KR20210084317A - 넓은 자계 측정범위를 갖는 자기센서 - Google Patents

Abstract

넓은 자계 측정범위를 갖는 자기센서가 개시된다. 자기센서는 일축 이상의 자기장 감지부와, 그 자기장 감지부의 외부에 형성되어 자기장 감지부에 실질적으로 인가되는 자기장을 분산시키는 효과를 가지는 자성막을 포함한다. 자성막은 측정영역을 확대하고자 하는 자기감지부의 축방향과 평행인 성분을 포함할 수 있다. 자성막은 자성구조 물질로 구성되며, 상기 자성구조 물질은 NiFe, 페라이트, 샌더스트 중 어느 한 가지 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

Description

넓은 자계 측정범위를 갖는 자기센서{MAGNETIC SENSOR WITH WIDE MAGNETIC FIELD MEASUREMENT RANGE}

본 발명은 자기센서 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기센서의 측정영역을 조절하는 기술에 관한 것이다.

자기센서는 다양한 원인에 의해 발생하는 자기장의 변화를 감지하는 센서이다. 이 자기센서는 측정할 수 있는 자기장 범위에 따라 다양한 어플리케이션에 적용된다. 수~수십mT 영역의 강자기장 측정이 가능한 자기센서는 자석, 금속기구물 등과 조합되어 포지션/각도/회전/속도센서 등으로 활용된다. 지구자기장의 영역인 수십~수백μT 영역이 측정 가능한 자기센서는 지구자기장의 변화를 감지하여 방향을 측정하는 전자나침반/네비게이션 등으로 활용된다. 그보다 민감한 1uT 이하 수준의 자기장 측정이 가능한 자기센서는 비파괴검사, 또는 의료용 등으로 활용 가능하다.

자기센서의 자기장 측정 가능 범위는 여러 요인에 의해 결정되나, 가장 근본적으로는 어떠한 감지기술을 사용하는지에 따라 우선적으로 정해진다. 아래 표에 따르면 홀효과센서가 가장 강한 자기장의 측정이 가능하며, GMR, AMR, Optical fiber/Fluxgate, SQUID 등의 순으로 더욱 민감한 영역의 측정이 가능해진다.

감지기술 외에도, 자기센서의 디자인 및 자기센서 감지부에 포함된 내부 자성막의 미세구조 등이 자기센서의 감지영역을 결정하는 요소이다. 그러나, 이들은 감지기술 자체가 측정 가능한 자기장 범위 내에서의 영역 확정만 가능할 뿐이며, 매번 새로운 디자인 및 공정을 개발하는 것이 사실상 불가능하다. 그렇기 때문에, 자기센서의 감지범위는 감지기술에 따라 결정된다고 보는 것이 타당하다.

플럭스게이트 센서는 자기장 감지 민감도가 우수한 장점을 가지고 있으나, 측정원리 상 강자기장 측정이 어려워 사용 범위가 제한된다.

본 발명의 일 목적은 플럭스게이트 센서를 포함한 자기센서의 자계 측정범위를 크게 확장하여 심지어는 기술 자체가 가지고 있는 근본적 한계를 넘어설 수 있는 자계 측정 범위를 갖는 자기 센서를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

상기 목적을 실현하기 위한 실시예들에 따른 자기센서는 일축 이상의 자기장 감지부; 및 상기 자기장 감지부의 외부에 형성되어, 상기 자기장 감지부에 실질적으로 인가되는 자기장을 분산시키는 효과를 가지는 자성막을 포함한다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 자성막은 측정영역을 확대하고자 하는 자기장 감지부의 축방향과 평행인 성분을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 자성막은 측정영역을 확대하고자 하는 자기장 감지부의 축방향과 평행인 성분을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 자성막은 자성구조 물질로 구성되며, 상기 자성구조 물질은 NiFe, 페라이트, 샌더스트 중 어느 한 가지 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 자성막은 상기 자기장 감지부 위에 증착공정 또는 스퍼터링 공정으로 형성된 것일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 자성막은 시트 또는 판상 형태로 별도 제작되어 상기 자기장 감지부 위에 부착된 것일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 자성막은 상기 자기장 감지부를 지지하는 회로 기판에 포함되어 형성된 것일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 자성막은 시트 또는 판상 형태로 별도 제작되어 상기 자기 센서의 몰딩 패키징 표면에 부착된 것일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 자기장 감지부는 플럭스게이트 자기센서일 수 있다.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 자성막은 NiFe 박막일 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 자기센서 감지부에 부가된 추가 자성막은 코일/내부자성막 등 자기 감지 기술상 필수적으로 사용되는 구성요소의 외부에 형성되어 자기센서 내부로 인가되는 자기장을 분산시켜준다. 이러한 자기장 확대 효과로 인해, 추가 자성막이 없는 경우 측정이 불가능한 영역까지도 측정할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따라 자기장 감지부에 자성막을 부가함으로써 측정할 수 있는 자지장의 범위가 크게 확대될 수 있다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 자기센서의 내부 구성과 패키징된 외관을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 자기센서의 단면을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 자기센서의 단면을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 따른 자기센서의 내부 구성과 패키징된 외관을 나타낸다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 즉, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 1은 본 발명에 따른 자기센서를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 자기센서(10)의 구성은 통상적으로 PCB 형태의 기판(20), 자기신호를 감지하는 자기장 감지부(30), 그리고 자기장 감지부(30)의 신호를 처리하고 외부장치와 통신으로 연결하는 신호처리부(40)를 포함할 수 있다.실장 방식에 따라 자기장 감지부(30), 기판(20), 신호처리부(40) 등을 CMOS 공정으로 한꺼번에 제작하는 CSP 공정으로 제작되기도 한다.

도 1에서, (A)는 패키징된 자기센서(10)의 내부를 나타낸다. 자기장 감지부(30)와 신호처리부(40)가 CMOS 공정으로 제작된 칩 형태로 기판(20) 위에 실장되어 있다. (B)는 패키징된 자기센서(10)의 외관을 나타낸다. 기판(20), 자기장 감지부(30), 신호처리부(40) 등을 보호하기 위해 에폭시 수지 등을 사용하여 몰드 처리하여 일체로 패키징된 예를 보여준다.

본 발명은 자기장 감지부(30) 외부에 추가적인 자성막을 덧댐으로써 실질적으로 측정 가능한 자기장의 영역을 확대하는 기술이다. 이 추가 자성막은 코일/내부자성막 등 자기감지기술 상 필수적으로 사용되는 구성요소의 외부에 형성될 수 있다. 그 추가 자성막은 자기센서 내부로 인가되는 자기장을 분산시킴으로써 추가 자성막이 없는 경우 측정이 불가능한 영역까지도 측정 가능하게 만들어줄 수 있다.

예시적인 실시예에서, 그 추가 자성막은 대부분의 자성물질을 사용하여 형성될 수 있다. 자성물질은 예컨대 NiFe, 센더스트, 페라이트 중 어느 한 가지 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에서, 추가 자성막의 적용 방법 또한 자기장 감지부(30) 외부에 증착공정 또는 스퍼터링 공정에 의해 직접 박막 형태로 형성될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 상기 추가 자성막은 시트 혹은 판상 형태로 별도로 제작되어 자기장 감지부(30) 상면에 붙이는 등 다양하게 적용할 수 있다. 추가 자성막은 심지어는 자기 센서(10)의 몰딩이 완료된 후의 자기센서(10) 표면에 부착하는 방식으로도 사용 가능하다.

예시적인 실시예에서, 상기 추가 자성막은 자기장 감지부(30)를 지지하는 회로 기판(20)에 포함되어 형성된 것일 수도 있다.

예시적인 실시예에서, 추가 자성막은 확대하고자 하는 자기장 감지부(30)의 축 방향과 평행한 성분이 있도록 부착될 수 있다. 자기장 감지부(30)와 가까울수록, 그리고 부착되는 자성막의 양이 많을수록 자기장 확대 효과가 증가하기 때문에, 하나의 센서 감지기술 및 디자인으로 효율적인 방식으로 많은 자기장 범위를 대응하는 제품을 개발 가능하다.

다음으로, 본 발명의 여러 가지 실시예들에 관해 설명한다.

도 2는 예시적인 일 실시예에 따른 자기장 감지부의 단면을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 자기장 감지부(30-1)는 플럭스게이트 자기센서(32)와, 그 플럭스게이트 자기센서(32)의 상면에 부가된 추가 자성막(34)을 포함할 수 있다. 그 추가 자성막(34)은 NiFe 박막일 수 있다. 플럭스게이트 자기센서(32)는 공지의 플럭스게이트 자기센서의 구성을 가질 수 있다.

이 제1 실시예에 있어서, CMOS 공정으로 제작한 플럭스게이트 자기센서(32) 상면에 예컨대 총 4200A 두께의 NiFe 박막층(34)을 스퍼터링 공정으로 형성할 수 있다. 추가 자성막(34)이 없는 경우 플럭스게이트 가기센서(32)의 측정 가능한 최대 자기장의 세기가 500uT의 수준이던 것이, NiFe 박막층(34)을 추가 자성막(34)으로 부가함으로써, 자기장의 측정범위가 600uT로 20% 증가하였다.

도 3은 예시적인 제2 실시예에 따른 자기장 감지부(30-2)의 단면을 나타낸다.

이 일 실시예는 플럭스게이트 가기센서(32) 상면에 50um 두께의 센더스트 시트(34)로 구성된 추가 자성막(34)를 부착한 것이다.

예컨대 500uT의 측정범위를 가진 플럭스게이트 방식의 자기센서 감지부 위에

그 결과, 아래 표 1에 정리된 것과 같이 측정가능한 자기장의 세기가 1086uT로 증가하였다. 추가 자성막(34)이 없는 경우 플럭스게이트 자기센서(32)의 측정 가능한 최대 자기장의 세기가 500uT이므로, 센더스트 시트(34)의 부가로 인해 대략 측정가능한 자기장의 범위가 약 2.2배로 증가하였다. 센더스트 시트(34)를 2매 부착한 결과, 측정가능한 자기장의 범위는 1849uT로 약 3.7배 정도 증가하였다.

도 4는 예시적인 또 다른 실시예에 따른 자기센서를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 자기 센서(100)는 기판(20) 위에 실장된 두 개의 자기장 감지부(30x, 30y)를 포함한 2축 자기센서일 수 있다. 두 개의 자기장 감지부(30x, 30y)는 x축 및 y축으로 나란하게 각각 배치될 수 있다.

x축 및 y축 자기장 감지부(30x, 30y) 각각은 50um 두께의 센더스트 시트(34)가 부착된 것일 수 있다. 즉, x축 및 y축 자기장 감지부(30x, 30y)는 패키징 공정이 완료되어 몰딩까지 완료된 154uT 및 177uT의 측정범위를 가진 플럭스게이트 방식의 2축(x축 및 y축) 자기센서(32)의 각 표면에 50um 두께의 센더스트 시트(34)를 부착한 구성을 가진다.

그 결과, 표 2에 정리된 것과 같이, X축과 평행한 옆면(a면)에 센더스트 시트(34)를 부착하였을 때에는 X축 방향의 자기장 측정범위가 1.5배 증가하였고, Y축과 평행한 옆면(b면)에 센더스트 시트(34)를 부착한 경우는 Y축 방향의 자기장 측정범위가 1.5배 증가하였다. 또한, X축 및 Y축 모두와 평행한 상부(c면)에 센더스트 시트(34)를 부착한 경우, X축 방향 및 Y축 방향의 자기장 측정범위 모두가 약 20% 수준 정도 증가하였다.

본 발명은 다양한 종류의 자기센서 제작에 이용될 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (9)

1. 일축 이상의 자기장 감지부; 및
   상기 자기장 감지부의 외부에 형성되어, 상기 자기장 감지부에 실질적으로 인가되는 자기장을 분산시키는 효과를 가지는 자성막을 구비하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 자성막은 측정영역을 확대하고자 하는 자기장 감지부의 축방향과 평행인 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
3. 제1항에 있어서, 상기 자성막은 자성구조 물질로 구성되며, 상기 자성구조 물질은 NiFe, 페라이트, 샌더스트 중 어느 한 가지 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 자성막은 상기 자기장 감지부 위에 증착공정 또는 스퍼터링 공정으로 형성된 것을 특징으로 하는 자기 센서.
5. 제1항에 있어서, 상기 자성막은 시트 또는 판상 형태로 별도 제작되어 상기 자기장 감지부 위에 부착된 것을 특징으로 하는 자기 센서.
6. 제1항에 있어서, 상기 자성막은 상기 자기장 감지부를 지지하는 인쇄회로 기판에 포함되어 형성된 것을 특징으로 하는 자기 센서.
7. 제1항에 있어서, 상기 자성막은 시트 또는 판상 형태로 별도 제작되어 상기 자기 센서의 몰딩 패키징 표면에 부착된 것을 특징으로 하는 자기 센서.
8. 제1항에 있어서, 상기 자기장 감지부는 플럭스게이트 자기센서인 것을 특징으로 하는 자기 센서.
9. 제1항에 있어서, 상기 자성막은 NiFe 박막인 것을 특징으로 하는 자기 센서.

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