KR102533697B1 - 자기장 센서 - Google Patents

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KR102533697B1
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다비드 제이. 하아스
마이클 가보우리
알렉산더 라트햄
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알레그로 마이크로시스템스, 엘엘씨
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Abstract

일 측면에 있어서, 자기장 센서는 초퍼 안정화 증폭기 및 상기 초퍼 안정화 증폭기에 연결되고 병렬인 복수의 홀-형태의 요소들을 포함한다. 다른 측면에 있어서, 자기장 센서는 초퍼 안정화 증폭기 및 상기 초퍼 안정화 증폭기에 연결되고 병렬인 복수의 홀 쿼드 요소들을 포함한다. 또 다른 측면에 있어서, 전류 센서는 1㎒의 대역폭을 가지며, 초퍼 안정화 증폭기 및 실리콘으로 제조되고, 상기 초퍼 안정화 증폭기에 연결되고 병렬인 복수의 홀 쿼드 요소들을 포함한다.

Description

자기장 센서
본 발명은 자기장 센서 및 전류 센서에 관한 것이다.
홀 효과 요소들 및 자기저항 요소들을 포함하여 다양한 유형들의 자기장 센싱 요소들이 알려져 있다. 자기장 센서들은 일반적으로 자기장 센싱 요소들 및 다른 전자 구성 요소들을 포함한다. 일부 자기장 센서들은 또한 고정된 영구 자석을 포함한다.
자기장 센서들은 감지된 자기장을 나타내는 전기적 신호를 제공하거나, 일부 예들에서, 상기 자석과 연관되는 자기장의 변동을 제공한다. 이동하는 강자성의 타겟의 존재에서, 상기 자기장 센서에 의해 감지되는 자기장은 상기 이동하는 강자성의 물체의 형상이나 프로파일에 따라 변화된다.
자기장 센서들은 흔히 기어 톱니 및/또는 기어 슬롯들과 같은 강자성의 기어의 특징들의 이동을 검출하는 데 사용된다. 이러한 응용에서 자기장 센서는 통상적으로 "기어 톱니(gear tooth)" 센서로 언급된다.
일부 장치들에서, 상기 기어는 타겟 물체, 예를 들면, 엔진 내의 캠샤프트 상에 배치되며, 이에 따라 상기 기어의 이동하는 특징들의 검출에 의해 상기 타겟 물체(예를 들어, 캠샤프트)의 회전이 감지된다. 기어 톱니 센서들은, 예를 들면, 점화 타이밍 컨트롤, 연료 관리, 휠 속도 및 다른 동작들을 위해 엔진 컨트롤 프로세서에 정보를 제공하도록 자동차 응용들에 사용된다.
본 발명은 자기장 센서 및 전류 센서를 제공한다.
일 측면에 있어서, 자기장 센서는 초퍼 안정화 증폭기(chopper stabilized amplifier) 및 상기 초퍼 안정화 증폭기에 연결되고, 병렬인 복수의 홀-형태의 요소(Hall-type element)들을 포함한다. 이러한 측면은 다음 특징들의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 상기 복수의 홀-형태의 요소들은 홀 쿼드 요소(Hall quad element), 홀 듀얼 요소(Hall dual element) 또는 홀 옥탈 요소(Hall octal element)의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 홀-형태의 요소들은 전도 루프(conduction loop)의 각 측부 상에 동일한 숫자의 홀-형태 요소들을 포함하는 구성으로 배치될 수 있다. 상기 전도 루프 내에 배치되는 상기 홀-형태 요소들은 상기 전도 루프 외부의 상기 홀-형태 요소들보다 반대의 극성으로 배치될 수 있다. 상기 복수의 홀-형태의 요소들은 실리콘으로 제조될 수 있고, 상기 센서의 대역폭은 1㎒가 될 수 있다.
다른 측면에 있어서, 자기장 센서는 초퍼 안정화 증폭기 및 상기 초퍼 안정화 증폭기에 연결되고, 병렬인 복수의 홀 쿼드 요소(Hall quad element)들을 포함한다. 이러한 측면은 다음 특징들의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 상기 홀 쿼드 요소들은 전도 루프의 각 측부 상에 동일한 숫자의 홀 쿼드 요소들을 포함하는 구성으로 배치될 수 있다. 상기 전도 루프 내에 배치되는 상기 홀-형태 요소들은 상기 전도 루프 외부의 상기 홀-형태 요소들보다 반대의 극성으로 배치될 수 있다. 상기 홀 쿼드 요소는 직사각형 형상의 홀 플레이트(Hall plate)를 포함할 수 있다. 상기 홀 쿼드 요소는 정사각형 형상의 홀 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 홀 쿼드 요소는 십자가 형상의 홀 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 홀 쿼드 요소는 실질적으로 유사한 형상의 네 개의 홀 플레이트들을 포함할 수 있다. 상기 센서는 상기 복수의 홀 쿼드 요소들과 병렬인 에피택셜 레지스터(epitaxial resistor)를 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 홀 쿼드 요소들은 실리콘으로 제조될 수 있다. 상기 센서의 대역폭은 1㎒가 될 수 있다. 상기 센서는 전류 센서가 될 수 있다. 상기 홀 쿼드 요소의 저항은 약 4.4kohm일 수 있고, 상기 홀 쿼드 요소의 커패시턴스는 약 0.8pF일 수 있으며, 상기 초퍼 안정화 증폭기의 입력 커패시턴스는 약 1.1pF일 수 있다.
또 다른 측면에 있어서, 전류 센서는 1㎒의 대역폭을 가지며, 초퍼 안정화 증폭기 및 상기 초퍼 안정화 증폭기에 연결되고, 실리콘으로 제조되며, 병렬인 복수의 홀 쿼드 요소들을 포함한다. 이러한 측면은 다른 특징들의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 상기 홀 쿼드 요소들은 전도 루프의 각 측부 상에 동일한 숫자의 홀 쿼드 요소들을 포함하는 구성으로 배치될 수 있다. 상기 전도 루프 내에 배치되는 상기 홀 쿼드 요소들은 상기 전도 루프 외부의 상기 홀 쿼드 요소들보다 반대의 극성으로 배치될 수 있다. 상기 홀 쿼드 요소는 정사각형 형상의 홀 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 홀 쿼드 요소는 십자가 형상의 홀 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 홀 쿼드 요소는 실질적으로 유사한 형상의 네 개의 홀 플레이트들을 포함할 수 있다. 상기 전류 센서는 상기 복수의 홀 쿼드 요소들과 병렬인 에피택셜 레지스터를 더 포함할 수 있다. 상기 홀 쿼드 요소의 저항은 약 4.4kohm일 수 있고, 상기 홀 쿼드 요소의 커패시턴스는 약 0.8pF일 수 있으며, 상기 초퍼 안정화 증폭기의 입력 커패시턴스는 약 1.1pF일 수 있다.
전술한 본 발명의 특징들뿐만 아니라 본 발명 자체도 다음의 도면들의 상세한 설명으로부터 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이며, 첨부된 도면들에 있어서,
도 1은 홀 효과 요소의 예의 회로도이고,
도 2는 홀 쿼드 요소의 예의 회로도이며,
도 3은 자기장 센서의 예의 블록도이고,
도 4는 자기장 센서의 다른 예의 블록도이며,
도 5는 듀얼 홀 요소의 블록도이고,
도 6은 두 개의 듀얼 홀 요소들의 블록도이며,
도 7은 옥탈 홀 요소의 블록도이고,
도 8은 옥탈 홀 요소의 다른 구성들의 블록도이다.
자기장 센서를 제조하는 기술들이 여기에 설명된다. 일 예에 있어서, 여기에 설명되는 기술은 홀 증폭기가 초프(chop)되게 하는 홀 효과 센서의 시상수를 감소시키는 데 이용된다. 통상적으로, 홀 오프셋(Hall offset)을 필터링하여 소거될 수 있는 보다 높은 주파수에 위치시키기 위하여 전력과 신호 리드들을 변화시켜 홀 플레이트를 초프한다. 그러나, 여기서 설명되는 바와 같이, 병렬인 복수의 홀 쿼드 요소(Hall quad element)들은 트림으로 제거될 수 있는 오프셋을 감소시킨다. 여기서 설명되는 기술은 다른 기준 홀 초핑(Hall chopping) 솔루션들보다 높은 대역폭으로 로우 오프셋 솔루션을 가져오며, 이는 온도 및 스트레스에 대해 유동되는 오프셋의 최소의 증가로 보다 높은 대역폭 센싱을 가능하게 한다. 특정한 일 예에 있어서, 여기서 설명되는 기술을 이용한 실리콘 기반의 장치(예를 들면, 전류 센서)의 대역폭은 오프셋들을 소거하도록 초핑이 이제 약 8㎒ 또는 10㎒에서 수행될 수 있기 때문에 약 250㎑ 내지 1㎒로 증가된다.
여기에 사용되는 바에 있어서, "자기장 센싱 요소(magnetic field sensing element)"라는 용어는 자기장을 감지할 수 있는 다양한 전자 요소들을 기술하는 데 사용된다. 상기 자기장 센싱 요소는, 이에 한정되는 것은 아니지만, 홀 효과 요소(Hall Effect element), 자기저항 요소(magnetoresistance element) 또는 자기트랜지스터(magnetotransistor)가 될 수 있다. 알려진 바와 같이, 다른 유형들의 홀 효과 요소들, 예를 들면, 평면형 홀(planar Hall) 요소, 수직형 홀(vertical Hall) 요소 및 원형 수직 홀(circular vertical Hall: CVH) 요소가 존재한다. 또한, 알려진 바와 같이, 다른 유형들의 자기저항 요소들, 예를 들면 안티몬화인듐(InSb)과 같은 반도체 자기저항 요소, 거대 자기저항(GMR) 요소, 예를 들면 스핀 밸브(spin valve), 이방성 자기저항(AMR) 요소, 터널링 자기저항(TMR) 요소, 그리고 자기 터널 접합(MTJ)이 존재한다. 상기 자기장 센싱 요소는 단일의 요소가 될 수 있거나, 선택적으로는 다양한 구성들, 예를 들어, 하프 브리지 또는 풀(휘스톤(Wheatstone)) 브리지로 배열되는 둘 또는 그 이상의 자기장 센싱 요소들을 포함할 수 있다. 장치 유형과 다른 응용 요구 사항들에 따라, 상기 자기장 센싱 요소는 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)과 같은 IV족 반도체 물질, 또는 갈륨-비소(GaAs) 혹은, 예를 들면 안티몬화인듐(InSb)과 같은 인듐 화합물과 같은 III-V족 반도체 물질로 이루어진 장치가 될 수 있다.
알려진 바와 같이, 전술한 자기장 센싱 요소들의 일부는 상기 자기장 센싱 요소를 지지하는 기판에 대해 평행한 최대 감도의 축을 갖는 경향이 있고, 전술한 자기장 센싱 요소들의 다른 것들은 상기 자기장 센싱 요소를 지지하는 기판에 대해 직교하는 최대 감도의 축을 갖는 경향이 있다. 특히, 평면형 홀 요소들은 기판에 대해 직교하는 감도의 축들을 갖는 경향이 있는 반면, 금속계 또는 금속성 자기저항 요소들(예를 들면, GMR, TMR, AMR)과 수직형 홀 요소들은 기판에 대해 평행한 감도의 축들을 갖는 경향이 있다.
여기에 사용되는 바에 있어서, "자기장 센서(magnetic field sensor)"라는 용어는 일반적으로 다른 회로들과 결합하여 자기장 센싱 요소를 사용하는 회로를 기술하는 데 사용된다. 자기장 센서들은, 이에 한정되는 것은 아니지만, 자기장의 방향의 각도를 감지하는 각도 센서, 전류를 운반하는 도체에 의해 운반되는 전류에 의해 발생되는 자기장을 감지하는 전류 센서, 강자성 물체의 근접을 감지하는 자기 스위치, 상기 자기장 센서가 백-바이어스(back-biased)되거나 다른 자석과 결합되어 사용되는 경우에 통과하는 강자성 물품들, 예를 들면 링 자석 또는 강자성 타겟(예를 들면, 기어 톱니들)의 자기 도메인들을 감지하는 회전 검출기, 그리고 자기장의 자기장 밀도를 감지하는 자기장 센서를 포함하는 다양한 응용들에 사용된다.
도 1을 참조하면, 일 예에서, 홀 효과 요소(100)는 단일의 홀 플레이트(Hall plate)(102)를 구비한다. 상기 홀 플레이트(102)는 제1 콘택(106a)에서 전압 소스 VHallRef에 연결되며, 상기 홀 플레이트(102)는 상기 홀 플레이트(102)를 통해 흐르는 전류 IHall(즉, 상기 제1 콘택(106a)으로부터 상기 제2 콘택(106b)으로 흐르는 전류)을 생성하도록 제2 콘택(106b)에서 접지에 연결된다. 상기 홀 플레이트(102)의 저항은 RHall이다. 다른 예들에 있어서, 상기 콘택(106a)은 상기 전류 IHall을 발생시키는 전류 소스에 연결된다.
상기 홀 플레이트(102)가 자기장에 노출될 때, Vout 또는 VHall_P―VHall_N과 동일한 상기 단일의 홀 플레이트(102)의 출력 전압을 생성하도록 전압 VHall_P가 제3 콘택(106c)에서 발생되고, 전압 VHall_N이 제4 콘택(106d)에서 발생된다. 일 예에 있어서, 상기 홀 플레이트(102)는 직사각형 형상의 플레이트이다. 특정한 일 예에 있어서, 상기 홀 플레이트(102)는 정사각형 형상의 플레이트이다. 다른 예에 있어서, 상기 홀 플레이트는 십자가 형상의 플레이트이다. 도 2를 참조하면, 단일의 홀 플레이트들은 때때로 DC 오프셋(offset)들(때때로 여기서는 홀 오프셋들로 언급됨)을 가진다. 즉, 영(zero)의 자기장으로 Vout이 영이 아니게 된다. 상기 오프셋은 또한 온도 또는 스트레스로 변화될 수 있다. 이들 DC 오프셋들을 제거하기 위해, 홀 쿼드 요소(Hall quad element)를 형성하도록 각기 쿼드라처(quadrature)로 회전하는 네 개의 단일 홀 플레이트들(예를 들면, 각 홀 플레이트는 서로로부터 적어도 90°회전함)을 사용하는 것이 통상적이다.
일 예에 있어서, 홀 쿼드 요소(202)는 홀 플레이트들(102a-102d)을 포함한다. 각각의 홀 플레이트들(102a-102d)은 형상, 크기 및 기능성에서 실질적으로 동일하다. 상기 홀 쿼드 요소(202)는 제1 출력 단자(204a) 및 제2 출력 단자(204b)를 가진다.
상기 홀 플레이트(102a)는 제1 콘택(206a), 제2 콘택(206b), 제3 콘택(206c) 및 제4 콘택(206d)을 포함한다. 상기 홀 플레이트(102b)는 제1 콘택(216a), 제2 콘택(216b), 제3 콘택(216c) 및 제4 콘택(216d)을 포함한다. 상기 홀 플레이트(102c)는 제1 콘택(226a), 제2 콘택(226b), 제3 콘택(226c) 및 제4 콘택(226d)을 포함한다. 상기 홀 플레이트(102d)는 제1 콘택(236a), 제2 콘택(236b), 제3 콘택(236c) 및 제4 콘택(236d)을 포함한다.
전압 소스 VHallRef는 상기 플레이트들(102a-102d)의 가장 외측의 코너들에 연결된다. 즉, 상기 전압 소스 VHallRef는 상기 플레이트(102a)의 제1 콘택(206a), 상기 플레이트(102b)의 제1 콘택(216a), 상기 플레이트(102c)의 제1 콘택(226a) 및 상기 플레이트(102d)의 제1 콘택(236a)에 연결된다.
상기 접지는 상기 플레이트들(102a-102d)의 가장 내측의 코너들에 결부된다. 즉, 상기 접지는 상기 플레이트(102a)의 제2 콘택(206b), 상기 플레이트(102b)의 제2 콘택(216b), 상기 플레이트(102c)의 제2 콘택(226b) 및 상기 플레이트(102d)의 제2 콘택(236b)에 연결된다.
상기 홀 쿼드 요소(202)가 자기장에 노출될 때, 전압 VHall_P가 각각의 상기 플레이트들(102a-102d)의 상기 제3 콘택에서 발생된다. 각각의 상기 플레이트들(102a-102d)의 상기 제3 콘택들은 상기 제1 출력 단자(204a)에 연결된다. 즉, 상기 제1 출력 단자(204a)는 상기 플레이트(102a)의 제3 콘택(206c), 상기 플레이트(102b)의 제3 콘택(216c), 상기 플레이트(102c)의 제3 콘택(226c) 및 상기 플레이트(102d)의 제3 콘택(236c)에 연결된다. 상기 제1 출력 단자에서의 전압은 VHall_P와 동일하다.
상기 홀 쿼드 요소(202)가 자기장에 노출될 때, 전압 VHall_N 또한 각각의 상기 플레이트들(102a-102d)의 상기 제4 콘택에서 발생된다. 각각의 상기 플레이트들(102a-102d)의 상기 제4 콘택들은 상기 제2 출력 단자(204b)에 연결된다. 즉, 상기 제2 출력 단자(204b)는 상기 플레이트(102a)의 제4 콘택(206d), 상기 플레이트(102b)의 제4 콘택(216d), 상기 플레이트(102c)의 제4 콘택(226d) 및 상기 플레이트(102d)의 제4 콘택(236d)에 연결된다. 상기 제2 출력 단자에서의 전압은 VHall_N과 동일하다.
상기 홀 쿼드 요소(202)의 전압 출력은 VHall_P―VHall_N과 동일하다. 상기 홀 쿼드 요소(202)의 저항은 RHallQuad＝RHall/4와 동일하다.
도 3을 참조하면, 자기장 센서(300)(예를 들면, 홀 효과 전류 센서)는 나란한 홀 쿼드 요소들(예를 들면, 홀 쿼드 요소(202a), …, 홀 쿼드 요소(202N)) 및 초퍼 안정화 증폭기(chopper stabilized amplifier)(304)를 포함한다. 상기 초퍼 안정화 증폭기(304)는 제1 입력 단자(332) 및 제2 입력 단자(334)를 포함한다. 상기 초퍼 안정화 증폭기(304)는 또한 스위치(322), 전단 홀 증폭기(front end Hall amplifier)(324) 및 스위치(326)를 포함한다.
상기 홀 쿼드 요소(202a)는 제1 출력 단자(312a) 및 제2 출력 단자(314a)를 포함하고, 상기 홀 쿼드 요소(202N)는 제1 출력 단자(312N) 및 제2 출력 단자(314N)를 포함한다. 자기장에 노출될 때, 상기 제1 출력 단자들(312a-312N)은 전압 VHall_P를 가지며, 상기 제2 출력 단자들은 전압 VHall_N을 가진다. 상기 제1 출력 단자들(312a-312N)은 함께 상기 초퍼 안정화 증폭기(304)의 상기 입력 단자(332)에 연결되고, 상기 제2 출력 단자들(314a-314N)은 상기 초퍼 안정화 증폭기(304)의 상기 제2 입력 단자(334)에 연결된다.
상기 홀 쿼드 요소들(202a-202N)을 병렬로 배치함에 의해, 결합된 홀 오프셋(상기 모든 홀 쿼드 요소들의 네트(net) 오프셋)이 더 감소된다. 상기 홀 쿼드 요소들(202a-202N)을 병렬로 두는 것은 또한 각 홀 쿼드 요소에 대해 상기 쿼드 홀 플레이트 대칭을 유지하게 한다. 쿼드 홀 플레이트의 이점은 오프셋들로부터 유도되는 스트레스를 제거하는 것이다. 이는 다만 오프셋들에 기초하는 구성(콘택들의 오정렬 등)이 트림되어 제거되게 한다. 단일의 홀 플레이트를 초핑하는 것은 오프셋의 양 소스들을 제거한다. 초핑이 이용되지 않을 경우, 스트레스에 기초하는 오프셋들은 온도 및 수명에 대해 예측될 수 없기 때문에 쿼드 홀 플레이트들을 사용하는 것이 중요하다. 이들을 제거함에 의해, 이후에 단지 오프셋들에 기초하는 구성이 트림으로 제거되며, 이러한 점은 온도 및 수명에 대해 상대적으로 일정하거나 예측 가능할 것이다.
보다 낮은 홀 저항 및 보다 높은 홀 커패시턴스로, 상기 전단 증폭기(324)는 높은 주파수에서 초프될 수 있다. 이는 전체 홀 플레이트 저항의 정착 시간과 상기 홀 커패시턴스 및 상기 전단 홀 증폭기(324)의 입력 커패시턴스의 병렬 결합뿐만 아니라 상기 홀 커패시턴스에 대한 상기 증폭기 커패시턴스의 비율을 기초로 한다. 그렇지 않으면, 상기 전단 홀 증폭기(324)의 오프셋이 상기 시스템의 오프셋을 지배할 수 있다.
여기에 더 설명되는 바와 같이, 최소한의 한계인 고유의 홀 쿼드 요소 시상수(RHallQuad*CHallQuad)에 점근적으로 접근할 수 있지만, 상기 증폭기의 입력 커패시턴스 CInAmp의 효과는 홀 쿼드 요소들의 숫자의 증가에 의해 감소된다.
상기 전단 홀 증폭기(324)에 의해 수신되는 전압은 다음 식과 동일하고,
Figure 112017105333007-pct00001
여기서,
Figure 112017105333007-pct00002
이고, 상기 시상수는 다음 식과 동일하며,
Figure 112017105333007-pct00003
여기서, N은 상기 홀 쿼드 요소들의 숫자와 동일하고, CInAmp는 상기 전단 홀 증폭기(324)의 입력 커패시턴스이며, CHallTotal은 상기 홀 쿼드 요소들의 커패시턴스이고, RHallTotal은 상기 홀 쿼드 요소들의 저항이므로, 병렬로 홀 쿼드 요소들을 추가하는 것은 RHallQuad*CHallQuad를 향해 동일하게 되는(즉, N이 커짐에 따라) 상기 시상수 R*C를 감소시킨다. 동시에, 상기 입력 커패시턴스 CInAmp에 대한 상기 홀 쿼드 커패시턴스 CQuadTotal의 비율이 증가한다. 상기 전단 증폭기(324)가 초프될 때, 상기 입력 커패시터 상의 전하가 상기 홀 커패시턴스 CHallTotal로 들어가며 앞서의 시상수에서 해결되어야 하는 스텝 전압(voltage step)을 야기한다. 상기 커패시턴스의 비율이 증가함에 따라, 상기 스텝 전압이 감소되며, 에러가 원하는 정확도 이하로 진행되는 한 대기하지 않아도 되는 것을 의미한다. 이는 원래의 홀 플레이트가 초프될 수 있는 경우보다 높은 주파수에서 초프할 수 있는 것을 의미하며, 보다 빠른 대역폭 부분을 가져온다. 또한, 극단에서, 여기에 설명되는 바와 같이, 상기 스텝 전압은 상기 초핑 주파수가 회로부 내의 다른 것에 의해 실제로 제한되고, 초핑으로부터 이러한 정착의 정확도는 아니도록 작다.
특정한 일 예에 있어서, 상기 시상수는 약 5ns이고, 여기서 RHallQuad는 약 4.4kohm의 실효 소스 저항을 가지며, CHallQuad는 약 0.8pF이고, CInAmp는 약 1.1pF이다.
특정한 일 예에 있어서, 세 개의 홀 쿼드 요소들이 가장 우수한 신호 대 잡음비를 얻기 위해 병렬로 전류 센서의 전도 루프(conduction loop)(예를 들면, 도 4의 전도 루프) 내에 배치된다. 상기 전단 홀 증폭기(324)가 이후에 상기 전단 홀 증폭기(324) 내의 오프셋들을 제거하기 위해 초프될 수 있다.
다른 예에 있어서, 에피택셜 레지스터(epitaxial resistor)들이 상기 오프셋들 및 시상수를 감소시키기 위해 상기 홀 쿼드 요소들과 병렬로 배치된다. 그러나, 면적과 신호 대 잡음 사이에는 상호 절충이 존재한다. 즉, 에피택셜 레지스터들을 사용하는 것은 보다 작은 면적을 차지하지만, 신호 대 잡음이 나빠진다.
도 4를 참조하면, 다른 실시예에서, 자기장 센서(300)(예를 들면, 홀 효과 전류 센서)는 평행한 홀 쿼드 요소들(예를 들면, 홀 쿼드 요소(402a), 홀 쿼드 요소(402b), 홀 쿼드 요소(402c) 및 홀 쿼드 요소(402d))을 포함할 수 있다. 상기 홀 쿼드 요소들(402a-402d)은 각기 제1 콘택들(412a-412d) 및 제2 콘택들(414a-414d)을 포함한다. 자기장(예를 들면, 자기장(418))에 노출될 때, 상기 제1 콘택들(412a-412d)은 전압 VHall_P를 가지며, 상기 제2 콘택들(414a-414d)은 전압 VHall_N을 가진다. 이러한 구성에서, 짝수의 홀 쿼드 요소들은 전류 전도 루프(410)의 대향하는 측부들 상에 배치된다. 예를 들면, 홀 쿼드 요소들(402a, 402c)은 상기 홀 쿼드 요소들(410c, 410d) 보다 전도 루프(410)의 대향측들 상에 있다. 이러한 구성은 전류 흐름(408)에 의해 상기 전도 루프(410) 내에 발생되는 상기 자기장(418)의 검출을 가능하게 하며, 상기 전도 루프(410)의 대향하는 측부들 상의 상기 홀 쿼드 요소들(410c, 410d)을 반대의 극성으로 연결함에 의해 어떠한 외부 자기장도 제거되게 한다. 즉, 상기 홀 쿼드 요소들(402a, 402b)의 상기 제1 출력 단자들(412a, 412b)은 상기 홀 쿼드 요소들(402c, 402d)의 상기 제2 출력 단자들(414c, 414d)에 연결되고, 상기 홀 쿼드 요소들(402a, 402b)의 상기 제2 출력 단자들(414a, 414b)은 상기 홀 쿼드 요소들(402c, 402d)의 상기 제1 출력 단자들(412c, 412d)에 연결된다. 비록 도 4가 상기 루프(410)의 각 측부 상의 두 개의 홀 쿼드 요소들을 도시하지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 각 측부 상의 상기 홀 쿼드 요소들의 숫자가 두 개로 제한되지는 않는 점을 이해할 수 있을 것이다.
해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 여기에 설명되는 기술들이 홀 쿼드 요소들에 한정되는 것은 아니며, 오히려 상기 홀 쿼드 요소들이 다른 홀-형태의 요소(Hall-type element)들로 대체될 수 있는 점을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 홀 듀얼 요소(Hall dual element)(500)(도 5)가 사용될 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 두 개의 듀얼 요소들(600)이 사용될 수 있다(도 6). 또 다른 실시예들에 있어서, 홀 옥탈 요소(Hall octal element)(700)가 사용될 수 있다(도 7). 도 8에 도시된 바와 같이, 홀 옥탈 요소를 이용하여, 각 구성(800a-800g)의 하나에 대해 상기 홀 전압이 여덟 번 측정된다. 예를 들면, 상기 구성(800a)에서, 콘택들(806a-806b)로부터 전류가 흐르며, 상기 홀 전압이 콘택들(806c-806d) 사이에서 측정된다. 나머지 구성들(800b-800g)까지 확장될 때, 상기 다이 상의 스트레스나 다른 효과들이 평균으로 된다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 4-면(홀 쿼드 요소) 및 8-면(홀 옥탈 요소) 이외에 6-면, 10-면, 12-면 등과 같은 다른 짝수 면의 홀-형태의 요소들이 사용될 수 있다. 짝수 면의 홀-형태의 요소들만큼 바람직하지는 않지만, 홀수 면의 홀 형태 요소들도 사용될 수 있다. 또 다른 실시예들에 있어서, 사용될 수 있는 또 다른 홀 형태 효소는 원형 수직 홀이다.
여기서 설명되는 다른 실시예들의 요소들은 위에서 구체적으로 설시하지 않은 다른 실시예들을 구현하도록 결합될 수 있다. 단일 실시예의 내용에서 설명되는 다양한 실시예들도 별도로 제공될 수 있거나, 임의의 적절한 하위 결합으로 제공될 수 있다. 여기서 구체적으로 설명하지 않은 다른 실시예들도 다음의 특허 청구 범위의 범주에 속한다.

Claims (25)

  1. 초퍼 안정화 증폭기(chopper stabilized amplifier); 및
    상기 초퍼 안정화 증폭기에 연결되고, 병렬인 복수의 홀-형태 요소(Hall-type element)들을 포함하며,
    상기 홀-형태 요소들은 전도 루프(conduction loop)의 각 측부 상에 동일한 숫자의 홀-형태 요소들을 포함하는 구성으로 배치되고,
    상기 전도 루프 내에 배치되는 상기 홀-형태 요소들은 상기 전도 루프 외부의 상기 홀-형태 요소들보다 반대의 극성으로 배치되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 홀-형태 요소들은 홀 쿼드 요소(Hall quad element), 홀 듀얼 요소(Hall dual element) 또는 홀 옥탈 요소(Hall octal element)의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전도 루프는 U자의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 홀-형태 요소들은 실리콘으로 제조되며,
    상기 센서의 대역폭은 1㎒인 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  5. 초퍼 안정화 증폭기; 및
    상기 초퍼 안정화 증폭기에 연결되고, 병렬인 복수의 홀 쿼드 요소들을 포함하며,
    상기 홀 쿼드 요소들은 전도 루프의 각 측부 상에 동일한 숫자의 홀 쿼드 요소들을 포함하는 구성으로 배치되고,
    상기 전도 루프 내에 배치되는 상기 홀 쿼드 요소들은 상기 전도 루프 외부의 상기 홀-형태 요소들보다 반대의 극성으로 배치되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전도 루프는 U자의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 홀 쿼드 요소는 직사각형 형상의 홀 플레이트(Hall plate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 홀 쿼드 요소는 정사각형 형상의 홀 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 홀 쿼드 요소는 십자가 형상의 홀 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  10. 제 5 항에 있어서, 상기 홀 쿼드 요소는 유사한 형상의 네 개의 홀 플레이트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  11. 제 5 항에 있어서, 상기 복수의 홀 쿼드 요소들과 병렬인 에피택셜 레지스터(epitaxial resistor)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  12. 제 5 항에 있어서, 상기 복수의 홀 쿼드 요소들은 실리콘으로 제조되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 센서의 대역폭은 1㎒인 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  14. 제 5 항에 있어서, 상기 센서는 전류 센서인 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  15. 제 5 항에 있어서, 상기 홀 쿼드 요소의 저항은 4.4kohm이고, 상기 홀 쿼드 요소의 커패시턴스는 0.8pF이며,
    상기 초퍼 안정화 증폭기의 입력 커패시턴스는 1.1pF인 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
  16. 전류 센서에 있어서,
    초퍼 안정화 증폭기; 및
    상기 초퍼 안정화 증폭기에 연결되고, 병렬인 복수의 홀 쿼드 요소들을 포함하고, 상기 복수의 홀 쿼드 요소들은 실리콘으로 제조되며,
    상기 전류 센서는 1㎒의 대역폭을 가지고,
    상기 홀 쿼드 요소들은 전도 루프의 각 측부 상에 동일한 숫자의 홀 쿼드 요소들을 포함하는 구성으로 배치되며,
    상기 전도 루프 내에 배치되는 상기 홀 쿼드 요소들은 상기 전도 루프 외부의 상기 홀 쿼드 요소들보다 반대의 극성으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 전도 루프는 U자의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 홀 쿼드 요소는 정사각형 형상의 홀 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 홀 쿼드 요소는 십자가 형상의 홀 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 홀 쿼드 요소는 유사한 형상의 네 개의 홀 플레이트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
  21. 제 16 항에 있어서, 상기 복수의 홀 쿼드 요소들과 병렬인 에피택셜 레지스터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 센서.
  22. 제 16 항에 있어서, 상기 홀 쿼드 요소의 저항은 4.4kohm이고, 상기 홀 쿼드 요소의 커패시턴스는 0.8pF이며,
    상기 초퍼 안정화 증폭기의 입력 커패시턴스는 1.1pF인 것을 특징으로 하는 전류 센서.
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
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