مقسم التيار الكهربائي ذو المستشعر المغناطيسي

يظهر هناك مفهوم جديد للمستشعر المغناطيسي والمقسم للتيار الكهربائي، وهو المتوافق تماماً مع تقنية (FinFET) للسيليكون على العازل (SOI)، بحيث يجلب الجهاز الرباعي الأطراف المصنوع بشكل ثنائي البوابة؛ تغييراً لخطوة محسوبة في قدرات مستشعر (SOI) المتكامل، كما أن حساسيته النسبية الحالية المقاسة تصل إلى (3400٪)، أي حوالي (T-1) عند (2 μA) من إجمالي تيار الإمداد.

أهمية مقسم التيار الكهربائي ذو المستشعر المغناطيسي

تُستخدم الدوائر المتكاملة ذات القدرة الذكية (ICs) الحساسة للمغناطيسية (MS) لاكتشاف موضع أو دوران الأجسام المغناطيسية، كذلك المقاييس المغناطيسية المحمولة والتي تعمل بالبطاريات واستشعار التيار الكلفاني للحماية الزائدة الحالية، من بين تطبيقات مختلفة أخرى، بحيث تتطلب الرغبة في زيادة كثافة الجهاز (تكلفة أقل) ووظائفه (نسبة إشارة إلى ضوضاء أفضل وموثوقية أعلى) لـ (MS ICs) دمج المستشعرات المغناطيسية على الرقاقة في تقنية (CMOS) السائدة.

ومن بين العديد من عمليات (CMOS) المبتكرة؛ فإن تقنية (SOI) بغشاء السيليكون الرقيق المستنفد بالكامل (FD) مع الترانزستورات متعددة البوابات (FinFETs) هي مرشح رئيسي للجيل القادم من (MS ICs)، وحتى الآن تم تركيز الجهود على دمج (MagFETs) في عمليات (CMOS)، كذلك تظهر الحساسية المغناطيسية النسبية التي تم تحقيقها باستخدام (FD SOI MagFETs) المستوية عادةً في نطاق (Sr∼10 -15٪ T − 1).

كما ويكون أداء هذه الأجهزة محدود بشكل أساسي بسبب ضعف حركة الإلكترونات في طبقة الانعكاس، كما تم اقتراح بوابة (FinFET) على شكل حرف (L)، والتي تنشأ حساسيتها المغناطيسية من الاختلاف المكاني للتنقل الحامل في واجهات الواجهة الأمامية والخلفية والجانبية، وباستخدام المحاكاة العددية؛ فقد تم التنبؤ بالحساسية المغناطيسية النسبية لـ (MagFET) المستندة إلى (FinFET) لتكون (Sr∼30 ٪ T 1).

ومن أجل تحقيق تغيير تدريجي، وبدلاً من الزيادة في أداء الحساسية لمستشعر مغناطيسي متكامل؛ فإن هناك حاجة إلى مفهوم جهاز جديد، بحيث تقدم هذه الرسالة قياسات التصنيع والتشغيل والحساسية لجهاز استشعار مغناطيسي مزدوج البوابة ذي أربعة أطراف مقترحة حديثاً متوافق تماماً مع تقنية (SOI FinFET)، بحيث تظهر النماذج الأولية المصنعة حساسية مغناطيسية عالية جداً (Sr> 3000) عند (2μA) من إجمالي تيار العرض.

وبالنهاية تُعزى الحساسية المتزايدة بشكل كبير إلى التوصيل الخيطي الحالي مع حلقة الانحراف المغناطيسي الداخلية، وذلك بالاعتماد على الحركة العالية للإلكترونات السائبة التي تؤدي إلى اختلافات تيار معززة في أطراف التصريف.

تصنيع جهاز مقسم التيار الكهربائي ومبدأ التشغيل

يوضح الشكل التالي (1) صورة مجهرية وتخطيطي ثلاثي الأبعاد لجهاز استشعار مغناطيسي مُصنع، وهي خطوات العملية الرئيسية موضحة وموصوفة في الشكل التالي (2)، كما تحتوي رقاقة البداية (SOI) على أكسيد مدفون بسمك (500) نانومتر (BOX)، كذلك طبقة سيليكون [320nm ⟨100⟩] أعلى (BOX)، وهي نوع (P−) بشكل جوهري بتركيز منشط قدره (1014 سم − 3) وذلك حسب الشكل (2-a).

وبالمقارنة مع تقنية (SOI FinFET) القياسية؛ يتطلب تصنيع هذا المستشعر المغناطيسي الجديد خطوة إخفاء إضافية واحدة فقط لإزالة قسم بوابة البولي سيليكون فوق منطقة (P) الجوهرية لمنطقة الزعنفة، وذلك كما هو موضح في الشكل (2-d)، كما أنها ليست هناك حاجة إلى مواد إضافية أو أي معدات دقيقة.

كما يحتوي هيكل المستشعر المصنوع ثنائي البوابة على منطقة زعنفة كبيرة بحجم (5) مايكرومتر × (9) مايكرومتر، بحيث يُشار إلى بوابات البولي سيليكون في الشكل السابق (1-a)، وذلك على أنها (G1 ،G2)، بحيث يبلغ سمك أكسيد البوابة (20) نانومتر، كما ويبلغ طول مناطق البوابة (3) ميكرون، ولغرض القواسم المشتركة مع تقنية (FinFET)؛ فإنه يتم تسمية محطات الجهاز بالمصادر (S1 ،S2) والمصارف (D1 ،D2)، ولكنها تعمل بشكل فعال كبواعث ومجمعات.

أيضاً يبلغ طول مناطقها المنتشرة (0.5) مايكرومتر ويتم تصنيعها باستخدام منشطات متطابقة من (N +)، وذلك بتركيز يصل إلى حوالي (1020) سم3، كما تم إنشاء منطقتين عائمتين من النوع (P) بتركيز منشطات يبلغ (9-1017) سم3 بين المصادر والمصارف لتوفير تكوين خيوط تيار أضيق في منتصف المنطقة الجوهرية.

ألية التشغيل الخاصة بالمستشعر المغناطسي الخاص بتقسيم التيار

لتشغيل جهاز الاستشعار المغناطيسي؛ فإنه يتم تطبيق جهد إيجابي عند ملامسات البوابة لإنشاء قنوات إلكترونية كذلك يتم الاحتفاظ بجهات اتصال المصدر عند (0) فولت، وعندما يتم تطبيق جهد موجب عند ملامسات (D1 ،D2)؛ فإنه ينتشر مجال التصريف الكهربائي في جميع أنحاء المنطقة غير المنبسطة ليصل في النهاية إلى قناة (G1).

كذلك يستحث تأثير حقن حامل طبقة الانعكاس (MOS) من قناة (G1)، مما يخلق خيوطاً حالية للإلكترونات التي تنتقل من المصادر إلى المصارف في منطقة الكتلة غير المكسوة، وذلك كما هو موضح في نتائج محاكاة الجهاز ثلاثي الأبعاد الموضحة في الشكل التالي (3-b)، بحيث ينتج تكوين الفتيل الحالي، والذي له كثافة إلكترون قصوى على طول محور التماثل (z) للجهاز، كما ويدل عن توزيع محدد يشبه السرج للخطوط المحتملة في المنطقة غير المكسوة التي تحدث بسبب وجود منطقتين عائمتين من نوع (P) مخدر موضحة في الشكل (1).

وبمجرد وصوله إلى منطقة (G2)؛ ينقسم خيوط الإلكترون مكوناً مكونين متساويين للتيار الداخلي، وهما (IDS1) بين طرفي (S1 ،D1 ،IDS2)، وبين طرفي (S2 ،D2)، وفي حالة عدم وجود مجال مغناطيسي؛ فإن هذين التيارين متطابقة (IDS1 –IDS2 = 0)، بحيث سيؤدي وجود مجال مغناطيسي إلى انحراف الإلكترونات في الفتيل الحالي مما يؤدي إلى اختلاف تيار، (IDS1 IDS2 = I)، وذلك عن طريق قياس (I)، بحيث يمكن للمرء تحديد قيمة المجال المغناطيسي.

اختبار الحساسية المغناطيسية والنتائج المتوقعة

تم استخدام نظام محطة التحقيق (LA-150)، وذلك من قبل (INSETO) لاختبار حساسية المستشعر المغناطيسي، بحيث يحتوي على ظرف (150) مم، وذلك بحركة (x-y-z) كاملة وبصريات ثنائية الوضع لكل من المجهر وعرض الفيديو الرقمي، بحيث تقوم محطة المسبار بتوصيل الجهاز قيد الاختبار بنظام توصيف أشباه الموصلات (Keithley 4200-SCS) بقدرة (200V / 1A-DC) وقياس النبض (CV).

أيضاً تم إنتاج المجال المغناطيسي بواسطة النطاق عمودي على سطح ظرف بواسطة مغناطيس كهربائي مدمج في لوحة الظرف ومستوى مع سطح الظرف، ومن خلال التحكم الدقيق في تيار إمداد الملف؛ فإنه تم إنشاء شدة المجال المختلفة (∣∣∣By → ∣∣∣) من (0 إلى 65mT) في خطوات (5mT) في الموقع والتحقق منها باستخدام مقياس مغناطيسي رقمي دقيق.

وأخيراً يتم وصف عملية التشغيل والتصنيع وقياس الحساسية لمستشعر مغناطيسي جديد ذي بوابة مزدوجة ذات بوابة مزدوجة ومتوافق تماماً، أي (لا حاجة إلى مواد إضافية أو تصنيع دقيق) مع تقنية (SOI FinFET)، ونظراً للحركة العالية للإلكترونات التي يتم إجراؤها بكميات كبيرة وحلقة تعزيز انحراف التيار الداخلي؛ أظهر النموذج الأولي لجهاز الاستشعار المغناطيسي (5 مايكرومتر × 9 مايكرومتر).

أيضاً تكون (Sr) بقيمة تزيد عن (3000 ٪ T 1)، وذلك عند (2μA) من تيار العرض، حيث إنه أعلى معدل تم الإبلاغ عنه بين أجهزة الاستشعار المدمجة بأشباه الموصلات المصنّعة في تقنية (FD SOI) ويمثل بوضوح خطوة تغيير في أداء المستشعرات المغناطيسية المدمجة.

شاهد أيضاً

التحقق من مقسم الجهد الكهربائي السعوي ودرجة الاعتماد

يتكون الإعداد المرجعي لمعايرة النظام لأنظمة قياس خسارة المحولات الصناعية (TLM) من ثلاثة مكونات رئيسية، …