автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Кремниевые интегральные сенсоры вектора индукции магнитного поля

На правах рукописи

£

Романов Игорь Михайлович

Кремниевые интегральные сенсоры вектора индукции магнитного поля.

Специальность 05.27.01 -твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в НПН "Технологический центр" при Московском Государственном институте электронной техники.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ю.А.Чаплыгин.

у '

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор В.И.Мурыгин кандидат технических наук, доцент А.А.Абакумов

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт микроэлектроники и информационно-измерительной техники.

Защита состоится "_"_ 1097 г. в_ч на заседании

диссертационного совета Д.053.02.02 при Московском Государств шом институте • электронной техники по адресу: 103489, Москва К-489, МИЭТ. .!

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного института электронной техники.

Автореферат разослан и_"_ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.053.02.02, доктор технических

наук, профессор В.А.Волков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Очередным этапом развития кремниевых магниточувстви-гельных элементов явилась разработка структур, которые позволяют измерять одновременно все три составляющие вектора индукции магнитного поля. Две составляющие - параллельные поверхности кристалла, на котором распо чагается сенсор, и перпендикулярные друг относительно друга (В! и Ву), а третья доставляющая - перпендикулярная поверхности кристалла (БД Гакие сенсоры могут быть использованы для измерения магнитного поля (карты поля) на магнитных материалах, устройствах и аппаратуре, при измерении магнитного поля Земли для навигационных или геологических целей, и др.

Однако, такие специфические области применения сенсоров вектора магнитной индукции накладывают свои требования на их параметры. Эти сенсоры должны обладать высокой чувствительностью и высокой селективностью ко всем трем составляющим вектора магнитной индукции. Помимо этого, они должны иметь высокое пространственное разрешение и высокое разре-дение по полю.

Сенсоры вектора магнитной индукции, о которых сообщалось з литературе, не обладают оптимальным соотношением параметров.

В связи с вышеизложенным актуальной является задача разработки сенсора вектора магнитной индукции, наиболее полно удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к танеку гипу 1риборов.

Цель работы заключается в разработке кремниевых интегральных сенсоров вектора магнитной индукции и их комплекс-юм исследовании.

Научна» новизна результатов, полученных в настоящей работе, заключается в следующем:

1. Разработана оригинальная конструкция биполярного магнитотранзистора, чувствительного к В2, у которого снижен уровень шума выходного сигнала. Уменьшение уровня шума получено за счет исключения из механизма чувствительности отклонения носителей в базе, инжектированных из эмиттера, что позволяет сделать модуляцию инжекции из эмиттера основным механизмом чувствительности и увеличить корреляцию шумов двух коллекторов. Это уменьшает уровень шума выходного сигнала при измерении выходного сигнала как разности напряжений двух коллекторов.

2. В результате комплексного исследования пяти типов разработанных сенсоров вектора магнитной индукции показано, что наилучшими характеристиками обладает шестнадцатиколлектор-ный сенсо!

3. Установлены качественные и количественные закономерности поведения магниточувствительности и предельного разрешения по пол» ше'стнадцатиколлекторного сенсора вектора магнитной индукции при различных режимах работы и температурах. При увеличении тока базы от 0.1 мА до 10 мА относительная чувствительность по току коллекторов увеличивается до тскоа базы приблизительно 3 мА, а затем практически не изменяется. Относительная чувствительность сенсора к В2 достигает 2 л/Тл, а предельное разрешение по полю 50 мкТл, что превышает характеристики известных аналогов. Температурный коэффициент изменения чувствительности составил -0.5 %/°С.

4. Покагано, что при охлаждении шестнадцатиколлекторного сенсора до температуры жидкого азота (77 К) происходит возрас-

тание магниточувствительности и- предельного разрешения по полю до велйчин 100 %/Тл и 2 мкТл, соответственно.

Практическая значимость.

1. Разработана оригинальная конструкция биполярного маг-нитотранзистора, имеющего высокое предельное разрешение по полю к Вь. Улучшение предельного разрешения по полю получено благодаря уменьшению уровня шума выходного сигнала за счет удлиненной формы эмиттера и соответствующего взаиморасположения эмиттера, коллекторов и контакта к эмиттеру.

2. Разработан технологический маршрут формирования сенсоров вектора магнитной индукции, совместимый с КМОП технологией ИС.

3. Разработаны и изготовлены пять конструкций сенсоров вектора магнитной индукции и проведены исследования их параметров. Использование разработанной конструкции биполярного магнитотранзистора для интеграции его в сенсор вектора магнитной индукции позволило повысить чувствительность сенсоров вектора магнитной индукции к Вг.

Реализация результатов работы.

. Разработанные конструкции сенсоров вектора магнитной индукции и технологический маршрут их формирования внедрены в научно-производственном комплексе "Технологический центр" при Московском институте электронной техники и использованы в программе ГНЦ Российской Федерации НПК "Технологический центр" МИЭТ на 1996-199? гг. "Перспективные технологии и методы изготовления современных • СБИС и иикроэлектронных датчиков" по теме Лига-17; "Разработьь новых принципов построения кремниевых магниточувствителыщх матриц высокого разрешения" (Г.Р.Н 01960007112) и в межвузовской научно-технической программе "Конверсия и высокие

технологии 1994-1996 гг" по теме "Разработка трехмерного интегрального датчика магнитного поля с высоким разрешением и низким уровнем собственных шумов для исследования геомагнитных полей" (Г.Р.Н 01940007449), что подтверждено актом о внедрении.

На защиту выносятся.

1. Оригинальная конструкция биполярного магнитотранзис-тора, чувствительного к В2.

2. Оригинальные конструкции сенсоров вектора магнитной индукции:

а) двенадцагиколлекторный биполярный магнитотранзистор, имеющий восьмиугольную форму эмиттера;

б) двенадцатиколлекторный биполярный магнитотранзистор, использующий разработанный биполярный магнитотранзистор в качестве элемента, чувствительного к Вг;

в) шестнадцатиколлекторный биполярный магнитотранзистор, использую :й разработанный биполярный магнитотранзистор в качестве элемента, чувствительного к Вг.

3. Технологический маршрут формирования сенсоров вектора магнитной индукции. "

4. Результаты экспериментальных исследований параметров разработанных сенсоров вектора магнитной индукции, из которых следует, что:

- наилучшими характеристиками обладает шестнадцатиколлекторный сенсор, вектора магнитной индукции;

• относительная чувствительность сенсора к Вг достигает 2 '/-/Тл, а предельное разрешение по полю 50 мкТл,

- температурный коэффициент изменения чувствительности составил -О Ь 7У °С; -

- при охлаждении шестнадцатиколлекторного сенсора до температуры жидкого азота (77 К) происходит возрастание магниточувствительности и предельного разрешения по полю до величин 100 %/Тл и 2 мкТл, соответственно.

Апробация работы.

Результаты проведенных исследований докладывались на Всероссийской научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Крым, 1994 г., 1995 г., 1997 г.); Научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика" (Москва, 1995 г., 1996 г., 1997 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика -95"(Москва, ноябрь, 1995 г.).

Публикации.

Основные результаты диссертации отражены в четырех статьях, одном патенте на изобретение, одном положительном решении о выдаче патента и представлены семьи докладами на научно-технических конференциях.

Структур», к объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 85 наименований. Объем диссертации составляет 172 страницы, включая 74 рисунка и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дается обоснование актуальности тени диссертационной работы, описываются цели, структура дисс«гации и ее краткое содержание.

В первой главе проведен обзор кремниевых интегральных сенсоров, которые чувствительны к одной из составляющих

вектора магнитной индукции (одномерных сенсоров). Основное внимание было уделено элементам Холла, биполярным двухкол-лекторным магнитотранэисторам и двухстоковым МОП магнито-транзисторам так как именно они чаще всего используются для формирования на их основе сенсоров вектора магнитной индукции.

, Элементы Холла можно изготовить как по биполярной технологии (на основе эпитаксиального слоя) так и по КМОП технологии (на основе кармана). Еще в качестве тела элемента Холла может служить канал МОП транзистора. В основном элементы Холла чувствительны к В2. Однако, есть вертикальные элементы Холла, которые чувствительны к Вх и Бу.

Биполярные магнитотранзисторы можно разделить на латеральные и вертикальные по основному направлению движения носителей, инжектированных эмиттером. Есть биполярные латеральные магнитотранзисторы, которые чувствительны как к Вг, так и к Вх л Ву. Вертикальные магнитотранзисторы в основном чувствительны к В, и Ву. Двухстоковые МОП магнитотранзисторы чувствительны в основном к Вг.

Раздел 1.2 посвящен рассмотрению различных конструкций сенсоров вектора магнитной индукции и их параметров. Отмечено, что для вертикального четырехколлекторного магнито-транзистора, полученного по биполярной технологии, большой проблемой является рассовмещение области эмиттера 'относительно скрытых коллекторов, которое получено в, процессе изготовления с&исоров. Это приводит к начальному разбалансу выходного сигнгла 10 30 % от суммы токов коллекторов. Для изготовления сенсороч вектора магнитной индукции используется не только биполярная технология. В литературе описаны сенсоры вектора магнитной индукции, которые получены по КМ0;'

технологии: на основе латеральных биполярных магнитотран-зисторов; на основе элементов Холла; использующие двухстоко-вый МОЛ магнитотранзистор для измерения Вг. Известны также сенсоры вектора магнитной индукции на основе магнитотранзис-торов, полученных по BCD технологии. Основным недостатком рассмотренных сенсоров вектора магнитной индукции является низкая чувствительность сенсоров к Вг по сравнению с чувствительностью к Вх и Ву.

По результатам обзора, проведенного в главе 1, поставлены следующие основные задачи, которые решаются в диссертационной работе- разработка конструкции одномерного сенсора, имеющего высокую чувствительность к Bz;

т оптимизация конструкции разработанного сенсора с целью получения максимальной чувствительности;

- проектирование ряда конструкций сенсоров вектора магнитной индукции;

- разработка технологического маршрута изготовления сенсоров вектора магнитной индукции;

■ - изготовление экспериментальных образцов сенсоров вектора магнитной индукции, их экспериментальное исследование и сравнительный анализ параметров сенсоров для выявления оптимального варианта.

Вторая глава посвящена разработке одномерного сенсора чувствительного к В2, имеющего высокое предельное разрешение по полю. В разделе 2.1 рассматриваются способы повы^гния чувствительности сенсоров к Bz.

Для измерения Вг можно использовать различные сенсоры: элементы Холла; двухколлекторные биполярные магнитотранзис-торы; двухстоковые МОП магнитотранзисторы.

Увеличить чувствительность элементов Холла можно за счет оптимизации размеров тела элементов Холла (для эпитаксиаль-ного элемента Холла оптимальным является соотношение длины и ширине - 1.5) и оптимального расположения холловских контактов. Также чувствительность можно увеличить за счет уменьшения толщины тела элемента Холла (использование канала МОП транзистора и др.).

Для биполярных двухколлекторных магнитотранзисторов двумя основными механизмами чувствительности являются отклонение носителей в базе, инжектированных эмиттером, и модуляция инжекции эмиттера. Поэтому увеличивать чувствительность биполярных магнитотранзисторов можно путем усиления этих механизмов. Так, увеличивая расстояние между эмиттером и коллекторами, чувствительность увеличивается за счет усиления механизма отклонения носителей, так как увеличивается расстояние, на котором на носители воздействует магнитное поле. Г ли сделать эмиттер удлиненным, контакт к эмиттеру расположить с одного конца эмиттера, а коллекторы расположить около противоположной его части, то создается условие протекания носителей по области эмиттера вдоль поверхности кристалла, прежде чем они инжектируются в базу. В этом случае эмиттер будет напоминать тело элемента Холла. И при действии Вг в эмиттере будет возникать холловское поле, которое будет модулировать инжекцию носителей из эмиттера.

Увеличить чувствительность сенсоров можно также за счет оптимизации работы сенсора. Так, известно, что биполяр-

ные и МОП магнитотранзисторы обладают наибольшей чувствительностью при их работе в пологой области вольт-амперной характеристики.

Чувствительность сенсоров также очень сильно зависит от подвижности носителей, которая, в свою очередь, зависит от концентрации примеси в области, где происходит воздействие магнитного поля на носители.

Для увеличения предельного разрешения по полю сенсоров важным является не только увеличение чувствительности, но и уменьшение выходного сигнала в отсутствии магнитного поля (начального разбаланса). Особенно сильно это проявляется при измерении низкочастотного сигнала. Причинами появления начального разбаланса прежде всего являются несимметричность структуры, полученная в процессе изготовления сенсоров, пьезорезистивный эффект, а также наличие дефектов в рабочей области сенсора.

Для уменьшения начального разбаланса при формировании сенсора можно использовать жесткую маску, которая и определит размеры активных областей сенсоров и их взаиморасположение. Остальные фотолитографии будут не критичными.

В случае, если позволяет схема обработки сигнала, перед основными измерениями можно провести тестовые измерения зависимости выходного сигнала сенсора от величины индукции магнитного поля при разных температурах в изолированной системе. Полученные данные сохраняются и используются при проведении измерений.

Для устранения начального разбаланса широко применяется метод калибровки. Он заключается в использовании подстроенных элементов, например наборных нагрузочных резисторов, при помощи которых можно уменьшить начальный разбаланс,

Еще одним способом борьбы с начальным разбалансом является метод компенсации. Он подразумевает использование

двух одинаковых сенсоров, которые обладают близкими параметрами, в том числе и разбалансом.

На предельное разрешение по полю сенсоров также влияет уровень шума выходного сигнала. Шумы выходного сигнала - это беспорядочное изменение выходного сигнала около некоторого значения с амплитудой, лежащей в пределах от минимального до максимального значения, практически во всем диапазоне измеряемых частот. В основном шум сенсора складывается из трех составляющих. Прежде всего это термический шум, или так называемый белый шум. Этот вид шума обычно преобладает на высоких частотах. Следующий вид шума » это 1/{ шум. Этот шум связан с процессами генерации-рекомбинации на границе раздела Б^БЮг и зависит от качества ЭЮг, плотности поверх-ностных состояний и дефектов на границе раздела Si.-Si.O2. Шум 1/Т играет важную роль в МОП транзисторах на низких частотах. Помимо этого, в выходном сигнале присутствует шум, связанный с генерацией-рекомбина )ей носителей на дефектах в объеме полупроводника. Величина этого вида шума пропорциональна концентрации дефектов в объеме полупроводника.

Если быть более точным, то для сенсоров важен не сам уровень шума выходного сигнала, а отношение напряжения шума и абсолютной чувствительности, которое определяет минимальное магнитное поле, которое может быть измерено. Данные из литературы свидетельствуют о том, что уровень шума выходного сигнала для биполярных магнитотранзисторов, когда выходной сигнал снимается с одного коллектора, в несколько раз выше, чем когда в качестве выходного сигнала выступала разность напряжений на коллекторах. Это свидетельствует о том, что шумы обоих коллекторов коррелируют между собой. Объясняется этот факт тем, что токи коллекторов, а, следовательно, и шум

- 13; выходного сигнала, определяются переходом эмиттер-база, который является общим для обоих коллекторов. В случае двухсто-ковых МОП магнитотранзисторов не наблюдается подобного уменьшения напряжения шума. Это объясняется тем, что шумы в двухстоковом МОП магнитотранзисторе определяются дефектами в канале. И, так как токи стоков разделены, то нет такого сильного влияния источника на шумы токов стоков, как это имеет место в биполярных магнитотранзисторах.

Из этого сделан вывод о том, что для изготовления сенсора вектора магнитной индукции с высоким предельным разрешением по полю необходимо ориентироваться на биполярные магнито-транзисторы.

Эскиз топологии разработанного магнитотранзистора, чувствительного к В2 представлен на рисунка 1. Эмиттер имеет удлиненную форму, причем контакт к эмиттеру Е расположен с одного конца эмиттера, а коллекторы К1 и К2 расположены около противоположной его части. Таким образом, контакт к эмиттеру и инжектирующая часть перехода база-эмиттер расположены на некотором расстоянии друг от друга, благодаря чему создается условие для протекания тока параллельно поверхности кристалла в эмиггерной области. Так как коллекторы расположены рядом с эмиттером, то в данном магнитотранзисторе отсутствует механизм отклонения, что должно увеличить корреляцию шумов цвух коллекторов.

Проведено исследование параметров разработанного бипо-иярного двухколлекторного магнитотранзистора. Получено, что 1ри измерении сенсора по схеме с общим эмиттером коэффициент усиления тока базы составил приблизительно 0.3 на один кол-¡ектор. При величине нагрузочных резисторов 5.6 КОц и напряжении на коллекторах 4 В и токе базы 1 мА (токн коллекторов

*

при этом составили по 280 мкА) чувствительность сенсора составила 55 мВ/Тл. При этом относительная чувствительность сенсора, посчитанная относительно тонов коллекторов, составила 1.7 %/Тл. Графики зависимостей относительной чувствительности сенсора (За) от напряжения на коллекторах при разных токах базы приведены на рис.2.

Эскиз топологии разработанного магнитотранзистора, чувствительного к Вг. Рис.1.

Зависимости относительной чувствительности магнитотранзистора от напряжения на коллекторе. Рис.2.

Проведено исследование влияния Ьк и Н3 (рис.1) на Чувствительность разработанного биполярного двухколлекгор-ного магнитотранзистора. Графики зависимостей относительных Чувствительностей по току коллекторов от №3 и Ьк приведены на рис.3 и 4.

Графики зависимости относительной чуЕствительности от длины коллектора для сенсоров на пластинах КЭФ. Рис. 3.

и, яд»

1.5

-Ь

ч-

1ц, «ш

Ч—►

10 13 30 25 30

Графики зависимости относительной чувствительности от ширины эмиттера для сенсоров на пластинах КЭФ. Рис. 4.

За, 9Ь/Тл 20^ 1.к-12|«м

0.5

^ I, ыкм

ч—*

В третьей главе описаны конструкции разработанных сенсоров вектора магнитной индукции, технологический маршрут изготовления сенсоров, спроектированный тестовый кристалл, результаты измерения тестовых элементов и элемента для оценки влияния рассовмещения фотошаблонов на начальный разбаланс сенсоров.

Были разработаны и спроектированы пять конструкций сенсоров вектора магнитной индукции: сенсор вектора магнитной индукции с четырьмя парами коллекторов для измерения В2; модифицированный сенсор с восьмиугольным эмиттером (рис.5); составной сенсор с'двухстоковым п-МОП магнитотранзистором для измерения Вг; двенадцати коллекторный сенсор на базе разработанного одномерного двухколлекторного магнитотранзисто-ра (рис.6); шестнадцатиколлекторный сенсор на базе разработанного двухколлекторного магнитотранзистора (рис.7).

Топология сенсора вектора магнитной индукции с эмиттером в форме восьмиугольника.

Рис.5. , *

Топология двенадцатиколлекторного сенсора.

Рис.6.

Топология шесгнадцатиколлекторного сенсора. Рис.7.

Г 1-м,-

С.ГЗ -

ЕГ.Т.ТЗ — Контактны» окне Г-1223 — Метеля

Разработалный технологический маршрут изготовления . сенсоров вектора магнитной индукции базируется на КМОП технологии ИС и позволяет формировать в едином технологическом цикле как элементы сенсоров вектора магнитной индукции (двухстоковые п-МОП магнитотранзисторы, биполярные двухколлекторные латеральные магнитотранзисторы и др.), так и элементы схемы обработки сигнала.

Спроектированный тестовый кристалл включает, помимо сенсоров вектора магнитной индукции, элементы для контроля параметров сенсоров в процессе и после их изготовления, тестовые элементы для оценки влияния рассовмещения фотошаблонов в процессе изготовления сенсоров на разбаланс выходного сигнала.

В соответствии с разработанным технологическим маршрутом были изготоьчены два типа тестовых элементов и сенсоров: а) на пластинах КЭФ-4.5; б) на пластинах КДБ-12.

При измерении тестового элемента для оценки влияния рассовмещения структуроформирующих фотошаблонов в процессе изготовления сшсоров на начальный разбаланс выходного сигнала п-МОП магнитотранзисторов и п-р-п биполярных магнитотранзисторов получено, что для двухстоковых п-МОП магнитотранзисторов разбаланс токов стоков изменяется на 6-9 % от суммы токов стоков на 1 мкм смещения, а для п-р-п биполярных латеральных магнитотранзисторов разбаланс токов коллекторов изменяется на 6-й % от суммы токов коллекторов на 1'мкм смещения. Такое изменение разбаланса токов соответствует эквивалентному полю приблизительно 1 Тл на 1 мкм смещения. П>- лому устранение этого разбаланса позволит существенно снизить общий разбаланс сенсоров и повысить предельное разрешение по полю.

В четвертой главе описана методика измерения сенсоров вектора магнитной индукции и приведены результаты исследований параметров разработанных сенсоров вектора магнитной индукции.

Измерение сенсоров вектора магнитной индукции проводилось по схеме с общим эмиттером. На все коллекторы магнито-транзистора одновременно подавалось напряжение от источника питания через нагрузочные резисторы, независимо от того, с какой пары коллекторов снимался выходной сигнал. Подложка магнитотранзисторэ подсоединялась к электрической "земле" через резистор Иг- 220 КОм. Такое подсоединение подложки имело своей целью избавиться от плавающего потенциала на подложке сенсора вектора магнитной индукции (что имело место в случае неподсоединения подложки) и сделать ток подложки очень малым, чтобы не увеличивать общий ток потребления. Все измерения проводились для токов базы От 0.1 мА до 10 мА. Измерение шума выходного сигнала проводилось в диапазоне частот от 1 Гц до 1 КГц.

Из полученных данных определялось: абсолютная (ЭО и относительная Йа,, чувствительности сенсоров ко всем трем составляющим вектора магнитной индукции; эквивалентное поле шума на центральной частоте 1 КГц (В1%) и интегральная плотность шума в диапазоне частот от 1 Гц до 1 КГц (ВэквО для всех трех выходов каждого сенсора (г - х, у или г). Параметры разработанных сенсоров вектора магнитной индукции при токе базы 3 мА приведены в таблице 1. Из таблицы видно, что наиболее предпочтительной является шестнадцатикоп шторная конструкция сенсора вектора магнитной индукции, изготовленная на пластинах КДБ (с меньшей концентрацией примеси в

области базы по сравнению с сенсорами, изготовленными на . пластинах КЭФ).

Таблица.1.

Параметры разработанных сенсоров вектора магнитной индукции.

эквиа. зквив.

N тип абсол. относит, абсол. относит. поле поле

констр. пла чувств. чувств. чувств. ' чувств. интегр. интегр.

стин к В, к В, к Б, кЕ, шума шума

мВ/Тл %/Тл мВ/Тл %Пл Х-колл. Z-колл.

ык'Гл мкТл

1 КЭФ 360 9.0 0.667 0.021 460 ■9200

КДБ .... — .... —

2 КЭФ 460 12 31 0.22 10 300

КДБ 540 12 60 0.60 25 100

3 КЭФ 60П 11 40 0.66 10 •160

КДБ 600 12 60 0.79 40 130

4 КЭФ 460 10 55 0.77 15 110

КДБ 640 7.6 160 2,0 30 50

1 - Сенсор с четырьмя парами коллекторов для измерения Вг.

2 - Сенсор с восьмиугольным эмиттером.

3 - Дванадцатиколлекторный сенсор.

4 • Шестдадцатиколлекторный сенсор.

Для этого сенсора абсолютная чувствительность изменяется от 9 мВ/Тл до 1900 мВ/Тл к Вх и Ву и от 1 мВ/Гл до 350 мВ/Тл к Ъг при изменении тока базы от 0,1 мА до 10 мА. При токе базы 3 мА токи коллекторов составили: 11сх~1!су"*700 мкА; 1к2»730 мкА. При этом чувствит" яьность сенсора'составила: 640 мВ/Тл к В* и Ву; 160 мВ/Гл к В2. Графики зависимости относительной чувствительности сенсора от тока базы приведены на рис.8. Измерение

шума выходного сигнала показало, что при токе базы 3 мА эквивалентное поле интегрального шума составило: 30 мкТл для Х- и У-пар коллекторов; 5>0 мкТл для 7,-пари коллекторов.

рафики зависимостей относительной чувствительности от тока базы для сенсоров, изготовленных на пластинах КДВ Рис.8.

АБа, %/Гл 12-10--

6

4 + 2

О

-Н—Н-1—н

-+-+-Н—t—

8

■+ Sax

-4 Saz

Ю le , мА

Измерение параметров шестнадцатиколлекторного сенсора, изготовленного на пластинах КДВ, при температурах от 20°С до 80°С показали, что коллекторы для измерения Вх и Bz ведут себя идентично с изменением температуры. Температурный коэффициент изменения относительной чувствительности составил -0.5 %/°С для Х-пары коллекторов и для Z-пари коллекторов. При этом уровень шума выходного сигнала остается практически неизменным.

При измерении параметров шестнадцатиколлекторного сенсора вектора магнитной индукции, изготовленного на пластинах КДВ, при температуре жидкого азота (77 К) получено Существенное улучшение параметров сенсора, что связано как с увеличением чувствительности сенсора, так и с уменьшением уровня

шума выходного сигнала. Графики зависимостей относительной чувствительности от тока базы приведены на рис. 9. При токе базы 3 мА получены следующие параметры сенсора: Зах-1Б0 %/Тл; Баг-60 %/Гл; Вэкв,-1..5 мкТл, Вэквг-3.0 мкТл. Проведено сравнение параметров шестнадцатиколлекторного сенсора с параметрами сенсоров вектора магнитной индукции, приведенных в зарубежной литературе. Сделан вывод о том, что разработан и изготовлен сенсор вектора магнитной индукции, который по совокупности параметров лучше известных сенсоров вектора магнитной индукции.

Графики зависимостей относительной чувствительности к В» и В2 от тока базы при температуре 77К для сенсоров, изготовленных на пластинах КДБ.

Рис.9.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Разраб' а на и изготовлена оригинальная конструкция биполярного двухколлекторного магнитотранзистора, чувствительного к Вг. Исключение из механизма чувствительности

^ - 23 -

\ >

Отклонения носителей в базе, инжектированных из эмиттера, позволяет сделать модуляцию инжекции из эмиттера основным механизмом чувствительности. Это приводит к увеличению корреляции шумов двух коллекторов, что уменьшает уровень шума выходного сигнала при измерении выходного сигнала как разности напряжений двух коллекторов. Это, в свои очередь, приводит к улучшению предельного разрешения по полю по сравнению с другими магнитотранзисторами, чувствительными к Вг.

2. Разработаны и изготовлены ряд оригинальных конструкций сенсоров вектора магнитчой индукции:

а) двенадцатиколлекторний биполярный магнитотранзистор, имеющий восьмиугольную форму эмиттера;

б) двенадцатиколлекторный биполярный магнитотранзистор, использующий разработанный биполярный магнитотранзистор в качестве элемента, чувствительного к Вг;

в) шестнадцатиколлекторный биполярный магнитотранзистор, использующий разработанный биполярный магнитотранзистор-в качестве элемента, чувствительного к Вг.

3. Проведен анализ эффективности использования методов самосовмещення п,изготовлении кремниевых магнитотранзис-торов. Получено, что рассовмещение структуроформирующих фотошаблонов на 1 мкм в процессе изготовления сенсоров приводит к начальному разбалансу токов стоков 8-9 % от суммы токов -Токов для п-МОП магнитотранзйсторов и 6-8 X от суммы токов коллекторов для п-р-п биполярных латеральных магнитотран-5истсров, что соответствует эквивалентному магнитному полю триблизителыю 1 Тл, Из этого следует перспективное . исполь-ювания методов самосовмещ'зния при изготовлении магнито-1увстаительных элементов для повышения их точностных сарактеристик. •

-244. Разработан технологический маршрут формирования сенсоров вектора магнитной индукции, который полностью совместим с КМОП технологией ИС.

5. Установлены качественные и количественные закономерности поведения ыагниточувствительности, эквивалентного поля шума на центральной частоте 1 КГц и эквивалентного поля интегрального шума в диапазоне частот 1Гц - 1 КГц от изменения режима работы, температуры и конструктивных особенностей сенсоров вектора магнитной индукции.

При этом показано, что: ,

- использование разработанной конструкции биполярного двухколлекторного магниготранзистора в качестве элемента, чувствительного к В2, в сенсорах вектора магнитной индукции повышает их предельное разрешение по полю к В2 по сравнению с известными конструкциями;

- наиболее высокими чувствительностью и предельным разрешением по полю среди разработанных конструкций обладает шестнадцатиколлекторный магнитотранзистор, изготовленный на пластинах КДБ. При токе базы 3 мА и при комнатной температуре они составили: Б, - Бу - 640 мВ/Тл; - 160 мВ/Тл; Бах - Бау - 7.6 %/Тл; Баг - 2.0 %/Тл; Вшх - Вшу - 160 нТл/(Гц)1у2; Вшг - 250 нТл/(Гц)1/2; Вэкв* - Вэкву - 30 мкТ; Вэкв2 - 50 мкТл;

- в диапазоне температур от комнатной до 80 °С при токе базы 3 мА температурный коэффициент изменения относительной чувствительности составил -0.5 %/°С Х-, У- и 2-пар коллекторов.

- при снижение температуры шестнадцатиколлекторного сенсора вектопа магнитной индукции до температуры жидкого азота чувствительность сенсора существенно возрасла, а эквивалентное поле шума уменьшилось. При токе базы 3 мА были получены следующие значения: Бх - Бу - 2800 мВ/Тл; - 1300

мВ/Тл; Sa, - Say - 180 %/Тл; Saz - 60 %/Тл; Вшх - Вшу - 7 НТл/(Гц)1/2; Вшг - 8 нТл/(Гц)иг; Вэкв, - Вэкву - 1.5 мкТл; Вэквг -3.0 мкТл.

Таким образом, в диссертационной работе проведен комплекс исследований, направленный на создание сенсоров вектора магнитной индукции, в результате которого был разработан шестнадцатиколлекторный биполярный сенсор вектора магнитной индукции, который обладает высокой чувствительностью ко всем трем составляющим вектора магнитной индукции и более высоким предельным разрешением по полю, чем известные из литературы аналоги.

Основные результата диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Галушков А.И., Романов И М., Чаплыгин Ю.А., Исследование магниточувствитального элемента на основе двухстокового МОП транзистора // Сборник научных трудов МИЭТ "Разработка 'и исследование кремниевых датчиков и элементов памяти СБИС ДОЗУ", М„ 1994 г„ стр.31-36.

2. С.И.Во ikob, А.И.Галушков, И.М.Романов, Ю.А.Чаплыгин, • "Исследование чувствительности и шумовых характеристик

магниточупствителного элемента на основе КМОП структуры", Сборник научных трудов МИЭТ "Разработка и исследование кремниевых датчиков и элементов памяти СБИС ДОЗУ", М., 1994 г., стр.37-41.

3. Y.A.Chaplygin, A.I.Galushkov, I.M.Romanov, S.I.Volkov, "Experimental research on the sensitivity and noise level of bipolar and CMOS integrated magnetotransistors and judgement of their applicability in weak-field magnetometers", Sensors and Actuators A 49, (1995), pp. 163-166.

4. Галушков А.И., Романов И.М., Чаплыгин Ю.А., "Сравнение двух конструкций интегральных сенсоров вектора магнитного поля, получаемых по КМОП технологии ИС", журнал "КОНВЕРСИЯ", ИИ 1995 г, стр. 36-38.

5. С.И.Волков, А.И.Галушков, И.М.Романов, Ю.А.Чаплыгин, "Исследование чувствительности и шумовых характеристик ыагниточувсгвителного элемента на основе КМОП структуры", Всероссийская научно-техническая конференция "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Гурзуф, май, 1994, г., стр.487-468.

6. Галушков А.И., Романов И.Ы., Королев М.А., Шумский И.А. Разработка и исследование магниточувствительного датчика Холла на основе КНИ - структуры // VII Всеросийская научно-техническая конференция "Датчики и преобразователи информации систьч измерения, контроля и управления" Крым , май 1995 г., стр. 450-451.

7. А.И. Галушков, И.М. Романов, Ю.А.Чаплыгин, "Исследование параметров двух конструкций интегральных сенсоров вектора магнитного поля", Всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 95", Москва, Зеленоград, ноябрь, 1995 г. стр.33-34.

8. Романов И.М. "Разработка конструкций сенсоров вектора магнитного поля", Научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика", Москва, апрель 1995, стр. 29-30.

' 9. И.М.Романов, "Анализ возможности интеграции одномерных сенсоров в сенсор вектора магнитного поля", Научно-техническая конфер 1ция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика", Москва, апрель 1996, стр. 21.

10. Романов И.М. "Новый сенсор для измерения компоненты вектора магнитного поля, перпендикулярной поверхности кристалла", Межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика-97", Москва, март 1997, стр. 26.

11. Романов И.М. Чаплыгин Ю.А. Сенсор вектора магнитного поля // IX научно-техническая конференция "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Крым, май 1997 г., стр. 43-45.

12. Патент РФ на изобретение N 2055422 от 27 02.96 г. , "Интегральный элемент Холла", авторы Амеличев В.В., Г'алушков А.И., Романов И.М., Чаплыгин Ю.А., опубликован в ВИ N6 от 27.02.96, патентообладатель МИГ/Г.

13. Решение о выдаче патента РФ на изобретение от 30.01.,97 Г. по заявке N 96107574 от 11.04.96 Г., "Двухстоковый МОП магнитотранзистор", авторы Амеличев В.В., Галушков А.И., Романов И.М., Чаплш^ш Ю.А , патентообладатель МИЭТ.

Закао 180. Тираж 80. Объем 1.1 уч. изд, л. Отпечатано в типографии МИЭТ (ТУ).