Sensori MEMS a effetto Hall

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I sensori continuano a crescere soprattutto nell’elettronica consumer e automotive dove servono per interfacciare i prodotti informatici e telematici fondamentalmente digitali con il mondo circostante notoriamente analogico. Gli entusiasmanti pronostici di mercato per i prodotti elettronici di Internet delle cose, per gli apparecchi elettronici indossabili e per i dispositivi che riempiranno le auto e le case intelligenti prossime venture non fanno altro che alimentare ulteriormente le prospettive di mercato dei sensori e soprattutto di quelli fabbricati con le moderne tecnologie MEMS dalle prestazioni elevate quanto l’intrinseca competitività nei costi.

Fig. 1 – Schema a blocchi del sensore angolare Allegro MicroSystems A1334 in tecnologia Circular Vertical Hall con risoluzione da 0° a 360° e tolleranza termica estesa da -40 a +150 °C

Uno dei principi fisici più utilizzati per realizzare i sensori Mems è l’effetto Hall che, in pratica, consiste nel generare una tensione proporzionale all’intensità e alla direzione della corrente che percorre un cavo o un qualsiasi cablaggio conduttivo senza bisogno di alcun contatto. La forza di Lorentz è notoriamente responsabile di produrre un campo magnetico attorno a qualunque corrente e se si avvicina un elemento conduttivo a questo campo si osserva uno spostamento delle cariche con gli elettroni che vanno tutti da una parte lasciando molte lacune dall’altra parte.

Si forma così una differenza di potenziale proporzionale al flusso magnetico e ciò si traduce in una tensione proporzionale alla corrente ma esterna ad essa e ininfluente sul suo transito. La corrente viene perciò misurata senza subire alcuna alterazione se non per una tensione di offset indotta irregolarmente dalle fluttuazioni termiche ambientali che peraltro può essere compensata con opportuni circuiti di cancellazione dinamica.

I sensori Mems a effetto Hall possono essere usati come interruttori senza contatto per motori elettrici o attuatori elettromeccanici dove possono esprimere al meglio i pregi del basso consumo, dell’immunità al rumore elettromagnetico e della robustezza meccanica. Inoltre, essendo il campo magnetico direzionale si possono usare anche per rilevare il verso e la velocità di rotazione angolare degli alberi semplicemente sovrapponendone due perpendicolarmente e calcolando le differenze di misura.

Fig. 2 – Ha una sensibilità magnetica regolabile fra ±1 e ±100 mT il nuovo switch/latch automotive a effetto Hall Melexis MLX92242 che può compensare le fluttuazioni termiche fino a 2000 ppm/°C

La sensibilità nella rilevazione del flusso magnetico si misura in milliTesla corrispondenti a circa una decina di Gauss ma si tratta di valori tipicamente bassi ragion per cui molti sensori incorporano anche qualche circuito di amplificazione del segnale rilevato insieme ai filtri più adatti per ogni applicazione. Di tutti questi argomenti si parlerà in occasione della prossima Intermag, IEEE International Magnetics Conference, in programma a Beijing, in Cina, dall’11 al 15 maggio con l’intervento dei più importanti esperti nel settore.

Hall fino a 7600 rpm

Allegro MicroSystems ha dato vita a una nuova famiglia di sensori a effetto Hall introducendo i primi due modelli A1332 e A1334 basati sulla tecnologia Circular Vertical Hall (CVH). Si tratta di due robusti sensori angolari con risoluzione da 0° a 360° e frequenza di aggiornamento di 32 µs adatti alle applicazioni industriali e automotive per le misure senza contatto della velocità angolare degli alberi motore fino a 7600 rpm.

Entrambi hanno un’interfaccia I2C e una memoria Eeprom dove immagazzinare i parametri di programmazione ma il modello A1334 ha in più anche un DSP e un’interfaccia SPI da 10 MHz a 4 contatti. Il package è Tssop-14 per l’A1332 con tolleranza termica operativa da -40 a +85 °C oppure estesa da -40 a +125 °C mentre per l’A1334 si può scegliere fra il Tssop-14 e il Tssop-24 entrambi con tolleranza termica che va da -40 a +150 °C.

Fig. 3 – I nuovi switch automotive Micronas HAL 15xy proposti in package SOT23 a 3 pin con tolleranza termica estesa da -40 a +170 °C e con diversi valori di sensibilità magnetica

Switch/latch con Eeprom

Melexis presenta il nuovo switch/latch ad effetto Hall MLX92242 sviluppato nei suoi laboratori di Tessenderlo, nel nord del Belgio, con a bordo un regolatore di tensione, una memoria non volatile di tipo Eeprom e alcune soluzioni circuitali di cancellazione delle fluttuazioni elettriche indotte dalla variabilità della temperatura.

Nella Eeprom si possono, infatti, memorizzare i parametri operativi di soglia più adatti per ogni applicazione e rendere più preciso il funzionamento dell’interruttore. Il package è TSOT oppure TO-92 entrambi a 3 pin con tolleranza termica che va da -40 a +150 °C mentre l’alimentazione è consentita da 2,7 fino a 24 V. A bordo c’è un circuito che consente di compensare l’escursione della temperatura da 0 fino a -2000 ppm/°C e, inoltre, la sensibilità magnetica si può regolare fra ±1 e ±100 mT con isteresi programmabile da 0 a 88 mT. Nuovo è anche il circuito integrato d’interfaccia MLX90327 realizzato apposta per condizionare, monitorare e regolare i sensori automotive.

Fig. 4 – La nuova serie dei sensori angolari a effetto Hall Pulsotronic Rotary Sensors KW ha diametro di 18 mm e altezza di 7 mm compresa l’interfaccia CANOpen

Hall fino a +170 °C

Micronas è un pioniere nello sviluppo dei sensori basati sull’effetto Hall e negli attuatori per applicazioni industriali e automotive. Recentemente ha rilasciato un nuovo switch ad effetto Hall conforme alle normative ISO 26262 per la sicurezza delle applicazioni automotive che comportano una documentazione specifica sulle possibilità di guasto denominata FMEDA (Failure Modes Effects and Diagnostic Analysis).

La nuova serie HAL 15xy viene proposta in package SOT23 Jedec a 3 pin con tolleranza termica operativa estesa da -40 a +170 °C, alimentazione tollerata da 2,7 fino a 24 V e consumo limitato a 1,6 mA. A bordo incorpora dei test diagnostici che monitorano continuamente i parametri elettrici fondamentali per compensarne le eventuali fluttuazioni e garantire il livello prescritto di prestazioni. I diversi modelli proposti hanno diversi valori di sensibilità nella misura della densità di flusso magnetico ovvero di ±0,5 mT, ±2,5 mT, ±12 mT, da 3,5 a 5,5 mT, da -3,5 a -5,5 mT, da 4,0 a 6,0 mT, da 7,0 a 9,0 mT, da 16,0 a 18,0 mT e da 23,0 a 27,0 mT.

Hall con CANOpen

Pulsotronic progetta, sviluppa e fabbrica componenti e sensori automotive e per l’automazione industriale fin dal 1965 nella sua sede di Niederdorf nella regione di Chemnitz-Zwickau che si trova in Germania, vicino a Lipsia. Il suo catalogo prodotti è particolarmente ricco di sensori fra cui troviamo diversi modelli di inclinometri e accelerometri nonché sensori acustici, termici, ottici, induttivi, capacitivi e persino basati sulla magnetoresistenza gigante (GMR).

Recentemente ha aggiunto anche la nuova serie dei sensori Mems a effetto Hall per la misura della posizione angolare e della velocità angolare Rotary Sensors KW con risoluzione da 5° fino a 360°. Il robusto package Q25/M30 misura 18 mm di diametro per 7 mm di altezza ed è certificato IP69k con tolleranza termica operativa che va da -40 a +85 °C. Dispone di un’interfaccia seriale SPI e anche di un’interfaccia per bus CANOpen.

Lucio Pellizzari

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