KR20130067912A - Piezoelectric-magnetic micro device, magnetic sensor including the same, and fabrication method of piezoelectric-magnetic micro device - Google Patents

Piezoelectric-magnetic micro device, magnetic sensor including the same, and fabrication method of piezoelectric-magnetic micro device Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A piezoelectric-magnetic micro device, and a magnetic sensor including the same, and a manufacturing method of the piezoelectric-magnetic micro device are provided to maximize a magnetoelectric effect generated in the piezoelectric-magnetic micro device. CONSTITUTION: A piezoelectric-magnetic micro device comprises a supporting layer(100), a piezoelectric body(110), an insulating layer(120), and a magnetic thin film layer(130). The piezoelectric body includes a lower electrode layer(111), a piezoelectric thin film layer(113), and an upper electrode layer(115). The insulating layer covers the piezoelectric body. The magnetic thin film layer is formed on the insulating layer. The supporting layer, the piezoelectric body, and the insulating layer form a cantilever structure. The magnetic thin film layer is formed on a protruded portion of the cantilever structure.

Description

압전-자성 마이크로 소자, 이를 포함하는 자기 센서 및 압전-자성 마이크로 소자의 제조 방법{PIEZOELECTRIC-MAGNETIC MICRO DEVICE, MAGNETIC SENSOR INCLUDING THE SAME, AND FABRICATION METHOD OF PIEZOELECTRIC-MAGNETIC MICRO DEVICE}Piezo-magnetic microdevices, magnetic sensors and piezo-magnetic microdevices including the same, and methods of manufacturing piezo-magnetic microdevices

본 발명은 자기전기효과(Magnetoelectric effect)를 발생시키는 압전 물질과 자성 물질의 복합 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite device of a piezoelectric material and a magnetic material generating a magnetoelectric effect, and a method of manufacturing the same.

자기전기효과란 결정에 전기장을 가할 때 전기장에 비례해 자기화가 생기는 현상, 또는 역으로 결정에 자기장을 가할 때 자기장에 비례해 전기편극이 생기는 현상을 의미한다. 이러한 자기전기효과는 극미세 자기 센서(magnetic sensor), 전류 센서(current sensor), 마이크로 변압기, 자이로 센서(gyro sensor) 등의 기술적 분야에 응용될 수 있으며, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하여 소자를 제작할 경우 초소형, 극미세 센서의 구현이 가능하다.The magnetoelectric effect refers to a phenomenon in which magnetization occurs in proportion to an electric field when an electric field is applied to a crystal, or vice versa. This magnetoelectric effect can be applied to the technical fields such as ultra-fine magnetic sensor, current sensor, micro transformer, gyro sensor, etc., and uses MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology. When manufacturing a device, it is possible to realize a very small and ultra-fine sensor.

일반적으로 유전 물질(dielectric material)와 자성 물질(magnetic material)은 상호 간의 커플링(coupling) 현상, 즉, 전기장 하에서의 자화 현상 등이 거의 발생하지 않으나, 연구를 통해 특정 단일 재료에서 자기전기효과가 발생된다는 것이 발견되었다. 이러한 발견으로 인해 현재 단일층, 복합체 또는 자성체와 압전체의 층간 구조(layered structure) 등의 재료적인 연구가 진행되고 있으며, 주로 최적의 자기-전계 커플링 계수(magnetoelectric coupling coefficient)를 얻고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.In general, dielectric and magnetic materials rarely cause coupling, that is, magnetization under an electric field, but research has shown that magnetoelectric effects occur in a single material. Was found. Due to these findings, material studies such as the layered structure of a single layer, a composite or a magnetic body and a piezoelectric body are currently being conducted, and a study for obtaining an optimal magnetoelectric coupling coefficient is mainly performed. Actively done.

그러나, 현재 자기전기효과를 이용한 소자의 제작 및 센서 등으로의 응용에 대한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 특히, 극미세 자기 센서 또는 전류 센서의 경우 현재 크게 각광받고 있는 스마트 그리드(Smart Grid) 등에 적용될 수 있을 것으로 여겨지나, 이에 대한 연구는 거의 전무한 실정이다.
However, at present, there is little research on the fabrication of devices using magnetoelectric effects and their application to sensors. In particular, the ultra-fine magnetic sensor or current sensor is considered to be applicable to the smart grid (Smart Grid), which is currently in the spotlight, but there is almost no research on this.

본 발명은 압전 물질과 자성 물질이 일체화된 극미세 사이즈의 MEMS 구조물을 형성함으로써, 자기전기효과 계수를 극대화할 수 있고, 초소형 자기 센서 또는 전류 센서의 구현에 응용할 수 있는 압전-자성 마이크로 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention can maximize the magnetoelectric effect coefficient by forming an ultra-small size MEMS structure in which a piezoelectric material and a magnetic material are integrated, and a piezo-magnetic micro device that can be applied to the implementation of an ultra-small magnetic sensor or a current sensor and its It is an object to provide a manufacturing method.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 압전-자성 마이크로 소자는, 지지층, 상기 지지층 상에 적층형으로 형성되는 하부 전극층, 압전 박막층 및 상부 전극층을 포함하는 압전체, 상기 압전체를 덮는 절연층 및 상기 절연층 상에 형성되는 자성 박막층을 포함하고, 상기 지지층, 압전체 및 절연층은 캔틸레버(cantilever) 구조를 이루고, 상기 자성 박막층은 상기 캔틸레버 구조의 돌출부 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.In accordance with an embodiment of the present invention, a piezoelectric-magnetic micro device includes a support layer, a piezoelectric body including a lower electrode layer, a piezoelectric thin film layer, and an upper electrode layer formed in a stacked shape on the support layer, and an insulating layer covering the piezoelectric body. And a magnetic thin film layer formed on the insulating layer, wherein the support layer, the piezoelectric material, and the insulating layer form a cantilever structure, and the magnetic thin film layer is formed on the protrusion of the cantilever structure.

본 발명의 일 실시예에 의한 압전-자성 마이크로 소자의 제조 방법은, 지지층 상에 하부 전극층, 압전 박막층 및 상부 전극층을 순차적으로 증착하는 단계, 상기 상부 전극층, 압전 박막층 및 하부 전극층에 포토리소그라피 및 식각 공정을 순차적으로 수행하여 압전체를 형성하는 단계, 상기 압전체 상에 절연층을 증착하는 단계, 상기 지지층의 하부를 식각하여 캔틸레버 구조를 형성하는 단계 및 상기 캔틸레버 구조의 돌출부의 절연층 상에 자성 박막층을 증착하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 자성 박막층의 증착 중 또는 증착 후에 상기 압전체의 상전이 온도 이하에서 상기 자성 박막층을 열처리(annealing)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
Method of manufacturing a piezo-magnetic micro device according to an embodiment of the present invention, the step of sequentially depositing a lower electrode layer, a piezoelectric thin film layer and an upper electrode layer on the support layer, photolithography and etching on the upper electrode layer, the piezoelectric thin film layer and the lower electrode layer. Forming a piezoelectric material by sequentially performing the process; depositing an insulating layer on the piezoelectric body; etching a lower portion of the support layer to form a cantilever structure; and forming a magnetic thin film layer on an insulating layer of the protrusion of the cantilever structure. Depositing. The method may further include annealing the magnetic thin film layer at or below the phase transition temperature of the piezoelectric material during or after the deposition of the magnetic thin film layer.

본 발명에 의하면, 지지층과 압전체를 캔틸레버 구조로 형성하고 그 돌출부의 상부면 전체에 자성 박막층을 형성함으로써 압전-자성 마이크로 소자에서 발생하는 자기전기효과를 극대화할 수 있다.According to the present invention, the magnetoelectric effect generated in the piezo-magnetic micro device can be maximized by forming the support layer and the piezoelectric body in a cantilever structure and forming a magnetic thin film layer on the entire upper surface of the protruding portion.

또한, 압전-자성 마이크로 소자에서 자기전기효과를 유도하여 주변의 자기장 또는 전류장에 대응하는 전기신호를 생성함으로써 높은 감도를 가지는 초소형의 자기 센서 또는 전류 센서를 구현할 수 있다.In addition, by inducing a magnetoelectric effect in the piezo-magnetic micro device to generate an electric signal corresponding to the surrounding magnetic or current field, it is possible to implement a miniature magnetic sensor or a current sensor having high sensitivity.

또한, 압전-자성 마이크로 소자의 압전체에서 생성된 전기 에너지를 센서의 동력원으로 사용함으로써 무전원 동작이 가능하고, 이를 이용하여 신재생 에너지, 스마트 그리드, 자동차 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.In addition, by using the electric energy generated in the piezoelectric of the piezo-magnetic micro device as a power source of the sensor can be a non-power operation, it can be applied to a variety of fields such as renewable energy, smart grid, automobile.

또한, 일반적인 MEMS 공정을 적용하여 대량 생산이 가능하고, 기존의 고감도 센서 모듈에 비해 가격 경쟁력을 크게 높일 수 있다.
In addition, it is possible to mass-produce by applying general MEMS process, and can significantly increase the price competitiveness compared to the existing high sensitivity sensor module.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 압전-자성 마이크로 소자의 구성도.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전-자성 마이크로 소자의 제조 방법을 나타낸 도면.
도 3은 Terfenol-D 물질로 형성된 자성 박막층의 열처리 전후의 자화 특성을 나타낸 도면.
도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 압전-자성 마이크로 소자에 미세 전류를 인가했을 때 압전체에 유도된 전하량을 측정한 결과를 나타낸 도면.1 is a block diagram of a piezo-magnetic micro device according to an embodiment of the present invention.
2A to 2G illustrate a method of manufacturing a piezo-magnetic micro device according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing magnetization characteristics before and after heat treatment of a magnetic thin film layer formed of Terfenol-D material.
4 and 5 show the results of measuring the amount of charge induced in the piezoelectric body when a microcurrent is applied to the piezoelectric-magnetic micro device according to the present invention.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more apparent by describing in detail exemplary embodiments thereof with reference to the attached drawings, which are not intended to limit the scope of the present invention. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 압전-자성 마이크로 소자의 구성도이다.1 is a block diagram of a piezo-magnetic micro device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 압전-자성 마이크로 소자는 지지층(100), 지지층(100) 상에 적층형으로 형성되는 하부 전극층(111), 압전 박막층(113) 및 상부 전극층(115)을 포함하는 압전체(110), 압전체(110)를 덮는 절연층(120) 및 절연층(120) 상에 형성되는 자성 박막층(130)을 포함한다. 여기에서 지지층(100)과 압전체(110) 및 절연층(120)은 캔틸레버(cantilever) 구조를 이루고, 자성 박막층(130)은 캔틸레버 구조의 돌출부 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.Referring to FIG. 1, a piezoelectric-magnetic micro device according to an exemplary embodiment of the present invention may include a support layer 100, a lower electrode layer 111, a piezoelectric thin film layer 113, and an upper electrode layer formed on the support layer 100 in a stacked form. A piezoelectric body 110 including a 115, an insulating layer 120 covering the piezoelectric body 110, and a magnetic thin film layer 130 formed on the insulating layer 120 are included. The support layer 100, the piezoelectric body 110, and the insulating layer 120 form a cantilever structure, and the magnetic thin film layer 130 is formed on the protrusion of the cantilever structure.

지지층(100)은 SiNx, poly-Si, SiO2 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있고, 그 위에 적층되는 하부 전극층(111)과 상부 전극층(115)은 Pt로 형성될 수 있으며, 양 전극층(111, 115) 사이의 압전 박막층(113)은 PZT, PMN-ZT, PVDF 및 BaTiO3 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 압전체(110)를 전체적으로 덮는 형태의 절연층(120)은 SiO2 또는 Parylene을 이용하여 형성될 수 있고, 절연층(120) 상부의 자성 박막층(130)은 Terfenol-D, NiFe2O4, Ni, Metglass 및 Permendur 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 여기에서, 캔틸레버 구조의 돌출부는 1 ~ 500㎛ 크기의 폭과, 폭의 1 ~ 4배 길이 및 0.1 ~ 10㎛ 크기의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 압전 박막층(113)과 자성 박막층(130)은 0.01 ~ 4㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.The support layer 100 may be formed of a material including at least one of SiNx, poly-Si, SiO 2, and Al, and the lower electrode layer 111 and the upper electrode layer 115 stacked thereon may be formed of Pt. The piezoelectric thin film layer 113 between the positive electrode layers 111 and 115 may be formed of a material including at least one of PZT, PMN-ZT, PVDF, and BaTiO 3. The insulating layer 120 covering the piezoelectric body 110 as a whole may be formed using SiO 2 or parylene, and the magnetic thin film layer 130 on the insulating layer 120 may be Terfenol-D, NiFe 2 O 4, Ni, Metglass, and Permendur. It may be formed of a material containing at least one of. Here, the protrusion of the cantilever structure is preferably formed with a width of 1 to 500 μm, a length of 1 to 4 times the width, and a thickness of 0.1 to 10 μm, and the piezoelectric thin film layer 113 and the magnetic thin film layer 130. Silver is preferably formed to a thickness of 0.01 ~ 4㎛.

본 발명의 압전-자성 마이크로 소자는 자기전기효과를 유도하고 이를 극대화함으로써 초소형 고감도 자기 센서 또는 전류 센서로 이용될 수 있다. 이를 위해 압전체(110)과 자성 박막층(130)이 절연층(120)을 사이에 두고 일체화된 마이크로 사이즈의 캔틸레버 구조를 형성하되, 자성 박막층(130)을 캔틸레버 구조의 돌출부 상부면 전체에 형성함으로써 주변 자기장 변화에 의해 발생하는 기계적 스트레인(strain)을 최대로 하여 자기전기효과 계수(electromagnetic coefficient)에 의한 커플링 효과를 극대화한다. 이 때, 자성 박막층(130)에 발생한 기계적 스트레인으로 인해 압전체(110)에는 전하량(또는 전압)의 변화, 즉, 전기신호가 발생하게 되고, 그 크기를 측정함으로써 주변 자기장 또는 전기장의 변화 및 세기를 감지할 수 있게 된다. The piezo-magnetic micro device of the present invention can be used as an ultra-small high sensitivity magnetic sensor or current sensor by inducing and maximizing magnetoelectric effect. To this end, the piezoelectric body 110 and the magnetic thin film layer 130 form an integrated micro size cantilever structure with the insulating layer 120 interposed therebetween, and the magnetic thin film layer 130 is formed on the entire upper surface of the protruding portion of the cantilever structure. The mechanical strain caused by the magnetic field change is maximized to maximize the coupling effect by the electromagnetic coefficient. At this time, due to the mechanical strain generated in the magnetic thin film layer 130, the piezoelectric element 110 changes the amount of charge (or voltage), that is, an electric signal is generated, and the magnitude and change of the surrounding magnetic or electric field are measured by measuring the magnitude. It can be detected.

또한, 본 발명의 압전-자성 마이크로 소자를 활용한 자기 센서 또는 전류 센서는 자기전기효과에 의해 압전체(110)에 생성된 전기 에너지를 동력원으로 사용할 수 있으므로, 센서 회로의 구동을 위한 별도의 전원이 필요하지 않게 된다. 즉, 자체 발전을 통한 무전원 동작이 가능하므로, 센서의 초소형화가 더욱 용이해진다.
In addition, the magnetic sensor or the current sensor using the piezo-magnetic micro device of the present invention can use the electrical energy generated in the piezoelectric body 110 by the magnetoelectric effect as a power source, so that a separate power source for driving the sensor circuit is provided. It is not necessary. That is, since the power supply operation through self-generation is possible, the miniaturization of the sensor becomes easier.

한편, 도 1의 상단부에 도시된 바와 같이, 본 발명의 압전-자성 마이크로 소자를 활용한 자기 센서는 다수의 마이크로 소자를 포함하는 캔틸레버 어레이(array) 형태로 구현될 수도 있다. 이 경우, 캔틸레버 구조의 다수의 마이크로 소자는 서로 쌍을 이루어 형성될 수 있는데, 쌍을 이루는 캔틸레버 중 하나에는 압전체 위에 자성 박막층을 형성하고, 다른 하나에는 자성 박막층을 형성하지 않는 구조로 제작할 수도 있다(도면에 미도시). 이를 통해 외부의 온도 변화, 습도 변화 등 자기장 또는 전류의 변화 이외의 외부 환경의 변화를 상쇄시킴으로써 더욱 정밀한 센싱 동작이 가능해진다.
On the other hand, as shown in the upper end of Figure 1, the magnetic sensor using the piezo-magnetic micro device of the present invention may be implemented in the form of a cantilever array (array) including a plurality of micro devices. In this case, a plurality of microelements of the cantilever structure may be formed in pairs with each other. One of the paired cantilevers may be formed in a structure in which a magnetic thin film layer is formed on the piezoelectric body and the magnetic thin film layer is not formed in the other ( Not shown). This enables more precise sensing by canceling changes in the external environment other than changes in the magnetic field or current, such as changes in external temperature and humidity.

도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전-자성 마이크로 소자의 제조 방법을 나타낸 도면이다.2A to 2G illustrate a method of manufacturing a piezo-magnetic micro device according to an embodiment of the present invention.

도 2a 내지 도 2g를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 압전-자성 마이크로 소자의 제조 방법은, 지지층(100) 상에 하부 전극층(111), 압전 박막층(113) 및 상부 전극층(115)을 순차적으로 증착하는 단계, 상부 전극층(115), 압전 박막층(113) 및 하부 전극층(111)에 포토리소그라피(photolithography) 및 식각(etching) 공정을 순차적으로 수행하여 압전체(110)를 형성하는 단계, 압전체(110) 상에 절연층(120)을 증착하는 단계, 지지층(100)의 하부를 식각하여 캔틸레버 구조를 형성하는 단계 및 캔틸레버 구조의 돌출부의 절연층(120) 상에 자성 박막층(130)을 증착하는 단계를 포함한다.2A to 2G, a method of manufacturing a piezoelectric-magnetic micro device according to an embodiment of the present invention includes a lower electrode layer 111, a piezoelectric thin film layer 113, and an upper electrode layer 115 on a support layer 100. Depositing sequentially, forming a piezoelectric body 110 by sequentially performing photolithography and etching processes on the upper electrode layer 115, the piezoelectric thin film layer 113, and the lower electrode layer 111; Depositing an insulating layer 120 on the piezoelectric body 110, etching a lower portion of the support layer 100 to form a cantilever structure, and forming a magnetic thin film layer 130 on the insulating layer 120 of the protrusion of the cantilever structure. Depositing.

먼저, 도 2a와 같이, SiNx, poly-Si, SiO2 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 물질을 지지층(100)으로 하고, 그 위에 솔젤(sol-gel)법, 스퍼터링(sputtering)법 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여 하부 전극층(111), 압전 박막층(113) 및 상부 전극층(115)을 증착하여 다층 기판을 형성한다. 여기에서 하부 전극층(111)과 상부 전극층(115)으로는 Pt가, 압전 박막층(113)으로는 PZT, PMN-ZT, PVDF 및 BaTiO3 중 적어도 하나를 포함하는 물질이 사용될 수 있다.First, as shown in FIG. 2A, a material including at least one of SiNx, poly-Si, SiO 2, and Al is used as the support layer 100, and a sol-gel method, a sputtering method, or a CVD (Chemical) is disposed thereon. The lower electrode layer 111, the piezoelectric thin film layer 113, and the upper electrode layer 115 are deposited by using a vapor deposition method to form a multilayer substrate. Here, a material including Pt as the lower electrode layer 111 and the upper electrode layer 115 and at least one of PZT, PMN-ZT, PVDF, and BaTiO 3 may be used as the piezoelectric thin film layer 113.

이어서, 도 2b와 같이, 포토리소그래피 및 식각 공정을 통해 상부 전극층(115)을 식각하고, 마찬가지로 도 2c 및 도 2d와 같이 압전 박막층(113)과 하부 전극층(111)을 식각하여 압전체(110)를 형성한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 2B, the upper electrode layer 115 is etched through photolithography and etching, and the piezoelectric thin film layer 113 and the lower electrode layer 111 are etched as in FIGS. 2C and 2D. Form.

이어서, 도 2e와 같이, 압전체(110) 상에 SiO2, Parylene 등의 물질을 이용하여 절연층(120)을 증착한다. 이러한 절연층(120)을 통해 자성 박막과 전기를 발생시키는 압전체에서의 전류의 이동 현상을 현저히 막을 수 있게 된다.Next, as illustrated in FIG. 2E, the insulating layer 120 is deposited on the piezoelectric body 110 using a material such as SiO 2 or parylene. Through such an insulating layer 120, it is possible to remarkably prevent the movement of current in the piezoelectric body that generates the magnetic thin film and electricity.

이어서, 도 2f와 같이, 지지층(100)의 하부를 식각하여 캔틸레버 구조를 형성한다. 이러한 캔틸레버 구조는 폭이 1 ~ 500㎛이고, 길이가 폭의 1 ~ 4배이며, 0.1 ~ 10㎛의 두께를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.Subsequently, as shown in FIG. 2F, the lower portion of the support layer 100 is etched to form a cantilever structure. The cantilever structure is preferably formed to have a width of 1 to 500 µm, a length of 1 to 4 times the width, and a thickness of 0.1 to 10 µm.

이어서, 도 2g와 같이, 캔틸레버 구조의 돌출부의 절연층(120) 상에 스퍼터링법 등을 이용하여 Terfenol-D, NiFe2O4, Ni, Metglass 또는 Permendur 등의 자성 물질로 자성 박막층(130)을 증착한다.
Subsequently, as illustrated in FIG. 2G, the magnetic thin film layer 130 is deposited on the insulating layer 120 of the protrusion of the cantilever structure by using a magnetic material such as Terfenol-D, NiFe 2 O 4, Ni, Metglass, or Permendur.

이 때, 자성 박막층(130)은 증착 중 열처리(in-situ annealing) 또는 증착 후 열처리(post-annealing) 과정을 거칠 수 있다. 특히, 자성 박막층(130)으로 Terfenol-D 물질이 사용될 경우, 열처리 과정이 필수적으로 요구된다. 열처리는 압전체(110)의 상전이 온도 이하에서 하는 것이 바람직하다. In this case, the magnetic thin film layer 130 may be subjected to in-situ annealing or post-annealing. In particular, when Terfenol-D material is used as the magnetic thin film layer 130, a heat treatment process is required. The heat treatment is preferably performed at or below the phase transition temperature of the piezoelectric body 110.

도 3은 Terfenol-D 물질로 형성된 자성 박막층의 열처리 전후의 자화 특성을 나타낸 도면이다. 3 is a view showing magnetization characteristics before and after heat treatment of a magnetic thin film layer formed of Terfenol-D material.

도 3에서, 가로축은 자기장의 크기, 세로축은 박막의 자화(magnetization) 정도를 나타낸다. 빨간 점들로 이루어진 선은 열처리 이전의, 파란 점들로 이루어진 선은 열처리 이후의 M-H 히스테리시스(hysterisis) 곡선이다. 이와 같이, Terfenol-D 물질로 증착된 자성 박막층(130)의 경우 열처리 과정을 거쳐 비로소 자성체의 특성을 가지게 된다.
In Figure 3, the horizontal axis represents the magnitude of the magnetic field, the vertical axis represents the degree of magnetization (magnetization) of the thin film. The line of red dots is the MH hysterisis curve after heat treatment before the heat treatment. As such, the magnetic thin film layer 130 deposited with the Terfenol-D material has a characteristic of the magnetic material only after the heat treatment process.

도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 압전-자성 마이크로 소자에 미세 전류를 인가했을 때 압전체에 유도된 전하량을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.4 and 5 illustrate the results of measuring the amount of charge induced in a piezoelectric body when a microcurrent is applied to the piezoelectric-magnetic micro device according to the present invention.

제작된 압전-자성 마이크로 소자에 전자석, 도전성 와이어(conductive wire) 및 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)을 사용하여 전류를 흘려준 후 자성 박막층(130)의 변형에 따라 압전체(110)에 유도된 전하량을 측정하였다. Measure the amount of charge induced in the piezoelectric body 110 according to the deformation of the magnetic thin film layer 130 after flowing a current using an electromagnet, a conductive wire and a Helmholtz coil to the manufactured piezo-magnetic micro device It was.

먼저 캔틸레버 구조 없이 전류를 10㎂, 25㎂, 50㎂, 75㎂, 100㎂ 로 높여 가면서 각각 5초 동안 인가하여 실험한 결과, 도 4의 그래프 아래의 빨간색 선과 같이 거의 반응이 나타나지 않았다. 반면에, 캔틸레버 구조를 형성한 후 전류를 10㎂, 25㎂, 50㎂, 75㎂, 100㎂ 로 높여 가면서 실험한 결과, 도 4의 그래프 중앙의 초록색 선과 같이 인가된 전류의 크기에 비례하는 전하량이 측정되었다.First, the current was increased to 10 kV, 25 kV, 50 kV, 75 kV, and 100 kV for 5 seconds without the cantilever structure, and as a result, almost no reaction occurred as shown in the red line below the graph of FIG. On the other hand, after forming the cantilever structure and increasing the current to 10 ㎂, 25 ㎂, 50 ㎂, 75 실험, 100 실험, the experiment result, the amount of charge proportional to the magnitude of the applied current as shown in the green line in the center of the graph This was measured.

도 5는 최소 전류 0.005㎂를 인가했을 때 유도된 전하량을 보여주며, 이 때의 최소 감지 한계는 10-5T(10-9 Gauss)로 측정되었다. 이를 통해, 본 발명에 의한 압전-자성 마이크로 소자를 이용하여 고감도 및 초소형의 전류 센서 또는 자기 센서를 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.
5 shows the amount of charge induced when a minimum current of 0.005 mA is applied, and the minimum sensing limit at this time is measured as 10 −5 T (10 −9 Gauss). Through this, it can be seen that the piezoelectric-magnetic micro device according to the present invention can realize a high sensitivity and a small current sensor or a magnetic sensor.

본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 알 수 있을 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention.

100 : 지지층 110 : 압전체
111 : 하부 전극층 113 : 압전 박막층
115 : 상부 전극층 120 : 절연층
130 : 자성 박막층100: support layer 110: piezoelectric body
111: lower electrode layer 113: piezoelectric thin film layer
115: upper electrode layer 120: insulating layer
130: magnetic thin film layer

Claims (8)

지지층;
상기 지지층 상에 적층형으로 형성되는 하부 전극층, 압전 박막층 및 상부 전극층을 포함하는 압전체;
상기 압전체를 덮는 절연층; 및
상기 절연층 상에 형성되는 자성 박막층을 포함하고,
상기 지지층, 압전체 및 절연층은 캔틸레버(cantilever) 구조를 이루고, 상기 자성 박막층은 상기 캔틸레버 구조의 돌출부 상에 형성되는
압전-자성 마이크로 소자.
Supporting layer;
A piezoelectric body including a lower electrode layer, a piezoelectric thin film layer, and an upper electrode layer formed on the support layer in a stacked form;
An insulating layer covering the piezoelectric body; And
A magnetic thin film layer formed on the insulating layer,
The support layer, the piezoelectric body, and the insulating layer form a cantilever structure, and the magnetic thin film layer is formed on the protrusion of the cantilever structure.
Piezo-magnetic microdevices.
제 1항에 있어서,
주변 자기장의 변화에 의해 상기 자성 박막층에 스트레인이 발생하면 상기 압전체는 상기 스트레인에 대응하는 전기신호를 발생시키는
압전-자성 마이크로 소자.
The method of claim 1,
When a strain is generated in the magnetic thin film layer due to a change in a peripheral magnetic field, the piezoelectric element generates an electrical signal corresponding to the strain.
Piezo-magnetic microdevices.
제 1항에 있어서,
상기 지지층은 SiNx, poly-Si, SiO2 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성되고, 상기 하부 전극층 및 상기 상부 전극층은 Pt로 형성되고, 상기 압전 박막층은 PZT, PMN-ZT, PVDF 및 BaTiO3 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성되는
압전-자성 마이크로 소자.
The method of claim 1,
The support layer is formed of a material containing at least one of SiNx, poly-Si, SiO 2 and Al, the lower electrode layer and the upper electrode layer is formed of Pt, the piezoelectric thin film layer of PZT, PMN-ZT, PVDF and BaTiO 3 Formed of a material comprising at least one
Piezo-magnetic microdevices.
제 1항에 있어서,
상기 자성 박막층은 Terfenol-D, NiFe2O4, Ni, Metglass 및 Permendur 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성되는
압전-자성 마이크로 소자.
The method of claim 1,
The magnetic thin film layer is formed of a material containing at least one of Terfenol-D, NiFe2O4, Ni, Metglass, and Permendur
Piezo-magnetic microdevices.
다수의 마이크로 소자를 포함하는 자기 센서에 있어서,
상기 다수의 마이크로 소자는 서로 쌍을 이루어 형성되고,
상기 다수의 마이크로 소자는 공통적으로 캔틸레버(cantilever) 구조의 지지층과, 상기 지지층 상에 적층형으로 형성되는 하부 전극층, 압전 박막층 및 상부 전극층을 포함하는 압전체와, 상기 압전체를 덮는 절연층을 포함하며,
상기 쌍을 이루는 마이크로 소자 중 하나는 상기 절연층 상에 형성되는 자성 박막층을 포함하고, 다른 하나는 상기 자성 박막층을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는
자기 센서.
In a magnetic sensor including a plurality of micro elements,
The plurality of micro devices are formed in pairs with each other,
The plurality of micro devices commonly include a support layer having a cantilever structure, a piezoelectric body including a lower electrode layer, a piezoelectric thin film layer, and an upper electrode layer stacked on the support layer, and an insulating layer covering the piezoelectric body.
One of the paired micro devices includes a magnetic thin film layer formed on the insulating layer, and the other does not include the magnetic thin film layer.
Magnetic sensor.
지지층 상에 하부 전극층, 압전 박막층 및 상부 전극층을 순차적으로 증착하는 단계;
상기 상부 전극층, 압전 박막층 및 하부 전극층에 포토리소그라피 및 식각 공정을 순차적으로 수행하여 압전체를 형성하는 단계;
상기 압전체 상에 절연층을 증착하는 단계;
상기 지지층의 하부를 식각하여 캔틸레버 구조를 형성하는 단계; 및
상기 캔틸레버 구조의 돌출부의 절연층 상에 자성 박막층을 증착하는 단계
를 포함하는 압전-자성 마이크로 소자의 제조 방법.
Sequentially depositing a lower electrode layer, a piezoelectric thin film layer, and an upper electrode layer on the support layer;
Forming a piezoelectric material by sequentially performing photolithography and etching processes on the upper electrode layer, the piezoelectric thin film layer, and the lower electrode layer;
Depositing an insulating layer on the piezoelectric body;
Etching a lower portion of the support layer to form a cantilever structure; And
Depositing a magnetic thin film layer on an insulating layer of the protrusion of the cantilever structure
Piezo-magnetic micro device manufacturing method comprising a.
제 6항에 있어서,
상기 자성 박막층은 Terfenol-D, NiFe2O4, Ni, Metglass 및 Permendur 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 스퍼터링(sputtering)법을 이용하여 증착되는
압전-자성 마이크로 소자의 제조 방법.
The method according to claim 6,
The magnetic thin film layer is deposited using a sputtering method with a material containing at least one of Terfenol-D, NiFe 2 O 4, Ni, Metglass, and Permendur.
Method of manufacturing piezo-magnetic microdevices.
제 7항에 있어서,
상기 Terfenol-D 물질로 상기 자성 박막층을 형성할 경우, 상기 자성 박막층의 증착 중 또는 증착 후에 상기 자성 박막층을 열처리(annealing)하는 단계
를 더 포함하는 압전-자성 마이크로 소자의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
When the magnetic thin film layer is formed of the Terfenol-D material, annealing the magnetic thin film layer during or after the deposition of the magnetic thin film layer.
Method of manufacturing a piezo-magnetic micro device further comprising.
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