ФОРМИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ МАГНИТОЭЛЕКТРОНИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИНЦИПА «СИСТЕМА НА КРИСТАЛЛЕ»

February 25, 2013 by admin Комментировать »

Власов В. В., Безъязычная А. В., Демченко А. И., Лукоянов С. А., Плебанович В. И. НТЦ «Белмикросистемы» НПО «Интеграл» Ул. Корженевского, д. 12, г. Минск, Республика Беларусь тел.: (+375 17) 2782822, e-mail: office@bms.by

Аннотация – Рассмотрены особенности создания магниточувствительных ИС на основе анизотропного магниторезистивного преобразователя. Приведены примеры практической реализации, области применения и направления перспективных разработок. Показано, что создание магниточувствительных интеллектуальных ИС с использованием технологии «система на кристалле» актуально и целесообразно. Такой подход позволяет сохранить имеющиеся наработки при создании новых систем, снизить стоимость разработок, увеличить функциональность. Одновременно решается проблема повышения основных технических характеристик магнитоуправляемых устройств, в частности, уменьшается вес, энергопотребление, существенно возрастает надежность. Микросхемы, сочетающие в себе функции измерения, вычисления и коммуникации в будущем могут стать основой для построения распределенных самонастраивающихся систем.

I.                                       Введение

где: Ro – сопротивление пленки в направлении 45° к оси легкого намагничивания в отсутствие внешнего поля;

Рис. 1. Анизотропный магниторезистивный эффект.

Важной составной частью современных систем управления являются датчики, в первую очередь, датчики неэлектрических величин. По своему назначению они относятся к приборам функциональной электроники. Основу таких датчиков составляют преобразователи физических воздействий в электрический сигнал. Особое место здесь занимают микропреобразователи, изготавливаемые методами микроэлектронной технологии, которые иногда требуют специфических технологических приемов. Выходной электрический сигнал микропреобразователя часто имеет величину от десятых долей до нескольких единиц милливольт и непригоден для передачи на расстояния для последующей обработки. Решить эту проблему позволяет интеграция в одном кремниевом кристалле чувствительного элемента и интегральной схемы, обрабатывающей сигнал преобразователя, т. е. технология, получившая название «система на кристалле» (SoC). При этом для обработки аналогового сигнала преобразователя можно использовать уже имеющиеся микросхемы собственной разработки (1Р-блоки). Вполне приемлемым является использование наработанных библиотек базовых элементов с проектными нормами от 2 до 0,8 мкм, существующих методов макетирования, верификации и испытаний [1]. Задача заключается в согласовании функциональных связей отдельных блоков в одном микрочипе путем незначительной доработки топологии и совмещении технологических маршрутов изготовления с минимальным количеством дополнительных технологических операций. В том случае, когда по объективным причинам не удается совместить изготовление отдельных узлов в одном технологическом цикпе или стоимость такого изготовления оказывается слишком высокой, интеграцию можно осуществить не в одном чипе, а в пределах одного гибридного корпуса по технологии «система в корпусе» (SiP),. являющейся фактически упрощенным вариантом SoC. При условии удовлетворения системным требованиям по стоимости.

времени проектирования, производительности, потребляемой мощности конечному потребителю безразлично набор ли это компонентов или однокристальный чип [2]. Параллельно решаются задачи повышения надежности датчиков, снижения габаритов и веса, улучшения прецизионности преобразования, удешевления готового изделия, особенно в условиях серийного производства.

II.                              Основная часть

Одним из новых направлений разработок НПО «Интеграл» являются магнитоэлектронные сенсорные устройства, в частности интегральные датчики магнитного поля и магниточувствительные ИС. Сфера применения таких датчиков очень разнообразна. Их используют для обнаружения и измерения силы и направления магнитного поля Земли, постоянных магнитов, ферромагнитных материалов, магнитных носителей, полей, генерируемых электрическим током. Широкое применение они находят в навигации и телеметрии, автотракторной и других отраслях промышленности. На их основе функционируют современные определители скорости и направления движения, фиксаторы углового и линейного положения, бесконтактные перекпючатели.

Fig. 1. Anisotropic magnetoresistive effect

Чувствительным элементом разрабатываемых в НПО «Интеграл» магниточувствительных ИС является преобразователь на основе анизотропного магниторезистивного эффекта (МРП) [3]. В анизотропных МРП используется свойство токопроводящих магнитных материалов изменять свое электрическое сопротивление под действием внешнего магнитного поля (рис.1). Материалом магниторезистивного слоя является тонкая пленка пермаллоя (Ni-Fe-Co), напыленная на окисленный участок кремниевой пластины в магнитном поле строго определенной конфигурации для формирования одноосной намагниченности. Электрическое сопротивление такой пленки зависит от угла между направлением протекающего через нее тока и направлением вектора внутренней намагниченности, которое, в свою очередь, определяется величиной и направлением внешнего поля и свойствами самой пленки.

φ – угол между направлением тока и вектором внутренней намагниченности лленки;

AR – максимальное абсолютное изменение солротивления лленки;

AR/Ro =Δρ/ρ – коэффициент магниторезистивного эффекта, который в большинстве используемых материалов составляет 2-4 %.

Сам преобразователь представляет собой меан- дровую структуру из 4-х идентичных магниторезисторов, соединенных в мостовую схему и имеющих сопротивление от 1 до 4 кОм в зависимости от диапазона чувствительности. Топология преобразователя предусматривает ориентацию токов в соседних магниторезисторах под углом ±45° к оси легкого намагничивания, что позволяет линеаризовать дифференциальный сигнал на выходе преобразователя в диапазоне магнитных полей ±0,3 мТл. При вращении преобразователя в магнитном поле такой величины выходная характеристика имеет гармоническую форму с периодом 360°. При воздействии магнитного величиной более 0,6 мТл линейная зависимость переходит в квадратичную, а период гармонического сигнала становится равным 180°. Чувствительность МРП сопротивлением 1 кОм в линейной области характеристики составляет 5 мв/В-мТл.

Рис. 2. Функциональная схема МРИС1 с аналоговым выходом

Fig. 2. Functional circuit of MRIC1 with analog output

Ha базе анизотропного МРП разработана конструкция магниточувствительной гибридной двухкристальной ИС МРИС1 с аналоговым выходом, функциональная схема которой представлена на рис.2. Гибридная микросхема содержит магниточувствительный элемент и усилительный каскад, в которо- миспользован прецизионный усилитель IL9002, разработанный в НПО «Интеграл» и выполненный по КМОП технологии. Кристаллы МРП и усилителя разварены на подложке размером 3×3 мм^, на которой предварительно сформированы пленочные согласующие резисторы. Вся конструкция герметизирована в 4-выводном металлокерамическом корпусе. В диапазоне магнитных полей ±0,2 мТл выходной сигнал магниточувствительной ИС имеет линейную характеристику с амплитудой 0,5-4 В при Vcc=5B. Микросхема предназначена для работы, с напряжением от 3 до 18 В в диапазоне температур -40 +80°С. Область применения: измерение величины и направления магнитного поля, определение углового и линейного положения объектов, измерение скорости поступательного и вращательного движения, измерение электрического тока.

Микросхема МРИС2 выполнена по аналогичной технологии и представляет собой магнитоуправляемый переключатель с двумя состояниями на выходе: логический «О» и логическая «1». Состояние выхода управляется внешним магнитным полем. В состав микросхемы входит МРП с сопротивлением 4 кОм и компаратор IL393 собственной разработки (рис.З).

Рис. 3. Функциональная схема бесконтактного переключателя МРИС2.

Микросхема имеет порог переключения при величине индукции магнитного поля 1 мТл с гистерезисом не более 10 мкТл. Рабочий диапазон питающих напряжений 5-18 В и температура -40 +70°С.

Fig. 3. Functional circuit of MRIC2 contactless switch

Микросхема может применяться в системах измерения частоты вращения, фиксаторов конечного положения, бесконтактных выключателях, аварийной и охранной сигнализации.

В рамках выполнения ГНТП «Микроэлектроника» НПО «Интеграл» проводит работы по созданию Интегрированных в одном кристалле магниточувствительных ИС с использованием КМОП технологии с проектными нормами 0,8 мкм. Поскольку стандартный КМОП процесс включает операции с температурами выше 600°С, которые приводят к деградации анизотропных свойств магниторезистивной пленки, основная задача заключается в оптимизации технологического маршрута с целью исключения высокотемпературных операций после формирования магниторезистивного преобразователя. В процессе реализации проекта планируется выполнить следующие работы: усовершенствовать технологию напыления тонких ферромагнитных пленок с одноосной анизотропией, оптимизировать топологию чувствительного элемента на основе магниторезистивного моста, разработать методы температурной компенсации, формирования магнитного смещения и перемагничивания магниторезистивных элементов, разработать схемотехническое решение для создания однокоординатных и двухкоординатных аналоговых и цифровых интеллектуальных микромодулей, разработать технологический маршрут изготовления пленочного преобразователя и схемы обработки на принципе «система на кристалле», оптимизировать структуру устройств с учетом необходимости обеспечения работоспособности в диапазонах температур и напряжений питания мобильной техники, изготовить опытные образцы аналоговых и цифровых магниточувствительных интеллектуальных микромодулей, разработать и изготовить необходимое контрольно-измерительное и отладочное оборудование, разработать конструкторско-технологичес- кую документацию для запуска в серийное производство магниточувствительных интеллектуальных микромодулей. Важным этапом проекта станет создание промышленных образцов задатчиков режимов для мобильной техники – джойстика и электронной педали. Данная работа направлена на развитие рынка применения разрабатываемых микромодулей. Экспериментальные образцы переданы потенциальным потребителям для проведения испытаний в электронных системах управления типоряда трансмиссий, разрабатываемых по проекту ГНТП «Машиностроение».

Изделия, разрабатываемые по проекту представляют большой интерес как самостоятельные устройства и как комплектующие компоненты более сложных систем. Разработанные микромодули станут базовыми элементами для создания типоряда датчиков и задатчиков режимов мобильной техники, двух- и трехкоординатных магнитометров, электронных компасов нового поколения, бесконтактных переключателей, одно- и двухкоординатных потенциометров (джойстиков), датчиков углового и линейного положения, что значительно повысит возможности разработчиков систем автоматического управления, телеметрии, навигации, ориентации и мониторинга.

III.                                  Заключение

Исходя из перспектив развития отечественной и мировой микроэлектроники выполнение работ по созданию магниточувствительных интеллектуальных ИС с использованием технологии «система на кристалле» актуально и целесообразно. Такой подход позволяет сохранить имеющиеся наработки при создании новых систем, снизить стоимость разработок, увеличить функциональность. Одновременно решается проблема повышения основных технических характеристик магнитоуправляемых устройств, в частности, уменьшается вес, энергопотребление, существенно возрастает надежность. Микросхемы, сочетающие в себе функции измерения, вычисления и коммуникации в будущем могут стать основой для построения распределенных самонастраивающихся систем.

IV.                           Список литературы

[1] Колганов С., Лазаревич Э. Технология «свертки». Воз- душно-космическая оборона, 2006, № 2

[2] Немудрое В., Мартин Г. Системы на кристалле. – М.: Техносфера, 2004.

[3] Плебанович В. И., Безъязычная А. В., Власов В. В., Лукоянов С. А. Создание интегральных магниточувствительных датчиков на основе анизотропного магниторезистивного эффекта. Материалы научно-производственной конференции «Современные информационные и электронные технологии», Одесса, май, 22-26, 2006 г.

FORMATION OF MAGNETOELECTRONIC INTEGRAL DEVICES USING THE «SYSTEM ON CHIP» PRINCIPLE

V. V. Vlasov, A. V. Bez’yazychnaya,

S.                     A. Lukoyanov, V. I. Plebanovich Research and Production Corporation «Integral»

12, Korzhenevskogo St., Minsk, Republic of Belarus Ph.: (+375 17) 2782822, e-mail: office@bms.by

Abstract – Considered in this paper are peculiarities of creating magnetic sensitive ICs on the basis of anisotropic magnetoresistive converter. The examples listed demonstrate the possibility of practical realization. It is shown that creation of magnetic sensitive intellectual ICs using «system on chip» technology is actual and expedient. Such an approach allows keeping the experience in creation of new systems, reducing design cost, and increasing functionality. Simultaneously the problem is solved regarding enhancement of the basic technical characteristics of magnetic controlled devices. Weight and power consumption are reduced, reliability is increased considerably. Electronic chips, combining the functions of measurement, computation and communication, may become the basis for creation of distributed self-aligning systems.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты