DE102021134066B3

DE102021134066B3 - Hall-sensor, verfahren zur kalibrierung eines hall-sensors, kalibrierungsvorrichtung für einen hall-sensor

Info

Publication number: DE102021134066B3
Application number: DE102021134066.7A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Kollmitzer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2041-12-22
Also published as: US20230194635A1; CN116299088A

Abstract

Es wird ein Hall-Sensor 100 offenbart. Der Hall-Sensor 100 umfasst ein erstes Hall-Element 111, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements 111 eine Komponente eines Magnetfelds in einer ersten Richtung a zu erfassen. Der Hall-Sensor 100 umfasst ferner ein zweites Hall-Element 112, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements 112 eine Komponente des Magnetfelds in einer zweiten Richtung b zu erfassen. Der Hall-Sensor 100 umfasst ferner eine Leiterbahn 120, die ausgebildet ist, ein Kalibriermagnetfeld zu erzeugen. Das Kalibriermagnetfeld weist an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements 111 eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung b auf. Das Kalibriermagnetfeld weist ferner an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements 112 eine signifikante Komponente in der ersten Richtung a auf.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Magnetfelderfassung. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf einen Hall-Sensor, auf ein Verfahren zur Kalibrierung eines Hall-Sensors und auf eine Kalibrierungsvorrichtung für einen Hall-Sensor.
Hintergrund
Vertikale Hall-Sensoren kommen unter anderem bei der magnetischen Winkelerfassung zum Einsatz. Eine symmetrische Anordnung einzelner Hall-Elemente eines Hall-Sensors und ein Spinning-Current-Betrieb sorgen dabei für eine Verringerung einer störenden Offsetspannung des Hall-Sensors. Dadurch weisen vertikale Hall-Sensoren eine sehr gute Amplitudensynchronität und Linearität auf.
Mechanische Scherbeanspruchung der Hall-Sensoren können zu Veränderungen der Messrichtung und damit zu Fehlern bei der Winkelausgabe führen. Diese Veränderungen können größtenteils durch Scherspannungssensoren kompensiert werden.
Allerdings kann dennoch eine Abweichung der Messrichtung von einer für den Hall-Sensor vorgesehenen Soll-Richtung verbleiben. Ein möglicher Grund für die Abweichung kann eine unerwünschte Offsetspannung der Scherspannungssensoren sein. Die Abweichung kann unter üblichen Produktionsbedingungen eine Streuung von mehreren Zehntelgraden betragen.
Daher kann ein Bedarf an verbesserten Hall-Sensoren bestehen. Es kann als Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrachtet werden, eine solche Verbesserung von Hall-Sensoren herbeizuführen.
Patentschrift DE 10 2007 041 230 B3 zeigt einen kalibrierbaren Magnetfeldsensor zur Erfassung einer ersten und einer zweiten räumlichen Komponente (By, Bz; Bx, By) eines Magnetfeldes in einem Referenzpunkt, wobei das Magnetfeld eine erste und eine zweite Messfeldkomponente (BMy, BMz; BMx, BMy) und/oder eine erste und zweite Kalibrierungsfeldkomponente (BKy, BKz; BKx, BKy) aufweist. Der Magnetfeldsensor weist folgende Merkmale auf: eine erste Sensorelementanordnung, die wenigstens ein erstes und ein zweites Sensorelement aufweist, zur Erfassung der ersten Magnetfeldkomponente (By ; Bx), die eine erste Messfeldkomponente (BMy; BMx) und/oder eine erste Kalibrierungsfeldkomponente (BKy; BKx) aufweist, bezüglich einer ersten Raumachse (y; x) im Referenzpunkt, eine zweite Sensorelementanordnung zur Erfassung der zweiten Magnetfeldkomponente (Bz; By), die eine zweite Messfeldkomponente (BMz ; BMy) und/oder eine zweite Kalibrierungsfeldkomponente (BKz; BKy) aufweist, bezüglich einer zweiten Raumachse (z; y) im Referenzpunkt. Ferner umfasst der Magnetfeldsensor eine Erregerleitung, die so bezüglich der ersten Sensorelementanordnung angeordnet ist, dass bei einer Einprägung eines vorgegebenen Stroms in die Erregerleitung ein Paar von unterschiedlichen asymmetrischen vorgegebenen Kalibrierungsfeldkomponenten (BKya ; BKxa) in dem ersten Sensorelement und (BKyb; BKxb) in dem zweiten Sensorelement bezüglich der ersten Raumachse (y; x) in der ersten Sensorelementanordnung erzeugt wird, wobei die zwei Raumachsen (y, z; x, z; x, y) entlang linear unabhängiger Ortsvektoren verlaufen.
Patentschrift JP H06- 265 611 A zeigt ein Verfahren zur Verbesserung der Messgenauigkeit durch Multiplikation der Korrekturkoeffizienten mit den Parametern, die der Neigung und der Empfindlichkeit eines Magnetsensors entsprechen, mit dem Ausgang jedes Magnetsensors und Durchführung der Korrektur. Die Spannungen der Magnetfeldsensoren (im Allgemeinen Hall-Elemente) der Sonden werden mit einem Gauß-Meter in Magnetfeldwerte umgewandelt. Von einer stabilisierten Stromversorgung wird ein konstanter Strom in eine zu messende Probe geleitet. Ein Operator speichert die Magnetfeldwerte aus dem Gauß-Meter. Der Operator berechnet die Korrekturkoeffizienten, einschließlich der Parameter, die der Neigung und der Empfindlichkeit jedes Magnetfeldsensors entsprechen, auf der Grundlage des Ausgangssignals jedes Magnetfeldsensors, das durch zwangsweises Anlegen des Magnetfelds in jeder Richtung des Magnetfeldsensors erhalten wird. Der Ausgang jedes Magnetfeldsensors wird mit dem berechneten Korrekturkoeffizienten multipliziert, und die Korrektur wird durchgeführt. Eine Anzeigevorrichtung dient zur Darstellung der Magnetfeldverteilung und zur Überwachung des Messzustandes.
Zusammenfassung
Die oben beschriebene Aufgabe wird durch Vorrichtungen und Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen erfüllt. Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen behandelt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Hall-Sensor bereitgestellt. Der Hall-Sensor umfasst ein erstes Hall-Element, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements eine Komponente eines Magnetfelds in einer ersten Richtung zu erfassen. Der Hall-Sensor umfasst ferner ein zweites Hall-Element, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements eine Komponente des Magnetfelds in einer zweiten Richtung zu erfassen. Der Hall-Sensor umfasst ferner eine Leiterbahn, die ausgebildet ist, ein Kalibriermagnetfeld zu erzeugen. Das Kalibriermagnetfeld weist an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung auf. Das Kalibriermagnetfeld weist ferner an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der ersten Richtung auf.
In manchen Ausführungsbeispielen ist die erste Richtung zur zweiten Richtung orthogonal.
In manchen Ausführungsbeispielen ist das erste Hall-Element und/oder das zweite Hall-Element ein vertikales Hall-Element.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst der Hall-Sensor mindestens ein weiteres erstes Hall-Element, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren ersten Hall-Elements eine Komponente des Magnetfelds in der ersten Richtung zu erfassen. Der Hall-Sensor kann ferner mindestens ein weiteres zweites Hall-Element umfassen, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren zweiten Hall-Elements eine Komponente des Magnetfelds in der zweiten Richtung zu erfassen. Das Kalibriermagnetfeld kann an der sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren ersten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung aufweisen. Das Kalibriermagnetfeld kann ferner an der sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren zweiten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der ersten Richtung aufweisen.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst der Hall-Sensor ferner einen Scherspannungssensor, der ausgebildet ist, eine mechanische Scherspannung an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements und an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements zu erfassen.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst der Hall-Sensor ferner eine Kalibrierungsvorrichtung, die ausgebildet ist, einen Strom durch die Leiterbahn zu leiten, um das Kalibriermagnetfeld zu erzeugen. Die Kalibrierungsvorrichtung kann ferner ausgebildet sein, eine erste Spannung am ersten Hall-Element zu erfassen und eine zweite Spannung am zweiten Hall-Element zu erfassen. Die erste Spannung und die zweite Spannung können durch das Kalibriermagnetfeld hervorgerufen sein. Die Kalibrierungsvorrichtung kann ferner ausgebildet sein, einen Orientierungsfehler des Hall-Sensors basierend auf der erfassten ersten Spannung und der erfassten zweiten Spannung zu bestimmen.
In manchen Ausführungsbeispielen ist die Kalibrierungsvorrichtung ferner ausgebildet, einen ersten Strom durch die Leiterbahn zu leiten und die erste Spannung und die zweite Spannung zu erfassen, während der erste Strom durch die Leiterbahn geleitet wird. Die Kalibrierungsvorrichtung kann ferner ausgebildet sein, einen zweiten Strom durch die Leiterbahn zu leiten und die erste Spannung und die zweite Spannung zu erfassen, während der zweite Strom durch die Leiterbahn geleitet wird.
In manchen Ausführungsbeispielen entspricht ein Strombetrag des ersten Stroms einem Strombetrag des zweiten Stroms. In besagten Ausführungsbeispielen ist eine Richtung des ersten Stroms entgegengesetzt zu einer Richtung des zweiten Stroms.
In manchen Ausführungsbeispielen ist die Kalibrierungsvorrichtung ferner ausgebildet, den Orientierungsfehler basierend auf der erfassten mechanischen Scherspannung zu bestimmen.
In manchen Ausführungsbeispielen weist das Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der ersten Richtung auf. Das Kalibriermagnetfeld kann an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung aufweisen. Die Kalibrierungsvorrichtung kann ferner ausgebildet sein, eine magnetische Sensitivität des Hall-Sensors basierend auf der erfassten ersten Spannung und der erfassten zweiten Spannung zu bestimmen.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst der Hall-Sensor ferner eine zweite Leiterbahn. Die Kalibrierungsvorrichtung kann ferner ausgebildet sein, einen Strom durch die zweite Leiterbahn zu leiten, um ein zweites Kalibriermagnetfeld zu erzeugen. Das zweite Kalibriermagnetfeld kann an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der ersten Richtung aufweisen. Das zweite Kalibriermagnetfeld kann an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung aufweisen. Die Kalibrierungsvorrichtung kann ferner ausgebildet sein, eine magnetische Sensitivität des Hall-Sensors basierend auf einer durch das zweite Kalibriermagnetfeld hervorgerufenen Spannung am ersten Hall-Element und am zweiten Hall-Element zu bestimmen.
In manchen Ausführungsbeispielen ist die Kalibrierungsvorrichtung ferner ausgebildet, den Orientierungsfehler basierend auf der bestimmten magnetischen Sensitivität zu bestimmen.
In manchen Ausführungsbeispielen verläuft die Leiterbahn entlang mindestens einer Metallisierungsebene des Hall-Sensors vertikal beabstandet zum ersten Hall-Element und zum zweiten Hall-Element.
In manchen Ausführungsbeispielen verläuft die Leiterbahn entlang der mindestens einen Metallisierungsebene in einem Winkel von 45° zum ersten Hall-Element und in einem Winkel von 45° zum zweiten Hall-Element.
In manchen Ausführungsbeispielen verläuft die Leiterbahn entlang der mindestens einen Metallisierungsebene in einem Winkel von 90° zum ersten Hall-Element und in einem Winkel von 90° zum zweiten Hall-Element.
In manchen Ausführungsbeispielen verläuft die Leiterbahn in mehreren Windungen entlang der mindestens einen Metallisierungsebene.
In manchen Ausführungsbeispielen ist die Leiterbahn zumindest teilweise symmetrisch gegenüber einem Symmetriepunkt einer Gruppe von Hall-Elementen des Hall-Sensors angeordnet. Die Gruppe von Hall-Elementen kann das erste Hall-Element und das zweite Hall-Element umfassen.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst der Hall-Sensor ferner mehrere vertikal zueinander beabstandete Metallisierungsebenen unterschiedlicher Dicke. Die Leiterbahn kann entlang einer der mehreren Metallisierungsebenen verlaufen. Die eine der mehreren Metallisierungsebenen kann eine höchste Dicke unter den mehreren Metallisierungsebenen aufweisen.
In manchen Ausführungsbeispielen ist der Hall-Sensor ferner ausgebildet, anhand des Magnetfelds einen Winkel des Hall-Sensors zu einem das Magnetfeld hervorrufenden Objekt zu bestimmen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur Kalibrierung eines Hall-Sensors bereitgestellt. Der Hall-Sensor umfasst ein erstes Hall-Element, ein zweites Hall-Element und eine Leiterbahn. Das Verfahren umfasst ein Leiten eines Strom durch die Leiterbahn, um ein Kalibriermagnetfeld zu erzeugen. Das Verfahren umfasst ferner ein Bestimmen eines Orientierungsfehlers des Hall-Sensors anhand des Kalibriermagnetfelds.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Bestimmen des Orientierungsfehlers ein Erfassen einer ersten Spannung am ersten Hall-Element und einer zweiten Spannung am zweiten Hall-Element. Die erste Spannung und die zweite Spannung können durch das Kalibriermagnetfeld hervorgerufen sein.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Kalibrierungsvorrichtung für einen Hall-Sensor bereitgestellt. Der Hall-Sensor umfasst ein erstes Hall-Element, ein zweites Hall-Element und eine Leiterbahn. Die Kalibrierungsvorrichtung umfasst eine elektronische Schaltung, die ausgebildet ist, einen Strom durch die Leiterbahn des Hall-Elements zu leiten, um ein Kalibriermagnetfeld zu erzeugen. Die elektronische Schaltung ist ferner ausgebildet, eine erste Spannung am ersten Hall-Element und eine zweite Spannung am zweiten Hall-Element basierend auf dem Kalibriermagnetfeld zu erfassen. Die elektronische Schaltung ist ferner ausgebildet, einen Orientierungsfehler des Hall-Elements basierend auf der erfassten ersten Spannung und der erfassten zweiten Spannung zu bestimmen.
Figurenliste
Einige Beispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren lediglich beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Beispiel eines Hall-Sensors;
2a-f beispielhafte Leiterbahnkonfigurationen eines beispielhaften Hall-Sensors;
3 ein Blockdiagramm eines Beispiels einer Kalibrierungsvorrichtung für einen Hall-Sensor; und
4 ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens zur Kalibrierung eines Hall-Sensors.

Beschreibung
Einige Beispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Weitere mögliche Beispiele sind jedoch nicht auf die Merkmale dieser detailliert beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Diese können Modifikationen der Merkmale sowie Entsprechungen und Alternativen zu den Merkmalen aufweisen. Ferner soll die Terminologie, die hierin zum Beschreiben bestimmter Beispiele verwendet wird, nicht einschränkend für weitere mögliche Beispiele sein.
Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen beziehen sich in der gesamten Beschreibung der Figuren auf gleiche oder ähnliche Elemente beziehungsweise Merkmale, die jeweils identisch oder auch in abgewandelter Form implementiert sein können, während sie die gleiche oder eine ähnliche Funktion bereitstellen. In den Figuren können ferner die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung übertrieben sein.
Wenn zwei Elemente A und B unter Verwendung eines „oder“ kombiniert werden, ist dies so zu verstehen, dass alle möglichen Kombinationen offenbart sind, d. h. nur A, nur B sowie A und B, sofern nicht im Einzelfall ausdrücklich anders definiert. Als alternative Formulierung für die gleichen Kombinationen kann „zumindest eines von A und B“ oder „A und/oder B“ verwendet werden. Das gilt Äquivalent für Kombinationen von mehr als zwei Elementen.
Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch mehrere Elemente verwenden, um die gleiche Funktion zu implementieren. Wenn eine Funktion im Folgenden als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktion unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweist“ und/oder „aufweisend“ bei deren Gebrauch das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/oder einer Gruppe derselben beschreiben, dabei aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Elemente, Komponenten und/einer Gruppe derselben ausschließen.
1 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Hall-Sensors 100. Der Hall-Sensor 100 kann als jedweder Sensor zur Erfassung eines Magnetfelds basierend auf dem Hall-Effekt verstanden werden. Der Hall-Sensor 100 kann etwa eine Integrierte Schaltung mit mindestens einer Halbleiter-Schicht sein. Die Halbleiter-Schicht kann etwa in eine Vertiefung oder Wanne eines Substrats der Integrierten Schaltung (etwa mit entgegengesetzter Dotierung) eingebettet sein. Die Halbleiter-Schicht kann mindestens einen elektrischen Kontakt aufweisen, an denen eine zum Magnetfeld in Beziehung stehende Hall-Spannung abgreifbar ist. Eine solche Halbleiter-Schicht kann als Hall-Element bezeichnet werden. Ein Hall-Element kann von weiteren Hall-Elementen desselben Substrats durch dazwischenliegende Schicht des Substrats elektrisch isoliert sein.
Der Hall-Sensor 100 umfasst ein erstes Hall-Element 111 und ein zweites Hall-Element 112. Das erste Hall-Element 111 ist ausgebildet, mittels einer sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements 111 eine Komponente eines Magnetfelds in einer ersten Richtung a (und/oder entgegen der ersten Richtung a) zu erfassen. Das zweite Hall-Element 112 ist ausgebildet, mittels einer sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements 112 eine Komponente des Magnetfelds in einer zweiten Richtung b (und/oder entgegen der zweiten Richtung b) zu erfassen.
In manchen Ausführungsbeispielen ist das erste Hall-Element 111 und/oder das zweite Hall-Element 112 ein vertikales Hall-Element. Ein vertikales Hall-Element kann ein Magnetfeld parallel zu einer Oberfläche des Hall-Sensors 100 erfassen. Das vertikale Hall-Element kann insofern als „vertikal“ bezeichnet werden, als eine sensitive Fläche des vertikalen Hall-Elements senkrecht zur Oberfläche des Hall-Sensors 100 angeordnet ist. Dies kann unter anderem vorteilhaft sein, da elektrische Kontakte des vertikalen Hall-Elements an nur einem Rand oder an nur einer Seite des Hall-Sensors 100 vorgesehen werden müssen. Dies erleichtert eine Herstellung des Hall-Sensors 100. Außerdem kann der Hall-Senor 100 dadurch eine hohe Kompatibilität mit anderen Standard-Halbleiterbauteilen aufweisen. In anderen Ausführungsbeispielen ist das erste Hall-Element 111 und/oder das zweite Hall-Element 112 ein anderer Hall-Element-Typ, etwa ein laterales Hall-Element. In manchen Ausführungsbeispielen integriert der Hall-Sensor 100 verschiedene Hall-Element-Typen.
Die Richtung a und die Richtung b, in denen das erste Hall-Element 111 beziehungsweise das zweite Hall-Element 112 eine Komponente des Magnetfelds erfassen, können als voneinander verschiedene Richtungen verstanden werden. Die Richtung a und die Richtung b weisen also einen Winkelversatz zueinander ungleich 0 auf. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die erste Richtung a zur zweiten Richtung b orthogonal. Dies kann eine Linearität und einen Messbereich der Magnetfelderfassung erhöhen.
Die sensitive Fläche des ersten Hall-Elements 111 beziehungsweise des zweiten Hall-Elements 112 kann im Sinne der vorliegenden Offenbarung als eine Fläche der Halbleiter-Schicht des jeweiligen Hall-Elements verstanden werden. Die sensitive Fläche ist dadurch gekennzeichnet, dass sie bei Durchströmen eines Magnetfelds eine zum Magnetfeld in Relation stehende Hall-Spannung an einem Kontakt des jeweiligen Hall-Elements erzeugt. Die dabei entstehende Hall-Spannung kann insbesondere in einer Relation zu einer bestimmten Komponente des Magnetfelds stehen, etwa zu solch einer Komponente des Magnetfelds, die eine bestimmte Richtung in Bezug auf eine Ausrichtung der sensitiven Fläche hat. Eine solche Komponente kann etwa eine zur sensitiven Fläche senkrechte Richtung haben. Die Komponente des Magnetfelds kann dabei als Othogonalprojektion des Magnetfelds auf eine Koordinatenachse mit der besagten Richtung verstanden werden.
In manchen Ausführungsbeispielen ist der Hall-Sensor 100 ausgebildet, anhand des Magnetfelds einen Winkel des Hall-Sensors 100 zu einem das Magnetfeld hervorrufenden Objekt zu bestimmen. Das Hall-Element 100 kann den Winkel etwa basierend auf der Flussdichte und/oder einer zeitlichen Flussdichtenänderung des Magnetfelds bestimmen. Alternativ kann der Hall-Sensor 100 in jedweder Anwendung mit Magnetfelderfassung zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann der Hall-Sensor 100 ausgebildet sein, eine Position und/oder Bewegung eines das Magnetfeld hervorrufenden Objekts zu bestimmen.
Die erste Richtung a und zweite Richtung b können als Soll-Richtung, Mess-Richtung oder beabsichtigte Empfindlichkeitsrichtung des ersten Hall-Elements 111 beziehungsweise zweiten Hall-Elements 112 verstanden werden. Die Soll-Richtung ist diejenige Richtung, in der eine magnetische Empfindlichkeit der jeweiligen sensitiven Fläche beabsichtigt ist. Die Soll-Richtung kann etwa eine Richtung sein, durch die eine zur Flussdichte der jeweiligen Komponente des Magnetfelds proportionale Hall-Spannung erzeugt wird. Eine Ist-Richtung des ersten Hall-Elements 111 beziehungsweise zweiten Hall-Elements 112 kann als eine tatsächliche Empfindlichkeitsrichtung verstanden werden. Eine (Winkel-) Abweichung der Ist-Richtung gegenüber der Soll-Richtung kann etwa auf unerwünschten physikalischen Effekten oder technischen Begrenzungen bei der Herstellung des Hall-Sensors 100 beruhen. Besagte Abweichung kann zu einem Messfehler führen, etwa bei einer Winkelerfassung eines das Magnetfeld erzeugenden Objekts. Ein solcher Messfehler kann als Orientierungsfehler (oder Orthogonalitätsfehler) bezeichnet werden.
Es kann als Aufgabe der vorliegenden Erfindung betrachtet werden, besagten Orientierungsfehler zu bestimmen und etwa durch Kalibrierung des Hall-Sensors 100 auszugleichen.
Zurückverweisend auf 1: Der Hall-Sensor 100 umfasst ferner eine Leiterbahn 120. Die Leiterbahn 120 kann jedweder elektrischer Leiter sein. Die Leiterbahn 120 kann beispielweise ein Wire-on-Chip (WOC) sein, also ein in einer Metallisierungsebene des Hall-Sensors 100 eingebrachter elektrischer Leiter.
Die Leiterbahn 120 ist ausgebildet, ein Kalibriermagnetfeld zu erzeugen. Das Kalibriermagnetfeld weist an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements 111 eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung b auf. In anderen Worten: Das Kalibriermagnetfeld weist an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements 111 eine signifikante Komponente in einer von einer Soll-Richtung des ersten Hall-Elements 111, der Richtung a, abweichenden Richtung, Richtung b, auf. Ebenso weist das Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements 112 eine signifikante Komponente in der ersten Richtung a auf.
Die Leiterbahn 120 kann etwa durch einen Stromfluss durch die Leiterbahn 120 das Kalibriermagnetfeld erzeugen. Eine Richtung und Flussdichte des Kalibriermagnetfelds ergibt sich in diesem Fall aus den Prinzipien des Elektromagnetismus. Ein Verlauf der Leiterbahn 120 kann dabei maßgeblich die Richtung des Kalibriermagnetfelds beeinflussen und daher eine große Bedeutung bei Auslegung des Hall-Sensors 100 haben. Beispielhafte Leiterbahnverläufe (Konfigurationen) werden mit Bezugnahme auf 2a-f näher erläutert.
Von einer signifikanten Komponente des Kalibriermagnetfelds an einer sensitiven Fläche eines Hall-Elements kann im Sinne der vorliegenden Offenbarung ausgegangen werden, wenn besagte Komponente die sensitive Fläche mit einer messbaren, also deutlich über einer Messungenauigkeit des Hall-Sensors 100 liegenden, Flussdichte durchdringt. In manchen Ausführungsbeispielen weist die besagte Komponente eine gegenüber der Flussdichte des Kalibriermagnetfelds an der sensitiven Fläche eine nicht oder nur geringfügig (etwa um 0,1% oder 1%) verringerte Flussdichte auf.
In manchen Ausführungsbeispielen weist das Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche eine signifikante Komponente in einer zur Soll-Richtung orthogonalen Richtung auf, etwa wenn die Richtung a orthogonal zur Richtung b ist. Dies kann eine Genauigkeit bei Erfassung eines Orientierungsfehlers des Hall-Sensors 100 erhöhen.
In 1 ist die Leiterbahn 120 teilweise innerhalb des Blocks, der das erste Hall-Element 111 beziehungsweise das zweite Hall-Element 112 darstellt, angeordnet. Dies ist einer zweidimensionalen Darstellung des Hall-Sensors 100 in 1 geschuldet. Die Leiterbahn 120 kann in diesem Fall teilweise oberhalb und/oder unterhalb des ersten Hall-Elements 111 und des zweiten Hall-Elements 112 verlaufen. Das heißt, die Leiterbahn 120 kann entlang mindestens einer Metallisierungsebene des Hall-Sensors 100 vertikal beabstandet zum ersten Hall-Element 111 und zum zweiten Hall-Element 112 verlaufen. Vertikal beabstandet kann sich hierbei auf einen Abstand in einer in 1 nicht dargestellten dritten räumlichen Dimension des Hall-Sensors 100 beziehen.
In dem in 1 gezeigten Beispiel des Hall-Sensors 100 verläuft die Leiterbahn 120 entlang der mindestens einen Metallisierungsebene des Hall-Sensors 100 in einem Winkel von 45° zum ersten Hall-Element 111 und in einem Winkel von 45° zum zweiten Hall-Element 112. Der Winkel von 45° kann als Winkel zwischen einem Teil der Leiterbahn 120, der oberhalb oder unterhalb des jeweiligen Hall-Element verläuft, und einer dazu (vertikal) versetzten sensitiven Fläche des jeweiligen Hall-Elements verstanden werden. Dies kann vorteilhaft sein, da mit dem daraus entstehenden Kalibriermagnetfeld neben dem Orientierungsfehler zusätzlich eine magnetische Sensitivität des ersten Hall-Elements 111 und des zweiten Hall-Elements 112 bestimmt werden kann. Die Winkelangabe von 45° ist mit Toleranzen zu verstehen. Beispielweise kann der Winkel 45° ± 1%, ± 0,1% oder ± 0,01% betragen. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Leiterbahn 120 in einem anderen als in 1 dargestellten Winkel zum ersten Hall-Element 111 und in einem anderen Winkel zum zweiten Hall-Element 112 verlaufen. Die Leiterbahn 120 kann etwa in einem Winkel α > 0° zum ersten Hall-Element 111 und in einem Winkel β > 0° zum zweiten Hall-Element 112 verlaufen. In manchen Ausführungsbeispielen verläuft die Leiterbahn 120 entlang der mindestens einen Metallisierungsebene des Hall-Sensors 120 in einem Winkel von 90° zum ersten Hall-Element 111 und in einem Winkel von 90° zum zweiten Hall-Element 112. Dies kann eine Messgenauigkeit bei Erfassung des Orientierungsfehlers des Hall-Sensors 100 erhöhen.
In anderen Ausführungsbeispielen kann die Leiterbahn 120 eine andere als die in 1 gezeigte Form (z.B. eine runde Form) oder andere Anordnung im Hall-Sensor 100 haben. In manchen Ausführungsbeispielen verläuft die Leiterbahn 120 entlang mehrerer Metallisierungsebenen des Hall-Sensors 100 oder neben dem ersten Hall-Element 111 und/oder dem zweiten Hall-Element 112.
In manchen Ausführungsbeispielen verläuft die Leiterbahn 120 in mehreren Windungen entlang der mindestens einen Metallisierungsebene. Dies kann eine Flussdichte des Kalibriermagnetfelds erhöhen und eine Erfassung des Kalibriermagnetfelds erleichtern. In manchen Ausführungsbeispielen umfasst der Hall-Sensor 100 mehrere vertikal zueinander beabstandete Metallisierungsebenen unterschiedlicher Dicke, wobei die Leiterbahn 120 entlang einer der mehreren Metallisierungsebenen verläuft. In bevorzugten Ausführungsbeispielen weist die eine der mehreren Metallisierungsebenen eine höchste Dicke unter den mehreren Metallisierungsebenen auf. Beispielsweise kann die Leiterbahn 120 in einer oder mehreren für eine (relativ zu den verbleibenden Metallisierungsebenen des Hall-Sensors 100) höhere elektrische Leistung ausgelegten Metallisierungsebenen verlaufen.
Der Hall-Sensor 100 kann zur Lösung der oben erwähnten Aufgabe, einen Orientierungsfehler des Hall-Sensors 100 zu bestimmen, beitragen. Der Hall-Sensor 100 kann hierfür ein Erzeugen des Kalibriermagnetfelds ermöglichen. Das Kalibriermagnetfeld kann an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements 111 beziehungsweise des zweiten Hall-Elements 112 so erzeugt werden, dass es nicht „strikt“ entlang der Soll-Richtung des ersten Hall-Elements 111 beziehungsweise des zweiten Hall-Elements 112 ausgerichtet ist. Eine Messung der durch das Kalibriermagnetfeld entstehenden Hall-Spannung lässt Rückschlüsse auf den Orientierungsfehler zu. Eine mögliche Vorgehensweise bei der Erzeugung des Kalibriermagnetfelds und der Bestimmung des Orientierungsfehlers wird mit Bezugnahme auf 3 näher erläutert.
Ein konventioneller Ansatz zur Bestimmung eines Orientierungsfehlers eines Hall-Sensors kann etwa ein Erzeugen eines rotierenden Magnetfelds sein, dem der Hall-Sensor ausgesetzt wird. Ausgangssignale vertikaler Signalpfade des Hall-Sensors können daraufhin analysiert werden, um den Orientierungsfehler zu bestimmen. Dafür kann allerdings spezielle Magnet-Testhardware erforderlich sein, die spezifisch auf den Hall-Sensor abgestimmt sein muss. Solch eine Magnet-Testhardware kann kostenintensiv und anfällig für Hardwaredefekte sein. Ein erfindungsgemäßer Hall-Sensor, wie der Hall-Sensor 100, kann hingegen etwa durch eine WOC-Struktur Kosten für Kalibrierungsmessungen verringern. Die WOC-Struktur kann ermöglichen, den Orientierungsfehler präzise und mit geringem Testaufwand, z.B. mit Standard-Frontend- oder -Backend-Testhardware zu messen und zu kalibrieren.
In anderen Ausführungsbeispielen umfasst der Hall-Sensor 100, anders als in 1 gezeigt, mindestens ein weiteres erstes Hall-Element, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren ersten Hall-Elements eine Komponente des Magnetfelds in der ersten Richtung a zu erfassen. In besagten Ausführungsbeispielen umfasst der Hall-Sensor 100 mindestens ein weiteres zweites Hall-Element, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren zweiten Hall-Elements eine Komponente des Magnetfelds in der zweiten Richtung b zu erfassen. In besagten Ausführungsbeispielen weist das Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren ersten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung b und an der sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren zweiten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der ersten Richtung a auf. Beispielsweise kann der Hall-Sensor 100 n ≥ 1 erste Hall-Elemente und m ≥ 2 zweite Hall-Elemente umfassen. Dies kann vorteilhaft sein, um etwa einen symmetrischen Aufbau des Hall-Sensors 100 zu ermöglichen und eine Ausfallsicherheit des Hall-Sensors 100 durch redundante Hall-Elemente zu erhöhen.
Es sei angemerkt, dass die in 1 gezeigte Anordnung oder Ausrichtung des ersten Hall-Elements 111 und des zweiten Hall-Elements 112 zueinander und relativ zum Hall-Sensor 100 sowie deren in 1 gezeigten Größenverhältnis zueinander und Form lediglich der Veranschaulichung des Hall-Sensors 100 dient. In anderen Ausführungsbeispielen können das erste Hall-Element 111 und das zweite Hall-Element 112 eine andere Anordnung im Hall-Sensor 100, eine andere Ausrichtung, ein anderes Größenverhältnis zueinander und eine andere Form als die in 1 gezeigte aufweisen. In manchen Ausführungsbeispielen hat eine Gruppe von Hall-Elementen des Hall-Sensors 100 einen Symmetriepunkt und die Leiterbahn 120 ist zumindest teilweise symmetrisch gegenüber dem Symmetriepunkt angeordnet. Die Gruppe von Hall-Elementen umfassen dabei das erste Hall-Element 111 und das zweite Hall-Element 112. Ein solch symmetrischer Aufbau kann eine Homogenität des Kalibriermagnetfelds erhöhen.
Es sei angemerkt, dass die Darstellung der ersten Richtung a und der zweiten Richtung b in 1 ebenfalls der Veranschaulichung dient. In anderen Ausführungsbeispielen sind das erste Hall-Element 111 und das zweite Hall-Element 112 dazu ausgebildet, eine Komponente des Magnetfelds in einer räumlich anders verlaufenden ersten Richtung a beziehungsweise zweiten Richtung b als in 1 gezeigt zu erfassen. Insbesondere kann die erste Richtung a einen anderen Winkel bezüglich der zweiten Richtung b als den sich aus 1 ergebenden Winkel (hier ein Schnittwinkel von etwa 90°) aufweisen.
Detaillierte Hinweise zu einer möglichen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Hall-Sensors werden mit Bezugnahme auf 2a-f erläutert, die beispielhafte Leiterbahnkonfigurationen eines beispielhaften Hall-Sensors 200 zeigen.
Der Hall-Sensor 200 umfasst vier erste Hall-Elemente X1 bis X4, die ausgebildet sind, mittels einer sensitiven Fläche der ersten Hall-Elemente X1 bis X4 eine Komponente eines Magnetfelds in einer ersten Richtung a zu erfassen. Der Hall-Sensor 200 umfasst ferner vier zweite Hall-Elemente Y1 bis Y4, die ausgebildet sind, mittels einer sensitiven Fläche der zweiten Hall-Elemente Y1 bis Y4 eine Komponente des Magnetfelds in einer zweiten zur Richtung a orthogonalen Richtung b zu erfassen.
Die ersten Hall-Elemente X1 bis X4 sind paarweise nebeneinander (X1 neben X2, X3 neben X4) angeordnet, wobei die Paare an sich gegenüberliegenden Bereichen einer Schicht des Hall-Sensors 200 angeordnet sind. Die zweiten Hall-Elemente Y1 bis Y4 sind ebenfalls paarweise nebeneinander (Y1 neben Y2, Y3 neben Y4) angeordnet, wobei die Paare an sich gegenüberliegenden Bereichen der Schicht des Hall-Sensors 200 angeordnet sind. In den 2a-e sind die jeweiligen Hall-Element-Paare einander parallel gegenüberliegend. In 2f sind die jeweiligen Hall-Element-Paare einander diagonal gegenüberliegend.
Die Anordnung der ersten Hall-Elemente X1 bis X4 und der zweiten Hall-Elemente Y1 bis Y4 ist achsensymmetrisch gegenüber einer durch einen Mittelpunkt der in 2a-f dargestellten Schicht des Hall-Sensors 200 verlaufenden Achse.
Der Hall-Sensor 200 umfasst eine Leiterbahn 220, die ausgebildet ist, ein Kalibriermagnetfeld B (in 2c als B_o und in 2f als B_x bezeichnet) zu erzeugen. Das Kalibriermagnetfeld B weist an der sensitiven Fläche der ersten Hall-Elemente X1 bis X4 eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung b auf. Das Kalibriermagnetfeld B weist ferner an der sensitiven Fläche der zweiten Hall-Elemente Y1 bis Y4 eine signifikante Komponente in der ersten Richtung a auf. Das Kalibriermagnetfeld B wird beispielhaft anhand von Magnetfeldvektoren, etwa B(Y1) bis B(Y4) in 2a, an dem jeweiligen Hall-Element gezeigt, die bei positivem Stromfluss durch die Leiterbahn 220 in Richtung eines Anschlusses WOC_GND der Leiterbahn 220 entstehen würden.
In 2a bildet die Leiterbahn 220 durch ihren Verlauf eine größtenteils rechteckige Form. Die Leiterbahn 220 verläuft entlang einer Metallisierungsebene A („metal layer A“ siehe Legende in 2a-f) des Hall-Sensors 200 und vertikal beabstandet zu den ersten Hall-Elementen X1 bis X4 und zu den zweiten Hall-Elementen Y1 bis Y4. Die Leiterbahn 220 verläuft in einem Winkel von 45° zu den ersten Hall-Elementen X1 bis X4 und in einem Winkel von 45° zu den zweiten Hall-Elementen Y1 bis Y4.
Mit der in 2a gezeigten Leiterbahnkonfiguration wird die Leiterbahn 120 durch nur eine Metallisierungsebene A geführt, was eine Homogenität des Kalibriermagnetfelds B erhöhen kann. Außerdem weist das Kalibriermagnetfeld B für die Leiterbahnkonfiguration aus 2a ferner an der sensitiven Fläche der ersten Hall-Elemente X1 bis X2 eine signifikante Komponente in der ersten Richtung a auf. Genauso weist das das Kalibriermagnetfeld B für die Leiterbahnkonfiguration aus 2a ferner an der sensitiven Fläche der zweiten Hall-Elemente Y1 bis Y2 eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung b auf. Damit kann die in 2a gezeigte Leiterbahnkonfiguration sowohl eine Kalibrierung des Orientierungsfehlers als auch einer magnetischen Sensitivität des Hall-Sensors 200 ermöglichen.
Für die Leiterbahnkonfiguration aus 2a kann es notwendig sein, die ersten Hall-Elemente X1 bis X4 und die zweiten Hall-Elemente Y1 bis Y4 für einen Betriebsmodus des Hall-Sensors 200, für einen ersten Kalibriermodus zur Bestimmung des Orientierungsfehlers sowie für einen zweiten Kalibriermodus zur Bestimmung der magnetischen Sensitivität unterschiedlich auszulesen. Ein Auslesen und Ansteuern der Hall-Elemente im ersten oder zweiten Kalibriermodus kann etwa durch eine dafür geeignete Kalibrierungsvorrichtung erfolgen. Ein Beispiel für eine solche Kalibrierungsvorrichtung wird mit Bezugnahme auf 3 näher erläutert.
Im Betriebsmodus erfasst der Hall-Sensor 200 etwa ein durch ein magnetisches Objekt hervorgerufenes Magnetfeld. Im Betriebsmodus ist das Kalibriermagnetfeld B idealerweise nicht vorhanden. Für den Betriebsmodus wird ein Ausgangssignal y als Summe der Einzelausgangssignale y1 bis y4 der jeweiligen zweiten Hall-Elemente Y1 bis Y4 aus, um eine Komponente eines Magnetfelds in Richtung b zu bestimmen. y ist im Betriebsmodus idealerweise proportional zu einer durchschnittlichen Flussdichte der Komponente in Richtung b. Ein Einzelausgangssignal kann etwa eine Hall-Spannung eines jeweiligen Hall-Elements sein. Ähnlich wird bei die den ersten Hall-Elementen X1 bis X2 vorgegangen, um eine Komponente des Magnetfelds in Richtung a zu erfassen.
Im ersten Kalibriermodus ist das Magnetfeld idealerweise nicht vorhanden. Im ersten Kalibriermodus erzeugt die Kalibrierungsvorrichtung das Kalibriermagnetfeld B und liest ein Ausgangssignal y=y1-y2-y3+y4 aus. y ist im ersten Kalibriermodus idealerweise proportional zu einer Komponente des Kalibriermagnetfelds B in Richtung a. Ähnlich wird bei den ersten Hall-Elementen X1 bis X2 vorgegangen, um eine Komponente des Kalibriermagnetfelds B in Richtung b zu erfassen. Auf diese Weise kann die Kalibrierungsvorrichtung den Orientierungsfehler des Hall-Sensors 200 bestimmen.
Im zweiten Kalibriermodus ist das Magnetfeld idealerweise nicht vorhanden. Im zweiten Kalibriermodus erzeugt die Kalibrierungsvorrichtung das Kalibriermagnetfeld B und liest ein Ausgangssignal y=y1+y2-y3-y4 aus. y ist im zweiten Kalibriermodus idealerweise proportional zu einer Komponente des Kalibriermagnetfelds B entlang der Richtung b. Ähnlich kann bei den ersten Hall-Elementen X1 bis X4 vorgegangen werden, um eine Komponente des Kalibriermagnetfelds B in Richtung a zu erfassen. Auf diese Weise kann die Kalibrierungsvorrichtung die magnetische Sensitivität des Hall-Sensors 200 bestimmen.
In 2b unterscheidet sich die Leiterbahnkonfiguration insofern von der aus 2a, als die Leiterbahn 220 in mehreren Windungen entlang der Metallisierungsebene A verläuft. Bei Rückführung der Leiterbahn 220 zu WOC-GND ist eine Durchkontaktierung („metal via“) zu einer Metallisierungsebene B („metal layer B“) vorgesehen. Ein Vorteil der Leiterbahnkonfiguration aus 2b gegenüber der aus 2a kann eine Verstärkung des durch die Leiterbahn 220 erzeugten Kalibriermagnetfelds ohne Erhöhung eines Stroms durch die Leiterbahn 220 sein.
In 2c bildet die Leiterbahn 220 einen größtenteils kreuzförmigen Verlauf. Die Leiterbahn 220 verläuft dabei in den Metallisierungsebenen A und B. Die Leiterbahn 220 verläuft in einem Winkel von 90° zu den ersten Hall-Elementen X1 bis X4 und in einem Winkel von 90° zu den zweiten Hall-Elementen Y1 bis Y4. Dadurch kann sich die Messgenauigkeit bei Erfassung des Orientierungsfehlers erhöhen.
In 2c umfasst der Hall-Sensor 200 ferner eine zweite Leiterbahn 230. Die Leiterbahn 230 verläuft parallel zu einer Ausrichtung der ersten Hall-Elemente X1 bis X4 und einer Ausrichtung der zweiten Hall-Elemente Y1 bis Y4. Die Leiterbahn 230 ist ausgebildet, ein zweites Kalibriermagnetfeld B_p (in 2f als B_y bezeichnet) zu erzeugen. Das zweite Kalibriermagnetfeld B_p weist an der sensitiven Fläche der ersten Hall-Elemente X1 bis X4 eine signifikante Komponente in der ersten Richtung a auf. Das zweite Kalibriermagnetfeld B_p weist ferner an der sensitiven Fläche der zweiten Hall-Elemente Y1 bis Y4 eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung b auf.
Im ersten Kalibriermodus erzeugt die Kalibrierungsvorrichtung das Kalibriermagnetfeld B_o, um den Orientierungsfehler des Hall-Sensors 200 zu bestimmen. Im zweiten Kalibriermodus erzeugt die Kalibrierungsvorrichtung das zweite Kalibriermagnetfeld B_p, um die magnetische Sensitivität zu bestimmen. Ein Auslesen eines Ausgangssignals y des Hall-Sensors 200 kann auf ähnliche Weise erfolgen, wie für 2a beschrieben.
In 2d unterscheidet sich die Leiterbahnkonfiguration insofern von der aus 2c, als dass die Leiterbahn 220 größtenteils außerhalb eines Verlaufs der zweiten Leiterbahn 230 geführt ist. Dies kann für bestimmte Sensordesigns vorteilhaft sein.
In 2e unterscheidet sich die Leiterbahnkonfiguration insofern von der aus 2d, als die Leiterbahn 230 in mehreren Windungen verläuft.
In 2f umfasst der Hall-Sensor 200 ebenfalls zwei Leiterbahnen, die Leiterbahn 220 und die zweite Leiterbahn 230. Die Leiterbahn 220 und die zweite Leiterbahn 230 haben einen größtenteils rechteckigen Verlauf. Die Leiterbahn 220 verläuft parallel zu den ersten Hall-Elementen X1 bis X4 und in einem Winkel von 90° zu den zweiten Hall-Elementen Y1 bis Y4. Die zweite Leiterbahn 230 verläuft in einem Winkel von 90° zu den ersten Hall-Elementen X1 bis X4 und parallel zu den zweiten Hall-Elementen Y1 bis Y4.
Im ersten Kalibriermodus kann die Kalibrierungsvorrichtung einen positiven Strom durch die Leiterbahn 220 in Richtung WOC_GND leiten, um das Kalibriermagnetfeld B_x zu erzeugen. Die Kalibrierungsvorrichtung kann den Orientierungsfehler der zweiten Hall-Elemente Y1 bis Y4 basierend auf einem Ausgangssignal y=-y1-y2+y3+y4 bestimmen. Weiterhin kann die Kalibrierungsvorrichtung im ersten Kalibriermodus einen positiven Strom durch die zweite Leiterbahn 230 in Richtung WOC_GND leiten, um das zweite Kalibriermagnetfeld B_y zu erzeugen. Die Kalibrierungsvorrichtung kann den Orientierungsfehler der ersten Hall-Elemente X1 bis X4 basierend auf einem Ausgangssignal x=-x1-x2+x3+x4 bestimmen.
Im zweiten Kalibriermodus kann die Kalibrierungsvorrichtung die magnetische Sensitivität der zweiten Hall-Elemente Y1 bis Y4 bei angelegtem zweiten Kalibriermagnetfeld B_y basierend auf einem Ausgangssignal y=y1+y2-y3-y4 bestimmen. Im zweiten Kalibriermodus kann die Kalibrierungsvorrichtung ferner die magnetische Sensitivität der ersten Hall-Elemente X1 bis X4 bei angelegtem ersten Kalibriermagnetfeld B_x basierend auf einem Ausgangssignal x=x1+x2-x3-x4 bestimmen.
3 zeigt ein Blockdiagramm einer beispielhaften Kalibrierungsvorrichtung 340 für einen Hall-Sensor 300. Die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann bei Kalibrierung des Hall-Sensors 300, etwa vor Inbetriebnahme des Hall-Sensors 300, zum Einsatz kommen und etwa über elektrische Kontakte der Kalibrierungsvorrichtung 340 mit elektrischen Kontakten des Hall-Sensors 300 verbunden sein. Die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann nach Inbetriebnahme des Hall-Sensors 300 vom Hall-Sensor 300 getrennt sein.
Die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann ausgebildet sein, den Hall-Sensor 300 zu konfigurieren, d.h., die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann eine den Hall-Sensor 300 auf bestimmte Weise verschalten, um etwa Spannungs- oder Strommessungen am Hall-Sensor 300 vorzunehmen.
Der Hall-Sensor 300 umfasst mindestens ein erstes Hall-Element 311, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements 311 eine Komponente eines Magnetfelds in einer ersten Richtung zu erfassen. Das erste Hall-Element 311 hat einen ersten Ausgangssignalpfad X, an dem eine Hall-Spannung des mindestens einen ersten Hall-Elements 311 abgegriffen werden kann. Der Ausgangssignalpfad X kann je nach Konfiguration durch die Kalibrierungsvorrichtung 340 ein bestimmtes Ausgangssignal angeben, etwa eine jeweilige Hall-Spannung des jeweiligen ersten Hall-Elements oder eine Summe von Hall-Spannungen aller ersten Hall-Elemente 311.
Der Hall-Sensor 300 umfasst ferner mindestens ein zweites Hall-Element 312, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements 312 eine Komponente des Magnetfelds in einer zweiten Richtung zu erfassen. Das zweite Hall-Element 312 hat einen zweiten Ausgangssignalpfad Y, an dem eine Hall-Spannung des mindestens einen zweiten Hall-Elements 312 abgegriffen werden kann.
Der Hall-Sensor 300 umfasst ferner eine Leiterbahn (WOC) 320, die ausgebildet ist, ein Kalibriermagnetfeld zu erzeugen. Das Kalibriermagnetfeld weist an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements 311 eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung auf.
Das Kalibriermagnetfeld weist ferner an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements 312 eine signifikante Komponente in der ersten Richtung auf.
Der Hall-Sensor 300 umfasst ferner einen Scherspannungssensor (σ_xy) 350, der ausgebildet ist, eine mechanische Scherspannung an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements 311 und an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements 312 zu erfassen.
Der Hall-Sensor 300 umfasst ferner einen Datenspeicher 360 („memory“), der ausgebildet ist, Kompensationskoeffizienten, die die Kalibrierungsvorrichtung 340 aus Kalibrierungsmessungen abgeleitet hat, zu speichern. Der Hall-Sensor 300 umfasst ferner eine Verarbeitungsschaltung 370 („calc_angle“), um das Magnetfeld basierend auf den Ausgangssignalpfaden X und Y sowie den Kompensationskoeffizienten zu bestimmen und beispielsweise daraus einen Winkel eines das Magnetfeld hervorrufenden Objekts abzuleiten.
Die in 3 gezeigten Pfeile stellen Signalflüsse zwischen dem ersten Ausgangssignalpfad X, dem zweiten Ausgangssignalpfad Y, der Leiterbahn 320, dem Scherspannungssensor 350, dem Datenspeicher 360, der Verarbeitungsschaltung 370 und der Kalibrierungsvorrichtung 340 dar.
Die Kalibrierungsvorrichtung 340 umfasst eine elektronische Schaltung (nicht abgebildet in 3). Die elektronische Schaltung ist ausgebildet, einen Strom durch die Leiterbahn 320 des Hall-Sensors 300 zu leiten, um das Kalibriermagnetfeld zu erzeugen. Die elektronische Schaltung kann etwa eine Stromquelle mit der Leiterbahn 320 verbinden, um den Strom durch die Leiterbahn 320 zu leiten.
Die elektronische Schaltung ist ferner ausgebildet, eine erste Spannung am ersten Hall-Element 311 und eine zweite Spannung am zweiten Hall-Element 312 basierend auf dem Kalibriermagnetfeld zu erfassen. Die erste Spannung und die zweite Spannung können zumindest größtenteils von dem Kalibriermagnetfeld hervorgerufen worden sein. Die elektronische Schaltung kann etwa den ersten Ausgangssignalpfad X des ersten Hall-Elements 311 auslesen, um die erste Spannung zu erfassen, und den zweiten Ausgangssignalpfad Y des zweiten Hall-Elements 312 auslesen, um die zweite Spannung zu erfassen. Die elektronische Schaltung ist ferner ausgebildet, einen Orientierungsfehler des Hall-Sensors 300 basierend auf der erfassten ersten Spannung und der erfassten zweiten Spannung zu bestimmen.
Die elektronische Schaltung kann etwa eine Verarbeitungsschaltung zur Verarbeitung von aus dem ersten Ausgangssignalpfad X und dem zweiten Ausgangssignalpfad Y ausgelesen Signalen umfassen. Die elektronische Schaltung kann beispielsweise die Kompensationskoeffizienten basierend auf der erfassten ersten Spannung und der erfassten zweiten Spannung bestimmen und diese im Datenspeicher 350 speichern.
3 zeigt also eine Kalibrier- und Testumgebung für den Hall-Sensor 300, der eine spezielle WOC-Struktur (320) aufweist. Die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann ausgebildet sein, die Ausgangssignalpfade X und Y zu konfigurieren, um einen bestimmten Kalibriermodus einzustellen. Die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann die Ausgangssignalpfade X und Y auslesen und bestimmte Kompensationskoeffizienten berechnen. Eine Messgenauigkeit kann erhöht werden, wenn die Kalibrierungsvorrichtung 340 separat zwei Kalibrierungsmessungen durchführt: eine Kalibrierung der magnetischen Sensitivität des Hall-Sensors 300 beziehungsweise der jeweiligen Hall-Elemente und eine weitere Kalibrierung des Orientierungsfehlers. Jede Kalibrierung kann eine spezielle Konfiguration der Ausgangssignalpfade X und Y und/oder eine Anpassung eines Stroms (etwa Stromhöhe, Stromrichtung oder Strom-Einspeisepunkt) durch die Leiterbahn 320 erfordern.
Die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann eine Bestimmung einer magnetischen Sensitivität und eines Orientierungsfehlers des Hall-Sensors 300, etwa vor Inbetriebnahme, ermöglichen. Bei Betrieb des Hall-Sensors 300 kann der Orientierungsfehler ausgeglichen werden, um eine Messgenauigkeit des Hall-Sensors 300 zu erhöhen.
Die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann in anderen Ausführungsbeispielen auch zur Kalibrierung eines anderen erfindungsgemäßen Hall-Sensors verwendet werden, etwa für Hall-Sensor 100 oder 200. Die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann als Teil des erfindungsgemä-ßen Hall-Sensors oder als davon getrennt betrachtet werden.
Im Folgenden wird ein Beispiel erklärt, wie die Kalibrierungsvorrichtung 340 den Orientierungsfehler bestimmen kann:

Die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann beispielsweise ausgebildet sein, einen ersten Strom durch die Leiterbahn 320 zu leiten und die erste Spannung (am ersten Hall-Element 311) sowie die zweite Spannung (am zweiten Hall-Element 312) zu erfassen, während der erste Strom durch die Leiterbahn 320 geleitet wird. Das Leiten des Stroms durch die Leiterbahn 320 ruft ein Kalibriermagnetfeld hervor. Welche Richtung Magnetfeldlinien des Kalibriermagnetfeld aufweisen kann maßgeblich durch einen Verlauf der Leiterbahn 320 bestimmt sein. Verschiedene Verläufe von Leiterbahnen werden in 2a-f gezeigt. Eine Flussdichte des Kalibriermagnetfelds kann maßgeblich durch die Stromhöhe des Stroms durch die Leiterbahn 320 beeinflusst sein. Das Kalibriermagnetfeld erzeugt eine Hall-Spannung (die erste Spannung) am ersten Hall-Element 311 und eine Hall-Spannung (die zweite Spannung) am zweiten Hall-Element 312. Da das Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des j eweiligen Hall-Elements eine signifikante Komponente abweichend von einer Soll-Richtung des jeweiligen Hall-Elements hat, kann der Orientierungsfehler, der eine Abweichung einer tatsächlichen Messrichtung zur Soll-Richtung darstellt, anhand von Messungen mit dem Kalibriermagnetfeld bestimmt werden.

Die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann zusätzlich ausgebildet sein, einen zweiten Strom durch die Leiterbahn 320 zu leiten und die erste Spannung sowie die zweite Spannung zu erfassen, während der zweite Strom durch die Leiterbahn 320 geleitet wird. Beispielsweise kann ein Strombetrag des ersten Stroms einem Strombetrag des zweiten Stroms entsprechen und eine Richtung des ersten Stroms entgegengesetzt zu einer Richtung des zweiten Stroms sein. Hierbei entsteht ein Kalibriermagnetfeld mit gleicher Flussdichte wie mit dem ersten Strom, aber mit entgegengesetzter Richtung. Aus einer Differenz aus den Messungen mit dem ersten Strom und Messungen mit dem zweiten Strom kann der Orientierungsfehler bestimmt werden.
Die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann ferner ausgebildet sein, eine magnetische Sensitivität des Hall-Sensors 300 basierend auf der erfassten ersten Spannung und der erfassten zweiten Spannung zu bestimmen. Beispielsweise kann das das Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements 311 eine signifikante Komponente in der ersten Richtung aufweisen und an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements 312 eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung aufweisen. Dies kann etwa mit einer Leiterbahnkonfiguration wie in 2a gezeigt der Fall sein. Hierbei durchdringen Magnetfeldlinien des Kalibriermagnetfelds die sensitive Fläche mit einem Winkel von etwa 45°.
Der Hall-Sensor 300 kann eine zweite, von der Leiterbahn 320 separierte Leiterbahn umfassen. Ein Strom, der für eine Messung durch die Leiterbahn 320 geleitet wird, fließt dabei nicht durch die zweite Leiterbahn, sodass unabhängige Messungen basierend auf der Leiterbahn 320 und der zweiten Leiterbahn möglich sind. Die zweite Leiterbahn hat dabei bevorzugterweise einen anderen Verlauf als die Leiterbahn 320, um bei Leiten eines Stroms durch die zweite Leiterbahn ein zweites Kalibriermagnetfeld mit einer anderen Richtung als das oben erwähnte Kalibriermagnetfeld zu erzeugen.
Die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann ferner ausgebildet sein, einen Strom durch die zweite Leiterbahn zu leiten, um das zweite Kalibriermagnetfeld zu erzeugen. Das zweite Kalibriermagnetfeld kann etwa an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements 311 eine signifikante Komponente in der ersten Richtung aufweisen an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements 312 eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung aufweisen. Die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann ferner ausgebildet sein, eine magnetische Sensitivität des Hall-Sensors 300 basierend auf einer durch das zweite Kalibriermagnetfeld hervorgerufenen Spannung am ersten Hall-Element 311 und am zweiten Hall-Element 312 zu bestimmen. Die Kalibrierungsvorrichtung 340 kann ausgebildet, den Orientierungsfehler basierend auf der bestimmten magnetischen Sensitivität zu bestimmen. Die magnetische Sensitivität kann etwa eine Änderung einer Ausgangsspannung (erste Spannung beziehungsweise zweite Spannung) des ersten Hall-Elements 311 oder zweiten Hall-Elements 312 bezogen auf eine sie verursachende Änderung des Kalibriermagnetfelds angeben. Damit kann die magnetische Sensitivität auch eine Relation zwischen Änderung der Ausgangsspannung und einer Änderung einer Richtung des Kalibriermagnetfelds angeben, was für eine Bestimmung des Orientierungsfehlers vorteilhaft sein kann.
In manchen Ausführungsbeispielen ist die Kalibrierungsvorrichtung 340 ferner ausgebildet, den Orientierungsfehler basierend auf der erfassten mechanischen Scherspannung (etwa eine initiale mechanische Scherspannung) zu bestimmen. Insbesondere kann hiermit eine Genauigkeit der Messungen am Kalibriermagnetfeld erhöht werden, da sich eine mechanische Scherspannung als Offset in den erfassten Spannungen niederschlagen kann.
Im Folgenden wird anhand eines weiteren Beispiels erklärt, wie die Kalibrierungsvorrichtung 340 den Orientierungsfehler bestimmen kann:

Eine Genauigkeit bei Erfassung der Kompensationskoeffizienten kann erhöht werden, etwa wenn die Kalibrierungsvorrichtung 340 zwei Kalibrierungsmessungen durchführt - erstens (1.): eine Kalibrierungsmessung zur Erfassung einer magnetischen Sensitivität des ersten Hall-Elements und des zweiten Hall-Elements; zweitens (2.): eine Kalibrierungsmessung zur Bestimmung des Orientierungsfehlers. Jede der Kalibrierungsmessungen kann eine Konfiguration des ersten Ausgangssignalpfads X, des zweiten Ausgangssignalpfads Y und/oder des Stroms durch die Leiterbahn WOC erfordern.
1. 1. Kalibrierungsmessung zur Bestimmung einer magnetischen Sensitivität Sx und Sy
  - 1.1. Einstellen des ersten Ausgangssignalpfads X und des zweiten Ausgangssignalpfads Y auf einen Kalibriermodus zur Bestimmung der magnetischen Sensitivität;
  - 1.2. Leiten eines positiven Stroms durch die Leiterbahn WOC im Kalibriermodus von 1.1;
  - 1.3. Auslesen eines Wertes X_p aus dem ersten Ausgangssignalpfad X und eines Wertes Y_p aus dem zweiten Ausgangssignalpfad Y, Speichern von X_p und Y_p;
  - 1.4. Leiten eines negativen Stroms durch die Leiterbahn WOC im Kalibriermodus von 1.1;
  - 1.5. Auslesen eines Wertes X_n aus dem ersten Ausgangssignalpfad X und eines Wertes Y_n aus dem zweiten Ausgangssignalpfad Y, Speichern von X_n und Y_n;
  - 1.6. Bestimmen der magnetischen Sensitivitäten Sx = (X_p - X_n) · ks und Sy = (Y_p - Y_n) · ks; (ks ist ein sensitivitätsbezogener WOC-Faktor)
  - 1.7. Speichern von Sx und Sy im Datenspeicher 350.
2. 2. Kalibrierungsmessung zur Bestimmung eines Orientierungsfehlers dΦx und dΦy
  - 2.1. Auslesen einer Initial-Scherspannung σ₀ vom Scherspannungssensor σ_xy, Speichern der Initial-Scherspannung σ₀;
  - 2.2. Einstellen des ersten Ausgangssignalpfads X und des zweiten Ausgangssignalpfads Y auf einen Kalibriermodus zur Bestimmung des Orientierungsfehlers;
  - 2.3. Leiten eines positiven Stroms durch die Leiterbahn WOC im Kalibriermodus von 2.2;
  - 2.4. Auslesen eines Wertes X_p aus dem ersten Ausgangssignalpfad X und eines Wertes Y_p aus dem zweiten Ausgangssignalpfad Y, Speichern von X_p und Y_p;
  - 2.5. Leiten eines negativen Stroms durch die Leiterbahn WOC im Kalibriermodus von 2.2;
  - 2.6. Auslesen eines Wertes X_n aus dem ersten Ausgangssignalpfad X und eines Wertes Y_n aus dem zweiten Ausgangssignalpfad Y, Speichern von X_n und Y_n;
  - 2.7. Bestimmen des Orientierungsfehlers (Abweichung von Soll-Messrichtung) dΦx=arcsin((Xp-Xn) /Sx*ko) und dΦy=arcsin((Yp-Yn) / Sy*ko); (ko ist ein orientierungsbezogener WOC-Faktor)
  - 2.8. Bestimmen eines initialen Orientierungsfehlers OE0=dΦy-dΦx;
  - 2.9. Speichern von OE0 im Datenspeicher 350.
3. 3. Betriebsmodus: hier Erfassung eines Winkels eines ein Magnetfeld hervorrufenden Objekts
  - 3.1. Auslesen des Scherspannungssensor σ_xy;
  - 3.2. Schätzen des laufenden Orientierungsfehlers OE=OEO+f(σ_xy, σ₀); (f(σ_xy, σ₀) ist eine Funktion, die eine Änderung des Orientierungsfehlers in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Scherspannungssensors σ_xy und von der Initial-Scherspannung σ₀ angibt)
  - 3.3. Einstellen des ersten Ausgangssignalpfads X und des zweiten Ausgangssignalpfads Y auf den Betriebsmodus;
  - 3.4. Auslesen des ersten Ausgangssignalpfads X und des zweiten Ausgangssignals Y;
  - 3.5. Kompensieren des geschätzten laufenden Orientierungsfehlers OE in den in 3.4 ausgelesenen Werte;
  - 3.6. Bestimmen des Winkels des Objekts basierend auf den kompensierten Werten aus 3.5.

Im Folgenden wird ein Beispiel erklärt, wie ein der vorliegenden Offenbarung zugrundeliegendes Prinzip auf mehrere Sensorkanäle angewendet werden kann:

Insbesondere wird ein Ausgangssignal X als Funktion eines angelegten Magnetfeldes B mit folgender Gleichung 1 modelliert. Für alle folgenden Gleichungen soll gelten: Vektoren sind fett geschrieben; der Betrag eines Vektors ist durch senkrechte Linien gekennzeichnet; normierte Einheitsvektoren sind mit Zirkumflex geschrieben; Skalare sind kursiv geschrieben; Winkel werden mit griechischen Buchstaben bezeichnet; Winkelabweichungen sind mit einem kleinen Buchstaben d gekennzeichnet.

X (B) = S x \cdot (B \cdot \hat{X}) + X_{0}

In Gleichung 1 sind die magnetische Empfindlichkeit Sx, der magnetischen Offset X₀ und die tatsächliche Sensitivitätsrichtung (Ist-Richtung) X̂ beschrieben.
Zur Bestimmung von X(B) können mehrere Messungen vorgenommen und gemittelt werden, etwa um den Einfluss von Sensorrauschen zu eliminieren. Der magnetische Offset X₀ kann beispielsweise gemessen werden, wenn kein Magnetfeld angelegt ist, also bei X₀ = X(0). Alternativ kann der magnetische Offset X₀ eliminiert werden, wenn ausschließlich Differenzen im Ausgangssignal X und den Magnetfeldern betrachtet werden, z. B. ΔX (ΔB) = X(B+) - X(B-) für Magnetfelder B+ und B-, die durch positive beziehungsweise negative Ströme durch die Leiterbahn WOC entstehen.
Bei den Messungen im Kalibriermodus zur Bestimmung der magnetischen Sensitivität wird die Komponente des Magnetfelds entlang der beabsichtigten Sensitivitätsrichtung (Soll-A Richtung, kleiner Buchstabe x̂) berücksichtigt. Daraus ergibt sich Gleichung 2: $Δ X (Δ Bx) = X (Bx +) - X (Bx -) = S x \cdot 2 | Bx | \cdot (\hat{x} \cdot \hat{X})$
Das tatsächlich angelegte Magnetfeld |Bx| kann durch den empfindlichkeitsbezogenen WOC-Faktor (1/2ks) approximiert werden. Dieser Faktor kann berechnet werden (z. B. mit einer Finite-Elemente-Simulation) oder durch präzise Referenzmessungen bestimmt werden. Das angelegte Magnetfeld ist proportional zum angelegten Strom und daher ist der WOC-Faktor (1/2ks) umgekehrt proportional zur Stromstärke. Abweichungen aus dem Skalarprodukt der beabsichtigten Sensitivitätsrichtung (x̂) und der tatsächlichen Sensitivitätsrichtung X̂ können vernachlässigt werden. Dies kann bei kleinen Abweichungen dΦx gerechtfertigt sein und führt unter Umständen nur zu geringen Ungenauigkeiten der Empfindlichkeit Sx proportional zu (dΦx)². Damit kann die Empfindlichkeit Sx mit Gleichung 3 berechnet werden. $Sx = ks \cdot Δ X (Δ Bx)$
Zur Messung des Orientierungsfehlers können Magnetfelder senkrecht zur beabsichtigen Sensitivitätsrichtung, d.h. entlang der Sensitivitätsrichtung des (Kleinbuchstabe ŷ) des Ausgangsignalpfades Y, durch den Ausgangssignalpfad X umgewandelt werden. Dies ergibt Gleichung 4: $Δ X (Δ By) = X (By +) - X (By -) = S x \cdot 2 | By | \cdot (\hat{y} \cdot \hat{X})$
Es kann die tatsächlich angelegte Magnetfeldgröße |By| approximiert werden basierend auf dem orientierungsbezogenen WOC Faktor (1/2ko). Auf ähnliche Weise wie (1/2ks) kann auch (1/2ko) bestimmt werden, z.B. mit einer Finite-Elemente-Simulation oder mit möglichst präzisen Referenzmessungen. Das Skalarprodukt ŷ · X̂ aus Gleichung 4 entspricht dem Kosinus des Winkels <ŷX̂ zwischen der beabsichtigten Sensitivitätsrichtung ŷ des Ausgangssignalpfads Y und der tatsächlichen Sensitivitätsrichtung X̂ des Ausgangssignalpfads X.
Im Idealfall kann dieser Winkel <ŷX̂ 90° betragen. Der Winkel <ŷX̂ kann in Relation mit der Abweichung dΦx (Phasenverschiebung des Ausgangssignals X) stehen, etwa in Form von dΦx = (90°-<ŷX̂). Durch Einsetzen in Gleichung 4 und Auflösen nach dΦx erhält man Gleichung 5: $d Φ x = arcsin (ko \cdot (Δ X (Δ By)) / S x)$
Ähnlich kann bei dem Ausgangssignalpfad Y vorgegangen werden: $\begin{array}{l} Sy = ks \cdot Δ Y (Δ B y); \\ d Φ y = arcsin (ko \cdot (Δ Y (- Δ B x)) /Sy) \end{array}$
Der Orientierungsfehler OE kann mit Gleichung 7 berechnet werden: $OE = d Φ y - d Φ x$
Es sei angemerkt, dass die durch die Gleichungen 1 bis 7 beschriebene Vorgehensweise sowie die oben aufgeführte Ablaufbeschreibung lediglich Beispiele zur Kalibrierung eines Hall-Sensors angeben. Um eine Kalibrierung im Sinne der vorliegenden Offenbarung auf allgemeine Weise zu veranschaulichen, wird ein abstrakteres Beispiel in 4 dargestellt. 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens 400 zur Kalibrierung eines Hall-Sensors, etwa des Hall-Sensors 100, 200 oder 300. Der Hall-Sensor umfasst ein erstes Hall-Element, ein zweites Hall-Element und eine Leiterbahn. Das Verfahren 400 umfasst ein Leiten 410 eines Strom durch die Leiterbahn, um ein Kalibriermagnetfeld zu erzeugen und ein Bestimmen 420 eines Orientierungsfehlers des Hall-Sensors anhand des Kalibriermagnetfelds.
Optional umfasst das Bestimmen 420 des Orientierungsfehlers ferner ein Erfassen 430 einer ersten Spannung am ersten Hall-Element und einer zweiten Spannung am zweiten Hall-Element. Die erste Spannung und die zweite Spannung werden dabei durch das Kalibriermagnetfeld hervorgerufen.
In manchen Ausführungsbeispielen kann das Bestimmen 420 des Orientierungsfehlers ein Vergleichen der ersten Spannung und der zweiten Spannung mit einer (jeweiligen) Referenzspannung umfassen. Eine solche Referenzspannung des Hall-Sensors beziehungsweise des ersten Hall-Elements und des zweiten Hall-Elements kann eine Spannung sein, die bei aktivem Kalibriermagnetfeld an dem jeweiligen Hall-Element anliegen sollte, unter der Voraussetzung, dass ein vernachlässigbar kleiner oder kein Orientierungsfehler auftritt.
Weitere Einzelheiten und Aspekte des Verfahrens 400 werden im Zusammenhang mit der vorgeschlagenen Technik oder einem oder mehreren oben beschriebenen Beispielen erläutert, z. B. unter Bezugnahme auf die 3. Das Verfahren 400 kann ein oder mehrere zusätzliche optionale Merkmale umfassen, die einem oder mehreren Aspekten der vorgeschlagenen Technik oder einem oder mehreren der oben beschriebenen Beispiele entsprechen.
Das Verfahren 400 kann eine Bestimmung des Orientierungsfehlers des Hall-Sensors ermöglichen. Konventionelle Verfahren zur Bestimmung des Orientierungsfehlers können etwa ein Prüfen des Hall-Sensors in einem rotierenden Magnetfeld umfassen. Das Verfahren 400 kann ohne die für konventionelle Verfahren üblicherweise notwendige Testhardware auskommen, die kostenintensiv und anfällig für Hardware-Defekte sein kann.
Folgender Abschnitt betrifft weitere Ausführungsbeispiele:
Das Beispiel (1) bezieht sich auf einen Hall-Sensor. Der Hall-Sensor umfasst ein erstes Hall-Element, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements eine Komponente eines Magnetfelds in einer ersten Richtung zu erfassen. Der Hall-Sensor umfasst ferner ein zweites Hall-Element, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements eine Komponente des Magnetfelds in einer zweiten Richtung zu erfassen. Der Hall-Sensor umfasst ferner eine Leiterbahn, die ausgebildet ist, ein Kalibriermagnetfeld zu erzeugen, wobei das Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung und an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der ersten Richtung aufweist.
Das Beispiel (2) bezieht sich auf Beispiel (1), wobei die erste Richtung zur zweiten Richtung orthogonal ist.
Das Beispiel (3) bezieht sich auf Beispiel (1) oder Beispiel (2), wobei das erste Hall-Element und/oder das zweite Hall-Element ein vertikales Hall-Element ist.
Das Beispiel (4) bezieht sich auf eines der vorhergehenden Beispiele, wobei der Hall-Sensor ferner mindestens ein weiteres erstes Hall-Element umfasst, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren ersten Hall-Elements eine Komponente des Magnetfelds in der ersten Richtung zu erfassen. Der Hall-Sensor umfasst dabei ferner mindestens ein weiteres zweites Hall-Element, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren zweiten Hall-Elements eine Komponente des Magnetfelds in der zweiten Richtung zu erfassen. Das Kalibriermagnetfeld weist dabei an der sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren ersten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung und an der sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren zweiten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der ersten Richtung auf.
Das Beispiel (5) bezieht sich auf eines der vorhergehenden Beispiele, wobei der Hall-Sensor ferner einen Scherspannungssensor umfasst, der ausgebildet ist, eine mechanische Scherspannung an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements und an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements zu erfassen.
Das Beispiel (6) bezieht sich auf eines der vorhergehenden Beispiele, wobei der Hall-Sensor ferner eine Kalibrierungsvorrichtung umfasst, die ausgebildet ist, einen Strom durch die Leiterbahn zu leiten, um das Kalibriermagnetfeld zu erzeugen. Die Kalibrierungsvorrichtung ist dabei ferner ausgebildet, eine erste Spannung am ersten Hall-Element zu erfassen und eine zweite Spannung am zweiten Hall-Element zu erfassen. Die erste Spannung und die zweite Spannung werden dabei durch das Kalibriermagnetfeld hervorgerufen. Die Kalibrierungsvorrichtung ist dabei ferner ausgebildet, einen Orientierungsfehler des Hall-Sensors basierend auf der erfassten ersten Spannung und der erfassten zweiten Spannung zu bestimmen.
Das Beispiel (7) bezieht sich auf Beispiel (6), wobei die Kalibrierungsvorrichtung ferner ausgebildet ist, einen ersten Strom durch die Leiterbahn zu leiten und die erste Spannung und die zweite Spannung zu erfassen, während der erste Strom durch die Leiterbahn geleitet wird. Die Kalibrierungsvorrichtung ist ferner ausgebildet, einen zweiten Strom durch die Leiterbahn zu leiten und die erste Spannung und die zweite Spannung zu erfassen, während der zweite Strom durch die Leiterbahn geleitet wird.
Das Beispiel (8) bezieht sich auf Beispiel (7), wobei ein Strombetrag des ersten Stroms einem Strombetrag des zweiten Stroms entspricht und eine Richtung des ersten Stroms entgegengesetzt zu einer Richtung des zweiten Stroms ist.
Das Beispiel (9) bezieht sich auf Beispiel (5) und auf eines der Beispiele (6) bis (8), wobei die Kalibrierungsvorrichtung ferner ausgebildet ist, den Orientierungsfehler basierend auf der erfassten mechanischen Scherspannung zu bestimmen.
Das Beispiel (10) bezieht sich auf eines der Beispiele (6) bis (9), wobei das Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der ersten Richtung und an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung aufweist. Die Kalibrierungsvorrichtung ist dabei ferner ausgebildet, eine magnetische Sensitivität des Hall-Sensors basierend auf der erfassten ersten Spannung und der erfassten zweiten Spannung zu bestimmen.
Das Beispiel (11) bezieht sich auf eines der Beispiele (6) bis (9), wobei der Hall-Sensor ferner eine zweite Leiterbahn umfasst. Die Kalibrierungsvorrichtung ist dabei ferner ausgebildet, einen Strom durch die zweite Leiterbahn zu leiten, um ein zweites Kalibriermagnetfeld zu erzeugen. Das zweite Kalibriermagnetfeld weist dabei an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der ersten Richtung und an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung auf. Die Kalibrierungsvorrichtung ist dabei ferner ausgebildet, eine magnetische Sensitivität des Hall-Sensors basierend auf einer durch das zweite Kalibriermagnetfeld hervorgerufenen Spannung am ersten Hall-Element und am zweiten Hall-Element zu bestimmen.
Das Beispiel (12) bezieht sich auf Beispiel (10) oder (11), wobei die Kalibrierungsvorrichtung ferner ausgebildet ist, den Orientierungsfehler basierend auf der bestimmten magnetischen Sensitivität zu bestimmen.
Das Beispiel (13) bezieht sich auf eines der vorhergehenden Beispiele, wobei die Leiterbahn entlang mindestens einer Metallisierungsebene des Hall-Sensors vertikal beabstandet zum ersten Hall-Element und zum zweiten Hall-Element verläuft.
Das Beispiel (14) bezieht sich auf Beispiel (13), wobei die Leiterbahn entlang der mindestens einen Metallisierungsebene in einem Winkel von 45° zum ersten Hall-Element und in einem Winkel von 45° zum zweiten Hall-Element verläuft.
Das Beispiel (15) bezieht sich auf Beispiel (13), wobei die Leiterbahn entlang der mindestens einen Metallisierungsebene in einem Winkel von 90° zum ersten Hall-Element und in einem Winkel von 90° zum zweiten Hall-Element verläuft.
Das Beispiel (16) bezieht sich auf eines der Beispiele (13) bis (15), wobei die Leiterbahn in mehreren Windungen entlang der mindestens einen Metallisierungsebene verläuft.
Das Beispiel (17) bezieht sich auf eines der vorhergehenden Beispiele, wobei die Leiterbahn zumindest teilweise symmetrisch gegenüber einem Symmetriepunkt einer Gruppe von Hall-Elementen des Hall-Sensors angeordnet ist. Die Gruppe von Hall-Elementen umfassen dabei das erste Hall-Element und das zweite Hall-Element.
Das Beispiel (18) bezieht sich auf eines der vorhergehenden Beispiele, wobei der Hall-Sensor ferner mehrere vertikal zueinander beabstandete Metallisierungsebenen unterschiedlicher Dicke umfasst. Dabei verläuft die Leiterbahn entlang einer der mehreren Metallisierungsebenen und die eine der mehreren Metallisierungsebenen weist eine höchste Dicke unter den mehreren Metallisierungsebenen auf.
Das Beispiel (19) bezieht sich auf eines der vorhergehenden Beispiele, wobei der Hall- ferner ausgebildet ist, anhand des Magnetfelds einen Winkel des Hall-Sensors zu einem das Magnetfeld hervorrufenden Objekt zu bestimmen.
Das Beispiel (20) bezieht sich auf ein Verfahren zur Kalibrierung eines Hall-Sensors, wobei der Hall-Sensor ein erstes Hall-Element, ein zweites Hall-Element und eine Leiterbahn umfasst. Das Verfahren umfasst ein Leiten eines Strom durch die Leiterbahn, um ein Kalibriermagnetfeld zu erzeugen, und ein Bestimmen eines Orientierungsfehlers des Hall-Sensors anhand des Kalibriermagnetfelds.
Das Beispiel (21) bezieht sich auf das Beispiel (20), wobei das Bestimmen des Orientierungsfehlers ferner ein Erfassen einer ersten Spannung am ersten Hall-Element und einer zweiten Spannung am zweiten Hall-Element umfasst. Dabei werden die erste Spannung und die zweite Spannung durch das Kalibriermagnetfeld hervorgerufen.
Das Beispiel (22) bezieht sich auf eine Kalibrierungsvorrichtung für einen Hall-Sensor, wobei der Hall-Sensor ein erstes Hall-Element, ein zweites Hall-Element und eine Leiterbahn umfasst. Die Kalibrierungsvorrichtung umfasst dabei eine elektronische Schaltung, die ausgebildet ist, einen Strom durch die Leiterbahn des Hall-Elements zu leiten, um ein Kalibriermagnetfeld zu erzeugen, und eine erste Spannung am ersten Hall-Element und eine zweite Spannung am zweiten Hall-Element basierend auf dem Kalibriermagnetfeld zu erfassen. Die elektronische Schaltung ist dabei ferner ausgebildet, einen Orientierungsfehler des Hall-Sensors basierend auf der erfassten ersten Spannung und der erfassten zweiten Spannung zu bestimmen.
Die Aspekte und Merkmale, die im Zusammenhang mit einem bestimmten der vorherigen Beispiele beschrieben sind, können auch mit einem oder mehreren der weiteren Beispiele kombiniert werden, um ein identisches oder ähnliches Merkmal dieses weiteren Beispiels zu ersetzen oder um das Merkmal in das weitere Beispiel zusätzlich einzuführen.
Beispiele können weiterhin ein (Computer-)Programm mit einem Programmcode zum Ausführen eines oder mehrerer der obigen Verfahren sein oder sich darauf beziehen, wenn das Programm auf einem Computer, einem Prozessor oder einer sonstigen programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird. Schritte, Operationen oder Prozesse von verschiedenen der oben beschriebenen Verfahren können also auch durch programmierte Computer, Prozessoren oder sonstige programmierbare Hardwarekomponenten ausgeführt werden. Beispiele können auch Programmspeichervorrichtungen, z.B. Digitaldatenspeichermedien, abdecken, die maschinen-, prozessor- oder computerlesbar sind und maschinenausführbare, prozessorausführbare oder computerausführbare Programme und Anweisungen codieren beziehungsweise enthalten. Die Programmspeichervorrichtungen können z.B. Digitalspeicher, magnetische Speichermedien wie beispielsweise Magnetplatten und Magnetbänder, Festplattenlaufwerke oder optisch lesbare Digitaldatenspeichermedien umfassen oder sein. Weitere Beispiele können auch Computer, Prozessoren, Steuereinheiten, feldprogrammierbare Logik-Arrays ((F)PLAs = (Field) Programmable Logic Arrays), feldprogrammierbare Gate-Arrays ((F)PGA = (Field) Programmable Gate Arrays), Grafikprozessoren (GPU = Graphics Processor Unit), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC = application-specific integrated circuit), integrierte Schaltungen (IC= Integrated Circuit) oder Ein-Chip-Systeme (SoC = System-on-a-Chip) abdecken, die zum Ausführen der Schritte der oben beschriebenen Verfahren programmiert sind.
Es versteht sich ferner, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte, Prozesse, Operationen oder Funktionen nicht als zwingend in der beschriebenen Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll, sofern dies nicht im Einzelfall explizit angegeben oder aus technischen Gründen zwingend erforderlich ist. Daher wird durch die vorhergehende Beschreibung die Durchführung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt. Ferner kann bei weiteren Beispielen ein einzelner Schritt, eine einzelne Funktion, ein einzelner Prozess oder eine einzelne Operation mehrere Teilschritte, -funktionen, -prozesse oder -operationen einschließen und/oder in dieselben aufgebrochen werden.
Wenn einige Aspekte in den vorhergehenden Abschnitten im Zusammenhang mit einer Vorrichtung oder einem System beschrieben wurden, sind diese Aspekte auch als eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens zu verstehen. Dabei kann beispielsweise ein Block, eine Vorrichtung oder ein funktionaler Aspekt der Vorrichtung oder des Systems einem Merkmal, etwa einem Verfahrensschritt, des entsprechenden Verfahrens entsprechen. Entsprechend dazu sind Aspekte, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben werden, auch als eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks, eines entsprechenden Elements, einer Eigenschaft oder eines funktionalen Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung oder eines entsprechenden Systems zu verstehen.
Die folgenden Ansprüche werden hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Ferner ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen bezieht - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hiermit explizit vorgeschlagen, sofern nicht im Einzelfall angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt als abhängig von diesem anderen unabhängigen Anspruch definiert ist.

Claims

Hall-Sensor (100), umfassend: ein erstes Hall-Element (111), das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements (111) eine Komponente eines Magnetfelds in einer ersten Richtung a zu erfassen; ein zweites Hall-Element, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements (112) eine Komponente des Magnetfelds in einer zweiten Richtung b zu erfassen; und eine Leiterbahn (120), die ausgebildet ist, ein Kalibriermagnetfeld zu erzeugen, wobei das Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements (111) eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung b aufweist, und wobei das Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements (112) eine signifikante Komponente in der ersten Richtung a aufweist.
Der Hall-Sensor (100) gemäß Anspruch 1, wobei die erste Richtung a zur zweiten Richtung b orthogonal ist.
Der Hall-Sensor (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Hall-Element (111) und/oder das zweite Hall-Element (112) ein vertikales Hall-Element ist.
Der Hall-Sensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: mindestens ein weiteres erstes Hall-Element, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren ersten Hall-Elements eine Komponente des Magnetfelds in der ersten Richtung a zu erfassen; und mindestens ein weiteres zweites Hall-Element, das ausgebildet ist, mittels einer sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren zweiten Hall-Elements eine Komponente des Magnetfelds in der zweiten Richtung b zu erfassen, wobei das Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren ersten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung b aufweist, und wobei das Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des mindestens einen weiteren zweiten Hall-Elements eine signifikante Komponente in der ersten Richtung a aufweist.
Der Hall-Sensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine Kalibrierungsvorrichtung, die ausgebildet ist: einen Strom durch die Leiterbahn (120) zu leiten, um das Kalibriermagnetfeld zu erzeugen; eine erste Spannung am ersten Hall-Element (111) zu erfassen; eine zweite Spannung am zweiten Hall-Element (112) zu erfassen, wobei die erste Spannung und die zweite Spannung durch das Kalibriermagnetfeld hervorgerufen werden; und einen Orientierungsfehler des Hall-Sensors (100) basierend auf der erfassten ersten Spannung und der erfassten zweiten Spannung zu bestimmen.
Der Hall-Sensor (100) gemäß Anspruch 5, wobei die Kalibrierungsvorrichtung ferner ausgebildet ist: einen ersten Strom durch die Leiterbahn (120) zu leiten; die erste Spannung und die zweite Spannung zu erfassen, während der erste Strom durch die Leiterbahn (120) geleitet wird; einen zweiten Strom durch die Leiterbahn (120) zu leiten; und die erste Spannung und die zweite Spannung zu erfassen, während der zweite Strom durch die Leiterbahn (120) geleitet wird.
Der Hall-Sensor (100) gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei das Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements (111) eine signifikante Komponente in der ersten Richtung a aufweist, wobei das Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements (112) eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung b aufweist, und wobei die Kalibrierungsvorrichtung ferner ausgebildet ist, eine magnetische Sensitivität des Hall-Sensors (100) basierend auf der erfassten ersten Spannung und der erfassten zweiten Spannung zu bestimmen.
Der Hall-Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, ferner umfassend: eine zweite Leiterbahn, wobei die Kalibrierungsvorrichtung ferner ausgebildet ist: einen Strom durch die zweite Leiterbahn zu leiten, um ein zweites Kalibriermagnetfeld zu erzeugen, wobei das zweite Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des ersten Hall-Elements (111) eine signifikante Komponente in der ersten Richtung a aufweist, und wobei das zweite Kalibriermagnetfeld an der sensitiven Fläche des zweiten Hall-Elements (112) eine signifikante Komponente in der zweiten Richtung b aufweist; und eine magnetische Sensitivität des Hall-Sensors (100) basierend auf einer durch das zweite Kalibriermagnetfeld hervorgerufenen Spannung am ersten Hall-Element (111) und am zweiten Hall-Element (112) zu bestimmen.
Der Hall-Sensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahn (120) entlang mindestens einer Metallisierungsebene des Hall-Sensors (100) in einem Winkel von 45° zum ersten Hall-Element (111) und in einem Winkel von 45° zum zweiten Hall-Element (112) verläuft.
Der Hall-Sensor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Leiterbahn (120) entlang mindestens einer Metallisierungsebene des Hall-Sensors (100) in einem Winkel von 90° zum ersten Hall-Element (111) und in einem Winkel von 90° zum zweiten Hall-Element (112) verläuft.
Der Hall-Sensor (100) gemäß einem Anspruch 9 oder 10, wobei die Leiterbahn (120) in mehreren Windungen entlang der mindestens einen Metallisierungsebene verläuft.
Der Hall-Sensor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahn (120) zumindest teilweise symmetrisch gegenüber einem Symmetriepunkt einer Gruppe von Hall-Elementen des Hall-Sensors (100) angeordnet ist, und wobei die Gruppe von Hall-Elementen das erste Hall-Element (111) und das zweite Hall-Element (112) umfasst.
Verfahren (400) zur Kalibrierung eines Hall-Sensors, wobei der Hall-Sensor ein erstes Hall-Element, ein zweites Hall-Element und eine Leiterbahn umfasst, umfassend: Leiten (410) eines Strom durch die Leiterbahn, um ein Kalibriermagnetfeld zu erzeugen; und Bestimmen (420) eines Orientierungsfehlers des Hall-Sensors anhand des Kalibriermagnetfelds.
Das Verfahren (400) gemäß Anspruch 13, wobei das Bestimmen (420) des Orientierungsfehlers ferner umfasst: Erfassen (430) einer ersten Spannung am ersten Hall-Element und einer zweiten Spannung am zweiten Hall-Element, wobei die erste Spannung und die zweite Spannung durch das Kalibriermagnetfeld hervorgerufen werden.
Kalibrierungsvorrichtung (340) für einen Hall-Sensor (300), wobei der Hall-Sensor (300) ein erstes Hall-Element (311), ein zweites Hall-Element (312) und eine Leiterbahn (320) umfasst, umfassend: eine elektronische Schaltung, die ausgebildet ist: einen Strom durch die Leiterbahn (320) des Hall-Elements (300) zu leiten, um ein Kalibriermagnetfeld zu erzeugen; eine erste Spannung am ersten Hall-Element (311) und eine zweite Spannung am zweiten Hall-Element (312) basierend auf dem Kalibriermagnetfeld zu erfassen; und einen Orientierungsfehler des Hall-Sensors (300) basierend auf der erfassten ersten Spannung und der erfassten zweiten Spannung zu bestimmen.