DE4308375C2 - Störspannungskompensierte Halleffekt-Einrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Halleffekt- Einrichtung gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5.

Bringt man einen vom Strom I durchflossenen streifen­ förmigen, im Vergleich zu seiner Breite dünnen elektrischen Leiter ("Hallelement") in ein Magnetfeld B*, das eine auf der Leiterebene senkrecht stehende Komponente aufweist, so entsteht aufgrund des sogenannten Halleffektes zwischen den seitlichen Rändern des streifenförmigen Leiters eine Spannung, die sogenannte Hall-Spannung

A_H.I.B*/d (1)

wobei A_H der Hall-Koeffizient,

A_H = r/(n.e) (2)

ist. Hierin bedeuten
B* = magnetische Feldstärke,
d = Dicke des Leiters,
r = von der Beweglichkeit der Ladungsträger abhängiger Faktor,
n = Dichte der Ladungsträger,
e = Elementarladung.

Der Hall-Effekt wird in der Wissenschaft und Technik für die verschiedensten Zwecke nutzbar gemacht, z. B. für robuste Magnetometer, magnetfeldbetätigte Schalter, Positions­ sensoren und neuerdings auch für hochpräzise Widerstands­ standards, bei dem der Quanten-Halleffekt ausgenutzt wird, siehe z. B.: die Veröffentlichungen von Kordi und Popovi in "Sensors and Actuators", 10 (1986) 347-378 bzw. 17, (1989) 39-53.

Im einfachsten Falle enthält eine Halleffekt-Einrichtung einen möglichst dünnen, rechteckigen oder streifenförmigen elektrischen Leiter ("Hallelement"). Es sind ferner magnet­ feldabhängige Widerstände bekannt, die einen dünnen, ringförmigen Leiter enthalten, der am Innen­ rand und am Außenrand jeweils mit einem sich über den ganzen Rand erstreckenden Anschluß versehen ist (Corbino-Konfiguration).

Aufgrund der Gleichung (1) könnte man annehmen, daß die Empfindlichkeit einer Halleffekt-Einrichtung, also das Ver­ hältnis von Hallspannung zu magnetischer Feldstärke, durch Erhöhung des Stromes I beliebig gesteigert werden könnte. In der Praxis zeigt es sich jedoch, daß durch Störeffekte, insbesondere mangelhafte Ausrichtung der Anschlüsse (Posi­ tionsfehler) und Inhomogenitäten des Leitermaterials sehr schnell eine Grenze erreicht wird, da diese Unvollkommen­ heiten einen widerstandsbedingten Spannungsabfall und damit auch ohne Einwirkung eines Magnetfeldes eine Fehlerspannung an den Hallspannungsanschlüssen verursachen. Wenn die Hall­ spannung bei schwachen Magnetfeldern in die Größenordnung dieser Fehlerspannungen gelangt, ist eine ordnungsgemäße Messung offensichtlich nicht mehr möglich.

Es sind bereits verschiedene Maßnahmen zur Beseitigung oder Kompensation dieser Fehlerspannungen bekannt. Das einfachste Verfahren besteht darin, das Signal an den Hallspannungs­ anschlüssen bei zwei entgegengesetzten Richtungen des Magnet­ feldes zu messen, wobei dann die Fehlerspannung durch Sub­ traktion der gewonnenen Signale eliminiert werden kann. In der Praxis ist eine Umkehr der Magnetfeldrichtung jedoch sehr schwer durchführbar. Ein anderes, aus der DE 23 33 080 B2 bekanntes Verfahren arbeitet mit einem Austausch der Stromanschlüsse und der Hallspannungs-Anschlüsse ohne Feldumkehr. Dabei weist das Hallelement zwei Paare einander gegenüberliegender Elektroden auf und das Hallelement wird wechselweise über das eine der zwei Paare der gegenüberliegenden Elektroden gespeist und das Ausgangssignal an dem anderen Elektrodenpaar abgenommen und aus dem Mittel­ wert der absoluten Pegel von mindestens zwei aufeinander­ folgenden Ausgangssignalen der wahre Wert der Hallspannung bestimmt. Hier werden außer einer Bildung der Signaldifferenz relativ komplizierte Umschalter benötigt. Ferner ist es bekannt, die Fehlerspannungen durch Verwendung gegeneinanderge­ schalteter, gepaarter auf demselben Chip angeordneter Hallelemente zu kompen­ sieren (IBM Techn. Discl. Bull. Bd. 12, 1970, Nr. 12, Seite 2163). Schließlich beschreibt die japanische Patentanmeldung 57-107087 (Patent Abstracts of Japan E-135, 9.10.82, Bd. 6, Nr. 200) ein Hallelement mit sechs An­ schlüssen, von denen jeweils zwei Paare, die in einer bestimmten geometrischen Anordnung zueinander stehen, durch zwei Stromkreise derartig mit Strom beschickt werden, daß an den zwei verbleibenden Elektroden ein kompensiertes Hallspannungs-Signal abgenommen werden kann.

Für manche Anwendungen, wie z. B. die Messung von örtlich veränderlichen Magnetfelder, wie Gradientenfeldern, werden ebenfalls bessere, insbesondere einfachere, genauere und funktionstüchtigere Halleffekt-Einrichtungen benötigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, Halleffekt-Einrichtungen mit neuartigen Konfigurationen anzugeben, mit denen die oben erwähnten widerstandsbedingten Fehlerspannungen auf einfache Weise vermieden und andere Meßaufgaben gelöst werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Halleffekt-Einrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 und 5 angegebenen Merkmalen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß bei Halleffekt-Einrichtungen mit einem Hallelement, das minde­ stens ein Loch oder Fenster aufweist und dementsprechend durch einen äußeren Rand und mindestens einen inneren Rand begrenzt ist, an dem äußeren oder jedem inneren Rand eine Hall­ spannung abgenommen werden kann.

Das Hallelement hat also mathematisch gesprochen die Form eines mehrfach zusammenhängenden Gebietes, im einfachsten Falle die Form eines zweifach zusammenhängenden Gebietes, d. h. daß es geschlossene Kurven im Gebiet gibt, die nur mit ein- bzw. mehrmaligem Überschreiten eines Randes zu einem Punkt zusammengezogen werden können.

Eine bevorzugte zweifach zusammenhängende Konfiguration ist die eines rechteckigen Rahmens, der durch einen äußeren und einen inneren Rand begrenzt ist. Hier können Ströme jeweils an zwei einander entgegengesetzten Stellen des äußeren und des inneren Randes in das rahmenförmige Hallelement injiziert werden und Hallspannungen können an zwei einander entgegen­ gesetzten Stellen des äußeren und/oder des inneren Randes abgenommen werden. Die injizierten Ströme können unabhängig voneinander so eingestellt werden, daß der resultierende Strom in der Nähe der Hallspannungsanschlüsse verschwindet. Dadurch kann auch kein Spannungsabfall im Bereich der Hall­ spannungsanschlüsse und damit auch keine widerstandsbedingte Fehlerspannung auftreten.

Mit einem Hallelement, das mehrere, in einer Reihe oder über einen Flächenbereich verteilte Löcher oder Fenster aufweist, können örtliche Magnetfeldverteilungen gemessen werden. Am Innenrand jedes Fensters kann ein Strom injiziert und eine Hallspannung abgenommen werden und die Fehlerspannungs­ kompensation kann mittels eines gemeinsamen Stromes erfolgen, der am äußeren Rand injiziert wird.

Die vorliegenden Halleffekt-Einrichtungen zeichnen sich dementsprechend durch eine vielseitige Verwendbarkeit aus. Die Verlustleistung und dementsprechend das thermische Rauschen sind niedrig; die Empfindlichkeit ist mindestens zwei Größenordnungen höher als die vergleichbarer Halleffekt- Einrichtung und wegen der Ausschaltung der widerstandsbe­ dingten Störspannungen ist auch die Temperaturabhängigkeit des Hallspannungssignals klein.

Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden, dabei werden noch weitere Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Halleffekt- Einrichtung, die einen Grundbaustein von einigen im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung bildet,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer störspannungs­ kompensierten Halleffekt-Einrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Stromversorgungsschaltung, die zwei getrennte Strom­ quellen enthält;

Fig. 3a bis 3f Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung gemäß Fig. 2 und

Fig. 4 bis 7 weitere Ausführungsbeispiele von Halleffekt- Einrichtungen gemäß der Erfindung.

Bei allen Halleffekt-Einrichtungen, die im folgenden be­ schrieben werden, wirkt im Betrieb auf das Hallelement ein Magnetfeld ein, das auf der Ebene des Hallelements senkrecht steht oder zumindest eine auf der Ebene des Hallelements senkrecht stehende Komponente hat.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Halleffekt-Einrichtung enthält ein Hallelement 10, also einen dünnen, praktisch zweidimensionalen Leiter, der die Form eines länglichen, rechteckigen Rahmens hat, welcher durch einen äußeren Rand 10a und einen inneren Rand 10b begrenzt ist und streifen­ förmige Seiten gleicher Breite hat. An zwei einander ent­ gegengesetzten Seiten des inneren Randes 10b sind zwei Stromanschlüsse 1 und 2 angeordnet, die mit einer Strom­ quelle 12 verbunden sind, welche eine Spannungsquelle 16 und einen mit dieser in Reihe geschalteten Widerstand R enthält. Am inneren Rand 10b sind zwei Paare von Hallspannungsanschlüssen 3-5 und 4-6 angeordnet, an dem eine nicht-fehlerspannungskompensierte Hallspannung entsprechend einem auf das Hall­ element einwirkenden Magnetfeld abgenommen werden kann.

Das Hallelement 10 kann in üblicher Weise ausgebildet sein. Eine praktisch zweidimensionale leitende "Elektronengas"- Schicht (Dicke ca 10 nm) liefern bestimmte epitaktische Heterostrukturen, z. B. GaAs auf AlGaAs. Die Ladungsträger­ dichte beträgt in diesem Fall ca 10¹¹ cm^-2. Das Hallelement kann auch aus einer dünnen (z. B. 2 µm dicken) dotierten Siliciumschicht (Trägerdichte etwa 10¹⁸ cm^-3) bestehen. Die Breite der streifenförmigen Seiten des rahmenförmigen Hall­ elements 10 kann beispielsweise 300 µm betragen.

Bei der störspannungskompensierten Halleffekt-Einrichtung gemäß Fig. 2 sind zusätzlich zu den in Verbindung mit Fig. 4 erwähnten Komponenten auch am äußeren Rand 10a Strom­ anschlüsse A und B vorgesehen, die mit einer zweiten Strom­ quelle 14 verbunden sind. Außerdem ist am äußeren Rand 10a und/oder am inneren Rand 10b mindestens ein Paar von Hall­ spannungsanschlüssen C-E und/oder D-F und/oder 3-5 und/oder 4-6 vorgesehen. Die Abstände von einem Stromanschluß zu den Hallspannungsanschlüssen eines Paares sind gleich und groß im Vergleich zum Abstand benachbarter Stromanschlüsse A-1 bzw. B-2. Der Strom I_{1, 2} bzw. I_{A, B} mindestens einer der beiden Stromquellen 12, 14 ist einstellbar.

Die Hallspannung zwischen den Hallspannungsanschlüssen C-E bzw. D-F hängt hinsichtlich des injizierten Stromes aus­ schließlich vom Strom I_{A, B} ab. Die Hallspannung zwischen den Hallspannungsanschlüssen 3-5 bzw. 4-6 hängt hinsichtlich des injizierten Stromes ausschließlich vom Strom I_{1, 2} ab. Man kann diese beiden Ströme einander überlagern, sodaß die Bereiche in den langen Schenkeln des Hallelements, an deren Rändern die Hallspannungsanschlüsse 3 bis 6 bzw. C bis F angebracht sind, praktisch stromlos sind und daher zwischen den zugehörigen Hallspannungsanschlüssen keine strombedingten Fehlerspannungen auftreten können.

Der Effekt dieser Überlagerung ist in den Fig. 3a bis 3f dargestellt. Die Messungen wurden mit einem Hallelement der in Fig. 2 dargestellten Konfiguration durchgeführt, das aus einer GaAs-Epischicht bestand (n_295K = 2,2.10¹⁷ cm^-3). Der Strom I_{A, B} wurde auf 0,1 mA konstant gehalten.

Fig. 3a)zeigt das Hallspannungs-Signal V_{4, 6} in mV in Ab­ hängigkeit von der magnetischen Feldstärke B* in Milli- Tesla, Parameter I_{1, 2} in Schritten von 0,05 mA. Man beachte die geringe Neigung, die sich mit I_{1, 2} ändert.

Fig. 3b) zeigt V_{4, 6} in Abhängigkeit von I_{1, 2} bei B* = 0. Dieses Signal stellt die durch den Widerstands-Spannungs­ abfall im Hallelement verursachte Fehlerspannung dar. Man beachte, daß die Fehlerspannung praktisch verschwindet, wenn I_{1, 2} = -I_{A, B} = 0,1 mA ist.

Fig. 3c) zeigt das fehlerspannungskompensierte Hall­ spannungssignal

dV_{4, 6} = (V_{4, 6} [+B] - V_{4, 6} [-B])/2 (3)

zwischen den Innenrand-Hallspannungsanschlüssen 4 und 6 in Abhängigkeit von B*, Parameter I_{1, 2} in Schritten von 0,05 mA. Man beachte, daß dV_{4, 6} verschwindet, wenn I_{1, 2} = 0 ist und daß es nur von I_{1, 2} proportional abhängig ist. dV_{4, 6} ist auch unabhängig von I_{A, B}.

Fig. 3d) zeigt das fehlerspannungskompensierte Hall­ spannungsignal

dV_{D, F} = (V_{D, F} [+B] - V_{D, F} [-B])/2 (4)

zwischen den Außenrand-Hallspannungsanschlüssen D und F. Man beachte, daß dV_{D, F} sich bei Änderungen von I_{1, 2} nicht ändert.

Fig. 3e) zeigt die Abhängigkeit von V_{D, F} von B*, Parameter I_{1, 2} in Schritten von 0,05 mA. Die geringe positive Steigung ist unabhängig von Änderungen des Stromes I_{1, 2}.

Fig. 3f) zeigt die Abhängigkeit von V_{D, F} von I_{1, 2} bei B* = 0, d. h. die durch interne Spannungsabfälle verursachte Fehlerspannung am Außenrand des Hallelements 10. Diese Fehlerspannung verschwindet praktisch bei I_{1, 2} = -I_{A, B} = 0,1 mA wie bei Fig. 3b.

Bei Fig. 2 wurde das Hallelement 1, 2 von zwei getrennten Stromquellen 12, 14 über die Stromanschlüsse A, B und 1, 2 mit Strömen I_{A, B} bzw. I_{1, 2} gespeist. Die Fig. 4 bis 6 zeigen Ausführungsbeispiele von störspannungsfreien Hall­ effekt-Einrichtungen gemäß der Erfindung, die nur eine einzige Energiequelle zur Stromversorgung enthalten.

Die Halleffekt-Einrichtung gemäß Fig. 4 enthält eine Energieversorgung mit einer Spannungsquelle 16 und zwei Widerständen R1 und R2. Der eine Pol der Spannungsquelle 16 ist mit den Stromanschlüssen B und 1 verbunden, während der andere Pol über den Widerstand R1 mit dem Stromanschluß A und über den Widerstand R2 mit dem Stromanschluß 2 verbunden ist.

Die Halleffekt-Einrichtung gemäß Fig. 5 enthält zur Energie­ versorgung eine Spannungsquelle 16 sowie einen Widerstand R, die in Reihe zwischen die Stromanschlüsse 1 und A geschaltet sind. Hier kann an den mit dem Innenrand verbundenen Hall­ spannungsanschlüssen 3-5 und/oder 4-6 und/oder den mit dem Außenrand verbundenen Hallspannungsanschlüssen C-E und/oder D-F ein Hallspannungssignal abgenommen werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 enthält die Strom­ versorgungsschaltung eine Spannungsquelle 16 und zwei Wider­ stände R1, R2. Der eine, hier negative Pol der Spannungs­ quelle 16 ist mit den Stromanschlüssen B und 2 verbunden. Der andere, positive Pol der Spannungsquelle 16 ist über den Widerstand R1 mit dem Stromanschluß 1 und über den Wider­ stand R2 mit dem Stromanschluß A verbunden. Im übrigen entsprechen die Halleffekt-Einrichtungen gemäß den Fig. 4 bis 6 denen gemäß Fig. 1 und 2, so daß sich eine weitere Erläuterung erübrigt.

Die Halleffekt-Einrichtung gemäß Fig. 7 hat ein längliches Hallelement mit mehreren, hier drei in einer Reihe angeord­ neten Löchern oder Fenstern, es hat daher einen Außenrand 10a sowie drei Innenränder 10b1, 10b2, 10b3. An zwei ent­ gegengesetzten Stellen des Außenrandes sind zwei Strom­ anschlüsse A und B vorgesehen, die mit einer Stromquelle 14 verbunden sind. Die Innenränder sind jeweils mit einem Paar von Stromanschlüssen 1a, 2a bzw. 1b, 2b, bzw. 1c, 2c, die mit zugehörigen, einstellbaren Stromquellen 12a bzw. 12b bzw. 12c verbunden sind, und mindestens einem Paar von Hallspannungsanschlüssen 3a, 5a bzw. 3b, 5b bzw 3c, 5c kontaktiert. Die Funktionsweise ist analog der gemäß Fig. 2.

Die beschriebenen Einrichtungen lassen sich in verschiedener Weise abwandeln. Fig. 7 läßt sich z. B. entsprechend den Fig. 4 bis 6 abwandeln und es können auch nur zwei oder mehr als drei Fenster vorgesehen sein und die Fenster können in beliebiger Anordnung im Hallelement verteilt sein.

Claims (7)

1. Halleffekt-Einrichtung mit einem dünnen Hallelement (10), das mit Stromanschlüssen und Hallspannungsanschlüssen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Hallelement (10) mindestens ein Loch aufweist und dementsprechend durch einen äußeren und mindestens einen inneren Rand (10a, 10b; 10b1, 10b2, ...) begrenzt ist;
• b) ein erstes Paar von Stromanschlüssen (A, B) an zwei entgegengesetzten Stellen des äußeren Randes (10a) vorgesehen ist;
• c) mindestens ein zweites Paar von Stromanschlüssen (1, 2) an zwei entgegengesetzten Stellen jedes inneren Randes (10b) vorgesehen ist;
• d) mindestens ein erstes Paar von Hallspannungsanschlüssen (C, E; D, F) an zwei entgegengesetzten Stellen des äußeren Randes (10a) zwischen den Stromanschlüssen (A, B) des ersten Paares vorgesehen ist; und/oder
• e) mindestens ein zweites Paar von Hallspannungsanschlüssen (3, 5; 4, 6) an zwei entgegengesetzten Stellen des inneren Randes (10b) zwischen den Stromanschlüssen (1, 2) des zweiten Paares vorgesehen ist.

2. Halleffekt-Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Stromquelle (14), die mit den Strom­ anschlüssen (A, B) des ersten Paares verbunden ist und eine zweite Stromquelle (12), die mit den Stromanschlüssen (1, 2) des zweiten Paares verbunden ist, wobei die Polaritäten und Größen der von den Stromquellen gelieferten Ströme (I_{A, B}, I_{1, 2}) so bemessen sind, daß Fehlerspannungen an den Hallspannungsanschlüssen verringert werden (Fig. 2).

3. Halleffekt-Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Stromquelle (16), deren einer Anschluß über einen ersten Widerstand (R2) mit einem ersten Stromanschluß (A) des ersten Paares und über einen zweiten Widerstand (R1) mit einem ersten Stromanschluß (1) des zweiten Paares, der dem ersten Stromanschluß (A) des ersten Paares benachbart ist, verbunden ist, und deren zweiter Anschluß mit den zweiten Stromanschlüssen (B, 2) des ersten und des zweiten Paares verbunden ist (Fig. 6).

4. Halleffekt-Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Stromquelle (16), deren einer Anschluß, über einen ersten Widerstand (R1) mit einem ersten Stromanschluß (A) des ersten Paares und über einen zweiten Widerstand (R2) mit einem zweiten Stromanschluß (2) des zweiten Paares, der dem zweiten Stromanschluß (B) des ersten Paares benachbart ist, verbunden ist, und deren zweiter Anschluß mit dem zweiten Stromanschluß (B) des ersten Paares und mit dem ersten Stromanschluß (1) des zweiten Paares verbunden ist (Fig. 4).

5. Halleffekt-Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Hallelement (10) mindestens ein Loch aufweist und dementsprechend durch einen äußeren und mindestens einen inneren Rand (10a, 10b) begrenzt ist;
• b) einen ersten und einen zweiten Stromanschluß (A, 1), die an einander benachbarten Stellen des äußeren bzw. des inneren Randes (10a, 10b) des Hallelements (10) angebracht sind, und
• c) mindestens ein Paar von Hallspannungsanschlüssen (3, 5; 4, 6; C, E; D, F), die an einander entgegengesetzten Stellen des inneren und/oder des äußeren Randes (10b, 10a) im Abstand vom zweiten Stromanschluß (1) angeordnet sind (Fig. 5).

6. Halleffekt-Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Stromquelle (16, R), die mit dem ersten und dem zweiten Stromanschluß (A, 1) verbunden ist.

7. Halleffekt-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Erzeu­ gen eines auf das Hallelement einwirkenden Magnetfeldes mit einer zur Ebene des Hallelementes senkrechten Komponente.