WO1993015413A1 - Verfahren und vorrichtung zur offset-kompensierten magnetfeldmessung mittels eines hallelements - Google Patents
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- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
- G01R33/07—Hall effect devices
Definitions
- the invention relates to a method and a device for offset-compensated magnetic field measurement by means of a Hall element.
- FIG. 1 schematically shows a magnetic field sensor in integrated technology with Hall element 1, supply circuit 3 and evaluation electronics 5 in accordance with the prior art.
- a Hall element 1 is supplied with current I g by a supply circuit 3.
- the vertical portion of the magnetic field passing through the Hall element 1 causes a potential difference V "at the sensor outputs B, B ', which is processed by the evaluation electronics 5 and at its signal output 8 to one - 2 -
- the Hall element 1 has a potential difference at its output (sensing) connections caused by various influences on the Hall element 1, even in the case of a zero magnetic field, hereinafter referred to as the Hall element offset.
- This potential difference can only be interpreted at the signal output 8 as a large error if the magnetic field, that is to say the variable to be detected, is zero or known.
- Influencing factors e.g. lead to an offset in the case of integrated Hall elements are:
- the solution according to the invention is based in particular on the task of compensating the Hall element offset in a purely electronic manner internally in the chip in order to be able to dispense with cost-increasing technological processes or measures.
- the invention is based on the idea that the Hall voltage V " B (magnetically influenced portion of the potential difference V”) is perpendicular to both the supply current direction, as well as to the magnetic field that occurs, while the Hall element offset V (offset component of the potential difference V ′′) is caused by locally fixed, for example stress-related inhomogeneities in the Hall element.
- connection pair serving the voltage supply and the connection pair of the Hall element serving the measurement voltage tap are rotated "by one connection", ie by 90 °, so that the Hall element once with normal wiring (supply voltage at supply connections and measurement voltage on sensor connections) and once with “inverse” wiring (supply voltage at sensor connections and measuring voltage at supply connections).
- Hu-related Hall element offset voltage (this standardized quantity is required because of the generally asymmetrical structure of a Hall element, in order - in spite of this - in the two operating states, namely when feeding via supply connections and voltage tapping via sensing connections and when storing solution via sensing connections and voltage tapping via supply connections, to be able to compare the off-set components)
- the measured voltage (measuring voltage), which is tapped at the sensing or measuring connections of the Hall element when the Hall element is penetrated by a magnetic field and is supplied with a supply or supply voltage at its supply or supply connections, is thus composed a Hall voltage component V ⁇ -, and attributable to the Hall effect an offset voltage part V HQ attributable to the above-mentioned influencing variables, in particular mechanical stresses acting on the Hall element. If the supply and measuring connections are interchanged with one another while maintaining the relative orientation of the supply voltage and magnetic field, the polarity of the Hall voltage component changes compared to the offset voltage component, compared to the polarities of these two voltage components before the connections are interchanged.
- the direction of the Hall voltage component remains the same relative to the direction of the supply voltage
- the direction of the offset voltage component changes in relation to the supply voltage direction when supply and measurement connections are interchanged. Adding the two supplied measuring voltages thus results in an offset-compensated voltage value.
- the Hall voltage components of the two measuring voltages and the offset voltage components of the two measuring voltages are not equal in terms of amount, so that the addition has to be weighted. If the directional relationship between the magnetic field and the supply voltage (and Hall voltage component) is not the same in the two measurement phases, a (weighted) subtraction must take place instead of a (weighted) addition.
- V H a ⁇ H B Z R Sq I SÜP1 + b ⁇ H B Z R Sg I SUP2
- the magnetically influenced portion changes this Sign, while the offset portion keeps it.
- Equation (2) thus becomes
- V H2 " V HB2 + V H02
- V H a V H1 "b V H2 ⁇ 7 >
- Hall elements normally have a non-symmetrical structure with regard to the surface area and the formation of electrodes at the feed and sensing connections.
- Conventional Hall elements are rectangular and have edges of different lengths.
- the electrodes for the feed connections extend over the entire length of the edges in question in order to achieve the most uniform possible current flow through the Hall element over their entire width.
- the electrodes for the sensor connections are in the middle of the edges arranged at right angles to the feed connection electrodes.
- a symmetrical structure of a Hall element would make it necessary to provide the electrodes for the sensing connections also over the entire length of the edges in question, so that even when the Hall element is supplied with power, a uniform current flow over the entire Hall element can be achieved via the sensing connections.
- the Hall element is preferably uf to create a symmetrical structure. While in the former case the electrodes are arranged on the four edges of the intersecting strips of the cross shape, the octagonal configuration of the Hall element will provide its electrodes on the mutually opposite edge sections that are parallel and offset by 90 °.
- the measuring principle according to the invention has decisive advantages with regard to the improvement in the yield of chip-integrated Hall sensors or generators. If one takes into account that so far, even when using the most suitable molding compounds for the IC housing, which only produce extremely low mechanical stresses on the IC, the yield after assembly is approximately 50% to 70%, this yield can be understood Increase the new measuring and evaluation principle to values close to 100%, since mechanically induced Hall element offset voltages are compensated by measuring technology. N ach Cognitived an embodiment of the invention is illustrated. In detail show:
- FIG. 1 shows the conventional wiring of a Hall element as a magnetic field sensor in block diagram form
- FIG. 2 shows a previously used chip-integrated configuration of four conventional Hall elements for reducing Hall element offset as a result of mechanical stress on the chip by the IC housing
- Fig. 4 is a Hall element layout in CMOS technology in a symmetrical design with respect to feed and sense connections and
- FIG. 5 shows the wiring of the Hall element shown in FIG. 4 for carrying out the measuring principle for the purpose of eliminating the Hall element offset.
- FIGS. 3a and 3b show the two "operating cases" of a commercially available Hall element.
- the feed and sense connections are interchanged. While in one mode of operation (FIG. 3a) the supply or supply voltage of the Hall element is applied to the connections A, A 'and the voltage generated by the Hall effect is applied to the output (sensing) connections B, B' the situation is reversed in the second operating case (FIG. 3b).
- the supply voltage is applied to the connections B, B ', while the Hall voltage generated by the Hall element H when it is exposed to a magnetic field with the magnetic flux B "perpendicular to the Hall element H is tapped at the connections A, A '.
- FIG. 4 shows an exemplary embodiment for the layout of a Hall element in CMOS technology in a symmetrical design with respect to all four connections A, B, A ', B'-.
- 1 denotes the N region, while 2 contains the active regions (N -doped).
- the metal conductor tracks are denoted by 3, while the contact areas have the reference symbol 4.
- FIG. 5 shows the wiring of the Hall element according to FIG. 4.
- the connections located opposite each other in FIG. 11, 11 '.
- Controllable electronic changeover or changeover switches 2 are connected to each of the connections, the two connections 10 ', 11' with the two poles of a common changeover switch 2, the two connections 11 ', 10 with the two poles of a common changeover switch 2, the two connections 10, 11 are connected to the two poles of a further changeover switch 2 and finally the two connections 11, 10 'are connected to the two poles of a last changeover switch 2.
- the third poles of all changeover switches 2 are connected to the power supply 3 for the Hall element or to the evaluation electronics 5, which receives the output signal generated at the Hall element.
- All changeover switches 2 are controlled via a control circuit 4 by applying a corresponding control voltage to the changeover switches 2.
- Each changeover switch 2 can assume two switching states, with all changeover switches 2 always being switched over simultaneously.
- the Connections 11, 11 'of the Hall element are connected to the supply voltage or ground, while the connections 10, 10' of the Hall element are connected to the evaluation electronics.
- the Hall element supply voltage is thus applied via the connections 11, 11 'and the Hall element output signal is tapped at the connections 10, 10'.
- the connections 10, 10 ' are connected to ground or the supply voltage, while the connections 11, 11' of the Hall element are connected to the evaluation electronics 5.
- the Hall element can be operated alternately normally and inversely.
- the four changeover switches 2 are switched over simultaneously by a control signal assuming two states. Finally, the offset-cleaned measurement signal is present at output 8 of the evaluation electronics.
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Abstract
Bei dem Verfahren bzw. der Vorrichtung zur Offset-kompensierten Magnetfeldmessung wird ein Hallelement (1) in einer ersten Messphase an seinen Versorgungsanschlüssen (11) mit einer Versorgungsspannung (3) versorgt, wobei es an seinen Mess- oder Fühlanschlüssen (10) eine erste Messspannung (VH) liefert, während das Hallelement in einer zweiten Messphase umgekehrt betrieben wird und an seinen Messanschlüssen (10) mit der Versorgungsspannung (3) versorgt wird, wobei es an seinen Versorgungsanschlüssen (11) eine zweite Messspannung (VH) liefert. Je nachdem, ob die Ausrichtung der Richtungsvektoren des Magnetfeldes, des Betriebsstromes und der Hallspannung relativ zueinander zwischen den beiden Messphasen verändert worden ist oder gleich geblieben ist, werden die beiden Messspannungen subtrahiert bzw. addiert (5) um eine Ergebnisspannung (8) zu berechnen, die ein Offset-freies Mass für das zu messende Magnetfeld ist. Die Summen- bzw. Differenzbildung erfolgt bei nicht-symmetrischem Hallelement nach vorheriger Wichtung der Messspannungen mittels Wichtungsfaktoren.
Description
Verfahren und Vorrichtung zur Offset-kompensierten Maσnetfeldmessunq mittels eines
Hallelements
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich¬ tung zur Offset-kompensierten Magnetfeldmessung mittels eines Hallelements.
In Fig. 1 ist ein Magnetfeldsensor in integrierter Technik mit Hallelement 1, Speiseschaltung 3 und Aus¬ werteelektronik 5 entsprechend dem Stand der Technik schematisch dargestellt.
Ein Hallelement 1 wird von einer Speiseschaltung 3 mit Strom Ig versorgt. Durch den senkrechten Anteil des durch das Hallelement 1 durchtretenden Magnetfeldes wird an den Fühlausgängen B,B' eine Potentialdifferenz V„ hervorgerufen, die durch die Auswerteelektronik 5 verarbetiet wird und an deren Signalausgang 8 zu einem
- 2 -
magnetfeldabhängigen Signal führt (z.B. logisches Schaltsignal oder magnetfeldproportionale Spannung) . Der Nachteil dieser Anordnung ist, daß das Hallelement 1 auch bei Null-Magnetfeld eine durch verschiedene Ein¬ flüsse auf das Hallelement 1 hervorgerufene Potential¬ differenz an seinen Ausgangs-(Fühl-)anschlüssen auf¬ weist, im folgenden als Hallelement-Offset bezeichnet. Diese Potentialdifferenz kann am Signalausgang 8 aber nur dann als Fehler-große interpretiert werden, wenn das Magnetfeld, also die zu detektierende Größe, gleich Null oder bekannt ist.
Einflußgrößen, die z.B. zu einem Offset bei integrier¬ ten Hallelementen führen, sind:
- Inhomogenitäten des Materials des Hallelementes,
- Abbildungsverzerrungen von der Konstruktionszeich¬ nung zum fertigen Hallelement,
- "mechanischer Streß" auf das Hallelement, d.h. mechanische Spannungen im Chip, welche die Eigen¬ schaften des Materials des Hallelements verändern; einzelne Druckpunkte auf das Hallelement, die durch die Körner des Füllstoffes der Plastikpre߬ masse des IC-Gehäuses verursacht werden.
Während die beiden erstgenannten Einflußgrößen durch gute Prozeßbeherrschung bei der IC-Herstellung positiv beeinflußt werden können, sind zur Verringerung des dritten genannten Einflusses bisher zwei wesentliche Verfahren praktiziert worden:
1. Parallelschaltung von 2 oder 4 Hallelementen je¬ weils um 90° zueinander gedreht, wobei die Strom¬ durchflußrichtung (Strecke zwischen Anschlüssen
A,A') benachbarter Hallelemente um 90° gedreht ist (s. Fig. 2), und Anordnung dieser Hallelemente in Chipmitte, womit der Einfluß von symmetrischen mechanischen Spannungen im Chip minimiert und der Einfluß durch einzelne Druckpunkte auf die Hall¬ elemente etwas reduziert werden können.
2. Verwendung von speziellen "streßarmen", d.h. auf das Hallelement nur geringe mechanische Spannungen ausübenden, Gehäusetechnologien.
3. Abgleich des Hallsensors durch Einprägung einer gezielten dem Hallelement-Offset entgegen gerich¬ teten Offsetspannung in die Auswerteeinheit.
Die genannten Verfahren wirken sich in jedem Fall kostenerhöhend für die IC-Herstellung oder Anwendung aus.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, den Hallelement-Offset auf rein elektronischem Wege chipintern zu kompensieren, um da¬ mit auf kostenerhöhende technologische Verfahren oder Maßnahmen verzichten zu können.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden ein Verfahren mit den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 1 und eine Vorrich¬ tung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 4 vorgeschlagen; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß die Hall¬ spannung V„B (magnetisch beeinflußter Anteil der Poten¬ tialdifferenz V„) senkrecht sowohl zu der Speisestrom-
richtung, als auch zu dem einwirkenden Magnetfeld ent¬ steht, während der Hallelement-Offset V (Offsetanteil der Potentialdifferenz V„) durch örtlich fixierte, z.B. streßbedingte Inhomogenitäten in dem Hallelemet bedingt ist.
Dreht man also die Stromspeiseanschlüsse und die Fühl¬ anschlüsse so, daß der RichtungsZusammenhang zwischen der magnetischen Feldstärke B„, dem Speisestrom IgUp bzw. der Speise- oder VersorgungsSpannung Vς _ und der Hallspannung V H„Bo gemäß Fign. 3a und 3b erhalten bleibt, so bleibt das Vorzeichen von V , d.h. dem auf den Hall-Effekt zurückzuführenden Ausgangsspannungsanteil, erhalten, während es bei V Q, d.h. dem auf den Offset zurückzuführenden Spannungsanteil, wechselt. Nach der Erfindung werden also das der Spannungsversorgung die¬ nende Anschlußpaar und das dem Meßspannungsabgriff die¬ nende Anschlußpaar des Hallelements "um einen An¬ schluß", d.h. um 90°, gedreht, so daß das Hallelement einmal bei Normalbeschaltung (VersorgungsSpannung an Versorgungsanschlüssen und Meßspannung an Fühlanschlüs¬ sen) und einmal bei "inverser" Beschaltung (Versor¬ gungsspannung an Fühlanschlüssen und Meßspannung an Versorgungsanschlüssen) betrieben wird.
Es gelten folgende Beziehungen:
VH2 VHB2 VH02
= μH BZ RSq ISUP2 ~ VHO VSUP2 ISUP2 (2)
mit μ - Hallempfindlichkeit des Halbleitermate¬ rials
B - Magnetfeldstärke senkrecht durch das
Hallelement
R - Schichtwiderstand des Halbleitermatierals des Hallelements
Ioττr), Icττr,-> ~ Speiseströme in den beiden Betriebsfällen
V' - auf den Schichtwiderstand und Speisestrom
Hu bezogene Hallelement-Offsetspannung (diese normierte Größe wird wegen des allgemeinhin anzutreffenden unsymmetri¬ schen Aufbaus eines Hallelementes benö¬ tigt, um - dennoch - in den beiden Be- triebszuständen, nämlich bei Speisung über Speiseanschlüsse und Spannungsab¬ griff über Fühlanschlüsse sowie bei Spei¬ sung über Fühlanschlüsse und Spannungs¬ abgriff über Speiseanschlüsse, die Off- εet-Anteile miteinander vergleichen zu können)
V Q1,V Q2 - Hallelement-Offset in beiden Betriebs¬ fällen
V„__. r^rr-o- ~ magnetisch beeinflußter Anteil der Poten¬ tialdifferenz V„ in beiden Betriebsfällen v τr_iπl,v m HZ ~ Potentialdifferenz in beiden Betriebs- fällen Vςττp1 ,Vςπp:? - Betriebsspannung in beiden Betriebsfällen
Die gemessene Spannung (Meßspannung) , die an den Fühl¬ bzw. Meßanschlüssen des Hallelements abgegriffen wird, wenn das Hallelement von einem Magnetfeld durchsetzt ist und an seinen Speise- oder Versorgungsanschlüssen mit einer Speise- bzw. Versorgungsspannung beaufschlagt ist, setzt sich also zusammen aus einem auf den Hall¬ effekt zurückzuführenden Hallspannungsanteil V^-, und
einen auf die oben genannten Einflußgrößen, insbeson¬ dere auf auf das Hallelement wirkende mechanische Spannungen zurückzuführenden Offset-Spannungsteil VHQ. Bei Vertauschen der Versorgungs- und Meßanschlüsse gegeneinander unter Beibehaltung der Relativ-Ausrich- tung von VersorgungsSpannung und Magnetfeld ändert sich die Polarität des Hallspannungsanteils gegenüber dem Offset-Spannungsanteil, im Vergleich zu den Polaritäten dieser beiden Spannungsanteile vor dem Vertauschen der Anschlüsse. Während die Richtung des Hallspannungsan¬ teils relativ zur Richtung der VersorgungsSpannung gleich bleibt, verändert sich die Richtung des Offset- Spannungsanteils in Relation zur Versorgungsspannungs- richtung, wenn Versorgungs- und Meßanschlüsse gegenein¬ ander vertauscht werden. Durch Addition der beiden ge¬ lieferten Meßspannungen ergibt sich also ein Offset- kompensierter Spannungswert. Bei nicht-symmetrischem Hallelement sind die Hallspannungsanteile der beiden Meßspannungen und die Offset-Spannungsanteile der bei¬ den Meßspannungen betragsmäßig nicht gleich, so daß die Addition gewichtet zu erfolgen hat. Ist der Richtungs¬ zusammenhang von Magnetfeld und VersorgungsSpannung (und Hallspannungsanteil) in den beiden Meßphasen nicht gleich, muß anstelle einer (gewichteten) Addition eine (gewichtete) Subtraktion erfolgen.
Werden die in beiden Betriebsfällen erhaltenen Aus¬ gangsspannungen gewichtet addiert, so ergibt sich
VH - a VH1 + b VH2 3)
Wählt man a und b entsprechend
a b = ISUP2 ISUP1 Und VSUP1 = VSUP2 = VSUP ( )
so wird
VH = a μH BZ RSq ISÜP1 + b μH BZ RSg ISUP2
= μH BZ RSq (a ISÜP1 + b ISUP2) (5) und somit ist in V„n kein Hallelement-Offset mehr ent- halten.
In dem Falle, daß- bei der Drehung der Speisespannung die Fühlanschlüsse vertauscht werden, also der Rich¬ tungszusammenhang zwischen der magnetischen Feldstärke B„ , dem Speisestrom Isup und der Hallspannung V„B nicht erhalten bleibt, ändert der magnetisch beeinflußte An¬ teil das Vorzeichen, während der Offsetanteil es beibe¬ hält.
Gleichung (2) wird damit zu
VH2 " "VHB2 + VH02
= μE BZ RSq ISUP2 + VH0 VSUP2 JSUP2 (6)
Für die Eliminierung des Offsetanteils ist hier gewich¬ tet zu subtrahieren:
VH = a VH1 " b VH2 <7>
Mit der Voraussetzung gemäß Gleichung (4) erhält man entsprechend:
VH " a μH BZ RSq ISUP1 + b μE BZ RSq ISUP2
= μH BZ RSq <a ^UPl + b ISUP2> <8>
Der dargelegte Sachverhalt zur Eliminierung des Hall¬ element-Offset bei einer Magnetfeldauswertung ist schaltungstechnisch mit gut bekannten Mitteln leicht zu implementieren. Es werden zeitlich nacheinander zwei
Messungen durchgeführt, wobei die Richtung des Be¬ triebsstroms so gedreht wird, daß Speise- und Fühlan¬ schlüsse gegeneinander getauscht werden. Beide Meßer¬ gebnisse werden gemäß Gleichung (4) bzw. (8) definiert gewichtet addiert oder subtrahiert, und zwar davon ab¬ hängig, ob der RichtungsZusammenhang zwischen der mag¬ netischen Feldstärke B_, dem Speisestrom SUp und der Hallspannung V _ bei Drehung der Speiserichtung durch Vertauschen der Fühlanschlüsse gegen die Speisean¬ schlüsse beibehalten bleibt oder nicht. Die Wichtung, d.h. die Einführung der obigen Wichtungsfaktoren a und b, ist wegen der ünsymmetrie zwischen Fühl- und Spei¬ seanschlüssen von bisher üblicherweise verwendeten Hallelementen erforderlich.
Wird nun noch das Hallelement derart konstruiert, daß Fühl- und Speiseanschlüsse gleichartig und symmetrisch zur X- und Y-Achse sind, so sind bei Vgupl = V 2 = Vgup auch die Speiseströme Isupl = I SUp2 = ISUP und es kann a = b = 1 gewählt werden, d.h. die Wichtung kann entfallen, wodurch die Meßauswertung noch vereinfacht wird:
R = 2 μ Bz RSg Isup (9)
Normalerweise haben Hallelemente einen nicht symmetri¬ schen Aufbau, was die Flächenausdehnung und die Elek¬ trodenausbildung an den Speise- und Fühlanschlüssen betrifft. Herkömmliche Hallelemente sind rechteckig und mit unterschiedlich langen Rändern versehen. Dabei er¬ strecken sich die Elektroden für die Speiseanschlüsse über die gesamte Länge der betreffenden Ränder, um einen möglichst gleichmäßigen Stromdurchfluß durch das Hallelement über deren gesamte Breite zu erzielen. Die Elektroden für die Fühlanschlüsse sind in der Mitte der
rechtwinklig zu den Speiseanschluß-Elektroden verlau¬ fenden Rändern angeordnet. Ein symmetrischer Aufbau eines Hallelements würde es aber erforderlich machen, die Elektroden für die Fühlanschlüsse ebenfalls über die gesamte Länge der betreffenden Ränder vorzusehen, damit auch bei Speisung das Hallelement über die Fühl¬ anschlüsse ein gleichmäßiger Stromdurchfluß über das gesamte Hallelement erzielt werden kann. Allerdings führen derartige -Fühlanschluß- bzw. Speiseanschluß- Elektroden zu einer Verzerrung des elektrischen Feldes, da die Leitfähigkeit des Hallelementes an den Rändern durch die jeweils als Fühlanschluß-Elektroden dienenden Elektroden örtlich verändert ist. Vorzugsweise ist das Hallelement zur Schaffung eines symmetrischen Aufbaus uf. Während im erstgenannten Fall die Elektroden an den vier Rändern der sich kreuzenden Streifen der Kreuzform angeordnet sind, wird man bei achteckiger Ausgestaltung des Hallelements dessen Elektroden an den sich paarweise gegenüberliegenden zueinander parallelen und um 90° gegeneinander versetzten Randabschnitten vorsehen.
Das erfindungsgemäße Meßprinzip bringt entscheidende Vorteile mit sich, was die Verbesserung der Ausbeute chipintegrierter Hallsensoren bzw. -generatoren be¬ trifft. Wenn man berücksichtigt, daß bisher selbst bei Verwendung bestgeeigneter Preßmassen für das IC-Ge¬ häuse, die lediglich extrem geringe mechanische Bean¬ spruchungen des IC erzeugen, die Ausbeute nach Montage ca. 50 % bis 70 % beträgt, so läßt sich diese Ausbeute durch das neue Meß- und Auswerteprinzip auf Werte nahe an 100 % erhöhen, da mechanisch bedingte Hallelement- Offsetspannung meßtechnisch kompensiert werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 die herkömmliche Beschaltung eines Hallelemen¬ tes als Magnetfeldsensor in Blockschaltbild¬ form,
Fig. 2 eine bisher gebräuchliche chipintegrierte Kon¬ figuration- aus vier herkömmlichen Hallelementen zur Reduktion von Hallelement-Offset infolge von mechanischer Beanspruchung des Chip durch das IC-Gehäuse,
Fig. 3 die beiden Anschlußmöglichkeiten eines Hall¬ elementes zur Kompensation von dessen Offset,
Fig. 4 eine Hallelement-Layout in CMOS-Technologie in symmetrischer Ausführung bezüglich Speise- und Fühlanschlüssen und
Fig. 5 die Beschaltung des in Fig. 4 dargestellten Hallelements zur Durchführung des Meßprinzips zwecks Elimination des Hallelement-Offset.
Fign. 3a und 3b zeigen die beiden "Betriebsfälle" eines handelsüblichen Hallelementes. Zur Kompensation des Offset des Hallelementes werden die Speise- und Fühl¬ anschlüsse gegeneinander vertauscht. Während in der einen Betriebsart (Fig. 3a) die Speise- oder Versor¬ gungsspannung des Hallelementes an den Anschlüssen A,A' angelegt ist und die durch den Halleffekt erzeugte Spannung an den Ausgangs-(Fühl-)Anschlüssen B,B' abge¬ griffen wird, sind die Verhältnisse im zweiten Be¬ triebsfall (Fig. 3b) genau umgekehrt. Hier wird die VersorgungsSpannung an den Anschlüssen B,B' angelegt,
während die vom Hallelement H bei dessen Aussetzung in einem Magnetfeld mit dem magnetischen Fluß B„ senkrecht zum Hallelement H erzeugte Hallspannung an den An¬ schlüssen A,A' abgegriffen wird.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das Layout eines Hallelementes in CMOS-Technologie in symme¬ trischer Ausführung bezüglich sämtlicher vier An¬ schlüsse A,B,A',B'-. Mit 1 ist der N-Bereich bezeichnet, während sich bei 2 die aktiven Bereiche (N -dotiert) finden. Die Metall-Leiterbahnen sind mit 3 bezeichnet, während die Kontaktflächen das Bezugszeichen 4 auf¬ weisen.
Fig. 5 zeigt die Beschaltung des Hallelements gemäß Fig. 4. Die sich jeweils gegenüberliegenden Anschlüsse sind in Fig. 5 mit 10,10'bzw. 11,11' bezeichnet. Mit jedem der Anschlüsse sind steuerbare elektronische Um- oder Wechselschalter 2 verbunden, wobei die beiden An¬ schlüsse 10',11' mit den beiden Polen eines gemeinsamen Umschalters 2, die beiden Anschlüsse 11',10 mit den beiden Polen eines gemeinsamen Umschalters 2, die bei¬ den Anschlüsse 10,11 mit den beiden Polen eines weite¬ ren Umschalters 2 und schließlich die beiden Anschlüsse 11,10' mit den beiden Polen eines letzten Umschalters 2 verbunden sind. Die dritten Pole sämtlicher Umschalter 2 sind mit der Stromversorgung 3 für das Hallelement bzw. mit der Auswerteelektronik 5 verbunden, die das am Hallelement erzeugte Ausgangssignal aufnimmt. Über eine Steuerschaltung 4 werden sämtliche Umschalter 2 ge¬ steuert, indem an die Umschalter 2 eine entsprechende Steuerspannung angelegt wird. Jeder Umschalter 2 kann zwei Schaltzustände annehmen, wobei sämtliche Umschal¬ ter 2 stets gleichzeitig umgeschaltet werden. In dem ersten Schaltzustand der Umschalter 2 sind die An-
Schlüsse 11,11' des Hallelementes mit der Versorgungs¬ spannung bzw. Masse verbunden, während die Anschlüsse 10,10' des Hallelementes mit der Auswerteelektronik verbunden sind. In diesem Schaltzustand wird also die Hallelement-VersorgungsSpannung über die Anschlüsse 11,11' angelegt und das Hallelement-Ausgangssignal an den Anschlüssen 10,10' abgegriffen. Im zweiten Schalt¬ zustand der Umschalter 2 sind die Anschlüsse 10,10' mit Masse bzw. der VersorgungsSpannung verbunden, während die Anschlüsse 11,11' des Hallelementes mit der Aus¬ werteelektronik 5 verbunden sind. Durch die vier gemäß Fig. 5 mit den vier Anschlüssen des Hallelementes ver¬ bundenen Umschalter 2 läßt sich das Hallelement ab¬ wechselnd normal und invers betreiben. Die vier Um¬ schalter 2 werden gleichzeitig von einem zwei Zustände annehmenden Steuersignal umgeschaltet. Am Ausgang 8 der Auswerteelektronik liegt schließlich das offsetbe¬ reinigte Meßsignal an.
Claims
1. Verfahren zur Offset-kompensierten Magnetfeldmes¬ sung mittels eines zwei Versorgungs- und zwei Me߬ anschlüsse aufweisenden Hallelements, das in einem Magnetfeld bei Beaufschlagung mit einer Versor¬ gungsspannung eine AusgangsSpannung liefert, die einen durch den Halleffekt hervorgerufenen Hall¬ spannungsanteil und einen Offset-Spannungsanteil aufweist, bei dem
- in einer ersten Meßphase an die Versorgungsan¬ schlüsse des Hallelements eine VersorgungsSpan¬ nung angelegt und an den Meßanschlüssen des Hallelements eine erste Meßspannung abgegriffen wird,
- in einer zweiten Meßphase an die Meßanschlüsse des Hallelements die VersorgungsSpannung ange¬ legt und an den Versorgungsanschlüssen des Hallelements eine zweite Meßspannung abge¬ griffen wird, und
- die mit einem ersten Wichtungsfaktor gewichtete erste Meßspannung und die mit einem zweiten Wichtungsfaktor gewichtete zweite Meßspannung
- addiert werden, wenn die Richtungen von VersorgungsSpannung, Magnetfeld und Hallspannungsanteil relativ zueinander zwischen der ersten und der zweiten Meßphase unverändert geblieben ist,
- oder subtrahiert werden, wenn sich die Richtungen von VersorgungsSpannung, Magnetfeld und Hallspannungsanteil relativ zueinander zwischen der ersten und der zweiten Meßphase verändert haben, und - wobei die Ergebnis-Spannung ein Offset-kompen- siertes Maß für das zu messende Magnetfeld ist und für die beiden Wichtungsfaktoren gilt:
mit a und b als erste und zweite Wichtungsfak¬ toren und ISüpl, Isup2, supl und Vsup2 als die in der ersten und der zweiten Meßphase das Hallelement durchfließenden Versorgungsströme und an dem Hallelement anliegenden Versorgungs¬ spannungen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Wechsel mehrere erste und zweite Meßphasen durchgeführt werden, wobei die Wichtung und Sum¬ men- und/oder Differenzbildung der ersten und zweiten Meßspannungen einer vorhergehenden ersten und einer vorhergehenden zweiten Meßphase während der unmittelbar nächstfolgenden ersten und/oder zweiten Meßphase erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß ein bezüglich der Anordnung und Aus¬ gestaltung der Versorgungs- und der Meßanschlüsse symmetrisches Hallelement verwendet wird, wobei für den ersten und den zweiten Wichtungsfaktor gilt:
a = b
4. Vorrichtung zur Offset-kompensierten Magnetfeld¬ messung, mit
- einem einem Magnetfeld aussetzbaren Hallele¬ ment, das zwei Versorgungsanschlüsse und zwei Meßanschlüsse aufweist, wobei das Hallelement in einem Magnetfeld bei Beaufschlagung mit einer VersorgungsSpannung.eine AusgangsSpannung liefert, die einen durch den Halleffekt hervor¬ gerufenen Hallspannungsanteil und einen Offset- Spannungsanteil aufweist,
- einer mit den Versorgungs- und Meßanschlüssen elektrisch verbindbaren Steuer- und Auswerte¬ schaltung - zur Speisung des Hallelements mit einer VersorgungsSpannung und zur Auswertung der von dem Hallelement gelieferten Meßspan¬ nungen, wobei die Steuer- und Auswerteschaltung
- in einer ersten Meßphase an die Versorgungsan¬ schlüsse des Hallelements eine VersorgungsSpan¬ nung liefert und von den Meßanschlüssen des Hallelements eine erste Meßspannung empfängt,
- in einer zweiten Meßphase an die Meßanschlüsse des Hallelements die VersorgungsSpannung liefert und von den Versorgungsanschlüssen des Hallelements eine zweite Meßspannung empfängt und
- die erste und die zweite Meßspannung in dem Fall, daß die Richtungen der VersorgungsSpan¬ nung, des Magnetfelds und des Hallspannungs¬ anteils relativ zueinander zwischen beiden Me߬ phasen gleich geblieben ist, gewichtet addiert und in dem Fall, daß sich die Richtungen der VersorgungsSpannung, des Magnetfeldes und des Hallspannungsanteils relativ zueinander zwischen den beiden Meßphasen verändert haben, gewichtet subtrahiert, wobei für die Wichtungs¬ faktoren der ersten und der zweiten Meßspannung gilt:
a/b = (I Sτjp--/IsuP2 ^VSUPl>VSUP2^ mit a und b als erste und zweite Wichtungsfak¬ toren und Isχjpl, ISüp2, Süpl und Vsup2 als die in der ersten und der zweiten Meßphase das Hallelement durchfließenden Versorgungsströme und an dem Hallelement anliegenden Versorgungs¬ spannungen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich¬ net, daß das - Hallelement einen bezüglich zweier durch die Versorgungs- und die Meßanschlüsse ver¬ laufender Symmetrieachsen symmetrischen Aufbau aufweist.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| WO1993015413A1 true WO1993015413A1 (de) | 1993-08-05 |
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|---|---|---|---|
| PCT/EP1993/000191 WO1993015413A1 (de) | 1992-01-28 | 1993-01-28 | Verfahren und vorrichtung zur offset-kompensierten magnetfeldmessung mittels eines hallelements |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO1993015413A1 (de) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1993
- 1993-01-28 WO PCT/EP1993/000191 patent/WO1993015413A1/de active Application Filing
Patent Citations (2)
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