KR102371693B1

KR102371693B1 - Gravity gradiometer and method for manufacturing the same

Info

Publication number: KR102371693B1
Application number: KR1020210111239A
Authority: KR
Inventors: 박우성; 윤성욱
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2021-08-23
Filing date: 2021-08-23
Publication date: 2022-03-04

Abstract

Provided are a gravity gradiometer, which can be used for a long time with an ultrasmall size and at low cost, and a method for manufacturing the same. The gravity gradiometer comprises: i) a standard mass unit; and ii) an inductance measurement unit positioned opposite the standard mass unit in a first direction. The standard mass unit includes: i) a standard mass portion including a pair of superconducting thin films spaced apart from each other in a second direction intersecting the first direction; ii) a support portion spaced apart from the edge of the standard mass portion, and surrounding the standard mass portion; and iii) rotating portions spaced apart from each other in a third direction intersecting the first and second directions but located on the same plane as the second direction to connect the standard mass portion and the support portion. The inductance measurement unit includes a pair of superconducting coils which are positioned to be spaced apart from and correspond to the pair of superconducting thin films in the first direction, respectively, and are used to output, to the outside, changes in inductance due to changes in the positions of the pair of superconducting thin films with respect to the respective superconducting coils.

Description

Gravity gradient meter and manufacturing method thereof

본 발명은 중력 구배계 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 초소형화 및 저가로 장기간 사용이 가능한 중력 구배계 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gravity gradient meter and a method for making the same. More particularly, it relates to a gravity gradient meter that can be used for a long period of time at a low cost and miniaturization, and a method for manufacturing the same.

종래의 중력계로는 자동차, 비행기, 선박과 같은 항체에서 중력의 변화와 항체의 가속 운동으로 인한 관성력을 분간할 수 없다. 따라서 이를 감지하기 위해 중력 구배계(gravity gradiometer)가 사용된다. 초전도 중력구배계는 미세전자기계시스템(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS) 제조 공정으로 제작된다.The conventional gravimeter cannot distinguish the inertial force due to the acceleration motion of the antibody and the change in gravity in antibodies such as automobiles, airplanes, and ships. Therefore, a gravity gradiometer is used to detect this. The superconducting gravity gradient meter is manufactured by a micro electro mechanical system (MEMS) manufacturing process.

중력 구배계는 특정 거리로 이격된 2개의 중력 센서들에서 감지된 중력의 차이를 이용하여 중력의 변화율을 측정한다. 2개의 중력 센서들의 측정값을 차분하는 과정에서 공통 작용되는 관성력이 제거된다. 따라서 중력 구배계는 중력 변화만 감지 가능하다. 한 것을 특징으로 한다. 지금까지 다양한 방식의 중력 구배계가 개발되어 왔다. 특히, 극저온 환경에서의 초전도 현상과 초전도 양자간섭소자(superconducting quantum interference device, SQUID)를 이용한 초전도 중력 구배계는 뛰어난 잡음 성능과 높은 민감도를 가진다.The gravity gradient meter measures the rate of change of gravity by using the difference in gravity sensed by two gravity sensors separated by a specific distance. In the process of differentiating the measurement values of the two gravity sensors, the inertial force that acts in common is removed. Therefore, a gravimeter can only detect gravitational changes. characterized by one. Various types of gravity gradient systems have been developed so far. In particular, a superconducting gravity gradient system using a superconducting phenomenon in a cryogenic environment and a superconducting quantum interference device (SQUID) has excellent noise performance and high sensitivity.

한국등록특허 제1,465,645호Korean Patent No. 1,465,645

중력 구배계의 제조 방법을 제공하고자 한다. 또한, 전술한 방법을 이용하여 제조한 중력 구배계를 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a gravity gradient meter. In addition, an object of the present invention is to provide a gravity gradient meter manufactured using the above-described method.

본 발명의 일 실시예에 따른 중력 구배계는 i) 표준 질량 유닛, 및 ii) 표준 질량 유닛과 제1 방향으로 대향하여 위치한 인덕턴스 측정 유닛을 포함한다. 표준 질량 유닛은, i) 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 상호 이격된 한 쌍의 초전도 박막들을 포함하는 표준 질량부, ii) 표준 질량부의 에지와 이격되면서 표준 질량부를 둘러싸는 지지부, 및 iii) 제1 방향 및 제2 방향과 교차하되 제2 방향과 동일한 평면 상에 위치하는 제3 방향으로 상호 이격되어 표준 질량부와 지지부를 각각 연결하는 회전부들을 포함한다. 인덕턴스 측정 유닛은 한 쌍의 초전도 박막들과 각각 제1 방향으로 이격되어 대응 위치하여 한 쌍의 초전도 박막들 중 각 초전도 박막과의 위치 변화에 따른 인덕턴스 변화를 그 외부로 출력하도록 적용된 한 쌍의 초전도 코일들을 포함한다. A gravity gradient meter according to an embodiment of the present invention includes i) a standard mass unit, and ii) an inductance measuring unit positioned opposite the standard mass unit in a first direction. The standard mass unit comprises: i) a standard mass comprising a pair of superconducting thin films spaced apart from each other in a second direction intersecting the first direction, ii) a support spaced apart from an edge of the standard mass and surrounding the standard mass, and iii) ) intersecting the first direction and the second direction, but spaced apart from each other in a third direction positioned on the same plane as the second direction to include rotating parts for connecting the standard mass part and the support part, respectively. The inductance measuring unit is spaced apart from the pair of superconducting thin films in the first direction to correspond to each other, and is applied to output an inductance change according to a change in position with each superconducting thin film among the pair of superconducting thin films to the outside. Includes coils.

인덕턴스 측정 유닛은, i) 한 쌍의 초전도 코일부들이 그 위에 형성된 지지 기판, 및 ii) 한 쌍의 초전도 코일들의 각 양단과 연결되어 지지 기판 위에 형성된 전극 패드를 더 포함할 수 있다. 표준 질량 유닛과 인덕턴스 측정 유닛의 공유 영역 양측에 표준 질량 유닛과 인덕턴스 측정 유닛의 비공유 영역이 존재하고, 비공유 영역에 전극 패드가 위치할 수 있다.The inductance measuring unit may further include i) a support substrate having a pair of superconducting coil units formed thereon, and ii) electrode pads connected to both ends of the pair of superconducting coils and formed on the support substrate. Non-shared areas of the standard mass unit and the inductance measuring unit may exist on both sides of the shared area of the standard mass unit and the inductance measuring unit, and electrode pads may be positioned in the non-shared area.

한 쌍의 초전도 코일들 중 하나 이상의 초전도 코일은, i) 제2 방향으로 뻗고 상호 이격된 제1 코일부들, ii) 제1 코일부들과 각각 연결되고, 제3 방향으로 뻗어 상호 이격된 제2 코일부들, iii) 제1 코일부들 또는 제2 코일부들과 연결되고, 제2 방향을 따라 뻗으며 상호 이격된 제3 코일부들, 및 iv) 제3 코일부들과 각각 연결되고, 제3 방향을 따라 뻗으며 전극 패드들에 각각 연결된 제4 코일부들을 포함할 수 있다. 제2 코일부들 중 제1 코일부들 중 가장 작은 길이의 제1 코일부와 연결된 제2 코일부는 제1 코일부들 중 나머지 제1 코일부들 중 일부 제1 코일부들과 이격되어 일부 제1 코일들 위에 위치할 수 있다. 제1 코일부들 중 가장 작은 길이의 제1 코일부와 연결된 제2 코일부와 지지 기판의 이격 거리는 제3 코일부들과 지지 기판의 이격 거리보다 클 수 있다. 지지부는 지지 기판과와 접할 수 있다. 표준 질량부의 두께는 인덕턴스 측정 유닛의 두께보다 작고, 지지부의 두께는 표준 질량부의 두께보다 클 수 있다.At least one superconducting coil of the pair of superconducting coils includes: i) first coil parts extending in a second direction and spaced apart from each other, ii) second coil parts respectively connected to the first coil parts and extending in a third direction and spaced apart from each other coil parts, iii) third coil parts connected to the first coil parts or second coil parts, extending in the second direction and spaced apart from each other, and iv) respectively connected to the third coil parts, and a third It may include fourth coil units extending along the direction and respectively connected to the electrode pads. Among the second coil units, the second coil unit connected to the first coil unit having the smallest length among the first coil units is spaced apart from some first coil units among the remaining first coil units of the first coil units, so that the first It may be located above the coils. A separation distance between the second coil unit connected to the first coil unit having the smallest length among the first coil units and the supporting substrate may be greater than a separation distance between the third coil units and the supporting substrate. The support part may be in contact with the support substrate. The thickness of the standard mass portion may be smaller than the thickness of the inductance measuring unit, and the thickness of the support portion may be greater than the thickness of the standard mass portion.

회전부들은 제3 방향으로 뻗어 선형으로 형성되고, 회전부들의 사이에 표준 질량부가 위치할 수 있다. 인덕턴스 측정 유닛은 한 쌍의 초전도 코일들 중 하나 이상의 초전도 코일을 덮는 절연층을 더 포함할 수 있다. 한 쌍의 초전도 박막들은 니오븀 또는 티타늄을 포함할 수 있다.The rotating parts extend in the third direction and are linearly formed, and a standard mass part may be positioned between the rotating parts. The inductance measuring unit may further include an insulating layer covering one or more of the pair of superconducting coils. The pair of superconducting thin films may include niobium or titanium.

본 발명의 일 실시예에 따른 중력 구배계의 제조 방법은, i) 한 쌍의 초전도 박막들을 포함하는 표준 질량 유닛을 제공하는 단계, 및 ii) 표준 질량 유닛과 대향하여 위치하고, 한 쌍의 초전도 코일들을 포함하는 인덕턴스 측정 유닛을 제공하는 단계를 포함한다. 인덕턴스 측정 유닛을 제공하는 단계에서, 한 쌍의 초전도 코일들은 한 쌍의 초전도 박막들과 이격되어 대응 위치하여 한 쌍의 초전도 박막들 중 각 초전도 박막과의 위치 변화에 따른 인덕턴스 변화를 그 외부로 출력하도록 적용될 수 있다. 표준 질량 유닛을 제공하는 단계는, i) 기판을 제공하는 단계, ii) 기판의 가장자리를 따라 기판 위에 제1 마스크층을 제공하는 단계, iii) 가장자리로 둘러싸인 기판 위의 제1 내측 영역을 식각하는 단계, iv) 기판의 아래의 a) 가장자리 대응 영역 및 b) 가장자리 대응 영역과 이격 영역을 형성하면서 가장자리 대응 영역으로 둘러싸인 제2 내측 영역에 제2 마스크층을 제공하는 단계, iv) 이격 영역을 식각하여 이격 영역에 대응하는 기판을 관통시키는 단계, v) 제1 내측 영역 일부에 희생층을 패터닝하는 단계, vi) 희생층을 덮거나 기판과 직접 접하는 한 쌍의 초전도 박막들을 제공하는 단계, 및 vii) 희생층을 제거하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a gravity gradient system according to an embodiment of the present invention includes the steps of: i) providing a standard mass unit including a pair of superconducting thin films, and ii) positioned opposite the standard mass unit, a pair of superconducting coils and providing an inductance measurement unit comprising In the step of providing the inductance measuring unit, the pair of superconducting coils are spaced apart from the pair of superconducting thin films and positioned correspondingly to output the inductance change according to the position change with each superconducting thin film among the pair of superconducting thin films to the outside can be applied to Providing a standard mass unit comprises: i) providing a substrate, ii) providing a first mask layer over the substrate along an edge of the substrate, iii) etching a first inner region over the edged substrate; Step, iv) providing a second mask layer in a second inner region surrounded by the edge-matching region while forming a) an edge-matching region and b) a spacing-apart region under the substrate, iv) etching the spacing-out region to penetrate the substrate corresponding to the spaced region, v) patterning a sacrificial layer in a portion of the first inner region, vi) providing a pair of superconducting thin films covering the sacrificial layer or in direct contact with the substrate, and vii ) removing the sacrificial layer.

제2 마스크층을 제공하는 단계에서, 제2 마스크층은 이격 영역 위에 가장자리 대응 영역과 제2 내측 영역을 연결하는 선형부를 포함할 수 있다. 선형부는 한 쌍으로 형성되고 제2 내측 영역을 그 사이에 두고 각각 형성될 수 있다. 한 쌍의 초전도 박막들을 제공하는 단계에서 한 쌍의 초전도 박막들은 니오븀 또는 티타늄을 포함할 수 있다. 인덕턴스 측정 유닛을 제공하는 단계는, i) 또다른 기판을 제공하는 단계, ii) 또다른 기판 위에 제1 초전도 박막층을 제공하는 단계, iii) 제1 초전도 박막층 위에 제3 마스크층을 제공하여 제1 초전도 박막층 일부를 식각하여 제1 초전도 박막층을 나선형의 초전도 코일로 제공하는 단계, iv) 초전도 코일과 또다른 기판을 덮는 절연층을 제공하는 단계, v) 절연층 위에 제4 마스크층을 제공해 절연층을 부분 식각하여 초전도 코일의 외측 단부 및 내측 단부를 외부 노출시키는 단계, vi) 절연층 위에 제2 초전도 박막층을 제공하여 외측 단부 및 내측 단부를 상호 연결하는 인출부를 형성하는 단계, vii) 인출부 위에 제5 마스크층을 제공해 인출부를 제외한 제2 초전도 박막층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 초전도 박막층을 제공하는 단계와 인출부를 형성하는 단계에서, 제1 초전도 박막층 및 제2 초전도 박막층 중 하나 이상의 초전도 박막층은 니오븀 또는 티타늄을 포함할 수 있다.In the step of providing the second mask layer, the second mask layer may include a linear portion connecting the edge corresponding region and the second inner region on the separation region. The linear portions may be formed as a pair and may be respectively formed with the second inner region interposed therebetween. In the step of providing the pair of superconducting thin films, the pair of superconducting thin films may include niobium or titanium. Providing the inductance measurement unit comprises: i) providing another substrate; ii) providing a first superconducting thin film layer over another substrate; iii) providing a third mask layer over the first superconducting thin film layer to provide a first etching a portion of the superconducting thin film layer to provide the first superconducting thin film layer as a spiral superconducting coil; iv) providing an insulating layer covering the superconducting coil and another substrate; v) providing a fourth mask layer on the insulating layer to provide an insulating layer exposing the outer end and inner end of the superconducting coil to the outside by partially etching the It may include providing a fifth mask layer to remove the second superconducting thin film layer excluding the lead-out portion. In the step of providing the first superconducting thin film layer and forming the lead-out portion, at least one of the first superconducting thin film layer and the second superconducting thin film layer may include niobium or titanium.

본 발명의 일 실시예에 따른 중력 구배계의 제조 방법은 지지부를 지지 기판 위에 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다. 지지부가 실리콘을 포함하고, 지지 기판이 유리를 포함하는 경우, 지지부와 지지 기판을 양극 접합할 수 있다.The method of manufacturing a gravity gradient meter according to an embodiment of the present invention may further include bonding the support to the support substrate. When the support part includes silicon and the support substrate includes glass, the support part and the support substrate may be anodically bonded.

중력 구배계는 소형화되어 종래의 초전도 중력 센서가 가진 높은 민감도와 저잡음의 이점을 가진다. 또한, 중력 구배계는 작은 부피로 인한 탑재 환경의 높은 자유도와 극저온 냉각기 이용으로 장시간 운용할 수 있다. 그리고 중력 구배계는 작은 크기로 인해 소형 무인기 등 공간 제약이 심한 환경에도 적용할 수 있다. 그리고 잠수함과 같이 고립된 환경에서 장기간 항해해야 하는 환경에 적용할 수 있고, 소형화된 극저온 냉각기와 함께 작은 공간 및 긴 운용 시간이라는 제약이 함께 존재하는 인공 위성 등의 환경에도 적용이 가능하다.The gravity gradient meter is miniaturized and has the advantages of high sensitivity and low noise of the conventional superconducting gravity sensor. In addition, the gravity gradient meter can be operated for a long time due to the high degree of freedom of the mounting environment due to its small volume and the use of a cryogenic cooler. Also, due to its small size, the Gravity Gradient System can be applied to environments with severe space restrictions, such as small UAVs. In addition, it can be applied to environments that require long-term sailing in an isolated environment such as a submarine, and can also be applied to environments such as artificial satellites where small space and long operating time are limited together with a miniaturized cryogenic cooler.

그리고 중력 구배계는 상대적으로 적은 비용으로 대량 생산이 가능하다. 따라서 개별 센서의 복합 구성으로 더많은 중력 또는 중력 구배 성분을 측정할 수 있고, 다양한 분야에서 폭넓은 적용이 가능하다.And the gravity gradient meter can be mass-produced at a relatively low cost. Therefore, it is possible to measure more gravity or gravity gradient components with the complex configuration of individual sensors, and it can be widely applied in various fields.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중력 구배계의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 자른 중력 구배계의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1의 중력 구배계에 포함된 표준 질량 유닛의 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 3의 표준 질량 유닛의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 5 내지 도 12는 도 4의 각 단계의 표준 질량 유닛의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 도면들이다.
도 13은 도 1의 중력 구배계에 포함된 인덕턴스 측정 유닛의 개략적인 사시도이다.
도 14는 도 13의 인덕턴스 측정 유닛의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 15 내지 도 21은 도 14의 각 단계의 인덕턴스 측정 유닛의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 도면들이다.1 is a schematic perspective view of a gravity gradient meter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a gravity gradient meter taken along line II-II of FIG. 1 .
3 is a schematic perspective view of a standard mass unit included in the gravity gradient meter of FIG. 1 ;
4 is a schematic flowchart of a method of manufacturing the standard mass unit of FIG. 3 .
5 to 12 are views schematically illustrating a manufacturing process of a standard mass unit in each step of FIG. 4 .
13 is a schematic perspective view of an inductance measuring unit included in the gravity gradient meter of FIG. 1 .
14 is a schematic flowchart of a method of manufacturing the inductance measuring unit of FIG. 13 .
15 to 21 are views schematically illustrating a manufacturing process of the inductance measuring unit in each step of FIG. 14 .

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of referring to specific embodiments only, and is not intended to limit the invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. The meaning of "comprising," as used herein, specifies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component, and other specific characteristic, region, integer, step, operation, element, component, and/or group. It does not exclude the existence or addition of

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.Although not defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Commonly used terms defined in the dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed content, and unless defined, are not interpreted in an ideal or very formal meaning.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the present invention. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중력 구배계(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 중력 구배계(100)는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 이를 다른 형태로도 변형할 수 있다.1 schematically shows a gravity gradient meter 100 according to an embodiment of the present invention. The gravity gradient meter 100 of FIG. 1 is only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, it can be transformed into other forms.

도 1에 도시한 바와 같이, 중력 구배계(100)는 표준 질량 유닛(10)과 인덕턴스 측정 유닛(20)을 포함한다. 표준 질량 유닛(10)을 제공하고, 이와 대향하여 위치하는 인덕턴스 측정 유닛(20)을 제공하여 중력 구배계(100)를 제조한다.As shown in FIG. 1 , the gravity gradient meter 100 includes a standard mass unit 10 and an inductance measurement unit 20 . A standard mass unit 10 is provided and an inductance measurement unit 20 positioned opposite thereto is provided to fabricate the gravity gradient meter 100 .

표준 질량 유닛(10)은 +z축 방향으로 인덕턴스 측정 유닛(20)의 위에 위치한다. 즉, 표준 질량 유닛(10)은 인덕턴스 측정 유닛(20)과 z축 방향으로 대향하여 위치한다.The standard mass unit 10 is positioned above the inductance measuring unit 20 in the +z-axis direction. That is, the standard mass unit 10 is positioned to face the inductance measuring unit 20 in the z-axis direction.

표준 질량 유닛(10)은 표준 질량부(101), 지지부(103), 및 회전부들(105)을 포함한다. 이외에, 표준 질량 유닛(10)은 다른 부품들을 더 포함할 수 있다.The standard mass unit 10 includes a standard mass 101 , a support 103 , and rotating parts 105 . In addition, the standard mass unit 10 may further include other components.

표준 질량부(101)는 x축 방향으로 따라 상호 이격된 한 쌍의 초전도 박막들(1019a)(점선 도시)을 포함한다. 한 쌍의 초전도 박막들(1019a)은 표준 질량부(101)의 배면에 위치한다. 지지부(103)는 표준 질량부(101)의 에지와 이격되면서 표준 질량부(101)를 둘러싼다. 지지부(103)는 지지 기판(201)과 접하여 회전부들(105)에 의해 공중에 뜬 상태인 표준 질량부(101)를 안정적으로 지지한다.The standard mass portion 101 includes a pair of superconducting thin films 1019a (shown in dashed lines) spaced apart from each other along the x-axis direction. A pair of superconducting thin films 1019a is located on the rear surface of the standard mass portion 101 . The support 103 surrounds the standard mass 101 while being spaced apart from the edge of the standard mass 101 . The support part 103 is in contact with the support substrate 201 to stably support the standard mass part 101 in a state of being suspended in the air by the rotating parts 105 .

회전부들(105)은 y축 방향으로 상호 이격되어 있고, 그 사이에 표준 질량부(101)가 위치한다. 회전부들(105)은 표준 질량부(101)와 지지부(103)를 각각 연결한다.The rotating parts 105 are spaced apart from each other in the y-axis direction, and the standard mass part 101 is positioned therebetween. The rotating parts 105 connect the standard mass part 101 and the support part 103, respectively.

도 1에 도시한 바와 같이, 인덕턴스 측정 유닛(20)은 지지 기판(201), 초전도 코일들(205) 및 전극 패드들(207)을 포함한다. 이외에, 인덕턴스 측정 유닛(20)은 필요에 따라 다른 부품들을 더 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1 , the inductance measuring unit 20 includes a supporting substrate 201 , superconducting coils 205 and electrode pads 207 . In addition, the inductance measuring unit 20 may further include other components as necessary.

한 쌍의 초전도 코일들(205)은 지지 기판(201) 위에 형성된다. 한 쌍의 초전도 코일들(205)은 x축 방향을 따라 상호 이격되어 지지 기판(201)의 양측에 각각 형성된다. 각 초전도 코일(205)은 한 쌍의 전극 패드들(207)과 연결된다.A pair of superconducting coils 205 is formed on the support substrate 201 . A pair of superconducting coils 205 are spaced apart from each other along the x-axis direction and are respectively formed on both sides of the support substrate 201 . Each superconducting coil 205 is connected to a pair of electrode pads 207 .

한 쌍의 초전도 코일들(205)은 한 쌍의 초전도 박막들(1019a)과 대응해 z축 방향을 따라 이격되어 위치한다. 한 쌍의 초전도 코일들(205)은 한 쌍의 초전도 박막들(1019a) 중 각 초전도 박막(1019a)과의 위치 변화에 따른 인덕턴스 변화를 그 외부로 출력한다. 그 결과, 중력 구배계(100)를 이용하여 중력의 변화율을 측정할 수 있다.The pair of superconducting coils 205 are spaced apart from each other in the z-axis direction to correspond to the pair of superconducting thin films 1019a. The pair of superconducting coils 205 outputs an inductance change according to a position change with each superconducting thin film 1019a among the pair of superconducting thin films 1019a to the outside. As a result, the rate of change of gravity may be measured using the gravity gradient meter 100 .

한편, 도 1에 도시한 바와 같이, 중력 구배계(100)에는 공유 영역(SA)과 비공유 영역(NSA)이 존재한다. 공유 영역(SA)에는 표준 질량 유닛(10)과 인덕턴스 측정 유닛(20)이 z축 방향으로 겹쳐서 위치한다. 그리고 공유 영역(SA)의 좌우 양측에는 표준 질량 유닛(10)과 인덕턴스 측정 유닛(20)의 비공유 영역(NSA)이 존재한다. 즉, 비공유 영역(NSA)에는 인덕턴스 측정 유닛(20)만 존재한다. 그 결과, 표준 질량 유닛(10)이 인덕턴스 측정 유닛(20) 위에 안정적으로 위치하므로 중력 구배계(100)의 내구성을 높일 수 있다. 한편, 비공유 영역(NSA)에는 전극 패드(207)가 위치한다.Meanwhile, as shown in FIG. 1 , a shared area SA and a non-shared area NSA exist in the gravity gradient system 100 . In the shared area SA, the standard mass unit 10 and the inductance measuring unit 20 overlap in the z-axis direction. In addition, non-shared areas NSA of the standard mass unit 10 and the inductance measuring unit 20 are present on both left and right sides of the shared area SA. That is, only the inductance measuring unit 20 exists in the non-shared area NSA. As a result, since the standard mass unit 10 is stably positioned on the inductance measuring unit 20 , the durability of the gravity gradient meter 100 can be increased. Meanwhile, the electrode pad 207 is positioned in the non-shared area NSA.

도 1에 도시한 바와 같이, 회전부들(105)은 y축 방향으로 뻗어 선형으로 형성된다. 회전부들(105)의 사이에 표준 질량부(101)가 위치한다. 따라서 회전부들(105)을 축으로 표준 질량부(101)의 양측이 좌우로 움직이면서 중력의 변화율을 측정한다. 표준 질량부(101)의 양측에서 발생하는 중력의 차이를 검출할 수 있으므로, 중력 구배계(100)는 각가속도계로도 활용할 수 있다.As shown in FIG. 1 , the rotating parts 105 extend in the y-axis direction and are formed linearly. A standard mass 101 is positioned between the rotating parts 105 . Accordingly, both sides of the standard mass unit 101 move left and right around the rotating parts 105 to measure the rate of change of gravity. Since the difference in gravity generated on both sides of the standard mass unit 101 can be detected, the gravity gradient meter 100 can also be used as an angular accelerometer.

종래의 초전도 중력구배계는 자세 안정화 장치와 함께 비행기에 탑재되어 비행 중 중력 구배의 변화를 잘 감지하였다. 그러나 수십 센티미터 크기의 센서부를 초전도성이 나타나는 극저온 상태로 유지하기 위해 100 리터 이상 대용량의 극저온 수용 장치 및 액체 헬륨이 필요하다. 따라서 이러한 대용량의 극저온 수용 장치를 포함하는 전체 시스템의 자세 안정화를 위해서는 자세 안정화 장치도 대형화될 수 밖에 없어서 전체 시스템을 탑재할 항체가 상당히 제한된다. 또한, 극저온 수용장치 내부의 액체 헬륨이 증발하므로, 액체 헬륨을 지속적으로 보강하지 않고서는 장기적인 사용이 어렵다. 대안으로 극저온 냉각기(cryocooler)를 이용하여 액체 헬륨을 보충하지 않고 극저온 환경을 장기간 유지할 수 있다. 그러나 현재 개발된 극저온 냉각기의 냉각 성능으로는 수십 센티미터 크기의 센서부를 극저온 환경으로 유지하기 어렵다. 이러한 한계로 인해 종래의 초전도 중력 구배계는 항공기, 선박 등 큰 공간을 가지는 항체에만 적용이 가능하며, 장기간의 운용이 어렵다.The conventional superconducting gravity gradient meter is mounted on an airplane together with a posture stabilization device to detect a change in the gravity gradient during flight. However, in order to maintain the sensor unit with a size of several tens of centimeters in a cryogenic state showing superconductivity, a cryogenic storage device with a capacity of 100 liters or more and liquid helium are required. Therefore, for posture stabilization of the entire system including such a large-capacity cryogenic accommodation device, the posture stabilization device must also be enlarged, so that the number of antibodies on which the entire system is mounted is considerably limited. In addition, since the liquid helium inside the cryogenic storage device evaporates, it is difficult to use the liquid helium for a long time without continuously reinforcing the liquid helium. Alternatively, a cryocooler can be used to maintain a cryogenic environment for a long time without replenishment of liquid helium. However, it is difficult to maintain the sensor unit with a size of several tens of centimeters in a cryogenic environment with the cooling performance of the currently developed cryogenic cooler. Due to these limitations, the conventional superconducting gravity gradient system can be applied only to antibodies having a large space such as aircraft and ships, and long-term operation is difficult.

이와는 대조적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 중력 구배계는 초소형 크기로 인해 극저온 냉각기의 소형화도 가능해 항체에 탑재하기 자유롭다. 또한, 중력 구배계의 장기간 사용도 가능하다.In contrast, the gravity gradient system according to an embodiment of the present invention is free to mount on the antibody because the cryogenic cooler can be miniaturized due to its ultra-small size. Long-term use of gravity gradient systems is also possible.

도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 자른 중력 구배계(100)의 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 중력 구배계(100)의 단면 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 이를 다른 형태로도 변형할 수 있다.FIG. 2 schematically shows a cross-sectional structure of the gravity gradient meter 100 taken along the line II-II of FIG. 1 . The cross-sectional structure of the gravity gradient meter 100 of FIG. 2 is only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, it can be transformed into other forms.

도 2에 도시한 바와 같이, 표준 질량부(101)의 두께(t101)는 인덕턴스 측정 유닛(20)의 두께(t20)보다 작다. 표준 질량부(101)의 두께(t101)가 작으므로, 표준 질량부(101)가 외부 영향에 의해 민감하게 반응하여 중력의 변화량을 정밀하게 측정할 수 있다. 한편, 인덕턴스 측정 유닛(20)의 두께(t20)가 크므로, 인덕턴스 측정 유닛(20)이 표준 질량부(101)를 안정적으로 지지하면서 인덕턴스의 변화량을 측정할 수 있다.As shown in FIG. 2 , the thickness t101 of the standard mass part 101 is smaller than the thickness t20 of the inductance measuring unit 20 . Since the thickness t101 of the standard mass 101 is small, the standard mass 101 reacts sensitively to external influences to precisely measure the amount of change in gravity. Meanwhile, since the thickness t20 of the inductance measuring unit 20 is large, the inductance measuring unit 20 can measure the amount of change in inductance while stably supporting the standard mass unit 101 .

한편, 지지부(103)의 두께(t103)는 표준 질량부(101)의 두께(t101)보다 크다. 따라서 표준 질량부(101)는 지지부(103) 내에 수납된 형태로 형성된다. 따라서 표준 질량부(101)를 안정적으로 지지할 수 있다.Meanwhile, the thickness t103 of the support portion 103 is greater than the thickness t101 of the standard mass portion 101 . Accordingly, the standard mass portion 101 is formed in a form accommodated in the support portion 103 . Therefore, the standard mass part 101 can be stably supported.

도 2에 도시한 바와 같이, 지지부(103)는 지지 기판(201)과 접한다. 지지부(103)를 지지 기판(201)에 접합해 표준 질량 유닛(10)을 인덕턴스 측정 유닛(20) 위에 고정할 수 있다. 한편, 지지부(103)가 실리콘을 포함하고, 지지 지지 기판(201)이 유리를 포함하는 경우, 지지부(103)와 지지 지지 기판(201)을 양극 접합할 수 있다.As shown in FIG. 2 , the support part 103 is in contact with the support substrate 201 . The support 103 can be bonded to the support substrate 201 to fix the standard mass unit 10 on the inductance measurement unit 20 . Meanwhile, when the support part 103 includes silicon and the support support substrate 201 includes glass, the support part 103 and the support support substrate 201 may be anodically bonded.

도 3은 도 1의 중력 구배계(100)에 포함된 표준 질량 유닛(10)을 개략적으로 나타낸다. 편의상 설명을 위해 도 3에는 도 1의 표준 질량 유닛(10)을 180도로 회전시켜 뒤집은 상태를 나타낸다. 도 3의 표준 질량 유닛(10)은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 이를 다른 형태로도 변형할 수 있다.3 schematically shows a standard mass unit 10 included in the gravity gradient meter 100 of FIG. 1 . For convenience, FIG. 3 shows a state in which the standard mass unit 10 of FIG. 1 is rotated 180 degrees and turned over. The standard mass unit 10 of FIG. 3 is merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, it can be transformed into other forms.

표준 질량부(101)에 형성된 한 쌍의 초전도 박막들(1019a)은 니오븀 또는 티타늄을 포함한다. 즉, 초전도 특성을 가지는 니오븀 또는 티타늄 등의 소재로 한 쌍의 초전도 박막들(1019a)을 제조한다. 이하에서는 도 4 내지 도 12를 참조하여 도 3의 표준 질량 유닛(10)의 제조 방법을 설명한다.A pair of superconducting thin films 1019a formed on the standard mass portion 101 includes niobium or titanium. That is, a pair of superconducting thin films 1019a is manufactured using a material such as niobium or titanium having superconducting properties. Hereinafter, a method of manufacturing the standard mass unit 10 of FIG. 3 will be described with reference to FIGS. 4 to 12 .

도 4는 도 3의 표준 질량 유닛(10)의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 4의 표준 질량 유닛(10)의 제조 방법의 순서도는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 이를 다른 형태로도 변형할 수 있다.FIG. 4 schematically shows a flowchart of a method for manufacturing the standard mass unit 10 of FIG. 3 . The flowchart of the manufacturing method of the standard mass unit 10 of FIG. 4 is merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, it can be transformed into other forms.

도 4의 표준 질량 유닛(10)의 제조 방법은, 기판을 제공하는 단계(S10), 기판의 가장자리를 따라 기판 위에 제1 마스크층을 제공하는 단계(S20), 가장자리로 둘러싸인 기판 위의 제1 내측 영역을 식각하는 단계(S30), 기판의 아래에 가장자리 대응 영역 및 가장자리 대응 영역과 이격되어 이격 영역을 형성하고 가장자리로 둘러싸인 제2 내측 영역에 제2 마스크층을 제공하는 단계(S40), 이격 영역을 식각하여 이격 영역에 대응하는 기판을 관통시키는 단계(S50), 내측 영역 일부에 희생층을 패터닝하는 단계(S60), 내측 영역에 희생층을 덮거나 기판과 직접 접하는 한 쌍의 초전도 박막들을 제공하는 단계(S70), 그리고 희생층을 제거하는 단계(S80)를 포함한다. 이외에, 표준 질량 유닛(10)의 제조 방법은 필요에 따라 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.A method of manufacturing the standard mass unit 10 of FIG. 4 includes providing a substrate (S10), providing a first mask layer over the substrate along an edge of the substrate (S20), and providing a first mask layer on the edged substrate. etching the inner region (S30), forming an edge-corresponding region under the substrate and spaced apart from the edge-corresponding region to form a spaced region, and providing a second mask layer in the second inner region surrounded by the edge (S40), spaced apart A step of etching the region to penetrate the substrate corresponding to the spaced region (S50), patterning a sacrificial layer on a part of the inner region (S60), covering the sacrificial layer on the inner region or forming a pair of superconducting thin films in direct contact with the substrate A step of providing (S70), and a step of removing the sacrificial layer (S80) are included. In addition, the manufacturing method of the standard mass unit 10 may further include other steps as necessary.

한편, 도 5 내지 도 12는 도 4의 각 단계의 표준 질량 유닛(10)의 제조 방법을 개략적으로 나타낸다. 도 5 내지 도 12는 도 3의 III-III선을 따라 표준 질량 유닛(10)을 자른 단면 구조로서, 이를 기준으로 표준 질량 유닛(10)의 제조 방법의 각 단계들을 나타낸 도 5 내지 도 12를 참조하여 상세하게 설명한다.Meanwhile, FIGS. 5 to 12 schematically show a method of manufacturing the standard mass unit 10 in each step of FIG. 4 . 5 to 12 are cross-sectional structures of the standard mass unit 10 taken along the line III-III of FIG. 3, and FIGS. 5 to 12 showing each step of the method of manufacturing the standard mass unit 10 based on this It will be described in detail with reference.

도 4의 단계(S10)에서는 기판(1011)을 제공한다. (도 5에 도시) 기판(1011)의 소재로서 실리콘을 사용할 수 있으나 이외에 니오븀, 티타늄 등의 초전도 소재를 사용할 수도 있다.In step S10 of FIG. 4 , a substrate 1011 is provided. (shown in FIG. 5) As a material of the substrate 1011, silicon may be used, but a superconducting material such as niobium or titanium may also be used.

다음으로, 도 4의 단계(S20)에서는 기판(1011)의 가장자리(1011a)를 따라 기판(1011) 위에 마스크층(1013)을 제공한다. (도 6에 도시) 포토리지스트층 또는 산화막을 마스크층(1013)으로 사용할 수 있다. 가장자리(1011a)는 마스크층(1013)에 의해 보호되고, 가장자리(1011a)로 둘러싸인 내측 영역(1011b)만 외부로 노출된다. 즉, 이를 이용해 마스크층(1013)을 이용하여 표준 질량부(101)(도 1에 도시)와 그 주위를 감싸는 지지부(103)를 형성한다.Next, in step S20 of FIG. 4 , a mask layer 1013 is provided on the substrate 1011 along the edge 1011a of the substrate 1011 . (shown in FIG. 6 ) A photoresist layer or an oxide film may be used as the mask layer 1013 . The edge 1011a is protected by the mask layer 1013 , and only the inner region 1011b surrounded by the edge 1011a is exposed to the outside. That is, using this, the standard mass portion 101 (shown in FIG. 1 ) and the support portion 103 surrounding the standard mass portion 101 (shown in FIG. 1 ) are formed using the mask layer 1013 .

도 4의 단계(S30)에서는 가장자리(1011a)로 둘러싸인 기판(1011) 위의 내측 영역(1011b)을 식각한다. (도 7에 도시) 식각은 건식 또는 습식으로 이루어질 수 있다. 중력 구배계(100)가 소형인 점을 고려시 소자간 간격을 정밀하게 조절할 수 있는 습식 식각이 더 바람직할 수 있다. 그 결과, 가장자리(1011a)를 제외한 부분이 깊게 파인 기판(1011)을 형성할 수 있다.In step S30 of FIG. 4 , the inner region 1011b on the substrate 1011 surrounded by the edge 1011a is etched. (shown in FIG. 7) The etching may be performed in a dry or wet manner. Considering that the gravity gradient meter 100 is small, wet etching that can precisely control the distance between elements may be more preferable. As a result, the substrate 1011 in which the portion except for the edge 1011a is deeply recessed may be formed.

도 4의 단계(S40)에서는 기판(1011)의 아래에 제2 마스크층(1015)을 제공한다. (도 8에 도시) 제2 마스크층(1015)은 기판(1011)을 식각하기 위해 제공된다. 즉, 제2 마스크층(1015)을 포토리지스트층으로 제공하고 감광 및 식각을 통해 도 8의 형상으로 제공할 수 있다. 제2 마스크층(1015)은 가장자리 대응 영역(1015a)과 내측 영역(1015b)으로 나누어진다. 가장자리 대응 영역(1015a)은 가장자리(1011a)의 바로 아래에 위치한다. 내측 영역(1015b)은 가장자리 대응 영역(1015a)과의 사이에 이격 영역(1016)을 형성한다. 내측 영역(1015b)은 가장자리 대응 영역(1015a)으로 둘러싸인다.In step S40 of FIG. 4 , a second mask layer 1015 is provided under the substrate 1011 . A second mask layer 1015 (shown in FIG. 8 ) is provided to etch the substrate 1011 . That is, the second mask layer 1015 may be provided as a photoresist layer, and may be provided in the shape of FIG. 8 through photoresistance and etching. The second mask layer 1015 is divided into an edge-corresponding region 1015a and an inner region 1015b. The edge-corresponding region 1015a is located just below the edge 1011a. The inner region 1015b forms a spacing region 1016 between the edge corresponding region 1015a. The inner region 1015b is surrounded by the edge corresponding region 1015a.

한편, 도 8에는 도시하지 않았지만, 이격 영역(1016) 일부에는 가장자리 대응 영역(1015a)과 내측 영역(1015b)을 연결하는 선형부를 제2 마스크층(1015)에 포함시킬 수 있다. 선형부는 내측 영역(1015b)을 그 사이에 두고 한 쌍으로 형성된다. 그 결과, 선형부에 대응하는 기판(1011) 부분은 식각되지 않아 회전부(105)(도 1에 도시)로서 기능할 수 있다.Meanwhile, although not shown in FIG. 8 , a linear part connecting the edge-corresponding region 1015a and the inner region 1015b may be included in the second mask layer 1015 in a portion of the separation region 1016 . The linear portions are formed in pairs with the inner region 1015b interposed therebetween. As a result, the portion of the substrate 1011 corresponding to the linear portion is not etched and may function as the rotating portion 105 (shown in FIG. 1 ).

다시 도 4로 되돌아가면, 단계(S50)에서는 이격 영역(1016)을 식각하여 이격 영역(1016)에 대응하는 기판(1011)을 관통시킨다. (도 9에 도시) 예를 들면, 딥 반응 이온성 에칭(Deep Reactive Ion Etching, DRIE)을 통해 이격 영역(1016)을 식각할 수 있다. 이 경우, 선형부에 의해 내측 영역(1011b)은 여전히 가장자리(1011a)에 붙어 있다.Returning to FIG. 4 , in step S50 , the separation region 1016 is etched to penetrate the substrate 1011 corresponding to the separation region 1016 . (shown in FIG. 9 ), for example, the separation region 1016 may be etched through Deep Reactive Ion Etching (DRIE). In this case, the inner region 1011b is still attached to the edge 1011a by the linear portion.

도 4의 단계(S60)에서는 내측 영역(1011b) 일부에 희생층(1017)을 패터닝한다. (도 10에 도시) 예를 들면, 리프트 오프 방식으로 초전도 박막의 패터닝을 위해 포토리지스트로 된 희생층(1017)을 패터닝할 수 있다.In step S60 of FIG. 4 , the sacrificial layer 1017 is patterned on a portion of the inner region 1011b. (shown in FIG. 10 ) For example, the sacrificial layer 1017 made of a photoresist may be patterned for patterning the superconducting thin film by a lift-off method.

도 4의 단계(S70)에서는 희생층(1017)을 덮거나 기판(1011)과 직접 접하는 한 쌍의 초전도 박막들(1019)을 제공한다. (도 11에 도시) 즉, 도 11의 좌우에 도시한 바와 같이, 한 쌍의 초전도 박막들(1019b)은 희생층(1017)을 덮어서 그 위에 증착된다. 니오븀 또는 티타늄을 한 쌍의 초전도 박막들(1019b)의 소재로서 사용할 수 있다. 또한, 도 11의 중앙에 도시한 바와 같이, 초전도 박막(1019a)은 기판(1011)과 직접 접할 수 있다.In step S70 of FIG. 4 , a pair of superconducting thin films 1019 covering the sacrificial layer 1017 or in direct contact with the substrate 1011 are provided. (shown in FIG. 11 ) That is, as shown on the left and right of FIG. 11 , a pair of superconducting thin films 1019b covers the sacrificial layer 1017 and is deposited thereon. Niobium or titanium may be used as a material of the pair of superconducting thin films 1019b. Also, as shown in the center of FIG. 11 , the superconducting thin film 1019a may be in direct contact with the substrate 1011 .

마지막으로, 도 4의 단계(S80)에서는 희생층(1017)을 제거하여 초전도 박막(1019a)을 패터닝한다. (도 12에 도시) 즉, 리프트 오프 또는 식각액을 이용해 희생층(1017)을 제거해 초전도 박막(1019a)만 기판(1011) 위에 잔존시킬 수 있다. 희생층(1017)의 제거에 따라 희생층(1017) 위에 형성된 한 쌍의 초전도 박막들(1019b)은 함께 제거된다. 그 결과, 도 3에도시한 표준 질량 유닛(10)을 제조할 수 있다. 이하에서는 표준 질량 유닛(10)과 접합되는 인덕턴스 측정 유닛(20)의 제조 방법을 도 13 내지 도 21을 통해 상세하게 설명한다.Finally, in step S80 of FIG. 4 , the sacrificial layer 1017 is removed to pattern the superconducting thin film 1019a. (shown in FIG. 12 ), that is, by removing the sacrificial layer 1017 using lift-off or an etchant, only the superconducting thin film 1019a may remain on the substrate 1011 . As the sacrificial layer 1017 is removed, the pair of superconducting thin films 1019b formed on the sacrificial layer 1017 are removed together. As a result, in Figure 3The illustrated standard mass unit 10 can be manufactured. Hereinafter, a method of manufacturing the inductance measuring unit 20 bonded to the standard mass unit 10 will be described in detail with reference to FIGS. 13 to 21 .

도 13은 도 1의 중력 구배계(100)에 포함된 인덕턴스 측정 유닛(20)을 개략적으로 나타낸다. 도 13의 인덕턴스 측정 유닛(20)은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 이를 다른 형태로도 변형할 수 있다.13 schematically shows an inductance measuring unit 20 included in the gravity gradient meter 100 of FIG. 1 . The inductance measuring unit 20 of FIG. 13 is merely for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, it can be transformed into other forms.

인덕턴스 측정 유닛(20)은 지지 기판(201), 한 쌍의 초전도 코일들(205), 및 전극 패드(207)를 포함한다. 이외에, 인덕턴스 측정 유닛(20)은 필요에 따라 다른 부품들을 더 포함할 수 있다.The inductance measuring unit 20 includes a supporting substrate 201 , a pair of superconducting coils 205 , and an electrode pad 207 . In addition, the inductance measuring unit 20 may further include other components as necessary.

초전도 코일들(205)은 지지 기판(201) 위에 형성된다. 초전도 코일들(205)은 도 3의 초전도 박막들(1019a)와 상호 마주하도록 배치된다. 초전도 박막들(1019b)의 중력 차이에 따른 회전에 의해 한 쌍의 초전도 코일들(205)의 인덕턴스가 변화하면서 영구 전류차가 발생한다. 이러한 영구 전류의 차이는 전극 패드(207)를 통해 외부로 전송되고 별도로 구비된 검출용 초전도 코일(미도시)에서 자기장 변화를 일으킨다. 그리고 이를 초전도 양자간섭소자(미도시)를 이용해 중력 변화를 감지한다.Superconducting coils 205 are formed on the support substrate 201 . The superconducting coils 205 are disposed to face the superconducting thin films 1019a of FIG. 3 . As the inductance of the pair of superconducting coils 205 is changed by rotation according to the difference in gravity of the superconducting thin films 1019b, a permanent current difference is generated. This difference in permanent current is transmitted to the outside through the electrode pad 207 and causes a magnetic field change in a separately provided superconducting coil (not shown) for detection. And it detects a change in gravity using a superconducting quantum interference element (not shown).

초전도 코일들(205)은 제1 코일부들(2051), 제2 코일부들(2053), 제3 코일부들(2055) 및 제4 코일부들(2057)을 포함한다. 이외에, 초전도 코일들(205)은 필요에 따라 다른 부품들을 더 포함할 수 있다. The superconducting coils 205 include first coil units 2051 , second coil units 2053 , third coil units 2055 , and fourth coil units 2057 . In addition, the superconducting coils 205 may further include other components as needed.

제1 코일부들(2051), 제2 코일부들(2053)은 상호 연결되어 맴돌이 형태의 초전도 코일들(205)을 형성한다. 제1 코일부들(2051)은 x축 방향으로 뻗어 있다. 제1 코일부들(2051)은 상호 이격되어 형성된다. 제2 코일부들(2053)은 제1 코일부들(2015)과 각각 연결된다. 제2 코일부들(2053)은 y축 방향으로 뻗어 있다. 제2 코일부들(2053)은 상호 이격되어 형성된다.The first coil units 2051 and the second coil units 2053 are interconnected to form eddy-shaped superconducting coils 205 . The first coil units 2051 extend in the x-axis direction. The first coil parts 2051 are formed to be spaced apart from each other. The second coil units 2053 are respectively connected to the first coil units 2015 . The second coil units 2053 extend in the y-axis direction. The second coil units 2053 are formed to be spaced apart from each other.

제3 코일부들(2055)은 제1 코일부들(20151) 또는 제2 코일부들(2053)과 연결된다. 제3 코일부들(2055)은 x축 방향으로 뻗어 있다. 제3 코일부들(2055)은 상호 이격되어 형성된다. 제3 코일부들(2055)은 인출부로서 기능한다. 제3 코일부들(2055)은 제1 코일부들(2051) 또는 제2 코일부들(2053)로 형성된 맴돌이의 내측 단부 및 외측 단부와 각각 연결되어 생성되는 영구 전류를 외부로 출력한다. 도 13에 도시한 바와 같이, 제2 코일부(2053')는 제1 코일부들(2051) 중 가장 작은 길이의 제1 코일부(2051')와 연결된다. 즉, 제2 코일부(2053')는 초전도 코일들(205)의 내측 단부와 연결된다. 제2 코일부(2053')는 제1 코일부들(2051) 중 일부를 가로질러서 외부로 인출되어 제3 코일부(2055)와 연결된다. 제2 코일부(2053')는 제1 코일부들(2051)과 이격되므로, 양자는 전기적으로 절연된다. 예를 들면, 제2 코일부(2053')와 제1 코일부들(2051) 사이에는 절연층(미도시)이 형성되므로, 양자는 전기적으로 접촉하지 않는다. 한편, 제4 코일부들(2057)은 제3 코일부들(2055)과 각각 연결된다. 제4 코일부들(2057)은 y 방향으로 뻗어 있다. 제4 코일부들(2057)은 상호 이격되어 형성되고, 각각 전극 패드(207)와 연결된다.The third coil units 2055 are connected to the first coil units 20151 or the second coil units 2053 . The third coil units 2055 extend in the x-axis direction. The third coil units 2055 are formed to be spaced apart from each other. The third coil units 2055 function as lead-out units. The third coil units 2055 are respectively connected to the inner and outer ends of the eddy formed of the first coil units 2051 or the second coil units 2053 to output a permanent current generated to the outside. 13 , the second coil unit 2053 ′ is connected to the first coil unit 2051 ′ having the smallest length among the first coil units 2051 . That is, the second coil unit 2053 ′ is connected to inner ends of the superconducting coils 205 . The second coil unit 2053 ′ is drawn out across some of the first coil units 2051 and is connected to the third coil unit 2055 . Since the second coil unit 2053 ′ is spaced apart from the first coil units 2051 , both are electrically insulated from each other. For example, since an insulating layer (not shown) is formed between the second coil unit 2053 ′ and the first coil units 2051 , they do not electrically contact each other. Meanwhile, the fourth coil units 2057 are respectively connected to the third coil units 2055 . The fourth coil units 2057 extend in the y-direction. The fourth coil units 2057 are formed to be spaced apart from each other, and are respectively connected to the electrode pad 207 .

전극 패드(207)는 지지 기판(201) 위에 형성된다. 전극 패드(207)는 한 쌍의 초전도 코일들(205)의 각 양단과 연결된다. 따라서 전극 패드(207)는 y축 방향을 따라 한 쌍의 초전도 코일들(205)을 사이에 두고 그 상하로 위치한다. 전극 패드(207)는 외부와 연결되어 한 쌍의 초전도 코일들(205)에 의해 생성된 인덕턴스 변화를 외부로 출력한다. 이하에서는 도 14 내지 도 21을 참조하여 도 13의 인덕턴스 측정 유닛(20)의 제조 방법을 좀더 상세하게 설명한다.The electrode pad 207 is formed on the support substrate 201 . The electrode pad 207 is connected to both ends of the pair of superconducting coils 205 . Accordingly, the electrode pad 207 is positioned above and below the pair of superconducting coils 205 in the y-axis direction. The electrode pad 207 is connected to the outside to output an inductance change generated by the pair of superconducting coils 205 to the outside. Hereinafter, a method of manufacturing the inductance measuring unit 20 of FIG. 13 will be described in more detail with reference to FIGS. 14 to 21 .

도 14는 도 13의 인덕턴스 측정 유닛(20)의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 14의 인덕턴스 측정 유닛(20)의 제조 방법의 순서도는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 이를 다른 형태로도 변형할 수 있다.FIG. 14 schematically shows a flowchart of a manufacturing method of the inductance measuring unit 20 of FIG. 13 . The flowchart of the manufacturing method of the inductance measuring unit 20 of FIG. 14 is only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited thereto. Therefore, it can be transformed into other forms.

도 14에 도시한 바와 같이, 인덕턴스 측정 유닛(20)의 제조 방법은, 지지 기판을 제공하는 단계(S12), 지지 기판 위에 초전도 박막층을 제공하는 단계(S22), 초전도 박막층 일부를 식각하여 나선형의 초전도 코일로 제공하는 단계(S32), 초전도 코일과 기판을 덮는 절연층을 제공하는 단계(S42), 절연층을 부분 식각하여 초전도 코일의 외측 단부 및 내측 단부를 외부 노출시키는 단계(S52), 절연층 위에 초전도 박막층을 제공하여 외측 단부 및 내측 단부를 상호 연결하는 인출부를 형성하는 단계(S62), 그리고 인출부를 제외한 초전도 박막층을 제거하는 단계(S72)를 포함한다. 이외에, 인덕턴스 측정 유닛(20)의 제조 방법은 필요에 따라 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.As shown in FIG. 14 , the method of manufacturing the inductance measuring unit 20 includes the steps of providing a support substrate (S12), providing a superconducting thin film layer on the support substrate (S22), and etching a part of the superconducting thin film layer to form a spiral shape. Providing a superconducting coil (S32), providing an insulating layer covering the superconducting coil and the substrate (S42), partially etching the insulating layer to expose the outer and inner ends of the superconducting coil to the outside (S52), insulation A step of providing a superconducting thin film layer on the layer to form a lead-out portion interconnecting the outer end and the inner end (S62), and removing the superconducting thin-film layer excluding the lead-out portion (S72). In addition, the manufacturing method of the inductance measuring unit 20 may further include other steps as necessary.

도 15 내지 도 21은 도 14의 각 단계의 인덕턴스 측정 유닛의 제조 공정을 개략적으로 나타낸다. 도 15 내지 도 21은 도 13의 XIII-XIII선을 따라 인덕턴스 측정 유닛(20)을 자른 단면 구조로서, 이를 기준으로 인덕턴스 측정 유닛(20)의 제조 방법의 각 단계들을 나타낸 도 15 내지 도 21을 참조하여 상세하게 설명한다.15 to 21 schematically show a manufacturing process of the inductance measuring unit in each step of FIG. 14 . 15 to 21 are cross-sectional structures of the inductance measuring unit 20 cut along the line XIII-XIII of FIG. 13, and FIGS. 15 to 21 showing respective steps of the manufacturing method of the inductance measuring unit 20 based on this structure. It will be described in detail with reference.

먼저 도 14의 단계(S12)에서는 지지 기판(201)을 제공한다. (도 15에 도시) 지지 기판(201)은 유리 등의 절연재를 사용할 수 있다. 또한, 전도성 기재를 사용하는 경우, 그 위에 절연재를 증착하여 지지 기판(201)으로 사용할 수도 있다.First, in step S12 of FIG. 14 , a support substrate 201 is provided. (shown in Fig. 15) The support substrate 201 can be made of an insulating material such as glass. In addition, when a conductive substrate is used, an insulating material may be deposited thereon to be used as the support substrate 201 .

도 14의 단계(S22)에서는 지지 기판(201) 위에 초전도 박막층(2013)을 제공한다. (도 16에 도시) 초전도 박막층(2013)은 후속 공정에서 패터닝 공정 등을 통해 초전도 코일로 제조된다.In step S22 of FIG. 14 , the superconducting thin film layer 2013 is provided on the support substrate 201 . (shown in FIG. 16 ) The superconducting thin film layer 2013 is manufactured as a superconducting coil through a patterning process or the like in a subsequent process.

도 14의 단계(S32)에서는 초전도 박막층(2013)을 나선형으로 형성한다. (도 17에 도시) 즉, 포토리지스트층 등의 마스크층(2015)을 이용하여 박판 나선형의 초전도 코일(205)을 제공한다. 즉, 마스크층(2015)을 초전도 박막층(2013) 위에 덮고 패터닝해 노출시킨 후 건식 식각 또는 습식 식각을 통해 나선형의 초전도 코일(205)로 제공한다. 한편, 초전도 코일과 함께 전극 패드도 함께 패터닝된다.In step S32 of FIG. 14 , the superconducting thin film layer 2013 is spirally formed. (shown in FIG. 17 ), that is, a thin-plate spiral superconducting coil 205 is provided using a mask layer 2015 such as a photoresist layer. That is, the mask layer 2015 is covered and patterned on the superconducting thin film layer 2013 to be exposed, and then provided as a spiral superconducting coil 205 through dry etching or wet etching. Meanwhile, the electrode pad is also patterned together with the superconducting coil.

다음으로, 도 14의 단계(S42)에서는 초전도 코일(20610과 지지 기판(201)을 덮는 절연층(2017)을 제공한다. (도 18에 도시) 절연층(2017)으로는 실리콘 산화막 등의 패터닝 가능한 절연 물질을 사용할 수 있다.Next, in step S42 of Fig. 14, an insulating layer 2017 covering the superconducting coil 20610 and the supporting substrate 201 is provided (shown in Fig. 18). The insulating layer 2017 is patterned with a silicon oxide film, etc. Any possible insulating material may be used.

도 14의 단계(S52)에서는 절연층(2017)을 부분 식각하여 초전도 코일(205)의 내측 단부(205a) 및 외측 단부(205b)를 외부 노출시킨다. (도 19에 도시) 즉, 포토리지스트 등의 마스크층(2019)을 절연층(2017) 위에 형성한 후 패터닝 및 식각을 통해 초전도 코일(205)의 내측 단부(205a) 및 외측 단부(205b)를 외부 노출시킨다.In step S52 of FIG. 14 , the insulating layer 2017 is partially etched to expose the inner end 205a and the outer end 205b of the superconducting coil 205 to the outside. (shown in FIG. 19) That is, the inner end 205a and the outer end 205b of the superconducting coil 205 through patterning and etching after forming a mask layer 2019 such as a photoresist on the insulating layer 2017 is exposed to the outside.

다음으로, 도 14의 단계(S62)에서는 절연층(2017) 위에 초전도 박막층(2021)을 제공하여 초전도 코일(205)의 내측 단부(205a) 및 외측 단부(205b)를 상호 연결하는 인출부(2053')를 형성한다. (도 20에 도시) 초전도 박막층(2021)은 니오븀 또는 티타늄을 증착하여 사용할 수 있다. 그 결과, 초전도 코일(205)을 외부, 특히, 제3 코일부(2055)(도 13에 도시)와 연결시켜 외부로 영구 전류를 출력할 수 있다. 또한, 인출부(2053')는 절연층(2017)을 사이에 두고 초전도 코일(205)과 이격된다. 따라서 인출부(2053')와 초전도 코일(205)과의 접촉에 의한 쇼트 현상을 방지할 수 있다. 이에 따라 인출부(2053')와 지지 기판(201)과의 이격 거리는 제3 코일부들(2053)과 지지 기판(201)의 이격 거리보다 크다. 이는 제4 코일부들(2055) 및 전극 패드(205)에도 동일하게 적용된다.Next, in step S62 of FIG. 14 , a superconducting thin film layer 2021 is provided on the insulating layer 2017 to interconnect the inner end 205a and the outer end 205b of the superconducting coil 205 with a lead portion 2053 ') is formed. (shown in FIG. 20) The superconducting thin film layer 2021 may be used by depositing niobium or titanium. As a result, the superconducting coil 205 may be connected to the outside, in particular, the third coil unit 2055 (shown in FIG. 13 ) to output a permanent current to the outside. In addition, the lead portion 2053 ′ is spaced apart from the superconducting coil 205 with the insulating layer 2017 interposed therebetween. Accordingly, it is possible to prevent a short circuit caused by the contact between the lead-out portion 2053 ′ and the superconducting coil 205 . Accordingly, the separation distance between the lead-out unit 2053 ′ and the support substrate 201 is greater than the separation distance between the third coil units 2053 and the support substrate 201 . This is equally applied to the fourth coil units 2055 and the electrode pad 205 .

마지막으로, 도 14의 단계(S72)에서는 인출부(2053')를 제외한 초전도 박막층(2021)을 제거한다. (도 21에 도시) 즉, 포토리지스트 등의 절연재로 마스크층(2023)을 형성하고, 패터닝 및 식각을 통해 인출부(2053')를 제외한 나머지 초전도 박막층(2021)을 제거한다. 이 경우, 절연층(2017)은 잔존하면서 초전도 박막층(2021)만 제거되는 농도의 식각액을 사용하여 초전도 박막층(2021)을 제거할 수 있다. 그 결과, 도 13의 인덕턴스 측정 유닛(20)을 제조할 수 있다.Finally, in step S72 of FIG. 14 , the superconducting thin film layer 2021 is removed except for the lead part 2053 ′. (shown in FIG. 21 ) That is, the mask layer 2023 is formed of an insulating material such as a photoresist, and the remaining superconducting thin film layer 2021 is removed through patterning and etching, except for the lead part 2053 ′. In this case, the superconducting thin film layer 2021 may be removed using an etchant having a concentration in which only the superconducting thin film layer 2021 is removed while the insulating layer 2017 remains. As a result, the inductance measuring unit 20 of FIG. 13 can be manufactured.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.Although the present invention has been described as described above, it will be readily understood by those skilled in the art to which the present invention pertains that various modifications and variations are possible without departing from the spirit and scope of the appended claims.

10. 표준 질량 유닛
20. 인덕턴스 측정 유닛
100. 중력 구배계
101. 표준 질량부
103. 지지부
105. 회전부
201. 지지 기판
205. 초전도 코일
207. 전극 패드
1011, 2011. 기판
1011a. 가장자리 대응 영역
1011b. 내측 영역
1011c. 관통구
1016. 이격 영역
1017. 희생층
1019, 1019a, 1019b. 초전도 박막
2013. 초전도 박막층
1013, 1015, 1015a, 1015b, 1017, 2015, 2019, 2023. 마스크층
2017, 2017a. 절연층
205a, 205b. 단부
2021. 초전도 박막층
2021a, 2021b. 단부
2051, 2051', 2053, 2055, 2057. 코일부
2053'. 코일부(인출부)
SA. 공유 영역
NSA. 비공유 영역10. Standard mass unit
20. Inductance measuring unit
100. Gravity Gradient Meter
101. Standard parts by mass
103. Support
105. Rotating part
201. Support Substrate
205. Superconducting coil
207. Electrode Pads
1011, 2011. Substrate
1011a. edge-to-edge area
1011b. inner area
1011c. through hole
1016. Separation Zone
1017. Sacrificial Layer
1019, 1019a, 1019b. superconducting thin film
2013. Superconducting thin film layer
1013, 1015, 1015a, 1015b, 1017, 2015, 2019, 2023. Mask layer
2017, 2017a. insulating layer
205a, 205b. end
2021. Superconducting thin film layer
2021a, 2021b. end
2051, 2051', 2053, 2055, 2057. Coil part
2053'. Coil part (draw-out part)
SA. shared area
NSA. non-shared area

Claims

standard mass unit, and
an inductance measuring unit positioned opposite the standard mass unit in a first direction
including,
The standard mass unit is
A standard mass part including a pair of superconducting thin films spaced apart from each other in a second direction intersecting the first direction;
a support portion spaced apart from an edge of the standard mass portion and surrounding the standard mass portion; and
Rotating parts intersecting the first direction and the second direction but spaced apart from each other in a third direction positioned on the same plane as the second direction to connect the standard mass part and the support part, respectively
including,
The inductance measurement unit is spaced apart from the pair of superconducting thin films in the first direction to correspond to each other, and is applied to output an inductance change according to a change in position with each superconducting thin film among the pair of superconducting thin films to the outside. Gravity gradient system comprising a pair of superconducting coils.

In claim 1,
The inductance measuring unit,
a support substrate having the pair of superconducting coil units formed thereon; and
Electrode pads connected to both ends of the pair of superconducting coils and formed on the support substrate
Gravity gradient system further comprising.

In claim 2,
The non-shared area of the standard mass unit and the inductance measuring unit is present on both sides of the shared area of the standard mass unit and the inductance measuring unit, and the electrode pad is located in the non-shared area.

In claim 2,
At least one superconducting coil of the pair of superconducting coils,
first coil parts extending in the second direction and spaced apart from each other;
second coil parts respectively connected to the first coil parts and extending in the third direction to be spaced apart from each other;
Third coil parts connected to the first coil parts or the second coil parts, extending in the second direction and spaced apart from each other, and
Fourth coil units respectively connected to the third coil units, extending in the third direction and connected to the electrode pads, respectively
including,
Among the second coil units, a second coil unit connected to a first coil unit having the smallest length among the first coil units is spaced apart from some first coil units among the remaining first coil units of the first coil units. A gravity gradient system positioned above the some first coils.

In claim 4,
A separation distance between a second coil unit connected to a first coil unit having the smallest length among the first coil units and the supporting substrate is greater than a separation distance between the third coil units and the supporting substrate.

In claim 2,
The support portion is a gravity gradient system in contact with the support substrate.

In claim 1,
A thickness of the standard mass portion is smaller than a thickness of the inductance measuring unit, and a thickness of the support portion is greater than a thickness of the standard mass portion.

In claim 1,
The rotating parts extend in the third direction and are linearly formed, and the standard mass part is positioned between the rotating parts.

In claim 1,
and the inductance measuring unit further includes an insulating layer covering at least one of the pair of superconducting coils.

In claim 1,
The pair of superconducting thin films is a gravitational gradient system including niobium or titanium.

providing a standard mass unit comprising a pair of superconducting thin films, and
providing an inductance measuring unit positioned opposite the standard mass unit and comprising a pair of superconducting coils;
As a method of manufacturing a gravity gradient system comprising a,
In the step of providing the inductance measurement unit, the pair of superconducting coils are spaced apart from the pair of superconducting thin films and positioned correspondingly to measure inductance change according to a change in position with each superconducting thin film among the pair of superconducting thin films It is applied to output to the outside,
Providing the standard mass unit comprises:
providing a substrate;
providing a first mask layer over the substrate along an edge of the substrate;
etching a first inner region on the substrate surrounded by the edge;
under the substrate
i) the edge corresponding area and
ii) a second inner region surrounded by the edge-corresponding region while forming a spaced apart region from the edge-corresponding region
providing a second mask layer to
converting the edge into a support portion while penetrating the substrate corresponding to the separation region by etching the separation region;
patterning a sacrificial layer on a portion of the first inner region;
providing the pair of superconducting thin films covering the sacrificial layer or in direct contact with the substrate; and
removing the sacrificial layer
A method of manufacturing a gravity gradient system comprising a.

delete

In claim 11,
In the providing of the second mask layer, the second mask layer includes a linear portion connecting the edge-corresponding region and the second inner region on the separation region.

In claim 13,
The method of manufacturing a gravity gradient system in which the linear portions are formed as a pair and are respectively formed with the second inner region therebetween.

In claim 11,
In the step of providing the pair of superconducting thin films, the pair of superconducting thin films include niobium or titanium.

In claim 11,
The step of providing the inductance measurement unit comprises:
providing another substrate;
providing a first superconducting thin film layer on the another substrate;
providing a third mask layer on the first superconducting thin film layer and etching a part of the first superconducting thin film layer to provide the first superconducting thin film layer as a spiral superconducting coil;
providing an insulating layer covering the superconducting coil and the another substrate;
providing a fourth mask layer on the insulating layer to partially etch the insulating layer to externally expose the outer and inner ends of the superconducting coil;
providing a second superconducting thin film layer on the insulating layer to form a lead-out portion interconnecting the outer end and the inner end; and
removing the second superconducting thin film layer except for the lead-out part by providing a fifth mask layer on the lead-out part
A method of manufacturing a gravity gradient system comprising a.

17. In claim 16,
In the step of providing the first superconducting thin film layer and forming the lead-out part, at least one superconducting thin film layer of the first superconducting thin film layer and the second superconducting thin film layer comprises niobium or titanium.

17. In claim 16,
The step of providing the inductance measurement unit further comprises bonding the support portion on the another substrate.

In claim 18,
When the support part includes silicon and the another substrate includes glass, the method of manufacturing a gravity gradient system for anodically bonding the support part and the another substrate.

In claim 11,
The step of providing the inductance measurement unit comprises:
providing another substrate;
providing a first superconducting thin film layer on the another substrate;
providing a third mask layer on the first superconducting thin film layer and etching a part of the first superconducting thin film layer to provide the first superconducting thin film layer as a spiral superconducting coil;
providing an insulating layer covering the superconducting coil and the another substrate;
providing a fourth mask layer on the insulating layer to partially etch the insulating layer to externally expose the outer and inner ends of the superconducting coil;
providing a second superconducting thin film layer on the insulating layer to form a lead-out portion interconnecting the outer end and the inner end;
removing the second superconducting thin film layer except for the lead-out part by providing a fifth mask layer on the lead-out part
A method of manufacturing a gravity gradient system comprising a.