IT201800007246A1 - Sensore di hall, dispositivi e procedimento corrispondenti - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo:
“Sensore di Hall, dispositivi e procedimento corrispondenti”
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo tecnico
La descrizione è relativa ai sensori di Hall.
Una o più forme di attuazione possono applicarsi a sistemi di sensori di Hall per l’uso per es. nel settore automotive e in altre applicazioni industriali (per es., rilevazione della velocità, rilevamento (“sensing”) della corrente senza perdite, e così via).
Sfondo tecnologico
Una sensitività elevata e una larghezza di banda elevata sono caratteristiche desiderabili dei sensori di Hall in varie applicazioni correnti (per esempio, nel settore automotive e in altre applicazioni industriali).
Certi sistemi basati su sensori di Hall “veloci” disponibili attualmente combinano una sonda di Hall con bobine (coil) integrate, così da ottenere una larghezza di banda superiore a 1 MHz.
Una tale sonda di Hall può essere fatta funzionare facendo ricorso a cosiddette tecniche di “spinning” per ridurre gli effetti di offset.
Si osserva che non è facile integrare le bobine. Inoltre, le tecniche di spinning possono essere inerentemente lente nella misura in cui possono comportare, per esempio, quattro fasi per ciascuna misurazione.
Scopo e sintesi
Uno scopo di una o più forme di attuazione è di contribuire a fornire caratteristiche desiderabili, come una sensitività elevata e una larghezza di banda elevata in sensori di Hall.
Secondo una o più forme di attuazione, tale scopo può essere raggiunto per mezzo di un sensore di Hall avente le caratteristiche esposte nelle rivendicazioni che seguono.
Una o più forme di attuazione possono essere relative a un dispositivo sensore corrispondente e/o a un dispositivo elettronico corrispondente.
Una o più forme di attuazione possono essere relative a un procedimento di rilevamento corrispondente.
Le rivendicazioni sono parte integrante della descrizione di forme di attuazione come qui fornite.
Una o più forme di attuazione possono essere applicate in dispositivi di rilevamento di corrente integrati, a banda larga e teoricamente senza perdite.
Una o più forme di attuazione possono estendere la larghezza di banda di sistemi basati su sensori di Hall, mantenendo nel contempo una buona riduzione dell’offset.
Una o più forme di attuazione possono così fornire un rilevamento di corrente integrato, a banda larga e senza perdite per applicazioni di potenza (per esempio, per applicazioni automotive e a radiofrequenza RF).
Una o più forme di attuazione possono facilitare l’ottenimento di una larghezza di banda elevata in associazione a una sensitività elevata e a un basso offset.
Una o più forme di attuazione possono semplificare il progetto dei front-end analogici associati a un sensore di Hall, nella misura in cui si può fare a meno di switch.
Una o più forme di attuazione possono fornire un dispositivo di rilevamento di corrente basato su un sensore di Hall con una sagoma ottagonale combinato con un procedimento di polarizzazione/rilevamento che evita di ricorrere a una tecnica di spinning e/o a bobine integrate.
Una o più forme di attuazione possono ottenere valori di offset tanto bassi quanto 100 µT a 50 MHz: questo è giusto il doppio dell’offset che può essere ottenuto attraverso una tecnica di spinning a bassa frequenza, mentre una o più forme di attuazione possono facilitare l’ottenimento di una larghezza di banda che può essere apprezzabilmente più elevata (per esempio, 50 volte o 100 volte) della frequenza di campionamento nel caso in cui sia adottata una lettura spinning.
Una o più forme di attuazione possono così fornire un dispositivo sensore basato su Hall molto competitivo, ad alta sensitività/alta velocità/basso costo.
Una o più forme di attuazione possono essere applicate a qualsiasi tipo di sensori di Hall (lineare).
Breve descrizione delle figure
Una o più forme di attuazione saranno ora descritte, a puro titolo di esempio, con riferimento alle figure annesse, nelle quali:
- la Figura 1 è un esempio di uno schema di forme di attuazione;
- la Figura 2 comprende tre porzioni indicate con a), b) e c) esempi di principi alla base di forme di attuazione;
- la Figura 3 è un esempio ulteriore di principi alla base di forme di attuazione; e
- la Figura 4 è un esempio di uno schema di possibili sviluppi di forme di attuazione.
Descrizione dettagliata di esempi di forme di attuazione
Nella descrizione che segue, sono illustrati uno o più dettagli specifici, allo scopo di fornire una comprensione approfondita di esempi di forme di attuazione. Le forme di attuazione possono essere ottenute senza uno o più dei dettagli specifici o con altri procedimenti, componenti, materiali, ecc. In altri casi, operazioni, materiali o strutture note non sono illustrate o descritte in dettaglio in modo tale che certi aspetti delle forme di attuazione non saranno resi poco chiari.
Un riferimento a “una forma di attuazione” nel quadro della presente descrizione intende indicare che una particolare configurazione, struttura, o caratteristica descritta con riferimento alla forma di attuazione è compresa in almeno una forma di attuazione. Per cui, le frasi come “in una forma di attuazione” che possono essere presenti in uno o più punti della presente descrizione non fanno necessariamente riferimento proprio alla stessa forma di attuazione. Inoltre, particolari conformazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in un modo adeguato qualsiasi in una o più forme di attuazione.
I riferimenti usati qui sono forniti semplicemente per convenienza e quindi non definiscono l’ambito di protezione o l’ambito delle forme di attuazione.
Il rilevamento a effetto Hall è una tecnica consolidata. I principi di base del funzionamento di un sensore di Hall sono ben noti nella tecnica, il che rende superfluo fornire qui una descrizione più dettagliata.
In breve, in presenza di un campo magnetico BZ applicato trasversale a un elemento di rilevamento Hall (planare), una tensione di Hall può essere rilevata attraverso l’elemento di rilevamento trasversalmente alla direzione di un flusso di una corrente di polarizzazione tra una coppia di elettrodi di polarizzazione, che è indicativa dell’intensità del campo magnetico B.
Vari sistemi di rilevamento di corrente “veloci” basati su sensori di Hall come discusso nella letteratura combinano una sonda di Hall con bobine integrate, così da ottenere una larghezza di banda superiore a 1 MHz. La sonda di Hall può essere fatta funzionare facendo riscorso a una tecnica di spinning per ridurre l’offset.
Un rilevamento di corrente a banda larga allo stato dell’arte è basato su trasformatori di corrente che sono difficili da integrare in una tecnologia a semiconduttori.
Inoltre, tecnologie ibride che usano sonde di Hall insieme a bobine possono presentare una risposta in frequenza non piatta.
In Jiang, J., et al.: “Multipath Wide-Larghezza di banda CMOS Magnetic Sensors” IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC), Vol. 52, gennaio 2017, pagine da 198 a 209, è descritta una sonda di Hall polarizzata in DC che ottiene un’ampia larghezza di banda e fa affidamento su un percorso a bassa frequenza (LF, “Low-Frequency”) per ottenere un basso offset. In questa soluzione, la piattezza della risposta in frequenza complessiva è ancora un problema.
In L. Dalessandro, et al.: “High-performance planar isolated current sensor for power electronics applications”, IEEE Transactions on Power Electronics (TPE) Volume 22, Issue 5, settembre 2007, pagine da 1682 a 1692, è descritto un sensore di corrente planare che comprende un trasformatore di corrente magnetico e un elemento a effetto Hall.
Una o più forme di attuazione come qui discusso possono fare affidamento su un sensore di Hall ottagonale al posto di un sensore di Hall quadrato standard.
Una struttura possibile per un sensore di Hall ottagonale è discussa ampiamente in US 9952 291 B2.
Una geometria ottagonale per una lamina di Hall è discussa in J.L. Ramirez, et al.: “Octagonal geometry Hall plate designed for the PiezoHall effect measurement”, presentato al 28<th >Symposium on Microelectronics Technology and Devices (SBMicro), Curitiba, Brasile, dal 2 al 6 settembre 2013.
Una o più forme di attuazione possono fare a meno di tecniche di lettura “spinning”. Ciò facilita l’ottenimento di una larghezza di banda più grande, mentre l’effettuazione di una media spaziale sopra due sensori realizzati su una stessa area attiva (uno stesso n-well, per esempio) può facilitare una riduzione dell’offset.
Una o più forme di attuazione come rappresentato qui come esempio possono comprendere un elemento 10 di rilevamento Hall planare atto a essere esposto a un campo magnetico BZ (trasversale all’elemento 10, che è ortogonale al piano delle figure) e che comprende un materiale, come un materiale semiconduttore che produce una tensione di Hall indicativa dell’intensità del campo magnetico quando attraversato da una corrente elettrica.
I principi generali di funzionamento di un tale elemento di rilevamento sono noti agli esperti nella tecnica e sono discussi, di nuovo, in US 9952 291 B2 (già citato).
Un elemento di rilevamento (in breve, sensore) 10, come qui discusso, può essere incorporato in un dispositivo elettronico D (per esempio, nel settore automotive e in altre applicazioni industriali) comprendente una circuiteria di utente UC che può trarre vantaggio da un segnale di rilevamento Vout come fornito dal sensore 10.
Dispositivi come i convertitori DC-DC, gli amplificatori di potenza a RF, i dispositivi di pilotaggio (“driver”) per motori, gli invertitori di potenza e, più in generale, i circuiti che comportano un sistema di protezione dalle sovracorrenti possono essere esempi del dispositivo D.
In una o più forme di attuazione, l’elemento di rilevamento 10 può avere fornito su di esso (con mezzi noti) un insieme di elettrodi di rilevamento 1, 2, 3, 4 e un insieme di elettrodi di polarizzazione 5, 6, 7, 8, vale a dire con gli elettrodi da 1 a 8 ai vertici di una sagoma ottagonale.
In una o più forme di attuazione, l’elemento di rilevamento 10 può avere una sagoma ottagonale complessiva, vale a dire con gli elettrodi da 1 a 8 ai vertici di una sagoma ottagonale.
In una o più forme di attuazione, un dispositivo con elettrodi di rilevamento può comprendere:
- una prima coppia di elettrodi di rilevamento 1, 4 reciprocamente opposti in una prima direzione D1 attraverso l’elemento di rilevamento 10, e
- una seconda coppia di elettrodi di rilevamento 2, 3 reciprocamente opposti in una seconda direzione D2 attraverso l’elemento di rilevamento 10, con la seconda direzione D2 ortogonale alla prima direzione D1, in modo tale che gli elettrodi di rilevamento 1, 2, 3, 4 siano disposti, per così dire, secondo un motivo simile a una croce.
In una o più forme di attuazione, un dispositivo con elettrodi di polarizzazione può comprendere:
- una prima coppia di elettrodi di polarizzazione 5, 6 reciprocamente opposti in una terza direzione D3 attraverso l’elemento di rilevamento 10, e
- una seconda coppia di elettrodi di polarizzazione 7, 8, reciprocamente opposti in una quarta direzione D4 attraverso l’elemento di rilevamento 10 con la terza direzione D3 ortogonale alla quarta direzione D4.
Similmente agli elettrodi di rilevamento da 1 a 4, anche gli elettrodi di polarizzazione da 5 a 8 possono così essere disposti secondo un motivo simile a una croce.
Come si vede nella Figura 1, in cui le direzioni da D1 a D4 sono indicate espressamente (queste non sono rappresentate nelle altre figure per semplicità), la terza e la quarta direzione D3, D4 sono ruotate di 45° rispetto alla prima e alla seconda direzione D1, D2.
Di conseguenza, in una o più forme di attuazione, ciascuno degli elettrodi di rilevamento da 1 a 4 può essere disposto tra un elettrodo di polarizzazione della prima coppia 5, 6 e un elettrodo di polarizzazione della seconda coppia 7, 8.
Per esempio, in una o più forme di attuazione come rappresentato qui come esempio:
- l’elettrodo di rilevamento 1 può essere disposto tra l’elettrodo di polarizzazione 5 (prima coppia) e l’elettrodo di polarizzazione 7 (seconda coppia),
- l’elettrodo di rilevamento 2 può essere disposto tra l’elettrodo di polarizzazione 7 (seconda coppia) e l’elettrodo di polarizzazione 6 (prima coppia),
- l’elettrodo di rilevamento 3 può essere disposto tra l’elettrodo di polarizzazione 5 (prima coppia) e l’elettrodo di polarizzazione 8 (seconda coppia), e
- l’elettrodo di rilevamento 4 può essere disposto tra l’elettrodo di polarizzazione 6 (prima coppia) e l’elettrodo di polarizzazione 8 (seconda coppia).
In una o più forme di attuazione, gli elettrodi di polarizzazione da 5 a 8 possono essere elettrodi simili a una barra con gli elettrodi di polarizzazione nella prima coppia 5, 6 che si estendono in parallelo (Figure 1 e 4) o sono allineati l’uno con l’altro (Figure 2 e 3); questo può anche applicarsi agli elettrodi di polarizzazione 7 e 8 nella seconda coppia, che possono essere di nuovo simili a una barra e possono estendersi in parallelo (Figure 1 e 4) o essere allineati (Figure 2 e 3) l’uno all’altro.
Si può così considerare che un dispositivo come rappresentato qui come esempio comprenda due sensori atti a essere realizzati su una stessa area attiva (uno stesso nwell, per esempio), il che può facilitare una riduzione dell’offset come discusso in seguito.
In una o più forme di attuazione, l’elemento di rilevamento 10 può essere accoppiato a:
- un modulo di polarizzazione 20 configurato per fornire (come descritto meglio in dettaglio in seguito) correnti di polarizzazione agli elettrodi di polarizzazione da 5 a 8, e
- un modulo di lettura 30 che (di nuovo, come descritto meglio in dettaglio in seguito) è configurato per leggere tensioni di Hall agli elettrodi di rilevamento da 1 a 4 e per fornire un segnale di uscita (di tensione) Vout corrispondente.
In una o più forme di attuazione, il modulo di polarizzazione 20 può essere configurato per fornire un accoppiamento a massa GND come discusso in seguito.
Un sensore di Hall come qui discusso è un trasduttore atto a convertire un campo magnetico BZ in una differenza di potenziale e così in un segnale di tensione Vout.
Una sorgente principale di errore nei sensori di Hall è l’offset intrinseco, che può essere più alto della tensione di Hall.
Un approccio tradizionale per fare fronte all’offset è una tecnica di corrente di spinning a quattro fasi, che implica di cambiare la direzione di polarizzazione e di fare quindi la media dell’offset. Questa tecnica facilita una buona riduzione dell’offset, ma comporta inevitabilmente una larghezza di banda ridotta nella misura in cui una misurazione completa implica quattro sottomisurazioni.
Una o più forme di attuazione superano questa limitazione e sfruttano la capacità a banda larga di una sonda di Hall, fornendo nel contempo una riduzione dell’offset abbastanza buona, usando un sensore di Hall ottagonale al posto di un sensore di Hall quadrato standard.
Come indicato, un tale sensore è noto di per sé. Tuttavia, una o più forme di attuazione possono comportare di polarizzare in DC il sensore (la sonda) di Hall come illustrato nella Figura 2, vale a dire forzando (iniettando, per esempio) una corrente I di polarizzazione in DC attraverso gli elettrodi di polarizzazione o i contatti 5 e 6 nella prima coppia e gli elettrodi o i contatti 7 e 8 della seconda coppia, in modo tale che, per esempio, una corrente I in DC scorrerà tra l’elettrodo 5 e l’elettrodo 6 (per es., dagli elettrodi 5 e 6) e l’elettrodo 7 e l’elettrodo 8 (per es., agli elettrodi 7 e 8).
Una o più forme di attuazione possono contemplare a tale effetto che i (secondi) contatti di polarizzazione 7 e 8 siano accoppiati (direttamente o tramite il modulo 20) a massa GND.
Questo può essere effettuato, in maniera nota agli esperti nella tecnica, tramite il modulo di polarizzazione 20.
Una o più forme di attuazione, come rappresentato qui come esempio, possono comportare di usare un n-well ottagonale (prodotto in maniera nota agli esperti nella tecnica) come regione attiva magnetico-sensitiva.
Come rappresentato nella porzione a) della Figura 2, si può considerare che questa sia condivisa da due sonde a effetto Hall elementari, per es.:
- una prima sonda (PROBE A), collocata sotto un asse di simmetria X10 intermedio (orizzontale, nella figura);
- una seconda sonda (PROBE B), collocata sopra l’asse X10.
In una o più forme di attuazione come rappresentato qui come esempio, si può accedere alla regione attiva dell’elemento 10 attraverso i quattro contatti di rilevamento da 1 a 4 (per es., più piccoli) e i quattro contatti di polarizzazione da 5 a 8 (più grandi).
Si può considerare che due contatti di polarizzazione o elettrodi come, per esempio, 7 (Sinistro o L (“Left”)) e 8 (Destro o R (“Right”)) siano condivisi dalle due sonde a effetto Hall A e B; questi contatti di polarizzazione possono essere connessi a massa (direttamente o tramite il blocco circuitale 20).
Due correnti di polarizzazione IA e IB (che si può ipotizzare che siano teoricamente identiche) possono essere forzate attraverso due altri contatti di polarizzazione o elettrodi come, per esempio, contatti di polarizzazione 5 (in basso o B (“Bottom”)) e 6 (in alto o T (“Top”)), rispettivamente.
Come rappresentato qui come esempio, è mostrato che le correnti di polarizzazione IA e IB sono fornite o iniettate nei contatti o elettrodi.
Per il resto, si apprezzerà che le varie relazioni discusse in seguito si applicheranno (con i segni adatti di conseguenza) indipendentemente dalla direzione del flusso delle correnti di polarizzazione IA e IB forzate attraverso due elettrodi di polarizzazione, come 5 e 6.
In una o più forme di attuazione come rappresentato qui come esempio, tensioni di uscita VA e VB possono essere lette dalle due sonde elementari, per esempio attraverso gli elettrodi di rilevamento 1 e 3 (VA = V3 - V1, per PROBE A) e attraverso gli elettrodi di rilevamento 2 e 4 (VB = V4 - V2, per PROBE B), rispettivamente, dove Vj indica una tensione rilevata nell’elettrodo j (j = 1, ..., 4).
Le porzioni b) e c) della Figura 2 sono esempi di uno sbilanciamento nella corrente di polarizzazione che si verifica quando un campo magnetico Bz è applicato ortogonalmente all’elemento 10 e della generazione di una tensione di offset dovuta (per esempio) a un gradiente di resistività.
Al fine di facilitare la comprensione, si può considerare che tutti gli elettrodi di rilevamento (contatti) da 1 a 4 siano flottanti elettricamente.
Secondo l’ipotesi che la sonda PROBE A sia completamente simmetrica e omogenea, in assenza di un campo magnetico applicato, le linee di campo della densità di corrente lungo le quali scorre la corrente di polarizzazione IA saranno bilanciate perfettamente rispetto all’asse y (verticale nelle figure), e la tensione VA sarà nulla.
Se una componente del campo magnetico Bz è applicata sull’asse z, che è ortogonale al piano della figura come mostrato nella porzione b) della Figura 2, allora le linee di campo della corrente diventano sbilanciate (per es., con una corrente IA/2 ΔI che scorre dall’elettrodo 5 all’elettrodo 7) a causa dell’effetto Hall, dando così origine a una tensione di Hall VH = VA.
Nel caso di disomogeneità del semiconduttore, come un gradiente Δρ della resistività del silicio ρ lungo l’asse x (orizzontale nelle figure), sarà prodotta una tensione di offset VOS<(A) >indipendentemente dalla presenza del campo magnetico, come mostrato nella porzione c) della Figura 2. Una tale tensione di offset VOS<(A) >si sommerà alla tensione di Hall VH cosicché la tensione VA sarà effettivamente:
VA = VH + VOS<(A)>
La sorgente dell’offset, in questo caso il gradiente di resistività Δρ della resistività del silicio ρ lungo l’asse x, agirà allo stesso modo sulla sonda PROBE B (superiore). Ciò darà origine a una tensione di offset VOS<(B) >con lo stesso segno di VOS<(A) >e la stessa grandezza (ipotizzando che il gradiente sia costante in tutta la sonda).
Come rappresentato qui come esempio, la corrente di polarizzazione IB ha una direzione opposta rispetto alla corrente IA, perciò la tensione di Hall come rilevata tra gli elettrodi 4 e 2 ha un segno opposto rispetto alla tensione di Hall come rilevata tra gli elettrodi 3 e 1, cosicché si applicherà la relazione seguente:
VB = - VH VOS<(B)>
Calcolando (nel blocco circuitale di lettura 30, per esempio) la differenza VA - VB tra le due tensioni VA e VB (flottanti), diventerà disponibile una tensione di uscita dove la tensione di offset sarà cancellata (almeno teoricamente):
Vout = VA - VB = 2VH
L’equazione si applica esattamente se le sorgenti dell’offset agiscono in modo simile su entrambe le sonde elementari.
In effetti, possono esistere sorgenti locali di offset che possono condurre a una tensione di offset residua. Per esempio, un difetto puntiforme del cristallo di silicio può rappresentare una sorgente locale di offset. Anche certi disadattamenti nelle correnti di polarizzazione possono condurre a uno sbilanciamento dell’offset.
Si può tenere conto di questi effetti riscrivendo l’ultima relazione precedente come:
Vout = VA - VB = 2VH + ΔVOS
dove ΔVOS è l’offset residuo.
Si nota che una tale tensione di offset residuo relativa a sorgenti locali di offset può essere osservata anche in sonde di Hall che adottano un dispositivo di lettura di corrente di spinning. Occuparsi dell’implementazione dell’operazione di sottrazione in un tale dispositivo richiederebbe di implementare un circuito di lettura analogico abbastanza complesso, con una capacità di ingresso abbastanza elevata che potrebbe avere un impatto negativo sulla larghezza di banda finale.
Come rappresentato schematicamente nella Figura 3, una o più forme di attuazione possono contemplare di accoppiare (direttamente o tramite il modulo di lettura 30):
- l’elettrodo di rilevamento (contatto) 2 con l’elettrodo di rilevamento 3, e
- l’elettrodo di rilevamento 1 con l’elettrodo di rilevamento 4.
Vale a dire, una o più forme di attuazione possono contemplare di accoppiare (per esempio, cortocircuitare) gli elettrodi di rilevamento nelle coppie di elettrodi di rilevamento che sono opposti lungo gli assi diagonali dell’elemento di rilevamento 10 ottagonale, vale a dire la coppia di elettrodi 1 e 4 e la coppia di elettrodi 2 e 3.
Come risultato, tenendo a mente che:
- VA = V3 - V1, per PROBE A
- VB = V4 - V2, per PROBE B
VA = VH + VOS<(A) >
VB = - VH + VOS<(B)>,
tale accoppiamento condurrà a V1 = V4 e V2 = V3, cosicché:
Vout = VB = - VA
e un contributo della tensione di Hall può essere rilevato correttamente nel blocco circuitale di lettura 30, con un offset (dovuto, per esempio, a una sorgente di offset globale, come il gradiente di resistività) mediato.
Si osserva che il fatto di accoppiare (cortocircuitare) gli elettrodi di rilevamento come discusso precedentemente dà origine a una riduzione dell’offset approssimativamente uguale a quella fornita dalla sottrazione VA-VB con un circuito di lettura più semplice (per es., un singolo amplificatore differenziale) e un carico capacitivo ridotto, così a una larghezza di banda più ampia, con ancora un offset residuo dovuto a sorgenti locali di disomogeneità.
A titolo di ulteriore spiegazione, si può ipotizzare un campo magnetico nullo che colpisce il piano del sensore, vale a dire, BZ=0 e si può ipotizzare che l’offset sia dovuto soltanto a effetti globali (per esempio, un gradiente di resistività), cosicché VA=VOS<(A) >e VB=VOS<(B)>. Il fatto di cortocircuitare i contatti di rilevamento come rappresentato nella Figura 3 implica l’uguaglianza VA=VB. Se il segno degli offset VOS<(A) >e VOS<(B) >è uguale (il che è ragionevole poiché essi sono generati dallo stesso effetto fisico), allora la sola soluzione a tutte le equazioni precedenti è VOS<(A)>= VOS<(B)>=0.
Per quanto riguarda l’offset, i cortocircuiti possono essere considerati come una condizione al contorno aggiuntiva, applicata alla distribuzione di carica netta in tutta la sonda che impone la minimizzazione della grandezza dei contributi di offset a VB e VA.
Come discusso precedentemente, se si può ritenere che l’origine fisica e il segno dell’offset siano i medesimi per entrambe le sonde elementari PROBE A e PROBE B (questo essendo il caso, per esempio, di un gradiente di resistività costante), allora il solo valore di offset conforme sia con la simmetria della sonda complessiva sia con la condizione al contorno imposta dai cortocircuiti è zero.
Inoltre, una o più forme di attuazione possono occuparsi della possibile presenza di un offset residuo ΔVOS in VOUT dovuto a dissimmetrie e/o a difetti locali scorrelati (l’ammontare di questo offset residuo può essere valutato sperimentalmente).
Una o più forme di attuazione, come rappresentato qui come esempio, possono essere implementate facendo ricorso a una semplice polarizzazione in DC e a un singolo amplificatore differenziale, senza che sia coinvolta alcuna operazione di commutazione.
Una o più forme di attuazione possono trarre vantaggio dall’assenza di limiti relativi all’uso di un approccio di spinning di corrente e alla riduzione della capacità complessiva.
Una o più forme di attuazione possono fare ricorso a un rilevamento multi-cammino per facilitare una riduzione ulteriore dell’offset e a una schiera (“array”) di sensori per facilitare una riduzione del rumore.
La Figura 4 è un esempio della possibilità di usare a tale scopo una schiera, per es. di due elementi di rilevamento Hall 10, 10’ planari, come rappresentato come esempio in precedenza, ruotati di 90° l’uno rispetto all’altro (mentre sono esposti entrambi a un campo magnetico BZ ortogonale al piano della figura).
La rotazione reciproca di 90° può essere apprezzata nella figura notando che le posizioni degli elettrodi/contatti da 1 a 8 nell’elemento 10’ sulla destra sono ruotate (per es., in senso orario) rispetto alle posizioni degli elettrodi/contatti da 1 a 8 nell’elemento 10 sulla sinistra.
I dettagli delle connessioni degli elementi 10, 10’ con il modulo (i moduli) di polarizzazione 20 – soltanto uno dei quali è rappresentato per semplicità - e i moduli di lettura 30, 30’ non sono visibili nella Figura 4 al fine di evitare di rendere inutilmente complicata la rappresentazione.
L’accoppiamento (costruttivo) - per es. connessione parallela - dei moduli di lettura 30, 30’ è rappresentato nella Figura 4 come un nodo di somma 40 che produce un segnale (di tensione) di uscita Vout risultante dai contributi di entrambi gli elementi 10 e 10’.
I contributi di segnale (contributi in fase e in quadratura) possono così combinarsi in modo costruttivo (per es., sommarsi gli uni con gli altri) mentre i contributi di offset associati sono ulteriormente mediati, lo stesso applicandosi anche al contributo di rumore (termico).
In una o più forme di attuazione un sensore di Hall può comprendere:
- un elemento di rilevamento Hall (per es., 10) planare configurato per essere esposto a un campo magnetico (per es., B) (trasversale) e per produrre almeno una tensione di Hall indicativa di detto campo magnetico quando attraversato da una corrente elettrica,
- una prima coppia di elettrodi di rilevamento (per es., 1, 4) reciprocamente opposti in una prima direzione (per es., D1) attraverso l’elemento di rilevamento,
- una seconda coppia di elettrodi di rilevamento (per es., 2, 3) reciprocamente opposti in una seconda direzione (per es., D2) attraverso l’elemento di rilevamento, detta seconda direzione essendo ortogonale a detta prima direzione,
- una prima coppia di elettrodi di polarizzazione (per es., 5, 6) reciprocamente opposti in una terza direzione (per es., D3) attraverso l’elemento di rilevamento,
- una seconda coppia di elettrodi di polarizzazione (per es., 7, 8) reciprocamente opposti in una quarta direzione (per es., D4) attraverso l’elemento di rilevamento, detta quarta direzione essendo ortogonale alla terza direzione,
in cui:
- detta terza e detta quarta direzione sono ruotate di 45° rispetto a detta prima e detta seconda direzione, in cui ciascun detto elettrodo di rilevamento è disposto tra un elettrodo di polarizzazione di detta prima coppia e un elettrodo di polarizzazione di detta seconda coppia;
- è fornito un circuito di polarizzazione (per es., 20) configurato per forzare una corrente di polarizzazione in DC tra la prima coppia di elettrodi di polarizzazione e la seconda coppia di elettrodi di polarizzazione;
- è fornito un circuito di lettura (per es., 30) configurato per rilevare una prima tensione di Hall agli elettrodi di rilevamento della prima coppia di elettrodi di rilevamento e una seconda tensione di Hall agli elettrodi di rilevamento della seconda coppia di elettrodi di rilevamento, il circuito di lettura configurato per fornire una tensione di uscita (per es., Vout) che è funzione della differenza tra detta prima tensione di Hall rilevata agli elettrodi di rilevamento della prima coppia di elettrodi di rilevamento e detta seconda tensione di Hall rilevata agli elettrodi di rilevamento della seconda coppia di elettrodi di rilevamento.
In una o più forme di attuazione:
- gli elettrodi di polarizzazione nella seconda coppia di elettrodi di polarizzazione possono essere accoppiati (direttamente) a massa (per es., GND), o
- il circuito di polarizzazione può essere configurato per accoppiare a massa gli elettrodi di polarizzazione nella seconda coppia di elettrodi di polarizzazione.
In una o più forme di attuazione:
- gli elettrodi di rilevamento nella prima coppia di elettrodi di rilevamento e gli elettrodi di rilevamento nella seconda coppia di elettrodi di rilevamento possono essere accoppiati rispettivamente gli uni agli altri, o - il circuito di lettura può essere configurato per accoppiare gli uni agli altri rispettivamente gli elettrodi di rilevamento nella prima coppia di elettrodi di rilevamento e gli elettrodi di rilevamento nella seconda coppia di elettrodi di rilevamento.
In una o più forme di attuazione, un dispositivo sensore può comprendere un primo sensore di Hall (per es., 10) e un secondo sensore di Hall (per es., 10'), il primo e il secondo sensore di Hall disposti con la prima, la seconda, la terza e la quarta direzione nel primo sensore di Hall ruotate di 90° rispetto alla prima, alla seconda, alla terza e alla quarta (D4) direzione nel secondo sensore di Hall.
In una o più forme di attuazione, il primo sensore di Hall e il secondo sensore di Hall possono comprendere circuiti di lettura (per es., 30, 30’) che forniscono rispettive tensioni di uscita, detti circuiti di lettura accoppiati reciprocamente (per es., 40) e configurati per fornire una tensione di uscita risultante combinando in modo costruttivo (per es., sommando) dette tensioni di uscita rispettive.
In una o più forme di attuazione, un dispositivo elettronico può comprendere:
- un sensore di Hall o un dispositivo sensore secondo una o più forme di attuazione; e
- una circuiteria di utente (per es., UC) accoppiata a detto sensore di Hall o dispositivo sensore per ricevere detta tensione di uscita da esso.
In una o più forme di attuazione, un procedimento può comprendere:
- a) fornire almeno un elemento di rilevamento Hall planare comprendente:
- una prima coppia di elettrodi di rilevamento reciprocamente opposti in una prima direzione attraverso l’elemento di rilevamento,
- una seconda coppia di elettrodi di rilevamento reciprocamente opposti in una seconda direzione attraverso l’elemento di rilevamento, detta seconda direzione essendo ortogonale a detta prima direzione,
- una prima coppia di elettrodi di polarizzazione reciprocamente opposti in una terza direzione attraverso l’elemento di rilevamento,
- una seconda coppia di elettrodi di polarizzazione reciprocamente opposti in una quarta direzione attraverso l’elemento di rilevamento (10), detta quarta direzione essendo ortogonale a detta terza direzione (D3),
in cui detta terza e detta quarta direzione sono ruotate di 45° rispetto a detta prima e detta seconda direzione, in cui ciascun detto elettrodo di rilevamento è disposto tra un elettrodo di polarizzazione di detta prima coppia e un elettrodo di polarizzazione di detta seconda coppia;
- b) esporre almeno un elemento di rilevamento Hall (per es., 10, 10’) planare a un campo magnetico (per es., B) trasversale al piano dell’almeno un elemento di rilevamento Hall planare;
- c) forzare una corrente di polarizzazione in DC tra la prima coppia di elettrodi di polarizzazione e la seconda coppia di elettrodi di polarizzazione;
- d) rilevare una prima tensione di Hall agli elettrodi di rilevamento della prima coppia di elettrodi di rilevamento e una seconda tensione di Hall agli elettrodi di rilevamento della seconda coppia di elettrodi di rilevamento; e
- e) fornire una tensione di uscita che è funzione della differenza tra detta prima tensione di Hall rilevata agli elettrodi di rilevamento della prima coppia di elettrodi di rilevamento e detta seconda tensione di Hall rilevata agli elettrodi di rilevamento della seconda coppia di elettrodi di rilevamento in cui detta tensione di uscita è indicativa (dell’intensità) di detto campo magnetico.
Fermi restando i principi di fondo, i dettagli e le forme di attuazione possono variare, anche in modo apprezzabile, rispetto a quanto è stato descritto, puramente a titolo di esempio, senza uscire dall’ambito di protezione.
L’ambito di protezione è definito dalle rivendicazioni annesse.
Claims (7)
- RIVENDICAZIONI 1. Sensore di Hall, comprendente: - un elemento di rilevamento Hall (10) planare configurato per essere esposto a un campo magnetico (B) e per produrre almeno una tensione di Hall indicativa di detto campo magnetico (B) quando attraversato da una corrente elettrica, - una prima coppia di elettrodi di rilevamento (1, 4) reciprocamente opposti in una prima direzione (D1) attraverso l’elemento di rilevamento (10), - una seconda coppia di elettrodi di rilevamento (2, 3) reciprocamente opposti in una seconda direzione (D2) attraverso l’elemento di rilevamento (10), detta seconda direzione (D2) essendo ortogonale a detta prima direzione (D1), - una prima coppia di elettrodi di polarizzazione (5, 6) reciprocamente opposti in una terza direzione (D3) attraverso l’elemento di rilevamento (10), - una seconda coppia di elettrodi di polarizzazione (7, 8) reciprocamente opposti in una quarta direzione (D4) attraverso l’elemento di rilevamento (10), detta quarta direzione (D4) essendo ortogonale alla terza direzione (D3), in cui: - detta terza (D3) e detta quarta (D4) direzione sono ruotate di 45° rispetto a detta prima (D1) e detta seconda (D2) direzione, in cui ciascun detto elettrodo di rilevamento (1, 2, 3, 4) è disposto tra un elettrodo di polarizzazione di detta prima coppia (5, 6) e un elettrodo di polarizzazione di detta seconda coppia (7, 8); - è fornito un circuito di polarizzazione (20) configurato per forzare una corrente di polarizzazione in DC tra la prima coppia di elettrodi di polarizzazione (5, 6) e la seconda coppia di elettrodi di polarizzazione (7, 8); - è fornito un circuito di lettura (30) configurato per rilevare una prima tensione di Hall agli elettrodi di rilevamento (1, 4) della prima coppia di elettrodi di rilevamento (1, 4) e una seconda tensione di Hall agli elettrodi di rilevamento (2, 3) della seconda coppia di elettrodi di rilevamento (2, 3), il circuito di lettura (30) configurato per fornire una tensione di uscita (Vout) che è funzione della differenza tra detta prima tensione di Hall rilevata agli elettrodi di rilevamento (1, 4) della prima coppia di elettrodi di rilevamento (1, 4) e detta seconda tensione di Hall rilevata agli elettrodi di rilevamento (2, 3) della seconda coppia di elettrodi di rilevamento (2, 3).
- 2. Sensore di Hall secondo la rivendicazione 1, in cui: - gli elettrodi di polarizzazione nella seconda coppia di elettrodi di polarizzazione (7, 8) sono accoppiati a massa (GND), o - il circuito di polarizzazione (20) è configurato per accoppiare a massa gli elettrodi di polarizzazione nella seconda coppia di elettrodi di polarizzazione (7, 8).
- 3. Sensore di Hall secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui: - gli elettrodi di rilevamento nella prima coppia di elettrodi di rilevamento (1, 4) e gli elettrodi di rilevamento nella seconda coppia di elettrodi di rilevamento (2, 3) sono accoppiati rispettivamente gli uni agli altri, o - il circuito di lettura (30) è configurato per accoppiare rispettivamente gli uni agli altri gli elettrodi di rilevamento nella prima coppia di elettrodi di rilevamento (1, 4) e gli elettrodi di rilevamento nella seconda coppia di elettrodi di rilevamento (2, 3).
- 4. Dispositivo sensore (10, 10’), comprendente un primo sensore di Hall (10) e un secondo sensore di Hall (10'), il primo (10) e il secondo (10') sensore di Hall disposti con la prima (D1), la seconda (D2), la terza (D3) e la quarta (D4) direzione nel primo (10) sensore di Hall ruotate di 90° rispetto alla prima (D1), alla seconda (D2), alla terza (D3) e alla quarta (D4) direzione nel secondo (10') sensore di Hall.
- 5. Dispositivo sensore (10, 10’) secondo la rivendicazione 4, in cui il primo sensore di Hall (10) e il secondo sensore di Hall (10’) comprendono circuiti di lettura (30, 30’) che forniscono rispettive tensioni di uscita, detti circuiti di lettura (30, 30’) accoppiati reciprocamente (40) e configurati per fornire una tensione di uscita (Vout) risultante combinando in modo costruttivo dette tensioni di uscita rispettive.
- 6. Dispositivo elettronico comprendente: - un sensore di Hall (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3 o un dispositivo sensore (10, 10’) secondo la rivendicazione 4 o la rivendicazione 5; e - una circuiteria di utente (UC) accoppiata a detto sensore di Hall (10) o dispositivo sensore (10, 10’) per ricevere detta tensione di uscita (Vout) da esso.
- 7. Procedimento, comprendente: - a) fornire almeno un elemento di rilevamento Hall (10, 10’) planare comprendente: - una prima coppia di elettrodi di rilevamento (1, 4) reciprocamente opposti in una prima direzione (D1) attraverso l’elemento di rilevamento (10), - una seconda coppia di elettrodi di rilevamento (2, 3) reciprocamente opposti in una seconda direzione (D2) attraverso l’elemento di rilevamento (10), detta seconda direzione (D2) essendo ortogonale a detta prima direzione (D1), - una prima coppia di elettrodi di polarizzazione (5, 6) reciprocamente opposti in una terza direzione (D3) attraverso l’elemento di rilevamento (10), - una seconda coppia di elettrodi di polarizzazione (7, 8) reciprocamente opposti in una quarta direzione (D4) attraverso l’elemento di rilevamento (10), detta quarta direzione (D4) essendo ortogonale a detta terza direzione (D3), in cui detta terza (D3) e detta quarta (D4) direzione sono ruotate di 45° rispetto a detta prima (D1) e detta seconda (D2) direzione, in cui ciascun detto elettrodo di rilevamento (1, 2, 3, 4) è disposto tra un elettrodo di polarizzazione di detta prima coppia (5, 6) e un elettrodo di polarizzazione di detta seconda coppia (7, 8); - b) esporre l’almeno un elemento di rilevamento Hall (10, 10’) planare a un campo magnetico (B) trasversale al piano dell’almeno un elemento di rilevamento Hall (10, 10’) planare; - c) forzare (20) una corrente di polarizzazione in DC tra la prima coppia di elettrodi di polarizzazione (5, 6) e la seconda coppia di elettrodi di polarizzazione (7, 8); - d) rilevare (30) una prima tensione di Hall agli elettrodi di rilevamento (1,4) della prima coppia di elettrodi di rilevamento (1, 4) e una seconda tensione di Hall agli elettrodi di rilevamento (2, 3) della seconda coppia di elettrodi di rilevamento (2, 3); e - e) fornire una tensione di uscita (Vout) che è funzione della differenza tra detta prima tensione di Hall rilevata agli elettrodi di rilevamento (1,4) della prima coppia di elettrodi di rilevamento (1, 4) e detta seconda tensione di Hall rilevata agli elettrodi di rilevamento (2, 3) della seconda coppia di elettrodi di rilevamento (2, 3), in cui detta tensione di uscita (Vout) è indicativa di detto campo magnetico (B).
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