CC BY
8УДК 681.586
Беспроводная магниторезистивная микросистема измерения магнитного поля
В.В. Амеличев, А.Н. Сауров НПК «Технологический центр» (г. Москва)
В.В. Аравин ФГКУ «Войсковая часть 35533»
А.А. Резнев ФГКУ «Войсковая часть 68240»
А.А. Демин, М.В. Хохлов ОАО «НИИТАП» (г. Москва)
Представлены конструктивно-технологические решения по созданию магнитополупроводниковой элементной базы для беспроводных магниторе-зистивных микросистем измерения магнитного поля, а также результаты исследования высокочувствительного магниторезистивного преобразователя с концентраторами магнитного поля. Приведены характеристики разработанного измерительного усилителя для работы с сигналом от низкоомного маг-ниторезистивного моста, имеющего некоторую величину его разбалансиров-ки. Описана совмещенная технология изготовления магнитополупроводни-ковых ИС на основе тонкопленочных магниторезистивных структур.
Ключевые слова: беспроводная микросистема, магнитное поле, магниторези-стивный преобразователь, магнитополупроводниковая элементная база.
Традиционные технологии производства интегральных микросхем стали основой для изготовления микроэлектромеханических систем (МЭМС), способных выполнять функции датчиков и преобразователей физических величин, приводов линейного и радиального перемещения, адресной доставки лекарств в микродозах при проведении биомедицинских исследований, электронной памяти, отображения информации, беспроводной связи и др. На смену МЭМС низкой степени интеграции (микроакселерометры, головки струйных принтеров, проекционные микрозеркала и т.п.) пришли более сложные микросистемы (оптические, аналитические, беспроводной связи и др.), имеющие очень большой рыночный потенциал [1]. В настоящее время рынок мобильных устройств быстро развивается, а беспроводная связь для них является востребованной опцией.
Как правило, беспроводная связь используется для решения одной из двух принципиально различных задач. Первая задача - передача данных на значительные расстояния, где по каким-то причинам невозможно или нерентабельно использовать кабель. Вторая - передача данных на короткие расстояния, когда использование проводного подключения неудобно, неунифицировано, требует дополнительного элемента (как минимум, самого провода с заданными характеристиками). Отметим, что связь на дальние расстояния используется давно, а беспроводная связь на малые расстояния становится все более актуальной лишь в последнее время [2].
© В.В. Амеличев, А.Н. Сауров, В.В. Аравин, А.А. Резнев, А.А. Демин, М.В. Хохлов, 2012
В ряде случаев пользователям важно, чтобы зона охвата беспроводных передатчиков была не просто мала, а ограничена «сверху». Например, однотипные устройства, расположенные на близком расстоянии, не должны мешать друг другу. Это ограничение по расстоянию - дополнительная гарантия безопасности, т.е. никто не сможет перехватить данные, передаваемые во время связи устройств между собой. Стандарты малого радиуса действия удобны также и потому, что по отношению к ним применяется более мягкая политика надзорных органов в области распределения радиочастот. При условии отсутствия помех другим устройствам, а также требований к защите от помех со стороны прочих радиоэлектронных средств такие стандарты могут лишь однажды получить одобрение у государственной комиссии по радиочастотам и затем использоваться без оформления отдельных разрешений. На таких условиях, например, одобрены технологии ZigBee и Bluetooth [3].
Магнитная беспроводная связь, действующая на короткие расстояния, весьма привлекательна для применения в личных портативных и мобильных устройствах передачи музыки и речи. В контексте таких устройств, где размер, мощность и надежность являются критическими, требования по дальности в пределах личного места пользователя, магнитная беспроводная связь на короткие расстояния имеет преимущества, например при снятии телеметрии у новорожденных, тяжелобольных и т.п., а также там, где другие виды беспроводной связи не разрешены Министерством здравоохранения РФ. Изготавливаемые наушники MP3- и DVD-плееров, гарнитуры мобильных телефонов и т.п. оказываются совершенно безопасными для здоровья. Эта связь также используется в агрессивной и других жидких средах, где радиосвязь вообще невозможна [4].
В общем случае МЭМС беспроводной связи независимо от типа передаваемого сигнала (радио или магнитный) можно разделить на две группы: информационные и измерительные. В первом случае компонентная база и архитектура МЭМС целенаправленно подбираются для быстрой и качественной передачи информации (как правило, в цифровом формате). Во втором случае преследуется другая цель - точно измерить параметры физических величин и передать их без искажения. Поэтому компонентная база измерительных беспроводных МЭМС в своем составе содержит датчики и преобразователи физических величин, малошумящие схемы усиления слабых сигналов, компараторы напряжения, источники опорного напряжения, АЦП, микропроцессоры, микроантенны и другие элементы.
Таким образом, разработка и исследование конструктивно-технологических решений создания беспроводных МЭМС и беспроводных магниторезистивных микросистем (МРМС) с использованием нанотехнологий - перспективный шаг к созданию интеллектуальных наноэлектромеханических систем (НЭМС).
Магниторезистивный преобразователь с повышенной чувствительностью. Мощность распространения стоячей ВЧ-волны пропорциональна 1/r2, а квазистатического магнитного поля в ограниченной области - 1/r6. На рис.1 приведены зависимости нормализованной мощности сигнала от расстояния для радиочастотной и магнитной связи [4]. Для создания беспроводных МРМС с магнитной связью необходимо применение высокочувствительных преобразователей магнитного поля. Альтернативным решением феррозондовым преобразователям в приемном тракте беспроводной МРМС магнитной связи может быть анизотропный магниторезистивный преобразователь с повышенной чувствительностью [5]. Одной из основных характеристик магниторези-стивных приборов является крутизна преобразования по магнитному полю. Значительного улучшения данного параметра можно достичь как конструктивным, так и технологическим путем [6]. Например, для повышения крутизны преобразования
конструкция прибора, основанная на тонкопленочных структурах с анизотропным магни-торезистивным (АМР) эффектом, может быть дополнена элементами усиления магнитного поля и подмагничивания [7-10]. Для тех же целей могут применяться тонкопленочные структуры с гигантским магниторе-зистивным (ГМР) эффектом, полученные с помощью специализированного технологического оборудования и соответствующих технологических процессов [11-13]. При реализации путей, направленных на одну цель -повышение чувствительности, можно получить приборы, отличающиеся не только мас-согабаритными параметрами, но и отношением сигнал/шум. Преобразователи с ГМР-эффектом более миниатюрны, чем анизотропные, но уровень шума в области низких частот у них несколько выше, а значит и порог чувствительности хуже [14].
На рис.2 приведен график изменения выходного сигнала АМР-преобразователя с нечетной передаточной характеристикой для двух конструктивных вариантов: без концентраторов магнитного поля и с концентраторами магнитного поля.
Внедрение элементов усиления магнитного поля в конструкцию преобразователя улучшает параметр крутизны преобразования и снижает порог чувствительности. Негативным фактором при этом является возросший габаритный размер преобразователя за счет интегрированных концентраторов магнитного поля. Концентраторы магнитного поля в составе конструкции АМР-преобразователя выполняют функции приемной антенны магнитного сигнала и усилителя магнитного поля в области чувствительного магниторезистивного элемента.
Миниатюризация концентраторов магнитного поля позволит снизить общие габариты АМР-преобразователя. Одним из способов получения миниатюрных концентраторов магнитного поля является процесс электрохимического осаждения пермаллоя. На рис.3 приведено РЭМ-изображение микроконцентраторов магнитного поля толщи-
Рис.1. Зависимость расстояния от нормализованной мощности радиочастотного (-♦-) и магнитного (-■-) сигналов [4]
Рис.2. Передаточная характеристика АМР-преобразователя: 1 - без концентраторов магнитного поля; 2 - с концентраторами магнитного поля
Acc.V Spot Magn Dat WD Exp 30.0 kV 4.0 2000* SE 10.3 0
XL40 D646MIET
Рис.3. РЭМ-изображение микроконцентраторов магнитного поля на основе пермаллоя
ной 11 мкм, сформированных на поверхности кремниевой пластины методом электрохимического осаждения.
Усилительные характеристики концентраторов магнитного поля определяются типом материала и геометрическими параметрами. Результаты исследования формы концентратора достаточно полно представлены в работе [15].
Быстродействующий измерительный усилитель сигнала магниторезистивного преобразователя. Обычно для обработки сигналов с преобразователей физических величин, содержащих мостовую схему включения чувствительных элементов, используется специальный класс усилителей, называемых измерительными. Измерительные усилители (ИУ) работают практически во всех системах сбора данных, осуществляя нормализацию сигналов, поступающих с разнообразных видов датчиков. Основные задачи ИУ - согласование динамических диапазонов датчика и последующего тракта, подавление входной синфазной помехи, иногда весьма значительной. Поэтому ИУ обязательно имеют дифференциальный вход и обратную связь.
Если операционные усилители являются приборами широкого применения, на основе которых можно строить линейные или нелинейные устройства самого разного функционального назначения, то измерительные усилители выполняют только задачу масштабирования малого дифференциального сигнала при наличии синфазной помехи. Это их главное отличие от других масштабных усилителей.
Особенность разработанного измерительного усилителя - возможность работы с сигналом от низкоомного магниторезистивного моста, имеющего некоторую величину его разбалансировки. Поэтому некоторые требования к величине входных токов, входному сопротивлению и напряжению смещения усилителя снижены, что позволило использовать новые нетрадиционные схемные решения. ИУ будучи дифференциальным устройством усиливает только разность между напряжениями на своих входах, любые синфазные (присутствующие на обоих входах) сигналы, такие, как шумы, падения напряжений в заземленных линиях, подавляются на входе до того, как произойдет процесс усиления.
Структурная схема разработанного ИУ показана на рис.4. Конструкция представляет собой комбинацию, или каскадное включение, быстродействующего дифференциального усилителя с высоким (до 100) коэффициентом усиления и простейшего дифференциального усилителя на операционном усилителе (ОУ), коэффициент усиления которого выбирается невысоким (около 10). Быстродействие ИУ является одним из важных факторов, поскольку магниторезистивные преобразователи могут работать на частотах до нескольких сотен мегагерц, и в разработанной структуре обеспечивается за счет схемотехнического решения дифференциального усилителя (ДУ), не использующего цепи частотной коррекции и практически не налагающего ограничений на верхнюю граничную частоту полосы усиливаемых частот. Ограничение быстродействия сохраняется в выходной традиционной секции, построенной на ОУ. Входной каскад выполнен в виде классического широкополосного дифференциального усилителя, применяемого рядом фирм в микросхемах усиления сигнала. При этом с целью улучшения точности и стабильности коэффициента усиления, повышения линейности
Я2
Рис.4. Схема разработанного ИУ на двух операционных усилителях
передаточной характеристики, а также снижения потребляемого тока в схеме входного каскада использованы новые схемотехнические решения, также способствующие повышению быстродействия.
В результате испытаний партии разработанных ИУ установлено, что при коэффициенте усиления 500 верхняя граница диапазона усиливаемых частот составила 0,73 МГц. По уровню напряжения собственных шумов, приведенных ко входу, разработанный ИУ соответствует лучшим аналогам в данном классе (6,5 нВ /ТгЦ). Кристалл рассматриваемого ИУ (рис.5) изготавливался по комплементарной биполярной технологии, обеспечивающей формирование вертикальных дрейфовых п-р-п-и р-п-р-транзисторов с коэффициентом усиления от 80 до 400, резисторов номинальным сопротивлением от 1,0 до 2,5 кОм, конденсаторов емкостью от 0,5 до 1,0 пФ. Данный конструктивно-технологический базис обеспечивает высокий уровень стойкости к специальным внешним воздействующим факторам и предположительно является наивысшим в данном классе.
Рис.5. Кристалл ИУ
В составе одного кристалла микросхемы кроме ИУ могут быть сформированы компаратор напряжения и регулируемый источник опорного напряжения. Компаратор напряжения может быть совместимым с транзисторно-транзисторной логикой и с КМОП-семействами, питающихся от источников с номинальным напряжением 5В, а также 3,3 или 3,0 В (ТТЛ/КМОП/3 В/5 В). Регулируемый источник опорного напряжения предназначен для балансировки начального смещения мостовых схем по вспомогательному выводу КЕБ измерительного усилителя.
Совмещенная технология магнитополупроводниковых ИС. Миниатюризация беспроводной МРМС магнитной связи направлена на реализацию однокристальной магнитополупроводниковой интегральной схемы, содержащей полупроводниковую и магниторезистивную составляющие части. Так как формирование тонкопленочных магниторезистивных структур и чувствительных элементов на их основе имеет определенные требования к ряду конструктивно-технологических параметров, совмещенная технология в основном представляет собой последовательное формирование сначала полупроводниковой части, а затем магниторезистивной.
Полупроводниковая часть, содержащая схемы усиления, оцифровки и температурной стабилизации сигнала, может быть реализована как по биполярной, так и по МОП-технологии. В общем случае можно рассмотреть вариант построения полупроводниковых схем по БиКМОП-технологии. Общая структурная схема кристалла, содержащего полупроводниковую и магниторезистивную части, показана на рис.6.
Магниторезистивный чувствительный
Рис.6. Структура кристалла магнитополупроводниковой интегральной схемы
Для реализации однокристальной магнитополупроводниковой интегральной схемы необходимо определить конструктивно-технологические требования ко всем компонентам системы с учетом физических ограничений. С этой целью отрабатываются новые технологические процессы, обеспечивающие получение анизотропного магниторе-зистивного преобразователя на основе тонкопленочных магниторезистивных структур в составе одного кристалла с полупроводниковыми электронными схемами. Поскольку толщина тонкопленочных магниторезистивных структур составляет 30-50 нм, то для получения магниторезистивных преобразователей с хорошими техническими показателями необходимо обеспечить безрельефную поверхность с минимальной шероховатостью. Температура Кюри тонкопленочных магниторезистивных структур составляет ~ 300 °С, и для сохранения анизотропных свойств структуры необходимо нанесение на ее поверхность низкотемпературных диэлетрических слоев, обладающих достаточной электрической изоляцией.
Фрагмент тестового кристалла магнитополупроводниковой интегральной схемы, изготовленной по разработанной совмещенной технологии, показан на рис.7.
Рис. 7. Фрагмент тестового кристалла магнитополупроводниковой интегральной схемы
Представленный конструктивно-технологический базис изготовления магнитопо-лупроводниковых интегральных схем является основой для разработки перспективных беспроводных МРМС на основе высокочувствительных магниторезистивных преобразователей, в том числе и с гигантским магниторезистивным сопротивлением.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (ГК № 16.513.113140) с использованием оборудования ЦКП «Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники» на базе НПК «Технологический центр».
Литература
1. Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение. - М.: Техносфера, 2004. - С. 24,25.
2. Баранова Е. Беспроводная передача данных на коротких расстояниях. - URL: http://www.telemultimedia.ru/art.phpid=363 (дата обращения: 25.06.2009).
3. http://minsvyaz.ru/ru/doс/index.php?id_4-302 (дата обращения: 25.06.2009).
4. http://www.telemultimedia.ru/art.phpid=164 (дата обращения: 25.06.2009).
5. Перспективы применения тонкопленочных магниторезистивных наноструктур в многокристальных беспроводных МЭМС / В.В. Амеличев, В.В. Аравин, В.Д. Вернер и др. // Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА: Материалы IX науч.-техн. конф. (г. Звенигород, 2010). - «НПП Пульсар». -2010. - С. 152-153.
6. Микроэлектронная магниторезистивная технология / В.В. Амеличев, А.И. Галушков, В.В. Дягилев и др. // Нано- и микросистемная техника. - 2007. - № 3. - С. 22-26.
7. Визуализация привнесенных неоднородностей магнитного поля Земли / В.В. Амеличев, А.И. Галушков, А.А. Резнев и др. // Нано- и микросистемная техника. - 2007. - № 3. - С. 11-14.
8. Магниторезистивный датчик / В.В. Амеличев, А.И. Галушков, В.В. Дягилев и др. // Патент РФ. № 2312429. - 2007.
9. Анизотропная магниторезистивная головка-градиометр магнитного поля и тока / В.В. Амеличев, А.И. Галушков, И.А. Гамарц и др. // Тр. Росс. конф. УКИ-08. - 2008. - С. 693-699.
10. Касаткин С.И, Муравьёв А.М., Амеличев В.В., Гамарц И.А. Магниторезистивная шоловка-градиометр // Патент РФ. - № 2403652. - 2009.
11. Anderson J.M., Pohm AV. Ultra-low hysteresis and self- biasing in GMR sandwich sensor elements // IEEE Transactions on Magnetics. - 2001. - Vol. 37, N 4, July. - P. 1989.
12. Касаткин С.И., Муравьев А.М. Тонкопленочные магниторезистивные датчики // Электронные компоненты. - 2003. - № 3. - C. 1-4.
13. Hayakawa J. Effect of high annealing temperature on giant tunnel magnetoresistance ratio of CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions // Appl. Phys. Lett. - 2006. - Vol. 89. - P. 232510.
14. Lenz J., Edelstein A.S. Magnetic sensors and their applications // IEEE Sensors Journal. - 2006. - Vol. 6, N 3. - P. 631-649.
15. Predrag M. Drljaca, Franck Vincent, Pierre-Andre Besse, Radivoje S. Popovic. Design of planar magnetic concentrators for high sensitivity Hall devices // Sensors and Actuators A: Physical, April, 2002. -Vol. 97. - P. 10-14.
Статья поступила 24 апреля 2012 г.
Амеличев Владимир Викторович - кандидат технических наук, начальник отдела НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: конструкции и технологии полупроводниковых приборов, интегральных микросхем, многокристальных модулей, микроэлектромеханических систем, магниторезистивных преобразователей магнитного поля, интегральных преобразователей давления и ускорения. E-mail: avv@tcen.ru
Сауров Александр Николаевич - доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН, директор НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: разработка и применение конструктивно-технологических методов и приемов самоформирования в микро- и наноэлектрони-ке и микро- и наносистемной технике.
Аравин Владислав Викторович - руководитель ФГКУ "Войсковая часть 35533". Область научных интересов: радиосистемы, радиосвязь, микросистемы, МЭМС, датчики и преобразователи физических величин.
Резнев Алексей Алексеевич - доктор технических наук, профессор, заместитель руководителя ФГКУ "Войсковая часть 68240". Область научных интересов: разработка теоретических положений СВЧ-радиосистем, высокоэффективные микро- и наноэлектронные устройства.
Демин Анатолий Анатольевич - старший научный сотрудник ОАО «НИИТАП» (г. Москва). Область научных интересов: аналоговые ИМС, БИС и МКМ.
Хохлов Михаил Валентинович - кандидат технических наук, генеральный директор ОАО «НИИТАП» (г. Москва). Область научных интересов: физика и технология полупроводниковых приборов, интегральных микросхем и многокристальных модулей.
[ \
Вниманию читателей журнала
«Известия высших учебных заведений. Электроника»
Оформить годовую подписку на электронную
версию журнала можно на сайте
Научной Электронной Библиотеки:
www.elibrary.ru
Ч У
