مطالعه ساختارهای سنسور هال در تکنولوژی cmos و ارائه یک طرح نمونه کاربردی

در میان تکنولوژی های حسگر مختلف برای تشخیص میدان مغناطیسی، شاید اثر هال گسترده ترین و پرکاربردترین آن ها باشد؛ چرا که این امکان وجود دارد مبدل های اثر هال را با کیفیت بالا، با پروسه های استاندارد مداری مجتمع در صنعت میکروالکترونیک، به همراه مدارهای کمکی پردازش سیگنال، مطمئن و ارزان برای کاربردهای گسترده ساخت. با اینکه نزدیک به نیم قرن از کشف اثر هال می گذرد، 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 زمینه های تحقیقاتی پیرامون سنسور هال کار شود. کار حاضر نیز در این راستا به بررسی و مدل سازی ساختار سنسور هال پرداخته است. در مدل ارائه شده، سعی گردیده حتی الامکان تأثیر تمامی پارامتر های موثر، پارامترهائی که قابل کنترل در پروسه یا طراحی می باشند، 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 می تواند طراحان مدار را در جهت انتخاب بهترین پروسه ی ساخت برای رسیدن به اهدافِ تعریف شده، و نیز طراحان پروسه را، جهت طراحی پروسه مناسب 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 جنبه های مختلف آن، شامل پارامترهای تعریف شده پیرامون سنسور هال، مواد مورد استفاده جهت ساخت سنسور، تکنولوژی های مورد استفاده در صنعت سنسور هال و اشکال هندسی متفاوت سنسور بررسی شده است. در ادامه، نحوه ی تأثیر هر یک از پارامترها بر عملکرد سنسور هال مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور از نرم افزار silvaco استفاده شده است. توسط این نرم افزار می توان نمونه ی مورد نظر را به صورت دلخواه تعریف و میدان مغناطیسی را به آن اعمال و ولتاژ حاصل را اندازه گیری نمود. به کمک این نرم افزار، و با تغییر پارامترهای مختلف، می توان حساسیت سنسور هال به پارامترهای مختلف را بدست آورد. بر اساس این نتایج روابط حاکم بر آن ها، توسط برازش منحنی با استفاده از نرم افزار matlab، بدست می آیند. با استفاده از روابط بدست آمده مدل مداری برای سنسور هال تعریف شده است که از آن می توان در کنار دیگر المان های 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 نرم افزار hspice، شبیه سازی و نحوه ی بهینه سازی 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 شده است. تعدادی از layout ها معادل حالت های شبیه سازی شده، جهت مقایسه ی نتایج عملی پس از ساخت با نتایج شبیه سازی می باشند. تعدادی از حالات نیز، جهت بررسی شرایطی می باشد که توسط نرم افزار قابل بررسی نمی باشند.