KR100487611B1 - 박막형 자계센서 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 박막형 자계센서에 관한 것으로서, 자계센서를 구성하는 단층 혹은 다층의 자성박막패턴의 연자성을 개선하고 자기이방성을 제어하기 위하여, 박막패턴에 크기와 인가되는 시간이 적절하게 조절된 직류 혹은 교류의 전류를 흘려서, 전류의 흐름에 의해 발생하는 열을 이용하여 열처리가 되게 하여 연자성을 개선하고, 전류의 흐름으로부터 발생하는 박막패턴의 폭방향으로 회전하는 자계에 의해 박막패턴의 자기이방성을 제어하는 처리를 하여 제조되는 박막패턴을 센싱 엘리멘트로 사용하는 자계센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은 외부에서 가해지는 자계를 검출하는 자계센서에 관한 것으로, 특히 지구자계와 같이 비교적 미약한 자계를 높은 분해능으로 검출하는 자계센서에 관한 것이다.
최근 휴대용 통신장치의 개발이 급속도로 진전됨에 따라 GPS신호를 이용한 위치정보에 대한 서비스가 실현 가능하게 되었다. 그러나 GPS신호만으로는 사용자가 충분히 빠르게 이동하지 않는 한 사용자의 위치를 파악하는 것 이상의 서비스를 제공하기가 어렵다. 예를 들어, 사용자가 지도정보를 이용하여 찾아가고자 하는 위치의 방향이나 최단거리 등을 휴대용 통신장치를 통하여 알려주는 서비스를 제공하기 위해서는 GPS신호와 더불어 방향을 알 수 있도록 해주는 센서의 탑재가 필수적이다. 이러한 방향을 알려주는 센서로는, 지구자계를 높은 감도로 측정하여 방향을 파악할 수 있도록 하여주는 자계센서가 유망하다.
휴대용 통신장치는 고성능화와 더불어 소형화가 같이 진척되고 있기 때문에 탑재되는 자계센서는 고감도특성을 가짐과 동시에 소형으로 제작될 수 있어야 하고, 작은 소비전력으로 구동될 수 있어야 한다. 이러한 관점에서 소형 플럭스게이트센서가 제안되고 있으나 코일을 이용하여 자성체를 여자해야 하므로 소비전력이 크고 복잡한 구조를 가지기 때문에 제작비가 많이 든다는 단점이 있다. 또, 자성체에 고주파전류를 통전시킬 때에 나타나는 표피효과가 외부자계에 의존함으로써, 출력전압의 변화가 얻어지는 센서(자기임피던스센서)가 제안되고 있다. 자기임피던스센서는 기존의 플럭스게이트센서와 동등한 정도의 높은 자계분해능을 가질 뿐 아니라, 구조가 간단하여 소형화에 적합하고 생산단가도 낮다. 또한 연자성의 자성박막을 간단한 리소그래피공정을 통해서 가공하여 대량생산을 할 수 있고, 공정제어도 비교적 간단하다.
자기임피던스센서를 박막 자성체를 이용하여 구현하는 경우, 열처리를 통하여, 박막패턴의 연자성특성을 향상시켜야 하고, 자기이방성을 패턴의 폭방향이 자화용이축이 되도록 제어하여야만 고감도의 자계센서가 얻어진다. 이를 위하여, 통상, 자성박막이 코팅된 웨이퍼를 진공조 내에서 가열한 후 자계를 인가하는 방법을 사용하나, 이와 같은 방법으로는 열처리에 의해 연자성 특성을 개선할 수는 있으나, 동일한 기판상에 서로수직으로 배치된 2축의 박막패턴 모두에 폭방향으로 자기이방성을 부여할 수 없다는 문제점이 있다.
이에 본 발명에서는, 자계센서를 구성하는 자성박막패턴에 크기와 인가되는 시간이 적절하게 조절된 직류 혹은 교류의 전류를 흘려서, 전류의 흐름에 의해 발생하는 줄(Joule)열을 이용하여 열처리가 되게 하여 연자성을 개선하고, 전류의 흐름으로부터 발생하는 박막패턴의 폭방향으로 회전하는 자계에 의해 박막패턴의 자기이방성이 제어되도록 하는 방법으로 제조한 자계센서를 제공하고자 한다. 이러한 방법을 이용하면, 박막 패턴의 폭방향으로 회전자계를 인가하여 센싱 패턴으로서 이상적인 자기이방성을 부여할 수 있으며, 또한, 동일한 기판상에 수직으로 배치된 2축의 박막패턴 모두에 폭방향으로 자기이방성을 부여할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1목적은 기판위에 제작된 자성박막패턴의 연자성특성의 향상 및 자기이방성제어를 용이하게 실시하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 제2목적은 동일한 기판위에 2축의 자성박막패턴이 형성된 경우에도 각각의 패턴에 대하여, 연자성의 향상과 함께 폭방향으로 자기용이축이 형성되도록 하는 자기이방성제어방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 제3목적은 자성박막패턴의 자기적 구조를 최적화함으로써 외부자계에 민감한 자계센서를 제공하는데에 있다
본 발명의 제4목적은 다음에 기술할 형태의 자계센서를 제작하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 자계센서는, 비전도성 기판과, 비전도성 기판에 설치되고 전류를 인가함으로써 열처리와 자기이방성 처리가 수행되는 자성박막패턴과, 자성박막패턴에 열처리 및 자기이방성 처리를 위한 전류와 센서구동을 위한 전류를 인가하기 위한 전극과, 구동회로로 이루어진다.
상기 비전도성 기판은 절연체 물질로 구성할 수 있으며, 예를들어, 유리, 실리콘, 플라스틱, 세라믹 기판 등을 사용할 수 있다. 상기 자성박막패턴은 연자성 물질로 구성할 수 있으며, 예를들어 Fe-Ni, Fe-Si-Al, Co-Nb-Zr, Fe-Hf-C, Fe-Cu-Nb-Si-B, Co-Fe-Si-B, Co-Fe-Ni-Si-B, Fe-Si-N 등의 조성을 가진 결정질재료, 비정질재료, 그리고 미결정질재료를 사용할 수 있다. 상기 센서용 구동회로는 PCB 또는 ASIC 등으로 구성할 수 있다.
본 발명의 자계센서를 이용하여 자계를 검출하는 원리는 다음과 같다.
자성박막패턴에, 예를들어, 고주파의 교류 정전류를 인가한 상태에서, 외부자계가 박막패턴의 길이 방향으로 인가되면, 박막패턴의 투자율이 증가되어, 와전류가 증가하여 표피의 두께가 감소하고 인덕턴스가 증가되어, 임피던스가 증가하므로, 출력전압이 증가하게 된다. 이 때, 이 출력전압은 외부자계의 세기와 외부자계와 박막패턴의 길이 방향과 이루는 각도의 함수이므로, 외부자계의 세기 및 방향을 알 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 자계센서의 적합한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예 1에 따른 2축 자계 센서의 모식도이다.
본 발명의 자계센서(10)는 비전도성 기판(11)과, 비전도성 기판(11)에 설치되고 전류를 인가함으로써 열처리와 자기이방성 처리가 수행되는 X축 방향의 자성박막패턴(12) 및 Y축 방향의 자성박막패턴(13)과, 자성박막패턴(12, 13)에 열처리 및 자기이방성 처리를 위한 전류와 센서구동을 위한 전류를 인가하기 위한 전극(14, 15, 16)과, 구동회로(17)로 구성된다.
본 발명의 자계센서(10)의 자성박막패턴(12, 13) 및 구동회로(17)는 통상의 반도체 제조 공정 등을 이용하여 용이하게 제조할 수 있으며, 열처리를 통하여 자성박막 패턴(12, 13)의 연자성을 개선하고, 박막패턴(12, 13)에 폭 방향으로 회전하는 자기이방성을 부여하기 위하여 다음과 같은 처리를 수행한다.
예를들어, 전극(15)의 전압을 전극(14)의 전압 보다 높게 설정하면, 전류는 도2에 나타낸 것과 같이 박막패턴(12)의 길이 방향으로 흐르게 되고, 이 전류에 의해 발생하는 자계는, 도3에 나타낸 것과 같이, 박막패턴(12)의 횡단면과 같은 평면에서 회전하게 된다. 따라서, 크기와 인가되는 시간이 적절하게 조절된 직류 혹은 교류의 전류를 인가하면, 박막패턴(12)의 저항에 기인하여 박막패턴(12)의 저항과 박막패턴(12)에 흐르는 전류의 제곱과의 곱에 비례하는 줄열이 발생하므로, 박막패턴(12)가 열처리 되어 연자성이 개선된다. 이 때, 기판(11)으로 전도되는 열과 공기로 대류되는 열, 그리고 복사되는 열을 제외한 열에 의한 온도가 박막패턴(12)의 큐리온도 이상 혹은 큐리온도에 근접하게 되게 하고, 특히 비정질 박막이나 미결정질 박막을 이용하는 경우에는 결정화 온도 이하가 되게 함으로써 최적의 열처리조건을 확립할 수가 있다.
또한, 동시에 전류에 의해 발생하는 도3에 나타낸 것과 같은 상기 자계에 의해 박막패턴(12)의 폭방향으로 자기이방성이 부여되어, 도5에 나타낸 것과 같이 박막패턴(12)의 폭 방향을 자화 용이축으로 하는 자기분역 구조가 얻어져, 고감도의 박막패턴(12)이 얻어진다.
이와 같은 통전에 의한 열처리 및 자기이방성 부여는 박막패턴(13)에도 동일한 방법으로 적용할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 자계센서(10)의 경우에는, 동일한 기판(11) 위에 서로 수직으로 형성된 2축 자성박막패턴(12, 13) 모두에 폭 방향으로의 자기이방성을 부여하는 것이 가능하다. 그러나, 통상의 자계중 열처리법은 어느 한쪽 방향으로만 자장을 인가하여 열처리를 수행하므로, 2축 자성박막패턴(12, 13)의 경우, 어느 한 쪽의 박막패턴에 폭 방향으로 자장이 인가되면, 또 다른 쪽의 박막패턴에는 길이 방향으로 자장이 인가되므로, 두 패턴(12, 13) 모두에 대해 폭 방향으로 자장을 인가하는 것이 불가능하여, 두 패턴(12, 13) 모두에게 폭 방향의 자기이방성을 부여할 수 없다.
이와 같이 제조한 2축 자계센서(10)에 예를들어, 고주파의 교류 정전류를 전극(14, 15, 16)을 이용하여 인가한 상태에서, 외부자계가 박막패턴(12, 13)의 길이 방향으로 인가되면, 박막패턴(12, 13)의 투자율이 증가되어, 와전류가 증가하여 표피의 두께가 감소하고 인덕턴스가 증가되어, 임피던스가 증가하므로, 출력전압이 증가하게 된다. 이때, 이 출력전압은 외부자계의 세기와 외부자계와 박막패턴(12, 13) 각각의 길이 방향과 이루는 각도의 함수이므로, X축 방향의 박막패턴(12) 및 Y축 방향의 박막패턴(13)의 출력전압으로부터 외부자계의 세기 및 방향을 알 수 있다.
도4는 본 발명의 일 실시예 2에 따른 2축 자계 센서의 박막패턴(20)의 횡단면의 모식도이다. 본 발명의 실시예 2에 따른 자계센서는, 실시예 1의 자계센서(10)과 비교하여, 박막패턴(20)이 연자성박막(21)과 도전체 박막(22)과 연자성 박막(21)이 교대로 적층된 구조를 가지는 점이 다르며, 평면도와 나머지 구성과 제조방법은 실시예1의 자계센서(10)과 유사하다.
상기 도전체 박막(22)은 도전성을 갖는 물질로 구성할 수 있으며, 예를들어, Cu, Al, Au, Ag 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예 2에 따른 2축 자계 센서의 자계 검출 방법은 다음과 같다. 예를들어, 고주파의 교류 정전류를 도전체 박막(22)인가하면, 이에 따른 자계가 연자성박막(21)에, 도 4에 도시한 것과 같이, 인가되며, 이러한 상태에서, 외부자계가 연자성박막(21)의 길이 방향으로 인가되면, 박막패턴(20)의 투자율이 증가되어, 와전류가 증가하여 표피의 두께가 감소하고 인덕턴스가 증가되어, 임피던스가 증가하므로, 출력전압이 증가하게 된다. 이때, 이 출력전압은 외부자계의 세기와 외부자계와 박막패턴(20)의 길이 방향과 이루는 각도의 함수이므로, X축 및 Y축 방향의 박막 패턴(20)의 출력전압으로부터 외부자계의 세기 및 방향을 알 수 있다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 자계센서에 의하면, 기판 위에 제작된 자성박막패턴의 연자성특성의 향상 및 자기이방성제어를 용이하게 실시할 수 있으며, 동일한 기판위에 2축의 자성박막패턴이 형성된 경우에도 각각의 패턴에 대하여, 연자성의 향상과 함께 폭방향으로 자화용이축이 형성되도록 자기이방성을 제어할 수 있으며, 자성박막패턴의 자기적 구조를 최적화함으로써 외부자계에 민감한 자계센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 2축 자계센서의 평면도
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 2축 자계 센서의 자성박막패턴들과 전극들 및 자성박막패턴에 흐르는 전류의 방향을 나타낸 평면도
도 3는 본 발명의 실시예 1에 따른 2축 자계센서의 단층으로 구성된 자성박막패턴의 횡 단면과 횡단면에 흐르는 전류의 방향과 이에 따라 인가 되는 자계의 방향을 나타낸 단면도
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 2축 자계센서의 3층으로 구성된 자성박막패턴의 횡 단면과 횡단면에 흐르는 전류의 방향과 이에 따라 인가 되는 자계의 방향을 나타낸 단면도
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라, 자성박막패턴의 폭 방향으로 자기이방성을 부여하여 얻어지는 자기분역의 주요부분의 일예를 나타내는 평면도
※도면 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 2축 자계센서 11 : 비도전성 기판
12: X축 방향의 자성박막패턴 13: ,Y축 방향의 자성박막패턴
14, 15, 16 : 전극 17 : 구동회로
20: 다층 박막 패턴 21: 자성박막
22: 도전체 박막
Claims (2)
- 동일한 비전도성 기판상에 서로 수직한 방향으로 제 1 자성박막패턴과 제 2 자성박막패턴을 형성하는 제 1 단계;상기 제 1 및 제 2 자성박막패턴에 전류를 인가하여. 인가된 전류의 흐름에 의해 발생되는 열로 상기 제 1 및 제 2 자성박막패턴에 대한 열처리를 수행하고 동시에 상기 제 1 및 제 2 자성박막패턴에 각각 폭방향으로 자기 이방성을 부여하는 제 2 단계를 포함하는 박막형 자계센서 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 자성박막패턴은Fe-Ni, Fe-Si-Al, Co-Nb-Zr, Fe-Hf-C, Fe-Cu-Nb-Si-B, Co-Fe-Si-B, Co-Fe-Ni-Si-B, Fe-Si-N 중의 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 박막형 자계센서 제조방법.
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