KR100590211B1 - 자기 임피던스 소자, 그를 이용한 센서 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

자기 임피던스 소자, 그를 이용한 센서 장치 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100590211B1
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후나바시히로후미
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가부시키가이샤 덴소
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Abstract

자기 센서 장치는 반도체 기판 및 자계를 검출하기 위한 자기 임피던스 소자를 포함한다. 자기 임피던스 소자는 기판 위에 배치된다. 자기 센서 장치는 최소 크기를 가지며, 적은 제조 비용으로 제조된다. 여기서, 자기 임피던스 소자는 교류 전류가 소자에 인가될 때에, 소자의 임피던스가 자계에 따라 변화되면, 외부 전기 회로에 의해 상기 임피던스를 측정하는 방식으로 상기 자계를 검출한다.
반도체 장치, 센서 장치, 자기 임피던스, 자계, 연자성, 강자성

Description

자기 임피던스 소자, 그를 이용한 센서 장치 및 그 제조 방법{MAGNETIC IMPEDANCE DEVICE, SENSOR APPARATUS USING THE SAME AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 임피던스 소자를 도시한 평면도.
도2는 도1에서의 Ⅱ-Ⅱ 선에 따른 소자를 도시한 단면도.
도3은 도1에서의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 소자를 도시한 단면도.
도4a 내지 도4c는 제1 실시예에 따른 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.
도5는 제1 실시예에 따른 소자의 외부 자계 Hext와 임피던스 Z 사이의 관계를 도시한 그래프.
도6은 제1 실시예에 따른 소자의 제로 자계에서의 온도 T와 임피던스의 온도 드리프트 Z-Zat25℃/Zat25℃ 사이의 관계를 도시한 그래프.
도7은 제1 실시예에 따른 소자의 제로 자계에서의 온도 T와 센서 감도의 온도 의존도 △(Z-Zat25℃/Zat25℃)/(Z-Zat25℃/Zat25℃) 사이의 관계를 도시한 그래프.
도8은 제1 실시예에 따른, 상이한 소자에서 제로 자계에서의 자기 임피던스 의 온도 의존도 △Zo/△T 와, 센서 감도의 온도 의존도 △(△Z/Zo)/△T의 계수를 나타낸 테이블.
도9는 제1 실시예에 따른, 상이한 소자에서의 임피던스 변화율 △Z/Zo을 나타낸 테이블.
도10은 제1 실시예에 따른 소자에서의 자성층의 길이 L1과 임피던스 변화율 △Z/Zo 사이의 관계를 도시한 그래프.
도11은 제1 실시예에 따른, 상이한 소자에서의 임피던스 변화율 △Z/Zo를 나타낸 테이블.
도12는 제1 실시예에 따른 소자에서의 자성층의 폭 L2와 임피던스 변화율 △Z/Zo 사이의 관계를 도시한 그래프.
도13은 제1 실시예에 따른, 상이한 소자에서의 임피던스 변화율 △Z/Zo를 나타낸 테이블.
도14는 제1 실시예에 따른 소자에서의 자성층의 두께 L3와 임피던스 변화율 △Z/Zo 사이의 관계를 도시한 그래프.
도15는 제1 실시예에 따른, 상이한 소자에서의 임피던스 변화율 △Z/Zo를 나타낸 테이블.
도16은 제1 실시예에 따른 소자에서의 자성층의 입자 크기와 임피던스 변화율 △Z/Zo 사이의 관계를 도시한 그래프.
도17은 제1 실시예에 따른, 상이한 소자에서의 임피던스 변화율 △Z/Zo를 나타낸 테이블.
도18은 제1 실시예에 따른 소자에서의 기판의 표면 조도와 임피던스 변화율 △Z/Zo 사이의 관계를 도시한 그래프.
도19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 임피던스 소자를 도시한 평면도.
도20은 도19에서의 XX-XX 선에 따른 소자를 도시한 단면도.
도21은 제2 실시예에 따른, 상이한 소자에서의 임피던스 변화율 △Z/Zo를 나타낸 테이블.
도22는 제2 실시예에 따른 소자의 외부 자계 Hext와 임피던스 Z 사이의 관계를 도시한 그래프.
도23은 제2 실시예에 따른 소자의 보호층의 내부 응력 σ과 임피던스 변화율 △Z/Zo 사이의 관계를 도시한 그래프.
도24는 제2 실시예에 따른 소자의 보호층의 내부 응력 σ과 임피던스 변화율 △Z/Zo 사이의 관계를 도시한 그래프.
도25는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기 센서 장치를 도시한 단면도.
도26은 제3 실시예에 따른 자기 임피던스 소자를 도시한 확대 평면도.
도27은 제3 실시예에 따른 장치의 전기 회로를 도시한 블록도.
도28은 본 발명의 제4 실시예에 따른 자기 센서 장치를 도시한 단면도.
도29는 본 발명의 제5 실시예에 따른 자기 센서 장치를 도시한 단면도.
도30은 본 발명의 제6 실시예에 따른 자기 센서 장치를 도시한 단면도.
도31은 본 발명의 제7 실시예에 따른 자기 센서 장치를 도시한 단면도.
도32는 본 발명의 제8 실시예에 따른 자기 센서 장치를 도시한 단면도.
도33은 본 발명의 제9 실시예에 따른 자기 센서 장치를 도시한 단면도.
도34는 본 발명의 제10 실시예에 따른 회전 센서 장치를 도시한 단면도.
도35a 내지 도35c는 제10 실시예에 따른 회전 센서 장치의 일부를 도시한 단면도.
도36은 제10 실시예에 따른 다른 회전 센서 장치를 도시한 단면도.
도37은 본 발명의 제11 실시예에 따른 회전 센서 장치를 도시한 단면도.
도38a 내지 도38c는 본 발명의 제12 실시예에 따른 회전 센서 장치를 도시한 단면도.
도39는 제12 실시예에 따른 다른 회전 센서 장치를 도시한 단면도.
도40a 및 도40b는 본 발명의 제13 실시예에 따른 회전 센서 장치를 도시한 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
22 : 기판 24 : 절연층
26 : 자성층 28 : 전극 패드
30 : 교류 전류원
본 발명은 자기 임피던스 소자, 그를 이용한 센서 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 센서 장치는 회전 센서 장치에 적합하게 사용된다.
종래의 자기 임피던스 소자는 자기 임피던스 효과를 이용하고, 일본특허출원공보 제H08-75835호에 기재되어 있다. 자기 임피던스 효과는, 소자가 교류 전류(예로, 1MHz 보다 높은 고주파 교류)로 통전되는 경우에, 소자의 임피던스가 외부 응력에 따라 변화하는 것이다. 소자는 자성층을 포함하는데, 이것은 비결정성 합금으로 구성되고, 연자성(soft magnetic) 특성을 갖는다. 여기서, 비결정성 합금은 비교적 높은 투자율(magnetic pepermeability 갖는다. 따라서, 외부 자계에 따라 자성층에서의 투자율의 변화가 커져서, 소자가 고감도를 가지게 된다.
그러나, 비결정성 합금으로 이루어진 자성층을 갖는 자기 임피던스 소자는 낮은 내열성을 가지므로, 소자가 약 400℃ 이상으로 열처리되는 경우에, 소자의 감도가 매우 감소하게 된다. 그 이유는 다음과 같다. 비결정성 합금으로 이루어진 자성층의 결정화 온도는 약 400℃ 정도로 낮다. 그러므로, 장치가 약 400℃ 이상으로 열처리되면, 비결정성 합금이 결정화되어, 비결정성 합금의 연자성 특성이 사라지게 된다. 여기서, 비결정성 합금의 연자성 특성은 높은 감도의 자기 임피던스를 제공한다.
또한, 자성층이 쉽게 산화될 수 있는 물질로 형성된 경우에, 자성층이 열처 리에 의해 산화되어, 연자성 특성이 저하된다. 이에 따라, 감도가 떨어지게 된다.
그러므로, 종래의 반도체 처리 방법을 이용하여 비결정성 합금으로 이루어진 자성층을 갖는 자기 임피던스 소자를 제조하는 것은 어렵다. 이것은, 종래의 방법은 대개 약 400℃ 이상의 열처리 단계를 포함하기 때문이다. 따라서, 종래 방법을 이용하여 소자를 소형화하기 어려우므로, 소자는 센서 출력 신호 처리기와 같은 다른 회로와 집적화된다.
또한, 소자가 어닐링, 즉, 열처리될 때에, 기판의 열팽창률이 소자의 열팽창률과 다르기 때문에, 기판에서 응력이 발생된다. 여기서, 소자는 기판 위에 실장된다. 따라서, 어떤 경우에는, 소자가 기판으로부터 분리될 수 있다. 이러한 분리를 막기 위해, 자기 임피던스 소자를 구성하는 자성층을 증착하기 위한 증착 조건을 변화시키거나, 자성층의 필름 품질을 변화시킨다. 이것은 일본특허출원공보 제2001-228229호에 기재되어 있다. 그러나, 제한된 제조 방법으로 형성되고, 제한된 구성을 가질 필요가 있다.
게다가, 고감도를 갖는 자기 임피던스 소자는 다양한 센서 시스템에 이용할 수 있기 때문에, 소형화 및 적은 제조 비용이 더욱 요구된다. 예를 들면, 박막 자기 임피던스 소자를 갖는 종래 기술에 따른 자기 임피던스 헤드 모듈이 일본특허출원공보 제2001-318131호에 기재되어 있다. 헤드 모듈은 박막 자기 임피던스 소자, 고주파 교류로 상기 소자에 전류를 공급하기 위한 전력 공급 회로, 및 임피던스 변화를 검출하기 위한 검출 회로를 포함하는데, 이들은 개별 회로로 제공된다. 각 개별 회로는 하이브리드 IC로 조합된다. 따라서, 헤드 모듈의 소형화 및 제조 비용의 절감에는 한계가 있다.
또한, 자기 임피던스 소자는 차량에 장착되는, 회전체의 회전을 검출하는 센서 장치에 적합하게 사용된다. 종래 기술에 따른 회전 센서 장치는 일본특허출원 제H08-304432(즉, 미국특허 제5,841,276호) 및 제2000-46513호에 기재되어 있다. 이 센서 장치들은 차량의 엔진 또는 휠 허브에 장착되어, 센서 장치가 엔진의 크랭크축의 회전 또는 차량의 휠의 회전을 검출한다. 각 경우에, 장치의 장착 성능을 개선하고 엔지의 설계 자유도 등을 높이기 위해, 센서 장치를 소형화할 필요가 있다.
또한, 차량에 장착된 자기 임피던스 장치는 간단한 구성의 소자를 이용하여 자계의 외란(outside disturbance)으로부터 보호되도록 요구된다. 이것은 자기 임피던스 소자가 고감도를 가지므로, 소자가 자계의 외란에 의해 쉽게 영향을 받기 때문이다. 따라서, 종래 기술에 따른 자기 임피던스 소자를 갖는 전류 센서는, 예를 들면, 외란을 감소시키기 위한 반전 권선 코일쌍 및 자기 실드를 포함한다. 이러한 형태의 전류 센서는 일본특허출원공보 제2001-116773에 기재되어 있다. 그러나, 이 전류 센서는 복잡한 구성을 가지므로, 제조 비용이 증가된다.
상기의 문제점의 관점에서, 본 발명의 목적은 최소 크기를 가지며, 적은 제조 비용으로 제조되는 자기 임피던스 소자를 갖는 센서 장치를 제공하는 것이다. 특히, 상기 자기 임피던스 소자는 높은 내열성을 갖는다. 즉, 소자가 열처리되는 경우에도, 소자의 자기 특성, 즉 센서 감도가 저하되지 않는다. 또한, 상기 센서 장치는 높은 실장 효율 및 높은 설계 자유도를 갖는 회전 센서에 적합하게 사용된다.
본 발명의 다른 목적은 최소 크기를 가지며, 적은 제조 비용으로 제조되는 자기 임피던스 소자를 갖는 상기 센서 장치를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 자계의 외란에 대해 높은 저항력을 가진 자기 임피던스 소자를 갖는 센서 장치를 제공하는 것이다. 또한, 상기 센서 장치는 예로 차량에 장착되는 회전 센서에 적합하게 사용된다.
자기 센서 장치는 자계를 검출하기 위한 자기 임피던스 소자 및 반도체 기판을 포함한다. 자기 임피던스 소자는 기판 위에 배치된다. 이 자기 센서 장치는 최소 크기를 가지며, 적은 제조 비용으로 제조된다.
또한, 상기의 자기 센서 장치를 제조하기 위한 방법은 기판 위에 응력 완화층을 형성하는 단계, 및 상기 응력 완화층 위에 자기 임피던스 소자를 형성하는 단계를 포함한다. 응력 완화층은 장치가 열처리되는 경우에 기판에서 발생되는 응력을 완화시킨다. 이 방법은 최소 크기를 가지며 적은 제조 비용으로 제조되는 자기 센서 장치를 제공한다. 또한, 기계적 강도와 관련되는 장치의 신뢰도가 향상된다.
상기 장치에서, 자기 임피던스 소자는, 교류가 소자에 인가되고, 외부 전기 회로에 의해 임피던스가 측정될 때, 소자의 임피던스가 자계에 따라 변화되는 방식으로 자계를 검출한다. 자기 임피던스 소자는 Ni-Fe 계열 합금막으로 이루어진 자 성층을 포함한다. 자성층은 교류의 통전 방향에서 L1으로 정의되는 길이, 통전 방향에 대해 직각인 직각 방향에서 L2로 정의되는 폭, 및 L3로 정의되는 자성층의 두께를 갖는다. 길이와 폭의 비율은 α, 즉, α= L1/L2로 정의되고, 폭과 두께의 비율은 β, 즉, β = L2/L3로 정의된다. 비율 α는 10 보다 크거나 같고, 비율 β는 1과 50 사이의 범위이다. 두께 L3는 5μm 보다 크거나 같다.
상기의 장치에서, 장치가 열처리되더라도 센서 감도가 저하되지 않는다. 따라서, 장치는 높은 내열성을 갖는다. 또한, 장치는 높은 센서 감도를 갖는다.
상기 장치는 자성층을 덮기 위한 보호층을 포함하는 것이 바람직하다. 보호층은 전기적인 절연 재료로 이루어진다. 또한, 상기 보호층은 전기적인 절연 재료로 이루어진다. 상기 보호층은 내부 응력으로서 압축 응력을 가지며, 상기 압축 응력은 500MPa 보다 작거나 같은 것이 바람직하다. 또한, 상기 보호층은 내부 응력으로서 신장(tensile) 응력을 가지며, 상기 신장 응력은 100MPa 보다 작거나 같은 것이 바람직하다. 상기의 장치에서, 장치가 열처리되더라도 센서 감도가 저하되지 않는다. 따라서, 장치는 높은 내열성을 갖는다. 구체적으로, 장치의 자성층은 장치가 어닐링되더라도 실질적으로 산화되지 않는다. 또한, 장치는 높은 센서 감도를 갖는다.
또한, 회전 센서 장치는 회전체의 회전에 따라 회전체 둘레에 배치되는 자계 세기의 주기적인 변화를 제공하기 위한 회전체, 회전체의 회전을 검출하기 위해, 자계 세기의 주기적인 변화를 검출하기 위한 자기 임피던스 소자를 갖는 자기 센서, 및 회전체와 자기 센서 사이를 분리하기 위한 분리 실드를 포함한다. 자기 센 서는 상기 분리 실드를 통해 상기 회전체의 회전을 검출한다.
상기의 회전 센서 장치에서는, 분리 실드가 자기 센서와 회전체 사이에 배치되더라도, 높은 센서 감도를 갖는 자기 센서가 회전체의 회전을 검출할 수 있다. 그러므로, 자기 센서는 자기 센서를 장착하기 위한 구멍을 뚫지 않고, 분리 실드 외부에 배치될 수 있다. 따라서, 장치는 분리 실드상에 자기 센서를 실장하기 위한 높은 실장율을 가지며, 분리 실드의 높은 설계 자유도를 갖는다.
분리 실드는 회전체를 덮기 위한 케이스인 것이 바람직하다. 자기 센서는 케이스 안에 배치된 회전체의 회전을 검출한다.
회전 센서 장치는 또한 다른 자기 센서를 포함하는 것이 바람직하다. 2개의 자기 센서는 회전체 피치의 1/2만큼 이격되도록 평행하게 배열되고, 회전체의 회전축 둘레에 대칭적으로 배치된다. 2개의 자기 센서가 각각 신호를 출력하여 차동 출력 신호가 획득된다. 이 경우에, 장치는 두 자기 센서로부터 발생된 차동 출력을 검출한다. 이 차동 출력은 각 자기 센서에 배치된 지자계의 불변 성분을 상쇄한다. 그러므로, 장치는 자계의 주기적인 변화를 훨씬 정확하게 검출한다. 즉, 장치는 회전을 보다 정확하게 검출한다.
분리 실드는 자기 센서를 덮기 위한 센서 케이스인 것이 바람직하다. 센서 케이스는 자성체로 이루어지고, 회전체를 향하는 개구부를 포함한다. 자기 센서는 센서 케이스의 개구부를 통해 상기 회전체의 회전을 검출한다. 이 경우에, 장치는 작은 개구부를 갖는 센서 케이스가 자기 센서를 덮은 간단한 구성을 가지므로, 자기 센서 둘레의 자계의 외란의 영향이 감소된다. 그러므로, 장치의 제조 비용이 절 감된다. 또한, 자기 임피던스 소자를 갖는 장치는 자계의 외란에 대한 높은 저항력을 가진다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적, 특징 및 장점들은 첨부된 도면을 참조한 다음의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
(제1 실시예)
본 발명은 높은 내열성을 갖는 자기 임피던스 소자내의 자성층을 구성하는 자성체로서 Ni-Fe 계열 합금으로 이루어진 자성 박막을 검사하여, 소자가 400℃ 이상으로 열처리되는 경우라도, 소자의 감도가 저하되지 않는다.
제1 실시예에 따른 자기 임피던스 소자는 자기 임피던스 효과를 이용한다. 자기 임피던스 효과는 소자가 교류 전류로 통전될 때에 외부 자계에 따라 소자의 임피던스가 변화하는 것이다. 소자는 Ni-Fe 계열 합금막으로 이루어진 자성층을 포함한다. 여기서, Ni-Fe 계열 합금막은 높은 퀴리 온도를 가지며 다결정 재료로 이루어진다. 따라서, Ni-Fe 계열 합금막으로 이루어진 자성층의 자기 특성은 400℃ 이상의 열처리 후에 변화하지 않는다. 예를 들면, 소자의 센서 감도는 열처리 후에 저하되지 않는다. 그러므로, 소자는 높은 내열성을 가진다.
제1 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(1)가 도1 내지 도3에 도시되어 있다. 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 소자(1)는 기판(22), 절연층(24), 자성층(26) 및 한 쌍의 전극 패드(28a, 28b)를 포함한다. 전극 패드(28a, 28b)는 교류 전류원(30) 에 연결된다. 교류 전류원(30)은 전류원(30)으로부터 출력되는 교류 전류의 주파수를 제어할 수 있다. 도1에서, 외부 자계 Hext가 소자(1)에 인가되고, 전류원(30)으로부터 출력되는 교류 전류가 소자(1)를 통해 흐른다. 전류원(30)으로부터 출력되는 교류의 통전 방향은 외부 자계 Hext에 대해 평행하다.
기판(22)은 절연층(24), 자성층(26) 등이 그 위에 형성될 수 있는 한 어떤 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 기판은 실리콘 웨이퍼, 유리, 금속 등으로 이루어진다. 기판(22)이 금속 또는 실리콘과 같은 도전 재료 또는 반도체 재료로 이루어진 경우, 절연층(24)이 기판(22)과 자성층(26) 사이에 배치되어, 자성층(26)이 기판(22)으로부터 전기적으로 절연된다.
기판(22)이 유리와 같은 절연 재료로 이루어진 경우, 자성층(26)은 절연층(24)없이 기판(22) 위에 직접 형성될 수 있다. 또한, 일부 경우에, 절연층(24) 이외의 도전층과 같은 다른 재료가 기판(22)과 자성층(26) 사이에 형성될 수 있다. 기판(22)의 표면 조도(surface roughness)는 1μm 보다 작다. 이 경우에, 기판(22) 표면의 오목부와 볼록부가 작고, 자성층(26)이 기판(22) 위에 직접 배치되거나, 절연층(24) 등을 통해 기판(22) 위에 배치되어, 자성층(26)이 쉽게 자화될 수 있다. 상세히 말하면, 자성층(26)은 우수한 연자성 특성을 갖는다. 또한, 절연층(24)은 기판(22)과 자성층(26) 사이를 절연시키는 한, 어떠한 절연 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 절연층(24)은 산화 실리콘, 질화 실리콘 등으로 이루어질 수 있다.
자성층(26)은 절연층(24) 위에 형성된다. 자성층(26)은 Ni-Fe 계열 합금막으 로 이루어지는데, 이것은 얇은 박막이며, 연자성 특성을 가진 강자성체로 이루어진다. Ni-Fe 계열 합금막은 Ni와 Fe 만으로 이루어진다(즉, Ni-Fe 합금). 그러나, 자성층(26)은 Fe-Co 합금 등으로 이루어질 수 있다. 자성층(26)을 구성하는 Ni-Fe 계열 합금의 조성은 65-90 중량%의 Ni 및/또는 15-35 중량%의 Fe가 바람직하다. Ni-Fe 계열 합금이 Ni와 Fe 만으로 이루어지는 경우에, 그 조성은 65-90 중량%의 Ni 및/또는 15-35 중량%의 Fe가 바람직하다. 이 경우에, 센서 감도가 향상된다. 자성층(26)을 구성하는 Ni-Fe 계열 합금의 조성은 77-85 중량%의 Ni 및/또는 15-23 중량%의 Fe인 것이 더욱 바람직하다. Ni-Fe 계열 합금이 Ni와 Fe 만으로 이루어지는 경우에, 그 조성은 77-85 중량%의 Ni 및/또는 15-23 중량%의 Fe가 바람직하다. 이 경우에, 자성층(26)의 투자율의 온도 의존도가 감소되어, 자기 임피던스 소자(1)가 높은 센서 감도 및 낮은 감도의 온도 의존도를 갖는다.
도3에 도시된 바와 같이, 자성층(26)의 단면은 사각형이고, 통전 방향에 대해 수직이다. 자성층(26)의 단면은 위도면(26a)과 경도면(26b)을 가진다. 위도면(26a)과 경도면(26b) 사이의 각도는 60°내지 120°사이의 범위가 바람직하다. 이 경우에, V자형태의 자기 구역이 발생되는 것으로부터 방지된다. 따라서, 자성층(26)의 자기 임피던스 특성에서 히스테리시스 루프(hysteresis loop)가 발생되는 것으로부터 방지될 수도 있다. 각도θ는 85°내지 95°사이의 범위인 것이 보다 바람직하다.
자성층(26)을 구성하는 Ni-Fe 계열 합금의 단일 결정 입자의 입자 크기는 1nm 내지 1μm 사이의 범위가 바람직하다. 입자 크기가 1nm 보다 작은 경우, 소자 가 열처리될 때에 입자 크기가 더 커지게 된다. 따라서, 연자성 특성이 쉽게 파괴된다. 입자 크기가 1μm 보다 큰 경우, 연자성 특성을 갖도록 자성층(26)을 자화시키기 어렵다. 게다가, 자성층(26)은 자화 용이축을 갖는데, 이것은 교류 전류원(30)으로부터의 교류의 통전 방향에 거의 수직이거나 또는 평행이다. 이 경우에, 외부 자계를 검출하기 위한 검출 감도가 향상된다. 또한, 자성층(26)의 자기 특성이 항자력(抗磁力 : coercive force)이 10 Oe 보다 작고, 비투자율이 500 보다 높도록 하는 것이 바람직하다.
도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 자성층(26)은 교류 전류의 통전 방향으로 길이 L1, 통전 방향에 대해 수직인 폭 L2, 및 자성층(26)의 두께 L3를 갖는다. 길이 L1과 폭 L2 간의 비율은 α, 즉, α = L1/L2 로 정의되고, 폭 L2와 두께 L3 간의 비율은 β, 즉, β = L2/L3 로 정의되는데, 여기서, α는 10 보다 크거나 같고, β는 1 내지 50 사이이다(즉, α≥ 10 이고, 1≤β≤50). 또한, 두께 L3는 5μm 보다 크거나 또는 같다. 이 경우에, 자기 임피던스 소자는 높은 센서 감도를 가진다. 이것은, 자성층(26)이 상기의 구성을 갖는 경우에, 자성층(26)의 투자율이 외부 자계에 따라 크게 변화되지 않도록, 자성층(26)의 자기 구역이 실제로 제어될 수 있기 때문이다.
보다 바람직하게는, 비율α가 50 보다 크거나 같을 때에, 센서 감도가 더욱 향상된다. 또한, 비율β가 1 내지 30 사이의 범위일 때에, 센서 감도가 더욱 향상된다. 특히, 비율β가 1 내지 5 사이의 범위일 때에, 센서 감도가 더욱 향상된다. 상기의 이유는 후술된다.
전극 패드(28a, 28b)가 절연층(24) 위에 형성된다. 각 전극 패드(28a, 28b)는 경도 방향으로 자성층(26)의 일측단 또는 타측단을 덮는다. 전극 패드(28a, 28b)는 전극으로서 역할하는 어떤 재료로 만들어질 수 있다. 예를 들면, 그 재료는 알루미늄, 구리 및 그 합금이다. 전극 패드(28a, 28b)의 저항값은 10μΩㆍcm 보다 작거나 같은 것이 바람직하다.
다음으로, 자기 임피던스 소자(1)의 제조 방법은 다음과 같다. 먼저, 도4a 내지 도4c에 도시된 바와 같이, 기판(22)이 준비된다. 그리고 나서, 기판(22) 위에 절연층(24)이 형성된다. 기판(22)이 실리콘으로 이루어지는 경우, 실리콘 산화물로 이루어진 절연층(24)이 형성되도록, 열산화를 이용하여 실리콘 기판(22)의 표면이 산화된다. 또한, 절연층(24)은 화학적 증기 증착법, 스퍼터링(sputtering) 방법 등을 이용하여 형성될 수 있으며, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물로 이루어진다. 절연층(24)을 형성하기 위한 증착 방법에는 제한이 없다.
다음으로, Ni-Fe 계열 합금막이 절연층(24) 위에 형성된다. Ni-Fe 계열 합금막은 스퍼터링 방법, 증기 증착 또는 코팅 방법을 이용하여 형성될 수 있다. Ni-Fe 계열 합금을 형성하기 위한 증착 방법에는 제한이 없다. Ni-Fe 계열 합금막은 포토 에칭 방법을 이용하여 소정의 형태로 패터닝되어, 도4c에 도시된 바와 같이, 자성층(26)이 형성된다. 이 경우에, 자계하 증착 또는 자계하 열처리 동안에, 단일축 이방성 자계가 교류 전류의 통전 방향, 즉, 자성층(26)의 경도 방향으로 인가되어, 자성층(26)이 통전 방향을 따라 자화 용이축을 갖는다.
다음으로, 전극을 위한 예비층이 자성층(26) 및 절연층(24) 위에 형성된다. 예비층은 스퍼터링 방법, 증기 증착 또는 코팅 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 예비층을 형성하기 위한 증착 방법에는 제한이 없다. 예비층은 포토 에칭 방법을 이용하여 소정의 형태로 패터닝되어, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 자성층(26)의 양단을 덮도록, 전극 패드(28a, 28b)가 형성된다. 그리고 나서, 전극(28a, 28b)은 본딩 와이어로 연결된다. 이로써, 자기 임피던스 소자(1)가 완성된다.
보다 상세한 제조 방법이 다음에 기술된다. 본 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(S11)(도8에 나타남)가 제조된다. 도4a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(22)이 준비된다. 기판(22) 위에 열산화 방법을 이용하여 1μm 두께를 갖는 실리콘 산화물로 이루어지는 절연층(24)이 형성된다.
다음으로, 2μm 두께를 갖는 Ni81Fe19 합금층이 자계하의 스퍼터링 방법을 이용하여 절연층(24) 위에 형성된다. Ni81Fe19 합금막은 포토 에칭 방법을 이용하여 소정의 형태로 패터닝되어, 자성층(26)이 형성된다. 자성층(26)은 2mm 길이 및 10μm 폭을 갖는다. 이 때에, 자계하 스퍼터링 증착 동안에, 교류 전류의 통전 방향, 즉, 자성층(26)의 경도 방향으로 단일축 이방성 자계가 인가되어, 자성층(26)은 통전 방향을 따라 자화 용이축을 가지게 된다.
다음으로, 1μm 두께를 갖는 알루미늄층이 절연층(24) 및 자성층(26) 위에 형성된다. 알루미늄층은 포토 에칭 방법을 이용하여 소정의 형태로 패터닝되어, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 자성층(26)의 양단을 모두 덮도록 전극 패드(28a, 28b)가 형성된다. 전극 패드(28a, 28b)의 상부면에 배치된 각 전극 패드(28a, 28b) 의 면적은 200μm X 200μm 인 사각형이다. 소자(S11)가 반도체 공정으로 처리되고 나면, 소자(S11)는 30분 동안 400℃하의 진공에서 처리된다. 그 후에, 각 전극 패드(28a, 28b)는 본딩 와이어로 연결된다. 이로써, 소자(S11)가 완성된다.
소자(S11)는 코일 및 임피던스 분석기를 이용하여 평가된다. 여기서, 코일은 소자(S11)로 인가되는 외부 자계 Hext를 제공하며, 임피던스 분석기는 소자(S11)의 자성층(26)의 양단에서 발생되는 고주파 임피던스 Z를 검출한다. 외부 자계 Hext는 교류 전류원(30)으로부터 발생되는 고주파 교류 전류의 통전 방향에 대해 평행하다. 외부 자계 Hext는 기판(22) 위에 배치되는 가우스 미터(gauss meter)로 교정된다. 임피던스 Z는 고주파 전류원(30)의 주파수가 100MHz 인 경우에 측정된다. 소자(S11)의 자기 임피던스 특성은 임피던스 변화율 △Z/△Zo 로 평가된다. 여기서, Zo는 외부 자계 Hext가 제로인 경우에 소자(S11)의 임피던스이다. △Z는 외부 자계 Hext가 100Oe 인 경우의 임피던스 Z와 제로에서의 임피던스(Zo) 사이의 차, 즉, △Z = Z - Zo 이다. 소자(S11)의 자기 임피던스의 온도 의존도는 -40℃ 내지 +85℃ 항온조에서 측정되어, 제로 자계에서의 자기 임피던스의 온도 의존도의 계수 △ Zo/△T 와, 센서 감도의 온도 의존도의 계수 △(△Z/Zo) 가 측정된다. 제로 자계에서 자계의 온도 의존도의 계수 △ Zo/△T 는 외부 자계가 제로인 경우에 임피던스 Z의 온도 의존도의 계수이다. 센서 감도의 온도 의존도의 계수 △(△Z/Zo) 는 임피던스 변화율 △Z/Zo의 온도 의존도 계수이다.
도5는 외부 자계 Hext에 따른 임피던스 변화를 도시한 소자(S11)의 자기 임피던스 특징 그래프이다. 소자(S11)의 경우에, 소자(S11)의 임피던스는 외부 자계 Hext가 증가 또는 감소함에 따라 감소된다. 도5에 도시된 바와 같이, 센서 감도에 대응하는 임피던스 변화율 △Z/Zo 은 약 30%이다.
도6은 제로 자계에서의 온도 T와 임피던스 드리프트 △Z/Z 사이의 관계, 즉, 소자(S11)의 Z-Zat25℃/Zat25℃ 를 도시하고 있다. 제로 자계에서의 자기 임피던스 △Zo/△T의 온도 의존도 계수는, 온도 T와 임피던스 드리프트 △Z/Z 간 관계의 선의 형태로부터 723ppm/℃로 측정된다.
도7은 온도 T와 센서 감소 드리프트 △(△Z/Z)/(△Z/Z) 사이의 관계, 즉, 소자(S11)의 △(Z-Zat25℃/Zat25℃)/(Z-Zat25℃/Zat25℃)를 도시한 그래프이다. 센서 감도의 온도 의존도 계수 △(△Z/Zo)/△T는 온도 T와 센서 감도 드리프트 △(△Z/Z)/(△Z/Z) 사이 관계선의 경사로부터 -443ppm/℃로 측정된다.
일반적으로, 센서 감도의 온도 의존도 계수 △(△Z/Zo)/△T 및 제로 자계에서의 자기 임피던스의 온도 의존도 계수 △Zo/△T는 모두 -1000ppm/℃ 내지 +1000ppm/℃ 사이의 범위에 있다. 따라서, 계수 △(△Z/Zo)/△T 및 계수 △Zo/△T는 모두 -1000ppm/℃ 내지 +1000ppm/℃ 범위안에 있는 것이 바람직하다. 여기서, Ni-Fe 합금막이 Ni 77-85 중량% 및/또는 Fe 15-23 중량%의 조성을 갖는 경우, 계수 △(△Z/Zo)/△T 및 계수 △Zo/△T의 상기의 요건이 만족된다.
여러 소자(S11-S18)의 계수 △(△Z/Zo)/△T 및 계수 △Zo/△T 모두가 측정된다. 도8에 도시된 바와 같이, 소자(S12)는 상이한 두께의 절연층(26)을 갖는데, 이것은 소자(S11)의 절연층 두께와 다르다. 각 소자(S13-S16)는 소자(S11)와 동일한 구성을 가지며, 소자(S11)와는 상이한 Ni와 Fe 조성을 갖는다. 각 소자(S17, S18) 는 소자(S11)와 동일한 구성을 가지며, 소자(S11)와는 상이한 재료로 이루어진 여러 자성층(26)을 갖는다. 특히, 소자(S17, 18)의 자성층(26)은 비결정성 합금으로 이루어진다.
도8에 도시된 바와 같이, 각 소자(S11-S14)는 높은 센서 감도, 즉, 20% 보다 높은 임피던스 변화율 △Z/Zo, 및 낮은 계수 △(△Z/Zo)/△T, △Zo/△T, 즉, -1000ppm/℃ 내지 +1000ppm/℃ 사이의 범위인 센서 감도의 낮은 온도 의존도 계수 △(△Z/Zo)/△T, 및 제로 자계에서의 자기 임피던스의 낮은 계수 △Zo/△T를 갖는다. 반면에, 소자(S15, S16)는 20% 보다 높은 센서 감도를 가지며, -1000ppm/℃ 내지 +1000ppm/℃ 사이 범위밖에 있는 높은 계수 △(△Z/Zo)/△T, △Zo/△T를 갖는다. 이것은 소자(S11-S14)가 자성층(26)의 비투자율의 낮은 온도 의존도의 소정 범위에 있는 조성을 갖는 Ni-Fe 합금막으로 이루어진 자성층(26)을 가지기 때문이다. 그러나, 소자(S15, S16)는 자성층(26)의 비투자율의 높은 온도 의존도의 소정 범위에 놓이는 조성을 갖는 Ni-Fe 합금막으로 이루어진 자성층(26)을 갖는다.
또한, 소자(S17, S18)는 소자(S11-S16) 보다 훨씬 더 작은 센서 감도를 갖는다. 이것은 소자(S17, S18)가 비결정성 합금으로 이루어진 자성층(26)을 가지므로, 자성층(26)이 400℃로 수행되는 열처리 공정에서 결정화되기 때문이다. 그러므로, 자성층(26)의 연자성 특성은 거의 사라진다. 연자성 특성은 외부 자계에 따라 투자율의 변화를 제공한다.
도9는 여러 소자(S21-S25)의 임피던스 변화율 △Z/Zo를 나타내고 있는데, 각 각은 소자(S11)와 동일한 Ni 및 Fe 조성(즉, Ni81Fe19)으로 이루어진 자성층(26)을 갖는다. 각 소자(S21-S25)는 2μm의 두께(L3), 10μm의 폭(L2) 및 상이한 길이(L1)을 갖는 자성층(26)을 가진다. 도9는 또한 비율 α(즉, α= L1/L2) 및 비율 β(즉, β= L2/L3)를 나타내고 있다. 도10은 여러 소자(S21-S25)의 길이(L1)와 임피던스 변화율 △Z/Zo 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도9 및 도10에 나타난 바와 같이, 자성층(26)의 길이(L1)가 점점 길어짐에 따라, 임피던스 변화율 △Z/Zo 은 커진다. 상기의 소자(S21-S25)에서, 비율 β는 5이다. 비율 α가 10 보다 크거나 같은 경우, 즉, 길이(L1)가 100μm 보다 크거나 같은 경우에, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 10% 보다 커진다. 또한, 비율 α가 50 보다 크거나 같은 경우, 즉, 길이(L1)가 500μm 보다 크거나 같은 경우에는, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 20% 보다 커진다. 또한, α가 200 보다 크거나 같은 경우, 즉, 길이(L1)가 2000μm 보다 크거나 같은 경우에는, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 30% 보다 커진다. 여기서, 임피던스 변화율 △Z/Zo는 보다 커지는 것이 바람직하다.
도11은 여러 소자(S31-35)의 임피던스 변화율 △Z/Zo을 나타낸 것으로, 각각은 소자(S11)와 동일한 Ni 및 Fe 조성(즉, Ni81Fe19)으로 이루어진 자성층(26)을 갖는다. 각 소자(S31-S35)는 2μm의 두께(L3), 2000μm의 길이(L1) 및 상이한 폭(L2)을 갖는 자성층(26)을 가진다. 도11은 또한 비율 α(즉, α= L1/L2) 및 비율 β(즉, β= L2/L3)를 나타내고 있다. 도12는 여러 소자(S31-S35)의 폭(L2)과 임피던스 변화율 △Z/Zo 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도11 및 도12에 나타난 바와 같이, 폭(L2)이 10μm 보다 더 큰 경우, 자성층(26)의 폭(L2)이 점점 커짐에 따라, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 작아진다. 자성층(26)의 폭(L2)이 10μm 보다 더 작은 경우, 자성층(26)의 폭(L2)이 더 작아짐에 따라, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 급격히 작아진다. 비율 α가 20 내지 400 사이의 범위에 있고, 비율 β가 1 내지 5 사이의 범위인 경우, 즉, 폭(L2)이 5μm 내지 100μm 사이의 범위인 경우, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 10% 보다 더 크다. 또한, 비율 α가 33.3 내지 333.3 사이의 범위이고, 비율 β가 1.2 내지 30 사이의 범위인 경우, 즉, 폭(L2)이 6μm 내지 60μm 사이의 범위인 경우에는, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 20% 보다 더 크다. 또한, 비율 α가 166.7 내지 250 사이의 범위에 있고, 비율 β가 1.6 내지 2.4 사이의 범위인 경우, 즉, 폭(L2)이 8μm 내지 12μm 사이의 범위인 경우에는, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 30% 보다 더 크다. 여기서, 임피던스 변화율 △Z/Zo는 보다 커지는 것이 바람직하다.
도13은 여러 소자(S41-S45)의 임피던스 변화율 △Z/Zo을 나타낸 것으로, 각각은 소자(S11)와 동일한 Ni 및 Fe 조성(즉, Ni81Fe19)으로 이루어진 자성층(26)을 갖는다. 각 소자(S41-S45)는 10μm의 폭(L2), 2000μm의 길이(L1) 및 상이한 두께(L3)를 갖는 자성층(26)을 가진다. 도13은 또한 비율 α(즉, α= L1/L2) 및 비율 β(즉, β= L2/L3)를 나타내고 있다. 도14는 여러 소자(S41-S45)의 두께(L3)와 임피던스 변화율 △Z/Zo 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도13 및 도14에 나타난 바와 같이, 자성층(26)의 두께(L3)가 더 커짐에 따 라, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 커진다. 여기서, 비율 α는 200이다. 비율 β가 33 보다 작거나 같은 경우, 즉, 두께(L3)가 0.3μm 보다 더 큰 경우, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 10% 보다 커진다. 또한, 비율 β가 14 보다 작거나 같은 경우, 즉, 두께(L3)가 0.7μm 보다 크거나 같은 경우, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 20% 보다 더 크다. 또한, 비율 β가 5 보다 작거나 같은 경우, 즉, 두께(L3)가 2μm 보다 크거나 같은 경우에는, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 30% 보다 더 크다.
도8 내지 도14에 도시된 소자(S11-S18, S21-S25, S31-S35, S41-S46)에서, 길이(L1), 폭(L2) 및 두께(L3)는 다음의 값을 갖는 것이 바람직하다.
소자(S22, S23)를 참조하면, 길이(L1)가 200μm 보다 크거나 같고, 폭(L2)이 7μm 내지 20μm 사이의 범위이고, 두께(L3)가 2μm 보다 크거나 같은 경우, 즉, 비율 α가 10 내지 28.6 사이의 범위이고, 비율 β가 3.5 내지 10 사이의 범위인 경우, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 10% 보다 크거나 같은 것이 바람직하다. 소자(S31, S35)를 참조하면, 길이(L1)가 2000μm 보다 크거나 같고, 폭(L2)이 5μm 내지 25μm 사이의 범위이고, 두께(L3)가 2μm 보다 크거나 같은 경우, 즉, 비율 α가 40 내지 400 사이의 범위이고, 비율 β가 2.5 내지 25 사이의 범위인 경우, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 10% 보다 크거나 같은 것이 바람직하다. 또한, 소자(S41, S42)를 참조하면, 길이(L1)가 2000μm 보다 크거나 같고, 폭(L2)이 7μm 내지 15μm 사이의 범위이고, 두께(L3)가 0.3μm 보다 크거나 같은 경우, 즉, 비율 α가 133.3 내지 258.7 사이의 범위이고, 비율 β가 23.3 내지 50 사이의 범위인 경우, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 10% 보다 크거나 같은 것이 바람직하다.
또한, 소자(S23, S24, S34)를 참조하면, 길이(L1)가 1000μm 보다 크거나 같고, 폭(L2)이 7μm 내지 50μm 사이의 범위이고, 두께(L3)가 2μm 보다 크거나 같은 경우, 즉, 비율 α가 20 내지 142.9 사이의 범위이고, 비율 β가 3.5 내지 10 사이의 범위인 경우, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 20% 보다 크거나 같은 것이 보다 바람직하다. 이 경우에, 폭(L2)은 7μm 내지 20μm 사이의 범위인 것이 더욱 바람직하다. 소자(S43)를 참조하면, 길이(L1)가 2000μm 보다 크거나 같고, 폭(L2)이 7μm 내지 20μm 사이의 범위이고, 두께(L3)가 0.5μm 보다 크거나 같은 경우, 즉, 비율 α가 100 내지 285.7 사이의 범위이고, 비율 β가 14 내지 40 사이의 범위인 경우, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 20% 보다 크거나 같은 것이 바람직하다.
소자(S25, S32, S45)를 참조하면, 길이(L1)가 2000μm 보다 크거나 같고, 폭(L2)이 7μm 내지 20μm 사이의 범위이고, 두께(L3)가 2μm 보다 크거나 같은 경우, 즉, 비율 α가 100 내지 285.7 사이의 범위이고, 비율 β가 3.5 내지 10 사이의 범위인 경우, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 30% 보다 크거나 같은 것이 보다 바람직하다.
도15는 여러 소자(S51-S56)의 임피던스 변화율 △Z/Zo을 나타낸 것으로, 각각은 소자(S11)와 동일한 Ni 및 Fe 조성(즉, Ni81Fe19)으로 이루어진 자성층(26)을 갖는다. 각 소자(S51-S56)는 2000μm의 길이(L1), 10μm의 폭(L2), 2μm의 두께(L3) 및 상이한 입자 크기를 갖는 자성층(26)을 가진다. 여기서, 각 소자는 2nm인 기판(22)의 표면 조도를 갖는다. 도16은 여러 소자(S51-S56)의 입자 크기와 임피던스 변화율 △Z/Zo 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도15 및 도16에 나타난 바와 같이, 자성층(26)의 입자 크기가 더 작아짐에 따라, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 더 커진다. 입자 크기가 1100nm 보다 작거나 같은 경우, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 10% 보다 커진다. 또한, 입자 크기가 350nm 보다 작거나 같은 경우, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 20% 보다 더 크다. 또한, 입자 크기가 10nm 보다 작거나 같은 경우에는, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 30% 보다 더 크다.
도17은 여러 소자(S61-S66)의 임피던스 변화율 △Z/Zo을 나타낸 것으로, 각각은 소자(S11)와 동일한 Ni 및 Fe 조성(즉, Ni81Fe19)으로 이루어진 자성층(26)을 갖는다. 각 소자(S61-S66)는 2000μm의 길이(L1), 10μm의 폭(L2), 2μm의 두께(L3) 및 10nm의 입자 크기를 갖는 자성층(26)을 가진다. 여기서, 각 소자는 상이한 기판(22)의 표면 조도를 갖는다. 도18은 여러 소자(S61-S66)의 표면 조도와 임피던스 변화율 △Z/Zo 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도17 및 도18에 나타난 바와 같이, 기판(22)이 표면 조도가 더 작아짐에 따라, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 더 커진다. 표면 조도가 1300nm 보다 작거나 같은 경우, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 10% 보다 커진다. 또한, 표면 조도가 400nm 보다 작거나 같은 경우, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 20% 보다 더 크다. 또한, 표면 조도가 50nm 보다 작거나 같은 경우에는, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 30% 보다 더 크다.
소정의 조성을 갖는 상기의 소자에서, 소자가 열처리되더라도, 소자 감도는 저하되지 않는다. 따라서, 제1 실시예에 따른 소자는 높은 내열성을 갖는다. 또한, 소자는 높은 센서 감도를 갖는다.
(제2 실시예)
도19에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(2)는 자성층(26) 및 보호층(32)을 포함한다. 보호층(32)은 자성층(26)을 덮고 있고, 전기적인 절연 재료로 이루어진다.
일반적으로, 자기 임피던스 소자는 제로 자왜(magneto-striction) 또는 낮는 자왜를 갖는 자성층을 포함한다. 이것은 낮은 자왜를 갖는 자성층은 자성층의 왜곡에 의해 발생되는 자기 특성의 변화, 예를 들면, 센서 감도 또는 검출 정확성의 저하로부터 방지되기 때문이다. 그러나, 본 발명은 다음과 같은 실험 결과를 가진다. 자성층을 덮는 보호층을 가진 소자에서, 보호층 내의 내부 응력σ은 자성층의 자기 특성에 영향을 주어, 센서 감도가 저하된다. 또한, 보호층의 내부 응력σ이 압축 응력인 경우와 내부 응력σ이 신장 응력(tensile stress)인 경우 사이에는 자성층의 자기 특성에 영향을 주는 내부 응력σ의 상이한 영향이 존재한다.
상기의 실험 결과를 고려하면, 제2 실시예에 따른 소자(2)는 기판(22), 절연층(24), 자성층(26), 한 쌍의 전극 패드(28a, 28b) 및 보호층(32)을 포함한다. 교류 전류의 통전 방향에 따라 외부 자계 Hext가 인가된다.
자성층이 Ni-Fe 계열 합금막으로 이루어지더라도, 자성층(26)은 Co-Nb-Zr 합금, Co-Si-B 합금 등과 같은 선형 또는 박막 형태의 비결정성 합금으로 형성될 수 있다. 자성층(26)의 형태에는 제한이 없다.
보호층(32)은 자성층(26)의 표면 및 절연층(24)의 표면을 덮는다. 전극 패드(28a, 28b)는 보호층(32)에 의해 덮여지지 않으므로, 전극(28a, 28b)이 보호층으로부터 노출된다. 보호층(32)은 전기적인 절연 특성을 갖는 비자성체로 이루어진다. 보호층은, 예를 들면, 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 실리콘 산화물, 인화 실리콘 산화물 및 붕소-도핑 실리콘 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 재료로 이루어진 보호층(32)은, 자성층(26)이 Ni 및/또는 Fe와 같은 쉽게 산화되는 재료로 이루어진 경우에 산화를 방지하고, 자성층(26)이 비결정성 합금으로 이루어진 경우에는 열처리에 의한 결정화를 방지한다. 또한, 이러한 재료들은 일반적인 반도체 공정에서 통상적으로 사용되므로, 소자(2)는 일반적인 반도체 공정을 이용하여 제조될 수 있다. 또한, 보호층(32)은 다수의 절연 재료를 갖는 복합 재료로 형성되거나 적층 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이 경우에, 다수의 절연 재료의 합성에 의해, 보호층(32)의 내부 응력σ이 감소될 수 있다. 보호층(32)의 두께(L11)는 0.2μm 내지 5μm 사이의 범위인 것이 바람직하다. 이 경우에, 보호층(32)은 자성층(26)을 충분히 보호할 수 있다. 또한, 보호층(32)의 내부 응력σ에 의해 야기되는 자성층(26)으로부터 보호층(32)이 제거되는 것이 방지된다. 보호층(32)의 두께는 0.5μm 내지 2μm 사이의 범위인 것이 바람직하다. 이 경우에, 보호층(32)은 자성층(26)을 훨씬 더 충분히 보호할 수 있다. 그 이유는 후술된다.
보호층(32)의 내부 응력σ이 압축 응력인 경우, 압축 응력의 크기는 500MPa 보다 작은 것이 바람직하다. 보호층(32)의 내부 응력σ이 신장 응력인 경우에는, 신장 응력의 크기는 100MPa 보다 작은 것이 바람직하다. 이 경우에, 보호층(32)의 내부 응력σ에 의한 자성층(26)의 연자성 특성의 저하에 의해 야기되는 소자(2)의 센서 감도가 저하되는 것이 방지된다. 또한, 보호층(32)의 내부 응력σ에 의해 야기되는 자성층(26)으로부터 보호층(32)이 제거되는 것이 방지된다. 보호층(32)의 내부 응력σ이 압축 응력인 경우, 압축 응력의 크기는 200MPa 보다 작은 것이 더욱 바람직하다. 보호층(32)의 내부 응력σ이 신장 응력인 경우, 신장 응력의 크기는 50MPa 보다 작은 것이 바람직하다.
자성층(26)이, 예를 들면, 비결정성 합금으로 이루어진 경우, 비결정성 합금은 400℃ 이상의 고온하에서의 반도체 공정에서 결정화되어, 자기 특성이 변할 수 있다. 즉, 센서 감도가 저하될 수 있다. 그러므로, 자성층(26)이 온도에 의해 쉽게 영향을 받는 비결정성 재료와 같은 임의 재료로 이루어진 경우, 보호층(32)은 낮은 열전도성을 갖는 SiO2, 인-규산 유리(PSG), 붕소-규산 유리(BSG) 및 붕소-인-규산 유리(BPSG)와 같은 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
자성층(26)이 쉽게 산화되는 Ni 및/또는 Co와 같은 재료를 포함하는 경우, 자성층(26)이 산화되는 것을 방지하기 위하여, 반도체 공정에서 400℃ 이상의 고온하에서의 열처리는 진공에서 수행되도록 고려된다. 그러나, 진공에서의 열처리를 수행하기 위한 추가의 장치가 요구되어, 제조 비용이 증가된다. 한편, 보호층(32)이 자성층(26) 위에 배치되는 경우에는, 산소가 존재하는 곳, 예를 들면 대기중에서 열처리가 수행되더라도, 자성층(26)이 산화되는 것이 방지된다. 따라서, 진공에서 열처리를 수행하기 위한 추가의 장비가 요구되지 않는다. 또한, 진공에서의 열처리에 추가의 장비를 구비하기 위한 제조 비용의 증가에 비해, 보호층(32)을 형성하기 위한 추가의 공정에 필요한 제조 비용 증가가 훨씬 더 적다. 게다가, 제조된 후에, 자성층(26)이 보호층(32)에 의해 산화되는 것으로부터 방지된다.
다음으로, 제2 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(2)가 다음과 같이 제조된다. 먼저, 도4a 내지 도4c에 도시된 바와 같이, 기판(22)이 준비된다. 그리고 나서, 기판(22) 위에 절연층(24)이 형성된다. 기판(22)이 실리콘으로 이루어지는 경우, 실리콘 산화물로 이루어진 절연층(24)이 형성되도록, 열산화 방법을 이용하여 실리콘 기판(22)의 표면이 산화된다. 또한, 절연층(24)은 화학적 증기 증착법, 스퍼터링 방법 등을 이용하여 형성될 수 있으며, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물로 이루어진다. 절연층(24)을 형성하기 위한 증착 방법에는 제한이 없다.
다음으로, 연자성 특성을 가진 강자성막이 절연층(24) 위에 형성된다. 강자성막은 스퍼터링 방법, 증기 증착 또는 코팅 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 강자성막을 형성하기 위한 증착 방법에는 제한이 없다. 강자성막은 포토 에칭 방법을 이용하여 소정의 형태로 패터닝되어, 도4c에 도시된 바와 같이, 자성층(26)이 형성된다. 이 경우에, 자계하 증착 또는 자계하 열처리 동안에, 단일축 이방성 자계가 교류 전류의 통전 방향, 즉, 자성층(26)의 경도 방향으로 인가되어, 자성층(26)이 통전 방향을 따라 자화 용이축을 갖는다.
다음으로, 전극을 위한 예비층이 자성층(26) 및 절연층(24) 위에 형성된다. 예비층은 스퍼터링 방법, 증기 증착 또는 코팅 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 예비층을 형성하기 위한 증착 방법에는 제한이 없다. 예비층은 포토 에칭 방법을 이용하여 소정의 형태로 패터닝되어, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 자성층(26)의 양단을 덮도록, 전극 패드(28a, 28b)가 형성된다.
다음으로, 절연층(24), 자성층(26) 및 전극(28a, 28b) 위에 절연 재료층이 형성된다. 절연 재료층은 CVD 방법(플라즈마 CVD 방법을 포함함), 스퍼터링 방법 등을 이용하여 형성될 수 있다. 이 절연 재료층은 반응 이온 에칭 밥법(reactive ion etching : RIE) 등을 이용하여 소정 형태로 패터닝되어, 전극(28a, 28b) 위에 배치되는 절연 재료층의 일부가 제거된다. 이에 따라, 도19 및 도20에 도시된 보호층(32)이 형성된다. 그리고 나서, 전극들(28a, 28b)이 본딩 와이어로 연결된다. 이에 따라, 자기 임피던스 소자(2)가 완성된다.
보다 상세한 제조 방법이 다음에 기술된다. 본 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(S201)(도21에 나타남)가 제조된다. 도4a에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(22)이 준비된다. 기판(22) 위에 열산화 방법을 이용하여 1μm 두께를 갖는 실리콘 산화물로 이루어진 절연층(24)이 형성된다.
다음으로, 2μm 두께를 갖는 Ni81Fe19 합금막이 자계하 스퍼터링 방법을 이용하여 절연층(24) 위에 형성된다. Ni81Fe19 합금막은 포토 에칭 방법을 이용하여 소정의 형태로 패터닝되어, 자성층(26)이 형성된다. 자성층(26)은 2mm 길이 및 10μm 폭을 갖는다. 이 때에, 자계하 스퍼터링 증착 동안에, 교류 전류의 통전 방향, 즉, 자성층(26)의 경도 방향으로 단일축 이방성 자계가 인가되어, 자성층(26)은 통전 방향을 따라 자화 용이축을 가지게 된다.
다음으로, 1μm 두께를 갖는 알루미늄층이 절연층(24) 및 자성층(26) 위에 형성된다. 알루미늄층은 포토 에칭 방법을 이용하여 소정의 형태로 패터닝되어, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 자성층(26)의 양단을 모두 덮도록 전극 패드(28a, 28b)가 형성된다. 상세히 말하면, 전극 패드(28a, 28b)의 상부면에 배치된 각 전극 패드(28a, 28b)의 면적은 200μm X 200μm 인 사각형이다.
다음으로, 플라즈마 CVD 방법을 이용하여, 절연층(24), 자성층(26) 및 전극 패드(28a, 28b) 위에 1μm 두께를 갖는 실리콘 질화물층이 형성된다. 전극 패드(28a, 28b) 위에 배치된 절연재료층의 일부가 제거되도록, RIE 방법 등을 이용하여 실리콘 질화물층이 소정의 형태로 패터닝된다. 이에 따라, 보호층(32)이 형성된다. 소자(S205)가 반도체 공정으로 처리되고 나면, 소자(S205)는 30분 동안 450℃하의 아르곤(Ar) 가스 대기중에서 처리된다. 그 후에, 각 전극 패드(28a, 28b)는 본딩 와이어로 연결된다. 이로써, 소자(S205)가 완성된다.
소자(S205)는 코일 및 임피던스 분석기를 이용하여 평가된다. 여기서, 코일은 소자(S205)로 인가되는 외부 자계 Hext를 제공하며, 임피던스 분석기는 소자(S205)의 자성층(26)의 양단에서 발생되는 고주파 임피던스 Z를 검출한다. 외부 자계 Hext는 교류 전류원(30)으로부터 발생되는 고주파 교류 전류의 통전 방향에 대해 평행하다. 외부 자계 Hext는 기판(22) 위에 배치되는 가우스 미터(gauss meter)로 교정된다. 임피던스 Z는 고주파 전류원(30)의 주파수가 100MHz 인 경우에 측정된다. 소자(S205)의 자기 임피던스 특성은 임피던스 변화율 △Z/△Zo 로 평가된다. 여기서, Zo는 외부 자계 Hext가 제로인 경우에 소자(S205)의 임피던스이다. △Z는 외부 자계 Hext가 100 Oe 인 경우의 임피던스 Z와 제로에서의 임피던스(Zo) 사이의 차, 즉, △Z = Z - Zo 이다. 상기의 평가는 보호층(32)의 보호 효과를 확인 하기 위해 450℃하에서의 열처리 전후에 수행된다.
도22는 열처리 전에 외부 자계 Hext에 따른 임피던스 변화를 도시한 소자(S205)의 자기 임피던스 특성 그래프이다. 소자(S205)의 경우에. 소자(S205)의 임피던스는 외부 자계 Hext의 증가 또는 감소에 따라 줄어든다. 도5에 도시된 바와 같이, 센서 감도에 대응하는 임피던스 변화율 △Z/Zo은 약 30%이다.
다음으로, 소자(S205)는 450℃하의 아르곤 가스 대기중에서 30분 동안 가열된다. 그리고 나서, 소자는 상기의 방법으로 평가된다. 이 경우에, 소자(S205)의 자기 임피던스 특성은, 도22에 도시된 열처리 전의 소자(S205)의 외부 자계와 자기 임피던스 사이의 관계와 동일한 관계를 가진다. 이 결과는, 자성층(26)을 구성하는 Ni-Fe 합금막이 열처리에 의해 산화되지 않도록, 실리콘 질화물로 이루어진 보호층(32)이 Ni-Fe 합금막으로 이루어진 자성층(26)을 덮는다는 것을 보여준다. 그러므로, 자성층(26)의 자기 특성은 실질적으로 변화하지 않는다. 또한, 후술되는 바와 같이, 소자(S205)의 보호층(32)은 -120MPa의 압축 응력을 가지며, 압축 응력의 내부 응력σ은 자성층(26)의 자기 특성에 실질적으로 영향을 주지 않는다.
여러 소자(S201-S209)의 열처리 전후의 임피던스 변화율 △Z/Zo이 모두 측정된다. 도21에 도시된 바와 같이, 소자(S201-S209)는 실리콘 질화물로 이루어진 보호층(32) 및 소자(S205)와는 상이한 두께의 보호층(32) 및/또는 상이한 내부 응력σ을 갖는다. 각 소자(S210-S218)는 소자(S205)와는 상이한 재료로 이루어진 보호층(32) 및 상이한 두께의 보호층(32) 및/또는 상이한 내부 응력σ을 갖는다. 소자(S219)는 보호층(32)을 갖지 않는다.
도21에 도시된 바와 같이, 소자(S202-S209, S211-S218)에서, 센서 감도, 즉, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 열처리 전후에 실질적으로 변하지 않는다. 그러나, 소자(S201, S210, S219)에서는 센서 감도가 열처리 전후에 크게 변한다. 즉, 소자(S201, S210, S219)의 센서 감도가 열처리 후에 크게 저하된다. 이것은, 소자(S219)가 보호층(32)이 없기 때문에, 자성층(26)을 구성하는 Ni-Fe 합금막이 450℃의 열처리에 의해 산화되므로, 자성층(26)의 연자성 특성이 열처리 후에 사라지기 때문이다. 소자(S201, S210)는 보호층(32)을 가지고 있음에도 불구하고, 보호층(32)의 두께가 0.1μm로 너무 얇기 때문에, 보호층(32)이 Ni-Fe 합금막으로 이루어진 자성층(26)이 산화되는 것으로부터 보호할 수 없다.
도23은 여러 소자(S204, S206)의 임피던스 변화율 △Z/Zo을 나타내고 있는데, 각각은 실리콘 질화물로 이루어진 보호층(32)을 갖는다. 소자(S204-S206)의 보호층(32)의 두께는 1μm이고, 보호층(32)의 내부 응력σ은 서로 상이하다. 도23은 또한 열처리 전후의 임피던스 변화율 △Z/Zo을 나타내고 있다. 여기서, 내부 응력σ이 양의 값인 경우, 내부 응력σ은 신장 응력이다. 내부 응력σ이 음의 값인 경우에는, 내부 응력σ은 압축 응력이다.
도24는 여러 소자(S213-S216)의 임피던스 변화율 △Z/Zo을 나타내고 있는데, 각각은 실리콘 산화물로 이루어진 보호층(32)을 갖는다. 소자(S213-S216)의 보호층(32)의 두께는 1μm이고, 보호층(32)의 내부 응력σ은 서로 상이하다. 도24는 또한 열처리 전후의 임피던스 변화율 △Z/Zo을 나타내고 있다.
도22 및 도23에 도시된 바와 같이, 보호층(32)의 내부 응력σ이 점점 커질수 록, 임피던스 변화율 △Z/Zo은 감소된다. 즉, 센서 감도가 저하된다. 이것은, 보호층(32)의 내부 응력σ이 커지면, 보호층(32)의 내부 응력σ의 영향에 의해 자성층(26)에 응력이 발생되기 때문이다. 그러므로, 자성층(26)의 자기 특성이 변하고, 구체적으로, 자성층(26)의 항자력이 커지므로, 자성층(26)의 비투자율이 감소된다. 따라서, 센서 감도가 저하된다.
또한, 보호층(32)의 내부 응력σ이 신장 응력인 경우와 내부 응력σ이 압축 응력인 경우 사이에 차가 존재한다. 구체적으로, 응력의 크기가 동일하더라도, 임피던스 변화율은 신장 응력과 압축 응력 사이에서 상이하다. 보다 구체적으로 말하면, 내부 응력σ의 크기가 동일한 경우, 신장 응력인 경우의 임피던스 변화율의 감소량은 압축 응력인 경우의 감소량 보다 더 작다.
도23 및 도24에 도시된 바와 같이, 신장 응력이 100MPa 보다 작거나 같은 경우, 임피던스 변화율은 20% 보다 커진다. 신장 응력이 50MPa 보다 작거나 같은 경우에는, 임피던스 변화율은 25% 보다 커지는 것이 바람직하다. 압축 응력이 500MPa 보다 작거나 같은 경우, 임피던스 변화율은 20% 보다 커진다. 압축 응력이 200MPa 보다 작거나 같은 경우에는, 임피던스 변화율이 25% 보다 더 커진다.
소정 구성의 보호층(32)을 갖는 상기의 소자들에서, 소자가 열처리되더라도 소자 감도는 저하되지 않는다. 따라서, 제2 실시예에 따른 소자는 높은 내열성을 갖는다. 구체적으로, 소자의 자성층(26)은 소자가 어닐링되더라도 실질적으로 산화되지 않는다. 또한, 소자는 높은 감도 센서를 갖는다.
(제3 실시예)
본 발명의 제3 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(301)를 갖는 자기 센서 장치(300)가 도25 내지 도27에 도시되어 있다. 도27은 센서 장치(300)의 개략적인 블록도를 도시하고 있다. 장치(300)는 자기 임피던스 소자(301), 저항(312), 발진기(313) 및 증폭기(314)를 포함한다. 여기서, 저항(312), 발진기(313) 및 증폭기(314)는 주변 회로로 동작한다. 주변 회로는 레귤레이터 회로, 및 장치(300)와 외부 회로 사이에 신호를 전달하기 위한 인터페이스 회로를 포함할 수 있다. 소자(301)는, 예를 들면, Ni-Fe 계열 합금으로 이루어지고, 저항(312)에 직렬로 연결된다. 여기서, Ni-Fe 계열 합금으로 이루어진 소자(301)는 자기 임피던스 효과를 이용하여 자계 검출의 넓은 동적 범위를 갖는다. 본 실시예에 따른 소자(301)가 Ni-Fe 합금으로 이루어지더라도, 소자(301)는 다른 재료로 형성될 수 있다. 저항(312) 및 소자(301)는 또한 발진기(313)의 양단에 직렬로 연결된다. 발진기(313)는 고주파 전류를 소자(301)로 공급하기 위한 구동 회로로서 역할하고, 발진기(313)의 양단은 출력 단자를 제공한다. 저항(312), 소자(301) 및 발진기(313)를 포함하는 상기의 일련 회로는 증폭기(314)의 입력 단자에 연결하기 위한 공통 접속점을 가진다. 증폭기(314)는 검출 신호를 증폭하고, 증폭된 신호를 출력한다. 그러므로, 증폭기(314)는 소자(301)의 임피던스 변화를 검출하기 위한 검출 회로로 역할한다.
도25는 장치(300)를 도시한 단면도이다. 도26은 소자(301)를 확대 도시한 평면도이다. 장치(300)는 바이폴라 공정에서의 반도체 제조 방법을 이용하여 형성된다. 그러나, 장치(300)는 MOS 공정 및 BiCMOS 공정과 같은 다른 반도체 공정을 이 용하여 형성될 수 있다. 장치(300)는 증폭기(314)의 일부를 구성하는 NPN형 트랜지스터(315), 및 자기 임피던스 소자(301)를 구성하는 센싱부(302)를 포함한다.
트랜지스터(315) 및 소자(301)는 P형 실리콘으로 이루어진 반도체 기판(322) 위에 배치된다. 또한, 기판(322) 위에 저항(312), 발진기(322) 및 증폭기(314)가 배치된다(미도시).
트랜지스터(315)를 형성하기 위한 바이폴라 공정은 반도체 제조 방법에서 주지된 공정이다. 트랜지스터(315)는 임플란트 패터닝 방법, 임플란트 확산 방법, 분리 패터닝 방법, 분리 확산 방법 등을 이용하여 형성되어, 트랜지스터(315)의 이미터 및 콜렉터가 패터닝 방법, 확산 방법 등을 이용하여 형성된다. 여기서, 반도체 기판(322)은 소자(301) 아래에 배치된 N형 영역을 가진다. N형 영역은 분리 확산 방법을 이용하여 형성된다.
다음으로, 실리콘 산화물로 이루어진 절연층(324)이 기판(322) 위에 형성되고, 소정의 형태로 패터닝된다. 그리고 나서, 알루미늄 등으로 이루어진 배선층(328)이 기판(322) 위에 형성된다. 소자(301)를 형성하기 위해 배선층의 일부가 에칭되어 제거되도록, 배선층(328)이 소정의 형태로 패터닝된다. 이 때, 배선층(328)의 상단(328a)은 뾰족한 형태로 패터닝된다. 배선층(328)의 상단(328a)은 소자(301)와 연결된다.
그리고 나서, 자계하 스퍼터링 방법을 이용하여 기판(322) 위에 소자(301)를 구성하는 Ni-Fe 합금이 증착된다. 기판(322) 위에 증착된 Ni-Fe 합금의 두께는 1μm 내지 5μm 사이의 범위이다. 배선층(328)의 상단(328a)이 뾰족한 형태로 형성 되기 때문에, 소자(301), 즉, Ni-Fe 합금막은 스텝 커버리지(step coverage)의 결함으로 인해 야기되는 절단(cutting)이 방지된다.
다음으로, 소자(301)의 자기 특성을 향상시키기 위해, 장치(300)는 자계하의 진공에서 약 300℃로 어닐링된다. 마지막으로, 실리콘 질화물, 실리콘 이산화물 등으로 이루어진 보호층(332)이 기판(322) 위에 형성된다.
이에 따라, 소자(301), 저항(312), 발진기(313), 증폭기(314) 및 그 밖의 회로들을 포함한 장치(300)가 기판(322) 위에 형성된다. 따라서, 장치(300)가 소형으로 제조되어, 장치(300)의 제조 비용이 절감된다. 또한, 소자(301)는 박막으로 형성되어, 소자(301)의 치수, 특히, 소자(301)의 두께가 비결정성 와이어를 갖는 것 보다 더 작아진다. 따라서, 장치(300)가 소형으로 형성될 수 있다.
또한, 소자(301)의 양단에 연결된 배선층(328)의 상단(328a)이 뾰족한 형태로 형성되기 때문에, 소자(301)를 구성하는 Ni-Fe 합금막이 배선층(328)의 상단(328a) 둘레에서 절단되는 것이 방지된다. 이것은, Ni-Fe 합금막이 배선층(328) 위에 증착될 때에, 상단(328a)에서의 Ni-Fe 합금막의 스텝 커버리지가 개선되기 때문이다.
따라서, 본 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(301)를 갖는 센서 장치(300)는 최소 크기를 가지며, 적은 제조 비용으로 제조될 수 있다.
(제4 실시예)
본 발명의 제4 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(301A)를 갖는 자기 센서 장치(303)가 도28에 도시되어 있다. 본 실시예에 따른 소자(301A)는 Ni-Fe 합금으 로 이루어지지만, 소자(301A)는 다른 재료로 형성될 수 있다. 장치(303)는 티타늄(Ti) 재료로 이루어진 금속막(351)을 포함한다. 금속막(351)은 배선층(328)과 자기 임피던스 소자(301A) 사이의 연결부에 배치된다. 배선층(328)이 형성되기 전에, 기판 위에 금속층(351)이 형성된다. 따라서, 금속층(351)은 배선층(328)과 소자(301A)를 전기적으로 연결시킨다. 그리고 나서, 기판(322) 위에 보호층(332)이 형성된다.
장치(303)에서, Ti 재료로 이루어진 금속막(351)이 장치(301A)와 배선층(328)의 상단을 연결하기 때문에, 소자(301A)와 배선층(328) 사이의 접속이 양호한 옴 접촉이 된다.
따라서, 본 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(301A)를 갖는 센서 장치(303)는 최소 크기를 가지며, 적은 제조 비용으로 제조될 수 있다. 또한, 접속의 신뢰성이 향상된다.
(제5 실시예)
제5 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(301B)를 갖는 자기 센서 장치(304)가 도29에 도시되어 있다. 본 실시예에 따른 소자(301B)는 Ni-Fe 합금으로 이루어지지만, 소자(301B)는 그 밖의 재료로 형성될 수 있다. 장치(304)는 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등으로 이루어진 층간 절연막(352)을 포함한다. 층간 절연막(352)은, 소자(301B) 및 배선층(328)이 기판(322) 위에 형성된 후에, 기판(322) 위에 형성된다. 층간 절연막(352)은 소자(301B)와 배선층(328)을 연결하기 위한 스루홀(through hole)을 갖는다. 금속막(351)이 배선층(328)과 소자(301B)를 연결 하도록, 스루홀에서, 알루미늄 재료, 구리 재료, Al-Ti 계열 합금 등으로 이루어진 금속막(351)이 충전 및 증착된다. 그리고 나서, 보호층(332)이 기판(322) 위에 형성된다.
장치(304)에서, 소자(301B) 및 배선층(328) 모두의 상부 표면에 층간 절연막(352)이 형성되고, 금속막(351)이 소자(301B)의 양단과 배선층(328)의 상단을 연결시킨다. 상부 표면에 전기적 접속부가 배치되기 때문에, 소자(301B)와 배선층(328) 사이의 접속은 양호한 옴 접촉이 된다.
따라서, 본 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(301B)를 갖는 센서 장치(304)는 최소 크기를 가지며, 적은 제조 비용으로 제조될 수 있다. 또한, 접속의 신뢰성이 향상된다.
(제6 실시예)
제6 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(301)를 갖는 자기 센서 장치(305)가 도30에 도시되어 있다. 장치(305)는 Ti 재료 등으로 이루어진 배리어 금속막(354)을 포함한다. 배리어 금속막(354)은 배선층의 상단(328a) 및 그 인접부 상에 형성된다. 그리고 나서, 소자(301) 및 보호층(332)이 기판(322) 위에 형성된다.
장치(305)에서, 배리어 금속막(354)이 배선층의 상단(328a) 및 그 인접부 위에 배치되기 때문에, 소자(301)와 배선층(328) 사이의 접속부는 3층 구조를 갖는다. 그러므로, 3층 구조는 소자(301)와 배선층(328) 사이에 양호한 옴 접촉을 제공한다.
따라서, 본 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(301)를 갖는 센서 장치(305) 는 최소 크기를 가지며, 적은 비용으로 제조될 수 있다. 또한, 접속의 신뢰성이 향상된다.
(제7 실시예)
제7 실시예에 따른 자기 임피던스 소자 (301)를 갖는 자기 센서 장치(306)가 도31에 도시되어 있다. 장치(306)는 폴리-이미드로 이루어진 응력 완화층(355)을 포함한다. 그러나, 응력 완화층(355)은 박막 증착 기법을 이용하여 그 밖의 유기 재료 또는 무기 재료로 형성될 수 있다. 응력 완화층(355)은 배선층(328)이 형성되기 전에 절연층(324) 위에 형성된다. 즉, 절연층(324)이 기판(322) 위에 형성되고, 응력 완화층(355)이 절연층(325)의 표면 위에 형성된다. 그 후에, 응력 완화층(355) 위에 배선층(328)이 형성된다. 응력 완화층의 두께는 응력 완화층(355) 위에 배치되는 소자(301)의 두께에 따라 결정된다. 예를 들면, 응력 완화층(355)의 두께는 1μm 내지 10μm 사이의 범위이다.
다음으로, Ni-Fe 합금막의 두께가 1μm 내지 5μm 사이의 범위가 되도록, 스퍼터링 방법을 이용하여, 소자(301)를 구성하는 Ni-Fe 합금막이 증착된다. 그리고 나서, 소자(301)의 자기 특성을 향상시키기 위해, 장치(306)는 자계하의 진공에서 약 300℃로 어닐링된다. 마지막으로, 실리콘 질화물, 실리콘 이산화물 등으로 이루어진 보호층(332)이 기판(322) 위에 형성된다.
장치(306)가 어닐링되면, 기판(322)의 열팽창 계수가 소자(301)의 열팽창 계수와 다르기 때문에, 기판(322)에서 응력이 발생된다. 그러므로, 일부의 경우에, 기판(322)이 손상될(cracked) 수 있다.
통상적으로, 기판의 손상을 방지하기 위해, 자기 임피던스 소자를 구성하는 자성층을 증착하기 위한 증착 조건이 변화되거나, 또는 자성층의 막 품질이 변화된다. 그러나, 기판(322) 내의 손상에 관해 고려되지 않는다.
장치(306)에서는, 기판(322)과 소자(301) 사이에 응력 완화층(355)이 배치되어, 기판(322)에 인가되는 응력이 응력 완화층(355)에서 흡수된다. 따라서, 기판(322)의 손상이 방지된다. 또한, 응력 완화층(322)은 유기 재료인 폴리-이미드로 이루어지기 때문에, 응력 완화층(355)이 쉽게 형성된다.
따라서, 본 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(301)를 갖는 센서 장치(306)는 최소 크기를 가지며, 적은 제조 비용으로 제조될 수 있다. 또한, 기계적 강도에 관한 장치의 신뢰성이 향상된다.
(제8 실시예)
제8 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(301B)를 갖는 자기 센서 장치(307)가 도32에 도시되어 있다. 장치(307)는 응력 완화층(355)을 포함한다. 소자(301B)와 배선층(328)을 연결하기 위한 스루홀이 층간 절연막(352)에 형성되면, 스루홀은 층간 절연막(352) 아래에 배치된 응력 완화층(355)을 관통하여, 배선층(328)에 닿는다.
장치(307)에서는, 기판(322)의 손상이 방지된다. 또한, 층간 절연막(352)이 소자(301B)와 배선층(328)의 상부 표면에 형성되고, 금속막(351)이 소자(301B)의 양단과 배선층(328)의 상단을 연결한다. 전기적 접속부가 상부 표면에 배치되기 때문에, 소자(301B)와 배선층(328) 사이의 접속이 양호한 옴 접촉이 될 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(301B)를 갖는 센서 장치(307)는 최소 크기를 가지며, 적은 제조 비용으로 제조될 수 있다. 또한, 기계적 강도에 관한 장치의 신뢰성이 향상된다. 게다가, 접속의 신뢰성이 향상된다.
(제9 실시예)
제9 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(301)를 갖는 자기 센서 장치(308)가 도33에 도시되어 있다. 장치(308)는 실리콘 질화물, 실리콘 이산화물 등으로 이루어진 산화 보호막(356)을 포함한다. 산화 보호막(356)은 소자(301)의 표면 위에 형성된다.
여기서, 소자(301)는 자기 박막의 표피 효과(skin effect)를 이용하기 때문에, 소자(301)의 자기 특성은 소자의 표면에 의존한다. 그러므로, 소자(301)의 표면이 산화되는 경우, 소자(301)의 자기 검출이 감소된다.
따라서, 산화 보호막(356)은 소자의 표면(301)이 산화되지 않도록 보호한다. 이에 따라, 소자(301)의 자기 특성이 양호하게 유지될 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 자기 임피던스 소자(301)를 갖는 센서 장치(308)는 최소 크기를 가지며, 적은 제조 비용으로 제조될 수 있다. 또한, 장치(308)는 높은 내열성을 가진다.
산화 보호막(356)은 도28 내지 도32에 도시된 장치(303-307)의 소자(300, 301A, 301B) 위에 형성될 수 있다.
(제10 실시예)
본 발명의 제10 실시예에 따른 자기 센서(401)를 갖는 회전 센서 장치(400) 가 도34에 도시되어 있다. 회전 센서 장치(400)는 그 회전이 검출되는 대상인 회전체(411), 회전체(411)를 덮고 있는 케이스(412), 및 자기 센서(401)를 포함한다. 케이스(412)는 회전체(411)와 자기 센서(401) 사이를 분리한다. 자기 센서(401)는, 예를 들면, 도25에 도시된 자기 센서 장치(25)에 의해 제공된다. 그러므로, 자기 센서(401)는 자기 임피던스 센서를 포함한다.
회전체(411)는 자성체 또는 자성체를 포함한 재료로 이루어지며, 톱니바퀴 형태를 가진 기어(gear)이다. 회전체(411)가 회전하면, 회전체(411) 주변의 자계가 급격히 변한다.
회전체(411)가 자성체로 이루어진 경우, 회전체(411)는 자계를 둘러쌈으로써 자화된다. 그러므로, 회전체(411)는 도35a에 도시된 바와 같이 자화된 기어(411a)로서 동작한다. 자화된 기어(411a)는 영구 자석을 끌어당긴다. 도35a에서, 한 쌍의 화살표는 자화된 기어(411a)에 의해 발생되는 자력선을 나타낸다. 자화된 기어(411a)가 회전하면, 자력선도 회전하여, 자화된 기어(411a) 주변의 자계의 세기가 주기적으로 변한다.
회전체(411)가 자화되지 않은 경우, 회전체는 비-자화된 기어(411b)로 동작한다. 비-자화된 기어(411b)가 자화되지 않더라도, 비-자화된 기어(411b) 주변의 자계의 세기는 주기적으로 변한다. 이것은, 비-자화된 기어(411b)가 회전할 때에, 기어(411b) 주변의 오목부 및 볼록부의 교차 형태로 인해, 지자계(geomagnetic field)의 자력선이 주기적으로 변한다. 도35b 및 도35c에 도시된 바와 같이, 기어(411b)의 오목부가 자기 센서(401)를 향하면, 자기 센서(401) 주변의 자계의 세기가 약해진다. 기어(411b)의 볼록부가 자기 센서(401)를 향하면, 자기 센서(401) 주변의 자계의 세기가 강해진다. 이에 따라, 기어(411b) 주변의 자계의 세기가 주기적으로 변한다.
따라서, 회전체(411)가 회전하면, 자기 센서(401)는 자계의 세기의 주기적 변화를 검출한다. 그러므로, 회전체(411)의 회전이 자기 센서(401)에 의해 검출될 수 있다.
자기 센서(401)는, 예를 들면, 자기 임피던스 소자를 갖는 자기 센서 장치이다. 자기 센서 장치는 비자성 기판 위에 형성되는 Ni-Fe 계열 합금막을 포함한다. 도35에 도시된 바와 같이, 가지 센서(401)의 Ni-Fe 계열 합금막은, 다수의 선형막이 자계 검출 방향에 평행하게 소정 간격으로 배열되는 방식의 소정 패턴을 가지며, 지그재그 형태를 형성하도록 함께 반복적으로 연결된다.
고주파 교류 전류가 자기 센서(401)의 Ni-Fe 계열 합금막의 양단에 인가되어, 양단 사이의 임피던스가 외부 자계의 변화에 따라 변하게 된다. 임피던스 변화는 전기 회로(미도시)에 의해 측정되고, 그 임피던스 변화량이 전기 신호로 변환된다. 전기 신호는 자기 센서(401)로부터 출력된다. 따라서, 회전체(411)의 회전에 대응하는 신호가 획득된다.
자기 임피던스 소자를 갖는 자기 센서(401)는 통상의 자기-저항 센서 또는 홀 소자 센서(hall element sensor) 보다 훨씬 높은 센서 감도를 가진다. 따라서, 자기 센서(401)가 케이스(412) 밖에 배치되더라도, 자기 센서(401)는 케이스(412) 안에 배치된 회전체(411)가 회전에 의해 발생되는 자계의 변화를 검출할 수 있다. 구체적으로, 자기 센서(401)는, 회전체(411)의 회전에 의해 발생되고 케이스(412) 밖으로 누설되는 자계의 세기의 주기적인 변화를 검출한다. 그리고 나서, 자기 센서(401)는 신호를 전기 신호로 변환한다. 여기서, 자기 센서(401)는 구동 회로, 센싱부, 검출 회로, 레귤레이터 및 입출력 회로(미도시)를 포함한다.
케이스(412)는 회전체(411)와 자기 센서(401) 사이를 분리하기 위한 분리 실드로 동작한다. 케이스(412)는 알루미늄으로 이루어진다. 그러나, 케이스(412)는 구리 및 놋쇠와 같은 다른 비자성체로 이루어질 수 있다. 또한, 케이스(412)는 수지 및 세라믹과 같은 비금속성의 비자성체로 이루어질 수 있다. 케이스가 영구 자석을 끌어당기지 못하는 비자성체로 이루어진 경우, 회전체(411)의 회전에 의해 발생되는 자계의 세기의 주기적인 변화는 케이스(412)에 의해 실질적으로 방해되지 않는다. 그러므로, 자기 센서(401)가 케이스(412) 밖에 배치되더라도, 자기 센서(401)는 회전체(411)의 회전을 정확하게 검출할 수 있다.
여기서, 자기 센서(401)는 높은 센서 감도를 갖기 때문에, 회전 센서 장치(400)는 추가의 자계를 인가하기 위한 바이어스 자계로서 바이어스 자석을 포함하지 않는다.
도36은 한 쌍의 자기 센서(401A, 401B)를 갖는 회전 센서 장치(402)를 도시하고 있다. 장치(402)에서, 2개의 자기 센서(401A, 401B)는 회전체(411) 피치의 1/2, 즉 기어의 1/2 피치만큼 이격되어 평행하게 배열된다. 장치(402)는 두 자기 센서(401A, 401B)로부터 발생된 차동 출력을 검출한다. 이 차동 출력은 각 자기 센서(401A, 401B) 안에 배치된 지자계의 불변 성분을 상쇄한다. 그러므로, 장치(402) 는 자계의 주기적 변화를 보다 정확하게 검출한다. 즉, 장치(402)는 회전을 훨씬 정확하게 검출한다.
각 장치(400, 402)에서, 자기 센서(401, 401A, 401B)와 회전체(411, 411a, 411b) 사이에 분리 실드가 배치되더라도, 높은 센서 감도를 갖는 자기 센서(401, 401A, 401B)는 회전체(411, 411a, 411b)의 회전을 검출할 수 있다. 그러므로, 자기 센서(401, 401A, 401B)는 자기 센서(401, 401A, 401B)를 실장하기 위한 개구부를 뚫지 않고 케이스(412) 외부에 배치될 수 있다. 따라서, 장치(400, 402)는 케이스(412)에 자기 센서(401, 401A, 401B)를 실장하기 위한 높은 실장율, 및 케이스(412)의 높은 설계 자유도를 가질 수 있다.
장치(400, 402)는 차량의 엔진 내의 캠축의 캠 또는 차량 엔진 내의 크랭크축의 기어의 회전을 검출하는데 적합하게 사용된다. 장치(400, 402)는 회전을 검출하기 위한 구멍을 뚫지 않고, 즉, 차량의 엔진 케이스(예로, 엔진 블록)의 벽에 구멍을 뚫지 않고도 회전을 검출할 수 있다. 따라서, 장치(400, 402)는 차량의 엔진 상에 높은 실장율을 가지며, 엔진에 장치를 실장하는데 설계 자유도가 향상된다.
또한, 장치(400, 402)는 차량의 바퀴의 회전을 검출할 수 있다. 예를 들면, 자기 센서(401, 401A, 401B)는 바퀴의 회전에 따른 자계 세기의 주기적인 변화를 검출한다. 그리고 나서, 장치(400, 402)는 전기 신호를 출력하여, 바퀴의 회전을 검출한다. 여기서, 자기 센서(401, 401A, 401B)는 차량의 엔진 후드위, 또는 차량의 객실 안에 장착된다.
(제11 실시예)
본 발명의 제11 실시예에 따른 자기 센서(401)를 갖는 회전 센서 장치(403)가 도37에 도시되어 있다. 회전 센서 장치(403)는 회전체(411c), 케이스(412) 및 자기 센서(401)를 포함한다. 회전체(411c)는 원통형 자석을 포함한다. 원통형 자석의 N극 및 S극은 원통형 자석의 원주 둘레에 교대로 배치된다.
도37에 도시된 바와 같이, 원통형 자석의 중심축이 회전축으로 동작하여, 회전체(411c)는 회전자의 원주 둘레에 교대로 배치된 한 쌍의 자극을 갖는 자기 회전자로 동작한다. 회전체(411c)에 의해 발생되는 자력선이 회전체(411c)로부터 출력되고, 주기적으로 배치된다. 회전체(411c)가 회전할 때, 회전체(411c) 둘레에 자계 세기의 주기적인 변화가 발생된다. 이 주기적인 변화가 케이스(412) 밖에 배치된 자기 센서(401)에 의해 검출되어, 장치(403)가 회전체(411c)의 회전을 검출할 수 있다.
여기서, 장치(403)는 단일 자기 센서(401)를 가지지만, 한 쌍의 자기 센서를 가질 수 있다. 이 경우에, 자기 센서들은 회전체(411c) 피치의 1/2 만큼 이격되어 평행으로 배열된다. 장치는 두 자기 센서로부터 발생되는 차동 출력을 검출한다. 이 차동 출력은 각 자기 센서에 배치된 지자계의 불변 성분을 상쇄한다. 따라서, 장치는 회전을 보다 정확하게 검출한다. 구체적으로, 회전체(411c)의 자화 세기가 약하여, 회전체(411c)의 회전에 따른 자계 세기의 주기적인 변화가 작은 경우에, 한 쌍의 자기 센서를 갖는 장치(403)는 효과적으로 회전을 검출할 수 있다.
장치(403)에서, 높은 센서 감도를 갖는 자기 센서(401)는, 케이스(412)가 분리 실드로서 자기 센서(401)와 회전체(411c) 사이에 배치되더라도, 회전체(411c)의 회전을 검출할 수 있다. 그러므로, 자기 센서(401)는, 자기 센서(401)를 실장하기 위한 개구부를 뚫지 않고, 케이스(4112) 외부에 배치될 수 있다. 따라서, 장치(403)는 케이스(412) 상에 자기 센서(401)를 실장하기 위한 높은 실장율을 가지며, 케이스(412)의 높은 설계 자유도를 갖는다.
장치(403)는 차량 바퀴의 회전축에 장착되는 자기 회전자의 회전을 검출하는데 적합하게 사용된다. 이 경우에, 장치(403)는 차량의 ABS(antilock break system) 시스템을 위한 휠 회전 센서를 제공한다. ABS 시스템에서, 자기 센서(401)는, 회전자 케이스에 구멍을 뚫지 않고, 회전자 케이스로서 휠 허브상에 장착된다. 따라서, 장치(403)는 바퀴와 서스펜션이 좁게 배치되기 때문에, 좁은 장착부가 요구되는 휠 허브상에 장착할 수 있다. 이에 따라, 장치(403)는 휠 허브에 대한 높은 실장율을 가지며, 휠 허브 상에 장치(403)를 장착하기 위한 설계 자유도가 향상된다.
또한, 장치(403)는 차량 바퀴의 회전을 검출할 수 있다. 이 경우에, 자기 센서(401)는 차량의 엔진 후드위 또는 차량의 객실내에 장착될 수 있다.
(제12 실시예)
본 발명의 제12 실시예에 따른 자기 센서(401)를 갖는 회전 센서 장치(500, 501)가 도38a 내지 도38c에 도시되어 있다. 각 회전 센서 장치(500, 501)는 회전체(411)로서의 자화된 기어(411a) 또는 비-자화된 기어(411b), 자기 센서(401), 자기 센서(401)를 덮기 위한 센서 케이스(512)를 포함한다. 센서 케이스(512)는 회전체(411)와 자기 센서(401) 사이를 분리한다.
센서 케이스(512)는 자기 센서(401)를 덮고 있으며, 자성체로 이루어진다. 센서 케이스(512)는 자기 센서(401)와 회전체(411) 사이에 배치되는 개구부(513)를 포함한다. 즉, 개구부(513)는 회전체(411)를 향한다. 장치(500, 501)에서, 높은 센서 감도를 갖는 자기 센서(401)는 높은 투자율을 갖는 센서 케이스(512)에 의해 둘러싸인다. 따라서, 센서 케이스(512)는 부분적으로 자계를 차단하여, 자기 센서(401) 주변의 외부 자계 외란 영향이 감소된다. 즉, 장치(500, 501)는 자계의 외부 외란에 대해 높은 저항성을 갖는다.
회전체(411)의 회전에 의해 발생되는 자계 세기의 주기적인 변화는 센서 케이스(512)의 개구부(513)를 통해 자기 센서(401)에 의해 검출된다. 따라서, 자기 센서(401)는 회전체(411)의 회전을 검출할 수 있다. 여기서, 자기 센서(401)는 자계를 검출하기 위해 높은 센서 감도를 갖기 때문에, 센서 케이스(512)의 개구부(513)는, 자기 센서(401)가 자계 세기의 주기적인 변화를 검출하는 한, 최소화될 수 있다.
따라서, 장치(500, 501)는 작은 개구부(513)를 갖는 센서 케이스(512)가 자기 센서(401)를 덮는 간단한 구성을 가지므로, 자기 센서(401) 주변의 자계의 외란의 영향이 감소된다. 그러므로, 장치(500, 501)의 제조 비용이 절감된다.
장치(500, 501)는 차량 엔진 내의 캠축의 캠 또는 차량 엔진 내의 크랭크축의 기어의 회전을 검출하는데 적합하게 사용된다. 여기서, 차량 엔진 주변의 자계의 외란을 발생시키는 여러 요인이 존재한다. 또한, 자계의 외란은 복잡한 구조를 갖는다. 장치(500, 501)가 이러한 복잡한 외란 내에 배치되더라도, 외란의 영향이 감소되어, 장치(500, 501)가 회전을 정확하게 검출한다.
회전체(411)는 톱니바퀴 형태를 갖고, 자성체 또는 자성체를 포함한 재료로 이루어지지만, 회전체(411)는 다른 형태를 가질 수 있으며, 다른 재료로 이루어질 수 있다. 도39에 도시된 바와 같이, 회전 센서 장치(502)는 회전체(411c)를 갖는다. 회전체(411c)는 원통형 자석을 포함한다. 회전체(411c)는 원통형 자석을 포함한다. 원통형 자석의 N극 및 S극은 원통형 자석의 원주 둘레에 교대로 배치된다. 장치(502)는 또한 자기 센서(401) 및 개구부(513)를 갖는 센서 케이스(512)를 포함한다. 장치(502)에서, 센서 케이스(512)는 자계를 부분적으로 차단하여, 자기 센서(401) 주변의 자계의 외란의 영향이 감소된다. 또한, 자기 센서(401)는 센서 케이스(512)의 개구부(513)를 통해 회전체(411c)의 회전에 의해 발생되는 자계 세기의 주기적인 변화를 검출한다. 이에 따라, 자기 센서(401)가 회전체(411c)의 회전을 검출할 수 있다.
따라서, 장치(502)는 작은 개구부(513)를 갖는 센서 케이스(512)가 자기 센서(401)를 덮는 간단한 구성을 가지므로, 자기 센서(401) 주변의 자계의 외란의 영향이 감소된다. 따라서, 장치(502)의 제조 비용이 절감된다.
장치(502)는 차량 바퀴의 회전축 상에 실장되는 자화된 회전자의 회전을 검출하는데 적합하게 사용된다. 이 경우에, 장치(502)는 차량의 ABS 를 위해 휠 회전 센서를 제공한다. 여기서, 차량의 몸체 아래의 자계의 외란을 발생시키는 많은 요인들이 존재한다. 또한, 자계의 외란은 복잡한 구조를 갖는다. 장치(502)가 이러한 복잡한 외란 내에 배치되고, 외란의 영향이 감소되지 않는다.
(제13 실시예)
본 발명의 제13 실시예에 따른 자기 센서(401)를 갖는 회전 센서 장치(503)가 도40a 및 도40b에 도시되어 있다. 회전 센서 장치(503)는 자성체 또는 자성체를 포함한 재료로 이루어진 회전체(411), 자기 센서(401), 자기 센서(401)를 덮기 위한 센서 케이스(512a)를 포함한다. 센서 케이스(512)는 영구 자석으로 이루어진다. 센서 케이스(512a)의 양단이 개방되고, 센서 케이스(512a)는 원통 형태를 갖는다. 센서 케이스(512a)의 일측단은 회전체(411)를 향하는 개구부(513a)를 갖는다. 센서 케이스(512a)의 측벽은 영구 자석으로 형성된다. 센서 케이스(512a) 안에 자기 센서(401)가 배치된다. 구체적으로, 자기 센서(401)는 회전체 측에 배치되고, 센서 케이스(512a)의 개구부(513a)로부터 돌출되지 않는다.
장치(503)에서, 높은 센서 감도를 갖는 자기 센서(401)는 영구 자석으로 이루어진 센서 케이스(512a)로 둘러싸인다. 센서 케이스(512a)가 영구 자석으로 이루어지기 때문에, 외부 자계가 개구부(513a)를 제외하고 센서 케이스(512a)로 삽입되는 것이 방지된다. 따라서, 센서 케이스(512a)는 자계의 외란을 차단하기 위한 자기 실드로서 동작한다.
또한, 센서 케이스(512a)는 자기 실드 뿐만 아니라, 도40a 및 도40b에서 화살표로 표시된 바이어스 자계를 인가하기 위한 바이어스 자석으로서도 동작한다. 개구부(513a)가 배치되는 센서 케이스(512a)의 일측단은 하나의 극성을 제공하고, 타측단은 다른 극성을 제공한다. 그러므로, 최대 바이어스 자계가 회전체(411) 쪽으로 인가된다. 바이어스 자계의 일부가 센서 케이스(512a)의 오목부 쪽으로 통과 하여, 바이어스 자계의 일부가 자기 센서(401)에 도달한다. 회전체(411)가 회전하면, 회전체(411)의 원주 둘레에 배치된 오목부 및 볼록부가 바이어스 자계의 자력선을 주기적으로 변화시킨다. 그러므로, 회전체(411)의 회전에 따른 자계 세기의 주기적인 변화는 센서 케이스(512a)의 오목부에 통과하는 바이어스 자계에 영향을 준다. 따라서, 자기 센서(401)는 이 자계 세기의 주기적인 변화를 검출하여, 장치(503)가 회전체(411)의 회전을 검출하게 된다.
회전체(411)가 자화되지 않아서 회전체(411)에 의해 자계가 발생되지 않은 경우라도, 회전체(411)의 회전에 따른 자계 세기의 주기적인 변화는, 센서 케이스(512a)를 구성하는 영구 자석의 바이어스 자계를 제어함으로써 확대될 수 있다. 그러므로, 자기 센서(401)는 회전을 정확하게 검출할 수 있다.
영구 자석으로 이루어진 센서 케이스(512a)를 갖는 회전 센서를 이용함으로써, 회전을 검출하기 위한 검출 정확도가 향상된다. 여기서, 개구부(513a)가 작아지면, 바이어스 자계가 센서 케이스(512a)의 오목부를 통과하기 어렵다. 그러나, 자기 임피던스 소자를 갖는 자기 센서(401)는 자계를 검출하기 위한 높은 센서 감도를 가지므로, 센서 케이스(512a)의 개구부(513a)는, 자기 센서(401)가 자계 세기의 주기적인 변화를 검출하는 한, 최소화될 수 있다.
따라서, 장치(503)는 작은 개구부(513a)를 갖는 센서 케이스(512a)가 자기 센서(401)를 덮는 간단한 구성을 가지므로, 자기 센서(401) 주변의 자계의 외란의 영향이 감소된다. 그러므로, 장치(503)의 제조 비용이 절감된다.
장치(503)는 차량 엔진내의 캠축의 캠 또는 차량 엔진내의 크랭크축의 기어 의 회전을 검출하는데 적합하게 사용된다.
장치(503)는 회전체(411)를 포함하지만, 그 원주 둘레에 N극 및 S극이 교대로 배치된 회전체(411c)와 같은 다른 형태의 회전체를 가질 수 있다. 이 경우에, 센서 케이스(512a)가 바이어스 자석으로 동작할 필요가 없다. 그러므로, 센서 케이스(512a)는 자기 실드로서만 동작한다. 이 경우, 장치(503)는 차량의 ABS 시스템을 위한 휠 회전 센서를 제공한다.
이러한 변형 및 수정은 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위안에 있는 것으로 이해되어야 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 자기 임피던스 소자는 고온으로 열처리되는 경우라도, 소자의 감도가 저하되지 않는다. 또한, 본 발명에 따른 자기 임피던스 소자를 갖는 센서 장치는 최소 크기를 가지며, 적은 제조 비용으로 제조될 수 있고, 높은 내열성을 갖는다.

Claims (54)

  1. 삭제
  2. 반도체 기판;
    자계를 검출하기 위한 자기 임피던스 소자; 및
    상기 자기 임피던스 소자로부터 출력되는 출력 신호를 처리하기 위한 주변 회로를 포함하고,
    상기 자기 임피던스 소자는 상기 기판 위에 배치되며, 상기 주변 회로는 상기 기판 위에 배치되는
    자기 센서 장치.
  3. 반도체 기판;
    자계를 검출하기 위한 자기 임피던스 소자; 및
    알루미늄 재료로 이루어진 배선층을 포함하고,
    상기 자기 임피던스 소자는 상기 기판 위에 배치되며,
    상기 배선층은 상기 자기 임피던스 소자의 양단에 연결되고, 상기 배선층과 상기 자기 임피던스 소자 사이의 접속부에 배치되는 한 쌍의 끝단을 갖는
    자기 센서 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배선층의 각 끝단은 뾰족한 형태를 갖는
    자기 센서 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    티타늄 재료로 이루어진 배리어 금속막
    을 더 포함하고,
    상기 배선층은 상기 배리어 금속막을 통해 상기 자기 임피던스 소자의 양단에 연결되는
    자기 센서 장치.
  6. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    금속성막
    을 더 포함하고,
    상기 배선층은 상기 금속성막을 통해 상기 자기 임피던스 소자의 양단에 연결되는
    자기 센서 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    층간 절연막
    을 더 포함하고,
    상기 층간 절연막은 상기 자기 임피던스 소자와 상기 금속성막 사이에 배치되는
    자기 센서 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 금속성막은 티타늄 재료로 이루어지는
    자기 센서 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 금속성막은 알루미늄 재료, 구리 재료, 알루미늄과 티타늄의 혼합 재료, 또는 구리와 티타늄의 혼합 재료로 이루어지는
    자기 센서 장치.
  10. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 자기 임피던스 소자는 Ni-Fe 계열 합금으로 이루어지는
    자기 센서 장치.
  11. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 기판과 상기 자기 임피던스 소자 사이에 배치되는 응력 완화층(stress relaxation layer)
    을 더 포함하고,
    상기 응력 완화층은, 상기 장치가 열처리되는 경우에, 상기 기판에서 발생되는 응력을 완화시키는
    자기 센서 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 응력 완화층은 폴리-이미드로 이루어지는
    자기 센서 장치.
  13. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 자기 임피던스 소자 위에 배치되는 산화 보호막
    을 더 포함하는 자기 센서 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 산화 보호막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산화물과 실리콘 질화물의 합성막으로 이루어지는
    자기 센서 장치.
  15. 제2항 또는 제3항에 따른 자기 센서 장치를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    기판 위에 응력 완화층을 형성하는 단계; 및
    상기 응력 완화층 위에 자기 임피던스 소자를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 응력 완화층은, 상기 기판이 열처리되는 경우에, 상기 기판에서 발생되는 응력을 완화시키는
    자기 센서 장치 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 응력 완화층은 폴리-이미드로 이루어지는
    자기 센서 장치 제조 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 자기 임피던스 소자 위에 산화 보호막을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 자기 센서 장치 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 산화 보호막은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 실리콘 산화물과 실리콘 질화물의 합성막으로 이루어지는
    자기 센서 장치 제조 방법.
  19. 반도체 기판; 및
    자계를 검출하기 위한 자기 임피던스 소자
    를 포함하고,
    상기 자기 임피던스 소자는 상기 기판 위에 배치되며,
    상기 자기 임피던스 소자는, 교류 전류가 상기 소자에 인가될 때에, 상기 소자의 임피던스가 자계에 따라 변화되면, 외부 전기 회로에 의해 상기 임피던스를 측정하는 방식으로 상기 자계를 검출하고,
    상기 자기 임피던스 소자는 Ni-Fe 계열 합금막으로 이루어진 자성층을 포함하고,
    상기 자성층은 상기 교류 전류의 통전 방향에서 L1으로서 정의되는 길이, 상기 통전 방향에 수직 방향에서 L2로서 정의되는 폭, 및 L3로서 정의되는 두께를 갖고,
    상기 길이와 폭의 비율은 α, 즉, α= L1/L2 로서 정의되고, 상기 폭과 두께의 비율은 β, 즉, β= L2/L3 로서 정의되고,
    상기 비율 α는 10 보다 크거나 같고, 상기 비율 β는 1 내지 50 사이의 범위에 있으며,
    상기 두께 L3은 5μm 보다 크거나 같은
    자기 센서 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 Ni-Fe 계열 합금막은 65중량% 내지 90중량% 사이의 범위에 있는 Ni-Fe 계열 합금막 안의 Ni 함유량 및/또는 10중량% 내지 35중량% 사이의 범위에 있는 Ni-Fe 계열 합금막 안의 Fe 함유량과 같은 조성을 갖는
    자기 센서 장치.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    상기 자성층은 상기 자성층에 인가되는 상기 교류 전류의 통전 방향에 대해 수직으로 배치되는 사각형의 단면을 갖고,
    상기 사각형의 단면은 그 사이의 각도는 60℃ 내지 120℃ 사이의 범위에 있는 일측과 타측을 갖는
    자기 센서 장치.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 Ni-Fe 계열 합금막은 그 치수가 1nm 내지 1μm 사이의 범위에 있는 다수의 입자를 갖는
    자기 센서 장치.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 자성층은 상기 기판 위에, 그 사이에 버퍼층을 구비하거나 또는 구비하지 않도록 배치되고,
    상기 기판은 1μm 보다 작거나 같은 표면 조도(surface roughness)를 갖는
    자기 센서 장치.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 자성층은 상기 교류 전류의 통전 방향에 대해 실질적으로 수직이거나 또는 평행한 자화 용이축(axis of easy magnetization)을 갖는
    자기 센서 장치.
  25. 반도체 기판; 및
    자계를 검출하기 위한 자기 임피던스 소자
    를 포함하고,
    상기 자기 임피던스 소자는 상기 기판 위에 배치되며,
    상기 자기 임피던스 소자는, 교류 전류가 상기 소자에 인가될 때에, 상기 소자의 임피던스가 자계에 따라 변화되면, 외부 전기 회로에 의해 상기 임피던스를 측정하는 방식으로 상기 자계를 검출하고,
    상기 자기 임피던스 소자는 Ni-Fe 계열 합금막으로 이루어진 자성층을 포함하고,
    상기 자성층은 상기 교류 전류의 통전 방향에서 L1으로서 정의되는 길이, 상기 통전 방향에 수직 방향에서 L2로서 정의되는 폭, 및 L3로서 정의되는 두께를 가지며,
    상기 길이 L1은 100μm 보다 크거나 같고, 상기 폭 L2는 5μm 내지 100μm 사이의 범위에 있고, 상기 두께 L3은 0.3μm 보다 크거나 같은
    자기 센서 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 Ni-Fe 계열 합금막은 65중량% 내지 90중량% 사이의 범위에 있는 Ni-Fe 계열 합금막 안의 Ni 함유량 및/또는 10중량% 내지 35중량% 사이의 범위에 있는 Ni-Fe 계열 합금막 안의 Fe 함유량과 같은 조성을 갖고,
    상기 Ni-Fe 계열 합금막은 그 치수가 100nm 보다 작거나 같은 다수의 입자를 가지며,
    상기 기판은 1300nm 보다 작거나 같은 표면 조도를 갖는
    자기 센서 장치.
  27. 제19항 또는 제25항에 있어서,
    상기 자성층을 덮기 위한 보호층
    을 더 포함하고,
    상기 보호층은 전기적인 절연 재료로 이루어지는
    자기 센서 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 보호층은 내부 응력으로서 압축 응력을 가지며, 상기 압축 응력은 500MPa 보다 작거나 같은
    자기 센서 장치.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 보호층은 내부 응력으로서 신장(tensile) 응력을 가지며, 상기 신장 응력은 100MPa 보다 작거나 같은
    자기 센서 장치.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 보호층은 0.2μm 내지 5μm 사이의 범위에 있는 두께를 갖는
    자기 센서 장치.
  31. 제27항에 있어서,
    상기 보호층은 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물, 실리콘 산화물, 인화 실리콘 산화물 및 붕소-도핑된 실리콘 산화물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 재료로 이루어지는
    자기 센서 장치.
  32. 제27항에 있어서,
    상기 보호층은 다수의 절연 재료를 포함하는 복합 재료로 이루어지는
    자기 센서 장치.
  33. 제27항에 있어서,
    상기 보호층은 적층 구조를 갖는
    자기 센서 장치.
  34. 삭제
  35. 삭제
  36. 삭제
  37. 삭제
  38. 삭제
  39. 삭제
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  54. 삭제
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