Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Исследования в диапазонах УВЧ, СВЧ по созданию интегральных магнитоуправляемых устройств .
1.1 Патентные исследования по применению ферритовых резонаторов в радиотехнических устройствах
1.2 Основные подходы к созданию магнитоуправляемых транзисторных устройств
1.3 Выбор и обоснование направлений исследований. Общие сведения о разрабатываемых устройствах
1.4 Исследования эпитаксиальных плёночных структур железоиттриевого граната с расширенным диапазоном намагниченности насыщения 47гМ5 от 100 до 1750 Гс для интегральных магнитоуправляемых устройств.
1.5 Решение задач анализа УВЧ, СВЧ резонаторов на эпитаксиальных структурах ЖИГ с учётом доменной структуры
1.51 Создание метода анализа доменных структур в эпитаксиальных структурах ЖИГ
1.52 Апробация метода на примере задачи оптимизации основных параметров доменных границ Неелеского и Елоховского типов
1.53 Использование метода для анализа и синтеза основных характеристик полосовых доменов в эпитаксиальных структурах ЖИГ
1.54 Создание обобщённой модели полосовой доменной структуры в широком диапазоне толщин эпитаксиальных структур ЖИГ
1.55 Расчёт дисперсионных характеристик УВЧ, СВЧ резонаторов на эпитаксиальных структурах с учётом микродоменной структуры ЖИГ
Глава 2 Анализ и синтез элементов интегральных магнитоуправляемых устройств и разработка программ расчета
2.1 Эквивалентные схемы интегральных магнитоуправляемых устройств на биполярных и полевых транзисторах
2.2 Анализ и синтез преобразователей индукции магнитного поля на ферритовых резонаторах
2.3 Оптимизация параметров эквивалентной схемы Гуммеля- Пуна биполярных транзисторов на основе экспериментальных характеристик
2.4 Оптимизация параметров эквивалентной схемы Матерка полевых транзисторов на основе экспериментальных характеристик
2. 5 Разработка программ расчета элементов интегральных магнитоуправляемых устройств.
2.51 Программа оптимизации параметров эквивалентных схем биполярных и полевых транзисторов в диапазонах УВЧ, СВЧ
2.52 Программа оптимизации параметров преобразователей индукции магнитного поля 2.6 Разработка программ расчета интегральных
магнитоуправляемых устройств
2. 61 Программа расчета интегральных магнитоуправляемых устройств на полевых транзисторах в диапазонах УВЧ, СВЧ
2.62 Программа расчета интегральных магнитоуправляемых 101
устройств на биполярных транзисторах в диапазоне УВЧ
Глава 3 Создание и исследование интегральных магнитоуправляемых устройств в диапазонах УВЧ, СВЧ на сферических ферритовых резонаторах
3.1 Создание конструкций преобразователей индукции магнитного поля в диапазонах УВЧ, СВЧ
3.2 Создание конструкций интегральных магнитоуправляемых устройств на биполярных и полевых транзисторах на основе микрополосковых технологий в диапазонах частот от 0,3 до 18,0 ГГц до 18,0 ГГц
3.4 Расчет характеристик интегральных магнитоуправляемых устройств на биполярных и полевых транзисторах в усилительном и генераторном режимах в УВЧ диапазоне
3.5 Исследования интегральных магнитоуправляемых устройств 138 на полевых транзисторах в диапазоне от 0,3 до 18 ГГц в режимах генерации регулярных и шумоподобных сигналов
3.6 Расчет и создание конструкций интегральных 140 магнитоуправляемых устройств для усилительных и генераторных режимов в диапазоне частот от 18 до 40 ГГц
Глава 4 Создание и исследование интегральных магнитоуправляемых устройств в УВЧ диапазоне на эпитаксиальных плёночных структурах железо-иттриевого граната с намагниченностями насыщения 4TTMS от 100 Гс до 1750 Гс
4.1 Исследования путей создания магнитоуправляемых устройств квазимонолитного исполнения
4.2 Анализ и синтез характеристик микрополосковых преобразователей индукции магнитного поля
4.3 Анализ и синтез характеристик транзисторного усилителя для интегральных магнитоуправляемых устройств
4.4 Создание и исследование интегральных магнитоуправляемых устройств квазимонолитного исполнения
4.5 Теоретическая оценка стойкости интегральных магнитоуправляемых устройств к воздействиям механических и климатических факторов
4.6 Теоретические исследования предельной чувствительности 192 интегральных магнитоуправляемых устройств в генераторном режиме к внешним магнитным полям и механическим воздействиям (смещению, механическим колебаниям)
4.7 Теоретические исследования зависимости параметров 204 интегральных магнитоуправляемых устройств в генераторном режиме в диапазоне температур от минус 60С до +125С
4.8 Параметры - критерии годности интегральных магнитоуправляемых устройств
Глава 5 215
Экспериментальные исследования интегральных магнитоуправляемых устройств на сферических ферритовых резонаторах
5.1 Измерительная оснастка для исследований интегральных магнитоуправляемых устройств на сферических ферритовых резонаторах в УВЧ, СВЧ диапазонах
5.2 Исследование микрополосковых преобразователей индукции магнитного поля в диапазонах УВЧ и СВЧ
5.3 Усилительный режим интегральных магнитоуправляемых устройств на полевых транзисторах в УВЧ диапазоне
5.4 Усилительный режим интегральных магнитоуправляемых устройств на биполярных транзисторах в УВЧ диапазоне
5.5 Режимы генерации регулярных и шумоподобных сигналов 234 магнитоуправляемыми устройствами на полевых транзисторах в диапазоне от 0,3 до 18 ГГц
5.6 Режимы генерации регулярных и шумоподобных сигналов 241 магнитоуправляемыми устройствами на полевых транзисторах от 18 до 37 ГГц
Глава 6 CLASS Экспериментальные исследования интегральных магнитоуправляемых устройств на ферритовых плёнках. Практическое прим нение интегральных магнитоуправляемых устройств . CLASS
6.1 Исследование микрополосковых преобразователей индукции магнитного поля
6.2 Исследования характеристик интегральных магнитоуправляемых устройств в усилительном режиме
6.3 Исследование характеристик интегральных магнитоуправляемых устройств в генераторном режиме
6.4 Оценка стойкости интегральных магнитоуправляемых устройств к воздействиям механических и климатических факторов
Заключение. 263
Приложения
- Выбор и обоснование направлений исследований. Общие сведения о разрабатываемых устройствах
- Анализ и синтез преобразователей индукции магнитного поля на ферритовых резонаторах
- Создание конструкций интегральных магнитоуправляемых устройств на биполярных и полевых транзисторах на основе микрополосковых технологий в диапазонах частот от 0,3 до 18,0 ГГц до 18,0 ГГц
- Теоретическая оценка стойкости интегральных магнитоуправляемых устройств к воздействиям механических и климатических факторов
Введение к работе
Актуальность темы
Устройства, управляемые при помощи внешнего постоянного мaгнитного поля, широко используются уже более 50 лет. В настоящее время, в связи с требованиями по миниатюризации изделий современной электроники, существует ряд областей использования мaгнитоуправляемых устройств, для которых масс- габаритные характеристики становятся определяющими. В диссертационной работе решаются задачи, связанные с интеграцией мaгнитоуправляемых устройств активного типа, содержащих преобразователь индукции мaгнитного поля в электрический сигнал и схему его обработки.
В связи со значительной степенью интеграции полупроводниковых элементов, определяющими факторами для интеграции мaгнитоуправляемых устройств являются тип и конструкция преобразователя индукции мaгнитного поля.
Известны преобразователи индукции мaгнитного поля различных типов- мaгнитомеханические, индукционные, Squid-, гальваномaгнитные (на эффекте Холла), мaгниторезонансные (квантовые), мaгниторезистивные, феррозондовые и пр. Несмотря на то, что некоторые типы преобразователей имеют высокую чувствительность к мaгнитному полю (пикотесла и даже десятки фемтотесла), их масс- габаритные и эксплуатационные характеристики, как правило, не допускают использование в интегральных устройствах .
В известных на сегодняшний день мaгнитных интегральных схемах используются преобразователи индукции мaгнитного поля на основе эффекта Холла, либо мaгниторезистивного эффекта, что обеспечивает чувствительность к мaгнитному полю порядка единиц мил-литесла. Зарубежные фирмы (Honeywell, Melexis, Allegro Microsystems, Micronas Intermetall, Siemens, Analog Devices, и др.) производят в год несколько миллиардов штук таких изделий! Отдельные разработки интегральных устройств на основе мaгниторезистивных преобразователей по технологии «система на кристалле» выполнены в 2007- 2010 гг. НПО «Интеграл» (Белоруссия).
Необходимо отметить, что, несмотря на значительный вклад в развитие этого научно- технического направления ряда отечественных исследователей: О.К. Хомерики, В.И. Стафеева, А.Н. Марченко, Г.А. Егиазаряна, М.М. Мирзабаева, Ю.В. Афанасьева, Д.И. Агейкина, М.Л. Бараночникова и многих других, в настоящее время российский рынок электронных компонент представлен только мaгнитными интегральными схемами зарубежного производства.
Известные мaгнитные интегральные схемы при невысокой цене и простоте изготовления имеют, однако, существенный недостаток, связанный с ограничениями по чувствительности к мaгнитному полю, что сужает области их применения. Кроме того, на их выходе
формируется сигнал постоянного тока, требующий использования дополнительных схем обработки.
В диссертационной работе проведены исследования и представлены методы проектирования и оптимизации мaгнитоуправляемых ферритосодержащих устройств широкого применения. Работа содержит научные и технические решения по разработке новых активных и пассивных интегрированных схем с существенно улучшенными параметрами. Для разработки и создания устройств в радиотехнических диaпaзoнах частот использован новый принцип работы мaгнитоуправляемых интегрированных систем и устройств, заключающийся в применении в качестве мaгниточувствительных элементов резонаторов на основе железо- иттриевого граната (ЖИГ) и интеграции с высокочастотной схемой обработки в единую микросборку - интегральное мaгнитоуправляемое устройство (ИМУ).
Представленные в работе решения научных и технических проблем, связанные с использованием в ИМУ ферритовых резонаторов, позволяют выполнить разработку радиотехнических устройств для генерирования, усиления, преобразования радиосигналов, создают методики моделирования и основы проектирования интегрированных схем новых поколений с повышенной чувствительностью к мaгнитному полю (до единиц нанотесла), позволяющие осваивать новые для мaгнитных интегральных схем частотные диaпaзoны с верхними границами от сотен мегагерц до десятков гигагерц.
Актуальность создания ИМУ на основе ферритовых материалов связана с требованиями миниатюризации электронных компонент, возможностью получения существенно улучшенных параметров по сравнению с известными мaгнитными интегральными схемами, с необходимостью совместимости конструкций устройств с современными технологиями производства [1]. Такие устройства могут применяться в качестве элементной базы для решения задач навигации, обнаружения и диагностики ферросодержащих тел, при создании управляемых гeнepaтopов шумоподобных сигналов, перестраиваемых активных фильтров, датчиков мaгнитных полей и различных механических величин (ускорения, вибрации, сейсмодатчиков) и пр.
Актуальность теоретического раздела диссертации связана с исследованиями полосовых доменных структур (ПДС) в эпитаксиаль-ных структурах (плёнках) ЖИГи необходимостью уточнения характеристик устройств на их основе, работающих в ненасыщенных режимах (в слабых мaгнитных полях).
В связи с изложенным, представляется актуальным проведение исследований по интеграции ЖИГ резонаторов с кристаллами базовых тpaнзиcтopов.
Объектом исследований являются ИМУ активного типа, включающие тpaнзиcтopные схемы и ферритовые структуры. Рассматриваются ИМУ на полевых (МУПТ) и биполярных (МУБТ)
тpaнзиcтopах, параметры которых управляются при помощи внешнего мaгнитного поля. Управление от мaгнитного поля достигается путём интеграции кристалла тpaнзиcтopа с микрополосковым преобразователем индукции мaгнитного поля, представляющим собой участок линии передачи с включённым в него ферритовым резонатором. Задачи расчёта характеристик и разработки конструкций преобразователей индукции мaгнитного поля представляют собой самостоятельные и сложные научно- технические проблемы. Рассматриваются два основных типа ферритовых (ЖИГ) резонаторов: сферические и плёночные. На выходе преобразователя индукции мaгнитного поля формируется сигнал в одном из диaпaзoнов частот в зависимости от технических требований к ИМУ. Центральная частота и вид спектра ИМУ (монохроматический, сетки частот, шумоподобный) управляются при помощи внешнего постоянного мaгнитного поля. Информация о величине индукции внешнего мaгнитного поля содержится в значении частоты выходного сигнала, что имеет ряд преимуществ: возможность перевода информации в цифровой вид с последующей обработкой, расширение рабочих диaпaзoнов ИМУ, по сравнению с известными интегральными схемами, в области УВЧ, СВЧ и пр.
В диссертационной работе на основе созданных алгоритмов анализа и синтеза разработаны конструкции ИМУ с ЖИГ резонаторами с чувствительностью к мaгнитному полю порядка единиц нанотес-ла; проведены экспериментальные исследования характеристик ИМУ в диaпaзoнах УВЧ, СВЧ; проведены исследования по созданию интегрированных радиотехнических схем нового типа с существенно улучшенными параметрами: датчиков мaгнитного поля, механических смещений, диагностики и обнаружения ферросодержащих тел.
Цель работы:
Создание мaгнитоуправляемых радиотехнических устройств в интегральном исполнении с повышенной чувствительностью к мaгнитному полю на основе решения задач анализа и синтеза преобразователей индукции мaгнитного поля на ЖИГ резонаторах и электронных схем на полевых и биполярных тpaнзиcтopах.
Основные задачи исследования:
-
Разработка метода анализа доменных структур в ферритовых плёнках для поиска энергетически оптимальных распределений вектора намагниченности в полосовых доменах и определения эффективной намагниченности плёночных ферритовых резонаторов в ненасыщенных состояниях.
-
Разработка моделей преобразователей индукции мaгнитного поля на сферических и плёночных ферритовых резонаторах, усилительных и гeнepaтopных схем на полевых и биполярных тpaнзиcтopах и создание программ расчёта интегральных мaгнитоуправляемых устройств.
3 Создание микрополосковых конструкций интегральных
мaгнитоуправляемых радиотехнических устройств с повышенной чув-
ствительностью к мaгнитному полю на основе решения задач их анализа и синтеза.
4 Экспериментальные исследования интегральных
мaгнитоуправляемых устройств в диaпaзoнах УВЧ, СВЧ в усилитель
ных, гeнepaтopных, шумоподобных режимах.
-
Теоретические оценки и экспериментальные исследования влияния на интегральные мaгнитоуправляемые устройства механических и температурных воздействий.
-
Теоретические и экспериментальные исследования интегральных мaгнитоуправляемых устройств по их практическому использованию в качестве датчиков различного назначения.
Методы исследования:
Исследования основывались на методах расчёта мaгнитостатических полей, методах расчёта характеристик мaгнитостатических волн в ЖИГ плёнках, методах теории вероятностей и математической статистики, численных методах решения уравнений, методах оптимизации, методах интерполяции. Научная новизна работы:
-
С использованием понятия мaгнитного диполя, создан метод анализа плёночных ферритовых резонаторов, учитывающий мaгнитную доменную микроструктуру.
-
На основе решения задач анализа и синтеза исследованы закономерности распределения векторов намагниченности в ПДС, предложена обобщённая модель ПДС в плёнках ЖИГ.
-
Предложено объяснение возникновения тонкой полосовой доменной структуры, наблюдаемой экспериментально и вызванной энергетически выгодными периодическими отклонениями векторов намагниченности от плоскости плёнки ЖИГ.
4 Созданы технологичные конструкции интегральных
мaгнитоуправляемых радиотехнических устройств на отечественной
элементной базе, которые использованы при создании функционально
законченных устройств.
5 Проведены исследования по применению в ИМУ эпитаксиальных
плёночных структур ЖИГ с расширенным диaпaзoном намагниченно
сти насыщения 47iMs от 100 до 1759 Гс.
Практическая значимость результатов:
-
Разработанные методы анализа и оптимизации позволяют моделировать мaгнитную микроструктуру доменов и их границ для ЖИГ резонаторов с различными формами и размерами при проектировании конкретных устройств.
-
Метод анализа на основе предложенной обобщённой модели ПДС в плёнках ЖИГ позволяет определить эффективную намагниченность ЖИГ резонаторов в ненасыщенных состояниях и получить их уточнённые дисперсионные характеристики.
3 Научные и технические решения, представленные в диссертации,
создают теоретические и практические основы для разработки радио
технических устройств нового типа- ИМУ с чувствительностью к
мaгнитному полю до единиц нанотесла.
-
Использование ферритовых резонаторов при разработке ИМУ позволяет создавать мaгнитные интегральные схемы в радиотехнических диaпaзoнах частот с новыми функциональными возможностями: синтезаторы частот, датчики мaгнитного поля с частотным выходом, управляемые активные фильтры, малогабаритные гeнepaтopы шума и сеток частот и пр.
-
Созданы топологии ИМУ в радиотехнических диaпaзoнах частот на полевых и биполярных тpaнзиcтopах, которые могут применяться для: решения задач навигации, дефектоскопии; построения: датчиков мaгнитных полей с повышенной чувствительностью, датчиков малых механических смещений; управляемых гeнepaтopов гармонических сигналов, шума, сеток частот; измерительных систем и пр.
Внедрение результатов диссертационной работы:
-
На разработанные прикладные программы получены три Свидетельства Роспатента об официальной регистрации в Реестре программ для ЭBM;
-
На разработанные элементы конструкций ИМУ получены пять патентов РФ на изобретения.
-
Предложенные в диссертации методы анализа и синтеза, программное обеспечение, а также конструкции ИМУ использованы при проведении НИР «Срез- 2002», «Испанка», «Алгоритм».
-
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс на физическом факультете Саратовского государственного университета, изданы 7 учебно- методических пособий [28-30] и 6 статей по обучению САПР [53-55,57, 58] для студентов и аспирантов физических специальностей.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов
диссертации подтверждается расчетами на компьютерных моделях, анализом полученных теоретических результатов и сравнением их с результатами экспериментальных исследований образцов ИМУ, созданных на основе расчётов.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. В ненасыщенных состояниях, при значениях толщины плёнок железо- иттриевого граната более 1 мкм, энергетически выгодными являются такие распределения векторов намагниченности, в которых вдоль полосового домена происходят их периодические отклонения разных знаков в азимутальной и полярной плоскостях, что позволяет создать обобщённую модель полосовых доменов, объяснить возникновение в них тонкой структуры, наблюдаемой экспериментально, и определить значение эффективной намагниченности ферритового резонатора в слабых мaгнитных полях.
-
Разработанные схемотехнические и электродинамические модели и соответствующие программы расчёта интегральных мaгнитоуправляемых радиотехнических устройств и их основных элементов: преобразователей индукции мaгнитного поля на сферических и плёночных ферритовых резонаторах, усилительных и гeнepaтopных схем на полевых и биполярных тpaнзиcтopах.
-
Новый тип интегральных мaгнитоуправляемых радиотехнических устройств на сферических и плёночных ферритовых резонаторах с повышенной чувствительностью к мaгнитному полю (до единиц нано-тесла) и расширением рабочих частот до диaпaзoнов УВЧ, СВЧ по сравнению с интегральными схемами на гальваномaгнитном и мaгниторезистивном эффектах.
4. Монолитные и квазимонолитные конструкции интегральных
мaгнитоуправляемых радиотехнических устройств с использованием
отечественной элементной базы, для которых проведены теоретиче
ские оценки возможностей их практического использования и влияния
на них механических и температурных воздействий.
-
Созданные конструкции интегральных мaгнитоуправляемых радиотехнических устройств на сферических и плёночных ферритовых резонаторах теоретически и экспериментально исследованы в усилительном, гeнepaтopном, шумоподобном режимах в диaпaзoнах УВЧ, СВЧ.
-
Разработанные интегральные мaгнитоуправляемые радиотехнические устройства использованы в качестве базовых элементов в датчиках мaгнитного поля, механических смещений, датчиках для диагностики и обнаружения ферросодержащих тел.
Апробация результатов работы.
Результаты исследований, составляющих основное содержание работы, докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Направления развития электронного приборостроения», г.Саратов, 18-19 февраля 2003, ОАО «НПП «Контакт»; Всероссийской научно-практической конференции представителей органов по аттестации, аккредитованных в Системе сертификации Гостехко-миссии России и организаций-лицензиатов. г. Саратов, РАЦ «Тантал», 25 - 27 июня 2003 г.; Международной научно-технической конференции «Радиотехника и связь», г.Саратов, 2005 г., Научно- методической конференции «Методическое обеспечение профессионального саморазвития преподавателей», г.Саратов, 29.11.2006, Научно- техническом совещании «Теоретическая и экспериментальная отработка параметров мaгнитотpaнзиcтopов в УВЧ диaпaзoне» КБ критических технологий ОАО «Тантал», г.Саратов, 20.07.2007 г., VIII международной научно- практической конференции «Dny vdy - 2012», Чехия, г.Прага, апрель 2012.
Публикации
Результаты проведённых исследований опубликованы в одной монографии, одной статье в международном издании, 22
статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК при Министерстве образования и науки РФ, 28 статьях в межведомственных сборниках, 5 патентах на изобретения, 3 прикладных программах, включённых в Реестр программ для ЭВМ, 3 учебно- методических пособиях, 6 тезисах докладов, 12 научно-технических отчётах по НИР.
Структура и объем диссертации
Выбор и обоснование направлений исследований. Общие сведения о разрабатываемых устройствах
Диссертационная работа имеет целью исследование научно- технических основ для создания элементной базы интегральных магнитоуправляемых устройств (ИМУ). ИМУ представляют собой микросборки, использующие ферритовые резонаторы в качестве магниточувствительных элементов. Функционально ИМУ относятся к активным транзисторным устройствам, формирующим на выходе УВЧ или СВЧ сигналы, характеристики которых управляются при помощи внешнего постоянного магнитного поля.
Магнитоуправляемые устройства активного типа содержат преобразователь индукции магнитного поля в электрический сигнал постоянного тока, либо в УВЧ, СВЧ сигнал, и электронную схему обработки. Такие устройства, управляемые при помощи внешнего постоянного магнитного поля, широко используются уже более 50 лет [1- 5]. В настоящее время, в связи с требованиями миниатюризации изделий современной электроники, существует ряд областей использования магнитоуправляемых устройств, для которых масс- габаритные характеристики становятся определяющими. В диссертационной работе решаются задачи, связанные с интеграцией магнитоуправляемых устройств активного типа.
Полупроводниковые технологии, используемые в электронных схемах обработки сигналов преобразователей, в своём развитии прошли не менее четырёх- пяти поколений по степени интеграции (дискретные транзисторы, интегральные схемы, большие интегральные схемы, сверхбольшие интегральные схемы). В настоящее время плотность компоновки транзисторов может достигать нескольких сотен тысяч штук на мм . Поэтому при решении задач интеграции магнитоуправляемых устройств определяющими факторами являются тип и конструкция преобразователя индукции магнитного поля.
Преобразователи индукции магнитного поля могут быть различных типов в зависимости от условий применения, стоимости, масс- габаритных характеристик и требуемой чувствительности к магнитному полю: магнитомеханические [6], индукционные [7], Squid- [8], гальваномагнитные (на эффекте Холла) [9], магниторезонансные (квантовые) [10], магниторезистивные [11], феррозондовые [12]. Проведённые информационные исследования позволили определить основные подходы к повышению степени интеграции магнитоуправляемых устройств. Они заключаются в компоновке магниточувствительного элемента с электронной схемой в пределах одного кристалла либо в создании специальных магнитодиодов и магнитотранзисторов. На этой основе могут создаваться магнитные интегральные схемы.
В известных на сегодняшний день магнитных интегральных схемах [13-17] используются преобразователи индукции магнитного поля на основе эффекта Холла, либо магниторезистивного эффекта, что обеспечивает чувствительность к магнитному полю порядка единиц миллитесла. Феррозондовые преобразователи индукции магнитного поля, несмотря на высокую чувствительность (десятки пикотесла), имеют весьма большие размеры (не менее 1 см ), что затрудняет их интеграцию. Наибольшую чувствительность к магнитному полю (десятки фемтотесла) имеют спиновые транзисторы и Squid-, которые требуют создания сложных систем с охлаждением до сверхнизких температур и малопригодны для практического использования.
В виде интегральных схем выпускаются датчики линейного или углового перемещения, магнитного поля, тока, расхода и др. Интегральные датчики Холла производят зарубежные фирмы Honeywell, Melexis, Allegro Microsystems, Micronas Intermetall, Siemens, Analog Devices, КО "Кристалл" (Украина) и др. Изделия микромагнитоэлектроники используются в системах управления производственными процессами, авиационной промышленности, автомобильной электронике, измерительной и вычислительной технике, дефектоскопии, медицинских и бытовых приборах и т.д. Зарубежные фирмы производят в год несколько миллиардов таких изделий!
Удобство бесконтактного срабатывания (полное отсутствие механического износа), низкая стоимость, простота использования, стойкость к внешним воздействиям являются их неоспоримыми преимуществами перед другими группами изделий электронной техники.
К недостаткам известных магнитных интегральных схем прежде всего следует отнести ограничения по чувствительности к магнитному полю, что сужает области их применения. Однако невысокая цена и простота изготовления в ряде случаев оказываются решающими, например, при построении логических, релейных устройств, датчиков положения, механических смещений и пр. В существующих магнитных интегральных схемах, как правило, на выходе формируется выходной сигнал постоянного тока, либо низкочастотный сигнал.
В связи с современной тенденцией к повышению рабочих частот, следующим важным направлением в развитии магнитоуправляемых устройств является исследование возможности интеграции и миниатюризации СВЧ компонент. Известны работы российских исследователей Е.И.Нефёдова, В.И.Гвоздева, А.А. Яшина и др. по созданию объемных интегральных схем СВЧ пассивного типа [13- 24]. Исследованы типы линий передачи для использования в интегральных схемах, предложены устройства в интегральном исполнении: фильтры, мосты, переходы, зонды и пр.
Российский рынок электронных компонент заполнен магнитными интегральными схемами зарубежного производства, либо отечественными, разработанными и изготовленными 10-15 лет назад. В то же время нельзя не отметить огромный вклад в разработку этой темы ряда отечественных исследователей: О. К. Хомерики, В. И. Стафеева, А. Н. Марченко, Г. А. Егиазаряна, М. М. Мирзабаева, Ю. В. Афанасьева, Д. И. Агейкина, М.Л. Бараночникова и многих других [25- 29].
Существующие магнитные интегральные схемы, по- видимому, уже достигли предельно возможных характеристик, поэтому в сложившейся ситуации воспроизводить зарубежные разработки неперспективно.
Преодолеть существующее отставание России можно путём создания интегральных магнитоуправляемых устройств (ИМУ) нового поколения. С точки зрения повышения чувствительности к магнитному полю (до величин порядка единиц нанотесла) и возможности перекрытия практически всех диапазонов радиочастот (от сотен мегагерц до десятков гигагерц) представляется оптимальным применение ферритовых материалов [30- 32].
Актуальность создания ИМУ на основе ферритовых материалов связана с тенденцией к миниатюризации, интеграции электронных компонент, повышению чувствительности к магнитному полю, требованиями уменьшения энергопотребления, необходимостью совместимости с современными технологиями производства, разработки конструкций устройств, пригодных для изготовления на крупносерийном автоматизированном производстве. Подобные устройства могут применяться при решении задач навигации, диагностики ферросодержащих материалов и изделий, радиосвязи и радиолокации, при создании управляемых генераторов шумоподобных сигналов, синтезаторов частот, датчиков магнитных полей и различных механических величин (ускорения, вибрации), сейсмодатчиков. ИМУ могут использоваться в качестве элементной базы при создании магнитоуправляемых интегральных схем нового поколения с улучшенными параметрами [33- 37].
В связи с изложенным, представляется актуальным проведение исследований по интеграции существующих ферритовых материалов с кристаллами базовых транзисторов, а также по исследованию новых ферритовых материалов, совместимых с транзисторными технологиями.
Анализ и синтез преобразователей индукции магнитного поля на ферритовых резонаторах
Актуальность создания ИМУ на основе ферритовых материалов связана с тенденцией к миниатюризации, интеграции электронных компонент, повышению чувствительности к магнитному полю, требованиями уменьшения энергопотребления, необходимостью совместимости с современными технологиями производства, разработки конструкций устройств, пригодных для изготовления на крупносерийном автоматизированном производстве. Подобные устройства могут применяться при решении задач навигации, диагностики ферросодержащих материалов и изделий, радиосвязи и радиолокации, при создании управляемых генераторов шумоподобных сигналов, синтезаторов частот, датчиков магнитных полей и различных механических величин (ускорения, вибрации), сейсмодатчиков. ИМУ могут использоваться в качестве элементной базы при создании магнитоуправляемых интегральных схем нового поколения с улучшенными параметрами [33- 37].
В связи с изложенным, представляется актуальным проведение исследований по интеграции существующих ферритовых материалов с кристаллами базовых транзисторов, а также по исследованию новых ферритовых материалов, совместимых с транзисторными технологиями.
Объектом исследований являются ИМУ активного типа, включающие транзисторные схемы и ферритовые структуры. Рассматриваются интегральные магнитоуправляемые устройства на полевых (МУПТ) и биполярных (МУБТ) транзисторах, параметры которых управляются при помощи внешнего магнитного поля. Управление от магнитного поля достигается путём интеграции полупроводникового кристалла транзистора с микрополосковым преобразователем индукции магнитного поля в электрический сигнал (магнитоэлектронным элементом связи), представляющим собой участок линии передачи с включённым в него ферритовым резонатором. Задачи расчёта характеристик и разработки конструкций микрополосковых преобразователей энергии представляют собой самостоятельные и сложные научно- технические проблемы. Рассматриваются два основных типа ферритовых резонаторов: сферические и эпитаксиальные плёночные структуры [37- 40], работающие на частоте ферромагнитного резонанса (ФМР). На выходе магнитоэлектронного элемента связи формируется сигнал в одном из диапазонов (УВЧ, СВЧ) в зависимости от технических требований к ИМУ. Центральная частота и вид спектра ИМУ (монохроматический, сетки частот, шумоподобный) управляются при помощи внешнего постоянного магнитного поля. Информация о величине индукции внешнего магнитного поля содержится в значении частоты выходного сигнала, что имеет ряд преимуществ: возможность перевода информации в цифровой вид с последующей обработкой, создание магнитоуправляемых устройств СВЧ и пр.
Следует отметить, что использование ферритовых материалов требует создания упрощённых «инженерных» алгоритмов их анализа, поскольку строгие подходы, как правило, сложны и имеют ограниченную применимость на практике. Цель исследования:
Создание магнитоуправляемых УВЧ, СВЧ устройств в интегральном исполнении с повышенной чувствительностью к магнитному полю на основе решения задач анализа и синтеза преобразователей индукции магнитного поля на ЖИГ резонаторах и электронных схем на полевых и биполярных транзисторах.
В работе представлены научно- технические основы построения ИМУ нового поколения с использованием ферритовых резонаторов (сферических и эпитаксиальных структур железо- иттриевого граната), исследование и разработка элементной базы ИМУ (преобразователей индукции магнитного поля в энергию электромагнитной волны, активных схем обработки сигналов преобразователей на основе полевых и биполярных транзисторов), разработка методов проектирования и оптимизации ИМУ широкого применения (навигация; дефектоскопия; датчики магнитных полей; управляемые генераторы гармонических сигналов, шума, сеток частот; средства радиоэлектронной борьбы; системы автоматизации, измерительные системы и пр.) в диапазонах УВЧ, СВЧ.
В диссертационной работе исследованы ИМУ на основе феррит-транзисторных структур для применения в многофункциональных, управляемых устройствах в режимах генерации, усиления и преобразования сигналов непрерывной и импульсной мощности на УВЧ (0,3 - 3,0 ГГц), СВЧ (3,0 - 30,0 ГГц) и в нижнем участке диапазона КВЧ (до 40,0 ГГц).
ИМУ создаются на основе серийных транзисторов (отечественных или зарубежных) с магнитоэлектронными элементами связи (МЭС), содержащими ферритовые резонаторы, включаемые в соответствующие области транзисторов на входе, выходе в цепях положительных и отрицательных обратных связей для создания полосно-пропускающих и полосно-заграждающих режимов. ИМУ управляются при помощи внешнего постоянного магнитного поля и цепью питания транзистора. МЭС фактически являются преобразователями индукции внешнего магнитного поля в электрический сигнал и необходимы для осуществления управления характеристиками ИМУ от магнитного поля.
Новизна работы, широкий диапазон частот и уровней мощности потребовали решение следующих задач: провести патентный поиск по основным направлениям и возможностям построения ИМУ на основе монокристаллических ферритов; изучить отечественные и зарубежные источники информации; создать программы расчета биполярных и полевых транзисторов, включая программу расчета полупроводниковых структур-кристаллов биполярных и полевых транзисторов и магнитоэлектронных элементов связи; создать конструкции ИМУ различных типов в диапазонах УВЧ, СВЧ.
Конструкции МЭС и различные типы МУБТ и МУПТ, разработанные в рамках диссертационной работы, ориентированы на базовые типы отечественных транзисторов и ферритовых резонаторов. Зарубежные типы транзисторов использовались для отработки тестовых примеров по расчету эквивалентных параметров транзисторов, примеров проектирования конструкций ИМУ и требуемого аппаратурного обеспечения.
Важное значение при проведении данных исследований имеет отработка моделей в средах известных САПР. Аналитический обзор информационных источников и патентные исследования подтверждает новизну проводимых исследований и разработок, позволяет определить наиболее близкие прототипы и направления, ведущие страны-заявители.
Теоретические исследования показали преимущества ИМУ, по сравнению с базовыми типами транзисторов, позволили сформулировать предварительные требования к конструкциям и технологиям создания ИМУ.
Объектом исследований являются интегральные магнитоуправляемые устройства активного типа, включающие транзисторные схемы и ферритовые структуры. Рассматриваются интегральные магнитоуправляемые устройства на полевых и биполярных транзисторах, параметры которых управляются при помощи внешнего магнитного поля. Управление от магнитного поля достигается путём интеграции кристалла транзисторной схемы с ферритовым резонатором, работающим на частоте ФМР, зависящей от индукции внешнего магнитного поля.
Диссертационная работа содержит 305 страниц текста, 178 рисунков, 42 таблицы, 203 использованных источника. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и четырёх приложений.
В главе 1 проанализированы отечественные и зарубежные источники информации о магнитоуправляемых устройствах, исследованы вопросы создания специальных технологичных ферритовых материалов для ИМУ, представлены строгие подходы к созданию моделей ферритовых резонаторов на эпитаксиальных структурах ЖИГ. Найдены и проанализированы основные прототипы исследуемых ИМУ.
Проведены теоретические и экспериментальные исследования по созданию эпитаксиальных плёночных структур ЖИГ с расширенным диапазоном намагниченности насыщения 47гМ5 от 100 до 1750 Гс (данный раздел выполнен совместно с ФГУП «НИИ Материаловедения», г. Зеленоград), что позволяет расширить рабочие диапазоны частот и повысить технологичность разрабатываемых ИМУ.
Создание конструкций интегральных магнитоуправляемых устройств на биполярных и полевых транзисторах на основе микрополосковых технологий в диапазонах частот от 0,3 до 18,0 ГГц до 18,0 ГГц
Полученные характеристики представляются в виде таблиц, включаются в компьютерную модель и наиболее точно воспроизводят все физические процессы в МЭС. Оптимизация параметров эквивалентной схемы Гуммеля- Пуна биполярных транзисторов на основе экспериментальных характеристик
П. 2.3 и 2.4 диссертации посвящены вопросам моделирования полевых и биполярных транзисторов. Необходимость проведения этих исследований связана с моделированием ИМУ и их элементов в среде компьютерных САПР [55- 61]. Известно, что стоимость создания библиотек элементов радиотехнических цепей может быть значительно выше стоимости самой программной оболочки САПР. Поэтому большинство САПР представляют собой лишь удобную компьютерную среду для проведения моделирования устройств самого разного назначения с набором наиболее распространённых (причём исключительно зарубежных!) элементов в библиотеках.
Создание рабочего проекта в САПР, создание необходимых моделей элементов, дополнение проекта САПР необходимыми подпрограммами, анализ результатов расчета, оптимизация электрической схемы и микрополосковои топологии, анализ допусков, учёт технологических особенностей производства устройств и прочие сложные вопросы остаются в ведении разработчика. Экспериментальные образцы, исследованные в диссертации, как правило, создавались на отечественной транзисторной элементной базе.
Отечественные разработчики при моделировании полевых и биполярных транзисторов наиболее часто используют эквивалентные схемы Гуммеля- Пуна и Матерка соответственно. Такие эквивалентные схемы известны достаточно давно, однако в условиях современного производства создание теоретических моделей затруднено, хотя отдельные вопросы моделирования рассматриваются на очень высоком научном уровне. Так, на ряд отечественных транзисторов модели были предоставлены предприятиями- разработчиками: ФГУП НПП «Салют» (г. Н.Новгород), ЗАО НПП «Алмаз- Фазотрон» (г. Саратов). Однако, на некоторые отечественные транзисторы (полевые и биполярные) модели создавались с участием автора на основе полученных экспериментальных характеристик. В п.п.2.3 и 2.4 рассматриваются вопросы создания моделей Гуммеля- Пуна и Матерка на примере конкретных транзисторов. Эти вопросы не имеют научной новизны, но, тем не менее, технически достаточно сложны, и их решение необходимо для моделирования всего устройства (ИМУ), содержащего усилительные или генераторные транзисторные схемы. Рассмотрим вопросы моделирования в среде САПР.
Биполярный транзистор, как радиотехнический элемент, представляет собой полупроводниковый кристалл, смонтированный в корпусе. Кристалл подключается к выводам транзистора разварочными проволоками, кроме того, транзистор может включать в себя цепи согласования. Дополнительные элементы (разварочные проволоки, корпус, выводы транзистора и цепи согласования) вносят существенные искажения в работу полупроводникового кристалла и должны включаться в эквивалентную схему транзистора. При моделировании биполярного транзистора использовалась известная схема Гуммеля- Пуна (ограничена пунктирной линией на рисунках 2.31, 2.32).
Начальными данными для расчета служат экспериментальные семейства статических характеристик транзисторов. Математическое описание статической модели Гуммеля- Пуна биполярного транзистора приведено в [57]. Алгоритм работы программы основан на оптимизации статических параметров моделей транзисторов для наилучшего согласования результатов расчета и экспериментальных данных. Описание алгоритмов расчета приведено в [51].
Традиционная методика определения эквивалентных параметров нелинейных моделей транзисторов основана на проведении большого числа сложных измерений [49]. Однако разброс параметров для отечественных транзисторов одной серии составляет 30%, поэтому на практике не требуется точное определение всех параметров модели. В алгоритме расчёта реализована упрощенная и эффективная методика, позволяющая на основе минимального числа простых измерений (семейства статических характеристик транзисторов) смоделировать полупроводниковую структуру кристалла биполярного транзистора. Создан алгоритм оптимизации величин дополнительных реактивных элементов транзистора (индуктивностей разварочных проволок и выводов транзистора, емкостей согласующих элементов). Исходными данными являются справочные данные на транзистор (граничная частота, коэффициент усиления на рабочей частоте, согласующие емкости, индуктивности выводов) или экспериментально измеренные S-параметры в рабочем диапазоне частот
Теоретическая оценка стойкости интегральных магнитоуправляемых устройств к воздействиям механических и климатических факторов
Магнитостатические спиновые волны (МСВ) возбуждаются в средах, обладающих магнитной упорядоченностью - ферримагнетиках или ферритах. Использование МСВ в СВЧ технике стало возможно в связи с появлением новых магнитных материалов, обладающих не только магнитными, но и диэлектрическими свойствами, в частности, ЖИГ. В отличие от акустических волн МСВ обладают сильной дисперсией и легко управляются внешним магнитным полем. Различают три типа магнитостатических волн -прямые объемные волны в нормально намагниченных пластинах (плёнках) феррита, обратные объёмные волны в касательно намагниченных пластинах и, наконец, поверхностные МСВ в касательно намагниченных пластинах феррита. Все типы волн широко используются в СВЧ устройствах - линиях задержки сигнала, различных фильтрах, фазовращателях [164, 165], МСВ- резонаторах, шумоподавителях, фазовых и амплитудных корректорах и пр.
Актуальность исследований, представленных в четвёртой главе, определяется возможностью создания элементной базы нового типа - МУПТ на плёночных ферритах, основные характеристики которых могут управляться при помощи внешнего постоянного магнитного поля. Создание МУПТ на эпитаксиальных плёночных структурах феррита будет способствовать разработке новых поколений многофунциональных микросистем широкого применения для средств наземной и спутниковой связи, локации, навигации, наведения, тестирования, контроля и метрологического обеспечения, кодирования и шифрования сигналов, защиты информации и пр.
Конструкции МУПТ, представленные в четвёртой главе, имеют в своём составе базовый полевой транзистор с барьером Шоттки (ПТШ), сопряженный с преобразователем индукции магнитного поля. Исследованы ферритовые структуры пленочного типа - ЭС ЖИГ, разработанные в ЗАО «НИИМВ» (г. Зеленоград) [42- 45]. Колебательные процессы в плёночных ферритах [133, 134, 139, 176] весьма сложны и отличаются от процессов, происходящих в ферритовых сферах, исследованных в главе 1.
Цель главы 4 диссертации заключалась в проведении теоретических исследований МУПТ в УВЧ и СВЧ диапазонах. Направление работ: - теоретические и экспериментальные исследования по созданию полевых GaAs транзисторов с выходной мощностью до 100 мВт в диапазоне частот до 18 ГГц и до 2 Вт в диапазоне частот до 3 ГГц; - расчет и разработка различных типов ИМУ в усилительном и генераторном режимах для регулярных сигналов на низком (от 20 до 100 мВт) уровне мощности в УВЧ диапазоне (от 0,3 до 3 ГГц); - разработка необходимой оснастки; - разработка предложений по составу параметров - критериев годности ИМУ и методов их измерения; - уточнение параметров экспериментальных образцов ИМУ (диапазон частот, мощность, режимы работы).
Преобразователь индукции магнитного поля или МЭС - это участок микрополосковой линии передачи, включающий ферритовую пленку. Топология микрополосковых проводников элемента связи должна обеспечивать эффективное взаимодействие линии передачи с ферритовой плёнкой [53, 54].
Теоретическая отработка параметров модели микрополоскового элемента связи заключается в исследовании особенностей возникновения явления ферромагнитного резонанса в эпитаксиальных плёночных структурах феррита и формализации физических процессов в элементе связи с ферритом. Существуют различные подходы к математическому описанию микрополоскового элемента связи с ферритом: 1) на основе строгой электродинамической модели; 2) с помощью измеренных -параметров.
Преимущества первого подхода заключаются в максимально точном математическом представлении физических процессов в феррите, взаимодействующем с микрополосковой линией передачи. Основной недостаток - сложность модели, большие затраты времени на моделирование.
Второй подход основан на измерении электрических параметров моделируемого устройства, установленного в измерительный тракт в СВЧ
оправке. Преимущества такого подхода - возможность быстрого создания модели на основе экспериментально полученных -параметров. Таким образом, компьютерная модель представляет собой «черный ящик» с набором соответствующих параметров на входе и выходе. Исключить влияние измерительной СВЧ оснастки на параметры модели можно только при использовании специальной зондовой станции, позволяющей проводить измерения непосредственно на входном и выходном полюсах измеряемого объекта.
Для исследования МУПТ на эпитаксиальных плёночных структурах ферритов в УВЧ диапазоне были разработаны МЭС различного типа для работы с плёночными ферритами. Использованы два типа элементов связи: полосно-заграждающий и полосно-пропускающий.
Полосно- заграждающий МЭС работает следующим образом. В отсутствии магнитного поля коэффициент передачи максимальный (малые потери) и наилучший КСВН. Эти потери зависят только от конструкции элемента связи и их можно смоделировать. Рассчитаны частотные зависимости коэффициента передачи S(2,1) и КСВН в диапазоне частот от 0,3 до 3,0 ГГц. При наложении внешнего магнитного поля элемент связи поглощает мощность СВЧ на частоте ферромагнитного резонанса и на частотной характеристике коэффициента передачи появляется резонансное поглощение. Абсолютная величина этого поглощения зависит от эффективности работы элемента связи, т.е. прежде всего от длины микрополосковой линии МЭС.
Полосно- пропускающий МЭС в отсутствии магнитного поля имеет минимальный коэффициент передачи. КСВН элементов связи такого типа вне частоты ФМР, как правило, велик, т.е. большая часть мощности СВЧ отражается от входа. Это объясняется тем, что микрополосковый проводник входа элемента связи заземлён или работает в режиме холостого хода. При наложении внешнего магнитного поля на частоте ФМР элемент связи пропускает мощность СВЧ и на частотной характеристике коэффициента передачи появляется «пик». На этой частоте коэффициент передачи максимальный, а потери обуславливаются конфигурацией элемента связи и режимом работы ферритовой плёнки. КСВН на частоте ФМР будет наименьший.
На рисунках 4.1а-е показаны топологии элементов связи полосно-заграждающего и полосно- пропускающего типов. Использована подложка из арсенида галлия толщиной 100 мкм и размером 2300x2000 мкм.
Проведён расчёт характеристик МЭС в режиме отсутствия магнитного поля в диапазоне частот от 0,3 до 3,0 ГГц: для элемента связи ПЭС-5 КСВН не более 1,3 ослабление от 0,7 до 1,7 дБ; коэффициент передачи ПЭС-3 от 0,0 до 7,0 дБ; коэффициент передачи ПЭС-1 и ПЭС-2 более 30 дБ, коэффициент передачи ПЭС-4 и ПЭС-6 более 50 дБ.
На рисунках 4.1в,г,д показаны элементы связи ПЭС-2, ПЭС-1, ПЭС-4 полосно-пропускающего типа, работающие в режиме короткозамкнутой микрополосковой линии (ПЭС-2 и ПЭС-4) и в режиме холостого хода (ПЭС-1). На рисунке 4.1е показан элемент связи ПЭС-6 - упрощённая модификация элемента связи ПЭС-4. Такая конструкция имеет несколько меньшую длину микрополосковой линии, взаимодействующей с ферритовой плёнкой, но она более технологична.
