Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка семейства высокочувствительных интеллектуальных нано- и микроэлектронных датчиков и микросхем на их основе, характеризующихся повышенной устойчивостью к радиационным и температурным воздействиям

Номер контракта: 14.576.21.0026

Руководитель: Какоулин Михаил Иннокентьевич

Должность: Директор

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:

Цель проекта:
• Разработка теоретических основ создания нового поколения интеллектуальных высокочувствительных датчиков физических воздействий, с повышенными требованиями к воздействию внешних радиационных и температурных факторов, изготовленных по субмикронным технологиям, предназначенных для контрольно-измерительной аппаратуры космических аппаратов. • Разработка физических и конструктивно-технологических решений создания датчиков магнитного поля и температуры с повышенной радиационной и температурной стойкостью на основе двухзатворного тонкопленочного кремниевого полевого транзистора со встроенным обогащенным каналом, изготавливаемого по технологии «кремний на изоляторе» (КНИ).

Основные планируемые результаты проекта:
В рамках ПНИ будут разработаны физические модели высоконадежных чувствительных элементов на основе двухзатворного тонкопленочного кремниевого полевого транзистора со встроенным обогащенным каналом, изготавливаемого по технологии КНИ для датчиков магнитного поля и температуры, изготовлены и исследованы лабораторные образцы указанных чувствительных элементов и образцы микросистем на их основе.
- Сопоставление ожидаемых результатов с аналогичными разработками мирового уровня.
КНИ чувствительные элементы, которые будут созданы в рамках ПНИ по ряду важных эксплуатационных параметров (диапазон рабочих температур, устойчивость к радиационному и термическому воздействию, пониженному энергопотреблению) будут существенно превосходить зарубежные функциональные аналоги. Элементы функциональной электроники датчиков будут соответствовать мировому уровню. Изготовленные на основе оригинальных схемотехнических решений датчики магнитного поля и температуры, использующие указанные выше чувствительные элементы, превзойдут зарубежные функциональные аналоги по основным параметрам.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
- Актуальность:
Проведение исследований обусловлено возрастающим запросом космической электроники к повышению надежности контрольно-измерительных устройств космических аппаратов к экстремальным внешним воздействиям, в частности, к радиационным и температурным факторам космического пространства.
- Новизна предлагаемых решений:
Новизна предлагаемых по ПНИ решений обусловлена разработкой и экспериментальных исследований физических моделей высокотемпературного и радиационно-стойкого чувствительного элемента на основе двухзатворного тонкопленочного кремниевого полевого транзистора со встроенным обогащенным каналом, изготавливаемого по технологии КНИ и изготовлением экспериментальных образцов чувствительных элементов и датчиковых устройств на их основе.
- Сопоставление с аналогичными разработками мирового уровня:
• Конструкции КНИ чувствительных элементов датчиков магнитного поля и температуры на основе двухзатворного тонкопленочного кремниевого полевого транзистора со встроенным обогащенным каналом, не имеют зарубежных аналогов.
• Конструкции датчиков магнитного поля и температуры с частотным выходом не имеют зарубежных аналогов.
• Результаты исследования влияния химической природы тяжелых заряженных частиц на компоненты КНИ транзисторов с необходимостью требуют развития теории радиационных повреждений полупроводниковых материалов и полупроводниковых приборов.
• Способ повышения радиационной стойкости КНИ чувствительных элементов, основанный на открывании/закрывании тока канала путем изменения потенциала затворов, является оригинальным.
• Электрические характеристики изготовленных лабораторных образцов датчиков магнитного поля и температуры соответствуют современному мировому уровню.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Предполагается, что результаты работы будут использованы в разработках нового поколения контрольно-измерительной устройств космических аппаратов АО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнева». Кроме того, результаты работы могут быть использованы в устройствах автомобильной и авиационной электроники, в системах контроля работы атомных электростанций, нефтяных и газовых скважин, геофизической аппаратуре и др.

Текущие результаты проекта:
1. Разработаны конструкции, изготовлены и исследованы чувствительные элементы датчиков магнитного поля и температуры на основе двухзатворного тонкопленочного кремниевого полевого транзистора со встроенным обогащенным каналом, изготавливаемого по технологии КНИ. Разработаны и изготовлены лабораторные образцы микросистем датчиков магнитного поля и температуры с частотным выходом и исследованы их основные характеристики.
2. Разработан и изготовлен тестовый модуль чувствительных элементов КНИ датчиков магнитного поля и температуры для одновременного получения данных о воздействии магнитного поля и температуры и получения дополнительных данных для физического моделирования, в том числе позволяющий определить зависимость чувствительности от геометрических размеров и топологии.
3. Исследованы возможности повышения радиационной стойкости двухзатворных тонкопленочных кремниевых полевых транзисторов со встроенным обогащенным каналом, изготавливаемых по технологии КНИ. Предложен режим эксплуатации КНИ чувствительных элементов на основе изменения полярности потенциалов управляющих затворов чувствительного элемента, обеспечивающий существенное повышение их устойчивости к ионизирующему излучению. Установлено, что предлагаемый в научно-технической литературе способ повышения радиационной стойкости кремниевых МОП приборов путем дополнительной обработки подзатворного диэлектрика пучками различных ионов неоднозначен и научно необоснован. Впервые показано, что химическая природа бомбардирующих ионов может существенно влиять на радиационное дефектообразование и электрические характеристики подзатворных диэлектриков и кремниевого канала КНИ транзисторов, причем подобные эффекты не учитываются общепринятыми представлениями современной радиационной физикой полупроводников.
4. Исследованы особенности вольт-амперной характеристики (ВАХ) двухзатворного тонкопленочного кремниевого полевого транзистора со встроенным обогащенным каналом, изготавливаемого по технологии КНИ в области лавинного умножения носителей тока (т.е. в условиях сильных продольного и поперечного электрических полей в канале транзистора). Впервые показано, что возникающие на этом участке ВАХ осцилляции тока канала могут быть использованы для создания магниточувствительного датчика с частотным выходом (преобразователь магнитная индукция – частота). Отличительной особенностью такого преобразователя является возможность управления значением основной частоты генерации датчика (т.е., частоты в отсутствии магнитного поля) напряжением питания и потенциалом затворов чувствительного элемента. Исследованная схема позволяет варьировать рабочую частоту в пределах 100-700 кГц. Максимальная чувствительность преобразования составляет около 200 Гц/мТл.
5. Разработана конструкция датчика магнитного поля с частотным выходом на основе схемы аналога негатрона и КНИ двухзатворного тонкопленочного кремниевого полевого транзистора со встроенным обогащенным каналом в качестве чувствительного элемента. Функционирование датчика основано на управлении электрическим режимом генератора мультивибраторного типа (основной частотой мультивиратора) магнитоиндуцированным сигналом чувствительного элемента. При этом номиналом основной частоты можно управлять потенциалом затворов чувствительного элемента. Исследованная схема позволяет варьировать рабочую частоту в пределах 50-1000 кГц. Максимальная чувствительность преобразования составляет около 2 кГц/мТл при основной частоте 400 кГц. Показано, что частота преобразования пропорционально возрастает при увеличении основной частоты генерации датчика.
6. Разработана конструкция датчика температуры поля с частотным выходом на основе схемы аналога негатрона и КНИ двухзатворного тонкопленочного кремниевого полевого транзистора со встроенным обогащенным каналом в качестве чувствительного элемента. Функционирование датчика основано на изменении сопротивления канала чувствительного элемента при изменениях температуры. При этом номиналом основной частоты можно управлять потенциалом затворов чувствительного элемента. Исследованная схема позволяет варьировать рабочую частоту в пределах 50-1000кГц. Экспериментальыне исследования преобразования температурного воздействия в частоту проводились в диапазоне температур от -5ºС до 60ºС, что характерно для условий внутри космического аппарата, снабженного устройством внутреннего термостатирования. Показано, что такая конструкция датчика позволят получить чувствительность преобразования порядка 1 кГц/ºС (рисунок 3б) при основной частоте 200 кГц.
7. Разработаны схемотехнические методы, позволяющие улучшить характеристики чувствительных элементов и датчиков магнитного поля и температуры, основанные на модуляции тока канала потенциалом управляющих затворов КНИ чувствительных элементов и на использовании полевых затворов для организации цепей обратной связи, включающих сигналы, индуцированные магнитным полем или температурой. Изготовлены макетные образцы соответствующих датчиковых устройств. В контексте работ 2015 года особо выделим способ стабилизации частоты собственных осцилляций, возникающих в двухзатворном КНИ транзисторе со встроенным каналом (т.е., в чувствительном элементе датчиков магнитного поля и температуры) на участке лавинного умножения носителей тока за счет организации обратной связи между индуцированным сигналом и потенциалом управляющих затворов. Этот способ позволил стабилизировать частоту автоколебаний датчика и повысить точность измерений.