WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

H X (4) R(H)= R - R HY + cos20H + H K d Однако полученная формула, не учитывает нелинейных эффектов насыщения и остаточной намагниченности, связанных с доменной структурой ферромагнетика. В то же время учет этих эффектов является необходимым условием для проектирования пороговых магниточувствительных микросхем на основе магниторезистивных элементов.

Полностью намагниченный магниторезистор имеет некое граничное сопротивление Rmin, при приближению к которому приращения сопротивления становятся все меньше.

Предложено использовать следующую формулу, для аналитического описания:

R = R0 - Rsin2 (R - Rmin ) (5) Значение Rmin находится следующим образом. Считается что при величине магнитного поля 2HK магниторезистор выходит на уровень насыщения. Полагая в формуле (4): R(H)=Rmin, HX=2HK, HY=0, Hd=0, получим приближенное значение Rmin:

Rmin = 4 R (6) Остаточную намагниченность предложено охарактеризовать постоянным по величине, но переменным по направлению вектором поля H0. Направление вектора остаточной намагниченности определяется направлением ранее приложенного внешнего магнитного поля.

С учетом остаточной намагниченности выражение для сопротивления магниторезистора будет иметь следующий вид:

H + H0X X (7) R(H,0 ) = R - R HY + cos2 H + H + H0Y 0 K d где H0X и H0Y – проекции вектора H0 на оси X и Y соответственно.

Из формулы (7) видно, что из-за остаточной намагниченности сопротивление магниторезистивной полоски в отсутствие внешнего магнитного поля не принимает максимально возможное значение, и равно следующей величине:

H0 X R(0,0 ) = R - R (8) cos 20H + Hd + H0Y K Соотношения (5)-(8) составляют предложенную модель магниторезистивного моста, учитывающую нелинейные эффекты. Для численного расчета характеристик МР моста были взяты известные значения параметров ферромагнитной пленки Ni60Fe10Co30 и геометрические параметры моста. Расчет проводился в среде MathCad.

Экспериментальные и теоретические зависимости напряжения на выходе МР моста от напряженности внешнего магнитного поля (передаточные характеристики) для двух ортогональных направлений магнитного поля представлены на Рис. 2.

(а) (б) Рис. 2. Экспериментальные (а) и теоретические (б) передаточные характеристики магниторезистивного моста.

Из графиков видно хорошее качественное и количественное совпадение экспериментальной и теоретической зависимости, что подтверждает адекватность модели магниторезистивного моста. Варьирование величины остаточной намагниченности H0 в модели моста позволяет точно подогнать экспериментальную и теоретическую кривые, и, тем самым, определить значение H0. Эта величина является интегральной оценкой качества технологического процесса изготовления датчика.

Численное моделирование магниторезистивного (МР) моста позволяет оценить влияние геометрических размеров магниторезистивных полосок на его передаточную характеристику. Например, увеличение ширины полосок ведет к увеличению его чувствительности, но уменьшает омическое сопротивление.

Интегральный магниторезистивный мост обладает относительно большим разбросом характеристик. Это объясняется как нестандартностью операции по нанесению магниторезистивного слоя, так и малостью самого магниторезистивного эффекта (0.5..1%). Использование модели моста, основанной на аналитических выражениях, хорошо подходит для задачи выбора оптимальной топологии магниточувствительного элемента и выходного контроля качества нанесения магниторезистивного слоя. Для проектирования микросхемы необходимо учитывать возможные технологические и эксплуатационные разбросы. Поэтому для моделирования магниторезистивного моста в системе автоматического проектирования был выбран метод моделирования на основе таблиц экспериментальных данных.

Схемотехническое моделирование магниторезистивного моста заключается в создании в среде SPICE электронного элемента, имитирующего МР мост. Для этого все параметры, влияющие на выходное напряжение реального моста (величина и направление магнитного поля, направление изменения поля и др.), задаются соответствующими источниками напряжений.

Для получения зависимостей при температурах, отличных от температур измерения передаточных характеристик, была использована кусочно-линейная аппроксимация.

Основной проблемой, которую было необходимо решить при разработке схемы и топологии датчика, является технологический разброс характеристик элементов схемы (в первую очередь МР моста) и температурная зависимость его параметров.

Для уменьшения влияния технологических факторов была разработана топология применяемого магниторезистивного мостового элемента, с целью повышения его устойчивости к разбросам, связанными с неравномерностью травления и рассовмещением шаблонов в процессе производства изделия.

Предложенная топология в сравнении с использованной ранее представлена на рисунке 3.

(а) (б) Рис. 3. Топология первоначального (а) и улучшенного (б) магниторезистивного моста.

Индивидуальная подстройка порога срабатывания позволяет в комплексном виде нивелировать все возможные факторы, которые влияют на порог срабатывания датчика в нормальных условиях (разброс передаточных характеристик магниторезистивного моста, рассогласование резистивных делителей, разброс смещений нуля компараторов).

Показано, что повышение устойчивости характеристик датчика к изменениям температуры эксплуатации (расширение температурного диапазона эксплуатации) возможно за счет введения цепей температурной коррекции. Температурная коррекция в датчике осуществляется за счет температурной коррекции порога переключения компаратора. Температурная зависимость порога переключения компаратора осуществляется путем изменения коэффициента деления одного из резистивных делителей, формирующих напряжение порога переключения. Для этого один из резисторов в схеме сравнения уровней делается составным, и в него вводится резистор, выполненный из материала с положительным температурным коэффициентом, который компенсирует отрицательный температурный коэффициент МР моста.

В среднем, для различных образцов введение температурной коррекции сужает разброс порога срабатывания датчика более чем в два раза (Рис.4).

Рис. 4. Передаточные характеристики датчика при различных температурах. а) - до температурной коррекции, б) - после введения коррекции. Штрихом отмечен диапазон изменения порога переключения компаратора.

Описанные выше способы повышения устойчивости к разбросам, позволили существенно снизить требования к параметрам узлов, входящих в состав микросхем, а также к параметрам самого магниторезистивного моста.

С помощью предложенных выше методов и решений была разработана микросхема однокристального порогового датчика магнитного поля. Характеристики экспериментальных образцов датчика, изготовленных на ОАО «Ангстрем», приведены в таблице 2.

Таблица 2. Экспериментальные характеристики интегрального магниторезистивного датчика Условия Ед.

Название Значение измерения изм.

Диапазон рабочих напряжений питания 1.6 ~ 6.0 В Средний потребляемый ток Vпит.=3В 3 мкА Температурный диапазон -40 ~ +85 °C Т=27°C 2.0 мТл Порог переключения датчика Т= -40°C 1.0 мТл Т= 85°C 2.8 мТл Площадь 0,5 мм Общий вид топологии кристалла датчика, выполненного на базе КМОП технологии, показан на рисунке 5. Площадь кристалла ( 0.7 мм на 0.7 мм ) ограничивается размерами магниторезистивного моста и контактными площадками. При этом выполнено одно из важных требований, существенно удешевляющих технологический Рис.5. Топология датчика процесс, а именно, отсутствие элементов схемы по всей площади занимаемой магниторезистивным мостом. Эти факторы обеспечили высокие технико-экономические показатели для данного класса микросхем.

Сравнение с характеристиками аналогичных ИС магнитных датчиков других производителей показывает, что датчик может работать при меньших напряжениях питания, потребляет меньший ток, обладает сопоставимой площадью, при более простой технологии изготовления.

Третья глава посвящена разработке критерия оценки коэффициента выхода годных кристаллов интегральных пороговых магниточувствительных схем.

Основой разрабатываемых магниточувствительных микросхем является магниторезистивный мост. Технологические отклонения в процессе его производства вносят основной вклад в итоговое количество выхода годных кристаллов. В связи с этим, особое внимание при изготовлении магниторезистивного датчика уделяется качеству нанесения магниторезистивного слоя.

Предложен метод построения критерия отбраковки ИС, который состоит в сопоставлении значений параметров передаточных характеристик магниторезистивного (МР) слоя каждой пластины с конечным числом выхода годных микросхем с данной пластины. Передаточные характеристики снимаются в пяти контрольных точках на пластине. Это позволяет получить усредненное значение параметров МР слоя.

Общий вид семейства передаточных характеристик магниторезистивного моста, полученных при последовательном изменении магнитного поля от 8 до -8 мТл и от -8 до 8 мТл, приведен на рис. 6. Для описания характеристик МР слоя было введено пять параметров:

– размах передаточной характеристики (мВ);

0 – нулевое смещение передаточной характеристики (мВ);

1 – разница между начальными смещениями передаточных характеристик, полученных при положительном и отрицательном магнитных полях (мВ);

Hys – величина гистерезиса передаточной характеристики на уровне 2 мТл (мТл);

Ktan – тангенс угла наклона передаточной характеристики на уровне 2 мТл.

Магнитное поле, мТл Рис. 6. Передаточная характеристика МР моста.

Было проведено статистическое исследование более пластин (более 15 млн. кристаллов) интегральных датчиков магнитного поля. В качестве входных параметров для статистического исследования были взяты данные измерений передаточных характеристик микросхем МР датчиков и данные о количестве годных микросхем с каждой пластины. Для достоверности результатов передаточные характеристики снимались в пяти различных точках одной пластины.

Было показано, что из пяти параметров можно выделить один независимый параметр, от которого явным образом зависят Напряжение, мВ остальные. Для этого была построена матрица корреляционных коэффициентов:

Ktan 0 1 Hys Ktan 1 -0,2 0,67 -0,56 -0,0 -0,2 1 -0,33 0,31 -0, 0,67 -0,33 1 -0,47 -0,1 -0,56 0,31 -0,47 1 0,Hys -0,37 -0,05 -0,05 0,37 Анализируя матрицу, был сделан вывод, что можно построить статистическую зависимость количества выхода годных микросхем от параметра Ktan, равного тангенсу угла наклона передаточной характеристики на уровне 2 мТл. Данную модель можно представить в виде регрессионной кривой, отражающей зависимость числа выхода годных микросхем от параметра Ktan. Эта зависимость представлена на рис. 7.

73,72,71,70,69,4 5 6 7 8 Ktan Рис. 7. Зависимость коэффициента выхода годных от Ktan.

годных, % Коэффициент выхода Была построена регрессионная кривая зависимости коэффициента выхода годных кристаллов от тангенса угла наклона передаточной характеристики, уравнение которой можно записать в следующем виде:

Y (K ) = A K + B reg tan 1 tan Для нахождения коэффициентов A1 и B1 был применен метод наименьших квадратов. В результате вычислений были получены следующие значения:

A1 = 0,62;

B1 = 68,06.

Таким образом, измерив передаточные характеристики магниторезистивных мостов и сопоставив эти данные с регрессионной кривой зависимости выхода годных от тангенса угла наклона передаточной характеристики, можно оценить объем выхода годных микросхем.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию однокристальных микросхем управления бесконтактным двигателем на основе магниторезистивного элемента и на основе интегрированного датчика Холла и магниторезистивного элемента.

В современных бесконтактных двигателях постоянного тока, как правило, используются датчики положения ротора, основанные на эффекте Холла. Относительно невысокая чувствительность датчиков Холла к напряженности магнитного поля (порядка 0.1 мВ/мТл) не позволяет использовать поверхностный монтаж датчика на плату двигателя. Датчики на основе магниторезистивного эффекта благодаря высокой чувствительности (порядка 6 мВ/мТл) позволяют увеличить расстояния между источником магнитного поля и датчиком. В данной главе исследована возможность применения магниторезистивного датчика для бесконтактных двигателей постоянного тока.

Функция датчика Холла в бесконтактном двигателе состоит в определении знака магнитного поля, которое соответствует текущему положению ротора относительно статора. Информация о знаке магнитного поля используется для определения порядка подачи импульсов тока в обмотки статора с целью поддержания вращения ротора двигателя в заданном направлении Магниторезистивный датчик обладает четной передаточной характеристикой, поэтому он не чувствителен к полярности магнитного поля и позволяет определить лишь изменение абсолютной величины магнитного поля. При этом на выходе МР датчика формируется серия коротких импульсов, которая отражает моменты изменения полярности магнитного поля ротора при вращении. Следовательно, для управления бесконтактным двигателем с помощью МР датчика требуется процедура определения начального знака. Формирование корректной временной диаграммы для управления бесконтактным двигателем осуществляется с помощью дополнительного счетчика импульсов на выходе МР датчика.

Была разработана функциональная диаграмма микросхемы управлением двухвитковым двигателем постоянного тока на основе магниторезистивного чувствительного элемента.

Она содержит МР датчик, схему регулировки точки переключения, компаратор и управляющую логику. Благодаря более высокой чувствительности МР датчика по сравнению с датчиком Холла, к аналоговой части схемы с МР датчиком предъявляются более низкие требования.

В результате проведенных исследований спроектирована микросхема драйвера для управления двухвитковым двигателем постоянного тока. Применение МР датчика в составе микросхемы драйвера электродвигателя постоянного тока позволяет реализовать ее поверхностный монтаж непосредственно на печатную плату двигателя без существенного изменения его технических характеристик.

Pages:     | 1 || 3 |






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