KR100408522B1

KR100408522B1 - Vertical axis magnetometer

Info

Publication number: KR100408522B1
Application number: KR10-2001-0030770A
Authority: KR
Inventors: 최원열; 조용철; 나경원; 안성진; 최상언
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2003-12-06
Also published as: KR20020091948A

Abstract

본 발명은 수직 자계 검출 장치에 관한 것이다. 기판 상부에 형성되어 전류를 인가하거나 받아들이는 전극 앵커들; 상기 전극 앵커들에 의해 지지되며 상기 기판 상방에 형성된 이동부; 상기 이동부의 측부에 형성된 이동 전극들; 상기 기판 상부에 형성된 센싱 앵커들; 및 상기 센싱 앵커들에 의해 지지되며, 상기 이동 전극들과 대응되며 형성된 고정 전극들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 자계 검출 장치를 제공하여 종래의 수평(XY) 자계 검출 소자가 검출할 수 없었던 수직(Z) 자계를 매우 정밀하며 용이하게 검출할 수 있다.The present invention relates to a vertical magnetic field detection device. Electrode anchors formed on the substrate to apply or receive current; A moving part supported by the electrode anchors and formed above the substrate; Moving electrodes formed on a side of the moving part; Sensing anchors formed on the substrate; And fixed electrodes supported by the sensing anchors and corresponding to the moving electrodes, the vertical magnetic field detecting device being unable to detect the conventional horizontal (XY) magnetic field detecting element. The vertical (Z) magnetic field can be detected very precisely and easily.

Description

Vertical axis magnetometer

본 발명은 초소형 Z 축 차동 자계 검출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직 자속 밀도를 측정할 수 있는 자계 검출 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra-small Z-axis differential magnetic field detection device, and more particularly, to a magnetic field detection device capable of measuring the vertical magnetic flux density.

연자성체 및 코일을 이용한 자기 센서는 종래 부터 감도가 높은 자기센서로 이용되어 왔다. 이러한 자기 센서의 경우에는 비교적 큰 봉상의 코어나 연자성 리본으로 형성된 환상 코어에 코일을 감아서 제작한다. 또한, 측정 자계에 비례하는 자계를 얻기 위해서는 전자 회로가 필요하다. 이러한 자기 센서의 자계 검출 소자를 연자성 박막 코어 및 평면 박막 코일에 의해 구현하는 방법도 있다.Magnetic sensors using soft magnetic bodies and coils have conventionally been used as highly sensitive magnetic sensors. In the case of such a magnetic sensor, a coil is wound around a relatively large rod-shaped core or an annular core formed of a soft magnetic ribbon. In addition, an electronic circuit is required to obtain a magnetic field proportional to the measured magnetic field. There is also a method of implementing the magnetic field detection element of the magnetic sensor by a soft magnetic thin film core and a planar thin film coil.

종래의 자계 검출 소자는 큰 봉 형태의 코어 또는 연자성 리본에 의한 링 형태의 코어에 코일을 감아서 구현하기 때문에 고가의 제작비를 필요로 하는 단점이 있다.The conventional magnetic field detection device has a disadvantage of requiring an expensive manufacturing cost because the coil is wound around a large rod-shaped core or a ring-shaped core by a soft magnetic ribbon.

최근에는 다양한 측정 원리 및 마이크로 머시닝 기술을 이용한 자기 센서가 많이 개발되고 있으나, 대부분이 평면 자계, 즉 XY 축의 자계만을 측정하는 방법에 머무르고 있다.Recently, many magnetic sensors using various measurement principles and micromachining techniques have been developed. However, most of them have remained in a method of measuring only a planar magnetic field, that is, the magnetic field of the XY axis.

본 발명에서는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 제작비가 저렴하며, 수직 자계를 용이하게 검출할 수 있으며, 종래의 평면 자계 검출 소자와 함께 동일 칩으로 제조하여 3축 자계를 동시에 측정할 수 있는 수직 자계 검출 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.In the present invention, in order to solve the problems of the prior art, the manufacturing cost is low, the vertical magnetic field can be easily detected, and manufactured with the same chip together with the conventional planar magnetic field detection element can measure the three-axis magnetic field simultaneously An object of the present invention is to provide a vertical magnetic field detection element.

도 1은 본 발명에 의한 수직 자계 검출 장치를 나타낸 평면도이다.1 is a plan view showing a vertical magnetic field detection device according to the present invention.

도 2는 본 발명에 의한 수직 자계 검출 장치의 원리를 설명하기 위한 대략적인 사시도이다.2 is a schematic perspective view for explaining the principle of the vertical magnetic field detection device according to the present invention.

도 3은 본 발명에 의한 수직 자계 검출 장치에서 에어 댐핑 현상을 방지하기 위해 베큠 패키징(vacuum packaging)을 한 구조를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating a structure in which vacuum packaging is performed to prevent air damping in the vertical magnetic field detecting apparatus according to the present invention.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

11... 기판 12... 전극 앵커11 ... substrate 12 ... electrode anchor

13... 스프링 14... 이동부13 ... spring 14 ... moving part

15... 센싱 앵커 16... 고정 콤 전극15 ... sensing anchor 16 ... fixed comb electrode

17... 이동 콤 전극 18... 전극 패드17.Comb comb electrode 18 ... electrode pad

19... 센싱 패드 20... 전도 라인19 ... sensing pad 20 ... conduction line

21... 덮개부21. Cover

본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여,In the present invention, to achieve the above object,

기판 상부에 형성되어 전류를 인가하거나 받아들이는 전극 앵커들;Electrode anchors formed on the substrate to apply or receive current;

상기 전극 앵커들에 의해 지지되며 상기 기판 상방에 형성된 이동부;A moving part supported by the electrode anchors and formed above the substrate;

상기 이동부의 측부에 형성된 이동 전극들;Moving electrodes formed on a side of the moving part;

상기 기판 상부에 형성된 센싱 앵커들;Sensing anchors formed on the substrate;

상기 센싱 앵커들에 의해 지지되며, 상기 이동 전극들과 대응되며 형성된 고정 전극들; 및상기 전극 앵커에서 인가된 전류의 진행 경로를 상기 이동부 상에서 일방향으로 유지 시키기 위해 상기 전극 앵커들 및 상기 이동부에 형성된 전도 라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 자계 검출 장치를 제공한다.Fixed electrodes supported by the sensing anchors and formed to correspond to the moving electrodes; And a conductive line formed in the electrode anchors and the moving part to maintain a traveling path of the current applied from the electrode anchor in one direction on the moving part.

본 발명에 있어서, 상기 이동 전극들 및 고정 전극들은 콤 형상을 지니며, 각각의 이동 전극 및 콤 전극의 대향되는 부위의 면적이 일정한 것이 바람직하다.In the present invention, the moving electrodes and the fixed electrodes have a comb shape, and it is preferable that the areas of the opposite portions of each of the moving electrodes and the comb electrodes are constant.

본 발명에 있어서, 상기 이동부는 상기 전극 앵커들과 탄성요소에 의해 연결되며, 상기 전극 앵커와 연결되어 상기 앵커에 전류를 인가하거나 받아들이는 전극 패드; 및 상기 센싱 앵커와 연결되어 상기 고정 콤 전극에서 발생하는 정전 용량의 변화를 읽기 위한 센싱 패드;를 더 포함하는 것이 바람직하다.In the present invention, the moving unit is connected to the electrode anchors by the elastic element, the electrode pad is connected to the electrode anchor for applying or receiving current to the anchor; And a sensing pad connected to the sensing anchor to read a change in capacitance generated from the fixed comb electrode.

본 발명에 있어서, 상기 이동부의 에어 댐핑을 방지하기 위하여 상기 기판 상에 형성된 덮개부;를 더 포함하며, 상기 덮개부는 상기 이동부 및 상기 앵커들을 모두 덮으며, 상기 덮개 내부는 진공 상태로 유지되는 것이 바람직하다.In the present invention, the cover part further formed on the substrate to prevent air damping of the moving part, wherein the cover part covers both the moving part and the anchor, and the inside of the cover is maintained in a vacuum state It is preferable.

본 발명에 있어서, 상기 기판 상에 상기 이동부와 동일한 구조체를 상기 이동부와 나란하게 하나 더 형성시킨 것이 바람직하다.In the present invention, it is preferable that the same structure as the moving part is further formed on the substrate in parallel with the moving part.

이하, 도면을 참고하면서 본 발명에 의한 수직 자계 검출 장치에 대해 보다상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, a vertical magnetic field detection device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명에 의한 초소형 수직 자계 검출 장치를 간략하게 나타낸 평면도이다. 이동 콤 전극(17)을 포함하는 이동부(14)가 전극 앵커(12)들에 의해 지지되어 기판(11) 상방에 위치하고 있다. 상기 전극 앵커(12)들은 상기 기판(11) 상부의 소정 부위에 형성되어 있으며, 상기 이동부(14)는 스프링(12)을 통하여 상기 전극 앵커(12)들에 의해 지지되면서 외부의 자극에 의해 탄성 운동이 가능하도록 형성되어 있다. 상기 이동 콤 전극(17)들 사이의 상기 이동 콤 전극들과 대응되는 부위에는 고정 콤 전극(16)이 형성되어 있으며, 상기 고정 콤 전극(16)은 센싱 앵커(15)에 의해 고정되며, 상기 이동부와 전기적으로 분리된다.1 is a plan view briefly showing an ultra-small vertical magnetic field detection apparatus according to the present invention. The moving part 14 including the moving comb electrode 17 is supported by the electrode anchors 12 and positioned above the substrate 11. The electrode anchors 12 are formed on a predetermined portion of the upper portion of the substrate 11, and the moving part 14 is supported by the electrode anchors 12 through a spring 12 and is caused by an external magnetic pole. It is formed to enable elastic motion. A fixed comb electrode 16 is formed at a portion corresponding to the movable comb electrodes between the movable comb electrodes 17, and the fixed comb electrode 16 is fixed by a sensing anchor 15. It is electrically separated from the moving part.

여기서, 상기 이동부(14)를 지지하는 전극 앵커(12)들은 각각 전극 패드(18)와 전기적으로 연결되어 전류를 인가할 수 있도록 형성된다. 고정 콤 전극(16)을 지지하는 센싱 앵커들(15)은 정전 용량의 변화를 감지할 수 있는 센싱 패드(19)와 연결되어 있다. 상기 이동부(14)에는 전극 패드(18)로 부터 전극 앵커(12)를 통해 들어온 전류의 방향을 일방향으로 유도하기 위한 전도 라인(20)이 형성되어 있다. 따라서, 전류를 흘려보내는 전극은 소스가 되고, 이를 받아들이는 전극은 드레인이 된다. 여기서, 상기 전도 라인(20)은 전극 앵커(12)로 부터 스프링을 거쳐 이동부(14)에도 형성되어 있으며, 상기 이동부(14) 전체에 걸쳐 일 방향으로 전류가 흐를 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 이는 상기 이동부(14)에 인가되는 수직 자기장에 대한 민감도를 높여, 여기서 발생한 로렌쯔의 힘에 따른 이동부(14)의 변위를 보다 크게 만들기 위한 것이다.Here, the electrode anchors 12 supporting the moving part 14 are formed to be electrically connected to the electrode pads 18 so as to apply a current. The sensing anchors 15 supporting the fixed comb electrode 16 are connected to a sensing pad 19 capable of sensing a change in capacitance. The moving part 14 is formed with a conductive line 20 for guiding, in one direction, the direction of the current coming from the electrode pad 18 through the electrode anchor 12. Therefore, the electrode which flows current becomes a source, and the electrode which receives this becomes a drain. Here, the conductive line 20 is also formed in the moving part 14 through the spring from the electrode anchor 12, it is preferable that the current flows in one direction over the entire moving part (14). Do. This is to increase the sensitivity to the vertical magnetic field applied to the moving part 14, to make the displacement of the moving part 14 according to the Lorentz force generated therein larger.

도 2를 참고하여 본 발명에 의한 수직 자계 검출 장치의 작동 방법에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다. 이동부(14)에 연결된 전극 패드(18)에서 전류를 인가하면 전극 앵커(12)를 통하여 이동부(14)로 전류(I)가 흐르게 된다. 이러한 전류는 상기 전극 앵커(12), 스프링(13) 및 이동부(14)에 형성된 전도 라인(20)을 통하여 또 다른 전극 앵커(12) 방향으로 흐른다.Referring to Figure 2 will be described in more detail with respect to the operation method of the vertical magnetic field detection apparatus according to the present invention. When a current is applied from the electrode pad 18 connected to the moving unit 14, the current I flows through the electrode anchor 12 to the moving unit 14. This current flows in the direction of another electrode anchor 12 through the conductive line 20 formed in the electrode anchor 12, the spring 13 and the moving part 14.

상기 이동부(14)에는 도 2에 나타낸 바와 같이 일방향, 즉 화살표 방향으로 전류가 흐르게 되며, 이러한 전류는 소스 역할을 하는 전극 앵커들과 반대 방향에 있는 드레인 역할을 하는 전극 앵커들을 통해 빠져 나간다.As shown in FIG. 2, a current flows in one direction, that is, an arrow direction, and the current flows out through the electrode anchors serving as drains in the direction opposite to the electrode anchors serving as a source.

따라서, 이동부(14)에서의 전류의 흐름은 모두 일정하며 일방향으로 흐르게 된다.Therefore, the flow of current in the moving part 14 is all constant and flows in one direction.

여기서, 상기 이동부(14)에 대해 수직 방향의 전계가 존재한다고 가정한다. 이를 도 2의 음의 Z 방향으로 전계(B)가 작용하는 것으로 상정할 수 있다. 로렌쯔의 힘(L)은 하기 수학식 1과 같이 나타내어진다.Here, it is assumed that an electric field perpendicular to the moving part 14 exists. It can be assumed that the electric field B acts in the negative Z direction of FIG. 2. Lorentz's force (L) is expressed by Equation 1 below.

이를 도 2에 적용시키면, 로렌쯔의 힘은 이동부(14)가 존재하는 평면상에서 전류의 흐름과 수직인 방향으로 가해지게 된다. 이러한 로렌쯔의 힘에 의해 영향을 받아 결국 상기 이동부(14)가 편향된다. 상기 이동부(14)의 이동에 의해 상기 센싱 앵커(19)에 연결된 고정 콤 전극(16)과 상기 이동부(14)와 연결된 이동 콤 전극(17)의 간격이 변화하게 된다. 이러한 두 콤 전극간의 정전 용량은 그 간격이좁아지면 증가하고, 넓어지면 감소하게 된다. 따라서, 이렇게, 상기 간격의 변화 및 전전 용량의 변화를 측정함으로써, 상기 이동부(14)에 수직으로 가해지는 전계 밀도(B) 값을 구할 수 있다.Applying this to FIG. 2, the Lorentz force is applied in a direction perpendicular to the flow of current on the plane where the moving part 14 is present. Affected by the Lorentz force, the moving part 14 is deflected. As a result of the movement of the moving unit 14, the distance between the fixed comb electrode 16 connected to the sensing anchor 19 and the moving comb electrode 17 connected to the moving unit 14 is changed. The capacitance between these two comb electrodes increases as the gap becomes narrower and decreases as the gap increases. Thus, by measuring the change of the gap and the change of the electric capacitance in this way, the value of the electric field density B applied to the moving part 14 perpendicularly can be obtained.

도 3은 본 발명에 의한 수직 자계 검출 소자에 있어서, 공기 마찰을 원인으로 이동판(14)이 로렌쯔의 힘에 의해 편향되는 양이 작아지는 에어 댐핑(air damping) 현상을 예방하기 위한 구조를 나타낸 개략적인 단면도이다. 본 발명에 의한 수직 자계 검출 소자는 반도체 실리콘 기판(11)을 이용하여 제작하였으며, 일반적인 표면 마이크로 머시닝 기술을 이용하였다. 도 3의 경우에는 웨이퍼 레벨 진공 패키징을 통하여 수직자계 검출 소자를 진공 상태로 패키징을 한 것이다. 즉, 덮개(21)를 따로 제작하여 이동부(14) 및 앵커들(12, 15)를 덮도록 기판(11) 상에 부착시킨다. 그리고, 상기 덮개(21) 내부를 진공 상태로 유지시키는 것이다. 이러한 덮개(21)를 통하여 에어 댐핑 현상을 예방할 수 있다..3 illustrates a structure for preventing an air damping phenomenon in which the amount of deflection of the moving plate 14 by the Lorentz force due to air friction is reduced in the vertical magnetic field detection device according to the present invention. A schematic cross section. The vertical magnetic field detection device according to the present invention was fabricated using the semiconductor silicon substrate 11 and used a general surface micromachining technique. In the case of FIG. 3, the vertical magnetic field detection device is packaged in a vacuum state through wafer level vacuum packaging. That is, the cover 21 is separately manufactured and attached to the substrate 11 to cover the moving part 14 and the anchors 12 and 15. Then, the inside of the cover 21 is maintained in a vacuum state. The air damping phenomenon can be prevented through the cover 21.

또한, 본 발명에 의한 수직 자계 검출 소자가 움직이는 매체에 장착되어 사용될 경우에는, 매체의 움직임에 따른 가속도에 의해 노이즈(noise)가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 노이즈를 줄이기 위해 본 발명에 의한 자계 검출 소자와 동일한 이동부를 포함하는 구조체를 기판 상에 나란히 형성시킬 수 있다.In addition, when the vertical magnetic field detecting element according to the present invention is mounted and used in a moving medium, noise may occur due to the acceleration according to the movement of the medium. Therefore, in order to reduce such noise, a structure including the same moving part as the magnetic field detecting element according to the present invention can be formed side by side on the substrate.

본 발명에 의하면, 종래의 수평(XY) 자계 검출 소자가 검출할 수 없었던 수직(Z) 자계를 용이하게 검출할 수 있다. 이러한 수직 자계 검출 소자는 예를 들어, 지구 자기 검출을 위한 네비게이션 시스템, 지진 예측을 위한 지자기 변동 모니터,생체 자기 계측, 금속 재료의 결함 검출에 직접적으로 사용될 수 있으며, 또한 자기 엔코드, 무접점 포텐션 미터, 토크 센서 및 변위 센서 등에 간접적 응용이 가능하여 광범위하게 사용될 수 있다. 또한, 종래에 개발된 수평 자계 검출 소자와 one chip 상태로 형성시켜 3축 자계를 동시에 검출할 수 있는 모듈을 제공할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, it is possible to easily detect the vertical (Z) magnetic field which the conventional horizontal (XY) magnetic field detection element could not detect. Such vertical magnetic field detection elements can be used directly, for example, in navigation systems for geomagnetic detection, geomagnetic fluctuation monitors for earthquake prediction, biomagnetism, defect detection of metal materials, and also in magnetic encoding, Indirect applications, such as tension meters, torque sensors and displacement sensors, are possible and can be used in a wide range of applications. In addition, there is an advantage to provide a module capable of detecting a three-axis magnetic field at the same time by forming in a conventional state developed a horizontal magnetic field detection element and one chip.

Claims

Electrode anchors formed on the substrate to apply or receive current;

A moving part supported by the electrode anchors and formed above the substrate;

Moving electrodes formed on a side of the moving part;

Sensing anchors formed on the substrate;

Fixed electrodes supported by the sensing anchors and formed to correspond to the moving electrodes; And

And a conductive line formed in the electrode anchors and the moving part to maintain a traveling path of a current applied from the electrode anchor in one direction on the moving part.

delete

The method of claim 1,

The moving electrodes and the fixed electrodes have a comb shape, and the area of each of the moving electrodes and the comb electrode facing each other has a constant area.

The method of claim 1,

And the moving part is connected to the electrode anchors by an elastic element.

The method of claim 1,

An electrode pad connected to the electrode anchor and configured to apply or receive current to the anchor; And a sensing pad connected to the sensing anchor and configured to read a change in capacitance generated by the fixed comb electrode.

The method of claim 1,

And a cover part formed on the substrate to prevent air damping of the moving part.

The method of claim 6,

And the cover part covers both the moving part and the anchors, and the inside of the cover part is maintained in a vacuum state.

The method of claim 1,

Vertical magnetic field detection device characterized in that the structure including the moving part on the substrate further formed in parallel with the moving part