ITTO20100943A1 - Circuito di lettura per un sensore di campo magnetico con calibrazione di sensibilita', e relativo metodo di lettura - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“CIRCUITO DI LETTURA PER UN SENSORE DI CAMPO MAGNETICO CON CALIBRAZIONE DI SENSIBILITA', E RELATIVO METODO DI LETTURAâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un circuito di lettura per un sensore di campo magnetico, in particolare un sensore magnetico magnetoresistivo anisotropo (AMR – “Anisotropic Magneto-Resistive†), con calibrazione della sensibilità dello stesso sensore, e ad un relativo metodo di calibrazione.

Sensori di campo magnetico, in particolare sensori magnetici AMR, sono utilizzati in una pluralità di applicazioni e sistemi, ad esempio in bussole, in sistemi di rilevamento di materiali ferrosi, nel rilevamento di correnti, e in svariate altre applicazioni, grazie alla loro capacità di rilevare campi magnetici naturali (ad esempio il campo magnetico terrestre) e campi magnetici generati da componenti elettrici (quali dispositivi elettrici o elettronici e linee percorse da corrente elettrica).

In modo noto, il fenomeno della magnetoresistività anisotropa si verifica all’interno di particolari materiali ferrosi, che, quando sottoposti ad un campo magnetico esterno, subiscono una variazione di resistività in funzione delle caratteristiche dello stesso campo magnetico esterno. Solitamente, tali materiali vengono applicati sotto forma di sottili strisce (“strips†) in modo da formare elementi resistivi, e gli elementi resistivi così formati vengono collegati elettricamente a formare una struttura a ponte (tipicamente un ponte di Wheatstone).

È noto inoltre realizzare sensori magnetici AMR con tecniche standard di microfabbricazione dei semiconduttori, come descritto ad esempio in US 4,847,584. In particolare, ciascun elemento magnetoresistivo può essere formato da un film di materiale magnetoresistivo, quale ad esempio il Permalloy (una lega ferromagnetica contenente ferro e nichel), depositato a formare una sottile striscia su un substrato di materiale semiconduttore, ad esempio silicio.

Quando una corrente elettrica viene fatta scorrere attraverso un elemento magnetoresistivo, l’angolo Î ̧ tra la direzione di magnetizzazione di tale elemento magnetoresistivo e la direzione del flusso della corrente influenza il valore effettivo di resistività dello stesso elemento magnetoresistivo, così che, al variare del valore dell’angolo Î ̧, varia il valore di resistenza elettrica (in dettaglio, tale variazione segue una legge del tipo cos<2>Î ̧). Ad esempio, una direzione di magnetizzazione parallela alla direzione del flusso di corrente risulta in un valore di resistenza al passaggio di corrente attraverso l’elemento magnetoresistivo massimo, mentre una direzione di magnetizzazione ortogonale alla direzione del flusso di corrente risulta in un valore di resistenza al passaggio di corrente attraverso l’elemento magnetoresistivo minimo.

Solitamente, i sensori magnetici AMR includono inoltre bobine, integrate negli stessi sensori, cosiddette “offset strap†, atte a generare, quando percorse da una corrente di valore opportuno, un campo magnetico che si accoppia lungo la direzione di rilevamento dei sensori; a questo riguardo, si veda ad esempio US 5,247,278. Tali bobine di offset sono solitamente utilizzate per operazioni di compensazione dell’offset presente nei sensori (a causa di mismatch nei valori dei relativi componenti elettrici) ed operazioni di self-test; in particolare, il valore delle grandezze elettriche in uscita dai sensori sono in tal caso funzione sia del campo magnetico esterno da rilevare, sia del campo magnetico generato internamente per effetto della corrente circolante nelle bobine di offset (che viene infatti rilevato dagli elementi magnetoresistivi). Le bobine di offset sono costituite da spire di materiale conduttivo, ad esempio metallico, disposte sullo stesso substrato su cui sono realizzati gli elementi magnetoresistivi del sensore, essendo elettricamente isolate dagli, e disposte in prossimità degli, stessi elementi magnetoresistivi.

In particolare, la struttura di rilevamento a ponte di Wheatstone di un sensore magnetico AMR include elementi magnetoresistivi idealmente di pari valore di resistenza, e tali da formare coppie diagonali di elementi uguali, che reagiscono in maniera tra loro opposta ai campi magnetici esterni, come mostrato schematicamente in figura 1 (in cui I indica la corrente elettrica che fluisce negli elementi magnetoresistivi e R il valore comune di resistenza).

Applicando una tensione di alimentazione Vsin ingresso alla struttura di rilevamento a ponte (in particolare a primi due terminali del ponte, che operano come terminali di ingresso), in presenza di un campo magnetico esterno He, si verifica una variazione di resistenza ΔR degli elementi magnetoresistivi ed una corrispondente variazione del valore di caduta di tensione (“voltage drop†) sugli stessi elementi magnetoresistivi; infatti, il campo magnetico esterno Hedetermina una variazione della direzione di magnetizzazione degli elementi magnetoresistivi. Ne consegue uno sbilanciamento del ponte, che si manifesta come una variazione di tensione ΔV all’uscita del circuito a ponte (in particolare tra i restanti due terminali del ponte, che operano come terminali di uscita). Siccome la direzione della magnetizzazione iniziale degli elementi magnetoresistivi à ̈ nota a priori, in funzione di tale variazione di tensione ΔV risulta dunque possibile risalire alla componente del campo magnetico esterno agente lungo la direzione di sensibilità del sensore magnetico (essendo dunque possibile, utilizzando tre sensori magnetici con direzioni di sensibilità tra loro ortogonali, determinare modulo e direzione dello stesso campo magnetico esterno).

In particolare, per rilevare lo sbilanciamento del ponte di Wheatstone e generare un segnale di uscita indicativo delle caratteristiche del campo magnetico esterno da misurare, viene solitamente utilizzato un circuito (o front-end) di lettura, accoppiato all’uscita del sensore magnetico AMR, ed includente, ad esempio, un amplificatore da strumentazione. Il sensore magnetico AMR e l’associato circuito di lettura formano, insieme, un dispositivo sensore di campo magnetico, che fornisce in uscita un segnale elettrico in funzione del campo magnetico rilevato, presentando una data risposta ingresso/uscita, dovuta in parte alla sensibilità della struttura di rilevamento a ponte, ed in parte al guadagno dell’associato front-end di lettura.

In modo noto, la sensibilità dei sensori magnetici AMR, ovvero l’entità della risposta elettrica fornita dalla relativa struttura di rilevamento a ponte in funzione del campo magnetico esterno da rilevare, presenta normalmente un’elevata variabilità (o spread), che può arrivare anche fino al 40% rispetto al valore nominale. Tale variabilità à ̈ dovuta ad esempio alle variazioni intrinseche di processo associate alla fabbricazione dei sensori stessi.

Di conseguenza, uno stesso campo magnetico esterno può generare segnali elettrici il cui valore può variare considerevolmente anche tra sensori realizzati nello stesso lotto di fabbricazione. Una tale variabilità nella sensibilità dei sensori magnetici AMR può non essere accettabile, in particolare in quelle applicazioni che richiedono una misura accurata del campo magnetico da rilevare, come ad esempio nei magnetometri.

Sono state dunque proposte tecniche di calibrazione dei sensori magnetici AMR, atte a ridurre o almeno limitare la variabilità della sensibilità delle relative strutture di rilevamento.

Ad esempio, una tecnica di calibrazione prevede l’utilizzo di procedimenti di “laser trimming†nell’ambito del processo di fabbricazione dei sensori magnetici AMR, ovvero l’utilizzo di tecniche di asportazione laser per regolare i valori dei componenti elettronici che costituiscono gli stessi sensori). In particolare, in un ambiente esterno a campo magnetico controllato, si regolano fisicamente le caratteristiche elettriche del sensore in modo tale che fornisca in uscita una grandezza elettrica di valore corrispondente a quello del campo magnetico esterno, indipendentemente dalle variazioni di processo che possano averne alterato la sensibilità.

Tale tecnica tuttavia, oltre ad essere di complessa e costosa implementazione (in quanto richiede dispendiose attrezzature di test e calibrazione), necessita un accurato controllo del campo magnetico presente nell’area circostante i sensori durante le operazioni di calibrazione; tale controllo accurato può tuttavia risultare difficile da ottenere, a causa ad esempio di campi magnetici parassiti generati dai macchinari di test o provenienti dall’ambiente di fabbricazione.

Le tecniche di calibrazione dei sensori magnetici AMR che sono state sino ad oggi proposte non risultano dunque del tutto soddisfacenti, e spesso non sono in grado di assicurare i risultati desiderati.

Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di fornire una tecnica di calibrazione relativa alla sensibilità di un sensore magnetico AMR, che risulti esente dagli svantaggi dell’arte nota, precedentemente evidenziati.

Secondo la presente invenzione vengono forniti un circuito ed un relativo metodo di lettura, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 mostra uno schema elettrico semplificato di un sensore magnetico AMR di tipo noto, con struttura di rilevamento a ponte di Wheatstone;

- la figura 2 mostra uno schema semplificato di un circuito di lettura per un sensore di campo magnetico, in particolare un sensore magnetico AMR, includente uno stadio di calibrazione secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 3 Ã ̈ un diagramma di flusso relativo ad operazioni previste da un metodo di calibrazione utilizzato nel circuito di figura 2; e

- la figura 4 mostra uno schema a blocchi semplificato di un dispositivo elettronico includente il circuito di lettura ed il sensore di campo magnetico di figura 2.

Un aspetto della presente invenzione si applica ad un sensore di campo magnetico, in particolare un sensore magnetico AMR del tipo descritto con riferimento alla figura 1, e prevede di implementare un circuito di lettura, associato al sensore di campo magnetico, che comprende: uno stadio di guadagno variabile e selezionabile; ed uno stadio di calibrazione, configurato per variare il valore di guadagno implementato dallo stadio di guadagno in modo tale da compensare, ed in particolare ridurre, eventuali “spread†di sensibilità del sensore di campo magnetico dovuti, ad esempio, al processo di fabbricazione dello stesso sensore di campo magnetico. In altre parole, il circuito di lettura associato al sensore di campo magnetico viene dotato di una funzione di calibrazione della sensibilità dello stesso sensore, in modo tale che l’utente percepisca una risposta complessiva del dispositivo sensore (inteso come l’insieme del sensore e del relativo circuito di lettura) corrispondente ad una risposta nominale o attesa (ovvero una risposta come da “data sheet†).

Inoltre, un aspetto della presente invenzione prevede di utilizzare, per la suddetta operazione di calibrazione, una bobina di offset (cosiddetta “offset strap†) integrata nella struttura dello stesso sensore magnetico AMR (si veda la discussione precedente), al fine di generare un campo magnetico interno di valore noto e controllato, in prossimità degli elementi magnetoresistivi del sensore di campo magnetico. La risposta del dispositivo sensore a tale campo magnetico di valore controllato può essere infatti utilizzata per determinare lo spread della sensibilità effettiva del sensore di campo magnetico, e variare di conseguenza il guadagno dell’associato circuito di lettura.

In dettaglio, la figura 2 mostra schematicamente un dispositivo sensore secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, indicato nel suo complesso con 1, includente un sensore di campo magnetico (in particolare un sensore magnetico AMR), indicato con 2 e schematizzato mediante il suo circuito equivalente a ponte di Wheatstone, ed un circuito (o front-end) di lettura 3, associato al sensore di campo magnetico 2.

In particolare, il sensore di campo magnetico 2 comprende una struttura di rilevamento a ponte di Wheatstone, con quattro elementi magnetoresistivi 2a-2d, ad esempio costituiti da strisce di un film sottile di materiale magnetoresistivo, quale il Permalloy, aventi uno stesso valore di resistenza a riposo R (in assenza di campi magnetici esterni), ed atti a subire a coppie una stessa variazione ΔR in presenza di un campo magnetico esterno He(le coppie sono formate dagli elementi affacciati in diagonale nel ponte, vale a dire una prima coppia à ̈ formata dagli elementi magnetoresistivi 2a e 2c, ed una seconda coppia dagli elementi magnetoresistivi 2b e 2d).

La struttura di rilevamento a ponte di Wheatstone presenta un primo terminale di ingresso In1, collegato al polo positivo di una sorgente di alimentazione fornente una tensione di alimentazione Vs, ed un secondo terminale di ingresso In2, collegato al polo negativo della stessa sorgente di alimentazione (ad esempio coincidente con un terminale di massa del circuito di lettura 3). La struttura di rilevamento a ponte di Wheatstone presenta inoltre un primo ed un secondo terminale di uscita Out1, Out2, tra cui à ̈ presente il segnale elettrico di sbilanciamento (ovvero la variazione di tensione ΔV), che à ̈ funzione, in particolare, delle caratteristiche del campo magnetico esterno He.

Il sensore di campo magnetico 2 comprende inoltre una bobina di offset 4 (schematizzata in figura 2 come un resistore, e comunemente nota come “offset strap†), disposta in modo da essere accoppiata magneticamente agli elementi magnetoresistivi 2a-2d e collegata elettricamente ad un generatore di corrente 5, atto a fornire una corrente di eccitazione Iecc, di valore controllato, alla stessa bobina di offset 4; in modo noto, e come precedentemente discusso, la bobina di offset 4 à ̈ integrata nel sensore di campo magnetico 2 (ad esempio essendo realizzata sullo stesso substrato di silicio su cui sono realizzati gli elementi magnetoresistivi 2a-2d) ed à ̈ atta a generare, in funzione del valore della corrente di eccitazione Iecc, un campo magnetico interno Hi, di valore noto.

Il circuito di lettura 3 comprende uno stadio di amplificazione 6 (mostrato schematicamente in figura 2), accoppiato elettricamente all’uscita del sensore di campo magnetico 2 ed includente ad esempio un amplificatore operazionale, indicato con 8, di tipo “fully differential†(ovvero avente ingressi ed uscite differenziali). L’amplificatore 8 presenta un ingresso non invertente 8a collegato al primo terminale di uscita Out1del sensore di campo magnetico 2, ed un ingresso invertente 8b collegato al secondo terminale di uscita Out2; l’amplificatore 8 presenta inoltre un’uscita invertente 8c ed un’uscita non invertente 8d, tra cui à ̈ presente un segnale di uscita Vout, che risulta funzione della variazione di tensione ΔV fornita dal sensore di campo magnetico 2.

Lo stadio di amplificazione 6 comprende un primo ed un secondo ramo circuitale sostanzialmente identici, collegati rispettivamente agli ingressi non invertente ed invertente 8a, 8b dell’amplificatore 8, ciascuno dei quali realizza una rete di guadagno, in questo caso capacitiva (in maniera evidente, in una differente forma di realizzazione, può essere prevista una rete di guadagno resistiva).

In dettaglio, ciascun ramo comprende un primo condensatore di guadagno 9, avente un primo terminale collegato ad un rispettivo terminale di uscita Out1, Out2(a seconda del ramo circuitale considerato) del sensore di campo magnetico 2, ed un secondo terminale collegato ad un rispettivo ingresso non invertente o invertente 8a, 8b (nuovamente, a seconda del ramo circuitale considerato) dell’amplificatore 8; il primo condensatore di guadagno 9 presenta una capacità C1. Ciascun ramo circuitale comprende inoltre un secondo condensatore di guadagno 10, avente un primo terminale collegato ad un rispettivo ingresso non invertente o invertente 8a, 8b (a seconda del ramo circuitale considerato) dell’amplificatore 8, ed un secondo terminale collegato ad una rispettiva uscita invertente o non invertente 8c, 8d (nuovamente, a seconda del ramo circuitale considerato) dello stesso amplificatore 8; il secondo condensatore di guadagno 10 presenta una capacità C2.

Il circuito di lettura 3 comprende inoltre uno stadio di calibrazione 12, configurato in modo da implementare un algoritmo di calibrazione (descritto in dettaglio in seguito) per compensare variazioni di sensibilità della struttura di rilevamento del sensore di campo magnetico 2, ed in particolare per ridurre gli effetti di eventuali spread dovuti ad esempio al processo di fabbricazione.

In dettaglio, lo stadio di calibrazione 12 comprende una prima ed una seconda unità di condensatore regolabile (“trimmable capacitor†, dette anche “captrim†) 14a, 14b, collegate in parallelo al primo condensatore di guadagno 9 rispettivamente del primo e del secondo ramo circuitale, ed agenti come elementi di variazione del guadagno dello stadio di amplificazione 6. Ciascuna unità di condensatore regolabile 14a, 14b presenta: un primo ed un secondo terminale, tra cui fornisce una capacità complessiva di valore variabile Cx; ed un terminale di controllo, su cui riceve un segnale di controllo guadagno Sg, che determina il valore della suddetta capacità complessiva; il segnale di controllo guadagno Sgà ̈ un segnale digitale a n bit (b0, b1, b2, … bn), con n ad esempio uguale a sei. In maniera evidente, in una differente forma di realizzazione, in cui si utilizzi una rete di guadagno resistiva, potrebbe essere previsto l’utilizzo di un resistore a resistenza variabile e selezionabile.

In maggiore dettaglio, ciascuna unità di condensatore regolabile 14a, 14b à ̈ realizzata da un rispettivo banco di condensatori elementari 14a0-14an, 14b0-14bn, i quali sono tra loro selettivamente collegati in parallelo, e ciascuno dei quali à ̈ collegato in serie ad un rispettivo interruttore di abilitazione 15, controllato da un rispettivo bit b0-bndel segnale di controllo guadagno Sg. In tal modo, in funzione della configurazione di bit del segnale di controllo guadagno Sg, varia la configurazione dei condensatori elementari 14a0-14an, 14b0-14bncollegati in parallelo, e dunque il valore della capacità complessiva Cxdelle unità di condensatore regolabile 14a, 14b.

In particolare, risulta evidente che il guadagno G dello stadio di amplificazione 6, che determina il valore del segnale di uscita Vout, Ã ̈ dato da:

G=-(C1+Cx)/C2

dove la capacità complessiva Cxà ̈ data dalla somma delle capacità dei condensatori elementari 14a0-14an, 14b0-14bnche risultano di volta in volta collegati in parallelo nel rispettivo banco di condensatori. Il guadagno G risulta dunque variabile, ed elettronicamente selezionabile (in modo da essere incrementato o decrementato), in funzione del segnale di controllo guadagno Sg.

Lo stadio di calibrazione 12 comprende inoltre: un convertitore ADC (Analog-to-Digital Converter) 18, avente ingressi collegati alle uscite 8c, 8d dell’amplificatore 8, ed atto a convertire da analogico a digitale il segnale di uscita Vout fornito dallo stesso amplificatore 8 (il convertitore ADC 18 opera a m bit, con m ad esempio uguale a dodici; ed un’unità di elaborazione 19 (ad esempio includente un microprocessore o un microcontrollore, o un analogo strumento di calcolo), collegata all’uscita del convertitore ADC 18 ed atta ad implementare, mediante un’opportuna logica di controllo, i passi dell’algoritmo di calibrazione che sarà successivamente descritto.

In particolare, l’unità di elaborazione 19, in funzione del valore del segnale di uscita Vout, determina il valore del segnale di controllo guadagno Sgda inviare alla prima ed alla seconda unità di condensatore regolabile 14a, 14b, per variare il guadagno G dello stadio di amplificazione 6.

La stessa unità di elaborazione 19 genera inoltre un segnale di controllo corrente Si, che invia al generatore di corrente 5, per controllare la fornitura della corrente di eccitazione Ieccalla bobina di offset 4 integrata nel sensore di campo magnetico 2, ed in particolare per controllare la generazione, mediante la stessa bobina di offset 4, del campo magnetico interno Hidi valore noto e controllato. In una differente forma di realizzazione, il generatore di corrente 5 può essere controllato da un’unità di controllo esterna al circuito di lettura 3 (ad esempio un’unità di controllo dell’apparecchio elettronico che incorpora il dispositivo sensore 1), e l’unità di elaborazione 19 riceve da tale unità di controllo esterna l’informazione sul valore del campo magnetico interno Higenerato, all’occorrenza, mediante la bobina di offset 4.

Come illustrato in figura 3, l’algoritmo di calibrazione per il sensore di campo magnetico 2 prevede le seguenti operazioni, che vengono eseguite all’interno dello stadio di calibrazione 12, in particolare da parte della relativa unità di elaborazione 19.

In una fase iniziale dell’algoritmo, fase 20, si avviano le operazioni di calibrazione e compensazione delle variazioni di sensibilità del sensore di campo magnetico 2; l’avvio di tali operazioni può ad esempio avvenire: al termine del processo di fabbricazione del sensore e della relativa elettronica di lettura; in seguito ad un comando impartito da un utente; in seguito ad un comando ricevuto da un’unità elettronica esterna; oppure in seguito all’accensione dell’apparecchio elettronico incorporante il dispositivo sensore 1 (a seconda della specifica applicazione e/o dei desideri dell’utente).

Successivamente, fase 21, l’unità di elaborazione 19 controlla l’esecuzione di una prima misura del segnale di uscita Vout fornito dall’amplificatore 8 accoppiato al sensore di campo magnetico 2, in presenza del solo campo magnetico esterno He(dovuto ad esempio al campo magnetico terrestre, ed il cui valore non à ̈ noto a priori), ovvero senza che sia applicata alcuna eccitazione alla bobina di offset 4 (il campo magnetico interno Hià ̈ dunque pari a zero).

Viene in tal modo acquisito un primo campione Vout1del segnale di uscita Vout, il cui valore à ̈ dato dalla seguente espressione:

Vout1= He·S·G

dove S indica il valore di sensibilità del sensore di campo magnetico 2, che può eventualmente differire rispetto ad un valore nominale a causa di spread di processo, e G à ̈ il guadagno dello stadio di amplificazione 6, dato dalla suddetta espressione G=-(C1+Cx)/C2.

Successivamente, fase 22, viene generato nel sensore di campo magnetico 2 il campo magnetico interno Hidi valore noto e controllato, mediante la fornitura della corrente di eccitazione Ieccalla bobina di offset 4 integrata nel sensore stesso.

Viene dunque eseguita, fase 23, una seconda misura del segnale di uscita Vout ed acquisito un secondo campione Vout2dello stesso segnale di uscita Vout. Dato che gli elementi magnetoresistivi 2a-2d del sensore di campo magnetico 2 sentono in questo caso sia il campo magnetico esterno Hesia il campo magnetico interno Hi, il secondo campione Vout2Ã ̈ dato dalla seguente espressione:

Vout2= (He+ Hi)·S·G

Viene dunque eseguita, da parte dell’unità di elaborazione 19, fase 24, una differenza Diff tra il primo ed il secondo campione Vout1, Vout2precedentemente acquisiti (tale differenza viene convenientemente eseguita in digitale):

Diff = Vout2– Vout1= (He+Hi)·S·G - He·S·G = Hi·S·G La differenza Diff risulta dunque funzione del solo campo magnetico interno Hied indipendente dal valore del campo magnetico esterno He. Essendo il valore dello stesso campo magnetico interno Hinoto, risulta possibile agire sul valore di guadagno G dello stadio di amplificazione 6 per compensare eventuali variazioni della sensibilità S del sensore di campo magnetico 2, ottenendo un valore atteso della differenza Diff (ovvero un valore che si otterrebbe con il valore nominale della stessa sensibilità S).

In particolare, il prodotto S·G definisce una risposta complessiva del dispositivo sensore 1 (percepita dall’utente) tra l’ingresso, in questo caso costituito dal valore del campo magnetico interno Hi, e l’uscita, in questo caso costituita dal valore della differenza Diff. Obiettivo dell’algoritmo qui discusso à ̈ quello di far sì che tale risposta complessiva presenti un valore nominale o atteso, come da progetto (o quanto meno si discosti il meno possibile da tale valore nominale, entro una certa tolleranza da specifica); per realizzare tale obiettivo, un aspetto della presente invenzione prevede di agire sul valore di guadagno G dello stadio di amplificazione 6, al fine di compensare la presenza di spread sul valore di sensibilità S del sensore di campo magnetico 2.

Di conseguenza, in una fase 25 successiva alla fase 24, l’algoritmo prevede di verificare se il valore della differenza Diff corrisponda o meno al valore atteso, ovvero se si sia verificata la corretta compensazione della variazione del valore della sensibilità S rispetto al valore nominale. Alternativamente, tale controllo può verificare che la differenza Diff non si discosti dal valore atteso di più di un prefissato valore di soglia (il cui valore può dipendere dal tipo di applicazione e del livello di spread tollerabile sul valore di sensibilità S).

Se si verifica che la differenza Diff presenta il valore atteso (o non si discosta dal valore atteso di più della soglia prefissata), l’algoritmo procede verso la fase 26, con l’arresto delle operazioni di calibrazione. Ad esempio, può essere quindi emessa una segnalazione all’utente indicativa del fatto che il sensore di campo magnetico 2 à ̈ calibrato, e che, in una successiva operazione di misura (in cui la generazione del campo magnetico interno Hisarà nuovamente disabilitata), il valore del segnale di uscita Vout sarà effettivamente indicativo del campo magnetico esterno Heda misurare.

Al contrario, la verifica alla fase 25 che la differenza Diff non presenta il valore atteso, comporta la modifica del valore del guadagno G dello stadio di amplificazione 6. Di conseguenza, in una fase 27 successiva alla fase 25, l’unità di elaborazione 19 implementa una variazione del valore di guadagno G, in particolare variando il segnale di controllo guadagno Sginviato alle unità di condensatore regolabile 14a, 14b (si veda la discussione precedente). In generale, la variazione del guadagno G può avvenire a passi di incremento/decremento discreti in modo da ottenere la calibrazione per approssimazioni successive; oppure, il nuovo valore del guadagno G può essere determinato (mediante funzione o relazione tabellare) in funzione dello scostamento del valore della differenza Diff rispetto al valore atteso.

In particolare, il valore effettivo della sensibilità del sensore di campo magnetico 2, indicato con S, può essere determinato in funzione del valore di guadagno G corrente implementato nel circuito di lettura 3, del valore del campo magnetico interno Hie del valore della differenza Diff:

Diff

S=

Hi×G

Il nuovo valore di guadagno, G', può dunque essere determinato in funzione del suddetto valore effettivo della sensibilità S e del valore nominale della stessa sensibilità S (e, ad esempio, della tolleranza che si desidera ottenere rispetto a tale valore nominale):

G' =f(S,S)

Una volta determinato il nuovo valore di guadagno G' ed implementato lo stesso valore di guadagno all’interno dello stadio di amplificazione 6 (mediante un’opportuna riconfigurazione delle unità di condensatore regolabile 14a, 14b), l’algoritmo ritorna dunque alla fase iniziale, fase 21, per l’esecuzione di una nuova sessione di misura e la determinazione di un nuovo valore per la differenza Diff, con il nuovo valore di guadagno G' selezionato.

L’algoritmo si ripete in tal modo ciclicamente fino alla corretta compensazione dello spread sul valore di sensibilità S, ovvero fino a che la risposta complessiva del dispositivo sensore 1 non presenti il valore atteso o nominale.

La figura 4 mostra schematicamente un dispositivo elettronico 30 in cui il sensore di campo magnetico 2 e l’associato circuito di lettura 3 trovano applicazione, ad esempio per la realizzazione di un magnetometro.

Il sensore di campo magnetico 2 ed il relativo circuito di lettura 3 possono essere realizzati, con le tecniche di microfabbricazione dei semiconduttori, all’interno di rispettive piastrine (die) di materiale semiconduttore, ad esempio silicio (il circuito di lettura 3 essendo realizzato come ASIC – Application Specific Integrated Circuit), ed integrate all’interno di uno stesso package (in modo da formare il dispositivo sensore 1 in un unico chip).

Il dispositivo elettronico 30 comprende un’unità di controllo (a microcontrollore o microprocessore, o analogo strumento di calcolo ed elaborazione) 32, collegata al circuito di lettura 3 del dispositivo sensore 1, in particolare per controllare le operazioni dello stesso circuito di lettura (ed in particolare l’esecuzione, all’occorrenza, della procedura di calibrazione), e per acquisire ed eventualmente elaborare ulteriormente il segnale di uscita Vout (analogico o digitale) fornito in uscita dal circuito di lettura 3, una volta calibrato il guadagno G dello stadio di amplificazione 6. Il dispositivo elettronico 30 comprende inoltre una memoria 34 (opzionale) ed una sorgente di alimentazione 36, collegata al dispositivo sensore 1, al sensore di campo magnetico 2, all’unità di controllo 32, ed alla memoria 34, per fornire l’alimentazione necessaria al loro funzionamento; la sorgente di alimentazione 36 può comprendere, ad esempio, una batteria.

In modo non illustrato, il dispositivo elettronico 30 può comprende ulteriori sensori di campo magnetico 2 e relativi circuiti di lettura 3, al fine di realizzare un rilevamento lungo più assi di misura, ad esempio di una terna di assi cartesiani x, y, z, per realizzare un sistema di rilevamento triassiale di campi magnetici esterni. In modo noto, tre sensori di campo magnetico 2 sono sufficienti a identificare tre componenti spaziali di un campo magnetico esterno He, identificandone univocamente la direzione e l’intensità. In tal caso, il dispositivo elettronico 30 può comprendere inoltre un sistema di rilevamento posizione, ad esempio includente un accelerometro, configurato per rilevare l’orientamento del dispositivo elettronico stesso 30 rispetto alla superficie terrestre.

I vantaggi del circuito e del metodo di lettura secondo la presente invenzione emergono in maniera evidente dalla descrizione precedente.

In particolare, la presenza dello stadio di calibrazione 12 nel circuito di lettura 3 associato al sensore di campo magnetico 2 consente di eseguire una calibrazione automatica degli spread di sensibilità del sensore stesso, senza interventi dall’esterno. Tale calibrazione viene eseguita vantaggiosamente all’interno dello stesso dispositivo sensore 1, o in ogni caso all’interno del dispositivo elettronico 30 che incorpora il dispositivo sensore 1, senza che siano richieste complesse apparecchiature di test esterne. Le procedure di calibrazione possono essere implementate anche dall’utilizzatore finale, se richiesto dalle applicazioni.

Vantaggiosamente, le operazioni di calibrazione possono essere effettuate a livello dell’ASIC (ovvero nel circuito integrato associato, nello stesso package, al sensore di campo magnetico 2), senza che siano richieste ulteriori elaborazioni da parte di un’unità elettronica esterna.

Inoltre, l’utilizzo della bobina di offset 4, integrata nel sensore di campo magnetico 2, consente (mediante la generazione di una corrente controllata) la creazione di un campo di valore noto per le operazioni di calibrazione, senza richiedere un ambiente esterno controllato in cui eseguire le stesse operazioni (l’algoritmo descritto non richiede infatti la conoscenza del valore del campo magnetico esterno He).

In generale, il circuito ed il metodo descritti consentono di annullare (o quanto meno ridurre) la deviazione del valore del segnale di uscita Vout del dispositivo sensore 1 rispetto al valore atteso, nonostante la presenza di un elevato spread (ad esempio anche del 20%) della sensibilità del sensore di campo magnetico 2.

Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti, senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, à ̈ evidente che l’implementazione circuitale dello stadio di calibrazione 12 può variare rispetto a quanto descritto ed illustrato; può ad esempio essere prevista una rete resistiva di guadagno variabile, associata all’amplificatore 8; l’amplificatore 8 può inoltre avere un’uscita singolo differenziale (ovvero un’unica uscita su cui à ̈ presente il segnale di uscita Vout). Lo stesso algoritmo di calibrazione può differire da quanto descritto ed illustrato; ad esempio, l’algoritmo può prevedere l’utilizzo di una tecnica dicotomica (di tipo per sé noto) per individuare per approssimazioni successive il valore opportuno da assegnare al guadagno G dello stadio di amplificazione 6 per compensare la variazione di sensibilità del sensore di campo magnetico 2.

Il metodo ed il circuito secondo la presente invenzione possono inoltre essere utilizzati per compensare l’offset di ulteriori sensori di campo magnetico comprendenti elementi magnetoresistivi (o in generale almeno un elemento magnetoresistivo) in una configurazione anche diversa da quella descritta ed illustrata.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito di lettura (3) per un sensore di campo magnetico (2), detto sensore di campo magnetico (2) essendo atto a generare una grandezza elettrica di rilevamento (ΔV) in funzione di un campo magnetico rilevato e di una sensibilità di rilevamento (S), e detto circuito di lettura (3) comprendendo uno stadio di amplificazione (6) accoppiato a detto sensore di campo magnetico (2) e configurato in modo da generare un segnale di uscita (Vout) in funzione di detta grandezza elettrica di rilevamento (ΔV) e di un guadagno di amplificazione (G), caratterizzato dal fatto che detto guadagno di amplificazione (G) à ̈ selezionabile elettronicamente, e dal fatto di comprendere uno stadio di calibrazione (12), integrato con detto stadio di amplificazione (6) e configurato in modo da variare un valore di detto guadagno di amplificazione (G), in modo tale da compensare una variazione di detta sensibilità di rilevamento (S) rispetto ad un valore di sensibilità nominale.
2. 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, in cui detto stadio di calibrazione (12) à ̈ configurato in modo da: rilevare almeno un valore associato a detto segnale di uscita (Vout) in seguito al rilevamento di un campo magnetico controllato (Hi), di valore noto, da parte di detto sensore di campo magnetico (2); determinare un valore effettivo (S) di detta sensibilità di rilevamento (S), come risultato di detta variazione di sensibilità, in funzione di detto valore associato a detto segnale di uscita (Vout); variare il valore di detto guadagno di amplificazione (G) sulla base di detto valore effettivo (S) di detta sensibilità di rilevamento (S).
3. 3. Circuito secondo la rivendicazione 2, in cui detto sensore di campo magnetico (2) à ̈ dotato di almeno un primo elemento magnetoresistivo (2a) e di un elemento di magnetizzazione (4) operativamente accoppiato a detto almeno un primo elemento magnetoresistivo (2a); ed in cui detto stadio di calibrazione (12) à ̈ configurato in modo da causare la generazione di detto campo magnetico controllato (Hi) come risultato dell’invio di una corrente di eccitazione (Iecc) attraverso detto elemento di magnetizzazione (4).
4. 4. Circuito secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui detto stadio di calibrazione (12) à ̈ configurato in modo da: - acquisire almeno un primo valore (Vout1) di detto segnale di uscita (Vout), in presenza di un campo magnetico esterno (He) ed in assenza di detto campo magnetico controllato (Hi); - acquisire almeno un secondo valore (Vout2) di detto segnale di uscita (Vout), in presenza sia di detto campo magnetico esterno (He) sia di detto campo magnetico controllato (Hi); - elaborare congiuntamente detti primo (Vout1) e secondo (Vout2) valore di detto segnale di uscita (Vout) per determinare detto valore effettivo (S) di detta sensibilità di rilevamento (S).
5. 5. Circuito secondo la rivendicazione 4, in cui detto stadio di calibrazione (12) à ̈ configurato in modo da determinare una differenza (Diff) tra detti primo (Vout1) e secondo (Vout2) valore di detto segnale di uscita (Vout) per determinare detto valore effettivo (S) di detta sensibilità (S) in funzione del valore di detto campo magnetico controllato (Hi), indipendentemente dal valore di detto campo magnetico esterno (He).
6. 6. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto stadio di amplificazione (6) comprende un’unità di amplificatore (8) avente almeno un ingresso (8a, 8b) atto a ricevere detta grandezza elettrica di rilevamento (ΔV) ed almeno un’uscita (8c, 8d) atta a fornire detto segnale di uscita (Vout); ed in cui detto stadio di calibrazione (12) comprende un’unità di variazione guadagno (14a, 14b) accoppiata a detta unità di amplificatore (8) e configurata in modo da variarne un guadagno tra ingresso (8a, 8b) ed uscita (8c, 8d).
7. 7. Circuito secondo la rivendicazione 6, in cui detta unità di amplificatore (8) comprende una rete di guadagno (9, 10) accoppiata a detto almeno un ingresso (8a, 8b) e a detta almeno un’uscita (8c, 8d), e detta unità di variazione guadagno (14a, 14b) comprende un’unità ad impedenza regolabile accoppiata a dette rete di guadagno, avente un valore selezionabile di impedenza; ed in cui detto stadio di calibrazione (12) à ̈ configurato in modo da inviare un segnale di controllo guadagno (Sg) a detta unità di variazione guadagno (14a, 14b) per selezionare il valore di detta impedenza.
8. 8. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto sensore di campo magnetico (2) à ̈ un sensore magnetico AMR dotato di ulteriori elementi magnetoresistivi (2b-2d) disposti con detto almeno un primo elemento magnetoresistivo (2a) a formare una struttura di rilevamento a ponte; in cui detta grandezza elettrica di rilevamento (ΔV) à ̈ un segnale di sbilanciamento di detta struttura di rilevamento a ponte.
9. 9. Dispositivo elettronico (30) comprendente un sensore di campo magnetico (2), ed un circuito di lettura (3) accoppiato a detto sensore di campo magnetico (2) e realizzato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti; detto dispositivo elettronico (30) comprendendo inoltre un’unità di controllo (32) accoppiata a detto circuito di lettura (3) per ricevere detto segnale di uscita (Vout).
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, in cui detto circuito di lettura (3) à ̈ realizzato come ASIC (Application Specific Integrated Circuit), ed à ̈ alloggiato in uno stesso package con una piastrina integrante detto sensore di campo magnetico (2).
11. 11. Metodo di lettura di un sensore di campo magnetico (2), detto sensore di campo magnetico (2) essendo atto a generare una grandezza elettrica di rilevamento (ΔV) in funzione di un campo magnetico rilevato e di una sensibilità di rilevamento (S), detto metodo comprendendo la fase di generare, mediante un circuito di lettura (3) accoppiato a detto sensore di campo magnetico (2) ed avente un guadagno di amplificazione (G), un segnale di uscita (Vout) in funzione di detta grandezza elettrica di rilevamento (ΔV) e di detto guadagno di amplificazione (G), caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di variare un valore di detto guadagno di amplificazione (G), in modo tale da compensare una variazione di detta sensibilità di rilevamento (S) rispetto ad un valore di sensibilità nominale.
12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 11, in cui detta fase di variare comprende: rilevare almeno un valore associato a detto segnale di uscita (Vout) in seguito al rilevamento di un campo magnetico controllato (Hi), di valore noto, da parte di detto sensore di campo magnetico (2); determinare un valore effettivo (S) di detta sensibilità di rilevamento (S), come risultato di detta variazione di sensibilità, in funzione di detto valore associato a detto segnale di uscita (Vout); variare il valore di detto guadagno di amplificazione (G) sulla base di detto valore effettivo (S) di detta sensibilità di rilevamento (S).
13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui detto sensore di campo magnetico (2) à ̈ dotato di almeno un primo elemento magnetoresistivo (2a) e di un elemento di magnetizzazione (4) operativamente accoppiato a detto almeno un primo elemento magnetoresistivo (2a); ed in cui detta fase di rilevare almeno un valore comprende: - acquisire almeno un primo valore (Vout1) di detto segnale di uscita (Vout), in presenza di un campo magnetico esterno (He) ed in assenza di detto campo magnetico controllato (Hi); - acquisire almeno un secondo valore (Vout2) di detto segnale di uscita (Vout), in presenza sia di detto campo magnetico esterno (He) sia di detto campo magnetico controllato (Hi); - elaborare congiuntamente detti primo (Vout1) e secondo (Vout2) valore di detto segnale di uscita (Vout) per determinare detto valore effettivo (S) di detta sensibilità di rilevamento (S).
14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui detta fase di elaborare congiuntamente comprende: eseguire una differenza (Diff) tra detti primo (Vout1) e secondo (Vout2) valore di detto segnale di uscita (Vout) per determinare detto valore effettivo (S) di detta sensibilità (S), in funzione del valore di detto campo magnetico controllato (Hi) indipendentemente dal valore di detto campo magnetico esterno (He).
15. 15. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11-14, in cui detto circuito di lettura (3) à ̈ realizzato come ASIC (Application Specific Integrated Circuit), ed à ̈ alloggiato in uno stesso package con una piastrina integrante detto sensore di campo magnetico (2).