Введение к работе
-3-, 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 (Вх и By), а третья доставляющая - перпендикулярная поверхности кристалла (БД Гакие сенсоры могут быть использованы для измерения магнитного поля (карти 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-ление 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 тачсиу гипу іриборов.
Цель работы заключается в разработке кремниевых интегральных сенсоров вектора магнитной индукции и их комплекс-юм исследовании.
Няучная но»нзн» 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 сиг
нала при измерении выходного сигнала как разности напряже
ний двух коллекторов.
-
В результате комплексного исследования пяти типов разработанных сенсоров вектора магнитной индукции показано, что наилучшими характеристиками обладает шестнадцатиколлектор-ный сенсої
-
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 Bz достигает 2 л/Тл, а предельное разрешение по поли 50 мкТл, что превышает характеристики известных аналогов. Температурный коэффициент изменения чувствительности составил -0.5 %/С.
-
Покагано, что при охлаждении шестнадцатиколлекторного сенсора до температуры жидкого азота (77 К) происходит воэрас-
-5-тание магниточувствительности и- предельного разрешения по полю до величин 100 %/Тл и 2 мкТл, соответственно. Практическая значимость.
-
Разработана оригинальная конструкция биполярного маг-нитотранзистора, имеющего высокое предельное разрешение по полю к Bt. Улучшение предельного разрешения по полю получено благодаря уменьшению уровня шума выходнсго сигнала за счет удлиненной формы эмиттера и соответствующего взаиморасположения эмиттера, коллекторов и контакта к эмиттеру.
-
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 бипо
лярного магнитотранзистора для интеграции его в сенсор век
тора магнитной индукции позволило повысить чувствительность
сенсоров вектора магнитной индукции к Bs.
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 магниточувствительных матриц высокого разрешения" (Г.Р.И 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.Л 01940007449), что подтверждено актом о внедрении.
На зашиту выносятся.
-
Оригинальная конструкция биполярного магнитотранзис-тора, чувствительного к Bz. _.:
-
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 Бг;
в) шестнадцатиколлекторный биполярный магнитотранзистор,
использую :й разработанный биполярный магнитотранзистор в
качестве элемента, чувствительного к Bz.
-
Технологический маршрут формирования сенсоров вектора магнитной индукции. "
-
Результаты экспериментальных исследований параметров разработанных сенсоров вектора магнитной индукции, из которых следует, что:
- наилучшими характеристиками обладает шестнадцати
коллекторный сенсор, вектора магнитной индукции;
относительная чувствительность сенсора к Вг достигает 2 Х/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*, и 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.
Похожие диссертации на Кремниевые интегральные сенсоры вектора индукции магнитного поля
