KR100468833B1

KR100468833B1 - 차동스파이어럴형자계검출소자및이를채용한자계검출모듈

Info

Publication number: KR100468833B1
Application number: KR10-1998-0030376A
Authority: KR
Inventors: 최상언; 조한기
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1998-07-28
Publication date: 2005-03-16
Also published as: GB2340251A; CN1244664A; GB2340251B; CN1114111C; GB9917745D0; KR20000009751A; US6429651B1

Abstract

본 발명에 따른 초소형 차동 스파이어럴형 자계검출소자는 연자성 박막 코아를 2개 병렬로 배치하고, 각 박막 코아를 검출 축방향으로 몇 부분으로 쪼개어 반자계성분을 감소시키며, 이 연자성 박막코아에 차동의 여자 코일과, 자속변화 검출용 코일과, 영자계 검출용 코일을 상하로 서로 겹쳐쌓아 1턴씩 감은 권선 구조를 가지며, 외부 자계가 없을 때에는 자속변화 검출용 코일에 유도 전압 파형이 나타나지 않도록 한 권선 구조로 하며, 더욱이, 연자성 박막 코아로 부터 누설되는 자계 성분을 최소화하기 위하여 폐자로를 형성한 샌드위치 연자성 박막 코아 구성과, 그 샌드위치 연자성 박막코아 내부에 차동 여자 코일과, 자속변화 검출용 코일과, 영자계 검출용 코일을 스파이어럴 형태로 겹쳐쌓은 구조를 가진다. 또한, 본 발명에 따른 자계검출모듈은 모놀리식 반도체 기판 위에 박막 형성 기술을 이용해서 상기 차동 스파이어럴형 자계검출소자 및 이를 구동하기 위한 신호처리 회로를 함께 집적한 구조를 갖는다.

Description

차동 스파이어럴형 자계검출소자 및 이를 채용한 자계검출모듈{A device for detecting magnetic field and a module for detecting magnetic field using the same}

본 발명은 동일 반도체 기판 위에 신회처리회로와 집적된 초소형 폐자로 차동 스파이어럴형 자계검출소자 및 이를 채용한 자계검출모듈에 관한 것으로, 상세하게는 연자성 박막 코아를 이용하여 지구자계 이하의 미약한 자계를 검출하기 위한 차동 스파이어럴형 자계검출소자 및 이를 LIGA-like 기술과 IC 제작 기술을 접목하여 기판 위에 신호 처리 회로와 함께 집적한 자계 검출 모듈에 관한 것이다.

연자성체와 코일을 이용한 자기센서는, 오래 전부터 감도가 높은 자기센서로서 이용되어지고 있다. 이러한 자기센서는, 비교적 큰 봉상의 코아나, 연자성 리본으로 형성된 환상 코아에 코일을 손으로 감아서 제작한다. 또 측정 자계에 비례하는 자계를 얻기 위해서는 전자 회로가 필요하게 된다. 이러한 자기 센서의 자계검출소자를 연자성 박막 코아와 평면 박막 코일로 구현하는 방법도 고안되어 있다.

종래의 미약 자계 검출 소자는 대체로 큰 봉 형태의 코아 또는 연자성 리본에 의한 링 형태의 코아에 코일을 감아서 제작되기 때문에 고가의 제작비를 필요로 하게된다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 미약 자계 검출 소자는 연자성 박막코아(1a, 1b)와 평면 박막 코일을 이용하며, 차동 구동을 위해 2개의 코아가 검출축 방향으로 병렬로 배치된다. 이는 2개의 연자성 박막 코아(1a, 1b)에 여자코일(2a, 2b)과 자속변화 검출코일(3a, 3b)을 감아서, 외부자계가 없을 때에, 전자유도에 의한 유도 전압을 상쇄하도록 한 것이다. 이와 같이 종래의 연자성 박막코아와 평면 박막코일을 이용한 자계검출소자에서는 반자계 성분을 감소시키기 위하여 코아(1a, 1b)를 검출축 방향으로 되도록 길게 배치할 필요가 있어 넓은 면적을 필요로 하고, 여자코일(2a, 2b)에 의하여 발생하는 자속변화 및 검출자계는 연자성 박막 코아(1a, 1b)를 통한 자속의 누설을 피할 수 없기 때문에 고감도를 얻기 위한 검출이 곤란하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안한 것으로, 고감도를 가져 외부 측정 자계를 정확히 검출할 수 있으며, 초소형화가 가능한 반도체 기판위에 집적된 차동 스파이어럴형 자계검출소자 및 이를 이용한 자계검출모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 차동 스파이어럴형 자계검출소자는, 반도체 기판; 상기 반도체 기판 위에 폐자로로 형성된 연자성 박막 코아; 상기 연자성 박막 코아를 교류적으로 여자하기 위하여 금속 박막으로 형성된 여자 코일; 상기 연자성 박막 코아 내부의 자속 변화를 검출하기 위하여 금속 박막으로 형성된 자속 변화 검출 코일; 및 외부 자계에 의해 발생하는 상기 연자성 박막 코아 내부의 자속 변화를 제거하기 위한 역자계를 생성하기 위해 형성된 영자계 검출용 코일;을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 연자성 박막 코아를 두 부분으로 나누어 병렬 배치하되, 상기 병렬 배치된 두 부분의 연자성 박막 코아를 다시 소정 개수의 부분으로 나누고, 상기 연자성 박막 코아 사이에 여자 코일 n턴 (n은 정의 정수), 상기 자속변화 검출용 코일 m턴(m은 정의 정수) 및 상기 영자계 검출용 코일 l턴(l은 정의 정수)을 상하로 겹쳐쌓아 감은 구조를 가지고, 외부 검출 자계가 0 일때, 상기 여자 코일에 의한 유도 전압 파형을 상쇄하도록 하고, 상기 연자성 박막 코아는 상하에 각각 하나씩 두 개 배치되고, 상기 두 연자성 박막 코아 내부에 샌드위치 구조로 상기 여자코일, 자속변화 검출용 코일 및 영자계 검출용 코일을 각각 상중하층의 3개 평면에 스파이어럴형 배선으로 겹쳐쌓은 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 자계검출모듈은, 반도체 기판, 상기 반도체 기판 위에 폐자로로 형성된 연자성 박막 코아, 상기 연자성 박막 코아를 교류적으로 여자하기 위하여 금속 박막으로 형성된 여자 코일, 상기 연자성 박막 코아 내부의 자속 변화를 검출하기 위하여 금속 박막으로 형성된 자속 변화 검출 코일, 및 외부 자계에 의해 발생하는 상기 연자성 박막 코아 내부의 자속 변화를 제거하기 위한 역자계를 생성하기 위해 형성된 영자계 검출용 코일을 구비한 차동 스파이어럴형 자계검출소자; 상기 여자코일에 접속되도록 상기 반도체 기판 위에 집적된 여자 코일 구동용회로; 상기 자속 변화 검출용 코일에 접속되도록 상기 반도체 기판 위에 집적된 자계검출 신호 처리용 회로;를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 연자성 박막 코아를 두 부분으로 나누어 병렬 배치하되, 상기 병렬 배치된 두 부분의 연자성 박막 코아를 다시 소정 개수의 부분으로 나누고, 상기 연자성 박막 코아 사이에 여자 코일 n턴 (n은 정의 정수), 상기 자속변화 검출용 코일 m턴(m은 정의 정수) 및 상기 영자계 검출용 코일 l턴(l은 정의 정수)을 상하로 겹쳐쌓아 감은 구조를 가지고, 외부 검출 자계가 0 일때, 상기 여자 코일에 의한 유도 전압 파형을 상쇄하도록 하고, 상기 연자성 박막 코아는 상하에 각각 하나씩 두 개 배치되고, 상기 두 연자성 박막 코아 내부에 샌드위치 구조로 상기 여자코일, 자속변화 검출용 코일 및 영자계 검출용 코일을 각각 상중하층의 3개 평면에 스파이어럴형 배선으로 겹쳐쌓으며, 상기 여자 코일 구동용 회로는, 구형파 전압 펄스를 발생시키는 펄스 발진기; 상기 구형파 전압 펄스를 그 주파수가 각각 1/2 및 1/4이 되는 구형파 전압 펄스가 되도록 분주하는 분주회로; 상기 1/4 분주 구형파 전압 펄스를 삼각파의 전압 펄스로 변환하는 파형변환회로; 및 상기 삼각파 전압 펄스를 이용하여 상기 여자코일을 구동하는 여자코일 구동회로;를 구비하며, 상기 자계 검출 신호 처리용 회로는, 상기 1/2 분주 구형파 전압 펄스를 이용하여 동일 주파수의 역상의 구형파 전압 펄스를 만드는 위상제어회로; 상기 외부자계 검출 코일에서 출력되는 외부자계검출신호를 증폭하는 고주파 증폭기; 상기 증폭된 외부자계검출신호를 상기 1/2 분주 구형파 전압 펄스 및 그 역상의 1/2 분주 구형파 전압 펄스를 이용하여 검파하는 동기검파기; 및 상기 증폭되어 검파된 외부자계검출신호를 DC 전압으로 평활화하는 저역통과필터;를 구비하며, 상기 영자계 검출용 구동 회로는, 상기 자계검출 신호 처리용 회로의 출력 전압을 기준으로 상기 영자계 검출 코일의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 제공하는 제어기; 및

상기 제어 신호에 따라 상기 영자계 검출 코일을 구동하는 귀환 코일 구동 회로;를

구비한 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 자계검출소자 및 자계검출모듈을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 차동 스파이어럴형 자계검출소자의 개략적 구성을 보여주는 도면이고, 도 3은 도 2의 차동 스파이어럴형 자계검출소자의 동작을 설명하는 타이밍 챠트이다. 도 3에서 (a)는 연자성 박막코아(12a, 16a)에서 생성되는 자계의 파형도이고, (b)는 연자성 박막코아(12b, 16b)에서 생성되는 자계의 파형도이며, (c)는 연자성 박막코아(12a, 16a)에서의 자속밀도의 파형도이며, (d)는 연자성 박막코아(12b, 16b)에서의 자속밀도의 파형도이며, (e)는 자속변화 검출코일 (B-B')에 있어서, 일측 자속변화 검출코일(14a)에 유도되는 전압 Vind1과 타측 자속변화검출코일(14b)에서 유도되는 전압 Vind2을 별도로 나타낸 전압 파형도이며, (f)는 자속변화 검출코일(14a, 14b)에 유도되는 전압 즉 합성 유도 전압 Vind1+Vind2의 파형도이며, (g)는 영자계 검출코일에 유도되는 전압의 파형도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차동 스파이어럴형 자계검출소자는 샌드위치 형태로 구성된 두 부분의 연자성 박막코아(12a와 16a, 12b와 16b)에, 3개의 코일, 즉, 영자계 검출코일(A-A')(13a, 13b)과, 자속변화 검출코일(B-B')(14a, 14b)와, 여자코일(C-C')(15)를 감은 권선 구조를 반도체 기판(11) 위에 구비한다. 여자코일(15)을 도 2에 도시된 바와 같이 스파이어럴형으로 감으면, 교류 여자전류에 의해서 생기는 코아 내부의 자속이, 두 부분의 코아에서 서로 역방향으로 발생한다. 그리고 자속변화 검출코일(14a, 14b)은 두 부분의 코아에 걸쳐서 스파이어럴 형태로 감긴다. 이와 같이 감으면, 교류 여자전류에 의한 전자 유도 현상에 의하여 자속변화 검출코일(14a, 14b)에서 유도되는 전압은 두 부분의 코아 내부에 생성되는 자속밀도가 서로 역방향이기 때문에 상쇄된다. 즉, 외부자계 Hext는 각각 두 부분의 연자성 박막 코아(12a, 12b, 16a, 16b)의 축방향과 나란한 방향으로 가해지므로 두 부분의 코아(12a, 12b, 16a, 16b)에 대해 동일방향으로 가해진다. 여자 코일(15)에 인가하는 여자 전류에 의한 여자 자계 Hexc는, 여자 코일(15)이 두 연자성 박막 코아(12a, 12b, 16a, 16b)에 대하여 스파이어럴형으로 감겨 있어, 여자 전류가 두 부분의 연자성 박막 코아(12a, 12b, 16a, 16b)에 대하여 서로 반대 방향으로 흐르므로, 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 서로 반대 극성으로 생성된다. 따라서, 두 연자성 박막 코아(12, 13)의 내부에 생성되는 내부 자계는, 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 각각 Hext+Hexc, Hext-Hexc 로 나타난다. 이 때, 두 연자성 박막 코아(12a, 12b, 16a, 16b)의 투자율은 동일하므로 두 연자성 박막 코아(12a, 12b, 16a, 16b)에서의 자속 밀도는 각각 도 3의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같으며, 자속 변화 검출 코일(B-B')(14a-14b)에는 도 3의 (f)에 도시된 바와 같이 외부 자계에 비례하는 전압이 유도된다. 여기서, 도 3의 (e)는 두 연자성 박막 코아(12a, 12b, 16a, 16b) 각각에 형성된 자속 밀도에 의해 자속변화 검출코일(B-B')(14a-14b)에 유도되는 전압을 구별하여 표시한 것으로 이들 전압을 합성하면 도 3의 (f)와 같이 된다. 이러한 합성 전압의 크기를 측정함으로써, 외부자계 Hext의 크기를 알 수 있다. 또한, 영자계 검출코일(A-A')(13a-13b)은 외부자계의 크기에 비례하여 발생하는 코아 내부에서 자속변화를 상쇄시키기 위한 자계 즉 도 3의 (a), (b), (c), (d)의 굵은 파선과 같은 파형의 자계를 발생시켜, 외부자계에 의한 코아 내부의 자속변화가 일으나지 않도록 한다. 도 3의 (g)는 자속변화 검출코일(B-B')(14a-14b)에 유도되는 합성 전압(도 3의 (f))을 DC 값으로 표시한 것이다.

이러한 반도체 기판(11)을 이용하는 자계검출소자에 있어서는, 특히 스파이어럴 형태로 감은 여자코일(15)과 자속 변화 검출코일(14a-14b) 및 영자계 검출 코일(13a, 13b)을 두 부분의 연자성 박막 코아(12a, 16a) 및 (12b, 16b)의 내부에 1턴씩 상하 겹쳐 쌓아 감는 구조로 하는 것이 중요하다. 이와 같이, 반도체 기판(11) 위에 여자 코일(15)과 자속 변화 검출 코일(14a, 14b) 및 영자계 검출 코일(13a, 13b)을 상하 1턴씩 겹쳐쌓아 감되, 여자 코일(15)은 두 부분의 연자성 박막 코아(12a, 16a) 및 (12b, 16b) 각각에 대하여 서로 반대 방향으로 전류가 흐르도록 스파이어럴 형으로 감고, 자속 변화 검출 코일(14a, 14b) 및 영자계 검출 코일(13a, 13b)은 두 부분의 연자성 박막 코아(12a, 16a) 및 (12b, 16b) 각각에 대하여 서로 동일한 모양으로 감기도록 두 부분의 스파이어럴 형으로 나누어 감음으로써, 외부자계 Hext가 없을 때는 유도 파형이 상쇄되도록 한다. 즉, 여자 코일(15)에 의해서 발생된 자속은 하부 자성박막코아(12a, 12b)와 상부 자성박막코아(16a, 16b)에서 폐자로를 이루도록 하는 권선 구조를 갖게 한다.

만약, 상기 구조와 달리 하나의 코아에 여자코일과 자속변화 검출코일 만을 배치하는 경우에는, 물론 자계 검출은 가능하지만, 외부자계가 없어도 검출 코일에는 여자 코일에 의한 큰 유도 전압이 생성되므로, 이를 제거하기 위한 증폭과 필터링 등의 검출 코일 출력에 대한 신호 처리가 번거롭게 된다.

실제로 도 2에 도시된 바와 같은 차동 스파이어럴형 자계검출소자를 반도체기판 위에 형성할 경우의 실시예는 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같아진다. 도 4는 본 발명에 따른 차동 스파이어럴형 자계검출소자 실시예의 평면도이며, 도 5는 도 4의 X-X'선을 따라 절개한 부분의 단면도이며, 도 6은 도 4의 Y-Y'선을 따라 절개한 부분의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 실시예는 반도체 기판(21) 위에 실리콘 산화막 및 폴리이미드 등의 절연막(22, 23)을 형성하고, 그 위에 3층의 금속배선을 포함하는 상부 및 하부 연자성 박막 코아(24, 32)를 구비한다. 즉, 절연막(23) 상에 하부 연자성 박막 코아(24) 및 상부 연자성 박막 코아(32)를 형성하되, 그 내부에 3층의 금속 배선 즉 코일의 하층배선(26)와 중층배선(28) 및 상층배선(30)을 각각 형성하고, 이들을 스루홀(33)을 중간에 세워서 접속함으로써, 도 2에 도시된 것과 동일한 권선 구조를 갖는 스파이어럴형의 여자 코일(C-C')(15) 및 두 부분의 스파이어럴형을 갖는 자속 변화 검출코일(B-B')(14a, 14b)과 영자계 검출 코일(A-A')(13a, 13b)이 구현된다. 즉, 실시예는 코일의 하층배선(26)과 중층배선(28) 및 상층배선(30)의 상하에 절연막(폴리이미드등)(25, 27, 29, 31)을 삽입하고 있다.

이와 같이 실시예에서 처럼 반도체 기판을 이용한 경우에는 여자코일(15) 및 자속변화 검출코일(14a, 14b)과 영자계 검출 코일(13a, 13b)을 연자성 박막 코아(24, 32)에 상하 1턴씩 겹쳐쌓아 감는 구조로 하는 것이 중요하다. 이와 같이 하지 않으면, 연자성 박막코아는, 누설자속이 커서, 여자코일에 따르는 자속의 변화를 검출코일에서 충분히 픽업할수 없게 되며, 영자계 검출이 어렵게 된다. 반도체 기판 위에, 스파이럴 형의 여자코일 및 두 부분의 스파이어럴 형으로 된 자속변화 검출코일과 영자계 검출 코일을 상하 1턴씩 겹쳐쌓아 감고, 동시에 두 부분의 코아를 이용해서, 외부자계가 없을 때, 여자코일에 의해 발생하는 코아 내부의 자속변화로부터 생성되는 유도 전압을 상쇄시켜 코아 내부에서 자속 변화가 일어나지 않도록 한 권선 구조가지며, 연자성 박막 코아를 몇 부분으로 쪼갬으로써 반자계 성분을 감소시키는 것이 주요한 특징이다.

이와 같은 구조의 실시예를 제조하는 방법은 다음과 같다.

도 7a 내지 도 7f는 도 4 , 도 5 및 도 6의 실시예를 제조하는 방법을 설명하기 위한 제조 단계별 공정 단면도이다. 여기서는, 반도체 기판으로 실리콘 기판을 이용한 경우를 예로서 설명한다.

먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(21) 위에 절연을 위하여 기판 표면을 열산화시켜 절연막(SiO2)(22)을 형성한다.

다음에, 도 7b에 도시된 바와 같이, SiO2 절연막(22) 상에 산화 실리콘, 포토레지스트, 폴리이미드 등의 절연막(23)을 한 번 더 형성하고, 이 폴리이미드 절연막(23) 상에 하부 자성 박막 코아용 연자성 박막 재료를 도포한 다음, 패터닝함으로써 하부 연자성 박막 코아(24)를 형성한다. 이 때 연자성 박막 재료의 도포 방법으로는, 전기 도금법이나 스퍼터링법, 증착법 등을 이용한다. 또, 연자성 재료로는 퍼멀로이(permalloy)(Ni와 Fe의 합금), 각종 비정질(amorphous) 자성합금을 이용한다. 이 연자성 재료들과의 비자성 재료를 상호 겹처 쌓은 다층 연자성 박막 코아(26)를 형성한다

다음에, 도 7c에 도시된 바와 같이, 하부 연자성 박막 코아(24)가 형성된 절연막(23) 상에 산화실리콘, 포토레지스트, 폴리이미드 등을 하부 연자성 박막 코아(24)가 덮히도록 재차 도포하여 절연막(25)을 형성한다. 절연막(25) 도포 방법은 스퍼터링법이나 CVD(화학기상증착)법으로 실리콘 산화막, 포토레지스트, 폴리이미드 등을 이용할 수 있으며, 포토레지스트 및 폴리이미드 등은 경화시켜 절연막으로 사용한다. 이 때, 하부 연자성 박막 코아 위에 올록볼록함이 생기지 않도록 평탄화 공정을 시행한다. 그 다음, 영자계 검출 코일(26)용 금속 재료를 도포하고, 포토 리소그래피법을 이용한 엣칭으로 영자계 검출 코일용의 하층배선(26)을 패터닝한다. 하층배선용 금속 재료로는, Au, Cu, Al를 이용한다. 금속 재료의 도포 방법으로는 스퍼터링법 및 증착법 등 다양한 방법이 있다. 다만, Cu를 두껍게 도포하는 경우에는 전기 도금법 혹은 무전해 도금법을 사용하는 것도 유효하다.

다음에, 도 7d에 도시된 바와 같이, 하층 배선(26)이 덮히도록 절연막(폴리이미드 등)(27)을 도포하여 표면이 평탄하도록 한 후, 자속변화 검출 코일(28)용 금속 재료를 도포하여 패터닝함으로써 자속변화 검출 코일용의 중층배선(28)을 만든다.

다음에, 도 7e에 도시된 바와 같이, 중층배선(28)이 덮히도록 절연막(27) 상에 절연막(폴리이미드등)(29)을 도포한 다음 표면이 평탄하도록 한 다음 포토리소그래피법을 이용한 엣칭으로 스루홀(도 4의 33 참조)을 형성한다. 그 후, 절연막(29) 상에 여자 코일(30)용 금속 재료를 도포한 다음 패터닝하여 여자 코일용 상층 배선(30)을 형성한다.

다음에, 도 7f에 도시된 바와 같이, 상층 배선(30)이 덮히도록 절연막(폴리이미드등)(31)을 도포하고 그 표면이 평탄하도록 한 후, 연자성 박막 재료를 도포하고 패터닝하여 상부 연자성 박막 코아(32)를 형성한다.

한편, 상기와 같은 방법으로 제작되는 차동 스파이어럴형 자계 검출 소자가 집적된 자계 검출 모듈의 실시예를 도 8 내지 도 10을 참조하면서 상세하게 설명한다.

먼저, 도 8은 본 발명에 따른 자계 검출 모듈 실시예의 개략적 구성을 보여주는 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자계 검출 모듈은 반도체 기판(4100) 위에 여자 코일 구동용 집적회로(420), 자계검출소자(430), 자계검출 신호처리용 집적회로(440) 및 영자계 검출용 구동회로(450)를 집적한 구조를 갖는다. 즉, 자계검출소자(430)로서는 앞서 설명한 바와 같은 차동 스파이어럴형 자계검출소자가 집적되며, 이 차동 스파이어럴형 자계검출소자 및 이 자계검출소자의 구동에 필요한 전자회로들(420, 440, 450)이 동일 반도체 기판(410) 위에 집적된다.

도 9는 본 발명에 따른 자계검출모듈 실시예에 집적된 전자회로들의 개략적 구성을 보여주기 위한 블럭도이며, 도 10은 도 9의 전자 회로들의 동작을 설명하기 위한 타이밍 챠트이다. 본 발명에 따른 자계검출모듈은, 도 9에 도시된 바와 같이, 크게 여자코일 구동용 집적회로(420), 차동 스파이어럴형 자계검출소자(430), 자속변화검출신호 처리용 집적회로(440), 영자계 검출코일용 구동회로(450)로 구성된다. 여기서, 여자코일 구동용 집적회로(420)은, 구형파 펄스 발진기(421), 분주회로(422), 파형 변환기(423) 및 여자코일 구동회로(424)로 구성된다. 자계검출소자(430)는 폐자로를 구성하는 연자성 박막 코아(432), 여자코일(431), 자속변화 검출코일(433) 및 영자계검출코일(434)로 구성된다. 자계검출 신호처리용 집적회로(440)는 고주파증폭기(443), 동기 검파기(442), 저역통과필터(444) 및 위상제어회로(441)를 구비한다. 영자계 검출용 구동회로(450)는 제어기(451)와 귀환코일 구동회로(452)로 구성된다.

이와 같이 구성된 자계검출모듈은 다음과 같이 동작한다.

먼저, 구형파 펄스 발진기(421)에서 주파수 4fo의 전압펄스(E1)를 발생시킨다. 이 주파수 4fo의 전압 펄스(E1)는 분주회로(제1단)(422)을 통해서 주파수가 1/2이고 따라서 듀티비가 50%인 주파수 2fo의 펄스(E2)로 변환된다. 이 펄스(E2)의 주파수 2fo는, 충분히 높은 감도가 얻어질 수 있도록 1MHz 정도 이상의 높은 주파수로 한다. 다음에 펄스(E2)는 분주회로(제2단)(422)에 의해서 도 10의 (c)에 도시된 바와 같이 그 주파수가 1/2이 되는 fo의 펄스(E3)를 생성한다. 분주회로(422)에서 출력된 주파수 fo의 펄스(E3)는 파형변환기(423)에 인가되어 삼각파(E4)로 변환되어 여자코일 구동 회로(424)에 인가된다. 여자코일 구동회로(424)는 인가된 삼각파(E4)를 도 10의 (d)에 도시된 바와 같은 삼각파의 전류(E5)로 변환하여 자계검출소자(430)의 여자코일(431)을 구동한다. 이 때, 자계검출소자(430)의 검출코일(433)에는, 외부자계가 인가되지 않으면, 유도전압이 나타나지 않고, 외부자계가 가해지면, 도 10의 (e)에 도시된 바와 유사한 파형의 자계검출신호(E8)가 나타난다. 이 자계검출신호(E8)를 고주파 증폭기(443)로 증폭하면 도 10의 (e)에 도시된 바와 같은 파형의 자계검출신호(E9)로 된다. 이 증폭된 자계검출신호(E9)는 동기검파기(442)에 인가된다. 동기검파기(442)에서는, 제1단의 분주회로(422)의 출력 펄스(주파수 2fo)를 기본으로해서 위상 제어 회로(441)에 의해 생성된 도 10의 (a) 및 (b)와 같은 2개의 펄스(ψE6, E7)를 이용해서, 증폭된 자계검출신호(E9)의 펄스 동기를 검파하는(펄스 전압의 극성을 바꾸는) 방법으로, 도 10의 (f)에 도시된 바와 같은 파형의 신호(E10)로 변환한다. 이 신호(E10)가 저역통과 필터(444)를 통과하게 되면, 도 10의 (g)에 도시된 바와 같이 평활화되어 직류 성분의 전압(E11)이 얻어진다. 이 직류 전압(E11)의 크기는 외부 직류 자계에 비례하므로 외부자계를 측정 할 수 있다. 제어기(451)는 외부자계의 크기에 비례하는 직류전압(E11)의 크기를 판별하여 귀환코일 구동회로(452)를 제어하는 제어 신호(E12)를 생성하고, 제어 신호(E12)에 따라 귀환코일 구동회로(452)는 외부자계의 크기에 비례하여 발생하는 연자성 박막 코아 내부에서의 자속변화를 상쇄시키기 위한 도 10의 (h)에 도시된 바와 같은 귀환전류(E13)를 생성하여 영자계 검출코일(434)을 구동한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 초소형 차동 스파이어럴형 자계검출소자는, 반도체 기판위에 형성된 연자성 박막코아와, 이 연자성 박막코아의 교류 여자를 위하여 금속막으로 형성된 여자 코일과, 금속막에 의해 형성된 자속변화 검출용 코일과, 측정 자계성분의 역자계성분을 발생시켜 측정자계를 상쇄시키기 위하여 금속막에 의해 형성된 영자계 검출용 코일을 구비하되, 연자성 박막 코아를 2개 병렬로 배치하고, 각 박막 코아를 검출 축방향으로 몇 부분으로 쪼개어 반자계성분을 감소시키며, 이 연자성 박막코아에 차동의 여자 코일과, 자속변화 검출용 코일과, 영자계 검출용 코일을 상하로 서로 겹쳐쌓아 1턴씩 감은 권선 구조를 가지며, 외부 자계가 없을 때에는 자속변화 검출용 코일에 유도 전압 파형이 나타나지 않도록 한 권선 구조로 하여, 초소형임에도 불구하고, 극히 미약한 자계를 검출할 수 있다. 더욱이, 연자성 박막코아로 부터 누설되는 자계 성분을 최소화하기 위하여 폐자로를 형성한 샌드위치 연자성 박막 코아 구성과, 그 샌드위치 연자성 박막코아 내부에 차동 여자 코일과, 자속변화 검출용 코일과, 영자계 검출용 코일을 스파이어럴 형태로 겹쳐쌓은 구조를 가지므로 측정 외부 자계로부터 연자성 박막 코아의 내부에서 자속의 변화가 일어나지 않는다.

또한, 본 발명에 따른 자계검출모듈은 모놀리식 반도체 기판 위에 박막 형성 기술을 이용해서 상기 차동 스파이어럴형 자계검출소자 및 이를 구동하기 위한 신호처리 회로를 함께 집적한 구조로서, 반도체 기판 위에 형성된 연자성 박막코아와, 이 연자성 박막코아의 교류 여자를 위해 금속막으로 형성된 여자 코일과, 금속막에 의해 형성된 자속변화 검출용 코일과, 측정 외부자계성분의 역자계 성분을 발생시켜 측정자계성분을 상쇄시키기 위하여 금속막에 의해 형성된 영자계 검출용 코일을 구비한 차동 스파이어럴형 자계검출소자와, 여자 코일에 접속되어, 반도체 기판위에 집적된 여자코일 구동용 집적회로와, 자속변화 검출용 코일에 접속되어 반도체 기판 위에 집적된 자계 검출 신호 처리용 집적회로와, 영자계 검출용 코일 및 신호처리용 집적회로에 접속되어 반도체 기판 위에 집적된 영자계 검출용 코일 구동용 집적회로를 구비함으로써, 집적화 자계 검출 모듈 전체를 초소형으로 구현하고, 초소형임에도 불구하고 고감도의 특성을 가지며, 값싸게 대량 생산이 용이한 장점이 있다.

이와 같이 구현되는 차동 스파이어럴형 자계검출소자 및 이를 집적한 자계검출 모듈은, 예를들면, 지구 자기 검출에 따르는 네비게이션 시스템, 지자기변동 모니터(지진예측), 일부의 생체 자기 계측, 금속 재료의 결함 검출, 간접적 응용으로는, 자기 엔코드, 무접점 포텐셜 미터, 전류 센서, 토크 센서, 변위 센서 등으로 광범위한 이용이 가능하다.

도 1은 종래의 자계검출소자의 개략적 구성을 보여주는 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 자계검출소자의 실시예의 구성을 개략적으로 보여주는 분해 사시도,

도 3은 도 2의 자계검출소자 실시예의 동작을 나타내는 타이밍 챠트,

도 4는 도 2의 자계검출소자 실시예의 개략적 평면도,

도 5는 도 4의 X-X'선을 따라 절개된 부분의 단면도,

도 6은 도 4의 Y-Y'선을 따라 절개된 부분의 단면도,

도 7a 내지 도 7f는 도 2의 자계검출소자 실시예의 제조 단계별 공정후의 수직 단면도,

도 8은 도 2의 자계검출소자를 채용한 본 발명에 따른 자계검출모듈의 실시예의 구조를 개략적으로 보여주는 사시도,

도 9는 도 8의 자계검출모듈 실시예에서 자계검출모듈로서 구성된 집적회로의 구성을 보여주는 블록도,

그리고 도 10은 도 9의 자계검출모듈의 회로 동작을 나타내는 타이밍 챠트이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21. 실리콘 기판 22. 실리콘 산화막(SiO2)

23. 폴리이미드와 같은 절연체 24. 하부 연자성 박막코아

25. 폴리이미드와 같은 절연체 26. 영자계 검출코일

27. 폴리이미드와 같은 절연체 28. 자속변화 검출코일

29. 폴리이미드와 같은 절연체 30. 여자코일

31. 폴리이미드와 같은 절연체 32. 상부 연자성 박막 코아

33. 쓰루홀 420. 여자코일 구동용 집적회로

421. 구형파 발진기 422. 분주회로

423. 파형변환기 424. 여자코일구동회로

430. 자계검출소자 440. 자계검출 신호처리용 집적회로

441. 위상제어회로 442. 동기 검파기

443. 고주파 증폭기 444. 저역통과필터

450. 영자계 검출용 구동회로 451. 제어기

452. 귀환 코일 구동 회로

Claims

반도체 기판;

상기 반도체 기판 위에 형성되며, 여자코일, 자속변화검출코일 및 영자계검출용코일 상부 및 하부에 위치하여 폐자로로 형성되는 연자성 박막 코아;

상기 연자성 박막 코아를 교류적으로 여자하기 위하여 금속 박막으로 형성된 여자 코일;

상기 연자성 박막 코아 내부의 자속 변화를 검출하기 위하여 금속 박막으로 형성된 자속 변화 검출 코일; 및

외부 자계에 의해 발생하는 상기 연자성 박막 코아 내부의 자속 변화를 제거하기 위한 역자계를 생성하기 위해 형성된 영자계 검출용 코일;을

구비한 것을 특징으로 하는 차동 스파이어럴형 자계검출소자.
제1항에 있어서,

상기 연자성 박막 코아를 두 부분으로 나누어 병렬 배치하되, 상기 병렬 배치된 두 부분의 연자성 박막 코아를 다시 소정 개수의 부분으로 나누고, 상기 연자성 박막 코아 사이에 여자 코일 n턴 (n은 정의 정수), 상기 자속변화 검출용 코일 m턴(m은 정의 정수) 및 상기 영자계 검출용 코일 l턴(l은 정의 정수)을 상하로 겹쳐쌓아 감은 구조를 가지고, 외부 검출 자계가 0 일때, 상기 여자 코일에 의한 유도 전압 파형을 상쇄하도록 한 것을 특징으로 하는 차동 스파이어럴형 자계검출소자.
제1항에 있어서,

상기 연자성 박막 코아는 상하에 각각 하나씩 두 개 배치되고, 상기 두 연자성 박막 코아 내부에 샌드위치 구조로 상기 여자코일, 자속변화 검출용 코일 및 영자계 검출용 코일을 각각 상중하층의 3개 평면에 스파이어럴형 배선으로 겹쳐쌓은 것을 특징으로 하는 차동 스파이어럴형 자계검출소자.
반도체 기판, 상기 반도체 기판 위에 폐자로로 형성된 연자성 박막 코아, 상기 연자성 박막 코아를 교류적으로 여자하기 위하여 금속 박막으로 형성된 여자 코일, 상기 연자성 박막 코아 내부의 자속 변화를 검출하기 위하여 금속 박막으로 형성된 자속 변화 검출 코일, 및 외부 자계에 의해 발생하는 상기 연자성 박막 코아 내부의 자속 변화를 제거하기 위한 역자계를 생성하기 위해 형성된 영자계 검출용 코일을 구비한 차동 스파이어럴형 자계검출소자;

상기 여자코일에 접속되도록 상기 반도체 기판 위에 집적된 여자 코일 구동용회로;

상기 자속 변화 검출용 코일에 접속되도록 상기 반도체 기판 위에 집적된 자계검출 신호 처리용 회로;를

구비한 것을 특징으로 하는 자계검출모듈.
제4항에 있어서,

상기 연자성 박막 코아를 두 부분으로 나누어 병렬 배치하되, 상기 병렬 배치된 두 부분의 연자성 박막 코아를 다시 소정 개수의 부분으로 나누고, 상기 연자성 박막 코아 사이에 여자 코일 n턴 (n은 정의 정수), 상기 자속변화 검출용 코일 m턴(m은 정의 정수) 및 상기 영자계 검출용 코일 l턴(l은 정의 정수)을 상하로 겹쳐쌓아 감은 구조를 가지고, 외부 검출 자계가 0 일때, 상기 여자 코일에 의한 유도 전압 파형을 상쇄하도록 한 것을 특징으로 하는 자계검출모듈.
제4항에 있어서,

상기 연자성 박막 코아는 상하에 각각 하나씩 두 개 배치되고, 상기 두 연자성 박막 코아 내부에 샌드위치 구조로 상기 여자코일, 자속변화 검출용 코일 및 영자계 검출용 코일을 각각 상중하층의 3개 평면에 스파이어럴형 배선으로 겹쳐쌓은 것을 특징으로 하는 자계검출모듈.
제4항에 있어서,

상기 여자 코일 구동용 회로는,

구형파 전압 펄스를 발생시키는 펄스 발진기;

상기 구형파 전압 펄스를 그 주파수가 각각 1/2 및 1/4이 되는 구형파 전압 펄스가 되도록 분주하는 분주회로;

상기 1/4 분주 구형파 전압 펄스를 삼각파의 전압 펄스로 변환하는 파형변환회로; 및

상기 삼각파 전압 펄스를 이용하여 상기 여자코일을 구동하는 여자코일 구동회로;를

구비한 것을 특징으로 하는 자계검출모듈.
제4항에 있어서,

상기 자계 검출 신호 처리용 회로는,

상기 1/2 분주 구형파 전압 펄스를 이용하여 동일 주파수의 역상의 구형파 전압 펄스를 만드는 위상제어회로;

상기 외부자계 검출 코일에서 출력되는 외부자계검출신호를 증폭하는 고주파 증폭기;

상기 증폭된 외부자계검출신호를 상기 1/2 분주 구형파 전압 펄스 및 그 역상의 1/2 분주 구형파 전압 펄스를 이용하여 검파하는 동기검파기; 및

상기 증폭되어 검파된 외부자계검출신호를 DC 전압으로 평활화하는 저역통과필터;를

구비한 것을 특징으로 하는 자계검출모듈.
제4항에 있어서,

상기 영자계 검출용 구동 회로는,

상기 자계검출 신호 처리용 회로의 출력 전압을 기준으로 상기 영자계 검출 코일의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 제공하는 제어기; 및

상기 제어 신호에 따라 상기 영자계 검출 코일을 구동하는 귀환 코일 구동 회로;를

구비한 것을 특징으로 하는 자계검출모듈.