KR101197947B1

KR101197947B1 - 상호 연결된 이중 홀 소자들을 구비한 홀 소자 모듈

Info

Publication number: KR101197947B1
Application number: KR1020100109311A
Authority: KR
Inventors: 한동옥; 박상규
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2012-11-05
Also published as: US20120112740A1; KR20120047629A

Abstract

상호 연결된 이중 홀 소자들을 구비한 홀 소자 모듈이 개시된다. 홀 소자 모듈은 여기(excitation)를 위한 제1 단자쌍과 출력 단자쌍을 포함하는 제1 홀 소자와, 여기(excitation)를 위한 제2 단자쌍과 출력 단자쌍을 포함하는 제2 홀 소자를 구비하는 홀 소자 모듈로서, 제1 홀 소자와 제2 홀 소자는 동일한 등가회로를 가지며, 제2 홀 소자는 제1 홀 소자를 기준으로 소정의 각도만큼 회전되어 배치되며, 제1 단자쌍의 제1 단자가 제2 단자쌍의 제1 단자와 상호 연결되어 여기(excitation)를 위한 구동전원을 인가받고, 제1 단자쌍의 제2 단자는 제2 단자쌍의 제2 단자와 상호 연결되어 접지되며, 제1 홀 소자의 출력 단자쌍과 제2 홀 소자의 출력 단자쌍 중 인가된 외부 자기장에 따라 상승하는 전압을 출력하는 포지티브 성분의 단자들간을 상호 연결하며, 인가된 외부 자기장에 따라 하강하는 전압을 출력하는 네가티브 성분의 단자들간을 상호 연결함으로써, 홀 소자의 오프셋을 제거할 수 있다.

Description

상호 연결된 이중 홀 소자들을 구비한 홀 소자 모듈{HALL DEVICE MODULE EQUIPPED WITH DOUBLE HALL DEVICES}

본 발명은 홀 소자의 옵셋 제거에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 동일한 조건하에서 제조되어 동일한 등가회로로 나타내어질 수 있는 2개의 홀 소자들 중 어느 하나를 나머지를 기준으로 90도의 각도를 가지도록 회전 배치하고, 이들 2개의 홀 소자들을 상호 연결함으로써, 홀 소자의 옵셋을 제거할 수 있는 상호 연결된 이중 홀 소자들을 구비한 홀 소자 모듈에 관한 것이다.

일반적으로, 홀 소자(Hall device)는 홀 효과(Hall effect)를 이용하여 자계를 감지하는 소자로써, '홀 효과'란 전류가 흐르는 어떠한 도체에 자기장이 가해지면 일정한 방향으로 힘(로렌츠의 힘)이 발생하고, 이 힘에 의해서 전류의 흐름이 변경되며, 이 전류의 흐름 변경에 의해 두 검출단에서의 전압의 차이(이하, '홀 전압'이라 함)가 발생하는 것을 말한다. 이러한 홀 소자는 외부에 자기장에 없는 상태에서는 영(zero)의 홀 전압이 출력되어야 하며, 외부에 자기장이 있는 경우에는 높은 감도를 위해 가능하면 큰 홀 전압을 출력하여야 한다. 이러한 홀 소자의 특성을 좋게 하기 위해, 다양한 형태 또는 공정 또는 도핑농도 등을 조정하여 특화된 홀 소자가 개발되고 있다.

한편, 홀 소자는 옵셋이나 온도와 같은 왜곡을 발생하지 않는 것이 바람직하지만, 제작 기술 및 제작 공정 등의 여러 가지 요인으로 인하여 영(zero)전압이 아닌 일정한 전압크기의 옵셋(offset)을 출력하는 경우가 있다. 이와 같이 홀 소자에 옵셋이 발생하는 경우에는, 옵셋의 크기 만큼 홀 센서의 감도를 저하시키는 문제점이 있다.

본 발명의 과제는 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은, 홀 소자의 옵셋을 제거할 수 있는 홀 소자 모듈을 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 과제는 큰 홀 전압을 발생시켜 높은 감도를 가지는 홀 소자 모듈을 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 과제는 제1 홀 소자와 제2 홀 소자의 미스매치로 인한 옵셋을 추가로 제거할 수 있는 홀 소자 모듈을 제공한다.

상기한 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 기술적인 측면은, 여기(excitation)를 위한 제1 단자쌍과 출력 단자쌍을 포함하는 제1 홀 소자와, 여기(excitation)를 위한 제2 단자쌍과 출력 단자쌍을 포함하는 제2 홀 소자를 구비하는 홀 소자 모듈로서, 제1 홀 소자와 제2 홀 소자는 동일한 등가회로를 가지며, 제2 홀 소자는 제1 홀 소자를 기준으로 소정의 각도만큼 회전되어 배치되며, 제1 단자쌍의 제1 단자가 제2 단자쌍의 제1 단자와 상호 연결되어 여기(excitation)를 위한 구동전원을 인가받고, 제1 단자쌍의 제2 단자는 제2 단자쌍의 제2 단자와 상호 연결되어 접지되며, 제1 홀 소자의 출력 단자쌍과 제2 홀 소자의 출력 단자쌍 중 인가된 외부 자기장에 따라 상승하는 전압을 출력하는 포지티브 성분의 단자들간을 상호 연결하며, 인가된 외부 자기장에 따라 하강하는 전압을 출력하는 네가티브 성분의 단자들간을 상호 연결하도록 구성된 상호 연결된 이중 홀 소자들을 구비한 홀 소자 모듈을 제공하는 것이다.

바람직하게는, 소정의 각도는 +90도 또는 -90도를 포함할 수 있다.

또한, 홀 소자 모듈은, 포지티브 성분의 단자들간의 제1 연결부로부터 출력되는 제1 전압의 DC 성분과 포지티브 성분의 단자들간의 제2 연결부로부터 출력되는 제2 전압의 DC 성분이 같아지도록 상보적으로 스위칭하는 스위치 모듈을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 스위치 모듈은, 일단이 제1 연결부에 타단이 제1 출력단자에 연결된 제1 스위치와, 일단이 제2 연결부에 타단이 제2 출력단자에 연결된 제2 스위치와, 일단이 제1 연결부에 타단이 제2 출력단자에 연결된 제3 스위치와, 일단이 제2 연결부에 타단이 제1 출력단자에 연결된 제4 스위치를 포함하며, 제1 스위치와 제2 스위치는 제1 클록에 따라 개폐되며, 제3 스위치와 제4 스위치는 제1 클록과 상보적인 제2 클록에 따라 개폐될 수 있다.

본 발명에 따르면, 동일한 조건하에서 제조되어 동일한 등가회로로 나타내어질 수 있는 2개의 홀 소자들 중 어느 하나를 나머지를 기준으로 90도의 각도를 가지도록 회전 배치하고, 이들 2개의 홀 소자들을 상호 연결함으로써, 홀 소자의 옵셋을 제거할 수 있다.

또한, 옵셋이 제거된 홀 전압에 대하여 모듈레이션을 할 수 있기 때문에 큰 홀 전압을 발생시킬 수 있으며, 이를 통해 높은 감도를 가질 수 있다.

또한, 홀 소자 모듈의 출력단에 별도의 스위치 모듈을 추가함으로써, 제1 홀 소자와 제2 홀 소자의 미스매치로 인한 옵셋을 추가로 제거할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 상호 연결된 이중 홀 소자를 구비한 홀 소자 모듈의 구성도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 상호 연결된 이중 홀 소자의 등가 회로도이다.
도 3은, 제1 홀 소자와 제2 홀 소자의 제조 공정상의 차이가 있다고 가정할 경우 이중 홀 소자의 제1 연결부와 제2 연결부로부터 출력되는 전압 파형을 도시한 도면이다.
도 4는, 제1 홀 소자와 제2 홀 소자의 제조 공정상의 차이가 있다고 가정할 경우 본 발명의 일 실시 형태에 따른 스위치 모듈을 적용할 때의 홀 소자 모듈의 제1 출력단자과 제2 출력단자의 출력 파형을 도시한 도면이다.

도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 상호 연결된 이중 홀 소자를 구비한 홀 소자 모듈의 구성도로, 동일 평면상에서 일정한 간격을 두고 서로 인접하게 배치된 이중 홀 소자(111, 112)와, 이중 홀 소자(111, 112)의 출력에 연결된 스위치 모듈(120)을 포함할 수 있다.

도 1을 참조하면, 제1 홀 소자(111)는 여기(excitation)를 위한 제1 단자쌍(A, C)과 출력을 위한 제2 단자쌍(B, D), 제2 홀 소자(112)는 여기(excitation)를 위한 제3 단자쌍(E, G)과 출력을 위한 제4 단자쌍(F, H)을 포함한다.

제1 홀 소자(111)의 단자(A)는 제2 홀 소자(112)의 단자(E)와 상호 연결되어, 홀 소자의 여기(excitation)를 위한 구동전원(Vdd)를 인가받는다. 한편, 제1 홀 소자(111)의 단자(C)는 제2 홀 소자(112)의 단자(G)와 상호 연결되어 접지되도록 구성된다. 또한, 제1 홀 소자(111)의 단자(B)는 제2 홀 소자(112)의 단자(F)와 상호 연결되며, 제1 홀 소자(111)의 단자(D)는 제2 홀 소자(112)의 단자(H)와 상호 연결되도록 구성된다.

제1 홀 소자(111)의 단자(A)와 제2 홀 소자(112)의 단자(E)의 제1 연결부(113), 그리고 제1 홀 소자(111)의 단자(B)와 제2 홀 소자(112)의 단자(H)의 제2 연결부(114)는 스위칭 모듈(120)의 입력단에 연결된다.

한편, 스위칭 모듈(120)은 일단이 제1 연결부(113)에 타단이 제1 출력단자(OUT1)에 연결된 제1 스위치(121)와, 일단이 제2 연결부(114)에 타단이 제2 출력단자(OUT2)에 연결된 제2 스위치(122)와, 일단이 제1 연결부(113)에 타단이 제2 출력단자(OUT2)에 연결된 제3 스위치(123)와, 일단이 제2 연결부(114)에 타단이 제1 출력단자(OUT)에 연결된 제4 스위치를 포함할 수 있다. 제1 스위치(121)와 제2 스위치(122)는 제1 클록(CLKA)에 따라 개폐되며, 제3 스위치(123)와 제4 스위치(124)는 제2 클록(CLKB)에 따라 개폐되며, 제1 클록(CLKA)과 제2 클록(CLKB)은 상보적으로 동작하도록 구성된다.

한편, 도 2는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 상호 연결된 이중 홀 소자의 등가 회로도이다.

이하 도 1 및 도 2를 참조하여 상호 연결된 이중 홀 소자를 통한 옵셋 제거의 동작 원리를 상세하게 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 홀 소자(111)와 제2 홀 소자(112)가 똑같은 조건 하에서 제조되어 동일한 옵셋을 가진다고 하면, 각각의 홀 소자(111, 112)의 저항은 동일하지 않으며, 저항 R 외에도 저항 2R(예시임)을 포함한다. 단, 제2 홀 소자(112)는 제1 홀 소자(111)의 복사본이라고 가정한다. 구동전원(Vdd)이 제1 홀 소자(111)의 단자(A, C) 및 제2 홀 소자(112)의 단자(E, G)로 인가되고 외부에서 자기장이 인가되면, 제1 홀 소자(111)의 단자(B, D)와 제2 홀 소자(112)의 단자(F, H)의 홀 전압은 다음의 수학식 (1)과 같이 표현될 수 있다.

여기서,

는 단자(B)의 홀 전압을,

는 단자(D)의 홀 전압을,

는 단자(F)의 홀 전압을,

는 단자(H)의 홀 전압을 나타낸다.

이때 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 홀 소자(111)의 포지티브 성분, 즉 자기장에 따라 상승하는 전압을 출력하는 단자(D)와 제2 홀 소자(112)의 포지티브 성분의 단자(H)를 상호 연결한다. 반대로, 제1 홀 소자(111)의 네가티브 성분, 즉 자기장에 따라 하강하는 전압을 출력하는 단자(B)와 제2 홀 소자(112)의 네가티브 성분의 단자(F)를 상호 연결한다. 이에 따라 포지티브 성분의 단자들(D, H)의 제1 연결부(113)의 홀 전압과 네가티브 성분의 단자들(B, F)의 제2 연결부(114)의 홀 전압은 다음과 같은 수학식 2로 표현될 수 있다.

따라서, 홀 소자(111, 112)로부터 발생된 옵셋 성분이 제거될 수 있음을 알 수 있다. 뿐만 아니라 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 옵셋이 제거된 후 모듈레이션이 수행되기 때문에, 한주기(T) 동안 발생되는 홀 전압이 하나의 홀 소자만을 사용하는 경우보다 대략 2배 정도 클 수 있다.

구체적으로, 하나의 홀 소자만을 사용한 스피닝 전류(spinning current) 방식에 의한 옵셋 제거의 경우 반 주기(T/2) 동안에는 Vdd/3의 홀 전압이, 나머지 반주기(T/2) 동안에는 Vdd/2의 홀 전압이 신호가 발생되어 한 주기(T)의 평균은 5Vdd/12의 홀 전압이 된다. 이에 반해, 본원발명의 경우 반 주기(T/2) 동안에는 5Vdd/6의 홀 전압이, 나머지 반 주기(T/2) 동안에는 5Vdd/6의 홀 전압이 발생되어 한 주기(T) 동안의 평균은 5Vdd/6가 된다. 따라서, 기존의 스피닝 전류(spinning current) 방식에 비해 대략 2배 정도의 홀 전압이 발생됨을 알 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따르면 2개의 홀 소자들의 상호 연결을 통하여 옵셋을 제거할 수 있기 때문에 별도의 모듈레이션(modulation) 또는 스위치를 둘 필요가 없다.

한편, 상술한 경우와 달리, 실제 제조과정에 있어서는 제1 홀 소자(111)와 제2 홀 소자(112)의 등가회로가 완전히 동일하지 않을 수 있으며, 이로 인해 도 1에 도시된 바와 같은 스피닝 전류(spinning current)를 이용한 방법에 의해서는 옵셋이 완전히 제거되지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상호 연결된 이중 홀 소자(111, 112)의 출력에 모듈레이션을 위한 스위치 모듈(120)을 더 연결할 수 있다. 이에 대해서는 이하 도 1 내지 도 4를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은, 제1 홀 소자(111)와 제2 홀 소자(112)의 제조 공정상의 차이가 있다고 가정할 경우, 도 1과 같이 연결시 이중 홀 소자의 제1 연결부(113)와 제2 연결부(114)로부터 출력되는 전압 파형을 도시한 도면이다. X축은 시간(time)을 Y축은 연결부(113)((a)-제1 연결부(113), (b)- 제2 연결부(114))에서 출력되는 전압의 크기를 나타낸다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제1 홀 소자(111)와 제2 홀 소자(112)는 동일한 조건하에서 제조되었음에도 불구하고 제1 홀 소자(111)와 제2 홀 소자(112)가 서로 다른 옵셋을 가질 수 있다. 따라서, 제1 연결부(113)로부터는 (a)와 도시된 바와 같은 전압(660.4mV)이, 제2 연결부(114)로부터는 (b)에 도시된 바와 같은 전압(659.6mV)이 출력되고 있으며, 그 차이에 해당하는 0.8mV의 옵셋이 출력되고 있음을 가정한다. 따라서, 이와 같은 경우에도 더 나은 성능을 위해, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 옵셋으로 인한 회로의 오동작을 제거하기 위해 스위치 모듈(120)을 추가로 구비할 수 있다.

도 4는, 제1 홀 소자(111)와 제2 홀 소자(112)의 제조 공정상의 차이가 있다고 가정할 경우 본 발명의 일 실시 형태에 따른 스위치 모듈(120)을 적용할 때의 홀 소자 모듈의 제1 출력단자(OUT1)와 제2 출력단자(OUT2)의 출력 파형을 도시한 도면이다. (a)는 스위치 모듈(120)의 제1 출력 단자(OUT1)로부터 출력되는 전압을, (b)는 스위치 모듈(120)의 제2 출력 단자(OUT2)로부터 출력되는 전압을, (c)는 제1 클록(CLKA)을, (d)는 제2 클록(CLKB)을 각각 도시하고 있다.

도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 클록(CLKA)이 하이(H)인 동안에는 제2 클록(CLKB)는 로우(L)가 된다. 따라서 제1 연결부(113)의 전압은 제1 출력단자(OUT1)로, 제2 연결부(114)의 전압은 제2 출력단자(OUT2)로 출력된다. 반대로, 제1 클록(CLKA)이 로우(L)인 동안에는 제2 클록(CLKB)는 하이(H)가 된다. 따라서, 제1 연결부(113)의 전압은 제2 출력단자(OUT2)로, 제2 연결부(114)의 전압은 제1 출력단자(OUT1)로 출력된다. 상술한 제1 클록(CLKA)와 제2 클록(CLKB)은 주기적으로 반복되며, 제1 출력단자(OUT1)의 출력인 제1 연결부(113)의 전압과 제2 연결부(114)의 전압의 중간값인 DC 신호와 제1 홀 소자(111)와 제2 홀 소자(112)의 미스매치로 인해 발생된 옵셋인 AC 신호가 초퍼 앰프와 같은 증폭기를 가지는 신호 처리단(미도시)로 입력될 수 있다.

제2 출력단자(OUT2)의 출력 역시, 제1 연결부(113)의 전압과 제2 연결부(114)의 전압의 중간값인 DC 신호를 기준으로 제1 출력단자(OUT1)의 AC 신호와 위상이 180도인 AC 신호가 출력된다. 이에 따라 제1 연결부(113)와 제2 연결부(114)의 DC 옵셋인 전압 차이는 0에 가까워질 수 있고, 그로 인해 DC 옵셋으로 인한 신호 처리단(미도시)의 오동작을 막을 수 있다.

이상 도면과 명세서에서 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 홀 소자 모듈
Vdd: 소스
111, 112: 홀 소자
121, 122, 123, 124: 스위치
113, 114: 연결부
OUT1, OUT2: 출력단자

Claims

여기(excitation)를 위한 제1 단자쌍과 출력 단자쌍을 포함하는 제1 홀 소자와, 여기(excitation)를 위한 제2 단자쌍과 출력 단자쌍을 포함하는 제2 홀 소자를 구비하는 홀 소자 모듈로서,
상기 제1 홀 소자와 상기 제2 홀 소자는 동일한 등가회로를 가지며, 상기 제2 홀 소자는 상기 제1 홀 소자를 기준으로 소정의 각도만큼 회전되어 배치되며,
상기 제1 단자쌍의 제1 단자가 상기 제2 단자쌍의 제1 단자와 상호 연결되어 여기(excitation)를 위한 구동전원을 인가받고, 상기 제1 단자쌍의 제2 단자는 상기 제2 단자쌍의 제2 단자와 상호 연결되어 접지되며,
상기 제1 홀 소자의 출력 단자쌍과 상기 제2 홀 소자의 출력 단자쌍 중 인가된 외부 자기장에 따라 상승하는 전압을 출력하는 포지티브 성분의 단자들간을 상호 연결하며,
인가된 외부 자기장에 따라 하강하는 전압을 출력하는 네가티브 성분의 단자들간을 상호 연결함으로써, 옵셋을 제거하며,
상기 홀 소자 모듈은,
상기 포지티브 성분의 단자들간의 제1 연결부로부터 출력되는 제1 전압의 DC 성분과 상기 네가티브 성분의 단자들간의 제2 연결부로부터 출력되는 제2 전압의 DC 성분이 같아지도록 상보적으로 스위칭하는 스위치 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홀 소자 모듈.
제1항에 있어서,
상기 소정의 각도는,
+90도 또는 -90도인 것을 특징으로 하는 홀 소자 모듈.
삭제
제1항에 있어서,
상기 스위치 모듈은,
일단이 상기 제1 연결부에 타단이 제1 출력단자에 연결된 제1 스위치;
일단이 상기 제2 연결부에 타단이 제2 출력단자에 연결된 제2 스위치;
일단이 상기 제1 연결부에 타단이 상기 제2 출력단자에 연결된 제3 스위치; 및
일단이 상기 제2 연결부에 타단이 상기 제1 출력단자에 연결된 제4 스위치를 포함하며,
상기 제1 스위치와 상기 제2 스위치는 제1 클록에 따라 개폐되며,
상기 제3 스위치와 상기 제4 스위치는 상기 제1 클록과 상보적인 제2 클록에 따라 개폐되는 것을 특징으로 하는 홀 소자 모듈.