KR102241302B1

KR102241302B1 - 힘 센서

Info

Publication number: KR102241302B1
Application number: KR1020190143185A
Authority: KR
Inventors: 김준서
Original assignee: 재단법인대구경북과학기술원
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2021-04-16

Abstract

힘 센서가 개시된다. 힘 센서는 일 방향에 개구부가 형성된 프레임, 프레임의 내부의 좌우에 대면하여 배치되어 기 설정된 제1 자기장을 형성하는 자화 반전용 영구자석층, 프레임과 기 설정된 거리 이격되어 배치되는 기판지지층, 기판지지층 상에 자화 반전용 영구자석층 방향으로 기판지지층과 수직으로 배치되는 기판 및 기판에 배치되고, 기 설정된 저항 값을 가지는 자기터널접합소자를 포함하고, 기판은 외부의 압력에 의해 프레임과 기판지지층 사이의 간격이 줄어듬에 따라 프레임의 개구부에 삽입되고, 자기터널접합소자는 기판이 프레임의 개구부에 삽입됨에 따라, 기 설정된 제1 자기장이 형성된 영역에 위치하는 경우, 기 설정된 저항 값이 변화되고, 기 설정된 저항 값이 변화에 기초하여 압력이 감지된다.

Description

힘 센서{FORCE SENSOR}

본 개시는 힘 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기장의 세기의 변화에 따라 힘을 측정하는 힘 센서에 관한 것이다.

일반적으로 힘 센서는 스트레인 게이지(strain gauge), 정전용량형 힘 센서(capacitive force sensor), 도전성 고무 등으로 구현되었다. 기존의 힘 센서는 부재의 변형을 이용함으로 높은 감도와 넓은 다이내믹 레인지를 구현하기 위해 충분한 양의 변형을 확보하는 것이 필요하다. 따라서, 기존의 힘 센서는 소형화 하기에 한계가 있고, 강한 힘이 필요하기 때문에 불편한 점이 있다.

한편, 최근에 스마트폰 등에서 외부 버튼을 대체하기 위해 소형화 힘 센서에 대한 관심이 높아지고 있으며, 압전체를 이용한 힘 센서에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 바이모프 압전체를 사용하는 힘 센서는 2개의 압전 소자들이 서로 묶여있는 구조를 가지므로 힘 센서의 소형화에 불리하며, 압전체에 인가되는 전압 사이의 위상 각도 차를 감지하여 주파수를 제어하는 힘 센서도 위상을 감지하기 위한 별도의 회로가 필요하므로 회로가 복잡해지는 문제점이 있다. 또한, 압전체를 이용한 힘 센서는 외부 버튼으로 사용할 때 오류가 발생할 가능성이 많다는 문제점도 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위해 자기터널접합소자를 이용한 힘 센서에 대한 발명이 출원되었다(출원번호: 10-2019-0048304). 기존의 자기터널접합소자를 이용한 힘 센서는 상하부에 영구자석층이 배치되고, 상부 영구자석층이 센서 기기의 프레임에 배치된다. 그리고, 기존의 힘 센서는 상하부의 영구자석층 사이에 자기터널접합소자가 위치한다. 기존의 힘 센서는 외부 압력에 따른 영구자석층 사이의 자기장 변화에 의해 센서가 작동하는 방식이기 때문에 센서 동작에 필요한 자기장을 형성하고 조절하기에 어려운 점이 있다.

따라서, 센서 동작에 필요한 자기장이 형성 및 조절이 용이하고, 외부에서 가해지는 힘을 정확하게 감지할 수 있는 힘 센서에 대한 필요성이 존재한다.

본 개시는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 센서 동작에 필요한 자기장의 형성 및 조절이 용이하고, 압력의 변화를 정확하게 감지할 수 있는 힘 센서를 제공하는 것이다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 힘 센서는 일 방향에 개구부가 형성된 프레임, 상기 프레임의 내부의 좌우에 대면하여 배치되어 기 설정된 제1 자기장을 형성하는 자화 반전용 영구자석층, 상기 프레임과 기 설정된 거리 이격되어 배치되는 기판지지층, 상기 기판지지층 상에 자화 반전용 영구자석층 방향으로 상기 기판지지층과 수직으로 배치되는 기판 및 상기 기판에 배치되고, 기 설정된 저항 값을 가지는 자기터널접합소자를 포함하고, 상기 기판은 외부의 압력에 의해 상기 프레임과 상기 기판지지층 사이의 간격이 줄어듬에 따라 상기 프레임의 개구부에 삽입되고, 상기 자기터널접합소자는 상기 기판이 상기 프레임의 개구부에 삽입됨에 따라 상기 기 설정된 제1 자기장이 형성된 영역에 위치하는 경우, 상기 기 설정된 저항 값이 변화되고, 상기 기 설정된 저항 값의 변화에 기초하여 상기 압력이 감지될 수 있다.

그리고, 상기 자기터널접합소자는 상기 기판의 일면 또는 양면에 기 설정된 간격으로 복수 개 배치될 수 있다.

또한, 상기 복수 개의 자기터널접합소자는 상기 프레임과 상기 기판지지층 사이의 간격이 줄어듬에 따라 상기 기 설정된 제1 자기장이 형성된 영역에 위치하는 상기 자기터널접합소자의 개수가 증가되고, 상기 증가된 개수에 비례하여 상기 기 설정된 저항 값이 이산(discrete)적으로 변화될 수 있다.

또한, 상기 기판의 양면에 배치되는 복수 개의 자기터널접합소자는 상기 기판의 일면에 배치된 복수 개의 자기터널접합소자와 상기 기판의 타면에 배치된 복수 개의 자기터널접합소자가 수평 축을 기준으로 중복 영역없이 배치될 수 있다.

한편, 상기 자기터널접합소자는 제1 방향으로 자화된 제1 수직자성층, 상기 제1 수직자석층 위에 배치되는 터널층, 상기 터널층 위에 배치되고 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 자화된 제2 수직자성층, 상기 제2 수직자성층 위에 배치되는 삽입층 및 상기 삽입층 위에 배치되고 상기 제1 방향으로 자화된 제3 수직자성층을 포함할 수 있다.

그리고, 상기 제2 수직자성층은 상기 기판이 점차적으로 상기 프레임의 개구부에 삽입됨에 따라 상기 기 설정된 제1 자기장이 형성된 영역에 점차적으로 위치하고, 상기 자화 반전용 영구자석층에 의해 인가(apply)되는 자기장의 강도가 기 설정된 제1 강도 이상인 경우, 자화 방향이 상기 제1 방향으로 변화될 수 있다.

또한, 상기 프레임 및 상기 기판지지층 사이의 간격은 상기 외부의 압력이 제거되는 경우 초기 간격으로 회복되고, 상기 자기터널접합소자는 변화된 저항 값이 상기 기 설정된 저항 값으로 회복될 수 있다.

한편, 힘 센서는 상기 프레임의 내부의 좌우에 대면하여 배치되어 기 설정된 제2 자기장을 형성하는 자화 정렬용 영구자석층을 더 포함하고, 상기 자화 정렬용 영구자석층은 상기 자화 반전용 영구자석층과 이격되어 상기 개구부에 인접한 위치에 배치되고, 상기 자화 반전용 영구자석층의 자기장의 방향과 반대 방향의 자기장을 형성할 수 있다.

한편, 상기 자기터널접합소자는 제3 방향으로 자화된 제1 수직자성층, 상기 제1 수직자성층 위에 배치되는 터널층 및 상기 터널층 위에 배치된 제2 수직자성층을 포함할 수 있다.

그리고, 상기 제2 수직자성층은 상기 기판이 점차적으로 상기 프레임의 개구부에 삽입됨에 따라 상기 기 설정된 제2 자기장 및 기 설정된 제1 자기장이 형성된 영역에 점차적으로 위치하고, 상기 자화 정렬용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 강도가 기 설정된 제2 강도 이상인 경우 자화 방향이 상기 제3 방향으로 정렬되고, 상기 자화 반전용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 강도가 상기 기 설정된 제3 강도 이상인 경우 자화 방향이 상기 자화 반전용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 방향에 대응되는 일 방향으로 변화되며, 상기 자화 방향의 변화에 따라 상기 기 설정된 저항 값이 증가하고, 상기 기 설정된 저항 값의 증가에 기초하여 상기 압력이 감지될 수 있다.

또한, 상기 프레임 및 상기 기판지지층 사이의 간격은 상기 외부의 압력이 제거되는 경우 초기 간격으로 회복되고, 상기 제2 수직자성층은 상기 기 설정된 제2 자기장에 의해 자화 방향이 상기 제3 방향으로 정렬됨으로써 증가된 저항 값이 상기 기 설정된 저항 값으로 회복될 수 있다.

그리고, 상기 제2 수직자성층은 상기 기판이 점차적으로 상기 프레임의 개구부에 삽입됨에 따라 상기 기 설정된 제2 자기장 및 기 설정된 제1 자기장이 형성된 영역에 점차적으로 위치하고, 상기 자화 정렬용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 강도가 기 설정된 제2 강도 이상인 경우 자화 방향이 상기 제3 방향과 반대 방향인 제4 방향으로 정렬되고, 상기 자화 반전용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 강도가 기 설정된 제3 강도 이상인 경우 자화 방향이 상기 자화 반전용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 방향에 대응되는 일 방향으로 변화되며, 자화 방향의 변화에 따라 상기 기 설정된 저항 값이 감소하고, 상기 기 설정된 저항 값의 감소에 기초하여 상기 압력이 감지될 수 있다.

또한, 상기 프레임 및 상기 기판지지층 사이의 간격은 상기 외부의 압력이 제거되는 경우 초기 간격으로 회복되고, 상기 제2 수직자성층은 상기 기 설정된 제2 자기장에 의해 자화 방향이 상기 제4 방향으로 정렬됨으로써 감소된 저항 값이 상기 기 설정된 저항 값으로 회복될 수 있다.

한편, 상기 프레임의 타 방향에 형성되고, 상기 프레임을 지지하는 프레임지지층 및 상기 프레임과 상기 기판지지층 사이에 형성되는 탄성 부재를 더 포함하고 상기 탄성 부재는 상기 외부의 압력이 제거되는 경우, 상기 프레임과 상기 기판지지층 사이의 간격을 초기 간격으로 회복시킬 수 있다.

한편, 멀티 힘 센서는 상술한 힘 센서를 복수 개 포함할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 힘 센서는 영구자석층이 고정되어 있으므로 외부 압력이 작용하는 수직 변위와 무관하게 균일한 자기장을 형성할 수 있다.

그리고, 힘 센서는 자기터널접합소자에 인가되는 자기장이 이산(discrete)적으로 인가되므로 압력의 변화를 정확하게 감지할 수 있다.

또한, 힘 센서는 자화 정렬용 영구자석층 및 자화 반전용 영구자석층을 포함함으로써 3개층으로 구현되는 자기터널접합소자를 이용할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.

도 1a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 힘 센서를 설명하는 도면이다.
도 1b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 압력이 가해진 경우 힘 센서를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 입력에 따른 저항 값의 변화를 설명하는 도면이다.
도 3a는 본 개시의 제1 실시 예에 따른 자기터널접합소자의 배치를 설명하는 도면이다.
도 3b는 본 개시의 제2 실시 예에 따른 자기터널접합소자의 배치를 설명하는 도면이다.
도 3c는 본 개시의 제3 실시 예에 따른 자기터널접합소자의 배치를 설명하는 도면이다.
도 4는 기판의 앙면에 자기터널접합소자가 배치된 일 실시 예를 설명하는 도면이다.
도 5a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 자화 정렬용 영구자석층 및 자화 반전용 영구자석층을 포함하는 힘 센서를 설명하는 도면이다.
도 5b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 압력이 가해진 경우 도 5a의 힘 센서를 설명하는 도면이다.
도 6a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 5층 구조의 자기터널접합소자를 설명하는 도면이다.
도 6b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 압력이 가해진 경우 5층 구조의 자기터널접합소자를 설명하는 도면이다.
도 7a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 3층 구조의 자기터널접합소자를 설명하는 도면이다.
도 7b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 3층 구조의 자기터널접합소자를 설명하는 도면이다.
도 8a는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 3층 구조의 자기터널접합소자를 설명하는 도면이다.
도 8b는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 3층 구조의 자기터널접합소자를 설명하는 도면이다.
도 9a는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 힘 센서를 설명하는 도면이다.
도 9b는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 압력이 가해진 경우 힘 센서를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 개시의 또 다른 실시 예에 따른 힘 센서를 설명하는 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에 기재된 실시 예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시 예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시 예는 다양한 실시 예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 첨부된 도면에 개시된 특정 실시 예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서는 본 발명의 설명에 필요한 필수적인 구성요소만을 설명하며, 본 발명의 본질과 관계가 없는 구성요소는 언급하지 아니한다. 그리고 언급되는 구성요소만을 포함하는 배타적인 의미로 해석되어서는 아니되며 다른 구성요소도 포함할 수 있는 비배타적인 의미로 해석되어야 한다.

그 밖에도, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다. 한편, 각 실시 예는 독립적으로 구현되거나 동작될 수도 있지만, 각 실시 예는 조합되어 구현되거나 동작될 수도 있다.

도 1a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 힘 센서를 설명하는 도면이고, 도 1b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 압력이 가해진 경우 힘 센서를 설명하는 도면이다. 그리고, 도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 입력에 따른 저항 값의 변화를 설명하는 도면이다. 도 1a, 도 1b 및 도 2를 참조하여 힘 센서의 구조 및 동작을 설명한다.

도 1a를 참조하면, 힘 센서(100)는 프레임(110), 자화 반전용 영구자석층(120), 기판지지층(130), 기판(140) 및 자기터널접합소자(150)를 포함할 수 있다.

프레임(110)은 하부 방항에 개구부가 형성될 수 있다. 프레임(110)은 외부의 압력을 직접 받는 구성으로서 외부의 압력에 의해 하부 방향으로 이동할 수 있다. 도 1a에는 일 실시 예로서, 상부와 좌우부가 연결된 직각 형태의 프레임(110)이 도시되어 있으나, 프레임(110)은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 또한, 도 1a에서는 프레임(110)이 일체로 형성된 구조가 도시되어 있으나, 프레임(110)이 좌우로 분리되어 형성되고, 좌우로 분리된 프레임(110)을 연결하고 지지하는 프레임지지층이 더 포함될 수도 있다. 즉, 프레임(110)은 일정 간격으로 양 방향에 배치되고, 프레임(110)의 상부에 프레임(110)을 지지하고 연결하는 프레임지지층이 배치될 수 있다. 프레임지지층은 프레임(110)을 지지하는 동시에 프레임(110)의 일면을 폐쇄할 수 있다. 따라서, 힘 센서(100)가 프레임지지층을 포함하는 구조로 형성되더라도 프레임(110)의 개구부는 기판지지층(130) 방향으로 형성될 수 있다.

또한, 프레임(110)은 탄성 부재 등과 연결되거나 프레임(110) 및 기판지지층(130) 사이에 탄성 부재 등이 삽입되어 외부의 압력이 제거되는 경우, 상부 방향으로 이동하여 원위치할 수 있다.

프레임(110)의 내부 좌우측에는 자화 반전용 영구자석층(120)이 배치될 수 있다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 자화 반전용 영구자석층(120)은 프레임(110)의 좌우측에 대면하여 배치되어 기 설정된 자기장을 형성할 수 있다. 자기장은 N극으로부터 S극으로 직선 형태로 형성될 수 있다. 도 1a에는 프레임(110)의 내부 좌측면에 S극이 배치되고, 프레임(110)의 내부 우측면에 N극이 배치된 실시 예가 도시되어 있으나, N극과 S극의 배치 위치는 바뀔 수 있다. 즉, 프레임(110)의 내부 우측면에 S극이 배치되고, 프레임(110)의 내부 좌측면에 N극이 배치될 수 있다. 프레임(110)의 내부 좌우측면에 배치된 자화 반전용 영구자석층(120)은 외부 압력에 상관없이 일정한 간격을 유지할 수 있으므로 자화 반전용 영구자석층(120)에 의해 형성되는 자기장도 일정하게 유지될 수 있다.

기판지지층(130)은 프레임(110)과 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다. 일 실시 예로서, 프레임(110)의 끝단과 기판지지층(130) 사이의 거리는 수 nm 내지 수 um일 수 있다.

그리고, 기판지지층(130)에는 기판(140)이 배치될 수 있다. 기판(140)은 기판지지층(130)과 수직 방향으로 배치될 수 있고, 외부 압력에 의해 프레임(110)이 하부 방향으로 이동하는 경우, 프레임(110)의 개구부로 삽입되는 위치에 배치될 수 있다. 따라서, 외부의 압력에 의해 프레임(110)과 기판지지층(130) 사이의 간격이 줄어들면, 기판(140)은 프레임(110)의 개구부로 삽입될 수 있다.

기판(140)에는 기 설정된 저항 값을 가지는 자기터널접합소자(150)가 배치될 수 있다. 자기터널접합소자(150)의 배치 구조 및 자기터널접합소자(150)에 대한 자세한 설명은 후술한다. 한편, 기판(140)은 자기터널접합소자(150)와 연결된 도선을 포함할 수 있다. 따라서, 힘 센서(100)는 기판의 도선을 통해 자기터널접합소자(150)의 전류 값 또는 저항 값의 변화를 측정하고, 측정된 전류 값 또는 저항 값에 기초하여 압력을 감지할 수 있다. 도선 및 도선을 통해 전기적인 특성을 측정하는 구성은 전자 장치의 프로세서일 수 있다. 전자 장치의 프로세서는 일반적인 구성이고, 본 개시의 구성이 아니므로 도면에서 생략한다.

외부 압력이 프레임(110)에 작용하는 경우 프레임(110)은 하부 방향으로 이동할 수 있다. 상술한 바와 같이, 프레임(110)의 끝단과 기판지지층(130) 사이의 거리는 수 nm 내지 수 um일 수 있다. 따라서, 외부 압력에 의해 하부 방향으로 이동하는 프레임(110)의 변위도 수 nm 내지 수 um일 수 있다.

도 1b에는 외부 압력에 의해 프레임(110)이 하부 방향으로 이동한 힘 센서(100)가 도시되어 있다. 외부의 압력에 의해 프레임(110)이 하부 방향으로 이동하는 경우, 프레임(110)의 이동에 따라 프레임(110)의 내부 좌우측에 배치된 자화 반전용 영구자석층(120)도 하부 방향으로 이동한다. 자화 반전용 영구자석층(120)의 이동에 따라 기판(140)에 배치된 적어도 하나의 자기터널접합소자(150)가 자화 반전용 영구자석층(120)에 의해 형성된 자기장의 범위에 위치할 수 있다. 자화 반전용 영구자석층(120) 사이에 위치한 자기터널접합소자(150)는 자기장에 의해 저항 값이 변화될 수 있다. 힘 센서(100)는 자기터널접합소자(150)의 저항 값의 변화에 기초하여 압력을 감지할 수 있다.

도 1a 및 도 1b에서는 일 실시 예로서 프레임(110) 및 자화 반전용 영구자석층(120) 등을 포함하는 영구자석부가 상부에 배치되고, 기판지지층(130), 기판(140) 및 자기터널접합소자(150) 등을 포함하는 소자부가 하부에 배치된 구조가 도시되어 있다. 그러나, 힘 센서(100)는 영구자석부가 하부에 배치되고, 소자부가 상부에 배치될 수도 있다. 이 경우, 프레임(110)(또는, 영구자석부)은 상부 방항으로 개구부가 형성되고, 기판지지층(130)이 외부의 압력을 직접 받아 소자부가 하부 방향으로 이동할 수도 있다. 또한, 외부의 압력이 제거되는 경우, 소자부가 상부 방향으로 이동하여 원위치할 수도 있다. 아래에서는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 영구자석부가 상부에 배치되고 소자부가 하부에 배치된 구조의 힘 센서(100)를 기준으로 동작을 설명한다.

도 2를 참조하여 힘 센서의 동작을 구체적으로 설명한다.

예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이 기판(140)에는 5개의 자기터널접합소자(150)가 이격되어 배치될 수 있다. 외부의 압력이 가해지지 않는 경우, 도 1a에 도시된 바와 같이 자기터널접합소자(150)는 자화 반전용 영구자석층(120)에 의해 영향을 받지 않는다. 따라서, 5개 자기터널접합소자(150)의 전체 저항 값은 제1 저항 값(11)일 수 있다. 외부의 압력이 가해짐에 따라 프레임(110)이 하부로 이동할 수 있다. 외부의 압력에 의해 프레임(110)이 점차적으로 하부로 이동하면, 기판(140)도 점차적으로 프레임(110)의 개구부로 삽입될 수 있다. 기판(140)이 점차적으로 프레임(110)의 개구부로 삽입되면, 1개의 자기터널접합소자(150)도 점차적으로 자화 반전용 영구자석층(120)에 의해 형성된 자기장의 영향을 받을 수 있다. 자화 반전용 영구자석층(120)에 의해 자기터널접합소자(150)에 인가되는 자기장의 강도가 일정 강도 이상이면, 1개의 자기터널접합소자(150)의 기 설정된 저항 값이 변화될 수 있다. 일 실시 예로서, 기 설정된 저항 값이 감소될 수 있다. 그러나, 나머지 자기터널접합소자(150)는 자기장의 영향을 받지 않으므로 기 설정된 저항 값을 유지할 수 있다. 따라서, 5개 자기터널접합소자(150)의 전체 저항 값은 제2 저항 값(12)일 수 있다.

외부의 압력이 증가함에 따라 프레임(110)은 하부로 더 이동하고, 2개의 자기터널접합소자(150)가 자화 반전용 영구자석층(120)에 의해 형성된 자기장의 영향을 받을 수 있다. 자기장의 영향을 받은 2개의 자기터널접합소자(150)의 기 설정된 저항 값이 변화될 수 있다. 그러나, 나머지 자기터널접합소자(150)는 자기장의 영향을 받지 않으므로 기 설정된 저항 값을 유지할 수 있다. 따라서, 5개 자기터널접합소자(150)의 전체 저항 값은 제3 저항 값(13)일 수 있다.

외부의 압력이 증가함에 따라 프레임(110)은 하부로 더 이동하고, 3개의 자기터널접합소자(150)가 자화 반전용 영구자석층(120)에 의해 형성된 자기장의 영향을 받을 수 있다. 도 1b에는 3개의 자기터널접합소자(150)가 자기장의 영향을 받는 일 실시 예가 도시되어 있다. 자기장의 영향을 받은 3개의 자기터널접합소자(150)의 기 설정된 저항 값이 변화될 수 있다. 그러나, 나머지 자기터널접합소자(150)는 자기장의 영향을 받지 않으므로 기 설정된 저항 값을 유지할 수 있다. 따라서, 5개 자기터널접합소자(150)의 전체 저항 값은 제4 저항 값(14)일 수 있다.

연속적으로 4개의 자기터널접합소자(150)가 자화 반전용 영구자석층(120)에 의해 형성된 자기장의 영향을 받을 수 있다. 자기장의 영향을 받은 4개의 자기터널접합소자(150)의 기 설정된 저항 값이 변화될 수 있다. 그러나, 나머지 자기터널접합소자(150)는 자기장의 영향을 받지 않으므로 기 설정된 저항 값을 유지할 수 있다. 따라서, 5개 자기터널접합소자(150)의 전체 저항 값은 제5 저항 값(15)일 수 있다.

프레임(110)이 이동할 수 있는 최하단까지 이동하는 경우, 5개 모두의 자기터널접합소자(150)가 자화 반전용 영구자석층(120)에 의해 형성된 자기장의 영향을 받을 수 있다. 자기장의 영향을 받은 모든 자기터널접합소자(150)의 기 설정된 저항 값이 변화될 수 있다. 따라서, 5개 자기터널접합소자(150)의 전체 저항 값은 제6 저항 값(16)일 수 있다.

본 개시의 일 실시 예에 따른 힘 센서(100)는 프레임(110)의 이동에 따라 프레임에 배치된 자화 반전용 영구자석층(120)이 함께 이동할 수 있다. 그리고, 자화 반전용 영구자석층(120)의 이동에 따라 이격되어 배치된 자기터널접합소자(150)에 순차적으로 자기장이 인가되면 자기터널접합소자(150)의 기 설정된 저항 값이 이산(discrete)적으로 변화될 수 있다. 즉, 복수 개의 자기터널접합소자(150)는 자화 반전용 영구자석층(120)이 하부로 이동함에 따라 자기장 사이에 위치하는 자기터널접합소자(150)의 개수가 증가될 수 있다. 그리고, 자기장이 인가되는 자기터널접합소자(150)의 증가된 개수에 비례하여 기 설정된 저항 값이 이산적으로 변화될 수 있다.

한편, 자기터널접합소자는 기판에 다양한 개수 및 형태로 배치될 수 있다.

도 3a 내지 도 3c는 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 자기터널접합소자의 배치를 설명하는 도면이다.

도 3a를 참조하면, 기판에 하나의 자기터널접합소자가 배치된 도면이 도시되어 있다. 힘 센서(100)가 하나의 자기터널접합소자를 포함하는 경우, 힘 센서(100)는 외부의 압력에 따라 온/오프로 동작할 수 있다. 도 3b를 참조하면 기판에 일렬로 자기터널접합소자가 배치된 도면이 도시되어 있다. 복수 개의 자기터널접합소자(150)는 상호 이격되어 기판에 배치될 수 있다. 또는, 3c와 같이, 복수 개의 자기터널접합소자(150)는 열과 행으로 기판에 배치될 수도 있다. 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 자기터널접합소자(150-n)가 원형으로 형성되는 경우 자기터널접합소자(150-n)의 직경(D)은 약 10nm 내지 1 um일 수 있다. 그리고, 기판에 자기터널접합소자(150-n)가 복수 개 배치되는 경우, 각 자기터널접합소자(150-n) 간의 간격(S)는 약 10nm 내지 1mm일 수 있다.

한편, 도 3a 내지 도 3c에는 원형으로 형성된 자기터널접합소자(150)가 도시되어 있으나, 자기터널접합소자(150)의 형태는 삼각형, 사각형 또는 오각형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 또한, 도 3b 내지 도 3c에는 복수 개의 자기터널접합소자(150)가 일정한 간격으로 이격된 배치 형태가 도시되어 있으나, 자기터널접합소자(150)의 간격은 다양하게 설정될 수 있다. 일 실시 예로서, 첫째 행과 둘째 행의 자기터널접합소자(150)의 간격은 100nm, 둘째 행과 셋째 행의 자기터널접합소자(150)의 간격은 300nm, 셋째 행과 넷째 행의 자기터널접합소자(150)의 간격은 500nm 등과 같이 복수 개의 자기터널접합소자(150)는 서로 다른 간격으로 배치될 수도 있다.

지금까지 자기터널접합소자(150)가 기판의 일면에 배치된 구조를 설명하였으나, 자기터널접합소자(150)는 기판의 양면에 배치될 수도 있다.

도 4는 기판의 앙면에 자기터널접합소자가 배치된 일 실시 예를 설명하는 도면이다. 도 4에 도시된 힘 센서의 구조 및 동작은 도 1a 내지 도 2에서 설명한 구조 및 동작과 유사하다. 따라서, 도 4에서는 자기터널접합소자(150-n)의 배치 구조에 대해서만 설명한다.

도 4를 참조하면, 복수 개의 자기터널접합소자(150-n)은 기판의 양면에 배치될 수 있다. 일 실시 예로서, 기판이 일면에 배치된 복수 개의 자기터널접합소자와 기판의 타면에 배치된 복수 개의 자기터널접합소자는 수평 축을 기준으로 중복 영역없이 배치될 수 있다. 기판의 양면에 자기터널접합소자(150-n)가 배치되는 경우, 자화 반전용 영구자석층이 하부로 이동함에 따라 더 많은 단계의 값으로 저항 값이 변화될 수 있다. 즉, 기판의 양면에 배치된 자기터널접합소자를 포함하는 힘 센서의 변위 분해능은 일면에 배치된 자기터널접합소자를 포함하는 힘 센서의 변위 분해능에 비해 최대 2배가 될 수 있다.

한편, 힘 센서는 자화 졍렬용 영구자석층을 더 포함할 수 있다.

도 5a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 자화 정렬용 영구자석층 및 자화 반전용 영구자석층을 포함하는 힘 센서를 설명하는 도면이고, 도 5b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 압력이 가해진 경우 도 5a의 힘 센서를 설명하는 도면이다. 도 5a 및 도 5b를 참조하여 힘 센서의 구조 및 동작을 설명한다.

도 5a를 참조하면, 힘 센서(100)는 프레임(110), 자화 반전용 영구자석층(120), 자화 정렬용 영구자석층(125), 기판지지층(130), 기판(140) 및 자기터널접합소자(150)를 포함할 수 있다. 프레임(110), 자화 반전용 영구자석층(120), 기판지지층(130), 기판(140) 및 자기터널접합소자(150)은 상술한 바와 동일하므로 설명을 생략한다.

자화 정렬용 영구자석층(125)도 프레임의 좌우측에 대면하여 배치되고, 기 설정된 자기장을 형성할 수 있다. 자화 정렬용 영구자석층(125)은 자화 반전용 영구자석층(120) 하부에 자화 반전용 영구자석층(120)과 이격되어 배치될 수 있다. 그리고, 자화 정렬용 영구자석층(125)은 자화 반전용 영구자석층(120)의 자기장의 방향과 반대 방향의 자기장을 형성할 수 있다.

즉, 자화 반전용 영구자석층(120)이 프레임(110)의 내부 좌측면에 N극이 배치되고 내부 우측면에 S극이 배치되는 경우, 자화 정렬용 영구자석층(125)은 프레임(110)의 내부 좌측면에 S극이 배치되고 내부 우측면에 N극이 배치될 수 있다. 또한, 자화 반전용 영구자석층(120)이 프레임(110)의 내부 좌측면에 S극이 배치되고 내부 우측면에 N극이 배치되는 경우, 자화 정렬용 영구자석층(125)은 프레임(110)의 내부 좌측면에 N극이 배치되고 내부 우측면에 S극이 배치될 수 있다.

도 5b에는 외부 압력에 의해 프레임(110)이 하부 방향으로 이동한 힘 센서(100)가 도시되어 있다.

외부로부터 압력이 프레임(110)에 가해지는 경우, 자기터널접합소자(150)에는 자화 정렬용 영구자석층(125)으로부터 자기장이 인가된다. 자기터널접합소자(150)의 자성층의 방향은 자화 정렬용 영구자석층(125)의 자기장으로 인해 일정한 방향으로 정렬될 수 있다. 자기터널접합소자(150)의 자성층의 방향이 일정한 방향으로 정렬되었을 때 자기터널접합소자(150)는 기 설정된 저항 값을 가질 수 있다.

그리고, 외부로부터 압력이 계속적으로 프레임(110)에 가해지는 경우, 자기터널접합소자(150)에는 자화 반전용 영구자석층(120)으로부터 자기장이 인가된다. 자기터널접합소자(150)의 자성층의 방향은 자화 반전용 영구자석층(120)의 자기장으로 인해 자화 정렬용 영구자석층(125)에 의해 정렬된 방향과 다른 방향으로 변할 수 있다. 즉, 자기터널접합소자(150)의 기 설정된 저항 값은 다른 값으로 변할 수 있다. 힘 센서(100)는 자기터널접합소자(150)의 변화된 저항 값에 기초하여 압력을 감지할 수 있다.

상술한 바와 같이, 프레임(110)은 외부의 압력이 제거되는 경우, 상부 방향으로 이동하여 원위치할 수 있다. 외부로부터 압력이 제거되는 경우, 자기터널접합소자(150)는 자화 반전용 영구자석층(120)의 자기장의 영향을 벗어날 수 있다. 이후, 자기터널접합소자(150)는 자화 정렬용 영구자석층(125)으로부터 자기장이 인가된다. 자기터널접합소자(150)의 자성층의 방향은 자화 정렬용 영구자석층(125)의 자기장으로 인해 일정한 방향으로 정렬될 수 있다. 자기터널접합소자(150)의 자성층의 방향이 일정한 방향으로 정렬되었을 때 자기터널접합소자(150)는 기 설정된 저항 값을 가질 수 있다. 따라서, 자기터널접합소자(150)는 외부 압력이 가해지지 않는 경우, 기 설정된 저항 값을 유지할 수 있다.

지금까지, 힘 센서의 구조 및 동작에 대해 설명하였다. 아래에서는 자기터널접합소자를 설명한다.

도 6a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 5층 구조의 자기터널접합소자를 설명하는 도면이고, 도 6b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 압력이 가해진 경우 5층 구조의 자기터널접합소자를 설명하는 도면이다. 도 6a 및 도 6b를 참조하여 자기터널접합소자를 설명한다.

도 6a를 참조하면, 일정한 자기장 세기 이하에서의 5층 구조의 자기터널접합소자가 도시되어 있다. 5층 구조의 자기터널접합소자는 아래에서부터 제1 수직자성층(151), 터널층(152), 제2 수직자성층(153), 삽입층(154) 및 제3 수직자성층(155)을 포함할 수 있다. 제1 수직자성층(151)과 제3 수직자성층(155)의 자화 방향은 동일한 제1 방향일 수 있다. 제2 수직자성층(153)의 자화 방향은 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향일 수 있다. 일정한 자기장 세기 이하에서 제1 수직자성층(151) 및 제3 수직자성층(155)의 자화 방향과 제2 수직자성층(153)의 자화 방향이 반대 방향이기 때문에 자기터널접합소자의 저항은 상대적으로 고저항 값을 가질 수 있다. 자기터널접합소자의 저항 값은 터널층을 통화하는 스핀-자화 전류(spin polarized current)를 이용하여 측정될 수 있다.

제2 수직자성층(153)과 제3 수직자성층(155) 사이의 삽입층(154)은 Interlayer Exchange Coupling 또는 Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY) 상호 작용 및 두께에 기초하여 제2 수직자성층(153)과 제3 수직자성층(155)의 자화 방향을 평행 상태 또는 반평행 상태로 만들 수 있다.

예를 들어, 삽입층은 바나듐(V), 크로뮴(Cr), 망간(Mn), 구리(Cu), 나이오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 테크네튬(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os) 또는 이리듐(Ir) 등의 물질을 포함할 수 있다. 그리고, 터널층은 MgO 등을 포함하는 유전체일 수 있고, 두께는 약 0.9nm 내지 1.1nm일 수 있다.

제1 수직자성층(151)은 기 설정된 제1 두께(tHM)의 중금속층(51-1)과 기 설정된 제2 두께(tFM)의 자성층(51-2)의 적층체(51)를 복수 개 포함할 수 있다. 즉, 제1 수직자성층(151)은 중금속 물질 박막층과 자성 물질 박막층을 포함하는 다층박막층을 포함할 수 있다. 또는, 제1 수직자성층(151)은 중금속 물질과 자성 물질의 합금을 포함할 수도 있다.

예를 들어, 중금속 물질(또는, 중금속층)은 하프늄(Hf), 탄탈럼(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 또는 금(Au) 등을 포함할 수 있고, 자성 물질(또는, 자성층)은 철(Fe), 코발트(Co) 또는 니켈(Ni) 등의 단일 물질, 이들 단일물질을 포함하는 합금 또는 코발트-철-보론 합금(Co-Fe-B Alloy) 등을 포함할 수 있다. 중금속층의 두께(tHM) 및 자성층의 두께(tFM)는 각각 약 0.1nm 내지 10nm 일 수 있다.

제1 수직자성층(151)과 유사하게 제2 수직자성층(153) 및 제3 수직자성층(155)도 동일한 방식과 구조로 구현될 수 있다. 제1 내지 제3 수직자성층(151, 153, 155)은 수직자기이방성을 가질 수 있다. 한편, 제1 수직자성층(151)과 제3 수직자성층(155)은 수작자기이방성이 강해서 힘 센서의 자화 반전용 영구자석층(또는 자화 정렬용 영구자석층)에 의해 형성되는 자기장에 의해 자화 방향이 반전되지 않는다. 제1 및 제3 수직자성층(151, 155)의 수직자기이방성의 강도는 중금속층 및 자성층의 두께(또는, 중금속 물질과 자성 물질의 합금 두께), 중금속층 및 자성층의 물질(합금 물질) 또는 중금속층 및 자성층를 적층한 적층체의 개수에 따라 필요한 강도로 구현될 수 있다. 그리고, 제2 수직자성층(153)의 수직자기이방성의 강도는 적절한 자기장의 세기에 자화 방향이 반전될 수 있도록 구현될 수 있다.

외부로부터 압력이 가해지면, 자화 반전용 영구자석층 사이에 자기터널접합소자가 위치할 수 있다.

도 6b에 도시된 바와 같이, 자화 반전용 영구자석층으로부터 인가되는 자기장의 세기가 제2 수직자성층(153)의 자화 방향이 반전될 수 있는 일정한 세기 이상이 되면, 제2 수직자성층(153)의 자화 방향이 반전될 수 있다. 제2 수직자성층(153)의 자화 방향이 반전되면, 제1 수직자성층(151)과 제2 수직자성층(153)의 자화 방향은 평행 상태가 되고, 자기터널접합소자는 상대적으로 저저항 상태가 될 수 있다. 따라서, 자기터널접합소자의 저항 값의 변화에 기초하여 힘 센서는 외부에서 가해진 압력을 감지할 수 있다.

외부의 압력이 제거되면, 프레임은 원위치로 이동할 수 있다. 프레임이 원위치로 이동함에 따라 자화 반전용 영구자석층도 원위치로 이동하고, 자기터널접합소자는 자기장의 영향을 벗어난다. 그리고, 제2 수직자성층(153)의 자화 방향도 원래 방향으로 복원됨으로써 제2 수직자성층(153)의 자화 방향은 제1 및 제3 수직자성층(151, 155)의 자화 방향과 반평행 상태로 될 수 있다. 따라서, 자기터널접합소자는 다시 초기 상태인 고저항 상태로 복원될 수 있다. 일 실시 예로서, 저저항 상태의 저항은 약 300Ω 내지 1kΩ일 수 있고, 고저항 상태의 저항은 약 1kΩ 내지 3kΩ일 수 있다.

한편, 자기터널접합소자는 3층 구조로 구현될 수도 있다.

도 7a는 본 개시의 일 실시 예에 따른 3층 구조의 자기터널접합소자를 설명하는 도면이고, 도 7b는 본 개시의 일 실시 예에 따른 3층 구조의 자기터널접합소자를 설명하는 도면이다. 도 7a 및 도 7b를 참조하여 3층 구조의 자기터널접합소자를 설명한다.

도 7a를 참조하면, 일정한 자기장 세기 이하에서의 3층 구조의 자기터널접합소자가 도시되어 있다. 3층 구조의 자기터널접합소자는 아래에서부터 제1 수직자성층(151), 터널층(152) 및 제2 수직자성층(153)을 포함할 수 있다. 제1 수직자성층(151)의 자화 방향은 제3 방향일 수 있고, 제2 수직자성층(153)의 자화 방향도 제3 방향일 수 있다. 또는, 제2 수직자성층(153)의 자화 방향은 무작위의 방향일 수 있다. 따라서, 3층 구조의 자기터널접합소자를 포함하는 힘 센서는 제2 수직자성층(153)의 자화 방향을 일정한 방향으로 정렬시키는 자화 정렬용 영구자석층을 포함한다.

제1 수직자성층(151)의 수직자기이방성은 강해서 힘 센서의 영구자석층에 의해 형성되는 자기장에 의해 자화 방향이 반전되지 않는다. 그리고, 제2 수직자성층(153)의 수직자기이방성의 강도는 적절한 자기장의 세기에 자화 방향이 변할 수 있도록 구현될 수 있다. 제2 수직자성층(153)은 자화 정렬용 영구자석층의 자기장에 의해 제3 방향으로 정렬될 수 있다. 제1 수직자성층(151)과 제2 수직자성층(153)의 자화 방향이 평행 상태이므로 자기터널접합소자의 저항은 상대적으로 저저항 값을 가질 수 있다.

도 7b에 도시된 바와 같이, 제2 수직자성층(153)은 자화 반전용 영구자석층의 자기장에 의해 자화 방향이 일 방향으로 변할 수 있다. 예를 들어, 제2 수직자성층(153)의 자화 방향이 변하는 방향 및 각도는 자화 반전용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 방향 및 강도에 비례할 수 있다. 제2 수직자성층(153)의 자화 방향이 자화 반전용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 방향에 대응되는 방향으로 변화되면, 제1 수직자성층(151)과 제2 수직자성층(153)의 자화 방향은 일정한 각도를 이룰 수 있고, 자기터널접합소자는 초기 상태에 비해 상대적으로 고저항 상태가 될 수 있다. 따라서, 자기터널접합소자의 저항 값의 변화에 기초하여 힘 센서는 외부에서 가해진 압력을 감지할 수 있다.

외부의 압력이 제거되면, 프레임은 원위치로 이동할 수 있다. 프레임이 원위치로 이동함에 따라 자화 반전용 영구자석층도 원위치로 이동하고, 제2 수직자성층(153)은 자화 반전용 영구자석층에 의해 형성되는 자기장의 영향을 벗어난다. 그리고, 제2 수직자성층(153)은 자화 정렬용 영구자석층에 의해 형성되는 자기장의 영향을 받아 제3 방향으로 정렬될 수 있다. 이후, 제2 수직자성층(153)의 자화 방향은 자성 쌍극 상호작용(Magnetic Dipolar Coupling)에 의해 제1 수직자성층(151)의 자화 방향과 평행 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 자기터널접합소자는 다시 초기 상태인 저저항 상태로 복원될 수 있다.

도 8a는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 3층 구조의 자기터널접합소자를 설명하는 도면이고, 도 8b는 본 개시의 다른 실시 예에 따른 3층 구조의 자기터널접합소자를 설명하는 도면이다. 도 8a 및 도 8b를 참조하여 3층 구조의 자기터널접합소자를 설명한다.

도 8a를 참조하면, 다른 실시 예에 의한 일정한 자기장 세기 이하에서의 3층 구조의 자기터널접합소자가 도시되어 있다. 제1 수직자성층(151)의 자화 방향은 제3 방향일 수 있고, 제2 수직자성층(153)의 자화 방향은 제3 방향과 반대 방향인 제4 방향일 수 있다. 또는, 제2 수직자성층(153)의 자화 방향은 무작위의 방향일 수 있다.

제2 수직자성층(153)은 자화 정렬용 영구자석층의 자기장에 의해 제4 방향으로 정렬될 수 있다. 제1 수직자성층(151)과 제2 수직자성층(153)의 자화 방향이 반평행 상태이므로 자기터널접합소자의 저항은 상대적으로 고저항 값을 가질 수 있다.

도 8b에 도시된 바와 같이, 제2 수직자성층(153)은 자화 반전용 영구자석층의 자기장에 의해 자화 방향이 일 방향으로 변할 수 있다. 상술한 바와 유사하게, 제2 수직자성층(153)의 자화 방향이 변하는 방향 및 각도는 자화 반전용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 방향 및 강도에 비례할 수 있다. 제2 수직자성층(153)의 자화 방향이 자화 반전용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 방향에 대응되는 방향으로 변화되면, 제1 수직자성층(151)과 제2 수직자성층(153)의 자화 방향은 일정한 각도를 이룰 수 있고, 자기터널접합소자는 초기 상태에 비해 상대적으로 저저항 상태가 될 수 있다. 따라서, 자기터널접합소자의 저항 값의 변화에 기초하여 힘 센서는 외부에서 가해진 압력을 감지할 수 있다.

외부의 압력이 제거되면, 프레임은 원위치로 이동할 수 있다. 프레임이 원위치로 이동함에 따라 자화 반전용 영구자석층도 원위치로 이동하고, 제2 수직자성층(153)은 자화 반전용 영구자석층에 의해 형성되는 자기장의 영향을 벗어난다. 그리고, 제2 수직자성층(153)은 자화 정렬용 영구자석층에 의해 형성되는 자기장의 영향을 받아 제4 방향으로 정렬될 수 있다. 이후, 제2 수직자성층(153)의 자화 방향은 자성 쌍극 상호작용(Magnetic Dipolar Coupling)에 의해 제1 수직자성층(151)의 자화 방향과 반평행 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 자기터널접합소자는 다시 초기 상태인 고저항 상태로 복원될 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이, 힘 센서(100)의 영구자석부가 하부에 배치되고, 소자부가 상부에 배치될 수 있다.

도 9a에는 소자부가 상부에 배치되고, 영구자석부가 하부에 배치된 힘 센서의 일 실시 예가 도시되어 있고, 도 9b에는 압력이 가해진 경우 힘 센서의 동작이 도시되어 있다. 도 9a 및 도 9b를 참조하여 설명한다.

힘 센서는 프레임(110), 프레임지지층(115), 자화 반전용 영구자석층(120), 기판지지층(130), 기판(140), 자기터널접합소자(150) 및 탄성부재(160)를 포함할 수 있다. 즉, 소자부는 기판지지층(130), 기판(140) 및 자기터널접합소자(150) 등을 포함할 수 있고, 영구자석부는 프레임(110), 프레임지지층(115) 및 자화 반전용 영구자석층(120) 등을 포함할 수 있다.

영구자석부가 하부에 배치되므로 프레임(110)은 상부 방항에 개구부가 형성될 수 있다. 즉, 프레임(110)의 개구부는 기판지지층(130) 방향으로 형성될 수 있다. 프레임(110)은 다양한 형태 및 구조로 형성될 수 있다. 일 실시 예로서, 도 9a에 도시된 바와 같이, 힘 센서는 좌우로 분리되어 형성된 프레임(110)과 좌우로 분리된 프레임(110)을 연결하고 지지하는 프레임지지층(115)을 더 포함할 수 있다. 프레임(110)의 내부 좌우측에는 자화 반전용 영구자석층(120)이 배치될 수 있다.

기판지지층(130)에는 기판(140)이 배치될 수 있다. 기판(140)은 기판지지층(130)과 수직 방향으로 배치될 수 있고, 외부 압력에 의해 기판지지층(130)이 하부 방향으로 이동하는 경우, 프레임(110)의 개구부로 삽입되는 위치에 배치될 수 있다. 따라서, 외부의 압력에 의해 프레임(110)과 기판지지층(130) 사이의 간격이 줄어들면, 기판(140)은 프레임(110)의 개구부로 삽입될 수 있다. 기판(140)에는 기 설정된 저항 값을 가지는 자기터널접합소자(150)가 배치될 수 있다.

힘 센서는 프레임(110)과 기판지지층(130) 사이에 탄성 부재(160)를 포함할 수 있다. 탄성 부재(160)는 외부의 압력이 제거되는 경우, 프레임(110)과 기판지지층(130) 사이의 간격을 초기 간격으로 회복시킬 수 있다. 예를 들어, 탄성 부재는 고무, 우레탄, 실리콘, 스프링, 합성수지 등을 포함할 수 있다.

외부 압력이 기판지지층(130)에 작용하는 경우 기판지지층(130)은 하부 방향으로 이동할 수 있다.

도 9b에는 외부 압력에 의해 기판지지층(130)이 하부 방향으로 이동한 힘 센서가 도시되어 있다. 외부의 압력에 의해 기판지지층(130)이 하부 방향으로 이동하는 경우, 기판지지층(130)의 이동에 따라 기판지지층(130)에 배치된 기판(140) 및 기판에 배치된 자기터널접합소자(150)도 하부 방향으로 이동한다. 자기터널접합소자(150)는 자화 반전용 영구자석층(120)에 의해 형성된 자기장의 범위에 위치할 수 있다. 자화 반전용 영구자석층(120) 사이에 위치한 자기터널접합소자(150)는 자기장에 의해 저항 값이 변화될 수 있다. 힘 센서(100)는 자기터널접합소자(150)의 저항 값의 변화에 기초하여 압력을 감지할 수 있다.

한편, 상술한 힘 센서를 복수 개 배치하여 멀티 힘 센서가 구현될 수 있다.

도 10은 본 개시의 또 다른 실시 예에 따른 힘 센서를 설명하는 도면이다.

도 10을 참조하면, 도 9a에서 설명한 상부에 소자부가 배치되고 하부에 영구자석부가 배치된 힘 센서를 복수 개 포함하는 멀티 힘 센서가 도시되어 있다. 단위 힘 센서를 복수 개 포함하는 멀티 힘 센서도 단위 힘 센서와 유사한 구성을 포함할 수 있다. 다만, 프레임지지층(115) 및 기판지지층(130)은 하나의 층으로 구현될 수 있다. 멀티 힘 센서는 단위 힘 센서에 비해 많은 자기터널접합소자(150)를 포함할 수 있으므로 더 높은 변위 분해능을 나타낼 수 있고, 기판 상의 동일한 위치(높이)에 배치된 자기터널접합소자(150)의 개수가 많아지므로 힘 센서의 변화 범위에 대응되는 저항 값의 변화도 클 수 있다. 따라서, 멀티 힘 센서는 센싱 오류를 줄일 수 있는 장점이 있다.

지금까지 다양한 실시 예의 힘 센서를 설명하였다. 본 개시의 힘 센서는 자화 반전용 영구자석층의 간격이 고정되어 자기터널접합소자에 일정한 자기장을 인가할 수 있다. 또한, 복수 개의 자기터널접합소자의 배치 방향과 영구자석층으로부터 인가되는 자기장의 방향이 수직한 구조이다. 따라서, 힘 센서의 저항 값이 이산적으로 변화되고 힘 센서는 정확한 외부 압력의 측정이 가능하다.

한편, 본 개시의 힘 센서에 포함되는 자기터널접합소자는 매우 작게 제작될 수 있으며 소비 전력도 줄일 수 있다.

그리고, 본 개시의 힘 센서는 핸드폰 및 스마트기기 뿐만 아니라 모든 외력에 의해서 작동하는 센서를 대체할 수 있는 기술로서 돌출형 버튼(예, 키보드, 마우스, 전원버튼, 볼륨버튼)을 대체할 수 있다. 또한, 본 개시의 힘 센서가 적용되는 경우, 플렉서블 입력 장치(예, 키보드 등) 또는 스마트 기기의 버튼들을 내장형으로 제작할 수 있고, 내부를 완전 밀폐시킬 수 있기 때문에 방수 기능 유지에도 효과적이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

100: 힘 센서 110: 프레임
115: 프레임지지층 120: 자화 반전용 영구자석층
125: 자화 정렬용 영구자석층 130: 기판지지층
140: 기판 150: 자기터널접합소자

Claims

일 방향에 개구부가 형성된 프레임;
상기 프레임의 내부의 좌우에 대면하여 배치되어 기 설정된 제1 자기장을 형성하는 자화 반전용 영구자석층;
상기 프레임과 기 설정된 거리 이격되어 배치되는 기판지지층;
상기 기판지지층 상에 자화 반전용 영구자석층 방향으로 상기 기판지지층과 수직으로 배치되는 기판; 및
상기 기판에 배치되고, 기 설정된 저항 값을 가지는 자기터널접합소자;를 포함하고,
상기 기판은,
외부의 압력에 의해 상기 프레임과 상기 기판지지층 사이의 간격이 줄어듬에 따라 상기 프레임의 개구부에 삽입되고,
상기 자기터널접합소자는,
제1 방향으로 자화된 제1 수직자성층;
상기 제1 수직자성층 위에 배치되는 터널층;
상기 터널층 위에 배치되고 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 자화된 제2 수직자성층;
상기 제2 수직자성층 위에 배치되는 삽입층; 및
상기 삽입층 위에 배치되고 상기 제1 방향으로 자화된 제3 수직자성층;을 포함하고,
상기 자기터널접합소자는, 상기 기판이 상기 프레임의 개구부에 삽입됨에 따라, 상기 기 설정된 제1 자기장이 형성된 영역에 위치하는 경우, 상기 기 설정된 저항 값이 변화되고, 상기 기 설정된 저항 값의 변화에 기초하여 상기 압력이 감지되는, 힘 센서.
제1항에 있어서,
상기 자기터널접합소자는,
상기 기판의 일면 또는 양면에 기 설정된 간격으로 복수 개 배치되는, 힘 센서.
제2항에 있어서,
상기 복수 개의 자기터널접합소자는,
상기 프레임과 상기 기판지지층 사이의 간격이 줄어듬에 따라 상기 기 설정된 제1 자기장이 형성된 영역에 위치하는 상기 자기터널접합소자의 개수가 증가되고, 상기 증가된 개수에 비례하여 상기 기 설정된 저항 값이 이산(discrete)적으로 변화되는, 힘 센서.
제2항에 있어서,
상기 기판의 양면에 배치되는 복수 개의 자기터널접합소자는,
상기 기판의 일면에 배치된 복수 개의 자기터널접합소자와 상기 기판의 타면에 배치된 복수 개의 자기터널접합소자가 수평 축을 기준으로 중복 영역없이 배치되는, 힘 센서.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제2 수직자성층은,
상기 기판이 점차적으로 상기 프레임의 개구부에 삽입됨에 따라 상기 기 설정된 제1 자기장이 형성된 영역에 점차적으로 위치하고, 상기 자화 반전용 영구자석층에 의해 인가(apply)되는 자기장의 강도가 기 설정된 제1 강도 이상인 경우 자화 방향이 상기 제1 방향으로 변화되는, 힘 센서.
제1항에 있어서,
상기 프레임 및 상기 기판지지층 사이의 간격은,
상기 외부의 압력이 제거되는 경우 초기 간격으로 회복되고,
상기 자기터널접합소자는,
변화된 저항 값이 상기 기 설정된 저항 값으로 회복되는, 힘 센서.
제1항에 있어서,
상기 프레임의 내부의 좌우에 대면하여 배치되어 기 설정된 제2 자기장을 형성하는 자화 정렬용 영구자석층;을 더 포함하고,
상기 자화 정렬용 영구자석층은,
상기 자화 반전용 영구자석층과 이격되어 상기 개구부에 인접한 위치에 배치되고, 상기 자화 반전용 영구자석층의 자기장의 방향과 반대 방향의 자기장을 형성하는, 힘 센서.
제8항에 있어서,
상기 자기터널접합소자는,
제3 방향으로 자화된 제1 수직자성층;
상기 제1 수직자성층 위에 배치되는 터널층; 및
상기 터널층 위에 배치된 제2 수직자성층;을 포함하는, 힘 센서.
제9항에 있어서,
상기 제2 수직자성층은,
상기 기판이 점차적으로 상기 프레임의 개구부에 삽입됨에 따라 상기 기 설정된 제2 자기장 및 기 설정된 제1 자기장이 형성된 영역에 점차적으로 위치하고, 상기 자화 정렬용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 강도가 기 설정된 제2 강도 이상인 경우 자화 방향이 상기 제3 방향으로 정렬되고, 상기 자화 반전용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 강도가 상기 기 설정된 제3 강도 이상인 경우 자화 방향이 상기 자화 반전용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 방향에 대응되는 일 방향으로 변화되며, 상기 자화 방향의 변화에 따라 상기 기 설정된 저항 값이 증가하고, 상기 기 설정된 저항 값의 증가에 기초하여 상기 압력이 감지되는, 힘 센서.
제10항에 있어서,
상기 프레임 및 상기 기판지지층 사이의 간격은,
상기 외부의 압력이 제거되는 경우 초기 간격으로 회복되고,
상기 제2 수직자성층은,
상기 기 설정된 제2 자기장에 의해 자화 방향이 상기 제3 방향으로 정렬됨으로써 증가된 저항 값이 상기 기 설정된 저항 값으로 회복되는, 힘 센서.
제9항에 있어서,
상기 제2 수직자성층은,
상기 기판이 점차적으로 상기 프레임의 개구부에 삽입됨에 따라 상기 기 설정된 제2 자기장 및 기 설정된 제1 자기장이 형성된 영역에 점차적으로 위치하고, 상기 자화 정렬용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 강도가 기 설정된 제2 강도 이상인 경우 자화 방향이 상기 제3 방향과 반대 방향인 제4 방향으로 정렬되고, 상기 자화 반전용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 강도가 기 설정된 제3 강도 이상인 경우 자화 방향이 상기 자화 반전용 영구자석층에 의해 인가되는 자기장의 방향에 대응되는 일 방향으로 변화되며, 자화 방향의 변화에 따라 상기 기 설정된 저항 값이 감소하고, 상기 기 설정된 저항 값의 감소에 기초하여 상기 압력이 감지되는, 힘 센서.
제12항에 있어서,
상기 프레임 및 상기 기판지지층 사이의 간격은,
상기 외부의 압력이 제거되는 경우 초기 간격으로 회복되고, 상기 제2 수직자성층은,
상기 기 설정된 제2 자기장에 의해 자화 방향이 상기 제4 방향으로 정렬됨으로써 감소된 저항 값이 상기 기 설정된 저항 값으로 회복되는, 힘 센서.
제1항에 있어서,
상기 프레임의 타 방향에 형성되고, 상기 프레임을 지지하는 프레임지지층; 및
상기 프레임과 상기 기판지지층 사이에 형성되는 탄성 부재;를 더 포함하고,
상기 탄성 부재는,
상기 외부의 압력이 제거되는 경우, 상기 프레임과 상기 기판지지층 사이의 간격을 초기 간격으로 회복시키는, 힘 센서.
제1항 내지 제4항 및 제6항 내지 제14항 중 어느 한 항의 힘 센서를 복수 개 포함하는 멀티 힘 센서.