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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Hallsensoren zum Messen eines Magnetfeldes und insbesondere
auf kompensierte Hallsensoren.
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Standard-Hallsensoren, wie sie in
dem Fachbuch "Hall
Effect Sensors – Theory
and Application", Ed
Ramsden, Advanstar Communications Inc. Cleveland Ohio, 2001, ISBN
0-929870-58-1 beschrieben sind, verwenden wenigstens zwei Anschlüsse, zwischen
denen ein Strom durch die Hallplatte fließt, und wenigstens zwei weitere
Anschlüsse,
zwischen denen eine Spannung oder ein Strom als Meßgröße abgegriffen
werden kann. Diese Meßgröße wird
dann direkt in eine Auswerteschaltung eingespeist und zu einem Meßwert in
beliebiger Darstellung weiter verarbeitet.
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Wie es bekannt ist, findet in der
Hallplatte aufgrund der Lorentz-Kraft eine Ablenkung der den Betriebsstrom
bildenden Ladungsträger
senkrecht zur Richtung des Betriebsstroms statt, derart, daß die Ladungsträger zu den
bezüglich
der Betriebsstromzuführung
senkrechten Seiten der Hallplatte abgelenkt werden, wo sie eine
Hall-Spannung, oder, wenn ein Lastwiderstand verwendet wird, einen
Hallstrom bilden.
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Hall-Elemente werden insbesondere
für Automobilanwendungen
eingesetzt, um Drehzahlmessungen von rotierenden Teilen durchzuführen. Darüber hinaus
werden Hall-Elemente auch als analoge Multiplizierer oder aufgrund
ihrer guten Integrierbarkeit auch als berührungslose Strommesser in hochintegrierten
Schaltungen eingesetzt.
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Das Funktionsprinzip balancierter
bzw. kompensierter Sensorsystem beruht darauf, die durch den Sensor
zu messende Größe durch
eine elektrisch erzeugte Größe zu kompensieren.
Am Bei spiel des Hallsensors wird dem zu messenden Magnetfeld ein
mit einer Spule erzeugtes Magnetfeld überlagert, wobei die Größe des überlagerten
Magnetfelds so geregelt wird, daß sich beide Magnetfelder aufheben. Dieser
Zustand ist genau dann erreicht, wenn die Spannung oder der Strom
zwischen den Meßanschlüssen der
Hallplatte zu 0 wird. Der Strom zur Erzeugung des Kompensationsmagnetfelds
ist im ausbalancierten bzw. kompensierten Zustand proportional zur
Größe des zu
messenden Magnetfelds.
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Vorteilhaft an dem kompensierten
Funktionsprinzip ist die Tatsache, daß zur Weiterverarbeitung nicht
mehr unmittelbar das Meßsignal,
also eine Hall-Spannung oder ein Strom aufgrund der Hall-Spannung
genommen werden muß,
welcher gewissermaßen
von einer Quelle erzeugt wird, die sehr niederohmig ist, sondern
daß als
Meßsignal
der Strom durch eine Spule zur Erzeugung des Kompensations-Magnetfelds
genommen werden kann, der aus einer Quelle stammt, deren Impedanz
beliebig einstellbar ist. Weitere Vorteile des kompensierten Prinzips
bestehen darin, daß der
Sensor an sich immer in Bereichen kleiner Auslenkung bzw. kleinen Ausgangssignalen
betrieben wird. Typischerweise haben Sensoren in diesem Bereich
keine Sättigungseigenschaften
und gute Linearitätseigenschaften.
Iun anderen Worten ausgedrückt
ist damit auch die maximale Größe des zu
messenden Signals nicht durch den Sensor bestimmt, sondern durch
die maximale Größe des im
Falle des Hall-Sensors
anlegbaren Kompensationsmagnetfeld.
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Nachteilig an kompensierten Sensorsystemen
ist jedoch, daß abhängig von
der zu messenden Feldstärke
hohe Induktivitäten
oder hohe Kompensationsströme
durch die Spule erforderlich sein können, welche beide sowohl den
Anwendungsbereich als auch insbesondere die Integrierbarkeit solcher
Lösungen
einschränken.
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Darüber hinaus ist es bekannt,
Hallsensoren zu verwenden, bei denen die Konfiguration bzw. Funktionalität der Anschlüsse zur
Einspeisung des Stroms und zum Abgriff der Meßgröße im Betrieb verändert werden.
Diese Hallsensoren sind als gechoppte Hallsensoren oder Spinning-Current-Hallplates
bekannt. Im Spinning-Current-Betrieb werden zyklisch gegenüberliegende
Anschlüsse
zunächst zum
Anlegen eines Betriebsstroms und dann zum Auslesen der Hall-Spannung
verwendet, wobei die ausgelesenen Hall-Spannungen gemittelt werden, um
eine Offset-Kompensation zu erreichen. Solche Offsets entstehen
aus Nichtidealitäten
der Hallsensoren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, ein Hallsensorelement mit verbesserten Kompensationseigenschaften
zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Hallsensorelement
nach Patentanspruch 1 gelöst.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Erkenntnis zugrunde, daß eine
Beeinflussung der Hall-Spannung bei einem unveränderten zu messenden Magnetfeld
nicht nur durch ein Kompensationsmagnetfeld erreicht werden kann,
sondern durch Änderung am
Hallsensorelement selbst. Insbesondere wird erfindungsgemäß ein Winkel
zwischen einer Richtung des Betriebsstroms durch den Hall-Bereich
eines Hallsensorelements und einer direkten Verbindungslinie zwischen
den Abgriffpunkten für
die Hall-Spannung
variiert. Damit kann je nach Ausführungsform bei unverändert anliegendem
Magnetfeld die Meßgröße, also
die durch das Hallsensorelement erzeugte Hall-Spannung vergrößert oder
verkleinert werden, wobei der Winkel zwischen Betriebsstrom und der
direkten Verbindungslinie der Abgriffpunkte der Hall-Spannung ein Maß für die zu
messende Eingangsgröße, also
das anliegende Magnetfeld ist.
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Erfindungsgemäß wird somit der Winkel zwischen
der Richtung des Stroms durch die Hallplatte und der Verbindungslinie
zwischen den Abgriffen für die
Meßgröße verändert. Das
Balancieren der Hallplatte erfolgt, indem dieser Winkel durch eine Regelgröße so verändert wird,
daß die
Spannung zwischen den Abgriffen für die Meßgröße auf einen konstanten Wert,
der vorzugsweise 0 ist, geregelt wird. Der Winkel oder die Regelgröße stellen
somit ein Maß für die. Meßgröße und somit
den Meßausgang
des erfindungsgemäßen Hallsensorelements
dar.
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Das erfindungsgemäße Hallsensorelement umfaßt einen
Hall-Bereich, eine
erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Anschlußeinrichtung
zum Zuführen
eines Betriebsstroms bzw. zum Abgreifen einer durch ein externes
Magnetfeld bewirkten Hall-Spannung sowie eine Konfigurationseinrichtung zum
Konfigurieren zumindest einer der Anschlußeinrichtungen, um einen Winkel
zwischen einer Richtung des Betriebsstroms durch den Hall-Bereich
und einer direkten Verbindungslinie zwischen den Anschlußeinrichtungen
zum Abgreifen der Hall-Spannung zu variieren.
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Vorzugsweise geschieht diese Variation
zu Kompensationszwecken. Auf jeden Fall wird durch diese Variation
eine Änderung
einer erfaßten Hall-Spannung
bei gleichem angelegten Magnetfeld erreicht.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist die zumindest eine Anschlußeinrichtung,
auf die durch die Konfigurationseinrichtung eingewirkt wird, als
eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten und voneinander isolierten
Kontakten an einer Seite des Hall-Bereichs ausgebildet, wobei einer
der Kontakte je nach Anweisung durch die Konfigurationseinrichtung
vorzugsweise mittels eines Multiplexers auswählbar ist, um entweder die
Betriebsstromrichtung zu verändern, oder
die direkte Verbindungslinie zwischen den Hall-Spannungsabgriffpunkten
zu verändern
oder sowohl die Betriebsstromrichtung als auch die direkte Verbindungslinie
zu verändern,
wobei alle drei Alternativen dazu führen, daß der Winkel zwischen der Betriebsstromrichtung
und der direkten Verbindungslinie der Spannungs-Abgriffpunkte variiert
wird.
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Im Falle der integrierten Ausführung des Hallsensorelements
sind die voneinander isolierten Kontakte entlang einer Seite des
Hall-Bereichs einfach und genau durch bekannte Siliziumtechniken strukturierbar.
Dasselbe trifft für
die Ausführung
des Hall-Bereichs selbst zu, der typischerweise durch entsprechende
Dotierung hergestellt wird. Darüber hinaus
ist die Multiplexer-Funktionalität
ebenfalls günstig
und beherrschbar beispielsweise durch CMOS-Techniken realisierbar,
um je nach Anweisung durch die Konfigurationseinrichtung einen der voneinander
isolierten Kontakte einer Anschlußeinrichtung mit dem äußeren Betriebsstromanschluß oder Spannungsabnahmeanschluß zu verbinden.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden
Zeichnungen detailliert erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Hallsensorelements mit
konfigurierbaren ersten und zweiten Anschlußeinrichtungen A1,
A2, die zum Zu- bzw. Abführen des Betriebsstroms IB verwendbar sind;
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2 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Hallsensorelements mit
einer konfigurierbaren dritten und vierten Anschlußeinrichtung zum Ändern der
direkten Verbindungslinie zwischen den Spannungsabgriffpunkten,
während
die Betriebsstromzuführung
nicht-variabel ist;
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3 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hallsensorelements mit
kreisförmigem
Hall-Bereich, schematisch
dargestellten Ersatzschaltungswiderständen und einer kreuzförmigen Struktur
zur Darstellung der Leitungen des Ersatzschaltbildes;
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4 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Hallsensorelements von 3 mit Kompensationsregelung;
und
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5 eine
Ersatzschaltung des Hall-Bereichs als Widerstands-Brücke mit
magnetfeldabhängigen
Widerständen
zur Erläuterung
des Funktionsprinzips.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Hallsensorelement
mit einem Hall-Bereich 10, der beispielsweise ein entsprechend
dotierter Bereich in einem Halbleitersubstrat sein kann. Der Hall-Bereich 10 umfaßt bei dem
in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel vier
Seiten 10a, 10b, 10c und 10d.
Es sei darauf hingewiesen, daß der
Hall-Bereich nicht unbedingt quadratisch sein muß. Derselbe ist insbesondere
bei Spinning-Current-Hallelementen
meist rautenförmig oder
achteckig. Auch andere polygonale Hall-Bereiche sind möglich. Aus Übersichtlichkeitsgründen wird jedoch
nachfolgend Bezug nehmend auf die 1 und 2 ein quadratischer Hall-Bereich
zugrunde gelegt.
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Jeder Seite 10a bis 10d des
Hall-Bereichs ist eine eigene Anschlußeinrichtung zugeordnet. Insbesondere
ist der ersten Seite 10a des Hall-Bereichs eine erste Anschlußeinrichtung 12a zugeordnet.
Der zweiten Seite 10b des Hall-Bereichs ist eine zweite Anschlußeinrichtung 12b zugeordnet.
Der dritten Seite 10c des Hall-Bereichs ist eine dritte
Anschlußeinrichtung 12c zugeordnet,
während
der vierten Seite 10d eine vierte Anschlußeinrichtung 12d zugeordnet
ist.
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Die erste und die zweite Anschlußeinrichtung
A1, A2 (12a, 12b)
dienen zum Zuführen
bzw. Abführen
eines Betriebsstroms IB, der beispielsweise durch
Anlegen einer Betriebsspannung UB an die
Anschlüsse
A1, A2 erzeugt wird.
Die dritte und die vierte Anschlußeinrichtung 12c, 12d bzw.
A3, A4 dienen zum
Abgreifen einer durch ein externes Magnetfeld bewirkten Hall-Spannung.
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Das erfindungsgemäße Hallsensorelement umfaßt ferner
eine Konfigurationseinrichtung 14 zum Konfigurieren zumindest
einer der ersten, zweiten, dritten und vierten Anschlußeinrichtung 12a, 12b, 12c und 12d,
um einen Winkel α zwischen
einer Richtung des Betriebsstroms IB, die
durch einen Pfeil 16 in 1 dargestellt
ist, und einer direkten Verbindungslinie 18 zwischen der
dritten und der vierten Anschlußeinrichtung
zum Abgreifen der Hall-Spannung zu variieren.
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Hierzu ist erfindungsgemäß zumindest
eine Anschlußeinrichtung
der zumindest vier vorhandenen Anschlußeinrichtungen konfigurierbar
ausgeführt.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist nicht nur
eine Anschlußeinrichtung
konfigurierbar ausgeführt,
sondern sind zwei gegenüberliegende
Anschlußeinrichtungen
konfigurierbar ausgeführt,
um größere Winkeländerungen
zu erreichen, und die Anordnung symmetrisch auszuführen, was insbesondere
für Spinning
Current oder gechoppte Hallsensoren von Vorteil ist. Insbesondere
sind die Anschlußeinrichtungen 12a, 12b konfigurierbar
ausgeführt.
Bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfaßt
die erste Anschlußeinrichtung 12a ebenso
wie die zweite Anschlußeinrichtung 12b eine
Mehrzahl von voneinander isolierten Kontakten 20a, 20b, 20c, 20d,
..., zwischen denen mittels eines Multiplexers, der Teil der ersten
Anschlußeinrichtung 12a ist,
abhängig
von einem über
einen Steuereingang 21 zugeführten Steuersignal umgeschaltet
werden kann, um einen externen Anschluß 24 mit dem gewissermaßen internen
Anschluß (z.
B. 20d) zu verbinden.
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Wie es in 1 gezeigt ist, umfaßt ferner die zweite Anschlußeinrichtung 12b zum
Abführen
des Betriebsstroms aus dem Hall-Bereich ebenfalls voneinander isolierte
interne Anschlüsse 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f,
... Je nach Steuersignal an einem Steuereingang 24 für den der
zweiten Anschlußeinrichtung 12b zugeordneten
Multiplexer ist der Multiplexer wirksam, um den externen Anschluß A2 zum Abführen
des Betriebsstroms mit einem der internen Anschlüsse 22a bis 22f,
wie z. B. dem internen Anschluß 22f,
zu verbinden.
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Bei dem in 1 gezeigten Fall, bei dem die externen
Anschlüsse
A1, A2 mit den internen
Anschlüssen 20d und 22f verbunden
sind, ist die Betriebsstromrichtung entlang dem Pfeil 16 gerichtet und
damit nicht mehr parallel zu den Seitenflächen des Hall-Bereichs oder
senkrecht zu der Verbindungslinie 18 zwischen den Kontakten
zum Abgreifen der Hall-Spannung.
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Aus 1 ist
ersichtlich, daß ein
Winkel α ≠ 90°, also entweder
größer oder
kleiner als 90° dadurch
erreicht werden kann, daß lediglich
eine Umkonfiguration der ersten Anschlußeinrichtung 12a durchgeführt wird,
daß lediglich
eine Umkonfiguration in der zweiten Anschlußeinrichtung 12b vorgenommen
wird, oder daß sowohl
die erste als auch die zweite Umschalteinrichtung 12a, 12b umkonfiguriert werden
können.
Im letzteren Fall sind größere Winkel α möglich, um,
wie später
ausgeführt
werden wird, größere Magnetfelder
kompensieren zu können.
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Zum Kompensieren kleinerer Magnetfelder ist
es jedoch ausreichend, daß wenigstens
eine Anschlußeinrichtung
konfigurierbar ist, da dann bereits eine Veränderung des Winkels α gegenüber dem Normalzustand
von 90° erreichbar
ist.
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Bei dem in 1 gezeigten Hallsensorelement sind die
dritte und die vierte Anschlußeinrichtung 12c, 12d nicht
konfigurierbar ausführt,
sondern als feste Kontakte, die sich bei dem in 1 gezeigten quadratischen Hall-Bereich
nicht über
die gesamten Seiten 10c, 10d erstrecken sollten,
um einen Kurzschluß mit
den außen
an den Seiten angeordneten einzelnen Anschlüssen der ersten und zweiten Anschlußeinrichtung
zu vermeiden. Ist der Hall-Bereich dagegen achteckig ausgeführt, so
können
sich die Anschlüsse 12c, 12d ohne
weiteres über
die gesamten entsprechenden Seiten erstrecken. Eine solche acht eckige
Form ist für
die gechoppte oder Spinning-Current-Ausführungsform
gut geeignet.
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2 zeigt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem die Anschlußeinrichtungen 12a, 12b zum
Zu- bzw. Abführen
des Betriebsstroms IB nicht-konfigurierbar ausgeführt sind,
während
die Anschlußeinrichtungen 12c, 12d konfigurierbar
ausgeführt
sind. Insbesondere umfaßt
die dritte Anschlußeinrichtung 12c einzelne voneinander
isolierte Anschlüsse 30a, 30b, 30c, 30d, 30e,
..., und umfaßt
die vierte Anschlußeinrichtung 12d ebenfalls
voneinander isolierte Kontakte 32a, 32b, 32c, 32d,
.... in Analogie zu dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
umfassen sowohl die dritte Anschlußeinrichtung 12c als
auch die vierte Anschlußeinrichtung 12d einen
Multiplexer, der über Steuerleitungen 34 bzw. 36 von
der Konfigurationseinrichtung 14 steuerbar ist. Die Konfigurationseinrichtung 14 erhält als Eingangsgröße ebenso wie
bei dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel die
Vorspannung UH, die zwischen der dritten
und der vierten Anschlußeinrichtung
anliegt und an den äußeren Kontakten
A3 und A4 abgreifbar
ist. Durch Steuern der Multiplexer der dritten und vierten Anschlußeinrichtung 12c, 12d wird
die direkte Verbindungslinie zwischen den internen Anschlüssen beispielsweise 30e und 32c der
dritten und vierten Verbindungseinrichtung verändert, was unmittelbar in einer Änderung
des Winkels α resultiert.
Wird, wie bei dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel,
bei gleichem angelegten Magnetfeld B die Verbindungslinie 18 bezüglich der
Betriebsstromrichtung 16 verändert, so resultiert dies in
einer Änderung
der zwischen der dritten und vierten Anschlußeinrichtung abgegriffenen
Hall-Spannung.
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Es sei darauf hingewiesen, daß je nach
Ausführungsform
auch alle vier Anschlußeinrichtungen 12a, 12b, 12c, 12d konfigurierbar
ausgeführt
werden können,
um den Winkel zwischen der Betriebsstromrichtung 16 und
der Verbindungslinie 18 der Abgreifpunkte für die Hall-Spannung
zu verändern.
Dies ist ins besondere für
den Einsatz als Spinning-Current- oder gechoppter Hallsensor wichtig,
da diese eine punktsymmetrische Ausführung der Hallplatte benötigen. Somit
ergeben sich verschiedene Ausführungsformen,
die zumindest eine konfigurierbare Anschlußeinrichtung aufweisen. Sind,
wie in den 1 und 2 der Fall an zwei gegenüberliegenden
Seiten Anschlußeinrichtungen
vorgesehen, so wird es bevorzugt, daß die Konfigurationseinrichtung 14 die beiden
konfigurierbaren Anschlußeinrichtungen
derart steuert, daß,
wenn eine Anschlußeinrichtung
einen internen Anschluß in
einer Hälfte
der Seite des Hall-Bereichs auswählt,
wie z. B. 30e, dann die andere Anschlußeinrichtung einen internen
Anschluß in der
anderen Hälfte
der gegenüberliegenden
Seite auswählt,
wie z. B. 32c. Damit können
relativ große Winkelschritte
erreicht werden. Kleinere Winkelschritte können erreicht werden, wenn
lediglich eine Umkonfiguration einer Anschlußeinrichtung vorgenommen wird
und keine Umkonfiguration in der anderen Anschlußeinrichtung vorgenommen wird,
obgleich dieselbe konfigurierbar ist. Im Falle von 2 würde
dies bedeuten, daß der
Multiplexer der vierten Anschlußeinrichtung 12d z.
B. immer den internen Anschluß 32d mit
dem äußeren Anschluß A4 verbindet, während der Multiplexer der dritten
Anschlußeinrichtung 12c zwischen
den internen Anschlüssen 30a, 30b, 30c, 30d, 30e,
... je nach Bedarf schaltet.
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Alternativ zu dem in 1 und 2 gezeigten
Multiplexer-Ausführungsbeispiel
kann auch eine Anordnung verwendet werden, bei der auf zumindest einer
Seite des Hall-Bereichs z. B. zwei voneinander isolierte und beabstandete
Kontakte (z. B. 22a und 22h in 1) zum Hall-Bereich vorhanden sind. Jeder
Kontakt ist mit einer steuerbaren Stromquelle verbunden. Durch Überlagerung
der Ströme
aus beiden Quellen kann dann die Stromrichtung geändert werden.
Hierbei wird es bevorzugt, die Stromquellen antisymmetrisch zu variieren.
Dies bedeutet, daß der Strom
einer Stromquelle erhöht
wird, wenn der Strom der anderen Stromquelle erniedrigt wird und
umgekehrt.
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Wird beispielsweise die linke Stromquelle auf
Null gesteuert, so wird die Stromrichtung allein durch die Lage
des Anschlusses für
die rechte Stromquelle bestimmt. Wird dann die linke Stromquelle mehr
aufgesteuert, so wird die Gesamt-Stromrichtung
immer mehr in Richtung des Anschlusses der linken Stromquelle verändert, um
dann, wenn die rechte Stromquelle auf Null gesteuert ist und die
linke Stromquelle allein arbeite, allein durch die Lage des Anschlusses
der linken Stromquelle bestimmt zu sein.
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Die Stromquellen sind bevorzugt als
Transistor-Differenzstufe oder als sogenannter "Differential-Current-Steering"-DAW ausgeführt, der
z. B. Bestandteil eines SAR-ADW sein kann.
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Weiterhin kann auch noch eine dritte
Stromquelle z. B. in der Mitte zwischen den beiden gesteuerten Quellen
vorgesehen sein, die bevorzugt einen festen Strom einprägt, um damit
besonders kleine Winkeländerungen
realisieren zu können.
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Im nachfolgenden wird anhand von 3 das Prinzip des erfindungsgemäßen Hallelements noch
einmal dargestellt. Das Hallelement umfaßt bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel einen schematisch
dreidimensional als kreisförmige
Scheibe dargestellten Hall-Bereich 10. Es sei darauf hingewiesen,
daß die
runde Darstellung lediglich beispielhaft gewählt ist, um die erfindungsgemäße Winkeländerung
einfach darstellen zu können.
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Zwischen den Anschlüssen A1 und A2 wird der
Hall-Bereich 10 von dem Strom IB durchflossen, und
es wird ein Magnetfeld B in Richtung der Flächen normal in der Ebene, in
der sich der Hall-Bereich befindet, wie es in 3 dargestellt ist. Als Folge dessen wirkt
eine Kraft auf die bewegten Ladungsträger, die orthogonal zu der
durch den Richtungsvektor des Stroms und den Magnetfeldvektor aufgespannten Ebene
gerichtet ist.
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Als Wirkung dieser Kraft wird zwischen
den Anschlüssen
A3 und A4 des Hall-Elements
eine Spannung oder ein Strom gemessen.
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Jeder Verbindung zwischen den einzelnen Anschlüssen des
Hall-Sensors kann
ein Widerstand 40 zugewiesen werden, der vom Widerstandsbelag und
der Geometrie des Hall-Bereichs abhängig ist. Vereinfacht ist dieses
verteilte Widerstandsnetzwerk als Meßbrücke aus vier konzentrierten
Widerständen dargestellt,
wie es in 5 skizziert
ist. Zur Erläuterung
der Funktionsweise wird die Wirkung des Magnetfeldes B als Verstimmung
der resistiven Meßbrücke dargestellt,
wie es in dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten Fachbuch ausgeführt ist.
Jeweils zwei sich gegenüberliegende
Widerstände
verändern
sich als Funktion der Magnetfeldstärke. So verändern sich beispielsweise die
Widerstände
R2 und R3 dahingehend,
daß sie
größer werden,
während
die Widerstände
R1 und R4 dann kleiner
werden oder umgekehrt. Erfindungsgemäß wird nunmehr die Lage der
Anschlüsse
zueinander so verändert,
daß der
Winkel a verändert
wird. Wenn eine Änderung dieses
Winkels α zwischen
den Verbindungslinien der stromführenden
Anschlüsse
(A1, A2) und der Meßanschlüsse (A3, A4) durchgeführt wird,
so erfolgt eine Widerstandsänderung
ebenfalls, wie es vorstehend auch im Zusammenhang mit der Modellierung des
Magnetfeldeinflusses ausgeführt
worden ist, derart, daß sich
zwei gegenüberliegende
Widerstände (R2, R3 bzw. R1 und R4) als Funktion
des Winkels vergrößern, während die
beiden anderen sich verkleinern. Erfindungsgemäß wird diese Wirkungsweise der
Winkel-gesteuerten
Brückenverstimmung
ausgenutzt, um die Brückenverstimmung
durch das Magnetfeld B, das die zu messende bzw. zu kompensierende
Größe ist,
zu kompensieren.
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Die in 5 dargelegte
Spannungsgleichung für
die Brückenschaltung
wird dann zu 0, wenn das Produkt der Widerstände R2 und
R3 gleich dem Produkt der Widerstände R1 und R4 ist. In
diesem Fall ist eine Brückenverstimmung
aufgrund des zu erfassenden Magnetfelds B durch eine Winkeländerung kompensiert,
und der Grad der Winkeländerung
bzw. der aktuell ein gestellte Winkel α liefert einen Hinweis auf das
gerade anliegende Magnetfeld B. Die erfindungsgemäße Hallplatte
ist dahingehend vorteilhaft, daß sich
die Winkeländerung
beispielsweise, wie es anhand der 1 und 2 erläutert worden ist, durch das
Vorsehen mehrerer schaltbarer Abgriffe (20a bis 20c, 22a bis 22e, 30a bis 30e und 32a bis 32d)
ohne weiteres realisieren läßt. Alternative
Möglichkeiten zum Ändern des
Winkels als die Multiplexer-Anschluß-Konfiguration der 1 und 2 sind für Fachleute offensichtlich.
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Das Balancieren des Hall-Elements
erfolgt durch die Änderung
einer geometrischen Größe in der
Ebene des Hall-Elements und ist daher insbesondere in integrierter
Siliziumtechnologie mit hoher Genauigkeit realisierbar. Insbesondere
können
die inneren Anschlüsse
räumlich
sehr genau durch Dotierung und entsprechende Metallisierung in einem
hochohmigen Substrat, das den Hall-Bereich ebenfalls umfaßt, genau
und reproduzierbar hergestellt werden.
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Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Konzept
dahingehend vorteilhaft, daß zum
Balancieren der Hallplatte keine zusätzliche elektrische Größe benötigt wird.
Daher wird der Leistungsverbrauch der Anordnung nicht erhöht, wie
es jedoch bei einer magnetischen Kompensation der Fall ist.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung besteht darin, daß keine
zusätzliche
elektrische Quelle benötigt
wird, und daher auch kein Rauschen dieser zusätzlichen elektrischen Quelle
im Gegensatz zur Kompensation mit einem zusätzlichen Magnetfeld die Meßempfindlichkeit
beeinträchtigt.
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Die Spannungen, die durch die Magnetfeldabhängigkeit
des Hallsensors und die Brückenverstimmung
durch die Winkeländerung
hervorgerufen werden, beinhalten mehrere gleiche Proportionalitätsfaktoren.
V
Hall ist die Spannung aufgrund einer Brückenverstimmung
durch ein anliegendes Magnetfeld und gehorcht folgender Gesetzmäßigkeit:
Dem
gegenüber
gehorcht die Spannung aufgrund der Brückenverstimmung, wenn der Winkel
zwischen der Betriebsstromrichtung und der dritten und vierten Anschlußeinrichtung
zum Abgreifen der Hallspannung verändert wird, folgender Gesetzmäßigkeit:
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In den Gleichungen 1 und 2 bedeuten
die einzelnen Variablen folgendes:
I: Anregungsstrom
B:
Magnetische Feldstärke
q:
Elementarladung
n: Dotierstoffkonzentration eine Siliziumhallplatte
d:
Dicke der Hallplatte
f(α)
Funktion des veränderlichen
Winkels die von der Geometrie der Hallplatte abhängt
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Durch die Regelung beider Spannungen
auf den gleichen Betrag bei unterschiedlichem Vorzeichen werden
I, q, n und d herausgekürzt.
Der verbleibende winkelabhängige
geometrische Faktor f(α)
ist aufgrund der hohen erreichbaren lithographischen Genauigkeit
in integrierten Technologien genau einstellbar. Die Elementarladung
q ist eine physikalische Konstante. Es verbleibt also als letzter,
Fertigungsstreuungen unterworfener und temperaturabhängiger Faktor
die Ladungsträgerbeweglichkeit μ. Insbesondere
das Herauskürzen
der Stromstärke
I hat den wesentlichen Vorteil, daß eine von Rauschen aus der erzeugenden
Schaltung behaftete Größe, nämlich der
Strom, eliminiert wird.
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Im nachfolgenden wird anhand von 4 ein Hallsensorelement
mit entsprechender Beschaltung dargestellt. Das Hallsensorelement
umfaßt
die in den 1 und 2 gezeigte Anordnung, die
in 4 mit 40 bezeichnet
ist. Das Ausgangssignal, d. h. der Meßwert, der von den Anschlüssen A3 und A4 abgenommen
wird, wird in einem A/D-Wandler 42 analog/digital-gewandelt und
einem Summierer 44 zugeführt, der an seinem anderen
Eingang einen vorbestimmten Sollwert 46, der beispielsweise
0 oder ein anderer konstanter Wert sein wird, empfängt. Die
Differenz zwischen dem Sollwert und dem Meßwert wird einem Regler 48 zugeführt, der
abhängig
von der Differenz ein Ausgangssignal a erzeugt, das den Winkel α bestimmt,
das also eine der Anschlußeinrichtungen
entsprechend konfiguriert, derart, daß die Differenz am Ausgang
des Summierers 44 gleich 0 wird. Wenn sich die Regelschleife,
die in 4 gezeigt ist,
eingeschwungen hat, so wird der Ausgangswert a proportional zum
anlegenden Magnetfeld B sein und kann ausgegeben werden.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung ist das Hall-Sensorelement ferner für einen
Spinning-Current-Betrieb ausgebildet, wobei jedoch in jedem Spinning-Current-Zyklus
derselbe Winkel α eingestellt
wird. Je nach Spinning-Current-Zyklen, also entweder 90°-Weiterschaltung oder
180°-Weiterschaltung
ist es erforderlich, daß zumindest
zwei oder alle vier Anschlußeinrichtungen
konfigurierbar ausgeführt
sind. Eine solche Anordnung ergibt sich unmittelbar durch Kombination der 1 und 2. Die Anschlußeinrichtungen verändern somit
durch ein Choppen oder Drehen ihre Funktion als Kontakte zur Stimulation
des Stromflusses und als Meßkontakte
zyklisch in zwei oder mehreren Phasen.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen,
daß sich
das Winkelsignal a vorzugsweise symmetrisch um seine Ruhelage von
90° ändern wird.
Ein solcher Bereich erstreckt sich zwischen 80° und 100°. Sehr große Aussteuerungen zwischen
0° und 180° oder bei
nur einer Magnetfeldrichtung 0° bis
90° sind
aufgrund der typischerweise eher kleinen Hallspannungen eher unwahrscheinlich.
Hierin liegt aber wiederum ein großer Vorteil der integrierten
Ausführung,
da sich aufgrund der präzise
einstellbaren Abstände
der einzelnen Anschlüsse
ein hoher Wandlungsfaktor präzise
einstellen läßt.
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Insbesondere wird es bevorzugt, den
Analog/Digital-Wandler von 4 zusammen
mit den Umschalteinrichtungen, um die Winkelumschaltung, die durch
das Signal a von 4 als
zwischen 0 und 90° verlaufend
dargestellt ist, zu realisieren sowie den Hall-Bereich auf einem
Substrat als integrierte Schaltung auszuführen. Besonders gut eignen
sich Sigma-Delta-Wandler
und SAR-Wandler, da beide Wandlertypen von einer Regelschleife Gebrauch
machen, die bewerkstelligt, daß ein
Eingangswert durch einen gesteuerten Referenzwert, der dem Eingangswert überlagert
wird, zu Null kompensiert wird. Eine solche Regelschleife eignet
sich besonders für
die in 4 dargestellte
Anordnung.
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- 10
- Hall-Bereich
- 10a
- erste
Seite des Hall-Bereichs
- 10b
- zweite
Seite des Hall-Bereichs
- 10c
- dritte
Seite des Hall-Bereichs
- 10d
- vierte
Seite des Hall-Bereichs
- 12a
- erste
Anschlußeinrichtung
- 12b
- zweite
Anschlußeinrichtung
- 12c
- dritte
Anschlußeinrichtung
- 12d
- vierte
Anschlußeinrichtung
- 14
- Konfigurationseinrichtung
- 16
- Betriebsstromrichtung
- 18
- Direkte
Verbindungslinie
- 20a
bis 20d
- isolierte
Anschlüsse
der ersten Anschlußeinrichtung
- 21
- Steuerleitung
für die
erste Anschlußeinrichtung
- 22a
bis 22f
- isolierte
Anschlüsse
der zweiten Anschlußeinrichtung
- 23
- Steuerleitung
für die
zweite Anschlußeinrichtung
- 30a
bis 30e
- isolierte
Anschlüsse
der dritten Anschlußeinrichtung
- 32a
bis 32d
- isolierte
Anschlüsse
der vierten Anschlußeinrichtung
- 34
- Steuerleitung
für die
dritte Anschlußeinrichtung
- 36
- Steuerleitung
für die
vierte Anschlußeinrichtung
- 40
- magnetfeld-
und Winkel-abhängige Widerstände
- 42
- A/D-Wandler
- 44
- Summierer
- 46
- Sollwertgeber
- 48
- Regler