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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 16 Elektrotechnik / Informatik  → Institut für Periphere Mikroelektronik (IPM)  → Fachgebiet Digitaltechnik  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-1307

Titel: Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray
Autor(en): Rohrer, Stefan
Schlagworte (SWD): MagnetfeldsensorSensor-ArrayStochastische DifferentialgleichungKippschaltungCMOSRauscheigenschaft
Klassifikation (DDC): 004 - Informatik (Data processing Computer science)
Issue Date: 6-Oct-2004
Zusammenfassung: Digitales stochastisches Magnetfeld-Sensorarray Stefan Rohrer Im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsprojektes, gefördert von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG), wurden am Institut für Mikroelektronik (IPM) der Universität Kassel digitale Magnetfeldsensoren mit einer Breite bis zu 1 µm entwickelt. Die vorliegende Dissertation stellt ein aus diesem Forschungsprojekt entstandenes Magnetfeld-Sensorarray vor, das speziell dazu entworfen wurde, um digitale Magnetfelder schnell und auf minimaler Fläche mit einer guten räumlichen und zeitlichen Auflösung zu detektieren. Der noch in einem 1,0µm-CMOS-Prozess gefertigte Test-Chip arbeitet bis zu einer Taktfrequenz von 27 MHz bei einem Sensorabstand von 6,75 µm. Damit ist er das derzeit kleinste und schnellste digitale Magnetfeld-Sensorarray in einem Standard-CMOS-Prozess. Konvertiert auf eine 0,09µm-Technologie können Frequenzen bis 1 GHz erreicht werden bei einem Sensorabstand von unter 1 µm. In der Dissertation werden die wichtigsten Ergebnisse des Projekts detailliert beschrieben. Basis des Sensors ist eine rückgekoppelte Inverter-Anordnung. Als magnetfeldsensitives Element dient ein auf dem Hall-Effekt basierender Doppel-Drain-MAGFET, der das Verhalten der Kippschaltung beeinflusst. Aus den digitalen Ausgangsdaten kann die Stärke und die Polarität des Magnetfelds bestimmt werden. Die Gesamtanordnung bildet einen stochastischen Magnetfeld-Sensor. In der Arbeit wird ein Modell für das Kippverhalten der rückgekoppelten Inverter präsentiert. Die Rauscheinflüsse des Sensors werden analysiert und in einem stochastischen Differentialgleichungssystem modelliert. Die Lösung der stochastischen Differentialgleichung zeigt die Entwicklung der Wahrscheinlichkeitsverteilung des Ausgangssignals über die Zeit und welche Einflussfaktoren die Fehlerwahrscheinlichkeit des Sensors beeinflussen. Sie gibt Hinweise darauf, welche Parameter für das Design und Layout eines stochastischen Sensors zu einem optimalen Ergebnis führen. Die auf den theoretischen Berechnungen basierenden Schaltungen und Layout-Komponenten eines digitalen stochastischen Sensors werden in der Arbeit vorgestellt. Aufgrund der technologisch bedingten Prozesstoleranzen ist für jeden Detektor eine eigene kompensierende Kalibrierung erforderlich. Unterschiedliche Realisierungen dafür werden präsentiert und bewertet. Zur genaueren Modellierung wird ein SPICE-Modell aufgestellt und damit für das Kippverhalten des Sensors eine stochastische Differentialgleichung mit SPICE-bestimmten Koeffizienten hergeleitet. Gegenüber den Standard-Magnetfeldsensoren bietet die stochastische digitale Auswertung den Vorteil einer flexiblen Messung. Man kann wählen zwischen schnellen Messungen bei reduzierter Genauigkeit und einer hohen lokalen Auflösung oder einer hohen Genauigkeit bei der Auswertung langsam veränderlicher Magnetfelder im Bereich von unter 1 mT. Die Arbeit präsentiert die Messergebnisse des Testchips. Die gemessene Empfindlichkeit und die Fehlerwahrscheinlichkeit sowie die optimalen Arbeitspunkte und die Kennliniencharakteristik werden dargestellt. Die relative Empfindlichkeit der MAGFETs beträgt 0,0075/T. Die damit erzielbaren Fehlerwahrscheinlichkeiten werden in der Arbeit aufgelistet. Verglichen mit dem theoretischen Modell zeigt das gemessene Kippverhalten der stochastischen Sensoren eine gute Übereinstimmung. Verschiedene Messungen von analogen und digitalen Magnetfeldern bestätigen die Anwendbarkeit des Sensors für schnelle Magnetfeldmessungen bis 27 MHz auch bei kleinen Magnetfeldern unter 1 mT. Die Messungen der Sensorcharakteristik in Abhängigkeit von der Temperatur zeigen, dass die Empfindlichkeit bei sehr tiefen Temperaturen deutlich steigt aufgrund der Abnahme des Rauschens. Eine Zusammenfassung und ein ausführliches Literaturverzeichnis geben einen Überblick über den Stand der Technik.Digital Stochastic Magnetic Field Sensor Array Stefan Rohrer In a research project at the Institute of Microelectronics, (IPM), at the University of Kassel which was promoted by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), digital magnetic field sensors with sensor widths as low as 1 µm were developed. This thesis presents a magnetic field sensor array from this research project, which was designed in order to detect digital magnetic fields very fast and on a small area with a good spatial and temporal resolution. Manufactured in a 1.0 µm CMOS process, the test chip functions at a clock frequency of up to 27 MHz with a sensor distance of 6.75 µm. Thus it is at present the smallest and fastest digital magnetic field sensor array in a standard CMOS process. Shrinked to a 0.09 µm technology, frequencies up to 1 GHz can be achieved with a sensor distance below 1 µm. In this thesis the most important results of the project are described in detail. The sensor is based on a feedback inverter circuit. A double drain magnetic field sensitive element (MAGFET) based on the Hall effect affects the behavior of the trigger circuit. From the digital data the strength and polarity of the magnetic field can be determined. The whole circuit forms a stochastic magnetic field sensor. In this thesis a model for the switching behavior of the feedback inverters is presented. The influence of noise on the sensor is analyzed and modeled in a system of stochastic differential equations. The solution of the stochastic differential equations shows the development of the probability distribution of the output signal over time whose factors influence the error probability of the sensor. It points out which parameters of the design and layout of a stochastic sensor lead to an optimal result. The circuit and layout components of a digital stochastic sensor based on the theoretical computations are presented. Due to manufacturing process tolerances each detector needs its own calibration. Different realizations of this calibration are presented and evaluated. A SPICE model was developed for the exact modeling, with this model a stochastic differential equation shows the behavior of the switching characteristics of the sensor. Compared with standard magnetic field sensors, the stochastic digital evaluation offers the advantage of a flexible measurement. One can select between fast measurements with reduced accuracy, and a high local resolution or a high accuracy during the evaluation of slowly variable magnetic fields in the range of under 1 mT. This thesis presents the results of the test chip measurements. It lists the measured sensitivity, the error probability, as well as the optimal operating points and the characteristic diagram of the circuit. The relative sensitivity of the MAGFETs was measured to 0.0075/T, the respective error probabilities are listed in this thesis. Compared with the theoretical model the measured switching behavior of the stochastic sensors shows good correlation. Various measurements of analog and digital magnetic fields confirm the applicability of the sensor for fast magnetic field measuring up to a frequency of 27 MHz, and also with small magnetic fields under 1 mT. The measurements of the sensor characteristic as a function of the temperature show that the sensitivity rises substantially at very low temperatures due to the lower noise level. A summary and a detailed bibliography show the state of the art in this research area and conclude this thesis.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-1307
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