Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Исследование и разработка КНИ полевых датчиков Холла с расширенными функциональными возможностями Павлюк Михаил Ильич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Павлюк Михаил Ильич. Исследование и разработка КНИ полевых датчиков Холла с расширенными функциональными возможностями: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.27.01 / Павлюк Михаил Ильич;[Место защиты: ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»], 2018.- 162 с.

Введение к работе

Актуальность темы

Улучшение характеристик и расширение функциональных возможностей датчиков внешних воздействий является актуальной задачей, существенно важной для выполнения Стратегии научно-технического развития РФ. К таким датчикам относятся и датчики магнитного поля, разработке и исследованию которых посвящена данная работа. Датчики магнитного поля сегодня – одни из наиболее востребованных и массово производимых датчиков, что обусловлено очень широким полем их практического применения в контрольно-измерительных системах военного, специального и общегражданского применения. В частности, новое поколение датчиков магнитного поля востребовано для развития таких сквозных технологий, как робототехника, сенсорика, промышленный интернет, реализация которых предусмотрена Правительственной программой «Цифровая экономика РФ».

При проведении таких разработок существенны не только технические, но и экономические аспекты. В связи с этим данная работа основывается на хорошо известных базовых процессах кремниевой микроэлектронной технологии. Конструктивно разработка базируется на предложенном в России новом типе магниточувствительного элемента – так называемом полевом датчике Холла (ПДХ), конструкция которого позволяет не только улучшить характеристики и надёжность датчиков, но и расширить их функциональные возможности, что является крайне актуальной и своевременной научно-технической задачей.

Цель работы

Цель настоящей работы состоит в исследовании и разработке элементов и
датчиков магнитного поля с расширенными функциональными возможностями
с использованием современных методов проектирования и технологических
процессов, ориентированных на практическую реализацию

высокоэффективных, как по техническим, так и по коммерческим параметрам, преобразователей магнитного поля.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

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

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

  3. Экспериментально исследовать возможности полевого управления электрофизическими параметрами и характеристиками магнитной

чувствительности датчиков Холла с различными типами полевого управления (МОП, p-n).

  1. Экспериментально исследовать температурные свойства элементов Холла с МДПДМ и p-n управлением и оценить пределы функционирования соответствующих ПДХ в широком диапазоне температур.

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

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

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

Научная новизна работы

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

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

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

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

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

Практическая значимость результатов диссертации

1. Проведён анализ целесообразных областей применения КНИ ПДХ с различными типами полевого управления в датчиках магнитного поля в

зависимости от требования к чувствительности, температурному диапазону и энергопотреблению сенсорного устройства.

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

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

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

  2. Разработаны и реализованы четырёхэлементный ПДХ с p-n управлением, обеспечивающий подавление остаточного напряжения более чем на порядок величины, и магниточувствительная ИС на его основе.

6. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении
прикладных научных исследований по соглашению о предоставлении субсидии
Минобрнауки России № 14.576.21.0064 от 06.11.2014 по теме «Разработка
конструктивно-технологических решений по созданию семейства
микроэлектронных элементов на структурах «кремний на изоляторе» (КНИ),
обеспечивающего возможность создания высокотемпературных датчиков
внешних воздействий различного функционального назначения» (уникальный
идентификатор проекта RFMEFI57614X0064). Действующие макеты
бесконтактного датчика тока переданы индустриальному партнёру проекта ООО
«Испытательный технический центр микроприборов» для использования в
разработке опытных образцов бесконтактного датчика тока (БДТ).

Автор защищает

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

  2. Разработанные и изготовленные экспериментальные образцы полевых датчиков Холла, управляемых p-n переходами, и интегральные датчики магнитного поля на их основе.

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

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

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

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

Достоверность научных положений, результатов и выводов

Достоверность научных результатов обусловлена использованием
современных методов исследования характеристик полевых датчиков Холла,
соответствием экспериментальных данных выводам разработанных физических
моделей и результатам приборно-технологического моделирования,

многократной апробации результатов исследований на международных и отечественных научных форумах. Основные выводы работы базируются на общепринятых фундаментальных представлениях современной интегральной электроники.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

Международная научная конференция «Решетнёвские чтения», Россия, Красноярск, 2012.

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

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

Международная конференция EUROSENSORS 2015, ФРГ, Фрайбург, 2015.

Школа-конференция с международным участием "Saint-Petersburg OPEN 2016", Россия, Санкт-Петербург, 2016.

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

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

Научно-практическая конференция – МОН РФ-«Исследования и разработки», Москва, 2016.

Публикации по теме диссертации

По теме диссертации опубликованы 14 работ в научных журналах и сборниках трудов международных и российских конференций, в том числе 5 работ в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Личный вклад автора диссертации

Автор работы самостоятельно определил направление теоретических и
экспериментальных работ, разработал программу проведения расчётов и

экспериментов, предложил и осуществил физическое и TCAD моделирование особенностей характеристик КНИ магниточувствительных элементов в зависимости от условий МОП или биполярного полевого управления, предложил конструкции четырёхэлементного интегрального датчика на основе p-n ПДХ, датчика с частотным выходом (ДЧВ) на основе ПДХ в режиме аккумуляции и МДПДМ КНИ тонкоплёночных транзисторов со встроенным каналом, определил области применения различных по способам управления ПДХ в зависимости от функций конкретных сенсорных устройств, обосновал целесообразность разработки новых датчиков различных физических воздействий на основе управляемых полем чувствительных элементов, осуществил анализ полученных экспериментальных результатов.

Структура работы