Исследование и разработка КНИ полевых датчиков Холла с расширенными функциональными возможностями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Павлюк, Михаил Ильич

• Павлюк, Михаил Ильич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Павлюк, Михаил Ильич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ КРЕМНИЕВЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

1.1 Современные чувствительные элементы микроэлектронных датчиков магнитного поля

1.2 МДПДМ полевой датчик Холла, его свойства и возможности

1.3 Обоснование направления исследований

ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 ПДХ с управлением р-п переходами и с МОП управлением

2.2 Методы экспериментальных исследований

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПДХ С РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ ПОЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ

3.1 Моделирование ПДХ, управляемых р-п переходами

3.2 Описание экспериментальных образцов

3.3 Экспериментальные исследования тестовых элементов Холла на основе КНИ структур, изготовленных по технологии ХТ018

3.4 Экспериментальные исследования тестовых элементов Холла, изготовленных по технологии XT035

3.5 Моделирование ПДХ с МОП управлением

3.6 Анализ температурного диапазона функционирования ПДХ с различными типами полевого управления

Выводы к главе 3

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ НА

ОСНОВЕ ПДХ

4.1 Датчики с частотным выходом

4.2 Принципы создания активного сенсора для многоэлементных преобразователей магнитного поля

Выводы к главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

СПРАВКИ О ВНЕДРЕНИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка КНИ полевых датчиков Холла с расширенными функциональными возможностями»

ВВЕДЕНИЕ

Хорошо известно, что прогресс науки, техники и технологий является фундаментальным условием, определяющим возможность эффективного развития производственной и интеллектуальной деятельности человека. И если первая стадия промышленной революции, начавшаяся в середине 18 века, позволила освободить человека от ручного труда за счет появления разнообразных машин и механизмов, а вторая, серьёзно заявившая о себе столетием позднее, помогла интенсифицировать его интеллектуальную деятельность благодаря созданию информационных технологий и соответствующей электронной базы, то нынешняя, третья стадия, используя достигнутые успехи микроэлектроники, фактически во многом помогает человеку существенно расширить возможности его взаимодействия с окружающей средой. Речь идёт о разработках микроэлектронных датчиков внешних воздействий и сенсорных систем на их основе, в том числе и воздействиях, которые не доступны органам чувств человека. Одним из таких воздействий является магнитное поле, и именно разработке микроэлектронных датчиков магнитного поля с улучшенными характеристиками и расширенными функциональными возможностями посвящена настоящая работа.

Микроэлектронные датчики магнитного поля относятся к числу наиболее востребованных и массово изготавливаемых датчиков. Это обусловлено очень широким полем их применения. Датчики магнитного поля востребованы в автомобильной, авиационной и космической электронике, в автоматике и робототехнике, в системах контроля перемещений, поворота, ориентации и навигации, в электротехнике, экологии и медицине, научном приборостроении и т.д. Они используются применительно как к объектам, имеющим собственное магнитное поле, так и в ситуации, когда изучаемый объект специально снабжается магнитной меткой. В этом случае датчики магнитного поля применяют для контроля других физических воздействий, например, в качестве датчиков давления и ускорения. Не будет сильным преувеличением утверждать, что проще назвать

области, где не применяют датчики магнитного поля, чем перечислить области их применения.

В современной микроэлектронике, начиная с 60-х годов прошлого века и по сей день, подавляющее большинство приборов изготавливаются на основе кремния. Это относится и к дискретным магниточувствительным датчикам и к интегральным схемам на их основе. В данной работе исследована возможность разработки нового поколения кремниевых датчиков магнитного поля с повышенными характеристиками и расширенными функциональными возможностями, которые обусловлены использованием технологии «кремний на изоляторе» (КНИ). Физически это означает переход от традиционных пассивных резистивных кремниевых чувствительных элементов датчиков к активным элементам транзисторного типа (так называемым полевым датчикам Холла -ПДХ). В этом случае КНИ чувствительный элемент способен не только регистрировать и измерять магнитное поле, но и выполнять определенные функции обработки магнитоиндуцированного сигнала. Благодаря этому можно радикально улучшить электрические характеристики датчиков, существенно расширить функциональные возможности схем обработки магнитного сигнала и сенсорных систем. Кроме того, КНИ конструкция датчиков способствует увеличению магниточувствительности, расширению температурного диапазона функционирования, повышению радиационной стойкости и уменьшению энергопотребления.

Цель работы

Основная цель настоящей работы состоит в исследовании и разработке элементов и датчиков магнитного поля с расширенными функциональными возможностями с использованием современных методов проектирования и технологических процессов, ориентированных на практическую реализацию высокоэффективных, как по техническим, так и по коммерческим параметрам, преобразователей магнитного поля. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи.

1. Разработать физические модели элемента Холла с полевым управлением током канала, реализуемого на основе МДП и р-п-р структур, и осуществить математическое моделирование приборов с целью установления закономерностей, определяющих связь электрических характеристик преобразователей с их конструктивно-технологическими параметрами.

2. Определить оптимальные конструктивные и технологические параметры управляемых р-п переходами полевых элементов Холла в диапазоне проектных норм промышленных процессов КМОП технологии 0,18 - 0,6 мкм, ориентированных на изготовление интегральных датчиков магнитного поля с использованием ИС интерфейсной электроники.

3. Экспериментально исследовать возможности полевого управления электрофизическими параметрами и характеристиками магнитной чувствительности датчиков Холла с различными типами полевого управления (МОП, р-п).

4. Экспериментально исследовать температурные свойства элементов Холла с МДПДМ и р-п управлением и оценить пределы функционирования, соответствующих ПДХ в широком диапазоне температур.

5. Продемонстрировать возможность и целесообразность использования ПДХ в датчиках магнитного поля различного функционального назначения на основе новых схемотехнических решений.

6. Разработать ряд элементов интерфейсной электроники, обеспечивающих возможность создания магнитных датчиков на основе ПДХ с повышенной рабочей температурой.

7. Обосновать и экспериментально продемонстрировать целесообразность использования управляемых полем КНИ чувствительных элементов транзисторного типа для разработки нового поколения высокочувствительных датчиков различных физических воздействий.

Научная новизна работы

1. Предложены и обоснованы физические модели, объясняющие особенности магнитопередаточных характеристик КНИ ПДХ с различными типами полевого управления.

2. Проведено приборно-технологическое моделирование и определены закономерности влияния величины и знака потенциала затвора и основных конструктивно-технологических параметров КНИ ПДХ с МОП-управлением на магниточувствительность датчика.

3. В результате анализа характеристик тестовых образцов КНИ ПДХ с управлением р-п переходом установлены и объяснены зависимости распределения потоков носителей заряда от расположения стоковых областей датчика.

4. С учетом особенностей работы КНИ ПДХ в широком диапазоне температур проведены теоретические оценки верхней границы рабочих температур КНИ ПДХ в зависимости от типов полевого управления (МОП или биполярное), показывающие, что предельные рабочие температуры КНИ ПДХ могут достигать 400 - 500 °С.

5. Рассмотрены схемотехнические пути расширения функционала КНИ ПДХ и показано, что, используя методы интегрирования информационного магнитоиндуцированного сигнала, возможно создание многоэлементных преобразователей магнитного поля широкого применения при одновременном существенном увеличении пороговой магниточувствительности.

Практическая значимость результатов диссертации

1. Проведён анализ целесообразных областей применения КНИ ПДХ с различными типами полевого управления в датчиках магнитного поля в зависимости от требования к чувствительности, температурному диапазону и энергопотреблению сенсорного устройства.

2. Экспериментально показано, что рабочая температура КНИ МДПДМ ПДХ достигает, как минимум, 330 °С, что на 180-200 °С превышает таковую для традиционных кремниевых элементов Холла.

3. Разработан и реализован мультифункциональный многоканальный датчик магнитного поля и температуры с частотным выходом на основе МДПДМ ПДХ, не имеющий зарубежных и отечественных аналогов.

4. Разработан и реализован высокотемпературный (Тмакс = 250 °С) ПДХ с биполярным управлением, в котором п-канал отделен от внешнего и внутреннего слоев SiO2 областями дырочной проводимости, что позволило увеличить рабочую температуру.

5. Разработаны и реализованы четырёхэлементный ПДХ с р-п управлением, обеспечивающий подавление остаточного напряжения более чем на порядок величины, и магниточувствительная ИС на его основе.

6. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении прикладных научных исследований по соглашению о предоставлении субсидии Минобрнауки России № 14.576.21.0064 от 06.11.2014 по теме «Разработка конструктивно-технологических решений по созданию семейства микроэлектронных элементов на структурах «кремний на изоляторе» (КНИ), обеспечивающего возможность создания высокотемпературных датчиков внешних воздействий различного функционального назначения» (уникальный идентификатор проекта КГМЕЕ157614Х0064). Действующие макеты бесконтактного датчика тока переданы индустриальному партнёру проекта ООО «Испытательный технический центр микроприборов» для использования в разработке опытных образцов бесконтактного датчика тока (БДТ).

На защиту выносятся:

1. Подтверждённые экспериментом физические модели и результаты приборно-технологического моделирования ПДХ с различными типами полевого управления.

2. Разработанные и изготовленные экспериментальные образцы полевых датчиков Холла, управляемых р-п переходами, и датчиков магнитного поля на их основе.

3. Результаты исследования диапазона рабочих температур ПДХ с различными типами полевого управления.

4. Научное обоснование и схемотехнические решения реализации активных магниточувствительных многоэлементных сенсоров, обеспечивающих накопление магнитного сигнала и существенное повышение отношения сигнал/шум.

5. Разработанные и изготовленные прототипы многофункциональных многоканальных датчиков магнитного поля и температуры с частотным выходом на основе единой конструкции чувствительного элемента.

6. Обоснование целесообразности использования принципа, положенного в основу функционирования ПДХ (интеграция пассивного резистивного чувствительного элемента в структуру тонкоплёночного полевого транзистора со встроенным каналом), для создания широкого круга датчиков внешних воздействий.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Она содержит 162 страницы (включая приложения на 13-ти страницах), 97 рисунков, 9 таблиц. Список литературы содержит 72 источника.

Во введении обосновывается актуальность диссертации, сформулированы цели работы и перечислены задачи, решение которых необходимо для достижения целей работы, сформулированы положения научной новизны, практической полезности и положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена анализу современного состояния микроэлектронных датчиков магнитного поля и обоснованию выбора КНИ ПДХ в качестве чувствительного элемента, необходимого для разработки датчиков магнитного поля с улучшенными характеристиками и расширенными функциональными возможностями. Подробно рассмотрены литературные данные, касающиеся характеристик и возможностей известного из литературы ПДХ, представляющего собой тонкопленочный КНИ МДПДМ магнитотранзистор со

встроенным обогащенным каналом. Отмечено, что до сих пор не исследовались другие типы конструкций ПДХ (КНИ магнитотранзистор со встроенным каналом и областями обеднения вблизи границы раздела Si-SiO2, КНИ магнитотранзистор с расщепленным стоком, КНИ элемент с биполярным управлением), представляющие существенный интерес в контексте данной работы. На основании проведённого анализа сформулированы цель работы и задачи, решение которых необходимо для её достижения.

Во второй главе диссертации рассмотрены объекты экспериментальных исследований, включающие различные конструкции ПДХ с управлением р-п переходами и МДПДМ системой. Представлено описание методов исследований и аппаратуры, используемых в экспериментальных исследованиях.

Третья глава посвящена изложению результатов теоретических и экспериментальных исследований. В ней представлены разработанные физические модели ПДХ с различным видами полевого управления, результаты приборно-технологического моделирования различных типов ПДХ, обоснован выбор определённых вариантов КМОП технологии для изготовления датчиков, описаны конструкции тестовых р-п ПДХ и приведены их экспериментальные характеристики, проанализирован возможный диапазон рабочих температур ПДХ с различными типами полевого управления, рассмотрена возможность использования ПДХ при глубоком криогенном охлаждении.

Рассматривается использование ПДХ для создания датчиков магнитного поля. Приводятся результаты разработки интегрального датчика магнитного поля на основе р-п ПДХ, рассмотрен оригинальный, не имеющий зарубежных аналогов датчик магнитного поля с частотным выходом на основе МДПДМ ПДХ, изложены подтверждённые экспериментом принципы создания не имеющих аналогов активных сенсоров на основе ПДХ, обеспечивающих создание высокочувствительных многоэлементных приёмников магнитного поля.

Обсуждаются возможности создания активного сенсора для многоэлементных преобразователей магнитного поля. Предложена и экспериментально исследована схема накопления магнитного сигнала единичным

р-п ПДХ, позволяющая существенно повысить отношение сигнал/шум и пороговую магниточувствительность.

В заключении подведены итоги проведённых исследований. Показано, что по своим характеристикам ПДХ существенно превосходят традиционные кремниевые элементы Холла, а по способности работать в области повышенных температур не уступают элементам Холла на основе полупроводниковых соединений Л3Б5. На основе проведённых в работе исследований и анализа публикаций о свойствах КНИ чувствительных элементов широкого круга физических воздействий (температура, давление, свет, состав окружающей атмосферы) обоснована целесообразность использования чувствительных элементов типа ПДХ (то есть объединение в единой конструкции пассивного резистивного элемента и тонкоплёночного полевого транзистора со встроенным каналом) для создания новых датчиков различных физических воздействий с повышенными электрическими и функциональными свойствами. Сформулированы основные выводы работы.

В разделе Приложения приводятся:

1. Результаты разработки ряда высокотемпературных элементов инфраструктурной электроники (электронный ключ, стабилизатор электропитания, высокотемпературные резисторы), использование которых в сочетании с МДПДМ ПДХ обеспечивает возможность изготовления ИС датчика магнитного поля с частотным выходом с рабочей температурой не ниже 230°С.

2. Информация о конструкции и характеристиках разработанного интегрального датчика Холла (магниточувствительной ИС с аналоговым выходом) на основе созданного в диссертации счетверённого магниточувствительного ПДХ.

3. Информация о действующем макете бесконтактного датчика тока на основе разработанного интегрального датчика Холла.

4. Справки о внедрении результатов диссертационной работы.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. Международная научная конференция «Решетневские чтения», Россия, Красноярск, 2012.

2. XI Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи SIBCON-2015, Россия, Омск, 2015.

3. 17th International Conference on Sensors and Measurement Technology SENSOR 2015, ФРГ, Нюрнберг, 2015.

4. Международная конференция Eurosensors 2015, ФРГ, Фрайбург, 2015.

5. Школа-конференция с международным участием «Saint-Petersburg OPEN 2016», Россия, Санкт-Петербург, 2016.

6. 2nd International Conference on Sensors and Electronic Instrumental Advances (SEIA' 2016), Испания, Барселона, 2016.

7. Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC- 2016), Россия, Москва, 2016.

8. Научно- практическая конференция - МОН, Россия, Москва, 2016.

По теме диссертации опубликованы 14 работ в научных журналах и сборниках трудов международных и российских конференций, в том числе 5 работ в рецензируемых журналах из перечня ВАК, подана заявка на изобретение регистрационный номер 2017140999 от 24.11. 2017.

ГЛАВА 1 ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ КРЕМНИЕВЫХ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Настоящая глава посвящена анализу современного состояния разработок кремниевых микроэлектронных датчиков магнитного поля и обоснованию на этой основе цели и задач диссертационной работы.

Выше уже отмечалось, что использование сенсорных устройств является неотъемлемой чертой современного этапа научно-технической революции и что прогресс в этой области неразрывно связан с развитием микроэлектроники. Хорошо известно, что по темпам роста объема производства продукции микроэлектронные (а теперь и наноэлектронные) элементы и компоненты относятся к лидерам среди различных отраслей промышленности. Менее известно, что внутри микроэлектронной номенклатуры по этому показателю лидирует производство датчиков и микросистем. Важно подчеркнуть, что разработка и освоение производства новых улучшенных типов датчиков и микросистем в сочетании с успехами информационных технологий является необходимым условием дальнейшего прогресса нынешнего (третьего) этапа индустриальной революции [1].

Существенно отметить, что датчики сами по себе являются самостоятельным микроэлектронным компонентом. В то же время они представляют собой важнейшую часть микросистемных компонентов, поскольку, согласно широко распространенному определению, микросистема представляет собой интегральное устройство, обладающее сенсорными и актюаторными свойствами [2,3]. Перед разработчиками датчиков в первую очередь стоят следующие принципиальные задачи:

- повышение чувствительности датчиков;

- расширение диапазона чувствительности;

- расширение диапазона рабочих температур;

- повышение радиационной стойкости;

- уменьшение энергопотребления;

- повышение стабильности измерений.

В последние годы очевидная тенденция разработки датчиков заключается также в их интеллектуализации. Это означает, что современные датчики, помимо функции обнаружения и измерения уровня внешнего воздействия, должны обладать такими функциями, как самокалибровка, самодиагностика, возможность компенсации влияния других внешних воздействий (например, температуры) на результат измерений [4].

С точки зрения конструкции датчиков принципиально важно, что они состоят из различных блоков, один из которых (чувствительный элемент) реагирует на внешнее воздействие и вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности воздействия, а другие представляют собой функциональные микроэлектронные элементы, обрабатывающие полезный сигнал чувствительного элемента, осуществляющие его представление в аналоговый или цифровой форме и обеспечивающие стабильность функционирования датчика. К таким элементам относятся, в частности, усилители сигнала, АЦП, логические элементы, ИС стабилизации рабочего напряжения, а также ИС интеллектуализации.

Решению этих вопросов применительно к микроэлектронным датчикам магнитного поля и посвящена настоящая работа. При этом будут исследованы возможности улучшения электрических характеристик и расширения функциональных возможностей датчиков как за счёт физики работы чувствительных элементов, так и за счёт использования особенностей их конструкций.

1.1 Современные чувствительные элементы микроэлектронных датчиков магнитного поля

Конструкции чувствительных элементов (ЧЭ) микроэлектронных датчиков магнитного поля весьма разнообразны и основываются на использовании различных физических принципов регистрации магнитного воздействия (см., например, [5]). Отметим, что сама микроэлектроника с момента возникновения в 60-х годах 20 века и по сей день является преимущественно кремниевой. Поэтому

подавляющую долю используемых ЧЭ составляют кремниевые элементы Холла (ЭХ) и плёночные магниторезисторы (ПМР), поскольку технология их изготовления полностью соответствует базовым процессам кремниевой микроэлектроники. Именно это обстоятельство обусловило переход от дискретных ЭХ и ПМР к производству интегральных магниточувствительных (аналоговых) и магнитоуправляемых (цифровых) кремниевых ИС в 80-90-х годах прошлого века и стремительный рост производства датчиков магнитного поля на их основе. Достаточно сказать, что уже на рубеже нового века объём годового производства магниточувствительных ЭХ и ИС составлял порядка миллиарда штук и увеличился в 2016 году до 1,64 миллиарда штук и по прогнозу достигнет 1,87 в 2018 году [6,7] (рисунок 1).

900.0 800.0 700.0 600.0 500.0 400.0 300.0 200.0 100.0

2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 201Э 202 0 2021 2022 _■ Hall effect_■ AMR_■ GMR_■ Others_

Рисунок 1 - Денежный объём производства (млн. долл.) магнитосенсоров в США в период с 2012 и прогнозируемый в 2016 - 2022 годах [7]

В денежном выражении объём производства кремниевых магнитосенсоров только в США составлял в 2012 году около 450 млн. долларов США, в 2014 году он превысил 500 млн. долларов и по прогнозу может вырасти к 2022 году до 700 млн. долларов [7]. При этом мировой объём производства магнитосенсоров в 2014 году был близок к 1,8 млрд. долларов США.

Главной областью применения датчиков магнитного поля до недавнего времени была автомобильная электроника. Автомобильный рынок, характеризуясь высокими объёмами производства, предъявляет высокие требования к надежности и точности функционирования сенсорных микросхем [8].

Сегодня датчики магнитного поля активно завоёвывают рынок автоматики, робототехники, контрольно-измерительных систем индустриального и бытового назначения, а также мобильных устройств, удовлетворяя активно формируемую потребность в бесконтактном включении и выключении приборов и выборе рабочих функций, где устройства на основе магнитных микроэлектронных датчиков обеспечивают высокую надёжность и длительный срок службы. В отличие от механических переключателей датчики магнитного поля с их бесконтактными возможностями обладают более широкими функциональными возможностями, характеризуются малыми размерами и малой потребляемой мощностью, что чрезвычайно важно для применений в портативной электронике [9]. Ведущие мировые производители магнитных датчиков активно реагируют на потребности рынка, предлагая недорогие сенсорные устройства с развитыми интеллектуальными функциями, обеспечивающими решение задач развития пользовательских интерфейсов мобильных приборов [8].

В настоящее время основными компаниями, лидирующими на мировом рынке магнитных датчиков, являются фирмы Melexis [10], Honeywell [11], Allegro MicroSystems [12], Micronas [13], Infineon [14], ROHM Semiconductor [15].

Компании Melexis, Micronas, Allegro MicroSystems и Infineon ориентированы прежде всего на автомобильный рынок, и многие новые предложения компонентов от этих производителей предназначены для этого сегмента рынка.

Компания Allegro MicroSystems Inc. представляет на рынке линейные токовые датчики Холла для аудиотехники, коммуникационных систем, потребительских товаров и автомобильной электроники. Типичные применения датчиков включают защиту схем, мониторинг тока, контроль двигателей и инверторов, где датчик наряду с экономичностью должен обеспечивать прецизионные измерения переменного или постоянного тока.

Компания Micronas - лидирующий поставщик инновационных микросхем Холла на автомобильный рынок. Массовый продукт компании - датчики семейства HAL 8xy, которые отличаются возможностью программирования работы в температурном диапазоне от -40 до +170 °C.

Компания Infineon - крупный поставщик датчиков Холла на автомобильный рынок, который продолжает поддерживать спрос на эти категории устройств. Среди датчиков магнитного поля представлены линейные программируемые ИС семейства TLE499x, предназначенные для измерений положения с широким спектром пользовательских интерфейсов. В линейку магнитоуправляемых компонентов включены дифференциальные датчики скорости и переключатели. Многие предложения компонентов последних лет соответствуют автомобильным спецификациям, но могут использоваться и в других в промышленных потребительских системах.

ИС Холла компании ROHM Semiconductor представляют собой один монолитный кремниевый кристалл, встроенный в схему, выполняющую интеллектуальные функции. Переключатели Холла используют КМОП-логику, потребляющую малую мощность.

Одной из наиболее важных областей применения датчиков магнитного поля является радиоэлектронная аппаратура космических летательных аппаратов (РЭА КЛА). Высокие требования к надежности приборов в составе РЭА КЛА предполагают безотказность их функционирования в условиях длительного космического полета. К важнейшим факторам, влияющим на надежность РЭА КЛА, относятся стойкость к радиационным и температурным воздействиям на микроэлектронные элементы аппаратуры, поскольку накопленная за время полета доза облучения способна существенно повлиять на их характеристики.

Физически функционирование ЭХ и ПМР обусловлено силой Лоренца, возникающей в проводнике, по которому протекает электрический ток, при одновременном воздействии магнитного поля. Если направление магнитного поля перпендикулярно направлению тока, то на боковых поверхностях проводника возникает ЭДС, величина которой пропорциональна индукции магнитного поля

(эффект Холла). Если направление магнитного поля параллельно направлению тока, пропорционально величине магнитной индукции изменяется сопротивление проводника (эффект Гаусса).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Павлюк, Михаил Ильич, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Meijer G. C. M. (ed.). Smart sensor systems. Chichester, UK: Wiley, 2008. P.

2. Yurish S. Y., Gomes M. T. S. R. (ed.). Smart sensors and MEMS. Kluwer Academic, 2004. P. 480.

3. Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам. Под ред. П.П. Мальцева. М: Техносфера, 2005. 589 с.

4. Войтович И.Д., Корсунский В.М. Интеллектуальные сенсоры. М: Изд. ИНТУИТ, 2009. 626 с.

5. Бараночников, М. Л. Микромагнитоэлектроника Т. 1. М.: ДМК Пресс, 2001. 544 с.

6. Popovic R. S. Hall effect devices. Second edition. CRC Press, 2003. P. 412

7. Magnetic Sensors Market Analysis By Technology (Hall Effect Sensing, AMR, GMR), By Application (Automotive, Consumer Electronics, Industrial) And Segment Forecasts To 2022. Report summaty. [Электронный ресурс] // Published: February 2016. URL: http://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/magnetic-sensors-market (дата обращения 19.10.2016).

8. Сысоева С., Датчики магнитного поля. Новые применения и технологии и измерения движения и тока // Компоненты и технологии, 2011, №3, С. 18-30.

9. Kelemenova T., Kelemen M., Virgala I., Mikova E., Frankovsky P., Lorinc M., Liptak T., Sedlacko P. Experimental Verification of Hall Effect Sensor Properties // Journal of Automation and Control. 2015. V. 3. № 3. P. 75-78.

10. https://www.melexis.com/en/products/sense/current-sensors

11. https://sensing.honeywell.com/sensors/magnetic-sensor-ICs

12. http: //www.allegromicro .com/en/Products.aspx

13. https ://www. micronas. com/en/products

14. https://www.infineon.com/cms/en/product/

15. http://www.rohm.com/web/global/search/parametric/-/search/Hall%20ICs

16. Edwin Hall, On a new action of the magnet on electric current, American Journal of Mathematics, 2, 1879, pp. 287-92

17. Hall E H, On a new action of magnetism on a permanent electric current, American Journal of Science, series 3, 20, 1880, pp. 161-86

18. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 2. Изд 2-е, доп. М.: ДМК Пресс, 2014. 888 с.

19. Акимов А.Г., Барабаненков М.Ю., Бараночников М.Л., Леонов А.В., Мокрушин А.Д., Мордкович В.Н., Омельяновская Н.М. Управляемый резистор с функциями полевого транзистора и полевого элемента Холла // Приборы и техника эксперимента. 1998. Т.41. C. 706-709.

20. Мордкович В.Н., Бараночников М.Л., Леонов А.В., Мокрушин А.Д., Омельяновская Н.М., Пажин Д.М. Полевой датчик Холла - новый тип преобразователя магнитного поля // Датчики и системы. 2003. В. 7. С. 33-38.

21. Бараночников М. Л., Леонов А. В., Мальцев П. П., Мокрушин A. Д., Мордкович B. Н., Омельяновская Н. М., Пажин Д. М. Полевой датчик Холла на основе структур «кремний на изоляторе // Нано- и микросистемная техника. Сб. статей. / под ред. П.П. Мальцева. М.: Техносфера, 2005. С. 436-444.

22. Мордкович B. Н., Бараночников М. Л., Леонов А. В., Мокрушин A. Д., Омельяновская Н. М., Пажин Д. М. Новый магниточувствительный элемент -полевой датчик Холла // Инженер, технолог, рабочий, №4, 2004, с. 22-24.

23. Бараночников М. Л., Леонов А. В., Мокрушин A. Д., Мордкович B. Н., Омельяновская Н. М., Пажин Д. М. Особенности характеристик КНИ полевых датчиков Холла с двухзатворной управляющей системой типа металл-диэлектрик-полупроводник-диэлектрик-металл // Нано-и микросистемная техника. 2008. № 12. С. 45-49.

24. Мордкович В.Н. Датчики на основе структур «кремний на изоляторе» // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. 2008. В. 2. С. 34-45.

25. Аристов В.В., Мордкович В.Н., Мальцев П.П. Технология «кремний на изоляторе» в микросистемной технике // Нано- и микросистемная техника. 2006. №2 12. С. 41-47.

26. Леонов А. В. Полевой датчик Холла на основе структур «кремний на изоляторе»: Дисс. канд. физ.-мат. наук. 26.12.2013 / ИПТМ РАН. Черноголовка, 2013. 112 с.

27. Kappert H., Kordas N., Dreiner S., Paschen U. High temperature SOI CMOS technology and circuit realization for applications up to 300 C // 2015 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). IEEE, 2015. P. 1162-1165.

28. Eggermont J., Gentinal B., Flandre D., Jespers P., Colinge J-P. CMOS SOI magnetic sensors for application up to 600K // Trans. Of 3rd Int. High Temperature Electronics Conf. 1996. V. 1. P. X3-X8.

29. Jankowski J., El - Ahmar S., Uszwaldowski M. Hall Sensors for Extreme Temperature // Sensors. 2011. V. 11. № 1. P. 876-885.

30. Леонов А.В., Мокрушин А.Д., Омельяновская Н.М. Особенности подвижности электронов в тонком слое кремния в структуре диэлектрик-кремний-диэлектрик // ФТП. - 2012. - Т. 46. - Вып.4. - С. 494-499.

31. Rotondaro A. L. P., Magnusson U. K., Claeys C., Flandre D., Terao A., Colinge J. P. Evidence of different conduction mechanisms in accumulation-mode p-channel SOI MOSFET's at room and liquid-helium temperatures // IEEE Transactions on Electron Devices. 1993. V. 40(4). P. 727-732.

32. Громов Д.В., Мордкович В.Н., Пажин Д.М., Скоробогатов П.К. Релаксационные эффекты в полевых датчиках Холла при воздействии импульса ионизирующего облучения // Электронная техника. Серия. Полупроводниковые приборы. 2011. В. 1. С. 19-26.

33. Щербачев К. Д., Бублик В. Т., Мордкович В. Н., Пажин Д. М. Особенности образования радиационных дефектов в слое кремния структур «кремний на изоляторе» // Физика и техника полупроводников. 2011. V. 45(6). P. 754-758.

34. Пажин Д.М. Влияние облучения на свойства КНИ структур и полевых элементов со встроенным каналом на их основе: Дисс. канд. физ.-мат. наук. / ИПТМ РАН. Черноголовка, 2010. 115 с.

35. Baranochnikov M., Leonov A., Mordkovich V., Pazhin D., Filatov M. Some Features of Magnetometric and Sensors Devices Based on The Field Effect Hall Sensor // Proc. of Advanced Electromagnetics Symposium. 2012. P. 455-459.

36. Mokrushin A. D., Omeljanovskaja N. M., Leonov A. V., Mordkovich V. N., Pazhin D. M. Radiation effects in SOI magnetic sensitive elements under different radiation conditions // Progress in SOI Structures and Devices Operating at Extreme Conditions. Springer Netherlands, 2002. P. 221-227.

37. Першенков В.С., Попов В.Д., Шальнов Г.М. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем. М.: Энергоатомиздат, 1988. 256 c.

38. Бараночников М.Л., Леонов А.В., Мордкович В.Н., Пажин Д.М. Особенности магниточувствительных сенсоров на основе полевого датчика Холла // Приборы и техника эксперимента. 2012. № 6. С. 1-8.

39. Зи. С. Физика полупроводниковых приборов. Т.1. М: Мир, 1984. 456 c.

40. Негоденко О. Н., Мардамшин Ю. П. Микроэлектронные датчики с частотным выходом на основе аналогов негатронов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2000. № 5-6. С. 19-22.

41. Баpаночников М. Л., Леонов А. В., Малых А. А., Моpдкович В. Н., Муpашев В. Н., Пажин Д. М. Датчики внешних воздействий с частотным выходом на основе полевого МДПДМ-транзистора со встроенным каналом // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 10(159). С. 8-11.

42. Blanchard H., De M.F., Hu B.J., Popovic R.S. Highly sensitive Hall sensor in CMOS technology, Sensors and Actuators A: Phys., 82, 2000, pp. 144-148.

43. Popovic R.S., Randjelovic Z., Manic D. Integrated Hall-effect magnetic sensors, Sensors and Actuators A: Phys., 91, 2001, pp. 46-50.

44. Randjelovic Z.B., Kayal M., Popovic R., Blanchard H. High sensitive Hall magnetic sensor Microsystem in CMOS technology, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 37, 2002, pp. 151-158.

45. C.F. Hiatt, A. van der Ziel, K.M. van Vliet, Generation-Recombination Noise Produced in the Channel of JFETs, IEEE Transaction on Electron Devices, ED-22, 1975, pp.614-616.

46. V. Gergel', V. Maslovskii, R. Suris, "Surface recombination and fluctuation surface states", Sov. Phys. JETP, 58(4), 1983, pp.1377-1385.

47. Colinge J. P. Silicon-on-Insulator Technology: Materials to VLSI. 2nd Edition, Kluwer Acad. Publ., 2004, 267 p.

48. http:/sites.lebedev.ru/ru/cac/2704.html

49. В.В. Поспелов, Б.И. Фукс, Р.З. Хафизов, Исследование холловской подвижности носителей заряда в скрытых каналах МДП-структур, Сб. Физические процессы в МДП-структурах, Киев, 1976. С.15-17

50. Гергель В.А., Сурик Р.А. Флуктуации поверхностного потенциала в структурах металл- изолятор- полупроводник, ЖЭТФ, 1978, т.48, в.4, с.95

51. Павлюк М.И. Микроэлектронные датчики с расширенным функционалом на основе тонкоплёночного КНИ МДПДМ - транзистора со встроенным каналом // Электроника НТБ, 2017, №5

52. Королёв М.А., Павлюк М.И., Девликанова С.С. Физическая модель полевого датчика Холла на основе КНИ структуры, 2017, №2, с. 166-170

53. Гергель В.А., Тимофеев М.В., Зелёный А.П. О температурной и полевой зависимости эффективной подвижности в МДП - структурах // ФТП, 1998, в.6, с.748 - 751

54. Зи. С., Физика полупроводниковых приборов, Т.2, М.: Мир, 1984, С.453

55. Леонов А.В., Малых А.А., Мордкович В.Н., Павлюк М.И. Тонкопленочный кремниевый магниточувствительный полевой транзистор холловского типа с расширенным до 350 °С диапазоном рабочих температур // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42. № 2. С.30-36.

56. Leonov A. V., Malykh A. A., Mordkovich V. N., Pavlyuk M. I. The Thin-Film SOI Magnetotransistor with the Extended Operating Temperature Range from liquid Helium Up to 650K // Conference abstracts. 3rd International School and Conference on

Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures "Saint Petersburg OPEN 2016". St Petersburg, Russia, 2016. P. 296-297.

57. Малых А. А., Леонов А. В., Мордкович В. Н., Павлюк М. И. Кремниевый полевой датчик Холла с расширенным диапазоном рабочих температур // Приборы и техника эксперимента. 2016. № 5. С. 104-108.

58. Goryachkin Yu., Odnolko A., Pavlyuk M., Svistunov A. Hall Integrated Plate Research and Simulation // ARPN Journ. of Engineering and Applied Sciences. 2016. V. 11. №7. P. 4288-4294.

59. Баpаночников М. Л., Леонов А. В., Малых А. А., Моpдкович В. Н., Муpашев В. Н., Пажин Д. М. Датчики внешних воздействий с частотным выходом на основе полевого МДПДМ-транзистора со встроенным каналом // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 10(159). С. 8-11.

60. Leonov A. V., Malykh A. A., Mordkovich V. N., Pavlyuk M. I. Sensors with SOI FET Primary Transducers and Frequency // Proceedings of 17th International Conference on Sensors and Measurement Technology Sensor 2015. Nuremberg, Germany, 2015. P. 864-867.

61. Leonov A.V., Malykh A.A., Mordkovich V.N., Pavluyk M.I. Multifunctional sensor with frequency output based on SOI TFT double-gate sensing element // Conference abstracts. 2nd International Conference on Sensors Engineering and Electronics Instrumental Advances (SEIA' 2016). Barcelona, Spain, 2016.

62. Патент США № US 5, 406, 202

63. Kappert H., Kordas N., Dreiner S., Paschen U. High temperature SOI CMOS technology and circuit realization for applications up to 300 C // 2015 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS). IEEE, 2015. P. 1162-1165.

64. Von Berg J., Sonderegger C., Bollhalder S., Cavalloni C. Piezoresistive SOI-Pressure Sensor for High Pressure and High Temperature Applications // Proc. Of 12th Int. Conf. Sensor. 2005. V. 12. P. 33-38.

65. Михайлов П. Г., Мокров Е. А., Сергеев Д. А., Скотников В. В., Петрин В. А., Чернецов М. А. Чувствительные элементы высокотемпературных датчиков

давления. Материалы и технологии изготовления // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2014. №. 4 (153). C. 204-212.

66. Miura N., Jamada H., Chiba T., Baba S., Development of Silicon - on -Insulator (SOI) UV Sensor IS // Oki Technical Rev., 2007, v.74, №3, p.38-39

67. Roudsari A., Saini S., Nixon O, Anantram M., Junction-less phototransistor with nanowire channels // Optics express, 2014, v.21, № 10, p. 12573 - 12582

68. Мальсагова К.А., Иванов Ю.Д., Плешакова Т.О., Козлов А.Ф. КНИ-нанопроволочный биосенсор для детекции белка d-nfat1 // Биомедицинская химия, 2015, т. 61, № 4, с.462 - 467

69. Naumova O., Popov V., Safronov L., Fomin B. Ultra - thin SOI layer nanostructuring and nanowire transistor formation for femtomole electronic biosensors // ECS Transactions, 2009, 25 (10) 83-87

70. Овсянников С.В. Тепловая, полевая и оптическая активация газочувствительных процессов в микроэлектронных датчиках на основе SnO2 // Дисс. канд. техн. наук. / ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, Воронеж, 2016. 164 с.

71. Lundstrom I., A hydrogen sensitive Pd - gate MOS transistor // I. Appl. Phys., 1975, v.46, №9, p. 3876 - 3881

72. Газочувствительный датчик. Патент РФ, №2196981

ПРИЛОЖЕНИЕ А РАЗРАБОТКА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНФРАСТРУКТУРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ И ВЫСОКООМНЫХ РЕЗИСТОРОВ ДЛЯ ДАТЧИКОВ С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ

Выше было показано, что МДПДМ ПДХ в режиме аккумуляции и КНИ ТПТ аналогичной конструкции обеспечивают создание многофункциональных многоканальных датчиков магнитного поля и/или температуры с частотным выходным сигналом. Было показано также, что МДПДМ ПДХ в таком режиме обладают способностью функционировать при рекордно высоких температурах (выше 300°С согласно экспериментами и порядка 500°С по теоретическим оценкам). Очевидно создание высокотемпературных ДЧВ с необходимостью требует повышения рабочей температуры необходимых элементов инфраструктурной электроники. В этой связи были разработаны следующие элементы:

1. Электронный ключ

Электронный ключ представляет собой полупроводниковый коммутирующий элемент ИЛИ, предназначенный для реализации в двух состояниях: 1) полностью открытое, для беспрепятственного пропускания электрического тока, 2) полностью закрытое. Известно, что с ростом температуры ухудшаются характеристики электронных ключей, возрастают токи утечки, растёт проходное сопротивление. Для минимизации этих эффектов в данной работе в электронном ключе использовались КНИ МОП транзисторы, обладающие повышенной рабочей температурой и уменьшенными токами утечки по сравнению с их Si аналогами. Структура КНИ транзисторов иллюстрируется рисунком ПА-1.

_J_PTUB_

BOX

Рисунок ПА-1 - Реализация транзисторов в КНИ структуре для электронного

ключа

Влияние температуры на смещение логического ноля ключа и логической единицы представлено на рисунках П1-2, П1-3, соответственно.

Рисунок ПА-2 - Зависимость смещения нуля разработанного электронного ключа

от температуры

Входное напряжение для получения 2.5 В

на выходе, В

г-1-гЗтЗ— Температура, °С

-75 -50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375

Рисунок ПА-3 - Зависимость необходимого входного напряжения на входе для получения состояния логической единицы на выходе

Из рисунков следует, что такой электронный ключ способен функционировать при температурах, достигающих 325°С.

2. Стабилизатор электропитания

Стабилизатор напряжения или тока (стабилизатор электропитания - СЭ) -это устройство для поддержания на входе датчика постоянного напряжения или тока, независимо от колебаний напряжения в питающей сети и величины нагрузки. Разработка такого устройства для использования в предложенных схемах ДЧВ необходима для повышения надежности последних при использовании в условиях повышенных температур.

В работе была разработана схема линейного стабилизатора напряжения, предназначенного, для питания различных блоков схем датчиков от источника с напряжением от 4 до 5 В. Схема содержит следующие функциональные блоки:

- Источник опорного напряжения;

- Буфер формирования токов смещения 5 ветвей по 5 мкА;

- Блок из двух компараторов для выработки сигналов аппаратного сброса;

- Линейный регулятор;

На рисунке П1-4 представлены температурные зависимости выходного напряжения и тока стабилизатора электропитания (СЭ), определённые для различных сопротивлений нагрузки. По результатам измерений были определены коэффициент температурной нестабильности выходного напряжения или тока, который равен 0,0074% / °С в диапазоне температур от -60°С до 230°С вне зависимости от величины сопротивления нагрузки, изменявшейся в 4 раза.

Рисунок ПА-4 - Зависимость выходного напряжения Уо от температуры при входном напряжении Усс = 5,5 В и сопротивлении нагрузки Ro = 50,49 Ом

3. Высокотемпературные резисторы

В работе также было уделено внимание разработке высокотемпературных резисторов для схем высокотемпературных многофункциональных многоканальных ДЧВ. Всего было исследовано 8 типов различных резисторов, изготовленных на основе поликремния и монокремния, а именно:

Rnp1h - резистор на слое поликремния п - типа с поверхностным сопротивлением Rs = 6700 Ом/кв;

Я:рр1к1 - резистор на слое поликремния р - типа с поверхностным сопротивлением Rs = 1000 Ом/кв;

Rnpl - резистор на слое поликремния n - типа с поверхностным сопротивлением Rs = 330 Ом/кв;

Rpp1 - резистор на слое поликремния р - типа с поверхностным сопротивлением Rs = 280 Ом/кв;

Rppls - резистор на слое силицида поликремния р - типа с поверхностным сопротивлением Rs = 7,5 Ом/кв;

Rnw - резистор на основе n - кармана с поверхностным сопротивлением Rs = 1950 Ом/кв;

Rdp - резистор на диффузионном слое р - типа с поверхностным сопротивлением Rs = 135 Ом/кв;

Rdn - резистор на диффузионном слое n - типа с поверхностным сопротивлением Rs = 62 Ом/кв.

Наиболее устойчивым к воздействию температуры резистором на основе слоя кремния p-типа является Rppl с поверхностным сопротивлением Rs = 280 Ом/кв. Его сопротивление в исследованном температурном диапазоне практически не изменяется.

Таким образом, технология введения примеси в поликристаллический кремний позволяет изготовить резисторы, номинал сопротивления которых практически не зависит от температуры в диапазоне -60 ... 230 °С.

Описанная в данном разделе аналоговая магниточувствительная схема на основе p-n ПДХ обеспечивает повышение пороговой магниточувствительности при одновременном упрощении конструкции ИС за счёт использования четырёхэлементного ПДХ для подавления остаточного напряжения и возможности таким образом отказаться от традиционно используемой ИС spinning current. Предложенный подход может быть реализован при любой форме элемента Холла (квадрат, прямоугольник, крест) и холловских контактов (торцевые, точечные) и их любом расположении по длине канала. Метод spinning current возможен лишь для точечных контактов Холла и электропитания при квадратной форме кристалла.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ДАТЧИКА ХОЛЛА НА ОСНОВЕ р-п ПДХ

Интегральные магнитные датчики реализуют такие интеллектуальные функции, в результате которых может быть значительно увеличена их чувствительность, как:

- существенное снижение остаточного паразитного напряжения чувствительного элемента,

- усиление информационного сигнала,

- снижение уровня шумов,

- компенсация изменения характеристик из-за влияния температуры и радиации.

Кроме того, интегральные датчики Холла могут выполнять целый ряд дополнительных функций, реализуемых с помощью встроенного в схему специализированного программного обеспечения, в том числе такие, как формирование команд на исполнительные устройства (актуаторы) роботизированных комплексов.

На рисунке ПБ1 представлен интегральный датчик Холла, разработанный в рамках настоящей работы.

Рисунок ПБ 1 - Интегральный датчик Холла с КМОП схемами обработки сигнала

Полевой датчик Холла интегрирован в схему, выполненную на КМОП элементной базе и изготовлен по технологии ХН035 с проектными нормами 0,35 мкм. В качестве чувствительного элемента в схеме использован счетверенный полевой датчик Холла, состоящий из полевых сенсоров L274xW209 с управлением через р-п переходы (см. главу 3 и [58]).

Структурная схема интегрального датчика представлена на рисунке ПБ2.

УОЭ эпэг УОЭ

—о-о-

УрП> \ УрЯэ е Упйз I УпАэ е

УИр е 6-

Чувствительный элемент

\Zhri е 6-

Источник опорного

Диф. усилитель

2

X

Уст О-

Буфер

оит

-О

УЬГг

л_

X

Рисунок ПБ2 - Структурная схема интегрального КМОП датчика Холла

Схема функционирует следующим образом. Сигнал чувствительного элемента усиливается дифференциальным усилителем с фиксированным коэффициентом усиления Ку=50дБ после чего передается на каскад выходного усилителя с регулируемым до 20 дБ коэффициентом усилением. Уровень выходного напряжения при нулевом сигнале устанавливается схемой задания синфазного напряжения. В датчике реализована встроенная компенсация температурной зависимости выходного напряжения за счет изменения коэффициента усиления пропорционально квадрату температуры.

Зависимость выходного напряжения от магнитной индукции, приведенная на рисунке ПБ2, демонстрирует хорошую линейность в диапазоне значений индукции магнитного поля от - 60 до +60 мТл. Диапазон рабочих температур лежал в пределах от - 60°С до 180°С.

80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

Магнитная индукция В, мТл

Рисунок ПБ2 Зависимость выходного напряжения от магнитной индукции