ИНТЕГРАЛЬНАЯ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ МАТРИЦА Российский патент 1999 года по МПК H01L27/22 H01L29/82 

Изобретение относится к средствам контрольно-измерительной техники и может быть использовано в устройствах для контроля качества структуры ферромагнитных материалов и изделий по результатам взаимодействия их с магнитными полями.

Известны матричные преобразователи магнитных полей к структуроскопу, в виде матрицы из магниторезисторов или элементов Холла [1, 2].

Недостатками данных преобразователей является низкая чувствительность, большие габариты, низкая разрешающая способность, большое количество информационных выводов, большой ток потребления. Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является матричный преобразователь магнитных полей к структуроскопу из дискретных магнитодиодов или магнитотриодов [3] . Это магниточувствительная матрица размерностью N на М из магниточувствительных ячеек; матрица построена на основе магнитотриодов (иначе именуемые как магнитотранзисторы), которые и представляют собой магниточувствительную ячейку данной матрицы.

Основным недостатком данного преобразователя, является низкая пространственная разрешающая способность, так как дискретные магнитотриоды занимают большую площадь на плате с адресными и информационными шинами. При монтаже дискретных магниточувствительных ячеек на плате в матрицу, возникает их пространственная разориентация, что влечет за собой разброс основного параметра - магниточувствительности, а большое количество выводов (не менее чем 2•(N+M)) усложняет крупногабаритную, ненадежную конструкцию структуроскопа.

Цель изобретения - повышение надежности, пространственной разрешающей способности, снижение количества информационных выводов и потребляемой мощности. Указанная цель достигается благодаря изготовлению магниточувствительной матрицы к структуроскопу по интегральной технологии микросхем, в виде кристалла кремния, содержащего магниточувствительные ячейки, из интегральных магнитотранзисторов, расположенные в матрицу размерностью N на М. Благодаря тому, что данные магниточувствительные ячейки располагаются на одном кристалле близко друг от друга (100-200 мкм) улучшается пространственное разрешение, а так как они ориентированны строго фиксированно относительно поверхности и границ кристалла и сформированы в едином технологическом цикле, по стандартной технологии изготовления интегральных схем, разброс магниточувствительности от ячейки к ячейке практически исключен или имеет очень малое значение, а объединение магнитотранзисторов металлической разводкой прямо на кристалле так, что с него выходит не более чем N+M+2/или 4/или 6/ выводов, значительно упрощает общую конструкцию структуроскопа, делая ее более компактной и надежной. Два информационных вывода для регистрации одной компоненты вектора магнитной индукции (нормальной n или тангенциальной t), четыре информационных вывода для регистрации двух компонент (нормальной n и тангенциальной t или двух тангенциальных по разным направлениям t_x и t_y), шесть информационных выводов для регистрации полного вектора магнитной индукции. Путем внешних коммутаций с выводами магниточувствительной матрицы, подавая на N и М входов определенный цифровой двоичный код, выбирается одна из ячеек и опрашивается ее состояние двух (или четырех) информационных выходов, которые также принадлежат и всем остальным магниточувствительным ячейкам матрицы, но в данный момент они являются выключенными и никакого влияния на информацию выбранной ячейки не оказывают. При этом ток потребления в матрице всегда не превышает ток одного, выбранного, интегрального магнитотранзистора и, как правило, не превышающим 5 мА.

В качестве магниточувствительных ячеек могут быть использованы интегральные биполярные магнитотранзисторы с двумя (четырьмя или шестью) коллекторами или интегральные МОП магнитотранзисторы с расщепленным стоком. Управляющие электроды интегральных магнитотранзисторов, которыми у биполярных является электрод базы, а у МОП - электрод затвора, объединяются по строкам и образуют массив из N входов. Истоковые электроды (у биполярных - электрод эмиттера, а у МОП - электрод истока) объединяются по столбцам и образуют массив из М входов. Токоприемные или информационные электроды (у биполярных это электроды коллекторов, а у МОП - электроды стоков) объединяются параллельно друг другу во всей матрице (левые с левыми, а правые с правыми, относительно центральной оси структуры магнитотранзистора) и образуют два (четыре или шесть) информационных выхода.

На фиг. 1-3 изображены электрические схемы соединения магниточувствительных ячеек в матрицу размерностью N на М, где на фиг. 1 представлена электрическая схема соединения магниточувствительных ячеек, на основе биполярных магнитотранзисторов с двумя коллекторами, в матрицу размерностью N на М; на фиг. 2 представлена электрическая схема соединения магниточувствительных ячеек, на основе биполярных магнитотранзисторов с четырьмя коллекторами, в матрицу размерностью N на М; на фиг.3 представлена электрическая схема соединения магниточувствительных ячеек, на основе МОП магнитотранзисторов с расщепленным стоком, в матрицу размерностью N на М; на фиг.4 представлена архитектура построения кристалла с магниточувствительной матрицей из 16 n-МОП магнитотранзисторов с расщепленным стоком с организацией 4х4, где 3_i - затворы двухстоковых магнитотранзисторов; И_i - истоки двухстоковых магнитотранзисторов; C_i - стоки двухстоковых магнитотранзисторов; E_n - питание; ┴ - земля.

Матрица работает следующим образом: путем внешних коммутаций с N+M входами магниточувствительной матрицы, подавая на них определенный двоичный код (применяемый в цифровых микросхемах) включается только один из всего массива магнитотранзистор и происходит считывание информации с двух (четырех или шести) токоприемных электродов. Данная информация с помощью аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) преобразуется в цифровой код и записывается в ячейку запоминающего устройства (ЗУ), соответствующую опрошенному магнитотранзистору. Затем, на входы магниточувствительной матрицы подается, таким же образом, другой двоичный код, и включается другой магнитотранзистор, опять происходит считывание информации с тех же самых двух (четырех или шести) токоприемных электродов. Вновь считанная информация так же преобразуется в цифровой код и записывается в другую ячейку ЗУ, соответствующую только что опрошенному магнитотранзистору. Процесс выбора ячейки, считывания ее состояния с преобразованием в цифровой код и последующим хранением в ЗУ повторяется N на М раз, то есть для всех ячеек магниточувствительной матрицы, а затем отображается на экране дисплея в виде гистограммы, соответствующей распределенному магнитному полю под рабочей областью кремниевого кристалла с массивом магнитотранзисторов размерностью N на М.

В качестве конкретного примера (см. фиг.4) представлена интегральная магниточувствительная матрица из 16 n-МОП магнитотранзисторов с расщепленным стоком с организацией 4х4. Матрица работает следующим образом: путем внешних коммутаций можно выбрать для опроса любой из 16, подавая на соответствующие строки (3_i, i=1, 2, 3, 4) и столбцы (И_i, i=1, 2, 3, 4) либо напряжение логической "1", либо логического "0".

Преимущество данной матрицы состоит в том, что магниточувствительные ячейки располагаются друг от друга на малом расстоянии (порядка 100-200 мкм), со строго определенной ориентацией в пределах одного кристалла, имея, при этом, минимальный разброс электрофизических параметров, а организация выборки позволяет исключить паразитное влияние друг на друга, значительно снизить ток потребления (не более чем ток одного интегрального магнитотранзистора, потребляющего 0.1-5.0 мА) и количество выводов, которое составляет N+M+2/или 4/или 6/.

Источники информации
1. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР от 04.01.79 N по заявке N 2706562.

2. Описание изобретения к патенту РФ N 2006850 от 25.11.88.

3. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР N 859904 от 14.12.79 (прототип).

Использование: в устройствах для контроля качества структуры ферромагнитных материалов и изделий по результатам взаимодействия их с магнитными полями. Сущность: интегральная магниточувствительная матрица изготавливается по интегральной технологии микросхем, в виде кристалла кремния, содержащего магниточувствительные ячейки, из интегральных магнитотранзисторов, расположенные в матрицу размерностью N на М, магниточувствительные ячейки располагаются друг от друга на малом расстоянии (100-200 мкм), со строго определенной ориентацией в пределах одного кристалла и объединяются металлической разведкой на кристалле так, что количество выводов, составляет N + М +2/или 4/или 6/, предназначенных для регистрации одной, двух или трех компонент вектора магнитной индукции. Технический результат изобретения состоит в повышении надежности, пространственной разрешающей способности, снижении количества информационных выводов и потребляемой мощности. 4 ил.

Интегральная магниточувствительная матрица, состоящая из магниточувствительных ячеек размерностью N на M, отличающаяся тем, что она выполнена в виде кристалла кремния и содержит интегральные магнитотранзисторы, расположенные на расстоянии 100 - 200 мкм друг от друга, со строго фиксированной ориентацией относительно поверхности и границ кристалла и объединенные металлической разводкой на кристалле так, что с него выходит не более чем N + M + 2/ или 4/ или 6/ выводов для регистрации одной, или двух, или трех компонент соответственно вектора магнитной индукции.