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1. operativo La primera etapa de programaci n para el sistema de ca racterizaci n de microsensores de efecto Hall consiste en ve rificar que la interfaz USB se encuentre debidamente conec tada En la siguiente etapa de programaci n del sistema de caracterizaci n se accede a los buffers de entrada y salida del puerto USB Posteriormente se escribe en el buffer de salida para mandar la informaci n correspondiente Cuando se establece la comunicaci n entre un dispositivo y el puerto USB las se ales de control son enviadas al microcontrolador correspondiente para activar el posicionamiento del servo motor o el motor paso a paso mediante la IGU Para ambos la rotaci n del m dulo de detecci n en el eje 0 y la traslaci n del m dulo de excitaci n en el eje Z del sis tema de caracterizaci n de microsensores de efecto Hall se utiliza la misma estructura de programaci n Esta estructura consiste en los siguientes puntos detecci n del dispositivo USB establecimiento de un canal de comunicaci n entre el dispositivo apertura de conductos de entrada y salida escri tura de 3 bytes de datos en el puerto USB para que sean le dos por el microcontrolador Fig 7 Cada uno de estos bytes de terminar el accionamiento el servomotor para establecer el movimiento en el eje 0 o la direcci n de giro al motor paso a paso y la posici n a lo largo del eje Z Por ltimo se cierra el puerto terminando todas las tareas de env o y recepci2. En este contenedor se monitorea la tempe ratura y humedad durante las caracterizaciones el ctricas de los microsensores El sensor utilizado es el SHT11 de Sensirion 16 el cual consiste en un sensor digital de tem peratura y humedad con una resoluci n de 14 bits y 12 bits respectivamente Las mediciones obtenidas de estos par me tros se mostraran en la pantalla de cristal l quido LCD Rev Mex Fis 59 2013 54 61 DISE O E IMPLEMENTACI N DE UN SISTEMA DE CARACTERIZACI N PARA MICROSENSORES DE EFECTO HALL 57 FIGURA 4 Sistema mec nico de movimientos en la superficie 0 Z dentro del cubo de acr lico para monitorear humedad y temperatu ra interfaz USB y control del servomotor sensor de humedad y y temperatura LCD Control de Motor pasoa paso FIGURA 5 Tarjeta electr nica del sistema de control La comunicaci n de los microcontroladores con los otros bloques se realiza mediante el protocolo de comunicaciones en serie I2C Este protocolo permite la conexi n de otro sen sor que utiliza el mismo protocolo sin necesidad de realizar modificaciones mayores a la tarjeta de control Todo el blo que de control es alimentado mediante el puerto USB Fig 5 por la cual se agreg un conector para la alimentaci n inde pendiente de los motores del sistema mec nico de movimien tos en la superficie 0 Z Con esto se evitan una demanda su perior de corriente y la interferencia el ctrica de los motore
3. de caracterizaci n 5 En la actualidad con el avance tecnol gico han surgido mu chos sistemas e instrumentos capaces de facilitar las tareas o procesos que se realizan en diferentes reas del conoci miento 1 4 En particular los equipos de instrumentaci n electr nica nos permiten desarrollar interfaces de acuerdo a las necesidades particulares de cada sistema Estas interfaces est n dise adas para que el usuario final tenga un ambiente amigable e intuitivo para la medici n y control de todas las variables del entorno Estos m dulos de los equipos de ins trumentaci n electr nica en conjunto con los protocolos de comunicaci n existentes para la interconexi n de los instru mentos y la computadora PC ha permitido el desarrollo de Aunque existe un importante desarrollo tecnol gico y cantidad de instrumentos electr nicos en muchos laborato rios no se cuenta con los recursos necesarios para comprar un sistema de medici n comercial En general estos equi pos est n dise ados para cumplir con tareas espec ficas en los cuales el usuario final debe adaptarse a los par metros es tablecidos y no tiene la posibilidad de expandir o modificar las capacidades del sistema de medici n 6 7 Los bloques funcionales que componen estos sistemas tienen operaciones dedicadas debido a las caracter sticas intr nsecas del sistema de medici n Por lo tanto la adaptaci n de estos sistemas DISE O E IMPLEMENTACI N DE UN SISTEMA D
4. i W l FIGURA 11 Sensor de efecto Hall con 6 contactos de polarizaci n TBSC 3 R di le donde t es el espesor del sensor Z es la corriente de con trol B es la componente perpendicular del campo magn t1 co aplicado Gerr es el factor geom trico de error De acuerdo a la teor a para sensores rectangulares 22 la geometr a de la placa conductora predice un factor geom trico de correcci n Gerr 1 para que no exista perdida en los portadores reco lectados por los contactos S1 y S2 De esta forma se puede obtener el m ximo voltaje Hall disponible de los sensores Se dise aron y fabricaron 9 microsensores usando el pro ceso comercial est ndar CMOS de 0 6 micras los microsen sores est n hechos con una placa de semiconductor tipo n con dimensiones de 23x10x2 5 um a una concentraci n de 5 el cm Los primeros 7 sensores tienen un dise o similar con la nica diferencia en sus relaciones W L ancho y lar go respectivamente de la placa de semiconductor Fig 11 y el n mero de contactos de sensado con los que cuenta ca da uno Los dos sensores restantes se encuentran conectados en una configuraci n de puente de Wheatstone La diferencia entre los sensores es el n mero de contactos de polarizaci n Adicionalmente los microsensores de efecto Hall tienen un anillo de guarda para evitar fugas de corriente Con este tipo a _POSICION DIRECCION AVANCE ID GPIB 2182 2 efizqueroa 1 DESCENDENTE Ju Ls fio fo p
5. mechanism for surface movement 0 Z with two degrees of freedom sensors electronic instruments a computer interface cards and a graphical user interface GUI implemented in Lab View The positioning of the system is made through two motors a stepper motor and a servomotor Which perform the movements in the 0 Z surface The Z axis has a resolution of 0 03 cm through a stepper motor and the 0 axis has a resolution of 1 cm which is obtained using a servomotor As excitation source we used neodymium iron boron NdFeB magnet which has a magnetic field of 100 mT The detection field is obtained with microsensors which had a response in the linear range of 1 mT to 100 mT This system allows a single interface through the detection of magnetic field perpendicular to the surface of the microsensor as well as the positioning of the excitation source in the 0 Z surface The GUI has a control environment accessible to the end user Furthermore the system can be reconfigured for the characterization of other microsensors changing only the excitation and detection modules Its versatility will increment the life time of our system characterization Keywords Magnetic field 0 Z surface Hall effect microsensors graphical user interface PACS 07 05 Hd 07 10 Cm 07 07 Hj 1 Introducci n sistemas port tiles En estos sistemas la PC y el software de sarrollado son el n cleo para las operaciones de medici n y PID control de instrumentos
6. obtener microsensores confiables eficientes y reproducibles Los re sultados de la caracterizaci n el ctrica son comparados con los obtenidos durante el proceso de dise o y simulaci n de los microsensores con los circuitos de lectura integrados en el mismo substrato de silicio Por esta raz n los equipos y o sistemas de caracterizaci n deber an ser reconfigurables los cuales permitan realizar mediciones el ctricas sistem ticas y reproducibles Con estas mediciones se puede obtener mayor informaci n del comportamiento global de los microsensores o microsistemas mediante el intercambio de los m dulos de excitaci n y medici n respectivamente En este trabajo se implement un sistema para la carac terizaci n el ctrica de microsensores de efecto Hall el cual permite la detecci n del campo magn tico en un rango de 1 mT a 100 mT perpendicular a la superficie de los microsen sores El sistema tiene un mecanismo de movimientos en la superficie 0 Z con una resoluci n en el eje Z de 0 03 cm y de 1 cm para el eje 0 Con la IGU se pueden controlar mediante una sola interfaz USB los m dulos de excitaci n y detecci n del sistema La funcionalidad del sistema se comprob con la caracterizaci n el ctrica de sensores de efecto Hall comer ciales y los microsensores construidos bajo el proceso comer cial metal xido semiconductor complementario CMOS de 0 6 um 13 Este trabajo est organizado de la siguiente manera En la S
7. 03 cm mediante un motor paso a paso y el eje 0 tiene una resoluci n de 1 cm que se obtiene con un servomotor Como fuente de excitaci n se utiliz un magneto de Neodimio Hierro Boro NdFeB que genera un campo magn tico m ximo de 100 mT La detecci n del campo magn tico se obtiene con los microsensores de efecto Hall los cuales presentaron una respuesta lineal en el rango de 1 mT a 100 mT Este sistema permite a trav s de una sola interfaz la detecci n del campo magn tico perpendicular a la superficie del microsensor as como el posicionamiento de la fuente de excitaci n en la superficie 0 Z La interfaz gr fica de usuario tiene un ambiente de control de f cil acceso para el usuario final Adem s el sistema puede reconfigurarse para la caracterizaci n de otro tipo de microsensores al cambiar nicamente los m dulos de excitaci n y detecci n Esta versatilidad permitir obtener un mayor tiempo de vida til del sistema de caracterizaci n Descriptores Campo magn tico superficie 0 Z microsensores de efecto Hall interfaz gr fica de usuario This paper presents the design and integration of an electrical characterization system for Hall effect microsensors which allows the detection and measurement of magnetic field perpendicular to the surface of the microsensors The proposed system can control and maintain the communication of both the position of the excitation source and the magnitude of the magnetic field This system includes a
8. E CARACTERIZACI N PARA MICROSENSORES DE EFECTO HALL 55 para otras funciones es un proceso complicado adem s sus costos de producci n son elevados y el precio final para el usuario es alto Para resolver este inconveniente se pueden dise ar e im plementar instrumentos virtuales basados en software senso res tarjetas de interfaz y PC los cuales en conjunto realizan diferentes funciones o tareas como si se tratara de un instru mento real Esto permitir a ventajas importantes las cuales incluyen la capacidad de almacenamiento de datos protoco los de comunicaci n nuevos sistemas operativos la portabili dad del software mediante computadoras port tiles Adem s se incrementa la velocidad de procesamiento almacenamien to y despliegue de datos Debido a la estructuraci n abierta de las PCs la funcionalidad del instrumento virtual es definida por el usuario De esta forma la instrumentaci n basada en software permite explotar todas las caracter sticas de medi ci n procesamiento y despliegue de datos Estos ltimos ins trumentos satisfacen las necesidades definidas por el usuario Adem s es posible reconfigurar los m dulos de excitaci n y detecci n cada vez que se requiera a diferencia de los sis temas de medici n comerciales las cuales tienen funciones establecidas por el vendedor Existen diferentes programas 8 9 para desarrollar el software de comunicaci n y control entre los diferentes blo ques que confor
9. INSTRUMENTACI N Revista Mexicana de F sica 59 2013 54 61 ENERO FEBRERO 2013 Dise o e implementaci n de un sistema de caracterizaci n para microsensores de efecto Hall F L pez Huerta G Rojas Nava B S Soto Cruz and A L Herrera May Centro de Investigaciones en Micro y Nanotecnolog a Universidad Veracruzana Boca del R o Ver M xico Facultad de Ciencias de la Electr nica Universidad Aut noma de Puebla Puebla M xico Postgrado en Dispositivos Semiconductores Universidad Aut noma de Puebla Puebla M xico Recibido el 25 de julio de 2012 aceptado el 25 de octubre de 2012 En este trabajo se presenta el dise o e integraci n de un sistema de caracterizaci n el ctrica para microsensores de efecto Hall el cual permite la detecci n y medici n del campo magn tico perpendicular a la superficie de los microsensores de efecto Hall El sistema propuesto puede controlar y mantener la comunicaci n de la posici n de la fuente de excitaci n y de la magnitud del campo magn tico Este sistema incluye un mecanismo de movimientos en la superficie 0 Z dos grados de libertad sensores instrumentos electr nicos una computadora tarjetas de interfaz y una interfaz gr fica de usuario IGU implementada en Lab View El posicionamiento del sistema se realiz por medio de dos motores un motor paso a paso y un servomotor los cuales efect an los movimientos en la superficie 0 Z El eje Z tiene una resoluci n de 0
10. as ca racterizaciones el ctricas de los sensores comerciales SS49E SS59E y los microsensores de efecto Hall fabricados bajo el proceso CMOS comercial de 0 6 um Como trabajo futuro se plantea la caracterizaci n de sen sores pticos ptico reflectivos sensores de distancia por ul trasonido entre otros con el fin de comprobar la versatilidad del sistema de caracterizaci n desarrollado Agradecimientos Los autores desean agradecer el apoyo econ mico a trav s del Programa de Fortalecimiento al Posgrado Nacional de CO NACYT 13 Fabricante de Circuitos Integrados On Semiconductor http www onsemi com Acceso Abril 2011 14 Fabricante de microcontroladores y memorias http wwl microchip com downloads en devicedoc 35007b pdf Acceso Marzo 2012 15 Controlador de motor paso a paso http www st com internet com technical resources technical literature datasheet CDO0000 0063 pdf Acceso Abril 2012 16 Fabricante de sensores http www sensirion com en home Acceso Abril 2012 17 D R mulo Dise o y construcci n de un sistema de ilumina ci n para el laboratorio de instrumentaci n y control por el p rtico USB Tesis de Ingenier a Escuela Polit cnica Nacio nal Quito 2006 18 A Bernal Desarrollo de un software de medici n del estr s para un dispositivo foto pletism grafo basado en el protocolo USB 2 0 Tesis de Maestr a Centro de Investigaci n y de Estu dios Avanzados del Institut
11. cie 0 Z A Base principal B soporte de los m dulos de detecci n C m dulos de detecci n D servomotor E soporte del poste central F rodamiento G poste central eje de rotaci n 0 H poste Horizontal I extensi n del poste horizontal J motor pa so a paso parte superior y m dulo de excitaci n eje Z MCLR VPP RE3 RB7 BKL3 PGD PS RA0 ANO RB6 BKL2 PGC RA1 AN1 RB5 KBL1 PGM 1 RA2 AN2 VREF CVREF RA3 AN3 VREF RA4 TOCKL CIOUT RCV RAS AN4 SS HLVDIN C20UT VSS OSC1 CLKO RA6 OSC2 CLKO RC0 T10SO T1CKL RC1 T1OSL ICCP UOE A RC2 CCP1 P1A VUSB ASC DESC DIRECCION A DIRECCION B PIC18F2550_28DIP FIGURA 3 Esquem tico para el control del servomotor USB Para la implementaci n de la interfaz USB se emple el microcontrolador 18F2550 Fig 3 que se conecta con el CI 16F84A Este CI tiene un bloque dedicado para la comunica ci n USB Su implementaci n no requiere de una electr nica asociada compleja nicamente se necesita interconectar un cristal de cuarzo de 20 MHz y conectar un capacitor en el co nector de entrada 14 para un s lo modo de energ a en donde toda la potencia del sistema se extrae del puerto USB El mi crocontrolador recibe las instrucciones de la PC para activar el controlador del motor paso a paso o posicionar el servo motor en un ngulo determinado Todo el sistema de caracterizaci n de microsensores de efecto Hall se encuentra en el interior de un cubo de acr li co Fig 4
12. co se emple un magneto de Neodimio Hierro Boro NdFeB el cual tiene un di metro de 28 57 mil metros Este magneto genera un campo magn tico muy intenso a peque as distancias Fig 9 Para obtener la curva caracter stica se emple el sistema de medici n de campo magn tico CI 6520A de Pasco 3 Microsensores de Efecto Hall El efecto Hall en semiconductores y su coeficiente Hall de penden de la concentraci n de portadores electrones y hue cos y de sus movilidades debido a la acci n de la fuerza de Lorentz que puede ser derivada de la ecuaci n de trans porte de Boltzmann 19 20 Si en una placa de material se miconductor tipo n con contactos hmicos el gradiente de la concentraci n de portadores se desprecia la densidad de corriente de electrones est dada por 1 21 Ja B onp E p BxE B E B 0 donde 0 8 On 1 By Siendo 0 la conducti vidad a B 0 E el campo el ctrico u es la movilidad Hall de electrones La movilidad Hall es proporcional a la movi lidad de arrastre u siguiendo la relaci n u T fin en donde rn es el factor de dispersi n que para el silicio tipo n con baja concentraci n de donadores tiene un valor de 1 15 a temperatura ambiente Considerando un semiconductor isotr pico la expre si n 1 puede tener dos casos el primero donde el campo magn tico B es paralelo al campo el ctrico E y el segundo donde el campo Bes perpendicular al campo E Este ltimo cas
13. de detecci n se rotan sobre el eje 0 Fig 1 El software para controlar la rotaci n traslaci n de los m dulos de excitaci n y detecci n respectivamente Adem s este software mantendr la comunicaci n almace namiento y procesamiento de las caracterizaciones el ctricas de los microsensores 2 1 Mecanismo de movimientos en la superficie 0 Z En esta secci n se describen las partes que forman el me canismo de movimientos en la superficie 0 Z Este sistema forma parte esencial para el instrumento virtual debido a que proporciona la base para colocar los m dulos de excitaci n y detecci n Cada una de las partes de sistema fue dise ada con el prop sito de poder reemplazarlas ya sea por desgaste de las piezas o para la adaptaci n del sistema a otras condiciones de medici n Fig 2 Para transmitir el movimiento a la parte mec nica se em plean 2 motores y una interfaz USB versi n 2 0 11 Un ser vomotor s ncrono de AC alto rango din mico dise ado para par m ximo se emplear para la rotaci n del m dulo de ex citaci n en el eje 0 El control en este tipo de motores se puede realizar mediante la modulaci n por ancho de pulsos PWM la cual permite establecer una rotaci n espec fica so bre el eje 0 El control del servomotor se realiza mediante un microcontrolador 16F84A de MicrochipG Microchip Tech nology 14 y mediante su rotaci n puede reconfigurarse con la modificaci n de una l nea del c digo de
14. ec 2 se describe el prototipo de caracterizaci n el cual consta de dos partes el mecanismo de movimiento hardwa re para la superficie 0 Z y el software implementado para el almacenamiento control procesamiento y visualizaci n de los resultados obtenidos del prototipo de caracterizaci n En la Sec 3 se presenta el funcionamiento de los sensores de efecto Hall En la Sec 4 se describe los resultados obtenidos de las caracterizaciones el ctricas de los diferentes microsen sores de efecto Hall Finalmente en la Sec 5 se incluyen las conclusiones de este trabajo y se plantea el trabajo futuro 2 Prototipo de caracterizaci n El prototipo de caracterizaci n para la caracterizaci n el ctri ca est compuesto por hardware y software el primero sirve Motor paso a paso o M dulo de excitaci n Servomotor A M dulos de detecci n Soporte de los m dulos de detecci n Humedad y temperatura FIGURA 1 Prototipo para el mecanismo de movimientos en la su perficie 0 Z Rev Mex Fis 59 2013 54 61 56 F L PEZ HUERTA G ROJAS NAVA B S SOTO CRUZ AND A L HERRERA MAY para formar el sistema mec nico de movimientos en la super ficie 0 Z de dos grados de libertad el cual permite el soporte de los m dulos de excitaci n y detecci n respectivamente En la direcci n del eje Z se coloca el modulo que conten dr la fuente de excitaci n para alejar o acercar el campo magn tico y los m dulos
15. ensores de efecto Hall El icono 1 es el selector de posici n que establece el desplazamiento en la direcci n del eje 0 el icono 2 permite el movimiento en la direcci n del eje Z en forma ascendente o descendente el icono 3 indica la opci n de escoger el n mero de pasos deseado para el avance por cada medici n que se realiza el icono 4 asigna una di recci n al bus de interfaz de prop sito general GPIB al na novolt metro Estas son realizadas en una misma medici n las cuales almacena y efect a un m todo de integraci n para obtener un valor promedio de la se al El cono 6 permite la observaci n de la muestra obtenida durante la medici n en curso El icono 7 establece la representaci n gr fica de todas las mediciones obtenidas El icono 8 muestra valor num rico Rev Mex Fis 59 2013 54 61 60 F L PEZ HUERTA G ROJAS NAVA B S SOTO CRUZ AND A L HERRERA MAY FIGURA 13 Sistema de caracterizaci n para microsensores de efecto Hall 4 54 e SS49E SS59E 4 0 gt E T35 A ba G gt 3 0 2 5 0 00 0 02 0 04 0 06 0 08 0 10 Campo Magn tico T FIGURA 14 Respuesta al campo magn tico de los sensores de efecto Hall comerciales de cada una de las mediciones obtenida En cambio el icono 9 bot n de emergencia detiene todo el proceso de manera autom tica Con el icono 10 una vez que se establecieron las posiciones en la superficie 0 Z se inicia el proceso de carac terizaci n el ctrica Fina
16. ido en la hoja de especificaciones dados por el fa bricante Los sensores fueron polarizados con un voltaje de 5 volts a trav s del puerto USB Con el proceso comercial CMOS de 0 6 micras se fa bricaron 9 microsensores de efecto Hall con distintas carac ter sticas Para evaluar la dependencia del factor geom trico de correcci n los microsensores presentan diferentes rela ciones L W largo y ancho respectivamente Los microsen sores se alimentan con un espejo de corriente el cual fue fa bricado bajo el proceso CMOS de 0 6 micras este puede ser ajustado en un rango de 100 uA hasta 10 mA Los micro sensores se encuentran en un encapsulado CSB02477 de 24 pines el voltaje de polarizaci n para los microsensores fue de 2 5 V a una corriente de 100 uA De acuerdo a las curvas obtenidas para los distintos sensores se observa que los microsensores rectangulares Fig 15 presentan un rango din mico de 100 mV Las diferencias entre estos microsenso res son sus factores geom tricos de correcci n El microsen sor de 12 contactos de sensado tiene un factor geom trico de Rev Mex Fis 59 2013 54 61 DISE O E IMPLEMENTACI N DE UN SISTEMA DE CARACTERIZACI N PARA MICROSENSORES DE EFECTO HALL 61 correcci n de 0 99 con lo que se obtienen una mayor lineali dad en comparaci n del microsensor de 6 contactos de sensa do el cual tiene un factor geom trico de correcci n de 0 89 Los microsensores fabricados en configuraci n de puen
17. ioto Mediciones 7 FIGURA 12 Panel frontal del movimientos en la superficie 0 Z de arreglo se espera obtener un rango de detecci n de 5 mT a 100 mT 4 Resultados Con el fin de establecer una mejor evaluaci n de los par me tros el ctricos de los diferentes sensores se establecieron los siguientes criterios de caracterizaci n el magneto de NdFeB fue usado como la fuente de excitaci n para todos los senso res con un rango de densidad de campo magn tico de 1 2 mT a 120 mT la temperatura ambiente fue de 20 2 C con una humedad relativa de 62 la distancia de la fuente de exci taci n est comprendida entre O y 4 cm y la distancia total est dividida en 110 pasos Para obtener una curva de respuesta de los sensores res pecto al campo magn tico aplicado Fig 9 se obtuvo me diante un an lisis param trico una ecuaci n que relaciona el campo magn tico respecto a la distancia 4 23 f x 0 93 exp 0 07x 1000 exp 0 22x 4 donde f x es el campo magn tico aplicado y zx es la distan cia Con la Ec 4 se obtienen las gr ficas de voltaje Hall con respecto al campo magn tico aplicado Se caracterizaron dos sensores comerciales el SS49E y el SS59E de Honeywell cuyo rango de detecci n se encuentra entre 100 mT a 100 mT Y dos sensores fabricados bajo el proceso comercial CMOS de 0 6 micras Con el panel fron tal Fig 12 se controla el sistema de caracterizaci n para los micros
18. l FirmWare del mi crocontrolador Con este c digo se puede establecer una posi ci n determinada dentro del rango de 0 a 180 con lo que se obtiene una adaptaci n r pida de los m dulos de los sensores sujetos a caracterizaci n Para la traslaci n del m dulo de excitaci n se utiliz un motor paso a paso debido a que tiene un elevado par de para da continua propiedades de sincronismo lazo abierto y alta resoluci n de posicionamiento Este motor permite aproxi mar o alejar la fuente de excitaci n en la direcci n del eje Z con respecto a los microsensores sujetos a caracterizaci n Debido a que el motor paso a paso empleado en este trabajo es del tipo bipolar se utiliz el controlador CI L297 Service amp Technology 15 Este CI proporciona la secuencia ade cuada para que el motor paso a paso gire en un sentido u en otro La etapa de potencia para el controlador del motor paso a paso consiste en un puente H para lo cual se emple el CI L293D Service Technology 15 Debido a este puente se puede separar la parte de control de la parte de potencia As se evitan efectos par sitos fugas de corriente y ruido en la etapa de control del instrumento virtual Esto permite una corriente de salida de 600 mA la cual es una corriente suficiente para el control y la etapa de potencia del sistema de caracterizaci n de microsensores de efecto Hall FIGURA 2 Partes que conforman el mecanismo de movimientos en la superfi
19. lmente el icono 11 guarda las me diciones realizadas en un archivo de texto para su posterior an lisis Todas las curvas obtenidas de los sensores de efecto Hall se realizaron con el instrumento virtual dise ado en este tra bajo Fig 13 Para el panel frontal del instrumento virtual se agreg la opci n de modificar el avance del motor cuando no se requiera utilizar las 110 mediciones posibles as como la opci n de repetir la medici n si los datos obtenidos est n fueran del rango esperado Los resultados para los sensores de efecto Hall Fig 14 presentan el mismo comportamiento lineal debido a que los sensores SS49E y SS59E tienen la misma topolog a de cons trucci n La nica diferencia entre ellos es el tipo de encap sulado La respuesta obtenida de estos sensores con nuestro sistema de caracterizaci n tiene el mismo comportamiento 0 92 e Puente 1 Puente 2 0 91 nm 0 90 0 89 0 88 0 87 Voltaje Hall V 0 86 0 85 0 84 0 00 0 02 0 04 0 06 0 08 0 10 Campo Magn tico T FIGURA 15 Respuesta al campo magn tico de los microsensores de efecto Hall rectangulares 0 95 A 12 contactos 0 94 e 8 contactos 0 93 6 contactos 0 92 0 91 0 90 0 89 Voltaje Hall V 0 88 0 87 0 86 0 00 0 02 0 04 0 06 0 08 0 10 Campo Magn tico T FIGURA 16 Respuesta al campo magn tico de los microsensores de efecto Hall en configuraci n de puente de Wheatstone establec
20. maran el instrumento virtual los cuales in cluyen sensores tarjetas de interfaz PC e interfaz gr fica de usuario IGU Cada uno de estos programas presenta dife rentes caracter sticas y ventajas Para nuestro trabajo se uti liz un lenguaje de programaci n gr fica G que contenga el conjunto de las librer as para los instrumentos de medici n Lab View 10 Esta herramienta ofrece una gran flexibili dad e eficacia para solucionar los problemas de automatiza ci n control y medici n Para el sistema de caracterizaci n el ctrico para micro sensores de efecto Hall fue implementado un instrumento virtual mediante el bus universal en serie USB 11 Es te instrumento obtiene de una sola interfaz el control de los m dulos de excitaci n y medici n la adquisici n de la se al y la visualizaci n con la IGU El sistema de caracterizaci n el ctrico completo est formado por un mecanismo de mo vimientos en la superficie 0 Z el cual tiene dos grados de libertad 12 una interfaz gr fica de usuario IGU y una fuente de excitaci n de Neodimio Hierro Boro NdFeB Esta fuente suministra el campo magn tico perpendicular a los microsensores de efecto Hall La caracterizaci n el ctri ca dentro del dise o de circuitos integrados CI sensores y microsensores es uno de los pasos fundamentales antes de la aplicaci n final En esta caracterizaci n se verifica el correc to funcionamiento de los dispositivos fabricados para
21. n de datos de un dispositivo conectado al puerto USB Para el registro de los datos provenientes de los microsen sores de efecto Hall y de los sensores comerciales se utiliz el nanovolt metro 2182 A de Keithley el cual cuenta con dos 59 2013 54 61 58 F L PEZ HUERTA G ROJAS NAVA B S SOTO CRUZ AND A L HERRERA MAY vid _04d8 amp pid 0003 0 re a ad FIGURA 7 Diagrama a bloques para establecer las conexiones en el microcontrolador JD GPIB 2182 Lect e as AAA syst ip TT TRAC POIN sens volt dc rang auto on asaz STAT MEAS ENAB 512 m ac Ul SRE 1 ciedad 182 Buffer Points f TRAC FEED CONT NEXT Libet FIGURA 8 Diagrama a bloques para la inicializaci n del nano volt metro 100 0m 80 0m 60 0m 40 0m 20 0m Campo Magn tico T 0 0 0 10 20 30 40 Distancia mm FIGURA 9 Curva de intensidad de campo magn tico contra distan cia canales el canal 1 presenta 5 rangos de medici n 10 mV 100 mV 1 V 10 V y 100 V con una resoluci n de 1 parte por mill n ppm para todos los casos el canal 2 presenta 3 rangos de medici n 100 mV 1 V y 10 V con una resoluci n de 1 ppm La inicializaci n del instrumento consiste en l envi de las instrucciones determinadas Fig 8 por el fabri cante para la selecci n del modo de medici n y los rangos de protecci n establecidos para el funcionamiento correcto del equipo Para la inducci n del campo magn ti
22. o Polit cnico Nacional DF 2010 19 S Sze K Ng Physics of semiconductor devices New Jersey John Wiley amp Sons 2004 20 R Popovic Halll effect devices Bristol IOP 2004 21 H P Baltes R Popovic Proc IEEE 74 1986 1107 22 J B Kammerer L H brard V Frick P Poure F Braun IEEE Sensors J 3 2003 700 23 G Rojas Dise o y Construcci n de un Sistema de Caracte rizaci n de Circuitos Integrados de Aplicaci n Espec fica y Microsensores Tesis de Licenciatura Benem rita Universidad Aut noma de Puebla Puebla 2011 Rev Mex Fis 59 2013 54 61
23. o describe el efecto transversal es decir el caso cuando la densidad de corriente solo tiene componentes en la direcci n x Esta condici n dada por E u p BE RyJnzB O campo Hall que involucra el coeficiente Hall Ry Este coefi ciente en un semiconductor considera el proceso de transpor te tanto de electrones y huecos 2 o ay o m a a nte donde q es la carga del electr n n y p son las concentracio nes de electrones y huecos respectivamente Esta condici n se alcanza con una geometr a de longitud grande comparada con el espesor del sensor Fig 10 El sensor de efecto Hall se basa en la interacci n entre los portadores de carga y el campo magn tico aplicado Cuando un electr n se mueve a trav s de un campo magn tico una fuerza act a sobre l De esta forma el campo magn tico y la corriente el ctrica producen un voltaje Hall transversal Vy el cual es obtenido por 3 Rev Mex Fis 59 2013 54 61 DISE O E IMPLEMENTACI N DE UN SISTEMA DE CARACTERIZACI N PARA MICROSENSORES DE EFECTO HALL 59 FIGURA 10 Sensor de efecto Hall rectangular S1 y S2 son los contactos de sensado t es el espesor del sensor B es la compo nente perpendicular del campo magn tico aplicado Tes la corriente de control aplicada a trav s de los contactos Bla f B2a f L es el largo y W el ancho del sensor Contactos de sensado 7 j 7 P f j L Contactos de polarizaci n B2a f Anillo de guarda
24. s Adem s se desarroll una tarjeta de prueba Fig 6 para ob tener las respuestas de las caracterizaciones el ctricas de los microsensores dise ados y comerciales 2 2 Software para el sistema de caracterizaci n el ctri ca El software desarrollado en este trabajo permite el control de la rotaci n como la translaci n del sistema mec nico de mo vimientos en la superficie 0 Z Para implementar este soft ware se utiliz la interfaz USB en su versi n 2 0 la cual in cluye las l neas de alimentaci n que proporcionan 3 volts con una corriente de 500 mA desde la PC 17 Un dispositivo Rev Mex Fis a y a a a a EA E 8 TD AJ O Je gnediciones EY 3 Microsensores E GND FIGURA 6 Tarjeta electr nica de prueba para los microsensores y sensores comerciales USB puede usar cualquiera de los cuatros tipos de transfe rencia que existen control interrupci n is cronas y masiva Bulk y una de las velocidades de transferencia de datos de acuerdo a la aplicaci n propuesta El tipo de transferencia Bulk 18 es usada en este dise o porque permite enviar y recibir grandes cantidades de datos lo cual es conveniente para la transmisi n de datos entre el software y los m dulos de detecci n La interfaz USB puede realizar una configura ci n autom tica cuando un dispositivo USB es conectado y la PC detecta autom ticamente el controlador apropiado Es to sin necesidad de reiniciar o aplicar un software al sistema
25. sors J 12 2012 935 5 J Robles Memoria de actividades Escuela Polit cnica supe rior de Algeciras C diz 2002 6 R Borjas N Quispe Rev Fac Ing 6 1999 45 7 I Lemus J Bargas F Tecuapetla E Gal rraga and L Carrillo Rev Mex Ing Biom d 6 2006 82 8 A Sarr a El acceso a la informaci n espacial y las nuevas tec nolog as geogr ficas 2006 567 9 T Monta ez C Gonz lez M Garc a M Escalente Conferen cia conjunta iberoamericana sobre tecnolog as para el apren dizaje 2009 10 Manual de usuario LabVIEW 2003 http www data sheetcatalog org datasheet stmicroelectronics 1330 pdf Acceso Noviembre 2011 11 J Axelson USB complete everything you need to develop cus tom USB peripherals United States of America Lakeview Re search LLC 2005 12 C Aguilar Control Impl cito para una cadena cinem tica cerrada de dos grados de libertad Tesis de Doctorado Cen tro de Investigaci n y de Estudios Avanzados del Instituto Po lit cnico Nacional DF 1999 El instrumento virtual desarrollado tiene una interfaz gr fica de usuario de f cil acceso y ambiente amigable con el usuario final con la cual se controla el sistema mec nico de movimientos en la superficie 0 Z los m dulos de excitaci n y el registro de las se ales obtenidas de los microsensores de efecto Hall Este sistema fue implementado con xito ya que se comprob su correcto funcionamiento a trav s de l
26. te de Wheatstone Fig 16 presentan una respuesta lineal en un rango din mico de 50 mV Los microsensores en esta confi guraci n presentan un voltaje Hall de salida positivo debido a que el circuito de lectura est conectado en configuraci n no inversora 5 Conclusiones En este trabajo se dise e integr un sistema de caracteriza ci n el ctrica para microsensores de efecto Hall Este sistema presenta varias caracter sticas importantes como robustez ri gidez y capacidad de reconfiguraci n que puede ayudar en un futuro a la caracterizaci n de otros tipos de sensores Para el control del sistema de caracterizaci n de microsensores de efecto Hall se implement una interfaz USB debido a que es el puerto de comunicaci n m s usado en la actualidad As el sistema propuesto puede ser implementado en cualquier PC 1 C Quijano K Peraza and O Qui ones in Proceedings of the International Congress on Instrumentation and Applied Sciences Universidad Nacional Aut noma de M xico 2010 RQI6O9 2 R Uribe R G mez G Herrera A Mu oz in Proceedings of the International Congress on Instrumentation and Applied Sciences Universidad Nacional Aut noma de M xico 2010 RUI294 3 C Castro G Mata in Proceedings of the International Con gress on Instrumentation and Applied Sciences 2010 Univer sidad Nacional Aut noma de M xico GMI770 4 S Dom nguez R Ju rez P Garc a and A Herrera IEEE Sen
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