Введение к работе
Актуальность темы
Устройства, управляемые при помощи внешнего постоянного магнитного поля, широко используются уже более 50 лет. В настоящее время, в связи с требованиями по 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, содержащих преобразователь индукции магнитного поля в электрический сигнал и схему его обработки.
В связи со значительной степенью интеграции полупроводниковых элементов, определяющими факторами для интеграции магнитоуправляемых устройств являются тип и конструкция преобразователя индукции магнитного поля.
Известны преобразователи индукции магнитного поля различных типов- магнитомеханические, индукционные, Squid-, гальваномагнитные (на эффекте Холла), магниторезонансные (квантовые), магниторезистивные, феррозондовые и пр. Несмотря на то, что некоторые типы преобразователей имеют высокую чувствительность к магнитному 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 магнитных интегральных схемах используются преобразователи индукции магнитного поля на основе эффекта Холла, либо магниторезистивного эффекта, что обеспечивает чувствительность к магнитному 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 магниторезистивных 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: O.K. 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 магнитными интегральными схемами зарубежного производства.
Известные магнитные интегральные схемы при невысокой цене и простоте изготовления имеют, однако, существенный недостаток, связанный с офаничениями по чувствительности к магнитному 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 магнитоуправляемых 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 диапазонах частот использован новый принцип работы магнитоуправляемых интегрированных систем и устройств, заключающийся в применении в качестве магниточувствительных элементов резонаторов на основе железо- иттриевого граната (ЖИГ) и интеграции с высокочастотной схемой обработки в единую микросборку - интегральное магнитоуправляемое 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 магнитному полю (до единиц нанотесла), позволяющие осваивать новые для магнитных интегральных схем частотные диапазоны 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 магнитными 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 генераторов шумоподобных сигналов, перестраиваемых активных фильтров, датчиков магнитных полей и различных механических величин (ускорения, вибрации, сейсмодатчиков) и пр.
Актуальность теоретического раздела диссертации связана с исследованиями полосовых доменных структур (ПДС) в эггатаксиаль-ных структурах (плёнках) ЖИГи необходимостью уточнения характеристик устройств на их основе, работающих в ненасыщенных режимах (в слабых магнитных полях).
В связи с изложенным, представляется актуальным проведение исследований по интеграции ЖИГ резонаторов с кристаллами базовых транзисторов.
Объектом исследований являются ИМУ активного типа, включающие транзисторные схемы и ферритовые структуры. Рассматриваются ИМУ на полевых (МУПТ) и биполярных (МУБТ)
транзисторах, параметры которых управляются при помощи внешнего магнитного поля. Управление от магнитного поля достигается путём интеграции кристалла транзистора с микрополосковым преобразователем индукции магнитного поля, представляющим собой участок линии передачи с включённым в него ферритовым резонатором. Задачи расчёта характеристик и разработки конструкций преобразователей индукции магнитного поля представляют собой самостоятельные и сложные научно- технические проблемы. Рассматриваются два основных типа ферритовых (ЖИГ) резонаторов: сферические и плёночные. На выходе преобразователя индукции магнитного поля формируется сигнал в одном из диапазонов частот 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, расширение рабочих диапазонов 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 магнитному полю порядка единиц нанотес-ла; проведены экспериментальные исследования характеристик ИМУ в диапазонах УВЧ, СВЧ; проведены исследования по созданию интегрированных радиотехнических схем нового типа с существенно улучшенными параметрами: датчиков магнитного поля, механических смещений, диагностики и обнаружения ферросодержащих тел.
Цель работы: Создание магнитоуправляемых радиотехнических 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.
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 магнитного поля на сферических и плёночных ферритовых резонаторах, усилительных и генераторных схем на полевых и биполярных транзисторах и создание программ расчёта интегральных магнитоуправляемых устройств.
3 Создание микрополосковьгх конструкций интегральных
магнитоуправляемых радиотехнических устройств с повышенной чув-
ствительностью к магнитному полю на основе решения задач их анализа и синтеза.
4 Экспериментальные исследования интегральных
магнитоуправляемых устройств в диапазонах УВЧ, СВЧ в усилитель
ных, генераторных, шумоподобных режимах.
-
Теоретические оценки и экспериментальные исследования влияния на интегральные магнитоуправляемые устройства механических и температурных воздействий.
-
Теоретические и экспериментальные исследования интегральных магнитоуправляемых устройств по их практическому использованию в качестве датчиков различного назначения.
Методы исследования: Исследования основывались на методах расчёта магнитостатических полей, методах расчёта характеристик магнитостатических волн в ЖИГ плёнках, методах теории вероятностей и математической статистики, численных методах решения уравнений, методах оптимизации, методах интерполяции. Научная новизна работы:
-
С использованием понятия магнитного диполя, создан метод анализа плёночных ферритовых резонаторов, учитывающий магнитную 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
магнитоуправляемых 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 диапазоном намагниченно
сти насыщения 4nMs от 100 до 1759 Гс.
Практическая значимость результатов:
-
Разработанные методы анализа и оптимизации позволяют моделировать магнитную 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
магнитному полю до единиц нанотесла.
-
Использование ферритовых резонаторов при разработке ИМУ позволяет создавать магнитные интегральные схемы в радиотехнических диапазонах частот с новыми функциональными возможностями: синтезаторы частот, датчики магнитного поля с частотным выходом, управляемые активные фильтры, малогабаритные генераторы шума и сеток частот и пр.
-
Созданы топологии ИМУ в радиотехнических диапазонах частот на полевых и биполярных транзисторах, которые могут применяться для: решения задач навигации, дефектоскопии; построения: датчиков магнитных полей с повышенной чувствительностью, датчиков малых механических смещений; управляемых генераторов гармонических сигналов, шума, сеток частот; измерительных систем и пр.
Впедрение результатов диссертационной работы:
-
На разработанные прикладные программы получены три Свидетельства Роспатента об официальной регистрации в Реестре программ для ЭВМ;
-
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 магнитных полях.
-
Разработанные схемотехнические и электродинамические модели и соответствующие программы расчета интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств и их основных элементов: преобразователей индукции магнитного поля на сферических и плёночных ферритовых резонаторах, усилительных и генераторных схем на полевых и биполярных транзисторах.
-
Новый тип интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств на сферических и плёночных ферритовых резонаторах с повышенной чувствительностью к магнитному полю (до единиц нано-тесла) и расширением рабочих частот до диапазонов УВЧ, СВЧ по сравнению с интегральными схемами на гальваномагнитном и магниторезистивном эффектах.
4. Монолитные и квазимонолитные конструкции интегральных
магнитоуправляемых 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 магнитоуправляемых радиотехнических устройств на сферических и плёночных ферритовых резонаторах теоретически и экспериментально исследованы в усилительном, генераторном, шумоподобном режимах в диапазонах УВЧ, СВЧ.
-
Разработанные интегральные магнитоуправляемые радиотехнические устройства использованы в качестве базовых элементов в датчиках магнитного 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 «НІШ «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 магнитотранзисторов в УВЧ диапазоне» КБ критических технологий ОАО «Тантал», г.Саратов, 20.07.2007 г., VIII международной научно- практической конференции «Dny vedy - 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 Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, 4 приложений и списка литературы. Общий объем текста включает 312 страниц, 152 рисунка и 40 таблиц. Список литературы состоит из 320 наименований.
Похожие диссертации на Анализ и синтез интегральных магнитоуправляемых радиотехнических устройств на ферритовых резонаторах
