Напівпровідникові сенсори магнітного поля на розщеплених холлівських структурах.

Abstract

Робота присвячена вирішенню задач подальшого розвитку наукових засад та покращення експлуатаційних характеристик пристроїв вимірювання магнітного поля на основі напівпровідникових розщеплених холлівських структур (РХС). Розроблено комплексний підхід математичного моделювання РХС, що охоплює схемний та структурний аналіз та базується на визнаних та уніфікованих спеціалізованих середовищах – SPICE, FEMLAB та MATLAB. На основі проведеного параметричного аналізу експериментальних даних та математичного моделювання визначені основні причини неідеальності експлуатаційних характеристик РХС з кутовим розміщенням чутливої ділянки, двокоординатного сканера на основі лінійок РХС та трикоординатного сенсора на основі чотирививідної РХС. Встановлено, що на відміну від традиційних холлівських сенсорів, несиметрія чутливих ділянок РХС призводить не лише до зростання синфазної складової сигналу - напруги зміщення (off-set), але і до значного зростання нелінійності функції перетворення та паразитної перехресної чутливості 3D сенсорів магнітного поля. Отримали подальший розвиток підходи підвищення експлуатаційних характеристик та методи калібрування пристроїв вимірювання магнітного поля на основі вказаних РХС. Розроблені сигнальні перетворювачі та програмне забезпечення сенсорних пристроїв вимірювання магнітного поля на основі РХС, що відповідають особливостям цих структур та вимогам до сучасної мікроелектронної техніки. Здійснена апробація запропонованіх рішень в дослідніх зразках пристроїв вимірювання магнітного поля. The work is devoted to enhancement of galvanomagnetic sensors based ob semiconductor splitted Hall sensors (SHS) and further development of their scientific basis. It was developed a complex approach of mathematical modeling of SHS that includes schematic and structural analysis using commonly well-known specialized software - SPICE, FEMLAB та MATLAB. Upon the results of performed parametric analysis of experimental data and mathematical modeling we determined the main reasons of non-ideality of output signals of SHS with corner sensitive region, twodimensional scanner based on SHS and tree-dimensional sensor based on four-contact SHS. It was detected that on contrast to traditional Hall plates structural asymmetry of SHS leads not only to considerable off-set increase but also to considerable increase of their output signals nonlinearity and parasitic cross-sensitivity. As the result of the work parameters of magnetic sensors based on the said SHS were improved and their calibration methods were developed. Besides, signal transducers and software of sensors based on SHS that meet requirements SHS and modern microelectronics were developed. All proposed solutions are verified using test samples of magnetic sensors. Робота посвящена решению задач дальнейшего развития научных подходов и повышения эксплуатационных характеристик устройств измерения магнитного поля на основе полупроводниковых расщепленных холловских структур (РХС). Базовая идея РХС состоит в формировании интегрированных структур с использованием только одной половины холловского сенсора, обеспечивая этим более высокую пространственную разрешающую способность и возможность измерения в одной точке пространства трех проекций (BX, BY, BZ) вектора индукции магнитного поля. Создание сенсоров на РХС предусматривает решения комплекса задач, основными среди которых являются: во-первых, более детальный анализ эффектов, которые имеют место в РХС, и в частности, комбинация холловского и магниторезистивного эффектов; во-вторых, разработку специфичных математических моделей сенсоров на основе РХС; в-третьих, усовершенствование методик калибровки этих сенсоров; и, в-четвертых, реализация более совершенных методов и схем сигнального преобразования, которые обеспечивают выделение полезного сигнала от его паразитных составляющих и шумов. Предложен комплексный подход математического моделирования РХС, который сочетает схемно-структурный анализ и базируется на унифицированных специализированных средах – SPICE, FEMLAB та MATLAB. В SPICE проводят анализ РХС со схемотехнической точки зрения и оптимизацию схем формирования сигналов, в FEMLAB – структурный электрофизический анализ и оптимизацию конструкций сенсоров, а в MATLAB – математическую обработку результатов моделирования и взаимного обмена данных между SPICE и FEMLAB. Введено и раскрыто понятие формальных аналогов – SPICE элементов, синтаксис которых аналитическое описание функциональных взаимосвязей между выходными сигналами холловских сенсоров, электрофизических параметров структуры и проекций вектора индукции магнитного поля на оси РХС. На основе проведенного параметрического анализа экспериментальных данных и математического моделирования определены основные причины неидеальности эксплуатационных характеристик РХС с угловым размещением чувствительной области, двохкоординатного сканера на основе линеек РХС и трехкоординатногосенсора на основе четырехвыводной РХС. Установлено, что в отличии от традиционных холловских сенсоров, нессиметрия чувствительных областей РХС приводит не только к увеличению синфазной составляющей сигнала – напряжения смещения, но и к значительному увеличению нелинейности функции преобразования и паразитной перекрестной чувствительности 3D сенсоров магнитного поля. Сформулирована концепция построения 3D сенсоров магнитного поля на основе немостовых схем измерительного преобразования, что позволяет вдвое – с восьми до четырех – уменьшить количество выводов сенсоров, и тем самым, вдвое увеличить информативность многоканальных сканеров магнитного поля с ограниченным количеством сигнальных линий. Разработаны методики калибровки сенсоров магнитного поля на основе РХС с фиксированным и произвольным вращением 3D зондов в магнитной мере и программное обеспечение для реализации этих методик, в частности в вариантах: ортогонального размещения РХС с линейными характеристиками, ортогонального размещения с полиномиальными полевыми характеристиками и углового несовмещения РХС. Разработаны и изготовлены схемные узлы и макетные образцы сигнальных преобразователей сенсорных устройств магнитного поля на основе РХС, что соответствуют особенностям этих РХС и требования современной микроэлектронной техники, и в частности, базируясь на новом поколении микроэлектронной элементной базы (AD8551/2/4, ADG736, ADuC841, ADuC834) и синхронном детектировании сигнала, обеспечивают невоспроизводимость сигнала на уровне 0,25 % (ADuC841) и 0,0025 % (ADuC834), соответственно. Создано комплекс програмного обеспечения для анализа результатов измерения, калибрования сенсорных устройств и управления режимами работы сигнальных преобразователей этих устройств.