Ap´os caracterizar a placa Hall com geometria octogonal, o dispositivo sensor magn´etico com redu¸c˜ao de tens˜ao de offsett (usando t´ecnica de giro corrente) foi testado e caracterizado experimentalmente, sendo utilizada a mesma estrutura mecˆanica apresentada na Sec¸c˜ao 8.3.2.
Foram testados os circuitos de polariza¸c˜ao monoliticamente integrados e caracterizadas ex- perimentalmente: a sensibilidade ao campo magn´etico e a tens˜ao de offset residual do circuito completo. Finalmente, os resultados foram comparados com as medidas obtidas durante a caracteriza¸c˜ao da placa Hall octogonal.
Como o sentido de corrente el´etrica pode ser controlada, foram realizadas v´arias experiˆencias diferentes com a t´ecnica de giro de corrente, aplicando distintas sequˆencias de comuta¸c˜ao de corrente, com o objetivo de observar se a dire¸c˜ao cristalogr´afica ou a ordem de comuta¸c˜ao tem alguma influˆencia sobre o offset residual.
Cap´ıtulo 8. Aparato para caracteriza¸c˜ao experimental do sistema 94
8.4.1
Diagrama de solda e empacotamento para o sistema sensor
com redu¸c˜ao de offset
Diferente do primeiro experimento, onde a alumina foi utilizada como substrato, uma placa de circuito impresso foi projetada e fabricada num substrato de fenolite convencional. O circuito integrado foi colado e empacotado diretamente sobre a superf´ıcie. A alumina foi abandonada como substrato por ser mais custosa e mais dif´ıcil de manipular do que a resina. O tamanho e a distˆancia entre os contatos foi mantida, para reaproveitar toda a estrutura mecˆanica e el´etrica j´a constru´ıda para caracterizar a placa Hall octogonal.
As amostras foram empacotadas conforme os diagramas de solda mostrados na Figura 8.16.
Figura 8.16: Diagrama de Solda (wiremap) do Chip sensor Hall empacotado diretamente sobre a placa de circuito impresso e foto do dispositivo encapsulado.
Cada um destes dispositivos encapsulados permite estudar dois sensores magn´eticos, contro- lar conjuntamente o sentido de corrente e medir a tens˜ao de sa´ıda para ambos os dispositivos. Al´em disso, permite realizar leituras de cada um dos oito contatos da placa Hall octogonal.
Cap´ıtulo
9
Caracteriza¸c˜ao experimental
Este cap´ıtulo apresenta a caracteriza¸c˜ao experimental da placa Hall octogonal e o sistema sensor com redu¸c˜ao de offset, descritos no Cap´ıtulo 5, usando as montagens experimentais descritas no Capitulo 8.
9.1
Resultados da placa Hall com geometria octogonal e
conclus˜oes parciais
Os testes foram conduzidos com a finalidade de obtermos as caracter´ısticas mais relevantes para o projeto, a saber: sensibilidade, tens˜ao de offset (desvio de zero) e n˜ao-linearidade.
9.1.1
Tens˜ao de offset
As medidas de tens˜ao de offset foram feitas polarizando a placa Hall com uma corrente Is =1,6 mA, condi¸c˜oes idˆenticas `as usadas na valida¸c˜ao do dispositivo empacotado no involucro
DIP-40, apresentadas na Se¸c˜ao 8.2.
Figure 9.1: Medidas de offset em um dispositivo ao comutar a corrente.
Cap´ıtulo 9. Caracteriza¸c˜ao experimental 96
As amostras foram fixadas sobre uma placa de circuito impresso (PCB) e possuem estresse mecˆanico associado, principal fonte de tens˜ao de offset neste tipo de sensor magn´etico.
Durante o processo, detectamos um significativo componente de ru´ıdo, como pode ser ob- servado na Figura 9.1. Para filtrar a influˆencia do ru´ıdo foram tomadas m´ultiplas medidas em cada sentido de corrente, a fim de encontrar o valor m´edio. Os resultados para quatro amostras diferentes s˜ao mostrados na Tabela 9.1.
Tabela 9.1: Resultados da tens˜ao de offset no dispositivo empacotado diretamente na PCB. ˆ Angulo β Dire¸c˜ao cristalina Sentido de corrente Tens˜ao de offset [mV]
amostra 1 amostra 2 amostra 3 amostra 4
0o [100] I(C1, C5) -0,83 -3,54 1,37 0,19 45o [110] I(C2, C6) 10,06 2,77 2,93 -4,24 90o [100] I(C3, C7) 0,93 4,913 -1,17 -0,10 135o [110] I(C4, C0) -10,07 -6,85 -5,98 4,20 180o [100] I(C5, C1) -0,84 -4,05 1,39 0,16 225o [110] I(C6, C2) 9,07 4,71 4,42 -3,74 270o [100] I(C7, C3) 0,93 4,42 -1,17 -0,10 315o [110] I(C0, C4) -10,06 -4,80 -4,41 2,006 M´edia em todas as dire¸c˜oes -0,101 -0,303 -0,328 -0,203 M´edia na dire¸c˜ao [110] -0,247 -1,041 -0,760 0,444 M´edia na dire¸c˜ao [100] 0,045 0,434 0,105 0,038
A partir dos dados acima, desenvolvemos o seguinte gr´afico, representado na Figura 9.2.
Figura 9.2: Medidas da tens˜ao de offset para oito diferentes dire¸c˜oes em quatro amostras dis- tintas.
Cap´ıtulo 9. Caracteriza¸c˜ao experimental 97 • Existem diferentes valores para a tens˜ao de offset em diferentes dire¸c˜oes e para todos os dispositivos. E, n˜ao existe uma clara correla¸c˜ao entre os diferentes valores de tens˜ao de offset achados para os diferentes componentes.
• Verificamos tamb´em, sendo este o ponto mais relevante para o presente projeto, que o valor m´edio de offset em todas as 8 dire¸c˜oes est´a perto de zero, em todos os dispositivos. Portanto, validamos a nossa hip´otese inicial de que o erro de offset para um dispositivo em particular ´e sistem´atico e pode ser reduzido usando a t´ecnica de giro de corrente. • Em geral, o valor da tens˜ao de offset ´e menor na fam´ılia de dire¸c˜oes [100]. E, como foi
estudado anteriormente, o efeito piezo-resistivo ´e anisotr´opico, o que demostra que este efeito est´a maximizado na fam´ılia de dire¸c˜oes [110]. Este resultado confirma que a maior causa de offset nestes dispositivos ´e o efeito piezo-resistivo.
9.1.2
Sensibilidade da placa Hall
Mantendo a corrente de polariza¸c˜ao Is constante em 1,6 mA, variamos o campo magn´etico
atrav´es do controle da corrente do enrolamento do toroide. A intensidade do campo magn´etico `
a placa Hall foi medido com o sensor da Allegro Microsystem. O resultado da tens˜ao Hall, para uma ´unica dire¸c˜ao cristalogr´afica, em fun¸c˜ao do campo magn´etico, ´e apresentado na Figura 9.3.
Figura 9.3: Medida da tens˜ao Hall VH versus Campo Magn´etico.
A sensibilidade pode ser encontrada atrav´es da regress˜ao linear dos resultados obtidos expe- rimentalmente, obtendo um valor SI = 129ΩT−1. Esta sensibilidade pode ser ajustada atrav´es
da corrente de polariza¸c˜ao, como indicado na equa¸c˜ao 5.7.
Na sequˆencia repetimos o experimento, mantendo agora o campo magn´etico constante em 200 mT e trocando a fonte de corrente de polariza¸c˜ao Is por uma fonte de tens˜ao Vs. Neste
Cap´ıtulo 9. Caracteriza¸c˜ao experimental 98
medidas de tens˜ao Hall em fun¸c˜ao da tens˜ao de polariza¸c˜ao (ou de entrada) para 4 dire¸c˜oes cristalogr´aficas ´e mostrado na Figura 9.4.
Figura 9.4: Medida de Tens˜ao Hall VH para uma tens˜ao de polariza¸c˜ao vari´avel entre os contatos-
corrente com um campo magn´etico de magnitude B = 200mT.
Usando uma regress˜ao linear encontramos a sensibilidade, que para estes dispositivos foi de SV = 0.0448 T−1. Este resultado vai ao encontro dos resultados obtido para a resistˆencia de
entrada (Rin ≈ 2, 94 KΩ) e para a sensibilidade `a corrente, j´a que SV =SI/Rin.
´
E importante observar que a sensibilidade apresenta uma pequena varia¸c˜ao nas diferentes dire¸c˜oes do sensor. Este resultado pode ser considerado como a primeira evidˆencia do efeito piezo-Hall, apresentado na Se¸c˜ao 4.2. Neste est´agio da pesquisa tal varia¸c˜ao ser´a desconsiderada e a sensibilidade ser´a assumida como constante, j´a que a divergˆencia est´a dentro da margem de erro do experimento. Entretanto, como a varia¸c˜ao mencionada pode indicar dependˆencia da sensibilidade `a dire¸c˜ao ou alguma rela¸c˜ao com efeitos provocados pelo estresse mecˆanico, aparece a oportunidade de desenvolver uma pesquisa mais apurada sobre o efeito piezo-Hall em um trabalho futuro.