KR20090029800A - 3 axis thin film fluxgate - Google Patents

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KR20090029800A KR1020097000639A KR20097000639A KR20090029800A KR 20090029800 A KR20090029800 A KR 20090029800A KR 1020097000639 A KR1020097000639 A KR 1020097000639A KR 20097000639 A KR20097000639 A KR 20097000639A KR 20090029800 A KR20090029800 A KR 20090029800A
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Abstract

A 3 axis thin film fluxgate is provided to minimize power necessary for operating an element, thereby measuring a direction of a magnetic field at very high accuracy. A 3 axis thin film fluxgate is made by using a thin film technique and an etching process. A lower coil(13) is formed in a substrate insulating layer on a silicon wafer. A magnetic thin film(10) surrounded by a lower insulating layer(11') and an upper insulating layer(11") is formed. A drive coil(4) and a pickup coil(5) surround an electrically isolated magnetic thin film by the insulating thin film by forming an upper coil(12).

Description

박막형 3축 플럭스게이트{3 AXIS THIN FILM FLUXGATE}Thin-film 3-axis fluxgates {3 AXIS THIN FILM FLUXGATE}

본 발명은 미세한 자기장의 인가 방향을 측정할 수 있는 박막 플럭스게이트(fluxgate)에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 수평 2축 성분 자계와 수직 성분 자계를 3차원적으로 측정할 수 있고, 전자나침반에 이용될 수 있는 3축 박막 플럭스게이트에 관한 것이다.The present invention relates to a thin film fluxgate capable of measuring a direction in which a fine magnetic field is applied. More specifically, the present invention relates to a three-dimensional measurement of a horizontal biaxial component and a vertical component magnetic field. A triaxial thin film fluxgate that can be used.

플럭스게이트는 자기 센서 (magnetic sensor)의 일종으로서, 지뢰 등과 같은 철강 함유 매설물 탐색, 전자나침반 등의 용도로 이용되어왔다.Fluxgate is a kind of magnetic sensor, and has been used for the purpose of searching for steel-containing deposits such as land mines, and electronic compasses.

플럭스게이트의 기본 구조는 도 1과 도 3에 도시된 바와 같이 강자성체(2)와 그 주변을 둘러싸는 드라이브 코일(4), 및 이와 별도의 픽업 코일(5)로 이루어지며, 드라이브 코일에 교류 전류를 인가하기 위한 교류 전원(3)과 픽업 코일에 유도되는 전압을 감지하기 위한 전압계(6)를 포함한다.The basic structure of the fluxgate is composed of a ferromagnetic material 2, a drive coil 4 surrounding the periphery thereof, and a separate pickup coil 5, as shown in FIGS. AC power supply (3) for applying the and includes a voltmeter (6) for sensing the voltage induced in the pickup coil.

플럭스게이트의 작동 원리는 다음과 같다. 강자성체(2) 주위에 드라이브 코일(4)을 감고 이 코일에 교류 전류를 인가하게 되면, 이 전류에 의하여 코일 주변, 특히 코일 내부에 시변 유도자계가 발생하게 되고, 이 유도자계에 의하여 자성체가 자화되어 이 자성체는 N극과 S극을 가지는 전자석이 된다. 이때, 유도자계는 시간에 따라 극성이 반전되는 시변성을 가지므로 코일 내부에 거치된 자성체의 자극(磁 極) 역시 시간에 따라 교대로 반전되며, 자성체에 의하여 플럭스게이트 주변에 형성되는 자계 역시 시간에 따라 변환하게 된다. 이러한 시변 자계에 의하여 자성체를 둘러싸고 있는 픽업 코일에 유도전류가 형성되며, 이로 인하여 픽업 코일(5)에서는 도 2, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 시간이 변함에 따라 전압 피크(voltage peak)가 검출된다.The principle of operation of fluxgate is as follows. When the drive coil 4 is wound around the ferromagnetic material 2 and an alternating current is applied to the coil, a time-varying induction magnetic field is generated around the coil, particularly in the coil, and the magnetic material is magnetized by the induction magnetic field. This magnetic body becomes an electromagnet having an N pole and an S pole. At this time, since the induction magnetic field has time-varying polarity reversed with time, the magnetic poles of the magnetic body mounted inside the coil are also inverted with time, and the magnetic field formed around the fluxgate by the magnetic body is also time Will be converted according to Induced current is formed in the pickup coil surrounding the magnetic material by the time-varying magnetic field. As a result, in the pickup coil 5, as shown in FIGS. 2, 4, and 5, a voltage peak changes with time. Is detected.

도 1은 종래의 3축 플럭스게이트를 나타낸 개념도이다. 종래의 플럭스게이트는 지구자계 등의 인가 자기장의 방향을 측정하기 위하여 2 막대 형태의 플럭스게이트(1) 3개를 상호 간에 직각 구조를 갖도록 배치한 구조를 가졌다. 도 1과 같은 종래의 플럭스게이트의 작동은 X, Y, Z 축 각 방향당 2개, 즉 한 쌍의 막대형 자성체에 드라이브 코일과 픽업 코일을 동시에 감아 놓은 상태로 구성해 놓은 뒤, 드라이브 코일 속으로 삼각파 또는 싸인파를 입력시켜 두개의 자성체가 각기 다른 방향으로 자화되도록 하고, 이 상태에서 2 개의 자성체에 동시에 감긴 픽업코일에 감지되는 전압 파형을 읽어들이는 방식을 채택하였다. 도 2의 (a)는 도 1의 (b) 구조를 갖는 2개 막대형 플럭스게이트의 자성체 A와 자성체 B에 인가되는 입력 전압 파형을 나타낸 그림이다. 동일한 드라이브 코일(4)을 따라 입력되는 전류는 자성체 A, B에서 각기 다른 방향으로 자성체를 자화시키는 형태로 전류가 인가된다.1 is a conceptual diagram illustrating a conventional three-axis fluxgate. The conventional fluxgate has a structure in which three two-bar fluxgates 1 are arranged at right angles to each other in order to measure the direction of an applied magnetic field such as an earth magnetic field. In the operation of the conventional fluxgate as shown in FIG. 1, the drive coil and the pick-up coil are wound around two pairs of magnets in each of X, Y, and Z axes, that is, a pair of rod-shaped magnetic bodies, and then the inside of the drive coil By inputting a triangular wave or sine wave, two magnetic bodies are magnetized in different directions, and in this state, a voltage waveform detected by a pickup coil wound on two magnetic bodies is read. FIG. 2A is a diagram illustrating input voltage waveforms applied to the magnetic material A and the magnetic material B of the two rod-type fluxgates having the structure of FIG. The current input along the same drive coil 4 is applied with a current in the form of magnetizing the magnetic material in different directions in the magnetic materials A and B.

도 2의 (b)는 2개의 막대형 플럭스게이트에 동일하게 감겨 있는 픽업 코일에서 각각의 A, B 자성체 부위에서 발생 되는 픽업 전압 파형을 표현한 그림이다. 픽업 전압은 도 2의 (b)에 표현한 바와 같이 각각 다른 부호의 출력 신호를 나타낸다. 도 2의 (b)와 같이 출력 전압이 입력 전압과 동일한 형태를 가지는 이유는 종 래의 제품들은 본 발명과는 달리 반도체 기술을 사용한 박막 제품이 아니고, bulk 형태의 강자성체 막대 또는 강자성체 분말을 에폭시를 사용하여 binding 하여 제작된 자성체를 사용한 물질을 사용함으로 인하여 자성체의 자기적 특성이 좋지 않아 자성체의 자화 반전이 완전한 형태로 이뤄지지 못하고 일종의 단순 변압기 (트랜스포머)와 같은 전기적 거동을 보이기 때문이다. 종래의 제품은 입력파가 삼각파이면, 출력파는 삼각파로 출력되고, 입력파가 싸인파이면, 출력파는 싸인파 형태로 출력되는 특징을 가졌다.FIG. 2 (b) is a diagram representing a pickup voltage waveform generated at each of A and B magnetic parts in a pickup coil wound around two bar-type fluxgates. The pickup voltage represents an output signal with a different sign as shown in Fig. 2B. As shown in (b) of FIG. 2, the output voltage has the same shape as the input voltage. The conventional products are not thin film products using semiconductor technology, unlike the present invention, and a bulk ferromagnetic rod or ferromagnetic powder in epoxy form is used. This is because the magnetic properties of the magnetic material are not good due to the use of the material using the magnetic material manufactured by binding. Therefore, the magnetization reversal of the magnetic material is not achieved in a perfect form, and it exhibits electrical behavior as a kind of simple transformer (transformer). Conventional products have the characteristics that if the input wave is a triangular pie, the output wave is output as a triangular wave, and if the input wave is a sine pie, the output wave is output in the form of a sine wave.

도 2의 (b) 상태는 외부에서 자기장이 전혀 인가되지 않는 상태의 출력 신호를 나타낸 것으로서, 두 종류의 부호가 다른 신호들이 하나의 코일을 통하여 합산되어 전체 시간 구간에 걸쳐 '0' 볼트의 상태를 가지게 된다. 도 2의 (c) 상태는 외부에서 자기장이 인가되었을 때 종래의 2 막대 형태의 플럭스게이트를 구성하는 A, B에서 각각 감지되는 출력 신호를 나타낸 그림이다. 외부자기장이 인가됨에 따라 출력 전압 신호는 수평 이동이 상대적으로 발생하여 전압이 '0'이던 상태에서 출력 전압이 새로이 나타나는 특성을 가진다. 종래의 플럭스게이트는 X, Y, Z 축당 각각 2개의 막대형태의 플럭스게이트를 배열해 놓은 구조를 가지며 각각의 플럭스게이트는 자기장 인가에 따라 새로운 출력 전압이 발생하는 원리를 사용한다.2 (b) shows an output signal in which no magnetic field is applied from the outside, and two different types of signals are summed through one coil, and thus the state of '0' volts over the entire time interval. Will have (C) of FIG. 2 is a diagram showing an output signal detected in each of A and B constituting the conventional two-bar fluxgate when a magnetic field is applied from the outside. As the external magnetic field is applied, the output voltage signal has a relatively horizontal movement, and thus the output voltage is newly displayed while the voltage is '0'. The conventional fluxgate has a structure in which two bar-shaped fluxgates are arranged for each of the X, Y, and Z axes, and each fluxgate uses a principle that a new output voltage is generated by applying a magnetic field.

이와 같은 작동 원리 및 구조를 갖는 종래의 2막대 형태의 플럭스게이트(1) 제품의 문제점은 X, Y, Z 축당 자기적 특성이 좋지 않아 큰 크기로 제작해야 하는 것과 더불어 작동을 위하여 2개의 벌크 자성체를 형성시켜야 하므로 전체 소자가 넓은 면적을 차지하게 되어 제품의 면적이 클 뿐만 아니라 Z축 방향으로도 대면적 의 플럭스게이트를 거치시켜야 하므로 작고, 납짝한 크기의 전자나침반을 요구하는 휴대폰 등의 전자제품으로의 탑재가 곤란하다는 것이다. 또한, 도 2에 도시한 바와 같이 출력되는 신호가 일종의 변압기 (트랜스포머) 형태를 갖게 되므로 상호 신호를 상쇄시켜야 하는 신호처리 회로가 추가로 필요하고, 아울러 두 종류의 픽업 신호를 상호 감쇄시켜 나타난 신호의 크기가 작으므로 잡신호(Noise)를 제거할 수 있는 고 용량의 앰프를 장착해 주어야 하는 문제가 있었고, 이 같은 문제를 해결하기 위해서 즉, 출력 신호를 키우기 위해서는 플럭스게이트 작동에 많은 전류를 유입시켜 주는 것이 필요하였다. 정확한 방위 측정을 위하여 많은 전기량을 필요로 한다는 것은 저전력 소모가 필수적으로 요구되는 휴대폰 등의 모바일 기기에로의 제품 탑재를 막는 제약 요건이 되었다.The problem of the conventional two-bar fluxgate (1) product having such a principle of operation and structure is that the magnetic properties per X, Y, and Z axes are not good, so that a large size is required and two bulk magnetic materials are required for operation. Since the entire device occupies a large area, the area of the product is not only large, but also a large area fluxgate must be mounted in the Z-axis direction. Therefore, electronic products such as mobile phones requiring small, flat sized electronic compasses Is difficult to mount. In addition, as shown in FIG. 2, since the output signal has a form of a transformer (transformer), a signal processing circuit that needs to cancel each other signal is additionally required, and the two signals of the pick-up signal are attenuated. Because of its small size, there was a problem in that a high-capacity amplifier to remove noise was required.In order to solve such a problem, that is, to increase the output signal, a large amount of current was introduced to the fluxgate operation. Was necessary. The need for large amounts of electricity for accurate azimuth measurements has become a constraint that prevents the deployment of products to mobile devices, such as cell phones, where low power consumption is essential.

기술적 과제Technical challenge

전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 휴대폰 등과 같은 소형의 전자기기 내에 장착될 수 있도록 3축 플럭스게이트 전자나침반을 소형으로 제작하고, 소자 작동에 필요한 전력을 최소화시킬 수 있는 박막형 3축 플럭스게이트를 제공하는 데 그 목적이 있다.In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present invention is a thin film type 3 that can be manufactured in a small three-axis fluxgate electronic compass to be mounted in a small electronic device such as a mobile phone, and to minimize the power required for device operation The purpose is to provide an axial fluxgate.

기술적 해결방법Technical solution

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따라, 3축 방향의 자계성분을 검출하는 박막형 3축 플럭스게이트(fluxgate)에 있어서, 자계의 수평 2축 성분을 감지하기 위한 것으로서 동일 평면상에 배치된 2개의 수평 성분 자계 감지용 박막 플럭스게이트와, 자계의 수직 성분을 감지하기 위한 수직 성분 자계 감지용 박막 플럭스게이트를 포함하고, 상기 수직 성분 자계 감지용 플럭스게이트는 상기 2개의 수평 성분 자계 감지용 플럭스게이트 각각과 실질적으로 직교하게 배치되고, 상기 수평 자계 성분 감지용 플럭스게이트 보다 짧은 길이를 갖지며 "∞" 형태의 자성체 구조를 가지는 복수 개의 자성 박막이 병렬로 구성되는 것인 박막형 3축 플럭스게이트가 제공된다.According to the present invention for achieving the above technical problem, in the thin film type three-axis fluxgate for detecting the magnetic field component in the three-axis direction, the two arranged on the same plane as for detecting the horizontal two-axis component of the magnetic field Two horizontal component magnetic flux sensing gates, and a vertical component magnetic flux sensing thin film fluxgate for sensing vertical components of a magnetic field, wherein the vertical component magnetic flux sensing gates comprise the two horizontal component magnetic flux sensing gates Provided is a thin-film three-axis fluxgate disposed substantially orthogonally to each other and having a shorter length than the horizontal magnetic component sensing fluxgate and having a plurality of magnetic thin films having a magnetic structure of "∞" shape in parallel. do.

본 발명에 따른 박막형 3축 플럭스게이트는 3 개의 박막 플럭스게이트를 x, y, z 축의 3개 방향으로 각각 배치하여 자계의 수평 성분과 수직 성분을 모두 검출하고 이 검출 결과에 기초하여 정확한 자계 방향 및 지표면 상에서의 방위를 파악하는 구성을 취한다.The thin-film three-axis fluxgate according to the present invention arranges three thin-film fluxgates in three directions of the x, y, and z axes, respectively, to detect both the horizontal component and the vertical component of the magnetic field. Take a configuration to identify the orientation on the earth's surface.

본 발명의 3축 플럭스게이트에 있어서 각 방향의 자계 성분을 검출하는 플럭스게이트는 박막 형태로 제작된다. 특히, 휴대폰과 같은 소형 전자기기에 용이하게 장착될 수 있는 납작한 형태로 제조될 수 있도록 자계의 수직 성분을 검출하기 위한 박막 플럭스게이트는 그 폭 방향으로 정렬된 짧은 길이의 복수개의 자성 박막에 드라이브 코일 및 픽업 코일을 권선하여 구성된다.In the triaxial fluxgate of the present invention, the fluxgate for detecting magnetic field components in each direction is manufactured in the form of a thin film. In particular, the thin film fluxgate for detecting the vertical component of the magnetic field can be manufactured in a flat form that can be easily mounted on a small electronic device such as a mobile phone. And a winding of the pickup coil.

유리한 효과Favorable effect

본 발명에 따르면, 전력소모가 적은 소형의 전자 나침반을 구성할 수 있으며, 특히 핸드폰과 같은 소형 휴대용 장치에 내장되어 높은 정확도로 외부 자계의 방향을 측정할 수 있다.According to the present invention, it is possible to configure a small electronic compass with low power consumption, and particularly embedded in a small portable device such as a mobile phone can measure the direction of the external magnetic field with high accuracy.

도 1은 종래의 2 막대형 플럭스게이트의 기본 구조를 도시한 도면1 is a view showing the basic structure of a conventional two-bar fluxgate

도 2는 종래의 플럭스게이트의 픽업 코일에서 검출되는 전압 파형의 일례를 도시한 도면2 shows an example of a voltage waveform detected in a pickup coil of a conventional fluxgate.

도 3은 본 발명에 따른 1 막대형 박막 플럭스게이트의 구조를 도시한 도면3 is a view showing the structure of a 1-bar thin film fluxgate according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 박막 플럭스게이트의 작동 원리를 도시한 도면4 is a view illustrating an operating principle of the thin film fluxgate according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 박막 플럭스게이트의 픽업 코일에서 검출되는 전압 파형이 외부 인가 자기장에 따라 변화하는 결과를 도시한 도면5 is a diagram illustrating a result of a voltage waveform detected by a pickup coil of a thin film fluxgate according to an externally applied magnetic field.

도 6은 본 발명에 따른 X, Y, Z 축용 박막 플럭스게이트의 구조를 도시한 도면6 is a view showing the structure of a thin film fluxgate for X, Y, Z axes according to the present invention

도 7은 본 발명에 따른 X, Y, Z 축용 박막 플럭스게이트 소자를 사용하여 제작된 전자나침반 칩(chip)의 구조를 도시한 도면7 is a view showing the structure of an electronic compass chip manufactured using the thin film fluxgate device for the X, Y, and Z axes according to the present invention.

도 8은 본 발명에 따른 X, Y 축용 플럭스게이트의 자성 박막 및 권선 구조를 도시한 도면8 is a view illustrating a magnetic thin film and a winding structure of a fluxgate for X and Y axes according to the present invention.

도 9는 본 발명에 따른 X, Y 축용 박막 플럭스게이트 구성 자성박막 내부에 발생되는 역자기장을 도시한 도면9 is a view showing an inverse magnetic field generated inside a magnetic thin film constituting a thin film fluxgate for the X and Y axes according to the present invention.

도 10은 본 발명에 따른 Z 축용 박막 플럭스게이트의 제조 방법을 도시한 도면10 is a view illustrating a method of manufacturing a thin film fluxgate for a Z axis according to the present invention.

도 11은 본 발명에 따른 Z 축용 박막 플럭스게이트의 형상과 플럭스게이트를 구성하는 자성 박막의 내부 구조를 도시한 도면11 is a view showing the shape of the thin film fluxgate for Z-axis according to the present invention and the internal structure of the magnetic thin film constituting the fluxgate

도 12는 본 발명에 따른 Z 축용 박막 플럭스게이트의 작동원리를 도시한 도 면12 is a view showing the operating principle of the thin film fluxgate for Z-axis in accordance with the present invention

도 13은 본 발명에 따른 Z 축용 박막 플럭스게이트의 자성박막 형상 및 구성에 따른 출력 신호의 변화를 도시한 도면13 is a view showing a change in the output signal according to the shape and configuration of the magnetic film of the thin film fluxgate for Z-axis in accordance with the present invention

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>

1. 2 막대 형태의 플럭스게이트 (two bar type fluxgate)1.2 bar type fluxgate

2. 강자성체 (ferromagnetic material)2. ferromagnetic material

3. 드라이브용 교류 전원 (AC power for drive)3. AC power for drive

4. 드라이브 코일 (drive coil)4. drive coil

5. 픽업 코일 (pick-up coil)5. Pick-up coil

6. 픽업용 전압계 (voltmeter for pick-up)6. Voltmeter for pick-up

7. 에폭시 몰딩 (epoxy molding)7. Epoxy molding

8. 패키징용 PCB (PCB for packaging)8. PCB for packaging

9. 실리콘 웨이퍼 (silicon wafer)9. Silicon wafer

10. 자성 박막 (magnetic thin film)10. Magnetic thin film

11, 11', 11". 절연 박막 (insulation thin film)11, 11 ', 11 ". Insulation thin film

12. 상부 코일 (top coil)12. top coil

13. 하부 코일 (bottom coil)13. bottom coil

14. 박막 플럭스게이트 (thin film fluxgate)14. Thin Film Fluxgate

15. X축 박막 플럭스게이트 (X-axis thin film fluxgate)15. X-axis thin film fluxgate

16. Y축 박막 플럭스게이트 (Y-axis thin film fluxgate)16. Y-axis thin film fluxgate

17. Z축 박막 플럭스게이트 (Z-axis thin film fluxgate)17. Z-axis thin film fluxgate

18. 플럭스게이트 전자나침반 구동회로 (ASIC for fluxgate electronic compass)18.ASIC for fluxgate electronic compass

19. 본딩 와이어 (bonding wire)19. bonding wire

20. 와이어 본딩 패드 (pad for wire bonding)20. pad for wire bonding

21. 버텀 패드 (bottom pad)21.bottom pad

22. 칩 높이 (chip height)22. chip height

23. 픽업 영역 또는 중앙 영역(pick-up area or central area)23. Pick-up area or central area

24. 드라이브 영역 또는 외곽 영역(drive area or outer area)24. Drive area or outer area

25. 자성 박막 적층용 절연 박막 (insulation film for magnetic film lamination)25. Insulation film for magnetic film lamination

26. 홈 (groove)26. Groove

27. 드라이브 영역의 자속 (magnetic flux in the drive area)27. Magnetic flux in the drive area

28. 픽업 영역의 자속 (magnetic flux in the pick-up area)28. Magnetic flux in the pick-up area

29. 픽업 영역에 인가되는 외부자기장 (external magnetic field to the pick-up area)29. External magnetic field to the pick-up area

30. 드라이브 영역에 인가되는 외부 자기장 (external magnetic field to the drive area)30. external magnetic field to the drive area

발명의 실시를 위한 최선의 형태Best Mode for Carrying Out the Invention

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 상세히 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, with reference to an accompanying drawing, the structure of this invention is demonstrated in detail.

도 3은 본 발명에 따른 막대형 박막 플럭스게이트를 입체적으로 도시한 그림이다. 본 발명의 박막 플럭스게이트는 기판상 절연막(11)이 코팅된 실리콘웨이퍼(9) 위에 박막 기술과 식각공정을 사용하여 박막 플럭스게이트를 제작한다. 박막 플럭스게이트의 제작을 위해서는 실리콘웨이퍼 상의 기판상 절연막(11)에 코일의 하부측 즉 코일의 절반을 형성시킬 수 있도록 홈을 파내고, 그 속에 알루미늄 등의 도전성 재료를 삽입시켜 하부코일(13)을 제작한 뒤, 하부 절연막(11') 및 상부 절연막(11')에 둘러싸인 자성박막(10)을 형성시키고, 최종적으로 상부코일(12)을 형성시켜 드라이브 코일(4) 및 픽업 코일(5)이 절연박막(11', 11")에 의하여 전기적으로 고립된 자성 박막(10)을 둘러쌀 수 있도록 한다.Figure 3 is a three-dimensional illustration of the rod-shaped thin film fluxgate according to the present invention. In the thin film fluxgate of the present invention, a thin film fluxgate is manufactured by using a thin film technology and an etching process on a silicon wafer 9 coated with an insulating film 11 on a substrate. In order to manufacture the thin film fluxgate, grooves are formed in the insulating film 11 on the silicon wafer to form the lower side of the coil, that is, the half of the coil, and a conductive material such as aluminum is inserted therein to insert the lower coil 13. After fabrication, the magnetic thin film 10 surrounded by the lower insulating film 11 'and the upper insulating film 11' is formed, and the upper coil 12 is finally formed to form the drive coil 4 and the pickup coil 5. The insulating thin films 11 ′ and 11 ″ may surround the magnetic thin film 10 that is electrically isolated.

본 발명에 따른 박막 플럭스게이트의 상세 구조 및 단면 구조는 도 3-(b)에 나타내었다. 막대형 박막 플럭스게이트의 제작을 위해서는 우선 실리콘웨이퍼(9)위에 형성된 기판상 절연막에 하부코일(13)을 형성시킬 부분을 포토리소 공정과 에칭공정으로 제거하여 홈을 형성한 뒤, 그 속에 하부 코일(13) 재료인 도전성 박막인 알루미늄 및 알루미늄 합금 박막을 성막시킨다. 이는 이후 공정의 평탄도를 높이기 위함이다.The detailed structure and cross-sectional structure of the thin film fluxgate according to the present invention are shown in Fig. 3- (b). In order to fabricate the rod-shaped thin film fluxgate, first, the portion of the lower coil 13 formed on the substrate insulating film formed on the silicon wafer 9 is removed by a photolithography process and an etching process to form a groove, and then the lower coil therein. (13) The aluminum and aluminum alloy thin films which are conductive thin films as materials are formed. This is to increase the flatness of the process.

그 후, 하부코일의 양 끝단을 일정 부분 노출시키고 플럭스게이트의 길이 방향 전체를 도포하는 1차 절연박막, 즉 하부절연박막(11')을 형성시킨다. 하부코일의 양 끝단에 절연박막 등을 형성시키지 않는 것은 최종 공정인 상부코일 제작 공정에서 끝단 부분을 상호 연결시켜 절연박막으로 둘러싸인 자성박막을 둘러싸는 형태의 권선 구조를 만들기 위한 것이다. 그 다음, 절연박막(19)보다 길이 및 폭이 좁고 적층 형태의 구조를 가지는 강자성체 박막(10)을 형성시키고, 연이어서 상부코일과 강자성체 간의 누전을 방지하기 위한 2차 절연 박막, 즉 상부절연박막(11")을 형성시킨다. 이후, 상부코일(12)박막을 형성시키고 상부코일 끝단의 단자를 기 형성시켜 놓은 하부 코일(13)의 단자와 연결시켜 두 가지 종류의 코일이 자성박막을 감싸는 구조를 갖는 막대형 박막 플럭스게이트 제작을 완성한다.Thereafter, both ends of the lower coil are partially exposed and a primary insulating thin film 11 ′ is formed to cover the entire length direction of the fluxgate. The purpose of not forming an insulating thin film at both ends of the lower coil is to form a winding structure that surrounds the magnetic thin film surrounded by the insulating thin film by interconnecting the end portions in the upper coil manufacturing process, which is the final process. Next, a ferromagnetic thin film 10 having a length and width narrower than that of the insulating thin film 19 and having a stacked structure is formed, and subsequently, a secondary insulating thin film, ie, an upper insulating thin film, for preventing a short circuit between the upper coil and the ferromagnetic material. (11 "). Thereafter, the upper coil 12 thin film is formed and the terminals of the upper coil end are connected to the terminals of the lower coil 13, which is formed in advance, so that the two types of coils surround the magnetic thin film. To complete the production of rod-shaped thin film fluxgate.

본 발명의 박막 플럭스게이트를 제작하기 위해서는 하부코일박막(13), 1차 절연박막(11'), 자성박막(10), 2차 절연박막(11"), 상부코일박막(12)을 순차적으로 형성시켜야 하는데, 전기적 및 균열 방지 등을 위한 기계적 특성을 확보하기 위해서는 각각의 박막을 제작함에 있어, 특정한 재료를 사용함과 아울러 적층 구조의 자성박막(10) 형성이 필요하다. 본 발명에서는 박막 플럭스게이트 전체에서 발생되는 응력을 제거하기 위하여 1차 절연박막(11')의 재료로써 Ta2O5, Al2O3, TiO2, 등의 통상의 절연체 박막보다 충격저항 강도 (toughness)가 높은 특성을 갖는 SiO2 를 사용하여, 1차 절연 박막 위에 형성되는 자성박막(10)의 자기적 특성을 향상시켰으며, 우수한 자기적 특성을 유지시키기 위해서는 1차 절연박막(11')의 두께를 적어도 5,000Å 이상의 두께로 형성시긴다. 1차 절연박막(11')의 두께는 5,000Å (0.5㎛) 에서 20,000Å (2㎛) 의 두께 범위 내에서 가장 우수한 자기적 특성을 가진다. 1차 절연박막(11') 위에 형성되는 자성 박막(10)은 플럭스게이트 자성 박막으로써 요구되는 자기적 특성인 낮은 보자력(low coercivity), 높은 투자율(high permeability), 빠른 포화자화(fast saturation magnetization)를 갖는, 즉 자성체 의 자기이력곡선 (hysteresis loop)의 폭이 좁고 네모난 형태의 높은 각형비 (squareness)를 가져야 한다. 이와 같은 자기적 특성을 갖는 자성박막을 제작하기 위해서는 단층 자성박막 형태로는 곤란하므로 자성박막으로 통상 사용되는 NiFe 박막을 Al2O3 절연체 박막(25)과 교대로 형성시키는 적층 박막 형태로 제작하는 것이 바람직하다. 적층박막을 구성하는 NiFe 강자성체 박막과 Al2O3 절연체 박막의 두께는 각각 600ű300Å, 150ű100Å의 두께 범위 내에서 박막 플럭스게이트에 적합한 자기적 특성을 가진다. 자성박막과 절연박막을 상기의 두께 조건으로 적층 박막을 형성하였을 때, 자기이력곡선이 좁은 사각형의 형태를 가진다. 박막 플럭스게이트에서 발생되는 출력 전압의 크기를 크게 만들기 위해서, 전용회로로 감지하는 것이 용이하게 만들려면, 자성체를 구성하는 적층의 층수를 높이면 된다. 자성체 전체의 양을 늘리기 위해서는 NiFe 강자성체 박막과 Al2O3 절연체 박막을 하나의 쌍(pair)으로 기준을 하였을 때, 적어도 3쌍 이상의 적층막을 형성하는 것이 바람직하다.In order to manufacture the thin film fluxgate of the present invention, the lower coil thin film 13, the primary insulating thin film 11 ′, the magnetic thin film 10, the secondary insulating thin film 11 ″ and the upper coil thin film 12 are sequentially formed. In order to secure mechanical properties for electrical and crack prevention, each thin film needs to be formed, and a specific material is required and a magnetic thin film 10 having a laminated structure needs to be formed. In order to remove the stress generated in the whole, the material of the primary insulating thin film 11 ′ has a higher impact resistance toughness than conventional insulator thin films such as Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , TiO 2 , and the like. By using SiO 2 , the magnetic properties of the magnetic thin film 10 formed on the primary insulating thin film were improved, and in order to maintain excellent magnetic properties, the thickness of the primary insulating thin film 11 ′ was at least 5,000 μs. Formed with a thickness of more than C. The thickness of the primary insulating thin film 11 'has the best magnetic properties within the thickness range of 5,000 Å (0.5 탆) to 20,000 Å (2 탆). The magnetic thin film 10 has low coercivity, high permeability, fast saturation magnetization, that is, magnetic properties required as a fluxgate magnetic thin film, that is, a magnetic hysteresis curve of the magnetic material. The width of the loop should be narrow and have a high squareness of square shape To manufacture a magnetic thin film having such magnetic characteristics, it is difficult to form a single layer magnetic thin film. It is preferable to fabricate in the form of a laminated thin film which is alternately formed with the Al 2 O 3 insulator thin film 25. The thicknesses of the NiFe ferromagnetic thin film and the Al 2 O 3 insulator thin film constituting the laminated thin film are 600 Å ± 300 Å, 1, respectively. Magnetic properties suitable for thin film fluxgates within a thickness range of 50 ± 100Å. When the laminated thin film is formed of the magnetic thin film and the insulating thin film under the above thickness condition, the magnetic history curve has a narrow rectangular shape. In order to increase the magnitude of the output voltage generated in the thin film fluxgate, to make it easy to detect with a dedicated circuit, the number of layers of the magnetic layers may be increased. In order to increase the total amount of the magnetic material, when the NiFe ferromagnetic thin film and the Al 2 O 3 insulator thin film are referred to as a pair, it is preferable to form at least three pairs of laminated films.

도 3의 (c)는 막대형 박막 플럭스게이트의 권선 상태를 도시한 그림이다. 그림에서와 같이 드라이브 코일(4)과 픽업코일(5)은 자성박막(10)을 동시에 둘러싼 구조를 가진다. 플럭스게이트를 작동시키기 위해서는 드라이브 코일(4)에 교류 전류를 흘려주고, 이 교류 전류가 코일을 통해 흐를 때 발생하는 좌우 방향의 솔레노이드 코일의 자기장으로 하여금 코일 내부에 거치 되어 있는 자성 박막의 자화 방향을 좌우로 변화되도록 하여야 한다. 상기의 상황 하에서 즉, 자성체의 자화 방향 이 드라이브 코일에 의해 변경이 발생할 때에 픽업 코일에는 도 4 (d), (f)와 같은 형태의 독립된 볼트 피크가 나타난다.3C is a diagram illustrating a winding state of the rod-shaped thin film fluxgate. As shown in the figure, the drive coil 4 and the pickup coil 5 have a structure surrounding the magnetic thin film 10 at the same time. In order to operate the fluxgate, an alternating current flows through the drive coil 4, and the magnetic field of the solenoid coil in the left and right directions generated when the alternating current flows through the coil causes the magnetization direction of the magnetic thin film mounted inside the coil. It should change from side to side. Under the above circumstances, that is, when the magnetization direction of the magnetic material is changed by the drive coil, an independent volt peak of the form shown in Figs. 4D and 4F appears in the pickup coil.

도 4는 박막 플럭스게이트에서 출력 신호의 형태가 전압의 고립 또는 독립된 피크 형태로 발생되는 원리를 나타낸 도면이다. 출력 신호를 감지하는 픽업 코일을 통하여 독립된 피크가 나타나는 것은 플럭스게이트를 구성하고 있는 자성박막의 자기적 특성과 밀접한 관계를 가진다. 플럭스게이트 용도로 제작된 자성 박막의 자기적 거동이 도 4의 (c)와 같은 형태의 각형비 우수한 자기이력곡선을 가지는 경우, 플럭스게이트의 드라이브 코일에 입력되는 삼각파 또는 싸인파는 드라이브 코일이 감싸고 있는 자성체에 대하여 주기적으로 자기장을 인가하게 된다. 입력되는 교류는 도 4의 (c)에 표기된 ① 내지 ⑦까지의 자기적 거동을 하게 한다. 도 4의 (c)의 점선은 지구자계 등의 외부인가 자기장이 전혀 없는 상황 하에서 박막 플럭스게이트에 교류 신호가 인가될 때의 자기적 거동을 나타내며, 이와 같은 자기적 거동을 가질 때 출력 피크는 도 4 (d)의 점선의 형태로 나타난다. 이때, 독립 피크가 나타나는 위치는 도면에 표시된 A 연장선과 일치된다. 아울러 (-) 부호의 출력 피크가 나오는 위치는 도면에 표시된 B (B') 연장선 위치에 나타난다. 도 4의 (f)의 점선 역시 외부 인가 자기장이 없을 경우의 전압 피크가 나타나는 위치를 도시한 그림이다. 자화 반전이 일어나는 부분에서 독립 피크가 나타나는 이유는 출력 볼트가 시간당 변화하는 자화값, 즉 (d(M)/dt)와 직접적으로 비례하기 때문이다. 도 4의 (c)의 실선은 도 4의 (a)와 같이 막대형 플럭스게이트가 수평으로 놓여져 있는 상태에서 우측으로부터 자기장이 인가될 때의 자기적 거동의 변화를 도시한 그림이다. 우 측에서 지구자계와 같은 DC 성분의 자기장이 인가되면, 자기이력곡선은 좌측으로 편이(shift)한다. 이 같이 외부 자기장이 인가된 상황하에서 드라이브 코일을 통하여 교류 입력 전류를 흘려주면, 드라이브 코일의 전류 흐름에 따라 드라이브 코일 내부로 솔레노이드 자기장이 좌우로 번갈아 가면서 형성되게 된다. 이 경우, 자기이력곡선이 왼쪽으로 편이되어 있는 상태이므로 동일한 시간 기준 하에 자화 반전을 일으키면 볼트 피크의 발생은 인가 자기장이 없을 때와는 다른 거동을 갖게 된다. (-)자화 상태에서 (+)자화 상태로 이동됨에 따른 (+)출력 볼트의 피크의 발생은 인가 자기장이 없을 때에 비하여 더 짧은 시간에 발생하며 (+) 자화 상태에서 (-)자화상태로 이동함에 따라 발생하는 (-) 출력 볼트는 더 늦은 시간에 발생된다. 이에 따라 출력 피크 간의 거리는 외부 인가 자기장이 없는 경우에 비하여 넓은 피크 간 거리를 갖게 된다. 도 4의 (e), (f)는 도 4의 (b)와 같이 수평으로 놓인 플럭스게이트의 왼쪽으로부터 외부 자기장이 인가되는 경우의 출력 피크가 나타나는 형상을 표현한 그림이다. 앞의 경우와는 반대로 출력 피크 간의 간격이 줄어들게 된다.4 is a view illustrating a principle in which the shape of an output signal in the thin film fluxgate is generated in the form of an isolated peak or independent voltage. The appearance of independent peaks through the pickup coil sensing the output signal is closely related to the magnetic properties of the magnetic thin film constituting the fluxgate. When the magnetic behavior of the magnetic thin film manufactured for the fluxgate has the excellent magnetic history curve of the angular ratio as shown in FIG. 4 (c), the triangular wave or the sine wave input to the drive coil of the fluxgate is surrounded by the drive coil. Magnetic field is periodically applied to the magnetic material. The input AC causes the magnetic behavior of ① to ⑦ indicated in (c) of FIG. 4. The dotted line in FIG. 4 (c) shows the magnetic behavior when an AC signal is applied to the thin film fluxgate in the absence of an external magnetic field such as the earth's magnetic field, and the output peak is shown in FIG. 4 (d) in the form of a dotted line. At this time, the position where the independent peak appears is coincident with the A extension line shown in the figure. In addition, the position at which the output peak of the minus sign appears is shown at the B (B ') extension line position shown in the drawing. The dotted line of FIG. 4 (f) also shows the position where the voltage peak appears in the absence of an externally applied magnetic field. Independent peaks appear where magnetization reversal occurs because the output volts are directly proportional to the magnetizing value that changes over time, ie (d (M) / dt). The solid line of FIG. 4C is a diagram showing a change in magnetic behavior when a magnetic field is applied from the right side in a state where the bar-shaped fluxgate is placed horizontally as shown in FIG. 4A. When the magnetic field of the DC component such as the earth's magnetic field is applied on the right side, the magnetic hysteresis curve shifts to the left side. As described above, when an AC input current flows through the drive coil under an external magnetic field applied, the solenoid magnetic field is alternately formed in the drive coil side by side according to the current flow of the drive coil. In this case, since the magnetic hysteresis curve is shifted to the left side, if the magnetization reversal occurs under the same time reference, the generation of the volt peak has a different behavior than when there is no applied magnetic field. The generation of the peak of the (+) output volt as it moves from the (-) magnetization state to the (+) magnetization state occurs in a shorter time than in the absence of an applied magnetic field and moves from the (+) magnetization state to the (-) magnetization state. As a result, the negative output volt is generated later. As a result, the distance between the output peaks has a wider peak-to-peak distance than when there is no externally applied magnetic field. 4 (e) and 4 (f) are diagrams showing a shape in which an output peak appears when an external magnetic field is applied from the left side of the fluxgate lying horizontally as shown in FIG. 4 (b). In contrast to the previous case, the spacing between output peaks is reduced.

본 발명이 종래의 2막대형 플럭스게이트(1)와는 달리 하나의 자성체 막대만을 사용하여 3축 플럭스게이트를 제작할 수 있는 이유는 자성 박막 기술을 사용하여 좁고 네모난 형태의 자기이력곡선을 가지는 강자성체 박막(10)을 제작하는 것이 가능하기 때문이다. 종래의 플럭스게이트에 채용된 강자성체는 도 4에 표현한 사각형 형태의 자기이력곡선을 갖지 못하고 자기이력곡선이 인가 자기장 (H)에 따라 길게 뉘어져 있는 형태를 가지므로 자화 반전 시에 -M에서 +M으로 바뀌는데 있어서 더욱 많은 시간이 걸리게 되고, 그로 인하여 고립된 볼트 피크가 나타나지 않고, 일종의 트랜스포머와 같이 작동하게 되어 2의 (a)에서와 같은 형태의 삼각파 또는 싸인파의 출력 신호를 가지게 되어 종래의 기술을 사용해서는 본 발명과 같은 독립 피크 간의 거리 측정 방법을 사용하는 플럭스게이트를 제작할 수 없었다.Unlike the conventional two-bar fluxgate (1), the reason why the three-axis fluxgate can be manufactured using only one magnetic rod is a ferromagnetic thin film having a narrow and square magnetic hysteresis curve using magnetic thin film technology. It is because it is possible to manufacture (10). The ferromagnetic material employed in the conventional fluxgate does not have a rectangular magnetic hysteresis curve as shown in FIG. 4, and the magnetic hysteresis curve is long divided according to the applied magnetic field (H). It takes more time to change to, so that no isolated volt peaks appear, and it works like a kind of transformer, so that it has an output signal of a triangular wave or sine wave of the form as in 2 (a). Fluxgate using the distance measuring method between independent peaks as in the present invention could not be manufactured.

본 발명은 도 4의 (d), (f)와 같은 출력 신호를 가지므로, 즉 독립된 볼트 피크가 발생하는 특징을 가지므로 출력 볼트 피크의 위치를 측정하는 것이 가능하였고, 아울러 이들 피크가 외부 인가 자기장 방향 및 크기 변화에 따라 비례적으로 피크 편이 (peak shift)가 발생하므로 두 개의 독립 피크의 거리 측정 (실제는 시간)하는 방법을 이용하여 지구자계 등의 외부 인가 자기장의 방향을 측정하는 것이 가능하다.Since the present invention has an output signal as shown in FIGS. 4 (d) and 4 (f), that is, it has a characteristic of generating independent volt peaks, it is possible to measure the position of the output volt peaks, and these peaks are externally applied. Since the peak shift occurs in proportion to the change in the direction and magnitude of the magnetic field, it is possible to measure the direction of the externally applied magnetic field such as the earth's magnetic field by using a distance measuring method (actually time) of two independent peaks. Do.

도 5의 (a)는 박막 플럭스게이트가 외부 자계에 대해서 특정 방향을 향할 때의 상태를 나타내는 도면이며, 도 5의 (b),(c),(d)는 박막 플럭스게이트가 향하는 방향에 따른 출력 신호의 변화 양태를 도시한 도면이다. 박막 플럭스게이트가 동쪽, 또는 서쪽으로 배치된 경우에서는 박막 플럭스게이트의 길이 방향으로 작용하는 자기장이 전혀 없는 상태가 되므로 박막 플럭스게이트의 출력 피크는 외부 인가 자기장이 없는 상태인 위치에서 (+) (-) 출력 피크가 나타나며 그 피크들 사이의 거리는 도 5의 (b)와 같이 'E' μsec 또는 'W' μsec의 거리를 가진다. 만일, 박막 플럭스게이트가 북쪽을 향하는 경우에는 플럭스게이트 소자 아래쪽으로부터 길이 방향으로 자기장이 인가되어 출력 볼트 피크 간의 거리는 도 5의 (c)에 나타낸 바와 같이 'N' μsec 로 줄어들며, 박막 플럭스게이트가 남쪽을 향하는 경우에는 출 력 피크 간의 거리가 도 5의 (d)에서와 같이 'S' μsec로 늘어나게 된다. 이와 같이 외부 자기장이 인가되면 전압 피크가 좌우로 이동하는 피크 편이(peak shift) 현상이 발생하므로, 도 5에서 나타나 있는 바와 같이 지자계 이외에 별도의 외부 자계가 없는 경우라면 픽업 코일에서 검출되는 전압의 피크편이 정도를 해석하여 외부 자계의 존재 여부 및 자계가 인가되는 방향을 정확하게 파악할 수 있다. 본 발명에 따른 플럭스게이트의 출력 신호에서 고립된 피크가 나타나는 이유는 본 발명에 따른 플럭스게이트 제작에 반도체 기술을 이용한 박막 기술을 사용함에 따라 자성체를 둘러싸고 있는 코일과 자성체의 거리를 벌크제품에 비하여 크게 낮출 수 있고, 이로 인하여 드라이브 코일에 인입되는 작은 전류만으로도 얇은 두께의 자성 박막의 자화 및 자화 반전을 용이하게 할 수 있고, 자화 반전 결과에 따른 미세 전압의 발생을 픽업 코일이 벌크 조립 제품에 비하여 정밀하게 읽어 들일 수 있기 때문이다.FIG. 5A illustrates a state when the thin film fluxgate faces a specific direction with respect to an external magnetic field, and FIGS. 5B, 5C, and 5D show directions in which the thin film fluxgate faces. It is a figure which shows the change aspect of an output signal. In the case where the thin film fluxgate is disposed eastward or westward, there is no magnetic field acting in the longitudinal direction of the thin film fluxgate, so the output peak of the thin film fluxgate is positive in the absence of an externally applied magnetic field. ) Output peaks appear and the distance between the peaks has a distance of 'E' μsec or 'W' μsec as shown in FIG. If the thin film fluxgate faces north, a magnetic field is applied in the longitudinal direction from the bottom of the fluxgate element so that the distance between the output volt peaks is reduced to 'N' μsec as shown in FIG. In the case of, the distance between the output peaks is increased to 'S' μsec as shown in FIG. As such, when an external magnetic field is applied, a peak shift phenomenon occurs in which the voltage peak is shifted left and right, and as shown in FIG. 5, when there is no external magnetic field other than the geomagnetic field, By analyzing the degree of peak shift, it is possible to accurately determine the existence of an external magnetic field and the direction in which the magnetic field is applied. The reason why the isolated peak appears in the output signal of the fluxgate according to the present invention is that the distance between the coil and the magnetic body surrounding the magnetic body is significantly larger than that of the bulk product by using the thin film technology using the semiconductor technology to manufacture the fluxgate according to the present invention. It is possible to lower the magnetization and magnetization reversal of the thin magnetic film with a small current drawn into the drive coil, and the generation of fine voltage according to the magnetization reversal result is more accurate than that of the bulk-assembled product. Because it can be read.

도 6의 (a), (b)는 본 발명에 따른 X, Y축용 1막대형 박막 플럭스게이트를 나타낸 도면이고, 도 6의 (c), (d)는 Z축용 플럭스게이트를 나타낸 도면이다. 도 6의 (a)는 막대형태의 자성 박막에 드라이브 코일과 픽업 코일이 교대로 감겨 있는 구조를 갖는 박막 플럭스게이트이며, 도 6의 (b)는 도 6의 (a)에 비하여 개선된 전기적 특성을 가지는 자성 박막 디자인과 권선 구조를 가진 X 및 Y축용 박막 플럭스게이트이다. 도 6의 (b)의 X축 및 Y축용 박막 플럭스게이트는 아령형태의 자성박막의 끝단 부위에 홈을 형성시킨 디자인을 가지며, 권선 구조는 드라이브 코일과 픽업 코일을 1선 마다 교대로 권선하지 않고 드라이브 코일을 일정 권선수만큼 감은 다음 픽업 코일을 일정 권선수만큼 교대로 감는 구조를 가진다. 도 6의 (c)는 막대형태의 짧은 길이의 자성 박막에 드라이브코일과 픽업 코일이 1선 마다 교대로 감겨 있는 구조를 갖는 Z축용 박막 플럭스게이트의 구성을 나타내는 도면이며, 도 6의 (d)는 도 6의 (c)에 비하여 개선된 전기적 특성을 갖는 자성 박막 디자인과 권선 구조를 가진 Z축용 박막 플럭스게이트이다.6 (a) and 6 (b) show the X- and Y-axis single-bar type thin film fluxgates according to the present invention, and FIGS. 6 (c) and 6 (d) show the Z-axis fluxgates. 6A is a thin film fluxgate having a structure in which a drive coil and a pickup coil are alternately wound around a rod-shaped magnetic thin film, and FIG. 6B is an improved electrical characteristic compared to FIG. 6A. It is a thin film fluxgate for X and Y axes with magnetic thin film design and winding structure. The thin film fluxgate for X and Y axes of FIG. 6 (b) has a design in which grooves are formed at the end portions of the magnetic thin film in the form of dumbbells, and the winding structure does not alternately wind the drive coil and the pickup coil for each line. The drive coil is wound by a certain number of turns, and then the pick-up coil is wound by an amount of turns. FIG. 6C is a view showing the configuration of a Z-axis thin film fluxgate having a structure in which a drive coil and a pickup coil are alternately wound on a line of a magnetic thin film having a rod length, and FIG. Z is a thin film fluxgate for Z-axis having a magnetic thin film design and a winding structure having improved electrical characteristics as compared to FIG.

Z축용 박막 플럭스게이트를 구성하는 자성 박막은 "∞" 형태의 구조를 갖도록 제작하며, 플럭스게이트 작동에 필요한 드라이브 및 픽업 코일은 동일 영역에 교차되는 권선을 하지 않고 다른 영역에 각각 분리해서 권선하는 구조를 가진다. 드라이브 코일(4)은 Z축 소자를 구성하는 자성박막의 양쪽 외곽의 둥근 부위(10')에 집중하여 권선하고, 픽업 코일은 중앙의 직선 부위 자성박막(10)에 집중하여 권선한다. 한편, 일정 권선수의 드라이브 코일을 픽업 코일이 감긴 중앙 부위의 양쪽 끝단에 권선하는 방법의 사용도 중앙 부위의 자속의 방향을 일방향으로 만드는 것에 도움이 되므로 출력 피크의 크기를 향상시키는 것에 도움이 되지만, 동일한 픽업 영역(10)에 드라이브 권선수의 증가는 픽업 코일(5) 권선수의 감소를 야기하여 전체 피크의 크기를 감소시키는 원인이 되므로 7㎛ 선폭의 드라이브 코일을 10 권선수 이하로 조정하는 것이 바람직하다.The magnetic thin film constituting the thin film fluxgate for the Z-axis is manufactured to have an "∞" structure, and the drive and pickup coils required for the fluxgate operation are separately wound in different regions without winding in the same region. Has The drive coil 4 concentrates and winds the round portions 10 'on both outer sides of the magnetic thin film constituting the Z-axis element, and the pick-up coil concentrates and winds the magnetic straight portion 10 in the center. On the other hand, the use of winding the drive coil of a certain number of windings at both ends of the center portion where the pickup coil is wound also helps to improve the magnitude of the output peak because it helps to make the direction of the magnetic flux in the center portion in one direction. Increasing the number of turns of the drive in the same pick-up area 10 causes a decrease in the number of turns of the pick-up coil 5, thereby reducing the size of the overall peak. desirable.

Z축용 박막 플럭스게이트의 자성 박막의 중앙 부위(10) 끝 부분도 도 6의 (b)의 X, Y축용 박막 플럭스게이트의 자성 박막 구조와 동일하게 홈을 형성시킨다. 도 6의 (d)의 Z축용 박막 플럭스게이트는 휴대폰 등의 모바일 기기에 탑재하기 위해 Z축 플럭스게이트를 패키징용 PCB(8)에 수직으로 세웠을 때 전자나침반 칩 전체 의 두께를 결정하게 되므로 Z축용 박막 플럭스게이트의 전체 높이는 가능한 한 작으면서도 그로부터 발생하는 출력 볼트 피크는 가능한 한 커야 한다. 따라서 본 발명에서는 적어도 0.9mm 이하 크기의 짧은 길이의 플럭스게이트를 복수 개 배열하고, 그것에 드라이브 코일 및 픽업 코일 각각을 하나의 드라이브 코일과 하나의 픽업 코일로 연결시킨 구조를 갖는 Z축용 박막 플럭스게이트를 고안하였고, 본 발명의 형상으로 플럭스게이트를 구성하여 드라이브 코일에 전기를 흐르게 하면, 복수개의 자성박막에서 동시에 동일한 방향으로 자화반전이 일어나서, 하나의 픽업 코일에는 각각의 작은 크기의 박막 플럭스게이트에서 발생하는 픽업 볼트가 합산되어 나타나므로 외부 인가 자장을 감지하기 위해 필요한 고립된 피크의 크기가 방위 판정에 충분한 크기로 나타나게 된다.The end portion of the central portion 10 of the magnetic thin film of the thin film fluxgate for Z-axis also has grooves formed in the same manner as the magnetic thin film structure of the thin film fluxgate for X and Y axes of FIG. The thin film fluxgate for Z-axis of FIG. 6 (d) is used to determine the thickness of the entire electronic compass chip when the Z-axis fluxgate is erected perpendicularly to the packaging PCB 8 for mounting on a mobile device such as a mobile phone. The overall height of the thin film fluxgate should be as small as possible while the output volt peaks resulting from it should be as large as possible. Therefore, in the present invention, a plurality of short-length fluxgates having a size of at least 0.9 mm or less are arranged, and a thin film fluxgate for Z-axis having a structure in which a drive coil and a pickup coil are connected to one drive coil and one pickup coil is connected thereto. When the fluxgate is formed in the shape of the present invention and electricity flows through the drive coil, magnetization reversal occurs in the same direction at the same time in the plurality of magnetic thin films, so that one pick-up coil is generated in the thin film fluxgate of each small size. Since the pickup bolts are summed up, the size of the isolated peaks necessary to detect the externally applied magnetic field appears to be large enough for the orientation determination.

도 7의 (a)는 본 발명에 따른 새로운 형태의 박막 플럭스게이트를 채용한 전자나침반 칩의 구조를 나타낸 도면이다. 본 발명에서는 X, Y, Z 각각의 축당 하나의 플럭스게이트를 배치하는 것은 종래의 방법과 다름없으나 1축당 2막대형 플럭스게이트를 채용한 종래의 방법과 다른 점은 각 축당 1개 막대 형태의 플럭스게이트를 배치하는 구조를 가지며, 얇은 두께의 전자나침반 칩을 만들기 위하여 Z 축용 플럭스게이트에는 자성박막을 "∞" 형태를 가지는 형상을 가진 플럭스게이트를 복수개 병렬 배치한 구조를 채용한 것이 특징이다. 수직 성분(Z축 성분)의 자계를 측정하기 위해 복수 개로 분할된 박막의 높이는 수평 성분(X축 및 Y축) 감지용 플럭스게이트의 길이보다 짧게 형성함으로써, 전체적인 3축 플럭스게이트의 형상을 납작하게 제작하는 것이 가능하다.7 (a) is a view showing the structure of an electronic compass chip employing a novel type of thin film fluxgate according to the present invention. In the present invention, the arrangement of one fluxgate on each axis of X, Y, and Z is no different from the conventional method, but is different from the conventional method employing a two-bar fluxgate per axis. It has a structure in which a gate is arranged, and in order to make a thin-walled electronic compass chip, a structure in which a plurality of fluxgates having a shape having a “∞” shape of magnetic thin film is arranged in parallel in the Z-axis fluxgate is used. In order to measure the magnetic field of the vertical component (Z-axis component), the height of the thin film divided into plural pieces is formed to be shorter than the length of the horizontal component (X-axis and Y-axis) fluxgate so that the overall shape of the three-axis fluxgate is flat. It is possible to produce.

도 7의 (b)는 3축의 플럭스게이트를 탑재한 전자나침반 칩의 단면 구조를 나타낸 도면이다. 휴대폰 등의 모바일 기기에 전자나침반 칩을 탑재하기 위해서는 최대 허용 높이인 1.4mm 보다는 작아야 하며, 가능한 한 얇은 두께의 칩으로 제작하여야 한다. 전자나침반 칩의 구성은 패키징용 PCB(8)위에 전자나침반을 구성하는 각종 소자들을 올려놓고, 각각의 전기 단자(20)들을 와이어(19)를 사용하여 연결해 준 다음, 그 위에 소자 보호용 에폭시 몰딩(7)을 실시하는 구성을 가진다. 이때 중요한 점 중에 하나는 전체 칩의 높이를 가능한 한 줄여야 한다는 것이다. 칩의 전체 높이를 구성하는 인자는 PCB의 두께, Z축용 플럭스게이트의 높이, 에폭시 몰딩의 두께, 버텀 패드의 두께이다. X, Y축 플럭스게이트 및 ASIC 소자의 높이 통제는 그들 소자들이 제작된 실리콘웨이퍼 뒷 면을 그라인딩 방법을 통하여 갈아내면 그 높이를 크게 줄일 수 있으므로 칩 전체 두께를 감소시키는데 있어서 문제는 없다. 통상 PCB는 0.15mm∼0.2 mm의 rigid PCB를 사용하고, 상부의 에폭시 몰딩의 두께는 통상 0.10mm∼0.15 mm 수준이 되므로 전체 chip 크기를 1.2mm 이하로 제작하기 위해서는 Z축용 박막 플럭스게이트의 높이를 적어도 0.95mm∼0.85mm 이하로 제작해야하며, 전체 칩 높이를 더욱 낮추기 위해서는 0.85 mm 보다 작게 만드는 것이 바람직하다.FIG. 7B is a diagram showing a cross-sectional structure of an electronic compass chip having three axes of fluxgates mounted thereon. In order to mount an electronic compass chip in a mobile device such as a mobile phone, the chip must be smaller than the maximum allowable height of 1.4mm and be made as thin as possible. The configuration of the electronic compass chip is to place various elements constituting the electronic compass on the packaging PCB (8), and to connect the respective electrical terminals 20 using a wire (19), and then to protect the epoxy molding (element) on the 7) has a configuration to implement. One important point here is to reduce the height of the entire chip as much as possible. Factors constituting the overall height of the chip are the thickness of the PCB, the height of the fluxgate for the Z axis, the thickness of the epoxy molding and the thickness of the bottom pad. The height control of the X, Y-axis fluxgate and ASIC devices can be greatly reduced by grinding the back side of the silicon wafers from which they are fabricated, so there is no problem in reducing the overall thickness of the chip. Normally, PCB uses 0.15mm ~ 0.2mm rigid PCB, and the thickness of epoxy molding on the top is usually 0.10mm ~ 0.15mm, so in order to make the total chip size below 1.2mm, the height of Z-axis thin film fluxgate is increased. It should be manufactured at least 0.95mm to 0.85mm or less, and it is desirable to make it smaller than 0.85mm to further lower the overall chip height.

도 8의 (a)는 본 발명에 따른 X축 및 Y축용 박막 플럭스게이트를 나타낸 도면으로 코일이 감기지 않은 자성박막(10)의 양 끝단 부위를 코일이 감겨 있는 중앙부위보다 넓은 아령 형태로 제작하고 이와 아울러 끝 단의 중앙 부위에 오목한 홈 (26)을 형성시키는 자성 박막 구조를 가진다. 박막 플럭스게이트를 작동시키는데 필요한 코일의 권선은 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이 드라이브 코일은 드라이브 코일끼리 권선하며, 픽업 코일은 픽업 코일들끼리 권선하는 구조를 갖는다. 이때 사용되는 권선의 선폭은 7±2 ㎛ 로 제작하며, 각 권선 영역별 권선 숫자는 10 턴 이상 30 턴 이하의 권선수를 갖도록 한다. 권선의 선폭이 제한이 있는 것은 넓은 선폭을 사용하는 경우에는 굵은 도선을 통하여 많은 크기의 전류가 흘러감에 따라 제작한 박막 플럭스게이트를 작동하는 데에 있어 많은 전력 소모가 발생하기 때문이며, 좁은 선폭을 사용하는 것에 제한이 있는 것은 얇은 도선을 사용하는 경우, 코일 자체의 저항이 크게 되어 자성 박막을 자화시킬 수 있는 충분한 자기장을 발생시킬 수 있는 전류가 도선 속으로 흘러들어가지 못하기 때문이다. 되도록 많은 권선수를 갖게 하기 위하여 가능한 한 조밀한 권선이 바람직하다.Figure 8 (a) is a view showing the thin film flux gate for the X-axis and Y-axis in accordance with the present invention produced in the form of a dumbbell wider than the central portion of the coil coil wound both ends of the magnetic thin film 10 is not wound In addition, it has a magnetic thin film structure for forming a concave groove 26 in the central portion of the end. As shown in FIG. 8A, the winding of the coil required to operate the thin film fluxgate has a structure in which the drive coil is wound between drive coils and the pickup coil is wound between pickup coils. At this time, the line width of the used winding is manufactured to 7 ± 2 ㎛, and the number of windings for each winding area should have more than 10 turns and less than 30 turns. The wire width of the winding is limited because a lot of power is consumed in operating the thin film fluxgate as a large amount of current flows through the thick wire when a wide wire width is used. There is a limit to use because when using a thin wire, the resistance of the coil itself becomes large so that a current that can generate a sufficient magnetic field to magnetize the magnetic thin film cannot flow into the wire. It is desirable to have as close a winding as possible to have as many turns as possible.

도 8의 (b)는 길이 2.2mm의 박막 플럭스게이트를 나타낸 도면이며, 도 8의 (c)는 도 8의 (b) 형태의 박막 플럭스게이트의 드라이브 코일에 교류 입력 전압을 ±2 volt 인가하였을 때에 픽업 코일을 따라 출력되는 출력 신호를 도시한 도면이다. 본 실시예에 따른 박막 플럭스게이트에서 출력되는 볼트 피크의 크기는 10mV 수준이다. 10mV 의 출력 크기를 기준으로 하는 것은 이 출력 볼트의 크기가 일반적인 구동회로(18)에서 출력 신호를 감지하기에 충분한 크기의 출력이기 때문이며, 출력 신호가 작은 경우에는 구동 ASIC (18)의 성능을 향상시킴으로써 전자나침반을 제작하는 것도 가능하다. 도 8의 (b) 형상을 가지는 박막 플럭스게이트는 전체 전자나침반의 칩 넓이를 4mm x 4mm 형태로 제작하는 것이 가능하다.FIG. 8B is a view showing a thin film fluxgate having a length of 2.2 mm, and FIG. 8C shows that an AC input voltage of ± 2 volt is applied to a drive coil of the thin film fluxgate of FIG. 8B. Is a diagram showing an output signal output along the pickup coil at the time. The magnitude of the volt peak output from the thin film fluxgate according to the present embodiment is about 10 mV. The output size of 10 mV is based on the fact that the output volt is large enough to detect an output signal in a general driving circuit 18. When the output signal is small, the performance of the driving ASIC 18 is improved. It is also possible to produce an electronic compass. In the thin film fluxgate having the shape of (b) of FIG. 8, the chip width of the entire electronic compass may be manufactured in the form of 4 mm x 4 mm.

도 8의 (d)는 본 발명에 따라 양끝단 홈이 형성된 아령형 자성박막에 드라이 브 코일과 픽업 코일을 각각 별도로 감은 수평 자계 감지용 플럭스게이트이며, 도 8의 (e)는 이로부터 발생되는 출력 전압의 크기를 나타낸 도면으로써 단순 막대형 박막 플럭스게이트에 비하여 30% 가량 출력이 높은 13mV 수준의 출력 볼트 피크를 가진다.8 (d) is a flux gate for horizontal magnetic field sensing in which a drive coil and a pickup coil are separately wound on a dumbbell-type magnetic thin film having both end grooves according to the present invention, and FIG. This figure shows the magnitude of the output voltage and has an output volt peak of 13mV level which is 30% higher than the simple rod-type thin film fluxgate.

도 8의 (d) 구조의 박막 플럭스게이트는 도 8의 (b) 형태의 박막 플럭스게이트 디자인에 비하여 더 작은 소자 크기 및 더 적은 수의 권선수에서도 충분한 자성 박막의 자화 반전이 이뤄지고 픽업코일을 통한 출력의 크기도 30% 가량 높은 출력 볼트 피크를 가진다. 도 8의 (a)의 권선 구조가 작은 픽업 코일 숫자에 비해 큰 출력을 감지하게 되는 것은 드라이브 코일과 픽업 코일을 교대로 감는 구조의 경우에 드라이브 코일을 통한 자성 박막의 자화가 용이하지 않은 것에 비하여 동일 영역에 집중적으로 드라이브 코일을 감아줌으로 하여 드라이브 코일에 의한 자성 박막의 자화가 상대적으로 용이하여졌기 때문이다.The thin film fluxgate of FIG. 8 (d) has sufficient magnetization reversal of the magnetic thin film even at a smaller device size and a smaller number of turns, compared to the thin film fluxgate design of FIG. 8 (b). The size of the output also has a high output volt peak of about 30%. The winding structure of FIG. 8A detects a large output in comparison with the number of small pickup coils, in the case of the structure in which the drive coil and the pickup coil are wound alternately, the magnetization of the magnetic thin film through the drive coil is not easy. This is because the magnetization of the magnetic thin film by the drive coil is relatively easy by winding the drive coil in the same area.

도 9는 도 8에 나타낸 두 가지 형태의 자성 박막 형상의 특성 차이 및 자성체에서 발생하는 역자장(demagnetizing field)의 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도 9의 (a)와 같이 단순 막대형 자성박막의 경우, 드라이브 코일에 전류를 흘려주면 전류 흐름에 따라 발생하는 자기장에 의하여 자성 박막이 자기장 인가 방향으로 자화를 일으켜 자성체를 구성하는 원자들의 스핀(spin)이 정렬함에 따라 순간적으로 자석이 형성되며, 일단 자석이 형성되면 자극으로부터 다른 자극을 향하는 자력선이 형성된다. 이들 자력선은 자석 외부뿐만 아니라 자석 내부에도 동시에 형성되어 자석 내부를 관통하여 반대 자극으로 향하는 자력선이 형성된다. 이것은 역자장 이라고 불리며, 이것의 발생은 자석의 양끝단의 자화 방향을 흐트러뜨리게 하여 결국 전체 자석 막대에서 자화 방향이 균일한 영역을 줄어들게 하는 역할을 한다. 이 역자장은 자성체의 양극, 즉 끝단에서 크게 발생하며 자성체의 중앙에 이르게 되면 거의 '0' 상태가 된다. 이와 같은 역자장의 효과는 박막 플럭스게이트의 길이가 짧아질수록 상대적으로 크게 되므로 플럭스게이트를 작게 만들면 만들수록 완전한 자화 반전에 기여하는 부분이 계속하여 줄어들게 되어, 픽업 코일을 통한 출력 피크의 크기는 줄어들게 된다. 반면, 플럭스게이트를 길게 만들면 만들수록 출력 크기는 커지게 되나, 전체 전자나침반 제품의 크기도 동시에 커지게 되므로 전자나침반에 사용하는 전용회로가 분석할 수 있는 범위 내에서 가능한 한 작게 박막 플럭스게이트를 제작하는 것이 필요하다.FIG. 9 is a view for explaining the effect of demagnetizing fields occurring in the magnetic bodies and the characteristic differences between the two types of magnetic thin film shapes shown in FIG. 8. In the case of a simple rod-shaped magnetic thin film as shown in FIG. 9A, when a current flows through a drive coil, a magnetic thin film causes magnetization in a direction of applying a magnetic field due to a magnetic field generated by current flow, thereby forming spins of atoms constituting the magnetic body. As the spin is aligned, a magnet is formed instantaneously, and once the magnet is formed, a magnetic force line is formed from the magnetic pole toward the other magnetic pole. These lines of magnetic force are simultaneously formed not only outside the magnet but also inside the magnet to form a line of magnetic force that penetrates inside the magnet and faces the opposite magnetic pole. This is called an inverse magnetic field, and its occurrence disturbs the direction of magnetization at both ends of the magnet, thus reducing the area of uniform magnetization in the entire magnet rod. This reverse field occurs largely at the anode, or end, of the magnetic material. When it reaches the center of the magnetic material, it is almost '0'. The effect of the reverse magnetic field is relatively larger as the length of the thin film fluxgate becomes shorter, so as the fluxgate is made smaller, the portion contributing to the complete magnetization reversal is continuously reduced, and the magnitude of the output peak through the pickup coil is reduced. . On the other hand, the longer the fluxgate is, the larger the output size becomes, but the size of the entire electronic compass becomes larger at the same time, making the thin film fluxgate as small as possible within the range that the dedicated circuit used for the electronic compass can analyze. It is necessary to do

도 9의 (b)는 본 발명에 따라 자성 박막의 양끝단에 홈이 형성된 아령형 자성 박막의 자화 형태를 나타낸 도면이다. 양끝단의 크기를 키우게 되면 자극이 넓은 면적에 걸쳐 크게 형성되는 현상이 발생하고, 이것에 추가로 홈을 만들게 되면, 역자장이 형성되는 위치가 아령 형태의 양끝단으로 퍼져나가게 된다. 따라서 도 9의 (b) 형태를 가지는 자성 박막에서 발생하는 역자장의 크기는 단순한 막대형인 (a) 형태 자성체에서 발생하는 역자장의 크기보다 줄어들게 된다. 본 발명에 따른 양끝단에 홈이 형성된 아령 형태의 박막 플럭스게이트의 출력 신호가 증가하는 원인은 도 9에 따른 상기 설명에 따른 역자장의 감소가 큰 영향을 미친 것으로 보인다.Figure 9 (b) is a view showing the magnetization form of the dumbbell-shaped magnetic thin film formed with grooves at both ends of the magnetic thin film according to the present invention. Increasing the size of both ends occurs a large stimulus is formed over a large area, and if the groove is made in addition to this, the position of the reverse magnetic field is spread to both ends of the dumbbell form. Therefore, the size of the reverse magnetic field generated in the magnetic thin film having the shape of FIG. 9 (b) is reduced than the size of the reverse magnetic field generated from the magnetic material of the simple rod-shaped (a) shape. The reason why the output signal of the dumbbell-type thin film fluxgate having grooves at both ends according to the present invention is increased is that the reduction of the reverse magnetic field according to the above description according to FIG. 9 has a great effect.

도 10은 본 발명에 따른 Z축 박막 플럭스게이트의 제조 방법을 도시한 도면 이다. Z축 박막 플럭스게이트는 제조 순서는 X, Y축 박막 플럭스게이트와 동일하게 하부코일, 절연박막, 자성박막, 절연박막, 상부코일의 순서로 제작되나, 자성 박막의 경우 각각 특성이 상이한 자성 박막을 별도로 제작하되, 두 자성 박막의 경계는 겹치도록 제작하는 방법을 사용한다.10 is a view illustrating a method of manufacturing a Z-axis thin film fluxgate according to the present invention. The Z-axis thin film fluxgate is manufactured in the order of the lower coil, the insulating thin film, the magnetic thin film, the insulating thin film, and the upper coil in the same order as the X and Y-axis thin film fluxgate. Although manufactured separately, the method of making the boundary of the two magnetic thin films overlap.

도 10의 (a)는 실리콘 웨이퍼 표면에 드라이브 코일용 하부 코일(4)과 픽업 코일용 하부 코일(5)을 형성시킨 상태를 나타낸 도면이다.10A is a view showing a state in which the lower coil 4 for a drive coil and the lower coil 5 for a pickup coil are formed on a silicon wafer surface.

도 10의 (b)는 자성 박막이 올라가게 되는 부분에, 하부 코일과 자성박막 사이의 누전을 방지하기 위한 절연 박막(11')이 성막되어 있는 상태를 나타낸 도면이다.FIG. 10B is a view showing a state where an insulating thin film 11 'is formed to prevent a short circuit between the lower coil and the magnetic thin film in a portion where the magnetic thin film is raised.

도 10의 (c)는 픽업영역(23)에 사용하는 자성박막을 형성시킨 도면이며, 도 10의 (d)는 드라이브영역(24)에 사용하는 자성박막을 형성시킨 도면이다. 자성박막 제작상의 유의할 점은 Z축 박막 플럭스게이트를 구성하는 자성 박막들의 자로(磁路)를 연결시켜 주기 위하여 픽업영역에 형성시킨 자성박막과 드라이브영역에 형성시킨 자성박막의 경계면이 겹치도록 하여야 한다.10C is a diagram in which a magnetic thin film for use in the pickup region 23 is formed, and FIG. 10D is a view in which a magnetic thin film for use in the drive region 24 is formed. In manufacturing the magnetic thin film, it is necessary to overlap the boundary between the magnetic thin film formed in the pickup region and the magnetic thin film formed in the drive region in order to connect the magnetic paths of the magnetic thin films constituting the Z-axis thin film fluxgate. .

도 10의 (e)는 상부 절연 박막(11)이 기 성막된 자성 박막과 최종적으로 성막되는 상부 코일 간의 전기적 누전을 방지할 목적으로 성막된 상태를 도시한 도면이다.FIG. 10E illustrates a state in which the upper insulating thin film 11 is formed for the purpose of preventing an electrical short circuit between the magnetic thin film that has been formed and the upper coil that is finally formed.

도 10의 (f)는 도 10의 (a)에서와 같이 하부에 절반만 형성된 드라이브 코일(4)과 픽업 코일(5)을 상부에서 연결해 주는 목적으로 성막된 상부 코일이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.FIG. 10 (f) is a view showing a state in which an upper coil formed for the purpose of connecting the drive coil 4 and the pickup coil 5 formed in the lower half at the top as shown in FIG. 10 (a) is formed. .

도 11은 본 발명에 따른 초단축 Z축 박막 플럭스게이트의 구조 및 구성을 도시한 도면이다. 도 11의 (a)는 Z축용 박막 플럭스게이트의 자성박막의 구조와 권선 구조를 나타낸 도면이다. Z축용 박막 플럭스게이트의 자성 박막은 "∞" 형태의기본 구조를 가지며, 자성 박막은 중앙의 직선 형태로 형성된 부위(23)와 외곽의 곡선형태로 형성된 부위(24)로 나누어지며, 각각의 부위는 다른 형태의 적층형 자성 박막의 구조를 갖도록 제작한다.11 is a view showing the structure and configuration of an ultra-short Z-axis thin film fluxgate according to the present invention. FIG. 11A is a diagram showing the structure of the magnetic thin film and the winding structure of the thin film fluxgate for Z-axis. The magnetic thin film of the Z-axis thin film fluxgate has a basic structure of “∞” shape, and the magnetic thin film is divided into a portion 23 formed in a straight line at the center and a portion 24 formed in a curved shape at the outside. Is manufactured to have a structure of a laminated magnetic thin film of another type.

한편 자성 박막의 드라이브를 위한 코일(4)은 외곽의 곡선 부위(24)에 집중적으로 형성시키며, 픽업 코일(5)은 중앙의 직선 부위(23)에 집중적으로 형성시키는 구조를 가진다. 이때 각각의 권선은 낱개의 권선의 길이 방향이 자성박막의 길이 방향에 가능한 한 수직 방향으로 감기게 하는 것이 필요하다. 픽업 영역의 권선(5)은 도 11의 (a)에서와 같이 평행상태를 유지하여 권선하며, 드라이브 영역의 권선(4)은 곡선의 드라이브 영역을 따라 방사형으로 권선한다.Meanwhile, the coil 4 for driving the magnetic thin film is concentrated on the curved portion 24 of the outer portion, and the pickup coil 5 has a structure that is concentrated on the straight portion 23 of the center. At this time, it is necessary for each winding to have the length direction of each winding be wound as perpendicular to the length direction of the magnetic thin film as possible. The winding 5 of the pick-up area is wound in parallel as shown in FIG. 11A, and the winding 4 of the drive area is wound radially along the curved drive area.

자화 반전을 감지하는 중앙의 픽업 부위(23) 자성 박막 내부에서의 자화반전에 필요한 자력선은 픽업 부위에서 발생시키지 않고 외곽의 드라이브 영역(24)에서 발생시킨 자속(도 12의 27)이 자기적으로 연결된 픽업 영역(23)으로 흘러들어오게 하는 구조를 갖게 한다. 즉, 외곽 부위에 감겨 있는 드라이브 코일(4)에 인입되는 교류 전류에 따라서 발생된 자속(도 12의 27)이 Z축 박막 플럭스게이트의 픽업 영역(23)으로 흘러들어오게 하여 픽업 영역 내에서 자화반전을 일으키도록 한다. 이때 중앙부위인 픽업 영역(23)에 감겨있는 픽업 코일(5)은 중앙 부위의 자화 반전을 감지한다.The magnetic field lines necessary for inversion of magnetization in the magnetic thin film inside the magnetic pick-up portion 23 that detect the magnetization reversal are not generated at the pick-up portion, but the magnetic flux generated in the outer drive region 24 (27 in FIG. 12) is magnetically generated. It has a structure that flows into the connected pick-up area 23. That is, the magnetic flux (27 in FIG. 12) generated in accordance with the alternating current flowing into the drive coil 4 wound around the outer portion flows into the pick-up area 23 of the Z-axis thin film fluxgate to magnetize in the pick-up area. Try to cause reversal. At this time, the pickup coil 5 wound around the center pickup region 23 detects the magnetization reversal of the center region.

도 11의 (b)는 Z축용 박막 플럭스게이트를 구성하는 자성 박막의 내부 구조를 나타낸 도면이다. 픽업 영역(23)과 드라이브 영역(24)을 구성하는 자성 박막은 각각을 적층 구조를 가지는 자성 박막으로 형성하되, 그 세부 구성은 각각 다른 구조를 갖게 하는 것이 중요하다. 중앙 영역(23)은 X축용 박막 플럭스게이트의 적층 구조와 동일한 형태로 제작하는 것이 필요하다. 중앙 영역은 NiFe 자성박막(10)을 Al2O3 절연 박막(25)과 교대로 형성시키는 적층 박막 형태로 제작하였다. 적층박막을 구성하는 NiFe 강자성체 박막과 Al2O3 절연체 박막의 두께는 각각 600ű300Å, 150ű100Å의 두께 범위 내에서 형성시키고, 외곽 영역은 동일한 재질로 구성된 적층 자성박막을 형성시키되 자성박막의 두께 변화를 주어야 한다. 10mV 크기 이상의 픽업 볼트 발생과 측정 가능한 피크 편이(peak shift) 발생을 동시에 만족시키기 위해서는 외곽 영역(24)에 형성시키는 NiFe 강자성체 박막과 Al2O3 절연 박막의 두께는 각각 1800ű200Å, 150ű100Å의 두께 범위 내에서 형성시켜 주어야 한다. 아울러 Z축 박막 플럭스게이트의 전체 높이를 0.9 mm 이하로 유지하며, 3개의 Z축용 박막 플럭스게이트를 병렬로 연결하여 입력 전압 ±2 volt 조건에서 전체 픽업 볼트의 크기를 적어도 10mV 이상의 크기로 형성시키기 위해서는 중앙 부위(23)의 자성 박막의 적층을 적어도 8층 (8층의 자성 박막 + 7층의 중간 절연 박막) 이상의 적층막 형태로 성막하는 것이 필요하며, 외곽 부위(24)는 적어도 3층 이상의 적층막을 형성하는 것이 필요하다.FIG. 11B is a diagram showing the internal structure of the magnetic thin film constituting the thin film fluxgate for Z-axis. The magnetic thin films constituting the pickup region 23 and the drive region 24 are each formed of a magnetic thin film having a laminated structure, but it is important that the detailed configuration has a different structure. The central region 23 is required to be manufactured in the same form as the laminated structure of the thin film fluxgate for X-axis. The central region was manufactured in the form of a laminated thin film in which the NiFe magnetic thin film 10 was alternately formed with the Al 2 O 3 insulating thin film 25. The thicknesses of the NiFe ferromagnetic thin film and the Al 2 O 3 insulator thin film constituting the laminated thin film are within the thickness range of 600Å ± 300Å and 150Å ± 100Å, respectively, and the outer region is formed of the laminated magnetic thin film composed of the same material. It should give a change in thickness. In order to satisfy pickup bolt generation of 10 mV or more and measurable peak shift simultaneously, the thicknesses of the NiFe ferromagnetic thin film and Al 2 O 3 insulating thin film formed in the outer region 24 are 1800Å ± 200Å and 150Å ± 100Å, respectively. It should be formed within the thickness range of. In addition, the overall height of the Z-axis thin film fluxgate is maintained to be 0.9 mm or less, and the three Z-axis thin film fluxgates are connected in parallel to form a total pickup bolt size of at least 10 mV or more at an input voltage of ± 2 volt. It is necessary to form a stack of magnetic thin films of the central portion 23 in the form of a laminated film of at least eight layers (eight magnetic thin films + seven intermediate insulating thin films), and the outer portion 24 has at least three layers stacked. It is necessary to form a film.

이 두께 및 구조보다 적은 양의 자성 박막을 형성시켜도 출력 피크를 발생시 킬 수는 있으나, 이 경우에는 Z축 박막 플럭스게이트의 출력 신호의 크기가 줄어들어 전자나침반 구동 전용 회로의 성능을 크게 향상시키는 것이 필요해 진다. 아울러 출력 크기를 증가시키기 위해서 짧은 크기로 제작된 Z축 박막 플럭스게이트를 가능한 한 많은 숫자의 단위 소자를 병렬 연결하여 Z축 소자를 제작하는 것이 가능하겠으나, 이 경우에는 Z 축 박막 플럭스게이트의 전체 길이가 증가하게 되어 작은 크기의 전자나침반 칩을 제작하는 것이 곤란하게 된다. 도 11의 (c)는 픽업 영역(23)의 자화 반전에 기여하기 위한 목적으로 픽업 영역(23)의 양끝단에 5∼9㎛ 선폭의 드라이브 코일을 적어도 5권선 수 이상, 최대 10권선 수 이하로 권선하는 방법을 채용한 Z축 박막 플럭스게이트를 도시한 도면이다. 픽업 영역의 양 끝단에 드라이브 코일을 추가 배치하는 것은 출력 피크의 크기 향상에 기여를 한다. 다만, 제한된 픽업 영역에서의 드라이브 코일 권선 수의 증가는 상대적으로 픽업 코일의 권선수의 감소를 야기하므로 픽업 영역의 양끝단에 10 권선수 이상의 드라이브 코일 형성은 바람직하지 않다. 도 11의 (d)는 픽업 영역의 중간 부위를 세로로 나눈 구조를 나타낸 도면이다. 이 같은 형상의 자성 박막 구성은 픽업 코일의 권선수의 증가 없이 픽업에 참여하는 자성 박막의 영역을 임의로 넓힐 수 있는 특징을 가진다.The output peak can be generated even if the magnetic thin film is formed smaller than this thickness and structure, but in this case, the output signal of the Z-axis thin-film fluxgate is reduced, and it is necessary to greatly improve the performance of the electronic compass driving circuit. Lose. In addition, in order to increase the output size, it is possible to make a Z-axis element by connecting as many unit units as possible in parallel to the Z-axis thin film fluxgate manufactured in a short size, but in this case, the total length of the Z-axis thin film fluxgate is possible. Is increased, making it difficult to manufacture a small sized compass chip. 11C shows at least 5 windings and up to 10 windings of drive coils having a 5 to 9 탆 line width at both ends of the pickup region 23 for the purpose of contributing to the magnetization reversal of the pickup region 23. A diagram showing a Z-axis thin film fluxgate employing a winding method. The additional placement of drive coils at both ends of the pickup area contributes to the enhancement of the output peak size. However, an increase in the number of windings of the drive coil in the limited pick-up area causes a decrease in the number of windings of the pick-up coil. Therefore, it is not desirable to form a drive coil of 10 turns or more at both ends of the pick-up area. FIG. 11D is a diagram showing a structure obtained by dividing the middle portion of the pick-up area vertically. This configuration of the magnetic thin film has a feature that can arbitrarily widen the area of the magnetic thin film participating in the pickup without increasing the number of turns of the pickup coil.

도 12는 본 발명에 따른 Z축용 박막 플럭스게이트의 작동 원리를 나타낸 도면이다. 도 12의 (a)는 Z축용 박막 플럭스게이트를 구성하는 자성 박막 전체를 하나의 동일한 적층 구조로 제작한 것임을 나타내는 도면이며, 도 12의 (c)는 동일한 박막으로 제작한 Z축용 박막 플럭스게이트의 픽업영역(23)과 드라이브 영역(24)의 자성 박막이 갖게 되는 자기적 특성을 나타내는 도면이다. 각각의 영역은 동일한 자성박막 적층 구조로 형성시켰으므로 동일한 자기이력곡선(hysteresis loop)을 가진다.12 is a view showing the operating principle of the thin film fluxgate for Z-axis in accordance with the present invention. FIG. 12 (a) is a view showing that the entire magnetic thin film constituting the thin film fluxgate for Z-axis is manufactured in the same laminated structure, and FIG. 12 (c) shows the thin film fluxgate for Z-axis manufactured with the same thin film. It is a figure which shows the magnetic characteristic which the magnetic thin film of the pickup area | region 23 and the drive area | region 24 have. Each region is formed of the same magnetic thin film stack structure and thus has the same hysteresis loop.

도 12의 (b)는 Z축용 박막 플럭스게이트를 구성하는 자성 박막을 픽업영역(23)과 드라이브 영역(24)으로 각각 구분하여 각기 다른 적층 구조를 가지는 구성을 가진 Z축 소자를 나타낸 도면이며, 도 12의 (d)는 각각의 영역에서 각기 다른 적층막을 형성시킨 것에 기인한 두 가지 형태의 기울기가 다른 자기이력곡선을 나타낸 도면이다.12B is a view showing a Z-axis element having a configuration in which the magnetic thin film constituting the Z-axis thin film fluxgate is divided into a pickup area 23 and a drive area 24, respectively, and has a different stacked structure. FIG. 12 (d) is a diagram showing magnetic hysteresis curves in which two types of slopes are different due to formation of different laminated films in respective regions.

픽업 영역(23)에서의 NiFe 강자성체 박막과 Al2O3 절연체 박막의 두께는 각각 600ű300Å, 150ű100Å 으로 구성되며, 드라이브 영역 (24)에서의 NiFe 강자성체 박막과 Al2O3 절연체 박막의 두께는 각각 1800ű200Å, 150ű100Å 이다. 각각의 영역에서 각기 다른 조건으로 적층 자성 박막을 형성시켜 줌에 따라 Z축 박막 플럭스게이트를 구성하는 자성 박막은 영역에 따라 각기 다른 자기적 특성을 가진다.NiFe ferromagnetic thin film and the Al 2 O 3 thickness of the insulating thin film at the pickup region (23) is composed of each of 600Å ± 300Å, 150Å ± 100Å, in the drive region 24 of NiFe ferromagnetic thin film and the Al 2 O 3 insulator thin film The thickness is 1800Å ± 200Å and 150Å ± 100Å, respectively. As the stacked magnetic thin films are formed under different conditions in each region, the magnetic thin films constituting the Z-axis thin film fluxgate have different magnetic properties depending on the regions.

자성박막을 각각 다른 자기이력곡선을 만드는 방법은 동일한 자성체를 이용하여 적층 구조를 바꾸어 제작하는 것도 가능하나, 각기 다른 자성재료을 이용한 자성박막 형성으로도 각각의 영역의 자기이력곡선을 상이하게 형성시키거나 구성하는 자성체의 면적 변화를 주는 것으로도 Z축 플럭스게이트를 통한 출력 피크 발생 및 피크 편이의 발생을 야기하는 것이 가능하나 이 방법들도 각기 다른 자기적 특 성을 가지는 자성 박막 구성을 통한 출력 피크의 편이를 야기하는 본 발명의 원리를 따른 실시예가 된다고 하겠다.Different magnetic history curves can be produced by changing the lamination structure using the same magnetic material. However, the magnetic history curves of the respective regions may be differently formed by forming magnetic thin films using different magnetic materials. By changing the area of the constituent magnetic material, it is possible to cause output peak generation and peak shift generation through the Z-axis fluxgate, but these methods can also be used to generate output peaks through magnetic thin film configurations having different magnetic characteristics. It will be an embodiment in accordance with the principles of the present invention causing the shift.

도 12의 (a)와 같이 동일한 자성 박막 구조로 제작된 Z축 박막 플럭스게이트의 경우, 드라이브 영역(24)에서 드라이브 코일(4)에 전류를 흘림으로써 발생되는 자속(27)은 픽업 영역(23)과 자기적으로 연결되어 있는 경로를 따라서 픽업 영역(23)에서 계속적으로 폐루프를 그리며 자속을 흐르게 한다. 자속(magnetic flux)의 발생 방향은 드라이브 영역에 감겨 있는 드라이브 코일에 흘러들어가는 전류의 방향에 따라 결정된다. 드라이브 영역에서 발생한 자속에 의하여 픽업영역에서의 자속이 상부 방향을 향하는 상황하에서 상부로부터 지구자계 등의 외부 자기장이 인가되면, 드라이브 영역(24)의 자성 박막에는 드라이브 코일에 기인한 자속(27)에 추가로 외부 자기장에 의한 자속(30)이 추가되고, 이와 같이 추가된 자속은 픽업영역(23)까지 연결되어 픽업영역의 아래 방향에서 윗 방향으로 자속이 추가된다. 반면 픽업 영역 내에서는 드라이브 코일로 인해 발생된 자속(28)에 외부자기장에 기인한 역방향 자기장이 인가된다. Z축 박막 플럭스게이트를 구성하는 자성박막이 동일한 자기적 특성을 갖는 구성을 가질 경우, 픽업을 수행하는 영역(23)에서 외부 인가자기장은 드라이브 영역에 자기장(30)을 인가하게 되고 이것은 픽업 영역 아래부분에서 오는 상부 방향의 자속(30')을 만들게 된다. 또한 외부 인가 자기장은 픽업 영역에 직접적으로 영향을 주는 아래 방향으로의 자기장(29)을 인가하게 되므로 이들 두가지 성분의 자기장은 완전하지는 않지만 평형을 이루게 된다. 이것은 결국 외부 자기장의 인가 여부에 관계없이 동일한 위치에서 출력 신호의 픽업 볼트를 나 타나게 하여 외부 자기장의 존재와 관계없이 출력 피크를 거의 움직이지 않게 하는 결과를 초래한다. 즉 동일한 재질 및 구성으로 제작된 Z축 플럭스게이트는 외부 인가 자기장의 방향을 감지할 수 없게 된다.In the case of the Z-axis thin film fluxgate made of the same magnetic thin film structure as shown in FIG. 12A, the magnetic flux 27 generated by flowing a current through the drive coil 4 in the drive region 24 is selected from the pickup region 23. Magnetic flux flows continuously in the pickup area 23 along the path that is magnetically connected). The direction of generation of magnetic flux is determined by the direction of the current flowing in the drive coil wound around the drive area. When an external magnetic field such as an earth magnetic field is applied from the top in a situation where the magnetic flux in the pickup region is directed upward by the magnetic flux generated in the drive region, the magnetic thin film of the drive region 24 is applied to the magnetic flux 27 caused by the drive coil. In addition, the magnetic flux 30 by the external magnetic field is added, and the added magnetic flux is connected to the pick-up area 23 so that the magnetic flux is added from the downward direction to the upward direction of the pickup area. On the other hand, in the pickup region, a reverse magnetic field due to an external magnetic field is applied to the magnetic flux 28 generated by the drive coil. When the magnetic thin film constituting the Z-axis thin film fluxgate has a configuration having the same magnetic characteristics, the externally applied magnetic field applies the magnetic field 30 to the drive region in the region 23 where pickup is performed, which is below the pickup region. The magnetic flux 30 'coming from the part is made. In addition, the externally applied magnetic field applies a downwardly directed magnetic field 29 that directly affects the pick-up area, so that the magnetic fields of these two components are not perfect but balanced. This results in the pick-up volts of the output signal appearing at the same location regardless of whether an external magnetic field is applied, resulting in little output peak movement regardless of the presence of the external magnetic field. That is, the Z-axis fluxgate made of the same material and configuration cannot detect the direction of the externally applied magnetic field.

도 12의 (b)는 Z축용 박막 플럭스게이트를 구성하는 자성 박막을 각기 다른 자기적 특성을 갖는 자성 박막으로 구성하였을 때의 외부자기장 인가에 대한 자성 박막 내부의 자속의 변화를 나타낸 도면이다. 드라이브 영역(24)을 구성하는 자성박막의 자기이력곡선은 픽업 영역의 자성 박막의 자기이력곡선에 비하여 좀 더 누워있는 특성을 가진다. 이것은 외부 자기장이 인가될 때, 자화값(Magnetization)의 변화량이 상대적으로 작게 발생하는 것을 의미한다. 도 12의 (b)와 같은 구조를 가지는 자성 박막에 외부자기장이 인가되면, 드라이브 영역(24)에서 추가 발생하는 자속의 크기(30)는 도 12의 (a) 구조에 비하여 상대적으로 작아지게 되므로 픽업 영역(23)의 아래 방향에서 윗 방향으로 추가로 인가되는 자속(30')의 크기는 도 12의 (a)구조를 가지는 Z축 플럭스게이트에 비하여 작은 크기의 자속이 추가되는 결과를 초래한다. 반면, 외부 인가 자기장에 따라 픽업 영역에 직접 영향을 미치는 외부 자기장(29)의 크기는 드라이브 코일로 인해 발생되어 있는 자속(23)에 직접적으로 큰 영향을 미치므로 외부 인가 자기장에 의해 발생되는 자속들의 상쇄되는 크기는 도 12의 (a)에서와 같이 '0'이 되지 않고 상쇄되지 않고 남은 크기의 자속이 존재하게 되어 중앙의 픽업 영역의 자성 박막 내부의 자속에 영향을 미치는 크기의 자속이 존재한다. 이 차이는 픽업 영역에서 픽업 코일로 감지하는 출력 볼트 피크의 피크 편이를 발생시키는 원인이 된다.FIG. 12 (b) is a view showing a change in magnetic flux inside a magnetic thin film when an external magnetic field is applied when the magnetic thin film constituting the thin film fluxgate for Z-axis is composed of magnetic thin films having different magnetic properties. The magnetic history curve of the magnetic thin film constituting the drive region 24 has a characteristic of laying down more than the magnetic history curve of the magnetic thin film of the pickup region. This means that when the external magnetic field is applied, the amount of change in magnetization occurs relatively small. When the external magnetic field is applied to the magnetic thin film having the structure as shown in FIG. 12 (b), the magnitude 30 of the magnetic flux additionally generated in the drive region 24 is relatively smaller than that in the structure of FIG. 12 (a). The magnitude of the magnetic flux 30 'additionally applied in the downward direction to the upward direction of the pickup area 23 results in the addition of a smaller magnetic flux as compared to the Z-axis fluxgate having the structure of FIG. . On the other hand, the magnitude of the external magnetic field 29 which directly affects the pick-up area according to the externally applied magnetic field has a large influence on the magnetic flux 23 generated by the drive coils directly. As shown in (a) of FIG. 12, the canceled size does not become '0' and the remaining magnetic flux is not canceled. Therefore, there is a magnetic flux having a size that affects the magnetic flux inside the magnetic thin film in the center pickup area. . This difference causes the peak shift of the output volt peak detected by the pickup coil in the pickup region.

본 발명에 따른 Z축 박막 플럭스게이트는 막대형태의 단순한 길이 방향의 자화 변화에 따른 출력 피크 사이의 거리를 측정하는 방식을 사용하지 않고 Z축 박막 플럭스게이트를 구성하는 자성 박막의 특정 부위에 자기적 특성을 변경시키는 인위적인 변화를 줌으로써 각각의 자성 박막이 외부 인가 자기장에 반응하는 정도에 차이를 갖게 하여 최종적으로 피크 편이를 발생시키고 그 피크 사이의 거리를 측정하여 외부 인가 자기장의 방향을 감지하는 방법을 사용한다.The Z-axis thin film fluxgate according to the present invention does not use a method of measuring the distance between output peaks due to a simple longitudinal magnetization change in the form of a rod. By artificially changing the characteristics, each magnetic thin film makes a difference in the degree to which it responds to an externally applied magnetic field, finally generating a peak shift, and measuring the distance between the peaks to detect the direction of the externally applied magnetic field. use.

도 13은 본 발명에 따른 Z축용 박막 플럭스게이트의 형상과 그에 따른 전기적 특성 변화를 나타낸 도면이다. 도 13의 (a), (b)는 동일한 자성 박막 구조로 제작한 Z축용 박막 플럭스게이트이며, 픽업 영역의 끝단에 형성시킨 홈(26)의 형성 유무에 따라 변화하는 출력 볼트 피크의 크기를 나타낸 도면이다. 홈의 형성 유무에 관계없이 픽업 볼트 크기는 10mV 이상 형성되나, 픽업 영역의 끝단에 홈을 형성시킴으로써 전체적인 출력 볼트 피크의 크기는 증가한다. 이 결과는 도 8에 도시한 X, Y축용 박막 플럭스게이트의 전기적 특성 변화와 동일한 효과로 보인다. 다만 도 13의 (a), (b)는 외부 자기장 인가에 대해 피크 편이가 크지 않아서, 전자나침반 구성 소자로서는 도 13의 (c), (d)에 도시된 구성이 바람직하다.13 is a view showing the shape of the thin film fluxgate for Z-axis according to the present invention and the resulting electrical characteristics change. 13 (a) and 13 (b) are thin film fluxgates for Z-axis fabricated with the same magnetic thin film structure, and show the magnitude of output volt peaks varying depending on whether grooves 26 formed at the ends of the pickup region are formed. Drawing. The pickup bolt size is formed to be 10 mV or more with or without grooves, but the overall output bolt peak size increases by forming a groove at the end of the pickup area. This result seems to have the same effect as the electrical characteristic change of the thin film fluxgate for X and Y axes shown in FIG. 13 (a) and 13 (b) do not have a large peak shift with respect to the application of an external magnetic field, and thus the configuration shown in FIGS. 13 (c) and 13 (d) is preferable as the electronic compass component.

도 13의 (c),(d)는 본 발명에 따른 이종(異種) 자성 박막으로 구성된 Z축용 박막 플럭스게이트의 형상과 그에 따른 전기적 특성 변화를 나타낸 도면이다. 두 가지 종류의 적층 자성 박막 구조로 제작된 Z축용 박막 플럭스게이트는 동일한 자성 박막 구조로 제작된 Z축용 박막 플럭스게이트가 외부 인가 자기장에 대하여 거의 피크 편이를 보이지 않는 것에 반하여, 2종 자성 박막으로 구성된 Z축 플럭스게 이트에서는 외부 자기장 인가에 대한 피크의 편이가 크게 발생한다. 또한, 도 13의 (d)와 같이 픽업 영역을 세로 방향으로 나누어준 경우에도 출력 피크는 10mV 이상 발생하였다. 도 13의 (d) 형상의 특징은 픽업 코일의 숫자를 늘리지 않으면서 픽업에 참가할 수 있는 픽업 영역(23)을 넓혀줄 수 있는 것을 특징으로 한다. 픽업 영역을 넓힘에 따라서 출력 볼트 피크의 크기는 증가한다.13 (c) and 13 (d) are views showing the shape of the Z-axis thin film fluxgate composed of the heterogeneous magnetic thin film according to the present invention and changes in electrical characteristics thereof. The Z-axis thin film fluxgate made of two kinds of laminated magnetic thin film structures is composed of two kinds of magnetic thin films, while the Z-axis thin film fluxgate made of the same magnetic thin film structure shows almost no peak shift with respect to an externally applied magnetic field. In the Z-axis flux gate, the peak shift with respect to the external magnetic field is largely generated. In addition, even when the pickup area was divided in the vertical direction as shown in FIG. The characteristic of the shape of (d) of FIG. 13 is characterized in that it is possible to widen the pickup area 23 that can participate in the pickup without increasing the number of pickup coils. As the pickup region widens, the magnitude of the output volt peak increases.

본 발명에 따른 박막 플럭스게이트의 제조는 도 6 내지 도 7을 참조하여 위에 설명한 것과 같은 제조 방법에 의하여 제조될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 3축 플럭스게이트의 기술적 핵심은 납작한 형상을 가능하게 하도록 수직 방향의 자계 성분 감지용 플럭스게이트를 짧은 복수개의 박막 센서로 구성한다는 데 있으므로 도 6 내지 도 7 이외의 다른 방법으로 박막 플럭스게이트를 제조하더라도 본 발명의 범위에 포함됨은 물론이다.The thin film fluxgate according to the present invention may be manufactured by a manufacturing method as described above with reference to FIGS. 6 to 7. However, the technical core of the three-axis fluxgate according to the present invention is that the fluxgate for detecting the magnetic field component in the vertical direction is composed of a plurality of short thin film sensors to enable a flat shape. Even if the fluxgate is manufactured, it is of course included in the scope of the present invention.

자계의 수직 성분 감지용 박막 플럭스게이트는 그 폭 방향으로 배열된 복수 개의 짧은 자성 박막을 동일한 형태의 유도 자계로 자화시키기 위하여 각각의 짧은 자성 박막 주위에 배치된 드라이브 코일을 상호 전기적으로 연결시켜 도 6에 도시된 바와 같이 하나의 드라이브 코일로써 복수 개의 짧은 박막을 자화시키는 것이 바람직하다.In order to magnetize a plurality of short magnetic thin films arranged in the width direction thereof to the same type of induction magnetic field, a thin film fluxgate for vertical component sensing of a magnetic field is electrically connected to each other by electrically connecting drive coils disposed around each short magnetic thin film. It is preferable to magnetize a plurality of short thin films with one drive coil as shown in FIG.

이상 본 발명의 구성에 대하여 바람직한 실시예와 첨부 도면을 참조하여 구체적으로 설명하였으나 본 발명의 보호 범위가 이에 제한되지 않음은 물론이다. 즉 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가지는 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않고 다양한 변형과 설계 변경이 가능할 것임은 자명하다. 따라서 본 발명 의 보호 범위는 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정하여져야 할 것이다.Although the configuration of the present invention has been described in detail with reference to the preferred embodiments and the accompanying drawings, the protection scope of the present invention is not limited thereto. That is, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and design changes may be made without departing from the technical spirit of the present invention. Therefore, the protection scope of the present invention will be defined by the description of the claims below.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 휴대폰이나 PDA 등과 같은 소형의 휴대용 기기에 장착될 수 있는 적어도 4mm (길이) x 4mm (폭) x 1.2mm (높이) 이하의 크기로 입체적인 방위 측정이 가능한 3축 박막 플럭스게이트를 채용한 전자나침반 칩을 제작할 수 있으며, 5V 이하, 구체적으로는 2V 이하의 전원에서도 정확한 지표면 상에서의 방위 검출이 가능한 전자 나침반을 구성할 수 있다.As described above, according to the present invention, three axes capable of three-dimensional azimuth measurement with a size of at least 4 mm (length) x 4 mm (width) x 1.2 mm (height) that can be mounted in a small portable device such as a mobile phone or a PDA. An electronic compass chip employing a thin film fluxgate can be fabricated, and an electronic compass capable of accurately detecting the orientation on the earth's surface even at a power supply of 5V or less, specifically 2V or less can be configured.

Claims (18)

3축 방향의 자계성분을 검출하는 박막형 3축 플럭스게이트(fluxgate)에 있어서, 자계의 수평 2축 성분을 감지하기 위한 것으로서 동일 평면상에 배치된 2개의 수평 성분 감지용 1막대형 박막 플럭스게이트와, 자계의 수직 성분을 감지하기 위한 다수 개로 구성된 수직 성분 감지용 박막 플럭스게이트를 포함하고, 상기 수직 성분 감지용 플럭스게이트는 상기 2개의 수평 성분 감지용 플럭스게이트 각각과 실질적으로 직교하게 배치되고 상기 수평 성분 감지용 플럭스게이트 보다 짧은 길이를 가지는 복수 개의 자성 박막으로 구성되는 것인 박막형 3축 플럭스게이트.A thin-film three-axis fluxgate that detects magnetic components in the three-axis direction, comprising: a one-bar-shaped thin film fluxgate for detecting two horizontal components arranged on the same plane for sensing horizontal two-axis components of a magnetic field; And a plurality of vertical component sensing thin film fluxgates for sensing vertical components of a magnetic field, wherein the vertical component sensing fluxgates are disposed substantially perpendicular to each of the two horizontal component sensing fluxgates and are horizontal. A thin-film three-axis fluxgate comprising a plurality of magnetic thin films having a shorter length than a component sensing fluxgate. 제1항에 있어서, 상기 수평 성분 감지용 플럭스게이트는,The flux gate of claim 1, wherein the fluxgate for horizontal component detection comprises: 드라이브용 및 픽업용의 도전성 코일과, 자성 박막과, 상기 코일과 상기 자성 박막 사이에 개재되어 이들 사이의 누전을 방지하는 절연 박막을 포함하고,A conductive coil for drive and pickup, a magnetic thin film, and an insulating thin film interposed between the coil and the magnetic thin film to prevent a short circuit therebetween, 상기 도전성 코일은 상부 코일 박막과 하부 코일 박막을 전기적으로 접촉시켜 구성되는 것이며,The conductive coil is configured by electrically contacting the upper coil thin film and the lower coil thin film, 상기 절연 박막은 상기 하부 코일 박막과 상기 자성 박막 사이에 개재되는 하부 절연막과, 상기 상부 코일 박막과 상기 자성 박막 사이에 개재되는 상부 절연막으로 구성되는 것이며,The insulating thin film includes a lower insulating film interposed between the lower coil thin film and the magnetic thin film, and an upper insulating film interposed between the upper coil thin film and the magnetic thin film. 상기 자성 박막은 상이한 자기적 특성을 가지는 두 종의 물질을 적층하여 형성된 것인 박막형 3축 플럭스게이트.The magnetic thin film is a thin-film triaxial fluxgate formed by stacking two kinds of materials having different magnetic properties. 제2항에 있어서, 상기 하부 코일 박막은 실리콘웨이퍼상에 형성된 기판상 절연막으로부터 상기 하부 코일 박막이 삽입될 홈을 형성한 후, 그 홈 깊이만큼 성막되는 것인 박막형 3축 플럭스게이트.The thin film type triaxial fluxgate of claim 2, wherein the lower coil thin film is formed by forming a groove into which the lower coil thin film is to be inserted from an insulating film on a substrate formed on a silicon wafer, and then deposits a groove depth. 제2항에 있어서, 상기 하부 절연 박막은 5,000Å (0.5㎛) 내지 20,000Å (2㎛)의 이하의 SiO2 로 구성되는 것인 박막형 3축 플럭스게이트.The thin film type triaxial fluxgate of claim 2, wherein the lower insulating thin film is composed of SiO 2 having a thickness of 5,000 μm (0.5 μm) to 20,000 μm (2 μm) or less. 제2항에 있어서, 상기 자성 박막은 자성체인 NiFe를 일정두께 형성시킨 후, 절연체인 Al2O3 박막을 교대로 성막하여 형성된 것으로서, 상기 NiFe 자성체 박막과 상기 Al2O3 절연체 박막의 두께는 각각 600ű300Å, 150ű100Å 이고, 상기 NiFe 자성체 박막과 상기 Al2O3 절연체 박막을 하나의 쌍(pair)으로 기준을 하였을 때, 적어도 3쌍 이상의 적층막으로 형성된 것인 박막형 3축 플럭스게이트.The magnetic thin film of claim 2, wherein the magnetic thin film is formed by alternately forming an Al 2 O 3 thin film, which is an insulator, after forming NiFe, which is a magnetic material, and has a thickness of the NiFe magnetic thin film and the Al 2 O 3 insulator thin film. The thin film type triaxial fluxgate is 600 적어도 ± 300 Å and 150 Å ± 100, respectively, and is formed of at least three pairs of laminated films when the NiFe magnetic thin film and the Al 2 O 3 insulator thin film are referred to as a pair. . 제2항에 있어서, 상기 자성 박막은 양쪽 단부가 중심부보다 넓은 아령 형태인 것인 박막형 3축 플럭스게이트.The thin film three-axis fluxgate of claim 2, wherein the magnetic thin film has a dumbbell shape in which both ends thereof are wider than a central portion thereof. 제6항에 있어서, 상기 자성 박막은 상기 양쪽 단부에 홈이 형성된 것인 박막형 3축 플럭스게이트.The thin film triaxial fluxgate of claim 6, wherein the magnetic thin film has grooves formed at both ends thereof. 제2항에 있어서, 상기 드라이브 코일 및 상기 픽업 코일은 그 선폭이 7±2 ㎛이며, 드라이브 코일과 픽업 코일을 교대로 배치되는 것인 박막형 3축 플럭스게이트.The thin film triaxial fluxgate of claim 2, wherein the drive coil and the pickup coil have a line width of 7 ± 2 μm, and the drive coil and the pickup coil are alternately disposed. 제2항에 있어서, 상기 드라이브 코일 및 상기 픽업 코일은 소정 영역에 드라이브 코일만, 인접한 소정 영역에는 픽업 코일만 배치되며, 상기 드리이브 코일 영역 및 픽업 코일 영역이 교대로 배치되는 것인 박막형 3축 플럭스게이트.3. The thin film triaxial flux of claim 2, wherein the drive coil and the pickup coil are disposed in a predetermined area only with a drive coil and an adjacent predetermined area with only a pickup coil, and the drive coil area and the pickup coil area are alternately disposed. gate. 제1항에 있어서, 상기 수직 성분 감지용 플럭스게이트는 하나의 연결된 드라이브 코일과 하나의 연결된 픽업 코일로써 상기 복수 개의 자성 박막을 권선하도록 구성된 것인 박막형 3축 플럭스게이트.The thin film type triaxial fluxgate of claim 1, wherein the vertical component sensing fluxgate is configured to wind the plurality of magnetic thin films with one connected drive coil and one connected pickup coil. 제10항에 있어서, 상기 자성 박박은 직선형 중심부와 상기 중심부와 연결된 2개의 반원형 외곽부로 구성되어 "∞" 형상을 가지는 것인 박막형 3축 플럭스게이트.The thin film triaxial fluxgate of claim 10, wherein the magnetic foil has a straight center portion and two semicircular outlines connected to the center portion to have a “∞” shape. 제11항에 있어서, 상기 중심부에 픽업 코일이 배치되고, 상기 외곽부에 드라이브 코일이 배치되는 것인 박막형 3축 플럭스게이트.The thin film type triaxial fluxgate of claim 11, wherein a pickup coil is disposed at the center portion, and a drive coil is disposed at the outer portion. 제11항에 있어서, 상기 중심부와 상기 외곽부는 상이한 자기적 특성을 가지는 것인 박막형 3축 플럭스게이트.12. The thin film triaxial fluxgate of claim 11, wherein the central portion and the outer portion have different magnetic properties. 제13항에 있어서, 상기 중심부는 NiFe 강자성체 박막과 Al2O3 절연체 박막의 두께를 각각 600ű300Å, 150ű100Å 로 하는 적층박막 형태로 구성하며, 상기 외곽부는 NiFe 강자성체 박막과 Al2O3 절연체 박막의 두께를 각각 1800ű200Å, 150ű100Å 하는 적층박막 형태로 구성하는 것인 박막형 3축 플럭스게이트.15. The method of claim 13, wherein the central portion of the NiFe ferromagnetic thin film and the Al 2 O 3 insulator thin film thickness of 600Å ± 300Å, 150Å ± 100Å of the laminated thin film form, the outer portion of the NiFe ferromagnetic thin film and Al 2 O 3 A thin-film triaxial fluxgate configured in the form of a laminated thin film having an insulator thin film thickness of 1800Å ± 200Å and 150Å ± 100Å, respectively. 제13항에 있어서, 상기 중심부와 상기 외곽부에 상이한 자성체를 이용하여 적층박막을 구성하는 것인 박막형 3축 플럭스게이트.The thin film triaxial fluxgate according to claim 13, wherein a laminated thin film is formed by using different magnetic bodies in the central portion and the outer portion. 제13항에 있어서, 상기 중심부와 상기 외곽부의 넓이를 조정하여 출력 피크의 크기를 조정하거나 피크 편이의 크기를 조정하는 것인 박막형 3축 플럭스게이트.The thin film type triaxial fluxgate of claim 13, wherein the width of the center portion and the outer portion is adjusted to adjust the magnitude of the output peak or the magnitude of the peak shift. 제11항에 있어서, 상기 중심부를 2분할 한 것인 박막형 3축 플럭스게이트.The thin film triaxial fluxgate according to claim 11, wherein the central portion is divided into two. 제11항에 있어서, 상기 중심부의 중앙부위에 픽업 코일을 배치하고, 상기 중심부의 양단부 및 상기 외곽부에 드라이브 코일을 배치하는 것인 박막형 3축 플럭 스게이트.The thin film triaxial fluxgate of claim 11, wherein a pickup coil is disposed at a central portion of the central portion, and drive coils are disposed at both ends of the central portion and the outer portion of the central portion.
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