionen 406a und 406b abgegriffen sind. Dies setzt voraus, dass die Differenz zwischen den effektiven Seebeck-Koeffizienten des Drahts oder der Verbindung 404a und des Drahts oder des Anschlusses 410a die gleiche ist wie die Differenz zwischen den effektiven Seebeck-Koeffizienten der Verbindung 404b und dem Draht oder Anschluss 410b. Dies kann, wie oben erörtert, in Ausführungsformen berücksichtigt sein, indem die Verbindungen 404a und 404b das gleiche Material umfassen, und die Drähte oder Anschlüsse 410a und 410b das gleiche Material umfassen. Es ist darauf hinzuweisen, dass der „effektive” Seebeck-Koeffizient von Interesse ist, weil ein einzelner Seebeck-Koeffizient eines Abschnitts oder Materials der gleiche sein könnte. Die effektiven Seebeck-Koeffizienten von anderen Teilen oder Abschnitten des Sensorsystems sind im Allgemeinen nicht relevant, solange die Teile oder Abschnitte allgemein eine homogene Temperatur aufweisen. Zum Beispiel sind in 4a die effektiven Seebeck-Koeffizienten der Stopfen 402, die Wolfram umfassen, nicht relevant, weil in ihnen jeweils keine räumlichen Temperaturgradienten vorliegen. Es macht daher keinen Unterschied, ob der Anschluss 410a mit der Kontaktdiffusion 406a direkt oder über einem einzigen Wolframstopfen oder über einem Stapel von zwei oder mehreren Wolframstopfen gekoppelt ist, solange einen einzelnen Wolframstopfen keinen signifikanten Temperaturunterschied innerhalb seines Körpers aufweist. Somit wäre es in 4A auch möglich, einen ersten Wolframstopfen zwischen dem Kontakt 406a und dem Draht 404a sowie einen Stapel von zwei weiteren Wolframstopfen zwischen dem Kontakt 406a und dem Anschluss 410a zu haben, sodass kein direkter Kontakt zwischen dem Stapel der zwei weiteren Wolframstopfen und dem Draht 404a besteht. In der Praxis kann eine große Anzahl von Wolframstopfen zwischen der Kontaktdiffusion 406a und dem Draht 404a oder dem Draht 410a, die alle elektrisch parallel geschaltet sind, verwendet werden. Da die Kontaktdiffusionen eine finite Größe aufweisen, ist der Platz für Wolframstopfen dort begrenzt, und werden üblicherweise Schichten übereinander gestapelt, wobei jede Schicht eine große Anzahl an parallel geschalteten Stopfen aufweist, wie in 4A beispielhaft für einen einzigen Stopfen pro Schicht gezeigt wird. Somit gilt: V(204a) – V(204b) – (V(410a) – V(410b)) = (k(404a) – k(410a))·(T1 – T2)
Dies ermöglicht eine Messung eines Temperaturunterschieds T1 – T2, wenn die Seebeck-Koeffizienten wie oben erwähnt (z. B. zwischen dem Draht oder der Verbindung 404a und dem Draht oder dem Anschluss 410a, und zwischen der Zwischenverbindung 404b und dem Draht oder Anschluss 410b) unterschiedlich sind.
Der Offset des ersten Sensors (z. B. der Halleffektvorrichtung) umfasst einen Roh-Offset Off und einen thermoelektrischen Beitrag Off_therm entsprechend Off' = Off + Off_therm. Der thermoelektrische Beitrag Off_therm weist eine starke Korrelation mit dem Temperaturunterschied T1 – T2 auf.
Während dies für eine einzige Betriebsphase gültig ist, wird in einem Spinning-Schema die Hallplatte 202 in verschiedenen Phasen betrieben, und es wird ein Gesamtsignal als Summe über alle einzelnen Phasen berechnet: S' = Σ(V(C1') – V(C2') = Σ(F[B] + Off') = Σ(F[B] + Off + Off_therm) gemessen an den Anschlüssen 410a und 410b, und S'' = Σ(V(C1'') – V(C2'') = Σ(F[B] + Off') = Σ(F[B] + Off + k(T1 – T2) + Off_therm) gemessen an den Anschlüssen 204a und 204b, wobei die Indizes sich entsprechend der Betriebsphasen ändern. Der Unterschied kann dann durch das Sensorsystem berechnet werden: S'' – S' = Σk(T1 – T2)
Aufgrund der starken Korrelation kann dieser Unterschied berechnet werden, um den restlichen Offset ΣOff_therm zu berechnen. Ein Weg, um diese Schätzung zu erhalten, ist das Multiplizieren mit einem vordefinierten Faktor x: ΣOff_therm ≅ xΣk(T1 – T2)
Dieser Faktor x kann von der Technologie und der Geometrie des Hallsensors abhängen sowie von der Temperatur, Betriebsfrequenz, elektrischen Vorspannung und jeglichem mechanischen Stress, die auf den Sensor einwirkt. In Ausführungsformen kann x basierend auf einer Charakterisierung von Sensorvorrichtungen in Tests im Labor oder auf Herstellungsebene bestimmt werden. Sobald ΣOff_therm bestimmt ist, kann es von S' subtrahiert werden, um ein Signal ohne Offset aufgrund von Thermo-EMK zu erhalten. Aufgrund der Spinning-Hall-Schemata verschwindet der rein resistive Offset (d. h. derjenige, der durch eine asymmetrische Wheatstonesche Brückenschaltung in einem äquivalenten Schaltungsdiagramm beschrieben werden kann), ΣOff = 0, sodass S' – ΣOff_therm = S' – x(S'' – S') == (1 + x)S' – xS'' ohne jeglichen Offset ist.
Ein einfacher Weg, um einen Temperaturunterschied zwischen den Kontaktdiffusionen 406a und 406b zu messen, kann daher folgendermaßen aussehen, wobei T1 die Temperatur an der Kontaktdiffusion 406a und T2 die Temperatur an der Kontaktdiffusion 406b ist: T1 – T2 = (1/k)·(V(204a) – V(204b) – (V(410a) – V(410b))) wobei k die Differenz zwischen den Seebeck-Koeffizienten der Metallleitungen (z. B. der Anschlüsse 410a und 410b) und den Polysilizium-Leitungen (z. B. Verbindungen 404a und 404b) ist. Dies kann in Ausführungsformen wirksam umgesetzt werden, da V(410a) – V(410b) und V(204a) – V(204b) bereits durch die Signalverarbeitungsschaltung des Sensors berechnet werden. Es wird daher in Ausführungsformen keine spezifische Hardware, wie Vorverstärker und ADCs, benötigt, um T1 – T2 zu berechnen. In einer weiteren Ausführungsform kann T1 – T' durch Bestimmen von V(410a) – V(204a) und T2 – T' durch Bestimmen von V(410b) – V(204b) erhalten werden, obwohl spezifische Vorverstärker, die andernfalls vom Sensor nicht benötigt werden, erforderlich sein können.
Somit kann ein Sensorsystem, wie in 5A, als System 500, das eine Hallplatte 202 umfasst, dargestellt werden. Wie hier an anderer Stelle bereits erwähnt, kann die Hallplatte 202 von 5A oder jeder sonstigen Figur (z. B. 6, 7) oder Ausführungsform, gleich ob explizit dargestellt oder nicht, wie in einer der Figuren (z. B. 2A oder 2C), mit einer sonstigen anderen, nicht explizit dargestellten Konfiguration, dargestellt werden, oder eine vertikale Hallvorrichtung umfassen (z. B. die Hallvorrichtung 212 von 2B oder mit einer sonstigen hier nicht explizit dargestellten Konfiguration). Die Ausgangssignale sind an den Kontaktdiffusionen 406a und 406b durch Elemente (z. B. Anschlüsse 204a, 204b, 410a, 410b und Zwischenverbindungsleitungen 404a und 404b) abgegriffen, die zwei verschiedene Materialpaare ausbilden, welche unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten aufweisen, wie oben erörtert, um einen ersten Satz von Phasensignalen (z. B. Anschlüsse 410a und 410b, die z. B. Metall umfassen) und einem zweiten Satz von Phasensignalen (z. B. Zwischenverbindungsleitungen 404a und 404b, die z. B. ein Halbleitermaterial umfassen und über die Anschlüsse 204a und 204b abgegriffen sind) zu erhalten. Die Signale von allen Phasen werden dann in den Schaltblöcken 506 und 508 kombiniert, und ein Unterschied im kombinierten Signal wird im Block 510 bestimmt. In einer Ausführungsform können die Blöcke 506 und 508 kombiniert und Zeit-gemultiplext werden, wobei Metall- oder Polysilizium-Phasensignale in irgendeiner bestimmten Phase erhoben und dann in einem Speicher gespeichert werden, bis sie im Block 510 kombiniert werden. Die Ausgabe von Block 510 ist eine Messung von Temperaturasymmetrien im Sensor während den verschiedenen Betriebsphasen und/oder von Temperaturschwankungen der Kontakte (z. B. Kontakte 204a, 204b) während der verschiedenen Betriebsphasen. Sie kann gleich S'' – S' = Σk(T1 – T2) sein. In Ausführungsformen sollte dies mit dem restlichen Offset korrelieren.
Diese Differenz, die Ausgabe von Block 510, wird dann verwendet, um den restlichen Offset im Block 512 zu schätzen. Seine Ausgabe kann gleich xΣk(T1 – T2) sein. Dieser geschätzte restliche Offset wird dann vom Spinning-Ausgangssignal von Block 508 bei Block 514 subtrahiert, um ein Gesamtausgangssignal mit signifikant verringertem oder beseitigtem restlichen Offset zu erhalten, z. B. entsprechend (1 + x)S' – xS'' = ΣF[B].
In der Praxis gibt es verschiedene Wege der Umsetzung eines Systems 500, das wie das System 100 von 1 eine konzeptuelle oder verallgemeinerte Darstellung eines Systems und seines Betriebs gemäß einer Ausführungsform ist. In einer Ausführungsform kann ein erster Verstärker für den ersten Satz von (z. B. Metall-)Phasensignalen und ein zweiter Verstärker für den zweiten Satz von (z. B. Polysilizium-)Phasensignalen verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform können der erste und der zweite Satz von Phasensignalen derart gemultiplext werden; dass in einem ersten Spinning-Schema der erste Satz von Phasensignalen verstärkt und verarbeitet wird und in einem zweiten Spinning-Schema der zweite Satz von Phasensignalen durch den-/dieselben Verstärker verstärkt wird. Diese zweite Ausführungsform kann hinsichtlich ihrer Umsetzung kostengünstiger sein, doch kann auch ihre Bandbreite aufgrund von Änderungen des Magnetfelds zwischen dem ersten und dem zweiten Spinning-Schema beschränkt sein. Nichtsdestotrotz kann diese Ausführungsform bei niedrigen Bandbreiten genauer sein, da jegliche Verstärkerfehler beseitigt werden, wenn die zwei Spinning-Ausgangssignale kombiniert werden. Eine weitere Ausführungsform des Systems 500 ist in 5B dargestellt, in der der kombinierte zweite Satz von Phasensignalen (d. h. die Ausgabe von Block 506) ferner verwendet wird, um das Gesamtausgangssignal bei Block 512 zu bestimmen.
Zurück zu 4. 4B zeigt die Hälfte des Systems von 4A mit einer Veränderung der Kopplungen: Anstatt beide Drähte 404a, 410a direkt oder über den Wolframstopfen 403a mit der Kontaktdiffusion 406a der ersten Sensorvorrichtung 202 zu verbinden, ist auch ein kurzer Draht der Länge d1 zwischen der Kontaktdiffusion 406a und dem Punkt, an dem beide Drähte miteinander verbunden sind, möglich. Wenn d1 viel kleiner ist als d2 kann die Temperatur T11 viel näher bei der Temperatur T1 liegen als bei der Temperatur T. Also misst das Differentialeingangspaar einer Evaluierungsschaltung 499 (z. B. in einer Ausführungsform ein Vorverstärker) ein Signal, das proportional zum Temperaturunterschied T' – T11 ist, der nahe zum Temperaturunterschied T' – T1 ist. Es gilt T' – T1 = x'·(T' – T11). Das gleiche kann mit dem zweiten Teil des Systems, der in 4A mit „b” markiert ist, gemacht werden, sodass T' – T2 = x'·(T' – T22) gilt, wobei T22 die Temperatur dort, wo 410b und 404b kurzgeschlossen sind, ist. Wenn eine solche Verdrahtung in Verbindung mit 5A verwendet wird, würde die Ausgabe von Block 512 xΣk(T1 – T2) = xx'Σk(T11 – T22) werden. Dies zeigt, dass die Änderung der Temperaturunterschiede T1 – T2 zu T11 – T22 nur eine geringe Veränderung des Faktors x zu xx' für die Offset-Kompensation bedeutet. Wenn der Abstand d1 in Bezug auf d2 nicht klein ist, würde dies zu einer beachtlichen Verschlechterung bei der Messung von Temperaturunterschieden führen, weil (i) diese Unterschiede abnehmen und (ii) der Wärmeeinfluss von weiteren Teilen des Systems auf T11, T22 zunimmt, sodass sie schlussendlich nicht mehr vorwiegend durch die Kontakttemperaturen T1, T2 bestimmt werden.
In einer weiteren Ausführungsform und bezugnehmend auf 6A wird eine Spannung zwischen Anschlüssen, die mit einem ersten Kontakt gekoppelt sind, gemessen, und anschließend eine Spannung zwischen Anschlüssen, die mit einem zweiten Kontakt gekoppelt sind, mit anderen Worten und bezugnehmend auf 6A: V(204a) – V(410a) = k(404a)·(T1 – T') + k(410a)·(T' – T1) V(204b) – V(410b) = k(404b)·(T2 – T) + k(410b)·(T' – T2)
Wenn die Seebeck-Koeffizienten der Zwischenverbindungen 404a und 404b gleich sind, und die Seebeck-Koeffizienten der Drähte oder Anschlüsse 410a und 410b, dann gilt: V(204a) – V(410a) – (V(204b) – V(410b)) = k(404)·(T1 – T2) + k(410)·(T2 – T1) = (k(404) – k(410))·(T1 – T2)
In 6A sind die Regionen 408a und 408b Abschnitte verschiedener Wannen, wie etwa zwei Kontakte, einer jeweils in einer einer ersten und einer zweiten Wamme einer Hallvorrichtung, obwohl in anderen Ausführungsformen die Regionen 408a und 408b sich in verschiedenen Vorrichtungen befinden können oder einen Teil von etwas anderem als einer Wanne in einer oder verschiedenen Vorrichtungen umfassen können. In Ausführungsformen koppelt die Schaltung 401 zwei Kontakte 405a und 405b der Regionen 408a und 408b. Dann gilt: (204a) – V(204b) = k(404a)·(T1 – T') + k(408a)·(T1' – T1) + V(1'1) + V(2'1') + V(22') + k(408b)·(T2 – T2') + k(404b)·(T' – T2) V(410a) – V(410b) = k(410a)·(T1 – T') + k(408a)·(T1' – T1) + V(1'1) + V(2'1') + V(22') + k(408b)·(T2 – T2') + k(410b)·(T' – T2) → V(204a) – V(204b) – (V(410a) – V(410b)) == (k(404a) – k(410a))·(T1 – T') + (k(404b) – k(410b))·(T' – T2)
Dabei wird ein Spannungsabfall in der Schaltung 401 als V(2'1'), der Spannungsabfall zwischen 405a und 406a als V(1'1), und der Spannungsabfall zwischen 406b, 405b als V(22') bezeichnet. Für k(404a) – k(410a) = k(404b) – k(410b) erhalten wir erneut V(204a) – V(204b) – (V(410a) – V(410b), was proportional zu (T1 – T2) ist, sodass der Temperaturunterschied durch eine Differenz der Signale an den Anschlüssen 410a, 410b und 204a, 204b gemessen werden kann.
In Bezug auf 6B umfasst eine weitere Ausführungsform des Systems 500 zwei Multiplikationsfaktoren K1 und K2, die ausgewählt sein können, um dieselben Berechnungen durchzuführen, wie die in Bezug auf 5B gezeigten und besprochenen. In einer vereinfachten Darstellung und in Bezug auf 6C kann der Block 508 eine oder mehrere der Vorgangsweisen ausführen, die wenigstens konzeptuell in einem einzelnen Schaltungsberechnungsblock 508 in 5A, 5B oder 6B separat gezeigt sind.
Wenden wir uns kurz wieder 2 und den darin gezeigten beispielhaften Hallvorrichtungen zu: 2E, 2F, 2G und 2H zeigen vier Betriebsphasen einer Hallplatte 202 mit vier Kontakten 1, 2, 3 und 4. Die Hallplatte 202 weist eine 90-Grad-Symmetrie auf und ist als einfaches Quadrat dargestellt, wobei die Kontakte 1 bis 4 an den vier Ecken angeordnet sind, obwohl dies je nach Ausführungsform variieren kann. In einem Spinning-Spannungs-Schema mit vier Phasen 1 bis 4 ist die Versorgungsspannung Vs mit dem Kontakt 1 bis 4 mit derselben Phasennummer gekoppelt, und der Kontakt gegenüber diesem Kontakt ist mit einem Massepotential gekoppelt. Die zwei übrigen Kontakte sind derart kurzgeschlossen, dass das Ausgangssignal gleich dem zwischen ihnen fließenden Strom ist. Zum Beispiel ist in 2E Phase 1 gezeigt, in der der Kontakt 1 mit Vs gekoppelt ist und der Kontakt 3 mit einem Massepotential gekoppelt ist. Ein Ausgangssignal wird zwischen den Kontakten 2 und 4 gemessen. Der Ausgangsstrom kann daher wie folgt sein: I24,1 = F1[B] + Off1 + k(T2,1 – T4,1) + Off1, therm
Dreht man die Kopplungsanordnung von 2E im Uhrzeigersinn um einen Kontakt weiter, werden in den nächsten drei Phasen folgendes Ausgangssignale bereitgestellt: I31,2 = F2[B] + Off2 + k(T3,2 – T1,2) + Off2,therm I42,3 = F3[B] + Off3 + k(T4,3 – T2,3) + Off3,therm I13,4 = F4[B] + Off4 + k(T1,4 – T3,4) + Off4,therm
Das jeweils erste Element jeder Gleichung, z. B. F2[B], stellt eine Magnetfeldabhängigkeit dar, von der ausgegangen wird, dass sie in jeder Phase unterschiedlich ist, was aber nicht unbedingt der Fall ist. Off1 stellt zum Beispiel einen resistiven Offset-Term für die erste Phase dar, die von einem angelegten Potential abhängen kann und vollständig durch ein Äquivalenz-Schaltungsdiagramm definiert ist, z. B. in Form einer asymmetrischen Wheatstoneschen Brückenschaltung. Der Term k(T2,1 – T4,1) steht zum Beispiel für eine durch wärmegekoppelte Kontakte verursachte Thermo-EMK, die Aluminium- oder Polysilizium-Zwischenverbindungsleitungen umfassen kann (siehe z. B. 4). Der letzte Term, Off1,therm, steht für eine Thermo-EMK, die innerhalb einer aktiven Region der Hallplatte 202 aufgrund einer inhomogenen Temperatur und/oder von inhomogenen Dotierungsgradienten auftritt.
Die Summe der an den Metallleitungen (z. B. Anschlüsse 410a und 410b in 4) abgegriffenen Ströme, für die k ≈ 0, ist:
wobei die Summe der an den Polysiliziumleitungen (z. B. Zwischenverbindungsleitungen 404a und 404b) abgegriffenen Ströme wie folgt ist: I_p = I_m + k(T_2,1 – T_4,1 + T_3,2 – T_1,2 + T_4,3 – T_2,3 + T_1,4 – T_3,4)
Somit kann, z. B. in Bezug auf ein System 500 von 5A, bei Block 510 Folgendes bestimmt werden: I_p – I_m = k(T_2,1 – T_4,1 + T_3,2 – T_1,2 + T_4,3 – T_2,3 + T_1,4 – T_3,4)
Und dies kann als Eingabe für Block 512 verwendet werden, der den restlichen Offset der Spinning-Spannungs-Hallplatte aufgrund von Thermo-Spannungen schätzt
da eine starke Korrelation besteht zwischen
und (T_2,1 – T_4,1 + T_3,2 – T_1,2 + T_4,3 – T_2,3 + T_1,4 – T_3,4), weil letzteres der Ursprung des vorhergehenden ist. In diesem Beispiel wird das Gleichtaktpotential der Ausgangssignale frei gelassen, doch kann es in anderen Ausführungsformen an ein vordefiniertes Potential geklemmt sein. Diese Vorgangsweisen können auch auf Ausführungsformen umgelegt werden, in denen Hallkontakte als Kraft-Abfühl-Kontakte verwendet werden, bei denen die Spannung oder der Strom an einem Kraft-Kontakt eingestellt wird, bis die Spannung oder der Strom jeweils an einem Abfühl-Kontakt einen vordefinierten Wert erreichen, wie in den US-Patentanmeldungen Nr. 13/022.844 und 13/488.709, die im gemeinsamen Besitz stehen, die hier mittels Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden. Diese Kontakte können genauso behandelt werden die die verschiedenen hier besprochenen Kontakte, sodass Temperatursensoren verwendet werden können, um die Temperatur an jedem Abfühl-Kontakt zu messen, oder aber jeder Abfühl-Kontakt ist mit den Metallleitungen und Polysilizium-Zwischenverbindungsleitunen gekoppelt, die hier in Bezug auf 4 besprochen wurden.
Diese und weitere Ausführungsformen können ferner zusätzliche Merkmale, Elemente, Funktionen und Konzepte umfassen. Zum Beispiel können Systeme wie hier besprochen ferner Heizelemente umfassen, die mit den Kontakten eines Sensors gekoppelt sind, um die Temperaturen derselben basierend auf Messungen von einem Temperatursensor, Temperaturgradientensensor oder einem Temperatur-Abfühlschaltung zu messen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann in verschiedenen Ausführungsformen eine Massereferenz eingestellt werden, um die nichtlineare Strom-Spannungs-Eigenschaft einer Vorrichtung zu beeinflussen und folglich die Temperatur eines oder mehrerer Kontakte zu steuern. Angesichts dessen, dass der Widerstand eines Hallelements im Allgemeinen ansteigt, wie die Sperrrichtungsspannung zu seiner Umgebung ansteigt (z. B. einer Umgebungs-Wanne, eines Substrats oder flachen Wanne als obere Platte), kann dieser Effekt verwendet werden, um die Verlustleistung oder die räumliche Verteilung der Verlustleistung und damit der Temperaturverteilung der Kontakte der Hallplatte zu steuern. Umfangsisolierte Strukturen oder Elemente, wie etwa pn-Ringe oder Vertiefungen, können ebenfalls verwendet werden, um in verschiedenen Ausführungsformen ein solches Merkmal umzusetzen. Eine Steuerschleife kann derart ausgebildet sein, dass die Verlustleistung oder die räumliche Verteilung der Verlustleistung in der Hallplatte eingestellt wird, bis die Temperaturunterschied-Signale der Temperaturgradientensensoren minimiert sind. Dadurch kann die Einstellung während eines ganzen Spinning-Zyklus festgelegt sein, oder zwischen Betriebsphasen in einem vollständigen Spinning-Zyklus eingestellt werden.
Eine weitere Ausführungsform einer Hallplatte 202 ist in 7A gezeigt und umfasst vier Kontakte C1, C2, C3 und C4 sowie vier Temperatursensoren, die in dieser Ausführungsform Dioden D1, D2, D3 und D4 umfassen, aber in anderen Ausführungsformen auch andere Vorrichtungen oder Strukturen umfassen können. Die Kontakte C1 bis C4 umfassen Kontaktdiffusionen und sind in der gleichen Weise wie in 2E bis 2H markiert. Allgemein werden hier in verschiedenen Zeichnungen durchgehend die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente, Abschnitte, Strukturen oder sonstigen Merkmalen verwendet. In 7A ist eine obere Platte der Halleffektvorrichtung optional und nicht gezeigt.
Ein Anschluss t1, t2, t3 und t4 ist mit jedem Kontakt gekoppelt, d. h. t1 mit C1, t2 mit C2, t3 mit C3 und t4 mit C4. Eine Diode D1–D4 ist mit jedem Kontakt gekoppelt, d. h. D1 mit C1, D2 mit C2, D3 mit C3 und D4 mit C4; und ein Temperaturanschluss tt1, tt2, tt3 und tt4 ist mit jeder Diode D1–D4 gekoppelt, d. h. tt1 mit D1, tt2 mit D2, tt3 mit D3 und tt4 mit D4. In Ausführungsformen ist jede Diode D1–D4 in engem Wärmekontakt mit ihrer entsprechenden Kontaktdiffusion C1–C4 angeordnet.
Wie in anderen Ausführungsformen kann ein Spinning-Strom-Schema umgesetzt sein, sodass in einer ersten Betriebsphase eines Spinning-Strom-Zyklus der Hallplatte 202 Strom an den Versorgungskontakten C1, C3 zugeführt wird und ein Signal an den Signalanschlüssen C2, C4 abgegriffen wird. Genauer wird ein Versorgungsstrom IsH in den Anschluss t1 eingebracht und fließt in den Kontakt C1, während ein zweiter Anschluss t3 an ein Referenzpotential VsL geklemmt ist, sodass ein Massepotential oder ein sonstiges geeignetes ausgewähltes Potential, und eine erste Ausgangsspannung in den Anschlüssen t2 und t4 gemessen wird. In einer Ausführungsform werden die Ströme IT2 und IT4 aus den Anschlüssen tt2 und tt4 entnommen, sodass: |T2| + |IT4| < |1sH|
In Ausführungsformen ist IsH ungefähr 10 bis ungefähr 100 mal größer als IT2, und IT2 ist gleich IT4. Wenn der Strom IT2 über die Diode D2 fließt, kommt es zu einem Spannungsabfall an D2. Das gleiche gilt für die Diode D4. Daher ist die Spannung an tt4–tt2 gleich der Spannung in t4–t2 plus die Spannungsdifferenz in der Temperaturvorrichtung D2 und D4: V(t4) – V(t2) = V(t4) – V(tt4) + V(tt4) – V(tt2) + V(tt2) – V(t2) = V(D4) + V(tt4) – V(tt2) – V(D2)
Somit gilt: V(tt4) – V(tt2) = V(t4) – V(t2) + V(D2) – V(D4), wobei die Spannung V(D2) als positiv zu betrachten ist, wenn die Anode der Diode D2 positiv in Bezug auf die Kathode ist, und das gleiche gilt für die Diode D4. Gemäß einer Ausführungsform wird dann eine erste Temperaturausgangsspannung in den Anschlüssen tt1 und tt4 gemessen.
Die Temperatursensoren, die in 7A als Dioden gezeigt und beschrieben sind, aber, wie zuvor erwähnt, in weiteren Ausführungsformen variieren können, sind derart ausgewählt, dass die Spannung in jeder eine starke Funktion der Temperatur ist. Da Dioden bekanntlich um ungefähr –2 mV/°C auf Temperaturänderungen reagieren, können sie in Ausführungsformen geeignet sein. In anderen Ausführungsformen können allerdings simple Widerstände, wie solche mit einem großen Temperaturwiderstandskoeffizienten, verwendet werden. Niedrig dotierte Wannen sind bei integrierten Schaltungen häufig und weisen Temperaturkoeffizienten in er Größenordnung von 5000 ppm/°C auf; für Spannungsabfälle von ungefähr 1 V in Widerständen kann dann ein Temperatursignal mit einer Empfindlichkeit von 1 V·5000 ppm/°C = 5 mV/°C erreicht werden. Ein Nachteil von Widerständen als Temperaturvorrichtungen ist allerdings ihr Widerstand, der zum Innenwiderstand der Hallplatte 202 hinzukommt und das Rauschen erhöht. Dioden weisen im Gegensatz dazu einen viel geringeren Innenwiderstand auf, der zu den Sensorsignalen nicht viel Rauschen hinzufügt. Andererseits könnte ein Widerstand auch in Schichten umgesetzt sein, die über dem Siliziumsubstrat und damit über der Wanne der Halleffektvorrichtung liegen. Zum Beispiel könnten ein Polysilizium-Widerstand R1, R2, R3 und R4, die über den entsprechenden Kontakten C1–C4 angeordnet sind, verwendet werden, und ein Beispiel einer solchen Konfiguration ist in 7B gezeigt. Im Allgemeinen kann die Temperaturvorrichtung auch eine jegliche Zweipolschaltung sein, deren Spannung von der Temperatur und, in manchen Ausführungsformen, von einem niedrigen Innenwiderstand abhängig ist. Im Besonderen könnte diese Schaltung Rückkopplungsschleifen einsetzen, um den Widerstand für das Ausgangssignal der Halleffektvorrichtung zu reduzieren.
7C zeigt ein Schaltungsdiagramm, das eine Weise darstellt, in der eine Spinning-Strom-Hallsonde 202 mit Vorverstärkern A1 und A2 in einem ersten Betriebsmodus verbunden ist. Schalter S1, S2, S3 und S4 sind konfiguriert, um einen der Anschlüsse t1–t4 mit einem von Stromquelle IsH, Referenzspannungsquelle VsL und/oder Eingängen des Verstärkers A1 zu verbinden. Analog dazu sind die Schalter ST1–ST4 konfiguriert, um einen der Anschlüsse tt1–tt4 mit einem der Eingänge des Verstärkers A2 zu verbinden. Die Stromquellen IT1–IT4 sind konfiguriert, um während beliebigen Betriebsphasen ein- oder ausgeschaltet zu werden, wobei das Schattieren von IT1 und IT3 bedeutet, dass IT1 und IT3 während der ersten Betriebsphase (die in dieser Figur und in 7A dargestellt ist) ausgeschaltet sein können. Alternativ dazu können alle Stromquellen IT1–IT4 während aller Betriebsphasen eingeschaltet sein, was Fehler aufgrund von vorübergehenden Effekten und/oder Selbererwärmung minimieren kann. Es ist zu beachten, dass das Vorzeichen der Ströme IT1–IT4 positiv oder negativ sein kann, was bedeutet, dass diese Ströme entweder von der Hallvorrichtung 202 entnommen werden (positiv) oder in die Hallvorrichtung 202 eingebracht werden (negativ). Dieses Vorzeichen ändert das Gleichtaktpotential an den Eingängen der Verstärker A1, A2 und kann dementsprechend ausgewählt sein. Der Verstärker A1 subtrahiert während der ersten Betriebsphase die zwei Ausgangssignale bei t2 und t4 und stellt an seinem Ausgang ein Phasensignal P1 bereit. Der Verstärker A2 subtrahiert während der ersten Betriebsphase zwei Temperaturausgangssignale bei tt2 und tt4 und stellt an seinem Ausgang ein Phasentemperatursignal PT1 bereit. A2 kann identisch zu A1 sein, wenn A1 in einer Ausführungsform in einer Zeit-gemultiplexter Weise betrieben wird.
Die Spannung in einer Temperaturvorrichtung (z. B. Dioden D1–D4) kann linear zur Temperatur variieren (zumindest in einer Approximation erster Ordnung): V(D2) = VT20·(1 + ST2·T2) V(D4) = VT40·(1 + ST4·T4) wobei T2 und T4 die Temperaturen an den Kontakten C2 und C4 sind, ST2 und ST4 Temperaturempfindlichkeiten sind und VT20 und VT40 die Spannungen in D2 und C4 bei Nulltemperatur T2 und T4 sind. Wenn die Temperaturvorrichtungen identisch sind, dann: VT20 = VT40 und ST2 = ST4.
In den meisten Fällen liegt jedoch bei den Temperaturvorrichtungen eine Fehlanpassung vor: VT20 < > VT40 und ST2 < > ST4
Somit gilt: V(D2) – V(D4) = VT20 – VT40 + VT20·ST2·T2 – VT40·ST4·T4
Die Spannungsunterschiede an den beiden Temperaturvorrichtungen ist üblicherweise nicht null, selbst wenn die Temperaturen identisch sind, d. h. T2 = T4.
Das System kann diese Fehler bewältigen, wenn es eine dritte Betriebsphase in Ausführungsformen, in denen die Quellen IsH und VsL vertauscht sind, durchführt. Somit ist in dieser dritten Betriebsphase die Stromquelle IsH mit dem Anschluss t3 verbunden, und die Referenzspannung VsL ist mit t1 verbunden. Die Temperaturvorrichtungen D1–D4 können nach wie vor auf dieselbe Weise verbunden sein wie in der Betriebsphase 1. Dann gilt: V'(D2) – V'(D4) = VT20 – VT40 + VT20·ST2·T2' – VT40·ST4·T4' wobei der Apostroph oder ”'” für diese Betriebsphase steht. Es gilt zu beachten, dass die Temperaturen T2' und T4' sich von T2 und T4 unterscheiden, da die Hallvorrichtung mit einer anderen Stromrichtung betrieben wird, und aufgrund von geringen Asymmetrien und elektrischer Nichtlinearität kann dies zu leicht unterschiedlichen Temperaturen (z. B. ungefähr 0,01°C in Ausführungsformen) führen. Das System berechnet den Unterschied von Differentialphasentemperatursignalen wie folgt: V(D2) – V(D4) – (V'(D2) – V'(D4)) = VT20·ST2·(T2 – T2') – VT40·ST4·(T4 – T4') und korreliert dies mit dem thermoelektrischen Fehler der Hallausgangssignale während beider Betriebsphasen:

1. Betriebsphase: V(t4) – V(t2) = S·B + k·(T4 – T2)
3. Betriebsphase: V'(t4) – V'(t2) = –S·B + k·(T4' – T2') wobei resistive Offset-Terms vernachlässigt werden, da sie im vollständigen Spinning-Strom-Zyklus beseitigt werden. Im Gesamt-Spinning-Strom-Ausgangssignal werden beide Signale der ersten und dritten Phase subtrahiert: V(t4) – V(t2) – (V'(t4) – V'(t2)) = 2·S·B + k·(T4 – T4' – T2 + T2')

Wenn das gleiche mit den Phasentemperatursignalen gemacht wird, dann gilt: V(tt4) – V(tt2) – (V'(tt4) – V'(tt2)) = 2·SμB + k·(T4 – T4' – T2 + T2') + VT20·ST2·(T2 – T2') – VT40·ST4·(T4 – T4')
Die Phasensignale weisen also einen Fehler aufgrund von Thermo-EMK auf: k·(T4 – T4' – T2 + T2')
Die Phasentemperatursignale weisen einen zusätzlichen Fehler aufgrund von Thermo-EMK auf: VT20·ST2·(T2 – T2') – VT40·ST4·(T4 – T4')
Das System kann beide vergleichen (z. B. sie subtrahieren). Somit kann das System Folgendes messen: VT20·ST2·(T2 – T2') – VT40·ST4·(T4 – T4')
Durch Charakterisierung im Labor kann eine typische Beziehung zwischen k·(T4 – T4' – T2 + T2') und VT20·ST2·(T2 – T2') – VT40·ST4·(T4 – T4') festgelegt werden. Eine solche Beziehung variiert von Vorrichtung zu Vorrichtung, von Charge zu Charge, doch sollte sie über die Lebensdauer einer bestimmten Vorrichtung stabil sein (d. h. solange VT20·ST2 und VT40·ST4 stabil sind, was allgemein in der Praxis der Fall ist, wenn stabile pn-Übergänge oder stabile Widerstände oder sonstige stabile Vorrichtungen verwendet werden). Diese typische Beziehung kann in einem Algorithmus des Sensorsystems verwendet werden, um den thermo-EMK-Fehler in den Phasensignalen zu schätzen und diese schlussendlich auszugleichen (z. B. durch Subtrahieren des erwarteten Fehlers von den Phasensignalen).
Nehmen wir zum Beispiel an, dass die zwei Temperaturvorrichtungen D2 und D4 keine Fehlanpassung aufweisen. Dann wäre der zusätzliche Fehler aufgrund von Thermo-EMK in den Phasentemperatursignalen wie folgt: V(tt4) – V(tt2) – V'(tt4) + V'(tt2) – V(t4) + V(t2) + V'(t4) – V'(t2) = VT0·ST·(T2 – T2' – T4 + T4') wobei VT0 = VT20 = VT40 und ST = ST2 = ST4. Wenn dies mit einem geeigneten Faktor multipliziert und zu den ursprünglichen Phasensignalen im Spinning-Schema hinzugefügt wird, kann die Thermo-EMK der Halleffektvorrichtung beseitigt werden: Vcomp = V(t4) – V(t2) – V'(t4) + V'(t2) – x·{V(tt4) – V(tt2) – V'(tt4) + V'(tt2) – V(t4) + V(t2) + V'(t4) – V'(t2)} = 2·S·B + k·(T4 – T4' – T2 + T2') – x·VT0·ST·(T2 – T2' – T4 + T4') = 2·S·B für k + x·VT0·ST = 0 oder x = –k/(VT0·ST)
Das Thermo-EMK-kompensierte Signal wurde als Vcomp bezeichnet. Dieser Faktor x kann empirisch bestimmt werden, obwohl eine Annäherung theoretisch bestimmt werden kann: Wenn eine Diode als Temperaturvorrichtung verwendet wird, dann gilt VT0·ST = ·2 mV/°C und k ist der Seebeck-Koeffizient von z. B. einer niedrig dotierten Hallregion mit k = – 1500 μV/°C, was Folgendes ergibt: x = –(–1.5 mV/°C)/(–2 mV/°C) = –0,75
Das Thermo-EMK-kompensierte Signal in der ersten Betriebsphase wird somit erhalten durch (1 + x)·{V(t4) – V(t2)} – x·{V(tt4) – V(tt2)} und ist in der dritten Betriebsphase gegeben durch (1 + x)·{V'(t4) – V'(t2)} – x·{V'(tt4) – V'(tt2)} und im Gesamt-Spinning-Schema werden beide Signale subtrahiert.
Somit ist das Thermo-EMK-kompensierte Signal eine lineare Kombination von Differentialphasensignalen (z. B. V(t4) – V(t2)) und Differentialphasentemperatursignalen (z. B. V(tt4) – V(tt2)), beide von derselben Phase. Im obigen Fall werden die Phasentemperatursignale mit einem Faktor gewichtet, der dreimal größer ist als die herkömmlichen Phasensignale: –x/(1 + x) = –(–0.75)/(1 – 0.75) = 3. Der dominante Teil des Signals stammt daher von den Phasentemperatursignalen, bei nur einem geringen Anteil an herkömmlichen Phasensignalen; ein Unterschied in Bezug auf herkömmliche Ansätze. Natürlich hängt das Gewicht von Differentialphasentemperatursignalen gegenüber Differentialphasensignalen von der Temperaturempfindlichkeit des Temperatursensors ab. Wie oben zu sehen ist, hängt die lineare Kombination von der Phase ab: Der gleiche Faktor x ist bei der ersten und der dritten Phase anwesend. Es wird davon ausgegangen, dass die Vorrichtungen D2 und D4 gänzlich aneinander angepasst sind. Wenn andere Vorrichtungen D1 und D3 in der zweiten und der vierten Phase eines Spinning-Hall-Zyklus verwendet werden, z. B. entsprechend 2E–H, und sie unterschiedliche VT0- und ST-Parameter aufweisen, wird dies auch x beeinflussen. In so genannten orthogonalen Betriebsphasen, d. h. Phasen mit unterschiedlichen Signalkontakten (Phase 1 und 2 sind orthogonal, doch 1 und 3 sind nicht orthogonal), ist die lineare Kombination für das Thermo-EMK-kompensierte Signal üblicherweise identisch. In nicht-orthogonalen Phasen, wie Phasen, die durch Umkehren der Polarität der Versorgungsspannung oder des Versorgungsstroms erhalten werden, ist allerdings die lineare Kombination für das Thermo-EMK-kompensierte Signal üblicherweise identisch.
Ein grundlegender Aspekt von verschiedenen Ausführungsformen ist, dass die Wärmesymmetrie der Halleffektvorrichtung in Bezug auf eine Versorgungsumkehr optimiert werden kann. Selbst wenn dies für alle systematischen Effekte (wie z. B. geometrische Symmetrie) erreicht wird, wird es immer einige statistische Asymmetrien (wie z. B. geometrische Asymmetrien aufgrund von Herstellungstoleranzen) geben, die Temperaturunterschiede zwischen Kontakten verursachen, wie identische Temperaturen ohne Herstellungstoleranzen aufweisen sollten. Diese Temperaturunterschiede können durch Temperaturunterschiedssensoren (d. h. Sensoren für räumliche Temperaturgradienten) gemessen werden, und von diesen Messungen werden Korrektivwerte direkt gekoppelt, die Offset aufgrund von Thermo-EMK beseitigen, wenn diese Werte zum Halleffektsignal hinzugefügt (nicht damit multipliziert) werden. Dieses Merkmal des Hinzufügens des Offset-Korrekturwerts zum unkompensierten Signal, um das kompensierte Signal zu erhalten, ist auch in den Blockdiagrammen in 1, 2I, 5A, 5B und 6B zu sehen. Dies unterscheidet Ausführungsformen mit Offset-Kompensation von herkömmlichen Temperaturkompensationsansätzen, die ein unkompensiertes Hallsignal mit einer geeigneten Temperaturfunktion multiplizieren (d. h. ein Temperatursensorsignal), um ein kompensiertes Signal mit z. B. temperaturunabhängigem Verhalten. Diese herkömmlichen Temperaturkompensationssysteme stellen die Verstärkung des Systems als Temperaturfunktion ein, wobei hier offenbarte Ausführungsformen den Offset des Systems als eine Funktion von Temperaturgradienten einstellen.
Nehmen wir nun an, dass zwischen zwei Temperaturvorrichtungen D2 und D4 eine Fehlanpassung vorliegt. Die Fehlanpassung kann in VT20 < > VT40 oder in ST2 < > ST4, oder in beiden auftreten. Wir oben zu sehen war, werden durch Subtrahieren von Signalen der ersten und der dritten Betriebsphase die Terms VT20 und VT40 beseitigt, was erwünscht ist. Da der zusätzliche Fehler aufgrund von Thermo-EMK in den Phasentemperatursignalen VT20·ST2·(T2 – T2') – VT40·ST4·(T4 – T4') ist, muss das System nur Fehlanpassungen zwischen VT20·ST2 < > VT40·ST4 bewältigen. Es ist daher festzustellen, dass VT40·ST4 = VT20·ST2·(1 – MM), wobei MM die Fehlanpassung zwischen D2 und D4 ist. Der zusätzliche Fehler aufgrund von Thermo-EMK in den Phasentemperatursignalen ist VT20·ST2·(T2 – T2') – VT20·ST2·(T4 – T4')·(1 – MM) = VT20·ST2·(T2 – T2' – T4 + T4') + MM·VT20·ST2·4 – T4')
In Anwesenheit von Fehlanpassungen von Temperaturvorrichtungen misst das System daher nicht T2 – T2' – T4 + T4', sondern: T2 – T2' – T4 + T4' + MM·(T4 – T4')
Folglich ist der Fehler mäßig, solange T4 – T4' ähnlich wie T2 – T2' – T4 + T4 ist. Der Fehler ist jedoch groß, wenn |T4 – T4'| >> |T2 – T2' – T4 + T4'|. Mit anderen Worten: Die Temperaturschwankung an einem Ausgangskontakt in zwei Betriebsphasen mit umgekehrter/m Versorgungsspannung oder Versorgungsstrom sollte nicht groß sein gegenüber dem Temperaturschwankungsunterschied zwischen beiden Ausgangskontakten in diesen Betriebsphasen. Das bedeutet, dass der Gesamtstromverlustleistung in der Halleffektvorrichtung sich so wenig wie möglich ändern sollte, wenn die Versorgung umgekehrt wird. Es bedeutet ferner, dass die Stromdichte in der Nähe der Ausgangskontakte so konstant wie möglich bleiben sollte, wenn die Versorgung umgekehrt wird. Aus diesem Grund sollten die Betriebsbedingungen derart sein, dass die Gleichtaktpotentiale an den Ausgangskontakten identisch oder beinahe identisch bleiben, wenn in Ausführungsformen die Versorgung umgekehrt wird.
Dies ist zum Beispiel in 7D und 7E gezeigt. 7D zeigt eine Hallplatte 202 mit vier Kontakten C1–C4, die auf unerwünschte Weise vorgespannt ist, weil das Gleichtaktpotential (0,5·V(C2) + 0,5·V(C4)) sich ändert, wenn die Versorgungsspannung aufgrund der elektrischen Nichtlinearität der Halleffektvorrichtung umgekehrt wird. Die Gleichtaktausgangsspannung liegt aufgrund der elektrischen Nichtlinearität der Vorrichtung leicht unter der halben Versorgungsspannung. Somit ist sie ungefähr 0,45·V(C1) in der ersten Betriebsphase und 0,45·V'(C3) in der dritten Betriebsphase. Geht man von einer gänzlich symmetrischen Halleffektvorrichtung aus, dann gilt V(C1) = V'(C3), d. h. die Versorgungsspannung ist identisch, wenn die Versorgungsströme identisch sind, aber unterschiedlichen Polaritäten aufweisen. Die Gleichtaktausgangsspannungen sind ebenfalls in beiden Phasen identisch, und folglich sollte die Temperatur T2 sehr ähnlich zu T2' sein (und auch T4 sollte T4' sehr ähnlich sein). Doch wenn die Halleffektvorrichtung leicht asymmetrisch ist, sodass der Kontakt C1 z. B. um ungefähr 1% kleiner ist als C3, führt dies dazu, dass V(C1) sich von V'(C3) unterscheidet, und dann sind auch die Gleichtaktausgangsspannungen in beiden Phasen unterschiedlich. Ferner sollten die Temperaturen T2 und T2' (oder T4 und T4') sich signifikant starker als zuvor voneinander unterscheiden.
7E zeigt dieselbe Vorrichtung, die auf vorteilhaftere Weise vorgespannt ist, wobei das Gleichtaktpotential so gesteuert wird, dass es auf demselben Pegel liegt, wenn die Versorgung umgekehrt wird. Der Operationsverstärker OPA vergleicht die Referenzspannung Vref mit der Summe V(C2) + V(C4). Wenn die Summer größer ist, steigt die Ausgabe des opamp OPA an, was das Gate des NMOS auf HIGH zieht, sodass der NMOS mehr Strom ableitet, was wiederum V(C2) und V(C4) auf LOW zieht. Somit ist der Gleichtakt zu einem Wert von Vref/2 gesteuert.
Es gibt zahlreiche andere Möglichkeiten, um das Gleichtaktpotential während Abschnitten des Spinning-Hall-Schemas auf fixen Werten zu halten, und die hier erörterten Beispiele sind nicht einschränkend. Viele dieser Schemata sind vorteilhaft, da sie die Anpassungsanforderungen für die Temperaturvorrichtungen, z. B. die Dioden D2 und D4, verringern. Ein allgemeines Ziel ist, das Gleichtaktpotential des Ausgangs konstant zu halten, wenn die Versorgung umgekehrt wird, obwohl das Differentialpotential V(C2) – V(C4) nach wie vor das Magnetfeldsignal frei ausgeben kann. Wenn das Gleichtaktpotential konstant ist, sollte auch die Stromdichte und damit die Temperaturverteilung konstant sein. Es ist zu beachten, dass das Gleichtaktpotential die Hallregion auf verschiedene Weise beeinflussen kann: Wenn die Hallregion gegen die Umgebung durch einen Sperrrichtungsspannungs-pn-Übergang isoliert ist, was typisch ist, bestimmt das Gleichtaktpotential die Sperrrichtungsspannung und dies bestimmt die Breite der Verarmungsschicht, die die aktive Breite der Hallregion definiert. Je dünner die aktive Hallregion ist, desto höher ist ihr Widerstand. Andererseits kann das Gleichtaktpotential die Anzahl freier Ladungen in der aktiven Hallregion oder mindestens in Teilen davon beeinflussen (z. B. durch Ladungsakkumulationseffekte), und dies beeinflusst auch den Widerstand. Der Widerstand beeinflusst wiederum den Leistungsverlust und damit die Temperaturverteilung in der Vorrichtung.
In Ausführungsformen schätzt das System T2 – T4 – T2' + T4', wie in der obigen Erörterung des einfachen Falls mit vollständiger Anpassung gezeigt wurde. Eine Fehlanpassung führt zu verringerter Genauigkeit dieser Schätzung, doch das gewünschte oder erforderliche Niveau an Genauigkeit kann variieren. In Ausführungsformen können Temperaturunterschiede T2 – T4 in Differentialausgaben von Halleffektvorrichtungen von bis zu ungefähr 0,00100 geschätzt werden. Dies stellt eine Thermo-EMK-Spannung von ungefähr 1,5 μV für einen Seebeck-Koeffizienten von 1500 μV/°C bereit. Eine typische Halleffektvorrichtung weist eine Magnetempfindlichkeit von ungefähr 50 mV/T auf, wenn sie mit einer Versorgung von 1 V betrieben wird, sodass 1,5 μV einem Offset von 30 μT entsprechen. Dieser Offset tritt in allen Phasen einer Spinning-Hall-Sonde auf und ist stochastisch, wodurch die Offsets in orthogonalen Phasen wahrscheinlich statistisch unabhängig sind und auch in nicht-orthogonalen Phasen im Wesentlichen unabhängig sein sollten. Wenn ein Spinning-Schema vier Betriebsphasen aufweist, sollte der restliche Offset ungefähr sqrt(4) oder 2 mal niedriger sein. Dies ergibt einen restlichen Offset von ungefähr 15 μT, was im Allgemeinen den Beobachtungen des Erfinders im Labor entspricht.
Wenn eine Halleffektvorrichtung in einem Spinning-Hall-Schema betrieben wird, variiert mit jeder neuen Betriebsphase auch die Temperatur. Darüber hinaus weist das System eine gewisse Latenzzeit aufgrund der thermischen Masse der Schaltungsvorrichtungen auf, was dazu führen kann, dass die Temperatur in der n-ten Betriebsphase in einem gewissen Ausmaß durch die Temperatur während der (n – 1)-ten oder allgemeiner einer der vorhergegangenen Betriebsphasen beeinflusst wird. Wieder in Bezug auf 2E, die eine in einer ersten Phase betriebene Halleffektvorrichtung zeigt, wird der Kontakt am höchsten Potential (C1) aufgrund der elektrischen Nichtlinearität der Vorrichtung auch die höchste Temperatur aufweisen, während der an Masse gelegte Kontakt C3 die niedrigste Temperatur aufweist. Wenn die zweite, in 2F gezeigte Betriebsphase knapp auf die erste folgt, tauschen Kontakt C1 und C3 die Rollen: In Phase 1 war jeder ein Versorgungskontakt, während nun in Phase 2 beide ein Signalkontakt sind. Da C1 etwas wärmer als C3 war, ergibt dies einen Temperaturunterschied zwischen diesen zwei Ausgangskontakten zu Beginn von Phase 2. Folglich stellt er auch eine Thermo-EMK-Spannung bereit, die einen Offset-Fehler verursachen kann. Wenn Phase 2 merklich länger andauert als die thermische Zeitkonstante der Halleffektvorrichtung, werden die Kontakte C1 und C2 irgendwann – am Ende von Phase 2 – identische Temperaturen aufweisen, wenn wir von einer völligen Symmetrie der Vorrichtung ausgehen. Somit kann ein vorübergehender Temperaturunterschied zwischen den Ausgangskontakten auftreten, sodass er sich während einer Phase ändert, und die Dauer der Betriebsphase kann eine signifikante Auswirkung auf diese Effekte haben: Wenn das Spinning-Hall-Schema sehr langsam ausgeführt wird, können diese vorübergehenden Effekte ignoriert werden, doch wenn es sehr schnell ausgeführt wird, kann die Temperatur während einer Betriebsphase vorwiegend durch vorangegangene Betriebsphasen bestimmt sein und nur in vernachlässigbarem Ausmaß durch die aktuelle Betriebsphase. Darüber hinaus misst das System Hallsignale und Temperaturunterschiede synchron: Zu jedem Zeitpunkt, an dem das Hallsignal gemessen wird, ist der Thermo-EMK-Fehler Teil dieses Hallsignals, und daher sollte das System auch die Temperaturunterschiede an den Ausgangskontakten für diese Zeitpunkte kennen.
Hier können allerdings zwei Arten von Systemen unterschieden werden: Integrationssysteme und Abtastsysteme. Ein Integrationssystem, wie z. B. ein zeitkontinuierlicher Sigma-Delta-Analog-Digital-Umsetzer (CT-SD-ADC), integriert das Hallausgangssignal in einem bestimmten Zeitintervall, z. B. während der gesamten Betriebsphase. In diesem Fall kann das System auch den Temperaturunterschied zwischen den Ausgangskontakten synchron integrieren. Alternativ dazu tastet ein Sukzessive-Annäherung-Analog-Digital-Umsetzer (SARADC) üblicherweise das Hallsignal ab, was bedeutet, dass es den Wert unter Verwendung einer Abtast-Halte-Technik fixiert und dann diesen statischen Wert umwandelt. In diesem Fall kann der Temperaturunterschied der Ausgangskontakte zur gleichen Zeit wie das Hallsignal abgetastet werden.
In 8A ist die Temperaturverteilung in einer quadratischen Silizium-Hallplatte von 100 μmx 100 μm mit 5 μm Dicke und typischer Nichtlinearität, die bei einer Versorgung von 3 V in Phase 4 von 2H betrieben wird, unter statischen Bedingungen dargestellt. Wie zu sehen ist, liegt der Kontakt C4 an seinem höchsten Potential und auch bei der höchsten Temperatur, ungefähr 0,062°C über einer Raumtemperatur von 300 K.
8B zeigt das Übergangs-Temperaturverhalten von verschiedenen Punkten in der Hallplatte 202 von 8A während eines Spinning-Hall-Zyklus. Die impulsförmigen Kurven stellen Temperaturen der vier Kontakte dar, während die gleichmäßige Kurve die Temperatur in der Mitte der Hallvorrichtung 202 (z. B. Aktivregion 226) ist. In dieser Ausführungsform ist jede Betriebsphase ungefähr 10 μs lang, und bevor die Vorrichtung hochgefahren ist, sind es anfangs 300 K. Somit sind schnelle thermische Zeitkonstanten von ungefähr 1–2 μs sind zu sehen. Es sind ferner zwei unterschiedliche Impuls-„Zacken” in jeder Betriebsphase zu sehen, die den HIGH- und den LOW-Potential-Versorgungskontakt darstellen, sowie zwei gleiche „Täler”, die die Ausgangskontakte darstellen. Der Temperaturunterschied zwischen Versorgungs- und Signalkontakten beträgt ungefähr 0,03°C, während der Temperaturunterschied zwischen beiden Versorgungskontakten weniger als ungefähr 0,001°C beträgt.
Wenn die anfängliche Fehlanpassung zwischen den Dioden D2–D4 zu groß ist, kann das System in Ausführungsformen eine Selbstkalibrierung durchführen. In einer Ausführungsform kann daher ein Heizelement verwendet werden, dass derart konzipiert ist, dass es die gleiche Temperatur auf D2 und D4 erzeugt. Dieses Heizelement kann für einen gewissen Zeitraum aktiviert werden, und dann kann die Ausgabe von D2–D4 gemessen werden (d. h. entweder einmal in einer Kalibrierung am Bandende, oder während des Hochfahrens des Sensorsystems, oder wiederholt, z. B. alle 100 ms). Wenn die Ausgabe sich ändert, wenn das Heizelement aktiviert ist, wird diese Änderung gespeichert und anschließend von jeder Messung subtrahiert und zum Korrigieren darauf folgender Messungen verwendet.
Ist zum Beispiel das Heizelement abgeschaltet, sind Spannungen an den Temperaturdioden D2–D4 jeweils V(D2), V(D4) und die Temperaturen an den Dioden T2, T4. Wenn das Heizelement eingeschaltet ist, sind die Spannungen jeweils V''(D2), V''(D4) mit Temperaturen T2 + dT und T4 + dT. Das System kann diese Spannungen messen und (V(D2) – V(D4) – V''(D2) + V''(D4))/(V(D2) – V''(D2)) berechnen, was gleich 1 + VT40·ST4/(VT20·ST2) ist, was die Fehlanpassung der Temperaturempfindlichkeiten beider Temperatursensoren ergibt.
Alternativ dazu kann ein Parameter von einer oder beiden Dioden D2 oder D4 eingestellt werden, um die beobachtete Änderung der D2–D4-Ausgabe gegen null zu reduzieren. Wenn zum Beispiel D2 und D4 Dioden oder Widerstände sind, wie oben erörtert, könnte das System den Strom IT2 durch D2 ändern, bis der auf D2–D4 beobachtete Temperaturunterschied nicht mehr vom Ein- oder Aus-Zustand des Heizelements abhängt. Dieses Verfahren kann die Empfindlichkeit von D2 einstellen, um sie an D4 anzugleichen. Obwohl die Änderung von IT2 auch das Selbstheizen des Temperatursensors ändert, hat dies im Allgemeinen keine nachteilige Wirkung auf das System, solange das Selbstheizen während Ein- und Aus-Zeiten des Heizers gleich bleibt.
Es ist zu beachten, dass aufgrund des Betriebs der Halleffektvorrichtung oder sonstiger Wärmequellen im System D2 und D4 üblicherweise unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Daher kann das System nur den Unterschied des Temperaturunterschieds zwischen dem Ein- oder Aus-Zustand des Heizelements extrahieren, sodass nur der überlagerte, vom symmetrischen Heizelement verursachte Temperaturunterschied relevant ist. In Ausführungsformen sollte das Heizelement zur Selbstkalibrierung in Bezug auf beide Temperatursensoren D2 und D4 völlig symmetrisch sein (und für orthogonale Phasen muss entweder das gleiche oder ein anderes Heizelement völlig symmetrisch zu D1 und D3 sein), sodass es den gleichen Temperaturanstieg auf D2 und D4 erzeugt (in Ausführungsformen bis zu besser als 1%, wie etwa 0,1% oder noch besser, wenn möglich). Dies kann durch mehrere Ansätze erreicht werden. Zum Beispiel wird entweder ein Heizelement symmetrisch in Bezug auf beide Temperatursensoren D2 und D4 (oder sonstige Dioden oder Temperaturabfühlvorrichtungen, wie sie in anderen bestimmten Ausführungen oder Konfigurationen der Fall sein können, wobei die Beispiele hier nur zur Veranschaulichung auf die Darstellung in den Zeichnungen verweisen) platziert, oder jeder Temperatursensor weist sein eigenes Heizelement auf. Im zweiten Fall sollten die Heizelemente perfekt aneinander angepasst sein, sodass nun zu erkennen ist, dass das Problem der Fehlanpassung lediglich von D2–D4 selbst auf ihre entsprechenden Heizelemente verschoben wurde. Dies kann jedoch immer noch eine mögliche Option sein, wenn die Fehlanpassung der Heizelemente geringer ist als die Fehlanpassung der Temperaturvorrichtungen. Selbst in diesem Fall kann es von Vorteil sein, den Abstand zwischen dem Temperatursensor und dem entsprechenden Heizelement ausreichend zu machen, da jede geringe Änderung der Schichtdicke oder sonstiger Details eine große Wirkung auf die Temperaturabweichung des Temperatursensors aufgrund des Heizers haben kann.
Gehen wir zum Beispiel davon aus, dass D2 und D4 Dioden sind und Heizelemente HT2 und HT4 aufweisen, die darauf platzierte Widerstandsstreifen umfassen. Widerstandsstreifen und diese besondere Anordnung sind nur ein Beispiel für geeignete Heizelemente und eine geeignete Anordnung. Selbst wenn HT2 und HT4 perfekt aneinander angepasst sind, ist es wahrscheinlich, dass die Dicke eines Zwischenmetalldielektrikums oder einer sonstigen anderen Struktur zwischen HT2 und D2 um z. B. 1% von der gleichen Struktur zwischen HT4 und D4 unterscheidet. Dies ist umso wahrscheinlicher, als der vertikale Abstand zwischen HT2 und D2 nur ungefähr 10 μm oder dergleichen beträgt. Obwohl HT2 die gleiche Wärme und Wärmedichte wie HT4 erzeugt, würden sich die Temperaturen an D2 und D4 unterscheiden. Dies verbessert sich allerdings, wenn der Abstand zwischen D2 und HT2 und auch zwischen D4 und HT4 vergrößert wird, z. B. um einen seitlichen Abstand von ungefähr 10 μm. Dann ist die Wärmekopplung weniger eng, aber dafür stabiler gegenüber Herstellungstoleranzen. Andererseits kann, je größer der Abstand zwischen D2 und HT2 ist, der Einfluss der Umgebungsregion und der dort angeordneten Strukturen auf die Wärmekopplung zwischen ihnen umso größer sein. Es kann daher von Vorteil sein, dass weitere Schaltungsvorrichtungen rund um D2 – HT2 und D4 – HT4 so gestaltet sind, dass sie symmetrisch sind, um genau die gleiche Wärmekopplung zwischen D2 – HT2 und D4 – HT4 zu erreichen. Das gleiche gilt, wenn nur ein einziges Heizelement für D2 und D4 verwendet wird. In diesem Fall wird die Fehlanpassung zwischen HT2 und HT4 vermieden. Es ist natürlich typischerweise in der Praxis unpraktisch, das gesamte System symmetrisch in Bezug auf das Heizelement und alle Temperatursensoren D1–D4 zu konzipieren. In Ausführungsformen kann es daher innerhalb einer bestimmten Entfernung symmetrisch gestaltet werden, während die Symmetrie über größere Entfernungen imperfekt sein kann, solange die Kopplung von Wärmequelle und Temperatursensoren stark genug ist. Mit den oben erwähnten zahlen kann abgeschätzt werden, ob eine bestimmte Asymmetrie noch immer annehmbar ist. Wenn die Fehlanpassung aufgrund von Selbstkalibrierung auf ungefähr 0,1% reduziert werden soll, muss die Wärmekopplung zwischen dem Heizelement und D1–D4 bis mindestens ungefähr 0,1% angepasst sein. Eine jegliche Asymmetrie lässt sich in einem numerischen Computerkode (z. B. Simulation aus finiten Elementen) modellieren und die Wärmekopplung lässt sich so untersuchen.
Wenn der Hauptsensor Kontaktdiffusionen eines ersten Leitfähigkeitstyps aufweist (z. B. ein Hallsensor weist n-dotierte Kontaktdiffusionen auf), kann es möglich sein, kleinere Diffusionswannen eines zweiten, entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in den Kontaktdiffusionen des ersten Leitfähigkeitstyps zu platzieren. Im Fall des Hallsensors würde es sich um kleinere p-Wannen in n-Wannen handeln. Dies ergibt pn-Übergänge, die als Temperaturvorrichtungen dieses entsprechenden Kontakts verwendet werden könnten. Ein Beispiel ist in 9 gezeigt, die eine Version der oben besprochenen 3 ist. Diese Konfiguration kann platzsparend sein und die Wärmekopplung zwischen Kontakten und Temperatursensoren enger machen. In einer Ausführungsform kann der Kontakt 204a von oben betrachtet ringförmig sein und die Wanne 306 vollständig umschließen (im Gegensatz zur seitlichen Querschnittsansicht von 9), sodass der Strom, der in die Temperaturvorrichtung hinein/aus dieser heraus fließt, die Potentialverteilung im Hauptsensor nicht beeinflusst. Es ist zu beachten, dass 9 eine schematische Ansicht eines einzigen Kontakts mit einer integrierten pn-Temperaturdiode ist. In der Praxis weisen Halleffektvorrichtungen wie Hallplatten oder vertikale Halleffektvorrichtungen typischerweise drei oder mehr Kontakte auf, die jeweils einen solchen pn-Übergang aufweisen. Im Allgemeinen sollten alle Kontakte, die zum Abgreifen eines Signals in mindestens einer Phase eines Spinning-hall-Schemas verwendet werden, einen solchen pn-Übergang aufweisen.
10 ist eine schematische Darstellung einer Sensoranordnung 1000 gemäß einer Ausführungsform.
Um einen Überblick zu geben: Die Sensoranordnung 1000 räumt Nachteile früherer Ausführungsformen dadurch aus, dass ein erstes Leiterelement 1020, welches ein erstes Material mit einem hohen Seebeck-Koeffizienten und dadurch auch einen relativ hohen spezifischen Widerstand (z. B. Polysilizium) zusammensetzt, nur zwischen zwei Kontaktwannen 1011, 1012 der Hallvorrichtung angeordnet ist. Hier sind die zwei Enden des ersten Leiterelements 1020 jeweils mit zweiten und dritten Leiterelementen 1030, 1040 elektrisch gekoppelt, die aus einem zweiten Material (z. B. Aluminium) hergestellt sind. Das zweite Material weist einen niedrigen Seebeck-Koeffizienten und damit auch einen geringeren spezifischen Widerstand als das erste Material auf, und folglich können das zweite und das dritte Leiterelement 1030, 1040 relativ lang sein, ohne dass ihr Innenwiderstand zu hoch wird. An den entfernten Enden des zweiten und des dritten Leitelements 1030, 1040 wird die Spannung detektiert und der Temperaturunterschied zwischen den zwei Kontaktwannen 1011, 1012 davon abgeleitet.
Die Sensoranordnung 1000 umfasst eine Halleffektregion, die in 10 durch den gestrichelten Kasten gezeigt ist, Kontaktwannen 1011, 1012, 1013, 1014, ein erstes Leiterelement 1020, ein zweites Leiterelement 1030, ein drittes Leiterelement 1040, Versorgungsleitungen 1050 und Signalleitungen 1060.
Die Kontaktwannen umfassen eine erste Kontaktwanne 1011, eine zweite Kontaktwanne 1012, eine dritte Kontaktwanne 1013 und eine vierte Kontaktwanne 1014. Die erste Kontaktwanne 1011 ist in der Nähe einer äußeren Oberfläche der Halleffektregion angeordnet. Gegebenenfalls kann die zweite Kontaktwanne 1012 in der Nähe einer äußeren Oberfläche der Halleffektregion angeordnet sein. Ferner kann gegebenenfalls die zweite Kontaktfläche 1012 in der Nähe der äußeren Oberfläche derselben Halleffektregion wie die erste Kontaktwanne 1011 angeordnet sein. Die Kontaktwannen 1011, 1012, 1013, 1014 weisen eine starke Dotierungskonzentration auf. Daher sind die Kontaktwannen 1011, 1012, 1013, 1014 niedrigohmig und ihr Seebeck-Koeffizient ist ebenfalls relativ gering. Allerdings sind der Seebeck-Koeffizient der Kontaktwannen 1011, 1012, 1013, 1014 und der Seebeck-Koeffizient der Wolframstopfen nicht relevant, da diese Elemente so klein sind, dass sie eine homogene Temperatur aufweisen. Die Halleffektregion ist wiederum relativ groß, und es besteht ein Temperaturgradient zwischen den zwei Abfühlkontakten. Die Halleffektregion kann einen Seebeck-Koeffizienten von ungefähr 1,5 mV/Grad aufweisen.
Das erste Leiterelement 1020 ist als längliche Bahn geformt und umfasst zwei Enden – einen ersten Endabschnitt 1022 und einen zweiten Endabschnitt 1024 – die zwischen der ersten Kontaktwanne 1011 und der zweiten Kontaktwanne 1012 angeordnet sind. Das erste Leiterelement 1020 umfasst zum Beispiel unsiliziertes n- oder p-dotiertes Polysilizium, das einen relativ hohen spezifischen Widerstand aufweist, oder eine flache p-Wanne auf der Hallvorrichtung, oder ein jegliches Material, das einen signifikant unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten als das Metall des zweiten und des dritten Leiterelements 1030, 1040 aufweist. Polysilizium weist einen Seebeck-Koeffizienten von ungefähr 200 mV/Kelvin auf. Der erste Endabschnitt 1022 ist thermisch mit der ersten Kontaktwanne 1011 gekoppelt. Der zweite Endabschnitt 1024 ist thermisch mit der zweiten Kontaktwanne 1012 gekoppelt. Der Temperaturunterschied zwischen der ersten und der zweiten Kontaktwanne 1011, 2012 ist zu messen. Die Enden des ersten Leiterelements 1020 sind in Kontakt mit dem gebräuchlichen Aluminium der Verdrahtungsebene, sodass entsprechende erste und zweite Thermoelemente an den Kontaktstellen entstehen.
Das zweite Leiterelement 1030 umfasst zwei Enden – einen dritten Endabschnitt 1032 und einen vierten Endabschnitt 1034. Der dritte Endabschnitt 1032 ist thermisch mit der ersten Kontaktwanne 1011 gekoppelt. Der erste Endabschnitt 1022 des ersten Leiterelements 1020 und der dritte Endabschnitt 1032 des zweiten Leiterelements 1030 sind punktförmig elektrisch gekoppelt. In der Praxis sind sie oft durch einen oder mehrere Wolframstopfen gekoppelt – wenn mehrere Wolframstopfen verwendet werden, sind diese üblicherweise elektrisch parallel geschaltet, doch wenn die Metallschicht des zweiten Leiterelements höher ist als metal 1, kann es erforderlich sein, mehrere Wolframstopfen auch in Serie zu schalten.
Das dritte Leiterelement 1040 umfasst zwei Enden – einen fünften Endabschnitt 1042 und einen sechsten Endabschnitt 1044. Der fünfte Endabschnitt 1042 ist thermisch mit der zweiten Kontaktwanne 1012 gekoppelt. Der zweite Endabschnitt 1024 des ersten Leiterelements 1020 und der fünfte Endabschnitt 1042 des dritten Leiterelements 1040 sind punktförmig elektrisch gekoppelt, oder wie in Absatz [00104].
Das zweite und das dritte Leiterelement 1030 und 1040 sind aus einem Material (z. B. Aluminium oder Kupfer) mit einem Seebeck-Koeffizienten von ungefähr 1 μV/Grad hergestellt, und weisen einen niedrigeren spezifischen Widerstand als das erstes Leiterelement 1020 auf. Das Ergebnis ist, dass das zweite und das dritte Leiterelement 1030, 1040 relativ große Längen aufweisen können, ohne dass ihr Innenwiderstand zu hoch wird.
Mindestens zwei des ersten, zweiten und dritten Leiterelements 1020, 1030, 1040 müssen im Wesentlichen unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten aufweisen, das heißt vorzugsweise größer als 5 μV/°C, oder vorzugsweise größer als 15 μV/°Cm obwohl die Offenbarung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt ist. Der Unterschied zwischen den Seebeck-Koeffizienten kann ein jeglicher Unterschied sein, der für den beabsichtigten Zweck geeignet ist.
Die Versorgungsleitungen 1050 sind elektrisch mit der dritten und der vierten Kontaktwanne 1013, 1014 gekoppelt. Die Versorgungsleitungen 1050 sind konfiguriert, um die Hallvorrichtung mit Strom zu versorgen.
Die Signalleitungen 1060 sind elektrisch mit der ersten und der zweiten Kontaktwanne 1011, 1012 gekoppelt. Die Signalleitungen 1060 sind konfiguriert, um ein Ausgangssignal der Hallvorrichtung bereitzustellen. Wenn kein Magnetfeld existiert, wäre zu erwarten, dass kein Ausgangssignal der Ausgangssignalanschlüsse 1062 der Signalleitungen 1060 vorliegt. Allerdings liegt ein Thermoelement vor, wo die Metallsignalleitungen 1060 die n-dotierten Regionen der Kontaktwannen 1011, 1012 mit einem unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten berühren, was bewirkt, dass das Ausgangssignal eine geringe thermo-elektromagnetische Kraft (EMK) aufweist, was mit dem Temperaturunterschied zwischen der ersten und der zweiten Kontaktwanne 1011, 1012 verbunden ist. Das erste Leiterelement 1020 ist elektrisch mit dem zweiten und dem dritten Leiterelement 1030, 1040 gekoppelt, doch die Leiterelemente sind nicht unbedingt elektrisch mit der Halleffektregion oder einer der vier Kontaktwannen 1011, 1012, 1013, 1014 gekoppelt. Umgekehrt stehen die Versorgungsleitungen 1050 und die Signalleitungen 1060, 1062 in elektrischem Kontakt mit der Halleffektregion.
Die Spannung an den entfernten Enden des zweiten und des dritten Leiterelements 1030, 1040 kann am vierten und am sechsten Endabschnitt 1034, 1044 abgegriffen und der Temperaturunterschied zwischen der ersten Kontaktwanne 1011 und der zweiten Kontaktwanne 1012 kann davon abgeleitet werden. Eines der zwei entfernten Enden 1034, 1044 oder eines des ersten, zweiten oder dritten Leiterelements kann gegebenenfalls mit einer Referenzspannung Vref (nicht gezeigt) gekoppelt sein. Die Spannung an den Thermoelement-Signalanschlüssen (vierter und sechster Endabschnitt 1034, 1044) ist proportional zu einem Temperaturunterschied zwischen dem dritten Endabschnitt 1032 und dem fünften Endabschnitt 1042, das heißt den physikalischen Kontaktstellen zwischen dem Metall des zweiten und des dritten Leiterelements 1030, 1040 und dem Polysilizium des ersten Leiterelements 1020.
Während des Betriebs fließt kein Strom über das erste Leiterelement 1020 und die gekoppelten zweiten und dritten Leiterelemente 1030, 1040. Die Ausgangsspannung der Hallvorrichtung wird an den Ausgangssignalanschlüssen 1062 gemessen. Darüber hinaus wird die Ausgangsspannung der Thermoelemente an den Thermoelement-Anschlüssen (vierter und sechster Endabschnitt 1034, 1044) gemessen. Diese zwei Ausgangsspannungen können dann kombiniert und eine Korrelation bestimmt werden. Wenn eine dieser Spannungen groß ist, ist die andere üblicherweise auch groß. Die Korrelation kann bestimmt werden, und dann kann die gemessene Thermoelement-Spannung um einen bestimmten Faktor multipliziert und von der Hallvorrichtungsausgangsspannung subtrahiert werden. Das Ergebnis ist eine Hallvorrichtungsausgangsspannung, die um die Thermo-EMK korrigiert ist.
Ein Vorteil der Sensoranordnung 1000 gegenüber früheren Sensoranordnungen ist, dass das erste Leiterelement 1020 nicht so lang ist, und zum Beispiel 50 μm lang sein kann. Das erste Leiterelement 1020 verläuft nicht von der Sensoranordnung 1000 zu einem entfernten Verstärker, sondern stattdessen nur zwischen der ersten und der zweiten Kontaktwanne 1011, 1012 der Sensoranordnung 1000. Das Ergebnis ist, dass der Innenwiderstand nicht so groß ist, wie wenn das erste Leiterelement 1020 zu einem Verstärker verlaufen müsste, der 100–300 μm entfernt ist, und somit ist die Temperaturmessung genauer.
11 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Sensoranordnung 1100 gemäß einer Ausführungsform.
Die Sensoranordnung 1100 unterscheidet sich von der Sensoranordnung 1000 von 10 dadurch, dass das erste Leiterelement anstatt als längliche Bahn 1020 geformt zu sein, als runde Platte 1120 mit Vorsprüngen (erster Endabschnitt 1122 und zweiter Endabschnitt 1124) geformt ist. Das erste Leiterelement 1120 dieser Ausführungsform ist breiter und somit vorteilhafter hinsichtlich der Verringerung des Innenwiderstands der Temperaturmessung.
Die Sensoranordnung 1100 unterscheidet sich ebenfalls von der Sensoranordnung 1000 von 10 dadurch, dass eine Signalleitung von einem der Thermoelemente mit einer Signalleitung der Hallvorrichtungsausgangssignalleitungen kombiniert ist. Genauer ist der dritte Endabschnitt 1032, zusätzlich dazu, dass er elektrisch mit dem ersten Endabschnitt 1122 gekoppelt ist, am Kontakt 1164 auch elektrisch mit der ersten Kontaktwanne 1012 gekoppelt ist. In dieser Ausführungsform sind die Thermoelemente elektrisch mit der Hallvorrichtung gekoppelt, sodass das Gleichtaktpotential der Thermoelemente durch die Hallvorrichtung bestimmt ist. Es wird kein weiteres Referenzpotential Vref benötigt, und eine Signalleitung wird eingespart, das heißt eine der Ausgangssignalleitungen mit dem Ausgangsanschluss 1162 ist dieselbe wie eine der Thermoelementleitungen mit dem vierten Endabschnitt 1034.
12 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Sensoranordnung 1200 gemäß einer Ausführungsform.
Die Sensoranordnung 1200 unterscheidet sich von der Sensoranordnung 1100 von 11 dadurch, dass das erste Leiterelement 1220, anstatt als runde Platte 1120 geformt zu sein, als Quadrat geformt und kleiner als die Halleffektregion ist. Ferner weist das erste Leiterelement 1220 nicht nur zwei, sondern vier Vorsprünge auf.
Die Sensoranordnung 1200 unterscheidet sich von der Sensorvorrichtung 1100 von 11 außerdem dadurch, dass sie, anstatt nur zwei Kontaktwannen (die erste und die zweite Kontaktwanne 1011, 1012), vier Kontaktwannen 1011, 1012, 1013, 1014 zur Thermo-EMK-Kompensation verwendet. Wie bereits erwähnt, arbeiten Hallvorrichtungen allgemein in einem Spinning-Strom-Modus mit zwei Betriebsphasen. In einer ersten Betriebsphase wird ein Versorgungsstrom durch diametral gegenüberliegende Kontaktwannen geleitet, und an den anderen zwei Kontaktwannen wird die Ausgangsspannung gemessen. In der zweiten Betriebsphase erfolgt ein Wechsel, das heißt das erste Paar von Kontaktwannen wird verwendet, um die Ausgangsspannung abzugreifen, und durch das zweite Paar von Kontaktwannen wird ein Versorgungsstrom geleitet. Da die Ausgangsspannung wechselt, ist es wünschenswert, den Temperaturunterschied an den Kontaktwannen, die als Ausgangsanschluss fungieren, zu kennen. Die Kontaktwannen wechseln in jeder Betriebsphase, es wechseln also auch die Thermoelemente. Es sind daher vier Thermoelemente erforderlich, wobei jedes Thermoelement einer der Kontaktwannen 1011, 1012, 1013, 1014 zugeordnet ist.
Das erste Leiterelement 1220 umfasst vier Vorsprünge – einen ersten, zweiten, siebten und achten Endabschnitt 1222, 1224, 1226, 1228 – die zwischen der ersten, zweiten, vierten und dritten Kontaktwanne 1011, 1012, 1014, 1013 angeordnet sind. Der erste Endabschnitt 1022 ist mit der ersten Kontaktwanne 1011 thermisch gekoppelt. Der zweite Endabschnitt 1024 ist mit der zweiten Kontaktwanne 1012 thermisch gekoppelt. Der siebte Endabschnitt 1226 ist mit der vierten Kontaktwanne 1014 thermisch gekoppelt. Der achte Endabschnitt 1228 ist mit der dritten Kontaktwanne 1013 thermisch gekoppelt. Der Temperaturunterschied zwischen der ersten und der zweiten Kontaktwanne 1011, 1012 muss während der ersten Betriebsphase gemessen werden, und der Temperaturunterschied zwischen der dritten und der vierten Kontaktwanne 1013, 1014 muss während der zweiten Betriebsphase gemessen werden. Die Enden des ersten Leiterelements 1020 sind im Kontakt mit dem gebräuchlichen Aluminium der Verdrahtungsebene, sodass entsprechende Thermoelemente an den Kontaktstellen entstehen.
Ein viertes Leiterelement 1240 umfasst zwei Enden – einen neunten Endabschnitt 1242 und einen zehnten Endabschnitt 1244. Der siebte Endabschnitt 1226 des ersten Leiterelements 1220 und der neunte Endabschnitt 1232 des vierten Leiterelements 1240 sind punktförmig, oder wie oben erwähnt über Wolframstopfen elektrisch gekoppelt.
Ein fünftes Leiterelement 1230 umfasst zwei Enden – einen elften Endabschnitt 1232 und einen zwölften Endabschnitt 1234. Der elfte Endabschnitt 1232 ist thermisch mit der dritten Kontaktwanne 1013 gekoppelt. Der achte Endabschnitt 1228 des ersten Leiterelements 1220 und der elfte Endabschnitt 1244 des fünften Leiterelements 1230 sind punktförmig, oder wie oben erwähnt über Wolframstopfen elektrisch gekoppelt.
Das vierte und das fünfte Leiterelement 1240, 1230 sind dem zweiten und dem dritten Leiterelement 1230, 1240 insofern ähnlich, als sie aus einem Material (z. B. Aluminium oder Kupfer) mit einem Seebeck-Koeffizienten von ungefähr 1 μV/Grad hergestellt sind und einen geringeren spezifischen Widerstand als das erste Leiterelement 1220 aufweisen. Das Ergebnis ist, dass das vierte und das fünfte Leiterelement 1240, 1230 große Längen aufweisen können, ohne dass ihr Innenwiderstand zu hoch wird.
Mindestens zwei des ersten, des vierten und des fünften Leiterelements 1220, 1240, 1230 weisen im Wesentlichen unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten auf, das heißt vorzugsweise größer als 15 μV/°C, obwohl die Offenbarung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt ist. Der Unterschied der Seebeck-Koeffizienten kann jeglicher Unterschied sein, der für den beabsichtigten Zweck geeignet ist.
Während der ersten Betriebsphase kann das Spannungsdifferenzsignal an den entfernten Enden des zweiten und des dritten Leiterelements 1030, 1040 am vierten und am sechsten Endabschnitt 1034, 1044 (d. h. Thermoelement-Signalanschlüsse) abgegriffen werden, und der Temperaturunterschied zwischen der ersten Kontaktwanne 1011 und der zweiten Kontaktwanne 1012 davon abgeleitet werden. Die Spannung an den Thermoelement-Signalanschlüssen (vierter und sechster Endabschnitt 1034, 1044) ist proportional zu einem Temperaturunterschied zwischen dem dritten Endabschnitt 1032 und dem fünften Endabschnitt 1044, das heißt den physikalischen Kontaktstellen zwischen dem Metall des zweiten und des dritten Leiterelements 1030, 1040 und dem Polysilizium des ersten Leiterelements 1020.
Während der zweiten Betriebsphase kann das Spannungsdifferenzsignal an den entfernten Enden des vierten und des fünften Leiterelements 1240, 1230 am zehnten und am elften Endabschnitt 1234, 1234 (d. h. Thermoelement-Signalanschlüssen) angegriffen werden, und der Temperaturunterschied zwischen der dritten Kontaktwanne 1013 und der vierten Kontaktwanne 1014 davon abgeleitet werden. Die Spannung an den Thermoelement-Signalanschlüssen (zehnter und zwölfter Endabschnitt 1244, 1234) ist proportional zu einem Temperaturunterschied zwischen dem neunten Endabschnitt 1232 und dem elften Endabschnitt 1232, das heißt den physikalischen Kontaktstellen zwischen dem Metall des vierten und des dritten fünften 1240, 1230 und dem Polysilizium des ersten Leiterelements 1220.
Während der ersten Betriebsphase wird die Sensoranordnung 1200 mit Strom über die Leitungen 1260 versorgt, und das Ausgangssignal wird von den Leitungen 1160 abgegriffen. Während der zweiten Betriebsphase ist dies insofern umgekehrt, als die Sensoranordnung 1200 mit Strom über die Leitungen 1160 versorgt und das Ausgangssignal von den Leitungen 1260 abgegriffen wird.
13 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Sensoranordnung 1300 gemäß einer Ausführungsform.
Die Sensoranordnung 1300 unterscheidet sich von den Sensoranordnungen 1000, 1100 und 1200 von 10–12 jeweils dadurch, dass die Thermoelemente, anstatt punkförmig zu sein, linear oder planar sind. Thermoelemente sollen eine Durchschnittstemperatur einer gesamten Kontaktwanne detektieren, weshalb es von Vorteil ist, wenn die Thermoelemente linear oder planar sind. Genauer kann eine Vielzahl von Kontaktstellen zwischen einem ersten Leiterelement 1320 und einem zweiten und einem dritten Leiterelement 1330, 1340 entlang eines geraden oder gekrümmten Pfads oder auf einer Fläche angeordnet sein, wenn der Pfad oder die Fläche sowohl zum ersten Leiterelement 1320 als auch zum zweiten und dritten Leiterelement 1330, 1340 durchgeschaltet ist. Wenn die Durchschnittstemperatur der Kontaktwanne 1310 durch das Thermoelement detektiert werden soll, ist es von Vorteil, wenn die Kontaktstellen zwischen einem ersten Leiterelement 1320 und einem dritten Leiterelement die Kontaktwanne in hohem Maße umgeben.
13 zeigt eine linke untere Ecke einer Hallplatte. Die gestrichelte Linie ist ein Teil der Halleffektregion. Es ist eine Kontaktwanne 1310 gezeigt, doch existieren identische Kontaktwannen, die nicht gezeigt sind. Die Kontaktwanne 1310 weist elektrisch gekoppelte erste Kontakte 1312 auf.
Das erste Leiterelement 1320 kann identisch zur oberen Platte einer Halleffektvorrichtung sein. Die obere Platte ist eine dünne, leitfähige Platte, die einen signifikanten Abschnitt der Oberseite der Halleffektregion bedeckt. Ein wesentlicher Zweck der oberen Platte ist es, zu verhindern, dass große elektrische Felder auf die relativ niedrig-dotierte Halleffektregion wirkt, da ein großes elektrisches Feld als Kraft auf mobile Ionen in der Halleffektregion wirken könnte. Wenn sich diese Ionen bewegen, ändern sie die Ladungsverteilung in der Halleffektregion, und diese Änderung der Ladungsverteilung ändert wiederum die Magnetempfindlichkeit und den Offset der Halleffektvorrichtung. Die obere Platte ist entweder eine Metall- oder eine Polysiliziumplatte, die von der Halleffektregion durch eine dielektrische Zwischenschicht isoliert ist, und ist mit einem Referenzpotential gekoppelt, das üblicherweise ein Massepotential ist. Alternativ dazu kann eine flache p-Wanne über der Halleffektregion, die eine n-Wanne ist, platziert sein wodurch die p-Wanne mit einem Potential gekoppelt ist, das niedriger als das niedrigste Potential in der Halleffektvorrichtung ist, sodass der p-n-Übergang zwischen der oberen Platte und der Halleffektregion in die Sperrrichtung vorgespannt ist und somit kein Strom zwischen ihnen fließt.
Diese obere Platte kann das erste Leitelement 1320 sein, doch sollte die obere Platte ein Material umfassen, dessen Seebeck-Koeffizient sich signifikant von dem der Zwischenverbindungsschicht unterscheidet. Ferner sollte die obere Platte mit Bahnen der Zwischenverbindungsschicht nahe zu mindestens zwei Signal-/Ausgangskontakten gekoppelt sein.
Die obere Platte dieser Ausführungsform weist im Wesentlichen die gleiche Größe auf wie die Halleffektregion, mit der Ausnahme von rechteckigen Öffnungen 1324, um Zugriff zu den entsprechenden Kontaktwannen zu erhalten. Das erste Leiterelement 1320 umfasst einen Ring von elektrisch gekoppelten zweiten Kontakten 1322, die auf dem ersten Leiterelement 1320 verteilt sind, um die Kontaktwanne 1310 zu umgeben. Dieser Ring von zweiten Kontakten 1342 ist in Kontakt mit dem ersten Leiterelement 1320. Der Ring von zweiten Kontakten 1342 misst eine Temperatur der Kontaktwanne 1310. Indem die Kontaktwanne 1310 von Kontakten umgeben ist, kann eine Durchschnittstemperatur über der Kontaktwanne 1310 erhalten werden.
Die obere Platte als erstes Leiterelement 1320 kann Polysilizium umfassen und von der darunterliegenden Halleffektregion durch eine dielektrische Schicht elektrisch isoliert sein. Flache p-dotierte Wannen können alternativ dazu als Abdeckungen verwendet werden, wobei die Wannen auf der Oberfläche der n-dotierten Halleffektregion angeordnet sind. Es wäre von Vorteil, wenn eine solche Wanne einen höheren Seebeck-Koeffizienten aufweist, was ein größeres Signal bei gleichem Temperaturgradienten bewirkt. Die Auslegungen oder Geometrien dieser Abdeckungen ähneln den Ausführungsformen von 11–13.
Wenn das erste Leiterelement 1320 von der Halleffektregion durch eine interstitielle elektrisch isolierende Schicht isoliert ist, kann elektrisches Koppeln zwischen dem ersten Leiterelement 1320 und der Halleffektregion darunter erfolgen. Zu diesem Zweck sollte die Isolierschicht geöffnet, einen Wolframstopfen eingebracht und eine kleine Kontaktdiffusion auf der Oberseite der Halleffektregion, die mit dem Wolframstopfen in Kontakt steht, hinzugefügt werden. Vorzugsweise liegt dieser Kontakt in der Mitte der Halleffektregion (im Grundriss), sodass das Potential während eines Spinning-Strom-Schemas nicht stark ansteigt. Eine solche mittige fünfte Kontaktwanne in der Mitte der Halleffektregion verursacht keine große Asymmetrie und fügt daher keinen signifikanten Offset-Fehler zur Halleffektvorrichtung hinzu. In diesem Fall ist das Gleichtaktpotential des ersten Leiterelements 1320 gleich dem Gleichtaktpotential der Halleffektregion. Alternativ dazu kann das erste Leiterelement 1320 mit einer Zwischenverbindungsleitung elektrisch gekoppelt und diese Zwischenverbindungsleitung zu einem Referenzpotential gelegt sein. In diesem Fall kann sich die Kontaktwanne auch in der Nähe des Mittelpunkts der Halleffektregion befinden, doch kann sie auch an anderer Stelle auf dem ersten Leiterelement 1320 angeordnet sein.
Das zweite Leiterelement 1330 umfasst zwei Enden – einen ersten Endabschnitt 1332 und einen zweiten Endabschnitt 1334. Der erste Endabschnitt 1332 ist mit den elektrisch gekoppelten ersten Kontakten 1312 elektrisch gekoppelt. Der zweite Endabschnitt 1334 ist ein Ausgangssignalanschluss.
Das dritte Leiterelement 1340 umfasst zwei Enden – einen dritten Endabschnitt 1342 und einen vierten Endabschnitt 1344. Der dritte Endabschnitt 1342 ist mit dem Ring von elektrisch gekoppelten zweiten Kontakten 1342 elektrisch gekoppelt. Der vierte Endabschnitt 1344 ist ein Thermoelement-Signalanschluss, der Teil der Halleffektvorrichtung sein kann oder alternativ dazu ein Referenzpunkt außerhalb der Halleffektvorrichtung.
In dieser Ausführungsform sind die Halleffektregion und das erste Leiterelement 1320 miteinander kongruent. Kontakte zwischen dem ersten Leiterelement 1320 und dem zweiten oder dritten Element 1330, 1340 sind keine Vorsprünge, da diese Kontakte keine Vorsprünge erfordern.
Während des Betriebs können die Spannung am entfernten Ende des zweiten Leiterelements 1330 am zweiten Endabschnitt 1334 in Kombination mit der Spannung an einem entsprechenden Anschluss einer zweiten Kontaktwanne (nicht gezeigt) abgetastet werden, um eine Ausgangsspannungsdifferenz zwischen der Kontaktwanne 1310 und der zweiten Kontaktwanne sowie einen davon abgeleiteten Temperaturunterschied zu erhalten. Die Spannung an den entfernten Enden des dritten Leiterelements 1340 am vierten Endabschnitt 1344 kann in Kombination mit der Spannung an einem entsprechenden Terminal einer zweiten Kontaktwanne abgegriffen werden, um die Ausgangsspannung der Hallvorrichtung zu erhalten. Diese zwei Ausgangsspannungen können dann kombiniert und eine Korrelation bestimmt werden. Wenn eine dieser Spannungen groß ist, ist üblicherweise auch die andere groß. Es kann die Korrelation bestimmt werden, und dann kann die gemessene Thermoelement-Spannung mit einem bestimmten Faktor multipliziert und von der Hallvorrichtungsausgangsspannung subtrahiert werden. As Ergebnis ist eine Hallvorrichtungsausgangsspannung, die um die Thermo-EMK korrigiert ist.
14A und 14B sind Schaltdiagramme einer Sensoranordnung 1400 gemäß einer Ausführungsform.
Um einen Überblick zu geben: Diese Ausführungsform verwendet zur Korrektur der Thermo-EMK anstatt einer oberen Platte über einer Halleffektvorrichtung die Halleffektvorrichtung selbst auf zeitlich versetzt. In einer ersten Betriebsphase wird die Halleffektvorrichtung mit Energie versorgt, und Ausgangssignale werden abgetastet. In dieser ersten Betriebsphase wird eine inhomogene Temperaturverteilung zwischen den Halleffektvorrichtungsausgangskontaktwannen C1 und C3 hergestellt. Anschließend wird in einer zweiten Nicht-Betriebsphase der Strom durch die Halleffektvorrichtung ausgeschaltet, sodass die Spannungsverteilung in der Halleffektvorrichtung nicht länger durch einen Stromfluss oder ein Magnetfeld beeinflusst wird. Stattdessen wird die Spannungsverteilung nur durch den Seebeck-Effekt beeinflusst, das heißt durch Thermospannungen, die aus einer inhomogenen Temperaturverteilung resultieren. Mit anderen Worten, in diesem stromfreien Zustand können die Thermospannungen an den Halleffektvorrichtungsausgangskontaktwannen C1 und C3 abgegriffen und der Temperaturunterschied davon abgeleitet werden. Da jedoch die Halleffektvorrichtung nicht mit Energie versorgt wird, liegt kein Selbstheizen vor, und die Temperaturverteilung, die im zuvor mit Energie versorgten Zustand hergestellt wurde, klingt mit einer Geschwindigkeit ab, die von den thermischen Zeitkonstanten der Sensoranordnung 1400 bestimmt sind. Wenn die Sensoranordnung 1400 die Thermospannungen der Halleffektvorrichtungsausgangskontaktwannen C1 und C3 schnell genug (z. B. binnen 1 μsek oder weniger) detektieren kann, können diese Messwerte dann mit den Temperaturabweichungen im mit Energie versorgten ersten Betriebszustand korreliert werden. Es ist dann möglich, einen Offset-Fehler aufgrund der Temperaturabweichungen zu schätzen und das Halleffektvorrichtungsausgangssignal in Bezug auf den Offset-Fehler zu korrigieren.
Wenn der Strom während der zweiten Nicht-Betriebsphase ausgeschaltet wird, sind die Spannungen der Halleffektvorrichtungsausgangskontaktwannen C1 und C3 anfänglich potentialfrei. Eine Ausgangskontaktwanne C3 ist mit einer Referenzspannung über eine erste Spannungsquelle (1,15 V) gekoppelt. Vorzugsweise ist diese Spannung identisch mit der Spannung an der Ausgangskontaktwanne C3 während der ersten Betriebsphase, da die parasitären Kapazitäten an dieser Ausgangskontaktwanne C3 sehr schnell eine Ladungsumkehr durchmachen. In der stromfreien zweiten Nicht-Betriebsphase durchlaufen alle weiteren Kontaktwannen C1, C2, C4 eine Ladungsumkehr zu dieser Spannung mit einer Zeitkonstante, wobei die Zeitkonstante ungefähr dem Produkt des Innenwiderstands der Kontaktwanne und der parasitären Kapazität am Netzwerkknoten in Bezug auf Masse entspricht (z. B. grob 5 kΩ·200 fF = 1 ns). Die kapazitativen Übergangsvorgänge sind daher großteils nach ungefähr 50 ns nach dem Ausschalten des Versorgungsstroms abgeklungen, während die thermischen Übergangsvorgänge bis zu 1 μs, oder sogar 10 μs andauern.
14A ist ein Schaltdiagramm einer Sensoranordnung 1400A während der ersten Betriebsphase.
Die Sensoranordnung 1400A umfasst eine Halleffektvorrichtung, einen Vorverstärker, Schalter S1, S2, S3, einen NMOS-Stromspiegel, einen PMOS-Stromspiegel, eine Rückkopplungsschleife und eine erste Spannungsquelle.
Die Halleffektvorrichtung umfasst Kontaktwannen C1–C4. Die Kontaktwannen C1–C4 sind konfiguriert, um eine Ausgangsspannung der Halleffektvorrichtung zu erregen und abzugreifen. Die Kontaktwannen C1 und C3 sind die Ausgangsanschlüsse, an denen das Ausgangssignal abgegriffen wird. Der Vorverstärker ist konfiguriert, um das Ausgangssignal zu verstärken. Die Kontaktwannen C2 und C4 sind konfiguriert, um die Halleffektvorrichtung mit Strom zu versorgen.
Der PMOS-Stromspiegel ist eine Stromquelle, und die Halleffektvorrichtung wird von dieser Stromquelle über den Schalter SW1 versorgt.
Die Rückkopplungsschleife, die optional ist, ist konfiguriert, um Strom zu entnehmen, um die Spannung am Schalter SW2 zu steuern. Die Rückkopplungsschleife umfasst einen operativen Transkonduktanzverstärker (OTA) und eine zweite Spannungsquelle (z. B. 0,15 V). Der OTA ist konfiguriert, um die Spannungen an seinen Eingangsanschlüssen zu vergleichen. An einem Eingangsanschluss ist eine Referenzspannung angelegt (zweite Spannungsquelle von 0,15 V). Wenn die Spannung am Schalter SW2 größer ist als die Referenzspannung (0,15 V), dann ist der OTA-Ausgang hoch, was die Gates des NMOS-Stromspiegels hochzieht, was wiederum die Spannung am Schalter SW2 herunterzieht, wodurch die Spannung am invertierenden Eingang des OTA heruntergezogen wird. Diese Negativ-Rückkopplungsschleife ist somit konfiguriert, um die Spannung am Schalter SW2 zu steuern, damit sie die Referenzspannung (0,15 V) ist. Die Schalter SW1 und SW2 stellen somit Versorgungsanschlüsse dar.
Die Spannung am Schalter SW1 wird nicht direkt gesteuert, sondern durch die Rückkopplungsschleife. Wenn die erste Betriebsphase endet und die zweite Nicht-Betriebsphase beginnt, werden die Schalter SW1 und SW2 geöffnet, um den Strom durch die Halleffektvorrichtung zu unterbrechen. Die Halleffektvorrichtung muss nach wie vor unter einer Spannung sein, und diese Spannung ist die erste Spannung über den Schalter SW3, das ist in diesem Fall 1,15 V. Wenn der Strom durch die Halleffektvorrichtung ausgeschaltet ist, ändert sich ihre Spannung an der Ausgangskontaktwanne C3 nicht, weil sie immer durch den Schalter SW3 mit der ersten Spannungsquelle von 1,15 V gekoppelt ist. Diese Spannung wird für den Vorverstärker benötigt, da der Vorverstärker nur Mikrovolt messen kann. Wenn die Spannung sich um 0,5 oder 1 V ändern würde, würde der Vorverstärker übersteuert werden und nicht mehr funktionieren.
Die NMOS- und PMOS-Stromspiegel können alternativ dazu durch eine sonstige andere Stromspiegelschaltung ersetzt werden, wie etwa solche, die bipolare Transistoren oder Kaskoden umfassen. Ferner sind die erste und die zweite Spannungsquelle nicht auf die spezifischen erwähnten Spannungsgrößen beschränkt. Diese Spannungsquellen können eine jegliche Spannungsgröße sein, die für den beabsichtigten Zweck geeignet ist.
In dieser Ausführungsform existiert kein ausgewiesenes Thermoelement, da die Ausgangskontaktwannen C1 und C3 in der ersten Betriebsphase als herkömmliche Halleffekt-Signalausgänge und in der zweiten Nicht-Betriebsphase als Thermoelemente verwendet werden. Um die Ausgangskontaktwannen C1 und C3 als Thermoelemente zu verwenden, darf kein Strom durch die Halleffektvorrichtung fließen. Dies ist der Grund für die zwei Phasen.
Die erste Betriebsphase, wie in 14A gezeigt, ist herkömmlich, mit der Ausnahme, dass der Schalter SW3 die erste Spannungsquelle mit dem Vorverstärker koppelt. Damit diese Ausgangsleitung von der Kontaktwanne C3 dem Ausschalten des Stroms durch die Halleffektvorrichtung nicht einem Spannungssprung unterliegt, zieht die Sensoranordnung 1400 diesen Ausgang auf die erste Spannungsquelle (1,15 V).
14B ist ein Schaltdiagramm einer Sensoranordnung 1400B in der zweiten Nicht-Betriebsphase.
In der zweiten Nicht-Betriebsphase, die direkt auf die erste Betriebsphase folgt, werden die Schalter SW1 und SW2 geöffnet, wie in 14B gezeigt. Folglich fließt kein Strom mehr in die Halleffektvorrichtung hinein oder aus dieser heraus. Die Spannung an einem der zwei Ausgangsanschlüsse der Halleffektvorrichtung, in diesem Fall der Ausgangsanschluss C3, wird jedoch über die erste Spannungsquelle bei 1,15 V aufrechterhalten, weil der Schalter SW3 noch immer geschlossen ist. Die Halleffektvorrichtung kann nicht frei schwimmen, da der Schalter SW3 geschlossen bleibt und den Halleffektvorrichtungsausgang und den Vorverstärkereingang an die erste Spannungsquelle (1,15 V) geklemmt hält. An diesem einen Vorverstärkereingang findet keine Änderung zwischen der ersten und der zweiten Phase statt, da er mit der ersten Spannung (1,15 V) gekoppelt ist. Der andere Vorverstärkereingang ist mit der Ausgangskontaktwanne C1 gekoppelt, die sich nun ändern wird. In der ersten Betriebsphase wird der Unterschied zwischen den Ausgangskontaktwannen C1 und C3 durch das Magnetfeld der Halleffektvorrichtung verursacht. Da jedoch während der zweiten Nicht-Betriebsphase kein Strom mehr durch die Halleffektvorrichtung fließt, hat das Magnetfeld keine Wirkung mehr auf die Ausgangsspannung, die nun abnimmt. Die Thermo-EMK-Spannung existiert allerdings nach wie vor. Die Ausgangskontaktwannen C1 und C3 weisen leicht unterschiedliche Temperaturen auf (z. B. ungefähr 20 mK Unterschied), und jede dieser Ausgangskontaktwannen fungiert als ein Thermoelement. Als Ergebnis besteht während der zweiten Nicht-Betriebsphase zwischen den Eingängen des Vorverstärkers eine Spannungsdifferenz von ungefähr 800 μV.
Der Vorverstärker muss diese Thermospannung rasch innerhalb eines Zeitraums messen, der kürzer ist als die thermische Zeitkonstante, bei der der Temperaturunterschied abklingt. Bei Bedarf kann ein Abtast- und Halte-Element verwendet werden, um die Thermospannung zu detektieren, kurz nachdem die Schalter SW1 und SW2 geöffnet wurden, und um für den Vorverstärker mehr Zeit zur Verarbeitung der Spannung bereitzustellen.
Geringe Störspannungen treffen an den Halleffektausgangskontaktwannen C1 und C3 auf, wenn die Schalter SW1 und SW2 geöffnet sind. Die Störspannungen sind nicht zu vermeiden, da alle Schaltungsknoten mit unvermeidlichen Streukapazitäten belastet sind. In dieser Hinsicht fällt nach dem Öffnen des Schalters SW1 die Verbindung der Halleffektvorrichtung zum Schalter SW1 von ungefähr 2,25 V auf 1,15 V (d. h. –1,1 V). Gleichzeitig steigt die Verbindung der Halleffektvorrichtung zum Schalter SW2 von 0,15 V auf 1,15 V (d. h. +1 V). Diese Asymmetrie (–1,1 V gegenüber +1,0 V) tritt auf, weil die Halleffektvorrichtung eine elektrische Nichtlinearität besitzt, sodass bei einem schwindenden Magnetfeld die Spannung an den Ausgangskontaktwannen C1 und C3 sich nicht genau in der Mitte zwischen den Versorgungsspannungen befindet, sondern ein wenig hin zur höheren Spannung verschoben ist. Wenn Streukapazitäten an beiden Verbindungen (aufgrund der Symmetrie der Halleffektvorrichtung und ähnlicher Leiterverbindungen) eine ähnliche Größe aufweisen, sind negative und positive Ladeströme zu erwarten, die einander nicht genau auslöschen, und die Differenz führt zu einem kurzen Spannungsimpuls beim Schalten der Schalter SW1 und SW2. Die Schaltanordnung 1400 sollte diesen Impuls maskieren, zum Beispiel indem die Eingänge des Vorverstärkers beim Schalten kurz von der Halleffektvorrichtung getrennt werden.
Es existieren zahlreiche Verfahren, um ein Gleichtaktpotential an Vorverstärkereingängen in der zweiten Nicht-Betriebsphase zu definieren. Zum Beispiel kann in der ersten Betriebsphase eine Hilfs-Schaltung die Potentiale an Kontaktwanne C3 oder C1, oder Kontaktwannen C3 und C1 abgreifen und einen Kondensator auf V(C3) oder V(C1) oder (V(C3) + V(C1))/2 laden. In der zweiten Nicht-Betriebsphase lädt die zusätzliche Schaltung nicht länger den Kondensator, sondern sie koppelt den Kondensator zwischen Masse und eine Kontaktwanne C1, C2, C3 oder C4. Dann wird das Potential an der Kontaktwanne C3 oder C1 durch diesen Kondensator während der gesamten zweiten Nicht-Betriebsphase definiert.
Ein Vorteil der Verwendung der Halleffektvorrichtung direkt als Thermoelement ist eine bessere Wärmekopplung der Metall-/Halbleiterübergänge (die die Thermoelemente bilden) zu den Ausgangskontaktwannen. Die Halleffektvorrichtungsausgangskontaktwannen C1 und C3 werden direkt gemessen, um reale Temperaturen der Kontaktwannen, im Gegensatz zu den Temperaturen von Thermoelementen, die in der Nähe der Kontaktwannen liegen, zu erhalten, was zu einer genaueren Temperaturmessung führt. Ferner ist üblicherweise die n-dotierte Kontaktwanne der Halleffektvorrichtung das Element mit dem größten Seebeck-Koeffizienten. Dies ist von besonderem Nachteil für die Halleffektvorrichtung, da sie die größten wärmeinduzierten Fehler aufweist. In der zweiten Nicht-Betriebsphase wird die Halleffektvorrichtung als Thermoelement verwendet, allerdings als sehr empfindliches Thermoelement. Wenn die obere Platte als Thermoelement verwendet wird, beträgt der Seebeck-Koeffizient 100 oder 200 Mikrovolt pro Kelvin, während die Halleffektvorrichtung selbst einen Seebeck-Koeffizienten von ungefähr 1500 Mikrovolt pro Kelvin aufweist, was 10 mal größer ist. Dadurch erhöht sich das Thermo-Offsetsignal im Vergleich zu früheren Ausführungsformen, in denen die Halleffektregion nicht Teil der Thermoelemente war.
Diese Ausführungsform ist nicht nur auf herkömmliche Halleffektvorrichtungen anwendbar. Zum Beispiel ist diese Ausführungsform auch auf Sensorvorrichtungen für mechanischen Stress anwendbar, oder alternativ dazu auf vertikale Halleffektvorrichtungen. Die Halleffektvorrichtung kann üblicherweise nur eine Magnetfeldkomponente, die auf die Chip-Oberfläche senkrecht ist, messen und die vertikale Halleffektvorrichtung kann Magnetfeldkomponenten in der Ebene, die parallel zur Chip-Oberfläche sind, messen. Eine obere Platte ist elektrisch von jeder Halleffektregion isoliert, zum Beispiel durch eine dielektrische Isolierschicht oder durch einen blockierten pn-Übergang, und kann über eine Zwischenverbindungsleitung mit einer Spannung gekoppelt sein. Eine solche obere Platte kann aus einem Material hergestellt sein, das einen Seebeck-Koeffizienten mit einem absoluten Wert, der größer ist als der der Aluminium- oder Kupfer-Metallisierung im Halbleiterprozess, aufweist. Eine solche obere Platte kann ferner mit einer Vielzahl von Zwischenverbindungsleitungen bereitgestellt sein, die in Kontakt mit der oberen Platte steht, welche in jedem Fall in der Nähe einer Kontaktwanne der Halleffektregion liegt, und somit ist die Temperatur an diesen Kontaktwannen messbar.
Somit wurden hier verschiedene Ausführungsformen von Sensoren, Systemen und Verfahren zum Kompensieren der Effekte von Thermo-EMK in Bezug auf verschiedene beispielhafte Ausführungsformen und Darstellungen, die keine Beschränkung der allgemeinen Grundsätze bedeuten, besprochen. Zum Beispiel können neben den Beispielen, die in Verbindung mit Halleffektsensoren erörtert wurden, weitere Sensortypen verwendet werden, einschließlich anderer Magnetfeldsensoren, Sensoren für mechanischen Stress, und sonstige. Im Allgemeinen jedoch kann der restliche Offset mit Temperaturschwankungen an Sensorkontakten korreliert werden, die wiederum mit Thermo-EMK korreliert werden können, und der restliche Offset kann reduziert oder beseitigt werden, indem ein Korrekturterm oder Kompensationssignal hinzugefügt wird, oder durch Umsetzen einer Steuerschleife basierend auf abgefühlten Temperaturen an einem oder mehreren Sensorkontakten.
Verschiedene Ausführungsformen von Systemen, Vorrichtungen und Verfahren wurden hier beschrieben. Diese Ausführungsformen dienen nur als Beispiele und sollen den Schutzumfang der Offenbarung nicht einschränken. Es ist darüber hinaus zu beachten, dass die verschiedenen Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen auf verschiedene Weise kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsform herzustellen. Obwohl verschiedene Materialien, Dimensionen, Formen, Konfigurationen und Anordnungen zur Verwendung mit offenbarten Ausführungsformen beschrieben wurden, können auch andere neben den offenbarten eingesetzt werden, ohne den Schutzumfang der Offenbarung zu verlassen.
Gewöhnliche Fachleute auf den einschlägigen Gebieten werden erkennen, dass Ausführungsformen weniger Merkmale umfassen können als in einzelnen oben beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht. Die hier beschriebenen Ausführungsformen sollen keine erschöpfende Darstellung der Weise sein, in der die verschiedenen Merkmale kombiniert werden können. Dementsprechend sind die Ausführungsformen nicht sich gegenseitig ausschließende Kombinationen von Merkmalen; vielmehr können Ausführungsformen eine Kombination verschiedener einzelner Merkmale umfassen, die aus verschiedenen einzelnen Ausführungsformen ausgewählt werden, wie gewöhnliche Fachleute verstehen werden. Außerdem können Elemente, die in Bezug auf eine Ausführungsform beschrieben werden, in anderen Ausführungsformen implementiert werden, selbst wenn sie in diesen Ausführungsformen nicht beschrieben werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Obwohl sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann, können andere Ausführungsformen auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand eines anderen abhängigen Anspruchs oder eine Kombination von einem oder mehreren Merkmalen mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen werden hier vorgeschlagen, außer es wird angegeben, dass eine spezifische Kombination nicht vorgesehen ist. Ferner ist es beabsichtigt, Merkmale eines Anspruchs auch in einen beliebigen anderen unabhängigen Anspruch einzuschließen, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht wird.
Jeder Aufnahme obiger Dokumente durch Verweis ist derart begrenzt, dass kein Gegenstand eingeschlossen wird, welcher der ausdrücklichen Offenbarung hier entgegensteht. Jede Aufnahme obiger Dokumente durch Verweis ist ferner derart begrenzt, dass keine in den Dokumenten eingeschlossenen Ansprüche hier durch Verweis aufgenommen sind. Jede Aufnahme obiger Dokumente durch Verweis ist weiters derart begrenzt, dass jegliche in den Dokumenten angegebene Definition hier nicht durch Verweis aufgenommen ist, wenn sie nicht ausdrücklich hier eingeschlossen wird.
Zur Auslegung der Ansprüche für die vorliegende Offenbarung ist ausdrücklich vorgesehen, dass die Bestimmungen von 35 U.S.C. § 112(f) nicht beansprucht werden, außer die spezifischen Formulierungen „Mittel für” oder „Schritt für” werden in einem Anspruch erwähnt.
Obwohl Obiges in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurde, ist als selbstverständlich zu erachten, dass der Begriff „beispielhaft” ein Beispiel und nicht das Beste oder ein Optimum meint. Dementsprechend ist vorgesehen, dass die Offenbarung Alternativen, Modifizierungen und Äquivalente abdeckt, die in den Schutzumfang der Offenbarung aufgenommen werden können.
Obwohl hier spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Umsetzungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die Offenbarung soll jegliche Adaptionen oder Variationen der hier spezifischen, hier erörterten Ausführungsformen abdecken.

Claims

Sensoranordnung, die konfiguriert ist, um ein Signal bereitzustellen, das auf einen Temperaturunterschied zwischen einem Ausgangskontakt einer Halleffektvorrichtung und einem Referenzpunkt anspricht, wobei die Anordnung Folgendes umfasst: eine Halleffektregion; eine erste Kontaktwanne, die in der Nähe einer Außenfläche der Halleffektregion angeordnet ist; eine zweite Kontaktwanne, die in der Nähe des Referenzpunkts angeordnet ist; ein erstes Leiterelement, das einen ersten und einen zweiten Endabschnitt aufweist, wobei der erste Endabschnitt mit der ersten Kontaktwanne thermisch gekoppelt ist und der zweite Endabschnitt mit der zweiten Kontaktwanne thermisch gekoppelt ist; ein zweites Leiterelement, das einen dritten und einen vierten Endabschnitt umfasst, wobei der dritte Endabschnitt mit der ersten Kontaktwanne thermisch gekoppelt ist; ein drittes Leiterelement, das einen fünften und einen sechsten Endabschnitt umfasst, wobei der fünfte Endabschnitt mit der zweiten Kontaktwanne thermisch gekoppelt ist, wobei der erste und der dritte Endabschnitt elektrisch gekoppelt sind, der zweite und der fünfte Endabschnitt elektrisch gekoppelt sind, mindestens zwei des ersten, zweiten und dritten Leiterelements im Wesentlichen unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten aufweisen und das Signal am vierten und sechsten Endabschnitt abgegriffen ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die im Wesentlichen unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten sich um mehr als 15 μV/°C voneinander unterscheiden.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Kontaktwanne in der Nähe einer Außenfläche einer Halleffektregion angeordnet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 3, wobei die zweite Kontaktwanne in der Nähe der Außenfläche derselben Halleffektregion wie die erste Kontaktwanne angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste und der dritte Endabschnitt punktförmig elektrisch gekoppelt sind und wobei der zweite und der fünfte Endabschnitt punktförmig elektrisch gekoppelt sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der dritte Endabschnitt mit der Halleffektregion über mindestens eine Kontaktwanne elektrisch gekoppelt ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das erste Leiterelement als längliche Bahn geformt ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste Leiterelement als Platte geformt ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend: eine dritte Kontaktwanne, die in der Nähe eines Referenzpunkts angeordnet ist; eine vierte Kontaktwanne, die in der Nähe einer Außenfläche der Halleffektregion angeordnet ist; wobei das erste Leiterelement einen siebten und einen achten Endabschnitt umfasst, wobei der siebte Endabschnitt mit der vierten Kontaktwanne thermisch gekoppelt ist und der achte Endabschnitt mit der dritten Kontaktwanne thermisch gekoppelt ist; ein viertes Leiterelement, das einen neunten und einen zehnten Endabschnitt umfasst, wobei der neunte Endabschnitt mit der vierten Kontaktwanne thermisch gekoppelt ist; ein fünftes Leiterelement, das einen elften und einen zwölften Endabschnitt umfasst, wobei der elfte Endabschnitt mit der dritten Kontaktwanne thermisch gekoppelt ist, wobei der siebte und der neunte Endabschnitt elektrisch gekoppelt sind, der achte und der elfte Endabschnitt elektrisch gekoppelt sind, mindestens zwei des ersten, vierten und fünften Leiterelements im Wesentlichen unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten aufweisen, und das Signal am zehnten und am zwölften Endabschnitt abgegriffen ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 9, wobei die im Wesentlichen unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten der mindestens zwei des ersten, vierten und fünften Leiterelements sich um mehr als 15 μV/°C voneinander unterscheiden.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei der neunte Endabschnitt mit der dritten Kontaktwanne elektrisch gekoppelt ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die dritte Kontaktwanne in der Nähe einer Außenfläche einer Halleffektregion angeordnet ist. 13 Sensoranordnung nach Anspruch 12, wobei die dritte Kontaktwanne in der Nähe der Außenfläche derselben Halleffektregion wie die vierte Kontaktwanne angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das erste Leiterelement als Platte geformt ist.
Anordnung, die konfiguriert ist, um ein Signal bereitzustellen, das auf einen Temperaturunterschied zwischen einem Kontakt einer Halleffektvorrichtung und einem Referenzpunkt anspricht, wobei die Anordnung Folgendes umfasst: eine Halleffektregion; eine Kontaktwanne, die in der Nähe einer Außenfläche der Halleffektregion angeordnet ist und mindestens einen ersten Kontakt umfasst; ein erstes Leiterelement, das einen Hauptabschnitt der Kontaktwanne umgibt und eine Vielzahl von zweiten elektrisch gekoppelten Kontakten umfasst, die einen Hauptabschnitt der Kontaktwanne umgibt; einen Referenzpunkt, der mit dem ersten Leiterelement elektrisch gekoppelt ist, wobei die thermische Kopplung zwischen dem Referenzpunkt und der Kontaktwanne schwächer als die thermische Kopplung zwischen den zweiten elektrisch gekoppelten Kontakten und der Kontaktwanne ist; und ein zweites Leiterelement, das einen ersten und einen zweiten Endabschnitt umfasst, wobei der erste Endabschnitt mit der Vielzahl von elektrisch gekoppelten zweiten Kontakten elektrisch gekoppelt ist, wobei das erste und das zweite Leiterelement im Wesentlichen unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten aufweisen und wobei der Referenzpunkt und der zweite Endabschnitt konfiguriert sind, um das Signal abzugreifen.
Sensoranordnung nach Anspruch 15, wobei die im Wesentlichen unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten sich um mehr als 15 μV/°C voneinander unterscheiden.
Anordnung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei die Vielzahl von zweiten elektrisch gekoppelten Kontakten in einer Krümmung angeordnet sind.
Verfahren zum Bereitstellen eines Halleffektsignals, das um thermo-elektromotorische Kraft (Thermo-EMK) korrigiert ist, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: während einer ersten Betriebsphase: Versorgen einer Halleffektvorrichtung mit elektrischer Energie; und Bestimmen eines ersten Ausgangssignals der Halleffektvorrichtung an mindestens einem ersten Ausgangskontakt; und während einer zweiten Betriebsphase: Unterbrechen der Versorgung der Halleffektvorrichtung mit elektrischer Energie; und Bestimmen eines zweiten Ausgangssignals der Halleffektvorrichtung an dem mindestens einen ersten Ausgangskontakt, das auf einen Temperaturunterschied zwischen dem mindestens einen ersten Ausgangskontakt der Halleffektvorrichtung und einem Referenzpunkt anspricht; und Kombinieren des ersten und des zweiten Ausgangssignals, um das Magnetfeldeffektsignal, das um die Thermo-EMK korrigiert wurde, zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Bestimmen des zweiten Ausgangssignals der Halleffektvorrichtung nach einem vordefinierten Zeitraum durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der vordefinierte Zeitraum ein Zeitraum ist, der auf Spannungsstörungen aufgrund des Übergangs vom ersten in den zweiten Betriebsmodus folgt.