Технические науки

6. Электротехника и радиоэлектроника

Аналіз сучасного стану напівпровідникових

магнітних сенсорів

Притула М.О., Осадчук О.В., Коваль К.О.

Сучасні технології створення напівпровідникових конструкцій дозволяють мінімізувати габарити сенсорів магнітного поля та підвищити їх чутливість. Це є досить актуальним питанням в наш час, оскільки вплив змін магнітного поля Землі та інших космічних тіл дуже сильно впливає на здоров’я людей.

Розглянемо кілька найновіших та найдосконаліших сучасних напівпровідникових сенсорів магнітного поля.

Большакова І.А. та Голяка Р.Л. запропонували вимірювальний перетворювач магнітного поля який використовує ефект Холла. У вимі­рювального перетворювача магнітного поля, який містить сформовані на підкладці та перехрещені між собою дві прямокутні напівпровідникові облас­ті вертикальних перетворювачів Холла, які утво­рюють хрестовидну геометричну фігуру. Однією з особливих ознак даного перетворювача є те, що товщина напівпровідникової області горизонтального пере­творювача Холла відрізняється від товщини напів­провідникових областей вертикальних перетворю­вачів Холла. Введення нових елементів та додаткових зв'я­зків дозволяє створити вимірювальний перетво­рювач магнітного поля, який забезпе­чує вимірювання трьох ортогональних проекцій вектора індукції магнітного поля в єдиній просторовій точці, тобто характеризується високою точністю вимірювання. Також даний сенсор має просту конструкцію.

На рисунку 1 зображена схема вимірювального перетворювача магнітного поля, де 1 - підкладка; 2, 3, 4 та 5 - чотири плеча хрестовидної фігури, яка утворена перехрещенням двох напівпровідникових областей вертикальних перетворювачів Холла; 6, 7, 8 та 9 - струмові контакти; 10, 11, 12 та 13 - по­тенційні контакти; 14 - напівпровідникова область горизонтального перетворювача Холла.

Перший перетворю­вач призначений для вимірювання проекції  век­тора індукції магнітного поля, а другий - для вимірювання проекції . Функціонування вимірювального перетворювача магнітного поля згідно винаходу передбачає два режими живлення. Перший режим забезпечує функціонування вертикальних перетворювачів холла, а другий - горизонтального.

Рисунок 1 – Схема вимірювального перетворювача магнітного поля

з двома датчиками Холла

Підвищення точності вимірювального пере­творювача згідно винаходу по відношенню до ана­логів обумовлюється тим, що горизонтальний перетворювач Холла знаходиться в центрі вертикальних перетворювачів Хо­лла. Це забезпечує високу просторову суміщеність всіх перетворювачів (двох вертикальних та одного горизонтального), а отже всі три проекції  та  вектора індукції магнітного поля вимірюються в єдиній просторовій точці. При вимірюванні високо-градієнтних полів це дає зменшення похибки вимі­рювання вектора індукції магнітного поля в декіль­ка раз.

Спрощення конструкції вимірювального пере­творювача згідно винаходу по відношенню до ана­логів обумовлюється рядом обставин. По-перше, функція вимірювання трьох проекцій магні­тного поля реалізується одним перетворювачем, а не набором вертикальних та горизонтальних пере­творювачів. По-друге, значно зменшується кіль­кість виводів вимірювального перетворювача. У вимірювального перетворювача згідно винаходу є лише 8 виводів, а в аналогів - 9 виводів у вертикальних перетворювачах Холла та принаймні 4 ви­води у горизонтального перетворювача Холла. [1].

Осадчук О.В., Осадчук Е.С. та Осадчук В.С. запропонували датчик вимірювання магнітної індукції в різноманітних пристроях автоматичного керування технологічни­ми процесами. В пристрій, який містить магніточутливий польовий транзистор і джерело постійної напруги, введено два магніточутливих польових транзистора, два резистора, дві ємності і друге джерело постійної напруги, що дало змогу замінити перетворення магнітної індукції в напругу на перетворення магнітної індукції у частоту. Використання запропонованого мікроелектронного вимірювача магнітної індукції суттєво під­вищує чутливість і точність вимірювання інформативного параметру за рахунок виконання ємнісного еле­мента коливального контуру на основі магніточут­ливих першого і другого польових транзисторів, а індуктивного елементу коливального контуру на основі третього магніточутливого польового тран­зистора разом із послідовним колом з другого ре­зистора і першої ємності. Лініа­ризація функції перетворення відбувається за ра­хунок вибору напруги живлення.

Рисунок 2 – Вимірювач магнітної індукції

На рисунку 2 подано схему мікроелектронного вимірювача магнітної індукції. Пристрій містить джерело постійної напруги 1, резистор 2, магніточутливі польові транзистори 3 і 4, які з'єднані з магніточутливим польовим транзистором 5, у якому до витоку і стоку підключене послідов­не коло із ємності 6 і резистора 7. Ємність 8 підклю­чена паралельно другому джерелу постійної напруги 9. Вихід пристрою утворений затвором магніточутли­вого польового транзистора 4 і загальною шиною.

Мікроелектронний вимірювач магнітної ін­дукції працює таким чином. В початковий момент часу магнітна індукція не діє на магніточутливі по­льові транзистори 3, 4 і 5. Підвищенням напруги джерела постійної напруги 1 і джерела постійної напруги 9 до величини, коли на електродах стік-стік магніточутливих польових транзисторів 3 і 4 виникає від'ємний опір, який приводить до виник­нення електричних коливань в контурі, який утво­рений паралельним включенням повного опору з ємнісною складовою на електродах стік-стік магні­точутливих польових транзисторів 3 і 4 та повного опору з індуктивною складовою на електродах затвор-стік магніточутливого польового транзистора 5. Резистор 2 здійснює електричне живлення маг­ніточутливих польових транзисторів 3 і 4, а ємність 8 запобігає проходженню змінного струму через джерело постійної напруги 9. При наступній дії магнітної індукції на магніточутливі польові тран­зистори 3, 4 і 5 змінюється як ємнісна складова повного опору на електродах стік-стік магніточут­ливих польових транзисторів 3 і 4, так і індуктивна складова повного опору на електродах затвор-стік магніточутливого польового транзистора 5, що викликає ефективну зміну резонансної частоти ко­ливального контуру. Даний пристрій має  досить велику лінійну функцію передачі та підвищену точність вимірювання магнітної індукції. Недоліком даного пристрою є те, що він вимірює лише певну складову магнітної індукції[2].

Большакова І.А. та Голяка Р.Л. створили багатопозиційний 3-D сенсор магнітного поля, в якому розширені функціональні можливості, підвищена просторова роздільна здатність та точ­ність вимірювання. Даний ба­гатопозиційний 3-D сенсор магнітного поля, який містить декілька однакових вимірювальних пере­творювачів, кожний з яких містить підкладку з сформованими на ній напівпровідниковою облас­тю та контактами до неї, причому підкладки пере­творювачів розміщені в різних площинах. Згідно винаходу, сенсор містить шість перетворювачів, які утво­рюють шість сторін куба, причому напівпровідни­кові області перетворювачів розміщені по периме­тру підкладок, а контакти - в центральній частині підкладок.

Введення нових елементів та відповідних зв'я­зків дозволяє створити багатопозиційний 3-D сен­сор магнітного поля, чутливі зони вимірювальних перетворювачів якого розміщені вздовж ребер та у вершинах куба, утвореного підкладками цих пере­творювачів. При цьому контакти (контактні площа­дки) розміщені в центральних частинах підкладок. Така конструкція дозволяє сформувати набір сенсорів, чутливі зони яких розміщені в різних площинах. Принципово важливою перевагою є те, що, на відміну від аналога, в кожному з сформова­них таким чином сенсорів чутливі зони знаходять­ся в безпосередній близькості одна до іншої, на­приклад на ребрі чи вершині куба. Це забезпечує високу просторову роздільну здатність вимірюван­ня трьох проекції  вектора індукції магніт­ного поля, що є основою високої точності подаль­шого розрахунку цього вектора. Крім того, чутливі зони сенсорів можуть бути максимально наближеними до об'єкту дослідження, що також підвищує просторову роздільну здатність та точ­ність вимірювання при дослідженні при поверхне­вих магнітних полів. Особливу ефективність можна отримати, ви­користовуючи в ролі чутливих зон частини напів­провідникових областей, які знаходяться у верши­нах куба. В кожній з восьми вершин куба напівпровідникові області трьох суміжних ортогональне розвернутих перетворювачів формують кутовий 3-D сенсор. Таким чином, в одному кубі багатопозиційного 3-D сенсора магнітного поля реалізується вісім кутових 3-D сенсорів, з допомогою яких є можливим вимірювати градієнт вектора магнітного поля по трьох просторових коор­динатах. Можливий варіант схеми одного з шести взаємно тотожних вимірювальних перетворювачів, підкладки яких утворюють шість сторін куба наведений на рисунку 3. На даному рисунку позначено: 1 - підкладка; 2 - область напів­провідникового шару; 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 та 10 - конта­кти. Розміщення точок вимірювання зображено на рисунку 4.

Рисунок 3 – Можливий варіант схеми одного вимірювального

перетворювача магнітного поля.

При кожному вимірюванні використовуються три рядом розміщені контакти. З них два крайні контакти використовуються як струмові контакти, а середній - як потенційний контакт. Через струмові контакти пропускають струм живлення, а на поте­нційному вимірюють вихідну напругу. В такому використанні ці контакти та напівпровідникова об­ласть між ними служать Холлівським півелементом.

Рисунок 4 - Розміщення точок вимірювання

багатопозиційного 3-D сенсора магнітного поля.

Інформативною складовою вихідної напруги є лише холлівська напруга, яка обумовлена від­хиленням траєкторії рухомих носіїв заряду в на­півпровідниковій області під дією сили Лоренца.

Унікальною особливістю багатопозиційного 3-D сенсора згідно винаходу є те що він містить вісім розподілених по трьох просторових координатах кутових 3-D сенсорів. Це розширює функціональні можливості останнього, забезпечуючи вимірюван­ня градієнту магнітного поля в трьохвимірному просторі. Причому відстані між кутовими 3-D сен­сорами (вершинами кубу) може бути як завгодно малою. Типово ця відстань знаходиться в межах від одного до декількох міліметрів.

Конструкція такого перетворювача до­зволяє наблизити його активні частини безпосере­дньо до поверхні досліджуваного магнітного об'єк­ту. Все це забезпечує підвищення принаймні на порядок точність вимірювання високо градієнтних при поверхневих магнітних полів [3].

Большакова І.А., Гумен С.С., Мороз А.П., Московець Т.А. запропонували ма­гнітний мультисенсор, який містить лінійку з кіль­кома мікродатчиками, електрично з'єднаними між собою, з холлівськими електродами, розміщеними на бокових гранях попарно на фіксованій відстані один відносно другого, і струмовими електродами, розміщеними на торцевих гранях, згідно з винахо­дом, виконаний в єдиному напівпровідниковому ниткоподібному монокристалі.

Виконання магнітного мультисенсора в єдино­му напівпровідниковому ниткоподібному монокри­сталі дає можливість підвищити його надійність за рахунок спрощення конструкції, в зв'язку з тим, що наявність єдиного ниткоподібного монокристалу, на основі якого сформовані мікродатчики, забез­печує їх послідовне включення по струму безпосе­редньо в монокристалі, що виключає можливість виходу з ладу магнітного мультисенсора за раху­нок пошкодження ланки живлення одного з елеме­нтів.

Наявність єдиного ниткоподібного мікромонокристалу, вирощеного методом газотранспортних реакцій, який являється чутливим елементом в магнітному мультисенсорі, забезпечує більш ста­більні параметри останнього за рахунок доскона­лості кристалічної структури, поверхні та однорід­ного складу чутливого елементу.

Технологічне виконання магнітного мультисе­нсора в єдиному ниткоподібному монокристалі дає можливість знизити трудоємкість його виготовлен­ня за рахунок того, що вирощені методом газотра­нспортних реакцій монокристали, на основі яких формуються мікродатчики, відзначаються структу­рною досконалістю і дзеркальною поверхнею і не потребують жодної механічної обробки.

Напівпровідниковий ниткоподібний монокрис­тал 1 являє собою лінійку з кількома мікросенсорами, електричне з'єднаними між собою, струмовими електродами 2, розміщеними на торцевих гранях ниткоподібного монокристалу, та холлівськими електродами 3 - 8, розміщеними попарно на бокових гранях ниткоподібного монокристалу на фіксованій відстані один відносно другого.

Рисунок 5 – Магнітний мультисенсор

Крім того, конструктивне виконання магнітного мультисенсора в єдиному напівпровідниковому ниткоподібному монокристалі дає можливість зме­ншити його габарити, оскільки запропоноване тех­нічне рішення виключає наявність керамічної під­кладки, забезпечуючи таким чином вимірювання градієнтів магнітного поля в малих об'ємах та ву­зьких щілинах магнітних систем.

Реалізація пропонованого технічного рішення в порівнянні з відомими пристроями має наступні техніко-економічні переваги і дає можливість:

• забезпечити стабільність його параметрів за рахунок однорідності складу чутливого елементу, характерного для ниткоподібних монокристалів, вирощених методом газотранспортних реакцій;

• підвищити його надійність в роботі за рахунок спрощення конструкції;

• знизити трудоємкість його виготовлення та одночасно підвищити якість чутливого елементу за рахунок того, що вирощені методом газотранспор­тних реакцій монокристали відзначаються структу­рною досконалістю в зв'язку з відсутністю хімічних операцій та подальшої меха­нічної обробки, яка негативно впливає як на якість поверхні монокристалу, так і на якість його струк­тури;

•  створити більш економічну конструкцію, що зумовлено відсутністю втрат напівпровідникового матеріалу в процесі виготовлення датчика (безвід­ходне виробництво) [4].

Таким чином, всі сучасні досягнення в області вимірювання складових магнітного поля спрямовані на підвищення чутливості магнітних сенсорів та методів перетворення вимірювальних сигналів з датчиків магнітного поля. Кожен з розглянутих винаходів має ряд переваг. Наприклад, вимірювач на польових магніточутливих транзисторах формує сигнал, інформація про рівень магнітного поля в якому передається в частоту. А як добре відомо частоту поміряти з великою точністю нескладно, тому це є досить перспективне рішення для вимірювання. Але даний пристрій не створює інформативних даних про всі три складові вектора магнітної індукції. Цю задачу досить легко вирішує багатопозиційний 3D-сенсор, який створює картину магнітного поля в тривимірному просторі. Перевагами всіх напівпровідникових датчиків магнітного поля є малі габарити та досить велика точність у порівнянні з іншими методами вимірювання складових магнітного поля.

Використанні джерела:

1. Пат. №76132 С2 України, МКИ G01R 33/06. Вимірювальний перетворювач магнітного поля / Большакова І.А., Голяка Р.Л. - №2003076517; Заявлено 11.07.2003; Опубліковано 17.07.2006. Бюл. №7.

2. Пат. №41013 А України, МКИ H01L 29/82. Мікроелектронний вимірювач магнітної індукції / Осадчук В.С., Осадчук О.В. - №2001010065; Заявлено 03.01.2001; Опубліковано 15.08.2001. Бюл. №8.

3. Пат. №74628 С2 України, МКИ H01L 43/00. Багатопозиційний 3-D-сенсор магнітного поля / Большакова І.А., Голяка Р.Л. - №2003098632; Заявлено 22.09.2003; Опубліковано 16.01.2006. Бюл. №1.

4. Пат. №52637 С2 України, МКИ G01R 33/06. Магнітний мультисенсор / Большакова І.А., Гумен С.С., Мороз А.П., Московець Т.А. - №98073795; Заявлено 14.07.1998; Опубліковано 15.01.2003. Бюл. №1.