KR20150102053A - 자기 센서 장치 및 자기 감지 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기 센서 장치 및 그 자기 감지 방법을 제시한다. 상기 장치는 표면에 홈이 형성되어 있는 기판과, 적어도 한쌍의 서로 결합되는 자기 센서 모듈을 포함하는 제3방향 자기 센서 부재를 포함한다. 자기 센서 모듈은 제3 방향의 자기 신호를 수신하여 출력하는 자기 전도 유닛; 기판 표면 상에 설치되어 상기 자기 전도 유닛이 출력하는 제3 방향의 자기 신호를 수신하고, 상기 자기 신호에 근거해 제3 방향에 대응하는 자기장 강도를 측정하는 감지 유닛;을 포함한다. 각쌍의 서로 결합되는 2개의 자기 센서 모듈을 설치한 후, 각쌍의 자기 센서 모듈이 제1 방향, 제2 방향에서의 자기 신호를 상쇄하여 출력할 수 있다. 본 발명에 따른 자기 센서 장치는 X축, Y축, Z축의 감지 소자를 동일한 웨이퍼 또는 칩 상에 설치하여 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향의 자기장 신호를 독립적으로 측정할 수 있다.
Description
본 발명은 전자 통신 기술분야에 속하며, 자기 센서 장치에 관한 것으로, 특히, 단일칩 3축 자기 센서 장치 및 상기 자기 센서 장치의 자기 센서 장치의 자기 감지 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, 유도 코일, 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 방향을를 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 감지 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 센서를 동일 웨이퍼 또는 칩 상에 설치할 수 있어 신뢰성이 향상된 자기 센서 장치를 제공하는 것이다.
또, 본 발명의 다른 목적은 동일한 웨이퍼 칩 상에 설치된 센서에 근거해 X축, Y축, Z축의 자기장 데이터를 감지(감응)할 수 있는 자기 센서 장치의 자기 감지 방법을 더 제공하는데 있다.
상기 기술적 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 자기 센서 장치는 표면에 홈이 형성되어 있는 기판과, 적어도 한쌍의 서로 결합되는 자기 센서 모듈을 포함하는 제3방향 자기 센서 부재를 포함하며,
상기 자기 센서 모듈이,
본체부분이 홈 내에 설치되고, 일부가 홈으로부터 기판 표면으로 노출되어 제3 방향의 자기 신호를 수신하여 출력하며, 자성체 층을 구비하는 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 강도를 측정하며, 자성 재료의 저항이 자기장 강도 및 방향의 변화에 따라 변하는 자성체층을 포함하는 감지 유닛;을 포함하며,
각쌍의 서로 결합되는 2개의 자기 센서 모듈을 설치한 후, 각쌍의 자기 센서 모듈이 제1 방향 및/또는 제2 방향에서의 자기 신호를 상쇄하여 출력할 수 있다.
본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 제3 방향 자기 센서 부재가 수직 방향 자기 센서 부재이고,
상기 자기 전도 유닛은 수직 방향의 자기장 신호를 수신하여 출력하며,
상기 감지 유닛은 기판 표면과 평행하는 방향을 감지(감응)하는 자기 센서이고, 상기 기판 표면에 설치되어, 상기 자기 전도 유닛이 출력하는 수직 방향의 자기 신호를 수신하고, 상기 자기 신호에 근거해 수직 방향에 대응하는 자기장 강도를 측정하며,
상기 자기 센서 장치는 각각 기판 표면과 평행하는 제1 방향, 제2 방향의 자기 신호를 감지하는 제1 자기 센서 및 제2 자기 센서를 더 포함하며, 제1 방향과 제2 방향은 서로 수직이다.
본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 자기 센서 장치는 각각 기판 표면과 평행하는 제1 방향 및 제2 방향의 자기 신호를 감지하는 제1 자기 센서 및 제2 자기 센서를 더 포함하며, 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향은 둘씩 서로 수직이다.
본 발명의 바람직한 방안으로서, 각쌍의 서로 결합되는 2개의 자기 센서 모듈은 아래 3개 요소를 포함하는 바, 즉
(1)홈과 감지 유닛의 상대 위치;홈이 대응 감지 유닛의 일측 또는 타측에 설치되고, 자기 전도 유닛은 감지 유닛의 좌측에 설치되어 제3 방향의 자기장을 기판 표면의 일방향으로 안내하고, 자기 전도 유닛은 감지 유닛의 우측에 설치되어 제3 방향의 자기장을 기판 표면의 타 방향으로 안내하며;
(2)감지 유닛이 외부 여기 자기장에서 얻은 초기 자화 방향; 2개의 자기 센서 모듈의 초기 자화 방향을 동일하거나 반대로 설정하며;
(3)자기 센서 모듈에서의 전류 방향; 2개의 자기 센서 모듈의 전류 방향을 동일하거나 교차되게 설정하며,
각쌍의 서로 결합되는 2개의 자기 센서 모듈의 상기 3개 요소에서 1개 요소는 반대로 설정하고, 나머지 2개 요소는 동일하게 설정하거나, 모두 반대로 설정하고;
상기 2개의 자기 센서 모듈에 대한 비교는 2개의 자기 센서 모듈이 평행하게 설치된 경우이며,
평행하게 설치하는 것은 2개의 자기 센서 모듈에서의 감지 유닛의 자성체층의 자화 방향을 동일하거나 반대로 하고, 2개의 자기 센서 모듈의 홈 방향을 평행하거나 중첩시키는 것이다.
본 발명의 바람직한 방안으로서, 각쌍의 서로 결합되는 2개의 자기 센서 모듈은 모두 서로 평행되게 설치되며, 즉 2개의 자기 센서 모듈에서 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 동일하거나 서로 반대이다.
본 발명의 바람직한 방안으로서, 각 자기 센서 모듈은 모두 서로 평행되게 설치되며, 서로 연결된 2개의 자기 센서 모듈의 3개 요소에서 제1 요소는 반대로 설정되고, 나머지 2개 요소는 서로 동일하거나 모두 반대로 설정된다.
본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 제3 방향 자기 센서 부재는 제1 자기 센서 모듈(101), 제2 자기 센서 모듈, 제3 자기 센서 모듈, 제4 자기 센서 모듈을 포함하며,
각 자기 센서 모듈은 평행되게 설치되며, 즉 각 자기 센서 모듈에서 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 서로 동일하거나 반대로 설정되며, 각 자기 센서 모듈의 홈 방향은 서로 평행하거나 중첩되며;
상기 제1 자기 센서 모듈(101)의 제1단, 제2 자기 센서 모듈의 제1단은 접지되고, 제1 자기 센서 모듈(101)의 제2단은 제4 자기 센서 모듈의 제1단과 연결되며, 제2 자기 센서 모듈의 제2단은 제3 자기 센서 모듈의 제1단과 연결되고, 제3 자기 센서 모듈의 제2단과 제4 자기 센서 모듈의 제2단은 전원에 연결되고, 제1 자기 센서 모듈의 제2단과 제2 자기 센서 모듈의 제2단 사이는 전기 신호를 출력하며;
상기 제1 자기 센서 모듈에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제1측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향이고, 전류방향은 제B방향이며;
상기 제2 자기 센서 모듈에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제2측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 반대인 방향이고, 전류방향은 제B방향과 수직인 방향이며;
상기 제3 자기 센서 모듈에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제1측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 동일한 방향이고, 전류방향은 제B방향과 평행하는 방향이며;
상기 제4 자기 센서 모듈에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제2측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 반대인 방향이고, 전류방향은 제B방향과 수직인 방향이다.
본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 제3 방향 자기 센서 부재는 제1 자기 센서 모듈, 제2 자기 센서 모듈, 제3 자기 센서 모듈, 제4 자기 센서 모듈을 포함하며,
각 자기 센서 모듈은 평행되게 설치되며, 즉 각 자기 센서 모듈에서 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향이 서로 동일하거나 반대이며, 각 자기 센서 모듈의 홈 방향은 서로 평행하거나 중첩되며;
상기 제1 자기 센서 모듈의 제1단, 제2 자기 센서 모듈의 제1단은 접지되고, 제1 자기 센서 모듈의 제2단은 제4 자기 센서 모듈의 제1단과 연결되며, 제2 자기 센서 모듈의 제2단은 제3 자기 센서 모듈의 제1단과 연결되고, 제3 자기 센서 모듈의 제2단과 제4 자기 센서 모듈의 제2단은 전원에 연결되고, 제1 자기 센서 모듈의 제2단과 제2 자기 센서 모듈의 제2단 사이는 전기 신호를 출력하며;
상기 제1 자기 센서 모듈에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제1측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향이고, 전류방향은 제B방향이며;
상기 제2 자기 센서 모듈에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제2측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 동일한 방향이고, 전류방향은 제B방향과 평행인 방향이며;
상기 제3 자기 센서 모듈에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제1측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 동일한 방향이고, 전류방향은 제B방향과 평행하는 방향이며;
상기 제4 자기 센서 모듈에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제2측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 동일한 방향이고, 전류방향은 제B방향과 평행하는 방향이다.
본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 제3 방향 자기 센서 부재는 제1 자기 센서 모듈, 제2 자기 센서 모듈, 제3 자기 센서 모듈, 제4 자기 센서 모듈을 포함하며,
상기 제1 자기 센서 모듈, 제2 자기 센서 모듈의 중심은 동일 직선상에 있으며, 즉 제1 자기 센서 모듈, 제2 자기 센서 모듈에서 감지 유닛의 자성체층의 자화방향은 동일하거나 반대이며, 각 자기 센서 모듈의 홈 방향은 서로 평행하거나 중첩되며;
상기 제3 자기 센서 모듈과 제4 자기 센서 모듈은 각각 제1 자기 센서 모듈과 제2 자기 센서 모듈과 수직인 바, 제3 자기 센서 모듈, 제4 자기 센서 모듈에서 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제1 자기 센서 모듈, 제2 자기 센서 모듈에 대응하는 초기 자화 방향과 각각 서로 수직이고, 제3 자기 센서 모듈, 제4 자기 센서 모듈에서의 홈 방향은 제1 자기 센서 모듈, 제2 자기 센서 모듈에 대응하는 홈 방향과 각각 서로 수직이며,
상기 제1 자기 센서 모듈의 제1단, 제2 자기 센서 모듈의 제1단은 접지되고, 제1 자기 센서 모듈의 제2단은 제4 자기 센서 모듈의 제1단과 연결되며, 제2 자기 센서 모듈의 제2단은 제3 자기 센서 모듈의 제1단과 연결되고, 제3 자기 센서 모듈의 제2단과 제4 자기 센서 모듈의 제2단은 전원에 연결되고, 제1 자기 센서 모듈의 제2단과 제2 자기 센서 모듈의 제2단 사이는 전기 신호를 출력하며;
상기 제1 자기 센서 모듈, 제2 자기 센서 모듈을 서로 결합되는 한쌍의 자기 센서 모듈로 하고, 3개 요소에서, 홈과 감지 유닛의 상대 위치는 서로 반대로 설정하고, 초기 자화 방향, 전류 방향은 동일하게 설정하며; 또는 홈과 감지 유닛의 상대 위치를 반대로 설정하고, 초기 자화 방향을 반대로, 전류 방향을 수직으로 설정하며;
상기 제3 자기 센서 모듈, 제4 자기 센서 모듈을 서로 결합되는 한쌍의 자기 센서 모듈로 하고, 3개 요소에서, 홈과 감지 유닛의 상대 위치는 서로 반대로 설정하고, 초기 자화 방향, 전류 방향은 동일하게 설정하며; 또는 홈과 감지 유닛의 상대 위치를 반대로 설정하고, 초기 자화 방향을 반대로, 전류 방향을 수직으로 설정한다.
본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 제3 방향 자기 센서 부재는 자기장 강도 및 자기장 방향을 계산하여 출력하는 주변회로를 포함하며,
상기 자기 전도 유닛의 본체 부분과 기판 표면 사이의 각은 45°~90°이고, 상기 감지 유닛은 기판 표면과 밀착되게 설치되고, 기판 표면과 평행하며,
상기 제1 방향은 X축 방향이고, 제2 방향은 Y축 방향이며, 제3 방향은 Z축 방향이다.
본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 장치는 제1 방향 및/또는 제2 방향의 자기 신호를 감지하고, 자기 신호에 근거해 제1 방향 및/또는 제2 방향에 대응하는 자기장 강도 또는 자기장 방향을 출력하는 제2 자기 센서 부재를 포함한다.
본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 제2 자기 센서 부재는 4개의 감지 유닛을 포함하며, 각각 제5 감지 서브 유닛, 제6 감지 서브 유닛, 제7 감지 서브 유닛 및 제8 감지 서브 유닛이고,
상기 각 감지 서브 유닛은 자성재료의 저항이 자기장 강도 및 방향의 변화에 따라 변하는 자성체층을 포함하며, 상기 자성체층에 평행하게 설치된 복수의 전극을 포함하고, 전극의 설치방향과 자성체층의 자화 방향 사이의 각은 10°~80°이다.
본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 자기 전도 유닛은 4개의 자기 전도 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 감지 유닛은 4개의 감지 서브 유닛을 포함하며, 각각 제1 감지 서브 유닛, 제2 감지 서브 유닛, 제3 감지 서브 유닛, 제4 감지 서브 유닛이고,
상기 제1 자기 전도 서브 유닛과 제1 감지 서브 유닛이 서로 결합하여 제3 방향 자기 센서 부재의 제1 자기 센서 모듈로 하고,
상기 제2 자기 전도 서브 유닛과 제2 감지 서브 유닛이 서로 결합하여 제3 방향 자기 센서 부재의 제2 자기 센서 모듈로 하고,
상기 제3 자기 전도 서브 유닛과 제3 감지 서브 유닛이 서로 결합하여 제3 방향 자기 센서 부재의 제3 자기 센서 모듈로 하고,
상기 제4 자기 전도 서브 유닛과 제4 감지 서브 유닛이 서로 결합하여 제3 방향 자기 센서 부재의 제4 자기 센서 모듈로 하고,
상기 각 감지 서브 유닛은 자성재료의 저항이 자기장 강도 및 방향의 변화에 따라 변하는 자성체층을 포함하며, 상기 자성체층에 평행하게 설치된 복수의 전극을 포함하고, 전극의 설치방향과 자성체층의 자화 방향 사이의 각은 10°~80°이며,
상기 자기 전도 유닛 및 감지 유닛은 모두 자성체층을 포함하며, 상기 자성체층의 자성 재료는 자기 저항 재료로서, 이방성 자기 저항 AMR재료이거나, 또는 초거대 자기저항 GMR재료이거나, 또는 터널링 자기 저항 TMR재료이며, 자기장의 변화에 따라 재료의 저항율이 변하는 것을 특징으로 한다.
상기 자기 센서 장치의 원리는 이방성 자기 저항 AMR 또는 초거대 자기저항 GMR, 또는 터널링 자기 저항 TMR이다.
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 밖에 노출되며, 노출부분은 대응하는 감지 서브 유닛의 자성체층에 접근하여 설치되며,
각 자성 부재의 일부는 홈 밖에 노출되고, 노출된 부분과 대응하는 감지 서브 유닛의 자성체층 사이의 거리가 0-20μm이다.
본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 자기 전도 유닛과 감지 유닛의 자성체층은 동일한 자성재료를 사용하고, 층수도 같으며, 동일하게 1차 증착에 의해 얻어지며,
상기 자기 전도 유닛과 감지 유닛의 자성체층은 서로 다른 자성 재료를 사용하고, 수차례 증착을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치.
제3 방향 자기장 감지 단계를 포함하는 방법로서, 구체적으로,
자기 전도 유닛이 제3 방향의 자기 신호를 수신하여 상기 자기 신호를 출력하는 단계;
감지 유닛이 상기 자기 전도 유닛이 출력한 제3 방향의 자기 신호를 수신하고, 상기 자기 신호에 근거해 제3 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 단계;
상기 자기 센서 장치의 각쌍의 자기 센서 모듈을 설치한 후, 각쌍의 자기 센서 모듈은, 각쌍의 자기 센서 모듈이 제1 방향 및/또는 제2 방향에서의 자기장 신호를 상쇄하여 출력하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 방안으로서, 상기 방법은 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 포함한다.
본 발명에 의하면, 단일 웨이퍼/칩 상에 X축, Y축 및 Z축 3방향의 센서 유닛을 동시에 구비하고, 단일 칩 상에 ASIC 주변 회로를 선택적으로 집적할 수 있으며, 제조공정과 표준 CMOS 공정이 완전이 겸비됨으로써, 제조성이 양호하고, 성능이 우수하며 가격 경쟁력을 가지는 효과를 가진다.
본 발명에 있어서, 한쌍의 서로 결합되는 2개의 자기 센서 모듈을 설치한 후, X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향에서의 자기장 신호를 독립적으로 측정할 수 있다.
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 6에서 자기 센서 장치의 부분 평면도이다.
도 10은 실시예 2에서 본 발명 자기 센서 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 실시예 3에서 본 발명 자기 센서 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 12은 실시예 4에서 본 발명 자기 센서 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 13은 실시예 5에서 본 발명 자기 센서 장치의 구성을 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 6에서 자기 센서 장치의 부분 평면도이다.
도 10은 실시예 2에서 본 발명 자기 센서 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 실시예 3에서 본 발명 자기 센서 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 12은 실시예 4에서 본 발명 자기 센서 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 13은 실시예 5에서 본 발명 자기 센서 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
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 포함한다. 상기 Z축 자기 센서 부재는 기판(10)과, 적어도 한쌍의 서로 결합하는 자기 센서 모듈을 포함하고, 자기 센서 모듈은 자기 전도 유닛(20)과 감지 유닛을 포함한다. 기판(10)은 CMOS 주변 회로를 포함할 수 있다. 서로 결합하는 각쌍의 2개의 자기 센서 모듈을 설치한 후, 각쌍의 자기 센서 모듈이 X축 방향 및/또는 Y축 방향에서의 자기장 신호를 직접 상쇄하여 출력할 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 감지 유닛으로 출력한다.
감지 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 강도를 측정한다. 감지 유닛은 자성체층(30) 및 상기 자성체층(30)에 평행하게 설치된 복수의 전극(40)을 포함한다. 상기 자성체층(30)의 자성재료의 저항은 자기장 강도의 방향과 연관된다. 자기 전도 유닛(20)을 설치함으로써 감지 유닛은 Z축 방향의 자기장을 수평방향(X축 방향 및/또는 Y축 방향)으로 안내하여 측정한다.
동시에, 상기 자기 센서 장치는 A축 자기 센서, B축 자기 센서를 더 포함하여, 각가 기판 표면과 평행하는 X축 방향, Y축 방향의 자기 신호(자기장 강도 및 자기장 방향)를 감지하고, X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향은 둘씩 서로 수직된다.
상기 자기 전도 유닛(20) 및 감지 유닛의 자성체층(30)은 같은 자성 재료를 사용하고, 층수도 같으며, 동일하게 1차 증착하여 얻어진다. 예를 들어, 자기 전도 유닛(20) 및 감지 유닛의 자성체층(30)은 이방성 자기 센서 AMR일 수 있고, TMR 및 GMR일 수 있다. 상기 자기 전도 유닛(20) 및 감지 유닛의 자성체층(30)은 서로 다른 자성 재료를 사용할 수 있고, 또는 서로 다른 층수를 채용할 수도 있음은 물론이다. 즉 수차례 증착과 포토에칭에 의해 얻어질 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 상기 자기 전도 유닛(20)의 본체 부분과 기판 표면이 있는 평면 사이의 끼인각은 45°~90°이며(예를 들어 끼인각이 85°일 수 있다), 상기 감지 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 서브 유닛은 복수의 자성 부재를 포함하며, 도 7을 참조하면 각 자성 부재의 본체 부분은 대응하는 홈(11) 내에 설치되고, 일부가 홈(11) 밖으로 노출되고, 노출부분은 대응하는 감지 서브 유닛의 자성체층에 접근하여 설치되며, 거리ⓒ는 바람직하게는 0-20um이고, 대표값은 0um, 0.5um，1.0um，1.5um, 5um, 10um 이다. 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, 6um）이고； Theta의 각도 범위는 0-45°（예를 들어 5°）이다.
상기 감지 유닛은 4개의 감지 서브 유닛을 포함하며, 각각 제1 감지 서브 유닛, 제2 감지 서브 유닛, 제3 감지 서브 유닛, 제4 감지 서브 유닛이다. 상기 각 감지 서브 유닛은 자성체층(30)을 포함하며, 상기 자성체층(30)의 자성재료의 저항은 자기장 강도의 방향과 연관되며, 자성재료의 저항은 자기장 강도 및 방향의 변화에 따라 변한다.
상기 제1 자기 전도 서브 유닛과 제1 감지 서브 유닛은 서로 결합되어 Z축 자기 센서 부재의 제1 자기 센서 모듈로 하고, 상기 제2 자기 전도 서브 유닛과 제2 감지 서브 유닛은 서로 결합되어 Z축 자기 센서 부재의 제2 자기 센서 모듈로 하고, 상기 제3 자기 전도 서브 유닛과 제3 감지 서브 유닛은 서로 결합되어 Z축 자기 센서 부재의 제3 자기 센서 모듈로 하고, 상기 제4 자기 전도 서브 유닛과 제4 감지 서브 유닛은 서로 결합되어 Z축 자기 센서 부재의 제4 자기 센서 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 감지 서브 유닛을 사용하여 자기장을 측정할 수 있으며, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
설명해야할 점은 각쌍의 자기 센서 모듈이 X축 방향 및/또는 Y축 방향에서의 자기장 신호를 직접 상쇄하여 출력할 수 있도록, 2개의 자기 센서 모듈의 3개 요소에 대해 설정해야 한다.
각쌍의 서로 결합되는 2개의 자기 센서 모듈은 아래 3개 요소를 포함한다. 즉,
(1)홈과 감지 유닛의 상대 위치; 홈이 대응 감지 유닛의 일측 또는 타측에 설치되고, 자기 전도 유닛은 감지 유닛의 좌측에 설치되어 제3 방향의 자기장을 기판 표면의 일방향으로 안내하고, 자기 전도 유닛은 감지 유닛의 우측에 설치되어 제3 방향의 자기장을 기판 표면의 타 방향으로 안내하며;
(2)감지 유닛이 외부 여기 자기장에서 얻은 초기 자화 방향; 2개의 자기 센서 모듈의 초기 자화 방향을 동일하거나 또는 반대로 설정하며;
(3)자기 센서 모듈에서의 전류 방향; 2개의 자기 센서 모듈의 전류 방향을 동일하거나 교차되게 설정하며,
한쌍의 서로 결합되는 2개의 자기 센서 모듈의 상기 3개 요소에서 1개 요소는 반대로 설정하고, 나머지 2개 요소는 동일하게 설정하거나, 모두 반대로 설정한다. 본 발명은 다양하게 변형되며, 본 실시예 및 후술하는 실시예는 몇가지 전형적인 방안뿐이다.
바람직하게는 각쌍의 서로 결합되는 2개의 자기 센서 모듈은 모두 서로 평행되게 설치되며, 즉 2개의 서로 결합되는 자기 센서 모듈에서 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 동일하거나 서로 반대이고, 2개의 자기 센서 모듈의 홈의 방향이 서로 평행하거나 중첩된다.
더욱이, 각 자기 센서 모듈은 모두 서로 평행되게 설치되며, 서로 연결된 2개의 자기 센서 모듈의 3개 요소에서 제1 요소는 반대로 설정되고, 나머지 2개 요소는 서로 동일하거나 모두 반대로 설정된다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 장치는 X축, Y축 방향의 자기 신호를 감지하여 이 자기 신호에 근거해 X축, Y축에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하기 위한 X축 자기 센서 부재와 Y축 자기 센서 부재를 더 포함한다. X축 자기 센서 부재, Y축 자기 센서 부재는 Z축 센서 부재의 감지 유닛이 아니며, Z축 자기 센서 부재의 감지 유닛은 Z축 방향을 감지하기 위한 것이고, X축 자기 센서 부재의 감지 유닛은 X축 방향을 감지하기 위한 것이며, Y축 자기 센서 부재의 감지 유닛은 Y축 방향을 감지하기 위한 것이다.
상기 X축 자기 센서 부재 또는 Y축 자기 센서 부재는 4개의 감지 서브 유닛을 포함하며, 각각 제5 감지 서브 유닛, 제6 감지 서브 유닛, 제7 감지 서브 유닛, 제8 감지 서브 유닛이다. 상기 각 감지 서브 유닛은 자성체층을 포함하며, 상기 자성체층의 자성재료의 저항은 자기 강도 및 방향의 변화에 따라 변한다. 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 감지 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 감지 방법도 더 제공한다. 상기 방법은 Z축 방향의 자기장 감지 단계를 포함하며, 구체적으로, 자기 전도 유닛이 Z축 방향의 자기 신호를 감지하여 출력하는 단계; 감지 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. 상기 자기 센서 장치의 각쌍의 자기 센서 모듈 설정이 완료되면, 각쌍의 자기 선세 모듈은 각쌍의 자기 센서 모듈이 제1 방향 또는 제2 방향에서의 자기장 신호를 직접 상쇄하여 출력할 수 있다.
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 차단 재료를 증착하고, 자성 재료와 차단 재료가 각각 단층 또는 다층 재료이며, 제조공정을 통해 감지 유닛과 자기 전도 유닛을 동시에 제조하기 때문에 자기 전도 유닛과 감지 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 감지 부재와 Y축 감지 부재를 더 포함하며, 단계(S3)에서, 기판 표면에 감지 유닛, 자기 전도 유닛을 증착함과 함께 X축과 Y축 자기 센서 부재에 필요한 자성체층을 증착한다. 즉 X축과 Y축에 필요한 자성체층과 Z축에 필요한 감지 유닛, 자기 전도 유닛은 동시에 제조하여 얻어진다.
선택적으로, 본 단계에 있어서, 수차례의 재료 증착과 제조 공정을 통해 감지 유닛과 자기 전도 유닛을 각각 형성할 수 있으며, 서로 다른 재료층을 사용한다.
단계(S4): 감지 유닛과 X축 센서감지 부재의 자성체층, Y축 센서감지 부재의 자성체층에 각각 전극층을 설치한 다음 매질을 충진하고, 인선(引線) 공정을 하여 완전한 센서 장치의 제조를 실현한다.
실시예
2
도 10을 참조하면, 본 실시예와 실시예 1의 구별점은, 본 실시예에서, 상기 제3 방향 자기 센서 부재는 제1 자기 센서 모듈(101), 제2 자기 센서 모듈(102), 제3 자기 센서 모듈(103), 제4 자기 센서 모듈(104)을 포함한다.
각 자기 센서 모듈은 평행되게 설치되거나, 중심이 동일 직선상에 있다. 즉 각 자기 센서 모듈에서 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향이 서로 동일하거나 반대이며, 각 자기 센서 모듈의 홈 방향은 서로 평행하거나 중첩된다.
상기 제1 자기 센서 모듈(101)의 제1단, 제2 자기 센서 모듈(102)의 제1단은 접지되고, 제1 자기 센서 모듈(101)의 제2단은 제4 자기 센서 모듈(104)의 제1단과 연결되며, 제2 자기 센서 모듈(102)의 제2단은 제3 자기 센서 모듈(103)의 제1단과 연결되고, 제3 자기 센서 모듈(103)의 제2단과 제4 자기 센서 모듈(104)의 제2단은 전원에 연결되고, 제1 자기 센서 모듈(101)의 제2단과 제2 자기 센서 모듈(102)의 제2단 사이에는 전압계(즉 전기 신호 출력)가 연결되어 있다. 전원, 전압계 및 접지 위치는 기타일 수 있으며(접지와 전원의 위치는 호환될 수 있고, 전원과 전압계의 위치는 호환될 수 있다 등등), 여기서는 예를 들었을 뿐이다.
상기 제1 자기 센서 모듈(101)에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제1측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향이고, 전류방향은 제B방향이고;
상기 제2 자기 센서 모듈(102)에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제2측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 반대인 방향이고, 전류방향은 제B방향과 수직인 방향이며;
상기 제3 자기 센서 모듈(103)에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제1측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 동일한 방향이고, 전류방향은 제B방향과 평행하는 방향이며;
상기 제4 자기 센서 모듈(104)에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제2측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 반대인 방향이고, 전류방향은 제B방향과 수직인 방향이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 각 자기 센서 모듈은 모두 평행으로 설치되고, 서로 연결된 2개의 자기 센서 모듈(예를 들어, 자기 센서 모듈(101)과 자기 센서 모듈(102) 사이, 자기 센서 모듈(101)과 자기 센서 모듈(104) 사이)의 3요소에서 하나의 요소는 반대로 설정되고, 2개의 요소는 동일하게 설정되거나 3개 요소 모두 반대로 설치되어 있다.
상기 자기 전도 유닛 및 감지 유닛은 모두 자성체층을 포함하며, 상기 자성체층의 자성 재료는 자기 저항 재료로서, 이방성 자기 저항 AMR재료이거나, 또는 초거대 자기저항 GMR재료이거나, 또는 터널링 자기 저항 TMR재료이다. 특징은 자기장의 변화에 따라 재료의 저항율이 변하는 것이다. 자기 센서의 원리는 이방성 자기 센서 AMR일 수 있고, TMR 및 GMR일 수도 있다.
실시예
3
도 11을 참조하면, 본 실시예와 실시예 1의 구별점은, 본 실시예에 있어서, 상기 제3 방향 자기 센서 부재는 제1 자기 센서 모듈(101), 제2 자기 센서 모듈(102), 제3 자기 센서 모듈(103), 제4 자기 센서 모듈(104)을 포함한다.
각 자기 센서 모듈은 평행되게 설치되거나 중심이 동일직선 상에 있다. 즉 각 자기 센서 모듈에서 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향이 서로 동일하거나 반대이며, 각 자기 센서 모듈의 홈 방향은 서로 평행하거나 중첩된다.
상기 제1 자기 센서 모듈(101)의 제1단, 제2 자기 센서 모듈(102)의 제1단은 접지되고, 제1 자기 센서 모듈(101)의 제2단은 제4 자기 센서 모듈(104)의 제1단과 연결되며, 제2 자기 센서 모듈(102)의 제2단은 제3 자기 센서 모듈(103)의 제1단과 연결되고, 제3 자기 센서 모듈(103)의 제2단과 제4 자기 센서 모듈(104)의 제2단은 전원에 연결되고, 제1 자기 센서 모듈(101)의 제2단과 제2 자기 센서 모듈(102)의 제2단 사이는 전기 신호를 출력한다.
상기 제1 자기 센서 모듈(101)에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제1측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향이고, 전류방향은 제B방향이며;
상기 제2 자기 센서 모듈(102)에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제2측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 동일한 방향이고, 전류방향은 제B방향과 평행하는 방향이며;
상기 제3 자기 센서 모듈(103)에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제2측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 반대인 방향이고, 전류방향은 제B방향과 평행하는 방향이며;
상기 제4 자기 센서 모듈(104)에서, 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제1측에 설치되고, 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 반대인 방향이고, 전류방향은 제B방향과 평행하는 방향이다.
자기 센서 장치의 원리는 이방성 자기 센서 AMR이거나, TMR 및 GMR일 수도 있다.
실시예
4
도 12를 참조하면, 본 실시예와 실시예 1의 구별점은, 본 실시예에 있어서, 상기 제3 방향 자기 센서 부재는 제1 자기 센서 모듈(101), 제2 자기 센서 모듈(102), 제3 자기 센서 모듈(103), 제4 자기 센서 모듈(104)을 포함한다.
상기 제1 자기 센서 모듈(101), 제2 자기 센서 모듈(102)의 중심은 동일 직선상에 있다. 즉 제1 자기 센서 모듈(101), 제2 자기 센서 모듈(102)에서 감지 유닛의 자성체층의 자화방향은 동일하거나 반대이며, 각 자기 센서 모듈의 홈 방향은 서로 평행하거나 중첩된다.
상기 제3 자기 센서 모듈(103) 및 제4 자기 센서 모듈(104)은 각각 제1 자기 센서 모듈(101)과 수직이다. 즉 제3 자기 센서 모듈(103), 제4 자기 센서 모듈(104)에서 감지 유닛의 자성체층의 자화 방향은 제1 자기 센서 모듈(101)에 대응하는 자화 방향과 각각 서로 수직이고, 제3 자기 센서 모듈(103), 제4 자기 센서 모듈(104)에서의 홈 방향은 제1 자기 센서 모듈(101)에 대응하는 홈 방향과 각각 서로 수직이다.
상기 제1 자기 센서 모듈(101)의 제1단, 제2 자기 센서 모듈(102)의 제1단은 접지되고, 제1 자기 센서 모듈(101)의 제2단은 제4 자기 센서 모듈(104)의 제1단과 연결되며, 제2 자기 센서 모듈(102)의 제2단은 제3 자기 센서 모듈(103)의 제1단과 연결되고, 제3 자기 센서 모듈(103)의 제2단과 제4 자기 센서 모듈(104)의 제2단은 전원에 연결되고, 제1 자기 센서 모듈(101)의 제2단과 제2 자기 센서 모듈(102)의 제2단 사이는 전기 신호를 출력한다.
상기 제1 자기 센서 모듈(101), 제2 자기 센서 모듈(102)을 한쌍의 서로 결합되는 자기 센서 모듈로 하고, 3개 요소에서, 홈과 감지 유닛의 상대 위치는 서로 반대로 설정하고, 자화 방향, 전류 방향은 동일하게 설정한다.
상기 제3 자기 센서 모듈(103), 제4 자기 센서 모듈(104)을 한쌍의 서로 결합되는 자기 센서 모듈로 하고, 3개 요소에서, 홈과 감지 유닛의 상대 위치는 서로 반대로 설정하고, 자화 방향, 전류 방향은 서로 동일하게 설정한다.
실시예
5
도 13을 참조하면, 본 실시예와 실시예 4의 구별점은 본 실시예에 있어서, 상기 제1 자기 센서 모듈(101), 제2 자기 센서 모듈(102)을 한쌍의 서로 결합된 자기 센서 모듈로 하고, 3개 요소에서 3개 요소 모두 반대로 설정된다.
상기 제3 자기 센서 모듈(103), 제4 자기 센서 모듈(104)을 한쌍의 서로 결합된 자기 센서 모듈로 하고, 3개 요소에서 3개 요소 모두 반대로 설정된다.
실시예
6
본 실시예와 실시예 1의 구별점은 본 실시예에 있어서, 다수의 자기 전도 구조가 하나의 홈을 공유할 수 있다. 도 9를 참조하면, 기판(10) 상의 홈(11)은 일렬 또는 다수열로 형성될 수 있으며, 일렬의 홈(11)은 하나의 장홈으로 설치되어 다수의 자성부재가 공동으로 사용할 수 있도록 한다. 그 외에, 이 구조에서 자기 전도 유닛은 센서 유닛과 서로 연결될 수 있으며, 그 거리는 0um이다.
실시예
7
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
8
본 실시예에 있어서, 자기 센서 장치의 자기 전도 유닛, 센서 유닛, X축 자기 민감 재료, Y축 자기 감지 부재에 필요한 자성체층은 NiFe합금재료와 같은 자기 민감 재료를 포함한다. TaN과 같은 전이층을 더 포함할 수도 있다.
여기서, 자기 민감 재료층과 전이층 재료는 다층 재료일 수 있다.
자기 민감 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
9
본 실시예에 있어서, 자기 센서 장치가 감지할 수 있는 3차원 방향은 X축, Y축, Z축 의 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향이 아닐 수 있으며, 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향이 둘씩 서로 수직되기만 하면 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서 제공하는 자기 센서 장치 및 자기 감지응 방법은 X축, Y축 및 Z축의 센서를 동시에 단일 웨이퍼 또는 칩 상에 설치함으로써, 제조성이 양호하고 성능이 우수하며 가격 경쟁력을 가지는 효과를 가진다. 본 발명에서, 각쌍의 서로 결합된 2개의 자기 센서 모듈을 설치한 후 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향에서의 자기장 신호를 독립적으로 측정할 수 있다.
상기 본 발명에 대한 설명과 응용은 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 상기 실시예에 의해 한정되는 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 (17)
- 표면에 홈이 형성되어 있는 기판과, 적어도 한쌍의 서로 결합되는 자기 센서 모듈을 포함하는 제3방향 자기 센서 부재를 포함하며, 상기 자기 센서 모듈은,
본체 부분이 상기 홈 내에 설치되고, 일부가 상기 홈으로부터 상기 기판 표면으로 노출되어 제3 방향의 자기 신호를 수신하여 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 강도를 측정하며, 자성 재료의 저항이 자기장 강도 및 방향의 변화에 따라 변하는 자성체층을 포함하는 감지 유닛을 포함하며,
각쌍의 서로 결합되는 2개의 자기 센서 모듈을 설치한 후, 각쌍의 자기 센서 모듈이 제1 방향 및/또는 제2 방향에서의 자기 신호를 상쇄하여 출력할 수 있는 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 수신하여 출력하며,
상기 감지 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 강도를 측정하며,
상기 자기 센서 장치는 각각 기판 표면과 평행하는 제1 방향, 제2 방향의 자기 신호를 감지하는 제1 자기 센서 및 제2 자기 센서를 더 포함하며, 제1 방향과 제2 방향은 서로 수직인 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 자기 센서 장치는 각각 기판 표면과 평행하는 제1 방향 및 제2 방향의 자기 신호를 감지하는 제1 자기 센서 및 제2 자기 센서를 더 포함하며, 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향은 둘씩 서로 수직인 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치. - 제 1 항에 있어서,
각쌍의 서로 결합되는 2개의 자기 센서 모듈은 아래 3개 요소를 포함하는 바, 즉,
(1)홈과 감지 유닛의 상대 위치; 홈이 대응 감지 유닛의 일측 또는 타측에 설치되고, 상기 자기 전도 유닛은 상기 감지 유닛의 좌측에 설치되어 제3 방향의 자기장을 기판 표면의 일방향으로 안내하고, 상기 전도 유닛은 상기 감지 유닛의 우측에 설치되어 제3 방향의 자기장을 기판 표면의 타 방향으로 안내하며;
(2)감지 유닛이 외부 여기 자기장에서 얻은 초기 자화 방향; 2개의 자기 센서 모듈의 초기 자화 방향을 동일하거나 반대로 설정하며;
(3)자기 센서 모듈에서의 전류 방향; 2개의 자기 센서 모듈의 전류 방향을 동일하거나 교차되게 설정하며,
각쌍의 서로 결합되는 2개의 자기 센서 모듈의 상기 3개 요소에서 1개 요소는 반대로 설정하고, 나머지 2개 요소는 동일하게 설정하거나, 모두 반대로 설정하고;
상기 2개의 자기 센서 모듈에 대한 비교는 2개의 자기 센서 모듈이 평행하게 설치된 경우인 것인 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치. - 제 4 항에 있어서,
각쌍의 서로 결합되는 2개의 자기 센서 모듈은 모두 서로 평행되게 설치되며, 즉 2개의 자기 센서 모듈에서 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 동일하거나 서로 반대인 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치. - 제 4 항에 있어서,
각 자기 센서 모듈은 모두 서로 평행되게 설치되며, 서로 연결된 2개의 자기 센서 모듈의 3개 요소에서 제1 요소는 반대로 설정되고, 나머지 2개 요소는 서로 동일하거나 모두 반대로 설정되는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 방향 자기 센서 부재는 제1 자기 센서 모듈(101), 제2 자기 센서 모듈, 제3 자기 센서 모듈, 제4 자기 센서 모듈을 포함하며,
각 자기 센서 모듈은 평행되게 설치되며, 즉 각 자기 센서 모듈에서 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 서로 동일하거나 반대로 설정되며, 각 자기 센서 모듈의 홈 방향은 서로 평행하거나 중첩되며;
상기 제1 자기 센서 모듈(101)의 제1단, 제2 자기 센서 모듈의 제1단은 접지되고, 제1 자기 센서 모듈(101)의 제2단은 제4 자기 센서 모듈의 제1단과 연결되며, 제2 자기 센서 모듈의 제2단은 제3 자기 센서 모듈의 제1단과 연결되고, 제3 자기 센서 모듈의 제2단과 제4 자기 센서 모듈의 제2단은 전원에 연결되고, 제1 자기 센서 모듈의 제2단과 제2 자기 센서 모듈의 제2단 사이는 전기 신호를 출력하며;
상기 제1 자기 센서 모듈에서, 상기 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 상기 감지 유닛의 상기 결합부분의 제1측에 설치되고, 상기 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향이고, 전류방향은 제B방향이며;
상기 제2 자기 센서 모듈에서, 상기 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 상기 감지 유닛의 상기 결합부분의 제2측에 설치되고, 상기 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 반대인 방향이고, 전류방향은 제B방향과 수직인 방향이며;
상기 제3 자기 센서 모듈에서, 상기 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 상기 감지 유닛의 상기 결합부분의 제1측에 설치되고, 상기 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 동일한 방향이고, 전류방향은 제B방향과 평행하는 방향이며;
상기 제4 자기 센서 모듈에서, 상기 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 상기 감지 유닛의 상기 결합부분의 제2측에 설치되고, 상기 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 반대인 방향이고, 전류방향은 제B방향과 수직인 방향인 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 방향 자기 센서 부재는 제1 자기 센서 모듈, 제2 자기 센서 모듈, 제3 자기 센서 모듈, 제4 자기 센서 모듈을 포함하며,
각 자기 센서 모듈은 평행되게 설치되거나 중심이 동일직선 상에 있으며, 즉 각 자기 센서 모듈에서 상기 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향이 서로 동일하거나 반대이며, 각 자기 센서 모듈의 홈 방향은 서로 평행하거나 중첩되며;
상기 제1 자기 센서 모듈의 제1단, 제2 자기 센서 모듈의 제1단은 접지되고, 제1 자기 센서 모듈의 제2단은 제4 자기 센서 모듈의 제1단과 연결되며, 제2 자기 센서 모듈의 제2단은 제3 자기 센서 모듈의 제1단과 연결되고, 제3 자기 센서 모듈의 제2단과 제4 자기 센서 모듈의 제2단은 전원에 연결되고, 제1 자기 센서 모듈의 제2단과 제2 자기 센서 모듈의 제2단 사이는 전기 신호를 출력하며;
상기 제1 자기 센서 모듈에서, 상기 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 상기 감지 유닛의 상기 결합부분의 제1측에 설치되고, 상기 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향이고, 전류방향은 제B방향이며;
상기 제2 자기 센서 모듈에서, 상기 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제2측에 설치되고, 상기 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 동일한 방향이고, 전류방향은 제B방향과 평행인 방향이며;
상기 제3 자기 센서 모듈에서, 상기 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 상기 감지 유닛의 상기 결합부분의 제1측에 설치되고, 상기 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 동일한 방향이고, 전류방향은 제B방향과 평행하는 방향이며;
상기 제4 자기 센서 모듈에서, 상기 감지 유닛의 각 부분이 결합되는 홈은 감지 유닛의 상기 결합부분의 제2측에 설치되고, 상기 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제A방향과 동일한 방향이고, 전류방향은 제B방향과 평행하는 방향인 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치. - 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 방향 자기 센서 부재는 제1 자기 센서 모듈, 제2 자기 센서 모듈, 제3 자기 센서 모듈, 제4 자기 센서 모듈을 포함하며,
상기 제1 자기 센서 모듈, 제2 자기 센서 모듈에서 감지 유닛의 자성체층의 자화방향은 동일하거나 반대이며, 각 자기 센서 모듈의 홈 방향은 서로 평행하거나 중첩되며;
상기 제3 자기 센서 모듈과 제4 자기 센서 모듈은 각각 제1 자기 센서 모듈과 제2 자기 센서 모듈과 수직인 바, 제3 자기 센서 모듈, 제4 자기 센서 모듈에서 감지 유닛의 자성체층의 초기 자화 방향은 제1 자기 센서 모듈, 제2 자기 센서 모듈에 대응하는 초기 자화 방향과 각각 서로 수직이고, 제3 자기 센서 모듈, 제4 자기 센서 모듈에서의 홈 방향은 제1 자기 센서 모듈, 제2 자기 센서 모듈에 대응하는 홈 방향과 각각 서로 수직이며,
상기 제1 자기 센서 모듈의 제1단, 제2 자기 센서 모듈의 제1단은 접지되고, 제1 자기 센서 모듈의 제2단은 제4 자기 센서 모듈의 제1단과 연결되며, 제2 자기 센서 모듈의 제2단은 제3 자기 센서 모듈의 제1단과 연결되고, 제3 자기 센서 모듈의 제2단과 제4 자기 센서 모듈의 제2단은 전원에 연결되고, 제1 자기 센서 모듈의 제2단과 제2 자기 센서 모듈의 제2단 사이는 전기 신호를 출력하며;
상기 제1 자기 센서 모듈, 제2 자기 센서 모듈을 서로 결합되는 한쌍의 자기 센서 모듈로 하고, 3개 요소에서, 홈과 감지 유닛의 상대 위치는 서로 반대로 설정하고, 초기 자화 방향, 전류 방향은 동일하게 설정하며; 또는 홈과 감지 유닛의 상대 위치를 반대로 설정하고, 초기 자화 방향을 반대로, 전류 방향을 수직으로 설정하며;
상기 제3 자기 센서 모듈, 제4 자기 센서 모듈을 서로 결합되는 한쌍의 자기 센서 모듈로 하고, 3개 요소에서, 홈과 감지 유닛의 상대 위치는 서로 반대로 설정하고, 초기 자화 방향, 전류 방향은 동일하게 설정하며; 또는 홈과 감지 유닛의 상대 위치를 반대로 설정하고, 초기 자화 방향을 반대로, 전류 방향을 수직으로 설정하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제3 방향 자기 센서 부재는 자기장 강도 및 자기장 방향을 계산하여 출력하는 주변회로를 포함하며,
상기 자기 전도 유닛의 본체 부분과 기판 표면 사이의 각은 45°~90°이고, 상기 감지 유닛은 기판 표면과 밀착되게 설치되고, 기판 표면과 평행하며,
상기 제1 방향은 X축 방향이고, 제2 방향은 Y축 방향이며, 제3 방향은 Z축 방향인 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 장치는 제1 방향 및/또는 제2 방향의 자기 신호를 감지하고, 자기 신호에 근거해 제1 방향 및/또는 제2 방향에 대응하는 자기장 강도 또는 자기장 방향을 출력하는 제2 자기 센서 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 제2 자기 센서 부재는 4개의 감지 유닛을 포함하며, 각각 제5 감지 서브 유닛, 제6 감지 서브 유닛, 제7 감지 서브 유닛 및 제8 감지 서브 유닛이고,
상기 각 감지 서브 유닛은 자성재료의 저항이 자기장 강도 및 방향의 변화에 따라 변하는 자성체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 자기 전도 유닛은 4개의 자기 전도 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 감지 유닛은 4개의 감지 서브 유닛을 포함하며, 각각 제1 감지 서브 유닛, 제2 감지 서브 유닛, 제3 감지 서브 유닛, 제4 감지 서브 유닛이며,
상기 제1 자기 전도 서브 유닛과 제1 감지 서브 유닛이 서로 결합하여 제3 방향 자기 센서 부재의 제1 자기 센서 모듈이고,
상기 제2 자기 전도 서브 유닛과 제2 감지 서브 유닛이 서로 결합하여 제3 방향 자기 센서 부재의 제2 자기 센서 모듈이고,
상기 제3 자기 전도 서브 유닛과 제3 감지 서브 유닛이 서로 결합하여 제3 방향 자기 센서 부재의 제3 자기 센서 모듈이고,
상기 제4 자기 전도 서브 유닛과 제4 감지 서브 유닛이 서로 결합하여 제3 방향 자기 센서 부재의 제4 자기 센서 모듈이고,
상기 각 감지 서브 유닛은 자성재료의 저항이 자기장 강도 및 방향의 변화에 따라 변하는 자성체층을 포함하고,
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 밖에 노출되며, 노출부분은 대응하는 감지 서브 유닛의 자성체층에 접근하여 설치되며,
각 자성 부재의 일부는 홈 밖에 노출되고, 노출된 부분과 대응하는 감지 서브 유닛의 자성체층 사이의 거리가 0-20μm인 것을 특징으로 하는 자기 센서 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
자기 전도 유닛 및 감지 유닛은 모두 자성체층을 포함하며,
상기 자성체층의 자성 재료는 자기 저항 재료로서, 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 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기 전도 유닛과 감지 유닛의 자성체층은 동일한 자성재료를 사용하고, 층수도 같으며, 동일하게 1차 증착에 의해 얻어지며,
상기 자기 전도 유닛과 감지 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 수신하여 상기 자기 신호를 출력하는 단계;
감지 유닛이 상기 자기 전도 유닛이 출력한 제3 방향의 자기 신호를 수신하고, 상기 자기 신호에 근거해 제3 방향에 대응하는 자기장 강도 및 자기장 방향을 측정하는 단계; 및
상기 자기 센서 장치의 각쌍의 자기 센서 모듈을 설치한 후, 각쌍의 자기 센서 모듈은, 각쌍의 자기 센서 모듈이 제1 방향 및/또는 제2 방향에서의 자기장 신호를 상쇄하여 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 15항 중의 어느 한 항 기재의 자기 센서 장치의 자기 감지 방법. - 제 16 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 감지 방법.
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