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문제 정의
- 특히 코어 측면 폭은 센서 크기를 줄이는데 걸림돌로 작용하는 인 자이며, 코어 간격(gap)은 센서 상용화에 초미세 권선 기계를 사용할 경우에 중요한 인자로 작용한다. 이에 본 논문에서는 코어 형상에 대한 자계 검 출 특성을 알아보고, 이를 통해 새로운 구조의 플럭스 게이트 센서 제작 시, 코어 형상에 대한 방향과 마이크로머시닝 제작 방법을 제시하였匸]■.
제안 방법
- 플럭스 게이트 센서의 설계/제작에 있어서 차동 여자형 플럭스 게이트 센서의 기본구조를 이용하였다. 이 구조는 고투 자율의 연자성체 코어와 미소 선폭(pitch)의 여자 및 검출 코일을 사용함으로써, 여자전압과 소비전력을 낮출 수 있다.
- 그림 1은 마이크로머시닝 방법을 이용하여 제작된 플럭스 게이트 센서의 설계 구조도이며, 그림 1(a) 에서는 자성체 코어의 측면을 센서가 동작하는 영역의 코어 폭(250 pm)의 1/2배 (125 pm), 1배 (250 pm), 2배 (500 um)로 구성하여, 코어 측면 폭에 대한 검출 특성의 의존성을 관찰했다. 그림 1(b)에서는 코어 간격에 대한 영향을 알아보기 위해, 코어 간격을 0 pm, 50 pm, 100 um으로 구성하여 설계하였으며, 이때 자성체 코어의 폭은 500 lim로 하였다.
- 그림 2는 마이크로 플럭스 게이트 자기 센서를 제 작하기 위한 그림 1(a)의 X-X', Y-Y' 단면에작 공정도를 나타내고 있으며, 센서를 제작하기 위한 기판으로서 실리콘을 사용하였다. 실리콘 기 판 상에 1.0 Um의 두께로 산화막을 형성하였으며, 전기도금을 위한 seed layer로써 Ti(300 A) / Cu (1500 A)를 DC sputtering 법으로 형성하였다. 하부 코일의 형성을 위해 전기도금 방법을 이용하였고, 코일 패턴 형성 후, 절연을 위하여 코일 패턴 사이에 있는 Ti(300 A) / Cu(1500 A)를 IBEWon Beam Etching)# 이용해 제거했다.
- 0 Um의 두께로 산화막을 형성하였으며, 전기도금을 위한 seed layer로써 Ti(300 A) / Cu (1500 A)를 DC sputtering 법으로 형성하였다. 하부 코일의 형성을 위해 전기도금 방법을 이용하였고, 코일 패턴 형성 후, 절연을 위하여 코일 패턴 사이에 있는 Ti(300 A) / Cu(1500 A)를 IBEWon Beam Etching)# 이용해 제거했다. 하부 코일과 자성체 코어의 사이에 절연성 및 평탄화 도가 좋은 benzocyclobutane (BCB) 를 이용하여 절연과 평탄화를 하였다.
- 하부 코일의 형성을 위해 전기도금 방법을 이용하였고, 코일 패턴 형성 후, 절연을 위하여 코일 패턴 사이에 있는 Ti(300 A) / Cu(1500 A)를 IBEWon Beam Etching)# 이용해 제거했다. 하부 코일과 자성체 코어의 사이에 절연성 및 평탄화 도가 좋은 benzocyclobutane (BCB) 를 이용하여 절연과 평탄화를 하였다. 이 BCB 절연층 위에 퍼멀로이 seed layer를 RF 스퍼터링 방법으로 증착시킨 후, 포토 리지스트 (AZ4260)를 이용하여 패턴을 형성하고 도금하였다.
- 이 BCB 절연층 위에 퍼멀로이 seed layer를 RF 스퍼터링 방법으로 증착시킨 후, 포토 리지스트 (AZ4260)를 이용하여 패턴을 형성하고 도금하였다. 자성체 코어의 상부에 형성될 상부코 일의 절연을 위하여 BCB 절연층을 도포한 후, 하부 코일과 상부 코일의 전기적 연결과 함께 솔레노이드 형태로 코일을 형성하기 위해 절연층을 RIE 에칭하여 through hole을 형성하였다. 형성된 through hole을 통하여 하부코일과 상부 코일을 연 결시킬 수 있으며, 이로 인해 솔레노이드 구조의 코일을 형성하였다.
- 형성된 through hole을 통하여 하부코일과 상부 코일을 연 결시킬 수 있으며, 이로 인해 솔레노이드 구조의 코일을 형성하였다. 상부 코일의 제작 방법은 하부 코일과 동일한 방법을 사용하였으며, 상부 코일형 성 후, 코일을 보호하기 위하여 절연막을 도포하였다. 보호막을 형성한 후 시편에 전기 신호를 인가하기 위한 pad를 형성하였다.
- 상부 코일의 제작 방법은 하부 코일과 동일한 방법을 사용하였으며, 상부 코일형 성 후, 코일을 보호하기 위하여 절연막을 도포하였다. 보호막을 형성한 후 시편에 전기 신호를 인가하기 위한 pad를 형성하였다.
- 마이크로 플럭스 게이트 자기 센서의 특성 측정을 위하여 여자 코일에 function generator(HP33120A)를 사용하여 전류를 인가하였고, 실험을 위하여 특수 제 작되어 진 magnetic shield system에 DC power supply (Agilent E3642A) 로 전류를 인가하여 원하는 자기장을 형성하여 센서에 자기장을 변화시키며 측정하였다. 또한 마이크로 플럭스 게이트 자기 센서의 검출 코일로부터 출력되어지는 제2고 조파 신호를 검줄하기 위해 spectrum analyzer (Agilent 4395A)를 이용하였으며, 상기의 계측기들은 GPIB Interface를 통하여 컴퓨터로 제어하며 측정하였다.
- 마이크로 플럭스 게이트 자기 센서의 특성 측정을 위하여 여자 코일에 function generator(HP33120A)를 사용하여 전류를 인가하였고, 실험을 위하여 특수 제 작되어 진 magnetic shield system에 DC power supply (Agilent E3642A) 로 전류를 인가하여 원하는 자기장을 형성하여 센서에 자기장을 변화시키며 측정하였다. 또한 마이크로 플럭스 게이트 자기 센서의 검출 코일로부터 출력되어지는 제2고 조파 신호를 검줄하기 위해 spectrum analyzer (Agilent 4395A)를 이용하였으며, 상기의 계측기들은 GPIB Interface를 통하여 컴퓨터로 제어하며 측정하였다.
- 마이크로머시닝 공정으로 제작된 마이크로 플럭스 게이트 자기 센서는 여자 코일 49 턴과 검출코일 46턴으로 솔레노이드 형태의 코일을 형성하였다. 또한 자기 플럭스의 누설을 줄이기 위해, 차동형 플럭스게이느 자기 센서에 필요한 두 개의 자성체 코어를 서로 연결하여 폐 자로 (closed magnetic path)를 구현하였다. 도금으로 형성된 연자성체 퍼멀로이 코어는 ~1300의 높은 투자율과 ~0.
- Micromachining 공정을 이용하여 racetrack shaped core를 갖는 초소형 플럭스 게이트 센서 (micro fluxgate sensor)를 설계, 제작하였으며, 코어 측면 폭(side width)과 간격 (gap)에 따른 특성 변화도 관찰하였다. 코어 측면 폭은 센서가 동작하는 영역의 코어 폭보다 클 경우에, 급격한 특성 저하를 방지할 수 있었고, 50 nm의 코어 간격을 갖는 센서에서는 100 lim의 코어 간격을 갖는 센서에 비해 우수한 제 2고조파 출력 전압과 선형특성을 보여 주었다.
대상 데이터
- 그림 1(b)에서는 코어 간격에 대한 영향을 알아보기 위해, 코어 간격을 0 pm, 50 pm, 100 um으로 구성하여 설계하였으며, 이때 자성체 코어의 폭은 500 lim로 하였다. 코어의 재료로는 ~1300의 높은 투자율을 갖는 퍼멀로이 (permalloy, NioxFeg)를 사용하였으며, 코일의 재료로는 전력 소모를 줄이기 위해 전기전도도가 좋은 구리(Cu)를 사용하였다.
- 마이크로머시닝 공정으로 제작된 마이크로 플럭스 게이트 자기 센서는 여자 코일 49 턴과 검출코일 46턴으로 솔레노이드 형태의 코일을 형성하였다. 또한 자기 플럭스의 누설을 줄이기 위해, 차동형 플럭스게이느 자기 센서에 필요한 두 개의 자성체 코어를 서로 연결하여 폐 자로 (closed magnetic path)를 구현하였다.
성능/효과
- 二丄림 4(a)에서 보여주는 것처럼 코어 측면 폭이 센 서가 동작하는 영역의 코어 폭(250 Um)의 1/2배 (125 Um), 1배(250 μm), 2배(500 Um)로 증가할수록 제 2고조파 전압이 증가함을 알 수 있으며, 이는 측면 폭이 증가할수록 자기 플럭스가 코어의 측면을 통과할 때 발생하는 플럭스 누설이 감소하기 때문이다. 또한 센서가 동작하는 영역 코어 폭 (250 μm)의 1배(250 μm)를 기준으로 그 증가하는 경향이 완화되는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 코어의 측면 폭이 센서 소형화 설계에 있어서 중요한 인자로 작용하고 있기 때문에 센서가 동작하는 영역의 자성체 코어 폭과 동일한 측면 폭으로 설계해야 자기 센서의 검출 특성 저하를 방지할 수 있음을 알 수 있다. 250 Um 와 500 Um의 측면 폭을 갖는 센서에서는 2 MHz에서 각각 약 10 mV 와13 mV의 제2고조파 최대 전압을 보였다.
- 그림 4(b)의 외부자계에 대한 제2고조파의 선형특성 관찰은 외부자계 인가는 A-B-C-D-A 순으로 이루어졌으며 , 외 부자계 에 따른 이력현상은 거의 없었다. 센서가 동작하는 영역의 폭(250 Um)의 1/2배(125 pm), 1배(250 pm), 2배(500 皿)의 모든 플럭스게 이 트 자기 센서에서, -1G~+1G의 넓은 외부자계 영역에서도 좋은 선형특성을 보였다.
- 그림에서 보여주는 것처럼, 코어 간격이 없는 경우엔, -1G ~ +1G 의 넓은 외부자계 영역에서 '350 V/T의 고감도와 우수한 선형특성을 보였고, 소비전력은 ~14mW였다. 코어 간격이 100 μm으로 크게 증가할 경우에 외부자계에 대한 제2고주파 전압의 선형성이 매우 감소하였으나, 50 Um일 경우엔, 비교적 좋은 감도와 우수한 선형특성을 유지하였다.
- Micromachining 공정을 이용하여 racetrack shaped core를 갖는 초소형 플럭스 게이트 센서 (micro fluxgate sensor)를 설계, 제작하였으며, 코어 측면 폭(side width)과 간격 (gap)에 따른 특성 변화도 관찰하였다. 코어 측면 폭은 센서가 동작하는 영역의 코어 폭보다 클 경우에, 급격한 특성 저하를 방지할 수 있었고, 50 nm의 코어 간격을 갖는 센서에서는 100 lim의 코어 간격을 갖는 센서에 비해 우수한 제 2고조파 출력 전압과 선형특성을 보여 주었다. 특히 코어 간격이 없는 racetrack shaped core를 갖는 센서는 3.
- 0><1.7 mn? 의 미소 크기에도 불구하고, -350 V/T의 고감도와 우수한 선형 특성을 지니며, ~14 mW의 소비전력을 보였다. 이런 2개의 센서를 이용하여 X, Y축 제 2 고조 파 전압을 즉정한 결과 우수한 compass 기능을 할 수 있음을 알 수 있었고, 향후 이런 초소형, 저전력, 고감도의 자기 센서는 절대 방향 정보를 요구하는 휴대용 navigation 시스템, telematics, VR 게임기 등 다양한 응용 분야에 적용할 수 있다.
후속연구
- 7 mn? 의 미소 크기에도 불구하고, -350 V/T의 고감도와 우수한 선형 특성을 지니며, ~14 mW의 소비전력을 보였다. 이런 2개의 센서를 이용하여 X, Y축 제 2 고조 파 전압을 즉정한 결과 우수한 compass 기능을 할 수 있음을 알 수 있었고, 향후 이런 초소형, 저전력, 고감도의 자기 센서는 절대 방향 정보를 요구하는 휴대용 navigation 시스템, telematics, VR 게임기 등 다양한 응용 분야에 적용할 수 있다.
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