KR100441779B1 - 자기저항형 진동센서 및 이를 이용한 진동 측정 방법 - Google Patents

자기저항형 진동센서 및 이를 이용한 진동 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초거대자기저항 재료인 페롭스카이트 La(Sr, Pb, Ba)MnO3망간 산화물 박막을 이용한 자기저항형(magnetoresistance-type) 진동센서 및 이를 이용한 진동 측정 방법에 관한 것으로, 반도체 제조 공정으로 구현 가능한 기판 상에 강자성 전이온도(Ferromagnetic Transition Temperature ; TC)가 상온보다 높은 다결정체 페롭스카이트 망간 산화물을 일정 두께로 증착하여 외부의 영구자석에 의해 발생되는 자기장의 인가 여부 및 세기에 따라 전기저항이 변화하도록 구성되며, 자기저항 변화 효과를 진동 검출의 센싱 원리로 이용한다.

Description

자기저항형 진동센서 및 이를 이용한 진동 측정 방법 {Magnetoesistance-type vibration sensor and a method for sensing vibration using the same}
본 발명은 자기저항형 진동센서 및 이를 이용한 진동 측정 방법에 관한 것으로, 특히, 초거대자기저항(Colossal Magnetoresistance; CMR) 물질을 이용하며, 영구자석에 의해 발생되는 자기장의 세기에 따라 전기저항이 변화하도록 하는 자기저항 변화 효과를 진동 검출의 센싱 원리로 이용한 자기저항형 진동센서 및 이를 이용한 진동 측정 방법에 관한 것이다.
현대 산업의 추세는 대형화, 자동화 및 전자화에 의한 신뢰성을 바탕으로 생산 설비를 도입하고 있으며, 현대 과학의 발전에 따라서 측정장비의 고정밀화를 통한 신뢰성 있는 측정 데이터의 도출은 필수적이라 할 수 있다. 이러한 신뢰성 확보를 위하여 각종 생산설비 및 측정 장비에서 발생되어지는 진동신호를 진동센서를 통하여 검출하고, 이를 이용하여 정상적인 진동범위를 벗어나는 경우를 검출하여 설비의 상태 및 측정 장비의 상태 등을 예측하기 위해 여러 산업 및 과학연구 분야에서 진동계측에 대한 관심이 증대되고 있다.
어느 물체가 기준 위치에 대하여 반복 운동을 할 때 그 물체는 진동을 한다고 한다. 진동의 검출은 운동법칙에 의해 인가된 힘에 의하여 이루어지지만, 그 힘이라는 기계량을 전기량으로 변화하는 방식에 따라서 압전형, 서보형 및 스트레인 게이지형등이 있으나, 현재 압전형 진동센서 [대한민국 특허; 출원번호 20-1995-0028861(1995.10.14), 공개번호 실1977-0019083(1997. 05. 26)]가 가장 널리 보급되어 있다. 일반적으로 압전형 진동센서는 압전소자에 가해진 외력에 의해 변위가 발생되고 그 변위에 의해 전하가 발생되는 압전효과를 이용한 것으로, 센서에 가해지는 힘의 크기에 비례하여 전기량을 얻게된다. 진동의 검출을 위하여 진동센서는 측정 또는 적용하고자하는 대상물에 부착되어 측정신호를 발생하고, 발생된 측정신호는 출력앰프를 통하여 증폭된 후 외부의 전기회로로 전송되어 인식되게 된다. 따라서 핵심 소자인 압전 소자 뿐만 아니라 센서 전체의 구동 회로가 복잡할 뿐만 아니라 측정시 정전용량의 검출을 위해서는 출력 앰프 등의 부가적 회로가 함께 구성되어야 하므로 별도의 검출회로가 필요하다는 단점이 있다. 그러므로 진동 계측 분야에서 센서의 고감도, 저가격 등의 요건을 해결하기 위해서는 종래의 압전 소자를 이용한 정전 용량 검출법의 단점을 극복할 수 있는 새로운 구동 원리를 갖는 센서의 개발이 필요하다.
본 발명은 진동센서 제조에 있어서 종래의 반도체 제조 공정으로 구현이 가능하고, 구동회로 및 검출회로가 단순한 저가의 고감도 진동센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기저항형 진동센서는 센서모체에 부착된 영구자석과, 센서모체에 고정된 고탄성 진동판과, 고탄성 진동판에 의해 상기 영구자석의 한쪽 극으로부터 일정 거리 떨어진 지점에 위치하도록 지지되는 초거대자기저항 물질과, 초거대자기저항 물질의 자기저항 변화를 측정할 수 있도록 부착된 검출 전극을 포함하여 이루어지며, 초거대자기저항 물질이 외부로부터 인가된 힘에 의해 진동하면 초거대자기저항 물질과 영구자석간에 발생된 자기장 축의 거리가 변화되고, 거리 변화에 따른 자속밀도의 변화에 의해 초거대자기저항 물질의 자기저항이 변화되면 전극을 통해 전기적 신호가 출력되도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 자기저항형 진동센서를 이용한 진동 측정 방법은 센서모체에 고정된 고탄성 진동판에 의해 지지되는 초거대자기저항 물질이 외부로부터 인가된 힘에 의하여 진동하면 초거대자기저항 물질과 센서모체에 부착된 영구자석간에 발생된 자기장 축의 거리가 변화되고, 거리 변화에 따른 자속밀도의 변화에 의해 초거대자기저항 물질의 자기저항이 변화되면 전극을 통해 전기적 신호가 출력되도록 하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 자기저항형 진동센서를 설명하기 위한 구조도.
도 2는 본 발명에 따른 자기저항형 진동센서로 동작하는 다결정 페롭스카이트 망간 산화물 박막의 외부 인가 자장에 따른 자기저항 특성 곡선.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 >
1 : 초거대 자기저항 물질 2 : 검출 전극
3 : 고탄성 진동판 4 : 영구자석
5 : 센서모체 6 : 측정 대상물
7 : 영구자석에 의한 자기장 8 : 진동판 고정 나사
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
자기저항 변화 효과란 재료가 외부의 인가 자기장에 노출되었을 때 재료의 전기저항이 변화하는 현상을 말하고 있다. 자기저항 효과의 기원은 원자의 스핀-궤도 결합에 있으며, 자기장의 영향에 의하여 원자핵 주위의 전자분포가 변화되어 전도전자의 산란 양이 달라져 생기게 된다. 일반적으로 자기저항비(magnetoresistance ratio; MR)는 MR = [(R(0)-R(H))/R(0)] x 100 형태로 그 효과의 크기를 나타내는데, 여기서 R(0)는 자기장이 인가되지 않았을 경우의 재료의 전기저항을 나타내고, R(H)는 외부 자기장이 인가된 경우 재료의 전기저항을 나타내고 있다. 90년대 초 La-Ca-MnO3페롭스카이트 망간 산화물 재료에서 MR = 105% 이상의 자기저항 변화율이 나타남이 보고되어(Jin et al. Science, 264,pp413, 1994) 이를 초거대 자기저항 현상(colossal magnetoresistance; CMR)이라 부르고 있다. 그러나 페롭스카이트 구조를 갖는 망간계 산화물의 자기저항 특성은 상온에서 자기저항 변화비가 미미하고, 외부에서 수 Tesla 이상의 큰 자기장을 인가하여야만 CMR 특성이 나타나 실용화를 위해서는 극복하여야 할 과제로 남아 있다. 이러한 페롭스카이트 망간계 산화물의 자기저항변화 현상 중에 낮은 인가자장하에서 급격하게 전기저항이 변화하는 현상이 발견되었으며( H.Y. Hwang et al. Phys. Rev. Lett. 77, pp2041, 1994), 이는 다결정 재료가 갖는 고유의 입계(Grain boundary)에 의한 영향이라는 연구결과가 도출되어 이들 재료의 실용화에 기대가 모아지고 있다. 이러한 실용화 연구 중 하나는 이들 페롭스카이트 구조의 망간계 산화물을 기존의 거대자기저항 (giant magnetoresistance; GMR) 구조 즉 강자성 금속층/비자성층/강자성 금속층의 3층 sandwich 구조에 대치하고자 하는 것이다. 즉, Fe, NiFe등의 강자성 금속층을 페롭스카이트 망간계 산화물로 대치하고, 이들 다결정 페롭스카이트 망간계 산화물 자체의 입계를 비자성층의 역할로 수행되도록 하는 단층 박막 구조로 제조하고자 하는 것이다. 이러한 단층 박막 구조는 GMR 구조의 복잡한 3층 다층 박막 구조에서 나타나는 자기저항 변화율 보다 비록 작은 자기저항 변화율을 나타내지만, 소자의 제조 측면에서 공정의 단순화를 이룰 수 있다.
또한, GMR 다층박막에서의 자기저항 변화 특성은 중간층으로 삽입되는 극히 얇은(약 2-5 Å) 두께의 비자성층 표면 특성에 의하여 큰 영향을 받으므로 비자성층의 제조에 큰 문제점을 가지고 있으나, 단층 박막의 경우 이러한 문제점을 해결할 수 있는 이점을 가진다. 페롭스카이트 망간계 산화물을 이용하는 가장 큰 이점인 거대한 자기저항 변화를 나타내기 위해서는 전자 스핀 분극이 커야 하는데, 이들 재료들은 위 방향 스핀과 아랫방향 스핀의 분극이 거의 100 %로써, 종래의 GMR 다층 박막구조에 사용되는 Fe(~44%), Co(~34%), Ni(~11%), Gd(~4.3%) 보다 크기 때문에 이론상으로 이들 재료에서 자기저항 변화비가 무한대 값을 얻을 수 있는 장점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같이 페롭스카이트 망간계 산화물의 초거대자기저항 효과를 진동 측정에 이용하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 자기저항형 진동센서를 설명하기 위한 구조도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 자기저항형 진동센서는, 센서모체(5)에 부착된 영구자석(4)과, 상기 센서모체(5)에 진동판 고정나사(8)로 부착된 고탄성 진동판(3)과, 상기 영구 자석(4)의 한쪽 극으로부터 일정 거리 떨어진 지점에 위치하도록 상기 고탄성 진동판(3)에 의해 지지되는 초거대자기저항 물질(1)과, 상기 초거대자기저항 물질(1) 상부에 자기저항을 측정할 수 있도록 형성된 검출 전극(2)으로 구성된다.
상기 초거대자기저항 물질(1)은 상기 센서 모체(5)의 측면, 상부면 또는 하부면에 선택적으로 고정될 수 있으며, 상기 검출 전극(2)은 전류를 공급하기 위한 입력부와 전압을 검출하기 위한 출력부로 이루어진다.
상기 초거대자기저항 물질(1)로는 La-Sr-MnO3, La-Pb-MnO3및 La-Ba-MnO3등과 같이 페롭스카이트 구조를 갖는 망간 산화물로써 강자성전이온도(Ferromagnetic Transition Temperature ; TC)가 상온보다 높은 다결정체 페롭스카이트 망간 산화물을 사용한다. 또한 상기 초거대자기저항 물질(1)은 벌크(bulk) 물질 자체를 그대로 사용하여도 무방하나, 진동센서의 고기능 및 고정밀도를 위하여 현재의 반도체 제조 공정으로 구현 가능한 초미세 입계를 갖는 단층 박막을 이용한다. 즉, 산화층(SiO2)이 형성되거나 형성되지 않은 실리콘(Si) 등의 다결정체 기판 상에 상기 초거대자기저항 물질(1)을 증착하되, 졸-겔법 및 RF 마그네트론 스퍼터링 증착법을 사용하여 500 내지 2000Å 두께로 단층 박막을 제조한다.
진동의 측정에 있어서, 진동 측정 대상물(6)로부터 전달되어지는 진동이 고탄성 진동판(3)을 통하여 상기 초거대자기저항 물질(1)로 전달되면 센서 모체(5)에 부착된 영구자석(4)으로부터 발생되는 자기장 축과 상기 초거대자기저항 물질(1) 사이의 거리가 변하게 된다. 즉, 고탄성 진동판(3)으로부터 전달되어지는 진동에 의하여 초거대자기저항 물질(1)은 임의 기준위치에서 반복 진동을 하게 되어 센서 소자의 위치 변화가 나타나게 된다. 이러한 위치 변화는 영구자석(4)으로부터 발생되어 초거대자기저항 물질(1)에 인가 되는 자기장의 세기를 변화시키는 요인이 되고, 이러한 자속 밀도의 변화는 초거대자기저항 물질(1)의 자기저항 값을 변화시키게 되므로 이를 검출 전극(2)을 통하여 전기적 신호로 출력되도록 하므로써 진동의 크기 측정이 이루어진다. 전기적 신호의 측정은 상기 검출 전극(2)의 입력부(도시 안됨)를 통하여 일정 방향으로 수 mA의 전류를 인가하고 출력부(도시 안됨)의 양단에서 전압을 측정하여 저항 변화와 자기저항 변화율을 측정하는 것으로 이루어 진다. 자기장의 변화에 따라 발생되어지는 출력 전압은 ΔV = IΔR의 관계를 가지며, 이때, 자기저항 변화율은 다음의 수학식 1과 같이 얻게 된다.
자기저항 변화율 MR(%) =[ (RP0-RP1) / RP1] X 100
여기서, RP0는 산화물 센서소자가 진동이 없는 임의 기준위치에서의 저항값을, RP1은 산화물 센서소자가 진동에 의한 위치변화가 발생한 위치에서의 저항값을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 자기저항형 진동센서로 동작하는 다결정 페롭스카이트 망간 산화물 박막의 외부 인가 자장에 따른 자기저항 특성 곡선이다.
도 2에 도시된 바와 같이 다결정체 La(Sr, Pb, Ba)MnO3페롭스카이트 망간계 산화물 초거대 자기저항 재료는 상온에서 500 Oe의 외부자기장이 인가되는 경우 최대 0.6 %의 자기저항 변화율을 나타내게 된다. 따라서 본 발명의 목적에 부합하는 진동센서로서 고감도의 출력 신호를 발생할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 페롭스카이트 La(Sr, Pb, Ba)MnO3초거대자기저항 재료인 망간 산화물 박막을 이용하여 외부 자기장의 영향에 기인된 재료의 자기저항 변화 효과를 진동 검출 센싱의 원리로 이용하는 진동센서는, 구조가 간단하므로 저가의 센서를 제공하며, 낮은 외부 인가 자장에서도 출력 특성이 우수하여 고감도의 진동 측정이 용이하다. 또한 본 발명에 따른 자기저항형 진동센서를 기본으로, 자기저항 효과를 이용한 센서에 응용폭이 매우 넓은 효과를 가져올 수 있다.

Claims (8)

  1. 센서모체에 부착된 영구자석과,
    상기 센서모체에 고정된 고탄성 진동판과,
    상기 고탄성 진동판에 의해 상기 영구자석의 한쪽 극으로부터 일정 거리 떨어진 지점에 위치하도록 지지되는 초거대자기저항 물질과,
    상기 초거대자기저항 물질의 자기저항 변화를 측정할 수 있도록 부착된 검출 전극을 포함하여 이루어지며, 상기 초거대자기저항 물질이 외부로부터 인가된 힘에 의해 진동하면 상기 초거대자기저항 물질과 상기 영구자석간에 발생된 자기장 축의 거리가 변화되고, 상기 거리 변화에 따른 자속밀도의 변화에 의해 상기 초거대자기저항 물질의 자기저항이 변화되면 상기 전극을 통해 전기적 신호가 출력되도록 구성된 것을 특징으로 하는 자기저항형 진동센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초거대자기저항 물질은 페롭스카이트 구조의 La-Sr-MnO3, La-Pb-MnO3, 및 La-Ca-MnO3중 어느 하나의 망간 산화물인 것을 특징으로 하는 자기저항형 진동센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 초거대자기저항 물질은 실리콘 내지 실리콘 산화막 기판상에 소정 두께로 증착된 것을 특징으로 하는 자기저항형 진동센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 전극은 전류를 공급하기 위한 입력부와 전압을 검출하기 위한 출력부로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기저항형 진동센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 전극은 플레티늄(Pt), 알루미늄(Al), 및 금(Au) 중 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기저항형 진동센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고탄성 진동판은 전기장 및 자기장에 의해 휨 변형이 발생되지 않는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기저항형 진동센서.
  7. 센서모체에 고정된 고탄성 진동판에 의해 지지되는 초거대자기저항 물질이 외부로부터 인가된 힘에 의하여 진동하면 상기 초거대자기저항 물질과 상기 센서모체에 부착된 영구자석간에 발생된 자기장 축의 거리가 변화되고, 상기 거리 변화에 따른 자속밀도의 변화에 의해 상기 초거대자기저항 물질의 자기저항이 변화되면 전극을 통해 전기적 신호가 출력되도록 하는 것을 특징으로 하는 자기저항형 진동센서를 이용한 진동 측정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 초거대자기저항 물질은 페롭스카이트 구조의 La-Sr-MnO3, La-Pb-MnO3, 및 La-Ca-MnO3중 어느 하나의 망간 산화물인 것을 특징으로 하는 자기저항형 진동센서를 이용한 진동 측정 방법.
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