WO2012140074A1 - Hall-sensor-halbleiterbauelement und verfahren zum betrieb des hall-sensor-halbleiterbauelementes - Google Patents

Hall-sensor-halbleiterbauelement und verfahren zum betrieb des hall-sensor-halbleiterbauelementes Download PDF

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WO2012140074A1
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hall
hall sensors
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terminals
hall sensor
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PCT/EP2012/056567
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Georg RÖHRER
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Ams Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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
    • G01R33/072—Constructional adaptation of the sensor to specific applications
    • G01R33/075—Hall devices configured for spinning current measurements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices
    • H10N52/101—Semiconductor Hall-effect devices

Definitions

  • Hall sensor semiconductor device and method of operating the Hall sensor semiconductor device
  • the present invention relates to a Hall sensor semiconducting ⁇ terbauelement with high sensitivity at a low offset voltage and an adapted method of operation.
  • the Hall effect named after the American physicist Edwin Herbert Hall (1855 - 1938), occurs when there is a magnetic field perpendicular to an electric current.
  • the magnetic field in this case generates a potential difference, referred to as Hall voltage, in a direction that is both perpendicular to the direction of the magnetic field and to the direction of the current.
  • Hall voltage By measuring the Hall voltage, it is possible to determine the size of the relevant component of the magnetic field.
  • a hall sensor provided for measuring a Hall voltage can be realized as a semiconductor component.
  • the semi-conductor component- ⁇ and an evaluation can be integrated, which can be, for example, in the context of a CMOS process Herge ⁇ provides. If the plane of the active region, in which the operating current flows and the Hall voltage occurs, is arranged coplanar with the upper surface of the semiconductor body, a Hall-voltage can be measured, which is the induced by a directed perpendicular to the top component of the Magnetfel ⁇ , If the plane of the active region is arranged perpendicular to the upper side, that is to say vertically within the semiconductor body, a Hall voltage which is caused by a component of the magnetic field directed parallel to the upper side can be measured. In Hall sensor semiconductor devices, the achievable sensitivity is limited by the mobility of the charge carriers in the semiconductor material used.
  • the maximum sensitivity of a Hall sensor measured by the magnitude of the Hall voltage relative to the strength of the magnetic field and the operating voltage, is approximately 0.1 / T.
  • Other semiconductor materials offer higher Ladungsharimobili ⁇ ty, but are less suitable for integration of the Hall sensor to the control and evaluation.
  • Object of the present invention is to provide a Hall sensor semiconductor device with high sensitivity and low offset voltage.
  • an arrangement of at least two Hall sensors is present, which are provided with separately switchable electrical connections.
  • the so-called voltage terminals used for measuring a Hall voltage which are to be referred to here as signal terminals, are connected in series, and the Hall voltage caused when a magnetic field occurs is picked up at the outer terminals of this series circuit.
  • the so-called power connections provided for applying the operating currents or operating voltages, which are to be referred to here as supply connections, and the series connection of the signal connections are changed in phases by switching over the connection connections. This is done in the manner of the known for individual Hall sensors method of rotating operating currents
  • the Hall sensor semiconductor device has an arrangement of at least two Hall sensors with signal terminals and supply terminals and a switching network that varies the positions of the supply terminals in successive phases and the Hall sensors in each phase via the respective signal terminals in series on.
  • the Hall sensors are arranged in a semiconductor body having an upper side and aligned such that a magnetic field component parallel to the upper side is measured.
  • the Hall sensors are designed in particular as verti ⁇ cal Hall sensors in the semiconductor body.
  • an electronic circuit is vorgese ⁇ hen providing current sources and current sinks. Separate connections are provided for connecting the Stromquel ⁇ len and current sinks to the supply terminals.
  • the supply connections of the Hall sensors for an inflow and an outflow of operation ⁇ flow are provided, and the switching network connects in each phase provided for the inflow of supply connections and / or for the Outlet provided supply connections with each other.
  • At least one of the Hall sensors consists of a hard-wired circuit of a plurality of individual Hall sensors.
  • the supply connections of the Hall sensors are arranged so that directions of the operating currents can also include an angle of 45 °, 135 °, 225 ° and / or 315 °.
  • the supply terminals of the Hall sensors in each of the phases are switched so that the directions of the operating currents flowing through the supply terminals vary between the successive Hall sensors according to the series connection.
  • an even number of Hall sensors are used, and the supply terminals of the Hall sensors are switched in each of the phases so that the directions of the operating currents within two groups, the same number of Hall sensors include angles of 90 °, 180 ° and / or 270 ° with each other, and the directions of the operating currents of two Hall sensors belonging to different ones of these groups each include an angle of 45 °, 135 °, 225 ° or 315 ° ,
  • an earlier or a later phase takes place for each phase, in which the power connections are reversed, so that in each Hall sensor the direction of the operating current is reversed.
  • the Hall sensors within the series connection are permuted from phase to phase.
  • current sources and current sinks are provided for the operating currents, and the phases are repeated with permuted current sources and current sinks.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an arrangement of two Hall sensors.
  • FIG. 2 shows the arrangement according to FIG. 1 for a subsequent circuit phase.
  • FIG. 3 shows the arrangement according to FIG. 2 for a subsequent circuit phase.
  • FIG. 4 shows the arrangement according to FIG. 3 for a subsequent circuit phase.
  • Figure 5 shows a schematic representation of an arrangement of four Hall sensors.
  • FIG. 6 shows the arrangement according to FIG. 5 for a subsequent circuit phase.
  • FIG. 7 shows the arrangement according to FIG. 6 for a subsequent circuit phase.
  • FIG. 8 shows the arrangement according to FIG. 7 for a subsequent circuit phase.
  • Figure 9 shows a schematic representation of another arrangement of two Hall sensors.
  • FIG. 10 shows the arrangement according to FIG. 9 for a subsequent circuit phase.
  • FIG. 11 shows the arrangement according to FIG. 10 for a subsequent circuit phase.
  • FIG. 12 shows the arrangement according to FIG. 11 for a subsequent circuit phase.
  • Figure 13 shows a circuit diagram of an arrangement of Hall sensors and other circuit components.
  • FIG. 14 shows a schematic of a semiconductor device with vertical Hall sensors.
  • Figure 15 shows a schematic of an example of a directional order of the operating currents for two Hall sensors.
  • Figure 16 is a schematic of another example of a directional arrangement of the operating currents for four Hall sensors.
  • FIG. 17 shows a diagram of a further example of a
  • Figure 18 is a schematic of another example of a directional arrangement of the operating currents for four Hall sensors.
  • Figure 19 shows a schematic of an example of a directional arrangement of the operating currents for three Hall sensors.
  • Figure 20 shows a schematic of an example of a directional arrangement of the operating currents for eight Hall sensors.
  • Figure 21 shows a schematic of an example of a directional order of the operating currents for twelve Hall sensors.
  • FIG. 22 shows various schemes of arrangements of two to sixteen Hall sensors.
  • FIG. 23 shows an arrangement of two Hall sensors for a first operating mode.
  • FIG. 24 shows an arrangement of two Hall sensors according to FIG. 23 for a second operating mode.
  • FIG. 25 shows an arrangement of two Hall sensors according to FIG. 24 for a third operating mode.
  • FIG. 26 shows an arrangement of four Hall sensors for an operating mode according to FIG. 25.
  • FIG. 27 shows a circuit diagram for two Hall sensors for a first direction of the operating currents.
  • Figure 28 shows the circuit diagram of Figure 27 for an opposite second direction of the operating currents.
  • FIGS. 1 to 4 schematically show arrangements of two Hall sensors 1, 2, which are connected in series by means of electrically conductive connections 10, for successive phases of an operating method.
  • the Hall sensors 1, 2 wei ⁇ sen four terminals 11, 12, 13, 14, 21, 22, 23, 24, of which in each operating phase two terminals as _
  • the Hall sensors 1, 2 are in the embodiment shown in Figures 1 to 4 symmetrical with respect to a rotation of 90 °.
  • the four terminals 11, 12, 13, 14 and 21, 22, 23, 24 are respectively arranged in mutually rotated by 90 ° directions.
  • At least one of the Hall sensors 1, 2 may consist of a hard-wired circuit of a plurality of individual Hall sensors.
  • the Hall sensors 1, 2 may in particular be formed in each case by two or more separate Hall sensors, which are connected in parallel to each other, so that the Sig ⁇ nalan say and the supply terminals of the parallel ⁇ switched Hall sensors in each phase spatially are turned against each other.
  • a first signal terminal 11 of the first Hall sensor 1 and a second signal terminal 23 of the second Hall sensor 2 are located at the ends of the series connection of the Hall sensors 1, 2 and are for tapping a sum signal, in particular the series-connected Hall voltages
  • Vl / Vl ', V2 / V2' provided.
  • the second signal terminal 13 of the first Hall sensor 1 is connected to the first signal terminal 21 of the second Hall sensor 2.
  • Each Hall sensor 1, 2 of the arrangement is flowed through by an operating current 11/11 ', 12/12' during operation.
  • the directions of the operating currents 11/11 ', 12/12' are shown in Figures 1 to 4 with arrows within which the Hall sensors 1, 2 represents my ⁇ leaders contours specified.
  • the directions of the operating currents 11/11 ', 12/12' each include a non-zero angle to each other. In the example shown in FIGS. 1 to 4, this angle between the directions of the operating flows 11/11 ', 12/12' is in each case 90 °. It may vary ⁇ but other angles may be provided.
  • FIG. 1 for a first phase
  • FIG. 2 for a second phase following the first phase
  • FIG. 3 for a third phase following the second phase
  • FIG third phase following fourth phase shown.
  • the directions of the operating currents 11/11 ', 12/12' in comparison to the respective preceding phase are rotated by 90 ° in a mathematically positive direction of rotation.
  • a measurement can be concluded after two phases, for example according to FIGS. 1 and 2 or according to FIGS. 2 and 3.
  • a measurement can also include all phases shown. Two-phase measurements can be performed faster than four-phase measurements, but may provide better results. Measurements with two or four phases are opposite Measurements with three phases are preferred. For the purpose of a further measurement, the phases can be repeated cyclically. Instead, the sequence of phases can change from measurement to measurement.
  • the signal terminals 11, 13, 21, 23 are connected in each phase of the ⁇ art that the signals occurring in the Hall sensors 1, 2, in particular Hall voltages Vl / Vl ', V2 / V2', are added and a sum signal , in particular a correspondingly high total Hall voltage V1 / V2 ', can be measured at the outer signal terminals 11, 23 of the series connection.
  • the measuring signal may be a voltage or a current.
  • Figures 5 to 8 show schematically arrangements of four Hall sensors 1, 2, 3, 4, which are connected in series by means of electrically conductive connections 10, for successive phases of an operating method.
  • the circuit of the first two Hall sensors 1, 2 corresponds to one of the figures 1 to 4 in each phase.
  • the third Hall sensor 3 and the fourth Hall sensor 4 like the first Hall sensor 1 and the second Hall sensor 2 in each case four connections 31, 32, 33, 34 and 41, 42, 43, 44, of which in each phase of operation two connections as supply connections 32, 34, 42, 44 for the operating flows 13/13 ', 14/14' and two Connections as signal terminals 31, 33, 41, 43 for tapping a signal, in particular an occurring Hall voltage V3 / V3 ', V4 / V4', are switched.
  • power sources II, 12, 13, 14 and current sinks II ', 12', 13 ', 14' which are provided by an electronic circuit.
  • the Hall sensors 1, 2, 3, 4 are in the embodiment shown in Figures 5 to 8 symmetrical with respect to a rotation of 90 °.
  • the Hall sensors 1, 2, 3, 4 can in particular be formed in each case by two or more separate Hall sensors, which are connected in parallel to each other, so that the signal terminals and the supply terminals of the parallel-connected Hall sensors in each Phase spatially turned against each other.
  • a first signal terminal 11 of the first Hall sensor 1 and a second signal terminal 43 of the fourth Hall sensor 4 are located at the ends of the series connection of the Hall sensors 1, 2, 3, 4 and are for picking up a signal, in particular in series switched Hall voltages
  • the second signal terminal 13 of the first Hall sensor 1 is connected to the first signal terminal 21 of the second Hall sensor 2.
  • the second signal terminal 23 of the second Hall sensor 2 is connected to the first signal terminal 31 of the third Hall sensor 3.
  • the second signal terminal 33 of the third Hall sensor 3 is connected to the first signal terminal 41 of the fourth Hall sensor 4.
  • Each Hall sensor 1, 2, 3, 4 of the arrangement is flowed through during operation by an operating current 11/11 ', 12/12', 13/13 ', 14/14'.
  • the directions of the operating currents 11/11 ', 12/12', 13/13 ', 14/14' are indicated in the figures 5 to 8 with arrows within the Hall sensors 1, 2, 3, 4 representing contours .
  • the directions of the operating currents 11/11 ', 12/12', 13/13 ', 14/14' each include a non-zero angle to each other. In the example shown in FIGS. 5 to 8, this angle between the directions of the operating flows 11/11 ', 12/12', 13/13 ', 14/14' is in each case 90 °. However, other angles may be provided, and the direction of rotation may be opposite or even, for example, change alternately.
  • FIG. 5 The circuit of the arrangement is shown in FIG. 5 for a first phase, in FIG. 6 for a second phase following the first phase, in FIG. 7 for a third phase following the second phase and in FIG third phase following fourth phase shown.
  • the directions of the operating currents are 11/11 ', 12/12',
  • the signal terminals 11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43 are connected in each phase such that in the Hall sensors
  • the positions of the Hall sensors 1, 2, 3, 4 within the series circuits can vary, so that, for example, a Hall sensor, which is used in one phase as the first Hall sensor, in the subsequent phase as a second Hall sensor or is used further back in the series connection.
  • the external signal terminals of the series circuits, on which the entire occurring Hall voltage is tapped may belong in different phases to different Hall sensors.
  • the different circuits of the connections in the different phases therefore do not need to be limited to changing only the directions of the operating currents;
  • the Hall sensors may additionally or instead be permuted within the series connection from phase to phase. There are no restrictions for the different possible variations of the positions occupied by the Hall sensors within the series connection. Any number of Hall sensors can be provided in the arrangement.
  • the Hall sensors 1, 2, 3, 4 are arranged in the scheme of Figures 5 to 8 on a line next to each other.
  • the Hall sensors can be arranged arbitrarily in principle. In particular, they can be arranged at the vertices of a regular polygon.
  • the Hall Senso ⁇ ren do not need to be adjacent to each other but can in larger, possibly also irregular intervals be arranged to each other within the same plane or in different planes.
  • the Hall sensors may be in the semiconductor device in particular vertically on ⁇ arranged so that magnetic field components can be measured parallel to the plane of a top of the device, in particular parallel to a main top surface, are integrated on the electronic components.
  • the angles between the operating currents of the series-connected successive Hall sensors can be chosen arbitrarily. These angles can each be the same size or instead vary with each other.
  • the operating currents do not have to be changed in the same direction in all Hall sensors. This is especially true in the case where the Hall sensors are permuted from phase to phase in the series connection.
  • An alignment of the operating currents in Win, which are different from 90 °, requires that the Hall sensors and / or the terminals of the Hall sensors are arranged at suitable angles to each other.
  • Figures 9 to 12 show schematically arrangements of four Hall sensors 1, 2, 3, 4, which are connected by means of electrically conductive connections 10 in series, for successive phases of an operating method, according to Figures 5 to 8.
  • the embodiment of the Figures 9 to 12 are all Hall sensors 1, 2, 3, 4 as provided in the embodiment according to Figures 5 to 8 with terminals which are arranged at an angle of 90 °, 180 ° and 270 °.
  • the Entspre ⁇ sponding applies to the elekt ⁇ generic compounds in the phases represented in the embodiment according to Figures 9 to 12 as for the embodiment according to Figures 5 to 8.
  • the second Hall sensor 2 and the fourth Hall sensor 4 are rotated by 45 ° with respect to the first Hall sensor 1 and the third Hall sensor 3, so that the operating currents 12/12 ', 14/14 'of the second Hall sensor 2 and the fourth Hall sensor 4 by 45 °, 135 °, 225 ° and 315 ° against ⁇ over the operating currents 11/11', 13/13 'of the first Hall sensor 1 and the third Hall -Sensors 3 can be rotated.
  • the Hall sensors 1, 2, 3, 4 may all be aligned the same and be ver ⁇ see, for example, with eight terminals, the orientations form angles that are multiples of 45 °. If each Hall sensor 1, 2, 3, 4 of the arrangement is provided with eight terminals, the method can also be carried out with eight phases of different interconnections.
  • FIG. 13 shows a schematic circuit diagram of a Hall sensor arrangement 5, a circuit network 6, a
  • the electrically conductive connections 10 between the Hall sensor arrangement 5 and the switching network 6 are provided for the series connection of the Hall sensors and for the tapping of the signals, in particular a Hall voltage, suitable connections to be connected.
  • This circuit is changed in each phase of operation, including a corresponding device, for example a multiplexer, is provided in the switching network 6.
  • the switching network 6 connects the Hall sensors with the corresponding terminals of a power supply unit 7, the Be ⁇ operating currents and voltages of corresponding comparison compounds 15 provides.
  • Further connections 16 lead from the switching network to the measuring circuit 8, so that the signals tapped at the respective terminals of the Hall sensor arrangement 5, in particular Hall voltages, can be measured.
  • the directions of the operating currents and the voltage tap may in particular be arranged in the different phases such that the Hall voltage changes its sign between two phases which differ by 90 ° or 270 ° in the current direction.
  • the offset is then static
  • the switching network 6 for example a multiplexer, in this case, when using a chopper amplifier (chopper) in addition to the switching of the connection connections between the individual phases for chopping the signal (chopping) can be used.
  • a chopper amplifier chopper
  • FIG. 14 shows a schematic representation of a Hall sensor semiconductor component having a semiconductor body 9, which has doped regions 18 on a substantially planar upper side 19.
  • a vertical Hall sensor is formed, which is known per se and also described in the above-cited book by RS Popovic.
  • a magnetic field component can be measured in the plane of the upper side 19, that is to say in vectorial directions from the drawn arrows x and y.
  • further vertical Hall sensors can be integrated as well as lateral Hall sensors with which a magnetic field component perpendicular to the plane of the top 19, so in the direction of the arrow z, can be measured.
  • Vertical and / or lateral Hall sensors can be interconnected in different phases during a measurement as described above.
  • the power supply unit 7 and the measuring circuit 8 be integrated.
  • the semiconductor device may be made, for example, in silicon.
  • Figures 15 to 21 show schemes for different orientations of the operating currents to each other.
  • the operating currents and their directions are represented by an arrow as in FIGS. 1 to 12.
  • Figures 16 to 18 each relate to embodiments with four Hall sensors, while Figure 15 shows an example with two sensors, Figure 19 shows an example with three sensors, Figure 20 shows an example with eight sensors and Figure 21 shows an example with twelve sensors. Below the arrows is in each case the angle measured in the mathematically positive direction of rotation
  • FIGS. 16, 17 and 18 there are in each case two pairs of sensors whose operating currents are directed at an angle of 90 ° to one another.
  • sensors 1 and 2 form one pair and sensors 3 and 4 form the other pair.
  • the sensors 1 and 3 form one pair and the sensors 2 and 4 form the other pair.
  • the directions of the operating currents of the second pair of sensors are rotated 180 ° with respect to the first pair of sensors.
  • the directions of the operating currents of the second pair of sensors are rotated by 45 ° with respect to the first pair of sensors.
  • the directions of the operating currents of the second pair of sensors are rotated by 135 ° with respect to the first pair of sensors.
  • the directions of the operating currents shown in FIGS. 17 and 18 are particularly suitable in the case of an arrangement of four Hall sensors and can be used in particular in two different operating phases of an arrangement of four Hall sensors.
  • the directions of the operating currents are rotated by 45 °, that is, by 90 ° divided by the number of sensors.
  • the directions of the operating currents in the successive Hall sensors are each rotated by 30 °, that is, by 90 ° divided by the number of sensors.
  • the directions of the operating currents in the successive Hall sensors are each rotated by 45 °, that is, by 360 ° divided by the number of sensors.
  • the operating currents in the successive Hall sensors are each rotated by 30 °, that is to say by 360 ° divided by the number of sensors.
  • the supply terminals of the Hall sensors in each of the phases are switched in such a way that the directions of the operating currents within two groups, which comprise the same number of Hall sensors, are mutually angled by 90 °, 180 ° and / or 270 °, and the directions of the operating currents of two Hall sensors belonging to different ones of these groups each include an angle of 45 °, 135 °, 225 ° or 315 °.
  • one of these groups is formed by the sensors 1 and 3 and the other of these groups by the sensors 2 and 4.
  • one of these groups is formed by the sensors 1 and 2 and the other of these groups is formed by the sensors 3 and 4.
  • one of these groups is formed by the sensors 1, 3, 5 and 7 and the other of these groups by the sensors 2, 4, 6 and 8.
  • FIGS. 15 to 21 show that in a circuit phase the directions of the operating currents in the Hall sensors are different.
  • the directions of the operating currents of the Hall sensors are changed.
  • the angle between the directions of the currents in the following operation according to the series scarf ⁇ tung successive Hall sensors can remain the same.
  • the arrow diagrams of FIGS. 15 to 21 remain the same except for a cyclic permutation of the arrows. Instead ⁇ which the angles between the directions of loading Drive currents in the successive Hall sensors according to the series connection also vary from phase to phase.
  • FIG. 22 shows schematic representations of typical arrangements of two, four, nine, twelve, thirteen or sixteen Hall sensors within a plane.
  • the Hall sensors are represented by squares.
  • the directions of the operating currents are horizontal or vertical or diagonal, depending on the arrangement of the connections of the Hall sensors.
  • the arrangements in the illustrated examples are each symmetrical with respect to a 90 ° rotation about an axis perpendicular to the plane of the assembly and passing through the center of the arrangement concerned.
  • a symmetrical Hall sensor arrangement is particularly suitable for eliminating the unwanted offset voltage.
  • the diagonal arrangement shown in Figure 22 for two Hall sensors may be particularly suitable when only two different phases are used.
  • FIG. 23 shows an arrangement of two Hall sensors 1, 2, which are arranged at an angle of 45 ° to one another, for example, the Hall sensors 1 and 2 from FIG. 9.
  • the directions of the operating currents 11/11 ', 12 / 12 ' also enclose an angle of 45 ° in the phase shown.
  • FIG. 24 shows the arrangement according to FIG. 23 for another operating mode in which a common current source or current sink I or a common voltage connection V is present to the Hall sensors 1, 2.
  • the scarf- maintenance effort is thereby compared to the execution ⁇ simplified example shown in FIG 23, but which reached Emp ⁇ sensitivity of the Hall sensor semiconductor component is big ⁇ SSER than a single sensor.
  • FIG. 25 shows the arrangement according to FIG. 23 for an operating mode in which the two Hall sensors 1, 2 common current sources I and current sinks I ', voltage connections V, V or a combination of a current source I or a current sink I' with a Voltage connection V, V are provided.
  • the wiring can thus be done as with a single Hall sensor.
  • the arrangement corresponds to a non-rotationally symmetrical Hall sensor which, in contrast to conventional asymmetric Hall sensors, is equipped with the possibility of using the spinning current technique. Due to the series connection of the signal terminals, the achieved sensitivity of the Hall sensor Halbleiterbau ⁇ element is significantly larger than in a single sensor. In this embodiment, the Hall sensor Halbleiterbau- element can be operated with a constant operating voltage, so that no supply of constant current sources is required.
  • FIG. 26 shows a further exemplary embodiment of four Hall sensors 1, 2, 3, 4, which are aligned as in the exemplary embodiment of FIGS. 9 to 12.
  • the circuit ent ⁇ speaks the operation mode in accordance with the figure 25, in which the Hall sensors 1, 2, 3, 4 shared current sources I and current sink I ', voltage terminals V, V or a combination of a current source I and a current sink I' with a Voltage connection V, V are provided.
  • This Anord ⁇ voltage corresponds likewise a non-rotationally symmetrical Hall sensor, which, in contrast to conventional asym- metric Hall sensors equipped with the possibility to use the Spinning Current technique.
  • FIG. 27 shows a circuit diagram for an arrangement of two Hall sensors 1, 2 with the phase-associated circuit of the supply terminals 12, 14, 22, 24 and the signal terminals 11, 13, 21, 23, so that the Hall sensors are connected in series via the signal terminals 11, 13, 21, 23.
  • the operating currents 11/11 ', 12/12' are in the
  • Circuit current sources II, 12 and current sinks II ', 12' provided.
  • FIG. 28 shows a circuit diagram according to FIG. 27 for an operating phase of the same arrangement of Hall sensors 1, 2, in which the current sources II, 12 and current sinks II ', 12' of the operating currents 11/11 ', 12/12' relative to the phase are reversed according to the figure 27. Due to the current directions rotated through 180 °, an occurring Hall voltage has a reverse polarity, which is indicated in FIGS. 27 and 28 by the registered signs + and - of the voltmeter 20.
  • the operating method described is suitable for applying the spinning current technique in two, four, eight or generally 2n (n natural number) phases, if a reaching number of terminals is provided to the Hall sensors.
  • the Hall sensors can be identical, pairwise identical or even different. If different sensors are provided, the sensors can be individually optimized with regard to the specific direction of the operating current and / or the dimensions.

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Abstract

Das Hall-Sensor-Halbleiterbauelement weist eine Anordnung aus mindestens zwei Hall-Sensoren (1, 2) mit Signalanschlüssen (11, 13, 21, 23) und Versorgungsanschlüssen (12, 14, 22, 24) auf sowie ein Schaltnetzwerk, das in aufeinander folgenden Phasen die Positionen der Versorgungsanschlüsse variiert und die Hall-Sensoren in jeder Phase über die jeweiligen Signalanschlüsse in Reihe schaltet.

Description

Beschreibung
Hall-Sensor-Halbleiterbauelement und Verfahren zum Betrieb des Hall-Sensor-Halbleiterbauelementes
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hall-Sensor-Halblei¬ terbauelement mit hoher Empfindlichkeit bei niedriger Offset- Spannung sowie ein angepasstes Betriebsverfahren. Der nach dem amerikanischen Physiker Edwin Herbert Hall (1855 - 1938) benannte Hall-Effekt tritt auf, wenn ein Magnetfeld senkrecht zu einem elektrischen Strom vorhanden ist. Das Magnetfeld erzeugt in diesem Fall eine Potenzialdifferenz, die als Hall-Spannung bezeichnet wird, in einer Richtung, die sowohl senkrecht zu der Richtung des Magnetfeldes als auch zu der Richtung des Stromes verläuft. Durch eine Messung der Hall-Spannung ist es möglich, die Größe der betreffenden Komponente des Magnetfeldes zu bestimmen. Ein zur Messung einer Hall-Spannung vorgesehener Hall-Sensor kann als Halbleiterbauelement realisiert werden. In dem Halb¬ leiterbauelement kann auch eine Auswerteschaltung integriert sein, die zum Beispiel im Rahmen eines CMOS-Prozesses herge¬ stellt werden kann. Wenn die Ebene des aktiven Bereiches, in dem der Betriebsstrom fließt und die Hall-Spannung auftritt, koplanar zur Oberseite des Halbleiterkörpers angeordnet ist, kann eine Hall-Spannung gemessen werden, die von einer senkrecht zu der Oberseite gerichteten Komponente des Magnetfel¬ des hervorgerufen wird. Wenn die Ebene des aktiven Bereiches senkrecht zur Oberseite, das heißt, vertikal innerhalb des Halbleiterkörpers, angeordnet ist, kann eine Hall-Spannung gemessen werden, die von einer parallel zu der Oberseite gerichteten Komponente des Magnetfeldes hervorgerufen wird. Bei Hall-Sensor-Halbleiterbauelementen ist die erreichbare Empfindlichkeit durch die Mobilität der Ladungsträger in dem verwendeten Halbleitermaterial beschränkt. In Silizium liegt die maximale Empfindlichkeit eines Hall-Sensors, gemessen durch die Größe der Hall-Spannung bezogen auf die Stärke des Magnetfeldes und die Betriebsspannung, etwa bei 0,1/T. Andere Halbleitermaterialien bieten eine höhere Ladungsträgermobili¬ tät, sind aber für eine Integration des Hall-Sensors mit der Ansteuer- und Auswerteelektronik weniger geeignet.
In dem Lehrbuch von R. S. Popovic, „Hall Effect Devices", zweite Auflage, Institute of Physics Publishing, Bristol und Philadelphia 2004, wird in dem Abschnitt 5.1.4 auf den Seiten 241 und 242 die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit behandelt. Auf den Seiten 261 bis 264 werden vertikale Hall- Bauelemente beschrieben. Auf den Seiten 280 bis 289 wird eine Reihe von Verfahren beschrieben, mit denen die Temperaturvariation kompensiert, die Offset-Spannung reduziert und fre¬ quenzabhängiges Rauschen unterdrückt wird. Dazu gehört auch das Verfahren der rotierenden Betriebsströme (Spinning- Current-Technik) .
Weitere Verfahren zur Verbesserung der Betriebseigenschaften von Hall-Sensoren sind beschrieben in den Veröffentlichungen von R. S. Popovic: „A MOS Hall device free from short- circuit effect", Sensors and Actuators A5, 253-262 (1984), J.-B. Kammerer et al . : „Horizontal Hall Effect Sensor with High Maximum Absolute Sensitivity", IEEE Sensors Journal 3 (2003), L. Hebrard et al . : „A Chopper Stabilized Biasing Cir- cuit Suitable for Cascaded Wheatstone-Bridge-Like Sensors",
IEEE Transactions on Circuits and Systems 52 (2005) , sowie in EP 0 667 648 A2 , WO 2005/017546 AI, WO 2005/073744 AI,
US 6,064,202 A, WO 01/18556 AI und EP 2 068 163 A2. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hall-Sensor- Halbleiterbauelement mit hoher Empfindlichkeit und niedriger Offset-Spannung anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem Hall-Sensor-Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen, insbesondere zugehörige Betriebsverfahren, ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bei dem Hall-Sensor-Halbleiterbauelement ist eine Anordnung aus mindestens zwei Hall-Sensoren vorhanden, die mit getrennt voneinander schaltbaren elektrischen Anschlüssen versehen sind. Die für eine Messung einer Hall-Spannung verwendeten so genannten Spannungsanschlüsse, die hier als Signalanschlüsse bezeichnet werden sollen, werden in Reihe geschaltet, und die bei Auftreten eines Magnetfeldes hervorgerufene Hall-Spannung wird an den äußeren Anschlüssen dieser Reihenschaltung abgegriffen. Die zum Anlegen der Betriebsströme oder Betriebs¬ spannungen vorgesehenen so genannten Stromanschlüsse, die hier als Versorgungsanschlüsse bezeichnet werden sollen, und die Reihenschaltung der Signalanschlüsse werden phasenweise durch Umschalten der Anschlussverbindungen geändert. Dies geschieht nach Art des für einzelne Hall-Sensoren an sich bekannten Verfahrens der rotierenden Betriebsströme
( Spinning-Current-Technik) , das für die Betriebsweise dieses Hall-Sensor-Halbleiterbauelementes geeignet abgewandelt wird. Hierfür ist ein Schaltnetzwerk vorgesehen. Die Betriebsströme der einzelnen Hall-Sensoren haben vorzugsweise unterschiedliche Richtungen, und diese Richtungen können je nach Ausgestaltung des Hall-Sensor-Halbleiterbauelementes unterschied¬ liche Winkel einschließen. Das Hall-Sensor-Halbleiterbauelement weist eine Anordnung aus mindestens zwei Hall-Sensoren mit Signalanschlüssen und Versorgungsanschlüssen auf sowie ein Schaltnetzwerk, das in aufeinander folgenden Phasen die Positionen der Versorgungsan- Schlüsse variiert und die Hall-Sensoren in jeder Phase über die jeweiligen Signalanschlüsse in Reihe schaltet.
In einem Ausführungsbeispiel des Hall-Sensor-Halbleiterbau¬ elementes sind die Hall-Sensoren in einem Halbleiterkörper, der eine Oberseite aufweist, angeordnet und so ausgerichtet, dass eine zu der Oberseite parallele Magnetfeldkomponente gemessen wird. Die Hall-Sensoren sind insbesondere als verti¬ kale Hall-Sensoren in dem Halbleiterkörper ausgebildet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Hall-Sensor-Halb¬ leiterbauelementes ist eine elektronische Schaltung vorgese¬ hen, die Stromquellen und Stromsenken bereitstellt. Voneinander getrennte Verbindungen sind zum Anschluss der Stromquel¬ len und Stromsenken an die Versorgungsanschlüsse vorgesehen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Hall-Sensor-Halb¬ leiterbauelementes sind die Versorgungsanschlüsse der Hall- Sensoren für einen Zufluss und einen Abfluss von Betriebs¬ strömen vorgesehen, und das Schaltnetzwerk verbindet in jeder Phase die für den Zufluss vorgesehenen Versorgungsanschlüsse und/oder die für den Abfluss vorgesehenen Versorgungsanschlüsse miteinander.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Hall-Sensor-Halb- leiterbauelementes besteht mindestens einer der Hall-Sensoren aus einer fest verdrahteten Schaltung mehrerer einzelner Hall-Sensoren . In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Hall-Sensor-Halb¬ leiterbauelementes sind die Versorgungsanschlüsse der Hall- Sensoren so angeordnet, dass Richtungen der Betriebsströme auch Winkel von 45°, 135°, 225° und/oder 315° einschließen können.
In einem Verfahren zum Betrieb des Hall-Sensor-Halbleiterbau¬ elementes werden die Versorgungsanschlüsse der Hall-Sensoren in jeder der Phasen so geschaltet, dass die Richtungen der durch die Versorgungsanschlüsse fließenden Betriebsströme zwischen den gemäß der Reihenschaltung aufeinander folgenden Hall-Sensoren variieren.
In einer Aus führungs form des Betriebsverfahrens wird eine gerade Anzahl von Hall-Sensoren verwendet, und die Versorgungsanschlüsse der Hall-Sensoren werden in jeder der Phasen so geschaltet, dass die Richtungen der Betriebsströme inner¬ halb zweier Gruppen, die dieselbe Anzahl von Hall-Sensoren umfassen, untereinander Winkel von 90°, 180° und/oder 270° einschließen, und die Richtungen der Betriebsströme zweier Hall-Sensoren, die zu verschiedenen dieser Gruppen gehören, jeweils einen Winkel von 45°, 135°, 225° oder 315° einschließen . In einer weiteren Aus führungs form des Betriebsverfahrens findet zu jeder Phase eine frühere oder eine spätere Phase statt, in der die Stromanschlüsse umgepolt sind, so dass in jedem Hall-Sensor die Richtung des Betriebsstromes umgekehrt ist .
In einer weiteren Aus führungs form des Betriebsverfahrens werden die Hall-Sensoren innerhalb der Reihenschaltung von Phase zu Phase permutiert. In einer weiteren Aus führungs form des Betriebsverfahrens werden für die Betriebsströme Stromquellen und Stromsenken vorgesehen, und die Phasen werden mit permutierten Stromquellen und Stromsenken wiederholt.
Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Hall- Sensor-Halbleiterbauelementes und der Betriebsverfahren an¬ hand der beigefügten Figuren. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung aus zwei Hall-Sensoren.
Figur 2 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 1 für eine nachfolgende Schaltungsphase.
Figur 3 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 2 für eine nachfolgende Schaltungsphase.
Figur 4 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 3 für eine nachfolgende Schaltungsphase.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung aus vier Hall-Sensoren. Figur 6 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 5 für eine nachfolgende Schaltungsphase.
Figur 7 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 6 für eine nachfolgende Schaltungsphase.
Figur 8 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 7 für eine nachfolgende Schaltungsphase. Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Anordnung aus zwei Hall-Sensoren.
Figur 10 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 9 für eine nachfolgende Schaltungsphase.
Figur 11 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 10 für eine nachfolgende Schaltungsphase. Figur 12 zeigt die Anordnung gemäß der Figur 11 für eine nachfolgende Schaltungsphase.
Figur 13 zeigt ein Schaltungsschema einer Anordnung von Hall-Sensoren und weiteren Schaltungskomponenten.
Figur 14 zeigt ein Schema eines Halbleiterbauelementes mit vertikalen Hall-Sensoren.
Figur 15 zeigt ein Schema eines Beispiels einer Richtungsan- Ordnung der Betriebsströme für zwei Hall-Sensoren.
Figur 16 zeigt ein Schema eines weiteren Beispiels einer Richtungsanordnung der Betriebsströme für vier Hall-Sensoren. Figur 17 zeigt ein Schema eines weiteren Beispiels einer
Richtungsanordnung der Betriebsströme für vier Hall-Sensoren.
Figur 18 zeigt ein Schema eines weiteren Beispiels einer Richtungsanordnung der Betriebsströme für vier Hall-Sensoren.
Figur 19 zeigt ein Schema eines Beispiels einer Richtungsanordnung der Betriebsströme für drei Hall-Sensoren. Figur 20 zeigt ein Schema eines Beispiels einer Richtungsanordnung der Betriebsströme für acht Hall-Sensoren.
Figur 21 zeigt ein Schema eines Beispiels einer Richtungsan- Ordnung der Betriebsströme für zwölf Hall-Sensoren.
Figur 22 zeigt verschiedene Schemata von Anordnungen aus zwei bis sechzehn Hall-Sensoren. Figur 23 zeigt eine Anordnung aus zwei Hall-Sensoren für einen ersten Betriebsmodus.
Figur 24 zeigt eine Anordnung aus zwei Hall-Sensoren gemäß Figur 23 für einen zweiten Betriebsmodus.
Figur 25 zeigt eine Anordnung aus zwei Hall-Sensoren gemäß Figur 24 für einen dritten Betriebsmodus.
Figur 26 zeigt eine Anordnung aus vier Hall-Sensoren für einen Betriebsmodus gemäß Figur 25.
Figur 27 zeigt ein Schaltungsschema für zwei Hall-Sensoren für eine erste Richtung der Betriebsströme. Figur 28 zeigt das Schaltungsschema gemäß Figur 27 für eine entgegengesetzte zweite Richtung der Betriebsströme.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen schematisch Anordnungen aus zwei Hall-Sensoren 1, 2, die mittels elektrisch leitender Verbin- düngen 10 in Reihe geschaltet sind, für aufeinander folgende Phasen eines Betriebsverfahrens. Die Hall-Sensoren 1, 2 wei¬ sen jeweils vier Anschlüsse 11, 12, 13, 14, 21, 22, 23, 24 auf, von denen in jeder Betriebsphase zwei Anschlüsse als _
- y —
Versorgungsanschlüsse 12, 14, 22, 24 für die Betriebsströme 11/11', 12/12' und zwei Anschlüsse als Signalanschlüsse 11, 13, 21, 23 zum Abgreifen eines Signals, insbesondere einer auftretenden Hall-Spannung Vl/Vl', V2/V2', geschaltet werden. Für die Betriebsströme 11/11', 12/12' sind in diesem Ausführungsbeispiel Stromquellen II, 12 und Stromsenken II', 12' vorgesehen, die durch eine elektronische Schaltung bereitge¬ stellt werden. Durch die unterschiedliche Schreibweise In beziehungsweise In' soll angedeutet werden, dass schaltungs- bedingt möglicherweise eine geringe Fehlanpassung (mismatch) der zu demselben Betriebsstrom 11/11', 12/12' gehörenden Stromquellen II, 12 und Stromsenken II', 12' auftreten kann.
Die Hall-Sensoren 1, 2 sind in dem in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel symmetrisch bezüglich einer Rotation um 90°. Die vier Anschlüsse 11, 12, 13, 14 beziehungsweise 21, 22, 23, 24 sind entsprechend in zueinander um 90° gedrehten Richtungen angeordnet. Mindestens einer der Hall-Sensoren 1, 2 kann aus einer fest verdrahteten Schaltung mehrerer einzelner Hall-Sensoren bestehen. Die Hall-Sensoren 1, 2 können bei Ausführungsbeispielen insbesondere jeweils durch zwei oder mehr separate Hall-Sensoren gebildet werden, die parallel zueinander geschaltet werden, so dass die Sig¬ nalanschlüsse und die Versorgungsanschlüsse der parallel ge¬ schalteten Hall-Sensoren in jeder Phase räumlich gegeneinander gedreht sind.
Ein erster Signalanschluss 11 des ersten Hall-Sensors 1 und ein zweiter Signalanschluss 23 des zweiten Hall-Sensors 2 befinden sich an den Enden der Reihenschaltung der Hall- Sensoren 1, 2 und sind zum Abgreifen eines Summensignals, insbesondere der in Reihe geschalteten Hall-Spannungen
Vl/Vl', V2/V2', vorgesehen. Der zweite Signalanschluss 13 des ersten Hall-Sensors 1 ist mit dem ersten Signalanschluss 21 des zweiten Hall-Sensors 2 verbunden.
Jeder Hall-Sensor 1, 2 der Anordnung wird im Betrieb von ei- nem Betriebsstrom 11/11', 12/12' durchflössen. Die Richtungen der Betriebsströme 11/11', 12/12' sind in den Figuren 1 bis 4 mit Pfeilen innerhalb der die Hall-Sensoren 1, 2 repräsentie¬ renden Konturen angegeben. Die Richtungen der Betriebsströme 11/11', 12/12' schließen jeweils einen von null verschiedenen Winkel zueinander ein. In dem in den Figuren 1 bis 4 gezeigten Beispiel beträgt dieser Winkel zwischen den Richtungen der Betriebsströme 11/11', 12/12' jeweils 90°. Es können je¬ doch auch andere Winkel vorgesehen sein. Es kann vorteilhaft sein, die Phasen mit permutierten Stromquellen II, 12 und Stromsenken II', 12' zu wiederholen, wodurch insbesondere eine vorhandene Fehlanpassung der Stromquellen II, 12 an die Stromsenken II', 12' zumindest teilweise kompensiert werden kann . Die Schaltung der Anordnung ist in der Figur 1 für eine erste Phase, in der Figur 2 für eine auf die erste Phase folgende zweite Phase, in der Figur 3 für eine auf die zweite Phase folgende dritte Phase und in der Figur 4 für eine auf die dritte Phase folgende vierte Phase gezeigt. In den Phasen sind die Richtungen der Betriebsströme 11/11', 12/12' im Vergleich zu der jeweils vorhergehenden Phase um 90° in mathematisch positivem Drehsinn gedreht. Eine Messung kann nach zwei Phasen, zum Beispiel gemäß den Figuren 1 und 2 oder gemäß den Figuren 2 und 3, abgeschlossen werden. Eine Messung kann aber auch alle gezeigten Phasen umfassen. Messungen mit zwei Phasen können schneller durchgeführt werden als Messungen mit vier Phasen, die jedoch unter Umständen bessere Ergebnisse liefern. Messungen mit zwei oder vier Phasen sind gegenüber Messungen mit drei Phasen bevorzugt. Zum Zweck einer weiteren Messung können die Phasen zyklisch wiederholt werden. Stattdessen kann die Abfolge der Phasen von Messung zu Messung wechseln .
Die Signalanschlüsse 11, 13, 21, 23 sind in jeder Phase der¬ art verbunden, dass die in den Hall-Sensoren 1, 2 auftretenden Signale, insbesondere Hall-Spannungen Vl/Vl', V2/V2', addiert werden und ein Summensignal, insbesondere eine ent- sprechend hohe gesamte Hall-Spannung V1/V2', an den äußeren Signalanschlüssen 11, 23 der Reihenschaltung gemessen werden kann. Das bedeutet, dass beim Durchlaufen der die Reihenschaltung bildenden Verbindungen 10 von dem ersten Signalan- schluss 11 des ersten Hall-Sensors 1 zu dem zweiten Signalan- schluss 23 des zweiten Hall-Sensors 2 die Pfeile der Be¬ triebsströme 11/11', 12/12' in derselben Richtung durchquert werden, in dem gezeigten Beispiel in der Blickrichtung zur Pfeilspitze hin jeweils von rechts nach links, so dass sich die einzelnen Hall-Spannungen in der Reihenschaltung addie- ren. Das Messsignal kann eine Spannung oder ein Strom sein.
Die Figuren 5 bis 8 zeigen schematisch Anordnungen aus vier Hall-Sensoren 1, 2, 3, 4, die mittels elektrisch leitender Verbindungen 10 in Reihe geschaltet sind, für aufeinander folgende Phasen eines Betriebsverfahrens. Die Schaltung der ersten beiden Hall-Sensoren 1, 2 entspricht in jeder Phase einer der Figuren 1 bis 4. Der dritte Hall-Sensor 3 und der vierte Hall-Sensor 4 weisen wie der erste Hall-Sensor 1 und der zweite Hall-Sensor 2 jeweils vier Anschlüsse 31, 32, 33, 34 beziehungsweise 41, 42, 43, 44 auf, von denen in jeder Betriebsphase zwei Anschlüsse als Versorgungsanschlüsse 32, 34, 42, 44 für die Betriebsströme 13/13', 14/14' und zwei Anschlüsse als Signalanschlüsse 31, 33, 41, 43 zum Abgreifen eines Signals, insbesondere einer auftretenden Hall-Spannung V3/V3', V4/V4', geschaltet werden. Für die Betriebsströme 11/11', 12/12', 13/13', 14/14' sind auch in diesem Ausführungsbeispiel Stromquellen II, 12, 13, 14 und Stromsenken II', 12', 13', 14' vorgesehen, die durch eine elektronische Schaltung bereitgestellt werden.
Die Hall-Sensoren 1, 2, 3, 4 sind in dem in den Figuren 5 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel symmetrisch bezüglich einer Rotation um 90°. Die vier Anschlüsse 11, 12, 13, 14,
21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 34, 41, 42, 43, 44 sind entsprechend in zueinander um 90° gedrehten Richtungen angeordnet. Die Hall-Sensoren 1, 2, 3, 4 können bei Ausführungsbeispielen insbesondere jeweils durch zwei oder mehr separate Hall- Sensoren gebildet werden, die parallel zueinander geschaltet werden, so dass die Signalanschlüsse und die Versorgungsan¬ schlüsse der parallel geschalteten Hall-Sensoren in jeder Phase räumlich gegeneinander gedreht sind. Ein erster Signalanschluss 11 des ersten Hall-Sensors 1 und ein zweiter Signalanschluss 43 des vierten Hall-Sensors 4 befinden sich an den Enden der Reihenschaltung der Hall- Sensoren 1, 2, 3, 4 und sind zum Abgreifen eines Signals, insbesondere der in Reihe geschalteten Hall-Spannungen
Vl/Vl', V2/V2', V3/V3', V4/V4', vorgesehen. Der zweite Signalanschluss 13 des ersten Hall-Sensors 1 ist mit dem ersten Signalanschluss 21 des zweiten Hall-Sensors 2 verbunden. Der zweite Signalanschluss 23 des zweiten Hall-Sensors 2 ist mit dem ersten Signalanschluss 31 des dritten Hall-Sensors 3 ver- bunden. Der zweite Signalanschluss 33 des dritten Hall- Sensors 3 ist mit dem ersten Signalanschluss 41 des vierten Hall-Sensors 4 verbunden. Jeder Hall-Sensor 1, 2, 3, 4 der Anordnung wird im Betrieb von einem Betriebsstrom 11/11', 12/12', 13/13', 14/14' durchflössen. Die Richtungen der Betriebsströme 11/11', 12/12', 13/13', 14/14' sind in den Figuren 5 bis 8 mit Pfeilen inner- halb der die Hall-Sensoren 1, 2, 3, 4 repräsentierenden Konturen angegeben. Die Richtungen der Betriebsströme 11/11', 12/12', 13/13', 14/14' schließen jeweils einen von null verschiedenen Winkel zueinander ein. In dem in den Figuren 5 bis 8 gezeigten Beispiel beträgt dieser Winkel zwischen den Rich- tungen der Betriebsströme 11/11', 12/12', 13/13', 14/14' jeweils 90°. Es können jedoch auch andere Winkel vorgesehen sein, und der Drehsinn kann entgegengesetzt sein oder auch, beispielsweise alternierend, wechseln.
Die Schaltung der Anordnung ist in der Figur 5 für eine erste Phase, in der Figur 6 für eine auf die erste Phase folgende zweite Phase, in der Figur 7 für eine auf die zweite Phase folgende dritte Phase und in der Figur 8 für eine auf die dritte Phase folgende vierte Phase gezeigt. In den Phasen sind die Richtungen der Betriebsströme 11/11', 12/12',
13/13', 14/14' im Vergleich zu der jeweils vorhergehenden Phase um 90° in mathematisch positivem Drehsinn gedreht. Es kann vorteilhaft sein, die Phasen mit permutierten Stromquel¬ len II, 12, 13, 14 und Stromsenken II', 12', 13', 14' zu wiederholen, wodurch insbesondere eine vorhandene Fehlanpassung der Stromquellen II, 12, 13, 14 an die Stromsenken II', 12', 13', 14' zumindest teilweise kompensiert werden kann.
Die Signalanschlüsse 11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43 werden in jeder Phase derart verbunden, dass die in den Hall-Sensoren
1, 2, 3, 4 auftretenden Signale, insbesondere Hall-Spannungen Vl/Vl', V2/V2', V3/V3', V4/V4', addiert werden und ein Summensignal, insbesondere eine entsprechend hohe gesamte Hall- Spannung V1/V4', an den äußeren Signalanschlüssen 11, 43 der Reihenschaltung gemessen werden kann. Eine Messung kann nach zwei Phasen, zum Beispiel gemäß den Figuren 5 und 6 oder gemäß den Figuren 6 und 7, abgeschlossen werden. Eine Messung kann aber auch alle gezeigten Phasen umfassen. Messungen mit zwei oder vier Phasen sind auch bei diesem Ausführungsbei¬ spiel im Vergleich zu Messungen mit drei Phasen bevorzugt. Zum Zweck einer weiteren Messung können die Phasen zyklisch wiederholt werden. Stattdessen kann die Abfolge der Phasen von Messung zu Messung wechseln. Wenn jeder Hall-Sensor 1, 2, 3, 4 der Anordnung mit acht Anschlüssen versehen ist, kann das Verfahren in vorteilhafter Weise auch mit acht Phasen unterschiedlicher Verschaltungen pro Messung durchgeführt werden .
Die Positionen der Hall-Sensoren 1, 2, 3, 4 innerhalb der Reihenschaltungen können variieren, so dass zum Beispiel ein Hall-Sensor, der in einer Phase als erster Hall-Sensor eingesetzt wird, in der nachfolgenden Phase als zweiter Hall- Sensor oder weiter hinten in der Reihenschaltung eingesetzt wird. Insbesondere können die äußeren Signalanschlüsse der Reihenschaltungen, an denen die gesamte auftretende Hall- Spannung abgegriffen wird, in verschiedenen Phasen zu verschiedenen Hall-Sensoren gehören. Die in den verschiedenen Phasen unterschiedliche Schaltung der Anschlüsse braucht da¬ her nicht darauf beschränkt zu werden, nur die Richtungen der Betriebsströme zu verändern; die Hall-Sensoren können zusätzlich oder stattdessen innerhalb der Reihenschaltung von Phase zu Phase permutiert werden. Für die in verschiedenen Phasen möglichen Variationen der von den Hall-Sensoren innerhalb der Reihenschaltung eingenommenen Positionen bestehen keine Einschränkungen . Es können beliebig viele Hall-Sensoren in der Anordnung vorgesehen werden. Die Hall-Sensoren 1, 2, 3, 4 sind in dem Schema der Figuren 5 bis 8 auf einer Linie nebeneinander angeordnet. Die Hall-Sensoren können jedoch im Prinzip beliebig angeordnet sein. Sie können insbesondere an den Eckpunkten eines regelmäßigen Polygons angeordnet sein. Die Hall-Senso¬ ren brauchen nicht benachbart zueinander angeordnet zu sein, sondern können in größeren, gegebenenfalls auch unregelmäßigen Abständen zueinander innerhalb derselben Ebene oder auch in verschiedenen Ebenen angeordnet sein. Die Hall-Sensoren können in dem Halbleiterbauelement insbesondere vertikal an¬ geordnet sein, so dass Magnetfeldkomponenten parallel zu der Ebene einer Oberseite des Bauelements, insbesondere parallel zu einer Hauptoberseite, an der elektronische Komponenten integriert sind, gemessen werden können.
Die Winkel zwischen den Betriebsströmen der in der Reihenschaltung aufeinander folgenden Hall-Sensoren können beliebig gewählt werden. Diese Winkel können jeweils gleich groß sein oder stattdessen untereinander variieren. Die Betriebsströme müssen nicht in allen Hall-Sensoren jeweils gleichsinnig verändert werden. Das gilt insbesondere für den Fall, dass die Hall-Sensoren von Phase zu Phase in der Reihenschaltung permutiert werden. Eine Ausrichtung der Betriebsströme in Win- kein, die von 90° verschieden sind, setzt voraus, dass die Hall-Sensoren und/oder die Anschlüsse der Hall-Sensoren in geeigneten Winkeln zueinander angeordnet sind.
Die Figuren 9 bis 12 zeigen schematisch Anordnungen aus vier Hall-Sensoren 1, 2, 3, 4, die mittels elektrisch leitender Verbindungen 10 in Reihe geschaltet sind, für aufeinander folgende Phasen eines Betriebsverfahrens, gemäß den Figuren 5 bis 8. In dem Ausführungsbeispiel der Figuren 9 bis 12 sind alle Hall-Sensoren 1, 2, 3, 4 wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 5 bis 8 mit Anschlüssen versehen, die im Winkel von 90°, 180° und 270° angeordnet sind. Für die elekt¬ rischen Verbindungen in den dargestellten Phasen gilt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 9 bis 12 das Entspre¬ chende wie für das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 5 bis 8. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 5 bis 8 sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 9 bis 12 der zweite Hall-Sensor 2 und der vierte Hall-Sensor 4 um 45° gegenüber dem ersten Hall-Sensor 1 und dem dritten Hall-Sensor 3 gedreht, so dass die Betriebsströme 12/12', 14/14' des zweiten Hall-Sensors 2 und des vierten Hall-Sensors 4 um 45°, 135°, 225° beziehungsweise 315° gegen¬ über den Betriebsströmen 11/11', 13/13' des ersten Hall- Sensors 1 und des dritten Hall-Sensors 3 gedreht sein können. Statt dessen können die Hall-Sensoren 1, 2, 3, 4 alle gleich ausgerichtet sein und zum Beispiel mit acht Anschlüssen ver¬ sehen sein, deren Ausrichtungen Winkel bilden, die Vielfache von 45° sind. Wenn jeder Hall-Sensor 1, 2, 3, 4 der Anordnung mit acht Anschlüssen versehen ist, kann das Verfahren auch mit acht Phasen unterschiedlicher Verschaltungen durchgeführt werden .
Die Figur 13 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Hall- Sensor-Anordnung 5, eines Schaltungsnetzwerkes 6, einer
Stromversorgungseinheit 7 und einer Messschaltung 8. Die elektrisch leitenden Verbindungen 10 zwischen der Hall- Sensor-Anordnung 5 und dem Schaltnetzwerk 6 sind dafür vorgesehen, die für die Reihenschaltung der Hall-Sensoren und die für den Abgriff der Signale, insbesondere einer Hall- Spannung, vorgesehenen Anschlüsse geeignet zu verschalten. Diese Schaltung wird in jeder Betriebsphase geändert, wozu eine entsprechende Vorrichtung, zum Beispiel ein Multiplexer, in dem Schaltnetzwerk 6 vorgesehen ist. Außerdem verbindet das Schaltnetzwerk 6 die Hall-Sensoren mit den entsprechenden Anschlüssen einer Stromversorgungseinheit 7, die die Be¬ triebsströme oder Betriebsspannungen über entsprechende Ver- bindungen 15 zur Verfügung stellt. Weitere Verbindungen 16 führen von dem Schaltnetzwerk zu der Messschaltung 8, so dass die an den jeweiligen Anschlüssen der Hall-Sensor-Anordnung 5 abgegriffenen Signale, insbesondere Hall-Spannungen, gemessen werden können.
Die Richtungen der Betriebsströme und der Spannungsabgriff können in den unterschiedlichen Phasen insbesondere so eingerichtet sein, dass die Hall-Spannung ihr Vorzeichen zwischen zwei Phasen, die sich um 90° oder 270° in der Stromrichtung unterscheiden, ändert. Der Offset ist dann ein statisches
Signal. Das Schaltnetzwerk 6, zum Beispiel ein Multiplexer, kann in diesem Fall bei Einsatz eines Zerhacker-Verstärkers (chopper) zusätzlich zu dem Umschalten der Anschlussverbindungen zwischen den einzelnen Phasen auch zum Zerhacken des Signals (chopping) eingesetzt werden.
Die Figur 14 zeigt eine schematische Darstellung eines Hall- Sensor-Halbleiterbauelements mit einem Halbleiterkörper 9, der dotierte Bereiche 18 an einer im Wesentlichen ebenen Oberseite 19 aufweist. Mit den dotierten Bereichen 18 und den schematisch eingezeichneten Anschlüssen 11, 12, 13, 14 ist ein vertikaler Hall-Sensor gebildet, der an sich bekannt und auch in dem eingangs zitierten Buch von R. S. Popovic beschrieben ist. Mit einem vertikalen Hall-Sensor kann eine Magnetfeldkomponente in der Ebene der Oberseite 19, also in vektoriell aus den eingezeichneten Pfeilen x und y gebildeten Richtungen, gemessen werden. In dem Bauelement können weitere vertikale Hall-Sensoren integriert sein sowie auch laterale Hall-Sensoren, mit denen eine Magnetfeldkomponente senkrecht zu der Ebene der Oberseite 19, also in der Richtung des Pfeils z, gemessen werden kann. Vertikale und/oder laterale Hall-Sensoren können bei einer Messung wie oben beschrieben phasenweise unterschiedlich verschaltet werden. An der Oberseite 19 können elektronische Komponenten, insbesondere des Schaltnetzwerkes 6, der Stromversorgungseinheit 7 und der Messschaltung 8, integriert sein. Das Halbleiterbauelement kann zum Beispiel in Silizium hergestellt sein.
Die Figuren 15 bis 21 zeigen Schemata für unterschiedliche Ausrichtungen der Betriebsströme zueinander. Die Betriebsströme und deren Richtungen sind wie in den Figuren 1 bis 12 jeweils durch einen Pfeil wiedergegeben. Die Figuren 16 bis 18 betreffen jeweils Aus führungs formen mit vier Hall-Sensoren, während die Figur 15 ein Beispiel mit zwei Sensoren, die Figur 19 ein Beispiel mit drei Sensoren, die Figur 20 ein Beispiel mit acht Sensoren und die Figur 21 ein Beispiel mit zwölf Sensoren wiedergibt. Unter den Pfeilen ist jeweils der im mathematisch positiven Drehsinn gemessene Winkel des
Pfeils in Bezug auf den links eingezeichneten ersten Pfeil angegeben. Die Wahl der Richtungen der Betriebsströme gemäß der Figur 15 ist bei einer Anordnung von zwei Hall-Sensoren besonders geeignet.
In den Beispielen der Figuren 16, 17 und 18 gibt es jeweils zwei Sensorpaare, deren Betriebsströme im Winkel von 90° zu¬ einander gerichtet sind. In den Beispielen der Figuren 16 und 18 bilden die Sensoren 1 und 2 ein Paar und die Sensoren 3 und 4 das andere Paar. In dem Beispiel der Figur 17 bilden die Sensoren 1 und 3 ein Paar und die Sensoren 2 und 4 das andere Paar. In dem Beispiel der Figur 16 sind die Richtungen der Betriebsströme des zweiten Paars von Sensoren gegenüber dem ersten Paar von Sensoren um 180° gedreht. In dem Beispiel der Figur 17 sind die Richtungen der Betriebsströme des zweiten Paars von Sensoren gegenüber dem ersten Paar von Sensoren um 45° gedreht.
In dem Beispiel der Figur 18 sind die Richtungen der Be- triebsströme des zweiten Paars von Sensoren gegenüber dem ersten Paar von Sensoren um 135° gedreht.
Die in den Figuren 17 und 18 gezeigten Richtungen der Betriebsströme sind bei einer Anordnung von vier Hall-Sensoren besonders geeignet und können insbesondere in zwei verschie¬ denen Betriebsphasen einer Anordnung von vier Hall-Sensoren eingesetzt werden.
In dem Beispiel der Figur 15 sind die Richtungen der Be- triebsströme um 45°, das heißt, um 90° dividiert durch die Anzahl der Sensoren, gedreht.
In dem Beispiel der Figur 19 sind die Richtungen der Betriebsströme in den aufeinander folgenden Hall-Sensoren je- weils um 30°, das heißt, um 90° dividiert durch die Anzahl der Sensoren, gedreht.
In dem Beispiel der Figur 20 sind die Richtungen der Betriebsströme in den aufeinander folgenden Hall-Sensoren je- weils um 45°, das heißt, um 360° dividiert durch die Anzahl der Sensoren, gedreht. In dem Beispiel der Figur 21 sind die Betriebsströme in den aufeinander folgenden Hall-Sensoren jeweils um 30°, das heißt, um 360° dividiert durch die Anzahl der Sensoren, zueinander gedreht.
In den Beispielen der Figuren 17, 18 und 20 werden die Versorgungsanschlüsse der Hall-Sensoren in jeder der Phasen so geschaltet, dass die Richtungen der Betriebsströme innerhalb zweier Gruppen, die dieselbe Anzahl von Hall-Sensoren umfas- sen, untereinander Winkel von 90°, 180° und/oder 270° einschließen, und die Richtungen der Betriebsströme zweier Hall- Sensoren, die zu verschiedenen dieser Gruppen gehören, jeweils einen Winkel von 45°, 135°, 225° oder 315° einschließen. Im Fall der Figur 17 wird eine dieser Gruppen durch die Sensoren 1 und 3 und die andere dieser Gruppen durch die Sensoren 2 und 4 gebildet. Im Fall der Figur 18 wird eine dieser Gruppen durch die Sensoren 1 und 2 und die andere dieser Gruppen durch die Sensoren 3 und 4 gebildet. Im Fall der Figur 20 wird eine dieser Gruppen durch die Sensoren 1, 3, 5 und 7 und die andere dieser Gruppen durch die Sensoren 2, 4, 6 und 8 gebildet.
Die Figuren 15 bis 21 zeigen, dass in einer Schaltungsphase die Richtungen der Betriebsströme in den Hall-Sensoren ver- schieden sind. In den aufeinander folgenden Schaltungsphasen werden die Richtungen der Betriebsströme der Hall-Sensoren geändert. Hierbei können zum Beispiel die Winkel zwischen den Richtungen der Betriebsströme in den gemäß der Reihenschal¬ tung aufeinander folgenden Hall-Sensoren gleich bleiben. Die Pfeildiagramme der Figuren 15 bis 21 bleiben in diesem Fall bis auf eine zyklische Permutation der Pfeile gleich. Statt¬ dessen können die Winkel zwischen den Richtungen der Be- triebsströme in den gemäß der Reihenschaltung aufeinander folgenden Hall-Sensoren auch von Phase zu Phase variieren.
Die Figur 22 zeigt schematische Darstellungen typischer An- Ordnungen von zwei, vier, neun, zwölf, dreizehn beziehungsweise sechzehn Hall-Sensoren innerhalb einer Ebene. Die Hall- Sensoren sind durch Quadrate repräsentiert. Die Richtungen der Betriebsströme sind waagrecht oder senkrecht oder auch diagonal, je nach der Anordnung der Anschlüsse der Hall- Sensoren. Die Anordnungen sind in den dargestellten Beispielen jeweils symmetrisch bezüglich einer Rotation um 90° um eine senkrecht auf der Ebene der Anordnung stehende Achse, die durch die Mitte der betreffenden Anordnung läuft. Eine symmetrische Hall-Sensor-Anordnung ist besonders geeignet zur Eliminierung der unerwünschten Offset-Spannung .
Die in der Figur 22 für zwei Hall-Sensoren gezeigte diagonale Anordnung kann besonders geeignet sein, wenn nur zwei unterschiedliche Phasen verwendet werden.
Die Figur 23 zeigt eine Anordnung aus zwei Hall-Sensoren 1, 2, die im Winkel von 45° zueinander angeordnet sind, zum Bei¬ spiel die Hall-Sensoren 1 und 2 aus Figur 9. Die Richtungen der Betriebsströme 11/11', 12/12' schließen in der darge- stellten Phase ebenfalls einen Winkel von 45° ein. In dem dargestellten Betriebsmodus sind jeweils getrennte Stromquel¬ len II, 12 und Stromsenken II', 12' für die Betriebsströme 11/11', 12/12' vorhanden. Die Figur 24 zeigt die Anordnung gemäß Figur 23 für einen anderen Betriebsmodus, in dem eine den Hall-Sensoren 1, 2 gemeinsame Stromquelle beziehungsweise Stromsenke I oder ein gemeinsamer Spannungsanschluss V vorhanden ist . Der Schal- tungsaufwand ist hierdurch im Vergleich zu dem Ausführungs¬ beispiel gemäß Figur 23 vereinfacht, aber die erreichte Emp¬ findlichkeit des Hall-Sensor-Halbleiterbauelementes ist grö¬ ßer als bei einem Einzelsensor.
Die Figur 25 zeigt die Anordnung gemäß Figur 23 für einen Betriebsmodus, in dem den beiden Hall-Sensoren 1, 2 gemeinsame Stromquellen I und Stromsenken I', Spannungsanschlüsse V, V oder eine Kombination einer Stromquelle I beziehungs- weise einer Stromsenke I' mit einem Spannungsanschluss V, V vorgesehen sind. Die Beschaltung kann also wie bei einem einzelnen Hall-Sensor erfolgen. Die Anordnung entspricht einem nicht rotationssymmetrischen Hall-Sensor, der im Unterschied zu herkömmlichen asymmetrischen Hall-Sensoren mit der Mög- lichkeit ausgestattet ist, die Spinning-Current-Technik einzusetzen. Durch die Reihenschaltung der Signalanschlüsse ist die erreichte Empfindlichkeit des Hall-Sensor-Halbleiterbau¬ elementes deutlich größer als bei einem Einzelsensor. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Hall-Sensor-Halbleiterbau- element mit konstanter Betriebsspannung betrieben werden, so dass keine Versorgung mit Konstantstromquellen erforderlich ist .
Die Figur 26 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel aus vier Hall-Sensoren 1, 2, 3, 4, die wie in dem Ausführungsbeispiel der Figuren 9 bis 12 ausgerichtet sind. Die Schaltung ent¬ spricht dem Betriebsmodus gemäß der Figur 25, bei dem den Hall-Sensoren 1, 2, 3, 4 gemeinsame Stromquellen I und Stromsenken I', Spannungsanschlüsse V, V oder eine Kombination einer Stromquelle I beziehungsweise einer Stromsenke I' mit einem Spannungsanschluss V, V vorgesehen sind. Diese Anord¬ nung entspricht gleichfalls einem nicht rotationssymmetrischen Hall-Sensor, der im Unterschied zu herkömmlichen asym- metrischen Hall-Sensoren mit der Möglichkeit ausgestattet ist, die Spinning-Current-Technik einzusetzen.
Mit dem Schaltnetzwerk 6 können Stromquellen, die die Be- triebsströme liefern, ohne Schwierigkeit permutiert werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn jeweils zu einer Betriebs¬ phase eine weitere Betriebsphase vorgesehen ist, in der die Richtung des Betriebsstromes in jedem Hall-Sensor umgekehrt ist, der Betriebsstrom also die entgegengesetzte Orientierung besitzt. Das wird anhand der Figuren 27 und 28 erläutert.
Die Figur 27 zeigt ein Schaltungsdiagramm für eine Anordnung aus zwei Hall-Sensoren 1, 2 mit der zu einer Phase gehörenden Schaltung der Versorgungsanschlüsse 12, 14, 22, 24 und der Signalanschlüsse 11, 13, 21, 23, so dass die Hall-Sensoren über die Signalanschlüsse 11, 13, 21, 23 in Reihe geschaltet sind. Für die Betriebsströme 11/11', 12/12' sind in der
Schaltung Stromquellen II, 12 und Stromsenken II', 12' vorgesehen .
Die Figur 28 zeigt ein Schaltungsdiagramm gemäß Figur 27 für eine Betriebsphase derselben Anordnung von Hall-Sensoren 1, 2, in der die Stromquellen II, 12 und Stromsenken II', 12' der Betriebsströme 11/11', 12/12' gegenüber der Phase gemäß der Figur 27 vertauscht sind. Aufgrund der um 180° gedrehten Stromrichtungen besitzt eine auftretende Hall-Spannung eine umgekehrte Polarität, was in den Figuren 27 und 28 durch die eingetragenen Vorzeichen + und - des Spannungsmessers 20 kenntlich gemacht ist.
Das beschriebene Betriebsverfahren ist zur Anwendung der Spinning-Current-Technik in zwei, vier, acht oder allgemein 2n (n eine natürliche Zahl) Phasen geeignet, wenn eine aus- reichende Anzahl von Anschlüssen an den Hall-Sensoren vorgesehen wird. Die Hall-Sensoren können identisch, paarweise identisch oder auch verschieden sein. Falls unterschiedliche Sensoren vorgesehen sind, können die Sensoren im Hinblick au die spezifische Richtung des Betriebsstromes und/oder die Abmessungen individuell optimiert werden.
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- 2 b -
Bezugs zeichenliste
1 erster Hall-Sensor
2 zweiter Hall-Sensor
b 3 dritter Hall-Sensor
4 vierter Hall-Sensor
b Hall-Sensor-Anordnung
6 Schaltnetzwerk
7 Stromversorgungseinheit
10 8 Messschaltung
9 Halbleiterkörper
10 Verbindung
11 Signalanschluss
12 Versorgungsanschluss
lb 13 Signalanschluss
14 Versorgungsanschluss
lb Verbindung
16 Verbindung
17 Stromquelle/Stromsenke
20 18 dotierter Bereich
19 Oberseite des Halbleiterkörpers
20 Spannungsmesser
21 Signalanschluss
22 Versorgungsanschluss
2b 23 Signalanschluss
24 Versorgungsanschluss
31 Signalanschluss
32 Versorgungsanschluss
33 Signalanschluss
30 34 Versorgungsanschluss
41 Signalanschluss
42 Versorgungsanschluss
43 Signalanschluss r
- Z 6 -
44 Versorgungsanschluss
I Stromquelle
I ' Stromsenke
In Stromquelle
In' Stromsenke
V Spannungsanschluss
V Spannungsanschluss
Vn Spannung
Vn' Spannung

Claims

Patentansprüche
1. Hall-Sensor-Halbleiterbauelement mit
- einer Anordnung (5) aus mindestens zwei Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) mit jeweils vier Anschlüssen (11, 12, 13, 14,
21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 34, 41, 42, 43, 44) und
- einem Schaltnetzwerk (6), das dafür vorgesehen ist, die Anschlüsse (11, 12, 13, 14, 21, 22, 23, 24, 31, 32, 33, 34, 41, 42, 43, 44) für Phasen des Betriebs des Hall- Sensor-Halbleiterbauelementes jeweils derart zu verschal¬ ten, dass jeweils zwei der vier Anschlüsse jedes der Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) Versorgungsanschlüsse (12, 14,
22, 24, 32, 34, 42, 44) für innerhalb der Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) fließende Betriebsströme (Ιι/Ιι', I2/I2', Ι3/Ι3', I4/I4' ) und die anderen beiden Anschlüsse jeweils
Signalanschlüsse (11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43) zum Ab¬ greifen einer Hall-Spannung sind, wobei diese Verschal- tung in aufeinander folgenden Phasen variiert,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Schaltnetzwerk (6) derart ausgebildet ist, dass es in jeder der Phasen die jeweiligen Signalanschlüsse (11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43) in Reihe schaltet, so dass in den Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) auftretende Hall-Spannungen (Vi/Vi', V2/V2' V3/V3', V4/V4') addiert werden und ein Sum- mensignal an den jeweils äußeren Signalanschlüssen (11,
43) der Reihenschaltung gemessen werden kann.
2. Hall-Sensor-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) in einem Halbleiterkörper (9), der eine Oberseite (19) aufweist, angeordnet und so ausgerichtet sind, dass im Betrieb des Hall-Sensor- Halbleiterbauelementes eine zu der Oberseite (19) paral¬ lele Magnetfeldkomponente eine Hall-Spannung erzeugt.
3. Hall-Sensor-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem
eine Stromversorgungseinheit (7) vorgesehen ist, die Stromquellen und Stromsenken (17) bereitstellt, und voneinander getrennte Verbindungen (15) zwischen dem Schaltnetzwerk (6) und der Stromversorgungseinheit (7) zum Anschluss der Stromquellen und Stromsenken (17) an die Versorgungsanschlüsse (12, 14, 22, 24, 32, 34, 42, 44) vorgesehen sind.
4. Hall-Sensor-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem
die Versorgungsanschlüsse (12, 14, 22, 24, 32, 34, 42, 44) der Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) für einen Zufluss und einen Abfluss der Betriebsströme (Ιι/Ιι', I2/I2', I3/I3' , I4/I4' ) vorgesehen sind und
das Schaltnetzwerk (6) in jeder der Phasen die für den Zufluss vorgesehenen Versorgungsanschlüsse (12, 22, 32, 42) und/oder die für den Abfluss vorgesehenen Versorgungsanschlüsse (14, 24, 34, 44) miteinander verbindet.
5. Hall-Sensor-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem
mindestens einer der Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) aus einer fest verdrahteten Schaltung mehrerer einzelner Hall- Sensoren besteht.
6. Hall-Sensor-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem
die jeweils als Versorgungsanschlüsse (12, 14, 22, 24, 32, 34, 42, 44) geschalteten Anschlüsse der Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) in jeder der Phasen so angeordnet sind, dass sie Richtungen der innerhalb der Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) fließenden Betriebsströme (Ιι/Ιι', I2/I2', I3/I3' ,
I4/I4' ) bestimmen, die untereinander auch Winkel von 45°, 135°, 225° und/oder 315° einschließen.
Verfahren zum Betrieb eines Hall-Sensor-Halbleiterbauele¬ mentes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem
die jeweils als Versorgungsanschlüsse (12, 14, 22, 24, 32, 34, 42, 44) geschalteten Anschlüsse der Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) in jeder der Phasen so angeordnet werden, dass sie Richtungen der innerhalb der Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) fließenden Betriebsströme (Ιι/Ιι', I2/I2', I3/I3' , I4/I4' ) bestimmen, die jeweils in zwei gemäß der Reihen¬ schaltung aufeinander folgend über Signalanschlüsse (11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43) miteinander verbundenen Hall- Sensoren (1, 2, 3, 4) verschieden sind.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem
eine gerade Anzahl von Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) verwendet wird und
die jeweils als Versorgungsanschlüsse (12, 14, 22, 24, 32, 34, 42, 44) geschalteten Anschlüsse der Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) in jeder der Phasen so angeordnet werden, dass sie Richtungen der innerhalb der Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) fließenden Betriebsströme (Ιι/Ιι', I2/I2', I3/I3' , I4/I4' ) derart bestimmen, dass die Richtungen der innerhalb einer Hälfte der Hall-Sensoren (1, 2) fließenden Betriebsströme (Ιι/Ιι', I2/I2') untereinander Winkel von 90°, 180° und/oder 270° einschließen und zu den Richtungen der innerhalb der übrigen Hall-Sensoren (3, 4) fließenden Betriebsströme (I3/I3' , I4/I4' ) jeweils einen Win¬ kel von 45°, 135°, 225° oder 315° einschließen.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem
zu jeder Phase eine frühere oder eine spätere Phase stattfindet, in der dieselben Anschlüsse der Hall- Sensoren (1, 2, 3, 4) als Versorgungsanschlüsse (12, 14, 22, 24, 32, 34, 42, 44) verwendet werden und in jedem Hall-Sensor (1, 2, 3, 4) die Richtung des Betriebsstromes (Ιι/Ιι', I2/I2', I3/I3' , I4/I4' ) umgekehrt ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem
die Abfolge der Hall-Sensoren (1, 2, 3, 4) innerhalb der Reihenschaltung der Signalanschlüsse (11, 13, 21, 23, 31, 33, 41, 43) von Phase zu Phase geändert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem
für die Betriebsströme (Ιι/Ιι', I2/I2', I3/I3' , I4/I4' ) Stromquellen (Ii, I2, I3, I4) und Stromsenken (Ii', I2', I3' , I4') vorgesehen sind und eine Phase stattfindet, in der die Verbindung der Stromquellen (Ii, I2, I3, I4) und Stromsenken (Ii', I2'/ I3' / I4' ) mit denselben Versor¬ gungsanschlüssen (12, 14, 22, 24, 32, 34, 42, 44) gegenüber einer früheren Phase permutiert ist.
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