KR20120139712A

KR20120139712A - 통합 자력계 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20120139712A
Application number: KR1020127022485A
Authority: KR
Inventors: 알랭 쉴; 질 고댕; 필리뻬 사봉; 삐에르-진 제르마텡; 프랑수아 몽테뉴
Original assignee: 꼼미사리아 아 레네르지 아또미끄 에 오 에네르지 알떼르나띠브스; 상뜨로 나쇼날 드 라 러쉐르쉐 샹띠피크
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-12-27
Also published as: FR2955942B1; WO2011092406A1; EP2529243B1; CN102859382A; US20130134970A1; JP2013518273A; US9557392B2; EP2529243A1; FR2955942A1

Abstract

본 발명에 따르면, 실질적으로 평면 기판(plannar substrate)의, 상단면(top surface)으로 불리는, 표면상에 배치되는 복수의 다층(multilayer) 자기저항 센서(magnetoresistive sensor)를 포함하여 구성되고, 상기 기판의 상단면은, 복수의 경사면(inclined faces)을 가지는 적어도 하나의 공동(cavity) 또는 돌출부(protuberance)를 가지며, 적어도 4개의 상기 자기저항 센서가 서로 다른 방향(orientation) 및 서로 대향하는 쌍(pairs)으로 4개의 상기 경사면에 위치되고, 각각의 센서는 자신이 위치된 면과 평행한 외부 자기장(external magnetic field) 중 하나의 성분(component)을 감지하는 것을 특징으로 하는 통합 자력계(Integrated magnetometer)가 제공된다. 또한, 그러한 자력계의 제조공정이 제공된다.

Description

통합 자력계 및 그 제조방법{Integrated magnetometer and its manufacturing process}

본 발명은, 2 또는 3개의 축을 가지는 통합 자력계(integrated magnetometer)에 관한 것이며, 또한, 그 제조방법에 관한 것이다,

종래 기술에 있어서,

자이언트(giant) 자기저항 효과 또는 터널(tunnel) 자기저항 효과를 이용한, 다층(multilayer) 자기저항 센서(magnetoresistive sensor)에 기반한 통합 자력계를 제조하는 방법이 알려져 있다. 예를 들면, 이하의 문헌들을 참조할 수 있다.

M. Hehn, F. Montaigne and A. Schuhl "Magnetoresistance geante et electronique de spin", [Giant magnetoresistance and spin electronics], Techniques de l'Ingenieur, E 2 135, Chapters 1 and 2;

J. Daughton et al. "Magnetic Field Sensors Using GMR Multilayer", IEEE Transactions on magnetics, Vol. 30, No. 6, November 1994; 및

M. Tondra et al. "Picotesla field sensor design using spin-dependent tunneling devices", Journal of Applied Physics, Vol. 83, No. 11, pp. 6688 - 6690, June 1, 1998.

이러한 자기저항 센서는, 예를 들면, 실리콘으로 이루어지는, 평면 기판(plannar substrate) 상에 배치된 얇은 층(thin layers)의 적층(stack)으로 이루어진다.

더 상세하게는, 도 1a에 나타낸 바와 같이, 자이언트 자기저항(GMR) 자기저항성 센서는, 예를 들면, 코발트로 이루어지는, 2개의 자기층(magnetic layer)(CM1 및 CM2)이 예를 들면, 구리로 이루어지는, 금속층(CMET)에 의해 이격되어 이루어지고, 그 두께는 나노미터 단위를 가진다. 하층(bottom layer)(CM2)은, 그 자화(magnetization)(자기 모멘트)(M₂)가 외부 자기장의 어느 것과도 반응하지 않도록(너무 민감하지 않도록) 형성되므로, "하드"하다고 일컬어지며, 반면, 상층(top layer)(CM1)은, 그 자기 모멘트(M₁)가 적당한(moderate) 감도의 외부 자기장에 의해 변회될 수 있으므로, "소프트"하다고 일컬어진다. "하드"층의 자화는 차단층(blocking layer)(CB)으로서 언급되는 반강자성체층(antiferromagnetic layer) 상에 배치됨으로써 얻어진다. "소프트"층의 자화는 퀴리점(Curie point) 위에서 어닐링(annealing) 한 후 적절한 방향을 가지는 자기장의 존재 하에 냉각(cooling)이 이어짐으로써 얻어진다.

상기한 구조의 전기적 저항은, CM1과 CM2를 병렬로 측정했을 때, M₁과 M₂ 사이의 각도 θ의 코사인에 의해 결정된다. 선형 응답을 얻기 위해, M₁과 M₂는, 일반적으로, 외부 자기장이 없는 조건 하에 서로 수직이도록 선택된다.

도 1의 구조에 외부 자기(B)가 인가되면, "소프트"층의 자기 모멘트 M₁이 바뀌고, 각도 θ가 변화한다. 첫째로, 필드(B)의 M1에 수직이고 층의 평면에 위치된 성분만이 센서의 방향에 작용한다. 다시 말하면, 2개의 자화( M₁ 및 M₂)는 외부 자기장이 없는 조건 하에 서로 수직이고, 센서는 "하드"층의 자화 방향(M2)로 지향된 자기장 성분에만 반응한다.

GMR 센서에 있어서, 전류는 층의 평면과 평행하게 흐른다. 따라서 이러한 센서는, 그 끝에 전극(EL)을 가지는, 좁고 긴 스트립(narrow and elongate strip)의 형태를 가진다(도 1b).

센서의 제 2 형태로서, 터널 자기저항(TMR) 센서도 또한, 알루미나(Al₂O₃) 또는 산화마그네슘(MgO)과 같은 절연체의 얇은 층(fine layer)(CI)에 의해 이격된 "전극"에서 동일 또는 다른, 예를 들면, Co, Fe, 또는, CoFe와 같은, 전도성 강자성체 물질(conductive ferromagnetic material)의 2개의 층(EF1 및 EF2)으로 이루어지고, 일반적으로, 0.8nm 내지 5nm 범위의 두께를 가진다. GMR 센서와 마찬가지로, 하부 전극(EF2)의 자화는 일정하나, 반면, 상부 전극(EF1)은 외부 자기장에 의해 변경될 수 있다. 터널효과에 의해 전자가 절연 배리어를 통과할 가능성이 있으며, 따라서 터널 접합(JT)의 저항은, 2개의 자기층의 자화 사이의 각도 θ의 코사인에 의존한다. GMR 센서와 마찬가지로, 층(EF1 및 EF2)의 자화가 자기장이 없는 조건 하에서 수직이면, TMR 센서는 그 "하드" 전극의 자화 방향을 따라 지향된 필드 성분에만 반응한다.

TMR 센서에 있어서, 전류는 층의 평면과 수직으로 흐른다. 따라서 그러한 센서는, 강자성체 전극(EF1 및 EF2)으로 구성되고, 도 2에 나타낸 바와 같이, 층(CI)에 의해 이격된, 2개의 교차된 스트립(crossed strips)의 형태이다.

자기저항 센서에 있어서, GMR 타입이나 TMR 타입에 상관없이, 오프셋의 제거 문제, 즉, 자기장에 독립적인 저항성분의 문제가 발생한다. 이러한 오프셋은 크며 온도에 의존한다.

이러한 오프셋을 제거하는 첫번째 가능성은, 도 3a에 나타낸 바와 같이, 서로 평행한 감지축(sensitivity axes)을 가지는 4개의 동일한(identical) 센서(R₁, R₂, R₃, R₄)를 공통의 기판상에 조합하는 것이다. 이러한 4개의 센서는, 센서(R₁ 및 R₂)에 의해 형성되는 제 1 암과, 센서(R₁' 및 R₂')에 의해 형성되는 제 2 암을 가지는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 형성하도록 연결된다. 2개의 다른 암에 속하고 휘트스톤 브리지에서 반대 위치를 점유하는(즉, 서로 직접 연결되지 않는) 센서(R₂ 및 R₂')는, 부드러운 강자성체 합금(soft ferromagnetic alloy)의 자기 차폐체(magnetic sheilding)(BM)에 의해 덮인다(coveres). 결과적으로, R₁ 및 R₁'의 저항만이 외부 자기장에 의존한다. 브리지의 지점(C 및 D)이 전류원과 연결되어 있다면, 지점 A 와 B 사이의 전위차는 코사인(θ)에 비례하고(proportional), 따라서 측정 가능한 외부 자기장의 성분에 비례한다. 4개의 센서가 모두 동일할 필요는 없으나, R₁과 R₁'의 저항은 서로 동일해야 하고, R₂와 R₂'에 대하여도 마찬가지이며, 4개의 센서 모두에 대한 오프셋이 동일한 온도 의존성을 나타내는 것은 만족되어야 한다.

도 3b에 나타낸 바와 같이, 오프셋을 제거하는 제 2의 방법은, 주어진 자기장 성분(화살표 A_R, A_R')과 반대 방향에 응답을 나타내는 2개의 동일한 센서 R과 R' 사이의 저항의 차분 측정(differential measurment)을 수행하는 것으로 구성된다. 이러한 형태의 2개의 센서는 반대되는 자화를 가지는 "하드"층을 나타낼 수 있다. 이는, 특히,

서로 다른 방향으로 지역적으로(locally) 자기장의 적용을 가능하게 하는 전기 배선을 기판상에 포함시킴으로써, 또는,

차단층(blocking layer)에 차례로 배치되는, 인공 반강제성체(artificial antiferromagnet)(AAF)로 알려진 특별한 다층구조상에 센서 중 하나를 배치함으로써,

와 같은, 다양한 방법으로 달성될 수 있다. AAF 구조는, 그 사이에 반강자성체 커플링을 포함하는 금속 스페이서에 의해 이격된 2개의 자기층으로 구성된다. 이러한 커플링으로 인해, 2개의 층의 자화는 역평행 정렬(antiparallel alignment)에서 일정하게 유지되며: 따라서 센서의 "하드"층이 차단층의 자기 모멘트에 반대 방향으로 분극된다(polarized).

도 4는 AAF를 포함하는 센서의 부분도(section view)이다. AAF 구조는 센서의 전도도(conductivity)를 증가시키고 따라서 그 감도(sensitivity)는 감소시키므로, GMR 센세에 AAF 구조를 이용하는 것은 어렵다. 이러한 문제는 TMR 센서에서는 일어나지 않는다.

종래기술은 3개의 축을 가지는 통합 자력계의 구현을 가능하게 하지 못하였고: 최선은, 평면 기판상에 배치된 자기저항 센서가 기판의 평면상에 외부 자기장의 돌출부의 2개의 성분을 측정할 수 있는 것이었다. 종래기술에 있어서, 3축 자력계는, 일반적으로, 적어도 2개의 동일평면상이 아닌(not coplanar) 기판을 이용하여, 하이브리드 형태로 이루어진다. 이는 결과적으로, 장치에 있어서, 제조비용이 비싸고, 다루기 어렵고(bulky), 복잡하며(delicate), 무엇보다 자력계의 조립(assembling)과 관련된 시스템 에러(systematic error)에 의해 제한되는 정확도만을 나타내게 한다.

1개 또는 2개의 축을 가지는 자력계의 제조는 가능하나, 상기한 바와 같이, 오프셋의 제거를 위해 비교적 복잡한 기술의 구현이 요구된다.

미국특허 US 2009/027048호 및 US 2008/169807호는, 2개의 서로 다른 방향으로 기판의 평면 표면상에 배치된 자기저항 센서를 가지고, 상기 표면의 에칭홈(etching groove)에 의해 얻어지는 경사면에 다른 센서가 배치된 통합 3축 자력계를 개시하고 있다. 평면 표면에 배치된 센서는 2개 차원(two dimensions)의 자기장을 측정하도록 기능하고, 상기 홈의 경사면에 배치된 센서는 제 3 차원(third dimension)에 접근(access)을 제공한다. 오프셋이 유동하는(drift) 바와 같이, 오프셋 제거의 문제는 그대로 남아있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 단점을 극복하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하도록 하기 위해, 청구항 1항에 기재된 본 발명의 일 측면에 따르면, 실질적으로 평면 기판(plannar substrate)의 "상단" 면(top surface)에 배치되는 복수의 다층(multilayer) 자기저항 센서(magnetoresistive sensor)를 포함하여 구성되고,

상기 기판의 상단면은, 복수의 경사면(inclined faces)을 가지는 적어도 하나의 공동(cavity) 또는 돌출부(projection)를 가지며,

적어도 4개의 상기 자기저항 센서가 서로 다른 방향(orientation) 및 서로 대향하는 쌍(pairs)으로 4개의 상기 경사면에 위치되고, 각각의 센서는 자신이 배치된 면과 평행한 외부 자기장(external magnetic field component) 성분을 감지하는(sensitive) 것을 특징으로 하는 통합 자력계가 제공된다.

본 발명의 자력계의 바람직한 실시예는 종속항에 기재된 바와 같은 내용으로 구성된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기에 기재된 자력계의 제조방법에 있어서,

상기 각각의 공동 또는 돌출부를 사익 기판의 상기 상단면 상 또는 내(in or on)에 형성하는 제 1 단계;

연속 증착(successive deposition) 및 리소그래피 공정(lithographic operation)에 의해 상기 다층 자기저항 센서를 형성하는 제 2 단계; 및

센서의 감지축을 결정하기 위해 인가되는 외부 자기장으로 어닐링(annealing)하는 제 3 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자력계의 제조방법이 제공된다.

더 상세하게는, 상기 방법의 구현은,

상기 제 1 단계는, 단결정인 상기 기판의 비등방성 에칭(anisotrophic etching)에 의해 수행되고,

상기 제 2 단계는, 적어도 하나의 상기 기판의 표면상에 균일한 수지층(uniform layer of resin)을 형성하는 과정을 포함하고, 각각의 상기 과정은, 상기 수지의 스프레이 코팅(spray-coating) 또는 증발(vaporizing)에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징, 상세 및 이점은, 첨부된 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명에 따르면, 실질적으로 평면 기판(plannar substrate)의 "상단" 면(top surface)에 배치되는 복수의 다층(multilayer) 자기저항 센서(magnetoresistive sensor)를 포함하여 구성되고, 상기 기판의 상단면은, 복수의 경사면(inclined faces)을 가지는 적어도 하나의 공동(cavity) 또는 돌출부(projection)를 가지며, 적어도 4개의 상기 자기저항 센서가 서로 다른 방향(orientation) 및 서로 대향하는 쌍(pairs)으로 4개의 상기 경사면에 위치되고, 각각의 센서는 자신이 배치된 면과 평행한 외부 자기장(external magnetic field component) 성분을 감지하는(sensitive) 것을 특징으로 하는 통합 자력계 및 그 제조방법이 제공된다.

도 1a, 도 1b, 도 2, 도 3a, 도 3b 및 도 4는 종래기술의 통합 자기저항 센서를 나타내는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 단결정(monocrystalline) 실리콘 기판의 비등방성 에칭(anisotropic etching)에 의해 얻어지는 잘린(truncated) 피라미드 형상의, 잘린 피라미드의 표면에 배치된 GMR 타입 자기저항 센서를 가지는, 돌출부에 대한 입면도(elevation view) 및 단면도(section view)이다.
도 6은 GMR 타입 센서에 근거한 단일축 자력계의 단면도이다.
도 7은 GMR 타입 센서에 근거한, 본 발명의 실시예에 따른 2축 자력계의 평면도(plan view)이다.
도 8은 GMR 타입 센서에 근거한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3축 자력계의 평면도이다.
도 9는 GMR 타입 센서에 근거한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3축 자력계의 평면도이다.
도 10은 가속계를 함께 가지는 본 발명에 따른 자력계의 입면도이다.
도 11은 본 발명의 방법의 의해 자력계를 제조하는 여러 단계를 간략화하여 나타내는 도면이다.
도 12는 자속 밀도계(flux concentrators)를 포함하는 본 발명의 변형예에 따른 자력계의 평면도이다.
도 13a 및 도 13b는 도 7에 나타낸 복수의 자력계의 형태를 직렬로 연결하여 구성된 개별 자력계의 평면도이다.

도 5a 및 도 5b는, 결정면(crystal plane)(100)에 대응하는 표면의 단결정(monocrystalline) 실리콘 기판의 비등방성 에칭(anisotropic etching)으로 형성된, 잘린(truncated) 피라미드 형태의 돌출부(projection)(P)의 표면에 배치된 단일의 GMR 타입 자기저항 센서(R₁)를 나타내는 도면이다. 이러한 조건 하에서, 피라미드의 4개의 면은 평면(111)에 대응하고, 기판의 표면에 대하여 θ = 54.7°의 각도로 경사져 있다(inclined). 이러한 형태의 돌출부(protuberance)를 - 또한 잘린 피라미드 형태와 마찬가지로 동공(cavity)을 - 형성하는 것은, Chii-Rang et al. "Study on anisotropic silicon etching characteristics in various surfactant-added tetramethyl ammonium hydroxide water solutions", J. Micromech. Micoreng. 15, 2028 (2005)에 개시되어 있다.

도면에 있어서, M₁은 (소프트) 감지층(sensitive layer) R₁의 자기 모멘트를 나타내고, M₂는 하드층 R₂의 자기 모멘트를 나타내며, A_R1은 M₂에 평행한, 센서의 검출축(detection axis)을 나타낸다. 기판(S)의 표면은 xy 평면에 평행하고 z축에 수직이다. B_x, B_y 및 B_z는 각각 측정될 외부 자기장의 x, y, z축을 따르는 성분이다.

알려진 전류가 y축에 평행한 방향으로 센서(R₁)를 통하여 흐르고, 전압(V₁)은 저항을 결정하도록 기능하는 단자 양단에서 측정되며, 이는, B_y가 아니라, B_x 및 B_z의 함수이다. 센서의 선형 응답 제한 내에서, 그 출력신호는 다음과 같이 주어진다.

여기서, S는 센서의 감도(sensitivity)이고, V₀는 그 오프셋이며, 즉, 자기장이 없을 때의 출력 전압이다.

오프셋으로 인해, 도 5의 장치는, 자기장의 성분의 값과 전압 측정을 연관시키기 어려우므로, 제한된 이득을 가진다.

도 6은 2개의 동일한 센서(R1 및 R3)가 피라미드(P)의 2개의 대향면(opposite faces)에 배치된 장치를 나타내는 도면이다. 출력 신호(V₁ 및 V₂)는 B_x가 결정될 수 있도록 하고, 오프셋값 Vo를 다음과 같이 제거가능하게 한다.

반대로, 성분 Bz의 측정은 오프셋에 의존한다.

성분 Bz의 측정에 영향을 미치는 오프셋을 제거하기 위해, 센서 R₁ 및 R₃를 상기한 도 3에 나타낸 바와 같은 형태의 휘트스톤 브리지에 탑재된 4개의 센서의 2개의 집합으로 대체 가능하다. 변형예에 있어서, 상기한 바와 같이, 평행인 감지축 및 반대의 감도(S)를 가지는 센서의 쌍으로 센서들을 대체할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 장치에 있어서, 4개의 동일한 센서(R₁, R₂, R₃, R₄)가, 피라미드(P)의 끝(tip)을 향하여 지향된 감지축(AR₁, AR₂, AR₃, AR₄)을 가지고 피라미드(P)의 4개의 면에 배치된 모습을 나타내는 도면이다. 이러한 자력계는 B_x 및 B_y가 결정될 수 있도록 하고, 따라서 "컴파스(compass)"를 제공한다.

만약, xy 평면에서 자기장의 방향만을 찾고자 한다면, 감도(S)를 아는 것은 불필요하다.

도 6에 나타낸 바와 같이, B_z를 측정하기 위해 센서(R₁, R₂, R₃, R₄)를 도 3에 나타낸 형태의 휘트스톤 브리지 회로, 또는, 감지축은 평행하고 감도(S)는 반대인 센서 쌍으로 대체하는 것이 필요하다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예의 장치를 나타내는 도면으로, 제 1 실시예와 다른 점은, 반대 방향의 2개의 면에 배치된 센서가 동일한 개별 센서(individual sensors)의 쌍을 형상하도록 복제된다는 점이다(R₁, R₁' 및 R₃, R₃'). 4개의 개별 센서는 도면에 도시된 바와 같이 휘트스톤 브리지에 연결된다. 전압(V_AB)은 B_x에 정비례하고(directly proprotional), 그것에 의해, 더 이상 측정된 전압 신호의 성분 V_o를 증폭 및 디지털 포맷으로 변환할 필요가 없으므로, 측정 처리를 위한 전자장치를 간소화하고 동적 범위(dynamic range)가 증가될 수 있도록 한다.

브리지 구조는 또한, 자기장의 성분 B_y를 나타내는 신호에 접근을 제공하는, 돌출부(P)의 다른 2개의 표면상에 구현될 수도 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예의 장치를 나타내는 도면으로, 도 7의 장치와 다른 점은 센서(R₂ 및 R₄)가 각각 그들의 감도를 반전하는 AAF 구조를 포함하는 점만이 다르다(화살표 A_R2 및 A_R4가 피라미드(P)의 끝으로부터 멀어지는 방향을 가리킴). 자기장의 3개의 성분은 각각 다음과 같이 주어진다.

이는, 오프셋(V_o)이 완전히 제거되었음을 의미한다.

도 9에 나타낸 형태의 자력계를 제조하기 위해, AAF 구조를 배치하면서 센서(R₁ 및 R₃)가 배치될 영역(zone)을 마스크하는 것이 충족된다. 상기한 바와 같이, 이러한 해결책은 GMR 센서보다 TMR 센서(도 9에 나타낸)에 더 적합하다. 또한, 상기한 바와 같이, AAF 구조를 이용하기 위한 대안이 있다: 이러한 목적을 위하여, 서로 다른 방향으로 지역적으로(locally) 자기장이 인가될 수 있도록 하기 위해, 기판상에 전기 배선(array of electric line)을 형성하는 것이 충족된다.

본 발명의 자력계의 감도를 증가시키기 위해, 자기저항 센서를 운반하는(carry) 슬로프면(sloping faces) 상에 자속 집속기(flux concentrators)(CF)를 설치할 수 있다. 각각의 자속 집속기는, 사다리꼴(trapezoidal) 형상을 나타내고 그들의 짧은 베이스(short bases)를 통해 서로 대향하는, 그 높이가 자기저항 센서의 감지축에 평행한(따라서 피라미드의 베이스 쪽을 가리키는), 고도자성(high-permeability)의 부드러운(soft) 자성물질(예를 들면, 퍼멀로이(permalloy))의 2개의 평평한 부분(planar parts)으로 구성된다.

이러한 2개의 부분은 센서가 위치된 작은 베이스 사이의 영역에서 자기장의 자속 라인을 집중시킨다. 이러한 변형예는 도 12에 나타나 있다.

도 13a 및 도 13b는, 상기한 바와 같이 복수의(특히, 4개의) 개별 자력계(MM1 - MM4)로 이루어지고, 대응하는 센서 - 즉, 서로 평행인 감지축을 가지는 - 가 직렬로 연결된 "복합(complex)" 자력계를 나타내는 도면이다. 이는 신호대 잡음비를 증가시키는 것을 가능하게 하며; TMR 센서가 사용되면, 이 또한 터널접합 브레이크다운의 위험을 더욱 감소한다. 개별 자력계는 동일한 자기장이 인가되기 위하여 바로 옆에 근접하여(수 mm 또는 그 이하, 바람직하게는, 1mm 또는 그 이하) 배치되어야 한다. 더 상세하게는, 도 13a는 각각의 개별 자력계 중 하나의 센서만이 다른 자력계의 대응하는 센서에 직렬로 연결된 간략화된 구성을 나타내고 있고; 도 13b는 각각의 개별 자력계의 4개의 브랜치(branches)가 직렬 연결되는 구성을 나타내고 있다. 당연하게, 개별 자력계의 수는 4개 이외일 수 있으며; 개별 자력계는 반드시 정렬되어 있을(in alignment) 필요는 없고; 실시예와 같이, 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.

본 발명은 서로 동일한 센서를 이용하는 것에 근거한 실시예를 참조하여(반대 방향의 감도(S)는 무시하고) 상기한 바와 같이 설명되었다. 이는 필수적인 제한이 아니며, 복수의 다른 자기저항 센서로 이루어지는 자력계는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다. 그럼에도 불구하고, 동일한 센서를 이용하는 것이 보다 바람직하며, 이는, 시스템 에러를 최소화하는 것이 가능하기 때문이다. 여러 가지 센서가 모놀리식으로 집적됨으로써(monolithically integrated), 특히 그들의 특성이 실질적으로 동일해지도록 할 수 있다는 이점이 있다. 동일한 목적으로, 센서들이 서로 바로 인접하여 배치되는 것이 바람직하며; 일반적으로, 본 발명에 따른 자력계의 모든 센서는 1mm 또는 그 이하, 바람직하게는, 100㎛ 또는 그 이하, 더 바람직하게는, 50㎛ 또는 그 이하의 반경 내에 배치되어야 한다.

본 발명은 피라미드 형태의 공동 또는 돌출부의 사영에 근거한 실시예를 참조하여 상기한 바와 같이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 이는 필수적인 제한이 아니며; 적어도 4개의 자기저항 센서가 배치되거나, 또는, 보다 일반적으로는, 서로 다른 방향을 나타내는 4개의 경사면에 대향하는 쌍으로 배치되는 것이 중요하다. 피라미드, 선택적으로 잘린 형태는, 이러한 조건을 만족하는 4개의 면을 제공한다. 변형예에서, 예를 들면, 갈매기형(chevron)을 형성하는, 평행하지 않은(그리고 바람직하게는 수직인), 2개의 V자형 홈에 의존하는(recourse) 것이 가능하다.

도 10은, 도 9에 나타낸, z축을 따라 감지하는 캔틸레버 빔(cantilever beam)을 가지는 미세전기기계 가속계(AM)와 함께 통합된 형태의 자력계(MM)의 입면도이다. 장치가 휴면상태(rest)일 때, 가속계는 z축을 따라 중력 g로 인한 가속 성분을 측정하고, 따라서 수직선(vertical)에 대하여 상기 축의 경사각을 결정할 수 있도록 한다. 이는, 지역 수직선(local vertical)에 평행 및 직교하는 자기장(B)의 성분을 결정할 수 있도록 한다. 당연하게, 1개 또는 3개의 축을 가지는 서로 다른 형태의 가속계도 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 자력계는, 일반적으로, 종래의 미세전자 기술을 이용하여 기판(S) 상에 배치되는 도전 라인(conductor lines)에 의해 전자 처리회로에 연결된다. 디지털, 아날로그 또는 하이브리드 디지털/아날로그 형태일 수 있는 이러한 회로는, 저항 측정을 수행하고 찾고자 하는 자기장의 성분을 결정하기 위해 그러한 측정결과를 처리하도록 기능한다. 바람직하게는, 상기 회로는 기판(S) 상에 통합될 수 있다.

도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 자력계를 제조하기 위한 본 발명의 제조방법의 다른 단계들을 도표로서 나타내는 도면이다.

제 1 단계는, 화학적 에칭(chemical etching)에 의해, 54.7°로 경사진 밀집면(denser planes)(111)이 노출되도록, 실리콘 표면(100)을 비등방성 화학적 에칭하는 단계이다. 도 11a는 기판 표면의 화학적 에칭이 가능하도록 수지에 형성된 개구부를 가지는, 수지층(RL)으로 덮여진 기판(S)을 나타내고 있다. 도 11b는, 비등방성 에칭 공정의 끝에, 수지가 제거된 후에 얻어지는, 잘린 피라미드 형태를 가지는 공동(CP)을 나타내고 있다. 변형예에 있어서, 정사각형 또는 직사각형 형태의 영역을 제외하고 수지를 모두 제거함으로써 동일한 형태를 가지는 돌출부가 얻어질 수 있다. 이러한 단계는 종래기술에 잘 알려져 있으며, 특히, 상기한 Chii-Rong Yang et al.에 개시되어 있다.

제 2 단계는 자기저항 센서를 제조하고, 종래의 증착(deposition) 및 리소그래피 공정(lithography operations)을 이용하여, 그들을 전기적으로 연결하는 단계이다. 한 가지 난점은, 리소그래피 공정이 공동 또는 돌출부의 경사면에 배치되는 균일한(uniform) 수지층을 요구하는 것으로 나타난다. 종래의 스핀 코팅 기술은 덮이지 않은 슬로프(uncovered slope)를 남기게 되므로 부적합하다. 그러나, 경사면에도 균일한 수지층을 형성 가능하게 하는 스프레이 코팅(spraycoating) 기술 또는 수지 증발(resin evaporation) 기술이 또한 존재한다.

예를 들면, 다음과 같은 문헌을 참조할 수 있다:

Nga P Pham et al. "Spray coating of photoresist for pattern transfer on high topography surfaces", J. Micromech. Microeng. 15 (2005) 691 - 697;

Vijav Kumar Singh, "Deposition of thin and uniform photoresist on three-dimensional structures using fast flow in spray coating", J. Micromech. Microeng. 15 (2005) 2339 - 2345; 및

T. Ikehara, R. Maeda, "Fabrication of an accurately vertical sidewall for optical switch applications using deep RIE and photoresist spray coating", Microsyst. Technol. 12 (2005) 98 - 103.

도 11c는 스프레이 코팅에 의해 형성된 수지층(resin layer)(RL') 을 나타내는 도면이다.

외부 자기장(B_R)이 존재하는 조건하에서 수행되는 어닐링은, 차단층과 "소프트"층의 분극을 위해 센서의 제조 동안 또는 그 후에 수행된다(도 11d).

Claims

통합 자력계(Integrated magnetometer)에 있어서,
실질적으로 평면 기판(plannar substrate)(2)의 "상단" 면(top surface)에 배치되는 복수의 다층(multilayer) 자기저항 센서(magnetoresistive sensor)(R₁, R₂, R₃, R₄)를 포함하여 구성되고,
상기 기판의 상단면은, 복수의 경사면(inclined faces)을 가지는 적어도 하나의 공동(cavity) 또는 돌출부(projection)(P, CP)를 가지며,
적어도 4개의 상기 자기저항 센서가 서로 다른 방향(orientation) 및 서로 대향하는 쌍(pairs)으로 4개의 상기 경사면에 위치되고, 각각의 센서는 자신이 배치된 면과 평행한 외부 자기장(external magnetic field component) 성분을 감지하는(sensitive) 것을 특징으로 하는 통합 자력계.
제 1항에 있어서,
상기 기판은, 특히, 실리콘의 단결정형(monocrystalline type)이며,
상기 경사면은 상기 기판의 결정면에 대응하는 것을 특징으로 하는 통합 자력계.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 각각의 공동 또는 돌출부는, 정사각형(square) 또는 직사각형(rectangular) 밑면(base)을 가지는, 피라미드 또는 잘린(truncated) 피라미드 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 통합 자력계.
제 3항에 있어서,
상기 센서의 감지축(sencitivity axes)(A_R1, A_R2, A_R3, A_R4)은, 상기 피라미드의 끝(tip)을 향하여(toward) 또는 멀어지도록(away) 지향되는(directed) 것을 특징으로 하는 통합 자력계.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 상기 센서는, 2개의 동일한(identical) 개별 센서(individual sensors)로 이루어지고,
상기 개별 센서는, 휘트스톤 브리지(Wheatstone brudge) 회로에 연결된 반대 방향의 면에 배치되는 것을 특징으로 하는 통합 자력계.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서들은 동일한(identical) 것을 특징으로 하는 통합 자력계.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서들은, 2개의 대향하는 면에 탑재된 센서들이 서로 반대 방향 신호(opposite sign)를 감지하는 것을 제외하고 동일한(identical) 것을 특징으로 하는 통합 자력계.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 상기 센서들은, 휘트스톤 브리지에 연결된 4개의 동일한 개별 센서로 이루어지고,
2개의 상기 개별 센서 위에(over) 배치된 자기 차폐체(magnetic shield)가 상기 휘트스톤 브리지의 반대 위치를 점유하는(occupying) 것을 특징으로 하는 통합 자력계.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 상기 센서는, 서로 반대 방향 신호를 감지하는 것을 제외하고 동일한 2개의 개별 센서(R, R')로 이루어지는 것을 특징으로 하는 통합 자력계.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다층 자기저항 센서는,
자이언트(giant) 자기저항 센서; 및
터널(tunnel) 자기저항 센서로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 통합 자력계.
제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 미세전기기계형(microelectromechanical type) 가속계(accelermeter)(AM)가 상기 기판상에 일체로 형성되는(integrated) 것을 특징으로 하는 통합 자력계.
제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 경사면에 배치되는 자기저항 센서만을 포함하는(exclusively comprising) 것을 특징으로 하는 통합 자력계.
제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기저항 센서는, 1mm와 같거나 작은, 바람직하게는, 100마이크로미터와 같거나 작은 반경(radius) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 통합 자력계.
청구항 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 기재된 자력계의 제조방법에 있어서,
상기 각각의 공동 또는 돌출부를 사익 기판의 상기 상단면 상 또는 내(in or on)에 형성하는 제 1 단계;
연속 증착(successive deposition) 및 리소그래피 공정(lithographic operation)에 의해 상기 다층 자기저항 센서를 형성하는 제 2 단계; 및
센서의 감지축을 결정하기 위해 인가되는 외부 자기장으로 어닐링(annealing)하는 제 3 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자력계의 제조방법.
제 14항에 있어서,
상기 제 1 단계는, 단결정인 상기 기판의 비등방성 에칭(anisotrophic etching)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 자력계의 제조방법.
제 14항 또는 제 15항에 있어서,
상기 제 2 단계는,
적어도 하나의 상기 기판의 표면상에 균일한 수지층(uniform layer of resin)(RL')을 형성하는 과정을 포함하고,
각각의 상기 과정은, 상기 수지의 스프레이 코팅(spray-coating) 또는 증발(vaporizing)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 자력계의 제조방법.