KR101593665B1 - 스핀토크형 자기센서 - Google Patents

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박승영
김상일
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Abstract

본 발명은 전류에 의하여 자화방향이 변화되는 스핀토크형 소자, 상기 스핀토크형 소자의 보자력 및 민감도를 제어하기 위하여 상기 스핀토크형 소자에 가해지는 양극성 펄스 전원 및 가해진 양극성 펄스에 따라 상기 스핀토크형 소자의 평행상태 또는 반평행상태를 계수하여 자화도 또는 자기저항을 계산하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀토크형 자기센서에 관한 것이다.

Description

스핀토크형 자기센서{SPIN TORQUE-TYPE MAGNETIC SENSOR}
본 발명은 스핀토크형 소자를 사용한 자기센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스핀토크형 소자에 양극성 펄스를 인가하여 보자력을 제어함으로써 자기장의 세기에 선형적인 반응을 하는 자기센서에 관한 것이다.
또한, 양극성 펄스와 함께 오프셋(offset) 바이어스를 가하여 오프셋 바이어스에 해당하는 자기장만큼 이동하는 감응영역(dynamic range) 천이와 양극성 펄스의 진폭 세기를 조절하여 민감도(sensitivity)를 제어할 수 있는 자기센서에 관한 것이다.
자기센서는 자기장에 따라 물질의 자화도 또는 자기저항 등이 변하는 것을 이용하여 자기장의 크기 또는 방향을 측정한다. 일반적으로 사용되고 있는 자기센서에는 홀(Hall) 효과를 이용한 홀 자기센서, 거대자기저항 현상을 이용한 거대자기저항(Giant MagnetoResistance: 이하 'GMR'로 칭함) 센서, 터널링 자기저항 (Tunneling MagnetoResistance: 이하 'TMR'로 칭함) 센서, 포화철심형(fluxgate) 자기센서 및 초전도 양자간섭계 소자 센서 등이 있다. 이와 같은 자기센서들은 자기장 감응 영역(Dynamic range) 또는 민감도(sensitivity)와 같은 특성에 따라 그 용도가 결정된다. 거대자기저항 센서와 터널링 자기저항 센서는 100 가우스(Gauss) 수준의 자기장을 높은 민감도로 감지할 수 있고 마이크로 스케일로 매우 작게 제작이 가능하여 하드 디스크 드라이브(HDD)의 정보판독용으로 주로 활용된다. 그리고 포화철심형(Fluxgate) 자기센서는 대형 센서에서부터 수백 마이크로미터 수준의 소형 센서까지 다양한 크기로 제작이 가능하며 10 가우스(gauss) 수준의 자기장을 높은 민감도로 감지할 수 있어 지자기센서 또는 전자나침반 용도로 활용된다.
GMR 센서는'자성층/비자성층/자성층'으로 이루어진 자성다층박막 구조에서 외부 자기장에 의하여 두 자성층의 자화방향이 평행(parallel, 이하 'P' 상태로 칭함)일 때 전기저항이 작아서 많은 전류가 흐르고, 반평행(anti-parallel, 이하 'AP'상태로 칭함)일 때 전기저항이 커서 작은 전류가 흐르는 현상을 이용하여 저항의 변화를 측정하여 자기장을 측정한다.
기존의 GMR 센서가 자기장에만 반응했던 것과 대조적으로 전류(스핀전류)를 가함으로써 자화의 방향을 변화시키는 것이 가능한데, 이것이 바로 STT(Spin Transfer Torque, 스핀 전달 토크)이다. 전류를 이루는 전도전자의 스핀은 전류가 자성층을 통과하면서 스핀이 분극 된다. 이때 스핀각운동량은 항상 보존되기 때문에, 전도전자의 스핀각운동량 변화에 상응하는 힘이 자성층의 스핀에 전달되어 전도전자의 스핀분극 방향과 반대 방향으로 자성층의 자화 방향을 변화시키는 돌림힘(torque)이 자화에 작용하게 된다. STT는 자기장이 아닌 전류와 직접 상호작용하여 자화 방향이 변화하는 현상이다. 따라서 이를 이용하면 자기장 없이 전류를 인가하는 것만으로도 자화의 방향을 바꿀 수 있어 메모리, 센서 및 오실레이터 등으로 이용할 수 있다.
GMR 및 TMR 소자의 자기저항 변화율은 각각 10%, 50% 정도인데 비하여, STT를 이용한 스핀토크형 소자는 100%가 넘는 높은 자기저항 변화율을 가져 민감도(sensitivity)가 매우 높다. 따라서 100 가우스 내외의 자기장 감지 응용 대역에서 보다 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 얻을 수 있다. 그러나 이러한 높은 민감도에도 불구하고, 측정구간(감응영역)이 매우 좁은(1 가우스 내외) 문제점과 제조공정과 열 안정성과 관련하여 스위칭 자기장에 산포가 존재한다는 문제점이 있다. 또한 강자성층의 자기이력에 의한 보자력(coercive field, Hc)이 존재하여 선형성이 제한된다. 이러한 자기저항 센서의 자기이력 특성을 선형 자기센서에 부합하도록 개선하기 위해서는 물질 자체의 특성을 개선하거나 자기이력 특성을 보정하는 회로적인 부가 기능이 필요하다.
자기저항 센서의 보자력과 감응영역을 제어하는 종래기술로서 한국등록특허 제0820079호에 스핀소자의 외부에 여자도선을 통해 교류 또는 직류의 제어 자기장을 가함으로써 스핀소자의 자기이력 특성을 개선하는 기술이 제시되어 있다. 상기 자기저항 센서는 자기장을 외부에서 인가하기 때문에 추가적인 여자도선과 자기장 제어가 필요하여 구조가 복잡하다. 또한 보자력을 제거하기 위해서 구동전력소모가 크고, 이로 인해 발열 현상이 발생한다.
본 발명은 자기센서의 자기이력 특성을 보정하기 위하여 스핀토크형 소자에 양극성 펄스 및 오프셋(offset) 바이어스를 가하여 자기센서의 보자력을 제거하고, 민감도(sensitivity)를 개선할 뿐만 아니라 감응영역(dynamic range)과 감응영역의 오프셋을 제어하는 기술이 적용된 스핀토크형 자기센서를 제공하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 위한 본 발명에 따른 스핀토크형 자기센서는, 가해진 전류의 방향 및 세기에 의하여 자화방향이 변화되는 스핀토크형 소자, 상기 스핀토크형 소자의 보자력 및 민감도를 제어하기 위하여 상기 스핀토크형 소자에 가해지는 양극성 펄스 전원 및 가해진 양극성 펄스에 따라 상기 스핀토크형 소자의 평행상태(P) 또는 반평행상태(AP)를 계수하여 자화도 또는 자기저항을 계산하는 신호처리부를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 신호처리부는, 상기 스핀토크형 소자의 평행상태 또는 반평행상태를 계수하는 카운터 및 상기 카운터에서 계수한 값들을 연산처리하는 연산부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 양극성 펄스에 의한 고주파 성분을 제거하기 위한 저주파대역 통과필터를 상기 신호처리부 전단에 부가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 스핀토크형 소자의 감응영역을 제어하기 위해 상기 스핀토크형 소자에 오프셋 바이어스를 인가하는 바이어스부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 스핀토크형 소자와 직렬 연결된 저항 특성의 레지스터(resistor)부를 포함하고, 상기 레지스터부의 저항값을 제어하여 상기 자기센서의 감응영역을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 레지스터(resistor)부 대신에 제2 스핀토크형 소자를 연결하여 상기 자기센서의 출력 전압 수준(레벨)을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예로서, 가해진 전류에 의하여 자화방향이 변화되는 스핀토크형 소자, 상기 스핀토크형 소자에 가해지는 오프셋 바이어스를 제어하기 위한 오프셋 제어부 및 상기 스핀토크형 소자에 신호를 입력하고 출력하기 위한 전극 패드가 하나의 기판에 집적된 스핀토크형 자기센서 집적회로 칩이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 스핀토크형 소자의 보자력 및 민감도를 제어하기 위한 보자력/감응영역 제어부 및 가해진 양극성 펄스에 따라 상기 스핀토크형 소자의 평행상태 또는 반평행상태를 계수하여 자화도 또는 자기저항을 계산하는 신호처리부가 더 포함된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 센서의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC가 더 포함된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유리한 효과는 다음과 같다.
첫째, 고주파 전류파형의 진폭을 조절하여 자기저항소자의 보자력이 제어되며, 히스테리시스를 제거할 수 있다.
둘째, 히스테리시스가 없으므로 피측정체로부터 나오는 수 에르스텟(Oe)의 작은 자기장이라 하더라도 그 극성과 세기를 판별할 수 있다.
셋째, 오프셋(offset) 바이어스를 조절하거나, 추가적으로 외부 자기장을 인가하여 자기장 감응영역을 자유롭게 이동시킬 수 있다.
넷째, 저항 또는 트랜지스터를 이용한 능동형 가변저항 또는 스핀토크형 소자 또는 직렬로 연결하여 출력 전압 영역을 제어할 수 있다.
다섯째, 오프셋 바이어스를 변화시키는 스위프(sweep) 방법으로 수십 에르스텟(Oe) 영역을 주사할 수 있어 자기장 감응영역을 확장 및 탐색 가능하다.
여섯째, 상기 다섯째 효과를 이용하여 수십 에르스텟(Oe)의 넓은 영역을 1 에르스텟(Oe) 이하의 분해능으로 촘촘히 나눌 수 있어 나노입자검출, 비파괴검사, 금속탐지 및 지자기검출 등 넓은 분야에 활용될 수 있다.
일곱째, 여섯째 효과로 인하여 플럭스게이트, 홀센서 등의 기존 자기장 감지 소자와 견줄 수 있어 해당 분야에서 상업시장을 공유할 수 있으며, 상기 소자들 보다 작은 크기로 제작이 가능하여 초소형 기기(마이크로 머신)에까지 적용이 가능하여 그 활용성이 높다.
여덟째, 추가로 여자도선을 구비할 수 있다. 이러한 경우 보자력의 크기를 변화시켜 여자도선에 입력된 전류파의 위상과 자기센서에서 출력되는 위상이 달라 위상변조 소자로 활용할 수 있다. 즉, 보자력이 작으면 여자도선에 입력된 입력 전류파에 따른 출력 저항이 즉각 변하므로 위상의 지연이 작으며, 보자력이 크면 상기 전류파의 진폭이 자화 반전시키기에 충분할 만큼 커질 때까지의 시간만큼 지연되어 자기센서에서 전기신호가 출력된다.
도 1은 스핀토크형 소자에 단극성 및 양극성 펄스를 가할 때 나타나는 스위칭 상변화도(switching phase diagram)의 차이를 보여준다.
도 2는 스핀토크형 소자에서 양극성 펄스(도 2(a))와 자기장의 세기 및 방향에 따른 자기저항의 관계(도 2(b), (c), (d))를 시간의 함수로 설명한 그림이다.
도 3은 양극성 펄스 전압에 따른 자기장의 변화를 바이어스 전압 변수로 도시한 것으로 실험 결과이다.
도 4는 외부에서 인가된 자기장의 방향에 따라 자기저항 곡선이 나타나는 영역에 변화가 있음을 보인 것이다.
도 5는 교류 자기장 혹은 전류가 인가된 즉 보자력이 제거된 상태에서 직류 자기장(Hbias) 혹은 전압을 섞어서 동작 영역의 천이(shift)를 보인 것이다.
도 6은 양극성 펄스를 인가하여 자기장 감지 기능을 수행할 수 있는 시스템의 예를 보인 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기장의 방향 및 세기에 따른 신호처리 예이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로 바이어스부와 저주파대역 통과필터가 부가된 것을 보여준다.
도 9는 직류 바이어스의 부호와 세기에 따른 감응영역의 천이(shift)를 보여준다.
도 10은 스핀토크형 소자를 이용한 자기장 검출 시스템의 출력전압 레벨을 제어할 수 있는 회로의 예를 보인 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 일 실시예를 보여준다.
도 12는 스핀토크형 소자를 이용한 자기장센서 집적회로의 예를 보인 것이다.
도 13은 본 발명에 따른 일회용 자기장 센서 모듈의 예를 보인 것이다.
도 14는 본 발명의 실시예로서 일회용 자기장 센서 모듈을 휴대용 판독기에 장착한 개념도이다.
발명의 실시를 위한 최선의 형태
본 발명에 따른 스핀토크형 자기센서는, 전류를 가하면 자화방향이 변화되는 스핀토크형 소자, 상기 스핀토크형 소자의 보자력 및 감응영역을 제어하기 위하여 상기 스핀토크형 소자에 가해지는 양극성 펄스 전원 및 가해진 양극성 펄스에 따라 상기 스핀토크형 소자의 평행상태 또는 반평행상태를 계수하여 자화도 또는 자기저항을 계산하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
발명의 실시를 위한 형태
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용은 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.
본 발명에 사용되는 스핀토크형 소자는 일반적인 '자성층/비자성층/자성층'으로 이루어진 자성 다층박막 구조를 사용한다. 자성층은 전자들의 스핀과 궤도 각운동량에 따른 자기모멘트가 서로 영향을 미치는 강자성 물질이다. 강자성 물질은 자기장이 증가하면 자화가 증가하여 자기포화상태에 이르고, 다시 자기장을 감소시키면 자기장이 없어도 잔류자화가 남고, 반대방향으로 자기장을 걸어주면 앞서 일어난 것과 반대방향으로 같은 현상이 일어나 자화곡선은 폐곡선의 자기이력 곡선(hysteresis loop)을 보여준다. 따라서 가해진 자기장에 따라 자화가 비선형적으로 이루어지며, 자발적 자화에 의하여 잔류자화가 발생되는데 이를 없애기 위한 반대 방향의 자계를 보자력(coercive field, Hc) 또는 항자력이라 한다.
종래에는 자기센서의 보자력과 감응영역을 제어하기 위하여 외부에서 자기장을 인가하여 보자력을 상쇄시켜 주었으나, 본 발명에서는 STT 현상을 이용하여 스핀토크형 소자에 직접 양극성 펄스를 가하여 보자력과 민감도를 제어하고 오프셋 바이어스를 가하여 감응영역을 천이(shift)시키는 기술을 제시한다.
또한 본 발명은 부가적으로 전압 또는 전류만으로 자화반전(switching)이 가능한 최소전압 또는 전류(임계전압 또는 임계전류)이상의 높은 진폭의 양극성 펄스를 인가하여 민감도(sensitivity)를 제어하는 기술을 제시한다.
1. 보자력 제어 방법
스핀토크형 소자는 기존의 스핀소자와 같이 바이어스 전류 또는 전압이 없는 상태에서 자기장만으로 자기적 스위칭이 발생한다. 스핀토크형 소자의 또 다른 특징은 자기장이 없는 상태에서 상기 스핀토크형 소자를 관통하는 전류 또는 전압만으로도 자기적 스위칭이 발생한다. 따라서 스핀토크형 소자는 자기적 스위칭을 이루어내는 변수가 기존의 스핀소자에 비해 하나 더 늘어난 것이다.
도 1은 전압 또는 전류를 가로축으로 하고, 스위칭 자기장을 세로축으로 하여 자기적인 상태를 보인 스핀토크형 소자의 스위칭 상태도로서, 도 1(a)와 같은 형상이 전형적인 상태도이다. 상기 스위칭 상태도에는 두 개의 곡선이 존재한다. 하나는 평행(P)상태에서 반평행(AP)상태로 변화하는 경계를 표시한 선이며, 다른 하나는 반대로 반평행(AP)상태에서 평행(P)상태로 변화하는 경계를 표시한 선이다. 예컨대, 편의상 4사분면을 지나는 오른쪽 선을 반평행(AP)상태에서 평행(P)상태로 변화하는 경계(AP→P)라고 하고, 2사분면을 지나는 왼쪽 선을 평행(P)상태에서 반평행(AP)상태로 변화하는 경계(P→AP)라 한다. 도 1(b)는 양의 값을 갖는 단극성 펄스가 인가되면 평행(P)상태가 되기가 쉬우므로 4사분면을 지나는 오른쪽 선이 원점 방향으로 이동하고, 도 1(c)는 음의 값을 갖는 단극성 펄스가 인가되면 반평행(AP)상태가 되기가 쉬우므로 2사분면을 지나는 왼쪽 선이 원점 방향으로 이동하는 것을 보여준다. 만약 양과 음의 부호를 교대로 왕복하는 양극성 펄스가 인가되면 4사분면과 2사분면에 존재하던 경계선이 모두 1사분면과 3사분면을 가로지르는 대각선에 수렴하게 된다. 전압 또는 전류만으로 자화반전(switching)이 가능한 최소전압 또는 전류를 임계전압 또는 임계전류라 하며, 양극성 펄스의 진폭이 상기 임계전압 또는 상기 임계전류 이상이 되면 AP와 P 상태가 교대로 나타나며, 충분한 시간동안 평균을 취하면 AP와 P의 중간상태의 저항을 보인다. 또한 수 Oe의 작은 자기장의 변화에도 쉽게 AP 또는 P 상태를 민감하게 나타낸다. 그리고 보자력이 사라지는 효과가 있다.
스핀토크형 소자에서 가한 양극성 펄스에 의한 자화도는 자기저항으로 대체할 수 있으며, 이러한 관계를 도 2에서 보여 준다. 도 2(a)는 양극성 펄스 열(pulse train)을 도시한 것이고, 양의 자기장(H>0)으로 포화상태의 자기저항을 RH라 하고 음의 자기장(H<0)으로 포화상태의 자기저항을 RL라 할 때, 도 2(b)는 양의 자기장, 즉 양의 펄스가 많을 경우 평균 자기저항(Ravg)은 RH와 RL의 평균값((RH+RL)/2)보다 크다는 것을 보여주고, 도 2(c)는 양/음 펄스가 같을 경우 평균 자기저항(Ravg)은 평균값과 같고, 도 2(d)는 음의 자기장, 즉 음의 펄스가 많을 경우 평균 자기저항(Ravg)은 RH와 RL의 평균값보다 작다는 것을 보여 준다.
도 3은 스핀토크 소자에 양극성 펄스를 가할 때 나타나는 스위칭 상태도를 보여 준다. 도 3은 직류 바이어스 전압이 변수로 추가된 것으로 2가지 변수가 동시에 작용하는 실험 결과이다. 양극성 펄스 진폭이 임계전류 또는 임계전압에 도달하면 보자력이 제거되고, 직류 바이어스 전압(x축)에 따라 감응 영역이 천이(shift)됨을 볼 수 있다.
2. 민감도 제어 방법
스핀토크형 소자에 양극성 펄스를 가하여 보자력을 상쇄하게 되면, 평행상태와 반평행상태의 천이가 급격하게 진행된다. 그에 따라 자기저항도 낮은 저항 상태(RL)와 높은 저항 상태(RH)의 천이영역도 좁아 민감도가 매우 크게 되어 제한된 범위의 좁은 영역의 자기장만 감지하게 되는 문제가 발생한다.
도 4는 본 발명에 따른 감응 영역을 확대하는 방법을 도시한 것으로서, 스위칭에 필요한 임계전압 또는 임계전류 이상의 과도한 진폭의 펄스(over shoot pulse, 과도 펄스)를 가하는 방법이다. 기존의 스핀소자에서는 자기장 펄스(HAC)를 인가하는 것으로 본 기능이 구현되지만, 본 발명에 따른 스핀토크형 소자에서는 자기장 펄스는 물론 시료를 통과하는 전압(VAC )이나 전류 펄스(IAC)를 인가하여 민감도를 제어하는 것이 가능하다. 전술한 바와 같이 스핀토크형 소자에서 자화반전은 전류와 자기장으로 가능하다. 임계치 이상의 높은 진폭의 양극성 전류 펄스를 인가하면, 자기장보다도 전류에 의해 자화반전이 완성되게 된다. 이것은 자화반전이 자기장에 둔하게 된다는 의미와 같다. 대신 자기장을 감지할 수 있는 범위는 임계전류 이상 증가한 펄스의 진폭에 해당하는 자기장만큼 넓어진다.
만약 자기장 또는 전류(또는 전압)가 시간에 따라 매우 빠른 속도로 부호가 바뀌면서 교류 자기장이 인가된다면, 도 4(a)와 도 4(b)가 서로 섞여 평균이 취해진 것과 같은 결과(도 4(c))를 얻을 수 있고, 상기 교류 자기장 혹은 전류의 진폭이 Hc(또는 Ic(자기장 Hc를 발생시키는 전류 인가치)) 이상 가해질 때 도 4(c)의 아래 그림과 같이 민감도(기울기)는 낮아지고, 자기장을 판독할 수 있는 감응 영역은 넓어져 민감도를 제어할 수 있음을 보여준다.
3. 감응영역 오프셋 제어 방법
스핀토크형 소자를 이용한 자기장 센서에서 자기장에 반응하는 감응영역을 이동할 수 있는 방법은 양극성 펄스를 가한 상태에서 추가적으로 오프셋 바이어스(직류 자기장 또는 전압(전류))를 가하는 것이다. 도 5(a)("도 5의 (a), (b) 표시")는 양(음)의 오프셋 바이어스 자기장(전압(전류))을 가하면서 양극성 펄스를 가하는 경우를 도시한 것으로서, 양의 오프셋 자기장만큼 음의 자기장 영역으로 감응영역이 천이(shift)하게 된다. 도 5(b)는 음(양)의 오프셋 바이어스 자기장(전압(전류))을 가하면서 양극성 펄스를 가하는 경우를 도시한 것으로서, 음의 오프셋 자기장만큼 양의 자기장 영역으로 감응 영역이 천이된다. 이러한 원리를 이용하여 오프셋 바이어스를 일정간격으로 변화하면서 양극성 펄스를 가하면 감응영역을 이동 또는 선택할 수 있다.
4. 실시예 1
본 발명에 따른 보자력 제어방법을 도 6에 도시한다. 도 6에 도시된 자기센서는 양극성 펄스 전원(1), 스핀토크형 소자(2) 및 카운터(3)와 연산부(4)로 구성된 신호처리부(22)를 포함한다.
양극성 펄스 전원(1)은 스핀토크형 소자(2)의 보자력을 상쇄하기 위하여 스핀토크형 소자(2)에 직접 가하는 양/음의 진폭을 가진 펄스로서 양/음 교대로 가하며 주기가 짧을수록 자기센서의 선형화에 바람직하다. 양극성 펄스 전원(1)의 파형은 도 2(a)에 도시한 바와 같은 양극성 구형파 펄스(square wave pulse)이외에도 양극성 사인파(sine wave)나 삼각파(triangular wave)로도 가능하다. 상기 세 가지 양극성 파형의 예 가운데 양극성 구형파 펄스(square wave pulse)의 경우가 소비전력이 가장 적다.
스핀토크형 소자(2)는 일반적으로 고정 자성층/비자성층/ 자유 자성층의 다층 박막구조를 가지나 이에 한정하지 않고 단일 자성층으로도 가능하며, 나노 콘택 또는 나노 필러(pillar)로 구현된다. 필요에 따라 단위 스핀토크형 소자를 직렬 또는 자기센서로 연결한 어레이(array)로도 구현할 수 있다.
신호처리부(22)는 가해진 양극성 펄스에 따라 상기 스핀토크형 소자(2)의 평행상태 또는 반평행상태를 계수하여 자화도 또는 자기저항이 포화된 횟수를 계산한다. 신호처리부(22)는 카운터(3)와 연산부(4)로 구성될 수 있다.
카운터(3)는 양극성 펄스를 가하는 경우 스핀토크형 소자(2)가 반평행 상태일 때와 평행 상태일 때의 단위시간당 개수를 계수한다. 스핀토크형 소자(2)는 고정 자성층의 자화 방향과 자유 자성층의 자화 방향이 평행(parallel) 상태가 될 때 자기저항은 낮아진다. 반대로 자유 자성층의 자화방향이 고정 자성층과 반평행(anti-parallel) 상태가 되는 경우 스핀토크형 소자(2)의 자기 저항값은 높아진다.
연산부(4)는 수학식 (1)과 같이 각 펄스의 체류시간(dwell time)과 펄스 주기(τc), 그리고 카운터(3)에서 계수한 반 평행상태 개수(m)와 평행상태 개수(n)를 통해 평균값을 계산한다.
Figure 112014075764020-pct00001
여기서, τp와 τap는 각각 평행(P)상태와 반평행(AP)상태에서의 체류시간이다.
도 7에 예시적으로 연산과정을 보여주는데, 양의 자기장이 가해진 도 7(b)의 경우 양의 펄스가 많아 반 평행상태의 개수(m)가 많고 평균 저항이 커진다. 도 7(c)는 반평행상태의 개수(m)와 평행상태 개수(n)가 같아 평균 저항이 중간이다. 도 7(d)는 음의 펄스가 많아(H<0) 평행상태의 개수(n)가 많고 평균저항이 중간보다 작아진다.
반평행 상태와 평행 상태는 카운터(3) 내부에 구비된 플립플롭과 같은 회로에서 계수하는데 고주파 성분인 양극성 펄스를 제거하기 위하여 카운터(4) 전단에 저주파대역 통과필터를 더 설치할 수 있다.
본 실시예1에서 민감도를 제어하기 위하여, 임계전압(전류)이상의 과도 펄스를 가할 수 있으며, 저항회로망(resistor network or attenuator)을 부가하여 저항변화율을 조정할 수 있다.
5. 실시예 2
본 발명에 따른 감응영역 오프셋 제어방법을 도 8에 도시한다. 도 8에 도시된 자기센서는 실시예 1에 오프셋 바이어스를 가할 수 있는 바이어스부(6)가 추가된다. 본 발명에서 감응영역의 오프셋은 전압(전류)의 오프셋 바이어스만으로도 제어가 가능하나, 오프셋 제어를 보다 넓은 영역으로 확대하기 위해 여자도선(7)을 추가할 수 있다. 또한 도 6의 신호처리부(22)를 저주파대역 통과필터(5)로 대체하는 것도 가능하다. 저주파대역 통과필터는 양극성 펄스에 의한 고주파 잡음을 제거하는 기능과 자기저항 값의 변동에 대하여 필터링을 하는 평활화(smoothing) 기능을 한다.
도 9는 오프셋 바이어스가 하는 역할에 관한 실시예를 보여주는 것이다. 전압에 오프셋 바이어스를 가하지 않은 경우에는 0 근처의 자기장을 검출할 수 있다. 도 1에서 나타낸 것과 같이 양(음)의 오프셋 바이어스를 가하면 음(양)의 자기장을 인가한 효과가 있다. 따라서 음(양)의 자기장 세기만큼 양(음)의 자기장 영역으로 감응영역이 이동하게 된다. 이러한 원리를 이용하여 오프셋 바이어스를 변화하면서 양극성 펄스를 가하면 감응영역을 원하는 곳에 위치하게 할 수 있다.
본 실시예 2에서도 민감도를 제어하기 위하여, 임계 전류(전압) 또는 자기장이상의 자화가 될 수 있는 과도 펄스를 가할 수 있으며, 저항회로망(resistor network or attenuator)을 부가하여 저항변화율을 조정할 수 있다.
6. 실시예 3
본 발명에 따른 출력 수준(레벨, level) 제어방법을 도 10에 도시한다. 도 10에 도시된 자기센서는 저항 레벨 변화가 가능한 레지스터부(resistor network or attenuator, 8)를 스핀토크형 소자(2a)와 직렬로 부가한 것을 보여준다. 저항의 크기를 조정하면 출력신호(Vout)의 레벨을 전압분배법칙으로 결정할 수 있다.
도 11에는 레지스터부(8) 대신에 스핀토크형 소자(2b)를 직렬로 부가하는 실시예를 보여 준다. 별도의 스핀소자는 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있으며, 연결 방법에 따라 출력전압의 레벨에 변동을 가져온다. 일례로 스핀토크형 소자(2b)의 자기장 감지 방향이 상기 스핀토크형 소자(2a)와 반대방향일 경우 푸쉬-풀(push-pull) 기능이 가능하다.
7. 실시예 4
도 12는 본 발명에 따른 자기센서를 칩으로 집적화한 실시예로서, 실리콘 기판(9), 스핀토크형 자기센서(10), 보자력/감응영역 제어부(11), 오프셋 제어부(12) 및 아날로그 디지털 컨버터(13)를 포함한다. 스핀토크형 소자는 실리콘 CMOS 공정에 호환성이 있으므로 소형화 및 집적회로화에 유리하다.
보자력/감응영역 제어부(11)는 양극성 펄스 전원(1)과 바이어스부(6)를 제어하기 위한 제어 신호들(ctrl1,ctrl2)을 스핀토크형 자기센서(10)로 출력한다. 오프셋 제어부(12)는 상기 스핀토크형 자기센서(10)의 오프셋을 제어한다. 아날로그 디지털 컨버터(13)는 상기 자기 센서(10)의 아날로그 출력 신호를 디지털 신호로 변환시킨다. 자기장 정보를 디지털 또는 아날로그로 선택하여 출력할 수 있다.
도 13은 호스트(host) 장치에 DAC(Digital to Analog Converter)가 구비되어 있다면, 아날로그 신호만 출력하도록 하여 상기 센서 모듈의 구조를 단순화하고, 제조단가를 낮출 수 있는 일회용 스핀토크형 자기센서를 기판(14)에 집적한 실시예이다. 일회용 집적회로 칩은 기판(14)위에 스핀토크형 자기센서(15)와 오프셋 제어부(16)만 집적화하여 생산단가를 낮추어 일회용으로 가능하게 한다.
8. 실시예 5
도 14는 본 발명에 따른 일회용 자기센서가 적용된 어플리케이션이다.
상기 일회용 자기센서(19)를 이동통신 단말기의 포트(20)를 통해 이동통신 단말기(21)에 접속하고, 상기 일회용 자기센서(19)로부터 감지된 정보를 이동통신 단말기(21)를 통해 읽어 들인다. 예를 들면, 상기 일회용 자기센서(19)는 나노입자에 부착된 인체 DNA 정보를 감지하는 센서가 될 수 있다. 상기 나노입자가 자화가 가능한 자성나노입자이고, 상기 일회용 자기센서(19)에도 DNA 프로브가 부착되어 있는 경우 상기 나노입자가 상기 일회용 자기센서(19)에 도달하여 서로 붙을 수 있다. 이때 상기 일회용 자기센서(19)가 상기 나노입자 주변에 발생한 자기장에 민감하게 반응하여 원하는 DNA가 부착된 상기 나노입자의 개수를 계수하는 것도 가능하다.
또한 본 발명의 스핀토크형 자기센서는 미세균열을 감지하는 비파괴 검사용 센서 및 의료용 나노입자 센서, 미래형 마이크로 로봇 응용 등에 적용하기 용이하다. 특히 본 발명의 스핀토크형 자기센서는 제조단가가 낮아 일회용 진단키트 개발에도 용이하다. 초소형이면서 고감도 특성을 확보할 수 있어 모바일 기기용 전자나침반에 적용이 가능하여 높은 시장성 확보 가능성이 있다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 스핀토크형 자기센서는 미세균열을 감지하는 비파괴 검사용 센서, 의료용 나노입자 센서, 소형 정밀기계부품의 치차 계수센서(gear tooth sensor) 및 미래형 마이크로 로봇 응용 등에 적용할 수 있다.
또한 스핀토크형 자기센서의 크기가 매우 작아 투명센서 개발에 용이하다.
특히 본 발명의 스핀토크형 자기센서는 제조단가가 낮아 일회용 진단키트 개발에도 용이하다. 초소형이면서 고감도 특성을 확보할 수 있어 모바일 기기용 전자나침반에 적용이 가능하여 높은 시장성 확보 가능성이 있다.

Claims (15)

  1. 가해진 직류전원에 의하여 자화방향이 변화되는 스핀토크형 소자;
    상기 스핀토크형 소자의 보자력 및 민감도를 제어하기 위하여 상기 스핀토크형 소자에 가해지는 양극성 펄스 전원;
    상기 스핀토크형 소자의 보자력 및 민감도를 제어하기 위한 제어부 및
    가해진 양극성 펄스에 따라 상기 스핀토크형 소자의 평행상태 또는 반평행상태를 계수하여 자화도 또는 자기저항을 계산하는 신호처리부 및
    상기 스핀토크형 소자의 변동되는 자기저항의 평균값을 추출하는 저주파대역 통과필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀토크형 자기센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 신호처리부는,
    상기 스핀토크형 소자의 평행상태 또는 반평행상태를 계수하는 카운터 및
    상기 카운터에서 계수한 값들을 연산처리하는 연산부로 구성되는 것을 특징으로 하는 스핀토크형 자기센서.
  3. 삭제
  4. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스핀토크형 소자의 감응영역 위치를 제어하기 위해 상기 스핀토크형 소자에 오프셋 바이어스를 인가하는 바이어스부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀토크형 자기센서
  5. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스핀토크형 소자와 직렬 연결된 저항 특성의 레지스터부를 포함하고, 상기 레지스터부의 저항값을 제어하여 상기 자기센서의 출력 수준을 조절하는 것을 특징으로 하는 스핀토크형 자기센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스핀토크형 소자와 직렬 연결된 제2 스핀토크형 소자에 의해 상기 자기센서의 출력 수준을 조절하는 것을 특징으로 하는 스핀토크형 자기센서.
  7. 가해진 직류전원에 의하여 자화방향이 변화되는 스핀토크형 소자;
    상기 스핀토크형 소자의 보자력 및 민감도를 제어하기 위하여 상기 스핀토크형 소자에 가해지는 양극성 펄스 전원; 및
    상기 스핀토크형 소자의 변동되는 자기저항의 평균값을 추출하는 저주파대역 통과필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀토크형 자기센서.
  8. 가해진 직류전류에 의하여 자화방향이 변화되는 스핀토크형 소자;
    상기 스핀토크형 소자의 출력에서 오프셋을 제어하기 위한 오프셋 제어부 및
    상기 스핀토크형 소자에 신호를 입력하고 출력하기 위한 전극 패드가 하나의 기판에 집적된 스핀토크형 자기센서 집적회로 칩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스핀토크형 소자의 보자력 및 민감도를 제어하기 위한 제어부 및
    가해진 양극성 펄스에 따라 상기 스핀토크형 소자의 평행상태 또는 반평행상태를 계수하여 자화도 또는 자기저항을 계산하는 신호처리부가 더 포함된 것을 특징으로 하는 스핀토크형 자기센서 집적회로 칩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 신호처리부 대신에 상기 스핀토크형 소자의 자화도의 평균을 추출하는 저주파대역 통과필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀토크형 자기센서 집적회로 칩.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 센서의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC가 더 포함된 것을 특징으로 하는 스핀토크형 자기센서 집적회로 칩.
  12. 제8항의 집적회로 칩을 사용한 일회용 스핀토크형 자기센서.
  13. 제12항의 일회용 스핀토크형 자기센서를 사용하여 이동통신 단말기의 포트와 연결하고 상기 이동통신 단말기의 자기장 측정 어플리케이션을 구동하여 상기 스핀토크형 자기센서에 인가된 자기장을 측정하는 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
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