Sensor Hall KSY 14 de Arseneto de Gálio (GaAs)

1 Introdução

1.1 Histórico do Fabricante

A Infineon Technologies foi fundada no dia 1^o de abril de 1999, como uma companhia da Siemens Semicondutores, estabelecida no ramo de semicondutores. Ela é uma companhia jovem e dinâmica, que engrenou para o sucesso no mundo competitivo da microeletrônica. Ela produz e vende semicondutores para uso em setores como fala e comunicações de dados, periféricos, comunicações sem fios, eletrônica automotiva e industrial, dentre outros.

A Infineon está entre as dez empresas no mundo que mais venderam semicondutores, representando um faturamento de 5,7% dos lucros da Siemens. A sede de seu escritório fica em Munique, Alemanha.

1.2 Sensores

Sensor é um dispositivo que muda seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, podendo fornecer direta ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. Quando operam diretamente - convertendo uma forma de energia neutra - são chamados transdutores. Os de operação indireta alteram suas propriedades - como a resistência, a capacitância ou a indutância - sob ação de uma grandeza, de forma mais ou menos proporcional.

Transdutor é um dispositivo utilizado em métodos elétricos de medição que converte uma grandeza não elétrica em um sinal elétrico, dando uma resposta de natureza elétrica à grandeza em estudo.

1.3 Princípio de Funcionamento

O efeito Hall - assim nomeado após sua descoberta por Edwin Hall em 1879 - é o resultado da força de Lorentz no movimento de elétrons sujeitos a um campo magnético. A fig. 1 é uma representação do fluxo de corrente em um material que não está exposto a um campo magnético. Pode-se observar que as linhas equipotenciais, que cruzam perpendicularmente o fluxo de corrente, são linhas retas. A força de Lorentz no movimento de elétrons no material é dada por:

F = q x (v x B)

onde: q: carga do elétron

B: campo magnético

O produto externo indica que a força tem uma direção mutuamente perpendicular ao fluxo de corrente e ao campo magnético. A fig. 2 é uma representação do fluxo de corrente em um material sujeito a um campo magnético perpendicular.

Figura 1 Figura 2

O ângulo através do qual o fluxo de corrente é mudado pelo campo magnético é conhecido como ângulo Hall e é um parâmetro dependente do material, sendo determinado pela mobilidade de elétron m que também determina o coeficiente de Hall R_H.

Como mostra a fig. 2, as linhas equipotenciais ao longo do comprimento do material são inclinadas, e isso nos leva a tensão de Hall medida ao longo do material.

O efeito Hall está presente em todos os materiais. Mas ele só tem aplicação em alguns, onde a mobilidade do elétron é excepcionalmente alta. O arseneto de gálio (GaAs) é um bom exemplo desse material.

1.4 Construção de sensores Hall

Considere um determinado material, com espessura d, comprimento l e largura b, conduzindo uma corrente I₁ ao longo de seu comprimento. O material está sujeito a um campo magnético B na direção de sua espessura. O resultado da ação simultânea desses parâmetros é a geração de tensão entre os pontos 3 e 4. Essa tensão é conhecida como tensão de Hall de circuito aberto V₂₀, e a sua magnitude é dada por:

V₂₀ = (R_H/d) x I₁ x B

onde R_H é a constante Hall do material.

A corrente é fornecida ao material pelos eletrodos 1 e 2 e a tensão Hall é medida nos eletrodos 3 e 4. A área efetiva do sensor de Hall é calculada pelos limites dos eletrodos.

A_ef = a’ x b’

Figura 3 – princípio de construção do sensor Hall

2 Especificações

2.1 Taxa de corrente Fornecida I_1N

A taxa de corrente fornecida é estabelecida por uma operação em que o sensor semicondutor Hall estabelece um sistema de aquecimento entre 10^oC à 15^oC. Os efeitos dessa temperatura aumentam o coeficiente de Hall como mostra a fig. 4.

Figura 4 – a variação do coeficiente Hall R_H com a temperatura

O coeficiente Hall R_H é uma constante do material e depende da temperatura. Entretanto, não é dependente do campo magnético para arseneto de gálio (GaAs) com indicações acima de 15 T (tesla).

2.2 Tensão Hall de Circuito Aberto V₂₀

A tensão Hall de circuito aberto é a tensão de saída V₂₀ gerada através de um elemento Hall descarregado, quando fornecido pela taxa de corrente I_1N e sujeita a uma indução magnética B.

2.3 Sensibilidade de Indução do Circuito Aberto K_BO

A sensibilidade do circuito aberto para indução magnética é definida pela equação:

K_BO = V₂₀ / (I_1N x B) [V/AT]

2.4 Componente Resistiva de Offset R₁₀

Devido aos métodos de produção, a tensão Hall dos sensores inclui um offset, que é de natureza resistiva. Com indução B = 0 e uma pequena tensão V_2RO presente através dos terminais de Hall, o valor máximo de R₁₀ (resistência de entrada) pode ser compensado, usando o seguinte circuito:

Figura 5 – circuito de compensação para tensão ôhmica zero (onde R é um potenciômetro de alto valor)

2.5 Componente Indutiva de Offset A₂

O chumbo, utilizado nos eletrodos de Hall, é colocado sobre o material englobando uma área A que não pode ser reduzida a zero.

Isto significa que, no tempo, variando a indução magnética, mesmo com o valor de corrente igual a zero, a tensão induzida no encapsulamento de chumbo pode ser medida através dos eletrodos de Hall, e é dada por:

V₁₀ = A₂ x db/dT

Isso é conhecido como componente indutiva de offset e é dada em termos da área do encapsulamento [cm²], sendo dependente da indução temporal, amplitude e freqüência.

2.6 Máxima Corrente Fornecida I_1M

A máxima corrente de permissividade fornecida de um sensor Hall é fortemente dependente do método de encapsulamento e do modo de operação, ou seja, do método de resfriamento e da temperatura ambiente. O fabricante fornece o valor da máxima corrente de permissividade. Um aumento nesse valor sem precauções de resfriamento pode resultar em superaquecimento do dispositivo e conseqüente destruição do sensor.

2.7 Condutividade Térmica entre o Material do Sensor e o Encapsulamento Exterior G_thc

Para calcular a máxima corrente de permissividade fornecida por um método de resfriamento, o fabricante dá um valor para a condutividade térmica entre o sensor e a superfície do encapsulamento. O valor é referente ao calor sendo conduzido de ambos os lados do encapsulamento.

Tabela 1 – Taxas Máximas Absolutas

Parâmetros	Símbolo	Valores Limites	Unidade
temperatura de operação	T_A	-40 à +175	^oC
temperatura de armazenamento	T_stg	-50 à +180	^oC
corrente fornecida	I₁	7	mA
condutividade térmica, no ar	G_thA	³ 1,5	mW/K
condutividade térmica, no ar	G_thC	³ 2,2	mW/K

Tabela 2 – Características Elétricas (T_A = 25^oC)

Parâmetros	Símbolo	Valores Limites	Unidade
corrente nominal fornecida	I_1N	5	mA
sensibilidade de circuito aberto	K_BO	190 à 260	V/AT
tensão Hall de circuito aberto: I₁ = I_1N e B = 0,1 T	V₂₀	95 à 130	mV
tensão ôhmica de offset: I₁ = I_1N e B = 0 T	V_RO	£ ± 20	mV
linearidade da tensão Hall:	F_L
B = 0 à 0,5 T		£ ± 0,2	%
B = 0 à 1 T		£ ± 0,7	%
resistência de entrada: B = 0 T	R₁₀	900 à 1200	W
resistência de saída: B = 0 T	R₂₀	900 à 1200	W
coeficiente de temperatura da tensão Hall de circuito aberto: I₁ = I_1N e B = 0,1 T	TC_V20	-0,03 à –0,07	%/K
coeficiente de temperatura da resistência interna: B = 0 T	TC_{R10, R20}	-0,1 à 0,18	%/K
mudança da tensão de offset dentro de uma faixa de temperatura	\|DV_RO\|	£ 2	mV
componente zero indutiva: I_1N = 0	A₂	0,16	cm²
ruído	F	-10	dB

3 Sensor Hall KSY 14 de Arseneto de Gálio (GaAs) – Versão 2.0

O KSY 14 é um sensor Hall de íon implantado em um material monocristalino GaAs, construído em um encapsulamento plástico extremamente liso (SOH). Ele é excelente para uma elevada sensibilidade magnética e baixos coeficientes de temperatura. O chip, que apresenta dimensões de 0,35 x 0,35 mm², é montado sob uma constituição não-magnética.

A figura abaixo mostra as dimensões do dispositivo. O KSY 14 tem uma massa de 50 mg.

Figura 6 – sensor Hall KSY 14 GaAs Figura 7 – dimensões em mm

3.1 Características

· alta sensibilidade;

· alta temperatura de operação;

· pequeno erro de linearidade;

· baixa tensão de offset;

· cápsula plástica ultra-lisa;

· baixa componente zero indutiva;

· espessura do encapsulamento de 0,7 mm;

· conexões de um lado do encapsulamento.

3.2 Aplicações típicas

· medição de corrente e potência;

· medição de campo magnético;

· controle de motores DC sem escova;

· detecção de posição e rotação;

· medição do diagrama;

4 Aplicação usando KSY 14 como um Detector de Corrente

4.1 Método Direto usando Núcleo Ranhurado

A fig. 8 mostra o arranjo de medição em que um KSY 14 está inserido no entreferro em um núcleo de ferro-doce. O núcleo possui 4 espiras de um condutor conduzindo corrente. O campo magnético gerado no entreferro foi medido pelo KSY 14 no circuito da fig. 9.

Figura 8 Figura 9

Os resultados dos ensaios do KSY 14 são mostrados na figura abaixo. O gráfico mostra como a corrente varia com a variação da tensão Hall.

Figura 10 – resultados dos ensaios com KSY 14

Vantagens:

· a corrente é diretamente proporcional à tensão Hall;

· construção simples;

· sensibilidade.

4.2 Detecção de Corrente sem Contato pela Indução Magnética do Núcleo

O uso de um sensor Hall em um núcleo de ferro-doce permite a medida de correntes diretas com isolação completa do potencial entre a carga do circuito e o circuito de medida. O método mais simples é passar a corrente a ser medida através do núcleo de ferro-doce e então medir a indução magnética gerada no entreferro. A densidade de fluxo magnético no entreferro do núcleo é representada por:

B = (m_o x n x I) / (d + I_Fe/m_r) [T]

onde: m_o = 1,256 . 10^-6 Vs/Am

n: número de voltas

I: corrente a ser medida [A]

d: dimensão do entreferro [m]

I_Fe: comprimento do caminho do núcleo de ferro

m_r: permeabilidade relativa do núcleo do material

Figura 11

Normalmente, I_Fe/m_r é insignificante se comparado com a dimensão do entreferro d (onde I_Fe/m_r < 100.d) e a equação acima pode ser escrita como:

B = (m_o x n x I) / d

5 Conclusão

Sensores Hall de sinais encontram aplicação universal em sensores de posição sem contato, e, ao contrário de sensores indutivos, o sinal de saída é independente da operação de freqüência e eles podem ser operados em baixas velocidades, até mesmo abaixo de zero.

A maior aplicação é em motores DC sem escovas, onde o sensor Hall é acionado diretamente pelo campo magnético no estator.

Obtém-se elevadas exatidões quando o sensor Hall é usado somente para detectar a diminuição da indução no entreferro; e, pela malha fechada de realimentação, mantendo o campo magnético no entreferro em zero pela injeção de corrente dentro de uma bobina de compensação secundária. A vantagem é que fornece medida de alta exatidão, independente do núcleo e do sensor Hall. Como os tempos de resposta fornecidos são rápidos o bastante, o entreferro é sempre mantido livre do campo magnético. Uma remanência também é notada em casos de magnetização residual indesejável do núcleo (ou com queda de corrente).

6 Referências Bibliográficas

Livro

HELFRICK, Albert D. & COOPER, William D. Instrumentação Eletrônica Moderna e Técnicas de Medição. Rio de Janeiro : Prentice Hall do Brasil, 1994. p. 251-253.

Links para o fabricante

http://www.infineon.com

http://www.infineon.com/products/sensors/book/book1.htm

http://www.infineon.com/asiapacific/cgi_bin/ContactManager_New.p/

http://www.infineon.com/contact/prd_cont.htm

Links para distribuidores

http://www.avnet.com

http://www.ebv.com

http://www.eurodis.com

http://www.sei-benelux.com

http://www.rutronik.com

Links para mais informações

http://www.li.facens.br/~c95052/eltr.html

Trabalho realizado pelo aluno:

Fernando Calvo 971266-6

fernandocalvo@zipmail.com.br

fcalvo@globo.com