KR20050012774A - 자기장 측정용 센서, 전류 측정 방법 및 보호 스위치 장치 - Google Patents

자기장 측정용 센서, 전류 측정 방법 및 보호 스위치 장치

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KR20050012774A
KR20050012774A KR10-2004-7019651A KR20047019651A KR20050012774A KR 20050012774 A KR20050012774 A KR 20050012774A KR 20047019651 A KR20047019651 A KR 20047019651A KR 20050012774 A KR20050012774 A KR 20050012774A
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South Korea
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current
sensor
magnetic field
magnetoresistive
magnetoresistive sensor
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Application number
KR10-2004-7019651A
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렌센카스-미치엘에이치
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

하전된 입자(charged particles)(3)에 의한 전류에 의해 유도된 자기장(8)을 측정하는 전류 센서(1)가 개시되어 있는데, 이 전류 센서(1)는 하전된 입자에 의해 유도된 자기장을 수용하는 적어도 하나의 자기 저항 센서 소자(magneto resistive sensor element)(2, 6, 12, 16)를 갖고, 이 자기 저항 센서 소자는 사용 중에 전류(3)에 대해 수직하게 정렬된다. 또한, 하전된 입자에 의한 전류를 정확하게 판정하는 방법은 전류 센서(1)를 이용하여 이루어지는 것으로 개시되었다. 또한, 전기 장치가 고장난 경우에 전기 장치로의 공급 전류를 스위칭-오프(switching-off)하는 것에 의해 전기 장치(3)의 사용자를 보호하는 보호 스위치 장치(protective switch device)(30)가 개시되어 있는데, 이 보호 스위치 장치(30)는 상술된 전류 센서(1)를 포함하는 것으로 제공되었다.

Description

자기장 측정용 센서, 전류 측정 방법 및 보호 스위치 장치{SENSOR AND METHOD FOR MEASURING A CURRENT OF CHARGED PARTICLES}
하전된 입자의 빔(beam)은 빔의 외부에 자기장을 유도하고, 이 자기장은 자기장을 측정하는 전류 센서에 의해 측정될 수 있다. 예를 들면, 홀 효과(Hall effect)에 기초하는 센서, TMR(tunneling magnetoresistance)에 기초하는 센서, AMR(anisotropic magnetoresistance) 효과에 기초하는 센서[Philips Electronic Components and Material Tech. Publ. 268에 수록된 "The magneto resistive sensor" 참조] 또는 GMR(giant magneto resistance) 효과에 기초하는 센서[K.-M.H.Lenssen, D.J. Adelerhof, H.J. Gassen, A.E.T. Kuiper, G.H.J. Somers 및 J.B.A.D. van Zon에 의한 "Robust giant magneto resistance sensors"라는 제목의 문헌(Sensors&Actuators A85, 1(2000) 참조] 등과 같은 자기 센서를 이용하여 이 자기장을 측정함으로써, "비개입적(non-intrusive)" 방식으로 전류를 측정할 수 있다.
자기장(H)의 크기는 전류(I)의 중심으로부터의 거리에 대한 함수로서, 전류의 단면이 원형인 것으로 가정하면(도 1 참조) 아래와 같이 정의된다.
센서는 측정을 위해 오로지 도전체 주위에만 클램핑(clamping)되는 전류 클램프(current clamp)에 의해 구현되거나, 전류 전송 도전체(current-carrying conductor)를 더 포함하는 칩(chip) 내에 포함될 수 있다. 전류-센서 칩은, 예를 들면 US 5621377로부터 공지되어 있는데, 여기에서 도전체 상부에 있는 AMR 소자를 이용하여 "비접촉(contactless)" 방식으로 이 도전체 내의 전류를 측정한다.
이러한 모든 전류 센서의 제한은, 외부 방해 자기장(external disturbing fields)에 대한 민감성이다. 대부분의 이러한 센서는 전류 전송 도전체의 외부에 있는 오직 하나의 포인트에서 수행된 자기장 측정에 의존한다. 센서와 전류 사이의 거리를 정확하게 인지하고 있고, 방해 자기장이 존재하지 않을 경우에만, 전류 진폭에 대한 정확한 결정이 가능하다. 그러나, 실제적으로는 예를 들면, 지구 자기장 등과 같은 다른 자기장이 항상 존재한다.
전류 클램프는 연자성 요크(soft-magnetic yoke)를 이용하여 소정의 라인 상의 자기장을 "평균화"시키기는 하지만, 여전히 센서가 위치되는 비자성 갭(non-magnetic gap)을 통해 방해 자기장이 주입되기 때문에 일반적으로 성능이 제한된다. 또한, 홀-센서(Hall-sensor)가 수직 자기장에 민감하기 때문에 전류-클램프의 지오메트리는 홀-센서보다는 자기 저항 센서용으로 사용되기에 불리하지만, 홀-센서의 민감도는 휠씬 낮다.
다수의 홀-센서를 이용하여 도전체 외부의 수 개의 위치에서 자기장을 측정함으로써 이러한 문제를 해결하고자 하는 시도에 관해서는 V.V. Serkov에 의한 "Contactless do ammeters"라는 명칭의 문헌(Pribory i Tekhnika Eksperimenta 5, pp.169-171, 1991)을 참조하라. 그러나, 이 문헌의 발명자는 아래와 같이 이론적으로 닫힌 곡선 적분값(loop integral)을 측정하려고 하였기 때문에, 이 구성과 그에 요구되는 전자 장비는 복잡하고 값비싸며, 전류 측정이 원칙적으로 부정확하게 된다.
또한, 강력하게 요청되고 있으며, 잠재적인 거대 시장을 갖고 있음에도 불구하고, 예를 들면, 헤어드라이어 등과 같은 가전 장치용으로 사용하기에 적합한 "잔류 전류 스위치(residual current switch)"를 구현하는 것은 상술된 문제에 의해 방해받고 있었다. 이러한 장치 내의 센서는, 16A까지의 진폭을 갖는 전류의 2㎃ 또는 10㎃의 전류차를 검출할 수 있어야 하고, 이 경우에는 잔류-전류 스위치가 가정 내에서 사용되기 때문에 부피가 큰 부품이 포함되지 않아야 한다.
본 발명은 하전된 입자(charged particles)에 의한 전류에 의해 유도된 자기장을 측정하는 센서에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 본 발명의 센서를 이용하여 하전된 입자에 의한 전류를 측정하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 본 발명의 센서 및 방법을 이용하는 보호 스위치 장치에 관한 것이다.
도 1은 전류 주위의 자기장을 도시하는 도면이다.
도 2(a)는 플렉서블 기판 상에 제조된 스트립형 센서 소자의 측면도이다.
도 2(b)는 도 2(a)의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라서 취한 스트립형 센서 소자의 단면도이다.
도 3은 휘트스톤 브리지 구성 내에서 접속된 자기 저항 센서 소자들에 대한 등가 회로도이다.
도 4는 휘트스톤 브리지 구성 내에 접속된 자기 저항 센서 소자의 출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 5는 하나의 도전체의 자기장을 측정하는 자기 저항 센서 소자에 대한 박막 구현을 도시하는 도면이다.
도 6은 반대의 전류 방향을 갖는 2개의 도전체의 자기장을 측정하는 자기 저항 센서 소자에 대한 박막 구현을 도시하는 도면이다.
도 7은 전기 장치의 사용자를 보호하는 보호 스위치 장치를 나타내는 블록도이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 하전된 입자에 의한 전류를 보다 정확하게 측정하고, 외부 방해 자기장에 대해 본질적으로 민감하지 않은 센서 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따라서 하전된 입자에 의한 전류에 의해 유도된 자기장을 측정하는 센서는, 하전된 입자에 의한 전류에 의해 유도된 자기장을 밀폐시키는 적어도 하나의 자기 저항 센서 소자를 포함하는데, 이러한 자기 저항 센서 소자는 사용 중에 전류에 대해 수직한 방향으로 정렬된다.
전류를 정확하게 결정하기 위해서는, 하전된 입자에 의한 전류를 둘러싸는 경로를 따라 상술된 적분식 (2)을 계산해야 한다. 이는 실제적으로 대부분의 센서 타입에 의해서는 불가능하지만, 이러한 목적을 위해 고유한 특성을 갖는 자기 저항 센서(TMR, AMR 또는 GMR)를 이용할 수 있다. 적절한 구성을 갖는 센서 소자를 가지고, 센서 주위의 자기장을 "자동적으로" 적분할 수 있다. 하전된 입자에 의한 전류는 예를 들면 전자, 정공(holes) 또는 이온에 의한 전류일 수 있다.
이러한 자기 저항 소자의 저항(R)은 예를 들면 스트립일 수 있는데, 이는 다음 식으로 주어진다.
다음의 식이 성립되기 때문에, 식 (2)의 기본 원리를 기초로 하여 전류 센서가 구현될 수 있다.
밀폐 루프를 따른 상기 적분은 본 발명에 따른 센서로 결정될 수 있기 때문에, 방해장인 외부 자기장에 민감하지 않게 될 수 있다. 자기 저항 효과에 고유하게 존재하는 방향적 민감성에 의해, 적어도 센서가 하전된 입자에 의한 전류의 면에 수직하게 위치되는 한, 자동적으로 요구되는 내적을 획득할 수 있다. 외부 자기장은 측정 결과에 전혀 영향을 주지 않고, 더욱이 루프 내에서 하전된 입자에 의한 전류의 경로 형상 및 위치가 중요하지 않게 된다. 본 발명에 따른 센서의 추가적인 이점은 적분값이 센서 내에 내장되기 때문에, 추가적인 전자 회로가 단순화된다는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 자기 저항 센서 소자는 원형(circular shape)을 갖는다. 이 바람직한 실시예는 루프에 따른 적분이 용이하게 이뤄지도록 원의 원주가 잘 정의되었다는 이점을 갖는다. 또한, 이러한 원형을 제조하는 것이 비교적 용이하다.
따라서, 자기 저항 센서 소자는 플렉서블 기판 상에 제조되는 것이 바람직하다. 이 피처(feature)는 하전된 입자에 의한 전류 주위에 자기 저항 센서 소자를 감싸서 자기장을 측정할 수 있게 한다. 하전된 입자는 예를 들면, 도전체 내에서 흐르는 전자일 수 있다. 자기 저항 소자가 도전체의 자기장을 밀폐시키면, 외부 자기장은 측정 결과에 전혀 영향을 주지 않을 것이다. 또한, 자기 저항 센서 소자의 루프 내에서 도전체 또는 복수의 도전체의 경로 형상 및 위치는 중요하지 않게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 자기 저항 센서 소자는 스트립이다.이러한 자기 저항 재료의 스트립에서의 저항은 잘 정의되어 있고, 비저항값은 p이다. 식 (3) 및 (4)에 따르면, 하전된 입자에 의한 전류를 결정할 수 있다. 일반적으로, 재료의 다중층 구조를 이용한다.
박막 기술을 이용하여 센서를 제조할 수 있다는 것은 유리하다. 이러한 유용한 피처는 가전 제품에서 이용될 수 있는 매우 작고 매우 가벼운 소자의 생산을 가능하게 한다.
바람직하게는, 자기 저항 센서 소자는 선형적인 저항 대 자기장(resistance versus magnetic field)(R(H)) 특성을 갖는다. 이는 전류의 자기장을 정확하게 결정할 수 있게 한다.
온도 효과를 보정하기 위해, 센서 소자가 휘트스톤 브리지 구성(Wheatstone bridge configuration)으로 정렬되는 것이 바람직하다. 휘트스톤 브리지 회로는 온도가 보정된 자기장의 측정을 가능하게 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 휘트스톤 브리지 구성 내에서 2개의 자기 저항 센서 소자는 플렉서블 기판의 한쪽 면에 존재하고, 나머지 2개의 자기 저항 센서 소자는 플렉서블 기판의 다른 쪽 면에 존재한다. 2개의 자기 저항 소자는 일반적으로 스트립형이고, 서로에 대해 평행하게 정렬되어 있다.
다중층 구조물을 증착하는 동안에 또는 증착한 후에, 다중층 구조물 내에서 고정층(pinned layer)의 자화 방향은 자기장을 인가하는 것에 의해 설정될 수 있다. 플렉서블 기판의 한쪽 면에 있는 2개의 자기 저항 소자는 동일한 자화 방향을 갖는다. 다음에 플렉서블 기판을 뒤집어서, 플렉서블 기판의 다른 쪽 면에 동일한다중층을 증착하여 반대의 자화 방향을 갖게 한다.
휘트스톤 브리지 구성에서 2개의 자기 저항 센서 소자로 이루어진 자기 저항 센서 소자 쌍은 다른 자기 저항 센서 소자 쌍의 상부에 적층되고, 이러한 두 쌍의 자기 저항 센서 소자 사이에는 절연 재료 및 하전된 입자에 의한 전류를 전달하는 도전체가 존재한다. 센서는 박막 기술로 제조되고, 그에 따라서 IC 상에 집적하기에 매우 적합하다. 전류 센서는 적은 전류를 매우 정확하게 측정할 수 있기 때문에, 이러한 센서는 예를 들면, 자기 메모리 내에서, 판독 또는 기록 전류를 정확하게 측정하는 데 있어서 매우 유용하다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 상술된 바와 같이 센서를 이용하여 하전된 입자에 의한 전류를 측정하는 방법은,
본 발명에 따른 센서를 이용하여 하전된 입자에 의한 전류에 의해 유도되는 자기장에 기인한 저항 변동량을 결정하는 단계와,
센서의 저항 대 자기장(resistance versus magnetic field)의 기준 특성과 저항 변동량을 비교하여 자기장의 크기를 결정하는 단계와,
자기장의 크기로부터 전류의 크기를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 센서의 추가적인 이점은, 센서 내에 적분값이 내장되기 때문에, 전자 회로가 간단해질 수 있다는 것이다. 비교기 회로(comparator circuit) 내에서 알려진 자기 저항 센서 소자의 R(H) 곡선을 기준으로서 이용할 수 있다. 선형 R(H) 곡선은 저항 변동량을 이용하여 자기장 값을 정확하게 결정할 수 있게 한다. 자기 저항 센서 소자가 휘트스톤 브리지 구성으로 정렬되고, 자기 저항 센서 소자가 스트립 형태의 원형을 갖는다면, 하전된 입자에 의한 밀폐 전류는 H값과 자기 저항 센서 소자의 원주를 곱한 값이 될 것이다.
잔류 전류를 정확하게 측정하기 위해서, 휘트스톤 브리지 구성 내에서 두 쌍의 자기 저항 소자 사이에 도전체를 구비하는 센서를 이용할 수 있다. 소정의 전류는 제 1 도전체를 통해 전달되고, 반대 부호를 갖는 전류는 제 1 도전체와 평행하게 위치된 제 2 도전체를 통해 전달된다. 이러한 원리는 잔류 전류 스위치에 있어서 유리하다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 전기 장치가 고장난 경우에 전기 장치로의 공급 전류를 스위칭-오프함으로써 전기 장치의 사용자를 보호하는 보호 스위치는, 상술된 바와 같은 센서를 포함하고,
전류 센서의 출력 전류 또는 전압을 제각기 기준 전류 또는 전압과 비교하는 비교기 회로와,
비교기 회로의 출력 전류 또는 전압에 따라서 공급 전류를 스위칭하는 중계 장치(relay device)를 더 포함한다. 보호 스위치 장치는 소형 및 경량이며 부피가 큰 소자를 갖지 않기 때문에 예를 들면, 헤어드라이어 등과 같은 가전 제품에 집적시키기에 적합하다.
비교기 회로의 출력 신호는 중계기에 접속될 수 있는데, 이 중계기는 도전체 내부를 흐르는 전류의 전류차가 너무 클 때에 적어도 하나의 스위치를 열고 전류 흐름을 차단한다.
본 발명의 특징을 갖는 상술된 이점 및 새로운 피처뿐만 아니라 그 외의 다른 이점 및 새로운 피처는 본 명세서에 첨부되어 그 일부를 형성하는 청구항 내에 특정하게 지정되어 있다. 그러나, 본 발명과, 본 발명을 이용함으로써 획득되는 이점 및 목적을 더욱 이해하기 위해서는, 본 발명의 다른 부분을 형성하는 도면을 참조하고, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 예시하고 설명하는 첨부된 설명을 참조해야 한다.
도 1은 전류(I)에 의한 자기장을 도시한다. 도전체 내부에 흐르는 전류(I)까지의 거리(r)가 증가될 때 자기장(H)의 진폭은 증가된다. 도 1에 도시된 화살표의 길이는 자기장(H)의 진폭 특성을 나타낸다. 자기장이 강해질수록, 화살표는 더 길어진다. 도면에 도시된 원은 자기장(H)의 동일 진폭을 갖는 선을 나타낸 것이다. 자기장(H)을 측정함으로써, 도전체 내에 흐르는 전류(I)를 결정할 수 있다. 자기장(H)은 식 (1)에 의해서 전류(I) 및 거리(r)와 관련된다.
도 2(a)는 자기 저항 센서(1)의 측면도를 나타내고, 도 2(b)는 도 2(a)에 도시된 Ⅱ-Ⅱ선을 따라서 취한 자기 저항 센서(1)의 단면도를 나타낸다. 이 실시예에서, 센서는 4개의 자기 저항 소자(2, 12, 6, 16)를 포함한다. 도 2(a)의 측면도는 도전체(10)를 도시하는데, 이 도전체(10)를 통과하여 하전된 입자에 의한 전류(3)가 흐른다. 2개의 자기 저항 센서 소자(2, 12)는 예를 들면 포일(foil) 등과 같은 절연 플렉서블 기판(4) 상에 제공된다. 자기 저항 센서 소자(2, 12)는 예를 들면, 동일한 스퍼터링 증착 프로세스 동안에 동시 제조된다. 자기 저항 센서 소자(2, 12)의 자화 방향(5)은 동일하다. 자기 저항 센서 소자(2, 12)는 예를 들면, 실리콘 산화물 등과 같은 전기 절연 재료에 의해 서로 절연되고, 보호층에 의해 피복될 수 있다.
자기 저항 센서 소자(2, 12) 상에 도시된 화살표는, 4개의 자기 저항 센서소자가 휘트스톤 브리지 회로 구성 내에서 접속된 경우에 바이어스 방향(biasing 을 나타낸다. 휘트스톤 브리지 회로는 온도 영향으로부터 측정값을 보정한다. 도 2(a)에 도시된 화살표는 자기 저항 센서 소자(2, 12)의 바이어스 방향을 나타내는데, 이 자기 저항 센서 소자(2, 12)는 다른 2개의 자기 저항 센서 소자(6, 16) 위에 정렬되어 있다. 자기 저항 센서 소자(2, 12)의 바이어스 방향은 자기 저항 센서 소자(6, 16)의 바이어스 방향에 대해 반대 방향이라는 것을 유의해야 한다.
도 2(b)의 단면도에서, 자기 저항 센서 소자(2)는 절연 플렉서블 기판(4) 상에 존재한다. 플렉서블 기판(4)의 다른 쪽 면에는 스트립형 센서 소자(6)가 존재한다. 상세하게는, 자기 저항 센서 소자(12, 16)가 존재한다. 도전체(10)는 단면도의 중심에 위치된다. 도전체(10) 내에서 흐르는 전류(I)는 자기장(8)을 생성한다. 해당되는 원리를 나타내기 위해서 오직 하나의 자기장(8) 라인만을 도시하였다. 자기장(8)은 자기 저항 센서 소자(2, 6, 12, 16)를 이용하여 측정된다. 이 실시예에서, 자기 저항 센서는 원형을 갖지만, 센서의 형상은 이것으로 한정되는 것이 아니라 예를 들면 정사각형 또는 직사각형일 수 있다.
스트립형 센서 소자(2, 6, 12, 16)는 예를 들면, 교환 바이어스 방향(exchange-biasing direction)이 스트립 방향과 같은 교환 바이어스 스핀 밸브(exchange biased spin valve) 등의 GMR 다중층을 포함할 수 있다. GMR 효과에 기초하는 스핀 밸브 구조물은 다음과 같이 제조될 수 있다.
- 10㎚의 Ir19Mn81로 이루어진 교환 바이어스 층 및 3.5㎚ Co90Fe10/0.8㎚Ru/3.0㎚ Co90Fe10으로 이루어진 인공 반강자성체(artificial antiferromagnet)를 포함하고, 자화축(5)을 갖는 고정층인 자기층과,
- 3㎚ Cu로 이루어진 비자성 스페이서층(non-magnetic spacer layer)과,
- 5.0㎚ Py로 이루어지고 자유층(free layer)인 강자성층(ferromagnetic layer)(이하의 설명에서는, 예를 들면 GMR 효과를 강화시키고 열 안정성이 증가되는 것에 의해 층간 확산이 감소되는 1.0㎚ Co90Fe10으로 이루어진 얇은 층임)
으로 구성되는 다중층 구조물을 절연 기판(4) 위에 3.5㎚ Ta/2.0㎚ Py의 버퍼 래그(buffer laag)로 증착하여 우향(right) (111) 텍스처가 되게 한다. 10㎚ Ta로 이루어진 보호층을 다중층의 상부에 증착한다.
이와 다르게, 자기 저항 소자는 3.5㎚ Ta/2.0㎚ NiFe로 이루어진 버퍼층과, 15.0㎚ IrMn/4.0㎚ CoFe/0.8㎚ Ru/4.0㎚ CoFe로 이루어지고 자기층이면서 고정층(AAF)인 교환 바이어스층과, 2.0㎚ A12O3으로 이루어진 비자성 스페이서층과, 6.0㎚ CoFe로 이루어지고 자유층인 제 2 강자성층으로 구성되는 다중층-구조물을 포함하는 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction)일 수 있다.
GMR 다중층의 고정층의 자화 방향은 자기장 내에서 스퍼터링 증착을 실행하는 동안에 정해진다. 자기 저항 센서 소자(2, 12 및 6, 16)는 서로 다른 스퍼터링 증착 프로세스로 따로 처리한 후에 제조된다. 자기 저항 센서 소자(2, 12, 6, 16)의 자화 방향(5)은 서로에 대해 반대 방향이다. 도 2(b)에 도시된 화살표는 절연 플렉서블 기판(4)의 양쪽 면 위에 있는 센서 소자(2, 6)의 고정층의 자화 방향(5)을 나타낸다.
전류를 정확하게 결정하기 위해서는, 전류 도전체(10) 주위의 경로(8)를 따라서 상술된 적분식 (2)을 계산해야 한다. 이 값을 구할 수 있다면, 외부 자기장은 측정 결과에 전혀 영향을 주지 않으며, 더욱이 경로의 형상 루프 내에서 도전체의 위치는 중요하지 않게 될 것이다.
이를 위하여 자기 저항 센서(TMR, AMR 또는 GMR)의 고유한 특성을 이용할 수 있는데, 적절한 구성이 선택되었다면, 센서에서 자기장을 "자동적으로" 적분할 수 있을 것이다.
이러한 자기 저항 스트립의 저항(R)은 다음 식으로 주어진다.
다음의 식이 성립되기 때문에, 식 (2)의 기본 원리를 기초로 하여 전류 센서가 구현될 수 있다.
밀폐 루프를 따른 이러한 적분은 본 발명에 따른 센서로 결정될 수 있기 때문에, 방해장인 외부 자기장에 민감하지 않게 될 수 있다. 적분값이 센서 내에 내장되기 때문에, 추가적인 전자 회로가 간단해진다. 자기 저항 효과에 고유하게 존재하는 방향적 민감성에 의해, 적어도 센서가 도전체 단면에 대해 수직하게 위치되는 한, 자동적으로 요구되는 내적(inproduct)을 획득할 수 있다. 또한, 전기적 컨택트를 위한 작은 갭이 존재하는 것을 제외하고는 센서 부품들 사이에 갭이 존재하지 않기 때문에 모든 소자는 연속적이다.
도 3은 휘트스톤 측정 브리지 구성 내에서 접속된 자기 저항 센서 소자의 등가 회로도를 나타낸다. 측정 브리지는 4개의 자기 저항 센서 소자(2, 12, 6, 16)를 포함한다. 2개의 자기 저항 센서 소자(6, 12)는 브리지의 제 1 단자(20)에 접속된다. 제 1 단자(20)는 감지 전류(Isense)의 입력 단자이다. 자기 저항 센서 소자(12)는 브리지의 제 2 또는 측정 단자(24)에 접속된다. 자기 저항 센서 소자(6)는 제 3 또는 측정 단자(26)에 접속된다. 자기 저항 센서 소자(2, 16)는 브리지 내에서 출력 전류(I)가 존재하는 제 4 또는 출력 단자(22)에 접속된다. 다른 쪽 면에서 자기 저항 센서 소자(2)는 측정 전압이 존재하는 측정 단자(26)에 접속된다. 자기 저항 소자(16)는 측정 단자(24)에 접속된다.
단자(24, 26) 사이에서 전압을 측정하여, 측정된 자기장(H)을 특징짓는 전압값을 결정한다. 휘트스톤 측정 브리지의 이점은 측정값에 대한 온도의 영향을 보정한다는 것이다. 자기장 센서에 있어서, 온도 변화의 영향을 제거하고, 휘트스톤 측정 브리지 구성을 이용함으로써 바이폴라 출력(bipolar output)을 실현하는 것이 때때로 바람직할 것이다. 도 3의 화살표의 방향으로 나타낸 바와 같이, 2개의 브리지 브랜치(bridge branches)에 있는 자기 저항 센서 소자는 다른 2개의 소자에 비해 자기장에 대하여 반대의 반응을 나타내야 한다. 이 화살표의 방향은 자기 저항 센서 소자의 자화 바이어스 방향을 나타낸다. AMR 소자의 경우에, 두 쌍의 자기 저항 센서 소자의 자화 바이어스 방향을 -45° 및 +45° 미만이 되도록 위치시키는 것에 의해서 반대의 반응이 나타나게 할 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 실시예의 GMR-휘트스톤 브리지 구성에서의 출력 전압을 나타낸다. 5V의 바이어스 전압(이는 2.5㎃의 감지 전류 및 2㏀의 브리지 저항에 해당됨)에서, 센서는 20℃∼200℃ 사이의 큰 온도 범위에 걸쳐 작은 자기장에 대해 선형 출력 특성을 갖는다. 따라서 작은 자기장을 정확하게 측정할 수 있다. 이력 곡선(hysteresis)이 작고, 0.7㎶/K의 매우 작은 오프셋 전압 드리프트(offset voltage drift)를 갖는 경우에 GMR 효과는 6%이다.
휘트스톤 브리지 구성 내의 자기 저항 센서 소자가 선형 출력 특성(13)을 갖는 것에 의해, 자기장 값을 결정할 수 있다. 자기 저항 센서 소자가 원형을 갖는 것에 의해, 밀폐된 전류는 자기장에 2πr을 곱한 값이 된다.
도 5는 하나의 도전체의 자기장을 측정하는 자기 저항 센서 소자에 대한 박막 구현을 나타낸다. 센서 소자(2, 12 및 6, 16)는 서로 다른 센서 소자 위에 적층되어 있다. 오직 2개의 센서 소자(2, 6)만을 도시하였다. 센서 소자(2, 12)는 전기적 절연 재료(7)에 의해 센서 소자(6, 16)로부터 분리되어 있다. 가전 장치에 있어서, 박막 장치를 이용하는 것이 유리할 수 있다. 이 경우에, 도전체를 연속적으로 둘러싸는 것은 실제로 이뤄질 수 없지만, 2개의 자기 저항 소자를 이용함으로써 연속 상태에 어느 정도 근접한다고 할 수 있다.
도 5에 도시된 실시예는 휘트스톤 브리지 구성 내에 있는 4개의 자기 저항 센서 소자(2, 12 및 6, 16)와, 비자성 배선(non-magnetic wire)(15)과, 전류 전송 도전체(10)와 절연 재료(7)를 포함한다. 브리지의 절반에 속하는 자기 저항 센서 소자(2, 6)는 직렬로 접속된다. 자기 저항 센서 소자(2, 6)는 반대의 바이어스 방향을 갖고 비자성 배선(15)(예를 들면, Al 또는 Cu 등의 금속임)을 이용하여 직렬로 접속되어 있다. 자기 저항 센서 소자(2, 6)의 길이가 그 사이의 길이보다 상당히 길고, 에지(edges)가 도전체(10)로부터 비교적 멀리 떨어져 있다면, 2개의 자기 저항 센서 소자(2, 6)의 직렬 저항은 도전체를 통과하는 전류를 계산하기 위한 매우 좋은 기준값이 될 것이다. 원한다면, 비자성 저항 갭을 감소시키기 위해서 특수한 형상을 갖는 단(ends)을 소자에 추가할 수 있다.
도 6은 반대의 전류 방향을 갖는 2개의 도전체(10, 11)의 자기장을 측정하는 센서에 대한 박막 구현을 나타낸다. 도 5에 도시된 실시예는 휘트스톤 브리지 구성 내의 4개의 자기 저항 센서 소자(2, 12 및 6, 16)와, 비자성 배선(15)과, 반대의 전류 방향을 갖는 2개의 전류 전송 도전체(10, 11)와, 절연 재료(7)를 포함한다. 브리지의 절반에 속하는 2개의 자기 저항 센서 소자(2, 6)는 비자성 배선(15)에 의해 직렬로 접속된다. 도 6에 도시된 실시예와 도 5에 도시된 실시예의 차이는, 도 6의 실시예가 2개의 전류 전송 도전체(10, 11)의 2개의 자기장의 차이를 측정한다는 것이다. 도 6에 도시된 실시예의 높은 민감도는 잔류 전류 스위치에 적용하기에 매우 적합하게 한다. 반대의 방향을 갖는 2개의 전류가 모두 센서 루프에 의해서 밀폐되어 있다면, 2개의 전류 사이에서 그에 따른 자기장의 합계는 자동적으로 측정값의 차이를 발생시킬 것이다. 이는 또한 자기 저항 구현의 포화 상태(saturation)를 방지할 수 있게 한다. 2개의 전류가 동일하지만 반대 방향이면, 센서 출력은 제로(zero)가 되고, 2개의 전류에 차이가 있으면, 비제로 출력을 생성할 것이다. 유도 센서(inductive sensors)와는 반대로, 자기 저항 센서 소자는 dc전류용으로도 이용가능하다.
도 7은 전기 장치의 사용자를 보호하는 보호 스위치 장치(30)에 대한 블록도를 나타낸다. 이 블록도는 전력 공급을 위한 2개의 단자(34, 35)를 포함한다. 단자(34)는 스위치(36)에 의해 스위칭된다. 단자(35)는 스위치(37)에 의해 스위칭된다. 2개의 스위치(36, 37)는 중계기(33)에 의해서 병렬로 스위칭된다. 2개의 스위치(36, 37)는 예를 들면 모터(motor) 등과 같은 부하(load)(31)의 다른 쪽에 접속되어 있다.
센서(1)는 2개의 전류, 즉 부하 내부로 흘러가는 전류와, 부하에서 외부로 흐르는 전류의 차이를 측정한다. 2개의 단자(20, 22)는 센서(1)에 작은 감지 전류를 공급한다. 감지 전류는 센서(1)의 저항을 측정하는 데 필요한 입력 전류이다. 2개의 단자(24, 26)에 의해 공급되는 센서(1)의 출력 신호는 비교기 회로(32)에 제공된다. 비교기 회로(32)는 자기 저항 전류 센서(1)의 출력과 단자(38)에 의해 제공된 임계값을 비교한다. 장치가 고장난 경우에, 전류 센서(1)는 2개의 전류 사이의 차이를 결정하고, 비교기 회로(32)에 출력 신호를 제공한다. 비교기 회로(32)는 출력과 기준값(38)을 비교한다. 장치가 고장난 경우에, 비교기 회로(32)는 2개의 스위치(36, 37)를 열기 위해 중계기(33)에 출력 신호를 제공한다. 블록도로 도시된 보호 스위치 장치는, 예를 들면 헤어드라이어에 적용되거나 자동차에서 헤드라이트의 온-상태를 검출하여 손실 전류가 흐르면 헤드라이트가 파손되었다는 것을 나타내는 회로에 적용될 수 있다.
본 발명의 상술된 실시예에 설명된 전류 센서는 수많은 환경, 예를 들면 단일 도전체, 케이블, 집적 회로 내의 도전체 경로 및 전자나 이온 등과 같은 하전된 입자의 빔에 의해 생성되는 전류의 자기장을 측정하는 데 적용될 수 있다. 집적 회로 내에서 도전 경로의 자기장을 측정하는 것은, 예를 들면, 전류 컨택트를 테스트하는 온-칩 테스트 기법(on-chip testing techniques)에 통합될 수 있다.
본 명세서의 범위에 속하는 본 발명의 새로운 특성 및 이점은 상술된 설명에서 제시되어 있다. 그러나, 여러 관점에서 이러한 개시 내용은 예시적인 것에 불과하다는 것을 이해할 것이다. 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서, 특히 부품의 형상, 크기 및 구성과 관련된 세부 사항에 대한 수정이 이뤄질 수 있을 것이다. 본 발명의 범주는 첨부된 청구항에서 제시된 내용에 의해 한정된다는 것은 당연하다.

Claims (12)

  1. 하전된 입자(charged particles)에 의한 전류에 의해 유도되는 자기장을 측정하는 센서로서,
    상기 하전된 입자에 의한 전류에 의해 유도되는 상기 자기장을 밀폐하는 적어도 하나의 자기 저항 센서 소자(magneto resistive sensor element)를 포함하되,
    상기 자기 저항 센서 소자는 사용 중에 상기 전류에 대해 수직으로 정렬되는
    자기장 측정용 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 저항 센서 소자는 원형(circular shape)을 갖는 자기장 측정용 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 자기 저항 센서 소자는 플렉서블 기판(flexible substrate) 상에 존재하는 자기장 측정용 센서.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기 저항 센서 소자는 스트립 형상인 자기장 측정용 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 저항 센서 소자는 선형 R(H) 특성을 갖는 자기장 측정용 센서.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기 저항 센서 소자는 휘트스톤 브리지 구성(Wheatstone bridge configuration)으로 정렬되는 자기장 측정용 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 휘트스톤 브리지 구성 내의 2개의 자기 저항 센서 소자는 상기 플렉서블 기판의 한쪽 면에 위치하고, 다른 2개의 자기 저항 센서 소자는 상기 플렉서블 기판의 다른 쪽 면에 위치하는 자기장 측정용 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판의 한쪽 면에 있는 상기 2개의 자기 저항 소자는 동일한 자화 방향을 갖는 자기장 측정용 센서.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 휘트스톤 브리지 구성에서 2개의 자기 저항 센서 소자로 이루어지는 자기 저항 센서 소자 쌍은 나머지 2개의 자기 저항 센서 소자로 이루어지는 다른 자기 저항 센서 소자 쌍의 상부에 적층되고, 상기 자기 저항 센서 소자 쌍 사이에는 절연 재료 및 하전된 입자에 의한 상기 전류를 전달하기 위한 도전체가 존재하는 자기장 측정용 센서.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 센서를 이용하여 하전된 입자에 의한 전류를 측정하는 방법으로서,
    본 발명에 따른 상기 센서를 이용하여 상기 하전된 입자에 의한 전류에 의해 유도되는 자기장에 기인한 저항 변동량을 결정하는 단계와,
    상기 센서의 저항 대 자기장(resistance versus magnetic field)의 기준 특성과 상기 저항 변동량을 비교하여 상기 자기장의 크기를 결정하는 단계와,
    상기 자기장의 크기로부터 상기 전류의 크기를 계산하는 단계
    를 포함하는 전류 측정 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    청구항 9에 기재된 상기 센서를 이용하여, 제 1 도전체를 통해 소정의 전류를 전달하고, 상기 제 1 도전체에 평행하게 위치한 제 2 도전체를 통해 반대 부호를 갖는 전류를 전달하는 것에 의해 잔류 전류(residual current)를 측정하는 전류 측정 방법.
  12. 전기 장치가 고장난 경우에 상기 전기 장치로의 공급 전류를 스위칭-오프(switching-off)하는 것에 의해 상기 전기 장치의 사용자를 보호하는 보호 스위치 장치(protective switch device)로서,
    청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재된 센서와,
    상기 전류 센서의 출력 전류 또는 전압과 기준 전류 또는 전압을 제각기 비교하는 비교기 회로(comparator circuit)와,
    상기 비교기 회로의 출력 전류 또는 전압에 따라서 상기 공급 전류를 스위칭하는 중계 장치(relay device)
    를 포함하는 보호 스위치 장치.
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