KR101471770B1 - Piezoelectric-magnetic micro device, magnetic sensor including the same, and fabrication method of piezoelectric-magnetic micro device - Google Patents
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Abstract
압전 물질과 자성 물질이 일체화된 극미세 사이즈의 MEMS 구조물을 형성함으로써, 자기전기효과 계수를 극대화할 수 있고, 초소형 자기 센서 또는 전류 센서의 구현에 응용할 수 있는 압전-자성 마이크로 소자 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 압전-자성 마이크로 소자는, 압전 박막층, 상기 압전 박막층의 상, 하부에 각각 형성되는 상부 전극층 및 하부 전극층을 포함하는 압전체와, 상기 압전체의 상부에 형성되는 자성 박막층과, 상기 압전체의 하부 양 끝단에 형성되는 지지층을 포함하고, 상기 지지층으로 인해 상기 압전체는 하부의 일부가 노출된 브릿지(bridge) 구조를 이루는 것을 특징으로 한다.A piezoelectric-magnetic micro-device capable of maximizing the magnetoelectric effect coefficient and forming a micro-sized MEMS structure in which a piezoelectric material and a magnetic material are integrated and being applicable to realization of a micro-sized magnetic sensor or a current sensor, and a manufacturing method thereof to provide. The piezoelectric-magnetic micro-device according to an embodiment of the present invention includes a piezoelectric body including a piezoelectric thin film layer, an upper electrode layer and a lower electrode layer formed on upper and lower portions of the piezoelectric thin film layer, a magnetic thin film layer formed on the piezoelectric body, And a support layer formed at both ends of the lower portion of the piezoelectric body, wherein the piezoelectric layer forms a bridge structure in which a lower portion of the piezoelectric body is exposed.
Description
본 발명은 자기전기효과(Magnetoelectric effect)를 발생시키는 압전 물질과 자성 물질의 복합 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a composite device of a piezoelectric material and a magnetic material for generating a magnetoelectric effect and a method of manufacturing the same.
자기전기효과란 결정에 전기장을 가할 때 전기장에 비례해 자기화가 생기는 현상, 또는 역으로 결정에 자기장을 가할 때 자기장에 비례해 전기편극이 생기는 현상을 의미한다. 이러한 자기전기효과는 극미세 자기 센서(magnetic sensor), 전류 센서(current sensor), 마이크로 변압기, 자이로 센서(gyro sensor) 등의 기술적 분야에 응용될 수 있으며, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하여 소자를 제작할 경우 초소형, 극미세 센서의 구현이 가능하다.The effect of magnetism is a phenomenon in which magnetization occurs in proportion to an electric field when an electric field is applied to the crystal, or conversely, electric polarization occurs in proportion to a magnetic field when a magnetic field is applied to the crystal. Such a magnetism effect can be applied to a technical field such as a magnetic sensor, a current sensor, a micro-transformer, a gyro sensor, etc., and it is possible to use a MEMS (Micro Electro Mechanical System) It is possible to realize a very small and very fine sensor.
일반적으로 유전 물질(dielectric material)와 자성 물질(magnetic material)은 상호 간의 커플링(coupling) 현상, 즉, 전기장 하에서의 자화 현상 등이 거의 발생하지 않으나, 연구를 통해 특정 단일 재료에서 자기전기효과가 발생된다는 것이 발견되었다. 이러한 발견으로 인해 현재 단일층, 복합체 또는 자성체와 압전체의 층간 구조(layered structure) 등의 재료적인 연구가 진행되고 있으며, 주로 최적의 자기-전계 커플링 계수(magnetoelectric coupling coefficient)를 얻고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.Generally, the dielectric material and the magnetic material hardly cause a coupling phenomenon between each other, that is, a magnetization phenomenon under an electric field. However, research has shown that a magnetoresistive effect occurs in a specific single material ≪ / RTI > As a result of these discoveries, materials researches such as a single layer, a complex or a layered structure between a magnetic material and a piezoelectric material are being studied, and a study for obtaining an optimal magnetoelectric coupling coefficient It is actively being done.
그러나, 현재 자기전기효과를 이용한 소자의 제작 및 센서 등으로의 응용에 대한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 특히, 극미세 자기 센서 또는 전류 센서의 경우 최근 크게 각광받고 있는 스마트 그리드(Smart Grid) 등에 적용될 수 있을 것으로 여겨지나, 이에 대한 연구는 거의 전무한 실정이다.
However, research on the fabrication of a device using a magnetic field effect and its application to a sensor has not been conducted at present. Particularly, in the case of a very fine magnetic sensor or a current sensor, it is considered that it can be applied to a smart grid (Smart Grid), which has recently been greatly appreciated.
본 발명은 압전 물질과 자성 물질이 일체화된 극미세 사이즈의 MEMS 구조물을 형성함으로써, 자기전기효과 계수를 극대화할 수 있고, 초소형 자기 센서 또는 전류 센서의 구현에 응용할 수 있는 압전-자성 마이크로 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention relates to a piezoelectric-magnetic micro-device capable of maximizing a magnetoelectric effect coefficient and being applicable to the realization of a micro-sized magnetic sensor or a current sensor by forming a very fine MEMS structure in which a piezoelectric material and a magnetic material are integrated, And a method for producing the same.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 압전-자성 마이크로 소자는, 압전 박막층, 상기 압전 박막층의 상, 하부에 각각 형성되는 상부 전극층 및 하부 전극층을 포함하는 압전체와, 상기 압전체의 상부에 형성되는 자성 박막층과, 상기 압전체의 하부 양 끝단에 형성되는 지지층을 포함하고, 상기 지지층으로 인해 상기 압전체는 하부의 일부가 노출된 브릿지(bridge) 구조를 이루는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric-magnetic microdevice including a piezoelectric thin film layer, a piezoelectric body including an upper electrode layer and a lower electrode layer formed on upper and lower portions of the piezoelectric thin film layer, And a support layer formed on both ends of the lower portion of the piezoelectric body, wherein the piezoelectric layer forms a bridge structure in which a lower portion of the piezoelectric body is exposed.
상기 자성 박막층은 상기 압전체 중 하부가 노출된 브릿지 영역의 상부에 형성될 수 있다.The magnetic thin film layer may be formed on an upper portion of a bridge region where a lower portion of the piezoelectric body is exposed.
상기 압전체는, 주변 자기장의 변화에 의해 상기 자성 박막층에 스트레인이 발생하면, 상기 스트레인에 대응하는 전기신호를 발생시킬 수 있다.When a strain is generated in the magnetic thin film layer due to a change in a peripheral magnetic field, the piezoelectric body can generate an electric signal corresponding to the strain.
상기 실시예에 따른 압전-자성 마이크로 소자는, 상기 압전체와 상기 자성 박막층 사이에 형성되는 절연층을 더 포함할 수 있다.The piezoelectric-magnetic micro element according to the embodiment may further include an insulating layer formed between the piezoelectric body and the magnetic thin film layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 센서는, 서로 쌍을 이루어 형성되는 다수의 마이크로 소자를 포함하고, 상기 다수의 마이크로 소자는 공통적으로 압전 박막층, 상기 압전 박막층의 상, 하부에 각각 형성되는 상부 전극층 및 하부 전극층을 포함하는 압전체와, 상기 압전체의 하부 양 끝단에 형성되는 지지층을 포함하고, 상기 지지층으로 인해 상기 압전체는 하부의 일부가 노출된 브릿지(bridge) 구조를 이루며, 상기 쌍을 이루는 마이크로 소자 중 하나는 상기 압전체의 상부에 형성되는 자성 박막층을 포함하고, 다른 하나는 상기 자성 박막층을 포함하지 않을 수 있다.The magnetic sensor according to an embodiment of the present invention includes a plurality of micro elements formed in pairs, and the plurality of micro elements commonly include a piezoelectric thin film layer, an upper electrode layer formed on upper and lower portions of the piezoelectric thin film layer, And a supporting layer formed on both ends of the lower portion of the piezoelectric body, wherein the piezoelectric body has a bridge structure in which a lower portion of the piezoelectric body is exposed, and the pair of micro- One of them may include a magnetic thin film layer formed on the piezoelectric body, and the other may not include the magnetic thin film layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전-자성 마이크로 소자의 제조 방법은, 지지층 상에 하부 전극층, 압전 박막층 및 상부 전극층을 순차적으로 증착하는 단계와, 상기 상부 전극층, 압전 박막층 및 하부 전극층에 포토리소그라피 및 식각 공정을 순차적으로 수행하여 압전체를 형성하는 단계와, 상기 압전체의 하부 일부가 노출되도록 상기 지지층의 하부를 식각하여 브릿지(bridge) 구조를 형성하는 단계와, 상기 압전체 중 하부가 노출된 브릿지 영역의 상부에 자성 박막층을 증착하는 단계를 포함한다.The method of manufacturing a piezoelectric-magnetic microdevice according to an embodiment of the present invention includes the steps of sequentially depositing a lower electrode layer, a piezoelectric thin film layer, and an upper electrode layer on a supporting layer, and a step of forming a lower electrode layer, a piezoelectric thin film layer, Etching the lower portion of the supporting layer to form a bridge structure so that a lower portion of the piezoelectric body is exposed; and forming a bridge structure by etching the lower portion of the supporting layer to expose a lower portion of the piezoelectric body. And depositing a magnetic thin film layer thereon.
상기 실시예에 따른 압전-자성 마이크로 소자의 제조 방법은, 상기 자성 박막층의 증착 이전에, 상기 압전체 상부에 절연층을 증착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
The method of manufacturing the piezoelectric-magnetic micro element according to the embodiment may further include depositing an insulating layer on the piezoelectric body before the magnetic thin film layer is deposited.
본 발명에 의하면, 지지층과 압전체를 브릿지(bridge) 구조로 형성하고, 압전체의 하부가 노출된 브릿지 영역의 상부에 자성 박막층을 형성함으로써, 압전-자성 마이크로 소자에서 발생하는 자기전기효과를 극대화할 수 있다.According to the present invention, by forming the support layer and the piezoelectric body in a bridge structure and forming the magnetic thin film layer on the bridge region in which the lower portion of the piezoelectric body is exposed, it is possible to maximize the magnetoelectric effect generated in the piezoelectric- have.
또한, 압전-자성 마이크로 소자에서 자기전기효과를 유도하여 주변의 자기장 또는 전류장에 대응하는 전기신호를 생성함으로써 높은 감도를 가지는 초소형의 자기 센서 또는 전류 센서를 구현할 수 있다.Also, a micro-sized magnetic sensor or current sensor having a high sensitivity can be realized by inducing a magneto-electric effect in the piezoelectric-magnetic micro element and generating an electric signal corresponding to the surrounding magnetic field or current field.
또한, 압전-자성 마이크로 소자의 압전체에서 생성된 전기 에너지를 센서의 동력원으로 사용함으로써 무전원 동작이 가능하고, 이를 이용하여 신재생 에너지, 스마트 그리드, 자동차 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.In addition, by using the electric energy generated in the piezoelectric body of the piezoelectric-magnetic micro element as the power source of the sensor, it is possible to perform the non-power operation, and it can be applied to various fields such as renewable energy, smart grid and automobile.
또한, 일반적인 MEMS 공정을 적용하여 대량 생산이 가능하고, 기존의 고감도 센서 모듈에 비해 가격 경쟁력을 크게 높일 수 있다.
In addition, mass production is possible by applying general MEMS process, and price competitiveness can be greatly enhanced compared to existing high sensitivity sensor module.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 압전-자성 마이크로 소자의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전-자성 마이크로 소자의 구성도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전-자성 마이크로 소자의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 4는 Terfenol-D 물질로 형성된 자성 박막층의 열처리 전후의 자화 특성을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 압전-자성 마이크로 소자에 미세 전류를 인가했을 때 압전체에 유도된 전기신호를 측정한 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 압전-자성 마이크로 소자를 이용한 온도 센싱 결과를 도시한 도면이다.1 is a configuration diagram of a piezoelectric-magnetic micro element according to an embodiment of the present invention.
2 is a configuration diagram of a piezoelectric-magnetic micro-device according to another embodiment of the present invention.
3A to 3F are views illustrating a method of manufacturing a piezoelectric-magnetic micro-device according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing magnetization characteristics before and after heat treatment of a magnetic thin film layer formed of Terfenol-D material.
FIGS. 5 and 6 are graphs showing results of measurement of an electric signal induced in a piezoelectric body when a microcurrent is applied to the piezoelectric-magnetic micro-device according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a result of temperature sensing using the piezoelectric-magnetic micro element according to the present invention.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more apparent by describing in detail exemplary embodiments thereof with reference to the attached drawings, which are not intended to limit the scope of the present invention. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전-자성 마이크로 소자의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a piezoelectric-magnetic micro-device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전-자성 마이크로 소자는, 압전 박막층(113), 상기 압전 박막층(113)의 상, 하부에 각각 형성되는 상부 전극층(115) 및 하부 전극층(111)을 포함하는 압전체(110)와, 상기 압전체(110)의 상부에 형성되는 자성 박막층(120)과, 상기 압전체(110)의 하부 양 끝단에 형성되는 지지층(100)을 포함하고, 상기 지지층(100)으로 인해 상기 압전체(110)는 하부의 일부가 노출된 브릿지(bridge) 구조를 이루는 것을 특징으로 한다.1, a piezoelectric-magnetic micro-device according to an embodiment of the present invention includes a piezoelectric
자성 박막층(120)은 압전체(110) 중 양 지지층(100) 사이로 하부가 노출되어 있는 브릿지 영역의 상부에 형성될 수 있다. 압전체(110)의 브릿지 영역은 1 ~ 500um 크기의 폭과, 폭의 1 ~ 4배 길이 및 0.1 ~ 10um 크기의 두께로 형성될 수 있다. 압전 박막층(113)과 자성 박막층(120)은 0.01 ~ 4um 두께로 형성될 수 있다.The magnetic
지지층(100)은 SiNx, poly-Si, SiO2 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있고, 그 위에 적층되는 하부 전극층(111)과 상부 전극층(115)은 Pt로 형성될 수 있으며, 양 전극층(111, 115) 사이의 압전 박막층(113)은 PZT, PMN-ZT, PVDF 및 BaTiO3 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 자성 박막층(120)은 Terfenol-D, NiFe2O4, Ni, Metglass 및 Permendur 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성될 수 있다.The
본 발명에 따른 압전-자성 마이크로 소자는 자기전기효과를 유도하고 이를 극대화함으로써 초소형 고감도 자기 센서 또는 전류 센서로 이용될 수 있다. 이를 위해, 먼저 압전 박막층(113)의 상, 하부에 동일한 재료의 전극층(111, 115)을 형성하여 등전위(equi-potential) 상태를 만들어 줌으로써 높은 전기적 물성을 얻는다. 또한, 압전체(110)과 자성 박막층(120)이 일체화된 마이크로 사이즈의 브릿지 구조를 형성하되, 자성 박막층(120)을 브릿지 영역의 전면부 전체에 형성함으로써 주변 자기장 변화에 의해 발생하는 기계적 스트레인(strain)을 최대로 하여 자기전기효과 계수(electromagnetic coefficient)에 의한 커플링 효과를 극대화한다.The piezoelectric-magnetic micro-device according to the present invention can be used as an ultra-small high-sensitivity magnetic sensor or current sensor by inducing and maximizing the magnetism effect. To this end, first, electrode layers 111 and 115 of the same material are formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric
이 때, 자성 박막층(120)에 발생한 기계적 스트레인으로 인해 압전체(110)에는 전하량(또는 전압)의 변화, 즉, 전기신호가 발생하게 되고, 그 크기를 측정함으로써 주변 자기장 또는 전기장의 변화 및 세기를 감지할 수 있게 된다. At this time, a change in the amount of charge (or voltage), that is, an electrical signal, is generated in the
본 발명에 따른 압전-자성 마이크로 소자를 활용한 자기 센서 또는 전류 센서는 자기전기효과에 의해 압전체(110)에 생성된 전기 에너지를 동력원으로 사용할 수 있으므로, 센서 회로의 구동을 위한 별도의 전원이 필요하지 않게 된다. 즉, 자체 발전을 통한 무전원 동작이 가능하므로, 센서의 초소형화가 더욱 용이해진다.Since the magnetic sensor or the current sensor utilizing the piezoelectric-magnetic micro element according to the present invention can use the electric energy generated in the
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전-자성 마이크로 소자의 구성도이다.2 is a configuration diagram of a piezoelectric-magnetic micro-device according to another embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전-자성 마이크로 소자는 도 1과 같이 지지층(100), 압전체(110) 및 자성 박막층(120)을 포함하고, 추가적으로 압전체(110)와 자성 박막층(120) 사이에 형성되는 절연층(200)을 더 포함한다.2, the piezoelectric-magnetic micro element according to another embodiment of the present invention includes a supporting
이와 같이, 압전체(110)와 자성 박막층(120) 사이에 층간 물질로 절연층(200)을 형성함으로써, 탄성 커플링(elastic coupling)을 극대화하고, 압전-자성 마이크로 소자의 전기자기 효과를 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.By forming the insulating
한편, 도 1의 상단부에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압전-자성 마이크로 소자를 활용한 자기 센서는 다수의 마이크로 소자를 포함하는 브릿지 어레이(array) 형태로 구현될 수도 있다. 이 경우, 캔틸레버 구조의 다수의 마이크로 소자는 서로 쌍을 이루어 형성될 수 있는데, 쌍을 이루는 캔틸레버 중 하나에는 압전체 위에 자성 박막층을 형성하고, 다른 하나에는 자성 박막층을 형성하지 않는 구조로 제작할 수도 있다(도면에 미도시). 이를 통해 외부의 온도 변화, 습도 변화 등 자기장 또는 전류의 변화 이외의 외부 환경의 변화를 상쇄시킴으로써 더욱 정밀한 센싱 동작이 가능해진다.Meanwhile, as shown in the upper part of FIG. 1, the magnetic sensor using the piezoelectric-magnetic micro-device according to the present invention may be implemented in the form of a bridge array including a plurality of micro-devices. In this case, a plurality of micro-elements having a cantilever structure may be formed as a pair, and one of the pair of cantilevers may be formed with a structure in which a magnetic thin film layer is formed on a piezoelectric body and a magnetic thin film layer is not formed on the other Not shown in the drawing). This makes it possible to perform a more precise sensing operation by offsetting changes in the external environment other than changes in the magnetic field or current, such as external temperature changes and humidity changes.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전-자성 마이크로 소자의 제조 방법을 도시한 도면이다.3A to 3F are views illustrating a method of manufacturing a piezoelectric-magnetic micro-device according to an embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3f를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전-자성 마이크로 소자의 제조 방법은, 지지층(100) 상에 하부 전극층(111), 압전 박막층(113) 및 상부 전극층(115)을 순차적으로 증착하는 단계와, 상기 상부 전극층(115), 압전 박막층(113) 및 하부 전극층(111)에 포토리소그라피(photolithography) 및 식각(etching) 공정을 순차적으로 수행하여 압전체(110)를 형성하는 단계와, 상기 압전체(110)의 하부 일부가 노출되도록 상기 지지층(100)의 하부를 식각하여 브릿지 구조를 형성하는 단계와, 상기 압전체(110) 중 하부가 노출된 브릿지 영역의 상부에 자성 박막층(120)을 증착하는 단계를 포함한다.3A to 3F, a method of manufacturing a piezoelectric-magnetic micro element according to an embodiment of the present invention includes forming a
먼저, 도 3a와 같이, SiNx, poly-Si, SiO2 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 물질을 지지층(100)으로 하고, 그 위에 솔젤(sol-gel)법, 스퍼터링(sputtering)법 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition)법을 이용하여 하부 전극층(111), 압전 박막층(113) 및 상부 전극층(115)을 증착하여 다층 기판을 형성한다. 여기에서 하부 전극층(111)과 상부 전극층(115)으로는 Pt가, 압전 박막층(113)으로는 PZT, PMN-ZT, PVDF 및 BaTiO3 중 적어도 하나를 포함하는 물질이 사용될 수 있다.First, as shown in FIG. 3A, a material including at least one of SiNx, poly-Si, SiO2, and Al is used as a
이어서, 도 3b 및 도 3c와 같이, 포토리소그래피 및 식각 공정을 통해 상부 전극층(115)과 압전 박막층(113)을 식각한다.Next, as shown in FIGS. 3B and 3C, the
이어서, 도 3d 및 도 3e와 같이, 지지층(100)의 하부 중앙 부분을 식각한 후 남아 있는 하부 전극층(111)을 식각하여 브릿지 구조의 압전체(110)를 형성한다. 이러한 브릿지 구조는 폭이 1 ~ 500㎛이고, 길이가 폭의 1 ~ 4배이며, 0.1 ~ 10㎛의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.Subsequently, as shown in FIGS. 3D and 3E, the lower central portion of the
이어서, 도 3f와 같이, 압전체(110) 중 하부가 노출된 브릿지 영역의 상부에 스퍼터링법 등을 이용하여 Terfenol-D, NiFe2O4, Ni, Metglass 또는 Permendur 등의 자성 물질로 자성 박막층(120)을 증착한다.3F, the magnetic
이 때, 자성 박막층(120)은 증착 중 열처리(in-situ annealing) 또는 증착 후 열처리(post-annealing) 과정을 거칠 수 있다. 특히, 자성 박막층(120)으로 Terfenol-D 물질이 사용될 경우, 열처리 과정이 필수적으로 요구된다. 이러한 열처리는 압전체(110)의 상전이 온도 이하(50 ~ 450℃)에서 하는 것이 바람직하다.At this time, the magnetic
한편, 상기한 자성 박막층(120)의 증착 이전에, 압전체(110) 상부에 도 2에 도시된 것과 같은 절연층(200)을 더 증착하고, 그 위에 자성 박막층(120)을 증착할 수도 있다. 절연층(200)은 SiO2, Parylene 등의 물질로 형성될 수 있으며, 절연층(200)을 통해 자성 박막층(120)과 전기를 발생시키는 압전체(110)에서의 전류의 이동 현상을 막아 전기자기 효과를 더욱 높일 수 있게 된다.2 may be further deposited on the
도 4는 Terfenol-D 물질로 형성된 자성 박막층의 열처리 전후의 자화 특성을 나타낸 도면이다. 4 is a graph showing magnetization characteristics before and after heat treatment of a magnetic thin film layer formed of Terfenol-D material.
도 4에서, 가로축은 자기장의 크기, 세로축은 박막의 자화(magnetization) 정도를 나타낸다. 빨간 점들로 이루어진 선은 열처리 이전의, 파란 점들로 이루어진 선은 열처리 이후의 M-H 히스테리시스(hysterisis) 곡선이다. 이와 같이, Terfenol-D 물질로 증착된 자성 박막층(120)의 경우 열처리 과정을 거쳐 비로소 자성체의 특성을 가지게 된다.In Fig. 4, the horizontal axis indicates the magnitude of the magnetic field, and the vertical axis indicates the degree of magnetization of the thin film. The line of red dots is the M-H hysterisis curve after the heat treatment, and the line of blue dots before the heat treatment. As described above, the magnetic
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 압전-자성 마이크로 소자에 미세 전류를 인가했을 때 압전체에 유도된 전기신호를 측정한 결과를 도시한 도면이다.FIGS. 5 and 6 are graphs showing results of measurement of an electric signal induced in a piezoelectric body when a microcurrent is applied to the piezoelectric-magnetic micro-device according to the present invention.
제작된 압전-자성 마이크로 소자에 전자석, 도전성 와이어(conductive wire) 및 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)을 사용하여 전류를 흘려준 후 자성 박막층의 변형에 따라 압전체에 유도된 전하량을 측정하였다. The electromagnet, the conductive wire and the Helmholtz coil were used to flow the current to the fabricated piezoelectric-magnetic microdevice, and the amount of charge induced in the piezoelectric material was measured according to the deformation of the magnetic thin film layer.
도 5를 참조하면, 먼저 자성 박막층이 없는 상태에서 인가되는 전류(파란색 선)를 조금씩 높여 가며 실험한 결과, 그래프 아래의 빨간색 선과 같이 거의 반응이 나타나지 않았다. 반면, 자성 박막층을 형성한 후 전류(파란색 선)를 조금씩 높여 가며 실험한 결과, 그래프 위의 초록색 선과 같이 인가된 전류의 크기에 비례하는 전기신호가 측정되었다.Referring to FIG. 5, when the current (blue line) applied in the state without the magnetic thin film layer was slightly increased, the experiment showed that almost no reaction was observed like the red line under the graph. On the other hand, after forming the magnetic thin film layer, the electric current (blue line) was gradually increased. As a result, an electric signal proportional to the magnitude of the applied current was measured like the green line on the graph.
도 6은 최소 전류 0.1uA를 인가했을 때 압전체에 유도된 전기신호의 변화를 보여주며, 검출 가능한 최소 전류 및 자기장(magnetic field)는 각각 0.1uA, 2×10-11T 인 것으로 확인되었다. 이를 통해, 본 발명에 따른 압전-자성 마이크로 소자를 이용하여 고감도 및 초소형의 전류 센서 또는 자기 센서를 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.FIG. 6 shows changes in the electric signal induced in the piezoelectric body when a minimum current of 0.1 uA was applied, and the minimum current and magnetic field to be detected were confirmed to be 0.1 uA and 2 x 10 -11 T, respectively. Accordingly, it can be confirmed that a current sensor or a magnetic sensor of high sensitivity and miniaturization can be realized by using the piezoelectric-magnetic micro-device according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 압전-자성 마이크로 소자를 이용한 온도 센싱 결과를 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 브릿지 구조의 압전체 및 자성체를 포함하는 압전-자성 마이크로 소자의 공진 주파수 변화를 모니터링함으로써 미세 온도 센서로의 응용이 가능하다.FIG. 7 is a diagram showing a result of temperature sensing using the piezoelectric-magnetic micro element according to the present invention. As shown in FIG. 7, application to a micro temperature sensor is possible by monitoring the resonance frequency change of the piezoelectric-magnetic micro element including the bridge structure piezoelectric body and the magnetic body.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 알 수 있을 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. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention.
100 : 지지층 110 : 압전체
111 : 하부 전극층 113 : 압전 박막층
115 : 상부 전극층 120 : 자성 박막층
200 : 절연층100: Support layer 110:
111: lower electrode layer 113: piezoelectric thin film layer
115: upper electrode layer 120: magnetic thin film layer
200: insulating layer
Claims (11)
상기 압전체의 상부에 형성되는 자성 박막층과,
상기 압전체의 하부 양 끝단에 형성되는 지지층과,
상기 압전체와 상기 자성 박막층 사이에 형성되는 절연층을 포함하고,
상기 지지층으로 인해 상기 압전체는 하부의 일부가 노출된 브릿지(bridge) 구조를 이루는 것을 특징으로 하는
압전-자성 마이크로 소자.
A piezoelectric body including a piezoelectric thin film layer, an upper electrode layer and a lower electrode layer respectively formed on upper and lower portions of the piezoelectric thin film layer,
A magnetic thin film layer formed on the piezoelectric body,
A support layer formed on both lower ends of the piezoelectric body,
And an insulating layer formed between the piezoelectric substance and the magnetic thin film layer,
And the piezoelectric layer forms a bridge structure in which a part of the lower portion is exposed due to the support layer.
Piezoelectric - magnetic microdevices.
상기 자성 박막층은 상기 압전체 중 하부가 노출된 브릿지 영역의 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는
압전-자성 마이크로 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the magnetic thin film layer is formed on an upper portion of a bridge region where a lower portion of the piezoelectric body is exposed
Piezoelectric - magnetic microdevices.
주변 자기장의 변화에 의해 상기 자성 박막층에 스트레인이 발생하면, 상기 압전체는 상기 스트레인에 대응하는 전기신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는
압전-자성 마이크로 소자.
The method according to claim 1,
Characterized in that when a strain is generated in the magnetic thin film layer due to a change in the peripheral magnetic field, the piezoelectric body generates an electric signal corresponding to the strain
Piezoelectric - magnetic microdevices.
상기 지지층은 SiNx, poly-Si, SiO2 및 Al 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성되고, 상기 하부 전극층 및 상기 상부 전극층은 Pt로 형성되고, 상기 압전 박막층은 PZT, PMN-ZT, PVDF 및 BaTiO3 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는
압전-자성 마이크로 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the support layer is formed of a material containing at least one of SiNx, poly-Si, SiO2 and Al, the lower electrode layer and the upper electrode layer are formed of Pt, and the piezoelectric thin film layer is formed of PZT, PMN-ZT, PVDF and BaTiO3 Characterized in that it is formed of a material comprising at least one
Piezoelectric - magnetic microdevices.
상기 자성 박막층은 Terfenol-D, NiFe2O4, Ni, Metglass 및 Permendur 중 적어도 하나를 포함하는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는
압전-자성 마이크로 소자.
The method according to claim 1,
Wherein the magnetic thin film layer is formed of a material containing at least one of Terfenol-D, NiFe2O4, Ni, Metglass and Permendur
Piezoelectric - magnetic microdevices.
상기 다수의 마이크로 소자는 서로 쌍을 이루어 형성되고,
상기 다수의 마이크로 소자는 공통적으로 압전 박막층, 상기 압전 박막층의 상, 하부에 각각 형성되는 상부 전극층 및 하부 전극층을 포함하는 압전체와, 상기 압전체의 하부 양 끝단에 형성되는 지지층을 포함하고,
상기 지지층으로 인해 상기 압전체는 하부의 일부가 노출된 브릿지(bridge) 구조를 이루며,
상기 쌍을 이루는 마이크로 소자 중 하나는 상기 압전체의 상부에 형성되는 자성 박막층과, 상기 압전체와 상기 자성 박막층 사이에 형성되는 절연층을 포함하고, 다른 하나는 상기 자성 박막층을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는
자기 센서.
In a magnetic sensor including a plurality of micro elements,
Wherein the plurality of micro elements are formed in pairs with each other,
The plurality of micro elements commonly include a piezoelectric layer including a piezoelectric thin film layer, an upper electrode layer and a lower electrode layer formed on upper and lower portions of the piezoelectric thin film layer, and a support layer formed on both lower ends of the piezoelectric body,
Due to the support layer, the piezoelectric body has a bridge structure in which a part of the lower portion is exposed,
Wherein one of the pair of micro elements includes a magnetic thin film layer formed on the piezoelectric body and an insulating layer formed between the piezoelectric body and the magnetic thin film layer and the other does not include the magnetic thin film layer.
Magnetic sensor.
상기 자성 박막층은 상기 압전체 중 하부가 노출된 브릿지 영역의 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는
자기 센서.
8. The method of claim 7,
Wherein the magnetic thin film layer is formed on an upper portion of a bridge region where a lower portion of the piezoelectric body is exposed
Magnetic sensor.
상기 상부 전극층, 압전 박막층 및 하부 전극층에 포토리소그라피 및 식각 공정을 순차적으로 수행하여 압전체를 형성하는 단계와,
상기 압전체의 하부 일부가 노출되도록 상기 지지층의 하부를 식각하여 브릿지(bridge) 구조를 형성하는 단계와,
상기 압전체 상부에 절연층을 증착하는 단계와,
상기 압전체 중 하부가 노출된 브릿지 영역의 상부에 자성 박막층을 증착하는 단계를 포함하는
압전-자성 마이크로 소자의 제조 방법.
Sequentially depositing a lower electrode layer, a piezoelectric thin film layer, and an upper electrode layer on a supporting layer,
Forming a piezoelectric layer on the upper electrode layer, the piezoelectric thin film layer, and the lower electrode layer by sequentially performing a photolithography and an etching process;
Forming a bridge structure by etching a lower portion of the support layer so that a lower portion of the piezoelectric body is exposed;
Depositing an insulating layer on the piezoelectric body;
And depositing a magnetic thin film layer on an upper portion of the bridge region where a lower portion of the piezoelectric body is exposed
Method of manufacturing a piezoelectric -
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