Чутливий елемент мікроелектронного сенсора для вимірювання магнітного поля

Реферат: Чутливий елемент мікроелектронного сенсора для вимірювання магнітного поля містить монокристал кремнію, на поверхні якого розташована напівмагнітна плівка з омічними контактами, причому монокристал кремнію виконаний ниткоподібним, а напівмагнітна плівка виконана нанопористою. UA 120820 U (54) ЧУТЛИВИЙ ЕЛЕМЕНТ МІКРОЕЛЕКТРОННОГО СЕНСОРА ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ UA 120820 U UA 120820 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі приладобудування, а саме мікроелектронної техніки і може бути використана для розробки та виготовлення малоінерційних, високочутливих до зміни магнітного поля швидкодіючих сенсорів на базі ниткоподібних кристалів (НК) в області кріогенних температур, наприклад, в потужних системах охолодження, дослідженні надпровідності в наднизьких температурах тощо. Відомим технічним рішенням є гетероструктури, що складаються з почергово нанесених магнітних (напівмагнітних) та немагнітних матеріалів. Прикладом такої структури є напівмагнітний матеріал - перший контакт, немагнітний прошарок, магнітний матеріал - другий контакт [G. Schmidt, L. Molenkamp. Semiconductor element having a semi-magnetic contact. US Patent App. Pub. US 2004/0113188 A1. Jun. 17, 2004]. За прикладання зовнішнього магнітного поля спіни електронів в області першого контакту поляризуються та відбувається інжекція в немагнітну область, в результаті якої у немагнітному прошарку з'являється спін-поляризований канал для транспорту носіїв зарядів, що фіксується на другому контакті. Застосування такого способу для вимірювання магнітного поля за Т=4,2 К дозволило отримати чутливість 120 % зміни опору до 4 Тл. Однак використання такої конструкції чутливого елемента вимагає складних технологічних умов для створення інтегрованих гетероструктур. Отримані залежності магнітоопору чутливого елемента не є лінійними, а магнітне насичення структури відбувається за магнітного поля 3-4 Тл, після чого сенсор має слабку магнітну залежність. Найбільш близьким чутливим елементом мікроелектронного сенсора для вимірювання магнітного поля є монокристал кремнію, на поверхні якого розташована напівмагнітна плівка з омічними контактами [Howard Mason; "Basic Introduction to the use of Magnetoresistive Sensors"; pp. 1-20, Application Note 37, Issue 1, Zetex Semiconductors, Sep. 2003]. Використання ефекту анізотропного магнітоопору забезпечує випадок, коли феромагнетик плівки поводить себе як єдиний домен, який під дією зовнішнього магнітного поля повертається навколо своєї осі. Магніточутлива плівка наноситься під певним кутом до напрямку проходження струму, що фіксує зміну зовнішнього магнітного поля за принципом різниці кута прикладеного поля до кута нанесення плівки. Варто зауважити, що при такій побудові конструкції зміни вимірювальних параметрів матимуть більшу інерційність в порівнянні з сенсорами, побудованими на базі одного кристалу. При зростанні магнітного поля відбуватиметься намагнічування плівки та спін-розсіювання електронів, що буде призводити до зростання опору кристалу. Однак, застосування схеми моста Вітстона як чутливого елемента ускладнює процес калібрування сенсора, виникає необхідність застосування розрахунку констант поправки до кожного магніторезистора. Окрім цього, для усунення термічних напружень, необхідною умовою є використання схеми термостабілізації. При досягненні температури рідкого гелію, його магнітоопір має слабу залежність від магнітного поля, що не дає можливості забезпечити стабільність параметрів, і, відповідно, необхідну чутливість вимірювання магнітного поля за низьких температур. [Michael J. Haji-Sheik. Commercial Magnetic Sensors (Hall and Anisotropic Magnetoresistors). Sensors, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, P. 23-43, 2008]. В основу корисної моделі поставлено задачу створення чутливого елемента мікроелектронного сенсора для вимірювання магнітного поля з високою чутливістю при роботі за температури рідкого гелію, при одночасному збереженні високої чутливості до підвищення магнітного поля. Поставлена задача вирішується тим, що в чутливому елементі мікроелектронного сенсора для вимірювання магнітного поля, що містить монокристал кремнію, на поверхні якого розташована напівмагнітна плівка з омічними контактами, згідно із корисною моделлю, монокристал кремнію виконаний ниткоподібним, а напівмагнітна плівка нанопористою. Використання монокристалу кремнію ниткоподібної форми дозволяє в єдиному технологічному процесі хімічного парового осадження сформувати на поверхні монокристалу кремнію напівмагнітний нанопористий шар із заданою концентрацією легуючої домішки, що забезпечить працездатність при температурі рідкого гелію (4,2 К) та значного підвищення чутливості за умови дії сильних магнітних полів до 14 Тл. На кресл. зображено вихідні характеристики чутливого елемента мікроелектронного сенсора, а саме залежність магнітоопору за температури Т=4.2 Κ. Чутливий елемент мікроелектронного сенсора для вимірювання магнітного поля містить 17 -3 ниткоподібний монокристал кремнію, легованого домішкою бору до концентрації (4-5)×10 см , що відповідає переходу метал-діелектрик (ПМД), на поверхні якого розташована напівмагнітна нанопориста плівка перехідних металів з омічними контактами. 1 UA 120820 U 5 10 Чутливий елемент мікроелектронного сенсора для вимірювання магнітного поля працює так. При пропусканні змінного струму через омічні контакти відбувається перенесення носіїв заряду через монокристал кремнію. Рівень легування, що відповідає ПМД, забезпечує працездатність чутливого елемента мікроелектронного сенсора при температурі рідкого гелію за умови дії сильних магнітних полів до 14 Тл з чутливістю, залежність якої зображено на кресл. Завдяки своїй структурі, напівмагнітна нанопориста плівка спричиняє поляризацію носіїв заряду в монокристалі кремнію, що спричиняє зміну провідності кристалу. Завдяки вдосконаленням, які реалізовані у корисній моделі, вдалося підвищити верхню межу лінійної залежності опору від величини магнітного поля до 14 Тл та достягти зміни величини чутливості на 250 % (кресл.), що дорівнює значенню чутливості 18 % / Тл. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Чутливий елемент мікроелектронного сенсора для вимірювання магнітного поля, що містить монокристал кремнію, на поверхні якого розташована напівмагнітна плівка з омічними контактами, який відрізняється тим, що монокристал кремнію виконаний ниткоподібним, а напівмагнітна плівка виконана нанопористою. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2