KR20230089608A - 3축 자기저항 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평면 상의 자기장을 측정할 수 있는 자기저항 센서에 자기집속 장치를 배치함으로써 평면 뿐만 아니라 3축의 자기장을 측정할 수 있는 자기저항센서에 관한 것으로, 이를 위해 본 발명에서는 기판 상에 휘트스톤 브릿지로 형성된 자기저항 유닛과 자기집속 유닛을 포함하고, 상기 자기저항 유닛은 적어도 4개의 R1, R2, R3 및 R4 자기저항 소자를 포함하며, 상기 R1과 R3는 상기 휘트스톤 브릿지에서 서로 대각선으로 대향하는 세트이며, 상기 R2와 R4는 상기 휘트스톤 브릿지에서 서로 대각선으로 대향하는 세트이며, 상기 R1와 R2 사이에 제1 단자, 상기 R2와 R3 사이에 제2 단자, 상기 R3와 R4 사이에 제3 단자, 상기 R1과 R4 사이에 제4 단자가 있으며, 상기 제1 단자와 제3 단자는 전류가 입출력되는 전류단자이고, 상기 제2 단자와 제4 단자는 출력전압을 검출하는 전압단자이고, 상기 자기집속 유닛은 상기 자기저항 유닛의 가장자리에 인접하여 또는 상기 자기저항 유닛 위로 일부분이 겹치도록 배치되는 자기저항 센서를 제공할 수 있다.

Description

3축 자기저항 센서{3-AXIS MAGNETORESISTANCE SENSOR}

본 발명은 3축 자기저항 센서에 관한 것으로서, 평면 상에 배치되는 자기저항 유닛과 그 위에 배치되는 자기집속 장치를 통해 평면의 자기장뿐만 아니라 수직 방향의 자기장을 측정할 수 있는 3축 자기저항 센서에 관한 것이다.

휴대폰, 태블릿과 같은 IT기기, 자동차이 네비게이션 등에는 정확한 위치 파악을 위해서 자기센서가 많이 사용되고 있다.

이러한 자기센서로는 주변 자기장에 따라 저항이 변화하는 자기저항 소자가 주로 사용되는데 AMR, GMR, PHR, TMR과 같은 자기저항 소자가 사용될 수 있다. 이들 자기저항 소자는 배치되는 평면 상에서 자기장의 변화를 저항의 변화를 통해 감지해낼 수 있다. 따라서, 3축의 자기장을 측정하기 위해서는 자기저항 소자가 X, Y, Z축으로 모두 배치되어야 하고, 이에 따라 이들 직교하는 자기저항 소자를 포함하는 자기센서는 제조 공정이 복잡해지고 센서의 부피가 커지는 문제가 있게 된다.

본 발명은 단순한 공정으로 작은 부피의 3축 방향의 자기장을 측정할 수 있는 3축 자기저항 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 기판 상에 휘트스톤 브릿지로 형성된 자기저항 유닛과 자기집속 유닛을 포함하고, 상기 자기저항 유닛은 적어도 4개의 R1, R2, R3 및 R4 자기저항 소자를 포함하며, 상기 R1과 R3는 상기 휘트스톤 브릿지에서 서로 대각선으로 대향하는 세트이며, 상기 R2와 R4는 상기 휘트스톤 브릿지에서 서로 대각선으로 대향하는 세트이며, 상기 R1와 R2 사이에 제1 단자, 상기 R2와 R3 사이에 제2 단자, 상기 R3와 R4 사이에 제3 단자, 상기 R1과 R4 사이에 제4 단자가 있으며, 상기 제1 단자와 제3 단자는 전류가 입출력되는 전류단자이고, 상기 제2 단자와 제4 단자는 출력전압을 검출하는 전압단자이고, 상기 자기집속 유닛은 상기 자기저항 소자 중 어느 하나 또는 인접하는 두 개의 자기저항 소자의 위로 일부분이 겹치거나 가장자리 주변으로 배치되는 3축 자기저항 센서를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 3축 자기저항 센서에서 상기 자기저항 소자는 강자성(ferromagnetic) 박막과 반강자성(antiferromagnetic) 박막이 적층된 구조이고, 상기 자기집속 유닛은 절연층 위에 강자성층이 적층된 구조일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 3축 자기저항 센서에서 상기 적어도 4개의 자기저항 소자는 사행식으로 연속되어 서로 연결되고, 상기 자기저항 유닛은 상기 기판 위에서 상기 적어도 4개의 자기저항 소자가 모여 원형, 타원형, 사각형 또는 마름모형 형태로 나타날 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 3축 자기저항 센서에서 상기 자기집속 유닛이 상기 자기저항 유닛 위로 일부분이 겹쳐 배치되고, 상기 겹치는 일부분은 상기 자기저항 유닛의 밑면 면적의 50% 이하일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 3축 자기저항 센서에서 상기 저기저항 소자의 강자성 박막은 NiFe로 이루어지고 두께는 10~50nm범위이며, 상기 반강자성 박막은 IrMn, NiMn, NiPtMn으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이고 두께는 10~70nm 범위일 수 있다.

본 발명에 따른 3축 자기저항 센서는 그 구조가 복잡하지 않아 제조에 따른 공정 비용을 절감할 수 있고, 수직 방향 자기저항 소자를 포함하지 않음에 따라 3축 자기저항 센서의 부피를 작게 유지할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 3축 자기저항 센서의 자기저항 유닛을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예에서 3축 자기저항 센서의 자기집속 유닛 배치를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예에서 3축 자기저항 센서의 자기집속 유닛 배치를 설명하는 도면이다.
도 4는 비교예에 따른 3축 자기저항 센서의 자기집속 유닛 배치를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예에서 3축 자기저항 센서의 단면을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 3축 자기저항 센서를 통한 수직 방향 자기장 측정 결과를 설명하는 그래프이다.

이하 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 통해 설명한다. 본 발명의 실시예는 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 아래의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명은 평면 상의 자기장을 측정할 수 있는 자기저항 센서에 자기집속 장치를 배치함으로써 평면 뿐만 아니라 3축의 자기장을 측정할 수 있는 자기저항센서에 관한 것으로, 이를 위해 본 발명에서는 기판 상에 휘트스톤 브릿지로 형성된 자기저항 유닛과 자기집속 유닛을 포함하고, 상기 자기저항 유닛은 적어도 4개의 R1, R2, R3 및 R4 자기저항 소자를 포함하며, 상기 R1과 R3는 상기 휘트스톤 브릿지에서 서로 대각선으로 대향하는 세트이며, 상기 R2와 R4는 상기 휘트스톤 브릿지에서 서로 대각선으로 대향하는 세트이며, 상기 R1와 R2 사이에 제1 단자, 상기 R2와 R3 사이에 제2 단자, 상기 R3와 R4 사이에 제3 단자, 상기 R1과 R4 사이에 제4 단자가 있으며, 상기 제1 단자와 제3 단자는 전류가 입출력되는 전류단자이고, 상기 제2 단자와 제4 단자는 출력전압을 검출하는 전압단자이고, 상기 자기집속 유닛은 상기 자기저항 소자 중 어느 하나 또는 인접하는 두 개의 자기저항 소자의 위로 일부분이 겹치거나 가장자리 주변으로 배치되는 3축 자기저항 센서를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 자기저항 센서에서는 기판 위에 적어도 4개의 저항 소자를 포함하는 자기저항 유닛이 설치된다. 이러한 자기저항 유닛은 4개의 자기저항 소자를 통해 휘트스톤 브릿지 회로를 형성하게 된다. 이러한 휘트스톤 브릿지 회로에서 자기저항 소자들 사이에 배치되어 서로 대향하는 단자들에서는 전류가 입출력되는 전류단자의 쌍과 출력전압을 검출하는 전압단자의 쌍이 배치되어 이를 통해 기판의 평면과 동일한 평면 상에서 발생되는 자기장을 회로의 전기 저항 변화를 통해 측정할 수 있게 된다. 이렇게 자기저항 소자를 통해 형성되는 휘트스톤 브릿지 회로의 예는 도 1에서 나타내었다.

도 1에서는 4개의 자기저항 소자 R1(121), R2(122), R3(123), R4(124)가 각각 사행식으로 연속되면서 서로 연결되는데, 이렇게 사행식으로 자기저항 소자가 만들어지면서 자기저항 소자의 길이가 늘어나면서 저항이 증가하고 이에 따라 출력 전압이 증가하게 된다. 이를 통해 자기장 측정의 감도가 향상되는 장점이 있게 된다.

기판 위에 이러한 자기저항 소자가 연결되어 형성되는 휘트스톤 브릿지 회로의 형상은 원형, 타원형, 사각형 또는 마름모형일 수 있는데, 도 1(a)는 원형인 경우이고 도 1(b)는 마름모형인 경우를 나타내고 있다.

센서신호는 전류 방향과 자화 방향 사이의 각도에 따라 감도가 다르게 되는데, 원인 경우 전류 방향이 원주에 따라 움직여 방향이 계속 바뀌면서 신호가 상쇄되는 구간이 발생하게 된다. 하지만, 마름모인 경우에는 전류 방향이 직선형이기 때문에 상쇄되는 구간이 없는 장점이 있다.

이러한 기판 상에 형성되는 휘트스톤 브릿지 구조의 자기저항 유닛을 통해서는 기판과 동일 평면상의 자기장을 측정할 수 있을뿐 그와 수직 방향의 자기장을 측정할 수는 없다. 수직 방향의 자기장은 수평 방향의 자기저항 소자의 전기 저항에 영향을 미칠 수 없기 때문이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 자기저항 유닛의 가장자리 주변이나 또는 자기저항 유닛의 위로 일부 영역이 겹쳐지도록 자기집속 유닛을 배치하게 된다. 이렇게 배치된 자기집속 유닛은 수직 방향의 자기장을 변화시키면서 수평 방향의 자기장이 성분이 나타날 수 있도로 한다. 이렇게 수직 방향의 자기장 성분이 자기집속 유닛을 통해 수평 성분의 자기장을 포함할 수 있게 됨에 따라 수평 방향으로 배치된 저기저항 유닛을 통해 수직 방향의 자기장을 측정할 수 있게 된다.

수직 방향의 자기장을 변화시켜 수평 방향의 자기장 성분을 포함시키기 위해서 배치되는 자기집속 유닛은 자기저항 소자의 위로 일부분이 겹치거나 가장자리에 인접하도록 배치될 수 있다. 이때 자기집속 유닛이 인접하거나 가장자리에 배치되는 자기저항 소자는 휘트스톤 브릿지 회로를 형성하는 자기저항 소자 중 어느 하나이거나 또는 인접하는 두 개의 자기저항 소자일 수 있다.

배치되는 자기집속 유닛의 예를 도 2를 통해 나타내었다. 도 2(a)는 자기집속 유닛(131)이 자기저항 소자인 R1(121)의 가장자리 주변에 배치되는 것을 나타내고, 도 2(b)는 R1(121) 위로 일부 겹쳐서 배치되는 것을 나타낸다.

자기저항 소자의 가장자리 주변이나 위로 일부 겹쳐서 자기집속 유닛이 배치됨에 따라 수직 방향의 자기장을 왜곡시켜 평명 방향의 자기장이 나타나도록 유도할 수 있게 된다. 특히 일부 겹쳐서 배치되는 경우에는 일부 겹치는 영역을 통해 신호적 손실을 최소화할 수 있게 되어 변화되는 자기장의 측정을 위한 감도를 향상시킬 수 있게 된다.

자기집속 유닛과 자기저항 소자가 일부 겹치는 경우에는 그 겹치는 면적이 자기집속 유닛의 밑면 면적의 50% 이하인 것이 바람직하다. 완전 겹치는 경우에는 수직 자기 저항의 수평 방향 왜곡을 유도하지 못하고 50% 를 초과하는 경우에도 왜곡되는 자기장의 분율이 크지 않아 정확한 자기장 측정이 어렵다. 따라서 50% 이하인 것이 바람직하다.

배치되는 자기집속 유닛의 또 다른 실시예는 도 3을 통해 설명한다. 본 발명에 따른 자기집속 유닛은 인접하는 두 개의 자기저항 소자의 가장자리 주변이나 그 위에 배치될 수 있다. 도 3(a)는 인접하는 자기저항 소자인 R1(121)과 R2(122)의 주변으로 배치되는 두 개의 자기집속 유닛(131, 132)을 나타낸다. 또한, 두 개의 자기집속 유닛은 두 자기저항 소자(121, 122)와 각각 겹쳐서 배치될 수 있다. 이때 겹치는 영역은 자기집속 유닛의 밑면 일부분이면서 50% 이하인 것이 바람직하다.

인접하는 두 개의 자기저항 소자에 가장자리 주변 또는 위로 겹치는 자기집속 유닛은 두 개의 자기저항 소자 각각에 배치되어 두 개일 수 있고(도 3(a) 및 (b) 참조), 하나의 자기집속 유닛(135)이 두 개의 자기저항 소자의 주변(도 3(c) 참조)이나 일부 위에(도 3(d) 참조) 배치될 수도 있다.

한편, 자기집속 유닛이 주변이나 위에 배치되는 두 개의 자기저항 소자는 서로 인접해야 한다. 즉, 도 1에서의 자기저항 소자를 기준으로 R1(121)과 R2(122), R2(122)와 R3(123), R3(123)와 R4(124), R1(121)과 R4(124)와 같이 인접하는 자기저항 소자의 쌍에 배치되어야 한다. 이와 달리 서로 대향하는 자기저항 소자의 가장자리 주변(도 4(a) 및 4(c) 참조)이나 그 위에(도 4(b) 및 4(d) 참조) 배치되는 경우에는 수직 방향 자기장의 수평 방향으로의 자기장 변화가 서로 상쇄되어 수직 방향 자기장을 측정할 수 없게 된다.

본 발명에 따른 자기저항 센서에서 자기저항 소자는 강자성(ferromagnetic) 박막과 반강자성(antiferromagnetic) 박막이 적층된 구조이고, 상기 자기집속 유닛은 절연층 위에 강자성층이 적층된 구조일 수 있다.

자기저항 소자는 이렇게 강자성 박막과 반강자성 박막이 적층된 구조를 통해 이방성 자기저항 효과를 얻을 수 있게 된다. 한편 자기저항 소자는 강자성 박막과 반강자성 박막 사이에 구리층을 추가하여 감도를 향상시킬 수도 있다.

또한, 자기집속 유닛은 밑면은 절연체로 이루어지고 상층은 강자성층이 적층되는 구조인데, 이를 통해 수직 방향의 자기장을 일부 수평 방향으로 변환시킬 수 있게 된다.

이러한 자기저항 소자와 자기집속 유닛의 단면 구조는 도 5에서 나타내었다. 자기저항 소자는 상층(221)에는 강자성 박막이 하층(222)에는 반강자성 박막이 적층되는 구조인데 적층되는 순서는 바꾸어도 된다. 즉, 강자성 박막이 하층(222)에 반강자성 박막이 상층(221)에 배치될 수도 있다.

한편, 자기집속 유닛은 절연층(232) 위에 강자성층(231)이 적층되는 구조이다. 자기집속 유닛(131)의 아래쪽은 자기저항 소자와 맞닿기 때문에 절연층(232)으로 구성되고 상층은 자기장의 유도를 위해 강자성층(231)으로 구성된다.

여기서 강자성 박막은 강자성 물질인 NiFe로 이루어지고 반강자성 박막은 IrMn, NiMn, NiPtMn으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.

또한, 강자성 박막은 10~50nm 범위의 두께이고 반강자성 박막의 두께는 10~70nm 범위인 것이 감도 측면에서 최적 조건이 된다.

도 2(b)에서와 같이 자기집속 유닛(131)이 자기저항 소자(121)와 일부분에서 중첩이 되는 구조의 자기저항 센서를 이용하여 수직 방향의 자기장을 측정하였다.

자기집속 유닛이 없을 때에는 자기장에 따라 수평 방향인 X축에 대해서는 저항 변화를 측정할 수 있었지만(도 6(a) 참조), 수직 방향인 Z축 특성에 대해서는 측정이 불가능하였다(도 6(b) 참조). 하지만, 자기집속 유닛이 배치된 이후에는 도 6(c)에서와 같이 수직 방향인 Z축의 저항 변화를 측정할 수 있었다.

Claims (5)

1. 기판 상에 휘트스톤 브릿지로 형성된 자기저항 유닛과 자기집속 유닛을 포함하고,
   상기 자기저항 유닛은 적어도 4개의 R1, R2, R3 및 R4 자기저항 소자를 포함하며,
   상기 R1과 R3는 상기 휘트스톤 브릿지에서 서로 대각선으로 대향하는 세트이며,
   상기 R2와 R4는 상기 휘트스톤 브릿지에서 서로 대각선으로 대향하는 세트이며,
   상기 R1와 R2 사이에 제1 단자, 상기 R2와 R3 사이에 제2 단자, 상기 R3와 R4 사이에 제3 단자, 상기 R1과 R4 사이에 제4 단자가 있으며,
   상기 제1 단자와 제3 단자는 전류가 입출력되는 전류단자이고, 상기 제2 단자와 제4 단자는 출력전압을 검출하는 전압단자이고,
   상기 자기집속 유닛은 상기 자기저항 소자 중 어느 하나 또는 인접하는 두 개의 자기저항 소자의 위로 일부분이 겹치거나 가장자리 주변으로 배치되는, 3축 자기저항 센서.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 자기저항 소자는 강자성(ferromagnetic) 박막과 반강자성(antiferromagnetic) 박막이 적층된 구조이고, 상기 자기집속 유닛은 절연층 위에 강자성층이 적층된 구조인, 3축 자기저항 센서.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 적어도 4개의 자기저항 소자는 사행식으로 연속되어 서로 연결되고, 상기 자기저항 유닛은 상기 기판 위에서 상기 적어도 4개의 자기저항 소자가 모여 원형, 타원형, 사각형 또는 마름모형 형태로 나타나는, 3축 자기저항 센서.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 자기집속 유닛이 상기 자기저항 유닛 위로 일부분이 겹쳐 배치되고, 상기 겹치는 일부분은 상기 자기저항 유닛의 밑면 면적의 50% 이하인, 3축 자기저항 센서.
   
5. 제2 항에 있어서,
   상기 저기저항 소자의 강자성 박막은 NiFe로 이루어지고 두께는 10~50nm범위이며, 상기 반강자성 박막은 IrMn, NiMn, NiPtMn으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상이고 두께는 10~70nm 범위인, 3축 자기저항 센서.
   

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