KR20020089317A - 박막자계센서 - Google Patents

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KR20020089317A
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시라까와기와무
마스모또쯔요시
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자이단호진 덴끼지끼자이료 겡뀨쇼
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Abstract

구조가 간단하며 높은 검출감도를 갖고, 온도변화 등에 의한 측정오차를 저감한 박막자계센서를 제공한다. 본 발명의 박막자계센서에 있어서는, 거대 자기저항박막의 양측에 연자성박막을 배치하고 전기단자를 설치한 소자(5)와, 거대 자기저항박막의 양측에 도체막을 배치하고 전기단자를 설치한 요소(10)을 브리지 회로의 2개의 암으로 한다. 소자(10)의 전기저항값의 자계에 대한 감도는 작은 자계에서는 실질적으로 영이지만, 자계이외의 요인에 의한 전기저항값 변화는 소자(5)와 같게 된다. 브리지회로의 출력은 소자(5)와 소자(10)의 전기저항값의 차에 비례하기 때문에, 브리지회로의 출력으로부터 자계이외의 변화요인은 상쇄되고, 따라서, 자계의 값을 정확하게 측정할 수 있다.

Description

박막자계센서{THIN-FILM MAGNETIC FIELD SENSOR}
기술분야
본 발명은 공간중의 자계를 측정하는 박막자계센서에 관한 것으로, 거대 자기저항박막, 예컨대 나노그래뉼러 거대 자기저항효과 박막을 사용하여 자계의 크기와 방향을 정밀하게 측정하기 위한 박막자계센서에 관한 것이다.
배경기술
도 1은 일본 공개특허공보 평11-87804호 및 일본 공개특허공보 평11-274599호에 기재된 자계센서를 나타낸다. 도면에서, 거대 자기저항박막이라고 기재된 부분은 10kOe의 자계의 인가에 대해, 약 10%의 전기저항 변화를 나타내는 금속-절연체 나노그래뉼러 거대 자기저항박막이다. 이 예와 같이, 거대 자기저항박막의 경우에는 일반적인 자기저항효과 재료에 비해 전기저항값의 변화폭이 크다. 그러나, 상기한 바와 같이 전기저항 변화를 일으키기 위한 인가자계가 크기 때문에, 거대 자기저항박막만을 단독으로 사용하는 경우에는 일반적으로 자계센서로서 이용되는 약 100 Oe정도 이하의 작은 자계에서의 전기저항값 변화는 기대할 수 없다.
도 1의 구성은 그것을 보완하는 것이다. 즉, 연자성 박막은 주변의 자속을 모으는 역할을 담당하고 있고, 적절한 연자성 박막의 치수를 선정함으로써, 원리적으로는 연자성 박막 주변의 자계의 대소에 상관없이, 거대 자기저항박막 부분에 대해 연자성 박막의 포화자속밀도 이내에서 어떠한 방식으로든 큰 자속밀도를 인가할 수 있다. 또한, 도 1의 구성을 전기저항의 관점에서 보면 연자성 박막간의 전기저항값은 연자성 박막 부분과 거대 자기저항박막 부분의 전기저항의 합으로 되어 있지만, 거대 자기저항박막의 전기비저항의 값은 연자성 박막의 그것에 비해 100배 이상 크기 때문에, 실질적으로 연자성 박막간의 저항값은 거대 자기저항박막 부분의 값과 동등하다. 요컨대, 연자성 박막간의 자기저항값에는 거대 자기저항박막의 전기저항값이 직접 나타난다. 도 2는 이와 같은 도 1의 구성에 있어서의 전기저항 변화의 예를 나타내는 것으로, 수Oe의 작은 자계에 있어서 약 6%의 전기저항값 변화를 실현하고 있고, 종래의 재료인 이방적 자기저항효과 재료에 비해 2배 이상 크다.
그러나, 거대 자기저항박막의 전기저항 측정값을 바탕으로 하여, 인가된 자계의 절대값을 계측하는 자계센서를 실현하는 경우에는 도 1의 구성에서는 큰 문제가 있음이 판명되었다. 이는 거대 자기저항박막의 온도에 의한 자기저항값 변화의 문제이다. 상기한 바와 같이, 도 1의 구성의 경우에는 검출하고자 하는 자계의 대소에 대해서는 선택의 여지가 있다. 그러나, 어떻게 감도를 높였다하더라도 그것은 감응하는 자계에 대한 선택이며, 거대 자기저항박막이 갖는 전기저항 변화 이상의 변화폭을 얻는 것은 원리적으로 불가능하다. 현실적으로 도 1의 구성의 경우의 전기저항 변화값은 다른 요인을 포함하여 더욱 압축되어 대략 6% 정도로 되어 있다. 이 6% 정도의 전기저항값 변화에 대해 거대 자기저항박막의 온도에 의한 변화가 있다면 그 전기저항값 변화분만큼은 인가된 자계를 추정하는경우의 불확정 요소가 된다. 도 3은 온도특성의 실례를 나타낸다. 이 도면으로 알 수 있는 바와 같이, 거대 자기저항박막의 온도에 의한 저항값 변화는 자계인가에 의한 저항 변화보다 오히려 크고, 도 1의 구성인 채로는 자계의 절대값을 계측하는 자계센서로 이용하기는 어렵다.
또한, 도 1에 나타낸 종래의 박막자계센서에서는 인가된 자계의 절대값 및 방향을 계측하는 자계센서를 실현하는 경우에는 큰 문제가 있음도 판명되었다. 이는 거대 자기저항박막의 전기저항 변화가 자계의 방향에 의존하지 않고, 등방적인 특성을 갖는 것이다. 즉, 도 2에 나타내는 바와 같이, 도 1의 구성에서는 자계의 플러스 마이너스의 두 방향에 대해 동일한 전기저항 변화를 나타내고, 자계의 방향을 특정할 수 없다. 따라서, 도 1의 구성인 채로는 자계의 크기만을 검출하는 센서로 이용할 수는 있지만, 자계의 방향을 특정할 필요가 있는 센서, 예컨대 지자기의 방향을 판독하는 방위센서나, 착자된 자성체와의 상대각도를 판독하는 센서 등에는 사용할 수 없다.
따라서, 본 발명은 구조가 간단하며 높은 검출감도를 갖고, 온도변화 등에 의한 측정오차를 저감하여 자계의 강도와 방향을 측정할 수 있는 박막자계센서를 제공하는 것을 과제로 한다.
발명의 개시
첫째, 본 발명은 소정의 공극길이를 갖는 공극에 의해 2분할되어 소정의 막두께 및 공극에 접하는 소정의 폭을 갖는 연자성 박막과, 그 연자성 박막의 공극을 메우도록 형성된 거대 자기저항박막과, 2분할된 연자성 박막의 각각에 전기적으로접속된 단자로 이루어지는 제1 암과, 상기 공극길이와 실질적으로 동등한 공극길이를 갖는 공극에 의해 2분할되어 상기 막두께와 실질적으로 동등한 막두께 및 상기 공극에 접하는 폭과 실질적으로 동등한 폭을 갖는 도체막과, 그 도체막의 공극을 메우도록 형성된 거대 자기저항박막과, 2분할된 도체막의 각각에 전기적으로 접속된 단자로 이루어지는 제2 암을 포함하고, 이들 암은 각각 브리지회로의 2개의 암을 형성하는 것을 특징으로 하는 박막자계센서를 포함한다.
구체적으로는 본 발명에서는 거대 자기저항박막이 갖는 전기저항값 변화 중에서, 온도, 습도 및 경시적인 원인에 의한 변화를 제외하고 자계에 의한 변화만을 추출함으로써, 정밀도가 높은 자계센서를 실현하는 것이다. 즉, 거대 자기저항박막 및 구조를 동일하게 하는 2계통의 소자에 의한 브리지를 형성하고, 그 중의 일방의 소자는 거대 자기저항박막의 양측에 연자성 박막을 배치함으로써 자계에 대한 감도를 향상시키고, 타방의 소자는 거대 자기저항박막을 그대로 사용함으로써 자계에 대한 감도를 실질적으로 영으로 하고 있다. 브리지의 출력전압은 이들 소자의 전기저항값의 차이에 비례하는 것이므로, 결과적으로 거대 자기저항박막이 갖는 온도변화를 비롯하여 기타 온도, 경시변화 등의 변동요인은 출력전압에서 제외되고, 자계에 의한 전기저항값 변화만이 출력에 나타난다. 따라서 자계의 절대값의 검출이 고정밀도로 실현가능해지고, 또한 동시에 매우 작은 자계의 검출도 가능해진다.
또한, 거대 자기저항박막의 양측에 연자성 박막을 배치한 제1 암과, 거대 자기저항박막의 양측에 도체막을 배치한 제2 암을, 각각 2개 사용하여 브리지회로를구성함으로써, 브리지 출력전압은 제1 발명의 구성보다 2배 크게할 수 있게 되어 보다 고정밀도이면서 자계감도가 높은 박막자계센서가 실현가능해진다.
또한, 본 발명은 이용하는 재료의 관점에서, 박막자계센서의 정밀도를 더욱 향상시키는 것이다. 즉, 브리지를 구성하는 소자 중의 거대 자기저항박막 부분의 재질ㆍ구조가 완전 동일하더라도 거대 자기저항박막을 사이에 두고 있는 재료가 다른 경우에는 접촉전위차, 또는 열기전력 등에 의해 미소한 전기저항값의 차이가 생기는 경우가 있다. 제3 발명의 구성에 따르면 이들 문제를 포함하여 2개의 구조의 자계인가에 의한 저항 변화 이외의 요인에 의한 거대 자기저항박막의 전기저항 변화를 엄밀한 의미에서 상쇄할 수 있고, 그럼으로써 더욱 정밀도가 높은 박막자계센서를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명은 구조의 면에서, 보다 소형이고 고정밀도의 박막자계센서를 실현하는 것이다. 자계센서로서의 감도를 높이고, 또한 형상적으로 소형화하기 위해서는 거대 자기저항박막의 양측에 연자성 박막을 배치한 구조에 있어서, 연자성 박막의 유효면적을 일정하게 한 후에, 연자성 박막 부분의 소형화를 도모할 필요가 있다. 제4 발명의 구성에 의해, 감도가 높고 또한 형상적으로 보다 소형의 자계센서의 실현이 가능해진다.
또한, 본 발명은 잔류자화의 면에서 박막자계센서의 정밀도를 더욱 높이는 것이다. 요컨대, 인가된 자계의 계측을 완료하고, 외부자계가 제거된 후에, 연자성 박막중에 자화가 잔류하는 경우에는 이 잔류자화는 거대 자기저항박막에 대해 외부인가자계와 동일한 작용을 미치게 되어 자계의 검출정밀도의 저하를 가져온다.따라서, 연자성 박막을 거대 자기저항박막의 검출자계와 직교하는 방향으로 자화시킴으로써, 연자성 박막 중의 잔류자화를 줄여, 보다 고정밀도로 자계를 계측할 수 있다.
둘째, 본 발명은 소정의 공극길이를 갖는 공극에 의해 2분할되고, 또한 당해 공극의 양측에 접한 소정의 두께 및 폭을 갖는 연자성 박막과, 당해 공극을 메우도록 형성된 거대 자기저항박막으로 이루어지는 자계센서소자에, 바이어스자계를 인가하는 자계발생부를 구비한 박막자계센서도 포함한다.
구체적으로는 바이어스자계를 인가함으로써, 전기저항 변화곡선에 있어서의 자계 0의 점을 임의로 이동시키고, 측정하고자 하는 자계의 플러스 마이너스의 방향(극성)의 차이에 의해, 전기저항 변화에 플러스 마이너스의 차이를 발생시키는 것이다. 그럼으로써, 자계의 방향의 차이에 의해 센서출력에 차이가 발생함으로, 자계의 방향의 판정이 가능해진다. 또한, 전기저항 변화곡선의 가장 변화가 큰 자계에 상당하는 바이어스자계를 인가함으로써, 바이어스자계를 인가하지 않는 경우보다 센서의 감도를 높일 수 있다.
또한, 코일을 사용하면 코일에 흐르게 하는 전류를 조정함으로써, 쉽게 바이어스자계의 크기를 제어할 수 있다. 한편, 센서가 작아 코일의 형성이 어려운 디바이스에서는 연자성 박막과 원하는 크기의 유지력을 갖는 경자성 막을 적층하고, 그 경자성 막에 의해 자계센서소자에 바이어스자계를 인가해도 된다.
또한, 본 발명의 박막자계센서에서는 막형성상태에 있어서 내부변형이나 응력이 잔존하고 있다. 따라서, 본래의 성능이 발휘되지 않거나, 노이즈가 커지는 등의 문제가 생긴다. 이 문제는 막형성후에 50℃ 이상 500℃ 이하의 온도에서 열처리함으로써, 내부변형이나 응력이 제거되고 특성이 개선된다. 그러나, 온도가 50℃ 미만에서는 내부변형이나 응력은 충분히 제거되지 않고, 한편 500℃보다 높은 경우에는 연자성 박막 또는 거대 자기저항박막의 특성이 열화되기 때문에 적당하지 않다.
특히 자계발생부는 연자성 박막 및 거대 자기저항박막을 주회하는 코일이어도 된다. 이 공심의 코일중에 흐르는 전류에 의해 만들어지는 자계는 비오ㆍ사바르의 법칙에 따르는 것일 뿐, 코일의 형상만 안정되어 있다면, 온도, 경시변화를 포함하여 항상 일정한 자계를 작용시킬 수 있다. 이 정확한 값의 자계를 바탕으로 하고, 이것을 참조하여 주변의 자계강도를 결정할 수 있다. 이 경우, 코일은 선상의 도체 또는 박막상의 도체일 수도 있다. 코일의 경우에는 흐르는 전류의 방향을 플러스 마이너스로 변경함으로써, 연자성 박막 및 거대 자기저항박막에 작용시키는 자계의 방향을 선택할 수 있다. 이를 참조하여 주변자계의 방향판정을 할 수 있다.
또한, 연자성 박막 및 거대 자기저항박막을 주회하는 코일을 형성한 본 발명의 박막자계센서의 전기단자 사이의 저항값의 계측수단으로서, 직접 저항값을 측정하지 않고, 브리지회로 중 하나인 암에 이 전기단자를 두고 브리지 출력전압을 계측함으로써, 저항값의 계측을 보다 쉬운 전압의 계측으로 치환할 수 있다.
연자성 박막 및 거대 자기저항박막을 주회하는 코일의 실현방법으로서, 연자성 박막 및 거대 자기저항박막을 주회하여 감겨진 도체박막기술을 적용한다.이와 같은 도체박막기술을 적용함으로써, 연자성 박막 및 거대 자기저항박막에 접근한 형태에서의 코일을 실현할 수 있다. 코일에, 어떤 전류를 흐르게 한 경우에 발생하는 자계강도는 코일과의 거리에 반비례하므로, 연자성 박막 및 거대 자기저항박막에 소정의 자계강도를 작용시키는 데 필요한 전류의 값은 코일이 접근함에 따라 작아도 된다. 센서로서의 소비전력은 코일에 흐르게 하는 전류가 지배요인이므로, 이 코일기술에 의해 소비전력이 적고 소형인 자계센서의 실현이 가능해진다.
연자성 박막 및 거대 자기저항박막을 주회하는 코일에 흐르게 하는 전류값으로서는 상기 연자성 박막 및 거대 자기저항박막이 포화에 이르지 않는 범위의, 절대값이 실질적으로 서로 같고, 방향이 플러스 및 마이너스 방향의 2개의 전류값을 선택한다. 이들 전류를 흐르게 하였을 때의 저항값의 차이를 바탕으로 하여 자계강도와 방향을 결정하는 것이다. 이 같은 구성을 취함으로써, 저항값의 절대값의 변동은 저항값의 차이에 의해 제외된다. 또한, 이 저항값의 차이의 부호는 외부로부터 인가된 자계의 부호에 일치하므로, 자계의 방향판정은 쉽게 실현할 수 있게 된다.
또한, 연자성 박막 및 거대 자기저항박막을 주회하는 코일에 흐르게 하는 전류를 실질적으로 연자성 박막 및 거대 자기저항박막을 포화시키는 값의 전류로 함으로써, 잔류자계의 값은 강제적으로 정해진 자화의 값으로 할 수 있으므로, 잔류변화에 기인하는 측정오차를 해소할 수 있다.
본 발명은 외부자계의 정확한 값과 방향을 결정함과 동시에, 잔류자화에 의한 오차의 해소를 행하는 구체적인 구성을 나타내고 있다. 요컨대, 상기 코일에는 먼저 연자성 박막 및 거대 자기저항박막이 실질적으로 포화되는 플러스 방향의 전류를 코일에 흐르게 한다. 이 조작에 의해, 연자성 박막 및 거대 자기저항박막중에는 이미 존재하고 있던 자화를 해소하여 강제적으로 하나의 방향으로 자화가 부여된다. 계속하여, 상기 포화의 전류값으로부터 포화에 이르지 않는 범위의 소정의 플러스 전류값까지 연속적으로 전류를 감소시키고, 그 상태에서의 단자간 저항값을 Rpp 으로 한다. 이어서, 소정의 마이너스의 전류값까지 연속적으로 전류를 변화시키고, 그 상태에서의 단자간 저항값 Rpm 을 계측한다. 이어서, 연자성 박막 및 거대 자기저항박막이 실질적으로 포화되는 마이너스 방향의 전류를 흐르게 한다. 이 조작에 의해, 연자성 박막 및 거대 자기저항 박막중에는 상기 자화를 해소하여 강제적으로 역방향의 자화가 부여된다. 계속하여 포화에 이르지 않는 범위의 소정의 마이너스 전류를 부여하고, 그 상태에서의 단자간 저항값 Rmm 을 측정한다. 또한, 소정의 플러스 전류까지 전류값을 연속적으로 변화시키고, 이 상태에서의 단자간 저항값 Rmp 를 계측한다. 이들 저항값으로부터, ((Rpm＋Rmm)/2－(Rpp＋Rmp)/2) 으로써 자계센서 주변의 자계강도 절대값 및 극성을 결정함으로써, 자화의 영향을 제외시킨 상태에서, 외부자계의 정확한 값과 방향을 결정할 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 종래의 박막자계센서의 사시도이다.
도 2는 도 1의 종래의 박막자계센서에 있어서, 전기저항 변화율과 인가자계의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1의 종래의 박막자계센서에 있어서, 거대 자기저항박막의 전기저항과 인가자계의 관계를 나타내는 그래프이고, 온도를 파라미터로 하고 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시형태의 박막자계센서의 회로도이고, 저항(11,14), 거대 자기저항박막을 연자성 박막으로 샌드위치한 소자(5), 및 거대 자기저항박막을 도체막으로 샌드위치한 소자(10)의 4개의 암으로 브리지회로를 구성한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시형태의 박막자계센서의 소자(5)의 전기저항 변화율과 인가자계의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시형태의 박막자계센서의 소자(5) 및 소자(10)의 전기저항값 온도변화율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시형태의 박막자계센서의 소자(10)의 전기저항 변화율과 인가자계의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시형태의 박막자계센서의 전기적 등가회로도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시형태의 박막자계센서의 회로도이고, 거대 자기저항박막을 연자성 박막으로 샌드위치한 소자(5 및 25), 거대 자기저항박막을 도체막으로 샌드위치한 소자(10 및 30)의 4개의 암으로 브리지회로를 구성한다.
도 10은 본 발명의 제3 실시형태의 박막자계센서의 회로도이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시형태의 박막자계센서의 회로도이다.
도 12는 본 발명의 제5 실시형태의 박막자계센서의 회로도이다.
도 13은 본 발명의 제6 실시형태의 박막자계센서의 회로도이다.
도 14는 자계발생원을 구비한 본 발명의 제7 실시형태의 박막자계센서의 사시도이다.
도 15는 제7 실시형태의 박막자계센서에 있어서의 전기저항 변화율과 외부자계의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 자계센서소자의 외부에 자계발생부를 갖는 본 발명의 박막자계센서의 사시도이다.
도 17은 제8 실시형태의 박막자계센서에 있어서의 전기저항 변화율과 외부자계의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 제9 실시형태의 코일을 구비한 박막자계센서의 사시도이다.
도 19는 제9 실시형태의 박막자계센서에 있어서의 전기저항 변화율과 외부자계의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 20은 제10 실시형태의 연자성 박막 및 거대 자기저항박막을 주회하여 감긴 코일을 구비한 박막자계센서의 사시도이다.
도 21은 제11 실시형태의 박막코일을 포함하는 본 발명의 박막자계센서소자의 사시도이다.
도 22는 제12 실시형태의 코일을 구비하고, 전기단자가 브리지회로의 암을 형성하고 있는 박막자계센서의 사시도이다.
도 23은 도 20의 구성에 있어서 코일의 전류가 영인 경우에 전기저항값이 외부자계강도에 의해 어떻게 변화하는지의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 24는 외부자계강도가 영인 경우에 코일에 전류를 흐르게 한 경우의 저항값 변화를 나타내는 그래프이다.
도 25는 외부자계강도 1 Oe 중에 있어서 전류를 흐르게 한 경우의 저항값 변화를 나타내는 그래프이다.
도 26은 제13 실시형태에 있어서, ΔR ＝ Rm－Rp 와 외부자계강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 27은 제15 실시형태에 있어서, 잔류자화의 영향을 제외시켜 순수한 외부의 자계강도의 측정을 가능케 하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
(제1 실시형태)
도 4는 본 발명의 제1 실시형태를 나타낸다. 도 1 내지 도 13에서는 거대 자기저항박막 부분을 점으로, 연자성 박막 부분을 사선으로, 도체박막 부분을 하얗게 하여 각각 나타낸다.
5는 연자성 박막(1), 거대 자기저항박막(2) 및 전기단자(3,4)를 포함한 소자를 나타내고, 공지기술인 도 1의 구성과 동일하다. 소자(5)의 작용에 대해서는 배경기술란에서 기술하였으므로, 여기서는 중복을 피해 본 발명의 구체적인 내용만 기술한다.
1은 연자성 박막으로, 15kG 이상의 높은 포화자속밀도와, 0.5 Oe 이하의 낮은 보자력을 갖는 퍼멀로이이다. 기타 재료를 포함하여 연자성 박막(1)의 대표적인 재료 및 그 특성은 표 1에 나타낸다.
재료명 보자력(Oe) 포화자속밀도(kG) 전기비저항(μΩ㎝)
퍼멀로이(Fe66Ni34) 0.4 17 82
Co77Fe6Si9B8 0.07 12 130
연자성 박막(1)의 두께는 1㎛이다. 연자성 박막(1)에는 공극길이(g)로 나타낸 공극이 형성되어 있다. 공극길이(g)는 1㎛이다. 공극에 접하는 연자성 박막(1)의 폭(W)은 100㎛이다. 그 연자성 박막(1)의 공극을 메우도록 거대 자기저항박막(2)이 형성되어 있다. 거대 자기저항박막(2)의 재질은 Co39Y14O47이다. 이 재료를 포함하여 거대 자기저항박막(2)으로서 가능한 대표적 재료 및 그 특성은 표 2에 나타낸다.
재료명 전기저항 변화율(10kOe, %) 비투자율(무명수) 전기저항비(μΩ㎝)
Co-Al-O 9 12 5 ×105
Co39Y14O47 7 11 1.4 ×105
Fe-Mg-F 8 10 9 ×108
(Fe-Co)-Mg-F 14 30 2 ×109
여기서의 연자성 박막(1)의 두께(t), 공극길이(g) 및 공극에 접하는 연자성 박막(1)의 폭(W)의 치수에 대해서는, 자기적인 조건과 전기적인 조건의 양면으로부터 요구되는 특성을 만족하도록 선택할 필요가 있지만, 본 발명의 특징은 넓은 범위에 걸쳐 목적으로 하는 특성을 얻는 데 있다. 즉, 치수의 선택범위는 매우 넓다. 자기적인 조건으로는 공극길이(g)가 너무 넓은 경우, 예컨대 연자성 박막(1)의 두께(t)의 수배 이상인 경우에는 연자성 박막(1)이 주변의 자속을 모아 공극부분에 자속을 충분히 집중시킬 수 없다. 한편, 연자성 박막(1)의 두께(t)에 대해서는 아무리 두꺼워도 본 발명의 기능을 발휘하지만, 연자성 박막(1)을 형성하는 장치가 갖는 단위시간 당 퇴적능력, 또는 연자성 박막(1)이 기판에 형성된 경우의 응력에 의해, 연자성 박막(1)이 기판으로부터 박리되는 등, 현실적인 제약조건에 의해 두께의 한계는 결정되어진다. 반대로 연자성 박막(1)의 두께가 10㎚ 이하인 경우에는 연자성 박막(1)의 자기특성이 열화되므로, 실질적으로 10㎚가 두께(t)의 하한이다. 전기적인 조건으로는 연자성 박막(1)의 폭(w)은 자계센서의 소형화 및 전기저항의 절대값으로서 주변회로가 취급하기 쉬운 값, 예컨대 수십kΩ내지 수백㏁의 범위가 되는 것을 감안하여 설정할 필요가 있다. 전기저항의 절대값은 거대 자기저항박막(2)의 전기비저항 및 공극길이(g)에 비례하고, 연자성 박막(1)의 폭(W) 및 두께(t)에 반비례하므로, 비교적 설계의 자유도가 크고, 연자성 박막의 폭(W)은 최대 수㎜에서 최소 수㎛의 넓은 범위에서 실현될 가능성이 있다.
공극을 사이에 두고 2분할된 양측의 연자성 박막(1)에는 각각 Cu에 의한 전기단자(3 및 4)가 접속되어 있다. 이 전기단자 부분의 재질은 자기적으로는 큰 영향을 갖지 않으므로, 전기적인 도통성을 중심으로 하여 결정해도 되고, 연자성 박막(1)의 재질을 공통적으로 이용할 수도 있고, 또한 실제로 외부와의 접속에 제공되는 부분의 표면에만 Cu막을 형성할 수도 있다.
도 5는 연자성 박막(1)의 길이(L)를 파라미터로 하여 소자(5)의 인가자계와 전기저항값 변화의 관계의 일례를 나타낸 것이고, 길이(L)를 크게 함으로써, 보다 작은 자계를 검출할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 인가자계와 전기저항값의 관계는 인가자계의 절대값을 취하면, 어느 크기의 자계까지는 거의 리니어한 관계로 되어 있다.
도 6은 소자(5)의 온도에 의한 저항값 변화를 나타낸 것이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 전기저항은 실온 부근에서 온도에 대해 리니어하게 변화하는 것으로 간주할 수 있다.
따라서, 인가자계 영에서, 또한 온도 25℃인 경우의 저항값을 R0으로 하고, 인가자계의 절대값을 H, 온도를 T로 하면 전기단자 3과 4 사이의 전기저항값(Ra)은 식(1)과 같이 표현할 수 있다.
Ra＝R0(1＋rMH＋rT(T－25))(1)
이 때, rM은 전기저항값의 인가자계에 의한 변화의 계수, rT는 전기저항값의 온도계수이다.
표 3은 연자성 박막의 길이(L)에 대한 rM의 값 및 식(1)이 성립하는 자계(H)의 범위를 나타내고 있다.
길이 L(㎜) rM(1/Oe) 선형성이 성립하는 자계강도범위(Oe)
0.5 －2.94 ×10－2 2.2
1.0 －5.26 ×10－2 1.2
4.0 －1.94 ×10－1 0.4
6은 연자성 박막(1)과 실질적으로 동일한 두께를 갖는 도체막이다. 도체막의 재료는 Cu이다. Cu는 약한 반자성을 나타내지만 자기적으로는 거의 투명한 것으로 간주된다. 도체막(6)에는 연자성 박막(1)의 공극길이(g)와 실질적으로 동등한 공극길이(g')가 형성되어 있다. 공극에 접하는 도체막(6)의 폭(W')은 연자성 박막의 폭(W)과 실질적으로 동일하다. 소자(10)의 길이는 임의적이다. 그 도체막(6)의 공극을 메우도록 거대 자기저항박막(7)이 형성되어 있다. 거대 자기저항박막(7)의 재질은 거대 자기저항박막(2)과 동일하다. 공극을 사이에 두고 2분할된 양측의 도체막(6)에는 각각 전기단자(7), 및 전기단자(8,9)가 접합되어 있다. 10은 이들 전기단자를 포함한 소자를 나타내고 있다. 전기단자(8,9) 사이의 전기저항을 Rb 로 나타낸다.
소자(10)에 대해서는 도체막(6)이 자기적인 작용을 갖지 않으므로, 거대 자기저항박막(7)에 인가되는 자속밀도는 인가자계가 직접적으로 거대 자기저항박막(7) 중에 유도하는 자속밀도이다.
도 7은 소자(10)에 인가하는 자계에 의한 전기저항값 변화를 나타내는 것으로, Rb 의 변화는 실질적으로 영으로 간주된다. 한편, 온도에 대한 전기저항값은 도 6과 같이 변화한다. 따라서, 식(1)에 대응하여 소자(10)의 저항값(Rb)은 식(2)로 표현된다.
Rb＝R0(1＋rT(T－25))(2)
11은 저항값(Rc)을 갖는 제1 저항기이고, 제1 저항기(11)에는 전기단자(12 및 13)가 접속되어 있다. 14는 저항값(Rd)을 갖는 제2 저항기이다. 제2 저항기(14)에는 전기단자(15 및 16)가 접속되어 있다. 제1 저항기와 제2 저항기에 대해서는 그들 사이에서 저항값 및 그 온도계수는 정밀하게 일치한 것을 이용한다. 식(1), 식(2)와 동일하게 하여 저항의 온도계수를 rT'라 하면 식 (3) 및 식(4)를 얻는다.
Rc＝R0(1＋rT'(T－25))(3)
Rd＝R0(1＋rT'(T－25))(4)
단자(4,8 및 20) 사이, 단자(3,12 및 17) 사이, 단자(9,16 및 18) 사이, 단자(13,15 및 19) 사이는 전기적으로 상호접속되어 있다. 도 8은 도 4의 구성을 전기적 등가회로로서 나타낸 것이며, 전체적으로 하나의 브리지회로를 형성하고 있다. 소자(5 및 10)는 브리지회로의 2개의 암을 형성하고 있다. 단자(17과 18) 사이에는 구동전압이 인가되고 단자(19,20) 사이에는 브리지의 출력전압이 나타난다.
도 8의 회로에서, 단자(17,18) 사이에 전압 V0을 인가하였을 경우에 단자(19,20) 사이에 나타나는 전압 V2는 하기 식(5)로 표현된다.
V2＝(RaRd－RbRc)V0/((Ra＋Rb)ㆍ(Rc＋Rd))(5)
식 (5)의 Ra, Rb, Rc, Rd에 각각 식 (1), 식 (2), 식 (3), 식 (4)를 대입하고, 2차의 미소량을 생략하면 V2의 온도에 관한 항은 모두 상쇄되고, 식(6)을 얻는다.
V2＝rTHV0/4(6)
이 때, V0, rT는 미리 결정할 수 있는 정수이고, V2의 측정값을 얻으면, 목적으로 하는 자계(H)는 식 (7)과 같이 결정할 수 있다.
H＝4V2/(V0rT)(7)
브리지 출력 V2로서, V0에 대해 어느 정도의 레벨까지 안정적으로 검출 가능한지는 브리지회로 출력전압의 증폭기의 안정성 등으로 결정되지만, 일반적으로 V2/V0＝1 ×10－5는 쉽게 실현 가능하다. 따라서, 식 (7)에 V2/V0＝1 ×10－5및 거대 자기저항박막(2)의 rT의 값을 대입하면 본 발명에 의해 가능한 자계의 분해능을 얻는다. 결과는 표 4와 같다.
길이 L(㎜) 자계검출정밀도(mOe)
도 4 구성 도 9 구성
0.5 1.4 0.7
1.0 0.8 0.4
4.0 0.2 0.1
표 4의 분해능은 종래기술의 FluxGaTe 센서의 분해능에 필적한다. 이 FluxGaTe 센서는 자성재료의 포화특성을 이용하는 것으로, 센서구조로서도 매우 복잡하고 또한 대형의 것이다. 본 발명의 구성은 이들 자계센서에 비해 매우 간단하고, 또한 소형 경량이다.
(제2 실시형태)
도 9는 본 발명의 제2 실시형태를 나타낸다. 도면 중, 소자(25)는 도 4에 나타낸 소자(5)와 동일하고, 소자(30)는 도 4에 나타낸 소자(10)와 동일하다. 전체의 회로로서는 소자(25)가 제1 저항기(11)를, 소자(30)가 제2 저항기(14)를, 각각 치환한 형태로 되어 있다. 도 9를 등가회로로서 나타내면, 전체적으로 도8에 나타낸 회로와 동일해지지만, 도 9의 경우에는 Rd＝Ra, Rc＝Rb가 성립되어 있다. 따라서, 식 (5)에 식 (1), 식 (2)를 대입하면 식 (8)이 얻어진다.
V2＝rTHV0/2(8)
이 때, 식 (8)의 값은 식 (6)의 2배로 되어 있다. 따라서, 도 9의 구성에 따르면 도 4의 구성에 비해 보다 정확한 자계의 크기의 추정이 가능하고, 검출 가능한 자계의 분해능을 1/2까지 더욱 향상시킬 수 있다.
(제3 실시형태)
도 10은 본 발명의 제3 실시형태를 나타낸다. 도 10에서는 소자(5) 및 소자(25)를 병행하여 배치하고, 그들 사이에 소자(10) 및 소자(30)를 배치함으로써, 전체적으로 점유면적의 유효이용을 도모하고 있다. 또한, 단자(4)와 단자(8), 단자(24)와 단자(28), 단자(3)와 단자(29), 단자(23)와 단자(9)는 각각 공통으로 되어 있고, 이들 단자 사이의 접속을 생략하여 구조의 간단화를 도모하고 있다. 외부회로로의 접속단자(17,18,19,20)에 대해서는 단자(3)와 단자(9), 단자(23)와 단자(29), 단자(4)와 단자(8), 단자(24)와 단자(28)에 직접적으로 접속되어 있지는 않지만, 소자(5) 및 소자(25)를 통해 전기적으로 접속되어 있고, 도 8과 동일한 기능을 갖고 있다. 도 10의 경우에는 거대 자기저항박막이 놓여져 있는 각도에 대해서는 소자(5)가 소자(10)와 직교하고, 소자(25)가 소자(30)과 직교하고 있다. 소자(10) 및 소자(30)에 대해서는 도 7에 나타낸 바와 같이, 자계에 대한 감도는 거의 영이지만, 도 10과 같이 배치함으로써, 소자(5) 및 소자(25)의 길이방향으로 가해진 자계에 대해 더욱 엄밀하게 소자(10) 및 소자(30)의 전기저항 변화를 영으로 할 수 있다.
(제 4 실시형태)
도 11은 본 발명의 제4 실시형태를 나타낸다. 이 제4 실시형태에서는 도 4에 나타낸 제1 실시형태의 도체막(6)으로서 연자성 막(1)과 공통의 재료를 사용하고 있다. 제1 실시형태에서는 소자(5) 및 소자(10)의 전기저항 변화 중에서, 자계에 의한 변화 이외의 것을 될 수 있는 한 동등하게 하고, 브리지회로에 있어서 상쇄시킬 필요가 있다. 이를 위해서는 먼저 거대 자기저항박막 자체의 재질, 구조를 공통화하는 것인데, 거대 자기저항박막 자체가 동일하더라도, 그것에 접촉하는 재료에 따라서는 전기저항값의 미세한 차이가 생길 우려가 있다. 그 원인이 되는 것은 접촉전위차, 또는 열기전력 등이다. 제4 실시형태에서는 거대 자기저항박막에 접촉하는 재료를 소자(5)와 소자(35)에서 공통의 연자성 박막으로 함으로써, 이 문제를 회피하고 있다. 그러나, 소자(35)의 연자성 박막(31)의 치수를 크게 하면 필연적으로 거대 자기저항박막(32)에 가해지는 자속밀도도 커져 소자(5)와 소자(35)의 저항값의 차이로서의 자계센서의 감도를 저하시킨다. 제4 실시형태에서는 소자(35)의 연자성 박막(31)의 면적을 소자(5)의 연자성 박막(1)의 1/10 이하로 함으로써, 이 문제를 회피하고 있다. 이 구성에 따르면 소자(35)의 도체 부분이 비자성체인 경우의 브리지 출력전압에 대해, 적어도 90%의 출력전압을 확보할 수 있고, 고정밀도의 박막자계센서의 실현이 가능해진다.
(제 5 실시형태)
도 12는 본 발명의 제5 실시형태를 나타낸다. 제1 실시형태에 있어서, 소자(5)에 대해서는 연자성 박막의 길이(L)를 크게 함으로써, 자계감도를 높이고 있다. 연자성 박막(1)의 기능은 주변의 자속을 모아 거대 자기저항박막 부분에 집중시키는 것인데, 이 기능은 연자성 박막의 면적에 거의 비례한다. 따라서, 도 4에 나타낸 구성의 경우에는, 작은 자계에서의 감도를 갖게 하기 위해서는 L을 크게 해야만 할 필요가 있어 자계센서의 전체 치수가 커지는 것은 피할 수 없다. 따라서, 도 12에 나타내는 바와 같이, 연자성 박막의 폭을 변화시키고, 연자성 박막이 거대 자기저항박막과 접하는 폭(W)에 비해 큰 폭(WX)을 갖는 부분을 형성함으로써, 연자성 박막의 점유면적의 유효이용을 도모하여 전체적으로 소형이면서 자계감도가 높은 자계센서를 실현할 수 있다.
(제6 실시형태)
도 13은 본 발명의 제6 실시형태를 나타낸다. 연자성 박막에서는 외부자계가 인가되어도 외부자계를 제거한 후에는 자화가 잔류하기 어렵지만, 보자력(Hc)의 범위에서는 자화가 잔류할 가능성이 있다. 이 잔류자화는 검출하는 자계의 직접오차가 되는 것이기 때문에, 가급적 잔류자화가 없는 재료가 바람직하다. 표 1에 나타낸 바와 같이, Co77Fe6Si9B8은 퍼멀로이에 비해 1/6 정도 낮은 Hc를 갖는다. 이 낮은 Hc의 값은 자화곤란축방향에서도 갖고 있고 자화용이축방향에서도 갖고 있지만, 특히 자화곤란축방향의 경우에는 현저하다. 일반적으로 일축이방성을 갖는 자성재료의 곤란축방향의 자화과정은 자화회전에 따르기 때문에, 히스테리시스는 거의 발생하지 않고, Hc는 거의 영이 된다. 따라서, 곤란축방향에서의 잔류자화는 매우 작다. 제6 실시형태에서는 일축이방성을 갖는 재료의 곤란축방향을 자계검출방향으로 하기 위해, 외부로부터 인가된 자계가 제거된 후에도 연자성 박막중의 잔류자화는 작고, 따라서 정확한 자계의 계측이 가능해진다.
이상 설명한 제1 내지 제6 실시형태에 따르면 다음과 같은 효과가 얻어진다.
거대 자기저항효과박막의 전기저항값의 온도변화 등의, 자계인가에 의한 전기저항값 변화 이외에는 모두 브리지회로에서 상쇄되어 브리지 출력에는 포함되지 않기 때문에, 종래기술의 문제였던 거대 자기저항박막의 온도 등에 따른 전기저항값이 제외되어 순수하게 자계의 인가에 의한 변화분이 검출 가능하다.
브리지회로가 갖는 미소한 전기저항값 변화의 검출기능을 이용할 수 있으므로, 매우 작은 변화에 대응하는 높은 분해능에서의 자계검출이 가능하다.
2개의 거대 자기저항박막의 양측에 배치된 재료의 차이로 인해 생기는 미소한 저항값의 차이를 회피하기 위해, 2개의 거대 자기저항박막의 양측에 배치하는 재료를 동일하게 함으로써, 자계 이외의 요인에 의한 전기저항값은 더욱 엄밀하게 상쇄된다.
거대 자기저항박막의 양측에 배치하는 연자성 박막의 길이를 저감하고, 그 대신에 폭을 넓게 함으로써, 자계센서의 감도를 저하시키지 않고 자계센서로서의 소형화가 가능하다.
거대 자기저항박막의 양측에 배치하는 연자성 박막으로서, 일축이방성을 갖고 잔류자화가 작은 재료를 사용함으로써, 검출해야 할 자계를 제거한 후의 잔류자화에 기인하는 자계검출정밀도의 저하를 방지할 수 있다.
(제7 실시형태)
도 14는 자계발생부를 구비한 본 발명의 박막자계센서의 사시도이다. 도 14 내지 도 19에서는 연자성 박막을 사선으로, 거대 자기저항박막을 점으로, 경자성 막 또는 반강자성 막을 하얗게 하여 각각 나타낸다.
그리고, 보자력이 큰 경자성 막은 보자력이 작은 연자성 막과는 다른 자기특성을 갖는 자성 박막이다. 본 실시형태에서는 연자성 박막, 거대 자기저항박막 및 경자성 박막(또는 반강자성 박막)은 스퍼터링법을 이용하여 Ar 가스 대기상태 중에서 제작하고, 제작후 200℃에서 2시간 열처리하였다.
연자성 박막의 두께(t1)는 1㎛이다. 연자성 박막에는 공극길이(g)로 나타낸 공극이 형성되어 있다. 공극길이(g)는 1㎛이다. 공극에 접하는 연자성 박막의 폭(W)은 100㎛이다. 여기서는 연자성 박막은 15kG 이상의 높은 포화자속밀도와, 0.5 Oe 이하의 작은 보자력을 갖는 퍼멀로이를 사용하였다. 기타 재료를 포함하여 연자성 박막의 대표적인 재료 및 그 특성은 표 5에 나타내는 바와 같다. 연자성 박막으로는 보자력이 5 Oe 이하이고, 포화자속밀도가 3kG 이상인 것이 바람직하다.
재료명 보자력(Oe) 포화자속밀도(kG)
퍼멀로이(Fe66Ni34) 0.4 17
어모퍼스 합금(Co77Fe6Si9B8) 0.07 12
센더스트(Fe74Si9Al17) 0.02 10
하드팜(Fe12Ni82Nb6) 0.03 8
나노그래뉼러 합금(Co70Al10O20) 0.1 10
파인메트(Fe76Si13B8Nb2Cu1) 0.1 14
나노맥스(Fe83Hf6C11) 0.1 17
거대 자기저항박막은 Co39Y14O47합금 박막이고, 연자성 박막의 공극을 메우도록 형성되어 있다. 거대 자기저항박막으로는 자계에 의한 전기저항 변화율이 큰 재료가 바람직하다. 이 재료를 포함하여 거대 자기저항박막으로서 가능한 재료 및 그 대표특성은 표 2에 나타낸 바와 같다.
연자성 박막(1)의 하층에는 경자성 박막(99)이 형성되어 있다. 경자성 박막(99)은 보자력이 큰 Fe50Pt50합금 박막이고, 그 두께(t2)는 0.1㎛이다. 이 경자성 박막(99)은 보자력이 작은 연자성 박막(1)과 자기적으로 결합하고, 연자성 박막(1)에 바이어스자계를 인가하는 작용을 갖는다. 경자성 박막(99)은 임의의 일축이방성 자계와 큰 보자력을 갖고, 그 두께 및 자기특성을 변경함으로써, 임의의 크기의 바이어스자계를 연자성 박막(1)에 인가할 수 있다. 본 실시형태에서는 경자성 박막(99)은 연자성 박막(1)의 하층에 배치하였으나, 연자성 박막(1)의 상층, 또는 연자성 박막(1)의 상하층의 중간에 배치되도록 해도 된다. 또한, 연자성 박막(1) 및 경자성 박막(99)을 복수 번갈아 적층해도 된다.
여기서의 경자성 박막(99)은 반강자성 박막 또는 벌크의 반강자성체 부재로 치환해도 된다. Fe-Pt 합금 박막을 포함하여 경자성 박막(99)으로서 가능한 대표적 재료를 표 6에 나타낸다.
전기저항 변화는 예시적으로 나타낸 전기단자(50,51)로 검출한다.
재료명 보자력(kOe) 최대에너지 적(MGOe)
Fe50Pt50 1.6 20.0
Co50Pt50 2.6 10.0
알니코(Al12Ni22Co5Fe61) 0.6 5.0
Ba-페라이트 1.9 1.0
Sr-페라이트 2.8 3.0
SmCo5 9.0 20.0
Nd15Fe77B8 12.4 35.0
Ni25Mn75(반강자성체) - -
도 15는 제7 실시형태의 박막자계센서에 있어서의 전기저항 변화율과 외부자계의 관계를 나타내는 그래프이다. 여기에 나타내는 예에서는 약 －3.5kOe의 바이어스자계를 인가하고 있다. 전기저항은 외부자계의 플러스 마이너스의 변화에 대해 비대칭으로 변화하고, 외부자계의 플러스 마이너스 방향의 판정이 가능하다.
(제8 실시형태)
도 16은 자계센서소자의 외부에 자계발생부를 갖는 본 발명의 박막자계센서의 사시도이다. 도 16에 있어서의 경자성 박막(99)은 바이어스자계를 인가하기 위한 보자력이 큰 경자성 박막이다. 연자성 박막(1), 거대 자기저항박막(2) 및 경자성 박막(99)의 제작법은 제7 실시형태와 동일하다. 또한, 연자성 박막(1) 및 거대 자기저항박막(2)의 재질, 공극길이(g), 폭(W) 및 연자성 박막(1)의 두께(t1) 등도 제7 실시형태와 동일하다. 경자성 박막(99)은 두께 1㎛의Fe50Pt50합금 박막이고, 보자력이 작은 연자성 박막(1)에 바이어스자계를 인가하는 작용을 갖는다. 경자성 박막(99)은 임의의 일축이방성자계와 보자력을 갖고, 그 두께와 자기특성을 변경함으로써, 임의의 바이어스자계를 연자성 박막(1)에 인가할 수 있다. 경자성 박막(99)으로서 가능한 재료는 표 6에 나타낸 경자성 박막 또는 반강자성 박막을 들 수 있다.
전기저항 변화는 예시적으로 나타낸 전기단자(50,51)에 의해 검출한다.
도 17은 제8 실시형태의 박막자계센서에 있어서의 전기저항 변화율과 외부자계의 관계를 나타내는 그래프이다. 여기에 나타내는 예에서는 약 －3.5Oe의 바이어스자계를 인가하고 있다. 전기저항은 외부자계의 플러스 마이너스의 변화에 대해 비대칭으로 변화하고, 외부자계의 플러스 마이너스 방향의 판정이 가능하다.
본 실시형태에서는 연자성 박막 및 거대 자기저항박막을 사이에 배치하도록 한쌍의 경자성체 박막 또는 벌크의 경자성체 부재를 공극과 평행하게 배치하고 있는데, 공극과 직각을 이루는 방향에 배치해도 된다. 또한 경자성 박막 또는 벌크의 경자성체 부재의 한쌍의 일방 또는 양방이 연자성 박막에 접해 있어도 되고, 떨어져 있어도 된다. 이 같이, 경자성 박막 또는 벌크의 경자성체 부재의 배치나 형상을 변경함으로써, 바이어스자계의 크기를 임의로 제어할 수 있다.
(제9 실시형태)
도 18은 코일을 구비한 본 발명의 박막자계센서의 사시도이다. 도 18에서의 연자성 박막 및 거대 자기저항박막의 제작법은 제7 실시형태와 동일하다. 또한, 연자성 박막 및 거대 자기저항박막의 재질, 공극길이(g), 폭(W) 및 연자성 박막의 두께(t1) 등도 제7 실시형태와 동일하다. 도전체는 직경 20㎛ 및 권선수 20회로 코일을 형성하고, 그 코일의 도전체에 임의의 전류를 흐르게 함으로써, 연자성 박막 및 거대 자기저항박막으로 이루어지는 자계센서소자에 바이어스자계를 인가한다. 또한 권선수의 많고 적음을 필요에 따라 조정하고, 바이어스자계를 조정한다.
전기저항 변화는 예시적으로 나타낸 전기단자(50,51)에 의해 검출한다.
도 19는 제9 실시형태의 박막자계센서에 있어서의 전기저항 변화율과 외부자계의 관계를 나타내는 그래프이다. 여기에 나타내는 예에서는 약 ＋3.5 Oe의 바이어스자계를 인가하고 있다. 전기저항은 외부자계의 플러스 마이너스의 변화에 대해 비대칭으로 변화하고, 외부자계의 플러스 마이너스 방향의 판정이 가능하다.
본 실시형태에서는 도전체는 코일을 형성하고 있지만, 자계센서소자에 밀착하여 또는 그 근방에 직선상 또는 곡선상의 도전체를 배치함으로써, 당해 자계센서소자에 바이어스자계를 인가할 수도 있다. 또한, 도전체는 선재에 한정되지 않고, 스퍼터링법 또는 진공증착법 등에 의해 형성된 도전체 박막일 수도 있다.
이상 설명한 제7 내지 제9 실시형태에 따르면 다음과 같은 효과가 얻어진다.
소정의 바이어스자계를 자계센서소자에 인가함으로써, 자계의 크기 및 극성을 동시에 검출할 수 있다. 본 발명의 박막자계센서는 자계의 방향을 특정할 필요가 있는 방위센서나 각도센서에 사용할 수 있고, 또한 그들 센서의 고성능화도 가능하다.
(제10 실시형태)
도 20은 제9 실시형태의 연자성 박막 및 거대 자기저항박막을 주회하여 감겨진 코일을 구비한 박막자계센서의 사시도이다.
1은 예컨대 Co77Fe6Si9B8의 조성을 갖는 연자성 박막이다. 이 재료가 갖는 특징은 포화자속밀도가 12kG로 매우 크고, 한편 보자력은 0.07 Oe로 매우 작은 점이다. 이들 연자성 박막 사이에는 가는 슬릿이 형성되어 있고, 그 슬릿을 메우도록, 예컨대 Co39Y14O47의 성분을 갖는 거대 자기저항박막(2)이 형성되어 있다. 연자성 박막(1)과 거대 자기저항박막(2)으로 구성하는 부분을 센서기본소자(5)라고 부른다. 연자성 박막(1)의 비저항의 값은 거대 자기저항박막(2)의 비저항보다 100분의 1 이하의 낮은 값이기 때문에, 연자성 박막(1)에 부착된 단자(55,55') 사이에서 측정한 전기저항의 값은 실질적으로 거대 자기저항박막(2)의 저항값과 동등하다. 60은 이 저항값의 측정부이고, 정전류를 흐르게 한 경우의 단자 사이의 발생전압을 계측함으로써 측정된다.
센서기본소자(5)를 주회하여 코일(70)이 형성되어 있다. 코일(70)의 양단은 단자(80,80')에 접속되어 있다. 90은 소정의 전류를 흐르게 하기 위한 전류발생부(정전류원)이다.
(제11 실시형태)
도 21은 제11 실시형태의 박막코일을 포함하는 본 발명의 박막자계센서의 사시도이다. 거대 자기저항박막(2)을 사이에 두고 2개의 연자성 박막(1)에 의해 센서기본소자(5)를 형성하고 있다. 센서기본소자(5)를 주회하여 예컨대 구리의 도체박막(50)이 형성되어 있다. 이들은 일련의 박막프로세스에 의해 형성된다. 예컨대 기판(100) 위에, 먼저 센서기본소자(5)의 하측부분의 도체박막(70)이 적절히 포토레지스트 및 스퍼터링을 이용하여 침목형상으로 형성된다. 침목 사이를 메우도록, 또한 침목 위를 덮도록 절연막, 예컨대 SiO2가 스퍼터링에 의해 형성된다. SiO2가 형성된 채로는 Si02의 상부의 면은 침목 패턴 그대로의 오목볼록이 남으므로, SiO2의 면은 러빙에 의해 평탄화된다. 그 위에서 연자성 박막(1) 및 거대 자기저항박막(2)이 포토레지스트 및 스퍼터링에 의해 형성된다. 도체박막(70)의 단부는 기둥형상으로 도체막이 스퍼터링에 의해 쌓아올려진다. 그 위에서 다시 절연체막이 스퍼터링 형성된다. 또한 그 위에 도체박막(70)의 윗부분이 스퍼터링 형성된다.
(제12 실시형태)
도 22는 제12 실시형태의 박막자계센서소자의 사시도이다. 이 경우에는 2개의 센서기본소자(3)가 사용되고 있다. 이들 센서기본소자(5)의 단자 사이에 도체막(111)을 통해 거대 자기저항박막(120)이 형성되어 있다. 각 연자성 박막에는 단자(130,140,150,160)가 접속되어 있다. 이들 단자 중에서단자(130,150) 사이에는 입력단자로서 일정전압이 인가되고, 단자(140,160) 사이는 출력단자로서 전압을 계측하도록 되어 있다. 요컨대, 전기적으로는 센서기본소자(5)와, 거대 자기저항박막(120)을 도체막(110) 사이에 배치한 소자를 암으로 하는 브리지회로가 형성되어 있다. 거대 자기저항박막(120)은 자기적으로는 연자성 박막(1)과 분리되어 있고, 센서기본소자 사이의 저항값 변화는 그대로 출력단자(140,160) 사이의 전압변화로서 나타난다. 이들 센서기본소자를 주회하여 코일(70) 및 단자(80,80')가 형성되어 있다.
(제13 실시형태)
도 23은 도 20의 구성에 있어서 코일의 전류가 영인 경우에, 전기저항값이 외부자계강도에 의해 어떻게 변화되는지의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 23의 예에서는 자계강도가 영일 때의 저항값은 약 250㏀, 자계강도가 증가함에 따라 저항값은 점차 감소하고, 5 Oe인 경우에는 약 240㏀이 된다.
한편, 도 24는 외부자계강도가 영인 경우에 코일에 전류를 흐르게 하였을 경우의 저항값 변화를 나타내는 그래프이다. 도 23과 도 24는 횡축을 1 Oe＝5㎃로 치환하면 거의 완전히 일치한다. 요컨대, 외부로부터의 자계변화와 코일에 흐르게 하는 전류가 만드는 자계는 거의 등가가 된다.
여기서, 도 25는 외부자계강도(1 Oe)중에 있어서 전류를 흐르게 한 경우의 저저항값 변화를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에 따르면 전류가 －5㎃일 때에 발생하는 자계강도는 －1 0e가 되고, 이 경우에는 외부로부터의 자계를 마침 알맞게 캔슬하고 있음을 나타내고 있다. 따라서, 도 25에 나타내는 바와 같이,－5㎃의 바이어스를 갖는 형태로 된다고 할 수 있다. 여기서, 만일 플러스 및 마이너스 방향의 전류 (Im;이 경우에는 8㎃) 를 흐르게 한 경우에는 저항값은 각각 Rp, 및 Rm이 된다. 이 Rm과 Rp의 차이를 취하면 그 양은 외부로부터 인가된 자계강도가 어느 한계내인 경우에는 자계강도와 비례관계에 있다.
예컨대, 도 26은 ΔR＝Rm－Rp와 외부자계강도의 관계를 나타내는 그래프이고, ±2 Oe까지는 리니어한 관계로 되어 있다. 여기서 특별히 언급할 점은 H가 ±2 Oe인 경우에는 H가 플러스, 마이너스에 대응하여 Rm－Rp도 플러스, 마이너스가 되고, 부호도 포함하여 리니어한 관계로 되어 있는 점이다. 요컨대 본 발명이 목표로 하는 자계강도의 절대값 및 자계방향의 검출이 가능하게 되어 있다.
여기서, 자계강도를 검출할 때에 흐르게 하는 전류값의 선택에 대해서는 도 24에서, 전류값과 저항값이 리니어하게 변화하고 있는 부분의 대략 중앙을 노리면 자계강도의 측정범위의 리니어한 부분을 최대화할 수 있다.
(제14 실시형태)
본 실시형태는 연자성 박막에 어떠한 원인으로 잔류자화가 남아버린 경우의 대처방법에 관한 것이다. 코일에 실질적으로 연자성 박막을 포화시키는 전류를 흐르게 함으로써, 의도적으로 연자성 재료를 어느 방향으로 자화시킴으로써 하나의 안정상태로 할 수 있다. 만일, 얼마간의 자화가 남아 있어도 코일에 강제적으로 어느 자화방향으로 실질적으로 포화시키는 전류를 흐르게 함으로써, 하나의 안정상태가 된다. 또한, 실질적으로 포화시키는 전류를 역으로 흐르게 하면 역방향으로 자화된 또 하나의 안정상태가 된다. 요컨대, 포화시키는 전류를 흐르게하는 것은 과거의 이력을 모두 잊게 하는 효과가 있다.
(제15 실시형태)
도 27은 잔류자화의 영향을 제외하여 순수한 외부의 자계강도의 측정을 가능케 하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 먼저, 연자성 박막을 실질적으로 포화시키는 전류값(Is)을 흐르게 한다. Is를 흐르게 한 후에는 그대로 포화에 이르지 않는 전류값 ＋Im까지 연속적으로 전류를 감소시킨다. 이는 도 10에서, Is에서 Im을 향하는 화살표시를 따라 이동하는 것을 의미한다. 여기서, 저항값(Rpp)의 측정을 행한다. 계속하여 전류값을 ＋Im에서 －Im까지 연속적으로 변화시킨다. 거기서의 저항값을 Rpm으로 한다. 이어서, 실질적으로 포화시키는 전류값(Is)을 역방향으로 흐르게 한다. －Is로부터 이번에는 서서히 영을 향해 전류값을 감소시키고, －Im의 전류값에서의 저항값을 Rmm으로 한다. 또한, －Im에서 ＋Im으로 연속적으로 전류를 변화시켜 Rmp를 측정한다. 이 조작에서는 이른바 BH 커브의 히스테리시스 곡선의 정확히 경계선상을 이동하는 것에 상당하므로, 연자성 재료가 그 이전에 보유하고 있던 잔류자화의 영향은 모두 캔슬된다. 이 같이 하여 얻어진 저항값에 대해, (Rpm＋Rmm)/2와, (Rpp＋Rmp)/2의 차이를 취함으로써, 잔류자화의 영향을 제외시켜 순수한 외부의 자계강도의 측정이 가능해진다.
이상 설명한 제10 내지 제15 실시형태에 따르면, 잔류값에 기인하는 측정오차를 해소하면서 자계의 크기 및 방향을 정확히 측정할 수 있다.
산업상이용가능성
이상 설명한 본 발명에 따르면 자계에 의한 전기저항값 변화만 브리지회로로부터 출력되므로, 자계의 크기를 고정밀도로 측정할 수 있다.
또한, 자계센서부에 바이어스자계를 인가하므로, 자계의 크기를 측정함과 동시에 자계의 방향도 판별할 수 있다. 특히, 연자성 박막 및 거대 자기저항박막을 주회하는 코일을 구비하고, 전기단자가 브리지회로의 일부를 형성하는 본 발명의 박막자계센서에 따르면 연자성 박막 및 거대 자기저항박막의 잔류자화에 기인하는 측정오차를 배제하여 자계의 크기 및 방향을 고정밀도로 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 박막자계센서는 구조가 간단하고 소형화가 용이하므로, 고정밀도ㆍ고분해능의 자계센서, 자계의 방향도 특정할 필요가 있는 방위센서나 각도센서로 사용할 수 있다.

Claims (19)

  1. 소정의 공극길이를 갖는 공극에 의해 2분할되어 소정의 막두께 및 소정의 폭으로 상기 공극에 접하는 연자성 박막과, 그 연자성 박막의 공극을 메우도록 형성된 거대 자기저항박막과, 2분할된 연자성 박막의 각각에 전기적으로 접속된 제1 및 제2 단자를 구비한 제1 소자와,
    상기 공극길이와 실질적으로 동등한 공극길이를 갖는 공극에 의해 2분할되어 상기 막두께와 실질적으로 동등한 막두께 및 상기 폭과 실질적으로 동등한 폭으로 그 공극에 접하는 도체막과, 그 도체막의 공극을 메우도록 형성된 거대 자기저항박막과, 2분할된 도체막의 각각에 전기적으로 접속된 제1 및 제2 단자로 이루어지는제2 소자를 갖고,
    상기 제1 소자의 제1 단자를 제1 저항의 일단에 접속하고,
    상기 제1 저항의 타단을 제2 저항의 일단에 접속하고,
    상기 제2 저항의 타단을 상기 제2 소자의 제1 단자에 접속하고,
    상기 제2 소자의 제2 단자를 상기 제1 소자의 제2 단자에 접속하여 브리지회로를 형성하고,
    상기 제1 소자의 제1 단자와 상기 제2 소자의 제1 단자 사이에 소정의 전압을 인가하고, 상기 제1 소자의 제2 단자와 상기 제1 저항의 상기 타단 사이의 전압에 기초하여 자계를 검출하는 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 저항은, 상기 공극길이와 실질적으로 동등한 공극길이를 갖는 공극에 의해 2분할되어 상기 막두께와 실질적으로 동등한 막두께 및 상기 폭과 실질적으로 동등한 폭으로 그 공극에 접하는 도체막과, 그 도체막의 공극을 메우도록 형성된 거대 자기저항박막과, 2분할된 도체막의 각각에 전기적으로 접속된 제1 및 제2 단자로 이루어지는 제3 소자이고,
    상기 제2 저항은 상기 공극길이와 실질적으로 동등한 공극길이를 갖는 공극에 의해 2분할되어 상기 막두께와 실질적으로 동등한 막두께 및 상기 폭과 실질적으로 동등한 폭으로 그 공극에 접하는 연자성 박막과, 그 연자성 박막의 공극을 메우도록 형성된 거대 자기저항박막과, 2분할된 도체막의 각각에 전기적으로 접속된제1 및 제2 단자로 이루어지는 제4 소자이고,
    상기 제1 소자의 제1 단자를 상기 제3 소자의 제1 단자에 접속하고,
    상기 제3 소자의 제2 단자를 상기 제4 소자의 제1 단자에 접속하고,
    상기 제4 소자의 제2 단자를 상기 제2 소자의 제1 단자에 접속하고,
    상기 제2 소자의 제2 단자를 상기 제1 소자의 제2 단자에 접속하여 브리지회로를 형성하고,
    상기 제1 소자의 제1 단자와 상기 제2 소자의 제1 단자 사이에 소정의 전압을 인가하고, 상기 제1 소자의 제2 단자와 상기 제3 소자의 제2 단자 사이의 전압에 기초하여 자계를 검출하는 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도체막의 재료는 상기 연자성 막의 재료와 동일하고, 상기 도체막의 평면 위의 면적은, 연자성 박막의 평면 위의 면적에 비해 1/10 이하인 박막자계센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공극에 접하는 선과 평행한 선을 따라 측정한 상기 연자성 박막의 폭치수의 적어도 일부는 상기 연자성 박막이 공극에 접하는 선의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연자성 박막의 자기특성은 일축이방성으로서, 그 자화용이축방향은, 실질적으로, 상기 공극에 접하는 선과 평행한 방향인 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  6. 소정의 공극길이를 갖는 공극에 의해 2분할되고, 또한 당해 공극의 양측에 접한 소정의 두께 및 폭을 갖는 연자성 박막과, 당해 공극을 메우도록 형성된 거대 자기저항박막과, 2분할된 이 연자성 박막의 각각에 전기적으로 접속된 전기단자로이루어지는 자계센서소자와,
    상기 자계센서소자에 바이어스자계를 인가하는 자계발생부를 구비한 박막자계센서로서,
    상기 자계센서소자는, 상기 바이어스자계에 의해, 외부자계의 크기 및 극성을 동시에 상기 전기단자로부터 검출하는 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 자계발생부는, 연자성 막과 경자성 막으로 이루어지는 다층막에 있어서의 당해 경자성 막인 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 자계발생부는, 연자성 막과 반강자성 막으로 이루어지는 다층막에 있어서의 당해 반강자성 막인 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 자계발생부는, 자계센서소자의 외부에 배치한 경자성체 부재 또는 반강자성체 부재인 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 자계발생부는, 자계센서소자의 외부에 배치한 경자성 막 또는 반강자성 막인 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 자계발생부는, 자계센서소자에 밀착되게 또는 근방에 배치한 도전체 부재, 또는 자계센서소자에 밀착되게 또는 근방에 배치한 도전체 부재로 이루어지는 코일인 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 자계발생부는, 자계센서소자에 밀착되게 또는 근방에 배치한 도전 박막, 또는 자계센서소자에 밀착되게 또는 근방에 배치한 도전 박막으로 이루어지는 코일인 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 자계발생부는, 상기 자계센서소자의 상기 연자성 박막 및 거대 자기저항박막을 주회하여 감긴 도체 박막으로 이루어지는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  14. 제 6 항에 있어서,
    50℃ 이상 500℃ 이하의 온도에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 전기단자가 브리지회로의 하나의 암을 형성하여 이루어지고, 상기 전기단자 사이의 저항값의 계측이 브리지 출력전압의 계측에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 코일이, 연자성 박막 및 거대 자기저항박막을 주회하여 감긴 도체 박막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 코일에 흐르게 하는 전류가, 연자성 박막의 자화가 포화에 이르지 않는 범위의 절대값이 실질적으로 서로 같고, 또한 방향이 플러스 및 마이너스 방향의 2개의 전류로서, 플러스 방향의 전류를 흐르게 하였을 때의 이 전기단자 사이의 저항값 Rp와 마이너스 방향의 전류를 흐르게 하였을 때의 전기단자 사이의 저항값 Rm의 차이(Rm－Rp)로써, 자계센서 주변의 자계강도의 절대값 및 극성을 결정하는 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 코일에 흐르게 하는 전류값이, 연자성 박막의 자화를 실질적으로 포화시키는 전류값을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 코일에, 먼저 연자성 박막의 자화가 실질적으로 포화되는 플러스 방향의 전류를 흐르게 하고, 계속하여 포화에 이르지 않는 범위의 소정의 플러스 전류를 흐르게 하였을 때의 단자간 저항값을 Rpp 및 소정의 마이너스의 전류를 흐르게 하였을 때의 단자간 저항값 Rpm 을 계측하고, 이어서 연자성 박막의 자화가 실질적으로 포화되는 마이너스 방향의 전류를 흐르게 하고, 또한 포화에 이르지 않는 범위의 소정의 마이너스 전류를 흐르게 하였을 때의 단자간 저항값 Rmm 및 소정의 플러스 전류를 부여하였을 때의 단자간 저항값 Rmp를 계측하고, 이들 저항값으로부터, ((Rpm＋Rmm)/2－(Rmp＋Rpp)/2)로써, 자계센서 주변의 자계강도 절대값 및 극성을 결정하는 것을 특징으로 하는 박막자계센서.
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