Гетеромагнитная микроэлектроника (стр. 1 )

Министерство обороны Российской Федерации

Министерство промышленности и энергетики Саратовской области

ПАО «Тантал», критических технологий»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Саратовский государственный университет имени »

Гетеромагнитная

микроэлектроника

Сборник научных трудов

Выпуск 19

Гетеромагнитная микро - и наноэлектроника.

Методические аспекты физического образования.

Экономика в промышленности

Под редакцией профессора А. В. Ляшенко

Саратов

Издательство Саратовского университета

2015

УДК 621.382.029.6

ББК 548.537.611.44

Г44

Г44	Гетеромагнитная микроэлектроника : сборник научных трудов / под ред. проф. . – Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2015. – Вып. 19 : Гетеромагнитная микро - и наноэлектроника. Методические аспекты физического образования. Экономика в промышленности. – 148 с. : ил.

В настоящем выпуске сборника представлены материалы по гетеромагнитной микроэлектронике, моделированию усилителей, исследованию тепловых процессов, преобразованию данных в вычислительной технике, методическим аспектам физического образования, инновациям в промышленности и глобальной экономике.

Для специалистов-разработчиков, экспертов, работающих в области микро - и наноэлектроники, а также докторантов, аспирантов и студентов.

Редакционная коллегия:

, д-р физ.-мат. наук, проф. (отв. редактор); М. Н. Куликов, канд. физ.-мат. наук, проф. (зам. отв. редактора); , канд. физ.-мат. наук, доц. (отв. секретарь); , д-р экон. наук, проф., акад. РАН; , д-р техн. наук, член-корр. РАН; , д-р физ.-мат. наук, проф., член-корр. РАН; , д-р техн. наук, член-корр. РАН; , д-р экон. наук, проф.; , д-р экон. наук, проф.; , канд. экон. наук, проф., акад. РАЕН; , д-р. техн. наук, проф.; , канд. экон. наук; , канд. техн. наук, доц.; , канд. физ.-мат. наук, доц.; , канд. техн. наук., доц.; , д-р техн. наук, проф.; , канд. физ.-мат. наук, доц.; , канд. техн. наук, доц.; , зам. нач. КБ КТ по общим вопросам (референт критических технологий»)

УДК 621.382.029.6

ББК 548.537.611.44

ISSN 1810-9594

Ó ПАО «Тантал», 2015

Предисловие

В уходящем 2015 г. все документы по сборнику научных трудов «Гетеромагнитная микроэлектроника» были переоформлены в соответствии с новыми требованиями ВАК РФ и прошли необходимую экспертизу.

В сборнике, внесенном в Перечень ведущих рецензируемых изданий, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертационных исследований на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, с 1 декабря 2015 г. публикуются материалы, соответствующие рубрикам:

- 01.04.00 «Физика»;

- 05.12.00 «Радииотехника и связь»;

- 05.13.00 «Информатика, вычислительная техника и управление»;

- 05.27.00 «Электроника»;

- 08.00.00 «Экономика».

В настоящем выпуске сборника «Гетеромагнитная микроэлектроника» содержатся статьи, посвященные следующим вопросам:

-  исследование тепловых процессов в различных устройствах микро - и радиоэлектроники;

-  экранировка магниточувствительных преобразователей;

-  моделирование широкополосных усилителей;

-  расчет характеристик магниточувствительного автогенератора;

-  преобразование данных и криптография;

-  методические аспекты и проблемы обучения в магистратуре;

-  формирование нелинейности в динамических радиофизических системах;

-  экономические проблемы, связанные с венчурным финансированием инновационной деятельности.

В приложении приводятся материалы круглого стола по теме «Человек и свет в естественнонаучной и художественной картине мира».

Ответственный редактор доктор физико-математических наук, профессор А. А. Игнатьев

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ,

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

удк 53.088.228

Исследование влияния температуры на смещение нуля

выходного сигнала магниторезистивного датчика

, *, **

Саратовский государственный университет

Россия, 410012, Саратов, Астраханская, 83

E-mail: *****@***ru

* критических технологий»

Россия, 410040, Саратов, пр. 50 лет Октября, 110А

E-mail: *****@***ru

**ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. »

Россия, 603950, Нижний Новгород, ГСП-486, НИИИС

E-mail: *****@***nnov. ru

В работе представлены результаты разработки схемы цифрового магнитометра, построенного на базе отечественного аналогового магниторезистивного чувствительного элемента, оценено смещение нуля выходного сигнала в температурном диапазоне от –50°С до 50°С. Приведен пример компенсации смещения нуля выходного сигнала программно-алгоритмическим путем.

Ключевые слова: магниторезистор, магнитометр, импортозамещение, смещение нуля, температура, температурный дрейф.

Temperature Effects on Zero Offset Output Magnetoresistive Sensor

А. A. Ignatiev, D. M. Spiridonov, L. I. Prokofiev

The paper presents the results of a digital circuit magnetometer, built on the basis of domestic magnetoresistive analog sensor, rated zero offset output in the temperature range from –50°C to 50°C. An example of a zero offset compensation output software and algorithmic way.

Key words: magnetoresistor, a magnetometer, import substitution, zero offset, temperature, temperature drift.

Магниторезистивный эффект в общем случае представляет собой изменение электрического сопротивления материала, вызываемое магнитным полем. Существует несколько видов магниторезистивного эффекта. В данной статье речь пойдет о датчике, работающем на анизотропном магниторезистивном эффекте, который впервые был обнаружен в 1856 г. Уильямом Томсоном. Теория этого эффекта была построена в середине XX в. и в дальнейшем уточнялась и дополнялась. Анизотропный магниторезистивный эффект по своей природе является квантово-механическим и заключается в изменении сопротивления образца ферромагнитного материала в зависимости от угла направления вектора намагниченности образца по отношению к направлению протекания электрического тока через него, а также от величины напряженности воздействующего магнитного поля. Играет роль и то, под каким углом течет ток по отношению к некоторому выделенному направлению кристаллической решетки образца (ось легкого намагничивания), вдоль которого изначально ориентированы магнитные домены.

Магниторезистивные чувствительные элементы, реализующие принцип анизотропного магниторезистивного эффекта, представляют собой интегральную схему, состоящую из подложки, на которой определенным образом сформированы четыре магниторезистора, объединенные в мост Уитстона и катушку индуктивности. Внешний вид и электрическая схема рассматриваемого магниторезистивного чувствительного элемента (МРЧЭ), разработанного в ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. », представлены на рис. 1, где R1–R4 – магниторезисторы, образующие мост Уитстона, L1 – катушка индуктивности, ±Set/Reset – выводы питания катушки индуктивности, ±Uпит – выводы питания моста Уитстона, ±Uвых – выводы выходного напряжения.

Рис. 1. Магниторезистивный чувствительный элемент: а – внешний вид; б – электрическая схема

Изменение сопротивления магниторезистора при изменении напряженности магнитного поля во всем измеряемом диапазоне не превосходит нескольких процентов от его номинального значения. В соответствии с этим изменение напряжения между выходами МРЧЭ также имеет небольшую величину (десятки милливольт) [1]. Для построения на таком элементе датчика магнитного поля, обладающего высокой разрешающей способностью и вместе с тем широким диапазоном измерения, необходимо использовать схему усиления, фильтрации и цифровой обработки сигнала.

Для исследования влияния изменения температуры на выходной сигнал магниторезистивного датчика был разработан и изготовлен макет, включающий в себя МРЧЭ, схему усиления и оцифровки сигнала, а также микроконтроллер, системы перемагничивания и питания. Блок-схема макета, где ДУ – дифференциальный усилитель, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, МК – микроконтроллер, ДТ – датчик температуры, ФИП – формирователь импульсов перемагничивания, RS 485 – выходной интерфейс, ИОН – источник опорного напряжения, ИП – источник питания, Tx, Rx – сигнальные выводы, Uпит – вход напряжения питания, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема макета

Сигнал с выхода МРЧЭ усиливается дифференциальным усилителем и подается на дифференциальный вход АЦП. Оцифрованный сигнал поступает в микроконтроллер, где могут быть реализованы различные алгоритмы фильтрации и компенсации смещения нуля. Для формирования контура обратной связи по температуре в схему включен интегральный датчик температуры [2]. Для компенсации эффекта разориентации доменной структуры МРЧЭ и снижения его чувствительности в схему включен формирователь импульсов перемагничивания, образующий мощные кратковременные импульсы тока через интегрированную в структуру МРЧЭ катушку индуктивности, восстанавливающие доменную структуру магниточувствительного материала. Источник опорного напряжения схемы используется для питания МРЧЭ высокостабильным напряжением и для формирования опорного напряжения АЦП. Источник питания осуществляет подачу напряжения на все остальные элементы схемы [3].