TW201305586A - 霍爾感測器與操作霍爾感測器的方法 - Google Patents

霍爾感測器與操作霍爾感測器的方法 Download PDF

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Abstract

一種之霍爾感測器(40)，其具有四個霍爾元件(10)，各霍爾元件均具有佈置於第一連接線路上兩端的第一對接頭(12a、12b)以及佈置於第二連接線路兩端的第二對接頭(13a、13b)，四個霍爾元件分別以等同之朝向位於將一方形底面的角點上；一控制設備(41)，該控制設備於四個不同之測量階段(P1、P2、P3、P4)中向每個霍爾元件(10)之兩對接頭(12a、12b；13a、13b)中的一者提供電源電壓(Vdd)；以及一測量設備(45)，該測量設備在各測量階段(P1、P2、P3、P4)中測定各霍爾元件(10)之兩對接頭(12a、12b；13a、13b)中的另一者的單體霍爾電壓(Vh)，並將該等測定之單體霍爾電壓累加為測量電壓(Vm)，其中在第一測量階段(P1)中，控制設備(41)將提供電源電壓之電源電壓接頭(43)與每個霍爾元件(10)之接頭(12a、12b；13a、13b)中的一者相連，霍爾元件各連接之接頭相對於順時針方向與其相鄰之霍爾元件的接通接頭(12a、12b；13a、13b)順時針方向偏轉了90°；以及其中在第一測量階段(P1)之後的三個測量階段(P2、P3、P4)中，控制設備將電源電壓接頭與各霍爾元件(10)之接頭中的一者相連，該接頭為相對於之前測量階段相連之接頭(12a、12b；13a、13b)順時針旋轉90°。

Description

霍爾感測器與操作霍爾感測器的方法
本發明係有關於一種霍爾感測器與操作霍爾感測器的方法，尤為使用旋轉電流操作之方形霍爾裝置中的霍爾感測器。
霍爾感測器基於勞倫茲效應，藉由此效應，運動之電荷於垂直電荷運動方向及垂直外部磁場之方向上偏轉。因此，霍爾元件可於兩個加載電源電壓之電極接頭之間的預定電流下截取霍爾電壓，垂直於電流方向之磁場強度決定此霍爾電壓之大小。
這種霍爾感測器亦可用於測量地磁強度。用戶所使用之具有這種霍爾感測器的電子設備(例如導航設備或數碼指南針)中通常僅可使用1V至5V之間的較小電源電壓。可藉由僅為幾μT之較低地磁場強度來將由地磁場產生之霍爾電壓控制於幾毫微伏範圍內。因此，用於探測地磁之霍爾感測器必須具有極高之辨識度，且其各個部件必須良好協調。
霍爾感測器之固有測量偏差或偏移通常造成霍爾感測器均有高強度之增強範圍，該增強範圍可以超過待測量之地磁場強信號的數值範圍二至四個數量級。高增強範圍可造成霍爾感測器之信號噪聲，從而影響能耗以及所使用之分析電子件的線性。
印刷文本US7,345,376 B2公開了一種帶方形霍爾元件的霍爾感測器電路，該電路中霍爾電流藉由適當之旋轉電流法來分析。
印刷文本US 6,154,027公開了一種具有旋轉電流分析電路的霍爾元件，借助該電路可補償外部溫度差。
本發明提供一種如實施形式之霍爾感測器，其具有四個霍爾元件，各霍爾元件均具有佈置於第一連接線路上兩端的第一對接頭以及佈置於第二連接線路兩端的第二對接頭，一控制設備，該控制設備於四個不同之測量階段中向每個霍爾元件之兩對接頭中的一者提供電源電壓，一測量設備，該測量設備在各測量階段中測定各霍爾元件之兩對接頭中的另一者的單體霍爾電壓，並將該等測定之單體霍爾電壓累加為測量電壓。
第一測量階段中有如下步驟，控制設備將電源電壓與每個霍爾元件之接頭中的一者相連，其中霍爾元件各連接之接頭相對於順時針方向與其相鄰之霍爾元件的接通接頭順時針方向偏轉了90°；在各霍爾元件沒有連接的接頭對上測定第一單體霍爾電壓；以及將各第一霍爾電壓累加為一第一測量電壓。
在第一測量階段中，控制設備電源電壓接頭與各霍爾元件之接頭中的一者相連，其中該接頭相對於順時針方向與其相鄰之霍爾元件的接通接頭順時針方向偏轉了90°。 繼第一測量階段之後的其他三個測量階段中，控制設備將電源電壓接頭與各霍爾元件之接頭中的一者相連，該接頭為相對於之前測量階段相連之接頭順時針旋轉90°。
本發明之另一實施形式提供一種操作具有四個霍爾元件之霍爾感測器的方法，該等霍爾元件均具有佈置於第一連接線路上兩端的第一對接頭以及佈置於第二連接線路兩端的第二對接頭，該等霍爾元件佈置於一方形底面的角點上。
在四個測量階段之第一測量階段中，操作方法包括以下步驟，將提供電源電壓之電源電壓接頭與每個霍爾元件之接頭中的一者相連，其中霍爾元件各連接之接頭相對於順時針方向與其相鄰之霍爾元件的接通接頭順時針方向偏轉了90°；在各霍爾元件沒有連接的接頭對上測定第一單體霍爾電壓；以及將各第一霍爾電壓累加為一第一測量電壓。
發明優點
在第一測量階段之後的三個測量階段中，操作方法包括以下步驟，將電源電壓接頭與各霍爾元件之接頭中的一者相連，該接頭為相對於之前測量階段相連之接頭順時針旋轉90°；在各霍爾元件沒有連接的接頭對上測定其他單體霍爾電壓；以及將各其他霍爾電壓累加為一其他測量電壓。
本發明之基本思路為，在旋轉電流法的四個測量階段中借助使用旋轉電流或旋轉電壓操作之方形霍爾感測器實 現接通電源電壓之接頭與截取霍爾電壓之接頭之間的交換，在每個測量階段中藉由累加各霍爾元件之霍爾電壓可以得到一測量電壓，該測量電壓無由塞貝克效應引起的測量值偏差。
其優點在於，可藉由測量方法來完全消除具有相應霍爾感測器裝置之霍爾感測器中的測量值偏差，從而使霍爾感測器具有更加之信噪比，進而可在信號值極低時很好地應用霍爾感測器，例如探測地磁場。
藉由方法來消除由塞貝克效應引起的誤差，就無需額外使用抵消誤差之措施或控制，從而使霍爾感測器裝置更見簡潔、輕便及成本低廉。
用於抵消其他偏差效應(例如電壓效應)之措施不會影響霍爾感測器裝置之操作方法。因此，本發明之操作方法可以與熟知之用於降低電壓影響的消除方法配合使用。
較佳之實施形式參見申請專利範圍附屬項。
上文所述之設計方案及改進方案並非僅限於此，亦可任意相互組合。本發明之其他設計方案、改進方案及執行方案更包括上文所述之不詳盡之組合方案以及下文借助實施例所述之本發明之特徵。
圖1為霍爾元件10之示意圖。霍爾元件10具有兩對電接頭12a、12b及13a、13b，其分別位於彼此垂直之連接線路兩端。舉例而言，霍爾元件10可於一基板11(例如為 矽質半導體基板11)中於由接頭12a、12b及13a、13b界定之平面中導電。
霍爾元件10可與一電源電壓Vdd相連，例如圖1中連接與接頭13a與13b之間。電源電壓Vdd可向兩個方向連接，即其可為負極符號或正極符號。舉例而言，一具有正極電源電壓Vdd之電源接頭與接頭13b相連，接頭13a接地。如圖1所示，此情況下電源電壓Vdd產生電勢差。電源電壓亦可與接頭12a、12b及13b中的任一者相連。藉由接入電源電壓Vdd，可使電流流動於加載電源電壓Vdd之接頭對之接頭12a與12b或13a與13b之間。
若存在垂直於電流的磁場B，其指向標注平面內，則基於勞倫茲效應標注平面中電流之移動電荷垂直於電荷運動方向偏轉。圖1中，本實施例之電荷因此向接頭12a方向偏轉。從而可於接頭12a與12b之間截取霍爾電壓Vh，其大小有磁場B之強度決定。
圖2為如圖1之霍爾元件10之測量裝置的視圖。測量裝置包括測量及控制設備15，其支配與接頭12a、12b、13a或13b相連的接頭15a、15b、15c及15d。舉例而言，若一負極電源電壓於測量及控制設備15之接頭15a上與接頭12a相連，而接頭12b接地，則圖2中電源電壓Vdd位於接頭12a與12b之間。藉由與測量及控制設備15之接頭15b及15d相連的接頭13a及13b可以截取霍爾電壓Vh，其數值為磁場B強度之指示器。
霍爾元件中很大部分之偏差或測量偏移由塞貝克效應 造成。塞貝克效應出現於材料轉變情況下，利於金屬-半導體材料轉變或半導體-半導體材料轉變。若使用金屬或半導體管道與半導體基板11相連，則接頭13a及13b上會出現此材料轉變。塞貝克效應為溫差效應，其在金屬-半導體材料轉變或半導體-半導體材料轉變時依據溫差產生電壓。圖2中藉由塞貝克效應於接頭13a上產生塞貝克電壓Vs1。藉由塞貝克效應於接頭13b上產生塞貝克電壓Vs2。只要兩個接頭13a與13b的溫度保持一致，塞貝克電壓Vs1與Vs2就保持為數值相等的正負電壓，從而在測量時僅保留霍爾電壓Vh，而不產生塞貝克偏差。
圖2所示兩個接頭13a與13b溫度缺不同。舉例而言，接頭13b溫度為T2，而接頭13a溫度為T1。整體環境溫度例如為T0。溫度區域由區域邊界14a及14b來劃分說明。此情況下，塞貝克電壓Vs1與Vs2數值不等，其總和因而不為零。
Vs1=α(T1-T0) (1)
Vs2=α(T2-T0) (2)
Vs1-Vs2=α(T1-T0)-α(T2-T0)=α(T1-T2) (3)
α為由材料決定的塞貝克係數。對於金屬至低摻雜矽的材料轉變，α塞貝克係數可例如達到1000μV/℃。由測量及控制設備15測量之接頭15b與15d之間的電壓差Vm可計算為：Vm=Vs1+Vh-Vs2=Vh+α(T1-T2)=Vh+Voff (4)
原本的測量電壓Vh被加上了由溫度差(T1-T2)決定之塞貝克偏差Voff。對於典型霍爾元件中之金屬-半導體材料轉變，可以得出的塞貝克偏差Voff與常測地磁場強之霍爾電壓為相同數量級。即使溫度差(T1-T2)小，亦會產生寄生信號Voff，其將作為明顯之偏差疊加於測量電壓Vh。
圖3與圖4及圖6共同展示了操作霍爾感測器之方法，使用該方法可排除或至少減少塞貝克效應造成之測量偏差。
圖4為一霍爾感測器裝置30之視圖。霍爾感測器裝置30包括四個霍爾元件10，其分別具有佈置於第一連接線路上兩端的第一對第一接頭12a、12b以及佈置於垂直第一連接線路之第二連接線路兩端的第二對第二接頭13a、13b。霍爾元件10可為圖1所示之霍爾元件。四個霍爾元件可分別以等同之朝向位於將一方形底面的角點上。等同之朝向指，無需藉由旋轉、拖拉、鏡像或其他幾何操作程序，僅藉由向旁邊平移即可得出各霍爾元件之接頭集合形狀即可得出接頭12a、12b、13a及13b之方向。此外，霍爾元件之幾何重心位於方形底面之角點上，即，旁側相鄰之霍爾元件重心之連接線彼此垂直，且長度相等。
霍爾元件10之裝置30藉由霍爾元件10之運轉而形成溫度分佈，此溫度分佈與以虛線圓圈所示之之溫度分佈圖相符。霍爾元件10之外部區域中為恆定室溫T0。向著方形底面中點方向升高，該方形底面之角點即為霍爾元件10所佈置之位置。霍爾元件10約中部位置之溫度例如為T1> T0。而霍爾元件接頭指向方形底面中部的頂部部分溫度可例如為T2>T1>T0。由於方形底面中部中有多個部件運轉以及此處溫度外流情況較差，所以溫度T2高於T0。
圖3顯示了操作具有一圖4所示之霍爾感測器裝置30之霍爾感測器之方法。如圖6所示，方法20可以分解為四個測量階段P1、P2、P3及P4。圖6顯示了圖4之具有適當溫度範圍的霍爾感測器裝置30，其中如箭頭所示，於測量階段P1至P4中分別在霍爾元件10各接頭上連接不同的電源電壓Vdd。為了便於理解，使用連續數字1至4表示霍爾元件10。圖6中四個霍爾元件1至4分別具有四個接頭12a、12b、13a及13b，其佈置方式為，各霍爾元件接頭之圖形分別相對於相鄰霍爾元件接頭旋轉90°。例如，霍爾元件1之接頭12a在圖6中位於左上，而霍爾元件2之接頭12a則位於右上。
方法20亦可成為旋轉電流法，即使用交變電流方向之方法。霍爾感測器中旋轉電流法之特徵在於，借助一霍爾感測器於不同測量階段測量磁場，各測量階段之區別在於霍爾感測器中電流相對方向不同。因此，應將電源電壓接通於歲測量階段變化之霍爾感測器接頭之間，從而改變電流方向。
方法20包括四個測量階段P1至P4，其中測量階段P1屬於步驟21，而後繼測量階段P2至P4均屬於步驟25。在第一步驟22中，將電源電壓Vdd與每個霍爾元件各接頭中的一者接通，其中霍爾元件各接通之接頭相對於順時針方 向與其相鄰之霍爾元件的接通接頭順時針方向偏轉了90°。
舉例而言，圖6中可於接頭12a上為霍爾元件1接通一正極電源電壓Vdd，即接通左上之接頭。同時可將對面之右下接頭12b接地，從而如箭頭所示，電流方向為自接頭12a至接頭12b，即自左上至右下。在其餘霍爾元件2至4中可將電源電壓Vdd與其他適合於霍爾元件1之接頭12a的接頭接通。霍爾元件2在順時針方向上與霍爾元件1相鄰。因此，霍爾元件2應於相對於霍爾元件1逆時針旋轉90°的接頭上接通電源電壓Vdd，及接通接頭13b。霍爾元件3又在順時針方向上與霍爾元件2相鄰。霍爾元件3相應地於相對於霍爾元件2逆時針旋轉90°的接頭上加載電源電壓Vdd，及接通接頭12b。對於霍爾元件4亦採取相同處理，因此霍爾元件4之接頭13a與電源電壓接頭相連。
以此方式實現了於測量階段P1中對霍爾元件1至4的霍爾元件控制，對於霍爾元件之所有不通電流的接頭，即接通電源電壓Vdd及接地的接頭對以外的接頭，該等接頭溫度相同，如等溫線T0或T1所示。因此，測量階段P1於步驟23中在霍爾元件1至4上測定之單體霍爾電壓Vh1至Vh4無塞貝克偏差Voff。於步驟24中從而可直接第一單體霍爾電壓Vh1至Vh4累加為一第一測量電壓Vm，而無需考慮塞貝克效應之偏差修正。
亦可將霍爾元件1至4之四個相同接通之接頭彙聚於四個節點接頭中的一者，從而首先可藉由將電源電壓接至節點接頭中的一者而將電源電壓連接至每個霍爾元件1至4 的一接頭上。另一方面，可於其他節點接頭中任一者上截取霍爾電壓，將霍爾元件1至4之四個不同接頭單體霍爾電壓Vh1至Vh4求和，可以在各節點接頭上截取平均電壓。該平均電壓為所測定至單體霍爾電壓Vh1至Vh4之和，且該平均電壓由於其測量幾何方面之原因無塞貝克偏差。
測量階段P1結束後，在步驟25中進入測量階段P2。在步驟26中首先分別變化霍爾元件1至4於電源接頭連接之接頭。將相對於先前測量階段中接通電源至接頭順時針旋轉90°的接頭於電源電壓Vdd接通。舉例而言，在測量階段P2之前之測量階段P1中，圖1中霍爾元件1之接頭12a於電源接頭相連。霍爾元件1中，相對於接頭12a順時針旋轉90°的接頭為接頭13a。因此，接頭13a於測量階段P2中與電源接頭相連。位於接頭13a對面之接頭13b接地，如箭頭所示，測量階段P2中電流自霍爾元件1之接頭13a流至接頭13b。對於霍爾元件2至4亦使用，從而與測量階段P1相同，於測量階段P2中將電源電壓Vdd加載於各霍爾元件1至4之不同接頭上。
接著於步驟27中在不與電源接頭連接之接頭對上測定各霍爾元件1至4的其他單體霍爾電壓Vh1’至Vh4’，該步驟與步驟23相似。如圖2中等式(1)至(4)所示，由於各霍爾元件1至4之彼此面對的接頭處於不同溫度區域，所以其他單體霍爾電壓Vh1’至Vh4’分別產生了塞貝克偏差。
在步驟28中將其他單體霍爾電壓Vh1’至Vh4’累加為 其他測量電壓Vm’。藉由測量階段P2中至電源電壓控制，單體霍爾電壓Vh1’至Vh4’可成對地消除塞貝克偏差。舉例而言，單體霍爾電壓Vh1’及Vh2’絕對值相同，但正負號相反。原因在於，霍爾元件1中截取霍爾電壓Vh1’之接頭的溫度分佈恰好與霍爾元件2中截取霍爾電壓Vh2’之接頭的溫度分佈相反。對於霍爾元件3及4亦適用。因此，藉由累加單體霍爾電壓Vh1’至Vh4’即可成對地消除塞貝克偏差，使其他測量電壓Vm’亦無誤差。與測量階段P1相同，測量階段P2中亦無需外來的誤差修正。
第二測量階段P2中，亦可將電源電壓接通至於測量階段P1中不同之節點接頭上，因此亦可於另一不同之節點接頭上截取單體霍爾電壓Vh1’至Vh4’之平均電壓。
測量階段P2結束後，為了進行測量階段P3及P4，方法20分別重複步驟26至28。如圖6所示，專業人士可發現，測量階段P3及P4在霍爾感測器裝置方面於測量階段P1及P2相似。
圖5顯示了具有如圖4及圖6所示霍爾感測器裝置30的霍爾感測器40。尤其可使用如圖3之方法來操作霍爾感測器40。霍爾感測器40包括控制設備41，測量設備45，第一開關設備42a及第二開關設備42b。控制設備41與測量設備45，第一開關設備42a及第二開關設備42b相連。控制設備41於四個不同測量階段P1、P2、P3、P4中藉由霍爾感測器之各霍爾元件接頭對中的一者將電源電壓Vdd接入。控制設備41藉由第一開關製備42a之相應操作將提 供電源電壓Vdd之電源電壓接頭43分別於霍爾感測器裝置30各霍爾元件之接頭中的一者相連。根據第一開關設備42a之相應操作，控制設備41藉由第二開關設備42b之相應操作將向電源電壓Vdd提供接地電勢之接地接頭44分別於霍爾感測器裝置30各霍爾元件之對面相連。
測量設備45於各測量階段中於霍爾感測器裝置各霍爾元件之各沒有藉由開關設備42a及42b於電源電壓接頭43或接地接頭44相連的接頭上測定單體霍爾電壓，並將其累加為一測量電壓。
1、2、3、4、10‧‧‧霍爾元件
11‧‧‧半導體基板
12a、12b、13a、13b‧‧‧偏移電接頭/接頭
14a、14b‧‧‧區域邊界
15‧‧‧測量及控制設備
15a、15b、15c、15d‧‧‧接頭
20‧‧‧方法
21、22、23、24、25、26、27、28‧‧‧步驟
30‧‧‧霍爾感測器裝置
40‧‧‧霍爾感測器
41‧‧‧控制設備
42a‧‧‧第一開關設備
42b‧‧‧第二開關設備
43‧‧‧電源電壓接頭
44‧‧‧接地接頭
45‧‧‧測量設備
B‧‧‧磁場
Vh‧‧‧霍爾電壓/電壓
Vdd‧‧‧電源電壓
Vs1、Vs2‧‧‧塞貝克電壓
P1、P2、P3、P4‧‧‧測量階段
下文參照附圖進一步說明本發明實施形式之優點。
其中：圖1為如本發明實施形式之霍爾感測器視圖；圖2為如本發明另一實施形式之霍爾元件之測量裝置的視圖；圖3為操作如本發明另一實施形式之霍爾感測器之方法的示意圖；圖4為如本發明另一實施形式之霍爾感測器裝置之視圖；圖5為如本發明另一實施形式之霍爾感測器之視圖；以及圖6為如本發明另一實施形式之霍爾感測器之旋轉電流運行階段的示意圖。
圖中所示相同、功能相同之元件、特徵及部件(及無區別之)使用相同之參考符號。為了清楚顯示及便於理解，並未按照實際比例標識圖中之元件及部件。
1、2、3、4‧‧‧霍爾元件
P1、P2、P3、P4‧‧‧測量階段
Vdd‧‧‧電源電壓

Claims (10)

  1. 一種霍爾感測器(40)，其具有：四個霍爾元件(10)，各霍爾元件均具有佈置於第一連接線路上兩端的第一對接頭(12a、12b)以及佈置於第二連接線路兩端的第二對接頭(13a、13b)；一控制設備(41)，該控制設備於四個不同之測量階段(P1、P2、P3、P4)中向每個霍爾元件(10)之兩對接頭(12a、12b；13a、13b)中的一者提供電源電壓(Vdd)；以及一測量設備(45)，該測量設備在各測量階段(P1、P2、P3、P4)中測定各霍爾元件(10)之兩對接頭(12a、12b；13a、13b)中的另一者的單體霍爾電壓(Vh)，並將該等測定之單體霍爾電壓累加為測量電壓(Vm)，其中在第一測量階段(P1)中，控制設備(41)將提供電源電壓之電源電壓接頭(43)與每個霍爾元件(10)之接頭(12a、12b；13a、13b)中的一者相連，其中霍爾元件各連接之接頭相對於順時針方向與其相鄰之霍爾元件的接通接頭(12a、12b；13a、13b)順時針方向偏轉了90°。
  2. 如申請專利範圍第1項之霍爾感測器(40)，其中四個霍爾元件(10)為旁側霍爾元件。
  3. 如申請專利範圍第1項之霍爾感測器(40)，其中四個霍爾元件(10)為垂直霍爾元件。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之霍爾感測器(40)，其中四個霍爾元件(10)建構於一半導體基板(11)上，以及其中霍爾元件(10)之各接頭均具有金屬-半導體 觸頭或半導體-半導體觸頭。
  5. 如請專利範圍第1至3項中任一項之霍爾感測器(40)，其中第二連接線路垂直於第一連接線路。
  6. 如請專利範圍第1至3項中任一項之霍爾感測器(40)，其中四個霍爾元件(10)分別位於方形底面之角點上。
  7. 如請專利範圍第1至3項中任一項之霍爾感測器(40)，其中在四個節點接頭中的一者上，將霍爾元件(10)各接頭(12a、12b；13a、13b)與順時針方向相鄰之霍爾元件(10)的逆時針方向旋轉了90°的接通接頭(12a、12b；13a、13b)相連。
  8. 如請專利範圍第7項之霍爾感測器(40)，其中在第一測量階段(P1)之後的三個測量階段(P2、P3、P4)中，控制設備(41)分別將四個節點接頭中不同的另一者與電源電壓接頭(43)相連。
  9. 一種操作具有四個霍爾元件(10)之霍爾感測器(4)的方法，各霍爾元件均具有佈置於第一連接線路上兩端的第一對接頭(12a、12b)以及佈置於第二連接線路兩端的第二對接頭(13a、13b)，其具有以下步驟：在四個測量階段之第一測量階段(P1)中：將電源電壓(Vdd)與四個節點中的一者連接(22)，該節點上霍爾元件(10)各接頭(12a、12b；13a、13b)與順時針方向相鄰之霍爾元件(10)的逆時針方向旋轉了90°的接通接頭(12a、12b；13a、13b)相連； 在沒有與所連接之節點接頭連接的接頭對(12a、12b；13a、13b)上測定(23)各霍爾元件(10)之第一單體霍爾電壓(Vh)；以及量取(24)第一霍爾電壓(Vh)之總電壓，以測量一旋轉90°之節點接頭上的第一測量電壓(Vm)。
  10. 如專利範圍第9項之方法，更具有如下步驟：在第一階段(P1)之後的三個測量階段(P2、P3、P4)中分別：將電源電壓(Vdd)與四個節點中的另外一者連接(26)；在沒有與所連接之節點接頭連接的接頭對(12a、12b；13a、13b)上測定(27)各霍爾元件(10)之第一單體霍爾電壓(Vh)；以及量取(28)第一霍爾電壓(Vh)之總電壓，以測量一旋轉90°之節點接頭上的第一測量電壓(Vm)。
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