KR20030073959A - 인쇄회로기판에 집적된 자계검출소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

인쇄회로기판(Print Circuit Board)에 집적된 자계검출소자가 개시된다. 자계검출소자는 PCB기판에 폐자로를 구성하도록 바 형태의 연자성코어 두개를 상하로 적층하여 형성하고, 두 바를 '8'자 형태로 권선한 형상을 갖는 결합형 구조를 갖도록 금속막으로 여자코일을 형성한다. 그리고 여자코일의 최외곽면과 동일한 평면상에 두 바를 솔레노이드 형태로 한꺼번에 권선한 구조를 갖도록 금속막으로 자계변화검출용코일을 형성한다. 이와 같은 PCB기판 내에 집적된 자계검출소자는 양산성이나 비용면에서 우수하고, 초소형이면서도 폐자로를 구성하기 때문에 자속의 누설을 최소화 할 수 있으면서, 차동 구동을 이용한 자계 검출을 통해 고감도 특성을 갖는다.

Description

인쇄회로기판에 집적된 자계검출소자 및 그 제조방법{Fluxgate sensor integrated in print circuit board and method for manufacturing the same}

본 발명은 자계를 검출하는 소자에 관한 것으로서, 특히, PCB기판에 집적된 자계검출소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자계검출소자는 눈이나 귀와 같은 사람의 감각기관으로 직접 느낄 수는 없지만 다양한 물리적 현상을 통해 그 존재가 입증된 자기에너지를 사람이 간접적으로 느낄 수 있도록 구현한 장치이다. 그러한 자계검출소자로서, 연자성체와 코일을 이용한 자기센서가 오래전부터 이용되어 왔다. 자기센서는 비교적 큰 봉형의 코어(core) 또는 연자성리본으로 형성된 환형의 코어에 코일을 감아 구현한다. 또한, 측정자계에 비례하는 자계를 얻기 위해서 전자회로가 이용된다.

그러나 종래의 자계검출소자는 큰 봉형의 코어 또는 연자성 리본에 의한 링형의 코어에 코일이 권선되어 이용되기 때문에 고가의 제작비를 필요로 하며, 시스템의 부피가 커지는 문제점이 있었다. 또한 여자코일에 의해 발생하는 자속변화 및검출자계는 코어에 의한 자속누설을 피할 수 없기 때문에 고감도의 자계 검출에 어려움이 따르는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 초소형이면서 보다 정확하게 자계를 검출할 수 있도록 PCB기판상에 집적한 고감도의 자계검출소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 외부 측정자계가 영(zero)일 때, 자속변화 검출용 코일에 유도파형이 나타나지 않도록 하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자계검출소자를 모식적으로 나타낸 도면,

도 2는 도 1에 보인 연자성코어의 PCB기판에 형성되는 형상에 따른 권선구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3a 내지 도 3f는 도 1에 보인 자계검출소자의 동작을 설명하기 위한 파형도,

도 4a 내지 도 4i는 도 1에 보인 모식적인 자계검출소자의 Y-Y'선에 따른 제조공정 단면도,

도 5a는 상하로 적층한 형태를 갖는 두 연자성코어 중 상층의 연자성코어에 권선된 형태의 여자코일 일단의 형상을 나타낸 평면도,

도 5b는 상하로 적층한 형태를 갖는 두 연자성코어 중 하층의 연자성코어에 권선된 형태의 여자코일 일단의 형상을 나타낸 평면도,

도 5c는 상하로 적층한 형태를 갖는 두 연자성코어를 함께 솔레노이드 형태로 권선하고 있는 자계변화검출용코일의 형상을 나타낸 평면도, 그리고

도 5d는 상하로 적층한 형태를 갖는 두 연자성코어에 여자코일 및 자계변화검출용코일이 권선된 형태를 나타낸 평면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1, 2: 연자성코어3: 여자코일

4: 자계변화검출용코일21, 23, 27: 동판

22, 24, 26: 프리프래그(prepreg)

25: 연자성체막28: 관통홀

29: 감광성도포제

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자계검출소자는, PCB기판에 폐자로를 구성하도록 연자성체가 상하로 평행하게 적층되어 형성된 연자성코어; 상기 상하의 두 연자성코어를 교번하며, '8'자 형태로 권선된 구조를 갖도록 금속막에 의해 형성된 여자코일; 및 상기 여자코일의 최외각면과 동일한 평면상에 상기 상하의 두 연자성코어를 함께 솔레노이드 형태로 권선한 구조를 갖도록 금속막에 의해 형성된 자계변화검출용코일;을 포함한다.

여기서, 상기 상하의 두 연자성코어는 각각 길이방향을 자계검출축 방향으로 형성한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 PCB기판에 집적된 자계검출소자 제조방법은, 프리프래그 양면에 접합된 금속판 각각에 여자코일을 구현하기 위하여 패턴에 따라 에칭하는 단계; 상기 제1 기판의 에칭된 상기 각 금속판 상부에 프리프래그와 연자성체막을 접합하여 제 2기판을 형성하는 단계; 상기 제2 기판의 양면에 접합된 각 연자성체막을 에칭하여 상하의 연자성코어를 형성하는 단계; 상기 상하의 연자성코어 각각의 상부로 프리프래그와 금속판을 접합하여 제3 기판을 형성하는 단계; 상기 제3 기판의 상기 연자성코어로부터 연장된 외곽 양측에 각각 관통홀을 형성하는 단계; 상기 각 관통홀을 도금하는 단계; 상기 제3 기판의 양면에 접합된 금속판을 여자코일 및 자계검출코일을 구현하기 위한 패턴에 따라 에칭하는 단계; 및 상기 제3 기판 상부에 전기적 통전을 위한 패드를 형성하는 단계;를 포함한다.

여기서, 상기 각 기판 상의 자계검출소자를 이루는 각 부품을 형성하기 위한 에칭과정 이전에 감광성 도포제와 노광현상을 이용한 상기 각 부품의 패턴을 형성하는 단계;를 더 포함한다. 또한, 상기 패드를 형성한 후, 상기 패드에 금을 도금하는 단계;를 더 포함한다.

이상과 같은 본 발명의 PCB기판에 집적된 자계검출소자 및 자계검출소자의 제조방법에 의하면, 연자성코어를 검출측 방향으로 길게 형성하여 반자계성분을 감소시킬 수 있게 되며, 자계변화검출용코일이 연자성코어를 감고 있는 여자코일 위에 적층되어 권선된 구조를 통해 자속변화검출용 코일에서 유도파형이 나타나지 않게 된다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PCB기판에 집적된 자계검출소자를 모식적으로 나타낸 도면이다. 자계검출소자는 두개의 평행한 바 형태의 제1 및 제2 연자성코어(1)(2)를 여자코일(3)이 '8'자 형태로 권선하고 있으며, 자계변화검출용코일(4)이 여자코일(3) 위로 제1 및 제2 연자성코어(1)(2)를 함께 솔레노이드 형태로 권선하고 있다. 위와 같이 두개의 바를 '8'자 형태로 권선한 구조를 편의상 '결합형 구조'라 명명한다. 도 2는 도 1에 보인 연자성코어(1)(2)가 PCB기판에 형성되는 형상에 따른 권선구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3a 내지 도 3f는 도 1 및 도 2에 보인 자계검출소자의 동작을 설명하기 위한 타이밍도이다. 도 3a는 제1 연자성코어(1)에서 발생된 자계의 파형도, 도 3b는 제2 연자성코어(2)에서 발생된 자계의 파형도, 도 3c는 제1 연자성코어(1)에서 발생된 자속밀도의 파형도, 도 2d는 제2 연자성코어(2)에서 발생한 자속밀도의 파형도, 그리고 도 3e 및 도 3f는 자계변화검출용코일(4)에 유기되는 제1 및 제2 유기전압(Vind1,Vind2)과 제1 및 제2 유기전압의 합(Vind1+Vind2)을 각각 나타낸 파형도이다.

자계검출소자는 도 1 및 도 2와 같이 여자코일(3)이 2개의 연자성코어(1)(2)에 '8'자 형태로 권선되면, 교류의 여자전류에 의해 각 코어(1)(2) 내부의 자계 'Hext(외부자계) + Hexc(여자코일에 의한 자계)'와 'Hext - Hexc' 및 자속밀도 'Bext(외부자계에 의한 자속밀도) + Bexc(여자코일에 의한 자속밀도)'와 'Bext - Bexc'가 각각 서로 역방향으로 발생한다(도 3a, 3b, 3c, 3d 참조). 또한, 자계변화검출용코일(4)은 2개의 코어(1)(2) 각각에서 발생하는 자속변화의 합을 취하도록 권선되어 있으며, 교류의 여자전류에 의한 전자유도에 의해 발생하는 자속변화를 검출하게 된다. 이때, 자계변화검출용코일(4)에서 검출되는 유기전압은, 2개의 코어(1)(2) 각각의 내부 자계가 역방향이기 때문에 대칭적으로 발생한 두 유기전압 'Vind1', 'Vind2'의 발생전압이 상쇄되어 검출된다(도 2f). 즉, 각 코어(1)(2)의 축방향으로부터 외부자계 'Hext'는 두 코어(1)(2)에 대해 동일방향으로 가해지기 때문에, 여자자계 'Hexc'에 의해 두 코어(1)(2) 각각의 내부 자계는, 'Hext + Hexc'와 'Hext - Hexc'가 된다. 그러면, 각 코어(1)(2)의 내부자계에 의해 자계변화검출용코일(4)에는 도 3e에 나타낸 것처럼 각각 전압(Vind1, Vind2)이 유기되며, 이 유기전압(Vind1, Vind2)을 측정하여, 외부자계 'Hext'의 크기를 알 수 있다.

위와 같이 PCB기판에 집적된 자계 검출소자에 있어서는, 2개의 상하로 적층된 연자성코어(1)(2)와 '8'자 형태의 결합형 구조를 갖는 여자코일(3)과, 2개의 연자성코어(1)(2)에서 발생하는 자속변화의 합을 얻도록 솔레노이드 형태로 감은 구조의 자계변화검출용코일(4)을 여자코일(3)의 최외곽면과 동일한 평면상에 적층하는 구조가 중요하다. 위와 같은 자계검출소자의 구조는, 외부자계 'Hext'가 없을 때, 연자성코어(1)(2)로부터 발생된 자계에 의한 유기파형을 상쇄하며, 여자코일에 의해서 발생된 자속은 연자성코어에서 폐자로를 형성하기 때문이다.

한편, 하나의 연자성코어에 여자코일과 자계변화검출용코일을 배치하는 것으로도 자계검출은 가능하지만, 이 경우에는, 외부자계가 없어도 검출코일에는 큰 여자코일에 의한 유기전압 파형이 발생하여 증폭, 필터링 등의 검출코일 출력에 대한 신호처리가 번거롭게 된다. 따라서 두개의 코어를 구성하는 것이 하나의 코어를 사용하는 것이 신호처리상에 큰 장점이 있다.

도 4a 내지 도 4i는 PCB 기판에 집적되는 자계검출소자의 제조과정을 도 1에보인 Y-Y'선에 대하여 설명하는 공정 단면도이다. 자계검출소자는, 프리프래그(22) 양면에 접합된 동판(21)(23)으로 이루어진 제1 기판을 이용한다(도 4a). 이후, 제1 기판의 양면에 접합된 동판(21)(23) 각각에 감광성 도포제와 노광현상을 이용하여 결합형 구조의 여자코일 일단을 구현하기 위한 패턴을 형성한 후, 에칭하여 여자코일의 일단을 형성한다(도 4b). 다음, 제1 기판의 에칭된 각 동판 상부에 프리프래그(24)와 연자성체막(25)을 접합하여 제 2기판을 형성한다(도 4c). 그리고 제2 기판 양면의 금속판에 감광성 도포제와 노광현상을 이용하여 제1 및 제2 연자성코어의 패턴을 형성하고, 에칭을 통해 제1 및 제2 연자성코어(1)(2)를 형성한다(도 4d). 다음, 제2 기판 상부로 프리프래그(26)와 동판(27)을 다시 접합하여 제3 기판을 형성한다(도 4e). 그리고 제3 기판의 연자성코어(1)(2)로부터 수평으로 연장된 외곽 양측에 각각 관통홀(28)을 형성하고(도 4f), 여자코일과 자계변화검출용코일을 형성하기 위해 각 관통홀을 도금한다(도 4g). 이후, 제3 기판의 양면에 접합된 동판을 감광성 도포제와 노광현상을 이용하여 여자코일 및 자계변화검출용코일을 구현하기 위한 패턴을 형성한 후, 에칭을 통해 여자코일(3) 및 자계변화검출용코일(4)을 형성한다(도 4h). 이때, 여자코일(3)의 패턴은 도 4b에 형성된 여자코일 일단과 함께 상하의 두 연자성코어(1)(2)를 '8'자 형태로 교번하면서 권선되는 구조를 갖도록 형성하며, 자계변화검출용코일(4)은 상하의 두 연자성코어를 함께 솔레노이드 형태로 권선한 구조를 갖도록 형성한다. 이후, 솔더 레지스트를 한 후(도 4i), 여자코일과 자계변화검출용코일이 형성된 제3 기판 상부에 마스크(solder mask)를 이용하여 전기적 통전을 위한 패드를 형성하고, 패드 상부에 금(gold)을 도금한다(패드 형성 및 금 도금 도면은 생략).

도 5a 및 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 PCB기판상에 구현된 자계검출소자의 평면도이다. 도 5a는 상하로 적층된 두 연자성코어 중 상층의 연자성코어(1)에 권선된 형태의 여자코일 일단(3')의 형상을 나타낸 평면도이며, 도 5b는 하층의 연자성코어(2)에 권선된 여자코일 일단(3")의 형상을 나타낸 평면도이다. 도 5a 및 도 5b의 도면에 보인 여자코일(3')(3")은 서로 연결되며, 상하의 연자성코어(1)(2)를 교번으로 권선하는 구조를 취한다. 그리고 도 5c는 상하로 적층된 두 연자성코어(1)(2)를 한꺼번에 권선한 형태의 자계변화검출용코일(4)의 형상을 나타낸 평면도이며, 도 5d는 상하로 적층된 두 연자성코어에 여자코일 및 자계변화검출용코일이 권선된 형태의 형상을 나타낸 평면도이다.

이상과 같은 자계검출소자는, 지구자기 검출에 따른 네비게이션 시스템, 지자기 변동 모니터(지진예측), 생체 자기계측, 금속재료의 결함검출 등에 이용될 수 있다. 그리고 자기 엔코드, 무접점 포텐션미터, 전류센서, 토크센서, 변위센서 등에 간접적으로 응용할 수 있다.

이상과 같은 기판에 집적할 수 있는 자계검출소자는, 다른센서 및 회로와의 집적이 가능하여 시스템의 크기를 크게 감소시킬 수 있으며, 초소형임에도 불구하고 각 코어 또는 각 변으로부터 유기되는 전압을 차동적으로 구동하여 외부자계에 따른 유기전압을 검출할 수 있게 되어 미약한 외부자계를 고감도로 검출할 수 있다.

또한, 고가의 봉형코어나 환형 코어에 비해 낮은 단가로 제조할 수 있으며, 대량생산이 용이하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (5)

1. PCB기판에 폐자로를 구성하도록 연자성체가 상하로 평행하게 적층되어 형성된 연자성코어;

   상기 상하의 두 연자성코어를 교번하며, '8'자 형태로 권선된 구조를 갖도록 금속막에 의해 형성된 여자코일; 및

   상기 여자코일의 최외각면과 동일한 평면상에 상기 상하의 두 연자성코어를 함께 솔레노이드 형태로 권선한 구조를 갖도록 금속막에 의해 형성된 자계변화검출용코일;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자계검출소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 상하의 두 연자성코어는 각각 길이방향을 자계검출축 방향으로 형성한 것을 특징으로 하는 자계검출소자.
3. 프리프래그 양면에 접합된 금속판으로 이루어진 제1 기판의 상기 금속판을 여자코일을 구현하기 위한 패턴에 따라 에칭하는 단계;

   상기 제1 기판의 에칭된 상기 각 금속판 상부에 프리프래그와 연자성체막을 접합하여 제 2기판을 형성하는 단계;

   상기 제2 기판의 양면에 접합된 각 연자성체막을 에칭하여 상하의 연자성코어를 형성하는 단계;

   상기 상하의 연자성코어 각각의 상부로 프리프래그와 금속판을 접합하여 제3 기판을 형성하는 단계;

   상기 제3 기판의 상기 연자성코어로부터 연장된 양측에 각각 관통홀을 형성하는 단계;

   상기 각 관통홀을 도금하는 단계;

   상기 제3 기판의 양면에 접합된 금속판을 여자코일 및 자계변화검출용코일을 구현하기 위한 패턴에 따라 에칭하는 단계; 및

   상기 여자코일 및 상기 자계변화검출용코일이 형성된 상기 제3 기판 상부에 전기적 통전을 위한 패드를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자계검출소자의 제조방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 패드 상단에 금을 도금하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는자계검출소자의 제조방법.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 상하의 두 연자성코어는 각각 길이방향을 자계검출축 방향으로 형성한 것을 특징으로 하는 자계검출소자의 제조방법.