KR0139112B1 - 전자방위센서의 제조방법 - Google Patents

전자방위센서의 제조방법

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Abstract

본 발명은 전자방위센서의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 전자방위센서의 핵심부품인 코아(Core)의 제작과정 및 신호처리 계통을 종래의 프럭스게이트(FLUXGATE)센서가 갖고 있는 고소비전력, 중·대형 크기라는 단점을 보완하고, 실리콘 미세 가공기술과 주변소자를 접목시켜 극소형 방위센서를 얻을 수 있도록 한 전자방위센서 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 전자방위센서의 제조방법은 실리콘기판(20)상에 산화막(22)을 형성하는 단계; 하부 금속층(24L)을 증착 및 패터닝하여 상호 직각을 이루는 한쌍의 솔레노이드들의 검지코일들 및 여기자코일들의 하부권선들을 형성하는 단계; 상기 검지코일들 및 여기자코일들의 하부권선들상에 하부의 층간절연막들(26L)을 형성하는 단계; 하부의 층간절연막들(26L)상에 자성체층들(28)을 증착하는 단계; 자성체층들(28)을 덮도록 상부의 층간절연막들(26U)을 형성하는 단계 및 상부 금속층(24U)을 증착 및 패터닝하여 상기 검지코일들 및 여기자코일들의 상부권선을 형성하는 단계를 구비한다.

Description

전자방위센서의 제조방법
제1도는 종래의 토로이드형태의 방위센서에 있어서 코아의 구조도.
제2도의 (A)및(B)는 제1도에 도시한 방위센서의 동작원리를 설명하기 위한 도.
제3도는 종래의 솔레노이드형태의 자장센서의 구조를 보인 사시도.
제4도는 제3도에 도시한 자장센서의 동작원리를 설명하기 위한 도.
제5도 (A)내지 (E)는 본 발명에 따른 전자방위센서의 제조공정을 보인 단면도.
제6도는 본 발명에 따른 전자방위센서의 완성된 구조를 보인 평면도.
제7도 (A)및(B)는 각각 본 발명에 따른 전자방위센서에서 외부자장이 없는 경우의 B-H곡선 및 H(t)-t곡선도.
제8도 (A)및(B)는 각각 본 발명에 따른 전자방위센서에서 외부자장이 있는 경우의 B-H곡선 및 H(t)-t곡선도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 실리콘기판22 : 산화막
24L : 하부코일층24U : 상부코일층
24UXE : X축방향여기자코일
24UXD : X축방향검지코일
24UYE : Y축방향여기자코일
24UYD : Y축방향검지코일
26L : 하부폴리마이드(Polymide)
26UX : X축상부폴리마이드
26U : 상부폴리마이드(Polymide)
26UY : Y축상부폴리마이드
28 : 자성체층
본 발명은 전자방위센서의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 전자방위센서의 핵심부품인 코아(Core)의 제작과정에 관한 것이며, 종래의 프럭스게이트(FLUXGATE)센서가 갖고 있는 고소비전력, 중·대형크기등의 단점을 보완하고, 실리콘 미세 가공기술과 주변소자를 접목시켜 극소형 방위센서를 얻을 수 있도록 한 전자방위센서 제조방법에 관한 것이다.
전자방위센서는 차량, 선박 및 항공기 등에 탑재되어 현재의 방위를 파악하고 필요한 제어를 수행하는데 유용하게 이용되고 있다.
일반적으로 전자방위센서의 핵심부품인 코일-코아는 토로이드 형태로 되어 있으며, 대한민국 특허공보 91-1251, 90-6582 및 90-4374, 89-3516호 등에 개시 되어 있다.
제1도는 종래의 토로이드형태의 방위센서에 있어서 코아의 구조도이고, 제2도는 제1도에 도시한 방위센서의 동작원리를 설명하기 위한 도이다.
제1도에 도시한 바와 같이, 종래의 토로이드형태의 방위센서는 토로이드형태의 퍼멀로이자성체로 이루어진 코아(1)와, 상기 코아(1)의 외주연을 따라 권취된 여기자코일(2)과, 상기 코어(1)의 외측에 십자(+)형으로 배치된 X방향 및 Y방향 검지코일들(3및4)로 이루어지며, 이들 방향검지 코일들(3및4)에 유기된 전압신호는 현재의 방향을 판단하는데 있어서 기초 데이터로서 이용된다.
상기한 종래의 전자방위센서에서 외부자장이 존재하지 않는 경우에는 제2도의 (A)에서와 같이 코아(1)에는 암페어의 법칙 및 오른나사의 법칙에 의해서 시계방향으로 자속의 방향이 설정되며, 이때 방향검지 코일들(3및4)에 유기되는 기전력(VEMF)은 페레데이의 법칙에 의해서 아래의 1)식과 같이 주어지며, 시간적인 자속밀도의 변화분이 존재하지 않기 때문에 VEMF=0가 된다.
--1)
여기에서, B(t)는 자속밀도의 시간적인 값(G)이다.
그러나 제2도의 (B)처럼 외부자장(Hex)이 X축방향과 θ만큼의 위상각을 갖고 존재하는 경우 각 축방향으로 인가되는 자장의 성분은 아래의 2)식과 같다.
--2)
따라서, X축 코일에 인가되는 유도기전력은 Hy성분에 의해 - X축에서는 코아내의 자장을 증가시키고, + 축에서는 감소시키는 방향이 되기 때문에 제2도 (B)에서와 같이 X방향검지코일(3)에는 자속밀도의 불균형으로 아래식 3)과 같은 유도기전력(Vx)이 유기된다.
--3)
여기에서, Ho는 지지장의 크기를 나타내며, K는 코일코아의 각종 물리적 상수를 나타낸다.
또한 Y축 방향에는 식3)과 유사하게 식4)와 같이 표현되는 유도기전력(Vy)이 유기된다.
-- 4)
3), 4)식에 의해서 자장의 인가방향은 아래와 같이 얻어질 수 있다.
--5)
제3도는 종래의 솔레노이드형태의 자장센서의 구조를 보인 사시도이고, 제4도는 제3도에 도시한 자장센서의 동작원리를 설명하기 위한 도이다.
제3도에 도시한 자장센서는 실리콘 미세가공기술을 적용하여 제조될 수 있는데, 실리콘기판(10)위에 기판(10)과 센서부를 절연시키기 위하여 산화막(12)을 소정의 두께로 형성하고, 하부전극인 알루미늄층(15)과 코아물질(퍼멀로이)(13)을 절연하기 위해 내력이 우수하고, 현재 층간절연막으로 활발하게 이용되는 폴로마이드(Polymide)(14)를 형성한다.
그후 니켈-철 또는 슈퍼 퍼멀로이(Ni:Fe:Mo = 80:15:5)를 증착시킴으로서 코아(13)를 형성하여, 상부전극(알루미늄)과 코아(13)의 절연을 위해 폴리마이드(14)위에 상부전극으로서 알루미늄을 증착시켜 최종적으로 자장계를 형성한다.
이와 같은 종래 전자방위센서는, 프럭스게이트형 센서의 경우 기하학적으로 원형의 자장계를 형성함으로 외부의 자장변화에 대한 잡음을 제거, 약화시키는 장점이 있으나, 크기가 대형이며 소비전력이 수백 mW정도로 높기 때문에 전자에 의해 구동시킴에 있어서는 큰 약점을 지니고 있다.
또한 미세 가공기술을 이용한 솔레노이드형 자장센서는 방위검출을 위한 두가지 성분을 제공하지 못하기 때문에 나침반으로의 이용이 제한되며, 오차 발생이 크다는 단점을 가지고 있다.
전술한 목적을 가지는 본 발명의 전자방위센서의 제조방법은 실리콘기판상에 산화막을 형성하는 단계; 하부금속층을 증착 및 패터닝하여 상호 직각을 이루는 한쌍의 솔레노이드들의 검지코일들 및 여기자코일들의 하부권선들을 형성하는 단계; 상기 검지코일들 및 여기자코일들의 하부권선들상에 하부의 층간절연막들을 형성하는 단계; 하부의 층간절연막들상에 자성체층들을 증착하는 단계; 자성체층들을 덮도록 상부의 층간절연막들을 형성하는 단계 및 상부금속층을 증착 및 패터닝하여 상기 검지코일들 및 여기자코일들의 상부권선을 형성하는 단계로 이루어진다.
전술한 전자방위센서의 제조방법에서, 검지코일들 및 여기자코일들로는 구리(Cu)가 양호하게 사용되며, 또한 자성체물질로는 퍼멀로이 또는 슈퍼퍼멀로이가 양호하게 사용된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전자방위센서의 제조방법 및 동작원리를 상세하게 설명한다.
제5도는 본 발명에 따른 전자방위센서의 제조공정을 보인 단면도이며,
제6도는 본 발명에 따른 전자방위센서의 구조를 보인 평면도이다.
제5도 (A)에 도시한 바와 같이, 먼저 실리콘기판(20)을 준비하고, 실리콘기판(20)과 이후에 탑재될 센서부와의 절연을 위하여 기판(20)상에 소정의 두께, 예를 들어 1㎛의 두께로 산화막(22)을 형성시킨다.
다음 산화막(22)상에 상호 직각을 이루는 X축 및 Y축방향의 자장성분을 검출하기 위한 한쌍의 솔레노이드들의 검지코일들 및 여기자코일들의 하부권선으로 사용될 금속층(24L)을 증착시키고, 마스크작업에 의하여 소정패턴의 하부권선들을 형성한다. 상기 금속층(24L)은 구리(Cu)로 양호하게 형성된다.
이때, 구동회로(도시되지 않음)의 특성을 고려하여 각 권선폭을 10㎛ 정도로 하는 것이 양호하다.
다음, 제5도(B)에 도시한 바와 같이, 검지코일들 및 여기자코일들을 이후에 적층될 자성체층들(28)과 전기전열시키기 위하여 하부의 층간절연막들(26L)을 형성시킨다. 하부의 층간절연막들(26L)로는 폴리마이드(Polymide)가 양호하게 사용된다.
다음, 제5도의 (C)에 도시한 바와 같이, 하부의 층간절연막들(26L)의 불필요한 부분들을 마스크작업에 의하여 제거시킨다.
제5도(D)에서는, 하부의 층간절연막들(26L)상에 자성체층들(28)을 퇴적시키는데, 자성체의 재료로는 퍼멀로이 또는 수퍼퍼멀로이가 양호하게 사용된다.
다음, 자성체층들(28)을 완전히 감쌓도록 폴리마이드로 양호하게 이루어지는 상부의 층간절연막들(26U)을 형성시킨다.
제5도의 (E)에서는, 상부 금속층들(24U)을 증착하고, 제5도의 (A)의 공정에서 형성된 하부의 검지코일들 및 여기자코일들과 정확하게 접하도록 상부의 금속층들(24U)을 패터닝하여 X축방향 및 Y축방향의 자장을 검출하기 위한 솔레노이드들의 제조가 완성된다.
제6도는 제조가 완료된 전자방위센서의 평면도로서, 참조부호 22는 산화막에 해당하고, 26UX 및 26UY는 각각 X축방향 및 Y축방향의 상부의 층간절연막에 해당하고, 24UXD 및 26UXE는 각각 X축방향의 검지코일 및 여기자코일에 해당하고, 24UYD 및 24UYE는 각각 Y축방향의 검지코일 및 여기자코일에 해당한다.
이하에는 본 발명의 솔레노이드형태의 전자방위센서의 동작원리를 상세하게 설명한다.
제7도 및 제8도는 본 발명에 따른 전자방위센서에서 외부자장이 없는 경우와 있는 경우에 대해서 각각 취한 B-H곡선 및 H(t)-t곡선도이다.
먼저 제7도에 도시된 바와 같이 X축방향의 검지코일(24XD), Y축방향의 검지코일(24YD)을 동일 기판상에 제작을 한 후 각각의 여기자코일들(24XE 및 24YE)에 동일전압, 주파수의 교류전원을 인가하면 각각의 자성체층들은 자화 및 역자를 반복하게 된다.
이때 외부자장(H)이 인가되면, 외부자장의 각 축방향 성분에 해당하는 자장에 의해 제8도에서와 같이 X축, Y축 코어의 B-H곡선의 편향이 유발된다.
즉 외부자장이 존재하지 않는 경우에는 제7도에 도시한 바와 같이, B-H선 및 시간에 따른 자장의 변화양상을 볼 수 없으나, 외부자장(H)이 존재할 경우에는 제8도에서 도시한 바와 같이 외부자장(H)에 의해 B-H곡선 및 시간에 따른 자장의 변화 H(t)가 동시에 유발되며, 이때 X축 및 Y축방향의 검지코일들(24XD) 및 (24YD)에 유기된 유도기전력은 각각 다음과 같이 표현된다.
(제6도에서 수평방향을 X축으로 가정한 경우임)
--6)
(여기서 K는 코어 및 형상에 따른 계수, Ho는 지자기의 크기, θ는 X축코어와 지자계가 이루는 각이다.
따라서 상기 식 6)에 의해서 하기식 7)에 의해 표현되는 방위각 θ가 구해질 수 있다.
--7)
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명의 전자방위센서의 제조방법에 따르면, 크기를 극소형으로 할 수 있으며 또한 저소비전력으로 구동되게 할 수 있는 효과가 있다.
나아가 실리콘 미세가공기술과 적절히 결합하면 단일침상에 구동회로를 함께 집적시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 실리콘기판(20)상에 산화막(22)을 형성하는 단계; 하부 금속층(24L)을 증착 및 패터닝하여 상호 직각을 이루는 한쌍의 솔레노이드들의 검지코일들 및 여기자코일들의 하부권선들을 형성하는 단계; 상기 검지코일들 및 여기자코일들의 하부권선들상에 하부의 층간절연막들(26L)을 형성하는 단계; 하부의 층간절연막들(26L)상에 자성체층들(28)을 증착하는 단계; 자성체층들(28)을 덮도록 상부의 층간절연막들(26U)을 형성하는 단계 및 상부 금속층(24U)을 증착 및 패터닝하여 상기 검지코일들 및 여기자코일들의 상부권선을 형성하는 단계를 구비한 전자방위센서의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 하부 및 상부 금속층들(24L 및 24U)은 구리(Cu)인 전자방위센서의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 하부 및 상부의 층간절연막들(26L 및 26U)은 폴리아미드인 전자방위센서의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 자성체층들(28)은 퍼멀로이 합금인 전자방위센서의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 한쌍의 솔레노이드들은 전자나침반에서 X축방향 및 Y축방향의 자장 검출용으로 사용되는 전자방위센서의 제조방법.
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