автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Интегральные магниточувствительные матрицы для измерения параметров вектора индукции магнитного поля

На правах рукописи

КРУПНОВ ЮРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МАГНИТОЧУВСГВИТЕЛЬНЫЕ МАТРИЦЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЕКТОРА ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Специальность 05.27.01 -твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004 г.

Работа выполнена в Государственном учреждении Научно-производственный комплекс «Технологический центр» Московского государственного института электронной техники

Научный руководитель: доктор технических наук,

член-корреспондент РАН Чаплыгин Ю.А.

Научный консультант:

кандидат технических наук Галушков А.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Шевяков В.И.

кандидат технических наук,

директор ЗАО «Сенсор» Юров А.С.

Ведущая организация: Институт проблем управления РАН

заседании диссертационного совета Д 212.134.01 при Московском государственном институте электронной техники (технический университет) по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, МИЭТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Защита диссертации состоится

■/Л 2004 г. в

часов на

Автореферат разослан "fif 2004 г.

Ученый секретарь диссертацио

Неустроев С.А.

2,0640

ХАРАКТЕРИСТИТКА РАБОТЫ

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

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 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 перехода база-эмиттер и задания с помощью внешних резисторов определенной рабочей точки на вольт-амперной характеристике данного 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 магнито-транзистора, с размерностью 3x3, с высоким уровнем пространственного разрешения.

2. 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 магниточувствительных ячеек друг относительно друга (до 200 мкм между ними) и их расширенных возможностей, — контролировать до трех компонент вектора магнитной индукции.

3. 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 быть 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.

2. 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.

3. 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.

2. Конструкция двухколлекторного биполярного магнитотранзистора с заглубленными областями эмиттера и коллекторов, обеспечивающего снижение уровня собственных шумов и повышение разрешения по предельной величине магнитного поля.

3. 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-п перехода база-эмиттер и задания с помощью внешних резисторов определенной рабочей точки на вольт-амперной характеристике данного р-п 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы, описывается цель, структура диссертации, и ее краткое содержание.

В первой главе исследованы основные типы интегральных полупроводниковых матричных преобразователей магнитного поля. Проанализированы общие типы магнитных датчиков и конкретные примеры интегральных полупроводниковых матричных преобразователей магнитного поля.

В результате проведенного обзора сделаны следующие выводы:

интегральные преобразователи магнитного поля матричного типа (ИПМП) представляют собой сложное микроэлектронное устройство, состоящее из массива первичных преобразователей;

- наиболее распространенным типом ИПМП являются преобразователи на основе дискретных элементов, которые не обеспечивают высоких значений пространственного разрешения по магнитному полю;

большинство ИПМП применяют конструктивно-технологическую интеграцию первичных преобразователей, в качестве которых наиболее часто используют магниторезисторы и магнитотранзисторы;

основной проблемой в ИПМП остается повышение пространственной разрешающей способности и разрешения по магнитному полю;

- основными ограничениями для широкого применения ИПМП в системах неразрушающего контроля является возможность измерения только одной составляющей вектора магнитной индукции, что не позволяет получить полную характеристику геометрических размеров дефекта включая его геометрические размеры и глубину залегания.

Учитывая вышеизложенное, в диссертационной работе были поставлены следующие основные задачи:

1. Разработать принцип построения, конструкцию и технологию изготовления интегральных полупроводниковых матричных преобразователей вектора магнитного поля на основе магнитотранзисторов, обеспечивающие высокую пространственную разрешающую способность и высокий уровень разрешения по магнитному полю.

2. Разработать конструкции первичного преобразователя магнитного поля с высокой разрешающей способностью по магнитному полю для измерения магнитных полей порядка 1 мТл.

3. Изготовить экспериментальные образцы первичных преобразователей магнитного поля — магнитотранзисторов, разработанных конструкций ИПМП вектора магнитного поля и исследовать их основные характеристики, включая влияние радиационного облучения.

4. Разработать конструктивно-технологические методы создания магниточувствительной микросистемы, обеспечивающей усиление и преобразование сигнала сенсора магнитного поля для повышения прецизионности измерения интегральных матричных преобразователей вектора индукции магнитного поля.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию интегральных матричных преобразователей для измерения двух компонент вектора индукции магнитного поля на основе биполярного двухколлекторного транзистора (БМТДК). Выбор такого транзистора в качестве магниточувствительного элемента обоснован тем, что он является наиболее подходящим конструктивным вариантом для магниточувствительной ячейки вектора магнитного поля, потому, что имеет высокую чувствительность в направлении основной оси структуры, может быть легко интегрирован в многоэлементную магниточувствительную ячейку, позволяет реализовать принцип построения интегральных полупроводниковых матричных преобразователей вектора индукции магнитного поля.

Принцип построения ИПМП заключается в объединении активных областей массива магниточувствительных ячеек (МЧЯ) таким образом, чтобы основные характеристики каждого магнитотранзистора, входящего

в состав активной МЧЯ и работающего в нормально-активном режиме, не зависели от влияния других магнитотранзисторов, принадлежащих пассивным МЧЯ. Достигается реализация данного принципа построения ИПМП путем задания определенного соотношения потенциалов на активных областях всей матрицы, объединенных определенным образом по функциональному значению. Изоляция активных от пассивных МЧЯ реализуется за счет обратно смещенных р-п переходов структуры ИПМП.

Немаловажно и то, что биполярные магнитотранзисторы легко можно изготовить в рамках стандартных технологий ИС, не прибегая к дополнительным издержкам на спецоборудование и спецоснастку. Биполярный магнитотранзистор имеет лучшие показатели по магниточувствительности чем МОП магнитотранзистор, к тому же он легче в реализации двухэлементной ячейки, для регистрации тангенциальных составляющих вектора магнитной индукции относительно поверхности кристалла.

Принцип работы каждого такого магнитронзистора заключается в следующем. При наличии магнитного поля, с вектором индукции направленным параллельно магниточувствительной оси структуры, на инжектированные носители заряда действует сила Лоренца и, как следствие, возникает разбаланс между токами коллекторов.

Для измерения двух компонент В разработана двухэлементная магниточувствительная ячейка (ДМЧЯ), состоящая из двух ортогональных биполярных магнитотранзисторов с двумя коллекторами (рис.1).

Рисунок 1 — Эскиз топологии двухэлементной магниточувствительной ячейки.

Оси магниточувствительности ячейки проходят по центру эмиттеров, вдоль длины. На основе такой ячейки сконструирована и изготовлена магниточувствительная линейка, предназначенная для измерения двух

тангенциальных компонент вектора индукции магнитного поля, состоящая из 32 ДМЧЯ.

Технологический маршрут изготовления структуры биполярных магнитотранзисторов с двумя коллекторами разработан на основе технологических операций КМОП ИС.

Проведены исследования экспериментальных образцов магниточувствительной линейки, предназначенной для измерения двух тангенциальных компонент вектора индукции магнитного поля, а также экспериментальных структур тестовых элементов, как в составе пластин, так и в специализированных немагнитных корпусах. В результате исследований установлено, что среднее значение токов коллекторов по х-и у- компонентам ДМЧЯ отличаются не более чем на 1 %, среднее значение величины начального разбаланса составляет 7.5 % от среднего значения уровня токов в коллекторах. Передаточная характеристика БМТДК имеет линейный вид, а коэффициент нелинейности в диапазоне магнитного поля (±200 мТл) составляет 0.2 %. Величина температурного коэффициента изменения абсолютной магниточувствительности имеет значение -0.45 %/°С.

90

80

10 I , ■ . . . ......................, .... ..........

О 50 100 150 200 250 300 350

О.крад

Рисунок 2 — Дозовая деградация выходного сигнала датчика, соответствующего различным значениям магнитной индукции.

Разработан способ включения БМТДК, обеспечивающий снижение ТКЧ до 0.03 %/°С в диапазоне температур 20-Л95 °С. Способ основан на температурной зависимости прямосмещенного р-п перехода база-эмиттер и задания с помощью внешних резисторов определенной рабочей точки на вольт-амперной характеристике данного р-п перехода.

Анализ результатов исследований поведения характеристик двухколлекторного биполярного магнитотранзистора при его радиационном облучении (рис!2) показал, что при дозах рентгеновского облучения до 300 крад существенной оказывается радиационная деградация величины напряжения смещения нуля сенсора (166 %), имеющая обратимый характер и обусловленная образованием в изолирующем окисле положительного заряда при облучении, а значение магниточувствительности подвержено незначительному изменению (2В третьей главе приводятся результаты разработки конструкций и экспериментальных исследований интегральных матричных преобразователей для измерения трех компонент вектора индукции магнитного поля.

Построение магниточувствительных ячеек для измерения трех компонент В (ТМЧЯ) на основе интегральных магниточувствительных элементов, предназначенных для регистрации строго определенной компоненты вектора магнитной индукции, требует функциональной, технологической совместимости элементов в ячейке. По этой причине одной из конструкций ТМЧЯ является комбинация двух ортогональных БМТДК и биполярного магнитотранзистора с расщепленным коллектором (БМТРК), технология изготовления которого, аналогична БМТДК, а конструкция отличается и реализована таким образом, чтобы регистрировать 2-компоненту В. Другая конструкция ТМЧЯ состоит из комбинации двух ортогональных БМТДК и одного МОП магнитотранзистора с разделенным стоком (МОП МТРС). Применение МОП МТРС в качестве сенсора, чувствительного к нормальной составляющей вектора магнитной индукции, продиктовано совместимостью технологии изготовления (КМОП) и необходимостью сравнения характеристик МОП МТРС и БМТРК.

Третья конструкция ТМЧЯ занимает наименьшую площадь по сравнению с перечисленными, разработана по принципу функциональной интеграции и называется одноэлементный функционально-интегрированный биполярный магнитотранзистор для измерения трех компонент вектора магнитной индукции (ОФИМТ). Топологический эскиз ОФИМТ показан на рисунке 3.

Конструктивно ОФИМТ — это биполярный магнитотранзистор с 8-ю коллекторами и контактом к базе, расположенными вокруг эмиттера. Принцип работы ОФИМТ аналогичен БМТДК и БМТРК — отклонение носителей заряда под действием силы Лоренца.

Рисунок 3 — Эскиз топологии одноэлементного функционально-интегрированного биполярного магнитотранзистора.

Для определения полного вектора магнитной индукции необходимо с помощью электронных коммутаторов определенным образом опросить все информационные выводы, которыми являются 8 коллекторов, и с помощью микропроцессора обработать информацию.

Электрические схемы матричных преобразователей на основе вышеизложенных ТМЧЯ разработаны по одинаковому динамическому принципу построения, позволяющему реализовать поочередную, последовательную выборку ячеек для регистрации значений компонент вектора индукции магнитного поля в области расположения ячейки. Кроме того, такой принцип позволяет легко конструировать из одинаковых ТМЧЯ матрицы различных размеров.

Исследования характеристик интегральных матричных преобразователей для измерения трех компонент вектора индукции магнитного поля проводились на специально разработанных тестовых элементах.

На рисунке 4 показана передаточная характеристика ОФИМТ, из которой видно, что такая магниточувствительная ячейка обладает высокой избирательностью по каждой из компонент вектора магнитной индукции, при этом чувствительность по z-компоненте составляет 0,1 В/Тл, по х-компоненте - 0,625 В/Тл, по у-компоненте - 0.650 В/Тл. В результате исследования избирательности ОФИМТ в каждом направлении действующего магнитного поля установлено, что среднее

11м«, мВ 250200-

150

■150

-200 •

-2501 — магниточувствительность ОФИМТ по X;

2 — магниточувствительность ОФИМТ по У;

3 — магниточувствительность ОФИМТ по Ъ\

значение паразитной чувствительности для х и у компонент, при воздействующем магнитном поле вдоль оси z, составляет 1.6 %/Тл, а среднее значение паразитной чувствительности для z компоненты, при воздействующем магнитном поле вдоль осей х или у, составляет 0.3 %/Тл. Пространственное разрешение достигает 200+-250 МКМ

Основные результаты исследований тестового элемента в виде двухмерного массива размерностью 3x3 на основе ТМЧЯ, состоящей из комбинации двух БМТДК и одного БМТРК заключаются в следующем: чувствительность по г-компоненте составляет 80-^100 мВ/Тл, по х-, у-компонентам - О.З-^Ьб В/Тл. Пространственное разрешение составляет 250-650 мкм.

Проведены исследования тестового элемента в виде двухмерного массива размерностью 3x3 на основе ТМЧЯ, состоящей из комбинации двух БМТДК и одного МОП-магнитотранзистора с разделенным стоком.

Установлено, что у такой ячейки чувствительность по 2-компоненте составляет 130-140 мВ/Тл. Нелинейность преобразования напряжений на затворе составила от 0.6 % до 0.7 %, в диапазоне магнитных полей ±200 мТл. Пространственное разрешение достигает 250-350 мкм.

В четвертой главе представлены результаты исследований конструктивно-технологических методов повышения прецизионности измерения интегральных матричных преобразователей вектора индукции магнитного поля. Так как основным магниточувствительным элементом в матричных преобразователях является биполярный магнитотранзистор с двумя коллекторами (БМТДК), то все исследования, представленные в этой главе, проводились с ним.

Для локального увеличения вектора магнитной индукции и как следствие — повышения уровня выходного сигнала, при измерении слабых магнитных полей был разработан концентратор магнитного поля над чувствительной областью БМТДК. Конструкция микроконцентратора магнитного поля, расположенного на поверхности кристалла с БМТДК, представляет собой многослойную структуру из тонких пленок пермаллоя и высокорезистивных немагнитных слоев, например А1,Оз или И

Двухколлекторный биполярный магнитотранзистор с многослойным концентратором вектора магнитного поля работает следующим образом (рис. 5).

исунок 5 — Иллюстрация принципа работы структуры БМТДК с МКМП.

Без магнитного поля, эмиттер инжектирует неосновные носители заряда, в данном случае электроны, в область базы, которые под действием электрического поля, пропорционально распределяются между

коллекторами. При наличии магнитного поля, с вектором индукции направленным параллельно магниточувствительной оси структуры, на инжектированные электроны действует сила Лоренца. Величина данной силы прямопропорциональна вектору индукции магнитного поля, который значительно возрастает в зазоре многослойного концентратора

Для проведения исследований разработан и изготовлен тестовый кристалл БМТДК с МКМП, состоящий из шести слоев, имеющий следующие геометрические параметры: размер концентратора в направлении магнитного поля 1400 мкм, зазор между половинками концентратора 10 мкм, ширина основания концентратора 800 мкм, ширина концентратора в зазоре 60 мкм, суммарная толщина концентратора 1,5 мкм. В результате исследования магниточувствительности БМТДК с МКМП установлено, что уровень выходного сигнала и магниточувствительность повысились более чем в 4,5 раза относительно БМТДК без МКМП, при измерении слабых магнитных полей порядка 1 мТл.

Одним из главных факторов, определяющих минимальный уровень измеряемого сигнала, является шум. В БМТДК существенное значение, особенно на низких частотах, имеет шум типа 1/, связанный с процессами генерации-рекомбинации на границе раздела БьБЮ., и зависит от качества Б102, плотности поверхностных состояний и дефектов на границе раздела БьБЮл

Повысить отношение сигнал/шум можно за счет снижения собственных шумов конструкции БМТДК. Отличительной особенностью БМТДК является то, что БМТДК представляет собой как бы пару биполярных транзисторов с общим эмиттером. Таким образом, в такой структуре имеется две составляющие тока неосновных носителей инжектированных в базовую область эмиттером — нормальная и латеральная, которая и попадает на границу раздела БьБЮ.,. Для уменьшения влияния вклада шума от границы раздела 8102-Б1 в области между эмиттером и коллекторами была разработана и исследована конструкция БМТДК (рис.6) с заглубленными активными областями эмиттера (Э), коллекторов (К1 и К2), контактов к базе (Б). Таким образом, удается сформировать активные области в глубине структуры БМТДК и тем самым удалить линии тока от поверхности.

Анализ спектрального состава собственных шумов структуры БМТДК с заглубленными активными областями в сравнении с простым БМТДК позволяет сделать вывод, что заметно снизилась низкочастотная составляющая, которая в основном определяется уровнем структурных дефектов.

Интегральный уровень напряжения собственных шумов в исследуемом диапазоне частот снизился со 140 мкВ до 60 мкВ, а значение абсолютной магниточувствительности не изменилось. Таким образом, улучшился показатель, характеризующий предел обнаружения для магнитной индукции в диапазоне частот от 10 Гц до 100 кГц более чем в 2 раза.

Существенные ограничения в предельные измерения могут внести измерительные приборы, уровень шумов которых может превышать уровень теплового шума на 1-2 порядка. Для повышения прецизионности измерения параметров вектора индукции магнитного поля была разработана измерительная микросистема магнитного поля, состоящая из переходной платы, на которую монтированы два кристалла — БМТДК и измерительный усилитель (ИУ). Вывода кристаллов БМТДК и ИУ объединены посредством межэлементных соединений на переходной плате. ИУ состоит из четырех и служит для преобразования

дифференциального входного сигнала в униполярное напряжение на заземленной нагрузке. В результате проведенных исследований интегральной магниточувствительной микросистемы (ИМЧМ) установлено, что абсолютная магниточувствительность составила 150 В/Тл, при токе потребления не более 5 мА. То есть полезный сигнал увеличился в 100 раз, а применение ОУ4 для балансировки уровня выходного сигнала позволяет подстройкой внешнего резистора минимизировать смещения нуля микросистемы. Возможность повышения порога магниточувствительности может быть реализована с помощью использования в конструкции магнитотранзистора тонкопленочного МКМП. Экспериментально установлено, что интегральная магниточувствительная микросистема на основе

двухколлекторного магнитотранзистора с МКМП имеет значение магниточувствительности Sa=675 В/Тл при измерении величин индукции магнитного поля порядка 1 мТл, и достигает значения предельного разрешения по магнитному полю менее 15 нТл/(Гц)1/2 на центральной частоте 1 кГц.

Заключение содержит основные результаты работы:

1. Разработаны принцип построения и конструкции интегральных полупроводниковых матричных преобразователей вектора индукции магнитного поля в КМОП конструктивно-технологическом исполнении на основе:

- двухэлементной магниточувствительной ячейки, в которой применяются два ортогональных биполярных магнитотранзистора с двумя коллекторами;

- трехэлементной комбинированной ячейки, состоящей из трех биполярных магнитотранзисторов с разделенным коллектором, или двух биполярных магнитранзисторов и одного МОП магнитотранзистора с разделенным стоком;

- трехэлементной магниточувствительной ячейки, состоящей из одного функционально-интегрированного восьмиколлекторного биполярного магнитотранзистора.

2. Предложен принцип построения внутренней организации матричных преобразователей, позволяющий реализовать поочередную, последовательную выборку ячеек для регистрации значений компонент вектора индукции магнитного поля в области расположения ячейки.

3. Разработана технология изготовления интегральных матричных преобразователей вектора магнитной индукции, основанная на технологическом маршруте изготовления КМОП ИС. Разработан фрагмент технологии изготовления интегральных матричных преобразователей вектора магнитной индукции, позволяющий реализовать бескорпусной вариант с гибкими выводами, в котором исключены искажения измеряемого магнитного поля.

4. В результате экспериментальных исследований разработанных интегральных матричных преобразователей вектора магнитной индукции показано, что магниточувствительная ячейка для измерения трех компонент вектора индукции магнитного поля на основе двух биполярных магнитотранзисторов с двумя коллекторами и одного биполярного магнитотранзистора с расщепленным коллектором, обладает высокой

избирательностью по каждой из компонент вектора магнитной индукции, при этом чувствительность по г-компоненте составляет 80^-100 мВЛГл, по х-, у-компонентам — 0.5-1.5 В/Тл; пространственное разрешение составляет по х-компоненте 250 мкм, по у-компоненте 650 мкм. Магниточувствительная ячейка для измерения трех компонент вектора индукции магнитного поля на основе двух биполярных магнитотранзисторов с двумя коллекторами и одного МОП магяитотранзистора с разделенным стоком, обладает наилучшей чувствительностью по 2-компоненте, составляющей 130И40 мВ/Тл. Магниточувствительная ячейка для измерения трех компонент вектора индукции магнитного поля на основе функционально-интегрированного восьмиколлекторного биполярного магнитотранзистора, обладает лучшим пространственным разрешением, которое составляет —мкм.

Передаточная характеристика биполярного магнитотранзистора с двумя коллекторами имеет линейный вид, а коэффициент нелинейности в диапазоне магнитного поля (±200 мТл) составляет 0.2 %. Эквивалентное поле шума такого магнитотранзистора на центральной частоте 1 кГц составляет 200 нТл/(Гц)1/2, а интегральная величина напряжения шума в диапазоне частот от 10 Гц до 10 кГц составляет 130 мкВ.

5. Разработан метод снижения величины температурного коэффициента магниточувствительности биполярного двухколлекторного магнитотранзистора, основанный на температурной зависимости прямосмещенного р-п перехода база- эмиттер и задания с помощью внешних резисторов определенной рабочей точки на вольт-амперной характеристике данного р-п перехода.

6. Установлена закономерность радиационной деградации характеристики преобразования двухколлекторного биполярного магнитотранзистора при его радиационном облучении и определено, что радиационная деградация напряжения смещения нуля магнитотранзистора объясняется образованием в изолирующем окисле положительного заряда.

7. Разработан метод повышения разрешающей способности двухколлекторного биполярного магнитотранзистора, основанный на применении тонкопленочного многослойного концентратора магнитного поля, позволяющий повысить магниточувствительность более чем в 4,5 раза при измерении слабых магнитных полей порядка 1 мТл.

8. Разработан метод снижения уровня собственных шумов в двухколлекторном биполярном магнитотранзисторе, основанный на уменьшении влияния поверхности раздела в области между

эмиттером и коллектором, за счет заглубленния активных областей, и смещения линий тока в глубину структуры. Этот метод позволяет повысить прецизионность магниточувствительной ячейки для регистрации двух компонент вектора магнитной индукции более чем в 2 раза за счет снижения интегрального уровня напряжения собственных шумов в диапазоне частот от 10 Гц до 100 кГц со 140 мкВ до 60 мкВ.

9. Разработана магниточувствительная микросистема, повышающая значение абсолютной магниточувствительности биполярного магнитотранзистора более, чем в 400 раз.

Новизна и оригинальность разработанных в рамках диссертационной работы конструкций и технологии изготовления интегральных матричных преобразователей вектора индукции магнитного поля подтверждена свидетельством на полезную модель.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Амеличев В.В., Галушков А.И., Крупное Ю.А. «Биполярный магнитотранзистор с заглубленными активными областями». Труды VII международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники». Дивноморское, 2000г., с.190-192.

2. Амеличев В.В., Галушков А.И., Крупнов Ю.А., Терпигорева Л.М., Чаплыгин Ю.А., Шубин СВ. «Магниточувствительные матрицы на основе интегральных магнитотранзисторов». Межвузовский сборник трудов «Научные основы разработки технологий и оборудования микроэлектроники». Москва., МИЭТ, 2000 г., с.27-31.

3. Амеличев В.В., Галушков А.И., Крупнов Ю.А., Шубин СВ. «Матричный преобразователь вектора магнитного поля». Труды третьей международной научно-технической конференции «Электроника и информатика-ХХ1 век», г. Москва, 2000г., с.260.

4. Крупнов Ю.А. «Повышение чувствительности интегральных матричных преобразователей вектора магнитного поля». Тезисы докладов восьмой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2001». Москва, 2001 г., с. 14.

5. Галушков А.И., Крупное Ю.А., Шубин СВ. «Итегральный двухкомпонентный матричный преобразователь магнитного поля». Материалы XIII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. Датчик 2001», г. Судак, 2001 г., с.107-108.

6. Галушков А.И., Крупнов ЮА Лопатин В.В., Сватков А.В., Попадинец Ф.Ф. «Разработка и исследование параметров биполярного магнитотранзистора с концентратором магнитного поля». Материалы XIII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. Датчик 2001», г. Судак, 2001 г., с.108-109.

7. Галушков А.И., Крупнов Ю.А., Чаплыгин Ю.А., Шубин СВ. «Микроэлектронные интегральные матричные преобразователи вектора магнитной индукции». "Сенсор", 2001 г., №1, сентябрь, с.46-49.

8. Артамонов А.С., Никифоров А.Ю., Согоян А.В., Галушков А.И., Крупнов Ю.А. «Экспериментальное исследование радиационного поведения магниточувствительных биполярных транзисторов». Материалы российской научной конференции «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2001»», выпуск 4, 2001 г., с.163-164.

9. Галушков А.И., Крупнов Ю.А., Сауров А.Н., Артамонов А.С., Никифоров А.Ю., Согоян А.В. «Исследование магнитотранзисторов для создания радиационностойких магнитосенсорных систем робототехники». Материалы научной молодежной школы «Интеллектуальные роботехнические системы (ИРС-2001)». Дивноморское. 2001г., с.253-256.

10. Свидетельство на полезную модель №25369 от 27.09.2002 г. «Двухколлекторный биполярный магнитотранзистор' с многослойным концентратором магнитного поля», авторы Амеличев В.В., Галушков А.И., Крупнов Ю.А., Сауров А.Н.

11. Абакумов А. А., Абакумов А.А. (мл.), Галушков А.И., Крупное Ю.А. «Двухкомпонентный матричный преобразователь для систем визуализации магнитного поля». Материалы VIII международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники». Дивноморское. 2002 г., Часть 2. С. 152-154.

12. Крупнов Ю.А. «Основные типы интегральных полупроводниковых матричных преобразователей магнитных полей и их применение». Тезисы докладов четвертой Международной научно-технической конференции МИЭТ «Микроэлектроника и информатика - 2002» , часть 2, Москва, 2002 г., с.45-46.

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л. 1,1. Тираж 80 экз. Заказ 270.

Отпечатано в типографии ИГОС МИЭТ.

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4805, д.5, МИЭТ.

№20234

РНБ Русский фонд

2005-4 20640

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1 Интегральные полупроводниковые матричные преобразователи магнитного поля.

1.1. Основные типы интегральных полупроводниковых матричных преобразователей магнитного поля.

1.2. Применение интегральных полупроводниковых матричных преобразователей магнитного поля.'.

1.3. Основные требования к интегральным полупроводниковым матричным преобразователям магнитного поля.

1.4 Выводы и постановка задачи.

Глава 2. Разработка и исследование двухкомпонентных интегральных матричных преобразователей вектора индукции магнитного поля на основе биполярных двухколлекторных транзисторов.

2.1 Магниточувствительная линейка для измерения двух тангенциальных компонент вектора индукции магнитного поля.

2.2 Разработка технологии изготовления магниточувствительной линейки.

2.3 Исследование характеристик магниточувствительной линейки.

2.4 Исследование путей снижения величины температурного коэффициента чувствительности биполярного двухколлекгорного магнитотранзистора.

2.5 Исследование радиационного поведения биполярного двухколлекгорного магнитотранзистора.

2.6 Выводы по главе 2.

Глава 3 Разработка и исследование интегральных матричных преобразователей Ф для измерения трех компонент вектора индукции магнитного поля.

3.1 Разработка конструктивных вариантов интегральных матричных преобразователей для измерения трех компонент вектора индукции магнитного поля.

3.2 Особенности технологии изготовления интегральных матричных преобразователей вектора индукции магнитного поля.

3.3 Исследование характеристик интегральных матричных преобразователей вектора индукции магнитного поля.

3.4 Выводы по главе 3.

Глава 4 Исследование и разработка конструктивно-технологических методов ф повышения прецизионности измерения на основе интегральных матричных преобразователей вектора индукции магнитного поля.

4.1 Разработка биполярного двухколлекгорного магнитотранзистора с тонкопленочным многослойным концентратором магнитного поля.

4.2 Исследование биполярного двухколлекгорного магнитотранзистора с заглубленными активными областями.

4.3 Исследование влияния схемы преобразования сигнала чувствительных элементов на прецизионность измерения параметров вектора индукции магнитного поля.

Ф 4.4 Выводы по главе 4.

Во многих отраслях науки и техники возникает необходимость определения параметров магнитных полей. Создание удовлетворяющих разнообразным техническим требованиям средств измерений параметров магнитного поля возможно только на базе различных магнитоизмерительных преобразователей, основными из которых являются: магнитомеханические, индукционные, гальваномагнитные, магниторезистивные, магниторезонансные и феррозондовые [1].

В последнее время более широкое развитие и применение получили датчики магнитного поля (ДМП), изготовляемые по традиционной технологии кремниевых ИС, а в некоторых случаях — с небольшими дополнениями в зависимости от типа применяемого 'чувствительного элемента (ЧЭ). Первые такие ДМП появились уже в начале 80-х годов. Их быстрое развитие и широкое применение можно объяснить пригодностью имеющейся технологической базы для группового производства ДМП и создания на их основе датчиков положения, линейных и угловых перемещений, скоростей и ускорений, силы, массы, вращающего момента и других физических величин.

В качестве ЧЭ ДМП первого поколения применялись преимущественно преобразователи Холла и магнитотранзисторы, что позволило использовать существующие технологию и оборудование производства ИС. Однако такой переход потребовал создания совершенно новой технологии производства ДМП.

Анализируя состояние и перспективы дальнейшего развития ДМП можно разделить рынок микроэлектронных устройств на два класса [2]. К первому классу относятся дешевые устройства массового применения в стандартном применении, а ко второму -специализированные устройства, удовлетворяющие повышенным требованиям к функциональным характеристикам, точности, надежности, габаритным размерам, массе, потребляемой мощности и другим параметрам. По мере развития микросистемной техники главными потребителями ДМП будут следующие области: потребительская электроника и мобильные средства связи; автомобильная промышленность; медицинское приборостроение; контроль состояния окружающей среды; домашнее оборудование и бытовые приборы; автоматизация и технология производства; сферы безопасности и охраны; аэрокосмическая техника; управление уличным движением и системы управления полетами. ^

В последнее время широкое применение в различных областях, таких как . медицина, биология, дефектоскопия и т.д., получили системы магнитной интроскопии, основанные на электронном сканировании приповерхностного магнитного поля объекта контроля и отображении его распределения на экране видеоконтрольного устройства или персонального компьютера [3].

Достоинство магнитной интроскопии заключается в возможности проводгггь 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.

Магнитный интроскоп для визуализации структурных дефектов ферромагнитных материалов, как правило, состоит из передвижного намагничивающего устройства, сканера распределенного магнитного поля, системы обработки и отображения информации на экране монитора или жидкокристаллическом индикаторе. Ядром сканера магнитного поля, является матричный преобразователь магнитного поля. Известны матричные преобразователи магнитных полей на основе дискретных магнитодиодов или магнитотранзисторов [4]. Недостатками магниточувствительных преобразователей, состоящих из дискретных магниточувствительных элементов является то, что они имеют не только большие габариты с большим количеством информационных выводов, но и низкую пространственную разрешающую способность, составляющую единицы миллиметров [4]. Разориентация ® кристаллов ЧЭ, возникающая при их монтаже на плату, приводит к разбросу основного параметра - магниточувствительности, что в свою очередь снижает точность диагностики. Известны также МП магнитных полей в виде матрицы из магниторезисторов [4]. Недостатками данных преобразователей является низкая пространственная разрешающая способность, большой ток потребления. МП состоящие из элементов Холла [4] 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 микроэлектронных магниточувствительных матриц # для измерения параметров вектора индукции магнитного поля, которые позволяют снизить габариты, повысить разрешающую способность, сократить количество информационных выводов, уменьшить неидентичность параметров элементов матрицы и пространственную разориентацию ячеек, повысить надежность и снизить стоимость по сравнению с матричными преобразователями на дискретных элементах.

Цель диссертационной работы - разработка и комплексное исследование интегральных полупроводниковых матричных преобразователей вектора индукции магнитного поля с высоким уровнем разрешения, основанных на ® магнитотранзисторных структурах, реализуемых по КМОП-технологии ИС.

В первой главе рассмотрены основные типы интегральных полупроводниковых матричных преобразователей магнитного поля. Проанализированы общие типы магнитных датчиков и конкретные примеры интегральных полупроводниковых матричных преобразователей магнитного поля. Проведен анализ существующих проблем и сформулированы основные решаемые в работе задачи.

Во второй главе представлены конструктивные, схемные и технологические решения магниточувствительной линейки для измерения двух тангенциальных компонент вектора индукции магнитного поля на основе биполярных магнитотранзисторов с двумя коллекторами (БМТДК). Проведено моделирование технологического маршрута изготовления магниточувствительной ячейки на основе биполярных магнитотранзисторов с

V, помощью программы приборно-технологического моделирования PROWIZ. Представлены результаты исследования характеристик магниточувствительной линейки, предназначенной для измерения двух латеральных компонент вектора индукции магнитного поля. Изложена разработанная методика контроля электрофизических параметров магниточувствительной линейки.

Представлены результаты исследований радиационного поведения элементов матричных преобразователей, изготовленных по КМОП-технологии на основе двухколлекторного биполярного n-p-п транзистора.

В третьей главе проведена разработка матричного преобразователя для измерения трех компонент вектора индукции магнитного поля на основе # трехкомпонентных магниточувствительных ячеек (МЧЯ) различной конструкции. Проведены экспериментальные исследования технологии изготовления интегральных матричных преобразователей вектора магнитного поля. Показаны результаты экспериментальных исследований характеристик матричных преобразователей для измерения трех компонент вектора магнитной индукции.

В четвертой главе представлены результаты исследований конструктивно-технологических методов повышения прецизионности измерения интегральных матричных преобразователей вектора магнитного поля. Приведены ® характеристики биполярных магнитотранзисторов с двумя коллекторами с тонкопленочным пермаллоевым концентратором магнитного поля. Приведены разработанные конструкции БМТДК с заглубленными активными областями. Проведены данные исследования преобразователей вектора магнитного поля со схемой усиления и преобразования сигнала ЧЭ.

Научная новизна.

1. Разработан принцип построения интегральных магниточувствительных матриц для измерения параметров вектора индукции магнитного поля на основе магнитотранзисторных структур.

2. Разработан метод повышения разрешающей способности двухколлекгорного 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 заглубленния активных областей, и смещения линий тока в глубину структуры.

4. Разработан метод снижения величины температурного коэффициента магниточувствительности биполярного двухколлекгорного 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 двухколлекгорного биполярного магнитотранзистора1 при его рентгеновском облучении и определено, что радиационная деградация напряжения смещения нуля магнитотранзистора объясняется образованием в изолирующем окисле положительного заряда.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработаны и изготовлены матричные преобразователи магнитного поля динамического типа: двухкомпонентный, на основе биполярных f 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.

2. 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 магниточувствительных ячеек друг относительно друга (до 200 мкм между ними) и их расширенных возможностей, - контролировать до трех компонент вектора магнитной индукции.

3. 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 двухколлекгорного 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 быть применены в электронной аппаратуре для контроля вектора магнитной индукции.

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.

2. Конструкция двухколлекгорного биполярного магнитотранзистора с заглубленными областями эмиттера и коллекторов, обеспечивающего снижение уровня собственных шумов и повышение разрешения по предельной величине магнитного поля.

3. Конструкция двухколлекгорного 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 двухколлекгорного 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.

Основные результаты работы отражены в 2 статьях, одном свидетельстве на полезную модель и представлены 9 докладами на следующих конференциях: Международная научно-техническая конференция МИЭТ (2000-2002 гг.), Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» Дивноморское (2000-2002 гг.), XIII научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов

Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. Датчик' 2001», Российская научная конференция «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-2001».

4.4 Выводы по главе 4

1. Разработан способ повышения прецизионности измерения вектора магнитных полей интегральными матричными преобразователями с МКМП на поверхности кристалла. МКМП может усиливать величину вектора магнитной индукции в области отклонения неосновных носителей заряда более чем в 4,5 раза в диапазоне магнитных полей до 1 мТл. Однако, в результате размещения МКМП между МЧЯ, снижается пространственное разрешение интегрального преобразователя вектора магнитного поля.

2. Исследования параметров магнитных пленок выявили корреляцию значения коэрцитивной силы многослойного концентратора магнитного поля с величиной рельефа поверхности кремниевой подложки и материалом диэлектрического подслоя. Показано, что для структур с подслоями на основе Si02 (толщина 0,3 мкм) и фосфоро-силикатного стекла (толщина 1 мкм) значения коэрци тивной силы составили 0,9-1,0 Э, для структур с подслоем на основе S13N4 (толщина 0,3 мкм) - 1,9 Э, а для структур с рельефом поверхности 1 мкм- бо-лееЮ Э. Таким образом, минимальные значения коэрцитивной силы концентратора магнитного поля были получены для структур без рельефа с подслоем из ФСС или Si02.

3. В результате исследований установлено, применение метода формирования заглубленных областей в БМТДК позволяет повысить прецизионность ДМЧЯ, для регистрации двух компонент вектора магнитной индукции.

Отличительной особенностью такого метода повышения прецизионности интегрального преобразователя является то, что геометрические размеры МЧЯ не увеличиваются, а интегральный уровень напряжения собственных шумов в диапазоне частот от 10 Гц до 100 кГц снижается с 140 мкВ до 60 мкВ, что позволяет достичь снижения предела обнаружения для магнитной индукции более чем в 2 раза.

4. В результате исследований интегральной магниточувствительной микросистемы установлено, что применение ИУ для усиления и преобразования сигнала биполярного двухколлекгорного магнитотранзистора с микроконцентратром магнитного поля позволяет достичь увеличения значения магниточувствительности до Sa=675 В/Тл при измерении величин индукции магнитного поля порядка 1 мТл. За счет внешней подстройки позволяет минимизировать значение смещение нуля микросистемы и достичь значения предельного разрешения по магнитному полю менее 15 нТл/(Гц)ш на центральной частоте 1 кГц.

Заключение

Проведенный комплекс исследований позволил получить следующие основные результаты:

1. Разработаны принцип построения и конструкции интегральных полупроводниковых матричных преобразователей вектора индукции магнитного поля в КМОП конструктивно-технологическом исполнении на основе:

- двухэлементной магниточувствительной ячейки, в которой применяются два ортогональных биполярных магнитотранзистора с двумя коллекторами ;

- трехэлементной комбинированной ячейки, состоящей из трех биполярных магнитотранзисторов с разделенным коллектором, или двух биполярных магнит-ранзисторов и одного МОП магнитотранзистора с разделенным стоком;

- трехэлементной магниточувствительной ячейки, состоящей из одного функционально-интегрированного восьмиколлекторного биполярного магнитотранзистора.

2. Предложен принцип построения внутренней организации матричных преобразователей, позволяющий реализовать поочередную, последовательную выборку ячеек для регистрации значений компонент вектора индукции магнитного поля в области расположения ячейки.

3. Разработана технология изготовления интегральных матричных преобразователей вектора магнитной индукции, основанная на технологическом маршруте изготовления КМОП ИС. Разработан фрагмент технологии изготовления интегральных матричных преобразователей вектора магнитной индукции, позволяющий реализовать бескорпусной вариант с гибкими выводами, в котором исключены искажения измеряемого магнитного поля.

4. В результате экспериментальных исследований разработанных интегральных матричных преобразователей вектора магнитной индукции показано, что магниточувствительная ячейка для измерения трех компонент вектора индукции магнитного поля на основе двух биполярных магнитотранзисторов с двумя коллекторами и одного биполярного магнитотранзистора с расщепленным коллектором, обладает высокой избирательностью по каждой из компонент вектора магнитной индукции, при этом чувствительность по z-компоненте составляет

8(Н-100 мВ/Тл, по х-, у-компонентам - 0.5-Н.5 В/Тл; пространственное разрешение составляет по х-компоненте 250 мкм, по у-компоненте 650 мкм. Магниточув-ствительная ячейка для измерения трех компонент вектора индукции магнитного поля на основе двух биполярных магнитотранзисторов с двумя коллекторами и одного МОП магнитотранзистора с разделенным стоком, обладает наилучшей чувствительностью по z-компоненте, составляющей 130-5-140 мВ/Тл. Магнито-чувствительная ячейка для измерения трех компонент вектора индукции магнитного поля на основе функционально-интегрированного восьмиколлекторного биполярного магнитотранзистора, обладает лучшим пространственным разрешением, которое составляет 200—250 мкм. Передаточная характеристика биполярного магнитотранзистора с двумя коллекторами имеет линейный вид, а коэффициент нелинейности в диапазоне магнитного поля (±200 мТл) составляет 0.2 %. Эквивалентное поле шума такого магнитотранзистора на центральной частоте 1 кГц составляет 200 нТл/(Гц)1/2, а интегральная величина напряжения шума в диапазоне частот от 10 Гц до 10 кГц составляет 130 мкВ.

5. Разработан метод снижения величины температурного коэффициента маг-ниточувствительности 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.

6. Установлена закономерность радиационной деградации характеристики преобразования двухколлекторного биполярного магнитотранзистора при его радиационном облучении и определено, что радиационная деградация напряжения смещения нуля магнитотранзистора объясняется образованием в изолирующем окисле положительного заряда.

7. Разработан метод повышения разрешающей способности двухколлекторного биполярного магнитотранзистора, основанный на применении тонкопленочного многослойного концентратора магнитного поля, позволяющий повысить магниточувствительность более чем в 4,5 раза при измерении слабых магнитных полей порядка 1 мТл.

8. Разработан метод снижения уровня собственных шумов в двухколлекгор-ном биполярном магнитотранзисторе, основанный на уменьшении влияния поверхности раздела SiC>2-Si в области между эмиттером и коллектором, за счет за-глубленния активных областей, и смещения линий тока в глубину структуры. Этот метод позволяет повысить прецизионность магниточувствительной ячейки для регистрации двух компонент вектора магнитной индукции более чем в 2 раза за счет снижения интегрального уровня напряжения собственных шумов в диапазоне частот от 10 Гц до 100 кГц со 140 мкВ до 60 мкВ.

9. Разработана магниточувствительная микросистема, повышающая значение абсолютной магниточувствительности биполярного магнитотранзистора более, чем в 400 раз.

1. Розенблат М.А. Микротроника новое направление развития датчиков #i.f.v.b исполнительных-устройств // Приборы и. системы управления. >1996. -«№/12. -г" ц С. 50-51.

2. Абакумов А.А., Абакумов А.А. (мл.) Магнитная диагностика газонефтепроводов // М.: Энергоатомиздат. 2001. - С.156-297.

3. Вайс Г. Физика гальваномагнитных полупроводниковых приборов и их применение // пер. с нем. М.: Энергия. 1974.

4. Baltes Н. Future of 1С microtransducers // Sensor and Actuators. A56 (1996). Pp. 179-192.

5. Патент N 2055422 от 11.04.96 Двухстоковый МОП-магнитотранзистор / Амеличев В.В.,/ Галушков А.И., Романов И.М., Чаплыгин Ю.А.; патентообладатель МИЭТ.

6. Амеличев В.В., Галушков А.И., Чаплыгин Ю.А., Шубин С.В Интегральные магниточувствительные матрицы с высоким уровнем разрешения

7. Известия высших учебных заведений. Электроника. 2000. - № 1. - С. 45-50.j

8. Патент N 2140117 от 24.12.98 Интегральная магниточувствительная матрица / Абакумов А.А., Амеличев В.В., Галушков А.И., Чаплыгин Ю.А., Шубин С.В; патентообладатель МИЭТ.

9. Michael J. Caruso and Tamara Bratland, Honeywell, SSEC Carl H. Smith and Robert Schneider, Nonvolatile Electronics, Inc. "A New Perspective on Magnetic Field Sensing"

10. Балтес Г.П., Попович P.C. Интегральные полупроводниковые датчики магнитного поля // ТИИЭР. 1986. - N8. - С. 60-90

11. Викулин И.М., Викулина Л.Ф., Стафеев В.И. Гальваномагнитные приборы // М.: Радио и связь, 1983.

12. Fluitman J.H. A survey of solid state magnetic field sensors // in Summer Course 1982:Solid-State Sensors and Trandusers, Volume II, Eds. Leuven, Belgium: Katholieke Universitet, 1982, pp. IX-1-23.

13. Галушков А.И. Конструкция интегральной микросистемы для измерения распределенных магнитных полей // Тезисы докладо Российско-германской конференции Датчики и системы, 25-27 июня 2002. Санкт-Петербург, 2002 - Том I. - С. 43-46.

14. United States Patent №5764054.

15. О. Nixon and Arokia Nathan Magnetic pettern recognition sensor arrays using CCD readout//Proc. Of Eurosensors IX Conference, pp. 273-276, 1995.

16. A.E. Srininsih, D. Hartanto, F. Astha Ekadiyanto Magnetic Field Sensor Using CMOS MAGFET Array // 5th International Conference on VLSI and CAD, October 13-15, 1997, Seoul, Korea, pp. 546-548.

17. James J. Clark Split-drain MOSFET Magnetic Sensor Arrays // A24, pp. 107-116, 1990.

18. D. Misra A Novel CMOS Magnetic Field Sencor Array // IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 25, NO. 2, pp. 623-625, April 1990.

19. F. Jeffeers, Proc. IEEE, vol. 74, no. 11, pp. 1540-1556, Nov. 1986.

20. F. Jeffers, et al., IEEE Trans. Magnetics, vol. 18, no. 6, pp. 1146-1148, Nov.1982.

21. R. A. Philpolt, et al., IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 29, no. 3, pp. 177184, March 1994. .

22. Касаткин С.И., Васильева Н.П., Муравьев A.M., Абакумов А.А., Абакумов А.А. (мл.), Носков А.Н. Тонкопленочные многослойные магниторезистивные датчики и магнитные интроскопы на их основе // Приборы и системы управления. 1998. - № 8. - С. 20-23.

23. R. Pallas-Areny and J.G. Webster, Sensor and Signal Conditioning, John Willey, N-Y, 1991

24. Кучис E.B. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования // М.: Радио и связь. 1990. - С. 137-144.

25. Описание изобретения к авторскому свидетельству №849865.

26. S. Kataoka Recent developments of magnetoresistive devices and applications // Circulars Electrotech. Lab., no. 182, (Tokyo, Japan, Electrotech. Lab.), 1974.

27. Абакумов А.А. Магнитная интроскопия // М.: Энергоатомиздат. 1996.

28. R. Н aberli, М. S chneider, Р. М alcovati, R. С astagnetti, F. Мaloberti, and H.Baltes 2D magnetic microsensor with on-chip signal processing for contactless angle measurement // IEEE Journal Solid-State Circuits , vol. 31, pp. 1902-1907, 1996.

29. P. Malcovati, F. Maloberti, A. Pesucci, and M. Poletti A 12-bit A/D interface for a 3D magnetic sensor // Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS '97) , Hong Kong, pp. 1-4, 1997.

30. A.G. Andreou and C.R. Westgate The magnetotransistor effect // Electron1. V»1.tt., vol.20, pp.699-701, 1984.

31. Абакумов А.А. Матричный преобразователь магнитных полей к структуроскопу. Описание к авторскому свидетельству №859904, СССР. Опубл. 1981. Бюлл. №32.

32. Т. Usuki, S. Sugiyama, М. Takeuchi, Т. Takeuchi, I.Igarashi Integrated magnetic sensor // in Proc. 2nd Sensor Symp., 1982, S. Kataoka, Ed. (Tokyo, Japan), pp. 215-217, 1982.

33. A. Bossche, Н. С. J. М. Van Gestel, Jeff R. Mollinger A Magnetic Sensor Array for Two-dimensional Pettern-shift Measurements // Sensor and Actuator A25-27, pp. 737-740,1991.

34. Амеличев В.В., Галушков А.И., Касаткин С.И., Муравьев А.М., Пудонин Ф.А., Чаплыгин Ю.А., Шубин С.В. Биполярный магнитотранзистор смногослойным пермаллоевым концентратором магнитного поля // Датчики и системы. 1999. - № 3 - С. 14-18.

35. SchneiderMKorvink J.G., and В altes Н. М agnetostatic modeling о fanьчлго'сичогг jntegrated^microconcentrator //Transdusers-'.95 sEvrosensors IX;Pp.9-12 :i* *11!Л*:>л''0! '> !

36. Патент на изобретение РФ N2055419 от 25.01.94 Магниточувствительный биполярный транзистор / Галушков А.И., Сауров А.Н., Чаплыгин Ю.А.

37. Абакумов А.А. (мл.) Система визуализации дефектов внутренней структуры ферромагнитных объектов // Приборы и системы управления. 1997. -№10.-С. 32-35.

38. Абакумов А.А., Абакумов А.А. (мл.), Галушков А.И., Чаплыгин Ю.А. Полупроводниковые сканеры распределенного магнитного поля // Известиявысших учебных заведений. Электроника. 1997. - № 3-4. - С. 117-125.Ц

39. Патент на изобретение РФ № 2006850 от 30.01.94 Строчный преобразователь магнитных полей // Абакумов А.А. Королев Н.Н.; патентообладатель Обнинский институт атомной энергетики.

40. ISE TCAD Manuals. Release 5.0. Vol.2,3, 1997.

41. Галушков А.И., Амеличев В.В., Чаплыгин Ю.А., Зубенко Ф.Г. Биполярный магнитотранзистор, изготовленный по самосовмещенной КМОП -технологии // Электронная промышленность. 1992. - №3. - С. 58-59.

42. Галушков А.И., "Амеличев В.В:, Чаплыгин Ю.А., Волков С.И. Магнетометр малых полей на основе биполярного магнитотранзистора // Тезисы докладов VI-й Научно-технической конференции, май 1994. Гурзуф, 1994. - С. 139-140.

43. Шубин С.В. Интегральная магниточувствительная матрица для регистрации вектора магнитной индукции // Тезисы докладов Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. -Москва, Зеленоград, 1999. С. 26.

44. В. Travis Electromagnetic sensors put a spin on compasses // EDN Magazine, 1996

45. Hsu, George Magnetic Compassing // Precision Navigation Inc, reprint from Measurements & Control, September 1995.

46. Wan H, Pant B, and Krahn D A Brief Study of Magnetism and Magnetic Sensors // Honeywell Inc, presented at Sensors Expo September 1995.

47. Галушков А.И., Крупное Ю.А., Чаплыгин Ю.А., Шубин С.В. Микроэлектронные, интегральные матричные преобразователи. вектора магнитной индукции. // н-т. журнал "Сенсор"» 2001 г., №1, сентябрь,стр.46-49.

48. Свидетельство на полезную модель по завке №25369 от 27.09.2002 г. //Двухколлекторный биполярный магнитотранзистор с многослойным концентратором магнитного поля, авторы Амеличев В.В., Галушков А.И., Крупнов Ю.А., Сауров А.Н.

49. Романов И.М. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук «Кремниевые интегральные сенсоры вектора индукции магнитного поля».//Москва. 1997.

50. Использование данных матриц позволило: *- повысить пространственную разрешающую способность и надёжное ib сканера магнитного поля;- снизить энергопотребление системы неразрушающего контроля;- уменьшить стоимость системы неразрушающего контроля.

51. Технический директор ООО «Центр технической диагностики «ИНТРОСКО»к.т.н., доцен'1. А.А. Абакумов (мл.)1. УТВЕРЖДАЮ"

52. Зам. директора ЗАО «Инновационныйt5хнологий»1. ШЕВЯКОВ2004 г.

53. Акт о внедрении и использовании результатов диссертационной работы Крупнова Юрия Анатольевича на тему «Интегральные магниточувствительные матрицы для измерения параметров вектора индукции магнитного поля»

54. Ответственный исполнитель темы/^ —B.C. Суханов