Технические науки / Электротехника и радиоэлектроника

Осадчук В.С., Осадчук О.В., Мартинюк В.В., Стовбчата О.П.

Вінницький національний технічний університет

Сенсори магнітного поля на основі

польових транзисторів

У роботі [1–3] описані конструкції польових транзисторів з магніточутливістю, що перевищує чутливість сенсора Холла на один – два порядки, виготовленого з аналогічного матеріалу. Польовий магнітотранзистор ПМТ відрізняється від звичайного тим, що в його каналі є додаткові бічні омічні контакти для виводу ЕРС Холла. Технологічна складність виготовлення холлівських електродів до каналу є недоліком ПМТ. Конструкція ПМТ, у якій як сенсор Холла використаний затвор польового транзистора позбавлена цього недоліку. На рис.1 представлена структура ПМТ, що містить два транзистори, загальною в якій є область затвора [1].

У розглянутій конструкції ПМТ ЕРС Холла підсилюється в раз. Якщо в звичайних польових транзисторах =5–10 мА/В, а порядку 10–20 кОм, то коефіцієнт підсилення може скласти 50–200. Описана конструкція ПМТ працює так само, як два звичайних польових транзистори. Основною різницею є те, що ЕРС Холла, яка виникає в загальному затворі змінює потенціали лівої і правої частин затвора в протилежних напрямках, що приводить до відповідної зміні струмів і напруг між стоками. Відзначимо, що на відміну від одноканального, у двоканальному ПМТ транзистори діють як підсилювальні елементи, у результаті чого магніточутливість підвищується на один – два порядки. При цьому розглянута конструкція ПМТ має більшу термостабільність вихідного сигналу, оскільки температурні зміни струмів двох каналів взаємно компенсуються.

Рис. 1. Структура двоканального польового магнітотранзистора

з сенсором Холла в якості затвора

На рис. 2 представлена експериментальна залежність вихідної напруги двоканального ПМТ від індукції. Вихідний сигнал дорівнює 1,4 В, а це майже в 70 разів більше. За рахунок росту опору каналів (ефект магнітоопору) і відповідного збільшення напруги на стоках, при великих магнітних полях чутливість збільшується, що приводить до росту крутості характеристики.

Рис. 2. Залежність вихідного сигналу від індукції магнітного поля

У роботах [4-6] розглянуто двоколекторний біполярний транзистор. Так у [4] подано ряд вольт-амперних характеристик. Показано, що у транзистора поріг спрацювання залежить від рівня легування бази та карману та від розмірів транзистора. При зміні струму емітера змінюється знак відносної чутливості по струму. Максимальна чутливість по струму 2000 мА/Тл.

У роботах [7-9] розглянуто сенсори на основі тонкої феромагнітної плівки. У квазістатичному наближенні досліджена планарна конструкція сенсора слабких магнітних полів на основі нерегулярного кільцевого мікросмужкового резонатора, що містить анізотропну магнітну плівку [7]. На рис. 3 показана найпростіша конструкція мікросмужкового плівкового сенсора, здатного одночасно вимірювати дві компоненти магнітного поля, орієнтованого в площині підкладки.

Рис. 3. Конструкція мікросмужкового двокомпонентного сенсора

Сенсор являє собою мікросмужковий резонатор кільцевого типу, що виконаний на діелектричній підкладці товщиною . Нерегулярний смужковий провідник резонатора має форму прямокутної рамки. Ширини утворюючої її відрізків ліній складають , , а розміри внутрішнього вікна - і .

При цьому магнітна плівка товщиною виконана на нижній стороні підкладки і закрита шаром міді – екраном, що є заземленою основою сенсора. До суміжних сторін смужкового провідника мікросмужкового резонатора на відстані і від горизонтальної осі кондуктивно підключені вхідна і вихідна лінії передачі. На вхід сенсора подається високочастотний сигнал, а на виході реєструється рівень потужності, яка пройшла. Відзначимо, що вимірювання полів здійснюється шляхом реєстрації рівня НВЧ - потужності, яка пройшла на рознесених власних частотах двох перших мод коливань мікросмужкового резонатора сенсора. Сенсору притаманні всі основні переваги мікросмужкових конструкцій: мініатюрність, технологічність у виробництві, а також висока чутливість при вимірюванні слабких магнітних полів, і лінійні залежності сигналів від вимірюваного поля аж до . Розглянутий сенсор здатний вимірювати і порівняно великі магнітні поля. При цьому, мікросмужкові сенсори, що працюють на феромагнітному резонансі мають високу чутливість і практично позбавлені магнітного гістерезису. Дослідження показали, що чутливість сенсора і лінійність його сигналів у заданому діапазоні вимірюваних полів легко регулюється конструктивними параметрами, характеристиками тонкої магнітної плівки, а також зовнішнім постійним магнітним полем, що зміщує [7].

Двокомпонентні матричні перетворювачі, що створені для візуалізації магнітного поля показано в роботах [10-13]. Сенсор для виміру магнітного поля, що містить польовий транзистор, виконаний з убудованим каналом у вигляді витоку, затвора, стоку і симетрично розташованих на бічних гранях каналу першого і другого омічних контактів. З метою підвищення магніточутливості, затвор і стік виконані у вигляді першого і другого затворів і першого і другого стоків, причому перший омічний контакт з'єднаний із другим затвором, а другий омічний контакт з'єднаний з першим затвором, перший і другий стоки з'єднані з вихідними контактами. На рис. 8 представлена схема сенсора для виміру магнітного поля.

Напівпровідникові сенсори володіють рядом переваг, до яких відноситься простота конструкцій, низька вартість, мала маса та габарити, невелика потужність що споживається, тощо. Однак такі сенсори мають ряд недоліків. Наприклад, висока робоча температура, що негативно впливає на характеристики сенсорів, низька селективність та мала часова стабільність. Але інтенсивні дослідження по покращенню параметрів сенсорів та нових перспективних напівпровідникових матеріалів та приладів продовжуються.

Новим напрямком в розробці і створенні напівпровідникових магнітних перетворювачів є дослідження частотних перетворювачів магнітної індукції на основі транзисторних структур з від'ємним опором [14].

Рис. 4. Схема сенсора для вимірювання магнітного поля: 1 – витік; 2, 3 – перший і другий стоки; 4, 5 – перший і другий омічні контакти; 6, 7 – перший і другий затвори

Принцип перетворення "магнітна індукція - частота" на основі транзисторних структур з від'ємним опором дає змогу виключити аналого-цифрові перетворювачі при обробці сигналів, що суттєво знижує собівартість систем контролю і управління.

Література

1. Викулина Л. Ф. Магниточувствительные транзисторы / Л. Ф. Викулина // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. – 1998. –№1. –С.25 – 28.

2. Чаплыгин Ю.А. Исследование МОП- транзисторов- элементов микросистем на основе КНИ- структур / Ю.А.Чаплыгин, М.А.Королев, И.А.Шумский, В.И.Шевяков // В сб. тез докл. 4-й Международной научно – технической конференции. –Электроника и информатика. –М.:МИЭТ. –2002. –С.88–89.

3. Коноплев Б.Г. Сенсор магнитного поля на основе карбида кремния / Б.Г. Коноплев, И. Е. Лысенко // Известия вузов. Электроника. – 2001. – № 4. – C.78–82.

4. Gallagher R. C. A metal-oxide-semiconductor Hall element / R. C.Gallagher, W. S. Corak // Solid State Electron. – 1966. – Vol. 9. – P.571–580.

5. Тихонов Р. Д. Исследование биполярного магнитотранзистора с базой в кармане / Р. Д. Тихонов // Датчики и системы. – 2004. – № 12. – С. 42–47.

6. Пат. 13012РФ, MKI Н01L29/82. Интегральный биполярный магнитотранзистор /Б.Г.Коноплев, И.Е.Лысенко(РФ)//Номер заявки №2204144. –2003.–5с.

7. Тихонов Р. Д. Двухколлекторный магнитотранзистор / Р. Д. Тихонов // Нано- и микросистемная техника. – 2006. – №11. – С. 36–41.

8. Беляев Б. А. Микрополосковый тонкопленочный датчик слабых магнитных полей / Б. А. Беляев, С. В. Бутаков, А. А. Лексиков // Микроэлектроника. – 2001. – Т.30. – № 3. – С. 228 – 237.

9. Гура К. Н. Повышение чувствительности детектора на основе тонкой ферромагнитной пленки / К. Н. Гура, П. В. Ивкин, М. Ф. Мхеян, Ф. М. Репа // Известия вузов. РАДИОЭЛЕКТРОНИКА. – 2001. – № 2. – С. 77–81.

10. Гура К. Н. Измерение разности фаз сигналов СВЧ на тонкой ферромагнитной пленке / К. Н. Гура, М. Ф. Мхеян, Ф. М. Репа // Известия вузов. РАДИОЭЛЕКТРОНИКА. - 2001. - № 8. – С. 78-81.

11. Терещенко И. В. Многокомпонентные матричные преобразователи в системах визуализации магнитного поля / И. В. Терещенко, А. А. Абакумов, А. А. Абакумов (мл.), Ю. А. Чаплыгин и др. // XIV научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов “Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. Датчик 2001”. – М.: МИЭТ. – 2002. – С.165–166.

12. Абакумов А. А. Двухкомпонентный матричный преобразователь для систем визуализации магнитного поля / А. А. Абакумов, А. А. Абакумов (мл.), А. И. Галушков, Ю. А. Крупнов // VIII международная научно-техническая конференция „Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники”. – Дивноморское. – 2002. – Часть 2. – С. 152–154.

13. Галушков А. И. Исследования режима самокомпенсации температурного изменения чувствительности ячейки интегрального матричного преобразователя магнитного поля / А. И. Галушков, С. А. Поломошнов // Российско-германская конференция “Датчики и системы”. – Санкт-Петербург. – 2002. –Том I. – С. 57–60.

14. Поломошнов С.А. Разработка и исследование параметров элементной базы магниточувствительных микросистем / С. А. Поломошнов // Девятая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов „Микроэлектроника и информатика-2002”. – М.: МИЭТ. – 2002. – С. 16.