KR102393394B1 - 초고감도 마이크로 자기 센서 - Google Patents

Abstract

상승 펄스 검파의 직선성을 0.5% 이하에 개선하고, 상승 펄스 검파의 장점인 자계 감도와 직선성을 이끌어 내기 위해, 본 발명의 자기 센서는, 1개의 코일(3)에 2개의 자성 와이어(21, 22)를 설치하여 역방향으로 펄스 전류를 흘리는 구성을 구비하고, 20G 이하의 이방성 자계를 가지고, 원주 방향 스핀 배열을 가지는 표면 자구와 축 방향으로 스핀 배열을 가지는 중앙부 코어 자구의 2상의 자구 구조로 이루어진 자성 와이어(21, 22)에, 주파수가 0.2~4.0GHz로, 자성 와이어(21, 22) 표면에 이방성 자계의 1.5배 이상의 원주 방향 자계를 발생시키는데 필요한 강도의 펄스 전류를 인가한다. 또한, 코일(3)의 코일 피치는 10㎛ 이하로 한다.

Description

초고감도 마이크로 자기 센서

본 발명은 상승 펄스 검파를 채용함으로써 GSR 센서의 감도 특성을 개선하는 기술에 관한 것이다.

여기서, GSR 센서란 초고속 스핀 회전 효과(영어 표기; GHz Spin Rotation effect)를 기초로 한 초고감도 마이크로 자기 센서를 말한다.

고감도 마이크로 자기 센서는, 횡형 FG 센서, 종형 FG 센서, 홀 센서, GMR 센서, TMR 센서, MI 센서, GSR 센서, 고주파 캐리어 센서 등이 있다. 현재, 이들 센서는 스마트폰, 자동차, 의료, 로봇 등에 널리 채용되고 있다. 그 중에서도 GSR 센서는, 감도면과 사이즈면에 있어서 뛰어나, 가장 주목받고 있다.

현재, 생체내 모션 디바이스의 리모트 컨트롤 실현을 위해서 GSR 센서를 활용하는 3 차원 자기 센서를 탑재하여 위치나 방위를 구하는 연구가 진행되고 있다.

모션 디바이스에 탑재하기 위해서는, 센서 사이즈는 작으면 작을수록 바람직하지만, 그것에 반비례하여 검출 감도가 저하된다. 또한 공급 전원의 제약도 있어서 측정중의 소비 전력의 저감이 요구되고 있다.

일본 특허 제5839527호

GSR 센서의 검파 방법에는, 상승 펄스 검파와 하강 펄스 검파의 2가지 방법이 있다. 전자는, 자계 감도가 후자의 2.5배 정도 크고, 펄스 시간을 짧게 하여 소비 전력을 저감시킬 수 있지만, 직선성은 1~2% 정도로, 후자의 0.5% 이하에 비해 뒤떨어진다.

본 발명의 과제는, 상승 펄스 검파의 직선성을 0.5% 이하로 하여 상승 펄스 검파의 장점을 이끌어 내는 것이다.

GSR 센서의 코일 출력 전압(이하, 코일 전압이라고 함)은, 펄스 전류에 의존하는 유도 전압(a 전압이라고 함)과 외부의 자계에 의존하는 전압(b 전압이라고 함)의 2개의 전압으로 되어 있다. 상승 펄스 검파와 하강 펄스 검파의 양자를 비교했을 경우, 하강 펄스 검파의 경우의 쪽이 2개의 전압의 피크가 근접하고 있어 펄스 전류의 영향을 강하게 받는다. 게다가 a 전압은 MI 효과에 의해 자계의 영향으로 자성 와이어의 임피던스가 변화하고, 그 결과, 펄스 전류에 의존하는 a 전압에도 자계의 영향이 중첩되므로 간단하게 캔슬할 수 없다.

즉, a 전압이 자계의 영향을 받지 않는 것이라면, H = 0G에서 a 전압을 측정하고, 그것을 캔슬하면 실질적인 b 전압을 검출할 수 있다.

상승 펄스 검파를 한 코일 전압으로부터 펄스 전류에 의존하는 유기 전압을 제거하는 연구는, 20년 전부터 몰두하고 있지만, 아직까지도 해결되지 않은 어려운 과제이다.

본 발명자는, 1개의 코일에 2개의 자성 와이어를 설치하여 역방향으로 펄스 전류를 흘리면, H = 0G일 때 상승 펄스 검파의 코일 유도 전압이 0이 되는 것을 발견했다(도 7). 자계 H가 있는 경우에 있어서, 전류를 역방향으로 흘리면, 코일 전압은 변화하지 않고, b 전압만을 검출하고 있다는 것을 알 수 있다(도 8). 즉 a 전압이 소실되어 있는 것처럼 보인다.

또한, 자계를 변화시켜 b 전압을 측정한 바, 자계의 양음(正負)에 대해서 대칭적으로 전압이 직선적으로 출력되어, 0.3% 이하의 뛰어난 직선성이 얻어지는 것을 발견했다.

자계 H가 제로에서부터 변화했을 경우에 있어서도, a 전압이 소실되는 이유는, 2개 와이어의 임피던스의 변화는 전류의 방향에 관계없이, 자계 H에 대칭적으로 변화하기 때문에 양자의 임피던스는 항상 같아서, 양자에 흐르는 펄스 전류는 같게 되어 양자의 코일에의 영향은 자장이 변화해도 캔슬되게 되기 때문이라고 생각된다(도 9).

상승 펄스 검파의 경우, 상승과 동시에 검파하므로 펄스 시간을 1ns(1 나노초) 이하로 할 수 있다. 한편, 하강 펄스 검파의 경우, 상승 코일 전압이 다 감쇠하고 나서, 하강 펄스 검파를 행할 필요가 있으므로 펄스 시간을 10ns 정도 유지할 필요가 있다. 따라서 상승 펄스 검파를 채용하면 펄스 소비 전류를 1/10 이하로 할 수 있다.

본 발명의 자성 와이어 2개로 이루어진 소자의 코일 전압은, 자성 와이어 1개로 이루어진 소자의 코일 전압에 비해 2배이다. 또한, 상승 펄스 검파의 코일 전압은, 하강 펄스 검파의 코일 전압의 2.5배이다(도 10). 특허문헌 1에 기재된 GSR 센서에 비해, 동일 사이즈의 소자의 경우에는 5배의 코일 전압이 얻어진다.

코일 전압과 외부 자계의 관계에 대해서는, 특허문헌 1에 기재된 GSR 센서에 있어서의 관계식과 같은 것을 확인하였다. 즉,

Vs = Vo·2L·πD·p·Nc·f·sin(πH/2Hm) (1)

여기서, Vs는 코일 전압, Vo는 와이어 투자율, 포화 자속 밀도의 와이어 소재의 자기 특성 및 펄스 전류 등으로 정해지는 비례 상수, 제어 인자 상수로서는, L은 와이어의 길이, D는 와이어의 직경, p는 펄스 전류의 표피 깊이, Nc는 코일의 권수, f는 펄스 주파수, H는 외부 자계, Hm은 코일 출력 전압이 최대값을 취하는 외부 자계 강도이다.

이 식 (1)의 양변을 역정현(逆正弦) 변환하여, 그 값을 환산 전압 V'로 하면,

V' = arcsin(Vs/Vo·2L·πD·p·Nc·f) = (π·1/2Hm)·H (2)

H = 2Hm/π×V' (3)

으로 하여, 식 (3)으로부터 H를 구할 수 있다.

V'는, 자계 H에 대해서 -Hm부터 +Hm까지 직선적으로 변화한다. 측정 레인지는 Hm으로 되고, 역정현 변환하지 않는 경우와 비교하면 4배 정도 확대된다. 또한 직선성 P는, Vx = a(1-Δ)Hx로 하여, P = 100×Δ(%)로 정의한다(도 11).

즉, Δ = 0일 때의 관계식 Vx = aHx로부터의 편차량 Δ로 직선성을 정의한다.

또한 직선성에 대해서도 GSR 센서의 하강 펄스의 편차량인 0.5%보다도 0.2%로 우수한 것을 확인했다(도 12).

GSR 센서는, 자성 와이어와 코일 내경의 간격을 3㎛ 이하로 하여 자성 와이어와 코일의 전자 결합을 강화하고 있다. 본 발명에 있어서도 자성 와이어 2개의 사이를 제외하고 마찬가지의 관계를 유지하는 것으로 한다.

전자 회로는 특허문헌 1에 기재된 전자 회로와 같은 회로를 채용한다. 자성 와이어에 통전하는 펄스 전류의 환산 주파수는 0.2GHz~4GHz, 펄스 전류의 강도는 자성 와이어 표면에 이방성 자계의 1.5배 이상의 원주 방향 자계를 발생시키는데 필요한 강도로 한다.

펄스 통전시에 발생하는 코일 전압은, 펄스 대응형 버퍼 회로를 통해서 샘플 홀드 회로로 보내진다. 코일의 권수 Nc가 작은 경우에는, 직접 샘플 홀드 회로로 보내는 것도 가능하다.

상승 펄스의 검파는 전자 스위치로 행하지만, 검파 타이밍은 코일 출력 파형의 피크 타이밍으로 행한다. a 전압이 존재하지 않기 때문에, 피크 전압의 시간적 타이밍은 자계 H에 의존하지 않고 일정하다. 그러나 피크의 타이밍 시간은, a 전압이 존재하는 경우, 자계 H에 의존하여 변화하므로, 코일 출력 파형의 피크 타이밍에 맞추는 것은 엄밀하게는 할 수 없다. 이것이 비직선성의 원인으로 되고 있다.

샘플 홀드 회로의 콘덴서 용량은 4pF~100pF으로 한다. 바람직하게는 전자 스위치의 on-off는 가능한 한 미세하게 하여 콘덴서 용량도 4pF~8pF으로 작게 하는 것이다. 이것에 의해 피크 타이밍의 전압을 순간의 전압값으로 하여 콘덴서에 홀드한다. 이 홀드된 콘덴서 전압은 프로그래밍 앰프를 통해서 출력된다.

상승 펄스 검파 타입의 GSR 센서는, 동일 소자 사이즈로 5배의 자계 검출 감도와 1/10 이하의 펄스 소비 전력을 실현할 수 있어, 생체내의 모션 디바이스 탑재의 자기 센서의 대폭적인 소형화를 가능하게 한다.

도 1은 실시 형태 및 실시예에 있어서의 GSR 센서 소자의 평면도이다.
도 2는 도 1에 있어서의 A1-A2선을 따르는 GSR 센서 소자의 단면도이다.
도 3은 실시 형태 및 실시예에 있어서의 전자 회로도이다.
도 4는 실시 형태 및 실시예에 있어서의 펄스 시간과 펄스 전류 인가의 관계도이다.
도 5는 실시 형태 및 실시예에 있어서의 펄스 전류를 인가했을 때의 코일 전압의 파형도이다.
도 6은 실시 형태 및 실시예에 있어서의 출력 파형도이다.
도 7은 외부 자계 H = 0에 있어서의 2개의 자성 와이어에 역방향(+방향과 -방향)으로 펄스 전류를 흘렸을 때의 출력 V의 도면이다.
도 8은 외부 자계 H = -2G ~ +2G로 변화시켰을 때의 출력 V의 도면이다.
도 9는 외부 자계 H와 임피던스 Z의 관계도이다.
도 10은 자성 와이어 1개 및 2개에 있어서의 상승 펄스 검파 및 하강 펄스 검파의 코일 전압의 출력도이다.
도 11은 외부 자계의 변화와 출력의 관계에 있어서의 직선성 P의 설명도이다.
도 12는 GSR 센서의 상승 펄스에 있어서의 자계 Hx와 편차량의 관계도이다.

본 발명의 실시 형태는 다음과 같다.

또한, 본 발명의 구성에, 본 명세서 중에서 임의로 선택한 하나 또는 2개 이상의 구성을 부가할 수 있다. 어느 실시 형태가 최선인지 여부는, 대상, 요구 제(諸)특성에 따라서 다르다.

본 발명의 초고감도 마이크로 자기 센서인 GSR 센서는,

기판 상에 도전성을 가지는 자계 검출용 자성 와이어 2개를 근접 배치하고, 자성 와이어 2개를 함께 권회한 주회(周回) 코일과 와이어 통전용의 전극 2개와 코일 전압 검출용의 전극 2개를 설치한 자계 검출 소자 및 자성 와이어에 펄스 전류를 흘리는 수단과 2개의 자성 와이어에 역방향으로 펄스 전류를 흘렸을 때에 발생하는 코일 전압을 검지하는 회로와 코일 전압을 외부 자계 H로 변환하는 수단으로 이루어지고,

자성 와이어는 20G 이하의 이방성 자계를 가지고, 또한 원주 방향 스핀 배열을 가지는 표면 자구(磁區)와 축 방향으로 스핀 배열을 가지는 중앙부 코어 자구의 2상의 자구 구조를 가지고 이루어지며,

자성 와이어에 통전하는 펄스 전류는, 해당 주파수는 0.2GHz~4.0GHz로, 해당 와이어 표면에 이방성 자계의 1.5배 이상의 원주 방향 자계를 발생시키는데 필요한 전류 강도 이상으로 하고,

코일은 코일 피치 10㎛ 이하이다. 코일 평균 내경은 35㎛ 이하가 바람직하다.

또한, 복수의 쌍의 와이어를 배치하는 경우에는, 코일과 자성 와이어의 간격은 1㎛~5㎛로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 초고감도 마이크로 자기 센서인 GSR 센서는,

자성 와이어에 펄스 전류를 통전시킴으로써, 표면 자구내의 와이어 축 방향의 자계에 의해 축 방향으로 경사진 원주 방향 스핀을 초고속으로 일제히 회전시켜, 그 때에 발생하는 초고속 스핀 회전 현상에 의한 상기 와이어의 축 방향의 자화 변화만을 코일 출력으로서 취출하고, 관계식 (1)을 사용하여 자계 H로 변환하는 것이다.

Vs = Vo·2L·πD·p·Nc·f·sin(πH/2Hm) (1)

여기서, Vs는 코일 출력 전압, Vo는 비례 상수, 제어 인자 상수로서는, L은 와이어의 길이, D는 와이어의 직경, p는 펄스 전류의 표피 깊이, Nc는 코일의 권수, f는 펄스 주파수, Hm은 코일 출력 전압이 최대값을 취할 때의 외부 자계 강도.

추가로, 본 발명의 초고감도 마이크로 자기 센서인 GSR 센서의 전자 회로는,

펄스 전류를 발신하는 펄스 발신 회로, 코일 전압을 입력하는 입력 회로, 펄스 대응형 버퍼 회로 및 코일 전압의 출력 파형의 피크 전압을 검파하는 전자 스위치와 피크 전압을 보존하는 용량 4~100pF의 콘덴서로 이루어진 샘플 홀드 회로로 구성되고, 프로그래밍 앰프로 증폭시키고, AD(아날로그 디지털) 변환하는 전자 회로에 접속하는 것이다.

본 발명의 실시 형태에 대해서, 도 1~도 6을 이용하여 상세하게 설명한다.

GSR 센서 소자(이하, 소자라고 함)(1)는, 기판(10) 상에 자성 와이어 2개(21 및 22)와 그 자성 와이어 2개를 주회하는 1개의 코일(3) 및 와이어 통전용의 2개의 전극(24 및 25)과 코일 전압 검출용의 2개의 전극(33 및 34) 그리고 자성 와이어와 와이어 통전용 전극의 접속부, 코일과 코일 전압 검출용 전극의 접속부로 이루어진다. 또한, 소자(1)에는 자성 와이어 2개(21 및 22)에 역방향의 펄스 전류를 흘리는 수단(23)으로 이루어진다. 그리고, 펄스 전류를 흘렸을 때에 발생하는 코일 전압을 검지하는 회로(5)와 코일 전압을 외부 자계로 변환하는 수단으로 구성되어 있다. 외부 자계 H와 코일 전압 Vs는, 상기의 식 (1)과 같은 수학적 관계로 나타내진다.

＜소자의 구조＞

소자(1)의 구조는, 도 1~도 2에 나타내는 바와 같다.

소자(1)의 사이즈는, 기판(10)의 사이즈인 폭 0.07mm~0.4mm, 길이 0.25mm~1mm로 이루어진다. 소자(1)의 중앙부는, 자성 와이어 2개(21 및 22)가 평행하게 정렬 배치 가능하도록 폭 20~60㎛, 깊이 2~20㎛의 홈이 기판(10)에 형성되어 있다. 2개의 자성 와이어(21 및 22)는 근접해 있고 자성 와이어의 간격은 1~5㎛이며, 자성 와이어(21 및 22)끼리는 절연 재료로 격리되어 있는 것, 예를 들면 절연성 분리벽이 바람직하다.

＜자성 와이어＞

자성 와이어(2)는 CoFeSiB 어모퍼스 합금의 직경 5~20㎛이다. 자성 와이어(2)의 주위는 절연성 재료, 예를 들면 절연성 유리로 피복되어 있는 것이 바람직하다. 길이는 0.07~1.0mm이다.

자성 와이어(2)의 이방성 자계는 20G 이하로, 원주 방향 스핀 배열을 가지는 표면 자구와 축 방향으로 스핀 배열을 가지는 중앙부 코어 자구의 2상의 자구 구조를 가진다.

＜코일＞

코일(3)은 코일 권수는 6~180회, 코일 피치는 5㎛가 바람직하다. 코일(3)과 자성 와이어(2)의 간격은 3㎛ 이하가 바람직하다. 코일 평균 내경은 10~35㎛가 바람직하다.

＜소자의 제조 방법＞

소자의 제조 방법은, 도 2를 이용하여 설명한다.

기판(10)에 형성되어 있는 홈(11)을 따라서 하 코일(31)과 기판면 상에 전극 배선을 행한다. 그 후, 홈(11)의 중앙부에 절연성 분리벽(41)을 형성하여 2개의 홈 형상으로 하여, 그곳에 2개의 유리 피복한 자성 와이어(21 및 22)를 각각 정렬 배치한다. 다음으로, 기판 전면에 절연성 레지스트를 도포한다. 이렇게 하여 자성 와이어(21 및 22)는 홈(11) 내에 고정된다. 이 도포시에 자성 와이어(21 및 22)의 상부는 얇게 도포한다. 그곳에 상 코일(32)을 포토리소 기술로 형성한다.

또한, 유리 피복되어 있지 않은 자성 와이어(2)를 이용하는 경우에는, 하 코일(31)과 자성 와이어(21 및 22)가 전기적인 접촉이 발생하지 않도록 미리 절연성 재료(4)를 도포해 두는 것이다.

코일의 제작은, 기판(10) 내에 형성된 홈(11)의 홈면 및 홈(11)의 양측을 따라서 오목 형상의 하 코일(31)이 형성되어 있다. 볼록 형상의 상 코일(32)은 조인트부(33)를 통해서 하 코일과 전기적 접합이 이루어져, 나선 모양의 코일(3)이 된다.

2개의 자성 와이어(21 및 22)의 단부에 대해서는, 절연 피막의 유리를 제거하여 금속 증착에 의한 전기적 접속을 할 수 있도록 한다.

＜자성 와이어 및 코일의 배선 구조＞

자성 와이어(2)의 배선 구조는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 와이어 입력 전극(+)(24)은 자성 와이어(21)의 상부와 접속되고, 자성 와이어(21)의 하부는 와이어 연결부(23)를 통해서 자성 와이어(22)의 하부와 접속되어 있다. 자성 와이어(22)의 상부는 와이어 출력 전극(-)(25)과 접속되어 있다. 이 와이어 연결부(23)에 의해, 자성 와이어(21)에서는 상부로부터 하부로의 하방향의 펄스 전류가 흐르고, 자성 와이어(22)에서는 하부로부터 상부로의 상방향(자성 와이어(21)와는 역방향으로 됨.)의 펄스 전류를 흐르게 할 수 있다.

코일(3)의 배선 구조는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 코일 출력 전극(+)(34)은 코일(3)의 하단부와 접속되고, 코일(3)의 상단부는 코일 그라운드 전극(-)(35)과 접속되어 있다.

＜전자 회로＞

전자 회로(5)는 펄스 전류를 발신하는 펄스 발신 회로(51), 코일 전압을 입력하는 입력 회로(53), 펄스 대응형 버퍼 회로(54), 코일 전압의 출력 파형의 피크 전압을 검파하는 전자 스위치(56)와 피크 전압을 유지하는 용량 4~100pF의 콘덴서로 이루어진 샘플 홀드 회로, 및 증폭기(58)의 프로그래밍 앰프로 증폭시켜 AD 변환을 행한다.

또한, 전자 회로(5)의 코일 전압을 출력하는 GSR 센서 소자가 접속되어 있다.

펄스 전류의 환산 주파수는 0.2~4GHz에서, 펄스 전류의 강도는 50~200mA, 펄스 시간은 0~2nsec이다. 도 4에는, GSR 센서 소자에 펄스 전류를 통전시켰을 때의 통전 시간의 경과와 펄스 전류의 인가의 관계를 나타내고 있다. 이 도 4의 예에서는, 통전을 개시하면 0.5nsec로 상승하고, 그 인가 상태로 소정의 펄스 시간 0.5nsec를 유지하고, 통전을 차단하면 0.5nsec로 하강한다.

＜코일 전압의 파형＞

도 5에는, 상기의 펄스 전류를 통전시켰을 때의 코일 전압의 파형도를 나타낸다.

본 발명에서는, 피크 전압의 타이밍을 검파한다. 전자 스위치는 on-off로 되고 그 개폐 시간은 0.1~1.5nsec로 반복한다.

샘플 홀드 회로의 콘덴서 용량은 4~100pF으로 하고, 전자 회로의 AD 변환은 14~16비트이다. 또한, 전자 스위치의 on-off를 미세하게 하기 위해서는 콘덴서 용량은 4~8pF이 바람직하다.

코일 출력은 도 6에 나타내는 바와 같이 정현파 출력으로 측정 레인지 3~100G이고, 그 감도는 50mV/G~3V/G이다. 직선성은 0.3% 이하이다.

실시예

실시예에 따른 GSR 센서 소자의 평면도를 도 1에 나타내고, 그 단면도를 도 2에 나타낸다. 또한 전자 회로를 도 5에 나타낸다. 본 발명의 GSR 센서는, 자성 와이어 2개(21 및 22)와 자성 와이어 2개를 통합해서 주회하는 1개의 코일(3) 및 와이어 통전용의 2개의 전극(24 및 25)과 코일 전압 검출용의 전극(33 및 34)으로 구성되는 GSR 센서 소자(1)와, 자성 와이어(2)에 펄스 전류를 흘리는 수단과 펄스 전류를 흘렸을 때에 발생하는 코일 전압을 검지하는 회로와 코일 전압을 외부 자계 H로 변환하는 수단으로 구성되어 있다. 외부 자계 H와 코일 전압은, 식 (1)에 나타내는 수학적 관계로 나타내진다.

소자(1)의 사이즈는, 길이 0.12mm, 폭 0.20mm로 기판(10)의 홈(11)의 폭은 40㎛, 깊이 8㎛이다. 와이어 간격은 3㎛이다.

자성 와이어(21 및 22)는, CoFeSiB 어모퍼스 합금의 직경 10㎛, 두께 1㎛ 이하의 유리 피복이 되어 있고, 길이 0.12mm의 와이어이다.

이방성 자계는 15G이다.

코일(3)은 코일 피치 5㎛로 권수는 14회, 코일(3)의 평균 내경은 30㎛이고 코일(3)과 자성 와이어(2)의 간격은 2㎛이다.

소자의 구조는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 유리 피복된 자성 와이어(21 및 22)의 직경의 절반 정도를 기판(10)에 형성된 홈(11)에 매설하고, 홈(11)의 내면에는 하 코일(31)을 배치하며, 자성 와이어의 상부에 상 코일(32)을 배치하고, 양자 간에는 절연성 수지로 고정하여 기판 평면 상에서 조인트부(33)로 접합했다.

코일(3)의 양 단부는, 각각 코일 전극과의 사이는 도전성 금속 증착막으로 전기적 접속부를 마련했다.

자성 와이어(2)와 전극은, 자성 와이어의 단부의 상면부의 유리 피복 재료를 제거한 후, 피복 제거된 와이어면과 전극의 사이를 도전성 금속 증착막으로 전기적 접합부를 마련했다.

또한, 2개의 자성 와이어(21)와 자성 와이어(22)의 연결부(23)도 마찬가지의 처리에 의해 전기적 접속을 행했다.

GSR 센서 소자(1)를 전자 회로(5)에 탑재하여, 펄스 발신 회로(51)로부터 환산 주파수 1GHz, 펄스 전류의 강도 120mA에서 펄스 폭 0.8nsec로 통전시켰다. 그 때의 전자 스위치의 on-off의 간격은 0.2nsec이다. 샘플 홀드 회로의 콘덴서 용량은 6pF이다.

AD 변환에 의해 16비트가 얻어졌다. 또한, 정현파 출력은 측정 레인지 90G에서 감도는 200mV를 얻을 수 있었다. 그 때의 소비 전력은 0.3mW로, 직선성은 0.2%가 얻어졌다.

산업상의 이용 가능성

본 발명은 GSR 센서의 새로운 고감도화, 저소비 전력화를 실현하는 것으로, 생체내의 모션 디바이스와 같이 초소형으로 고성능이 요구되는 용도로 사용이 기대된다.

1: GSR 센서 소자, 10: 기판, 11: 홈,
2: 자성 와이어, 21: 자성 와이어 2개 중 1개, 22: 자성 와이어 2개 중 다른 1개, 23: 와이어 연결부, 24: 와이어 입력 전극(+), 25: 와이어 출력 전극(-), 3: 코일, 31: 하 코일, 32: 상 코일, 33: 조인트부, 34: 코일 출력 전극(+), 35: 코일 그라운드 전극(-),
4: 절연성 수지, 41: 절연성 분리벽,
5: 전자 회로, 51: 펄스 발신 회로, 52: GSR 센서 소자, 53: 입력측 회로, 54: 버퍼 회로, 55: 샘플 홀드 회로, 56: 전자 스위치, 57: 콘덴서, 58: 증폭기

Claims (16)

1. 홈부를 갖는 기판과,
   근접하게 상기 홈부 내에 배치되는 자계 검출용의 2개의 도전성 자성 와이어와,
   하반부와 상반부를 가지며, 상기 2개의 도전성 자성 와이어를 권회하는 코일과,
   상기 2개의 도전성 자성 와이어에 통전하기 위해 접속되는 2개의 제1 전극과,
   상기 코일에 발생하는 전압을 검출하기 위해 접속되는 2개의 제2 전극을 가지며,
   상기 2개의 도전성 자성 와이어는 각각의 일단이 서로 전기적으로 접속되고,
   상기 2개의 도전성 자성 와이어는 원주 방향으로 스핀 배열을 가지는 표면 자구와 축 방향으로 스핀 배열을 가지는 중앙부 코어 자구의 2상의 자구 구조를 가지고,
   상기 2개의 도전성 자성 와이어는 상기 코일의 상기 하반부의 상부에 배치되는 것과 함께 절연성 수지에 의해 고정되고 피복되며,
   상기 코일의 상기 상반부는 상기 절연성 수지의 상부에 포토 리소그래피법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 초고감도 자기 센서.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 2개의 도전성 자성 와이어는 직경 5~20㎛, 길이 0.07~1.0mm 의 CoFeSiB 비정질 합금으로 형성되는 초고감도 자기 센서.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 2개의 도전성 자성 와이어의 이방성 자계는 20G 이하인 초고감도 자기 센서.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 코일의 코일 피치는 10㎛ 이하인 초고감도 자기 센서.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 코일의 코일 권수는 6~ 180인 초고감도 자기 센서.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 코일과 상기 2개의 도전성 자성 와이어 사이의 거리는 최단부에서 3㎛ 이하인 초고감도 자기 센서.
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 전극에 접속되고, 상기 2개의 도전성 자성 와이어에 펄스 전류를 인가하는 제1 회로와,
   상기 제2 전극에 접속되고, 상기 제1 전극으로부터 상기 2개의 도전성 자성 와이어에 펄스 전류를 인가했을 때 상기 코일에 발생하는 코일 출력 전압을 검출하는 제2 회로와,
   상기 제2 회로에서 검출한 상기 코일 출력 전압을 외부 자계 H의 크기를 나타내는 전압으로 변환하는 제3 회로를 더 갖는 초고감도 자기 센서.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 펄스 전류는 0.2GHz~4.0GHz의 주파수를 갖는 초고감도 자기 센서.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 코일 출력 전압으로부터 관계식 (1)에 의해 외부 자계 H의 크기를 구하고,
   Vs = Vo·2L·πD·p·Nc·f·sin(πH/2Hm) (1)
   Vs는 코일 출력 전압, Vo는 비례 상수, 제어 인자 상수로서는, L은 와이어의 길이, D는 와이어의 직경, p는 펄스 전류의 표피 깊이, Nc는 코일의 권수, f는 상기 펄스 전류의 펄스 주파수, Hm은 상기 코일 출력 전압이 최대값이 될 때의 상기 외부 자계의 크기를 나타내는 초고감도 자기 센서.
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 회로는 상기 펄스 전류를 발생시키는 펄스 전류 발생 회로를 가지고,
    상기 제2 회로는 코일 출력 전압을 입력하는 입력 회로와, 펄스 대응형 버퍼 회로와, 상기 코일 출력 전압의 피크 전압을 검파하는 전자 스위치와 상기 피크 전압을 유지하는 4~100pF의 콘덴서로 이루어진 샘플 홀드 회로와, 프로그래밍 앰프에 의해 상기 유지된 피크 전압을 증폭하여 디지털 값으로 변환하는 AD 컨버터를 갖는 초고감도 자기 센서.
11. 근접하여 기판 상에 배치된 2개의 도전성 자성 와이어와, 하반부와 상반부를 가지며 상기 2개의 도전성 자성 와이어를 권회하는 코일과, 상기 2개의 도전성 자성 와이어에 통전하기 위해 접속되는 2개의 제1 전극과, 상기 코일에 발생하는 전압을 검출하기 위해 상기 코일에 접속되는 2개의 제2 전극을 갖는 자기 검출부와,
    상기 제1 전극에 접속되고, 상기 2개의 도전성 자성 와이어의 각각에 흐르는 전류의 방향은 서로 대향되도록 상기 2개의 도전성 자성 와이어에 펄스 전류를 인가하는 제1 회로와,
    상기 제2 전극에 접속되고, 상기 제1 전극으로부터 상기 2개의 도전성 자성 와이어에 펄스 전류를 인가했을 때 상기 코일에 발생하는 코일 출력 전압을 검출하는 제2 회로와,
    상기 제2 회로에서 검출한 상기 코일 출력 전압을 외부 자계 H의 크기를 나타내는 전압으로 변환하는 제3 회로를 갖고,
    상기 2개의 도전성 자성 와이어는 원주 방향으로 스핀 배열을 가지는 표면 자구와 축 방향으로 스핀 배열을 가지는 중앙부 코어 자구의 2상의 자구 구조를 가지며,
    상기 2개의 도전성 자성 와이어는 상기 코일의 상기 하반부의 상부에 배치되는 것과 함께 절연성 수지에 의해 고정되고 또한 피복되며,
    상기 코일의 상기 상반부는 상기 절연성 수지의 상부에 포토 리소그래피법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 초고감도 자기 센서.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 2개의 도전성 자성 와이어의 이방성 자계는 20G 이하인 초고감도 자기 센서.
13. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 펄스 전류는 0.2 GHz ~ 4.0 GHz의 주파수를 갖는 초고감도 자기 센서.
14. 청구항 12에 있어서,
    상기 펄스 전류는 상기 2개의 도전성 자성 와이어의 표면에 상기 이방성 자계의 1.5배 이상의 원주 방향의 자계를 발생시키는 전류 강도를 갖는 초고감도 자기 센서.
15. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 코일의 코일 피치는 10㎛ 이하인 초고감도 자기 센서.
16. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    상기 제3 회로는 상기 코일 출력 전압의 피크 전압을 검출하는 검출 회로와, 상기 피크 전압을 유지하는 전압 유지 회로와, 상기 전압 유지 회로에 유지된 상기 피크 전압을 증폭하는 증폭 회로로 이루어지는 초고감도 자기 센서.

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