KR101030110B1 - 박막형 3축 플럭스게이트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 자기장 인가방향을 측정할 수 있는 박막 플럭스게이트(fluxgate)에 관한 것으로서, 수평의 2축 성분 자계와 수직 성분 자계를 모두 측정할 수 있는 3축 박막 플럭스게이트에 관한 것이다.

본 발명은 3축 방향의 자계성분을 검출하는 박막형 3축 플럭스게이트(fluxgate)에 있어서, 자계의 2축의 수평 성분을 감지하기 위한 것으로서 동일 평면상에 배치된 2개의 막대형 박막 플럭스게이트와, 자계의 수직 성분을 감지하기 위한 다수의 박막 플럭스게이트를 포함하고, 상기 각 플럭스게이트는 전원 인가를 위한 드라이브 코일, 전압 검출을 위한 픽업 코일 및 자성박막을 포함하는 것이고, 상기 수직 성분 감지용 플럭스게이트는 상기 2개의 수평 성분 감지용 플럭스게이트 각각과 직교하게 배치되고 상기 수평 성분 감지용 플럭스게이트보다 짧은 길이를 가지는 복수의 자성 박막으로 구성되며,상기 각 수직 성분 감지용 플럭스게이트의 자성박막의 형상은 양단부가 중심부보다 넓은 형상으로 이루어진다.

Description

박막형 3축 플럭스게이트 및 그 제조방법{THIN FILM 3 AXIS FLUXGATE AND THE IMPLE-MENTATION METHOD THEREOF}

본 발명은 외부 자기장 인가방향을 측정할 수 있는 박막 플럭스게이트(fluxgate)에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 수평 2축 성분 자계와 수직 성분 자계를 모두 측정할 수 있는 3축 박막 플럭스게이트에 관한 것이다.

플럭스게이트는 자계 센서의 일종으로서, 지뢰 등과 같은 철강 함유 매설물 탐색, 전자나침반 등의 용도로 이용되어왔다.

플럭스게이트의 기본 구조는 도 1과 도 3에 도시된 바와 같이 강자성체와 그 강자성체의 주변을 둘러싸는 드라이브 코일 및 이와 별도의 픽업 코일로 이루어지며, 드라이브 코일에 교류 전류를 인가하기 위한 교류 전원과 픽업 코일에 유도되는 전압을 감지하기 위한 전압계를 포함한다.

플럭스게이트의 작동 원리는 다음과 같다. 자성체 주위에 드라이브 코일을 감고 이 코일에 교류 전류를 인가하게 되면, 이 전류에 의하여 코일 주변, 특히 코일 내부에 시변 유도자계가 발생하게 되고, 이 유도자계에 의하여 자성체가 자화되는데 이 자성체는 N극과 S극을 가지는 전자석이 된다. 이때, 유도 자계는 시간에 따라 극성이 반전되는 시변성을 가지므로 코일 내부에 거치된 자성체의 자극(磁極) 역시 시간에 따라 반전되며, 자성체에 의하여 플럭스게이트 주변에 형성되는 자계 역시 시간에 따라 변환하게 된다. 이러한 시변 자계에 의하여 유도전류가 형성되며, 이로 인하여 픽업 코일에서는 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이 시간이 변함에 따라 전압 파형 또는 전압 피크(peak)가 검출된다.

도 1은 종래의 3축 플럭스게이트를 나타낸 개념도이다. 종래의 플럭스게이트는 지구 자계 등의 인가 자기장의 방향을 측정하기 위하여 3개의 플럭스게이트가 상호 간에 직각 구조를 갖도록 배치한 구조를 가졌다. 도 1과 같은 종래의 플럭스게이트의 작동은 X,Y,Z 축 각 방향당 2개, 즉 한 쌍의 막대형 자성체에 드라이브 코일과 픽업 코일을 동시에 감아 놓은 상태를 구성해 놓은 뒤, 드라이브 코일 속으로 삼각파 또는 싸인파를 입력시켜 두 개의 자성체가 각기 다른 방향으로 자화되도록 하고, 이 상태에서 2개의 자성체에 동시에 감아 놓은 픽업코일에서 감지되는 전압 파형을 읽어들이는 방식을 채택하였다. 도 2의 (a)는 도 1의 (b) 구조를 갖는 2개 막대형 플럭스게이트의 자성체 A와 자성체 B에 인가되는 입력 전압 파형을 나타낸 그림이다. 동일한 드라이브 코일을 따라 입력되는 전류는 자성체 A, B에서 각기 다른 방향으로 자성체를 자화시키는 형태로 전압이 인가된다.

도 2의 (b)는 2개의 막대형 플럭스게이트에 감겨 있는 픽업 코일에서 감지되는 출력 볼트 파형을 나타낸 도면이다. A로 표현된 실선 출력 파형은 자성체 A로부터 발생되는 신호이며, B로 표현된 점선 출력 파형은 자성체 B로부터 발생되는 신호이다. 2막대형 플럭스게이트의 픽업 전압은 도 2의 (b)에 표현한 바와 같이 각각 다른 부호의 출력 신호를 나타낸다. 도 2의 (b)와 같이 출력 전압이 입력 전압과 유사한 형태를 가지는 이유는 종래의 제품들은 본 발명과 달리 반도체 기술을 사용한 박막 제품이 아니고, 강자성체 막대 또는 강자성체 분말을 에폭시를 사용하여 바인딩(binding)하여 제작된 자성체를 사용한 벌크형태의 제품이므로 그와 같은 방법으로 제작된 자성체의 자기적 특성이 좋지 않아 자성체의 자화 반전이 완전한 형태로 되지 못하므로 일종의 단순한 변압기(트랜스포머)와 같은 전기적 거동을 보이기 때문이다. 종래의 제품은 입력파가 삼각파이면, 출력파는 삼각파로 출력되고, 입력파가 싸인파이면, 출력파는 싸인파 형태로 출력되는 특징을 가졌다.

도 2의 (b) 상태는 외부에서 자기장이 전혀 인가되지 않는 상태의 출력 신호를 나타낸 것으로서, 두 신호를 합산하면 부호가 다른 전압 출력이 상호 상쇄되어 '0' 볼트의 상태를 가지게 된다. 도 2의 (c) 상태는 외부에서 자기장이 인가되었을 때 종래의 플럭스게이트에서 감지되는 출력 신호를 나타낸 그림이다. 외부 자기장이 인가됨에 따라 출력 전압 신호는 수평 이동이 상대적으로 발생하여 전압이 '0'이던 상태에서 출력 전압이 새로이 나타나는 특성을 가진다. 종래의 플럭스게이트는 X, Y, Z 축당 각각 2개의 막대 형태의 플럭스게이트를 배열해 놓은 구조를 가지며 각각의 플럭스게이트는 자기장 인가에 따라 새로운 출력 전압이 발생하는 원리를 사용한다.

Technical Problem

이와 같은 작동 원리 및 구조를 갖는 종래의 플럭스게이트 제품의 문제점은X, Y, Z 축당 각각 2개의 막대형 자성체 또는 자성 박막을 형성시켜야 하므로 넓은 면적을 차지하여 제품의 면적이 클 뿐만 아니라 Z축 방향으로도 대면적의 플럭스게이트를 거치시켜야 하므로 작고, 납작한 크기의 전자나침반을 요구하는 휴대폰 등의 전자제품으로의 탑재가 곤란하다는 것이다. 또한, 도 2에 도시한 바와 같이 출력되는 신호가 일종의 변압기(트랜스포머) 형태를 갖게 되므로 상호 신호를 상쇄시켜야 하는 신호처리 회로가 추가로 필요하고, 아울러 두 종류의 픽업 신호를 상호 감쇄시켜 나타난 신호의 크기가 작으므로 잡신호(Noise)를 제거할 수 있는 고 용량의 앰프를 장착해 주어야 하는 문제가 있었고, 이 같은 문제를 해결하기 위해서 즉, 출력 신호를 키우기 위해서는 플럭스게이트 작동에 많은 전류를 유입시켜 주는 것이 필요하였다. 정확한 방위 측정을 위하여 많은 전기량을 필요로 한다는 것은 저전력 소모가 필수적으로 요구되는 휴대폰 등의 모바일 기기에로의 제품 탑재를 막는 제약 요건이 되었다.

Technical Solution

전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 휴대폰 등과 같은 소형의 전자기기 내에 장착될 수 있도록 3축 플럭스게이트 전자나침반을 소형으로 제작하고, 소자 작동에 필요한 전력을 최소화시킬 수 있는 박막형 3축 플럭스게이트의 기본 구조, 작동 방법 및 그 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 3축 방향의 자계성분을 검출하는 박막형 3축 플럭스게이트(fluxgate)에 있어서, 자계의 2축의 수평 성분을 감지하기 위한 것으로서 동일 평면상에 배치된 2개의 막대형 박막 플럭스게이트와,

자계의 수직 성분을 감지하기 위한 다수의 박막 플럭스게이트를 포함하고,

상기 각각의 플럭스게이트는 전원 인가를 위한 드라이브 코일, 전압 검출을 위한 픽업 코일 및 자성박막을 포함하는 것이고,

상기 수직 성분 감지용 플럭스게이트는 2개의 상기 수평 성분 감지용 플럭스게이트 각각과 직교하게 배치되고 상기 수평 성분 감지용 플럭스게이트 보다 짧은 길이를 가지는 복수의 자성 박막으로 구성되며, 상기 각 수직 성분 감지용 플럭스게이트의 자성박막의 형상은 양단부가 중심부보다 넓은 형상인 것인 박막형 3축 플럭스게이트가 제공된다.

상기 자성박막은 강자성체인 NiFe과 절연박막인 Al₂O₃ 박막 또는 SiO₂ 박막을 교대로 성막하여 이루어진 적층박막으로 구성될 수 있다.

또한, 자계의 2축의 수평 성분을 각각 감지하는 적어도 2개의 플럭스게이트와, 자계의 수직 성분을 감지하는 플럭스게이트를 포함하는 박막형 3축 플럭스게이트의 제조 방법에 있어서,

실리콘 기판상에 형성되고, 하부코일박막, 하부절연박막, 자성박막, 상부절연박막, 측면절연박막, 상부코일박막의 순서로 각 박막을 형성함으로써 구동 전류 인가를 위한 드라이브 코일과 신호 검출을 위한 픽업 코일을 포함하는 도전성 코일층과 자성박막과, 상기 도전성 코일층과 상기 자성박막 사이에 개재되어 이들 사이의 누전을 방지하는 절연박막을 포함하도록 구성된 막대형 박막 플럭스게이트(fluxgate)를, 두 개 이상 동일 평면상에 배치하는 단계와,

실리콘 기판상에 형성되고, 구동 전류 인가를 위한 드라이브 코일과 신호 검출을 위한 픽업 코일을 포함하는 도전성 코일층과 자성 박막과, 상기 도전성 코일층과 상기 자성박막 사이에 개재되어 이들 사이의 누전을 방지하는 절연박막을 포함하되, 상기 도전성 코일층, 상기 자성박막 및 상기 절연박막이 복수로 분할되고 그 폭 방향으로 정렬되어 구성되는 플럭스게이트를 상기 평면과 직교하게 배치하는 단계를 포함하되,

각각의 상기 자성박막은 자성체인 NiFe와 절연박막인 Al₂O₃ 박막 또는 SiO₂ 박막을 교대로 성막하여 적층박막을 형성하여 제조되는 것인 박막형 3축 플럭스게이트의 제조 방법이 제공된다.

상기 하부절연박막은, 상기 하부코일박막 위에 형성되며 SiO₂ 절연막과 Al₂O₃ 절연막을 연속적으로 성막하는 2층 구조를 가지며, 각 구성 박막의 두께는 SiO₂ 절연박막은 2,000Å(0.2㎛) 내지 20,000Å(2㎛) 이하의 두께를 가지도록 성막하며 그 위에 연속적으로 형성되는 Al₂O₃ 절연박막은 200Å(0.02㎛) 내지 10,000Å(1㎛) 두께로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 휴대폰이나 PDA 등과 같은 소형의 휴대용 기기에 장착될 수 있는 매우 적은 크기의 3축 플럭스게이트를 제작할 수 있으며, 5V 이하, 구체적으로는 2V 이하의 전원에서도 정확한 지표면 상에서의 방위를 검출할 수 있는 전자 나침반을 구성할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 2막대형 플럭스게이트의 기본 구조를 도시한 도면.

도 2a, 2b 및 2c는 종래의 플럭스게이트의 픽업 코일에서 검출되는 전압 파형의 일례를 도시한 도면.

도 3a, 3b 및 3c는 본 발명에 따른 1막대형 박막 플럭스게이트의 기본 구조를 도시한 개략도.

도 4a, 4b 및 4c는 본 발명에 따른 박막 플럭스게이트 소자의 상세한 구조를 도시한 도면.

도 5a, 5b 및 5c는 본 발명에 따른 박막 플럭스게이트의 픽업 코일에서 검출되는 전압 파형의 일례를 도시한 도면.

도 6a, 6b, 6c 및 6d는 본 발명에 따른 박막 플럭스게이트의 작동 원리를 도시한 도면.

도 7은 박막 플럭스게이트의 전원 공급 방식과 픽업 방법을 도시한 도면.

도 8은 박막 플럭스게이트 내부의 자성체의 자화 거동을 도시한 도면.

도 9는 일반적인 형태를 갖는 자성 박막의 자기적 특성을 도시한 도면.

도 10은 본 발명에 따른 플럭스게이트의 자성박막 형상의 자기적 특성을 도시한 도면.

도 11은 본 발명에 따른 플럭스게이트의 자성박막 형상을 도시한 도면.

Best Mode

본 발명에 따른 박막형 3축 플럭스게이트는 3개의 막대형 박막 플럭스게이트를 3개 방향으로 각각 배치하여 자계의 수평 성분과 수직 성분을 모두 검출하고 이 검출 결과에 기초하여 정확한 자계 방향 및 지표면 상에서의 방위를 파악하는 구성을 취한다.

본 발명의 3축 플럭스게이트에 있어서 각 방향의 자계 성분을 검출하는 플럭스게이트는 박막 형태로 제작된다. 특히, 휴대폰과 같은 소형 전자기기에 용이하게 장착될 수 있는 납작한 형태로 제조될 수 있도록 자계의 수직 성분을 검출하기 위한 박막 플럭스게이트는 그 폭 방향으로 정렬된 짧은 복수 개의 자성 박막에 드라이브 코일 및 픽업 코일을 권선하여 구성된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 상세히 설명하되, 우선 종래의 플럭스게이트와 본 발명에 따른 박막 플럭스게이트의 구성 방법 및 작동 방법에 대해 설명하고, 그 다음 본 발명에 따른 박막 플럭스게이트의 제조 방법 및 구조에 대하여 설명한다. 아울러 소형 크기의 제작이 필요한 수직 자장 측정용 Z축 플럭스게이트의 자성 박막의 디자인에 따른 제품의 자기적 특성에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 새로운 형태의 플럭스게이트를 채용한 전자나침반의 구조를 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 플럭스게이트는 종래의 1축당 2막대형 플럭스게이트와 달리 X,Y 축에는 각 축당 1개 막대 형태의 플럭스게이트를 배치하고 Z축에는 작은 크기의 플럭스게이트를 복수개 배치하는 구조를 가지며, 얇은 두께의 전자나침반 칩을 만들기 위하여 제작되는 Z축용 플럭스게이트에는 자성체를 아령 형태 또는 알파벳 'Ⅰ' 형태를 가지는 형상들을 채용하는 구조를 가진다. 도 3의 (b)는 수평 성분의 자계를 측정하는 플럭스게이트의 형상을 나타낸 그림이며, 도 3의 (c)는 수직 성분의 자계를 측정하는 플럭스게이트 단위 소자의 형상을 나타낸 그림이다. 수직 성분의 자계를 측정하기 위해 복수 개로 분할된 박막의 길이는 상기 수평 성분 감지용 플럭스게이트의 길이보다 짧게 형성함으로써, 전체적인 3축 플럭스게이트의 형상을 납작하게 한다.

도 4는 본 발명에 따른 박막 플럭스게이트를 입체적으로 도시한 그림이다. 본 발명의 플럭스게이트는 절연박막(16)이 코팅된 실리콘기판(15) 위에 박막 기술과 식각공정을 사용하여 박막 플럭스게이트를 제작한다. 박막 플럭스게이트의 제작을 위해서는 실리콘기판상의 절연막에 코일의 하부측 즉 코일의 절반을 형성시킬 수 있도록 홈을 파내고, 그 속에 알루미늄 등의 도전성 재료를 삽입시켜 하부코일(17)을 제작한 뒤, 절연막에 둘러싸인 자성체를 하부코일 위에 형성시키고, 최종적으로 상부코일(18)을 형성시켜 하부코일과 상부코일이 동시에 박막 자성체를 둘러쌀 수 있도록 드라이브 및 픽업 코일을 형성시킨다.

본 발명에 따른 박막 플럭스게이트의 상세 구조는 도 4-(b)에 나타내었다. 도 4-(b)는 도 4-(a)에 표기된 A-A' 선을 따라 절단한 절단면을 나타낸 도면이다. 박막 플럭스게이트의 제작을 위해서는 우선 절연박막(16)이 형성된 실리콘기판에 하부코일(17)을 형성시킬 부분을 포토리소 공정과 에칭 공정으로 제거한 뒤, 그 속에 도전성 박막인 알루미늄을 위치시킨다. 이후, 하부코일의 양 끝단을 일정 부분 노출시키고 플럭스게이트의 길이 방향 전체를 도포하는 하부절연박막(19)을 형성시킨다. 하부코일의 양 끝단에 절연박막 등을 형성시키지 않는 것은 최종 공정인 상부코일 제작 공정에서 끝단 부분을 상호 연결시켜 절연박막으로 둘러싸인 자성박막 주위에 권선을 하는 구조로 만들기 위한 것이다. 그 다음, 하부절연박막(19)보다 길이 및 폭이 좁은 강자성체 박막(20)을 형성시키고, 연이어서 상부코일과 강자성체 간의 누전을 방지하기 위한 상부절연 박막(21)을 형성시킨다. 이후, 강자성체 박막(20) 측면과 향후 형성될 상부코일박막(18) 사이의 누전을 방지하기 위한 측면절연박막(22)을 형성시킨 다음, 상부코일박막(18)을 형성시키고 상부코일 끝단의 단자를 이미 형성시켜 놓은 하부 코일의 단자와 연결시켜 박막 플럭스게이트 제작을 완성한다.

본 발명의 박막플럭스게이트를 제작하기 위해서는 하부코일박막(17), 하부절연박막(19), 자성박막(20), 상부절연박막(21), 측면절연박막(22), 상부코일박막(18)을 순차적으로 형성시켜야 하는데, 전기적 및 균열 방지 등을 위한 기계적 특성을 확보하기 위해서는 각각의 박막을 제작함에 있어, 특정한 재료를 사용함과 아울러 적층 구조의 자성박막(20) 형성이 필요하다.

박막 플럭스게이트 전체에서 발생되는 응력을 제거하기 위하여 하부절연박막(19) 재료로써 여타의 Ta₂O₅, Al₂O₃, TiO₂ 등의 절연체 박막보다 충격저항 강도 (toughness)가 높은 특성을 갖는 SiO₂를 사용하여 박막 형성에 따른 박막 내부의 응력 발생을 최소화하고, 우수한 자기적 특성을 유지시키기 위해서는 하부절연박막의 두께를 적어도 2,000Å 이상의 두께로 형성시키는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 하부절연박막의 두께는 2,000Å(0.2㎛)에서 20,000Å(2㎛)의 두께 범위 내인 것이 좋다.

다른 일 실시예에서는, 하부절연박막을 2층막 구조로 형성한다. 박막 플럭스게이트가 각각 열팽창계수 등이 차이가 나는 여러 종류의 재료가 성막되어 형성됨에 따라 박막 내부의 응력 및 균열이 발생할 수 있는데, 본 실시예에 의하면 응력 및 균열 발생의 억제와, 응력과 균열에 따른 자성박막의 자기적 특성의 저하를 억제할 수 있어 박막 플럭스게이트의 전체적인 성능 향상을 이룰 수 있다.

구체적으로는 하부절연박막(19)의 구성을 1차로 SiO₂ 박막을 형성하고 2차로 Al₂O₃ 박막을 연속적으로 성막하는2층막 구조로 제작 한다. 하부절연박막을 구성하는 첫 번째 절연박막은 여타의 Ta₂O₅, Al₂O₃, TiO₂ 등의 절연체 박막보다 충격저항강도(Toughness)가 높고 연질의 특성을 갖는 SiO₂ 를 사용하여 박막 내부에 발생되는 응력의 크기를 최소화한다. 이를 위해서 1차 하부절연박막인 SiO₂ 박막의 두께를 적어도 2,000Å 이상의 두께로 형성시키는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 1차 하부절연박막인 SiO₂ 박막의 두께는 2,000Å(0.2㎛)에서 20,000Å(2㎛)의 두께 범위 내인 것이 좋다. 하부절연박막을 형성하는 2차 절연박막은 연질 절연박막인 SiO₂ 박막에 비하여 박막의 경도가 높은 Al₂O₃ 박막을 형성시켜준다. 경질의 Al₂O₃ 박막을 형성시키는 이유는 하부절연박막(19) 위에 형성되는 자성박막의 자기적 특성이 연질의 SiO₂ 박막보다 경질의 Al₂O₃ 박막 위에서 월등히 우수하기 때문이다. 이를 위해서 2차 하부절연박막인 Al₂O₃ 박막의 두께를 적어도 200Å 이상의 두께로 형성시키는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 2차 하부절연박막인 Al₂O₃ 박막의 두께는 200Å(0.02㎛)에서 10,000Å(1㎛)의 두께 범위 내인 것이 좋다.

하부절연박막(19) 위에 형성되는 강자성체 박막은 플럭스게이트 자성 박막으로써 요구되는 특성인 낮은 보자력, 높은 투자율, 빠른 포화자화를 갖는 즉, 자성체의 자기이력곡선(hysteresis loop)의 폭이 좁고 네모 형태의 높은 각형비 (squareness)를 갖는 자성박막으로 제작하기 위해서 자성 박막으로 통상 사용되는 NiFe 박막을 Al₂O₃ 및 SiO₂ 절연체 박막과 교대로 적층하는 형태로 구성한다. 본 발명에 따른 일 실시예에서는 박막 플럭스게이트 제작에 사용되는 적층 자성박막은 NiFe/Al₂O₃ 적층박막과 NiFe/SiO₂ 적층박막의 형태로 구성한다. 적층박막을 구성하는 NiFe 강자성체 박막과 Al₂O₃, SiO₂ 절연체 박막의 두께로서는 자성체 박막은 600ű300Å, 절연체 박막은 150ű100Å의 두께 범위인 것이 박막 플럭스게이트에 적합한 자기적 특성을 가지는 데 바람직하다. 자성박막과 절연박막을 상기의 두께 조건으로 적층박막을 형성하면, 자기이력곡선이 사각형의 형태를 가지며 자기이력곡선의 폭이 좁게 형성된다. 박막 플럭스게이트에서 발생되는 출력 볼트를 크게 만들기 위해서 즉 자성체의 양을 늘리기 위해서는 NiFe 강자성체 박막과 Al₂O₃ 절연체 박막 또는 NiFe 강자성체 박막과 SiO₂ 절연체 박막을 하나의 쌍(pair)으로 기준을 하였을 때, 적어도 3쌍 이상의 적층막을 형성하는 것이 좋다. 아울러 도 4 (b)의 상부절연박막(21)은 자성박막과 픽업코일 사이의 누전 방지를 위한 절연체 형성을 시키는 목적으로 제조되는 박막으로써, 그 두께가 얇을수록 자화반전이 일어나고 있는 적층 자성박막과 그 것을 둘러싸고 있는 픽업코일 사이의 거리가 줄어들게 되는 효과가 있어서 기타 조건들을 동일하게 하여 플럭스게이트를 제작하였을 때 상부절연박막의 두께를 얇게 제작할수록 높은 출력 피크를 얻을 수 있다. 따라서 픽업 코일을 통하여 출력을 읽어 들이는 데에 있어서 상부절연박막의 두께는 200Å 이상, 20,000Å(2㎛) 이하의 두께가 바람직하며이 같은 조건에서 구동회로에서 분석 가능한 크기의 높은 볼트의 출력 신호가 용이하게 감지될 수 있다. 상부절연박막의 두께가 너무 얇으면 자성박막과 픽업코일 간에 전기적인 누전이 발생되어서 픽업 신호를 읽는 것이 어려울 수 있고, 20,000Å(2㎛) 이상으로 두껍게 되면 적층 자성박막과 픽업 코일 사이의 거리가 멀어지게 되는 효과로 인하여 픽업코일에서 측정되는 볼트 피크의 양이 감소되어 박막 플럭스게이트의 작동 성능이 낮아질 수 있기 때문이다.

도 4의 (c)는 본 발명에 따른 Z축 플럭스게이트를 나타낸 그림이다. Z축 플럭스게이트는 휴대폰 등의 모바일 기기에 탑재하기 위해 플럭스게이트 전체의 길이가 작아야 한다. 따라서 본 발명에서는 작은 길이의 플럭스게이트를 복수 개 배열하고, 각 플럭스게이트의 드라이브 코일 및 픽업 코일은 하나의 코일을 이용하여 구성하거나, 별도의 코일을 상호 접속시킴으로써, 각 플럭스게이트의 드라이브 코일 및 픽업 코일은 상호 연결된 하나의 드라이브 코일과 하나의 픽업 코일로써 동작하는 구조를 갖는다. 본 발명의 형상으로 플럭스게이트를 구성하여 드라이브 코 일에 전기를 흘리면, 복수개의 자성박막에서 동시에 동일한 방향으로 자화반전이 일어나고, 픽업 코일에는 각각의 작은 크기의 박막 플럭스게이트에서 발생되는 픽업 볼트가 합산되어 나타나므로 외부 인가 자기장을 감지하기 위해 필요한 고립된 피크의 크기가 방위 판정에 충분한 크기로 나타나게 된다.

본 발명에 따른 3축 박막 플럭스게이트의 작동 원리를 좀 더 상세하게 설명을 하기 위하여 우선 1막대 사용 플럭스게이트의 작동 원리를 도 5 및 도 6에 대한 내용을 설명하고, 이후 수직 자장 측정에 특수한 디자인이 필요한 원리 및 측정 결과에 대한 설명을 하고자 한다.

도 5의 (a)는 외부 자계가 없을 때의 입력 및 출력 신호를 하나의 도면에 나타낸 그림이다. 도 5의 (a)의 전기적 신호는 플럭스게이트를 나침반으로 이용할 경우에는 플럭스게이트의 길이 방향이 동서방향으로 배치되어 있을 때를 나타내며, 이 때의 (+), (-) 볼트 피크 간의 거리는 A(단위:시간, 실제적으로는 μsec 수준)로 나타난다. 이러한 상황에서 벗어나 플럭스게이트 주변에 외부자계가 인가되면 (예컨대, 플럭스게이트가 회전하여 남북 방향으로 형성된 지구자계의 영향을 받게 되는 경우) 자성체로부터 발생하는 시변 자계와 외부 자계의 벡터합에 의하여 플럭스게이트 주변에 새로운 유도 전계가 형성되며, 이에 따라 도 5의 (b)의 경우(플럭스게이트가 남쪽 방향을 향하는 경우)의 피크 간의 거리는 'B'로 넓어지고, 도 5의 (c)의 경우(플럭스게이트가 북쪽 방향을 향하는 경우)는 피크 간의 거리가 'C' 크기로 줄어든다. 이와 같이 외부 자기장이 인가되면 전압 피크가 좌우로 이동하는 피크 편이(peak shift) 현상이 발생하므로, 도 5에서 나타나 있는 바와 같이 지구자계 이외에 별도의 외부 자계가 없는 경우라면 픽업 코일에서 검출되는 전압의 피크 편이 정도를 해석하여 외부 자계의 존재 여부 및 자계의 방향을 정확하게 파악할 수 있다. 본 발명에 따른 플럭스게이트의 출력 신호에서 고립된 피크가 나타나는 이유는 본 발명에 따른 플럭스게이트 제작에 반도체 기술을 이용한 박막 기술을 사용함에 따라 자성체를 둘러싸고 있는 코일과 자성체의 거리를 벌크 조립 제품에 비하여 크게 낮출 수 있었고, 이로 인하여 드라이브 코일에 인입되는 작은 전류만으로도 얇은 두께의 자성 박막의 자화 및 자화 반전을 용이하게 할 수 있고, 자화 반전 결과에 따른 미세 전압의 발생을 픽업 코일이 벌크 조립 제품에 비하여 정밀하게 읽어 들일 수 있었기 때문이다.

도 6은 도 5에서 표현한 출력 전압의 고립 또는 독립된 피크가 나타나는 원리를 나타낸 도면이다. 출력 신호를 감지하는 픽업 코일을 통하여 독립된 피크가 나타나는 것은 박막 플럭스게이트를 구성하고 있는 자성박막의 자기적 특성과 밀접한 관계를 가진다. 플럭스게이트 용도로 제작된 자성 박막의 자기적 거동이 도 6의 (a)와 같은 형태의 자기이력곡선을 가지는 경우, 플럭스게이트의 드라이브 코일에 입력되는 삼각파 또는 싸인파는 드라이브 코일이 감싸고 있는 자성체에 입력 주기에 따라 막대 형태의 플럭스게이트용 자성 박막의 길이 방향으로 즉, 우측 방향과 좌측 방향에 번갈아 가면서 자기장을 인가하게 된다.

입력되는 교류는,예컨대 도 6의 (a)에 표기된 ①에서 ⑦까지의 자기적 거동을 갖게 만든다. 즉, 자성체는 입력 교류에 의하여 히스테리시스 특성을 보이게 된다. 도 6의 (a)의 점선은 지구자계 등의 외부 인가 자기장이 전혀 없는 경우의 자기적 거동을 나타내며, 도 6의 (b)의 점선 역시 외부 인가 자기장이 없을 경우의 전압 피크가 나타나는 위치를 나타낸 그림이다. 독립 피크가 나타나는 이유는 출력 볼트가 시간당 변화하는 자화(Magnetization)값, 즉 (d(M)/dt)와 비례하기 때문이다. 도 6의 (a)의 실선은 막대형 플럭스게이트가 수평으로 놓여져 있는 상태에서 우측으로부터 자기장이 인가될 때의 자기적 거동의 변화를 나타낸 그림이다. 우측에서 지구자계와 같은 DC 성분의 자기장이 인가되면, 자기이력곡선은 좌측으로 편이(shift)한다. 따라서 외부 자기장이 우측에서 인가될 경우,(+) 출력 볼트의 피크는 인가 자기장이 없을 때에 비하여 더 짧은 시간에 발생하며 자기 이력을 거치고 자화값이 내려오는 위치에 발생되는 (-) 출력 볼트는 더 늦은 시간에 발생되므로 출력 피크 간의 거리는 자기장이 없는 경우에 비하여 넓은 피크간 거리를 갖게 된다. 도 6의 (c), (d)는 수평으로 놓여진 플럭스게이트의 왼쪽으로부터 외부 자기장이 인가되는 경우의 출력 피크가 나타나는 형상을 표현한 그림이다. 앞서의 경우와는 달리 피크간의 간격이 줄어들게 된다.

본 발명이 종래의 플럭스게이트와는 달리 하나의 자성체 막대만을 사용하여3축 플럭스게이트를 제작할 수 있는 이유는 자성 박막 기술을 사용하여 좁고 네모난 형태의 자기이력곡선을 가지는 강자성체 박막을 이용함으로써 작은 자기장(H) 변화 범위 내에서 자화반전(Magnetization Reversal)을 일으키게 만들 수 있었기 때문이다. 자기이력곡선이 눕게 되면, 즉 자화반전이 넓은 범위에 걸쳐 발생되면 출력 신호 파형이 독립된 피크로 나타나지 못하고 작은 크기의 피크 높이를 갖는 신호가 넓은 폭을 갖고 나타나게 된다. 종래의 플럭스게이트에 채용된 강자성체는 도 6에 표현한 사각형 형태의 자기이력곡선을 갖지 못하고 자기이력곡선이 인가 자기장 (H)에 따라 길게 뉘어져 있는 형태를 가졌으므로 자화 반전 시에 -M에서 +M으로 바뀌는데 보다 많은 시간이 걸림으로 인하여 고립된 볼트 피크가 나타나지 않고, 일종의 트랜스포머와 같이 작동하여 도 2의 (a)에서와 같은 다른 형태의 삼각파 또는 싸인파의 출력 신호가 검출된다.

본 발명은 도 5와 도 6과 같은 출력 신호를 가지므로 즉 독립된 볼트 피크가 발생되는 구조를 가지므로 3축 플럭스게이트, 각각에서 발생되는 출력 볼트 피크를 검출하고 각각의 플럭스게이트의 길이 방향 성분으로 인가되는 외부자기장의 크기를 산출하여 최종적으로 외부 인가 자기장의 방향을 측정하는 것이 가능하다.

방위측정은 X,Y,Z 축에 인가되는 외부자기장, 즉 지구자계(총 크기는 지역별로 차이는 있지만 대략 0.5 가우스 수준)에 따른 각각의 플럭스게이트의 출력 피크의 편이를 읽는 과정을 통하여 수행한다. 플럭스게이트는 막대의 길이방향에 인가되는 자기장에만 반응한다. 자기장은 벡터 성분이고 플럭스게이트는 막대의 길이방향에 걸리는 성분만을 감지한다. 따라서 일 예로 지구자계가 X축 플럭스게이트의 길이 방향으로 즉 X축 방향으로 인가되게 되면, X축 소자는 0.5 가우스만큼 피크 편이가 일어나고, Y축, Z축 소자에는 소자의 길이방향으로 자기장이 전혀 인가되지 않으므로 피크편이가 전혀 없게 된다. 이 같은 경우, 즉 X축 소자에는 0.5 가우스만큼 피크 편이가 일어나고, Y,Z축 소자에서는 피크편이가 전혀 없는 경우, 지구자계 인가 방향을 X축 방향으로 판정한다.

즉, 임의의 방향에서 인가되는 지구자계가 X,Y,Z 축 플럭스게이트 각각의 길이방향으로 인가된 자기장 크기를 각각 읽어 들여 별도로 제작한 S/W를 사용하여 3차원 공간 좌표에서 자기장 인가 방향을 최종적으로 판정한다

한편, 본 발명은 초소형 제품을 제작하기 위해 칩 형태로 플럭스게이트를 제작하기 위한 것으로 X, Y, Z 축용 플럭스게이트의 구동에 필요한 입력 전압을 X, Y, Z 축 플럭스게이트에 동시에 인가하지 않고, 입력 교류 전원을 도 7과 같이 전원 셀렉터를 사용하여 X, Y, Z 축 플럭스게이트에 순차적으로 전류를 유입시키는 방법을 사용한다. 즉, X축에 전류가 유입되는 경우에는 Y,Z축에 전류 유입을 막아서 X축 플럭스게이트에서 작동 시에 발생되는 X축 플럭스게이트 자기장이 주변의 Y,Z축 플럭스게이트의 작동에 지장을 주지 않는 전력 인가 방식을 사용한다. X,Y,Z 축용 플럭스게이트에 동시에 전류를 유입시켜 작동시키는 경우에는 각각이 하나의 전자석이 되는 플럭스게이트가 상호간에 자기장을 인가시켜 출력 전압 피크의 편이를 야기하여 전자나침반 작동에 방해를 주게 된다.

한편, 각 플럭스게이트의 각 픽업 코일은 각각 별도의 전압계로 연결하여 출력 신호를 읽어들이는 것도 가능하나, 도 7과 같이 플럭스게이트 소자 출력단에 셀렉터를 장착하여 3개의 플럭스게이트에 각각 순차적으로 입력되는 것과 동일한 순서로 출력을 선택 출력하여 순차적으로 X,Y,Z 축 플럭스게이트에서 발생되는 전압 피크 간의 거리를 분석하여도 지표면에서의 방위를 산출할 수 있다.

도 8은 본 발명에서 고안한 도 3의 (c)에 나타낸 아령형태의 자성박막이 수직 성분 자장 측정에 필요한 이유를 설명하기 위해 강자성체 내부에서 발생하는 자화 현상을 나타낸 도면이며, 도 9는 통상의 강자성체가 가지는 자기적 특성을 자기 이력곡선을 분석 결과를 표현한 도면이다.

본 발명과 같은 박막 플럭스게이트에 교류전류를 흘려주면 도 8의 (a)에 표현한 바와 같이 전류는 1과 2 방향으로 교대로 흐르게 된다. 도 8의 (a)의 1로 표기된 방향으로 교류 전류가 유입되는 경우는 도 8의 (b)와 같은 방향으로 강자성체의 자화(Magnetization) 방향이 형성되며, 2 방향으로 전류가 유입되는 경우는 도 8의 (c) 방향으로 자화 방향이 형성된다. 이 현상이 짧은 시간 내에 발생되면 상기 언급한 바와 같은 독립된 볼트 피크가 나타나는데, 각각의 순간에 강자성체 내에서 발생되는 자화 상태는 도 8의 (d)와 같은 상태가 된다. 도 8의 (d)와 같이 드라이브 코일에 인가된 전류가 코일에 자기장을 발생시키면 코일 내부에 위치한 자성체의 자화방향이 왼쪽을 향하여 그곳이 N극이 된다.

자성체의 왼쪽이 N극이 되면, 자성체 자제가 하나의 자석이 되는 것이므로 N극으로부터 자기장이 발생되어 자성체 외부는 물론 내부를 통해서도 역자장Hd(demagnetizing field)가 발생된다. 이것은 자성체 전체 특히 양쪽 끝부분의 자화 방향을 자성체의 중간 위치와는 다르게 함으로써 자성체 전체적으로 일방향으로 자화가 형성되는 것을 방해한다. 결국 자성체가 형성되는 순간, 그것에 의하여 역방향으로 자화가 발생하여 자성체의 끝 부분의 자화는 흐트러지게 되어 본 발명에서 사용하는 플럭스게이트의 양끝 단 부위는 자화 반전에 따른 볼트 피크 형성에 기여하지 못하게 된다. 도 8의 (e)는 일방향으로 자화된 자석막대, 즉 영구자석의 자기장 형상을 나타낸 도면이다. 자성체의 내부에 발생되는 역자장에 의하여 자성체 내부에 자화방향이 일정한 부분은 중앙 일부 부위로 국한됨을 볼 수 있다.

도 9는 플럭스게이트에 사용할 수 있는 강자성체의 크기 및 모양에 따른 자화반전 가능 부분과 해당 디자인의 자성체를 사용하였을 때, 나타나는 자성체 또는 자성 박막의 자기이력곡선을 나타낸 도면이다. 도 9의 (a)와 같이 길이가 긴 형태의 자성체를 사용하는 경우에는 자화반전이 좌우로 180도 회전하는 영역을 안정되게 확보될 수 있어서 자화반전이 용이하게 되어 도 9의 (d)에 (a-1)과 같이 폭이 좁고 네모 형태의 자기이력곡선을 가진다. 도 9의 (b)와 같이 자성체의 길이가 작아지는 경우, 즉 본 발명의 수직자계 측정용 플럭스게이트에 적용이 필요한 작은 크기의 자성체를 사용하게 되는 경우에는 자화반전 참여가 가능한 영역이 크게 줄어들고 역자장의 영향이 상대적으로 크게 되어 자기이력곡선이 넓어지고 자기이력곡선의 기울기가 작아지는 현상이 발생된다. 자기이력곡선이 넓어지는 경우에는 독립된 볼트 피크를 관찰하기 위하여 플럭스게이트를 구성하는 자성체에 5 가우스 이상의 강한 자기장의 인가가 필요하게 된다. 이것은 결국 플럭스게이트에 10 볼트 수준 이상의 큰 전압을 걸어 많은 양의 전류를 유입시켜야 한다는 의미가 된다. 휴대폰 등의 소형 모바일 기기에 사용하기 위한 중요한 제약의 하나는 낮은 구동 전압에서 작동이 가능해야 한다는 것이다. 낮은 구동 전압 하에서의 플럭스게이트의 작동을 위해서는 단순한 자성체 크기 축소로 대응하는 것은 가능하지 않다. 도 9의 (c)는 역자장을 낮추기 위해서 자성 박막 분야에서 통상적으로 사용하는 타원체 형태의 자성 박막의 형상이다. 이 경우에는 역자장이 발생되는 부분의 자성체를 물리적으로 제거해 줌으로써 자성체 내부의 자화방향을 일방향으로 반전될 수 있도록 유도할 수 있으나 역자장이 없다는 것은 동시에 자성체가 일방향으로 반전되면 그것이 에너지적으로 안정화를 이루게 된다는 것으로써, 고주파의 교류전원을 이용하여 자성체를 계속적으로 좌우 또는 반대 방향으로 자화시키는 것 자체가 어려워지게 된다. 도 9의 (c)의 타원체의 자화 반전은 도 9의 (d)의 (c-1)에 나타낸 바와 같이 짧은 길이의 각형 구조에 비해서는 자기이력곡선의 폭이 좁아지지만, 자화 반전이 일어나는 중심점인 보자력이 25 가우스 이상이어서 역시 높은 전압으로의 작동이 필요하게 되므로 휴대폰용 전자나침반에 사용하는 것이 곤란하다.

도 10은 상기 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서 고안한 수직 자계 측정용 플럭스게이트, 즉 Z 축용 플럭스게이트에 사용되는 자성체의 형상을 나타낸 도면이다. 본 발명의 자성체의 형상 또는 디자인은 기본적으로 아령형태 또는 알파벳 'Ⅰ'의 형태를 가지며 본 발명의 채용 결과, 1 밀리미터보다 짧은 크기의 자성체의 경우에 종래의 타원형 자성체에 비하여 자화반전이 일어나는 중심점인 보자력(Coercivity)이 종래의 타원체 자성체가 갖는 보자력 25 가우스(gauss)에 비하여 크게 감소하여 보자력 1.5 가우스 이하의 값을 가졌다. 작은 보자력이 필요한 이유는 외부 인가 자장이 발생될 경우, 플럭스게이트의 독립된 볼트 피크가 좌우로 움직이게 되는데, 이 볼트 피크의 이동 범위가 플럭스게이트가 감지할 수 있는 범위의 자기장 크기보다 커지면, 즉 측정 가능 영역이 넘어가면 볼트 피크가 측정 가능 경계 영역을 넘어가게 되어 출력 피크가 없어지는 현상이 발생되기 때문이다. 예를 들어 플럭스게이트에 입력한 전원이2 볼트, 드라이브코일에서 발생시킬 수 있는 자기장이 2 가우스 수준이라고 하면, 보자력이 1가우스인 자성체는 외부에서 지구자계의 크기인 ±0.5 가우스 만큼 자력선이 인가될 때 0.5가우스에서 1.5 가우스 범위에서 이동하므로 독립피크의 거리 측정이 용이하나, 보자력이 2가우스인 자성체를 사용할 경우에는 그것에서 발생되는 볼트 피크가 박막 플럭스게이트가 만들어 낼 수 있는 자기장인 2 가우스보다 큰 거리로 피크 편이가 발생하게 되어 결국 피크가 사라져서 방위 측정에 필요한 측정 기준점이 사라지게 되는 현상이 나타난다. 도 10의 (a)에서 (f)는 1밀리미터 이하의 짧은 길이의 플럭스게이트 센서를 사용하기 위해 발명된 자성체용 디자인으로써 각각이 다른 형태의 디자인을 갖더라도 전체적으로는 보자력의 폭이 줄어든 네모 형태의 자기이력곡선을 만들어내어 자성박막의 길이가 짧더라도 박막 플럭스게이트 사용에 적합한 작은 보자력을 가졌다. 도10의 자성체의 형태, 즉 자성체의 양끝단의 폭이 자성체의 중앙 부위의 폭보다 상대적으로 큰 경우에 자성체 전체의 보자력이 낮아지는 이유는 자성체를 일 방향으로 자화시켰을 때, 그 순간 형성되는 자석의 자극(N극 또는 S극)이 넓은 범위에 분포하게 되어 자성체 길이 방향으로 형성되는 역자장을 흐트러버려서 즉 넓은 범위로 자기장을 분포하게 만들어서 자성체 길이 방향으로 발생되는 역자장을 감쇄시켰기 때문으로 사료된다.

도 11은 도 10의 수직자계 감지용 플럭스게이트의 형상을 개선하여 각각의 플럭스게이트에서 발생되는 자기장이 주변에 병렬로 거치된 박막 플럭스게이트에 미치는 영향을 최소화하기 위한 디자인을 나타낸 도면이다. 아령형태의 박막플럭스게이트를 제작하여 도 11 (a)와 같이 드라이브 코일의 C-C' 방향으로 전류가 유입되면, 드라이브코일 내부에서 발생되는 자기장은 아래쪽 방향으로 형성되어 드라이브코일 내부에 거치된 자성박막의 자화 방향은 역시 아래쪽을 향하게 된다. 이와 동시에 플럭스게이트 소자 외부에는 도 11(a)에 점선으로 표기한 바와 같은 자력선이 발생하여 주변 플럭스게이트가 자화되어야 하는 방향의 반대 방향으로 자력선이 인가되어 주변 플럭스게이트의 자화 및 자화반전에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.

이러한 문제점을 방지하기 위하여 본 발명의 다른 일 실시예에서는 박막 플럭스게이트의 외곽부위에 공기보다 투자율이 1000배 이상 높은 동일한 NiFe/Al₂O₃ 혹은 NiFe/SiO₂ 적층 박막을 사용하여 강자성체 박막을 도11 (b)와 같이 하나의 폐회로 형태, 즉 로마숫자 ' Ⅲ'과 같은 형상이 되도록 구성하여 강자성체 박막의 자화에 기인한 외부자기장의 발생을 완전히 제거하는 방법을 채택할 수 있다.이 실시예에 따른 수직자계감지용 박막 플럭스게이트를 구성하는 복수개의 플럭스게이트는 상호 간섭 없이 독립적으로 작동할 수 있다. 도 11 (c)는 도 11 (b)에 도시된 박막을 이용한 수직자계감지용 박막 플럭스게이트의 형상을 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 박막 플럭스게이트의 제조는 도 3 내지 도 4을 참조하여 위에 설명한 것과 같은 제조 방법에 의하여 제조될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 3축 플럭스게이트의 기술적 핵심은 납작한 형상을 가능하게 하도록 수직 방향의 자계 성분 감지용 플럭스게이트를 짧은 복수개의 박막으로 구성한다는 데 있으므로 도 3 내지 도 4 이외의 다른 방법으로 박막 플럭스게이트를 제조하더라도 본 발명의 범위에 포함됨은 물론이다.

자계의 수직 성분 감지용 박막 플럭스게이트는 그 폭 방향으로 배열된 복수 개의 짧은 자성 박막을 동일한 형태의 유도 자계로 자화시키기 위하여 각각의 짧은 자성 박막 주위에 배치된 드라이브 코일을 상호 전기적으로 연결시켜 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 드라이브 코일로써 복수 개의 짧은 박막을 자화시키는 것이 바람직하다.

이상 본 발명의 구성에 대하여 바람직한 실시예와 첨부 도면을 참조하여 구체적으로 설명하였으나 본 발명의 보호 범위가 이에 제한되지 않음은 물론이다. 즉 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가지는 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않고 다양한 변형과 설계 변경이 가능할 것임은 자명하다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정하여져야 할 것이다.

본 발명에 따르면 휴대폰이나 PDA 등과 같은 소형의 휴대용 기기에 장착될 수 있는 매우 적은 크기의 3축 플럭스게이트를 제작할 수 있으며, 5V 이하, 구체적으로는 2V 이하의 전원에서도 정확한 지표면 상에서의 방위 검출이 가능한 전자 나침반을 구성할 수 있다.

Claims (15)

1. 3축 방향의 자계성분을 검출하는 박막형 3축 플럭스게이트(fluxgate)에 있어서, 자계의 2축의 수평 성분을 감지하기 위한 것으로서 동일 평면상에 배치된 2개의 1막대형 박막 플럭스게이트와,

   자계의 수직 성분을 감지하기 위한 다수의 박막 플럭스게이트를 포함하고,

   각각의 상기 플럭스게이트는 전원 인가를 위한 드라이브 코일, 전압 검출을 위한 픽업 코일 및 자성박막을 포함하는 것이고,

   상기 수직 성분 감지용 플럭스게이트는 상기 2개의 수평 성분 감지용 플럭스게이트 각각과 직교하게 배치되고 상기 수평 성분 감지용 플럭스게이트 보다 짧은 길이를 가지는 복수의 자성 박막으로 구성되며, 각각의 상기 수직 성분 감지용 플럭스게이트의 자성박막의 형상은 양단부가 중심부보다 넓은 형상인 것인 박막형 3축 플럭스게이트.
2. 제1항에 있어서, 상기 자성박막은 강자성체인 NiFe과 절연박막인 Al₂O₃ 박막 또는 SiO₂ 박막을 교대로 성막하여 이루어진 적층박막으로 구성되는 것 인 박막형 3축 플럭스게이트.
3. 제1항에 있어서, 상기 수직 성분 감지용 플럭스게이트에 사용하는 복수의 소형 플럭스게이트에 내장되는 상기 자성박막의 형상은 아령형상, 알파벳 'Ⅰ' 형상, 양단부에 구멍이 뚤린 알파벳 'Ⅰ' 형상 및 양단부의 돌출부위를 위 아래로 연결하여 구성된 로마숫자 Ⅲ의 형상 중 어느 하나로 이루어지는 박막형 3축 플럭스게이트.
4. 제1항에 있어서, 상기 수직 성분 감지용 플럭스게이트는 상기 복수의 자성박막에 권선된 드라이브 코일과 픽업 코일을 각 코일별로 상호 연결함으로써, 하나의 상기 드라이브 코일과 하나의 상기 픽업 코일로 복수의 상기 자성박막을 권선한 형상이 되도록 구성되는 것인 박막형 3측 플럭스게이트.
5. 제4항에 있어서, 각각의 상기 플럭스게이트의 상기 드라이브 코일에 전원을 인가하고 각각의 상기 픽업 코일에 나타나는 출력 신호의 독립된 볼트 피크 간의 거리를 측정함으로써 외부자기장 인가를 측정하는 것인 박막형 3축 플럭스게이트.
6. 제5항에 있어서, 상기 수평 성분 감지용 플럭스게이트 및 상기 수직 성분 감지용 플럭스게이트는 동일한 하나의 전원에 의하여 순차적으로 각각이 드라이브 전류를 공급받고, 동일한 하나의 전압계에 연결되어 상기 하나의 전압계에 의하여 순차적으로 검출되는 3개의 플럭스게이트에서 발생되는 3종류의 픽업 신호들 사이의 거리를 순차적으로 계산하여 지표면에서의 방위를 산출하는 것인 박막형 3축 플럭스게이트.
7. 자계의 2축의 수평 성분을 각각 감지하는 적어도 2개의 플럭스게이트와,

   자계의 수직 성분을 감지하는 플럭스게이트를 포함하는 박막형 3축 플럭스게이트의 제조 방법에 있어서,

   실리콘 기판상에 형성되고, 하부코일박막, 하부절연박막, 자성박막, 상부절연박막, 측면절연박막, 상부코일박막의 순서로 각 박막을 형성함으로써 구동 전류 인가를 위한 드라이브 코일과 신호 검출을 위한 픽업 코일을 포함하는 도전성 코일층과 자성박막과, 상기 도전성 코일층과 상기 자성박막 사이에 개재되어 이들 사이의 누전을 방지하는 절연박막을 포함하도록 구성된 막대형 박막 플럭스게이트(fluxgate)를, 두 개 이상 동일 평면상에 배치하는 단계와,

   실리콘 기판상에 형성되고, 구동 전류 인가를 위한 드라이브 코일과 신호 검출을 위한 픽업 코일을 포함하는 도전성 코일층과 자성박막과, 상기 도전성 코일층과 상기 자성박막 사이에 개재되어 이들 사이의 누전을 방지하는 절연박막을 포함하되, 상기 도전성 코일층, 상기 자성박막 및 상기 절연박막이 복수로 분할되고 그 폭 방향으로 정렬되어 구성되는 플럭스게이트를 상기 평면과 직교하게 배치하는 단계를 포함하되,

   각각의 상기 자성박막은 자성체인 NiFe과 절연박막인 Al₂O₃ 박막 또는 SiO₂ 박막을 교대로 성막하여 적층박막을 형성하여 제조되는 것인 박막형 3축 플럭스게이트의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 평면과 직교하게 배치하는 단계는, 그 폭 방향으로 배열된 복수의 짧은 자성박막을 동일한 형태의 유도 자계로 자화시키기 위하여 각각의 상기 짧은 자성박막 주위에 배치된 드라이브 코일을 상호 전기적으로 연결시키는 단계를 포함하는 것인 박막형 3축 플럭스게이트의 제조 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 하부코일박막은, 상기 실리콘기판 표면에 홈을 형성한 후, 그 홈 높이만큼 도전성 물질을 배치시켜 형성하는 것인 박막형 3축 플럭스게이트의 제조 방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 하부절연박막은, 상기 하부코일박막 위에 형성되며 SiO₂ 절연막과 Al₂O₃ 절연막을 연속적으로 성막하는 2층 구조를 가지며, 각 구성 박막의 두께는 SiO₂ 절연박막은 2,000Å (0.2㎛) 내지 20,000Å (2㎛) 이하의 두께를 가지도록 성막하며 그 위에 연속적으로 형성되는 Al₂O₃ 절연박막은 200Å (0.02㎛) 내지 10,000Å (1㎛) 두께로 형성하는 것인 박막형 3축 플럭스게이트의 제조 방법.
11. 제7항에 있어서, 상기 자성박막은,자성체인 NiFe와 절연물질인 Al₂O₃ 또는 SiO₂ 를 교대로 성막하여 구성된 적층박막으로서, NiFe 층은 600ű300Å 두께 범위로 형성하고 Al₂O₃ 또는 SiO₂ 층은 150ű100Å 두께 범위 내에서 형성시키는 것 인 박막형 3축 플럭스게이트의 제조 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 자성박막은, NiFe/Al₂O₃ 적층박막 또는 NiFe/SiO₂ 적층박막을 하나의 쌍(pair)으로 기준을 하였을 때, 적어도 3쌍 이상을 적층하여 형성되는 것인 박막형 3축 플럭스게이트의 제조 방법.
13. 제7항에 있어서, 상기 상부절연박막은 그 두께를 200Å 이상, 10,000Å (1㎛) 이하의 두께 범위 내에서 형성시키는 것인 박막형 3축 플럭스게이트의 제조 방법.
14. 제7항에 있어서, 상기 수직 성분 감지용 플럭스게이트에 사용하는 복수의 소형 플럭스게이트에 내장되는 각각의 상기 자성박막의 형상은, 양단부의 폭을 중앙부위보다 상대적으로 넓은 형태로 제작하는 것인 박막형 3축 플럭스게이트의 제조 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 자성박막의 형상은 아령형상, 알파벳 'Ⅰ' 형상, 양단부에 구멍이 뚤린 알파벳 'Ⅰ' 형상 및 양단부의 돌출부위를 위 아래로 연결하여 구성된 로마숫자 Ⅲ의 형상 중 어느 하나로 이루어지는 박막형 3축 플럭스게이트의 제조 방법.

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