Сергійчук В. В. Фотостимульований планарний сенсор Холла з підвищеною чутливістю

English version

Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії

Державний реєстраційний номер

0826U004236

Здобувач

Спеціальність

  • 171 - Електроніка

Спеціалізована вчена рада

PhD 16667

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Анотація

Дисертаційна робота присвячена розробці фотостимульованого планарного сенсора Холла на основі сульфіду кадмію (CdS) з підвищеною чутливістю та розширеним динамічним діапазоном вимірювання магнітного поля. Робота спрямована на вирішення актуальної науково-технічної проблеми, пов'язаної з обмеженими можливостями класичних сенсорів Холла щодо адаптивного керування їх чутливістю, яка визначається електрофізичними властивостями матеріалу та геометрією активної області. Запропонований підхід ґрунтується на використанні фотогенерації носіїв заряду як незалежного каналу керування параметрами сенсора без зміни його конструкції та електронної частини вимірювальної системи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовано мету та завдання роботи, визначено об'єкт, предмет і методи дослідження, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. У першому розділі проведено аналіз сучасного стану розвитку сенсорів Холла, розглянуто основні різновиди ефектів Холла, особливості макро-, мікро-, нано- та квантових пристроїв, виконано аналіз існуючих математичних моделей, матеріалів і топологій сенсорів. Показано, що більшість сучасних способів підвищення чутливості реалізується на етапі виготовлення сенсора і не забезпечує можливості її зміни під час експлуатації. Обґрунтовано доцільність використання фоточутливого монокристалічного CdS як матеріалу активної області сенсора. У другому розділі розроблено математичну модель фотостимульованого планарного сенсора Холла, яка враховує фотогенерацію носіїв заряду, зміну концентрації електронів і дірок, їх рухливості, а також ефективної товщини активної області. На основі рівнянь електропровідності, неперервності та гальваномагнітних явищ отримано аналітичні залежності між параметрами опромінення, магнітним полем і напругою Холла. Проведено дослідження впливу інтенсивності оптичного випромінювання, коефіцієнта поглинання, часу життя нерівноважних носіїв заряду та ефективної товщини активної області на характеристики сенсора. Визначено умови, за яких забезпечується максимальне підвищення його чутливості. У третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень розробленого сенсора. Досліджено залежності напруги Холла від індукції магнітного поля за різних режимів оптичного опромінення, побудовано амплітудно-частотні та фазо-частотні характеристики, виконано порівняння експериментальних результатів із математичною моделлю. Проведено чисельне моделювання фізичних процесів у кристалі CdS методом скінченних елементів, що підтвердило лінійний характер зміни напруги Холла в межах прийнятих припущень та дозволило встановити межі застосовності розробленої моделі. Показано, що відхилення експериментальних характеристик від результатів моделювання обумовлені контактними явищами, шумами, паразитними параметрами та нелінійними ефектами, які не враховуються під час чисельного моделювання. У четвертому розділі запропоновано методику вимірювання індукції магнітного поля з використанням фотостимульованого сенсора Холла в режимах великого та малого сигналу. Розроблено еквівалентну електричну схему сенсора, досліджено його передавальні, амплітудно-частотні та фазо-частотні характеристики, визначено основні параметри вимірювальної системи та обґрунтовано можливість адаптивного керування чутливістю за рахунок зміни параметрів оптичного опромінення. Наукова новизна одержаних результатів полягає у розробленні нового типу фотостимульованого планарного сенсора Холла, в якому активна область формується під дією оптичного випромінювання. Удосконалено математичну модель сенсора, яка враховує фотогенерацію носіїв заряду та зміну ефективної товщини активної області. Визначено оптимальні параметри опромінення, що забезпечують істотне підвищення чутливості сенсора, та розроблено методику вимірювання магнітного поля у широкому динамічному діапазоні. Практичне значення роботи полягає у створенні фотостимульованого сенсора Холла, який забезпечує кероване підвищення чутливості у 1,8–2,1 раза, збільшення чутливості за напругою з 0,06±0,006 до 0,12±0,012 мВ/мТл, розширення смуги пропускання з 200–210 кГц до 270–280 кГц та вимірювання магнітної індукції у діапазоні 10⁻⁵–1 Тл без зміни конструкції сенсора. Результати роботи можуть бути використані при створенні адаптивних магнітометрів, сенсорів струму, позиційних сенсорів, систем неруйнівного контролю та інших вимірювальних систем. За результатами дослідження опубліковано чотири наукові праці, у яких висвітлено основні положення дисертації, зокрема одну статтю, що індексується в базі Scopus, дві статті у фахових виданнях України категорії Б та матеріали міжнародної наукової конференції.

Публікації

Sergiichuk V., Oliinyk O., "Modelling of the Planar Hall Sensor with Photosensitive Active Area," 2023 46th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE), Timisoara, Romania, 2023, pp. 1-4

Sergiichuk V., Oliinyk O.. “State of the art and outlook for development of Hall effect sensors for electronic devices”. Technology and design in electronic equipment, 2024, no. 3 –4, pp. 3–14

Research of the Photocapacitor Effect in A2B6 Monocrystals", O.Oliinyk, O.Tsybulskyi, V.Sergiychuk and B.Tsyganok, 2019 42nd International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE), Wroclaw, Poland, 2019, pp. 1-2

Sergiichuk V., Oliinyk, O. “Development of a mathematical model for a CdS-based photosensitive Hall sensor”. Technology and Design in Electronic Equipment, 2025, (3–4), 15-21.

Файли

Схожі дисертації