WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Эннс Всеволод Викторович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОКРИСТАЛЬНЫХ ПОРОГОВЫХ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ НА ОСНОВЕ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

Специальность 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Ангстрем-М»

Научный консультант:

кандидат технических наук Кобзев Ю.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Касаткин С.И.

кандидат технических наук Шишина Л.Ю.

Ведущая организация: ФГУП НПП «Пульсар»

Защита диссертации состоится «» 2009 г.

в _ часов _ минут на заседании диссертационного совета Д 212.134.0.1 при Московском государственном институте электронной техники (Техническом Университете) по адресу:

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, дом 5.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МИЭТ (ТУ).

Автореферат разослан «» _ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук, доцент Крупкина Т.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современном информационном обществе цифровая обработка сигналов проникает практически во все аспекты жизнедеятельности человека. Такая обработка неразрывно связана приборами, регистрирующими наличие или изменение сигнала – с датчиками. Среди многообразия различных датчиков важную роль играют датчики магнитного поля. Для решения многих бытовых, промышленных и научных задач необходимы датчики магнитного поля, регистрирующие его наличие – пороговые магниточувствительные схемы.

Массовое внедрение магниточувствительных схем, требует их удешевления и возможности внедрения в системы-накристалле, для построения комплексов цифровой обработки сигналов. Для этого они должны выполняться в виде одного кристалла, быть стойкими к технологическим и эксплуатационным разбросам и обладать малыми размерами.

Существует несколько типов датчиков магнитного поля, различающихся по принципу функционирования. В силу относительной простоты изготовления по интегральной технологии широко распространены датчики Холла, которые имеют небольшую стоимость и высокую надежность. Однако они имеют ряд недостатков, главным из которых является относительно низкая чувствительность. Среди датчиков, которые могут производиться по интегральной технологии, существенно более высокую чувствительность имеют датчики на основе анизотропного магниторезистивного эффекта.

В связи с этим перспективным является разработка методов и решений, позволяющих спроектировать и внедрить в массовое производство однокристальные магниточувствительные микросхемы на основе магниторезистивных элементов, обладающих малыми размерами и энергопотреблением, и стойких к технологическим и эксплуатационным разбросам.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов проектирования и исследования однокристальных пороговых магниточувствительных микросхем на основе магниторезистивных элементов, ориентированных на массовое производство.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать модель магниторезистивного элемента для повышения точности расчета нелинейных эффектов в пороговых датчиках магнитного поля.

2. Разработать модель магниторезистивного элемента для системы автоматического проектирования (SPICE);

3. Разработать метод стабилизации температурного дрейфа уровня переключения однокристальных пороговых магниточувствительных микросхем;

4. Разработать схемотехнические и топологические решения пороговых магниточувствительных микросхем, минимизирующих влияние технологических разбросов;

5. Разработать метод оценки коэффициента выхода годных кристаллов пороговых магниточувствительных микросхем.

6. Экспериментальная проверка разработанных методов и решений на примере проектирования, изготовления и исследования полученных характеристик серии магниточувствительных микросхем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложена модель, учитывающая нелинейные эффекты, связанные с насыщением и остаточной намагниченностью магниторезистивного мостового элемента.

2. Разработана модель магниторезистивного элемента для системы автоматического проектирования на основе таблиц экспериментальных данных, которая позволяет учесть изменения передаточной характеристики с температурой и полярностью магнитного поля.

3. Предложен метод компенсации температурного дрейфа магниторезистивного мостового элемента температурным дрейфом схемы сравнения пороговых уровней.

4. Предложены новые конструктивные элементы топологии магниторезистивного мостового элемента, позволяющие минимизировать влияние технологических разбросов.

Разработана новая конструкция блока настройки порога срабатывания микросхемы с дополнительным температурным дрейфом.

5. Предложен метод оценки коэффициента выхода годных кристаллов пороговых магниточувствительных микросхем по тангенсу угла наклона передаточной характеристики магниторезистивного моста.

Практическая ценность работы.

1. Модель, учитывающая нелинейные эффекты, связанные с насыщением и остаточной намагниченностью магниторезистивного мостового элемента, позволяет оптимально выбирать геометрические и технологические параметры магниторезистивного моста для заданного значения порога переключения и контролировать качество изготовления моста.

2. Использование модели магниторезистивного элемента на основе таблиц экспериментальных данных позволяет существенно повысить качество и сократить время проектирования пороговых магниточувствительных микросхем.

3. Разработанный метод температурной компенсации уровня переключения микросхем позволяет существенно расширить эксплуатационные характеристики однокристальных пороговых магниточувствительных микросхем.

4. Предложенные конструктивные элементы топологии магниторезистивного моста и конструкция блока настройки порога срабатывания микросхемы позволяют существенно повысить коэффициент выхода годных однокристальных пороговых магниточувствительных микросхем.

5. Разработанный метод оценки количества годных кристаллов на пластине позволяет оперативно контролировать качество технологического процесса производства микросхем и планировать объемы поставок пластин в условиях длительного производственного цикла.

6. Внедрение разработанной серии однокристальных пороговых магниточувствительных микросхем позволяет снизить себестоимость и улучшить эксплуатационные характеристики широкого спектра изделий бытового и промышленного назначения.

Внедрение. Результаты работы внедрены и легли в основу серийно выпускаемых микросхем пороговых датчиков магнитного поля К1446ЧЭ1/ЧЭ2, датчика движения металлических предметов, микросхемы управления бесконтактным двигателем, что подтверждено актом о внедрении.

Достоверность результатов.

Достоверность разработанных методов и решений подтверждена результатами экспериментальных исследований тестовых образцов и серийных микросхем пороговых датчиков магнитного поля, а также результатами компьютерного моделирования с использованием верифицированных моделей элементов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Модель, учитывающая нелинейные эффекты, связанные с насыщением и остаточной намагниченностью магниторезистивного мостового элемента, повышает точность расчета пороговых датчиках магнитного поля, позволяя оптимально выбирать геометрические и технологические параметры магниторезистивного моста для заданного значения порога переключения.

2. Модель магниторезистивного элемента на основе таблиц экспериментальных данных повышает качество и сокращает сроки проектирования пороговых магниточувствительных микросхем.

3. Температурная компенсация уровня переключения микросхем температурным дрейфом схемы сравнения пороговых уровней расширяет эксплуатационные характеристики однокристальных пороговых магниточувствительных микросхем.

4. Введение фиктивных элементов в магниторезистивый мост и перекрытия металлом контактов к магниторезистивному элементу вместе с подстройкой пережигаемыми перемычками порогового уровня существенно повышает коэффициент выхода годных в условиях массового производства.

5. Оценить коэффициент выхода годных кристаллов пороговых магниточувствительных микросхем позволяет тангенс угла наклона передаточной характеристики магниторезистивного моста.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 1-й окружной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов – 2009 (г. Москва, февраль 2009 г.) и 16-ой Всероссийской межвузовской научнотехнической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2009» (г. Москва, апрель 2009 г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 3-х статьях и тезисах 6-ти докладов на научнотехнических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Диссертация изложена на 111 листах основного текста, содержит 65 рисунков и 12 таблиц к основному тексту, списка литературы из 104 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основании литературных источников рассмотрены тенденции и проблемы дальнейшего развития магниточувствительных микросхем.

Напряженность магнитного поля может быть измерена различными методами. Каждый из них применим для тех или иных практических приложений. Эти приложения могут варьироваться от простого детектирования наличия магнитного поля до сложных измерений его векторных свойств.

Для производства по интегральной технологии наиболее подходят датчик Холла и магниторезистивный датчик. Датчик Холла в настоящее время является гораздо более распространенным из-за простоты изготовления и высокой надежности. Однако магниторезистивные датчики обладают потенциально более высокой чувствительностью, имеют меньший ток потребления и чувствительны к двум проекциям магнитного поля (датчик Холла чувствителен к одной проекции магнитного поля – перпендикулярной плоскости датчика).

Существует целый ряд физических явлений, сутью которых является зависимость электрического сопротивления материала от действующего на него магнитного поля. Это анизотропный (аномальный), гигантский и колоссальный магниторезистивные эффекты. Работа рассматриваемых нами датчиков магнитного поля основана на анизотропном магниторезистивном эффекте - зависимости сопротивления ферромагнетиков от угла между вектором намагниченности материала и направлением тока в образце. Микроскопическая природа этого явления связана со спин-орбитальным взаимодействием электронов.

Сопротивление магниторезистивного материала максимально, если ток течет вдоль направления намагниченности, и минимально, если ток течет перпендикулярно. Зависимость удельного сопротивления от угла между направлением тока и намагниченностью имеет вид:

() = t sin ( ) + l cos2 ( ) = t + cos2 ( ) (1) В настоящее время для изготовления магниторезистивных датчиков в основном применяются пермаллой (NiFe) и сплав NiFeCo. Использование пермаллоя позволяет достигнуть порогового значения измеряемого магнитного поля приблизительно 10 мкТ. При этом верхняя граница измеряемого поля достигает 0.5 – 0.6 мТ.

Добавление в пермаллой кобальта позволяет за счет уменьшения чувствительности сдвинуть верхний диапазон измеряемого магнитного поля вплоть до 3-4 мТ.

Большинство современных магниторезистивных датчиков выполнено в виде мостовой схемы. Характеристики магниторезисторов, расположенных под углами и 90- к оси анизотропии, взаимно комплементарны. Такие резисторы и составляют соседние плечи мостовой схемы.

Для увеличения общего сопротивления моста, и, следовательно, уменьшения тока потребления, каждый резистор мостовой схемы обычно изготавливается в виде нескольких параллельно расположенных МР полосок, электрически соединенных последовательно.

Вторая глава посвящена разработке модели магниторезистивного элемента, учитывающей нелинейные эффекты связанные с насыщением и остаточной намагниченностью магниторезистивного мостового элемента.

Также были разработаны методы и решения для проектирования магниточувствительных схем, обеспечивающие высокие техникоэкономические и эксплуатационные характеристики.

Показано, что более точное по сравнению с приведенным в формуле (1) описание магниторезистивного эффекта должно учитывать конечные размеры магниторезистивного элемента.

Рассмотрим полоску из магниторезистивного материала под действием магнитного поля (рис. 1).

Рис. 1. Магниторезистор.

Здесь: М – вектор намагниченности, L” – ось анизотропии формы, L’ –легкая ось намагниченности (ОЛН), Lw – результирующая ось анизотропии;

Для учета размеров элемента в выражение общей энергии магниторезистора вводится дополнительное слагаемое - энергия анизотропии формы (размагничивающего поля). В результате получается выражение (2):

1 2 2 W = -0MH cos 0 MHY sin + 0 H sin ( + 0 ) + 0 NM sin (2)X K 2 где HX, HY – проекции приложенного магнитного поля, HK – характеристическое поле анизотропии, N – коэффициент размагничивания (размагничивающий фактор), М – намагниченность, 0 – угол между осью магниторезистора и осью легкого намагничивания, - угол между осью магниторезистора и вектором намагниченности.

Из-за влияния анизотропии формы результирующая ось анизотропии поворачивается на некоторый угол относительно оси легкого намагничивания, и результирующее поле анизотропии также изменяется:

, (3) H = (H + (NM )2 + 2H NM cos 2 )1/ K K 0 K 0 где HK0 – поле анизотропии материала полоски.

В результате, подставляя (3) в (2) и находя минимум энергии по углу, с учетом конечных размеров элементов магниторезистивного моста, получается, что изменение сопротивления при наличии поля описывается выражением:

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»