KR20090016170A - 자기저항 박막 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기저항 박막 센서에 관한 것으로, 특히 자성 키퍼층을 구비함으로써, 3차원 성분 자기장 및 노이즈 발생 자기장에 의하여 발생될 수 있는 비정상 작동에 따른 센서능 저하를 막을 수 있는 자기저항 박막 센서에 관한 것이다.

본 발명인 자기저항 박막 센서를 이루는 구성수단은, 자기저항 박막 센서에 있어서, 기판, 상기 기판상 일부에 형성되는 자기저항다층막, 상기 자기저항다층막과 상기 기판 상에 형성되는 제1 절연막, 상기 제1 절연막 상에 형성되되, 상기 자기저항다층막의 상부를 개방하도록 형성되는 자성 키퍼층, 상기 자성 키퍼층과 상기 자기저항다층막 상에 형성되는 제2 절연막을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

자기저항, 센서, 키퍼층

Description

자기저항 박막 센서{magnetoresistive thin film sensor}

본 발명은 자기저항 박막 센서에 관한 것으로, 특히 자성 키퍼층을 구비함으로써, 3차원 성분 자기장 및 노이즈 발생 자기장에 의하여 발생될 수 있는 비정상 작동에 따른 센서능 저하를 막을 수 있는 자기저항 박막 센서에 관한 것이다.

자기저항 박막 센서는 외부 자성 입자로부터 발생되는 자기장 및 그 변화량을 검출하는 것으로, 거대(giant) 자기저항 박막 센서 및 터널(tunnel) 자기저항 박막 센서 등이 있다.

도 1은 종래의 자기저항 박막 센서의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 자기저항 박막 센서(10)는 기판(1) 상에 제1 전극(2), 반강자성층(3), 고정자성층(4), 비자성층(5), 자유자성층(6) 및 제2 전극(7)이 순차적으로 형성된 구조를 가진다.

상기 반강자성층(3)은 상기 고정자성층(4)의 자기 모멘트를 고착시키는 기능을 수행하고, 상기 고정자성층(4)은 자기저항의 발생을 위하여 상기 자유자성층(6)과의 강자기(ferromagnetic) 및 준강자기(ferrimagnetic) 교환 결합시 기준이 되는 자기 모멘트층이며, 상기 비자성층(5)은 상기 고정자성층(4)과 상기 자유자성층(6) 간의 자기 교환 결합을 유도 변환하는 역할을 하며, 상기 자유자성층(6)은 외부 자성 입자로부터 발생되는 자기장에 따라 상기 고정자성층(4)과 강자기 교환 결합을 하여 낮은 자기 저항을 발생하거나 또는 준강자기 교환 결합을 하여 높은 자기 저항을 발생하는 등의 자기 저항의 변환을 유도하는 역할을 수행한다.

상기와 같은 구조를 가지는 종래의 자기저항 박막 센서(10)에서는 상기 자유자성층(6)의 일축자기이방성 방향에 대한 1차원 성분에 의해서만 자기장 방향이 반전되는 것으로 고려하고 있다.

그러나, 자기장을 발생시키는 자성 입자가 구형인 경우에는 발생되는 자기장의 공간 분포가 3차원을 가지고, 상기 자기저항 박막 센서(10)는 상기 3차원의 공간 분포를 가지는 자기장에 의하여 자화가 변화될 수 있다. 즉, 상기 자기저항 박막 센서는 일축자기이방성에 대한 종방향, 횡방향 및 수직 방향의 자기장 크기에 따라서 자기저항비의 값이 변화될 수 있다.

상기 수직 방향의 자기장은 상기 자기저항 박막 센서의 자화 반전에 미치는 영향은 미비하지만, 상기 일축자기이방성 방향에 대한 횡방향의 자기장은 상기 일축자기이방성 방향에 대한 종방향의 자기장과 함께 자기저항 박막 센서의 자기적 특성에 영향을 미친다. 그러나, 종래의 자기저항 박막 센서에서는 일축자기이방성 방향에 대한 1차원 성분에 의해서만 자기장 방향이 반전되는 것으로 고려하고 있기 때문에, 정확한 자기장 검출이 이루어지지 못하고 있다.

또한, 구형의 자성입자로부터 발생되는 자기장을 제외한 제3의 자기장 발생 원 및 회로 구성에 필요한 리드선으로부터 발생되는 자기장 등의 노이즈로 고려되는 자기장에 의하여 자기저항 박막 센서가 오동작함으로써, 센서능이 저하되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 자성 키퍼층을 구비함으로써, 3차원 성분 자기장 및 노이즈 발생 자기장에 의하여 발생될 수 있는 비정상 작동에 따른 센서능 저하를 막을 수 있는 자기저항 박막 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 자기저항 박막 센서를 이루는 구성수단은, 자기저항 박막 센서에 있어서, 기판, 상기 기판상 일부에 형성되는 자기저항다층막, 상기 자기저항다층막과 상기 기판 상에 형성되는 제1 절연막, 상기 제1 절연막 상에 형성되되, 상기 자기저항다층막의 상부를 개방하도록 형성되는 자성 키퍼층, 상기 자성 키퍼층과 상기 자기저항다층막 상에 형성되는 제2 절연막을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 자성 키퍼층의 두께는 50㎚ ~ 450㎚ 사이의 범위인 것이 바람직하다.

또한, 상기 자성 키퍼층의 길이는 자성입자 직경의 8배 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 자성 키퍼층의 폭은 자성입자 직경의 1/2 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 자성 키퍼층의 끝단은 경사진 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 자성 키퍼층은 100 ~ 1000 사이의 투자율을 가지는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성수단을 가지는 본 발명인 자기저항 박막 센서에 의하면, 자성 키퍼층을 구비하기 때문에, 3차원 성분 자기장 및 노이즈 발생 자기장에 의하여 발생될 수 있는 비정상 작동에 따른 센서능 저하를 막을 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명인 자성 키퍼층을 구비한 자기저항 박막 센서는 감응 매개체로부터 발생되는 자기장의 왜곡을 감소시킬 수 있다.

또한, 자성 키퍼층에 의한 여기되는 자장성분에 의해서 자기저항 박막 센서의 자기장을 집속하기 때문에, 감응 매개체에 의해 발생되는 미소 변화 자기장을 검출하는 자기저항 박막 센서의 감도를 높이는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 구성수단으로 이루어져 있는 본 발명인 자기저항 박막 센서에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명인 자기저항 박막 센서의 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명인 자기저항 박막 센서(10)는 기판(1), 상기 기판(1)상 일부에 형성되는 자기저항다층막(10a), 상기 기판(1)과 자기저항다층막(10a) 상에 형성되는 제1 절연막(8a), 상기 자기저항다층막(10a) 상부를 개방하면서 상기 제1 절연막(8a) 상에 형성되는 자성 키퍼층(9), 상기 자성 키퍼층(9)과 상기 자기저항다층막(10a) 상에 형성되는 제2 절연막(8b)을 포함하여 이루어진다.

상기 기판(1)상 일부에 형성되는 자기저항다층막(10a)은 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전극(2), 반강자성층(3), 고정자성층(4), 비자성층(5), 자유자성층(6) 및 제2 전극(7)이 순차적으로 형성된 구조를 가진다. 이와 같은 자기저항다층막(10a)은 종래의 구조와 큰 차이는 없다.

본 발명의 자기저항 박막 센서(10)는 상기 자기저항다층막(10a) 상에 순차적으로 제1 절연막(8a), 자성 키퍼층(9) 및 제2 절연막(8b)이 형성되는 것을 특징으로 하고, 이와 같은 제1 절연막(8a), 자성 키퍼층(9) 및 제2 절연막(8b)이 형성되는 것이 종래와 다른 구조이다.

상기 자성 키퍼층(9)은 연자성체(soft magnetic)이면 어느 것을 사용하여도 무방하다. 이와 같은 자성 키퍼층(9)을 상기 자기저항다층막(10a)의 상부만 개방하도록 상기 제1 절연막(8a)에 형성함으로써, 3차원 성분의 자기장 및 노이즈 발생 자기장에 의하여 상기 자기저항다층막(10a)의 비정상 작동을 방지한다.

상기와 같은 기능을 수행하는 자성 키퍼층(9)은 그 두께, 길이, 폭, 끝단의 형태 및 재질이 적절하게 조정됨으로써, 상기 3차원 성분의 자기장 및 노이즈 발생 자기장에 의한 상기 자기저항다층막(10a)의 비정상 작동을 유효적절하게 방지할 수 있다.

상기와 같이 자성 키퍼층(9)의 기능을 향상시키기 위한 상기 자성 키퍼층(9)의 두께, 길이 및 폭이 어느 정도인지 또는 자성 키퍼층의 끝단 형태 및 재질이 무엇인지를 확인하기 위하여 실험을 하였다. 이 실험에서 자기장을 발생시키는 구형 자성 입자는 직경 1㎛ 크기의 Co 페라이트를 사용하였다. 그리고, 상기 자기저항 박막 센서의 표면과 상기 자성 입자의 중심 사이의 거리를 1㎛로 하였다.

도 3의 (a)는 자성 키퍼층의 두께를 100㎚에서부터 1000㎚까지 변화시킬 때, 자기장의 세기를 보여준다. 그러나, 자성 키퍼층 하부에 제1 절연막(8a)을 삽입하지 않는 경우의 그래프이다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 자성 키퍼층(9)의 두께가 100㎚에서부터 1000㎚까지 변화되더라도, 음의 자기장 영역이 효과적으로 차단됨을 알 수 있다. 다만, 자성 키퍼층(9)의 두께가 증가함에 따라, 최대 자기장은 감소하나 유효자장에 대한 폭이 증가한다. 이것은, 두께가 증가됨에 따라 활성 영역(자화반전영역)이 증가되나 유효자장 크기가 감소됨을 의미한다.

따라서, 유효 자장을 최대화시킬 필요가 있는데, 본 발명의 구조처럼 자성 키퍼층(9) 아래에 제1 절연막(8a)을 삽입함으로써, 유효자장 크기를 최대화시켰다. 이는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같다.

즉, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 자성 입자와 자기저항다층막(10a)의 거리를 유지할 수 있도록 상기 자성 키퍼층(9) 아래에 제1 절연막(8a)을 삽입한 결과, 자성 키퍼층(9)의 두께 변화에 따른 결과가 최대 자기장은 크게 변화되지 않으면서 더 균일한 자기장 분포를 나타내는 것으로 나왔다.

즉, 자성 키퍼층(9)과 제1 절연막(8a)을 이용하여 최대 자기장의 감소를 최소화하면서 유효 자장을 최대로 할 수 있다. 이때의 상기 자성 키퍼층(9)의 두께는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 50㎚ ~ 450㎚ 사이의 범위로 하였다.

도 4는 본 발명에서 자성 입자의 직경과 자성 키퍼층(9)의 길이(도 2에서 Lk로 표시됨)의 비에 따른 자기장 세기를 보여주는 그래프이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 자성 키퍼층의 길이/자성 입자 직경 값(Lk/D)이 변화되더라도 유효 자기장(Be) 값은 큰 변화가 없는 반면, 음의 자장에 해당하는 역자기장(Bu) 값은 자성 키퍼층의 길이/자성 입자 직경 값(Lk/D)이 증가되면서 빠르게 감소되는 것을 알 수 있다.

구체적으로, 자성 키퍼층의 길이/자성 입자 직경 값(Lk/D)이 8 이상에서 유효 자기장(Be) 값이 다소 감소하긴 하지만, 음의 자장에 해당하는 역자기장(Bu) 값은 상당히 차폐됨을 알 수 있다. 따라서, 자성 키퍼층(9)의 길이(도 2에서 Lk로 표기됨)는 자성입자 직경의 8배 이상으로 형성하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명에서 자성 입자의 직경과 자성 키퍼층(9)의 폭(상기 자성 키퍼층의 길이(Lk)에 수직한 성분)의 비에 따른 자기장 세기를 보여주는 그래프이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 자성 키퍼층의 폭/자성 입자 직경 값(Wk/D)이 증가하면서 유효자장의 세기가 감소됨을 알 수 있다. 구체적으로, 자성 키퍼층의 폭/자성 입자 직경 값(Wk/D)이 0.5 이하인 경우에는 높은 유효 자장의 세기를 보이는 반면, 0.5가 초과되는 경우에는 상대적으로 낮은 유효 자장의 세기를 보여준다. 따라서, 본 발명에 따른 자성 키퍼층의 폭은 자성입자 직경의 1/2 이하로 형성하는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명에서 자성 키퍼층의 끝단의 형태에 따른 유효 자기장의 세기를 보여주는 그래프이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 자성 키퍼층의 쐐기각(도 2에서 θ로 표기됨)이 증가할수록 유효 자기장 세기가 감소됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 자성 키퍼층(9)의 끝단을 경사진 형태로 형성하되, 상기 쐐기각(도 2에서 θ로 표기됨)이 예각이 되도록 형성한다.

도 7은 본 발명에서 자성 키퍼층을 이루는 재질의 투자율에 따른 자기장 세기를 보여주는 그래프이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 상기 자성 키퍼층을 이루는 재질의 투자율이 1, 5, 10, 50인 경우에는 역자기장이 존재함을 알 수 있다. 반면, 상기 자성 키퍼층을 이루는 재질의 투자율이 100 이상인 경우에는 역자기장이 존재하지 않음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서의 상기 자성 키퍼층은 100 ~ 1000 사이의 투자율을 가지는 재질로 형성하는 것이 바람직하다.

도 1은 종래의 자기저항 박막 센서의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기저항 박막 센서의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에서 키퍼층의 두께에 따른 자기장 세기를 보여주는 그래프이다.

도 4는 본 발명의 실시예에서 자성 입자 직경과 키퍼층의 길이 비에 따른 자기장 세기를 보여주는 그래프이다.

도 5는 본 발명의 실시예에서 자성 입자 직경과 키퍼층의 폭의 비에 따른 유효 자기장 세기를 보여주는 그래프이다.

도 6은 본 발명의 실시예에서 키퍼층 끝단의 경사에 따른 유효 자기장 세기를 보여주는 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실시예에서 키퍼층의 투자율에 따른 자기장 세기를 보여주는 그래프이다.

Claims (6)

1. 자기저항 박막 센서에 있어서,

   기판;

   상기 기판상 일부에 형성되는 자기저항다층막;

   상기 자기저항다층막과 상기 기판 상에 형성되는 제1 절연막;

   상기 제1 절연막 상에 형성되되, 상기 자기저항다층막의 상부를 개방하도록 형성되는 자성 키퍼층;

   상기 자성 키퍼층과 상기 자기저항다층막 상에 형성되는 제2 절연막을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자기저항 박막 센서.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 자성 키퍼층의 두께는 50㎚ ~ 450㎚ 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 자기저항 박막 센서.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 자성 키퍼층의 길이는 자성입자 직경의 8배 이상인 것을 특징으로 하는 자기저항 박막 센서.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 자성 키퍼층의 폭은 자성입자 직경의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 자기저항 박막 센서.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 자성 키퍼층의 끝단은 경사진 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기저항 박막 센서.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 자성 키퍼층은 100 ~ 1000 사이의 투자율을 가지는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기저항 박막 센서.

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