KR101790262B1

KR101790262B1 - 자기장 센서 및 자기장 측정 장치

Info

Publication number: KR101790262B1
Application number: KR1020150161976A
Authority: KR
Inventors: 김완섭; 박포규; 김영균; 김문석; 김단비; 주성중
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2017-11-21
Also published as: EP3232210A1; JP2018502291A; KR20160072773A; US20170371003A1; US10466313B2; EP3232210A4; WO2016093507A1

Abstract

본 발명의 자기장 센서는 자성물질을 적어도 일부 포함한 제 1 전극, 비자성물질을 적어도 일부 포함한 제 2 전극, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하고, 접지단에 연결된 공통 전극, 제 1 전극과 제 2 전극에 일단이 연결되고, 공통 전극에 다른 일단이 연결되어 측정을 원하는 주파수 대역의 전원을 공급하는 전원 공급기, 제 1 전극과 전원 공급기 사이의 저항값과 제 2 전극과 전원 공급기 사이의 저항값 중 적어도 하나의 저항값을 제어하는 가변 저항, 및 양의 단자를 통해 제 1 전극에 연결되고, 음의 단자를 통해 제 2 전극에 연결되어 외부로부터 자기장 인가에 따라 제 1 전극에 의해 형성된 제 1 커패시턴스와 제 2 전극에 의해 형성된 제 2 커패시턴스 간의 차이값을 출력하는 차동 증폭기를 포함한다.

Description

자기장 센서 및 자기장 측정 장치{MAGNETIC FIELD MEASUREMENT SENSOR AND APPARATUS FOR MEASURING MAGNETIC FIELD}

본 발명은 자기장 측정 시스템에 관한 것으로서, 직류와 넓은 주파수 영역의 교류 자기장을 측정할 수 있는 자기장 센서 및 자기장 측정 장치에 관한 것이다.

자기장은 직류 자기장과 교류 자기장으로 구분할 수 있다. 대부분의 자기장 센서들은 직류에서 수백 헤르쯔(Hz)까지의 교류 자기장을 측정할 수 있다. 하지만, 교류 자기장을 측정하는 자기장 센서의 경우 직류 자기장을 측정하기 어렵다. 또한, 교류 자기장을 측정하는 경우, 수 십 키로헤르쯔(kHz)부터 수 메가헤르쯔(MHz)까지의 교류 자기장을 측정하기 위해서는 주파수 대역에 따라 다른 종류의 자기장 센서들을 이용해야 한다.

이와 같이, 자기장 측정, 즉 직류와 교류 자기장을 측정하기 위해서는 여러 가지 다른 장비들과 센서들을 사용해야 하며, 넓은 주파수 대역의 범위 내에서 자기장 측정을 위해서는 더 많은 장비들과 센서들을 필요로 하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 넓은 주파수 대역의 범위 내에서 직류와 교류 자기장을 모두 측정할 수 있는 자기장 센서 및 자기장 측정 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 온도와 같은 환경적인 영향을 감소시켜 자기장을 측정할 수 있는 자기장 센서 및 자기장 측정 장치를 제공함에 있다.

본 발명에 따른 자기장 센서는 자성물질을 적어도 일부 포함한 제 1 전극, 비자성물질을 적어도 일부 포함한 제 2 전극, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하고, 접지단에 연결된 공통 전극, 상기 제 1 전극과 제 2 전극에 일단이 연결되고, 상기 공통 전극에 다른 일단이 연결되어 측정을 원하는 주파수 대역의 전원을 공급하는 전원 공급기, 상기 제 1 전극과 상기 전원 공급기 사이의 저항값과 상기 제 2 전극과 상기 전원 공급기 사이의 저항값 중 적어도 하나의 저항값을 제어하는 가변 저항, 및 양의 단자를 통해 상기 제 1 전극에 연결되고, 음의 단자를 통해 상기 제 2 전극에 연결되어 외부로부터 자기장 인가에 따라 상기 제 1 전극에 의해 형성된 제 1 커패시턴스와 상기 제 2 전극에 의해 형성된 제 2 커패시턴스 간의 차이값을 출력하는 차동 증폭기를 포함한다.

이 실시예에 있어서, 상기 제 1 전극과 상기 공통 전극이 하나의 전기 용량 센서를 형성하고, 상기 제 2 전극과 상기 공통 전극이 다른 하나의 전기 용량 센서를 형성한다.

이 실시예에 있어서, 상기 가변 저항은 상기 제 1 전극과 상기 전원 공급기 사이에 위치하여 저항값을 제어하는 제 1 가변 저항 소자, 및 상기 제 2 전극과 상기 전원 공급기 사이에 위치하여 저항값을 제어하는 제 2 가변 저항 소자 중 적어도 하나를 포함한다.

이 실시예에 있어서, 상기 제 1 가변 저항 소자와 상기 제 2 가변 저항 소자는 저항 제어 신호에 응답하여 상기 차이값을 제로(0) 또는 최소값으로 조절하는 저항 변화값을 출력한다.

이 실시예에 있어서, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극, 및 상기 공통 전극을 제로 가우스 챔버 내부에 포함시켜 상기 자기장 측정을 위한 평형 상태를 측정하고, 상기 평형 상태에 따른 자기장 변화를 기준으로 인가되는 자기장에 따라 상기 차이값을 출력하고, 상기 평형 상태는 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극, 및 상기 공통 전극으로부터 형성된 상기 차이값을 제로 또는 최소값이 되도록 설정된 상태이다.

이 실시예에 있어서, 상기 자기장은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 표면을 기준으로 수직한 방향으로 인가된다.

본 발명에 따른 자기장 측정 장치는 자기장 변화에 따른 커패시턴스를 측정하는 적어도 하나의 자기장 센서, 및 상기 커패시턴스를 수신하고, 상기 커패시턴스에 근거하여 상기 자기장을 측정하는 신호 처리기를 포함하고, 상기 적어도 하나의 자기장 센서 각각은 자성물질을 적어도 일부 포함한 제 1 전극, 비자성물질을 적어도 일부 포함한 제 2 전극, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하고, 접지단에 연결된 공통 전극, 상기 제 1 전극과 제 2 전극에 일단이 연결되고, 상기 공통 전극에 다른 일단이 연결되어 측정을 원하는 주파수 대역의 전원을 공급하는 전원 공급기, 상기 제 1 전극과 상기 전원 공급기 사이의 저항값과 상기 제 2 전극과 상기 전원 공급기 사이의 저항값 중 적어도 하나의 저항값을 제어하는 가변 저항, 및 양의 단자를 통해 상기 제 1 전극에 연결되고, 음의 단자를 통해 상기 제 2 전극에 연결되어 외부로부터 자기장 인가에 따라 상기 제 1 전극에 의해 형성된 제 1 커패시턴스와 상기 제 2 전극에 의해 형성된 제 2 커패시턴스 간의 차이값을 출력하는 차동 증폭기를 포함한다.

이 실시예에 있어서, 상기 신호 처리기는 상기 차이값을 수신하고, 수신된 차이값의 이득을 보상하는 이득 보상기, 상기 차이값에 대응되는 자기장 크기가 저장된 자기장 측정 테이블을 저장하는 메모리, 상기 이득이 보상된 차이값에 대응되는 자기장 세기를 상기 자기장 측정 테이블에 근거하여 획득하고, 상기 획득된 자기장 세기를 출력하는 제어기, 및 상기 출력되는 자기장 크기를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함한다.

이 실시예에 있어서, 상기 제어기는 상기 가변 저항의 저항값을 상기 차이값을 제로 또는 최소가 되도록 제어 하는 저항 제어 신호를 출력하면, 상기 저항 제어 신호와, 상기 저항 제어 신호에 따라 제어되는 저항값 중 하나에 근거하여 상기 자기장을 측정한다.

이 실시예에 있어서, 상기 가변 저항은 상기 제 1 전극과 상기 전원 공급기 사이에 위치하여 저항값을 제어하는 제 1 가변 저항 소자, 및 상기 제 2 전극과 상기 전원 공급기 사이에 위치하여 저항값을 제어하는 제 2 가변 저항 중 적어도 하나를 포함한다.

이 실시예에 있어서, 상기 제 1 가변 저항 소자와 상기 제 2 가변 저항 소자는 저항 제어 신호에 응답하여 상기 자기장 측정을 위해 상기 차이값을 제로(0) 또는 최소값으로 조절하는 저항 변화값을 출력한다.

본 발명에 따른 자기장 센서는 자성물질을 적어도 일부 포함한 제 1 전극, 비자성물질을 적어도 일부 포함한 제 2 전극, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하고, 접지단에 연결된 공통 전극, 상기 제 1 전극과 상기 공통 전극에 연결되어 측정을 원하는 주파수 대역의 제 1 전원을 공급하는 제 1 전원 공급기, 상기 제 2 전극과 상기 공통 전극에 연결되어 측정을 원하는 주파수 대역의 제 2 전원을 공급하는 제 2 전원 공급기, 및 양의 단자를 통해 상기 제 1 전극에 연결되고, 음의 단자를 통해 상기 제 2 전극에 연결되어 외부로부터 자기장 인가에 따라 상기 제 1 전극에 의해 형성된 제 1 커패시턴스와 상기 제 2 전극에 의해 형성된 제 2 커패시턴스 간의 차이값을 출력하는 차동 증폭기를 포함한다.

본 발명의 자기장 센서는 자기장의 인가에 따른 자성 물질과 비자성 물질을 포함한 전극들 각각으로부터 형성된 전기 용량(즉, 커패시턴스)들을 이용하여 자기장을 측정함으로써, 넓은 주파수 대역의 범위 내에서 다른 장비들 또는 다른 센서들의 추가없이 직류와 교류 자기장을 모두 측정할 수 있다. 또한, 비자성 전극과 자성 전극 모두 온도, 습도와 같은 동일한 외부 환경적 영향을 받음으로 외부 환경에 의한 변화는 두 전극이 같기 때문에, 비자성 물질을 통해 형성된 커패시턴스를 기준으로 자기장을 측정함에 따라 외부의 환경적 영향으로 인한 보정없이 자기장을 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자기장 측정 장치를 예시적으로 도시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 전극들에 대해 자기장 인가에 따른 간격 변화를 예시적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기장 센서를 예시적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기장 센서를 예시적으로 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시에에 따른 자기장 센서를 예시적으로 도시한 도면, 및
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기장 측정 장치를 예시적으로 도시한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않도록 하기 위해 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명은 자기장 측정을 위해 자성물질을 포함한 전극과 비자성물질을 포함한 전극을 이용하여 형성된 두 개의 전기 용량(일예로, 커패시턴스)들 간의 차이값을 이용하여 자기장을 측정하는 자기장 센서와 이러한 자기장 센서를 포함한 자기장 측정 장치를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 자기장 측정 장치를 예시적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 자기장 측정 장치(100)는 자기장 센서(110)와 신호 처리기(150)를 포함한다.

자기장 센서(110)는 자기장의 인가에 의해 발생되는 전기 용량(즉, 커패시턴스)을 출력한다. 자기장 센서(110)는 전극들(111, 112, 113), 전원 공급기(114), 가변 저항(115), 및 차동 증폭기(116)를 포함한다.

전극들(111, 112, 113)은 자기장의 인가에 따른 커패시턴스를 형성하기 위해 공통 전극(111)을 기준으로 제 1 전극(112)과 제 2 전극(113)이 양측에 위치한다. 이때, 제 1 전극(112)은 적어도 일부에 자성 물질을 포함한다. 이를 위해, 제 1 전극(112)이 모두 자성 물질로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 전극(112)이 비자성 물질로 구성되면, 제 1 전극(112)의 일측면 또는 양측면에 코팅 등의 형태로 자성 물질이 결합될 수 있다.

이와 달리, 제 2 전극(113)은 적어도 일부에 비자성 물질을 포함한다. 이를 위해, 제 2 전극(113)이 비자성 물질로 형성되거나, 비자성 물질이 제 2 전극(113)의 일측면 또는 양측면에 코팅 등의 형태로 비자성 물질이 결합될 수 있다.

여기서, 제 1 전극(112)이 자성 물질을 포함하고, 제 2 전극(113)이 비자성 물질을 포함하는 것은 예시적으로 설명하였으나, 이와 반대로 제 1 전극(112)이 적어도 일부에 비자성 물질을 포함하고, 제 2 전극(113)이 적어도 일부에 자성 물질을 포함하도록 구성될 수도 있다.

한편, 자기장이 인가되면, 공통 전극(111)과 제 1 전극(112) 사이에 커패시턴스가 형성되고, 공통 전극(111)과 제 2 전극(113) 사이에 커패시턴스가 형성된다. 이때, 자기장은 평판 형태의 전극들(111, 112, 113)에 수직한 방향에서 인가될 수 있으며, 제 1 방향(11)과 제 2 방향(12) 중 하나의 방향에서 상기 자기장 센서(110)의 외부로부터 자기장이 인가될 수 있다.

전원 공급기(114)의 일단은 제 1 전극(112)에 제 1 가변 저항 소자(1151)을 통해 연결되고, 제 2 전극(113)에 제 2 가변 저항 소자(1152)을 통해 연결된다. 전원 공급기(114)의 다른 일단은 공통 전극(111)에 연결되어 전원을 공급한다. 전원 공급기(114)는 측정을 원하는 주파수 대역의 전원을 공급할 수 있으며, 이를 위해, 전원 공급기(114)는 주파수 발생기를 포함하거나 주파수 발생기의 기능을 가질 수 있다.

가변 저항(115)은 제 1 전극(112)과 전원 공급기(114) 사이의 저항값과 제 2 전극(113)과 전원 공급기(114) 사이의 저항값 중 적어도 하나의 저항값을 제어한다. 이를 위해, 가변 저항(115)은 제 1 가변 저항 소자(1151)와 제 2 가변 저항 소자(1152) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

제 1 가변 저항 소자(1151)는 일단이 제 1 전극(122)과 차동 증폭기(117)의 접점에 연결되고, 다른 일단은 전원 공급기(114)의 단자(예를 들면, 양(+)의 단자)에 연결된다.

제 2 가변 저항 소자(1152)는 일단이 제 2 전극(123)과 차동 증폭기(117)의 접점에 연결되고, 다른 일단은 전원 공급기(114)의 단자(예를 들면, 양(+)의 단자)에 연결된다.

도 1에서는, 가변 저항 소자들(1151, 1152)이 제 1 전극(112)과 전원 공급기(114) 사이(제 1 전극(112) 측)와 제 2 전극(113)과 전원 공급기(114) 사이(제 2 전극(113) 측) 각각에 위치한 것을 예시적으로 설명하지만, 제 1 전극(112) 측과 제 2 전극(113) 측 중 하나에만 가변 저항이 위치할 수도 있다.

이때, 가변 저항 소자들(1151, 1152)을 제어기(153) 등을 통해 출력되는 저항 제어 신호들(RCTL11, RCTL12)을 이용하여 제어할 수 있고, 자기장을 측정하기 이전(일예로, 초기 상태)에 차동 증폭기(117)를 통해 출력되는 차이값을 제로(0) 또는 최소(즉, 0에 근접하도록)가 되도록 설정할 수 있다. 차동 증폭기(116)는 제 1 전극(112)에 연결된 양(+)의 단자와 제 2 전극(113) 에 연결된 음(-)의 단자를 포함한다. 이를 통해, 차동 증폭기(116)는 공통 전극(111)과 제 1 전극(112)에 의해 형성된 커패시턴스와, 공통 전극(111)과 제 2 전극(112)에 의해 형성된 커패시턴스 간의 차이값을 출력한다. 다시 말해, 제 1 전극(112)을 통해 형성된 커패시턴스(자기용량)와 제 2 전극(113)을 통해 형성된 커패시턴스(자기용량) 간의 차이를 차동 증폭시켜 출력한다.

한편, 자기장이 인가된 상태에서 차동 증폭기(116)를 통해 출력되는 차이값을 제로(0) 또는 최소(즉, 0에 근접하도록)가 되도록 설정하는 경우, 가변 저항(115)의 저항값을 제어하는 저항 제어 신호들(RCTL11, RCTL12) 또는 가변 저항(115)(또는, 가변 저항 소자들(1151, 1152)이 갖는 저항값들의 검출(필요에 따라 저항값을 검출하는 검출기를 포함할 수도 있음)에 근거하여 자기장을 측정할 수도 있다.

신호 처리기(150)는 자기장 센서(110)를 통해 수신된 신호 처리를 통해 자기장을 측정한다. 신호 처리기(150)는 이득 보상기(151), 메모리(152), 제어기(153), 및 디스플레이 기기(154)를 포함한다.

이득 보상기(151)는 차동 증폭기(116)를 통해 출력된 신호를 증폭을 통해 이득(gain)을 보상한다. 이득 보상기(151)는 이득이 보상된 신호를 제어기(153)로 출력한다.

메모리(152)는 신호 처리기(150)의 동작을 위한 동작 프로그램 또는 신호 처리기(150)의 동작 중에 발생되는 데이터를 제어기(153)의 제어에 따라 저장하거나, 저장된 데이터를 제어기(153)로 제공할 수 있다. 또한, 메모리(152)는 자기장 센서(110)를 통해 출력된 신호, 즉 커패시턴스에 대응되는 자기장 값이 저장된 자기장 측정 테이블을 저장할 수 있다.

제어기(153)는 이득이 보상된 신호, 즉 커패시턴스에 대응되는 자기장 크기를 획득할 수 있다. 이를 위해, 제어기(153)는 메모리(152)에 저장된 데이터, 즉 자기장 측정 테이블을 이용할 수 있으며, 메모리(152)를 포함한 형태로 구현될 수 도 있다. 제어기(153)는 수신된 신호에 근거하여 측정된 자기장의 크기를 디스플레이 기기(154)로 출력한다. 또한, 제어기(153)는 자기장이 인가되기 전에 차동 증폭기(116)를 통해 출력되는 차이값을 제로(0) 또는 최소가 되도록 가변 저항 소자들(1151, 1152)을 제어하는 제어 신호들(RCTL11, RCTL12)을 출력할 수 있다.

한편, 제어기(153)가 가변 저항 소자들(1151, 1152)의 저항값들을 이용하여 자기장을 측정할 경우, 제어기(153)는 자기장이 인가된 이후 차동 증폭기(116)를 통해 출력되는 차이값을 제로(0) 또는 최소가 되도록 가변 저항 소자들(1151, 1152)을 제어하는 제어 신호들(RCTL11, RCTL12)을 출력할 수도 있다. 이후, 제어기는 차동 증폭기의 출력이 제로(0) 또는 최소가 되는 시점에 저항 제어 신호들(RCTL11, RCTL12) 또는 가변 저항(115)(또는, 가변 저항 소자들(1151, 1152)이 갖는 저항값들의 검출에 근거하여 자기장을 측정할 수도 있다.

디스플레이 기기(154)는 수신된 자기장 크기를 화면을 통해 출력할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서 제안된 자기장 센서(110)는 자성 물질과 비자성 물질을 각각 포함한 전극들(112, 113)과, 전극들(112, 113) 사이에 위치한 공통 전극(111)으로 형성된 두 개의 전기 용량 센서들을 형성한다. 이를 통해, 자기장 센서(110)는 커패시턴스를 형성하는 두 개의 전기 용량 센서들이 결합된 구조를 이용하여 으로, 자기장 센서(110)는 직류 자기장뿐만 아니라 일예로, 메가헤르쯔(MHz) 대역의 높은 주파수 범위까지의 교류 자기장을 모두 측정할 수 있다.

또한, 두 개의 전기 용량 센서들 중 자성 물질을 포함한 제 1 전극(112)에 의해 형성된 커패시턴스와 비자성 물질을 포함한 제 2 전극(112)에 의해 형성된 커패시턴스를 동시에 이용하여 자기장 크기를 측정한다. 이와 같이, 자기장 측정에 커패시턴스를 이용함에 따라 넓은 주파수 대역의 범위 내에서 다른 장비들 또는 다른 센서들의 추가없이 직류와 교류 자기장을 모두 측정할 수 있다.

또한, 자성 전극(일예로, 제 1 전극(112))과 비자성 전극(일예로, 제 2 전극(113))은 온도, 습도와 같은 동일한 외부 환경적 영향을 받음으로 외부 환경에 의한 변화는 두 가지 전극 모두에 동일하게 적용된다. 따라서, 두 개의 전극을 통해 형성된 커패시턴스를 이용하여 자기장의 크기를 측정함으로서, 외부의 환경적 영향으로 인한 보정없이 자기장을 측정할 수 있다. 이를 통해, 측정된 자기장 크기에 대해 외부의 환경적 요인으로 인한 보정을 필요로 하지 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 자기장 인가에 따른 전극의 간격 변화를 예시적으로 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 좌측에는 자기장이 인가되기 전의 전극들(111, 112, 113)이 도시되며, 우측에는 제 1 방향(11)으로 자기장이 인가될 때의 전극들(111, 112, 113)이 도시된다.

제 1 방향(11)으로 자기장이 인가되면, 자성 물질을 포함한 제 1 전극(112)은 자기장의 크기에 비례하여 공통 전극(111)과의 간격이 좌측의 d1으로부터 d1'로 변화한다. 이때, 전극들(111, 112) 사이의 간격의 변화에 따라 전기 용량, 즉 커패시턴스의 크기도 변화한다. 이와 달리, 비자성 물질을 포함한 제 2 전극(113)은 공통 전극(111)과의 간격이 d2에서 d2로 변화하지 않으며, 전기 용량, 즉 커패시턴스의 값도 변화하지 않는다. 비자성 물질은 자기장으로 인한 영향을 받지 않는 물질이므로, 자기장에 따라 제 2 전극(113)에 의한 커패시턴스 값이 변화되지 않는다. 따라서, 두 개의 커패시턴스들 간의 차이를 동시에 측정하면, 자기장에 의해 변화한 전기 용량의 크기를 측정할 수 있다.

대부분의 자기장을 측정하는 센서는 온도, 습도와 같은 주변 환경의 변화에 민감하게 반응하기 때문에, 이러한 변화에 따른 보정을 함으로써 정확한 자기장의 크기를 측정할 수 있다. 하지만, 본 발명에서 제안된 자기장 센서(110)는 두 개의 전기 용량 센서들(제 1 전극(112)과 공통 전극(111)에 의해 형성된 제 1 전기 용량 센서와 제 2 전극(113)과 공통 전극(111)에 의해 형성된 제 2 전기 용량 센서)이 하나의 센서를 형성함에 따라 상대적인 전기 용량을 측정(제 2 전기 용량 센서는 제 1 전기 용량 센서와 동일한 환경적 영향을 받음)함으로써, 환경적 요인(일예로, 온도, 습도 등)으로 인한 변화량에 따른 보정 절차를 필요로 하지 않는다. 즉, 두 개의 전기 용량 센서들 간의 간격 변화(환경적 요인은 두 개의 전기 용량 센서들에 모두 동일하게 반영됨)의 차이를 이용함으로써, 환경적인 요인으로 인한 영향에 대한 별도의 보정 절차를 필요로 하지 않는다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기장 센서를 예시적으로 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 자기장 센서(120)는 전극들(121, 122, 123), 전원 공급기(124), , 가변 저항(125), 및 차동 증폭기(126)를 포함한다. 이때, 자기장 센서(120)는 도 1에 도시된 자기장 센서(110) 대신에 신호 처리기(150)에 연결될 수 있다. 여기서, 자기장 센서(120)의 전반적인 구조에 대한 설명은 챔버(20)의 이용을 제외하면, 도 1의 자기장 센서(110)와 유사하므로, 도 1의 자기장 센서(110)의 설명을 참조한다.

자기장 센서(120)의 전극들(121, 122, 123)은 챔버, 일예로, 제로(0) 가우스 챔버(Zero-Gauss chamber)(20) 내에 위치하도록 할 수 있다. 여기서, 제로 가우스 챔버(20)의 사용은 설명의 편의를 위한 것으로, 제로 가우스 챔버(20) 이외의 다른 형태의 챔버들이 외부의 환경적인 요인들에 의한 영향없이 전극들(121, 122, 123)의 평형 상태(null balance)를 측정하기 위해 사용될 수도 있다.

이를 통해, 제로 가우스 챔버(20) 내부에서 전극들(121, 122, 123)의 평형 상태를 측정할 수 있다. 이를 위해, 도 1의 신호 처리기(150)의 제어 등을 통해 측정하고자 하는 주파수의 전원을 인가하고, 전극들(121, 122, 113)을 제로 가우스 챔버(20) 내에 위치한 상태에서 전극들(121, 122, 123)을 평형 상태(즉, 제로 가우스 챔버(20) 내 전극들(121, 122, 123)의 출력을 제로로 설정(또는 최소로 설정))가 되도록 한다. 이후, 제로 가우스 챔버(20)가 존재하지 않는 상태에서, 전극들(121, 122, 123)을 통해서 인가되는 자기장의 크기를 측정할 수 있다.

또한, 자기장 센서(120)는 제로 가우스 챔버(20)를 사용할 때, 가변 저항(125)을 포함한다. 이때, 가변 저항(125)에 포함된 가변 저항 소자들(1251, 1252)는 도 1에서와 같이 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이로 인해, 가변 저항(125)은 제 1 가변 저항 소자(1251) 만을 포함, 제 2 가변 저항(1252)만을 포함, 또는 제 1 가변 저항 소자(1251) 및 제 2 가변 저항 소자(1252) 모두를 포함할 수 있다.

이후, 필요에 따라 제어기(153)에서 저항 제어 신호 또는 가변 저항 소자들의 제로 가우스 챔버(20)가 존재하지 않는 상태, 즉 제로 가우스 챔버(20) 외부에서 가변 저항들(125, 126)을 사용하여 출력이 제로 또는 최소가 되도록 설정할 수도 있다.

이와 같은, 자기장 센서(120)를 이용한 자기장 측정 장치는 자기장의 인가에 따른 가변 저항 소자들(1251, 1252)의 저항값 조절을 통해 출력을 제로 또는 최소가 되도록 설정하는 저항 제어 신호들(RCTL21, RCTL22)(제어기(153) 등으로부터 출력) 또는 가변 저항 소자들(1251, 1252)의 저항값으로부터 자기장의 크기를 측정할 수도 있다.

도 3을 참조하면, 자기장 센서(120)는 전극들(121, 122, 123), 전원 공급기(124), 가변 저항(125), 및 차동 증폭기(126)를 포함한다. 이때, 자기장 센서(120)는 도 1에 도시된 자기장 센서(110) 대신에 신호 처리기(150)에 연결될 수 있다. 여기서, 자기장 센서(120)의 전반적인 구조에 대한 설명은 챔버(20)의 이용을 제외하면, 도 1의 자기장 센서(110)와 유사하므로, 도 1의 자기장 센서(110)의 설명을 참조한다.

자기장 센서(120)의 전극들(121, 122, 123)은 챔버, 일예로, 제로(0) 가우스 챔버(Zero-Gauss chamber)(20) 내에 위치하도록 할 수 있다. 여기서, 제로 가우스 챔버(20)의 사용은 설명의 편의를 위한 것으로, 제로 가우스 챔버(20) 이외의 다른 형태의 챔버들이 전극들(121, 122, 123)의 평형 상태(null balance)를 측정하기 위해 사용될 수도 있다.

이와 같은, 자기장 센서(120)를 이용한 자기장 측정 장치는 자기장의 인가에 따른 가변 저항 소자들(1251, 1252)의 저항값 조절을 통해 출력을 제로 또는 최소가 되도록 설정하는 저항 제어 신호들(RCTL21, RCTL22)(제어기(153) 등으로부터 출력) 또는 가변 저항 소자들(1251, 1252)의 저항값으로부터 자기장의 크기를 측정할 수도 있다.도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자기장 센서를 예시적으로 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 자기장 센서(130)는 전극들(131, 132, 133), 전원 공급기들(134, 135), 및 차동 증폭기(136)를 포함한다. 여기서도, 자기장 센서(130)는 도 1의 신호 처리기(150)에 연결될 수 있다.

전극들(131, 132, 133)의 전반적인 설명은 도 1에서 설명된 전극들(111, 112, 113)과 유사하므로, 도 1의 설명을 참조하기로 한다.

제 1 전극(132)은 차동 증폭기(136)의 양(+)의 단자에 연결되고, 제 2 전극(133)은 차동 증폭기(136)의 음(-)의 단자에 연결된다. 또한, 공통 전극(131)은 접지단에 연결, 즉 접지된다.

전원 공급기들(134, 135)은 전극들(131, 132, 133)로 전원을 공급하며, 측정을 원하는 주파수 대역의 전원을 공급할 수 있다. 이를 위해, 전원 공급기들(134, 135)은 주파수 발생기를 포함하거나 주파수 발생기의 기능을 가질 수 있다.

제 1 전원 공급기(134)의 일단이 제 1 전극(132)에 연결되고, 다른 일단은 공통 전극(131)에 연결된다.

제 2 전원 공급기(135)의 일단이 제 2 전극(133)에 연결되고, 다른 일단은 공통 전극(131)에 연결된다. 이를 통해, 제 1 전원 공급기(134)와 제 2 전원 공급기(135) 사이의 접점이 공통 전극(131)에 연결된다.

전원 공급기들(134, 135)는 하나의 전원 소스로부터 분기를 통해 공급되는 전원일 수 있으나, 독립적으로 공급되는 전원일 수도 있다.

차동 증폭기(136)는 제 1 전극(132)에 연결된 양(+)의 단자와 제 2 전극(133)에 연결된 음(-)의 단자를 포함한다. 이를 통해, 차동 증폭기(136)는 공통 전극(131)과 제 1 전극(132)에 의해 형성된 커패시턴스와, 공통 전극(131)과 제 2 전극(132)에 의해 형성된 커패시턴스 간의 차이값을 출력한다. 다시 말해, 제 1 전극(132)을 통해 형성된 커패시턴스(자기용량)와 제 2 전극(133)을 통해 형성된 커패시턴스(자기용량) 간의 차이를 차동 증폭시켜 출력한다.

도 4에서는 상세히 도시하지는 않았으나, 자기장 센서(130)는 가변 저항(또는, 가변 저항 소자들)과 필요에 따라 추가적인 저항(또는, 저항 소자들)을 포함할 수 있다. 이때, 가변 저항 소자의 제어 등을 통해 자기장을 측정하기 이전의 초기 상태 설정(차동 증폭기(136)의 출력을 제로(0) 또는 최소(즉, 0에 근접하도록)로 설정)과 같은 동작들을 수행할 수도 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시에에 따른 자기장 센서를 예시적으로 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 자기장 센서(140)는 전극들(141, 142, 143), 전원 공급기(144), 가변 저항(145), 및 차동 증폭기(146)를 포함한다. 여기서도, 자기장 센서(140)는 도 1의 신호 처리기(150)에 연결될 수 있다.

전극들(141, 142, 143)의 전반적인 설명은 도 1에서 설명된 전극들(111, 112, 113)과 유사하므로, 도 1의 설명을 참조하기로 한다.

전원 공급기(144)의 일단은 제 1 전극(142)과 제 2 전극(143)으로 연결되고, 다른 일단은 공통 전극(141)에 연결되어 전원을 공급한다.

전원 공급기(144)는 측정을 원하는 주파수 대역의 전원을 공급할 수 있으며, 이를 위해, 전원 공급기(144)는 주파수 발생기를 포함하거나 주파수 발생기의 기능을 가질 수 있다.

가변 저항(145)은 제 1 전극(142)과 차동 증폭기(146) 사이의 저항값과 제 2 전극(143)과 차동 증폭기(146) 사이의 저항값 중 적어도 하나의 저항값을 제어한다. 이를 위해, 가변 저항(145)은 제 1 가변 저항 소자(1451)와 제 2 가변 저항 소자(1452) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

제 1 가변 저항 소자(1451)는 일단이 제 1 전극(142)에 연결되고, 다른 일단은 차동 증폭기(146)의 양(+)의 단자에 연결된다.

제 2 가변 저항 소자(1452)는 일단이 제 2 전극(143)에 연결되고, 다른 일단은 차동 증폭기(146)의 양(+)의 단자와 제 1 가변 저항 소자(1451) 사이의 접점에 연결된다.

도 4에서는, 가변 저항 소자들(1451, 1452)이 제 1 전극(142)과 차동 증폭기(146) 사이(제 1 전극(142) 측)와 제 2 전극(143)과 차동 증폭기(146) 사이(제 2 전극(143) 측) 각각에 위치한 것을 예시적으로 설명하지만, 제 1 전극(142) 측과 제 2 전극(143) 측 중 하나에만 가변 저항이 위치할 수도 있다.

이때, 가변 저항 소자들(1451, 1452)을 도 1의 제어기(153) 등을 통해 출력되는 저항 제어 신호들(RCTL31, RCTL32)을 이용하여 제어할 수 있고, 자기장을 측정하기 이전에 차동 증폭기(146)를 통해 출력되는 차이값을 제로(0) 또는 최소(즉, 0에 근접하도록)가 되도록 설정할 수 있다.

차동 증폭기(146)는 제 1 전극(142), 및 제 2 전극(143)에 연결된 양(+)의 단자와 제 공통 전극(141)에 연결된 음(-)의 단자를 포함한다. 이를 통해, 차동 증폭기(146)는 공통 전극(141)과 제 1 전극(142)에 의해 형성된 커패시턴스와, 공통 전극(141)과 제 2 전극(142)에 의해 형성된 커패시턴스 간의 차이값을 출력한다. 다시 말해, 제 1 전극(142)을 통해 형성된 커패시턴스(자기용량)와 제 2 전극(143)을 통해 형성된 커패시턴스(자기용량) 간의 차이를 차동 증폭시켜 출력한다.

한편, 자기장이 인가된 상태에서 차동 증폭기(146)를 통해 출력되는 차이값을 제로(0) 또는 최소(즉, 0에 근접하도록)가 되도록 설정하는 경우, 가변 저항(145)의 저항값을 제어하는 저항 제어 신호들(RCTL11, RCTL12) 또는 가변 저항(145)(또는, 가변 저항 소자들(1451, 1452)이 갖는 저항값들의 검출(필요에 따라 저항값을 검출하는 검출기를 포함할 수도 있음)에 근거하여 자기장을 측정할 수도 있다.

도 1, 도 3, 도 5, 및 도 6에서는 가변 저항(또는, 가변 저항 소자들)의 사용을 기재하고 있으나, 가변 저항 대신에 가변 콘덴서(또는, 가변 콘덴서 소자들)가 사용될 수도 있다.

도 6는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기장 측정 장치를 예시적으로 도시한 도면이다.

도 6를 참조하면, 자기장 측정 장치(200)는 제 1 자기장 센서(210), 제 n 자기장 센서(21n), 및 신호 처리기(250)를 포함할 수 있다. 자기장 측정 장치(200)는 하나의 신호 처리기(250)에 어레이 형태로 복수개의 자기장 센서들(210, ..., 21n)이 배열된다.

이때, 자기장 센서들(210, ..., 21n)은 도 1에 도시된 자기장 센서(110)와 유사한 구조를 예시적으로 도시하였으나, 도 3 내지 도 5에 도시된 구조를 가질 수도 있다.

또한, 신호 처리기(250)는 자기장 센서들(210, ..., 21n)을 통해 수신된 신호 처리를 통해 자기장을 측정한다. 신호 처리기(250)는 이득 보상기(251), 메모리(252), 제어기(253), 및 디스플레이 기기(254)를 포함한다.

여기서, 신호 처리기의 전반적인 동작은 도 1에서 도시된 신호 처리기(150)와 유사하므로, 신호 처리기(150)의 동작을 참조하기로 한다.

다만, 여기서 이득 보상기(251)는 자기장 센서들(210, ..., 21n)의 신호를 수신한다. 그러므로, 제어기(253)는 자기장 센서들(210, ..., 21n) 각각에 대한 자기장 크기를 획득하고, 획득된 자기장 크기를 디스플레이 기기(254)로 출력할 수 있다.

이를 통해, 자기장 측정 장치(200)를 활용하면, 자기장 센서들(210, ..., 21n)을 다양한 지점에 위치시켜 특정한 영역 또는 지역 내의 자기장 변화를 측정할 수도 있다.

한편, 본 발명에 제안된 자기장 측정 장치들은 평형 상태에 따른 자기장 변환에 근거하여 차동 증폭기를 통해 출력되는 커패시턴스(즉, 두 개의 커패시턴스 차이값)와 저항값(또는, 저항 제어 신호)들 중 적어도 하나로부터 자기장을 측정할 수 있다.

본 발명에서 제안된 자기장 측정 장치는 공통 전극을 기준으로 자성 물질과 비자성 물질을 포함한 전극들로 구성된 하나의 센서로 직류 자기장과 교류 자기장을 모두 측정할 수 있다. 그리고, 자기장 측정 장치는 교류 자기장을 측정하는 경우 메가헤르쯔 대역까지의 넓은 주파수 범위를 측정할 수 있다. 이를 통해, 제안된 자기장 측정 장치는 직류 자기장뿐만 아니라 교류 자기장의 측정에 활용될 수 있다. 또한, 제안된 자기장 측정 장치는 온도, 습도와 같은 환경적 영향에 대한 보정을 필요로 하지 않는 구조를 가짐으로써, 환경적 영향을 최소화시켜 자기장 측정을 할 수 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100, 200: 자기장 측정 장치들 20: 챔버
110, 120, 130, 140, 210, 21n: 자기장 센서들
111, 112, 113, 121, 122, 123, 131, 132, 133, 141, 142, 143: 전극들
114, 124, 134, 135, 144: 전원 공급기들
115, 125, 145: 가변 저항
1151, 1152, 1251, 1252, 1451, 1452: 가변 저항 소자들
116, 126, 136, 146: 차동 증폭기들
126, 127,: 가변 저항들 150, 250: 신호 처리기들
151, 251: 이득 보상기들 152, 252: 메모리들
153, 253: 제어기들 154, 254: 디스플레이 기기

Claims

자성물질을 적어도 일부 포함한 제 1 전극;
비자성물질을 적어도 일부 포함한 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하고, 접지단에 연결된 공통 전극;
상기 제 1 전극과 제 2 전극에 일단이 연결되고, 상기 공통 전극에 다른 일단이 연결되어 측정을 원하는 주파수 대역의 전원을 공급하는 전원 공급기;
상기 제 1 전극과 상기 전원 공급기 사이의 저항값과 상기 제 2 전극과 상기 전원 공급기 사이의 저항값 중 적어도 하나의 저항값을 제어하는 가변 저항; 및
양의 단자를 통해 상기 제 1 전극에 연결되고, 음의 단자를 통해 상기 제 2 전극에 연결되어 외부로부터 자기장 인가에 따라 상기 제 1 전극에 의해 형성된 제 1 커패시턴스와 상기 제 2 전극에 의해 형성된 제 2 커패시턴스 간의 차이값을 출력하는 차동 증폭기를 포함하고,
상기 외부로부터의 자기장 인가에 의해 상기 제1 전극 및 상기 공통 전극 사이의 간격이 변화하고, 상기 외부로부터의 자기장 인가에 의해 상기 제2 전극 및 상기 공통 전극 사이의 간격은 변화하지 않는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 공통 전극이 하나의 전기 용량 센서를 형성하고, 상기 제 2 전극과 상기 공통 전극이 다른 하나의 전기 용량 센서를 형성하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 가변 저항은
상기 제 1 전극과 상기 전원 공급기 사이에 위치하여 저항값을 제어하는 제 1 가변 저항 소자; 및
상기 제 2 전극과 상기 전원 공급기 사이에 위치하여 저항값을 제어하는 제 2 가변 저항 소자 중 적어도 하나를 포함하는 자기장 센서.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 가변 저항 소자와 상기 제 2 가변 저항 소자는 저항 제어 신호에 응답하여 상기 차이값을 제로(0) 또는 최소값으로 조절하는 저항 변화값을 출력하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극, 및 상기 공통 전극을 제로 가우스 챔버 내부에 포함시켜 자기장 측정을 위한 평형 상태를 측정하고, 상기 평형 상태에 따른 자기장 변화를 기준으로 인가되는 자기장에 따라 상기 차이값을 출력하고,
상기 평형 상태는 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극, 및 상기 공통 전극으로부터 형성된 상기 차이값을 제로 또는 최소값이 되도록 설정된 상태인 자기장 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 자기장은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 표면을 기준으로 수직한 방향으로 인가되는 자기장 센서.
자기장 변화에 따른 커패시턴스를 측정하는 적어도 하나의 자기장 센서; 및
상기 커패시턴스를 수신하고, 상기 커패시턴스에 근거하여 상기 자기장을 측정하는 신호 처리기를 포함하고,
상기 적어도 하나의 자기장 센서 각각은
자성물질을 적어도 일부 포함한 제 1 전극;
비자성물질을 적어도 일부 포함한 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하고, 접지단에 연결된 공통 전극;
상기 제 1 전극과 제 2 전극에 일단이 연결되고, 상기 공통 전극에 다른 일단이 연결되어 측정을 원하는 주파수 대역의 전원을 공급하는 전원 공급기;
상기 제 1 전극과 상기 전원 공급기 사이의 저항값과 상기 제 2 전극과 상기 전원 공급기 사이의 저항값 중 적어도 하나의 저항값을 제어하는 가변 저항; 및
양의 단자를 통해 상기 제 1 전극에 연결되고, 음의 단자를 통해 상기 제 2 전극에 연결되어 외부로부터 자기장 인가에 따라 상기 제 1 전극에 의해 형성된 제 1 커패시턴스와 상기 제 2 전극에 의해 형성된 제 2 커패시턴스 간의 차이값을 출력하는 차동 증폭기를 포함하고,
상기 외부로부터의 자기장 인가에 의해 상기 제1 전극 및 상기 공통 전극 사이의 간격이 변화하고, 상기 외부로부터의 자기장 인가에 의해 상기 제2 전극 및 상기 공통 전극 사이의 간격은 변화하지 않는 자기장 측정 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 신호 처리기는
상기 차이값을 수신하고, 수신된 차이값의 이득을 보상하는 이득 보상기;
상기 차이값에 대응되는 자기장 크기가 저장된 자기장 측정 테이블을 저장하는 메모리;
상기 이득이 보상된 차이값에 대응되는 자기장 세기를 상기 자기장 측정 테이블에 근거하여 획득하고, 상기 획득된 자기장 세기를 출력하는 제어기; 및
상기 출력되는 자기장 크기를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하는 자기장 측정 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 제어기는
상기 가변 저항의 저항값을 상기 차이값을 제로 또는 최소가 되도록 제어 하는 저항 제어 신호를 출력하면, 상기 저항 제어 신호와, 상기 저항 제어 신호에 따라 제어되는 저항값 중 하나에 근거하여 상기 자기장을 측정하는 자기장 측정 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 제 1 전극과 상기 공통 전극이 하나의 전기 용량 센서를 형성하고, 상기 제 2 전극과 상기 공통 전극이 다른 하나의 전기 용량 센서를 형성하는 자기장 측정 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 가변 저항은
상기 제 1 전극과 상기 전원 공급기 사이에 위치하여 저항값을 제어하는 제 1 가변 저항 소자; 및
상기 제 2 전극과 상기 전원 공급기 사이에 위치하여 저항값을 제어하는 제 2 가변 저항 소자 중 적어도 하나를 포함하는 자기장 측정 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 가변 저항 소자와 상기 제 2 가변 저항 소자는 저항 제어 신호에 응답하여 상기 자기장 측정을 위해 상기 차이값을 제로(0) 또는 최소값으로 조절하는 저항 변화값을 출력하는 자기장 측정 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극, 및 상기 공통 전극을 제로 가우스 챔버 내부에 포함시켜 상기 자기장 측정을 위한 평형 상태를 측정하고, 상기 평형 상태에 따른 자기장 변화를 기준으로 인가되는 자기장에 따라 상기 차이값을 출력하고,
상기 평형 상태는 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극, 및 상기 공통 전극으로부터 형성된 상기 차이값을 제로 또는 최소값이 되도록 설정된 상태인 자기장 측정 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 자기장은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극의 표면을 기준으로 수직한 방향으로 인가되는 자기장 측정 장치.
자성물질을 적어도 일부 포함한 제 1 전극;
비자성물질을 적어도 일부 포함한 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 위치하고, 접지단에 연결된 공통 전극;
상기 제 1 전극과 상기 공통 전극에 연결되어 측정을 원하는 주파수 대역의 제 1 전원을 공급하는 제 1 전원 공급기;
상기 제 2 전극과 상기 공통 전극에 연결되어 측정을 원하는 주파수 대역의 제 2 전원을 공급하는 제 2 전원 공급기; 및
양의 단자를 통해 상기 제 1 전극에 연결되고, 음의 단자를 통해 상기 제 2 전극에 연결되어 외부로부터 자기장 인가에 따라 상기 제 1 전극에 의해 형성된 제 1 커패시턴스와 상기 제 2 전극에 의해 형성된 제 2 커패시턴스 간의 차이값을 출력하는 차동 증폭기를 포함하고,
상기 외부로부터의 자기장 인가에 의해 상기 제1 전극 및 상기 공통 전극 사이의 간격이 변화하고, 상기 외부로부터의 자기장 인가에 의해 상기 제2 전극 및 상기 공통 전극 사이의 간격은 변화하지 않는 자기장 센서.