DE4302342A1 - Offset compensated measurement of magnetic field with Hall element - involves chip-internal electronic compensation with two measurement phases between which measurement and supply connections are interchanged - Google Patents

Offset compensated measurement of magnetic field with Hall element - involves chip-internal electronic compensation with two measurement phases between which measurement and supply connections are interchanged

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DE4302342A1 DE19934302342 DE4302342A DE4302342A1 DE 4302342 A1 DE4302342 A1 DE 4302342A1 DE 19934302342 DE19934302342 DE 19934302342 DE 4302342 A DE4302342 A DE 4302342A DE 4302342 A1 DE4302342 A1 DE 4302342A1
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Abstract

The method involves a first measurement phase in which a supply voltage is applied to the Hall element's (1) supply connections and a measurement voltage taken from its measurement connections. In a second phase the measurement connections are supplied and the voltage measured at the supply connections. The differently weighted measurement values are added if the directions of the supply voltage, magnetic field and Hall voltage component are relatively unchanged between the phases or subtracted if they change. The result is an offset compensated measure of the magnetic field. The weighting factors are related to the supply currents by a defined formula. USE/ADVANTAGE - The Hall element offset is compensated purely electronically and chip internally, thus eliminating more costly measures.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Offset-kompensierten Magnetfeldmessung mittels eines Hallelements.The invention relates to a method and a Vorrich device for offset-compensated magnetic field measurement using a Hall element.

In Fig. 1 ist ein Magnetfeldsensor in integrierter Technik mit Hallelement 1, Speiseschaltung 3 und Aus­ werteelektronik 5 entsprechend dem Stand der Technik schematisch dargestellt.In Fig. 1, a magnetic field sensor in integrated technology with Hall element 1 , supply circuit 3 and from electronics 5 according to the prior art is shown schematically.

Ein Hallelement 1 wird von einer Speiseschaltung 3 mit Strom IS versorgt. Durch den senkrechten Anteil des durch das Hallelement 1 durchtretenden Magnetfeldes wird an den Fühlausgängen B, B′ eine Potentialdifferenz VH hervorgerufen, die durch die Auswerteelektronik 5 verarbeitet wird und an deren Signalausgang 8 zu einem magnetfeldabhängigen Signal führt (z. B. logisches Schaltsignal oder magnetfeldproportionale Spannung). Der Nachteil dieser Anordnung ist, daß das Hallelement 1 auch bei Null-Magnetfeld eine durch verschiedene Ein­ flüsse auf das Hallelement 1 hervorgerufene Potential­ differenz an seinen Ausgangs-(Fühl-)anschlüssen auf­ weist, im folgenden als Hallelement-Offset bezeichnet. Diese Potentialdifferenz kann am Signalausgang 8 aber nur dann als Fehlergröße interpretiert werden, wenn das Magnetfeld, also die zu detektierende Größe, gleich Null oder bekannt ist.A Hall element 1 is supplied with current I S by a supply circuit 3 . The vertical portion of the magnetic field passing through the Hall element 1 causes a potential difference V H at the sensing outputs B, B ', which is processed by the evaluation electronics 5 and at the signal output 8 of which leads to a magnetic field-dependent signal (e.g. logic switching signal or voltage proportional to the magnetic field). The disadvantage of this arrangement is that the Hall element 1 has a potential difference at its output (sensing) connections caused by various influences on the Hall element 1, even in the case of a zero magnetic field, hereinafter referred to as the Hall element offset. This potential difference can only be interpreted at the signal output 8 as an error variable if the magnetic field, ie the variable to be detected, is zero or known.

Einflußgrößen, die z. B. zu einem Offset bei integrier­ ten Hallelementen führen, sind:Influencing variables, e.g. B. to an offset at integrier ten Hall elements are:

  • - Inhomogenitäten des Materials des Hallelementes,- Inhomogeneities in the material of the Hall element,
  • - Abbildungsverzerrungen von der Konstruktionszeich­ nung zum fertigen Hallelement,- Image distortion from the design drawing the finished Hall element,
  • - "mechanischer Streß" auf das Hallelement, d. h. mechanische Spannungen im Chip, welche die Eigen­ schaften des Materials des Hallelements verändern; einzelne Druckpunkte auf das Hallelement, die durch die Körner des Füllstoffes der Plastikpreß­ masse des IC-Gehäuses verursacht werden.- "Mechanical stress" on the Hall element, d. H. mechanical stresses in the chip, which are inherent change the material of the Hall element; individual pressure points on the Hall element, the through the grains of the filler the plastic press mass of the IC package.

Während die beiden erstgenannten Einflußgrößen durch gute Prozeßbeherrschung bei der IC-Herstellung positiv beeinflußt werden können, sind zur Verringerung des dritten genannten Einflusses bisher zwei wesentliche Verfahren praktiziert worden:While the first two influencing factors mentioned by good process control in IC production positive can be influenced to reduce the third mentioned influence so far two main Procedures have been practiced:

  • 1. Parallelschaltung von 2 oder 4 Hallelementen je­ weils um 90° zueinander gedreht, wobei die Strom­ durchflußrichtung (Strecke zwischen Anschlüssen A, A′) benachbarter Hallelemente um 90° gedreht ist (s. Fig. 2), und Anordnung dieser Hallelemente in Chipmitte, womit der Einfluß von symmetrischen mechanischen Spannungen im Chip minimiert und der Einfluß durch einzelne Druckpunkte auf die Hall­ elemente etwas reduziert werden können.1. Parallel connection of 2 or 4 Hall elements each rotated 90 ° to each other, with the current flow direction (distance between connections A, A ') of adjacent Hall elements rotated by 90 ° (see FIG. 2), and arrangement of these Hall elements in the middle of the chip , which minimizes the influence of symmetrical mechanical stresses in the chip and the influence of individual pressure points on the Hall elements can be somewhat reduced.
  • 2. Verwendung von speziellen "streßarmen", d. h. auf das Hallelement nur geringe mechanische Spannungen ausübenden, Gehäusetechnologien.2. Use of special "low stress", d. H. on the Hall element only low mechanical stresses exercising, housing technologies.
  • 3. Abgleich des Hallsensors durch Einprägung einer gezielten dem Hallelement-Offset entgegen gerich­ teten Offsetspannung in die Auswerteeinheit.3. Adjust the Hall sensor by embossing one targeted against the Hall element offset offset voltage into the evaluation unit.

Die genannten Verfahren wirken sich in jedem Fall kostenerhöhend für die IC-Herstellung oder Anwendung aus.The procedures mentioned are effective in every case increasing costs for IC production or application out.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, den Hallelement-Offset auf rein elektronischem Wege chipintern zu kompensieren, um da­ mit auf kostenerhöhende technologische Verfahren oder Maßnahmen verzichten zu können.The solution according to the invention lies in particular Task based on the Hall element offset to pure to compensate electronically in-chip to get there with technological processes that increase costs or To be able to dispense with measures.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden ein Verfahren mit den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 1 und eine Vorrich­ tung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 4 vorgeschlagen; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.To solve this problem, a method with the Method steps according to claim 1 and a Vorrich tion proposed with the features of claim 4; are advantageous developments of the invention by the features specified in the subclaims featured.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß die Hall­ spannung VHB (magnetisch beeinflußter Anteil der Poten­ tialdifferenz VH) senkrecht sowohl zu der Speisestrom­ richtung, als auch zu dem einwirkenden Magnetfeld ent­ steht, während der Hallelement-Offset VHO (Offsetanteil der Potentialdifferenz VH) durch örtlich fixierte, z. B. streßbedingte Inhomogenitäten in dem Hallelement bedingt ist.The invention is based on the idea that the Hall voltage V HB (magnetically influenced portion of the potential difference V H ) is perpendicular to both the feed current direction and the magnetic field ent, while the Hall element offset V HO (offset portion of the potential difference V H ) by locally fixed, e.g. B. stress-related inhomogeneities in the Hall element.

Dreht man also die Stromspeiseanschlüsse und die Fühl­ anschlüsse so, daß der Richtungszusammenhang zwischen der magnetischen Feldstärke BZ, dem Speisestrom ISUP bzw. der Speise- oder Versorgungsspannung VSUP und der Hallspannung VHB gemäß Fig. 3a und 3b erhalten bleibt, so bleibt das Vorzeichen von VHB, d. h. dem auf den Hall-Effekt zurückzuführenden Ausgangsspannungsanteil, erhalten, während es bei VHO, d. h. dem auf den Offset zurückzuführenden Spannungsanteil, wechselt. Nach der Erfindung werden also das der Spannungsversorgung die­ nende Anschlußpaar und das dem Meßspannungsabgriff die­ nende Anschlußpaar des Hallelements "um einen An­ schluß", d. h. um 90°, gedreht, so daß das Hallelement einmal bei Normalbeschaltung (Versorgungsspannung an Versorgungsanschlüssen und Meßspannung an Fühlanschlüs­ sen) und einmal bei "inverser" Beschaltung (Versor­ gungsspannung an Fühlanschlüssen und Meßspannung an Versorgungsanschlüssen) betrieben wird.So if you turn the power supply connections and the sensing connections so that the directional relationship between the magnetic field strength B Z , the supply current I SUP or the supply or supply voltage V SUP and the Hall voltage V HB according to FIGS . 3a and 3b is retained receive the sign of V HB , ie the output voltage component attributable to the Hall effect, while it changes at V HO , ie the voltage component attributable to the offset. According to the invention, therefore, the voltage supply, the pair of connectors and the measuring voltage tap, the pair of connectors of the Hall element "at a connection", ie rotated by 90 °, so that the Hall element once with normal wiring (supply voltage to supply connections and measuring voltage to Fühlanschlüs sen ) and once with "inverse" wiring (supply voltage at the sensor connections and measuring voltage at the supply connections) is operated.

Es gelten folgende Beziehungen:The following relationships apply:

VH1 = VHB1 + VHO1
= μH BZ RSq ISUP1 + V′HO VSUP1 ISUP1 (1)V H1 = V HB1 + V HO1
= μ H B Z R Sq I SUP1 + V ′ HO V SUP1 I SUP1 (1)

undand

VH2 = VHB2 - VHO2
= μH BZ RSq ISUP2 - V′HO VSUP2 ISUP2 (2)V H2 = V HB2 - V HO2
= μ H B Z R Sq I SUP2 - V ′ HO V SUP2 I SUP2 (2)

mit
μ H - Hallempfindlichkeit des Halbleitermaterials
BZ - Magnetfeldstärke senkrecht durch das Hallelement
RSq - Schichtwiderstand des Halbleitermaterials des Hallelements
ISUP1, ISUP2 - Speiseströme in den beiden Betriebsfällen
VHO′ - auf den Schichtwiderstand und Speisestrom bezogene Hallelement-Offsetspannung (diese normierte Größe wird wegen des allgemeinhin anzutreffenden unsymmetrischen Aufbaus eines Hallelementes benötigt, um - dennoch - in den beiden Betriebszuständen, nämlich bei Speisung über Speiseanschlüsse und Spannungsabgriff über Fühlanschlüsse sowie bei Speisung über Fühlanschlüsse und Spannungsabgriff über Speiseanschlüsse, die Offset- Anteile miteinander vergleichen zu können)
VHO1, VHO2 - Hallelement-Offset in beiden Betriebsfällen
VHB1, VHB2 - magnetisch beeinflußter Anteil der Potentialdifferenz VH in beiden Betriebsfällen
VH1, VH2 - Potentialdifferenz in beiden Betriebsfällen
VSUP1, VSUP2 - Betriebsspannung in beiden Betriebsfällen.With
μ H - Hall sensitivity of the semiconductor material
B Z - magnetic field strength perpendicular through the Hall element
R Sq - sheet resistance of the semiconductor material of the Hall element
I SUP1 , I SUP2 - supply currents in the two operating cases
V HO ′ - Hall element offset voltage based on the sheet resistance and supply current (this standardized size is required because of the generally asymmetrical structure of a Hall element in order to - nevertheless - in the two operating states, namely when supplying via supply connections and voltage tapping via sensing connections and when supplying via Sensing connections and voltage tapping via feed connections, to be able to compare the offset components)
V HO1 , V HO2 - Hall element offset in both operating cases
V HB1 , V HB2 - magnetically influenced portion of the potential difference V H in both operating cases
V H1 , V H2 - potential difference in both operating cases
V SUP1 , V SUP2 - operating voltage in both operating cases .

Die gemessene Spannung (Meßspannung), die an den Fühl- bzw. Meßanschlüssen des Hallelements abgegriffen wird, wenn das Hallelement von einem Magnetfeld durchsetzt ist und an seinen Speise- oder Versorgungsanschlüssen mit einer Speise- bzw. Versorgungsspannung beaufschlagt ist, setzt sich also zusammen aus einem auf den Hall­ effekt zurückzuführenden Hallspannungsanteil VHB und einen auf die oben genannten Einflußgrößen, insbeson­ dere auf auf das Hallelement wirkende mechanische Spannungen zurückzuführenden Offset-Spannungsteil VHO. Bei Vertauschen der Versorgungs- und Meßanschlüsse gegeneinander unter Beibehaltung der Relativ-Ausrich­ tung von Versorgungsspannung und Magnetfeld ändert sich die Polarität des Hallspannungsanteils gegenüber dem Offset-Spannungsanteil, im Vergleich zu den Polaritäten dieser beiden Spannungsanteile vor dem Vertauschen der Anschlüsse. Während die Richtung des Hallspannungsan­ teils relativ zur Richtung der Versorgungsspannung gleich bleibt, verändert sich die Richtung des Offset- Spannungsanteils in Relation zur Versorgungsspannungs­ richtung, wenn Versorgungs- und Meßanschlüsse gegenein­ ander vertauscht werden. Durch Addition der beiden ge­ lieferten Meßspannungen ergibt sich also ein Offset- kompensierter Spannungswert. Bei nicht-symmetrischem Hallelement sind die Hallspannungsanteile der beiden Meßspannungen und die Offset-Spannungsanteile der bei­ den Meßspannungen betragsmäßig nicht gleich, so daß die Addition gewichtet zu erfolgen hat. Ist der Richtungs­ zusammenhang von Magnetfeld und Versorgungsspannung (und Hallspannungsanteil) in den beiden Meßphasen nicht gleich, muß anstelle einer (gewichteten) Addition eine (gewichtete) Subtraktion erfolgen.The measured voltage (measuring voltage), which is tapped at the sensing or measuring connections of the Hall element when the Hall element is penetrated by a magnetic field and is supplied with a supply or supply voltage at its supply or supply connections, is thus composed a Hall voltage component V HB due to the Hall effect and an offset voltage part V HO due to the above-mentioned influencing variables, in particular to mechanical voltages acting on the Hall element. If the supply and measurement connections are interchanged, while maintaining the relative alignment of the supply voltage and magnetic field, the polarity of the Hall voltage component changes compared to the offset voltage component, compared to the polarities of these two voltage components before the connections are interchanged. While the direction of the Hall voltage part remains the same relative to the direction of the supply voltage, the direction of the offset voltage part changes in relation to the supply voltage direction when supply and measurement connections are interchanged. By adding the two supplied measuring voltages, an offset-compensated voltage value is obtained. In the case of a non-symmetrical Hall element, the Hall voltage components of the two measuring voltages and the offset voltage components of the magnitude of the measuring voltages are not the same, so that the addition has to be weighted. If the directional relationship between the magnetic field and supply voltage (and Hall voltage component) is not the same in the two measurement phases, a (weighted) subtraction must take place instead of a (weighted) addition.

Werden die in beiden Betriebsfällen erhaltenen Aus­ gangsspannungen gewichtet addiert, so ergibt sichAre the off received in both operating cases weighted, the result is

VH = a VH1 + b VH2 (3)V H = a V H1 + b V H2 (3)

Wählt man a und b entsprechendIf you choose a and b accordingly

a/b = ISUP2/ISUP1 unda / b = I SUP2 / I SUP1 and

VSUP1 = VSUP2 = VSUP (4)V SUP1 = V SUP2 = V SUP (4)

so wirdso will

VH = a μH BZ RSq ISUP1 + b μH BZ RSq ISUP2
= μH BZ RSq (a ISUP1 + b ISUP2) (5)V H = a μ H B Z R Sq I SUP1 + b μ H B Z R Sq I SUP2
= μ H B Z R Sq (a I SUP1 + b I SUP2 ) (5)

und somit ist in VH kein Hallelement-Offset mehr ent­ halten.and thus there is no longer any Hall element offset in V H.

In dem Falle, daß bei der Drehung der Speisespannung die Fühlanschlüsse vertauscht werden, also der Rich­ tungszusammenhang zwischen der magnetischen Feldstärke BZ, dem Speisestrom ISUP und der Hallspannung VHB nicht erhalten bleibt, ändert der magnetisch beeinflußte An­ teil das Vorzeichen, während der Offsetanteil es beibe­ hält.In the event that the sensor connections are interchanged when the supply voltage is rotated, i.e. the directional relationship between the magnetic field strength B Z , the supply current I SUP and the Hall voltage V HB is not retained, the magnetically influenced portion changes the sign during the Offset portion it keeps.

Die Gleichung (2) wird damit zuEquation (2) thus becomes

VH2 = -VHB2 + VHO2
= μH BZ RSq ISUP2 + VHO′ VSUP2 ISUP2 (6)V H2 = -V HB2 + V HO2
= μ H B Z R Sq I SUP2 + V HO ′ V SUP2 I SUP2 (6)

Für die Eliminierung des Offsetanteils ist hier gewich­ tet zu subtrahieren:For the elimination of the offset part is given here subtract tet:

VH = a VH1 - b VH2 (7)V H = a V H1 - b V H2 (7)

Mit der Voraussetzung gemäß Gleichung (4) erhält man entsprechend:With the prerequisite according to equation (4) one obtains corresponding:

VH = a μH BZ RSq ISUP1 + b μH BZ RSq ISUP2
= μH BZ RSq (a ISUP1 + b ISUP2) (8)V H = a μ H B Z R Sq I SUP1 + b μ H B Z R Sq I SUP2
= μ H B Z R Sq (a I SUP1 + b I SUP2 ) (8)

Der dargelegte Sachverhalt zur Eliminierung des Hall­ element-Offset bei einer Magnetfeldauswertung ist schaltungstechnisch mit gut bekannten Mitteln leicht zu implementieren. Es werden zeitlich nacheinander zwei Messungen durchgeführt, wobei die Richtung des Be­ triebsstroms so gedreht wird, daß Speise- und Fühlan­ schlüsse gegeneinander getauscht werden. Beide Meßer­ gebnisse werden gemäß Gleichung (4) bzw. (8) definiert gewichtet addiert oder subtrahiert, und zwar davon ab­ hängig, ob der Richtungszusammenhang zwischen der mag­ netischen Feldstärke BZ, dem Speisestrom ISUP und der Hallspannung VHB bei Drehung der Speiserichtung durch Vertauschen der Fühlanschlüsse gegen die Speisean­ schlüsse beibehalten bleibt oder nicht. Die Wichtung, d. h. die Einführung der obigen Wichtungsfaktoren a und b, ist wegen der Unsymmetrie zwischen Fühl- und Spei­ seanschlüssen von bisher üblicherweise verwendeten Hallelementen erforderlich.The situation described for eliminating the Hall element offset in a magnetic field evaluation is easy to implement in terms of circuitry using well-known means. Two measurements are carried out in succession, the direction of the operating current being rotated in such a way that supply and sensor connections are exchanged for one another. Both measurement results are weighted according to equation (4) or (8) added or subtracted, depending on whether the directional relationship between the magnetic field strength B Z , the feed current I SUP and the Hall voltage V HB when the feed direction changes by swapping the sensor connections for the feed connections remains or not. The weighting, ie the introduction of the above weighting factors a and b, is necessary because of the asymmetry between the sensing and feed connections of Hall elements that have been used up to now.

Wird nun noch das Hallelement derart konstruiert, daß Fühl- und Speiseanschlüsse gleichartig und symmetrisch zur X- und Y-Achse sind, so sind bei VSUP1 = VSUP2 = VSUP auch die Speiseströme ISUP1 = ISUP2 = ISUP und es kann a = b = 1 gewählt werden, d. h. die Wichtung kann entfallen, wodurch die Meßauswertung noch vereinfacht wird:If the Hall element is constructed in such a way that the sensor and supply connections are identical and symmetrical to the X and Y axes, then with V SUP1 = V SUP2 = V SUP the supply currents are I SUP1 = I SUP2 = I SUP and it can a = b = 1 can be selected, ie the weighting can be omitted, which simplifies the measurement evaluation:

VH = 2 μH BZ RSq ISUP (9)V H = 2 μ H B Z R Sq I SUP (9)

Normalerweise haben Hallelemente einen nicht symmetri­ schen Aufbau, was die Flächenausdehnung und die Elek­ trodenausbildung an den Speise- und Fühlanschlüssen betrifft. Herkömmliche Hallelemente sind rechteckig und mit unterschiedlich langen Rändern versehen. Dabei er­ strecken sich die Elektroden für die Speiseanschlüsse über die gesamte Länge der betreffenden Ränder, um einen möglichst gleichmäßigen Stromdurchfluß durch das Hallelement über deren gesamte Breite zu erzielen. Die Elektroden für die Fühlanschlüsse sind in der Mitte der rechtwinklig zu den Speiseanschluß-Elektroden verlau­ fenden Rändern angeordnet. Ein symmetrischer Aufbau eines Hallelements würde es aber erforderlich machen, die Elektroden für die Fühlanschlüsse ebenfalls über die gesamte Länge der betreffenden Ränder vorzusehen, damit auch bei Speisung das Hallelement über die Fühl­ anschlüsse ein gleichmäßiger Stromdurchfluß über das gesamte Hallelement erzielt werden kann. Allerdings führen derartige Fühlanschluß- bzw. Speiseanschluß- Elektroden zu einer Verzerrung des elektrischen Feldes, da die Leitfähigkeit des Hallelementes an den Rändern durch die jeweils als Fühlanschluß-Elektroden dienenden Elektroden örtlich verändert ist. Vorzugsweise ist das Hallelement zur Schaffung eines symmetrischen Aufbaus auf. Während im erstgenannten Fall die Elektroden an den vier Rändern der sich kreuzenden Streifen der Kreuzform angeordnet sind, wird man bei achteckiger Ausgestaltung des Hallelements dessen Elektroden an den sich paarweise gegenüberliegenden zueinander parallelen und um 90° gegeneinander versetzten Randabschnitten vorsehen.Hall elements usually have a non-symmetry structure, what the surface area and the elec Trode training on the feed and sensor connections concerns. Conventional Hall elements are rectangular and provided with edges of different lengths. Doing it stretch the electrodes for the feed connections over the entire length of the edges in question in order a flow of electricity through the To achieve Hall element across their entire width. The Electrodes for the sensor connections are in the middle of the  perpendicular to the feed connection electrodes fenden edges arranged. A symmetrical structure of a Hall element would require the electrodes for the sensing connections also over to provide the entire length of the edges concerned, thus the Hall element via the sensor even when powered connections a uniform current flow through the entire Hall element can be achieved. Indeed lead such sensor connection or feed connection Electrodes for distortion of the electric field, because the conductivity of the Hall element at the edges through those serving as sensor connection electrodes Electrodes is changed locally. Preferably that is Hall element to create a symmetrical structure on. While in the former case the electrodes on the four edges of the intersecting stripes of the cross shape are arranged, one becomes with an octagonal design of the Hall element whose electrodes on the in pairs opposite and parallel to each other edge sections offset from each other by 90 ° provide.

Das erfindungsgemäße Meßprinzip bringt entscheidende Vorteile mit sich, was die Verbesserung der Ausbeute chipintegrierter Hallsensoren bzw. -generatoren be­ trifft. Wenn man berücksichtigt, daß bisher selbst bei Verwendung bestgeeigneter Preßmassen für das IC-Ge­ häuse, die lediglich extrem geringe mechanische Bean­ spruchungen des IC erzeugen, die Ausbeute nach Montage ca. 50% bis 70% beträgt, so läßt sich diese Ausbeute durch das neue Meß- und Auswerteprinzip auf Werte nahe an 100% erhöhen, da mechanisch bedingte Hallelement- Offsetspannung meßtechnisch kompensiert werden.The measuring principle according to the invention brings decisive Advantages with what the improvement in yield chip-integrated Hall sensors or generators be meets. If you take into account that so far even at Use of the most suitable molding compounds for the IC-Ge housing that only extremely low mechanical bean generate the IC's stress, the yield after assembly is about 50% to 70%, this yield can be thanks to the new measuring and evaluation principle close to values increase to 100% as mechanically induced Hall element Offset voltage can be compensated for by measurement.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:The following is an embodiment of the invention explained in more detail. In detail show:

Fig. 1 die herkömmliche Beschaltung eines Hallelemen­ tes als Magnetfeldsensor in Blockschaltbild­ form, Fig. 1, the conventional wiring of a Hallelemen tes as magnetic field sensor in block diagram form,

Fig. 2 eine bisher gebräuchliche chipintegrierte Kon­ figuration aus vier herkömmlichen Hallelementen zur Reduktion von Hallelement-Offset infolge von mechanischer Beanspruchung des Chip durch das IC-Gehäuse, Fig. 2 is a previously used on-chip con figuration of four conventional Hall elements for reducing Hall element offset due to mechanical stressing of the chip by the IC package,

Fig. 3 die beiden Anschlußmöglichkeiten eines Hall­ elementes zur Kompensation von dessen Offset, Fig. 3, the two methods of connecting a Hall element for the compensation of the offset,

Fig. 4 eine Hallelement-Layout in CMOS-Technologie in symmetrischer Ausführung bezüglich Speise- und Fühlanschlüssen und Fig. 4 is a Hall element layout in CMOS technology in a symmetrical design with respect to feed and sensor connections and

Fig. 5 die Beschaltung des in Fig. 4 dargestellten Hallelements zur Durchführung des Meßprinzips zwecks Elimination des Hallelement-Offset. Fig. 5 shows the wiring of the Hall element illustrated the principle of measurement for the purpose of elimination of the Hall element offset in Fig. 4 for carrying.

Fig. 3a und 3b zeigen die beiden "Betriebsfälle" eines handelsüblichen Hallelementes. Zur Kompensation des Offset des Hallelementes werden die Speise- und Fühl­ anschlüsse gegeneinander vertauscht. Während in der einen Betriebsart (Fig. 3a) die Speise- oder Versor­ gungsspannung des Hallelementes an den Anschlüssen A, A′ angelegt ist und die durch den Halleffekt erzeugte Spannung an den Ausgangs-(Fühl-)Anschlüssen B, B′ abge­ griffen wird, sind die Verhältnisse im zweiten Be­ triebsfall (Fig. 3b) genau umgekehrt. Hier wird die Versorgungsspannung an den Anschlüssen B, B′ angelegt, während die vom Hallelement H bei dessen Aussetzung in einem Magnetfeld mit dem magnetischen Fluß BZ senkrecht zum Hallelement H erzeugte Hallspannung an den An­ schlüssen A, A′ abgegriffen wird. Fig. 3a and 3b show the two "cases of operation" of a commercially available Hall element. To compensate for the offset of the Hall element, the supply and sensing connections are interchanged. While in one mode ( Fig. 3a) the supply or supply voltage of the Hall element is applied to the connections A, A 'and the voltage generated by the Hall effect at the output (sensing) connections B, B' is tapped , The conditions in the second operating case ( Fig. 3b) are exactly the opposite. Here, the supply voltage is applied to the connections B, B ', while the Hall voltage generated by the Hall element H when it is suspended in a magnetic field with the magnetic flux B Z perpendicular to the Hall element H at the connections A, A'.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das Layout eines Hallelementes in CMOS-Technologie in symme­ trischer Ausführung bezüglich sämtlicher vier An­ schlüsse A, B, A′, B′. Mit 1 ist der N-Bereich bezeichnet, während sich bei 2 die aktiven Bereiche (N⁺-dotiert) finden. Die Metall-Leiterbahnen sind mit 3 bezeichnet, während die Kontaktflächen das Bezugszeichen 4 auf­ weisen. Fig. 4 shows an embodiment for the layout of a Hall element in CMOS technology in symmetrical execution with respect to all four connections A, B, A ', B'. 1 denotes the N region, while 2 contains the active regions (N Bereiche-doped). The metal conductor tracks are denoted by 3, while the contact areas have the reference symbol 4 .

Fig. 5 zeigt die Beschaltung des Hallelements gemäß Fig. 4. Die sich jeweils gegenüberliegenden Anschlüsse sind in Fig. 5 mit 10, 10′ bzw. 11, 11′ bezeichnet. Mit jedem der Anschlüsse sind steuerbare elektronische Um- oder Wechselschalter 2 verbunden, wobei die beiden An­ schlüsse 10′, 11′ mit den beiden Polen eines gemeinsamen Umschalters 2, die beiden Anschlüsse 11′, 10 mit den beiden Polen eines gemeinsamen Umschalters 2, die bei­ den Anschlüsse 10, 11 mit den beiden Polen eines weite­ ren Umschalters 2 und schließlich die beiden Anschlüsse 11, 10′ mit den beiden Polen eines letzten Umschalters 2 verbunden sind. Die dritten Pole sämtlicher Umschalter 2 sind mit der Stromversorgung 3 für das Hallelement bzw. mit der Auswerteelektronik 5 verbunden, die das am Hallelement erzeugte Ausgangssignal aufnimmt. Über eine Steuerschaltung 4 werden sämtliche Umschalter 2 ge­ steuert, indem an die Umschalter 2 eine entsprechende Steuerspannung angelegt wird. Jeder Umschalter 2 kann zwei Schaltzustände annehmen, wobei sämtliche Umschal­ ter 2 stets gleichzeitig umgeschaltet werden. In dem ersten Schaltzustand der Umschalter 2 sind die An­ schlüsse 11, 11′ des Hallelementes mit der Versorgungs­ spannung bzw. Masse verbunden, während die Anschlüsse 10, 10′ des Hallelementes mit der Auswerteelektronik verbunden sind. In diesem Schaltzustand wird also die Hallelement-Versorgungsspannung über die Anschlüsse 11, 11′ angelegt und das Hallelement-Ausgangssignal an den Anschlüssen 10, 10′ abgegriffen. Im zweiten Schalt­ zustand der Umschalter 2 sind die Anschlüsse 10, 10′ mit Masse bzw. der Versorgungsspannung verbunden, während die Anschlüsse 11, 11′ des Hallelementes mit der Aus­ werteelektronik 5 verbunden sind. Durch die vier gemäß Fig. 5 mit den vier Anschlüssen des Hallelementes ver­ bundenen Umschalter 2 läßt sich das Hallelement ab­ wechselnd normal und invers betreiben. Die vier Um­ schalter 2 werden gleichzeitig von einem zwei Zustände annehmenden Steuersignal umgeschaltet. Am Ausgang 8 der Auswerteelektronik liegt schließlich das offsetbe­ reinigte Meßsignal an. Fig. 5 shows the circuitry of the Hall element according to Fig. 4. The opposite connections are designated in Fig. 5 with 10 , 10 'and 11 , 11 '. Controllable electronic changeover or changeover switches 2 are connected to each of the connections, the two connections 10 ', 11 ' with the two poles of a common changeover switch 2 , the two connections 11 ', 10 with the two poles of a common changeover switch 2 which at the connections 10 , 11 with the two poles of a wide ren switch 2 and finally the two connections 11 , 10 'are connected to the two poles of a last switch 2 . The third poles of all changeover switches 2 are connected to the power supply 3 for the Hall element or to the evaluation electronics 5 , which receives the output signal generated at the Hall element. Via a control circuit 4 , all changeover switches 2 are controlled by applying a corresponding control voltage to the changeover switch 2 . Each changeover switch 2 can assume two switching states, with all changeover ter 2 always being switched over simultaneously. In the first switching state of the changeover switch 2 , the connections 11 , 11 'of the Hall element are connected to the supply voltage or ground, while the connections 10 , 10 ' of the Hall element are connected to the evaluation electronics. In this switching state, the Hall element supply voltage is thus applied via the terminals 11 , 11 'and the Hall element output signal is tapped at the terminals 10 , 10 '. In the second switching state of the changeover switch 2 , the connections 10 , 10 'are connected to ground or the supply voltage, while the connections 11 , 11 ' of the Hall element are connected to the electronics 5 . By the four shown in FIG. 5 ver to the four terminals of the Hall element-bound switch 2 can be the Hall element alternately from normal and operate inversely. The four order switch 2 are switched simultaneously by a two-state control signal. Finally, the offset-cleaned measuring signal is present at output 8 of the evaluation electronics.

Claims (5)

1. Verfahren zur Offset-kompensierten Magnetfeldmes­ sung mittels eines zwei Versorgungs- und zwei Meß­ anschlüsse aufweisenden Hallelements, das in einem Magnetfeld bei Beaufschlagung mit einer Versor­ gungsspannung eine Ausgangsspannung liefert, die einen durch den Halleffekt hervorgerufenen Hall­ spannungsanteil und einen Offset-Spannungsanteil aufweist, bei dem
  • - in einer ersten Meßphase an die Versorgungsan­ schlüsse des Hallelements eine Versorgungsspan­ nung angelegt und an den Meßanschlüssen des Hallelements eine erste Meßspannung abgegriffen wird,
  • - in einer zweiten Meßphase an die Meßanschlüsse des Hallelements die Versorgungsspannung ange­ legt und an den Versorgungsanschlüssen des Hallelements eine zweite Meßspannung abge­ griffen wird, und
  • - die mit einem ersten Wichtungsfaktor gewichtete erste Meßspannung und die mit einem zweiten Wichtungsfaktor gewichtete zweite Meßspannung
    • - addiert werden, wenn die Richtungen von Versorgungsspannung, Magnetfeld und Hallspannungsanteil relativ zueinander zwischen der ersten und der zweiten Meßphase unverändert geblieben ist,
    • - oder subtrahiert werden, wenn sich die Richtungen von Versorgungsspannung, Magnetfeld und Hallspannungsanteil relativ zueinander zwischen der ersten und der zweiten Meßphase verändert haben, und
  • - wobei die Ergebnis-Spannung ein Offset-kompen­ siertes Maß für das zu messende Magnetfeld ist und für die beiden Wichtungsfaktoren gilt: a/b = (ISUP1/ISUP2) (VSUP1/VSUP2),mit a und b als erste und zweite Wichtungsfak­ toren und ISUP1, ISUP2, VSUP1 und VSUP2 als die in der ersten und der zweiten Meßphase das Hallelement durchfließenden Versorgungsströme und an dem Hallelement anliegenden Versorgungs­ spannungen.
1. Method for offset-compensated magnetic field measurement by means of a Hall element having two supply and two measuring connections, which in an magnetic field, when supplied with a supply voltage, supplies an output voltage which has a Hall voltage component caused by the Hall effect and an offset voltage component, in which
  • in a first measurement phase, a supply voltage is applied to the supply connections of the Hall element and a first measurement voltage is tapped at the measurement connections of the Hall element,
  • - In a second measurement phase, the supply voltage is applied to the measurement connections of the Hall element and a second measurement voltage is picked up at the supply connections of the Hall element, and
  • - The first measuring voltage weighted with a first weighting factor and the second measuring voltage weighted with a second weighting factor
    • are added if the directions of supply voltage, magnetic field and Hall voltage component relative to one another have remained unchanged between the first and the second measurement phase,
    • - or subtracted if the directions of supply voltage, magnetic field and Hall voltage component have changed relative to one another between the first and the second measurement phase, and
  • - The result voltage is an offset-compensated measure for the magnetic field to be measured and applies to the two weighting factors: a / b = (I SUP1 / I SUP2 ) (V SUP1 / V SUP2 ), with a and b as the first and second weighting factors and I SUP1 , I SUP2 , V SUP1 and V SUP2 as the supply currents flowing through the Hall element in the first and second measurement phases and supply voltages applied to the Hall element.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Wechsel mehrere erste und zweite Meßphasen durchgeführt werden, wobei die Wichtung und Sum­ men- und/oder Differenzbildung der ersten und zweiten Meßspannungen einer vorhergehenden ersten und einer vorhergehenden zweiten Meßphase während der unmittelbar nächstfolgenden ersten und/oder zweiten Meßphase erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that that alternating several first and second measurement phases be carried out, the weighting and sum men- and / or difference formation of the first and second measuring voltages of a previous first and a previous second measurement phase during the immediately following first and / or second measurement phase. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein bezüglich der Anordnung und Aus­ gestaltung der Versorgungs- und der Meßanschlüsse symmetrisches Hallelement verwendet wird, wobei für den ersten und den zweiten Wichtungsfaktor gilt: a=b.3. The method according to claim 1 or 2, characterized records that one regarding the arrangement and off design of the supply and measuring connections symmetrical Hall element is used, wherein for the first and second weighting factors applies: a = b. 4. Vorrichtung zur Offset-kompensierten Magnetfeld­ messung, mit
  • - einem einem Magnetfeld aussetzbaren Hallele­ ment, das zwei Versorgungsanschlüsse und zwei Meßanschlüsse aufweist, wobei das Hallelement in einem Magnetfeld bei Beaufschlagung mit einer Versorgungsspannung eine Ausgangsspannung liefert, die einen durch den Halleffekt hervor­ gerufenen Hallspannungsanteil und einen Offset- Spannungsanteil aufweist,
  • - einer mit den Versorgungs- und Meßanschlüssen elektrisch verbindbaren Steuer- und Auswerte­ schaltung zur Speisung des Hallelements mit einer Versorgungsspannung und zur Auswertung der von dem Hallelement gelieferten Meßspan­ nungen, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung
  • - in einer ersten Meßphase an die Versorgungsan­ schlüsse des Hallelements eine Versorgungsspan­ nung liefert und von den Meßanschlüssen des Hallelements eine erste Meßspannung empfängt,
  • - in einer zweiten Meßphase an die Meßanschlüsse des Hallelements die Versorgungsspannung liefert und von den Versorgungsanschlüssen des Hallelements eine zweite Meßspannung empfängt und
  • - die erste und die zweite Meßspannung in dem Fall, daß die Richtungen der Versorgungsspan­ nung, des Magnetfelds und des Hallspannungs­ anteils relativ zueinander zwischen beiden Meß­ phasen gleich geblieben ist, gewichtet addiert und in dem Fall, daß sich die Richtungen der Versorgungsspannung, des Magnetfeldes und des Hallspannungsanteils relativ zueinander zwischen den beiden Meßphasen verändert haben, gewichtet subtrahiert, wobei für die Wichtungs­ faktoren der ersten und der zweiten Meßspannung gilt: a/b = (ISUP1/ISUP2) (VSUP1/VSUP2),mit a und b als erste und zweite Wichtungsfak­ toren und ISUP1, ISUP2, VSUP1 und VSUP2 als die in der ersten und der zweiten Meßphase das Hallelement durchfließenden Versorgungsströme und an dem Hallelement anliegenden Versorgungs­ spannungen.
4. Device for offset-compensated magnetic field measurement, with
  • a Hallele element which can be exposed to a magnetic field and has two supply connections and two measuring connections, the Hall element in an magnetic field, when acted upon by a supply voltage, providing an output voltage which has a Hall voltage component caused by the Hall effect and an offset voltage component,
  • - A control and evaluation circuit electrically connectable to the supply and measurement connections for supplying the Hall element with a supply voltage and for evaluating the measurement voltages supplied by the Hall element, the control and evaluation circuit
  • in a first measurement phase supplies a supply voltage to the supply connections of the Hall element and receives a first measurement voltage from the measurement connections of the Hall element,
  • - In a second measurement phase supplies the supply voltage to the measurement connections of the Hall element and receives a second measurement voltage from the supply connections of the Hall element and
  • - The first and the second measuring voltage in the event that the directions of the supply voltage, the magnetic field and the Hall voltage proportion relative to each other between the two measuring phases has remained the same, added together and in the event that the directions of the supply voltage, the magnetic field and the Hall voltage component have changed relative to one another between the two measurement phases, weighted subtracted, the following applies to the weighting factors of the first and the second measurement voltage: a / b = (I SUP1 / I SUP2 ) (V SUP1 / V SUP2 ), with a and b as first and second weighting factors and I SUP1 , I SUP2 , V SUP1 and V SUP2 as the supply currents flowing through the Hall element in the first and the second measurement phase and supply voltages applied to the Hall element.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Hallelement einen bezüglich zweier durch die Versorgungs- und die Meßanschlüsse ver­ laufender Symmetrieachsen symmetrischen Aufbau aufweist.5. The device according to claim 4, characterized net that the Hall element one with respect to two through the supply and measurement connections running symmetry axes symmetrical structure having.
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