Приборно-технологическое моделирование магниточувствительного сенсора с интегрированным магнитым концентратором
Представлены результаты исследования и оптимизации конструктивных и эксплуатационных характеристик на основе результатов приборно-технологического моделирования магнитночувствительного сенсора с интегрированным магнитным концентратором дискообразной формы. Проанализировано влияние геометрических раз...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
|---|---|
| Дата: | 2018 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2018
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/150264 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Приборно-технологическое моделирование магниточувствительного сенсора с интегрированным магнитым концентратором / В.Р. Стемпицкий, Дао Динь Ха // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 3. — С. 15-21. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860094747068071936 |
|---|---|
| author | Стемпицкий, В.Р. Дао Динь Ха |
| author_facet | Стемпицкий, В.Р. Дао Динь Ха |
| citation_txt | Приборно-технологическое моделирование магниточувствительного сенсора с интегрированным магнитым концентратором / В.Р. Стемпицкий, Дао Динь Ха // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 3. — С. 15-21. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description | Представлены результаты исследования и оптимизации конструктивных и эксплуатационных характеристик на основе результатов приборно-технологического моделирования магнитночувствительного сенсора с интегрированным магнитным концентратором дискообразной формы. Проанализировано влияние геометрических размеров, угла отклонения и используемого материала интегрированного магнитного концентратора на характеристики датчика Холла. Показано, что интеграция концентратора из ферромагнитного материала в конструкцию датчика магнитного поля обеспечивает значительное (до 10 раз) повышение коэффициента усиления магнитного потока, что позволяет применять исследуемые конструкции датчиков для детектирования слабых магнитных полей (от 0,01 мкТл до 2,0 мТл).
Представлено результати дослідження та оптимізації конструктивних і експлуатаційних характери стик на основі даних приладово технологічного моделювання магніточутливого сенсора з інтегрованим магнітним концентратором (ІМК) дископодібної форми.
The paper presents results on research and optimization on the basis of device-technological modeling of the structural and operational characteristics of the magnetosensitive sensor with a disk-shaped integrated magnetic concentrator (IMC).
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:25:06Z |
| format | Article |
| fulltext |
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3
15ISSN 2225-5818
ÑÅÍÑÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
ÓÄÊ 621.382
К. ò. í. В. Р. СТЕМПИЦКИЙ, ДАО ДИНЬ ХА
Республика Беларусь, г. Минск, Белорусский государственный университет информатики
и радиоэлектроники
E-mail: vstem@bsuir.by, ha.dao.dinh@bsuir.by
ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСÊОЕ МОÄЕЛИРОВАНИЕ
МАГНИТОЧÓВСТВИТЕЛЬНОГО СЕНСОРА
С ИНТЕГРИРОВАННЫМ МАГНИТЫМ ÊОНЦЕНТРАТОРОМ
В конструкции современных приборов ми-
кромагнитоэлектроники все чаще применяют-
ся концентраторы магнитного потока [1], с це-
лью обеспечения возможности измерения сла-
бых магнитных полей (от 0,01 мкТл до 2,0 мТл).
Использование интегрированного магнитного
концентратора (ÈМÊ, англ. integrated magnetic
concentrator) дискообразной формы из ферро-
магнитного материала позволяет для измере-
ния трех компонентов магнитного поля разра-
ботать сенсоры, обладающие более высокой маг-
нитной чувствительностью по сравнению с тра-
диционным датчиком Холла (ДХ) без ухудше-
ния шумовых характеристик. В ряд важнейших
вопросов, решаемых в рамках указанных науч-
ных направлений, входит задача разработки эф-
фективных методов компьютерного моделирова-
ния и оптимизации конструктивных параметров
ИМÊ в составе ÄХ с использованием современ-
ных комплексов компьютерного проектирования
в микроэлектронике.
Анализ научной литературы и патентных ис-
точников показывает, что в настоящее время
наиболее эффективным решением для форми-
рования активной области датчика Холла явля-
ется применение пленок n-InSb, которые позво-
ляют получить значения чувствительности до
500 мкВ/мТл и нижнего порога регистрации
индукции магнитного поля не менее 0,01 мТл.
Использование GaAs также обеспечивает повы-
шение чувствительности в 2—3 раза по сравне-
нию с приборами на основе кремния, однако не-
Предсòавлеíы резульòаòы исследоваíия и опòимизации коíсòрукòивíых и эксплуаòациоí-
íых харакòерисòик íа осíове резульòаòов приборíо-òехíологического моделироваíия магíиòо-
чувсòвиòельíого сеíсора с иíòегрироваííым магíиòíым коíцеíòраòором дискообразíой формы.
Проаíализироваíо влияíие геомеòрических размеров, угла оòклоíеíия и используемого маòериала
иíòегрироваííого магíиòíого коíцеíòраòора íа харакòерисòики даòчика Холла. Показаíо, чòо
иíòеграция коíцеíòраòора из ферромагíиòíого маòериала в коíсòрукцию даòчика магíиòíого
поля обеспечиваеò зíачиòельíое (до 10 раз) повышеíие коэффициеíòа усилеíия магíиòíого поòо-
ка, чòо позволяеò примеíяòь исследуемые коíсòрукции даòчиков для деòекòироваíия слабых маг-
íиòíых полей (оò 0,01 мкТл до 2,0 мТл).
Ключевые слова: магíиòочувсòвиòельíый сеíсор, иíòегрироваííый магíиòíый коíцеíòраòор,
даòчик Холла, ферромагíиòíый маòериал.
гативным фактором при этом является рост вре-
менной нестабильности и уровня шумов [2]. То
есть использование ÄХ традиционной конструк-
ции для регистрации слабых магнитных полей
является малоэффективным.
В [3] представлено описание ÄХ, интегриро-
ванного со схемой обработки сигналов, где в ка-
честве материала ИМÊ используется тонкопле-
ночный сплав кобальта. При комнатной темпе-
ратуре чувствительность по току ÄХ без кон-
центратора составляет 240 В/(A∙Tл), с концен-
тратором — 2550 В/(A∙Tл), при этом коэффи-
циент усиления магнитного потока равен 10,5.
В [4] рассмотрены датчики магнитного поля,
состоящие из датчика Холла, ÊМОП-микросхем,
а также планарных ферромагнитных компо-
нентов, изготовленных из мягкого аморфного
сплава (англ. soft amorphous alloy), сформи-
рованного на поверхности кремниевой пласти-
ны на завершающем этапе производства (англ.
post-processing production phase). ÄХ с ферро-
магнитным магнитным концентратором обеспе-
чивают увеличение коэффициента усиления маг-
нитного потока на порядок и позволяют фик-
сировать параллельное поверхности кристалла
магнитное поле.
В [5] описана конструкция InSb-датчика маг-
нитного поля с интегрированным ферритовым
концентратором и ÊМОП-ÄХ, обладающим
улучшенными шумовыми характеристиками.
ÊМОП-технология обеспечивает возможность
изготовления легко интегрируемого в цифро-
DOI: 10.15222/TKEA2018.3.15
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3
16 ISSN 2225-5818
ÑÅÍÑÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
вые схемы ÄХ и позволяет компенсировать за-
висимость эксплуатационных характеристик от
температуры.
Настоящее исследование посвящено разра-
ботке интегрированного в датчик Холла диско-
образного магнитного концентратора с высоким
коэффициентом усиления магнитного потока, ко-
торый можно использовать в системах трехмер-
ной регистрации магнитного поля.
При проектировании концентратора необхо-
димо стремиться к повышению усиления маг-
нитного поля для увеличения выходного сиг-
нала ÄХ и уровня насыщенности для обеспече-
ния широкого линейного рабочего диапазона, а
также к снижению гистерезиса для уменьшения
погрешности распределения магнитного поля.
Первое требование обеспечивается оптимизаци-
ей геометрии ИМÊ, последнее — выбором ма-
териала, второй параметр связан как с материа-
лом, так и с геометрией концентратора.
Рассмотрим влияние параметров материала
ИМÊ и его геометрии на характеристики сен-
сорной системы.
Òребования к материалу для ÈМÊ
Материал ИМÊ должен обладать низкой
остаточной намагниченностью (Br ≈ 0) и высо-
ким уровнем насыщения (BS = 2,8 Тл), чему
соответствуют, например, аморфный железони-
келевый или железокобальтовый сплавы — су-
пермендюр, сталь 1117, пермаллой и феррит [6]
(табл. 1). Êроме того, материал ИМÊ должен
обеспечивать формирование аморфной пленки
с низкой коэрцитивной силой HC, высокой тем-
пературой Êюри TK и высокой магнитной про-
ницаемостью µН. Аморфное состояние позволя-
ет получить высокие значения индукции маг-
нитного насыщения BS и линейность характе-
ристик датчика.
Êонструкция сенсорной системы
Сенсорная система состоит их четырех дат-
чиков Холла 2 и интегрированного магнитного
концентратора 3, сформированных на кремни-
евой подложке 1 (рис. 1). Äатчики Холла рас-
полагаются по краям ИМÊ перпендикулярно
друг другу. Между ИМÊ и ÄХ расположен
слой диэлектрика 4 толщиной d. ИМÊ пред-
ставляет собой диск, выполненный из супермен-
дюра (BS = 2,8 Тл), с наружным диаметром D
и внутренним D1, толщиной l и краевым углом
θ, отсчитываемым от нормали к основанию дис-
кового концентратора.
Таблица 1
Магíиòíые свойсòва магíиòомягких
ферромагíиòíых маòериалов
Материал
µН,
103 HC
TK,
°С
BS,
Тлназвание компози-
ция
Супер-
мендюр
49% Co,
49% Fe,
2% V
0,8 0,15—
0,35 940 2,5—
2,8
Сталь
1117
0,17% C,
1,20% Mn 1,5 0,4—
0,6 750 2,1—
2,3
Феррит 50% Mn,
50% Zn
0,75—
15
0,04—
0,25 250 1,3—
1,5
Пермал-
лой
79% Ni,
17% Fe,
4% Mo
12—
100
0,02—
0,04 460 0,6—
0,8
Использована кремниевая подложка p-типа
(концентрация бора 1015 см–3) толщиной 5 мкм
с активной областью n-типа (концентрация мы-
шьяка 5∙1016 см–3) толщиной 1 мкм, длиной
L = 60 мкм и шириной W = 20 мкм, чувствитель-
ность по току 280 В/(А∙Тл) [7] (L и W — гео-
метрические параметры датчика Холла).
Влияние геометрических параметров ÈМÊ
на магнитные характеристики сенсорной
системы
Êомпьютерное моделирование характеристик
датчика Холла выполняли в среде программно-
го комплекса Silvaco [8], параметры ИМÊ рас-
считывались в программе femm [9].
Высокая магнитная проницаемость материа-
ла ИМÊ обеспечивает большую индукцию маг-
нитного поля по его краям, что приводит к зна-
чительному усилению прилагаемого внешнего
поля. То есть ИМÊ играет роль магнитного уси-
лителя, а также влияет на отношения сигнал/
шум и сигнал/смещение. При этом, однако, маг-
Рис. 1. Êонструкция магниточувствительного
сенсора с ИМÊ дискообразной формы:
1— кремниевая подложка; 2 — датчики Холла;
3 — ИМÊ; 4 — диэлектрик
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3
17ISSN 2225-5818
ÑÅÍÑÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
нитное усиление зависит не только от размера
ИМÊ, но и от его формы.
Äля оценки коэффициента усиления магнит-
ного потока концентратора в составе сенсор-
ного устройства с использованием программы
femm на основе решения уравнения Пуассона
определялся векторный магнитный потенциал.
Направление силовых линий магнитного поля
в поперечном сечении сенсорного устройства
на основе ÄХ и ИМÊ для параллельного и для
перпендикулярного магнитного поля представ-
лено на рис. 2.
В датчике Холла с ИМÊ происходит локаль-
ное преобразование параллельного магнитного
поля по краям концентратора в перпендикуляр-
ное. Наибольшее значение перпендикулярная
составляющая магнитного поля имеет в области
под краем концентратора, в которой расположе-
ны ÄХ. Êонцентратор практически не оказыва-
ет влияние на магнитный поток, перпендикуляр-
ный поверхности трехмерного датчика магнитно-
го поля (в этом случае коэффициент усиления
магнитного потока G = 1), о чем свидетельству-
ет небольшое отклонение линий магнитного по-
тока. То есть тонкий концентратор практически
магнитопрозрачен при приложении магнитного
поля перпендикулярно его поверхности.
Êоэффициент усиления магнитного потока
является главной характеристикой концентра-
тора и определяется как
G = В / В0,
где В — составляющая индукции магнитного
поля в местах расположения датчиков Холла,
перпендикулярная к поверхности ИМÊ.
На рис. 3 представлены зависимости коэффи-
циента усиления магнитного потока от размеров
концентратора. Здесь видно, что каждому значе-
нию коэффициента G соответствует набор значе-
ний толщины l и диаметра D. При этом диапа-
зон оптимальных значений G находится в пре-
Рис. 3. Зависимость коэффициента усиления магнит-
ного потока от размеров ИМÊ
Таблица 2
Измеíеíие иíдукции магíиòíого поля по òолщиíе
диэлекòрика при l = 10 мкм, D = 200 мкм
d, мкм 0 0,1 1 5 10 20
В, мТл 9,66 6,94 5,12 2,68 1,99 1,55
а)
Рис. 2. Направление силовых линий магнитного поля в поперечном сечении
сенсорного устройства на основе четырех ÄХ и ИМÊ для параллельного (а) и
перпендикулярного (б) магнитного поля
б)
делах от 10 до 15, поскольку обеспечивает эф-
фективное использование площади кристалла.
В табл. 2 приведены результаты модели-
рования, демонстрирующие изменение зна-
чения индукции магнитного поля по тол-
щине диэлектрика для ИМÊ с размерами
l = 10 мкм и D = 200 мкм и величине индукции
внешнего магнитного поля В0 = 1 мТл.
Êак видно, максимальное значение коэффи-
циента G = 9,66 достигается при d = 0 мкм, что
свидетельствует о необходимости минимизации
расстояния между ИМÊ и датчиком Холла.
Еще одним важным фактором, влияющим на
коэффициент усиления магнитного потока G, яв-
ляется угол наклона края ИМÊ θ, отсчитыва-
емого от нормали к основанию дискового кон-
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3
18 ISSN 2225-5818
ÑÅÍÑÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
индукции внешнего магнитного поля В0 для раз-
личных материалов.
Результаты моделирования показали, что ко-
эффициент усиления G постоянен только при не-
больших значениях внешнего магнитного поля
В0. При этом максимальные значения В0, при
которых концентратор может выполнять его
усиление, зависят от материала, они состави-
ли 120, 85, 55 и 10 мТл для супермендюра, ста-
ли 1117, пермаллоя и феррита соответственно.
Äальнейшее увеличение внешнего магнитного
поля В0 приводит к уменьшению коэффициен-
та усиления G, что соответствует состоянию на-
сыщения концентратора.
Òрехмерный магниточувствительный сенсор
Äатчик Холла фиксирует только одну состав-
ляющую магнитного поля, направленную пер-
пендикулярно поверхности чипа. Трехмерный
датчик магнитного поля [10] обеспечивает воз-
можность одновременного измерения состав-
ляющих магнитного поля BX, BY, BZ по осям
X, Y, Z (рис. 7), что дает целостное представ-
ление о магнитном поле.
Äве плоские компоненты магнитного поля BX
и BY измеряются путем вычитания холловских
напряжений двух противоположных ÄХ. Äля
третьего компонента перпендикулярного поля BZ
используются ÄХ, но их выходное напряжение
добавляется как в обычном ÄХ (без ИМÊ). Это
дает напряжение VZ, пропорциональное компо-
ненте перпендикулярного магнитного поля BZ.
Затем три сигнала VX, VY и VZ подаются на си-
стемы их обработки.
На рис. 8, а представлены зависимости на-
пряжения Холла от угла отклонения магнитно-
го потока a (см. рис. 7) при индукции внешне-
го магнитного поля, параллельного поверхности
сенсорного устройства, B0 = 100 мТл. Здесь вид-
центратора (см. рис. 1). Анализ представленных
на рис. 4 результатов моделирования зависимо-
сти коэффициента усиления G от угла θ указы-
вает на то, что для исследуемой конструкции
концентратора (l = 10 мкм, D = 200 мкм) опти-
мальные значения коэффициента G достигают-
ся при θ = 45—60°.
Влияние материала ÈМÊ на магнитные
характеристики сенсорной системы
На следующем этапе проведено исследование
влияния параметров ферромагнитных материа-
лов (см. табл. 1) на коэффициент усиления маг-
нитного потока G. На рис. 5 представлены за-
висимости составляющей индукции магнитного
поля В по краям ИМÊ от напряженности маг-
нитного поля H для различных материалов [6].
Анализ зависимости указывает на то, что наи-
большее значение коэффициента G обеспечива-
ет супермендюр.
На рис. 6 представлены зависимости коэф-
фициента усиления магнитного потока G, при-
веденного к его значению при В0 = 1,0 мТл, от
Рис. 5. Зависимость составляющей индукции магнит-
ного поля В по краям ИМÊ от напряженности маг-
нитного поля H для различных материалов:
1 — супермендюр; 2 — сталь 1117; 3 — пермаллой;
4 — феррит
1
4
3
2
В, Тл
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0 5 10 15 20 25 30 Н, кА/м
Рис. 6. Зависимость относительной величины коэф-
фициента усиления от индукции внешнего магнитно-
го поля В0 для различных материалов:
1 — супермендюр; 2 — сталь 1117; 3 — пермаллой;
4 — феррит
1
4
3
2
1,00
0,75
0,50
0,25
0
0,001 0,01 0,1 В0, Тл
G
(B
0
=
1
м
Т
л)
/
G
(B
0)
Рис. 4. Зависимость коэффициента усиления магнит-
ного потока от угла наклона края ИМÊ
G
10
8
6
4
2
0
–60 –30 0 30 60 θ, °
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3
19ISSN 2225-5818
ÑÅÍÑÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
но, что каждому углу a соответствует уникаль-
ный набор значений напряжений Холла VX и
VY. На рисунке для сравнения приведены дан-
ные для систем с концентратором и без него.
На рис. 8, б представлены зависимости на-
пряжения Холла от угла отклонения магнит-
ного потока от нормали к поверхности ÄХ β.
Напряжение Холла достигает значений вплоть
до 302,6 мВ для параллельного магнитного по-
тока и 28,0 мВ для перпендикулярного. Следует
отметить, что величина VZ не зависит от нали-
чия ИМÊ, поскольку, как уже отмечалось выше,
коэффициент усиления концентратора при пер-
пендикулярном направлении магнитного поля
равен 1.
Заключение
Проведенный анализ влияния геометрических
размеров, величины краевого угла и используе-
мого материала магнитного концентратора, ин-
тегрированного на поверхность кремниевой пла-
стины, на характеристики трехмерного датчика
магнитного поля показал, что включение в кон-
струкцию датчика Холла концентратора из фер-
ромагнитного материала может обеспечить зна-
чительное (до 10 раз) повышение коэффициен-
та усиления магнитного потока, что позволяет
применять исследуемые конструкции датчиков
для детектирования слабых магнитных полей
(от 0,01 мкТл до 2,0 мТл).
Показано, что выполненный из супермендюра
магнитный концентратор дискообразной формы
диаметром 200 мкм и толщиной 10 мкм с кра-
евым углом 60° обеспечивает усиление магнит-
ного потока величиной 120 мТл (максимально
возможное значение, при котором концентра-
тор может выполнять его усиление) с коэффи-
циентом 10,81.
Результаты проведенного приборно-техно-
логического моделирования свидетельствуют
о перспективности применения предложенного
магниточувствительного сенсора с интегриро-
ванным магнитным концентратором дискообраз-
ной формы в трехмерных датчиках слабых маг-
нитных полей, обладающих магнитной чувстви-
тельностью по току до 3026 В/(А∙Тл) вдоль по-
верхности датчика.
Сенсорные устройства предложенной кон-
струкции существенно расширяют сферу при-
менения датчиков Холла и могут эффективно
использоваться в качестве элементной базы ап-
паратуры магнитно-резонансной терапии, а так-
же приборов для геологических и геодезических
исследований.
Рис. 8. Зависимость напряжения Холла VX, VY (а),
VX, VZ (б) от угла отклонения магнитного потока
(на а кривые 1 — для системы с ИМÊ из супермен-
дюра; 2 — для системы без ИМÊ)
Рис. 7. Схема для вычисления трех составляющих
магнитного поля BX, BY, BZ
а)
б)
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3
20 ISSN 2225-5818
ÑÅÍÑÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИÊИ
1. Бараночников М. Л. Микромагнитоэлектроника.
Т. 1.— Москва: ÄМÊ Пресс, 2001.
2. Буслов И., Бауткин В., Äрапезо А., Ярмолович В.
Äатчики слабых магнитных полей на эффекте Холла //
Современная электроника.— 2011.— № 1.— С. 12—17.
3. Palumbo V., Marchesi M., Chiesi V. et al. Hall
current sensor IC with integrated Co-based alloy thin
film magnetic concentrator // EDP Sciences.— 2013.—
P. 16002-p1—16002-p4. —https://doi.org/10.1051/
epjconf/20134016002
4. Popovic R. S., Drljaca P. M., Kejik P. CMOS magnetic
sensors with integrated ferromagnetic parts // Sensors and
Actuators.— 2006.— A. 129.— P. 94—99.— https://doi.
org/10.1016/j.sna.2005.11.048
5. Прокошин В. И., Ярмолович В. А., Äрапезо А. П.
О pазработке и применении концентраторов магнитного по-
тока для устройств микромагнитоэлектроники // Вестник
БГÓ.— 2014.— Сер. 1.— № 2.— С. 39—43.
6. Ripka P., Janosek M. Advances in magnetic field sensors
// Sensors.— 2010.— Vol. 10, N 6.— P. 1108—1116.—
https://doi.org/10.1109/JSEN.2010.2043429
7. Dao Dinh Ha, Stempitsky V. R. Investigation of the
Hall sensor characteristics with various geometry of the
active area // Nano- i Mikrosistemnaya Tekhnika.— 2018.—
Vol. 20, N 3.— P. 174—186.— https://doi.org/10.17587/
nmst.20.174-186
8. http://www.silvaco.com
9. Meeker D. Magnetics Finite Element Method
(femm). version 4.2 [Electronic resource]. Mode of access:
http://www.femm.info/wiki/HomePage (Date of access:
12.01.2016).
10. Äао Äинь Ха, Волчек В. С., Баранова М. С. и др.
Интегральный трехмерный магнитометр на основе датчиков
Холла, изготовленный по стандартной ÊМОП технологии
// Äоклады БГÓИР.— 2016.— № 7 (101).— С. 167—171.
Даòа посòуплеíия рукописи
в редакцию 16.04 2018 г.
В. Р. СТЕМПИЦЬКИЙ, ДАО ДІНЬ ХА
Республіка Білорусь, м. Мінськ,
Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
E-mail: vstem@bsuir.by,
ha.dao.dinh@bsuir.by
ПРИЛАÄОВО-ТЕХНОЛОГІЧНЕ МОÄЕЛЮВАННЯ
МАГНІТОЧÓТЛИВОГО СЕНСОРА З ІНТЕГРОВАНИМ
МАГНІТНИМ ÊОНЦЕНТРАТОРОМ
Предсòавлеíо резульòаòи досліджеííя òа опòимізації коíсòрукòивíих і експлуаòаційíих харакòери-
сòик íа осíові даíих приладово-òехíологічíого моделюваííя магíіòочуòливого сеíсора з іíòегроваíим
магíіòíим коíцеíòраòором (ІМК) дископодібíої форми.
Висока магíіòíа проíикíісòь маòеріалу ІМК забезпечує високе зíачеííя іíдукції магíіòíого поля по
його краях, що призводиòь до зíачíого посилеííя додаíого зовíішíього поля. Тобòо ІМК викоíує роль
магíіòíого підсилювача, а òакож впливає íа відíошеííя сигíал/шум і сигíал/зсув. При цьому, одíак,
магíіòíе посилеííя залежиòь íе òільки від розмірів ІМК, а й від його форми.
Аíаліз впливу геомеòричíих розмірів, крайового куòа і викорисòовуваíого маòеріалу іíòегроваíого
магíіòíого коíцеíòраòора íа харакòерисòики òривимірíого даòчика магíіòíого поля показав, що
включеííя в коíсòрукцію даòчика Холла коíцеíòраòора з феромагíіòíого маòеріалу забезпечує зíач-
íе (до 10 разів) підвищеííя коефіцієíòа посилеííя магíіòíого поòоку, що дозволяє засòосовуваòи даò-
чики досліджуваíої коíсòрукції для деòекòуваííя слабких магíіòíих полів (від 0,01 мкТл до 2 мТл).
Показаíо, що викоíаíий з супермеíдюра магíіòíий коíцеíòраòор дископодібíої форми діамеòром
200 мкм і товщиною 10 мкм з крайовим кутом 60° забезпечує посилення магнітного потоку величиною
120 мТл (максимальíе зíачеííя, при якому коíцеíòраòор може викоíуваòи посилеííя магíіòíого поòо-
ку) з коефіцієíòом 10,81.
Оòримаíі резульòаòи свідчаòь про перспекòивíісòь засòосуваííя пропоíоваíого коíсòрукòивíого
рішеííя для вигоòовлеííя òривимірíих даòчиків слабких магíіòíих полів, що маòь магíіòíу чуòливісòь
за сòрумом до 3026 В/(А∙Тл) уздовж поверхíі даòчика. Розгляíуòий òип сеíсорíих присòроїв ісòоòíо
розширює сферу засòосуваííя даòчиків Холла і може ефекòивíо викорисòовуваòися як елемеíòíа
база для медичíої апараòури, обладíаííя для магíіòíо-резоíаíсíої òерапії, а òакож в приладах для
геологічíих і геодезичíих досліджеíь.
Ключові слова: магíіòочуòливий сеíсор, іíòегроваíий магíіòíий коíцеíòраòор, даòчик Холла,
феромагíіòíий маòеріал.
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3
21ISSN 2225-5818
ÑÅÍÑÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
V. R. STEMPITSKY, DAO DINH HA
Republic of Belarus,
Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics
E-mail: vstem@bsuir.by, ha.dao.dinh@bsuir.by
DEVICE-TECHNOLOGICAL SIMULATION OF THE MAGNETOSENSITIVE
SENSOR WITH INTEGRATED MAGNETIC CONCENTRATOR
The paper presents results on research and optimization on the basis of device-technological modeling of
the structural and operational characteristics of the magnetosensitive sensor with a disk-shaped integrated
magnetic concentrator (IMC).
The high magnetic permeability of the IMC material provides a high value of the induction of the magnetic
field along its edges, which leads to a significant enhancement of the applied external field. The IMC plays
the role of a magnetic amplifier, and also affects the signal-to-noise and signal-to-bias ratios; the magnetic
gain depends not only on the size of the IMC, but also on its shape.
This research is devoted to the development of a disc-shaped magnetic concentrator integrated into the Hall
sensor. The concentrator has a high magnetic flux gain and can be used in 3D magnetic field recording systems.
Analysis of the geometric dimensions, deflection angle and the material of the integrated magnetic concentrator
influence on the characteristics of a three-dimensional magnetic field sensor showed that the inclusion of a
ferromagnetic concentrator in the Hall sensor design provides a significant (up to 10 times) increase in the
magnetic flux gain. This makes it possible to use the investigated sensor designs to detect weak magnetic fields
(from 0.01 μT to 2 mT).
It is shown that a supermindure integrated magnetic disc-shaped concentrator with a diameter of D = 200 μm,
a thickness of l = 10 μm and an angle of deflection of θ = 60° provides a magnetic flux gain G = 10.81 with a
maximum external magnetic field of B0 = 120 mT.
The obtained results indicate the prospects of using the proposed constructive solution for the practical manu-
facture of three-dimensional sensors of weak magnetic fields with a magnetic sensitivity up to 3026 V/(A∙T)
along the sensor surface. The type of sensor devices studied extends the scope of Hall sensors as an elemental
base of medical equipment, equipment for magneto-resonant imaging (MRI), and also in instruments for
geological and geodetic research.
Keywords: magnetosensitive sensor, integrated magnetic concentrator, Hall sensor, ferromagnetic material.
DOI: 10.15222/TKEA2018.3.15
UDC 621.382
REFERENCES
1. Baranochnikov M. L. Micromagnetoelectronics. Vol. 1.
Moscow, DMK press, 2011, 544 p. (Rus)
2. Buslov I., Bautkin V., Drapezo A., Yarmolovich V.
[Sensors of weak magnetic fields on the Hall effect].
Sovremennaya elektronika, 2011, no. 1, pp. 12-17. (Rus)
3. Palumbo V., Marchesi M., Chiesi V., Paci D., Iuliano
P., Toia F., Casoli F., Ranzieri P., Albertini F., Morelli
M. Hall current sensor IC with integrated co-based alloy
thin film magnetic concentrator. EDP Sciences, 2013,
pp. 16002-p1—16002-p4. https://doi.org/10.1051/epj-
conf/20134016002
4. Popovic R. S., Drljaca P. M., Kejik P. CMOS mag-
netic sensors with integrated ferromagnetic parts. Sensors
and Actuators, 2006, A. 129, pp. 94-99. https://doi.
org/10.1016/j.sna.2005.11.048
5. Prokoshin V. I., Yarmolovich V. A., Drapezo A. P.
[Development and application of magnetic flux concentrators
for devices of micromagnetoelectronics]. Vestnik BGU, 2014,
vol. 1, no. 2, pp. 39-43. (Rus)
6. Ripka P., Janosek M. Advances in magnetic field sen-
sors. Sensors, 2010, vol. 10, no. 6, pp. 1108-1116. https://
doi.org/10.1109/JSEN.2010.2043429
7. Dao Dinh Ha, Stempitsky V. R. Investigation of the
Hall sensor characteristics with various geometry of the active
area. Nano- i Mikrosistemnaya Tekhnika, 2018, vol. 20, no.
3, pp. 174-186. https://doi.org/10.17587/nmst.20.174-186
8. http://www.silvaco.com
9. Meeker D. Magnetics Finite Element Method
(femm). Version 4.2 [Electronic resource]. Mode of access:
http://www.femm.info/wiki/HomePage (Date of access:
12.01.2016).
10. Dao Dinh Ha, Volchek V., Baranava M., Lovshenko I.,
et al. [Three-dimensional magnetometer based on hall sensors
integrated in standard CMOS technology]. Doklady BSUIR,
2016, no. 7 (101), pp. 167-171. (Rus)
Îписание статьи для цитирования:
Стемпицкий В. Р., Äао Äинь Ха. Приборно-технологическое
моделирование магниточувствительного сенсора с интег-
рированным магнитым концентратором. Технологияикон
струированиевэлектроннойаппаратуре,2018,№3,с.15—21.
http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2018.3.15
Cite the article as:
Stempitsky V. R., Dao Dinh Ha. Device-technological
simulation of the magnetosensitive sensor with integrated
magnetic concentrator. Tekhnologiya i Konstruirovanie v
Elektronnoi Apparature, 2018, no. 3, pp. 15-21. http://
dx.doi.org/10.15222/TKEA2018.3.15
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-150264 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2225-5818 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:25:06Z |
| publishDate | 2018 |
| publisher | Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Стемпицкий, В.Р. Дао Динь Ха 2019-04-03T17:35:28Z 2019-04-03T17:35:28Z 2018 Приборно-технологическое моделирование магниточувствительного сенсора с интегрированным магнитым концентратором / В.Р. Стемпицкий, Дао Динь Ха // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 3. — С. 15-21. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 2225-5818 DOI: 10.15222/TKEA2018.3.15 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/150264 621.382 Представлены результаты исследования и оптимизации конструктивных и эксплуатационных характеристик на основе результатов приборно-технологического моделирования магнитночувствительного сенсора с интегрированным магнитным концентратором дискообразной формы. Проанализировано влияние геометрических размеров, угла отклонения и используемого материала интегрированного магнитного концентратора на характеристики датчика Холла. Показано, что интеграция концентратора из ферромагнитного материала в конструкцию датчика магнитного поля обеспечивает значительное (до 10 раз) повышение коэффициента усиления магнитного потока, что позволяет применять исследуемые конструкции датчиков для детектирования слабых магнитных полей (от 0,01 мкТл до 2,0 мТл). Представлено результати дослідження та оптимізації конструктивних і експлуатаційних характери стик на основі даних приладово технологічного моделювання магніточутливого сенсора з інтегрованим магнітним концентратором (ІМК) дископодібної форми. The paper presents results on research and optimization on the basis of device-technological modeling of the structural and operational characteristics of the magnetosensitive sensor with a disk-shaped integrated magnetic concentrator (IMC). ru Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України Технология и конструирование в электронной аппаратуре Сенсоэлектроника Приборно-технологическое моделирование магниточувствительного сенсора с интегрированным магнитым концентратором Приладово-технологічне моделювання магніточутливого сенсора з інтегрованим магнітним концентратором Device-technological simulation of the magneto-sensitive sensor with integrated magnetic concentrator Article published earlier |
| spellingShingle | Приборно-технологическое моделирование магниточувствительного сенсора с интегрированным магнитым концентратором Стемпицкий, В.Р. Дао Динь Ха Сенсоэлектроника |
| title | Приборно-технологическое моделирование магниточувствительного сенсора с интегрированным магнитым концентратором |
| title_alt | Приладово-технологічне моделювання магніточутливого сенсора з інтегрованим магнітним концентратором Device-technological simulation of the magneto-sensitive sensor with integrated magnetic concentrator |
| title_full | Приборно-технологическое моделирование магниточувствительного сенсора с интегрированным магнитым концентратором |
| title_fullStr | Приборно-технологическое моделирование магниточувствительного сенсора с интегрированным магнитым концентратором |
| title_full_unstemmed | Приборно-технологическое моделирование магниточувствительного сенсора с интегрированным магнитым концентратором |
| title_short | Приборно-технологическое моделирование магниточувствительного сенсора с интегрированным магнитым концентратором |
| title_sort | приборно-технологическое моделирование магниточувствительного сенсора с интегрированным магнитым концентратором |
| topic | Сенсоэлектроника |
| topic_facet | Сенсоэлектроника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/150264 |
| work_keys_str_mv | AT stempickiivr pribornotehnologičeskoemodelirovaniemagnitočuvstvitelʹnogosensorasintegrirovannymmagnitymkoncentratorom AT daodinʹha pribornotehnologičeskoemodelirovaniemagnitočuvstvitelʹnogosensorasintegrirovannymmagnitymkoncentratorom AT stempickiivr priladovotehnologíčnemodelûvannâmagnítočutlivogosensorazíntegrovanimmagnítnimkoncentratorom AT daodinʹha priladovotehnologíčnemodelûvannâmagnítočutlivogosensorazíntegrovanimmagnítnimkoncentratorom AT stempickiivr devicetechnologicalsimulationofthemagnetosensitivesensorwithintegratedmagneticconcentrator AT daodinʹha devicetechnologicalsimulationofthemagnetosensitivesensorwithintegratedmagneticconcentrator |