Разработка магнитодиода

Содержание

Введение

1. Анализ исходных данных и формирование расширенного технического задания

1.1 Анализ исходных данных

1.2 Расширенное техническое задание

2. Выбор и обоснование применяемых материалов и компонентов конструкции

3. Конструкторские расчеты

3.1 Расчет магнитной системы датчика

3.2 Расчет магнитодиода

4. Разработка топологии кристалла

5. Составление схемы электрической принципиальной устройства

6. Разработка технологии изготовления чувствительного элемента

7. Разработка конструкции датчика и технического процесса сборки измерительной системы

Заключение

Список используемых литературных источников

Приложения

Введение

Для создания автоматизированных систем управления в различных областях народного хозяйства начинают широко применяться различные датчики, в том числе датчики перемещения предметов (ДПП). В настоящее время они используются в металлорежущих станках с программным управлением, подъемных кранах, конвейерах и в различных транспортных системах и радиоэлектронике. [2]

Принципы работы ДПП основываются на различных физических явлениях: изменениях емкости и электромагнитной индукции, гальваномагнитном эффекте и др.

Особую ценность для автоматики эти датчики представляют благодаря возможности бесконтактной связи между элементами в устройствах, что позволяет исключить механические и электрические связи. [2]

Датчики движущихся предметов, работающие на основе фотоэффекта (фотореле), потребляют большую мощность, чувствительны к пыли и грязи, что затрудняет их эксплуатацию. ДПП, использующие емкостные явления, имеют большие габаритные размеры и довольно сложные конструкцию и электрическую схему. Относительно широкое применение получили ДПП, работающие на основе электромагнитной индукции. Они могут обнаружить металлические предметы на расстоянии до 10 мм. Основной недостаток таких ДПП - большие размеры чувствительных элементов (катушек).

Датчики движущихся предметов, использующие гальваномагнитные явления, отличаются высокой чувствительностью, надежностью, малыми габаритными размерами и малой потребляемой мощностью, простотой конструкции. Они делятся на две группы. К первой относятся ДПП, срабатывающие при перемещении предметов из магнитомягкого материала, ко второй - ДПП, срабатывающие при перемещении предметов из немагнитного материала с укрепленными на них постоянными магнитами. [2]

Датчики движущихся предметов на основе эффекта Холла, в отличие от ДПП на магниторезисторах, чувствительны к направлению перемещения предметов. ДПП на датчиках Холла и магниторезисторах, обладая определенными преимуществами, имеют существенный недостаток - малые значения выходного сигнала, что затрудняет построение электрических схем, формирующих электрические сигналы.

В последние годы для повышения надежности и точности, стойкости к воздействиям окружающей среды (в том числе к вибрациям и ударам), долговечности в ДПП начали использовать магнитодиоды. При прочих равных условиях ДПП на магнитодиодах позволяет получать выходной сигнал, превышающий сигналы на датчиках Холла и магниторезисторах более чем на порядок.

1. Анализ исходных данных и формирование расширенного технического задания 1.1 Анализ исходных данных

В данном курсовом проекте было предложено разработать конструкцию и технологию изготовления датчика определения перемещения предмета до 15мм на основании магнитной системы и магнитодиода с габаритными размерами Ø15×15мм. Измерить перемещение предмета до заданного расстояния, ограничиваясь заданными габаритами датчика не представляется возможным, поскольку в корпусе надо учитывать размеры системы магнита и магнитодиода и размеры на их крепление.

Осуществления определение заданного перемещения датчиком можно достичь двумя способами:

применения миниатюрных редукторов и систем рычагов в датчике;

редактирование габаритных размеров датчика.

Первый способ оставляет без изменения габаритные размеры, но имеет ряд недостатков: он менее технологичен, увеличивается трудоемкость и требуется высокая точность при изготовлении, в датчике будет наблюдаться увеличение погрешности с увеличением срока службы из-за наличия трущихся элементов конструкции в виду этого датчик будет обладать низкой надежностью.

Поэтому на основе расчетов магнитной системы и магнитодиода, исходя из предложенного нам измерения перемещения предмета мы примем минимальные из расчетных габаритные размеры датчика.

Предложенный нам материал чувствительного элемента арсенид галлия полностью удовлетворяет всем параметрам по условию задания, а именно температурным пределам от минус 40 до плюс 80 °С.

Применение датчика в металлорежущих станках с программным управлением, подъемных кранах, конвейерах и в различных транспортных системах с повышенными виброударными нагрузками требует при проектировании конструкции более жестких требований, например на материал конструкции, толщину элементов, способ крепления датчика и крепление узлов между собой.

1.2 Расширенное техническое задание

1. Наименование изделия: “Датчик определения перемещения движущегося предмета ” (ДПП).

2. Датчик представляет собой систему определения перемещения движущегося предмета на основании дипольной магнитной системы и магнитодиода. Габаритные размеры системы Ø15×15мм.

3. Датчик представляет собой законченное устройство.

4. ДПП подключается к электроизмерительными приборам.

5. Диапазон измеряемых перемещений составляет 1-15мм.

6. Рабочее напряжение 2В.

7. Напряжение Холла 2,5В.

8. Ток питания магнитодиода 0,25мА.

9. Материал тела магнитодиода - арсенид галлия с удельным сопротивлением 25кОм·см.

10. Концентраторы магнитного потока должны быть изготовлены из магнитомягкого материала и не должны перенасыщаться под действием поля постоянного магнита.

11. Коэффициент применяемости - не менее 0,6.

12. Устройство относится к группе возимой РЭА, устанавливаемой в автомобиле, стационарной, устанавливаемой на станках с ЧПУ.

13. Характеристики внешних воздействий одинаковы для режимов хранения, перевозки и работы. Температура окружающей среды может изменяться от минус 40 до плюс 85 °С. Относительная влажность до 80% при температуре плюс 25°С. Пониженное атмосферное давление - 61 кПа.

14. Среднее время наработки на отказ должно быть не менее 20 тыс. час.

15. Конструкция устройства должна предусматривать работу оператора с ним без применения специальных мер обеспечения безопасности.

16. Ориентировочная программа выпуска - 800000 приборов в год.

2. Выбор и обоснование применяемых материалов и компонентов конструкции

Важную группу полупроводников составляют ковалентно-ионные соединения типа А¹¹¹В^V и ионно-ковалентные соединения типа А^IIВ^VI, кристаллизующиеся в алмазоподобной решетке, а также некоторые другие, например A^IVБ^VI. Наиболее разработаны и перспективны арсенид и фосфид галлия и фосфид и антимонид индия. Свойства монокристаллических GаАs, GаР, а также Gе и Si приводятся в табл.2.1 [1]

Таблица.2.1

«Алмаз» «Цинковая обманка»

Наименование параметра	Значение параметра
	Si	Ge	GaAs	GaP
Тип кристаллической структуры Параметр решетки, нм Температура плавления, К Предельная рабочая температура, К Подвижность электронов при 300 К, см2/ (В·с) Подвижность дырок при 300 К, см2/ (В·с) Ширина запрещенной зоны при 300 К, эВ Удельное сопротивление (собственное) при 300 К, Ом·см Концентрация носителей ni при 300 К ТКЛР (300 К), К-1 Коэффициент теплопроводности, Вт/ (м·К) Диэлектрическая проницаемость έ Плотность, г·см-3	0,543 1683 420 1400 475 1,12 2·105 1,45·1010 2,6·10-6 140 11,6 2,3	0,566 1210 370 3900 1900 0,67 60 2,4·1018 ,75·10-6 60 15,8 5,5	0,565 1511 670 8500 400 1,43 109 6·108 6,9·10-6 45 10,9 5,5	0,545 1640 1170 150 75 2,24 108 5,8·10-6 54 13,3

Наиболее перспективным полупроводниковым материалом для изготовления датчиков является арсенид галлия, который сохраняет работоспособность при более высоких температурах. В этом материале достаточно высокое значение постоянной Холла, что обусловливает хорошую чувствительность датчиков из GaAs. На основе GaAs возможно создание датчики, длительно работающих при температуре до 250 °С и кратковременно работающих при температуре до 300 °С. К важным достоинствам датчиков из GaAs относится также высокая линейность выходного сигнала по магнитной индукции (нелинейность не более 1-1,5%). [2]

Подвижность электронов GaAs примерно в шесть раз выше, чем в кремнии. Именно это обстоятельство привлекло большие исследовательские силы к разработкам ИС на GaAs.

Эпитаксиальный GaAs пригоден для изготовления датчиков на рабочие температуры вплоть до 770 К [4]. Приборы на основе GaAs успешно работают при высоких уровнях радиации, т.е. обладают бóльшей устойчивостью к дозовым эффектам, чем кремниевые аналоги. Установлено, что интегральные схемы на GaAs выдерживают в среднем импульсы излучения до 10¹⁰ рад/с. [5]. Высокая подвижность носителей важна во всех СВЧ-приборах, а также магнитных датчиках. Так же арсенид галлия характеризуется широкоим диапозоном значений удельных сопротивлений в сравнении с классическими полупроводниками как германий и кремний (рис2.1). [1]

Рис.2.1 Диапазоны значений удельных сопротивлений различных полупроводников.

Вследствие непрямого перехода зоны германиевые датчики требуют больших рабочих напряжений.

КПД арсенид галлиевых датчиков выше, а шумы значительно меньше кремниевых.

Возможность точной компенсации за счет неточного избыточного легирования позволила освоить промышленный выпуск высокоомных, так называемых "полуизолирующих", монокристаллов GaAs с удельным сопротивлением 10⁷... ...10⁸ Ом·см. Если при этом обеспечивается предельно

высокая чистота проведения операций, подвижность носителей может остаться на уровне 5000...7000 см²/ (В·с). Поэтому полуизолирующий GaAs может служить исходным материалом для изготовления транзисторов, причем создавать рn-переходы удается за счет введения мелких акцепторных и донорных примесей методом ионной имплантации. Так получают транзисторы и диоды ИС на GaAs, причем их взаимная изоляция обеспечивается самым простым и надежным способом - за счет высокого удельного сопротивления самого кристалла. Возможность такой изоляции на кремнии отсутствует из-за сравнительно высокой собственной концентрации, что вынуждает применять дополнительные конструктивно-технологические решения, иногда довольно сложные.

Помимо этих ограничений, преодолеваемых по мере совершенствования технологии, соединениям A^lllB^V присущ ряд недостатков, также сдерживающих их широкое внедрение [1]:

1. Низкая растворимость легирующих примесей, которые уже при концентрации свыше 1·10¹⁸ см^-3 начинают выпадать из твердого раствора и, образуя новые фазы, становятся электрически неактивными. Столь малая предельная концентрация носителей не обеспечивает достаточного уровня инжекции из эмиттерной области транзистора. (Этот недостаток можно преодолеть, изготовляя эмиттер из более широкозонного материала, т.е. на гетеропереходе, но за счет усложнения технологии) Биполярные транзисторы на соединениях A^IIIB^V неэффективны также из-за низкой подвижности дырок, что сводит на нет преимущество в быстродействии.