ecosnos.ru |
Главная Микромагнитоэлектроника: направление технологии 1 2 3 4 5 [ 6 ] 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 Таблица 2.2. Термины и определения основных параметров элементов Холла
Основные параметры элементов Холла зависят от температуры. Эти зависимости имеют сложное физическое объяснение [67] и в наиболее простом виде могут быть проиллюстрированы двумя основными факторами: температурной зависимостью ЭДС -Холла (VJ и температурной зависимостью сопротивления (R) материала, из которого изготовлен МЧЭ. (см. рис. 2.6 и 2.7).
Рис. 2.6. Температурная зависимость ЭДС Холла для различных полупроводниковых материалов О 50 100 150 200 250 Рис. 2.7. Температурная зависимость сопротивления для различных полупроводниковых материалов
о б) . а) 3 4 Рис. 2.8. Классическая топология дискретных кристаллических чувствительных элементов: а - крест ; б - прямоугольник ; в - бабочка Каждая из топологий МЧЭ, приведенных на рис. 2.8, обладает своими особенностями и применяется с учетом решения конкретных технических задач. Конструктивно преобразователи Холла могут быгь вьшолнены как в виде дискретных элементов, так и в виде полупроводниковых структур, расположенных в кристалле полупроводникового материала, в том числе и вместе с электронной схемой усиления и обработки сигнала ЭХ. Конструкция ЭХ в значительной степени предопределяется областью их возможного применения. Не суш;ествует единой универсальной конструкции, приемлемой для всех случаев технического использования преобразователей. Наибольшее распространение получили четьфе вида конструкций, которые условно можно именовать бескорпусной, бескорпусной на подложке, бескорпусной на подложке с использованием концентратора магнитного поля и корпусной. Варианты конструктивного оформления элементов Холла приведены на рис. 2.9. Бескорпусная (рис. 2.9а). Интегральный магниточувствительный элемент, сформированный непосредственно в кристалле полупроводникового материала, одновременно является подложкой (основанием) ЭХ. Тонкопленочные контактные плош;адки расположены на поверхности кристалла. Соединение МЧЭ с внешними устройствами осуш;ествляется проволочными или шариковыми вьшодами. Такой элемент может размеш;аться в стандартном герметизированном корпусе ИС. В случае необходимости кристалл может предварительно герметизироваться слоем запщтного лака или эпоксидного компаунда. Магнитная чувствительность элемента Холла является функцией угла а между вектором напряженности электрического и магнитного полей: у^ = у^х Bxsma (2-6) Магнитная чувствительность элемента Холла достигает максимума при угле а, равном 90°. При использовании концентраторов и других, элементов магнитных систем зависимость (2.4) может быгь иной. Линейность элемента Холла определяется по характеристике, приведенной на рис. 2.2. Более подробно с физикой работы элементов Холла можно ознакомиться в [5, 15, 24, 36, 44, 67]. Для изготовления МЧЭ элементов Холла наиболее широко используются: кремний (Si), германий (Ge), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), арсенид галлия (GaAs), то есть полупроводниковые материалы, обладаюпще высокой подвижностью носителей заряда и наивысшим значением коэффициента Холла. Известно также применение для этих целей пластин и тонких пленок из селенистой ртути (HgSe) и теллуристой ртути (HgTe), а также висмута (Bi) [3]. В последние годы некоторые фирмы ведут работы по использованию тройных соединений типа кадмий-ртуть-теллур (CdHg jTe). Элементы Холла на основе указанных соединений работают в интервале от комнатных до гелиевых температур [24]. Конструктивное оформление элемента Холла зависит от используемого исходного полупроводникового материала и от технологии изготовления. Магниточувствительный элемент преобразователя Холла может быгь изготовлен с использованием любой современной технологии микроэлектроники: полупроводниковой биполярной и эпипланарной, пленочной, МОП, КПС, КПП и др. Наибольшее распространение получили кристаллические и пленочные МЧЭ. На рис. 2.8 рассмотрены классические варианты топологии элементов Холла. в в В
а) б) в) Рис. 2.9. Варианты бескорпусного исполнения элементов Холла: 1 - магниточувствительный элемент; 2 - проволочный вывод; 3 - покрытие из эпоксидной смолы; 4 - балочный вывод; 5 - подложка из изолирующего материала; 6 - ферритовый концентратор Бескорпусная на подложке (рис. 2.9.6). В этом случае МЧЭ размещается на спещ1альной изолированной подложке. В качестве подложки обычно используются ситалл, керамика, стеклотекстолит или полиамидная пленка. На одной подложке могут размещаться два и более магниточувствительных элемента. Герметизация прибора осуществляется слоем защитного лака или эпоксидной смолы. Бескорпусная на подложке с использованием концентраторов магнитного поля (рис. 2.9.в). От предьщущих вариантов (рис. 2.9а,б) отличается тем, что может размещаться на подложке из ферромагнитного материала (феррита, пермаллоя и др.). В такой конструкции может быть использован миниатюрный концентратор магнитного поля, вьшолненный в виде круглого или прямоугольного столбика. В этом случае магнитная чувствительность МЧЭ повьппается в 1,5-6 раз за счет концентрации управляющего магнитного поля на активную часть элемента. Корпусная (рис. 2.10 и 2.11). Магниточувствительный элемент размещается в герметичном оригинальном (рис. 2.10) или стандартном (рис. 2.11) корпусе ИС. Для изготовления корпусов широко используются пластмасса, керамика и немагнитные металлы. В одном корпусе можно разместить несколько МЧЭ. В случае необходимости, в корпусе могут находиться пассивные концентраторы магнитного поля и миниатюрные постоянные магниты. а) б) в) Рж. 2.10. Варианты размещения элементов Холла в оригинальных корпусах: аиб-в керамическом корпусе; в-с использованием концентратора магнитного noляi-l - магниточувствительный элемент; 3 - крышка; 4 - вывод; 6 - концентратор В В Л А Р> А и и и Рис. 2.11. Варианты размещения элементов Холла в стандартных корпусах ИС: а - пластмассовом DIP корпусе; б-в металлостеклянном корпусе Конструкции ЭХ с ферромагнитными концентраторами не обеспечивают линейности характеристики преобразования. Поэтому они, как правило, не используются для измерительных целей, а являются основным элементом в устройствах индикации магнитной индукции. В последние годы кристаллические элементы заменяются интегральными и тонкопленочными. Из новых разработок можно отметить следующие. 1994 |