Введение к работе
. Актуальность темы.
В последнее время внимание разработчиков радиоэлектронной аппаратуры все чаще акцентируется на элементной базе для средств неразрушиощего контроля качества различных материалов н изделий. Для получения визуального отображения дефектов внутренней структуры ферромагнитных материалов наиболее широко распространены магнитные методы, основанные на регистрации и отображении магнитных полей рассеяния от дефектов. В последние годы к известным методам диагностики ферромагнитных материалов, таким как магннтопорошковый и магнитографический, добавился метод магнитной интроскопии, основанный на электронном сканировании приповерхностного магнитного поля объекта контроля и отображении его на экране вндеоконтрольного устройства или персонального компьютера. Достоинство магнитной интроскопии заключается в возможности проводить неразрушающий контроль ферромагнитных материалов, путем их локального намагничивания н регистрации карты распределенного магнитного поля от имеющихся структурных дефектов.
Линии магнитного поля рассеяния от дефектов в структуре ферромагнитного материала, имеют нормальную н тангенциальную составляющие вектора индукции В. С помощью магричного 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 ІЦ, можно определить центр области дефекта.
Известны матричные преобразователи магнитных полей из
дискретных магнитодиодов или магнитотранзнсторов. Недостатками
матричных преобразователей, состоящих из дискретных
магтггочувствителъных элементов является то, что они имеют не только большие габариты с большим количеством информационных выводов, но и низкую пространственную разрешающую способность, составляющую единицы миллиметров. Разориенташи кристаллов магниточувствительных элементов, возникающая при их монтаже на плату, приводит к разбросу основного параметра - магниточувствительности, что в свою очередь снижает точность днапіостики. Известны также преобразователи магнитных полей в виде матрицы из ыагниторезисторов. 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.
В связи с выше изложенным актуальной является задача разработки и комплексного исследования магричных преобразователей магнитного поля с высоким уровнем раїрсшсния, малой потребляемой
-5.
мощностью, минимальным числом выводов, обладающих высокой надежностью, широким функциональным назначением.
Цель диссертационной работы - разработка и комплексное
исследование интегральных полупроводниковых матричных
преобразователей магнитного поля с высоким уровнем пространственного разрешения, основанных на высокоэффективных магнитотранзнстрных элементах, реализуемых по КМОП-технологни НС.
Научная новизна результатов, полученных в настоящей диссертационной работе, заключается в следующем:
1. Впервые получены результаты трехмерного моделирования
двухколлекторного биполярного магнитотранзистора, с учетом влияния
эффектов саморазогрева, поверхностной рекомбинации носителей,
конструктивных и технологических факторов на значение
магниточувствнтельности транзистора, а также влияние магнитного поля,
внешних температурных условия и режима работы на электрофизические
параметры магнитотранзистора.
2. Показана возможность создания матричных преобразователей
магнитного поля на основе МОП и биполярных транзисторов, обладающих
низким уровнем собственных шумов (не выше 2 мкТлЛ/Гц), и
повышенными значениями мапшточувствитсльностн и пространственного
разрешения.
3. Предложен принцип построения интегральных полупроводниковых
матричных преобразователей магнитного поля на основе двухколлекгориых
биполярных и двухстоковых МОП транзисторов, основанный на комбинации гальваломагнитных и электрофизических эффектов в одной структуре.
Практическая значимость.
1. Разработаны и изготовлены оригинальные конструкции
преобразователей магнитного поля динамического типа с размерностью
30x30 и 16x8, на основе МОП и биполярных магнитотранзисторов с
высоким уровнем разрешения, имеющие соответствующие входы, для
выбора магниточувствительных ячеек, и два информационных выхода, для
опроса ее состояния.
2. Использование разработанных преобразователей магнитного поля
позволяет;
измерять нормальную составляющую магнитного поля, путем блочно-координатного сканирования поверхности с дискретностью 300 мкм;
измерять тангенциальную составляющую магнитного поля, путем построчно-координатного сканирования с дискретностью 200 мкм;
4. Полученные матричные преобразователи позволяют повысить разрешающую способность и надежность сканеров магнитных
ни фОСКОПОВ.
7-Реализация результатов работы.
Разработанные и изготовленные НИМИ магнитного поля используются в Обнинском институте атомной энергетики, при построении сканеров для магнитного интроскопа с высокой разрешающей способностью, что подтверждено актом о внедрении. На зашиту выносятся:
1. Новые конструкции интегральных полупроводниковых матричных
преобразователей магнитного поля с улучшенными характеристиками по
пространственной разрешающей способности (200 мкм),
магниточувствительности (10 %/Тл) , разрешению по магнитному полю н
малым уровнем собственных шумов (не выше 2 мк'ГлМ'ц).
-
Результаты моделирования двухколлекторного биполярного магнитотранзистора, которое позволило провести расчет технологи чес кого маршрута изготовления, а также электрофизических характеристик структуры с учетом влияния магнитного Поля и изменения температуры и выявить критические узлы структуры, что позволило провести оптимизацию разработанной конструкции магнитотранзистора, с целью получения минимального значения коэффициент температурной зависимости чувствительности.
-
Результаты экспериментальных исследований характеристик разработанных интегральных матричных преобразователей ыапшгного поля, из которых следует, что:
-8- наибольшим значением пространственной разрешающей способности обладают преобразователи на основе биполярных магнитотранзнсторов;
наименьшим значением потребляемой мощности обладают матричные преобразователи на основе МОП-транзисторов;
наибольшее значение относительной магниточувствительности зафиксировано в конструкциях преобразователей на основе двухколлекторкых биполярных магаитотранзисторов.
4. Принцип построения интегральных полупроводниковых матричных преобразователей магнитного поля иа основе двухколлскторных биполярных и двухстоховых МОП транзисторов, основанный на комбинации гальсаном&пштных м электрофизических эффектов в одной структуре.
Апробация работы.
Основные положення и результаты диссертационной работы представлены двенадцатью докладами на следующих конференциях: Всероссийская научно-техническая конференция "Датчшеи а преобразователи информации систем измерения , контроля и управления", (Крым, ыай 1998 г., 1999 г.); Всероссийская иаучло-тсхническая конференцій с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники". (Дивноморское. сентябрь 1998 г., 1999 г.). Научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика" (Зеленоград 1997-1999 гг.)
.9* Публикации.
Основные результаты работы отражены в четырех статьях, одном патенте на изобретение, и представлены двенадцатью докладами на научно-технических конференциях. Структура н объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения н списка цитируемой литературы из 84 наименований. Объем диссертации составляет 131 страницу текста и включает 52 рисунка и 4 таблицы.