Programma Ricerca Crescentini 22-02-2017 - ARCES

Allegato A
Titolo: Tecniche di lettura a larga banda per sensori magnetici a effetto Hall
Settore scientifico disciplinare: ING-INF/07
Tutor: Dott. M. Crescentini
Progetto di ricerca
Il progetto si inquadra all’interno del tema di ricerca sui sensori magnetici ad effetto Hall
sviluppato dal laboratorio congiunto STMicroelectronics (STM) - ARCES Università di
Bologna. Tale tema di ricerca si pone come obiettivo lo studio e la caratterizzazione dei limiti
prestazionali dei sensori ad effetto Hall e la realizzazione di prototipi di sensori di corrente
basati su effetto Hall, in tecnologia integrata BCD, con prestazioni oltre lo stato dell’arte in
termini di banda di acquisizione e accuratezza.
Negli anni passati la collaborazione STM – ARCES su tale tema di ricerca ha portato alla
realizzazione di un prototipo di sistema di misura di corrente basato su sensore Hall con
banda di acquisizione di 1 MHz. Tale prototipo si basava sulla minimizzazione dei parassiti
capacitivi per raggiungere bande di acquisizione elevate e sulla tecnica dello spinning-current
a 4 fasi per la cancellazione dinamica dell’offset intrinseco del sensore. Il prototipo realizzato,
oltre a raggiungere gli obiettivi prefissati, ha identificato un nuovo compromesso tra banda e
accuratezza, legato all’utilizzo di tecniche spinning-current ad alta frequenza di
commutazione, le quali presentano una limitata efficacia nella cancellazione dell’offset
intrinseco.
In questo contesto, il nostro gruppo di ricerca (col coordinamento del prof. Tartagni) vuole
proseguire il lavoro realizzato studiando nuove soluzioni architetturali e procedurali alternative
alla tecnica dello spinning-current a 4 fasi, le quali permettano di estendere la banda di
acquisizione oltre il MHz, idealmente raggiungendo il limite fondamentale del sensore Hall,
senza ripercussioni sull’accuratezza della misura.
In particolare, durante il programma di cotesto assegno di ricerca dovranno essere conseguiti
i seguenti obiettivi:
−
−
Individuare tecniche architetturali e procedurali che permettano di estendere la banda
di acquisizione dei sensori magnetici ad effetto Hall oltre i 10 MHz
Progettare un prototipo a circuito integrato che implementi l’architettura proposta, al
fine di dimostrarne e verificarne le potenzialità.
L’obiettivo della ricerca è quello di adottare tecniche di lettura elettronica radicalmente diverse
da quelle utilizzate nello stato dell’arte e che possono essere basata su alcuni dei seguenti
punti chiave:
1. Utilizzo di tecniche di current-spinning sinusoidale che permettano di “mediare”
l’errore di offset su infiniti punti spaziali;
2. Utilizzo di tecniche di lettura in corrente del sensore Hall;
3. Utilizzo combinato del sensore Hall con altri sensori magnetici;
4. Utilizzo di tecniche di cancellazione dell’offset alternative basate su auto-zero.
Il lavoro richiesto per la ricerca del prossimo anno consisterà nell’individuazione della miglior
tecnica di lettura del sensore Hall, la quale massimizzi la banda di acquisizione e minimizzi
l’offset residuo. Tale tecnica dovrà essere valutata e validata tramite simulatori tecnologici
(TCAD) e circuitali (Cadence) avanzati. Una volta individuata la tecnica migliore, si dovrà
procedere alla progettazione del prototipo in tecnologia BCD.
Durante il periodo di ricerca, il laboratorio fornirà tutte le competenze ed il know-how
necessarie per raggiungere una realizzazione prototipale del sistema. In conclusione il
ricercatore sarà inserito nell’ambito di un team di progettazione integrata in cui potrà
beneficiare di svariate competenze mutuamente complementari tra loro.
Allegato B
Progetto Formativo e programma dell’attività di ricerca: Tecniche di lettura a larga
banda per sensori magnetici a effetto Hall
Il programma dell’attività di ricerca proposta sarà così strutturato:
− Studio dello stato dell’arte e delle attuali tecniche di lettura dei sensori a effetto Hall;
− Studio e caratterizzazione dei prototipi presenti in laboratorio che realizzano la
precedente versione di sistema di lettura;
− Proposta e verifica tramite simulazione di nuove architetture di lettura a larga banda;
− Progettazione del prototipo in tecnologia integrata BCD.
Il progetto formativo che si accompagna al progetto di ricerca descritto ha due obiettivi
principali:
O.1 fornire competenze sia specifiche che d’insieme circa le tecniche di funzionamento e
di progettazione elettronica di strumenti di misura avanzati;
O.2 fornire competenze circa la gestione, l’organizzazione e la proposta di progetti di
ricerca complessi.
I due obiettivi formativi verranno perseguiti come segue.
L’obiettivo O.1 è una diretta conseguenza dell’obiettivo del progetto di ricerca e degli
studi ivi previsti. Questi non potranno infatti prescindere da una comprensione chiara
delle tecniche di funzionamento del sistema e delle tecniche di progettazione elettronica,
così come non si potrà prescindere da una visione d’insieme che parte dalla teoria del
sensore e dei sistemi di misura. Tali competenze saranno ottenute mediante lo studio
diretto e la partecipazione a seminari e conferenze nazionali ed internazionali.
L’obiettivo O.2 sarà ottenuto inserendo l’Assegnista di ricerca nelle attività scientifica
internazionale del gruppo di ricerca del prof. Tartagni nella sede della Facoltà di Cesena e
nell’ambito della collaborazione ST/ARCES