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• magnetico
• interfaccia
• flux-gate

I sensori, dispositivi capaci di convertire una generica grandezza fisica in un'altra al fine di rilevamento, rivestono un importantissimo aspetto in una grande varietà di sistemi, permettendo l'ottimizzazione ed il monitoraggio di moltissimi processi. Nel settore medico, e nella diagnostica in particolare, risulta evidente la loro indispensabilità. L'elettronica ha subito un forte stimolo anche grazie alla continua necessità di sviluppare sistemi sensoriali capaci di monitorare le più svariate grandezze fisiche, con specifiche su precisione e risoluzione sempre più spinte. Le loro applicazioni più interessanti non riguardano solo il settore life support, ma anche quello dell'elettronica consumer. Quest'ultimo, non di rado, può decretare il successo commerciale di una azienda.

A seconda delle loro caratteristiche, i sensori di campo magnetico possono trovare applicazioni sia nel settore consumer che life support. Di fatto, attualmente, essi sono in uso nella diagnostica medica, nella strumentazione di navi ed aerei ed in molte altre applicazioni. Molti di questi combinano fenomeni ottici e/o termici che, spesso, rendono i dispositivi costosi, ingombranti e meccanicamente fragili. Di particolare interesse, in questa trattazione, sono i sensori che presentano possibilità di integrazione come, ad esempio, quelli basati sull'effetto Hall ed i flux-gate.

I flux-gate sono sensori attivi, di tipo vettoriale, di campo magnetico. Si basano sull'interazione tra un campo magnetico esterno ed uno di eccitazione capace di portare un nucleo ferro-magnetico, alternativamente, nella saturazione positiva e negativa. Essi sono già ampiamente in uso, specie nella realizzazione di elettro-bussole presenti a bordo di navi ed aerei. In queste applicazioni presentano dimensioni consistenti ed, in genere, interfacce elettroniche realizzate a componenti discreti. I sensori basati sull'effetto Hall, grazie alla loro integrabilità, ebbero un iniziale successo, tuttavia essi non presentano una risoluzione sufficientemente elevata per poterli sfruttare in molte applicazioni di grande interesse. I sensori flux-gate, invece, presentano risoluzioni più elevate e, recentemente, sono stati proposti anche in versione integrata.
Proprio l'integrabilità potrebbe consentire di contenerne dimensioni e consumi, permettendo l'installazione a bordo di piccoli sistemi portatili (telefoni cellulari, orologi, ecc).

Questo elaborato tratta la progettazione di una interfaccia analogica integrata per sensori di campo magnetico flux-gate. In particolare, il lavoro è stata svolto in collaborazione con STMicroelectronics che ha realizzato una serie di prototipi integrati del sensore ed ha fornito i dati necessari per l'ottimizzazione del progetto.
Lo scopo di questa tesi è dunque la progettazione di un circuito di stimolo ed un circuito di lettura per uno specifico modello di sensore di campo magnetico flux-gate. In particolare gli sforzi progettuali, principalmente mirati all'individuazione delle migliori soluzioni circuitali, sono stati affiancati da una attenta simulazione del comportamento magnetico del sensore.



Nel Capitolo 1 vengono descritti i magnetometri che la tecnologia attuale mette a disposizione elencando, attraverso un'iniziale introduzione, quelli maggiormente in uso e dalle caratteristiche più interessanti. In questa prima fase si presta particolare attenzione al range dinamico ed alla risoluzione di ognuno di essi. Successivamente si passa alla descrizione dei principi fisici che stanno alla base del loro funzionamento.



Il Capitolo 2 è completamente dedicato ai sensori di campo magnetico flux-gate. Sono descritti, attraverso dei cenni storici, la nascita, lo sviluppo e le più interessanti applicazioni che tali sensori hanno avuto nei decenni passati. Sono poi descritte le varie tipologie realizzative e, per ognuna di esse, sono riportate e descritte le strutture fisiche e le varie soluzioni ed evoluzioni che la tecnologia ha adottato.
Si passa quindi ad una descrizione dettagliata del sensore per il quale è stata realizzata l'interfaccia analogica descritta in questo elaborato. La parte finale del capitolo è dedicata alla descrizione delle proprietà fisiche del materiale con cui è realizzato il nucleo ferro-magnetico del sensore, fornendo anche una breve descrizione della tecnica di deposizione.



Nel Capitolo 3 viene affrontata la progettazione del circuito di stimolo del sensore. Inizialmente vengono giustificate le scelte adottate per la forma e per parametri che caratterizzano il segnale di stimolo e viene discussa la necessità di ricorrere a strutture di tipo fully differential.
In particolare, sono state proposte quattro soluzioni per la realizzazione del circuito di stimolo. Queste, rappresentano l'evoluzione del progetto che ha portato alla soluzione definitiva (soluzione 4) che è descritta con maggior dettaglio.

Nel Capitolo 4 viene descritto un modello circuitale per la simulazione delle grandezze magnetiche del nucleo del sensore. Si è sfruttato un modello presente in letteratura per assimilare le grandezze magnetiche, campo magnetico ed induzione magnetica, a delle grandezze elettriche.
Nel capitolo viene descritto il modello originario, le modifiche apportate per migliorarne la flessibilità e la procedura di adeguamento dei parametri attuata allo scopo di ottenere una rappresentazione fedele delle caratteristiche del materiale.



Nel Capitolo 5 viene affrontata la progettazione del circuito di lettura del sensore. Inizialmente vengono proposte due possibili strategie e viene giustificata quella adottata nella progettazione trattata in questo capitolo. Vengono inoltre descritte le non idealità ed i parametri parassiti del sensore e le loro conseguenze sul segnale d'uscita.
Viene poi affrontata la vera e propria progettazione del circuito di lettura prestando particolare attenzione al rumore introdotto dal circuito stesso e presentando nel dettaglio: gli schemi elettrici, le simulazioni transitorie delle grandezze d'uscita, il dimensionamento di tutti i componenti, gli effetti dei disturbi sul segnale in uscita da tale circuito.