مستشعرات الحقل المغناطيسي تعمل في درجات حرارة عالية وبيئة إشعاعية قاسية

مستشعرات الحقل المغناطيسي تعمل في درجات حرارة عالية وبيئة إشعاعية قاسية

Hall effect magnetic field sensors for high temperature and harsh environment

عبد القادر عبد الرحمن، شوتا كويدي، أدارش ساندو

ترجمة: ملك فتال

abed alQader

الدكتور عبد القادر عبد الرحمن

قام الباحث الدكتور عبد القادر عبد الرحمن وفريق من الباحثين من جامعة تويوهاشي للتكنولوجيا في اليابان تحت اشراف البروفيسور “أدارش ساندو” بصناعة مستشعرات الحقل المغناطيسي تعتمد على تأثير هول (Hall effect) تعمل في درجات حرارة عالية تتعدى الأربعمائة درجة مئوية (ºC 400) في ظروف طبيعية قاسية كإشعاعات بروتونية ذات طاقة وتدفق عاليتين وذلك باستعمال بنية متغايرة (heterostructure or heterojunction)  من نتريد الغاليوم (Gallium Nitride GaN) ذات غاز ثنائي الأبعاد (Two-Dimensional Electron Gas or 2DEG) كما توضّح الصورة ١- أ.

مستشعرات الحقل المغناطيسي (magnetic sensors) من نوع مستشعرات هول (Hall effect magnetic sensors) والتي تعتمد في تركيبتها على نصف النواقل من نوع السليكون والمواد المركبة من العناصر (III-V) من الجدول الدوري للعناصر كأرسنيد (زرنيخيد) الغاليوم (Gallium Arsenide GaAs) مثلا، لها استعمالات كثيرة في مجال الصناعة الإلكترونية لمراقبة السرعة والحركة في الآلات كأقراص التخزين الضوئية (optical memory disks)، وفي كشف العملات النقدية في آلات البيع (banknote authentication in vending machines). لكن استعمال هذا النوع من المستشعرات في الآلات المستخدمة في الفضاء الخارجي كالأقمار الصناعية (satellites) وروبوتات استكشاف الكواكب (Planetary exploration vehicles) وفي محطات الطاقة النووية يعتبر التحدي الكبير بسبب تأثير تغيرات درجة الحرارة والبيئة الاشعاعية الصعبة واللتان يمكنهما تغيير خصائص الاستشعار وفي احيانا أخرى حتى إلى تغيير بنية مادة العناصر المركبة للمستشعرات.

لتخطي حاجز تأثير تغيرات درجة الحرارة والإشعاعات ذات التدفق العالي، قام فريق البحث بصناعة مايكرو دفايسز (micro devices) جديدة باستعمال طبقات متتالية (متغايرة) من نتريد الغاليوم (Gallium Nitride GaN) ونتريد ألمنيوم الغاليوم (Aluminum Gallium Nitride AlGaN) ذات البنية المبينة في الصورة ١- أ. بفضل خصائص نتريد الغاليوم ونتريد ألمنيوم الغاليوم، عدد كبير من الإلكترونات ينتقل من الطبقة الرابعة والمتمثلة في نتريد ألمنيوم الغاليوم إلي الطبقة الثالثة والمتمثلة في نتريد الغاليوم لتتجمع هذه الإلكترونات عند السطح البيني (Interface) داخل طبقة نتريد الغاليوم لتشكل غاز إلكتروني ثنائي الابعاد (2DEG) ذو كثافة الكترونية عالية. الغاز الإلكتروني ثنائي الابعاد ممثل بالطبقة الحمراء في الصورة ١- أ، سمك هذه الطبقة مقدر بحوالي ١٠ نانومتر. الإلكترونات المتجمعة بين نتريد الغاليوم وألمنيوم نتريد الغاليوم تعطي لهذه المايكرو دفايسز ناقلية عالية (high mobility). هتان الخاصيتان -من سمك رقيق وناقلية عالية- مثاليتان لصنع مستشعرات من نوع هال ذات استشعار عالي (high magnetic sensitivity).

abed alQader2

الصورة ١- البنيات المتغايرة لمستشعرات الحقل المغناطيسي من نوع هال (Hall effect magnetic sensors). أ – البنية المتغايرة AlGaN/GaN ، ب – البنية المتغايرة AlGaAs/GaAs، و ج – البنية المتغايرة AlInSb/InAsSb/AlInSb.

قام فريق البحث بدراسة تأثير تغيرات درجة الحرارة على الميكرو دفايسز ذوات البنية المتغايرة AlGaN/GaN الممثلة في الصورة ١- أ، وقارنوا النتائج مع الميكرو دفايسز التي تعتمد في تركيبتها على أرسنيد الغاليوم (GaAs) ذوات البنية المتغايرة (AlGaAs/GaAs) المبينة في الصورة ١- ب، وأنتمنيد الإنديوم (Indium Antimonide InSb) ذوات البنية المتغايرة (AlInSb/InAsSb/AlInSb) المبينة في الصورة ١- ج. مستشعرات الحقل المغناطيسي من نوع هول التي تعتمد في بنيتها التركيبية على البنية المتغايرة (AlGaN/GaN) أظهرت حساسية مغناطيسية ثابتة رغم تغيرات درجة الحرارة الكبيرة والتي وصلت الى أربعمئة درجة مئوية (ºC 400) بينما فشلت المستشعرات الاخرى والتي تعتمد في بنيتها التركيبية على البنية المتغايرة (AlGaAs/GaAs و AlInSb/InAsSb/AlInSb) في درجات حرارة أقل كما هو موضح في الصورة ٢.

abed alQader5

الصورة ٢- تغير الحساسية المغناطيسية (magnetic sensitivity) بدلالة تغيرات درجة الحرارة (Temperature) لمستشعرات الحقل المغناطيسي من نوع هال [1].

علاوة على ذلك، المستشعرات التي تعتمد في تركيبتها على البنية المتغايرة AlGaN/GaN أظهرت مقاومة كبيرة ضد إشعاع من البروتونات ذات طاقة عالية جدا التي تقدر بـثلاثمئة وثمانين إلكتروفولط (380 keV) وتدفق عالي جدا والذي يقدر بـ : ١٤١٠ بروتون/سم٢، حيث أن الحساسية المغناطيسية (magnetic sensitivity) بقيت تقريبا ثابتة قبل وبعد تعريض العينات للإشعاع رغم تدهور الناقلية الالكترونية للعينات كما هو مبين في الصورة ٣.

abed alQader6

الصورة ٣ – تغيرات الحساسية المغناطيسية والناقلية بدلالة تغيرات تدفق البروتونات [2].

هذه الخصائص الفريدة لهذا النوع الجديد من المستشعرات من نوع تأثير هول (Hall effect senssor based on AlGaN/GaN heterostructure) تمكننا من دراسة المجالات المغناطيسية الحديدية (ferromagnetic domains) للمواد المغناطيسية الحديدية (Ferromagnetic materials) باستعمال مجهر ماسح مزود بمسبار هول في درجات حرارية عالية (high-temperature scanning Hall probe microscope) [3]. وفي الأخير خصائص المستشعرات بعد تعريضها لتدفق عالي وطاقة عالية من حزمة بروتونيية تتيح استعمال هذه المستشعرات في الفضاء الخارجي ومن دون حماية في المدار الأرضي المنخفض (Low Earth Orbit or LEO) لبضع الاف السنين تصل لـ  ٣٥٠٠ سنة.

المراجع:

[1] S. Koide, H. Takahashi, Abdelkader Abderrahmane, I. Shibasaki and A. Sandhu・High Temperature Hall sensors using AlGaN/GaN HEMT Structures・Journal of Physics: Conference Series・352, 012009 (1 to 4)・2012. Highlighted in Toyohashi University of Technology’s newsletter, Phys.org, sciencedaily.com.

[2] Abdelkader Abderrahmane, S. Koide, T. Tashiro, H. Okada, H. Takahashi, S. Sato, T. Ohshima and A. Sandhu・Effect of proton irradiation on AlGaN/GaN micro-Hall sensors・Applied Physics Letters・102 (193510-1 to 193510-4)・2013. Highlighted in Toyohashi University of Technology’s newsletter, advanceseng.com.

[3] Z. Primadani, H. Osawa, and A. Sandhu・High temperature scanning Hall probe microscopy using AlGaN/GaN two dimensional electron gas micro-Hall probes・Journal of Applied Physics・101, 09K105・2007.

تعليقات

تعليقات