DE10228805B4

DE10228805B4 - Hallsensorelement

Info

Publication number: DE10228805B4
Application number: DE10228805A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dipl.-Ing. Dr. Hammerschmidt
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: DE10228805A1

Abstract

Hallsensorelement mit folgenden Merkmalen:
einem Hall-Bereich (10)
einer ersten Anschlußeinrichtung (12a) zum Zuführen eines Betriebsstroms zu dem Hall-Bereich (10);
einer zweiten Anschlußeinrichtung (12b) zum Abführen des Betriebsstroms aus dem Hall-Bereich (10);
einer dritten Anschlußeinrichtung (12c) und einer vierten Anschlußeinrichtung (12d) zum Abgreifen einer durch ein externes Magnetfeld bewirkten Hall-Spannung zwischen zwei Spannungs-Abgriffpunkten;
wobei zumindest eine Anschlußeinrichtung der ersten Anschlußeinrichtung, der zweiten Anschlußeinrichtung, der dritten Anschlußeinrichtung und der vierten Anschlußeinrichtung konfigurierbar ausgeführt ist, indem als Anschluß einer von mehreren Kontakten ausgewählt werden kann; und
einer Konfigurationseinrichtung (14) zum Konfigurieren der zumindest einen konfigurierbaren Anschlußeinrichtung, mit der ein Winkel (α) zwischen der Richtung zwischen den zwei Anschlüssen des Betriebsstroms (16) und einer direkten Verbindungslinie (18) zwischen den zwei Spannungs-Abgriffpunkten (12c, 12d) variiert werden kann;
einer Einrichtung (42) zum Erfassen der Hall-Spannung;
einem Vergleicher (44) zum Vergleichen der erfassten Hall-Spannung mit einem Sollwert (46);...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hallsensoren zum Messen eines Magnetfeldes und insbesondere auf kompensierte Hallsensoren.
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.
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.
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.
Das Funktionsprinzip balancierter bzw. kompensierter Sensorsysteme 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.
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. In 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 Kompensationsmagnetfeldes.
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.
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.
Das US-Patent Nr. 3,825,777 offenbart einen Chip 23 mit zwei gegenüberliegenden länglichen Versorgungsstromanschlüssen und zwei angeordneten Elektroden zum Erfassen einer Hall-Spannung, wenn auf den Chip ein Magnetfeld wirkt. Ferner sind zusätzliche Hilfselektroden vorgesehen, um einen weiteren Strom in den Chip einzuprägen. Die Hall-Elektroden sind mit dem Eingang eines Differenzverstärkers verbunden, während der Ausgang des Differenzverstärkers mit einem Schaltverstärker verbunden ist, und ferner mit der Anode einer Diode gekoppelt ist. Die Kathode der Diode ist mit dem Steueranschluss eines NPN-Transistors verbunden. Damit ist die Schaltung in der Lage, langsame Änderungen aufgrund einer Drift zu kompensieren, also eine Offset-Spannungs-Kompensation durchzuführen. Schnelle Änderungen in der Magnetfeldstärke resultieren jedoch in einem Triggern des Schaltverstärkers Spalte 11, Zeile 46.
Die japanische Patentanmeldung 2000035469 A offenbart einen Halbleiter-Hall-Sensor, der eine reduzierte Offset-Spannung hat, wenn kein magnetisches Feld an denselben angelegt wird. Ein Halbleitersubstrat umfasst mehrere Eingangsspannungs-Kontaktschichten und mehrere Eingangsspannungs-Elektroden. Ferner sind sechs Spannungserfassungskontaktschichten auf beiden Seiten im Hinblick auf die Breite vorgesehen, oder drei Schichten pro Seite der aktiven Schicht. Darüber hinaus sind Spannungserfassungselektroden auf den entsprechenden Schichten vorgesehen. Wenn kein magnetisches Feld anliegt, wird eine Ausgangsspannung zwischen einem Paar von Elektroden gemessen, während die Kombination der Spannungserfassungselektroden verändert wird. Die tatsächliche Messung wird dann durchgeführt, und zwar mit der Kombination der Spannungserfassungselektroden, die die Offset-Spannung minimiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Hallsensorelement mit verbesserten Kompensationseigenschaften zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Hallsensorelement nach Patentanspruch 1 gelöst.
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.
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.
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.
Vorzugsweise geschieht diese Variation zu Kompensationszwecken. Auf jeden Fall wird durch diese Variation eine Änderung einer erfaßten Hall-Spannung bei gleichem angelegten Magnetfeld erreicht.
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.
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.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Hallsensorelements mit konfigurierbaren ersten und zweiten Anschlußeinrichtungen A1, A2, die zum Zu- bzw. Abführen des Betriebsstroms I_B verwendbar sind;
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;
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hallsensorelements mit kreisförmigem Hall-Bereich, schematisch dargestellten Ersatzschaltungswiderständen und einer kreuzförmigen Struktur zur Darstellung der Leitungen des Ersatzschaltbildes;
4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Hallsensorelements von 3 mit Kompensationsregelung; und
5 eine Ersatzschaltung des Hall-Bereichs als Widerstands-Brücke mit magnetfeldabhängigen Widerständen zur Erläuterung des Funktionsprinzips.
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.
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.
Die erste und die zweite Anschlußeinrichtung A₁, A₂ (12a, 12b) dienen zum Zuführen bzw. Abführen eines Betriebsstroms I_B, der beispielsweise durch Anlegen einer Betriebsspannung U_B 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.
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.
Hierzu ist erfindungsgemäß zumindest eine Anschlußeinrichtung der zumindest vier vorhandenen Anschlußeinrichtungen konfigurierbar ausgeführt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Stromquellen sind bevorzugt als Transistor-Differenzstufe oder als sogenannter „Differential-Current-Steering"-DAW ausgeführt, der z. B. Bestandteil eines SAR-ADW sein kann.
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.
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.
Zwischen den Anschlüssen A₁ und A₂ wird der Hall-Bereich 10 von dem Strom I_B 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.
Als Wirkung dieser Kraft wird zwischen den Anschlüssen A₃ und A₄ des Hall-Elements eine Spannung oder ein Strom gemessen.
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 α 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 Winkelgesteuerten Brückenverstimmung ausgenutzt, um die Brückenverstimmung durch das Magnetfeld B, das die zu messende bzw. zu kompensierende Größe ist, zu kompensieren.
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.
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.
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.
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.
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:
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

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.
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.
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.
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.
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 Eigangswert durch einen gesteuerten Referenzwert, der dem Einganagswert überlagert wird, zu Null kompensiert wird. Eine solche Regelschleife eignet sich besonders für die in 4 dargestellte Anordnung.

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
20abis 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

Claims

Hallsensorelement mit folgenden Merkmalen: einem Hall-Bereich (10) einer ersten Anschlußeinrichtung (12a) zum Zuführen eines Betriebsstroms zu dem Hall-Bereich (10); einer zweiten Anschlußeinrichtung (12b) zum Abführen des Betriebsstroms aus dem Hall-Bereich (10); einer dritten Anschlußeinrichtung (12c) und einer vierten Anschlußeinrichtung (12d) zum Abgreifen einer durch ein externes Magnetfeld bewirkten Hall-Spannung zwischen zwei Spannungs-Abgriffpunkten; wobei zumindest eine Anschlußeinrichtung der ersten Anschlußeinrichtung, der zweiten Anschlußeinrichtung, der dritten Anschlußeinrichtung und der vierten Anschlußeinrichtung konfigurierbar ausgeführt ist, indem als Anschluß einer von mehreren Kontakten ausgewählt werden kann; und einer Konfigurationseinrichtung (14) zum Konfigurieren der zumindest einen konfigurierbaren Anschlußeinrichtung, mit der ein Winkel (α) zwischen der Richtung zwischen den zwei Anschlüssen des Betriebsstroms (16) und einer direkten Verbindungslinie (18) zwischen den zwei Spannungs-Abgriffpunkten (12c, 12d) variiert werden kann; einer Einrichtung (42) zum Erfassen der Hall-Spannung; einem Vergleicher (44) zum Vergleichen der erfassten Hall-Spannung mit einem Sollwert (46); einer Steuerung (48) zum Steuern der Konfigurationseinrichtung (14), um eine Differenz zwischen der Hall-Spannung und dem Sollwert durch Verändern des Winkels (α) zu verringern; und einer Ausgabeeinrichtung zum Ausgeben eines Signals, das von dem Winkel (α) abgeleitet ist und die Stärke des Magnetfelds als Messwert anzeigt, wenn die Hall-Spannung mit dem Sollwert übereinstimmt.
Hallsensorelement nach Anspruch 1, bei dem der Hall-Bereich (10) vier Seiten (10a, 10b, 10c, 10d) hat, von denen sich eine erste Seite (10a) und eine zweite Seite (10b) gegenüberliegen, und eine dritte Seite (10c) und eine vierte Seite (10d) gegenüberliegen, wobei jeder Seite eine Anschlußeinrichtung zugeordnet ist, wobei eine Anschlußeinrichtung entlang der Seite, der die Anschlußeinrichtung zugeordnet ist, eine Mehrzahl von voneinander isolierten Anschlüssen (20a, 20b, 20c) aufweist, um konfigurierbar zu sein, und wobei die Konfigurationseinrichtung (14) ausgebildet ist, um durch Auswahl eines Anschlusses den Winkel einzustellen.
Hallsensorelement nach Anspruch 2, bei der eine andere Anschlußeinrichtung, die der Seite zugeordnet ist, die der Seite mit der Mehrzahl von Anschlüssen gegenüberliegt, ebenfalls entlang derselben eine Mehrzahl von voneinander isolierten Anschlüssen (22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f) aufweist, und bei der die Konfigurationseinrichtung (14) ausgebildet ist, um zur Einstellung des Winkels einen Anschluß der einen Anschlußeinrichtung und einen Anschluß der anderen Anschlußeinrichtung auszuwählen.
Hallsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Hall-Bereich punktsymmetrisch und insbesondere quadratisch, kreuzförmig, rautenförmig, achteckig oder kreisförmig ausgebildet ist.
Hallsensorelement nach Anspruch 1, bei der die Steuerung (48) als rückgekoppelte Regelung ausgeführt ist.
Hallsensorelement nach Anspruch 1 oder 5, bei dem der Sollwert 0 ist.
Hallsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der entweder die erste und die zweite Anschlußeinrichtung oder die dritte und die vierte Anschlußeinrichtung nicht konfigurierbar ausgebildet sind, bei der die jeweils anderen beiden Anschlusseinrichtungen konfigurierbar ausgebildet sind, und bei der die Konfigurationseinrichtung so ausgebildet ist, dass sie den Winkel (α) durch Konfigurieren der konfigurierbaren Anschlußeinrichtungen, um je nach dem eine Richtung der direkten Verbindungslinie zu verändern oder die Betriebsstromrichtung zu verändern, einstellt.
Hallsensorelement nach Anspruch 7, bei dem alle Anschlußeinrichtungen konfigurierbar sind.
Hallsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine Spinning-Current-Einrichtung zum zyklischen Verändern der jeweiligen Funktionalität der Anschlußeinrichtungen zum Zuführen und Abführen des Betriebsstroms und zum Abgreifen der Hallspannung und zum Mitteln von in zumindest zwei Zyklen erhaltenen Meßwerten, um einen korrigierten Meßwert zu erhalten.
Hallsensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Steuerung (38) und ein A/D-Wandler (42) zum Verarbeiten eines analogen Meßwerts als gemeinsame Schaltung ausgeführt sind.
Hallsensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als integrierte Schaltung in einem Halbleitersubstrat ausgeführt ist, bei dem der Hall-Bereich in dem Halbleiter-Substrat ausgeführt ist, bei dem die konfigurierbare Anschlusseinrichtung eine Mehrzahl von in dem Halbleiter-Substrat dotierten Bereichen aufweist, die voneinander durch das Halbleitersubstrat isoliert sind, und bei dem die dotierten Bereiche mit einer Metallisierung versehen sind, um Anschlüsse zu bilden.