TW201823762A - 用於霍爾感測器的感測器信號的偏移補償之方法及感測器配置 - Google Patents

用於霍爾感測器的感測器信號的偏移補償之方法及感測器配置 Download PDF

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Abstract

一種用於一霍爾感測器之一感測器信號S0 的偏移補償之方法，其包含以下步驟：執行對該感測器信號S0 之一第一偏移補償以用於提供一經預補償之感測器信號S，其中該感測器信號中的相對於一供應信號SDD 成線性的偏移之一部分在該第一偏移補償中被消除或至少減小；在一時間間隔Δt1內，在不同偏移量測程序中且利用不同供應信號值SDDN 來確定多個(N個，其中N≧3)感測器信號值SN ，其中該等偏移量測程序係以一時間連續方式執行，以使得在該時間間隔Δt1期間，作用於該霍爾感測器之量測磁場在一容限範圍內恆定；基於該等確定的N個感測器信號值SN 而判定用於該經預補償之感測器信號對該供應信號SDD 之一擬合函數F(SDD )，其中 F(SDD )=恆定部分+線性部分+非線性部分 其中該擬合函數之該非線性部分係基於該經預補償之感測器信號S中之一殘餘偏移部分R，且 (1)其中當該經預補償之感測器信號與該等霍爾感測器之一偵測到的霍爾電壓成比例時，該擬合函數之該線性部分係基於該量測磁場；且 (2)其中當該經預補償之感測器信號與起作用的該量測磁場成比例時，該擬合函數之該恆定部分係基於該量測磁場，該量測磁場係基於該偵測到的霍爾電壓及該霍爾感測器之靈敏度而確定； 基於該經確定擬合函數的基於該量測磁場之該部分而計算一偏移減小之感測器信號值S0 ；偵測一供應信號值SDDN 下之一感測器信號值SN ；確定該供應信號值SDDN 下的該經預補償之感測器信號S之該殘餘偏移部分R為該感測器信號值SN 與該偏移減小之感測器信號值S0 之間的差；以及 基於該供應信號值SDDN 下之該經確定偏移部分R而執行對該感測器信號S之一偏移補償。

Description

用於霍爾感測器的感測器信號的偏移補償之方法及感測器配置
發明領域 實施例係關於用於霍爾感測器之感測器信號的偏移補償的裝置及方法，以及包含霍爾感測器及用於執行該方法之處理構件的感測器配置。詳言之，實施例係關於用於借助於調變或改變供應信號來對霍爾感測器之感測器輸出信號的偏移補償的概念，其中，藉由調變霍爾感測器之供應電壓，感測器輸出信號中之偏移部分亦可使用施加之外部磁場來判定，例如，在該外部磁場在判定該偏移部分時在一容限範圍內恆定情況下。
發明背景 當一電流流經一霍爾感測器時且當施加具有垂直於該電流之一磁場分量的一磁場時，該霍爾感測器提供呈一輸出電壓(霍爾電壓)形式之一輸出信號，該輸出電壓與磁通量密度及電流強度之乘積成比例。霍爾感測器或霍爾效應元件通常包含感測器信號輸出中之高、強度溫度相依之偏移部分。
可使用如自旋電流原理(SC方法)、正交對形成或強制對稱的不同、均勻可組合之程序來減小偏移部分。
在所謂的「自旋電流原理」中，為了抑制由幾何形狀誤差、壓阻效應、非均勻溫度等引起的感測器輸出信號中之偏移部分(偏移電壓)，具有若干端子之霍爾感測器經設置成對稱的，如橫向霍爾感測器中之可旋轉對稱。偵測觸點(霍爾觸點)在此實現為形狀上相同，如供電觸點(電流觸點)此等端子中之兩個端子充當供電觸點，而兩個端子充當霍爾信號偵測觸點。端子之功能輪流地(依次在連續階段中在不同電流方向上)交替。借助於相應地評估量測結果，霍爾感測器輸出信號中之所得偏移部分可顯著減小。因此，有可能在空間上及在時間上均實現自旋電流操作。「在空間上」意謂若干霍爾感測器係在緊密空間鄰域中實現且使用不同電流方向同時操作。「在時間上」意謂霍爾感測器在連續時間以不同電流方向操作。此處例示性之最終量測值為不同自旋電流操作階段中的不同工作電流方向之個別量測值的平均值。另外，可組合自旋電流操作之時間及空間實現兩者的程序。
垂直霍爾感測器亦可使用自旋電流原理來操作，即使不具有此等霍爾感測器之可旋轉對稱實施。所得旋轉對稱性可藉由個別霍爾感測器之合適幾何形狀例示性地產生，或若干垂直霍爾感測器(霍爾效應感測器元件)可強制為對稱的。
減小橫向霍爾感測器之感測器輸出信號中之偏移部分的另一方法為「正交對形成」。此處，若干橫向霍爾感測器，如二之倍數個霍爾感測器，類似於自旋電流原理而並聯地連接，但使用不同電流方向。正交對形成因此對應於相應互連之橫向霍爾感測器的上文所描述之「空間」自旋電流操作。
在垂直霍爾感測器中，所謂的「強制對稱」可適用於偏移補償。歸因於不同自旋電流階段中的元件之空間電荷區及幾何形狀，垂直霍爾感測器包含部分地引起大量個別階段偏移的不同內部電阻，使得垂直霍爾感測器可僅在有限範圍上使用自旋電流原理來操作。為了在垂直霍爾感測器中實施自旋電流原理，可執行例如所謂的「強制對稱」，其中各自移位一個觸點之垂直霍爾感測器係並聯地連接，但自電氣觀點看，該等元件不對稱。因此，補償電流存在於霍爾感測器之間，使得，當自外部觀察時，由若干霍爾感測器組成之垂直霍爾感測器配置可旋轉地對稱，且因此可易於使用自旋電流原理來操作。
儘管偏移部分可使用自旋電流原理、正交對形成或強制對稱來減小，但溫度相依之殘餘偏移部分常常會保留在感測器輸出信號中。對於霍爾感測器之許多應用，此殘餘偏移部分必須進一步減小，此係此等霍爾感測器必須在系列測試中在操作溫度範圍中個別地經量測且經校準的原因。此校準程序通常證明為(時間)消耗極大的，此係因為待補償的霍爾感測器之溫度相依之偏移部分必須在系列測試中在不同溫度下來量測，接著儲存於霍爾感測器中以用於偏移校正。此偏移補償非常耗時，且因此導致對應霍爾感測器之相對較高製造成本。
發明概要 自本發明先前技術開始，基於本發明之目標為提供用於霍爾感測器之感測器輸出信號的偏移補償的經改良概念。
此目標藉由獨立技術方案來達成。
本發明概念之進一步展開係定義於相關聯子技術方案中。
本發明之中心思想為，借助於調變或改變霍爾感測器之供應信號，所得感測器輸出信號中之有用信號部分可在霍爾感測器之操作期間與偏移部分分開，無需先前校準或先前系列測試。由供應信號之調變或改變引起的感測器輸出信號之路線接著可經評估或相對於可歸因於偏移部分及有用信號部分之分量分解。因此，在外部磁場在判定偏移部分時在容限範圍內恆定之情況下，感測器輸出信號中之偏移部分可在無(或小至可忽略的)外部磁場經施加的情況下或在外部磁場經施加的情況下判定。
由於實際上，外部磁場常常不能假定為完全恆定，或當外部磁場(亦即磁場強度或通量密度)保持在預定區域內或無或僅小至可忽略的外部磁場經施加時，當前概念仍然提供足夠補償結果，因此針對外部磁場之「所需一致性」引入或提供所謂的「容限範圍」。容限範圍因此指示允許外部磁場在判定偏移部分或殘餘偏移部分時改變所在之區域。容限範圍可例如指示外部磁場在判定偏移部分或殘餘偏移部分時改變小於50%、30%、20%、10%、5%、1%或0.1%，或指示外部磁場不存在或僅小至可忽略。可假定且保持之容限範圍愈小，偏移補償可愈精確地執行。
在已知外部磁場之可能或典型變化率的情況下，補償程序之時間間隔Δt1可經選擇以使得偏移量測程序係以時間(短暫)連續之方式來執行，以使得在時間間隔Δt1期間，作用於霍爾感測器之量測磁場在(預定)容限範圍內恆定，或外部磁場不存在或僅小至可忽略。
霍爾感測器之輸出信號中之偏移部分高度依賴於供應信號，例如供應電壓或供應電流，其中，對於低供應信號值，感測器輸出信號中之偏移部分可假定為可忽略(亦即≤有用信號部分之20%、10%、5%、1%或0.1%)，而感測器輸出信號中之偏移部分隨供應信號值增大而「非線性地」增大。霍爾感測器關於對比度之靈敏度與施加之供應信號成正比。假定，當判定感測器輸出信號中之偏移部分時，作用於霍爾感測器之量測磁場在容限範圍內不變且例如霍爾感測器處之當前溫度無「本質」變化，則感測器輸出信號中之有用信號部分與偏移部分之間的分開可藉由執行供應信號之「調變」(亦即設定不同值)而在操作期間獲得。感測器輸出信號中之偏移部分在此情況下幾乎可消除或至少劇烈地減小，此係因為感測器輸出信號之「無準偏移」量測值可在極低供應信號值下判定，而隨後，在正常操作中，偏移部分可在高供應信號下經判定且自感測器輸出信號移除。
因此，高供應信號值下的霍爾感測器之高靈敏度可與低供應信號值下的感測器輸出信號中之低偏移部分組合，此意謂具有高供應信號值之偏移部分可在霍爾感測器之操作期間基於霍爾感測器之已知(高)靈敏度及低供應信號值下之(無準偏移)量測值而判定。
為了實施用於霍爾感測器之感測器輸出信號的偏移補償的本發明概念，例如，可選擇使用調變或改變供應信號之不同程序。
根據一個實施例，用於實施本發明概念之一個可能程序係借助於「調變或改變」供應信號及對應量測不同(經調變)供應信號值下之感測器輸出信號(輸出信號路線對供應信號路線的典型函數)而獲得，其中此典型函數再現例如非線性偏移部分對供應信號之路線。當藉由對應於待量測的外部磁場B之線性部分來補充此「典型函數」時，此典型函數可用以將感測器輸出信號中之偏移部分及有用信號部分兩者再現為與供應信號相關的函數。如感測器電壓之供應信號在此經調變或經改變，且各別感測器信號值(感測器輸出信號值)係針對多個量測點，亦即針對至少三個或甚至更多個量測點，判定。舉例而言，借助於一量測套組，典型函數將接著基於此等「量測點」「擬合」(確定)。舉例而言，此典型函數被稱為「擬合函數」。
因此，基於所發現的N個感測器信號值SN ，(例如，經預補償之)感測器輸出信號對供應信號SDD 的擬合函數F(SDD )包含恆定部分、線性部分以及非線性部分之組合，其中擬合函數之非線性部分係基於(經預補償之)感測器信號中之殘餘偏移部分。
當感測器信號與霍爾感測器之偵測到的霍爾電壓成比例時，擬合函數之「線性」部分係基於(一直施加之)量測磁場。與本發明概念一致，量測到的霍爾電壓可例示性地直接使用(作為感測器輸出信號)，其中歸因於供應信號與霍爾感測器之靈敏度的成比例關係，擬合函數(配適函數)之線性部分提供幾乎無偏移之有用信號部分(量測值)。
然而，當經預補償之感測器輸出信號與計算的基於偵測到的霍爾電壓及霍爾感測器之靈敏度而判定的外部磁場成比例時，擬合函數之「恆定」部分係基於(一直施加之)量測磁場。當感測器輸出信號，亦即量測到的霍爾電壓，已經借助於霍爾感測器之靈敏度而轉換為所施加的量測磁場之值時，所描述之程序亦可應用。在此情況下，應使用不同的典型函數，其中配適函數之「恆定部分」將用作為所得(幾乎無偏移之)量測信號，此係因為，在霍爾感測器中之mT範圍中，輸出信號相對於供應信號基本上恆定。
取決於例示性地與霍爾感測器之偵測到的霍爾電壓成比例或(替代地)與起作用之量測磁場成比例的(經預補償之)感測器輸出信號之類型或顯現，可因此獲得幾乎無偏移之量測值，亦即感測器輸出信號之有用信號部分。當使用「完全」(高)供應信號操作霍爾感測器時，偏移部分可在此高供應信號下判定。其他量測值，亦即感測器輸出信號，可使用所判定之此偏移部分校正。
判定擬合函數與所需的特定計算效能相關聯。當觀察可能的典型函數(擬合函數)，如f(x)=a+bx+edx ，或f(x)=a+bx+dxn … (泰勒級數)，其中x=SDD ，時，對於小供應信號，非線性項，亦即項edx ，或具泰勒級數之高階項將大致為零。自作為感測器輸出信號的霍爾感測器之量測到的霍爾電壓開始，典型函數之恆定部分通常極小，此係因為偏移之線性部分已藉由應用自旋電流原理而例示性地經預補償或減小。
因此，高供應信號下之高靈敏度可與低供應信號下之低偏移部分組合，以便判定高供應信號下的感測器輸出信號之偏移經補償之有用信號部分。
判定擬合函數需要所需的特定計算效能，其可藉由使用下文所描述之另外程序顯著減小，但仍具有極好的補償結果。
根據用於實施本發明概念之另一可能程序之一實施例，使用低供應信號值下的(例示性單一)量測結果，當已知霍爾感測器之靈敏度時，在顯著減小之偏移部分，可量測或偵測(當前施加之)外部量測磁場。當(低)供應信號值已選擇為足夠低時，感測器輸出信號中之殘餘偏移部分可被視為低至可忽略。
在此程序之一實際應用中，此意謂低供應信號值下的外部量測磁場係在霍爾感測器處量測。低供應信號值經選擇為例如小於或等於(≤)相對於較高供應信號值之50%、30%、20%或10%。此處，判定具有可例示性地假定為「0」之極低(可忽略)偏移部分的量測值(感測器輸出信號或感測器輸出信號值)。隨後，如供應電壓或供應電流之供應信號值再次增大，此後，在較高供應信號值下執行感測器輸出信號之另一量測。因而，量測信號或量測值含有實際磁場(作為有用信號部分)及相對較大之偏移部分。
假定，當外部磁場在兩個量測程序之間已基本上保持恆定(亦即在預定容限範圍內)時，可在高供應信號值下判定或確定剩餘偏移部分。此高供應信號值下的其他量測值或感測器信號值接著可藉由偏移部分校正，亦即可自各別量測值減去偏移部分，以便獲得感測器輸出信號中之剩餘有用信號部分。
因此，高供應信號值下的霍爾感測器之高靈敏度可與低供應信號值下之低偏移部分組合，以便獲得高供應信號值下的偏移經減小或偏移經補償之感測器輸出信號。
亦有可能使用低供應信號下之(單一)量測結果來量測外部量測磁場，其經施加具有感測器輸出信號中的顯著減小之偏移。在低供應信號之情況下，僅小至可忽略的恆定部分及指數部分將保持為殘餘偏移部分。在實際應用中，此意謂外部量測磁場係在(足夠之)低供應信號下量測。結果為具有可假定為零之極低偏移部分的量測值(感測器輸出信號)。隨後，供應信號再次增大，且執行感測器輸出信號之另一量測。此時，高供應信號下之量測信號，亦即感測器輸出信號，含有實際量測磁場及相對較大之偏移部分。假定所施加的外部量測磁場在此等量測時間點期間已保持恆定(在容限範圍內)，則高供應信號下之偏移部分可判定為(高供應信號下)之量測信號值與低供應信號下之量測信號值之間的差。高供應信號下之其他量測值接著可藉由所判定之偏移部分校正。
霍爾感測器之輸出信號之此偏移補償可在霍爾感測器之操作期間執行，而無需此霍爾感測器之先前校準或先前系列測試。
本發明概念因此可例如供霍爾感測器使用以用於補償存在於感測器輸出信號中的溫度相依之偏移部分，其中仍然可支援已應用於感測器信號之偏移補償的原理，如旋轉捲曲原理(SC原理)、正交對形成及強制對稱，其中大體而言，溫度相依之殘餘偏移部分將保留。
本發明概念之一個特性為，霍爾感測器之感測器輸出信號之偏移部分可至少大致在操作期間判定，其中在偏移補償之前，不需要在部分不同溫度下之複雜的系列測試或校準。
在借助於之前所提及的原理(如自旋電流、正交對形成及/或強制對稱)中之一者的預補償之情況下，霍爾感測器輸出信號或霍爾電壓中之已恆定且線性的偏移部分可幾乎完全移除。當例如圖示量測到的霍爾輸出信號(霍爾電壓)對供應信號，亦即霍爾元件之供應電壓或供應電流，時，此路線之「線性部分」可因此僅由磁信號，亦即所施加的外部磁場，導致。所有其他部分(恆定部分、非線性部分、正方形部分及/或高階部分)可與輸出信號路線分開且經解譯為偏移部分。
此意謂，自計算觀點看，在無先前校準或先前系列測試之操作期間對感測器輸出信號之偏移校正係可能的。本發明概念因此基於霍爾感測器之(例如，經預補償之)感測器輸出信號的偏移部分很大程度上取決於供應電壓的事實。霍爾感測器關於對比度之靈敏度與供應電壓成正比。利用此等關係允許在霍爾感測器之操作期間分開感測器輸出信號中之有用信號部分與偏移部分以用於偏移補償的本發明原理。
使用用於偏移補償之本發明概念，不僅有可能在操作期間在對霍爾感測器無先前校準且無先前系列測試之情況下執行偏移部分，而且有可能辨識整個系統或整個電路配置中之誤差，此係因為霍爾感測器在操作期間之偏移部分仍為已知的，且因此可得出關於系統誤差之結論。迄今為止，此仍係不可能的，此係因為，至多知道，電路配置內的感測器偏移漂移與放大器偏移漂移之間的差異仍係不可能的，且因此，就此而言，不能得出結論。
較佳實施例之詳細說明 於將在下文參看諸圖來更詳細地論述本發明概念之實施例之前，已指出，不同圖中之相同元件、物件、功能區塊及/或方法步驟或具有相等功能或相等效應者具備相同元件符號，使得在不同實施例中所說明的對此等元件、物件、功能區塊及/或方法步驟之描述相互可交換或互相適用。
圖1及圖2展示用於借助於調變或改變如供應電壓或供應電流之供應信號而對霍爾感測器之感測器輸出信號的偏移補償的本發明概念之流程圖。霍爾感測器可例示性地包含一霍爾效應感測器元件或多個(例示性互連)霍爾效應感測器元件。感測器信號可為個別霍爾效應感測器元件之感測器輸出信號，或來自多個霍爾效應感測器元件之一部分或來自多個霍爾效應感測器元件全部的感測器輸出信號之組合。因此，感測器信號亦可基於個別霍爾效應感測器元件之感測器輸出信號，或基於來自多個霍爾效應感測器元件之一部分或來自多個霍爾效應感測器元件全部的感測器輸出信號之組合。
根據一實施例，本發明概念包含用於一霍爾感測器之一感測器信號S0 的偏移補償之方法100，其包含以下步驟： 執行110對該感測器信號S0 之一第一偏移補償以用於提供一經預補償之感測器信號S，其中該感測器信號中的相對於一供應信號SDD 成線性的偏移之一部分在該第一偏移補償中被消除或至少減小， 在一時間間隔Δt1內，在不同偏移量測程序中且利用不同供應信號值SDDN 來確定120多個(N個，其中N≧3)感測器信號值SN ，其中該等偏移量測程序係以一時間連續方式執行，以使得在該時間間隔Δt1期間，作用於該霍爾感測器之量測磁場在一容限範圍內恆定， 基於該等確定的N個感測器信號值SN 而判定130用於該經預補償之感測器信號對該供應信號SDD 之一擬合函數F(SDD )，其中 F(SDD )=恆定部分+線性部分+非線性部分 其中該擬合函數之該非線性部分係基於該經預補償之感測器信號S中之一殘餘偏移部分R，且 (1)其中當該經預補償之感測器信號與該等霍爾感測器之一偵測到的霍爾電壓成比例時，該擬合函數之該線性部分係基於該(一直施加之)量測磁場；且 (2)其中當該經預補償之感測器信號與起作用的該量測磁場成比例時，該擬合函數之該恆定部分係基於該(一直施加之)量測磁場，該量測磁場係基於該偵測到的霍爾電壓及該霍爾感測器之靈敏度而確定； 基於該經確定擬合函數的基於該(一直施加之)量測磁場之部分而計算140一偏移減小之感測器信號值S0 ； 偵測150一供應信號值SDDN 下之一感測器信號值SN ； 確定160該供應信號值SDDN 下的該經預補償之感測器信號S之該殘餘偏移部分R為該感測器信號值SN 與該偏移減小之感測器信號值S0 之間的差；以及 基於該供應信號值SDDN 下之該經確定偏移部分R而執行170對該感測器信號S之一偏移補償。
根據一實施例，本發明概念包含用於一霍爾感測器之一感測器信號S的偏移補償的另一方法200，其包含以下步驟： 在一第一偏移量測程序中基於一第一供應信號值SDD1 而確定210該感測器信號S之一第一感測器信號值S1且在一第二偏移量測程序中基於一第二供應信號值SDD2 而確定該感測器信號之一第二感測器信號值S2，其中該第一供應信號值SDD1 經選擇以使得該第一感測器信號值S1中之一殘餘偏移部分R1小於該第一感測器信號值S1之50%，且其中該第一偏移量測程序及該第二偏移量測程序係以一時間連續方式執行，以使得在該第一偏移量測程序及該第二偏移量測程序中，作用於該霍爾感測器之該量測磁場在一容限範圍內恆定； 針對該第二供應信號值SDD2 ，確定220該感測器信號S中之一偏移部分R2為該第二感測器信號值SDD2 與該第一感測器信號值SDD1 之間的差；以及 基於該第二供應信號值SDD2 下之該經確定偏移部分R而執行230對該感測器信號S之一偏移補償。
借助於調變或改變霍爾感測器之供應信號，在所得感測器輸出信號中，有用信號部分可在霍爾感測器之操作期間與偏移部分分開。感測器輸出信號之所得路線可相對於歸因於該偏移部分及該有用信號部分的分量加以評估。
霍爾感測器之輸出信號中之偏移部分高度依賴於如供應電壓或供應電流之供應信號，其中，對於低供應信號值，感測器輸出信號中之偏移部分可假定為可忽略，而感測器輸出信號中之偏移部分隨供應信號值增大而「非線性地」增大。霍爾感測器關於對比度之靈敏度與施加之供應信號成正比。假定，當確定感測器輸出信號中之偏移部分時，作用於霍爾感測器之量測磁場在容限範圍內恆定，根據本發明，感測器輸出信號中之有用信號部分及偏移部分可藉由對供應信號執行「調變」(亦即設定不同值)而在操作期間分開。感測器輸出信號中之偏移部分幾乎可消除或至少劇烈地減小，此係因為感測器輸出信號之「無準偏移」量測值可在極低供應信號值下確定，其中隨後，在正常操作期間，偏移部分可在高供應信號值下經判定且自感測器輸出信號消除。因此，高供應信號值下的霍爾感測器之高靈敏度可與低供應信號值下的感測器輸出信號中之低偏移部分組合，亦即，高供應信號值下之偏移部分可在霍爾感測器之操作期間基於霍爾感測器之已知(高)靈敏度及低供應信號值下之(無準偏移)量測值而判定。
將在下文論述與霍爾感測器之工作模式及功能性相關的實體關係，用於借助於調變或改變供應信號來補償霍爾感測器之感測器輸出信號中之偏移部分的本發明概念係基於該實體關係。
在此上下文中，首先已指出，本發明概念可適用於任何類型或結構之霍爾效應感測器元件(霍爾感測器)，如橫向或垂直霍爾元件。基於諸如供應電壓或供應電流之供應信號，通過霍爾感測器之電流產生，其中當垂直於電流之外部磁場分量經施加至霍爾感測器或穿透霍爾感測器時，霍爾感測器提供輸出信號，如輸出電壓或霍爾電壓。霍爾感測器之此輸出電壓與所施加的外部磁場分量之磁通量密度與通過霍爾感測器之電流的乘積成比例。輸出信號係溫度相依的，且除唯一地取決於所施加的外部磁場之有用信號部分之外，輸出信號另外包含(常常亦溫度相依之)所謂的「偏移部分」。
用於借助於調變或改變供應信號來補償霍爾感測器之感測器輸出信號中之偏移部分的以下概念在此可例示性地直接應用於感測器輸出信號，或亦應用於已經經受所謂的「偏移預補償」的霍爾感測器之霍爾感測器輸出信號。為了補償霍爾感測器(霍爾效應感測器元件)之感測器輸出信號中的常常極大且另外強烈溫度相依之偏移部分，應用以下可組合之原理，其中如自旋電流原理(SC原理)、正交對形成原理及/或強制對稱原理，其中，即使在此預補償之後，溫度相依之殘餘偏移部分仍將大部分保留在感測器輸出信號中。即使當使用之前例示性地描述之預補償原理時，溫度相依之殘餘偏移部分將通常保留在所得(預補償)感測器輸出信號中。
借助於調變或改變供應信號來補償霍爾感測器輸出信號中之偏移部分的本發明概念因此可適用於經預補償之霍爾感測器輸出信號。
如圖3之圖解說明中所說明，在霍爾感測器之偏移部分(如已「經預補償之」霍爾感測器輸出信號)對如供應電壓或供應電流之供應信號的典型路線中，霍爾感測器之偏移部分(如SC偏移=經自旋電流預補償之偏移)展現對供應信號之高(非線性)相依性。在圖3中，與偏移部分相關之量測值係在無外部磁場施加之情況下相對於霍爾感測器之供應電壓例示性地說明。此典型關係對未預補償之感測器輸出信號及亦對經預補償之感測器輸出信號均產生定性方式。
在無預補償之情況下，線性偏移部分疊加在非線性偏移部分上，其中低供應電壓下之偏移部分仍然小於各別較高供應電壓下之偏移部分。
在以下描述中且在諸圖中，霍爾感測器之供應電壓經提供作為供應信號，其中該等程序同樣可適用於對霍爾感測器饋給作為供應信號之供應電流的情形。供應電流及供應電壓可借助於霍爾感測器之(歐姆)電阻或內部電阻而例示性地彼此轉換。此假設可適用於此處所說明之概念的所有實施例或方法及方法步驟。
圖4針對量測到的多個靈敏度圖解說明霍爾感測器之(電壓相關)靈敏度[mV/T]與施加至感測器元件之供應電壓[V]之間的關係。如自圖4可收集，偏移部分對供應電壓的霍爾感測器(霍爾效應感測器元件)之靈敏度(比較圖3)包含與霍爾感測器處之供應電壓成正比。
基於本發明概念，不再需要在以下兩個可能性之間做出選擇，亦即(1.)使用高供應電壓以便獲得高靈敏度，但同時具有相對高的偏移部分，或(2.)使用低供應電壓，其導致霍爾感測器之低靈敏度，但具有相對低的偏移部分。如以下解釋將特定展示，本發明概念之一個優點為，借助於調變或改變供應信號，亦即供應電壓或供應電流，霍爾感測器之感測器輸出信號中之偏移部分可幾乎經消除或至少劇烈地減小。當根據本發明概念，已知無「準」偏移部分之量測值(感測器輸出信號值)時，隨後，可在霍爾感測器之正常操作期間在高供應電壓下判定各別偏移部分，且可確定霍爾感測器輸出信號之所得有用信號部分(有效部分)。只要作用於霍爾感測器之量測磁場在確定霍爾感測器輸出信號中之偏移部分時在容限範圍內保持恆定，即可如此假設。
參考霍爾感測器之實體及/或技術基礎，如之前已描述，霍爾效應感測器元件(霍爾感測器)之(電壓相關或電流相關)靈敏度與供應電壓成正比。因此，霍爾感測器輸出信號中之偏移部分對供應信號的非線性路線係基於如下事實：在例如對霍爾感測器輸出信號進行預補償之情況下，歸因於自旋電流原理，線性偏移原因可相對有力地減小或已消除。(電子)來源在霍爾感測器之空間電荷區中(在深度區域中)之偏移部分剩餘。
根據本發明概念，所使用之感測器技術，亦即所使用的具有一個或多個霍爾效應感測器元件之類型的霍爾感測器，有可能判定典型函數或函數關係，使用該典型函數或函數關係，能夠再現相對於供應信號的霍爾感測器輸出信號中之非線性偏移部分。
當藉由對應於「頂部」恆定外部磁場之線性部分來補充經確定的此函數(針對霍爾電壓作為霍爾感測器輸出信號)時，可使用此函數以便再現霍爾感測器輸出信號中之偏移部分及有用信號部分。
當此函數與已自霍爾電壓導出之量，如使用霍爾感測器之靈敏度計算的施加之磁場的量，相關時，且當此函數藉由「恆定」部分來補充時，在此(替代)情況下，該函數可用以再現霍爾感測器輸出信號中之偏移部分及有用信號部分。
隨後，將大體論述函數再現霍爾電壓(感測器電壓)之情況，其中當函數再現自霍爾電壓導出之量，如使用靈敏度自其計算的施加之磁場，時，該等解釋相應地適用。
接著調變或改變霍爾感測器之供應電壓(感測器電壓)，亦即感測器信號取多個(至少兩個)不同值，其中隨後，典型函數經「擬合」以便因此獲得配適函數或擬合函數。
在本說明書中，將「擬合」理解為呈數學最佳化方法形式的所謂「調整計算」，以便判定或估計預定函數(擬合函數)之參數。擬合或配適例示性地意謂功能適應，其中亦可考慮量測點之可能量測誤差或不確定性。舉例而言，配適之一個可能方法或程序為最小均方方法，其中高斯分佈之量測不確定性經假定。當然，亦可採用用於判定擬合函數之不同程序及演算法，只要感測器輸出信號或自其導出之量的路線可藉由擬合函數以足夠精確的方式再現。
當擬合函數例示性地再現呈霍爾電壓形式的感測器輸出信號時，藉由使用擬合函數之線性部分而獲得幾乎無偏移之量測值，亦即感測器輸出信號之有用信號部分。
當相比之下，擬合函數再現霍爾感測器之霍爾電壓的導出量，如使用霍爾感測器之靈敏度判定之施加的外部磁場的量，時，使用擬合函數之「恆定」部分將產生幾乎無偏移之量測值，亦即霍爾感測器輸出信號之有用信號部分或自其導出的量。
當霍爾感測器再次在高(完全)供應電壓下操作時，可判定高供應電壓下之偏移部分，以使得使用該判定的偏移部分，可校正高供應電壓下之其他量測值，亦即霍爾感測器輸出信號值，高供應電壓導致霍爾感測器之高靈敏度。
與本程序，亦即本發明概念，一致，在恆定外部磁場(在容限範圍內)之情況下，調變感測器電壓(亦即供應信號)，且隨後擬合或判定典型函數(擬合函數)。
出於說明目的，圖5展示在感測器信號(如mV範圍中之霍爾電壓)對例示性供應電壓範圍中之不同供應電壓值的典型路線的例示性圖解說明。在圖5中所示之圖解說明中，施加具有7.66 mT之例示性強度(磁通量密度)的外部磁場，其中感測器電壓(供應電壓)自0.6 V至2.4 V調變或改變。在圖5中，一方面，提供在7.66 mT外部磁場下所量測之(例如，五個)量測值，且所獲得的典型配適函數(擬合函數)係展示為連續線。因此(紅色)叉號為實際量測值，而(藍色)曲線表示配適函數(擬合函數)。在圖6中圖解說明例示性擬合函數之三個分量，亦即線性部分、指數部分以及恆定部分。
經預補償之感測器信號對供應信號SDD 的擬合函數F(SDD )係基於確定的N個感測器信號值SN 而確定，該擬合函數具有恆定部分、線性部分以及非線性部分，其中該擬合函數之該非線性部分係基於該經預補償之感測器信號S中之一殘餘偏移部分R。
對於以下解釋，例示性地假定擬合函數再現呈霍爾感測器之(例示性再現之)霍爾電壓形式的感測器輸出信號。
圖6展示感測器信號(霍爾電壓)對供應電壓的擬合函數之三個分量的圖解說明，其中具備紅色叉號之(紅色)曲線表示配適典型函數(擬合函數)之恆定部分「a」，具備方塊之(藍色)曲線表示配適函數之線性部分「dx」(有用信號部分)，且具備三角形之(綠色)曲線表示配適典型函數之指數部分「edx 」或「dxn 」。在所說明之實例中，恆定部分「a」大致為零，此係因為當前情況下之感測器輸出信號例示性為(借助於自旋電流)經預補償之感測器輸出信號。線性部分「bx」與施加的外部磁場成比例，亦即外部磁場可使用來自感測器輸出信號之線性部分的霍爾感測器之已知靈敏度來計算或確定。擬合函數之指數部分「edx 」或「dxn 」表示感測器輸出信號中之偏移部分。當觀測到擬合函數之線性部分「bx」(其再現霍爾電壓)時，獲得霍爾感測器的(幾乎)無偏移之輸出信號。
圖7展示(霍爾電壓之)感測器輸出信號對供應電壓的圖解說明，其中(紅色)叉號展示恆定外部磁場(如7.66 mT)情況下之量測值(以mV計)，其中連續(藍色)直線展示配適典型函數(擬合函數)之線性部分「bx」。自圖7之圖解說明可看出，偏移部分為針對外部磁場的量測值與擬合函數的線性部分之間的差，其中偏移部分可使用本發明補償方法來減小。
所施加的恆定外部磁場之值係基於量測值(量測或確定之感測器電壓)與霍爾感測器之靈敏度之間的商而獲得。換言之，當將獲得之感測器電壓除以霍爾感測器之靈敏度時，結果為相對於供應電壓恆定的外部磁場。借助於用於在霍爾感測器中產生預定磁場的線圈，或借助於系列測試且將典型值相應地儲存於關聯至霍爾感測器的記憶體中，霍爾感測器之靈敏度可在霍爾感測器之操作期間例示性地獲得。
出於比較目的，圖8中之圖解說明展示作為量測值(叉號)的直接量測到信號、配適函數之線性部分(方塊)以及施加的外部磁場(三角形)。圖8中的量測值(以mT計)及配適函數之線性部分(以mT計)已使用圖7的來自量測值(以mV計)及來自配合函數之線性部分(以mV計)的霍爾感測器之靈敏度計算。
自圖8之圖解說明顯而易見，感測器信號中之(實際)偏移部分為外部磁場之量測值(叉號)與外部磁場(三角形)之間的差(量測值-外部現場之間的差=偏移)。
自圖8之圖解說明亦顯而易見，感測器信號中之「可補償」偏移部分為外部磁場之量測值與擬合函數的線性部分之間的差(量測值-線性部分之間的差=可補償部分)。此偏移部分可使用本發明補償方法來補償或至少減小。
另外，擬合函數的線性部分與施加的外部磁場之間的差提供在執行本發明補償方法之後剩餘的剩餘偏移(殘餘偏移) (線性部分-外部現場之間的差=補償方法之後的剩餘(殘餘)偏移)。
如自圖8中之圖解說明可收集，使用本發明概念，有可能將感測器輸出信號之有用信號部分(擬合函數之線性部分)與偏移部分分開。使用接著已知(大致)無偏移之量測值(感測器信號值)，可判定高供應電壓下之偏移部分。因此，再次在高供應電壓(高供應電壓值)下量測/確定感測器輸出信號(感測器輸出信號值)。假定施加的外部磁場針對兩個量測程序在此時間期間已保持恆定(在容限範圍內)，則可以此方式判定高供應電壓下之偏移部分。接著可藉由偏移部分(經確定)來校正高供應電壓下之其他量測值(感測器輸出信號值)。使用本發明概念，亦有可能組合霍爾感測器在其高供應電壓下之高靈敏度與低供應電壓下的低偏移部分。
偏移部分在兩次量測(偏移量測，參見上文)期間在容限範圍內保持恆定的假設或邊界條件可例如藉由以下操作來檢查：首先執行對高供應電壓下之感測器輸出信號的量測，隨後判定低供應電壓下之偏移部分，接著再次量測高供應電壓下之感測器輸出信號。因此，當施加的外部磁場已保持恆定(在容限範圍內)時，高供應電壓下之偏移部分應基本上保持恆定。
如先前實施例已展示，判定感測器信號之擬合函數的本發明概念可例示性地與量測的霍爾電壓相關。歸因於供應電壓與靈敏度之間的比例關係，配適函數之線性部分(至少大致)表示感測器輸出信號中之有用信號部分。當感測器電壓(霍爾電壓)已經處理成不同量，如轉換為待判定的施加的磁場(待判定之磁場強度)時，但是所展示之方法或本發明概念亦可適用。針對此情況，亦可使用另一典型函數(擬合函數)，其中，當擬合函數表示自感測器輸出信號導出之磁場時，可使用擬合函數之恆定部分作為量測信號(有用信號部分)，此係因為相對於待偵測之磁場(亦即在mT範圍中)，亦即有用信號部分之信號相對於供應電壓恆定。
當然，當感測器輸出信號(如霍爾電壓)已轉換為不同量時，亦可應用本發明概念，其中將針對擬合函數及由其產生之參數相應地考慮此情況。
考慮關於圖3至圖8之以上解釋，將在下文更詳細地論述圖1中所說明的用於霍爾元件之感測器信號S0 的偏移補償的本發明概念或方法100之流程圖。
隨後，參考霍爾感測器，其中霍爾感測器可包含一個或若干個霍爾效應感測器元件，其中霍爾感測器提供感測器信號或感測器輸出信號S0 ，該信號可以分接的霍爾電壓或自其導出的量(作為再現霍爾電壓)之形式存在。
在步驟110中，首先執行對感測器信號S0 之第一偏移補償(預補償)，以便提供經預補償之感測器信號S，其中，在(可選)第一偏移補償中，相對於供應信號SDD (針對霍爾感測器)，感測器信號S中之偏移的線性部分經消除或至少減小。針對感測器原理之第一偏移補償(預補償)，可使用上文所提及的偏移減小原理，如自旋電流原理、正交對形成原理及/或強制對稱原理或其任何組合或可比較補償原理。
在另外步驟120中，在不同偏移量測程序及供應信號SDD 之不同供應信號值SDDN 之情況下，在時間間隔Δt1內確定多個(N個，其中N≥3)感測器信號值S0 ，其中該等偏移量測程序將在時間上(短暫)連續地執行，以使得，在時間間隔Δt1期間，作用於霍爾感測器之量測磁場在容限範圍內恆定。
多個(N個，其中N≥3、5或10)感測器信號值SN 係必要的，以便能夠隨後以足夠精確的方式再現輸出信號S對供應信號值SDDN 之信號路線。多個(N個，其中N≥3、5或10)感測器信號值SN 係例如在偏移量測時間間隔Δt1內確定，其中視所使用之霍爾感測器類型及連接至霍爾感測器之數位及/或類比電路配置以及其例如1 Hz至10 MHz之處理或操作頻率(f)而定，量測間隔可包含介於1 s與0.1 µs (1/f)之間的範圍內之值。
在步驟130中，基於確定的N個感測器信號值SN 而判定經預補償之感測器信號S對供應信號SD 的「擬合函數」F(SDD )。因此，例示性之擬合函數F(SDD )如下： F(SDD )=恆定部分+線性部分+非線性部分 f(x)=a+bx+edx ，或 f(x)=a+bx+dxn … (泰勒級數)， 其中x=SDD ，其中擬合函數F(SDD )之非線性部分係基於經預補償之感測器信號S中的殘餘偏移部分R。
視經預補償之感測器信號S是否例示性地再現霍爾感測器的經確定霍爾電壓或(替代地)自此導出的量(如使用霍爾感測器之靈敏度計算的外部磁場之量)而定，進行對情況之以下區別。
若感測器信號S或自此獲得之擬合函數再現霍爾感測器之霍爾電壓，或若經預補償之感測器信號與霍爾感測器之偵測到的霍爾電壓成比例，則擬合函數之線性部分係基於(一直施加之)外部量測磁場。
若經預補償之感測器信號與起作用的量測磁場成比例，亦即若量測磁場相較於霍爾感測器之靈敏度的值已根據偵測到的霍爾電壓計算出，則擬合函數之恆定部分係基於(一直施加之)量測磁場。
在步驟140中，基於經確定擬合函數的基於(一直施加之)量測磁場的部分而計算或確定(幾乎無偏移或至少偏移減小之)感測器信號值S1，以作為例如偏移校正值，亦即與之前所指示的兩個替代例一致，其中第一替代例使用線性部分且第二替代例使用擬合函數之恆定部分。
在步驟150中，例如在霍爾感測器之操作期間偵測一供應信號值下SDDN 之一感測器信號值SN 。在步驟160中，僅確定或計算供應信號值SDDN 下的經預補償之感測器信號S之殘餘偏移部分R為感測器信號值SN 與計算出的偏移減小之感測器信號值S0 之間的差。接著可使用此供應信號值SDDN 下的經預補償之感測器信號S的經確定殘餘偏移部分R作為用於感測器輸出信號S中之偏移部分之進一步偏移補償的偏移校正值。
用於偏移補償之本發明概念的實施例可適用於霍爾感測器包含一霍爾效應感測器元件或(例示性成對地配置之)多個霍爾效應感測器元件的實施。當霍爾感測器至少包含用於提供一第一霍爾感測器信號的一第一霍爾感測器及用於提供一第二霍爾感測器信號的一第二霍爾感測器元件時，該霍爾感測器之感測器信號或感測器輸出信號可基於該第一霍爾感測器信號與該第二霍爾感測器信號之一組合。替代地，感測器信號可基於一第一再現感測器信號與一第二再現感測器信號之一組合，該第一再現感測器信號及該第二再現感測器信號係分別自該第一霍爾感測器信號及該第二霍爾感測器信號導出。
替代地，亦有可能，在霍爾感測器包含多個霍爾感測器之情況下，此處針對偏移補償所提出之方法可適用於霍爾感測器之個別霍爾感測器信號或相應再現的霍爾感測器信號。所提出的針對偏移補償之方法因此可獨立且分開地應用於所獲得之全部霍爾感測器信號。
當至少包含第一霍爾感測器及第二霍爾感測器之霍爾感測器經實施為角度感測器或位置感測器時，可例示性地使用多個霍爾感測器。
根據本發明之一另外可選步驟，可偵測該霍爾感測器處之一當前溫度T0 ，其中當偵測到當前溫度T0 相對於(直接)先前偏移補償的至少1℃、2℃或5℃之變化時，可重複確定160殘餘偏移部分R之該步驟及執行170偏移補償之該步驟。由於感測器輸出信號中之偏移部分係溫度相依的，因此視情況，每當半導體基板之環境或半導體溫度之「明顯」變化由霍爾元件偵測到時，可確定殘餘偏移部分R，以便能夠關於後續偏移補償程序考慮歸因於存在之溫度變化的偏移部分之變化。換言之，此意謂所判定之殘餘偏移部分R可使用，直至已確定例如至少1℃、2℃或5℃的顯著溫度變化為止。
根據實施例，根據步驟110之第一偏移補償(預補償)可例如借助於一自旋電流方法來執行，以便獲得該經預補償之感測器信號。替代地或除針對預補償之自旋電流方法之外，另外，正交對形成之方法及/或強制對稱方法可在第一偏移補償中應用或執行。
基於所獲得或經確定之殘餘偏移部分R，在一另外可選步驟中，借助於對霍爾感測器的(經預補償之)感測器信號S中所確定之殘餘偏移部分R的真實性檢查，能夠在操作期間執行該霍爾感測器及一下游感測器信號評估電路之一功能測試。由於操作期間的霍爾感測器之偏移部分係已知的，因此，此係能夠辨識系統中(如霍爾感測器之下游評估電路中)之誤差的方式。此係可能的，此係因為感測器偏移漂移與放大器偏移漂移可加以區分。在霍爾感測器之操作期間，確定160殘餘偏移部分R之步驟及執行170偏移補償之步驟可在霍爾感測器之操作期間以(在時間上間隔開的)預定時間間隔執行或連續地執行。
根據本發明概念之實施例，用於提供供應信號值SDD1 、SDD2 或SDDN 之供應信號SDD 可作為供應電壓或供應電流而饋送至霍爾感測器。
考慮關於圖3至圖8之以上解釋，將在下文更詳細地論述圖2中所說明的用於借助於供應信號之變化的調變對霍爾元件之感測器信號S0 的偏移補償的本發明概念或方法之流程圖。舉例而言，為了抑制用於執行本發明概念或本發明方法之感測器配置的計算能力，亦即為了使對感測器系統的關於必要計算能力之要求保持儘可能低，可關於圖2中所說明之補償方法進行以下簡化考慮或假定，而不會過度影響所得偏移補償之有效性及精確度。
用於霍爾感測器之感測器信號S或感測器輸出信號或自其導出之量的偏移補償之方法200包含以下步驟。
在步驟210中，在第一偏移量測程序中基於供應信號SDD 之第一供應信號值SDD1 而確定感測器信號S之第一感測器信號值S1，且在第二偏移量測程序中基於供應信號SDD 之第二供應信號值SDD2 而確定感測器信號之第二感測器信號值S2。第一供應信號值SDD1 經選擇以使得第一感測器信號值S1中之殘餘偏移部分R1小於第一感測器信號值S1之50%，其中第一及第二偏移量測程序在時間上依次執行，以使得在第一及第二偏移量測程序中，作用於霍爾感測器之量測磁場在容限範圍內恆定。
在步驟220中，確定針對第二供應信號值SDD2 的感測器信號S中之偏移部分R2為第二感測器信號值SDD2 與第一感測器信號值SDD1 之間的差，其中，在步驟230中，基於在第二供應信號值SDD2 下確定之偏移部分R而執行對感測器信號S之偏移補償。
在確定第一感測器信號值S1之步驟220中，第一供應信號值SDD1 經選擇以比第二供應信號值SDD2 小至少2、3或5倍。低(第一)供應信號值經選擇為當與較高(第二)供應信號值相比時小於或等於(≤)50%、30%、20%或10%。
根據本發明方法之另一可選步驟，亦可偵測該霍爾感測器處之一當前溫度T0 ，其中當偵測到當前溫度T0 與(例如，直接)先前第二偏移補償相比時具有至少1℃、2℃或5℃之一變化時，重複確定殘餘偏移部分R1之步驟及執行第二偏移補償之步驟。由於存在於感測器輸出信號中之偏移部分係溫度相依的，因此視情況，每當半導體基板之環境或半導體溫度之「明顯」變化使用霍爾元件偵測到時，可執行確定殘餘偏移部分R1，以便能夠針對後續偏移補償程序考慮歸因於存在之溫度變化的偏移部分之變化。換言之，此意謂可使用所判定之殘餘偏移部分R，直到已發現例如至少1℃、2℃或5℃的明顯溫度變化為止。
在步驟210中，在一偏移量測時間間隔∆t1內，在該第一偏移量測程序中提供該第一感測器信號值S1且在該第二偏移量測程序中提供該第二感測器信號值S2，其中在該第一偏移量測程序及該第二偏移量測程序之後的該量測時間間隔∆t1內，偵測該第一供應信號值SDD1 下之一測試感測器信號值TS1，且其中該第一感測器信號值S1與該測試感測器信號值TS1之一匹配(在一容限範圍內)指示在該量測時間間隔∆t1期間存在一恆定溫度及/或起作用之一恆定量測磁場。
在時間間隔∆t1內，在不同偏移量測程序中且使用供應信號SDD 之不同供應信號值SDDN 來確定感測器信號值S1、S2，其中該等偏移量測程序在(短暫)連續時間執行，使得在時間間隔∆t1期間，作用於霍爾感測器之量測磁場在容限範圍內恆定。量測間隔例示性地取決於所使用之霍爾感測器類型及連接至霍爾感測器之數位及/或類比電路配置以及其例如1 Hz至10 MHz之處理或操作頻率(f)，且可包含介於1 s與0.1 µs (1/f)之間的範圍內之值。
另外，方法200可包含以下步驟：在確定該第一感測器信號值S1及該第二感測器信號值S2的該步驟之前，執行對該感測器信號S之一偏移預補償，其中該偏移預補償係借助於一自旋電流方法或借助於一正交對形成方法及/或借助於一強制對稱方法來執行，以便獲得一經預補償之感測器信號S。
基於所獲得或經確定之殘餘偏移部分R，在一另外可選步驟中，借助於對霍爾感測器的(經預補償之)感測器信號S中所確定之殘餘偏移部分R的真實性檢查，可在操作期間執行該霍爾感測器及一下游感測器信號評估電路之一功能測試。由於操作期間的霍爾感測器之偏移部分係已知的，因此，可藉此來辨識系統中(如霍爾感測器之下游評估電路中)之誤差。此係可能的，此係因為感測器偏移漂移與放大器偏移漂移可加以區分。在霍爾感測器之操作期間，確定160殘餘偏移部分R之步驟及執行170偏移補償之步驟可在霍爾感測器之操作期間以(在時間上間隔開的)預定時間間隔執行或連續地執行。
根據另一實施例，確定殘餘偏移部分R1之步驟及執行第二偏移補償之步驟可另外在霍爾感測器之操作期間以在時間上間隔開的預定時間間隔執行。替代地，確定殘餘偏移部分之步驟及執行第二偏移補償之步驟可在霍爾感測器之操作期間連續地執行。另外，用於提供供應信號值SDD1 、SDD2 之供應信號SDD 可饋送至霍爾感測器以作為供應電壓或供應電流。
根據另一實施例，霍爾感測器可至少包含用於提供一第一霍爾感測器信號的一第一霍爾感測器元件及用於提供一第二霍爾感測器信號的一第二霍爾感測器元件，其中感測器信號係基於該第一霍爾感測器信號與該第二霍爾感測器信號之一組合，或其中感測器信號可基於自該第一霍爾感測器信號及該第二霍爾感測器信號導出的一第一再現感測器信號及一第二再現感測器信號之一組合。該第一霍爾感測器元件及該第二霍爾感測器元件可例如形成一角度感測器或位置感測器。
當考慮可能典型函數F(x)：a+bx+edx (其已在上文實例中使用)時，針對小供應電壓，項edx 將接近零。典型函數之恆定部分通常不論如何極小，此係因為偏移之線性部分已藉由SC原理補償。此意謂，有可能使用低供應電壓下之單一量測結果來量測顯著減小之偏移下的外部磁場。僅恆定部分及指數部分將保留為殘餘偏移，但該兩者小至可忽略。
在實際應用中，此意謂外部磁場係在低供應電壓下量測。結果為具極低偏移之量測值，其可假定為零。隨後，供應電壓增大且再次加以量測。此時，量測信號含有實際磁場及相對較大之偏移。假定外部磁場在此時間期間已保持恆定，則以此方式，可在高供應電壓下判定偏移。接著可藉由偏移來校正高供應電壓下之其他量測值。此意謂高供應電壓下之高靈敏度可與小供應電壓下之低偏移組合。
使用低供應信號值下的已知的大致無偏移之量測值(感測器輸出信號值)，可在高供應信號電壓下判定感測器輸出信號中之偏移部分。此處，再次在高供應信號值下判定或量測感測器輸出信號，其中假設必須保持外部磁場(外部施加之量測磁場)在彼時間期間在容限範圍內保持恆定，或小至可忽略，使得可在此極高的供應信號值下判定感測器輸出信號中之偏移部分。接著可藉由經確定偏移部分來校正高供應信號值下的其他量測值，亦即感測器輸出信號值。
可例如藉由如下操作來檢查偏移在量測期間保持恆定之假設：首先執行高供應電壓下之量測，隨後判定低供應電壓下之偏移，且此後判定高偏移電壓下之偏移。
當霍爾感測器經饋給作為供應信號之供應電流時，亦可應用之前所描述之方法100、200。供應電壓及供應電流可使用霍爾感測器之電阻來彼此轉換。
針對偏移補償之本發明概念例示性地以霍爾感測器之偏移可大致在操作期間判定的事實為特徵。因此可避免針對偏移補償的具有部分不同溫度之更複雜的系列測試。
當歸因於霍爾感測器之自旋電流操作，霍耳電壓中之恆定及線性偏移部分可幾乎完全移除時，亦可特別有效地使用該概念。當圖示霍爾元件之量測到的霍爾電壓對供應電壓時，線性部分可因此僅由磁信號導致。所有其他部分(恆定、正方形及較高階的)接著可與信號分開且因此被解釋為有偏移。此允許使用計算手段之偏移校正。
在外部磁場在判定偏移部分時在容限範圍內恆定之情況下，借助於調變霍爾元件(霍爾感測器)之供應電壓，感測器輸出信號中的供應電壓之偏移部分亦可使用外部磁場來判定。
由於本發明補償方法100、200在外部磁場(亦即磁場強度或通量密度)保持在預定範圍內或外部磁場不存在或僅小至可忽略時仍提供足夠良好之補償結果，因此引入或提供外部磁場之「所需穩定性」之所謂「容限範圍」。此意謂，容限範圍指示允許外部磁場在判定偏移部分或殘餘偏移部分時改變所在之區域。容限範圍可例如指示外部磁場在判定偏移部分或殘餘偏移部分時改變小於50%、30%、20%、10%、5%、1%或0.1%，或指示外部磁場不存在或僅小至可忽略。可假定且保持之容限範圍愈低，偏移補償可愈精確地執行。在已知外部磁場之可能或典型變化率的情況下，補償程序之時間間隔Δt1可經選擇以使得偏移量測程序係以時間(短暫)連續之方式來執行，以使得在時間間隔Δt1期間，作用於霍爾感測器之量測磁場在(預定)容限範圍內恆定，或外部磁場不存在或僅小至可忽略。
本發明補償方法100、200之實施例因此可在溫度變化之情況下執行。此方法極其有效，此係因為，在恆定溫度下，偏移通常保持相同且因此不必予以進行連續判定。
本發明補償方法100、200之實施例亦可在其他不同情境中執行。
因此，補償方法100、200可在系列測試中例示性地執行一次，其中系列測試引起關於溫度之量測。因此，補償方法100、200可例示性在操作期間一直執行。因此，補償方法100、200可例如以特定間隔來執行。
圖9展示感測器配置300之例示性方塊圖，該感測器配置具有用於偵測量測磁場之分量且用於基於量測磁場之偵測到之分量而輸出感測器信號S的霍爾感測器310，及經組配以執行上文所述的用於霍爾感測器的偏移補償之方法100、200的處理構件320。
根據一實施例，霍爾感測器310可包含任何霍爾效應感測器元件，如水平或垂直霍爾效應感測器元件。霍爾感測器310可例如包含一霍爾效應感測器元件或多個(例示性互連)霍爾效應感測器元件。
根據一實施例，霍爾感測器310可至少一包含用於提供第一霍爾感測器信號S-1的第一霍爾感測器元件312，及用於提供第二霍爾感測器信號S-2的第二霍爾感測器元件(314)。因此，感測器信號S可基於第一及第二霍爾感測器信號(S-1、S-2)之一組合。另外，感測器信號S可基於自第一及第二霍爾感測器信號導出的第一再現感測器信號及第二再現感測器信號之一組合。
根據一實施例，霍爾感測器310可至少一包含用於提供第一霍爾感測器信號S-1的第一霍爾感測器元件312，及用於提供第二霍爾感測器信號S-2的第二霍爾感測器元件314，其中用於偏移補償之方法係使用該第一霍爾感測器信號及該第二霍爾感測器信號來執行。
根據一實施例，第一霍爾感測器元件312及第二霍爾感測器元件314可形成一角度感測器或位置感測器。
儘管一些態樣已在裝置之上下文中描述，但顯而易見，此等態樣亦表示對應方法之描述，以使得裝置之區塊或元件亦對應於各別方法步驟或方法步驟之特徵。類似地，方法步驟之上下文中或關於其所描述之態樣亦表示對應裝置之對應區塊或項目或特徵的描述。方法步驟中之一些或全部可由(或使用)如例如處理構件320、微處理器、可規劃電腦或電子電路的硬體設備來執行。在一些實施例中，最重要之方法步驟中的某一者或多者可由此設備執行。
視某些實施要求而定，本發明之實施例可以硬體或以軟體來實施，或至少部分地以硬體或至少部分地以軟體來實施。實施可使用例如以下各者之數位儲存媒體來執行：軟碟、DVD、藍光光碟、CD、ROM、PROM、EPROM、EEPROM或快閃記憶體、硬碟機或儲存有電子可讀控制信號之另一磁性或光學記憶體，其與或能夠與可規劃電腦系統協作，以使得執行各別方法。因此，數位儲存媒體可為電腦可讀的。
根據本發明之一些實施例包括包含電子可讀控制信號之資料載體，該等控制信號能夠與可規劃電腦系統協作，以使得執行本文中所描述之方法中的一者。
大體而言，本發明之實施例可實施為具有程式碼之電腦程式產品，當電腦程式產品運行於電腦上時，程式碼操作性地用於執行該等方法中之一者。
程式碼可例如儲存於機器可讀載體上。其他實施例包含用於執行本文中所描述之方法中之一者的電腦程式，其中電腦程式儲存於機器可讀載體上。
換言之，本發明方法之實施例因此為電腦程式，其包含用於在電腦程式運行於電腦上時執行本文中所描述之方法中之一者的程式碼。
本發明方法之另一實施例因此為資料載體(或數位儲存媒體，或電腦可讀媒體)，其包含記錄於其上的用於執行本文中所描述之方法中之一者的電腦程式。典型的資料載體或數位儲存媒體或電腦可讀媒體係有形的及/或非揮發性的。
本發明方法之另一實施例因此為表示用於執行本文中所描述之方法中的一者之電腦程式之資料串流或信號序列。資料串流或信號序列可例如經組配以經由資料通訊連接(例如，經由網際網路)來傳送。
另一實施例包括經組配以或適於執行本文中所描述之方法中之一者的處理構件，例如電腦或可規劃邏輯裝置。
另一實施例包含上面安裝有用於執行本文中所描述之方法中之一者的電腦程式之電腦。
根據本發明之另一實施例包含經組配以將用於執行本文所描述之方法中的至少一者之電腦程式傳送至接收器之裝置或系統。傳輸可以電子方式或以光學方式執行。接收器可例如為電腦、行動裝置、記憶體裝置或其類似者。設備或系統可例如包含用於將電腦程式傳送至接收器之檔案伺服器。
在一些實施例中，可規劃邏輯裝置(例如，場可規劃閘陣列，FPGA)可用以執行本文中所描述之方法的功能性中之一些或全部。在一些實施例中，場可規劃閘陣列可與微處理器合作以便執行本文中所描述之方法中之一者。通常，在一些實施例中，該等方法由任何硬體設備來執行。此可為普遍適用的硬體，諸如電腦處理器(CPU)，或特定於方法之硬體，如ASIC。
上述實施例僅說明本發明之原理。應理解，對本文中所描述之配置及細節的修改及變化將對本領域熟習此項技術者顯而易見。因此，本發明意欲僅受隨附申請專利範圍之範疇限制，而不受借助於描述及解釋本文中之實施例所呈現的特定細節限制。
100、200‧‧‧用於霍爾感測器之感測器信號S的偏移補償的方法
110、120、130、140、150、160、170、210、220、230‧‧‧步驟
300‧‧‧感測器配置
310‧‧‧霍爾感測器
312‧‧‧第一霍爾感測器元件
314‧‧‧第二霍爾感測器元件
320‧‧‧處理構件
S-1‧‧‧第一霍爾感測器信號
S-2‧‧‧第二霍爾感測器信號
S‧‧‧感測器信號
隨後將參看隨附圖式來具體描述本發明之較佳實施例。關於所繪示之圖式，已指出，所繪示之功能區塊應被理解為表示用於偏移補償之本發明概念的感測器配置及對應方法步驟/程序步驟之元件或特徵兩者。諸圖展示： 圖1為根據一實施例的用於偏移補償之方法之流程圖； 圖2為根據另一實施例的用於偏移補償之方法之流程圖； 圖3為(例示性的經自旋電流補償之)霍爾感測器輸出信號之偏移部分相對於供應信號的典型路線或關係的圖解說明； 圖4為霍爾感測器之靈敏度相對於供應信號之典型路線的圖解說明； 圖5為根據一實施例的感測器輸出信號之典型量測值及基於量測值的霍爾感測器之感測器輸出信號之配適函數(擬合函數)的典型路線對供應信號的圖解說明； 圖6為根據一實施例的呈圖5之擬合函數之恆定部分、線性部分以及非線性部分形式之分量的圖解說明； 圖7為根據一實施例的外部磁場之量測值及典型擬合函數之線性部分對供應信號的圖解說明； 圖8為根據一實施例的恆定外部磁場下的感測器輸出信號之量測值、典型擬合函數之線性部分以及使用霍爾感測器之靈敏度計算的恆定外部磁場對供應信號的圖解說明；以及 圖9為根據一實施例的包含霍爾感測器及處理構件之感測器配置的例示性方塊圖。

Claims (26)

  1. 一種用於一霍爾感測器之一感測器信號S0 的偏移補償之方法，其包含以下步驟： 執行對該感測器信號S0 之一第一偏移補償以用於提供一經預補償之感測器信號S，其中該感測器信號中的相對於一供應信號SDD 成線性的偏移之一部分在該第一偏移補償中至少減小； 在一時間間隔Δt1內，在不同偏移量測程序中且利用不同供應信號值SDDN 來確定多個(N個，其中N≧3)感測器信號值SN ，其中該等偏移量測程序係以一時間連續方式執行，以使得在該時間間隔Δt1期間，作用於該霍爾感測器之量測磁場在一容限範圍內恆定， 基於該等確定的N個感測器信號值SN 而判定用於該經預補償之感測器信號對該供應信號SDD 之一擬合函數F(SDD )，其中 F(SDD )=恆定部分+線性部分+非線性部分 其中該擬合函數之該非線性部分係基於該經預補償之感測器信號S中之一殘餘偏移部分R，且 (1)其中當該經預補償之感測器信號與該等霍爾感測器之一偵測到的霍爾電壓成比例時，該擬合函數之該線性部分係基於該量測磁場；且 (2)其中當該經預補償之感測器信號與起作用的該量測磁場成比例時，該擬合函數之該恆定部分係基於該量測磁場，該量測磁場係基於該偵測到的霍爾電壓及該霍爾感測器之靈敏度而確定； 基於該經確定擬合函數的基於該量測磁場之該部分而計算一偏移減小之感測器信號值S0 ； 偵測一供應信號值SDDN 下之一感測器信號值SN ； 確定該供應信號值SDDN 下的該經預補償之感測器信號S之該殘餘偏移部分R為該感測器信號值SN 與該偏移減小之感測器信號值S0 之間的差；以及 基於該供應信號值SDDN 下之該經確定偏移部分R而執行對該感測器信號S之一偏移補償。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包含以下步驟： 偵測該霍爾感測器處之一當前溫度T0 ，其中當偵測到該當前溫度T0 相對於一先前執行的偏移補償具有至少2℃之一變化時，重複確定該殘餘偏移部分之該步驟及執行該第二偏移補償之該步驟。
  3. 如前述請求項中任一項之方法，其中該第一偏移補償係借助於一自旋電流方法來執行，以便獲得該經預補償之感測器信號。
  4. 如請求項3之方法，其進一步包含以下步驟： 在該第一偏移補償中執行一正交對形成方法及/或一強制對稱方法。
  5. 如前述請求項中任一項之方法，其進一步包含以下步驟： 借助於對該霍爾感測器的該經預補償之感測器信號S中之該經確定殘餘偏移部分R的一真實性檢查，在操作期間執行該霍爾感測器及一下游感測器信號評估電路之一功能測試。
  6. 如前述請求項中任一項之方法，其中確定該殘餘偏移部分R之該步驟及執行該偏移補償之該步驟係在該霍爾感測器的操作期間以在時間上間隔開的預定時間間隔執行。
  7. 如請求項1至5項中任一項之方法，其中確定該殘餘偏移部分之該步驟及執行該第二偏移補償之該步驟係在該霍爾感測器的操作期間連續地執行。
  8. 如前述請求項中任一項之方法，其中用於提供供應信號值SDD1 、SDD2 之一供應信號SDD 係作為一供應電壓或一供應電流而饋送至該霍爾感測器。
  9. 如前述請求項中任一項之方法，其中該霍爾感測器至少包含用於提供一第一霍爾感測器信號的一第一霍爾感測器元件及用於提供一第二霍爾感測器信號的一第二霍爾感測器元件， 其中該感測器信號係基於該第一霍爾感測器信號與該第二霍爾感測器信號之一組合， 或 其中該感測器信號係基於自該第一霍爾感測器信號及該第二霍爾感測器信號導出的一第一再現感測器信號及一第二再現感測器信號之一組合。
  10. 如請求項9之方法，其中該第一霍爾感測器元件及該第二霍爾感測器元件形成一角度感測器或一位置感測器。
  11. 一種用於一霍爾感測器之一感測器信號S的偏移補償之方法，其包含以下步驟： 在一第一偏移量測程序中基於一第一供應信號值SDD1 而確定該感測器信號S之一第一感測器信號值S1且在一第二偏移量測程序中基於一第二供應信號值SDD2 而確定該感測器信號之一第二感測器信號值S2， 其中該第一供應信號值SDD1 經選擇以使得該第一感測器信號值S1中之一殘餘偏移部分R1小於該第一感測器信號值S1之50%，且 其中該第一偏移量測程序及該第二偏移量測程序係以一時間連續方式執行，以使得在該第一偏移量測程序及該第二偏移量測程序中，作用於該霍爾感測器之量測磁場在一容限範圍內恆定； 針對該第二供應信號值SDD2 ，確定該感測器信號S中之一偏移部分R2為該第二感測器信號值SDD2 與該第一感測器信號值SDD1 之間的差；以及 基於該第二供應信號值SDD2 下之該經確定偏移部分R而執行對該感測器信號S之一偏移補償。
  12. 如請求項11之方法，其中在確定該第一感測器信號值S1之該步驟中，該第一供應信號值SDD1 經選擇為比該第二供應信號值SDD2 小至少2倍。
  13. 如請求項11或12項中任一項之方法，其進一步包含以下步驟： 偵測該霍爾感測器處之一當前溫度T0 ，其中當偵測到該當前溫度T0 相對於一先前執行的第二偏移補償具有至少2℃之一變化時，重複確定該殘餘偏移部分R1之該步驟及執行一第二偏移組合之該步驟。
  14. 如請求項11至13項中任一項之方法，其中在一偏移量測時間間隔∆t1內，在該第一偏移量測程序中提供該第一感測器信號值S1且在該第二偏移量測程序中提供該第二感測器信號值S2，該方法進一步包含以下步驟： 在該第一偏移量測程序及該第二偏移量測程序之後的該量測時間間隔∆t1內，提供在該第一供應信號值SDD1 下之一測試感測器信號值TS1，其中該第一感測器信號值S1與該測試感測器信號值TS1之一匹配(在一容限範圍內)指示在該量測時間間隔∆t1期間存在一恆定溫度及起作用之一恆定量測磁場。
  15. 如請求項11至14項中任一項之方法，其進一步包含以下步驟： 在確定該第一感測器信號值S1及該第二感測器信號值S2的該步驟之前，執行對該感測器信號S之一偏移預補償， 其中該偏移預補償係借助於一自旋電流方法或借助於一正交對形成方法及/或借助於一強制對稱方法來執行，以便獲得一經預補償之感測器信號S。
  16. 如請求項11至15項中任一項之方法，其進一步包含以下步驟： 借助於對該霍爾感測器的該感測器信號S中之該經確定偏移部分R的一真實性檢查，在操作期間執行該霍爾感測器及一下游感測器信號評估電路之一功能測試。
  17. 如請求項11至16項中任一項之方法，其中確定該殘餘偏移部分R1之該步驟及執行該第二偏移補償之該步驟係在該霍爾感測器的操作期間以在時間上間隔開的預定時間間隔執行。
  18. 如請求項11至16項中任一項之方法，其中確定該殘餘偏移部分之該步驟及執行該第二偏移補償之該步驟係在該霍爾感測器的操作期間連續地執行。
  19. 如請求項11至18項中任一項之方法，其中用於提供供應信號值SDD1 、SDD2 之供應信號SDD 係作為一供應電壓或一供應電流而饋送至該霍爾感測器。
  20. 如請求項11至19項中任一項之方法，其中該霍爾感測器至少包含用於提供一第一霍爾感測器信號的一第一霍爾感測器元件及用於提供一第二霍爾感測器信號的一第二霍爾感測器元件， 其中該感測器信號係基於該第一霍爾感測器信號與該第二霍爾感測器信號之一組合， 或 其中該感測器信號係基於自該第一霍爾感測器信號及該第二霍爾感測器信號導出的一第一再現感測器信號及一第二再現感測器信號之一組合。
  21. 如請求項20之方法，其中該第一霍爾感測器元件及該第二霍爾感測器元件形成一角度感測器或位置感測器。
  22. 一種感測器配置，其包含： 一霍爾感測器，其用於偵測一量測磁場之一分量且用於基於該量測磁場之該偵測到的分量而輸出一感測器信號S，以及 處理構件，其組配以執行如前述請求項中任一項的用於一霍爾感測器的偏移補償之方法。
  23. 如請求項22之感測器配置，其中該霍爾感測器包含一水平或一垂直霍爾效應感測器元件。
  24. 如請求項22或23項之感測器配置，其中該霍爾感測器至少包含用於提供一第一霍爾感測器信號的一第一霍爾感測器元件及用於提供一第二霍爾感測器信號的一第二霍爾感測器元件， 其中該感測器信號S係基於該第一霍爾感測器信號與該第二霍爾感測器信號之一組合， 或 其中該感測器信號係基於自該第一霍爾感測器信號及該第二霍爾感測器信號導出的一第一再現感測器信號及一第二再現感測器信號之一組合。
  25. 如請求項22或23項之感測器配置，其中該霍爾感測器至少包含用於提供一第一霍爾感測器信號的一第一霍爾感測器元件及用於提供一第二霍爾感測器信號的一第二霍爾感測器元件， 其中用於偏移補償之該方法係使用該第一霍爾感測器信號及使用該第二霍爾感測器信號來執行。
  26. 如請求項24或25項之感測器配置，其中該第一霍爾感測器元件及該第二霍爾感測器元件形成一角度感測器或位置感測器。
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