KR20180035701A - 박막 자기 센서 - Google Patents

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KR20180035701A
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시게노부 코야마
준 도츠카
아키라 미츠다
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다이도 토쿠슈코 카부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 박막 자기 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전력 소비의 증가 또는 소자 크기의 증가를 야기하지 않고, 고감도 소자에 비교적 큰 바이어스 자기장을 정확히 인가할 수 있는 박막 자기 센서에 관한 것이다.

Description

박막 자기 센서{THIN-FILM MAGNETIC SENSOR}
본 발명은 박막 자기 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전력 소비의 증가 또는 소자 크기의 증가를 야기하지 않고, 고감도 소자에 비교적 큰 바이어스 자기장(bias magnetic field)을 정확하게 인가(applying)할 수 있는 박막 자기 센서에 관한 것이다.
자기 센서는 전자기력(예를 들면, 전류, 전압, 전력, 자기장 또는 자속), 역학량(예를 들면, 위치, 속도, 가속도, 변위, 거리, 장력, 압력, 토크, 온도 또는 습도) 또는 생화학량 등의 검출된 양을, 자기장을 통해 전압으로 변환하는 전자 장치이다. 이러한 자기 센서는 자기장을 검출하는 방법에 따라 몇 가지 유형의 센서로 분류된다. 그 유형에는, 홀 센서(Hall sensor), 이방성 자기 저항 센서(anisotropic magnetoresistive sensor)(이하, AMR 센서라고도 함), 거대 자기 저항 센서(giant magnetoresistive sensor)(이하, GMR 센서라고도 함) 등이 포함된다.
이러한 센서 중에서 GMR 센서는 다음과 같은 점에서 유리하다.
(1) GMR 센서는 AMR 센서에 비해, 전기 비저항(electrical resistivity)의 변화율(여기서, MR 비=Δρ/ρ0(Δρ=ρH-ρ0, ρH 는, 외부 자기장이 H인 전기 비저항이고, ρ0는 외부 자기장이 0인 전기 비저항이다))에 있어서 매우 큰 최댓값을 갖는다.
(2) GMR 센서는 홀 센서에 비해 저항값의 온도 변화가 작다.
(3) 거대 자기 저항 효과를 갖는 재료(이하, GMR 효과라고도 함)가 재료로서 사용되기 때문에, GMR 센서는 소형화에 적합하다. 따라서, GMR 센서는 컴퓨터, 전력 기기, 자동차, 가정용 기기, 휴대용 기기 등에서의 사용을 위한 고감도의 마이크로 자기 센서에 적용될 것으로 기대되고 있다.
GMR 효과를 나타내는 것으로 알려진 재료의 예로는, 강자성층(예를 들면, 퍼멀로이층(permalloy layer)) 및 비자성층(non-magnetic layer)(예를 들면, Cu, Ag 또는 Au층)을 갖는 다층막 또는 반강자성층(antiferromagnetic layer), 강자성층(고정층), 비자성층 및 강자성층(자유층)을 갖는 4층 구조(소위 「스핀밸브(spin valve)」)의 다층막을 포함하는 금속 인공 격자(metal artificial lattice); 강자성 금속(예를 들어, 퍼멀로이)을 포함하는 나노미터 크기의 미세한 입자들과, 비자성 금속(예를 들어, Cu, Ag 또는 Au)을 포함하는 입계상(grain boundary phase)을 포함하는, 금속-금속계(metal-metal-based)의 나노 입상 재료; 스핀 의존성 터널링 효과(spin-dependent tunneling effect)에 의해 MR(자기 저항) 효과를 유발하는 터널 접합막(tunnel junction film); 및 강자성 금속 합금을 포함하는 나노미터 크기의 미세한 입자와, 비자성 절연 재료를 포함하는 입계상을 포함하는 금속-절연체계의 나노 입상 재료가 있다.
상기 재료들 중, 스핀밸브로 대표되는 다층막은 일반적으로 저(low) 자기장에서의 감도가 높다는 특징이 있다. 그러나, 다양한 재료를 포함하는 박막을 높은 정확도로 적층할 필요가 있다. 따라서, 다층막은 안정성이나 수율이 열악하여 제조 비용을 제한하는데 한계가 있다. 따라서, 이러한 다층막은 오로지 고(high) 부가가치 장치(예를 들어, 하드디스크용 자기 헤드)에만 사용될 수 있고, 단가가 낮은 AMR 센서나 홀 센서와의 가격 경쟁에 불가피하게 노출되는 자기 센서에는 적용하기 어렵다. 또한, 각 다층막에서, 확산이 다층막의 층간에서 쉽게 발생하여 GMR 효과가 쉽게 사라질 수 있다. 따라서, 다층 필름은 내열성이 나쁜 심각한 단점을 갖는다.
반면, 나노 입상 재료는 일반적으로 쉽게 제조될 수 있으며 재현성이 우수하다. 따라서, 나노 입상 재료를 자기 센서에 적용할 경우, 자기 센서의 비용이 감소될 수 있다. 특히, 금속-절연체계의 나노 입상 재료는 다음과 같은 점에서 유리하다.
(1) 금속-절연체계의 나노 입상 재료는 조성이 최적화되었을 때, 상온에서 10%를 초과하는 높은 MR 비를 나타낸다.
(2) 금속-절연체계의 나노 입상 재료는 전기 비저항 ρ가 매우 높기 때문에, 자기 센서에 있어서, 초소형화 및 저소비 전력이 동시에 실현될 수 있다.
(3) 내열성이 나쁜 반강자성막을 포함하는 스핀밸브막과 달리, 금속-절연체계의 나노 입상 재료는, 고온 환경에서도 사용될 수 있다. 이러한 장점에도 불구하고, 금속-절연체계의 나노 입상 재료는 저 자기장에서 자기장 감도가 매우 낮다는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 경우, GMR막의 자기장 감도를 증가시키기 위해 거대 자기 저항막(이하, GMR막이라고도 함)의 양단에 연자성재(soft magnetic material)로 이루어진 요크(yoke)가 배치된다.
일반적으로, 자기장의 변화에 대해 우함수의 특성을 나타내는 자기 센서에 의해 자기장의 방향이 검출되는 경우, 바이어스 자기장이 자기 센서에 인가된다. 또한, 바이어스 자기장을 자기 센서에 인가하기 위해, 전형적으로 코일 또는 영구 자석이 자기 센서의 외부에 배치된다. 다른 방법으로, 센서 장치의 소형화를 위해, 센서 소자의 하층부 또는 상층부에 박막 자석이 종종 형성된다.
예를 들면, 특허문헌 1은, 연자성 박막과 경자성 박막을 포함하는 다층막이 거대 자기 저항 박막의 양단에 배치되어 있는 자기 센서를 개시하고 있다.
특허문헌 1은, 전기 저항의 변화가 자기장의 방향에 의존하지 않는 자기 센서에, 경자성 박막에 의해 발생한 자기장이 바이어스 자기장으로서 인가되면, 외부 자기장의 크기와 극성이 동시에 검출될 수 있다고 제시하고 있다.
또한, 특허문헌 2는, 높은 투자율(magnetic permeability)을 갖는 띠 모양의 자기 박막이 형성된 기판의 한쪽 면에, 반강자성막과 자화 방향 고정막(magnetization direction fixed film)을 구비한 적층체가 절연막을 통하여 고정 부착된 자기 임피던스 효과 소자(magnetic impedance effect element)를 개시하고 있다.
특허문헌 2는 이하를 제시하고 있다.
(a) 자화 방향 고정막은, 자기 교환 결합(manetic exchange coupling)에 의해 반강자성막과 결합되어, 자화 방향 고정막의 자화 방향이 자기 박막의 길이 방향으로 고정될 수 있고,
(b) 결과적으로, 바이어스 자기장이 자기 박막의 길이 방향으로 인가될 수 있다.
자기 센서에 바이어스 자기장을 인가하기 위해 코일이 사용될 때, 코일에 전류를 인가할 필요가 있다. 따라서, (1) 전용 전원 및 전용 회로의 필요성, (2) 소형화의 어려움, (3) 큰 전력 소비 등의 문제가 있다.
영구 자석이 사용되는 경우, 전력은 소비되지 않는다. 그러나, 자기장은 자석으로부터의 거리에 따라 변한다. 따라서, 자석의 부착 위치를 정확하게 결정할 필요가 있다. 따라서, 제조가 어려워지는 문제점이 있다.
한편, 박막 자석이 사용되는 경우, 박막 자석은 센서 소자와 유사한 미세 가공 공정으로 제조될 수 있다. 따라서, 박막 자석의 부착 위치를 비교적 정확하게 결정할 수 있다. 그러나, 박막 자석의 자력이 너무 약해서, 충분한 자기장을 용이하게 제공할 수 없다는 문제점이 있다.
일본공개특허공보 제2003-078187호 일본공개특허공보 제2002-043648호
본 발명의 목적은, 전력 소비의 증가 또는 소자 크기의 증가를 야기하지 않고, 고감도 소자에 바이어스 자기장을 정확하게 인가할 수 있는 박막 자기 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 박막 자기 센서에 있어서, 바이어스 자기장의 크기를 상대적으로 증가시키는 것이다.
즉, 본 발명은 아래의 항목 (1) 내지 (5)에 관한 것이다.
(1) 기판;
상기 기판에 형성되고 외부 자기장의 변화를 검출하는 고감도 소자;
상기 기판에 형성되고, 상기 고감도 소자와 직렬로 연결되며, 온도 변화에 의한 저항값의 변동을 보상하는 저감도 소자;
상기 고감도 소자에 바이어스 자기장을 인가하는 박막 자석;과
상기 고감도 소자와 상기 박막 자석 사이에 삽입된 절연막 A를 포함하는 박막 자기 센서로서,
상기 고감도 소자는 거대 자기 저항 효과를 갖는 GMR막 A; 및 연자성재로 이루어져 있으며 상기 GMR막 A의 양단에 전기적으로 접속된 한 쌍의 박막 요크 A를 포함하고,
상기 저감도 소자는 거대 자기 저항 효과를 갖는 GMR막 B; 및 연자성재로 이루어져 있으며 상기 GMR막 B의 양단에 전기적으로 접속된 한 쌍의 박막 요크 B를 포함하고,
상기 박막 자석은 적어도 상기 기판측의 상기 GMR막 A의 바로 아래 또는 상기 기판측과 반대측의 상기 GMR막 A의 바로 위에 배치되는 박막 자기 센서.
(2) 상기 고감도 소자 및 상기 저감도 소자는 하나의 동일 평면상에 배치되는, (1)에 따른 박막 자기 센서.
(3) 상기 박막 자석의 두께(tM)가 0.1㎛ 이상 5㎛ 이하인, (1) 또는 (2)에 따른 박막 자기 센서.
(4) 자기 감응 방향(magnetic sensitive direction)으로의 상기 박막 자석의 길이(LM)는 g1 이상 1.1L 이하이고, 여기서 g1은 자기 감응 방향으로의 상기 GMR막 A의 길이를 나타내고, L은 자기 감응 방향으로의 상기 고감도 소자의 전체 길이를 나타내는, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 따른 박막 자기 센서.
(5) 상기 박막 자석의 폭(WM)이 0.9W 이상이고, 여기서 W는 상기 박막 요크 A의 각각의 폭을 나타내는, (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 따른 박막 자기 센서.
고감도 소자와 저감도 소자가 직렬로 연결된 박막 자기 센서에 있어서, 박막 자석이 절연막 A를 통해 적어도 GMR막 A의 바로 위 또는 바로 아래에 삽입되어, 전력 소비의 증가 또는 소자 크기의 증가를 야기하지 않고 고감도 소자에 바이어스 자기장이 정확하게 인가될 수 있다. 또한, 박막 자석의 크기가 최적화되어, 고감도 소자에 비교적 큰 자기장이 인가될 수 있다.
도 1(a) 및 1(b)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 박막 자기 센서의 평면도(도 1(a)) 및 선 A-A'에 따른 단면도(도 1(b))이다.
도 2(a) 및 2(b)는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 박막 자기 센서의 평면도(도 2(a)) 및 선 A-A'에 따른 단면도(도 2(b))이다.
도 3(a) 및 3(b)는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 박막 자기 센서의 평면도(도 3(a)) 및 선 A-A'에 따른 단면도(도 3(b))이다.
도 4(a) 및 4(b)는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 박막 자기 센서의 평면도(도 4(a)) 및 선 A-A'에 따른 단면도(도 4(b))이다.
도 5(a) 내지 5(c)는 박막 자석의 폭을 달리한 박막 자기 센서의 평면도이다.
도 6은 도 5(a) 내지 5(c)에서 나타내는 박막 자기 센서의 MR 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 7은 바이어스 자기장의 자석 폭/요크 폭 비(ratio) 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 요크 길이, 자석 길이 및 자석 폭을 달리한 박막 자석 센서의 MR 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 9(a) 및 9(b)는 자석 폭과 바이어스 자기장의 관계를 나타내는 그래프(도 9(a)) 및 자석 폭/요크 폭 비와 바이어스 자기장의 관계를 나타내는 그래프(도 9(b))이다.
도 10(a) 및 10(b)는 자석 길이와 바이어스 자기장의 관계를 나타내는 그래프(도 10(a)) 및 자석 길이/전체 길이 비와 바이어스 자기장의 관계를 나타내는 그래프(도 10(b))이다.
도 11은 자석 두께와 바이어스 자기장 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 일 실시 형태를 상세히 설명한다.
1. 박막 자기 센서(1)
도 1(a) 및 1(b)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 박막 자기 센서의 평면도 및 선 A-A'에 따른 단면도를 나타낸다. 도 1(a) 및 1(b)의, 박막 자기 센서(10a)는,
기판(12);
기판(12)에 형성되고 외부 자기장의 변화를 검출하는 고감도 소자(20);
기판(12)에 형성되고, 고감도 소자(20)와 직렬로 연결되며, 온도 변화에 의한 저항값의 변동을 보상하는 저감도 소자(30);
고감도 소자(20)에 바이어스 자기장을 인가하는 박막 자석(50);과
고감도 소자(20)와 박막 자석(50) 사이에 삽입된 절연막 A(58a)
를 포함한다.
1.1. 기판
기판(12)은 그 표면에 고감도 소자(20), 저감도 소자(30) 및 박막 자석(50)이 형성될 수 있도록 제공된다. 기판의 재질이나 형상은 특별히 한정되지 않지만, 목적에 따라 가장 적합한 재질 및 가장 적합한 형상이 선택될 수 있다.
1.2. 고감도 소자
고감도 소자(20)는, 거대 자기 저항 효과를 갖는 GMR막 A(22)와, 연자성재로 이루어져 있으며 GMR막 A(22)의 양단에 전기적으로 접속된 한 쌍의 박막 요크 A(24, 26)를 포함한다. 고감도 소자(20)의 표면은 보호막(28)으로 피복되어 있다. 또한, 고감도 소자(20)의 일단에는 출력을 추출하는 전극(42)이 접합되고, 그 타단에는 저감도 소자(30)와 결합된 전극(44)이 접합된다.
1.2.1. GMR막 A
GMR막 A(22)는, 외부 자기장의 변화를 전기 저항(R)의 변화로서 감지하여, 결과적으로 전압 변화로서 외부 자기장의 변화를 검출하기 위해 사용된다. GMR막 A(22)는 거대 자기 저항(GMR) 효과를 갖는 재료로 이루어진다. 고감도로 외부 자기장의 변화를 검출하기 위해서는, GMR막 A(22)의 MR 비의 절댓값이 큰 것이 바람직하다. 구체적으로, GMR막 A(22)의 MR 비의 절댓값이 바람직하게는 5% 이상, 보다 바람직하게는 10% 이상이다.
또한, GMR막 A(22)는 박막 요크(24, 26)에 직접 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 각 박막 요크(24, 26)의 전기 비저항 ρ보다 높은 전기 비저항을 갖는 GMR막이 GMR막 A(22)로서 사용된다. 일반적으로, GMR막 A(22)의 전기 비저항 ρ가 지나치게 낮으면, 센서의 총 전기 저항에 대한 배선 등의 전기 저항의 비가 상대적으로 증가한다. 결과적으로, MR 비는 바람직하지 않게 감소된다. 반면, GMR막 A(22)의 전기 비저항 ρ가 지나치게 높으면, 노이즈가 증가하여, 전압 변화로서 외부 자기장의 변화를 검출하기가 어려워진다.
구체적으로, GMR막 A(22)의 전기 비저항 ρ는, 바람직하게는 103μΩ㎝ 이상 1012μΩ㎝ 이하, 보다 바람직하게는 104μΩ㎝ 이상 1011μΩ㎝ 이하이다.
다양한 재료가 이러한 조건을 만족시킨다. 이들 중, 전술한 금속-절연체계의 나노 입상 재료가 특히 적합하다. 금속-절연체계의 나노 입상 재료는 높은 MR 비와 높은 전기 비저항 ρ를 갖는다. 또한, MR 비는 약간의 조성 변화에 의해 크게 변동하지 않는다. 따라서, 안정된 자기 특성을 갖는 박막이, 양호한 재현성과 저비용으로 제조될 수 있는 이점이 있다.
구체적으로, GMR막 A(22)에 사용되는 금속-절연체 계의 나노 입상 재료의 예는 이하를 포함한다.
(1) Co-Y2O3계 나노 입상 합금, Co-Al2O3계 나노 입상 합금, Co-Sm2O3계 나노 입상 합금, Co-Dy2O3계 나노 입상 합금 및 FeCo-Y2O3계 나노 입상 합금과 같은 산화물계 나노 입상 합금;과
(2) Fe-MgF2, FeCo-MgF2, Fe-CaF2 및 FeCo-AlF3와 같은 플루오르화물계 나노 입상 합금.
1.2.2. 박막 요크 A
박막 요크 A(24, 26)는 간극을 사이에 두고 서로 반대에 위치해 있고, GMR막 A(22)는 간극 또는 간극의 부근에서 박막 요크 A(24, 26)에 전기적으로 접속된다.
여기서, 「간극의 부근」이란 박막 요크 A(24, 26)의 선단에서 생성된 큰 증폭 자기장의 영향을 받는 영역을 의미한다. 박막 요크 A(24, 26) 사이에서 생성되는 자기장은 간극에서 가장 커진다. 따라서, 간극 내에 GMR막 A(22)를 형성하는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 이것은, GMR막 A(22)에 작용하는 자기장이 실질적으로 충분히 큰 경우, GMR막 A(22)의 전부 또는 일부가 간극의 바깥(예를 들어, 박막 요크 A(24, 26)의 상면측 또는 하면측)에 형성될 수도 있다는 것을 의미한다.
박막 요크 A(24, 26)는 GMR막 A(22)의 자기장 감도를 높이기 위해 사용된다. 박막 요크 A(24, 26)는 연자성재로 이루어진다. 약한 자기장에 대해 높은 자기장 감도를 얻기 위해서는, 박막 요크 A(24, 26)에 대해 높은 투자율 μ 및/또는 높은 포화 자화(saturation magnetization) Ms를 갖는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 박막 요크 A(24, 26)의 재료는 이용되는 외부 자기장의 범위에서 자기 포화가 없는 것이 바람직하다. 반면, 연자성재의 투자율 μ는 더 높은 것이 바람직하다. 예를 들어, 투자율 μ는 5,000 이상이 바람직하다.
이러한 조건을 만족하는 연자성재의 구체적인 예로서는 이하를 포함할 수 있다.
(a) 40-90% Ni-Fe 합금, Fe74Si9Al17, Fe12Ni82Nb6, Fe75 .6Si13 .2B8.5Nb1 .9Cu0 .8, Fe83Hf6C11, Fe85Zr10B5 합금, Fe93Si3N4 합금 및 Fe71B11N18 합금;
(b) 40-90% Ni-Fe 합금/SiO2 다층막;
(c) Fe71 .3Nd9 .6O19 .1 나노 입상 합금, Co70Al11O20 나노 입상 합금 및 Co65Fe5Al10O20 나노 입상 합금;
(d) Co35Fe35Mg10F20 나노 입상 합금;
(e) Co88Nb6Zr6 비정질 합금 및 (Co94Fe6)70Si15B15 비정질 합금; 등
1.2.3 고감도 소자의 형상과 크기
고감도 소자(20)는 외부 자기장의 변화를 검출하기 위해 사용된다. 따라서, 자기 감응 방향으로 고감도 소자(20)의 자기장 감도가 큰 것이 바람직하다.
여기서, 「자기 감응 방향」이란, GMR막 A(22)의 자기장 감도가 최대로 될 때, 외부 자기장이 인가되는 방향을 의미한다.
고감도 소자(20)의 각 부분의 형상 및 크기는 자기 감응 방향으로의 자기 감도에 영향을 준다. 일반적으로, 간극 길이(자기 감응 방향으로의 GMR막 A(22)의 길이) g1이 짧을수록 누설 자속이 감소하여 감도가 더 높아진다. 또한, 각 박막 요크 A(24, 26)의 자기 감응 방향으로의 길이가 길어질수록, 박막 요크 A(24, 26)의 자기소거 계수가 감소하여 감도가 더 높아진다. 따라서, 목적하는 감도를 얻기 위해, 고감도 소자(20)의 각 부분의 형상 및 크기로서 가장 적합한 형상 및 가장 적합한 크기가 선택되는 것이 바람직하다.
1.2.4. 보호막
보호막(28)은 대기에 함유된 수분으로부터 고감도 소자(20)를 보호하기 위해 사용된다. 보호막(28)이 이러한 기능을 발휘할 수 있는 한, 보호막(28)의 재료 및 두께는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 알루미나, SiO2, Si3N4 등이 보호막에 사용될 수 있다.
1.3. 저감도 소자
저감도 소자(30)는 거대 자기 저항 효과를 갖는 GMR막 B(32)와, 연자성재로 이루어지고 GMR막 B(32)의 양단에 전기적으로 접속된 한 쌍의 박막 요크(34, 36)를 포함한다. 저감도 소자(30)의 표면은 보호막(38)으로 피복되어 있다. 또한, 고감도 소자(20)와 결합되는 전극(44)은 저감도 소자(30)의 일단에 접합되어 있고, 그 타단에는 출력 추출을 위한 전극(46)이 접합되어 있다.
여기에서, 「저감도 소자(30)」란, 고감도 소자(20)보다 자기장 감도가 낮은 소자를 의미한다.
1.3.1. GMR막 B
GMR막 B(32)의 재료는 고감도 소자(20)의 GMR막 A(22)와 다른 재료일 수도 있다. 그러나, GMR막 B(32)는 GMR막 A(22)와 같은 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. GMR막 B(32) 및 GMR막 A(22)에 동일한 재료가 사용되면, GMR막이 한 스텝에서 동시에 형성될 수 있다. 따라서, 제조 비용을 감소시키는 것이 가능하다. 또한, 동일한 재료가 사용되는 경우, 두 GMR막은 온도에 따른 동일한 저항 변화량을 나타낼 수 있다. 따라서, 브릿지 회로(bridge circuit)가 형성될 때, 온도 변화에 따라 중간 전위(midpoint potential)가 시프트(shift)되지 않는 이점이 있다.
GMR막 B(32)의 재료에 관한 다른 점은 GMR막 A(22)와 유사하므로, 그 설명을 생략한다.
1.3.2. 박막 요크 B
박막 요크 B(34, 36)의 재료는 고감도 소자(20)의 박막 요크 A(24, 26)와 다른 재료 또는 동일 재료가 될 수 있다. 박막 요크 B(34, 36) 및 박막 요크 A(24, 26)에 동일한 재료가 사용되는 경우, 두 박막 요크는 한 스텝에서 동시에 형성될 수 있다. 따라서, 제조 비용을 감소시키는 것이 가능하다.
박막 요크 B(34, 36)의 재료에 관한 다른 점은 박막 요크 A(24, 26)와 유사하므로, 그 설명을 생략한다.
1.3.3. 자기장 감도
저감도 소자(30)는 온도 변화에 의한 저항값의 변동을 보상하기 위해 사용된다. 따라서, 저감도 소자(30)의 자기장 감도는 낮은 것이 바람직하다.
저감도 소자(30)의 자기장 감도를 감소시키는 방법은, 저감도 소자(30) 자체의 자기장 감도를 감소시키는 방법과, 자기 차폐(magnetic shield)를 이용하여 저감도 소자(30)의 자기장 감도를 간접적으로 감소시키는 방법을 포함할 수 있다. 그러나, 자기 차폐만으로 외부 자기장을 완전하게 차단하는 것은 어렵고, 자기 차폐를 제조하는 스텝을 추가해야만 한다. 따라서, 저감도 소자(30) 자체의 자기장 감도를 감소시키는 것이 바람직하다.
저감도 소자(30)의 각 부분의 크기가 최적화되면, 저감도 소자(30)의 자기장 감도는 고감도 소자(20)의 자기장 감도의 1/2 이하로 감소될 수 있다. 저감도 소자(30)의 자기장 감도는, 바람직하게는 고감도 소자(20)의 자기장 감도의 1/5 이하이고, 보다 바람직하게는, 고감도 소자(20)의 자기장 감도의 1/10 이하이다.
여기서, 「자기장 감도」란, 외부 자기장(엄밀하게는, 소자의 자기장 감응 방향으로의 성분의 외부 자기장)의 변화에 따라, 소자의 전기 비저항이 변화하는 용이성을 의미한다. 따라서, 「자기장 감도가 낮다」는 용어는, 외부 자기장의 큰 변화에도 불구하고 전기 비저항이 거의 변하지 않는 특성을 의미한다. 반대로, 「자기장 감도가 높다」는 용어는, 외부 자기장의 작은 변화에서도 전기 비저항이 쉽게 변하는 특성을 의미한다. 본 발명에서는, 자기 센서가 주변 온도 변화에도 불구하고 높은 성능을 나타내도록, 양자가 사용된다.
자기장 감도를 변화시키는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 그러한 방법의 예에는, 박막 요크 길이(자기 감응 방향과 평행한 방향으로의 길이)를 변화시키는 방법과, 박막 요크 길이/박막 요크 폭으로 표현되는 종횡비(aspect ratio)를 변화시키는 방법이 포함된다.
각 박막 요크(34, 36)의 길이가 짧을수록 자기장 감도는 감소한다. 따라서, 저감도 소자(30)의 각 박막 요크(34, 36)의 길이는 고감도 소자(20)의 각 박막 요크(24, 26)의 길이보다 짧은 것이 바람직하다.
또한, 종횡비가 작을수록 자기장 감도는 감소한다. 따라서, 저감도 소자(30)의 종횡비는 고감도 소자(20)의 종횡비보다 작은 것이 바람직하다.
전술한 방법들 중에서 하나만이 이용될 수도 있다. 그러나, 여러 방법들이 이용되는 경우, 자기장 감도가 더 쉽게 변화될 수 있다. 따라서, 전술한 모든 방법들이 도 1(a) 및 1(b)에서 이용된다.
1.3.4. 보호막
보호막(38)은 저감도 소자(30)를 대기에 함유된 수분으로부터 보호하기 위해 사용된다. 보호막(38)의 상세한 내용은 보호막(28)과 유사하므로, 그 설명을 생략한다.
1.4. 박막 자석
본 발명에서의 「박막 자석」이란, 박막 공정에 의해 제조된 자석을 의미한다. 박막 자석의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 30㎛ 이하이다. 박막 자석(50)은 다음 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
1.4.1. 박막 자석의 위치
박막 자석(50)은 고감도 소자(20)에 바이어스 자기장을 인가하는데 사용된다. 박막 자석(50)은 고감도 소자(20)의 위(즉, 표면측, 예를 들어, 기판(12)측과 반대측)에 배치되어도 좋고, 고감도 소자(20)의 아래(즉, 기판(12)측)에 배치되어도 좋다.
일반적으로, 박막 자석(50)은 높은 자기 특성을 얻기 위해 종종 열처리를 필요로 한다. 이 경우, 박막 자석(50)이 고감도 소자(20)의 위에 배치되면, 박막 자석(50)의 열처리 중에 고감도 소자(20) 또한 가열될 수 있어, 고감도 소자(20)의 자기 특성이 열화될 수 있다. 따라서, 박막 자석은 고감도 소자(20)의 아래(즉, 기판(12)측)에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 소량의 박막 자석(50)을 사용하여 고감도 소자(20)에 큰 바이어스 자기장을 인가하기 위해서는, 박막 자석(50)은 적어도 GMR막 A의 바로 아래(즉, 기판(12)측), 또는 GMR막 A(22)의 바로 위(즉, 표면측, 예를 들어, 기판(12)측과 반대측)에 배치되어야 한다.
박막 자석(50)은 x 방향 및/또는 y 방향으로 GMR막 A(22) 주위에 대칭적으로 배치되거나, 비대칭적으로 배치될 수 있다. 박막 자석(50)이 GMR막 A(22)에 대해 비대칭적으로 배치되는 경우에도, 박막 자석(50)이 적어도 GMR막 A(22)의 바로 아래 또는 바로 위에 배치되기만 한다면, 큰 바이어스 자기장이 고감도 소자(20)에 인가될 수 있다.
그런데, 본 발명에서는 저감도 소자(30)의 위 또는 아래에 박막 자석이 배치되지 않는다. 동등한 두께를 갖는 박막 자석(50)이 고감도 소자(20)와 저감도 소자(30)의 양쪽에 배치되는 경우, 큰 바이어스 자기장이 저감도 소자(30)에 작용하여, GMR막 B(32)의 저항값을 더 크게 변화시켜 중간 전위를 더 크게 시프트시킬 수 있었을 것이다.
1.4.2. 박막 자석의 크기
박막 자석(50)의 크기는 고감도 소자(20)에 인가되는 바이어스 자기장에 큰 영향을 미친다. 따라서, 목적에 따라 박막 자석(50)의 치수로서 가장 적합한 값이 선택되는 것이 바람직하다.
A. 두께
박막 자석(50)의 두께(tM: z 방향의 길이)가 너무 작으면, 고감도 소자(20)에 충분히 큰 바이어스 자기장이 인가될 수 없다. 따라서, 박막 자석의 두께(tM)는 0.1μm 이상인 것이 바람직하다. 박막 자석의 두께(tM)는 1㎛ 이상인 것이 보다 바람직하다.
반대로, 박막 자석의 두께(tM)가 너무 크면, 막 형성에 요구되는 시간이 길어지고, 원료의 양이 증가하여 비용의 증가를 초래한다. 또한, 막 두께의 증가는 막 응력으로 인해 기판에 휨 또는 균열을 초래할 수 있다. 따라서, 박막 자석의 두께(tM)는 5㎛ 이하인 것이 바람직하다.
B. 자기 감응 방향으로의 길이
박막 자석(50)은, 박막 자석(50)의 N극이 자기 감응 방향으로 고감도 소자(20)의 일단에 배치되고, 박막 자석(50)의 S극이 그 타단에 위치될 수 있도록 배치된다. N극으로부터 누설되는 자속은 루프(loop)를 그리며 S극으로 흐른다. 고감도 소자(20)가 루프 내에 위치하는 경우, 적당히 큰 바이어스 자기장이 고감도 소자(20)에 인가될 수 있다.
그러나, 자기 감응 방향으로의 박막 자석(50)의 길이(LM : x 방향의 길이)가 너무 짧으면, 고감도 소자(20)에 충분히 큰 바이어스 자기장이 인가될 수 없다. 따라서, 길이 LM은 g1 이상인 것이 바람직하다. g1의 가이드(guide)는 약 1㎛이다. 길이 LM은 5㎛ 이상인 것이 보다 바람직하다. 여기서, 「g1」은 자기 감응 방향으로의 GMR막 A(22)의 길이(간극 길이)이다.
일반적으로, 길이 LM이 증가함에 따라, 바이어스 자기장이 증가한다. 그러나, 길이 LM이 특정 임계값을 초과하면, 바이어스 자기장은 갑자기 하강한다. 따라서, 길이 LM은 1.1L 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 길이 LM은 1.0L 이하이다. 여기서, 「L」은 자기 감응 방향으로의 고감도 소자(20)의 전체 길이(=자기 감응 방향으로의 GMR막 A(22)의 길이 + 자기 감응 방향으로의 박막 요크 A(24)의 길이 + 자기 감응 방향으로의 박막 요크 A(26)의 길이)이다.
C. 폭
박막 자석(50)의 폭(WM: y 방향의 길이)이 너무 짧으면, 고감도 소자(20)에 충분히 큰 바이어스 자기장이 인가될 수 없다. 그러므로, 폭 WM은 0.9W 이상인 것이 바람직하다. 폭 WM은 5W 이상이 보다 바람직하다. 여기서, 「W」는 각 박막 요크 A(24, 26)의 폭이다.
한편, 폭 WM이 필요 이상으로 커지더라도 효과에는 차이가 없고 무의미하다. 따라서 폭 WM은 20W 이하인 것이 바람직하다. 폭 WM은 10W 이하가 보다 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서의 「폭」이란, 박막 자석(50) 또는 박막 요크 A(24, 26)의 폭의 최댓값을 의미한다.
1.5. 절연막 A
절연막 A(58a)는 고감도 소자(20)와 박막 자석(50)을 서로 전기적으로 절연시키기 위해 사용된다. 절연막 A(58a)는 고감도 소자(20)와 박막 자석(50)의 사이에 삽입된다. 고감도 소자(20)와, 고감도 소자(20)의 바로 아래 또는 바로 위에 배치된 박막 자석(50) 사이에 절연막이 없는 경우, 고감도 소자(20)는 단락(short-circuited)될 수 있다. 따라서, 고감도 소자(20)와 박막 자석(50) 사이에 절연막 A(58a)를 배치할 필요가 있다.
일반적으로, 절연막 A(58a)의 두께가 감소함에 따라, 고감도 소자(20)는 보다 쉽게 단락된다. 반대로, 절연막 A(58a)이 너무 두꺼우면, GMR막 A(22)에 작용하는 바이어스 자기장이 지나치게 작아진다. 따라서, 이 점을 고려하여, 절연막 A(58a)의 두께로서 가장 적절한 두께가 선택되는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 절연막 A(58a)의 두께는 0.5㎛~2㎛가 바람직하다.
절연막 A(58a)의 재료로는 어떠한 비자성 절연체라도 사용될 수 있다. 절연막 A(58a)의 재료의 예에는, 알루미나, SiO2, Si3N4, MgO, MgF2 등이 포함된다.
절연막 A(58a)의 형상 또는 두께 이외의 다른 치수는 특별히 한정되지 않는다. 도 1(a) 및 1(b)에 나타낸 예에서는, 기판(12)의 표면 전체에 비자성막 A(54)가 형성되어 있다. 또한, 박막 자석(50)이 비자성막 A(54)의 표면에 형성되고, 비자성막 B(56)가 박막 자석(50)의 주위에 형성된다. 비자성막 A(54) 및 비자성막 B(56)는 고감도 소자(20) 및 저감도 소자(30)의 위치를 Z 방향으로 조정하는데 사용된다. 따라서, 어떠한 비자성체든, 비자성막 A(54) 및 비자성막 B(56)로 사용될 수 있으며, 절연체일 필요는 없다. 또한, 비자성막 A(54) 및 비자성막 B(56)는 동종의 재료 또는 다른 종류의 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 절연막 A(58a)는 박막 자석(50) 및 비자성막 B(56)의 표면 전체에 형성된다. 고감도 소자(20) 및 저감도 소자(30)는 절연막 A(58a)의 표면에 형성되고, 고감도 소자(20) 및 저감도 소자(30)는 동일 평면상에 배치된다.
후술하는 바와 같이, 절연막 A(58a) 및 박막 자석(50)을 형성하는 몇몇 방법에서는, 고감도 소자(20)와 저감도 소자(30)가 하나의 동일 평면상에 배치될 수 없다. 이러한 경우, 고감도 소자(20)와 저감도 소자(30)의 높이의 차이에 의해, 미세 가공시 노광 공정에서 포커스 위치가 시프트될 수 있다. 포커스 시프트에 의해, 고감도 소자(20) 및 저감도 소자(30)의 크기가 달라져, 저항값의 편차와 변동이 증가될 수 있다.
한편, 고감도 소자(20) 및 저감도 소자(30)가 하나의 동일 평면상에 배치될 수 있게끔 비자성막 A(54), 비자성막 B(56), 절연막 A(58a) 및 박막 자석(50)이 배치되는 경우, 저항값의 편차와 변동이 감소될 수 있다.
2. 박막 자기 센서(2)
도 2(a) 및 2(b)는 본 발명의 제2실시형태에 따른 박막 자기 센서의 평면도 및 선 A-A'에 따른 단면도를 나타낸다. 도 2(a) 및 2(b)의 박막 자기 센서(10b)는,
기판(12);
기판(12)에 형성되고 외부 자기장의 변화를 검출하는 고감도 소자(20);
기판(12)에 형성되고, 고감도 소자(20)와 직렬로 연결되며, 온도 변화에 의한 저항값의 변동을 보상하는 저감도 소자(30);
고감도 소자(20)에 바이어스 자기장을 인가하는 박막 자석(50);및
고감도 소자(20)와 박막 자석(50) 사이에 삽입된 절연막 A(58b)
를 포함한다.
도 2(a) 및 2(a)에 나타낸 박막 자기 센서(10b)에서, 절연막 B(60a)는 기판(12)의 표면 전체에 형성되고, 박막 자석(50)은 절연막 B(60a)의 표면에 형성된다. 또한, 절연막 A(58b)는 박막 자석(50)의 표면 및 측면만을 피복하도록 형성된다. 또한, 절연막 A(58b)의 표면에 고감도 소자(20)가 형성되고, 절연막 B(60a)의 표면에 저감도 소자(30)가 형성된다. 따라서, 고감도 소자(20)와 저감도 소자(30)는 동일 평면상에 배치되어 있지 않다. 이 점에서, 제2 실시형태는 제1 실시형태와 다르다. 절연막 A(58b) 및 절연막 B(60a)는 동종의 재료로 이루어질 수도 있고, 다른 종류의 재료로 이루어질 수도 있다.
다른 점은 제1 실시형태와 유사하기 때문에 그에 대한 설명은 생략한다.
도 2(a) 및 2(b)에 나타내는 박막 자기 센서(10b)에서, 고감도 소자(20)와 저감도 소자(30)는 동일 평면상에 배치되어 있지 않다. 따라서, 미세 가공시에 고감도 소자(20) 및 저감도 소자(30)의 크기가 변화될 우려가 있다. 그러나, 특별히 높은 정확도가 요구되지 않는다면, 이러한 구조에도 불구하고 외부 자기장의 크기와 극성은 어느 정도 정확하게 알 수 있다.
3. 박막 자기 센서(3)
도 3(a) 및 3(b)는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 박막 자기 센서의 평면도 및 선 A-A'에 따른 단면도를 나타낸다. 도 3(a) 및 3(b)의 박막 자기 센서(10c)는,
기판(12);
기판(12)에 형성되고 외부 자기장의 변화를 검출하는 고감도 소자(20);
기판(12)에 형성되고, 고감도 소자(20)와 직렬로 연결되며, 온도 변화에 의한 저항값의 변동을 보상하는 저감도 소자(30);
고감도 소자(20)에 바이어스 자기장을 인가하는 박막 자석(50);및
고감도 소자(20)와 박막 자석(50) 사이에 삽입된 절연막 A(58c)
을 포함한다.
도 3(a) 및 3(b)에 나타낸 박막 자기 센서(10c)에서, 박막 자석(50)은 기판(12)에 형성되고, 절연막 A(58c)는 박막 자석(50)의 표면에만 형성된다. 또한, 절연막 B(60b)는 박막 자석(50) 및 절연막 A(58c)의 주위에 형성된다. 절연막 B(60b)는 박막 자석(50)과 절연막 A(58c)의 전체 두께와 실질적으로 동일한 두께를 갖는다. 이 점에서, 제3 실시형태는 제1 실시형태와 다르다. 고감도 소자(20)는 절연막 A(58c)에 형성되고, 저감도 소자(30)는 절연막 B(60b)에 형성된다. 따라서, 고감도 소자(20)와 저감도 소자(30)는 하나의 동일 평면상에 배치된다.
다른 점은 제1 실시형태와 유사하기 때문에 그에 대한 설명은 생략한다.
4. 박막 자기 센서(4)
도 4(a) 및 4(b)는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 박막 자기 센서의 평면도 및 선 A-A'에 따른 단면도를 나타낸다. 도 4(a) 및 도 4(b)의 박막 자기 센서(10d)는,
기판(12);
기판(12)에 형성되고 외부 자기장의 변화를 검출하는 고감도 소자(20);
기판(12)에 형성되고, 고감도 소자(20)와 직렬로 연결되며, 온도 변화에 의한 저항값의 변동을 보상하는 저감도 소자(30);
고감도 소자(20)에 바이어스 자기장을 인가하는 박막 자석(50);및
고감도 소자(20)와 박막 자석(50) 사이에 삽입된 절연막 A(58a)
를 포함한다.
도 4(a) 및 4(b)에 나타낸 박막 자기 센서(10d)에서, 박막 자석(50)은 기판(12)의 표면에 형성되고, 비자성막 B(56)는 박막 자석(50)의 주위에 형성된다. 비자성막 B(56)는 박막 자석(50)과 실질적으로 동일한 두께를 갖는다. 또한, 절연막 A(58a)는 박막 자석(50)의 표면 및 비자성막 B(56)의 표면 전체에 형성된다. 즉, 박막 자기 센서(10d)는 비자성막 A(54)를 갖지 않는다. 이 점에서, 제4 실시형태는 제1 실시형태와 다르다. 고감도 소자(20) 및 저감도 소자(30)는 절연막 A(58a)에 형성된다. 따라서, 고감도 소자(20) 및 저감도 소자(30)는 하나의 동일 평면상에 배치된다.
다른 점은 제1 실시형태와 유사하기 때문에 그에 대한 설명은 생략한다.
3. 박막 자기 센서의 제조 방법
본 발명에 따른 각 박막 자기 센서(10a 내지 10d)는, 소정의 조성을 갖는 박막이 소정의 순서로 기판(12)의 표면에 적층되는 방법으로 제조될 수 있다. 각 박막의 적층 조건은 특별히 한정되지 않지만, 박막의 조성에 따라 가장 적합한 조건이 선택되는 것이 바람직하다.
4. 작용
일반적으로, 자기장의 변화에 대하여 우함수 특성을 갖는 자기 센서에 의해 자기장의 방향이 검출되면, 자기 센서에 바이어스 자기장이 인가된다. 자기 센서에 바이어스 자기장을 인가하는 방법으로 알려진 예는 다음을 포함한다.
(a) 코일을 자기 센서 외부에 배치하는 방법;
(b) 영구 자석을 자기 센서 외부에 배치하는 방법;
(c) 박막 자석을 자기 센서의 하층부 또는 상층부에 형성하는 방법; 등
그러나, 자기 센서에 바이어스 자기장을 인가하기 위해 코일을 사용하는 경우, 코일에 전류를 인가할 필요가 있다. 따라서, (1) 전용 전원 및 전용 회로의 필요성, (2) 소형화의 어려움, (3) 큰 전력 소비 등의 문제가 있다.
영구 자석을 사용하는 경우, 전력은 소비되지 않는다. 그러나, 자석으로부터의 거리에 따라 자기장이 변한다. 따라서, 자석의 부착 위치를 정확하게 결정할 필요가 있다. 따라서, 제조가 어려워지는 문제점이 있다.
한편, 박막 자석을 사용하는 경우, 박막 자석은 센서 소자와 유사한 미세 가공 공정으로 제조될 수 있다. 따라서, 박막 자석의 부착 위치를 비교적 정확하게 결정할 수 있다. 그러나, 박막 자석의 자력이 너무 약해서, 충분한 자기장을 용이하게 제공할 수 없다는 문제점이 있다.
반대로, 고감도 소자와 저감도 소자가 직렬로 연결되어 있는 박막 자기 센서의 절연막 A를 통해, 적어도 GMR막 A의 바로 위 또는 바로 아래에 박막 자석이 삽입된 경우, 전력 소비의 증가 또는 소자 크기의 증가를 야기하지 않고, 고감도 소자에 바이어스 자기장이 정확하게 인가될 수 있다. 또한, 박막 자석의 치수(즉, 박막 자석의 길이, 두께 및 폭)가 최적화되었을 때, 비교적 큰 바이어스 자기장이 고감도 소자에 인가될 수 있다.
실시예
(실시예 1 내지 3)
1. 실험 방법
도 5(a) 내지 5(c)는 박막 자석의 폭을 달리한 박막 자기 센서의 평면도를 나타낸다. 도 5(a) 내지 5(c)에 도시된 바와 같이, 각 박막 요크 A(24, 26)의 요크 길이(자기 감응 방향으로 1개의 박막 요크 A의 길이)는 동일하고, 박막 자석(50)의 자석 길이는 동일하지만, 다른 자석 폭(또는 다른 자석 폭/요크 폭 비)을 갖는 박막 자기 센서를 제조하여, 그 특성을 평가했다(실시예 1 내지 3). 또한, 각 실시예에서 간극 길이는 1㎛로 설정되었다. 표 1은 각 박막 자기 센서의 요크 길이, 요크 폭, 자석 길이, 자석 폭 및 자석 폭/요크 폭 비를 나타낸다.
Figure pat00001
2. 결과
도 6은 실시예 1 내지 3에서 얻은 박막 자기 센서의 MR 곡선을 나타낸다. 또한, 도 7은 실시예 1 내지 3에서 얻은 각 박막 자기 센서에 인가되는 바이어스 자기장의 자석 폭/요크 폭 비 의존성을 나타낸다. 도 6 및 도 7로부터, 자석 폭(또는 자석 폭/요크 폭 비)의 증가에 따라 음의 방향으로 각 MR 곡선의 시프트량(즉, 바이어스 자기장의 크기)이 증가하는 것을 알 수 있다.
(실시예 4 내지 7)
1. 실험 방법
요크 길이, 자석 길이 및 자석 폭의 차이를 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 박막 자기 센서를 제조하였다. 요크 길이는 100㎛(실시예 4), 50㎛(실시예 5), 27㎛(실시예 6) 또는 18㎛(실시예 7)로 설정되었다. 또한, 어떠한 실시예에서도, 자석 두께는 고정되었고, 자석 길이는 요크 길이의 약 2배로 설정되었으며, 자석 폭은 요크 폭과 같게 설정되었다.
2. 결과
도 8은 요크 길이, 자석 길이 및 자석 폭을 달리한 박막 자기 센서의 MR 곡선을 나타낸다. 또한, 도 8은 실시예 1의 결과를 나타낸다. 도 8로부터, 이하를 알 수 있다.
(1) 요크 길이가 짧아짐에 따라, 음의 방향으로의 각 MR 곡선의 이동량(즉, 바이어스 자기장의 크기)은 증가한다.
(2) 고감도 소자(20)의 요크 길이가 짧아짐에 따라, 외부 자기장의 감도는 열화된다. 반면, 고감도 소자(20)의 전체 길이와 실질적으로 동일한 두께를 갖는 박막 자석(50)이 고감도 소자(20)의 바로 아래에 배치되어 있는 경우, 요크 길이의 감소에 따라, 고감도 소자(20)에 인가되는 바이어스 자기장은 증가한다. 이는, 자기 감응 방향으로의 박막 자석(50)의 길이가 짧아짐에 따라, 자속의 누설이 감소되어, 더 강한 바이어스 자기장이 고감도 소자(20)에 인가될 수 있기 때문인 것으로 판단된다.
(3) 감도를 줄이기 위해 요크 길이가 짧게 만들어진 소자는, 소자가 넓은 작동 자기장 범위(operating magnetic field range)를 갖는 특성 때문에 유용하다. 이러한 넓은 작동 범위를 갖는 소자에는 더 큰 바이어스 자기장을 작용시킬 필요가 있다. 그러나, 전술한 결과로부터, 넓은 작동 범위를 갖는 소자에 충분히 큰 바이어스 자기장을 작용시키는 것이 가능함을 알 수 있다.
(실시예 21 내지 32)
1. 실험 방법
자석 길이, 자석 폭 및 자석 두께의 차이를 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 박막 자기 센서를 제조하였다. 박막 자기 센서의 특성이 평가되었다. 또한, 요크 길이, 요크 폭 및 간극 길이는 각각 350㎛, 100㎛, 1㎛로 설정되었다.
2. 결과
표 2는 그 결과를 나타낸다. 또한, 도 9(a)는 자석 폭과 바이어스 자기장의 관계를 나타낸다. 도 9(b)는 자석 폭/요크 폭 비와 바이어스 자기장의 관계를 나타낸다. 도 10(a)는 자석 길이와 바이어스 자기장 간의 관계를 나타낸다. 도 10(b)는 자석 길이/전체 길이 비와 바이어스 자기장 간의 관계를 나타낸다. 또한, 도 11은 자석 두께와 바이어스 자기장 간의 관계를 나타낸다. 표 2와 도 9(a), 9(b), 10(a), 10(b) 및 11로부터, 아래의 사실을 알 수 있다.
(1) 자석 폭/요크 폭 비의 증가에 따라, 바이어스 자기장이 증가했다. 또한, 자석 폭/요크 폭 비가 10을 초과했을 경우, 바이어스 자기장을 포화시키는 경향을 알 수 있었다.
(2) 자석 길이가 간극 길이와 동일한 경우에도, 약 1[Oe]의 바이어스 자기장이 고감도 소자에 작용했다. 또한, 자석 길이/전체 길이 비의 증가에 따라, 바이어스 자기장이 증가했다. 그러나, 자석 길이/전체 길이 비가 1.0을 초과하는 경우, 바이어스 자기장은 급격히 떨어졌다. 자석 길이/전체 길이 비가 1.1일 때 바이어스 자기장은 그 피크값의 1/2 이하로 감소했다.
(3) 자석 두께의 증가에 따라 바이어스 자기장이 증가했다.
Figure pat00002
(비교예 1)
1. 실험 방법
특허문헌 1에 따른 박막 자기 센서(즉, 각각 박막 요크와 박막 자석을 갖는 적층체가 GMR막의 양단에 형성되고, 박막 요크와 박막 자석 사이에 절연막이 없는 박막 자기 센서)를 제조하여, 그 특성을 평가하였다(비교예 1). GMR막 A(22)의 바로 아래에 박막 자석이 없는 것을 제외하고는, 각 부분의 치수는 실시예 21과 같다.
2. 결과
실시예 21의 박막 자기 센서에서, 바이어스 자기장은 4.4[Oe]였다. 반면, 비교예 1의 박막 자기 센서에서, 바이어스 자기장은 2.0[Oe]였다. 즉, 절연막 A(58a)를 통해 GMR막 A(22)의 바로 아래에 박막 자석(50)이 배치되는 경우, 바이어스 자기장의 크기가 2배 이상 증가될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명을 그 실시형태를 참조하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기 한 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 변형이 가능하다.
본 출원은 2016년 9월 29일자로 출원된 일본특허출원 제2016-190765호를 기초로 하며, 그 내용은 본원에 참고로 포함된다.
본 발명에 따른 박막 자기 센서는 자동차 축, 로터리 인코더(rotary encoder), 산업용 기어 등의 회전 정보의 검출, 유압 실린더/공압 실린더, 공작 기계의 슬라이드 등의 스트로크 위치의 위치-속도 정보의 검출, 산업용 용접 로봇 등의 아크 전류의 전류 정보의 검출, 지자기 방위각 콤파스(geomagnetic azimuth compasses) 등에 사용될 수 있다.
또한, 자기 센서로서, GMR막과 그 양단에 배치된 박막 요크를 갖는 자기 저항 소자가 특히 적합하다. 그러나, 자기 저항 소자의 사용은 이에 제한되지 않고, 자기 메모리, 자기 헤드 등으로서 사용될 수 있다.
10a 내지 10d 박막 자기 센서
20 고감도 소자
22 GMR막 A
24, 26 박막 요크 A
30 저감도 소자
32 GMR막 B
34, 36 박막 요크 B
50 박막 자석
58a 내지 58c 절연막 A

Claims (5)

  1. 기판;
    상기 기판에 형성되고 외부 자기장의 변화를 검출하는 고감도 소자;
    상기 기판에 형성되고, 상기 고감도 소자와 직렬로 연결되며, 온도 변화에 의한 저항값의 변동을 보상하는 저감도 소자;
    상기 고감도 소자에 바이어스 자기장을 인가하는 박막 자석;및
    상기 고감도 소자와 상기 박막 자석 사이에 삽입되는 절연막 A를 포함하는 박막 자기 센서로서,
    상기 고감도 소자는, 거대 자기 저항 효과를 갖는 GMR막 A와, 연자성재로 이루어져 있으며 상기 GMR막 A의 양단에 전기적으로 접속되는 한 쌍의 박막 요크 A를 포함하고,
    상기 저감도 소자는, 거대 자기 저항 효과를 갖는 GMR막 B와, 연자성재로 이루어져 있으며 상기 GMR막 B의 양단에 전기적으로 접속되는 한 쌍의 박막 요크 B를 포함하고,
    상기 박막 자석은, 적어도 상기 기판측의 상기 GMR막 A의 바로 아래 또는 상기 기판측과 반대측의 상기 GMR막 A의 바로 위에 배치되는 박막 자기 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고감도 소자 및 상기 저감도 소자는 하나의 동일 평면상에 배치되는 박막 자기 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 박막 자석의 두께(tM)는 0.1㎛ 이상 5㎛ 이하인 박막 자기 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    자기 감응 방향으로의 상기 박막 자석의 길이(LM)는 g1 이상 1.1L 이하이고, 여기서 g1은 상기 자기 감응 방향으로의 상기 GMR막 A의 길이를 나타내고, L은 상기 자기 감응 방향으로의 상기 고감도 소자의 전체 길이를 나타내는, 박막 자기 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막 자석의 폭(WM)은 0.9W 이상이고, 여기서 W는 각 상기 박막 요크 A의 폭을 나타내는, 박막 자기 센서.

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