KR20040011132A - 평면 바이어스 코일을 이용한 자계센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부에서 가해지는 자계를 검출하는 자계센서의 외부자계에 대한 출력신호의 선형성을 개선하고 감도를 높이기 위한 자계바이어스의 인가를 평면코일을 이용하여 구현한 자계센서에 관한 것으로, 특히 자성체박막을 이용하여 제작되는 자계센서의 자계바이어스방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 절연체기판과 절연체기판에 설치된 자성체 박막패턴과 상기 자성체 박막패턴의 끝부분에 설치된 도전체 박막코일에 의해서 실시되며, 박막코일에서 발생된 자계가 자성체 박막패턴를 통과하게 됨으로써 자계바이어스가 이루어지는 자계센서가 제공 된다.

Description

평면 바이어스 코일을 이용한 자계센서{Magnetic field sensor biased using planar coil}

본 발명은 외부에서 가해지는 자계를 검출하는 자계센서에 관한 것으로, 특히 지구자계와 같이 비교적 미약한 자계를 높은 분해능으로 검출하기 위해서 제작되는 자계센서에 관한 것이다.

최근 휴대용 통신장치의 개발이 급속도로 진전됨에 따라 GPS신호를 이용한 위치정보에 대한 서비스가 실현 가능하게 되었다. 그러나 GPS신호만으로는 사용자가 충분히 빠르게 이동하지 않는 한 사용자의 위치를 파악하는 것 이상의 서비스를 제공하기가 어렵다. 예를 들어, 사용자가 지도정보를 이용하여 찾아가고자 하는 위치의 방향이나 최단거리 등을 휴대용 통신장치를 통하여 알려주는 서비스를 제공하기 위해서는 GPS신호와 더불어 방향을 알 수 있도록 해주는 센서의 탑재가 필수적이다. 이러한 방향을 알려주는 센서로는, 지구자계를 높은 감도로 측정하여 방향을 파악할 수 있도록 하여주는 자계센서가 유망하다.

휴대용 통신장치는 고성능화와 더불어 소형화가 같이 진척되고 있기 때문에 탑재되는 자계센서는 고감도특성을 가짐과 동시에 소형으로 제작될 수 있어야 하고, 작은 소비전력으로 구동될 수 있어야 한다. 이러한 관점에서 소형 플럭스게이트센서가 제안되고 있으나 코일을 이용하여 자성체를 여자해야 하므로 소비전력이 크고 복잡한 구조를 가지기 때문에 제작비가 많이 든다는 단점이 있다. 또, 자성체에 고주파전류를 통전시킬 때에 나타나는 표피효과가 외부자계에 의존함으로써, 출력전압의 변화가 얻어지는 센서(자기임피던스센서)가 제안되고 있다. 자기임피던스센서는 기존의 플럭스게이트센서와 동등한 정도의 높은 자계분해능을 가질 뿐 아니라, 구조가 간단하여 소형화에 적합하고 생산단가도 낮다. 또한 연자성의 자성박막을 간단한 리소그래피공정을 통해서 가공하여 대량생산을 할 수있고, 공정제어도 비교적 간단하다.

자기임피던스센서를 박막 자성체를 이용하여 구현하는 경우, 외부자계에 대한 임피던스의 변화 혹은 출력특성은, 통상, 미약한 자계에서는 감도가 낮고 비선형적으로 나타나므로, 바이어스자계를 인가하여 센서의 임피던스변화 혹은 출력특성을 고감도화시키고 선형성을 향상시킬 필요가 있다. 바이어스자계를 인가하는 방법으로는 자계센서의 밑이나 위, 혹은 자계센서의 축방향으로 영구자석을 설치하거나, 바이어스코일을 이용하는 방법이 있다. 그러나 미약한 자계를 측정하여야 하는 자계센서의 바이어스자계를 발생시키기 위해서 영구자석을 이용하는 방법은 정밀하게 바이어스자계를 제어하기 어려운 단점이 있고, 기존의 바이어스코일을 센서의 주위에 감아서 바이어스자계를 발생시키는 방법은 센서를 저가격으로, 대량 생산하는 경우, 생산성을 악화시키거나 비용을 높이는 요인이 되므로 바람직하지 않다는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는, 자계센서를 구성하는 자성박막패턴의 밑부분 혹은 윗부분에 평면코일을 설치하여 평면코일에서 발생하는 자계가 자성박막패턴을 통과하게 하여, 자성박막패턴에 바이어스자계로 작용하도록 하는 방법으로 제작한 자계센서를 제공하고자 한다. 이러한 방법을 이용하면, 평면 코일에 직류 혹은 교류의 전류를 흘림으로써 발생된 직류 혹은 교류의 자계가 자성박막패턴에 바이어스자계로 작용하도록 하여 자계센서의 감도를 높이고 선형성을 향상시키게 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 제1목적은 자성박막패턴과 동일한 기판 위에 박막가공공정을 통하여 제작된 평면 코일에 전류를 흘림으로써 발생시킨 바이어스자계를 이용하여 자성박막패턴의 감도를 향상시킨 자계센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 제2목적은 자성박막패턴과 동일한 기판 위에 박막가공공정을 통하여 제작된 평면 코일에 전류를 흘림으로써 발생시킨 바이어스자계를 이용하여 자성박막패턴의 감도를 향상시킴과 동시에 출력특성의 선형성을 향상시킨 자계센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 제3목적은 자성박막패턴의 자기적 구조를 최적화함으로써 외부자계에 민감한 자계센서를 제공하는데에 있다.

본 발명의 제4목적은 다음에 기술할 형태의 자계센서를 제작하는 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 자계센서의 주요부분을 나타내는 평면도

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 자계센서의 주요부분을 나타내는 단면도

도 3은 자계바이어스를 이용하지 않은 자계센서의 출력특성

도 4는 본 발명에 따른 자계바이어스를 이용한 자계센서의 출력특성

도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 자계센서의 주요부분을 나타내는 평면도

도 6는 본 발명의 실시예 2에 따른 자계센서의 주요부분을 나타내는 단면도

도 7 본 발명의 실시예 3에 따른 자계센서의 주요부분을 나타내는 단면도

도 8는 본 발명의 실시예 4에 따른 자계센서의 주요부분을 나타내는 단면도

도 9는 본 발명의 실시예 5에 따른 자계센서의 주요부분을 나타내는 평면도

도 10은 본 발명의 실시예 5에 따른 자계센서의 주요부분을 나타내는 단면도

도 11은 본 발명의 실시예 6에 따른 자계센서의 주요부분을 나타내는 평면도

도 12는 본 발명의 실시예 6에 따른 자계센서의 주요부분을 나타내는 단면도

도 13은 본 발명의 실시예 7에 따른 자계센서의 주요부분을 나타내는 단면도

도 14는 본 발명의 실시예 8에 따른 자계센서의 주요부분을 나타내는 단면도

※도면 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 본 발명의 실시예 1에 따른 자계센서 11: 비도전성 기판

12: 자성박막패턴 13: 평면코일

15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17b: 단자 14: 절연박막

20: 본 발명의 실시예 2에 따른 자계센서

30: 본 발명의 실시예 3에 따른 자계센서

40: 본 발명의 실시예 4에 따른 자계센서

50: 본 발명의 실시예 5에 따른 자계센서

60: 본 발명의 실시예 6에 따른 자계센서

70: 본 발명의 실시예 7에 따른 자계센서

80: 본 발명의 실시예 8에 따른 자계센서

본 발명에 따른 자계센서는, 비전도성 기판과, 비전도성 기판에 설치되고 외부자계에 따라 자기모멘트의 변화를 나타내는 단축(Single strip) 혹은 미안더형(Meander type)의 자성박막패턴과, 상기 자성박막패턴과 절연체를 사이에 두고 분리된 평면 코일과, 자성박막패턴과 평면코일에 전류를 인가하고, 자성박막패턴의 전압을 측정하기 위한 구동회로로 구성된다.

상기 비전도성 기판은 절연체 물질로 구성할 수 있으며, 예를들어, 유리, 실리콘, 플라스틱, 세라믹 기판 등을 사용할 수 있다. 상기 자성박막패턴은 연자성물질로 구성할 수 있으며, 예를들어 Fe-Ni, Fe-Si-Al, Co-Nb-Zr, Fe-Hf-C, Fe-Cu-Nb-Si-B, Co-Fe-Si-B, Co-Fe-Ni-Si-B, Fe-Si-N 등을 사용할 수 있다. 상기 평면 코일은 도전체 물질로 구성할 수 있으며, 예를들어, Cu, Al, Au, Ag 등을 사용할 수 있다. 상기 절연체는, 통상의 절연체 물질로 구성할 수 있으며, 예를들어, SiO2, Al2O3, SiN, AlN 등을 사용할 수 있다. 상기 구동회로는 PCB 또는 ASIC 등으로 구성할 수 있다.

본 발명의 자계센서를 이용하여 자계를 검출하는 원리는 다음과 같다.

자성박막패턴에, 예를들어, 고주파의 교류 정전류를 인가한 상태에서, 외부자계가 박막패턴의 길이 방향으로 인가되면, 박막패턴의 투자율이 증가되어, 와전류가 증가하여 표피의 두께가 감소하고 인덕턴스가 증가되어, 임피던스가 증가하므로, 출력전압이 증가하게 된다. 이때, 통상, 외부자계에 의한 센서의 출력은 외부자계가 영인 부근에서 완만하게 증가하다가, 외부자계가 증가함에 따라 급격하게 증가하는 영역을 거쳐 최대치를 나타내고 다시 감소하기 때문에 미약한 자계를 고감도 고선형적으로 측정할 수 없다. 따라서, 미약한 외부 자계를 고감도, 고선형성을 갖도록 측정하기 위하여, 상기 평면 코일에 전류를 흘려 발생한 자계를 바이어스 자계로써 자성박막패턴에 인가하여, 센서의 출력이 외부 자계에 따라 급격하게 선형적으로 변화하는 영역을 외부자계가 영인 곳으로 이동시켜서 측정을 수행한다. 이때, 이 출력전압은 외부자계의 세기와 외부자계와 박막패턴의 길이 방향과 이루는 각도의 함수이므로, 외부자계의 세기 및 방향을 알 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 자계센서의 적합한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 실시예 1에 따른 자계센서의 주요부분을 나타내는 평면의 모식도이고, 도2는 본 발명의 일 실시예 1에 따른 자계센서의 주요부분의 단면의 모식도이다.

본 발명의 실시예 1에 따른 자계센서(10)는 비전도성 기판(11)과, 비전도성 기판(11)에 설치되고 외부자계에 의해 자기모멘트의 변화를 나타내는 자성박막패턴(12)과, 자성박막패턴의 끝부분에서 절연체(14)를 사이에 두고 기판쪽에 형성되는 바이어스용 평면코일(13)과, 자성박막패턴과 평면코일에 전류를 인가하고 자성박막패턴의 전압을 측정하기 위한 구동회로(도면에 나타내지 않았다)로 구성된다.

본 발명의 실시예1에 따른 자계센서를 이용하여 자계를 검출하는 원리는 다음과 같다.

자성박막패턴(12)에, 예를들어, 단자(15a, 15b)를 이용하여, 고주파의 교류 정전류를 인가한 상태에서, 외부자계(도면에 나타내지 않았다)가 박막패턴(12)의 길이 방향으로 인가되면, 박막패턴의 투자율이 증가되어, 와전류가 증가하여 표피의 두께가 감소하고 인덕턴스가 증가되어, 임피던스가 증가하므로, 단자(16a, 16b)에 걸리는 출력전압이 증가하게 된다. 통상, 외부자계에 의한 단자(16a, 16b)에서의 출력 전압은, 도3에 도시한 것과 같이, 외부자계가 영인 부근에서 완만하게 증가하다가, 외부자계가 증가함에 따라 급격하게 증가하는 영역을 거쳐 최대치를 나타내고 다시 감소하기 때문에 미약한 자계를 고감도 고선형적으로 측정할 수 없다.따라서, 미약한 외부 자계를 고감도, 고선형성을 갖도록 측정하기 위하여, 평면 코일(13)에 단자(17a, 17b)를 이용하여 전류를 흘려 발생한 자계를 바이어스 자계로써 자성박막패턴(12)에 인가하여, 도4에 도시한 것과 같이, 센서의 출력전압이 외부 자계에 따라 급격하게 선형적으로 변화하는 영역을 외부자계가 영인 곳으로 이동시켜서 측정을 수행한다. 이때, 이 출력전압은 외부자계의 세기와 외부자계와 박막패턴의 길이 방향과 이루는 각도의 함수이므로, 외부자계의 세기 및 방향을 알 수 있다.

도 5와 도6은 각각 본 발명의 실시예 2에 따른 자계 센서의 주요부분을 나타내는 평면 및 단면의 모식도이다.

본 발명의 실시예2에 따른 자계센서(20)는, 실시예1과 비교하여, 자성박막패턴(12)이 평면코일(13) 보다 하부에 설치되어 있는 것이 차이점이며, 다른 구성은 실시예1과 유사하며, 자계 검출 원리도 실시예1과 유사하다.

도 7은 본 발명의 실시예 3에 따른 자계 센서의 주요부분을 나타내는 단면의 모식도이다.

본 발명의 실시예3에 따른 자계센서(30)는 식각을 통하여 높이의 차이를 나타내는 평면을 가지는 비전도성 기판(11)위에 평면코일(13)과 절연막(14)와 자성박막패턴(12)이 순차적으로 설치되며, 다른 구성은 실시예1과 유사하며, 평면도와 자계 검출 원리도 실시예1과 유사하다. 본 실시예3에서는 평면코일(13)의 축과 자성박막패턴(12)의 축과의 각도를 작게 함으로써 전류에 대한 바이어스자계의 크기를 크게 할 수가 있다.

도 8은 본 발명의 실시예 4에 따른 자계 센서의 주요부분을 나타내는 단면의 모식도이다.

본 발명의 실시예4에 따른 자계센서(40)는 식각을 통하여 높이의 차이를 나타내는 평면을 가지는 비전도성 기판(11)위에 자성박막패턴(12)과 절연막(14)과 평면코일(13)이 순차적으로 설치되며, 다른 구성은 실시예2와 유사하며, 평면도와 자계 검출 원리도 실시예2와 유사하다. 본 실시예4에서는 평면코일(13)의 축과 자성박막패턴(12)의 축과의 각도를 작게 함으로써 전류에 대한 바이어스자계의 크기를 크게 할 수가 있다.

도 9와 도10은 각각 본 발명의 일 실시예 5에 따른 자계 센서의 주요부분을 나타내는 평면 및 단면의 모식도이다.

본 발명의 실시예5에 따른 자계센서(50)는, 실시예1과 비교하여, 도9와 같이 미로형의 자성박막패턴(52)이 설치되어 있는 것이 차이점이며, 다른 구성은 실시예1과 유사하며, 자계 검출 원리도 실시예1과 유사하다. 본 실시예 5에서는 자성박막패턴(52)이 미로형으로 설치 되어 있으므로, 자성박막패턴(52)의 저항이 높아 구동전압을 높혀도 자성박막패턴에 상대적으로 작은 전류가 흘러 구동전압을 높힐 수 있다는 장점이 있다.

도 11과 도12는 각각 본 발명의 일 실시예 6에 따른 자계 센서의 주요부분을 나타내는 평면 및 단면의 모식도이다.

본 발명의 실시예6에 따른 자계센서(60)는, 실시예2과 비교하여, 도11와 같이 미로형의 자성박막패턴(52)이 설치되어 있는 것이 차이점이며, 다른 구성은 실시예2과 유사하며, 자계 검출 원리도 실시예2와 유사하다. 본 실시예 6에서는 자성박막패턴(52)이 미로형으로 설치 되어 있으므로, 자성박막패턴(52)의 저항이 높아 구동전압을 높혀도 자성박막패턴에 상대적으로 작은 전류가 흘러 구동전압을 높힐 수 있다는 장점이 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시예 7에 따른 자계 센서의 주요부분을 나타내는 단면의 모식도이다.

본 발명의 실시예7에 따른 자계센서(70)는, 실시예3과 비교하여, 미로형의 자성박막패턴(52)이 설치되어 있는 것이 차이점이며, 다른 구성은 실시예3과 유사하며, 평면도와 자계 검출 원리도 실시예3과 유사하다. 본 실시예 7에서는 자성박막패턴(52)이 미로형으로 설치 되어 있으므로, 자성박막패턴(52)의 저항이 높아 구동전압을 높혀도 자성박막패턴에 상대적으로 작은 전류가 흘러 구동전압을 높힐 수 있다는 장점과 함께, 평면코일(13)의 축과 자성박막패턴(52)의 축과의 각도를 작게 함으로써 전류에 대한 바이어스자계의 크기를 크게 할 수 있다는 장점이 있다.

도 14는 각각 본 발명의 일 실시예 8에 따른 자계 센서의 주요부분을 나타내는 단면의 모식도이다.

본 발명의 실시예8에 따른 자계센서(80)는, 실시예4와 비교하여, 미로형의 자성박막패턴(52)이 설치되어 있는 것이 차이점이며, 다른 구성은 실시예4와 유사하며, 평면도와 자계 검출 원리도 실시예4과 유사하다. 본 실시예 8에서는 자성박막패턴(52)이 미로형으로 설치 되어 있으므로, 자성박막패턴(52)의 저항이 높아 구동전압을 높혀도 자성박막패턴에 상대적으로 작은 전류가 흘러 구동전압을 높힐 수있다는 장점과 함께, 평면코일(13)의 축과 자성박막패턴(52)의 축과의 각도를 작게 함으로써 전류에 대한 바이어스자계의 크기를 크게 할 수 있다는 장점이 있다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 자계센서에 의하면, 기판 위에 제작된 자성박막패턴에, 자성박막패턴과 절연체를 사이에 두고 형성시킨 평면코일에 직류 혹은 교류의 전류를 흘림으로써 발생하는 바이어스자계를 인가함으로써 선형성이 우수하고 외부자계에 대하여 민감한 자계센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 비전도성 기판과; 비전도성 기판에 설치되고 외부자계에 따라 자기모멘트의 변화를 나타내는 자성박막패턴과; 상기 자성박막패턴과 절연체를 사이에 두고 분리되도록 설치되어 상기 자성박막패턴에 바이어스자계를 인가하는 평면 코일과; 자성박막패턴과 평면코일에 전류를 인가하고, 자성박막패턴의 출력전압을 검출하기 위한 구동회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 자계센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 자성박막패턴은 Fe-Ni, Fe-Si-Al, Co-Nb-Zr, Fe-Hf-C, Fe-Cu-Nb-Si-B, Co-Fe-Si-B, Co-Fe-Ni-Si-B, Fe-Si-N 중의 적어도 하나 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자계센서.