A Figura 5.16 mostra uma foto do sensor fabricado, detalhando a zona ativa, delimitada em verde escuro, e os contatos met´alicos em cor dourada.
Cap´ıtulo 5. Sensor tipo placa Hall Octogonal 47
Figura 5.16: Foto do sensor fabricado tomada com um microsc´opio ´optico.
Os dispositivos foram posicionados nas bordas de um quadrado de 2mm × 2mm, assim, quando for realizada a corros˜ao para obter a membrana, os dispositivos estar˜ao na ´area de maior concentra¸c˜ao de estresse. As Figuras 5.17 e 5.18 ilustram respectivamente o leiaute do chip sensor e a foto do dispositivo fabricado.
Figura 5.17: Leiaute do Chip, incluindo 4 sensores e PADs de alimenta¸c˜ao .
Foi inclu´ıdo na Figura 5.17 a identifica¸c˜ao de cada PAD (contatos do Chip fabricado a serem ligados com os bond-wires), incluindo os pinos de alimenta¸c˜ao e os sinais de entrada/sa´ıda do sensor. No projeto, usando os PADs anal´ogicos de menor resistˆencia, conseguimos diminuir a influˆencia de elementos parasitas n˜ao desejados.
Cap´ıtulo 5. Sensor tipo placa Hall Octogonal 48
Na Figura 5.18 se observa que a ´area destinada `a membrana tem uma cor bem mais clara que o resto do dispositivo. Intencionalmente esta ´area foi deixada sem a camada de ´oxido de passiva¸c˜ao para eliminar poss´ıveis efeitos sobre a membrana, resultando tamb´em numa cor diferenciada.
Figura 5.18: Foto do sensor fabricado detalhando a posi¸c˜ao dos sensores e o espa¸co demarcado para a membrana.
Cap´ıtulo
6
T´ecnicas para redu¸c˜ao de offset
Uma das principais limita¸c˜oes dos sensores magn´eticos tipo Hall ´e a tens˜ao do desvio de zero, conhecido tamb´em como tens˜ao de offset, que aparece nos contatos-sensor na ausˆencia de um campo magn´etico. A tens˜ao de offset ´e influenciada principalmente pelo estresse mecˆanico sobre o material, que devido ao efeito piezo-resistivo induz a um desbalanceamento na placa semicondutora [20, 19, 17, 4].
O principal problema s˜ao as diversas origens do estresse mecˆanico, que pode ser induzido sobre o componente no momento da fabrica¸c˜ao, no momento do empacotamento ou at´e pelas condi¸c˜oes ambientais nas quais o dispositivo ´e usado[40]. Para ilustrar as diversas origens de estresse mecˆanico podemos citar trˆes exemplos: as camadas dos diferentes materiais que comp˜oem um circuito integrado tˆem coeficientes de expans˜ao t´ermica distintos, gerando um estresse residual ao expandir-se em propor¸c˜oes diferentes; os produtos usados no empacotamento do sensor tendem a comprimir o dispositivo; a umidade e a temperatura afetam os materiais pl´asticos comumente usados nos empacotamentos, o que pode gerar deforma¸c˜oes e induzir o estresse mecˆanico no die encapsulado[40].
As diversas causas do estresse mecˆanico tornam pouco pr´aticos m´etodos como o ajuste por trimming ou a calibra¸c˜ao individual de cada circuito ap´os ser testado, vez que cada componente pode apresentar estresse mecˆanico distinto, induzido pela condi¸c˜ao de opera¸c˜ao. Portanto, torna-se necess´ario outras medidas que permitam a compensa¸c˜ao de offset.
Este projeto partiu da observa¸c˜ao de que o offset n˜ao ´e um processo aleat´orio em sensores de quatro terminais, como a placa Hall, e sim um erro sistˆemico. O offset varia muito pouco no tempo, podendo ser considerado constante, dessa forma depende apenas das condi¸c˜oes de fabrica¸c˜ao e opera¸c˜ao em cada dispositivo.
6.1
Dispositivos m´ultiplos com acoplamento ortogonal
Representaremos a placa Hall como um componente de quatro terminais, modelado como uma ponte de resistores, conforme ilustrado na Figura 6.1. Entre os terminais 1 e 2 existe um fluxo I, portanto, estes ser˜ao os contatos-corrente, enquanto os terminais 3 e 4 ser˜ao os contatos-sensor. Cada uma das resistˆencias R entre os contatos ´e igual a resistˆencia de entrada do dispositivo, e ∆R representa as varia¸c˜oes na ponte geradas por efeitos n˜ao relacionados com
Cap´ıtulo 6. T´ecnicas para redu¸c˜ao de offset 50
Figura 6.1: Modelo do componente de quatro terminais como uma ponte resistiva. o campo magn´etico, como desalinhamento geom´etrico ou estresse mecˆanico. Em uma ponte ideal (sem tens˜ao de offset ), ∆R seria zero.
O descasamento da ponte resistiva resulta inevit´avel em dispositivos fabricados, produzindo um desvio ou offset na tens˜ao de sa´ıda medida nos contatos-sensor. Podemos escrever a tens˜ao de sa´ıda como a soma da tens˜ao Hall VH (descrita na Equa¸c˜ao 5.6) e a tens˜ao de offset Vof f set
como:
Vout = VH + Vof f set = GH
IB
nqt + Vof f set (6.1)
Usando o modelo de ponte de resistˆencias da Figura 6.1, podemos escrever a tens˜ao de offset entre os terminais 3 e 4 como:
Vof f set(3,4) = ∆R I (6.2)
Agora, consideremos um segundo dispositivo, fabricado muito pr´oximo da primeira placa, sofrendo com o mesmo estresse mecˆanico e distor¸c˜oes geom´etricas, portanto, apresentando o mesmo desequil´ıbrio ∆R nas resistˆencias da ponte. Diferentemente do que ocorre na primeira placa, na segunda placa a corrente existe entre os contatos 3 e 4, representando um giro no sentido da corrente de 90° (um quarto de c´ırculo), conforme ilustrado na Figura 6.2.
Podemos observar que a tens˜ao Hall VH entre os terminais 2 e 1, quando o dispositivo ´e
girado, continua sendo GHIB/nqt, enquanto a tens˜ao de offset ´e:
Vof f set(2,1) = −∆R I (6.3)
Portanto, a tens˜ao de sa´ıda, quando os terminais 3 e 4 s˜ao usados como contatos-sensor, resulta diferente da tens˜ao de sa´ıda quando 2 e 1 s˜ao utilizados. Podemos escrever cada uma das tens˜oes separadamente como:
Cap´ıtulo 6. T´ecnicas para redu¸c˜ao de offset 51
Figura 6.2: Dispositivos ortogonais, representando um giro de 90° no sentido da corrente do segundo dispositivo em rela¸c˜ao `a orienta¸c˜ao original.
Vout(3,4) = GH IB nqt + ∆R I Vout(2,1) = GH IB nqt − ∆R I
Se conectarmos os dispositivos em paralelo, induzindo em ambos uma corrente I e interli- gando os contatos-sensor em s´erie, como ´e mostrado na Figura 6.3 , somaremos ambas as tens˜oes de sa´ıda, anulando a tens˜ao de offset. C onsequentemente, teremos como resultado uma tens˜ao total que duplica a sensibilidade e que n˜ao apresenta offset, como pode ser observado na seguinte express˜ao:
Vout = Vout(3,4)+ Vout(2,1) = 2GH
IB
nqt = 2VH (6.4)
O resultado te´orico ´e uma tens˜ao de sa´ıda total livre da influˆencia do descascamento na ponte resistiva. Esta configura¸c˜ao duplica a ´area e a corrente necess´arias para construir e polarizar ambas as placas, mas n˜ao garante a elimina¸c˜ao total da tens˜ao de offset, j´a que a deforma¸c˜ao mecˆanica de ambas as placas pode ser levemente diferente.