KR101267246B1

KR101267246B1 - 플럭스 게이트 센서 및 이것을 사용한 전자 방위계

Info

Publication number: KR101267246B1
Application number: KR1020117026808A
Authority: KR
Inventors: 겐이치 오오모리; 다쿠야 아이자와; 오사무 나카오
Original assignee: 가부시키가이샤후지쿠라
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2013-05-24
Also published as: US20120151786A1; EP2434305A4; TWI438460B; JP4774472B2; EP2434305A1; WO2010134348A1; JPWO2010134348A1; CN102428380A; TW201105994A; KR20120022910A; US8713809B2

Abstract

기판 상에 형성된 제1 배선층; 상기 제1 배선층을 덮도록 형성된 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 형성되고, 중앙 부분과, 상기 중앙 부분과 연속하고 상기 중앙 부분의 폭보다 넓은 폭을 가지며 상기 중앙 부분의 양단에 위치하는 제1 및 제2 끝 부분을 가지는 자기 코어; 상기 자기 코어를 덮고, 상기 제1 절연층 상에 형성된 제2 절연층; 및 상기 제2 절연층 상에 형성된 제2 배선층을 포함하는 플럭스 게이트 센서로서, 상기 제1 배선층 및 상기 제2 배선층은 복수의 서로 대략 평행한 배선을 가지고; 상기 제1 배선층의 배선 및 상기 제2 배선층의 배선의 양단이, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층의 선택적으로 제거된 부분을 통하여 전기적으로 접속되고; 상기 끝 부분에, 나선형의 제1 솔레노이드 코일이 돌려 감아져 있고; 상기 중앙 부분에, 나선형의 제2 솔레노이드 코일이 돌려 감아져 있는, 플럭스 게이트 센서.

Description

플럭스 게이트 센서 및 이것을 사용한 전자 방위계 {FLUX GATE SENIOR AND ELECTRONIC AZIMUTH INDICATOR MAKING USE THEREOF}

본 발명은 박막 프로세스로 제작된 소형의 플럭스 게이트 센서(flux gate sensor) 및 이것을 사용한 전자 방위계에 관한 것이다. 특히, 소형, 고감도일 뿐만 아니라 여자(勵磁) 효율이 높고, 설계 자유도가 높은 플럭스 게이트 센서 및 이것을 사용한 전자 방위계에 관한 것이다.

본 출원은 2009년 5월 21일에, 일본에 출원된 특허출원 제2009-123110호에 기초하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 자기 센서로서는, 홀 효과를 이용한 것이나, 자기 저항 효과(MR: Magneto Resistive effect) 또는 거대 자기 저항 효과(GMR: Giant Magneto Resistivee effect)를 이용한 것이 있다. 이들은 박막 프로세스에 의해 제작되므로 소형화나 집적화가 가능하며, 휴대 기기 등에 널리 이용되고 있다.

그러나, 이들의 센서는 소형화한 경우에 감도가 저하되어, 전자 방위계처럼 0.3Oe 정도의 지자기 레벨을 고정밀도로 검출하는 것이 어렵고, 이들 센서를 사용한 전자 방위계에서는 그 방위 정밀도는 10도 정도가 한계였다.

또, 최근, 비정질 세선(amorphous wire)을 사용한 자기 임피던스(Magneto-Impedance) 센서(이하, MI 센서라고 한다)나 직교 플럭스 게이트 센서에 의한 전자 방위계가 제안되어 있고, 방위 정밀도가 2.5도 정도라고 하는 고정밀도의 전자 방위계가 실현되어 있다. 또, 박막 프로세스에 의해 제작된 소형의 플럭스 게이트 센서를 사용한 전자 방위계가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 내지 4 참조).

그런데, 특히 방위 정밀도를 높이기 위해서는, 센서의 감도에 의해 정해지는 검출 분해능 및 선형성(linearity) 오차가 중요한 요소가 된다. MI 센서 및 직교 플럭스 게이트 센서와 플럭스 게이트 센서에서는 분해능이 같은 정도인 것으로 되어 있다. 또, 기기의 내부에는, 스피커나 진동 모터(vibration motor), 자석 등의 자장 발생원이 되는 부품이 다수 탑재되어 있고, 센서는 이들로부터 발생하는 자계의 영향을 받는다. 이와 같은 주위에 배치된 부품으로부터 발생하는 자계의 존재 하에서도 정확하게 동작하기 위해서는, 넓은 측정 자계 범위를 가지는 것이 바람직하다.

선형성 오차와 관련하여서는, MI 센서 및 직교 플럭스 게이트 센서의 경우, 자기 코어의 히스테리시스에 기인하여 출력 전압에도 히스테리시스가 출력된다. 이 때문에, 선형성 오차는 악화된다. 선형성을 개선하기 위하여 부귀환 회로를 사용하는 방법도 있지만, 소비 전력이 증가하고 회로가 복잡해진다.

한편, 플럭스 게이트 센서의 경우, 비특허문헌 1에 개시되어 있는 위상 지연법(phase-delay method)을 사용함으로써, 자기 코어의 히스테리시스의 영향을 받지 않고 양호한 선형성을 가지는 자기 센서를 실현할 수 있다. 이 방법에 의하면, 센서의 출력은 시간 영역(time domain)에 기초하여 이루어지고, 센서를 구성하는 자기 코어의 보자력(保磁力)에 기인하는 히스테리시스의 영향을 없앨 수 있는 외에, 카운터를 사용한 디지털 검출이 가능하므로, A/D변환 시의 오차의 영향을 없앨 수가 있어 선형성이 양호한 센서를 구성할 수 있다.

비특허문헌 2에 의하면, 상기한 방법을 이용함으로써, 0.06% FS의 선형성을 실현하고 있다. 비정질 세선을 사용한 MI 센서에서는, 선형성 오차는 1∼2%이므로, 이와 같이 선형성이 양호한 플럭스 게이트 센서를 사용함으로써, 보다 방위 정밀도가 높은 전자 방위계를 실현하는 것이 가능해진다.

[선행 기술 문헌]

[특허문헌]

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 제2007-279029호

특허문헌 2: 일본 공개특허공보 제2006-234615호

특허문헌 3: 일본 공개특허공보 제2004-184098호

특허문헌 4: 국제 공개공보 제2007/126164호 팜플렛

[비특허문헌]

비특허문헌 1: Pavel Ripka, "Magnetic sensors and magnetometers", p.94, ARTECH HOUSE, INC(2001)

비특허문헌 2: IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL.42, NO.2, p.635, APRIL 1993

전술한 바와 같이, 분해능이 높고 선형성이 양호한 위상 지연법을 사용한 플럭스 게이트 센서를 사용함으로써, 방위 정밀도가 높은 전자 방위계를 구성할 수 있다. 그러나, 플럭스 게이트 센서는 여자 코일 및 검출 코일을 자기 코어의 주위에 돌려 감을 필요가 있다. 따라서, 바이어스 코일 또는 픽업 코일만을 돌려 감는 구조의 MI 센서 및 직교 플럭스 게이트 센서와 비교하여, 플럭스 게이트 센서는 소형화가 어렵다.

소형 집적화를 실현하기 위하여, 박막 프로세스로 플럭스 게이트 센서를 제작하는 시도도 행해지고 있다. 그러나, 소형화함으로써 반(反)자계의 영향이 커지고, 감도가 저하된다. 특히, 3축 방향으로 감도를 가지는 전자 방위계를 실현하고자 하는 경우, 전자 방위계를 구성하는 기판에 대하여 수직 방향으로 감자(感磁) 방향을 설정할 필요가 있고, 이를 위해서는 전자 방위계를 구성하는 기판에 센서를 수직으로 세운 상태로 실장할 필요가 있다. 그러므로, 전자 방위계를 박형화할 때, 기판에 수직으로 세우는 센서는 그 감자 방향의 길이를 짧게 할 필요가 있다. 예를 들면, 전자 방위계의 두께를 1mm 이하로 하는 경우에는, 기판이나 몰드 수지의 두께를 고려하면, 센서의 감자 방향의 길이를 0.5∼0.7mm 정도로 할 필요가 있다. 그러나, 자기 코어의 길이가 1mm 이하가 되면, 반자계의 영향이 커지고, 감도가 현저하게 저하된다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 특허문헌 1 및 특허문헌 4는 자기 코어의 끝 부분의 폭을 넓게 한 H형의 자기 코어를 개시하고 있다. 이 구성에서는, 여자 코일과 검출 코일은 자기 코어 중심부의 가는 부분에만 돌려 감아져 있다. 따라서, 센서의 사이즈를 작게 하면, 여자 코일 및 검출 코일 모두 권선수(감은 횟수)가 한정되어, 충분한 권선수를 확보하는 것이 어렵다. 또, 여자 코일과 검출 코일을 교대로 돌려 감은 구조이므로, 코일의 권선수는 센서의 사이즈와 코일의 피치에 의해 정해진다. 따라서, 검출 코일과 픽업 코일 각각의 권선수를 독립적으로 설정하는 것이 어렵고, 설계의 자유도가 낮다.

도 15는, 종래의 플럭스 게이트 센서의 자기 코어의 형상을 나타낸 개략도이다. 자기 코어는 끝 부분(1)과 중앙 부분(2)을 가진다. 특허문헌 1에서는, 도 15의 끝 부분(1)의 폭(B)과 자기 코어의 길이 방향의 길이(A)의 비 B/A=0.8∼1.2인 것이 양호하다고 개시하고 있다. 또, 도 15의 중앙 부분(2)의 폭(C)과 끝 부분(1)의 폭(B)의 비 C/B=0.033∼0.2인 것이 양호하다고 개시하고 있다. 도 15의 끝 부분(1)의 폭(B)과 끝 부분(1)의 길이 방향의 길이(D)의 비(B/D)의 값이 1을 초과하는 경우, 자기 코어는 센서의 감자 방향에 대하여 직교하는 방향이 길어진다. 따라서, 끝 부분(1)에서의 형상 자기 이방성은 센서의 폭 방향이 용이(容易) 축이 된다. 이로써, 센서의 감자 방향과 직교하는 방향의 자계에 대하여 끝 부분(1)의 자속 밀도가 민감하게 변화하기 쉬워진다. 그 결과, 상기한 플럭스 게이트 센서를 복수 직교시켜 전자 방위계를 구성하는 경우, 플럭스 게이트 센서의 자기 코어가 검출 자계와 직교하는 방향의 자계의 영향을 받기 쉽기 때문에, 전자 방위계의 타축 감도가 커진다. 또, 검출 자계와 직교하는 방향의 자계에 의해 픽업 파형에 왜곡이 생기기 때문에 출력 이상을 일으키기 쉽고, 각 축의 직교성이 악화된다. 여기서, 타축 감도란, 예를 들면, X축 방향의 자계를 검출할 때, Y축 방향 또는 Z축 방향으로 감자 방향을 가지는 센서에서의 X축 방향 자계에 의한 출력의 변화를 말한다. 타축 감도가 커짐으로써 축의 직교성이 악화되어, 전자 방위계에서의 방위 정밀도도 악화된다. 또, 타축 감도에는 펄스형의 픽업 전압의 시간 변화뿐 아니라, 펄스 파형 자체의 변화에 의한 출력의 변화도 포함된다.

본 발명은 소형이며 감도가 높을 뿐 아니라, 여자 효율이 높고, 또한 설계 자유도가 높은 플럭스 게이트 센서 및 이것을 사용한 전자 방위계를 제공한다.

본 발명의 플럭스 게이트 센서는, 기판 상에 형성된 제1 배선층; 상기 제1 배선층을 덮도록 형성된 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 형성되고, 중앙 부분, 상기 중앙 부분과 연속하고 상기 중앙 부분의 폭보다 넓은 폭을 가지며 상기 중앙 부분의 양단에 위치하는 제1 및 제2 끝 부분을 가지는 자기 코어; 상기 자기 코어를 덮고, 상기 제1 절연층 상에 형성된 제2 절연층; 및 상기 제2 절연층 상에 형성된 제2 배선층을 포함하는 플럭스 게이트 센서로서, 상기 제1 배선층 및 상기 제2 배선층은 복수의 서로 대략 평행한 배선을 가지고, 상기 제1 배선층의 배선 및 상기 제2 배선층의 배선의 양단이, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층의 선택적으로 제거된 부분을 통하여 전기적으로 접속되고, 상기 제1 및 제2 끝 부분에, 나선형의 제1 솔레노이드 코일이 돌려 감아져 있고, 상기 중앙 부분에 나선형의 제2 솔레노이드 코일이 돌려 감아져 있어도 된다.

상기 제1 솔레노이드 코일은 상기 제1 끝 부분에 돌려 감아진 제3 솔레노이드 코일 및 상기 제2 끝 부분에 돌려 감아진 제4 솔레노이드 코일을 포함하고, 상기 제3 솔레노이드 코일 및 상기 제4 솔레노이드 코일은 직렬로 접속되고, 또한 권선수가 동일해도 된다. 상기 제3 솔레노이드 코일 및 상기 제4 솔레노이드 코일은 권선수가 동일한 것이 바람직하지만, 전극 패드로의 배선의 배치 사정상, 권선수는 반드시 엄밀하게 동일하지 않아도 된다.

상기 제1 솔레노이드 코일은 상기 중앙 부분, 상기 제1 및 제2 끝 부분에 돌려 감아져 있어도 된다.

상기 제1 및 제2 끝 부분의 폭(B)과, 상기 제1 및 제2 끝 부분의 길이 방향의 길이(D)의 비(B/D)의 값이 1보다 작아도 된다.

본 발명의 전자 방위계는, 기판, 및 상기 기판 상에 배치되고, 3축 각각을 따르도록 배치된 제1, 제2 및 제3 플럭스 게이트 센서를 포함하고; 상기 제1, 제2 및 제3 플럭스 게이트 센서 각각은, 기판 상에 형성된 제1 배선층; 상기 제1 배선층을 덮도록 형성된 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 형성되고, 중앙 부분과, 상기 중앙 부분과 연속하고 또한 상기 중앙 부분의 폭보다 넓은 폭을 가지며 상기 중앙 부분의 양단에 위치하는 제1 및 제2 끝 부분을 가지는 자기 코어; 상기 자기 코어를 덮고, 상기 제1 절연층 상에 형성된 제2 절연층; 및 상기 제2 절연층 상에 형성된 제2 배선층을 포함하는 플럭스 게이트 센서로서, 상기 제1 배선층 및 상기 제2 배선층은 복수의 서로 대략 평행한 배선을 가지고; 상기 제1 배선층의 배선 및 상기 제2 배선층의 배선의 양단이, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층의 선택적으로 제거된 부분을 통하여 전기적으로 접속되고; 상기 제1 및 제2 끝 부분에, 나선형의 제1 솔레노이드 코일이 돌려 감아져 있고; 상기 중앙 부분에, 나선형의 제2 솔레노이드 코일이 돌려 감아져 있어도 된다.

상기 제1 솔레노이드 코일은 상기 제1 끝 부분에 돌려 감아진 제3 솔레노이드 코일 및 상기 제2 끝 부분에 돌려 감아진 제4 솔레노이드 코일을 포함하고, 상기 제3 솔레노이드 코일 및 상기 제4 솔레노이드 코일은 직렬로 접속되고, 또한 권선수가 동일해도 된다.

본 발명의 플럭스 게이트 센서는, 제1 배선층; 상기 제1 배선층을 덮도록 형성된 제1 절연층과, 상기 제1 절연층 상에 형성되고, 검출부와, 상기 검출부와 연속하고 또한 상기 검출부의 폭보다 넓은 폭을 가지며 상기 검출부의 양단에 위치하는 제1 및 제2 여자부를 구비하는 자기 코어; 상기 자기 코어를 덮고, 상기 제1 절연층 상에 형성된 제2 절연층; 및 상기 제2 절연층 상에 형성된 제2 배선층을 적어도 구비한 플럭스 게이트 센서로서, 상기 제1 배선층 및 상기 제2 배선층은 복수의 서로 대략 평행한 배선을 가지고; 상기 제1 배선층의 배선 및 상기 제2 배선층의 배선의 양단이, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층의 선택적으로 제거된 부분을 통하여 전기적으로 접속되고; 상기 제1 및 제2 여자부에 나선형의 여자 코일이 돌려 감아져 있어도 된다.

상기 여자 코일은 상기 제1 여자부에 돌려 감아진 제1 여자 코일과, 상기 제2 여자부에 돌려 감아진 제2 여자 코일을 포함하고; 상기 제1 여자 코일과 상기 제2 여자 코일은 발생하는 자계가 동일 방향이 되도록 직렬로 접속되어 있어도 된다.

상기 여자 코일은 상기 여자부와, 상기 자기 코어의 중앙부에 형성된 검출부에 돌려 감아져 있어도 된다.

본 발명의 전자 방위계는, 1개의 기판 상에서 3축의 각각을 따르도록 3개의 플럭스 게이트 센서를 배치함으로써 구성되어 있어도 된다.

본 발명에 의하면, 자기 코어의 폭이 넓은 끝 부분에 여자 코일을 돌려 감음으로써, 여자 코일의 권선수가 증가하여, 끝 부분의 여자 코일로부터 발생하는 자속을 중앙 부분에 집중하여 인가할 수 있다.

본 발명에 의하면, 2개의 여자 코일에 동시에 전류를 흐르게 할 수 있으므로, 전극 패드를 감소시킬 수 있어, 소형화를 실현할 수 있다.

본 발명에 의하면, 중앙 부분에도 여자 코일을 돌려 감음으로써, 더욱 강한 여자를 행할 수 있다.

본 발명에 의하면, 정밀도가 높은 플럭스 게이트 센서를 사용함으로써, 높은 방위 정밀도를 실현할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 자기 코어의, 끝 부분의 형상이 각형(角型)인 경우의 예를 나타낸 평면도이다.
도 1b는 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 자기 코어의, 끝 부분(1)과 중앙 부분(2)의 경계에 테이퍼 형상을 가지는 경우의 예를 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 동작 원리를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 자기 코어의 자화 상태의 시간에 의한 변화를 나타내는 히스테리시스 곡선이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서를 개략적으로 나타내는 상면도이다.
도 5는 도 4에서의 선 a-a'에 따라 자른 단면도이다.
도 6a는 도 4에서의 선 b-b'에 따라 자른 단면도로, 플럭스 게이트 센서의 제작 공정을 나타낸 도면이다.
도 6b는 도 4에서의 선 b-b'에 따라 자른 단면도로, 플럭스 게이트 센서의 제작 공정을 나타낸 도면이다.
도 6c는 도 4에서의 선 b-b'에 따라 자른 단면도로, 플럭스 게이트 센서의 제작 공정을 나타낸 도면이다.
도 6d는 도 4에서의 선 b-b'에 따라 자른 단면도로, 플럭스 게이트 센서의 제작 공정을 나타낸 도면이다.
도 6e는 도 4에서의 선 b-b'에 따라 자른 단면도로, 플럭스 게이트 센서의 제작 공정을 나타낸 도면이다.
도 7a는 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 자기 코어의 형상의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 자기 코어의 형상의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7c는 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 자기 코어의 형상의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 관한 전자 방위계의 개략 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 픽업 전압 파형을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 출력의 외부 자계 의존성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서에서의 코어 내부의 자속 밀도의 계산 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서에서의 여자 코일 및 검출 코일의 돌려 감는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 비교예의 플럭스 게이트 센서에서의, 감자 방향과 직교하는 자계에 대한 픽업 전압 파형을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예의 플럭스 게이트 센서에 있어서, 감자 방향과 직교하는 자계에 대한 픽업 전압 파형을 나타낸 그래프이다.
도 15는 종래의 플럭스 게이트 센서의 자기 코어의 형상을 나타낸 개략도이다.

(제1 실시예)

이하, 본 발명의 제1 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1a 및 도 1b는, 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 자기 코어의 형상의 일례를 나타낸 평면도이다. 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예의 플럭스 게이트 센서의 자기 코어는 끝 부분(1)과 중앙 부분(2)을 가진다. 끝 부분(1)의 폭(B)은 중앙 부분(2)의 폭(C)보다 넓다. 자기 코어의 길이 방향의 길이(A)는 1mm 이하, 바람직하게는 0.5mm 이하이다. 끝 부분(1)의 폭(B)과 끝 부분(1)의 길이 방향의 길이(D)의 비(B/D)의 값은 1보다 작다. 플럭스 게이트 센서의 자기 코어의 길이 방향은 플럭스 게이트 센서의 감자 방향과 일치하고 있다. 도 1a 및 도 1b에서는 도시하지 않지만, 끝 부분(1)의 주위에는 여자 코일이 돌려 감아지고, 중앙 부분(2)의 주위에는 픽업 코일이 돌려 감아진다. 도 1a는, 자기 코어의 끝 부분의 형상이 각형인 경우의 예를 나타낸 평면도이다. 도 1b는, 자기 코어가 끝 부분(1)과 중앙 부분(2)의 경계에 테이퍼 형상을 가지는 경우의 예를 나타낸 평면도이다. 모서리부에서의 자속의 국소적인 포화를 억제하기 위해서는, 도 1b에 나타낸 바와 같이, 끝 부분(1)과 중앙 부분(2)의 경계가 대략 테이퍼형으로 되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 끝 부분(1)의 길이 방향의 길이(D)는 대략 테이퍼형의 부분을 포함하는 길이를 나타내는 것으로 하면, 끝 부분(1)의 폭(B)과 끝 부분(1)의 길이 방향의 길이(D)의 비(B/D)의 값이 1보다 작은 것이 바람직하다.

자성 박막에 있어서는, 막 두께 방향과 면 내측 방향의 비율이 수 100∼수 1000 정도로 크다. 따라서, 반자계 계수는 막 두께 방향과 면 내측 방향으로 수 100∼수 1000배의 차이가 있어, 면 내측 방향의 반자계 계수는 매우 작다. 자성 박막을, 길이 방향을 가지는 형상으로 패터닝한 경우, 길이 방향과 폭 방향의 치수 비에 의해 반자계 계수가 결정된다. 이 경우, 길이 방향의 반자계 계수는 작고, 폭 방향의 반자계 계수는 커지므로, 형상 이방성은 길이 방향이 용이 축이 된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예의 플럭스 게이트 센서는, 자기 코어에 중앙 부분(2)보다 폭이 넓은 끝 부분(1)을 가지고, 끝 부분(1)의 폭(B)은 끝 부분(1)의 길이 방향의 길이(D)보다 작다. 끝 부분(1)의 형상 이방성에 의한 용이 축은 플럭스 게이트 센서의 길이 방향이다. 따라서, 감자 방향과 직교하는 자계에 의한 코어 내의 자속 밀도의 변화가 적고, 타축 감도 특성이 양호하다. 이로써, 방위 정밀도가 우수한 전자 방위계를 구성할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예의 플럭스 게이트 센서의 동작 원리에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 동작 원리를 나타낸 그래프이다. 도 2의 (a)는 여자 코일에 통전하는 삼각파 전류의 시간 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2의 (b)는 코어의 자화 상태의 시간 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2의 (c)는 픽업 코일에 생기는 출력 전압의 시간 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 자기 코어의 자화 상태의 시간에 의한 변화를 나타내는 히스테리시스 곡선이다. 여자 코일에 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같은 삼각파 전류를 통전하면, 여자 코일이 만드는 자계(Hexc)에 의해 자기 코어가 여자되어 자기 코어 내부의 자속 밀도(B), 즉 자기 코어의 자화 상태는, 포화 특성을 가지므로, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같은 시간 변화를 한다. 픽업 코일에는 자기 코어의 자속 밀도(B)의 시간 미분, 즉 시간 변화(dB/dt)가 존재하는 영역에 있어서, 자기 코어의 단면적(S), 픽업 코일의 권선수(N)에 비례한 출력 전압 Vpu=NS×dB/dt가 생긴다. 픽업 코일의 출력 전압(Vpu)은, 도 2의 (c)에 나타낸 바와 같은 시간 변화를 한다. 자기 코어의 자속 밀도(B)의 시간 변화(dB/dt)가 클수록, 픽업 전압파의 고치(高値)가 높고, 펄스폭은 좁아져, 더욱 급준한 펄스 전압을 얻을 수 있다. 도 2의 (c)에서의 시간 간격(t1)은 외부 자계(Hext), 자기 코어의 자속 밀도(B)가 증가할 때와 감소할 때의 자장의 강도(H)의 어긋남(Hc), 여자 코일이 만드는 자계(Hexc), 삼각파의 주기(T) 및 코일의 인덕턴스에 의한 지연 시간(Td)을 사용하여, 식 1과 같이 표현된다.

[식 1]

마찬가지로, 도 2의 (c)에서의 시간 간격(t2)은 식 2와 같이 표현된다.

[식 2]

식 1 및 식 2로부터, 외부 자계에 대한 시간 간격의 변화량(t2-t1)은 식 3과 같이 표현된다.

[식 3]

식 3으로부터, 외부 자계에 대한 시간 간격의 변화(t2-t1)는, 외부 자계(Hext)와 여자 코일이 만드는 자계(Hexc)의 비(Hext/Hexc) 및 삼각파의 주기(T)에 의존하는 것을 알 수 있다. 외부 자계에 대한 감도 S=d(t2-t1)/dHext는 여자 코일에 통전하는 전류 진폭(Iexc), 여자 코일에 흐르는 단위 전류당 발생 자계, 즉 여자 효율(α), 및 삼각파의 주기(T)를 사용하여, S=T/(2·Iexc×α)로 표현된다. 따라서, 여자 전류가 클수록 센서의 감도(S)는 작아진다. 삼각파의 주기(T)가 클수록, 즉, 여자 주파수(fexc)가 작을수록, 센서의 감도(S)는 커진다.

여자 효율(α)은 플럭스 게이트 센서를 구성하는 자기 코어와 코일의 권선수에 의해 결정되는 값이다. 여자 효율(α)이 클수록, 적은 전류로 플럭스 게이트 센서를 구동할 수 있다. 또, 식 3에 있어서, Hext=Hexc가 되면 식 3은 0이 되고, 이때의 Hext가 측정 자계 범위의 상한이 된다. Hexc=α×Iexc로 표현되므로, 여자 효율(α)이 클수록, 동일한 전류로 구동한 경우에 넓은 측정 자계 범위를 가지는 것이 된다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서를 개략적으로 나타내는 상면도이다. 도 5는 도 4에서의 선 a-a'에 따라 자른 단면도이다. 도 6a∼도 6e는 도 4에서의 선 b-b'에 따라 자른 단면도로, 플럭스 게이트 센서의 제작 공정을 나타낸 도면이다.

본 발명의 제1 실시예의 플럭스 게이트 센서는 도 4∼도 5에 나타낸 바와 같이, 자기 코어(3), 제1 배선층(4), 제1 절연층(5), 제2 절연층(6), 제2 배선층(7), 개구부(8), 및 기판(100)을 포함한다. 자기 코어(3)는 끝 부분(1)과 중앙 부분(2)을 포함한다. 제1 배선층(4) 및 제2 배선층(7)은 끝 부분(1)에 돌려 감아진 제1 솔레노이드 코일(9) 및 중앙 부분(2)에 돌려 감아진 제2 솔레노이드 코일(10)을 구성하고 있다.

본 발명의 제1 실시예에 있어서, 끝 부분(1)에 돌려 감아진 제1 솔레노이드 코일(9)은 여자 코일이다. 중앙 부분(2)에 돌려 감아진 제2 솔레노이드 코일(10)은 픽업 코일이다. 본 발명의 제1 실시예에 있어서, 끝 부분(1)은 여자부이며, 중앙 부분(2)은 검출부이다.

도 6a∼도 6e를 사용하여, 본 발명의 제1 실시예의 플럭스 게이트 센서의 제작 공정에 대하여 설명한다. 먼저, 도 6a와 같이, 비자성의 기판(100)의 상에, 솔레노이드 코일의 아래쪽 배선을 형성하기 위한 제1 배선층(4)이 형성된다. 다음에, 도 6b와 같이, 제1 배선층(4)의 상에, 자기 코어(3)와 솔레노이드 코일을 절연하기 위한 제1 절연층(5)이 형성된다. 여기서, 이 제1 절연층(5)에 있어서는, 제1 배선층(4)과 나중에 형성되는 솔레노이드 코일의 위쪽 배선이 되는 제2 배선층(7)이 접속되는 부분에, 개구부(8)가 설치된다.

다음에, 도 6c와 같이, 제1 절연층(5) 상에는, 연(軟)자성체막으로 이루어지는 자기 코어(3)가 형성된다. 이 연자성체막으로 이루어지는 자기 코어(3)의 형상은 도 4에 나타낸 대로 그 중앙 부분(2)에서의 폭이 끝 부분(1)에서의 폭보다 좁게 되어 있다.

다음에, 도 6d와 같이, 자기 코어(3) 상에는 제1 배선층(4)과 제2 배선층(7)의 접속부에 개구부(8)를 설치한 제2 절연층(6)이 형성된다. 또한, 도 6e와 같이, 제2 절연층(6) 상에, 제2 배선층(7)이 제1 배선층(4)의 인접하는 배선끼리를 그 단부에 의해 접속하도록 형성되고, 이로써, 솔레노이드 코일을 형성하고 있다. 배선은 인접하는 배선과 접속되므로, 단면에서의 솔레노이드 코일의 루프는 닫히지 않는다.

제1 배선층(4) 및 제2 배선층(7)에 의해 형성된 제1 솔레노이드 코일(9) 및 제2 솔레노이드 코일(10)은 자기 코어(3)의 양단의 폭이 넓은 끝 부분(1)으로 폭이 좁은 중앙 부분(2)에 있어서, 각각 독립적으로 돌려 감아져 있다. 양단의 폭이 넓은 끝 부분(1)에 돌려 감아져 있는 제1 솔레노이드 코일(9)은, 한쪽 끝의 끝 부분(1)에 돌려 감아져 있는 제3 솔레노이드 코일과, 다른 쪽 끝의 끝 부분(1)에 돌려 감아져 있는 제4 솔레노이드 코일을 포함한다. 양단의 단부에서의 제3 솔레노이드 코일 및 제4 솔레노이드 코일이 직렬로, 또한 발생하는 자계 방향이 동일하도록 제1 배선층(4) 또는 제2 배선층(7)에 의해 접속되어 있어, 이로써, 전체로서 제1 솔레노이드 코일(9)을 형성하고 있다. 자기 코어(3)의 중앙 부분(2)에 돌려 감아진 제2 솔레노이드 코일(10)의 양단에는 외부와 접속하기 위한 전극 패드(11)가 형성되어 있다. 자기 코어(3)의 양단의 끝 부분(1)에 돌려 감아진 2개의 직렬로 접속된 제1 솔레노이드 코일(9)의 양단에는, 외부와 접속하기 위한 전극 패드(12)가 형성되어 있다.

자기 코어(3)의 양단의 끝 부분(1)에 각각 돌려 감아진 제3 솔레노이드 코일 및 제4 솔레노이드 코일은 권선수가 같고 대칭인 것이 바람직하다.

그리고, 도 4는 모식적으로 표시되어 있고, 제1 솔레노이드 코일(9) 및 제2 솔레노이드 코일(10)에 관한 것이며, 자기 코어(3)의 아래쪽 배선의 일부가 생략되어 있다. 또, 제1 솔레노이드 코일(9) 및 제2 솔레노이드 코일(10)의 형상은 도 4로 나타낸 형상에 한정되지 않는다.

도 5는, 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서를 도 4에서의 선 a-a'에 따라 자른 단면도의 일례이며, 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서에서의 제1 배선층(4)과 제2 배선층(7)의 위치 관계는 도 5의 형상에 한정되지 않는다.

도 6a∼도 6e는 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서를 도 4에서의 선 b-b'에 따라 자른 단면도의 일례이며, 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 형상은 도 6a∼도 6e의 형상에 한정되지 않는다.

자기 코어(3)의 양단의 폭이 넓은 끝 부분(1)은 그 주위에 돌려 감아진 제1 솔레노이드 코일(9)에 통전함으로써 여자된다. 한편, 자기 코어(3)의 폭이 좁은 중앙 부분(2)에는 유도 전압이 걸리고, 그 유도 전압은 중앙 부분(2)의 주위에 돌려 감아진 제2 솔레노이드 코일(10)에 의해 검출된다.

외부로부터 전극 패드(12)를 통하여 시간적으로 변화하는 교류 전류를 자기 코어(3)의 끝 부분(1)의 제1 솔레노이드 코일(여자 코일)(9)에 대하여 통전함으로써, 자기 코어(3)가 교류 여자된다. 끝 부분(1)에서 발생한 자속은 자기 코어(3)의 중앙 부분(2)에 안내된다. 이로써, 자기 코어(3)의 중앙 부분(2)도 교류 여자되어, 중앙 부분(2)의 제2 솔레노이드 코일(검출 코일)(10)에 대략 펄스형의 유도 전압이 발생한다. 이 유도 전압은 제2 솔레노이드 코일(10) 및 전극 패드(11)를 통하여 외부의 검출 회로로 검출할 수 있다. 여기서, 제1 솔레노이드 코일(9)에 통전되는 교류 전류는 일정 주파수의 삼각파인 것이 바람직하다.

이때, 외부 자계가 인가되면, 전술한 대략 펄스형의 유도 전압이 발생하는 타이밍은 시간적으로 변화한다. 삼각파 전류에서의 정(正)으로부터 부(負)로 전환되는 타이밍에서, 정의 유도 전압이 출력된다. 또, 삼각파 전류에서의 부로부터 정으로 전환되는 타이밍에서, 부의 유도 전압이 출력된다. 따라서, 이 정, 부의 펄스형 유도 전압이 발생하는 타이밍을 카운터로 계측함으로써, 외부 자계에 대한 응답을 얻을 수 있다.

그리고, 전술한 제1 실시예에 있어서는, 자기 코어로서 도 4에 나타낸 것을 예로 들었지만, 본 발명의 취지에서의 자기 코어의 형상은 이에 한정되지 않고, 그 끝 부분에서의 폭이 중앙 부분에서의 폭보다 넓게 되어 있으면, 어떠한 형상이라도 된다. 도 7a∼도 7c는 본 발명의 제1 실시예의 플럭스 게이트 센서에 관한 자기 코어의 형상의 예를 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 모식적으로 표현된 도 7a∼도 7c에 있어서는, 자기 코어와, 제1 솔레노이드 코일(9) 및 제2 솔레노이드 코일(10)의 위쪽 배선이 표시되어 있고, 실제는, 지면(紙面) 위로부터 본 경우, 자기 코어는 코일과 겹치는 부분에서 코일에 가려져 있다.

플럭스 게이트 센서의 구성으로서는, 전술한 구성에 더하여, 제2 배선층(7)을 덮는 밀봉층이 형성되어 있어도 된다.

다음에, 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 제작 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 비자성의 기판(100) 상에 Ti, Cr, TiW 등의 장벽 금속(barrier metal)을 스퍼터 성막한 후에 Cu를 스퍼터에 의해 성막한다. 다음에, 포토리소그래피에 의해 제1 배선층(4)이 되는 레지스트 패턴을 형성하고, 습식 에칭(wet etching)에 의해 배선 패턴을 형성한다. 또는 상기한 스퍼터 막을 시드 막(seed film)으로 하여 전해 도금에 의해 제1 배선층(4)을 형성해도 된다. 이때, 나중에 형성되는 절연층 상에 자기 코어(3)를 형성하기 위하여, 제1 배선층(4)의 두께는 그 배선에 의한 절연층 표면의 요철이 자기 코어의 두께와 비교하여 충분히 작아지도록 한 두께이고, 또한 코일의 저항이 작아지도록 한 두께인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 그 두께는, 0.2μm∼2μm 정도가 바람직하다.

다음에, 감광성 수지를 도포하고, 노광, 현상 및 열경화 처리를 행함으로써, 제1 절연층(5)을 형성한다. 이때, 제1 배선층(4)과 나중에 형성되는 제2 배선층(7)이 접속되는 부분이 개구되고, 제1 배선층(4)과 나중에 형성되는 자기 코어(3)가 절연되도록 한다. 이때, 제1 절연층(5)의 두께는, 제1 배선층(4)의 요철을 완화할 만한 충분한 두께를 가지는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 제1 배선층(4)의 두께의 3∼10배 정도인 것이 바람직하다. 그리고, 도 5에서는 제1 배선층(4)의 도면 상에서의 표시 편의상, 그와 같은 비율로는 되어 있지 않다.

또, 이때, 감광성 폴리이미드는, 나중의 공정에서의 열 이력에 의한 수축이나 변형에 의해 자기 코어(3)에 뒤틀림이 발생하는 것을 방지할 필요가 있다. 그러므로, 감광성 폴리이미드는, 예를 들면, 실장 시의 땜납 리플로(reflow)나 자기 코어에 유도 자기 이방성을 부여하기 위한 자장중 열처리에 의한 열수축이나 변형이 일어나지 않을 만큼의 충분한 내열성을 가지는 수지인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 감광성 폴리이미드의 유리 전이점(Tg: Glass Transition Temperature)은 섭씨 300도 이상인 것이 바람직하다. 즉, 여기서 사용되는 수지는 높은 내열성을 가지는 폴리이미드나 폴리벤조옥사졸(polybenzoxazole), 열경화한 노볼락(novolac)계 수지인 것이 바람직하다.

다음에, 자기 코어(3)가 되는 연자성체막을 스퍼터에 의해 형성하고, 원하는 형상이 되도록 포토리소그래피 및 에칭을 사용하여 패터닝을 행한다. 연자성체막으로서는, CoNbZr 및 CoTaZr으로 대표되는 자기 왜곡이 없는 영자왜(零磁歪)의 Co계 비정질막이나, NiFe 합금, CoFe 합금 등이 바람직하다. 이들의 연자성체막은 난(難) 에칭재료이므로, 레지스트를 형성한 후에 스퍼터 성막을 행하고, 레지스트를 제거함으로써 원하는 패턴을 얻는 리프트 오프(lift off)법에 의해 형성해도 된다. 또, 자기 코어(3)가 되는 자성막을 형성한 후에, 응력이나 막 형성 시에 부여된 불균일한 1축 이방성을 제거하고, 균일한 유도 자기 이방성을 부여하기 위하여, 회전자장중 열처리 또는 정(靜)자장중 열처리를 행하는 것이 바람직하다.

또, 레지스트 프레임을 사용한 전해 도금 법을 이용하여, NiFe 합금이나 CoFe 합금을 원하는 형상으로 성형함으로써, 자기 코어(3)을 형성해도 된다.

다음에, 제1 배선층(4)과 제2 배선층(7)의 접속 부분이 개구되고, 자기 코어(3)와 제2 배선층(7)을 전기적으로 절연하도록, 감광성 수지에 대하여 노광, 현상 및 열경화 처리를 행함으로써, 제2 절연층(6)을 형성한다.

다음에, 제2 절연층(6)과 제2 절연층(6)의 개구부를 포함하는 기판 상에 Ti, Cr, TiW 등의 장벽 금속을 스퍼터 성막한 후에 Cu를 스퍼터에 의해 성막함으로써 시드막을 형성한다. 그리고, 레지스트 프레임을 형성하고, Cu의 전해 도금에 의해 원하는 배선 패턴을 형성하고, 상기 시드층을 에칭함으로써 제2 배선층(7)을 형성한다.

최후에, 필요에 따라 외부에 접속하기 위한 전극 패드 및 단자, 보호막을 형성함으로써 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서가 구성된다. 여기서, 외부에 접속하는 단자로서는 땜납 범프 및 금 범프, 및 와이어 본딩 등의 일반적인 반도체 디바이스나 박막 디바이스에 사용되는 방법을 적용할 수 있다.

그리고, 전술한 설명에 있어서는, 제1 배선층(4) 및 제2 배선층(7)으로서 스퍼터 및 전해 도금에 의한 Cu를 사용하였지만, 무전해 Cu나 전해 Au 도금 등에 의해 형성해도 되고, 또 스퍼터 막의 Cu, A1, Au 등에 의한 양(良) 도전막을 사용해도 된다. 또, 제1 절연층(5) 및 제2 절연층(6)으로서 수지 재료를 사용하였지만, SiO₂나 SiN, Al₂O₃ 등의 절연막을 스퍼터나 화학 기상 성장법(CVD)을 사용하여 성막하고, 전술한 개구부를 드라이 에칭에 의해 형성해도 된다.

다음에, 본 발명의 제1 실시예의 전자 방위계를 설명한다. 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 관한 전자 방위계의 개략 사시도이다.

도 8에 나타낸 전자 방위계는 제1 플럭스 게이트(X축) 센서(20), 제2 플럭스 게이트(Y축) 센서(30), 제3 플럭스 게이트(Z축) 센서(40), 및 신호 처리용 IC(50)를, 1개의 기판 상에 배치함으로써 구성된다. 구체적으로는, 제1 플럭스 게이트 센서(20) 및 제2 플럭스 게이트 센서(30)는 전자 방위계를 구성하는 기판면에 대하여, 그 형성된 면이 대략 평행하게 되도록, 또한 감자 방향이 서로 직교하도록 배치된다. 또, 제3 플럭스 게이트 센서(40)는 전자 방위계를 구성하는 기판면에 대하여 대략 수직이 되도록 배치된다. 이때, 제1 플럭스 게이트 센서(20), 제2 플럭스 게이트 센서(30) 및 제3 플럭스 게이트 센서(40)는 외부와의 접속 단자를 제외한 영역, 즉 자기 코어(3) 및 코일(61, 71)을 형성하는 부분의 형상이 동일한 것이 바람직하다. 이것은 제1 플럭스 게이트 센서(20), 제2 플럭스 게이트 센서(30) 및 제3 플럭스 게이트 센서(40) 각각의 특성을 일치시킴으로써, 각 센서의 특성의 불균일을 보정할 필요가 없고, 전자 회로를 간략화할 수 있도록 하기 위해서이다. 또, 제3 플럭스 게이트 센서(40)는 기판면에 대하여 대략 수직으로 실장되므로, 전자 방위계의 두께를 얇게 하기 위해서는, 그 감자 방향의 길이가 1mm 이하, 더욱 바람직하게는 0.5mm정도인 것이 바람직하다.

신호 처리용 IC(50)는 각 플럭스 게이트 센서에서의 여자 코일(61)에 일정 주파수의 삼각파 전류를 통전하는 회로와, 검출 코일(71)에 나타나는 유도 전압을 검출하기 위한 검출 회로와, 유도 전압이 발생하는 타이밍을 계수하기 위한 카운터와, 제1 플럭스 게이트 센서(20), 제2 플럭스 게이트 센서(30) 및 제3 플럭스 게이트 센서(40) 각각에 대하여 상기 2개의 회로와의 접속을 전환하기 위한 선택기(selector)를 구비하고 있다. 이러한 구성에 의하여, 제1 플럭스 게이트 센서(20), 제2 플럭스 게이트 센서(30) 및 제3 플럭스 게이트 센서(40)로 3축 방향 각각의 자계를 순차적으로 계측하고, 연산을 행함으로써 방위 오차가 작은 전자 방위계를 실현할 수 있다.

(실시예)

실시예로서, 상기와 같이 하여 플럭스 게이트 센서를 제작하였다. 플럭스 게이트 센서의 자기 코어의 형상은 자기 코어의 길이 방향의 길이 A=480μm, 끝 부분(1)의 폭 B=80μm, 중앙 부분(2)의 폭 C=20μm, 끝 부분(1)의 길이 방향의 길이 D=140μm, 여자 코일의 권선수는 16.5, 픽업 코일의 권선수는 6.5로 하였다.

도 9는, 상기 실시예의 플럭스 게이트 센서에, 진폭 100mA, 주파수 30kHz의 삼각파 전류를 통전했을 때의, 정부(正負) 펄스형 픽업 전압의 출력 파형을 나타낸 그래프이다. 도 10은 도 9의 정부 펄스형 픽업 전압이 각각의 기준 전압(Vth)을 초과하는 시간 간격(t)의 외부 자계 의존성, 즉 외부 자계에 대한 플럭스 게이트 센서의 출력을 나타낸 그래프이다.

플럭스 게이트 센서의 자기 코어의 폭이 넓은 끝 부분(1)에 솔레노이드 코일을 돌려 감음으로써, 여자 코일의 권선수를 확보할 수 있다. 이로써, 센서 사이즈를 0.5mm 이하로 소형화하더라도, SN비가 양호한 픽업 파형을 얻을 수 있다. 상기 실시예의 플럭스 게이트 센서의 출력은 외부 자계에 대해도 양호한 직선성을 가지고 있고, 이상 직선으로부터의 어긋남은 ±140e의 범위에 있어서 0.5% 이었다. 상기 플럭스 게이트 센서의 여자 효율(α)은 0.29Oe/mA 이었다.

비교예로서, 상기 실시예의 플럭스 게이트 센서와 동일한 센서 길이를 가지고, 도 15에 나타낸 바와 같은 자기 코어의 길이 방향의 길이 A=480μm, 끝 부분(1)의 폭 B=600μm, 중앙 부분(2)의 폭 C=30μm, 끝 부분(1)의 길이 방향의 길이 D=60μm의 코어를 가지며, 상기 실시예의 플럭스 게이트 센서와 같은 배선 피치로 코일을 돌려 감은 플럭스 게이트 센서를 제작하였다. 비교예의 플럭스 게이트 센서에 있어서는, 여자 효율은 0.20Oe/mA 이었다. 따라서, 본 발명의 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서는 높은 여자 효율을 가진다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서는, 끝 부분(1)의 끝까지 솔레노이드 코일을 돌려 감은 구조를 가져, 솔레노이드 코일의 권선수가 많은 것, 및 끝 부분(1)의 폭이 중앙 부분(2)의 폭보다 넓기 때문에, 끝 부분(1)에서 발생한 자속이 중앙 부분(2)에 집중된다. 따라서, 중앙 부분(2)의 자속 밀도가 끝 부분(1)의 자속 밀도보다 높아지고, 중앙 부분(2)에서의 외관상의 여자 코일이 만드는 자계(Hexc)의 값이 커진다. 이로써, 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서는 높은 여자 효율을 가진다.

도 11은 도 4에 나타낸 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서에서의 여자 전류 통전 시의 코어 내부의 단면 a-a'에서의 자속 밀도를 3차원 유한 요소법에 의해 계산한 결과를 나타내는 그래프이다. 플럭스 게이트 센서의 자기 코어에서, 끝 부분(1)의 폭(B)이 넓고, 중앙 부분(2)의 폭(C)이 좁은 구조로 되어 있으므로, 중앙 부분(2)에서의 자속 밀도가 끝 부분(1)에서의 자속 밀도보다 높게 되어 있어, 보다 적은 전류값으로 중앙 부분(2)의 자속 밀도가 포화되는 것을 도 11로부터 알 수 있다. 이것은 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서에 있어서, 외관상의 여자 코일이 만드는 자계(Hexc)가 증대하여, 여자 효율이 커진 것을 나타내고 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서는 박막에 의해 형성한 플럭스 게이트 센서에 있어서, 플럭스 게이트 센서를 소형으로 하였을 때의 반자계에 의한 감도의 저하를 보충하기 위해, H형의 자기 코어를 사용함으로써, 검출 부분의 반자계를 작게 할 수 있다. 이로써, 소형이더라도 여자 효율이 높아져, 감도가 높은 플럭스 게이트 센서를 구성할 수 있다. 또, 보다 적은 전류로 고감도이면서, 측정 자계 범위가 넓은 플럭스 게이트 센서를 구성할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서는 H형의 자기 코어에 있어서, 양단부의 폭이 넓은 끝 부분(1)에 여자 코일을 돌려 감고 있다. 여자 코일에 의해 자기 코어에 발생하는 자속은 자기 코어의 양단의 폭이 넓은 끝 부분(1)의 단면적×자속 밀도로 표현된다. 여자 코일에 교류 전류를 통전하였을 때, 여자 코일에 의해 자기 코어에 발생하는 자속은 자기 코어의 끝 부분과 연속되어 있는, 폭이 좁은 자기 코어의 중앙 부분(2)에 안내된다. 이때, 자기 코어의 끝 부분(1)의 폭(B), 중앙 부분(2)의 폭(C)를 사용하여, 자기 코어의 중앙 부분(1)의 단면적은 양단의 폭이 넓은 끝 부분(1)의 단면적의 C/B 배가 된다. 자기 코어의 양단의 끝 부분(1)으로부터 중앙 부분(2)에 자속이 안내되는 과정에서, 자속의 손실이 없으면, 끝 부분(1)과 중앙 부분(2)에서 자속은 동일하므로, 중앙 부분(2)의 자속 밀도는, 끝 부분(1)의 자속 밀도의 B/C 배가 된다. 따라서, 자기 코어의 끝 부분(1)과 중앙 부분(2)의 폭의 비를 크게 하면 할수록, 자속 밀도는 비약적으로 향상된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서는 여자 코일과 검출 코일은 독립적으로 돌려 감고 있다. 이로써, 여자 코일 및 검출 코일의 권선수나 배선폭, 배선간 공간을 임의로 설정할 수 있다. 그러므로, 센서에 요구되는 사양에 따라 여자 코일 및 검출 코일을 자유롭게 설계할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서는 자기 코어의 전역에 걸쳐 솔레노이드 코일을 돌려 감고 있다. 따라서, 특허문헌 1 및 특허문헌 4에 개시되어 있는 구조와 비교하여, 솔레노이드 코일의 권선수가 증가해 자기 코어에 발생하는 자속을 증가시킬 수 있다. 그러므로, 중앙 부분(2)에서의 자속 밀도가 높아져, 자기 센서의 검출 감도가 향상된다.

자기 코어의 양단의 끝 부분(1)으로부터 중앙 부분(2)으로 연결되는 부분에서, 도 1a와 같이 직각으로 가까운 각도를 가지고 급준하게 폭이 좁아지는 경우, 모서리 부분에서 국소적으로 자속이 포화하기 쉬워지므로, 자속의 손실이 생길 가능성이 있다. 한편, 도 1b과 같이, 자기 코어의 끝 부분(1)으로 중앙 부분(2)의 경계에 테이퍼 형상을 설치한 경우, 국소적인 자속의 포화를 억제할 수 있고, 자기 코어의 중앙 부분(2)의 자속 밀도를 향상시킬 수 있다.

타축 감도에 대하여, 기술한다. 도 13은 상기 비교예의 플럭스 게이트 센서에서의, 막면 내에서 직교하는 방향의 자계를 OOe∼10Oe까지 인가했을 때의 감자 방향과 직교하는 자계에 대한 픽업 전압 파형을 나타낸 그래프이다. 도 13으로부터, 감자 방향과 직교하는 자계의 인가에 의하여, 픽업 전압이 발생하는 타이밍 및 픽업 전압의 피크 높이가 변화되어 있어, 타축 감도를 가짐을 알 수 있다. 특히 4Oe∼6Oe 정도의 외부 자계에 의한 변화가 현저함을 알 수 있다. 센서의 감자 방향과 직교하는 자계에 대하여 이와 같은 특성을 갖는 경우에도, 0.3Oe 정도의 지자기만을 검출하는 경우에는, 방위 정밀도에 대한 영향은 작다. 그러나, 실제로 전자 기기에 탑재하여 사용하는 경우에는, 기기 내에 탑재되어 있는 부품으로부터 발생하는 자계가 추가된다. 이 기기 내에 탑재되어 있는 부품으로부터 발생하는 자계가 검출 대상으로 하는 지자기에 대하여 오프셋이 되어, 정확한 측정이 불가능해지는 경우가 있다. 따라서, 주위에 탑재된 부품으로부터 발생하는 오프셋 자계를 측정, 계산하여 교정을 행하고, 지자기를 계측할 필요가 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 센서의 감자 방향과 직교하는 방향의 자계에 대하여 출력이 변동하는 특성을 가지면, 오프셋 자계가 센서에 대하여 직교하는 방향으로 중첩된 경우, 오프셋 자계의 계산값 자체의 오차가 커지는 외에, 오프셋 자계가 중첩되는 것에 의해 출력이 변화되므로 지자기의 검출 정밀도가 저하되게 된다.

한편, 도 14는, 본 발명의 상기 실시예의 플럭스 게이트 센서에 있어서 마찬가지로 막면 내에서 직교하는 방향의 자계를 OOe∼10Oe까지 인가했을 때의 감자 방향과 직교하는 자계에 대한 픽업 전압 파형을 나타낸 그래프이다. 감자 방향과 직교하는 자계의 인가에 의하여, 픽업 전압이 발생하는 타이밍 및 픽업 전압의 피크 높이의 변화는 거의 없고, 타축 감도는 매우 작다는 것을 알 수 있다. 이것은 코어 양단의 폭이 넓은 끝 부분이, 반자계에 의한 형상 이방성이 코어의 길이 방향, 즉 센서의 감자 방향과 일치하도록 설계되어 있는 것에 더하여, 상기 끝 부분이 항상 감자 방향으로 여자된 상태이므로, 직교 방향으로부터의 자계의 영향을 쉽게 받지 않기 때문이다.

플럭스 게이트 센서의 경우, 여자 전류에 의해 센서가 가지는 측정 자계 범위를 넓히는 것이 가능하며, 도 10에 나타낸 바와 같이, 양호한 직선성을 유지한 채로 ±10Oe 이상의 넓은 측정 자계 범위를 확보할 수 있다. 이와 같이 넓은 측정 자계 범위를 가짐으로써, 오프셋 자계의 교정 범위를 넓게 취할 수 있다.

이때, 센서의 감자 방향과 직교하는 자계에 대한 영향을 줄임으로써, 광범위의 자계에 있어서 오프셋 자계의 교정 정밀도를 높이는 것이 가능해지고, 기기 내부에서의 배치의 자유도를 높일 수 있다.

(제2 실시예)

도 12는 본 발명의 제2 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서에서의 여자 코일 및 검출 코일의 돌려 감는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

제1 실시예에서는, 자기 코어의 양단의 폭이 넓은 끝 부분(1)에만 여자 코일을 돌려 감았다. 이에 대하여, 제2 실시예에서는, 양단부의 폭이 넓은 끝 부분(1)뿐 아니라, 폭이 좁은 중앙 부분(2)에도 여자 코일인 제1 솔레노이드 코일(9)을 돌려 감았다. 즉, 여자 코일은 자기 코어 전체의 주위에 돌려 감고, 검출 코일인 제2 솔레노이드 코일(10)은 자기 코어의 중앙 부분(2)에만 돌려 감았다. 이러한 돌려 감는 법에서도 전술한 제1 실시예와 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다.

(제3 실시예)

본 발명의 제3 실시예에 대하여, 설명한다.

본 발명의 제3 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 자기 코어는, 본 발명의 제1 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서와 같은 구성이지만, 솔레노이드 코일의 동작이 상이하다. 즉, 본 발명의 제3 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 자기 코어는 본 발명의 제1 실시예와 마찬가지로, 도 1a∼도 1b와 같은 H형의 형상을 하고 있다. 본 발명의 제3 실시예의 플럭스 게이트 센서의 자기 코어는 끝 부분(1)과 중앙 부분(2)을 가진다. 끝 부분(1)의 폭(B)은, 중앙 부분(2)의 폭(C)보다 넓다. 본 발명의 제1 실시예와는 달리, 본 발명의 제3 실시예에서는 끝 부분(1)의 주위에 돌려 감아져 있는 제1 솔레노이드 코일은 픽업 코일이다. 중앙 부분(2)의 주위에 돌려 감아져 있는 제2 솔레노이드 코일은 여자 코일이다.

본 발명의 제1 실시예와 마찬가지로, 본 발명의 제3 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 상면도는 도 4와 같이 된다. 본 발명의 제1 실시예와는 달리, 본 발명의 제3 실시예에서는 제1 솔레노이드 코일(9)은 픽업 코일이며, 제2 솔레노이드 코일(10)은 여자 코일이다. 자기 코어(3)의 폭이 좁은 중앙 부분(2)은, 그 주위에 돌려 감아진 제2 솔레노이드 코일(10)에 통전함으로써 여자된다. 한편, 자기 코어(3)의 폭이 넓은 끝 부분(1)에는 유도 전압이 걸리고, 그 유도 전압은 끝 부분(1)의 주위에 돌려 감아진 제1 솔레노이드 코일(9)에 의해 검출된다.

본 발명의 제3 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서의 제작 방법은 본 발명의 제1 실시예와 같다. 본 발명의 제3 실시예에 관한 플럭스 게이트 센서에 있어서도, 전술한 제1 실시예와 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하고 예증하였지만, 이들은 어디까지나 발명의 예시이고, 한정적으로 고려되어야 하는 것은 아니며, 추가, 삭제, 치환 및 다른 변경은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 가능하다. 즉, 본 발명은 전술한 실시예에 의해 한정되지 않고, 청구항의 범위에 의해 한정되는 것이다.

[산업 위의 이용 가능성]

본 발명의 플럭스 게이트 센서는 소형의 자기 센서로서 이용할 수 있고, 또 그 자기 센서는 전자 방위계 등으로서 휴대 전화기, 휴대용 네비게이션 디바이스, 게임 컨트롤러 등에 널리 이용된다.

1 자기 코어의 끝 부분
2 자기 코어의 중앙 부분
3 자기 코어
4 제1 배선층
5 제1 절연층
6 제2 절연층
7 제2 배선층
8 개구부
9 제1 솔레노이드 코일
10 제2 솔레노이드 코일
11 전극 패드
12 전극 패드
20 제1 플럭스 게이트(X축) 센서
30 제2 플럭스 게이트(Y축) 센서
40 제3 플럭스 게이트(Z축) 센서
50 신호 처리용 IC
100 기판
A 자기 코어의 길이 방향의 길이
B 끝 부분(1)의 폭
C 중앙 부분(2)의 폭
D 끝 부분(1)의 길이 방향의 길이

Claims

기판 상에 형성된 제1 배선층;
상기 제1 배선층을 덮도록 형성된 제1 절연층;
상기 제1 절연층 상에 형성되고, 중앙 부분과, 상기 중앙 부분과 연속하고 상기 중앙 부분의 폭보다 넓은 폭을 가지며 상기 중앙 부분의 양단에 위치하는 제1 및 제2 끝 부분을 가지는 자기 코어;
상기 자기 코어를 덮고, 상기 제1 절연층 상에 형성된 제2 절연층; 및
상기 제2 절연층 상에 형성된 제2 배선층
을 포함하는 플럭스 게이트 센서로서,
상기 제1 배선층 및 상기 제2 배선층은 복수의 서로 평행한 배선을 가지고;
상기 제1 배선층의 배선 및 상기 제2 배선층의 배선의 양단이, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층의 선택적으로 제거된 부분을 통하여 전기적으로 접속되고;
상기 제1 및 제2 끝 부분에, 나선형의 제1 솔레노이드 코일이 돌려 감아져 있고;
상기 중앙 부분에, 나선형의 제2 솔레노이드 코일이 돌려 감아져 있는,
플럭스 게이트 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 끝 부분의 폭(B)과, 상기 제1 및 제2 끝 부분의 길이 방향의 길이(D)의 비(B/D)의 값이 1보다 작은, 플럭스 게이트 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 솔레노이드 코일은 상기 제1 끝 부분에 돌려 감아진 제3 솔레노이드 코일 및 상기 제2 끝 부분에 돌려 감아진 제4 솔레노이드 코일을 포함하고, 상기 제3 솔레노이드 코일 및 상기 제4 솔레노이드 코일은 직렬로 접속되고, 또한 권선수가 동일한, 플럭스 게이트 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 솔레노이드 코일은 상기 중앙 부분, 상기 제1 및 제2 끝 부분에 돌려 감아져 있는, 플럭스 게이트 센서.
기판; 및
상기 기판 상에 배치되고, 3축 각각을 따르도록 배치된 제1, 제2 및 제3 플럭스 게이트 센서
를 포함하고,
상기 제1, 제2 및 제3 플럭스 게이트 센서 각각은,
기판 상에 형성된 제1 배선층;
상기 제1 배선층을 덮도록 형성된 제1 절연층;
상기 제1 절연층 상에 형성되고, 중앙 부분과, 상기 중앙 부분과 연속하고 상기 중앙 부분의 폭보다 넓은 폭을 가지며 상기 중앙 부분의 양단에 위치하는 제1 및 제2 끝 부분을 가지는 자기 코어;
상기 자기 코어를 덮고, 상기 제1 절연층 상에 형성된 제2 절연층; 및
상기 제2 절연층 상에 형성된 제2 배선층
을 포함하고,
상기 제1 배선층 및 상기 제2 배선층은 복수의 서로 평행한 배선을 가지고;
상기 제1 배선층의 배선 및 상기 제2 배선층의 배선의 양단이, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층의 선택적으로 제거된 부분을 통하여 전기적으로 접속되고;
상기 제1 및 제2 끝 부분에, 나선형의 제1 솔레노이드 코일이 돌려 감아져 있고;
상기 중앙 부분에, 나선형의 제2 솔레노이드 코일이 돌려 감아져 있는,
전자 방위계.
제5항에 있어서,
상기 제1 및 제2 끝 부분의 폭(B)과, 상기 제1 및 제2 끝 부분의 길이 방향의 길이(D)의 비(B/D)의 값이 1보다 작은, 전자 방위계.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 제1 솔레노이드 코일은 상기 제1 끝 부분에 돌려 감아진 제3 솔레노이드 코일 및 상기 제2 끝 부분에 돌려 감아진 제4 솔레노이드 코일을 포함하고, 상기 제3 솔레노이드 코일 및 상기 제4 솔레노이드 코일은 직렬로 접속되고, 또한 권선수가 동일한, 전자 방위계.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 제1 솔레노이드 코일은 상기 중앙 부분, 상기 제1 및 제2 끝 부분에 돌려 감아져 있는, 전자 방위계.
제1 배선층;
상기 제1 배선층을 덮도록 형성된 제1 절연층;
상기 제1 절연층 상에 형성되고, 검출부와, 상기 검출부와 연속하고 상기 검출부의 폭보다 넓은 폭을 가지며 상기 검출부의 양단에 위치하는 제1 및 제2 여자부를 구비하는 자기 코어;
상기 자기 코어를 덮고, 상기 제1 절연층 상에 형성된 제2 절연층; 및
상기 제2 절연층 상에 형성된 제2 배선층
을 적어도 구비한 플럭스 게이트 센서에 있어서,
상기 제1 배선층 및 상기 제2 배선층은 복수의 서로 평행한 배선을 가지고;
상기 제1 배선층의 배선 및 상기 제2 배선층의 배선의 양단이, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층의 선택적으로 제거된 부분을 통하여 전기적으로 접속되고;
상기 제1 및 제2 여자부에, 나선형의 여자 코일이 돌려 감아져 있는,
플럭스 게이트 센서.
제9항에 있어서,
상기 여자 코일은 상기 제1 여자부에 돌려 감아진 제1 여자 코일과, 상기 제2 여자부에 돌려 감아진 제2 여자 코일을 포함하고, 상기 제1 여자 코일과 상기 제2 여자 코일은 발생하는 자계가 동일 방향이 되도록 직렬로 접속되어 있는, 플럭스 게이트 센서.
제9항에 있어서,
상기 여자 코일은 상기 여자부와, 상기 자기 코어의 중앙부에 형성된 검출부에 돌려 감아져 있는, 플럭스 게이트 센서.
1개의 기판 상에, 3축 각각을 따르도록, 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 플럭스 게이트 센서를 3개 배치하여 구성되는, 전자 방위계.