ОТЧЕТО ПРИКЛАДНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХРазработка семейства высокочувствительных интеллектуальных нано- и микроэлектронных датчиков и микросистем на их основе, характеризующихся повышенной устойчивостью к радиационным и температурным воздействиямпо теме:ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАКЕТНЫХ ОБРАЗЦОВ(промежуточный)

Цель: разработка конструкции интеллектуальных высокочувствительных датчиков физических воздействий нового поколения с повышенными требованиями к воздействию внешних факторов, изготовленных по субмикронным технологиям. Разработаны конструкции, изготовлены и изучены чувствительные элементы датчиков магнитного поля и температуры на основе двухзатворного тонкопленочного кремниевого полевого транзистора со встроенным обогащенным каналом, изготавливаемого по технологии "кремний на изоляторе" (КНИ). Разработаны и изготовлены лабораторные образцы микросистем датчиков магнитного поля и температуры с частотным выходом, и исследованы их основные характеристики. Предложен и изготовлен тестовый модуль чувствительных элементов КНИ-датчиков магнитного поля и температуры для одновременного получения данных о воздействии магнитного поля и температуры и дополнительных данных для физического моделирования, позволяющий определять зависимость чувствительности от геометрических размеров и топологии. Изучены возможности повышения радиационной стойкости двухзатворных тонкопленочных кремниевых полевых транзисторов со встроенным обогащенным каналом, изготавливаемых по технологии КНИ. Предложен режим эксплуатации КНИ-чувствительных элементов на основе изменения полярности потенциалов управляющих затворов чувствительного элемента, обеспечивающий существенное повышение их устойчивости к ионизирующему излучению. Установлено, что предлагаемый в научно-технической литературе способ повышения радиационной стойкости кремниевых МОП-приборов путем дополнительной обработки подзатворного диэлектрика пучками различных ионов неоднозначен и научно не обоснован. Показано, что химическая природа бомбардирующих ионов может существенно влиять на радиационное дефектообразование и электрические характеристики подзатворных диэлектриков и кремниевого канала КНИ-транзисторов, причем подобные эффекты не учитываются современной радиационной физикой полупроводников. Исследованы особенности вольт-амперной характеристики (ВАХ) двухзатворного тонкопленочного кремниевого полевого транзистора со встроенным обогащенным каналом, изготавливаемого по технологии КНИ, в области лавинного умножения носителей тока (т.е. в условиях сильных продольного и поперечного электрических полей в канале транзистора). Выявлено, что возникающие на этом участке ВАХ-осцилляции тока канала могут быть использованы для создания магниточувствительного датчика с частотным выходом. Отличительной особенностью такого преобразователя является возможность управления значением основной частоты генерации датчика (т.е. частоты в отсутствие магнитного поля), напряжением питания и потенциалом затворов чувствительного элемента. Исследованная схема позволяет варьировать рабочую частоту в пределах 100 - 700 кГц. Максимальная чувствительность преобразования составляет около 200 Гц/мТл. Разработана конструкция датчика магнитного поля с частотным выходом на основе схемы аналога негатрона и КНИ-двухзатворного тонкопленочного кремниевого полевого транзистора со встроенным обогащенным каналом в качестве чувствительного элемента. Функционирование датчика основано на управлении электрическим режимом генератора мультивибраторного типа (основной частотой мультивиратора) магнитоиндуцированным сигналом чувствительного элемента. Номиналом основной частоты можно управлять потенциалом затворов чувствительного элемента. Исследованная схема позволяет варьировать рабочую частоту в пределах 50 - 1000 кГц. Максимальная чувствительность преобразования составляет около 2 кГц/мТл при основной частоте 400 кГц. Показано, что частота преобразования пропорционально возрастает при увеличении основной частоты генерации датчика. Предложена конструкция датчика температуры поля с частотным выходом на основе схемы аналога негатрона и КНИ-двухзатворного тонкопленочного кремниевого полевого транзистора со встроенным обогащенным каналом в качестве чувствительного элемента. Функционирование датчика основано на изменении сопротивления канала чувствительного элемента при изменениях температуры. Номиналом основной частоты можно управлять потенциалом затворов чувствительного элемента. Исследованная схема позволяет варьировать рабочую частоту в пределах 50 - 1000 кГц. Экспериментальыне исследования преобразования температурного воздействия в частоту проводились в диапазоне температур -5 - 60ºС, что характерно для условий внутри космического аппарата, снабженного устройством внутреннего термостатирования. Показано, что такая конструкция датчика позволят получать чувствительность преобразования порядка 1 кГц/ºС при основной частоте 200 кГц. Разработаны схемотехнические методы, позволяющие улучшить характеристики чувствительных элементов и датчиков магнитного поля и температуры, основанные на модуляции тока канала потенциалом управляющих затворов КНИ-чувствительных элементов и использовании полевых затворов для организации цепей обратной связи, включающих сигналы, индуцированные магнитным полем или температурой. Изготовлены макетные образцы соответствующих датчиковых устройств. Изучен способ стабилизации частоты собственных осцилляций, возникающих в двухзатворном КНИ-транзисторе со встроенным каналом (т.е. в чувствительном элементе датчиков магнитного поля и температуры) на участке лавинного умножения носителей тока за счет организации обратной связи между индуцированным сигналом и потенциалом управляющих затворов. Этот способ позволил стабилизировать частоту автоколебаний датчика и повысить точность измерений. Проведен анализ возможных применений радиационно стойких датчиков магнитного поля и температуры. Разработанные датчики могут быть использованы в аппаратуре космических аппаратов и летательных систем, которая традиционно строится на применении множества датчиков температуры, магнитного поля и тока для контроля за состоянием ее узлов и последующей передачи данных по телеметрическим каналам связи. Анализ показал, что для удобства эксплуатации аппаратуры, уменьшения массогабаритных показателей, устранения зависимости от импортной элементной базы в этой области и снижения стоимости электронно-компонентной базы датчики температуры и магнитного поля нужно распологать в составе одной платы.