DE102020212114A1

DE102020212114A1 - Verfahren zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements und Hallsensor mit zumindest einem Hallsensorelement

Info

Publication number: DE102020212114A1
Application number: DE102020212114.1A
Authority: DE
Inventors: Dennis Krause; Markus Stahl-Offergeld; Christian Kohlbrenner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-03-17
Also published as: US20220082640A1

Abstract

Ein Verfahren 100 zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements 20 unter Berücksichtigung eines Wirkzusammenhangs zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit und der Temperaturabhängigkeit der Betriebsgröße des Hallsensorelements 20 umfasst folgende Schritte: Ermitteln 110 einer Referenzempfindlichkeit So und eines Referenzwerts X0der Betriebsgröße X des Hallsensorelements; Bestimmen 120 eines Momentanwerts X1der Betriebsgröße X des Hallsensorelements basierend auf einem Ansteuersignal des Hallsensorelements; und Bestimmen 130 der Empfindlichkeit des Hallsensorelements basierend auf der Referenzempfindlichkeit S0, auf dem Referenzwert X0der Betriebsgröße X, auf dem ermittelten Momentanwert X1der Betriebsgröße X und auf dem Wirkzusammenhang.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen der (magnetischen) Empfindlichkeit eines Hallsensorelements und auf einen Hallsensor mit zumindest einem Hallsensorelement und mit einer Verarbeitungseinrichtung zum Durchführen des Verfahrens. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Bestimmung einer widerstandsnormierten Empfindlichkeit eines Hallsensors, der ein oder eine Mehrzahl von Hallsensorelementen aufweist, wobei durch die Verknüpfung von Hallsensorwiderstand und Hallsensorempfindlichkeit die momentane Empfindlichkeit des jeweiligen Hallsensorelements indirekt messbar oder erfassbar ist. Dies ermöglicht, einen Empfindlichkeitsgleichlauf bei Hallsensoren mit einer Mehrzahl von Hallsensorelementen, wie z. B. in einem 2D- oder 3D-Hallsensor, zu erreichen. Ferner wird auch eine indirekte Messung der Empfindlichkeit in Hallsensoren im Allgemeinen, d.h. bei Absolutwert-basierten Messsystemen, wie zum Beispiel Stromsensoren, ermöglicht.
Die Eigenschaft von Hallsensoren bzw. einzelnen Hallsensorelementen, wie z. B. deren magnetische Empfindlichkeit, ist von einer Reihe von Faktoren und Einflussgrößen abhängig, die sich auf den Magnetfeldsensor auswirken. So können sich bereits bei der Produktion von Magnetfeldsensoren etwaige Prozess- und Herstellungstoleranzen des verwendeten CMOS-Prozesses (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor) mit den resultierenden Dotierungsprofilen, Maskengenauigkeiten und Justagetoleranzen auf die Eigenschaften der Magnetfeldsensoren auswirken und damit diese beeinflussen und definieren. Ferner können auch Parameter im späteren Betrieb, wie z. B. die Sensortemperatur aufgrund der Umgebungstemperatur, die Eigenschaften des Magnetfeldsensors und insbesondere dessen Empfindlichkeit beeinflussen und definieren. Änderungen der Umgebungstemperatur (innerhalb des Sensorbetriebstemperaturbereichs) können zu Veränderungen der Sensorempfindlichkeit bis hin zu ±20% führen. Im speziellen Fall von 2D- bzw. 3D-Hallsensoren kommt hinzu, dass der Temperatureinfluss auf die Empfindlichkeit der lateralen und vertikalen Sensoren unterschiedlich wirkt, wobei sich auch hier der Unterschied in der Empfindlichkeitsdrift zwischen einem vertikalen Sensor (z. B. einem Z-Sensor) und einem lateralen Sensor (X-/Y-Hallsensor) im Bereich von ± 15% bewegen kann.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden als Hallsensorelemente die einzelnen magnetfeldempfindlichen Sensorelemente bezeichnet, während als Hallsensor die resultierende Sensoranordnung mit zumindest einem oder auch einer Mehrzahl von einzelnen Hallsensorelementen und beispielsweise mit der zugehörigen Ansteuerschaltung und (optional) der Auswerteschaltung bezeichnet wird. Die Ansteuerschaltung mit der optionalen Auswerteschaltung wird auch als Verarbeitungseinrichtung bezeichnet.
Zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Hallsensors wird über eine Spule ein Magnetfeld mit möglichst bekannter magnetischer Flussdichte am Ort des Hallsensorelements bzw. der Hallsensorelemente des Hallsensors erzeugt. Über die Änderung des Ausgangssignals des jeweiligen Hallsensorelements kann dann auf die Empfindlichkeit des Hallsensorelements geschlossen werden. Bei einem auf Hallsensorelementen basierenden Magnetfeldsensor kann also durch eine Änderung der Hallspannung, die durch eine Änderung der magnetischen Flussdichte in dem Sensorelement hervorgerufen werden kann, auf die Empfindlichkeit des jeweiligen Hallsensorelements geschlossen werden.
So wird bisher die Empfindlichkeit von einzelnen Hallsensorelementen oder von Hallsensoren mit (vertikalen und/oder horizontalen) Hallsensorelementen im Serientest bei verschiedenen Temperaturen mit externen Helmholtz-Spulenpaaren gemessen und zur späteren Korrektur in einem zugriffbaren Speicher als abrufbare Werte hinterlegt. Dabei sind die Anzahl der benötigten Temperaturpunkte sowie die Schrittweiten zwischen diesen Temperaturpunkten abhängig von der geforderten Resttoleranz in der Empfindlichkeit der Hallsensorelemente. Diese Empfindlichkeitsmessung bzw. die Kalibrierung über der Temperatur mit externen Helmholtz-Spulen macht einen solchen Serientest aber sehr zeitintensiv, wodurch sich ein solcher Serientest als teuer, aufwändig, und unflexibel gestaltet.
In der Nähe der Hallsensorelemente befindliche Spulen, die beispielsweise auf dem Hallsensorchip integriert oder in die Leiterplatte für die Hallsensorelemente eingebettet sein können, sind ein erster Ansatz, um die Empfindlichkeit ohne externe Helmholtz-Spulenpaare zu messen. Diese integrierten Spulen erzeugen ein in Flussdichte und Frequenz definiertes Magnetfeld in dem jeweiligen Hallsensorelement. Neben einer Vereinfachung des Serientestaufbaus erlauben diese Anordnungen die Messung der Sensorempfindlichkeit in der Applikation. Ist allerdings ein externes Magnetfeld ähnlicher Frequenz überlagert, so ist dieses nicht vom intern erzeugten Magnetfeld unterscheidbar und die durchgeführte Empfindlichkeitsmessung ist fehlerhaft. Somit funktioniert ein solches Kalibrierverfahren mit integrierten Spulen beispielsweise nur in magnetisch definierten Umgebungen bzw. ist nur dort einsetzbar. In den Patentveröffentlichungen DE102010028390 B4 , EP 2490037 B1 und EP 3341746 B1 werden integrierte Leiter bzw. Spulen zur Empfindlichkeitsbestimmung bei Serientests ohne externe Helmholtz-Spulen beschrieben.
Es besteht somit ein Bedarf nach einem Konzept zur Empfindlichkeitsmessung von Hallsensorelementen, der mit einem möglichst geringen Aufwand, d. h. möglichst ohne externe oder auch integrierte Spulen, durchgeführt und implementiert werden kann.
Basierend auf dem dargestellten Stand der Technik besteht nun die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen einer Empfindlichkeit, d.h. der momentanen Empfindlichkeit, eines Hallsensorelements oder eines Hallsensors mit mehreren Hallsensorelementen zu schaffen, das möglichst unaufwändig, schnell, genau und insbesondere in der Applikation (in situ) durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Aufgabe wird also durch das Verfahren zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements gemäß den Patentansprüchen 1, 18 und 23 sowie durch den Hallsensor gemäß den Patentansprüchen 16 und 30 gelöst.
Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den unabhängigen Patentansprüchen definiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements unter Berücksichtigung eines Wirkzusammenhangs zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit und der Temperaturabhängigkeit einer von dem elektrischen Widerstandswert des Hallsensorelements abhängigen Betriebsgröße, folgende Schritte: Ermitteln einer Referenzempfindlichkeit und eines Referenzwerts der Betriebsgröße des Hallsensorelements, Bestimmen eines Momentanwerts der Betriebsgröße des Hallsensorelements basierend auf einem Ansteuersignal des Hallsensorelements, und Bestimmen der Empfindlichkeit des Hallsensorelements basierend auf der Referenzempfindlichkeit, auf dem Referenzwert der Betriebsgröße, auf dem Momentanwert der Betriebsgröße und auf dem Wirkzusammenhang..
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Hallsensor zumindest ein Hallsensorelement; und eine Verarbeitungseinrichtung, die zum Ausführen des Verfahrens zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements ausgebildet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements folgende Schritte: Bereitstellen eines Modells F(X,T) für die Empfindlichkeit mit der Betriebsgröße des Hallsensorelements und mit der Temperatur als Variable, wobei die Betriebsgröße von dem elektrischen Widerstandswert des Sensorelements abhängig ist, Bestimmen eines Momentanwerts der Betriebsgröße des Hallsensorelements basierend auf einem Ansteuersignal des Hallsensorelements, Bestimmen der momentanen Temperatur des Hallsensorelements, und Bestimmen der momentanen Empfindlichkeit des Hallsensorelements basierend auf dem Wert des Modells, der dem momentanen Temperaturwert und dem Momentanwert der Betriebsgröße zugeordnet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements folgende Schritte: Bereitstellen eines Modells für eine Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung aus Empfindlichkeit und Betriebsgröße des Hallsensorelements mit der Temperatur als Variable, wobei die Betriebsgröße von dem elektrischen Widerstandswert des Sensorelements abhängig oder ableitbar ist, Bestimmen eines Momentanwerts der Betriebsgröße des Hallsensorelements basierend auf einem Ansteuersignal des Hallsensorelements, Bestimmen der momentanen Temperatur des Hallsensorelements, und Bestimmen der momentanen Empfindlichkeit des Hallsensorelements basierend auf dem Wert für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung, das dem momentanen Temperaturwert zugeordnet ist, und dem Momentanwert der Betriebsgröße.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Hallsensor (zumindest) ein Hallsensorelement; und eine Verarbeitungseinrichtung, die zum Ausführen des Verfahrens zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements ausgebildet ist.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, dass eine Empfindlichkeitsmessung bzw. eine Kalibrierung eines Hallsensorelements oder Hallsensors (mit zumindest einem Hallsensorelement) effektiv durchgeführt werden kann, indem ein bekannter (= z.B. ermittelter oder vorgegebener) Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des jeweiligen Hallsensorelements und der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands, wie z.B. des Innenwiderstands bzw. Hallwiderstands, oder einer von dem elektrischen Widerstandswert (R_Hall = R₁) des Hallsensorelements (20) abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements ausgenutzt wird.
Die von dem elektrischen Widerstandswert des Hallsensorelements abhängige Betriebsgröße kann nun also beispielsweise (1.) der elektrische Widerstandswert des Hallsensorelements sein, oder kann ferner (2.) der elektrische Leitfähigkeitswert (oder Leitwert) des Hallsensorelements sein, oder kann (3.) im spannungsgesteuerten Betrieb (mit einer vorgegebenen oder konstanten Versorgungsspannung), der (resultierende, eingeprägte) Versorgungsstrom des Hallsensorelements sein, oder kann (4.) im stromgesteuerten Betrieb (mit einem vorgegebenen oder konstanten Versorgungsstrom), die (resultierende, eingeprägte) Versorgungsspannung des Hallsensorelements sein, oder kann (5.) im freilaufenden Betrieb, der elektrische Widerstandswert oder der elektrische Leitfähigkeitswert des Hallsensorelements (gemäß dem ohmschen Gesetz R = U / I) basierend auf dem Versorgungsstrom und der Versorgungsspannung des Hallsensorelements (im Arbeitspunkt des Hallsensorelements) sein.
Der bekannte Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Hallsensorelements und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands des Hallsensorelements wird also genutzt, um allein durch die Ermittlung der von dem momentanen elektrischen Widerstandswert des Hallsensorelements abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße des Hallsensorelements oder des momentanen Widerstandwerts des Hallsensorelements selbst, um auf die momentane Empfindlichkeit des Hallsensorelements zu schließen wobei die Ermittlung dieser Größe über die Messung oder Erfassung des momentanen Ansteuersignals (= des eingeprägten Signals, z.B. Versorgungsstrom oder Versorgungsspannung) zu dem Hallsensorelement erfolgt. Ferner kann die Ermittlung dieser Betriebsgröße entsprechend dem jeweiligen Betriebsmodus auch über die Messung bzw. Erfassung der momentanen Ansteuersignale (z.B. Versorgungsstrom und Versorgungsspannung) zu dem Hallsensorelement erfolgen, um auf die momentane Empfindlichkeit des Hallsensorelements schließen zu können.
Somit kann die Empfindlichkeitsmessung bzw. Kalibrierung eines Hallsensorelements unter Kenntnis des Wirkzusammenhangs zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Hallsensorelements und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands des Hallsensorelements (i. W.) oder der davon abhängigen Betriebsgröße allein über die durch Ermittlung des momentanen, elektrischen Widerstandwerts oder der von dem momentanen elektrischen Widerstandswert (R_Hall = R₁) des Hallsensorelements (20) abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements erfolgen.
Das vorliegende Konzept zeichnet sich also dadurch aus, dass die (momentane) temperaturabhängige Empfindlichkeit eines Hallsensorelements in dessen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand beobachtbar ist bzw. abgebildet ist und somit „direkt“ oder „indirekt“ über den elektrischen Widerstand messbar bzw. ableitbar ist. Grundlage des vorliegenden Konzepts ist somit die Verknüpfung bzw. der Wirkzusammenhang der Empfindlichkeit des Hallsensors mit dessen elektrischen Widerstandwert und deren Temperaturabhängigkeiten.
Als Wirkzusammenhang wird also die Beziehung oder das Verhältnis zwischen der temperaturabhängigen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements und dessen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand oder der von dem momentanen elektrischen Widerstandswert des Hallsensorelements abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße des Hallsensorelements angesehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel bezieht sich das vorliegende Konzept auf einen bekannten, ermittelten oder vorgegebenen Wirkzusammenhang, d.h. auf einen definierten Zusammenhang, zwischen der Temperaturabhängigkeit der (magnetischen) Empfindlichkeit und der Temperaturabhängigkeit der Betriebsgröße des Hallsensorelements, wobei sich die Empfindlichkeit des Hallelements als auch die Betriebsgröße des Hallelements über der Temperatur ändern, und wobei die temperaturbedingte Änderung der Empfindlichkeit und die temperaturbedingte Änderung der Betriebsgröße des Hallelements in einer bekannten Beziehung zueinander stehen. Dieser Wirkzusammenhang bzw. diese vorgegebene Beziehung wird nun ausgenutzt, um über die Änderung der Betriebsgröße des Hallelements, d. h. über den Vergleich des Momentanwerts der Betriebsgröße des Hallsensorelements mit einem Referenzwert der Betriebsgröße des Hallsensorelements, auf die momentane Empfindlichkeit des Hallsensorelements zu schließen, d. h. auf die etwaige Änderung gegenüber dem Referenzempfindlichkeitswert des Hallsensorelements.
Der Wert der Referenzempfindlich als auch der Referenzwert der Betriebsgröße des Hallsensorelements werden beispielsweise bei einem Referenztemperaturwert, z.B. einem konstanten Temperaturwert, ermittelt. Wird nun der Momentanwert der Betriebsgröße des Hallsensorelements basierend auf dem an das Hallsensorelement anliegenden Ansteuersignal (Versorgungssignal) oder den an das Hallsensorelement anliegenden Ansteuersignalen (Versorgungssignalen) bestimmt, kann nun daraus unmittelbar die (momentane) Empfindlichkeit des Hallsensorelements basierend auf der Referenzempfindlichkeit, dem Referenzwert der Betriebsgröße und dem ermittelten Momentanwert der Betriebsgröße ermittelt werden, wobei dazu der Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit und der Temperaturabhängigkeit der Betriebsgröße des Hallsensorelements berücksichtigt wird.
Da nun die Herstellungstechnologie, der jeweilige Aufbau als auch die verwendeten Halbleitermaterialien einen Einfluss auf den Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands oder der davon abgeleiteten Betriebsgröße eines Hallsensorelements haben, kann der Wirkzusammenhang für jeden Typ von Hallsensorelement ermittelt und beispielsweise als Rechenvorschrift bereitgestellt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die Hallempfindlichkeit eines Hallsensorelements proportional zur Ladungsträgerbeweglichkeit sein, während der Hallwiderstand des Hallsensorelements indirekt proportional zu der Ladungsträgerbeweglichkeit in dem Halbleitermaterial des Hallsensorelements sein kann.
Bei einem solchen Wirkzusammenhang lässt sich beispielsweise eine widerstandsnormierte Empfindlichkeit des Hallsensorelements definieren, die als Produkt der Referenzempfindlichkeit und des elektrischen Referenzwiderstandswerts des Hallsensorelements angegeben wird.
Eine solche Normierung der Empfindlichkeit des Hallsensorelements ist somit auch auf die von dem momentanen elektrischen Widerstandswert des Hallsensorelements abhängige oder abgeleitete Betriebsgröße(n) des Hallsensorelements anwendbar, so dass „allgemein“ eine Betriebsgröße-normierten Empfindlichkeit des Hallsensorelements bereitgestellt werden kann.
So kann entsprechend den obigen Betriebszuständen (1.), (3.) und (5.) die Betriebsgröße-normierte Empfindlichkeit in Form des Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkts S_XN des Hallsensorelements als Produkt der Referenzempfindlichkeit So und des Referenzwerts X₀ der Betriebsgröße X des jeweiligen Hallsensorelements bereitgestellt werden, wobei dann basierend auf dem Quotienten zwischen dem Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkt S_XN und dem Momentanwert der Betriebsgröße die momentane Empfindlichkeit des Hallsensorelements bestimmt werden kann.
Ferner kann entsprechend den obigen Betriebszuständen (2.) und (4.) die Betriebsgröße-normierte Empfindlichkeit in Form des Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Quotienten S_XN des Hallsensorelements als Quotient der Referenzempfindlichkeit S₀ und des Referenzwerts X₀ der Betriebsgröße X des jeweiligen Hallsensorelements bereitgestellt werden, wobei dann basierend auf dem Produkt zwischen dem Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Quotienten S_XN und dem Momentanwert der Betriebsgröße die momentane Empfindlichkeit des Hallsensorelements bestimmt werden kann.
Den obigen Ausführungsbeispielen ist nun gemeinsam, dass die momentane Empfindlichkeit des Hallsensorelements, d. h. die (temperaturabhängige) Abweichung der momentanen Empfindlichkeit gegenüber dem Referenzempfindlichkeitswert, entsprechend dem jeweiligen Betriebsmodus basierend auf dem eingeprägten Ansteuersignal oder auf den Ansteuersignalen (z.B. gemäß dem ohmschen Gesetz) des Hallsensorelements bestimmt werden kann, wodurch die Empfindlichkeitsbestimmung des Hallsensorelements unabhängig von Kalibriermagnetfeldern etc. äußerst effizient und schnell durchgeführt werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konzepts kann nun der bekannte, ermittelte oder vorgegebene Wirkzusammenhang zwischen der temperaturabhängigen Empfindlichkeit und dem temperaturabhängen elektrischen Widerstand bzw. der von dem elektrischen Widerstand des Hallsensorelements abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße des Hallsensorelements mathematisch „modelliert“ werden, d.h. die Beziehung zwischen der temperaturbedingten Änderung der Empfindlichkeit und der temperaturbedingte Änderung des elektrischen Widerstands oder der davon abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße des Hallelements (= Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung) kann mathematisch z.B. mit der Temperatur als Variable abgebildet werden.
Gemäß dem vorliegenden Konzept kann zunächst ein (temperaturabhängiges) Modell f_SRN(T) (= eine mathematische Funktion) für eine Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung (= widerstandsnormierte Empfindlichkeit) aus Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand oder Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung (= Betriebsgröße-normierte Empfindlichkeit) aus Empfindlichkeit und abgeleiteter Betriebsgröße des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable bereitgestellt werden.
Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Empfindlichkeitswert S_N und ein elektrischer Widerstandswert R_N oder ein Wert der Betriebsgröße X_N des Hallsensorelements jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten T_N ermittelt werden, d.h. abgerufen, bereitgestellt oder gemessen wird. Dies entspricht einer Kalibrierung bei den Temperaturwerten T₁, T₂, ... , wobei dann das mathematische Modell f_SRN(T) für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung aus Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand oder für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung aus Empfindlichkeit und abgeleiteter Betriebsgröße des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable (basierend auf den Messwerten des elektrischen Widerstandswerts oder der abgeleiteten Betriebsgröße und der Empfindlichkeit bei den unterschiedlichen Temperaturen) ermittelt wird.
Alternativ ist es beispielsweise ist es auch darüber möglich das Modell f_SRN(T) rein rechnerisch aufzustellen, falls ein „Modell“ des Hallsensorelements basierend auf der verwendeten Herstellungstechnologie, dem jeweiligen Aufbau und den verwendeten Halbleitermaterialien etc. für das Sensorelement vorhanden ist.
Gemäß dem vorliegenden Konzept wird nun der momentane elektrische Widerstandswert oder der Momentanwert der Betriebsgröße des Hallsensorelements entsprechend der Betriebsart basierend auf einem eingeprägten Ansteuersignal (= Versorgungssignal) oder den Ansteuersignalen (= Versorgungssignalen) in das Hallsensorelement bestimmt, wobei ferner die momentane Temperatur des aktiven Bereichs des Hallsensorelements (direkt oder indirekt) bestimmt wird. Eine direkte Bestimmung der Temperatur bedeutet beispielsweise eine Temperaturerfassung des aktiven Bereichs, während eine indirekte Bestimmung der Temperatur beispielsweise zur Temperaturerfassung die Erfassung einer physikalischen Größe bedeutet, die in die momentane Temperatur umrechenbar ist bzw. aus der die momentane Temperatur ableitbar ist. Basierend auf dem Wert für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung oder für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung, der dem momentanen Temperaturwert zugeordnet ist, und dem Momentanwert des elektrischen Widerstandswerts oder der davon abhängigen Betriebsgröße kann dann schließlich die momentane Empfindlichkeit des Hallsensorelements (als Absolut-Wert) bestimmt werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2a eine schematische Prinzipdarstellung in einer Draufsicht eines Magnetfeld-Sensorelements (Hallsensorelements) gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2b eine schematische Prinzipdarstellung eines Magnetfeld-Sensors (Hallsensor) gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei der Magnetfeld-Sensor zumindest ein Hallsensorelement aufweist;
3a einen beispielhaften Empfindlichkeitsverlauf des Hallsensorelements im Temperaturbereich von -35°C bis 150°C gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3b einen beispielhaften Widerstandsverlauf des Hallsensorelements im Temperaturbereich von -35°C bis 150°C gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3c einen beispielhaften Verlauf der widerstandsnormierten Empfindlichkeit im Temperaturbereich von -35°C bis 150°C gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4a einen beispielhaften Verlauf einer Abweichung der Bz Empfindlichkeit zu Bx nach Abgleich Bz zu Bx bei 25°C (Spinning-Current) gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4b einen beispielhaften Verlauf der widerstandsnormierten Empfindlichkeit mit Abgleich Bz zu Bx bei 25°C (Einzelphase PH0) gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4c einen beispielhaften Verlauf einer Abweichung der widerstandsnormierten Empfindlichkeit B_Z zu B_X nach Abgleich Bz zu Bx bei 25°C (Spinning-Current) gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
6 ein schematisches Ablaufdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
7 einen beispielhaften Verlauf der indirekt gemessenen Hall-Sensor-Empfindlichkeit nach Kalibrierung bei 25°C und 40°C zu Messwerten mit Helmholtz-Spulen gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele des vorliegenden Konzepts im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können Abmessungen von dargestellten Elementen, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung nicht maßstäblich dargestellt sein.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzten Ausdrücke sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z.B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ usw.).
Zur Vereinfachung der Beschreibung der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele weisen die 2a und 2b ein kartesisches Koordinatensystem x, y, z auf, wobei die Richtungen x, y, z orthogonal zueinander angeordnet sind. Bei den Ausführungsbeispielen entspricht die x-y-Ebene dem Hauptoberflächenbereich eines Trägers bzw. Substrats (= Referenzebene = x-y-Ebene), wobei die dazu vertikale Richtung nach oben bezüglich der Referenzebene (x-y-Ebene) der„+z“-Richtung entspricht, und wobei die Richtung vertikal nach unten bezüglich der Referenzebene (x-y-Ebene) der „-z“-Richtung entspricht. In der folgenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck „lateral“ eine Richtung parallel zu der x- und/oder y-Richtung, d. h. parallel zu der x-y-Ebene, wobei der Ausdruck „vertikal“ eine Richtung parallel zu der +/- z-Richtung angibt. In den 2a und 2b erstreckt sich die Zeichenebene parallel zu der x-y-Ebene.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Magnetfeld-Sensoren, die ein oder mehrere Magnetfeld-Sensorelemente aufweisen können. Magnetfeld-Sensorelemente können in Halbleitertechnologie in einem Halbleitersubstrat hergestellt sein, wobei das Halbleitersubstrat beispielsweise ein Silizium-Material aufweisen kann. Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Hallsensorelemente, die als einzelne magnetfeldempfindliche Sensorelemente ausgebildet sein können, sowie auf Hallsensoren, die als die Sensoranordnung mit zumindest einem oder auch einer Mehrzahl von einzelnen Hallsensorelementen und beispielsweise der zugehörigen Ansteuerschaltung und (optional) der Auswerteschaltung ausgebildet sein können. Die Ansteuerschaltung mit der optionalen Auswerteschaltung wird auch als Verarbeitungseinrichtung bezeichnet.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Konzepts wird darauf hingewiesen, dass eine Bezugnahme auf einen Widerstand oder Widerstandswert des jeweiligen Hallsensorelements bzw. dessen Temperaturabhängigkeit entsprechend auch auf eine von dem elektrischen Widerstand (oder Widerstandswert) des Hallsensorelements abhängige oder abgeleitete (ableitbare) Betriebsgröße bzw. deren Temperaturabhängigkeit anwendbar ist.
Im Folgenden wird nun anhand der 1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements gemäß einem Ausführungsbeispiel erläutert. Das Hallsensorelement kann beispielsweise Teil eines Hallsensors sein.
Zur weiteren Erläuterung wird ferner auf die 2a-b Bezug genommen, wobei 2a eine schematische Prinzipdarstellung eines Magnetfeld-Sensorelements 20 (Hallsensorelements) gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt, und 2b eine schematische Draufsicht eines Magnetfeld-Sensors 10 (Hallsensor) gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt, wobei der Magnetfeld-Sensor 10 zumindest ein Hallsensorelement 20 aufweist.
Die von dem elektrischen Widerstandswert (R_Hall = R₁) des Hallsensorelements 20 abhängige Betriebsgröße X kann nun also beispielsweise (1.) der elektrische Widerstandswert R_Hall des Hallsensorelements 20 sein, oder kann ferner (2.) der elektrische Leitfähigkeitswert (1/R_Hall) des Hallsensorelements 20 sein, oder kann (3.) im spannungsgesteuerten Betrieb mit einer vorgegebenen (oder konstanten) Versorgungsspannung, der resultierende (oder eingeprägte) Versorgungsstrom des Hallsensorelements 20 sein, oder kann (4.) im stromgesteuerten Betrieb mit einem vorgegebenen (oder konstanten) Versorgungsstrom, die resultierende (oder eingeprägte) Versorgungsspannung des Hallsensorelements 20 sein, oder kann (5.) im freilaufenden Betrieb, der elektrische Widerstandswert R_Hall oder der elektrische Leitfähigkeitswert (1/R_Hall) des Hallsensorelements (20) gemäß dem ohmschen Gesetz „R = U / I“ basierend auf dem Versorgungsstrom und der Versorgungsspannung des Hallsensorelements (= R_Hall im Arbeitspunkt des Hallsensorelements) sein.
Zur weiteren Erläuterung wird ferner auf die 3a-c Bezug genommen, wobei 3a beispielhaft einen (typischen) Empfindlichkeitsverlauf des Hallsensorelements im Temperaturbereich von -35°C bis 150°C zeigt. 3b zeigt beispielhaft einen (typischen) Widerstandsverlauf des Hallsensorelements im Temperaturbereich von -35°C bis 150°C. 3c zeigt beispielhaft einen (typischen) Verlauf der widerstandsnormierten Empfindlichkeit im Temperaturbereich von -35°C bis 150°C.
Die Verläufe von 3a-c sind entsprechend der jeweiligen Betriebsart (basierend auf dem ohmschen Gesetz) auch für die von dem elektrischen Widerstand (oder Widerstandswert) des Hallsensorelements abhängige oder abgeleitete Betriebsgröße und deren Temperaturabhängigkeit darstellbar.
Wie in 1 beispielhaft dargestellt ist, umfasst das Verfahren 100 zum Bestimmen einer Empfindlichkeit S_Hall, z.B. einer momentanen magnetischen Empfindlichkeit, des Hallsensorelements 20 unter Berücksichtigung eines Wirkzusammenhangs zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit S_Hall und der Temperaturabhängigkeit einer von dem elektrischen Widerstandswert R_Hall , z.B. des Innenwiderstands oder Hall-Widerstands R_Hall, des Hallsensorelements 20 abhängigen Betriebsgröße X folgende Schritte.
Bei Schritt 110 wird eine Referenzempfindlichkeit So und ein Referenzwert X₀ der Betriebsgröße X, z.B. während eines Betriebszustands zur Referenzwerterfassung, des Hallsensorelements 20 ermittelt. Dabei kann die Referenzempfindlichkeit So und der Referenzwert X₀ der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20, der einem Temperaturwert zugeordnet ist, z.B. bei einem Referenztemperaturwert T₀, ermittelt werden. Das Ermitteln kann beispielsweise ein Abrufen oder Bereitstellen der Werte für So und/oder X₀ aus einem für die Verarbeitungseinrichtung 30 zugreifbaren Speicher 40 oder das Messen bzw. Erfassen der Werte für So und/oder X₀ umfassen.
Bei Schritt 120 wird ein Momentanwert X₁ der Betriebsgröße X, z.B. während eines Betriebszustands zur Momentanwerterfassung, des Hallsensorelements 20 basierend auf einem Ansteuersignal S_IN des Hallsensorelements 20 bestimmt. Wie bereits im Vorhergehenden angegeben kann eine Betriebsart bzw. ein Betriebszustand ein spannungsgesteuerter Betrieb, ein stromgesteuerter Betrieb, oder ein freilaufender Betrieb des Hallsensorelements 20 sein.
Bei Schritt 130 wird nun die (momentane) Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements basierend auf der Referenzempfindlichkeit S₀, auf dem Referenzwert X₀ der Betriebsgröße X, auf dem Momentanwert X₁ der Betriebsgröße X und auf dem Wirkzusammenhang bestimmt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel bezieht sich das vorliegende Konzept auf einen bekannten, ermittelten oder vorgegebenen Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit S_Hall und der Temperaturabhängigkeit der von dem elektrischen Widerstand (oder Widerstandswert) des Hallsensorelements 20 abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20, wobei sich die Empfindlichkeit des Hallelements als auch die davon abgeleitete Betriebsgröße X des Hallsensorelements über der Temperatur ändern, und wobei die temperaturbedingte Änderung der Empfindlichkeit S_Hall und die temperaturbedingte Änderung der davon abgeleiteten Betriebsgröße X des Hallelements in einer z.B. vorgegebenen Beziehung zueinander stehen. Dieser Wirkzusammenhang bzw. diese vorgegebene Beziehung wird nun ausgenutzt, um über die Änderung der Betriebsgröße X des Hallsensorelements, d. h. über den Vergleich des Momentanwerts der Betriebsgröße X des Hallsensorelements mit einem Referenzmesswert der Betriebsgröße X des Hallsensorelements, auf die momentane Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 zu schließen, d. h. um auf die etwaige Änderung gegenüber dem Referenzempfindlichkeitswerts S₀ des Hallsensorelements 20 zu schließen.
Die Referenzempfindlichkeit bzw. der Referenzempfindlichkeitswert S₀ als auch der Referenzwert X₀ der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 werden beispielsweise bei einem Referenztemperaturwert, z.B. bei einem vorgegebenen (oder konstanten) Temperaturwert T₀, ermittelt. Wird nun der Momentanwert X₁ der Betriebsgröße X des Hallsensorelements basierend auf einem in das Hallsensorelement 20 eingeprägten Ansteuersignal S_IN bestimmt, kann nun daraus unmittelbar die (momentane) Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 basierend auf der Referenzempfindlichkeit S₀, dem Referenzwert X₀ der Betriebsgröße X und dem ermittelten Momentanwert der Betriebsgröße X₁ ermittelt werden, wobei dazu der Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit S_Hall und der Temperaturabhängigkeit der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 berücksichtigt wird.
Da nun die Herstellungstechnologie, der jeweilige Aufbau als auch die verwendeten Halbleitermaterialien einen Einfluss auf den Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit S_Hall und der Temperaturabhängigkeit der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 haben, kann der Wirkzusammenhang für jeden Typ von Hallsensorelement ermittelt und beispielsweise als Rechenvorschrift bereitgestellt werden.
Zur weiteren Erläuterung wird ferner auf die 2a-b Bezug genommen, wobei 2a eine schematische Prinzipdarstellung eines Magnetfeld-Sensorelements (Hallsensorelements) 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt, und 2b eine schematische Ansicht eines Magnetfeld-Sensors (Hallsensors) 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt, wobei der Magnetfeld-Sensor 10 zumindest ein Hallsensorelement 20 aufweist. Das Hallsensorelement 20 kann also beispielsweise Teil eines Hallsensors 10 sein
Wie in 2b beispielhaft dargestellt ist, weist der Hallsensor 10 das zumindest eine Hallsensorelement 20 und eine Verarbeitungseinrichtung 30 auf, die zum Ausführen des Verfahrens 100 ausgebildet ist. Die Verarbeitungseinrichtung 30 kann insbesondere als Ansteuereinrichtung zum Einspeisen des jeweiligen Ansteuersignals S_IN, z.B. eines Stroms und/oder einer Spannung, in das zumindest eine Hallsensorelement 20 oder die Mehrzahl von Hallsensorelementen 20 und optional zum Auslesen des Ausgangssignal S_OUT, z.B. der Hallspannung U_Hall, des jeweiligen Hallsensorelements 20 ausgebildet sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 100 zur Empfindlichkeitsbestimmung auch bei einem Hallsensor 10 mit einer Mehrzahl von Hallsensorelementen 20 angewendet werden, um die jeweilige Empfindlichkeit der einzelnen Hallsensorelemente 20 des Hallsensors 10 zu bestimmen. So kann der Hallsensor 10 eine Mehrzahl (≥ 2) von Hallsensorelementen 20 aufweisen, wobei die Schritte des Verfahrens für jedes Hallsensorelement oder für jedes Hallsensorelement unterschiedlichen Typs der Mehrzahl von Hallsensorelementen 20 durchgeführt werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Mehrzahl von Hallsensorelementen zumindest ein Hallsensorelement 20 eines ersten Sensor-Typs und ein weiteres Hallsensorelement 20' eines weiteren zu dem ersten Sensor-Typ unterschiedlichen Sensor-Typs auf. So können das Hallsensorelement 20 und das weitere Hallsensorelement 20' eine unterschiedliche Temperaturdrift der jeweiligen Empfindlichkeit aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Hallsensorelement 20 ein laterales Hallsensorelement auf, wobei das weitere Hallsensorelement 20' ein vertikales Hallsensorelement aufweist.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Hallsensorelemente 20, die als einzelne magnetfeldempfindliche Sensorelemente 20 ausgebildet sein können, sowie auf Hallsensoren 10, die als die Sensoranordnung mit zumindest einem oder auch einer Mehrzahl von einzelnen Hallsensorelementen 20 und beispielsweise der zugehörigen Ansteuerschaltung und (optional) der Auswerteschaltung ausgebildet sein können. Die Ansteuerschaltung mit der optionalen Auswerteschaltung wird auch als Verarbeitungseinrichtung 30 bezeichnet.
Laterale Hallsensorelemente 20 sind beispielweise als dünne dotierte Halbleiter-Schichten in einem Substratmaterial 40 (in der x-y-Ebene) und weisen beispielsweise vier (oder mehr) Elektroden 20-1, ..., 20-4 auf. Durch zwei gegenüberliegenden Elektroden 20-1/-2 wird ein Ansteuersignal S_IN, z.B. ein Strom oder eine Spannung, eingespeist (eingeprägt), die beiden orthogonal dazu liegenden Elektroden 20-3/-4 dienen der Abnahme des Ausgangssignal S_OUT, d.h. der Hall-Spannung U_Hall. Wird ein solches laterales Hallsensorelement 20 von einem senkrecht (vertikal = parallel zur z-Richtung) zur Schicht verlaufenden Magnetfeld B bzw. einer resultierenden Magnetfeldkomponente Bz durchströmt, liefert das Hallsensorelement 20 eine Ausgangsspannung S_OUT, die proportional zum (vorzeichenbehafteten) Betrag des Vektorproduktes aus magnetischer Flussdichte B und Stromstärke ist. Die Ursache ist die Lorentz-Kraft auf die sich bewegenden Majoritätsladungsträger in der aktiven Halbleiterschicht.
Vertikale Hallsensorelemente 20 erstrecken sich vertikal in das Halbleitersubstrat und werden an deren Oberflächenbereich kontaktiert. Wird ein solches vertikales Hallsensorelement von einem parallel (lateral = parallel zur x-y-Ebene) zur Substratoberfläche verlaufenden Magnetfeld bzw. einer resultierenden Magnetfeldkomponente durchströmt, liefert das Hallsensorelement eine Ausgangsspannung, die proportional zum (vorzeichenbehafteten) Betrag des Vektorproduktes aus magnetischer Flussdichte und Strom ist aufgrund der Lorentz-Kraft auf die sich bewegenden Majoritätsladungsträger in dem Hallsensorelement.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Hallsensor 10 eine Mehrzahl (≥ 2) von Hallsensorelementen 20 aufweisen, die zur zwei-dimensionalen Erfassung eines Magnetfelds B, z.B. in einem Referenzpunkt, entlang zweier linear unabhängiger Ortsvektoren oder orthogonaler Ortsvektoren ausgebildet sind. Bei einem 2D-Hall-Sensor 10 sind beispielsweise zumindest zwei Hall-Sensorelemente 20 so angeordnet, dass deren Empfindlichkeitsrichtungen (möglichst ausgehend von einem gemeinsamen Ursprungspunkt oder Mittelpunkt) entlang von zweit orthogonalen Raumachsen ausgerichtet sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Hallsensor 10 eine Vielzahl (≥ 3) von Hallsensorelementen 20 aufweisen, die zur drei-dimensionalen Erfassung eines Magnetfelds B, z.B. in einem Referenzpunkt, entlang dreier linear unabhängiger Ortsvektoren oder orthogonaler Ortsvektoren ausgebildet sind. Bei einem 3D-Hall-Sensor 10 sind beispielsweise zumindest drei Hall-Sensorelemente 20 so angeordnet, dass deren Empfindlichkeitsrichtungen (möglichst ausgehend von einem gemeinsamen Ursprungspunkt oder Mittelpunkt) entlang der drei orthogonalen Raumachsen ausgerichtet sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der in das Hallsensorelement 20 eingeprägte Betriebsstrom S_IN zur Bestimmung des Referenzwerts X₀ und/oder des Momentanwerts X₁ der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 mittels einer Stromspiegelschaltung 60 ausgekoppelt werden. Die Stromspiegelschaltung 60 kann eingangsseitig oder ausgangsseitig bezüglich des Hallsensorelements 20 angeordnet sein.
Bei einem optionalen weiteren Schritt 140 wird die momentane Empfindlichkeit S_Hall (= S₁) des Hallsensorelements 20 basierend auf der Referenzempfindlichkeit So und auf dem Verhältnis zwischen dem Referenzwert X₀ der Betriebsgröße X und dem ermittelten Momentanwert X₁ der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 bestimmt.
So kann gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Änderung des Verhältnisses zwischen dem Referenzwert X₀ der Betriebsgröße X und dem ermittelten Momentanwert X₁ der Betriebsgröße X einer Änderung der Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 entsprechen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die Hallempfindlichkeit S_Hall eines Hallsensorelements 20 proportional zur Ladungsträgerbeweglichkeit µ sein, während die Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 indirekt proportional zu der Ladungsträgerbeweglichkeit µ in dem Halbleitermaterial (= aktiver Bereich) des Hallsensorelements 20 sein kann.
Bei einem solchen Wirkzusammenhang lässt sich beispielsweise eine Betriebsgröße-normierte Empfindlichkeit des Hallsensorelements 20 definieren, die als „Produkt“ der Referenzempfindlichkeit S₀ und des Referenzwerts X₀ der Betriebsgröße X des Hallsensorelements angegeben wird. Dies ist beispielweise der Fall, wenn die von dem elektrischen Widerstandswert (R_Hall = R₁) des Hallsensorelements 20 abhängige Betriebsgröße X - der elektrische Widerstandswert R_Hall des Hallsensorelements 20 ist, - im Spannungs-gesteuerten Betrieb, der Versorgungsstrom S_IN des Hallsensorelements 20 ist, oder (-) im freilaufenden Betrieb, der elektrische Widerstandswert R_Hall des Hallsensorelements 20 (gemäß dem ohmschen Gesetz R = U / I) basierend auf dem Versorgungsstrom und der Versorgungsspannung des Hallsensorelements (= R_Hall im Arbeitspunkt des Hallsensorelements) ist.
Das Verfahren 100 kann somit ferner einen Schritt 150 des Bestimmens eines Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkts S_XN des Hallsensorelements 20 als Produkt der Referenzempfindlichkeit So und des Referenzwerts X₀ der Betriebsgröße X des jeweiligen Hallsensorelements 20 entsprechend dem folgendem Zusammenhang (Formel 1) aufweisen: $S_{XN} = S_{0} * X_{0} (= Betriebsgrö ß en - {normierte Empfindlichkeit S}_{Hall})$
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 100 ferner einen weiteren Schritt des Bestimmens 160 der (momentanen) Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 basierend auf folgendem Zusammenhang (Formel 2) aufweisen:
$S_{Hall} = X_{0} / X_{1} * S_{0} = S_{XN} / X_{1}, (= momentane Hall-Empfindlichkeit)$

mit X₀ = Referenzwert
X₁ = Momentanwert der Betriebsgröße
S_XN = Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkt des jeweiligen Hallsensorelements.
Bei dem oben dargestellten Wirkzusammenhang (wenn die Hallempfindlichkeit S_Hall eines Hallsensorelements 20 proportional zur Ladungsträgerbeweglichkeit µ ist, während die Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 indirekt proportional zu der Ladungsträgerbeweglichkeit µ in dem Halbleitermaterial (= aktiver Bereich) des Hallsensorelements 20 ist) lässt sich beispielsweise auch eine Betriebsgröße-normierte Empfindlichkeit des Hallsensorelements 20 definieren, die als „Quotient“ der Referenzempfindlichkeit So und des Referenzwerts X₀ der Betriebsgröße X des Hallsensorelements angegeben wird. Dies ist beispielweise der Fall, wenn die von dem elektrischen Widerstandswert (R_Hall = R₁) des Hallsensorelements 20 abhängige Betriebsgröße X - die von dem elektrischen Widerstandswert (R_Hall = R₁) des Hallsensorelements (20) abhängige Betriebsgröße (X) der elektrische Leitfähigkeitswert (1/R_Hall) des Hallsensorelements (20) ist, z.B. im freilaufenden Betrieb, der elektrische Leitfähigkeitswert (1/R_Hall) des Hallsensorelements 20 (gemäß dem ohmschen Gesetz R = U / I) basierend auf dem Versorgungsstrom und der Versorgungsspannung des Hallsensorelements (= R_Hall im Arbeitspunkt des Hallsensorelements) oder (-) im Stromgesteuerten Betrieb, die Versorgungsspannung des Hallsensorelements 20) ist.
Das Verfahren 100 kann somit ferner einen Schritt 180 des Bestimmens eines Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Quotienten (S_XN) des jeweiligen Hallsensorelements (20) als Quotient der Referenzempfindlichkeit (S₀) und des Referenzwerts (X₀) der Betriebsgröße (X) des jeweiligen Hallsensorelements (20) entsprechend dem folgendem Zusammenhang (Formel 3) aufweisen: $S_{XN} = S_{0} / X_{0} (= B e triebsgr \ddot{o} ß e - {normierte Empfindlichkeit S}_{Hall})$
wobei die von dem elektrischen Widerstandswert (R_Hall = R₁) des Hallsensorelements 20 abhängige Betriebsgröße X (-) der elektrische Leitfähigkeitswert (I/R_Hall) des Hallsensorelements 20 ist, z.B. im freilaufenden Betrieb, der elektrische Leitfähigkeitswert (1/R_Hall) des Hallsensorelements 20 (gemäß dem ohmschen Gesetz R = U / I) basierend auf dem Versorgungsstrom und der Versorgungsspannung des Hallsensorelements (= R_Hall im Arbeitspunkt des Hallsensorelements) ist oder (-) im spannungsgesteuerten Betrieb, der Versorgungsstrom des Hallsensorelements 20 ist.
Das Verfahren 100 kann somit ferner einen Schritt des Bestimmens 190 der (momentanen) Empfindlichkeit S des jeweiligen Hallsensorelements aufweisen basierend auf folgendem Zusammenhang (Formel 4): mit $S_{Hall} = X_{1} / X_{0} * S_{0} = S_{XN} * X_{1}, (= momentan e Hall - Empfindlichk e it)$

X₀ = Referenzwert der Betriebsgröße
X₁ = Momentanwert der Betriebsgröße
S_XN = Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Quotient des jeweiligen Hallsensorelements 20.
Den obigen Ausführungsbeispielen des Verfahrens 100 ist nun gemeinsam, dass die momentane Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20, d. h. die (temperaturabhängige) Abweichung der momentanen Empfindlichkeit S_HALL gegenüber dem Referenzempfindlichkeitswert, basierend auf dem eingeprägten Ansteuersignal S_IN des Hallsensorelements 20 bestimmt werden kann, wodurch die Empfindlichkeitsbestimmung des Hallsensorelements 20 unabhängig von Kalibriermagnetfeldern etc. äußerst effizient und schnell durchgeführt werden kann.
Gemäß einem möglichen Anwendungsszenario kann mit dem Verfahren 100 ein Empfindlichkeitsgleichlauf bei Hallsensoren 10 mit mehreren Hallsensorelementen 20, wie z.B. bei 2D- oder 3D-Hallsensoren und allgemein bei ratiometrischen Messsystemen, erhalten werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Hallsensor 10 eine Mehrzahl (≥ 2) von Hallsensorelementen 20 auf und ist Teil eines ratiometrischen Messsystems.
In ratiometrischen Messsystemen, wie beispielsweise Winkelsensoren, ist der Gleichlauf der vertikalen und horizontalen Hallsensorelemente 20 wichtig. Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, wirkt die (temperaturbedingte) Drift der Empfindlichkeit S_Hall auf die unterschiedlichen (beiden) Sensortypen unterschiedlich. Dies führt zu Messfehlern. Folglich werden Sensoranordnungen 10 für ratiometrische Messungen derzeit häufig so gewählt werden, dass das zu messende Magnetfeld B nur in X-/Y-Richtung oder nur in Z-Richtung an den Hallsensorelementen 20 (z.B. vertikalen Hallsensorelementen 20) des Hallsensors 10 anliegt.
Um den Unterschied in der Empfindlichkeitsdrift unterschiedlicher Hallsensorelemente, z.B. lateraler und vertikaler Hallsensorelemente, zu demonstrieren, wurde das Verhältnis der Empfindlichkeiten S_Hall beider Sensortypen bei 25°C gebildet (Bz / Bx) und anschließend die Empfindlichkeit S_Hall des Z-Sensors durch diesen Quotienten an jeder Stelle über Temperatur geteilt (Bz auf Bx abgeglichen), siehe beispielsweise auch 4a.
Das anhand von 1 dargestellte Verfahren 100 zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements 20 wird nun beispielhaft mit dem elektrischen Widerstandswert R_Hall (Innerwiderstand oder Hallwiderstand) als die Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 beschrieben.
So weist das Verfahren 100 zum Bestimmen einer Empfindlichkeit S_Hall, z.B. einer momentanen magnetischen Empfindlichkeit, eines Hallsensorelements 20 unter Berücksichtigung eines bekannten, z.B. ermittelten oder vorgegebenen, Wirkzusammenhangs zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit S_Hall und der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands R_Hall, z.B. des Innenwiderstands oder Hall-Widerstands, des Hallsensorelements 20 folgende Schritte auf.
Bei Schritt 110 wird eine Referenzempfindlichkeit S₀ und ein elektrischer Referenzwiderstandswerts R₀ des Hallsensorelements ermittelt. Dabei kann die Referenzempfindlichkeit S₀ und der elektrische Referenzwiderstandswert R₀ des Hallsensorelements 20, der einem Temperaturwert zugeordnet ist, z.B. bei einem Referenztemperaturwert T₀, ermittelt werden. Das Ermitteln kann beispielsweise ein Abrufen oder Bereitstellen der Werte für S₀ und/oder R₀ aus einem für die Verarbeitungseinrichtung 30 zugreifbaren Speicher 40 oder das Messen bzw. Erfassen der Werte für S₀ und/oder R₀ umfassen.
Bei Schritt 120 wird ein momentaner elektrischer Widerstandswerts R₁ des Hallsensorelements basierend auf einem Ansteuersignal S_IN, z.B. einem eingeprägten Ansteuerstrom oder einer eingeprägten Ansteuerspannung, in das Hallsensorelement 20 bestimmt.
Bei Schritt 130 wird nun die (momentane) Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements basierend auf der Referenzempfindlichkeit So, auf dem elektrischen Referenzwiderstandswert R₀, auf dem ermittelten momentanen elektrischen Widerstandswert R₁ (= R_Hall) und auf dem Wirkzusammenhang bestimmt.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel bezieht sich das vorliegende Konzept auf einen bekannten, ermittelten oder vorgegebenen Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit S_Hall und der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands R_Hall des Hallsensorelements 20 darauf, wobei sich die Empfindlichkeit des Hallelements als auch der elektrische Widerstand des Hallelements über der Temperatur ändern, und wobei die temperaturbedingte Änderung der Empfindlichkeit S_Hall und die temperaturbedingte Änderung des Widerstands R_Hall des Hallelements in einer (vorgegebenen) Beziehung zueinander stehen. Dieser Wirkzusammenhang bzw. diese vorgegebene Beziehung wird nun ausgenutzt, um über die Änderung des elektrischen Widerstands des Hallelements, d. h. über den Vergleich des momentanen Widerstandswerts des Hallsensorelements mit einem Referenzmesswert des Widerstands des Hallsensorelements, auf die momentane Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 zu schließen, d. h. auf die etwaige Änderung gegenüber dem Referenzempfindlichkeitswert So des Hallsensorelements 20.
Die Referenzempfindlichkeit (bzw. der Referenzempfindlichkeitswert) S₀ als auch der elektrische Referenzwiderstandswert R₀ des Hallsensorelements 20 werden beispielsweise bei einem Referenztemperaturwert (= einem konstanten Temperaturwert) T₀ ermittelt. Wird nun der momentane elektrische Widerstandswert R₁ (= R_Hall) des Hallsensorelements basierend auf einem in das Hallsensorelement 20 eingeprägten Ansteuersignal S_IN gemäß dem ohmschen Gesetz bestimmt, kann nun daraus unmittelbar die (momentane) Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 basierend auf der Referenzempfindlichkeit So, dem elektrischen Referenzwiderstandswert R₀ und dem ermittelten momentanen elektrischen Widerstandswert R₁ ermittelt werden, wobei dazu der Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit S_Hall und der Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts R_Hall des Hallsensorelements 20 berücksichtigt wird.
Da nun die Herstellungstechnologie, der jeweilige Aufbau als auch die verwendeten Halbleitermaterialien einen Einfluss auf den Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit S_Hall und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands R_Hall eines Hallsensorelements 20 haben, kann der Wirkzusammenhang für jeden Typ von Hallsensorelement ermittelt und beispielsweise als Rechenvorschrift bereitgestellt werden.
Bei dem optionalen weiteren Schritt 140 wird die momentane Empfindlichkeit S_Hall (= S₁) des Hallsensorelements 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel basierend auf der Referenzempfindlichkeit S₀ und auf dem Verhältnis (als ein Beispiel für den Wirkzusammenhang) zwischen dem elektrischen Referenzwiderstandswert R₀ und dem ermittelten momentanen elektrischen Widerstandswert R₁ des Hallsensorelements bestimmt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die Hallempfindlichkeit S_Hall eines Hallsensorelements 20 proportional zur Ladungsträgerbeweglichkeit µ sein, während der Hallwiderstand R_Hall des Hallsensorelements 20 indirekt proportional zu der Ladungsträgerbeweglichkeit µ in dem Halbleitermaterial (= aktiver Bereich) des Hallsensorelements 20 sein kann.
Bei einem solchen Wirkzusammenhang lässt sich beispielsweise eine widerstandsnormierte Empfindlichkeit des Hallsensorelements 20 definieren, die als „Produkt“ der Referenzempfindlichkeit S₀ und des elektrischen Referenzwiderstandswerts R₀ des Hallsensorelements angegeben wird.
Im Folgenden werden einige physikalische und technologischen Zusammenhänge bei Hallsensorelementen 20 beispielhaft dargelegt, wobei aber darauf hingewiesen wird, dass die jeweils verwendete Herstellungstechnologie, der jeweilige Aufbau als auch die verwendeten Halbleitermaterialien einen Einfluss auf den Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands eines Hallsensorelements haben und damit die nachfolgenden Ausführungen zum Wirkzusammenhang nur als beispielhaft anzusehen sind.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements 20 zeichnen sich dadurch aus, dass die Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 in dessen elektrischem Widerstand R_Hall beobachtbar und somit indirekt messbar ist. Grundlage des erfindungsgemäßen Konzepts ist die Verknüpfung der Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 mit dessen elektrischem Widerstand R_Hall.
Im spannungsgesteuerten Betrieb ist die Empfindlichkeit S_HALL eines Hallsensorelements 20 durch folgende Formel (5) definiert: $S_{Hall} = μ \frac{b}{l} U_{Hallsup}$
mit der Ladungsträgerbeweglichkeit µ, Breite b und Länge l des Sensors sowie dessen Ansteuersignal S_IN (hier z.B. die Betriebsspannung UHALLSUP = S_IN). Die Betriebsspannung des Hallsensorelements 20 wird beispielsweise auf einen konstanten Wert geregelt. Auch die Geometrie des Hallsensorelements bleibt nach der Fertigung konstant. Somit liegt die Ursache der Temperaturdrift der Empfindlichkeit S_HALL des Hallsensorelements 20 in einer Veränderung der Ladungsträgerbeweglichkeit µ. Da mit steigender Temperatur die Vibration der Phononen im Halbleitermaterial des Hallsensorelements 20 zunimmt, sinkt die Beweglichkeit µ der Ladungsträger und somit die Empfindlichkeit S_Hall des Sensorelements 20, wie in 3a zu sehen ist. 3a zeigt beispielhaft einen (typischen) Empfindlichkeitsverlauf des Hallsensorelements im Temperaturbereich von -35°C bis 150°C.
Ein Hallsensorelement kann als Wheatstone'sche Widerstandsmessbrücke angesehen werden. Der Gesamtwiderstand des Hallsensorelements 20 berechnet sich mit dessen Materialcharakteristika, der Dotierstoffkonzentration n, Ladung q, Ladungsträgerbeweglichkeit µ sowie dessen Geometrie der Länge l und Querschnittsfläche A, nach folgender Formel (6): $R_{H a l l} = \frac{1}{q μ n} \frac{l}{A}$
Die Dotierstoffkonzentration n ist vom Herstellungsprozess des Hallsensorelements 20 vorgegeben. Die sensorgeometrischen Parameter l und A werden während der Entwicklung des Hallsensorelements festgelegt. Somit ist davon auszugehen, dass die Drifteigenschaften des Hallsensorwiderstands R_Hall durch die Ladungsträgerbeweglichkeit µ definiert ist. Im direkten Vergleich zur Empfindlichkeit S_Hall in Formel (5), ist die Driftcharakteristik des Widerstands R_Hall indirekt proportional. Dies bestätigt die Messung des Widerstands eines Hallsensorelements, welche beispielhaft in 3b dargestellt ist. 3b zeigt beispielhaft einen (typischen) Widerstandsverlauf des Hallsensorelements im Temperaturbereich von - 35°C bis 150°C.
Beide Größen S_Hall und R_Hall können miteinander zur sogenannten widerstandsnormierten Empfindlichkeit gemäß dem Zusammenhang bzw. der Formel (7) $S_{R N} = S_{H a l l} * R_{H a l l}$
Verrechnet werden. 3c zeigt beispielhaft einen (typischen) Verlauf der widerstandsnormierten Empfindlichkeit im Temperaturbereich von -35°C bis 150°C. Die zusätzliche Information kann sowohl in ratiometrischen als auch Absolutwert-basierten Messsystemen 10 gewinnbringend genutzt werden, wie dies noch nachfolgend beschrieben wird.
Da im spannungsgesteuerten Betrieb, wie oben erwähnt, die Versorgungsspannung S_IN = V_HALLSUP des Hallsensorelements 20 auf einen konstanten Wert geregelt wird, ist zur Erfassung des elektrischen Widerstands R₁ eine Messung des (resultierenden) Sensorstroms durch das Hallsensorelement 20 ausreichend. Dies kann sowohl im Fall integrierter Hallsensorsysteme 10 auf den jeweiligen Chips 40 selbst geschehen, als auch extern durchgeführt werden. Für verschiedene Betriebsarten von Hallsensoren 10 bzw. Hallsensorelementen 20 ergeben sich die folgenden Messgrößen zur Erfassung des elektrischen Widerstands R_Hall des Sensors10 bzw. Sensorelements 20:

A) Spannungsgesteuerter Betrieb: Messung/Ermittlung des Hallsensorversorgungsstroms, da die Versorgungsspannung fest eingestellt oder vorgegeben ist
B) Stromgesteuerter Betrieb: Messung/Ermittlung der Hallsensorversorgungsspannung, da der Versorgungsstrom fest eingestellt oder vorgegeben ist
C) Ungeregelt betriebener (freilaufender) Hall-Sensor: Messung/Ermittlung des Versorgungsstroms sowie der Versorgungsspannung (zur Arbeitspunktermittlung)

Basierend auf den verschiedene Betriebsarten A, B und C von Hallsensoren 10 bzw. Hallsensorelementen 20 wird deutlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren 100 zum Bestimmen einer Empfindlichkeit S_Hall eines Hallsensorelements 20 gemäß den 1 - 4 als auch das (noch nachfolgend beschriebene) erfindungsgemäße Verfahren 200 zum Bestimmen einer Empfindlichkeit S_Hall eines Hallsensorelements 20 gemäß den 5 und 6 auf die Verknüpfung von elektrischem Widerstand (Widerstandswert) und Empfindlichkeit (Empfindlichkeitswert) eines Hallsensorelements bezogen sind.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann alternativ oder zusätzlich zu dem elektrischen Widerstand des jeweiligen Hallelements 20 auch eine von dem elektrischen Widerstandswert R_Hall des Sensorelements 20 abhängige oder abgeleitete Größe X (Referenzgröße X₀, Momentangröße X₁) ermittelt werden, Somit kann von der Änderung des Verhältnisses zwischen der elektrischen Referenzgröße X₀ und der ermittelten Momentangröße X₁ auf die temperaturbedingte Änderung der Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 geschlossen werden.
Betriebsart A: der ermittelte Hallsensorversorgungsstrom bildet bei der fest eingestellten oder vorgegebenen Versorgungsspannung die von dem elektrischen Widerstandswert R_Hall des Sensorelements 20 abhängige (oder abgeleitete) Größe X (mit der Referenzgröße = Referenzstromwert X₀ und der Momentangröße = Momentanstromwert X₁).
Betriebsart B: die ermittelte Hallsensorversorgungsspannung bildet bei dem fest eingestellten oder vorgegebenen Versorgungsstrom die von dem elektrischen Widerstandswert R_Hall des Sensorelements 20 abhängige (oder abgeleitete) Größe X (mit der Referenzgröße = Referenzspannungswert X₀ und der Momentangröße = Momentanspannungswert X₁).
Betriebsart C: das Verhältnis von ermittelter Hallsensorversorgungsspannung und ermitteltem Hallsensorversorgungsstrom bildet die von dem elektrischen Widerstandswert (R_Hall) des Sensorelements (20) abhängige (oder abgeleitete) Größe X (mit der Referenzgröße X₀ und der Momentangröße X₁). Die von dem elektrischen Widerstandswert R_Hall des Sensorelements 20 abhängige (oder abgeleitete) Größe X (mit der Referenzgröße X₀ und der Momentangröße X₁) kann also der elektrische Widerstand selbst oder der elektrische Leitfähigkeitswert des Sensorelements 20 sein. Die Größe X kann also gemäß dem ohmschen Gesetz aus der ermittelten Hallsensorversorgungsspannung und dem ermittelten Hallsensorversorgungsstrom bestimmt werden.
In der Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele können als die Begriffe elektrischer Widerstand (Widerstandswert) oder die von dem elektrischen Widerstandswert R_Hall des Sensorelements 20 abhängige oder abgeleitete Betriebsgröße X (ermittelter Hallsensorversorgungsstrom, ermittelte Hallsensorversorgungsspannung und/oder ermitteltes Verhältnis aus Hallsensorversorgungsstrom und Hallsensorversorgungsspannung) angewendet werden.
Das beschriebene Verfahren 100 und die in den folgenden Abschnitten beschriebenen Einsatzszenarien sind auf alle Arten von Hallsensoren 10 bzw. Hallsensorelemente 20, diskret oder integriert, anwendbar.
Bei dem optionalen weiteren Schritt 140 wird also die momentane Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel basierend auf der Referenzempfindlichkeit S₀ und auf dem Verhältnis (= ein Beispiel für den Wirkzusammenhang) zwischen dem elektrischen Referenzwiderstandswert R₀ und dem ermittelten momentanen elektrischen Widerstandswert R₁ des Hallsensorelements 20 bestimmt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist also beispielsweise die Hallempfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 proportional zur Ladungsträgerbeweglichkeit µ, während der Hallwiderstand R_Hall des Hallsensorelements 20 indirekt proportional zu der Ladungsträgerbeweglichkeit µ in dem Halbleitermaterial des Hallsensorelements 20 ist.
Somit kann angenommen werden, dass eine Änderung des Verhältnisses zwischen dem elektrischen Referenzwiderstandswert R₀ (bzw. dem Referenzwert X₀ der Betriebsgröße X) und dem ermittelten momentanen elektrischen Widerstandswerts R_Hall = R₁ (bzw. dem Momentanwert X₁ der Betriebsgröße X) innerhalb eines Toleranzbereichs von z.B. weniger als 30%, 20%, 10%, 5%, 1 % oder 0,1 % einer Änderung der Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 entspricht.
Der Toleranzbereich gibt also den Bereich an, innerhalb dessen von der Änderung des Verhältnisses zwischen dem elektrischen Referenzwiderstandswert R₀ und dem ermittelten momentanen elektrischen Widerstandswerts R₁ auf die temperaturbedingte Änderung der Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 geschlossen werden kann. Umso geringer der Toleranzbereich eingehalten werden kann, umso genauer kann die momentane Empfindlichkeitsbestimmung S_Hall und damit die Temperaturkalibration durchgeführt werden.
Bei einem solchen Wirkzusammenhang lässt sich beispielsweise die widerstandsnormierte Empfindlichkeit des Hallsensorelements definieren, die als Produkt (siehe obige Formel 7) der Referenzempfindlichkeit und des elektrischen Referenzwiderstandswerts des Hallsensorelements angegeben wird.
Das Verfahren 100 kann somit ferner einen Schritt 150 des Bestimmens des Widerstand-Empfindlichkeit-Produkts (= widerstandsnormierte Empfindlichkeit) SRN des Hallsensorelements als Produkt der Referenzempfindlichkeit S₀ und des elektrischen Referenzwiderstandswerts R₀ des jeweiligen Hallsensorelements entsprechend dem Zusammenhang von Formel (7) aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 100 ferner einen weiteren Schritt des Bestimmens 160 der (momentanen) Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 basierend auf folgendem Zusammenhang (Formel 8) aufweisen: $S_{Hall} = R_{0} / R_{1} * S_{0} = S_{RN} / R_{1}, (= momentane Hall - Empfindlichkeit)$
mit R₀ = elektrischer Referenzwiderstandswert
R₁ = momentaner elektrischer Widerstandswert
SRN = Widerstand-Empfindlichkeit-Produkt des jeweiligen Hallsensorelements 20.
Gemäß einem möglichen Anwendungsszenario kann mit dem Verfahren 100 ein Empfindlichkeitsgleichlauf bei Hallsensoren 10 mit mehreren Hallsensorelementen 20, wie z.B. bei 2D- oder 3D-Hallsensoren und allgemein bei ratiometrischen Messsystemen, erhalten werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Hallsensor 10 eine Mehrzahl (≥ 2) von Hallsensorelementen 20 auf und ist Teil eines ratiometrischen Messsystems.
In ratiometrischen Messsystemen, wie beispielsweise Winkelsensoren, ist der Gleichlauf der vertikalen und horizontalen Hallsensorelemente 20 wichtig. Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, wirkt die (temperaturbedingte) Drift der Empfindlichkeit S_Hall auf die unterschiedlichen (beiden) Sensortypen unterschiedlich. Dies führt zu Messfehlern. Folglich werden Sensoranordnungen 10 für ratiometrische Messungen derzeit häufig so gewählt, dass das zu messende Magnetfeld B nur in X-/Y-Richtung oder nur in Z-Richtung an den Hallsensorelementen 20 (z.B. vertikalen Hallsensorelementen 20) des Hallsensors 10 anliegt.
Um den Unterschied in der Empfindlichkeitsdrift unterschiedlicher Hallsensorelemente, z.B. lateraler und vertikaler Hallsensorelemente, zu demonstrieren, wurde das Verhältnis der Empfindlichkeiten S_Hall beider Sensortypen bei 25°C gebildet (B_Z / B_X) und anschließend die Empfindlichkeit S_Hall des Z-Sensors durch diesen Quotienten an jeder Stelle über Temperatur geteilt (Bz auf Bx abgeglichen). 4a zeigt einen beispielhaften Verlauf der Abweichung der Bz Empfindlichkeit zu Bx nach Abgleich Bz zu Bx bei 25°C (Spinning-Current). In 4a wird deutlich, dass die Drift der Empfindlichkeiten beider Sensortypen um ca. ±11 % voneinander abweicht.
Durch einen Abgleich mit Hilfe der widerstandsnormierten Empfindlichkeit S_RN,BZ des Z-Sensors auf die des X-Sensors S_RN,BX wird ein Gleichlauf der Empfindlichkeitsdrift beider Hallsensorelemente erreicht, wie dies in 4b dargestellt ist. 4b zeigt einen beispielhaften Verlauf der widerstandsnormierten Empfindlichkeit mit Abgleich Bz zu Bx bei 25°C (Einzelphase PH0). Wie aus 4b ferner ersichtlich ist, haben die Verläufe der widerstandsnormierten Empfindlichkeit im Wesentlichen die gleiche Steigung, so dass sich die widerstandsnormierten Empfindlichkeiten über der Temperatur „im gleichen Maß“ ändern, d.h. im Gleichlauf sind.
Betrachtet man die Abweichung der Drift der widerstandsnormierten Empfindlichkeit des Z-Sensors zur Drift der widerstandsnormierten Empfindlichkeit des X-Sensors, so beträgt diese dabei weniger als 1 %, wie in 4c zu sehen ist. 4c zeigt einen beispielhaften Verlauf einer Abweichung der widerstandsnormierten Empfindlichkeit BZ zu BX nach Abgleich BZ zu BX bei 25°C (Spinning-Current). Somit kann für ein ratiometrisches Messsystem eine Kombination aus lateralen und vertikalen Hall Sensoren genutzt werden, was den Aufbau eines solchen Systems vereinfacht.
Gemäß den im vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen des vorliegenden Konzepts 100 zum Bestimmen einer Empfindlichkeit S_Hall eines Hallsensorelements 20 kann also beispielsweise basierend auf den oben genannten Randbedingungen, z. B. Herstellungstechnologie, Sensoraufbau, Halbleitermaterial etc., die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Hallsensorelements proportional zu der Ladungsträgerbeweglichkeit sein, während die Temperaturabhängigkeit des Hallwiderstands des Hallsensorelements indirekt proportional zu der Ladungsträgerbeweglichkeit sein.
Das anhand von 1 dargestellte Verfahren 100 zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements 20 wird nun beispielhaft mit dem elektrischen Leitfähigkeitswert L_Hall = 1/R_Hall als die Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 beschrieben.
Bei dem optionalen weiteren Schritt 170 wird die (momentane) Empfindlichkeit des Hallsensorelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel basierend auf der Referenzempfindlichkeit S₀ und auf dem „Quotienten“ (= ein Beispiel für den Wirkzusammenhang) zwischen dem elektrischen Referenzleitfähigkeitswert L₀ und dem ermittelten momentanen elektrischen Leitfähigkeitswert 1/R₁ des Hallsensorelements 20 bestimmt.
Das Verfahren 100 kann somit ferner einen Schritt 180 des Bestimmens eines Empfindlichkeit-Leitfähigkeit-Quotienten (=leitfähigkeitsnormierte Empfindlichkeit) S_RN des jeweiligen Hallsensorelements als Quotient (Verhältnis) der Referenzempfindlichkeit S₀ und des elektrischen Referenzleitfähigkeitswert Lo des jeweiligen Hallsensorelements aufweisen entsprechend dem folgendem Zusammenhang (Formel 9): $S_{RN} = S_{0} / L_{0} (= leitf \ddot{a} higeitsnormierte Empfindlichkeit)$
Das Verfahren 100 kann somit ferner einen Schritt des Bestimmens 190 der (momentanen) Empfindlichkeit S_Hall des jeweiligen Hallsensorelements aufweisen basierend auf folgendem Zusammenhang (Formel 10): $S_{Hall} = L_{1} / L_{0} * S_{0} = S_{IN} * L_{1}, (= momentane Hall - Empfindlichkeit)$

mit Lo = elektrischer Referenzleitfähigkeitswert
L₁ = momentaner elektrischer Leitfähigkeitswert (L_Hall = 1/R_Hall)
SLN = Empfindlichkeit-Leitfähigkeit-Quotient des jeweiligen Hallsensorelements 20.
Den obigen Ausführungsbeispielen des Verfahrens 100 ist nun gemeinsam, dass die momentane Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20, d. h. die (temperaturabhängige) Abweichung der momentanen Empfindlichkeit S_HALL gegenüber dem Referenzempfindlichkeitswert, basierend auf dem eingeprägten Ansteuersignal S_IN des Hallsensorelements 20 bestimmt werden kann, wodurch die Empfindlichkeitsbestimmung des Hallsensorelements 20 unabhängig von Kalibriermagnetfeldern etc. äußerst effizient und schnell durchgeführt werden kann.
Anhand von 5 wird nun ein weiteres Verfahren 200 zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit S_Hall eines Hallsensorelements 20 beispielhaft beschrieben. 5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens 200 zum Bestimmen der momentanen Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel.
Gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konzepts kann nun der bekannte, ermittelte oder vorgegebene Wirkzusammenhang zwischen der temperaturabhängigen Empfindlichkeit S_Hall und dem temperaturabhängen elektrischen Widerstand R_Hall (oder der davon abhängigen Betriebsgröße X) des Hallsensorelements 20 mathematisch „modelliert“ werden, d.h. die Beziehung zwischen der temperaturbedingten Änderung der Empfindlichkeit S_Hall und der temperaturbedingte Änderung der von dem elektrischen Widerstandswert R_Hall abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße X des Hallelements 20 (= Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung) kann mathematisch mit der Temperatur als Variable abgebildet werden.
Anhand von 5 wird nun ein weiteres Verfahren 200 zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit S_Hall eines Hallsensorelements 20 beispielhaft beschrieben. 5 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens 200 zum Bestimmen der momentanen Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel.
Gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konzepts kann nun der bekannte, ermittelte oder vorgegebene Wirkzusammenhang zwischen der temperaturabhängigen Empfindlichkeit S_Hall und dem temperaturabhängen elektrischen Widerstand R_Hall (oder der davon abhängigen Betriebsgröße X) des Hallsensorelements 20 mathematisch „modelliert“ werden, d.h. die temperaturabhängige Empfindlichkeit S_Hall kann nun als (mathematisches) Modell oder Funktion F(X,T) mit der temperaturabhängigen Betriebsgröße X, die von dem elektrischen Widerstandswert R_Hall des Hallelements 20 abhängig oder abgeleitet, der Temperatur als Variable abgebildet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 200 zum Bestimmen einer (momentanen) Empfindlichkeit S_Hall eines Hallsensorelements 20 eines Hallsensors 10 einen Schritt des Bereitstellens 210 eines Modells F(X,T) (= eine mathematische Funktion) für die Empfindlichkeit S_Hall mit der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 und mit der Temperatur T des Hallsensorelements 20 als Variable. Dabei ist die Betriebsgröße X von dem elektrischen Widerstandswert R_Hall des Sensorelements 20 abhängig oder abgeleitet.
Dies kann beispielsweise basierend auf den Messwerten der elektrischen Betriebsgröße X und der Empfindlichkeit S_Hall bei den unterschiedlichen Temperaturen T erfolgen. Hinsichtlich der Definition der Betriebsgröße X wird wieder auf die Ausführungen im Rahmen der obigen Beschreibung des Verfahrens 100 verwiesen, die auch nachfolgend entsprechend anwendbar sind.
Bei Schritt 220 wird nun ein Momentanwert X₁ der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 basierend auf einem Ansteuersignal S_IN des Hallsensorelements 20 bestimmt, wobei ferner bei Schritt 230 die momentane Temperatur T₁ des aktiven Bereichs des Hallsensorelements 20 bestimmt wird.
Bei Schritt 240 wird die momentane Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 (z.B. als Absolut-Wert) basierend auf dem Wert (z.B. Funktionswert) des Modells, der dem momentanen Temperaturwert T₁ und dem Momentanwert X₁ der Betriebsgröße X zugeordnet ist, bestimmt, d.h. der Funktionswert von F(X₁, T₁).
Gemäß dem vorliegenden Konzept kann also zunächst ein Modell bzw. eine Funktion F(X,T) für die Empfindlichkeit mit der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 und mit der Temperatur T als Variable bereitgestellt werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Empfindlichkeitswert S_N und ein Wert X_N der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten T_N ermittelt werden, d.h. abgerufen, bereitgestellt oder gemessen werden. Dies entspricht einer Kalibrierung bei den Temperaturwerten T₁, T₂, ..., wobei dann das mathematische Modell F(X,T) für die Empfindlichkeit basierend auf den Messwerten der Betriebsgröße und der Empfindlichkeit bei den unterschiedlichen Temperaturen ermittelt wird.
Alternativ ist es beispielsweise auch möglich, das Modell F(X,T) rein rechnerisch aufzustellen, falls ein „Modell“ des Hallsensorelements 20 basierend auf der verwendeten Herstellungstechnologie, dem jeweiligen Aufbau als auch den verwendeten Halbleitermaterialien für das Sensorelement, etc. vorhanden ist.
Gemäß dem vorliegenden Konzept wird nun der Momentanwert X₁ der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 basierend auf einem eingeprägten Ansteuersignal (Strom- und/oder Spannungseinprägung) S_IN des Hallsensorelements 20 bestimmt, wobei ferner die momentane Temperatur T₁ des aktiven Bereichs des Hallsensorelements 20 bestimmt wird. Basierend auf dem Wert für die Funktion F(X,T), der dem momentanen Temperaturwert T₁ und dem Momentanwert X₁ der Betriebsgröße X zugeordnet ist, kann dann schließlich die momentane Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements (z.B. als Absolut-Wert) bestimmt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt 210 des Bereitstellens ferner einen Schritt 250 des Ermittelns eines Empfindlichkeitswerts S_N eines Werts X_N der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten T_N, und ferner einen Schritt 260 des Ermittelns des Modells F(X, T) für die Empfindlichkeit S_Hall mit der elektrischen Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 und mit der Temperatur T des Hallsensorelements 20 als Variable aufweisen.
Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Empfindlichkeitswert S_N und ein Wert X_N der elektrischen Betriebsgröße X des Hallsensorelements jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten T_N ermittelt werden, d.h. aus einem für die Verarbeitungseinrichtung 30 zugreifbaren Speicher 40 abgerufen oder bereitgestellt wird oder auch gemessen wird. Dies entspricht einer Kalibrierung bei den Temperaturwerten T₁, T₂, ..., wobei dann das mathematische Modell F(X,T) für Empfindlichkeit mit der elektrischen Betriebsgröße X des Hallsensorelements und der Temperatur T als Variable (basierend auf den Messwerten der Betriebsgröße und der Empfindlichkeit bei den unterschiedlichen Temperaturen) ermittelt wird.
Basierend auf einer Mehrzahl von Temperaturpunkten für die Empfindlichkeit S_Hall(T) kann nun die typische Funktion S_Hall(T) = F(X,T), z. B. mittels eines Mess-Kits, „angefittet“ (ermittelt) werden. Diese typische Funktion wird beispielsweise auch als eine „Fitting-Funktion“ (= mathematisches Modell) der Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung bezeichnet.
Als „Fitting“ wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine sogenannte „Ausgleichsrechnung“ in Form einer mathematischen Optimierungsmethode verstanden, um die Parameter einer vorgegebenen Funktion (Fitting-Funktion) zu bestimmen bzw. abzuschätzen. Unter einem Fitting bzw. Fit wird beispielsweise eine Funktionsanpassung verstanden, wobei auch etwaige Messfehler oder Unsicherheiten der Messpunkte berücksichtigt werden können. Eine mögliche Methode bzw. Vorgehensweise eines Fits ist die Methode der kleinsten Quadrate, wobei beispielsweise eine Gauß-verteilte Messunsicherheit angenommen wird. Natürlich können auch andere Vorgehensweisen und Algorithmen zur Bestimmung der Fitting-Funktion eingesetzt werden, soweit der Verlauf des Sensorausgangssignals oder einer davon abgeleiteten Größe ausreichend genau mit der Fitting-Funktion wiedergegeben wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Mehrzahl von Temperaturwerten T_N gewählt werden, um ein überbestimmtes, mathematisches Modell F(X,T) zu erhalten. Dies bestimmt die Anzahl nötiger Temperaturpunkte zur Bestimmung der Modellparameter. Wird ein überbestimmtes System vorausgesetzt, sind z.B. zwei Temperaturpunkte bei einem linearen Zusammenhang, drei Temperaturpunkte bei quadratischem Zusammenhang, etc. erforderlich. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Modell F(X,T) eine lineare Funktion, ein Polynom n-ter Ordnung, eine Taylor-Reihe oder eine exponentielle Funktion oder einen sonstigen mathematischen Zusammenhang aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der das Hallsensorelement durchlaufende Betriebsstrom S_IN zur Bestimmung des elektrischen Widerstandwerts R₁ auch hier beispielsweise mittels einer Stromspiegelschaltung 60 ausgekoppelt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Hallsensorelement 20 Teil eines Absolutwert-basierten Hallsensors oder Messsystems 10, z.B. einer Magnetfeldsonde, eines Stromsensors, etc. sein.
Anhand von 6 wird nun ein weiteres Verfahren 300 zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit S_Hall eines Hallsensorelements 20 beispielhaft beschrieben. 6 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens 300 zum Bestimmen der momentanen Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel.
Gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konzepts kann nun der bekannte, ermittelte oder vorgegebene Wirkzusammenhang zwischen der temperaturabhängigen Empfindlichkeit S_Hall und dem temperaturabhängen elektrischen Widerstand R_Hall (oder der davon abhängigen Betriebsgröße X) des Hallsensorelements 20 mathematisch „modelliert“ werden, d.h. die Beziehung zwischen der temperaturbedingten Änderung der Empfindlichkeit S_Hall und der temperaturbedingten Änderung der von dem elektrischen Widerstandswert R_Hall abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße X des Hallelements 20 (= Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung) kann mathematisch mit der Temperatur als Variable abgebildet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 300 zum Bestimmen einer (momentanen) Empfindlichkeit S_Hall eines Hallsensorelements 20 eines Hallsensors 10 einen Schritt des Bereitstellens 310 eines Modells f_SXN(T) (= eine mathematische Funktion) für eine Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung (= Betriebsgröße-normierte Empfindlichkeit) aus Empfindlichkeit S_Hall und Betriebsgröße X des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable, wobei die Betriebsgröße X von dem elektrischen Widerstandswert R_Hall des Sensorelements 20 abhängig oder abgeleitet ist. Dies kann beispielsweise basierend auf den Messwerten der elektrischen Betriebsgröße X und der Empfindlichkeit S_Hall bei den unterschiedlichen Temperaturen erfolgen.
Hinsichtlich der Definition der Betriebsgröße X wird wieder auf die Ausführungen im Rahmen der obigen Beschreibung des Verfahrens 100 verwiesen, die auch nachfolgend entsprechend anwendbar sind.
Bei Schritt 320 wird nun ein Momentanwert X₁ der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 basierend auf einem (eingeprägten) Ansteuersignal S_IN des Hallsensorelements 20 bestimmt, wobei ferner bei Schritt 330 die momentane Temperatur T₁ des aktiven Bereichs des Hallsensorelements 20 bestimmt wird.
Bei Schritt 340 wird die momentane Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 (als Absolut-Wert) basierend auf dem Wert für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung f_SXN(T), der dem momentanen Temperaturwert T₁ zugeordnet ist, und dem Momentanwert X₁ der Betriebsgröße X bestimmt.
Gemäß dem vorliegenden Konzept kann also zunächst ein temperaturabhängiges Modell f_SXN(T) für die Empfindlichkeit- Betriebsgröße-Beziehung (= Betriebsgröße-normierte Empfindlichkeit) aus Empfindlichkeit und Betriebsgröße des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable bereitgestellt werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Empfindlichkeitswert S_N und ein Wert X_N der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten T_N ermittelt werden, d.h. abgerufen, bereitgestellt oder gemessen werden. Dies entspricht einer Kalibrierung bei den Temperaturwerten T₁, T₂, ..., wobei dann das mathematische Modell f_SXN(T) für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung aus Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable (basierend auf den Messwerten der Betriebsgröße und der Empfindlichkeit bei den unterschiedlichen Temperaturen) ermittelt wird.
Alternativ ist es beispielsweise auch möglich das Modell f_SXN(T) rein rechnerisch aufzustellen, falls ein „Modell“ des Hallsensorelements 20 basierend auf der verwendeten Herstellungstechnologie, dem jeweiligen Aufbau als auch den verwendeten Halbleitermaterialien für das Sensorelement, etc. vorhanden ist.
Gemäß dem vorliegenden Konzept wird nun der Momentanwert X₁ der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 basierend auf einem eingeprägten Ansteuersignal (Strom- und/oder Spannungseinprägung) S_IN des Hallsensorelements 20 bestimmt, wobei ferner die momentane Temperatur T₁ des aktiven Bereichs des Hallsensorelements 20 bestimmt wird. Basierend auf dem Wert für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung f_SRN(T), der dem momentanen Temperaturwert T₁ zugeordnet ist, und dem Momentanwert X₁ der Betriebsgröße X kann dann schließlich die momentane Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements (als Absolut-Wert) bestimmt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt 310 des Bereitstellens ferner einen Schritt 350 des Ermittelns eines Empfindlichkeitswerts S_N eines Werts X_N der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten T_N, und ferner einen Schritt 360 des Ermittelns des Modells f_SXN(T) für die Empfindlichkeit-Betriebsgrößen-Beziehung aus Empfindlichkeit S_Hall und elektrischer Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 mit der Temperatur T als Variable aufweisen.
Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Empfindlichkeitswert S_N und ein Wert X_N der elektrischen Betriebsgröße X des Hallsensorelements jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten T_N ermittelt werden, d.h. aus einem für die Verarbeitungseinrichtung 30 zugreifbaren Speicher 40 abgerufen oder bereitgestellt wird oder auch gemessen wird. Dies entspricht einer Kalibrierung bei den Temperaturwerten T₁, T₂, ..., wobei dann das mathematische Modell f_SXN(T) für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung aus Empfindlichkeit und elektrischer Betriebsgröße X des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable (basierend auf den Messwerten der Betriebsgröße und der Empfindlichkeit bei den unterschiedlichen Temperaturen) ermittelt wird.
Basierend auf einer Mehrzahl von Temperaturpunkten für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung kann nun eine typische Funktion, z. B. mittels eines Mess-Kits, „angefittet“ (ermittelt) werden. Diese typische Funktion wird beispielsweise auch als eine „Fitting-Funktion“ (= mathematisches Modell) der Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung bezeichnet.
Als „Fitting“ wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine sogenannte „Ausgleichsrechnung“ in Form einer mathematischen Optimierungsmethode verstanden, um die Parameter einer vorgegebenen Funktion (Fitting-Funktion) zu bestimmen bzw. abzuschätzen. Unter einem Fitting bzw. Fit wird beispielsweise eine Funktionsanpassung verstanden, wobei auch etwaige Messfehler oder Unsicherheiten der Messpunkte berücksichtigt werden können. Eine mögliche Methode bzw. Vorgehensweise eines Fits ist die Methode der kleinsten Quadrate, wobei beispielsweise eine Gauß-verteilte Messunsicherheit angenommen wird. Natürlich können auch andere Vorgehensweisen und Algorithmen zur Bestimmung der Fitting-Funktion eingesetzt werden, soweit der Verlauf des Sensorausgangssignals oder einer davon abgeleiteten Größe ausreichend genau mit der Fitting-Funktion wiedergegeben wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung ein Produkt der temperaturabhängigen Empfindlichkeit (S(T)) und der temperaturabhängigen, elektrischen Betriebsgröße (X(T)) des Hallsensorelements (20) ist, wobei das Verfahren 300 ferner einen Schritt 370 des Bestimmens der momentanen Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 bei dem Temperaturwert T basierend auf folgendem Zusammenhang bzw. Verhältnis (Formel 11) aufweist: $S (T) = f_{SXN} (T) / X (T), (= momentane Hall - Empfindlichkeit)$
mit X(T) = Wert der elektrischen Betriebsgröße bei dem Temperaturwert T
f_SXN(T) = Funktionswert des Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkts bei dem Temperaturwert T
des Hallsensorelements 20.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung ein Quotient (= Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Quotient) der temperaturabhängigen Empfindlichkeit S(T) und der temperaturabhängigen, elektrischen Betriebsgröße X(T) des Hallsensorelements 20 ist, wobei das Verfahren 300 ferner einen Schritt 380 des Bestimmens der (momentanen) Empfindlichkeit S(T) des Hallsensorelements bei dem Temperaturwert T basierend auf folgendem Zusammenhang (Formel 12) aufweist: $S (T) = f_{SXN} (T) * X (T), (= momentane Hall - Empfindlichkeit)$
mit X(T) = Wert der elektrischen Betriebsgröße bei dem Temperaturwert T
f_SXN(T) = Funktionswert des Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkts bei dem Temperaturwert T
des Hallsensorelements 20.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Mehrzahl von Temperaturwerten T_N gewählt werden, um ein überbestimmtes, mathematisches Modell f_SRN(T) zu erhalten. Dies bestimmt die Anzahl nötiger Temperaturpunkte zur Bestimmung der Modellparameter. Wird ein überbestimmtes System vorausgesetzt, sind z.B. zwei Temperaturpunkte bei einem linearen Zusammenhang, drei Temperaturpunkte bei quadratischem Zusammenhang, etc. erforderlich.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Modell f_SRN(T) eine lineare Funktion, ein Polynom n-ter Ordnung, eine Taylor-Reihe oder eine exponentielle Funktion oder einen sonstigen mathematischen Zusammenhang aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der das Hallsensorelement durchlaufende Betriebsstrom S_IN zur Bestimmung des elektrischen Widerstandwerts R₁ auch hier beispielsweise mittels einer Stromspiegelschaltung 60 ausgekoppelt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Hallsensorelement 20 Teil eines Absolutwert-basierten Hallsensors oder Messsystems 10, z.B. einer Magnetfeldsonde, eines Stromsensors, etc. sein.
Das anhand von 6 dargestellte Verfahren 300 zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements 20 wird nun beispielhaft mit dem elektrischen Widerstandswert R_Hall (Innerwiderstand oder Hallwiderstand) als die Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 beschrieben.
Gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konzepts kann nun der bekannte, ermittelte oder vorgegebene Wirkzusammenhang zwischen der temperaturabhängigen Empfindlichkeit S_Hall und dem temperaturabhängen elektrischen Widerstand R_Hall des Hallsensorelements 20 mathematisch „modelliert“ werden, d.h. die Beziehung zwischen der temperaturbedingten Änderung der Empfindlichkeit S_Hall und der temperaturbedingte Änderung des elektrischen Widerstands R_Hall des Hallelements 20 (= Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung) kann mathematisch mit der Temperatur als Variable abgebildet werden.
Zur weiteren Erläuterung wird auch wieder auf die 2a-b Bezug genommen, wobei 2a eine schematische Prinzipdarstellung eines Magnetfeld-Sensorelements (Hallsensorelements) gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt, und 2b eine schematische Draufsicht eines Magnetfeld-Sensors (Hallsensor) gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt, wobei der Magnetfeld-Sensor zumindest ein Hallsensorelement aufweist. Wie in 2b beispielhaft dargestellt ist weist der Hallsensor 10 zumindest ein Hallsensorelement 20 und eine Verarbeitungseinrichtung 30 auf, die zum Ausführen des Verfahrens 300 ausgebildet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 300 zum Bestimmen einer (momentanen) Empfindlichkeit S_Hall eines Hallsensorelements 20 (eines Hallsensors 10) einen Schritt des Bereitstellens 310 eines Modells f_SRN(T) (= eine mathematische Funktion) für eine Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung (= widerstandsnormierte Empfindlichkeit) aus Empfindlichkeit S_Hall und elektrischem Widerstand R_Hall des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable. Dies kann beispielsweise basierend auf den Messwerten des elektrischen Widerstandswerts R_Hall und der Empfindlichkeit S_Hall bei den unterschiedlichen Temperaturen erfolgen.
Bei Schritt 320 wird nun der momentane elektrische Widerstandswert R₁ des Hallsensorelements 20 basierend auf einem (eingeprägten) Ansteuersignal S_IN des Hallsensorelements 20 bestimmt, wobei ferner bei Schritt 330 die momentane Temperatur T₁ des aktiven Bereichs des Hallsensorelements 20 bestimmt wird.
Bei Schritt 340 wird die momentane Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 (als Absolut-Wert) basierend auf dem Wert für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung f_SRN(T), der dem momentanen Temperaturwert T₁ zugeordnet ist, und dem momentanen elektrischen Widerstandswert R₁ bestimmt.
Gemäß dem vorliegenden Konzept kann also zunächst ein temperaturabhängiges Modell f_SRN(T) für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung (= widerstandsnormierte Empfindlichkeit) aus Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable bereitgestellt werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Empfindlichkeitswert S_N und ein elektrischen Widerstandswert R_N des Hallsensorelements jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten T_N ermittelt werden, d.h. abgerufen, bereitgestellt oder gemessen werden. Dies entspricht einer Kalibrierung bei den Temperaturwerten T₁, T₂, ..., wobei dann das mathematische Modell f_SRN(T) für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung aus Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable (basierend auf den Messwerten des elektrischen Widerstandswerts und der Empfindlichkeit bei den unterschiedlichen Temperaturen) ermittelt wird.
Alternativ ist es beispielsweise auch möglich das Modell f_SRN(T) rein rechnerisch aufzustellen, falls ein „Modell“ des Hallsensorelements 20 basierend auf der verwendeten Herstellungstechnologie, dem jeweiligen Aufbau als auch den verwendeten Halbleitermaterialien für das Sensorelement, etc. vorhanden ist.
Gemäß dem vorliegenden Konzept wird nun der momentane elektrische Widerstandswert R₁ des Hallsensorelements 20 basierend auf einem eingeprägten Ansteuersignal (Strom- oder Spannungseinprägung) S_IN des Hallsensorelements 20 bestimmt, wobei ferner die momentane Temperatur T₁ des aktiven Bereichs des Hallsensorelements 20 bestimmt wird. Basierend auf dem Wert für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung f_SRN(T), der dem momentanen Temperaturwert T₁ zugeordnet ist, und dem momentanen elektrischen Widerstandswert R₁ kann dann schließlich die momentanen Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements (als Absolut-Wert) bestimmt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt 310 des Bereitstellens ferner einen Schritt 350 des Ermittelns eines Empfindlichkeitswerts S_N und eines elektrischen Widerstandswerts R_N des Hallsensorelements jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten T_N, und ferner einen Schritt 360 des Ermittelns des Modells F_SRN(T) für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung aus Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand des Hallsensorelements 20 mit der Temperatur T als Variable aufweisen.
Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Empfindlichkeitswert S_N und ein elektrischen Widerstandswert R_N des Hallsensorelements jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten T_N ermittelt werden, d.h. aus einem für die Verarbeitungseinrichtung 30 zugreifbaren Speicher 40 abgerufen, bereitgestellt oder gemessen werden. Dies entspricht einer Kalibrierung bei den Temperaturwerten T₁, T₂, ..., wobei dann das mathematische Modell f_SRN(T) für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung aus Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable (basierend auf den Messwerten des elektrischen Widerstandswerts und der Empfindlichkeit bei den unterschiedlichen Temperaturen) ermittelt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung ein Produkt (= Empfindlichkeit-Widerstand-Produkt) der temperaturabhängigen Empfindlichkeit S(T) und des temperaturabhängigen, elektrischen Widerstandswerts R(T) des Hallsensorelements, wobei das Verfahren 300 ferner einen Schritt 370 des Bestimmens der momentanen Empfindlichkeit S_Hall des Hallsensorelements 20 bei dem Temperaturwert T basierend auf folgendem Zusammenhang bzw. Verhältnis (Formel 13) aufweist: $S (T) = f_{SRN} (T) / R (T), (= momentane Hall - Empfindlichkeit)$
mit R(T) = elektrischer Widerstandswert bei dem Temperaturwert T
f_SRN(T) = Funktionswert des Widerstand-Empfindlichkeit-Produkts bei dem Temperaturwert T
des Hallsensorelements 20.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung ein Quotient (= Empfindlichkeit-Widerstand-Quotient) der temperaturabhängigen Empfindlichkeit S(T) und des temperaturabhängigen, elektrischen Widerstandswerts R(T) des Hallsensorelements, wobei das Verfahren 300 ferner einen Schritt 380 des Bestimmens der (momentanen) Empfindlichkeit S(T) des Hallsensorelements bei dem Temperaturwert T basierend auf folgendem Zusammenhang (Formel 14) aufweist: $S (T) = f_{SRN} (T) * R (T), (= momentane Hall - Empfindlichkeit)$
mit R(T) = elektrischer Widerstandswert bei dem Temperaturwert T
f_SRN(T) = Funktionswert des Empfindlichkeit-Widerstand-Quotienten bei dem Temperaturwert T
des Hallsensorelements 20.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Mehrzahl von Temperaturwerten T_N gewählt werden, um ein überbestimmtes, mathematisches Modell f_SRN(T) zu erhalten. Dies bestimmt die Anzahl nötiger Temperaturpunkte zur Bestimmung der Modellparameter. Wird ein überbestimmtes System vorausgesetzt, sind z.B. zwei Temperaturpunkte bei einem linearen Zusammenhang, drei Temperaturpunkte bei quadratischem Zusammenhang, etc. erforderlich.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das das Modell f_SRN(T) eine lineare Funktion, ein Polynom n-ter Ordnung, eine Taylor-Reihe oder eine exponentielle Funktion oder einen sonstigen mathematischen Zusammenhang aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der das Hallsensorelement durchlaufende Betriebsstrom S_IN zur Bestimmung des elektrischen Widerstandwerts R₁ auch hier beispielsweise mittels einer Stromspiegelschaltung 60 ausgekoppelt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Hallsensorelement 20 Teil eines Absolutwert-basierten Hallsensors oder Messsystems 10, z.B. einer Magnetfeldsonde, eines Stromsensors, etc. sein.
Gemäß einem möglichen Anwendungsszenario kann mit dem Verfahren 300 eine indirekte, magnetisch unabhängige Empfindlichkeitsmessung, z.B. für Absolutwert-basierte Messsysteme, erhalten werden.
Bei Absolutwert-basierten Messsystemen 10, wie zum Beispiel Hall-Effekt-Stromsensoren, ist es vorteilhaft die Empfindlichkeit S_Hall der Hallsensorelement 20 zu jedem Zeitpunkt möglichst genau zu kennen bzw. bestimmen zu können. Bisher setzt dies eine aufwändige Kalibrierung der Sensorsysteme 10 über deren gesamten Temperatureinsatzbereich voraus. Darüber hinaus ist eine zuverlässige Messung der Empfindlichkeiten im späteren System nicht möglich ohne die genauen magnetischen Umgebungsbedingungen zu kennen.
Bei den obigen Ausführungsbeispielen (zu den ratiometrischen Hallsensoren 10 und dem zugehörigen Verfahren 100 zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements) wurde gezeigt, dass es einen Wirkzusammenhang zwischen der magnetischen Empfindlichkeit S_Hall und der Betriebsgröße X, wie z.B. dem elektrischen Widerstand R_Hall, eines Hallsensorelements 20 gibt. Dieser Zusammenhang kann genutzt werden, um die Kalibrierung der Systeme bzw. Hallsensoren 10 zu vereinfachen und die Empfindlichkeit S_Hall der Hallsensoren 10 bzw. deren Hallsensorelemente 20 im späteren System indirekt über deren Betriebsgröße X, wie z.B. deren (jeweiligen) elektrischen Widerstand R_Hall, zu messen.
Hierzu wird der Wirkzusammenhang zwischen der Empfindlichkeit S_Hall eines Hallsensorelements 20 und dessen Betriebsgröße X, wie z.B. dessen elektrischem Widerstand R_Hall, mathematisch modelliert. Das Modell f_SRN(T) kann eine lineare Funktion, ein Polynom n-ter Ordnung, eine exponentielle Funktion, o.ä. sein. Dessen Parameter beinhalten die Grundgrößen Sensorempfindlichkeit S_Hall, Sensorbetriebsgröße X, wie z.B. Sensorwiderstand R_Hall, sowie die Temperatur T. Ist ein passendes Modell entwickelt, dann bestimmt dieses die Anzahl nötiger Temperaturpunkte zur Bestimmung der Modellparameter (überbestimmtes System vorausgesetzt, z.B. zwei Temperaturpunkte bei linearem, drei bei quadratischem Zusammenhang, usw.).
Nach der Kalibrierung wird das mathematische Modell f_SRN(T) mit den gemessenen Parametern im Sensorsystem 10 zum Beispiel in dem Speicher 50 gespeichert. Um die Empfindlichkeit S_Hall eines Hallsensorelements 20 des Sensorsystems 10 bestimmen zu können, wird im Betrieb die Temperatur T sowie die Betriebsgröße X, wie z.B. der elektrische Widerstand R_HALL, des Sensorelements 20 gemessen. Die Berechnung der Empfindlichkeit erfolgt nach der Beziehung (Formel 15): $S_{Hall} (T) = \frac{f_{S_{RN}} (T)}{R_{Hall} (T)}$
Somit ist die Bestimmung der Sensorempfindlichkeit unabhängig von magnetischen Einflüssen.
Beispiel: Der Wirkzusammenhang zwischen Empfindlichkeit und Widerstand des Hall Sensors in 3c ist linear. Somit ergibt sich das mathematische Modell zu (Formel 16): $f_{S_{RN}} = m * T + t$
mit der Steigung m, der Temperatur T und dem Achsenabschnitt t. Steigung und Achsenabschnitt werden durch eine Kalibrierung bei zwei Temperaturpunkten bestimmt. In diesem Fall wird die Empfindlichkeit im Sensorsystem gemäß (Formel 17): $S_{Hall} (T) = \frac{m * T + t}{R_{Hall} (T)}$
berechnet. In 7 ist das Ergebnis nach der Kalibrierung bei 25°C und 40°C zu sehen. Die Empfindlichkeitswerte an den restlichen Temperaturpunkten wurden indirekt durch die Messung von Widerstand R_Hall und Temperatur T gemäß Formel 17 berechnet. 7 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Abweichung der indirekt gemessenen Hall-Sensor Empfindlichkeit nach Kalibrierung bei 25°C und 40°C zu Messwerten mit Helmholtz Spulen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Im Folgenden werden nochmal vorteilhafte Aspekte des erfindungsgemäßen Konzepts, wie es durch die Verfahren 100, 200 und 300 zum Bestimmen einer Empfindlichkeit (S_Hall) eines Hallsensorelements definiert ist, dargestellt.
Durch die hier beschriebene Verknüpfung von Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand eines Hallsensorelements wird ein Gleichlauf von lateralen und vertikalen Hallsensorelementen hergestellt bzw. überhaupt ermöglicht. Es ist somit technisch möglich, Sensoranordnungen, z.B. Winkelsensoren, aus einer Kombination von lateralen und vertikalen Hallsensorelementen zu realisieren, wobei ohne externe Magnetfelder eine Kalibration der (temperaturabhängigen) Empfindlichkeit solcher Sensoranordnungen mit unterschiedlichen Typen von Hallsensorelementen ermöglicht wird. Somit kann die magnetisch unabhängige Bestimmung der Empfindlichkeit von Hallsensoren bzw. Hallsensorelementen mit den hier eingeführten Verfahren 100, 200, 300 technisch realisiert werden.
Ferner kann der Kalibrieraufwand sowohl für ratiometrische als auch für Absolutwert-basierte Systeme (Hallsensoren) mit hohen Genauigkeitsanforderungen vereinfacht werden.
Das erfindungsgemäße Konzept gemäß den Verfahren 100, 200 und 300 ist allgemein auf Hallsensor-Messsysteme anwendbar, d.h. sowohl auf ratiometrische Sensoranordnungen, z.B. Winkelsensoren, Positionssensorik, als auch Absolutwert-basierte Sensoranordnungen, wie zum Beispiel Stromsensoren.
Durch die Verknüpfung von elektrischem Widerstand und Empfindlichkeit eines Hallsensorelements ist die Empfindlichkeit des Hallsensors bzw. Hallsensorelements indirekt messbar. Dies ermöglicht den Empfindlichkeitsgleichlauf in 2D- oder 3D-Hallsensoren (z.B. ratiometrische Messsysteme) sowie die indirekte Messung der Empfindlichkeit in Hall-Sensoren im Allgemeinen (z.B. Absolutwert-basierte Messsysteme).
Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung als Merkmale im Zusammenhang einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass eine solche Beschreibung ebenfalls als eine Beschreibung entsprechender Verfahrensmerkmale betrachtet werden kann. Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, ist klar, dass eine solche Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale einer Vorrichtung bzw. der Funktionalität einer Vorrichtung betrachtet werden können. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden. Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein.
In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, wird einem Fachmann offensichtlich sein, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen für die spezifischen dort gezeigten und dargestellten Ausführungsbeispiele ersetzt werden können, ohne von dem Gegenstand der vorliegenden Anmeldung abzuweichen. Dieser Anmeldungstext soll alle Adaptionen und Variationen der hierin beschriebenen und erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist der vorliegende Anmeldungsgegenstand lediglich durch den Wortlaut der Ansprüche und den äquivalenten Ausführungsformen derselben begrenzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010028390 B4 [0006]
EP 2490037 B1 [0006]
EP 3341746 B1 [0006]

Claims

Verfahren (100) zum Bestimmen einer Empfindlichkeit (S_Hall) eines Hallsensorelements (20) unter Berücksichtigung eines Wirkzusammenhangs zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit (S_Hall) und der Temperaturabhängigkeit einer von dem elektrischen Widerstandswert (R_Hall = R₁) des Hallsensorelements (20) abhängigen Betriebsgröße (X), mit folgenden Schritten: Ermitteln (110) einer Referenzempfindlichkeit (S₀) und eines Referenzwerts (X₀) der Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements (20), Bestimmen (120) eines Momentanwerts (X₁) der Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements (20) basierend auf einem Ansteuersignal (S_IN) des Hallsensorelements (20), und Bestimmen (130) der Empfindlichkeit (S_Hall) des Hallsensorelements (20) basierend auf der Referenzempfindlichkeit (So), auf dem Referenzwert (X₀) der Betriebsgröße (X), auf dem Momentanwert (X₁) der Betriebsgröße (X) und auf dem Wirkzusammenhang.
Verfahren (100) nach Anspruch 1, wobei die von dem elektrischen Widerstandswert (R_Hall) des Hallsensorelements (20) abhängige Betriebsgröße (X) (a) der elektrische Widerstandswert (R_Hall) des Hallsensorelements (20) ist, (b) der elektrische Leitfähigkeitswert (1/R_Hall) des Hallsensorelements (20) ist, (c) im Spannungsgesteuerten Betrieb, der Versorgungsstrom des Hallsensorelements (20) ist, (d) im Stromgesteuerten Betrieb, die Versorgungsspannung des Hallsensorelements 20) ist, oder (e) im freilaufenden Betrieb, der elektrische Widerstandswert (R_Hall) oder der elektrische Leitfähigkeitswert (1/R_Hall) des Hallsensorelements (20) basierend auf dem Versorgungsstrom und der Versorgungsspannung des Hallsensorelements ist.
Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, mit folgendem Schritt: Bestimmen (140) der Empfindlichkeit (S_Hall) des Hallsensorelements (20) basierend auf der Referenzempfindlichkeit (S₀) und auf dem Verhältnis zwischen dem Referenzwert (X₀) der Betriebsgröße (X) und dem ermittelten Momentanwert (X₁) der Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements (20).
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Änderung des Verhältnisses zwischen dem Referenzwert (X₀) der Betriebsgröße (X) und dem ermittelten Momentanwert (X₁) der Betriebsgröße (X) einer Änderung der Empfindlichkeit (S_Hall) des Hallsensorelements (20) entspricht.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt: Bestimmen (150) eines Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkts (S_XN) des Hallsensorelements (20) als Produkt der Referenzempfindlichkeit (S₀) und des Referenzwerts (X₀) der Betriebsgröße (X) des jeweiligen Hallsensorelements (20) entsprechend dem folgendem Zusammenhang: $S_{XN} = S_{0} * X_{0} (= Betriebsgr \ddot{o} ß e - {normierte Empfindlichkeit S}_{Hall})$
wobei die von dem elektrischen Widerstandswert (R_Hall = R₁) des Hallsensorelements (20) abhängige Betriebsgröße (X): der elektrische Widerstandswert (R_Hall) des Hallsensorelements (20) ist, im Stromgesteuerten Betrieb, die Versorgungsspannung des Hallsensorelements (20) ist, oder im freilaufenden Betrieb, der elektrische Widerstandswert (R_Hall) des Hallsensorelements (20) basierend auf dem Versorgungsstrom und der Versorgungsspannung des Hallsensorelements ist.
Verfahren (100) nach Anspruch 5, ferner mit folgendem Schritt: Bestimmen (160) der Empfindlichkeit (S_Hall) des Hallsensorelements (20) basierend auf folgendem Zusammenhang: $S_{Hall} = X_{1} / X_{0} * S_{0} = S_{XN} / X_{1}, (= momentane Hall - Empfindlichkeit)$
mit X₀ = Referenzwert der Betriebsgröße X₁ = Momentanwert der Betriebsgröße S_XN = Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkt des jeweiligen Hallsensorelements.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgendem Schritt: Bestimmen (170) der Empfindlichkeit (S_Hall) des Hallsensorelements (20) basierend auf der Referenzempfindlichkeit (S₀) und auf dem Quotienten zwischen dem elektrischen Referenzwert (X₀) der Betriebsgröße (X) und dem ermittelten Momentanwert (X₁) des Hallsensorelements (20); wobei die von dem elektrischen Widerstandswert (R_Hall = R₁) des Hallsensorelements (20) abhängige Betriebsgröße (X): der elektrische Leitfähigkeitswert (1/R_Hall) des Hallsensorelements (20) ist, im Spannungsgesteuerten Betrieb, der Versorgungsstrom des Hallsensorelements (20) ist, oder im freilaufenden Betrieb, der elektrische Leitfähigkeitswert (1/R_Hall) des Hallsensorelements (20) basierend auf dem Versorgungsstrom und der Versorgungsspannung des Hallsensorelements ist.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 7, ferner mit folgendem Schritt: Bestimmen (180) eines Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Quotienten (S_XN) des jeweiligen Hallsensorelements (20) als Quotient der Referenzempfindlichkeit (S₀) und des Referenzwerts (X₀) der Betriebsgröße (X) des jeweiligen Hallsensorelements (20) entsprechend dem folgendem Zusammenhang: $S_{XN} = S_{0} / X_{0} (= Betriebsgr \ddot{o} ß e - {normierte Empfindlichkeit S}_{Hall})$
wobei die von dem elektrischen Widerstandswert (R_Hall = R₁) des Hallsensorelements (20) abhängige Betriebsgröße (X) der elektrische Leitfähigkeitswert (1/R_Hall) des Hallsensorelements (20) ist, oder im Stromgesteuerten Betrieb, die Versorgungsspannung des Hallsensorelements (20) ist, oder im freilaufenden Betrieb, der elektrische Leitfähigkeitswert (1/R_Hall) des Hallsensorelements (20) basierend auf dem Versorgungsstrom und der Versorgungsspannung des Hallsensorelements ist.
Verfahren (100) nach Anspruch 8, ferner mit folgendem Schritt: Bestimmen (190) der Empfindlichkeit (S_Hall) des jeweiligen Hallsensorelements (20) basierend auf folgendem Zusammenhang: $S_{Hall} = X_{1} / X_{0} * S_{0} = S_{XN} * X_{1}, (= momentane Hall - Empfindlichkeit)$
mit X₀ = Referenzwert der Betriebsgröße X₁ = Momentanwert der Betriebsgröße S_XN = Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Quotient des jeweiligen Hallsensorelements (20).
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein in das Hallsensorelement (20) eingeprägter Betriebsstrom (S_IN) zur Bestimmung des elektrischen Widerstandswerts (R₁) des Hallsensorelements (20) mittels einer Stromspiegelschaltung (60) ausgekoppelt wird.
Verfahren (100) zur Empfindlichkeitsbestimmung eines Hallsensors (10), wobei der Hallsensor (10) eine Mehrzahl von Hallsensorelementen (20) aufweist, mit folgendem Schritt: Durchführen (100-1) des Verfahrens (100) nach einem der vorhergehenden Patentansprüchen für die Mehrzahl von Hallsensorelementen (20) zum Bestimmen der jeweiligen Empfindlichkeit der Hallsensorelemente (20) des Hallsensors (10).
Verfahren (100) nach Anspruch 11, wobei die Mehrzahl von Hallsensorelementen (20) zumindest ein Hallsensorelement eines ersten Sensor-Typs und ein weiteres Hallsensorelement eines weiteren Sensor-Typs aufweist.
Verfahren (100) nach Anspruch 12, wobei das Hallsensorelement (20) ein laterales Hallsensorelement ist, und wobei das weitere Hallsensorelement (20') ein vertikales Hallsensorelement ist.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Hallsensor (10) eine Mehrzahl von Hallsensorelementen (20) aufweist, die zur zwei-dimensionalen Erfassung eines Magnetfelds (B) entlang zweier linear unabhängiger Ortsvektoren oder orthogonaler Ortsvektoren ausgebildet sind.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Hallsensor (10) eine Vielzahl von Hallsensorelementen (20) aufweist, die zur drei-dimensionalen Erfassung eines Magnetfelds (B) entlang dreier linear unabhängiger Ortsvektoren oder orthogonaler Ortsvektoren ausgebildet sind.
Hallsensor (10), mit folgenden Merkmalen: Zumindest einem Hallsensorelement (20); und einer Verarbeitungseinrichtung (30), die zum Ausführen des Verfahrens (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Hallsensor (10) nach Anspruch 16, wobei der Hallsensor (10) eine Mehrzahl von Hallsensorelementen (20) aufweist und Teil eines ratiometrischen Messsystems ist.
Verfahren (200) zum Bestimmen einer Empfindlichkeit (S_Hall) eines Hallsensorelements (20), mit folgenden Schritten: Bereitstellen (210) eines Modells (F(X,T)) für die Empfindlichkeit (S_Hall) mit der Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements (20) und der Temperatur (T) als Variable, wobei die Betriebsgröße (X) von dem elektrischen Widerstandswert (R_Hall) des Sensorelements (20) abhängig ist, Bestimmen (220) eines Momentanwerts (X₁) der Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements (20) basierend auf einem Ansteuersignal (S_IN) des Hallsensorelements, Bestimmen (230) der momentanen Temperatur (T₁) des Hallsensorelements (20), und Bestimmen (240) der momentanen Empfindlichkeit (S_Hall) des Hallsensorelements (20) basierend auf dem Wert des Modells, der dem momentanen Temperaturwert (T₁) und dem Momentanwert (X₁) der Betriebsgröße (X) zugeordnet ist.
Verfahren (200) nach Anspruch 18, wobei der Schritt (210) des Bereitstellens ferner folgende Schritte aufweist: Ermitteln (250) eines Empfindlichkeitswerts (S_N) und eines Werts (X_N) der Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements (20) jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten (T_N), und Ermitteln (260) des Modells (F(X,T)) für die Empfindlichkeit (S_Hall) mit der elektrischen Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements (20) und der Temperatur (T) als Variable.
Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 18 oder 20, wobei die Mehrzahl von Temperaturwerten (T_N) gewählt wird, um ein überbestimmtes, mathematisches Modell (F(X,T)) zu erhalten.
Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei ein das Hallsensorelement (20) durchlaufender Betriebsstrom (S_IN) zur Bestimmung des elektrischen Widerstandwerts (R_Hall) mittels einer Stromspiegelschaltung (60) ausgekoppelt wird.
Verfahren (200) nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei das Hallsensorelement (20) Teil eines Absolutwert-basierten Hallsensors (10) ist.
Verfahren (300) zum Bestimmen einer Empfindlichkeit (S_Hall) eines Hallsensorelements (20), mit folgenden Schritten: Bereitstellen (310) eines Modells (f_SXN(T)) für eine Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung aus Empfindlichkeit (S_Hall) und Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements (20) mit der Temperatur (T) als Variable, wobei die Betriebsgröße (X) von dem elektrischen Widerstandswert (R_Hall) des Sensorelements (20) abhängig ist, Bestimmen (320) eines Momentanwerts (X₁) der Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements (20) basierend auf einem Ansteuersignal (S_IN) des Hallsensorelements, Bestimmen (330) der momentanen Temperatur (T₁) des Hallsensorelements (20), und Bestimmen (340) der momentanen Empfindlichkeit (S_Hall) des Hallsensorelements (20) basierend auf dem Wert für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung, das dem momentanen Temperaturwert (T₁) zugeordnet ist, und dem Momentanwert (X₁) der Betriebsgröße (X).
Verfahren (300) nach Anspruch 23, wobei der Schritt (310) des Bereitstellens ferner folgende Schritte aufweist: Ermitteln (350) eines Empfindlichkeitswerts (S_N) und eines Werts (X_N) der Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements (20) jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten (T_N), und Ermitteln (360) des Modells (f_SXN(T)) für die Empfindlichkeit-Betriebsgrößen-Beziehung aus Empfindlichkeit (S_Hall) und elektrischer Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements (20) mit der Temperatur (T) als Variable.
Verfahren (300) nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung ein Produkt der temperaturabhängigen Empfindlichkeit (S(T)) und der temperaturabhängigen, elektrischen Betriebsgröße (X(T)) des Hallsensorelements (20) ist, ferner mit folgendem Schritt: Bestimmen (370) der Empfindlichkeit (S(T)) des Hallsensorelements (20) bei dem Temperaturwert (T) basierend auf folgendem Zusammenhang: $S (T) = f_{SXN} (T) / X (T), (= momentane Hall - Empfindlichkeit)$
mit X(T) = Wert der elektrischen Betriebsgröße bei dem Temperaturwert T f_SXN(T) = Funktionswert des Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkts bei dem Temperaturwert T des Hallsensorelements (20).
Verfahren (300) nach Anspruch 23 oder 24, wobei die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung ein Quotient der temperaturabhängigen Empfindlichkeit (S(T)) und des temperaturabhängigen Werts der Betriebsgröße (X(T)) des Hallsensorelements (20) ist, ferner mit folgendem Schritt: Bestimmen (380) der Empfindlichkeit (S(T)) des Hallsensorelements bei dem Temperaturwert (T) basierend auf folgendem Zusammenhang: $S (T) = f_{SXN} (T) * X (T), (= momentane Hall - Empfindlichkeit)$
mit X(T) = Wert der Betriebsgröße bei dem Temperaturwert T F_SXN(T) = Funktionswert des Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Quotienten bei dem Temperaturwert T des Hallsensorelements (20).
Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 23 bis 26, wobei die Mehrzahl von Temperaturwerten (T_N) gewählt wird, um ein überbestimmtes, mathematisches Modell (f_SRN(T)) zu erhalten.
Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 23 bis 27, wobei ein das Hallsensorelement (20) durchlaufender Betriebsstrom (S_IN) zur Bestimmung des elektrischen Widerstandwerts (R_Hall) mittels einer Stromspiegelschaltung (60) ausgekoppelt wird.
Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 23 bis 28, wobei das Hallsensorelement (20) Teil eines Absolutwert-basierten Hallsensors (10) ist.
Hallsensor (10), mit folgenden Merkmalen: einem Hallsensorelement (20); und einer Verarbeitungseinrichtung (30), die zum Ausführen des Verfahrens (200; 300) nach einem der Ansprüche 18 bis 29 ausgebildet ist.