RU2513655C1 - Magnetic field sensor and method of its manufacturing - Google Patents

Magnetic field sensor and method of its manufacturing Download PDF

Info

Publication number
RU2513655C1
RU2513655C1 RU2012148090/28A RU2012148090A RU2513655C1 RU 2513655 C1 RU2513655 C1 RU 2513655C1 RU 2012148090/28 A RU2012148090/28 A RU 2012148090/28A RU 2012148090 A RU2012148090 A RU 2012148090A RU 2513655 C1 RU2513655 C1 RU 2513655C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hall
magnetic field
contacts
layers
sensor
Prior art date
Application number
RU2012148090/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Борисович Воробьев
Антон Васильевич Чесницкий
Виктор Яковлевич Принц
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН)
Priority to RU2012148090/28A priority Critical patent/RU2513655C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2513655C1 publication Critical patent/RU2513655C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention may be used to create miniature sensors for triaxial magnetometry. The magnetic field sensor comprises sensor units implemented using the Hall effect, which are made within a curvilinear shell with a system of layers. The system of layers includes functional and shaping layers that perceive the magnetic field. The latter provide for curvature of the shell and the possibility of orientation of cross-shaped Hall elements of sensor units in the space with arrangement of compliance between measured Hall voltages and orthogonal components of the external magnetic field vector. The method to manufacture a magnetic field sensor consists in the following. A multilayer film element/elements are formed on the substrate. At the same time they use materials, geometry and internal mechanical stresses providing for orientation of cross-shaped Hall elements of sensor units in the space, when there is compliance between the measured Hall voltages and orthogonal components of the external magnetic field vector. At the stage of formation of the film element they manufacture layers, shaping, mechanically stressed and functional, which perceive the magnetic field, with Hall contacts. The film element is separated from the substrate, transforming it under action of internal mechanical stresses into a shell with achievement of orientation of cross-shaped Hall elements in the space, when there is compliance between measured Hall voltages and orthogonal components of the external magnetic field vector.
EFFECT: solutions provide for achievement of accuracy and reliability of simultaneous measurements of orthogonal components of magnetic field, and also a component of magnetic field vector that is different from the one perpendicular to the sensor plane; increased reliability of a sensor and reproducibility of sensor parameters.
24 cl, 6 dwg, 5 ex

Description

Изобретение относится к полупроводниковым приборам - приборам для измерения магнитного поля и технологии их изготовления, в частности к датчику Холла и способу его изготовления, и может быть использовано для создания миниатюрных твердотельных холловских датчиков для трехосевой магнитометрии, предназначенных для использования в бесконтактных датчиках положения, датчиках угловых и линейных перемещений (в автомобилестроении и других областях машиностроения), в системах ориентирования (электронные компасы), в системах активной защиты от магнитных полей, в медицине и биологических исследованиях (инвазивное и неинвазивное отслеживание магнитных маркеров, например, магнитных наночастиц в кровеносной системе живых организмов), при изучении магнитных материалов (зонды для холловской микроскопии), при определении однородности магнитного поля и величины его градиента в исследовательских и коммерческих установках (чувствительные металлодетекторы в системах обнаружения оружия, томографы, магнитные ловушки, лабораторные магниты).The invention relates to semiconductor devices - devices for measuring the magnetic field and their manufacturing technology, in particular to a Hall sensor and a method for its manufacture, and can be used to create miniature solid-state Hall sensors for triaxial magnetometry, intended for use in non-contact position sensors, angle sensors and linear movements (in the automotive industry and other areas of mechanical engineering), in orientation systems (electronic compasses), in active protection systems about magnetic fields, in medicine and biological research (invasive and non-invasive tracking of magnetic markers, for example, magnetic nanoparticles in the circulatory system of living organisms), in the study of magnetic materials (Hall microscopy probes), in determining the uniformity of the magnetic field and its gradient in research and commercial installations (sensitive metal detectors in weapon detection systems, tomographs, magnetic traps, laboratory magnets).

Известен датчик магнитного поля (L.Sileo, M.Т.Todaro, V.Tasco, M.DeVittorio, A.Passaseo «Fully integrated three-axis Hall magnetic sensor based on micromachined structures», Microelectronic Engineering, 87 (2010), p.p.1217-1219), содержащий подложку, первый сенсорный узел, выполненный на подложке, второй и третий сенсорные узлы, расположенные за пределами подложки, выполненные в составе, соответственно, первой кантилеверной структуры, расположенной за пределами подложки под углом к ней примерно 90°, второй кантилеверной структуры, расположенной за пределами подложки под углом к ней примерно 90°, первая и вторая кантилеверные структуры связаны с подложкой, соответственно, посредством первой и второй петлеобразных структур, изгибающихся за пределы подложки и несущих соответствующие кантилеверные структуры, обеспечивая им заданное расположение в пространстве. Датчик реализован на основе использования эффекта Холла.Known magnetic field sensor (L. Sileo, M.T. Tododaro, V. Tasco, M. DeVittorio, A. Passaseo "Fully integrated three-axis Hall magnetic sensor based on micromachined structures", Microelectronic Engineering, 87 (2010), pp 1217-1219) containing a substrate, a first sensor assembly made on a substrate, a second and third sensor assemblies located outside the substrate, made up, respectively, of a first cantilever structure located outside the substrate at an angle of about 90 ° to it, the second cantilever structure located outside the substrate at an angle to it of about 90 °, the first and second cantilever the structures are connected to the substrate, respectively, by means of the first and second loop-like structures, bending beyond the substrate and bearing the corresponding cantilever structures, providing them with a predetermined spatial location. The sensor is implemented using the Hall effect.

В качестве подложки использована подложка GaAs (100).As the substrate, a GaAs (100) substrate was used.

В датчике первая и вторая петлеобразные структуры выполнены из содержащих внутренние механические напряжения слоев полупроводниковых материалов, характеризующихся разными постоянными кристаллической решетки, изгиб каждой из петлеобразных структур обеспечен наличием механического напряжения, возникающего в результате разницы в постоянных кристаллической решетки.In the sensor, the first and second loop-shaped structures are made of layers of semiconductor materials containing internal mechanical stresses characterized by different lattice constants, the bending of each of the loop-shaped structures is ensured by the presence of mechanical stress resulting from the difference in the lattice constants.

В датчике каждая из петлеобразных структур выполнена в составе первого слоя из одного полупроводникового материала - In0,2Ga0,8As толщиной 10 нм, характеризующегося первой постоянной кристаллической решетки, и второго слоя из другого полупроводникового материала - GaAs толщиной 260 нм, характеризующегося второй постоянной кристаллической решетки, первый слой расположен на жертвенном слое AlAs, выполненном толщиной 75 нм на подложке GaAs, на первом слое расположен второй слой.In the sensor, each of the loop-shaped structures is made up of a first layer of one semiconductor material - In 0.2 Ga 0.8 As 10 nm thick, characterized by the first lattice constant, and a second layer of another semiconductor material - GaAs 260 nm thick, characterized by the second constant lattice, the first layer is located on the AlAs sacrificial layer made of a thickness of 75 nm on a GaAs substrate, the second layer is located on the first layer.

В датчике первая и вторая кантилеверные структуры выполнены на основе гетероструктуры с упомянутыми первым и вторым слоями петлеобразных структур, присутствующими в составе кантилеверных структур и обеспечивающими связь с подложкой, гетероструктура содержит последовательность слоев: жертвенный слой AlAs толщиной 75 нм, выполненный на подложке GaAs, далее расположены слои петлеобразных структур - механически напряженный слой In0,2Ga0,8As толщиной 10 нм и слой GaAs толщиной 260 нм, далее расположены слои, являющиеся конструктивными слоями сенсорного узла, - буферный слой GaAs толщиной 800 нм, In0,15Ga0,85As слой, соответствующий квантовой яме, толщиной 10 нм, Al0,25Ga0,75As спейсер толщиной 5 нм, Si δ-легированный слой с концентрацией легирующей примеси 1,9×1012 см-2, Al0,3Ga0,7As барьерный слой толщиной 45 нм и GaAs «сар»-слой толщиной 10 нм.In the sensor, the first and second cantilever structures are made on the basis of a heterostructure with the aforementioned first and second layers of loop-like structures present in the cantilever structures and providing communication with the substrate, the heterostructure contains a sequence of layers: a 75 nm thick sacrificial AlAs layer made on a GaAs substrate, then located layers loop structures - mechanically strained layer In 0,2 Ga 0,8 As of thickness 10 nm and a GaAs layer of 260 nm thickness disposed further layers, structural layers are sensory about node - GaAs buffer layer 800 nm thick, In 0,15 Ga 0,85 As layer corresponding to a quantum well having a thickness of 10 nm, Al 0,25 Ga 0,75 As spacer thickness 5 nm, Si δ-doped layer the concentration of the dopant is 1.9 × 10 12 cm −2 , Al 0.3 Ga 0.7 As a barrier layer with a thickness of 45 nm and a GaAs “sar” layer with a thickness of 10 nm.

В датчике в отношении каждого сенсорного узла по гетероструктуре выполнена мезоструктура с геометрической конфигурацией, определяющей детектирующую площадь соответствующего сенсорного узла, - крестообразная мезоструктура (крестообразный холловский элемент), от концов (холловских контактов) которой выведены тоководы к омическим контактам, расположенным на подложке.A mesostructure with a geometric configuration that defines the detecting area of the corresponding sensor node, a cross-shaped mesostructure (cross-shaped Hall element), from which ends (Hall contacts) current leads to ohmic contacts located on the substrate, is made in the sensor with respect to each sensor node along the heterostructure.

За ближайший аналог принят датчик магнитного поля (публикация №2261684 европейской заявки на изобретение авторов М.Т.Todaro, L.Sileo, V.Tasco, M.DeVittorio, R.Cingolani, A.Passaseo, C.Giordano, заявка №10164576.0 от 01.06.2010 г., МПК: 8 G01R 33/02, опубл. 08.02.2012 г., Бюл. 2012/06), содержащий подложку, поверхность которой определена в качестве базовой плоскости, первый сенсорный узел, расположенный на подложке на первой узловой поверхности в первой плоскости, которая строго параллельна указанной базовой плоскости, первую кантилеверную структуру, расположенную за пределами базовой плоскости под углом к базовой плоскости (υ; α), в составе которой выполнен второй сенсорный узел, расположенный на второй узловой поверхности, которая параллельна второй плоскости, вторую кантилеверную структуру, расположенную за пределами базовой плоскости под углом к базовой плоскости (υ; β), в составе которой выполнен третий сенсорный узел, расположенный на третьей узловой поверхности, которая параллельна третьей плоскости, первая и вторая кантилеверные структуры конструктивно связаны с подложкой, соответственно, посредством первой и второй петлеобразных структур, изгибающихся за пределы базовой плоскости и несущих соответствующие кантилеверные структуры, обеспечивая им заданное расположение в пространстве за пределами базовой плоскости, первая и вторая петлеобразные структуры выполнены толщиной, меньшей, чем толщина первой и второй кантилеверных структур, путем изготовления в подложке соответствующих первой и второй выемок (окон) с геометрической конфигурацией, задающей геометрию петлеобразных структур, с сопрягающими (боковыми) стенками, расположенными под углом (γ) ко дну выемок.The magnetic field sensor was adopted as the closest analogue (publication No. 2261684 of the European application for the invention of the authors M.T. Todaro, L.Sileo, V.Tasco, M.DeVittorio, R. Kingolani, A. Passaseo, C. Giordano, application No. 10164576.0 from 06/01/2010, IPC: 8 G01R 33/02, published 08.02.2012, Bull. 2012/06) containing a substrate, the surface of which is defined as the base plane, the first sensor node located on the substrate on the first nodal surface in the first plane, which is strictly parallel to the specified reference plane, the first cantilever structure located outside the reference plane under scrap to the base plane (υ; α), which includes a second sensor node located on the second nodal surface that is parallel to the second plane, the second cantilever structure located outside the base plane at an angle to the base plane (υ; β), the composition of which is made the third sensor node located on the third nodal surface, which is parallel to the third plane, the first and second cantilever structures are structurally connected to the substrate, respectively, by means of the first and second loop basal structures bending beyond the base plane and bearing the corresponding cantilever structures, providing them with a predetermined location in space outside the base plane, the first and second loop-like structures are made thicker than the thickness of the first and second cantilever structures by manufacturing in the substrate the corresponding first and the second recess (windows) with a geometric configuration that defines the geometry of the loop-like structures, with mating (side) walls located at an angle (γ) to the bottom capacious.

В датчике углы (υ; α), (υ; β) расположения кантилеверных структур по отношению к базовой плоскости примерно равны 90°.In the sensor, the angles (υ; α), (υ; β) of the location of the cantilever structures with respect to the base plane are approximately equal to 90 °.

В датчике угол (γ), под которым расположены сопрягающие (боковые) стенки выемок относительно дна, равен от 10° до 70°.In the sensor, the angle (γ), under which the mating (side) walls of the recesses are located relative to the bottom, is from 10 ° to 70 °.

В датчике первая и вторая петлеобразные структуры выполнены из содержащих внутренние механические напряжения слоев полупроводниковых материалов, характеризующихся разными постоянными кристаллической решетки, изгиб каждой из петлеобразных структур обеспечен наличием механического напряжения, возникающего в результате разницы в постоянных кристаллических решеток.In the sensor, the first and second loop-like structures are made of layers of semiconductor materials containing internal mechanical stresses characterized by different lattice constants, the bending of each of the loop-shaped structures is ensured by the presence of mechanical stress resulting from the difference in the lattice constants.

В датчике каждая из петлеобразных структур выполнена в составе первого слоя из одного полупроводникового материала, характеризующегося первой постоянной кристаллической решетки, и второго слоя из другого полупроводникового материала, характеризующегося второй постоянной кристаллической решетки, последовательно, в направлении от подложки, выполнены сначала первый слой, затем - второй слой, причем первая постоянная кристаллической решетки больше второй постоянной кристаллической решетки.In the sensor, each of the loop-shaped structures is made up of a first layer of one semiconductor material, characterized by a first constant lattice, and a second layer of another semiconductor material, characterized by a second constant lattice, the first layer is made sequentially, in the direction from the substrate, then the first layer, then a second layer, the first crystal lattice constant being greater than the second crystal lattice constant.

В датчике первая и вторая кантилеверные структуры выполнены на основе гетероструктуры, включающей кроме первого и второго слоев петлеобразных структур, входящих в состав гетероструктуры и обеспечивающих связь с подложкой, слои, расположенные в направлении от подложки после слоев петлеобразных структур и относящиеся к слоям сенсорного узла.In the sensor, the first and second cantilever structures are made on the basis of a heterostructure, which includes, in addition to the first and second layers of loop structures, which are part of the heterostructure and provide communication with the substrate, layers located in the direction from the substrate after the layers of loop structures and related to the layers of the sensor assembly.

В датчике первый, второй и третий сенсорные узлы реализованы на использовании эффекта Холла на основе, соответственно, первой, второй и третьей гетероструктур, каждая из которых выполнена плоской, многослойной, включающей последовательность слоев полупроводниковых материалов, расположенную в направлении, соответственно, от первой, второй и третьей плоскостей, в составе которых, по крайней мере, один из слоев восприимчив к магнитному полю.In the sensor, the first, second and third sensor nodes are implemented using the Hall effect based on, respectively, the first, second and third heterostructures, each of which is made flat, multilayer, including a sequence of layers of semiconductor materials located in the direction, respectively, from the first, second and the third plane, in which at least one of the layers is susceptible to a magnetic field.

В датчике слой, восприимчивый к магнитному полю, выполнен содержащим двумерный электронный газ.In the sensor, a layer susceptible to a magnetic field is made containing a two-dimensional electron gas.

В датчике в отношении каждой плоской гетероструктуры выполнена мезоструктура с геометрической конфигурацией, определяющей детектирующую площадь соответствующего сенсорного узла (крестообразный холловский элемент).A mesostructure with a geometric configuration that determines the detecting area of the corresponding sensor node (cross-shaped Hall element) is made in the sensor for each planar heterostructure.

К недостаткам приведенных аналогов относится отсутствие достижения точности и надежности одновременных измерений ортогональных компонент магнитного поля, а также компоненты вектора магнитного поля, отличной от перпендикулярной к плоскости датчика; низкая надежность датчика; низкая воспроизводимость параметров датчиков. Причины, препятствующие достижению технического результата, заключаются в следующем.The disadvantages of the above analogues include the lack of accuracy and reliability of simultaneous measurements of the orthogonal components of the magnetic field, as well as the components of the magnetic field vector, which is different from the perpendicular to the plane of the sensor; low reliability of the sensor; low reproducibility of sensor parameters. The reasons that impede the achievement of a technical result are as follows.

Изготовление датчика базируется на так называемом «микрооригами» варианте микроструктурирования полупроводниковых пленок под действием встроенных механических напряжений (Р.О.Vaccaro et al., Appl. Phys. Lett. 78, 2852 (2001)). Используемая версия микроструктурирования полупроводниковых пленок довольно сложна и не вполне пригодна, например, для прецизионного задания позиционирования сенсорных узлов в пространстве, что, в частности, необходимо для надежных и точных двух-, трехосевых измерений. Стоит отметить, что трехосевых измерений магнитного поля в приведенных выше работах L.Sileo и М.Todaro с сотрудниками не было продемонстрировано, по-видимому, вследствие относительной сложности и недостаточной воспроизводимости выбранного варианта микроструктурирования. В приведенных технических решениях использован «экстенсивный» подход к их созданию. Решениям присуще нерационально избыточное количество элементов в конструкции. В результате усложняется согласование связей и взаимного расположения элементов в конструкции для надлежащего ее функционирования. Обращает на себя внимание факт недостаточности функциональной проработки в отношении конструктивных элементов, что в определенной степени и приводит к нерационально избыточному количеству элементов в конструкции. Каждый из элементов выполняет только узкоспециальную для него функцию. Так, в составе используемых в конструкции твердотельных криволинейных оболочек - петлеобразных структур, выполненных на основе механически напряженных слоев полупроводниковых материалов за счет сформированных выемок (окон), слои используются только для задания криволинейной формы, что предопределяет в отношении оболочек исключительно пассивную функцию. Возможность использования слоев в составе криволинейной оболочки для выполнения сенсорных узлов не рассматривается. Напротив, активная функция в датчике выполняется специально сформированными плоскими участками гетероструктуры, включая как расположенные непосредственно на подложке, так и отделенные от подложки с расположением их вне подложки на концах петлеобразных структур, с согласованием пространственного расположения друг относительно друга и подложки. Причем для выполнения отделенных участков гетероструктуры плоскими в составе последней необходимо вырастить довольно толстый буфер, чтобы компенсировать влияние внутренних механических напряжений слоев петлеобразных структур, присутствующих в составе гетероструктуры и стремящихся придать кривизну участкам гетероструктуры, отделенным от подложки, которая до отделения держала их в плоском состоянии. При использованном подходе к построению датчика имеющие пространственную ориентацию друг относительно друга под углом 90° гетероструктуры, на которых изготовлены сенсорные узлы, по мнению авторов, должны быть строго плоскими, что не является оправданным. Кроме того, отметим хрупкость конструкции. Неустойчивость и стремление разогнуться и залипнуть на подложку под действием капиллярных сил в случае извлечения всей конструкции из жидкости на воздух на финальной стадии изготовления датчика (после освобождения двух петлеобразных структур и двух сенсорных узлов от связи с подложкой селективным жидкостным травлением) либо в случае конденсации жидкости на поверхности готового датчика.The manufacture of the sensor is based on the so-called “microorigami” version of the microstructuring of semiconductor films under the influence of built-in mechanical stresses (P.O. Vacacco et al., Appl. Phys. Lett. 78, 2852 (2001)). The used version of the microstructuring of semiconductor films is rather complicated and not quite suitable, for example, for a precise task of positioning sensor nodes in space, which, in particular, is necessary for reliable and accurate two-, three-axis measurements. It is worth noting that the triaxial measurements of the magnetic field in the above works of L. Sileo and M. Todaro with employees were not demonstrated, apparently, due to the relative complexity and lack of reproducibility of the chosen variant of microstructuring. The technical solutions used use an “extensive” approach to their creation. The decisions are inherently irrationally excessive number of elements in the design. As a result, coordination of relationships and the mutual arrangement of elements in the structure for its proper functioning is complicated. Attention is drawn to the fact that the functional elaboration with respect to structural elements is insufficient, which to a certain extent leads to an irrationally excessive number of elements in the structure. Each of the elements performs only a highly specialized function for it. So, in the composition of solid-state curved shells used in the design — loop-shaped structures made on the basis of mechanically strained layers of semiconductor materials due to formed recesses (windows), the layers are used only to specify a curvilinear shape, which determines an exclusively passive function with respect to shells. The possibility of using layers in the curvilinear shell to perform sensor nodes is not considered. On the contrary, the active function in the sensor is performed by specially formed flat sections of the heterostructure, including those located directly on the substrate, and separated from the substrate with their location outside the substrate at the ends of loop-like structures, with coordination of the spatial arrangement relative to each other and the substrate. Moreover, to make the separated parts of the heterostructure flat in the composition of the latter, it is necessary to grow a rather thick buffer to compensate for the influence of the internal mechanical stresses of the layers of loop-like structures that are present in the heterostructure and tend to give curvature to the parts of the heterostructure separated from the substrate, which kept them flat before separation. With the approach used to construct the sensor, the heterostructures having a spatial orientation relative to each other at an angle of 90 °, on which the sensor nodes are made, according to the authors, should be strictly flat, which is not justified. In addition, we note the fragility of the structure. Instability and tendency to bend and stick to the substrate under the action of capillary forces in the case of extraction of the entire structure from liquid to air at the final stage of the sensor manufacturing (after releasing two loop-like structures and two sensor nodes from communication with the substrate by selective liquid etching) or in the case of liquid condensation on surface of the finished sensor.

Известен способ изготовления датчика магнитного поля (L.Sileo, M.Т.Todaro, V.Tasco, M.DeVittorio, A.Passaseo «Fully integrated three-axis Hall magnetic sensor based on micromachined structures». Microelectronic Engineering, 87 (2010), p.p.1217-1219), заключающийся в осуществлении следующих этапов. На подложке GaAs (100) изготавливают многослойную гетероструктуру, содержащую последовательно в направлении от подложки жертвенный слой, механически напряженные слои петлеобразной структуры и функциональные слои сенсорного узла. Затем выполняют мезоструктуру с геометрической конфигурацией, определяющей детектирующую площадь в отношении каждого сенсорного узла, - крестообразную мезу активной площадью 30 мкм×30 мкм (крестообразный холловский элемент), используя фотолитографию и жидкостное травление. После чего формируют выемки (окна) в отношении второго и третьего сенсорных узлов для изготовления петлеобразных структур и расположения указанных узлов за пределами подложки на петлеобразных структурах, являющихся несущими, при этом задают рисунок петлеобразных структур, посредством фотолитографии и травления по слоям сенсорного узла, не затрагивая слоев петлеобразных структур. В результате формируют выемки (окна) с гладкими сопрягающими (боковыми) стенками, расположенными под углом относительно дна 15°. Далее посредством фотолитографии, термического напыления, методики «Lift-off» и последующего быстрого отжига в азоте при 430°С в течение 20 секунд изготавливают GeAu/Ni/Au омические контакты и тоководы от концов (холловских контактов) крестообразной мезы (крестообразного холловского элемента), располагая в отношении второго и третьего сенсорных узлов контактные тоководы по выемке. Наконец в отношении второго и третьего сенсорных узлов приступают к этапу их расположения за пределами подложки. Участки гетероструктуры, подлежащие освобождению от связи с подложкой, соответствующие петлеобразным структурам и сенсорным узлам, «очерчивают» глубокими, с захватом подложки, окнами посредством фотолитографии и жидкостного травления, открывая доступ для травления жертвенного слоя. Далее приступают к осуществлению селективного травления жертвенного слоя. Посредством травления жертвенного слоя освобождают указанные части гетероструктуры от связи с подложкой и под действием внутренних механических напряжений придают изгиб слоям петлеобразных структур, размещая плоские участки гетероструктуры с сенсорными узлами, располагаемые на концах петлеобразных структур, освобожденных от связи с подложкой, вне плоскости подложки. Угол между плоскостью подложки, в которой выполнен первый сенсорный узел, и плоскостями второго и третьего сенсорных узлов задают равным 90°. Угол задают выбором длины петлеобразной структуры и радиуса ее кривизны.A known method of manufacturing a magnetic field sensor (L. Sileo, M.T. Tododaro, V. Tasco, M. DeVittorio, A. Passaseo "Fully integrated three-axis Hall magnetic sensor based on micromachined structures". Microelectronic Engineering, 87 (2010) , pp1217-1219), which consists in the implementation of the following steps. A multilayer heterostructure is fabricated on a GaAs (100) substrate, containing successively a sacrificial layer, mechanically strained layers of a loop-like structure, and functional layers of the sensor assembly. Then, a mesostructure is performed with a geometric configuration defining a detecting area with respect to each sensor node — a cross-shaped mesa with an active area of 30 μm × 30 μm (cross-shaped Hall element) using photolithography and liquid etching. After that, recesses (windows) are formed with respect to the second and third sensor nodes for manufacturing loop-shaped structures and the location of these nodes outside the substrate on loop-like structures that are load-bearing, while the pattern of loop-like structures is set by means of photolithography and etching along the layers of the sensor node without affecting layers of loop-like structures. As a result, recesses (windows) are formed with smooth mating (side) walls located at an angle relative to the bottom of 15 °. Then, using photolithography, thermal spraying, the Lift-off technique, and subsequent rapid annealing in nitrogen at 430 ° C for 20 seconds, GeAu / Ni / Au ohmic contacts and current leads from the ends (Hall contacts) of the cross-shaped mesa (cross-shaped Hall element) are made positioning contact current leads along a recess in relation to the second and third sensor nodes. Finally, with respect to the second and third sensor nodes, they begin the stage of their location outside the substrate. The regions of the heterostructure that are to be freed from communication with the substrate, corresponding to loop-shaped structures and sensor nodes, are "outlined" by deep, with capture of the substrate, windows by means of photolithography and liquid etching, opening access for etching of the sacrificial layer. Then proceed to the implementation of selective etching of the sacrificial layer. By etching the sacrificial layer, these parts of the heterostructure are released from communication with the substrate and, under the action of internal mechanical stresses, they bend the layers of loop-like structures by placing flat sections of the heterostructure with sensor nodes located at the ends of the loop-shaped structures, freed from bond with the substrate, outside the plane of the substrate. The angle between the plane of the substrate in which the first sensor node is made and the planes of the second and third sensor nodes are set to 90 °. The angle is set by choosing the length of the loop-like structure and the radius of its curvature.

За ближайший аналог принят способ изготовления датчика магнитного поля (М.Т.Todaro, L.Sileo, G.Epifani, V.Tasco, R.Cingolani, М.DeVittorio, A.Passaseo «A fully integrated GaAs-based three-axis Hall magnetic sensor exploiting self-positioned strain released structures», J. Micromech. Microeng., 20 (2010), 105013, p.p.1-6), заключающийся в том, что на подложке изготавливают гетероструктуру, содержащую последовательно в направлении от подложки жертвенный слой, механически напряженные слои петлеобразной структуры и функциональные слои сенсорного узла, затем выполняют крестообразную мезоструктуру, определяющую детектирующую площадь каждого сенсорного узла (крестообразный холловский элемент), посредством фотолитографии и жидкостного травления, после чего формируют выемки (окна) в отношении второго и третьего сенсорных узлов для изготовления петлеобразных структур и расположения указанных узлов за пределами подложки на петлеобразных структурах, являющихся несущими, посредством фотолитографии и жидкостного травления, далее изготавливают омические контакты и тоководы от концов (холловских контактов) крестообразной мезоструктуры, располагая в отношении второго и третьего сенсорных узлов тоководы по выемке, наконец в отношении второго и третьего сенсорных узлов приступают к операциям расположения их за пределами подложки - участки гетероструктуры с изготовленными выемками и сенсорными узлами ограничивают глубокими, с захватом подложки, окнами посредством фотолитографии и жидкостного травления, формируя первую и вторую кантилеверные структуры и открывая доступ к жертвенному слою для последующего травления, осуществляют через окна селективное травление жертвенного слоя, освобождают указанные части гетероструктуры от связи с подложкой и под действием внутренних механических напряжений придают изгиб слоям петлеобразных структур, размещая кантилеверные структуры, содержащие плоские участки гетероструктуры с сенсорными узлами, располагаемые на концах петлеобразных структур, освобожденных от связи с подложкой, вне плоскости подложки, в направлении нормали к подложке.The closest analogue is the method of manufacturing a magnetic field sensor (M.T. Todaro, L. Sileo, G. Epifani, V. Tasco, R. Kingolani, M. DeVittorio, A. Passaseo “A fully integrated GaAs-based three-axis Hall magnetic sensor exploiting self-positioned strain released structures ", J. Micromech. Microeng., 20 (2010), 105013, pp1-6), which consists in the fact that a heterostructure is made on the substrate, which contains a sacrificial layer sequentially in the direction from the substrate, mechanically strained layers of a loop-like structure and functional layers of the sensor node, then perform a cross-shaped mesostructure that determines the detecting area of each sensor a knot (cross-shaped Hall element) by means of photolithography and liquid etching, and then recesses (windows) are formed in relation to the second and third sensor nodes for the manufacture of loop-like structures and the location of these nodes outside the substrate on loop-like structures that are carrier by means of photolithography and liquid etching, then make ohmic contacts and current leads from the ends (Hall contacts) of the cruciform mesostructure, disposing in relation to the second and third sensors recess nodes, recesses finally, with respect to the second and third sensor nodes, start operations of their location outside the substrate - the heterostructure sections with the made recesses and sensor nodes are limited to deep, with capture of the substrate, windows by means of photolithography and liquid etching, forming the first and second cantilever structures and opening access to the sacrificial layer for subsequent etching, selectively etching the sacrificial layer through the windows, release these parts of the heteros the structures from binding to the substrate and under the action of internal mechanical stresses give bending to the layers of loop-like structures by placing cantilever structures containing flat sections of the heterostructure with sensor nodes located at the ends of the loop-like structures freed from bond with the substrate, outside the plane of the substrate, in the direction normal to the substrate .

В способе в качестве подложки используют подложку GaAs (100).In the method, a GaAs (100) substrate is used as a substrate.

В способе изготавливают гетероструктуру, содержащую последовательно в направлении от подложки жертвенный слой, механически напряженные слои петлеобразной структуры и слои сенсорного узла, в следующем составе: жертвенный слой AlAs толщиной 75 нм, выполненный на подложке GaAs, далее расположены слои петлеобразных структур - механический напряженный слой In0,2Ga0,8As толщиной 10 нм и слой GaAs толщиной 260 нм, далее расположены слои, являющиеся конструктивными слоями сенсорного узла, - буферный слой GaAs толщиной 800 нм, In0,15Ga0,85As слой, соответствующий квантовой яме, толщиной 10 нм, Al0,25Ga0,75As спейсер толщиной 5 нм, Si δ-легированный слой с концентрацией легирующей примеси 1,9×1012 см-2, Al0,3Ga0,7As барьерный слой толщиной 45 нм и GaAs «сар»-слой толщиной 10 нм. Слои изготавливают методом молекулярно-лучевой эпитаксии.In the method, a heterostructure is made that contains a sacrificial layer, mechanically strained layers of a loop-like structure and layers of a sensor assembly sequentially in the direction from the substrate, in the following composition: a 75-nm-thick AlAs sacrificial layer made on a GaAs substrate, then layers of loop-shaped structures — a mechanical stress layer In 0.2 Ga 0.8 As 10 nm thick and a GaAs layer 260 nm thick, then layers that are the structural layers of the sensor assembly are located — a GaAs buffer layer 800 nm thick, In 0.15 Ga 0.85 As a layer corresponding to bulk well, 10 nm thick, Al 0.25 Ga 0.75 As spacer 5 nm thick, Si δ-doped layer with a dopant concentration of 1.9 × 10 12 cm -2 , Al 0.3 Ga 0.7 As barrier a layer 45 nm thick and a GaAs “sar” layer 10 nm thick. The layers are made by molecular beam epitaxy.

В способе выполняют крестообразную мезоструктуру, определяющую детектирующую площадь каждого сенсорного узла (крестообразный холловский элемент), посредством фотолитографии и жидкостного травления, при ее изготовлении травлению подвергают GaAs «сар»-слой толщиной 10 нм, Al0,3Ga0,7As барьерный слой толщиной 45 нм, причем последний стравливают не полностью, оставляя около 5 нм. В результате формируют крестообразную мезоструктуру активной площадью 30 мкм×30 мкм.In the method, a cross-shaped mesostructure is carried out, which determines the detecting area of each sensor node (cross-shaped Hall element) by photolithography and liquid etching; in its manufacture, the GaAs “sar” layer is 10 nm thick, Al 0.3 Ga 0.7 As the barrier layer a thickness of 45 nm, and the latter is not completely etched, leaving about 5 nm. As a result, a cross-shaped mesostructure with an active area of 30 μm × 30 μm is formed.

В способе формируют выемки (окна) в отношении второго и третьего сенсорных узлов для изготовления петлеобразных структур и расположения указанных узлов за пределами подложки на петлеобразных структурах, являющихся несущими, посредством фотолитографии и жидкостного травления, по слоям сенсорного узла, не затрагивая слоев петлеобразных структур. Выбором геометрических размеров выемки, при прямоугольной форме длины ее стороны, вдоль которой будут осуществлять последующее травление жертвенного слоя, в сочетании с радиусом кривизны, зависящим от величины внутренних механических напряжений слоев петлеобразных структур и их толщин, определяют угол, под которым располагают кантилеверные структуры в пространстве относительно подложки. В результате формируют выемки (окна) с гладкими сопрягающими (боковыми) стенками, расположенными под углом относительно дна 15°. Указанный угол выполняют для получения хорошего омического контакта при изготовлении омических контактов и тоководов.In the method, recesses (windows) are formed with respect to the second and third sensor nodes for making loop-like structures and arranging said nodes outside the substrate on loop-shaped structures that are carrier, by means of photolithography and liquid etching, along the layers of the sensor node without affecting the layers of loop-like structures. The choice of the geometrical dimensions of the recess, with the rectangular shape of the length of its side along which the subsequent etching of the sacrificial layer will be carried out, in combination with the radius of curvature, depending on the value of the internal mechanical stresses of the layers of the loop-like structures and their thicknesses, determine the angle at which the cantilever structures are placed in space relative to the substrate. As a result, recesses (windows) are formed with smooth mating (side) walls located at an angle relative to the bottom of 15 °. The specified angle is performed to obtain good ohmic contact in the manufacture of ohmic contacts and current leads.

В способе изготавливают омические контакты и тоководы от концов крестообразной мезоструктуры (холловских контактов), располагая в отношении второго и третьего сенсорных узлов контактные дорожки по выемке, посредством фотолитографии, термического напыления, методики «Lift-off» и последующего быстрого отжига в азоте при 430°С в течение 20 сек. При этом изготавливают GeAu/Ni/Au омические контакты и тоководы. Слой GeAu выполняют толщиной 30 нм, слой Ni - 10 нм, слой Au - 40 нм.In the method, ohmic contacts and current leads from the ends of the cross-shaped mesostructure (Hall contacts) are made by arranging contact tracks along the recess for the second and third sensor nodes by means of photolithography, thermal spraying, the Lift-off technique, and subsequent rapid annealing in nitrogen at 430 ° C for 20 sec. In this case, GeAu / Ni / Au ohmic contacts and current leads are made. The GeAu layer is 30 nm thick, the Ni layer is 10 nm, the Au layer is 40 nm.

К недостаткам приведенных аналогов способа изготовления относится отсутствие достижения точности и надежности одновременных измерений ортогональных компонент магнитного поля изготавливаемого датчика, а также компоненты вектора магнитного поля, отличной от перпендикулярной к плоскости датчика; низкая надежность датчика; низкая воспроизводимость параметров датчиков. Причины, препятствующие достижению технического результата, заключаются в следующем.The disadvantages of the analogues of the manufacturing method include the lack of accuracy and reliability of simultaneous measurements of the orthogonal components of the magnetic field of the manufactured sensor, as well as the components of the magnetic field vector, which is different from the perpendicular to the plane of the sensor; low reliability of the sensor; low reproducibility of sensor parameters. The reasons that impede the achievement of a technical result are as follows.

Изготовление датчика базируется на так называемом «микрооригами» варианте микроструктурирования полупроводниковых пленок под действием встроенных механических напряжений (Р.О.Vaccaro et al., Appl. Phys. Lett. 78, 2852 (2001)). Причем в способах используемое микроструктурирование полупроводниковых пленок отличается излишней сложностью и не вполне пригодно, например, для прецизионного задания позиционирования сенсорных узлов в пространстве, что, в частности, необходимо для надежных и точных двух-, трехосевых измерений. Стоит отметить, что трехосевых измерений магнитного поля в приведенных выше работах L.Sileo и М.Todaro с сотрудниками не было продемонстрировано, по-видимому, вследствие относительной сложности и недостаточной воспроизводимости выбранного варианта микроструктурирования. Решениям присуще нерационально избыточное количество операций для изготовления всей конструкции. В результате усложняется согласование связей и взаимного расположения элементов при изготовлении конструкции для надлежащего ее функционирования. Сложность изготовления, избыточность операций - следствие недостаточной функциональной проработки в отношении конструктивных элементов. Каждый из изготавливаемых элементов выполняет только узкоспециальную для него функцию. Так, в составе используемых в конструкции твердотельных криволинейных оболочек - петлеобразных структур, выполненных на основе механически напряженных слоев полупроводниковых материалов, слои используются только для задания криволинейной формы с целью расположения вне подложки сенсорных узлов датчика. Для обеспечения указанной функции требуется осуществление специальных операций по изготовлению выемок (окон). Изготовление плоских участков гетероструктур с элементами, выполняющими активную функцию, требует выращивания в их составе достаточно толстого буфера, чтобы при отделении их от подложки компенсировать влияние внутренних механических напряжений слоев петлеобразных структур, стремящихся придать кривизну участкам гетероструктуры, которые выполнены в составе гетероструктур. Имеющие пространственную ориентацию друг относительно друга под углом 90° гетероструктуры, на которых изготовлены сенсорные узлы, по мнению авторов, должны быть строго плоскими, что не является оправданным. При изготовлении датчика операции необходимо проводить с учетом строгого согласования пространственного расположения гетероструктур с сенсорными узлами относительно друг друга и подложки.The manufacture of the sensor is based on the so-called “microorigami” version of the microstructuring of semiconductor films under the influence of built-in mechanical stresses (P.O. Vacacco et al., Appl. Phys. Lett. 78, 2852 (2001)). Moreover, in the methods used microstructuring of semiconductor films is unnecessarily complex and not quite suitable, for example, for precision job positioning of sensor nodes in space, which, in particular, is necessary for reliable and accurate two-, three-axis measurements. It is worth noting that the triaxial measurements of the magnetic field in the above works of L. Sileo and M. Todaro with employees were not demonstrated, apparently, due to the relative complexity and lack of reproducibility of the chosen variant of microstructuring. Decisions inherent in excessively excessive number of operations for the manufacture of the entire structure. As a result, coordination of relationships and relative positions of elements in the manufacture of a structure for its proper functioning is complicated. The complexity of manufacturing, redundancy of operations - a consequence of insufficient functional development in relation to structural elements. Each of the manufactured elements performs only a highly specialized function for it. So, in the composition of solid-state curvilinear shells used in the design — loop-shaped structures made on the basis of mechanically strained layers of semiconductor materials, the layers are used only for specifying a curvilinear shape in order to locate sensor nodes of the sensor outside the substrate. To ensure this function requires the implementation of special operations for the manufacture of recesses (windows). The manufacture of flat sections of heterostructures with elements that perform an active function requires growing a sufficiently thick buffer in their composition to compensate for the influence of internal mechanical stresses of the layers of loop-like structures when separating them from the substrate, which tend to give curvature to the parts of the heterostructure that are made up of heterostructures. The heterostructures with spatial orientation relative to each other at an angle of 90 °, on which the sensor nodes are made, according to the authors, should be strictly flat, which is not justified. In the manufacture of the sensor, operations must be carried out taking into account the strict coordination of the spatial arrangement of heterostructures with sensor nodes relative to each other and the substrate.

Техническим результатом группы изобретений является:The technical result of the group of inventions is:

- достижение точности и надежности одновременных измерений ортогональных компонент магнитного поля, а также компоненты вектора магнитного поля, отличной от перпендикулярной к плоскости датчика;- achieving accuracy and reliability of simultaneous measurements of the orthogonal components of the magnetic field, as well as the components of the magnetic field vector, different from perpendicular to the plane of the sensor;

- повышение надежности датчика;- improving the reliability of the sensor;

- повышение воспроизводимости параметров датчиков.- increase the reproducibility of the parameters of the sensors.

В качестве отдельного преимущества предлагаемых технических решений следует отметить возможность достижения измерений градиента магнитного поля, включая временные зависимости градиента магнитного поля.As a separate advantage of the proposed technical solutions, it should be noted the possibility of achieving measurements of the magnetic field gradient, including the time dependence of the magnetic field gradient.

Другим преимуществом предлагаемых решений является уменьшение размера датчика в направлении, перпендикулярном подложке, и возможность масштабирования датчика в область наноразмеров, по крайней мере, в одном измерении (перпендикулярно подложке).Another advantage of the proposed solutions is to reduce the size of the sensor in the direction perpendicular to the substrate, and the ability to scale the sensor to the region of nanoscale, in at least one dimension (perpendicular to the substrate).

Технический результат достигается в датчике магнитного поля, содержащем сенсорные узлы, реализованные на использовании эффекта Холла, при этом сенсорные узлы выполнены в составе криволинейной оболочки с системой слоев, среди которых восприимчивые к магнитному полю - функциональные и формообразующие, последними обеспечена кривизна оболочки и возможность ориентации крестообразных холловских элементов сенсорных узлов в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля.The technical result is achieved in a magnetic field sensor containing sensor nodes implemented using the Hall effect, while the sensor nodes are made up of a curvilinear shell with a system of layers, among which are susceptible to the magnetic field - functional and shape-forming, the latter is provided with a curvature of the shell and the possibility of orientation of the cross Hall elements of sensory nodes in space with matching the measured Hall stresses to the orthogonal components of the vector externally th magnetic field.

В датчике сенсорные узлы изготовлены для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек, выполненных цилиндрической формы и расположенных относительно друг друга так, что их образующие перпендикулярны друг другу, каждая оболочка снабжена сенсорными узлами с крестообразными холловскими элементами, включающими пары холловских контактов, ориентированными в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений трем ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля за счет азимутального угла между парами холловских контактов каждой из указанных оболочек, равного 90°, или сенсорные узлы изготовлены для двухосевых измерений в составе одной оболочки, выполненной цилиндрической формы с парами холловских контактов крестообразных холловских элементов сенсорных узлов, ориентированных в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений двум ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля за счет азимутального угла между парами холловских контактов, равного 90°.In the sensor, the sensor nodes are made for triaxial / biaxial measurements in two shells made of cylindrical shape and arranged relative to each other so that their generators are perpendicular to each other, each shell is equipped with sensor nodes with cross-shaped Hall elements, including pairs of Hall contacts oriented in space with compliance of the measured Hall stresses with the three orthogonal components of the external magnetic field vector due to the azimuthal angle between for pairs of Hall contacts of each of these shells, equal to 90 °, or sensor nodes are made for biaxial measurements in one shell made of a cylindrical shape with pairs of Hall contacts of cross-shaped Hall elements of sensor nodes oriented in space with the correspondence of the measured Hall stresses to two orthogonal components vector of the external magnetic field due to the azimuthal angle between the pairs of Hall contacts, equal to 90 °.

В датчике сенсорные узлы изготовлены для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек, выполненных цилиндрической формы и расположенных относительно друг друга так, что их образующие перпендикулярны друг другу, каждая оболочка снабжена сенсорными узлами с крестообразными холловскими элементами, включающими пары холловских контактов, ориентированными в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений трем ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля за счет азимутального угла между парами холловских контактов каждой из указанных оболочек, равного 90°, или сенсорные узлы изготовлены для двухосевых измерений в составе одной оболочки, выполненной цилиндрической формы с парами холловских контактов крестообразных холловских элементов сенсорных узлов, ориентированных в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений двум ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля за счет азимутального угла между парами холловских контактов, равного 90°, при этом из указанных сенсорных узлов в составе двух оболочек для трехосевых/двухосевых измерений или сенсорных узлов в составе одной оболочки для двухосевых измерений сформирован массив, в котором n≥2 сенсорных узлов выполнены прецизионно одинаковыми, с заданным распределением в пространстве.In the sensor, the sensor nodes are made for triaxial / biaxial measurements in two shells made of cylindrical shape and arranged relative to each other so that their generators are perpendicular to each other, each shell is equipped with sensor nodes with cross-shaped Hall elements, including pairs of Hall contacts oriented in space with compliance of the measured Hall stresses with the three orthogonal components of the external magnetic field vector due to the azimuthal angle between for pairs of Hall contacts of each of these shells, equal to 90 °, or sensor nodes are made for biaxial measurements in one shell made of a cylindrical shape with pairs of Hall contacts of cross-shaped Hall elements of sensor nodes oriented in space with the correspondence of the measured Hall stresses to two orthogonal components the external magnetic field vector due to the azimuthal angle between the pairs of Hall contacts, equal to 90 °, while from these sensor nodes in the composition of two shells for triaxial / biaxial measurements or sensor nodes as part of a single shell for biaxial measurements, an array is formed in which n≥2 sensor nodes are made exactly the same, with a given distribution in space.

В датчике оболочка расположена на подложке GaAs, связана с ней за счет выполненного на подложке жертвенного слоя AlAs.In the sensor, the shell is located on the GaAs substrate and is connected with it due to the AlAs sacrificial layer made on the substrate.

В датчике формообразующие слои выполнены псевдоморфными монокристаллическими из материалов, характеризующихся в свободном состоянии различными периодами кристаллической решетки, для слоев, расположенных с наружной стороны оболочки, использованы материалы с большим периодом кристаллической решетки.In the sensor, the forming layers are made of pseudomorphic single crystal from materials characterized in the free state by different periods of the crystal lattice, for layers located on the outside of the shell, materials with a large period of the crystal lattice are used.

В датчике формообразующие слои выполнены с использованием материалов GaAs и InGaAs.Forming layers in the sensor are made using GaAs and InGaAs materials.

В датчике в системе слоев, среди которых восприимчивые к магнитному полю - функциональные и формообразующие, формообразующий слой выполнен восприимчивым к магнитному полю.In the sensor in the system of layers, among which are susceptible to the magnetic field - functional and forming, the forming layer is made susceptible to the magnetic field.

В датчике в системе слоев, восприимчивых к магнитному полю - функциональных и формообразующих, слой, восприимчивый к магнитному полю, выполнен из GaAs или FePt.In a sensor in a system of layers susceptible to a magnetic field - functional and shape-forming, a layer susceptible to a magnetic field is made of GaAs or FePt.

В датчике толщина стенки оболочки равна от примерно (5÷6)×10-10 до примерно 10-5 м.In the sensor, the shell wall thickness is from about (5 ÷ 6) × 10 -10 to about 10 -5 m.

В датчике в системе слоев, восприимчивых к магнитному полю - функциональных и формообразующих, выполнена квантовая яма в виде слоя GaAs толщиной 13 нм с электронным газом с концентрацией порядка 1011 см-2, квантовая яма расположена между слоями твердого раствора AlGaAs, легированными Si, причем слои в последовательности AlGaAs - барьер, GaAs - квантовая яма, AlGaAs - барьер расположены в оболочке между слоем из GaAs, выполненным со стороны внутреннего объема оболочки, являющимся защитным слоем, и формообразующим слоем, расположенным с наружной стороны оболочки и выполненным из InGaAs.In the sensor, in a system of layers that are magnetic and susceptible to the magnetic field, functional and shape-forming, a quantum well is made in the form of a 13 nm thick GaAs layer with an electron gas with a concentration of the order of 10 11 cm -2 , the quantum well is located between Si-doped AlGaAs solid solution layers, layers in the sequence AlGaAs - barrier, GaAs - quantum well, AlGaAs - barrier are located in the shell between the layer of GaAs made on the side of the inner volume of the shell, which is a protective layer, and the forming layer located on the outside of the shell and made of InGaAs.

В датчике в стенке оболочки цилиндрической формы выполнены два сенсорных узла, с внутренней стороны оболочки литографически сформированы мезоструктуры с образованием крестообразных холловских элементов - холловских мостиков, канал для пропускания тока крестообразного холловского элемента сенсорного узла - канал холловского мостика расположен вдоль направляющей цилиндрической оболочки, при этом в сенсорных узлах вдоль канала выполнены две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты, в каждой паре контакты расположены по разные стороны канала, азимутальный угол между парами контактов 90°, общий для двух сенсорных узлов канал выполнен соединяющим общие для двух сенсорных узлов токовые контакты, длиной πR/2 и более, R - радиус кривизны оболочки; в случае выполнения датчика, работающего на базе ординарного эффекта Холла, функциональный слой, восприимчивый к магнитному полю, так же как и формообразующий слой, выполнен цилиндрической формы, в нем геометрия крестообразного холловского элемента - холловского мостика определена выполнением тоководов, от токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением Au проложены тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою, омические контакты выполнены напылением слоя германий/никель/золото с последующим отжигом; в случае выполнения датчика, работающего на базе экстраординарного эффекта Холла, функциональный слой, восприимчивый к магнитному полю, выполнен в отличие от формообразующего слоя имеющим рисунок в виде двух соединяющихся крестообразных элементов, определяющий геометрию холловского мостика функциональный слой получен путем предварительного нанесения защитного резиста на формообразующий слой и формирования в резисте сквозного окна с рисунком в виде двух соединяющихся крестообразных элементов с последующим напылением в окно FePt и финального, после напыления, удаления защитного резиста, обладающим кривизной, как и формообразующий слой, в этом случае омические контакты к функциональному слою выполнены непосредственно у выступов холловского элемента - холловского мостика, либо на контактных площадках, либо между ними в любой точке тоководов, последние изготовлены также литографией и последующим нанесением Аи и проложены к контактным площадкам, расположенным на подложке и выполненным тоже из золота, для получения омического контакта выполнение слоев FePt и Au осуществлено внахлестку, причем если омические контакты выполнены у выступов холловского мостика, то место, в котором слои нанесены внахлестку, расположено у выступов, если омические контакты выполнены на контактных площадках, то области тоководов покрыты FePt, а в области контактных площадок слои FePt и Au выполнены внахлестку.Two sensor assemblies are made in the sensor in the wall of the cylindrical shell, the mesostructures are lithographically formed on the inner side of the shell with the formation of cross-shaped Hall elements - Hall bridges, the channel for passing the current of the cross-shaped Hall element of the sensor node - the channel of the Hall bridge is located along the guide of the cylindrical shell, sensor pairs along the channel are two pairs of Hall contacts for measuring Hall voltage - potential contacts, in Doi pair of contacts are arranged on opposite sides of the channel, the azimuth angle between the pairs of contacts 90 °, common to the two sensor nodes connecting channel is common to the two current contacts of sensor nodes and a length πR / 2 or more, R - radius of curvature of the shell; in the case of a sensor operating on the basis of the ordinary Hall effect, the functional layer that is susceptible to the magnetic field, as well as the forming layer, is made of a cylindrical shape, in it the geometry of the cross-shaped Hall element - the Hall bridge is determined by the execution of current leads from current and potential contacts of the Hall bridges by lithography and subsequent deposition of Au are laid current leads to the contact pads located on the substrate, with ohmic contacts to the functional layer, ohmic contacts made by spraying a layer of germanium / nickel / gold, followed by annealing; in the case of a sensor operating on the basis of an extraordinary Hall effect, a functional layer that is susceptible to a magnetic field is made, in contrast to the forming layer, having a pattern in the form of two connected cross-shaped elements, which determines the geometry of the Hall bridge, the functional layer is obtained by preliminary applying a protective resist to the forming layer and forming in the resist a through window with a pattern in the form of two connected cross-shaped elements, followed by spraying FePt and phi into the window After deposition, removal of the protective resist, which has curvature, like the forming layer, in this case, the ohmic contacts to the functional layer are made directly at the protrusions of the Hall element - the Hall bridge, either on the contact pads, or between them at any point of the current leads, the latter are made also by lithography and subsequent deposition of Au and laid to the contact pads located on the substrate and also made of gold, in order to obtain an ohmic contact, the FePt and Au layers were carried out but lapped, moreover, if the ohmic contacts are made at the protrusions of the Hall bridge, then the place where the layers are overlapped is located at the protrusions, if the ohmic contacts are made at the contact pads, the current guide regions are covered with FePt, and the FePt and Au layers are made at the contact pads overlap.

Датчик дополнительно снабжен сформированными на той же подложке схемами обработки сигнала, на которой расположена оболочка с сенсорными узлами.The sensor is additionally equipped with signal processing circuits formed on the same substrate, on which the shell with sensor nodes is located.

В датчике сенсорные узлы выполнены в составе криволинейной оболочки, которая запечатана в твердую матрицу из немагнитного материала.The sensor nodes in the sensor are made as part of a curved shell, which is sealed in a solid matrix of non-magnetic material.

Технический результат достигается в способе изготовления датчика магнитного поля, в котором на подложке формируют многослойный пленочный элемент/элементы с использованием материалов, геометрии и внутренних механических напряжений, обеспечивающих ориентацию крестообразных холловских элементов сенсорных узлов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, при этом на стадии формирования пленочного элемента изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами, пленочный элемент отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку с достижением ориентации крестообразных холловских элементов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля.The technical result is achieved in a method of manufacturing a magnetic field sensor in which a multilayer film element / elements is formed on the substrate using materials, geometry and internal mechanical stresses that ensure the orientation of the cross-shaped Hall elements of the sensor nodes in space, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the vector external magnetic field, while at the stage of formation of the film element make layers, forms forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to a magnetic field, with Hall contacts, the film element is separated from the substrate, transforming it under the influence of internal mechanical stresses into the shell with the achievement of the orientation of the cross-shaped Hall elements in space, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components vector of an external magnetic field.

В способе при формировании многослойного пленочного элемента изготавливают все его конструктивные слои в последовательности от подложки - формообразующие, механически напряженные, функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами и тоководами, слои контактных площадок, при этом посредством планарной технологии задают рисунки слоев, в том числе рисунки, задающие контуры пленочного элемента, рисунки формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок.In the method, when forming a multilayer film element, all its structural layers are made in sequence from the substrate — forming, mechanically stressed, functional, susceptible to a magnetic field, with Hall contacts and current conductors, contact pad layers, while using planar technology, layer patterns are set, including including drawings defining the contours of the film element, drawings of forming, mechanically stressed, and functional layers susceptible to a magnetic field with Hall contacts, with current leads from the latter to the contact pads, contact pads.

В способе перед формированием многослойного пленочного элемента выращивают жертвенный слой, расположенный на подложке, пленочный элемент отделяют от подложки путем селективного бокового травления жертвенного слоя, в качестве подложки используют подложку GaAs.In the method, before the formation of the multilayer film element, a sacrificial layer located on a substrate is grown, the film element is separated from the substrate by selective side etching of the sacrificial layer, and a GaAs substrate is used as the substrate.

В способе толщину многослойного пленочного элемента задают от 5×10-10 до 10-5 м, при этом рисунки слоев формируют литографически, последующее отделение пленочного элемента от подложки осуществляют посредством удаления материала элемента, расположенного под пленочным элементом, обеспечивая за счет этого направленное изгибание пленочного элемента с формированием оболочки цилиндрической формы радиусом R с сенсорными узлами с крестообразными холловскими элементами - холловский мостик, ориентированными в пространстве с реализацией соответствия измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, при этом канал сенсорного узла для пропускания тока холловского мостика располагают вдоль направляющей цилиндрической поверхности оболочки, в сенсорных узлах выполняют пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты, контакты располагают вдоль канала по разные стороны его, азимутальный угол между парами контактов холловских контактов - 90°.In the method, the thickness of the multilayer film element is set from 5 × 10 -10 to 10 -5 m, while the layer patterns are formed lithographically, the subsequent separation of the film element from the substrate is carried out by removing the material of the element located under the film element, thereby providing directional bending of the film an element with the formation of a shell of a cylindrical shape with a radius R with sensor nodes with cross-shaped Hall elements - the Hall bridge, oriented in space with the implementation of the corresponding action of the measured Hall stresses to the orthogonal components of the external magnetic field vector, while the channel of the sensor node for passing the current of the Hall bridge is placed along the guiding cylindrical surface of the shell, pairs of Hall contacts for measuring Hall voltage are made in the sensor nodes — potential contacts, contacts are placed along the channel on opposite sides its azimuthal angle between the pairs of contacts of the Hall contacts is 90 °.

В способе пленочный элемент отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку, содержащую два сенсорных узла, с достижением ориентации крестообразных холловских элементов сенсорных узлов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, посредством реализации направленного травления, осуществляющего заданное направление изгибания освобождаемого пленочного элемента, а направление изгибания задают при формировании многослойного пленочного элемента, при задании рисунков слоев, в том числе рисунка, задающего контуры пленочного элемента, рисунков формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами и тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок, причем рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам формируют с общим для двух сенсорных узлов каналом для пропускания тока, лежащим в направлении изгибания пленочного элемента, с длиной канала не менее πR/2, R - радиус кривизны оболочки, при этом в сенсорных узлах выполняют две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты, контакты расположены вдоль канала по разные стороны его, азимутальный угол между парами контактов - 90° или расстояние по центру между парами πR/2, R - радиус кривизны оболочки, каждая пара предназначена для определения своей ортогональной компоненты внешнего магнитного поля, пленочный элемент трансформируют в оболочку цилиндрической формы, в финале оболочку помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочкой наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение, при формировании двух многослойных пленочных элементов их рисунки реализуют с возможностью перпендикулярных направлений изгибания и получения оболочек цилиндрической формы, образующие которых перпендикулярны, рисунки слоев первого пленочного элемента повторяют во втором пленочном элементе с поворотом на 90°, в финале оболочки помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочками наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение.In the method, the film element is separated from the substrate, transforming it under the action of internal mechanical stresses into a shell containing two sensor nodes, with the achievement of the orientation of the cross-shaped Hall elements of the sensor nodes in space, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the external magnetic field vector, by realizing directional etching, performing a given direction of bending of the released film element, and the direction of bending barium is set during the formation of a multilayer film element, when specifying layer patterns, including a pattern defining the contours of a film element, patterns of forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to a magnetic field, layers with Hall contacts and conductors from the latter to contact pads, contact pads, moreover, the drawing of a functional layer susceptible to a magnetic field, with Hall contacts, with current leads from the latter to contact pads, is formed with a common sensor nodes with a channel for transmitting current lying in the direction of bending of the film element with a channel length of at least πR / 2, R is the radius of curvature of the shell, and two pairs of Hall contacts for measuring Hall voltage are made in the sensor nodes — potential contacts, contacts are located along the channel on its opposite sides, the azimuthal angle between the pairs of contacts is 90 ° or the center distance between the pairs πR / 2, R is the radius of curvature of the shell, each pair is designed to determine its orthogonal component of the external magnetic of the first field, the film element is transformed into a shell of a cylindrical shape, in the final case the shell is placed in a solid matrix of non-magnetic material, for this a liquid polymer is applied to the substrate with the shell and cured, when two multilayer film elements are formed, their patterns are realized with the possibility of perpendicular bending directions and obtaining shells of cylindrical shape, the generators of which are perpendicular, the layer patterns of the first film element are repeated in the second film element with rotation ohm at 90 °, in the final shell is placed in a solid matrix of non-magnetic material, for this a liquid polymer is applied to the substrate with the shells and cured.

В способе формообразующие, механически напряженные слои, формируют путем эпитаксии из кристаллических материалов с различными постоянными решетки, соблюдая условия псевдоморфного роста, функциональный, восприимчивый к магнитному полю, слой выполняют путем эпитаксии из полупроводника или напыляют из металла.In the method, form-forming, mechanically stressed layers are formed by epitaxy from crystalline materials with different lattice constants, observing the conditions of pseudomorphic growth, a functional, susceptible to magnetic field, layer is made by epitaxy from a semiconductor or sprayed from metal.

В способе формообразующие механически напряженные слои формируют путем эпитаксии из кристаллических материалов с различными постоянными решетки - GaAs и InGaAs, функциональный, восприимчивый к магнитному полю, слой выполняют из GaAs или FePt.In the method, form-forming mechanically stressed layers are formed by epitaxy from crystalline materials with different lattice constants — GaAs and InGaAs, a functional, susceptible to magnetic field layer is made of GaAs or FePt.

В способе функциональный, восприимчивый к магнитному полю, слой выполняют в виде системы слоев, среди которых выполняют квантовую яму из GaAs толщиной 13 нм с электронным газом с концентрацией порядка 1011 см-2, квантовую яму располагают между слоями твердого раствора AlGaAs, в отношении которых осуществлено δ-легирование Si, причем слои в последовательности AlGaAs слой, соответствующий барьеру, GaAs слой, соответствующий квантовой яме, AlGaAs слой, соответствующий барьеру, располагают между слоем из GaAs, являющимся защитным слоем, и формообразующим слоем, расположенным на подложке или жертвенном слое, выращенном на подложке, и выполненным из InGaAs.In the method, a functional magnetic field susceptible layer is made in the form of a system of layers, among which there is a 13 nm thick GaAs quantum well with an electron gas with a concentration of about 10 11 cm -2 , a quantum well is placed between AlGaAs solid solution layers, for which δ-doping of Si was carried out, with the layers in the AlGaAs sequence, the layer corresponding to the barrier, the GaAs layer corresponding to the quantum well, the AlGaAs layer corresponding to the barrier, located between the GaAs layer, which is the protective layer, and the forming layer located on a substrate or sacrificial layer grown on a substrate and made of InGaAs.

В способе рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам в случае изготовления датчика, работающего на базе ординарного эффекта Холла, формируют с внешним контуром, таким же как и у формообразующего слоя, а геометрию крестообразного холловского элемента - холловского мостика определяют выполнением тоководов, от токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением Au прокладывают тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою, омические контакты выполняют напылением слоя германий/никель/золото с последующим отжигом; в случае изготовления датчика, работающего на базе экстраординарного эффекта Холла, функциональный слой, восприимчивый к магнитному полю, выполняют рисунком, отличным от формообразующего слоя, имеющим рисунок в виде двух соединяющихся крестообразных элементов, чем определяют геометрию холловского мостика, функциональный слой получают путем предварительного нанесения защитного резиста на формообразующий слой и формирования в резисте сквозного окна с рисунком в виде двух соединяющихся крестообразных элементов с последующим напылением в окно FePt и финального, после напыления, удаления защитного резиста, в этом случае омические контакты к функциональному слою выполняют непосредственно у выступов холловского элемента - холловского мостика, либо на контактных площадках, либо между ними - в любой точке тоководов, тоководы также изготавливают литографией и последующим нанесением Au и прокладывают к контактным площадкам, расположенным на подложке и выполненным из золота, для получения омического контакта выполнение слоев FePt и Au осуществляют внахлестку, причем если омические контакты выполнены у выступов холловского мостика, то место, в котором слои наносят внахлестку, располагают у выступов, если омические контакты выполняют на контактных площадках, то области тоководов покрывают FePt, а в области контактных площадок слои FePt и Au выполняют внахлестку, при этом литографические окна, задающие геометрию тоководов и контактных площадок, изготавливают глубиной, достаточной для электрической изоляции.In the method, the drawing of a functional layer that is susceptible to a magnetic field, with Hall contacts, with current leads from the latter to the contact pads in the case of manufacturing a sensor operating on the basis of the ordinary Hall effect, is formed with an external circuit, the same as that of the forming layer, and the geometry of the cross of the Hall element - the Hall bridge is determined by the implementation of current leads, from current and potential contacts of the Hall bridges by lithography and subsequent application of Au, conductors are laid to the contact area dams located on a substrate with ohmic contacts to the functional layer, ohmic contacts are performed by sputtering a germanium / nickel / gold layer followed by annealing; in the case of manufacturing a sensor operating on the basis of an extraordinary Hall effect, a functional layer that is susceptible to a magnetic field is made with a pattern different from the forming layer having a pattern in the form of two connected cross-shaped elements, which determines the geometry of the Hall bridge, the functional layer is obtained by preliminary applying a protective resist on the forming layer and forming in the resist a through window with a pattern in the form of two connected cross-shaped elements with subsequent spraying we put in the FePt window and the final, after sputtering, removal of the protective resist, in this case, ohmic contacts to the functional layer are made directly at the protrusions of the Hall element - the Hall bridge, either on the contact pads, or between them - at any point of the current leads, the conductors are also made by lithography and subsequent deposition of Au and laid to the contact pads located on the substrate and made of gold, to obtain an ohmic contact, the FePt and Au layers are overlapped, and if the ohmic The contacts are made at the protrusions of the Hall bridge, the place where the layers are overlapped is located at the protrusions, if ohmic contacts are performed on the contact pads, the current guide regions are covered with FePt, and in the area of the contact pads, the FePt and Au layers are lapped, while lithographic windows that define the geometry of current leads and pads are made with a depth sufficient for electrical insulation.

В способе на подложке формируют многослойный пленочный элемент/элементы, соответственно, для сенсорных узлов, предназначенных для двухосевых измерений в составе одной оболочки, или сенсорных узлов, предназначенных для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек, из указанного элемента/элементов образуют массив с n≥2 прецизионно одинаковыми элементами, с учетом их геометрии и пространственной ориентации, с заданным распределением в пространстве, при этом используют материалы, геометрию и внутренние механические напряжения, обеспечивающие ориентацию крестообразных холловских элементов массива сенсорных узлов для двухосевых измерений или для трехосевых/двухосевых измерений в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, при этом на стадии формирования каждого пленочного элемента массива изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами, каждый пленочный элемент массива отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку с достижением ориентации крестообразных холловских элементов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, с получением массива сенсорных узлов для двухосевых измерений в составе одной оболочки, выполненных прецизионно одинаковыми, с заданным распределением в пространстве, с n≥2 прецизионно одинаковьми сенсорными узлами, или с получением массива сенсорных узлов, предназначенных для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек и выполненных прецизионно одинаковыми, с заданным распределением в пространстве, с n≥2 прецизионно одинаковыми сенсорными узлами.In the method, a multilayer film element / elements are formed on the substrate, respectively, for sensor nodes intended for biaxial measurements in one shell, or sensor nodes intended for three-axis / biaxial measurements in two shells, an array with n ≥2 precisely identical elements, taking into account their geometry and spatial orientation, with a given distribution in space, using materials, geometry and internal mechanical stresses providing orientation of the cross-shaped Hall elements of the array of sensor nodes for biaxial measurements or for three-axis / biaxial measurements in space, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the external magnetic field vector, while layers are formed at the stage of formation of each film element of the array mechanically strained, and functional, susceptible to magnetic field, with Hall contacts, each film element is ma the netting is separated from the substrate, transforming it under the influence of internal mechanical stresses into the shell with the achievement of the orientation of the cross-shaped Hall elements in space, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the external magnetic field vector, with the receipt of an array of sensor nodes for biaxial measurements in one shell, made exactly the same, with a given distribution in space, with n≥2 precision identical sensor nodes, or obtaining an array of sensor nodes intended for three-axis / two-axis measurements consisting of two shells and made exactly the same, with a given distribution in space, with n≥2 precision identical sensor nodes.

Сущность технических решений поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.The essence of the technical solutions is illustrated by the following description and the accompanying drawings.

На Фиг.1 схематически изображены сенсорные узлы, расположение их в пространстве относительно друг друга, выполненные на основе твердотельных криволинейных оболочек, в частности - цилиндрических, для датчика магнитного поля на основе эффекта Холла: а) для двухосевых измерений магнитного поля - в составе одной оболочки с условно показанными парами холловских контактов, расположенных на внутренней поверхности оболочки, азимутальный угол φ между ними составляет 90°; б) для двух- и/или трехосевых измерений магнитного поля - в составе двух оболочек, расположенных на подложке друг относительно друга перпендикулярно, с условно показанными парами холловских контактов, расположенных на внутренних поверхностях оболочек, азимутальный угол между ними составляет 90°, в совокупности обуславливая ориентацию пар холловских контактов в пространстве, при которой измеряемые холловские напряжения ортогональны трем компонентам вектора внешнего магнитного поля.Figure 1 schematically shows the sensor nodes, their location in space relative to each other, made on the basis of solid-state curved shells, in particular cylindrical, for a magnetic field sensor based on the Hall effect: a) for biaxial measurements of the magnetic field - as a part of one shell with conventionally shown pairs of Hall contacts located on the inner surface of the shell, the azimuthal angle φ between them is 90 °; b) for two- and / or three-axis measurements of the magnetic field - in the composition of two shells perpendicular to each other relative to each other, with pairs of Hall contacts located on the inner surfaces of the shells conventionally shown, the azimuth angle between them is 90 °, which together determines orientation of pairs of Hall contacts in space at which the measured Hall stresses are orthogonal to the three components of the external magnetic field vector.

На Фиг.2 схематически показано сворачивание в рулон за счет действия встроенных механических напряжений псевдоморфной гетеропленки из двух формообразующих слоев при освобождении ее от связи с подложкой.Figure 2 schematically shows a roll-up due to the action of built-in mechanical stresses of a pseudomorphic heterofilm from two forming layers when it is released from communication with the substrate.

На Фиг.3 представлено формирование двух сенсорных узлов в составе цилиндрической оболочки на основе полупроводниковых соединений A3B5 с двумя парами холловских контактов (потенциальных): а) схематически показано поперечное сечение исходной, в частном случае выполнения датчика, модулированно легированной гетероструктуры с квантовой ямой (КЯ) GaAs, содержащей двумерный электронный газ; b) схематически изображена литографически мезоструктурированная плоская многослойная гетероструктура, расположенная на подложке, с формированием двух пар холловских контактов (потенциальных) и пары токовых контактов, между которыми расположен канал для протекания тока; с) схематическое изображение сформированной цилиндрической оболочки, снабженной омическими контактами и тоководами; d) фотографическое изображение литографически мезоструктурированной плоской многослойной гетероструктуры, расположенной на подложке, с формированием двух пар холловских контактов (потенциальных) и пары токовых контактов, между которыми расположен канал для протекания тока; е) фотографическое изображение цилиндрической оболочки, снабженной омическими контактами и тоководами, сформированной путем сворачивания литографически мезоструктурированной плоской многослойной гетероструктуры при освобождении ее от связи с подложкой; где 1-6 контактные площадки.Figure 3 shows the formation of two sensor nodes in a cylindrical shell based on A 3 B 5 semiconductor compounds with two pairs of Hall contacts (potential): a) a cross section of the original, in the particular case of a sensor, modulated doped quantum well heterostructure is schematically shown (QW) GaAs containing two-dimensional electron gas; b) schematically depicts a lithographically mesostructured planar multilayer heterostructure located on a substrate, with the formation of two pairs of Hall contacts (potential) and a pair of current contacts, between which there is a channel for current flow; c) a schematic representation of the formed cylindrical shell provided with ohmic contacts and current leads; d) a photographic image of a lithographically mesostructured planar multilayer heterostructure located on the substrate, with the formation of two pairs of Hall contacts (potential) and a pair of current contacts, between which there is a channel for current flow; f) a photographic image of a cylindrical shell equipped with ohmic contacts and current leads formed by folding a lithographically mesostructured flat multilayer heterostructure when it is released from communication with the substrate; where 1-6 pads.

На Фиг.4 представлено схематическое изображение датчика магнитного поля на основе эффекта Холла для двух- и/или трехосевых измерений магнитного поля в составе двух оболочек, запечатанных в полимер.Figure 4 presents a schematic representation of a magnetic field sensor based on the Hall effect for two- and / or three-axis measurements of a magnetic field in two shells sealed in a polymer.

На Фиг.5 представлены результаты трехосевых холловских измерений во внешнем магнитном поле, направленном вдоль оси Z, при вращения образца вокруг оси X, с измеряемыми холловскими напряжениями Ux, Uy и Uz, пропорциональными компонентам вектора магнитного поля Вх, By и Bz.Figure 5 presents the results of three-axis Hall measurements in an external magnetic field directed along the Z axis when the sample rotates around the X axis, with measured Hall voltages Ux, Uy and Uz proportional to the components of the magnetic field vector Bx, By and Bz.

На Фиг.6 схематически представлены контуры формообразующих слоев многослойного пленочного элемента, обеспечивающие реализацию направленного изгибания пленочного элемента при его отделении от подложки путем стимуляции процесса травления за счет присутствия внутренних механических напряжений на границе окна: где 7 - подложка; 8 - слой GaAs; 9 - механически напряженный слой InGaAs; 10 - жертвенный слой AlAs.Figure 6 schematically shows the contours of the forming layers of the multilayer film element, providing the implementation of directional bending of the film element when it is separated from the substrate by stimulating the etching process due to the presence of internal mechanical stresses at the window border: where 7 is the substrate; 8 - layer of GaAs; 9 - mechanically stressed InGaAs layer; 10 - sacrificial layer of AlAs.

Достижение указанного технического результата базируется на следующих особенностях.The achievement of the specified technical result is based on the following features.

Активная часть датчика - сенсорные узлы выполняются, в отличие от приведенных известных технических решений, непосредственно в составе многослойной оболочки (освобожденной от связи с подложкой тонкой искривленной пленки), содержащей наряду с формообразующими слоями, обеспечивающими кривизну за счет действия упругих напряжений, функциональные слои - слои, восприимчивые к магнитному полю. Активная часть датчика (сенсорные узлы) имеет крестообразные холловские элементы (включающие пары холловских контактов), выполненные с возможностью их ориентации в пространстве соответствующими взаимно ортогональными компонентами вектора внешнего магнитного поля. За счет изгибания в результате наличия внутренних механических напряжений в слоях пленки достигается требуемое ориентирование расположенных в оболочке крестообразных холловских элементов в пространстве (см. Фиг.1). Слой, восприимчивый к магнитному полю, или система слоев, в совокупности восприимчивая к магнитному полю, имеет такую же кривизну, как и формообразующие слои, изгибающиеся под действием внутренних механических напряжений при отделении их от связи с подложкой. В связи с этим мезоструктуры, в частности, образующие холловские мостики, выполнены также криволинейной конфигурации за счет изгиба пленки, при этом они своей конфигурацией отвечают ориентации крестообразных холловских элементов, при которой измеряемые холловские напряжения ортогональны компонентам вектора внешнего магнитного поля (см. Фиг.1). Плоскости, касательные к оболочке в центрах крестообразных холловских элементов, ортогональны относительно друг друга за счет кривизны оболочки. Причем указанные расположения элементов относительно друг друга, в частности, пространственные, задаются прецизионным образом.The active part of the sensor — the sensor nodes, in contrast to the known technical solutions presented above, is carried out directly in the multilayer shell (freed from communication with the substrate of a thin curved film), which contains, along with the forming layers, providing curvature due to the action of elastic stresses, functional layers — layers susceptible to magnetic field. The active part of the sensor (sensor nodes) has cross-shaped Hall elements (including pairs of Hall contacts) made with the possibility of their orientation in space by the corresponding mutually orthogonal components of the external magnetic field vector. Due to bending as a result of the presence of internal mechanical stresses in the film layers, the required orientation of the cross-shaped Hall elements located in the shell in space is achieved (see Figure 1). A layer that is susceptible to a magnetic field, or a system of layers that are collectively susceptible to a magnetic field, has the same curvature as the formative layers that bend under the influence of internal mechanical stresses when they are separated from the bond with the substrate. In this regard, the mesostructures, in particular, forming the Hall bridges, are also made in a curved configuration due to the bending of the film, while their configuration corresponds to the orientation of the cross-shaped Hall elements, in which the measured Hall stresses are orthogonal to the components of the external magnetic field vector (see Figure 1 ) The planes tangent to the shell at the centers of the cross-shaped Hall elements are orthogonal to each other due to the curvature of the shell. Moreover, these arrangements of elements relative to each other, in particular spatial, are set in a precise manner.

Слой, восприимчивый к магнитному полю, или система слоев, в совокупности восприимчивая к магнитному полю, является функциональным элементом сенсорного узла и, в общем, датчика магнитного поля, играет ключевую роль, поскольку обеспечивает возникновение холловской ЭДС. Для измерения последней и определения ортогональных компонент магнитного поля в сенсорном узле необходимы крестообразные холловские элементы с пространственной ориентацией, соответствующей определяемой ортогональной компоненте внешнего магнитного поля. Последнее условие выполняется за счет кривизны, обеспечиваемой формообразующими слоями.A layer that is susceptible to a magnetic field, or a system of layers that are collectively susceptible to a magnetic field, is a functional element of the sensor assembly and, in general, of the magnetic field sensor, plays a key role, since it provides the emergence of a Hall EMF. To measure the latter and determine the orthogonal components of the magnetic field in the sensor node, cross-shaped Hall elements with a spatial orientation corresponding to the determined orthogonal component of the external magnetic field are required. The last condition is satisfied due to the curvature provided by the forming layers.

Таким образом, с одной стороны, оболочка является средством достижения требуемой ориентации крестообразных холловских элементов в пространстве, с другой стороны, оболочка является местом, в котором локализованы сенсорные узлы с функциональным слоем и холловскими контактами. Выполнение криволинейной оболочкой указанной двойной функции играет ключевую роль в достижении технического результата. Именно реализация двойной функции твердотельной криволинейной оболочки, в отличие от вышерассмотренных технических решений, в которых оболочка выполняла только единственную функцию, значительно упрощает используемое при создании датчика микроструктурирование твердотельной гетероструктуры, устраняет причины, препятствующие достижению технического результата.Thus, on the one hand, the shell is a means of achieving the required orientation of the cross-shaped Hall elements in space, on the other hand, the shell is the place where the sensory nodes with the functional layer and Hall contacts are localized. The execution of the specified double function by the curved shell plays a key role in achieving the technical result. It is the implementation of the dual function of the solid-state curved shell, in contrast to the technical solutions discussed above, in which the shell performed only a single function, significantly simplifies the microstructuring of the solid-state heterostructure used to create the sensor, and eliminates the reasons that impede the achievement of the technical result.

В основе создания предлагаемого датчика магнитного поля лежит метод сворачивания тонких напряженных пленок при их освобождении от связи с подложкой (V.Ya.Prinz, V.A.Seleznev, А.К.Gutakovsky, A.V.Chehovskiy, V.V.Preobrazenskii, M.A.Putyato, T.A.Gavrilova. Free standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelical and their arrays. Physica E, 2000, v.6, N 1-4, p.p.828-831). Напряженная двухслойная пленка из материалов с различными постоянными кристаллической решетки при освобождении ее от связи с подложкой изгибается и сворачивается в рулон под действием внутренних механических напряжений (Фиг.2). Упругие силы F1 и F2 в формообразующих слоях - сжатом слое, расположенном на жертвенном слое, и растянутом слое, расположенном на сжатом слое, направлены в противоположные стороны и создают момент сил M, стремящийся изогнуть пленку. Пока жертвенный слой не подвергнут травлению, пленка жестко связана с подложкой посредством жертвенного слоя и удерживается в плоском состоянии. При направленном боковом травлении жертвенного слоя пленка из формообразующих слоев начинает отделяться от подложки. Под действием момента сил упругих деформаций пленка изгибается, приобретая криволинейную форму, соответствующую минимуму энергии внутренних напряжений. Радиус кривизны изгиба можно задавать с прецизионной точностью. Он зависит от толщины пленки и величин механических напряжений в ней. Радиус воспроизводится с прецизионной точностью, поскольку он задается относительным рассогласованием периодов кристаллических решеток материалов, которые выбирают для формирования формообразующих слоев, и толщинами последних. Выращивая на подложке исходные структуры с разной толщиной эпитаксиальных слоев и составами твердых растворов, можно очень точно получать требуемое значение радиуса кривизны. Толщина при эпитаксиальном росте задается с точностью до моноатомных слоев. В простейшем случае двухслойной гетеропленки с толщинами слоев d1 и d2, несоответствием параметров решетки слоев Δа/а и коэффициентом Пуассона v радиус кривизны R определяется формулой (M.Grundmann, Appl. Phys. Lett. 83, 2444 (2003)):The proposed magnetic field sensor is based on the method of folding thin strained films when they are released from communication with the substrate (V.Ya. Prinz, VASeleznev, A.K. Gutakovsky, AVChehovskiy, VVPreobrazenskii, MAPutyato, TAGavrilova. Free standing and overgrown InGaAs / GaAs nanotubes, nanohelical and their arrays. Physica E, 2000, v. 6, N 1-4, pp828-831). A strained two-layer film of materials with different lattice constants, when it is released from communication with the substrate, bends and rolls under the action of internal mechanical stresses (Figure 2). The elastic forces F 1 and F 2 in the forming layers — the compressed layer located on the sacrificial layer and the stretched layer located on the compressed layer — are directed in opposite directions and create a moment of forces M, which tends to bend the film. Until the sacrificial layer is etched, the film is rigidly bonded to the substrate by the sacrificial layer and held flat. With directed lateral etching of the sacrificial layer, the film from the forming layers begins to separate from the substrate. Under the action of the moment of elastic deformation forces, the film bends, acquiring a curvilinear shape corresponding to the minimum energy of internal stresses. The bend radius of curvature can be set with precision precision. It depends on the thickness of the film and the magnitude of the mechanical stresses in it. The radius is reproduced with precision accuracy, since it is determined by the relative mismatch of the periods of the crystal lattices of the materials that are chosen for the formation of the forming layers, and the thicknesses of the latter. By growing initial structures on the substrate with different thicknesses of epitaxial layers and compositions of solid solutions, it is possible to very accurately obtain the required value of the radius of curvature. The thickness during epitaxial growth is specified accurate to monoatomic layers. In the simplest case of a two-layer heterofilm with layer thicknesses d 1 and d 2 , mismatch of the lattice parameters of the layers Δа / а and Poisson's ratio v, the radius of curvature R is determined by the formula (M.Grundmann, Appl. Phys. Lett. 83, 2444 (2003)):

R = 1 6 1 Δ a a ( d 1 + d 2 ) 3 ( 1 + ν ) d 1 d 2

Figure 00000001
R = one 6 one Δ a a ( d one + d 2 ) 3 ( one + ν ) d one d 2
Figure 00000001

Таким образом, локальная кривизна оболочки задается присутствующими в ее составе формообразующими слоями, изогнутыми за счет действия упругих напряжений. Формообразующие слои получают на стадии изготовления на подложке многослойного пленочного элемента - элемента, находящегося в плоском состоянии и содержащего все конструктивные элементы сенсорного узла магнитного датчика, а точнее, при формировании на подложке гетероструктуры. На этой же стадии в составе гетероструктуры изготавливают функциональный слой - слой, восприимчивый к магнитному полю, или систему слоев (как, например, см. Фиг. 3,а)), в совокупности восприимчивую к магнитному полю, которые снабжают в дальнейшем при изготовлении датчика холловскими контактами (см. Фиг.3). Исходный объект при формировании пленочного элемента - твердая многослойная пленка или гетероструктура, нанесенная на твердую подложку каким-либо способом, молекулярно-лучевой эпитаксией, осаждением из жидкой или газовой фазы, термическим или электронно-лучевым распылением. В общем случае в составе гетероструктуры выполняют совокупность слоев полупроводников, металлов, диэлектриков. Исходный объект соответствует следующим требованиям: во-первых, должна быть обеспечена достаточная концентрация носителей заряда для возникновения поперечного (холловского) напряжения за счет обычного или аномального (экстраординарного) эффектов Холла при протекании электрического тока в плоскости пленки и наличии внешнего магнитного поля, перпендикулярного ее плоскости; во-вторых, должна иметься возможность локального отделения от подложки; в-третьих, должны быть встроенные механические напряжения, под действием которых при отделении от подложки твердая многослойная пленка (гетероструктура) изгибается и принимает требуемую пространственную конфигурацию, в частности, вследствие несоответствия параметров кристаллической решетки материалам слоев.Thus, the local curvature of the shell is determined by the form-forming layers present in its composition, curved due to the action of elastic stresses. Forming layers are obtained at the stage of manufacturing on the substrate a multilayer film element - an element that is in a flat state and contains all the structural elements of the sensor node of the magnetic sensor, and more precisely, when a heterostructure is formed on the substrate. At the same stage, a functional layer is made as part of the heterostructure — a layer susceptible to a magnetic field, or a system of layers (as, for example, see Fig. 3, a)), which are collectively susceptible to a magnetic field, which are supplied in the future for the manufacture of the sensor Hall contacts (see Figure 3). The initial object during the formation of the film element is a solid multilayer film or heterostructure deposited on a solid substrate in any way, by molecular beam epitaxy, deposition from a liquid or gas phase, thermal or electron beam spraying. In the General case, the composition of the heterostructure perform a combination of layers of semiconductors, metals, dielectrics. The initial object meets the following requirements: firstly, a sufficient concentration of charge carriers must be ensured for the appearance of transverse (Hall) voltage due to the usual or abnormal (extraordinary) Hall effects during the flow of electric current in the film plane and the presence of an external magnetic field perpendicular to its plane ; secondly, there should be the possibility of local separation from the substrate; thirdly, there should be built-in mechanical stresses, under the influence of which, upon separation from the substrate, the solid multilayer film (heterostructure) bends and takes the required spatial configuration, in particular, due to the mismatch of the crystal lattice parameters with the layer materials.

Изготовление многослойного пленочного элемента осуществляют с использованием материалов, геометрии и внутренних механических напряжений, обеспечивающих ориентацию пар холловских контактов в пространстве, при которой измеряемые холловские напряжения соответствуют ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, посредством имеющегося к настоящему времени арсенала средств планарной технологии. Для задания прецизионного расположения сенсорных узлов среди методов планарной технологии, обеспечивающих однородность толщины слоя и однородность механических напряжений по слою, используют такие, как эпитаксия, электрохимическое осаждение, вакуумное напыление и другие методы. Отделяя от подложки пленочный элемент, трансформируют его под действием внутренних механических напряжений в оболочку, кривизну которой можно варьировать в широком диапазоне. Конкретное значение кривизны оболочки, обеспечивающее требуемое пространственное расположение пар холловских контактов, с высокой точностью задается выбором внутренних напряжений формообразующих слоев, их толщинами и механическими свойствами слоев.The manufacture of a multilayer film element is carried out using materials, geometry and internal mechanical stresses that ensure orientation of the pairs of Hall contacts in space, at which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the external magnetic field vector, using the currently available arsenal of planar technology tools. To set the precision location of the sensor nodes among the planar technology methods, ensuring uniformity of the layer thickness and uniformity of mechanical stresses across the layer, such as epitaxy, electrochemical deposition, vacuum deposition, and other methods are used. Separating the film element from the substrate, they transform it under the action of internal mechanical stresses into a shell, the curvature of which can be varied over a wide range. The specific value of the shell curvature, which provides the required spatial arrangement of the pairs of Hall contacts, is set with high accuracy by the choice of the internal stresses of the forming layers, their thicknesses and the mechanical properties of the layers.

Способ изготовления позволяет использовать широкий круг материалов для конструктивных слоев датчика с прецизионным подбором их толщин и напряжений, а также реализовать желаемую геометрию всех элементов датчика, включая точную пространственную конфигурацию. Первая стадия способа заключается в формировании пленочного элемента, контуры которого задают литографически, при этом на подложке осуществляют формирование одного или более отдельных пленочных элементов в плоском состоянии. При формировании определяют форму сворачиваемого пленочного элемента, области начала отделения его от подложки и сворачивания, направление сворачивания. Используют любой тип литографии - оптическая, электронная, штамповая для нанесения защитной маски требуемой формы на поверхность исходной пленки и последующего локального удаления пленки травлением (жидкостным, ионным или другим) с получением заданной геометрии многослойного пленочного элемента. В областях пленки, не защищенных маской, пленку полностью удаляют. При необходимости маска подлежит удалению.The manufacturing method allows the use of a wide range of materials for the structural layers of the sensor with a precise selection of their thicknesses and stresses, as well as the desired geometry of all sensor elements, including the exact spatial configuration. The first stage of the method consists in the formation of a film element, the contours of which are set lithographically, while on the substrate, one or more individual film elements are formed in a flat state. During the formation, the shape of the roll-up film element, the area of the beginning of its separation from the substrate and the roll-up, the roll-up direction are determined. Any type of lithography is used - optical, electronic, die for applying a protective mask of the desired shape to the surface of the original film and subsequent local removal of the film by etching (liquid, ion or other) to obtain the specified geometry of the multilayer film element. In areas of the film not protected by the mask, the film is completely removed. If necessary, the mask must be removed.

В составе многослойного пленочного элемента выращивают не менее двух формообразующих слоев со встроенными механическими напряжениями, создающими момент сил, стремящийся изогнуть пленку. Толщину каждого слоя выбирают от нескольких микрон до одного атомного монослоя, в зависимости от требований, предъявляемых к датчику. В частности, может быть выполнена последовательность формообразующих слоев со встроенными механическими напряжениями с возможностью задания градиента продольных механических напряжений, направленного поперек пленки. Кроме того, в составе пленочного элемента выполняют не менее одного функционального слоя - слоя, восприимчивого к магнитному полю, или систему слоев, в совокупности восприимчивую к магнитному полю. При этом если позволяет используемый материал в качестве функционального слоя может выступать формообразующий слой, совмещая, таким образом, две функции - обеспечение кривизны и создание холловской ЭДС. На этой же стадии после изготовления формообразующих и функционального слоя и получения геометрии многослойного пленочного элемента проводят мезоструктурирование по функциональному слою - изготавливают крестообразные холловские элементы, тоководы и контактные площадки (см. Фиг.3, b), d)). При этом осуществляют определение формы проводящих каналов - тоководов активной области датчика и контактных полей для снятия холловских напряжений - контактных площадок. Используют любой тип литографии - оптическая, электронная, штамповая для нанесения защитной маски требуемой формы на поверхность исходной пленки и последующего локального удаления пленки травлением (жидкостным, ионным или другим) с получением заданной геометрии тоководов и контактных площадок. В не защищенных маской областях пленки последнюю удаляют до глубины, достаточной для электрической изоляции в области травления. (Здесь под электрической изоляцией следует понимать многократное, например в 100 и более раз, увеличение электрического сопротивления травленой пленки по сравнению с исходной.) При наличии жертвенного слоя травление осуществляют до достижения глубины, меньшей, чем глубина залегания жертвенного слоя, не допуская обнажения последнего. После чего маска подлежит удалению. На этой же стадии осуществляют формирование омических контактов датчика путем нанесения слоя подходящего материала, например индия, или слоев нескольких материалов, например германий/никель/золото на области контактных полей - контактных площадок 1-6 (см. Фиг.3). При необходимости после нанесения проводят отжиг в инертной атмосфере. Таким образом, на первом этапе изготавливают все конструктивные элементы датчика магнитного поля, они находятся в плоском состоянии, потому что мезоструктурированная пленка связана с подложкой, в частности, за счет присутствующего жертвенного слоя, если последний выращивают в составе пленочного элемента. Однако изготавливаемый датчик еще не готов к функционированию. Остается придать плоским конструктивным элементам требуемое для измерения ортогональных компонент внешнего магнитного поля расположение в пространстве (см. Фиг.3, с), е)).As part of a multilayer film element, at least two formative layers are grown with built-in mechanical stresses that create a moment of forces tending to bend the film. The thickness of each layer is selected from a few microns to one atomic monolayer, depending on the requirements of the sensor. In particular, a sequence of forming layers with built-in mechanical stresses can be performed with the possibility of setting a gradient of longitudinal mechanical stresses directed across the film. In addition, at least one functional layer is performed in the film element — a layer susceptible to a magnetic field, or a system of layers that are collectively susceptible to a magnetic field. Moreover, if the used material allows, the forming layer can act as a functional layer, thus combining two functions - ensuring curvature and creating a Hall EMF. At the same stage, after the manufacture of the forming and functional layer and obtaining the geometry of the multilayer film element, mesostructuring is carried out along the functional layer — cross-shaped Hall elements, current leads and contact pads are made (see Fig. 3, b), d)). In this case, they determine the shape of the conductive channels - current leads of the active region of the sensor and contact fields to relieve Hall voltage - contact pads. Any type of lithography is used - optical, electronic, die for applying a protective mask of the required shape to the surface of the original film and subsequent local removal of the film by etching (liquid, ion or other) to obtain the specified geometry of the conductors and contact pads. In non-masked areas of the film, the latter is removed to a depth sufficient for electrical isolation in the etching area. (Here, by electrical insulation should be understood a multiple, for example, 100 or more times, increase in the electrical resistance of the etched film compared to the original one.) In the presence of a sacrificial layer, etching is carried out until a depth is less than the depth of the sacrificial layer, avoiding exposure of the latter. After which the mask must be removed. At the same stage, the ohmic contacts of the sensor are formed by applying a layer of a suitable material, for example indium, or layers of several materials, for example germanium / nickel / gold, on the area of contact fields - contact pads 1-6 (see Figure 3). If necessary, after application, annealing is carried out in an inert atmosphere. Thus, at the first stage, all the structural elements of the magnetic field sensor are made; they are in a flat state because the mesostructured film is bonded to the substrate, in particular, due to the sacrificial layer present, if the latter is grown in the film element. However, the manufactured sensor is not yet ready for operation. It remains to give the flat structural elements the spatial arrangement required for measuring the orthogonal components of the external magnetic field (see Figure 3, c), e)).

Кроме вышерассмотренной реализации первой стадии способа возможен вариант, в котором изготовление функционального слоя с тоководами и контактными площадками осуществляют в едином процессе методом «Lift-off» (напыление на маску с окнами с последующим растворением материала маски).In addition to the above-mentioned implementation of the first stage of the method, a variant is possible in which the production of a functional layer with current leads and contact pads is carried out in a single process using the Lift-off method (spraying on a mask with windows, followed by dissolving the mask material).

На второй стадии способа изготовления приступают непосредственно к операциям, касающимся получения криволинейной оболочки (трубки, свитки, рулоны) и требуемого расположения в пространстве крестообразных холловских элементов, включающих пары холловских контактов. Созданный пленочный элемент/элементы освобождают от связи с подложкой посредством удаления под ним/ними материала нижележащего элемента либо без удаления последнего, применяя воздействие, освобождающее гетероструктуру от связи с подложкой, например воздействие лазерным излучением. В первом случае травят жертвенный слой, предварительно выращенный на подложке. При этом многослойный пленочный элемент изгибается под действием внутренних механических напряжений формообразующих слоев и трансформируется в оболочку с формой, соответствующей минимуму энергии внутренних механических напряжений. Изгибание пленочного элемента в требуемом направлении достигается применением способов направленного сворачивания (А.В.Vorob'ev, V.Ya.Prinz. Directional rolling of strained heterofilms. Semiconductor Science and Technology, 17, 2002, p.p.614-616), базирующихся на анизотропии упругих свойств слоев гетероструктуры, анизотропии травления жертвенного слоя, или посредством использования определенных конфигураций контуров пленочного элемента, которые задают требуемое направление сворачивания. При этом функциональный слой, крестообразные холловские элементы, тоководы и, может быть, отчасти даже контактные площадки претерпевают трансформацию вместе с формообразующими слоями многослойного пленочного элемента.At the second stage of the manufacturing method, they proceed directly to operations related to obtaining a curved shell (tubes, scrolls, rolls) and the required location in the space of cross-shaped Hall elements, including pairs of Hall contacts. The created film element / elements are freed from bonding with the substrate by removing the underlying material below it / them or without removing the latter, using an action that releases the heterostructure from bonding with the substrate, for example, exposure to laser radiation. In the first case, the sacrificial layer previously grown on the substrate is etched. In this case, the multilayer film element is bent under the action of internal mechanical stresses of the forming layers and is transformed into a shell with a shape corresponding to the minimum energy of internal mechanical stresses. The bending of the film element in the desired direction is achieved using directional folding methods (A.V. Vorob'ev, V.Ya. Prinz. Directional rolling of strained heterofilms. Semiconductor Science and Technology, 17, 2002, pp614-616), based on anisotropy the elastic properties of the heterostructure layers, the etching anisotropy of the sacrificial layer, or through the use of certain configurations of the contours of the film element, which specify the desired direction of folding. In this case, the functional layer, cross-shaped Hall elements, current leads and, perhaps, in part even contact pads undergo transformation together with the forming layers of the multilayer film element.

В заключение осуществляют присоединение проволок, проводов или иных электрических подводов к контактным площадкам 1-6 (см. Фиг.3).In conclusion, they connect the wires, wires or other electrical leads to the pads 1-6 (see Figure 3).

Подчеркнем, что последовательность этапов - изготовление исходного объекта в виде твердой многослойной пленки или гетероструктуры, определение формы многослойного пленочного элемента, определение формы тоководов и контактных площадок, формирование на последних омических контактов, формирование криволинейных оболочек, наконец, присоединение к контактным площадкам электрических подводов может отличаться от приведенной здесь последовательности, в зависимости от средств, заимствованных из арсенала планарной технологии для изготовления датчика - материалов и технологических методов.We emphasize that the sequence of steps is the manufacture of the initial object in the form of a solid multilayer film or heterostructure, determining the shape of the multilayer film element, determining the shape of current leads and contact pads, forming at the last ohmic contacts, forming curvilinear shells, and finally, connecting electrical pads to the contact pads may differ from the sequence given here, depending on the means borrowed from the arsenal of planar technology for manufacturing Sensor Ia - materials and processing methods.

В частном случае реализации предлагаемого технического решения полученная оболочка с функциональным слоем, крестообразными холловскими элементами с парами холловских контактов может быть перенесена на другой несущий элемент либо размещена в другой среде. В частности, может быть запечатана в полимер (см. Фиг.4).In the particular case of the implementation of the proposed technical solution, the resulting shell with a functional layer, cruciform Hall elements with pairs of Hall contacts can be transferred to another carrier element or placed in a different environment. In particular, it can be sealed in a polymer (see Figure 4).

Конструкция датчика с оболочкой/оболочками с сенсорными узлами подвержена механическим воздействиям. Во избежание разрушительных последствий воздействий и выведения датчика из строя рекомендуется изготовленную конструкцию датчика помещать в твердую матрицу. Для этого в области несущего элемента конструкции (подложки) датчика с оболочками наносят жидкий полимер с последующим его отверждением. Такое запечатывание может быть выполнено с использованием полидиметилсилоксана - кремнийорганического полимера. Для полидиметилсилоксанов характерны химическая инертность, низкое поверхностное натяжение, водоотталкивающие и диэлектрические свойства. Кроме того, они прозрачны, что позволяет производить контроль за состоянием конструкции с помощью оптического микроскопа.The design of the sensor with a shell / shells with sensor assemblies is subject to mechanical stress. In order to avoid the devastating effects of exposure and disabling the sensor, it is recommended that the manufactured sensor design be placed in a solid matrix. To do this, in the region of the supporting structural element (substrate) of the sensor with shells, a liquid polymer is applied with its subsequent curing. Such sealing can be performed using polydimethylsiloxane, an organosilicon polymer. Polydimethylsiloxanes are characterized by chemical inertness, low surface tension, water repellent and dielectric properties. In addition, they are transparent, which allows you to control the state of the structure using an optical microscope.

Отметим, радиус кривизны получаемой оболочки зависит от толщины и механических свойств всех слоев мезоструктурированной гетероструктуры. Формирование на первом этапе функционального слоя с большой толщиной приведет к существенному увеличению радиуса кривизны. Наличие формообразующих слоев со встроенными механическими напряжениями в составе многослойной оболочки толщиной от сотен микрометров до единиц нанометров, задающих локальную кривизну оболочки, обуславливает ее характерные масштабы. Варьирование локальной кривизны за счет подбора параметров формообразующих и функционального слоев обеспечивает возможность масштабирования датчика магнитного поля.Note that the radius of curvature of the resulting shell depends on the thickness and mechanical properties of all layers of the mesostructured heterostructure. The formation at the first stage of a functional layer with a large thickness will lead to a significant increase in the radius of curvature. The presence of forming layers with built-in mechanical stresses in the composition of a multilayer shell with a thickness from hundreds of micrometers to a few nanometers that specify the local curvature of the shell determines its characteristic scale. Varying the local curvature by selecting the parameters of the forming and functional layers provides the ability to scale the magnetic field sensor.

Способ изготовления обеспечивает широкий диапазон размеров активных элементов датчика (от единиц нанометров до единиц миллиметров) и их пространственных конфигураций. Оболочки посредством операций предлагаемого способа, базирующегося на планарной технологии и принципах трансформации пленочных элементов в оболочки, могут быть выполнены разнообразных геометрических форм и размеров, с возможностью обеспечения требуемого позиционирования в пространстве холловских элементов. В случае выполнения датчика магнитного поля с использованием более чем одной оболочки способ позволяет реализовать их, в общем случае, разными формами, ориентацией и размерами, обеспечить желаемое размещение их относительно друг друга.The manufacturing method provides a wide range of sizes of active sensor elements (from units of nanometers to units of millimeters) and their spatial configurations. Shells through the operations of the proposed method, based on planar technology and the principles of transformation of film elements into shells, can be made of various geometric shapes and sizes, with the possibility of ensuring the required positioning in the space of Hall elements. In the case of performing a magnetic field sensor using more than one shell, the method allows them to be implemented, in the general case, in different shapes, orientations, and sizes, and to provide their desired placement relative to each other.

В приведенных выше работах L.Sileo и М.Todaro с сотрудниками высота кантилеверных структур над подложкой достигает приблизительно 400 мкм, что неприемлемо много как с точки зрения изготовления микро- и нанодатчиков Холла, так и с точки зрения устойчивости кантилеверных структур к механическим воздействиям, в частности к действию капиллярных сил в процессе изготовления и/или эксплуатации датчика. Этот размер не может быть уменьшен существенно (на 2-3 порядка) в силу принципиальных ограничений использованного варианта микроструктурирования, известного как "микрооригами". Напротив, диаметр цилиндрических оболочек с сенсорными узлами (то есть, размер датчика в направлении, перпендикулярном подложке) составляет десятки микрометров и может быть масштабирован в область субмикронных и наноразмеров соответствующим выбором толщины и состава напряженной тонкой пленки, из которой формируются оболочки. Из литературы известно, что к настоящему времени минимальный достигнутый диаметр цилиндрических оболочек составляет 2 нм (V.Ya.Prinz, V.A.Seleznev, А.К.Gutakovsky, A.V.Chehovskiy, V.V.Preobrazenskii, М.A.Putyato, T.A.Gavrilova. Free standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelical and their arrays. Physica E, 2000, v.6, N 1-4, p.p.828-831), в то время как минимальная известная высота структур "микрооригами" составляет около 50 мкм (P.O.Vaccaro et al., Appl. Phys. Lett. 78, 2852 (2001)).In the above works of L. Sileo and M. Todaro and colleagues, the height of the cantilever structures above the substrate reaches approximately 400 μm, which is unacceptable a lot both from the point of view of manufacturing micro and Hall nanosensors, and from the point of view of the resistance of cantilever structures to mechanical stresses, in particular, to the action of capillary forces during the manufacturing and / or operation of the sensor. This size cannot be significantly reduced (by 2–3 orders of magnitude) due to the fundamental limitations of the used microstructuring option, known as “microorigami”. On the contrary, the diameter of the cylindrical shells with sensor nodes (i.e., the size of the sensor in the direction perpendicular to the substrate) is tens of micrometers and can be scaled to the submicron and nanoscale region by appropriate selection of the thickness and composition of the strained thin film from which the shells are formed. It is known from the literature that to date the minimum achieved diameter of cylindrical shells is 2 nm (V.Ya. Prinz, VASeleznev, A.K. Gutakovsky, AVChehovskiy, VVPreobrazenskii, M.A. Putyato, TAGavrilova. Free standing and overgrown InGaAs / GaAs nanotubes, nanohelical and their arrays. Physica E, 2000, v.6, N 1-4, pp828-831), while the minimum known height of the microorigami structures is about 50 μm (POVaccaro et al., Appl. Phys. Lett. 78, 2852 (2001)).

В отношении материалов предлагаемый способ позволяет использовать широкий круг материалов как для конструктивных слоев оболочки, так и других конструктивных элементов (например, несущего элемента в случае переноса оболочки с подложки).With regard to materials, the proposed method allows the use of a wide range of materials both for structural layers of the shell and other structural elements (for example, a supporting element in the case of transfer of the shell from the substrate).

При изготовлении датчика операции, заимствованные из арсенала планарной технологии, обеспечивают высокое структурное совершенство внутреннего строения формообразующих и функционального слоев и других конструктивных слоев. Высокое внутреннее совершенство формообразующих слоев является гарантией точности задания локальной кривизны многослойной оболочки. Фактор совершенства внутреннего строения конструктивных слоев предопределяет воспроизводимость характеристик датчика.In the manufacture of the sensor, operations borrowed from the arsenal of planar technology provide high structural excellence of the internal structure of the forming and functional layers and other structural layers. High internal perfection of the forming layers is a guarantee of the accuracy of setting the local curvature of the multilayer shell. The perfection factor of the internal structure of the structural layers determines the reproducibility of the sensor characteristics.

Наличие формообразующих слоев, с высокой точностью задающих кривизну оболочки посредством соответствующего подбора их толщин и внутренних механических напряжений, а также методов планарной технологии для воспроизведения рисунков слоев пленочного элемента при мезоструктурировании гетероструктуры обеспечивают высокую воспроизводимость формы оболочки. Возможность точного позиционирования пленочных элементов относительно друг друга, обеспечиваемая планарной технологией, позволяет реализовать с высокой воспроизводимостью заданное размещение готовых оболочек.The presence of formative layers that accurately determine the curvature of the shell by appropriate selection of their thicknesses and internal mechanical stresses, as well as methods of planar technology for reproducing patterns of layers of the film element during mesostructure of the heterostructure, provide high reproducibility of the shell shape. The ability to accurately position the film elements relative to each other, provided by planar technology, allows for the highly reproducible preset placement of finished shells.

Повышение прочности структур датчика является прямым результатом выполнения активных элементов датчика в составе оболочки, удерживаемой внутренними механическими напряжениями формообразующих слоев, и совершенства внутреннего строения оболочки, что обеспечивает высокую прочность и формоустойчивость активных элементов датчика - сенсорных узлов.The increase in the strength of the sensor structures is a direct result of the implementation of the active elements of the sensor in the shell, held by the internal mechanical stresses of the forming layers, and the perfection of the internal structure of the shell, which provides high strength and dimensional stability of the active sensor elements - sensor nodes.

Таким образом, выше показано, как особенности конструкции и изготовления датчика влияют на достижение технического результата, обеспечивая достижение точности и надежности одновременных измерений ортогональных компонент магнитного поля, а также компоненты вектора магнитного поля, отличной от перпендикулярной к плоскости датчика, повышение надежности датчика и воспроизводимости параметров датчиков.Thus, it is shown above how the design and manufacturing features of the sensor affect the achievement of a technical result, ensuring the accuracy and reliability of simultaneous measurements of the orthogonal components of the magnetic field, as well as the components of the magnetic field vector other than perpendicular to the plane of the sensor, increasing the reliability of the sensor and reproducibility of parameters sensors.

Использование методов и материалов традиционной технологии производства интегральных схем (ИС) позволяет осуществлять интеграцию датчика с ИС.Using methods and materials of the traditional technology for the production of integrated circuits (ICs) allows the integration of the sensor with the IC.

В общем случае осуществления датчик магнитного поля содержит сенсорные узлы, реализованные на использовании эффекта Холла, при этом сенсорные узлы с холловскими контактами выполнены в составе криволинейной оболочки (см. Фиг.1). Криволинейная оболочка образована системой слоев, среди которых присутствуют восприимчивые к магнитному полю - функциональные и формообразующие. Последними за счет действия механических напряжений обеспечена кривизна оболочки и возможность ориентации крестообразных холловских элементов сенсорных узлов в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля (см. Фиг.1).In the General case, the implementation of the magnetic field sensor contains sensor nodes, implemented using the Hall effect, while the sensor nodes with Hall contacts are made as part of a curved shell (see Figure 1). The curvilinear shell is formed by a system of layers, among which are susceptible to magnetic fields - functional and shape-forming. The latter due to the action of mechanical stresses provided the curvature of the shell and the possibility of orienting the cross-shaped Hall elements of the sensor nodes in space with the compliance of the measured Hall stresses with the orthogonal components of the external magnetic field vector (see Figure 1).

В частном случае реализации датчика сенсорные узлы изготовлены в составе двух оболочек (см. Фиг.1, б)) - для трехосевых/двухосевых измерений. Оболочки выполнены цилиндрической формы и расположены относительно друг друга так, что их образующие перпендикулярны друг другу. Каждая оболочка снабжена сенсорными узлами с крестообразными холловскими элементами, включающими в себя холловские контакты, ориентированными в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений трем ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Азимутальный угол между парами холловских контактов оболочек составляет 90°, обуславливая требуемую ориентацию пар холловских контактов в пространстве для трех- или двухосевых измерений вектора магнитного поля.In the particular case of the sensor implementation, the sensor nodes are made up of two shells (see Fig. 1, b)) for triaxial / biaxial measurements. The shells are made of cylindrical shape and are located relative to each other so that their generators are perpendicular to each other. Each shell is equipped with sensor nodes with cross-shaped Hall elements, including Hall contacts, oriented in space with matching the measured Hall stresses to the three orthogonal components of the external magnetic field vector. The azimuthal angle between the pairs of Hall contacts of the shells is 90 °, which determines the required orientation of the pairs of Hall contacts in space for three- or biaxial measurements of the magnetic field vector.

В частном случае реализации датчика сенсорные узлы изготовлены в составе одной оболочки (см. Фиг.1, а)) - для двухосевых измерений. Сенсорные узлы изготовлены для двухосевых измерений в составе одной оболочки. Оболочка выполнена цилиндрической формы с парами холловских контактов крестообразных холловских элементов сенсорных узлов, ориентированных в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений двум ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Азимутальный угол φ между парами холловских контактов, за счет которого выполняется соответствие измеряемых холловских напряжений двум ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, составляет 90°.In the particular case of the implementation of the sensor, the sensor nodes are made up of a single shell (see Figure 1, a)) for biaxial measurements. Sensor nodes are made for biaxial measurements as part of a single shell. The shell is made of a cylindrical shape with pairs of Hall contacts of the cross-shaped Hall elements of sensor nodes oriented in space with the correspondence of the measured Hall stresses to the two orthogonal components of the external magnetic field vector. The azimuthal angle φ between pairs of Hall contacts, due to which the measured Hall stresses correspond to two orthogonal components of the external magnetic field vector, is 90 °.

Каждый сенсорный узел предназначен для определения своей ортогональной компоненты вектора внешнего магнитного поля и включает в свой состав формообразующий и функциональный слои, крестообразный холловский элемент на базе функционального слоя, холловские контакты - с парой потенциальных контактов. В оболочке (см. Фиг.1) выполнено два сенсорных узла.Each sensor node is designed to determine its orthogonal component of the external magnetic field vector and includes a shape-forming and functional layers, a cross-shaped Hall element based on the functional layer, and Hall contacts with a pair of potential contacts. In the shell (see Figure 1), two sensor nodes are made.

В частном случае реализации датчик выполнен в составе вышеприведенных образующих массив сенсорных узлов в составе двух оболочек (см. Фиг.1, б)) - для трехосевых/двухосевых измерений или сенсорных узлов в составе одной оболочки (см. Фиг.1, а)) - для двухосевых измерений. При этом сенсорные узлы в количестве n≥2 сформированы прецизионно одинаковыми, с заданным распределением в пространстве. Данный случай реализации датчика дает возможность измерять градиент магнитного поля, включая временные зависимости градиента магнитного поля. За счет изготовления оболочек с сенсорными узлами прецизионно одинаковыми улучшается отношение сигнал-шум.In the particular case of implementation, the sensor is made as part of the above-mentioned array of sensor nodes in two shells (see Fig. 1, b)) - for three-axis / biaxial measurements or sensor nodes in one shell (see Figure 1, a)) - for biaxial measurements. In this case, the sensor nodes in the amount of n≥2 are formed exactly the same, with a given distribution in space. This case of the sensor makes it possible to measure the magnetic field gradient, including the time dependence of the magnetic field gradient. By making shells with sensor nodes exactly the same, the signal-to-noise ratio improves.

Оболочка, в частности, расположена на подложке (см. Фиг.1, см. Фиг.3, с)). В качестве подложки используют подложку из GaAs. Оболочка может быть незамкнутой - с незамкнутой цилиндрической поверхностью. На подложке присутствует жертвенный слой, за счет которого оболочка связана с подложкой. Жертвенный слой на подложке GaAs выполнен из AlAs. Толщина стенки оболочки равна примерно от (5÷6)×10-10 до примерно 10-5 м.The shell, in particular, is located on the substrate (see Figure 1, see Figure 3, c)). As the substrate, a GaAs substrate is used. The shell may be open - with an open cylindrical surface. A sacrificial layer is present on the substrate, due to which the shell is connected with the substrate. The sacrificial layer on a GaAs substrate is made of AlAs. The wall thickness of the shell is approximately from (5 ÷ 6) × 10 -10 to about 10 -5 m.

Формообразующие слои выполнены псевдоморфными монокристаллическими из материалов, характеризующихся в свободном состоянии различными периодами кристаллической решетки. Для формообразующих слоев, расположенных с наружной стороны оболочки, использованы материалы, характеризующиеся в свободном состоянии большим периодом кристаллической решетки. В частности, формообразующие слои выполнены с использованием материалов GaAs и InGaAs. В частном случае реализации датчика магнитного поля в системе слоев, включая восприимчивые к магнитному полю - функциональные и формообразующие, формообразующий слой выполнен восприимчивым к магнитному полю, например, из GaAs или FePt (последний - в случае реализации в датчике магнитного поля аномального, экстраординарного, эффекта Холла). Слой, восприимчивый к магнитному полю, является функциональным слоем и удовлетворяет следующим требованиям. Физические свойства, например концентрация и подвижность носителей заряда, функционального слоя обеспечивают возникновение поперечного (холловского) напряжения при протекании электрического тока в данном слое и при наличии внешнего магнитного поля, перпендикулярного его поверхности. Функциональный слой изготавливают из однородно или модулированно легированного полупроводника, металла или совокупности указанных материалов. При этом может быть использована однородно или модулированно легированная гетероструктура.The forming layers are made of pseudomorphic single crystal from materials characterized in the free state by different periods of the crystal lattice. For forming layers located on the outside of the shell, materials are used that are characterized in the free state by a large period of the crystal lattice. In particular, the forming layers are made using GaAs and InGaAs materials. In the particular case of the implementation of the magnetic field sensor in the system of layers, including functional and shape-sensitive magnetic fields, the shape-forming layer is made susceptible to the magnetic field, for example, from GaAs or FePt (the latter - in the case of the implementation of an anomalous, extraordinary effect in the magnetic field sensor Hall). A magnetic field susceptible layer is a functional layer and satisfies the following requirements. Physical properties, for example, the concentration and mobility of charge carriers, a functional layer provide the appearance of a transverse (Hall) voltage during the flow of electric current in this layer and in the presence of an external magnetic field perpendicular to its surface. The functional layer is made of uniformly or modulated alloyed semiconductor, metal or a combination of these materials. In this case, a uniformly or modulated doped heterostructure can be used.

В альтернативном варианте датчика для повышения его чувствительности в системе слоев, восприимчивых к магнитному полю - функциональных и формообразующих, сформирована квантовая яма с электронным газом (см. Фиг.3, а)), представляющая собой слой GaAs толщиной 13 нм. Концентрация электронного газа в квантовой яме порядка 1011 см-2. Указанная квантовая яма расположена между слоями твердого раствора AlGaAs, легированными Si. Слои в последовательности AlGaAs - барьер, GaAs - квантовая яма, AlGaAs - барьер расположены в оболочке между слоем из GaAs, выполненным со стороны внутреннего объема оболочки, являющимся защитным слоем, и формообразующим слоем, расположенным с наружной стороны оболочки и выполненным из InGaAs (см. Фиг.3, а)). Слои твердого раствора AlGaAs с большей шириной запрещенной зоны, чем у GaAs квантовой ямы, являются барьерными слоями и обеспечивают наличие в квантовой яме электронного газа в требуемой концентрации. В отношении барьерных слоев выполнено δ-легирование Si. Слой из GaAs, выполненный со стороны внутреннего объема оболочки, является «сар»-слоем, выполняющим защитную функцию. Аналогичная система слоев из квантовой ямы и барьеров, в совокупности восприимчивая к магнитному полю, используется в качестве функционального слоя - слоя, восприимчивого к магнитному полю, в вышеприведенных аналогах. Так же как в предлагаемом частном случае решения, в аналогах указанная система слоев снабжена защитным «сар»-слоем.In an alternative embodiment of the sensor, in order to increase its sensitivity, a quantum well with an electron gas is formed in the system of layers that are susceptible to the magnetic field — functional and shape-forming, see FIG. 3, a), which is a 13 nm thick GaAs layer. The concentration of electron gas in a quantum well is about 10 11 cm -2 . The indicated quantum well is located between the layers of the AlGaAs solid solution doped with Si. Layers in the AlGaAs sequence are the barrier, GaAs are the quantum well, AlGaAs are the barrier located in the shell between the layer of GaAs made on the side of the inner volume of the shell, which is a protective layer, and the forming layer located on the outside of the shell made of InGaAs (see Figure 3, a)). Layers of AlGaAs solid solution with a larger band gap than that of a GaAs quantum well are barrier layers and provide the presence of an electron gas in the quantum well in the required concentration. With respect to the barrier layers, δ doping of Si was performed. The GaAs layer, made on the side of the inner volume of the shell, is a “sar” layer that performs a protective function. A similar system of layers from a quantum well and barriers, collectively susceptible to a magnetic field, is used as a functional layer — a layer susceptible to a magnetic field, in the above analogs. As in the proposed particular case of the solution, in analogues the specified system of layers is equipped with a protective "sar" layer.

В стенке оболочки цилиндрической формы выполнены два сенсорных узла, с внутренней стороны оболочки литографически сформированы мезоструктуры с образованием крестообразных холловских элементов - холловских мостиков (см. Фиг.3, b), с), d)). Канал для пропускания тока крестообразного холловского элемента сенсорного узла - канал холловского мостика расположен вдоль направляющей цилиндрической поверхности оболочки. При этом в сенсорных узлах вдоль канала выполнены две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты (см. Фиг.1). В каждой паре контакты расположены по разные стороны канала. Азимутальный угол между парами контактов - 90° (см. Фиг.1). Каждая холловская пара предназначена для определения одной из компонент вектора внешнего магнитного поля. Общий для двух сенсорных узлов канал выполнен соединяющим общие для двух сенсорных узлов токовые контакты. Длина общего канала πR/2 и более, R - радиус кривизны оболочки. В случае выполнения датчика, работающего на базе ординарного эффекта Холла, функциональный слой, восприимчивый к магнитному полю, так же как и формообразующий слой, выполнен цилиндрической формы, в нем геометрия крестообразного холловского элемента - холловского мостика определена выполнением тоководов (см. Фиг.3). От токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением соответствующего материала - Аи проложены тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою, которые выполнены из слоя германий/никель/золото с последующим отжигом. В случае выполнения датчика, работающего на базе экстраординарного эффекта Холла, функциональный слой, восприимчивый к магнитному полю, выполнен в отличие от формообразующего слоя имеющим рисунок в виде двух соединяющихся крестообразных элементов, что и определяет геометрию холловского мостика. Функциональный слой получен путем предварительного нанесения защитного резиста на формообразующий слой и формирования в резисте сквозного окна с рисунком в виде двух соединяющихся крестообразных элементов с последующим напылением в окно FePt и финальным, после напыления, удалением защитного резиста. При этом функциональный слой, как и формообразующий слой, обладает кривизной. В этом случае омические контакты к функциональному слою могут быть выполнены непосредственно у выступов холловского элемента - холловского мостика, либо на контактных площадках, либо между ними в любой точке тоководов. Тоководы изготовлены также литографией и последующим нанесением соответствующего материала - Au и проложены к контактным площадкам, расположенным на подложке и выполненным тоже из золота. Для получения омического контакта важно выполнение слоев FePt и Au внахлестку. Если омические контакты выполняют у выступов холловского мостика, то место, в котором слои нанесены внахлестку, расположено у выступов. Если омические контакты выполняют на контактных площадках, то области тоководов покрывают FePt, в области контактных площадок слои FePt и Au выполняют внахлестку. Если омические контакты располагают в точке тоководов, то нахлестка указанных слоев выполняется в этой точке.Two sensor nodes are made in the wall of the shell of a cylindrical shape, mesostructures are lithographically formed on the inside of the shell with the formation of cross-shaped Hall elements - Hall bridges (see Fig. 3, b), c), d)). The channel for passing current of the cruciform Hall element of the sensor node — the channel of the Hall bridge is located along the guide cylindrical surface of the shell. Moreover, in the sensor nodes along the channel, two pairs of Hall contacts are made for measuring Hall voltage — potential contacts (see Figure 1). In each pair, contacts are located on opposite sides of the channel. The azimuthal angle between the pairs of contacts is 90 ° (see Figure 1). Each Hall pair is designed to determine one of the components of the external magnetic field vector. A channel common to two sensor nodes is made by connecting current contacts common to two sensor nodes. The length of the common channel is πR / 2 and more, R is the radius of curvature of the shell. In the case of a sensor operating on the basis of the ordinary Hall effect, the functional layer that is susceptible to the magnetic field, as well as the forming layer, is made of a cylindrical shape, in it the geometry of the cross-shaped Hall element - the Hall bridge is determined by the implementation of current leads (see Figure 3) . From current and potential contacts of the Hall bridges by lithography and subsequent deposition of the corresponding material - Au, current leads are laid to the contact pads located on the substrate, with ohmic contacts to the functional layer, which are made of a germanium / nickel / gold layer, followed by annealing. In the case of a sensor operating on the basis of an extraordinary Hall effect, a functional layer susceptible to a magnetic field is made, in contrast to the formative layer, having a pattern in the form of two connected cross-shaped elements, which determines the geometry of the Hall bridge. The functional layer was obtained by preliminary applying a protective resist to the forming layer and forming in the resist a through window with a pattern in the form of two connected cross-shaped elements, followed by spraying into the FePt window and final, after spraying, removing the protective resist. In this case, the functional layer, like the forming layer, has curvature. In this case, ohmic contacts to the functional layer can be made directly at the protrusions of the Hall element - the Hall bridge, either on the contact pads, or between them at any point in the current leads. The conductors are also made by lithography and the subsequent deposition of the corresponding material - Au and laid to the contact pads located on the substrate and also made of gold. To obtain an ohmic contact, it is important that the layers of FePt and Au overlap. If ohmic contacts are performed at the protrusions of the Hall bridge, then the place in which the layers are overlapped is located at the protrusions. If ohmic contacts are performed at the contact pads, the current guide regions cover FePt; in the region of the contact pads, the FePt and Au layers overlap. If the ohmic contacts are located at the point of the current leads, then the overlapping of these layers is performed at this point.

В частном случае реализации датчик дополнительно снабжен сформированными на той же подложке схемами обработки сигнала, на которой расположена оболочка с сенсорными узлами.In the particular case of implementation, the sensor is additionally equipped with signal processing circuits formed on the same substrate, on which a shell with sensor nodes is located.

В частном случае реализации датчика сенсорные узлы выполнены в составе криволинейной оболочки, которая запечатана в твердую матрицу из немагнитного материала (см. Фиг.4). Например, криволинейная оболочка запечатана в полимер.In the particular case of the implementation of the sensor, the sensor nodes are made up of a curved shell, which is sealed in a solid matrix of non-magnetic material (see Figure 4). For example, a curved shell is sealed in a polymer.

Датчик магнитного поля работает следующим образом.The magnetic field sensor operates as follows.

Принцип работы предлагаемого датчика магнитного поля основан на эффекте Холла, который может быть как обычным (ординарным) (R.S.Popovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)), так и аномальным (экстраординарным) (N.Nagaosa et al., Rev. Mod. Phys. 82, 1539 (2010)). Эффект Холла и в одном, и в другом случаях заключается в возникновении поперечной разности потенциалов - холловского напряжения - при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Разность потенциалов возникает в направлении, перпендикулярном вектору магнитной индукции и направлению тока, и пропорциональна нормальной к поверхности компоненте вектора магнитной индукции (в случае аномального эффекта Холла линейная зависимость холловской ЭДС от внешнего поля наблюдается лишь в ограниченном диапазоне магнитных полей, которые и определяют рабочий диапазон соответствующего холловского датчика).The principle of operation of the proposed magnetic field sensor is based on the Hall effect, which can be either ordinary (ordinary) (RSPopovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)), or abnormal (extraordinary) (N. Nagaosa et al., Rev Mod. Phys. 82, 1539 (2010)). The Hall effect in one and the other cases consists in the appearance of a transverse potential difference — the Hall voltage — when a DC conductor is placed in a magnetic field. The potential difference arises in the direction perpendicular to the magnetic induction vector and the current direction, and is proportional to the component of the magnetic induction vector normal to the surface (in the case of an anomalous Hall effect, the linear dependence of the Hall EMF on the external field is observed only in a limited range of magnetic fields, which determine the working range of the corresponding Hall sensor).

Активная часть датчика (сенсорные узлы) представляет собой проводящую криволинейную оболочку с крестообразными холловскими элементами, расположенными так, что измеряемые на них холловские напряжения соответствуют ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. В частности, это может быть оболочка цилиндрической формы, в стенке которой выполнены мезоструктуры с образованием холловских мостиков с токовыми и потенциальными контактами и тоководами от них к контактным площадкам 1-6 (см. Фиг.3) - внешним электрическим контактам. Азимутальный угол φ между парами холловских контактов составляет 90° (см. Фиг.1). При наличии внешнего магнитного поля В и пропускании тока вдоль канала холловского мостика, расположенного вдоль направляющей цилиндрической поверхности (как показано на Фиг.1), на обеих парах холловских контактов, расположенных вдоль канала по разные его стороны, возникает ЭДС Холла, пропорциональная локальному значению нормальной к поверхности компоненты магнитного поля. Таким образом, измеряя значения ЭДС Холла на двух парах контактов, определяют две ортогональные составляющие вектора магнитного поля. Для трехосевых измерений подключают третий сенсорный узел, выполненный в составе второй криволинейной оболочки, в частности второй оболочки цилиндрической формы, образующая которой перпендикулярна образующей первой криволинейной оболочки, причем плоскость, касательная к поверхности второй оболочки в центре крестообразного холловского элемента третьего сенсорного узла, перпендикулярна плоскостям, касательным к поверхности первой оболочки в центрах крестообразных холловских элементов первого и второго сенсорных узлов (см. Фиг.1, б)). При наличии внешнего магнитного поля В и пропускании тока вдоль каналов холловских мостиков, расположенных вдоль направляющих цилиндрических поверхностей оболочек (как показано на Фиг.1), на всех трех парах холловских контактов возникают ЭДС Холла, пропорциональные локальным значениям нормальной к поверхности компоненты магнитного поля. Таким образом, измеряя значения ЭДС Холла на трех парах потенциальных контактов, определяют три ортогональные составляющие вектора магнитного поля.The active part of the sensor (sensor nodes) is a conductive curved shell with cross-shaped Hall elements arranged so that the Hall voltages measured on them correspond to the orthogonal components of the external magnetic field vector. In particular, it can be a cylindrical shell, in the wall of which mesostructures are made with the formation of Hall bridges with current and potential contacts and current leads from them to contact pads 1-6 (see Figure 3) - external electrical contacts. The azimuthal angle φ between the pairs of Hall contacts is 90 ° (see Figure 1). In the presence of an external magnetic field B and the passage of current along the channel of the Hall bridge located along the guide cylindrical surface (as shown in Fig. 1), on both pairs of Hall contacts located along the channel on its opposite sides, a Hall EMF proportional to the local normal value to the surface of the magnetic field component. Thus, by measuring the Hall EMF values on two pairs of contacts, two orthogonal components of the magnetic field vector are determined. For three-axis measurements, a third sensor assembly is connected, made up of a second curved shell, in particular a second cylindrical shell, the generatrix of which is perpendicular to the generatrix of the first curved shell, the plane tangent to the surface of the second shell in the center of the cross-shaped Hall element of the third sensor assembly, perpendicular to the planes, tangent to the surface of the first shell in the centers of the cross-shaped Hall elements of the first and second sensory nodes (see Figure 1, b)). In the presence of an external magnetic field B and the passage of current along the channels of the Hall bridges located along the guiding cylindrical surfaces of the shells (as shown in Fig. 1), Hall EMFs are proportional to the local values of the magnetic field component normal to the surface on all three pairs of Hall contacts. Thus, by measuring the Hall EMF values on three pairs of potential contacts, three orthogonal components of the magnetic field vector are determined.

Полученные экспериментальные данные (Фиг.5) угловых зависимостей холловского сопротивления наглядно демонстрируют возможность трехосевых измерений внешнего магнитного поля посредством предлагаемого датчика. Геометрия эксперимента по трехосевым измерениям показана на Фиг.1,б. Внешнее магнитное поле направлено вдоль оси Z. Холловские напряжения Ux, Uy и Uz, пропорциональные компонентам вектора магнитного поля Вх, By и Bz, соответственно, измерены при вращении образца вокруг оси X. На Фиг.5 показаны зависимости Ux, Uy и Uz от угла поворота ψ. Зависимости Uy(ψ) и Uz(ψ) представляют собой синусоиды примерно равной амплитуды, сдвинутые по фазе на 90°, что доказывает ортогональную ориентацию соответствующих сенсорных узлов. В то же время холловское напряжение Ux практически не зависит от угла поворота ψ, то есть вектор внешнего магнитного поля с хорошей точностью лежит в плоскости соответствующего сенсорного узла. Таким образом, результаты измерений, приведенные на Фиг.5, демонстрируют функционирование трехосевого холловского датчика на основе цилиндрических оболочек.The obtained experimental data (Figure 5) of the angular dependences of the Hall resistance clearly demonstrate the possibility of three-axis measurements of the external magnetic field using the proposed sensor. The geometry of the experiment in triaxial measurements is shown in Fig. 1, b. The external magnetic field is directed along the Z axis. The Hall stresses Ux, Uy, and Uz, proportional to the components of the magnetic field vector Bx, By, and Bz, respectively, are measured when the sample rotates around the X axis. Figure 5 shows the dependences of Ux, Uy, and Uz on the angle turning ψ. Dependencies Uy (ψ) and Uz (ψ) are sinusoids of approximately equal amplitude, phase shifted by 90 °, which proves the orthogonal orientation of the corresponding sensor nodes. At the same time, the Hall voltage Ux is practically independent of the rotation angle ψ, i.e., the external magnetic field vector lies with good accuracy in the plane of the corresponding sensor node. Thus, the measurement results shown in FIG. 5 demonstrate the operation of a triaxial Hall sensor based on cylindrical shells.

В качестве сведений, подтверждающих возможность реализации способа с достижением технического результата, приводим нижеследующие примеры его осуществления.As information confirming the possibility of implementing the method with the achievement of a technical result, we give the following examples of its implementation.

Пример 1Example 1

На полуизолирующей подложке GaAs с ориентацией (100) формируют многослойный пленочный элемент (см. Фиг.3). Материалы, геометрию и внутренние механические напряжения выбирают обеспечивающими ориентацию крестообразных холловских элементов сенсорных узлов с холловскими контактами в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. На стадии формирования пленочного элемента изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами и тоководами, слои контактных площадок. Предварительно на подложке формируют псевдоморфный жертвенный слой AlAs толщиной 10 нм. При изготовлении многослойного пленочного элемента выращивают формообразующий, механически напряженный (сжатый), слой из InGaAs, а второй формообразующий слой выполняют в виде системы слоев GaAs и AlGaAs, играющей одновременно роль функционального, восприимчивого к магнитному полю, слоя с холловскими контактами и тоководами. В системе слоев формируют квантовую яму из GaAs толщиной 13 нм с электронным газом с концентрацией электронов порядка 1011 см-2. Квантовую яму располагают между слоями твердого раствора AlGaAs, легированными SL Причем слои в последовательности AlGaAs слой, соответствующий барьеру, GaAs слой, соответствующий квантовой яме, AlGaAs слой, соответствующий барьеру, располагают между слоем из GaAs, являющимся защитным слоем, и формообразующим слоем, расположенным на жертвенном слое, выращенном на подложке, и выполненным из InGaAs. Толщину многослойного пленочного элемента задают равной 100 нм. Слои формообразующие и функциональный формируют посредством молекулярно-лучевой эпитаксии, соблюдая условия псевдоморфного роста, из указанных материалов как имеющих различные постоянные решетки и способных обеспечить возникновение поперечного (холловского) напряжения при протекании электрического тока в плоскости слоев и наличии внешнего магнитного поля, перпендикулярного их плоскости, за счет обычного эффекта Холла (R.S.Popovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)). Слой контактных площадок, обеспечивающий омический контакт к функциональному слою, формируют последовательным напылением германия (Ge), никеля (Ni) и золота (Au) с последующим отжигом. Рисунки слоев, в том числе рисунки, задающие контуры пленочного элемента, рисунки формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок задают посредством планарной технологии - литографически.A multilayer film element is formed on a GaAs semi-insulating substrate with a (100) orientation (see FIG. 3). Materials, geometry, and internal mechanical stresses are chosen to ensure orientation of the cross-shaped Hall elements of the sensor nodes with Hall contacts in space, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the external magnetic field vector. At the stage of formation of the film element, layers are formed that are forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to a magnetic field, with Hall contacts and conductors, layers of contact pads. Preliminarily, a pseudomorphic AlAs sacrificial layer 10 nm thick is formed on the substrate. In the manufacture of a multilayer film element, a shape-forming, mechanically stressed (compressed) layer of InGaAs is grown, and the second shape-forming layer is made in the form of a system of GaAs and AlGaAs layers, which simultaneously plays the role of a functional layer that is susceptible to a magnetic field with Hall contacts and current leads. A 13-nm-thick GaAs quantum well is formed in the layer system with an electron gas with an electron concentration of about 10 11 cm -2 . A quantum well is placed between the layers of the AlGaAs solid solution doped with SL. Moreover, the layers in the AlGaAs sequence are the layer corresponding to the barrier, the GaAs layer corresponding to the quantum well, the AlGaAs layer corresponding to the barrier is located between the GaAs layer, which is the protective layer, and the forming layer located on a sacrificial layer grown on a substrate and made of InGaAs. The thickness of the multilayer film element is set equal to 100 nm. Forming and functional layers are formed by molecular beam epitaxy, observing the conditions of pseudomorphic growth, from these materials as having different lattice constants and capable of generating a transverse (Hall) voltage when an electric current flows in the plane of the layers and there is an external magnetic field perpendicular to their plane, due to the usual Hall effect (RSPopovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)). The layer of contact pads, providing ohmic contact to the functional layer, is formed by sequential deposition of germanium (Ge), nickel (Ni) and gold (Au), followed by annealing. Drawings of layers, including drawings defining the contours of the film element, drawings of forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to magnetic fields, layers with Hall contacts with current leads from the latter to contact pads, contact pads are set using planar technology - lithographically.

Направление изгибания многослойного пленочного элемента при последующем отделении от подложки задают при его формировании, заданием рисунков слоев, в том числе рисунка, определяющего контуры пленочного элемента, рисунков формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, рисунков контактных площадок. Сначала формируют рисунки, определяющие контуры пленочного элемента - контуры формообразующих и функционального слоев в виде окон в слоях глубиной до жертвенного слоя. Для травления окон используют травитель на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4:H2O2:H2O/3:1:50). Затем осуществляют финальную часть формирования рисунка, задавая крестообразный холловский элемент сенсорного узла, изготавливая области тоководов и контактных площадок, используя тот же травитель для травления окон. При формировании многослойного пленочного элемента рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, соответствующий двум сенсорным узлам с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам формируют с общим для двух сенсорных узлов каналом для пропускания тока, лежащим в направлении изгибания пленочного элемента, с длиной канала не менее πR/2, R - радиус кривизны оболочки. При этом в сенсорных узлах выполняют две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты. Контакты располагают вдоль канала по разные стороны его. Азимутальный угол между парами контактов - 90° или расстояние по центру между парами - πR/2, R - радиус кривизны оболочки. Каждая пара предназначена для определения своей ортогональной компоненты внешнего магнитного поля. Рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам и рисунок самих контактных площадок формируют литографически тем, что задают форму крестообразного холловского элемента, тоководов и контактных площадок. Геометрию крестообразного холловского элемента - холловского мостика определяют выполнением тоководов. От токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением Au прокладывают тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою. Литографические окна, задающие геометрию тоководов и контактных площадок, изготавливают глубиной, достаточной для электрической изоляции. На область контактных площадок, заданную рисунком, для получения омических контактов напыляют последовательно германий, никель и золото и отжигают в атмосфере водорода при температуре 450°С в течение 5 минут.The direction of bending of the multilayer film element during subsequent separation from the substrate is set during its formation, by setting patterns of layers, including a pattern defining the contours of the film element, patterns of forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to magnetic fields, layers with Hall contacts with current leads from last to contact pads, drawings of contact pads. First, drawings are formed that define the contours of the film element — the contours of the formative and functional layers in the form of windows in layers depth to the sacrificial layer. For etching windows, an orthophosphoric acid based etchant (H 3 PO 4 : H 2 O 2 : H 2 O / 3: 1: 50) is used. Then, the final part of the pattern formation is carried out, defining the cross-shaped Hall element of the sensor assembly, making the areas of current leads and contact pads, using the same etching agent for etching windows. When forming a multilayer film element, a drawing of a functional layer that is susceptible to a magnetic field, corresponding to two sensor nodes with Hall contacts, with current leads from the latter to the contact pads, is formed with a channel for transmitting current common to the two sensor nodes, lying in the direction of the film element bending, with a length channel at least πR / 2, R is the radius of curvature of the shell. At the same time, two pairs of Hall contacts are made in the sensor nodes for measuring Hall voltage — potential contacts. Contacts are placed along the channel on opposite sides of it. The azimuthal angle between the pairs of contacts is 90 ° or the center distance between the pairs is πR / 2, R is the radius of curvature of the shell. Each pair is designed to determine its orthogonal component of the external magnetic field. A drawing of a functional layer susceptible to a magnetic field, with Hall contacts, with current leads from the latter to the contact pads, and the drawing of the contact pads themselves are formed lithographically by defining the shape of the cross-shaped Hall element, current leads and contact pads. The geometry of the cross-shaped Hall element - the Hall bridge is determined by the implementation of current leads. From current and potential contacts of Hall bridges by lithography and subsequent deposition of Au, conductors are laid to the contact pads located on the substrate, with ohmic contacts to the functional layer. Lithographic windows that define the geometry of current leads and pads are made with a depth sufficient for electrical insulation. To obtain ohmic contacts, germanium, nickel and gold are sequentially sprayed on the area of the contact areas specified by the figure, and annealed in a hydrogen atmosphere at a temperature of 450 ° C for 5 minutes.

Затем пленочный элемент отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку с достижением ориентации пар холловских контактов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Для отделения пленочного элемента от подложки удаляют материал элемента, расположенного под пленочным элементом, - материал жертвенного слоя AlAs, обеспечивая направленное изгибание пленочного элемента с формированием оболочки цилиндрической формы. Требуемое направление изгибания пленочного элемента достигают за счет направленного травления - селективного бокового (латерального) травления жертвенного слоя в направлении, обусловленном анизотропией механических свойств пленочного элемента и его литографическим рисунком. Травят жертвенный слой в травителе на основе плавиковой кислоты (HF:H2O/1:10). Травление жертвенного слоя осуществляют до отделения пленочного элемента в пределах области, на которой расположены сенсорные узлы (см. Фиг.3). Таким образом, часть изначально плоского пленочного элемента трансформируют в оболочку цилиндрической формы, при этом контактные площадки 1-6 с омическими контактами размещают на подложке, оставляя их жестко связанными с подложкой за счет своевременного прекращения бокового травления жертвенного слоя. В результате трансформации пленочного элемента в оболочку цилиндрической формы канал для пропускания тока располагают вдоль направляющей цилиндрической оболочки, холловские контакты для измерения холловского напряжения располагают вдоль канала по разные стороны его, выдерживают азимутальный угол между парами холловских контактов 90°. При этом контактные площадки с омическими контактами размещены на подложке и жестко связаны с ней. В финале оболочку помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочкой наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение (см. Фиг.4). Перед запечатыванием оболочки в полимер сформированную конструкцию помещают в этиловый эфир уксусной кислоты, являющийся растворителем полидиметилсилоксана, после чего переносят в неполимеризованный полидиметилсилоксан. Осуществляют замещение этилового эфира, находящегося внутри оболочки, а также покрытие поверхности оболочки снаружи. Для полимеризации полидиметилсилоксана и запечатывания конструкции в полимер осуществляют нагревание в печи при температуре 90°С в течение 3 часов.Then the film element is separated from the substrate, transforming it under the action of internal mechanical stresses into the shell with the orientation of the pairs of Hall contacts in space being achieved, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the external magnetic field vector. To separate the film element from the substrate, the material of the element located under the film element, the material of the AlAs sacrificial layer, is removed, providing directional bending of the film element with the formation of a cylindrical shell. The required direction of bending of the film element is achieved by directional etching — selective lateral (lateral) etching of the sacrificial layer in the direction due to the anisotropy of the mechanical properties of the film element and its lithographic pattern. Poison the sacrificial layer in the etchant based on hydrofluoric acid (HF: H 2 O / 1: 10). The etching of the sacrificial layer is carried out before the separation of the film element within the area on which the sensor nodes are located (see Figure 3). Thus, a part of the initially flat film element is transformed into a cylindrical shell, while the contact pads 1-6 with ohmic contacts are placed on the substrate, leaving them rigidly connected to the substrate due to the timely termination of lateral etching of the sacrificial layer. As a result of the transformation of the film element into a cylindrical-shaped shell, a channel for transmitting current is placed along the guide of the cylindrical shell, Hall contacts for measuring Hall voltage are placed along the channel on opposite sides of it, and the azimuth angle between pairs of Hall contacts is maintained at 90 °. In this case, the contact pads with ohmic contacts are placed on the substrate and are rigidly connected with it. In the final, the shell is placed in a solid matrix of non-magnetic material, for this a liquid polymer is applied to the substrate with the shell and cured (see Figure 4). Before sealing the shell into the polymer, the formed structure is placed in ethyl acetate, which is a solvent of polydimethylsiloxane, and then transferred to unpolymerized polydimethylsiloxane. Substitution of ethyl ether inside the shell, as well as coating the surface of the shell from the outside. To polymerize polydimethylsiloxane and seal the structure into a polymer, it is heated in an oven at a temperature of 90 ° C for 3 hours.

Пример 2Example 2

На полуизолирующей подложке GaAs с ориентацией (100) формируют многослойный пленочный элемент (см. Фиг.3). Материалы, геометрию и внутренние механические напряжения выбирают обеспечивающими ориентацию крестообразных холловских элементов сенсорных узлов с холловскими контактами в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. На стадии формирования пленочного элемента изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами и тоководами, слои контактных площадок. Предварительно на подложке формируют псевдоморфный жертвенный слой AlAs толщиной 10 нм. При изготовлении многослойного пленочного элемента выращивают формообразующий, механически напряженный (сжатый), слой из InGaAs и второй формообразующий слой из GaAs, являющиеся одновременно функциональными, восприимчивыми к магнитному полю, слоями. Слои InGaAs и GaAs однородно легируют кремнием (Si) до достижения концентрации электрически активных доноров 5×1018 см-3. Толщину многослойного пленочного элемента задают равной 50 нм. Слои формообразующие и функциональные формируют посредством молекулярно-лучевой эпитаксии, соблюдая условия псевдоморфного роста, из указанных материалов как имеющих различные постоянные решетки и способных обеспечить возникновение поперечного (холловского) напряжения при протекании электрического тока в плоскости слоев и наличии внешнего магнитного поля, перпендикулярного их плоскости, за счет обычного эффекта Холла (R.S.Popovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)). Слой контактных площадок, обеспечивающий омический контакт к функциональному слою, формируют последовательным напылением германия (Ge), никеля (Ni) и золота (Au) с последующим отжигом. Рисунки слоев, в том числе рисунки, задающие контуры пленочного элемента, рисунки формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок задают посредством планарной технологии - литографически.A multilayer film element is formed on a GaAs semi-insulating substrate with a (100) orientation (see FIG. 3). Materials, geometry, and internal mechanical stresses are chosen to ensure orientation of the cross-shaped Hall elements of the sensor nodes with Hall contacts in space, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the external magnetic field vector. At the stage of formation of the film element, layers are formed that are forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to a magnetic field, with Hall contacts and conductors, layers of contact pads. Preliminarily, a pseudomorphic AlAs sacrificial layer 10 nm thick is formed on the substrate. In the manufacture of a multilayer film element, a forming, mechanically stressed (compressed) layer is grown from InGaAs and a second forming layer from GaAs, which are both functional and magnetic-susceptible layers. The InGaAs and GaAs layers are uniformly doped with silicon (Si) until the concentration of electrically active donors reaches 5 × 10 18 cm -3 . The thickness of the multilayer film element is set equal to 50 nm. Forming and functional layers are formed by molecular beam epitaxy, observing the conditions of pseudomorphic growth, from these materials as having various lattice constants and capable of generating a transverse (Hall) voltage when an electric current flows in the plane of the layers and there is an external magnetic field perpendicular to their plane, due to the usual Hall effect (RSPopovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)). The layer of contact pads, providing ohmic contact to the functional layer, is formed by sequential deposition of germanium (Ge), nickel (Ni) and gold (Au), followed by annealing. Drawings of layers, including drawings defining the contours of the film element, drawings of forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to magnetic fields, layers with Hall contacts with current leads from the latter to contact pads, contact pads are set using planar technology - lithographically.

Направление изгибания многослойного пленочного элемента при последующем отделении от подложки задают при его формировании, заданием рисунков слоев, в том числе рисунка, определяющего контуры пленочного элемента, рисунков формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, рисунков контактных площадок. Сначала формируют рисунки, определяющие контуры пленочного элемента - контуры формообразующих и функционального слоев в виде сквозных окон в слоях до жертвенного слоя. Для травления окон используют травитель на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4:H2O2:H2O/3:1:50). Затем осуществляют финальную часть формирования рисунка, задавая крестообразный холловский элемент сенсорного узла, изготавливая области тоководов и контактных площадок, используя тот же травитель для травления окон. При формировании многослойного пленочного элемента рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, соответствующий двум сенсорным узлам с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам формируют с общим для двух сенсорных узлов каналом для пропускания тока, лежащим в направлении изгибания пленочного элемента, с длиной канала не менее πR/2, R - радиус кривизны оболочки. При этом в сенсорных узлах выполняют две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты. Контакты располагают вдоль канала по разные стороны его. Азимутальный угол между парами контактов - 90° или расстояние по центру между парами - πR/2, R - радиус кривизны оболочки. Каждая пара предназначена для определения своей ортогональной компоненты внешнего магнитного поля. Рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам и рисунок самих контактных площадок формируют литографически тем, что задают форму крестообразного холловского элемента, тоководов и контактных площадок. Геометрию крестообразного холловского элемента - холловского мостика определяют выполнением тоководов. От токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением Au прокладывают тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою. Литографические окна, задающие геометрию тоководов и контактных площадок, изготавливают глубиной, достаточной для электрической изоляции. На область контактных площадок, заданную рисунком, для получения омических контактов напыляют последовательно германий, никель и золото и отжигают в атмосфере водорода при температуре 450°С в течение 5 минут.The direction of bending of the multilayer film element during subsequent separation from the substrate is set during its formation, by setting patterns of layers, including a pattern defining the contours of the film element, patterns of forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to magnetic fields, layers with Hall contacts with current leads from last to contact pads, drawings of contact pads. First, drawings are formed that define the contours of the film element — the contours of the formative and functional layers in the form of through windows in the layers to the sacrificial layer. For etching windows, an orthophosphoric acid based etchant (H 3 PO 4 : H 2 O 2 : H 2 O / 3: 1: 50) is used. Then, the final part of the pattern formation is carried out, defining the cross-shaped Hall element of the sensor assembly, making the areas of current leads and contact pads, using the same etching agent for etching windows. When forming a multilayer film element, a drawing of a functional layer that is susceptible to a magnetic field, corresponding to two sensor nodes with Hall contacts, with current leads from the latter to the contact pads, is formed with a channel for transmitting current common to the two sensor nodes, lying in the direction of the film element bending, with a length channel at least πR / 2, R is the radius of curvature of the shell. At the same time, two pairs of Hall contacts are made in the sensor nodes for measuring Hall voltage — potential contacts. Contacts are placed along the channel on opposite sides of it. The azimuthal angle between the pairs of contacts is 90 ° or the center distance between the pairs is πR / 2, R is the radius of curvature of the shell. Each pair is designed to determine its orthogonal component of the external magnetic field. A drawing of a functional layer susceptible to a magnetic field, with Hall contacts, with current leads from the latter to the contact pads, and the drawing of the contact pads themselves are formed lithographically by defining the shape of the cross-shaped Hall element, current leads and contact pads. The geometry of the cross-shaped Hall element - the Hall bridge is determined by the implementation of current leads. From current and potential contacts of Hall bridges by lithography and subsequent deposition of Au, conductors are laid to the contact pads located on the substrate, with ohmic contacts to the functional layer. Lithographic windows that define the geometry of current leads and pads are made with a depth sufficient for electrical insulation. To obtain ohmic contacts, germanium, nickel and gold are sequentially sprayed on the area of the contact areas specified by the figure, and annealed in a hydrogen atmosphere at a temperature of 450 ° C for 5 minutes.

Затем пленочный элемент отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку с достижением ориентации пар холловских контактов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Для отделения пленочного элемента от подложки удаляют материал элемента, расположенного под пленочным элементом, - материал жертвенного слоя AlAs, обеспечивая направленное изгибание пленочного элемента с формированием оболочки цилиндрической формы. Требуемое направление изгибания пленочного элемента достигают за счет направленного травления - селективного бокового (латерального) травления жертвенного слоя в направлении, обусловленном анизотропией механических свойств пленочного элемента и его литографическим рисунком. Травят жертвенный слой в травителе на основе плавиковой кислоты (HF:H2O/1:10). Травление жертвенного слоя осуществляют до отделения пленочного элемента в пределах области, на которой расположены сенсорные узлы (см. Фиг.3). Таким образом, часть изначально плоского пленочного элемента трансформируют в оболочку цилиндрической формы, при этом контактные площадки 1-6 с омическими контактами размещают на подложке, оставляя их жестко связанными с подложкой за счет своевременного прекращения бокового травления жертвенного слоя. В результате трансформации пленочного элемента в оболочку цилиндрической формы канал для пропускания тока располагают вдоль направляющей цилиндрической оболочки, холловские контактов для измерения холловского напряжения располагают вдоль канала по разные стороны его, выдерживают азимутальный угол между парами холловских контактов 90°. При этом контактные площадки с омическими контактами размещены на подложке и жестко связаны с ней. В финале оболочку помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочкой наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение (см. Фиг.4). Перед запечатыванием оболочки в полимер сформированную конструкцию помещают в этиловый эфир уксусной кислоты, являющийся растворителем полидиметилсилоксана, после чего переносят в неполимеризованный полидиметилсилоксан. Осуществляют замещение этилового эфира, находящегося внутри оболочки, а также покрытие поверхности оболочки снаружи. Для полимеризации полидиметилсилоксана и запечатывания конструкции в полимер осуществляют нагревание в печи при температуре 90°С в течение 3 часов.Then the film element is separated from the substrate, transforming it under the action of internal mechanical stresses into the shell with the orientation of the pairs of Hall contacts in space being achieved, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the external magnetic field vector. To separate the film element from the substrate, the material of the element located under the film element, the material of the AlAs sacrificial layer, is removed, providing directional bending of the film element with the formation of a cylindrical shell. The required direction of bending of the film element is achieved by directional etching — selective lateral (lateral) etching of the sacrificial layer in the direction due to the anisotropy of the mechanical properties of the film element and its lithographic pattern. Poison the sacrificial layer in the etchant based on hydrofluoric acid (HF: H 2 O / 1: 10). The etching of the sacrificial layer is carried out before the separation of the film element within the area on which the sensor nodes are located (see Figure 3). Thus, a part of the initially flat film element is transformed into a cylindrical shell, while the contact pads 1-6 with ohmic contacts are placed on the substrate, leaving them rigidly connected to the substrate due to the timely termination of lateral etching of the sacrificial layer. As a result of the transformation of the film element into a cylindrical-shaped shell, a channel for transmitting current is placed along the guide of the cylindrical shell, Hall contacts for measuring Hall voltage are placed along the channel on different sides of it, and the azimuth angle between pairs of Hall contacts is maintained at 90 °. In this case, the contact pads with ohmic contacts are placed on the substrate and are rigidly connected with it. In the final, the shell is placed in a solid matrix of non-magnetic material, for this a liquid polymer is applied to the substrate with the shell and cured (see Figure 4). Before sealing the shell into the polymer, the formed structure is placed in ethyl acetate, which is a solvent of polydimethylsiloxane, and then transferred to unpolymerized polydimethylsiloxane. Substitution of ethyl ether inside the shell, as well as coating the surface of the shell from the outside. To polymerize polydimethylsiloxane and seal the structure into a polymer, it is heated in an oven at a temperature of 90 ° C for 3 hours.

Пример 3Example 3

На полуизолирующей подложке GaAs с ориентацией (100) формируют многослойный пленочный элемент (см. Фиг.3). Материалы, геометрию и внутренние механические напряжения выбирают обеспечивающими ориентацию крестообразных холловских элементов сенсорных узлов с холловскими контактами в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. На стадии формирования пленочного элемента изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами и тоководами, слои контактных площадок. Предварительно на подложке формируют псевдоморфный жертвенный слой AlAs толщиной 10 нм. При изготовлении многослойного пленочного элемента выращивают формообразующие слои из нелегированных InGaAs и GaAs общей толщиной 2 нм. На них располагают в качестве функционального, восприимчивого к магнитному полю, слоя слой FePt толщиной 2 нм. Толщину многослойного пленочного элемента задают равной 4 нм. Слои формообразующие формируют посредством молекулярно-лучевой эпитаксии, соблюдая условия псевдоморфного роста, из указанных материалов как имеющих различные постоянные решетки. Функциональный слой формируют напылением как способный обеспечить возникновение поперечного (холловского) напряжения при протекании электрического тока в плоскости слоев и наличии внешнего магнитного поля, перпендикулярного их плоскости, за счет аномального эффекта Холла (N.Nagaosa et al., Rev. Mod. Phys. 82, 1539 (2010)). Слой контактных площадок, обеспечивающий омический контакт к функциональному слою, формируют из золота напылением. Рисунки слоев, в том числе рисунки, задающие контуры пленочного элемента, рисунки формообразующих, механически напряженных, и функционального, восприимчивого к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок задают посредством планарной технологии - литографически.A multilayer film element is formed on a GaAs semi-insulating substrate with a (100) orientation (see FIG. 3). Materials, geometry, and internal mechanical stresses are chosen to ensure orientation of the cross-shaped Hall elements of the sensor nodes with Hall contacts in space, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the external magnetic field vector. At the stage of formation of the film element, layers are formed that are forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to a magnetic field, with Hall contacts and conductors, layers of contact pads. Preliminarily, a pseudomorphic AlAs sacrificial layer 10 nm thick is formed on the substrate. In the manufacture of a multilayer film element, forming layers of undoped InGaAs and GaAs with a total thickness of 2 nm are grown. A layer of FePt 2 nm thick is placed on them as a functional layer susceptible to a magnetic field. The thickness of the multilayer film element is set equal to 4 nm. Forming layers are formed by molecular beam epitaxy, observing the conditions of pseudomorphic growth, from these materials as having different lattice constants. The functional layer is formed by sputtering as capable of causing transverse (Hall) stress during electric current flow in the plane of the layers and the presence of an external magnetic field perpendicular to their plane due to the anomalous Hall effect (N. Nagaosa et al., Rev. Mod. Phys. 82 1539 (2010)). A layer of contact pads providing ohmic contact to the functional layer is formed from gold by sputtering. Drawings of layers, including drawings defining the contours of the film element, drawings of forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to a magnetic field, layers with Hall contacts with current leads from the latter to contact pads, contact pads are set using planar technology - lithographically.

Направление изгибания многослойного пленочного элемента при последующем отделении от подложки задают при его формировании, заданием рисунков слоев, в том числе рисунка, определяющего контуры пленочного элемента, рисунков формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, рисунков контактных площадок. Сначала формируют рисунки, определяющие контуры пленочного элемента - контуры формообразующих в виде сквозных окон в слоях до жертвенного слоя. Для травления окон используют травитель на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4:H2O2:H2O/3:1:50). Затем осуществляют финальную часть формирования рисунка, задавая крестообразный холловский элемент сенсорного узла, изготавливая области тоководов и контактных площадок, используя тот же травитель для травления окон. Сначала напылением через маску из резиста, приготовленную литографически, формируют слой золота на области контактных площадок и тоководов. После чего напылением через маску из резиста, приготовленную литографическими методами, формируют функциональный слой из FePt в форме крестообразного холловского элемента (холловского мостика) с тоководами, причем в области тоководов FePt частично перекрывает области тоководов, покрытые золотом, что обеспечивает омический контакт между каждой контактной площадкой и функциональным слоем. Таким образом, омические контакты получают непосредственно к функциональному слою, непосредственно у выступов холловского элемента - холловского мостика. При формировании многослойного пленочного элемента рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, соответствующий двум сенсорным узлам с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам формируют с общим для двух сенсорных узлов каналом для пропускания тока, лежащим в направлении изгибания пленочного элемента, с длиной канала не менее πR/2, R - радиус кривизны оболочки. При этом в сенсорных узлах выполняют две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты. Контакты располагают вдоль канала по разные стороны его. Азимутальный угол между парами контактов - 90° или расстояние по центру между парами - πR/2, R - радиус кривизны оболочки. Каждая пара предназначена для определения своей ортогональной компоненты внешнего магнитного поля. Рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам и рисунок самих контактных площадок формируют литографически тем, что задают форму крестообразного холловского элемента, тоководов и контактных площадок. Литографические окна, задающие геометрию тоководов и контактных площадок, изготавливают глубиной, достаточной для электрической изоляции. На область контактных площадок, заданную рисунком, напыляют золото.The direction of bending of the multilayer film element during subsequent separation from the substrate is set during its formation, by setting patterns of layers, including a pattern defining the contours of the film element, patterns of forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to magnetic fields, layers with Hall contacts with current leads from last to contact pads, drawings of contact pads. First, drawings are formed that define the contours of the film element — the contours of the forming elements in the form of through windows in layers to the sacrificial layer. For etching windows, an orthophosphoric acid based etchant (H 3 PO 4 : H 2 O 2 : H 2 O / 3: 1: 50) is used. Then, the final part of the pattern formation is carried out, defining the cross-shaped Hall element of the sensor assembly, making the areas of current leads and contact pads, using the same etching agent for etching windows. First, a layer of gold is formed by sputtering through a resist mask, prepared lithographically, on the area of contact pads and current leads. Then, by spraying through a resist mask, prepared by lithographic methods, a functional layer of FePt is formed in the form of a cross-shaped Hall element (Hall bridge) with current leads, moreover, in the area of current conductors, FePt partially overlaps the areas of current leads covered with gold, which ensures ohmic contact between each contact area and a functional layer. Thus, ohmic contacts get directly to the functional layer, directly at the protrusions of the Hall element - the Hall bridge. When forming a multilayer film element, a drawing of a functional layer that is susceptible to a magnetic field, corresponding to two sensor nodes with Hall contacts, with current leads from the latter to the contact pads, is formed with a channel for transmitting current common to the two sensor nodes, lying in the direction of the film element bending, with a length channel at least πR / 2, R is the radius of curvature of the shell. At the same time, two pairs of Hall contacts are made in the sensor nodes for measuring Hall voltage — potential contacts. Contacts are placed along the channel on opposite sides of it. The azimuthal angle between the pairs of contacts is 90 ° or the center distance between the pairs is πR / 2, R is the radius of curvature of the shell. Each pair is designed to determine its orthogonal component of the external magnetic field. A drawing of a functional layer susceptible to a magnetic field, with Hall contacts, with current leads from the latter to the contact pads, and the drawing of the contact pads themselves are formed lithographically by defining the shape of the cross-shaped Hall element, current leads and contact pads. Lithographic windows that define the geometry of current leads and pads are made with a depth sufficient for electrical insulation. Gold is sprayed onto the area of the contact areas specified by the pattern.

Затем пленочный элемент отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку с достижением ориентации пар холловских контактов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Для отделения пленочного элемента от подложки удаляют материал элемента, расположенного под пленочным элементом, - материал жертвенного слоя AlAs, обеспечивая направленное изгибание пленочного элемента с формированием оболочки цилиндрической формы. Требуемое направление изгибания пленочного элемента достигают за счет направленного травления - селективного бокового (латерального) травления жертвенного слоя в направлении, обусловленном анизотропией механических свойств пленочного элемента и его литографическим рисунком. Травят жертвенный слой в травителе на основе плавиковой кислоты (HF:H2O/1:10). Травление жертвенного слоя осуществляют до отделения пленочного элемента в пределах области, на которой расположены сенсорные узлы. Таким образом, часть изначально плоского пленочного элемента трансформируют в оболочку цилиндрической формы, при этом контактные площадки 1-6 размещают на подложке, оставляя их жестко связанными с подложкой за счет своевременного прекращения бокового травления жертвенного слоя. В результате трансформации пленочного элемента в оболочку цилиндрической формы канал для пропускания тока располагают вдоль направляющей цилиндрической оболочки, холловские контакты для измерения холловского напряжения располагают вдоль канала по разные стороны его, выдерживают азимутальный угол между парами холловских контактов 90°. При этом контактные площадки размещены на подложке и жестко связаны с ней.Then the film element is separated from the substrate, transforming it under the action of internal mechanical stresses into the shell with the orientation of the pairs of Hall contacts in space being achieved, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the external magnetic field vector. To separate the film element from the substrate, the material of the element located under the film element, the material of the AlAs sacrificial layer, is removed, providing directional bending of the film element with the formation of a cylindrical shell. The required direction of bending of the film element is achieved by directional etching — selective lateral (lateral) etching of the sacrificial layer in the direction due to the anisotropy of the mechanical properties of the film element and its lithographic pattern. Poison the sacrificial layer in the etchant based on hydrofluoric acid (HF: H 2 O / 1: 10). Etching of the sacrificial layer is carried out before the separation of the film element within the area on which the sensor nodes are located. Thus, part of the initially planar film element is transformed into a cylindrical shell, while the contact pads 1-6 are placed on the substrate, leaving them rigidly connected to the substrate due to the timely termination of lateral etching of the sacrificial layer. As a result of the transformation of the film element into a cylindrical-shaped shell, a channel for transmitting current is placed along the guide of the cylindrical shell, Hall contacts for measuring Hall voltage are placed along the channel on opposite sides of it, and the azimuth angle between pairs of Hall contacts is maintained at 90 °. In this case, the contact pads are placed on the substrate and are rigidly connected with it.

Пример 4Example 4

На полуизолирующей подложке GaAs с ориентацией (100) формируют многослойные пленочные элементы (см. Фиг.3) в количестве двух элементов. Материалы, геометрию и внутренние механические напряжения выбирают обеспечивающими ориентацию крестообразных холловских элементов сенсорных узлов с холловскими контактами в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. На стадии формирования пленочных элементов изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами и тоководами, слои контактных площадок. Предварительно на подложке формируют псевдоморфный жертвенный слой AlAs толщиной 10 нм. При изготовлении многослойных пленочных элементов выращивают формообразующий, механически напряженный (сжатый), слой из InGaAs, а второй формообразующий слой выполняют в виде системы слоев GaAs и AlGaAs, играющей одновременно роль функционального, восприимчивого к магнитному полю, слоя с холловскими контактами и тоководами. В системе слоев формируют квантовую яму из GaAs толщиной 13 нм с электронным газом с концентрацией электронов порядка 1011 см-2. Квантовую яму располагают между слоями твердого раствора AlGaAs, легированными SL. Причем слои в последовательности AlGaAs слой, соответствующий барьеру, GaAs слой, соответствующий квантовой яме, AlGaAs слой, соответствующий барьеру, располагают между слоем из GaAs, являющимся защитным слоем, и формообразующим слоем, расположенным на жертвенном слое, выращенном на подложке, и выполненным из InGaAs. Толщину каждого многослойного пленочного элемента задают равной 100 нм. Слои формообразующие и функциональный формируют посредством молекулярно-лучевой эпитаксии, соблюдая условия псевдоморфного роста, из указанных материалов как имеющих различные постоянные решетки и способных обеспечить возникновение поперечного (холловского) напряжения при протекании электрического тока в плоскости слоев и наличии внешнего магнитного поля, перпендикулярного их плоскости, за счет обычного эффекта Холла (R.S.Popovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)). Слой контактных площадок, обеспечивающий омический контакт к функциональному слою, формируют последовательным напылением германия (Ge), никеля (Ni) и золота (Au) с последующим отжигом. Рисунки слоев, в том числе рисунки, задающие контуры пленочного элемента, рисунки формообразующих, механически напряженных и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок задают посредством планарной технологии - литографически.On a GaAs semi-insulating substrate with an orientation of (100), multilayer film elements are formed (see FIG. 3) in the amount of two elements. Materials, geometry, and internal mechanical stresses are chosen to ensure orientation of the cross-shaped Hall elements of the sensor nodes with Hall contacts in space, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the external magnetic field vector. At the stage of formation of the film elements, layers are formed that are forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to a magnetic field, with Hall contacts and conductors, layers of contact pads. Preliminarily, a pseudomorphic AlAs sacrificial layer 10 nm thick is formed on the substrate. In the manufacture of multilayer film elements, a shape-forming, mechanically stressed (compressed) layer of InGaAs is grown, and the second shape-forming layer is made in the form of a system of GaAs and AlGaAs layers, which simultaneously plays the role of a functional layer that is sensitive to a magnetic field with Hall contacts and current leads. A 13-nm-thick GaAs quantum well is formed in the layer system with an electron gas with an electron concentration of about 10 11 cm -2 . A quantum well is located between the layers of AlGaAs solid solution doped with SL. Moreover, the layers in the AlGaAs sequence a layer corresponding to a barrier, a GaAs layer corresponding to a quantum well, an AlGaAs layer corresponding to a barrier are arranged between a GaAs layer, which is a protective layer, and a forming layer located on a sacrificial layer grown on a substrate and made of InGaAs . The thickness of each multilayer film element is set equal to 100 nm. Forming and functional layers are formed by molecular beam epitaxy, observing the conditions of pseudomorphic growth, from these materials as having different lattice constants and capable of generating a transverse (Hall) voltage when an electric current flows in the plane of the layers and there is an external magnetic field perpendicular to their plane, due to the usual Hall effect (RSPopovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)). The layer of contact pads, providing ohmic contact to the functional layer, is formed by sequential deposition of germanium (Ge), nickel (Ni) and gold (Au), followed by annealing. Drawings of layers, including drawings defining the contours of the film element, drawings of forming, mechanically stressed and functional, susceptible to a magnetic field, layers with Hall contacts with current leads from the latter to contact pads, contact pads are set using planar technology - lithographically.

Направление изгибания каждого многослойного пленочного элемента при последующем отделении от подложки задают при его формировании, заданием рисунков слоев, в том числе рисунка, определяющего контуры пленочного элемента, рисунков формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, рисунков контактных площадок. Сначала формируют рисунки, определяющие контуры каждого пленочного элемента - контуры формообразующих и функционального слоев в виде сквозных окон в слоях до жертвенного слоя. Для травления окон используют травитель на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4:H2O2:H2O/3:1:50). Затем осуществляют финальную часть формирования рисунка, задавая крестообразный холловский элемент сенсорного узла, изготавливая области тоководов и контактных площадок, используя тот же травитель для травления окон. При формировании каждого многослойного пленочного элемента рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, соответствующий двум сенсорным узлам с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам формируют с общим для двух сенсорных узлов каналом для пропускания тока, лежащим в направлении изгибания пленочного элемента, с длиной канала не менее πR/2, R - радиус кривизны оболочки. При этом в сенсорных узлах выполняют две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты. Контакты располагают вдоль канала по разные стороны его. Азимутальный угол между парами контактов - 90° или расстояние по центру между парами - πR/2, R - радиус кривизны оболочки. Каждая пара предназначена для определения своей ортогональной компоненты внешнего магнитного поля. Рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам и рисунок самих контактных площадок формируют литографически тем, что задают форму крестообразного холловского элемента, тоководов и контактных площадок. Геометрию крестообразного холловского элемента - холловского мостика определяют выполнением тоководов. От токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением Au прокладывают тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою. Литографические окна, задающие геометрию тоководов и контактных площадок, изготавливают глубиной, достаточной для электрической изоляции. На область контактных площадок, заданную рисунком, для получения омических контактов напыляют последовательно германий, никель и золото и отжигают в атмосфере водорода при температуре 450°С в течение 5 минут. При формировании двух многослойных пленочных элементов их рисунки реализуют с возможностью перпендикулярных направлений изгибания и получения оболочек цилиндрической формы, образующие которых перпендикулярны. Для этого рисунки слоев первого пленочного элемента повторяют во втором пленочном элементе с поворотом на 90°.The direction of bending of each multilayer film element during subsequent separation from the substrate is set during its formation by setting patterns of layers, including a pattern defining the contours of the film element, patterns of forming, mechanically strained, and functional, susceptible to magnetic fields, layers with Hall contacts with current leads from the latter to pads, drawings of pads. First, drawings are formed that define the contours of each film element — the contours of the formative and functional layers in the form of through windows in the layers to the sacrificial layer. For etching windows, an orthophosphoric acid based etchant (H 3 PO 4 : H 2 O 2 : H 2 O / 3: 1: 50) is used. Then, the final part of the pattern formation is carried out, defining the cross-shaped Hall element of the sensor assembly, making the areas of current leads and contact pads, using the same etching agent for etching windows. During the formation of each multilayer film element, a drawing of a functional layer that is susceptible to a magnetic field, corresponding to two sensor nodes with Hall contacts, with current leads from the latter to the contact pads, is formed with a channel for transmitting current common to the two sensor nodes, lying in the direction of the film element bending, with a channel length of at least πR / 2, R is the radius of curvature of the shell. At the same time, two pairs of Hall contacts are made in the sensor nodes for measuring Hall voltage — potential contacts. Contacts are placed along the channel on opposite sides of it. The azimuthal angle between the pairs of contacts is 90 ° or the center distance between the pairs is πR / 2, R is the radius of curvature of the shell. Each pair is designed to determine its orthogonal component of the external magnetic field. A drawing of a functional layer susceptible to a magnetic field, with Hall contacts, with current leads from the latter to the contact pads, and the drawing of the contact pads themselves are formed lithographically by defining the shape of the cross-shaped Hall element, current leads and contact pads. The geometry of the cross-shaped Hall element - the Hall bridge is determined by the implementation of current leads. From current and potential contacts of Hall bridges by lithography and subsequent deposition of Au, conductors are laid to the contact pads located on the substrate, with ohmic contacts to the functional layer. Lithographic windows that define the geometry of current leads and pads are made with a depth sufficient for electrical insulation. To obtain ohmic contacts, germanium, nickel and gold are sequentially sprayed on the area of the contact areas specified by the figure, and annealed in a hydrogen atmosphere at a temperature of 450 ° C for 5 minutes. When forming two multilayer film elements, their patterns are realized with the possibility of perpendicular directions of bending and obtaining shells of a cylindrical shape, the forms of which are perpendicular. For this, the layer patterns of the first film element are repeated in the second film element with a rotation of 90 °.

Затем оба пленочных элемента отделяют от подложки, трансформируя их под действием внутренних механических напряжений в оболочки с достижением ориентации пар холловских контактов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений трем ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Для отделения обоих пленочных элементов от подложки удаляют материал элемента, расположенного под пленочными элементами, - материал жертвенного слоя AlAs, обеспечивая направленное изгибание каждого пленочного элемента с формированием оболочки цилиндрической формы. Требуемое направление изгибания каждого пленочного элемента достигают за счет направленного травления - селективного бокового (латерального) травления жертвенного слоя в направлении, обусловленном анизотропией механических свойств пленочного элемента и его литографическим рисунком. Травят жертвенный слой в травителе на основе плавиковой кислоты (HF:H2O/1:10). Травление жертвенного слоя осуществляют до отделения каждого пленочного элемента в пределах области, на которой расположены сенсорные узлы (см. Фиг.3). Таким образом, части изначально двух плоских пленочных элементов трансформируют в оболочки цилиндрической формы, при этом контактные площадки 1-6 с омическими контактами размещают на подложке, оставляя их жестко связанными с подложкой за счет своевременного прекращения бокового травления жертвенного слоя. В результате трансформации каждого пленочного элемента в оболочку цилиндрической формы канал для пропускания тока располагают вдоль направляющей цилиндрической оболочки, холловские контакты для измерения холловского напряжения располагают вдоль канала по разные стороны его, выдерживают азимутальный угол между парами холловских контактов 90°. При этом контактные площадки с омическими контактами размещены на подложке и жестко связаны с ней. В финале оболочки помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочками наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение (см. Фиг.4). Перед запечатыванием оболочек в полимер сформированную конструкцию помещают в этиловый эфир уксусной кислоты, являющийся растворителем полидиметилсилоксана, после чего переносят в неполимеризованный полидиметилсилоксан. Осуществляют замещение этилового эфира, находящегося внутри оболочек, а также покрытие поверхности оболочек снаружи. Для полимеризации полидиметилсилоксана и запечатывания конструкции в полимер осуществляют нагревание в печи при температуре 90°С в течение 3 часов.Then, both film elements are separated from the substrate, transforming them under the action of internal mechanical stresses into shells with the orientation of the pairs of Hall contacts in space being achieved, in which the measured Hall stresses correspond to the three orthogonal components of the external magnetic field vector. To separate both film elements from the substrate, the material of the element located under the film elements, the material of the AlAs sacrificial layer, is removed, providing directional bending of each film element with the formation of a cylindrical shell. The required direction of bending of each film element is achieved by directional etching — selective lateral (lateral) etching of the sacrificial layer in the direction due to the anisotropy of the mechanical properties of the film element and its lithographic pattern. Poison the sacrificial layer in the etchant based on hydrofluoric acid (HF: H 2 O / 1: 10). The etching of the sacrificial layer is carried out before the separation of each film element within the area on which the sensor nodes are located (see Figure 3). Thus, parts of the initially two flat film elements are transformed into cylindrical shells, while contact pads 1-6 with ohmic contacts are placed on the substrate, leaving them rigidly connected to the substrate due to the timely termination of lateral etching of the sacrificial layer. As a result of the transformation of each film element into a cylindrical shell, a channel for transmitting current is placed along the guide of the cylindrical shell, Hall contacts for measuring Hall voltage are placed along the channel on different sides of it, and the azimuth angle between pairs of Hall contacts is maintained at 90 °. In this case, the contact pads with ohmic contacts are placed on the substrate and are rigidly connected with it. In the final, the shells are placed in a solid matrix of non-magnetic material, for this a liquid polymer is applied to the substrate with the shells and cured (see FIG. 4). Before sealing the shells into the polymer, the formed structure is placed in ethyl acetate, which is a solvent of polydimethylsiloxane, and then transferred to unpolymerized polydimethylsiloxane. Substitution of ethyl ether inside the shells is carried out, as well as coating the surface of the shells from the outside. To polymerize polydimethylsiloxane and seal the structure into a polymer, it is heated in an oven at a temperature of 90 ° C for 3 hours.

Для решения проблемы достижения требуемых изгибаний пленочных элементов, так чтобы цилиндрические поверхности оболочек располагались относительно друг друга под углом 90°, при отделении пленочных элементов от подложки используют метод направленного сворачивания. В частности, например, метод, основанный на направленном травлении жертвенного слоя за счет различной величины внутренних механических напряжений на границах окна или краях пленочного элемента, что приводит к стимулированию травления с границ, на которых присутствует максимум упругих напряжений (см. Фиг.6). В структуре пленочного элемента среди формообразующих слоев GaAs и InGaAs напряжен последний (см. Фиг.3,а)). Рисунок контуров формообразующих слоев выполняют таким образом, чтобы максимальные величины встроенных механических напряжений были на тех краях пленочного элемента, с которых желательна инициация процесса отделения его от подложки, и которые перпендикулярны относительно друг друга. Это условие достигают за счет присутствия на указанных краях напряженного слоя InGaAs 9 (см. Фиг.6, правый край). Травление жертвенного слоя 10 начинается одновременно со всех сторон, однако идет с различной скоростью. В правой части пленочного элемента, с правого края (см. Фиг.6) GaAs/InGaAs, освобождаемую область пленочного элемента сворачивают в оболочку цилиндрической формы по мере удаления из-под нее жертвенного слоя 10. Скорость травления жертвенного слоя здесь на несколько порядков выше по сравнению с остальными краями пленочного элемента, так как изгибание пленочного элемента за счет упругих напряжений стимулирует доступ травителя к жертвенному слою 10 и отвод продуктов реакции. На остальных краях пленочного элемента напряженный слой 9 отсутствует, что и обуславливает отсутствие механических упругих напряжений, изгибающих пленочный элемент и обеспечивающих тем самым доступ травителя к жертвенному слою 10. В результате там происходит медленное латеральное вытравливание жертвенного слоя 10 в узком канале.To solve the problem of achieving the required bends of the film elements, so that the cylindrical surfaces of the shells are located relative to each other at an angle of 90 °, the directional folding method is used to separate the film elements from the substrate. In particular, for example, a method based on directional etching of the sacrificial layer due to different sizes of internal mechanical stresses at the borders of the window or the edges of the film element, which leads to stimulation of etching from the boundaries at which there is a maximum of elastic stresses (see Figure 6). In the structure of the film element among the forming layers of GaAs and InGaAs, the latter is stressed (see Fig. 3, a)). The contours of the forming layers are drawn so that the maximum values of the built-in mechanical stresses are at those edges of the film element from which it is desirable to initiate the process of separating it from the substrate and which are perpendicular to each other. This condition is achieved due to the presence at the indicated edges of the stressed InGaAs layer 9 (see Fig. 6, right edge). Etching of the sacrificial layer 10 begins simultaneously from all sides, however, it proceeds at different speeds. On the right side of the film element, from the right edge (see Fig. 6) of GaAs / InGaAs, the released region of the film element is rolled into a cylindrical shell as the sacrificial layer is removed from under it 10. Here, the etching rate of the sacrificial layer is several orders of magnitude higher in compared with the rest of the edges of the film element, since the bending of the film element due to elastic stresses stimulates the access of the etchant to the sacrificial layer 10 and the removal of reaction products. At the other edges of the film element, the stressed layer 9 is absent, which leads to the absence of mechanical elastic stresses that bend the film element and thereby provide the etchant access to the sacrificial layer 10. As a result, there is a slow lateral etching of the sacrificial layer 10 in a narrow channel.

Пример 5Example 5

На полуизолирующей подложке GaAs с ориентацией (100) формируют многослойные пленочные элементы, образующие пары, для сенсорных узлов, предназначенных для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек; из указанных пар на подложке формируют массив с n=2 прецизионно одинаковыми элементами с заданным распределением в пространстве, где n - количество прецизионно одинаковых элементов с учетом геометрической конфигурации каждого элемента и его пространственной ориентации. Материалы, геометрию и внутренние механические напряжения выбирают обеспечивающими ориентацию крестообразных холловских элементов массива сенсорных узлов с холловскими контактами в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. На стадии формирования пар пленочных элементов изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами и тоководами, слои контактных площадок. Предварительно на подложке формируют псевдоморфный жертвенный слой AlAs толщиной 10 нм. При изготовлении многослойных пленочных элементов выращивают формообразующий, механически напряженный (сжатый), слой из InGaAs, а второй формообразующий слой выполняют в виде системы слоев GaAs и AlGaAs, играющей одновременно роль функционального, восприимчивого к магнитному полю, слоя с холловскими контактами и тоководами. В системе слоев формируют квантовую яму из GaAs толщиной 13 нм с электронным газом с концентрацией электронов порядка 1011 см-2. Квантовую яму располагают между слоями твердого раствора AlGaAs, легированными SL. Причем слои в последовательности AlGaAs слой, соответствующий барьеру, GaAs слой, соответствующий квантовой яме, AlGaAs слой, соответствующий барьеру, располагают между слоем из GaAs, являющимся защитным слоем, и формообразующим слоем, расположенным на жертвенном слое, выращенном на подложке, и выполненным из InGaAs. Толщину каждого многослойного пленочного элемента задают равной 100 нм. Слои формообразующие и функциональный формируют посредством молекулярно-лучевой эпитаксии, соблюдая условия псевдоморфного роста, из указанных материалов как имеющих различные постоянные решетки и способных обеспечить возникновение поперечного (холловского) напряжения при протекании электрического тока в плоскости слоев и наличии внешнего магнитного поля, перпендикулярного их плоскости, за счет обычного эффекта Холла (R.S.Popovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)). Слой контактных площадок, обеспечивающий омический контакт к функциональному слою, формируют последовательным напылением германия (Ge), никеля (Ni) и золота (Au) с последующим отжигом. Рисунки слоев, в том числе рисунки, задающие контуры пленочного элемента, рисунки формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок задают посредством планарной технологии - литографически.On a GaAs semi-insulating substrate with a (100) orientation, multilayer film elements are formed that form pairs for sensor nodes intended for triaxial / biaxial measurements in two shells; from these pairs, an array is formed on the substrate with n = 2 precision identical elements with a given distribution in space, where n is the number of precision identical elements, taking into account the geometric configuration of each element and its spatial orientation. Materials, geometry, and internal mechanical stresses are selected to provide orientation of the cross-shaped Hall elements of the array of sensor nodes with Hall contacts in space, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the external magnetic field vector. At the stage of forming pairs of film elements, layers are formed that are forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to a magnetic field, with Hall contacts and current leads, layers of contact pads. Preliminarily, a pseudomorphic AlAs sacrificial layer 10 nm thick is formed on the substrate. In the manufacture of multilayer film elements, a shape-forming, mechanically stressed (compressed) layer of InGaAs is grown, and the second shape-forming layer is made in the form of a system of GaAs and AlGaAs layers, which simultaneously plays the role of a functional layer that is sensitive to a magnetic field with Hall contacts and current leads. A 13-nm-thick GaAs quantum well is formed in the layer system with an electron gas with an electron concentration of about 10 11 cm -2 . A quantum well is located between the layers of AlGaAs solid solution doped with SL. Moreover, the layers in the AlGaAs sequence a layer corresponding to a barrier, a GaAs layer corresponding to a quantum well, an AlGaAs layer corresponding to a barrier are arranged between a GaAs layer, which is a protective layer, and a forming layer located on a sacrificial layer grown on a substrate and made of InGaAs . The thickness of each multilayer film element is set equal to 100 nm. Forming and functional layers are formed by molecular beam epitaxy, observing the conditions of pseudomorphic growth, from these materials as having different lattice constants and capable of generating a transverse (Hall) voltage when an electric current flows in the plane of the layers and there is an external magnetic field perpendicular to their plane, due to the usual Hall effect (RSPopovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)). The layer of contact pads, providing ohmic contact to the functional layer, is formed by sequential deposition of germanium (Ge), nickel (Ni) and gold (Au), followed by annealing. Drawings of layers, including drawings defining the contours of the film element, drawings of forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to magnetic fields, layers with Hall contacts with current leads from the latter to contact pads, contact pads are set using planar technology - lithographically.

Направление изгибания каждого многослойного пленочного элемента при последующем отделении от подложки задают при его формировании, заданием рисунков слоев, в том числе рисунка, определяющего контуры пленочного элемента, рисунков формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, рисунков контактных площадок. Сначала формируют рисунки, определяющие контуры каждого пленочного элемента - контуры формообразующих и функционального слоев в виде сквозных окон в слоях до жертвенного слоя. Для травления окон используют травитель на основе ортофосфорной кислоты (H3PO4:H2O2:H2O/3:1:50). Затем осуществляют финальную часть формирования рисунка, задавая крестообразный холловский элемент сенсорного узла, изготавливая области тоководов и контактных площадок, используя тот же травитель для травления окон. При формировании каждого многослойного пленочного элемента рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, соответствующий двум сенсорным узлам с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам формируют с общим для двух сенсорных узлов каналом для пропускания тока, лежащим в направлении изгибания пленочного элемента, с длиной канала не менее πR/2, R - радиус кривизны оболочки. При этом в сенсорных узлах выполняют две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты. Контакты располагают вдоль канала по разные стороны его. Азимутальный угол между парами контактов - 90° или расстояние по центру между парами - πR/2, R - радиус кривизны оболочки. Каждая пара предназначена для определения своей ортогональной компоненты внешнего магнитного поля. Рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам и рисунок самих контактных площадок формируют литографически тем, что задают форму крестообразного холловского элемента, тоководов и контактных площадок. Геометрию крестообразного холловского элемента - холловского мостика определяют выполнением тоководов. От токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением Au прокладывают тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою. Литографические окна, задающие геометрию тоководов и контактных площадок, изготавливают глубиной, достаточной для электрической изоляции. На область контактных площадок, заданную рисунком, для получения омических контактов напыляют последовательно германий, никель и золото и отжигают в атмосфере водорода при температуре 450°С в течение 5 минут. При формировании двух многослойных пленочных элементов в паре для сенсорных узлов, предназначенных для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек, их рисунки реализуют с возможностью перпендикулярных направлений изгибания и получения оболочек цилиндрической формы, образующие которых перпендикулярны. Для этого рисунки слоев первого пленочного элемента повторяют во втором пленочном элементе с поворотом на 90°. Формируют две пары пленочных элементов, в каждой паре рисунок первого пленочного элемента повторен во втором пленочном элементе с поворотом на 90°. Таким образом, первый пленочный элемент первой пары и первый пленочный элемент второй пары прецизионно одинаковы, второй пленочный элемент первой пары и второй пленочный элемент второй пары прецизионно одинаковы.The direction of bending of each multilayer film element during subsequent separation from the substrate is set during its formation by setting patterns of layers, including a pattern defining the contours of the film element, patterns of forming, mechanically strained, and functional, susceptible to magnetic fields, layers with Hall contacts with current leads from the latter to pads, drawings of pads. First, drawings are formed that define the contours of each film element — the contours of the formative and functional layers in the form of through windows in the layers to the sacrificial layer. For etching windows, an orthophosphoric acid based etchant (H 3 PO 4 : H 2 O 2 : H 2 O / 3: 1: 50) is used. Then, the final part of the pattern formation is carried out, defining the cross-shaped Hall element of the sensor assembly, making the areas of current leads and contact pads, using the same etching agent for etching windows. During the formation of each multilayer film element, a drawing of a functional layer that is susceptible to a magnetic field, corresponding to two sensor nodes with Hall contacts, with current leads from the latter to the contact pads, is formed with a channel for transmitting current common to the two sensor nodes, lying in the direction of the film element bending, with a channel length of at least πR / 2, R is the radius of curvature of the shell. At the same time, two pairs of Hall contacts are made in the sensor nodes for measuring Hall voltage — potential contacts. Contacts are placed along the channel on opposite sides of it. The azimuthal angle between the pairs of contacts is 90 ° or the center distance between the pairs is πR / 2, R is the radius of curvature of the shell. Each pair is designed to determine its orthogonal component of the external magnetic field. A drawing of a functional layer susceptible to a magnetic field, with Hall contacts, with current leads from the latter to the contact pads, and the drawing of the contact pads themselves are formed lithographically by defining the shape of the cross-shaped Hall element, current leads and contact pads. The geometry of the cross-shaped Hall element - the Hall bridge is determined by the implementation of current leads. From current and potential contacts of Hall bridges by lithography and subsequent deposition of Au, conductors are laid to the contact pads located on the substrate, with ohmic contacts to the functional layer. Lithographic windows that define the geometry of current leads and pads are made with a depth sufficient for electrical insulation. To obtain ohmic contacts, germanium, nickel and gold are sequentially sprayed on the area of the contact areas specified by the figure, and annealed in a hydrogen atmosphere at a temperature of 450 ° C for 5 minutes. When two multilayer film elements are formed in pairs for sensor assemblies intended for triaxial / biaxial measurements consisting of two shells, their patterns are realized with the possibility of perpendicular directions of bending and obtaining shells of a cylindrical shape, the forming of which are perpendicular. For this, the layer patterns of the first film element are repeated in the second film element with a rotation of 90 °. Two pairs of film elements are formed, in each pair the pattern of the first film element is repeated in the second film element with a rotation of 90 °. Thus, the first film element of the first pair and the first film element of the second pair are precision identical, the second film element of the first pair and the second film element of the second pair are precisely the same.

Затем оба пленочных элемента в каждой паре отделяют от подложки, трансформируя их под действием внутренних механических напряжений в оболочки с достижением ориентации пар холловских контактов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений трем ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Для отделения в каждой паре обоих пленочных элементов от подложки удаляют материал элемента, расположенного под пленочными элементами, - материал жертвенного слоя AlAs, обеспечивая направленное изгибание каждого пленочного элемента с формированием оболочки цилиндрической формы. Требуемое направление изгибания каждого пленочного элемента каждой пары достигают за счет направленного травления - селективного бокового (латерального) травления жертвенного слоя в направлении, обусловленном анизотропией механических свойств пленочного элемента и его литографическим рисунком. Травят жертвенный слой в травителе на основе плавиковой кислоты (HF:H2O/1:10). Травление жертвенного слоя осуществляют до отделения каждого пленочного элемента в пределах области, на которой расположены сенсорные узлы (см. Фиг.3). Таким образом, части изначально двух плоских пленочных элементов в парах трансформируют в оболочки цилиндрической формы, при этом контактные площадки 1-6 с омическими контактами размещают на подложке, оставляя их жестко связанными с подложкой за счет своевременного прекращения бокового травления жертвенного слоя. В результате трансформации каждого пленочного элемента в парах в оболочку цилиндрической формы канал для пропускания тока располагают вдоль направляющей цилиндрической оболочки, холловские контакты для измерения холловского напряжения располагают вдоль канала по разные стороны его, выдерживают азимутальный угол между парами холловских контактов 90°. При этом контактные площадки с омическими контактами размещены на подложке и жестко связаны с ней. Таким образом, получают массив n сенсорных узлов, предназначенных для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек, с n=2, выполненных прецизионно одинаковыми с заданным распределением в пространстве. В финале массив помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочками массива наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение (см. Фиг.4). Перед запечатыванием оболочек в полимер сформированную конструкцию помещают в этиловый эфир уксусной кислоты, являющийся растворителем полидиметилсилоксана, после чего переносят в неполимеризованный полидиметилсилоксан. Осуществляют замещение этилового эфира, находящегося внутри оболочек, а также покрытие поверхности оболочек снаружи. Для полимеризации полидиметилсилоксана и запечатывания конструкции в полимер осуществляют нагревание в печи при температуре 90°С в течение 3 часов.Then, both film elements in each pair are separated from the substrate, transforming them under the action of internal mechanical stresses into shells with the orientation of the pairs of Hall contacts in space being achieved, in which the measured Hall stresses correspond to the three orthogonal components of the external magnetic field vector. To separate in each pair of both film elements from the substrate, the material of the element located under the film elements is removed — the material of the AlAs sacrificial layer, providing directional bending of each film element with the formation of a cylindrical shell. The required direction of bending of each film element of each pair is achieved by directional etching — selective lateral (lateral) etching of the sacrificial layer in the direction due to the anisotropy of the mechanical properties of the film element and its lithographic pattern. Poison the sacrificial layer in the etchant based on hydrofluoric acid (HF: H 2 O / 1: 10). The etching of the sacrificial layer is carried out before the separation of each film element within the area on which the sensor nodes are located (see Figure 3). Thus, parts of the initially two flat film elements in pairs are transformed into cylindrical shells, while contact pads 1-6 with ohmic contacts are placed on the substrate, leaving them rigidly connected to the substrate due to the timely termination of lateral etching of the sacrificial layer. As a result of the transformation of each film element in pairs into a cylindrical-shaped shell, a channel for transmitting current is placed along the guide of the cylindrical shell, Hall contacts for measuring Hall voltage are placed along the channel on its opposite sides, and they withstand an azimuthal angle between pairs of Hall contacts of 90 °. In this case, the contact pads with ohmic contacts are placed on the substrate and are rigidly connected with it. Thus, an array of n sensor assemblies intended for three-axis / two-axis measurements consisting of two shells, with n = 2, made exactly the same with a given distribution in space, is obtained. In the final, the array is placed in a solid matrix of non-magnetic material, for this purpose a liquid polymer is applied to the substrate with the shells of the array and cured (see Figure 4). Before sealing the shells into the polymer, the formed structure is placed in ethyl acetate, which is a solvent of polydimethylsiloxane, and then transferred to unpolymerized polydimethylsiloxane. Substitution of ethyl ether inside the shells is carried out, as well as coating the surface of the shells from the outside. To polymerize polydimethylsiloxane and seal the structure into a polymer, it is heated in an oven at a temperature of 90 ° C for 3 hours.

Рассмотренный пример реализации способа относится к изготовлению датчика для трехосевых/двухосевых измерений градиента магнитного поля.The considered example of the method implementation relates to the manufacture of a sensor for triaxial / biaxial measurements of the magnetic field gradient.

Claims (24)

1. Датчик магнитного поля, содержащий сенсорные узлы, реализованные на использовании эффекта Холла, отличающийся тем, что сенсорные узлы выполнены в составе криволинейной оболочки с системой слоев, среди которых восприимчивые к магнитному полю - функциональные и формообразующие, последними обеспечена кривизна оболочки и возможность ориентации крестообразных холловских элементов сенсорных узлов в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля.1. A magnetic field sensor containing sensor nodes implemented using the Hall effect, characterized in that the sensor nodes are made up of a curvilinear shell with a system of layers, among which are susceptible to the magnetic field are functional and shape-forming, the latter is provided with a curvature of the shell and the possibility of orientating crosswise Hall elements of sensor nodes in space with the compliance of the measured Hall stresses with the orthogonal components of the external magnetic field vector. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что сенсорные узлы изготовлены для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек, выполненных цилиндрической формы и расположенных относительно друг друга так, что их образующие перпендикулярны друг другу, каждая оболочка снабжена сенсорными узлами с крестообразными холловскими элементами, включающими пары холловских контактов, ориентированными в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений трем ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля за счет азимутального угла между парами холловских контактов каждой из указанных оболочек, равного 90°, или сенсорные узлы изготовлены для двухосевых измерений в составе одной оболочки, выполненной цилиндрической формы с парами холловских контактов крестообразных холловских элементов сенсорных узлов, ориентированных в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений двум ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля за счет азимутального угла между парами холловских контактов, равного 90°.2. The sensor according to claim 1, characterized in that the sensor nodes are made for triaxial / biaxial measurements in two shells made of cylindrical shape and located relative to each other so that their generators are perpendicular to each other, each shell is equipped with sensor nodes with cross-shaped Hall elements including pairs of Hall contacts oriented in space with matching the measured Hall stresses to the three orthogonal components of the external magnetic field vector due to there is an azimuthal angle between the pairs of Hall contacts of each of these shells, equal to 90 °, or the sensor nodes are made for biaxial measurements in a single shell made of a cylindrical shape with pairs of Hall contacts of cross-shaped Hall elements of sensor nodes oriented in space with matching the measured Hall stresses two orthogonal components of the external magnetic field vector due to the azimuth angle between the pairs of Hall contacts, equal to 90 °. 3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что сенсорные узлы изготовлены для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек, выполненных цилиндрической формы и расположенных относительно друг друга так, что их образующие перпендикулярны друг другу, каждая оболочка снабжена сенсорными узлами с крестообразными холловскими элементами, включающими пары холловских контактов, ориентированными в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений трем ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля за счет азимутального угла между парами холловских контактов каждой из указанных оболочек, равного 90°, или сенсорные узлы изготовлены для двухосевых измерений в составе одной оболочки, выполненной цилиндрической формы с парами холловских контактов крестообразных холловских элементов сенсорных узлов, ориентированных в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений двум ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля за счет азимутального угла между парами холловских контактов, равного 90°, при этом из указанных сенсорных узлов в составе двух оболочек для трехосевых/двухосевых измерений или сенсорных узлов в составе одной оболочки для двухосевых измерений сформирован массив, в котором n≥2 сенсорных узла выполнены прецизионно одинаковыми, с заданным распределением в пространстве.3. The sensor according to claim 2, characterized in that the sensor nodes are made for triaxial / biaxial measurements in two shells made of cylindrical shape and arranged relative to each other so that their generators are perpendicular to each other, each shell is equipped with sensor nodes with cross-shaped Hall elements including pairs of Hall contacts oriented in space with matching the measured Hall stresses to the three orthogonal components of the external magnetic field vector due to there is an azimuthal angle between the pairs of Hall contacts of each of these shells, equal to 90 °, or the sensor nodes are made for biaxial measurements in a single shell made of a cylindrical shape with pairs of Hall contacts of cross-shaped Hall elements of sensor nodes oriented in space with matching the measured Hall stresses two orthogonal components of the external magnetic field vector due to the azimuth angle between the pairs of Hall contacts, equal to 90 °, and of these sensor nodes in two shells for triaxial / biaxial measurements or sensor nodes in one shell for biaxial measurements, an array is formed in which n≥2 sensor nodes are made exactly the same, with a given distribution in space. 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что оболочка расположена на подложке GaAs, связана с ней за счет выполненного на подложке жертвенного слоя AlAs.4. The sensor according to claim 1, characterized in that the shell is located on the GaAs substrate, connected with it due to the AlAs sacrificial layer made on the substrate. 5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что формообразующие слои выполнены псевдоморфными монокристаллическими из материалов, характеризующихся в свободном состоянии различными периодами кристаллической решетки, для слоев, расположенных с наружной стороны оболочки, использованы материалы с большим периодом кристаллической решетки.5. The sensor according to claim 1, characterized in that the forming layers are made of pseudomorphic monocrystalline from materials characterized in the free state by different periods of the crystal lattice, for layers located on the outside of the shell, materials with a large period of the crystal lattice are used. 6. Датчик по п.1 или 5, отличающийся тем, что формообразующие слои выполнены с использованием материалов GaAs и InGaAs.6. The sensor according to claim 1 or 5, characterized in that the forming layers are made using GaAs and InGaAs materials. 7. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в системе слоев, среди которых восприимчивые к магнитному полю - функциональные и формообразующие, формообразующий слой выполнен восприимчивым к магнитному полю.7. The sensor according to claim 1, characterized in that in the system of layers, among which are susceptible to a magnetic field - functional and forming, the forming layer is made susceptible to a magnetic field. 8. Датчик по п.1 или 7, отличающийся тем, что в системе слоев, восприимчивых к магнитному полю - функциональных и формообразующих, слой, восприимчивый к магнитному полю, выполнен из GaAs или FePt.8. The sensor according to claim 1 or 7, characterized in that in the system of layers susceptible to the magnetic field - functional and shape-forming, the layer susceptible to the magnetic field is made of GaAs or FePt. 9. Датчик по п.1, отличающийся тем, что толщина стенки оболочки равна от примерно (5÷6)×10-10 до примерно 10-5 м.9. The sensor according to claim 1, characterized in that the wall thickness of the shell is from about (5 ÷ 6) × 10 -10 to about 10 -5 m 10. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в системе слоев, восприимчивых к магнитному полю - функциональных и формообразующих, выполнена квантовая яма в виде слоя GaAs толщиной 13 нм с электронным газом с концентрацией порядка 1011 см-2, квантовая яма расположена между слоями твердого раствора AlGaAs, легированными Si, причем слои в последовательности AlGaAs - барьер, GaAs - квантовая яма, AlGaAs - барьер расположены в оболочке между слоем из GaAs, выполненным со стороны внутреннего объема оболочки, являющимся защитным слоем, и формообразующим слоем, расположенным с наружной стороны оболочки и выполненным из InGaAs.10. The sensor according to claim 1, characterized in that in the system of layers susceptible to the magnetic field - functional and forming, a quantum well is made in the form of a 13 nm thick GaAs layer with an electron gas with a concentration of about 10 11 cm -2 , the quantum well is located between layers of AlGaAs solid solution doped with Si, the layers in the AlGaAs sequence being a barrier, GaAs as a quantum well, AlGaAs as a barrier located in the shell between the GaAs layer made from the side of the inner volume of the shell, which is a protective layer, and the forming layer located on the outside of the shell and made of InGaAs. 11. Датчик по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в стенке оболочки цилиндрической формы выполнены два сенсорных узла, с внутренней стороны оболочки литографически сформированы мезоструктуры с образованием крестообразных холловских элементов - холловских мостиков, канал для пропускания тока крестообразного холловского элемента сенсорного узла - канал холловского мостика расположен вдоль направляющей цилиндрической оболочки, при этом в сенсорных узлах вдоль канала выполнены две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты, в каждой паре контакты расположены по разные стороны канала, азимутальный угол между парами контактов 90°, общий для двух сенсорных узлов канал выполнен соединяющим общие для двух сенсорных узлов токовые контакты, длиной πR/2 и более, R - радиус кривизны оболочки; в случае выполнения датчика, работающего на базе ординарного эффекта Холла, функциональный слой, восприимчивый к магнитному полю, так же как и формообразующий слой, выполнен цилиндрической формы, в нем геометрия крестообразного холловского элемента - холловского мостика определена выполнением тоководов, от токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением Au проложены тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою, омические контакты выполнены напылением слоя германий/никель/золото с последующим отжигом; в случае выполнения датчика, работающего на базе экстраординарного эффекта Холла, функциональный слой, восприимчивый к магнитному полю, выполнен в отличие от формообразующего слоя имеющим рисунок в виде двух соединяющихся крестообразных элементов, определяющий геометрию холловского мостика функциональный слой получен путем предварительного нанесения защитного резиста на формообразующий слой и формирования в резисте сквозного окна с рисунком в виде двух соединяющихся крестообразных элементов с последующим напылением в окно FePt и финального, после напыления, удаления защитного резиста, обладающим кривизной, как и формообразующий слой, в этом случае омические контакты к функциональному слою выполнены непосредственно у выступов холловского элемента - холловского мостика, либо на контактных площадках, либо между ними в любой точке тоководов, последние изготовлены также литографией и последующим нанесением Au и проложены к контактным площадкам, расположенным на подложке и выполненным тоже из золота, для получения омического контакта выполнение слоев FePt и Au осуществлено внахлестку, причем если омические контакты выполнены у выступов холловского мостика, то место, в котором слои нанесены внахлестку, расположено у выступов, если омические контакты выполнены на контактных площадках, то области тоководов покрыты FePt, а в области контактных площадок слои FePt и Au выполнены внахлестку.11. The sensor according to any one of claims 1 to 3, characterized in that two sensor assemblies are made in the cylindrical shell wall, mesostructures are lithographically formed with the formation of cross-shaped Hall elements - Hall bridges, a channel for transmitting current to the cross-shaped Hall sensor element node - the channel of the Hall bridge is located along the guide of the cylindrical shell, while in the sensor nodes along the channel there are two pairs of Hall contacts for measuring the Hall voltages are potential contacts, in each pair the contacts are located on opposite sides of the channel, the azimuthal angle between the pairs of contacts is 90 °, the channel common for two sensor nodes is made connecting current contacts common to two sensor nodes, length πR / 2 and more, R is the radius of curvature shells; in the case of a sensor operating on the basis of the ordinary Hall effect, the functional layer that is susceptible to the magnetic field, as well as the forming layer, is made of a cylindrical shape, in it the geometry of the cross-shaped Hall element - the Hall bridge is determined by the execution of current leads from current and potential contacts of the Hall bridges by lithography and subsequent deposition of Au are laid current leads to the contact pads located on the substrate, with ohmic contacts to the functional layer, ohmic contacts made by spraying a layer of germanium / nickel / gold, followed by annealing; in the case of a sensor operating on the basis of an extraordinary Hall effect, a functional layer that is susceptible to a magnetic field is made, in contrast to the forming layer, having a pattern in the form of two connected cross-shaped elements, which determines the geometry of the Hall bridge, the functional layer is obtained by preliminary applying a protective resist to the forming layer and forming in the resist a through window with a pattern in the form of two connected cross-shaped elements, followed by spraying FePt and phi into the window After deposition, removal of the protective resist, which has curvature, like the forming layer, in this case, the ohmic contacts to the functional layer are made directly at the protrusions of the Hall element - the Hall bridge, either on the contact pads, or between them at any point of the current leads, the latter are made also by lithography and subsequent deposition of Au and laid to the contact pads located on the substrate and made of gold, too, to obtain an ohmic contact, FePt and Au layers were made lap, and if the ohmic contacts are made at the protrusions of the Hall bridge, then the place where the layers are overlapped is located at the protrusions, if the ohmic contacts are made at the contact pads, the current guide regions are covered with FePt, and the FePt and Au layers are made at the contact pads overlap. 12. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен сформированными на той же подложке схемами обработки сигнала, на которой расположена оболочка с сенсорными узлами.12. The sensor according to claim 1, characterized in that it is additionally equipped with signal processing circuits formed on the same substrate, on which the shell with sensor nodes is located. 13. Датчик по п.1, отличающийся тем, что сенсорные узлы выполнены в составе криволинейной оболочки, которая запечатана в твердую матрицу из немагнитного материала.13. The sensor according to claim 1, characterized in that the sensor nodes are made as part of a curved shell, which is sealed in a solid matrix of non-magnetic material. 14. Способ изготовления датчика магнитного поля, отличающийся тем, что на подложке формируют многослойный пленочный элемент/элементы с использованием материалов, геометрии и внутренних механических напряжений, обеспечивающих ориентацию крестообразных холловских элементов сенсорных узлов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, при этом на стадии формирования пленочного элемента изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами, пленочный элемент отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку с достижением ориентации крестообразных холловских элементов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля.14. A method of manufacturing a magnetic field sensor, characterized in that a multilayer film element / elements is formed on the substrate using materials, geometry and internal mechanical stresses that ensure the orientation of the cross-shaped Hall elements of the sensor nodes in space, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the vector external magnetic field, while at the stage of formation of the film element make layers, forming, mechanically strained and functional, susceptible to a magnetic field, with Hall contacts, the film element is separated from the substrate, transforming it under the action of internal mechanical stresses into the shell with the achievement of the orientation of the cross-shaped Hall elements in space, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the external magnetic vector fields. 15. Способ изготовления по п.14, отличающийся тем, что при формировании многослойного пленочного элемента изготавливают все его конструктивные слои в последовательности от подложки - формообразующие, механически напряженные, функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами и тоководами, слои контактных площадок, при этом посредством планарной технологии задают рисунки слоев, в том числе рисунки, задающие контуры пленочного элемента, рисунки формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок.15. The manufacturing method according to 14, characterized in that when forming a multilayer film element, all its structural layers are made in sequence from the substrate - forming, mechanically stressed, functional, susceptible to a magnetic field, with Hall contacts and current leads, layers of contact pads, in this case, by means of planar technology, patterns of layers are set, including patterns defining the contours of the film element, patterns of forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to the magnetic field, layers with Hall contacts, with conductors from the latter to the contact pads, contact pads. 16. Способ изготовления по п.14, отличающийся тем, что перед формированием многослойного пленочного элемента выращивают жертвенный слой, расположенный на подложке, пленочный элемент отделяют от подложки путем селективного бокового травления жертвенного слоя, в качестве подложки используют подложку GaAs.16. The manufacturing method according to 14, characterized in that before the formation of the multilayer film element, a sacrificial layer located on a substrate is grown, the film element is separated from the substrate by selective side etching of the sacrificial layer, and a GaAs substrate is used as the substrate. 17. Способ изготовления по любому из пп.14-16, отличающийся тем, что толщину многослойного пленочного элемента задают от 5×10-10 до 10-5 м, при этом рисунки слоев формируют литографически, последующее отделение пленочного элемента от подложки осуществляют посредством удаления материала элемента, расположенного под пленочным элементом, обеспечивая за счет этого направленное изгибание пленочного элемента с формированием оболочки цилиндрической формы радиусом R с сенсорными узлами с крестообразными холловскими элементами - холловский мостик, ориентированными в пространстве с реализацией соответствия измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, при этом канал сенсорного узла для пропускания тока холловского мостика располагают вдоль направляющей цилиндрической поверхности оболочки, в сенсорных узлах выполняют пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты, контакты располагают вдоль канала по разные стороны его, азимутальный угол между парами контактов холловских контактов - 90°.17. The manufacturing method according to any one of paragraphs.14-16, characterized in that the thickness of the multilayer film element is set from 5 × 10 -10 to 10 -5 m, while the patterns of the layers are formed lithographically, the subsequent separation of the film element from the substrate is carried out by removing material of the element located under the film element, thereby providing directional bending of the film element with the formation of a cylindrical shell of radius R with sensor nodes with cross-shaped Hall elements - Hall bridge, about oriented in space with realizing the correspondence of the measured Hall stresses to the orthogonal components of the external magnetic field vector, while the channel of the sensor node for passing the current of the Hall bridge is placed along the guiding cylindrical surface of the shell, pairs of Hall contacts for measuring Hall voltage are made in the sensor nodes — potential contacts, contacts are along the channel on its opposite sides, the azimuthal angle between the pairs of contacts of the Hall contacts is 90 °. 18. Способ изготовления по п.14, отличающийся тем, что пленочный элемент отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку, содержащую два сенсорных узла, с достижением ориентации крестообразных холловских элементов сенсорных узлов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, посредством реализации направленного травления, осуществляющего заданное направление изгибания освобождаемого пленочного элемента, а направление изгибания задают при формировании многослойного пленочного элемента, при задании рисунков слоев, в том числе рисунка, задающего контуры пленочного элемента, рисунков формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами и тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок, причем рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам формируют с общим для двух сенсорных узлов каналом для пропускания тока, лежащим в направлении изгибания пленочного элемента, с длиной канала не менее πR/2, R - радиус кривизны оболочки, при этом в сенсорных узлах выполняют две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты, контакты расположены вдоль канала по разные стороны его, азимутальный угол между парами контактов - 90° или расстояние по центру между парами πR/2, R - радиус кривизны оболочки, каждая пара предназначена для определения своей ортогональной компоненты внешнего магнитного поля, пленочный элемент трансформируют в оболочку цилиндрической формы, в финале оболочку помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочкой наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение, при формировании двух многослойных пленочных элементов их рисунки реализуют с возможностью перпендикулярных направлений изгибания и получения оболочек цилиндрической формы, образующие которых перпендикулярны, рисунки слоев первого пленочного элемента повторяют во втором пленочном элементе с поворотом на 90°, в финале оболочки помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочками наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение.18. The manufacturing method according to 14, characterized in that the film element is separated from the substrate, transforming it under the influence of internal mechanical stresses into a shell containing two sensor nodes, with the achievement of the orientation of the cross-shaped Hall elements of the sensor nodes in the space, in which the measured Hall stresses to the orthogonal components of the external magnetic field vector, through the implementation of directional etching that performs a given direction of bending is released about the film element, and the direction of bending is set during the formation of the multilayer film element, when defining the layer patterns, including the pattern defining the contours of the film element, patterns of forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to magnetic fields, layers with Hall contacts and current leads from the latter to the contact pads, contact pads, moreover, a drawing of a functional layer susceptible to a magnetic field, with Hall contacts, with conductors from the latter to the contact areas the dams are formed with a channel for transmitting current common to two sensor nodes, lying in the direction of bending of the film element, with a channel length of at least πR / 2, R is the radius of curvature of the shell, and two pairs of Hall contacts are made in the sensor nodes for measuring Hall voltage - potential contacts, contacts are located along the channel on different sides of it, the azimuthal angle between the pairs of contacts is 90 ° or the center distance between the pairs πR / 2, R is the radius of curvature of the shell, each pair is designed to determine its the togonal component of the external magnetic field, the film element is transformed into a cylindrical shell, in the final the shell is placed in a solid matrix of non-magnetic material, for this purpose a liquid polymer is applied to the substrate and cured, when forming two multilayer film elements, their patterns are realized with the possibility repeating perpendicular directions of bending and obtaining shells of cylindrical shape, the generators of which are perpendicular, repeating the drawings of the layers of the first film element They are pressed in the second film element with a rotation of 90 °, in the final of the shell they are placed in a solid matrix of non-magnetic material, for this a liquid polymer is applied to the substrate with the shells and cured. 19. Способ изготовления по п.15, отличающийся тем, что пленочный элемент отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку, содержащую два сенсорных узла, с достижением ориентации крестообразных холловских элементов сенсорных узлов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, посредством реализации направленного травления, осуществляющего заданное направление изгибания освобождаемого пленочного элемента, а направление изгибания задают при формировании многослойного пленочного элемента, при задании рисунков слоев, в том числе рисунка, задающего контуры пленочного элемента, рисунков формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами и тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок, причем рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам формируют с общим для двух сенсорных узлов каналом для пропускания тока, лежащим в направлении изгибания пленочного элемента, с длиной канала не менее πR/2, R - радиус кривизны оболочки, при этом в сенсорных узлах выполняют две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты, контакты расположены вдоль канала по разные стороны его, азимутальный угол между парами контактов - 90° или расстояние по центру между парами πR/2, R - радиус кривизны оболочки, каждая пара предназначена для определения своей ортогональной компоненты внешнего магнитного поля, пленочный элемент трансформируют в оболочку цилиндрической формы, в финале оболочку помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочкой наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение, при формировании двух многослойных пленочных элементов их рисунки реализуют с возможностью перпендикулярных направлений изгибания и получения оболочек цилиндрической формы, образующие которых перпендикулярны, рисунки слоев первого пленочного элемента повторяют во втором пленочном элементе с поворотом на 90°, в финале оболочки помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочками наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение.19. The manufacturing method according to p. 15, characterized in that the film element is separated from the substrate, transforming it under the action of internal mechanical stresses into a shell containing two sensor nodes, with the achievement of the orientation of the cross-shaped Hall elements of the sensor nodes in the space at which the measured Hall stresses to the orthogonal components of the external magnetic field vector, through the implementation of directional etching that performs a given direction of bending is released about the film element, and the direction of bending is set during the formation of the multilayer film element, when defining the layer patterns, including the pattern defining the contours of the film element, patterns of forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to magnetic fields, layers with Hall contacts and current leads from the latter to the contact pads, contact pads, moreover, a drawing of a functional layer susceptible to a magnetic field, with Hall contacts, with conductors from the latter to the contact areas the dams are formed with a channel for transmitting current common to two sensor nodes, lying in the direction of bending of the film element, with a channel length of at least πR / 2, R is the radius of curvature of the shell, and two pairs of Hall contacts are made in the sensor nodes for measuring Hall voltage - potential contacts, contacts are located along the channel on different sides of it, the azimuthal angle between the pairs of contacts is 90 ° or the center distance between the pairs πR / 2, R is the radius of curvature of the shell, each pair is designed to determine its the togonal component of the external magnetic field, the film element is transformed into a cylindrical shell, in the final the shell is placed in a solid matrix of non-magnetic material, for this purpose a liquid polymer is applied to the substrate and cured, when forming two multilayer film elements, their patterns are realized with the possibility repeating perpendicular directions of bending and obtaining shells of cylindrical shape, the generators of which are perpendicular, repeating the drawings of the layers of the first film element They are pressed in the second film element with a rotation of 90 °, in the final of the shell they are placed in a solid matrix of non-magnetic material, for this a liquid polymer is applied to the substrate with the shells and cured. 20. Способ изготовления по п.14, отличающийся тем, что формообразующие, механически напряженные слои формируют путем эпитаксии из кристаллических материалов с различными постоянными решетки, соблюдая условия псевдоморфного роста, функциональный, восприимчивый к магнитному полю слой выполняют путем эпитаксии из полупроводника или напыляют из металла.20. The manufacturing method according to 14, characterized in that the forming, mechanically stressed layers are formed by epitaxy from crystalline materials with different lattice constants, observing the conditions of pseudomorphic growth, a functional, magnetic field susceptible layer is performed by epitaxy from a semiconductor or sprayed from metal . 21. Способ изготовления по п.20, отличающийся тем, что формообразующие механически напряженные слои формируют путем эпитаксии из кристаллических материалов с различными постоянными решетки - GaAs и InGaAs, функциональный, восприимчивый к магнитному полю слой выполняют из GaAs или FePt.21. The manufacturing method according to claim 20, characterized in that the forming mechanically stressed layers are formed by epitaxy from crystalline materials with different lattice constants — GaAs and InGaAs, and the functional, magnetic-susceptible layer is made of GaAs or FePt. 22. Способ по п.20, отличающийся тем, что функциональный, восприимчивый к магнитному полю слой выполняют в виде системы слоев, среди которых выполняют квантовую яму из GaAs толщиной 13 нм с электронным газом с концентрацией порядка 1011 см-2, квантовую яму располагают между слоями твердого раствора AlGaAs, в отношении которых осуществлено δ-легирование Si, причем слои в последовательности AlGaAs слой, соответствующий барьеру, GaAs слой, соответствующий квантовой яме, AlGaAs слой, соответствующий барьеру, располагают между слоем из GaAs, являющимся защитным слоем, и формообразующим слоем, расположенным на подложке или жертвенном слое, выращенном на подложке, и выполненным из InGaAs.22. The method according to claim 20, characterized in that the functional layer that is susceptible to magnetic field is made in the form of a system of layers, among which a 13 nm-thick GaAs quantum well with an electron gas with a concentration of about 10 11 cm -2 is made , a quantum well is arranged between the layers of AlGaAs solid solution, in relation to which δ-doping of Si was carried out, the layers in the AlGaAs sequence, a layer corresponding to a barrier, a GaAs layer corresponding to a quantum well, an AlGaAs layer corresponding to a barrier, are placed between a GaAs layer, which is a protective layer and a forming layer located on a substrate or a sacrificial layer grown on a substrate and made of InGaAs. 23. Способ по п.18 или 19, отличающийся тем, что рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам в случае изготовления датчика, работающего на базе ординарного эффекта Холла, формируют с внешним контуром, таким же как и у формообразующего слоя, а геометрию крестообразного холловского элемента - холловского мостика определяют выполнением тоководов, от токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением Au прокладывают тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою, омические контакты выполняют напылением слоя германий/никель/золото с последующим отжигом; в случае изготовления датчика, работающего на базе экстраординарного эффекта Холла, функциональный слой, восприимчивый к магнитному полю, выполняют рисунком, отличным от формообразующего слоя, имеющим рисунок в виде двух соединяющихся крестообразных элементов, чем определяют геометрию холловского мостика, функциональный слой получают путем предварительного нанесения защитного резиста на формообразующий слой и формирования в резисте сквозного окна с рисунком в виде двух соединяющихся крестообразных элементов с последующим напылением в окно FePt и финального, после напыления, удаления защитного резиста, в этом случае омические контакты к функциональному слою выполняют непосредственно у выступов холловского элемента - холловского мостика, либо на контактных площадках, либо между ними - в любой точке тоководов, тоководы также изготавливают литографией и последующим нанесением Au и прокладывают к контактным площадкам, расположенным на подложке и выполненным из золота, для получения омического контакта выполнение слоев FePt и Au осуществляют внахлестку, причем если омические контакты выполнены у выступов холловского мостика, то место, в котором слои наносят внахлестку, располагают у выступов, если омические контакты выполняют на контактных площадках, то области тоководов покрывают FePt, а в области контактных площадок слои FePt и Au выполняют внахлестку, при этом литографические окна, задающие геометрию тоководов и контактных площадок, изготавливают глубиной, достаточной для электрической изоляции.23. The method according to p. 18 or 19, characterized in that the pattern of the functional layer that is susceptible to a magnetic field, with Hall contacts, with conductors from the latter to the contact pads in the case of manufacturing a sensor operating on the basis of the ordinary Hall effect, is formed with an external circuit , the same as in the forming layer, and the geometry of the cross-shaped Hall element - the Hall bridge is determined by the implementation of current leads, from the current and potential contacts of the Hall bridges by lithography and the subsequent application of Au gasket vayut tokovody to contact pads disposed on the substrate, with ohmic contacts to the functional layer, ohmic contacts is performed by spraying the layer of germanium / nickel / gold, followed by annealing; in the case of manufacturing a sensor operating on the basis of an extraordinary Hall effect, a functional layer that is susceptible to a magnetic field is made with a pattern different from the forming layer having a pattern in the form of two connected cross-shaped elements, which determines the geometry of the Hall bridge, the functional layer is obtained by preliminary applying a protective resist on the forming layer and forming in the resist a through window with a pattern in the form of two connected cross-shaped elements with subsequent spraying we put in the FePt window and the final, after sputtering, removal of the protective resist, in this case, ohmic contacts to the functional layer are made directly at the protrusions of the Hall element - the Hall bridge, either on the contact pads, or between them - at any point of the current leads, the conductors are also made by lithography and subsequent deposition of Au and laid to the contact pads located on the substrate and made of gold, to obtain an ohmic contact, the FePt and Au layers are overlapped, and if the ohmic The contacts are made at the protrusions of the Hall bridge, the place where the layers are overlapped is located at the protrusions, if ohmic contacts are performed on the contact pads, the current guide regions are covered with FePt, and in the area of the contact pads, the FePt and Au layers are lapped, while lithographic windows that define the geometry of current leads and pads are made with a depth sufficient for electrical insulation. 24. Способ по п.14, отличающийся тем, что на подложке формируют многослойный пленочный элемент/элементы, соответственно, для сенсорных узлов, предназначенных для двухосевых измерений в составе одной оболочки, или сенсорных узлов, предназначенных для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек, из указанного элемента/элементов образуют массив с n≥2 прецизионно одинаковыми элементами, с учетом их геометрии и пространственной ориентации, с заданным распределением в пространстве, при этом используют материалы, геометрию и внутренние механические напряжения, обеспечивающие ориентацию крестообразных холловских элементов массива сенсорных узлов для двухосевых измерений или для трехосевых/двухосевых измерений в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, при этом на стадии формирования каждого пленочного элемента массива изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами, каждый пленочный элемент массива отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку с достижением ориентации крестообразных холловских элементов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, с получением массива сенсорных узлов для двухосевых измерений в составе одной оболочки, выполненных прецизионно одинаковыми, с заданным распределением в пространстве, с n≥2 прецизионно одинаковыми сенсорными узлами, или с получением массива сенсорных узлов, предназначенных для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек и выполненных прецизионно одинаковыми, с заданным распределением в пространстве, с n≥2 прецизионно одинаковыми сенсорными узлами. 24. The method according to 14, characterized in that a multilayer film element (s) are formed on the substrate, respectively, for sensor assemblies intended for biaxial measurements as part of a single shell, or sensor assemblies intended for triaxial / biaxial measurements in two shells , from the specified element / elements form an array with n≥2 precision identical elements, taking into account their geometry and spatial orientation, with a given distribution in space, using materials, geometry and internal mechanical stresses ensuring orientation of the cross-shaped Hall elements of the array of sensor nodes for biaxial measurements or for triaxial / biaxial measurements in space at which the correspondence of the measured Hall stresses to the orthogonal components of the external magnetic field vector is realized, while layers are made at the stage of formation of each film element of the array, shape-forming, mechanically stressed, and functional, susceptible to a magnetic field, with Hall contacts, each film element of the array is separated from the substrate, transforming it under the action of internal mechanical stresses into the shell with the achievement of the orientation of the cross-shaped Hall elements in space, in which the measured Hall stresses correspond to the orthogonal components of the external magnetic field vector, with the receipt of an array of sensor nodes for biaxial measurements in the composition one shell, made exactly the same, with a given distribution in space, with n≥2 exactly the same sensor nodes E, or to obtain an array of sensor units intended for triaxial / biaxial measurement of two shells and made precisely equal, in a predetermined distribution in space, with n≥2 precisely the same sensor nodes.
RU2012148090/28A 2012-11-12 2012-11-12 Magnetic field sensor and method of its manufacturing RU2513655C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012148090/28A RU2513655C1 (en) 2012-11-12 2012-11-12 Magnetic field sensor and method of its manufacturing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012148090/28A RU2513655C1 (en) 2012-11-12 2012-11-12 Magnetic field sensor and method of its manufacturing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2513655C1 true RU2513655C1 (en) 2014-04-20

Family

ID=50481007

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012148090/28A RU2513655C1 (en) 2012-11-12 2012-11-12 Magnetic field sensor and method of its manufacturing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2513655C1 (en)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4758813A (en) * 1987-06-24 1988-07-19 Field Effects, Inc. Cylindrical NMR bias magnet apparatus employing permanent magnets and methods therefor
WO1996002848A1 (en) * 1994-07-20 1996-02-01 Honeywell Inc. Three axis packaging
US5672967A (en) * 1995-09-19 1997-09-30 Southwest Research Institute Compact tri-axial fluxgate magnetometer and housing with unitary orthogonal sensor substrate
JP2001221838A (en) * 2000-02-09 2001-08-17 Alps Electric Co Ltd Magnetic impedance effect element and production method thereof
RU2262777C1 (en) * 2004-05-27 2005-10-20 Открытое акционерное общество Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов (ОАО НИИПП) Magnetic field sensor
UA74628C2 (en) * 2003-09-22 2006-01-16 Inesa Antonivna Bolshakova Multiposition three-dimensional magnetic field strength transducer
EP2261684A1 (en) * 2009-06-03 2010-12-15 Consiglio Nazionale Delle Ricerche Intregrated magnetic triaxial sensor
EP2381267A1 (en) * 2010-04-22 2011-10-26 Honeywell International Inc. Structure and method for flex circuit on a chip

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4758813A (en) * 1987-06-24 1988-07-19 Field Effects, Inc. Cylindrical NMR bias magnet apparatus employing permanent magnets and methods therefor
WO1996002848A1 (en) * 1994-07-20 1996-02-01 Honeywell Inc. Three axis packaging
US5672967A (en) * 1995-09-19 1997-09-30 Southwest Research Institute Compact tri-axial fluxgate magnetometer and housing with unitary orthogonal sensor substrate
JP2001221838A (en) * 2000-02-09 2001-08-17 Alps Electric Co Ltd Magnetic impedance effect element and production method thereof
UA74628C2 (en) * 2003-09-22 2006-01-16 Inesa Antonivna Bolshakova Multiposition three-dimensional magnetic field strength transducer
RU2262777C1 (en) * 2004-05-27 2005-10-20 Открытое акционерное общество Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов (ОАО НИИПП) Magnetic field sensor
EP2261684A1 (en) * 2009-06-03 2010-12-15 Consiglio Nazionale Delle Ricerche Intregrated magnetic triaxial sensor
EP2381267A1 (en) * 2010-04-22 2011-10-26 Honeywell International Inc. Structure and method for flex circuit on a chip

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9557392B2 (en) Integrated magnetometer and its manufacturing process
Liu et al. Semiconductor–ferromagnetic insulator–superconductor nanowires: stray field and exchange field
TWI484205B (en) Pressure sensor, acoustic microphone, blood pressure sensor, and touch panel
US20180321102A1 (en) Strain detection element, pressure sensor, microphone, blood pressure sensor, and touch panel
US6353317B1 (en) Mesoscopic non-magnetic semiconductor magnetoresistive sensors fabricated with island lithography
US9651432B2 (en) Strain sensing element, pressure sensor, microphone, blood pressure sensor, and touch panel
US20160258824A1 (en) Strain sensing element, pressure sensor, and microphone
US20150309125A1 (en) Monolithic Three-Axis Magnetometer
EP2261684B1 (en) Intregrated magnetic triaxial sensor
Bussmann et al. Scanning capacitance microscopy registration of buried atomic-precision donor devices
Giordano et al. Plasma-enhanced atomic layer deposition of nickel nanotubes with low resistivity and coherent magnetization dynamics for 3D spintronics
US10585154B1 (en) Nuclear magnetic resonance diffraction
RU2513655C1 (en) Magnetic field sensor and method of its manufacturing
Vorob'ev et al. Three-axis Hall transducer based on semiconductor microtubes
CN108054273B (en) Field effect transistor type magnetic sensor, preparation method and use method thereof
US20160103192A1 (en) Sensor device for direct magnetic field imaging
CN106469644A (en) The method of processing carrier and the method for transfer graphene layer
US10379175B2 (en) Low-noise magnetic sensors
CN116847720A (en) Cross-shaped high-temperature three-dimensional Hall sensor and preparation method thereof
JP2018082186A (en) Sensor, microphone, blood pressure sensor and touch panel
Russo et al. Performances of niobium planar nanointerferometers as a function of the temperature: a comparative study
Gregušová et al. Fabrication of a vector Hall sensor for magnetic microscopy
Joly et al. Polymeric cantilevered piezotronic strain microsensors processed by Atomic Layer Deposition
Hsu et al. Piezoresistive response induced by piezoelectric charges in n-type GaAs mesa resistors for application in stress transducers
Pohl et al. TEM investigations on the local microstructure of electrodeposited galfenol nanowires