KR20070072576A

KR20070072576A - 감지기 장치 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20070072576A
Application number: KR1020077010699A
Authority: KR
Inventors: 레 킴 판; 잡 루이그로크
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2004-10-11
Filing date: 2005-10-10
Publication date: 2007-07-04
Also published as: US8395382B2; EP1802988A1; ATE497605T1; WO2006040719A1; EP1802988B1; CN101076737A; JP2008516225A; CN101076737B; TW200630632A; US20090302837A1; DE602005026217D1

Abstract

본 발명은 감지기 신호와 자기 필드 또는 전류의 대수 사이에 실질적으로 선형적인 관계를 나타낼 수 있는 자기 필드 감지기 또는 전류 감지기를 제공한다. 감지기는 몇 개의 디케이드를 통해 일정한 상대적 감도 및 균일한 SNR을 제공할 수 있는 넓은 동적 범위 감지기로서 이용될 수 있다. 감지기 장치의 설계는 MRAM 모듈을 포함하는 IC에서의 집적 전류 감지기 뿐만 아니라, 이산적인 자기 필드 감지기 또는 전류 감지기로 구현될 수 있다.

Description

감지기 장치 및 그 제조 방법{NON-LINEAR MAGNETIC FIELD SENSORS AND CURRENT SENSORS}

본 발명은 감지기에 관한 것으로서, 특히, 예를 들면, 감지기 신호와 감지기에 의해 측정된 속성의 대수(logarithm) 사이에 실질적인 선형 관계를 나타내며, 몇 개의 디케이드(decade)를 통해 일정한 상대적 감도 및 균일한 SNR을 제공하는 넓은 동적 범위 감지기로서 이용될 수 있는 비선형 감지기에 관한 것이다.

자기 저항(magnetoresistive; MR) 감지기는, 정의에 따르면, 측정 범위내의 선형 감지기이다. 중간 및 낮은 필드 범위에서 가장 널리 이용되는 유형의 MR 감지기는 AMR(anisotropic magnetoresistive), GMR(giant magnetoresistive) 또는 최근의 TMR(tunnel magnetoresistive) 효과들에 근거한다.

원리상, 한 가지 유형의 "우수한" 자기 감지기는, 그것을 초과할 경우 감지기 신호가 포화되는 필드 검출 범위내에서 선형 특성을 나타내는 감지기이다. 따라서, 선형 특성 부분의 경사에 의해 결정되는 감지기의 감도는 검출 범위와 네가티브적으로 상관된다. 감도 및 필드 범위는, 예를 들면, 감지기 설계에 맞춤으로 함으로써 상이한 응용들의 요건을 만족시키도록 조정될 수 있다.

예를 들어, 필립스의 AMR 기반 KMZ 필드 감지기 패밀리의 상이한 멤버들은, 0.05kA/m로부터 100kA/m 까지의 상이한 검출 범위를 제공할 수 있다. 검출 범위가 넓을수록, 감도는 더 낮아지게 된다. 유사하게, 자기 저항 효과에 근거한 통상적인 전기 전류 감지기는 감지기 신호와 전기 전류 사이에 선형 관계를 제공할 수 있다. 예컨대, F.W.Bell로부터의 상품화된 전류 감지기는 몇 암페어로부터 150A 까지의 선형 전류 범위를 제공하는데, 물론 다소 낮은 감도를 갖는다. 최근, 우리는 TMR 효과를 이용하여 IC를 테스트하기 위한 매우 민감한 집적 전류 감지기로서, 그 검출 범위가 mA 또는 수 십 mA 범위로 낮아질 수 있는 전류 감지기를 제안하였다("High sensitivity magnetic built-in current sensor" 라는 명칭의 유럽 출원 EP 03104937.2를 참조). 이러한 집적 감지기를 위해 이용된 기술은 일반적인 MRAM 기술과 유사하며, 많은 추가 비용없이도 감지기의 구현을 허용한다.

EP 1 225 453에서, 자기 필드 감지기로부터 사전결정된 자기 함수로 원하는 응답을 제공하는 회로 및 방법이 기술된다. 이 문헌은 단일의 자기 감지 회로에서 결합되어, 각도 또는 위치의 함수와 같은 자기 필드 밀도의 원하는 함수에 따라 맞춤형 응답을 제공하는 다수의 자기 필드 감지기에 관한 것이다. 자기 필드 감지기는 출력 특성에 근거하여 선택되고, 서로에게서 존재하는 에러를 본질적으로 제거하는 오프셋 감지기 에러를 제공하여 선형 응답을 제공하는 구성으로 결합된다. 도 1은 EP 1 225 453에 기술된 자기 감지 회로(10)의 일실시예를 도시하는 것으로서, 홀 효과 감지기(Hall effect sensor)(12)가 자기-저항기 션트(14)로 구 성되어 있다. 바이어스 전압 VB(16)는 정전류원(18)으로부터, 접지(20)에 접속되는 홀 효과 감지기(12)로 전류를 구동한다. 자기-저항기(14)는 홀 효과 감지기(12) 양단에 접속되어, 자기-저항기(14)의 저항이 홀 효과 감지기(12) 양단에 션트를 제공하고, 회로 출력이 VOUT(22)에 제공되도록 한다.

도 2에서, 도 1에 도시된 회로에 대한 각도 위치에 응답한 전압 출력의 그래프가 도시되며, 자기-저항기 션트를 이용하는 경우 및 이용하지 않는 경우에 대해 도시되어 있다. 예컨대, 각도 인코더 응용내에서 각도 위치를 측정시에, 자기 필드 밀도는 정현 함수(sinusoidal function)를 따른다. 곡선(24)은 자기-저항기 션트(14)가 없는 경우의, 홀 효과 감지기(12)의 출력 전압과 개별적인 홀 효과 감지기(12)에 대한 각도 사이의 관계를 도시한다. 도 1의 회로를 생성하기 위해 자기-저항기 션트(14)를 추가하는 것은, 홀 효과 감지기(12)의 응답을 테일러링하며, 도 2의 곡선(26)에 의해 도시된 전압 응답을 초래한다. 양 극성의 필드 밀도 B의 낮은 값에 종속하여, 자기-저항기 션트(14)는 비교적 낮은 저항을 나타내며, 그로 인해, 전체 구동 전류의 실질적인 부분을 홀 효과 감지기(12)로부터 전환한다. 필드 세기가 증가함에 따라, 자기-저항기(14)의 저항은 홀 효과 감지기(12)의 저항보다 쉽게 증가됨으로써, 보다 적은 전류가 전환되어, 홀 효과 감지기(12)의 출력을 부스팅하도록 한다. 도 2에서의 2개의 비교 도면으로부터 이해할 수 있듯이, 정현 자기 필드 밀도에 응답한 이들 오프셋 효과들은 응답 곡선이 직선으로 되도록 함께 작용한다. 따라서, 홀 효과 감지기(12)와 연결된 자기-저항기 션트(14)를 이용하는 것은, 정현 함수를 따르는 자기 필드를 분석시에, 홀 효과 감지기(12)의 선형화에 대한 커다란 향상을 제공한다.

그러나, 몇몇 응용에서, 대수 특성은, 예를 들면, 측정될 양(quantity) 또는 속성이 몇 개의 디케이드의 넓은 동적 범위에 걸쳐 확산되거나 또는 화학적 농도의 측정, 압력 및 진공의 측정, 광 방사(photo-emission) 등과 같은 지수적 현상들이 포함되는 경우에 요구될 수 있다. 이와 달리, 다른 응용에서, 동일하게 우수한 감도 및 SNR이, 자기 필드 또는 전류의 넓은 동적 범위에 걸쳐 요구될 수 있다.

일반적으로, 대수 감지기는 감지 신호와 측정될 양 또는 속성의 대수 사이에 실질적으로 선형적이거나 또는 의사 선형적인(quasi-linear) 관계를 제공하는 감지기이다. 선형 감지기를 이용하여 대수 감지기를 구성하는 알려진 방법은, 외부의 전자 장치를 이용하여 그의 선형 특성을 대수 특성으로 변환하는 것이다. 그러나, 이러한 방법은 보다 낮은 디케이드에서, 때때로 불량한 SNR을 초래한다.

발명의 개요

본 발명의 목적은 몇 개의 디케이드에 걸쳐 일정한 상대적 감도 및 균일한 SNR을 제공할 수 있는 넓은 동적 범위 감지기로서 이용될 수 있는 대수 감지기 및 그것을 제조 및 동작시키는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따른 방법 및 장치에 의해 달성된다.

본 발명은 직렬 또는 병렬로 접속된 적어도 2개의 자기 감지기 소자를 포함하는 감지기 장치를 제공하며, 각각의 자기 감지기 소자는 감도를 갖고, 각각의 자기 감지기 소자의 감도는 임의의 다른 자기 감지기 소자의 감도와 상이하다. 자 기 감지기 소자의 감도는 감지기 소자의 선형 특성의 경사로서 정의될 수 있다.

본 발명에 따른 감지기 장치에서, 적어도 2개의 감지기 소자 각각은 감지된 파라미터의 범위에 걸쳐 감지기 신호를 출력할 수 있고, 감지기 장치는 상기 감지된 파라미터의 전체 범위에 걸쳐 감지기 신호를 출력할 수 있다. 적어도 2개의 자기 감지기 소자의 감지기 신호들 각각의 합은 감지기 장치의 전체 범위에 걸쳐 감지된 파라미터의 비선형 함수에 맞추어질 수 있다. 비선형 함수는 대수 또는 의사 대수(quasi-logarithmic) 함수일 수 있다. 감지기 신호와 측정된 속성 사이의 비선형 관계, 예를 들면, 감지기 신호와 측정된 속성의 대수 사이의 실질적인 선형 관계를 보여주는 감지기 출력 신호를 얻는 것이 본 발명의 양상이다. 측정된 속성은, 예를 들면, 자기 필드 또는 전류일 수 있다. 이러한 유형의 감지기는 적어도 2개의 자기 감지기 소자 각각의 감도를 조정함으로써 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 감지기 장치는 몇 개의 디케이드에 걸쳐 넓은 동적 범위의 필드를 감지할 수 있는 이산 자기 필드 감지기 및 넓은 동적 범위의 전류를 감지할 수 있는 이산 전류 감지기로서 적용될 수 있다. 본 발명의 감지기 장치는 넓은 동적 범위의 전류를 감지할 수 있는 집적된 전류 감지기로서 및 측정될 양(이러한 양은, 예를 들면, 시간에 따라 지수적으로 변함)으로부터 변환되는 전류를 비침해적으로 감지할 필요가 있는 임의의 응용에서 더 적용될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 적어도 2개의 자기 감지기 소자 각각은 동일한 기하 구조 및 크기를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 적어도 2개의 자기 감지기 소자는 상이한 기하 구조 및 크기를 가질 수 있다. 적어도 2개의 감지기 소 자 중 적어도 하나의 크기 및/또는 기하 구조를 변경함으로써, 상이한 감도를 갖는 자기 감지기 소자가 얻어질 수 있다. 다른 실시예에서, 2개의 자기 감지기 소자 중 적어도 하나는, 서로 병렬 또는 직렬로 접속되는 적어도 2개의 부소자(sub-element)로 분할될 수 있다. 감지기 소자 중 적어도 하나의 분할은 감도 및 (저항 조정을 위한) 영역을 동시에 조정하는 보다 많은 자유를 제공한다. 바람직하게 부소자들은 동일한 치수를 가질 수 있는데, 그 이유는, 동일한 포화 필드가 요구되고, 따라서, 부소자는 동일한 형상 이방성(shape anisotropy)을 필요로 하기 때문이다.

다른 실시예에서, 장치는 적어도 2개의 자기 감지기 소자 아래에 위치된 도체 라인을 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 몇몇 실시예에서, 도체 라인은 적어도 2개의 자기 감지기 소자 중 적어도 하나의 위치에서 상이한 폭을 나타낼 수 있다. 감지기 소자의 감도를 변경하기 위해, 도체 라인 폭을 변경함으로써, 감지기 소자에 인가된 필드를 변경할 수 있다. 예를 들어, 감지기 소자의 감도를 감소시키기 위해, 도체 라인 폭을 확장함으로써, 감지기 소자에 인가된 필드를 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따른 감지기 장치는 바이패스(by-pass) 전류 경로를 더 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 측정될 전류는 전류 감도가 매우 작을 필요가 있는 적어도 하나의 감지기 소자의 위치에서, 바이패스 전류 경로라고 불리는 수 개의 병렬 도통 경로로 분할될 수 있으며, 그러한 경로들 중 단지 하나의 경로만이 소자 부근에서 흐른다.

다른 실시예에서, 감지기 장치는 적어도 하나의 자기 차폐물(shield)을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 자기 차폐물은 적어도 하나의 자기 감지기 소자의 부근에 위치될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 자기 차폐물은, 예를 들면, 퍼멀로이(permalloy)와 같은 소프트 자기 물질로 만들어질 수 있다. 인가된 필드 감소시의 차폐물의 유효성은 차폐 계수 F에 의해 특성화될 수 있다. 그러므로, 감도를 조정하기 위해, 차폐 계수 F는 변할 수 있다. 이것은 예를 들면, 차폐물의 기하 구조를 조정함으로써 수행될 수 있다.

본 발명에서는, 그 영역내에서, 전술한 바와 같은 자기 감지기 소자의 감도를 조정하기 위한 속성들의 임의의 조합을, 적어도 2개의 자기 감지기 소자를 포함하되, 각각의 자기 감지기 소자가 상이한 감도를 갖는 본 발명에 따른 감지기 장치를 형성하는데 이용할 수 있다.

본 발명의 다른 양상에서, 감지기 장치를 제조하는 방법이 제공된다. 그러한 방법은 직렬 또는 병렬로 접속된 적어도 2개의 자기 감지기 소자를 제공하는 것을 포함하되, 각각의 자기 감지기 소자는 감도를 가지며, 그로 인해, 각각의 자기 감지기 소자의 감도가 자기 감지기 소자 중 임의의 다른 것의 감도와 상이하도록, 적어도 2개의 자기 감지기 소자의 감도가 설정된다.

적어도 2개의 자기 감지기 소자 각각의 감도는 상이한 방식으로 조정될 수 있다. 제 1 실시예에서, 적어도 2개의 자기 감지기 소자의 기하 구조 및/또는 크기를 변경함으로써, 적어도 2개의 자기 감지기 소자의 감도 설정이 수행될 수 있다.

다른 실시예에서, 적어도 2개의 자기 감지기 소자 중 적어도 하나를 분할함으로써, 적어도 2개의 자기 감지기 소자의 감도 설정이 수행될 수 있다. 감지기 소자들 중 적어도 하나의 분할은 감도 및 (저항을 조정하기 위한) 영역을 동시에 조정하는 보다 많은 자유를 제공한다. 바람직하게, 부소자들은 동일한 치수를 가질 수 있는데, 그 이유는, 동일한 포화 필드가 요구되고, 따라서, 부소자는 동일한 형상 이방성을 필요로 하기 때문이다.

다른 실시예에서, 적어도 2개의 자기 감지기 소자 중 적어도 하나 부근에 자기 차폐물을 제공함으로써, 적어도 2개의 자기 감지기 소자의 감도 설정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 자기 차폐물은, 예를 들면, 퍼멀로이와 같은 소프트 자기 물질로 만들어질 수 있다. 인가된 필드 감소시의 차폐물의 유효성은 차폐 계수 F에 의해 특성화될 수 있다. 그러므로, 감도를 조정하기 위해, 차폐 계수 F는 변할 수 있다. 이것은 예를 들면, 차폐물의 기하 구조를 조정함으로써 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에서, 적어도 2개의 자기 감지기 소자 아래에 도체 라인이 제공될 수 있다. 본 발명에 따른 몇몇 실시예에서, 도체 라인은 그것이 적어도 2개의 자기 감지기 소자 중 적어도 하나의 위치에서 상이한 폭을 나타내도록 제공될 수 있다. 감지기 소자의 감도를 변경하기 위해, 도체 라인 폭을 변경함으로써, 감지기 소자에 인가된 필드를 변경할 수 있다. 예를 들어, 감지기 소자의 감도를 감소시키기 위해, 도체 라인 폭을 확장함으로써, 감지기 소자에 인가된 필드를 감소시킬 수 있다.

자기 감지기 소자의 감도를 변경 또는 설정하는 전술한 방법들의 임의의 조합을 본 발명에 따라 이용할 수 있다.

본 기술 분야에서는 꾸준한 개선, 변화 및 발전이 있었지만, 본 발명의 개념은 이전의 관행으로부터의 이탈을 포함하는 실질적으로 새롭고 신규한 개선을 나타내며, 그러한 본성의 보다 효율적이고, 안정적이고, 신뢰할 수 있는 장치를 제공한다.

본 발명의 이들 및 다른 특성, 특징 및 이점은, 예를 통해 본 발명의 원리를 기술하는 첨부 도면을 참조한 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 이러한 설명은 단지 예시를 위한 것이며, 본 발명의 영역을 제한하지 않는다. 이하에 인용된 참조 도면은 첨부 도면을 나타낸다.

도 1은 종래 기술에 따른 홀 효과 감지기로 이용된 자기-저항기 션트의 개략도이다.

도 2는 자기-저항기 션트를 갖는 경우 및 갖지 않는 경우에 대해 도시된 각도 회전에 응답한 도 1에 따른 회로에 대한 회로 전압의 그래프이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 감지기 장치의 회로도를 도시한다.

도 4는 도 3의 회로도에서의 상이한 소자들의 개별적인 동작을 도시하는 그래프이다.

도 5는 도 3에 따른 감지기 장치의 전체 신호를 도시하는 그래프이다.

도 6은 도 3에 따른 감지기 장치의 전체 신호의 세미-로그 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 감지기 장치를 형성하는 6개의 상이한 소자의 개별적인 특성의 시뮬레이션을 도시하는 그래프이다.

도 8은 도 7에 따른 6개의 상이한 소자를 포함하는 감지기 장치에 대한 전체 신호를 도시하는 그래프이다.

도 9는 도 8에 도시된 전체 감지기 신호의 세미-로그 그래프이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 감지기 장치의 병렬 접속 방안을 도시한다.

도 11은 인가된 자기 필드에서의 본 발명의 실시예에 따른 차폐물-감지기 장치의 측면도를 도시한다.

도 12는 도 11에 따른 차폐물-감지기 장치의 정면도를 도시한다.

도 13은 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같은 차폐물-감지기 장치에 대한 차폐 계수 F 대 차폐물 폭을 도시하는 그래프이다.

도 14 내지 17은 필드 감지기에 적용될 수 있는 상이한 실시예들의 개략도를 도시한다.

도 18 내지 21은 전류 감지기에 대한 상이한 실시예들의 개략도를 도시한다.

상이한 도면들에 있어서, 동일한 참조 부호는 동일하거나 유사한 요소들을 나타낸다.

본 발명은 특정 실시예에 대해, 소정의 도면을 참조하여 기술될 것이지만, 본 발명은 그것에 한정되지 않으며, 특허 청구 범위에 의해서만 한정된다. 특허 청구 범위에서의 임의의 참조 부호는 영역을 제한하는 것으로서 고려되지 않는다. 도시된 도면들은 단지 개략적인 것이며, 제한을 위한 것이 아니다. 도면에서, 예시를 위해 일부 요소의 크기는 과장될 수 있으며, 실제 축적으로 도시되지 않는다. 상세한 설명 및 특허 청구 범위에서 "포함하는" 이라는 용어가 이용되는 경우, 그것은 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 단수의 명사를 지칭하는 부정관사 또는 정관사, 예를 들면, "하나의(a)" 및 "그(the)"가 이용되는 경우, 이것은 어떤 다른 것이 구체적으로 언급되지 않는 한, 복수의 그러한 명사를 포함한다.

더욱이, 상세한 설명 및 특허 청구 범위에서의 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어는 유사한 요소들을 구별하기 위해 이용된 것이며, 순차적이거나 또는 연대기적인 순서를 기술할 필요는 없다. 그렇게 이용된 용어들은 적절한 상황하에서 상호교환가능하며, 본 명세서에서 기술된 본 발명의 실시예는 본 명세서에서 기술되거나 예시된 것과는 상이한 순서로 동작할 수 있음을 이해해야 한다.

특허 청구 범위에서 이용된 "포함하는" 이라는 용어는 이후에 열거된 수단들에 제한되는 것으로서 해석되어서는 않되며, 그것은 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않음을 주지해야 한다. 따라서, 그것은 언급된 특징, 완전체, 단계 또는 구성요소의 존재를 지정하는 것으로서 해석되지만, 하나 이상의 다른 특징, 완전체, 단계 또는 구성요소, 또는 그것의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 따라서, "수단 A 및 B를 포함하는 장치" 라는 표현의 영역은 구성요소 A 및 B만으로 구성되는 장치로 제한되어서는 않된다. 그것은, 본 발명에 대하여, 장치의 유일한 관련 구성요소가 A 및 B임을 의미한다.

본 발명은 감지기 신호와 측정될 속성 사이의 비선형 관계, 예를 들면, 감지기 신호와 측정된 속성의 대수 사이의 실질적으로 선형적이거나 또는 의사 선형적인 관계를 나타내는 감지기 장치(30)를 제조하는 방법과, 그러한 방법에 의해 얻어진 감지기 장치(30)를 제공한다. 측정될 속성은, 예를 들면, 자기 필드 또는 전류일 수 있다. 본 발명에 따른 감지기 장치(30)는 몇 개의 디케이드에 걸쳐 일정한 상대적 감도 및 균일한 SNR을 제공할 수 있는 넓은 동적 범위 감지기로서 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 감지기 장치(30)의 제안된 설계는, MRAM 모듈을 포함하는 집적 회로에서의 집적된 전류 감지기 뿐만 아니라, 이산 자기 필드 감지기 또는 전류 감지기에 적용될 수 있다. 다른 설명에서, 본 발명은 TMR 감지기 장치에 의해 기술될 것이다. 그러나, 이것은 단지 설명의 용이성을 위한 것이며, 이것은 본 발명을 제한하는 것은 아님을 이해해야 한다. 또한, 본 발명은, 예를 들면, AMR 및 GMR 감지기에 적용될 수 있다.

기본적으로, 본 발명에서 제안된 대수 또는 의사 대수 감지기 장치(30)는, 상이한 감도를 가지며 직렬 또는 병렬로 접속되는 적어도 2개의 선형 자기 저항 감지기를 포함하는 시스템이다. 적어도 2개의 선형 자기 저항 감지기 각각의 감도는, 후술되는 바와 같이, 상이한 방식으로 설정될 수 있다.

일실시예에서, 직렬로 접속되는 복수의 n개의 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1(여기서, n은 정수≥2)을 포함하는 감지기 장치(30)가 제공된다. 예로서, 본 발명에 따른 감지기 장치(30)가 도 3에 도시된다. 설명의 용이성을 위해, 도 3에서의 감지기 장치(30)는 3개의 감지기 소자 R₀, R₁, R₂만을 포함한다. 시스템은 전류 소스(31)에 의해 공급되며, 전류 소스(31)의 단자들 상에서 출력 전압이 측정된다. 본 발명에 따르면, 각각의 감지기 소자 R₀, R₁, R₂는 상이한 감지기 소자 R₀, R₁, R₂의 개별적인 동작을 도시하는 도 4에 도시된 바와 같이 상이한 전압 대 필드 또는 전류 특성을 갖는다. 각각의 감지기 소자 R₀, R₁, R₂는 그들의 포화 필드 H₁, H₂, H₃ 아래의 필드에서 선형 특성을 나타내며, 이들 값 H₁, H₂, H₃보다 큰 필드에서 포화된다. 바람직하게, 감지기 소자 R₀, R₁, R₂는, 제로 필드에서의 그들의 저항들이 동일하고, 그들의 풀(full) 저항 변화들이 동일하도록 설계될 수 있다. 그러나, 본 발명은 동일한 저항들에 제한되지 않으며, 각각의 감지기 소자 R₀, R₁, R₂는, 비록 덜 바람직하기는 하지만, 최적의 동작이 보장될 수 없는 경우에도, 상이한 저항을 가질 수 있음을 주지해야 한다.

예를 들어, TMR 감지기의 경우, 그들의 종횡비가 상이할 수 있지만, 감지기 소자 R₀, R₁, R₂의 영역을 동일하게 유지함으로써 동일한 저항들이 얻어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 감지기 장치(30)를 형성하는 상이한 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감도 S_O, S₁, S₂, ..., S_n _-1(여기서, 감도 S_O, S₁, S₂, ..., S_n _-1은 각각의 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 선형 특성의 경사로서 정의됨)은 관계 S_O＞S₁＞S₂＞...＞S_n _- ₁를 만족해야 하는데, 즉, 각각의 자기 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1은 상이한 감도를 가져야 하고, 또한 중요한 사항으로서, 감지기 장치(30)의 출력에서 취해진 모든 개별적인 신호들의 합은 비선형 또는 보다 중요하게 의사 로그 함수에 적합해야 한다(도 5 참조). 필드를 로그 스케일로 도시할 때, 도 6에 도시된 바와 같은 의사 선형 특성 곡선이 얻어져야 한다. 도 6에서 볼 수 있듯이, 곡선의 각 세그먼트는 완전한 라인을 형성하지 않고, 약간 휘어지게 되는데, 그 이유는, 선형으로부터 로그 스케일로의 변환 때문이다. 그러나, 상세한 설명에 더 기술되는 바와 같이, 실제로, 개별적인 특성 곡선은 포화의 개시 부근에서 통상적으로 라운딩 오프되어, 보다 평활한 전체 신호 곡선을 초래하게 되며, 따라서, 로그 스케일 도면에서의 실제 특성 곡선은 직선에 보다 가까울 것이다. 로그 함수의 속성으로 인해, 시작 필드 H₀은 원리상 0일 수 없지만, 실제로 예를 들면, 1 Oe보다 작은 매우 작은 값일 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 감지기 장치(30)의 동작을 연구할 때, H₀으로부터 H₁까지의 가장 낮은 필드 범위에서, 전체 신호는 개별적인 소자들의 모든 선형 경사들의 합이고, 가장 높은 감도 S₀(감지기 R₀)을 갖는 감지기에 의해 지배된다. 따라서, 이러한 부분은 가장 가파른 경사를 갖는다. H₁로부터 H₂까지의 필드에서, R₀은 포화되고, 따라서, 그 신호는 전체 신호의 변화에 더 이상 기여하지 않는다. 이제 전체 경사는 크게 감소되고, 두 번째로 높은 감도의 소자 R₁에 의해 지배되는 등으로 된다. 마지막으로, 가장 낮은 감도의 소자 R_n _-1을 제외하고는 모든 소자가 포화되는 가장 높은 필드 범위에서, 전체 신호는 R_n _-1로부터의 신호에 의해서만 영향을 받으며, 따라서, S_n _-1의 경사를 갖는다. 본 발명의 이러한 실시예에 따른 감지기 장치(30)를 구성함으로써, 감지기 장치(30)의 전체 동적 범위는 다수의 세그먼트로 분할된다. 각각의 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1은 주로, 가장 적합한 감도를 갖는 소정의 세그먼트에 대한 책임이 있다. 최적의 세그먼트 선택을 위해, 감지기 장치(30)의 상대적인 감도는 상당히 일정할 수 있으며, 몇 개의 디케이드에 걸쳐 균일한 SNR이 얻어진다.

감지기 장치(30)의 출력에서 로그 함수를 얻기 위해, 각각의 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1은 정의된 감도 S₀, S₁, S₂, ..., S_n _-1을 가져야 한다. 이들 감도 S₀, S₁, S₂, ..., S_n _-1은 합산되기 때문에, 서로 잘 연결되어야 한다. 이하, 이들 값을 정의하는 방법이 기술될 것이다.

감지기 장치(30)의 출력에서, 이하의 관계를 만족해야 하는 대수 함수가 얻어지는 것으로 가정한다.

여기서, V는 감지기의 전체 신호 전압이고, H는 측정될 필드이며, a 및 b는 함수의 2개의 파라미터이다. 수학식 (1)은 필드 감지기에 적용된다. 다른 계산이 필드 감지기에 대해 수행될 것이지만, 필드 감지기에 제한되지 않는다. 전류 감지기의 경우, H는 측정될 전류인 I에 의해 대체되어야 함을 주지해야 한다. 임의의 필드 H에서의 곡선의 경사는 다음과 같다.

모든 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 전체 신호는 수학식 (1)을 따를 필요가 있다. 그러나, 선형 특성들의 합인 전체 신호 곡선의 각 세그먼트는 사실상 직선이며, 따라서, 원리상 그들은 의사 로그 함수만을 형성할 수 있다. 이상적인 로그 함수로부터의 편차는 보다 많은 세그먼트를 추가함으로써, 따라서, 보다 많은 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1을 감지기 장치(30)에 추가함으로써 감소될 수 있다.

전체 신호 곡선의 각 세그먼트의 경사는 세그먼트의 시작 필드에서 수학식 (2)에서 정의된 경사와 대략적으로 동일한 것으로 가정한다. 그러므로, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 모든 개별적인 경사들의 합인 (H₀으로부터 H₁까지의) 제 1 세그먼트의 경사는 다음과 같이 표현될 수 있다.

H₀으로부터 H₁까지:

필드가 H₁보다 크고, H₂보다 작을 때, 제 1 소자 R_O이 포화된다. 전체 경사는 S₀을 제외한 모든 경사들의 합이다.

H₁로부터 H₂까지:

H₁=(△V+S₀H₀)/S₀이고, 여기서 △V=V₁-V₀이며, 수학식 (4)는 다음과 같이 된다.

H₂로부터 H₃까지, R₀ 및 R₁ 둘다 포화되고, 그에 따라, 그들의 경사 S₀ 및 S₁은 합으로부터 사라진다.

수학식 (5)와 유사하게, 수학식 (6)은 다음과 같이 되는 등으로 될 수 있다.

일반적으로, n 수학식의 시스템이 달성된다.

이러한 수학식 시스템은, 해결될 필요가 있는 n개의 미지수, 즉, S₁, ..., S_n-1을 갖는다.

다음 수학식으로부터 하나의 수학식을 감산(즉, 제 i 수학식 - 제 i-1 수학식)함으로써, 이하의 수학식이 얻어질 수 있다.

그리고, S_i(i는 1 내지 n-1)는 이하의 2차 방정식들의 양의 해이다.

해로부터, 제 1 경사 S₀은 선택될 수 있는 파라미터이며, 그로부터 로그 함수의 파라미터 "a" 및 경사의 나머지(S_i, i는 1 → n-1)가 고유하게 정의될 수 있다. 이와 달리, 파라미터 "a"는 알려진 파라미터(예를 들면, 요건)으로 고려될 수 있으며, S₀ 및 S_i는 수학식 (10) 및 (11)을 푸는 것에 의해 각각 결정될 수 있다. 수학식 (11)은 오름차순으로 풀 수 있는데, 그 이유는, S_i _-1을 알기 위해 필요한 S_i를 풀기 위함이다.

원리적으로, 보다 낮은 검출 한계를 커버할 수 있는 감지기 장치(30)를 형성하기 위해, 소자 R₀은 그것이 가능한 한 높은 감도를 갖도록 설계되어야 한다. 나머지 감지기 소자 R₁, R₂, ..., R_n _-1은 보다 낮은 감도 S₁, S₂, ..., S_n _-1을 가질 수 있다.

원리를 증명하기 위해, 이하, 시뮬레이션이 제공될 것이다. 이러한 시뮬레이션에서, 감지기 장치(30)는 직렬로 접속된 6개의 감지기 소자 R₀ 내지 R₅를 포함하는 것으로 가정한다. 제 1 소자 R₀은 4%/Oe의 감도 S₀을 가질 수 있으며, 이것은 8×10^-3V/Oe와 동등하다. 이것은 우수한 TMR 감지기에 대한 전형적인 값이다. 다른 입력 파라미터는 △V=0.04V, V₀=0.2V 및 H₀=1 Oe이다.

수학식 (10) 및 (11)을 풀면 다음과 같다.

계산으로부터 결정된 경사 S₀ 내지 S₅에 대한 값들로부터, 경사 S₀ 내지 S₅는 감지기 장치(30)의 동적 범위와 대략적으로 동일한 수의 디케이드인 넓은 범위에 걸쳐 변화됨을 주지해야 한다. 그러나, 경사를 넓은 범위에 걸쳐 변화시키는 것은 사실상 전혀 사소한 것이 아님을 이후에 나타낼 것이다.

개별적인 특성 곡선은 실제에 보다 가까운 라운딩 오프 형상(rounded-off shape)을 갖는 것으로 가정한다. S자형 함수(sigmoidal function)를 이용하여 특성 곡선을 시뮬레이팅한다.

(x=x₀에서의) 최대 경사는 α/4β이다. 이러한 경사는 위에서의 계산으로부터 얻어진 S₀ 내지 S₅에 의해 대체될 것이다.

도 7은 6개의 감지기 소자 S₀ 내지 S₅의 개별적인 특성을 도시한다. 모든 개별적인 신호들을 합산함으로써 얻어진 전체 신호가 도 8에 제공된다. 세미 로그 스케일로 도시될 때(도 9 참조), 전체 신호 곡선은 제 1 세그먼트에서 약간 휘어진 것을 제외하고는 직선을 나타낸다. 이것은 우수한 로그 함수 특성이 달성될 수 있음을 나타낸다. 이러한 예에서, 감지기 장치(30)는 필드의 4 디케이드에 걸친 대수 동작을 제공할 수 있다.

한편, 제 1 감지기 소자의 감도 S₀을 증가시키는 것은 범위를 보다 낮은 디케이드까지 확장시킬 것이며, 그와 동시에, 제 1 세그먼트의 로그 스케일 도면에서의 선형성이 개선될 것이다. 한편, 보다 많은 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1을 추가하는 것은 필드 범위를 보다 높은 디케이드로 확장시킬 것이다. 그러나, 동적 범위를 낮은 한도 및 높은 한도로 확장시키는 데에는 한계가 있다. 사실상, 최고 감도는 이용가능한 기법에 의해 제한된다. 한편, 높은 한도로 확장시키기 위해, 보다 많은 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1을 추가하는 것은, 소정의 보다 높은 번호가 부여된 감지기 소자의 매우 낮은 감도를 요구한다. 보다 낮은 감도는 장치 구조에 보다 큰 복잡도를 부가할 것이며, 달성하는 것이 항상 용이하지는 않다. 이들 문제에 대해서는 이후에 더 기술될 것이다.

이와 달리, 본 발명에 따른 다른 실시예에서, 감지기 장치(30)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 병렬로 접속될 수 있는 n개의 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1을 포함할 수 있다. 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1은 전압 소스(32)에 의해 공급되며, 전체 전류는 감지기 장치(30)의 출력 신호로서 측정된다. 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감도에 대한 계산은, 본 발명의 제 1 실시예에 대해 기술된 것과 유사하다. 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1은 온도 변화와 같은 외부의 교란에 대한 보다 우수한 면역성을 위해, 예를 들면, 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)의 구성에 또한 접속될 수 있다.

따라서, 본 발명은 전류 감지기 및 자기 필드 감지기 둘다를 위해 이용될 수 있다. 두 경우, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감도 S₀, S₁, ..., S_n _-1은 잘 조정된다. 다음 섹션에서 기술되는 바와 같이, 감도 S₀, S₁, ..., S_n _-1을 조정하는 다양한 방법이 있다.

감지기 장치(30)의 감도, 즉, 전압 대 필드(또는 전류) 그래프의 선형 부분의 경사는, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감지 층의 이방성에 반비례한다.

여기서, MR_max는 감지기의 최대 자기 저항 변화(%)이고, μ₀은 진공의 투과도이고, M_s는 감지 물질의 포화 자화이고, K는 감지 층의 이방성 상수이다.

전형적으로 퍼멀로이로 만들어질 수 있는 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감지 층의 이방성은 형상 이방성 및 결정 이방성의 대수학적 합이다. 결정 이방성은 국부적으로 변화될 수 없는 고유의 물질 속성인 반면, 형상 이방성은 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 기하 구조에 의존하므로 변화될 수 있다. 형상 이방성 에너지 밀도 K_shape는 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서, N_x 및 N_y는 소자의 기하 구조에만 의존하는 용이축(easy axis) 및 곤란축(hard axis)을 각각 따른 자기 소거 계수(demagnetization factor)이다. 큰 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 경우, 즉, 수 ㎛보다 큰 경우, 형상 이방성은 다음과 같이 근사화될 수 있다.

여기서, t 및 w는 각각 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감지 층의 두께 및 폭이다.

감지기 장치(30)의 감도를 증가시키기 위해, 예를 들면, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감지 층의 층 두께를 감소시킴으로써, 또는, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 종횡비를 감소시킴으로써, 이방성이 감소될 수 있다. 그러나, 너무 작은 이방성은 커다란 이력 현상(hysteresis)을 초래하고, 감지 층에서의 자기 패턴을 불안정하게 할 것이다.

감도를 감소시키기 위해, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감지 층의 (형상) 이방성은, 예를 들면, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 폭을 감소시킴으로써, 증가될 수 있다. 이론적으로, N_y→1에 대해, 및 그에 따라 N_x 및 N_z→0에 대해(N_x + N_y + N_z = 1 이기 때문임), K_shape = (1/2)μ₀M_s ²이 얻어질 수 있다. 이론적으로, 이것은 형상 이방성이 약 3 디케이드에 걸쳐 변할 수 있음을 의미한다. 구성 동안의 최소 가능 측방향 치수 및 최대 허용 층 두께와 같은 기술적인 요건 및 바램으로 인해, 실제 범위는 상당히 더 작을 수 것이다.

이하, 보다 높은 번호가 부여된 감지기 소자의 감도를 감소시키는 대안 및 보조 수단이 기술될 것이다.

감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감도는 인가된 자기 필드(도 11 및 도 12를 참조)를 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 이것은, 예를 들면, 자기 차폐물(33)을 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 부근에 위치시킴으로써 수행될 수 있다. 그러한 차폐물(33)은, 예를 들면, 퍼멀로이와 같은 소프트 자기 물질로 만들어질 수 있다. 인가된 필드를 감소시의 차폐물(33)의 유효성은, 차폐물(33)이 존재시의 이러한 필드의 나머지에 대한, 차폐물(33)이 부재시의 인가 필드의 비율로서 정의될 수 있는 차폐 계수 F에 의해 특성화될 수 있다. 보다 일반적인 정의에서, 그것은 차폐물(33) 부근의 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 응답에 대한, 차폐물(33)이 없는 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 응답의 비율이다. 후자의 정의를 이용함으로써, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 응답에 대한 차폐물의 임의의 직접적인 효과가 또한 포함된다. 후자의 예는, 예를 들면, 소프트 자기 필드에서의 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 미러 이미지에 의한 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 형상 이방성의 감소일 수 있다.

감도를 조정하기 위해, 차폐 계수 F는 변할 수 있다. 이것은, 예를 들면, 차폐물(33)의 기하 구조를 조정함으로써 수행될 수 있다. 이것은 이하에서 설명될 것이다.

도 11 및 12는 각각, 본 발명의 실시예에 따른 감지기 소자/차폐 시스템(35)의 측면도 및 정면도를 도시한다. 도 11은 차폐물(33)의 기능을 설명한다. 감지기 소자/차폐 시스템(35)은 광역(global) 인가 필드 H_app에 노출된다. 필드는 차폐물(33)을 자화시키고, 자화된 차폐물은 자화 방향과는 반대의 방향으로 자기 소거 필드 H_D를 생성한다. 따라서, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _- ₁는, H_app와 H_D의 합인 결과적인 필드 H_app _{_} _sens에 노출된다.

여기서, N_shield, χ_shield 및 M_shield 각각은 차폐물(33)의 자기 소거 계수, 자화율 및 자화이고, H_{i_shield}는 차폐물(33)에서의 내부 필드를 표기한다. 수학식 (16)은 차폐물(33)이 거리 손실을 무시할 수 있는 자기 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1로부터의 작은 거리에 위치될 때에만 유효하다. 예를 들어, 차폐물(33)이 40㎛의 폭, 2㎛의 두께 및 2000의 자화율을 갖는 경우, 차폐물(33)과 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1사이의 거리는, 수학식 (16)의 이용을 허용하도록, 20㎚ 이하여야 한다.

감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 자화로 인한 필드는, 당분간 (비교적 얇은 감지기에 대해 정확히) 무시할 수 있다. 이러한 예에서, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1은 차폐물(33)에 매우 근접하여 위치될 수 있고, 자기 필드는 차폐물 경계를 가로질러 연속적이기 때문에,

라고 할 수 있다. 그러므로, 수학식 (16)은 다음과 같이 된다.

이것은 다음과 같이 되도록 한다.

따라서, 다음과 같이 된다.

감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1과 차폐물(33) 사아의 거리 d가 커진다면, 거리 손실을 고려해야 한다. 거리 손실을 차폐물(33)의 폭 w_shield의 2배와 동일한 주기를 갖는 주기적 자화 패턴의 그것에 의해 근사화함으로써, 작은 거리 2πd ＜ w_shield에서의 차폐 계수 F는 다음과 같이 된다.

여기서,

이다.

대안적으로, 직사각형 차폐물이 (직사각형과 동일한 두께 및 폭을 갖는) 타원에 의해 근사화될 때, 거리 손실에 대한 분석적인 표현이 도출될 수 있다. 비교적 작은 거리의 경우, 이러한 거리 손실은 상기 근사화에서보다 작은 계수 2/π이다. 작은 거리 2πd ＜ w_shield에서의 차폐 계수 F는 다음과 같이 된다.

수학식 (21)은, 예를 들면, 얇은 직사각형 막대에 대해서도 또한 유효함을 볼 수 있다. 이것은 얇은 타원체 막대에서의 자기 소거 필드 및 얇은 직사각형 막대에서의 필드는, 인가 필드에 반대이지만, N_shieldχ_shield＞＞1인 경우 크기가 동일하다는 사실에 기인한다. 그러므로, 두 자기 소거 필드들은 동일하고, 그에 따라 전하 밀도도 동일하다. 직사각형 및 타원체 막대에서의 동일한 전하 밀도로 인해, 막대 밖의 필드도 동일해야 한다.

위에서와 같은 계산에서, 차폐물(33)은 포화되지 않는 것으로 가정되는데, 그 이유는, 포화가 발생되는 경우, 자화율이 0으로 되고, 그에 따라 차폐물 효과가 사라지기 때문이다. 포화되지 않는 조건은 다음과 같이 주어질 수 있다.

여기서,

그리고, w_shield _{_sat}는 포화가 발생되는 차폐물 폭으로서 정의된다.

소프트 자기 차폐물에서 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 반사로 인해 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1에 대한 자기 소거 효과 감소가 고려될 때, 차폐 계수 F는 다음과 동일하다.

d＜w_sensor/4π 및 χ_shieldt_shield/w_sensor＞＞1을 가정하면, 다음과 같이 된다.

여기서, H_K는 감지기의 이방성 필드이다.

단순한 감지기 소자 구조를 적용하면 다음과 같다.

수학식 (24)에서, 제 1 항의 분자(numerator)는 배어(bare) 차폐물(33)에 근접한 필드 감소 계수를 기술한다. 제 1 분모(denominator)는 보다 큰 거리에 대한 차폐의 효과 감소를 기술한다. 제 2 항은 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감소된 형상 이방성으로 인한 차폐에 대한 감소 효과를 기술한다. 예를 들면, 수 ㎚ 이하의 두께를 갖는 자유 층을 구비한 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 경우, 이러한 후자의 효과는 통상적으로 무시될 수 있다.

감지기 장치(30)에서의 상이한 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1에 대해 차폐 계수 F를 변화시키기 위해, 상이한 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1에 대해, 상이한 차폐 계수 F를 갖는 분리된 차폐물(33)이 요구될 수 있다. 예를 들면, 두께, 폭, 자화율과 같은 F에 영향을 미치는 상이한 파라미터들 중에서, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1및 차폐물(33)의 폭들은 제조 프로세스 관점으로부터 변경하기에 가장 용이한 파라미터이다. 도 13에서, 차폐 계수 F가 χ_shield = ∞, 3000 및 1500 각각에 대한 차폐 폭에 대하여 도시된다. 각각의 자화율(∞, 3000 및 1500)의 경우, 차폐 계수 F는 두 경우, 즉, 반사 효과를 갖는 경우 및 갖지 않는 경우에 대해 계산된다. 계산에서, 다음과 같은 것이 가정된다. 즉, t_shield = 2㎛, M_{s_shield} = 800kA/m, d = 0.1㎛, t_sensor = 0.005㎛, w_sensor = 5㎛, M_{s_sensor} = 800kA/m 및 H_K = 400A/m으로 가정한다.

차폐물(33)이 포화되지 않는 조건의 경우, 가정된 H_app = 56kA/m(700 Oe)가 중요하다. 이러한 필드 값에 대해, 차폐물(33)은, 차폐물 폭이 w_shieldsat = 29㎛ 미만인 경우 포화되지 않는다. 2㎛ 두께의 차폐물의 경우, 차폐물 자화율 또는 포화에 영향을 미치지 않고서, 수 십 정도의 차폐 계수를 제어가능한 방법으로 용이하게 얻을 수 있다.

이러한 방법의 이점은, 차폐물 기하 구조의 소정의 조합으로, 차폐 계수 F는 χ_shield에 독립적으로 쉽게 만들어질 수 있다는 것이다. 이것이 유효하도록, 다음과 같은 것이 필요하며,

다음과 같이 된다.

도 13에서, 이러한 포화는 w_shield에 대한 작은 값, 예를 들면, F가 차폐물의 자화율에 크게 의존하지 않는 곡선의 상부 세트에 대해 ∼10㎛ 미만에서 발생된다.

그러므로, 충분히 높지만 여전히 실제로 실현가능한 투과성을 선택함으로써 차폐물 기하 구조에만 의존하는 자기 차폐물(33)을 이용함으로써, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감도는, 완전히 제어가능한 방법으로, 약 1 내지 2 차수만큼 크기가 더 감소될 수 있다.

자기 저항 효과에 근거한 전류 감지기에서, 도체 라인(36)이 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 부근에 위치될 수 있다. 도체 라인(36)은 전류에 비례하는 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 위치에서 필드를 생성한다. 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1에서 생성된 필드는 도체 라인(36)의 폭에 반비례하며, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1과 도체 라인(36) 사이의 거리는 고정되는 것으로 가정한다. 따라서, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감도를 감소시키기 위해, 도체 라인 폭을 확장시킴으로써, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1에 인가된 필드를 감소시킬 수 있다. 전류 감지기에서의 도체 라인(36) 폭의 확장은, 전술한 바와 같이, 자기 필드 감지기에서의 차폐물(33)과 동일한 목적을 갖는다.

전류 감지기의 경우의 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감도는, 전류를 다수의 병렬 도통 경로로 분할함으로써 더 감소될 수 있으며, 다수의 병렬 도체 경로들 중에서 단지 하나의 경로만이 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1에 근접하여 흐르도록 허용된다. 따라서, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1근처에서 흐르는 전류는 감소되어, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1에 인가된 필드의 감소를 초래하고, 따라서, (전체) 전류에 대한 그의 감도가 감소된다. 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1근처에서 흐르는 전류는 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서, I_sensor 및 I_measured는 각각, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 부근에서 흐르는 전류 및 측정될 전체 전류이다. R 및 R_by _-pass는 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n-1의 부근에서 흐르는 도통 경로의 저항 및 바이패스(by-pass) 경로의 저항이다.

이러한 방법은 이전의 방법과 공통적으로 보다 넓은 전류 도체를 이용한다.

본 발명의 상이한 실시예에 따르면, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감도를 조정하는 전술한 방법들 중 하나 또는 조합을 이용하여, 동일한 기판상에서 상이한 감도를 갖는 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1을 얻을 수 있다. 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감도는, 그들의 신호가 합산되는 경우 로그 함수 특성을 초래하도록, 위에서의 계산에 따라 잘 조정되어야 한다.

이하, 자기 필드 및 전류 감지기 둘다에 대한 감도에 맞추기 위한 방법과 관련된 상이한 예들이 제공된다. 상이한 예들은 TMR 감지기에 의해 기술된다. 그러나, 예를 들면, GMR 또는 AMR 기반 감지기와 같은, 다른 유형의 자기 저항 감지기 소자도 적용될 수 있음을 이해해야 한다.

먼저, 자기 필드 감지기에 대한 다른 가능한 감지기 구성이 기술될 것이다.

제 1 예에서, 감지기 장치(30)는 직렬로 접속되는 4개의 감지기 소자 R₀ 내지 R₃을 포함할 수 있다(도 14 참조). 이러한 예에서, 감지기 소자 R₀ 내지 R₃의 기하 구조는, 그들이 상이한 감도를 갖지만 모두 (제로 필드에서) 동일한 저항을 갖도록 변화된다. TMR 감지기 소자가 가정되었기 때문에, 감지기 영역들은 동일하며, 동일한 저항이 얻어진다. 동일한 저항은, 이미 전술한 바와 같이, 최적의 대수 감지기를 얻기 위해 중요한 것이다.

도 15에 도시된 제 2 예에서, 감지기 장치(30)는 제 1 예와 유사하지만, 하나 이상의 감지기 소자 R₀ 내지 R₃이, 병렬로 접속된 다수의 부소자로 분할될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 다른 실시예에서, 부소자는 직렬로 접속될 수도 있음을 이해해야 한다. 도 15에 주어진 예에서, 감지기 소자 R₁은 2개의 병렬 부소자 R₁' 및 R₁"으로 분할된다. 감지기 소자 R₀ 내지 R₃ 중 적어도 하나를 분할하는 것은 감도 및 (저항을 조정하기 위한) 영역을 동시에 조정하는 보다 많은 자유를 제공한다. 바람직하게, 부소자 R₁' 및 R₁"은 동일한 치수를 갖는데, 그 이유는, 동일한 포화 필드가 요구되고, 따라서, 부소자 R₁' 및 R₁"은 동일한 형상 이방성을 필요로 하기 때문이다.

자기 필드 감지기의 제 3 예에서, 대안적으로, 상이한 차폐 계수를 갖는 차폐물(33)을 감지기 소자 R₀ 내지 R₃의 부근에 위치시킴으로써 감도가 변할 수 있다(도 16 참조). 이 경우, 감지기 소자 R₀ 내지 R₃은 동일한 치수를 가질 수 있다. 통상적으로, 제 1 감지기 소자 R₀은 차폐되지 않는데, 그 이유는, 본 발명에 따르면, 그것은 가장 높은 감도를 가져야 하기 때문이다.

자기 필드 감지기를 위한 바람직한 구성이 제 4 예로서 도 17에 도시된다. 이러한 예는, 그것이 기하 구조 및 차폐 효과에서의 두 변화를 조합하여, 감지기 소자 R₀ 내지 R₃의 감도를 조정하기 위한 최대의 자유를 제공하기 때문에, 가장 실용적인 설계이다. 제 2 예에서 기술된 바와 같이 몇몇 소자를 분할하는 것을 이러한 예에도 적용할 수 있다.

도 14 내지 17에서, 참조 번호(40)는 감지 전류를 표기한다.

다음, 전류 감지기에 대한 가능한 구성의 몇 가지 예가, 도 18 내지 21에서 기술 및 도시된다.

제 1 예에서, 감지기 장치(30)는 직렬로 접속된 4개의 감지기 소자 R₀ 내지 R₃을 포함할 수 있다(도 18). 감지기 소자 R₀ 내지 R₃은 상이한 기하 구조를 가져, 상이한 필드 감도를 초래할 수 있다. 감지기 소자 R₀ 내지 R₃ 아래에, (참조 번호(50)로 표기된) 측정될 전류가 흐르는 일정한 폭을 갖는 분리된 도체 라인(36)이 있다. 도체 라인(36)은 감지기 소자 R₀ 내지 R₃의 위치에 자기 필드를 생성한다. 상이한 감지기 소자 R₀ 내지 R₃에서의 필드 값들은 동일하며, 따라서, 전류 감도는 감지기 소자 R₀ 내지 R₃의 기하 구조에 의해서만 결정된다. 전류 감지기의 경우, 2개의 상이한 유형의 감도가 존재하는데, 즉, 필드 감도는 임의의 인가 필드에 대한 감지기의 감도이고, 전류 감도는 측정될 전류에 대한 감지기의 감도, 즉, 비율 신호 전압/전류이다. 이러한 제 1 예에서, 감지기 소자 R₀ 내지 R₃은 도 18로부터 볼 수 있는 바와 같이, 상이한 기하 구조를 가질 수 있다.

도 19에 도시된 감지기 장치(30)는 제 1 예의 감지기 장치(30)와 유사하지만, 도체 라인(36)의 폭은 상이한 위치들에서 변할 수 있어, 상이한 감지기 소자 R₀ 내지 R₃에 인가된 상이한 필드를 초래한다. 기하 구조 및 도체 라인 폭에서의 변화의 조합은, 감지기 소자 R₀ 내지 R₃의 전류 감도를 조정하는 보다 많은 자유를 제공한다.

제 3 예에 따른 전류 감지기 장치(30)에서, 측정될 전류(50)는 전류 감도가 매우 작을 필요가 있는 적어도 하나의 감지기 소자 R₀ 내지 R₃의 위치에서, 바이패스 전류 경로(37)라고 불리는 수 개의 병렬 도통 경로로 분할될 수 있으며, 그러한 경로들 중에서 단지 하나의 경로만이 소자의 부근에서 흐른다. 예를 들면, 집적된 전류 감지기를 위한 것과 같은 IC 제조가 이용되는 응용의 경우, 바람직하게 바이패스 전류 경로(37)는 상이한 상호접속 레벨에 위치되어, 전체 시스템의 측방향 영역이 작게 유지되도록 할 수 있다.

제 4 예에서, 기하 구조, 도체 폭 및 차폐의 조합이 이용된다. 더욱이, 이전의 예에서와 같이 도통 경로를 분할하고, 자기 필드 감지기의 제 2 예에서 기술된 바와 같이 감지기 소자 R₀ 내지 R₃을 분할하는 것이 또한 적용될 수 있다(도시되지 않음).

도 18 내지 21에서, 참조 번호(40)은 감지 전류를 표기한다.

감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 상이한 조합들이 또한 적용될 수 있음을 이해할 수 있으므로, 전술한 예들은 본 발명을 제한하는 것이 아니다. 더욱이, 본 발명에 따른 감지기 장치(30)는 임의의 수의 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 감지기 장치(30)는 감지기 신호와 측정될 자기 필드 또는 전류의 대수 사이의 선형 관계를 나타낼 수 있다. 본 발명에 따른 감지기 장치(30)는 몇 개의 디케이드에 걸친 넓은 동적 범위의 필드를 감지할 수 있는 이산 자기 필드 감지기 및 넓은 동적 범위의 전류를 감지할 수 있는 이산 전류 감지기로서 적용될 수 있다. 본 발명의 감지기 장치(30)는 넓은 동적 범위의 전류를 감지할 수 있는 집적된 전류 감지기로서 및 측정될 양(이러한 양은, 예를 들면, 시간에 따라 지수적으로 변함)으로부터 변환되는 전류를 비침해적으로 감지할 필요가 있는 임의의 응용에서 더 적용될 수 있다.

전술한 설명에서 제공된 예들은 본 발명을 제한하기 위한 것이 아님을 이해해야 한다. 본 발명에 따라, 감지기 소자 R₀, R₁, ..., R_n _-1의 감도 S₀, S₁, ..., S_n-1을 조정하기 위한 기술된 방법의 임의의 가능한 조합을 이용하여, 감지기 신호와 측정될 속성, 예를 들면, 자기 필드 또는 전류의 대수 사이의 의사 선형 관계를 나타내는 출력 신호를 갖는 감지기 장치를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 장치에 대해 바람직한 실시예, 특정 구조, 구성 및 물질이 기술되었지만, 본 발명의 영역 및 사상을 벗어나지 않고서도, 형태 및 세부 사항에 있어서 다양한 변경 또는 수정이 가능함을 이해할 것이다.

Claims

감지기 장치(30)에 있어서,

직렬 또는 병렬로 접속된 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)를 포함하되,

각각의 상기 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)는 감도(S₀, S₁, ..., S_n _-1)를 갖고,

각각의 상기 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)의 상기 감도(S₀, S₁, ..., S_n-1)는 임의의 다른 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)의 감도(S₀, S₁, ..., S_n _-1)와는 상이한

감지기 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1) 각각은 감지된 파라미터의 범위에 걸친 감지기 신호를 출력하고, 상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)의 상기 감지기 신호 각각의 합은 상기 감지기 장치(30)의 상기 범위에 걸친 상기 감지된 파라미터의 비선형 함수에 맞추어지는 감지기 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 비선형 함수는 의사 로그 함수(quasi-log function)인 감지기 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1) 각각은 동일한 기하 구조 및 크기를 갖는 감지기 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1) 중 적어도 하나는 상이한 기하 구조 및 크기를 갖는 감지기 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1) 중 적어도 하나는 서로 병렬 또는 직렬로 접속된 적어도 2개의 부소자(R₁' 및 R₁")로 분할되는 감지기 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1) 아래에 위치된 도체 라인(36)을 더 포함하는 감지기 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1) 아래에 위치된 도체 라인(36)을 더 포함하는 감지기 장치.
제 7 항에 있어서,

상기 도체 라인(36)은 상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1) 중 적어도 하나의 위치에서 상이한 폭을 나타내는 감지기 장치.
제 1 항에 있어서,

바이패스(by-pass) 전류 경로(37)를 더 포함하는 감지기 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 장치(30)는 적어도 하나의 자기 차폐물(33)을 더 포함하는 감지기 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 자기 차폐물(33)은 적어도 하나의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)의 부근에 위치되는 감지기 장치.
감지기 장치(30)를 제조하는 방법에 있어서,

직렬 또는 병렬로 접속된 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)를 제공하는 단계를 포함하되,

각각의 상기 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)는 감도(S₀, S₁, ..., S_n _-1)를 갖고, 그로 인해, 상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)의 상기 감도(S₀, S₁, ..., S_n _-1)는, 각각의 상기 자기 감지기 소자의 상기 감도(S₀, S₁, ..., S_n _-1)가 임의의 다른 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)의 감도(S₀, S₁, ..., S_n-1)와는 상이하도록 설정되는

감지기 장치 제조 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 감지기 장치(30)는 비선형 감지기 장치인 감지기 장치 제조 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 감지기 장치(30)는 의사 대수 또는 대수 감지기 장치인 감지기 장치 제조 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)의 상기 감도(S₀, S₁, ..., S_n _-1) 설정은, 상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)의 기하 구조 및/또는 크기를 변경함으로써 수행되는 감지기 장치 제조 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)의 상기 감도(S₀, S₁, ..., S_n _-1) 설정은, 상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1) 중 적어도 하나를 분할함으로써 수행되는 감지기 장치 제조 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)의 상기 감도(S₀, S₁, ..., S_n _-1) 설정은, 상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1) 중 적어도 하나의 부근에 자기 차폐물(33)을 제공함으로써 수행되는 감지기 장치 제조 방법.
제 17 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1)의 상기 감도(S₀, S₁, ..., S_n _-1) 설정은, 상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1) 중 적어도 하나의 부근에 자기 차폐물(33)을 제공함으로써 수행되는 감지기 장치 제조 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1) 아래에 도체 라인(36)을 제공하는 단계를 더 포함하는 감지기 장치 제조 방법.
제 20 항에 있어서,

상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1) 아래에 도체 라인(36)을 제공하는 단계는, 상기 적어도 2개의 자기 감지기 소자(R₀, R₁, ..., R_n _-1) 중 적어도 하나의 위치에, 상이한 폭을 갖는 도체 라인(36)을 제공하는 것을 포함하는 감지기 장치 제조 방법.