A New LC Resonator Fabricated by MEMS Technique and its Application to Magnetic Sensor Device

(1)

−

141

⁻

MEMS 공정에 의한 LC-공진기형 자기센서의 제작과 응용

김봉수·김용석·황명주·이희복^*

공주대학교 물리교육과, 충남 공주시 신관동 182, 314-701 (2007년 6월 7일 받음, 2007년 6월 20일 최종수정본 받음)

MEMS

공정기법을적용하여새로운형태의 LC 공진기형자기센서를제작하였다

.

이마이크로 LC공진기는솔레노이드형마

이크로인덕터에연자성마이크로와이어를코어로삽입하고여기에콘덴서를병렬로연결하여구성하였다

.

^코어^자성^물질은

melt spinning

^법으로 ^제조한 ^유리가 ^코팅된

Co

^83.2

B

^3.3

Si

^5.9

Mn

^7.6 ^{마이크로와이어이다}

.

^{코어물질의} ^연자성을 ^개선하기 ^위하여

150

^o

C, 200

^o

C, 250

^o

C, 300

^o

C

등여러온도에서

1

시간씩진공열처리하였다

. MEMS

공정으로제작된솔레노이형마이크로인덕터는길 이가

500~1,000

µ

m

이며감은수는

10~20

회이다

.

외부자기장에따른본마이크로인덕터의최대인덕턴스변화율은

370 %

이었다

.

^초연자성^{마이크로와이어의}^투자율이^{외부자기장에}^따라 ^급격히^변하기^때문에^{인덕턴스변화율이나} ^LC^공진기의^{자기임피던스}

변화율

(MIR)

이급속하게변한다

.

최대감도를 얻기위해서

MIR

곡선은 정교하게조절할 수있다

.

마이크로인덕터와멀티바이브

레어터회로로 구성된원형자기센서소자를제작하여시험동작을 하는데성공하였다

.

주제어

: MEMS,

^{마이크로인덕터}

,

^{자기임피던스}

,

^{마이크로와이어}

, LC

^공진기

,

^자기센서

I. 서 론

최근외부자기장에 따라연자성체의투자율이달라지는

PR (permeability ratio)

을이용하여연자성체가코어로삽입된솔 레노이드의 인덕턴스 변화를 자기센서에 응용하려는 연구가

활발히 진행되어 왔다

[1].

이러한

PR

연구의 목적은 고주파

에서 고감도로 동작하는 마이크로자기센서 소자를 개발하는 데 있다

.

최근에는 고주파에서 작동하는

PC,

휴대폰

, GPS

등정보통신장치 등이 많으므로이러한 통신 장치와 결합하 여고주파에서동작하는자기센서소자의 개발이가능하다

.

특 히고주파특성이우수한마이크로와이어를코어로사용한마 이크로인덕터를이러한 장치와 결합하여 활용할 수있는 자 기센서소자로서의성공가능성이 높다고할수있다

.

한편

IC

기술의발달과전자산업의활발한성장으로

IC

응 용소자는더욱기능이 우수해지면서도작고저렴한소자의개 발을요구 받고있다

.

이러한고기능

IC

소자의개발노력으 로제조공정

,

^기능성

,

^신뢰성^향상이^활발히^{이루어져왔다}

.

^반

면에 실리콘센서분야에서

1960

년대에 출현한 마이크로전자 기계소자

(microelectromechanical systems: MEMS)

^가^개발된

이후현재 다양한응용 분야에서좋은결실을 맺고있다

.

이 러한

MEMS

^응용에는^자동차

,

^전자

,

^군사

,

^의학

,

^통신^등^다

양한 분야에 응용되고있다

[2, 3].

따라서 자기센서분야에서

도

MEMS

^기술을 ^활용하여^마이크로^사이즈의 ^자기센서^개

발이불가피하다

.

본 연구에서는 마이크로 자기센서 소자개발의 일환으로

MEMS

공정으로 제조한 마이크로 코일에 연자성 마이크로

와이어를삽입하고외부에병렬회로로연결한새로운형태의 LC 공진기를제작하였다

.

이회로에서는 공진기의 인덕턴스 L 값이외부 자기장에따라 달라진다

.

이 LC공진기의임피 던스는주파수를적절히조절함으로써 감도를최적화시킬수

있다

.

본연구에서 제작한

prototype

공진기형 마이크로자기

센서의 특성을조사하였다

.

II. 실험 방법

UV-LIGA

^{제조공정은} ^자외선 ^{리소그라피} ^공정으로

UV

^에

민감한두꺼운폴리머 몰드와전기도금으로제조하는금속형

3D MEMS

^공정으로 ^{가격면에서도} ^매우 ^경쟁력이 ^있다

.

^저

렴한

MEMS

공정을 위해서는 광반응

polymide,

즉 고점성

및 고투과성을 가지며

epoxy

^기반의 ^정 ^또는 ^부 ^감광제

SU-8

을사용한다

[4, 5].

본연구에서는부감광제

SU-8

을사 용하였으며

UV-LIGA

^{제조공정은}

Fig. 1

^과^같다

.

높은종횡비의마이크로인덕터를제조하기위하여감광제

의 스핀코팅

, UV

^노광

,

^{금속전기도금} ^등의 ^과정을 ^포함한

UV-LIGA

과정으로 제작하였다

.

기판은 두께가

700

^µ

m

^이고 ^직경이

3

^인치인 ^고저항

(

^{ρ ≈}

10

¹⁰Ω

/cm)

및저유전율

(

εr≈

4.6)

을 갖는 파이렉스유리를 사 용하였다

.

^이 ^위에 ^크롬

(~15 nm)/

^구리

(~100 nm)/

^크롬

(~10 nm)

으로구성된

seed

층을 증착하였다

.

이위에 두께

10

^µ

m

^인

SU-8

^을^{스핀코팅하고}^마스크를^얹

고

UV

노광을 한후현상 및 정착을 한후 구리를 전착하 여솔레노이드의바닥층을 완성하였다

.

^둘째로 ^{솔레노이드의}

*Tel: (041) 850-8276, E-mail: [email protected]

(2)

벽에 해당하는 층을 만들기 위해 두께가

75

^µ

m

^인

SU-8

^을

위에서 제작한 첫째 층위에 스핀코팅하고벽에 해당하는 마 스크를 사용하여 위의 과정을 반복하여 구조를 완성하였다

.

마지막으로 솔레노이드제일 윗부분 층을 만들기 위해 두께

10

^µ

m

^인

SU-8

^을^다시 ^둘째 ^층위에 ^{스핀코팅하고}^패턴을 ^뜬

후구리를전착하여마이크로솔레노이드를완성하였다

. SU- 8

^몰드층은

20 % CF

⁴

+ 80 % O

²

plasma reactive ion etcher (RIE)

로제거하였고

seed

층은

wet

에칭으로제거하였다

.

이

렇게

MEMS

^공정으로 ^제작한 ^마이크로 ^인덕터는 ^길이가

400~800

µ

m

이고감은 수는

10~20

회이었다

.

이 마이크로 솔레노이드 안에 삽입한 연자성체는

Taylor- Ulitosky

법으로제작된유리가코팅된

Co

83.2

B

3.3

Si

5.9

Mn

7.6마 이크로와이어로서직경

16

^µ

m

^의^비정질^금속위에^두께가

5

µ

m

인유리가코팅되어있다

.

코어물질의연자성을개선하기 위하여 진공중에서각각

150

^o

C, 200

^o

C, 250

^o

C, 300

^o

C

^에서

1

시간씩열처리하여가장우수한연자성체를골라코어로삽 입하였다

.

인덕턴스와 임피던스는

Network analyzer(Agilent, 8712ET, 0.3 MHz~1.3 GHz)

^와

Impedance analyzer (HP4191A, 1 MHz

~1 GHz)

를 사용하여 측정하였으며

,

자기적 특성을 조사하기

위해 걸어준 외부 자기장은 −

300 Oe~+300 Oe

^범위를

200~

800

등분한간격으로솔레노이드 축방향으로걸어주었으며한 사이클 동안측정하였다

.

또한

,

본연구에서개발한 마이크로인덕터가자기센서소자 로서 동작이가능한지여부를시험하기위하여두개의 코일 중에 한군데에 마이크로 와이어를 삽입하고 외부에

Multivibrator

회로를 연결하여 발진시켜 외부자기장에 따른

공진주파수를 측정하였다

.

실제 마이크로자기센서 개발에는 멀티바이브레이터 회로와 주파수

-

전압 변환회로를 마이크로 인덕터와 함께집적시키면될것이다

.

III. 실험결과 및 고찰

파이렉스

(Pyrex)

유리기판 위에

MEMS

공정으로 제작된

마이크로 인덕터 모습은

Fig. 2

와

Fig. 3

과 같다

.

각 기판 위에는각기다른크기를갖는

48

개의인덕터를동시에제작 하였다

.

그러나동시에제조된이들인덕터의특성을비교평 가하기 위하여

4

개씩을한세트로 하여 같은 크기를 갖도록 인덕터를 제조하였다

. Fig. 2

는동등한

4

개의 마이크로인덕

Fig. 1.

A process sequence of the UV-LIGA technique.

Fig. 2.

Fabricated micro-inductors on a Pyrex glass wafer by MEMS

technique.

(3)

터를한세트로 하여

Laser

^로^잘라낸^모습이다

.

한세트안의

4

개의마이크로인덕터중에서

2

개에는마이 크로와이어를코어로삽입하였다

. Fig. 3

^은^코어가^끼워진^마

이크로인덕터와 끼워지지않은 마이크로인덕터 모습

(

좌

)

과

5

^개의^{마이크로와이어가}^삽입된^마이크로^인덕터의^확대된^모

습

(

^우

)

^이다

.

^이렇게^제조된^{마이크로인덕터를}

IC

^소켓에^연결

한다음 에폭시로몰딩하여기계적인 취약점을보강하였다

.

외부자기장에 따라 마이크로 인덕터의 인덕턴스 변화율

(Inducatance Ratio)

은

150

^o

C

에서

1

시간 동안열처리한코어 를사용한 인덕터에서최대

370 %

^만큼 ^{변화하였다}

.

^여기서

Fig. 3.

Set of micro-inductors with and without microwires as a core (left), magnified photo of micro-inductors with 5 microwires core (right).

Fig. 4.

Inductance ratio as a function of external magnetic field for micro-inductors with 10 turns, 200

µ

m in width, 75

µ

m in height, and 500

µ

m

in length.

(4)

인덕턴스 변화율은

[

^L

(

^H

)

^{− L}^o

] × 100/

^L^o^으로 ^정의되며 ^L^o^는

외부자기장에따라변화하는인덕턴스값중에서최소값을선 택한것이다

.

^인덕턴스^변화율은 ^{외부자기장에}^따라^달라지는

인덕턴스를

Impedance analyzer

의 인덕턴스 측정 기능을 사 용하여측정하였다

.

^{초연자성체}^마이크로^인덕터^코어의^증분

투자율이 외부 자기장에따라 급속히 달라지는 특성 때문에 LC공진기의 임피던스가공명주파수근방에서급속히달라지 게된다

.

Fig. 4

^는 ^폭이

200

^µ

m,

^길이가

500

^µ

m,

^높이가

75

^µ

m

^이

며감은수가

10

회인마이크로인덕터의인덕턴스변화율이다

.

인덕턴스 변화율은단지 최대값과 최소값 사이의 변화를 퍼 센트로나타낸것이다

.

따라서인덕턴스의최대값과최소값이 정해짐에 따라 그래프의 모양이 뒤집혀 질수있다

.

^인덕턴

스변화율의최대값은

370 %

이었다

.

최대인덕턴스변화율은

솔레노이드의 설계와 마이크로와이어의 열처리 조건에 따라 특정주파수에 최적화할수있다

.

Fig. 5

는 폭이

200

µ

m,

길이가

1,000

µ

m,

높이가

75

µ

m

이며감은수가

20

회인마이크로인덕터의인덕턴스변화율이 다

.

이시료의최대인덕턴스변화율은

Fig. 4

의경우보다작다

.

이는

MEMS

기법으로제작한솔레노이드의

Q

값이솔레노이

드크기에영향을크게받으므로

[6]

연자성코어가삽입된마

이크로인덕터의인덕턴스의 변화율에큰영향을주게되기때 문이다

.

공명주파수와회로를 흐르는전류는외부자기장에따라급 속히 달라졌다

.

^특히^{외부자기장에}^따른 ^{임피던스의}^변화^곡

선은 공명주파수근방에서급격히달라졌다

.

또한

,

공명점근 방에서위상은

180

^도^달라졌다

.

^최대 ^감도를^얻기^위해 ^공명

Fig. 5.

Inductance ratio as a function of external magnetic field for micro-inductors with 20 turns, 200

µ

m in width, 75

µ

m in height, and 1,000

µ

m in length.

Fig. 6.

Magnetoimpedance ratio curves for a micro-

^LC

resonator measured at 105.8 MHz.

Fig. 7.

Closed-up photos of microinductor (left) and multivibrator circuit (right).

(5)

주파수를정교하게조절할수있었다

.

마이크로 LC공진기의 자기임피던스변화율

(magneto-impedance ratio, MIR)

^은^최대

감도를 얻기위하여 다양한 주파수에서 날카로운

MIR

곡선 을찾도록하였다

. Fig. 6

^은

105.8 MHz

^에서^측정한

MIR

^곡

선으로약간의주파수변화에의해서도

MIR

곡선은전혀다

른모양

,

^크기

,

^감도를 ^{나타내었다}

.

프로토타입 자기센서소자로서의 가능성을 시험하기 위해

Fig. 7

과같이 멀티바이브레이터회로를연결한 다음 외부자

기장에 따른발진 주파수를측정하였다

.

이 자기센서소자로의외부자기장에 따른 발진주파수 특성

은

Fig. 8

^과 ^같다

. Fig. 9

^은 ^이 ^{자기센서소자로} ^{지자기장을}

방위각에따라측정한 것으로마이크로인덕터의자기센서소 자로서의 가능성을충분히보여주고 있다고할수있다

.

IV. 결 론

본연구에서는

MEMS

^공정에^의해^제작된^{마이크로인덕터}

와콘덴서를연결하여새로운형태의 LC공진기를제작할수 있었다

.

^{마이크로인덕터의} ^{인덕턴스나} ^LC ^공진기의

MIR

^은

코어물질로 삽입된 마이크로와이어의 연자성 특성에 때문에 외부자기장이변함에따라 크게변화하였다

. MIR

^곡선의^최

대감도를 얻기 위하여 정교하게 공명점 근방에서 조절하는 것이 가능하다

.

또한

,

마이크로인덕터를멀티바이브레이터회 로에 부착하여 자기장을 성공적으로 측정함으로써 마이크로 자기센서 소자로서의가능성을확인할 수있었다

.

감사의 글

본연구는

2007

년공주대학교스타프로젝트의지원에의해

수행된 것임

.

참고문헌

[1] H. Lee, Y. K. Kim, T. K. Kim, Y. H. Song, and S. C. Yu, J.

Appl. Phys.,

85

(8), 5429 (1999).

[2] G. T. A. Kovacs, “Micromachined Transducers Sourcebook”, McGraw-Hill Companies, 1st Edition (1998).

[3] C. Hierold, Proc. IEEE MEMS 2000, 1-6 (2000).

[4] K. Y. Lee, N. Labianca, S. A. Rishton, S. Zolgharnain, J. D.

Gelorme, J. Shaw, and T. H.-P. Chang, J. Vac. Sci. Technol. B,

13

(6), 3012 (1995).

[5] Y. E. Chen, Y. K. Yoon, J. Laskar, and Mark Allen, IEEE MTT-S Digest, (2001) 523.

[6] H. Lu, B. Pillans, J.-C. Lee, K. Kim, and J.-B. Lee, Microsys- tem Technologies,

¹³

(3-4), 409 (2007).

Fig. 8.

External magnetic field versus resonance frequency curve in a multivibrator circuit with microinductors.

Fig. 9.

A measurement of earth magnetic field in horizontal direction

using the developed magnetic sensor device.

(6)