KR100485591B1

KR100485591B1 - 자기 임피던스 효과를 이용한 극소형 미세자계검출센서 및그제조방법

Info

Publication number: KR100485591B1
Application number: KR10-2003-0005999A
Authority: KR
Inventors: 송용설; 장길재; 김철기
Original assignee: (주) 아모센스
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2005-05-04
Also published as: KR20040069563A

Abstract

본 발명은 플럭스 게이트 센서보다 간단한 방법으로 극소형으로 제작이 가능하고 플럭스 게이트 센서와 동등한 감도와 직류자기저항효과를 이용한 센서보다 적은 증폭률로 뛰어난 감도를 나타내는 극소형 미세자계검출센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 외부 자기장의 X축 성분을 검출하기 위해 자기 임피던스 특성을 갖는 제1선형 자성체를 구비한 X축 자계검출센서와, 자기 임피던스 특성을 가지며 상기 제1선형 자성체와 직교방향으로 배치되는 제2선형 자성체를 구비하고 상기 외부 자기장의 Y축 성분을 검출하기 위한 Y축 자계검출센서와, 각각 상기 제1 및 제2 선형 자성체의 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 제1 및 제2 DC 바이어스 필드 인가수단으로 구성되며, 상기 제1 및 제2 선형 자성체는 고투자율의 연자성 특성이 우수한 자성체를 사용하여 길이에 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 변화시키기 위하여 자기장 열처리를 거친 자성체로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

자기 임피던스 효과를 이용한 극소형 미세자계검출센서 및 그 제조방법{Compact Micro Magnetic Field Detecting Sensor Using Magneto Impedance Effects and Method for Making the Same}

본 발명은 자기 임피던스 효과를 이용한 극소형 미세자계검출센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 플럭스 게이트 센서보다 간단한 방법으로 극소형으로 제작이 가능하고 플럭스 게이트 센서와 동등한 감도와 직류자기저항효과를 이용한 센서보다 적은 증폭률로 뛰어난 감도를 나타내는 극소형 미세자계검출센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

미세자계검출센서는 미세자계를 측정하거나 미세자계 중 하나인 지구자계를 측정하여 방위를 표시하는 데 이용된다.

상기 미세자계 중 하나인 지구자계를 측정하여 방위를 측정하는 방법은 지표면과 수평한 위치에서 지구자계의 2축 성분을 측정하여 방위를 표시하는 것을 기본으로 하고 있다. 미세자계검출센서에 사용되는 자계검출 방법은 현재 플럭스 게이트(Flux gate) 방법, 직류자기저항효과 방법 및 교류자기저항(이하, 자기 임피던스라 함)효과 방법 등으로 크게 3가지로 분류되며 이중에서도 현재까지는 플럭스 게이트 방법이 주를 이루고 있다.

하지만 플럭스 게이트 방법의 센서는 일본국 특개평 9-43322호 및 11-118892호에 제안되어 있는 바와 같이 7장의 제한된 크기의 기판에 대한 자성체 및 동박 패턴닝과, 스루홀의 형성/도금 및 적층 등의 제조가 복잡하고, 소비전력이 크며 극소형화에 문제가 있어 휴대폰 등의 소형 포터블기기에는 적용이 어려운 단점을 가지고 있다. 아울러 직류자기저항효과 방법의 센서는 극소형화는 가능하지만 출력신호가 작아 많은 증폭이 필요하고 이로 인한 노이즈 등의 문제점을 안고 있다.

하지만 자기 임피던스효과 방법의 센서는 출력신호가 직류자기저항효과 센서에 비해 약 50배에서 크게는 100배정도 크기 때문에 증폭률이 적어도 되며 제조방법 또한 간단하여 다른 방법에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있어 현재 여러 분야에서 연구 및 응용이 이루어지고 있다.

상기 자기 임피던스효과는 외부자기장의 변화에 의해 물질의 교류저항 즉, 임피던스가 변화하는 현상으로서 고주파에서 나타나는 현상으로 주로 비결정질 리본, 와이어 및 박막 등과 같은 고투자율의 연자성 물질에서 주로 나타나는 현상이다.

이와 관련된 현상을 이용한 자기센서에 관한 종래기술이 한국 공개특허공보 제2001-0086630호, 제2002-0035395호 및 제2001-0096553호에 개시되어 있다.

상기 한국 공개특허공보 제2001-0086630호에는 연자성체로 이루어진 자성물질을 약 2 Oe의 외부자기장을 자성체에 축방향 또는 축에 수직 방향으로 인가하면서 약 380℃에서 1-8시간 열처리하여, 자성체 표면에 결정화 또는 결정결함에 의해 외부자기장 방향으로 영구자성층을 형성함에 의해 내부의 자성물질층과 외부의 가자성층간의 결합력에 의해 임피던스 밸브형 거대자기 임피던스(GMI : Giant Magneto Impedance) 효과 특성을 나타내는 물질을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 상기 임피던스 밸브형 GMI 효과 물질은 주지된 스핀 밸브형 GMR(Giant Magneto Resistance) 물질에 비하여 동작자장에서 약 1000배의 자기감응도를 나타내는 것을 이용하여 정보기록매체의 자기헤드 및 자기센서에의 응용 가능성을 제안하고 있다.

그러나, 상기 선행기술에서는 GMI 효과 물질을 이용한 일반적인 자기센서만을 개시하고 있을 뿐, 미세자계 중 하나인 지구자계를 측정하여 방위를 측정하는 데 사용되는 미세자계검출센서에 대하여는 제시하고 있지 않다.

또한, 한국 공개특허공보 제2002-0035395호에는 상기 한국 공개특허공보 제2001-0086630호에서 제안된 GMI 효과 물질을 이용한 자기센서를 인체의 맥밥 측정에 응용한 기술을 개시하고 있다.

한편, 한국 공개특허공보 제2001-0096553호에는 직경 50㎛의 비결정질 와이어에 고주파 전류를 흐르게 할 때 와이어와 평행한 외부자장 성분에 따라 와이어의 임피던스가 크게 변화하는 현상을 이용하여 구현된 자기감지소자로서, 검출코일과 부궤환여자코일이 외주에 권취된 보빈의 중심에 비결정질 와이어를 삽입하여 이를 전극이 형성된 기판에 초음파 접합 등에 의해 장착하여 구성되는 한쌍의 자기감지소자를 x축 및 y축에 평행하게 배치한 구조를 갖는다.

따라서, 상기한 선행기술은 보빈에 권선된 코일을 채용함에 따라 단일 자기감지소자의 크기가 커서 이동통신 단말기 등에는 적용이 어렵고, 또한 자장의 측정시에 표피효과를 이용하도록 고주파 성분을 포함하는 펄스전류를 인가하고 검출코일로부터 얻어진 검출신호 중 제1펄스만을 추출하여 그 진폭으로부터 자장을 측정하는 방식이므로, 펄스전압발생회로 및 제1펄스 검출회로 등의 주변회로가 요구되는 문제가 있다.

현재 이러한 센서들은 방위를 측정하거나 로봇의 위치제어 또는 인공위성의 자세제어 등에 사용되고 있으며 주로 자동차의 네비게이션 시스템 및 위치정보 서비스가 가능한 시스템의 방위 보정용으로 사용되어지고 있으며 휴대용단말기 등의 휴대통신기기를 위해 소형화도 함께 이루어지고 있다.

따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 플럭스 게이트 센서보다 간단한 방법으로 극소형으로 제작이 가능하고 플럭스 게이트 센서와 동등한 감도를 나타내며, 직류자기저항효과를 이용한 센서보다 적은 증폭률로 뛰어난 감도를 갖는 자기 임피던스(MI) 효과를 이용한 극소형 미세자계검출센서 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 다층 인쇄회로기판 기술을 이용하여 자기 임피던스 특성을 갖는 선형 자성체의 자기 소자를 이용한 센서 두개를 선형 자성체의 중앙부가 서로 수직하게 적층 배치하고 이 센서들을 외부자기장에 수평하게 위치시켜 외부자기장을 벡터적으로 감지하여 지자계 등의 미세자계의 방향 및 크기를 측정할 수 있는 극소형 미세자계검출센서 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 자기 임피던스 효과 특성 중 외부 자기장의 변화에 따라 우수한 선형성이 유지될 수 있도록 연자성 특성이 우수한 비결정질 재료로 이루어진 선형 자성체에 자기장 열처리를 통하여 이방성 방향을 길이에 수직방향으로 인위적으로 변화시킴에 의해 자기 임피던스 특성 그래프에서 외부 자기장이 제로(0) 근처에 급격한 딥(dip)을 형성시킬 수 있는 선형 자성체의 자기장 열처리 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 선형 자성체의 자기 임피던스 특성 그래프에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 자기 임피던스 효과 선형 자성체의 제로점 시프트 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1특징에 따르면 본 발명은 외부 자기장에 수평하게 위치되어 외부 자기장을 벡터적으로 감지하여 외부 자기장의 방향 및 크기를 측정하기 위한 자기 임피던스 효과를 이용한 미세자계검출센서에 있어서, 상기 외부 자기장의 X축 성분을 검출하기 위해 자기 임피던스 특성을 갖는 제1선형 자성체를 구비한 X축 자계검출센서와, 자기 임피던스 특성을 가지며 상기 제1선형 자성체와 직교방향으로 배치되는 제2선형 자성체를 구비하고 상기 외부 자기장의 Y축 성분을 검출하기 위한 Y축 자계검출센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 임피던스 효과를 이용한 극소형 미세자계검출센서를 제공한다.

상기 X축 및 Y축 자계검출센서는 각각 절연체로 이루어진 제1기판과, 절연체로 이루어지며 상기 제1기판의 상부에 적층된 제2기판과, 자기장 열처리를 통하여 길이에 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 변화시킨 고투자율의 연자성 특성이 우수한 자성체를 사용하여 상기 제1기판에 선형으로 형성된 선형 자성체와, 상기 선형 자성체의 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 DC 바이어스 필드 코일과, 상기 선형 자성체의 양단부에 각각 연장 형성되어 교류전류를 인가하기 위한 제1 및 제2 입력전극단자와, 상기 선형 자성체의 양단부에 각각 연장 형성되어 외부 자기장에 따른 선형 자성체의 자기 임피던스에 비례하는 검출신호를 검출하기 위한 제1 및 제2 출력전극단자로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2특징에 따르면, 본 발명은 외부 자기장에 수평하게 위치되어 외부 자기장을 벡터적으로 감지하여 외부 자기장의 방향 및 크기를 측정하기 위한 자기 임피던스 효과를 이용한 미세자계검출센서에 있어서, 상기 외부 자기장의 X축 성분을 검출하기 위해 자기 임피던스 특성을 갖는 제1선형 자성체를 구비한 X축 자계검출센서와, 자기 임피던스 특성을 가지며 상기 제1선형 자성체와 직교방향으로 배치되는 제2선형 자성체를 구비하고 상기 외부 자기장의 Y축 성분을 검출하기 위한 Y축 자계검출센서와, 각각 상기 제1 및 제2 선형 자성체의 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 제1 및 제2 DC 바이어스 필드 인가수단으로 구성되며, 상기 제1 및 제2 선형 자성체는 고투자율의 연자성 특성이 우수한 자성체를 사용하여 길이에 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 변화시키기 위하여 자기장 열처리를 거친 자성체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 임피던스 효과를 이용한 극소형 미세자계검출센서를 제공한다.

상기 제1 및 제2 선형 자성체에 대한 자기장 열처리는 선형 자성체의 길이에 수직방향으로 자기장을 인가하면서 선형 자성체의 큐리 온도(T_c)보다 50℃ 정도 낮은 온도부터 큐리 온도(T_c) 사이의 온도영역에서 30분 내지 5시간 범위로 열처리하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 DC 바이어스 필드 코일은 제1기판의 하부면과 제2기판의 상부면에 상기 선형 자성체를 둘러싸는 솔레노이드 형상을 이루도록 다수의 도전패턴과 다수의 도전패턴을 연결하는 도금된 다수의 스루홀로 구성된다.

상기 선형 자성체는 Co 또는 Fe계 비결정질, 퍼멀로이, 슈퍼멀로이 및 인바로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 이루어진다.

상기 미세자계검출센서는 4단자법 또는 2단자 코일방법으로 외부 자기장을 검출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제3특징에 따르면, 본 발명은 외부 자기장의 1축 성분을 검출하기 위한 1축 미세자계검출센서의 제조방법에 있어서, 고투자율의 연자성 특성이 우수한 자성체를 사용하여 길이에 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 변화시키기 위하여 자기장 열처리를 거친 자성체를 준비하는 단계와, 상기 자기장 열처리에 의해 원하는 이방성이 부여된 자성체를 제1기판 위에 적층하고 패턴닝에 의해 선형 자성체를 형성하는 단계와, 상기 제1기판 전체에 무전해 도금을 통하여 제1동박을 도금한 후, 제1동박을 패턴닝하여 선형 자성체의 양단부에 자기 임피던스 측정을 위한 제1 내지 제4 전극단자를 형성하는 단계와, 상기 제1기판의 하부면과 제2기판의 상부면에 각각 제2 및 제3 동박을 적층한 후, 제1기판 위에 제2기판을 적층하고, 상기 제2 및 제3 동박을 패턴닝하여 선형 자성체를 감싸는 코일 형상을 이루도록 선형상으로 이루어진 다수의 제1 및 제2 도전패턴을 형성하는 단계와, 상기 다수의 제1 및 제2 도전패턴의 양단부에 형성된 다수의 연결패드에 다수의 스루홀을 형성한 후 대응하는 연결패드 및 스루홀을 상호 연결하여, 선형 자성체의 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 DC 바이어스 필드(bias field) 코일을 형성하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 임피던스 효과를 이용한 극소형 미세자계검출센서의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 제4특징에 따르면, 본 발명은 외부 자기장의 2축 성분을 검출하기 위한 2축 미세자계검출센서의 제조방법에 있어서: 고투자율의 연자성 특성이 우수한 자성체를 사용하여 길이에 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 변화시키기 위하여 자기장 열처리를 거친 자성체를 준비하는 단계와, 상기 자기장 열처리에 의해 원하는 이방성이 부여된 자성체를 제1기판 위에 적층하고 패턴닝에 의해 선형 자성체를 형성하는 단계와, 상기 제1기판 전체에 무전해 도금을 통하여 제1동박을 도금한 후, 제1동박을 패턴닝하여 선형 자성체의 양단부에 자기 임피던스 측정을 위한 제1 내지 제4 전극단자를 형성하는 단계와, 상기 제1기판의 하부면과 제2기판의 상부면에 각각 제2 및 제3 동박을 적층한 후, 제1기판 위에 제2기판을 적층하고, 상기 제2 및 제3 동박을 패턴닝하여 선형 자성체를 감싸는 코일 형상을 이루도록 선형상으로 이루어진 다수의 제1 및 제2 도전패턴을 형성하는 단계와, 상기 다수의 제1 및 제2 도전패턴의 양단부에 형성된 다수의 연결패드에 다수의 스루홀을 형성한 후 대응하는 연결패드 및 스루홀을 상호 연결하여, 선형 자성체의 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 DC 바이어스 필드(bias field) 코일을 형성하는 단계로 구성되어, 외부 자기장의 1축 성분을 검출하기 위한 제1 및 제2 자계검출센서를 각각 준비하는 단계와; 상기 제1 및 제2 자계검출센서 각각의 선형 자성체가 서로 직교하도록 제1 및 제2 자계검출센서를 서로 적층하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 임피던스 효과를 이용한 극소형 미세자계검출센서의 제조방법을 제공한다.

상기 다수의 제1도전패턴 각각은 소정의 각도만큼 경사각을 갖고 선형 자성체 하부를 통과하도록 제1기판의 배면에 경사 패턴으로 형성되고, 다수의 제2도전패턴은 선형 자성체의 상부를 직교관계로 통과하도록 제2기판의 상부에 직선 패턴으로 형성되며, 상기 다수의 제1 및 제2 도전패턴의 양단부에 형성된 다수의 원형 연결패드는 서로 대응하는 위치에 배치된다.

또한, 상기 다수의 제1 및 제2 도전패턴은 양단부에 형성된 연결패드가 인접한 도전패턴과의 사이에 접촉이 이루어지는 것을 효과적으로 방지하도록 양측으로 연장된 단부 길이를 인접된 도전패턴 사이에 서로 다르게 형성하는 것이 바람직하다.

상기 자기장 열처리는 선형 자성체의 이방성 방향 각도를 제로(0)에 가깝게 설정하며, 상기 DC 바이어스 필드의 인가는 센서의 출력이 (+) 및 (-) 외부 자기장의 균등한 변화범위에 대응하여 선형의 자기 임피던스 특성을 나타내도록 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시킨다.

상기한 바와 같이 본 발명의 2축 미세자계검출센서는 4장의 기판을 이용하여 제조되므로 플럭스 게이트 센서보다 간단한 방법으로 극소형으로 제작이 가능하고, 자기장 열처리에 의해 자기 임피던스 특성을 갖는 선형의 자기 소자를 이용하며, 자기 임피던스 효과 특성 중 외부 자기장의 변화에 따라 우수한 선형성이 유지될 수 있어 해상도와 감도가 높게 된다.

(실시예)

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

먼저 첨부된 도 1 내지 도 3b를 참고하여 본 발명에서 이용하는 자기 임피던스 효과에 대하여 설명한다.

본 발명에 사용된 선형 자성체의 자기 임피던스 효과는 주로 비결정질 리본, 와이어 및 박막 등과 같은 고투자율의 선형 연자성 특성이 뛰어난 재료에서 주로 나타나는 현상으로, 외부 자기장의 변화에 따라 선형 자성체의 교류저항(임피던스)이 민감하게 변하는 현상이다.

본 발명의 실시예에 사용된 선형 자성체는 Co를 주성분으로 하는 비결정질 리본을 사용하였으나 이것으로 한정하지는 않는다.

자기 임피던스(Z)는 도 1과 같이 비결정질 리본으로 이루어진 선형 자성체(1)에서 M_s가 선형 자성체 내부의 자화값, H_k가 선형 자성체의 자기 임피던스 현상을 측정하기 위해 인가한 전류에 의해 형성되는 선형 자성체의 이방성 자기장, H_ex가 외부 자기장(Magnetic field), θ가 자화 방향 각도, 그리고 θ_k가 이방성 방향 각도일 때, 하기 식 1과 같이 선형 자성체의 수직방향의 투자율(μ_t)과 인가전류의 주파수(ω) 함수로 정의되어진다.

여기서, 투자율(μ_t)은 도 1과 같이 비결정질 리본으로 이루어진 선형 자성체(1)의 길이방향에 수직한 방향의 자화값(M_s)에 대한 투자율 성분으로 나타내어지며, 하기 식 2와 같이 정의되어진다. 따라서, 외부자기장(H_ex)이 자성체(1)의 축방향으로 변화를 하게 되면 자화값(Ms)의 방향도 외부자기장에 따라 변하게 되며, 이로 인하여 투자율(μ_t)도 변하게 된다. 이와 같이 투자율(μ_t)이 변하면 자성체의 자기 임피던스(Z)도 변하게 된다.

상기 식 2에서 이방성 방향 각도(θ_k)를 변화시켜 외부 자기장(H_ex)에 따라서 투자율(μ_t)을 시뮬레이션 해보면 도 2와 같이 특성이 변한다.

도 2를 참고하면, 투자율(μ_t)은 이방성 방향의 각도(θ_k)가 커짐에 따라서 외부자기장이 '제로(0)' 근처에서 생기는 오목하게 생기는 딥(dip)이 작아지다가 없어지는 것을 볼 수 있다. 본 발명에서는 투자율(μ_t)의 특성 중 외부 자기장이 '0' 주위에서 급격한 감소와 증가를 나타내는 선형 부분을 사용하며, 따라서 이러한 선형 부분은 이방성 방향의 각도(θ_k)가 제로에 가까울수록 좋다는 것을 알 수 있다.

일반적으로 선형 자성체의 이방성은 도 3a와 같이 선형 자성체(1)의 서로 다른 축방향, 즉 a 방향 및 b 방향의 특성이 서로 동일한 일축 이방성(uniaxial anisotropy)과, a 방향 및 b 방향의 특성이 서로 상이한 일방향 이방성(unidirectional anisotropy) 중 어느 하나의 특성을 갖도록 제조되며, 통상적으로 리본형 비정질인 경우는 선형 자성체의 길이방향으로 일축 이방성을 갖도록 제조된다.

따라서, 본 발명에서는 제조시에 선형 자성체에 미리 부여된 길이방향의 일축 이방성을 도 3b와 같이 선형 자성체(1)의 수직방향으로 이방성 방향(K)을 인위적으로 바꾸기 위하여 자기장 열처리 방법을 통하여 구현하였고, 그 결과 상기 도 2의 시뮬레이션에 제시된 것과 같이 선형 자성체의 이방성 방향의 각도(θ_k)를 제로에 가깝게 설정할 수 있게 되었다.

상기 이방성 방향의 각도(θ_k)를 변화시키기 위한 자기장 열처리 방법은 선형 자성체의 큐리 온도(T_c: Curie temperature)보다 약 50℃ 정도 낮은 온도부터 큐리 온도(T_c) 사이의 온도영역에서 자기장 열처리를 통하여 인위적으로 이방성의 방향을 변화시켜주는 방법이다. 상기 온도영역을 벗어나게 되면 본 발명에서 원하는 이방성 방향을 갖는 자성체가 얻어지지 않게 된다.

따라서, 본 발명에 사용된 Co를 주성분으로 하는 비결정질 리본으로 이루어진 선형 자성체는 예를들어, 230℃에서 선형 자성체의 길이에 수직방향으로 약 35 Oe의 자기장을 가하면서 공기 중에서 1시간 열처리하였다. 그러나, 상기한 자기장 열처리는 상기 열처리 온도, 열처리 자기장, 열처리 시간 및 열처리 분위기에 한정되지 않으며, 자성체의 종류에 따라 변경될 수 있다.

열처리 온도는 자성체의 큐리(Curie) 온도보다 약 30℃정도 낮은 온도 전후에서, 열처리 시간은 30분에서 5시간 내외로 하는 것이 이상적이다.

도 4는 자기장을 인가하지 않고 열처리하였을 때의 자기 임피던스 특성을 보여주는 그래프이다. 외부자기장(Magnetic field)이 '0' 근처에서 딥(dip)이 생기지 않는 것을 확인할 수 있다.

하지만 자기장 열처리를 통하여 인위적으로 이방성 방향을 변화시킨 선형 자성체의 자기 임피던스 특성 그래프는 도 5a와 같이 외부 자기장 '0' 근처에서 깊고 넓은 딥이 형성된 것을 확인할 수 있다. 본 발명에서는 도 5a의 자기 임피던스 특성 중에서 도 5b에 나타낸 것과 같이 선형성이 뛰어난 부분(L)을 사용하게 되며, 이 경우 (+) 외부 자기장 뿐 아니라 (-) 외부 자기장의 변화에 대하여도 선형성이 유지되어야 하므로 도 5b의 자기 임피던스 특성을 도 6과 같이 우측 방향으로 시프트(shift)시키는 것이 필요하게 된다.

상기 도 6에 나타낸 자기 임피던스 특성으로는 약 ±0.5 Oe의 외부 자기장 범위에서만 사용이 가능하지만 사용범위는 열처리 자기장을 증가시킴으로써 증가시킬 수 있다.

상기 선형 자성체의 자기 임피던스 특성 그래프에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 제로점 시프트 방법은 후술하는 바와 같이 선형 자성체의 외주에 소정 턴수의 DC 바이어스 필드(bias field) 코일을 권취하고 코일에 전류를 인가함에 의해 구현될 수 있다.

상기 자기 임피던스(MI) 효과를 이용한 미세자계검출센서는 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 4단자법과 2단자 코일방법 중 어느 하나의 방법으로 구현될 수 있다.

먼저 4단자법은 도 7a와 같이 주로 고투자율 연자성 물질로 이루어진 선형 자성체를 자기장 열처리하여 원하는 이방성을 부여한 것을 이용하며, 선형 자성체(1)에 길이방향으로 차례대로 4개의 전극단자(4a,4b,5a,5b)를 형성하고, 선형 자성체의 외주에 자기 임피던스 특성 그래프에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 소정 턴수의 DC 바이어스 필드(bias field) 코일(3)이 권취되어 DC 바이어스 전압이 인가되어 있으며, 바깥쪽 두 전극단자(4a,4b)에 교류전류(I)를 인가하고 안쪽의 두 전극단자(5a,5b)에서 자기 임피던스의 변화에 비례하는 검출전압(V)을 측정하는 방법이다.

또한, 2단자 코일방법은 도 7b에 도시된 바와 같이 상기한 선형 자성체(1)의 양 끝단에 각각 전극단자(4a,4b)를 형성하고, 선형 자성체의 외주에 자기 임피던스 특성 그래프에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 소정 턴수의 DC 바이어스 필드(bias field) 코일(3)이 권취되어 DC 바이어스 전압이 인가되어 있으며, 선형 자성체의 주위에 검출코일(2)을 감아서 자성체의 양 끝단의 전극단자(4a,4b)에 전류(I)를 인가하고, 선형 자성체 외주의 검출코일(2)에서 자기 임피던스의 변화에 비례하는 검출전압(V)을 측정하는 방법이다.

이하의 실시예 설명에서는 4단자법을 이용하여 극소형 미세자계검출센서를 구현하는 방법을 제시하였으나, 어떤 방법을 사용해도 좋다.

이하에 본 발명에 따른 자기 임피던스(MI) 효과를 이용한 극소형 미세자계검출센서를 극소형으로 제조하는 방법에 대하여 도 8a, 도 8b 및 도 9를 참고하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 자기 임피던스 효과를 이용한 미세자계감지센서는 Co 및 Fe 계 비결정질(amorphous), 퍼멀로이(permalloy), 슈퍼멀로이(supermalloy), 및 인바(invar) 등으로 연자성 특성이 뛰어난 재료를 자성체로 사용하게 되며, 자성체의 형상은 리본, 와이어, 박막 등의 선형 자성체를 사용한다. 하기 실시예에서는 선형 자성체로서 비결정질 리본을 이용하였지만 리본으로 한정되지는 않는다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 인쇄회로기판을 이용한 미세자계검출센서의 분해 사시도 및 미세자계검출센서의 연결 구성도, 도 9는 본 발명에 따른 인쇄회로기판을 이용한 미세자계검출센서의 제조 공정도이다.

먼저, 도 8a와 같이 판형 절연체 기판으로 이루어진 제1기판(11) 위에 예를들어, Co를 주성분으로 하는 두께 15-20㎛의 비결정질 리본 자성체를 먼저 상기와 같이 자기장 열처리에 의해 원하는 이방성이 부여된 것을 이용하여 적층하고(S1), 주지된 패턴닝 방법에 따라 선형으로 노광한 후 현상하고 에칭하여 예를들어, 폭 0.1mm, 길이 3mm의 선형 자성체(10)를 형성한다(S2).

이어서, 제1기판(11) 전체에 무전해 도금을 통하여 동박을 도금한 후(S3), 주지된 방법으로 동박을 노광, 현상 및 에칭하여 선형 자성체(10)의 자기 임피던스 측정을 위한 4개의 제1 내지 제4 전극단자(12a-12d)를 형성한다(S4).

그후, 제1기판(11)의 하부면과 별도의 제2기판(15)의 상부면에 각각 동박을 적층한 후(S5), 제1기판(11) 위에 제2기판(15)을 적층하고, 이어서 도 8a와 같이 노광, 현상 및 에칭을 통하여 선형상으로 이루어진 다수의 제1 및 제2 도전패턴(14a-14n, 16a-16n)을 형성시킨다. 상기 다수의 제1 및 제2 도전패턴(14a-14n, 16a-16n)은 선형 자성체(10)를 대략 직교하는 방향으로 서로 동일한 간격으로 배치되어 선형 자성체(10)를 따라 감겨있는 코일 또는 솔레노이드 형상을 이루게 한다.

즉, 상기 제1기판(11)의 하부면에 형성된 다수의 제1도전패턴(14a-14n) 각각은 소정의 각도만큼 경사각을 갖고 선형 자성체와 만나도록 경사패턴으로 형성하며, 다수의 제2도전패턴(16a-16n)은 직선형태로 패턴을 형성하고, 다수의 제1 및 제2 도전패턴(14a-14n, 16a-16n)의 양단부에는 각각 원형의 연결패드(18a,18b)를 갖도록 한다.

상기 제1 및 제2 도전패턴(14a-14n, 16a-16n)의 상하로 서로 대응하는 연결패드(18a,18b)에는 도 8b와 같이 제1 및 제2기판(11,15)을 관통하는 스루홀(17a,17b)을 형성한 후(S7), 스루홀 내벽에 피막된 도금(19)을 통하여 대응하는 연결패드(18a,18b) 및 스루홀(17a,17b)을 상호 연결하여(S8), 선형 자성체(10)의 자기 임피던스 특성 그래프에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 소정 턴수의 DC 바이어스 필드(bias field) 코일(3)을 완성한다.

이 경우 다수의 제1 및 제2 도전패턴(14a-14n, 16a-16n)은 양단부에 형성된 연결패드(18a,18b)가 인접한 도전패턴과의 사이에 접촉이 이루어지는 것을 효과적으로 방지하도록 양측으로 연장된 단부 길이를 인접된 도전패턴 사이에 다르게 형성하는 것이 바람직하며, 제1도전패턴(14a-14n)과 제2도전패턴(16a-16n)의 스루홀(17a,17b)은 서로 대응하는 위치에 배치되어야 한다. 그러나, 상기한 DC 바이어스 필드(bias field) 코일(3)의 패턴은 코일 형태를 이루는 것이면 상기 실시예 패턴 이외의 다른 형태로 구현되는 것도 가능하다.

상기한 방법으로 도 8b의 X축 자기 임피던스를 검출하기 위한 X축 자계검출센서(100)를 형성하고, Y축 자계검출센서(200)는 X축 자계검출센서(100)와 동일한 방법으로 Y축의 제1 및 제2 기판(21,25)을 형성하며, 그후 X축의 선형 자성체(10)와 Y축의 선형 자성체(20)가 서로 직교하도록 X축 및 Y축 자계검출센서(100,200)를 서로 적층한다(S9).

끝으로 X축 및 Y축 자계검출센서(100,200) 각각의 4전극단자(12a-12d,22a-22d)와 DC 바이어스 필드 코일(3)의 DC 바이어스 전압을 인가하기 위한 전극단자(15a,15b,24a,24b)를 센서의 상부면으로 인출하기 위한 스루홀과 도금을 실시하면 센서의 제작이 완성된다.

도 10a 및 도 10b에는 본 발명에 따른 미세자계검출센서를 사용하여 지구자기장을 측정하여 방위를 표시한 그래프로서, 본 발명의 미세자계검출센서를 이용해서 센서를 지구자기장에 수평하게 위치한 다음 X축 자계검출센서(100)와 Y축 자계검출센서(200)를 360°회전하여 얻은 데이터이다. 도 10a의 그래프는 지구자기장의 X축, 도 10b의 그래프는 지구자기장의 Y축을 측정한 것이다. 따라서 지구자기장의 X축과 Y축을 그래프상에 X, Y축으로, 즉 리사쥬 그래프를 그리면 도 11과 같이 되어 방위를 측정할 수 있게 된다.

이와 같은 방법을 이용한 미세자계검출센서는 현재 널리 사용되고 있는 플럭스 게이트 센서보다 제작이 매우 용이하고, 플럭스 게이트 방식의 원형 자성체 대신에 2개의 선형 자성체를 사용함과 동시에 전체적으로 4장의 기판을 사용하여 2개의 DC 바이어스 필드용 코일패턴을 구현하므로 필요한 스루홀의 수가 적어지므로 전체적인 기판의 크기와 두께가 축소되어 극소형화가 가능하게 된다. 그 결과 인쇄회로기판 구조의 플럭스 게이트 센서의 크기는 약 8.5 × 8.5 mm 정도였지만 본 발명의 자계검출센서는 약 3 × 3mm 정도의 크기로 극소형으로 제작이 가능하다.

또한, 직류자기저항 센서보다도 감도가 뛰어나 적은 증폭률로도 고감도의 신호를 얻을 수 있으며, 외부 자기장의 변화에 따라 우수한 선형 응답성을 갖는 장점이 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 자기 임피던스 효과를 이용한 미세자계검출센서는 플럭스 게이트 센서보다 간단한 방법으로 제작이 가능하고 극소형화가 가능하며, 플럭스 게이트 센서와 동등한 감도를 나타내며 직류자기저항효과를 이용한 센서보다 적은 증폭률로 뛰어난 감도를 가진 미세자계검출센서의 제작이 가능해진다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

도 1은 선형 자성체에서 외부 자기장에 따른 자기 임피던스와 투자율 관계를 설명하기 위한 설명도,

도 2는 선형 자성체의 이방성 방향에 따른 자기 임피던스 효과 시뮬레이션 그래프,

도 3a 및 도 3b는 일반적인 선형 자성체의 이방성을 설명하기 위한 설명도 및 본 발명에서 원하는 선형 자성체의 이방성 방향을 보여주는 설명도,

도 4는 자기장을 인가하지 않고 열처리한 일반적인 선형 자성체의 외부 자기장에 대한 자기 임피던스 변화를 보여주는 그래프,

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따라 자기장 열처리를 한 선형 자성체 중 이방성 방향의 각도가 0에 가까운 경우의 자기 임피던스 변화를 보여주는 그래프 및 도 5a의 그래프에서 자기장 0 근처의 선형성이 뛰어난 부분을 확대한 그래프,

도 6은 본 발명에 따라 DC 바이어스 필드(bias field)를 이용해서 0 점을 시프트시킨 그래프,

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 자기 임피던스 효과를 이용한 극소형 미세자계검출센서의 구현방법을 설명하기 위한 개략 구성도,

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 인쇄회로기판을 이용한 미세자계검출센서의 분해 사시도 및 미세자계검출센서의 연결 구성도,

도 9는 본 발명에 따른 인쇄회로기판을 이용한 미세자계검출센서의 제조 공정도,

도 10a 및 도 10b는 각각 자기장 열처리한 선형 자성체에 DC 바이어스 필드를 이용해서 0 점을 시프트시킨 후 지구자기장을 측정한 X축 및 Y축 그래프,

도 11은 본 발명에 따른 자기 임피던스 효과 센서를 이용하여 측정한 지구자기장의 X축과 Y축 리사쥬 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

(도면부호는 추후에 기재할 예정임)

1 ; 선형 자성체 2 ; 검출코일

3 ; DC 바이어스 필드 코일 4a,4b,5a,5b ; 전극단자

10,20 ; 선형 자성체 11,21 ; 제1기판

12a-12d,22a-22d ; 제1 내지 제4 전극단자

14a-14n ; 제1도전패턴 15,25 ; 제2기판

15a,15b,24a,24b ; 전극단자 16a-16n ; 제2도전패턴

17a,17b ; 스루홀 18a,18b ; 연결패드

19 ; 도금

Claims

외부 자기장에 수평하게 위치되어 외부 자기장을 벡터적으로 감지하여 외부 자기장의 방향 및 크기를 측정하기 위한 자기 임피던스 효과를 이용한 미세자계검출센서에 있어서,

상기 외부 자기장의 X축 성분을 검출하기 위해 자기 임피던스 특성을 갖는 제1선형 자성체를 구비한 X축 자계검출센서와,

자기 임피던스 특성을 가지며 중앙부가 상기 제1선형 자성체의 중앙부와 직교하도록 배치되는 제2선형 자성체를 구비하고 상기 외부 자기장의 Y축 성분을 검출하기 위한 Y축 자계검출센서로 구성되며,

상기 X축 및 Y축 자계검출센서는 각각

절연체로 이루어진 제1기판과,

절연체로 이루어지며 상기 제1기판의 상부에 적층된 제2기판과,

자기장 열처리를 통하여 길이에 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 변화시킨 고투자율의 연자성 특성이 우수한 자성체를 사용하여 상기 제1기판에 선형으로 형성된 선형 자성체와,

상기 선형 자성체의 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 선형 특성구간의 중간위치로 시프트시키기 위한 DC 바이어스 필드 코일과,

상기 선형 자성체의 양단부에 각각 연장 형성되어 교류전류를 인가하기 위한 제1 및 제2 입력전극단자와,

상기 선형 자성체의 양단부에 각각 연장 형성되어 외부 자기장에 따른 선형 자성체의 자기 임피던스에 비례하는 검출신호를 검출하기 위한 제1 및 제2 출력전극단자로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 임피던스 효과를 이용한 극소형 미세자계검출센서.
외부 자기장에 수평하게 위치되어 외부 자기장을 벡터적으로 감지하여 외부 자기장의 방향 및 크기를 측정하기 위한 자기 임피던스 효과를 이용한 미세자계검출센서에 있어서,

상기 외부 자기장의 X축 성분을 검출하기 위해 자기 임피던스 특성을 갖는 제1선형 자성체를 구비한 X축 자계검출센서와,

자기 임피던스 특성을 가지며 중앙부가 상기 제1선형 자성체의 중앙부와 직교하도록 배치되는 제2선형 자성체를 구비하고 상기 외부 자기장의 Y축 성분을 검출하기 위한 Y축 자계검출센서와,

각각 상기 제1 및 제2 선형 자성체의 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 제1 및 제2 DC 바이어스 필드 인가수단으로 구성되며,

상기 제1 및 제2 선형 자성체는 고투자율의 연자성 특성이 우수한 자성체를 사용하여 길이에 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 변화시키기 위하여 자기장 열처리를 거친 자성체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 임피던스 효과를 이용한 극소형 미세자계검출센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 선형 자성체에 대한 자기장 열처리는 선형 자성체의 길이에 수직방향으로 자기장을 인가하면서 선형 자성체의 큐리 온도(T_c)보다 50℃ 낮은 온도부터 큐리 온도(T_c) 사이의 온도영역에서 30분 내지 5시간 범위로 열처리하는 것을 특징으로 하는 극소형 미세자계검출센서.
제1항에 있어서, 상기 DC 바이어스 필드 코일은 제1기판의 하부면과 제2기판의 상부면에 상기 선형 자성체를 둘러싸는 솔레노이드 형상을 이루도록 다수의 도전패턴과 다수의 도전패턴을 연결하는 도금된 다수의 스루홀로 구성되는 것을 특징으로 하는 극소형 미세자계검출센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선형 자성체는 Co 또는 Fe계 비결정질, 퍼멀로이, 슈퍼멀로이 및 인바로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세자계검출센서.
제2항에 있어서, 상기 미세자계검출센서는 4단자법으로 외부 자기장의 변화에 따른 자기 임피던스를 검출하는 것을 특징으로 하는 미세자계검출센서.
제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 자계검출센서 각각의 선형 자성체에 권취되어 외부 자기장의 각 축 성분을 검출하기 위한 제1 및 제2 검출코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세자계검출센서.
외부 자기장의 1축 성분을 검출하기 위한 1축 미세자계검출센서의 제조방법에 있어서,

고투자율의 연자성 특성이 우수한 자성체를 사용하여 길이에 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 변화시키기 위하여 자기장 열처리를 거친 자성체를 준비하는 단계와,

상기 자기장 열처리에 의해 원하는 이방성이 부여된 자성체를 제1기판 위에 적층하고 패턴닝에 의해 선형 자성체를 형성하는 단계와,

상기 제1기판 전체에 무전해 도금을 통하여 제1동박을 도금한 후, 제1동박을 패턴닝하여 선형 자성체의 양단부에 자기 임피던스 측정을 위한 제1 내지 제4 전극단자를 형성하는 단계와,

상기 제1기판의 하부면과 제2기판의 상부면에 각각 제2 및 제3 동박을 적층한 후, 제1기판 위에 제2기판을 적층하고, 상기 제2 및 제3 동박을 패턴닝하여 선형 자성체를 감싸는 코일 형상을 이루도록 선형상으로 이루어진 다수의 제1 및 제2 도전패턴을 형성하는 단계와,

상기 다수의 제1 및 제2 도전패턴의 양단부에 형성된 다수의 연결패드에 다수의 스루홀을 형성한 후 대응하는 연결패드 및 스루홀을 상호 연결하여, 선형 자성체의 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 DC 바이어스 필드(bias field) 코일을 형성하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 임피던스 효과를 이용한 극소형 미세자계검출센서의 제조방법.
외부 자기장의 2축 성분을 검출하기 위한 2축 미세자계검출센서의 제조방법에 있어서:

고투자율의 연자성 특성이 우수한 자성체를 사용하여 길이에 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 변화시키기 위하여 자기장 열처리를 거친 자성체를 준비하는 단계와,

상기 자기장 열처리에 의해 원하는 이방성이 부여된 자성체를 제1기판 위에 적층하고 패턴닝에 의해 선형 자성체를 형성하는 단계와,

상기 제1기판 전체에 무전해 도금을 통하여 제1동박을 도금한 후, 제1동박을 패턴닝하여 선형 자성체의 양단부에 자기 임피던스 측정을 위한 제1 내지 제4 전극단자를 형성하는 단계와,

상기 제1기판의 하부면과 제2기판의 상부면에 각각 제2 및 제3 동박을 적층한 후, 제1기판 위에 제2기판을 적층하고, 상기 제2 및 제3 동박을 패턴닝하여 선형 자성체를 감싸는 코일 형상을 이루도록 선형상으로 이루어진 다수의 제1 및 제2 도전패턴을 형성하는 단계와,

상기 다수의 제1 및 제2 도전패턴의 양단부에 형성된 다수의 연결패드에 다수의 스루홀을 형성한 후 대응하는 연결패드 및 스루홀을 상호 연결하여, 선형 자성체의 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 DC 바이어스 필드(bias field) 코일을 형성하는 단계로 구성되어, 외부 자기장의 1축 성분을 검출하기 위한 제1 및 제2 자계검출센서를 각각 준비하는 단계와;

상기 제1 및 제2 자계검출센서의 각각 선형 자성체 중앙부가 서로 직교하도록 제1 및 제2 자계검출센서를 서로 적층하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 임피던스 효과를 이용한 극소형 미세자계검출센서의 제조방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 선형 자성체에 대한 자기장 열처리는 선형 자성체의 길이에 수직방향으로 자기장을 인가하면서 선형 자성체의 큐리 온도(T_c)보다 50℃ 낮은 온도부터 큐리 온도(T_c) 사이의 온도영역에서 30분 내지 5시간 범위로 열처리하는 것을 특징으로 하는 극소형 미세자계검출센서의 제조방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 선형 자성체는 Co 또는 Fe계 비결정질, 퍼멀로이, 슈퍼멀로이 및 인바로 이루어진 군으로부터 선택된 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세자계검출센서의 제조방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 다수의 제1도전패턴 각각은 소정의 각도만큼 경사각을 갖고 선형 자성체 하부를 통과하도록 제1기판의 배면에 경사 패턴으로 형성되고, 다수의 제2도전패턴은 선형 자성체의 상부를 직교관계로 통과하도록 제2기판의 상부에 직선 패턴으로 형성되며, 상기 다수의 제1 및 제2 도전패턴의 양단부에 형성된 다수의 원형 연결패드는 서로 대응하는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 미세자계검출센서의 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 다수의 제1 및 제2 도전패턴은 양단부에 형성된 연결패드가 인접한 도전패턴과의 사이에 접촉이 이루어지는 것을 효과적으로 방지하도록 양측으로 연장된 단부 길이를 인접된 도전패턴 사이에 서로 다르게 형성하는 것을 특징으로 하는 미세자계검출센서의 제조방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 자기장 열처리는 선형 자성체의 이방성 방향 각도(θ_k)를 0°〈θ_k≤30° 범위로 설정하며,

상기 DC 바이어스 필드의 인가는 센서의 출력이 (+) 및 (-) 외부 자기장의 균등한 변화범위에 대응하여 선형의 자기 임피던스 특성을 나타내도록 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키는 것을 특징으로 하는 미세자계검출센서의 제조방법.