СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОСИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ТРЕХ КОМПОНЕНТ ВЕКТОРА МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
METHOD OF MAKING MICROSYSTEM FOR DETECTING THREE MAGNETIC INDUCTION VECTOR COMPONENTS

Изобретение относится к электронике, в частности к технологии микро- и наноэлектроники, и может быть использовано в производстве гибридных микросистем анализа слабого магнитного поля для таких приборов, например, как электронный компас, магнитометр, магнитный дефектоскоп, магнитовизор.
-7
В настоящее время существуют несколько типов трехмерных датчиков магнитного поля. Например, для коррекции курсового канала в навигационных системах наиболее применяемым типом датчика является магнитоиндукционный датчик магнитного поля Земли. Датчик состоит из набора обмоток на сердечнике с системой возбуждения и способен измерять магнитные поля с разрешением менее 10 Тл. Этот тип датчиков обеспечивает измерения магнитного поля достаточного уровня точности при невысокой стоимости, но к его недостаткам относятся относительно большие габариты, в какой-то степени - хрупкость, небольшая полоса пропускания, часто недостаточная для высокоманевренных объектов. Примером такого рода датчиков может служить прибор, выпускаемый компанией Crossbow - СХМ1113 / СХМ 113 Datasheet. Crossbow Technology Inc.
-8
Магниторезистивные датчики изготавливаются на основе тонких пленок пермаллоя (NiFe). Электрическое сопротивление такого рода пленок меняется в зависимости от воздействующего на него магнитного поля. Датчики данного типа имеют хорошо выраженные оси чувствительности и производятся массовым способом, так же как интегральные микросхемы. Современные магниторезистивные датчики имеют чувствительность на уровне 10 Тл, выпускаются в миниатюрных корпусах и имеют полосу пропускания выше 1 МГц. К недостаткам такого типа датчиков можно отнести проблему, связанную с их насыщением в сильных магнитных полях. В качестве примера чувствительного элемента векторного магнитометра можно указать трехкомпонентный магниторезистивный датчик НМС1053 производства компании Honeywell / Сайт фирмы Honeywell Solid State Electronics http://www.honeywell.ssec/com. Съем сигнала датчика производится с трех мостовых резистивных схем, преобразующих величину магнитного поля вдоль оси чувствительности в дифференциальное напряжение на выходе. Для получения трех проекций вектора магнитной индукции три датчика осями легкой намагниченности располагаются в трех взаимно ортогональных направлениях.
В способе изготовления магниторезистивных датчиков, изложенном в патенте РФ на изобретение №2320051 (МПК G01R 33/09, опубл. 20.03.2009 г.), предлагается после нанесения защитного слоя на первую магниторезистивную наноструктуру производить травление защитного слоя и первой магниторезистивной наноструктуры на той части подложки, на которой напыляется вторая магниторезистивная наноструктура с перпендикулярным относительно первой магниторезистивной наноструктуры направлением оси легкого намагничивания, затем напыляется в перпендикулярном, относительно направления при напылении первой магниторезистивной наноструктуры, постоянном магнитном поле вторая магниторезистивная наноструктура, после чего производится травление второй магниторезистивной наноструктуры на поверхности защитного слоя с последующим селективным травлением защитного слоя. При этом способе обеспечивается получение магниторезистивных двухосевых датчиков магнитного поля.
В заявке РФ на изобретение №2007134110 «Трехосевой магнитный датчик и способ его изготовления» (МПК G01R 33/09, опубл. 20.03.2009 г.) предлагается формировать датчики на плоскости подложки и на плоскости, наклоненной под углом к плоскости подложки. Датчик на наклонной плоскости отличается по параметрам от датчика на основной плоскости, что затрудняет его калибровку.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является высокочувствительный трехосевой датчик магнитного поля НМС2003 в гибридном исполнении производителя Honeywell Sensing & Control (http://eicom.ru/pdf/datasheet//Honeywell_PDFs/HMC2003/HMC2003.html), предназначенный для измерения величины и направления слабых магнитных полей.
Прибор изготовлен по гибридной технологии на основе двух типов магниторезистивных датчиков в пластмассовых корпусах и прецизионного малошумящего инструментального усилителя по трем каналам. Один тип датчика - двухкоординатный, предназначенный для регистрации компонентов X- и Y-вектора магнитной индукции, впаивается в плату так, что поверхности корпуса и платы параллельны. Другой типа датчика - одномерный, предназначенный для регистрации Z-компоненты вектора магнитной индукции, впаивается в плату ортогонально ее поверхности. Датчик предназначен для прецизионных компасов, навигационных систем, опорных систем ориентации, детектирования движения транспорта, измерения приближения и медицинского оборудования.
Получению требуемого технического результата препятствуют невысокая точность - 2,5° и слишком узкий рабочий диапазон 0,10÷0,75 Гс при довольно больших размерах 10,92 мм × 18,03 мм × 25,91 мм, что ограничивает области применения датчика.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи производства устройства для контроля трех компонентов вектора магнитной индукции высокой точности с меньшими производственными затратами.
Технический результат, получаемый при реализации заявляемого изобретения, выражается в повышении точности контроля направления вектора магнитной индукции, повышении разрешающей способности и чувствительности, снижении массогабаритных параметров и повышении надежности.
Для достижения вышеуказанного технического результата в способе изготовления микросистемы контроля трех компонент вектора магнитной индукции, включающем размещение на кремниевой пластине трех магниторезистивных преобразователей магнитного поля с осями чувствительности по X-, Y- и Z-направлениям таким образом, что оси чувствительности кристаллов магниторезистивных преобразователей магнитного поля направлены ортогонально друг другу и кристалла микросхемы усиления сигнала, проводят формирование на поверхности кремниевой пластины первого диэлектрического слоя из нитрида кремния с подслоем оксида кремния, формирование металлизированной разводки и контактных площадок, нанесение второго диэлектрического слоя из диоксида кремния, формирование окон жидкостным химическим травлением и/или плазмохимическим травлением во втором диэлектрическом слое до металла, формирование в первом диэлектрическом слое плазмохимическим травлением окна в центральной области пластины до кремния, сухое анизотропное травление кремния в окне центральной области на глубину не менее половины толщины кремниевой пластины, размещение на кремниевой пластине путем приклеивания двух кристаллов магниторезистивных преобразователей обратной стороной и торцами вплотную друг к другу или кристалла двухосевого магниторезистивного преобразователя, с осями чувствительности по X- и Y-направлениям, и магниторезистивного преобразователя с чувствительностью по Z-направлению и с приваренными к контактным площадкам гибкими выводами, торцом в окно в центральной области с вытравленным кремнием, с примыканием обратной стороны к торцам кристаллов магниторезистивных преобразователей с осями чувствительности по X- и Y-направлениям, размещение кристалла микросхемы усиления сигнала, разварку контактных площадок всех кристаллов на внутренние контактные площадки кремниевой пластины, заливку компаундом.
В частном случае выполнения изобретения на кремниевой пластине дополнительно формируют, по меньшей мере, один интегральный элемент и/или, по меньшей мере, электронную схему на основе интегральных элементов.
В частном случае выполнения изобретения сухое анизотропное травление кремния в окне центральной области проводят на всю толщину кремниевой пластины.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь. Указанный технический результат достигается благодаря тому, что при выполнении заявленного способа, в отличие от высокочувствительного 3-осевого датчика магнитного поля НМС2003 в способе изготовления трехоосевого магниторезистивного преобразователя, состоящего из нескольких магниточувствительных компонентов на твердом теле, сформированных на общей подложке или внутри нее, сборка двухкоординатного и однокоординатного магниторезистивных преобразователей выполняется на общем полупроводниковом кристалле с применением прецизионной технологии изготовления интегральных микросистем.
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 - приведена схема способа изготовления микросистемы контроля трех компонент вектора магнитной индукции;
на фиг.2 показано размещение кристаллов магниторезистивных преобразователей с осями чувствительности по X-, Y-, Z-направлениям на кремниевой пластине, вид сверху.
Способ изготовления микросистемы контроля трех компонент вектора магнитной индукции осуществляют следующим образом (фиг.1). Проводят формирование на поверхности кремниевой пластины 1 первого диэлектрического слоя 2 из нитрида кремния с подслоем оксида кремния 3. Формируют металлизированную разводку и контактные площадки 4 путем нанесения слоя металла, например алюминия, с последующим проведением фотолитографии и химическим травлением металла. Наносят второй диэлектрический слой 5 из диоксида кремния. Проводят формирование окон 6-11 во втором диэлектрическом слое 5 до слоя металла 4 с использованием жидкостного химического травления или плазмохимического травления. Проводят формирование окна 12 в первом диэлектрическом слое плазмохимическим травлением в центральной области пластины до кремния, затем проводят сухое анизотропное травление кремния в указанном окне 12 на глубину не менее половины толщины кремниевой пластины 1. Возможно проведение сухого анизотропного травления кремния в окне 12 на всю толщину кремниевой пластины с образованием отверстия.
Размещают на кремниевой пластине путем приклеивания кристаллов магниторезистивных преобразователей 13 и 14 с осями чувствительности по Х- и Y-направлениям, обратной стороной и торцами вплотную друг к другу. Кристаллы магниторезистивных преобразователей магнитного поля монтируются так, что их оси чувствительности направлены ортогонально друг другу. Кристаллы одноосевых магниторезистивных преобразователей могут быть изготовлены как описано в патенте РФ №2279737 (опубл. 10.07.2006 г.). Вместо двух кристаллов может быть размещен один кристалл двухосевого магниторезистивного преобразователя, такого, например, как описан в патенте РФ №2320051 (опубл. 20.03.2008 г.)
Далее приклеивают кристалл магниторезистивного преобразователя 15 с чувствительностью по Z-направлению с приваренными к контактным площадкам гибкими выводами 16, направляя его торцом в окно с вытравленным кремнием 12 в центральной области, с примыканием его обратной стороны вплотную к торцам кристаллов 13, 14 приклеенных магниторезистивных преобразователей или кристаллу двухосевого магниторезистивного преобразователя, с осями чувствительности по X- и Y-направлениям.
Размещают кристалл микросхемы усиления сигнала (МС УС) 17.
После высыхания клея на эпоксидной основе 18 производится разварка контактных площадок всех кристаллов на внутренние контактные площадки кремниевой пластины. Затем все проводники и поверхности кристаллов магниторезистивных преобразователей и микросхемы усиления сигнала заливаются компаундом 19.
После выполнения способа три кристалла магниторезистивных преобразователей магнитного поля с осями чувствительности по X-, Y- и Z-направлениям размещены на кремниевой пластине таким образом, что оси чувствительности кристаллов магниторезистивных преобразователей магнитного поля направлены ортогонально друг другу.
На кремниевой пластине может быть дополнительно сформирован, по меньшей мере, один интегральный элемент и/или, по меньшей мере, электронная схема на основе интегральных элементов.
Прямоугольное окно с вытравленным кремнием 12 в центральной области имеет вертикальные стенки и геометрические размеры, соответствующие торцу кристалла магниторезистивного преобразователя с осью чувствительности в Z-направлении.
В способе используются известные операции технологии изготовления интегральных микросистем.
Технический результат достигается за счет того, что кристаллы магниторезистивных преобразователей имеют близкие технические характеристики, и расположены вплотную друг к другу, а расстояние до кристалла микросхемы усиления сигналов минимизировано. В результате существенно снижаются наводки на шины информационных сигналов и улучшается чувствительность микросистемы.