Введение к работе
Актуальность темы
Во многих отраслях науки и техники возникает необходимость определения параметров магнитных полей. В последнее время широкое применение в различных областях, таких как медицина, биология, дефектоскопия и т.д., получили системы магнитной интроскопии, основанные на электронном сканировании и отображении приповерхностного магнитного поля объекта контроля.
Достоинство магнитной интроскопии заключается в возможности проводить неразрушающий контроль ферромагнитных материалов, путем их локального намагничивания и регистрации карты распределенного магнитного поля от имеющихся структурных дефектов.
Линии магнитного поля, огибающие дефект в структуре ферромагнитного материала, имеют нормальную и тангенциальную составляющие вектора индукции В. С помощью матричного преобразователя магнитных полей состоящего из сенсоров, чувствительных к нормальной составляющей вектора индукции В„, можно определить границы области дефекта, а с помощью матричного преобразователя магнитных полей состоящего из сенсоров, чувствительных к тангенциальной составляющей вектора В можно определить центр области дефекта. Для полной характеристики структурного дефекта необходимы матричные преобразователи магнитных полей, состоящие из сенсоров чувствительных ко всем составляющим вектора магнитной индукции В. Хорошо известны матричные преобразователи магнитных полей на основе дискретных магнитодиодов или магнитотранзисторов. Однако они обладают рядом недостатков, основными из которых являются большие габариты с большим количеством информационных выводов и низкая пространственная разрешающая способность, составляющая единицы миллиметров. Разориентация кристаллов чувствительных элементов, возникающая при их монтаже на плату, приводит к разбросу основного параметра - магниточувствительности, что в свою очередь снижает точность диагностики. Производятся также матричные преобразователи магнитных полей в виде матрицы из магниторезисторов. Недостатками данных преобразователей является низкая пространственная разрешающая способность, большой ток потребления. Матричные преобразователи, состоящие из элементов Холла, имеют большое количество информационных выводов, что ведет к увеличению пассивной площади кристалла, занимаемой контактными площадками. Большинство из описанных магниточувствительных матриц не имеет возможности
' Т'ОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА 1
измерять параметры всех составляющих вектора индукции магнитного поля.
В связи с выше изложенным актуальной является задача разработки и комплексного исследования микроэлектронных магниточувствительных матриц для измерения параметров вектора индукции магнитного поля, выполненных по технология интегральных схем, которые позволят снизить габариты, повысить разрешающую способность, сократить количество информационных выводов, уменьшить неидентичность параметров элементов матрицы и пространственную разориентацию ячеек, повысить надежность по сравнению с матричными преобразователями на дискретных элементах.
Цель работы — разработка и комплексное исследование интегральных полупроводниковых матричных преобразователей вектора индукции магнитного поля с высоким уровнем пространственного разрешения, основанных на магнитотранзисторных структурах, реализуемых по КМОП-технологии ИС.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
1. Разработан принцип построения интегральных
магниточувствительных матриц для измерения параметров вектора
индукции магнитного поля на основе магнитотранзисторных структур.
2. Разработан метод повышения разрешающей способности
двухколлекторного биполярного магнитотранзистора, основанный на
применении тонкопленочного многослойного концентратора магнитного
поля.
3. Разработан метод снижения уровня собственных шумов в
двухколлекторном биполярном магнитотранзисторе, основанный на
уменьшении влияния поверхности раздела Si02-Si в области между
эмиттером и коллектором, за счет заглубления активных областей, и
смещения линий тока в глубину структуры.
4. Разработан метод снижения величины температурного
коэффициента магниточувствительности биполярного двухколлекторного
магнитотранзистора, основанный на температурной зависимости
прямосмещенного р-n перехода база-эмиттер и задания с помощью
внешних резисторов определенной рабочей точки на вольт-амперной
характеристике данного р-n перехода.
5. Установлена закономерность радиационной деградации характеристики преобразования двухколлекторного биполярного магнитотранзистора при его рентгеновском облучении и определено, что радиационная деградация напряжения смещения нуля магнитотранзистора объясняется образованием в изолирующем окисле положительного заряда.
Практическая значимость
1. Разработаны и изготовлены матричные преобразователи магнитного поля динамического типа: двухкомпонентный, на основе биполярных двухколлекторных магнитотранзисторов с размерностью 1x32; трехкомпонентные, на основе МОП двухстоковых и биполярных двухколлекторных магнитотранзисторов и на основе одноэлементного функционально-интегрированного восьмиколлекторного магнитотранзистора, с размерностью 3x3, с высоким уровнем пространственного разрешения.
-
Применение разработанной элементной базы интегральных полупроводниковых матричных преобразователей в составе сканера магнитного интроскопа позволяет более точно измерять параметры дефекта ферромагнитного объекта, из-за более плотного размещения магаиточувствительных ячеек друг относительно друга (до 200 мкм между ними) и их расширенных возможностей, — контролировать до трех компонент вектора магнитной индукции.
-
Разработанные интегральные многокомпонентные матричные преобразователи вектора индукции магнитного поля имеют уменьшенную неидентичность параметров элементов матрицы, малые значения температурного коэффициента изменения магниточувствительности (0.03 %/С в диапазоне температур от 20 до 95 С) и пониженный разброс температурной нестабильности характеристик элементов и могут служить основой для создания перспективных интеллектуальных магниточувствительных микросистем.
4. Изготовленные экспериментальные образцы
магниточувствительной микросистемы на основе биполярного
двухколлекторного магнитотранзистора с тонкопленочным многослойным
концентратором магнитного поля и инструментального операционного
усилителя, имеющей величину абсолютной магниточувствительности 675
В/Тл, значение предельного разрешения по магнитному полю менее 15
нТл/(Гц)1/2 на центральной частоте 1 кГц, могут бьпь применены в
электронной аппаратуре для контроля вектора магнитной индукции.
Реализация результатов работы
Результаты данной работы были внедрены и использованы:
1. В ЗАО «Инновационный центр новых технологий» для разработки и изготовления подсистемы намагничивания и системы визуализации внутренней структуры ферромагнитных изделий, основанной на электронном сканировании приповерхностного магнитного рельефа.
-
В ООО «Автосенсор-2000» в бесконтактных датчиках линейного и углового перемещения и для разработки бесконтактного датчика положения дроссельной заслонки в микропроцессорной системе управления автомобильным двигателем ЗМЗ 406.2.
-
В ООО «Центр технической диагностики «ИНТРОСКО» в сканере магнитного интроскопа для систем визуализации распределённых магнитных полей и систем неразрушающего контроля.
На защиту выносятся:
1. Принцип построения интегральных полупроводниковых
матричных преобразователей вектора индукции магнитного поля на
основе двухэлементной ячейки, трехэлементной комбинированной
ячейки, одноэлементной функционально-интегрированной ячейки,
заключающийся в объединении активных областей массива
магниточувствительных ячеек таким образом, чтобы основные
характеристики каждого магнитотранзистора, входящего в состав
активной магниточувствительной ячейки и работающего в нормально-
активном режиме, не зависели от влияния других магнитотранзисторов,
принадлежащих пассивным магниточувствительным ячейкам.
-
Конструкция двухколлекторного биполярного магнитотранзистора с заглубленными областями эмиттера и коллекторов, обеспечивающего снижение уровня собственных шумов и повышение разрешения по предельной величине магнитного поля.
-
Конструкция двухколлекторного биполярного магнитотранзистора с тонкопленочным многослойным концентратором магнитного поля, обеспечивающего повышение значения магниточувствительности сенсора при измерении малых магнитных полей.
4. Метод снижения величины температурного коэффициента
магниточувствительности биполярного двухколлекторного
магнитотранзистора, основанный на температурной зависимости
прямосмещенного р-n перехода база-эмиттер и задания с помощью
внешних резисторов определенной рабочей точки на вольт-амперной
характеристике данного р-n перехода.
5. Закономерность радиационной деградации напряжения смещения
нуля магнитотранзистора, которая объясняется образованием в
изолирующем окисле положительного заряда при рентгеновском
облучении.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы представлены девятью докладами на следующих конференциях:
Третья международная научно-техническая конференция
«Электроника и информатика — XXI век» (г. Москва, МИЭТ 2000г.)-
Четвертая международная научно-техническая конференция
«Электроника и информатика — 2002» (г. Москва, МИЭТ 2002г.). Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», (п. Дивноморское 2000-2002 гг.). XIII научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. Датчик 2001». (г. Судак, 2001 г.). Российская научная конференция «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2001», (г.Москва, 2001г.). Восьмая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2001» (г. Зеленоград, 2001 г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе две статьи в научно-технических журналах, одно свидетельство на полезную модель и девять тезисов докладов в сборниках, трудах и материалах научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников цитируемой литературы из 77 наименований. Объем диссертации составляет 127 страниц текста и включает 70 рисунков и 9 таблиц.
