KR910004261B1 - 자전 변환 소자를 이용한 검지기 - Google Patents

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Description

자전 변환 소자를 이용한 검지기

제 1 도는 종래의 자기 저항소자의 평면도.

제 2 도는 종래의 전력계를 나타낸 구성도.

제 3 도는 본 발명의 원리구성을 보인도.

제 4 도는 자기 저항소자로 브릿지회로를 형성하여 본 발명의 원리를 설명하기 위한 검지기의 구성도.

제 5 도는 두 개의 자기 저항소자를 직렬 접속하여 본 발명의 원리를 설명하기 위한 검지기의 구성도.

제 6 도는 네개의 자기 저항소자를 사용하여 전력 측정 방법을 나타낸 구성도.

제 7 도는 두개의 자기 저항소자를 사용하여 전력 측정 방법을 나타낸 구성도.

제 8 도는 L.E.E.E. Trans. Magnetic(1975)에 기재되어 있는 종래의 바버-폴(Barber-pole)형 자기 저항소자를 보인도.

제 9 도는 바버-폴형 자기 저항소자에 수직으로 인가된 자계에 따라 선형적으로 변화하는 그의 저항을 나타낸 그래프.

제 10 도는 브릿지회로를 형성한 본 발명의 자기 저항소자의 패턴을 나타낸 평면도.

제 11 도는 제 10 도에서 일점쇄선 Ⅳ-Ⅳ을 따라 취한 횡단면도.

제 12 도는 제 10 도에서 바버-풀 패턴의 치수를 나타낸 도.

제 13 도는 제 10 도에서의 B부분의 부분확대도.

제 14 도는 바버 풀형 자기 저항소자의 패턴을 보인 도.

제 15 도는 정면으로 절단하여 하나의 모듈로 조립된 검지기의 사시도.

제 16 도는 본 발명의 자기 저항소자의 패턴의 사시도.

제 17a 도 및 제 17b 도는 도선과 검지기와의 관계를 각각 나타낸 평면도 및 정면도.

제 18 도는 본 발명을 이용한 전류 측정 결과의 그래프.

제 19 도는 제 10 도와 유사한 패턴을 사용한 초기의 자화의 다른 형태의 구성도.

제 20 도는 제 16 도와 유사한 패턴을 사용한 초기의 자화의 다른 형태의 구성도.

제 21 도는 기판에 형성되어 있는 관통공의 단면도.

제 22a 도 내지 제 22c 도는 각각 이방성 에칭공정에 의하여 형성되는 실리콘 기판에서의 관통공의 평면도, 저면도 및 단면도.

제 23a 도 내지 제 23d 도는 각각 제 22a 도 내지 제 22c 도의 방법과 다른 이방성 에칭공정에 의하여 형성되는 실리콘 기판에서의 관통공의 평면도, 저면도 및 단면도.

제 24 도는 전력측정을 하기 위한 두 검지기의 구성도.

제 25 도는 교류 전압원을 사용할때의 전력측정을 하기 위한 회로 구성도.

제 26a 도 내지 제 26c 도 중에서, 제 26a 도는 전압, 전류 및 전력관계를 나타낸 도이고, 제 26b 도는 저항만으로 부하가 걸리고 10㎐ AC전력원을 사용할때의 전력측정을 하기 위한 회로 구성도이며, 제 26c 도는 테스트 결과를 나타낸 도.

제 27a 도 내지 제 27c 도 중에서, 제 27a 도는 전압, 전류 및 전력관계를 나타낸 도이고, 제 27b 도는 캐패시터만으로 부하가 걸리고 10㎐ AC전력원을 사용할때의 전력측정을 하기 위한 회로 구성도이며, 제 27c 도는 테스트 결과를 보인 도.

본 발명은 전류 또는 전력을 측정하기 위한 자전 변환소자를 이용한 검지기에 관한 것으로, 특히 콤팩트 사이즈이고 검지정도가 정확하며 직류(DC), 교류(AC)전원 모두에 사용될 수 있는 검지기에 관한 것이다.

영구자석 극성들 또한 전류 운송 고정 코일들 사이에 있는 이동 코일 또는 이동 철편이 회전하면서 지시계 바늘의 역할을 하므로서 전류를 직접 측정할 수 있는 각종 전류 측정기가 있지만 크기가 상당히 커 고압 회로에 사용하는 경우 절연문제가 대두된다. 전류 변압기용의 다른 형태의 측정기는 대전류를 측정할 수 있고, 절연문제에 대하여서는 어느정도 경감시켜 주지만 고주파 성분을 가지고 있는 전류를 측정하기가 어렵다는 단점이 있다.

현재, 홀(Hall)-효과소자와 자기 저항소자 등의 자전 변환소자를 부하회로에 삽입하지 아니하고 전류를 측정하고 있는데, 부하전류가 도선을 거쳐 흐르는 경우 도선 근방에 발생한 자계를 검지하므로 이들 소자를 부하회로와 분리하여 검지ㆍ측정하는데 적용할 수 있다.

홀-효과소자는 다음의 특성을 이용하는데, 그 특성은 전류 흐름방향의 직각으로 존재하는 자장의 영양하에 있는 전류 운송체(보통, 반도체 재료)가 전류 및 자장 등의 직각방향으로 전압을 발생하는 특성이다.

측정할 부하전류로부터 홀-효과소자에 인가된 자계를 발생하는 경우에 홀-효과소자로부터 부하전류에 응하는 홀-효과소자의 특성에 대응하는 전압치를 출력하므로 홀-효과소자가 다단자(적어도 3단자)소자가 되고 전류입력단자들 및 전압출력단자들이 있다.

자기 저항소자는 재료가 자계를 받는 경우 강자성체의 전류 운송저항이 증감되는 특성을 이용한다. 부하에 의하여 자계가 발생될 때, 자기 저항소자를 통하여 흐르는 전류는 부하전류에 따라 변화되므로 자기 저항소자는 기본적으로 2단자 소자이다.

자기 저항소자를 이용한 전류 측정기의 일예가 마쓰모또의 일본국 특개소 59-79860에 기재되어 있고 그것을 제 1 도에 도시하였다. 도면에 있어서, 측정할 전류는 도면을 수직방향으로 관통하는 도선 1을 따라 흐른다. 절연기판 5상에 스트립형으로 Fe-Ni합금 등의 강자성체의 자기 저항층 2를 형성하고, 자기 저항층 2의 빗금친 부분 끝에 단자 3,4를 형성한다. 자기코어 6은 도선 근방에서 발생한 자계로서 자기 루프(loop)7을 쉽게 형성할 수 있도록 놓여져 있고, 그 루프 7은 자기코어 6과 자기 저항층 2를 관통한다. 자기 저항층 2를 통하여 흐르는 정전류에 의하여 발생되는 단자 3과 4 양단의 전압강하를 측정하면 두 단자 3 및 4의 저항치들을 측정할 수 있다. 부하전류에 의하여 발생되는 자계의 영향하에 있는 저항의 변화로 부하전류가 변화된다.

이러한 형태의 검출기 구조에는 비교적 큰 크기를 갖는 자기코어가 필요하며 더욱이, 지자기가 측정치의 오차를 야기시킨다.

동일한 방법으로 제 2 도에 도시되어 있는 홀-효과소자를 사용하여 전류를 측정할 수 있다. 단자 Ta는 홀-효과소자 8을 통하여 흐르는 소전류 I를 발생케하는 정전압원 V에 연결되어 있고 또한 홀-효과소자 8에 소직으로 존재하는 자계 B를 발생하는 단자 Ta'양단에 부하전류 I가 흐르면 홀-효과소자 양단에 유도되는 전압 V(홀 전압)을 검지할 수 있는데, 그 전압은 i 및 B 방향에 모두 수직방향에 존재한다.

제 2 도에 도시한 홀-효과소자로 전력을 측정할 수 있다. 단자 Ta는 단자 Ta'를 통하여 흐르는 부하전류를 동시에 공급하고 있는 전원에 연결되어 있을 때 홀-효과소자 8을 통하여 흐르는 전류 i는 전원전압 V에 비례하고 인가자계 B는 부하전류 I에 비례하고, 또한 유도된 홀-전압 V는 전력에 비례하므로 그를 측정할 수 있다. DC전원을 사용하는 경우는 직접 DC출력을 얻는 한편, AC전원을 사용하면 매 반 사이클마다 자계의 두 극성과 홀-효과소자에 흐르는 전류의 방향이 뒤바뀌므로 홀-효과소자의 결과적인 출력은 2배 부파수를 지닌 요동 전압 파형이 나타난다. 출력이 평균치일 때는 전력과 같다.

측정기에 홀-효과소자를 적용하는 경우에는 소자를 외부자계로부터 차폐시켜야 하고, 특히 지자기로부터 보호해야 한다. 이것이 측정기의 크기를 크게 만들게 하는 것이다.

자전 변환소자를 이용하고 구성이 간단하며 콤팩트 사이즈인 전류 검지기를 제공하는 것이 본 발명의 일반 목적이다.

광 대역 주파수(예를들면, DC에서 고주파수까지)에 적용할 수 있는 검지기를 제공하는 것이 특별 목적이다.

전력뿐만아니라 전류도 검지할 수 있는 검지기를 제공하는 것이 본 발명의 다른 목적이다.

제 3 도는 본 발명의 원리를 개략적으로 설명한 것이다. 측정할 전류 12는 도선 11근방에서 자계 13을 형성하면서 도선 11을 통하여 흐른다. 도선 11을 중심으로 그 주변에 서로 반대 방향에서 대향하고 있는 식으로 자전 변환소자 14,15가 놓여져 있고 그들 소자의 출력단들에는 합성장치 16이 접속되어 있다. 자전 변환소자 14의 특성이 자전 변환소자 15의 특성과 동일하고 그들 각각은 전류 12가 흐름으로써 발생되는 자계13의 영향을 받으며, 그 자계의 각 변환소자들의 배치방향과 같아서 각 출력은 동일 극성을 지닌 동일 전압을 출력하므로 이들 출력들이 차동 증폭기 등의 L합성장치 16에서 합성되는 경우에 그 합성장치의 출력은 2배로 된다.

그러나, 지자기등의 외부 방해 자계는 자전 변환소자들의 극성을 서로 반대로 만들게 하므로 차동 증폭기에서 서로 상쇄된다.

제 4 도는 본 발명의 원리를 모식적으로 설명하는 것인데, 여기에서 다수의 자전 변환소자를 사용하여 브릿지회로를 구성한다. 브릿지회로는 불평형전전류를 출력하는데 그 전류는 전류 12에 의하여 발생되는 자계로인한 변환소자들의 저항변화(이 경우에 자기 저항소자 14-1 내지 14-3 및 15-1 내지 15-3을 이용한다.)에 의하여 일어난다. 이런 형태의 검지기에는 고감도 및 고측정 정밀도 등의 특성이 있다.

실제의 구성에 있어서는 자기 저항소자 14-1과 14-2 및 15-12과 15-2를 도선 11을 중심으로 그 주변에 서로 반대로 설치한다. 자기 저항소자의 선택에 있어서는 바버-폴형이 본 목적에 가장 합당하다.

자기 저항소자는 유리, 실리콘 등의 기판 18상에 설치되는데 브릿지회로 중심에 난 관통공을 통하여 도선 11이 관통된다. 정전류원 또는 정전압원 20은 브릿지의 한 단자쌍에 연결되어 있고, 증폭기 21은 브릿지의 다른 단자쌍에 접속되어 있어서 불평형 전류를 증폭하게 된다. 포토리소그라피 기법으로 패턴화한 기판상에 자기 저항물질을 증착함으로써 자기 저항소자들이 형성되므로, 소자들 14-3 및 15-3이 4개의 자기 저항소자들 14-1, 14-2, 15-1 및 15-2의 브릿지의 평형을 조절하도록 형성된다.

전류 12가 도선 11을 통하여 흐를 때 그 근방에 자계가 형성된다. 자계의 영향으로 자기 저항소자 14-1 및 14-2의 저항치가 증가되고 다른 한편으로는, 자기 저항소자 15-1 및 15-2의 저항이 저하되도록, 혹은 상가와 반대로 되도록 자기 저항소자들이 배치되기 때문에 자계방향으로 브릿지 평형이 상실되고 브릿지 출력단에서는 불평형 전압이 출력된다. 증폭기 21의 출력은 전류 12의 비례치가 나타나게 된다.

도선 11에 AC전류가 흐르는 경우에 교류 출력전압을 얻을수 있고, 또한 증폭기 출력도 전류 12에 비례하는 교류 파형이다. 동일 극성이고 직렬로 연결되어 있는 복수의 자기 저항소자도 또한 전류를 검지하는데 사용할 수 있는데, 그의 동작원리를 제 5 도에 의거하여 설명하면, 기판 18상에 자기 저항소자들 14-1 및 14-2를 설치하고 관통공 19를 중심으로 그 근방에서 서로 대향하도록 배치되어 있다. 자기 저항소자 14-1 및 14-2는 직렬로 연결되며 그 단부는 정전류원 20에 연결되어 있다. 두 자기 저항소자 14-1 및 14-2양단의 전압 강하는 전류 12에 의하여 야기되는 자계에 대응하는 전체 저항치에 따라 변한다. 캘리브레이션(calibration)후에 지시계 20에 의하여 지시된 전류치를 읽어 전류를 측정한다. 이 장치의 구성은 제 3도 및 제 4도의 구성보다 간단하다.

본 발명의 검지기를 전력을 측정하는데에도 적용할 수 있다. 제 6 도는 부하 10에서 소모된 전력을 측정하는 구성도이며, 그 구성도에서는 제 4 도에 도시한 바와 같은 자기 저항소자들이 브릿지를 형성하고 전원 40과 병렬로 연결되어 있다. 자계 발생기 13은 부하 10과 직렬이 되도록 삽입된다. 제 4 도에서 관통공 19를 관통하는 단일의 코일 또는 도선 11등의 자계발생기 13을 사용할 수 있고, 브릿지 80의 표면근처에 놓여있는 전류를 운반하는 도선 또는 코일 역시 자계발생기 13으로서 작용한다. 그러나 자기 저항소자들중 적어도 하나는 자계발생기 13의 영향하에 있어야 한다. 제 6 도는 두가지 저항소자 14-1 및 15-2가 자계발생기 13의 영향을 받기 위하여 놓여져야 한다는 조건을 보인 것이다. 단자들 Ta사이에 전원이 연결되어 있지만 브릿지 80의 평형상태에서는 단자 Tb에서 출력이 검지되지 아니한다. 부하전류는 부하 10 및 자계발생기 13을 통하여 흐르고, 그 흐름에 의하여 발생되는 자계는 자기저항 14-1 및 15-2의 저항치의 변화를 일으키는데, 즉 한소자의 저항치가 증가하면 다른 한소자의 저항치가 감소하므로 단자 Tb에서 불평형 전압의 출력에 있어서는 전원 40의 전압에 비례하여 출력된다. 그 결과로 단자 Tb에 있어서의 출력전압은 부하전류 및 전원전압의 곱에 비례하며, 이 곱은 부하 10에 공급된 전력과 같다.

전력측정의 방법으로서, 다른 한 방법에 있어서는 제 7 도에 도시되어 있는 바와 같으며, 여기에서 제 5 도에 도시한 바와 같은 자기 저항소자들의 배열을 적용하였다. 직렬 접속되어 있는 자기 저항소자 14-1 및 14-2의 특성은 동일하고 그들은 전원 40과 병렬 접속된다. 부하전류는 자계발생기 13에 의한 자계를 발생하고, 그 자계가 자기 저항소자 14-1 및 14-2의 저항 변화를 일으키는 결과로, 검출기의 전류가 변한다.

다른 한편으로는 전원 40의 전압에 따라 검출기 전류가 변화하므로 검출기 회로를 통하여 흐르는 전류 변화분은 부하전류와 전원전압의 곱에 비례한다. 다시말하면, 부하 10에 공급된 전력에 비례한다. 이러한 방법에 있어서, 무부하 상태에서도 자기 저항소자들을 통하여 검출기의 전류가 흐른다. 제 6 도에 도시한 바와 같은 브릿지를 사용하는 방법에 있어서는 무부하 상태에서 출력이 없으므로, 제 6 도의 검지정도의 정확도가 제 7 도의 정확도보다 높다.

본 발명의 검지기에 적용할 수 있는 자전 변환소자가 몇가지 있는데, 그들중에는 홀-효과소자와 자기 저항소자가 대표적이다. 홀-효과소자에 있어서는 전류의 방향과 직각 방향으로 존재하는 자계의 영향하에 있는 전류 운송 물질이 전류 및 자계 모두에 대하여 직각방향으로 존재하는 전압을 발생하는 특성을 이용하고, 자기 저항소자에 있어서는 물질이 자계영향에 있을 때 가자성체의 전류 운반 저항이 증감되는 특성을 이용한다.

이들 소자들은, 전류에 의하여 발생되는 자계를 검지함으로써, 전류를 검지하거나 측정을 하는데 적용한다. 홀-효과소자의 재료로서는 Insb, InAs, Ge, Si등과 같은 반도체가 있다.

자기 저항소자의 재료로서는 Fe-Ni(퍼멀로이), Co-Ni등등이 강자성체들이 있는데, 이들 강자성체들은 주변 온도변화에 대한 저항성이 뛰어난 특성 때문에 가장 널리 사용한다.

그리고, 자전 변환소자에 대하여서는 홀-효과소자를 다단자로서 다룰 수 있지만 자기 저항소자는 2단자소자로 다룰 수 있다. 또한, 자기 저항소자의 이점으로서는 복수의 소자들의 복잡한 패턴을 포토리소그라피기법으로서 기판상에 형성할 수 있다는 것이다.

자기 저항소자의 적용에 있어서는 K.E.KDuijk등의 "바버-폴, 선형 자기 저항헤드"I.E.E.E. Trans. Magnetics, Vo1. Mag-11, No.5, Sept. 1975.에 기재되어 있는 바버-폴형이 좋을 것이다.

상기 문헌에서, 제 8 도에 도시한 강자성체층의 패턴상에 양 전도체의 경사 줄무늬가 형성되어 있어서 그 줄무늬의 경사각은 자화축(화살표 M에 의하여 나타내져 있는)에 대하여 거의 45°정도이다. 제 9 도에서, 단자 42와 43사이에서 전기저항은 Hx/Ho=0인 가로 좌표 근방에서 거의 선형적으로 변하고, 여기에서 Ho는 자기 저항층의 포화전계이고, Hx는 축 M에 인가한 횡단자계이다.

최대 변화분에 대한 저항률 변화를 제 9 도에 세로축에 나타내고 있다. 본 발명의 검지기는 자기 저항소자의 저항 또는 저항률 변화특성을 이용한다.

제 9 도에 있어서, (a)인가 자계의 방향, (b)바버-폴 패턴의 경사방향, (c)자기 저항층의 초기 자화방향, (d)자기 저항소자를 통하여 흐르는 전류 방향등, 상기 방향들에 따라 가로 좌표축의 수직선에 대하여 저항률의 경사방향이 반전하므로, 기판상에 다수의 자기 저항소자들을 형성하고 상호 접속하며 감지기로 이용하는 경우에, 바버-폴 패턴들의 경사방향 또는 초기 자화의 방향을 자기 저항소자들의 설치를 고려하여 결정하여야 한다.

제 10 도 내지 제 14 도는 제 4 도의 기본 구성에 응하는 검지기의 상세도이다. 제 10 도는 기판상에 형성된 자기 저항소자들의 패턴의 평면도이고 제 11 도는 일점쇄선 IV-IV을 따라 취한 단면도이며, 여기에서 수직치수(차원)는 수평치수보다 훨씬 크다. 네 개의 자기 저항소자들 14-1, 14-2, 15-1, 15-2의 패턴들은 도넛츠형으로 기판 18상에 형성되어 있고 각 소자들은 굴곡 패턴으로 이루어졌다. 네 개의 본딩 패드들 22-1내지 22-4는 기판상에 형성되어 있고 각 브릿지 접속점에 연결되어 있다.

다음 공지 기술로 자기 저항소자들의 패턴을 형성하는데 그 첫 번째로서는 이산화 실리콘층등의 절연층 23을 실리콘기판 18상에 형성하고 나서 그 절연층 23상에 퍼멀로이(Fe-Ni)합금등의 강자성체로 이루어진 층 24를 증착하여 공지의 포토리소그라피 기술로 강자성체층 24를 패턴화하면, 그 결과로 제 10 도와 같은 패턴이 형성된다.

제 13 도는 제 10 도의 B부분의 부분확대도이다. 제 13 도에 도시되어 있는 바와 같이 굴곡 퍼멀로이 패턴에 있어서의 각 측면선 29는 일점쇄선에 대하여 α각도로 그어져 있고 그 각 α는 관통공 19의 중심의 반경으로부터의 각도이며, 그 관통공을 통하여 도선 11이 관통하게 된다. 자기 저항소자 14-1, 14-2, 15-1, 15-2의 굴곡 패턴을 각 굴곡 스트립의 세로축이 동일방향에서 각 α정도로 형성한다. 이에 대한 이유로서는 패턴을 형성하는 경우 굴곡 스트립의 초기 자화에 의하여 전자기 이방성에 주어진다. 이것은 도선 11을 통하여 흐르는 과전류의 흐름에 의하여 달성되고, 도선 11근방에서 자계 Hi가 발생된다. 제 13 도에 도시되어 있는 바와 같이 자계 Hi의 방향은 반경 일점쇄선 30에 수직하므로, 그의 각도 측면선 29에 대하여 90-α이어서 Hix sinα와 같은 자계 성분 Hp를 세로방향으로 스트립 패턴에 인가한다. 각 α각 2-3。정도이고 Hi의 크기가 8000e이라면 Hp의 크기가 4-500e인 경우 전자기 이방성을 준다.

초기 자화후에 탄타륨 몰리브덴(TaMo)또는 크롬의 콘택트층 25, 그리고 금(gold)층등의 전도층 26을 증착하고 나서 패턴화한다. 바버-폴 패턴의 치수(차원)는 제 12 도에 도시되어 있는 바와 같다. 또한, 제 12 도에서 알 수 있는 바와 같이 서로 이웃해 있는 소자 14-1과 15-2에 있는 경사 패턴들 26의 방향은 서로 반대로 되어 있으며, 그것은 이웃해 있는 두 소자의 저항변화에 브릿지 회로에 사용한 방향과 반대방향에서 변하도록 한다. 보통 경사각은 약 45°로 하는데, 이로 인하여 바이어스 자계를 사용할 필요가 없고 인가 자계에 따라 저항이 선형적으로 변화된다.

자기 저항소자들과 동시에 네 개의 본딩패드 22-1 내지 22-4, 접속선 28 및 두 개의 조정패턴 14-3 및 15-3이 형성되고, 마지막으로 전면상에 보호층 27을 코우팅한다. 조정패턴 14-3 및 15-3은 평형 브릿지회로의 저항을 설치하는데 사용한다.

퍼멀로이 증착공정에 앞서 기판 18에다 관통공 19를 형성하고 제 10 도에 도시되어 있는 바와같이 장사방형을 이루는데는 단결정 실리콘 기판면(1,1,0)상에 이방성 습식 에칭공정을 행하는 것이 적합하다.

제 14 도는 제 10 도의 자기 저항소자 15-2의 부분 C를 구성하는 퍼멀로이 패턴의 확대도이다. 인접한 두 퍼멀로이 스트립들 사이의 갭의 치수를 패턴의 전면상에서 거의 일정하게 유지하게 하는 방식으로 이 패턴을 형성하였으므로, 퍼멀로이 스트립 24의 폭 W는 반경위치의 증가에 따라 차츰 증가한다. 전도층 26의 폭 W과 갭G를 패턴전체를 통하여 거의 일정하게 한다. 도선 11을 통하여 흐르는 전류의 흐름에 의하여 발생되는 자계는 도선 11과의 거리에 따라 변화하는데, 즉 거리가 멀어짐에 따라 차츰 자계는 약화되지만, 이 경우에는 퍼멀로이 층의 측변 폭 W는 도선 11로부터의 거리가 멀어지기 때문에 어쩌든 외변측상에 자계가 감소하는 것을 어느정도 보상하고 검지기의 특성을 개선할 수 있다.

제 15 도는 하나의 모듈로 조립된 검지기의 정면 절단 사시도이고, 거기에서 단자 30은 출력 증폭기와 입력 전원에 접속시키기 위한 것이고 외장 32에 있는 기판 18에 고정하는 데에는 리이드 프레임이 사용된다. 부하회로에 도선 11을 접속하는 경우에 검지기 근장의 자계를 검지하여 부하전류를 측정한다.

제 16 도는 제 5 도의 원리에 기초한 검지기의 바버-폴 패턴을 보인 것이고, 본 도에 있어서, 바버-폴형 자기 저항소자들 14-1 및 14-2를 왼쪽에 절반, 오른쪽에 절반 대칭적으로 설치하였다. 초기 자화의 전방향은 관통광 19로부터 외측으로 분기하는 방향 또는 관통공 19로 내측으로 수렵하는 방향이다. 본딩 패드들 22-1 및 22-2를 정전류원이나 혹은 정전압원에 접속하고, 또한 그들은 본딩 패드들 양단의 전압강하를 측정하는 증폭기에 연결되어 있다. 제 16 도에 도시한 퍼멀로이 층의 패텅은 제 12 도 및 제 13 도에 도시한 패턴과 유사하고 제 12 도 및 제 13 도에 있어서는 관통공으로부터의 거리에 상관없이 퍼멀로이 층의 폭 W는 동일치를 가지고 퍼멀로이의 스트립 패턴의 세로방향은 제 13 도에 도시되어 있는 바와 같이 관통공 중심으로부터의 반경방향에서 작은 각도로 떨어져 있다. 제 14 도에 도시되어 있는 바와 같은 바버-폴 패턴 또한 적용할 수 있다. 자기 저항소자 14-1에 있어서의 바버-폴 패턴의 전도층 26의 경사각은 자기 저항소자 14-1 및 14-2의 전도층 26의 경사각과 동일하여서 두 자기 저항소자 14-1 및 14-2에 대한 저항 변화의 극성도 같다.

제 10 도 및 제 16 도에 도시되어 있는 패턴 구조를 이용하여 측정함에 있어서는 도선 11은 관통공 19를 관통하는 한편, 본 발명의 검지기는 제 17a 도 및 제 17b 도에 도시되어 있는 바와 같이 기판 18에 근접하여 있고 그 기판 18과 평행하게 놓여져 있는 도선 11을 통하여 흐르는 전류를 측정하는데 사용한다.

제 17a 도는 평면도이고 제 17b 도는 정면도이다. 도선 11을 기판 18과 평행하게 고정하고 자기 저항소자들을 그위에 형성하는 것을 제외하는 도선이 자기 저항소자들의 패턴의 중심영역상에서 오른쪽으로 통과하는 것이 바람직하다. 그리고 보통 도선은 단면이 둥근 와이어(wire)를 사용하지만, 제 17a 도 및 제 17b 도의 경우에 있어서는 단면이 리본 와이어 등의 직각 평탄형 도선이며, 이는 자기 저항소자들에 인가 된 자계를 균일하게 해준다.

이러한 방법으로 검지기를 사용할 때 제 17a 도 및 제 17b 도의 도선에 의하여 발생되는 자계의 방향은 기판상에서 단일방향, 예를들면 X방향 또는 Y방향이므로, 도선의 방향에 따라 X-축 또는 Y-축에 대하여 반대로 된다.

제 10 도에 도시한 브릿지 패턴을 지닌 검지기를 시험하면, 도선 11과 기판 18과의 사이의 갭이 0.4mm이고, 그 결과를 제 18 도에 도시하였다. 여기에서 가로좌표는 측정한 전류이고 세로좌표는 증촉기의 출력이다. 기판상에서 전류 1.0암페어 당 자계는 5.60e/A이다.

각각이 기판상에 도넛츠형으로 배열된 다수의 자기 저항소자들로 이루어진 복수의 검지기들의 감도 및 특성이 개선된다. 예를들면, 각 관통공에서 동일 도선을 가지고 복수의 검지기들을 적층한다. 각 검지기로부터의 출력들을 합성할 때, 감도는 2배가 된다. 서로 각각 특성이 약간씩 다른 복수의 검지기들의 출력들이 합성될 때 특성이 개선될 수 있다.

제 17a 도 및 제 17b 도의 측정방법을 적용함에 있어서는 도선의 양측상에다 두 검지부를 놓을 수 있으므로, 결과적으로 출력이 2배로 된다. 그리고 다른 방법으로서는 도선을 검지부에다 전류방향과 동일한 방향으로 감아 코일형태로 만든다.

제 10 도 및 제 16 도에 도시한 바와 같은 검지부들의 초기 자화방향을 가지고, 그 방향은 검지부로부터 나가는 방향이거나 그 중심으로 들어오는 방향이다.

제 13 도에서 이미 설명한 초기 자화를 조정하거나 동작시키는 일은 귀찮은 일이다. 왜냐하면 도선 중심으로 대전류가 흐르도록 하게 하고 있으므로, 간단한 방법을 요하기 때문이고 또한 전자석을 사용하는 것 역시 번잡스러운 일인데, 그것은 전자석의 한 극성을 일형 패턴의 중심에 설치해 놓고 다른 극성을 패턴의 주변영역에 배치시켜 놓았기 때문이다. 이러한 문제점들을 개선하기 위하여서는 X-축 또는 Y-축에 대하여 초기의 자화방향을 반대로 되게하는 것이다. 제 19 도는 제 10 도의 실시예를 개선한 일예를 보인 것이다. 여기에서 자기 저항소자들 15-1 및 14-2의 초기 자화 방향들은 중심으로 들어오고 그 중심으로부터 발산하는 방향이다. 제 20 도는 초기 자화를 제 16 도의 검지기를 적용하는 방법의 다른 형태를 보인 도이다.

제 19 도 및 제 20 도에서, 자기 저항소자들의 초기 자화방향을 X축에 대하여 반대로 하고, 그 자화 방향은 관통공 19의 중심으로 들어오고 그 중심으로부터 발산하는 방향이다. 이 경우에 있어서, 초기 자화의 방향은 X축 근방에서 불안정하게 되므로 바버-폴형 자기 저항소자들의 굴곡 패턴들을 제 19 도 및 제 20 도에 도시한 바와 같이, 영역에서 제외한다.

그러한 패턴들을 형성하는 경우에 주변영역 외부에 X축에 대하여 대칭적으로 전자석의 N극 및 S극을 위치시키고 패턴들을 자화시킨다.

자화의 방향을 반대로 하는 경우에 자기 저항소자의 극성 또한 변하므로, 검지부의 동일 특성을 유지하기 위하여 바버-폴의 경사 방향이 변하여야 한다. 이것은 제 19 도의 자기 저항소자 15-1 및 14-2의 경사 방향들을 제 10 도의 경사 방향들과 비교해 보면 알 수 있다. 그리고 제 20 도에서의 하측에 있는 자기 저항소자 14-1 및 14-2의 경사 방향과 제 16 도의 경사 방향과 비교하면 그들 방향은 서로 반대로 되어 있다.

그리고 제 10,11,16,19 및 20 도에서 도시한 바와 같이, 기판의 관통공 19의 구멍을 뚫는 방법을 설명한다. 전류를 정확하게 측정하기 위하여, 도선 중심을 기판에 수직으로 확고하게 고정한다. 매 측정할 때마다 도선을 관통공 19에 집어넣는 일은 성가신 일이므로 관통공 19를 커버하는 전도층과 부하회로에 연결하기 위한 전도성 패드를 제공한다.

제 21 도는 실리콘 기판의 부분 단면도이고 기판상에 자기 저항소자들이 형성되어 있다. 환형공 45를 형성하고서 프레이팅(plating)또는 스퍼터링(sputtering)방법으로 기판 양면 46-1과 46-2에 이웃해 있는 금속층 46을 그의 내면 46에다 코우팅 한다. 관통공 19의 구멍을 뚫는 방법으로서는 공지의 물리 또는 화학방법을 적용할 수 있다.

알카리 용액에 열을 가하면 단결정 실리콘은 이방성 에칭 특성이 나타난다는 것은 공지의 사실인데, 이것은 에칭속도가 실리콘 기판의 표면 방향에 따라 다르기 때문이다. (1,0,0) 및 (1,1,0)표면 에칭속도는 고속이지만 (1,1,1)표면의 에칭속도는 저속이므로, 실리콘 기판을 이방성 에칭하는 경우에 기판 표면이 (1,1,1)상태로 된다.

이방성 에칭후에 적절한 표현 방향을 가지고 마스크 패턴의 측면 결정축의 방향이 일치한 실리콘 웨이퍼를 실리콘 기판위에 얹어 놓고 그 중심에 구멍을 뚫는다.

예를들면, 피라미드형의 구멍을 뚫는 방법은 제 22(a),22(b) 및 22(c)도에서 설명할 것이다. (1,0,0)면을 지닌 단결정 기판이 정방형 마스크 패턴을 이용하여 이방성 에칭을 쉽게하면, 그에 의하여 정방향 패턴의 측면은 실리콘 기판의 〈1,1,0〉방향과 일직선이 되어 기판 18에 절두식 피라미드형 구멍 18이 된다. 그리고 나서는 구멍 47의 내면에 금속층 46을 증착함과 동시에 기판 18의 양면에 패드부분 46-1 및 46-2를 형성한다.

상기 구멍 형성 공정의 상세한 과정은 다음과 같다.

(a) 실리콘 기판 18에 열산화시켜 두께 0.5-1.0μm정도의 이산화 실리콘층을 형성하는 과정.

(b) 포토리소라피 기법으로 이산화 실리콘에 장방형 개구를 형성하여, 그에 의하여 장방형의 한측과 실리콘 기판의 〈1,1,0〉방향과 나란하게 하는 과정.

(c) 실리콘 기판에 대하여 세로방향 경사각을 55℃로 하고서 상측 실리콘 면에 대개구 47-1, 하측 실리콘 면에 소개구 47-2가 있는 절두식 피라미드형 구멍을 이방성 에칭으로 형성하고, 에칭 용액으로서, 에틸렌디아민 255cc, H₂O 120cc, 카테콜(catecol) 46gr을 100-110˚에서 혼합하여 사용하는 과정.

(d) 자기 저항소자들을 형성한 후에 구멍 47을 금속층 46으로 입히는 공정.

구멍형성의 다른 실시예를 제 23a 도 내지 제 23d 도에서 설명하며, 제 23a 도는 평면도, 제 23b 도는 저면도, 제 23c 도는 A-A선을 따라 취한 단면도, 제 23d 도는 B-B선을 따라 취한 단면도이다.

이 경우에서, (1,1,0)면을 지닌 실리콘 단결정 기판 18에 이방성 에칭을 하여, 그에 의하여 마름모꼴형 마스크의 예각을 형성하는 한측을 실리콘 기판 18의 〈1,1,1〉방향과 나란하게 한다. 등각을 형성한 두 축으로부터 수직으로 실리콘 기판을 에칭하지만, 예각을 형성한 두 축으로부터 빗면을 형성하도록 실리콘 기판을 에칭하므로, 그 구멍은 제 23a 도에 도시되어 있는 바와같이 마름모꼴형이지만, 제 23b 도에서는 육각형 48-2이다. 구멍 내벽 및 그 근방의 실리콘 양면에 금속층 46, 46-1l 및 46-2를 증착한다.

본 발명의 검지기로 전력을 검지하는데 이용할 수 있고 이것을 제 6 도 및 제 7 도에서 이미 설명하였다. 제 24 도는 검지기로 전력을 특정하는 다른 실시예를 보인 구성도이고 거기에서 두 검지기 81 및 82를 사용하였다. 전원 40은 코일 71 및 72를 거쳐 부하 10에 전류를 공급하고 상기 코일들은, 한 코일에 의하여 발생되는 자계의 방향과 나머지 하나에 의하여 발생되는 자계의 방향이 서로 반대가 되도록 놓여져 있으며, 또한 검지기 81의 극성과 검지기 82의 극성이 서로 다른 극성이므로 두 검지기에서, 각 검지기의 출력의 두 매를 출력하는 한편, 두 검지기 81, 및 82의 합성회로에서 지자기 효과와 상쇄되서 지자기로 인한 출력은 검지되지 아니한다.

제 25 도는 본 발명의 다른 실시예의 블록도이고, 거기에서 고압 교류전원 40 및 절연변압기 70이 사용된다. 부하회로의 전압은 절연변압기의 전압과 거의 같도록 하고 검지기의 절연문제가 크게 대두될 때는 이 회로를 사용하면 유용하다.

제 26a, 26b, 26c 도에 있어서는 부하를 저항만으로 하여 그 저항에 공급된 전력을 측정하기 위한일 실시예를 보인 것으로서, 그중에서 제 26a 도는 파형도, 제 26b 도는 회로도이고 제 26c 도는 입.출력 위상 관계도이다. 제 26a 도에 도시되어 있는 바와 같이, 전류 i와 전압 e와의 위상은 동상이고 그들의 곱은 전력 p이므로, 전력의 출력파형이 교류 파형이고 거기에서 주파수는 고유 주파수의 2배이며 파형의 값은 모두 양이다.

시험회로를 제 26b 도에 도시되어 있는 바와 같이 내부저항이 50Ω인 10Hz교류전력이 부하 10(50Ω)에 전류를 공급한다. 자계 발생수단은 ψ0.4mm와이어의 권수가 7인 코일이다. 증폭기의 이득은 53dB이다.

증폭기 21의 출력은 제 26c 도에 도시되어 있는 바와 같이, 거기에서 출력 주파수는 입력 주파수의 2배가 된다.

부하가 저항만으로 된 것이 아니라, 인덕턴스 성분이나, 혹은 캐패시턴스 성분이 있는 경우에 전압의 위상보다 부하전류의 위상이 앞서거나 뒤진다. 그리고 전력 파형에 있어서는 가로 좌표축에 대하여 양의 값과 음의 값을 번갈아 요동한다.

가장 간단한 경우에 있어서, 캐패시턴스 성분만으로 부하를 이루고 있는 경우인데, 그곳의 전압 및 전류 관계가 제 27a 도에 도시되어 있다. 전류파형의 위상은 전압파형의 위상보다 90°앞서고 전력파형은 가로 좌표축에 대하여 양과 음의 값을 왔다갔다 요동한다.

부하가 캐패시턴스이고 전원 주파수가 100Hz이라는 것을 제외하고는 제 27 도에 도시한 회로와 유사한 회로를 사용하면 그 베스트 결과가 제 27c 도와 같다. 제 27c 도에서 증폭기 21로부터의 파형은, 전력의 다수의 주기를 일체화하였을 경우에 그것이 제로에 수렴하는 것을 보인 것이다. 이것은 전력이 소모되지 않는다는 것을 의미한다. 부하회로에서 소모된 실효전력을 직접 측정하기 위하여서는 증폭기 21에서 증폭한 것을 회로에서 직접 검지하면 된다.

이미 설명한 바와 같은 검지기는 콤팩트 사이즈이고 이동부분이 없으며 주파수 특성이 우수하다. 그리고 자기 저항소자들의 온도 특성은 홀-효과소자의 것보다 우수하다.

Claims (12)

1. 도체에 전류가 흘러서 발생되는 자계를 이용하는 검지기에 있어서, 기판; 상기 기판상에 형성된 복수개의 바버-폴형 자기 저항소자 및 상기 기판상에 형성되며, 검지된 전기신호를 출력하기 위해 상기 바버-폴형 자기 저항소자의 단부에 연결된 적어도 한쌍의 단자들로 이루어지며, 상기 각 바버-폴형 자기 저항소자들은 복수개의 스트립으로 이루어지며, 상기 각 스트립은 중심으로부터 방사하는 방향으로 형성되고 또한 지그재그 패턴을 이루도록 인접한 스트립에 연결되서 전체적으로 그 내측 및 외측 윤곽선이 도넛츠형을 이루도록 배열되며, 상기 자기 저항소자의 두 개의 인접한 단부들은 서로 선택적으로 연결된 검지기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수개의 바버-폴형 자기 저항소자들은 브릿지 회로를 구성하며, 상기 브릿지 회로의 대향하는 한쌍의 단자들은 출력단자를 형성하며 다른 한쌍의 대향 단자들은 전원이 연결되는 입력단자를 형성하는 검지기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수개의 바버-폴형 자기 저항소자들은 직렬로 연결되며, 상기 직렬 연결된 한쌍의 단자들은 외부 회로 접속용으로 제공되는 검지기.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 전원은 부하회로에도 연결되며, 상기 전류는 주위에 자계를 발생시키면서 상기 부하회로를 통하여 흐르고, 상기 출력단자로부터의 신호는 상기 부하회로의 소비전력에 비례하는 신호로 이루어지는 검지기.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 한쌍의 단자들은 전원에 연결되고, 상기 전원은 부화회로에도 연결되서 상기 전류가 상기 부하회로를 통하여 상기 도체 주위에 자계를 발생시키면서 흐르며, 상기 단자들은 상기 부하회로에서 소비되는 전력신호에 비례하는 신호를 출력하는 검지기.
6. 제 4 항에 또는 제 5 항에 있어서, 상기 출력단자는 중폭기 수단에도 연결되는 검지기.
7. 제 1 항에 있어서, 전류가 흐르는 상기 도체는 상기 기판의 인접 부근에 상기 기판과 실질적으로 평행하게 배치되는 검지기.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 기판은 상기 도넛츠형 윤곽선의 내부에 형성된 관통공을 가지며, 상기 도체는 관통공을 관통하도록 배치되는 자전 변환소자를 이용한 검지기.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 각각의 스트립은 상기 방사방향과 5°이하의 각을 이루는 검지기.
10. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 각 스트립은 실질적으로 일정한 폭을 갖는 검지기.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 각 스트립은 상기 중심으로부터 거리가 멀어 질수록 그 폭이 증가되는 검지기.
12. 제 8 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 결정이며, 상기 관통공은 기판을 에칭하여 형성되는 검지기.

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