INTEGRIRAN SISTEM ZA SAMODEJNO UMERJANJE OBČUTLJIVOSTI MAGNETNEGA SENZORJAGRADIŠEK, MIHA (Avtor) Trontelj, Janez (Mentor) magnetni senzorsamodejno umerjena občutljivostioptimizacija integrirane tuljavicetemperaturna odvisnost občutljivostiDoktorsko delo obravnava integriran senzorski mikrosistem za merjenje magnetnega polja z implementacijo samodejnega umerjanja občutljivosti senzorja v temperaturnem območju od -40 ℃ do 125 ℃. Jedro mikrosistema, realiziranega v standardni 0,35 μm CMOS (ang. Complementary Metal Oxide Semiconductor) tehnologiji, predstavlja Hallov element. Ena poglavitnih pomanjkljivosti magnetnih senzorjev, baziranih na Hallovih elementih, predstavlja lezenje občutljivosti senzorja z nepredvidljivimi in nepovratnimi dejavniki, kot so staranje, mehanske oz. piezoelektrične sile, vlaga in kot glavni vpliv temperatura, saj je Hallov element implementiran v temperaturno dokaj nestabilnem aktivnem področju dopiranega N-otoka (ang. N-well). Poleg tega je občutljivost celotnega senzorja podvržena fluktuaciji temperature, ki predstavlja glavni vpliv na variacijo karakteristik elektronskih sklopov za obdelavo zajetih signalov. Običajni pristopi kompenzacije občutljivosti za naštete vplive ne morejo biti uporabljeni v procesu proizvodnje, saj je treba zagotoviti umerjanje, katerega delovanje se aktivno prilagaja glede na obratovalne razmere tekom celotnega življenjskega cikla integriranega senzorja. Samodejno umerjanje izbranega pristopa izhaja iz uravnavanja občutljivosti glede na povratnozančno ovrednotenje temperaturno spreminjajočega se referenčnega signala, referenciranega na znano in stabilno referenčno magnetno polje, generirano z integrirano tuljavico na samem integriranem vezju. Integracija tuljavice na štirih metalnih nivojih CMOS procesa je izvedena v μm razredu nad Hallovim elementom, kar prispeva k večji učinkovitosti tuljavice, saj bi izvedba tuljavice zunaj integriranega vezja močno zmanjšala jakost magnetnega polja na razdalji, kjer se nahaja Hallov senzor [1]. Učinkovitost integrirane tuljavice se lahko izboljša z manjšimi dimenzijami, saj je generirano magnetno polje obratno sorazmerno s premerom integrirane tuljavice. Kljub izboljšani učinkovitosti lahko premajhno dimenzionirana tuljavica na mestu Hallovega elementa generira negativno magnetno polje in na splošno prispeva k dokaj neuniformno razporejenemu magnetnemu polju, ki neposredno vpliva na referenčni signal, uporabljen v procesu umerjanja. Predstavljen je pristop večkriterijske optimizacije 3D modela integrirane tuljavice z namenom iskanja optimalne geometrije tuljavice ob predpostavki čim večje jakosti enakomerno razporejenega magnetnega polja in minimalne upornosti njenih ovojev. Izvedba integrirane tuljavice z minimalno upornostjo zmanjša temperaturne izgube in posledično prispeva k preciznejšemu umerjanju občutljivosti celotne signalne poti magnetnega senzorja. Optimizacija elektromagnetnih karakteristik integrirane tuljavice je izvedena v programskem okolju Comsol Multiphysics in glede na tehnološke podatke uporabljene CMOS tehnologije parametrizirana s 3D modelom, podprtim znotraj načrtovalskega orodja Solidworks. Optimiziran model integrirane tuljavice z 11 ovoji na štirih metalnih nivojih ima učinkovitost 376 mT/A. Simulacije celotnega električnega vezja s pomembnejšimi podsklopi, začenši z modelom Hallovega elementa, čelnim vezjem za zajem signala, delta-sigma modulatorja, DA pretvornika in izhodnim filtrom so opravljene s simulatorjem vezij HSPICE. Celotna signalna pot od zajema signala preko obdelave do izhodnega signala je realizirana diferencialno, s čimer se zmanjša vpliv neželenih sofaznih motenj. Dani pristop ne zmanjšuje le vpliva variacij občutljivosti Hallovega elementa, ampak celotne signalne poti, zaradi česar ni treba skrbeti za temperaturno konstantno ojačenja posameznih stopenj v procesu obdelave signalov. Simulacijski rezultati nakazujejo izboljšano umerjanje integriranega senzorja ob uporabi večbitnega pristopa v primerjavi z 1-bitnim kvantizatorjem in 1-bitnim DA pretvornikom v povratni zanki modulatorja za tipično približno 4,2-krat za celotno temperaturno območje od -40 ℃ do 125 ℃, medtem ko se umerjanje nekoliko poslabša za celoten nabor možnih procesnih parametrov izdelave, a kljub temu predstavljeni pristop v dobršni meri odpravlja tudi vpliv procesnih variacij na samo umerjanje. Ovrednotenje celotnega mikrosistema je izvedeno preko meritve izhodne analogne napetosti, dani pristop pa omogoča nadaljnjo obdelavo digitalnega signala bitnega-toka v procesu DSP (ang. Digital Signal Procesing) obdelave, kar ni tema tega dela. Umerjanje občutljivosti integriranega magnetnega senzorja v celotnem temperaturnem področju kažejo neželene motnje, a v dobršni meri opravljajo funkcionalnost predstavljenega pristopa, in sicer s točnostjo umerjanja občutljivosti senzorja 85 ppm/℃. Učinkovitost realizirane tuljavice je 131 mT/A, vplivi posameznih ovojev na superpozicionirano magnetno polje v ravnini Hallovega elementa pa se dobro skladajo s simulacijskimi rezultati.20212021-03-01 10:50:01Doktorsko delo/naloga125011VisID: 43161sl