KR20040081200A

KR20040081200A - 자기장 센서

Info

Publication number: KR20040081200A
Application number: KR10-2004-7012438A
Authority: KR
Inventors: 완홍; 굇츠제이알
Original assignee: 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date: 2002-02-11
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2004-09-20
Also published as: JP2005517937A; WO2003069690A3; AU2003215132A8; AU2003215132A1; WO2003069690A2; US20030151406A1; US6984978B2; EP1481256A2; CA2476243A1

Abstract

본 발명에 따른 집적화된 자기장 센싱 장치는 전체 컨덕터에 의하여 제1 방향으로 바이어스되고, 상기 제1 방향에 대하여 수직 방향에서 자기장 요소들에 대하여 민감한 적어도 두 개의 자기저항 소자들을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 장치의 자기장에 대한 민감도는 조절가능하고 상기 바이어스 전류의 레벨에 연관된다. 전류 측정에 응용되는 경우에 있어서, 두개의 자기장 센싱 장치들은 측정될 전류를 전달하는 컨덕터에 수직인 반대 측면들 상에 실장된다. 휴대용 전류 측정 장치에 있어서, 두 개의 자기장 센서들은 측정될 전류를 전달하는 컨덕터와 연관되는 자기장 센서들을 배치시키는 것을 돕는 하우징안에 실장된다.

Description

자기장 센서{MAGNETIC FIELD SENSOR}

매우 작은 자기장을 센싱(sensing)하는 장치(device)는 퍼멀로이(Permalloy^TM)와 같은 물질로 이루어진 자기저항(magnetoresistive) 필름으로 형성된 스트립을 사용하여 제작된다. 필름의 자화는 필름에 흐르는 전류와 각도를 형성하고, 필름의 저항은 이 각도에 따라 변한다. 필름의 자화가 전류와 평행을 이룰 때, 저항은 최대이고, 전류와 수직을 이룰 때, 저항은 최소값을 갖는다.

자기장 센싱 장치는, 예를 들어 자동차에서 자기 신호 또는 파워 아이솔레이션(isolation), 고체 나침반(solid state compassing); 전류 측정 장치; 예를 들어 금속 탐지와 같은 시그너쳐(signature) 탐지; 및 예를 들어, 위치 검출과 같은 거리(anomaly) 탐지 등을 포함하되 이에 한정되지 않는 많은 적용분야에서 사용될수 있다.

고체 나침반은 예를 들어, 시계와 같은 개인용 아이템에서 사용될 수 있다. 위치 검출은 환자의 신체 내에 카테터(catheter)와 같은 의학 장비의 위치를 검출하는데 사용될 수 있다. 이러한 응용분야에서는 종래의 장치보다 더 작은 크기를 가지며 더 작은 파워를 요구하는 자기장 센싱 장치를 요구해 왔다.

또한, 본 발명은 자기장 센싱 장치 및 전류를 센싱하고 측정하는 응용분야에서 자기장 센싱 장치의 사용에 관한 것이다. 다양한 자기장 센싱 기술이 전류를 측정하는데 사용되었다. 전류 센싱은 홀 효과 변환기(Hall Effect transducer)를 사용하여 수행될 수 있다. 일례로, 측정될 전류를 전달하는 코일을 갖는 전자석이 자기장을 생성한다. 홀(Hall) 장치는 전류에 비례하는 자기장을 센싱하는데 사용된다. 폴 피스(pole piece)가 홀 장치가 위치한 곳의 자기장을 집중시키는데 사용된다. 다른 예에서, 측정될 전류는 에어 갭(air gap)을 갖는 소프트 철 코어(iron core) 상의 코일에 흐른다. 홀 장치는 전류에 의해 생성된 자기장을 센싱하기 위해 에어 갭 내에 위치한다. 이 기술은 측정될 전류에 의해 생성되는 자기장에 대향하는 철 코어 상에서 조정할 수 있고 알려진 전류를 전달하는 제2 보상 코일을 위치시킴으로써 수행될 수 있다. 이어 홀 장치는 측정될 전류를 전달하는 코일로부터의 자기장이 보상 코일로부터의 자기장에 의해 0이 될 때 조건을 센싱한다. 각 코일의 권선 수는 측정될 전류에 대해 알려진 전류를 연관시키는데 사용된다. 전술한 방법의 잇점은 전류 측정 장치가 측정될 전류를 전달하는 회로에 삽입될 수 있다는 것이다.

비접촉 클램프-온(clamp-on) 전류 측정 장치는 측정 장치를 삽입하기 위해 회로를 변경할 필요 없이 전류를 전달하는 도체에서 직류 및 교류 전류를 측정하는 편리한 수단을 제공한다. 도체에서 이루어지는 비접촉 전류 측정 방법은 변압기와 같은 구조로 전류 전달 도체를 둘러싸거나 거의 둘러싸도록 배치된 철 또는 철을 함유한 다른 자성 물질을 사용한다. "전류 클램프(clamp)" 또는 "클램프-온 전류 프로우브(probe)"라 불리기도 하는 이러한 방법은 와이어 및 다른 도전체에서 교류 전류를 측정하는데 폭넓게 적용된다. 이 장치는, 예를 들어, 1 mA/A 또는 1mV/A와 같이 측정에 편리한 비(ratio)로 설계된 변압기와 같은 구조를 갖는 폐쇄되거나 거의 폐쇄된 자기 회로를 이용하여 장치를 둘러쌈으로써 교류 전류를 신속하게 측정하는 수단을 제공한다. 이 클램프-온 전류 프로우브의 출력은 측정기에 의해 판독되거나 멀티미터(multimeter)로 와이어를 통해 부착된다. 또한, 전자 표시장치가 전류 값을 표시하기 위해 사용될 수 있다. 자성 물질을 사용하는 것과 이러한 물질로 전류 전달 도체를 둘러싸야 하는 것은 단점이 된다.

전류를 측정하는 다른 비접촉식 방법은 홀 효과를 이용한다. 자기장이 영역에 위치한 홀 소자(element)가 자기장에 비례하는 출력전류를 제공한다. 알려진 전류 변환기가 토로이드 형태의(toroidal) 코어(core)의 갭 내에 배치된 홀 효과 장치를 사용한다. 관찰되는 전류를 전달하는 도체가 토로이드(toroid)를 관통하도록 배치된다. 홀 효과 소자는 도체 내의 전류로 인한 토로이드 형태의 코어 내에서의 MMF의 유도로부터 생성되는 자속(flux)을 직접 측정한다. 홀 소자 장치는 와이어 및 다른 도체 내의 교류 및 직류 비접촉 전류 측정에 사용되기도 하며, 교류 클램프-온 전류 프로우브의 제작자 및 판매자로부터 구할 수 있다.

또한, 자기저항 센서 및 측정된 회로에 전기적 연결을 필요로 하는 특정 전류 측정 장치가 알려져 있다. 예를 들어, 센서가 회로판의 일측에 실장되며, 내부 자기 정렬(alignment) 및 센서의 바이어싱(biasing)을 위한 자기장을 제공하기 위해 센서가 실장된 회로판의 동일한 측의 센서 반대 가장자리 근처에 영구자석이 함께 실장된다. 측정될 전류를 전달하는 코일은 회로판의 타측에 센서와 대향하여 실장된다. 낮은 전류 측정 응용분야에서, 코일은 많은 수의 권선일 수 있으며, 높은 전류 측정 응용분야에서, 코일은 U자형 대형 도체로 구성되며 U자의 단부에 전기적 연결이 이루어진다. 이러한 장치에서, 전류 센서의 민감도(sensitivity)는 자석의 세기와 위치에 따른다. 자석의 매칭(matching) 특성은 전류 센서의 정확도 및 선형성에 큰 영향을 미친다. 이와 같은 타입의 장치 내에서 동일한 공간 및 정렬을 확보하기 위해 예를 들어 아교로 부착하는 것에 의해 자석을 부착하는 것이 불가능한 것 또한 센서의 정확도 및 선형성에 영향을 미친다. 따라서 전류가 측정되는 도체를 둘러싸기 위한 자화 물질 또는 자속 밀도를 증가시키기 위한 자화 물질을 사용할 필요 없는 전류 측정 장치의 필요성이 있다.

본 발명은 일반적으로 자기장 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 반도체 다이(die) 상에 형성되며, 영역(domain) 설정, 캘리브레이션(calibration), 바이어스 또는 오프셋(offset) 자기장 설정, 피드백(feedback) 자기장 제공, 센서 전달 특성과 같은 기능 또는 그 외 자기장을 요구하는 기타 기능에 대해 자기장의 사용을 요구하는 통합(integrated) 자기장 센서에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 교시한 바에 따른 자기장 센싱 장치의 상면도이다.

도 2a 및 2b는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)의 두 개 레그(leg)에서의 자화 방향과 전류 흐름 사이의 각을 도식적으로 나타낸다.

도 3은 본 발명의 원리에 따른 전류 측정 장치를 구조적으로 나타낸다.

도 4는 도 3의 구조에 따른 전류 측정 장치의 평면도이다.

제1 관점에서, 본 발명은, 전체(integral) 도체에 의해 제1 방향으로 바이어스(bias)되며 상기 제1 방향에 수직 방향인 자기장 성분에 반응하는 적어도 두 개의 자기저항 소자를 포함하는 통합 자기장 센싱 장치를 제공함으로써 상기 필요성 및 다른 필요성을 해결하기 위한 것이다.

제2 관점에서, 두 개의 자기장 센싱 장치가 하나의 하우징에 실장되며, 실제로 상기 두 개의 자기장 센싱 장치는 측정되는 전류를 전달하는 도체의 양측에 수직으로 위치한다.

본 발명의 원리에 따른 자기장 센싱 장치가 도면들에 나타나 있으며, 일반적으로 참조번호 10으로써 지시된다. 도 1은 본 발명에 따른 자기장 센서에 대한 윈 집적회로 배치를 나타낸다. 자기장 센서(10)는 집적회로 기술을 사용하여 반도체 기판(12) 상에 형성된다. 네개의 자기저항 소자들(14, 16, 18, 및 20)이 도시된 바와 같이 휘트스톤 브리지에 상호 연결되어 있으며, 동일한 방향에서의 전류 흐름을 위하여 서로 대향하는 자기저항 소자들(14 및 20)과, 동일한 방향에서의 전류 흐름을 위하여 서로 대향하는 자기저항 소자들(16 및 18)를 갖는다. 22와 24 사이에 전압이 인가될 수 있으며, 상기 브리지의 출력은 26 및 28 사이에서 취할 수 있다.

바이어스 필드 컨덕터(bias field conductor) 또는 코일(coil) 또는 전류 스트랩(current strap)(30)이 패드(32)와 패드(34) 사이에 연결된다. 컨덕터(30)는패드(32)로부터 패드(34)의 시계방향으로 연장되는 나선형상을 갖는다. 컨덕터(30)는 자기저항 소자들(14 및 18) 위로 지나가는 세그먼트들(36)과, 자기저항 소자들(16 및 20) 위로 지나가는 세그먼트(38)를 포함한다. 컨덕터(30)에 전류(31)를 공급하기 위하여 패드(32)와 패드(34) 사이에 전압이 인가될 수 있다. 컨덕터(30)의 세그먼트들(36)에서의 전류는 소자들(16 및 18) 내에서 좌측으로부터 우측으로 자기장 또는 바이어스 필드를 생성할 것이다. 세그먼트(38) 내의 전류는 소자들(16 및 20) 내에서 좌측으로부터 우측으로 바이어스 필드를 생성할 것이다.

실제 사용되는 경우에, 장치(10)는 바이어스 필드 또는 초기 자화 방향에 수직한 방향으로 자기장 요소들에 민감할 것이다. 도 2a를 참조하면, 소자(14) 내에서의 전류의 방향은 40으로 나타난다. 바이어스 필드(42)에 수직한 방향에서 자기장 요소들이 없는 경우에, 전류 방향(40)과 바이어스 필드 방향(42) 사이에 약 45도의 각이 존재할 것이다. 바이어스 필드(42)에 수직한 방향에서 자기장 요소들(42)이 존재할 때, 자화 방향은 42a 방향으로 회전하고 각 θ₁은 전류방향(40)과 자화방향(42a) 사이에 형성된다.

도 2b를 참조하면, 소자(16) 내에서의 전류 방향은 참조번호 46으로 나타난다. 바이어스 필드(46)에 수직한 방향에서 자기장 요소들이 존재하지 않는 경우에는, 전류방향(46)과 바이어스 필드 방향(42) 사이에는 약 135도의 각이 존재할 것이다. 바이어스 필드에 수직한 방향에서 자기장 요소들(44)이 존재할 때, 자화 방향은 42b 방향으로 회전하고 각 θ₂는 전류방향(46)과 자화방향(42b) 사이에 형성된다.

바이어스 필드(42)가 충분한 크기를 갖는 경우, 자기저항 소자들(14, 16, 18, 및 20)의 자화는 상기 바이어스 필드와 동일한 방향으로 정렬된다. 인가된 자기장 요소들(44)이 존재할 때, 도 2a에서 42a 방향으로의 소자(14) 내의 자화 회전양(42)과, 도 2b에서 42b 방향으로의 소자(16) 내의 자화 회전양(42)은 자기 요소들(44)뿐만 아니라, 바이어스 필드(42)의 크기에 따라서 달라진다.

초기에 자화를 정렬하도록 필요한 레벨 이상의 바이어스 필드의 크기(42)는 상기 민감도는 더 높게 되도록, 즉 상기 필드 범위가 더 높은 바이어스 필드에 대한 경우보다 더 낮게 되도록, 장치(10)의 민감도에 영향을 미친다. 따라서, 본 발명의 원리에 따라서, 바이어스 필드(42)의 크기는 상기 민감도 또는 장치(10)의 필드 범위를 조절하기 위하여 다양한 레벨들에서 동작할 수 있다.

자기장 센싱 장치들이 전류 측정 응용예들을 포함하여 다양한 응용예에 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 전류가 측정되도록 전달하는 컨덕터는 상기 측정되는 전류가 자기장 요소들(44)의 방향에서 자기장 요소들을 제공하도록 배열될 수 있다. 상기 컨덕터는 장치(10)의 전체 부분으로서 형성될 수 있거나 또는 장치(10)으로부터 분리될 수 있다. 상기 컨덕터는 코일로 형성될 수 있다. 자기장 센싱 장치들을 사용하는 전류 측정 회로에 대한 다른 실시예가 도 3에 나타나고 있으며, 상기 지면 방향으로 흐르고 원(50)으로 도시된 바와 같이 자기장을 생성하는 전류를 갖는 전류 전달 컨덕터(48)를 포함한다. 단순화를 위하여 상기 자기장을 더 표시할 부가적인 동심원들은 도시되지 않는다. 도 1의 회로는 센서 A와 센서 B에서 도시된바와 같이 반도체 상에 형성되고 패키지되는 것으로 가정한다. 센서 A는 연결들(32 및 34)을 제공하는 핀들(32a 및 34a)과, 연결들(22 및 24)을 제공하는 핀들(22a 및 24a)과, 연결들(26 및 28)을 제공하는 핀들(26a 및 28a)을 포함한다. 센서 B는 연결들(32 및 34)을 제공하는 핀들(32b 및 34a)과, 연결들(22 및 24)을 제공하는 핀들(22b 및 24b)과, 연결들(26 및 28)을 제공하는 핀들(26b 및 28b)를 포함한다. 전류 공급(52)이 센서 A의 핀(22a)과 센서 B의 핀(22b)에 연결된다. 센서 A의 핀(24a) 및 센서 B의 핀(24b)이 접지에 연결된다. 상기 컨덕터에 대한 전류, 또는 코일 또는 스트랩(30)이 전압(54)로부터 전압디바이더(voltage divider)(55) 및 센서 A의 핀(32a)과 센서 B의 핀(32b)에 연결된 스위치(56)를 통하여 제공된다. 상기 전압(54)과 전압디바이더(55)의 기능은 물론 마이크로프로세서(74) 또는 다른 수단들에 의하여 구현될 수 있다. 센서 A의 코일(30)내의 전류에 의하여 제공되는 바이어스 필드의 방향은 화살표(33)에 의하여 나타나며, 센서 B의 코일(30) 내의 전류(57b)에 의하여 제공되는 바이어스 필드의 방향은 화살표(35)에 의하여 나타난다. 센서 A의 출력은 증폭기(58)의 입력에 해당하는 핀(26a) 및 핀(28a)에서 사용가능하며, 상기 증폭기(58)는 출력(60)을 갖는다. 센서 B의 출력은 증폭기(62)의 입력에 해당하는 핀(26b) 및 핀(28b)에서 사용 가능하며, 상기 증폭기(62)는 출력(64)을 갖는다. 출력(60)과 출력(64)는, 출력(68)을 갖는 증폭기(66)의 입력에 해당한다. 컨덕터(48) 내에서 주어진 전류에 대한 하나의 값의 자기장(50)에 대하여, 센서 A의 출력(26a, 28a)은 하나의 극성을 갖을 것이고, 센서 B의 출력(26b, 28b)는 반대 극성을 갖을 것이다. 센서 A의 출력과 센서 B의 출력은 그 결과가 센서 A 또는 센서 B의 크기의 두 배의 신호가 되도록 감산될 수 있도록 연결된다. 증폭기(66)의 출력(68)은 아날로그-디지털 컨버터 또는 A/D(70)의 입력이고, A/D(70)의 디지털 출력은 마이크로프로세서(74)의 입력이다. 전압디바이더(55)와 스위치(56)는 마이크로프로세서(74)에 의하여 제어된다. 마이크로프로세서(74)는 디지털 신호(72)를 주기적으로 수신하는 알고리즘을 사용할 수 있도록 적절히 프로그램되며, 신호를 제공하거나 컨덕터(48) 내의 전류를 나타내는 디스플레이(76)에 의존하는 PIC12C58과 같은 저전력 및 낮을 수행능력을 갖는 프로세서인 것이 바람직하다. 따라서 센서 A에서의 자기장의 강도 H_A는 다음의 등식에 의하여 주어지며,

여기서, H_S는 에르스텟(Oe) 단위의 표류 자기장이고,

I는 암페어 단위의 컨덕터에서의 전류이며,

R은 센티미터 단위의 컨덕터(48)의 중심으로부터 센서 A까지의 거리를 나타낸다.

이와 유사하게, 센서 B에서의 자기장 강도는 다음과 같이 주어진다.

브리지 공급 전압(52)은 V_CC라고 가정하면, 센서 A의 26a, 28a에서의 전압 출력 V_AO은 다음과 같이 주어지며,

V_AO=V_CCS_AH_A+V_OA

여기서 S_A는 mV/V/Oe 단위의 센서 A의 강도이고,

V_OA는 볼트 단위의 센서 A의 오프셋이다.

센서 B의 26b, 28b에서의 전압 출력 V_BO는 다음과 같이 주어지며,

V_BO=V_CCS_BH_B+V_OB

여기서 S_B는 mV/V/Oe 단위의 센서 B의 강도이고,

V_OB는 볼트 단위의 센서 B의 오프셋이다.

강도 S는 다음과 같이 주어지며,

은 퍼멀로이 필름(Permaloy film)에 의하여 결정되며, 전형적으로 0.03의 값을 갖고,

H_bias는 상기 바이어스 전류에 의하여 야기되는 자기장 강도이다.

H_bias=CI_bias

C = 약 0.02 Oe/mA의 전형적인 값의 코일 디자인에 의하여 결정되는 코일 상수.

H_S는 5-10 Oe의 범위에서의 전형적인 값의 물질 및 소자에 의하여 결정되는퍼멀로이 소자의 비등방성(anisotropy) 필드이다.

S_A=S_B라고 가정하면, 증폭기(66)의 출력(68)은,

V_{system output}= M(V_AO-V_BO)

여기서 M은 증폭기들(58, 62 및 66)의 증폭도에 연관된 증폭 인자이다.

본 발명의 원리에 따르면, 센서 A 및 센서 B의 민감도는 증가하는 전류를 이용하여 전류(57)를 조절함으로써 상기 민감도를 감소시키며 변화할 수 있다.

이제 도 3의 전류 측정 회로의 기본 동작이 설명되며, 많은 변형예들이 제시되고 이해될 수 있다.

도 3의 회로는 다양한 요구들을 충족시킬 수 있도록 활용될 수 있다. 예를 들어, 센서 A 및 센서 B는, 센서 A와 센서 B 사이에 위치한 컨덕터(48)를 갖는 인쇄 배선 기판(PWB) 상의 고정된 위치에 존재할 수 있다. 센서 A 및 센서 B는 상기 PWB에 수직하게 실장되거나, 상기 PWB에 평행하게 실장될 수 있다. 도 3은 컨덕터(48)의 어느 한 측면상에서 수직으로 위치하고 또한 컨덕터(48)와 함께 정렬된 센서 A 및 센서 B를 나타낸다. 이와 같은 구조에서, 센서 A와 센서 B는 컨덕터(48)의 아래에 위치할 수 있고, 이 경우에 감지된 y요소는 감소될 것이며, 이러한 감소는 잘 알려진 수단을 이용하여 수직(y요소) 및 수평(x요소)를 분해함으로써 전류 계산에 있어서 고려하는 것이 필요할 것이다. 계산에 있어서 최적의 정확성과 단순화를얻기 위하여, 센서 A의 평면과 센서 B의 평면이 측정될 전류를 전달하는 컨덕터와 수직인 관계를 유지하고, 이들이 상기 컨덕터로부터 동일한 거리에 위치하며, 이들이 상기 컨덕터를 통하여 연장되는 라인 상에 위치한다는 것이 중요하다. 도 3의 회로와 같이 동작하는, 전류 측정 장치(80)이 도 4에 도시된다. 장치(80)은 비전도성 사출 물질(nonconductive molded material)로 형성되고 하부(82)와, 제1 레그(84), 및 컨덕터(48)의 반대 측면으로 연장되어 C-형태로 형성되는 제2 레그(86)를 포함한다. 장치(80)는 두 개의 자기장 센셍 장치들(10)를 실장되도록 함으로써, 이들이 전류 전달 컨덕터(48)의 반대 측면들에 위치하도록 제어된 공간적 관계를 갖도록 한다. 물질(88)은 상기 사이의 공간를 점유하고, 예를 들어 레그(84)의 내부면 및 레그(86)의 내부면에 접착함으로써 보호된다. 물질(88)은 컨덕터가 레그(84)와 레그(86) 사이의 중심에 위치할 수 있도록, 장치(80)이 배열될 때 저항성을 제공하는 비자기성의 탄력적인 스폰지같은 물질이다. 물질(88)은 자성체가 아닌 이상, 황동과 같은 금속이 될 수 있다. 물질(88)은 변형되지 않을 것이 요구되나, 바람직하게는 컨덕터(48)의 크기 범위에 대하여, 컨덕터(48)가 레그(84)와 레그(86) 사이의 중앙에 적절하게 위치될 수 있도록, 충분한 저항을 제공할 것이 요구된다. 물질(88)은 다양한 크기의 컨덕터(48)를 수용하도록 의도되며, 상기 물질의 성질에 따라, 컨덕터(48)를 중앙에 위치하도록 슬릿(slit)(89)을 포함할 수 있다.

마이크로프로세서(74), 관련 회로 및 디스플레이(76)는, 장치(80)를 고정하기 위하여 사용될 수 있는 장치(80)의 하부(82)에 실장될 수 있다.

도 3의 회로에서, 증폭기(66)의 출력(68)은 센서 A 및 센서 B의 출력에서의차이를 나타낸다. 이와 같은 방식으로 연결될 때, 지구 자기장과 같은 원하지 않거나 또는 표류 필드의 영향이 제거될 수 있으며, 이는 센서 A와 센서 B가 모두 상기 지구 자기장을 감지하기 때문이다. 일부 응용예에서는, 상기 센서 A와 센서 B를 다른 방식으로 연결하는 것이 바람직하다.

마이크로 프로세서(74)는 상기 전류를 바이어스 컨덕터 또는 스트랩(30)에 듀티 사이클(duty cycle)하기 위하여 적절하게 프로그램될 수 있다. 듀티 사이클하는 것은 적은 전력이 장치(10) 내에 흩뜨려지게 하는 이점이 있다. 50 가우스(gauss)의 필드 강도를 제공하기 위해서 가우스 당 5 밀리암페어(am)의 스트랩(strap)은 250 mA를 필요로 한다는 것을 고려해야 한다. 자기저항 효과에 대한 반응은 매우 빠르다. 그 대역폭은 전형적으로 1에서 50 MHz의 범위이다. 도 3의 회로는, 예를 들어 밀리암페어 범위에서 1000암페어까지의, 넓은 전류의 범위를 측정하는데 사용할 수 있다.

게다가, 마이크로 프로세서(74)는 전송 목적을 위하여 스트랩(30) 내의 전류를 변조할 수 있도록 적절하게 프로그램될 수 있다. 이러한 응용에서는, 스트랩(30)에 부과된 높은 주파수 AC 신호는, 이른바 AM 무선 변조와 유사한, 센서 데이터의 무선 전송에 사용될 수 있는 "합산 및 차이" 신호들을 생성하는 출력을 발생시킬 것이다. 이러한 센서들은 높은 대역폭을 갖기 때문에, 5에서 10 MHz 범위의 신호들이 얻어질 수 있다. 상기 스트랩을 변조하는 것은, 상기 신호를 더 높은 주파수로 이동시킴으로써, 상기 시스템이 DC 오프셋 및 저주파수 잡음을 피할 수 있게 할 것이다.

복조는, 예를 들어 상업 전력선 전류 측정의 경우에 있어서 50/60 Hz의 신호의 "포락선"을 검출함으로써 이루어질 수 있다.

장치(10)가 여러 이점들을 제공할 수 있는 미앤더(meander) 또는 헤링본(herringbone) 형태의 자기저항 소자들의 예를 사용하여 설명된다. 예를 들어, 헤링본 형태의 센서들에 대한 공정은 어떤 다른 형태들의 자기장 센서들에 대하여 요구되는 공정보다 더 간단하다. 게다가, 헤링본 센서들의 내재된 임피던스는 더 높고, 이는 일부 응용예에서는 이점이 있을 것이다. 이러한 헤링본 소자들을 포함하지만 본 발명의 다른 소자들은 포함하지 않는 자기장 센서의 실시예로서는 하니웰 인터내셔널(Honeywell International)에 의하여 제작된 HMC1501이 있다. 그러나, 본 발명의 원리는 또한 여러 형태의 자기저항 소자들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 단락 바(shorting bars)들을 형성하기 위하여 스트립(strips) 상에 놓여진 금속 패턴을 갖는 연장된 퍼멀로이 스트립들로 형성되는 자기저항 소자들에 적용된다. 이러한 기술은 "바버 폴 바이어싱(barber pole biasing)"이라고 불리운다.

장치(10)이 4개의 레그를 갖는 휘트스톤 브리지 배열과 관련하여 설명된 반면에, 단일 전류 소스(source)를 활용하거나 두 개의 전류 소스들을 활용하는 두 개의 브리지들뿐만 아니라 다른 대안의 배열들이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

따라서, 여기에서 개시된 본 발명은 본 발명의 사상 및 일반적인 특징으로부터 벗어나지 않고서 다른 특정 형태에서 구체화될 수 있고, 그 중 일부는 제시되었으며, 여기에서 설명한 실시예들은 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라는 것이 고려되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들에 의하여 제시되고 있으며, 위의 상세한 설명보다도, 상기 청구항들의 의미와 그 균등 범위 내에 포함되는 모든 변형들을 포함하는 것이다.

Claims

적어도 제1 자기장 센싱 소자, 제2 자기장 센싱 소자 및 출력 단자 영역을 갖는 평면 자기장 센싱 수단; 및

상기 제1 자기장 센싱 소자 및 상기 제2 자기장 센싱 소자에서 제1 방향으로 자화의 방향을 설정하기 위해, 최초로 자화를 정렬하기에 충분한 바이어스 자기장을 제공하기 위한 바이어스 전류를 전달하는 도체를 포함하며,

상기 제1 방향에 수직 방향인 자기장 성분에 대한 소정 레벨의 민감도를 가지며, 상기 출력 단자 영역에 상기 바이어스 전류의 레벨에 따른 상기 민감도의 레벨을 출력으로 제공하는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제1항에 있어서,

상기 평면 자기장 센싱 수단은 휘트스톤 브릿지(Wheatstone bridge)의 네 개의 레그(leg)를 형성하는 네 개의 자기저항 소자를 포함하며, 상기 휘트스톤 브릿지의 대향하는 레그는 동일한 방향으로 흐르는 전류를 갖는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제1항에 있어서,

상기 자기장 센싱 소자는 연장된 스트립을 포함하며, 상기 스트립을 통해 흐르는 전류의 방향을 변경시키기 위해 상기 스트립은 그 상부에 겹쳐진 금속 패턴을갖는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제1항에 있어서,

바이어스 전류를 전달하는 상기 도체는 적어도 1회전을 포함하는 코일의 형태인 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제1항에 있어서,

측정될 전류를 전달하는 제2 도체를 더 포함하며,

상기 제2 도체에 흐르는 전류는 상기 바이어스 자기장에 수직인 자기장을 생성하고, 상기 출력은 상기 측정될 전류의 레벨을 지시하는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제1항에 있어서,

제1항에 기재된 것과 같은 제2 장치;

제1항의 상기 장치 및 상기 제2 장치가 공통 평면에 위치하도록, 측정될 전류를 전달하는 도체의 제1 측 상에 제1항의 상기 장치를 지지하고 상기 도체의 타측 상에 상기 제2 장치를 지지하기 위한 수단; 및

제1항의 상기 장치의 출력 및 상기 제2 장치의 출력의 결합을 결정하는 수단을 더 포함하며, 상기 결합은 측정될 전류를 나타내는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제6항에 있어서,

상기 바이어스 전류의 레벨을 변동시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제7항에 있어서,

제1항의 상기 장치의 출력 및 상기 제2 장치의 출력 간의 차를 나타내는 출력을 제공하도록, 제1항의 상기 장치의 출력 및 상기 제2 장치의 출력이 결합되는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제7항에 있어서,

측정될 전류를 전달하는 도체의 제1 측 상에 제1항의 상기 장치를 지지하고 상기 도체의 타측 상에 상기 제2 장치를 지지하기 위한 수단은 제1항의 상기 장치를 지지하는 제1 레그 및 상기 제2 장치를 지지하는 제2 레그를 갖는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제9항에 있어서,

측정될 전류를 전달하는 상기 도체로부터 제1항의 상기 장치까지의 간격 및 측정될 전류를 전달하는 상기 도체로부터 제2 장치 사이의 간격을 동일하게 유지하기 위해 비자성 가변 탄성 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을센싱하기 위한 장치.
제10항에 있어서,

상기 물질은 상기 제1 레그 및 상기 제2 레그 사이에 위치하며, 측정될 전류를 전달하는 상기 도체로부터 제1항의 상기 장치까지의 간격 및 측정될 전류를 전달하는 상기 도체로부터 제2 장치 사이의 간격을 동일하게 유지하기 위해 변형에 대한 충분한 저항을 제공하는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제1, 제2, 제3 및 제4 자기저항 소자와 출력 단자 영역을 갖는 자기장 센싱 수단; 및

제1 방향으로 자기장을 제공하며, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 자기저항 소자에서 상기 제1 방향으로 자화의 최초 방향을 설정하는 바이어스 전류를 전달하는 전체 코일을 포함하며,

상기 자기저항 소자 각각은 제1 및 제2 단자 영역을 가지며, 상기 제1 자기저항 소자의 제1 단자 영역은 상기 제3 자기저항 소자의 제1 단자 영역과 연결되고, 상기 제1 자기저항 소자의 제2 단자 영역은 상기 제2 자기저항 소자의 제2 단자 영역과 연결되고, 상기 제3 자기저항 소자의 제2 단자 영역은 상기 제4 자기저항 소자의 제2 단자 영역과 연결되고, 상기 제2 자기저항 소자의 제1 단자 영역은 상기 제4 자기저항 소자의 제1 단자 영역과 연결되며,

상기 제1 방향에 수직 방향인 자기장 성분에 대한 소정 수준의 민감도를 가지며, 상기 출력 단자 영역에 상기 바이어스 전류의 수준에 따른 상기 민감도의 수준을 출력으로 제공하는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제12항에 있어서,

상기 자기저항 소자는 헤링본(herringbone) 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제12항에 있어서,

상기 자기저항 소자는 바버 폴 바이어싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제12항에 있어서,

제12항에 기재된 것과 같은 제2 장치;

제12항의 상기 장치 및 상기 제2 장치가 공통 평면에 위치하도록, 측정될 전류를 전달하는 도체의 제1 측 상에 제12항의 상기 장치를 지지하고 상기 도체의 타측 상에 상기 제2 장치를 지지하기 위한 수단; 및

제12항의 상기 장치의 출력 및 상기 제2 장치의 출력의 결합을 결정하는 수단을 더 포함하며, 상기 결합은 측정될 전류를 나타내는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제15항에 있어서,

상기 평면 자기장 센싱 수단은 휘트스톤 브릿지(Wheatstone bridge)의 네 개의 레그(leg)를 형성하는 네 개의 미앤더(meander) 형태의 자기저항 소자를 포함하며, 상기 휘트스톤 브릿지의 대향하는 레그는 동일한 방향으로 흐르는 전류를 갖는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제15항에 있어서,

상기 자기장 센싱 소자는 연장된 스트립을 포함하며, 상기 스트립을 통해 흐르는 전류의 방향을 변경시키기 위해 상기 스트립은 그 상부에 겹쳐진 금속 패턴을 갖는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제15항에 있어서,

제12항의 상기 장치의 출력 및 상기 제2 장치의 출력 간의 차를 나타내는 출력을 제공하도록, 제12항의 상기 장치의 출력 및 상기 제2 장치의 출력이 결합되는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한 장치.
제15항에 있어서,

제12항의 상기 장치의 출력 및 상기 제2 장치의 출력의 결합을 결정하는 수단은 처리 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 자기장을 센싱하기 위한장치.
자기저항 센싱 소자, 최초에 제1 방향으로 상기 자기저항 소자의 자화를 정렬하는 바이어스 전류를 전달하기 위한 전체 도체 및 출력 단자 영역을 포함하는 제1 평면 자기장 센서;

자기저항 센싱 소자, 최초에 제1 방향으로 상기 자기저항 소자의 자화를 정렬하는 바이어스 전류를 전달하기 위한 전체 도체 및 출력 단자 영역을 포함하는 제2 평면 자기장 센서;

상기 제1 평면 센서 및 상기 제2 평면 센서가 상기 도체에 수직인 공통 평면상에 위치하도록 상기 제1 자기장 센서를 상기 도체의 일측 상에 위치시키고, 상기 제2 자기장 센서를 상기 도체의 타측 상에 위치시키는 하우징; 및

상기 제1 자기장 센서의 출력 및 상기 제2 자기장 센서의 출력의 결합을 결정하는 수단을 더 포함하며, 상기 결합은 측정될 전류를 나타내는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
제20항에 있어서,

상기 제1 자기장 센서 및 상기 제2 자기장 센서는 휘트스톤 브릿지(Wheatstone bridge)의 네 개의 레그(leg)를 형성하는 네 개의 미앤더(meander) 형태의 자기저항 소자를 포함하며, 상기 휘트스톤 브릿지의 대향하는 레그는 동일한 방향으로 흐르는 전류를 갖는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
제20항에 있어서,

상기 제1 자기장 센서의 출력 및 상기 제2 자기장 센서의 출력 간의 차를 나타내는 출력을 제공하도록, 상기 제1 자기장 센서 및 상기 제2 자기장 센서가 연결되는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
제20항에 있어서,

상기 제1 자기장 센서 및 상기 제2 자기장 센서에서 상기 바이어스 전류를 변동시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
제20항에 있어서,

상기 하우징은 상기 도체의 반대측 상에 연장된 제1 레그 및 제2 레그를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
제24항에 있어서,

상기 제1 레그와 상기 제2 레그 사이에 위치한 비자성 가변 탄성 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
도체 내의 전류를 측정하는 전류 측정 장치에 있어서,

제1 자기장 센서;

제2 자기장 센서;

상기 제1 센서 및 상기 제2 센서가 공통 평면상에 위치하도록 상기 제1 자기장 센서를 상기 도체의 일측 상에 위치시키고, 상기 제2 자기장 센서를 상기 도체의 타측 상에 위치시키는 하우징; 및

상기 제1 자기장 센서의 출력 및 상기 제2 자기장 센서의 출력의 결합을 결정하는 수단을 더 포함하며, 상기 결합은 측정될 전류를 나타내는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
제26항에 있어서,

상기 제1 자기장 센서 및 상기 제2 자기장 센서는 홀(Hall) 형태의 소자인 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
제26항에 있어서,

상기 제1 자기장 센서 및 상기 제2 자기장 센서는 자기저항 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
도체 내의 전류를 측정하는 전류 측정 방법에 있어서,

바이어스 자기장을 제공하기 위해 전체 코일을 갖는 제1 평면 자기저항 자기장 센서를 제공하는 단계;

바이어스 자기장을 제공하기 위해 전체 코일을 갖는 제2 평면 자기저항 자기장 센서를 제공하는 단계;

상기 도체의 제1 측 상에 상기 제1 자기장 센서를 위치시키고, 상기 도체의 타측 상에 상기 제2 자기장 센서를 위치시키는 단계;

상기 전체 코일에 전류를 인가하는 단계;

상기 제1 자기장 센서 및 상기 제2 자기장 센서의 출력을 결정하는 단계; 및

상기 도체에서 전류를 계산하는 단계를 포함하는 전류 측정 방법.
제29항에 있어서,

상기 위치시키는 단계는 상기 도체에 수직인 공통 평면에 상기 제1 및 제2 자기장 센서를 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 방법.
제29항에 있어서,

상기 도체에서 전류를 계산하는 단계는 계산을 위해 마이크로프로세서를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 방법.
제29항에 있어서, 상기 전체 코일에 전류를 인가하는 단계는 상기 전체 코일에 전류를 듀티 사이클(duty cycle)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 방법.