Разработка магнитодиода

Содержание
Введение
1. Анализ исходных данных и формирование расширенноготехнического задания
1.1 Анализ исходных данных
1.2 Расширенное техническое задание
2. Выбор и обоснование применяемых материалов и компонентовконструкции
3. Конструкторские расчеты
3.1 Расчет магнитной системы датчика
3.2 Расчет магнитодиода
4. Разработка топологии кристалла
5. Составление схемы электрической принципиальной устройства
6. Разработка технологии изготовления чувствительногоэлемента
7. Разработка конструкции датчикаи технического процесса сборки измерительной системы
Заключение
Список используемых литературных источников
Приложения
Введение
Для создания автоматизированных систем управления вразличных областях народного хозяйства начинают широко применяться различныедатчики, в том числе датчики перемещения предметов (ДПП). В настоящее время онииспользуются в металлорежущих станках с программным управлением, подъемныхкранах, конвейерах и в различных транспортных системах и радиоэлектронике. [2]
Принципы работы ДПП основываются на различных физическихявлениях: изменениях емкости и электромагнитной индукции, гальваномагнитномэффекте и др.
Особую ценность для автоматики эти датчики представляютблагодаря возможности бесконтактной связи между элементами в устройствах, чтопозволяет исключить механические и электрические связи. [2]
Датчики движущихся предметов, работающие на основефотоэффекта (фотореле), потребляют большую мощность, чувствительны к пыли игрязи, что затрудняет их эксплуатацию. ДПП, использующие емкостные явления,имеют большие габаритные размеры и довольно сложные конструкцию и электрическуюсхему. Относительно широкое применение получили ДПП, работающие на основеэлектромагнитной индукции. Они могут обнаружить металлические предметы нарасстоянии до 10 мм. Основной недостаток таких ДПП — большие размерычувствительных элементов (катушек).
Датчики движущихся предметов, использующие гальваномагнитныеявления, отличаются высокой чувствительностью, надежностью, малыми габаритнымиразмерами и малой потребляемой мощностью, простотой конструкции. Они делятся надве группы. К первой относятся ДПП, срабатывающие при перемещении предметов измагнитомягкого материала, ко второй — ДПП, срабатывающие при перемещениипредметов из немагнитного материала с укрепленными на них постоянными магнитами.[2]
Датчики движущихся предметов на основе эффекта Холла, вотличие от ДПП на магниторезисторах, чувствительны к направлению перемещенияпредметов. ДПП на датчиках Холла и магниторезисторах, обладая определеннымипреимуществами, имеют существенный недостаток — малые значения выходногосигнала, что затрудняет построение электрических схем, формирующихэлектрические сигналы.
В последние годы для повышения надежности и точности,стойкости к воздействиям окружающей среды (в том числе к вибрациям и ударам),долговечности в ДПП начали использовать магнитодиоды. При прочих равныхусловиях ДПП на магнитодиодах позволяет получать выходной сигнал, превышающийсигналы на датчиках Холла и магниторезисторах более чем на порядок.
1. Анализ исходных данных и формирование расширенноготехнического задания1.1 Анализ исходных данных
В данном курсовом проекте было предложено разработатьконструкцию и технологию изготовления датчика определения перемещения предметадо 15мм на основании магнитной системы и магнитодиода с габаритными размерамиØ15×15мм. Измерить перемещение предмета до заданного расстояния,ограничиваясь заданными габаритами датчика не представляется возможным,поскольку в корпусе надо учитывать размеры системы магнита и магнитодиода иразмеры на их крепление.
Осуществления определение заданного перемещения датчикомможно достичь двумя способами:
применения миниатюрных редукторов и систем рычагов в датчике;
редактирование габаритных размеров датчика.
Первый способ оставляет без изменения габаритные размеры, ноимеет ряд недостатков: он менее технологичен, увеличивается трудоемкость итребуется высокая точность при изготовлении, в датчике будет наблюдатьсяувеличение погрешности с увеличением срока службы из-за наличия трущихсяэлементов конструкции в виду этого датчик будет обладать низкой надежностью.
Поэтому на основе расчетов магнитной системы и магнитодиода,исходя из предложенного нам измерения перемещения предмета мы примемминимальные из расчетных габаритные размеры датчика.
Предложенный нам материал чувствительного элемента арсенидгаллия полностью удовлетворяет всем параметрам по условию задания, а именнотемпературным пределам от минус 40 до плюс 80 °С.
Применение датчика в металлорежущих станках с программнымуправлением, подъемных кранах, конвейерах и в различных транспортных системах сповышенными виброударными нагрузками требует при проектировании конструкцииболее жестких требований, например на материал конструкции, толщину элементов,способ крепления датчика и крепление узлов между собой.1.2 Расширенное техническое задание
1. Наименование изделия: “Датчик определения перемещениядвижущегося предмета ” (ДПП).
2. Датчик представляет собой систему определения перемещениядвижущегося предмета на основании дипольной магнитной системы и магнитодиода. Габаритныеразмеры системы Ø15×15мм.
3. Датчик представляет собой законченное устройство.
4. ДПП подключается к электроизмерительными приборам.
5. Диапазон измеряемых перемещений составляет 1-15мм.
6. Рабочее напряжение 2В.
7. Напряжение Холла 2,5В.
8. Ток питания магнитодиода 0,25мА.
9. Материал тела магнитодиода — арсенид галлия с удельнымсопротивлением 25кОм·см.
10. Концентраторы магнитного потока должны быть изготовленыиз магнитомягкого материала и не должны перенасыщаться под действием поляпостоянного магнита.
11. Коэффициент применяемости — не менее 0,6.
12. Устройство относится к группе возимой РЭА,устанавливаемой в автомобиле, стационарной, устанавливаемой на станках с ЧПУ.
13. Характеристики внешних воздействий одинаковы для режимовхранения, перевозки и работы. Температура окружающей среды может изменяться отминус 40 до плюс 85 °С. Относительная влажность до 80% при температуре плюс25°С. Пониженное атмосферное давление — 61 кПа.
14. Среднее время наработки на отказ должно быть не менее 20тыс. час.
15. Конструкция устройства должна предусматривать работуоператора с ним без применения специальных мер обеспечения безопасности.
16. Ориентировочная программа выпуска — 800000 приборов вгод.
2. Выбор и обоснование применяемых материалов икомпонентов конструкции
Важную группу полупроводников составляют ковалентно-ионныесоединения типа А111ВVи ионно-ковалентные соединения типа АIIВVI, кристаллизующиесяв алмазоподобной решетке, а также некоторые другие, например AIVБVI.Наиболее разработаны и перспективны арсенид и фосфид галлия и фосфид иантимонид индия. Свойства монокристаллических GаАs, GаР, а также Gеи Si приводятся в табл.2.1 [1]
Таблица.2.1
«Алмаз»                                              «Цинковая обманка»Наименование параметра Значение параметра Si Ge GaAs GaP
Тип кристаллической структуры
Параметр решетки, нм
Температура плавления, К
Предельная рабочая температура, К
Подвижность электронов
при 300 К, см2/ (В·с)
Подвижность дырок при
300 К, см2/ (В·с)
Ширина запрещенной зоны
при 300 К, эВ
Удельное сопротивление
(собственное) при 300 К, Ом·см
Концентрация носителей ni при 300 К
ТКЛР (300 К), К-1
Коэффициент теплопроводности, Вт/ (м·К)
Диэлектрическая проницаемость έ
Плотность, г·см-3
0,543
1683
420
1400
475
1,12
2·105
1,45·1010
2,6·10-6
140
11,6
2,3
0,566
1210
370
3900
1900
0,67
60
2,4·1018
,75·10-6
60
15,8
5,5
0,565
1511
670
8500
400
1,43
109
6·108
6,9·10-6
45
10,9
5,5
0,545
1640
1170
150
75
2,24
108
5,8·10-6
54
13,3
Наиболее перспективным полупроводниковым материалом дляизготовления датчиков является арсенид галлия, который сохраняетработоспособность при более высоких температурах. В этом материале достаточновысокое значение постоянной Холла, что обусловливает хорошую чувствительностьдатчиков из GaAs. На основе GaAs возможно создание датчики, длительноработающих при температуре до 250 °С икратковременно работающих при температуре до 300 °С.К важным достоинствам датчиков из GaAs относится также высокая линейностьвыходного сигнала по магнитной индукции (нелинейность не более 1-1,5%). [2]
Подвижность электронов GaAs примерно в шесть раз выше, чем в кремнии. Именно этообстоятельство привлекло большие исследовательские силы к разработкам ИС на GaAs.
Эпитаксиальный GaAs пригоден для изготовления датчиков нарабочие температуры вплоть до 770 К [4]. Приборы на основе GaAs успешноработают при высоких уровнях радиации, т.е. обладают бóльшейустойчивостью к дозовым эффектам, чем кремниевые аналоги. Установлено, чтоинтегральные схемы на GaAs выдерживают в среднем импульсы излучения до 1010рад/с. [5]. Высокая подвижность носителей важна во всех СВЧ-приборах, а также магнитныхдатчиках. Так же арсенид галлия характеризуется широкоим диапозоном значенийудельных сопротивлений в сравнении с классическими полупроводниками какгерманий и кремний (рис2.1). [1]
/>
Рис.2.1 Диапазоны значений удельных сопротивлений различныхполупроводников.
Вследствие непрямого перехода зоны германиевые датчикитребуют больших рабочих напряжений.
КПД арсенид галлиевых датчиков выше, а шумы значительноменьше кремниевых.
Возможность точной компенсации за счет неточного избыточноголегирования позволила освоить промышленный выпуск высокоомных, так называемых«полуизолирующих», монокристаллов GaAs судельным сопротивлением 107… ...108 Ом·см. Если приэтом обеспечивается предельно
высокая чистота проведения операций, подвижность носителейможет остаться на уровне 5000...7000 см2/ (В·с). Поэтомуполуизолирующий GaAs может служить исходным материаломдля изготовления транзисторов, причем создавать рn-переходыудается за счет введения мелких акцепторных и донорных примесей методом ионнойимплантации. Так получают транзисторы и диоды ИС на GaAs,причем их взаимная изоляция обеспечивается самым простым и надежным способом — засчет высокого удельного сопротивления самого кристалла. Возможность такойизоляции на кремнии отсутствует из-за сравнительно высокой собственнойконцентрации, что вынуждает применять дополнительныеконструктивно-технологические решения, иногда довольно сложные.
Помимо этих ограничений, преодолеваемых по мересовершенствования технологии, соединениям AlllBVприсущ ряд недостатков, также сдерживающих их широкоевнедрение [1]:
1. Низкая растворимость легирующих примесей, которые уже приконцентрации свыше 1·1018 см-3 начинают выпадать изтвердого раствора и, образуя новые фазы, становятся электрически неактивными. Стольмалая предельная концентрация носителей не обеспечивает достаточного уровняинжекции из эмиттерной области транзистора. (Этот недостаток можно преодолеть,изготовляя эмиттер из более широкозонного материала, т.е. на гетеропереходе, ноза счет усложнения технологии) Биполярные транзисторы на соединениях AIIIBV неэффективны также из-занизкой подвижности дырок, что сводит на нет преимущество в быстродействии.
2. Отсутствие собственных оксидов, обладающих достаточнойстабильностью и пригодных для получения чистой, свободной от
электрически активных состояний границыдиэлектрик-полупроводник. Это исключает возможность изготовления из соединений AIIIBVиМОП-транзисторов. И все же достоинства этого класса приборов — низкаяпотребляемая мощность, минимальный объем, столь четко выявившиеся в конкуренцииМОП и биполярных кремниевых ИС — стимулируют продолжающийся поиск методовизготовления МДП транзисторов на соединениях AIIIBV.
3. Токсичность реагентов, используемых для выращиваниямонокристаллов и эпитаксии (AsCl3, AsH3, PH3), металлоорганиче-скихсоединений в сочетании с взрывоопасностью водорода, который служит реакционнойсредой. Это создает напряженную обстановку на производстве, требует повышенных мербезопасности, серьезно усложняет аппаратуру и технологию.
4. Образование в процессах обработки арсенидов и фосфидоввредных для окружающей среды отходов, необходимость их тщательного улавливанияи обезвреживания. И хотя сами по себе эти соединения нетоксичны, к их обработкенадо относиться с большой осторожностью. Так, при шлифовке фосфидов нередкообразуется чрезвычайно ядовитый газ-фосфин, а при растворении арсенидов вприсутствии восстановителей — арсин.
В связи с миниатюризацией РЭА необходима разработкаустройств с минимальным объемом и массой. Для получения сильных магнитов малогоразмера необходимы магнитотвердые материалы с наибольшей коэрцитивной силой иудельной магнитной энергией.
Такие материалы разработаны на основе интерметаллическихсоединений кобальта с редкоземельными металлами (РЗМ) церием Се, самарием Sm, празеодимом Рr, лантаном La, иттрием Y типа RxCoyMz, где R — РЗМ, х, у, г — массовые доли компонентов в атомныхединицах. Наиболее характерны соединения типа RCo5,RCo7 и R2Co17. Общим для таких соединений является наличиеатомов металлов с большой разностью порядковых номеров (например, 62-Sm, 27-Со), большое различие в электронных структурах атомов,а также большая разность атомных радиусов компонентов (в соединениях РЗМ скобальтом 0,18-0,125=0,055 нм, или 30%). Эти соединения характеризуютсянаибольшими значениями констант магнитной кристаллической анизотропии, большоймагнитострикцией и значительной самопроизвольной намагниченностью, чтообусловило успешную разработку на основе этих соединений магнитотвердыхматериалов с наибольшими значениями Нси(ВН) т.
В табл.2.2 приведены магнитные параметры некоторыхпостоянных магнитов, достигнутые в лабораторных условиях, и для сопоставления указанысредние значения параметров сплава SmCo5, полученногов условиях промышленного производства [6]
Кроме того, эти сплавы характеризуются высокой хрупкостью. Так,прочность при сжатии этих магнитов примерно в 10 раз меньше, чем магнитов,полученных методом спекания.
Таблица 2.2Сплав
Wm, кДж/м3
Hc, кА/м
Br, Тл
(SmPr) Co5 104 1320 1,03
Sm (Co, Cu, Fe) 7 104 496  1,04
Sm2 (Co, Cu, Fe) 17 120 560 1,1
SmCo5 75 800 0,92
Как уже указывалось, материалы, полученные на основередкоземельных металлов, хрупки, поэтому представляет интерес использование такихматериалов со связующим из полимеров. Количество полимера составляет 3...10% (помассе). Применялись полиэтиленхлорид, этиленвинилацетат, эпоксидные смолы. Недостаткитаких магнитов — относительно низкая рабочая температура (при применениитермопластичных полимеров 333… ...358К) и недостаточная температурнаястабильность свойств. Получены магниты на основе редкоземельных металлов скобальтом со связующим из пластичных металлов, например из припоя состава 60% Sn и 40% РЬ. Эти магниты имеют более высокую рабочуютемпературу, температурную стабильность, а также механическую прочность, чеммагниты с полимерным связующим. [1]
Выбор материала для изготовления концентраторов.
Частотный диапазон применения различных групп магнитныхматериалов в значительной степени определяется их удельным электрическимсопротивлением. При низком удельном сопротивлении велики потери на вихревыетоки, а значит и потери на перемагничивание, возрастающие с увеличениемчастоты, поэтому чем больше удельное сопротивление магнитного материала, тем наболее высоких частотах он может использоваться. В постоянных и низкочастотных (доединиц килогерц) полях применяют металлические магнитные материалы: техническичистое железо (низкоуглеродистые электротехнические стали), железокобальтовыесплавы" электротехнические (кремнистые) стали, железоникелевые и железоникелькобальтовыесплавы, называемые пермаллоями, альсиферы, аморфные сплавы.
Магнитные материалы с наибольшей намагниченностью насыщенияприменяются главным образом для изготовления магнитопроводов, в которыхнеобходимо получить наибольшую плотность магнитного потока. Магнитнаяпроницаемость таких материалов должна быть возможно большей.
Наибольшую намагниченность насыщения (Bs= 2,43 Тл), превышающую намагниченность насыщения железа на 13%, имеютжелезокобальтовые сплавы, а наиболее распространенный материал с большойнамагниченностью насыщения — технически чистое железо.
В случаях, когда предъявляются наиболее высокие требования кгабаритам устройства, его массе и значению магнитного потока, применяютжелезокобальтовые сплавы, что позволяет получить экономию в массе и объеме посравнению с железомна 15-20%. Максимальное значение магнитной индукции достигаетсяпри содержании кобальта около 50%. Практически используют сплавы с содержанием30...51% Со и 1,5...2% V. Эти сплавы называют пермендюрами.
Недостаток пермендюра — малое электрическое сопротивление,широкому применению препятствуют высокая стоимость и дефицитность кобальта иванадия. Преимущество железокобальтовых сплавов перед технически чистым железомнаиболее выражено при индукциях свыше 1 Тл. Наибольшая разница в величинахмагнитной проницаемости имеет место при индукции 1,8 Тл, в области которой цкобальтовых сплавов в десятки раз больше μ мягких сортов железа.
В зависимости от области применения электролитические сталиделят на 3 группы (табл.2.4)
Таблица 2.3
Группа
стали Область применения Толщина листа, мм
Удельные потери,Bт/кг при Bs=1,5 Тл 1 В средних (3...1000 А/м) и сильных полях при частоте 50 Гц 0,28...1 0,89…13,4 (при f=50 Гц) 2 В средних (3...1000 А/м) полях при частоте 400 Гц
0,05…0,15
0, 15...23 (при f=400 Гц) 3
В слабых (0,2...0,6 А/м) полях или в средних
(3...1000 A/м) полях 0,2…0,35 Не нормируется
Кроме того, кремнии в элекролитических сталях снижаетиндукцию насыщения, что также нежелательно. Так, при изменении содержаниякремния от 1 до 4,6% Bs уменьшаетсяот 2,1 до 1,8 Тл.
Пермаллои — это железоникелевые сплавы, имеющие наибольшуюмагнитную проницаемость в слабых полях. У пермаллоев, подвергнутых термическойобработке, магнитная проницаемость в десятки раз больше, чем уэлектротехнической стали. В соответствии с этим пермаллои применяются врадиоэлектронике в тех случаях, когда нужно иметь значительные как постоянные,так и переменные магнитные потоки при малых напряженностях намагничивающего илиперемагничивающего поля, что особенно важно в связи с миниатюризациейрадиоэлектронной аппаратуры.
Виды пермаллоев приведены в таблице 2.5
Таблица 2.5Вид пермалоев
μн
μm
Нс, А/м, не более
Вs, Тл ρ, мкОм·м, не менее не менее Низконикевые
1·103…3,2·103
8 24...8 1...1.5 0,45...0,90 Высоконикевые
7·103...70·103
30 8...1 0,75...0,5 0,55...0,8
Суперпермалой
79%Ni, 15% Fe,
5%Mot0,5VeMn
100·103
60>104...150·104 0,3 0,79 0,6
Наряду с основными преимуществами пермаллоев — высоким значениемμ" и малым значением Нс — пермаллоям присущ ряднедостатков:
большая чувствительность магнитных свойств к механическимнапряжениям (особенно у высоконикелевых пермаллоев), что требует специальныхмер защиты:
возможность получения высоких магнитных свойств лишь врезультате отжига готовых изделий в вакууме или в водороде после ихмеханической обработки;
пониженные значения индукции насыщения (в 1,5-2 раза ниже,чем у электротехнической стали);
сравнительно высокая стоимость и дефицитность отдельныхкомпонентов (прежде всего, никеля).
Электромагнитные свойства аморфных сплавов и пермаллоевблизки, но первые меньше подвержены влиянию механических напряжений, обладаютвысокой коррозионной стойкостью, прочностью и твердостью при сохранениипластичности.
Вследствие отсутствия кристаллической решетки аморфныесплавы имеют малую магнитную анизотропию, что способствует получению магнитомягких материалов с очень малой коэрцитивной силой Нси большой магнитной проницаемостью μ. При этом удельное электрическоесопротивление аморфных сплавов примерно в 2-3 раза больше, чем у пермаллоев, аследовательно, значительно меньше потери на вихревые токи.
Многие аморфные сплавы характеризуются высокой прямоугольностьюпетли гистерезиса.
В табл.2.6 приведены параметры аморфных сплавов трехсоставов. [1]
Таблица 2.6 Состав,%
Вs, Тл
Нс, А/м, ρ, мкОм·м, 80 Fe,20 В 1,6 3,2 1,4 80 Fe, 16 Р, 3 С, 1 В 1,49 4 1,5 72 Со, 3 Fe.16 Р, 6 В, 3 А1 0,63 1,2 1,4
Анализирую выше приведенные виды магнитомягких материалов иих характеристик для изготовления концентраторов будем использоватьнизконикелевые пермаллои (Bs =1÷1.5Тл), что обеспечит не перенасыщение концентраторов под действием постоянногомагнита.
Для фиксирования магнита и концентраторов на штоке будемиспользовать клей ВК-9 ОСТ 180215-84 основываясь на том, что у него высокаяклеящая способность, обладает прозрачностью и рабочая температура его до 373К.[3]
В качестве легирующей примеси используем бор, егоцелесообразно использовать тогда, когда требуется, чтобы примесь быланеподвижна на последующих высокотемпературных операциях или для изготовленияслоев с резким профилем легирования.
Для формирования контактной области n+-типав качестве донорной примеси используем фосфор обладающий повышеннымкоэффициентом диффузии и повышенной растворимостью.
Основными материалами при получении соединений дляполупроводниковых ИМС является золото и алюминий. В некоторых случаях находятприменения никель, хром, серебро. В качестве материала для разводки иконтактных площадок будем применять алюминий А99, который обладает хорошейадгезией к арсениду галлия, хорошей электропроводностью, легко наносится наповерхность ИМС в виде тонкой плёнке, дешевле. В качестве внешних выводов будемприменять золотую проволоку ГОСТ 7222-75, поскольку алюминий характеризуетсяпониженной механической прочностью. [3] Для хорошей механической прочности илучшей адгезии с припоем ПОС61 на поверхность алюминия будем наносить хромэлектролитический ЭРХ и сплав олово висмут.
Для герметизации кристалла в корпусе будем использоватьэпоксидный герметик марки УП-5-105-2 применяемый в радиотехнической аппаратуре.Данный герметик сохраняет работоспособность в условиях тропической влажности,при вибрационных и ударных нагрузках, длительно работают при температуре отминус 60 до 140°С. Предел прочности 6-55 МПа.
Для материала корпуса измерительной системы выбираетполиамид ПА66 литьевой ОТС 6-06-369-74, так как материал при высокихтемпературах не теряет своих механических свойств.
Для соединения датчика с системами обработки сигналов будемиспользовать герметичный разъем на два контакта CS1206-ND.
3. Конструкторские расчеты3.1 Расчет магнитной системы датчика
При расчете магнитов с арматурой приемлемую точность даетметод отношений. В этом методе магнитная цепь условно приводится к двухузловойэквивалентной электрической схеме с сосредоточенными параметрами. Распределениемагнитного напряжения вдоль магнита принимается линейным, а магнитноесопротивление арматуры (если ее состояние далеко от насыщения) считается равнымнулю. При этом характеристика магнита определяется не участком на кривойразмагничивания, а точкой.
Исходными данными расчета дипольной МС (рис.3.1) являются:
характеристики материала магнита: коэрцитивная сила поиндукции HcB, остаточная индукция Br, координаты точки смаксимальной удельной энергией Hd и Bd, коэффициентвозврата Kv (табл.3.1)
Таблица 3.1
Характеристики материала магнитов
параметр
материал
HcB, А/м
Br, Тл
Hd, А/м
Bd, Тл
Kv, Гн
SmCo5
5,4·105 0,77
2,86·105 0,385
1,35·10-6
L, С, A — соответственно длина, высота и ширина магнита;
Z — длина рабочего зазора;
геометрические размеры концентраторов: Lк — длинапрямой части концентратора, Ак — ширина концентратора, Вк — толщина концентратора;
α — угол между изгибной частью концентратора ивертикалью.
Вк =0,001м; Lк =0,005м;
Ак=0,003м; Z =0,002м;
L=0,003м; С=0,004м;
A=0,003м; α=30º.
Для расчета системы концентратор магнитного потока условно разбиваетсяна участки, ограниченные пунктирными линиями. Границы деления выбраны с учетомупрощения дальнейшего расчета.
/>

Рис. 3.1 Дипольная магнитная система. Схема путей рассеяния магнитногопотока: I — магнит; II — концентраторы магнитного потока;III — рабочий зазор;проводимости а) магнита: 1 — Lm, б) концентраторов: 2 — Lа2 — между боковыми торцами; 3 — Lа3 — между прямыми участками наружных (внешних) поверхностей; 4 — Lа4 — между боковыми поверхностямипрямых участков; 5 — Lа5 — междусекторными участками боковых поверхностей; 6 — Lа6 — между внутренними участками изогнутых поверхностей; 7 и 8 — Lа7 и Lа8 — между боковыми участками изогнутыхповерхностей; 9 — Lа9 — междувнутренними прямыми участками; 10 и 11 — Lа10 — между внешними участками изогнутых поверхностей; 12 — Lа12 — между внешними участками изгиба; в) рабочегозазора: 13 — Lр

Расчет:
Общая проводимость магнита определяется с учетом того, чтопроводимость умножается на 4 за счет учета четырех плоскостей рассеивания
/>, (3.1)
где μ0 — магнитная постоянная (μ0=4π·10-7Гн/м).
/> 
Определяется проводимость рассеяния арматуры, соответствующаяпутям 2 и 4 (рис.3.1), причем для путей 4 проводимость удваивается за счетучета обоих сторон системы
/>,  (3.2) />
/> (3.3) />
Проводимость рассеяния арматуры, соответствующая путям 3
/>, (3.4)
где g1 и g2 определяются из графиков (рис.3.2).Параметры g1 и g2 зависят соответственно от Lк /С и Aк /С./> />
/>
Рис. 3.2. Проводимостьмежду параллельными прямоугольными поверхностями, обращенными в противоположныестороны:
g’=f(m’,n’), где />, />
g”=f(m”,n”), где />, />/> />
Рис. 3.3. Замена секторов квадратами: Т1– расстояние между квадратами, Х1 – сторона квадрата
Для определения проводимости рассеяния 5 между секторнымичастями секторы заменяются квадратами, эквивалентными по площади секторам,причем центры квадратов расположены на линиях центров масс секторов (рис.3.3) (проводимостьудваивается за счет обоих сторон системы) \
/>,  (3.5)
где X1 и T1 — соответственно сторонаквадрата и расстояние между ними.
Площадь сектора
/>,  (3.6)
/>
Сторона квадрата Х1 и расстояние между квадратамиТ1
 
/>  (3.7)
/>
Расстояние между квадратами
/>, (3.8)
/>
/>
Проводимости рассеяния арматуры 6 рассчитываются по аналогиис методом, как длина отрезка, проведенного под углом (π/2-α/2) кэллипсу, образованному полуосями Λа 6_1 и Λа 6_2(рис.3.4-3.5)
/> />

/>  (3.9)
/>
/>,  (3.10)
/>
Уравнение эллипса: />
Уравнение прямой: />
Находим точку пересечения эллипса и прямой: x=4.9275·10-10
y=1.8389·10-9
Находим Λа 6, как длину отрезка между двумя точками (0; 0) и (4.9275·10-10; 1.8389·10-9): />/>/>
Проводимости рассеяния 7 и 8 рассчитываются аналогично (7.5),ипользуя эквивалентные прямоугольники
/>, (3.11)
/>, (3.12)
где Х 2 — Х5 — стороны прямоугольников;Т2 и Т3 — расстояния между ними. Площади прямоугольника (дляпутей рассеяния 7) и треугольника (для путей рассеяния 8) соответственноопределяются
/>, (3.13)
/>
/>, (3.14)
/>
Стороны новых прямоугольников
/>, (3.15)
/> /> (3.16)
/>/> (3.17)
/>
/> (3.18) />
/>
/>
Проводимость рассеяния арматуры 9 согласно
/>, (3.19)
/>
Проводимости 10 и 11 объединяются в одну и рассчитываютсяаналогично п.5 (по полуосям эллипса Λа10_1 и Λа10_2),причем значения проводимостей, которые соответствуют полуосям эллипса,определяются согласно рис.3.6, 3.7. Непараллельностью близлежайших сторонфигуры на данном этапе можно пренебречь, но в дальнейшем при расчетепроводимости рабочего зазора через выпучивание у краев она учитывается.
/>, (3.20)
где g3 и g4 зависят от соотношения сторон фигуры (рис.3.7) иопределяется из графиков (рис.3.4, 3.7)
/>
/>, (3.21)
/>
По аналогии с п.5 определяем:
/> 
/>
/> />
Проводимость рассеяния 12 определяется следующим образом: четверть боковойповерхности цилиндра заменяется плоской прямоугольной поверхностью с шириной,равной ширине концентратора, и высотой, равной высоте самой цилиндрическойповерхности. Из-за значительной величины зазора погрешность получаетсянезначительной.
/> (3.22)
где Х6 — высота прямоугольника.
Площадь цилиндра
/>, (3.23)
/>
Боковая сторона прямоугольника (рис.3.8)
/>, (3.24)
/>
/>
/>

Проводимость рабочего зазора между полюсами с учетомвыпучивания поля с боковых поверхностей, расположенных под различными углами.
/>, (3.25)
где Арасч и Врасч — «расчетные» размеры полюсов
/>, (3.26)
/>, (3.27)
где g5, g6, g7 — удельные проводимости ребер полюса,зависящие от координат поля выпучивания, выбираются из графика (рис.3.9).
/>
/>
/>
Суммарная проводимость рассеяния арматуры
/> (3.28)
/>
/>

Строится кривая размагничивания (рис.7.12).
/>, (3.29)
Где
/>, (3.30)
/>=776375,92
/> (3.31)
a=0.941
где Вr — остаточная индукция, Hcb — коэрцитивная сила по индукции, Bd и Hd — координатыэкстремальной точки, определяющей максимум энергетического произведения.
Строится прямая проводимости магнита под углом α1к оси Н (рис.3.10)
/>,
 (3.32)
Из точки пересечения функций B (H) и (3.10) под углом α2 к горизонталистроится кривая магнитного возврата (рис.3.10)
/>, (3.33)
где Кv — коэффициент возврата.  
Hcb  
a2    
H  
B   />Проводится прямая внешнейпроводимости системы под углом α3 к оси Н (рис.3.10)
/>, (3.34)
Определяются координаты рабочей точки Вм и Нм(рис.3.10) на пересечении кривой магнитного возврата и прямой внешнейпроводимости.
Определяется индукция в зазоре Вр через коэффициентрассеяния [2].
/>, (3.35)
где Sm и Sz — соответственно площадипоперечного сечения магнита и рабочего зазора; σ — коэффициент рассеяниямагнитного потока;
/> (3.36)/>
где
Pa, Рb и Рс — периметрыпоперечных сечений соответственно наклонной части концентратора, прямой частиконцентратора и магнита.
Площадь поперечного сечения рабочего зазора
/> (3.37)/>
Площадь поперечного сечения магнита
/> (3.38) />
Периметр наклонной части концентратора
/> (3.39)
/>
Периметр прямой части концентратора
/> (3.40)
/>=0.008
Периметр магнита
/> (3.41)/>
По приведенной методике определяется максимальная магнитнаяиндукция на магнитной нейтрале в зазоре дипольной МС.
1) Построим график зависимости индукции от перемещения длядипольной МС (рис 3.11)
/>, (3.42)
где Вmax — максимальное значение магнитнойиндукции в зазоре дипольной системы, определяемое величиной магнитныхпроводимостей системы, Тл; X — смещение измерителя магнитной индукции (ИМИ) относительноположения с Вmax, м; k — коэффициент, зависящий от ширины ИМИ (k==0,13…0.17).3.2 Расчет магнитодиода
Исходные данные для расчета параметров магнитодиода:
Исходный материал — арсенид галлия.
Удельному сопротивление — 25000 Ом·см;
Время жизни неосновных носителей заряда — 600 мкс.
Рабочее напряжение — 2 В.
Ток, протекающий через магнитодиод, I=0,25 мА, при индукциимагнитного поля B=0.23 Тл. Возникающее холловское напряжение при заданном токеи индукции Uх=2,5 В. Напряженность электрического поля E=1,37·104В/см. Толщина пластины (рис.3.12) определяется из уравнения
/>, (3.43)
где /> -коэффициент Холла; h — толщина полупроводниковой пластины в направлениимагнитного поля; I — ток, текущий через пластину; q — заряд электрона (1,6·10-19Кл); p — концентрация носителей заряда в базе магнитодиода; B — магнитнаяиндукция внешнего магнитного поля
/>. (3.44)
Концентрация носителей заряда в базе магнитодиода
/>, (3.45)
где r — удельноесопротивление пластины, Ом·см; mр — подвижность дырок, 400 см2/ В·с.
/>
Рис. 3.12. Конструкция магнитодиода
Подставим это выражение в формулу (3.44)
/>
Ширина пластины магнитодиода находится из выражения
/>, (3.46)
где v — дрейфовая скорость носителей заряда в магнитодиоде,которая равна
/>
где mр — подвижность дырок; E — напряженность электрического поля.
v = 400-4·1.37·106= 5,48·104м/с.
Подставим это значение в формулу (3.38)
/>.
Оптимальное значение отношения d/L, т.е. длины базы к длинедиффузионного смещения
(d/L) опт= 1.2+0.5·ln (pо·r), (4.5)
где L — длина диффузионного смещения, см; pо=P/S — удельная рассеиваемая мощность, Вт/см2; S — площадь поперечногосечения магнитодиода, см2; P — рассеиваемая мощность, Вт; r — удельное сопротивление, Ом·см; рассеиваемаямощность:
P = U·I = 2·0,25·10-3 = 5·10-4 Вт.
Площадь поперечного сечения магнитодиода
S = h·а = 235·10-5·1,94·10-4 =456,2·10-5 см2.
Удельная рассеиваемая мощность
/>.
Подставим полученные значения в формулу (3.39)
(d/L) опт»1.2+0.5·ln(109,6·25·103) = 8,612
Длина диффузионного смещения находится из выражения
/>, (3.47)
где b=mn /mp; mр — подвижность дырок, 400 см2/B·с;mn — подвижность электронов, 8500 см2/B·с; jт — температурный потенциал, 0.025В; tр — время жизниносителей заряда, для данного материала > 600 мкс.
/>см.
Длина базы магнитодиода равна
d = L·8,612 =3,38·10-4·8,612 = 0,29 см.
Длина магнитодиода с учетом ширины контактных площадок равна
l = 2,9+2·0.8 = 4,4 мм.
Основные геометрические размеры магнитодиода:
h (толщина) = 0,23 мм;
а (ширина) = 0, 194 мм;
d (длина базы) = 2,9 мм;
l (длина магнитодиода) = 4,4 мм.
Проведем расчет параметров ионного легирования арсенидагаллия для создания n+ — и p+-областей под инжектирующийи антизапирающий контакты; n+ — область образуется введением атомовфосфора, а p+ — введением атомов бора.
Основные исходные данные для расчета параметров ионноголегирования: ускоряющее напряжение E =100 кэВ; доза легирования Ф =1012см-2 (при легировании бором); доза легирования Ф =1012 см-2(при легировании фосфором). Необходимо рассчитать глубину залегания p-nперехода. При легировании бором E=100 кэВ, Rp=307 нм, DRp=69 нм
/>, (3.48)
где Rp — средняя проекция пробега иона; DRp — среднее квадратичное отклонениепроекции пробега;
/>см-3.
Глубина p-n перехода определяется из соотношения
/>, (3.49)
где Nо — исходная концентрация примесей вподложке.
/>
Глубина залегания p-n перехода при ионном легировании боромравна 0.6 мкм.
В процессе легирования фосфором при E=100 кэВ, Rp=135 нм, DRp=53 нм
/>
Магнитная чувствительность полученного магнитодиода
/>, (3.50)
где U = 2В — напряжение на магнитодиоде при B = 0.
/>
Вольт-амперная характеристика магнитодиода
/> (3.51)
/>
/> (3.52)
Подставляя значения напряжения от 0 до 2 В, строим графикзависимости I = f (U) (рис.3.13).
/>
Рис.3.13. Вольт-амперная характеристика магнитодиода
Построим график зависимости выходного напряжениямагнитодиода от перемещения U (X)(рис.3.14).
/>
где:, I — управляющий ток, мА, Вmax — максимальное значение магнитной индукциив зазоре дипольной системы, определяемое величиной магнитных проводимостейсистемы, Тл; X — смещение измерителя магнитной индукции (ИМИ) относительноположения с Вmax, м; k — коэффициент, зависящий от ширины ИМИ (k==0,13…0.17).
,  м   />
Рис. 3.14. />Зависимостьвыходного напряжения от смещение измерителя магнитной индукции относительноположения с Вmax.
4. Разработка топологии кристалла
При разработке топологии кристалла полупроводникового датчикана кристалле необходимо учитывать следующие конструктивно-технологическиеограничения [8]:
Таблица 4.1 — Конструктивно-технологические ограничения Минимально-допустимые размеры мкм Размер контактных площадок для приварки проводников 100×100 Расстояние между контактными площадками 70 Ширина проводника 6 Расстояние между проводниками 4 Размеры окна вскрытия в окисле 4×4 Размер окна в пассивирующем слое 100×100
Кристалл размерами 4400/>800/>290мкм датчика представляетсобой арсенид галлиевую подложку (ρ=25000 Ом·см) с выполненными на ней магнитодиодом,полученный методом ионной имплантации. Глубина ионной имплантации борасоставляет 0,6 мкм. Примесь фосфора внедряется на глубину 0,4 мкм. Для внешнейразводки предусмотрены контактные площадки размером 350´350 мкм.
Фигуры совмещения располагают одной-двумя группами на любом свободномместе кристалла. Они могут иметь любую форму (чаще всего квадрат или крест). Причем,на каждом фотошаблоне, кроме первого и последнего, имеются две фигурысовмещения, расположенные рядом друг с другом. Меньшая фигура предназначена длясовмещения с предыдущей операцией, а большая — с последующей. На первомфотошаблоне расположена только большая фигура, на последнем только меньшая. [8]
Исходя из вышеприведённых положений, разрабатывается топологиякристалла, т.е. наиболее оптимальное размещение на кристалле элемента иконтактных площадок. Чертёж кристалла приведён в приложении А.
5. Составление схемы электрической принципиальнойустройства
Схема электрическая принципиальная датчика содержит двечасти (рис 5.1): согласующую; усилитель.
Магнитное поле изменяет сопротивление магнитодиода и,следовательно, входной ток транзистора, что приводит к изменению падениянапряжения на резисторе R3/>, скоторого снимается выходное напряжение. Оптимальное значение индукциипостоянного магнитного поля смещения Bсм зависит от R1. Выборомзначения R2 можно в широких пределах изменять значения Bсм призаданном Bупр.
Из множества операционных усилителей выбран измерительныйоперационный усилитель ОР-07, поскольку он отличается малым входнымнапряжением, малым напряжением шумов, достаточно большим коэффициентомусиления, широким диапазоном рабочих напряжений.
Усилитель ОР-07 в с своей структуре содержит входнойусилительный каскад и конечный, между ними на элементах С1, С2, R8, R10, собирается схема фильтра.
2.  
1.   />/> />
Рис 5.1. Схемы электрической принципиальной датчика.
6. Разработка технологии изготовления чувствительногоэлемента
Основные параметры и требования технологического процесса кподложкам арсенида галлия [7]
Требования к подложкам нелегированного полуизолирующего GaAsприведены в таблице 6.1.
Таблица 6.1
Удельное сопротивление, Ом· см  - исходное
>1· 108
 - после термообработки 850оС, 60 мин.
>1· 108 Тип проводимости р
Подвижность носителей заряда, см2/В· сек 6000
Плотность дислокаций, см-2 и распределение их по пластине

однородное
Концентрация остаточных примесей, см-3
Разброс характеристик по площади пластины,% Концентрация глубоких уровней, см-3
Нарушение стехиометрии в объеме и на поверхности отсутствует /> /> />
Технология формирования транзисторных структур [7]
В настоящее время и в обозримом будущем ионная имплантациябудет являться наиболее распространенным методом формирования активных слоев вмассового производства ввиду таких очевидных преимуществ, как: простотаосуществления, высокая однородность и воспроизводимость параметровимплантированных слоев, локальность метода. Характерной особенностью процесса втехнологии GaAs является необходимость имплантации малых доз примеси и малыеглубины залегания слоев. Основными требованиями к оборудованию для имлантацииявляются: контроль и воспроизводимость малых доз имплантируемой примеси,формирование пучков с малым разбросом по энергиям (моноэнергетических), контрольэмиссии источников ионов, контроль поперечного сечения пучка, подавлениеэффектов каналирования, контроль привносимых загрязнений, заряда и температурыпластин во время имплантации, отсутствие взаимодействия ионного пучка с конструкционнымиматериалами установок имплантации.
Помимо имплантации, существенным моментом формированияактивного слоя, является активационный отжиг, проводимый при температурахпорядка 800 — 900о С.
Тре6ования к технологии формирования активных слоев приведеныв таблице 6.2. [7]
Таблица 6.2Ионная имплантация Имплантируемые ионы
Si, Mg, Se, Be, B, Te, SiF2 Энергия ионов, кэВ 50 400 Разброс по энергиям,% 2
Доза имплантации, см-2
1· 1012 5· 1013 Точность поддержания дозы,% 1
Температура подложки, оС 25 — 400
Режим обработки пластин приведены в таблице 6.3. [7]
Таблица 6.3Режим обработки пластин групповой Активационный отжиг Способ отжига Термический в печи
Температура отжига, оС 800-900
Точность поддержания температуры., оС 2
Разброс температуры в пределах пластины, оС 2 Степень активации примеси,% > 90 Параметры активных слоев
Концентрация примеси в канале, см-3
10-12
Подвижность носителей заряда, см2/В* сек 3500
Требования к технологии обработки поверхности. [7]
На заключительных стадиях производства технология обработкиповерхности, в основном, определяется задачами, возникающими при осажденииметаллических и диэлектрических слоев, травлении, формировании контактов и припроведении операций планаризации. Поэтому требования к технологии обработкиповерхности на данных стадиях практически не отличаются от аналогичных требованийтехнологии кремниевых пластин.
На начальных стадиях производства требования к технологииобработки поверхности определяются требованиями формирования границы разделаарсенида галлия с металлическими, диэлектрическими и полупроводниковыми слоями.Наиболее существенными из них являются: структурное совершенство и отсутствиенарушений стехиометрии поверхности GaAs, снижение поверхностной концентрацииметаллов и органики, пассивация поверхности полупроводника с целью задержкиформирования естественного окисла. Однако основная трудность их реализациизаключается в том, что они должны выполняться как при подготовке поверхностипластин к эпитаксиальному наращиванию (подготовка исходной поверхности), так ипри очистке поверхности в окнах фоторезиста и (или) диэлектрика перед операциейнанесения металлизации омических контактов. Это свидетельствует о том, что однии те же результаты очистки должны достигаться различными методами обработки (органическиеи неорганические составы, сухие процессы), а также их комбинацией, В каждомконкретном случае технология обработки будет определяться экономическойцелесообразностью.
В настоящий момент и в обозримом будущем жидкостные методыочистки будут использоваться наиболее широко, ввиду таких присущих воднымрастворам свойств, как высокая растворимость в них металлов, эффективнаяпередача звуковой энергии при ультразвуковой очистке поверхности отзагрязняющих частиц. Способы же обработки будут отличаться значительнымразнообразием: обработка в разбавленных и чередующихся реактивах, обработкапогружением и распылением, использование ультразвука, поверхностно-активныхвеществ, гидромеханической отмывки в воде и органических растворителях. Длятехнологии GaAs ИС наиболее принципиальными моментами являются: использованиенеокисляющих реактивов и сушка пластин без доступа атмосферного кислорода.
Требования к технологии обработки поверхности приведены втаблице 6.4.
Таблица 6.4Начальные этапы производства
Привносимая дефектность, м-2 1400 Размер частиц, мкм 0,12 Ширина исключаемой краевой области, мм 3 Эффективность удаления частиц,% 95
Поверхностная концентрация металлов, см-2
5· 1010
Поверхностная концентрация органики (в пересчете на атомы углерода), см-2
1· 1014
Расход деионизованной воды для операции промывки, л/см2 0.020 Доля рециклируемой деионизованной воды,% 50 Микрорельеф поверхности (среднеквадратичное значение), нм 0.20 Завершающие этапы производства
Привносимая дефектность, м-2 500 Размер частиц, мкм 0,12
Поверхностная концентрация органики
(в пересчете на атомы углерода), см-2
1· 1015 Число разрывов, приходящееся на миллиард контактов 0.8
Число разрывов и закороток, приходящееся на километр линий электроразводки, км-1 0.2 Сопротивление контактного окна, Ом Технология изготовления магнитодиода.
Для изготовления магнитодиодов используют арсенид галлияp-типа проводимости с r³25 кОм·см и временем жизни носителейзаряда более 600 мкс
Пластины арсенида галлия толщиной 0.4 ± 0.1 мм вначале шлифуют, полируют до 14-гокласса шероховатости и стравливают нарушенный поверхностный слой. Проводитсяфотолитография для получения маски из фоторезиста под ионное легирование бором.
Ионное легирование проводится на ускорителе типа «Везувий»бором трехфтористым (BF3) с энергией 100 кЭв и дозой облучения 330мкКл/см2. Поверхностное сопротивление легированной области должнобыть rS=800 Ом/ÿ. Таким образом,получается область p+-типа проводимости.
Удаление маски фоторезиста проводят плазмохимическимтравлением в атмосфере кислорода. После обязательной межоперационной очисткипластин проводится вторая фотолитография для формирования маски из фоторезиста подлегирование области фосфором.
Ионное легирование для формирования области n+проводится фосфором треххлористым (PCl3) до получения удельногоповерхностного сопротивления rS=130 Ом/ÿ.
После удаления фоторезиста и химической обработки пластинпроводят повторное осаждение пиролитического окисла толщиной (0.4±0.1) мкм для формирования маски дляполучения контактов к легированным областям. Затем с помощью третьейфотолитографии вскрываются окна под контакты к областям p+ — и n+-типа,после чего на всю поверхность пластины наносится пленка сплава Al толщиной (0.8-1.5)мкм при температуре подложки 200 °C.
Далее проводится четвертая операция фотолитографии по сплавуалюминия для формирования контактных площадок. В окнах, вскрытых в защитномокисле, сплав образует электрический контакт с арсенидом галлия послекратковременного отжига (10 мин) при температуре (550±1) °C в атмосфере азота.Затем проводится контроль функционирования магнитодиодов с помощью измерителяхарактеристик полупроводниковых приборов типа Л2-56.
После контроля функционирования проводитсянизкотемпературное осаждение окиси арсенида галлия толщиной (0.37-0.52) мкм длязащитного покрытия магнитодиода (пассивация) при температуре (420-450) °C.
Затем проводится еще одна (пятая) фотолитография по пленкезащитного диэлектрика для вскрытия окон к контактным площадкам.
При изготовлении магнитодиодов применяются многослойныеконтактные площадки. В качестве контактного и адгезионного слоев используетсяпленка хрома с удельным сопротивлением rS= 180-220 Ом/ÿ,а в качестве проводящего слоя — пленка меди толщиной (1-1.5) мкм.
После напыления пленок хрома и меди проводится шестаяфотолитография для нанесения гальванического покрытия сплава олово-висмуттолщиной 8-12 мкм на контактные площадки для защиты пленки от окисления и дляулучшения присоединения внешних выводов к контактным площадкам. Затемпроводится гальваническое наращивание слоев олово-висмут и после удаленияпленки фоторезиста — травление с оставшейся поверхности пластины напыленныхпленок меди и хрома. Зона с повышенной скоростью рекомбинации формируетсягрубой шлифовкой грани, противоположной грани с контактами. Этим методомобеспечивается скорость рекомбинации выше 2·103 см/с. На «планарной»грани скорость поверхностной рекомбинации существенно ниже.
а)
/>
б)
/>
в)
/>
г)
/>
д)
/>
е)
/>
ж)
/>
з)
/>
и)
/>
к)
/>
л)
/>
м)
/>
н)
/>
Рис. 6.1. Схема технологического процесса изготовлениямагнитодиода: а) нанесение пиролитического окисла; б) фотолитография дляполучения маски из фоторезиста под ионное легирование бором; в) ионноелегирование бором; г) фотолитография для получения маски из фоторезиста подионное легирование фосфором; д) ионное легирование фосфором; е) формированиеконтактных окон в защитной пленке окисла перед напылением алюминия; ж) напылениепленки алюминия; з) фотолитография по алюминию для формирования контактныхплощадок; и) нанесение защитной пленки пиролитического окисла; к) фотолитографиядля вскрытия контактных площадок; л) напыление адгезионного подслоя хрома ипроводящего слоя меди; м) фотолитография для нанесения гальванического покрытиясплава олово-висмут; н) нанесение сплава олово — висмут и травление пленок медии хрома.
Маршрут изготовления магнитодиодов.
1. Химическая обработка арсенид галлиевых пластин,двухстадийная в перекисно-аммиачном растворе и смеси Каро. Смесь Каро — H2О2:Н2SO4= 1: 3.
2. Отмывка в деионизованной воде в течение 4-6 минут.
3. Низкотемпературное осаждение пиролитического окислатолщиной (0.4±0.1) мкм. Продвигатьлодочку с пластинами через три зоны с разными температурами: 250 °C, 350 °Cи 450 °C, по три минуты в каждой. Затемвыдержать в зоне при 500 °C в течение (5±1) мин в парах окислителя от 60 до 150 мин.
5. Травление окисла. Состав травителя: H2O — 206мл, аммоний фтористый (NH4F) — 401 г, кислота фтористоводородная (HF)- 60 мл, кислота уксусная (CH3COOH) — 166 мл, глицерин (C3H8O3)- 166 мл. Остатки окисла на пластине не допускаются.
6. Фотолитография для получения маски из фоторезиста подлегирование бором. Фоторезист ФП-РН-7 или ФП-383.
7. Ионное легирование бором для формирования областей p+.Доза облучения — 330 мкКл/см2, энергия — (80¸100) кэВ, поверхностное сопротивление rS = 800Ом / ÿ.
8. Удаление маски фоторезиста плазмохимическим травлением ватмосфере кислорода (О2).
9. Химическая обработка пластин в перекисно-аммиачномрастворе.
10. Фотолитография для получения маски из фоторезиста подлегирование фосфором. Фоторезист ФП-РН-7 или ФП-383.
11. Ионное легирование фосфором для формирования областей n+.В качестве источника примесей используется фосфор треххлористый (PCl3).Доза облучения — 330 мкКл/см2, энергия (80¸100) кэВ, поверхностное сопротивление rS = 130Ом/ÿ.
12. Удаление маски фоторезиста плазмохимическим травлением ватмосфере кислорода (О2).
13. Химическая обработка пластин в смеси Каро.
14. Низкотемпературное осаждение окисла толщиной (0.4±0.1) мкм.
15. Фотолитография для формирования окон под контакт сметаллизацией.
16. Химическая обработка пластин перед напылением.
17. Напыление пленки сплава Al толщиной (0.8-1.5) мкм,температура подложки 200 °C.
18. Фотолитография по сплаву алюминий-галлий дляформирования контактных площадок. Травления не более 1.5 мкм, уход размеров неболее 2 мкм.
19. Химическая обработка пластин перед вжиганием Al.
20. Термообработка для формирования надежных контактов междуконтактными площадками и легированными слоями (вжигание Аl) при температуре (500±1) °Cв течение 10 мин в атмосфере азота.
21. Контроль функционирования с помощью измерителяхарактеристик полупроводниковых приборов Л2-56. Не удовлетворяющие требованиямпластины бракуются.
22. Химическая обработка пластин.
23. Низкотемпературное осаждение окисла толщиной (0.37¸0.52) мкм для защитного покрытияэлементов (пассивация) при температуре (420¸450)°C.
24. Фотолитография для вскрытия контактных площадок.
25. Травление (вскрытие контактных площадок в пиролитическомокисле). Состав травителя: Н2O — 412 г, NH4F — 174 г, HF — 58 г, CH3COOH — 160 г, глицерин — 160 г.
26. Химическая обработка пластины в перекисно-аммиачномрастворе.
27. Напыление слоев хром-медь. Пленка хрома пылится судельным сопротивлением r= (180¸220) Ом/ÿ,а пленка меди толщиной (1¸1.5) мкм.
28. Фотолитография для нанесения гальванического покрытия наконтактные площадки. Фоторезист ФП-383. Активация химическая поверхности медидля удаления пленки окиси меди в растворе HCl: H2O= 1:1.
29. Гальваническое осаждение пленки олово-висмут толщиной 8-12мкм.
30. Плазмохимическое удаление фоторезиста в атмосферекислорода.
31. Травление пленки напыленной меди в травителе: H2SO4 — 50 мл, окись хрома (CrO3) — 450 г, H2O — до 1000мл.
32. Травление пленки хрома в травителе: KOH — 28 мл, калийжелезосинеродистый [K3Fe (CH) 6] — 250 г, H2O — до 1000 мл.
33. Нанесение лака на планарную сторону пластины в качествезащитного покрытия перед шлифовкой обратной стороны для получения шероховатойповерхности.
34. Шлифовка обратной стороны пластины порошком шлифовальным«Электрокорунд белый» М14 с последующей отмывкой в спирто — бензиновой смеси (1:1) и в чистом этиловом спирте.
35. Лужение контактных площадок в припое ПОС-61 методомокунания в установке лужения при температуре (230±10)°C в течение (1-2) с. с предварительнымфлюсованием в специальном флюсе.
36. Скрайбирование пластин для разделения их на кристаллы. Затемпроизводится разделение (ломка) пластины на кристаллы.
Сборка чувствительного элемента.
Сборка включает подсоединение — монтаж структур к основаниямкорпусов, выводным рамкам или дополнительным подложкам, монтаж навесныхкристаллов, компонентов к платам, подсоединение электродных выводов кконтактным площадкам и внешним выводам.
В процессе хранения и эксплуатации датчик подвергаютвоздействию внешних факторов: климатических, механических и радиационных. Поэтомутребуется защита, обеспечивающая их работоспособность в течение длительного времени.Рекомендуется применять корпусную защиту чувствительного элемента.
Для крепления кристаллов на основание корпуса более дешевымметодом является клейка кристаллов на основание корпуса (например клеем ВК-9).
Для присоединения выводов к контактным площадкам и внешнимвыводам корпуса прибора используется метод УЗ сварки на установке «Контакт-4А».Метод состоит в присоединении выводов в виде тонких металлических проволочек (диаметр10…30мкм) к контактным площадкам при одновременном воздействии инструмента,совершающего высокочастотные колебания. Для изготовления проволоки применяютсяпластические металлы, обычно алюминий и золото. В качестве материала проволоки выбираемболее прочное золото ГОСТ 7222-75. Достоинства такой сварки — соединение безприменения флюса и припоев металлов в твёрдом состоянии при сравнительно низкихтемпературах и малой их деформации 10…30% как на воздухе, так и в атмосферезащитного газа. [3]
К корпусам предъявляются такие требования: корпус долженобладать достаточной механической прочностью; конструкция его должна позволятьлегко и надёжно выполнять электрическое соединение; а также выполнять надёжнуюизоляцию элементов; предотвращать проникновение влажности к защищаемой подложкеи др. [8]
7. Разработка конструкции датчика и техническогопроцесса сборки измерительной системы
Магнитные датчики не обладают какими-либо существенными ограничениямипри разработке конструкции измерительной системы. Онда особенность конструкцииэто отсутствие магнитных материалов в конструкции корпуса, поскольку это можетпривести к дополнительным погрешностям измерения.
Магнитная система датчика образована магнитом 3, двумяконцентраторами 4, которые крепятся на якорь 8, вся магнитная системафункционирует по линейной траектории внутри основания 6. На крышке 5 крепитьсямагнитодиод 1. Согласующая часть 7 служит для соединения разъема датчика 2,который фиксируется гайкой 9 с измерительной системой. Внутри основания приизмерениях перемещается якорь, общая длина которого равна сумме длин накрепление, перемещение, и фиксирование концентраторов и магнита. Также на якорепредусмотрена система защиты от механического воздействия магнитной системы намагнитодиод. Части конструкции соединяются винтами и гайкой М2 Гост 4351-67.
/>
Рис 7.1 Конструкция датчика измерения линейного перемещения.
Процесс сборки измерительной системы:
Магнит и концентраторы крепятся на якорь и фиксируются клеемВК-9 ОСТ 180215-84.
Якорь в сборке по направляющим вставляем в основание.
Выводы магнитодиода вставляем в отверстия на крышке, ификсируем клеем ВК-9 ОСТ 180215-84.
Крышка и магнитодиод вставляются по направляющим в основание.
Соединения выводов магнитодиода и выводов разъема призводят спомощью медной проволоки М-0,5 ГОСТ 2112-79 длинной 40 мм, проводники присоединяютсяметодом УЗ сварки.
На разъем одевается согласующая часть
Разъем фиксируется с согласующей частью гайкой разъема.
В собранном виде части конструкции соединяются винтами игайкой М2 Гост 4351-67.
Заключение
В данном курсовом проекте произвели разработку датчикаизмерения линейного перемещения на магнитодиоде, в ходе проектирования которогопроведены следующие конструкторские расчеты:
расчет топологии кристалла магнитодиода, в результатекоторого габаритные размеры состаили 4400мкм/>800мкм/>0,4мкм;
расчет магнитной системы, на основе которого были выбраныразмеры магнита 3мм/>3мм/>4мм, концентраторы толщиной1 мм и шириной 3 мм, также на основании этого расчета произведен анализвыходного напряжения в зависимости от перемещения.
Выбранные материалы полностью удовлетворяют требованиямпредъявляемых к датчику.
Результатом проделанной работы является разработаннаясистема измерения линейного перемещения до 15 мм с габаритными размерами 65/>17/>25. Окончательным результатпроведенной работы представлен на сборочном чертеже датчика в приложении В.
Список используемых литературных источников
1. Андреева В.М. Материалы микроэлектронной техники. Москва. «Радио исвязь» 1989г.
2. Бейлина Р. А, Грозберг Ю.Г., Довгяло Д.А. Микроэлектронные датчики. НовополоцкПГУ. 2001.
3. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник Москва:«Радио и связь» 1991.
4. Болванович Э.И. Полупроводниковые пленки и миниатюрные измерительныепреобразователи. — Мн: Наука и техника, 1981.
5. Маляков Е.П. Элементная база полупроводниковых интегральных схем с повышеннойспец. стойкостью // Датчики и преобразователи информации систем измерения,контроля и управления (Датчик-97): Тез. докл.9-й науч. — технич. конф. сучастием зарубежных специалистов, г. Гурзуф 18-25 мая 1997 г. / МГИЭМ. — М., 1997.
6. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. /Москва/Высшая школа, 1981.
7. http://elanina. narod.ru/lanina/index. files/student/tehnology/index.htm
8. Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральныхмикросхем: Учебное пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1992
Приложения
Приложение А
Сборочный чертеж датчика. Деталировка оригинальных элементовконструкции.
/>