SUPERVISOR
Seyedmasoud Sayedi,Rasoul Dehghani,Abolghasem Zeidaabadi Nezhad
سید مسعود سیدی (استاد راهنما) رسول دهقانی (استاد مشاور) ابوالقاسم زیدابادی نژاد (استاد راهنما)
STUDENT
Faezeh Shanehsazzadeh
فائزه شانه ساز زاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Study of Hall-Effect Sensor Structures in Standard CMOS Technology and Designing a Sample Circuit
Among various sensing technologies to detect magnetic field, the Hall effect is perhaps the most widespread and commonly used. Since it is possible to fabricate high quality hall effect transducers with the standard integrated circuit processes used in the microelectronics industry, and to integrate ancillary signal-processing circuitry on the same silicon die, usable sensors can be fabricated readily and inexpensively. In the field of scientific research, hall sensors have been extremely valuable tools for accurate measurement of magnetic fields in particle accelerators, characterizing superconductors, detecting and characterizing small magnetic particles, and so on. Whereas more than half a century has passed since the first time hall sensors were discovered, research about hall sensors is ongoing. In these research efforts different models, new applications according to new technologies, new materials or structures, and circuits are proposed to improve the performance of hall sensors. Designing good interface circuitry for a transducer requires that one understand how the transducer behaves. Carrier concentration, current density, geometry and so on describe the device from a physical standpoint, but what is needed is a model that describes how the device interacts with other components. In this thesis, a new model is studied according to hall sensor's structure and physics which describes behavior of sensor and its interaction with other circuit elements. In this model, almost all physical and structural parameters are considered, which are varied through design or fabrication processes. This model helps users or designers of hall sensors to choose the best fabrication process, structure and material depending on their application. Also, this model helps fabrication process designer to choose the best parameters for their process especially for hall sensors application. First of all, to obtain the best model for hall sensors, the basic features of sensors such as different parameters, defined about hall sensors, various materials, used to fabricate this kind of sensors, and different structures and geometries are studied. After that, influences of these parameters on the performance of hall sensor are investigated. For this purpose, Silvaco software is used. By using this software, the sample is described, magnetic field is focused on it and the hall voltage is measured. Moreover, sensitivity of hall sensor to different parameters can be measured with this software. In the next step, equations between hall voltage and these parameters are extracted. This step is done using MATLAB curve fitting toolbox for all of these physical and structural parameters. By using these equations a new model is proposed, which can be used by other circuit devices like transistors, resistors, op-amp and etc. This model is used to simulate hall sensors with a sample circuit. For this simulation, Hspice software is utilized. Some of those physical or structural parameters are chosen to simulate with Hspice and the model is tested. In the end, some structure's layouts are drawn with Cadence. These structures are chosen because some of them cannot be simulated with Silvaco and some of the other layouts are drawn to compare with simulation results. These layouts are sent to fabricate with 180 nm CMOS standard technology. Keywords 1- Magnetic sensors, 2- Hall sensors, 3- Modeling, 4- Hall sensors Applications
در میان تکنولوژیهای حسگر مختلف برای تشخیص میدان مغناطیسی، شاید اثر هال گستردهترین و پرکاربردترین آنها باشد؛ چرا که این امکان وجود دارد مبدلهای اثر هال را با کیفیت بالا، با پروسههای استاندارد مداری مجتمع در صنعت میکروالکترونیک، به همراه مدارهای کمکی پردازش سیگنال، مطمئن و ارزان برای کاربردهای گسترده ساخت. با اینکه نزدیک به نیمقرن از کشف اثر هال میگذرد، تحقیقات پیرامون سنسورهای اثر هال همچنان ادامه دارد. در این تحقیقات سعی بر آن است که مدلهای دقیقی برای سنسور هال ارائه شود، کاربردهای جدید متناسب با تکنولوژی های نو ارائه گردد، ساختار یا مواد مورد استفاده در ساخت سنسور هال بهبود یابد، مدارهای جانبی جدیدی برای بهبود عملکرد سنسور طراحی شود ویا در دیگر زمینههای تحقیقاتی پیرامون سنسور هال کار شود. کار حاضر نیز در این راستا به بررسی و مدلسازی ساختار سنسور هال پرداخته است. در مدل ارائه شده، سعی گردیده حتیالامکان تأثیر تمامی پارامترهای مؤثر، پارامترهائی که قابل کنترل در پروسه یا طراحی میباشند، لحاظ گردد. این مدل می تواند به طراحی مناسب ساختار سنسور هال کمک کند تا متناسب با کاربرد و شرایط کاری مورد نظر، شرایط هندسی مطلوب در طراحی سنسور در نظر گرفته شود. همچنین این مدل میتواند طراحان مدار را در جهت انتخاب بهترین پروسهی ساخت برای رسیدن به اهدافِ تعریف شده، و نیز طراحان پروسه را، جهت طراحی پروسه مناسبِ سنسور هال، یاری کند. در این پایان نامه به منظور دستیابی به مدلی مناسب از سنسور هال، ابتدا اصول عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفته و جنبههای مختلف آن، شامل پارامترهای تعریف شده پیرامون سنسور هال، مواد مورد استفاده جهت ساخت سنسور، تکنولوژیهای مورد استفاده در صنعت سنسور هال و اشکال هندسی متفاوت سنسور بررسی شده است. در ادامه، نحوهی تأثیر هر یک از پارامترها بر عملکرد سنسور هال مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور از نرمافزار Silvaco استفاده شده است. توسط این نرمافزار میتوان نمونهی مورد نظر را به صورت دلخواه تعریف و میدان مغناطیسی را به آن اعمال و ولتاژ حاصل را اندازهگیری نمود. به کمک این نرم افزار، و با تغییر پارامترهای مختلف، میتوان حساسیت سنسور هال به پارامترهای مختلف را بدست آورد. بر اساس این نتایج روابط حاکم بر آنها، توسط برازش منحنی با استفاده از نرمافزار Matlab، بدست میآیند. با استفاده از روابط بدست آمده مدل مداری برای سنسور هال تعریف شده است که از آن میتوان در کنار دیگر المانهای معمول مداری استفاده نمود و ساختار سنسور هال را، در کنار مدار مورد نظر جهت استفاده از سنسور هال، بهینه نمود. در ادامه مدل ارائه شده در کنار یک مدار نمونه، توسط نرمافزار Hspice، شبیهسازی و نحوهی بهینهسازی پارامترها برای چند پارامتر نشان داده شده است. همچنین در کار حاضر Layout چند حالت متفاوتِ سنسور هال، جهت ساخت با تکنولوژی 180 نانومتر استاندارد CMOS ، ارائه شدهاست. تعدادی از Layout ها معادل حالتهای شبیهسازی شده، جهت مقایسهی نتایج عملی پس از ساخت با نتایج شبیهسازی میباشند. تعدادی از حالات نیز، جهت بررسی شرایطی میباشد که توسط نرمافزار قابل بررسی نمیباشند. کلمات کلیدی : 1- سنسورهای مغناطیسی 2- سنسور هال 3- مدلسازی 4- کاربردهای سنسور هال