KR101594256B1 - Temperature-sensing magnetic sensor - Google Patents
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- G01K7/36—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using magnetic elements, e.g. magnets, coils
Abstract
Description
본 발명은 열 감지 마그네틱 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속의 자발홀 효과와 스핀 네른스트(nernst) 효과를 결합하여 정밀한 측정이 가능한 열 감지 마그네틱 센서에 관한 것이다.
The present invention relates to a thermo-sensitive magnetic sensor, and more particularly, to a thermo-sensitive magnetic sensor capable of precisely measuring a spontaneous Hall effect and a spin nernst effect of a metal.
열 감지 센서는 다양한 분야에서 필수적으로 이용되고 있다. 여러 산업 현장의 제조 설비에 이용되는 센서로부터 가정용 체온계까지 그 종류도 다양하다.Thermal sensors are used in many fields. Various types of sensors, ranging from sensors used in manufacturing facilities in various industrial fields to home thermometers, are also available.
그 중 일반적으로 많이 사용되는 열 감지 센서는 서모커플이다. 이는 감지단에 서로 다른 금속을 사용하며, 감지단과 냉접전 말단의 기전력을 전위차계로 측정하여 온도값을 표시하는 원리를 이용한다. 이러한 서모커플은 기본적으로 크기와 부피가 커서 작은 영역의 미세한 열변화에 대한 감도의 한계가 있고, 별도의 전압 변환 회로가 필요하다.Thermocouples are the most commonly used thermal sensors. This uses a different metal for the sensing stage, and uses the principle of measuring the temperature value by measuring the electromotive force of the sensing stage and the end of the cold junction using a potentiometer. These thermocouples are basically large in size and volume, so there is a limit to the sensitivity to small heat changes in a small area, and a separate voltage conversion circuit is required.
그런가 하면, 한국특허공개 10-2006-0000070은 마그네틱의 자기장을 이용한 열 감지 센서가 개시한다. 이러한 공개특허는 웨이퍼와 같은 측정대상물에 비접촉 온도 측정을 위해, 웨이퍼의 표면에 전도체를 배치하고 웨이퍼의 하부에서 자기장을 생성한 후, 전도체의 상부에서 자기장 변화를 측정하여 온도를 산출하는 방식이다. 이와 같은 공개특허 기술은 비접촉 온도 측정이 가능하다는 장점이 있지만, 자기장 센서가 필요하고, 웨이퍼의 온도 측정과 같은 특정 장치에 고정적으로 설치되는 제한이 있다.
In addition, Korean Patent Publication No. 10-2006-0000070 discloses a heat sensing sensor using a magnetic field. In this patent, a conductor is disposed on the surface of a wafer, a magnetic field is generated in the lower portion of the wafer, and then a change in magnetic field is measured at an upper portion of the conductor to calculate a temperature for non-contact temperature measurement on a measurement object such as a wafer. Such a patented technology has an advantage that noncontact temperature measurement is possible, but there is a limitation that a magnetic field sensor is required and fixedly installed in a specific device such as temperature measurement of a wafer.
본 발명은 자발홀 효과와 네른스트 효과가 결합된 열 감지 마그네틱 센서를 제공한다.The present invention provides a thermally sensitive magnetic sensor combined with a spontaneous Hall effect and a Nernst effect.
본 발명은 비교적 심플한 구성으로 미세한 열을 감지할 수 있는 열 감지 마그네틱 센서를 제공한다.
The present invention provides a thermally sensitive magnetic sensor capable of sensing minute heat with a relatively simple configuration.
본 발명은 열 감지 마그네틱 센서를 제공하며, 이는: 자발 홀 소자; 상기 자발 홀 소자에 수직방향으로 자기장을 인가하기 위한 자석; 및 상기 자발 홀 소자에 연결되는 열감지부;를 포함한다.The present invention provides a thermally-sensitive magnetic sensor comprising: a spontaneous Hall element; A magnet for applying a magnetic field in a direction perpendicular to the spontaneous Hall element; And a heat sensing part connected to the spontaneous Hall element.
상기 자발 홀 소자는 강자성/비자성 마그네틱 다중층이다. 여기서, 자발 홀 소자는 CoSiB/Pt의 다중층일 수 있다.The spontaneous Hall element is a ferromagnetic / nonmagnetic magnetic multilayer. Here, the spontaneous Hall element may be a multilayer of CoSiB / Pt.
상기 열감지부는 전이금속 또는 전이금속 합금이다. 여기서, 상기 열감지부는 Au, Ag, Cu, 및 W 중 어느 하나를 포함하는 금속 및 금속 합금일 수 있다.
The heat-sensitive portion is a transition metal or a transition metal alloy. Here, the heat sensing part may be a metal and a metal alloy including any one of Au, Ag, Cu, and W.
본 발명에 따르면, 자발홀 효과와 네른스트 효과를 결합한 열 감지 마그네틱 센서가 제공된다. 이러한 열 감지 마그네틱 센서는 전체 구성이 매우 심플하면서도 미세한 열을 감지할 수 있는 효과가 가진다. According to the present invention, a thermo-sensitive magnetic sensor combining a spontaneous Hall effect and a Nernst effect is provided. Such a thermo-sensitive magnetic sensor has a very simple overall structure and can detect minute heat.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 감지 마그네틱 센서를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 열 감지 마그네틱 센서에 적용된 강자성/비자성 다중층 샘플에 대한 네른스트 효과의 확인을 위한 구성에 대한 도면이다.
1 is a schematic view of a thermal sensing magnetic sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
FIGS. 2 to 5 are views showing a configuration for confirming the Nernst effect on the ferromagnetic / nonmagnetic multi-layer sample applied to the thermo-sensitive magnetic sensor of the present invention.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the embodiments of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 감지 마그네틱 센서를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a schematic view of a thermal sensing magnetic sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 감지 마그네틱 센서는 자발 홀 소자(1)와, 자발 홀 소자(1)에 수직방향으로 자기장을 인가하기 위한 자석(2)과, 자발 홀 소자(1)에 연결되는 열감지부(3)를 포함한다.1, a thermal sensing magnetic sensor according to a preferred embodiment of the present invention includes a
이와 같은 본 발명의 열 감지 마그네틱 센서는 자발 홀 소자(1)에 수직 방향으로 자기장이 인가된 상태에서 열감지부(3)에 열이 감지되어 자발 홀 소자(1)로 전달되면 네른스트 효과에 의해 자발 홀 소자(1)에는 온도 기울기 방향으로 스핀전류가 생성되며, 그에 따라 온도 기울기와 자기장에 수직한 방향으로 발생되는 전위차를 감지함으로써 열 감지 동작을 수행한다.The heat sensing magnetic sensor of the present invention detects heat in the heat sensing
본 발명의 열 감지 마그네틱 센서에 채용되는 자발 홀 소자(1) 강자성체/비자성체 다중층이며, 이는 CoSiB/Pt의 다중층일 수 있다. 또한, 도시한 바와 같이, 자발 홀 소자(1)는 바(bar) 형태를 가질 수 있고, 양 측면에 전위차를 측정하기 위한 접점(11, 12)을 구비할 수 있다.A spontaneous Hall element (1) employed in the thermo-sensitive magnetic sensor of the present invention is a ferromagnetic / non-magnetic multilayer, which may be a multilayer of CoSiB / Pt. Further, as shown in the figure, the
자발 홀 소자(1)의 위와 아래에는 자기장을 인가하기 위한 자석(2)이 배치된다. 자석(2)은 자발 홀 소자(1)의 온도 기울기가 발생하는 길이방향과 직교하는 방향, 즉 수직 방향으로 자기장을 인가할 수 있도록 배치되며, 이들은 하드 마그네트(hard magnetic)일 수 있다.A
열감지부(3)는 자발 홀 소자(1)의 선단부에 연결되어, 열에 접촉하여 자발 홀 소자(1)로 전달한다. 이러한 열감지부(3)는 예를 들어 Au, Ag, Cu, 및 W 중 어느 하나를 포함하는 전이금속 또는 전이금속 합금이다. 여기서, 상기 열감지부는 Au, Ag, Cu, 및 W 중 어느 하나를 포함하는 금속 및 금속 합금일 수 있다.The heat sensing
이상과 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 감지 마그네틱 센서는 열감지부(3)가 감지한 열이 자발 홀 소자(1)로 전달되어 소자에서 온도 기울기를 생성하면 스핀전류가 발생하고 자기장 및 온도 기울기와 수직된 방향으로 전위차가 발생한다. 이러한 전위차를 계산하여 온도를 계산할 수 있다. In the heat sensing magnetic sensor according to the preferred embodiment of the present invention, when the heat sensed by the
이하에서는 본 발명의 열 감지 마그네틱 센서의 자발 홀 소자로 적용되는 강자성/비자성 다중층의 네른스트 효과를 확인하고, 열 감지 센서로의 응용에 대하여 설명한다.
Hereinafter, the Nernst effect of the ferromagnetic / nonmagnetic multilayer applied as the spontaneous Hall element of the thermal sensing magnetic sensor of the present invention will be confirmed and its application to a thermal sensor will be described.
실험예Experimental Example
도 2의 (a)는 홀-바 샘플을 포함하는 구성을 도시한 도면이고, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)에 도시한 샘플의 홀-바 및 히터에 대한 광학 현미경 이미지이다. 도 2의 (c)는 도 2의 (a)에 도시한 샘플에서 N=7과 N=15에 대한 B에 따른 VN과 VH를 나타내는 그래프이다.FIG. 2 (a) is a view showing a configuration including a hole-bar sample, and FIG. 2 (b) is an optical microscope image of a hole-bar and heater of the sample shown in FIG. 2 . 2 (c) is a graph showing the relationship between V N according to B for N = 7 and N = 15 in the sample shown in FIG. 2 V H.
도 3의 (a)는 다양한 Ih에 대하여 B에 따른 VN를 나타내고, 도 3의 (b)는 Ih에 따른 VN의 포화값을 나타내며, (c)는 히터 파워에 따른 VN의 포화값을 로그-로그 스케일로 나타낸다.3 (a) shows V N according to B for various I h , and FIG. 3 (b) shows V N according to I h . (C) shows the saturation value of V N according to heater power in log-log scale.
도 4는 Ih에 따른 항전계(coercive field: Hc)를 나타낸다.4 shows the coercive field (H c ) according to I h .
도 5의 (a)는 Ih가 60 mA일 때, 다양한 프로브 접점에 대하여 B에 따른 VN을 나타낸다. 도 5의 (b)와 (c)는 d에 따른 VN의 포화값으로서, (b)는 선형 스케일이고, (c)는 로그-로그 스케일이다.5 (a) shows V N according to B for various probe contacts when I h is 60 mA. Figures 5 (b) and 5 (c) are saturation values of V N according to d, wherein (b) is a linear scale and (c) is a log-log scale.
DC 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 강자성 다중막 [CoSiB/Pt]을 산화된 Si 웨이퍼 상에 형성하였다. 50Å의 Ta와 30Å의 Pt로 버퍼층을 증착한 후에, 6Å의 CoSiB와 14Å의 Pt의 반복층을 증착하였다. A ferromagnetic multi-layer [CoSiB / Pt] was formed on the oxidized Si wafer using DC magnetron sputtering. After the buffer layer was deposited with 50 Å of Ta and 30 Å of Pt, repeated layers of 6 Å CoSiB and 14 Å Pt were deposited.
본 실험예에서는 N=7과 N=15의 2개의 다른 수의 [CoSiB/Pt]을 이용하였다. 이러한 다중막을 포토리소그래피와 이온-에칭(ion-milling)을 이용하여 자발 홀 소자를 홀-바(Hall bar)형으로 제작하였다. 또한 홀-바의 일단에 텅스턴 히터 패턴을 제조하였다. 도 2의 (a)는 [CoSiB/Pt] 다중층의 네른스트 효과를 측정하기 위한 구성을 나타내고, 도 2의 (b)는 도 2 (a)의 활성 영역에 대한 광학 현미경 사진이다. 홀-바의 폭은 10㎛이고, 전압 접점 사이의 거리가 20㎛이다. 히터로부터 가장 가까운 전압 접점은 60㎛ 거리에 있다. 히터를 통해 전류를 인가하고, 상기 다중막에 수직방향으로 자기장을 인가한 상태에서 측면 접점에서 네른스트 전압을 측정하였다. 모든 측정은 상온에서 Keithley 2400 source meter 및 전자석을 이용하여 수행하였다.In this experiment, two different numbers of [CoSiB / Pt] were used, N = 7 and N = 15. This multi-layered film was fabricated into a Hall-bar type by using photolithography and ion-milling. A tungsten heater pattern was also fabricated at one end of the hole-bar. 2 (a) shows a structure for measuring the Nernst effect of [CoSiB / Pt] multilayers, and FIG. 2 (b) is an optical microscope photograph of the active region in FIG. 2 (a). The width of the hole-bars is 10 μm and the distance between the voltage contacts is 20 μm. The voltage contact closest to the heater is 60 μm away. A current was applied through a heater, and a Nernst voltage was measured at a side contact with a magnetic field applied to the multi-layer in a vertical direction. All measurements were performed at room temperature using a Keithley 2400 source meter and electromagnet.
도 2의 (c) 및 (d)에서, N=7과 N=15 각각에 대해, 30mA의 히터 전류(Ih)에서 측정된 B에 따른 네른스트 전압 VN을 나타내었고, 50㎂의 구동 전류에 대해 측정된 홀 전압 VH을 나타내었다. VH의 경우와 마찬가지로, 상기 다중막의 자화로부터 유래된 이상 기여를 반영하는 VN의 히스테리시스(hysteresis)가 나타났다. VH을 측정할 때 구동 전류가 흐르지만, VN을 측정할 때는 구동전류가 흐르지 않는다. 대신, 히터에 의한 온도 기울기(temperature gradient)가 열 기류(thermal current) 흐름을 생성하고 홀-바에서의 열 기류의 전기적 기여가 자기장 B가 있을 때 VN을 생성하였다.2 (c) and 2 (d) show the Nernst voltage V N according to B measured at a heater current I h of 30 mA for N = 7 and N = 15, respectively, and a driving current of 50 μA Lt; RTI ID = 0.0 > VH. ≪ / RTI > Similar to the case of V H , hysteresis of V N reflecting the ideal contribution derived from the magnetization of the multi-layered film appeared. The driving current flows when measuring V H , but the driving current does not flow when V N is measured. Instead, a temperature gradient by the heater generates a thermal current flow and an electrical contribution of the heat flow in the hole-bar produces V N when the magnetic field B is present.
발생된 VN 신호가 열 기류에 기인하는 것을 확인하기 위해, Ih을 변경하여 VN을 측정하였다. 도 3의 (a)는 여러 다른 Ih에 대하여 B에 따른 VN을 보여준다. Ih가 증가할 때 VN의 포화값이 증가하지만, 의존도는 비선형적이었다(도 3(b)). 도 3의 (c)에서 나타낸 바와 같이, VN의 크기는 히터에 의해 생성된 파워에 의존적이며, 로그-로그 스케일(log-log scale)에서 최적의 선형 피팅의 기울기가 약 1.15이었다. 이는 측정된 VN 신호가 열원에 기인한다는 것을 의미한다. 도 3의 (a)의 데이터로부터 얻은 항전계(coercive field: Hc) 역시 Ih에 의존적이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, Hc는 Ih가 작을수록 커지고 이상 홀 측정으로부터 얻어진 값에 근접하며, Ih가 커질수록 작아진다. 이는 히터 전류가 높아질수록 프로브 접점에서의 온도가 높아진다는 것을 의미한다. 이에 따라 자화 또는 이상 홀 효과와 같은 다른 독립 변수에 따라 결정되는 Hc에 의존하는 온도에 비해 VN 신호 자체를 통해 온도측정이 가능하다는 것을 알 수 있다.To verify that the V N signal generating due to the heat flow, by changing the I h was measured for V N. Figure 3 (a) shows V N according to B for different I h . The saturation value of V N increased as I h increased, but the dependence was non-linear (Fig. 3 (b)). As shown in FIG. 3 (c), the magnitude of V N is dependent on the power generated by the heater and the slope of the optimal linear fitting at log-log scale was about 1.15. This means that the measured V N signal is due to the heat source. The coercive field (H c ) obtained from the data of FIG. 3 (a) is also dependent on I h . As shown in Figure 4, H c is close to the values obtained from more than HOLE growing smaller the I h, and the smaller the larger the I h. This means that the higher the heater current, the higher the temperature at the probe contact. Thus, it can be seen that temperature measurement is possible via the V N signal itself, compared to temperatures dependent on H c determined by other independent variables such as magnetization or anomalous Hall effect.
VN이 온도 기울기에 비례하기 때문에, 다른 프로브 접점에서 VN을 측정하면 온도 기울기의 히터로부터의 거리에 대한 의존도를 얻을 수 있다. 히터로부터 다양한 거리에서 VN을 측정하였고, 그 결과를 도 5의 (a)에 나타내었다. 도시한 바와 같이, 히터로부터 거리와 상관없이 유사한 이상 VN 거동을 나타냈고, VN의 크기가 거리에 따라 감소하였다. 이는 온도 기울기가 홀-바의 방향에서 일정(constant)하지 않다는 것을 의미하는데, 이는 열전달을 단순히 1차원적인 것으로 본 결과이기 때문이다. 그러나, 본 실험의 샘플에서 열전달이 홀-바의 길이방향 뿐만 아니라 표면 상의 모든 방향과 샘플의 내부에서도 일어나며, 그 결과 온도 기울기는 그 지점에 의존한다.Because V N is proportional to the temperature gradient, a dependence on the distance from the heater to the temperature gradient can be obtained by measuring V N at the other probe contacts. V N was measured at various distances from the heater, and the results are shown in FIG. 5 (a). As shown in the figure, a similar abnormal V N behavior was shown regardless of the distance from the heater, and the magnitude of V N decreased with distance. This means that the temperature gradient is not constant in the direction of the hole-bar because it is a result of the heat transfer being viewed as simply one-dimensional. However, in the sample of this experiment, heat transfer occurs not only in the longitudinal direction of the hole-bars but also in all directions on the surface and in the interior of the sample, so that the temperature gradient depends on the point.
기존의 이상(anomalous) 네른스트 효과에 관한 대부분의 실험들은 사이즈가 큰 샘플의 일측에 열을 가한 상태에서, 일과적으로 온도 기울기가 △T/△x 인 것으로 간주하였지만, 여기서 △T는 가열단과 그 반대단(cold end)의 온도 차이이고 △x는 그러한 큰 사이즈 샘플의 양쪽 끝단의 거리이다. 이와 같은 방식에서는 VN에 대한 세밀한 공간적 변이를 구할 수 없다.Most of the previous experiments on the anomalous Nernst effect have assumed that the temperature gradient is ΔT / Δx, with heat applied to one side of the larger sample, where ΔT is the heating term and The temperature difference of the cold end and DELTA x is the distance between both ends of such a large size sample. In this way fine for V N No spatial variation can be obtained.
본 실험에서는 국부적인 히터를 사용함으로써 지점에 대한 VN의 변화를 측정할 수 있다. 히터로부터의 거리에 대한 VN의 정밀한 의존도를 알아보기 위해, 거리(d)에 따른 VN의 포화 값을 도 5의 (b)와 (c)에 나타냈으며, 이들은 각각 선형 및 로그-로그 스케일이었다. 도 5의 (c)에 도시된 기울기로부터, VN이 대략 1/d1.3에 비례한다는 것을 추론할 수 있다.In this experiment, the change of V N to the point can be measured by using a local heater. To determine the precise dependence of V N on the distance from the heater, the saturation value of V N along distance d 5 (b) and 5 (c), which were linear and log-log scales, respectively. From the slope shown in FIG. 5 (c), it can be deduced that V N is approximately proportional to 1 / d 1.3 .
보다 더 구체적으로 살펴보면, 열전달에 관한 열방정식(heat equation)은 아래와 같은 시간과 지점에 관련하여 온도(T)에 대한 편미분방정식이다.More specifically, the heat equation for heat transfer is a partial differential equation for temperature T with respect to time and point:
여기서, k는 열전도율이고, ρ는 밀도이고, c p 는 열용량이며, 
이는 푸아송 방정식(Poisson equation)이다. 히터가 점(
따라서, 온도 기울기는 3차원에서는 1/d2에 비례하고, 2차원에서는 1/d에 비례한다. 전체적으로 평면형 구조를 가질 경우에는 2차원의 계산할 수 있고, 수직방향의 열전달이 있을 경우에는 3차원의 계산을 적용할 수 있을 것이다.
Therefore, the temperature gradient is proportional to 1 / d 2 in three dimensions and to 1 / d in two dimensions. In the case of a planar structure as a whole, two-dimensional calculations can be performed, and in the case of vertical heat transfer, three-dimensional calculations can be applied.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments.
1: 자발 홀 소자 2: 자석
3: 열감지부 11, 12: 접점1: spontaneous Hall element 2: magnet
3:
Claims (5)
자발 홀 소자;
상기 자발 홀 소자에 수직방향으로 자기장을 인가하기 위한 자석; 및
상기 자발 홀 소자에 연결되는 열감지부;를 포함하고,
상기 자발 홀 소자는 강자성/비자성 마그네틱 다중층인 것인, 열 감지 마그네틱 센서.
As a thermal sensing magnetic sensor:
Spontaneous Hall element;
A magnet for applying a magnetic field in a direction perpendicular to the spontaneous Hall element; And
And a heat sensing part connected to the spontaneous Hall element,
Wherein the spontaneous Hall element is a ferromagnetic / non-magnetic magnetic multilayer.
상기 자발 홀 소자는 CoSiB/Pt의 다중층인 것인, 열 감지 마그네틱 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the spontaneous Hall element is a multilayer of CoSiB / Pt.
상기 열감지부는 전이금속 또는 전이금속 합금인, 열 감지 마그네틱 센서.
The method according to claim 1,
Wherein the heat-sensitive portion is a transition metal or a transition metal alloy.
상기 열감지부는 Au, Ag, Cu, 및 W 중 어느 하나를 포함하는 금속 및 금속 합금인 것인, 열 감지 마그네틱 센서.The method of claim 4,
Wherein the heat-sensitive portion is a metal and a metal alloy including any one of Au, Ag, Cu, and W.
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