Власов В В, Безязичний А В, Демченко А І, Лукоянов С А, Плебановіч В І НТЦ «Белмікросістеми» НВО «Інтеграл» Вул Корженевского, д 12, м Мінськ, Республіка Білорусь тел: (+375 17) 2782822, e-mail: office@bmsby

Анотація – Розглянуто особливості створення магніточутливих ІС на основі анізотропного магніторезистивного перетворювача Наведені приклади практичної реалізації, області застосування та напрямки перспективних розробок Показано, що створення магніточутливих інтелектуальних ІС з використанням технології «система на кристалі» актуально і доцільно Такий підхід дозволяє зберегти наявні напрацювання при створенні нових систем, знизити вартість розробок, збільшити функціональність Одночасно вирішується проблема підвищення основних технічних характеристик магнітокерованих пристроїв, зокрема, зменшується вага, енергоспоживання, істотно зростає надійність Мікросхеми, що поєднують в собі функції вимірювання, обчислення та комунікації в майбутньому можуть стати основою для побудови розподілених самоналагоджувальних систем

I                                       Введення

де: Ro – опір плівки в напрямку 45 ° до осі легкого намагнічування за відсутності зовнішнього поля

Рис 1 Анізотропний магніторезистивний ефект

Важливою складовою частиною сучасних систем управління є датчики, в першу чергу, датчики неелектричних величин За своїм призначенням вони відносяться до приладів функціональної електроніки Основу таких датчиків складають перетворювачі фізичних впливів в електричний сигнал Особливе місце тут займають мікропреобразователі, що виготовляються методами мікроелектронної технології, які іноді вимагають специфічних технологічних прийомів Вихідний електричний сигнал мікропреобразователя часто має величину від десятих часток до декількох одиниць мілівольт і непридатний для передачі на відстані для подальшої обробки Вирішити цю проблему дозволяє інтеграція в одному кремнієвому кристалі чутливого елемента і інтегральної схеми, обробної сигнал перетворювача, тобто технологія, що отримала назву «система на кристалі» (SoC) При цьому для обробки аналогового сигналу перетворювача можна використовувати вже наявні мікросхеми власної розробки (1Р-блоки) Цілком прийнятним є використання напрацьованих бібліотек базових елементів з проектними нормами від 2 до 0,8 мкм, існуючих методів макетування, верифікації та випробувань [1] Завдання полягає в узгодженні функціональних звязків окремих блоків в одному мікрочіпі шляхом незначного доопрацювання топології і суміщенні технологічних маршрутів виготовлення з мінімальною кількістю додаткових технологічних операцій У тому випадку, коли з обєктивних причин не вдається поєднати виготовлення окремих вузлів в одному технологічному цікпе або вартість такого виготовлення виявляється занадто високою, інтеграцію можна здійснити не в одному чіпі, а в межах одного гібридного корпусу за технологією «система в корпусі» (SiP), що є фактично спрощеним варіантом SoC За умови задоволення системним вимогам за вартістю

часу проектування, продуктивності, споживаної потужності кінцевому споживачеві байдуже набір чи це компонентів або однокристальний чіп [2] Паралельно вирішуються завдання підвищення надійності датчиків, зниження габаритів і ваги, поліпшення прецизійності перетворення, здешевлення готового виробу, особливо в умовах серійного виробництва

II                              Основна частина

Одним з нових напрямків розробок НВО «Інтеграл» є магнітоелектронние сенсорні пристрої, зокрема інтегральні датчики магнітного поля і магніточутливі ІВ Сфера застосування таких датчиків дуже різноманітна Їх використовують для виявлення і вимірювання сили та напрямку магнітного поля Землі, постійних магнітів, феромагнітних матеріалів, магнітних носіїв, полів, що генеруються електричним струмом Широке застосування вони знаходять в навігації і телеметрії, автотракторної та інших галузях промисловості На їх основі функціонують сучасні визначники швидкості і напряму руху, фіксатори кутового і лінійного положення, безконтактні перекпючателі

Fig 1 Anisotropic magnetoresistive effect

Чутливим елементом розробляються в НВО «Інтеграл» магніточутливих ІС є перетворювач на основі анізотропного магніторезистивного ефекту (МРП) [3] У анізотропних МРП використовується властивість струмопровідних магнітних матеріалів змінювати свій електричний опір під дією зовнішнього магнітного поля (рис1) Матеріалом магніторезистивного шару є тонка плівка пермаллоя (Ni-Fe-Co), напиленням на окислений ділянку кремнієвої пластини в магнітному полі строго певної конфігурації для формування одноосной намагніченості Електричний опір такої плівки залежить від кута між напрямом протікає через неї струму і напрямом вектора внутрішньої намагніченості, яке, в свою чергу, визначається величиною і напрямом зовнішнього поля і властивостями самої плівки

φ – кут між напрямком струму і вектором внутрішньої намагніченості лленкі

AR – максимальне абсолютна зміна солротівленія лленкі

AR / Ro = Δρ / ρ – коефіцієнт магніторезистивного ефекту, який у більшості використовуваних матеріалів становить 2-4%

Сам перетворювач являє собою Меан-дровами структуру з 4-х ідентичних Магніторезістори, зєднаних у бруківку схему і мають опір від 1 до 4 кОм залежно від діапазону чутливості Топологія перетворювача передбачає орієнтацію струмів в сусідніх магніторезисторах під кутом ± 45 ° до осі легкого намагнічування, що дозволяє линеаризовать диференційний сигнал на виході перетворювача в діапазоні магнітних полів ± 0,3 мТл При обертанні перетворювача в магнітному полі такої величини вихідна характеристика має гармонійну форму з періодом 360 ° При впливі магнітного величиною більше 0,6 мТл лінійна залежність переходить в квадратичну, а період гармонійного сигналу стає рівним 180 ° Чутливість МРП опором 1 кОм в лінійній області характеристики становить 5 мв / В-мТл

Рис 2 Функціональна схема МРІС1 з аналоговим виходом

Fig 2 Functional circuit of MRIC1 with analog output

Ha базі анізотропного МРП розроблена конструкція магніточутливих гібридної двухкрістальной ІС МРІС1 з аналоговим виходом, функціональна схема якої представлена ​​на рис2 Гібридна мікросхема містить магніточутливих елемент і підсилювальний каскад, в якому-міспользован прецизійний підсилювач IL9002, розроблений в НВО «Інтеграл» і виконаний за КМОП технології Кристали МРП і підсилювача розварені на підкладці розміром 3×3 мм ^, на якій попередньо сформовані плівкові согласующие резистори Вся конструкція герметизирована в 4-вивідному металокерамічному корпусі У діапазоні магнітних полів ± 0,2 мТл вихідний сигнал магніточутливих ІС має лінійну характеристику з амплітудою 0,5-4 В при Vcc = 5B Мікросхема призначена для роботи, з напругою від 3 до 18 В в діапазоні температур -40 +80 ° С Область застосування: вимірювання величини і напряму магнітного поля, визначення кутового і лінійного положення обєктів, вимірювання швидкості поступального і обертального руху, вимір електричного струму

Мікросхема МРІС2 виконана за аналогічною технологією і являє собою магнітоуправляємий перемикач із двома станами на виході: логічний «О» і логічна «1» Стан виходу управляється зовнішнім магнітним полем До складу мікросхеми входить МРП з опором 4 кОм і компаратор IL393 власної розробки (рісЗ)

Рис 3 Функціональна схема безконтактного перемикача МРІС2

Мікросхема має поріг перемикання при величині індукції магнітного поля 1 мТл з гістерезисом не більше 10 мкТл Робочий діапазон напруг живлення 5-18 В і температура -40 +70 ° С

Fig 3 Functional circuit of MRIC2 contactless switch

Мікросхема може застосовуватися в системах вимірювання частоти обертання, фіксаторів кінцевого положення, безконтактних вимикачах, аварійної та охоронної сигналізації

У рамках виконання ДНТП «Мікроелектроніка» НВО «Інтеграл» проводить роботи по створенню Інтегрованих в одному кристалі магніточутливих ІС з використанням КМОП технології з проектними нормами 0,8 мкм Оскільки стандартний КМОП процес включає операції з температурами вище 600 ° С, які призводять до деградації анізотропних властивостей магніторезистивної плівки, основне завдання полягає в оптимізації технологічного маршруту з метою виключення високотемпературних операцій після формування магніторезистивного перетворювача В процесі реалізації проекту планується виконати наступні роботи: удосконалити технологію напилення тонких феромагнітних плівок з одноосной анізотропією, оптимізувати топологію чутливого елемента на основі магніторезистивного моста, розробити методи температурної компенсації, формування магнітного зсуву і перемагнічування магніторезистивних елементів, розробити схемотехническое рішення для створення однокоординатних і двокоординатної аналогових і цифрових інтелектуальних мікромодулів, розробити технологічний маршрут виготовлення плівкового перетворювача і схеми обробки на принципі «система на кристалі», оптимізувати структуру пристроїв з урахуванням необхідності забезпечення працездатності в діапазонах температур і напруг живлення мобільної техніки, виготовити дослідні зразки аналогових і цифрових магніточутливих інтелектуальних мікромодулів, розробити і виготовити необхідну контрольно-вимірювальне та налагоджувальне обладнання, розробити конструкторсько-технологічне-кую документацію для запуску в серійне виробництво магніточутливих інтелектуальних мікромодулів Важливим етапом проекту стане створення промислових зразків задатчиков режимів для мобільної техніки – джойстика та електронної педалі Дана робота спрямована на розвиток ринку застосування розроблюваних мікромодулів Експериментальні зразки передані потенційним споживачам для проведення випробувань в електронних системах управління Типоряду трансмісій, що розробляються за проектом ДНТП «Машинобудування»

Вироби, що розробляються за проектом становлять великий інтерес як самостійні пристрої і як комплектуючі компоненти більш складних систем Розроблені мікромодулі стануть базовими елементами для створення Типоряду датчиків і задатчиков режимів мобільної техніки, двох-і трикоординатних магнітометрів, електронних компасів нового покоління, безконтактних перемикачів, одно-і двокоординатної потенціометрів (джойстиків), датчиків кутового і лінійного положення, що значно підвищить можливості розробників систем автоматичного управління, телеметрії, навігації, орієнтації та моніторингу

III                                  Висновок

Виходячи з перспектив розвитку вітчизняної і світової мікроелектроніки виконання робіт зі створення магніточутливих інтелектуальних ІС з використанням технології «система на кристалі» актуально і доцільно Такий підхід дозволяє зберегти наявні напрацювання при створенні нових систем, знизити вартість розробок, збільшити функціональність Одночасно вирішується проблема підвищення основних технічних характеристик магнітокерованих пристроїв, зокрема, зменшується вага, енергоспоживання, істотно зростає надійність Мікросхеми, що поєднують в собі функції вимірювання, обчислення та комунікації в майбутньому можуть стати основою для побудови розподілених самоналагоджувальних систем

IV                           Список літератури

[1] Колганов С, Лазаревич Е Технологія «згортки» Віз-душно-космічна оборона, 2006, № 2

[2] немудре В, Мартін Г Системи на кристалі – М: Техносфера, 2004

[3] Плебановіч В І, Безязичний А В, Власов В В, Лукоянов С А Створення інтегральних магніточутливих датчиків на основі анізотропного магніторезистивного ефекту Матеріали науково-виробничої конференції «Сучасні інформаційні та електронні технології», Одеса, травень, 22-26, 2006 р,

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@bmsby

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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р