KR20020091948A - 수직 자계 검출 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직 자계 검출 장치에 관한 것이다. 기판 상부에 형성되어 전류를 인가하거나 받아들이는 전극 앵커들; 상기 전극 앵커들에 의해 지지되며 상기 기판 상방에 형성된 이동부; 상기 이동부의 측부에 형성된 이동 전극들; 상기 기판 상부에 형성된 센싱 앵커들; 및 상기 센싱 앵커들에 의해 지지되며, 상기 이동 전극들과 대응되며 형성된 고정 전극들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 자계 검출 장치를 제공하여 종래의 수평(XY) 자계 검출 소자가 검출할 수 없었던 수직(Z) 자계를 매우 정밀하며 용이하게 검출할 수 있다.

Description

수직 자계 검출 장치{Vertical axis magnetometer}

본 발명은 초소형 Z 축 차동 자계 검출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직 자속 밀도를 측정할 수 있는 자계 검출 장치에 관한 것이다.

연자성체 및 코일을 이용한 자기 센서는 종래 부터 감도가 높은 자기센서로 이용되어 왔다. 이러한 자기 센서의 경우에는 비교적 큰 봉상의 코어나 연자성 리본으로 형성된 환상 코어에 코일을 감아서 제작한다. 또한, 측정 자계에 비례하는 자계를 얻기 위해서는 전자 회로가 필요하다. 이러한 자기 센서의 자계 검출 소자를 연자성 박막 코어 및 평면 박막 코일에 의해 구현하는 방법도 있다.

종래의 자계 검출 소자는 큰 봉 형태의 코어 또는 연자성 리본에 의한 링 형태의 코어에 코일을 감아서 구현하기 때문에 고가의 제작비를 필요로 하는 단점이 있다.

최근에는 다양한 측정 원리 및 마이크로 머시닝 기술을 이용한 자기 센서가 많이 개발되고 있으나, 대부분이 평면 자계, 즉 XY 축의 자계만을 측정하는 방법에 머무르고 있다.

본 발명에서는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 제작비가 저렴하며, 수직 자계를 용이하게 검출할 수 있으며, 종래의 평면 자계 검출 소자와 함께 동일 칩으로 제조하여 3축 자계를 동시에 측정할 수 있는 수직 자계 검출 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 수직 자계 검출 장치를 나타낸 평면도이다.

도 2는 본 발명에 의한 수직 자계 검출 장치의 원리를 설명하기 위한 대략적인 사시도이다.

도 3은 본 발명에 의한 수직 자계 검출 장치에서 에어 댐핑 현상을 방지하기 위해 베큠 패키징(vacuum packaging)을 한 구조를 나타낸 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

11... 기판 12... 전극 앵커

13... 스프링 14... 이동부

15... 센싱 앵커 16... 고정 콤 전극

17... 이동 콤 전극 18... 전극 패드

19... 센싱 패드 20... 전도 라인

21... 덮개부

본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여,

기판 상부에 형성되어 전류를 인가하거나 받아들이는 전극 앵커들;

상기 전극 앵커들에 의해 지지되며 상기 기판 상방에 형성된 이동부;

상기 이동부의 측부에 형성된 이동 전극들;

상기 기판 상부에 형성된 센싱 앵커들; 및

상기 센싱 앵커들에 의해 지지되며, 상기 이동 전극들과 대응되며 형성된 고정 전극들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 자계 검출 장치를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 전극 앵커에서 인가된 전류의 진행 경로를 상기 이동부 상에서 일방향으로 유지 시키기 위해 상기 전극 앵커들, 스프링 및 이동부에 형성된 전도 라인;을 더 포함한 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 이동 전극들 및 고정 전극들은 콤 형상을 지니며, 각각의 이동 전극 및 콤 전극의 대향되는 부위의 면적이 일정한 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 이동부는 상기 전극 앵커들과 탄성요소에 의해 연결되며, 상기 전극 앵커와 연결되어 상기 앵커에 전류를 인가하거나 받아들이는 전극 패드; 및 상기 센싱 앵커와 연결되어 상기 고정 콤 전극에서 발생하는 정전 용량의 변화를 읽기 위한 센싱 패드;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 이동부의 에어 댐핑을 방지하기 위하여 상기 기판 상에 형성된 덮개부;를 더 포함하며, 상기 덮개부는 상기 이동부 및 상기 앵커들을 모두 덮으며, 상기 덮개 내부는 진공 상태로 유지되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 기판 상에 상기 이동부와 동일한 구조체를 상기 이동부와 나란하게 하나 더 형성시킨 것이 바람직하다.

이하, 도면을 참고하면서 본 발명에 의한 수직 자계 검출 장치에 대해 보다상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 의한 초소형 수직 자계 검출 장치를 간략하게 나타낸 평면도이다. 이동 콤 전극(17)을 포함하는 이동부(14)가 전극 앵커(12)들에 의해 지지되어 기판(11) 상방에 위치하고 있다. 상기 전극 앵커(12)들은 상기 기판(11) 상부의 소정 부위에 형성되어 있으며, 상기 이동부(14)는 스프링(12)을 통하여 상기 전극 앵커(12)들에 의해 지지되면서 외부의 자극에 의해 탄성 운동이 가능하도록 형성되어 있다. 상기 이동 콤 전극(17)들 사이의 상기 이동 콤 전극들과 대응되는 부위에는 고정 콤 전극(16)이 형성되어 있으며, 상기 고정 콤 전극(16)은 센싱 앵커(15)에 의해 고정되며, 상기 이동부와 전기적으로 분리된다.

여기서, 상기 이동부(14)를 지지하는 전극 앵커(12)들은 각각 전극 패드(18)와 전기적으로 연결되어 전류를 인가할 수 있도록 형성된다. 고정 콤 전극(16)을 지지하는 센싱 앵커들(15)은 정전 용량의 변화를 감지할 수 있는 센싱 패드(19)와 연결되어 있다. 상기 이동부(14)에는 전극 패드(18)로 부터 전극 앵커(12)를 통해 들어온 전류의 방향을 일방향으로 유도하기 위한 전도 라인(20)이 형성되어 있다. 따라서, 전류를 흘려보내는 전극은 소스가 되고, 이를 받아들이는 전극은 드레인이 된다. 여기서, 상기 전도 라인(20)은 전극 앵커(12)로 부터 스프링을 거쳐 이동부(14)에도 형성되어 있으며, 상기 이동부(14) 전체에 걸쳐 일 방향으로 전류가 흐를 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 이는 상기 이동부(14)에 인가되는 수직 자기장에 대한 민감도를 높여, 여기서 발생한 로렌쯔의 힘에 따른 이동부(14)의 변위를 보다 크게 만들기 위한 것이다.

도 2를 참고하여 본 발명에 의한 수직 자계 검출 장치의 작동 방법에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다. 이동부(14)에 연결된 전극 패드(18)에서 전류를 인가하면 전극 앵커(12)를 통하여 이동부(14)로 전류(I)가 흐르게 된다. 이러한 전류는 상기 전극 앵커(12), 스프링(13) 및 이동부(14)에 형성된 전도 라인(20)을 통하여 또 다른 전극 앵커(12) 방향으로 흐른다.

상기 이동부(14)에는 도 2에 나타낸 바와 같이 일방향, 즉 화살표 방향으로 전류가 흐르게 되며, 이러한 전류는 소스 역할을 하는 전극 앵커들과 반대 방향에 있는 드레인 역할을 하는 전극 앵커들을 통해 빠져 나간다.

따라서, 이동부(14)에서의 전류의 흐름은 모두 일정하며 일방향으로 흐르게 된다.

여기서, 상기 이동부(14)에 대해 수직 방향의 전계가 존재한다고 가정한다. 이를 도 2의 음의 Z 방향으로 전계(B)가 작용하는 것으로 상정할 수 있다. 로렌쯔의 힘(L)은 하기 수학식 1과 같이 나타내어진다.

이를 도 2에 적용시키면, 로렌쯔의 힘은 이동부(14)가 존재하는 평면상에서 전류의 흐름과 수직인 방향으로 가해지게 된다. 이러한 로렌쯔의 힘에 의해 영향을 받아 결국 상기 이동부(14)가 편향된다. 상기 이동부(14)의 이동에 의해 상기 센싱 앵커(19)에 연결된 고정 콤 전극(16)과 상기 이동부(14)와 연결된 이동 콤 전극(17)의 간격이 변화하게 된다. 이러한 두 콤 전극간의 정전 용량은 그 간격이좁아지면 증가하고, 넓어지면 감소하게 된다. 따라서, 이렇게, 상기 간격의 변화 및 전전 용량의 변화를 측정함으로써, 상기 이동부(14)에 수직으로 가해지는 전계 밀도(B) 값을 구할 수 있다.

도 3은 본 발명에 의한 수직 자계 검출 소자에 있어서, 공기 마찰을 원인으로 이동판(14)이 로렌쯔의 힘에 의해 편향되는 양이 작아지는 에어 댐핑(air damping) 현상을 예방하기 위한 구조를 나타낸 개략적인 단면도이다. 본 발명에 의한 수직 자계 검출 소자는 반도체 실리콘 기판(11)을 이용하여 제작하였으며, 일반적인 표면 마이크로 머시닝 기술을 이용하였다. 도 3의 경우에는 웨이퍼 레벨 진공 패키징을 통하여 수직자계 검출 소자를 진공 상태로 패키징을 한 것이다. 즉, 덮개(21)를 따로 제작하여 이동부(14) 및 앵커들(12, 15)를 덮도록 기판(11) 상에 부착시킨다. 그리고, 상기 덮개(21) 내부를 진공 상태로 유지시키는 것이다. 이러한 덮개(21)를 통하여 에어 댐핑 현상을 예방할 수 있다..

또한, 본 발명에 의한 수직 자계 검출 소자가 움직이는 매체에 장착되어 사용될 경우에는, 매체의 움직임에 따른 가속도에 의해 노이즈(noise)가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 노이즈를 줄이기 위해 본 발명에 의한 자계 검출 소자와 동일한 이동부를 포함하는 구조체를 기판 상에 나란히 형성시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 종래의 수평(XY) 자계 검출 소자가 검출할 수 없었던 수직(Z) 자계를 용이하게 검출할 수 있다. 이러한 수직 자계 검출 소자는 예를 들어, 지구 자기 검출을 위한 네비게이션 시스템, 지진 예측을 위한 지자기 변동 모니터,생체 자기 계측, 금속 재료의 결함 검출에 직접적으로 사용될 수 있으며, 또한 자기 엔코드, 무접점 포텐션 미터, 토크 센서 및 변위 센서 등에 간접적 응용이 가능하여 광범위하게 사용될 수 있다. 또한, 종래에 개발된 수평 자계 검출 소자와 one chip 상태로 형성시켜 3축 자계를 동시에 검출할 수 있는 모듈을 제공할 수 있는 장점이 있다.

Claims (8)

1. 기판 상부에 형성되어 전류를 인가하거나 받아들이는 전극 앵커들;

   상기 전극 앵커들에 의해 지지되며 상기 기판 상방에 형성된 이동부;

   상기 이동부의 측부에 형성된 이동 전극들;

   상기 기판 상부에 형성된 센싱 앵커들; 및

   상기 센싱 앵커들에 의해 지지되며, 상기 이동 전극들과 대응되며 형성된 고정 전극들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 자계 검출 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전극 앵커에서 인가된 전류의 진행 경로를 상기 이동부 상에서 일방향으로 유지 시키기 위해 상기 전극 앵커들, 스프링 및 이동부에 형성된 전도 라인;을 더 포함한 것을 특징으로 하는 수직 자계 검출 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 이동 전극들 및 고정 전극들은 콤 형상을 지니며, 각각의 이동 전극 및 콤 전극의 대향되는 부위의 면적이 일정한 것을 특징으로 하는 수직 자계 검출 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 이동부는 상기 전극 앵커들과 탄성요소에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 수직 자계 검출 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 전극 앵커와 연결되어 상기 앵커에 전류를 인가하거나 받아들이는 전극 패드; 및 상기 센싱 앵커와 연결되어 상기 고정 콤 전극에서 발생하는 정전 용량의 변화를 읽기 위한 센싱 패드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 자계 검출 장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 이동부의 에어 댐핑을 방지하기 위하여 상기 기판 상에 형성된 덮개부;를 더 포함한 것을 특징으로 하는 수직 자계 검출 장치.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 덮개부는 상기 이동부 및 상기 앵커들을 모두 덮으며, 상기 덮개부 내부는 진공 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 수직 자계 검출 장치.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 기판 상에 상기 이동부를 포함하는 구조체를 상기 이동부와 나란하게 하나 더 형성시킨 것을 특징으로 하는 수직 자계 검출 장치