NL1025089C2

NL1025089C2 - Magnetic field sensor, carrier of such a magnetic field sensor and a compass, provided with such a magnetic field sensor.

Info

Publication number: NL1025089C2
Application number: NL1025089A
Authority: NL
Inventors: Paulus Cornelis De Jong; Frank Robert Riedijk; Jeroen Christiaan Van Der Meer; Alexander Willem Va Herwaarden
Original assignee: Xensor Integration B V
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-06-21
Also published as: WO2005073744A1

Description

MAGNEETVELDSENSOR, DRAGER VAN EEN DERGELIJKEMAGNETIC FIELD SENSOR, WEARER OF SUCH

MAGNEETVELDSENSOR EN EEN KOMPAS, VOORZIEN VAN EEN DERGELIJKE MAGNEETVELDSENSORMAGNETIC SENSOR AND A COMPASS, FITTED WITH SUCH A MAGNETIC SENSOR

5 GEBIED VAN DE UITVINDINGFIELD OF THE INVENTION

De uitvinding heeft betrekking op een magneetveldsensor, omvattende ten minste twee Hall platen, waarbij de magneetveldsensor is ingericht om meetstromen in een aantal richtingen op te wekken in de Hall platen en een spanningsverschil te meten over de Hall platen in een richting in het vlak van de Hall plaat, waarbij de richting 10 telkens in hoofdzaak loodrecht staat op de richting van de meetstroom, en waarbij het gemeten spanningsverschil een maat is voor het magnetisch veld door de Hall plaat in een richting die in hoofdzaak loodrecht staat op de richting van de meetstroom en het gemeten spanningsverschil.The invention relates to a magnetic field sensor, comprising at least two Hall plates, wherein the magnetic field sensor is adapted to generate measuring currents in a number of directions in the Hall plates and to measure a voltage difference across the Hall plates in a direction in the plane of the Hall plate, wherein the direction 10 is in each case substantially perpendicular to the direction of the measuring current, and wherein the measured voltage difference is a measure of the magnetic field through the Hall plate in a direction which is substantially perpendicular to the direction of the measuring current and the measured voltage difference.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een drager van een dergelijke 15 magneetveldsensor en een kompas, voorzien van een dergelijke magneetveldsensor.The invention furthermore relates to a carrier of such a magnetic field sensor and a compass provided with such a magnetic field sensor.

Voor een kalibratie-vrij elektronische kompas in kleine draagbare, batterijgevoede toepassingen is er behoefte aan magneetveldsensoren met ultra-lage offset (bijvoorbeeld kleiner dan een μΤ). Bij voorkeur levert de sensor een digitaal uitgangssignaal. Met een dergelijke lage offset kan voldoende resolutie bereikt worden 20 (enkele graden, in Nederland is het aardmagnetisch veld 30-50 μΤ) en is geen andere externe elektronica nodig dan de microprocessor die vaak al in de toepassing aanwezig is.For a calibration-free electronic compass in small portable, battery-powered applications, there is a need for ultra-low offset magnetic field sensors (for example, smaller than one μΤ). The sensor preferably provides a digital output signal. With such a low offset, sufficient resolution can be achieved (a few degrees, in the Netherlands the earth's magnetic field is 30-50 μΤ) and no other external electronics are required than the microprocessor that is often already present in the application.

Sensoren op basis van het magneto-resistieve principe kunnen met ultra-lage offset worden gemaakt. Echter, vanwege de technologie kunnen deze sensoren niet 25 gecombineerd worden met elektronica op de sensor, waardoor externe elektronica moet worden toegevoegd. Bovendien kunnen deze sensoren niet tegen grote magnetische velden, dan houden ze op goed te functioneren.Sensors based on the magneto-resistive principle can be made with ultra-low offset. However, due to the technology, these sensors cannot be combined with electronics on the sensor, whereby external electronics must be added. Moreover, these sensors cannot withstand large magnetic fields, then they stop functioning properly.

Hall platen kunnen wel gecombineerd worden met elektronica op één en dezelfde silicium chip, waardoor het gewenste digitale uitgangssignaal gemaakt kan 30 worden. En de sensoren kunnen niet worden overbelast. Echter, de momenteel bekende magneetveldsensoren op basis van Hall platen voldoen niet aan de offset-eis, ze vertonen een offset van tientallen μΤ of meer, die bovendien in de tijd verloopt. Er is daarom behoefte aan een magneetveldsensor op basis van silicium Hall platen die 1025089 i 2 een ultra-lage offset (in de orde van enkele μΤ) heeft. Bovendien kan een dergelijke sensor digitale uitgangssignalen leveren.Hall plates can be combined with electronics on one and the same silicon chip, so that the desired digital output signal can be made. And the sensors cannot be overloaded. However, the currently known magnetic field sensors based on Hall plates do not meet the offset requirement, they exhibit an offset of tens of μΤ or more, which moreover expires over time. There is therefore a need for a magnetic field sensor based on silicon Hall plates that 1025089 i 2 has an ultra-low offset (in the order of a few μΤ). Moreover, such a sensor can provide digital output signals.

Met behulp van een Hall plaat kan een magneetveld gemeten worden. Als een stroom door een in een magnetisch veld geplaatste Hall plaat gestuurd wordt in een 5 eerste richting, dan zal er een spanningsverschil ontstaan over de Hall plaat in een tweede richting, loodrecht op de eerste richting, die afhankelijk is van de stroomsterkte en de sterkte van het magnetisch veld in een derde richting, die loodrecht staat op de eerste en de tweede richting. Echter, door verschillende oorzaken heeft een dergelijke meetinrichting last van een bepaalde offset, die het onmogelijk maakt relatief kleine 10 magneetvelden te meten.A magnetic field can be measured using a Hall plate. If a current is sent through a Hall plate placed in a magnetic field in a first direction, then a voltage difference will arise over the Hall plate in a second direction, perpendicular to the first direction, which depends on the current and strength. of the magnetic field in a third direction, which is perpendicular to the first and the second direction. However, due to various causes, such a measuring device suffers from a certain offset, which makes it impossible to measure relatively small magnetic fields.

Het verlagen van de offset van Hall platen wordt al zeer lange tijd nagestreefd, omdat het toepassingen waarin kleinere velden gemeten moeten worden dichterbij brengt. Enkelvoudige silicium of andere halfgeleider Hall platen hebben al gauw een offset van lOmT. De voornaamste oorzaak van de offset is mechanische spanning in 15 de halfgeleider Hall plaat. Spanning in een halfgeleider kristal veroorzaakt een richtingsafhankelijke weerstandsverandering in het materiaal, ook wel bekend als piezo-resistiviteit. De verandering in weerstand in stroomrichtingen die 90° van elkaar verschillen (orthogonaal zijn), zijn tegengesteld, en compenseren elkaar dus.Lowering the offset of Hall plates has been pursued for a very long time, because it brings applications in which smaller fields must be measured closer. Single silicon or other semiconductor Hall plates soon have an offset of 10m. The main cause of the offset is mechanical stress in the semiconductor Hall plate. Voltage in a semiconductor crystal causes a direction-dependent resistance change in the material, also known as piezo-resistivity. The change in resistance in current directions that are 90 ° apart (being orthogonal) are opposite, and therefore compensate each other.

Deze mechanische spanning is temperatuur- en tijdsafhankelijk en kan 20 nauwelijks door kalibratie worden verbeterd. In de stand van de techniek zijn verschillende methodes voorgesteld om deze offset door compensatietechnieken te verlagen.This mechanical stress is temperature and time dependent and can hardly be improved by calibration. Various methods have been proposed in the prior art to reduce this offset through compensation techniques.

STAND VAN DE TECHNIEKSTATE OF THE ART

25 Uit de stand van de techniek zijn diverse magneetveldsensoren bekend die gebruikmaken van Hall platen.Various magnetic field sensors which use Hall plates are known from the prior art.

Bekende methodes voor Hall offset compensatie zijn vaak gebaseerd op orthogonale compensatie.Known methods for Hall offset compensation are often based on orthogonal compensation.

De geometrische orthogonale compensatie techniek gebruikt twee verschillende 30 goed gekoppelde Hall platen, waarbij de stroomrichting in de ene plaat orthogonaal op de andere staat. Hierdoor zal de offset fout veroorzaakt door spanning in de ene Hall plaat tegengesteld zijn aan de fout in de andere. Deze compensatie is weliswaar 1025089 3 instantaan, maar echter fundamenteel beperkt door ongelijkheid van de Hall platen, en door de ongelijkheid van de mechanische spanning die zij ervaren.The geometric orthogonal compensation technique uses two different well-coupled Hall plates, the flow direction in one plate being orthogonal to the other. As a result, the offset error caused by voltage in one Hall plate will be opposite to the error in the other. Although this compensation is instantaneous, it is fundamentally limited by the inequality of the Hall plates and by the inequality of the mechanical stress they experience.

US octrooi 5,621,319 (“Chopped Hall sensor with synchronously chopped sample and hold circuit”, April 15,1997) beschrijft een temporele orthogonale 5 compensatietechniek die gebruik maakt van één enkele Hall plaat, waarbij de stromen in de tijd gezien orthogonaal worden rond geschakeld in vier richtingen. Aangezien de offset van dezelfde plaat afkomstig is, wordt op deze wijze een veel nauwkeurigere offset compensatie bereikt, mits de offset bronnen in de rondschakelperiode niet veranderen.US patent 5,621,319 ("Chopped Hall sensor with synchronously chopped sample and hold circuit", April 15, 1997) describes a temporal orthogonal compensation technique that uses a single Hall plate, in which the currents are orthogonally rotated in four directions. Since the offset originates from the same plate, a much more accurate offset compensation is achieved in this way, provided that the offset sources do not change during the switching period.

10 Veranderingen in de offsetbronnen, veroorzaakt door externe mechanische spanning, externe temperatuursinvloeden of door interne temperatuurmodulatie in de chip zijn echter aanzienlijk. Om voldoende onderdrukking te bereiken is de noodzakelijke frequentie waarmee de stroom wordt rond geschakeld over alle stroomrichtingen nogal hoog (100 kHz - 400 kHz). Dit snelle schakelen introduceert 15 echter weer dynamische offset van zichzelf, wat de bereikte winst in offsetverlaging beperkt. Tevens worden de vier offsetsignalen van de vier schakelrichtingen door de elektronica gemeten en gemiddeld en is er dus geen instantane compensatie, wat een groot dynamisch spanningsbereik van de elektronica vereistHowever, changes in the offset sources caused by external mechanical stress, external temperature influences or by internal temperature modulation in the chip are considerable. To achieve sufficient suppression, the necessary frequency with which the current is circulated over all current directions is rather high (100 kHz - 400 kHz). This rapid switching, however, introduces dynamic offset of its own, which limits the gain achieved in offset reduction. Also, the four offset signals from the four switching directions are measured by the electronics and averaged, so there is no instantaneous compensation, which requires a large dynamic voltage range of the electronics

Op basis van de hierboven beschreven technieken zijn magneetsensoren te 20 maken met een offset van enkele honderden μΤ. De bovenstaande technieken hébben bovendien als grote beperking dat ze slechts de offset wegnemen die veroorzaakt wordt door mechanische spanning. Er zijn nog ten minste twee belangrijke oorzaken van offset aan te geven die niet met orthogonale compensatie zijn te elimineren. Het eerste is het Junctie-FET effect, waarbij de gevoeligheid van de Hall plaat verandert 25 door verandering van de (elektrisch werkzame) dikte, veroorzaakt door veranderende elektrische spanning tussen de Hall plaat en de onderliggende laag. Het tweede effect is het ontstaan van thermokoppelspanningen door thermische gradiënten, geïnduceerd door Joule opwarming en/of Peltier opwarming/afkoeling. Door deze oorzaken blijft de offset in de Hall platen met offset compensatie op basis van stroom in vier 30 richtingen boven de 100 μΤ uitkomen. Deze andere bronnen van offset in de Hall plaat worden weggenomen met Hall platen waar de stroom niet orthogonaal wordt geschakeld of loopt (in vier richtingen), maar in ten minste acht richtingen.Based on the techniques described above, magnet sensors can be made with an offset of a few hundred μΤ. Moreover, the above techniques have as a major limitation that they only remove the offset caused by mechanical stress. There are at least two more important causes of offset that cannot be eliminated with orthogonal compensation. The first is the Junction FET effect, in which the sensitivity of the Hall plate changes due to a change in the (electrically effective) thickness caused by changing electrical voltage between the Hall plate and the underlying layer. The second effect is the occurrence of thermocouple voltages due to thermal gradients, induced by Joule heating and / or Peltier heating / cooling. For these reasons, the offset in the Hall plates with offset compensation based on current in four 30 directions remains above 100 μΤ. These other sources of offset in the Hall plate are removed with Hall plates where the current is not switched or runs orthogonally (in four directions), but in at least eight directions.

1noCOQQ~ 41noCOQQ ~ 4

Een eerste techniek die hiervan gebruikt maakt wordt beschreven in US Patent 5,406,202 (“Offset-compensated Hall sensor having plural Hall detectors having different geometrical orientations and switchable directions”, April 11,1995). Deze techniek wordt ook beschreven in Hohe, in “Hall sensor array for measuring a 5 magnetic field with offset compensation”, PCT aanvrage nr 01/18556,8 September 2000. In deze publicaties wordt een configuratie van Hall plaat paren voorgesteld, waarin de stromen in de individuele platen orthogonaal worden rondgeschakeld. De hoek tussen de paren is niet orthogonaal, maar bijvoorbeeld 45 graden. Met bijvoorbeeld 4 rondgeschakelde Hall platen (2 paren) kunnen dan de 8 mogelijke 10 stroomrichtingen bereikt worden. Een dergelijke configuratie heeft een goede instantane compensatie en de benodigde dynamische range van de elektronica kan klein blijven. De offset compensatie is echter beperkt Per Hall plaat zijn maar 4 richtingen mogelijk waardoor de compensatie per Hall plaat dus onvolledig is. Bovendien hebben de voorgestelde structuren te maken hebben met thermische 15 zelfmodulatie, waarbij de (thermische) offset in een Hall plaat wordt beïnvloed door het draaien van de stroom in de andere. Hierdoor wordt offset veroorzaakt door de structuur zelf.A first technique that uses this is described in US Patent 5,406,202 ("Offset-compensated Hall sensor having plural Hall detectors having different geometric orientations and switchable directions", April 11, 1995). This technique is also described in Hohe, in “Hall sensor array for measuring a magnetic field with offset compensation,” PCT application no. 01 / 18556.8 September 2000. In these publications, a configuration of Hall plate pairs is presented, in which the currents can be rotated orthogonally in the individual plates. The angle between the pairs is not orthogonal, but 45 degrees for example. With, for example, 4 Hall plates (2 pairs) circulated, the 8 possible 10 flow directions can then be achieved. Such a configuration has good instantaneous compensation and the required dynamic range of the electronics can remain small. However, offset compensation is limited. Only 4 directions are possible for each Hall plate, which means that compensation per Hall plate is incomplete. Moreover, the proposed structures have to do with thermal self-modulation, whereby the (thermal) offset in one Hall plate is influenced by the rotation of the current in the other. As a result, offset is caused by the structure itself.

Een andere methode wordt beschreven door Munter in “Electronic circuitry for a smart spinning Hall plate with low offset”, Proceedings of Eurosensors IV, 1991, Vol-20 2, pagina’s 747 to 751, karlsrule Oktober 13,1990. De methode gebruikt één cirkelvormige Hall plaat met 16 contacten die uniform over de buitenkant van de Hall plaat zijn verdeeld. De stroom wordt ciikelvormig rond geschakeld met elektronische schakelaars. Na optellen van de 16 verschillende Hall spanningen wordt de resulterende offset verlaagd naar een orde van tientallen μΤ (10-20 μΤ).Another method is described by Munter in "Electronic circuitry for a smart spinning Hall plate with low offset", Proceedings of Eurosensors IV, 1991, Vol-20 2, pages 747 to 751, karlsrule October 13, 1990. The method uses one circular Hall plate with 16 contacts that are uniformly distributed on the outside of the Hall plate. The current is circulated in the form of a circle with electronic switches. After adding the 16 different Hall voltages, the resulting offset is lowered to an order of tens of μΤ (10-20 μΤ).

25 Een andere methode wordt beschreven in US Patent 6,064,202 (“Spinning current method of reducing the offset voltage of a Hall device", 16 mei, 2000). Hierin wordt een Hall plaat beschreven met 4 contacten. Elk contactpaar is aangesloten op een periodiek veranderend signaal, waarbij de fase draaiing van de stromen overeenkomt met de geometrische fase draaiing, dus 90°. Een en ander resulteert in een continue 30 draaiende stroom vector in de Hall plaat. De gerapporteerde resulterende offset na demodulatie was in de orde van 10μΤ.Another method is described in US Patent 6,064,202 ("Spinning current method of reducing the offset voltage of a Hall device", May 16, 2000). A Hall plate with 4 contacts is described herein. Each contact pair is connected to a periodically changing signal in which the phase rotation of the currents corresponds to the geometric phase rotation, thus 90 °, all of which results in a continuous rotating current vector in the Hall plate.The reported resulting offset after demodulation was of the order of 10μΤ.

De methodes beschreven door Munter en in US Patent 6,064,202 hebben echter de beperking dat er geen sprake is van instantane compensatie van externe offset 1025089” 5 bronnen en moeten, om dynamische schakeloffset te vermijden, op relatief lage ronddraai frequenties worden bedreven, hetgeen tot instabiele offset compensatie leidt Ook worden interne wederzijdse modulaties tussen Hall plaat en elektronica niet vermeden hetgeen ook weer offset introduceert 5 Het is duidelijk dat de bekende technieken niet geschikt zijn voor het meten van zwakke magneetvelden, zoals het aardmagnetisch veld, voor bijvoorbeeld kompastoepassingen of andere toepassingen, waarbij een lage offset, bijvoorbeeld minder dan enkele μΤ, noodzakelijk is. Dit heeft tot het verschuiven van onderzoek in andere richtingen geleid, zoals geïntegreerde flux-gates op chip.However, the methods described by Munter and in US Patent 6,064,202 have the limitation that there is no instantaneous compensation of external offset 1025089 ”5 sources and must, in order to avoid dynamic switch offset, be operated at relatively low rotational frequencies, which leads to unstable offset compensation leads. Internal mutual modulations between Hall plate and electronics are also not avoided, which in turn introduces offset. It is clear that the known techniques are not suitable for measuring weak magnetic fields, such as the earth's magnetic field, for, for example, compass applications or other applications, wherein a low offset, for example less than a few μΤ, is necessary. This has led to a shift in research in other directions, such as integrated flux gates on chip.

10 Alle uit de stand van de techniek bekende magneetveldsensoren die gebruikmaken van een Hall plaat vertonen een relatief hoge offset, namelijk van 10 μΤ of meer. Dergelijke sensoren zijn zodoende ongeschikt voor toepassingen waarin een hoge mate van nauwkeurigheid vereist is, bijvoorbeeld bij het meten van het aardmagnetisch veld, waar een offset van minder dan 10 μΤ, bijvoorbeeld 1 μΤ vereist 15 is. Het doel van de uitvinding is dan ook om een magneetsensor op basis van Hall platen te verschaffen die een verhoogde nauwkeurigheid verschaft. US octrooi 5,406,202 wordt in het kader van deze uitvinding beschouwd als de meest nabije stand van de techniek en de uitvinding zal afgebakend worden ten opzichte van deze uitvinding.All magnetic field sensors known from the prior art that use a Hall plate exhibit a relatively high offset, namely of 10 μΤ or more. Such sensors are therefore unsuitable for applications where a high degree of accuracy is required, for example when measuring the earth's magnetic field, where an offset of less than 10 μΤ, for example 1 μΤ, is required. The object of the invention is therefore to provide a magnet sensor based on Hall plates that provides increased accuracy. US patent 5,406,202 is considered to be the closest prior art in the context of this invention and the invention will be delimited with respect to this invention.

2020

BEKNOPTE BESPREKING VAN DE UITVINDINGBRIEF DISCUSSION OF THE INVENTION

Het genoemde doel wordt bereikt met een magneetveldsensor zoals beschreven in de aanhef met het kenmerk, dat de magneetveldsensor is ingericht om in elke Hall plaat een meetstroom op te wekken in ten minste acht richtingen. Met een 25 magneetveldsensor volgens de uitvinding is het mogelijk om een magneetveld te meten op een wijze die vele malen nauwkeuriger is dan mogelijk was aan de hand van de stand van de techniek. Door het verschaffen van meerdere Hall platen met ten minste acht stroomrichtingen, is het mogelijk gebleken een offset te halen die vele malen kleiner is dan de bestaande magneetveldsensoren, die gebruikmaken van Hall platen.Said object is achieved with a magnetic field sensor as described in the preamble, characterized in that the magnetic field sensor is adapted to generate a measuring current in each Hall plate in at least eight directions. With a magnetic field sensor according to the invention, it is possible to measure a magnetic field in a manner that is many times more accurate than was possible on the basis of the prior art. By providing a plurality of Hall plates with at least eight flow directions, it has been found possible to achieve an offset that is many times smaller than the existing magnetic field sensors that use Hall plates.

30 Met een dergelijke magneetsensor is het mogelijk om een magnetisch veld te meten met een offset die duidelijk lager is dan de in de stand van de techniek beschreven magneetsensoren. Op basis van de uit de stand van de techniek bekende gegevens leek het niet mogelijk om een magneetsensor met een dergelijke 1025089 6 nauwkeurigheid te maken met behulp van Hall platen. Er zijn veel publicaties over het onderwerp bekend, waarvan enkele hierboven besproken in de inleiding, maar geen van de beschreven magneetveldsensoren die gebruik maken van Hall platen behaalde de nauwkeurigheid die met de magneetveldsensor volgens de uitvinding bereikt wordt.With such a magnet sensor it is possible to measure a magnetic field with an offset that is clearly lower than the magnet sensors described in the prior art. On the basis of the data known from the prior art, it did not seem possible to make a magnet sensor with such an accuracy with the aid of Hall plates. Many publications on the subject are known, some of which are discussed above in the introduction, but none of the magnetic field sensors described using Hall plates achieved the accuracy achieved with the magnetic field sensor according to the invention.

5 Om die reden was de ontwikkeling in het vakgebied de laatste jaren ook sterk gericht op het maken van magneetveldsensoren gebaseerd op het magneto-resistieve of het flux-gate principe. Hiermee kunnen echter weliswaar magneetveldsensoren met ultra-lage offset worden gemaakt, maar vanwege de technologie kunnen deze sensoren minder goed gecombineerd worden met elektronica op de sensor, waardoor externe 10 elektronica moet worden toegevoegd. Wanneer dergelijke sensoren worden onderwoipen aan relatief sterke magneetvelden functioneren dergelijke sensoren niet langer goed.For that reason, the development in the field in recent years has also been strongly focused on making magnetic field sensors based on the magneto-resistive or the flux-gate principle. With this, however, magnetic field sensors with ultra-low offset can be made, but due to the technology these sensors can be combined less well with electronics on the sensor, as a result of which external electronics must be added. When such sensors are subjected to relatively strong magnetic fields, such sensors no longer function properly.

De uitvinding verschaft een methode die instantane en temporele compensatie van interne en externe offset bronnen met een geometrische combinatie van Hall 15 platen met draaiende stroomrichting met ten minste acht stroomrichtingen mogelijk maakt. Hierdoor wordt de invloed van veranderende externe bronnen en van de wederzijdse beïnvloeding van elektronica en Hall plaat sterk onderdrukt. Afhankelijk van de gekozen configuratie wordt ook zelfinodulatie van de verschillende Hall platen op elkaar onderdrukt Bovendien kan de schakeling op een verhoogde 20 ronddraaiffequentie worden bedreven. Met als doel dat de totale magneetveld sensor ongevoeliger wordt voor snelle veranderingen of (zélf) modulaties in de verschillende offsetbronnen, hetgeen uiteindelijk zal leiden tot een magneetveldsensor met verkleinde offset.The invention provides a method that allows instantaneous and temporal compensation of internal and external offset sources with a geometric combination of Hall 15 rotating direction plates with at least eight current directions. This strongly suppresses the influence of changing external sources and the mutual influence of electronics and Hall plate. Depending on the chosen configuration, self-inodulation of the different Hall plates is also suppressed on top of each other. Moreover, the circuit can be operated on an increased turning sequence. With the aim that the total magnetic field sensor becomes less sensitive to rapid changes or (itself) modulations in the different offset sources, which will ultimately lead to a magnetic field sensor with reduced offset.

In praktijk is al aangetoond dat een veel kleinere en stabiele offset dan de andere 25 gerapporteerde methoden mogelijk is.It has already been demonstrated in practice that a much smaller and stable offset than the other reported methods is possible.

De methode wordt gecombineerd met op de chip geplaatste elektronica die nodig is voor het nauwkeurig besturen en uitlezen van de Hall signalen. Bovendien worden er additionele elektronische functies of verbeteringen van de Hall plaat beschreven, zoals die met traditionele Hall platen kunnen worden toegepast.The method is combined with electronics placed on the chip that are necessary for the accurate control and reading of the Hall signals. In addition, additional electronic functions or improvements to the Hall plate are described, such as those that can be used with traditional Hall plates.

30 Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een magneetveldsensor, waarin de magneetveldsensor is ingericht om de meetstroom per Hall plaat volgens een vooraf bepaalde volgorde in de ten minste acht richtingen te 1 02 50 8 9 7 sturen. Door het kiezen van een geschikte volgorde is het mogelijk te compenseren voor bepaalde offset oorzaken.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, in which the magnetic field sensor is adapted to control the measuring current per Hall plate in the at least eight directions in a predetermined order. By choosing a suitable order it is possible to compensate for certain offset causes.

Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een magneetveldsensor, waarin de meetstroom achtereenvolgens in een eerste volgorde 5 door de ten minste acht richtingen gestuurd wordt en vervolgens in een tweede volgorde door de ten minste acht richtingen gestuurd wordt, waarbij de eerste volgorde omgekeerd is aan de tweede volgorde. Het is bijvoorbeeld mogelijk om de eerste volgorde zodanig te kiezen dat de meetstroom met de klok mee door de ten minste acht richtingen te sturen, gevolgd door een tweede volgorde, waarin de meetstroom 10 tegen de klok in door de ten minste acht richtingen gestuurd wordt Hiermee kunnen thermische effecten gecompenseerd worden.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, wherein the measuring current is successively controlled in the first order by the at least eight directions and subsequently controlled in the second order by the at least eight directions, the first order being reversed to the second order. For example, it is possible to choose the first order such that the measuring current is controlled clockwise through the at least eight directions, followed by a second order in which the measuring current 10 is controlled counterclockwise by the at least eight directions. thermal effects can be compensated.

Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een magneetveldsensor, waarin de magneetveldsensor ten minste een paar Hall platen omvat, bestaande uit een eerste en een tweede Hall plaat, waarbij de meetstroom in de IS eerste Hall plaat in hoofdzaak loodrecht staat op de meetstroom in de tweede Hall plaat Een dergelijke Hall plaat heeft als voordeel dat de orthogonale offset steeds instantaan gecompenseerd wordt en de resulterende offset na spinnen gecompenseerd wordt. Met als doel instantane compensatie van offset bronnen. Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een magneetveldsensor, waarbij 20 elke Hall plaat voorzien is van ten minste acht contacten voor het aan de Hall plaat toevoeren van de meetstroom.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, wherein the magnetic field sensor comprises at least a pair of Hall plates consisting of a first and a second Hall plate, wherein the measuring current in the IS first Hall plate is substantially perpendicular to the measuring current in the second Hall plate Such a Hall plate has the advantage that the orthogonal offset is always instantaneously compensated and the resulting offset after spinning is compensated. With the aim of instantaneous compensation of offset sources. According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, wherein each Hall plate is provided with at least eight contacts for supplying the measuring current to the Hall plate.

Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een magneetveldsensor, waarbij elke Hall plaat voorzien is van vier contacten, en de magneetveldsensor is ingericht om aan elk van de contacten een periodiek signaal toe 25 te voeren die respectievelijk in hoofdzaak 90° ten opzichte van elkaar in fase verschoven liggen. Op deze wijze wordt met een beperkt aantal contacten een continu ronddraaiende meetstroom gecreëerd. Deze continu ronddraaiende meetstroom kan zowel gebruikt worden om in acht richtingen te meten, maar ook om in meer dan acht richtingen te meten.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, wherein each Hall plate is provided with four contacts, and the magnetic field sensor is adapted to apply to each of the contacts a periodic signal which is respectively substantially 90 ° relative to each other. phase shifted. In this way a continuously rotating measuring current is created with a limited number of contacts. This continuously rotating measuring current can be used both to measure in eight directions, but also to measure in more than eight directions.

30 Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een magneetveldsensor, waarbij de magneetveldsensor voorzien is van ten minste vier Hall platen, die elk zijn ingericht om een meetstroom te voeren in ten minste acht richtingen. Hierbij zijn de Hall platen bij voorkeur geometrisch gelijk en thermisch en 1025C89 8 spatiaal gekoppeld op eenzelfde substraat, terwijl de Hall platen individueel hun mogelijke stroomrichtingen doorlopen, waarbij de onderlinge richting van de stromen compenserend werkt voor storende effecten van buiten af en binnen af. De combinatie van de Hall spanningen van individuele ronddraaiende stromen zal uiteindelijk een 5 ultra lage offset opleveren met een storingsvrij signaal.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, wherein the magnetic field sensor is provided with at least four Hall plates, each of which is adapted to carry a measuring current in at least eight directions. Here, the Hall plates are preferably geometrically identical and thermally and spatially coupled to the same substrate, while the Hall plates individually run through their possible flow directions, the mutual direction of the flows compensating for disturbing effects from outside and inside. The combination of the Hall voltages of individual revolving currents will ultimately yield an ultra low offset with a interference-free signal.

Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een magneetveldsensor, waarbij de magneetveldsensor is ingericht om de meetstromen met een vooraf bepaalde volgorde door de ten minste acht richtingen van de ten minste vier Hall platen te sturen, waarbij: 10 - een meetstroom in een eerste Hall plaat in hoofdzaak loodrecht loopt ten opzichte van een meetstroom in een tweede Hall plaat, de meetstroom in de tweede Hall plaat in hoofdzaak loodrecht loopt op een meetstroom in een derde Hall plaat, de meetstroom in de derde Hall plaat in hoofdzaak loodrecht loopt op een 15 meetstroom in een vierde Hall plaat, en de meetstroom in de vierde Hall plaat in hoofdzaak loodrecht loopt ten opzichte van de meetstroom in de eerste Hall plaat.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, wherein the magnetic field sensor is adapted to send the measuring currents in a predetermined order through the at least eight directions of the at least four Hall plates, wherein: a measuring current in a first Hall plate runs substantially perpendicular to a measuring current in a second Hall plate, the measuring current in the second Hall plate runs substantially perpendicular to a measuring current in a third Hall plate, the measuring current in the third Hall plate runs substantially perpendicular to a measuring current in a fourth Hall plate, and the measuring current in the fourth Hall plate is substantially perpendicular to the measuring current in the first Hall plate.

Deze uitvoeringsvorm compenseert instantaan zowel voor thermische als mechanische offset.This embodiment instantly compensates for both thermal and mechanical offset.

20 Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een magneetveldsensor, omvattende een eerste groep van Hall platen, omvattende een eerste, tweede, derde en vierde Hall plaat en een tweede groep Hall platen, omvattende een vijfde, zesde, zevende en achtste Hall plaat, waarbij de magneetveldsensor is ingericht om de richting van de meetstroom in de eerste, tweede, derde en vierde Hall 25 plaat in hoofdzaak loodrecht te kiezen ten opzichte van, respectievelijk, de vijfde, zesde, zevende en achtste Hall plaat. Hiermee kan een nog betere (instantane) compensatie van offsetbronnen plaatsvinden. Hiermee kunnen ook 2e en 3e orde effecten worden gecompenseerd, zoals tweede orde built in spanning.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, comprising a first group of Hall plates, comprising a first, second, third and fourth Hall plate and a second group of Hall plates, comprising a fifth, sixth, seventh and eighth Hall plate, wherein the magnetic field sensor is adapted to select the direction of the measuring current in the first, second, third and fourth Hall plate substantially perpendicular to, respectively, the fifth, sixth, seventh and eighth Hall plates. This allows even better (instantaneous) compensation of offset sources. This can also compensate for 2nd and 3rd order effects, such as second order built in tension.

Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een 30 magneetveldsensor, waarbij de Hall platen op een zelfde drager zijn geplaatst. Dit is voordelig in verband met thermische en mechanische koppeling. Een goede koppeling zorgt in het algemeen voor een goede compensatie omdat de effecten in alle Hall platen identiek zijn.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, wherein the Hall plates are placed on the same support. This is advantageous in connection with thermal and mechanical coupling. A good coupling generally ensures good compensation because the effects in all Hall plates are identical.

1025089 91025089 9

Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een magneetveldsensor, waarbij de drager een halfgeleider is en de drager vorder een demultiplexer omvat, die is ingericht om een stroom te ontvangen en deze te verdelen over de ten minste acht richtingen van de Hall platen, en de drager verder een S multiplexer omvat, die is ingericht voor het ontvangen van de meetspanningen over de Hall platen en deze uit te voeren via een uitgang, en de drager verder voorzien is van een besturingseenheid, voor het aansturen van de demultiplexer en de multiplexer. De drager is bij voorkeur een silicium plaat, waar op eenvoudige wijze aanvullende elektronica geplaatst kan worden. Ook is silicium drager bijzonder geschikt om Hall 10 platen op te maken. Op een dergelijke drager kan op eenvoudige wijze aanvullende een demultiplexer en een multiplexer geplaatst worden, die respectievelijk bijzonder geschikt zijn voor het verdelen van de meetstromen over de verschillende richtingen en Hall platen en het achtereenvolgend uitlezen van de verschillende meetsignalen.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, wherein the carrier is a semiconductor and the carrier further comprises a demultiplexer, which is adapted to receive a current and distribute it over the at least eight directions of the Hall plates, and the The carrier further comprises an S multiplexer, which is adapted to receive the measuring voltages over the Hall plates and to output them via an output, and the carrier is further provided with a control unit, for controlling the demultiplexer and the multiplexer. The support is preferably a silicon plate, where additional electronics can be placed in a simple manner. Silicon support is also particularly suitable for making Hall 10 plates. In addition, a demultiplexer and a multiplexer can be placed on such a support in a simple manner, which are respectively particularly suitable for distributing the measurement currents over the different directions and Hall plates and for successively reading out the different measurement signals.

Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een 15 magneetveldsensor, waarbij de drager verder een sommatie-eenheid omvat die in verbinding staat met de uitgang van de multiplexer, voor het optellen van de verschillende gemeten spanningen. Door het optellen van de verschillende gemeten spanningen kan een waarde verkregen worden die een maat is voor de sterkte van het magnetisch veld en die niet gevoelig is voor allerlei soorten offset.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, wherein the carrier further comprises a summation unit which is connected to the output of the multiplexer, for adding up the different measured voltages. By adding the different measured voltages, a value can be obtained that is a measure of the strength of the magnetic field and that is not sensitive to all kinds of offset.

20 Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een magneetveldsensor, waarbij de drager verder voorzien is van een sigma-delta omzetter, voor het digitaliseren van het uitgangssignaal van de multiplexer en een versterker voor het versterken van het uitgangssignaal van de multiplexer.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, wherein the carrier is further provided with a sigma-delta converter, for digitizing the output signal of the multiplexer and an amplifier for amplifying the output signal of the multiplexer.

Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een 25 magneetveldsensor, waarin de magneetveldsensor verder voorzien is van een fluxconcentrator, die zich in hoofdzaak in de derde richting van de Hall platen bevindt De fluxconcentrator trekt magnetische veldlijnen naar zich toe. Aan de rand van de fluxconcentrator zal verbuiging van de magnetische veldlijnen lijnen ontstaan, waardoor het mogelijk wordt om met Hall platen die in één vlak liggen toch veldlijnen 30 in drie dimensies te meten. Dit heeft als voordeel dat met één magneetveldsensor een magnetisch veld kunnen meten drie richtingen. In deze uitvoeringsvorm vindt vaak een aftrekbewerking plaats van de signalen van twee Hall platen. Deze aftrek bewerking geeft een bijzondere vorm van instantane compensatie waarin identieke (in 1025083 10 plaats van tegengestelde) offset van Hall platen wordt gecompenseerd. Dit kan leiden tot andere stroomrichting keuzes dan voor de andere vormen van instantane compensatie.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, in which the magnetic field sensor is further provided with a flux concentrator, which is situated substantially in the third direction of the Hall plates. The flux concentrator draws magnetic field lines towards it. At the edge of the flux concentrator, bending of the magnetic field lines of lines will occur, making it possible to measure field lines in three dimensions with Hall plates lying in one plane. This has the advantage that with one magnetic field sensor a magnetic field can measure three directions. In this embodiment, a subtraction operation often takes place of the signals from two Hall plates. This deduction operation gives a special form of instantaneous compensation in which identical (in 1025083 instead of opposite) offset of Hall plates is compensated. This can lead to different flow direction choices than for the other forms of instantaneous compensation.

Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een 5 magneetveldsensor, waarin de magneetveldsensor voorzien is van ten minste een spoel voor het opwekken van een magnetisch veld, dat door de magneetveldsensor gemeten kan worden. Met een dergelijke spoel is het mogelijk om een magnetisch veld te genereren met een bekende sterkte en richting, waarmee de magneetveldsensor op eenvoudige wijze gekalibreerd kan worden.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, in which the magnetic field sensor is provided with at least one coil for generating a magnetic field, which can be measured by the magnetic field sensor. With such a coil it is possible to generate a magnetic field with a known strength and direction, with which the magnetic field sensor can be calibrated in a simple manner.

10 Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een magneetveldsensor, waarin de spoel aangestuurd kan worden voor het demagnetiseren van fluxconcentrator. Hiermee kan eventuele hinderlijke magnetisatie van de fluxgenerator op eenvoudige wijze verwijderd worden. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren door het aanbieden van een uitdempend sinusvormig signaal aan de spoel, waarvoor 15 de elektronica die hiervoor nodig is eenvoudig kan worden mee geïntegreerd.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, in which the coil can be controlled for demagnetizing a flux concentrator. With this, any annoying magnetization of the flux generator can be easily removed. This can be done, for example, by applying a damping sinusoidal signal to the coil, for which the electronics required for this can easily be integrated.

Volgens een uitvoeringsvorm heeft de uitvinding betrekking op een magneetveldsensor, waarin de magneetveldsensor is ingericht om ten minste één meetsignaal voor het meten van het spanningsverschil over de Hall platen gedurende een bepaald tijdsinterval te negeren. Dit maakt het mogelijk om instelfluctuaties te 20 negeren, waardoor er in relatief korte tijd een betrouwbaar meting gedaan kan worden.According to an embodiment the invention relates to a magnetic field sensor, wherein the magnetic field sensor is adapted to ignore at least one measuring signal for measuring the voltage difference over the Hall plates during a certain time interval. This makes it possible to ignore setting fluctuations, as a result of which a reliable measurement can be made in a relatively short time.

Het is dan namelijk niet nodig om gedurende relatief lange tijd te meten, om de instelfluctuaties weg te middelen.Namely, it is then not necessary to measure for a relatively long time in order to eliminate the adjustment fluctuations.

Volgens een verder aspect, heeft de uitvinding betrekking op een drager, voorzien van een magneetveldsensor zoals hierboven beschreven.According to a further aspect, the invention relates to a carrier provided with a magnetic field sensor as described above.

25 Volgens een verder aspect, heeft de uitvinding betrekking op een kompas, voorzien van een magneetveldsensor zoals hierboven beschreven.According to a further aspect, the invention relates to a compass provided with a magnetic field sensor as described above.

KORTE OMSCHRIJVING VAN DE TEKENINGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

De uitvinding zal hieronder nader worden toegelicht aan de hand van enkele 30 tekeningen, waarin enkele uitvoeringsvoorbeelden worden getoond. De tekeningen zijn slechts bedoeld voor illustratieve doeleinden, en dienen niet ter beperking van de beschermingsomvang die wordt gedefinieerd door de conclusies.The invention will be explained in more detail below with reference to a few drawings, in which some exemplary embodiments are shown. The drawings are intended for illustrative purposes only, and are not intended to limit the scope of protection defined by the claims.

1025C89 111025C89 11

Figuur 1 toont schematisch twee Hall platen volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding;Figure 1 schematically shows two Hall plates according to an embodiment of the invention;

Figuren 2a tot en met 2e tonen schematisch verschillende configuraties van Hall platen volgens verschillende uitvoeringsvormen van de uitvinding; 5 Figuren 3a tot en met 3h tonen verschillende richtingen van de stroomrichtingen volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding;Figures 2a to 2e schematically show different configurations of Hall plates according to different embodiments of the invention; Figures 3a to 3h show different directions of the flow directions according to an embodiment of the invention;

Figuren 4a tot en met 4h tonen temperatuursprofielen bij verschillende meetstroomrichtingen in een uitvoeringsvorm van de uitvinding;Figures 4a to 4h show temperature profiles at different measuring current directions in an embodiment of the invention;

Figuren Sa tot en met Sd tonen de temperatuursinvloed van elektronica op de 10 Hall platen;Figures Sa to Sd show the temperature influence of electronics on the Hall plates;

Figuur 6 toont verschillende signalen als functie van de tijd volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding;Figure 6 shows various signals as a function of time according to an embodiment of the invention;

Figuren 7a en 7b tonen verschillende draairichtingen van de meetstroom;Figures 7a and 7b show different directions of rotation of the measuring current;

Figuur 8 toont schematisch een chopper lus volgens een uitvoeringsvorm van de IS uitvinding;Figure 8 schematically shows a chopper loop according to an embodiment of the IS invention;

Figuur 9 toont schematisch een magneetveldsensor met verwerkingselektronica volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding;Figure 9 schematically shows a magnetic field sensor with processing electronics according to an embodiment of the invention;

Figuren 10a en 10b tonen respectievelijk een boven- en een zijaanzicht van een magneetveldsensor volgens een uitvoeringsvorm van de uitvinding.Figures 10a and 10b show a top and side view, respectively, of a magnetic field sensor according to an embodiment of the invention.

2020

GEDETAILLEERDE OMSCHRIJVING VAN DE UITVINDINGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Een magneetveldsensor 1 volgens de uitvinding, zoals getoond wordt in Fig. 1, omvat bijvoorbeeld twee Hall platen 11,12, voorzien van een aantal aansluitingen 10, waarmee stromen in ten minste acht richtingen door elke Hall plaat gestuurd kunnen 25 worden. Dit maakt het mogelijk om temporele compensatie te bereiken in ten minste acht stroomrichtingen, hetgeen zoals in de inleiding beschreven is, noodzakelijk is voor complete offset compensatie. Een magneetveldsensor met meerdere Hall platen, waarin in elke Hall plaat maar vier stroomrichtingen gestuurd kunnen worden, zoals eerder beschreven in US octrooi 5,406,202 volstaat niet om alle offsetbronnen in 30 voldoende mate te elimineren.A magnetic field sensor 1 according to the invention, as shown in FIG. 1, for example, comprises two Hall plates 11, 12, provided with a number of connections 10, with which flows can be directed through each Hall plate in at least eight directions. This makes it possible to achieve temporal compensation in at least eight flow directions, which, as described in the introduction, is necessary for complete offset compensation. A magnetic field sensor with several Hall plates, in which only four current directions can be controlled in each Hall plate, as described earlier in US patent 5,406,202, is not sufficient to eliminate all offset sources to a sufficient extent.

De Hall platen 11,12 zoals getoond in Fig. 1 omvatten elk acht aansluitingen 10. Uiteraard heeft de uitvinding ook betrekking op een magneetveldsensor 1 voorzien van Hall platen met meer dan acht aansluitingen of waarin meer dan acht stroomrichtingen 1025089 12 verkregen kunnen worden. Ook heeft de uitvinding betrekking op een Hall plaat met een continu draaiende stroomvector, waarin niet acht, maar vier contacten 10 nodig zijn, om ten minste acht stroomrichtingen te bereiken. Een dergelijke Hall plaat 11,12 omvat vier contacten, die equidistant geplaatst zijn langs de rand van de Hall plaat 11, 5 12. De twee tegenover elkaar gelegen contactparen 10 zijn aangesloten op een periodiek veranderend signaal (bijvoorbeeld een sinusvormig-signaal), waarbij de fase draaiing van de stromen overeenkomt met de geometrische fasedraaiing van de contactparen, dus 90°. Een en ander resulteert in een continue draaiende stroom vector in de Hall plaat. Met een dergelijke inrichting kunnen ook de ten minste acht vereiste 10 stroomrichtingen bereikt worden.The Hall plates 11,12 as shown in FIG. 1 each comprises eight connections 10. Naturally, the invention also relates to a magnetic field sensor 1 provided with Hall plates with more than eight connections or in which more than eight current directions 1025089 12 can be obtained. The invention also relates to a Hall plate with a continuously rotating current vector, in which not eight, but four contacts are required, in order to achieve at least eight current directions. Such a Hall plate 11, 12 comprises four contacts which are placed equidistantly along the edge of the Hall plate 11, 12. The two opposite contact pairs 10 are connected to a periodically changing signal (for example a sinusoidal signal), wherein the phase rotation of the currents corresponds to the geometric phase rotation of the contact pairs, i.e. 90 °. All this results in a continuous rotating current vector in the Hall plate. With such a device the at least eight required flow directions can also be achieved.

Voor elke Hall plaat 11,12 wordt bij voorkeur optimale technologie gebruikt, zoals bijvoorbeeld de techniek die gebruikmaakt van zogenaamde geïmplanteerde, begraven of gedeponeerde lagen. Ook keuze van de plaats op de chip (minimale spanningsgradiënten) en maatregelen om de waarde van de spanning te minimaliseren 15 (geëtste geulen rond de Hall platen, inpakken in elastische materialen zoals siliconen) kunnen worden toegqpast.For each Hall plate 11,12, optimum technology is preferably used, such as, for example, the technique that uses so-called implanted, buried or deposited layers. Choice of the location on the chip (minimum voltage gradients) and measures to minimize the value of the voltage (etched trenches around the Hall plates, packing in elastic materials such as silicone) can also be used.

De individuele Hall platen 11,12 zullen na een volledige cyclus over ten minste acht stroom richtingen volledig temporeel gecompenseerd zijn, mits de externe en interne offset bronnen constant zijn. Over het algemeen zal aan deze eis niet voldaan 20 worden en zal er sprake zijn van resterende offset na een volledige cyclus, afhankelijk van het gedrag van deze offset bronnen, hetgeen later toegelicht zal worden.The individual Hall plates 11, 12 will be fully temporally compensated after a complete cycle over at least eight flow directions, provided that the external and internal offset sources are constant. In general, this requirement will not be met and there will be residual offset after a full cycle, depending on the behavior of these offset sources, which will be explained later.

Om deze effecten te onderdrukken maakt de uitvinding gebruik van geometrische instantane compensatie, waarbij de magneetveldsensor 1 bestaat uit verschillende Hall platen 11,12 die parallel worden geschakeld, zodanig dat de magnetisch-geïnduceerde 25 signalen worden opgeteld en de interne en externe (instantane) offsetbronnen elkaar steeds zoveel mogelijk opheffen. Met als doel dat de totale magneetveld sensor ongevoeliger wordt voor snelle veranderingen of (zelf) modulaties in de verschillende offsetbronnen, hetgeen uiteindelijk zal leiden tot een magneetveldsensor met verlaagde en stabielere offset 30 Verschillende interne en externe bronnen kunnen hierbij geïdentificeerd en beschreven worden.To suppress these effects, the invention uses geometric instantaneous compensation, wherein the magnetic field sensor 1 consists of different Hall plates 11, 12 that are connected in parallel, such that the magnetically-induced signals are added and the internal and external (instantaneous) offset sources each other as much as possible. With the aim that the total magnetic field sensor becomes less sensitive to rapid changes or (self) modulations in the different offset sources, which will ultimately lead to a magnetic field sensor with reduced and more stable offset. Different internal and external sources can be identified and described herein.

Als externe bronnen kunnen genoemd worden: mechanische spanning en temperatuurs(drift)invloeden. Als interne bronnen kunnen genoemd worden: 1025089 13 modulatie van elektronica op de Hall platen 11,12, thermische of mechanische spanning van Hall platen 11,12 en hun contacten en connecties op elkaar, hierna zelfmodulatie genoemd;The following can be mentioned as external sources: mechanical stress and temperature (drift) influences. As internal sources may be mentioned: 1025089 modulation of electronics on the Hall plates 11,12, thermal or mechanical stress of Hall plates 11,12 and their contacts and connections on each other, hereinafter referred to as self-modulation;

Verandering in externe bronnen kan leiden tot een instabiele offset compensatie 3 en dienen derhalve gecompenseerd te worden. Interne bronnen hebben bovendien de eigenschap een mate van correlatie te vertonen met de stroomrichtingstoestand, en kunnen derhalve zelf offset genereren.Change in external sources can lead to unstable offset compensation 3 and must therefore be compensated. Moreover, internal sources have the property of showing a degree of correlation with the flow direction state, and can therefore generate offset themselves.

De genoemde effecten en hun geometrische compensatie worden nu nader beschreven.The mentioned effects and their geometric compensation are now described in more detail.

Zoals eerder vermeld vindt mechanische spanningscompensatie bij voorkeur 10 plaats met behulp van stroomrichtingen die een hoek maken van ongeveer 90°, maar in een aantal gevallen kan dit ook gebeuren met een hoek van ongeveer 45°. Hall plaat paren, met stroomrichtingen onder 90° (of eventueel 45°) compenseren zodoende voor de mechanische spanning.As previously stated, mechanical stress compensation preferably takes place with the aid of current directions making an angle of about 90 °, but in a number of cases this can also be done with an angle of about 45 °. Hall plate pairs, with current directions below 90 ° (or possibly 45 °) thus compensate for the mechanical stress.

Thermische compensatie vindt bij voorkeur plaats met een onderlinge hoek 1S tussen de stroomrichtingen van ongeveer 180°. Een voorname reden van thermische offset is namelijk het thermokoppel effect dat een spanning genereert over de meetcontacten indien er tussen deze contacten een temperatuursverschil staat Voor stroomrichtingen onder een hoek van 180° zal er exact een tegengesteld temperatuursverschil en dus tegengestelde offset spanningen worden gegenereerd, 20 welke elkaar zullen opheffen. Hall plaat paren, met stroomrichtingen onder 180° werken dus thermisch compenserend.Thermal compensation preferably takes place with a mutual angle 1S between the flow directions of approximately 180 °. Namely, a main reason for thermal offset is the thermocouple effect that generates a voltage across the measuring contacts if there is a temperature difference between these contacts. For current directions at an angle of 180 °, exactly an opposite temperature difference and thus opposite offset voltages will be generated, which will cancel each other out. Hall plate pairs, with flow directions below 180 ° therefore have a thermal compensating effect.

Het zal duidelijk zijn dat om zowel thermische- als spannings compensatie toe te passen minimaal vier Hall platen 11,12,13,14 nodig zijn.It will be clear that in order to use both thermal and voltage compensation, a minimum of four Hall plates 11, 12, 13, 14 are required.

Bovenstaande compensaties gelden voor compensatie van in- en externe 23 effecten. Interne effecten vereisen echter nadere verklaring, omdat onjuiste keuzes tot ingebouwde offset kan leiden.The above compensation applies to compensation of internal and external effects. Internal effects, however, require further explanation, since incorrect choices can lead to built-in offset.

Als voorbeeld nemen we de invloed van een veranderend temperatuurprofiel ten gevolge van warmtegeneratie in de elektronica. De elektronica is bij voorkeur op de halfgeleiderplaat geïntegreerd en zal later verder besproken worden. De 30 warmtegeneratie van de elektronica is per definitie gecorreleerd aan de stroomrichting die op dat moment wordt ingesteld en uitgelezen, bijvoorbeeld door een veranderd signaal in de uitleeselektronica en een veranderde positie van de atmnmsfihalfdaafs en 1025C89 14 aansluitdraden. Door een thermisch compenserende geometrische configuratie wordt dit effect voldoende onderdrukt. Dit wordt later nader verklaard aan de hand van Fig 5.We take as an example the influence of a changing temperature profile as a result of heat generation in the electronics. The electronics are preferably integrated on the semiconductor plate and will be further discussed later. The heat generation of the electronics is by definition correlated to the current direction that is currently being set and read out, for example by a changed signal in the readout electronics and a changed position of the atmospheric half-rods and 1025C89 14 connection wires. This effect is sufficiently suppressed by a thermally compensating geometric configuration. This is explained in more detail later with reference to Fig. 5.

Hieronder worden de (zelf)modulerende effecten van de Hall platen 11,12,13, 14 op elkaar beschreven.The (self) modulating effects of the Hall plates 11, 12, 13, 14 on each other are described below.

5 Op eenzelfde wijze als hierboven beschreven staat, zullen de Hall platen 11,12, 13.14 elkaar thermisch zien en de offset van elkaar moduleren. Als de platen tegelijkertijd en op dezelfde frequentie in een andere stroomrichting geschakeld worden, zal per definitie de thermische offset van de individuele Hall platen 11,12, 13.14 mee veranderen. Dit wordt later nader toegelicht in Fig. 4.In the same way as described above, the Hall plates 11, 12, 13, 14 will thermally see each other and modulate the offset from each other. If the plates are switched at the same time and at the same frequency in a different flow direction, the thermal offset of the individual Hall plates 11, 12, 13, 14 will change along with it. This is further explained later in FIG. 4.

10 Ook zullen de Hall platen 11,12,13,14 en hun connectie patronen op elkaar een mechanisch spanningsveld creëren hetgeen niet noodzakelijkerwijs instantaan gecorrigeerd wordt. Dit kan leiden tot hoge offset pieken per stroomrichting, welke normaler wijze wel na een volledige draaicyclus zijn gecompenseerd, tenzij een thermisch modulatie van dit spanningspatroon plaats vindt 1S Ook zullen de Hall platen gemoduleerd kunnen worden door de veranderende magneetvelden die worden gegenereerd door de stromen in de andere Hall platen 11, 12,13,14.The Hall plates 11, 12, 13, 14 and their connection patterns on each other will also create a mechanical tension field, which is not necessarily instantaneously corrected. This can lead to high offset peaks per current direction, which are normally compensated for after a complete turning cycle, unless a thermal modulation of this voltage pattern takes place. 1S The Hall plates can also be modulated by the changing magnetic fields generated by the currents in the other Hall plates 11, 12, 13, 14.

De configuratie van compenserende Hall platen 11,12,13,14 wordt bij voorkeur zo gekozen dat deze effecten hetzij volledig vermeden worden, de effecten in 20 de verschillende Hall platen 11,12,13,14 geometrisch instantaan compenseren of de effecten ten minste in de Hall plaat combinatie temporeel na een volledige rondschakel cyclus compenseren. Als hier niet aan voldaan wordt zal er resterende offset oveiblijven.The configuration of compensating Hall plates 11,12,13,14 is preferably chosen so that these effects are either completely avoided, the effects in the different Hall plates 11,12,13,14 geometrically instantaneously compensated or the effects at least in compensate the Hall plate combination temporally after a full switch cycle. If this is not met, the remaining offset remains.

Afhankelijk van de te compenseren bronnen zijn er nu een aantal vrijheidsgraden 25 in de keuze van de geometrische instantane compensatie en de temporele compensatie. Zo kan er gevarieerd worden in onder andere: - de positie van en het aantal Hall platen 11,12,13,14; - de stroomrichtingen en draaipatronen van de verschillende stroomrichtingen in de verschillende Hall platen 11,12,13,14; 30 - De draaisnelheden van dé individuele stroomrichtingen in de verschillendeDepending on the sources to be compensated, there are now a number of degrees of freedom in the choice of the geometric instantaneous compensation and the temporal compensation. For example, there can be varied in: - the position of and the number of Hall plates 11,12,13,14; - the flow directions and rotation patterns of the different flow directions in the different Hall plates 11,12,13,14; 30 - The rotational speeds of the individual flow directions in the different

Hall platen 11,12,13,14.Hall plates 11,12,13,14.

1025089" 151025089 "15

In Fig. 2a tot en met Fig. 2e wordt een aantal verschillende mogelijkheden getoond om de magneetveldsensor 1 op te bouwen uit meerdere Hall platen 11,12,13, 14, zodat een geometrische compensatie kan worden verkregen.In FIG. 2a to FIG. 2e a number of different possibilities are shown for building up the magnetic field sensor 1 from a plurality of Hall plates 11,12,13, 14, so that a geometric compensation can be obtained.

De dubbele Hall platen 11,12 getoond in Fig. 2a, waarvan de individuele 5 stroomrichtingen steeds ongeveer 90° ten opzichte van elkaar lopen, is voor wat betreft de offset een suboptimale oplossing, omdat wel offset door mechanische spanning wordt gecompenseerd, maar niet de offset door thermische gradiënten. Een uitvoeringsvorm met slechts twee Hall platen 11,12 is echter wel gunstig in stroomverbruik. De Hall platen 11,12 die getoond worden in Fig. 2a zijn op relatief 10 grote afstand van elkaar geplaatst, om instantane offset door thermische zelfmodulatie te voorkomen. Zodoende is er een uitwisseling tussen optimale koppeling van de Hall platen en een optimale vermijding van (zelQmodulatie.The double Hall plates 11, 12 shown in FIG. 2a, the individual flow directions of which always run approximately 90 ° with respect to each other, is a suboptimal solution with regard to the offset, because offset is offset by mechanical stress, but not offset by thermal gradients. However, an embodiment with only two Hall plates 11, 12 is favorable in power consumption. The Hall plates 11, 12 shown in FIG. 2a are placed at a relatively large distance from each other, to prevent instantaneous offset by thermal self-modulation. Thus, there is an exchange between optimum coupling of the Hall plates and an optimum avoidance of (self-modulation).

Analoog kan een Hall plaat paar worden ingesteld op 180° stroomrichtingsverschil om thermische onderdrukking te verkrijgen. Het zal voor de 15 deskundige zodoende duidelijk zijn dat om zowel thermische compensatie als spanningscompensatie toe te passen minimaal vier Hall platen 11,12,13,14 nodig zijn, met Hall plaat stromen op 90° en op 180° graden ten opzichte van elkaar.Analogously, a Hall plate pair can be set to a 180 ° current direction difference to achieve thermal suppression. It will thus be clear to the skilled person that in order to use both thermal compensation and stress compensation, a minimum of four Hall plates 11, 12, 13, 14 are required, with Hall plate flowing at 90 ° and at 180 ° degrees relative to each other.

De magneetveldsensor 1 met twee Hall platen kan dan worden aangevuld met een ander (of aantal) p(a)ar(en), waarbij de externe invloeden beter worden 20 onderdrukt. De stromen kunnen hierbij nog vrij gekozen zijn omdat de keuze niet beperkt wordt door het vermijden van zelf modulatie. Fig. 2b toont een voorbeeld van een magneetveldsensor 1 die vier Hall platen 11,12,13,14 omvat, die onderling op een relatief grote afstand van elkaar geplaatst zijn, zodat zelfmodulatie voorkomen wordt 25 Een betere instantane compensatie vindt plaats wanneer de Hall platen paarsgewijs beter gekoppeld zijn en offset genererende effecten zoals temperatuur en spanning dus ook beter gekoppeld zijn. Dit kan bereikt worden door de Hall platen paarsgewijs op een relatief kleine afstand van elkaar te plaatsen. In dat geval kan zelfmodulatie niet meer voldoende vermeden worden en moet met een thermisch of 30 mechanische stress tegengesteld equivalent paar gewelkt worden, zodat toch instantane compensatie wordt verkregen.The magnetic field sensor 1 with two Hall plates can then be supplemented with another (or number) p (a) ar (s), whereby the external influences are better suppressed. The currents can still be freely chosen because the choice is not limited by avoiding self-modulation. FIG. 2b shows an example of a magnetic field sensor 1 comprising four Hall plates 11,12,13,14, which are placed at a relatively large distance from each other, so that self-modulation is prevented. A better instantaneous compensation takes place when the Hall plates are paired better are linked and offset-generating effects such as temperature and voltage are therefore also better linked. This can be achieved by placing the Hall plates in pairs at a relatively small distance from each other. In that case, self-modulation can no longer be sufficiently avoided, and an equivalent pair must be wound with a thermal or mechanical stress, so that instantaneous compensation is nevertheless obtained.

Dit wordt bereikt met een zogeheten dubbel paar quad, die getoond wordt in Figuur 2c. Hierbij mag het ene paar geen systematische invloed hebben op het andere.This is achieved with a so-called double pair of quad, which is shown in Figure 2c. One pair may not have a systematic influence on the other.

1025089 161025089 16

Fig. 2c toont een dergelijke magneetveldsensor 1, waarin twee paar Hall platen 11,12, 13,14 getoond worden. De Hall platen zijn per paar op relatief kleine afstand van elkaar geplaatst zijn, maar de paren onderling op grotere afstand.FIG. 2c shows such a magnetic field sensor 1, in which two pairs of Hall plates 11, 12, 13, 14 are shown. The Hall plates are placed per pair at a relatively small distance from each other, but the pairs are at a greater distance from each other.

Een nog betere compensatie en een kleiner chip oppervlak gebruik zal plaats 5 vinden als er vier Hall platen gecombineerd worden. Vanwege zelfinodulatie laat deze constructie echter minder vrijheid voor de richtingkeuze van de stromen, maar compenseert wel het beste voor alle genoemde effecten.An even better compensation and a smaller chip surface use will take place if four Hall plates are combined. However, due to self-inodulation, this construction leaves less freedom for the directional choice of the currents, but it does compensate the best for all the effects mentioned.

Volgens een uitvoeringsvorm wordt de magneetveldsensor gevormd door vier Hall platen 11,12,13,14, die alle vier op een relatief kleine afstand van elkaar 10 geplaatst zijn. Deze uitvoeringsvorm wordt de gekoppelde quad-configuratie genoemd en wordt getoond in Fig. 2d. Bij een juiste keuze van de stroomrichtingen in de Hall platen 11,12,13,14 kan een zeer goede compensatie van offset door mechanische spanning, het J-FET effect en in en externe thermokoppel effecten worden verkregen. Met name kan terugkoppeling van in de nabijheid aanwezige elektronica naar de 15 magneetveldsensor 1 via een tijdsafhankelijke temperatuurgradiënt die door de elektronica creëert wordt met de gekoppelde quad-configuratie worden gecompenseerd. De uitvoeringsvorm getoond in Fig. 2d is een voorkeursuitvoeringsvorm en zal verderop in detail worden beschreven.According to an embodiment, the magnetic field sensor is formed by four Hall plates 11, 12, 13, 14, all of which are placed at a relatively small distance from each other. This embodiment is called the coupled quad configuration and is shown in FIG. 2d. With a correct choice of the flow directions in the Hall plates 11,12,13,14 a very good compensation of offset by mechanical voltage, the J-FET effect and in and external thermocouple effects can be obtained. In particular, feedback from the electronics present in the vicinity to the magnetic field sensor 1 via a time-dependent temperature gradient created by the electronics can be compensated with the coupled quad configuration. The embodiment shown in FIG. 2d is a preferred embodiment and will be described in detail below.

Fig. 2e toont een verdere alternatieve uitvoeringsvorm van de 20 magneetveldsensor 1, die twee gekoppelde quad-configuraties omvat In totaal omvat de magneetveldsensor 1 dus acht Hall platen 11,12,13,14,15,16,17,18. Door de stroomrichtingen zodanig te kiezen dat de stroomrichtingen in de ene gekoppelde quad-configuratie 11,12,13,14 een hoek maken van 90° met de stroomrichtingen in de corresponderendè Hall platen 15,16,17,18 van de andere gekoppelde quad-25 configuratie, kan een nog betere (instantane) compensatie van offsetbronnen plaatsvinden. Hiermee kunnen ook T en 3' orde effecten worden gecompenseerd. Hierdoor wordt dan de benodigde dynamische range van de uitleeselektronica verminderd, waardoor niet-lineariteiten in de elektronica een kleinere offset vanuit de elektronica opleveren. Deze uitvoeringsvorm maakt het mogelijk de offset van de 30 magneetveldsensor 1 nog verder omlaag te krijgen en zodoende een nog nauwkeurigere magneetveldsensor 1 te maken.FIG. 2e shows a further alternative embodiment of the magnetic field sensor 1, which comprises two coupled quad configurations. In total, the magnetic field sensor 1 thus comprises eight Hall plates 11,12,13,14,15,16,17,18. By choosing the flow directions such that the flow directions in the one coupled quad configuration 11, 12, 13, 14 make an angle of 90 ° with the flow directions in the corresponding Hall plates 15, 16, 17, 18 of the other coupled quad. 25 configuration, an even better (instantaneous) compensation of offset sources can take place. This can also be used to compensate for T and 3 'order effects. As a result, the required dynamic range of the readout electronics is reduced, so that non-linearities in the electronics result in a smaller offset from the electronics. This embodiment makes it possible to reduce the offset of the magnetic field sensor 1 even further and thus to make an even more accurate magnetic field sensor 1.

De uitvoeringsvorm van de magneetveldsensor 1 die getoond wordt in Fig. 2d maakt het mogelijk om een zeer goede compensatie te verkrijgen van verschillende 1025089 17 oorzaken van offeet. De Hall platen 11,12,13,14 zijn bijvoorbeeld geplaatst op een halfgeleiderdrager, bijvoorbeeld een siliciumplaat en zijn thermisch en mechanisch nauw verbonden zijn. Deze configuratie biedt instantane compensatie voor mechanische spanning en thermische gradiënten.The embodiment of the magnetic field sensor 1 shown in FIG. 2D makes it possible to obtain a very good compensation for various 1025089 17 causes of offeet. The Hall plates 11,12,13,14 are, for example, placed on a semiconductor support, for example a silicon plate, and are closely thermally and mechanically connected. This configuration offers instantaneous compensation for mechanical stress and thermal gradients.

5 Elke Hall plaat 11,12,13,14 heeft ten minste acht stroomrichtingen, hierna genoemd richting noord, noordoost, oost, zuidoost, zuid, zuidwest, west, noordwest Deze stroomrichtingen kunnen verkregen worden op verschillende manieren, zoals reeds is aangegeven bij de beschrijving van Fig. 1.Each Hall plate 11,12,13,14 has at least eight flow directions, hereinafter referred to as north, northeast, east, southeast, south, southwest, west, northwest. These flow directions can be obtained in various ways, as already indicated in the description of FIG. 1.

In Fig. 3a tot en met 3h wordt een voorbeeld gegeven van een keuze van de 10 onderlinge stroomrichting in een gekoppelde quad-configuratie. In Fig. 3a loopt de stroom in de eerste Hall plaat 11 naar het noorden, in de tweede Hall plaat 12 naar het westen, in de derde Hall plaat 13 naar het zuiden en in de vierde Hall plaat 14 naar het oosten.In FIG. 3a to 3h, an example is given of a choice of the mutual flow direction in a coupled quad configuration. In FIG. 3a the current flows in the first Hall plate 11 to the north, in the second Hall plate 12 to the west, in the third Hall plate 13 to the south and in the fourth Hall plate 14 to the east.

De stroomrichtingen in Fig. 3b worden verkregen door vanaf de toestand in Fig. 15 3a de stroomrichtingen van alle Hall platen 11,12,13,14 45° met de klok mee te draaien. Op deze manier wordt toestand 2 dus als volgt gedefinieerd, de stroom van de eerste Hall plaat 11 loopt naar het noordoosten, de stroom van de tweede Hall plaat 12 loopt naar het noordwesten, de stroom in de derde Hall plaat 13 loopt naar het zuidwesten en de stroom in de vierde Hall plaat 14 loopt naar het zuidoosten. De 20 stroomrichtingen in de verdere figuren 3c tot en met 3h worden kunnen verkregen worden door de stroomrichtingen uit de vorige toestand telkens 45° te draaien. Zodoende zijn de stroomrichtingen van de quad van toestand 1 tot 8 in figuur 1 getoond.The flow directions in FIG. 3b are obtained by starting from the state in FIG. 3a rotate the flow directions of all Hall plates 11,12,13,14 45 ° clockwise. In this way, state 2 is defined as follows, the flow from the first Hall plate 11 runs to the northeast, the flow from the second Hall plate 12 runs to the northwest, the flow from the third Hall plate 13 runs to the southwest and the current in the fourth Hall plate 14 runs to the southeast. The flow directions in the further figures 3c to 3h can be obtained by turning the flow directions from the previous state in each case by 45 °. Thus, the flow directions of the quad from states 1 to 8 are shown in Figure 1.

Het zal worden begrepen door een deskundige dat de getoonde volgorde een van 25 de vele mogelijke volgorden is, waarbij de volgorde van de toestanden met name belangrijk is voor dynamische verschijnselen hetgeen later besproken wordt Er zijn vele andere zinnige volgorden mogelijk, waarvan de ene volgorde het beste thermisch en een ander het beste elektrisch compenseert voor schakelverschijnselen. Hier wordt later verder op ingegaan. Door de volgorde bijvoorbeeld programmeerbaar te houden 30 kan de beste volgorde altijd worden ingesteld.It will be understood by a person skilled in the art that the sequence shown is one of the many possible sequences, the sequence of the states being particularly important for dynamic phenomena discussed later. Many other sensible sequences are possible, the one sequence being the best thermal and another best electrically compensates for switching phenomena. This will be further discussed later. By keeping the order programmable, for example, the best order can always be set.

Doordat er steeds twee stromen op 180° van elkaar zijn en alle op 90° van elkaar zijn, geeft de beschreven combinatie van Hall platen instantane onderdrukking van (veranderende) externe stoorfactoren, zoals verpakkingsspanning en 1025089 18 temperatuursgradiënten door externe invloeden. Dit heeft als resultaat dat de instantane offset lager en stabieler is, waardoor de resulterende offset lager en stabieler is. Hierdoor kan de benodigde dynamische range voor de elektronica lager kan zijn.Because there are always two currents at 180 ° from each other and all are at 90 ° from each other, the combination of Hall plates described gives instantaneous suppression of (changing) external interference factors, such as packaging voltage and temperature gradients due to external influences. As a result, the instantaneous offset is lower and more stable, making the resulting offset lower and more stable. This allows the required dynamic range for the electronics to be lower.

De specifieke keuze van stroomrichtingen van de Hall platen 11,12,13,14 per 5 toestand compenseert voor de onderlinge (thermische) beïnvloeding van de Hall platen 11,12,13,14 op elkaar waardoor zelfinodulatie en zelfgeïnduceerde offset van de quad-configuratie wordt vermeden.The specific choice of flow directions of the Hall plates 11,12,13,14 per 5 state compensates for the mutual (thermal) influence of the Hall plates 11,12,13,14 on each other, as a result of which self-inodulation and self-induced offset of the quad configuration is avoided.

Andere specifieke keuzes van stroomrichtingen hebben eenzelfde effect en worden niet uitgesloten in de implementatie van de uitvinding. Zoals eerder aangegeven zijn 10 o.a. de volgende effecten hiervoor van belang: zelfgeïnduceerde thermische gradiënt, zelfgéïnduceerd magnetisch veld en zelfgeïnduceerde spanning.Other specific choices of flow directions have the same effect and are not excluded in the implementation of the invention. As indicated earlier, the following effects, among others, are important for this: self-induced thermal gradient, self-induced magnetic field and self-induced voltage.

Fig. 4a tot en met 4h tonen een specifiek voorbeeld van een quad-confïguratie waarin het temperatuurseffect nader is uitgewerkt Hierbij wordt de temperatuurgradiënt tengevolge van de warmtegeneratie en het Peltier effect in de Hall 15 platen zelf schematisch weergegeven in de Fig. 4. Hierbij wordt er in elke Hall plaat warmte gegenereert en zorgt het peltier effect ervoor dat het warmteprofiel per hall plaat 91 niet geheel punt symmetrisch is. Als eerste orde compensatie kan worden beredeneerd dat steeds twee Hall platen de richting van de totale thermische gradiënt 90 positief zien (de + naar het midden van de configuratie) en de andere twee Hall 20 platen negatief zien (de - naar het midden van de configuratie), zodat er dus sprake is van instantane compensatie van thermische effecten. Echter zoals te zien is de thermische gradiënt van de totale magneetsensor 90 niet precies 90° rotatie symmetrisch. Uit verdere analyse blijkt wel dat de situaties van Fig. 4a en 4e, en Fig.FIG. 4a to 4h show a specific example of a quad-configuration in which the temperature effect is further elaborated. The temperature gradient as a result of the heat generation and the Peltier effect in the Hall 15 plates themselves is schematically shown in Figs. 4. Hereby heat is generated in each Hall plate and the peltier effect ensures that the heat profile per hall plate 91 is not entirely symmetrical. As a first order compensation it can be argued that two Hall plates always see the direction of the total thermal gradient 90 positive (the + towards the center of the configuration) and the other two Hall 20 plates see negative (the - towards the center of the configuration) ), so that there is instantaneous compensation of thermal effects. However, as can be seen, the thermal gradient of the total magnet sensor 90 is not exactly 90 ° rotation symmetrical. Further analysis shows that the situations of Figs. 4a and 4e, and FIG.

4c en 4g rotatie identiek zijn, maar dat de situaties van Fig. 4a en 4c tegengesteld zijn. 25 Verder is bekend dat toestanden van Fig. 4b, 4d, 4f en 4h symmetrisch zijn en dus ongevoelig zijn voor tweede orde effecten.4c and 4g rotation are identical, but that the situations of Figs. 4a and 4c are opposite. Furthermore, it is known that states of FIG. 4b, 4d, 4f and 4h are symmetrical and therefore insensitive to second order effects.

Doordat patronen 4a en 4c en 4e en 4g tegengestelde resultaten opleveren kan volledige compensatie bereikt worden door een tweede identieke quad Hall plaat te gebruiken die steeds 90° op de eerste voorloopt in stroomrichtingen zoals getoond in 30 Fig. 3, zodat de eerste quad in toestand 4a staat terwijl de tweede in tegengestelde toestand 4c staat.Because patterns 4a and 4c and 4e and 4g produce opposite results, full compensation can be achieved by using a second identical quad Hall plate that always leads 90 ° to the first in flow directions as shown in Figs. 3, so that the first quad is in state 4a while the second is in the opposite state 4c.

Een zelfde redenatie kan worden opgesteld voor de compensatie van het magnetische veld en het ingebouwde mechanische spanningsprofiel. Dit geldt ook 1025089 19 voor eventuele modulaties van het temperatuurprofiel op het spanningsprofiel. Dit kan echter leiden tot andere onderlinge stroomkeuzes. Uitgaande van Fig. 4 zou bijvoorbeeld de stroom in Hall platen 12,14 90° of 180° kunnen draaienThe same reasoning can be established for the compensation of the magnetic field and the built-in mechanical stress profile. This also applies to 1025089 19 for any modulations of the temperature profile on the voltage profile. However, this can lead to other mutual flow choices. Starting from FIG. 4, for example, the flow in Hall plates 12,14 could turn 90 ° or 180 °

De Hall platen 11,12,13,14 zijn bij voorkeur geplaatst op een halfgeleiderplaat, 5 waarop tevens de elektronica 20, die later in meer detail besproken zal worden, geplaatst is, voor de aansturing, uitlezing en verwerking van de Hall platen 11,12,13, 14. Dergelijke elektronica 20 genereert warmte, die de Hall platen 11,12,13,14 kunnen beïnvloeden. De offset die daardoor gecreëerd wordt kan ook op een relatief eenvoudige wijze met behulp van een magneetveldsensor 1 volgens de uitvinding 10 worden gecompenseerd.The Hall plates 11, 12, 13, 14 are preferably placed on a semiconductor plate, on which is also placed the electronics 20, which will be discussed in more detail later, for the control, reading and processing of the Hall plates 11, 12, 13, 14. Such electronics generate heat which can affect the Hall plates 11, 12, 13, 14. The offset created thereby can also be compensated in a relatively simple manner with the aid of a magnetic field sensor 1 according to the invention.

In Fig. 5a, Sb en Sc wordt getoond hoe een enkele Hall plaat 11 en elektronica 20 op een halfgeleiderplaat (niet getoond) geplaatst zijn. De stroomrichting in de verschillende figuren is telkens anders, en te zien is hoe het zwaartepunt van de warmtegeneratie in de elektronica 20 telkens ergens anders binnen de elektronica 20 1S plaatsvindt. Zodoende is het temperatuursprofiel dat hierdoor in de halfgeleiderplaat ontstaat telkens anders (aangegeven met de concentrische cirkels) en ondervindt de Hall plaat 11 telkens een andere temperatuursinvloed. Doordat de offset die het temperatuurspro fi el veroorzaakt nu ook steeds anders zal zijn, zal na een volledige cyclus de resterende offset per individuele Hall plaat niet gecompenseerd zijn.In FIG. 5a, Sb and Sc, it is shown how a single Hall plate 11 and electronics 20 are placed on a semiconductor plate (not shown). The flow direction in the different figures is always different, and it can be seen how the center of gravity of the heat generation in the electronics 20 always takes place somewhere else within the electronics 20S. Thus, the temperature profile that results in the semiconductor plate is always different (indicated by the concentric circles) and the Hall plate 11 experiences a different temperature influence each time. Because the offset that causes the temperature profile will now also always be different, the remaining offset per individual Hall plate will not be compensated after a complete cycle.

20 Met behulp van de besproken quad-configuratie, waarbij twee stromen steeds 180° op elkaar staan is deze thermische modulatie van de elektronica 20 naar de Hall platen 11, 12,13,14 instantaan te onderdrukken, waardoor de thermische modulatie van de offset spanningen vermeden wordt en het lineaire dynamisch bereik van het gehele systeem vergroot wordt, zoals getoond wordt in Fig. Sd. In dit voorbeeld zullen plaat 25 11 en 13 en 12 en 14 tegengestelde thermische modulatie vertonen. Deze onderdrukking kan nóg verder geholpen worden door de keuze van klasse A elektronica welke een betere constante warmte afgifte kent, zoals later verder besproken zal worden.With the help of the quad configuration discussed, in which two currents are always 180 ° on top of each other, this thermal modulation from the electronics to the Hall plates 11, 12, 13, 14 can be instantaneously suppressed, whereby the thermal modulation of the offset voltages is avoided and the linear dynamic range of the entire system is increased, as shown in FIG. Sd. In this example, plate 11 and 13 and 12 and 14 will exhibit opposite thermal modulation. This suppression can be aided even further by the choice of class A electronics which have a better constant heat release, as will be discussed further later.

De vermindering van de thermische terugkoppeling kan ook maatregelen 30 bevatten zoals actieve thermische compensatie. Dit betekent dat de door de elektronica gegenereerde warmte gecompenseerd wordt met even grote warmtebronnen, die aan de andere kant van de Hall platen geplaatst worden, om zo thermische gradiënten te verminderen.The reduction of the thermal feedback may also include measures such as active thermal compensation. This means that the heat generated by the electronics is compensated with equally large heat sources, which are placed on the other side of the Hall plates, in order to reduce thermal gradients.

1025089' 201025089 '20

Bij de temporele compensatietechniek worden de elektrische stromen die door de Hall platen 11,12,13,14 gaan over de verschillende contacten 10 van de Hall platen 11,12,13,14 verdeeld en de elektrische spanningen die de Hall platen 11,12, 13,14 genereren worden vanaf andere contacten gemeten door middel van S geïntegreerde schakelaars, zoals MOSFET schakelaars. Het schakelen van deze schakelaars geeft aanleiding tot sterke elektrische schakel-overgangsverschijnselen, die tot offset kunnen leiden, ervan uitgaande dat deze -parasitaire- verschijnselen nooit perfect identiek zullen zijn voor alle schakelaars. Daarnaast verandert bij het omschakelen van de stroomrichting het temperatuurprofiel in de magneetveldsensor 1, 10 omdat de Hall stroom veel warmte genereert. Die verandering van het temperatuurprofiel leidt tot een veranderend thermokoppeleffectWith the temporal compensation technique, the electric currents passing through the Hall plates 11,12,13,14 are distributed over the different contacts 10 of the Hall plates 11,12,13,14 and the electrical voltages that the Hall plates 11,12 13.14 generate are measured from other contacts by means of S integrated switches, such as MOSFET switches. The switching of these switches gives rise to strong electrical switching transition phenomena, which can lead to offset, assuming that these parasitic phenomena will never be perfectly identical for all switches. In addition, when switching the flow direction, the temperature profile in the magnetic field sensor 1, 10 changes because the Hall current generates a lot of heat. This change in the temperature profile leads to a changing thermocouple effect

In Fig. 6 wordt beschreven hoe overgangsverschijnselen compleet vermeden worden. De signalen van de Hall platen 11,12,13,14 worden een bepaalde periode genegeerd en pas na het stabiliseren van alle overgangsverschijnselen aan de 15 elektronica aangeboden, door een logische combinatie van het omschakelsignaal en een (overgangsverschijnsel-) uitschakelsignaal. Fig. 6 toont 4 signalen, waarvan het bovenste signaal een omschakelsignaal 31 is. Het omschakelsignaal 31 geeft aan dat er omgeschakeld wordt van een eerste stroomrichting en bijbehorende meetrichting, naar een tweede stroomrichting en meetrichting. Het derde signaal is het in de tweede 20 meetrichting opgewekte Hall signaal 33. Er is duidelijk te zien dat dit opgewekte Hall signaal 33 eerst sterk fluctueert alvorens een in hoofdzaak constante waarde aan te nemen. Deze fluctuatie kan het gevolg zijn van schakeleffecten en/of thermische instelprocessen. Om de negatiefve effecten van deze fluctuatie te vermijden, wordt er een uitschakelsignaal 32 verschaft, dat de meting enige tijd onderbreekt. Dit gebeurt 25 bijvoorbeeld gedurende minimaal 1 ps, vereist om de grote elektrische schakelpieken te vermijden, tot een tijd in de orde van 1 ms, om ook thermisch in een stabiele situatie te komen.In FIG. 6 describes how transition phenomena are completely avoided. The signals from the Hall plates 11, 12, 13, 14 are ignored for a certain period and only after stabilization of all transition phenomena are presented to the electronics, through a logical combination of the switch signal and a (transition phenomenon) switch-off signal. FIG. 6 shows 4 signals, the upper signal of which is a switching signal 31. The switching signal 31 indicates that the switching is from a first flow direction and associated measuring direction, to a second flow direction and measurement direction. The third signal is the Hall signal 33 generated in the second measuring direction. It can clearly be seen that this generated Hall signal 33 first fluctuates strongly before assuming a substantially constant value. This fluctuation can be the result of switching effects and / or thermal adjustment processes. In order to avoid the negative effects of this fluctuation, a switch-off signal 32 is provided which interrupts the measurement for some time. This happens, for example, for a minimum of 1 ps, required to avoid the large electrical switching peaks, up to a time of the order of 1 ms, in order to also come to a stable situation thermally.

Zodoende wordt een gedeelte van het ontstane Hall signaal 33 niet gebruikt en resteert er een gebruikt Hall signaal 34, dat in hoofdzaak vrij is van ongewenste 30 instelfluctuaties. Terwijl slechts een minimaal gedeelte van het signaal wordt weggegooid is het grote voordeel van een dergelijke methode dat fundamenteel sneller rondgedraaid kan worden, omdat het offsetgenererend gedeelte weggesneden is, en een zuiver signaal overblijft. Zonder deze methode moet de offset worden verminderd 102 5089” 21 door het te middelen met een lange tijd van het zuivere signaal. Dan zal de offset dus groter worden naarmate sneller geschakeld wordt omdat een grotere fractie van het signaal gecompromitteerd is met schakelverschijnselen.Thus, a portion of the resulting Hall signal 33 is not used and a used Hall signal 34 remains, which is substantially free of unwanted adjustment fluctuations. While only a minimal portion of the signal is thrown away, the great advantage of such a method is that it can be rotated basically faster, because the offset generating portion is cut away, leaving a pure signal. Without this method, the offset must be reduced 102 5089 "21 by averaging the pure signal for a long time. Then the offset will become larger the faster switching is made because a larger fraction of the signal is compromised with switching phenomena.

Het thermische schakeleffect kan verder worden gecompenseerd door eerst met 5 de klok mee, en dan tegen de klok in te schakelen. In Fig. 7 wordt getoond dat door thermische traagheid van de magneetveldsensor 1 bij snel schakelen van de stroomrichting een temperatuurprofiel zal ronddraaien in de magneetveldsensor 1 dat enigszins achterloopt bij de meting. In Fig. 7a wordt een Hall plaat 11 getoond waarin de stroom (aangeduid met de doorgetrokken pijl) met de klok mee gedraaid wordt. Het 10 thermisch profiel dat in de Hall plaat 11 ontstaat komt echter overeen met een richting van de stroom waarin de stroom even te voren liep (aangegeven met de gestippelde pijl). Fig. 7b toont de omgekeerde situatie.The thermal switching effect can be further compensated by first switching clockwise, and then counter-clockwise. In FIG. 7, it is shown that due to the thermal inertia of the magnetic field sensor 1 when the current direction is switched rapidly, a temperature profile will rotate in the magnetic field sensor 1, which is slightly behind in the measurement. In FIG. 7a, a Hall plate 11 is shown in which the current (indicated by the solid arrow) is rotated clockwise. The thermal profile that arises in the Hall plate 11, however, corresponds to a direction of the current in which the current preceded (indicated by the dotted arrow). FIG. 7b shows the reverse situation.

Als de stroom met de klok mee wordt geschakeld zal dit profiel thermisch gespiegeld zijn ten opzichte van de situatie, waarbij tegen de klok in wordt geschakeld. 15 Hierdoor zal de thermische offset tegengesteld zijn. Door afwisselend met de klok mee en tegen de klok in te schakelen, en de signalen op te tellen, kan een compensatie van de dynamische offset verkregen worden. Ook in dit geval kunnen de elektrische schakel-overgangsverschijnselen worden weggeknipt om de offset te verlagen.If the current is switched clockwise, this profile will be thermally mirrored with respect to the situation in which it is switched counterclockwise. As a result, the thermal offset will be opposite. By switching alternately clockwise and counterclockwise, and adding the signals, a compensation of the dynamic offset can be obtained. In this case, too, the electrical switching transition phenomena can be cut away to reduce the offset.

Het spreekt voor zich dat er meerdere schakelpatronen mogelijk zijn, die 20 thermisch-dynamisch een tegengestelde restfout hebben en door deze schakelpatronen in de tijd gezien na of door elkaar heen te gebruiken deze fout dus temporeel kunnen compenseren. Zelfs instantane thermisch-dynamische compensatie behoort tot de mogelijkheden indien de diverse Hall plaat combinaties bijvooibeeld twee Hall platen met de klok mee en twee tegen de klok in laten draaien.It is obvious that several switching patterns are possible which have an opposite residual error thermally-dynamically and, by using these switching patterns in time after or through each other, can therefore compensate for this error temporally. Even instantaneous thermo-dynamic compensation is possible if the various Hall plate combinations for example let two Hall plates rotate clockwise and two counterclockwise.

25 De twee bovenstaande methodes om dynamische offset te vermijden, maakt sneller schakelen van de stroom mogelijk. Bij veranderende externe offset oorzaken is dit gunstig omdat deze veranderingen beter onderdrukt worden hetgeen een nog stabiele offset onderdrukking mogelijk maakt.The two methods above to avoid dynamic offset enable faster switching of the current. With changing external offset causes, this is favorable because these changes are better suppressed, which makes stable offset suppression possible.

De elektronica 20 voor de signaalverwerking en de aansturing van de Hall platen 30 is bij voorkeur van de beste soort. Enkele details zijn erg belangrijk.The electronics 20 for signal processing and control of the Hall plates 30 are preferably of the best type. Some details are very important.

Belangrijk is, dat de lay-out van de elektronica 20 zodanig is gekozen, dat offset in de Hall platen 11,12,13,14 door (asymmetrische) warmteontwikkeling in de elektronica zoveel mogelijk wordt vermeden. Hiertoe wordt de elektronica 20 in de 1025089 22 zogenaamde klasse A werking bedreven, waarbij de uitgangstrappen van de analoge versterkers) een continue warmteafgifte kennen. Dit in tegenstelling tot klasse B werking, waarin minimale warmteafgifte wordt nagestreefd, wat gepaard gaat met fluctuaties in de warmteafgifte.It is important that the layout of the electronics 20 is chosen such that offset in the Hall plates 11,12,13,14 is avoided as much as possible by (asymmetrical) heat development in the electronics. To this end, the electronics 20 are operated in the so-called class A operation, 1025089 22, the output stages of the analog amplifiers having a continuous heat emission. This is in contrast to class B operation, in which minimal heat emission is pursued, which is accompanied by fluctuations in heat emission.

5 In de lay-out van de elektronica 20 zijn ook maatregelen genomen om offset in de elektronica door de warmteontwikkeling in de Hall platen 11,12,13,14 te minimaliseren, namelijk door de ingangstrappen van de versterkers zodanig te positioneren dat de (veranderende) warmteafgifte door de Hall platen 11,12,13,14 slechts minimale temperatuurverschillen tussen de transistoren van de ingangstrappen 10 veroorzaken, bijvoorbeeld door een quad-ingangstrap.In the layout of the electronics 20 measures have also been taken to minimize offset in the electronics due to the heat development in the Hall plates 11,12,13,14, namely by positioning the input stages of the amplifiers in such a way that the (changing heat emission by the Hall plates 11,12,13,14 only cause minimal temperature differences between the transistors of the input stages 10, for example by a quad input stage.

De beïnvloeding van Hall plaat op electronica die resteert kan nog verder worden gereduceerd door een trage chopper-lus, die na elke acht metingen (een volle draai over de Hall platen 11,12,13,14) omdraait. In Fig. 8 wordt dit schematisch getoond. Hierbij wordt door de thermische invloed en modulatie van de Hall plaat een 15 resterende offset Vmod gecreëerd in de elektronica. Het omdraaien van de choppers 21 zal geen invloed hebben op deze thermische modulatie, waardoor de veroorzaakte modulatie offset voor de twee periodes van acht metingen dus gelijk blijft Omdat de Hall signalen wel omdraaien, valt de offset dus weg na demodulatie (aftrekken van de resultaten van beide acht metingen). Na zestien metingen zijn alle signalen opgeteld, 20 maar de offset die door de beïnvloeding van de Hall platen 11,12,13,14 op de elektronica 20 wordt gecreëerd, is door de chopper lus geëlimineerd.The influence of Hall plate on electronics that remains can be reduced even further by a slow chopper loop, which turns after every eight measurements (a full turn over the Hall plates 11,12,13,14). In FIG. 8 this is shown schematically. Thereby, a residual offset Vmod is created in the electronics due to the thermal influence and modulation of the Hall plate. Turning the choppers 21 will not affect this thermal modulation, so that the induced modulation offset for the two periods of eight measurements remains the same. Because the Hall signals do turn around, the offset is lost after demodulation (subtracting the results from both eight measurements). After sixteen measurements, all signals are added up, but the offset created on the electronics 20 by the influence of the Hall plates 11, 12, 13, 14 has been eliminated by the chopper loop.

Verdere aandachtspunten bij het elektronicaontwerp zijn een zeer grote lineariteit, vanwege de toch nog grote dynamiek die nog in het signaal aanwezig is; ultra-lage offset, omdat 50 nV gelijkspanningsoffset al equivalent is met 1 μΤ; en 25 aansturing van de Hall platen 11,12,13,14 via eventueel temperatuur compenserende stroombronnen en identieke multiplexer schakelaars om niet al voor de meting van het magneetveld de kans op een zuiver signaal verstoort te hebben.Further points of attention in the electronics design are a very high linearity, due to the still great dynamics that are still present in the signal; ultra-low offset, since 50 nV DC offset is already equivalent to 1 μΤ; and controlling the Hall plates 11,12,13,14 via possibly temperature compensating current sources and identical multiplexer switches so as not to disturb the chance of a pure signal before the measurement of the magnetic field.

Ten slotte is er nog de keuzemogelijkheid de Hall platen direct voor of na de multiplexers met elkaar door te verbinden, en het resulterende signaal met één 30 versterker te versterken, of iedere Hall plaat zijn eigen versterker en AD-converter te geven, en de signalen digitaal op te tellen. Het eerste leidt tot een kleiner circuit en is dus efficiënter, het tweede leidt tot een groter signaal, en dus betere bandbreedte of 1025089 23 signaal-ruis verhouding. De deskundige zal aan de hand van de specifieke toepassing van de magneetveldsensor 1 hier een keuze in moeten maken.Finally, there is the option of connecting the Hall plates directly before or after the multiplexers, and amplifying the resulting signal with one amplifier, or giving each Hall plate its own amplifier and AD converter, and the signals. digitally add up. The first leads to a smaller circuit and is therefore more efficient, the second leads to a larger signal, and therefore better bandwidth or 1025089 23 signal-to-noise ratio. The skilled person will have to make a choice here based on the specific application of the magnetic field sensor 1.

Om het circuit in grootte beperkt te houden, kan het uitgangssignaal van de Hall platen 11,12,13,14 gedigitaliseerd worden met een sigma-delta AD Converter, 5 geïntegreerd over 16 metingen met een counter, en dan als uitgangssignaal in een digitaal register geplaatst worden. Dit beperkt de snelheid van de sensor tot 16 schakeltijden. Een mogelijke verbetering is het bijhouden van een voortschrijdend gemiddelde door meer digitale registers te gebruiken. In combinatie met predictietechnieken kan zo de snelheid van de sensor verbeterd worden.To keep the circuit limited in size, the output signal from the Hall plates 11,12,13,14 can be digitized with a sigma-delta AD Converter, integrated over 16 measurements with a counter, and then as an output signal in a digital register being placed. This limits the speed of the sensor to 16 switching times. A possible improvement is keeping up with a moving average by using more digital registers. In combination with prediction techniques, the speed of the sensor can thus be improved.

10 Fig. 9 toont de schematische opbouw van een magneetveldsensor 1 die geïmplementeerd is op een chip. Een stabiele stroombron 35 wordt aan een demultiplexer 40 aangeboden. De demultiplexer heelt acht uitgangen 41,42,.... 48 die respectievelijk verbonden zijn met acht verschillende contacten 51,52,..58 van het Hall element 50. Het Hall element 50 omvat in de in Fig. 9 getoonde situatie een 15 quad-configuratie bestaande uit 4 Hall platen 11,12,13,14. Elke Hall plaat 11,12,13, 14 omvat eveneens 8 contacten 10, die op een gewenste manier met de contacten 51, 52.....58 van het Hall element 50 zijn verbonden. Dit kan op verschillende wijze gebeuren zoals begrepen zal worden aan de hand van de hierboven gegeven beschrijving.FIG. 9 shows the schematic structure of a magnetic field sensor 1 implemented on a chip. A stable power source 35 is supplied to a demultiplexer 40. The demultiplexer heals eight outputs 41, 42, ... 48 which are respectively connected to eight different contacts 51, 52, 58 of the Hall element 50. The Hall element 50 comprises in the positions shown in FIG. 9, a quad configuration consisting of 4 Hall plates 11, 12, 13, 14. Each Hall plate 11, 12, 13, 14 also comprises 8 contacts 10, which are connected in a desired manner to the contacts 51, 52 ... 58 of the Hall element 50. This can be done in various ways as will be understood from the description given above.

20 De contacten 10 van de Hall platen 11,12,13,14 zijn wederom verbinden met respectievelijk acht ingangen 61,62,..68 van een multiplexer 60. Zowel de multiplexer 60 als de demultiplexer 40 zijn verbonden met een besturingseenheid 73, die er voor zorgt dat op de juiste tijdstippen de juiste contacten worden uitgelezen, respectievelijk, de juiste contacten van stroom worden voorzien.The contacts 10 of the Hall plates 11, 12, 13, 14 are again connected to eight inputs 61, 62, 68, respectively, of a multiplexer 60. Both the multiplexer 60 and the demultiplexer 40 are connected to a control unit 73 which ensures that the right contacts are read out at the right times and that the right contacts are supplied with power.

25 Via de multiplexer 60 worden de Hall spanningen uitgelezen. Deze worden vervolgens versterkt met een differentiële versterker 70 die in een chopper lus ligt. De Common-Mode regeling (CM regeling) zorgt er onder andere voor dat Junctie-FET effecten geminimaliseerd worden. De uitgang van de differentiële versterker 70 kan vervolgens worden gedigitaliseerd, bijvoorbeeld met een sigma-delta converter 71. Het 30 gedigitaliseerde meetsignaal wordt vervolgens opgeteld door een sommatie-eenheid 72. Dit kan op verschillende manieren gebeuren, zoals reeds hierboven besproken is. Vervolgens kan het digitale signaal aan verdere verwerldngselektronica (niet getoond) worden toegevoerd.The Hall voltages are read out via the multiplexer 60. These are then amplified with a differential amplifier 70 that is in a chopper loop. The Common-Mode control (CM control) ensures, among other things, that Junction-FET effects are minimized. The output of the differential amplifier 70 can then be digitized, for example with a sigma-delta converter 71. The digitized measurement signal is then added by a summation unit 72. This can be done in various ways, as has already been discussed above. The digital signal can then be applied to further processing electronics (not shown).

1025089’ 241025089 ’24

Het zal duidelijk zijn dat het hier beschreven schakelschema slechts een van de vele mogelijke schema’s is. Zo kan het versterkte signaal bijvoorbeeld ook eerst gesommeerd worden door een analoge opteller 71, en pas daarna gedigitaliseerd worden door de sigma delta converter 72. Eventueel kan het gedigitaliseerde signaal 5 nog digitaal gefilterd worden, alvorens aan de buitenwereld te worden aangeleverd.It will be clear that the circuit diagram described here is only one of the many possible diagrams. For example, the amplified signal can also first be summed by an analog adder 71, and only then digitized by the sigma delta converter 72. Optionally, the digitized signal 5 can still be digitally filtered before being supplied to the outside world.

Het magneetveldsignaal kan aan de buitenwereld worden aangeboden in de vorm van een digitaal en/of analoog signaal. De besturingseenheid 73 verzorgt de aansturing van de demultiplexer en multiplexer en maakt eventueel geavanceerde schakelschema’s mogelijk.The magnetic field signal can be presented to the outside world in the form of a digital and / or analog signal. The control unit 73 provides for the control of the demultiplexer and multiplexer and possibly makes advanced circuit diagrams possible.

10 Het zal duidelijk zijn voor de deskundige dat de besturingseenheid en de multiplexers eenvoudig kunnen worden ingericht zodanig dat de verschillende stroomrichtingen in de individuele Hall platen 11,12,13,14 alsmede in de verschillende stroomvolgordes en snelheden volkomen programmeerbaar zijn, waardoor de configuratie flexibel gebruikt kan worden.It will be clear to the person skilled in the art that the control unit and the multiplexers can be simply arranged such that the different flow directions in the individual Hall plates 11,12,13,14 as well as in the different flow sequences and speeds are completely programmable, whereby the configuration is flexible can be used.

IS De schakeling kan eventueel worden uitgebreid met logica, bijvoorbeeld met een on-chip micro-processor, om signaalberekeningen te doen, zoals berekening en kalibratie van de magnetische vector, temperatuurcompensatie, zelf-kalibraties en compensatie voor magnetische materialen in de omgeving te regelen. Hierbij kunnen relevante kalibratie data worden opgeslagen in on-chip EEPROM of andere 20 geheugenfadliteiten. Ook specifieke uitgangssignaal vormen (bussen, veldbussen, etc) kunnen zodoende geïmplementeerd worden.IS The circuit can optionally be expanded with logic, for example with an on-chip micro-processor, to do signal calculations such as calculation and calibration of the magnetic vector, temperature compensation, self-calibrations and compensation for magnetic materials in the environment. Relevant calibration data can herein be stored in on-chip EEPROM or other memory fadlities. Specific output signal forms (buses, field buses, etc.) can thus also be implemented.

Fig. 10a en 10b tonen een magneetveldsensor 1, met vier Hall platen 11,12,13, 14 in, respectievelijk een bovenaanzicht en een zijaanzicht. De in figuren 10a en 10b getoonde magneetveldsensor 1 is nog gevoeliger door het toepassen van een versterker 25 en een modulator, in de vorm van een fluxconcentrator 80. De fluxconcentrator 80 is een magnetisch actieve laag, die, zoals de naam al zegt, de veldlijnen van het magnetisch veld uit de omgeving naar zich toe trekt, en op die manier lokaal het veld versterkt (ten koste van een lichte verzwakking elders). Bijvoorkeur wordt een zogenaamd zacht magnetisch materiaal gebruikt dat wel de veldlijnen aantrekt maar 30 geen permanente magnetisatie eigenschappen heeft.FIG. 10a and 10b show a magnetic field sensor 1, with four Hall plates 11, 12, 13, 14 in, respectively, a top view and a side view. The magnetic field sensor 1 shown in Figs. 10a and 10b is even more sensitive due to the use of an amplifier 25 and a modulator in the form of a flux concentrator 80. The flux concentrator 80 is a magnetically active layer which, as the name implies, the field lines of the magnetic field from the environment, and thus locally strengthens the field (at the expense of a slight weakening elsewhere). Preferably, a so-called soft magnetic material is used that does attract the field lines but has no permanent magnetization properties.

Door de fluxconcentrator 80 precies boven de Hall platen 11,12,13,14 aan te brengen wordt daar een sterker magneetveld waargenomen, en is het signaal (en daarmee de signaal-ruis verhouding en de signaal-offsetverhouding) sterker. Dit kan 1025089 25 een factor 5-10 winst opleveren. Uiteraard is de offset nog steeds circa 1 μΤ. Maar bijvoorbeeld het aardmagnetisch veld wordt nu niet meer als 30-50 μΤ, maar als 150-500 μΤ ervaren. Dit leidt tot een nauwkeuriger bepaling van het magneetveld, of, alternatief, de snelheid van de magneetveldsensor 1 kan worden opgevoerd zonderde 5 oorspronkelijke nauwkeurigheid te verminderen.By placing the flux concentrator 80 exactly above the Hall plates 11, 12, 13, 14, a stronger magnetic field is observed there, and the signal (and thus the signal-to-noise ratio and the signal-offset ratio) is stronger. This can yield 1025089 25 a factor of 5-10 profit. The offset is of course still around 1 μΤ. But, for example, the earth's magnetic field is now no longer perceived as 30-50 μΤ, but as 150-500 μΤ. This leads to a more accurate determination of the magnetic field, or, alternatively, the speed of the magnetic field sensor 1 can be increased without reducing the original accuracy.

De fluxconcentrator 80 trekt magnetische veldlijnen naar zich toe. Aan de rand van de fluxconcentrator 80 zal verbuiging van de magnetische veldlijnen ontstaan, zoals is aangegeven in Fig. 10b. Dit effect maakt het mogelijk, om met Hall platen 11, 12.13.14 die in één vlak liggen toch veldlijnen in drie dimensies te meten, omdat aan 10 de rand van de fluxconcentrator de veldlijnen die in het vlak van de Hall platen 11,12, 13.14 lopen, het vlak dat wordt omspannen door de x- en y-as, in Fig. 10a, worden omgebogen in de z-richting. Dit heeft als voordeel dat we één chip kunnen maken met drie (of meerdere) Hall plaat configuraties, die het (aard-)magnetisch veld in drie richtingen (x, y en z) kan meten. Volgens de stand van de techniek zijn daar drie chips 15 voor nodig die in de drie richtingen x, y en z zijn gepositioneerd. Drie chips zijn duurder dan 1, en het positioneren in drie richtingen is een ongewone en dus dure techniek.The flux concentrator 80 draws magnetic field lines toward itself. At the edge of the flux concentrator 80, bending of the magnetic field lines will occur, as indicated in FIG. 10b. This effect makes it possible to measure field lines in three dimensions with Hall plates 11, 12.13.14 which are located in one plane, because at the edge of the flux concentrator the field lines which are in the plane of the Hall plates 11.12, 13.14, the plane covered by the x and y axes, in FIG. 10a, are bent in the z direction. This has the advantage that we can make one chip with three (or more) Hall plate configurations, which can measure the (earth) magnetic field in three directions (x, y and z). According to the prior art, three chips are required for this, which are positioned in the three directions x, y and z. Three chips are more expensive than 1, and positioning in three directions is an unusual and therefore expensive technique.

Concluderend kan de fluxconcentrator 80 er voor zorgen dat het signaal sterker is, en ook dat we met 1 chip een magnetisch veld kunnen bepalen in drie dimensies.In conclusion, the flux concentrator 80 can ensure that the signal is stronger, and also that we can determine a magnetic field in three dimensions with 1 chip.

20 Dit laatste was met Hall elementen niet eerder mogelijk, eenvoudig omdat de offset van de Hall elementen nog te groot was. Dit maakt de uitvinding zeer geschikt voor toepassing in een kompas voor het bepalen van de stokte en/of richting van het aardmagnetisch veld. Het feit dat de magneetveldsensor 1 op eenvoudige wijze op een halfgeleiderplaat kan worden gemaakt, waarop tevens verdere verwerkingselektronica 25 kan worden geplaatst, maakt het mogelijk de magneetveldsensor 1 op eenvoudige wijze in te bouwen in elektronische apparatuur, zoals bijvoorbeeld een horloge of GPS-inrichting.20 The latter was not possible before with Hall elements, simply because the offset of the Hall elements was still too large. This makes the invention very suitable for use in a compass for determining the stagnation and / or direction of the earth's magnetic field. The fact that the magnetic field sensor 1 can be made in a simple manner on a semiconductor plate, on which further processing electronics 25 can also be placed, makes it possible to incorporate the magnetic field sensor 1 in simple manner in electronic equipment, such as for example a watch or GPS device.

Fig. 10b toont een mogelijke configuratie met fluxconcentrator 80. Magnetische velden in de x- en y-richting worden door de fluxconcentrator 80 afgebogen zodat de 30 magnetische veldlijnen in de z-richting door de Hall platen 11,12,13,14 lopen. De magnetische veldlijnen lopen nu naar binnen aan één kant van de fluxconcentrator 80 en naar buiten aan de andere kant De magnetische veldlijnen in bijvoorbeeld de richting van de x-as lopen ten gevolge van de fluxconcentrator 80 in een eerste 1025089 26 richting door een eerste Hall plaat 11 en in een tweede richting, die tegengesteld is aan de eerste richting, door een tweede Hall plaat 13. Door de twee signalen van beide Hall platen 11,13 op de x-as van elkaar af te trekken wordt het magnetisch veld in de x-as gemeten, omdat beide Hall platen het signaal in de x-richting in omgekeerde 5 richting ervaren door de specifieke afbuigkarakteristieken van fluxconcentrator 80.FIG. 10b shows a possible configuration with flux concentrator 80. Magnetic fields in the x and y direction are deflected by the flux concentrator 80 so that the magnetic field lines run in the z direction through the Hall plates 11,12,13,14. The magnetic field lines now run inwards on one side of the flux concentrator 80 and outwards on the other side The magnetic field lines, for example in the direction of the x-axis, run in the first 1025089 26 direction through a first Hall due to the flux concentrator 80 plate 11 and in a second direction, opposite the first direction, through a second Hall plate 13. By subtracting the two signals from both Hall plates 11,13 on the x-axis from each other, the magnetic field in the x-axis measured, because both Hall plates experience the signal in the x-direction in the reverse direction through the specific deflection characteristics of flux concentrator 80.

De y-componenten van het magnetisch veld worden op identieke wijze bepaald, maar met de Hall platen 12,14 die op de y-as liggen. Voor de z-component werkt het systeem zoals eerder beschreven en worden de signalen van de verschillende Hall platen 11,12,13,14 juist opgeteld. Door de signalen digitaal op te tellen en af te 10 trekken, kan eenvoudig (digitaal) worden gecorrigeerd voor verschillen in gevoeligheid tussen de x- en y-richting enerzijds, en de z-richting anderzijds.The y components of the magnetic field are determined in an identical manner, but with the Hall plates 12,14 lying on the y axis. For the z component, the system works as previously described and the signals from the different Hall plates 11, 12, 13, 14 are correctly added. By digitally adding and subtracting the signals, it is easy to (digitally) correct for differences in sensitivity between the x and y directions on the one hand, and the z direction on the other.

In deze uitvoeringsvorm van de uitvinding worden voor de x- en y-componenten nu slechts twee Hall platen gebruikt worden en vindt geometrische instantane compensatie op andere wijze plaats dan hiervoor beschreven is. Aangezien er sprake is 15 van het aftrekken van de signalen van twee Hall platen, vindt de instantane offsetcompensatie nu in een belangrijke mate plaats door aftrekking van identieke offset componenten van de eerste en derde Hall plaat 11,13. In Fig. 10 zal bijvoorbeeld de stress component identiek zijn en dus wegvallen, maar de externe thermische juist tegengesteld. Met andere stroomkeuzes in de vier Hall platen 20 11,12,13,14 kunnen dus andere resultaten verkregen worden. Eventueel kan een verdere offsetcompensatie bereikt worden door het vervangen van alle enkele Hall platen in de configuratie 11,12,13,14 door een van de eerder besproken compenserende Hall plaat configuraties. Bijvoorbeeld 11 door een dubbele hall Plaat In fig. 10a en 10b is verder ook nog een spoel 81 getoond. De spoel 81 is 25 gepositioneerd in het vlak van de Hall platen 11,12,13,14 (xy-vlak) en ligt rondom de Hall platen 11,12,13,14. De spoel 81 maakt het mogelijk om zelf-kalibratie uit te voeren. Door een bekende stroom door de spoel 81 te sturen, zal deze een magnetisch veld opwekken, waarvan de sterkte bekend is. Dit magnetisch veld kan door de magneetveldsensor 1 worden gemeten. Omdat de grootte en richting van dit 30 opgewekte magnetisch veld bekend is, kan de spoel zodoende gebruikt worden voor het uitvoeren van zelfkalibratie. Uiteraard kunnen ook meerdere spoelen 81 voor dit doel gebruikt worden.In this embodiment of the invention, only two Hall plates are now used for the x and y components and geometric instantaneous compensation takes place in a different manner than described above. Since there is talk of subtracting the signals from two Hall plates, the instantaneous offset compensation now takes place to a significant extent by subtracting identical offset components from the first and third Hall plates 11,13. In FIG. 10, for example, the stress component will be identical and will therefore disappear, but the external thermal will be the opposite. With other current choices in the four Hall plates 11, 12, 13, 14, other results can therefore be obtained. Optionally, a further offset compensation can be achieved by replacing all of the single Hall plates in the configuration 11,12,13,14 by one of the compensating Hall plate configurations discussed earlier. For example 11 by a double hall Plate In Figs. 10a and 10b, a coil 81 is also shown. The coil 81 is positioned in the plane of the Hall plates 11,12,13,14 (xy-plane) and lies around the Hall plates 11,12,13,14. The coil 81 makes it possible to perform self-calibration. By sending a known current through the coil 81, it will generate a magnetic field, the strength of which is known. This magnetic field can be measured by the magnetic field sensor 1. Because the magnitude and direction of this generated magnetic field is known, the coil can thus be used to perform self-calibration. Of course, several coils 81 can also be used for this purpose.

1025089" 271025089 "27

De magnetische veldsterkte die met een dergelijke spoel 81 op een chip bereikt kan worden is zeer laag. Echter, omdat de offset en offset-drift van de vinding thans zo klein zijn geworden, kan hiermee een kalibratie van de gevoeligheid van de sensor worden uitgevoerd. Dit is van belang als de gevoeligheid verandert in de tijd of als 5 functie van de temperatuur.The magnetic field strength that can be achieved with such a coil 81 on a chip is very low. However, since the offset and offset drift of the invention have now become so small, a calibration of the sensitivity of the sensor can be performed with this. This is important if the sensitivity changes over time or as a function of the temperature.

In geval dat de fluxconcentrator toch magnetisatie vertoont, kan de spoel 81 kan ook gebruikt worden om de bovengenoemde fluxconcentrator 80 indien nodig te demagnetiseren (degaussen) of te magnetiseren of om te set/resetten teneinde de magnetisatie van de fluxconcentrator te compenseren. Gewoonlijk wordt voor 10 demagnetisatie een uitdempend sinusvormig signaal aan de spoel aangeboden, waarbij de elektronica die hiervoor nodig is natuurlijk eenvoudig kan worden mee geïntegreerd.In the event that the flux concentrator nevertheless shows magnetization, the coil 81 can also be used to demagnetize (degaussen) or magnetize the aforementioned flux concentrator 80 or to set / reset it to compensate for the magnetization of the flux concentrator. For demagnetization, usually a damping sinusoidal signal is applied to the coil, whereby the electronics required for this can of course be easily integrated with it.

De spoel 81 die op de chip rond de fluxconcentrator 80 is gelegd kan dienen voor kalibratie van de sensor's gevoeligheid en om de fluxconcentrator in een 15 gewenste magnetische staat te brengen.The coil 81 placed on the chip around the flux concentrator 80 can serve for calibration of the sensor's sensitivity and to bring the flux concentrator into a desired magnetic state.

De fluxconcentrator 80 en de spoel 81 kunnen zowel in combinatie als los worden toegepastThe flux concentrator 80 and the coil 81 can be used both in combination and separately

In de hierboven gegeven beschrijving van de uitvinding zijn verschillende maatregelen genoemd om tot een offset te komen die lager is dan de in de stand van de 20 techniek bekende offset Echter, om tot een offset te komen van 1 μΤ is het ook mogelijk om alleen temporele compensatie toe te passen in minimaal 8 richtingen, door één Hall element te gébruiken dat uit één enkele Hall plaat 11 bestaat, in combinatie met de geavanceerde elektronica die hierboven tevens beschreven is. Dit heeft als voordeel dat minder vermogen wordt verbruikt (één Hall plaat 11 verbruikt 25 minder energie dan twee of meerdere Hall platen). Dit kan een belangrijk voordeel zijn voor batterij-gevoede toepassingen. Omdat echter de (instantane) geometrische compensatie ontbreekt, zal de offset bij veranderende spanning of temperatuureffecten oplopen, wat niet het geval is bij een Hall element dat uit meerdere Hall platen bestaat.In the above description of the invention, various measures have been mentioned to arrive at an offset that is lower than the offset known in the state of the art. However, to arrive at an offset of 1 μΤ, it is also possible to use only temporal apply compensation in at least 8 directions, by using one Hall element that consists of a single Hall plate 11, in combination with the advanced electronics that is also described above. This has the advantage that less power is used (one Hall plate 11 consumes less energy than two or more Hall plates). This can be a major advantage for battery-powered applications. However, because the (instantaneous) geometric compensation is missing, the offset will increase with changing voltage or temperature effects, which is not the case with a Hall element consisting of several Hall plates.

Het zal duidelijk zijn dat de hieronder beschreven uitvoeringsvorm slechts 30 beschreven is bij wijze van voorbeeld en niet in enige begrenzende betekenis, en dat verschillende wijzigingen en aanpassingen mogelijk zijn zonder buiten de omvang van de uitvinding te komen en dat de reikwijdte slechts bepaald wordt door de bijgevoegde conclusies.It will be clear that the embodiment described below has only been described by way of example and not in any limiting sense, and that various changes and modifications are possible without departing from the scope of the invention and that the scope is only determined by the attached conclusions.

1025089 28 ι1025089 28

Verder zal het duidelijk zijn aan een deskundige dat de verschillende in deze tekst beschreven maatregelen die in combinatie met de uitvinding beschreven zijn geschikt zijn om onafhankelijk kunnen worden toegepast. Dit geldt met name voor de verschillende aspecten die beschreven zijn met betrekking tot de plaatsing en i 5 werkingstoestanden van de elektronica, het gebruik van de fluxconcentrator 80, de spoel 81.It will further be clear to a person skilled in the art that the various measures described in this text which are described in combination with the invention are suitable for being applied independently. This applies in particular to the various aspects described with regard to the placement and operating states of the electronics, the use of the flux concentrator 80, the coil 81.

10250891025089

Claims

A magnetic field sensor (1), comprising at least two Hall plates (11, 12, 13, 14), wherein the magnetic field sensor (1) is adapted to generate measuring currents in a number of directions in the Hall plates (11, 12, 13,14) and to measure a voltage difference over the Hall plates (11,12,13,14) in a direction in the plane of the Hall plate (11,12,13, 14), the direction in each case being substantially perpendicular to the direction of the measuring current, and wherein the measured voltage difference is a measure of the magnetic field through the Hall plate (11,12,13,14) in a direction that is substantially perpendicular to the direction of the measuring current and the measured voltage difference, characterized in that the magnetic field sensor (1) is adapted to generate a measuring current in at least eight directions in each Hall plate (11, 12, 13, 14).

2. Magnetic field sensor (1) according to claim 1, wherein the magnetic field sensor (1) is adapted to control the measuring current per Hall plate (11, 12, 13, 14) in the at least eight directions in a predetermined order.

3. A magnetic field sensor (1) according to claim 2, wherein the measuring current is successively controlled in the first order by the at least eight directions and subsequently controlled in the second order by the at least eight directions, the first order being reversed to the second order.

4. A magnetic field sensor (1) according to any one of the preceding claims, wherein the magnetic field sensor (1) comprises at least a pair of Hall plates consisting of a first and a second Hall plate (11, 12), the measuring current in the first Hall plate (11) is substantially perpendicular to the measuring current in the second Hall plate.

5. A magnetic field sensor (1) according to any one of the preceding claims, wherein each Hall plate (11, 12, 13, 14) is provided with at least eight contacts (10) for connecting to the Hall plate (11, 12, 13). 14) supplying the measuring current.

A magnetic field sensor (1) according to any one of claims 1-4, wherein each Hall plate (11, 12, 13, 14) is provided with four contacts, and the magnetic field sensor (1) is arranged to connect to each of the contacts to supply a periodic signal which are respectively phase-shifted 90 ° relative to each other.

7. Magnetic field sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the magnetic field sensor (1) is provided with at least four Hall plates (11, 12, 13, 14), each of which is adapted to carry a measuring current in at least eight directions.

A magnetic field sensor (1) according to claim 7, wherein the magnetic field sensor (1) is adapted to pass the measurement currents in a predetermined order through the at least eight directions of the at least four Hall plates (11, 12, 13, 14). wherein: a measuring current (1) in a first Hall plate (11) runs substantially perpendicular to a measuring current in a second Hall plate (12), the measuring current in the second Hall plate (12) runs substantially perpendicular to a measuring current in a third Hall plate (13), 15. the measuring current in the third Hall plate (13) runs substantially perpendicular to a measuring current in a fourth Hall plate, and the measuring current in the fourth Hall plate (14) substantially perpendicular runs with respect to the measuring current in the first Hall plate (11).

A magnetic field sensor (1) according to any of the preceding claims, comprising a first group of Hall plates, comprising a first, second, third and fourth Hall plates (11, 12, 13, 14) and a second group of Hall plates, comprising a fifth, sixth, seventh and eighth Hall plate (15,16,17,18), wherein the magnetic field sensor (1) is arranged to control the direction of the measuring current in the first, second, dead and fourth Hall plate (11,12, 13,14) substantially perpendicular to, respectively, the fifth, sixth, seventh and eighth Hall plates (15,16,17,18).

The magnetic field sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the Hall plates (11, 12, 13, 14) are placed on the same support.

The magnetic field sensor (1) of claim 10, wherein the carrier is a semiconductor and the carrier further comprises a demultiplexer (40) adapted to receive a current and distribute it across the at least eight directions of the Hall plates 1025089 (11, 12, 13, 14), and the carrier further comprises a multiplexer (60) which is adapted to receive the measuring voltages over the Hall plates (11, 12, 13, 14) and to output them via an output, and the carrier is further provided with a control unit (73) for controlling the demultiplexer (40) and the multiplexer (60). 5

The magnetic field sensor (1) according to claim 11, wherein the carrier further comprises a summation unit (71) in communication with the output of the multiplexer (60) for adding up the various measured voltages.

A magnetic field sensor (1) according to any one of claims 11 or 12, wherein the carrier is further provided with a sigma-delta converter (72) for digitizing the output signal of the multiplexer (60) and an amplifier (70) for amplifying the output signal from the multiplexer (60).

A magnetic field sensor (1) according to any one of the preceding claims, wherein the magnetic field sensor (1) is further provided with a flux concentrator (80), which is located substantially in the third direction of the Hall plates (11, 12, 13, 14). is located

15. Magnetic field sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the magnetic field sensor (1) is provided with at least one coil (81) for generating a magnetic field that can be measured by the magnetic field sensor (1).

The magnetic field sensor (1) according to claim 15, wherein the coil (81) can be controlled for demagnetizing a flux concentrator (80). 25

A magnetic field sensor (1) according to any one of the preceding claims, wherein the magnetic field sensor (1) is adapted to provide at least one measuring signal for measuring the voltage difference across the Hall plates (11, 12, 13, 14) during a certain time interval. ignore. 30

A carrier provided with a magnetic field sensor (1) according to one of the preceding claims. 1025089

Compass provided with a magnetic field sensor (1) according to one of claims 1-17. 1025089 "