KR100649781B1 - 교류자기저항 센서를 이용한 3축 자기센서와, 이를 이용한전방위 자기센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휴대용 단말기기, 노트북 및 휴대용 게임기 등에 지자기 센서를 조합하면 이용자의 자세나 소지 방법에 따라 지자기 센서가 경사져 방위측정에 오류가 야기되는 것을 방지할 수 있는 3축 자기센서 및 이를 이용한 전방위 자기센서에 관한 것이다.

본 발명은 기판을 본체로서 형성하고, 기판과 평행인 평면에 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 교류자기저항(MI)형 자기 센서와, 기판과 수직인 방향의 자기벡터 성분을 검출하는 홀 소자와, 기판의 기울기를 검출하는 기울기 센서와, CPU를 포함하고, 하이브리드 IC로서 일체로 구성된 전방위 자기 센서를 제공한다.

검출되는 3차원 자기 벡터는 기판의 기울기를 고려하여 보정되므로 사용자의 소지방법(기울기)에 상관없이 지자기의 정확한 방위를 산출할 수 있다.

방위측정, 기울기 보정, MI 자기센서, 3축 자기센서, 전방위 자기센서

Description

교류자기저항 센서를 이용한 3축 자기센서와, 이를 이용한 전방위 자기센서{3-axis Magnetic Sensor Using Magnetoimpedance Sensor and All-Orientation Magnetic Sensor Using the Same}

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 전방위 자기 센서의 구성도,

도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 전방위 자기 센서에 이용되는 교류자기저항형 자기 센서의 동작원리를 설명하기 위한 구성도,

도 3a 및 도 3b는 도 2b에 도시된 본 발명의 교류자기저항형 자기 센서의 구성을 보여주는 개략 분해 사시도 및 연결 구성도,

도 3c는 외부자기장에 따른 교류자기저항형 자기 센서의 출력 특성 그래프,

도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 교류자기저항형 자기 센서의 개략적인 구성을 보여주는 사시도,

도 5는 전방위 자기 센서에 이용되는 기울기 센서의 원리 설명도,

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 전방위 자기 센서의 구성도,

도 7은 본 발명의 전방위 자기센서를 이용하여 구성되는 하이브리드 자기 센서의 기능 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

1 ; CPU 3 ; 경사센서

5 ; MI 자기센서 7 ; 홀 소자

10,20,30 ; 기판 11 ; 좌표변환부

12 ; 방위각 산출부 15,16 ; 자기센서

42 ; 검출코일 43 ; DC 바이어스 필드코일

44a,44b,45a,45b ; 전극단자 46,59,69 ; 선형자성체

47 ; DC 바이어스부 48 ; 교류전원

51,55,61,65 ; 기판 50,60 ; 자기센서

본 발명은 교류자기저항 센서를 이용한 3축 자기센서와, 이를 이용한 전방위 자기센서에 관한 것으로, 특히 2축 자기센서로서 바(bar) 형태의 고투자율 연자성 금속에 직접 전극을 연결하여 교류자기저항을 측정하는 방식의 교류자기저항(MI) 센서를 이용하므로 전체적으로 구조가 간단하고 소형화에 유리하며 간단한 신호처리에 의해 방위산출의 오차를 보정할 수 있게 하는 교류자기저항 센서를 이용한 3축 자기센서와, 이를 이용한 전방위(全方位) 자기센서에 관한 것이다.

지자기 센서는 통상적으로 관측지점의 방위를 측정하기 위해 이용된다. 미세자계 중 하나인 지자기 센서를 이용해 지구자계를 측정하여 방위를 측정하는 방법은 지표면과 수평한 위치에서 지구자계의 2축 성분을 측정하여 방위를 표시하는 것을 기본으로 하고 있다. 지자기 센서가 검출하는 2축 성분으로부터 자방위(磁方位) 가 산출된다.

하지만 현재 사용되고 있는 지자기 센서는 센서가 지표면과의 수평위치에서 벗어나 기울어지게 되면 오동작을 하여 방위표시에 오류를 발생시키는 단점을 가지고 있다. 즉, 상기한 종래의 2축 자기센서를 이용할 경우 이용자에 의해서 자세와 위치가 수시로 변하는 핸드폰 등의 휴대 단말 장치나 노트북 등에 적용이 제한되고 있어, 이용자의 임의의 소지상태에서도 정확한 방위를 표시할 수 있는 지자기 센서의 개발이 절실히 요구되고 있다.

한국 공개특허공보 제2002-30244호에는 기판을 본체로 하고 기판과 평행한 평면에 규정되는 자기벡터의 2축 성분을 검출하는 2축 자기센서로 플럭스 게이트(flux gate) 센서와, 기판에 수직인 방향의 성분을 검출하는 홀 소자를 하이브리드 IC로서 일체로 형성하여 3축 자기센서를 구성하고, 여기에 기판의 경사각을 검출하는 경사센서를 추가하여 전방위 자기센서를 구성한 예가 제시되어 있다.

그런데, 상기한 선행기술에서 채용하고 있는 플럭스 게이트 센서는 링 형태의 고 투자율 연자성 금속을 여자코일이 감싸면서 권선되어 있고 그 위에 다시 두 축의 픽업코일이 직교하며 권선되어 있는 형태를 갖고 있어 상당히 복잡한 구조로 되어 있다. 따라서, 3축 자기센서의 전체 크기를 결정하는 플럭스 게이트 센서의 소형화(chip size)가 어려우며 소형화하더라도 한계가 있으며 고가의 제작비가 소요된다는 문제점을 피할 수가 없다. 신호처리회로 또한 픽업코일에서 유도되는 전압신호의 2차 고조파(second harmonics)를 측정하므로 상당히 복잡한 신호처리 회로를 필요로 하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 바(bar) 형태의 고투자율 연자성 금속에 직접 전극을 연결하여 교류자기저항을 측정하는 방식의 교류자기저항(MI) 센서를 센서 전체의 크기를 결정하는 2축 자기센서로서 이용하므로, 전체적으로 구조가 간단하고 소형화에 유리하며 간단한 신호처리에 의해 방위산출의 오차 보정이 가능한 교류자기저항 센서를 이용한 3축 자기센서와, 이를 이용한 전방위 자기센서를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판을 본체로 하여 형성되고, 상기 기판과 평행한 평면에 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 2축 교류자기저항형 자기 센서와, 상기 자기 벡터의 수직 방향의 성분을 검출하도록 상기 교류자기저항형 자기 센서의 평면에 실장된 자기검출소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서를 제공한다.

또한, 본 발명의 전방위 자기 센서는 기판을 본체로 하여 형성되고, 상기 기판과 평행한 평면에 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 2축 교류자기저항형 자기 센서와, 상기 자기 벡터의 수직 방향의 성분을 검출하도록 상기 교류자기저항형 자기 센서의 평면에 실장된 자기검출소자와, 상기 기판의 경사각을 검출하도록 상기 교류자기저항형 자기 센서의 평면에 실장된 경사 센서로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 채용된 2축 교류자기저항 센서는 바(bar) 형태 의 고 투자율 연자성 금속에 피드백(feedback) 코일 또는 바이어스(bias) 코일을 권선하거나 바이어스용 영구자석을 배치하는 형태로 소형화가 용이하며 저가의 제작비용, 신호처리 또한 바 형태의 고 투자율 연자성 금속에 직접 전극을 연결하여 교류저항을 측정하므로 센서 전체의 크기가 작아지고 또한 간단한 신호처리회로를 가지는 이점이 있다.

(실시예)

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

첨부된 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 전방위 자기 센서의 구성도, 도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 전방위 자기 센서에 이용되는 교류자기저항 자기 센서의 동작원리를 설명하기 위한 구성도, 도 3a 및 도 3b는 도 2b에 도시된 본 발명의 교류자기저항형 자기 센서의 구성을 보여주는 개략 분해 사시도 및 연결 구성도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 전방위 자기 센서는 2축 자기센서를 이루는 교류자기저항(MI) 자기 센서(5)가 다층 PCB 기판(10)을 이용하여 형성되고, 기판(10)에 수직인 방향의 성분을 검출하는 홀 소자(7)를 하이브리드 IC로서 일체로 형성하여 3축 자기센서를 구성하고, 여기에 기판(10)의 경사각을 검출하는 경사센서(3)를 추가하여 전방위 자기센서를 구성하고 있다. 또한, 기판(10)의 상부에는 상기 전방위 자기센서로부터 얻어지는 자기벡터 신호(x,y,z)와 피치각(α) 및 롤각(β)으로부터 기판이 수평일 때의 자기벡터(xh,yh,zh)를 구하는 좌표변 환과, 이로부터 지자기 방위각(θ)을 구하기 위한 방위각 산출을 수행하는 신호처리용 마이크로프로세서(CPU)(1)가 장착되어 있다.

상기 MI 자기 센서(5)는 바이어스 코일형(bias coil type), 바이어스 자석형(bias magnet type), 피드백 코일형(feedback coil type) 중 어느 하나의 형태로 구성될 수 있다.

먼저, 바이어스 코일형(bias coil type) MI 자기 센서(5)는 본 발명자에 의해 한국특허출원 10-2003-0005999호에 제안된 바와 같은 구조를 갖고 있으며, 이를 도 2a 내지 도 3b를 참고하여 이하에 상세하게 설명한다.

MI 자기센서(5)는 자기 임피던스 효과(Magneto Impedance Effects)를 이용한 센서로서, 자기 임피던스 효과는 주로 비결정질 리본, 와이어 및 박막 등과 같은 고투자율의 선형 연자성 특성이 뛰어난 재료에서 주로 나타나는 현상으로, 외부 자기장의 변화에 따라 선형 자성체의 교류저항(임피던스)이 민감하게 변하는 현상이다.

도 2a 및 도 2b와 같이, MI 자기센서(5)는 4단자법과 2단자 코일방법 중 어느 하나의 방법으로 구현될 수 있다.

먼저 4단자법은 도 2a와 같이 주로 고투자율 연자성 물질로 이루어진 선형 자성체를 자기장 열처리하여 원하는 이방성을 부여한 것을 이용하며, 선형 자성체(46)에 길이방향으로 차례대로 4개의 전극단자(44a,44b,45a,45b)를 형성하고, 선형 자성체(46)의 외주에 자기 임피던스 특성 그래프에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 소정 턴수의 DC 바이어스 필드(bias field) 코일(43)을 권취하 여 DC 바이어스부(47)로부터 DC 바이어스 전압(V_DCbias)을 인가한 상태에서, 바깥쪽 두 전극단자(44a,44b)에 교류전원(48)으로부터 교류전류(I)를 인가하고 안쪽의 두 전극단자(45a,45b)에서 자기 임피던스의 변화에 비례하는 검출전압(V)을 측정하는 방법이다.

또한, 2단자 코일방법은 도 2b에 도시된 바와 같이 상기한 선형 자성체(46)의 양 끝단에 각각 전극단자(44a,44b)를 형성하고, 선형 자성체의 외주에 자기 임피던스 특성 그래프에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 소정 턴수의 DC 바이어스 필드(bias field) 코일(43)을 권취하여 DC 바이어스 전압(V_DCbias)을 인가한 상태에서, 자성체(46)의 양 끝단의 전극단자(44a,44b)에 전류(I)를 인가하고, 선형 자성체 주위에 감긴 검출코일(42)에서 자기 임피던스의 변화에 비례하는 검출전압(V)을 측정하는 방법이다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 자기센서 구조는 4단자법을 이용하여 자기센서를 구현한 것이나, 어떤 방법을 사용해도 좋다.

이하에 본 발명에 따른 MI 자기센서 구조를 상세하게 설명한다.

본 발명의 MI 자기센서는 Co 및 Fe 계 비결정질(amorphous), 퍼멀로이(permalloy), 슈퍼멀로이(supermalloy), 및 인바(invar) 등으로 연자성 특성이 뛰어난 재료를 자성체로 사용하게 되며, 자성체의 형상은 리본, 와이어, 박막 등의 선형 자성체를 사용한다.

MI 자기센서(5)는 외부 자기장에 수평하게 위치되어 외부 자기장을 벡터적으로 감지하여 외부 자기장의 방향 및 크기를 측정하기 위해, 상기 외부 자기장의 X축 성분을 검출하기 위해 자기 임피던스 특성을 갖는 제1선형 자성체(59)를 구비한 X축 자기센서(50)와, 자기 임피던스 특성을 가지며 상기 제1선형 자성체(59)와 직교방향으로 배치되는 제2선형 자성체(69)를 구비하고 상기 외부 자기장의 Y축 성분을 검출하기 위한 Y축 자기센서(60)로 구성된다.

상기 X축 및 Y축 자기센서(50,60)는 각각 동일한 구조로 이루어지며, 상기 제1선형 자성체(59)와 제2선형 자성체(69)는 서로 직교방향으로 배치하여 적층된다.

상기 X축 자기센서(50)는 각각 절연체로 이루어진 제1기판(51)과, 절연체로 이루어지며 상기 제1기판(51)의 상부에 적층된 제2기판(55)과, 자기장 열처리를 통하여 길이에 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 변화시킨 고투자율의 연자성 특성이 우수한 자성체를 사용하여 상기 제1기판(51)의 상부면에 선형으로 형성된 제1선형 자성체(59)와, 상기 제1선형 자성체(59)의 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 DC 바이어스 필드 코일(43)을 형성하도록 상기 제1기판(51)의 하부면과 제2기판(55)의 상부면에 제1선형 자성체(59)를 대략 직교하는 방향으로 서로 동일한 간격으로 배치되어 제1선형 자성체(59)를 따라 감겨있는 코일 또는 솔레노이드 형상을 이루게 패턴 형성되어 연결패드(58a,58b)와 스루홀(57a,57b)를 통하여 연결된 다수의 제1 및 제2 도전패턴(54a-54n, 56a-56n)을 포함하고 있다.

또한, 상기 X축 자기센서(50)는 상기 제1기판(51)에 형성된 제1선형 자성체(59)의 양단부에 각각 연장 형성되어 교류전류를 인가하기 위한 제1 및 제2 입력전극단자(52a,52b)와, 상기 제1선형 자성체(59)의 양단부에 각각 연장 형성되어 외부 자기장에 따른 제1선형 자성체(59)의 자기 임피던스에 비례하는 검출신호를 검출하기 위한 제1 및 제2 출력전극단자(52c,52d)를 포함하고 있다.

상기 X축 자기센서(50)의 제조공정은 먼저, 고투자율의 연자성 특성이 우수한 자성체를 사용하여 길이에 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 변화시키기 위하여 자기장 열처리를 거친 자성체를 준비하고, 상기 자기장 열처리에 의해 원하는 이방성이 부여된 자성체를 제1기판(51) 위에 적층하고 패턴닝에 의해 선형 자성체(59)를 형성한다.

이어서, 상기 제1기판(51) 전체에 무전해 도금을 통하여 제1동박을 도금한 후, 제1동박을 패턴닝하여 제1선형 자성체(59)의 양단부에 자기 임피던스 측정을 위한 제1 및 제2 입력전극단자(52a,52b)와 제1 및 제2 출력전극단자(52c,52d)를 형성한다.

그후, 상기 제1기판(51)의 하부면과 제2기판(55)의 상부면에 각각 제2 및 제3 동박을 적층한 후, 제1기판(51) 위에 제2기판(55)을 적층하고, 상기 제2 및 제3 동박을 패턴닝하여 제1선형 자성체(59)를 감싸는 코일 형상을 이루도록 선형상으로 이루어진 다수의 제1 및 제2 도전패턴(54a-54n, 56a-56n)을 형성한다. 이어서, 상기 다수의 제1 및 제2 도전패턴(54a-54n, 56a-56n)의 양단부에 형성된 다수의 연결패드(58a,58b)에 다수의 스루홀(57a,57b)을 형성한 후 도금(57c)을 통하여 대응하는 연결패드 및 스루홀을 상호 연결하여, 제1선형 자성체(59)의 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위한 DC 바이어스 필드(bias field) 코일(43)을 형성한다.

Y축 자기센서(60)는 X축 자기센서(50)와 동일한 방법으로 Y축의 제1 및 제2 기판(61,65)을 형성하며, 그후 상기 제1선형 자성체(59)와 제2선형 자성체(69)가 서로 직교방향으로 배치되도록 하여 적층시킨 후, 끝으로 X축 및 Y축 자기센서(50,60) 각각의 4전극단자(52a-52d,62a-62d)와 DC 바이어스 필드 코일(43)의 DC 바이어스 전압을 인가하기 위한 전극단자(55a,55b,64a,64b)를 센서의 상부면으로 인출하기 위한 스루홀과 도금을 실시하면 자기센서(5)의 제작이 완성된다.

한편, 일반적으로 비결정질 리본으로 이루어진 선형 자성체(59,69)의 자기 임피던스는 선형 자성체의 수직방향의 투자율과 인가전류의 주파수 함수로 정의될 수 있으며, 투자율은 선형 자성체(59,69)의 길이방향에 수직한 방향의 자화값에 대한 투자율 성분으로 나타내어진다.

따라서, 외부자기장이 자성체의 축방향으로 변화하게 되면 자화값의 방향도 외부자기장에 따라 변하게 되며, 이로 인하여 투자율도 변하게 되고, 그 결과 자성체의 자기 임피던스도 변하게 된다.

일반적으로 투자율은 이방성 방향의 각도가 길이방향에 수직한 방향에 대하여 커짐에 따라서 외부자기장이 '제로(0)' 근처에서 생기는 오목하게 생기는 딥(dip)이 작아지다가 없어지는 현상을 나타낸다. 본 발명에서는 투자율의 특성 중 외부 자기장이 '0' 주위에서 급격한 감소와 증가를 나타내는 선형 부분을 사용하며, 따라서 이러한 선형 부분은 이방성 방향의 각도가 길이방향의 수직방향에 대하 여 제로에 가까울수록 좋다는 것을 알 수 있다.

그런데 통상적으로 리본형 비정질인 경우는 선형 자성체의 길이방향으로 일축 이방성을 갖도록 제조되므로, 따라서, 본 발명에서는 제조시에 선형 자성체에 미리 부여된 길이방향의 일축 이방성을 선형 자성체(59,69)의 수직방향으로 이방성 방향을 인위적으로 바꾸기 위하여 자기장 열처리 방법을 통하여 선형 자성체의 이방성 방향의 각도를 제로에 가깝게 설정하고 있다.

이 경우 상기 제1 및 제2 선형 자성체(59,69)에 대한 자기장 열처리는 선형 자성체의 길이에 수직방향으로 자기장을 인가하면서 선형 자성체(59,69)의 큐리 온도(T_c)보다 50℃ 정도 낮은 온도부터 큐리 온도(T_c) 사이의 온도영역에서 30분 내지 5시간 범위로 열처리하는 것에 의해 이루어지며, 그 결과 선형 자성체는 길이에 수직방향으로 이방성 방향이 인위적으로 변화되어, 투자율의 특성 중 외부 자기장이 '0' 주위에서 급격한 감소와 증가를 나타내는 선형 부분(L)을 사용할 수 있게 된다(도 3c 참조).

또한, 상기 자기장 열처리를 실행함에 의해 선형 자성체의 이방성 방향 각도를 제로(0)에 가깝게 설정하며, 더욱이 센서의 출력이 (+) 및 (-) 외부 자기장의 균등한 변화범위에 대응하여 선형의 자기 임피던스 특성을 나타내도록 상기 DC 바이어스 필드의 인가에 의해 자기 임피던스 특성에서 외부 자기장의 제로(0)점을 우측 방향으로 시프트 시킨다.

상기와 같은 구조를 갖는 자기 임피던스(MI) 효과를 이용한 극소형 자기센서 (5)는 전극단자(55a,55b,64a,64b)를 통하여 DC 바이어스 필드 코일(43)에 DC 바이어스 전압(V_DCbias)을 인가하고, 각각 제1 및 제2 입력전극단자(52a,52b,62a,62b)를 통하여 선형 자성체(59,69)에 교류전류(I)를 인가한 상태에서 각각 제1 및 제2 출력전극단자(52c,52d,62c,62d)로부터 자기 임피던스의 변화에 비례한 X축 및 Y축 자기센서(50,60)의 검출전압(V)을 얻게 된다.

즉, 외부 자기장(즉, 지구 자기장)에 의해 X축 및 Y축 자기센서(50,60)의 선형 자성체(59,69)에 대한 자화값, 투자율 및 교류저항(임피던스)이 민감하게 변경되고, 그 결과 자기 임피던스의 변화에 비례한 X축 및 Y축 자기센서(50,60)로부터 출력되는 검출전압은 도시되지 않은 차동 증폭기를 거쳐 X축 및 Y축 자기벡터의 크기를 측정하게 되는 것이다.

한편, 피드백코일형(feedback coil type) MI 자기센서는 상기 바이어스 코일형과 유사하게 절연기판 위에 형성된 바(bar) 형태의 고 투자율 연자성체의 양 끝단에 전극을 형성한 후, 자성체 주위에 코일을 권선하여 센서 소자를 형성한다. 이렇게 제작된 센서소자 두개를 베이스 기판에 서로 직교하도록 배치하여 2축 자기센서를 형성한다.

피드백코일형(feedback coil type) MI 자기 센서의 구동 방법은 외부 자기장(지구 자기장)에 의한 자성체의 임피던스 변화를 자성체 주위에 권선되어 있는 코일에 전류를 인가하여 보상하는 방법으로 구동되며, 이때 코일에 인가된 전류를 측정하여 외부자기장의 크기를 측정한다.

상기 피드백코일형 MI 자기 센서의 자기장에 대한 출력특성은 도 3c와 같은 형태를 가진다. X축이 외부 자기장이고 Y축이 임피던스 변화, 즉 출력이다. 따라서 외부자기장이 약 0.5G이면 자기 센서의 임피던스는 도면의 화살표 위치의 값을 가지게 된다.

이때 자기 센서는 자성체 주위에 권선된 코일에 외부자기장에 대하여 크기는 동일하고 방향이 반대가 되는 자기장을 발생시키도록 임의의 전류를 인가하여 화살표 위치의 임피던스 값을 원래 위치 즉, 자기장이 "0"일 때의 값을 갖도록 한다. 이때 코일에 인가된 전류는 외부자기장의 크기와 비례하는 값을 가지며 외부자기장의 방향에 따라 전류의 방향도 바뀌게 되어, 코일에 인가된 전류의 크기와 방향을 측정함에 의해 외부자기장을 측정하는 방법이다.

한편, 바이어스 자석형(bias magnet type) MI 자기 센서는 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이, 절연기판(70) 위에 형성된 바(bar) 형태의 고 투자율 연자성체(71)의 양 끝단에 한쌍의 전극(도시되지 않음)을 형성한 후, 자성체의 양단에 한쌍의 영구자석(72a,72b)을 배치하거나(도 4a), 또는 자성체의 일측 단에만 하나의 영구자석(72)을 배치하거나(도 4b), 자성체의 상부 또는 하부에 각각 하나의 영구자석(72c,72d)을 배치하는(도 4c, 도 4d) 구조로 자기센서 소자를 형성한다.

이렇게 제작된 센서소자 두개를 베이스 기판에 서로 직교하도록 배치하여 2축 자기센서를 형성한다. 본 바이어스 자석형(bias magnet type) MI 자기 센서의 구동 방법은 센서 주위에 위치하고 있는 영구자석(72)에서 일정한 바이어스(bias) 자기장을 발생함에 의해 상기 바이어스 코일형(bias coil type) MI 자기 센서와 같 이 센서의 출력특성 중 선형성이 뛰어난 부분으로 동작점을 이동시킨 후, 외부 자기장(지구자기장)에 의한 자성체의 임피던스 변화를 한쌍의 전극으로부터 측정하여 외부자기장의 크기를 측정하는 방법으로 사용한다.

상기한 도 1에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 전방위 자기 센서는 절연체인 인쇄회로기판(PCB)을 이용한 하이브리드 IC 형태로 집적이 이루어진 구조이나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 전방위 자기 센서는 반도체 웨이퍼, 예를들어 실리콘 기판을 기판(20)으로 이용하여 다수의 2축 MI 자기 센서를 배치 프로세스에 의한 반도체 공정을 적용하여 동시에 제조할 수 있다.

즉, 제2실시예의 전방위 자기센서는 상부면에 절연층이 형성된 실리콘 기판(20)을 이용하여 각 다이 셀마다 X축 방향으로 제1 MI 자기센서(15)를 배치하고 Y축 방향으로 제2 MI 자기센서(16)를 배치하는 방식으로, 연자성체로 이루어진 선형 자성체와 DC 바이어스 필드 코일 및 전극단자를 형성하여 반도체를 이용한 MI형 자기센서를 구현할 수 있다.

상세하게 설명하면, 실리콘 기판 위에 바이어스 또는 피드백 코일 패턴의 일면을 형성한 후 리본을 접착하여 바(bar)형태로 에칭하고, 다시 나머지 코일 패턴을 형성하여 X축 및 Y축 자기센서를 동시에 제조한다.

그후 실리콘 기판(20), 즉 반도체 웨이퍼의 각 다이를 다이싱에 의해 분리하여, 제1실시예와 동일한 방법으로 각 셀마다 3축 자기센서에 필요한 홀센서(7) 및 전방위 자기센서의 구축에 필요한 경사센서(3)와 CPU(1)를 장착하면 제2실시예에 따른 전방위 자기센서가 얻어진다.

이 경우 MI 자기센서를 이루는 자성체의 형태는 바(bar)형태가 아닌 여러 형태로 응용이 가능하다.

한편, 본 발명에서 기판(10)의 경사각을 검출하기 위해 채용된 경사센서(3)의 일예가 도 5에 도시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 경사센서(3)는 4각 밴드 형상의 중추체(32)가 각 변이 고정추(31)에 구속되어 있는 4개의 탄성빔(33)에 지지되어 있고, 중추체(32)에는 각 변마다 한쌍의 빗살형 전극(34)이 뻗어 있으며, 기판(30)에는 각각의 빗살형 전극(34)에 대응하는 고정전극(35)이 형성되어 있는 구조이다.

따라서, 상기 경사센서(3)는 외부의 움직임이나 기판의 기울기 변화가 있는 경우, 4개의 탄성빔(33)에 고정되어 있는 중추체(32)는 경사방향이나 가속도가 가해지는 반대방향으로 치우치게 되어 8개의 빗살형 전극(34)과 고정전극(35)간의 정전용량 변하게 되며, 이들 정전용량값의 변화를 검출하여 경사를 측정하게 된다.

상기 경사센서로는 정전용량 가속도센서 이외에도 압전형 가속도센서나 압저항형 가속도센서 등을 사용할 수도 있다.

이하에 본 발명에 따른 전방위 자기 센서의 작용에 대하여 도 1, 도 6 및 도 7을 참고하여 설명한다.

본 발명의 하이브리드 IC형 전방위 자기 센서(100)는 MI 자기센서(5) 또는 MI 자기센서(15,16)를 배열한 기판(10,20)을 기판으로 하고, 그 기판에 연산 처리부로서의 CPU(1), 경사 센서(3) 및 자기 검출소자의 일례로서의 홀 소자(7)가 본딩 에 의해 장착되고 실리콘 수지(9)로 전체를 패키징하여 하이브리드형으로 일체화한 것이다.

상기 경사 센서(3)와 홀 소자(7)가 출력하는 검출신호는 각각 본딩 와이어로 연결된 패턴을 통하여 기판(10,20)에 직접 도입되고, CPU(1)는 MI 자기센서(5)가 출력하는 검출신호와 함께 경사 센서(3)와 홀 소자(7)의 검출신호를 받아 보정계산을 행하고 보정된 신호를 출력할 수 있도록 구성된다. 이 경우 홀 소자(7)는 기판과 수직방향(Z방향)의 자기성분을 검출한다.

따라서, MI 자기센서(5)와 홀 소자(7)의 조합에 의해 3차원 자기 벡터를 검출할 수 있는 3축 자기 센서가 구성된다. 자기 검출소자로서 홀 소자, MR 소자 등의 직류자기저항효과 소자, 또는 MI 소자 등의 교류자기저항효과 소자를 이용해도 된다.

본 발명의 하이브리드 IC형 전방위 자기 센서(100)는 도 7과 같이 MI 자기센서(5)로부터 기판(10,20)의 평면으로 규정되는 2차원 좌표축의 X축, Y축 방향의 자계성분(x,y)이 출력되고, 홀 소자(7)로부터 기판의 평면과 수직인 방향의 Z축 방향의 자계성분(z)이 출력된다. 경사 센서(3)로부터는 X축 방향의 경사각(α)(이하「피치각」이라고 함)과, Y축 방향의 경사각(β)(이하「롤각」이라고 함)이 출력된다.

상기 하이브리드 전방위 자기 센서(100)는 휴대 전화 등의 휴대단말기에 내장되고 사용자는 휴대전화를 자유로운 각도로 손에 들고 사용하게 되면 지자계가 MI 자기센서(5)에 입사하는 각도의 차이가 발생되고, 이로 인해 방위검출에 현저한 영향을 주어 에러를 유발하게 되기 때문에 하이브리드 전방위 자기 센서(100)의 기판 경사를 구하고 수평면에 대한 좌표 변환하여 수평시의 자기 벡터를 구하여 에러를 보정하게 된다.

한편, CPU(1)는 상기 센서(5,7,3)로부터 얻어지는 자기벡터신호(x,y,z)와 피치각(α) 및 롤각(β)으로부터 기판이 수평일 때의 자기벡터(xh,yh,zh)를 구하는 좌표변환부(11)와, 이로부터 지자기 방위각(θ)을 구하기 위한 방위각 산출부(12)를 구성한다.

즉, 좌표 변환부(11)는 자기 벡터(x, y, z)와 피치각(α) 및 롤각(β)에 따라 경사에 의한 영향을 배제하는 보정계산을 행하고, 하이브리드 자기 센서의 기판(10)이 지평면에 대해 수평으로 놓인 경우에 검출되는 수평시의 자기 벡터(xh, yh, zh)를 산출한다. 이어서, 방위각 산출부(12)는 입력된 수평시의 자기 벡터(xh, yh, zh)를 신호처리하여, 지자기 방위각(θ)을 산출한다.

좌표 변환부(11)에서 센서로부터의 자기 벡터(x, y, z)와 피치각(α) 및 롤각(β)에 따라 기판이 지평면에 대해 수평으로 놓인 경우의 자기 벡터(xh, yh, zh)를 구하는 구체적인 보정계산은 다음과 같이 행한다.

하이브리드 자기 센서의 기판(10)이 수평시의 공간 좌표계의 X축으로부터 α, Y축으로 부터 β만큼 경사져 있을 때의 자기 벡터가 (x, y, z)이므로, 수평시의 자기 벡터(xh, yh, zh)는 자기 벡터(x, y, z)를 Y축으로부터 -β, X축으로부터 -α만큼 회전시킴으로써 얻어지게 되며, 이를 구하면 하기 수학식 1과 같이 표현된다.

xh = xcosβ-zsinβ

yh = -xsinβsinα+ycosα-zcosβsinα

zh = xsinβcosα+ysinα+zcosβcosα

방위각 산출부(12)는 좌표 변환후의 자기 벡터의 X축 성분(xh)과, Y축 성분(yh)으로부터 지자기 방위각(θ)을 하기 수학식 2에 의해 구한다.

θ= arctan(yh/xh)

상기한 바와 같이, 본 발명의 전방위 자기센서에서는 바(bar) 형태의 고투자율 연자성 금속에 직접 전극을 연결하여 교류자기저항을 측정하는 방식의 교류자기저항(MI) 센서를 센서 전체의 크기를 결정하는 2축 자기센서로서 이용하므로, 전체적으로 구조가 간단하고 소형화에 유리하다.

또한, MI 자기센서(5)는 전극단자(55a,55b,64a,64b)를 통하여 DC 바이어스 필드 코일(43)에 DC 바이어스 전압(V_DCbias)을 인가하고, 각각 제1 및 제2 입력전극단자(52a,52b,62a,62b)를 통하여 선형 자성체(59,69)에 교류전류(I)를 인가한 상태에서 각각 제1 및 제2 출력전극단자(52c,52d,62c,62d)로부터 자기 임피던스의 변화에 비례한 X축 및 Y축 자기센서(50,60)의 검출전압(V), 즉 기판(10,20)의 평면으로 규정되는 2차원 좌표축의 X축, Y축 방향의 자계성분(x,y)을 얻게 된다.

따라서, 본 발명에서는 종래의 플럭스 게이트 자기센서를 채용한 전방위 자기센서보다 매우 간단한 신호처리에 의해 지자기 벡터의 X축, Y축 방향의 자계성분 (x,y)이 얻어진다.

상기한 바와 같이 하이브리드 자기 센서는 MI 자기센서가 기판을 본체로 하여 형성되고, 기판에 홀 소자와 경사 센서가 장착되어 일체화된 구성이므로 소형화를 도모할 수 있으며, 지자기 벡터의 X축, Y축 방향의 자계성분을 구하기 위한 신호처리가 간단하게 이루어질 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (12)

1. 기판을 본체로 하여 형성되고, 상기 기판과 평행한 평면에 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 2축 교류자기저항형 자기 센서와,

   상기 자기 벡터의 수직 방향의 성분을 검출하도록 상기 교류자기저항형 자기 센서의 평면에 실장된 자기검출소자로 구성되며,

   상기 2축 교류자기저항형 자기센서는 센서소자 두개를 베이스 기판에 서로 직교하도록 배치하여 이루어지는 바이어스 자석형(bias magnet type) 2축 자기센서로 구성되고,

   각각의 자기센서는 절연기판 위에 형성되며, 양 끝단에 한쌍의 전극이 형성된 바 형태의 고 투자율 연자성체와,

   상기 연자성체의 양단 또는 어느 일측단이나 연자성체의 상부 또는 하부에 배치된 영구자석으로 구성되며,

   상기 영구자석에서 일정한 바이어스 자기장을 발생함에 의해 센서의 출력특성 중 선형성이 뛰어난 부분으로 동작점을 이동시킨 후, 외부 자기장에 의한 자성체의 임피던스 변화를 한쌍의 전극으로부터 측정하는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
2. 기판을 본체로 하여 형성되고, 상기 기판과 평행한 평면에 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 2축 교류자기저항형 자기 센서와,

   상기 자기 벡터의 수직 방향의 성분을 검출하도록 상기 교류자기저항형 자기 센서의 평면에 실장된 자기검출소자로 구성되며,

   상기 2축 교류자기저항형 자기 센서는 상기 외부 자기장의 X축 성분을 검출하기 위해 자기 임피던스 특성을 갖는 제1선형 자성체를 구비한 X축 자기센서와, 자기 임피던스 특성을 가지며 상기 제1선형 자성체와 직교방향으로 배치되는 제2선형 자성체를 구비하고 상기 외부 자기장의 Y축 성분을 검출하기 위한 Y축 자기센서로 구성되고, 상기 X축 및 Y축 자기센서는 각각 동일한 구조로 이루어지고, 상기 제1선형 자성체와 제2선형 자성체는 서로 직교방향으로 배치되어 적층되며,

   상기 X축 및 Y축 자기센서는 각각 상기 선형 자성체의 양 끝단에 각각 형성된 전극단자와, 선형 자성체의 외주에 권취되어 자기 임피던스 특성 그래프에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위해 DC 바이어스 전압을 인가하는 DC 바이어스 필드 코일을 더 포함하며,

   상기 DC 바이어스 필드 코일에 DC 바이어스 전압을 인가한 상태에서 선형 자성체의 양 끝단의 전극단자에 전류를 인가하고, 선형 자성체 주위에 감긴 검출코일에서 자기 임피던스의 변화에 비례하는 검출전압을 측정하여 상기 외부 자기장의 X축 및 Y축 성분을 검출하는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
3. 기판을 본체로 하여 형성되고, 상기 기판과 평행한 평면에 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 2축 교류자기저항형 자기 센서와,

   상기 자기 벡터의 수직 방향의 성분을 검출하도록 상기 교류자기저항형 자기 센서의 평면에 실장된 자기검출소자로 구성되며,

   상기 2축 교류자기저항형 자기 센서는

   센서소자 두개를 베이스 기판에 서로 직교하도록 배치하여 이루어지는 피드백형(feedback coil type) 2축 자기센서로 구성되고,

   각각의 자기센서는 절연기판 위에 형성된 바 형태의 고 투자율 연자성체의 양 끝단에 전극을 형성한 후, 자성체 주위에 코일을 권선한 구조로 이루어지며,

   현재 위치의 임피던스 값을 자기장이 "0"일 때의 값을 갖도록 자성체 주위에 권선된 코일에 외부자기장과 크기는 동일하고 방향이 반대가 되는 자기장을 발생시키도록 임의의 전류를 인가하여 코일에 인가된 전류의 크기와 방향을 측정함에 의해 외부자기장을 측정하는 것을 특징으로 하는 3축 자기 센서.
4. 삭제
5. 삭제
6. 기판을 본체로 하여 형성되고, 상기 기판과 평행한 평면에 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 2축 교류자기저항형 자기 센서와,

   상기 자기 벡터의 수직 방향의 성분을 검출하도록 상기 교류자기저항형 자기 센서의 평면에 실장된 자기검출소자와,

   상기 기판의 경사각을 검출하도록 상기 교류자기저항형 자기 센서의 평면에 실장된 경사 센서로 구성되며,

   상기 2축 교류자기저항형 자기 센서는

   상기 외부 자기장의 X축 성분을 검출하기 위해 자기 임피던스 특성을 갖는 제1선형 자성체를 구비한 X축 자기센서와,

   자기 임피던스 특성을 가지며 상기 제1선형 자성체와 직교방향으로 배치되는 제2선형 자성체를 구비하고 상기 외부 자기장의 Y축 성분을 검출하기 위한 Y축 자기센서로 구성되며,

   상기 X축 및 Y축 자기센서는 각각 동일한 구조로 이루어지고, 상기 제1선형 자성체와 제2선형 자성체는 서로 직교방향으로 배치되어 적층되며,

   상기 X축 및 Y축 자기센서는 각각

   상기 선형 자성체의 양 끝단에 각각 형성된 전극단자와, 선형 자성체의 외주에 권취되어 자기 임피던스 특성 그래프에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위해 DC 바이어스 전압을 인가하는 DC 바이어스 필드 코일을 더 포함하며,

   상기 DC 바이어스 필드 코일에 DC 바이어스 전압을 인가한 상태에서 선형 자성체의 양 끝단의 전극단자에 전류를 인가하고, 선형 자성체 주위에 감긴 검출코일에서 자기 임피던스의 변화에 비례하는 검출전압을 측정하여 상기 외부 자기장의 X축 및 Y축 성분을 검출하는 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.
7. 기판을 본체로 하여 형성되고, 상기 기판과 평행한 평면에 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 2축 교류자기저항형 자기 센서와,

   상기 자기 벡터의 수직 방향의 성분을 검출하도록 상기 교류자기저항형 자기 센서의 평면에 실장된 자기검출소자와,

   상기 기판의 경사각을 검출하도록 상기 교류자기저항형 자기 센서의 평면에 실장된 경사 센서로 구성되며,

   상기 2축 교류자기저항형 자기 센서는

   상기 외부 자기장의 X축 성분을 검출하기 위해 자기 임피던스 특성을 갖는 제1선형 자성체를 구비한 X축 자기센서와,

   자기 임피던스 특성을 가지며 상기 제1선형 자성체와 직교방향으로 배치되는 제2선형 자성체를 구비하고 상기 외부 자기장의 Y축 성분을 검출하기 위한 Y축 자기센서로 구성되며,

   상기 X축 및 Y축 자기센서는 각각 동일한 평면 위에 동일한 구조로 이루어지고, 상기 제1선형 자성체는 기판의 X축 방향을 따라 일측변에 배치되며, 제2선형 자성체는 Y축 방향을 따라 제1선형 자성체와 서로 직교방향으로 일측변에 배치되고,

   상기 X축 및 Y축 자기센서는 각각

   상기 선형 자성체의 양 끝단에 각각 형성된 전극단자와, 선형 자성체의 외주에 권취되어 자기 임피던스 특성 그래프에서 외부 자기장의 제로(0)점을 시프트시키기 위해 DC 바이어스 전압을 인가하는 DC 바이어스 필드 코일을 더 포함하며,

   상기 DC 바이어스 필드 코일에 DC 바이어스 전압을 인가한 상태에서 선형 자성체의 양 끝단의 전극단자에 전류를 인가하고, 선형 자성체 주위에 감긴 검출코일에서 자기 임피던스의 변화에 비례하는 검출전압을 측정하여 상기 외부 자기장의 X축 및 Y축 성분을 검출하는 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.
8. 제7항에 있어서, 상기 2축 교류자기저항형 자기센서는 상부면에 절연층이 형성된 실리콘 기판을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.
9. 삭제
10. 기판을 본체로 하여 형성되고, 상기 기판과 평행한 평면에 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 2축 교류자기저항형 자기 센서와,

    상기 자기 벡터의 수직 방향의 성분을 검출하도록 상기 교류자기저항형 자기 센서의 평면에 실장된 자기검출소자와,

    상기 기판의 경사각을 검출하도록 상기 교류자기저항형 자기 센서의 평면에 실장된 경사 센서로 구성되며,

    상기 2축 교류자기저항형 자기센서는 센서소자 두개를 베이스 기판에 서로 직교하도록 배치하여 이루어지는 바이어스 자석형(bias magnet type) 2축 자기센서로 구성되고,

    각각의 자기센서는 절연기판 위에 형성되며, 양 끝단에 한쌍의 전극이 형성된 바 형태의 고 투자율 연자성체와,

    상기 연자성체의 양단 또는 어느 일측단이나 연자성체의 상부 또는 하부에 배치된 영구자석으로 구성되며,

    상기 영구자석에서 일정한 바이어스 자기장을 발생함에 의해 센서의 출력특성 중 선형성이 뛰어난 부분으로 동작점을 이동시킨 후, 외부 자기장에 의한 자성체의 임피던스 변화를 한쌍의 전극으로부터 측정하는 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.
11. 기판을 본체로 하여 형성되고, 상기 기판과 평행한 평면에 규정되는 자기 벡터의 2축 성분을 검출하는 2축 교류자기저항형 자기 센서와,

    상기 자기 벡터의 수직 방향의 성분을 검출하도록 상기 교류자기저항형 자기 센서의 평면에 실장된 자기검출소자와,

    상기 기판의 경사각을 검출하도록 상기 교류자기저항형 자기 센서의 평면에 실장된 경사 센서로 구성되며,

    상기 2축 교류자기저항형 자기센서는 센서소자 두개를 베이스 기판에 서로 직교하도록 배치하여 이루어지는 피드백형(feedback coil type) 2축 자기센서로 구성되고,

    각각의 자기센서는 절연기판 위에 형성된 바 형태의 고 투자율 연자성체의 양 끝단에 전극을 형성한 후, 자성체 주위에 코일을 권선한 구조로 이루어지며,

    현재 위치의 임피던스 값을 자기장이 "0"일 때의 값을 갖도록 자성체 주위에 권선된 코일에 외부자기장과 크기는 동일하고 방향이 반대가 되는 자기장을 발생시키도록 임의의 전류를 인가하여 코일에 인가된 전류의 크기와 방향을 측정함에 의해 외부자기장을 측정하는 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.
12. 제6항 또는 제7항에 있어서,

    상기 2축 교류자기저항형 자기 센서와 자기검출소자로부터 얻어진 3차원 자기벡터와 상기 경사 센서의 경사각에 기초하여 수평자계성분과 지자기 방위각을 산출하기 위한 신호처리수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전방위 자기 센서.

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