KR20230101134A - 스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서 및 그것을 이용한 센싱 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중금속 소재의 SOT(spin orbit torque) 채널층, 상기 SOT 채널층 상에 적층되는 강자성층(ferromagnetic layer) 및 상기 강자성층 상에 적층되는 보호층을 포함하고, 상기 SOT 채널층에 인가된 전류에 의해 스핀 궤도 결합 토크(SOT)가 발생하여 상기 강자성층의 자화가 변경되는 것을 특징으로 하는 스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서로서, 본 발명에 의하면, 스핀 궤도 결합 토크(spin-orbit torque, SOT)가 발생하는 단순한 금속 박막 구조를 이용하여, 빠른 응답속도를 보이며 감도가 높은 SOT 자기 센서를 제공할 수 있다.

Description

스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서 및 그것을 이용한 센싱 방법{MAGNETIC SENSOR USING SPIN ORBIT TORQUE AND SENSING METHOD USING SAME}

본 발명은 자기 센서에 관한 것으로서, 스핀 궤도 결합 토크(SOT)를 이용하는 자기 센서 및 센싱 방법에 관한 것이다.

차량에 적용되는 대표적인 자기 센서로서, 홀(Hall) 센서와 자기터널저항(tunneling magnetoresistance, TMR) 센서가 있다.

홀 센서는 전류가 흐르는 도체에 자기장을 걸어주었을 때, 전류와 자기장에 수직 방향으로 전압이 발생하는 홀 효과(Hall effect)를 이용하여 자기장의 방향과 크기를 알 수 있다.

자기터널저항(tunneling magnetoresistance, TMR) 센서는 두 개의 자성층 사이에 산화막을 삽입한 자기터널접합(magnetic tunneling junction, MTJ) 구조에서 외부 자기장 변화에 대해 감지층의 자화가 변하며 발생하는 자기저항 변화를 통해 자기장의 크기를 알 수 있다.

그런데, 홀 센서는 전자의 이동에 따라 전압이 출력되므로 응답 속도가 느리며 감도가 낮고, 이를 극복하기 위한 자석 삽입 등 구조적으로도 복잡해지는 단점이 있다.

그리고, 자기터널저항 센서는 구조가 복잡하고, 삽입되어 있는 산화막이 내구도가 낮아 강한 전류나 전압에 누설 및 파괴가 발생할 우려가 있다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국공개특허공보 제10-2020-0065678호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 스핀 궤도 결합 토크(spin-orbit torque, SOT)가 발생하는 단순한 금속 박막 구조를 이용하여, 빠른 응답속도를 보이며 감도가 높은 SOT 자기 센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서는, 중금속 소재의 SOT(spin orbit torque) 채널층, 상기 SOT 채널층 상에 적층되는 강자성층(ferromagnetic layer) 및 상기 강자성층 상에 적층되는 보호층을 포함하고, 상기 SOT 채널층에 인가된 전류에 의해 스핀 궤도 결합 토크(SOT)가 발생하여 상기 강자성층의 자화가 변경되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 강자성층은 수직 자기 이방성 소재인 것을 특징으로 한다.

또한, 변경된 상기 강자성층의 자화는 상기 강자성층이 형성하는 평면에 수직한 방향인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 강자성층이 형성하는 평면과 평행하고 상기 전류의 방향과 수직한 성분의 전압을 측정하여 자화의 상태를 확인하는 센싱부를 더 포함한다.

그리고, 상기 스핀 궤도 결합 토크 발생 후 상기 전류의 방향과 평행한 방향의 외부 보조 자기장이 인가되면, 자화 스위칭이 일어나는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 자화 스위칭에 의한 자화 상태는 상기 전류의 방향과 평행하고 상기 외부 보조 자기장과 반대 방향의 자기장이 인가되면 다시 자화 스위칭되고, 상기 전류의 방향과 평행하고 상기 외부 보조 자기장과 반대 방향의 자기장이 인가되지 않는 한 상기 자화 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 센싱부에 의해 측정되는 출력 신호는 디지털 신호인 것을 특징으로 한다.

다음, 본 발명의 일 관점에 의한 스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서에 의한 센싱 방법은, 상기의 스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서의 상기 SOT 채널층에 전류를 인가하는 단계, 상기 스핀 궤도 결합 토크 발생 후 상기 전류의 방향과 평행한 방향의 외부 보조 자기장을 인가하는 단계 및

상기 강자성층이 형성하는 평면과 평행하고 상기 전류의 방향과 수직한 성분의 전압을 측정하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 강자성층은 수직 자기 이방성 소재인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 전압을 측정하는 단계에 의해 측정되는 출력 신호는 디지털 신호인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 외부 자기장의 극성 변화에 대해 자화가 스위칭되는 현상을 이용하므로 이진 신호가 출력되고, 따라서 기존의 홀 센서나 자기저항 센서와 같이 선형적 자기장 센서에 비해 외부 자기장 극성 변화에 매우 빠르게 반응하고 신호처리가 단순해진다.

그리고, 외부 자기장만 사용하여 자화를 변화시키는 자기저항 스위칭에 비해 SOT 스위칭은 더 낮은 자기장만으로 자화 스위칭의 변화가 가능하여 비교적 낮은 자력을 생성하는 영구 자석 사용이 가능하다.

또한, 다른 극성의 외부 자기장 인가 전까지 자화 상태가 유지되므로 매우 작은 표면적을 갖는 영구 자석을 이용(영구 자석 사용량 절감)하여 구동 가능하다.

도 1은 본 발명의 자기 센서를 이용한 다양한 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 이상 홀 효과(AHE) 저항 측정 방법을 설명하기 위한 것이며, 도 4는 AHE 저항의 예시이다.
도 5 및 도 7은 SOT를 이용하여 전류 인가에 의한 자화 스위칭 측정 예시이고, 도 6 및 도 8은 AHE 저항을 통해 측정한 결과이다.
도 9는 자기장을 이용한 자화 스위칭과 SOT를 이용한 전류 인가 자화 스위칭 차이를 설명하기 위한 것이다.
도 10은 차량용 모터를 개략적으로 도시한 것이고, 도 11은 그 일부와 차량용 모터를 센싱하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 자기 센서를 도시한 것이다.
도 12 및 도 13은 영구 자석의 사용량을 비교 도시한 것이다.
도 14 및 도 15는 영구 자석의 착자를 비교한 것이다.
도 16은 도 11의 실시예에서 회전 속도 측정의 예를 든 것이며, 도 17은 출력 신호의 예시이다.
도 18은 도 10의 차량용 모터를 센싱하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 자기 센서를 도시한 것이다.
도 19는 도 18의 실시예에서 회전 속도 측정의 예를 든 것이며, 도 20은 그 출력 신호의 예시이다.
도 21은 도 18의 실시예에서 각도(위치)의 측정의 예시이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 자기 센서를 이용한 다양한 구조를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서를 개략적으로 도시한 것이다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서를 설명하기로 한다.

SOT(Spin Orbit Torque)를 이용한 센서 구조는 도 1의 홀 바(Hall bar)(2) 및 원형이나 사각형의 박막층이 올라간 셀(cell)(3) 형태의 단일 소자를 갖거나, 전극에 의해서 연결된 격자 어레이(4) 형태일 수 있다. 단일 소자는 십자가 형태의 중금속층 채널을 가지고 있으며, 각 채널의 끝에는 측정 단자(1)가 연결되어 있다. 격자 어레이(4) 역시 각 라인의 끝에는 측정 단자가 연결되어 있어 와이어링 방법을 통해 PCB(Printed Circuit Board)에 장착하여 각 구조에 대한 출력 신호를 읽을 수 있다.

측정 단자는 Au나 Cu 전극을 사용하며, 기존 박막 및 웨이퍼와의 접착력을 높여주기 위하여 Ta, Ti, Cr 등의 금속 층을 하부에 증착하여 구성한다.

도 2는 도1에서 제시한 홀 바(2) 구조를 기본으로 하는 SOT 센서 구조의 3차원 모식도로서, 홀 바 구조의 본 발명에 의한 자기 센서를 살펴본다.

Ta, Pt, W, Hf과 같은 중금속으로 되어 있는 SOT 채널층(11) 위에 Co, CoFeB와 같이 수직 자기 이방성을 확보할 수 있는 강자성층(12, ferromagnetic layer)이 접합되어 있으며, 그 위에 MgO 및 Ru, Ta 과 같은 보호층(13)으로 구성되어 있다. SOT 채널층(11) 하부에는 웨이퍼와의 접착력을 높이기 위해 버퍼(buffer)층(14)을 사용한다.

SOT 채널층(11)에 DC 전하 전류(I)가 주입되면 스핀 홀 효과(spin Hall effect)에 의하여 +z 방향과 -z 방향으로 각각 -y와 +y 방향의 분극을 갖는 스핀이 이동하고, SOT 채널층(11)과 강자성층(12)의 계면에 이동한 스핀이 축적 후 강자성층(12)으로 주입이 된다.

이렇게 주입한 스핀의 이동은 스핀 전류라고 알려져 있으며, 이 스핀 전류에 의해서 발생한 SOT와 면방향의 보조 외부 자기장에 의해서 자화가 바뀐다.

이 때 자화는 +z 혹은 -z의 방향 성분을 가지며, 방향에 따른 전압 및 저항의 변화는 이상 홀 효과(anomalous Hall effect, AHE)에 의한 전압 및 저항을 측정함으로써 확인이 가능하다. AHE에 의한 전압 및 저항의 크기와 극성은 도시와 같은 전류(I)의 흐름에 대해 면내 방향으로 수직한 성분의 전압(V)을 별도의 센싱부가 측정함으로써 검출이 가능하다.

도 3은 수직 자기 이방성을 가진 수직 자화 자성층의 AHE 저항 측정 방법이다. 수직 자화 자성층은 일반적으로 Co나 Fe 합금과 Ta, Pt 등의 물질을 버퍼층으로 사용하여 제작할 수 있고, 이후 열처리를 통해 그 특성을 향상시킬 수 있다. 수직 자화 m의 방향(극성)은 도시와 같으며, 이는 수직 방향의 외부 자기장(5)에 의해서 +z와 -z방향으로 정렬하게 된다. m의 방향은 면내 x 방향의 전류를 흘리면 AHE에 의하여 면내 y 방향의 전압을 측정하여 알 수 있다.

도 4는 수직 방향의 외부 자기장(5)을 +z 및 -z 방향으로 가하면서 측정한 AHE 저항의 예시이다. 여기서 AHE 저항은 AHE 전압으로도 표현이 가능하다. 본 예시로는 높은 저항일 때 +m으로, 낮은 저항일 때 -m으로 표기하였으나, 측정 조건에 따라 극성은 바뀔 수 있다.

다음, 도 5는 도 3의 수직 자화 자성층의 하부에 중금속층을 증착한 구조이다. 이 경우 앞서 설명한 스핀 홀 효과에 의하여 전하 전류가 흐르게 되면 +z 방향으로 스핀 전류(7)가 생성되게 되고 이 스핀 전류에 의하여 SOT가 생성된다. 이 SOT 만으로는 안정한 상태의 수직 자화 자성층의 자화를 변화시킬 수 없는데, 이 때 +x방향으로 외부 보조 자기장(6)을 가하면 m은 평형상태를 잃고(+x 방향으로 자화가 기울어진 상태) SOT에 의해서 자화가 변하게 된다. 이를 전류 인가에 의한 자화 스위칭이라고 한다.

전류에 의한 자화 스위칭이 일어나기 위해서는 1)스위칭이 일어날 수 있는 임계 전류(critical current, Ic) 이상의 전류가 주입되어야 하고, 2)수직 자화 자성층의 평형 상태를 깰 수 있는 충분한 크기의 보조 자기장(6)이 인가되어야 한다.

도 6은 주입하는 전류 크기에 따라 자화 스위칭이 되는지 여부를 AHE 저항을 통해 측정한 결과 예시이다. 일정한 보조 자기장을 가한 상태에서 주입 커런트를 높이면 임계 전류(Ic) 이상일 때 AHE 저항이 바뀌며, 이를 통해 자화 스위칭이 되었음을 알 수 있다.

도7은 -x방향으로 외부 보조 자기장(8)을 가하였을 때 m이 -x방향으로 자화가 기울어진 상태를 나타낸 모식도이며, 도 8은 이때의 주입 전류에 따른 AHE 저항 변화를 나타낸 예시이다. 도 8에서 확인할 수 있듯이 도 6의 자기이력곡선과 선대칭형태의 양상을 보이는데, 이는 외부 보조 자기장 방향에 따른 m의 기울어진 방향에 영향을 받는 것을 알 수 있다. 따라서 낮은 R_AHE 를 가질 때 -m, 높은 R_AHE를 가질 때 +m의 자화 상태를 갖는다고 가정할 경우, 외부 보조 자기장이 +x 방향일 때 -m → +m의 임계 전류(Ic)는 (+), 외부 보조 자기장이 -x 방향일 때 -m → +m 의 임계 전류(Ic)는 (-) 극성을 갖는다.

또한 임계 전류의 절대값보다 충분히 큰 일정한 크기의 참조 전류(reference current, I_R)를 주입할 경우, 외부 보조 자기장이 +x 방향일 경우 높은 R_AHE, -x 방향일 경우 낮은 R_AHE을 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉 일정 크기의 참조 전류를 이용하여 외부 자기장의 방향 및 존재 여부를 저항을 통해 확인할 수 있으며, 이러한 변화는 자화 스위칭에 기인하기 때문에 수 ns이내에 발생한다.

일반적으로 자화를 변화시키기 위해선 도 9의 ±H_C 라고 표시한 자기장 세기 이상을 가해야 한다. 이 때 H_C를 보자력이라고 하며, 이는 소재와 구조에 따라 달라진다. 자화를 바꾼다는 것은 한 쪽 방향으로 안정된 자화(평형 상태)의 세차 운동을 이겨내야 한다는 것이고, 외부 자기장에 의한 자화 스위칭에서는 자기장만으로 스위칭에 필요한 모든 에너지를 충당해야한다.

그러나 SOT를 이용한 스위칭의 경우, 주입 전류에 의해 발생하는 SOT와 외부 보조 자기장을 이용하여 자화를 바꾸는 것이므로 이때 가하는 보조 자기장의 크기는 자기장만으로 자화를 변화시킬 때보다 더 작을 수 있다.

따라서 구조나 물질에 따라 외부 자기장만 사용할 때보다 더 작은 자기장만으로 자화스위칭이 가능해지고, 이는 더 작은 자기장을 주는 영구 자석의 사용이 가능하다는 의미이다.

따라서 현재 많은 이슈가 되고 있는 희토류 영구 자석을 사용하지 않더라도 알니코나 페라이트 자석만으로도 스위칭이 가능한 구조 제작이 가능해진다.

이상에서 살펴본 본 발명의 SOT를 이용한 자기 센서의 활용예를 이하에서 살펴본다.

도 10은 차량용 트랙션 모터에 사용하는 영구 자석 표면 부착형 동기 모터의 예시이다. 트랙션 모터는 고정자(31)와 회전자(33)로 구성되어 있으며, 고정자(31)의 권선(32)에 교류 전류를 인가하여 회전자(33)의 회전 운동을 조절한다. 일반적으로 회전자(33)는 기어나 바퀴에 회전 동력을 전달하기 위해 회전자 샤프트(34)가 연결되어 있다.

도 11은 회전자 샤프트(34)를 연장하여 N극과 S극을 서로 번갈아가며 4개의 영구 자석(35)을 부착한 뒤 본 발명의 SOT 자기 센서(10)에 미치는 자속(magnetic flux)을 나타낸 모식도이다. 도 11의 경우는 하나의 영구 자석에서 나오는 자속을 예시로 보여주고 있으며, 실제로 극성에 따라 자속이 영구 자석에 들어가고 나오는 방향은 교대로 나타난다.

센서의 방향은 센서 면에 평행인 방향으로 자기장이 작용하도록 결정하고, 센서의 배치는 영구 자석에서 발생하는 자기장의 세기가 거리에 따라 세기가 변하므로, 영구 자석의 중앙에 위치했을 때 자화 스위칭이 일어날 수 있는 자기장 세기가 인가되는 곳에 위치시킨다. 여기서 영구 자석에서 발생하는 자기장이 도 5와 도 7의 외부 보조 자기장 역할을 하는 것이다.

기존의 홀 센서는 자기장이 제거되면 그 출력 신호가 변하므로 도 12와 같이 영구 자석(35-1)이 샤프트의 전 표면을 덮는 형태로 제작이 되어야 한다. 그러나 본 발명의 SOT 자기 센서는 한번 스위칭이 되면 반대 극성의 자기장을 가하기 전까지 상태가 유지되므로 최소 N-S극이 한 쌍 이상 존재하면 되며, 또한 도 13과 같이 영구 자석(35)이 샤프트 전 표면을 덮을 필요 없이 스위칭이 가능한 자기장을 인가할 수 있는 국소적 곳에 위치하면 된다. 따라서 샤프트를 연장하여 별도의 영구자석을 사용하는 경우, 매우 적은 양의 영구 자석을 사용하여도 작동이 가능하다.

그리고, 센서에 자속을 가하는 영구 자석의 착자(magnetization)에 따라 자속은 다르게 발생할 수 있다. 샤프트를 감싸는 C 형태(원호 형태)의 영구 자석을 사용하는 경우, 착자는 도 14의 방사형(radial)과 도 15의 평행형(parallel) 방식의 2가지로 구성할 수 있다. 본 센서의 경우 영구 자석의 중앙에서 센서에 가하는 자속이 평행한 상태로 인가되어야 한다. 따라서 도 14의 방사형 영구 자석을 사용할 경우 스위칭이 발생하기 시작하는 위치는 자석의 가장자리이고, 도 15의 평행형 영구 자석을 사용할 경우는 영구 자석의 중앙이 된다. 따라서 출력 신호를 응용할 때 도 14의 경우는 영구 자석의 표면적을 고려해야 한다.

도 16은 도 11의 경우를 자기 센서(10)의 위치를 기준으로 표시한 모식도로서, 센서가 위치한 각도를 0도로 설정하면, 각 영구 자석(35)의 중심 위치는 90, 180, 270, 360(= 0)도에 위치한다.

도 17은 도 16의 상황에서 회전자가 시계 방향으로 회전할 때 센서에서 출력하는 신호의 예시이다. 출력 신호는 AHE 저항 또는 전압으로 나타나며, 영구 자석의 극성 변화에 따라 구형파(사각 파형)를 나타낼 수 있다. 영구 자석이 4개 존재할 경우, 회전자가 5,000 rpm으로 회전하면, 1회전 당 0.012초가 소요되며, 이 경우 영구 자석의 중앙을 기준으로 극이 바뀌는 시간 t_p=4는 3 ms가 된다. 회전자가 10,000 rpm으로 회전해도, t_p=4는 1.5 ms 이므로 자화 스위칭이 충분히 일어날 수 있는 시간이기 때문에 감지 가능한 범위가 된다. (자화 스위칭은 수 ns 시간 단위에서 스위칭 발생)

본 예시에서 회전 속도는 신호 변화가 4회 발생 시 1바퀴를 회전하는 것을 이용하여 rpm을 계산할 수 있다. 또한 90도 간격으로 배치되어 있는 영구 자석의 중심 위치 간 거리와 시간을 알고 있으므로 저속 구간에서 변속되는 것도 확인이 가능하며, 영구 자석의 수가 많아지면 신호 변화 수도 많아지므로 더욱 정밀한 속도 변화를 확인할 수 있다.

한편, 기존의 홀 센서나 MR 센서는 자기장에 대한 선형적 변화를 이용한다. 따라서 High 또는 Low 레벨의 출력 신호를 얻기 위해서는 별도로 선형 출력 신호를 이진화 출력 신호로 바꿔주는 회로적 구성이 필요하다.

그러나 앞서 도 17의 출력된 데이터의 예시와 같이 본 발명의 SOT 자기 센서는 최초의 출력 신호가 이진 데이터, 즉 디지털 신호로 출력이 되므로 별도의 이진화 작업이 필요하지 않아 더 단순한 신호 처리가 가능하다.

앞서 기술한 것처럼, 영구 자석의 수 뿐 아니라 센서의 수를 추가하면 신호 변화에 따른 영구 자석의 각도(위치)도 확인할 수 있다. 홀 센서를 위치 센서로 사용하는 대표적인 모터인 BLDC 모터에도 본 자기 센서의 적용이 가능하다.

도 18은 세 개의 SOT 자기 센서(10)가 회전 샤프트(34)를 중심으로 동심원 상에 배치된 구조이다. 영구 자석(35)이 부착된 회전자 샤프트(34)가 회전을 하면 도 19에 표시한 A, B, C 위치의 자기 센서(10)는 각각 영구 자석(35)에서 발생하는 자기장에 의해 자화 스위칭을 하여 도 20과 같은 구형파(square wave)를 출력하게 된다.

도 20의 화살표는 도 19에 화살표로 표시한 영구 자석이 지나갈 때의 신호 변화를 의미한다.

위치를 검출하는 일반적인 방법은 다음과 같다. 2π(360도)를 한 주기로 도 20과 같은 특정 구형파를 얻을 때, 도 21과 같이 연속적인 전류가 아닌 디지털 신호 처리장치(digital signal processor, DSP)를 이용하여 일정한 주기를 갖는 펄스를 주입한다. 이 때 펄스의 세기는 스위칭이 일어날 수 있는 I_R 이고, 펄스 폭(width) 역시 소자에 따라 차이가 발생할 수 있으나 수~수십 μs로 주입한다. 따라서 회전자의 최초 위치(각도, θ₀), 각속도(ω)와 회전 시간(t)를 알고 있으면 회전자의 위치 θ = θ₀ + ωt로 알 수 있다. 여기서 θ₀ 는 이전에 사용한 경우 모터 내부 메모리에 저장된 마지막 위치이거나, 최초 사용의 경우 센서의 위치와 영구 자석의 위치를 일치시켜 0으로 맞추어 사용이 가능하다. ω는 2πf로 표현 가능하고, f는 주입 펄스 폭을 알고 있으므로 한 가지 저항 상태가 유지되는 동안 주입한 펄스의 수를 셈으로써 알 수 있다. 본 경우는 1개의 센서에서 나오는 신호를 이용한 예시이고, 센서의 수가 증가할수록 전기각에 대한 분해능이 좋아지므로 정밀도가 향상한다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

10 : 자기 센서
11 : SOT 채널층
12 : 강자성층
13 : 보호층
14 : 버퍼층

Claims (10)

1. 중금속 소재의 SOT(spin orbit torque) 채널층;
   상기 SOT 채널층 상에 적층되는 강자성층(ferromagnetic layer); 및
   상기 강자성층 상에 적층되는 보호층을 포함하고,
   상기 SOT 채널층에 인가된 전류에 의해 스핀 궤도 결합 토크(SOT)가 발생하여 상기 강자성층의 자화가 변경되는 것을 특징으로 하는,
   스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 강자성층은 수직 자기 이방성 소재인 것을 특징으로 하는,
   스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서.
3. 청구항 2에 있어서,
   변경된 상기 강자성층의 자화는 상기 강자성층이 형성하는 평면에 수직한 방향인 것을 특징으로 하는,
   스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 강자성층이 형성하는 평면에 수직한 방향으로 외부 자기장을 인가하여, 상기 강자성층이 형성하는 평면과 평행하고 상기 전류의 방향과 수직한 성분의 전압을 측정하여 자화의 상태를 확인하는 센싱부를 더 포함하는,
   스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 스핀 궤도 결합 토크 발생 후 상기 전류의 방향과 평행한 방향의 외부 보조 자기장이 인가되면, 자화 스위칭이 일어나는 것을 특징으로 하는,
   스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 자화 스위칭에 의한 자화 상태는 상기 전류의 방향과 평행하고 상기 외부 보조 자기장과 반대 방향의 자기장이 인가되면 다시 자화 스위칭되고, 상기 전류의 방향과 평행하고 상기 외부 보조 자기장과 반대 방향의 자기장이 인가되지 않는 한 상기 자화 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는,
   스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 센싱부에 의해 측정되는 출력 신호는 디지털 신호인 것을 특징으로 하는,
   스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서.
8. 청구항 1의 스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서의 상기 SOT 채널층에 전류를 인가하는 단계;
   상기 스핀 궤도 결합 토크 발생 후 상기 전류의 방향과 평행한 방향의 외부 보조 자기장을 인가하는 단계; 및
   상기 강자성층이 형성하는 평면과 평행하고 상기 전류의 방향과 수직한 성분의 전압을 측정하는 단계를 포함하는,
   스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서에 의한 센싱 방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 강자성층은 수직 자기 이방성 소재인 것을 특징으로 하는,
   스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서에 의한 센싱 방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 전압을 측정하는 단계에 의해 측정되는 출력 신호는 디지털 신호인 것을 특징으로 하는,
    스핀 궤도 결합 토크를 이용한 자기 센서에 의한 센싱 방법.

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