Thiết kế cảm biến từ trường 3D độ nhạy cao kết hợp với bộ khuếch đại từ tính

Nghiên cứu thiết kế vi mạch cảm biến từ trường kết hợp với bộ khuếch đại từ tính ứng dụng cho cảm biến từ trường 3D có tính cấp thiết cao. Kết quả nghiên cứu cho thấy độ nhạy tương đối của cảm biến thu được ở mức cao nhất là S = 15,21%/T khi không có bộ khuếch đại từ tính. Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại từ tính đạt được khoảng 400 lần.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Thiết kế cảm biến từ trường 3D độ nhạy cao kết hợp với khuếch đại từ tính Đào Đình Hà1, Hồng Ngọc Tùng2 Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân Khoa Kỹ thuật Tác chiến Điện tử, Trường Cao đẳng Kỹ thuật Thông tin Email: daodinhha@lqdtu.edu.vn, tung.mta.93@gmail.com cảm biến từ trường Hall sử dụng màng mỏng chế tạo từ vật liệu n-InSb có độ linh động điện tử cao, kết độ nhạy thu lên đến 500 μV/mT ngưỡng từ trường nhỏ 0,01 mT Sử dụng vật liệu GaAs làm tăng độ nhạy lên khoảng 2-3 lần so với giải pháp dựa vật liệu tiêu chuẩn Si (Silicon) [2] Trong [3] trình bày phần tử từ trở màng mỏng chế tạo từ vật liệu sắt từ Permalloy có độ nhạy vào khoảng 10 V/T, hoạt động dải tần số lên đến MHz nhiệt độ phịng, tỷ số tín hiệu tạp nhiễu xấp xỉ 97 dB, độ nhạy thu cao 20 lần so với độ nhạy phần tử Hall cổ điển cấu trúc vật liệu dị thể nInSb/GaAs, nhiên nhược điểm trường hợp hoạt động không ổn định theo thời gian tăng mức tạp nhiễu cảm biến Có nghĩa là, việc sử dụng cảm biến theo thiết kế truyền thống để đo từ trường yếu không hiệu Abstract— Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ Internet kết nối vạn vật (IoT) mở hướng khoa học mới, thiết kế, chế tạo thiết bị cảm biến vi điện tử tích hợp cho mục đích ứng dụng khác nhau, cung cấp khả kiểm sốt loạt thơng số vật lý, hóa học sinh học Các cảm biến sử dụng để đo cảm ứng từ trường có độ nhạy dải đo bị giới hạn vật liệu sử dụng, bên cạnh ứng dụng chủ yếu chúng dùng để đo từ trường mặt phẳng, ứng dụng khơng gian ba chiều cịn nhiều hạn chế Vì vậy, nghiên cứu thiết kế vi mạch cảm biến từ trường kết hợp với khuếch đại từ tính ứng dụng cho cảm biến từ trường 3D có tính cấp thiết cao Kết nghiên cứu cho thấy độ nhạy tương đối cảm biến thu mức cao S = 15,21%/T khơng có khuếch đại từ tính Hệ số khuếch đại khuếch đại từ tính đạt khoảng 400 lần Cảm biến tính hợp với khuếch đại từ tính cho phép đo từ trường dải từ trường yếu từ 0,01 μT đến mT có khả ứng dụng đo từ trường 3D không gian Bộ khuếch đại từ tính ngày sử dụng rộng rãi thiết kế thiết bị vi điện tử đại [4, 5] nhằm đảm bảo khả đo từ trường yếu dải từ 0,01 μT đến 2,0 mT Việc sử dụng khuếch đại từ tính tích hợp (IMC, Integrated Magnetic Concentrator) làm vật liệu sắt từ phát triển ứng dụng cho cảm biến từ trường 3D, có độ nhạy từ cao cảm biến Hall truyền thống tăng tỉ số tín hiệu tạp nhiễu Vấn đề quan trọng giải nghiên cứu sử dụng phương pháp mơ hình hóa máy tính mơ tối ưu hóa thơng số thiết kế cảm biến từ trường kết hợp với khuếch đại từ tính ứng dụng vi mạch tích hợp Keywords- Cảm biến từ trường 3D, vi mạch tích hợp, khuếch đại từ tính, độ nhạy cao I GIỚI THIỆU Cảm biến từ trường chế tạo dựa hiệu ứng từ trường loại vật liệu bán dẫn khác nhau, phổ biến cảm biến Hall hoạt động dựa hiệu ứng Hall, hiệu ứng vật lý thực áp dụng từ trường vng góc lên Hall có dịng điện chạy qua Khi dòng điện chạy qua vật liệu dẫn điện, electron di chuyển theo đường thẳng Khi đặt vật liệu từ trường cho dịng điện chạy qua, lực Lorentz tác dụng lên hạt mang điện làm cho chúng lệch khỏi đường thẳng ban đầu dòng electron bị uống cong, từ tạo hiệu điện Hall Các tham số cảm biến từ trường độ nhạy, dải đo, sai số, dải nhiệt độ tần số hoạt động,… Trong hai tham số độ nhạy dải đo quan trọng thiết kế sử dụng cảm biến thực tế Các tham số phụ thuộc lớn vào vật liệu chế tạo cảm biến, với loại vật liệu cho ngưỡng giá trị độ nhạy dải đo tương ứng Nghiên cứu nhằm phát triển khuếch đại từ tính hình nón với độ lợi từ thơng cao kết hợp với cảm biến Hall, sử dụng hệ thống cảm biến từ trường 3D có độ nhạy cao Khi thiết kế khuếch đại từ tính cần đảm bảo yêu cầu: - thứ nhất, tăng hệ số khuếch đại cảm biến nhằm tăng mức tín hiệu đầu ra; - thứ hai, tăng mức giá trị bão hòa để đảm bảo vùng hoạt động tuyến tính rộng; - thứ ba, giảm độ trễ cảm biến nhằm giảm sai số phép đo từ trường yếu Phân tích tài liệu khoa học [1, 2, 3] cho thấy giải pháp hiệu để tăng độ nhạy ISBN 978-604-80-5958-3 Yêu cầu thứ đảm bảo cách tối ưu hóa hình dạng khuếch đại từ tính u cầu thứ ba 17 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) cách lựa chọn vật liệu chế tạo khuếch đại từ tính, yêu cầu thứ hai phụ thuộc vào vật liệu hình dạng khuếch đại từ tính S Phần cịn lại báo tổ chức sau: phần II, miêu tả cấu trúc cảm biến kết hợp với khuếch đại từ tính Phần III cung cấp kết mơ phân tích lý thuyết Cuối cùng, kết luận báo trình bày phần IV II 2.1 Nghiên cứu cấu trúc cảm biến Trong báo này, nghiên cứu cấu trúc cảm biến từ trường dựa tảng transistor có độ linh động điện tử cao (HEMT, High Electron Mobility Transistor) vật liệu có độ rộng vùng cấm lớn GaN Tiến hành khảo sát đặc tuyến tính tốn giá trị độ nhạy cảm biến điều kiện phân cực khác Ngồi ra, cảm biến chế tạo có kênh dẫn dài để nâng cao hệ số hiệu chỉnh hình học Hall (GH) kết hợp với khuếch đại từ tính hình nón tích hợp với cảm biến để nâng cao hệ số chuyển đổi W Y L B X  I D1  I D  B  100% (2) đó: - ID1, ID2: dịng điện cực máng Drain Drain 2; - Ioff: chênh lệch dịng điện cực máng khơng có từ trường Cảm biến chế tạo dựa cấu trúc vật liệu dị thể GaN/AlxGa1-xN/GaN với lớp trung gian AlGaN vật liệu đế bán dẫn Si với thành phần x = 0,25 Độ dày lớp bề mặt GaN, lớp rào cản AlGaN lớp đệm GaN nm, 25 nm 1,8 µm Sử dụng quy trình khắc khơ để tạo lớp cách ly để cách điện vùng hoạt động thiết bị GaN Các lớp kim loại Ti/Al/Ti/Au sử dụng cho tiếp điểm cực nguồn cực máng tạo phương pháp lắng đọng bay vật lý (PVD, Physical Vapor Deposition) Các lớp kim loại sau ủ 800 oC hệ thống ủ nhiệt nhanh (RTA, Rapid Thermal Processing) môi trường N2 để tạo thành tiếp điểm Ohmic Tiếp điểm cực cổng Schottky Ni/Au lắng đọng phương pháp PVD Cuối cùng, lớp thụ động SiN lắng đọng cách sử dụng trình lắng đọng hóa chất tăng cường plasma (PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), nhằm bảo vệ lớp bề mặt cảm biến CẤU TRÚC CẢM BIẾN Z I D1  I D  I off Source LG φ BZ BX Drain BY Gate 2.2 Bộ khuếch đại từ tính Cấu trúc khuếch đại từ tính bao gồm hai hình trụ dạng hình nón cụt với đầu nhọn đối diện cách khoảng d (Hình 2) Góc hình nón cụt trục ký hiệu ω, chiều dài L, khe hở hai d đường kính đáy lớn, đáy nhỏ hình nón cụt 2R 2r Khoảng cách d bị giới hạn độ dày phần tử cảm biến Hall (khoảng 0,15 mm) Drain Hình Cấu trúc cảm biến từ trường Hình biểu diễn cấu trúc cảm biến từ trường với thành phần từ trường khơng gian, φ góc thành phần từ trường BZ đặt vng góc với bề mặt cảm biến từ trường hiệu dụng B Dưới tác động thành phần từ trường BZ dẫn đến chênh lệch dòng điện điện cực máng Drain Drain gọi dòng điện Hall (IH) biểu thị [6]: I H  H BZ  L W  I D GH B 2r B0 2R ω (1) L đó: - µH: độ linh động điện tử Hall; - BZ: từ trường vng góc với bề mặt cảm biến; - L, W: chiều dài chiều rộng cảm biến; - ID: dòng điện cực máng; - GH: hệ số hiệu chỉnh hình học Hall, tỷ số điện áp Hall vật liệu bán dẫn thực tế với Hall lý tưởng có chiều dài vơ hạn [2] Sự chênh lệch dòng điện cảm biến đo cực máng độ nhạy cảm biến S tính tốn theo biểu thức sau [7]: ISBN 978-604-80-5958-3 Cảm biến d L Hình Bộ khuếch đại từ tính dạng hình nón cụt Hệ số khuếch đại từ trường K = B/B0, tỉ số cảm ứng từ trường khe hở khuếch đại từ tính nơi lắp đặt cảm biến Hall B từ trường B0, tham số khuếch đại từ tính Nhiệm vụ thiết kế khuếch đại từ tính đạt giá trị khuếch đại K cao giảm kích thước hình học chúng Trong trường hợp này, yêu cầu sau áp dụng cho khuếch đại từ tính: 18 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) - Giá trị hệ số khuếch đại từ trường dải từ trường yếu đạt giá trị tối đa kích thước hình học mức tối thiểu; - Độ lớn cảm ứng từ trường B khơng đổi vị trí đặt phần tử cảm biến Hall, tức cảm biến Hall nằm từ trường đều; - Hệ số khuếch đại từ thơng cao, địi hỏi sử dụng vật liệu có lực kháng từ thấp, với giá trị từ thẩm ban đầu cao; - Cường độ cảm ứng từ trường bên ngồi đạt giá trị lớn (tại khuếch đại từ tính vào chế độ bão hòa); - Cho phép hoạt động dải tần số rộng từ trường thay đổi Theo yêu cầu thiết kế khuếch đại từ tính, vật liệu khuếch đại từ tính phải có từ trễ thấp (Br ≈ 0) giá trị từ trường bão hòa cao (BS) Trong bảng giới thiệu tham số từ tính vật liệu từ mềm Thép 1117 [8] Ngồi ra, vật liệu khuếch đại từ tính phải đảm bảo hình thành màng vơ định hình với lực kháng từ HC thấp, nhiệt độ Curie TK cao độ từ thẩm µH cao nhằm đạt giá trị cao cảm ứng từ bão hòa độ tuyến tính đặc tính cảm biến vectơ điện Thành phần tiếp tuyến A = biên nằm vô (tức đủ xa để lượng từ trường giả định khơng) Trên trục đối xứng, điều kiện A = lấy mặt phẳng đối xứng hình học dA/dn = 0, tức đường sức vuông góc với mặt phẳng III KẾT QUẢ 3.1 Kết mơ tham số cảm biến Hình 3, a mô cấu trúc cảm biến Hall với chiều dài cực cổng LG = µm, chiều dài cảm biến L = 65 µm chiều rộng W = 20 µm Khoảng cách điện cực máng 10 µm Hình 3, b biểu diễn đặc tính truyền đạt cảm biến tác động từ trường vng góc với bề mặt cảm biến giá trị B = 25 mT Bảng Tính chất từ tính vật liệu sắt từ mềm Vật liệu µН, 103 TK,°С BS, Т HC Thép 1117 0,4 – 0,17% C, 1,20% 1,5 750 2,1 – 2,3 0,6 Mn a ID, mA 2.3 Phương pháp mô cảm biến tích hợp Vấn đề khó khăn việc tạo cảm biến vi điện tử với khuếch đại sắt từ giảm đáng kể hệ số khuếch đại từ trường K với giảm chiều dài hình học khuếch đại Để có giá trị hệ số khuếch đại từ trường cao với u cầu kích thước nhỏ, cần phải tối ưu hóa kích thước hình học khuếch đại khoảng cách khe hở chúng dựa đặc tính từ tính vật liệu chế tạo Điều thực nhờ vào ứng dụng tính tốn mơ tối ưu hóa cảm biến tích hợp thực cách sử dụng mơ máy tính Mơ máy tính hoạt động cảm biến từ trường thực phần mềm Silvaco [9], khuếch đại từ tính thực phần mềm FEMM [8, 10] Vì khuếch đại từ tính coi đối xứng trục, nên vấn đề tính toán cảm ứng từ đưa mặt phẳng qua trục khuếch đại từ tính Sử dụng chương trình mơ máy tính FEMM, giải phương trình Poisson: B = rotA A - vectơ từ trường, B - cảm ứng từ trường Để xác định hoàn toàn hàm A sử dụng điều kiện divA = Phương trình mơ tả tính chất từ tính vật liệu sắt từ viết dạng: B = μ·Н + Br biểu thị mối quan hệ phi tuyến B H, Н cường độ từ trường, μ giá trị từ thẩm (là hàm |B|, tức 1/μ = f|B|) Đối với mô hình này, điều kiện biên thể dạng ISBN 978-604-80-5958-3 VDS = -2V 0,20 0,15 0,15 VDS = -1V 0,10 0,05 VDS = 0V 0,05 0 0,1 0,2 0,3 0,4 VGS, V b Hình Mơ cấu trúc đặc tuyến cảm biến Dòng điện đầu từ hai điện cực máng phụ thuộc vào điện áp đầu vào (VGS) thể chênh lệch trường hợp có từ trường bên ngồi tác động vng góc với bề mặt cảm biến Độ nhạy tương đối cảm biến thu mức cao S = 15,21%/T thấp S = 5,69%/T VGS = –2V VGS = 0V, tương ứng 3.2 Kết mô khuếch đại từ tính Vấn đề khó khăn đặt lựa chọn vật liệu kích thước cho khuếch đại từ tính cho cảm biến từ trường, điều quan trọng phải thiết lập mối quan hệ ảnh hưởng kích thước hình học đến đồng từ trường vng góc với bề mặt 19 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) cảm biến, từ đưa nguyên tắc thiết kế tối ưu hóa cảm biến Vì vậy, cần đảm bảo diện tích phần đáy hình nón nhỏ tốt để chứa phần tử Hall, đồng thời đáp ứng yêu cầu B, T B, mT 0,20 0,20 0,15 0,15 0,10 0,10 0,05 0,05 0 0,5 1,0 1,5 L, mm Hình Phân bố cảm ứng từ trường dọc theo trục khuếch đại 0,4 0,3 L, mm Hình cho thấy phụ thuộc cảm ứng từ trường khe hở khuếch đại từ trường với đặc tính thép 1117 tương ứng với từ trường bên B0 = 0,001 mT kích thước hình học khuếch đại: L = 30 mm, 2R = mm, d = 0,15 mm, r = 0,25 mm, cho phép đặt phần tử Hall có kích thước 0,3×0,3×0,15 mm, I ứng với ω = 10°, II ứng với ω = 20°, III ứng với ω = 45°; IV ứng với ω = 90° ω, độ K Bảng Hệ số khuếch đại K phụ thuộc vào thay đổi góc hình nón ω 10 20 30 45 183 175 168 156 90 82 Bảng cho thấy giá trị tính toán hệ số khuếch đại K giá trị khác góc ω, giúp tối ưu hóa phạm vi giá trị góc ω, yêu cầu hệ số khuếch đại đáp ứng Phân tích liệu thu cho thấy khoảng tối ưu góc ω từ 15 đến 25°, tương ứng với góc đỉnh hình nón 2ω = 30 50° Kết tính tốn sử dụng việc chế tạo cảm biến ba chiều không gian dải từ trường yếu từ 0,01 μT đến mT Bảng Hệ số khuếch đại K chiều dài L = 100 mm d, mm 0,15 0,25 0,5 1,0 2,0 4,0 K 401 202 118 65 32 14 Bảng Hệ số khuếch đại K phụ thuộc vào giá trị điện trường B0 Tham số hình học L = 100 mm, d = 0,15 mm 2,5 5,0 7,5 10 25 401 170 125 100 50 0,2 0,1 Hình Từ trường khuếch đại B phụ thuộc vào góc ω Hình biểu diễn phân bố cảm ứng từ trường B, trục đối xứng dọc theo bán kính làm từ thép 1117 với kích thước L = 100 mm, d = mm, R = mm B0 = 2,5 mT Nhận thấy cảm ứng từ trường giảm dọc theo bán kính, giá trị lớn B = 0,16 T (đạt tâm khuếch đại), đạt giá trị 0,158 T (giảm 1,25 %) 0,155 T (giảm 3,0 %) vị trí cách tâm 0,5 0,7 mm Như coi từ trường phân bố (sai lệch 3%) đường trịn bán kính 0,7 mm Giá trị hệ số khuếch đại K phụ thuộc vào kích thước hình học khác khuếch đại trình bày Bảng Kết tính tốn với chiều dài 100 mm khoảng cách 0,15 mm, đạt độ khuếch đại từ thông lên khoảng 400 lần B0, mT K 250 Z Cảm biến Giá trị hệ số khuếch đại K phụ thuộc vào giá trị từ trường cho Bảng Từ tính tốn thực hiện, kết hệ số khuếch đại K không đổi giá trị thấp từ trường B0 Trong trường hợp tổng quát, K hàm thơng số hình học B0, có xu hướng giá trị lớn B0, tương ứng với trạng thái bão hòa khuếch đại (khi B = K·B0 tiến đến giá trị từ trường bão hịa vật liệu Bs) Ngồi phụ thuộc hệ số khuếch đại vào tham số trên, tham số quan trọng khơng góc hình nón ω (Hình 2) u cầu cần thiết mặt công nghệ để đặt phần tử Hall khoảng trống có giá trị cảm ứng từ trường xấp xỉ (từ trường đều) ISBN 978-604-80-5958-3 BX Cảm biến Cảm biến BY BZ Y Hình Cảm biến từ trường 3D kết hợp với khuếch đại từ tính 20 X Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Холла из гетероструктур n-InSb1-хBiх-i-GaAs Материалы конференции НАНО-2008 Минск, 2008 [2] 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 [3] Драпезо А П., Прокошин В.И., Ярмолович В.А Нанотолщинные детекторы слабых магнитных полей из плёнок пермаллоев Сб докладов ФТТ-2005 Т Минск, 2005 [4] 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 [5] 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 [6] S Arulkumaran, T Hibino, T Egawa, and H Ishikawa, “Current collapse-free i-GaN⁄AlGaN⁄GaN high-electronmobility transistors with and without surface passivation,” Appl Phys Lett., vol 85, no 23, pp 5745–5747, Dec 2004 [7] A Asgari, S Babanejad, and L Faraone, “Electron mobility, Hall scattering factor, and sheet conductivity in AlGaN/AlN/GaN heterostructures,” J Appl Phys., vol 110, no 11, p 113713, Dec 2011 [8] 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 [9] http://www.silvaco.com [10] 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) Hình mơ tả cấu trúc cảm biến từ trường 3D kết hợp với khuếch đại từ trường Các đầu dò cảm biến Hall kích thước 0,3×0,3×0,15 mm đặt mặt phẳng không gian, tạo sở cấu trúc vật liệu dị thể AlGaN/GaN với khuếch đại từ tính Các cảm biến có khả tính toán thành phần từ trường theo trục tọa độ không gian IV KẾT LUẬN Nghiên cứu cấu trúc mơ đặc tính cảm biến Hall dựa hoạt động transistor có độ linh động điện tử cao sử dụng vật liệu có cấu trúc dị thể AlGaN/GaN Kết mô cho thấy độ nhạy tương đối cảm biến thu mức cao S = 15,21%/T VGS = –2V Thực tính tốn mơ tham số khuếch đại từ tính nhằm tăng hệ số khuếch đại giảm kích thước cảm biến Kết mơ góp phần lựa chọn cấu trúc khuếch đại kết hợp với cảm biến Hall đảm bảo tham số độ nhạy dải đo phù hợp Khi sử dụng vật liệu từ có từ trễ thấp (Br ≈ 0) giá trị từ trường bão hòa cao (BS) giúp tăng hệ số khuếch đại đạt giá trị khoảng 400 lần Nghiên cứu cấu trúc cảm biến từ trường 3D kết hợp với khuếch đại từ tính nhằm tăng độ nhạy dải đo từ trường, từ ứng dụng cảm biến không gian cho dải đo từ trường yếu từ 0,01 μT đến mT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Драпезо А.П., Прокошин В.И., Ярмолович В.А Групповая технология изготовления тонкопленочных элементов ISBN 978-604-80-5958-3 21 ... lần Nghiên cứu cấu trúc cảm biến từ trường 3D kết hợp với khuếch đại từ tính nhằm tăng độ nhạy dải đo từ trường, từ ứng dụng cảm biến không gian cho dải đo từ trường yếu từ 0,01 μT đến mT TÀI LIỆU... đại từ tính dạng hình nón cụt Hệ số khuếch đại từ trường K = B/B0, tỉ số cảm ứng từ trường khe hở khuếch đại từ tính nơi lắp đặt cảm biến Hall B từ trường ngồi B0, tham số khuếch đại từ tính. .. cảm biến từ trường 3D kết hợp với khuếch đại từ trường Các đầu dị cảm biến Hall kích thước 0,3×0,3×0,15 mm đặt mặt phẳng không gian, tạo sở cấu trúc vật liệu dị thể AlGaN/GaN với khuếch đại từ