KR20220027787A - 플럭스게이트 자력계 - Google Patents

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KR20220027787A
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서주희
장한성
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일진머티리얼즈 주식회사
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Abstract

외부 자기장의 인가 방향 및 세기를 측정하는 플럭스게이트 자력계가 개시된다. 플럭스게이트 자력계의 자성체부는 선형의 중앙 자성체부와, 중앙 자성체부의 상단부에서 서로 연결되며 반대방향인 제1 및 제2 측방으로 각각 연장된 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부, 그리고 그 중앙 자성체부의 하단부에서 서로 연결되며 반대방향인 제3 및 제4 측방으로 연장된 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부를 포함한다. 중앙 자성체부와 상부 및 하부 외곽자성체부는 곡선형의 자속 흐름 경로를 제공하는 V자형 제1 및 제2 연결부를 형성한다. 상부 및 하부 외곽자성체부는 서로 직접 연결되지 않고 소정 간격 이상의 이격되어 상호 간에 자속이 건너갈 수 없다.픽업 코일에서 검출되는 출력 볼트 피크의 위치는 외부 인가 자기장의 크기 변화에 비례하여 선형적으로 이동할 수 있다. 자기장의 측정 정밀도와 민감도에서 향상된 특성을 보일 수 있다.

Description

플럭스게이트 자력계{FLUXGATE MAGNETOMETER AND METHOD FOR MANUFACTURING}
본 발명은 3축 전자나침반 칩을 제작하는 데에 있어서 필수적인 Z축용 플럭스게이트 자력계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부 자기장의 인가 방향 및 세기를 측정하는 박막 플럭스게이트 자력계에 관한 것이다.
플럭스게이트 자력계(Fluxgate Magnetometer, 이하에서는 간단히 '플럭스게이트'라 함)는 자기 센서(Magnetic Sensor)의 일종으로서, 지뢰 등과 같은 철강 함유 매설물을 탐색하거나 전자나침반으로 구현되어 지구 자계를 검출하는 용도로 활용되는 센서이다. X축, Y축 및 Z축 방향으로 각각 배치된 세 개의 플럭스게이트를 포함하는 플럭스게이트 센서는 외부에서 인가되는 자기장의 방향 및 세기를 검출할 수 있다.
도 1의 (a)와 (b)는 종래의 막대형 및 원형 플럭스게이트를 각각 도시한다. 도 1을 참조하면, 플럭스게이트의 기본 구조는 절연막(2)에 의해 둘러싸인 자성체(1)에 드라이브 코일(3) 및 픽업 코일(4)이 감겨있는 구조이다. 드라이브 코일(3)로 교류 전류가 인가됨에 따라 픽업 코일(4)에 전압이 유도된다. 그 유도 전압을 전압계(V)를 통해 측정하여 외부 자기장의 인가 방향 및 세기를 검출할 수 있다.
통상적으로, 플럭스게이트는 구현되는 자기 센서의 높이의 제한이 없는 경우에는, 도 1(a)에 도시된 것과 같이 막대형 구조의 플럭스게이트(6)가 사용될 수 있다. 하지만, 예컨대 휴대폰과 같은 전자장치에 적용되는 칩에 실장되는 경우와 같이, 적용대상의 자기 센서 설치조건에 따라 자기 센서의 높이에 제한이 있을 수 있다. 그런 경우에는 도 1(b)에 도시된 것과 같이 작은 높이를 갖는 원형 구조의 플럭스게이트(8)가 Z축용 플럭스게이트로 적합하다.
도 2에는 X축 플럭스게이트(14), Y축 플럭스게이트(13) 및 Z축 플럭스게이트(12)로 구성된 3축 플럭스게이트 센서(예: 전자나침반 칩)가 예시되어 있다.
도 2를 참조하면, X축 플럭스게이트(14) 및 Y축 플럭스게이트(13)는 막대형 구조로 구현되고, Z축 플럭스게이트(12)는 원형 구조로 구현된 것이다. 이들 플럭스게이트(12, 13, 14)를 3축 방향으로 정렬하고 플럭스게이트 구동 회로(15, ASIC)와 조합하여 패키징용 인쇄회로기판(PCB)(10) 위에 다이본딩한 후, 에폭시 몰딩(11)을 수행함으로써 도 2에 도시된 3축 플럭스게이트 센서(20)가 구현될 수 있다.
도 3은 막대형 플럭스게이트의 드라이브 코일을 통해서 전류가 흘러들어갈 때의 자성체 내부의 자화 형성 방향을 도시하고 있다. 도3의 (a)에서 보이는 바와 같이 드라이브 코일(3)의 D1 단자에서 전류가 흘러 들어가면, 전류의 방향에 따라서 암페어의 오른손법칙에 따라서 드라이브 코일(3)의 내부로 자기장이 형성된다. 그 자기장은 드라이브 코일(3) 내부에 있는 자성체(1)로 흘러 들어가서 그 자성체(1)를 구성하고 있는 원자들의 스핀(spin) 방향을 드라이브 코일(3)이 만드는 자기장의 방향으로 향하도록 만든다. 따라서 자성체(1) 내부에는 도3의 (b)에서 보이는 바와 같이 자성체(1)의 우측에 N극이 형성되고 좌측에 S극이 형성된다.
그 반대로, 도3의 (c)에서 보이는 바와 같이 드라이브 코일(3)의 D2 단자에서 전류가 흘러 들어가면, 자성체(1) 내부에는 도3의 (d)에서 보이는 바와 같이 자성체(1)의 우측에 S극이 형성되고 좌측에 N극이 형성된다. 드라이브 코일(3)에 교류전류를 인가하여 드라이브 코일(3)에 흐르는 전류의 방향을 반전시켜 주면, 드라이브 코일(3)에 의해서 형성되는 자기장의 방향도 반전된다. 그에 따라 자성체(1) 내부 원자들의 스핀 방향도 반대방향으로 향하게 된다. 이 같은 자화 반전이 일어나는 순간에 픽업 영역에 감긴 픽업 코일(4)에는 전압이 유도된다. 그 픽업 코일(4)에 유도된 픽업 전압은 픽업코일 단자(P1, P2)를 통해 전압 피크 (isolated voltage peak) 형태로 출력된다.
도 4는 플럭스게이트의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 플럭스게이트의 동작을 위해서는 드라이브 코일에 교류전류가 흘러야 한다. 도 4(a), (d), (g)는 일반적인 막대형 및 원형 플럭스게이트의 구조를 개념적으로 나타내고, 도 4(b), (e), (h)는 각각의 플럭스게이트를 구성하는 자성체의 자기적 특성에 따른 자기이력곡선(hysteresis loop, 또는 M-H(magnetization-magnetic field) loop)을 나타내며, 도 4(c), (f), (i)는 픽업 코일(4)에서 발생하는 픽업 전압의 파형을 나타낸다.
먼저, 도 4(a), (b), (c)를 참조하여 외부에서 인가되는 자기장이 존재하지 않는 경우에 대하여 설명한다. 드라이브 코일(3)에 교류 전류 예컨대, 도 4(c)의 점선으로 표현된 삼각파 전류를 입력할 경우, 드라이브 코일(3) 내부에 자기장이 형성되는데 그 자기장의 방향은 주기적으로 반전된다. 그 자기장의 방향이 반전될 때마다 픽업 코일(4)에 전압(이하, '픽업 전압'이라 함)이 유도된다. 그 픽업 전압은 도 4(c)에서 실선으로 표시된 전압 피크(Voltage Peak)의 형태로 출력된다. 이렇게 임펄스파(또는 삼각파) 형태의 전압 피크가 발생되는 이유는 픽업 코일(4)에 유도되는 픽업 전압의 파형이 시간 변화에 대한 자화값의 변화량(즉, dM/dt)에 비례하기 때문이다.
드라이브 코일(3)에 삼각파 전류를 입력하면, 플럭스게이트 내부의 자성체(1)의 자화 곡선은 도 4(b)의 ① ~ ⑧ 순서의 궤적을 따른다. 자성체(1)의 자화 방향이 -M에서 +M으로 변화하는 ② ~ ③ 구간에서 급격한 자화값의 변화(2M)에 따른 제1 전압 피크가 발생하고, 삼각파 전류의 싸이클이 마무리되는 ⑥ ~ ⑦ 구간에서 제1 전압 피크와 부호가 반대인 제2 전압 피크가 발생한다.
도 4(d), (e), (f)는 외부 자기장이 플럭스게이트의 좌측에서 우측으로 인가되는 경우를 도시하고 있다. 플럭스게이트에 좌측에서 우측으로의 외부 자기장이 인가되면, 도 4(e)에 도시된 것과 같이 자성체(1)에서 형성되는 M-H 루프는 자성체(1)에 인가된 외부 자기장의 크기만큼 우측으로 시프트(shift)된다. 그 상태에서 드라이브 코일(3)에 삼각파 전류를 입력하면, 도 4(f)에 도시된 것과 같이 픽업 코일(4)에서 검출되는 제1 및 제2 전압 피크 간의 거리 즉, 제1 및 제2 전압 피크가 발생하는 시간 간격이 감소한다.
도 4(g), (h), (i)는 외부 자기장이 플럭스게이트의 우측에서 좌측으로 인가되는 경우를 도시한다. 도 4(d), (e), (f)와 동일한 원리가 적용되어, 이 경우에는 앞의 경우와는 반대로 제1 및 제2 전압 피크 간의 거리 즉, 제1 및 제2 전압 피크가 발생하는 시간 간격은 증가하게 된다.
이러한 동작 원리에 따라, X축, Y축, Z축 플럭스게이트의 픽업 코일에 각각 유도되는 픽업전압을 이용하면 외부에서 인가되는 자기장의 X축, Y축 및 Z축 성분을 측정할 수 있고, 그로부터 외부 인가 자기장 벡터를 알 수 있다.
도 5는 막대형 자성체 주위에 솔레노이드 코일을 감아서 그 코일에 전류를 흘려보내서 자성체를 자화시켰을 때의 자성체 내부의 자력선의 구성을 나타낸 그림이다.
도 5 (a)에서 드라이브 코일(3)의 D1 단자에 전류를 흘리면, 코일 내부의 자성체(1)에는 우측 방향으로 자기장이 인가되고, 자기장이 인가되면 자성체(1) 내부의 원자 스핀들이 일렬로 배열하여서 도 5 (b)와 같이 자성체(1)의 우측에 N극이 형성되고 좌측에 S극이 형성된다. 막대형 자성체가 자화가 되면 그 자성체(1) 내부에서는 도 5 (c)에서 보이는 바와 같이 형성된 N극에서 S극으로 향하는 자력선이 형성된다. 이것은 자석을 만들고 있는 자력선에 반대되는 방향으로 자력선이 형성되는데, 이것은 반자장 (demagnetization field)이라고 불린다. 이 반자장은 이미 만들어진 자석의 자화방향을 흩뜨리는 영향을 준다. 이 반자장과 자석이 원래 만들고 있는 자기장을 합치면 자성체(1) 내외부에서는 실제로 도 5 (d)와 같은 형태의 자기장 분포가 만들어진다.
도 5 (e)는 자성체 내부의 자력선 분포만을 표현한 그림이다. 자성체(1) 내부의 양쪽 끝에 있는 자극 N극과 S극 영역(1n, 1s)에는 자력선이 한 방향으로 정렬되어 있지 않고, 자성체(1)의 중앙 영역(1p)에서만 자력선이 일렬로 배열된다. 플럭스게이트가 작동함에 있어서 출력볼트 피크를 발생시키려면 자성체(1) 내부에서의 자화반전이 크게 일어나야 한다. 그런데 실제로 자성체(1)의 좌우 양쪽 끝의 N극과 S극 영역(1n, 1s)에서는 자화반전이 크게 일어나지 않으므로, N극과 S극 영역(1n, 1s)을 제외하면 자성체(1)에서 자화반전이 크게 일어날 수 있는 영역 즉, 픽업 코일에 유도된 전압을 픽업할 수 있는 영역(1p)(Pick-up zone I)은 상대적으로 작다. 또한, 막대형 자성체(1)의 길이가 작아지면(도 5 (f) 참조), 자성체(1') 양 끝의 자극들의 영역(1n', 1s')은 자력선들의 크기와 분포 형태를 유지하므로, 자화반전이 일어날 수 있는 영역(1p'), Pick-up zone II, 은 크게 줄어들게 된다.
도 6은 Z축 센서용 플럭스게이트를 나타낸다. 도 6의 (a)는 막대형 자성체(21)를 채용한 Z축 센서용 플럭스게이트(20)의 개념적 구조를 예시한다. 앞 서 도5에서 서술한 바와 같이, 출력볼트 피크의 픽업이 일어날 수 있는 영역(23)(이 영역에 드라이브 코일(D)과 픽업 코일(P)이 권선될 수 있음)은 막대형 플럭스게이트(20)의 양 끝 단부에 형성되는 자극 N극과 S극으로 인해서 크게 줄어들게 되고, 그에 따라서 픽업 코일(P)로 유도되는 볼트 피크의 높이는 크지 않다. 이에 비해, 도 6 (b)는 원형 또는 육상 트랙형 자성체(25)의 두 직선구간의 중앙부가 막대형 자성체(26)의 양단부에 연결된 자성체(25)의 개념적 구조를 예시한다. 막대형 자성체(26)의 외곽에 원형 또는 육상 트랙형의 자성체(25)가 부가되어 자극의 형성이 없는 무한궤도 형태의 플럭스게이트(30)를 형성한다. 이 같은 형태의 플럭스게이트(30)는 자극을 없앴기 때문에 플럭스게이트 중앙 영역에 형성되는 픽업영역을 크게 넓힐 수 있는 장점이 있다. 육상 트랙형의 자성체(25)의 곡선형 외곽영역(27a, 27b)에는 드라이브 코일(D)이 권선될 수 있고, 특히 막대형 자성체(26)의 대부분 구간(27c)은 픽업 코일(P)과 드라이브 코일(D)이 권선될 수 있다. 따라서 픽업 코일(P)에 유도되는 볼트 피크의 크기를 크게 만들 수 있는 장점이 있다.
예컨대 스마트폰과 같은 소형 전자기기에 장착되는 전자나침반은 설치 공간의 제약, 특히 높이의 제약으로 인해 낮은 높이의 Z축 플럭스게이트가 요구된다. 플럭스게이트를 이용한 3축 전자나침반 칩을 제작하기 위해서는 앞서 서술된 이유 등으로 인해서 Z축 플럭스게이트는 원형 내지 육상 트랙형 구조인 것이 거의 필수적이다. 그러나 원형 내지 육상 트랙형의 Z축 플럭스게이트(30)를 채용함에 있어서 문제점이 발생한다. 그것은 원형 내지 육상 트랙형의 Z축 플럭스게이트(30)에 인가되는 자기장의 크기에 따라서 원형 내지 육상 트랙형 플럭스게이트(30)에서 출력되는 볼트 피크가 비례해서 이동해야 하는데, 실제로 측정한 결과에 따르면 인가 자기장 대비 볼트 피크의 이동은 도 7에 나타낸 바와 같이 선형성을 보이지 않는 점이다.
도 7의 (a)는 원형 내지 육상 트랙형 자성체(25)와 막대형 자성체(26)가 결합된 자성체 구조에 드라이브 코일(32)과 픽업 코일(34)이 권선되어 있는 플럭스게이트(40)에 외부로부터 자기장이 인가되는 상황을 도시한다.
도 7의 (b)는 외부인가 자기장이 없는 상태에서 원형 내지 육상 트랙형 플럭스게이트(40)에 외부 자기장을 인가하여 작동시켰을 때의 픽업 코일(34)을 통해서 발생되는 볼트 피크를 오실로스코프로 측정한 결과이다. 원형 내지 육상 트랙형 플럭스케이트(40)에 외부에서 자기장을 인가하면 돌출된 두 볼트 피크는 외부 인가 자기장의 세기만큼 이동하게 된다. 예컨대 +10G의 외부 자기장을 인가하면 돌출된 두 볼트 피크의 시간축상 간격은 외부 자기장이 없는 조건에서의 그것에 비해 +10G의 세기에 대응하여 줄어들고, 예컨대 ­10G의 외부 자기장을 인가하면 그 두 볼트 피크의 시간축상 간격은 -10G의 세기에 대응하여 늘어난다. 여기서, G는 자기장의 세기 단위인 가우스를 나타낸다.
도 7의 (c)는 플럭스게이트(40)의 출력 볼트 피크의 이동을 인가되는 자기장의 세기의 변화에 따라서 측정한 데이터를 그래프로 나타낸 것이다. 그 그래프에서 보이는 바와 같이, 외부 인가 자기장의 세기에 따른 출력 볼트 피크의 이동은 큰 범위에서는 전체적으로는 선형성에 가까운 추세를 가지나, 상대적으로 좁은 범위 내지 세밀한 범위에서는 비선형성을 보였다. 도 7의 (d)에서, 외부 인가 자기장이 0G와 10G 위치의 볼트 피크는 이상적인 위치를 나타낸 것인데, 10G의 자기장을 인가하였을 때 실제로 출력되는 볼트 피크의 위치는 10G 인가 시의 이상적인 위치에 비해 더 멀리 이동하였거나, 덜 이동한 결과를 보였다.
이런 현상이 발생된 이유 중 하나는 다음과 같이 추정된다. 즉, 도 8에 나타낸 바와 같이, 외부 인가 자기장(50)의 자속들 중 일부(52)는 원형 또는 육상 트랙형의 플럭스게이트(40) 외곽으로 유입되어서 원형 또는 육상 트랙형 자성체(25)를 따라서 이동하여 중앙부위로 진행한다. 또한, 그 외부 인가 자기장(50)의 자속의 일부(54)는 플럭스게이트(40)의 중앙의 막대형 자성체(26)로 인가될 수 있다. 육상 트랙형 자성체(25)의 중앙부위로 진행하는 자속(52)과 막대형 자성체(26)로 유입된 자속(54)은 막대형 자성체(26) 내 유도전압 픽업영역에서 서로 출동을 불균일적으로 일으킨다. 그에 따라 출력 볼트 피크의 이동을 불균일하게 만들 수 있다. 이런 점이 결과적으로 외부 자기장의 세기 변화에 따른 출력 볼트 피크의 위치가 비선형적으로 이동하게 되는 원인으로 작용하는 것으로 판단된다.
본 발명은 외부인가 자기장의 세기에 비례해서 출력볼트피크의 위치가 선형적으로 변화하는 Z축용 플럭스게이트 자력계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 외부 자기장에 대한 측정 정확성과 민감도가 향상된 구조를 갖는 Z축용 플럭스게이트 자력계를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 플럭스게이트 자력계는 자성체부와, 상기 자성체부에 권선된 드라이브 코일과 픽업 코일을 포함한다. 상기 자성체부는 선형으로 소정길이 연장된 중앙 자성체부; 상기 중앙 자성체부의 상단부에서 각각의 일측 단부가 서로 연결되며 반대방향인 제1 및 제2 측방으로 각각 연장된 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부; 그리고 상기 중앙 자성체부의 하단부에서 각각의 일측 단부가 서로 연결되며 반대방향인 제3 및 제4 측방으로 연장된 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부를 포함한다.
예시적인 실시예에서, 상기 플럭스게이트 자력계는 외부 인가 자기장의 크기 변화에 따라 상기 픽업 코일에서 검출되는 출력 볼트 피크의 위치는 선형적으로 이동하도록 구성될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽자성체부는 각각의 일측 단부가 상기 중앙자성체부 상단에서 서로 연결되어 곡선형의 자속 흐름 경로를 제공하는 V자형 제1 연결부를 형성하고, 상기 제1 및 제2 하부 외곽자성체부는 각각의 일측 단부가 상기 중앙 자성체부의 하단에서 서로 연결되어 V자형 제2 연결부를 형성할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부 각각은 위로 볼록하게 휘어진 원호형상이고, 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부 각각은 아래로 볼록하게 휘어진 원호형상일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부는 각각이 상기 중앙 자성체부와 연결된 지점부터 적어도 제1 일부 구간이 선형이고 그 선형의 제1 일부 구간들이 상기 중앙 자성체부와 연결된 모양이 Y자형이고, 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부도 각각이 상기 중앙 자성체부와 연결된 지점부터 적어도 제2 일부 구간이 선형이고 그 선형의 제2 일부 구간들이 상기 중앙 자성체부와 연결된 모양이 역 Y자형일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 드라이브 코일과 상기 픽업 코일은 상기 중앙 자성체부에만 교차 권선될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 드라이브 코일은 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부와 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부에도 추가로 더 권선될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 픽업 코일은 상기 중앙 자성체부의 전체 구간에 권선될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부 각각의 연장된 길이와 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부 각각의 연장된 길이는 상기 중앙 자성체부의 폭보다 더 길게 형성될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부 및 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부는 각각 선형으로 연장되고, 상기 중앙 자성체부와 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부가 이루는 각도는 90도 이고, 상기 중앙 자성체부와 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부가 이루는 각도도 90도 이어서, 상기 자성체부의 전체적인 형태가 H-형일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부 및 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부는 각각 선형으로 연장되고, 상기 중앙 자성체부와 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부가 이루는 각도는 90도 보다 작고, 상기 중앙 자성체부와 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부가 이루는 각도도 90도 보다 작아, 상기 자성체부의 전체적인 형태가 유사 H-형일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부와 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부는 상기 중앙 자성체부를 기준으로 서로 대칭 형상일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부와 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부는 말단부가 원형 구조 또는 타원형 구조일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 서로 대응하는 위치에 배치된 상기 제1 상부 외곽 자성체부와 상기 제1 하부 외곽 자성체부의 말단부들 간의 간격은 60um 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 에 따르면, 플럭스게이트 자력계의 중앙 자성체부의 상단과 하단에 상부 외곽 자성체부와 하부 외곽 자성체부가 각각 연결되어 전체적으로 H-형 또는 유사 H-형(본 명세서에서, '유사 H-형'은 H-형과 완전히 동일하지는 않지만 전체적인 형상이 H 형과 많이 닮은 형태, 예컨대 중앙 자성체부의 상단과 하단에 연결된 외곽 자성체부가 곡선형인 것, 중앙 자성체부와 선형의 외곽 자성체부 간의 사이각이 90도보다 크거나 90도보다 작은 형상 등을 포괄적으로 일컫는 용어로 사용된다. 이하에서는 H-형과 유사 H-형을 통칭하여 'H-형'이라 한다.) 플럭스게이트의 자성체 구조를 이룬다. 특히 상부 외곽 자성체부와 하부 외곽 자성체부는 서로 간에는 직접 연결되어 있지 않고 자속이 건너가지 못할 정도의 간격으로 이격되고, 중앙 자성체부와만 직접 연결되어 있다. H-형 플럭스게이트 자력계는 상부 외곽 자성체부로 인가되는 외부 자기장은 중앙 자성체부의 상단을 통해서 중앙 자성체부로 흘러들어갈 뿐, 하부 외곽 자성체로 건너가서 흘러들어가서 중앙 자성체부의 하단을 통해 중앙 자성체부로 유입될 수는 없다. 마찬가지로, 하부 외곽 자성체부로 인가되는 외부 자기장 역시 중앙 자성체부의 하단을 통해 중앙 자성체부로 흘러들어갈 뿐, 상부 외곽 자성체부로 건너가서 중앙 자성체부의 상단을 통해 중앙 자성체부로 흘러들어갈 수는 없다. 원형 또는 육상 트랙형 외곽 자성체가 선형의 중앙 자성체에 연결된 종래의 플럭스게이트 자력계에서 야기되는 외곽 자성체부를 통해 돌아들어오는 자속과 중앙 자성체로 유입되는 자속 간의 충돌로 인한 출력 볼트 피크의 불균일한 이동 현상은 본 발명의 실시예들에 따른 플럭스게이트 자력계에서는 발생하지 않는다. 따라서 픽업영역의 픽업 코일에서 발생되는 출력 볼트 피크의 위치 이동량은 중앙 자성체부로 인가되는 외부인가 자기장의 크기만큼만 이동하게 된다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따른 플럭스게이트 자력계의 출력 볼트 피크의 위치 이동 특성은 외부인가 자기장의 세기에 대하여 우수한 선형성을 가질 수 있다.
또한, 중앙 자성체부의 상단에서 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부로 각각 갈라지는 연결부위의 모양은 V자 모양을 닮았다. 중앙 자성체부의 하단에서 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부로 각각 갈라지는 연결부위의 모양은 역 V자 모양을 닮았다. 이러한 V자형 연결구조는 상기 중앙 자성체부와 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부 간 및 상기 중앙 자성체부와 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부 간에 자속 흐름의 급격한 방향 전환을 강제 하지 않고 자속의 유연한 흐름을 보장해줄 수 있다. 이에 의해 외곽 자성체부를 통해 픽업영역으로 진입하는 자속량의 손실이 최소화될 수 있다.
이와 같은 자성체의 구조적 특징들에 의해, 본 발명의 실시예들에 따른 플럭스게이트로 구현되는 자기센서는 미세한 외부인가 자기장의 변화를 정확하게 측정할 수 있는 초정밀 자기센서로서의 성능을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 플럭스게이트는 중앙 자성체부의 상하단에 상부 및 하부 외곽 자성체부가 외곽으로 길게 연장되어 전체적으로 H-형을 이루는 구조이므로, 중앙 자성체부 주변의 넓은 영역에서 자속을 포섭할 수 있다. 그에 따라 픽업영역이 있는 중앙 자성체부로 유입되는 외부 자기장의 자속량을 많게 할 수 있다. 플럭스게이트로 유입되는 외부인가 자기장의 자속량이 많으면 많을수록 픽업 코일로 유도된 볼트피크는 좀 더 먼 거리를 이동하게 된다. 따라서 본 발명의 실시예들에 따른 플럭스게이트 구조는 플럭스게이트의 자기장 측정 민감도(sensitivity)를 향상시킬 수 있다.
도 1의 (a)와 (b)는 종래의 막대형 플럭스게이트 및 원형 플럭스게이트의 구성을 각각 예시한다.
도 2는 종래의 3축 플럭스게이트 센서의 구성을 예시한다.
도 3은 드라이브 코일에 전류가 흐를 때 그 코일에 감긴 자성체 내부에 자화가 형성된 통상적인 모습을 보여준다.
도 4는 외부인가 자기장의 크기를 측정하는 플럭스게이트의 작동 원리를 보여준다.
도 5는 종래의 막대형 플럭스게이트의 자성체 내부에 형성되는 자화의 상태를 보여준다.
도 6는 작은 높이를 가지는 종래의 막대형 및 원형(또는 육상트랙형) 플럭스게이트의 권선 방법을 예시한다.
도 7은 종래의 원형(또는 육상트랙형) 플럭스게이트의 출력 특성의 비선형성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은 종래의 원형(또는 육상트랙형) 플럭스게이트에서 외부 인가 자기장의 자속 간 충돌 현상을 도시적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 H-형 플럭스게이트 구조를 예시한다.
도 10은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 H-형 플럭스게이트 구조를 예시한다.
도 11은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 H-형 플럭스게이트의 출력 특성이 선형성을 갖는 원리를 도식적으로 나타낸다.
도 12는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 H-형 플럭스게이트의 선형적인 출력 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 H-형 플럭스게이트의 자화반전 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 H-형 플럭스게이트에서 외곽 자성체부의 길이에 따른 자기장 측정 성능의 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 여러 가지 구조의 플럭스게이트에 있어서 외곽 자성체부의 존부 및 그것의 연장된 길이에 따른 자성체 내부의 전자의 스핀방향과 픽업 가능 영역의 크기를 도시한다.
도 16은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 H-형 플럭스게이트에 있어서 상부 외곽 자성체부의 말단과 하부 외곽 자성체부의 말단 간의 이격거리와 플럭스게이트 센서의 출력 특성 간의 관계를 나타낸다.
도 17은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 H-형 플럭스게이트 구조를 예시한다.
도 18은 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 따른 H-형 플럭스게이트 구조를 예시한다.
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.
도 9와 도 10에는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 플럭스게이트의 구조가 예시되어 있다.
도 9를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 플럭스게이트(100)는 자성체부(110)와 이에 권선된 드라이브 코일(130) 및 픽업 코일(135) 포함할 수 있다. 자성체부(110)는 자성체(112)와 그 자성체(112)를 감싸고 있는 절연막(114)을 포함한다. 그 절연막(114)에 의해 자성체(112)는 외부로부터 차단되고 전기적으로 절연될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 자성체부(110)의 전체적인 형상은 대략 H자 모양을 닮았다. 즉, 자성체부(110)는 선형(막대형) 중앙 자성체부(116)와 그 중앙 자성체부(116)의 상단부에서 서로 반대방향인 제1 및 제2 측방으로 연장된 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)와, 중앙 자성체부(116)의 하단부에서 서로 반대방향인 제3 및 제4 측방으로 연장된 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부(110c, 110d)를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 자성체부(110)의 전체적인 형상은 둥근 H-형 (유사 H-형의 일예)일 수 있다. 즉, 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)는 각각 위로 볼록하게 휘어진 원호 형상일 수 있고, 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부(110c, 110d) 각각 역시 아래로 볼록하게 휘어진 원호 형상일 수 있다. 이러한 원호형 외곽 자성체부(110a-110d)들은 동일한 면적 내에서 연장되는 길이를 상대적으로 크게 만들 수 있는 구조이어서, 외부 인가 자기장을 가능한 한 많이 픽업영역으로 유입될 수 있게 해준다. 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)와 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부(110c, 110d)는 각각의 연장된 길이가 중앙 자성체부(116)의 폭보다는 더 긴 것이 바람직하다.
그리고 두 개의 원호형 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)는 서로 끝부분이 서로 연결되어 반대방향으로 각각 연장되어 V자형 연결부(120a)를 형성하고, 그 V자형 연결부(120a)가 중앙 자성체부(116)의 상단부와도 연결될 수 있다. 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)와 중앙 자성체부(116)는 야자수의 펼쳐진 잎과 줄기에 각각 해당되어, 마치 곧은 나무줄기 상단에 야자수 잎이 양쪽으로 넓게 펼쳐진 형태의 야자수 형상을 닮은 것으로도 볼 수 있다. 마찬가지로, 두 개의 원호형 하부 외곽 자성체부(110c, 110d)도 서로 끝부분이 서로 연결되어 반대방향으로 각각 연장되어 V자형 연결부(120b)를 형성하고, 그 V자형 연결부(120b)가 중앙 자성체부(116)의 하단부와도 연결될 수 있다. 상부 및 하부 외곽 자성체부(110a-110d)는 이러한 형태의 배치에 의해, 외곽 자성체부(110a-110d)에 형성되는 자극은 중앙 자성체부(116)의 픽업 영역으로부터 최대한 먼 곳에 형성될 수 있다. 그 결과 픽업 영역은 자화방향이 흐트러지는 외곽 자성체부(110a-110d) 말단에서의 자극들의 영향권으로부터 완전한 벗어날 수 있고, 그에 따라 픽업영역 전체에서 완전한 자화반전이 일어나게 하여서 출력볼트 피크의 높이를 증가할 수 있고, 플럭스게이트를 구동하는 외부 장치(예: ASIC)가 출력볼트 피크의 위치를 정확히 측정할 수 있다.
두 개의 원호형 하부 외곽 자성체부(110c, 110d)는 중앙 자성체부(116)를 중심으로 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)와 대칭 형상일 수 있다. 그렇지만 반드시 대칭 형상으로 한정되는 것은 아니고, 비대칭 형상일 수도 있다.
이러한 V자형 연결부(120a, 120b)는, 플럭스게이트(100, 100-1)가 드라이브 코일(130, 130-1)로 입력되는 교류전류에 의해 자화가 될 때, 중앙 자성체부(116)에서 형성되는 자속(magnetic flux)이 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)의 양쪽 끝과 하부 외곽 자성체부(110c, 110d) 양쪽 끝에 각각 형성되는 자극 쪽으로 유연하고 용이하게 흘러나가도록 해줄 수 있다.
예시적인 실시예에서, 본 발명에 따른 H-형의 자성체를 최적으로 활용하기 위한 권선 방법으로, 도 9에 도시된 것처럼 중앙 자성체부(116)에 드라이브 코일(130)과 픽업 코일(135)이 교차 권선될 수 있다. 이 때, 외곽 자성체부(110a-110d)의 작용과 중앙 자성체부(116)와의 V자 연결구조(120a, 120b)에 의해 중앙 자성체부(116)의 전체 구간이 픽업영역으로 활용될 수 있다. 그러므로 픽업 코일(135)은 중앙 자성체부(116)의 거의 대부분의 구간에 감길 수 있다. 드라이브 코일 단자(D1, D2)는 드라이브 코일(130)의 양단에 연결될 수 있고, 픽업 코일 단자(P1, P2)는 픽업 코일(135)의 양단에 연결될 수 있다. 드라이브 코일 단자(D1, D2)를 통해 드라이브 전압이 인가될 수 있고, 픽업 코일(135)에 유도된 픽업 전압은 픽업 코일 단자(P1, P2)를 통해 외부로 출력될 수 있다.
또한, 다른 예시적인 실시예로서, 도 10에 도시된 플럭스게이트(100-1)는 위에서 설명한 플럭스게이트(100)와는 드라이브 코일(130-1)의 권선 영역에서 차이가 있을 뿐 자성체(110)를 비롯한 다른 구성은 동일하다. 즉, 픽업 코일(135-1)은 중앙 자성체부(116)에만 권선되지만, 드라이브 코일(130-1)은 중앙 자성체부(116)뿐만 아니라 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)와 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부(110c, 110d)에도 추가로 권선될 수 있다.
도 9와 도 10에 예시된 두 가지의 권선 방법 모두 외부 인가 자기장에 대한 출력볼트 피크의 선형성을 확보할 수 있다. 두 가지 권선 방법에 따른 플럭스게이트 성능에 있어서는 다소의 차이가 있다. 도 10의 권선 구조는 도 9의 그것에 비해, 자성체의 돌출된 외곽부위에 드라이브 코일이 더 권선된 것이므로, 플럭스게이트의 중앙에서 발생되는 자성체 내부의 자속에 추가하여 외곽으로부터도 자속을 유입시켜 픽업영역인 플럭스게이트의 중앙부위를 통과하는 자속(magnetic flux)량을 늘릴 수 있다. 그에 따라, 플럭스게이트의 출력볼트 피크를 더 크게 만들어서 미세한 외부자기장 변화를 용이하게 측정할 수 있다.
한편, 예시적인 실시예에서, 플럭스게이트 (100, 100-1)를 제조함에 있어서, 자성체(112)와 이를 감싼 절연막(114)을 포함하는 자성체부(110), 드라이브 코일(130)과 픽업 코일(135)은 기판(비도시) 위에 형성될 수 있다. 이 때 자성체부(110), 드라이브 코일(130)과 픽업 코일(135)을 포함하는 플럭스게이트(100)는 반도체 제조 공정을 이용하여 만들 수 있다. 예컨대 자성체부(110)는 다수의 자성체 박막(예컨대, NiFe 막)과 다수의 절연성 중간막(예컨대, SiO2 막, Ta2O5 막, 또는 Al2O3 막)이 교대로 적층된 구조로 형성될 수 있다. 기판은 실리콘 웨이퍼 기판을 사용할 수 있다. 절연막(114)은 예컨대 SiO2, Ta2O5, 또는 Al2O3 등의 재질로 형성할 수 있다. 본 발명은 플럭스게이트의 구조에 관한 발명으로서, 이는 이미 알려진 종래기술들(대한민국 특허공개번호 제 10-2006-0038510호 (2006.05.04. 공개), 제10-2008-0107418호 (2008.12.10. 공개), 제 10-2020-0115337호 (2020.10.07. 공개) 등)을 활용하면 통상의 기술자가 충분히 제조할 수 있으므로 여기서는 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 9와 도 10에 예시된 플럭스게이트(100, 100-1)의 구조는 여러 가지 장점을 제공할 수 있다. 첫 번째 장점은 출력 볼트 피크의 위치가 외부인가 자기장의 크기 변화에 따라 선형적으로 이동할 수 있게 해주어, 자기장 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 이것의 실현을 위해서 예시적인 실시예들은 종래의 원형 또는 육상트랙형의 자성체 외곽에서 유입되는 자기장의 경로가 제거된 구조를 제공할 수 있다. 즉, 도 9 및 도 10에서 보는 바와 같이 외곽의 자성체부는 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)와 하부 외곽 자성체부(110c, 110d)로 분리되어 있다. 따라서 도 11에 도시된 것처럼, 외부자기장이 플럭스게이트(100, 100-1)의 전면에 걸쳐서 인가될 때, 어느 하나의 외곽 자성체부(110a, 110b)로 유입된 외부자기장(140)은 반대편 외곽 자성체부(110c, 110d)의 돌출부위로의 자력선 연결이 차단된다. 즉, 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)로 유입되는 외부 자기장에 의한 자속(140)은 하부 외곽 자성체부(110c, 110d)로는 건너가지 못하고 대부분의 자속(142)이 곧바로 중앙 자성체부(116)로만 진행한다. 반대로, 하부 외곽 자성체부(110c, 110d)로 유입되는 외부 자기장도 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)로 직접 건너가지 못하고 중앙 자성체부(116)로만 진행한다. 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)와 하부 외곽 자성체부(110c, 110d)의 이격거리가 좁은 경우, 일부의 자속(144)이 하부 외곽 자성체부(110a, 110d)로 건너갈 수도 있지만, 그렇게 되지 않도록 상기 이격거리를 충분히 넓히면 그런 현상을 막을 수 있다.
이처럼, 플럭스게이트(100, 100-1)는 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)와 하부 외곽 자성체부(110c, 110d)가 서로 분리된 구조를 가지므로, 도 8의 종래기술 설명에서 언급한 중앙 자성체부(116) 내의 유도전압 픽업영역에서 자속 불균일을 유발하는 자속 충돌 현상이 생기지 않는다. 즉, 종래의 원형 내지 육상트랙형 플럭스게이트(30)는 외부자기장이 인가될 시 외곽의 반원형의 자성체(25)로 유입되어서 최종적으로 중앙 자성체부(26)의 픽업영역까지 흘러들어가서 픽업영역으로 유입된 외부인가 자기장과 충돌하는 문제가 발생한다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 플럭스게이트(100, 100-1)의 경우, 픽업 코일(135, 135-1)이 감겨져 있는 픽업영역으로 유입되는 외부자기장(142)은 그 반대편으로부터 유입되는 자기장(144)의 영향을 받지 않게 되어서 외부자기장의 크기에 교란이 발생하지 않는다. 픽업영역의 픽업 코일(135, 135-1)에서 발생되는 볼트 피크의 이동은 외부인가 자기장의 크기만큼만 이동하게 된다. 그에 따라, 외부인가 자기장의 크기 변화에 따른 픽업 코일(135, 135-1)에 유도되는 출력 볼트 피크의 위치 이동은 선형성을 가질 수 있다.
도 12는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 플럭스게이트(100, 100-1)의 외부 인가 자기장의 크기 변화에 따른 출력 볼트 피크의 위치 이동을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에 따르면, 외부 인가 자기장의 크기 변화에 따른 출력 볼트 피크의 위치는 실질적으로 선형적으로 이동하는 것을 알 수 있다. 이 그래프는 도 7의 (c)에 예시된 종래기술의 대응 그래프에 비해 선형성이 크게 개선되었음을 알 수 있다. 이러한 개선된 선형성의 특성을 가지는 자기센서는 미세한 외부인가 자기장의 변화를 정확하게 측정할 수 있는 초정밀 자기센서로서 기능할 수 있다.
두 번째 장점은 넓은 영역의 외부 자기장을 포섭할 수 있어 자기장의 측정 민감도가 향상될 수 있다. 상부 외곽 자성체부(110a, 110b) 각각과 하부 외곽 자성체부(110c, 110d) 각각은 마치 야자수 형태로 넓게 펼쳐진 형상이어서, 외부로부터 가능한 한 많은 자기장이 포섭되어 플럭스게이트(100, 100-1)로 유입되도록 해줄 수 있다. 플럭스게이트(100, 100-1)로 유입되는 외부인가 자기장의 양이 많으면 많을수록 픽업 코일로 유도된 출력 볼트 피크는 좀 더 먼 거리를 이동하게 된다. 따라서 본 발명의 실시예들에 따른 플럭스게이트 구조는 플럭스게이트의 자기장 측정 민감도(sensitivity)를 향상시킬 수 있다.
아울러, 플럭스게이트(100, 100-1)의 중앙 자성체부(116)에서 자화가 일어날 때, 자성체(110)의 외곽부분으로 돌출되어 있는 부분 즉, 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)와 하부 외곽 자성체부(110c, 110d) 각각에는 드라이브 코일(130, 130-1)로의 전류 유입 방향에 따라서 자극인 N극과 S극이 형성된다. 앞선 도 5의 (e)에서 보이는 바와 같이 N극 및 S극 주변에는 플럭스게이트의 출력볼트 피크를 만드는 자화반전이 발생하지 못한다. 이런 점을 고려하며, 도 8(a), 도 8(b)의 돌출부분 즉, 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)와 하부 외곽 자성체부(110c, 110d) 각각은 가능하면 플럭스게이트(100, 100-1)의 중앙 자성체부(116)에서 멀리 연장시킨 구조로 설계될 수 있다.
도 9 및 도 10에 예시된 H-형 플럭스게이트(100, 100-1)는, 다른 장점으로, 선형 중앙 자성체부(116)의 양쪽 단부에서 각각 외곽 방향으로 자성체가 연장된 구조를 가지므로 막대형 자석에서 발생되는 역자장 효과를 제거할 수 있다. H-형 플럭스게이트(100, 100-1)에 있어서, 드라이브 코일(130, 130-1)의 단자 D1을 통해서 전류를 유입시키면, 드라이브 코일(130, 130-1) 내부에는 암페어의 오른손 법칙을 따른 솔레노이드 자기장이 형성이 된다. 이렇게 형성된 자기장은 플럭스게이트(100, 100-1)의 자성체부(110)를 도 13에 도시된 것과 같은 자화 방향을 가진 자성체로 만들게 된다. 이 때 상부 및 하부 외곽 자성체부(110a-110d)의 끝에는 자극 N극과 S극이 형성된다. 이 자극의 부분에는 자화방향이 일 방향으로 형성되지 않으므로 자화반전에는 기여하지 않지만, 그 자극 영역을 제외한 나머지 모든 자성체 영역에서는 일 방향 자화반전(119)이 발생한다. 이들 자화반전을 감지하는 픽업 코일(135, 135-1)이 감기는 중앙 자성체부(116)에서는 전 구간이 자화반전이 용이하여 픽업가능영역(118)으로 활용될 수 있다. 그 픽업가능영역(118)에서는 자화반전에 따른 볼트 피크의 높이가 큰 출력 볼트 피크가 발생할 수 있다. 따라서 플럭스게이트(100, 100-1)와 연결되어서 작동하는 다른 회로장치(예: ASIC)는 큰 출력 볼트 피크를 입력으로 제공받을 수 있어서 신호처리 시에 출력볼트피크의 위치를 용이하게 감지할 수 있다.
한편, 도 9 및 도 10에 예시된 H-형 플럭스게이트(100, 100-1)의 또 다른 장점으로, 중앙 자성체부(116)의 양단에 상부 외곽 자성체부(110a, 110b)와 하부 외곽 자성체부(110c, 110d)가 완만한 곡선로를 제공하는 V자형으로 연결되는데, 이 V자형 연결 구조는 플럭스게이트(100, 100-1)의 중앙 자성체부(116) 영역에서 발생되어 방향 전환을 하면서 외곽 자성체부(110a-110d) 영역으로 진행해나가는 자속 흐름에 대하여 저항을 최소화해줄 수 있는 구조이다. 즉, 자속 흐름의 방향 전환이 일어나는 중앙 자성체부(116)의 말단부와 상부 및 하부 외곽 자성체부(110a, 110b) 및 (110c, 110d) 간의 연결부위는 완만한 곡선 주로를 형성함으로써, 플럭스게이트(100, 100-1)의 중앙 자성체부(116)에서 외곽 자성체부(110a, 110b) 및 (110c, 110d)로 흘러나가거나 그 반대 방향으로 흘러들어오는 자속이 외곽으로 흩어지거나 합쳐질 때 상호 충돌하거나 고착됨 없이 유연하게 통과하도록 할 수 있다. V자형 연결구조는 자속 흐름을 원활하게 해줌으로써 플럭스게이트의 자기장 측정 민감도(sensitivity) 향상에 기여할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 H-형 플럭스게이트를 구성함에 있어서, 중앙 자성체부의 상단과 하단에 연결되는 외곽 자성체부의 연장 길이에 따른 외부 인가 자기장 측정 성능의 차이를 설명하기 위한 그림이다.
도 14의 플럭스게이트(200)에서, 아래 부분의 하부 외곽 자성체부(210c, 210d)처럼 플럭스게이트 외곽 방향으로 연장한 길이가 상대적으로 짧은 경우에는 해당 플럭스게이트로 유입되는 외부인가 자기장(140-2)의 양은 적다. 이에 비해, 윗부분의 상부 외곽 자성체부(210a, 210b)처럼 플럭스게이트의 외곽 방향으로 연장한 길이가 상대적으로 긴 경우에는 그 연장된 외곽 자성체부(210a, 210b)가 마치 외부인가 자기장을 효율적으로 모으는 콘센트레이터로서의 역할을 수행하여 플럭스게이트 센서로 유입되는 외부인가 자기장(140-1)의 양은 상대적으로 많아진다. 플럭스게이트로 유입되는 외부인가 자기장의 양이 많으면 많을수록 픽업 코일로 유도된 두 출력 볼트 피크 간의 간격은 더 멀어지게 되므로, 플럭스게이트의 자기장 측정 민감도(sensitivity)는 향상되는 효과를 거둘 수 있다.
한편, Z축 플럭스게이트 센서를 제작함에 있어서, 중앙 자성체부의 픽업영역에서 외곽으로 자성체를 연장해내서 H-형 자성체부를 형성시킬 때, 외곽으로의 연장 길이는 픽업영역의 상하부에 흐트러져 있는 스핀방향을 픽업영역 내에서는 적어도 일 방향으로 만들 수 있는 정도의 길이는 되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 예시적인 실시예에서, 중앙 자성체부에서 외곽으로의 연장 길이는 중앙 자성체부의 폭의 크기보다 더 긴 것이 바람직하다.
도 15는 여러 가지 구조의 플럭스게이트에 있어서 외곽 자성체부의 존부 및 그것의 연장된 길이에 따른 자성체 내부의 전자의 스핀방향과 그에 따른 픽업 가능 영역의 크기를 도시한다.
도 15의 (a)는 통상적인 선형 플럭스게이트(300)에 솔레노이드 코일(비도시)을 감고 위에서 아래 방향으로 자화를 일으켰을 때, 그 자성체(300)를 구성하는 각각의 전자의 스핀방향을 도시한다. 도시된 바와 같이 플럭스게이트(300)가 자화되어서 자석이 되면, 자성체 내부에서 전자의 스핀 방향은 위치에 따라 다르다. 즉, 플럭스게이트(300)의 중앙부위(314)에서는 전자 스핀방향이 한 방향으로 배열되고, 양쪽 끝 부분(310, 312)에 형성된 자극에서는 스핀방향이 방사형으로 퍼져나가는 형태로 배열된다. 그러므로 그 중앙부위(314)만이 픽업영역으로 이용될 수 있다.
도 15의 (b)는 선형 자성체(326)의 상단과 하단에서 그 선형 자성체부(326)의 폭과 비슷한 길이만큼 외곽으로 연장되는 자성체부(322, 324)를 포함하는 H-형 플럭스게이트(320) 내부에서의 스핀방향을 예시한다. 이런 플럭스게이트(320) 구조에서, 돌출된 외곽 자성체(322, 324) 내부에서의 스핀은 새로이 형성되는 각각의 자극(N, S)을 중심으로 자력선들이 방사형으로 퍼져나가는 내부 스핀구조를 갖게 된다. 방사형으로 흐트러지는 전자스핀들이 자성체의 외곽부분으로 이동되어 나감에 따라, 나머지 영역 즉, 선형 중앙 자성체부(326)의 대부분의 영에서는 자력선이 방사형으로 퍼져나가는 자극의 영역에서 벗어난 상태가 될 수 있어 픽업영역으로 활용될 수 있다. 그러므로 픽업영역 내부의 스핀 방향은 픽업 영역에 감겨있는 드라이브 코일로부터 해당 픽업 영역으로 인가되는 솔레노이드 자기장의 방향을 따라서 평행한 스핀 배열을 가질 수 있다. 즉, 중앙 자성체부(326)에서의 스핀들은 자극의 영향을 받지 않게 되어, 솔레노이드 코일에 의해서 인가되는 자기장의 방향과 평행한 영역을 가지는 영역인 '픽업가능 영역'이 확장되게 된다. 이 같은 픽업영역을 최대한 확장하기 위해서는 외곽 자성체부(322, 324)의 길이가 적어도 외곽 자성체부(322, 324)의 폭만큼보다는 더 긴 것이 바람직하다.
도 15의 (c)에 도시된 H-형 플럭스게이트(340)는 (b)의 H-형 플럭스게이트(320)에 비해 선형 자성체(326)의 상단과 하단에서 각각 외곽으로 연장되는 외곽 자성체부(342, 344)의 길이가 선형 자성체부(346)의 폭에 비해 훨씬 더 큰 구조이다. 이 구조의 플럭스게이트(340) 역시 (b)의 플럭스게이트(320)와 같은 원리로 선형 중앙 자성체부(346)의 대부분의 영역에서 자기장의 방향과 평행하게 동일한 스핀 배열을 이루게 되어 그 중앙 자성체부(346)의 대부분이 픽업영역으로 활용될 수 있다. 즉, 자성체를 구성한 모든 부분이 자성체를 둘러싼 솔레노이드 코일의 자력선 형성방향을 따라서 평행하게 배열하는 자화 및 자화반전을 이루어서, 자화 및 자화반전에 참여하는 원자들의 숫자를 증가시킬 수 있고, 그 결과로서 픽업영역에서의 출력되는 픽업 볼트피크의 크기를 극대화시킬 수 있다.
예시적인 실시예에서, 상부 및 하부 외곽 자성체부(342, 344)의 끝부분은 원형 구조 또는 더욱 확실하게는 타원형(ellipsoid) 구조로 제작될 수 있다. 이것은 이 같은 형태가 외곽 자성체부(342, 344)의 끝부분인 자극 부분에서 형성되는 demagnetization field를 최소화시킬 수 있는 디자인이기 때문이다. 자성체 외곽으로 뻗어나간 것을 양말에 비유한다면, 양말 속에 공을 넣고 그 공의 크기만큼 돌출시키면 남아있는 픽업영역에서의 스핀들은 평행한 배열을 가진다고 할 수 있다.
도 16은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 H-형 플럭스게이트에 있어서 상부 외곽 자성체부의 말단과 하부 외곽 자성체부의 말단 간의 이격거리와 플럭스게이트 센서의 출력 특성 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 도 16의 (a)는 중앙 자성체부(366)의 픽업영역 상단과 하단에서 좌우 외곽으로 연장된 상부 외곽 자성체(362)와 하부 외곽 자성체(364) 사이의 거리를 10㎛~60㎛ 범위로 형성시켰을 때의 자성체(360) 형상을 나타낸다. 도 16의 (b)는 중앙 자성체부(386)의 픽업영역 상단 및 하단에서 좌우 외곽으로 연장된 상부 외곽 자성체(382)와 하부 외곽 자성체(384) 사이의 간격이 적어도 60㎛ 이상이 되도록 설계된 자성체(380) 형상을 나타낸다.
도 16을 참조하면, H-형 자성체부(360)의 중앙 자성체부(366)의 픽업 영역의 상단 및 하단에서 외곽으로 연장된 형태의 상부 및 하부 외곽 자성체(362, 364)를 형성시킴에 있어서, 그 상부 외곽 자성체부(362)와 하부 외곽 자성체부(364) 간의 이격거리(말단부들 간의 이격거리)는 플럭스게이트 센서의 출력값의 선형적인 거동에 영향을 미칠 수 있다. 상기 상부 및 하부 외곽 자성체들(362, 364) 간의 이격거리(말단부들 간의 이격거리)가 작은 경우에는 외부 인가 자기장에 대한 플럭스게이트 센서의 측정값이 비선형적인 거동을 보이지만, 그 이격거리를 증가시키면 외부 인가 자기장에 대한 플럭스게이트 센서의 출력값이 선형적인 거동을 보인다.
상부 및 하부 외곽 자성체부들(362, 364)의 말단부를 예컨대 10um, 30um, 60um 만큼 각각 떼어놓았을 때의 전기적 특성을 평가하는 실험을 수행하였다. 그 결과 이격거리가 10um와 30um로 작은 H-형 자성체(360)를 채용한 플럭스게이트 센서 샘플들에서 출력되는 볼트 피크는 그 크기가 작았고, 외부 인가 자기장에 대한 플럭스게이트 센서의 자기장 측정값도 비선형적 거동을 보였다. 도 16의 (a)처럼 자극들 사이의 이격거리가 60㎛ 보다 작은 플럭스게이트 센서의 경우는 N극에서 나오는 자력선은 가까운 거리에 위치한 S극 내부로 많이 전달된다.
이에 비해, 중앙 자성체부(386)의 상단과 하단에 각각 연결되는 상부 및 하부 외곽 자성체부(382, 384)의 말단부를 사이의 간격이 60um 이상이 되면 그 같은 효과들은 사라짐을 확인할 수 있었다. 예시적인 실시예에 따른 H-형의 플럭스게이트 센서는 예컨대 400um 이상의 높이를 가지도록 제작될 수 있다. 이 경우 상부 및 하부 외곽 자성체부(382, 384)들 사이의 이격거리를 60um 이상으로 형성시키면, N극에서 나오는 자력선은 상대적으로 먼 거리에 위치한 S극으로 아주 적은 량만이 전달될 수 있다. 외부 인가 자기장의 변화와 출력값의 변화가 선형성을 가짐을 확인할 수 있었다.
상부 및 하부 외곽 자성체부(362, 364)의 말단에 형성되는 자극들 사이의 거리가 좁은 경우에는 자력선 전달이 많아져서 상대방에 놓여있는 자성체로 이동해 들어가는 자력선이 증가한다. 상부 및 하부 외곽 자성체부(362, 364)를 떼어 놓아도 마치 일부분은 연결된 것처럼 자속은 상대편 자성체로 이동해 들어간다. 그 때문에, 외부자기장 측정 시에 외부 인가 자기장에만 반응해야하는 플럭스게이트 센서의 거동에 비선형성 오차를 발생시키는 결과를 초래한다.
상부 및 하부 외곽 자성체부들 사이의 거리를 10㎛, 30㎛, 60㎛, 100㎛ 거리만큼 형성시켜 제작한 플럭스게이트 센서들의 출력 거동을 실험적으로 측정한 결과, 60㎛이상의 이격거리를 가진 플럭스게이트 센서들은 그것보다 작은 이격거리로 형성된 플럭스게이트 센서에 비해 우수한 출력값의 선형성 거동을 보였다. 본 발명에 따른 H-형의 자성체부를 가지는 플럭스게이트 센서의 전기적 특성은 두 자극 사이의 거리가 60㎛ 이상이 되면 동일한 거동을 보였다.
도 17은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 H-형 플럭스게이트 구조를 도시한다.
도 17을 참조하면, 도시된 H-형 플럭스게이트(400)는 유사 H-형 플럭스게이트의 일 예로서, 도 9 및 도 10에 예시된 H-형 플럭스게이트(100, 100-1)에 비해 상부 및 하부 외곽 자성체부의 형상에서 차이가 있다. 이 실시예의 H-형 플럭스게이트(400)는 선형 중앙 자성체부(416), 상부 외곽 자성체부(410a, 410b)와 하부 외곽 자성체부(410c, 410d)를 포함할 수 있다. 이 때, 상부 외곽 자성체부(410a, 410b)는 각각 선형 자성체이고, 그들의 양끝 부분은 둔각을 형성하면서 서로 일렬로 연결되어 중앙 자성체부(416)의 상단에서 V자형 연결부(420a)를 형성할 수 있다. 상부 외곽 자성체부(410a, 410b)는 중앙 자성체부(416)와 연결된 모양이 Y자형이다. 마찬가지로, 하부 외곽 자성체부(410c, 410d)도 각각 선형 자성체이고, 그들의 양끝 부분은 둔각을 형성하면서 서로 일렬로 연결되어 중앙 자성체부(416)의 하단에서 V자형 연결부(420b)를 형성할 수 있다. 하부 외곽 자성체부(410c, 410d)는 중앙 자성체부(416)와 연결된 모양이 역 Y자형이다. 외곽 자성체부(410a-410d) 각각의 연장된 길이는 중앙 자성체부(416)의 폭보다는 더 길다.
이 구조의 H-형 플럭스게이트(400)에 따르면, 상부 외곽 자성체부(410a, 410b)와 하부 외곽 자성체부(410c, 410d)는 서로의 말단부가 충분한 간격을 가지면서 이격되어 있어, 중앙 자성체부(416)의 픽업영역에서의 출력전압 특성은 양호한 선형성이 보일 수 있다. 또한, 상부 외곽 자성체부(410a, 410b)와 하부 외곽 자성체부(410c, 410d)가 외곽으로 충분히 연장된 길이를 가져 외부 인가 자기장을 포섭하는 능력이 향상되고, 중앙 자성체부(416)의 상단 및 하단에 V자형 연결부(420a, 420b)가 마련되어 중앙 자성체부(416)와 상부 및 하부 외곽 자성체부(410a-410d) 간에 자속의 흐름이 원활하게 이루어질 수 있다. 이에 의해, H-형 플럭스게이트(400)의 양호한 측정 민감도와 정확도를 얻을 수 있다.
도 18은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 H-형 플럭스게이트 구조를 도시한다.
도 18을 참조하면, 자성체부가 자성체(512)와 이를 감싸여 외부로부터 절연시켜주는 절연막(514)으로 구성된 점은 앞서 설명한 실시예들에 따른 H-형(유사 H-형도 포함) 플럭스게이트의 그것과 동일하다. 다만, 도 17에 도시된 H-형 플럭스게이트(400)는 중앙 자성체부(416)에서 외곽 자성체부(410a-410d)의 말단으로 가면서 점점 벌어지는 형상인데 비해, 도 18에 도시된 H-형 플럭스게이트(500)는 중앙 자성체부(516)와 상부 외곽 자성체부(510a, 510b) 및 하부 외곽 자성체부(510c, 510d) 각각과 실질적으로 직각으로 연결된다는 점에서 차이가 있다.
다만, 이 실시예에서도 중앙 자성체부(516)와 상부 외곽 자성체부(510a, 510b) 간의 연결부위(520a)는 급격하게 직각으로 꺾이는 것이 아니라 완만한 곡선 구간을 형성된다. 마찬가지로, 중앙 자성체부(516)와 하부 외곽 자성체부(510c, 510d) 간의 연결부위(520b) 역시 급격하게 꺾이지 않고 완만한 곡선 구간(주로)을 형성한다. 이러한 완만한 곡선형 연결구간(520a, 520b)은 앞선 실시예들과 마찬가지로, 상부 외곽 자성체부(510a, 510b)와 중앙 자성체부(516) 간의 자속 흐름과 하부 외곽 자성체부(510c, 510d)와 중앙 자성체부(516) 간의 자속 흐름에 대한 저항을 최소화하여 원활한 자속 흐름이 생기도록 해줄 수 있다.
또한, 상부 외곽 자성체부(510a, 510b)의 말단부와 하부 외곽 자성체부(510c, 510d)의 말단부는 서로 소정 거리 이상 이격된다. 상부 외곽 자성체부(510a, 510b)와 하부 외곽 자성체부(510c, 510d)의 연장 길이는 중앙 자성체부(516)의 폭보다 더 크다.
이 실시예의 이러한 구조적 특성은 앞선 실시예들과 공통적이다. 따라서 이실시예에 따른 플럭스게이트는 앞선 실시예들과 같은 이유로 플럭스게이트의 픽업코일에서의 출력 볼트 피크의 이동량이 외부인가 자기장의 크기에 비례하는 우수한 선형성을 가질 수 있고, 우수한 자기장 측정 민감도와 정확성을 제공할 수 있다.
앞의 실시예들에 있어서, 위와 같은 완만한 곡선형을 이루는 연결 구간(520a, 520b)이 확보될 수 있다면, 중앙 자성체부(516)와 선형으로 연장되는 상부 외곽 자성체부(510a, 510b)는 서로 간의 사이각이 도 17에 예시된 것처럼 90도보다 더 큰 각도로 연결될 수 있고, 도 18에 예시된 것처럼 실질적으로 90도로 연결될 수도 있으며, 심지어는 90도보다 작은 각도로 연결될 수도 있다. 마찬가지로 중앙 자성체부(516)와 선형으로 연장되는 하부 외곽 자성체부들(510c, 510d)도 서로 간의 사이각이 바람직하게는 90도 이상이 되도록 연결될 수 있고, 심지어는 90도보다 작도록 연결될 수도 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. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
본 발명은 전자나침반 칩을 제조하는 데 이용될 수 있으며, 특히 Z축 마그네틱 플럭스게이트 센서를 제조하는 데 이용될 수 있다.
100, 100-1, 400, 500: 플럭스게이트 110, 210: 자성체부
110a, 110b: 상부 외곽 자성체부 110c, 110d: 하부 외곽 자성체부
112: 자성체 114: 절연막
115: 중앙 자성체부 120a, 120b: V자형 연결부
130: 드라이브 코일 135, 135-1: 픽업 코일

Claims (14)

  1. 자성체부; 및
    상기 자성체부에 권선된 드라이브 코일과 픽업 코일을 구비하며,
    상기 자성체부는,
    선형으로 소정길이 연장된 중앙 자성체부;
    상기 중앙 자성체부의 상단부에서 각각의 일측 단부가 서로 연결되며 반대방향인 제1 및 제2 측방으로 각각 연장된 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부; 그리고
    상기 중앙 자성체부의 하단부에서 각각의 일측 단부가 서로 연결되며 반대방향인 제3 및 제4 측방으로 연장된 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트 자력계.
  2. 제1항에 있어서, 외부 인가 자기장의 크기 변화에 따라 상기 픽업 코일에서 검출되는 출력 볼트 피크의 위치는 선형적으로 이동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 플럭스게이트 자력계.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽자성체부는 각각의 일측 단부가 상기 중앙자성체부 상단에서 서로 연결되어 곡선형의 자속 흐름 경로를 제공하는 V자형 제1 연결부를 형성하고, 상기 제1 및 제2 하부 외곽자성체부는 각각의 일측 단부가 상기 중앙 자성체부의 하단에서 서로 연결되어 곡선형의 자속 흐름 경로를 제공하는 V자형 제2 연결부를 형성하는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트 자력계.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부 각각은 위로 볼록하게 휘어진 원호형상이고, 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부 각각은 아래로 볼록하게 휘어진 원호형상인 것을 특징으로 하는 플럭스게이트 자력계.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부는 각각이 상기 중앙 자성체부와 연결된 지점부터 적어도 제1 일부 구간이 선형이고 그 선형의 제1 일부 구간들이 상기 중앙 자성체부와 연결된 모양이 Y자형이고, 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부도 각각이 상기 중앙 자성체부와 연결된 지점부터 적어도 제2 일부 구간이 선형이고 그 선형의 제2 일부 구간들이 상기 중앙 자성체부와 연결된 모양이 역 Y자형인 것을 특징으로 하는 플럭스게이트 자력계..
  6. 제3항에 있어서, 상기 드라이브 코일과 상기 픽업 코일은 상기 중앙 자성체부에만 교차 권선되는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트 자력계.
  7. 제6항에 있어서, 상기 드라이브 코일은 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부와 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부에도 추가로 더 권선되는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트 자력계.
  8. 제6항에 있어서, 상기 픽업 코일은 상기 중앙 자성체부의 전체 구간에 권선된 것을 특징으로 하는 플럭스게이트 자력계.
  9. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부 각각의 연장된 길이와 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부 각각의 연장된 길이는 상기 중앙 자성체부의 폭보다 더 길게 형성된 것을 특징으로 하는 플럭스게이트 자력계.
  10. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부 및 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부는 각각 선형으로 연장되고, 상기 중앙 자성체부와 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부가 이루는 각도는 90도 이고, 상기 중앙 자성체부와 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부가 이루는 각도도 90도 이어서, 상기 자성체부의 전체적인 형태가 H-형인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트 자력계.
  11. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부 및 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부는 각각 선형으로 연장되고, 상기 중앙 자성체부와 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부가 이루는 각도는 90도 보다 작고, 상기 중앙 자성체부와 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부가 이루는 각도도 90도 보다 작아, 상기 자성체부의 전체적인 형태가 유사 H-형인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 플럭스게이트 자력계.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부와 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부는 상기 중앙 자성체부를 기준으로 서로 대칭 형상인 것을 특징으로 하는 플럭스게이트 자력계.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 상부 외곽 자성체부와 상기 제1 및 제2 하부 외곽 자성체부는 말단부가 원형 구조 또는 타원형 구조인 것을 특징으로 하는 플럭스게이트 자력계.
  14. 제1항에 있어서, 서로 대응하는 위치에 배치된 상기 제1 상부 외곽 자성체부와 상기 제1 하부 외곽 자성체부의 말단부들 간의 간격은 60um 이상인 것을 특징으로 하는 플럭스게이트 자력계.
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