DE102018201724A1

DE102018201724A1 - Hall-Sensor-Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen eines Magnetfelds

Info

Publication number: DE102018201724A1
Application number: DE102018201724.7A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-02-05
Filing date: 2018-02-05
Publication date: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2038-02-06
Also published as: US11073574B2; DE102018201724B4; US20190242955A1

Abstract

Eine Hall-Sensor-Vorrichtung weist ein Hall-Effekt-Gebiet mit mindestens fünf Kontakten, die mit mindestens fünf Anschlüssen verdrahtet sind, wobei keiner der mindestens fünf Kontakte mit mehr als einem der mindestens fünf Anschlüsse verdrahtet ist, eine Versorgungsschaltung und eine Erfassungsschaltung auf. In einer ersten Betriebsphase tritt ein Versorgungsstrom durch einen einzigen Anschluss der mindestens fünf Anschlüsse in das Hall-Effekt-Gebiet ein oder aus dem Hall-Effekt-Gebiet aus, und zwei Differenz-Signale werden auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential zwischen jeweils zwei der mindestens fünf Anschlüsse erfasst. Die Erfassungsschaltung ist ausgelegt, um die erfassten Differenz-Signale zu einem Gesamtsignal zu kombinieren.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung befasst sich mit Hall-Sensor-Vorrichtungen mit mindestens fünf Anschlüssen und Verfahren zum Erfassen eines Magnetfelds unter Verwendung einer entsprechenden Hall-Sensor-Vorrichtung.
Hintergrund
Magnetfeldempfindliche Vorrichtungen werden verwendet, um magnetische Felder zu messen. Beispiele magnetfeldempfindlicher Vorrichtungen sind Hall-Sensor-Vorrichtungen, die ein Ausgangssignal aufweisen, das proportional zu einem anliegenden Magnetfeld ist. Magnetfeldempfindliche Vorrichtungen können bei einem Magnetfeld von null ein Signal ausgeben, das von null verschieden ist. Dieses Signal wird als Offset-Fehler (Null-Feld-Fehler) der Vorrichtung bzw. des Sensorelements bezeichnet.
Hall-Sensor-Vorrichtungen bzw. Hall-Effekt-Sensoren umfassen eine Hall-Effekt-Gebiet, in dem der Hall-Effekt stattfindet, das manchmal als das aktive Gebiet bezeichnet wird und das mit drei oder mehr Kontakten versehen ist. Generell kann das Hall-Effekt-Gebiet aus einem Halbleitermaterial (beispielsweise Silizium) in einem Halbleitersubstrat gebildet sein. Das Hall-Effekt-Gebiet kann beispielsweise als eine dotierte Wanne in einem Halbleitermaterial eines anderen Dotierungstyps gebildet sein. Ein Kontakt kann durch einen höher dotierten Kontaktbereich in oder in Berührung mit dem Hall-Effekt-Gebiet gebildet sein. Ein Kontakt kann durch eine Kontaktdiffusion oder einen Implantationsprozess gebildet sein. Mehrere Kontakte können über Metallleitungen mit dem gleichen Anschluss verbunden sein, beispielsweise in einer Zwischenverbindungsschicht der Halbleitertechnologie. Anschlüsse werden verwendet, um die Vorrichtung bzw. das Bauelement mit elektrischer Leistung zu versorgen und seine Ausgangssignale abzugreifen.
Hall-Platten, die manchmal als horizontale Hall-Elemente bezeichnet werden, sind flache Vorrichtungen und können eine Dicke aufweisen, die 5- bis 10000-mal (typischerweise 50) kleiner ist als ihre laterale Größe. Hall-Platten werden verwendet, um Magnetfeldkomponenten entlang ihrer Dickenrichtung (d.h. der Richtung in das Halbleitersubstrat bzw. in der Richtung senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats) zu erfassen. In der Siliziumtechnologie sind Hall-Platten typischerweise 1 bis 3 µm dick und in lateralen Richtungen 10 bis 100 µm groß. Das Layout von Hall-Platten kann rechteckig, quadratisch, kreisförmig, achteckig, kreuzförmig oder sogar dreieckig sein.
Vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen (VHalls) sind dickere Vorrichtungen, bei denen eine der lateralen Abmessungen vergleichbar (beispielsweise 0,2-mal bis zu 10-mal) zu ihrer Abmessung in der Dickenrichtung (d.h. der Richtung in das Halbleitersubstrat bzw. senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats) ist. Vertikale Hall-Effekt-Vorrichtungen besitzen häufig die Form langer Streifen, meistens gerade, manchmal gekrümmt, bogenförmig oder sogar kreisringförmig. Vertikale Hall-Vorrichtungen werden verwendet, um magnetische Feldkomponenten parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats zu erfassen.
Hall-Effekt-Vorrichtungen mit vier Anschlüssen können in einem Spinning-Current-Betrieb betrieben werden, wobei in einer ersten Betriebsphase ein Versorgungsstrom durch ein erstes Paar von Anschlüssen bewirkt wird und eine Spannung an einem zweiten Paar von Anschlüssen abgegriffen wird. In einer zweiten Betriebsphase werden die ersten und zweiten Paare von Anschlüssen vertauscht und schließlich werden die Spannungen beider Betriebsphasen kombiniert (addiert oder subtrahiert), um ein Gesamtsignal zu erhalten. Der Null-Feld-Fehler dieses Gesamtsignals kann als Rest-Offset bezeichnet werden.
Es wurden Hall-Platten mit acht Kontakten beschrieben, die in einem Spinning-Current-Betrieb betrieben werden, wobei in jeder Betriebsphase des Spinning-Current-Betriebs Strom zwischen zwei diagonal gegenüberliegenden Kontakten fließt und ein Signal an nur einem Kontaktpaar abgegriffen wird, das bei einem Gleichtakt-Potential von 50 % der Versorgungsspannung liegt. Die übrigen vier Kontakte werden in dieser Betriebsphase nicht verwendet. Durch die Verwendung von acht Kontakten kann eine Reduzierung des Rest-Offsets erreicht werden.
Ferner sind Hall-Platten mit vier Kontakten bekannt, wobei beschrieben wurde, dass solche Hall-Platten ein maximales Signal-zu-Rausch-Verhältnis haben, wenn sie symmetrisch sind und wenn die Kontakte nicht zu klein und nicht zu groß sind.
Es besteht ein Bedarf nach alternativen Hall-Sensor-Vorrichtungen und Verfahren zum Erfassen eines Magnetfelds, die ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis ermöglichen.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen eine Hall-Sensor-Vorrichtung mit einem Hall-Effekt-Gebiet mit mindestens fünf Kontakten, die mit mindestens fünf Anschlüssen verdrahtet sind, wobei keiner der mindestens fünf Kontakte mit mehr als einem der mindestens fünf Anschlüsse verdrahtet ist, einer Versorgungsschaltung, und einer Erfassungsschaltung. In einer ersten Betriebsphase tritt ein Versorgungsstrom durch einen einzigen Anschluss der mindestens fünf Anschlüsse in das Hall-Effekt-Gebiet ein oder aus dem Hall-Effekt-Gebiet aus, und zwei Differenz-Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential werden zwischen jeweils zwei der mindestens fünf Anschlüsse erfasst. Die Erfassungsschaltung ist ausgelegt, um die erfassten Differenz-Signale zu einem Gesamtsignal zu kombinieren.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfelds unter Verwendung einer Hall-Sensor-Vorrichtung mit einem Hall-Effekt-Gebiet mit mindestens fünf Kontakten, die mit mindestens fünf Anschlüssen verdrahtet sind, wobei keiner der mindestens fünf Kontakte mit mehr als einem der mindestens fünf Anschlüsse verdrahtet ist. Während einer Betriebsphase wird ein Versorgungsstrom durch das Hall-Effekt-Gebiet erzeugt, wobei der Versorgungsstrom durch einen einzigen Anschluss der mindestens fünf Anschlüsse in das Hall-Effekt-Gebiet eintritt oder aus dem Hall-Effekt-Gebiet austritt. Zwei Differenz-Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential werden zwischen jeweils zwei der mindestens fünf Anschlüsse erfasst. Die erfassten Differenz-Signale werden zu einem Gesamtsignal kombiniert.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung werden somit zumindest zwei Hall-Signale in Form von Differenz-Signalen erfasst, während der gleiche Versorgungsstrom in einer Betriebsphase durch das Hall-Effekt-Gebiet erzeugt wird, was eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses ermöglicht. Da die Hall-Signale auf einem unterschiedlichen Gleichtakt-Potential erfasst werden, kann das Rauschen derselben zumindest teilweise statistisch unabhängig voneinander sein, so dass durch eine Kombination der Hall-Signale eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses möglich ist. Bei Beispielen kann ferner eine größere Anzahl von Kontakten vorgesehen sein, wobei während einer Betriebsphase mehr als zwei Paare der Anschlüsse als Erfassungspaare mit der Erfassungsschaltung gekoppelt sein können, um mehr als zwei Hall-Signale in Form von Differenz-Signalen auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential zu erfassen. Dadurch kann das Signal-Rausch-Verhältnis weiter erhöht werden.
Bei Beispielen kann erreicht werden, dass die Hall-Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential erfasst werden, durch die Anordnung der Kontakte, die jeweils als Versorgungskontakte und Erfassungskontakte dienen. Eine gerade virtuelle Linie, die die Kontakte des ersten Erfassungspaars miteinander verbindet, sei eine erste virtuelle Linie. Eine gerade virtuelle Linie, die die Kontakte des zweiten Erfassungspaars miteinander verbindet, sei eine zweite virtuelle Linie. Eine gerade virtuelle Linie, die zwei Kontakte, die mit Anschlüssen, die mit der Versorgungschaltung verbunden sind, verbindet, sei eine dritte virtuelle Linie. Erfassungssignale auf einem unterschiedlichen Gleichtakt-Potential können erreicht werden, wenn die erste virtuelle Linie und die zweite virtuelle Linie die dritte virtuelle Linie an unterschiedlichen Orten schneiden. Somit durchläuft der Strom, der zwischen den beiden Kontakten, die mit der Versorgungsschaltung gekoppelten sind, zwischen dem Kreuzungspunkt der ersten und dritten virtuellen Linie und dem Kreuzungspunkt der zweiten und dritten virtuellen Line (also zwischen dem ersten Hall-Signal und dem zweiten Hall-Signal) ein Potentialgefälle, so dass das erste Hall-Signal auf einem anderen Gleichtakt-Potential erfasst wird als das zweite Hall-Signal. Anders ausgedrückt werden die verschiedenen Hall-Signale an unterschiedlichen Positionen entlang des Stromwegs des Versorgungsstroms durch das Hall-Effekt-Gebiet erfasst. Somit durchläuft der gleiche Strom bzw. die gleiche Stromlinie zwei Gebiete und erzeugt in beiden Gebieten eine Hallspannung die mit jeweils einem Kontaktpaar einer Messung zugänglich gemacht wird. Es wird diese Stromlinie also doppelt genutzt, sodass bei minimaler elektrische Leistung maximal viel Ausgangssignal erzeugt werden kann.
Beispiele basieren somit auf der Idee, mehr als ein Ausgangssignal in jeder Betriebsphase, d.h. dem gleichen Versorgungsstrom zwischen den gleichen Versorgungskontakten, zu erfassen, wobei die Ausgangssignale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential erfasst werden.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung weist die Hall-Sensor-Vorrichtung eine Steuerschaltung auf, die ausgelegt ist, um in mehr als einer Betriebsphase die mindestens fünf Anschlüsse selektiv mit der Versorgungsschaltung und der Erfassungsschaltung zu koppeln, so dass in jeder Betriebsphase ein Versorgungsstrom durch einen einzigen Anschluss der mindestens fünf Anschlüsse in das Hall-Effekt-Gebiet eintritt oder aus dem Hall-Effekt-Gebiet austritt, und in jeder Betriebsphase zwei Differenz-Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential erfasst werden. Bei Beispielen kann die Steuerschaltung ausgelegt sein, um in der ersten Betriebsphase eine Gruppe von mindestens zwei Anschlüssen mit der Versorgungsschaltung zu koppeln und ein erstes und ein zweites Paar der Anschlüsse mit der Erfassungsschaltung zu koppeln, und in einer zweiten Betriebsphase eine von der ersten Gruppe verschiedene Gruppe von mindestens zwei Anschlüssen mit der Versorgungsschaltung zu koppeln, und zwei andere von dem ersten und zweiten Paar verschiedene Paare der Anschlüsse als Erfassungspaare mit der Erfassungsschaltung zu koppeln. Somit ermöglichen Beispiele der vorliegenden Offenbarung in verschiedenen Betriebsphasen ein Umschalten zwischen verschiedenen Versorgungsanschlüssen und Erfassungsanschlüssen. Dadurch ist es möglich, neben einem erhöhten Signal-Rausch-Verhältnis durch Kombination der während der verschiedenen Betriebsphasen erhaltenen Hall-Signale eine Reduzierung des Rest-Offsets zu erreichen.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung weisen die Anschlüsse N Paare von Anschlüssen auf, wobei N eine natürliche Zahl größer oder gleich drei ist, wobei die Steuerschaltung ausgelegt ist, um einen Spinning-Current-Betrieb durchzuführen, wobei in jeder Betriebsphase des Spinning-Current-Betriebs ein anderes Paar der Anschlüsse als Versorgungspaar mit der Versorgungsschaltung gekoppelt ist und die übrigen N-1 Paare als Erfassungspaare mit der Erfassungsschaltung gekoppelt sind, wobei in dem Spinning-Current-Betrieb der Versorgungsstrom durch einen anderen Anschluss in das Hall-Effekt-Gebiet eingespeist wird. Dadurch ist es möglich, den Rest-Offset weiter zu reduzieren.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung weist die Hall-Sensor-Vorrichtung 2N Anschlüsse mit 3 ≤ N auf, wobei N eine natürliche Zahl ist. Durch eine größere Anzahl von Anschlüssen kann in einem Spinning-Current-Betrieb eine bessere Reduzierung des Rest-Offsets erreicht werden. Jedoch verringert sich durch eine größere Anzahl von Anschlüssen und zugeordneten Kontakten der Abstand zwischen den einzelnen Kontakten, was zur Folge hat, dass die Kontakte näher beieinander liegen, so dass die statistische Unabhängigkeit des Rauschens der in einer Betriebsphase erfassten Hall-Signale abnimmt und der überwiegende Teil des Stroms durch die kurzschließende Wirkung der Kontakte vom Hall-Effekt-Gebiet abgezogen wird und somit die Stärke des Hall-Effekt-Signals vermindert wird. Es hat sich gezeigt, dass eine Anzahl von 2N Anschlüssen mit 3 ≤ N ≤ 6 sowohl ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis als auch einen reduzierten Rest-Offset ermöglicht.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung ist in der ersten Betriebsphase ein Paar der Anschlüsse als Versorgungspaar mit der Versorgungsschaltung gekoppelt, wobei eine Richtung, in der sich die Kontakte, die mit den Anschlüssen des Versorgungspaars verbunden sind, gegenüberliegen, senkrecht ist zu Richtungen, in denen sich die Kontakte, die mit den Anschlüssen der Verbindungspaare verbunden sind, gegenüberliegen. Anders ausgedrückt ist eine virtuelle Linie, die die Kontakte, die mit den Anschlüssen eines jeweiligen Erfassungspaars verbunden sind, verbindet, senkrecht zu einer virtuellen Linie, die die Kontakte, die mit den Anschlüssen des Versorgungspaars verbunden sind, verbindet. Dadurch ist es möglich, dass die einem jeweiligen Erfassungspaar zugeordneten Kontakte auf einem Isopotential-Level liegen, so dass der Null-Feld-Fehler (Versatzfehler) reduziert oder minimiert sein kann. Bei Beispielen sind die Anschlüsse eines ersten Kontakts und eines zweiten Kontakts, dessen Abstand zu dem ersten Kontakt größer ist als zu allen anderen Kontakten, als ein Versorgungspaar mit der Versorgungsschaltung gekoppelt.
Bei Beispielen wird ein Versorgungsstrom durch Kontakte in das Hall-Effekt-Gebiet eingespeist, wodurch sich bei verschwindendem Magnetfeld eine Potentialverteilung in einem flächenhaften Gebiet einstellt. Die Kontaktpaare zum Signalabgriff können dann auf Linien konstanten Potentials liegen. Bei Beispielen gibt es mindestens zwei Kontaktpaare zum Signalabgriff, die auf zwei unterschiedlichen Linien liegen. Bei Beispielen liegen die Gleichtakt-Potentiale von M Signalkontaktpaaren wenigstens Vsup/(M+1)/2 auseinander, mit Vsup = max(V) - min(V) und V = elektrisches Potential im Hall-Effekt-Gebiet.
Bei Beispielen können die Anschlüsse 2N-1 Anschlüsse aufweisen, mit N ≥ 3, wobei N eine natürliche Zahl ist, wobei in der ersten Betriebsphase drei Anschlüsse der mindestens fünf Anschlüsse mit der Versorgungsschaltung gekoppelt sind, wobei ein elektrischer Widerstand durch das Hall-Effekt-Gebiet zwischen einem ersten der drei Anschlüsse und einem dritten der drei Anschlüsse und ein elektrischer Widerstand durch das Hall-Effekt-Gebiet zwischen einem zweiten der drei Anschlüsse und dem dritten der drei Anschlüsse gleich ist, und wobei in der ersten Betriebsphase 2N-2 Anschlüsse der mindestens fünf Anschlüsse N-1 Anschlusspaare bilden, wobei an 2 ≤ M ≤ N-1 Anschlusspaaren Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential erfasst werden. In jeder Betriebsphase eines Spinning-Current-Betriebs kann eine andere Gruppe von drei Anschlüssen mit der Versorgungsschaltung gekoppelt sein. Somit ermöglichen Beispiele der vorliegenden Offenbarung Hall-Sensor-Vorrichtungen mit einer ungeradzahligen Anzahl von Anschlüssen.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung sind die Kontakte symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse durch das Hall-Effekt-Gebiet und/oder bezüglich eines geometrischen Schwerpunkts des Hall-Effekt-Gebiets angeordnet. Eine solche Anordnung ermöglicht eine Reduzierung des Rest-Offsets beispielsweise in einem Spinning-Current-Betrieb.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung ist die Erfassungsschaltung ausgelegt, um die in einer oder jeder Betriebsphase erfassten Differenz-Signale zu einem Gesamtsignal zu kombinieren, das auf einer Linearkombination der erfassten Differenz-Signale basiert. Es wurde herausgefunden, dass dadurch ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht werden kann. Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung werden Gewichtungsfaktoren bei der Berechnung der Linearkombination verwendet, wobei Differenzsignale, die auf einem gleichen Gleichtakt-Potential erfasst werden, betragsmäßig gleiche Gewichtungsfaktoren aufweisen. Die Gewichtungsfaktoren können von der geometrischen Anordnung der Kontakte, die mit den Anschlüssen der Erfassungspaare verbunden sind, abhängen. Die Gewichtungsfaktoren können beispielsweise vorab in Testreihen ermittelt werden und können gewählt werden, um ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Bei Beispielen ist die Linearkombination eine Addition. Es wurde überraschend herausgefunden, dass durch eine solche Addition, bei der Gewichtungsfaktoren verwendet werden können, ein erhöhtes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht werden kann.
Bei Beispielen ist die Erfassungsvorrichtung ausgelegt, um die Erfassungssignale aller Betriebsphasen zu addieren, um ein endgültiges Ausgangssignal zu erhalten. Dadurch ist es möglich, sowohl ein erhöhtes Signal-Rausch-Verhältnis als auch einen reduzierten Rest-Offset zu erhalten.
Bei Beispielen sind die Kontakte mit einem gleichmäßigen Winkelabstand um den Umfang des Hall-Effekt-Gebiets angeordnet. Es hat sich gezeigt, dass durch eine entsprechende Anordnung die Berechnung des endgültigen Ausgangssignals vereinfacht sein kann.
Figurenliste
Beispiele der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Hall-Sensor-Vorrichtung mit sechs Anschlüssen;
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels einer Hall-Sensor-Vorrichtung mit sechs Anschlüssen;
3 und 4 schematische Darstellungen eines Beispiels einer Hall-Sensor-Vorrichtung mit sechs Anschlüssen, die Details einer Versorgungsschaltung und einer Erfassungsschaltung in unterschiedlichen Betriebsphasen zeigen;
5 eine schematische Darstellung einer Hall-Sensor-Vorrichtung mit acht Anschlüssen;
6a-6h schematische Darstellungen zur Erläuterung unterschiedlicher Betriebsphasen der in 5 gezeigten Hall-Sensor-Vorrichtung;
7 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Hall-Sensor-Vorrichtung mit fünf Anschlüssen;
8a-8e schematische Darstellungen zur Erläuterung verschiedener Betriebsphasen der in 7 gezeigten Hall-Sensor-Vorrichtung;
9 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer vertikalen Hall-Sensor-Vorrichtung mit sechs Anschlüssen und sieben Kontakten;
10a-10c schematische Darstellungen zur Erläuterung unterschiedlicher Betriebsphasen der in 9 gezeigten Hall-Sensor-Vorrichtung.

Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung detailliert unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es darauf hingewiesen, dass in den Zeichnungen gleiche Elemente oder Elemente mit der gleichen Funktionalität mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sein können, wobei eine wiederholte Beschreibung solcher Elemente weggelassen sein kann. Daher können Beschreibungen für Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen gegenseitig austauschbar sein.
In der folgenden Beschreibung ist eine Mehrzahl von Einzelheiten dargelegt, um eine gründliche Erläuterung von Beispielen der vorliegenden Offenbarung zu liefern. Jedoch wird Fachleuten einleuchten, dass Beispiele der vorliegenden Offenbarung ohne diese spezifischen Einzelheiten praktiziert werden können. In anderen Fällen sind hinreichend bekannte Strukturen und Vorrichtungen in schematischer Querschnittansicht oder Draufsicht statt in Einzelheiten gezeigt, um die Beschreibung von Beispielen nicht zu verschleiern. Außerdem können Merkmale der hiernach beschriebenen verschiedenen Beispiele mit anderen Merkmalen anderer Beispiele kombiniert werden, es sei denn, es ist hierin ausdrücklich etwas anderes angegeben.
Hall-Sensor-Vorrichtungen, wie sie hierin beschrieben sind, können Hall-Effekt-Elemente aufweisen. Hall-Effekt-Elemente können aus einem oder mehreren Hall-Effekt-Gebieten mit Versorgungsanschlüssen und Signalanschlüssen bestehen. Der Hall-Effekt findet in dem Hall-Effekt-Gebiet statt, wobei die Lorentz-Kraft des magnetischen Felds auf sich bewegende Ladungsträger ein elektrisches Hall-Feld entstehen lässt. Die sich bewegenden Ladungsträger werden durch eine elektrische Energiequelle geliefert, die mit den Versorgungsanschlüssen verbunden ist. An den Signalanschlüssen kann das Ausgangssignal des Hall-Effekt-Elements abgegriffen werden. Jeder Anschluss ist mit zumindest einem Kontakt für das Hall-Effekt-Gebiet verbunden, wobei die Kontakte ohmsche Kontakte sind, was das Hall-Effekt-Element zu einem rein resistiven Element macht.
Bei Beispielen kann ein Hall-Effekt-Gebiet ein Halbleiterbereich eines Ladungsträgertyps sein, beispielsweise eines p- oder eines n-Typs. Bei Beispielen ist der Halbleiterbereich von einem n-Typ, wegen der größeren Ladungsträgerbeweglichkeit und dem dadurch bedingten größeren Hall-Signal-zu-Rausch-Abstand. Bei Beispielen kann der Halbleiterbereich in einem Halbleitersubstrat gebildet sein, beispielsweise als Wanne eines Dotierungstyps in einem Halbleitersubstrat eines entgegengesetzten Dotierungstyps. Bei Beispielen können das Halbleitersubstrat und der Halbleiterbereich Silizium aufweisen. Ein Kontakt kann ein Bereich derselben Dotierung wie das Hall-Effekt-Gebiet mit höherer Dotierungskonzentration sein. Beispielsweise kann ein Kontakt eine mindestens 10-mal, mindestens 100-mal und bis zu 1000-mal höhere Dotierungskonzentration als das Hall-Effekt-Gebiet aufweisen. Kontakte können als Kontaktwannen implementiert sein, die technologisch durch Diffusion oder Implantation hergestellt sein können. Diese Kontaktwannen können mit Leitungen (Leiterbahnen) mit metallischen Eigenschaften verbunden sein, beispielsweise durch Wolfram-Kontaktstöpsel. Diffusionsbarrieren einer Dicke im Nanometer-Bereich, beispielsweise aus Titan, können vorgesehen sein. Die Leitungen mit metallischen Eigenschaften können beispielsweise Aluminium oder Kupferlegierungen mit geringen Silizium-Anteilen oder Poly-Silizium, das siliziert oder nicht siliziert sein kann, aufweisen. Die metallischen Leiterbahnen, die auch als Verdrahtung bezeichnet werden, können von dem Hall-Element weg und zu einer Schaltung führen, wo sich die Leiterbahnen verästeln können. An einer Position vor einer solchen Verästelung können die Leiterbahnen gedanklich aufgeschnitten werden, wobei diese Position der Leiterbahn als Anschluss bezeichnet werden kann.
Bei Beispielen ist jeder Anschluss mit einem Kontakt verbunden, d.h. verdrahtet. Bei anderen Beispielen können ein oder mehrere Anschlüsse mit mehreren Kontakten verbunden d.h. verdrahtet sein. Keiner der Kontakte ist mit mehr als einem Anschluss verbunden, d.h. verdrahtet. Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung ist eine Steuerschaltung vorgesehen, die Schalter aufweist, um zwischen einer Stromzufuhr und einem Signalabgriff umzuschalten. Bei anderen Beispielen ist ein solches Umschalten nicht notwendig, so dass die entsprechenden Anschlüsse über Leitungen direkt mit der Versorgungsschaltung bzw. der Erfassungsschaltung verbunden sein können.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann das Hall-Effekt-Gebiet durch eine Hall-Platte implementiert sein. Wie bereits ausgeführt wurde, sind Hall-Platten Hall-Effekt-Elemente in der Form einer Platte, deren Dicke klein ist verglichen mit deren lateralen Abmessungen. Hall-Platten sind in der Lage, magnetische Feldkomponenten senkrecht zu der Platte (d.h. in ihrer Dickenrichtung) zu erfassen. Die Platte kann parallel zu der Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats sein, da das Hall-Effekt-Gebiet als eine Wanne in dem Halbleitersubstrat implementiert sein kann. Somit kann die Platte Felder senkrecht zu der Hauptoberfläche des Substrats, beispielsweise eines Chips, erfassen. Bei Beispielen kann das Hall-Effekt-Gebiet ein vertikales Hall-Effekt-Element sein, bei dem, wie oben ausgeführt wurde, eine der lateralen Abmessungen vergleichbar zur Abmessung in der Dickenrichtung ist. Vertikale Hall-Effekt-Elemente können verwendet werden, um magnetische Feldkomponenten parallel zu der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, beispielsweise des Chips, zu erfassen.
Unter einer Versorgungsschaltung bzw. Vorspannungsschaltung für ein Hall-Effekt-Element bzw. ein Hall-Effekt-Gebiet kann hierin eine elektronische Schaltung verstanden werden, die in der Lage ist, das Hall-Effekt-Gebiet mit elektrischer Energie zu versorgen, um einen Versorgungsstrom durch das Hall-Effekt-Gebiet und somit sich bewegende Ladungsträger durch das Hall-Effekt-Gebiet zu erzeugen. Unter einer Erfassungsschaltung bzw. Ausleseschaltung für ein Hall-Effekt-Element oder ein Hall-Effekt-Gebiet kann hierin eine elektronische Schaltung verstanden werden, die in der Lage ist, zumindest ein Ausgangssignal von dem Hall-Effekt-Gebiet zu extrahieren. Die Versorgungsschaltung und/oder die Erfassungsschaltung können auf dem gleichen Halbleitersubstrat implementiert sein wie das Hall-Effekt-Gebiet oder auf einem separaten Substrat.
Als Versorgungsschaltung kann eine Schaltung zur Versorgung mit elektrischer Energie, um einen Stromfluss zwischen Versorgungsanschlüssen des Hall-Effekt-Gebiets zu erzeugen, verwendet werden. Beispielsweise können Stromquellen mit unendlich hohem Innenwiderstand verwendet werden. Bei alternativen Beispielen können auch Spannungsquellen mit unendlich kleinem Innenwiderstand verwendet werden oder alle dazwischenliegenden Varianten mit endlichem Innenwiderstand. Die Erfassungsschaltung kann ausgelegt sein, um Hall-Signale zu erfassen. Hall-Signale können sowohl Spannungen umfassen, die im Leerlauffall mit einem Voltmeter mit unendlich hohem Innenwiderstand gemessen werden können. Hall-Signale können auch Ströme umfassen, die im Kurzschlussfall mit einem Amperemeter mit unendlich kleinem Innenwiderstand gemessen werden können. Auch alle Varianten dazwischen mit endlichem Innenwiderstand können verwendet werden.
Bei Beispielen kann die Versorgungsschaltung somit konfiguriert sein, um einen Strom mittels einer Stromquelle einzuprägen und die Erfassungsschaltung kann konfiguriert sein, um Spannungen als Hall-Signale beispielsweise mittels Voltmetern abzugreifen. Bei anderen Beispielen kann die Versorgungsschaltung somit konfiguriert sein, um eine Spannung mittels einer Spannungsquelle einzuprägen und die Erfassungsschaltung kann konfiguriert sein, um Ströme als Hall-Signale beispielsweise mittels Amperemeter-Schaltungen abzugreifen.
Die erfassten Hall-Signale sind Differenz-Signale. Bei Beispielen kann ein Differenz-Signal eine Spannung zwischen zwei Anschlüssen sein. Bei Beispielen kann ein Differenz-Signal ein Strom zwischen zwei Anschlüssen sein. Bei Beispielen kann die Erfassungsschaltung somit ausgelegt sein, um eine Spannung zwischen zwei Anschlüssen zu erfassen. Bei Beispielen kann die Erfassungsschaltung ausgelegt sein, um einen Strom zwischen zwei Anschlüssen zu erfassen.
Beispiele der Offenbarung betreffen Hall-Sensor-Vorrichtungen, die Hall-Effekt-Gebiete mit mindestens fünf Anschlüssen aufweisen. Beispiele betreffen insbesondere solche Hall-Sensor-Vorrichtungen, die es ermöglichen, bei einem gleichbleibenden Stromverbrauch ein höheres Hall-Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Beispiele ermöglichen dies, indem während einer Betriebsphase mehrere Hall-Signale mit unterschiedlichen Gleichtakt-Potentialen erfasst werden. Beispiele ermöglichen ferner einen geringeren Rest-Offset-Fehler, indem Versorgungsanschlüsse und Signalanschlüsse in unterschiedlichen Betriebsphasen vertauscht werden. Beispiele ermöglichen einen Spinning-Current-Betrieb, wobei unter einem Spinning-Current-Betrieb ein Betrieb zu verstehen ist, bei dem Versorgungsanschlüsse und Signalanschlüsse (Erfassungsanschlüsse) in unterschiedlichen Betriebsphasen vertauscht werden. Bei Beispielen, bei denen das Hall-Effekt-Gebiet eine Hall-Platte aufweist, kann unter einem Spinning-Current-Betrieb ein Betrieb verstanden werden, bei dem die Versorgungsanschlüsse und die Erfassungsanschlüsse derart vertauscht werden, dass sich ein Drehen der Stromrichtung ergibt.
1 zeigt schematisch ein Beispiel einer Hall-Sensor-Vorrichtung mit einem Hall-Effekt-Gebiet 10 in Form einer Hall-Platte. Die Hall-Sensor-Vorrichtung weist mindestens fünf Anschlüsse auf, bei dem gezeigten Beispiel sechs Anschlüsse T1 bis T6. Jeder der Anschlüsse T1-T6 ist mit jeweils einem Kontakt C1 bis C6 für das Hall-Effekt-Gebiet 10 verbunden. Die Hall-Sensor-Vorrichtung weist eine Versorgungsschaltung 12 und eine Erfassungsschaltung 14 auf.
1 zeigt eine erste Betriebsphase, in der zwei der Anschlüsse T1 und T4 mit der Versorgungsschaltung 12 gekoppelt sind. Ferner sind ein erstes Paar 20, das die Anschlüsse T2 und T6 aufweist, und ein zweites Paar 22, das die Anschlüsse T3 und T5 aufweist, als Erfassungspaare mit der Erfassungsschaltung 14 gekoppelt.
Wie in 1 gezeigt ist, sind die Kontakte C1 bis C6 derart angeordnet, dass eine gerade virtuelle Linie E1, die die dem ersten Anschlusspaar 20 zugeordneten Kontakte C2 und C6 verbindet, eine gerade virtuelle Linie V1, die die den Versorgungsanschlüssen T1 und T4 zugeordneten Kontakte C1 und C4 verbindet, an einer ersten Position P1 schneidet. Die Kontakte C1 bis C6 sind ferner derart angeordnet, dass eine virtuelle Linie E2, die die dem zweiten Anschlusspaar 22 zugeordneten Kontakte C3 und C5 verbindet, die virtuelle Linie V1 an einer zweiten Position P2 schneidet, die sich von der ersten Position P1 unterscheidet. Somit ist ein zwischen den Anschlüssen T2 und T6 des ersten Paars 20 erfasstes erstes Hall-Signal auf einem anderen Gleichtakt-Potential als ein zwischen den Anschlüssen T3 und T5 des zweiten Paars 22 erfasstes zweites Hall-Signal. Grund hierfür ist, dass der gleiche Stromfluss, der zwischen den Kontakten C1 und C4 erzeugt wird, für beide Hall-Signale genutzt wird, was eine Energieeffizienz ermöglicht. Da das Hall-Effekt-Gebiet resistiv ist, muss der Strom zwischen dem ersten Hall-Signal und dem zweiten Hall-Signal ein Potentialgefälle durchlaufen haben. Somit werden beide Signale auf einem verschiedenen Gleichtakt-Potential (Common-Mode-Potential) erfasst. Je weiter die Kontakte, an denen die beiden Signale abgegriffen werden, in der Richtung der virtuellen Linie V1 auseinanderliegen, desto unterschiedlicher ist das Gleichtakt-Potential beider Signale.
Zur Definition des Gleichtaktpotentials sei ein Anschluss T2 auf einem Potential V2 und ein Anschluss T6 auf einem Potential V6 betrachtet. Unter dem Gleichtaktpotential ist der Mittelwert der Potentiale beider Anschlüsse zu verstehen. Bei einem Spannungsabgriff ist das Differenz-Signal ist dann gegeben durch V2-V6 und das Gleichtaktpotential ist gegeben durch (V2+V6)/2. Im Fall einer Strommessung schließt das Amperemeter C2 mit C6 kurz, so dass V2=V6 ist. Auch in diesem Fall kann man vom Gleichtakt-Potential (V2+V6)/2 sprechen.
Betrachtet man beispielsweise das in 1 gezeigte Beispiel, kann als Hall-Signal typischerweise ein Signal zwischen zwei Erfassungsanschlüssen abgegriffen werden, beispielsweise eine Spannung dazwischen, also die Potentialdifferenz, wie z.B. V(T2)-V(T6). Außerdem kann ein zugehöriges Gleichtakt-Potential (V(T2)+V(T6))/2 als Mittelwert beider Anschlusspotentiale definiert werden. Das entsprechende Gleichtakt-Potential bezüglich der Anschlüsse T3 und T5 beträgt (V(T3)+V(T5))/2. Bei Beispielen der Offenbarung liegt somit bei dem zweiten Hall-Signal, das zwischen den Anschlüssen T3 und T5 abgegriffen wird, also V(T3)-V(T5) ein anderes Gleichtakt-Potential vor als bei dem ersten Hall-Signal, das zwischen den Anschlüssen T2 und T6 abgegriffen wird.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Kontakte C1-C6 mit einem gleichmäßigen Winkelabstand um den Umfang des Hall-Effekt-Gebiets 10 angeordnet. Ferner sind die Kontakte C1-C5 symmetrisch sowohl bezüglich einer Symmetrieachse durch das Hall-Effekt-Gebiet als auch symmetrisch bezüglich eines geometrischen Schwerpunkts des Hall-Effekt-Gebiets 10 angeordnet. Bei dem gezeigten Beispiel, bei dem das Hall-Effekt-Gebiet 10 eine kreisförmige Hall-Platte ist, ist der geometrische Schwerpunkt beispielsweise der Mittelpunkt des Kreises. Üblicherweise werden die Kontakte nahe dem Rand des Hall-Effekt Gebiets angeordnet. Bei Beispielen können die Kontakte auch mehr oder weniger stark vom Rand des Hall-Effekt-Gebiets beabstandet sein, wodurch sich jedoch die Stärke des Hall-Effekt-Signals vermindert.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel weisen die Anschlüsse 6 Anschlüsse auf. Allgemein kann bei Beispielen die Hall-Sensor-Vorrichtung N Anschlusspaare aufweisen, wobei N eine natürliche Zahl größer oder gleich 3 ist. In 1 gilt N=3. Eine Richtung, in der sich die Kontakte T1 und T4, die mit der Versorgungsschaltung 12 verbunden sind, gegenüberliegen (Richtung der virtuellen Linie V1), kann senkrecht zu Richtungen, in denen sich die Kontakte C2 und C6 des ersten Erfassungspaars 20 und die Kontakte C3 und C5 des zweiten Erfassungspaars 22 gegenüberliegen (Richtungen der Linien E1 und E2), sein. Der Abstand zwischen den Kontakten C1 und C4 ist größer als der Abstand des Kontakts C1 zu allen anderen Kontakten. Allgemein können jeweils Anschlüsse, die mit sich diametral über das Hall-Effekt-Gebiet gegenüberliegenden Kontakten verbunden sind, ein Versorgungspaar bilden. Zu diesem Versorgungspaar können jeweils Anschlüsse, die mit Kontakten verbunden sind, deren gerade virtuelle Verbindungslinie senkrecht zu der virtuellen Verbindungslinie der Kontakte des Versorgungspaars ist, ein Erfassungspaar bilden.
Bei Beispielen weist die Hall-Sensor-Vorrichtung 2N Kontakte, mit N ≥ 3, wobei zwei Kontakte verwendet werden, um das Hall-Effekt-Gebiet mit elektrischer Energie zu versorgen. Wenn das Hall-Effekt-Gebiet symmetrisch ist, können die anderen Kontaktpaare (2N-2 Kontakte) in N-1 Paare von Kontakten gruppiert werden, wobei das Signal bei jedem Paar gegen null geht, wenn kein Magnetfeld anliegt und der Offset-Fehler vernachlässigt wird. Bei Beispielen werden somit N-1-Ausgangssignale verwendet, statt nur ein Ausgangssignal zu verwenden. Die Rauschbeiträge der Ausgangssignale können zumindest teilweise und vorzugsweise im Wesentlichen statistisch unabhängig voneinander sein und addieren sich somit gemäß $\sqrt{(N_{1}^{2} + N_{2}^{2} + N_{3}^{3} + \dots N_{N - 1}^{2})},$
wenn die Signale addiert werden (S₁+S₂+S₃+... +S_N-1). Somit kann das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden, während nur ein Strom verwendet wird, der zwischen dem N-ten Kontaktpaar fließt und somit ohne zusätzlichen Stromverbrauch.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel können die Anschlüsse T1 und T4 mit der Versorgungsschaltung 12 und die Anschlüsse T2, T3, T5 und T6 mit der Erfassungsschaltung 14 ohne Schalter verbunden sein. Ein solches Beispiel kann verwendet werden, wenn kein Umschalten der Anschlüsse erforderlich ist, beispielsweise wenn kein Gleichsignal-Magnetfeld (d.h. statisches Magnetfeld) erfasst werden soll, sondern ein Wechselsignal-Magnetfeld (d.h. ein dynamisches, zeitlich variables Magnetfeld). In einem solchen Fall ist eine Steuerschaltung, die ausgelegt ist, um Versorgungsanschlüsse und Erfassungsanschlüsse umzuschalten, nicht erforderlich.
2 zeigt ein Beispiel einer Hall-Sensor-Vorrichtung, bei der das Hall-Effekt-Gebiet 10 mit den Anschlüssen T1 bis T6 und den Kontakten C1-C6 dem in 1 gezeigten Hall-Effekt-Gebiet entspricht. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel ist zusätzlich eine Steuerschaltung 30 vorgesehen, die ausgelegt ist, um die Anschlüsse T1 bis T6 selektiv mit der Versorgungsschaltung 12 und der Erfassungsschaltung 14 zu verbinden. Zu diesem Zweck kann die Steuerschaltung 30 entsprechende Schalter aufweisen, über die die Anschlüsse T1 bis T6 selektiv mit Anschlüssen der Versorgungsschaltung 12 und der Erfassungsschaltung 14 gekoppelt werden können. Im übrigen gelten die obigen Ausführungen bezüglich 1 entsprechend.
Die 3 und 4 zeigen ein Beispiel einer entsprechenden Hall-Sensor-Vorrichtung mit einem Hall-Effekt-Gebiet 10 und sechs Kontakten C1 bis C6 in zwei unterschiedlichen Betriebsphasen.
Der Einfachheit halber ist in 4 das Hall-Effekt-Gebiet 10 gegenüber 3 um 60° nach links gedreht. Ferner sind in den 3 und 4 eine Steuervorrichtung mit entsprechenden Schaltern, um das Umschalten der jeweiligen Anschlüsse zu bewirken, der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Wie in den 3 und 4 gezeigt ist, kann die Versorgungsschaltung unter Verwendung einer Stromquelle 32 implementiert sein, die ausgelegt ist, um einen Versorgungsstrom I zwischen den jeweiligen Kontakten des Halbleiter-Gebiets 10 zu erzeugen. Die Erfassungsschaltung ist weist zwei Transkonduktanzverstärker 34 und 36.
Bei der in 3 gezeigten Betriebsphase dienen die Anschlüsse T1 und T4 als Versorgungsanschlüsse und die Stromquelle 32 ist zwischen diese Anschlüsse geschaltet. Die Anschlüsse T2 und T6 dienen als erstes Erfassungspaar und sind mit den Eingängen des Transkonduktanzverstärkers 34 verbunden. Die Anschlüsse T3 und T5 dienen als zweites Erfassungspaar und sind mit den Eingängen des zweiten Transkonduktanzverstärkers 36 verbunden. Der Ausgangsstrom des ersten Transkonduktanzverstärkers 34 hängt von der Spannung U1 zwischen seinen Eingangsanschlüssen und seinem Verstärkungsfaktor gm1 ab: l1=gm1·U1. Der Ausgangsstrom I2 des Transkonduktanzverstärkers 36 hängt von der Spannung U2 zwischen seinen Eingangsanschlüssen und seinem Verstärkungsfaktor gm2 ab: I2=gm2·U2. Die Ströme und I2 werden an einem Summationsknoten 38 summiert und ergeben einen Ausgangsstrom I_out(ph1) für die erste Betriebsphase, die in 3 gezeigt ist.
Bei der in 3 gezeigten Betriebsphase fließt somit ein Strom zwischen den Kontakten C1 und C4, während zwei Signale abgegriffen werden, ein Signal zwischen den Anschlüssen T2 und T6 und das andere zwischen den Anschlüssen T3 und T5. Im Idealfall haben beide Paare T2-T6 und T3-T5 aufgrund der Symmetrie des Elements kein Ausgangssignal bei keinem anliegenden Magnetfeld und einen verschwindenden Offset-Fehler. Die Transkonduktanzverstärker können durch Differenzial-Eingang-MOS-Transistorpaare von Vorverstärkern von ADWs (ADW = Analog-Digital-Wandler), beispielsweise Sigma-Delta-ADWs, gebildet sein. Die Transkonduktanzverstärker wandeln das Signal aus dem Spannungsbereich in den Strombereich um. Zu beachten seien hierbei die Vorzeichen, wobei sich die Potentiale an T5 und T6 positiv zu I_out(ph1) addieren, wohingegen sich die Potentiale an T2 und T3 von I_out(ph1) subtrahieren.
Die in 3 gezeigte Betriebsphase kann als eine Betriebsphase ph1 eines Spinning-Current-Betriebs betrachtet werden. Um einen Offset-Fehler weiter zu reduzieren und im Idealfall vollständig zu beseitigen, können weitere Betriebsphasen hinzugefügt werden. So zeigt 4 eine zweite Betriebsphase ph2, bei der die Stromquelle 32 zwischen die Anschlüsse T2 und T5 geschaltet ist, während das erste Ausgangssignal zwischen den Anschlüssen T1 und T3 abgegriffen wird und das zweite Ausgangssignal zwischen den Anschlüssen T4 und T6 abgegriffen wird. Am Ausgang des Summationsknotens 38 liegt dann das Erfassungssignal I_out(ph2) für die Betriebsphase ph2 vor.
Um den Offset-Fehler weiter zu reduzieren, können weitere Betriebsphasen hinzugefügt werden, wobei der Strom in jeder Phase in einen der Kontakte C1 bis Cn injiziert wird. Beispielsweise kann in der ersten Betriebsphase der Strom in den Kontakt C1 injiziert werden, in der zweiten Betriebsphase in den Kontakt C2, in der dritten Betriebsphase in den Kontakt C3, in der vierten Betriebsphase in den Kontakt C4, in der fünften Betriebsphase in den Kontakt C5 und in der sechsten Betriebsphase in den Kontakt C6. Somit kann bei Beispielen ein Spinning-Current-Betrieb implementiert werden, bei dem der Eingangsstrom in der Phase n in den Kontakt Cn injiziert wird. Idealerweise sollte der Eingangsstrom I in allen Betriebsphasen identisch sein. Aufgrund der Symmetrie der Hall-Platte sollte idealerweise auch gm1 = gm2 sein. Die Steuerschaltung kann bei Beispielen somit ausgelegt sein, um einen Spinning-Current-Betrieb durchzuführen, wobei in jeder Betriebsphase des Spinning-Current-Betriebs der Versorgungsstrom in einen anderen der Kontakte injiziert wird, und wobei in dem Spinning-Current-Betrieb der Versorgungsstrom in jeden der Kontakte zumindest einmal injiziert wird.
Es bedarf keiner weiteren Erläuterung, dass selbstverständlich die Steuerschaltung wiederum entsprechende Schalter aufweist, um die Versorgungsstromquelle 32 und die Transkonduktanzverstärker 34 und 36 mit den verschiedenen Anschlüssen des Hall-Effekt-Gebiets zu verbinden, wobei diese Schalter wiederum in den 3 und 4 nicht gezeigt sind.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung ist die Erfassungsschaltung ausgebildet, um die Signale in allen einzelnen Betriebsphasen des Spinning-Current-Betriebs aufzuaddieren, um ein Gesamtausgangssignal zu erhalten, beispielsweise I_out(total)=I_out(ph1)+I_out(ph2)+...+I_out(ph6). Bei Beispielen kann es möglich sein, einzelne Betriebsphasen wegzulassen, wobei die minimale Anzahl von Betriebsphasen bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung jedoch derart ist, dass jedes Kontaktpaar, das in einer Betriebsphase als Versorgungskontaktpaar diente, in einer anderen Betriebsphase auch als ein Erfassungskontaktpaar dient. Umgekehrt sollte jedes Kontaktpaar, das in einer Betriebsphase als ein Erfassungskontaktpaar diente, in einer anderen Betriebsphase als Versorgungskontaktpaar dienen.
Andere Beispiele der vorliegenden Offenbarung können eine unterschiedliche Anzahl von Anschlüssen aufweisen. Beispielsweise können Hall-Sensor-Vorrichtungen vier Kontaktpaare, die jeweils mit entsprechenden Anschlüssen verbunden sind, aufweisen, wobei in jeder Betriebsphase ein Paar als ein Versorgungspaar dient, während gleichzeitig drei Paare als Ausgangspaare verwendet werden. Unter einem Versorgungskontaktpaar können dabei bei einer Vorrichtung mit 2N Kontakten jeweils zwei Kontakte verstanden werden, die sich diametral über das Hall-Effekt-Gebiet gegenüberliegen. So bilden bei dem in 1 gezeigten Beispiel das Kontaktpaar C1-C4 ein Versorgungspaar, das Kontaktpaar C2-C5 ein Versorgungspaar, das Kontaktpaar C3-C6 ein Versorgungspaar, das Kontaktpaar C4-C1 ein Versorgungspaar, das Kontaktpaar C5-C2 ein Versorgungspaar und das Kontaktpaar C6-C3 ein Versorgungspaar.
Auf analoge Weise können Hall-Sensor-Vorrichtungen auch eine größere Anzahl von Anschlüssen und zugeordneten Kontakten aufweisen, beispielsweise fünf Anschlusspaare, sechs Anschlusspaare usw.. Wenn jedoch die Anzahl von Anschlusspaaren zu groß wird, werden die zugeordneten Kontakte sehr klein und der Abstand zwischen den Kontakten ebenfalls. Die Anzahl kann somit durch die minimale Strukturgröße für eine gegebene Technologie begrenzt sein. Auch der Aufwand an Schaltern und Verdrahtung erhöht sich mit zunehmender Anzahl von Kontakten. Es hat sich gezeigt, dass sowohl ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis als auch ein geringer Rest-Offset-Fehler bei Hall-Sensor-Vorrichtungen mit zwischen drei und sechs Anschlusspaaren erreicht werden kann.
5 zeigt ein Beispiel einer Hall-Sensor-Vorrichtung, die acht Anschlüsse T1 bis T8 mit zugeordneten Kontakten aufweist. Von diesen liegen sich jeweils vier Kontaktpaare diametral über ein Hall-Effekt-Gebiet 50 gegenüberliegen. Die Hall-Sensor-Vorrichtung weist das Hall-Effekt-Gebiet 50 in der Form eines Achtecks auf. Die acht Kontakte C1-C8 sind mit gleichmäßigem Winkelabstand um den Umfang des Hall-Effekt-Gebiets 50 verteilt. Jeder der Kontakte C1 bis C8 ist mit einem der Anschlüsse T1 bis T8 verbunden.
Wiederum kann eine Versorgungsschaltung 30, die konfiguriert ist, um die Anschlüsse T1 bis T8 wiederum selektiv mit der Versorgungsschaltung 12 und der Erfassungsschaltung 14 zu koppeln, vorgesehen sein. Hierfür kann die Versorgungsschaltung 30 wiederum entsprechende Schalter aufweisen.
Jeweils ein Paar sich diametral gegenüberliegender Kontakte dient als Versorgungspaar, während die übrigen Kontakte jeweils zur Erfassung dienen. Beispielsweise sei angenommen, dass die Kontakte C1 und C5 in 5 das Versorgungspaar bilden, wobei eine gerade virtuelle Linie V1 die beiden Kontakte C1 und C5 verbindet. Ferner bilden die Kontakte C2 und C8 ein erstes Erfassungspaar, die Kontakte C3 und C7 ein zweites Erfassungspaar, und die Kontakte C4 und C6 ein drittes Erfassungspaar. Eine gerade virtuelle Linie E1 verbindet die Kontakte C2 und C8, eine gerade virtuelle Linie E2 verbindet die Kontakte C3 und C7, und eine gerade virtuelle Linie E3 verbindet die Kontakte C4 und C6. Wie in 5 zu erkennen ist, sind die virtuellen Linien E1, E2 und E3 jeweils senkrecht zu der virtuellen Linie V1.
Bei bekannten Hall-Sensor-Vorrichtungen wurde ein Signal jeweils nur an einem Kontaktpaar abgegriffen, das bei einem Gleichtakt-Potential von näherungsweise 50 % der zwischen den Versorgungskontakten C1 und C5 anliegenden bzw. abfallenden Spannung ist, d.h. zwischen den Kontakten C3 und C7 unter der Annahme, dass die Kontakte C1 und C5 mit der Versorgungsschaltung 12 gekoppelt sind. Im Gegensatz dazu wird bei Beispielen der Offenbarung ein Hall-Signal zwischen mehreren Kontaktpaaren abgegriffen, während der gleiche Versorgungsstrom durch das Hall-Effekt-Gebiet erzeugt wird. Wie in 5 gezeigt ist, schneiden die virtuellen Linien E1, E2 und E3 die virtuelle Linie V1 an unterschiedlichen Positionen, so dass die drei Hall-Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential erfasst werden. Es hat sich gezeigt, dass dadurch ein erhöhtes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht werden kann. Ferner hat sich gezeigt, dass verglichen mit einer Hall-Sensor-Vorrichtung, die vier Kontakte aufweist, ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis bei einem geringeren Stromverbrauch erreicht werden kann, da der Eingangswiderstand der Hall-Sensor-Vorrichtung mit acht Kontakten an den Versorgungskontakten größer ist als der der Vorrichtung mit vier Kontakten und zugleich der Ausgangswiderstand durch die drei Paare von Erfassungskontakten kleiner ist als der der Vorrichtung mit vier Kontakten. Dabei konnte eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses von etwa 16 % bei einem um etwa 33 % reduzierten Stromverbrauch erreicht werden.
Bei Beispielen ist die Erfassungsschaltung ausgelegt, um eine Linearkombination der während einer Betriebsphase erhaltenen Ausgangssignale zu berechnen. Beispielsweise kann eine solche Berechnung bei dem in 5 gezeigten Zustand, bei dem die Kontakte C1-C5 als Versorgungskontakte dienen, wie folgt aussehen: V_out=V_out(T2-T8)+V_out(T3-T7)+V_out(T4-T6). Da jedoch die Rauschspannungen aller Kontaktpaare etwas korreliert sind, ist es möglich, das Signal-Rausch-Verhältnis zu optimieren, indem Gewichtungsfaktoren bei der Linearkombination verwendet werden, wie z.B.: V_out'=V_out(T2-T8)+x·V_out(T3-T7)+V_out(T4-T6), wobei der Gewichtungsfaktor x beispielsweise einen Wert zwischen 0 und 2 annehmen kann. Bei weiteren Beispielen können auch die anderen Ausgangssignale mit einem Gewichtungsfaktor versehen werden, der bei dem in 5 gezeigten Beispiel aufgrund der Symmetrie jedoch gleich wäre. Die Gewichtungsfaktoren können beispielsweise durch Testläufe empirisch ermittelt werden, wobei sich für ein achteckiges Hall-Effekt-Gebiet herausgestellt hat, dass ein Gewichtungsfaktor x zwischen 0,6 und 0,7, beispielsweise 0,65 ein maximales Signal-Rausch-Verhältnis ergeben kann. Theoretisch hängen die optimalen Gewichtungsfaktoren für maximales Signal-Rausch-Verhältnis von der statistischen Korrelation der Rauschspannungen an den Erfassungs-Kontaktpaaren ab und sind somit eine Funktion der Geometrie des Hall-Effekt-Gebiets und der Kontakte.
Durch die Verwendung solcher Gewichtungsfaktoren ist es somit möglich, das Signal-Rausch-Verhältnis weiter zu verbessern.
Um den Rest-Offset-Fehler weiter zu reduzieren, können bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung wiederum die Anschlüsse, die als Versorgungsanschlüsse und Erfassungsanschlüsse verwendet werden, vertauscht werden, beispielsweise um einen Spinning-Current-Betrieb zu implementieren. In jeder Betriebsphase (Phase) dient ein Anschlusspaar (und die dazugehörigen Kontakte) als Versorgungspaar, während die anderen Anschlusspaare (und die dazugehörigen Kontakte) als Erfassungspaare dienen. Die 6a bis 6d zeigen acht Betriebsphasen einer Hall-Sensor-Vorrichtung wie sie in 5 gezeigt ist, wobei ein Pfeil V jeweils die Anschlüsse zeigt, die als Versorgungspaar wirken. In Phase 1 wirkt das Anschlusspaar T1-T5 als Versorgungspaar (6a), in Phase 2 wirkt das Anschlusspaar T6-T2 als Versorgungspaar (6b), in Phase 3 wirkt das Anschlusspaar T7-T3 als Versorgungspaar (6c), in Phase 4 wirkt das Anschlusspaar T8-T4 als Versorgungspaar (6d), in Phase 5 wirkt das Anschlusspaar T1-T5 als Versorgungspaar (6e), in Phase 6 wirkt das Anschlusspaar T2-T6 als Versorgungspaar (6f), in Phase 7 wirkt das Anschlusspaar T3-T7 als Versorgungspaar (6g), und in Phase 8 wirkt das Anschlusspaar T4-T8 als Versorgungspaar (6h). Somit dreht sich, wie den 6a bis 6h ohne Weiteres zu entnehmen ist, der Versorgungsstrom in jeder Betriebsphase um 45°. Ferner wirkt jeder Anschluss in einer Betriebsphase als der Versorgungsanschluss, an dessen zugeordnetem Kontakt der Versorgungsstrom in das Hall-Effekt-Gebiet 50 eintritt. In jeder Betriebsphase werden ferner drei Ausgangssignale abgegriffen, wie durch jeweilige Pfeile Uhall_1, Uhall_2 und Uhall_3 in den 6a bis 6h dargestellt ist. Bei Beispielen können lediglich vier Betriebsphasen verwendet werden, wie sie in den 6a bis 6d gezeigt sind. Bei anderen Beispielen können acht Betriebsphasen verwendet werden, wie sie in den 6a bis 6h gezeigt sind, wobei in den Betriebsphasen 5 bis 8 die Stromflussrichtung verglichen mit den Betriebsphasen 1 bis 4 vertauscht sind, wodurch es in der Praxis zu einer Verminderung des Offsetfehlers zufolge thermischer Fehlspannungen aufgrund des Seebeck- und Peltiereffekts kommt.
Insgesamt ergeben sich bei Verwendung aller acht Betriebsphasen 24 Ausgangssignale. In der folgenden Betrachtung stehen die Bezeichnungen U1 bis U8 jeweils für die Potentiale an den Anschlüssen T1 bis T8. Nachdem in den Betriebsphasen 4 bis 8 die Stromflussrichtung gegenüber den Betriebsphasen 1 bis 4 vertauscht ist, sind auch die Spannungen umzukehren.
Die 24 Ausgangssignale PH1'-PH24' wurden wie folgt erhalten, wie aus den 6a bis 6h ersichtlich ist:

Ph1': Uhall_1=U8-U2 abgetastet mit einem Stromfluss von T5 nach T1
Ph2': Uhall_2=U7-U3 abgetastet mit einem Stromfluss von T5 nach T1
Ph3': Uhall_3=U6-U4 abgetastet mit einem Stromfluss von T5 nach T1
Ph4': Uhall_1=U1-U3 abgetastet mit einem Stromfluss von T6 nach T2
Ph5': Uhall_2=U8-U4 abgetastet mit einem Stromfluss von T6 nach T2
Ph6': Uhall_3=U7-U5 abgetastet mit einem Stromfluss von T6 nach T2
Ph7': Uhall_1=U2-U4 abgetastet mit einem Stromfluss von T7 nach T3
Ph8': Uhall_2=U1-U5 abgetastet mit einem Stromfluss von T7 nach T3
Ph9': Uhall_3=U8-U6 abgetastet mit einem Stromfluss von T7 nach T3
Ph10': Uhall_1=U3-U5 abgetastet mit einem Stromfluss von T8 nach T4
Ph11': Uhall_2=U2-U6 abgetastet mit einem Stromfluss von T8 nach T4
Ph12': Uhall_3=U1-U7 abgetastet mit einem Stromfluss von T8 nach T4
Ph13': Uhall_1=U4-U6 abgetastet mit einem Stromfluss von T1 nach T5
Ph14': Uhall_2=U3-U7 abgetastet mit einem Stromfluss von T1 nach T5
Ph15': Uhall_3=U2-U8 abgetastet mit einem Stromfluss von T1 nach T5
Ph16': Uhall_1=U5-U7 abgetastet mit einem Stromfluss von T2 nach T6
Ph17': Uhall_2=U4-U8 abgetastet mit einem Stromfluss von T2 nach T6
Ph18': Uhall_3=U3-U1 abgetastet mit einem Stromfluss von T2 nach T6
Ph19': Uhall_1=U6-U8 abgetastet mit einem Stromfluss von T3 nach T7
Ph20': Uhall_2=U5-U1 abgetastet mit einem Stromfluss von T3 nach T7
Ph21': Uhall_3=U4-U2 abgetastet mit einem Stromfluss von T3 nach T7
Ph22': Uhall_1=U7-U1 abgetastet mit einem Stromfluss von T4 nach T8
Ph23': Uhall_2=U6-U2 abgetastet mit einem Stromfluss von T4 nach T8
Ph24': Uhall_3=U5-U3 abgetastet mit einem Stromfluss von T4 nach T8

Bei Beispielen kann die Erfassungsvorrichtung konfiguriert sein, um jeweils eine Linearkombination der während einer Betriebsphase erfassten Ausgangssignale zu berechnen, beispielsweise unter Verwendung von Gewichtungsfaktoren, wie sie oben beschrieben wurden. Bei alternativen Beispielen kann die Auswertungsschaltung ausgelegt sein, um in jeder Betriebsphase nur zwei der drei Ausgangssignale zu kombinieren, beispielsweise in jeder Betriebsphase nur jeweils die Ausgangssignale Uhall_1 und Uhall_3. Es hat sich gezeigt, dass ein verbessertes Signal-Rauschverhältnis erhalten werden kann, wenn alle während einer Betriebsphase erhaltenen Ausgangssignale Uhall_1, Uhall_2 und Uhall_3 kombiniert werden, oder wenn nur zwei während einer Betriebsphase erhaltenen Ausgangssignale, beispielsweise Uhall_1 und Uhall_3 kombiniert werden.
Bei Beispielen kann die Erfassungsschaltung ferner konfiguriert sein, um die so für jede Betriebsphase erhaltenen Betriebsphasenausgangssignale miteinander zu kombinieren, beispielsweise zu addieren, um ein Gesamtausgangssignal zu erhalten.
Insgesamt hat sich gezeigt, dass unter Verwendung einer entsprechenden Hall-Sensor-Vorrichtung ein etwa 20 % besseres Signal-Rausch-Verhältnis und ein um einen Faktor 2 besserer Rest-Offset erhalten werden kann. Insbesondere bei geringen Versorgungsspannungen, d.h. geringen Versorgungsströmen, ermöglichen Beispiele der vorliegenden Offenbarung einen besseren Rest-Offset, da kleinere Vorspannungen ein kleineres Signal-Rausch-Verhältnis bedeuten, so dass hier das bessere Signal-Rausch-Verhältnis der hierin offenbarten Vorgehensweise stärker in Erscheinung tritt.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann eine ungeradzahlige Anzahl von Anschlüssen vorgesehen sein. 7 zeigt ein Beispiel eines Hall-Effekt-Sensors mit einer ungeraden Anzahl von Kontakten und zugeordneten Anschlüssen, nämlich fünf.
Wie in 7 gezeigt ist, weist die Hall-Sensor-Vorrichtung ein Hall-Effekt-Gebiet 60 in der Form eines gleichmäßigen Fünfecks auf. An jeder Ecke des Hall-Effekt-Gebiets 60 ist ein Kontakt C1 bis C5 gebildet. Alternativ könnten die Kontakte auch jeweils in den Mitten der Seiten des Fünfecks liegen, oder sogar aus den Mitten jeweils im Uhrzeigersinn (oder im Gegenuhrzeigersinn) verschoben - wobei ein höherer Symmetriegrad der Anordnung tendenziell zu kleinerem Offsetfehler führt. Jeder Kontakt C1 bis C5 ist jeweils mit einem zugeordneten Anschluss T1 bis T5 verbunden. Analog zu der obigen Beschreibung der 2 und 5 sind die Anschlüsse T1 bis T5 mittels einer Steuerschaltung 30 selektiv mit jeweiligen Anschlüsse einer Versorgungsschaltung 12 und einer Erfassungsschaltung 14 koppelbar. Die Steuerschaltung 30 ist wiederum optional, wobei beispielsweise in einem Fall, in dem ein Wechselmagnetfeld erfasst werden soll, ein Umschalten, um die Funktionalitäten der Versorgungsanschlüsse und Erfassungsanschlüsse zu vertauschen, nicht notwendig ist.
Eine Gruppe von zwei Anschlüssen, die mit zueinander benachbarten Kontakten verbunden sind, und einem dritten Anschluss, der mit einem Kontakt, zwischen dem und den zueinander benachbarten Kontakten jeweils ein weiterer Kontakt angeordnet ist, verbunden ist, sind mit der Versorgungsschaltung gekoppelt. Beispielsweise zeigt 8a eine erste Betriebsphase, in der die Gruppe der Anschlüsse T1, T5 und T3 mit der Versorgungsschaltung gekoppelt ist. Die Versorgungsschaltung weist zwei getrennte Stromquellen 62, 64 und einen Referenzpotentialanschluss 65, beispielsweise Masse, auf, wie in 8a gezeigt ist. Genauer gesagt ist jeder der Anschlüsse T1 und T5 mit einer der getrennten Stromquellen 62 und 64 gekoppelt, während der Anschluss T3 mit dem Referenzpotentialanschluss gekoppelt ist.
Die zwei benachbarten Anschlüsse, die mit den separaten Stromquellen 62 und 64 gekoppelt sind, sind ferner mit der Erfassungsschaltung (in den 8a bis 8e nicht gezeigt) gekoppelt, um ein erstes Hall-Signal V_1H zu erfassen. Zwischen den Kontakten C1 und C3 ist (entlang des Umfangs des Hall-Effekt-Gebiets) ein weiterer Kontakt C2 angeordnet und zwischen den Kontakten C3 und C5 ist ein weiterer Kontakt C4 angeordnet. Die mit den Kontakten C2 und C4 verbundenen Anschlüsse T2 und T4 sind ebenfalls mit der Erfassungsschaltung gekoppelt, um zwischen denselben ein zweites Hall-Signal V_1L zu erfassen. Ein vorzugsweise gleicher Versorgungsstrom I wird durch beide Anschlüsse T1 und T5, die mit den Stromquellen 62 und 64 verbunden sind, in das Hall-Effekt-Gebiet 60 eingespeist und fließt über den Anschluss T3 aus dem Hall-Effekt-Gebiet. Hall-Signale werden zwischen den Erfassungspaaren T1-T5 und T2-T4 abgegriffen. Somit werden bei diesem Beispiel die Potentiale an jenen beiden Anschlüssen T1, T5, an denen Strom eingespeist wird, zugleich auch zum Abgriff eines Hall-Signals, beispielsweise einer Spannung, verwendet. Das Hall-Signal V_1H , das an den Anschlüssen T1-T5 abgegriffen wird, befindet sich auf einem anderen Gleichtakt-Potential als das Hall-Signal V_1L , das an den Anschlüssen T2-T4 abgegriffen wird, da der über die beiden Kontakte C1 und C5 eingespeiste Strom zwischen den beiden Signalen ein Potentialgefälle durchlaufen hat. Auch hier schneiden eine virtuelle gerade Linie E1 zwischen den Kontakten des ersten Erfassungspaars und eine virtuelle gerade Linie E2 zwischen den Kontakten des zweiten Erfassungspaars virtuelle Linien V1 und V2, die jeweils einen Kontakt, an dem Strom in das Hall-Effekt-Gebiet 60 eingespeist wird, und einen Kontakt, an dem der Strom das Hall-Effekt-Gebiet 60 verlässt, an unterschiedlichen Positionen. Die virtuelle Linie E1 fällt dabei im Wesentlichen mit einem Rand des Hall-Effekt-Gebiets 60 zusammen. Es sei ergänzt, dass man jede Stromquelle durch eine Spannungsquelle ersetzen kann und die Signale zwischen den Anschlüssen T1-T5 sowie T2-T4 nicht mittels Voltmeter, sondern mittels Amperemeter erfassen kann. Auch in diesem Fall liegen beide Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential.
Eine Steuerschaltung 30 kann wiederum vorgesehen sein, um zwischen unterschiedlichen Betriebsphasen umzuschalten. Zu diesem Zweck kann die Steuervorrichtung 30 Schalter aufweisen, um die Anschlüsse T1 bis T5 selektiv mit der Erfassungsschaltung und der Versorgungsschaltung zu koppeln. Die Steuerschaltung kann ausgelegt sein, um einen Spinning-Current-Betrieb zu implementieren, wie er nachfolgend Bezug nehmend auf die 8a bis 8e beschrieben wird. In den 8a bis 8e sind jeweils nur geschlossene Schalter 70 dargestellt, die die jeweilige Gruppe von drei Anschlüssen mit der Versorgungsschaltung 12 koppeln.
Wie den 8a bis 8e zu entnehmen ist, kann die Steuerschaltung ausgelegt sein, um in jeder Betriebsphase des Spinning-Current-Betriebs eine andere Gruppe von drei Anschlüssen mit der Versorgungsschaltung zu koppeln. In der Phase 1 sind die Anschlüsse T1, T5 und T3 mit der Versorgungsschaltung gekoppelt (8a), in der Phase 2 sind die Anschlüsse T5, T4 und T2 mit der Versorgungsschaltung gekoppelt ( 8b), in der Phase 3 sind die Anschlüsse T4, T3 und T1 mit der Versorgungsschaltung gekoppelt (8c), in der Phase 4 sind die Anschlüsse T3, T2 und T5 mit der Versorgungsschaltung gekoppelt (8d) und in der Phase 5 sind die Anschlüsse T2, T1 und T4 mit der Versorgungsschaltung gekoppelt (8e). Ein erstes Hall-Signal wird jeweils zwischen den Anschlüssen, die mit den separaten Stromquellen 62 und 64 gekoppelt sind, abgegriffen und ein zweites Hall-Signal wird zwischen den Anschlüssen, die nicht mit der Versorgungsschaltung gekoppelt sind, abgegriffen. In der Phase 1 wird ein erstes Hall-Signal V_1H zwischen den Anschlüssen T1 und T5 abgegriffen und ein zweites Hall-Signal V_1L wird zwischen den Anschlüssen T2 und T4 abgegriffen. In der Phase 2 wird ein erstes Hall-Signal V_2H zwischen den Anschlüssen T5 und T4 abgegriffen und ein zweites Hall-Signal V_2L wird zwischen den Anschlüssen T1 und T3 abgegriffen. In der Phase 3 wird ein erstes Hall-Signal V_3H zwischen den Anschlüssen T3 und T4 abgegriffen und ein zweites Hall-Signal V_3L wird zwischen den Anschlüssen T2 und T5 abgegriffen. In der Phase 4 wird ein erstes Hall-Signal V_4H zwischen den Anschlüssen T3 und T2 abgegriffen und ein zweites Hall-Signal V_4L wird zwischen den Anschlüssen T4 und T1 abgegriffen. In der Phase 5 wird ein erstes Hall-Signal V_5H zwischen den Anschlüssen T2 und T1 abgegriffen und ein zweites Hall-Signal V_5L wird zwischen den Anschlüssen T3 und T5 abgegriffen.
Bei dem Spinning-Current-Verfahren, wie es in den 8a bis 8e gezeigt ist, wird in den fünf Phasen somit jedes Paar benachbarter Kontakte zumindest einmal mit der Versorgungsschaltung gekoppelt. Ferner wird in jeder Betriebsphase des Spinning-Current-Betriebs eine andere Gruppe von drei Anschlüssen mit der Versorgungsschaltung gekoppelt.
Ein Gesamtausgangssignal kann aus den erfassten Hall-Signalen wie folgt berechnet werden: V_ges=V_1H+V_2H+V_3H+V_4H+V_5H+x(V_1L+_2L+V_3L+V_4L+V_5L).
Die Hall-Signale, die den Buchstaben L im Index haben, werden dabei jeweils auf einem anderen Gleichtakt-Potential erfasst, als die Signale, die den Buchstaben H im Index haben.
Der Buchstabe x in der obigen Gleichung kann wiederum einen Gewichtungskoeffizienten darstellen, der im Idealfall 1 sein kann. Der Gewichtungskoeffizient kann wiederum durch eine Testreihe empirisch ermittelt werden und kann zu einem maximalen Signal-Rausch-Verhältnis führen. Die von den separaten Stromquellen 62 und 64 gelieferten Ströme sind vorzugsweise identisch. Bei alternativen Beispielen können die gelieferten Ströme auch unterschiedlich sein.
Bei dem beschriebenen Beispiel liegt jeweils einer der drei Kontakte, die mit der Versorgungsschaltung gekoppelt sind, auf Masse. Alternativ kann an diesen Anschluss ein hohes Potential angelegt werden und die Polarität der Stromquellen kann invertiert werden. Dadurch könnten alternativ oder zusätzlich weitere Betriebsphasen implementiert werden, beispielsweise fünf weitere Betriebsphasen, deren Ausgangssignale dann mit den bei den anderen Betriebsphasen erhaltenen Ausgangssignalen kombiniert werden könnten.
Bei den bisher beschriebenen Beispielen sind die Hall-Effekt-Gebiete jeweils durch Hall-Platten implementiert. Bei alternativen Beispielen können die Hall-Effekt-Gebiete durch vertikale Hall-Elemente implementiert sein.
9 zeigt schematisch ein Beispiel eines vertikalen Hall-Effekt-Gebiets 80 in der Form eines Streifens in Draufsicht (d.h. senkrecht zur Hauptoberfläche 84 des Substrats laut 10a), wobei sieben Kontakte C1-C7 nebeneinander entlang einer Geraden angeordnet sind. Die sieben Kontakte sind mit sechs Anschlüssen verbunden, wobei die Kontakte C1 und C7 über eine Verbindung 81 außerhalb des Hall-Effekt-Gebiets 80 mit einem gemeinsamen Anschluss T1 verbunden sind, während jeder der Kontakte C2 bis C6 einen eigenen Anschluss T2 bis T6 aufweist. Somit sind die äußeren beiden Kontakte mit einem gemeinsamen Anschluss verbunden.
Das Hall-Effekt-Gebiet 80 kann wiederum durch eine dotierte Halbleiter-Wanne in einem Halbleitersubstrat gebildet sein, beispielsweise eine n^--Wanne in einem p-Substrat. 10a zeigt schematisch eine Querschnittdarstellung des Hall-Effekt-Gebiets 80 in einem Halbleitersubstrat 82, das eine Hauptoberfläche 84 aufweist. Die Hall-Sensor-Vorrichtung, die das vertikale Hall-Element aufweist, ist zur Erfassung von zu der Hauptoberfläche 84 parallelen Magnetfeldkomponenten B ausgelegt. Die Hall-Sensor-Vorrichtung weist eine Versorgungsschaltung in Form einer Stromquelle 90 und eines Referenzpotentialanschlusses 92, beispielsweise Masse, auf. Die Hall-Sensor-Vorrichtung weist ferner eine Erfassungsschaltung auf, die in den 10a bis 10c als zwei Spannungsmesser 94 und 96 veranschaulicht ist. Jeweils zwei der Anschlüsse sind in einer Betriebsphase mit der Versorgungsschaltung verbunden, während die anderen vier Anschlüsse mit der Erfassungsschaltung verbunden sind.
10a zeigt eine erste Betriebsphase, in der die Anschlüsse T1 und T4 mit der Versorgungsschaltung verbunden sind, während die Anschlüsse T2 und T6 ein erstes Erfassungspaar bilden und die Anschlüsse T3 und T5 ein zweites Erfassungspaar bilden. Der Anschluss T1 ist mit der Stromquelle 90 der Versorgungsschaltung verbunden und der Anschluss T4 ist mit dem Referenzpotentialanschluss 92 verbunden. Die Stromquelle 90 liefert einen Strom I1, der durch die Kontakte C1 und C7 in das Hall-Effekt-Gebiet 80 und zu dem Kontakt C4 fließt, wie durch Pfeile 98 in 10a angedeutet ist. Ein erstes Hall-Signal V₁ wird zwischen den Anschlüssen T2 und T6 erfasst, und ein zweites Hall-Signal V₂ wird zwischen den Anschlüssen T3 und T5 erfasst. Somit werden in einer Betriebsphase zwei Ausgangssignale bei dem gleichen Strom durch das Hall-Effekt-Gebiet erfasst. Aufgrund der Anordnung der Kontakte in dem Hall-Effekt-Gebiet werden die Ausgangssignale bei unterschiedlichen Gleichtakt-Potentialen erfasst.
Wiederum kann eine Steuerschaltung mit entsprechenden Schaltern, die in den 10a bis 10c nicht gezeigt sind, vorgesehen sein, um in anderen Betriebsphasen die Funktionalität der Anschlüsse umzuschalten. So zeigen die 10b und 10c eine zweite Betriebsphase und eine dritte Betriebsphase.
In der zweiten Betriebsphase sind, wie in 10b gezeigt ist, die Anschlüsse T2 und T5 mit der Versorgungsschaltung verbunden, während die Anschlüsse T1 und T3 als erstes Erfassungspaar und die Anschlüsse T4 und T6 als zweites Erfassungspaar mit der Erfassungsschaltung verbunden sind. Die Erfassungsschaltung ist wiederum schematisch durch Spannungsmesser 94, 96 dargestellt. Der Anschluss T2 ist mit der Stromquelle 90 der Versorgungsschaltung verbunden und der Anschluss T5 ist mit dem Referenzpotentialanschluss 92 verbunden. Die Stromquelle 90 erzeugt einen Strom I2, der durch den Kontakt C2 in das Hall-Effekt-Gebiet 80 eindringt und von dort direkt und über die Kontakte C1 und C7 sowie die Verbindung 81 zwischen diesen Kontakten zu dem Kontakt C5 fließt, wie durch Pfeile 98a in 10b angedeutet ist. Während der zweiten Betriebsphase werden ebenfalls zwei Hall-Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential erfasst, nämlich ein drittes Hall-Signal V₃ zwischen den Kontakten T1 und T3 und ein zweites Hall-Signal V₄ zwischen den Kontakten T4 und T6.
In der dritten Betriebsphase, die in 10c gezeigt ist, sind die Anschlüsse T3 und T6 mit der Versorgungsschaltung verbunden, und die Anschlüsse T1, T2, T4 und T5 sind mit der Erfassungsschaltung verbunden. Genauer gesagt ist der Anschluss T3 mit der Stromquelle 90 verbunden, die einen Strom I4 erzeugt, der über den Kontakt C3 in das Halbleiter-Gebiet 80 eindringt und direkt oder über die Kontakte C1 und C7 sowie die externe Verbindung 81 derselben zu dem Kontakt C6 fließt. Dies ist durch Pfeile 98b in 10c angedeutet. Der Anschluss T6 ist mit dem Referenzpotential 92 gekoppelt. Auch in der dritten Betriebsphase werden zwei Hall-Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential erfasst, nämlich ein erstes Hall-Signal V₅ zwischen den Anschlüssen T2 und T4 und ein zweites Hall-Signal V₆ zwischen den Anschlüssen T1 und T5.
In einem Spinning-Current-Betrieb kann zwischen den drei in den 10a bis 10c gezeigten Betriebsphasen umgeschaltet werden, wobei die Ströme I1, I2 und I3 vorzugsweise gleich sind, so dass gilt: I1=I2=I3. Ein Ausgangssignal kann dann wie folgt berechnet werden: V_total=V₁+V₂+V₃+V₄+V_S+V₆. Wie oben bezüglich anderer Beispiele erläutert wurde, können auch hier empirisch Gewichtungsfaktoren ermittelt werden, die zu einer Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses führen können, und mit denen die jeweiligen erfassten Spannungen vor der Addition derselben multipliziert werden können.
Auch bei dem Bezug nehmend auf die 9 bis 10 beschriebenen Beispiel können zur Erzeugung alternativer oder zusätzlicher Betriebsphasen die Stromrichtungen und Spannungsrichtungen invertiert werden. Beispielsweise kann in der ersten Betriebsphase der Anschluss T4 mit der Stromquelle gekoppelt werden, während der Anschluss T1 mit dem Referenzpotential verbunden wird. Weiterhin alternativ könnte in der ersten Betriebsphase der Anschluss T4 auf ein hohes Potential gelegt werden und die Stromrichtung der Stromquelle 90 könnte invertiert werden. Die in solchen weiteren oder alternativen Betriebsphasen erhaltenen Hall-Signale könnten ebenfalls mit den in den anderen Betriebsphasen erhaltenen Hall-Signalen kombiniert werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis sowie den Rest-Offset-Fehler weiter zu verbessern.
Bei Beispielen können die erfassten Differenz-Signale pro Betriebsphase kombiniert werden, woraufhin die dadurch erhaltenen Signale über alle Betriebsphasen kombiniert werden können. Bei Beispielen können die über alle Betriebsphasen erhaltenen Differenz-Signale miteinander kombiniert werden, ohne zunächst die Differenz-Signale pro Betriebsphase zu kombinieren. Bei Beispielen können jeweils zunächst einzelne Differenz-Signale über alle Betriebsphasen miteinander kombiniert werden, woraufhin dann die dadurch erhaltenen Signale kombiniert werden. Beispielsweise könnten Bezug nehmend auf die 6a - 6h alle Uhall_1 über acht Phasen kombiniert werden, weiterhin alle Uhall_2, und ebenso alle Uhall_3, und erst anschließend könnten die drei dadurch gewonnenen Signale kombiniert werden, beispielsweise mit unterschiedlichem Gewichtungsfaktor. Somit kann das Gesamtsignal eine Linearkombination der Einzelsignale sein, wobei alle Einzelsignale auf gleichem Gleichtaktpotential betragsmäßig idente Gewichtungsfaktoren haben.
Bei Beispielen werden die Differenz-Signale kombiniert, so dass die Absolutwerte aller Gewichtungsfaktoren der Linearkombination ident sind, d.h. sie gehen mit dem gleichen Gewicht ein. Dabei können sie addiert oder (teilweise) subtrahiert werden.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung entspricht der Strom, der durch einen der beiden Kontakte eines Versorgungspaars in das Hall-Effekt-Gebiet fließt, dem Strom, der durch den anderen der zwei Kontakte des Versorgungspaars aus dem Hall-Effekt-Gebiet fließt. Beispiele hierfür sind die in den 1 und 5 gezeigten Hall-Sensor-Vorrichtungen.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung tritt der Versorgungsstrom über genau einen einzelnen Anschluss in das Hall-Effekt-Gebiet ein und tritt über genau einen anderen einzelnen Anschluss aus dem Hall-Effekt-Gebiet aus. Somit kann der Versorgungsstrom zur Gänze über einen Anschluss in das Hall-Effekt-Gebiet eintreten und zur Gänze durch einen anderen Anschluss austreten.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung wurden oben insbesondere Bezug nehmend auf Hall-Sensor-Vorrichtungen beschrieben. Es ist für Fachleute offensichtlich, dass die Beschreibung jeweiliger Funktionalitäten der Hall-Sensor-Vorrichtungen in gleicher Weise eine Beschreibung von Schritten eines Verfahrens zum Erfassen eines Magnetfelds unter Verwendung einer Hall-Sensor-Vorrichtung darstellen. Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen somit entsprechende Verfahren zum Erfassen eines Magnetfelds unter Verwendung einer Hall-Sensor-Vorrichtung mit einem Hall-Effekt-Gebiet und mindestens fünf Anschlüssen, von denen jeder mit zumindest einem Kontakt für das Hall-Effekt-Gebiet verbunden ist. Das Verfahren umfasst während einer Betriebsphase ein Koppeln einer Gruppe von mindestens zwei Anschlüssen mit einer Versorgungsschaltung zum Erzeugen eines Versorgungsstroms durch das Hall-Effekt-Gebiet und das Koppeln eines ersten und zweiten Paars der Anschlüsse als Erfassungspaare mit einer Erfassungsschaltung, um zwischen den Anschlüssen des ersten Paars ein erstes Hall-Signal und zwischen den Anschlüssen des zweiten Paars ein zweites Hall-Signal auf einem anderen Gleichtakt-Potential als das erste Hall-Signal zu erfassen. Durch die Erfassung zweier Hall-Signale bei Anlegen des gleichen Versorgungsstroms kann ein erhöhtes Signal-Rausch-Verhältnis bei reduziertem Stromverbrauch erreicht werden.
Bei Beispielen eines Verfahrens der vorliegenden Offenbarung wird in einer zweiten Betriebsphase eine zweite Gruppe der Anschlüsse, die von der ersten Gruppe verschieden ist, mit der Versorgungsschaltung gekoppelt, und zwei andere von dem ersten und zweiten Paar verschiedene Paare der Anschlüsse werden als Erfassungspaare mit der Erfassungsschaltung gekoppelt.
Bei Beispielen des hierin offenbarten Verfahrens kann ein Spinning-Current-Betrieb mit einer Hall-Sensor-Vorrichtung, die N Paare von Anschlüssen aufweist, wobei N eine natürliche Zahl größer als oder gleich 3 ist, durchgeführt werden, wobei in jeder Betriebsphase des Spinning-Current-Betriebs ein Paar der Anschlüsse als Versorgungspaar mit der Versorgungsschaltung gekoppelt wird und die übrigen N-1 Paare als Erfassungspaare mit der Erfassungsschaltung gekoppelt werden, wobei in dem Spinning-Current-Betrieb jedes der N Paare zumindest einmal als Versorgungspaar dient, und wobei in jeder Betriebsphase des Spinning-Current-Betriebs der Versorgungsstrom durch einen anderen Anschluss in das Hall-Effekt-Gebiet eingespeist wird.
Bei Beispielen des hierin offenbarten Verfahrens kann für jede Betriebsphase ein Erfassungssignal erzeugt werden, das auf einer Linearkombination der während jeder Betriebsphase erfassten Hall-Signale basiert. Bei Beispielen des hierin offenbarten Verfahrens können Gewichtungsfaktoren, die von der geometrischen Anordnung der Kontakte, die mit den Anschlüssen der Erfassungspaare verbunden sind, abhängen, bei einer Berechnung der Linearkombination verwendet werden. Bei Beispielen ist die Linearkombination eine Addition. Bei Beispielen werden die Erfassungssignale aller Betriebsphasen addiert. Bei anderen Beispielen können andere Linearkombinationen, beispielsweise eine Subtraktion, verwendet werden.
Obwohl Bezug nehmend auf die Figuren Beispiele mit einer bestimmten Anzahl von Kontakten und Anschlüssen beschrieben wurden, ist klar, dass andere Beispiele eine anderen Anzahl von Kontakten und eine andere Anzahl von Anschlüssen aufweisen können. Ferner ist klar, dass das Hall-Effekt-Gebiet andere Formen als die beschriebenen Formen aufweisen kann.
Obwohl manche Aspekte im Kontext einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung der entsprechenden Verfahren zum Erfassen eines Magnetfelds darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entsprechen können. Analog dazu können Aspekte, die im Kontext eines Verfahrensschritts beschrieben sind, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Postens oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung darstellen. Manche oder alle Verfahrensschritte können durch eine (oder unter Verwendung einer) Hardwarevorrichtung, wie beispielsweise eines Mikroprozessors, eines programmierten Computers oder einer elektronischen Schaltung ausgeführt werden. Bei manchen Beispielen kann bzw. können ein oder mehrere der Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden. Insbesondere können bei Beispielen die Versorgungsschaltung, die Erfassungsschaltung und/oder die Steuerschaltung durch beliebige geeignete Schaltungsstrukturen implementiert werden, beispielsweise Mikroprozessorschaltungen, ASIC-Schaltungen, CMOS-Schaltungen und dergleichen.
Die oben beschriebenen Beispiele sollen die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung lediglich veranschaulichen. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten Fachleuten einleuchten werden. Daher soll der Schutzbereich lediglich durch die folgenden Patentansprüche bestimmt sein.

Claims

Hall-Sensor-Vorrichtung mit folgenden Merkmalen: einem Hall-Effekt-Gebiet (10, 50, 60, 80) mit mindestens fünf Kontakten (C1 - C8), die mit mindestens fünf Anschlüssen (T1 - T8) verdrahtet sind, wobei keiner der mindestens fünf Kontakte (C1 - C8) mit mehr als einem der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T5) verdrahtet ist; einer Versorgungsschaltung (12, 32, 62, 64, 65, 90, 92); und einer Erfassungsschaltung (14, 34, 36, 94, 96), wobei die Hall-Sensor-Vorrichtung eingerichtet ist, so dass in einer ersten Betriebsphase ein Versorgungsstrom durch einen einzigen Anschluss der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) in das Hall-Effekt-Gebiet (10, 50, 60, 80) eintritt oder aus dem Hall-Effekt-Gebiet (10, 50, 60, 80) austritt, und zwei Differenz-Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential zwischen jeweils zwei der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T5) erfasst werden, wobei die Erfassungsschaltung (14, 34, 36, 94, 96) ausgelegt ist, um die erfassten Differenz-Signale zu einem Gesamtsignal zu kombinieren.
Hall-Sensor-Vorrichtung nach Anspruch 1, die eine Steuerschaltung (30) aufweist, wobei die Steuerschaltung (30) ausgelegt ist, um in mehr als einer Betriebsphase die mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) selektiv mit der Versorgungsschaltung (12, 32, 62, 64, 65, 90, 92) und der Erfassungsschaltung (14, 34, 36, 94, 96) zu koppeln, so dass in jeder Betriebsphase ein Versorgungsstrom durch einen einzigen Anschluss der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) in das Hall-Effekt-Gebiet (10, 50, 60, 80) eintritt oder aus dem Hall-Effekt-Gebiet (10, 50, 60, 80) austritt, und in jeder Betriebsphase zwei Differenz-Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential erfasst werden.
Hall-Sensor-Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Steuerschaltung (30) ausgelegt ist, um in der ersten Betriebsphase eine Gruppe von mindestens zwei Anschlüssen der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) mit der Versorgungsschaltung (12, 32, 62, 64, 65, 90, 92) zu koppeln und ein erstes und ein zweites Paar der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) mit der Erfassungsschaltung (14, 34, 36, 94, 96) zu koppeln, und in einer zweiten Betriebsphase eine von der ersten Gruppe verschiedene Gruppe von mindestens zwei Anschlüssen der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) mit der Versorgungsschaltung (12, 32, 62, 64, 65, 90, 92) zu koppeln, und zwei andere von dem ersten und zweiten Paar verschiedene Paare der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) mit der Erfassungsschaltung (14, 34, 36, 94, 96) zu koppeln.
Hall-Sensor-Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) N Paare von Anschlüssen aufweisen, wobei N eine natürliche Zahl größer oder gleich 3 ist, wobei die Steuerschaltung (30) ausgelegt ist, um einen Spinning-Current-Betrieb durchzuführen, wobei in jeder Betriebsphase des Spinning-Current-Betriebs ein Paar der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) als Versorgungspaar mit der Versorgungsschaltung (12, 32, 90, 92) gekoppelt ist und die übrigen N-1 Paare als Erfassungspaare mit der Erfassungsschaltung (14, 34, 36, 94, 96) gekoppelt sind, wobei in dem Spinning-Current-Betrieb jedes der N Paare zumindest einmal als Versorgungspaar dient, und wobei in jeder Betriebsphase des Spinning-Current-Betriebs der Versorgungsstrom durch einen anderen Anschluss in das Hall-Effekt-Gebiet (10, 50, 80) eingespeist wird.
Hall-Sensor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der in der ersten Betriebsphase ein Paar der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) als Versorgungspaar mit der Versorgungsschaltung (12, 32, 90, 92) gekoppelt ist, und zwei Paare der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) als Erfassungspaare mit der Erfassungsschaltung (14, 34, 36, 94, 96) gekoppelt sind, wobei eine Richtung, in der sich die Kontakte, die mit den Anschlüssen des Versorgungspaars verbunden sind, gegenüberliegen, senkrecht ist zu Richtungen, in denen sich die Kontakte, die mit den Anschlüssen der Erfassungspaare verbunden sind, gegenüberliegen.
Hall-Sensor-Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der jeweils die Anschlüsse eines ersten Kontakts und eines zweiten Kontakts, dessen Abstand zu dem ersten Kontakt größer ist als zu allen anderen Kontakten, als ein Versorgungspaar mit der Versorgungsschaltung (12, 32) gekoppelt sind.
Hall-Sensor-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) 2N-1 Anschlüsse aufweisen, mit N ≥ 3, wobei N eine natürliche Zahl ist, wobei in der ersten Betriebsphase drei Anschlüsse der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) mit der Versorgungsschaltung gekoppelt sind, wobei ein elektrischer Widerstand durch das Hall-Effekt-Gebiet zwischen einem ersten der drei Anschlüsse und einem dritten der drei Anschlüsse und ein elektrischer Widerstand durch das Hall-Effekt-Gebiet zwischen einem zweiten der drei Anschlüsse und dem dritten der drei Anschlüsse gleich ist, und wobei in der ersten Betriebsphase 2N-2 Anschlüsse der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) N-1 Anschlusspaare bilden, wobei an 2 ≤ M ≤ N-1 Anschlusspaaren Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential erfasst werden.
Hall-Sensor-Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) 2N-1 Anschlüsse aufweisen, mit N ≥ 3, wobei N eine natürliche Zahl ist, wobei die Steuerschaltung ausgelegt ist, um in jeder Betriebsphase drei Anschlüsse der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) mit der Versorgungsschaltung zu koppeln, wobei ein elektrischer Widerstand durch das Hall-Effekt-Gebiet zwischen einem ersten der drei Anschlüsse und einem dritten der drei Anschlüsse und ein elektrischer Widerstand durch das Hall-Effekt-Gebiet zwischen einem zweiten der drei Anschlüsse und dem dritten der drei Anschlüsse gleich ist, und wobei in jeder Betriebsphase 2N-2 Anschlüsse der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) N-1 Anschlusspaare bilden, wobei an 2 ≤ M ≤ N-1 Anschlusspaaren Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential erfasst werden.
Hall-Sensor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Kontakte symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse durch das Hall-Effekt-Gebiet (10, 50, 60, 80) und/oder bezüglich eines geometrischen Schwerpunkts des Hall-Effekt-Gebiets (10, 50, 80) angeordnet sind.
Hall-Sensor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Erfassungsschaltung (14, 34, 36, 94, 96) ausgelegt ist, um die in einer oder jeder Betriebsphase erfassten Differenz-Signale zu einem Gesamtsignal zu kombinieren, das auf einer Linearkombination der erfassten Differenz-Signale basiert.
Hall-Sensor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Erfassungsschaltung (14, 34, 36, 94, 96) ausgelegt ist, um Gewichtungsfaktoren bei einer Berechnung der Linearkombination zu verwenden, wobei Differenzsignale, die auf einem gleichen Gleichtakt-Potential erfasst werden, betragsmäßig gleiche Gewichtungsfaktoren aufweisen.
Hall-Sensor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Kontakte (C1 - C8) mit einem gleichmäßigen Winkelabstand um den Umfang des Hall-Effekt-Gebiets (10, 50, 60, 80) angeordnet sind.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfelds unter Verwendung einer Hall-Sensor-Vorrichtung mit einem Hall-Effekt-Gebiet (10, 50, 60, 80) mit mindestens fünf Kontakten (C1 - C8), die mit mindestens fünf Anschlüssen (T1 - T8) verdrahtet sind, wobei keiner der mindestens fünf Kontakte (C1 - C8) mit mehr als einem der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) verdrahtet ist, wobei das Verfahren während einer Betriebsphase folgende Merkmale aufweist: Erzeugen eines Versorgungsstroms durch das Hall-Effekt-Gebiet (10, 50, 60, 80), wobei der Versorgungsstrom durch einen einzigen Anschluss der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) in das Hall-Effekt-Gebiet (10, 50, 60, 80) eintritt oder aus dem Hall-Effekt-Gebiet (10, 50, 60, 80) austritt; Erfassen zweier Differenz-Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential zwischen jeweils zwei der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T5); und Kombinieren der erfassten Differenz-Signale zu einem Gesamtsignal.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem in mehr als einer Betriebsphase die mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) selektiv mit einer Versorgungsschaltung (12, 32, 62, 64, 65, 90, 92) und einer Erfassungsschaltung (14, 34, 36, 94, 96) gekoppelt werden, so dass in jeder Betriebsphase ein Versorgungsstrom durch einen einzigen Anschluss der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) in das Hall-Effekt-Gebiet (10, 50, 60, 80) eintritt oder aus dem Hall-Effekt-Gebiet (10, 50, 60, 80) austritt, und in jeder Betriebsphase zwei Differenz-Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) N Paare von Anschlüssen aufweisen, wobei N eine natürliche Zahl größer oder gleich 3 ist, das ferner folgendes Merkmal aufweist: Durchführen eines Spinning-Current-Betriebs, wobei in jeder Betriebsphase des Spinning-Current-Betriebs ein Paar der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) als Versorgungspaar mit der Versorgungsschaltung (12, 32, 90, 92) gekoppelt wird und die übrigen N-1 Paare der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T5) als Erfassungspaare mit der Erfassungsschaltung (14, 34, 36, 94, 96) gekoppelt werden, wobei in dem Spinning-Current-Betrieb jedes der N Paare zumindest einmal als Versorgungspaar dient, und wobei in jeder Betriebsphase des Spinning-Current-Betriebs der Versorgungsstrom durch einen anderen Anschluss in das Hall-Effekt-Gebiet (10, 50, 80) eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) 2N-1 Anschlüsse aufweisen, mit N ≥ 3, wobei N eine natürliche Zahl ist, wobei in jeder Betriebsphase drei Anschlüsse der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) mit der Versorgungsschaltung gekoppelt werden, wobei ein elektrischer Widerstand durch das Hall-Effekt-Gebiet zwischen einem ersten der drei Anschlüsse und einem dritten der drei Anschlüsse und ein elektrischer Widerstand durch das Hall-Effekt-Gebiet zwischen einem zweiten der drei Anschlüsse und dem dritten der drei Anschlüsse gleich ist, und wobei in jeder Betriebsphase 2N-2 Anschlüsse der mindestens fünf Anschlüsse (T1 - T8) N-1 Anschlusspaare bilden, wobei an 2 ≤ M ≤ N-1 Anschlusspaaren Signale auf unterschiedlichem Gleichtakt-Potential erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die in einer oder jeder Betriebsphase erfassten Differenz-Signale zu einem Gesamtsignal kombiniert werden, das auf einer Linearkombination der erfassten Differenz-Signale basiert.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem Gewichtungsfaktoren bei einer Berechnung der Linearkombination verwendet werden, wobei Differenzsignale, die auf einem gleichen Gleichtakt-Potential erfasst werden, betragsmäßig gleiche Gewichtungsfaktoren aufweisen.