KR20110076923A - 자기장의 방향 및/또는 세기 측정 장치 및, 이러한 장치를 구비한 이동 전화 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기장의 방향 및/또는 세기를 측정하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 제1 공간 방향으로 자기장의 제1 성분을 검출하기 위한 제1 센서와, 제2 공간 방향으로 자기장의 제2 성분을 검출하기 위한 제2 센서와, 제3 공간 방향으로 자기장의 제3 성분을 검출하기 위한 제3 센서를 포함하며, 이때 제1 센서는 하나 이상의 홀 센서를 포함하고, 제2 센서 및/또는 제3 센서는 하나 이상의 플럭스게이트 센서를 포함한다.

Description

자기장의 방향 및/또는 세기 측정 장치{DEVICE FOR MEASURING THE DIRECTION AND/OR STRENGTH OF A MAGNETIC FIELD}
본 발명은 자기장의 방향 및/또는 세기를 측정하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 제1 공간 방향으로 자기장의 제1 성분을 검출하기 위한 제1 센서와, 제2 공간 방향으로 자기장의 제2 성분을 검출하기 위한 제2 센서와, 제3 공간 방향으로 자기장의 제3 성분을 검출하기 위한 제3 센서를 포함한다.
서두에 언급한 유형의 장치는 예컨대 지표면 자기장의 방향 및 세기를 측정하는 데 사용될 수 있다. 측정된 지표면 자기장의 방향은 예컨대 디지털 나침반의 형태로 이용자에게 시각화될 수 있다. 또한, 측정된 값은 네비게이션 시스템에서 사용되거나, 차량, 항공기 또는 선박 제어를 위한 오토파일럿에서 사용될 수 있다.
자기장, 예컨대 지표면 자기장의 방향을 3차원 측정하기 위해서는 총 3개의 공간 방향이 검출되어야 한다. 이를 위해 예컨대 홀 센서를 사용하는 것이 종래 기술에 제시되어 있다. 그러나 이러한 방법의 경우, 센서 평면에 대해 수직인 1개의 자계 성분만이 충분한 정확도로써 검출될 수 있다는 것이 단점이다. 이에 반해 센서 평면에서의 2개의 자계 성분을 충분한 정확도로써 측정하는 것은 가능하지 않다. 이로써 자기장의 총 3개의 공간 방향을 측정하기 위해서는 서로에 대해 각각 직각으로 배치된 복수의 홀 센서가 요구된다.
따라서, 자기장의 방향 및/또는 세기를 3차원 측정하기 위한 장치의 제조는 복잡하다. 또한, 종래 기술에 따른 이러한 장치는 비교적 큰 구성 공간을 필요로 한다.
종래 기술로부터 출발해서 본 발명의 목적은, 자기장의 방향 및/또는 세기를 3차원 측정하기 위한 장치를 제공하는 것이며, 상기 장치는 구성 크기가 작으면서 간단하고 비용면에서 유리하게 제조될 수 있다.
상기의 목적은, 제1 공간 방향으로 자기장의 제1 성분을 검출하기 위한 제1 센서와, 제2 공간 방향으로 자기장의 제2 성분을 검출하기 위한 제2 센서와, 제3 공간 방향으로 자기장의 제3 성분을 검출하기 위한 제3 센서를 포함하는, 자기장의 방향 및/또는 세기를 측정하기 위한 장치에 의해 본 발명에 따라 달성되며, 이때 제1 센서는 하나 이상의 홀 센서를 포함하며, 제2 센서 및/또는 제3 센서는 하나 이상의 플럭스게이트 센서를 포함한다.
본 발명에 따라, 하나 이상의 홀 센서는 하나 이상의 플럭스게이트 센서와 조합된다. 홀 센서는 센서면에 대해 수직인 자계 성분을 최대 감도로써 측정한다. 이에 반해 플럭스게이트 센서는 센서 평면 내의 자계 성분을 검출하도록 제공되어 있다. 이로써 하나 이상의 홀 센서와 하나 이상의 플럭스게이트 센서는 공간을 덜 차지하도록 하나의 평면에, 예컨대 단일의 반도체 기판에 배치될 수 있다. 거의 직각을 형성하는 2개 이상의 플럭스게이트 센서들이 제공되는 한, 제1 반도체 기판에 대해 직각인 제2 반도체 기판이 요구되지 않고도 총 3개의 공간 방향으로 자기장이 검출될 수 있다. 이로써 본 발명에 따라 제안된 센서의 전체 높이가 줄어들고 제조는 더 간단해진다.
본 발명의 바람직한 개선예에서, 홀 센서 및 플럭스게이트 센서를 포함하는 반도체 기판은 하나 이상의 추가의 구성 요소를 포함할 수 있다. 이와 같은 추가의 구성 요소에 의해, 예컨대 센서의 전류 공급 또는 측정값 검출이 구현될 수 있다. 또한, 구성 요소는 센서의 출력값의 타당성화, 증폭, 판별 또는 디지털화에 사용될 수 있다.
본 발명의 추가의 바람직한 실시예에 따라, 각각의 공간 방향에 대해 복수의 센서들이 제공될 수 있으며, 이는 중복 측정에 의해 상기의 방식으로 장치의 신뢰도를 향상시키기 위함이다.
본 발명의 개선예에서, 평면 코일 기술 또는 3D 마이크로 코일 기술로 반도체 기판에 하나 이상의 플럭스게이트 센서를 형성하는 것이 제안된다. 이때 플럭스게이트 센서는 예컨대 1개 또는 2개의 금속 평면에 배치될 수 있다. 상기의 방식으로 플럭스게이트 센서는 홀 센서 및 추가의 전자 구성 요소와 함께, 하나의 작업 공정으로 반도체 기판에 형성될 수 있다.
본 발명에 따라 제안된 장치는 특히, 지표면 자기장의 방향 및/또는 세기의 측정에 사용될 수 있다. 특히 상기 장치는 예컨대 이동 전화, PDA 또는 네비게이션 장치와 같은 사용자 전자 부품에 적합하다.
이하에서는, 일반적인 발명의 사상을 제한하지 않으면서 실시예를 토대로 본 발명이 더 자세히 설명되어 있다.
도 1은 기판 상의 부품 배치를 도시한 도면이다.
도 1에 따른 장치는 기판(10)에 배치된다. 기판(10)은 예컨대 반도체 기판, 특히 실리콘 기판을 포함한다. 반도체 기판(10)에는 사전 설정 가능한 도전성을 조정하기 위해 도펀트가 제공될 수 있다. 기판(10)과, 표면에 배치된 구성 요소 사이의 전기적 단락을 방지하기 위해, 기판(10)의 표면에는 절연체가 코팅될 수 있다. 이 경우 절연체는 특히 실리콘 질화물, 실리콘 산화물 또는 실리콘 산화질화물을 포함할 수 있다.
기판(10)의 표면에는 홀 센서(12)가 배치된다. 홀 센서(12)는 공간적으로 제한된 영역을 포함하며, 상기 영역은 높은 전하 캐리어 이동성을 갖는 반도체 재료를 포함한다. 센서의 작동 시, 센서를 통하는 전기 전류 흐름을 유도하는 전기장이 홀 센서(12)의 방향에 따라 인가된다. 기판(10)의 표면에 대해 수직 방향으로 작용하는 자기장이 존재할 경우, 홀 센서(12)에서는 전기 전류 흐름에 대해 직각 방향으로 전기 전압이 측정될 수 있으며, 상기 전기 전압은 자기장의 자계 강도에 따라 상승한다. 따라서 홀 센서(12)는 반도체 기판(10)의 표면에 대해 수직인 자기장의 자계 성분의 측정에 사용된다.
홀 센서(12) 역시, 반도체 기판(10)의 구조화에 의해 공지된 방식으로 제조될 수 있다. 본 발명의 추가 실시예에서, 반도체 기판의 표면에는 홀 센서(12)의 재료가 기상 증착될 수 있으며, 후속해서 구조화되고 금속 연결 접촉부가 제공될 수 있다.
실질적으로 기판(10)의 표면에 대해 수직으로 작용하는 자계 성분(z) 또는, 자기장을 검출하기 위해 홀 센서(12)가 제공되기 때문에, 기판(10)의 x-y 평면으로 자기장 또는 자계 성분을 검출하기 위해 2개의 플럭스게이트 센서(13, 14)가 제공된다. 이를 위해, 제1 플럭스게이트 센서(13)와 제2 플럭스게이트 센서(14)는 서로 거의 직각으로 배치된다. 이로써 홀 센서(12)와 조합하여, 총 3개의 공간 방향으로 자기장의 3개의 성분들이 검출될 수 있다. 따라서, 자기장의 배향이 공간적으로 검출될 수 있다.
각각의 플럭스 게이트 센서(13, 14)는 바람직하게 연자성의 재료로 구성된 하나 이상의 코일 코어를 포함한다. 코일 코어 둘레에 여자기 코일과 검출 코일이 각각 배치된다. 여자기 코일을 이용하여, 그리고 검출 코일의 유도 신호의 동위상 스캐닝을 이용하여, 코일 코어에서 자기장이 주기적으로 유도됨으로써, 방향(x)으로 자기장 또는 자계 성분이 플럭스게이트 센서(13)에 의해 검출될 수 있다. 플럭스게이트 센서(14)는 방향(y)으로 자기장 또는 자계 성분을 동일한 방식으로 검출하기 위해 사용된다.
플럭스게이트 센서(13, 14)는 예컨대 마이크로 기계 구성 요소로서 제조될 수 있으며 후속해서 접착, 용접 또는 본딩에 의해 기판(10)의 표면에 고정될 수 있다. 상기 실시예에서, 기판은 예컨대 세라믹 또는 인쇄 회로 기판으로 형성될 수 있다.
본 발명의 추가 실시예에서, 플럭스게이트 센서(13, 14)의 코일 권선 및 코일 코어는 반도체 기판(10)의 표면에 기상 증착된 다음 구조화될 수 있다. 이러한 증착은 예컨대 진공 증착, 스퍼터링, 화학적 기상 증착 또는 물리적 기상 증착에 의해 구현될 수 있다. 상기의 구조화는 예컨대 에칭 단계를 포함할 수 있으며, 이때 기판 표면의 일부 영역은 포토레지스트 또는 하드 마스크에 의해 에칭 침식에 대해 보호된다. 코일 코어와 코일 권선 사이에는 경우에 따라 절연되는 층이 배치될 수 있다. 상기 층도 바람직하게 기상 공정으로 증착되며 후속해서 구조화된다. 상기의 방식으로, 공지된 CMOS 공정 단계에 의해 자기장의 방향 및/또는 세기를 측정하기 위한 장치가 간단하게 제조될 수 있다.
또한, 반도체 기판(10)의 표면은 3개의 자기장 센서(12, 13 및 14)의 제어 및 데이터 검출을 위한 전자 구성 요소를 구비한 영역(15)을 포함한다. 이 경우 영역(15)은 예컨대 전류 조절 장치를 포함하며, 홀 센서(12)를 통해 흐르는 사전 설정 가능한 종방향 전류는 상기 전류 조절 장치에 의해 형성될 수 있다. 또한, 상기 영역(15)은 플럭스게이트 센서(13, 14)의 코어 내에 자기 교번 자장을 형성하기 위한 코일 전류를 제공하는 교류 전압원을 포함할 수 있다. 마지막으로, 상기 영역(15)은 홀 센서(12)의 홀 전압과 플럭스게이트 센서(13, 14)의 측정 코일 내에 유도된 신호 전압을 판독하는 평가 회로(16)를 전기 구성 요소로서 포함할 수 있다.
더욱이, 경우에 따라 상기 영역(15)은 예컨대 신호의 디지털화, 증폭, 판별 또는 타당성화를 위해 추가의 스위칭 회로를 포함할 수 있다. 경우에 따라서는 센서 자체의 검사를 위해서도 스위칭 회로가 제공될 수 있다. 마지막으로, 반도체 기판(10)의 영역(15)은 센서 요소에 작동 전압을 인가하는데 사용될 수 있는 본딩 패드와, 측정값 판독에 사용될 수 있는 추가의 본딩 패드를 포함한다.
결과적으로 본 발명은, 모든 공간 방향에 대한 모든 센서들이 기판(10)의 표면의 평면에 배치되는, 3개의 공간 방향에 대한 자기장 센서를 제시한다. 따라서 본 발명에 따라 제안된 센서의 전체 높이는 더 낮아진다. 또한, 제안된 센서는 더 간단하게 생산될 수 있는데, 그 이유는 서로 직각인 복수의 방향으로 자기장을 측정하기 위해 더 이상 복수의 홀 센서(12)가 직각의 상이한 방향으로 복수의 기판들에 배치되지 않아도 되기 때문이다.
물론, 본 발명이 도시된 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 공지되어 있는 사실이다. 오히려, 본 발명의 변형 시, 본 발명 자체의 실질적인 변동 없이도 개선 및 변경이 구현될 수 있다. 따라서 전술한 상세한 설명은 이에 제한된다기보다는 설명하는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (9)

  1. 자기장의 방향 및/또는 세기를 측정하기 위한 장치이며, 상기 장치는 제1 공간 방향으로 자기장의 제1 성분을 검출하기 위한 제1 센서(12, 13, 14)와, 제2 공간 방향으로 자기장의 제2 성분을 검출하기 위한 제2 센서(12, 13, 14)와, 제3 공간 방향으로 자기장의 제3 성분을 검출하기 위한 제3 센서(12, 13, 14)를 포함하는, 자기장의 방향 및/또는 세기 측정 장치에 있어서,
    제1 센서는 하나 이상의 홀 센서(12)를 포함하며, 제2 센서 및/또는 제3 센서는 하나 이상의 플럭스게이트 센서(13, 14)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기장의 방향 및/또는 세기 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 제1 센서, 제2 센서 및 제3 센서(12, 13, 14)는 기판에 배치되는 것을 특징으로 하는, 자기장의 방향 및/또는 세기 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 하나 이상의 추가의 전자 구성 요소(16)가 기판에 배치되는 것을 특징으로 하는, 자기장의 방향 및/또는 세기 측정 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기판은 반도체 기판으로서 형성되며 센서(12, 13, 14)는 CMOS 공정에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는, 자기장의 방향 및/또는 세기 측정 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 플럭스게이트 센서(13, 14)는 평면 코일 기술 또는 3D 마이크로 코일 기술로 형성되는 것을 특징으로 하는, 자기장의 방향 및/또는 세기 측정 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 플럭스게이트 센서(13, 14)는 코어를 포함하며, 코어는 구조화가 후속되는 기상 증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 자기장의 방향 및/또는 세기 측정 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 서로 직각의 방향으로 자기장을 측정하기 위해 제공된 2개 이상의 플럭스게이트 센서(13, 14)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 자기장의 방향 및/또는 세기 측정 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 장치를 구비한 이동 전화.
  9. 지표면 자기장의 방향 및/또는 세기를 측정하기 위한 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 장치의 사용.
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