KR20150102052A

KR20150102052A - 자기 센서 장치, 자기 감응 방법 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20150102052A
Application number: KR1020157019283A
Authority: KR
Inventors: 홍 완; 쉬동 완; 팅 짱
Original assignee: 큐에스티 코퍼레이션
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2015-09-04
Also published as: EP2955534A4; EP2955534A1; US20160011280A1; CN103885004A; WO2014101622A1; EP2955534B1; JP2016517952A

Abstract

본 발명은 자기 센서 장치 및 그 자기 센서 방법을 제공하며, 제3 방향(Z축) 자기 센서 부재는 표면에 홈이 형성되어 있는 기판; 본체의 일부가 홈 내에 설치되고, 일부가 홈으로부터 기판 표면으로 노출되어 Z축 방향의 자기장 신호를 감지하여 출력하는 자기 전도 유닛; 상기 기판 표면 상에 설치되어 상기 자기 전도 유닛이 출력하는 Z축 방향의 자기 신호를 수신하고, 상기 자기 신호에 근거해 Z축 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 감응 유닛을 포함한다. 본 발명의 자기 센서 장치 및 그 자기 감응 방법에 의하면, X축, Y축, Z축의 감응 유닛을 동일한 웨이퍼 또는 칩에 설치함으로써 제조성이 양호하고, 성능이 우수하며, 가격 경쟁력을 구비한다.

Description

자기 센서 장치, 자기 감응 방법 및 그 제조 방법{Magnetic Sensing Apparatus, Magnetic Induction Method and Preparation Technique Therefor}

본 발명은 전자 통신 기술분야에 속하며, 자기 센서 장치에 관한 것으로, 특히, 단일칩 3축 자기 센서 장치 및 상기 자기 센서 장치의 자기 감응 방법에 관한 것이다.

자기 센서는 그 원리에 따라 홀소자, 자기 다이오드, 이방성 자기 저항 소자(AMR), 터널링 자기 저항(TMR) 소자 및 초거대 자기 저항(GMR)소자, 감응코일, 초전도 양자간섭 소자 등으로 나눌 수 있다.

전자 컴파스는 자기 센서의 중요한 응용 분야 중의 하나이며, 최근, 가전 제품의 신속한 발전에 따라 네비게이션 시스템 이외에도 갈수록 많은 스마트폰과 태블릿 pc에도 전자 컴파스를 장착하기 시작하였으며, 사용자들의 사용에 매운 큰 편리를 제공하였다. 최근, 자기 센서의 수요도 2축 센서로부터 3축 센서로 발전하였다. 2축 자기 센서, 즉 평면 자기 센서는 평면에서의 자기장 강도 및 방향을 측정하는데 사용될 수 있으며, X축과 Y축 2개 방향으로 표시할 수 있다.

아래에, 종래의 자기 센서의 작업 원리를 설명한다. 자기 센서는 이방성 자기 저항(Anisotropic Magneto-Resistance) 재료를 사용하여 공간에서의 자기 감응 강도의 크기를 측정한다. 이러한 결정체 구조를 갖는 합금 재료는 외부의 자기장에 매우 민감하며, 자기장의 강도 변화는 AMR자체 저항값의 변화를 일으킨다.

제조, 응용 과정에서, 하나의 강한 자기장을 AMR유닛에 가하여 어느 한 방향에서 자기화시켜 하나의 메인 자기 도메인을 구성하고, 메인 자기 도메인과 수직인 축은 이 AMR의 민감축이라고 한다(도 1 참조). 측정결과를 선형태로 변화시키기 위해 AMR 재료 상의 금속 도선은 45°의 각으로 경사지게 배열되고, 전류는 상기 도선과 AMR재료로부터 흐른다(도 2 참조). 초기의 고자기장에 의해 AMR 재료상에 구축된 메인 자기 도메인과 전류 방향은 45°의 각을 이룬다.

외부 자기장(Ha)이 존재하는 경우, AMR유닛에서 메인 자기 도메인 방향이 변하게 되어 더 이상 최초의 방향이 아니며, 따라서, 자기장 방향(M)과 전류(I) 사이의 각(θ)도 변하게 된다(도 3 참조). AMR재료에 대해서는 θ각의 변화가 AMR자체 저항값의 변화를 일으킨다(도 4 참조).

AMR 유닛의 저항 변화를 측정하는 것에 의해 외부 자기장을 얻을 수 있다. 실제 응용에 있어서, 소자의 민감도 등을 높이기 위해, 자기 센서는 휘스톤 브리지를 이용해 AMR저항값의 변화를 측정할 수 있다(도 5 참조). R1/R2/R3/R4는 초기 상태가 같은 AMR 저항이며, 외부 자기장이 검출된 경우, R1/R2저항값은 증가하고(△R), R3/R4의 저항값은 감소한다(△R). 이와 같이, 외부 자기장이 존재하지 않는 경우, 브리지의 출력은 0이고, 외부 자기장이 존재하는 경우, 브리지의 출력은 미소한 전압(V)이다.

현재의 3축 센서는 하나의 평면(X, Y 두축) 센서 부재와 Z방향의 자기 센서 부재를 시스템 패키지로 조립하여 3축 센서의 기능을 실현한 것이다. 다시 말해서 평면 센서 부재와 Z방향 자기 센서 부재를 각각 2개의 웨이퍼 또는 칩 상에 설치하고, 마지막으로 패키지로 함께 연결한다. 현재, 단일 웨이퍼/칩 상에 동시에 3축 센서를 제조할 수 없다.

이를 감안하여, 단일 웨이퍼/칩 상에 3축 센서를 제조할 수 있는 새로운 자기 센서 장치가 시급히 요구되는 상황이다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 X축, Y축, Z축의 센서 소자를 동일 웨이퍼 또는 칩 상에 설치할 수 있고, 양호한 제조성, 우수한 성능 및 명확한 가격 경쟁력을 가지는 자기 센서 장치를 제공하는 것이다.

또, 본 발명의 다른 목적은 동일한 웨이퍼 칩 상에 설치된 센서 소자에 근거해 X축, Y축, Z축의 자기장 데이터를 감지(감응)할 수 있는 자기 센서 장치의 자기 감응 설계 방법을 더 제공하는데 있다.

또, 본 발명의 또 다른 목적은 X축, Y축, Z축의 센서 소자를 동일한 웨이퍼 또는 칩 상에 설치하여 자기 센서 장치를 제조할 수 있는 자기 센서 장치의 제조방법을 더 제공하는데 있다.

상기 기술적 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 자기 센서 장치는 표면에 홈이 형성되어 있는 기판;

본체의 일부가 홈 내에 설치되고, 일부가 홈으로부터 기판 표면으로 노출되어 제3 방향의 자기장 신호를 수집하여 출력하는 자기 전도 유닛;

상기 기판 표면 상에 설치되어 상기 자기 전도 유닛이 출력하는 제3 방향의 자기 신호를 수신하고, 상기 자기 신호에 근거해 제3 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 감응 유닛;을 포함하는 제3 방향 자기 센서 부재를 포함한다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 제3 방향 자기 센서 부재가 수직 방향 자기 센서 부재이고,

상기 자기 전도 유닛은 수직 방향의 자기장 신호를 수집하여 출력하며,

상기 감응 유닛은 기판 표면과 평행하는 방향을 감지하는 자기 센서이고, 상기 기판 표면에 설치되어, 상기 자기 전도 유닛이 출력하는 수직 방향의 자기 신호를 수신하고, 상기 자기 신호에 근거해 수직 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 자성체층을 포함하고, 상기 수직 방향은 기판 표면의 수직 방향이며,

상기 자기 센서 장치는 기판 표면과 평행하는 제1 방향, 제2 방향을 각각 감지하는 제1 자기 센서 및 제2 자기 센서를 더 포함하고, 제1 방향과 제2 방향은 서로 수직이다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 제3 방향 자기 센서 부재는 자기장 강도 및 자기장 방향을 계산하여 출력하는 주변 회로를 포함한다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 자기 전도 유닛의 본체 부분과 기판 표면 사이의 각은 45°~90°이고, 상기 감응 유닛은 기판 표면과 밀착되게 설치되며, 기판 표면과 평행하다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 감응 유닛은 기판 표면과 평행하는 자기 센서이며, 기판 표면과 평행하는 제1 방향, 제2 방향에 대응하는 자기 센서와 함께 3차원 자기 센서를 구성한다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 각 감응 유닛은 모두 자성체층을 포함하며, 상기 자성체층은 자성 재료이며, 상기 자성 재료의 저항은 자기장 강도의 방향에 따라 변한다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 자기 전도 유닛 및 감응 유닛은 모두 자성체층을 포함하며, 상기 자성체층의 자성재료는 이방성 자기 저항 AMR재료이거나, 또는 초거대 자기저항 GMR재료이거나, 또는 터널링 자기 저항 TMR재료이다. 상기 자기 센서 장치의 원리는 이방성 자기 저항 AMR 또는 초거대 자기저항 GMR, 또는 터널링 자기 저항 TMR이다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 감응 유닛은 서로 다르게 배열됨으로써 제1 방향 및/또는 제2 방향의 자기장을 측정하며, 수직 방향으로 측정한 자기장을 제1 방향 및/또는 제2 방향에 대응하는 자기장으로 안내하며, 동일한 감응 유닛은 수직 방향을 측정할 수 있고, 제1 방향, 제2 방향, 수직 방향은 둘씩 서로 수직이다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 감응 유닛은 기판과 평행하는 자기 센서이며, 기판 표면과 평행하는 제1 방향, 제2 방향에 대응하는 자기 센서와 함께 3차원 자기 센서의 일부를 구성한다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 제1 방향은 X축 방향이고, 제2 방향은 Y축 방향이며, 수직 방향은 Z축 방향이다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 장치는 제1 방향 및/또는 제2 방향의 자기 신호를 감지하고, 이 자기 신호에 의해 제1 방향 및/또는 제2 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 제2 자기 센서 부재를 포함한다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 제2 자기 센서 부재는 적어도 하나의 감응 서브 유닛을 포함하고,

상기 각 감응 서브 유닛은 자성체층을 포함하고, 자성체층은 자기저항 재료이며, 자성재료의 저항은 자기장 강도의 방향에 따라 변한다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 제2 자기 센서 부재는 4개의 감응 서브 유닛을 포함하며, 각각 제5 감응 서브 유닛, 제6 감응 서브 유닛, 제7 감응 서브 유닛, 제8 감응 서브 유닛이며,

상기 각 감응 서브 유닛은 자성체층을 포함하며, 상기 자성체층에 평행하게 설치된 복수의 전극이 설치되며, 전극의 설치방향과 자성체층의 자화 방향 사이의 각은 10°~80°이다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 자기 전도 유닛은 4개의 자기 전도 서브 유닛을 포함하며, 각각 제1 자기 전도 서브 유닛, 제2 자기 전도 서브 유닛, 제3 자기 전도 서브 유닛 및 제4 자기 전도 서브 유닛이고,

상기 감응 유닛은 4개의 감응 서브 유닛을 포함하며, 각각 제1 감응 서브 유닛, 제2 감응 서브 유닛, 제3 감응 서브 유닛, 제4 감응 서브 유닛이고,

상기 제1 자기 전도 서브 유닛과 제1 감응 서브 유닛이 서로 결합하여 수직 방향 자기 센서 부재의 제1 감응 모듈로 하고,

상기 제2 자기 전도 서브 유닛과 제2 감응 서브 유닛이 서로 결합하여 수직 방향 자기 센서 부재의 제2 감응 모듈로 하고,

상기 제3 자기 전도 서브 유닛과 제3 감응 서브 유닛이 서로 결합하여 수직 방향 자기 센서 부재의 제3 감응 모듈로 하고,

상기 제4 자기 전도 서브 유닛과 제4 감응 서브 유닛이 서로 결합하여 수직 방향 자기 센서 부재의 제4 감응 모듈로 하고,

상기 기판에는 일렬 또는 복수열의 홈이 형성되어 있고, 일렬의 홈은 하나의 장홈으로 구성되거나, 또는 일렬의 홈은 복수개의 서브 홈을 포함하며,

각 자기 전도 서브 유닛은 복수개의 자성부재를 포함하며, 각 자성부재의 본체의 일부는 대응하는 홈 내에 설치되고, 일부는 홈 밖으로 노출되며, 노출부분은 대응하는 감응 서브 유닛의 자성체층에 접근하여 설치된다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 각 자성부재는 일부가 홈 밖으로 노출되고, 노출부분과 대응하는 감응 서브 유닛의 자성체층간의 거리가 0-20μm이다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 자기 전도 유닛과 감응 유닛의 자성체층은 동일한 자성재료를 사용하고, 층수도 같으며, 동일하게 1차 증착에 의해 얻어진다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 자기 전도 유닛과 감응 유닛의 자성체층은 서로 다른 자성 재료를 사용하고, 수차례 증착을 통해 얻어진다.

수직 방향 자기장 감응(감지) 단계를 포함하는 자기 센서 장치의 자기 감응 방법으로서, 구체적으로,

자기 전도 유닛이 수직 방향의 자기 신호를 수집하여, 상기 자기 신호를 출력하는 단계;

감응 유닛이 상기 자기 전도 유닛이 출력하는 수직 방향의 자기 신호를 수신하고, 상기 자기 신호에 근거해 수직 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 제1 방향, 제2 방향의 자기 신호를 감응하고 이에 근거해 제1 방향, 제2 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 제1 방향, 제2 방향 자기장 감지 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따른 자기 센서 장치의 제조 공정은,

기판을 설치하는 단계(S1);

기판의 표면에 홈을 설치하는 단계(S2);

자기 전도 유닛이 동일 자성 재료를 사용하고, 동일하게 1차 증착에 의해 얻어지도록 하며, 자기 전도 유닛의 본체의 일부가 홈 내에 증착되고, 일부가 홈으로부터 기판 표면으로 노출되도록 기판의 표면에 감응 유닛을 증착하는 동시에 자기 전도 유닛을 증착, 제조하는 단계(S3);

감응 유닛에 전극층을 설치하는 단계(S4);를 포함한다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 단계(S3)에 있어서, 기판 표면에 감응 유닛, 자기 전도 유닛을 증착하는 동시에 제2 자기 센서 부재에 필요한 자성체층을 증착하고, 제2 자기 센서 부재는 제1 방향, 제2 방향의 자기 신호를 감응(감지)하고 이에 근거해 제1 방향, 제2 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하며, 즉 제2 자기 센서 부재에 필요한 자성체층과 수직 방향 자기 센서 부재에 필요한 감응 유닛, 자기 전도 유닛은 동시에 제조하여 얻어진다.

본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 단계(S1)에 있어서, 기판은 CMOS회로를 포함한다.

상기 단계(S2)에 있어서, 기판의 표면에 매개층을 구비하여 센서 장치와 기판을 격리하고, 매개층에 제조공정을 통해 홈을 형성하고,

상기 단계(S3)에 있어서, 기판 표면에 자성 재료와 차단재료를 증착하고, 자성 재료와 차단 재료는 각각 단층 또는 다층 재료이며, 제조공정을 통해 감응 유닛과 자기 전도 유닛을 동시에 형성하기 때문에 자기 전도 유닛과 감응 유닛은 동일한 자성재료를 사용하고, 동일하게 1차 증착에 의해 얻어지며, 1차 증착이 아닌 수차례 증착에 의해 얻어질 수도 있다. 자기 전도 유닛의 본체의 일부는 홈 내에 증착되고, 일부는 홈으로부터 기판 표면에 노출된다.

본 발명에 의하면, 단일 웨이퍼/칩 상에 X축, Y축 및 Z축 3방향의 센서 유닛을 동시에 구비하고, 단일 칩 상에 ASIC 주변 회로를 선택적으로 집적하며, 제조공정과 표준 CMOS 공정이 완전 겸용되고, 양호한 제조성과 우수한 성능 및 명확한 가격 경쟁력을 구비하는 효과를 가진다.

도 1은 종래의 자기 센서 장치의 자성 재료를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 자기 센서 장치의 자성 재료 및 도선의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 자기장 방향과 전류 방향 사이의 끼인각을 나타내는 도면이다.
도 4는 자성 재료의 θ-R특성 곡선도이다.
도 5는 휘스톤 브리지의 연결도이다.
도 6은 본 발명의 자기 센서 장치의 부분 평면도이다.
도 7은 도 1의 AA방향에 따른 단면도이다.
도 8은 본 발명의 자기 센서 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 실시예 2에서 자기 센서 장치의 부분 평면도이다.

아래에 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

실시예 1

도 6, 도 7을 참조하면, 도 7은 도 6에서 A-A방향에 따른 투영도이다. 본 발명은 자기 센서 장치를 제공하며, 상기 장치는 Z축 자기 센서 부재를 포함하며, 상기 Z축 자기 센서 부재는 기판(10), 자기 전도 유닛(20), 감응 유닛을 포함하고, 기판(10)은 CMOS 주변 회로를 포함할 수 있다.

기판(10)의 표면에는 매개층이 구비되고, 매개층에는 홈(11)이 형성되어 있다. 상기 기판에는 일렬 또는 복수열의 홈이 형성되어 있으며, 본 실시예에서는 일렬 홈에 복수의 서브 홈(11)이 구비된다.

자기 전도 유닛(20)의 본체는 일부가 홈(11) 내에 설치되고, 일부가 홈(11)에서 기판 표면에 노출되어 Z축 방향의 자기 신호를 수신하고, 이 자기 신호를 감응 유닛으로 출력한다.

감응 유닛은 상기 기판 표면에 설치되어 상기 자기 전도 유닛(20)이 출력하는 Z축 방향의 자기 신호를 수신하고, 상기 자기 신호에 근거해 Z축 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정한다. 감응 유닛은 자성체층(30) 및 상기 자성체층(30)에 평행하게 설치된 복수의 전극(40)을 포함한다. 동시에 상기 감응 유닛은 X축, Y축 방향의 자기 신호를 더 감지하여 이에 의해 X축, Y축 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정한다. 자기 전도 유닛(20)을 설치함으로써 감응 유닛은 Z축 방향의 자기장을 수평방향으로 안내하여 측정한다. 상기 자기 전도 유닛(20) 및 감응 유닛의 자성체층(30)은 동일한 자성 재료를 사용하고, 층수도 같으며, 동일하게 1차 증착에 의해 얻어진다. 예를 들어, 자기 전도 유닛(20) 및 감응 유닛의 자성체층(30)은 이방성 자기 센서 AMR일 수 있고, TMR 및 GMR일 수도 있으며, 이에 대한 설명은 생략한다. 상기 자기 전도 유닛(20) 및 감응 유닛의 자성체층(30)은 서로 다른 자성 재료를 사용할 수도 있고, 또는 서로 다른 층수를 채용할 수도 있음은 물론이다. 즉 수차례 증착과 포토에칭을 통해 얻어질 수 있다.

도 7에 도시한 바와 같이, 상기 자기 전도 유닛(20)의 본체 부분과 기판 표면이 있는 평면 사이의 끼인각은 45°~90° 사이에 있을 수 있으며, 클수록 좋다. 상기 감응 유닛의 자성체층(30)은 기판 표면에 밀착되게 설치되며, 기판 표면과 평행하다.

도 8를 참조하면, 상기 자기 전도 유닛(20)은 4개의 자기 전도 서브 유닛을 포함하며, 각각 제1 자기 전도 서브 유닛, 제2 자기 전도 서브 유닛, 제3 자기 전도 서브 유닛, 제4 자기 전도 서브 유닛이다. 각 자기 전도 유닛은 복수의 자성 부재를 포함하며, 각 자성 부재의 본체 부분은 대응하는 홈(11) 내에 설치되고, 일부가 홈(11) 밖으로 노출되고, 노출부분은 대응하는 감응 서브 유닛의 자성체층에 접근하여 설치되며, 거리(c)는 바람직하게는 0-20um이고, 대표값은 0um, 0.1um，0.3um，0.5um，0.8um，1um, 5um이다. 그 외에, 도 7에 도시된 바와 같이, a의 범위는 0-2um（예를 들어, 0.5um, 1um）이고；b의 범위는 0-1um（예를 들어 0um, 0.1um, 0.2um）이며； d의 범위는 0.5-10um（예를 들어 3um, 2um）이고； Theta의 각도 범위는 0-45°（예를 들어 5°）이다.

상기 감응 유닛은 4개의 감응 서브 유닛을 포함하며, 각각 제1 감응 서브 유닛, 제2 감응 서브 유닛, 제3 감응 서브 유닛, 제4 감응 서브 유닛이다. 상기 각 감응 서브 유닛은 자성체층(30)을 포함하며, 상기 자성체층 상에 평행하게 설치된 복수의 전극(40)이 설치되며, 전극(40)의 설치방향과 자성체층(30)의 자화 방향 사이의 끼인각이 10°~80°이고, 바람직하게는 45°이다.

상기 제1 자기 전도 서브 유닛과 제1 감응 서브 유닛은 서로 결합되어 Z축 자기 센서 부재의 제1 감응 모듈로 하고, 상기 제2 자기 전도 서브 유닛과 제2 감응 서브 유닛은 서로 결합되어 Z축 자기 센서 부재의 제2 감응 모듈로 하고, 상기 제3 자기 전도 서브 유닛과 제3 감응 서브 유닛은 서로 결합되어 Z축 자기 센서 부재의 제3 감응 모듈로 하고, 상기 제4 자기 전도 서브 유닛과 제4 감응 서브 유닛은 서로 결합되어 Z축 자기 센서 부재의 제4 감응 모듈로 한다.

도 8의 자기 센서 장치는 휘스톤 브리지 구조를 사용하여 외부 자기장을 더 민감하게 측정할 수 있다. 실제 응용에 있어서, 하나의 자기 전도 서브 유닛과 하나의 감응 서브 유닛을 사용하여 자기장을 측정할 수 있으며, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 장치는 X축 및/또는 Y축 방향의 자기 신호를 감지하여 이 자기 신호에 근거해 X축 및/또는 Y축에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하기 위한 X축 자기 센서 부재 및 Y축 자기 센서 부재를 더 포함한다. X축 자기 센서 부재 및 Y축 자기 센서 부재는 Z축 자기 센서 부재의 감응 유닛이 아니며, Z축 자기 센서 부재의 감응 유닛은 Z축 방향을 감지하기 위한 것이고, X축 자기 센서 부재의 감응 유닛은 X축 방향을 감지하기 위한 것이고, Y축 자기 센서 부재의 감응 유닛은 Y축 방향을 감지하기 위한 것이다.

상기 X축 자기 센서 부재 또는 Y축 자기 센서 부재는 4개의 감응 서브 유닛을 포함하며, 각각 제5 감응 서브 유닛, 제6 감응 서브 유닛, 제7 감응 서브 유닛, 제8 감응 서브 유닛이다. 상기 각 감응 서브 유닛은 자성체층을 포함하며, 상기 자성체층 상에 평행하게 복수의 전극이 설치되어 있다. 전극의 설치 방향과 자성체층의 자화 방향 사이의 끼인각은 10°~80°이며, 바람직하게는 45°이다. 마찬가지로, 상기 X축 자기 센서 부재 및 Y축 자기 센서 부재는 하나의 감응 유닛만 포함할 수 있으며, 휘스톤 브리지 방식을 채용하지 않아도 된다.

이상 본 발명의 자기 센서 장치의 구조에 대해 설명하였다. 본 발명에서는 상기 자기 센서 장치를 제공함과 동시에 상기 자기 센서 장치의 자기 감응 방법도 더 제공한다. 상기 방법은 Z축 방향의 자기장 감지 단계를 포함하며, 구체적으로, 자기 전도 유닛이 Z축 방향의 자기 신호를 수신하여 출력하는 단계; 감응 유닛이 상기 자기 전도 유닛이 출력하는 Z축 방향의 자기 신호를 수신하고, 상기 자기 신호에 근거해 Z축 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 단계를 포함한다.

그 외에, 상기 방법은, X축, Y축 방향의 자기 신호를 감지하고, 이 자기 신호에 근거해 X축, Y축 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 X축, Y축 방향 자기장 감지 단계를 더 포함한다.

동시에, 본 발명은 상기 자기 센서 장치의 제조공정을 더 제공하며, 상기 제조공정은 다음 단계를 포함한다.

단계(S1): CMOS주변 회로를 포함할 수 있는 기판을 설치한다.

단계(S2): 기판 표면에 매개층을 구비하여 센서 장치와 기판을 격리하며, 매개층에 제조공정에 의해 홈을 형성한다.

단계(S3): 기판 표면에 자성 재료와 보호층 재료를 증착하고, 자성 재료와 보호층 재료가 각각 단층 또는 다층 재료이며, 제조공정을 통해 감응 유닛과 자기 전도 유닛을 동시에 제조하기 때문에 자기 전도 유닛과 감응 유닛은 동일한 자성 재료를 사용하고 동일하게 1차 증착으로 얻어진다. 자기 전도 유닛의 본체는 일부가 홈 내에 증착되고, 일부는 홈에서 기판 표면으로 노출된다.

바람직하게, 본 발명의 자기 센서 장치는 X축 센서 부재와 Y축 센서 부재를 더 포함하며, 단계(S3)에서, 기판 표면에 감응 유닛, 자기 전도 유닛을 증착함과 함께 X축과 Y축 자기 센서 부재에 필요한 자성체층을 증착한다. 즉 X축과 Y축에 필요한 자성체층과 Z축에 필요한 감응 유닛, 자기 전도 유닛은 동시에 제조하여 얻어진다.

선택적으로, 본 단계에 있어서, 수차례의 재료 증착과 제조 공정을 통해 감응 유닛과 자기 전도 유닛을 각각 형성할 수 있으며, 서로 다른 재료층을 사용할 수 있다.

단계(S4): 감응 유닛과 X축 센서 부재의 자성체층, Y축 센서 부재의 자성체층에 각각 전극층을 설치한 다음 매질을 충진하고, 인선(引線) 공정을 하여 완전한 센서 장치의 제조를 실현한다.

실시예 2

본 실시예와 실시예 1의 구별점은, 본 실시예에 있어서, 다수의 자기 전도 구조는 동일한 홈을 함께 공유할 수 있다. 도 9를 참조하면 기판(10) 상의 홈(11)은 일렬 또는 복수열로 설치될 수 있으며, 일렬 홈(11)은 하나의 긴 홈으로 형성될 수 있고, 다수의 자성 부재가 동시에 사용할 수 있도록 한다.

그 외에, 상기 구조에서 자기 전도 유닛은 센서 유닛과 서로 연결될 수 있으며, 거리는 0um이다.

실시예 3

본 실시예에 있어서, 본 발명의 자기 센서 장치는 CMOS 칩을 더 포함하며, 실시예 1에서 기판은 CMOS 칩 상에 설치된다. 즉 자기 센서 장치는 종래의 CMOS 칩의 기능을 구비한다. 다시 말해서 단일 칩 상에 CMOS 칩과 센서 장치를 동시에 구비함으로써 고도의 집적도를 가진다.

실시예 4

본 실시예에 있어서, 자기 센서 장치의 자기 전도 유닛, 센서 유닛, X축 자기 센서 부재, Y축 자기 센서 부재에 필요한 자성체층은 NiFe합금재료와 같은 자기 저항 재료이다. 자기 저항 재료층은 GMR 및 TMR 재료와 같은 다층 재료일 수 있으며, 자기 저항 재료는 이방성 자기 저항 재료, 초거대 자기저항 재료, 터널링 자기 저항 재료를 포함하며, 다층 또는 단층일 수 있다. 다층 재료의 두께와 층수는 실제 수요에 따라 조절할 수 있다.

그 외에, 1조의 자기 전도 유닛은 복수의 자기 전도 구조를 결합함으로써 더욱 민감하게 측정할 수 있다.

실시예 5

본 실시예에 있어서, 자기 센서 장치가 감지할 수 있는 3차원 방향은 X축, Y축, Z축 의 제1 방향, 제2 방향, 수직 방향이 아닐 수 있으며, 제1 방향, 제2 방향, 수직 방향이 둘씩 서로 수직되기만 하면 된다.

자기 센서 장치의 원리는 초거대 자기저항(GMR)의 원리와 동일하며, 자성재료는 GMR재료를 사용한다.

실시예 6

상술한 실시예에 있어서, 자기 센서 휘스톤 브리지를 통해 신호의 검출과 출력을 실현하며, 휘스톤 브리지는 4개의 가변 브리지암을 포함한다. 즉 4개의 자기 전도 서브 유닛과 4개의 감응 서브 유닛을 포함하며, 출력하는 신호가 비교적 크고 효과적이다.

본 발명은 반브리지 내지 4분의 1 브리지를 사용하여 TMR 저항값(또는 GMR 및 AMR 저항값) 의 변화를 검출할 수 있는 것은 물론이다. 반브리지를 사용하여 검출할 경우, 2조의 자기 전도 서브 유닛과 감응 서브 유닛만 포함하면 된다. 4분의 1 브리지를 사용할 경우, 1조의 자기 서브 유닛과 감응 서브 유닛만 포함하면 된다. 특히, 본 발명의 응용에서는 1조 또는 2조의 자기 전도 서브 유닛과 감응 서브 유닛의 결합만으로 자기장을 검출할 수 있으며, 상세한 설명은 생략한다.

또한, 브리지 방법을 사용하지 않아도 되며, 1조의 자기 서브 유닛과 감응 서브 유닛을 직접 채용하여 자기 유닛 양단의 저항 변화를 측정함으로써 자기장의 변화를 계산할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명이 제공하는 자기 센서 장치 및 자기 감응 방법은 X축, Y축, Z축의 센서를 동일한 웨이퍼 또는 칩 상에 설치할 수 있어 제조성이 양호하고, 성능이 우수하며 가격 경쟁력을 가진다.

상기 본 발명에 대한 설명과 응용은 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 상기 실시예에 의해 한정하는 것이 아니다. 여기에서 공개된 실시예는 변형 및 변경이 가능하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자자라면 실시예의 대체 및 등가의 각종 부재는 공지의 것이다. 본 발명의 정신 또는 본질적인 특징을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 대해 기타 형식, 구조, 배치, 비율 및 기타 어셈블리, 재료 및 부재로 실현할 수 있음은 당업자에게 있어서 자명한 것이다. 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 상술한 실시예에 대해 기타 변형 및 변경이 가능하다.

Claims

표면에 홈이 형성되어 있는 기판;
본체의 일부가 상기 홈 내에 설치되고, 일부가 상기 홈으로부터 상기 기판 표면으로 노출되어 제3 방향의 자기장 신호를 수집하여 출력하는 자기 전도 유닛; 및
상기 기판 표면 상에 설치되어 상기 자기 전도 유닛이 출력하는 제3 방향의 자기 신호를 수신하고, 상기 자기 신호에 근거해 상기 제3 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 감응 유닛;을 포함하는 제3 방향 자기 센서 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제3 방향 자기 센서 부재는 수직 방향 자기 센서 부재이고,
상기 자기 전도 유닛은 수직 방향의 자기장 신호를 수집하여 출력하며,
상기 감응 유닛은 상기 기판 표면과 평행하는 방향을 감지하는 자기 센서이고, 상기 기판 표면에 설치되어, 상기 자기 전도 유닛이 출력하는 수직 방향의 자기 신호를 수신하고, 상기 자기 신호에 근거해 수직 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 자성체층을 포함하고, 상기 수직 방향은 기판 표면의 수직 방향이며,
상기 자기 센서 장치는 기판 표면과 평행하는 제1 방향, 제2 방향을 각각 감지하는 제1 자기 센서 및 제2 자기 센서를 더 포함하고, 상기 제1 방향과 제2 방향은 서로 수직인 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제3 방향 자기 센서 부재는 자기장 강도 및 자기장 방향을 계산하여 출력하는 주변 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 자기 전도 유닛의 본체 부분과 기판 표면 사이의 각은 45°~90°이고, 상기 감응 유닛은 기판 표면과 밀착되게 설치되며, 기판 표면과 평행한 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 감응 유닛은 기판 표면과 평행하는 자기 센서이며, 기판 표면과 평행하는 제1 방향, 제2 방향에 대응하는 자기 센서와 함께 3차원 자기 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 제1 방향은 X축 방향이고, 제2 방향은 Y축 방향이며, 제3 방향은 Z축 방향인 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 1 항에 있어서,
제1 방향 및/또는 제2 방향의 자기 신호를 감지하고, 이 자기 신호에 의해 제1 방향 및/또는 제2 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 제2 자기 센서 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 제2 자기 센서 부재는 적어도 하나의 감응 서브 유닛을 포함하고,
상기 각 감응 서브 유닛은 자성체층을 포함하며, 자성체층은 자기저항 재료이고, 자성재료의 저항은 자기장 강도의 방향에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 자기 전도 유닛 및 감응 유닛은 모두 자성체층을 포함하며,
상기 자성체층의 자성재료는 이방성 자기 저항 AMR재료이거나, 또는 초거대 자기저항 GMR재료이거나, 또는 터널링 자기 저항 TMR재료이며,
상기 자기 센서 장치의 원리는 이방성 자기 저항 AMR 또는 초거대 자기저항 GMR, 또는 터널링 자기 저항 TMR인 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 자기 전도 유닛은 4개의 자기 전도 서브 유닛을 포함하며, 각각 제1 자기 전도 서브 유닛, 제2 자기 전도 서브 유닛, 제3 자기 전도 서브 유닛 및 제4 자기 전도 서브 유닛이고,
상기 감응 유닛은 4개의 감응 서브 유닛을 포함하며, 각각 제1 감응 서브 유닛, 제2 감응 서브 유닛, 제3 감응 서브 유닛, 제4 감응 서브 유닛이며,
상기 제1 자기 전도 서브 유닛과 제1 감응 서브 유닛이 서로 결합하여 제3 방향 자기 센서 부재의 제1 감응 모듈이 되고,
상기 제2 자기 전도 서브 유닛과 제2 감응 서브 유닛이 서로 결합하여 제3 방향 자기 센서 부재의 제2 감응 모듈이 되며,
상기 제3 자기 전도 서브 유닛과 제3 감응 서브 유닛이 서로 결합하여 제3 방향 자기 센서 부재의 제3 감응 모듈이 되고,
상기 제4 자기 전도 서브 유닛과 제4 감응 서브 유닛이 서로 결합하여 제3 방향 자기 센서 부재의 제4 감응 모듈이 되며,
상기 각 감응 서브 유닛은 자성체층을 포함하고, 자성 재료의 저항은 자기장 강도의 방향에 따라 변하고,
상기 기판에는 일렬 또는 복수열의 홈이 형성되어 있고, 일렬의 홈은 하나의 장홈으로 구성되거나, 또는 일렬의 홈은 복수개의 서브 홈을 포함하며,
각 자기 전도 서브 유닛은 복수개의 자성부재를 포함하며, 각 자성부재의 본체의 일부는 대응하는 홈 내에 설치되고, 일부는 홈 밖으로 노출되며, 노출부분은 대응하는 감응 서브 유닛의 자성체층에 접근하는 설치되는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 10 항에 있어서,
각 자성부재는 일부가 홈 밖으로 노출되고, 노출부분과 대응하는 감응 서브 유닛의 자성체층간의 거리가 0-20μm인 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기 전도 유닛과 감응 유닛의 자성체층은 동일한 자성재료를 사용하고, 층수도 같으며, 동일하게 1차 증착에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기 전도 유닛과 감응 유닛의 자성체층은 서로 다른 자성 재료를 사용하고, 수차례 증착을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제3 방향 자기장 감지 단계를 포함하는 방법으로서, 구체적으로,
자기 전도 유닛이 제3 방향의 자기 신호를 수집하여, 상기 자기 신호를 출력하는 단계; 및
감응 유닛이 상기 자기 전도 유닛이 출력한 제3 방향의 자기 신호를 수신하고, 상기 자기 신호에 근거해 제3 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 13항 중 어느 한 항 기재의 자기 센서 장치의 자기 감응 방법.
제 14 항에 있어서,
제1 방향, 제2 방향의 자기 신호를 감지하고 이에 근거해 제1 방향, 제2 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 제1 방향, 제2 방향 자기장 감지 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 감응 방법.
기판을 설치하는 단계(S1);
기판의 표면에 홈을 설치하는 단계(S2);
자기 전도 유닛이 동일 자성 재료를 사용하고, 동일하게 1차 증착에 의해 얻어지도록 하며, 자기 전도 유닛의 본체의 일부가 홈 내에 증착되고, 일부가 홈으로부터 기판 표면으로 노출되도록 기판의 표면에 감응 유닛을 증착하는 동시에 자기 전도 유닛을 증착, 제조하는 단계(S3); 및
감응 유닛에 전극층을 설치하는 단계(S4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 13항 중의 어느 한 항 기재의 자기 센서 장치의 제조 공정.
제 16 항에 있어서,
상기 단계(S3)에 있어서, 기판 표면에 감응 유닛, 자기 전도 유닛을 증착하는 동시에 제2 자기 센서 부재 및 제3 자기 센서 부재에 필요한 자성체층을 증착하고, 제2 자기 센서 부재 및 제3 자기 센서 부재는 제1 방향, 제2 방향의 자기 신호를 감지하고 이에 근거해 제1 방향, 제2 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하며, 즉 제2 자기 센서 부재, 제3 자기 센서 부재에 필요한 자성체층 및 제3 방향 자기 센서 부재에 필요한 감응 유닛, 자기 전도 유닛은 동시에 제조하여 얻어지는 것인 것을 특징으로 하는 자기 감응 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 단계(S1)에 있어서, 기판은 CMOS회로를 포함하고,
상기 단계(S2)에 있어서, 기판의 표면에 매개층을 구비하여 센서 장치와 기판을 격리하고, 매개층에 제조공정을 통해 홈을 형성하고,
상기 단계(S3)에 있어서, 기판 표면에 자성 재료와 차단재료를 증착하고, 자성 재료와 차단 재료는 각각 단층 또는 다층 재료이며, 제조공정을 통해 감응 유닛과 자기 전도 유닛을 동시에 형성하기 때문에 자기 전도 유닛과 감응 유닛은 동일한 자성재료를 사용하고, 동일하게 1차 증착에 의해 얻어지며, 자기 전도 유닛의 본체의 일부는 상기 홈 내에 증착되고, 일부는 상기 홈으로부터 기판 표면에 노출되며; 또는 서로 다른 자성 재료는 수차례 증착하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 자기 감응 방법.