KR101826188B1 - 다성분 자기장 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기장의 2개 또는 3개의 성분을 측정하기 위한 자기장 센서 장치(10)에 관한 것이다. 이러한 목적을 위항 2개의 하프-브릿지(16)들을 구비한 적어도 하나의 휘트스톤 측정 브릿지(14)를 포함하며, 각 하프-브릿지(16)는 적어도 2개의 브릿지 저항(30)들을 포함하고, 2개의 브릿지 저항(30)들 중 적어도 하나는 X/Y 자기장 센서 평면(20)에서 자기장 성분(34)에 관하여 자기 감응 브릿지 저항(18)이다. X/Y 자기장 센서 평면(20)에 수직으로 배향된 Z 자기장 성분(24)에 관하여 반대칭 자기장 성분들을 발생시키는 강자성 자속 집중화 소자(22)가 2개의 자기장 감응 브릿지 저항(18)들 사이에 대칭으로 배열되고, X/Y 자기장 센서 평면(20)에 위치된다. 적절한 양태는 이러한 자기장 센서 장치(10)의 수단에 의해 외부 자기장의 2차원 또는 3차원 배향을 측정하기 위한 방법을 제안한다.

Description

다성분 자기장 센서{MULTICOMPONENT MAGNETIC FIELD SENSOR}
본 발명은 자기장의 2개 또는 3개의 성분을 측정하기 위한 자기장 센서에 관한 것이다. 자기장 감응 측정 소자들은 자기 저항성 저항 소자(magnetoresistive resistance element) 또는 홀 소자(Hall element)의 형태를 취할 수 있다. 장치들은 예를 들어 전자 컴파스(electronic compass)를 구현하는 것과 같은 낮은 세기의 자기장을 측정하는데 적절하다.
해당 형태의 장치들은 공지되어 있다. 예를 들어, DE 10 2009 008 265는, 자기 유연 자속 가이드(magnetically soft flux guide)의 적절한 구성으로 다수의 외부 자기장 성분들을 측정하는 것을 가능하게 하는 장치를 개시한다. 센서 소자와 자속 가이드로 구성된 유닛이 센서 평면에 위치된 각각의 성분을 측정하기 위해 요구된다. 추가의 센서 소자는 수직 성분을 측정하기 위해 요구되며, 적절한 자속 가이드는 센서 위치에서, 센서 평면에 위치된 수평 자기장 성분이 형성되고 그런 다음 센서 소자에 의해 검출될 수 있는 방식으로 측정될 자기장의 수직 성분을 가이드하거나 편향시킨다.
DE 10 2008 041 859는 자기장 센서 평면에 수직으로 배향된 Z 자기장 성분을 측정하기 위한 장치를 개시하며, 여기에서, 다수의 센서 소자들은 자기장 센서 소자 유닛을 형성하도록 서로 연결되고, 특히 원형 자속 가이드 요소 주위에 배열된다. 자속 가이드 요소에 인접하여 배열된 센서 소자들의 수단에 의해 자속 가이드 요소의 외부 원주에서 Z 자기장 성분의 자기장 비균일성에 기초하여 자속 가이드 요소의 수단에 의해 일어나는 수평의 대칭 보상 자기장 성분을 결정하는 것에 의해 간접적으로 수직 Z 자기장 성분을 측정하는 것이 제안된다. 또한, 센서 소자들은 X/Y 자기장 센서 평면에서 자기장 성분들을 결정할 수 있으며, 적어도 3개의 자기장 센서 소자 유닛들은 3차원 자기장 측정을 위해 제공된다. 다수의 센서 소자들을 사용하는 것은 측정 정확성 및 간섭 회피(immunity to interference)라는 점에서 개선을 유발할 수 있다. 상기된 해결 수단의 하나의 결점은 전형적으로 콤파스 적용을 위해 요구되는 바와 같이 다수의 자기장 성분들을 검출하는데 필요한 공간 요건이다.
자기장 센서 디바이스들을 설계하는 목적을 위하여, AMR 측정 스트립 상에, 예를 들어 알루미늄, 구리, 금 또는 은과 같은 극전도성 물질로 이루어진 "이발소 간판 기둥(barber's pole) 구조체", 즉 얇은 전도성 구조체를 배열하는 것이 종래에 공지되어 있다. 이발소 간판 기둥 구조체는 AMR 저항 스트립의 길이 방향 범위에 대하여 45°로 배향된다. 저항 스트립을 통하여 흐르는 전류는 도 2에 도시된 바와 같이 스트립의 길이 방향 범위에 대해 45°방향으로 강제된다. 그 결과, 곡선전류 벡터의 배향에 대한 저항 의존성을 보이는 도 1의 곡선은 자기장 벡터에 대해 45°만큼 변위가 되어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 이는 선형화된(linearised) 영역으로 변환될 수 있다. 이발소 간판 기둥 구조체들의 배향의 함수로서, 저항과 측정될 자기장의 크기 사이에 선형화에 대해 긍정적 또는 부정적인 측면이 얻어진다.
이발소 간판 기둥 구조체들에 기초한 자기장 센서 디바이스들은 예를 들어 DE 344 22 78 A1으로부터 공지되어 있다. 상이하게 배향된 이발소 간판 기둥 구조체들들을 구비한 4개의 이러한 자기장 센서 디바이스들은 휘트스톤 측정 브릿지(Wheatstone measuring bridge)에서 서로 연결되고, 거시적인 자석 코일에 의해 발생된 외부 자기장은 외부 자기장(H e )에 대한 선형화된 저항 의존성을 유발하기 위하여 저항 스트립의 내부 자화(M0)를 예비 자화시킨다.
DE 43 191 46 C2는 이러한 디자인의 개선을 개시한다. 상기 문헌은 플립 전류(flip current)가 흐르는 도체를 따라서 이발소 간판 기둥 구조체들을 구비한 일련의 AMR 저항 디바이스를 배열하는 것을 제안하며, 플립 전류 도체는 AMR 측정 스트립들의 길이 방향으로 예비 자화(M0)(premagnetisation)를 초래한다. 내부 자화를 플립핑할 수 있는, 즉 역전시키는 것에 의해, 저항 거동(resistance behaviour)을 방향 변화시키거나(reorient) 또는 교정하는 것이 가능하다. 장치는 외부 자기장의 하나의 성분을 정밀하게 측정할 수 있다. 센서 평면에 위치된 제2 성분을 측정하기 위하여, 90°만큼 회전된 추가의 저항 디바이스를 제공하는 것이 충분하다. 추가의 성분을 측정하기 위하여, 대응하는 추가의 공간 요구를 갖는 추가의 장치가 제공되어야만 한다. 자기장의 3차원 경로를 결정하기 위하여, 3개의 자기장 센서 소자 유닛들은 대체로 90°만큼 서로 각각 오프셋된 휘트스톤 측정 브릿지의 형태로 제공된다. 그러므로, 각 센서 소자 측정 브릿지는 하나의 성분을 측정할 수 있으며, 측정 브릿지는 X, Y 및 Z 방향으로 배향되어야만 한다. 특히, Z 방향으로의, 즉 칩 기판 또는 PCB 기판에 대해 수직인 배열은 큰 설치 공간, 및 3D 센서를 제조하기 위하여 증가된 복잡성을 요구한다.
US 2013/141090 A1은 두 개의 하프-브릿지를 가진 하나의 휘트스톤 브릿지를 포함하는 자기장 센서 디바이스를 개시하고 있는데, 각 경우에 각 하프-브릿지의 하나의 브릿지 저항이 자속 집중화 소자에 외부 자기장으로 부터 차폐를 위하여 배열된다. 각각의 다른 브릿지 저항은 브릿지 저항을 통한 자속을 증가시키기 위하여 두 개의 자속 집중화 요소들 사이에 배열된다. 각 휘트스톤 브릿지는 개별 자기장 요소를 측정하기 위하여 제공된다.
WO 2012/116933 A1은 개별 휘트스톤 브릿지에 의하여 상호 독립적으로 자기장의 세 개의 요소를 감지하기 위하여 자기장 감응 저항을 가진 세 개의 휘트스톤 브릿지를 포함하는 3D 자기장 센서 디바이스를 개시한다. 각 휘트스톤 브릿지의 브릿지 저항은 반환형(semi-annular) 자속 집중화 요소의 단부면에 배열되고, 개별 요소의 측정을 가능하게 하기 위하여 요소 방향에 따라 자속을 강화하거나 약화시키도록 배열된다.
US 2004/137275 A1는 각 휘트스톤 브릿지에 의하여 하나의 자기장 요소를 감지할 수 있기 위하여 각각 네 개의 자기 저항 브릿지를 가진 두 개의 휘트스톤 브릿지를 포함하는 2D 자기장 센서 디바이스에 관한 것이다. 각 경우에 각 휘트스톤 브릿지의 두 개의 브릿지 저항들은 참조 저항으로서 자속 집중화 요소에 배열되고, 두 개의 남은 브릿지 저항들은 자기장 감도를 증가시키기 위하여 자속 집중화 요소들 사이에 제공된다. 각 휘트스톤 브릿지는 자기장의 하나의 요소를 감지할 수 있다.
US 2013/169271 A1은 개별 자기장 요소를 감지하기 위한 동일한 일반적인 유형의 자기장 센서 디바이스를 개시하는데, 이는 자기장 요소를 감지하기 위하여 네 개의 자기 저항 브릿지 저항들을 가진 브릿지 회로를 제안하며, 여기서는 두 개의 브릿지 저항들이 자속 집중화 요소들에 자기장으로부터 차폐를 위하여 배열되며, 두 개의 남은 브릿지 저항들은 자속 가이드를 향상시키기 위하여 자속 집중화 요소들 사이에 배열된다.
상술된 종래 기술에 기초하여, 제조가 간단하고 센서 소자 평면에서 자기장 성분과 이에 수직인 성분 모두를 측정할 수 있는 2D 또는 3D 센서를 제공하는 문제가 발생한다. 본 발명의 추가의 목적은 자기장의 다수의 성분의 콤팩트하고 간섭 방지 측정을 가능하게 하는 것이다.
상기 목적은 청구항 제1항에 따른 장치로 달성된다. 유익한 추가의 전개는 다음의 종속항들에 개시된다.
본 발명은 2개의 하프-브릿지들을 구비한 적어도 하나의 휘트스톤 브릿지를 포함하고, 각 하프-브릿지가 적어도 2개의 브릿지 저항들을 포함하는, 자기장의 2개 또는 3개의 성분을 결정하기 위한 자기장 센서 디바이스를 제안한다. 2개의 브릿지 저항들 중 적어도 하나는 X/Y 평면에 위치된 감응 방향(direction of sensitivity)을 갖는 자기장 감응 저항이다. 강자성 자속 집중화 소자(ferromagnetic flux concentration element)는 2개의 자기장 감응 브릿지 저항들 사이에 대칭으로 배열되고, 자기장 감응 브릿지 저항들은 X/Y 자기장 센서 평면에 대하여 수직으로 배향된 Z 자기장 성분에 관하여 X/Y 자기장 센서 평면에 위치된 반대칭 자기장 성분들을 발생시킨다.
즉, 휘트스톤 측정 브릿지의 적어도 2개의 하프-브릿지들이 제안되고, 휘트스톤 측정 브릿지의 브릿지 저항들은 자기 유연 자속 가이드 유닛 반대편에 배열된 자기 저항성 소자들을 포함한다. 그러므로, 자기 저항 소자들의 자화 방향, 그러므로 센서 소자들의 감응 방향은 여기에서 대략 평행하게 또는 역팽행하게 설정될 수 있다. 마주한 하프-브릿지들은 "휘트스톤 측정 브릿지"을 형성하도록 서로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 해결 수단의 설명을 간략화하도록, 평면에 위치된 성분은 이후에 X 성분을 나타내고, 센서 배열에 수직으로 위치된 성분은 Z 성분을 나타낸다. 센서 소자의 감응 방향은 X 방향인 것으로 가정한다.
X/Y 센서 평면에 위치된 자기장의 자기장 성분들은 X 방향으로 위치된 성분으로 인하여 브릿지의 중심 탭들 사이의 차동 전압(differential voltage)(ΔU=U1-U2) 또는 기준 전위(U0)에 대하여 중심 탭들의 전압 변화(U1, U2) 시에 작용하는 2개의 하프-브릿지들에서의 자기 감응 브릿지 저항(magnetosensitive bridge resistor)들에서의 제1 저항 거동을 초래한다. 자속 집중화 소자 때문에, Z 자기장 성분은 X/Y 센서 평면에 위치된 2개의 반대칭 자기장 성분을 유발하고, 자기 감응 브릿지 저항들에서의 제2 저항 거동을 생성한다. 그러므로, X 자기장 성분 상의 중심 탭 전압(U1, U2)의 공지된 저항 거동이 주어지면, 적절한 평가 전자기기는 X 자기장 성분과 Z 자기장 성분 모두의 크기를 결정할 수 있다. 2개의 하프-브릿지들로부터의 신호 성분이 풀(full) 브릿지에서 추가되도록 자화 방향들이 설정되기 때문에, 따라서 장치는 X 성분에 민감하다. 자속 가이드 유닛의 존재로 인하여, 하프-브릿지에 존재하는 어떠한 Z 성분도 부호에서 정확히 반대인 성분들을 제공할 것이고, 그런 다음 풀 브릿지에서 신호 성분의 추가로 인하여 전체 신호에 기여하지 않도록 할 것이다.
본 발명에 따른 장치는 전환 가능한 적어도 하나의 하프-브릿지에서 감응 방향에 의해 서로 수직인 2개의 자기장 성분들의 검출을 허용한다.
유익한 실시형태에 따라서, 자기장 감응 브릿지 저항들은 AMR, GMR 또는 TMR 저항들일 수 있다. 이러한 저항들은 자기장 감응 우선 방향을 가지며, 여기에서, 상기 저항들은 옴 저항에서의 변화와 함께 자기장 성분에서의 변화에 응답한다. AMR 저항들의 저항 특성 곡선 거동은 내부 자화에 영향을 주는 것에 의해 영향을 받을 수 있어서, 저항 특성 곡선은 X 및 Z 성분을 평가하도록 전환 가능하게 변경될 수 있다.
본 발명에 따르면, 하나의 하프-브릿지의 적어도 브릿지 저항들의 회로 장치는 개별적으로 전환 가능하다. 그 결과, 변경된 저항 거동이 X 성분에 관하여 얻어져서, X 및 Z 자기장 성분의 경우의 효과 사이를 구별하는 것이 가능하다.
달리 또는 추가적으로, 적어도 하나, 바람직하게 모든 자기장 감응 브릿지 저항들은 전환 가능한 저항 특성 곡선을 가진다. 적어도 하나의 자기 저항성 브릿지 소자에서 내부 자화 방향을 전환하는 것에 의해, 그리고 이러한 2개 이상의 하프-브릿지들에 의한 적절한 신호 평가에 의해, 지금 수평 자기장 성분, 즉 센서 평면에 위치된 성분과, 센서 평면에 수직으로 위치된 자기장 성분을 측정하는 것이 가능하다.
자화 방향, 그러므로 결과적으로 하나의 하프-브릿지에서의 감응 방향이, X 방향으로 자기장 성분의 존재시에, 풀 브릿지에서의 각각의 기여가 차이 계산으로 인하여 서로 정확하게 상쇄되도록 설정되면, 장치는 이러한 상태에서 X 방향에서 성분들에 둔감하다. 그러나, Z 성분이 측정될 자기장에 존재하면, 상기 성분은 하프-브릿지에서 반대 부호의 기여를 한다. 그러므로, 풀 브릿지에서 차이 계산은 측정될 자기장의 Z 성분을 위한 측정 신호를 발생시킨다.
하나의 유익한 실시형태는 적어도 하나의 자기장 감응 브릿지 저항의 저항 특성 곡선을 한정하기 위한 내부 자화를 플립핑할 수 있는, 즉 자화를 역전시킬 수 있는 적어도 하나의 예비 자화 전환 유닛, 특히 플립 도체(flip conductor)를 포함할 수 있다. 예를 들어 자기장 감응 브릿지 저항 아래 또는 위에서 나선형 또는 지그재그 구성으로 가이드될 수 있는 각 자기장 감응 브릿지 저항과 개별적으로 결합된 플립 저항의 수단, 특히 플립 도체에 의해, 브릿지 저항의 내부 예비 자화 상태를 변경할 수 있는 플립 자기장, 그러므로 각각의 자기장 감응 브릿지 저항을 위하여 개별적으로 간단한 플립 전류 펄스를 명시하는 것에 의해 도 2에 도시된 저항 특성 곡선 거동을 발생시키는 것이 가능하다.
4개의 브릿지 저항들 중 2개가 자기 감응 구성인 것이 원칙적으로 충분하다. 이러한 것들은 저항 측정 브릿지의 2개의 하프-브릿지들의 2개의 하부, 2개의 상부 또는 대각선으로 결합된 브릿지 저항들일 수 있다. 하나의 유익한 실시형태에 따라서, 휘트스톤 측정 브릿지의 모든 저항들은 자기장 감응 저항(magnetic field-sensitive resistor)들일 수 있다. 자기장 센서 디바이스의 개선된 감응은 이러한 방식으로 달성된다.
하나의 유익한 실시형태에 따라서, 2개의 휘트스톤 측정 브릿지들이 포함될 수 있고, X/Y 자기장 센서 평면에 위치된, 2개의 측정 브릿지들의 측정 감응형(measurement-sensitive) 자기장 성분들의 배향은 직각으로 선택되고, 즉 서로 수직이다. 2개의 측정 브릿지들은 X/Y 평면에서 서로 90°만큼 오프셋되어서, 하나의 측정 브릿지는 X 방향으로 자기장 성분에 민감하고, 또한 다른 측정 브릿지는 Y 방향으로 자기장 성분에 민감하다. Z 성분은 2개의 측정 브릿지들이 자속 집중화 소자 주위에서 대칭으로 배열되면 양 측정 브릿지 상에 영향을 줄 수 있다. 그러므로, Z 성분은 2개의 휘트스톤 측정 브릿지들의 수단에 의해 측정될 수 있다. Z 성분의 2개의 값들은 Z 성분의 결정시에 보다 높은 정확성을 달성하기 위하여 유익하게 평균될 수 있다. 대안적으로, Z 자기장 성분이 2개의 측정 브릿지들 중 하나에 관해서만 측정 가능하도록, 개별 측정 브릿지의 하프-브릿지들이 자속 집중화 소자에 관하여 대칭으로 배열되는 것이 고려될 수 있다.
자속 집중화 소자의 자속 영향 작용은 극히 높은 투자율(magnetic permeability)(μ)에 의해 야기되고, 이에 의해, Z 자기장 성분은, Z 자속 밀도에서 비균일성이 유익하게 입방형 또는 입방 자속 집중화 소자의 주변 구역에서 일어나도록, 문자 그대로 자속 집중화 소자 내로 끌어당겨지고, 즉 집중된다. 그 결과, 도 3에 도시된 바와 같이, Z 자기장 성분의 자속 가이드 집중화는, X/Y 자기장 성분에 위치되고 자속 집중화 소자의 가장자리를 향하여 또는 가장자리로부터 멀리 주변으로 향한 자기장 성분으로, 유익하게 플레이트 형상화된 자속 집중화 소자의 주변을 따라서 발생한다. 하나의 유익한 실시형태에 따라서, 강자성 자속 집중화 소자는 철, 코발트, 니켈, AlNiCo, SmCo, Nd2Fe14B, Ni80Fe20(퍼멀로이)와 같은 강자성 합금, NiFeCo 합금 또는 그 조합으로 이루어질 수 있다. 강자성 자속 집중화 소자는 상승된 자화율, 그러므로 투자율(μ)을 가져서, 극히 큰 Z 자기장 성분 자속 밀도 비균일성은 자속 집중화 소자의 주변 구역에서 발생할 수 있다.
하나의 유익한 실시형태에 따라서, 강자성 자속 집중화 소자는 X/Y 자기장 센서 평면에서 대칭 형상, 특히 거울 대칭 또는 회전 대칭 형상, 특히 직사각 형상, 특히 정사각 형상을 가질 수 있으며, 자속 집중화 소자의 측부 가장자리들은 X/Y 방향으로 배향된다. 대칭 형상이 Z 자기장 성분으로 인하여 반대칭 X/Y 자기장 성분들의 형성을 촉진하여서, Z 자기장 성분으로 인한 저항성 측정 브릿지의 하프-브릿지들에서의 저항이 대칭으로 변한다. 자속 집중화 소자는 바람직하게 입방형 또는 입방체의 형태를 취한다. 자속 집중화 소자의 바람직한 치수는 100-1000 ㎛일 수 있다.
유익한 실시형태에 따라서, 자속 집중화 소자의 상부 표면 또는 하부 표면은 X/Y 자기장 센서 평면에 위치될 수 있다. X/Y 자기장 센서 평면은, 자기장 감응 저항들이 배열되고 최대 감도가 그 안에 위치된 자기장 성분에 관하여 달성되는 칩 기판 표면 또는 보드 기판 표면에 평행하게 배향된 평면을 한정한다. 도 3으로부터 명확히 알 수 있는 바와 같이, Z 자기장 성분의 경로가 자속 집중화 소자의 상부 표면 또는 하부 표면의 영역에서 최대로 편향되어서, 가장 큰 X 및 Y 자기장 성분들은 자속 집중화 작용으로 인하여 자속 집중화 소자의 하부 표면 및 상부 표면 평면들에서 발생한다. 자속 집중화 소자의 하부 표면 및 상부 표면의 평면에 X/Y 자기장 센서 평면을 배열하는 것에 의해, Z 자기장 성분에서의 변화에 관하여 가장 높은 자기장 감도를 달성하는 것이 가능하다.
제2 양태는 상기된 자기장 센서 디바이스에 의해 자기장의 2 또는 3개의 성분들을 측정하기 위한 방법을 제안하며, 2개의 하프-브릿지들에서 X/Y 센서 평면에 위치된 자기장 센서 성분은 크기에서 제1 변화 시에 하프-브릿지의 중심 탭에서 전압 변화(U1, U2)를, 및 X/Y 센서 평면에 수직인 Z 방향으로 크기에서 제2 변화 시에 차동 전압 변화를 유발를 유발한다. 그러므로, 센서 평면에 위치된 자기장 성분은 2개의 하프-브릿지들의 자기장 감응 저항들 상에서 동일한 효과를 가진다. 저항들의 저항 특성 곡선 프로파일들 및 하프-브릿지의 할당에 의존하여, 하프-브릿지 중심 탭 전압(U1, U2)은 차동 전압(ΔU)이 증가되거나 또는 최소화되는 방식으로 변한다. Z 자기장 성분은 자기장 감응 저항들 상에서 반대 방향으로 작용하는, 센서 평면에서 반대칭 자기장 성분들을 유발한다. 이러한 것은 중심 탭 전압(U1, U2)의 대향 거동을 유발한다. 그러므로, 측정 브릿지의 저항 거동에서 Z 자기장 성분의 영향은 센서 평면에 위치된 외부 자기장 성분의 영향에 반대이다. 평가 전자 기기는 저항에서 이러한 대향 변화(opposing change)를 인식하고, 특정 저항 거동이 공지되면 Z 성분의 크기 및 X 또는 X 및 Y 성분의 크기에 대한 결론을 끌어낼 수 있다. 그러므로, 개별 측정 브릿지를 사용하여, 서로 직각으로 위치된 2개의 자기장 성분들을 검출하는 것이 가능하고, 하나의 성분은 센서 평면에 있으며, 하나의 자기장 성분은 이에 직각이다.
본 발명에 따르면, 2개의 하프-브릿지들의 상호 관련된 자기장 감응 저항들의 저항 특성 곡선의 적어도 하나의 전환(switching), 특히 쌍의 전환, 또는 브릿지 저항들의 회로 장치의 전환은 적어도 하나의 하프-브릿지에서 처리될 수 있거나, 또는 공급 전압의 전환은 적어도 하나의 하프-브릿지에서 처리될 수 있다. 제1 상태(M1, M3)에서, X/Y-위치 자기장 성분은 상호 대응하는 자기장 감응 브릿지 저항들의 반대로 향한 저항 특성 곡선 프로파일들에 의해 측정 가능하고, 그리고 제2 상태(M2, M4)에서, Z 방향으로 위치된 자기장 성분은 상호 대응하는 자기장 감응 브릿지 저항들의 동일하게 향하는 저항 특성 곡선 프로파일들에 의해 측정 가능하다. 상태(M1)는 저항성 측정 브릿지의 2개의 하프-브릿지들의 2개의 상호 관련 자기장 감응 저항들의 반대로 향하는 저항 특성 곡선들로서 정의될 수 있다. 그 결과, 예를 들어, X 자기장 성분 발생의 경우에, 제1 하프-브릿지의 제1 자기장 감응 저항의 저항이 상승하고, 제2 하프-브릿지의 제2 자기장 감응 저항의 저항은 강하한다. 만일 양 저항들이 하프-브릿지의 낮은 저항들로서 배열되면, 차동 전압(ΔU=U1-U2)은 증가한다. Z 자기장 성분은 반대칭 X 자기장 성분들을 유발하고, 그 결과 차동 전압(ΔU)은 0으로 강하한다. 상태(M3)는 동일한 방식으로 정의될 수 있으며, 여기에서, 제1 및 제2 저항들은 상태(M1)에 대하여 저항 특성 곡선의 반대 거동을 보인다. 상태(M1)에서, 양의 X 방향으로 배향된 성분은 양의 차동 전압을 유발하게 되고(ΔU>0), 상태( M3)에서, 이것은 음의 차동 전압(ΔU<0)을 유발하게 된다. Z 성분은 차동 전압을 최소화한다(ΔU
Figure 112016017409608-pct00001
0). 상태(M2 및/또는 M4)는 제1 하프-브릿지의 하부 저항 및 제2 하프-브릿지의 하부 저항의 저항 특성 곡선들의 동일하게 향한 거동을 의미한다. 결과적으로, X 자기장 성분은 차동 전압을 최소화하고(ΔU
Figure 112016017409608-pct00002
0), Z 자기장 성분은 양의 차동 전압을 유발하거나(ΔU>0)(상태 M2) 또는 음의 차동 전압을 유발한다(ΔU<0).
바람직한 방법에 따라서, 상태의 전환은 순서(M1, M2, M1 및 M2 또는 M1, M2, M3 및 M4)로 진행될 수 있다. 예를 들어 명시된 상태 순서에서 순차적인 전환때문에, X 및 Z 자기장 성분들의 크기는 격리된 방식으로 고려될 수 있으며, 상태(M1, M3)에서, 차동 전압은 X 성분의 크기 및 부호에 대한 정보를 제공할 수 있으며, 상태(M2, M4)에서, Z 성분의 크기 및 부호에 관한 정보를 제공할 수 있다.
측정 브릿지의 전압 오프셋은 평가 유닛에 의해 필터링될 수 있다. 평가 유닛은 예를 들어 플립 전류를 출력하거나 또는 브릿지 저항들 사이의 회로 연결 또는 하프-브릿지 전압의 극성의 전환에 의해 명시된 상태(M1-M4)들을 설정할 수 있고, 그런 다음 차동 전압(ΔU) 또는 하프-브릿지 전압(U1, U2)을 기록한다. 응용에 따라, 상태 전환 주파수는 수 Hz로부터 kHz 범위일 수 있다. 저항들에서 제조 비균일성의 결과이며 무자기장 상태(magnetic field-free state)에서 결정될 수 있는 2개의 하프-브릿지 전압 사이의 오프셋은 참작되어 자기장 측정의 상승된 정확성을 달성하기 위하여 평가 유닛에 의해 필터링될 수 있다.
또한, 자기장 센서 디바이스를 한정하기 위하여 고려 가능한 파라미터들은 칩 및 자속 가이드 요소의 치수, 자속 가이드 요소로부터 칩 또는 하프-브릿지 저항들의 거리 또는 오프셋을 측정하고 제거하기 위하여 자화의 순차적 전환에 관한 상세 사항이다. 자속 가이드 요소는 독립적인 유닛의 형태를 취할 수 있으며, 후막 법(thick-film method), 도금 또는 인쇄와 같은 공정에 의해 칩 기판 또는 보드 기판에 적용될 수 있다.
추가의 이점은 도면의 설명에 의해 드러난다. 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다. 도면, 상세한 설명 및 청구항을 조합하여 많은 특징들을 포함한다. 당업자는 또한 편의상으로 특징들은 개별적으로 고려하고 그리고 중요한 다른 조합으로 결합할 것이다.
도 1, 도 2는 이발소 간판 기둥 구조체를 갖는 종래의 저항 스트립들을 도시하며;
도 3은 자속 집중화 소자를 구비한 제1 예시적인 실시예의 칩 장치의 Z-X 평면을 통한 단면도를 도시하며;
도 4 내지 도 7은 각각 단지 하나의 자기 저항성 저항을 가지는 2개의 하프-브릿지를 갖는 2D 자기장 센서의 추가의 예시적인 실시예를 도시하고, 4개의 상이한 내부 자화 방향이 이에 대하여 명시되고, X 및 Z 방향으로 외부 자기장을 갖는 각각의 하프-브릿지 전압의 감도가 명시되며;
도 8 내지 도 11은 각각 2개의 자기 저항성 저항을 가지는 2개의 하프-브릿지를 갖는 2D 자기장 센서의 추가의 예시적인 실시예를 도시하고, 4개의 상이한 내부 자화 방향이 이에 대하여 명시되고, X 및 Z 방향으로 외부 자기장을 갖는 각각의 하프-브릿지 전압의 감도가 명시되며;
도 12는 외부 자기장의 모두 3개의 성분들을 측정하기 위한 3D 자기장 센서의 추가의 예시적인 실시예를 도시하며;
도 13은 본 발명에 따른 자기장 센서 디바이스의 감도의 다양한 방향을 전환하는 회로에 관한 예시적인 실시예를 도시한다.
동일한 요소들은 도면에서 동일한 도면부호로 인용된다.
도 1은 자기장 센서 디바이스(100)의 AMR 저항 스트립(102)을 통한 측정 전류 선속(measuring current flux)(IS)의 방향에 대한 자기장(M(H))의 함수로서의 저항 특성 곡선을 도시한다. 저항 특성 곡선(R(M))은 공식
Figure 112016017405154-pct00003
에 의해 결정되고, θ는 전류 유동 방향(IS)과 전체 자기장(M(H)) 사이의 각도를 나타낸다. 전체 자기장(M(H))은 측정될 수 있는 내부 예비 자화(MO) 및 외부 자기장(He)의 자기장으로 만들어진다. 작은 자기장(He < MO)의 경우에, 외부 자기장(He)이 변할 때 저항(R)에서의 약간의 변화가 일어난다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 이러한 구성은 작은 자기장에 대한 감도가 이 영역에서 단지 얕은 구배만을 가지는 저항 특성 곡선으로 인하여 비교적 낮기 때문에 불리하다.
도 2는 AMR 저항 스트립(102) 상에 45°로 경사진 이발소 간판 기둥 구조체(104)들, 즉 금 또는 구리 금속화 코팅과 같은 고전도성 금속화 스트립들을 가지는 AMR 저항 스트립(102)이 제공되는 종래의 AMR 저항 디바이스(100)를 도시한다. 개략도로 도시된 바와 같이, AMR 저항 스트립(102)은 저항 스트립(102)의 길이 방향 범위에 대해 실질적으로 45°방향으로 AMR 저항 스트립(104)을 통하여 전류 선속(IS)을 유발하여서, 전류 선속은 평행한 내부 자화(MO)) 또는 수직 외부 자기장(He)에 대해 45°의 선형화 각도(α)를 취한다. 따라서, 도 1에서 보인 저항 곡선은 특히 저항이 자기장에 선형으로 의존하는 곡선 프로파일의 가파른 측면의 영역에서 변위되어서, 외부 자기장(He)에서의 약간의 변화는 AMR 자기장 센서 디바이스의 전체 저항(R)에서 선형 변화를 유발한다. 자기장 센서 디바이스의 감도는 이발소 간판 기둥 구조체들에 의한 선형화 때문에 뚜렷이 증가된다.
도 3의 도면은 DE 10 2008 041 859 A1의 도면에 기초하며, 본 발명에 따른 자기장 센서 디바이스(10)의 제1 예시적인 실시예이다. 도 3에 개략적으로 도시된 자기장 센서 디바이스(10)는 예를 들어 자기장 감응 브릿지 저항(18)들로서 AMR 센서들의 지지체로서 기판(32), 이 경우에 반도체 칩의 표면 상에 위치된 유연 자속 집중화 소자(22)로 이루어진다. 예를 들어 검출될 Z 방향으로 배향된 자기장 Hz(24)의 자속선이 자속 집중화 소자(22)의 주변 구역에서 그 본래의 수직 Z 방향으로부터 수평 X 방향으로 편향되어서, 상기 자속선이 자기장 감응 브릿지 저항(18)들에 의해 측정 가능하게 되는 것이 도 3으로부터 명확히 알 수 있다. 소자(22)의 주변 구역에 인접하여 배열된 저항(22)들 상에서 반대 방향으로 작용하는 반대칭 Hx 성분(34)들이 형성된다. 수평 편향에 대한 수직 편향에 대하여 자속 집중화 소자(22)의 물질에서의 자기장선(24)에 의해 커버되는 거리가 수직 편향에 대한 수평 편향에 대하여 커버되는 거리보다 짧기 때문에, 약간의 편향 효과가 브릿지 저항(30)들의 상승된 감도 때문에 결정될 수 있는 명확히 작은 Hx 성분들의 Hz 자기장 세기에 대한 관계에서 얻어진다. 측정 효과를 증가시키기 위하여, 자속 집중화 소자(22)는 반도체 칩의 기판층(32) 내로 여기 도면에서는 보이지 않은 방식으로 위쪽이 넓혀질(countersunk) 수 있다. X/Y 자기장 센서 평면, 즉 Hx 성분들이 브릿지 저항(18)에서 저항성의 가장 큰 변화를 유발하는 칩 표면(32)에 평행한 평면은 입방형 자속 집중화 소자(22)의 표면 레벨에 위치된다. Hz 성분이 자속 집중화 소자(22)에 들어갈 때, 도 3에 도시된 바와 같이, Hx 성분들은 Hz 성분의 자기장 세기 프로파일에서 그 가장 높은 레벨에 있으며, 따라서 브릿지 저항(18)들에 의해 가장 예민하게 검출될 수 있다.
도 4 내지 도 11은 이발소 간판 기둥 구조체들을 구비한 AMR 자기장 저항(18)들이 사용되고, 저항들의 저항 특성 곡선들이 도 2에 도시된 바와 같은 내부 예비 자화의 변경에 의해 전환될 수 있는 본 발명에 따른 자기장 센서 디바이스(10)들의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다. 기준 부호는 단지 도 4의 상부 서브 도면에만 도시되며; 부호는 명료성을 위해 부호가 생략된 도 5 내지 도 11로 필요한 부분만 수정되어 옮겨질 수 있다.
도 4 내지 도 7은 휘트스톤 측정 브릿지(14)의 2개의 하프-브릿지(16a, 16b)들을 포함하는 2D 자기장 센서 디바이스(10)를 도시한다. 예를 들어 퍼멀로이와 같은 고투과성 물질의 입방형 자속 집중화 소자(22)는 2개의 하프-브릿지(16a, 16b)들 사이에 배열된다. 각 하프-브릿지(16a, 16b)는 각각 2개의 브릿지 저항(30a-30c 및 30b-30d)들의 쌍을 포함한다. 2개의 브릿지 저항(30a-30c 및 30b-30d)들의 상호 관련된 하부 브릿지 저항(30a, 30b)들은 자기장 감응 브릿지 저항(18a, 18b)들의 형태를 취한다. 추가의 관련된 브릿지 저항(30c, 30d)들은 자기장들에 의해 영향을 받지 않는 옴 저항들이다. 2개의 자기장 감응 저항(18a, 18b)들의 각각은, 검은 화살표로 지시되고 도 2에 도시된 저항 특성 곡선(36a, 36b )들에 대응하는 저항 특성 곡선(36a 및 36b)을 각각 가진다.
도 4는 Hx 성분(34)에 대하여 저항(18a)이 도 2의 좌측에 도시된 저항 특성 곡선(36a)를 가지며, 저항(18b)이 도 2의 우측에 도시된 저항 특성 곡선(36b)을 가지는 제1 상태(M1)를 도시한다. 도 4의 상부 서브 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, Hx 성분(34)이 증가할 때, 제1 하프-브릿지(16a)의 전압(U1)이 상승하는 한편, 제2 하브 브릿지(16b)의 전압(U2)이 강하하여서, 차동 전압(ΔU)이 확대된다. 도 4의 하부 서브 도면은 Z 자기장 성분(24)(Hz)에 관한 거동을 도시한다. Hz 성분(24)은 제1 하프-브릿지(16a)에 대하여 음의 X 방향으로 Hx 성분을 유발하고, 제2 하프-브릿지(16b)에 대하여 양의 X 방향으로 반대칭 Hx 성분을 유발한다. 결과적으로, 명시된 상태(M1)에서, 2개의 하프-브릿지 전압(U1, U2)이 강하하여서, 차동 전압(ΔU)은 0를 향하게 된다.
도 5는 저항(18a, 18b)들이 도 2의 우측 저항 특성 곡선(38b), Hx 및 Hz 성분에 응답하여 자기장 센서 디바이스의 거동을 따르는 제2 상태(M2)에 관하여 도시한다. 이 경우에, Hx 성분(34)은 0으로 향하게 되는 차동 전압(ΔU)을 유발하고, Hz 성분(24)은 양으로 상승하는 차동 전압(ΔU)을 유발한다.
도 6은 도 4의 상태(M1)에 대응하지만, 2개의 저항(18a, 18b)들이 지금 각각 반대칭 저항 특성 곡선(36b 및 36a)들을 가지는 상태(M3)를 도시한다. 동일한 것이 도 5의 상태(M2)에 대하여 상태(M4)를 도 7에 준용된다.
도 8 내지 도 11은 브릿지 저항(30)들이 자기장 감응 저항(18)들인 2D 자기장 센서 디바이스(10)의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 8은 도면들에 도시된 4개의 브릿지 저항(18a 내지 18d)들의 제1 상태(M1)를 도시하는 도 4에 대응한다. 도 9 내지 도 11은 도 5 내지 도 7에 대응하는 추가의 상태(M2 내지 M4)들을 도시한다. 상태(M1 및 M3)는 서로 대응하며, 저항(18a 내지 18d)들의 특성 곡선 프로파일(36a, 36b)들은 쌍으로 반대칭이다. 동일한 것이 하프-브릿지(16a, 16b)에서 각각 관련된 하부 및 상부 저항(18a-18b 및 18c-18d)들의 대칭 저항 특성 곡선(36a, 36b)들을 갖는 상태(M2 및 M4)들에 적용된다. 상부 서브 도면은 Hx 성분(34)에 관하여 전압 거동(U1, U2)을 도시하고, 하부 서브 도면은 Hz 성분(24)에 관하여 전압 거동(U1, U2)을 도시한다.
상태(M1, M3)들은 Hx 성분(34)의 방향 및 세기를 측정하기 위하여 사용되고, 상태(M2, M4)들은 Hz 성분(24)의 방향 및 세기를 측정하기 위하여 사용된다.
도 12는 2개의 휘트스톤 측정 브릿지(14a, 14b)들의 수단에 의해 3차원 자기장 프로파일을 결정하기 위한 자기장 센서 디바이스(10)의 추가의 예시적인 실시예를 도시한다. 3D 센서 디바이스(10)의 경우에, 자속 집중화 소자(22)는 실질적으로 정사각 형상을 가지며, 다수의 상태들의 정의 때문에, Hx 뿐만 아니라 Hy 및 Hz 성분이 2개의 차동 전압(ΔUa 및 ΔUb)들의 수단에 의해 결정될 수 있다. Hz 성분의 크기는 측정 브릿지(14a)에 의해, 그리고 측정 브릿지(14b)에 의해 검출될 수 있다. 증가된 정확성은 2개의 측정된 Hz 값들을 평균하는 것에 의해 달성될 수 있다.
끝으로, 도 13a 및 도 13b는 자기장 센서 디바이스(10)의 추가의 예시적인 실시예의 전기 등가 회로도를 도시한다. 따라서, 도 13a는 상태(M2)로서 도 9의 구성에 대응하는 브릿지 회로를 좌측 서브 도면에 도시한다. 장치는 Z 축에 있는 성분들을 측정하는데 민감하다. 브릿지 저항(18a 내지 18d)들의 모든 단자 접점들이 상호 독립적으로 접촉 가능하면, 도 13a의 우측 서브 도면은 공급 전압(Vss), 접지 전위(GND) 또는 중심 탭 전압(U1, U2 및 결과적인 차동 전압(ΔU=U1-U2)과 접촉하는 개별 브릿지 저항(18a 내지 18d)들을 도시한다.
도 13b는 도 13a와 비교하여, X 방향으로의 감응 방향을 가지는 도 13a에 기초한 3개의 구성을 도시한다. 소자(18d 및 18b)들(좌측 서브 도면)의 자화 방향의 전환에 더하여, 감응 방향의 전환은 우측 하프-브릿지(16b)의 공급 전압을 전환하는 것에 의해(중간 서브 도면), 또는 도 13a와 비교하여 우측 하프-브릿지(16b)에 있는 저항(18b 및 18d)들의 회로 장치를 바꾸는 것에 의해 달성된다.
본 발명은 감응 방향을 전환 및/또는 플립핑하는데 이점과 함께 센서 평면에서 반대칭 자기장 성분들에, 강자성 자속 집중화 소자의 지원으로 수직 자기장 성분의 편향을 결합하며, 측정 오프셋은 적절한 평가 전자기기에 의해 제거될 수 있다.

Claims (14)

  1. 자기장의 2개 또는 3개의 성분을 측정하기 위한 자기장 센서 디바이스(10)로서, 2개의 하프-브릿지(16)를 구비한 적어도 하나의 휘트스톤 브릿지(14)를 포함하고, 각 하프-브릿지(16)가 2개의 브릿지 저항(30)을 포함하며, 상기 각 하프-브릿지(16)의 2개의 브릿지 저항(30) 중 적어도 하나가 X/Y 자기장 센서 평면(20)에 위치된 자기장 성분(34)에 관련된 자기장 감응 저항(18)이고, 상기 X/Y 자기장 센서 평면(20)에 수직으로 배향된 Z 자기장 성분(24)에 관하여 상기 X/Y 자기장 센서 평면(20)에 위치된 반대칭 자기장 성분들을 발생시키는 상기 2개의 하프-브릿지(16)의 자기장 감응 저항(18)들 사이에 강자성 자속 집중화 소자(22)가 대칭으로 배열되는, 자기장 센서 디바이스에 있어서,
    상기 브릿지 저항(30)들의 회로 장치는 상기 브릿지 저항들(30)의 전류 방향을 바꾸기 위해서 전환 가능하거나, 또는
    적어도 하나의 하프-브릿지(16)의 공급 전압은 상기 브릿지 저항들(30)의 전류 방향을 바꾸기 위해서 개별적으로 전환 가능하거나, 또는
    상기 자기장 감응 저항(18)들 중 적어도 하나는 전환 가능한 저항 특성 곡선(36)을 가져서, 상기 적어도 하나의 자기장 감응 저항(18)의 저항 특선 곡선(36)을 전환할 수 있게 하고,
    상기 2개의 하프-브릿지(16)들의 두 개의 상호 연관된 자기장-감응 저항(18) 들이 X/Y 방향으로 위치된 자기장 성분(34)에 대하여 저항 특성 곡선(36)들이 서로 반대 방향으로 거동하고 전류 방향들이 동일하거나, 또는 저항 특선 곡선(36)들이 동일하게 거동하고 전류 방향들이 서로 반대되는 제1 상태에서, 상기 X/Y 방향으로 위치된 자기장 성분(34)은 상기 자기장 센서 디바이스에 의해 측정 가능하고,
    상기 2개의 하프-브릿지(16)의 두 개의 상호 연관된 자기장-감응 저항(18)들이 X/Y 방향으로 위치된 자기장 성분(34)에 대하여, 저항 특선 곡선(36)들이 동일하게 거동하고 잔류 방향들이 동일하거나, 또는 저항 특선 곡선(36)들이 서로 반대 방향으로 거동하고 전류의 방향들이 서로 반대되는 제2 상태에서, Z 방향으로 위치된 자기장 성분(24)은 상기 자기장 센서 디바이스에 의해 측정 가능한 것을 특징으로 하는 자기장 센서 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 감응 저항(18)들은 AMR, GMR 또는 TMR 저항들인 것을 특징으로 하는 자기장 센서 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 센서 디바이스(10)는 적어도 하나의 자기장 감응 저항(18)의 저항 특성 곡선(36)을 정의하기 위하여 상기 브릿지 저항(30)들의 내부 자화를 역전시킬 수 있는, 플립 도체를 포함하는 적어도 하나의 예비 자화 전환 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 휘트스톤 브릿지(14)의 모든 저항(30)은 자기장 감응 저항(18)인 것을 특징으로 하는 자기장 센서 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    2개의 휘트스톤 브릿지(14a, 14b)가 포함되며, 상기 X/Y 자기장 센서 평면(20)에 위치된, 2개의 휘트스톤 브릿지(14a, 14b)의 측정 감응형 자기장 성분(34)들의 배향은 서로 직각인 것을 특징으로 하는 자기장 센서 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 강자성 자속 집중화 소자(22)는 철, 코발트, 니켈, AlNiCo, SmCo, Nd2Fe14B, Ni80Fe20과 같은 강자성 합금, NiFeCo 합금 또는 이들의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기장 센서 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 강자성 자속 집중화 소자(22)는 상기 X/Y 자기장 센서 평면(20)에서 대칭 형상, 거울 대칭 또는 회전 대칭 형상을 가질 수 있으며, 상기 자속 집중화 소자(22)의 측부 가장자리들은 X/Y 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 자속 집중화 소자(22)의 상부 표면 또는 하부 표면은 상기 X/Y 자기장 센서 평면(20)에 위치되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서 디바이스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 자기장 센서 디바이스(10)에 의해 자기장의 2개 또는 3개의 성분들을 측정하기 위한 방법에 있어서,
    - 자기장 감응 저항(18)들의 저항 특성 곡선(36)들 중 적어도 하나를 전환하거나, 또는
    - 상기 브릿지 저항(30)들의 전류 방향을 바꾸기 위해서 상기 적어도 하나의 하프-브릿지(16)에 브릿지 저항(30)들의 회로 장치를 전환해서,
    상기 제1 상태에서, X/Y 방향으로 위치된 자기장 성분(34)은 상호 대응하는 자기장 감응 저항(18)들의, 반대로 향한 저항 특성 곡선(36)들 및 같은 전류 방향에 의해, 또는 동일하게 향한 저항 특성 곡선(36)들 및 반대되는 전류 방향들에 의해 측정 가능하고,
    상기 제2 상태에서, Z 방향으로 위치된 자기장 성분(24)은 상호 대응하는 자기장 감응 저항(18)들의, 동일하게 향한 저항 특성 곡선(36)들 및 반대되는 전류 방향들에 의해 측정 가능하도록 함으로써,
    상기 2개의 하프-브릿지(16)들에서 X/Y 센서 평면에 위치된 자기장 센서 성분(34)은, 크기(magnitude)가 제1 상태일 때 증가하는 방향이고 제2 상태일 때 최소화되는 방향인 제1 변화 시에 하프-브릿지(16)의 중심 탭에서 전압 변화(U1, U2)를 유발하고, X/Y 센서 평면에 수직인 Z 방향에 위치된 자기장 센서 성분은, 크기가 제1 상태일 때 최소화되는 방향이고 제2 상태일 때 증가하는 방향인 제2 변화 시에 하프-브릿지(16)의 중심 탭에서 차동 전압 변화를 유발하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 상태들의 전환은 상호 대응하는 자기장 감응 저항(18)들의, 저항 특선 곡선들을 순차적으로 전환하거나 또는 전류 방향들을 순차적으로 전환해서 상기 제1 상태와 제2 상태의 미리 정해진 순서로 진행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 휘트스톤 브릿지(14)의 전압 오프셋은 평가 유닛에 의해 필터링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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