Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка конструктивно-технологических решений по созданию семейства микроэлектронных элементов на структурах кремний на изоляторе (КНИ), обеспечивающего возможность создания высокотемпературных датчиков внешних воздействий различного функционального назначения

Номер контракта: 14.576.21.0064

Руководитель: Какоулин Михаил Иннокентьевич

Должность: Директор ЦП ИС

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
кни структуры, датчики внешних воздействий, стабилизатор напряже-ния, дифференциальный усилитель, компаратор, генератор, интегральная схема.

Цель проекта:
1. Исследование и разработка комплекса научно-технических решений, направленных на создание технологий и конструкций изделий высокотемпературной микроэлектроники на рабочий диапазон температур от минус 60оС до плюс 225оС на структурах кремний на изоляторе (КНИ). 2. Разработка конструктивно-технологических решений, обеспечивающих возможность создания высокотемпературных датчиков внешних воздействий различного функционального назначения на структурах КНИ.

Основные планируемые результаты проекта:
В рамках ПНИ будут разработаны и изготовлены лабораторные образцы семейства высокотемпературных КНИ микроэлектронных элементов, обеспечивающих возможность создания датчиков магнитного поля и температуры различного прикладного назначения. Семейство включает чувствительные элементы воздействий магнитного поля и температуры, усилители сигналов, индуцированных внешними воздействиями, электронные ключи и КНИ транзисторы.
- 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 воздействию, энергопотреблению, магниточувствительности) будут существенно превосходить зарубежные аналоги. Элементы функциональной электроники датчиков будут соответствовать мировому уровню.
- Перспективы практического использования.
Результаты работы могут быть использованы для создания датчиковых систем контрольно-измерительной аппаратуры космической, автомобильной, авиационной электроники, в системах контроля работы нефтяных и газовых скважин, геофизических системах и др.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
- Актуальность.
Проведение исследований обусловлено возрастающим запросом промышленности, информационных технологий, систем вооружения и военной техники, специальных систем на высокочувствительные и надежные системы контроля и управления.
- Новизна предлагаемых решений.
Новизна работ по ПНИ обусловлена в первую очередь использованием в качестве чувствительного элемента датчиков магнитного поля и температуры не имеющего зарубежных аналогов КНИ двухзатворного МДПДМ транзистора со встроенным каналом, функционирующим в режиме обогащения носителями тока и КНИ функциональной электроники, обеспечивающей работоспособность датчика при высоких температурах.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
- Планируемые результаты.
В рамках ПНИ будут разработаны и изготовлены лабораторные образцы семейства высокотемпературных КНИ микроэлектронных элементов, обеспечивающих возможность создания датчиков магнитного поля и температуры различного прикладного назначения. Семейство включает чувствительные элементы воздействий магнитного поля и температуры, усилители сигналов, индуцированных внешними воздействиями, электронные ключи и КНИ транзисторы.
- 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 воздействию, энергопотреблению, магниточувствительности) будут существенно превосходить зарубежные аналоги. Элементы функциональной электроники датчиков будут соответствовать мировому уровню.
- Перспективы практического использования.
Результаты работы могут быть использованы для создания датчиковых систем контрольно-измерительной аппаратуры космической, автомобильной, авиационной электроники, в системах контроля работы нефтяных и газовых скважин, геофизических системах и др.

Текущие результаты проекта:
Представляемые результаты работы подтверждаются исследованиями характеристик экспериментальных образцов и макетов соответствующих устройств.
1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования оптимальной конструкции чувствительных элементов датчиков магнитного поля и температуры с параметрами, определяемыми ТЗ, и с целью определения максимально возможного расширения диапазона рабочих температур. Показано, что предлагаемая оригинальная конструкция КНИ чувствительного элемента (МДПДМ транзистор со встроенным обогащенным каналом), полностью обеспечивает не только требуемый ТЗ диапазон рабочих температур, но и обеспечивает контроль магнитного поля и температуры в существенно более широком диапазоне, от температур жидкого гелия до 350°С (от -271°С до 350°С по данным эксперимента) с возможностью повышения предельной рабочей температуры по крайней мере до температуры 450-550°С в зависимости от функционального назначения датчика.
2. Проведен анализ вольт-амперных характеристик и рабочего тока чувствительных элементов КНИ двухзатворного МДПДМ транзистора. Установлено, что особенностью ВАХ и регулировки рабочего тока является возможность сепаратного или совместного управления величиной тока путем вариаций потенциалов на затворах обеих МДП систем. Это существенно расширяет возможности схемотехнической обработки сигналов, формируемых чувствительными элементами, и как следствие улучшение важных параметров датчика и расширения возможностей его применения
3. Улучшение отношения сигнал-шум (т.е. повышение пороговой магниточувствительности чувствительного элемента).
Улучшение отношения сигнал-шум достигается за счет использования принципа синхронного детектирования магнитоиндуцированного сигнала. В этом случае индуцированная воздействием постоянного магнитного поля э.д.с. Холла усиливается дифференциальным усилителем и подается на затворы МДПДМ системы. Такая процедура позволяет уменьшить шум измерительного тракта более чем на 2 порядка. При этом пороговая чувствительность датчика составляет порядка единиц микротесел по сравнению с 1 мТл, получаемых в отсутствии синхронного детектирования.
4. Измерение переменных магнитных полей.
Для измерения переменных магнитных полей используется схема, в которой использован принцип гетеродинной обработки сигнала. Переменное магнитное поле играет роль генератора опорной частоты, модулирующей протекающий по каналу двухзатворного КНИ МДПДМ транзистора постоянный ток. Значение частоты магнитного поля определяется частотой биений сигнала детектора, возникающих в момент, когда частота переменного сигнала генератора близка к частоте переменного магнитного поля.
5. Стабилизация микротоков.
В основу стабилизации микро- и малых токов положена регистрация магнитного поля тока, протекающего через канал двухзатворного КНИ МДПДМ транзистора, и передача его через усилитель в цепь отрицательной обратной связи холловских контактов и управляющих МДПДМ затворов. Изменения тока в цепи компенсируются изменением потенциала затворов, вызывающих изменение сопротивления канала.
5. Сопоставление с аналогичными разработками мирового уровня.
• Диапазон рабочих температур двухзатворного КНИ МДПДМ транзистора превосходит мировой уровень для КНИ датчиков в области криогенных температур и по крайней мере не уступает в области высоких температур.
• Пороговая чувствительность магниточувствительного двухзатворного КНИ МДПДМ транзистора не уступает зарубежным КНИ элементам и элементам на основе широкозонных полупроводников.
• Схемы улучшения отношения сигнал-шум КНИ чувствительного транзистора не имеет зарубежных аналогов.
• Схема измерения переменных магнитных полей методом гетеродинной обработки не имеет зарубежных аналогов.
• Схема использования двухзатворного КНИ МДПДМ транзистора для стабилизации микро- и малых токов не имеет зарубежных аналогов.