KR100983128B1 - 이중목적센서로서 자기저항센서를 이용한 시스템 및 장치 - Google Patents

이중목적센서로서 자기저항센서를 이용한 시스템 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 집적형 이중목적 센서에 관한 것이다. 본 발명의 일실시형태에서 상기 이중목적센서는 2개의 출력측정을 제공하는 완전 휘트스톤 또는 반 휘트스톤 브릿지을 포함한다. 상세하게, 상기 휘트스톤 브릿지는 오도센서판독과 자기센서판독을 결정하는데 사용하는 2개의 출력측정을 제공한다.
자기저항센서(magneto-resistive sensor), 휘트스톤브릿(Wheatstone bridg), 다목적 센서(multi-purpose sensor)

Description

이중목적센서로서 자기저항센서를 이용한 시스템 및 장치{SYSTEM AND METHOD FOR USING MAGNETO-RESISITIVE SENSORS AS DUAL PURPOSE SENSORS}
본 발명은 일반적으로 자기장 센서에 관한 것으로서, 다목적 센서로서의 자기저항 센서 이용에 관한 것이다.
많은 응용장치에서 자기장측정이 요구된다. 예를 들어, 이러한 응용장치로는 의학용, 실험실용 및 전자장치뿐만 아니라, 자기 나침반, 교통탐지, 네비게이션시스템이 있다.
상기 응용장치는 종종 작은 자기장과 그 섭동을 감지할 수 있는 자기저항(MR)센서를 채용한다. 자기저항센서는 집적회로제조기술를 이용하여 형성되며, 실리콘웨이퍼 또는 다른 형태의 기판 상에 증착되어 저항스트립으로서 패터닝된 니켈-철(퍼멀로이(permalloy))박막으로 이루어진다. 자기저항센서에 전류를 인가할 경우에, 상기 스트립의 저항은 자화와 인가전류방향 사이의 각에 의존하며, 자화 및 인가전류가 평행일 때에 최대가 된다. 상기 퍼멀로이막이 외부자기장에 노출되는 경우에, 상기 외부자기장은 자화에 영향을 준다. 즉 자화를 회전시켜 사이 막의 저항을 변화시킨다. 통상적으로, 상기 자기장의 회전으로 인한 저항의 최대변화는 공칭저항의 2 내지 3%이다.
제조시에, 상기 퍼멀로이막 내에서 인가전계에 대한 저항의 변화가 최대로 될 수 있도록, 자화용이축은 상기 막의 일 길이방향으로 설정된다. 그러나, 자화용이축상의 강자계영향으로 인해 상기 막의 자화극성이 회전되어, 센서특성이 변하게 된다. 이러한 변화에 이어, 일반적으로 강한 복원자계를 인가하여 센서특성을 복원시키거나 설정한다. 특정 설계에서는, 큰 외부자석을 배치하여 센서설정환경을 재설정한다. 그러나, 이러한 구현예는 자기저항센서가 이미 시스템에 패키징된 경우에는 실행될 수 없다. 특히, 특정 응용형태는 반대방향으로 자기화되도록 단일 패키지 내에 여러 센서를 요구하며, 이러한 응용형태에서는 큰 외부자석을 이용하는 대신에 센서의 특성이 재설정되도록 각 센서 주위에 개별 코일을 감을 수 있다. 이와 달리, 센서특성이 복원되도록, 전류스트랩(current strap), 즉 공지된 셋-리셋 스트랩 및 오프셋 스트렙을 이용할 수 있다. 자계센서에 전류스트랩을 이용하는 방안은 미국특허 제5,247,278호(양도인: Bharat B. Pant, 양수인: 본 출원인)에 설명되어 있다. 미국특허 제5,247,278호는 전체적으로 본 명세서에 참조문헌으로서 결합된다.
자기저항센서외에도, 비교적 작은 자계의 측정이 요구되는 많은 응용장치에서 자이언트 자기저항(giant magneto-resistive: GMR)센서가 종종 이용된다. 자기저항센서와 달리, GMR 센서는 기판상에 형성된 다층막으로 구성되며, 2개의 인접층 사이의 상대적인 자화각의 결과로서 자기저항이 발생하고, 일반적으로 전류방향은 관여하지 않는다. 실리콘 기판 또는 임의의 다른 기판 상에 형성되는 박막 GMR 물질은 저항, 저항쌍, 반 브릿지 또는 완전 휘트스톤 브릿지로서 구성될 수 있다. 또 한, GMR 센서는 자기저항센서와 달리 일반적으로 그 구조내에 셋-리셋 스트랩을 채용하지 않는다.
반도체 장치 또는 액정디스플레이(LCD)뿐만 아니라, 나침반 또는 위성위치확인시스템(GPS)제품과 같은 소비자용 또는 오락용 제품 등의 다수의 전자부품은 고온 또는 저온에 노출되어 손상받을 수 있다. 따라서, 온도한계를 초과하는 경우에, 상기 부품은 파괴되거나 오작동되지 않도록 보호되어야 한다. 온도센싱부품을 포함한 시스템에서, 온도센서는 시스템 부품의 신뢰성을 유지하는데 있어서 중요한 역할을 한다.
많은 온도센싱기술이 현재 사용되며, 일반적으로 상용되는 온도센서는 저항온도감지기(resistive temperature detector: RTD), 써모커플(thermocouple) 및 센서집적회로(IC)를 포함한다. 저항온도센서는 온도에 따라 저항이 변화하는 센싱요소를 채용한다. 예를 들어, 플라티늄 저항온도센서는 기판 상에 형성된 플라티늄막 주위를 감싸는 플라티늄 와이어코일로 구성된다. 또한, 써모커플은 2개의 다른 무질로 구성된 2개의 와이어접합으로 구성된다. 끝으로, 실리콘 센서는 일반적으로 센서내장패키지 내에 확장형 신호처리회로를 포함한 집적회로이다.
센서사용이 증가함에 따라 많은 소비자 또는 상용제품은 온도센서와 자기센서의 조합을 요구한다. 불행하게도, 조합되는 경우에 크기, 비용 및 다른 오염 등으로 인해, 제품 내에 포함된 필요한 다수의 센서 사이에 바람직하지 않은 조정이 있어야 한다. 따라서, 저비용 다목적 센서가 요구되어 왔다.
본 발명은 집적된 이중 목적의 센싱 장치에 관한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 집적화된 이중 목적의 센싱 장치의 하나의 실시예는 적어도 하나의 제1 자기저항요소 및 제2 자기저항요소를 포함하고, 각각의 자기저항요소는 제1 센싱 단자 및 제2 센싱 단자를 포함한다. 본 발명의 예시적인 하나의 실시예에 따르면, 제1 자기저항요소와 연관되는 제2 센싱 단자는 제2 자기저항요소와 연관된 제1 센싱 단자와 결합된다. 제1 센싱 요소와 연관된 제1 센싱 단자는 전력 소스와 추가로 결합된다. 본 발명이 실시예에 따르면, 집적화된 이중 목적의 센싱 장치는 온도 센서 판독 및 자기 센서 판독를 판독하기 위해서 사용되는 2개의 자기 측정 장치에 사용될 수 있다.
이를 포함하여 본 발명의 다른 관점과 장점은 첨부된 도면을 적절히 참조하여 아래의 상세한 설명을 판독함으로써 당업자에게 자명하게 이해될 수 있다.
도1은 본 발명의 일실시형태에 따른 휘트스톤구조의 센서를 예시하는 개략도이다.
도2는 도1에 도시된 센서를 위한 집적회로의 레이아웃이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따라, 완전 휘트스톤 브릿지 구조로 구현된 다목적 센서를 나타내는 개략도이다.
도4은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 완전 휘트스톤 브릿지 구조로 구현된 다목적 센서를 나타내는 개략도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 반 휘트스톤 브릿지 구조로 구현된 다목적 센서의 개략도이다.
도6는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 반 휘트스톤 브릿지 구조로 구현된 다목적 센서의 개략도이다.
도7는 본 발명의 일 실시예에 따른, 센서의 층구조에 대한 단면도이다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 온도센서판독을 제공하는 전류스트랩구조를 나타내는 개략도이다.
도9는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 온도센서판독을 제공하는 전류스트랩구조를 나타내는 개략도이다.
도1은 본 발명의 일실시형태에 따른 센서(100)을 나타내는 개략도이다. 상기 센서(100)는 휘트스톤 브릿지 구조로 배열된 4개의 자기저항요소(102,104,106,108)를 포함한다. 도1에 도시된 바와 같이, 상기 자기저항요소는 4개의 센싱단자(110,112,116,118)에 의해 분리된다. 전압공급원과 같은 브릿지 전원이 상기 센싱단자(110,116) 사이에 적용되어, 상기 센싱단자(112,118) 사이에서 상기 브릿지의 출력을 측정할 수 있다. 일 실시형태에서, 상기 센서는 동일한 저항(R)을 갖는 4개의 자기저항요소로 구성되며, 상기 브릿지 전원은 전류가 자기저항요소를 통해 흐르게 한다. 자계가 인가되면, 대향하여 배치된 2개의 자기저항요소의 자화가 전류를 향해 회전하며, 그 결과로 저항(R)이 증가된다. 예를 들어, 자기저항요 소(104,108)의 저항은 R+ΔR로 증가될 수 있다. 본 실시형태에서, 나머지 다른 대향하는 자기저항요소(102,106)의 자화는 전류로부터 멀어지도록 회전되며, 그 결과로 자기저항요소(102,106)의 저항은 ΔR만큼 감소한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 휘트스톤 브릿지 센서로서 채용된 집적회로(200)의 레이아웃을 나타낸다. 상기 집적회로(200)는 기판(202), 센싱구조(204) 및 센싱단자(206,208,210,212,214)를 포함한다. 상기 센싱구조는 도1에 도시된 휘트스톤 브릿지(100)와 같은 저항브릿지로서 구성될 수 있다. 또한, 도2는 셋-리셋 스트랩(216)과 오프셋 스트랩(218)을 도시하며, 또한 셋-리셋단(220,222)과 오프셋단(224,226)도 도시되어 있다. 충분한 양의 전류가 상기 셋-리셋단(220,222) 사이에서 상기 셋-리셋 스트랩(216)을 통해 흐를 경우에, 상기 셋-리셋 스트랩(216)주위에 생성된 자속은 센싱구조(204)를 단일자기영역으로 재설정할 수 있다. 원하는 축으로 상기 센싱구조의 자기영역 방향으로 조정함으로써, 고감도이고 반복가능한 출력특성이 가능한 베이스라인상태가 확립된다. 도2에 도시된 셋-리셋 스트랩(216)은 "나선형"패턴으로 배열된다. 그러나, 꾸불꾸불한 패턴, S자형, V자형, 지그재그형, 그 조합, 혹은 스트랩 또는 스트랩의 부분이 굴곡되었거나 각진 다른 배열을 사용할 수도 있다.
전류가 오프셋단(224)으로부터 오프셋단(226)으로 흐를 경우에, 하나가 후위 자계에 대한 보상하기 위해 바이어스될 수 있다. 이를 위해서, 오프셋 스트랩(218)의 전류는 센싱구조(204)의 장축과 수직인 자속을 생성할 수 있다. 전류가 일정한 방향으로 오프셋 스트랩(218)을 통해 흐를 경우에, 상기 센싱구조의 요소는 동일한 방향으로 바이어스될 수 있다. 상기 오프셋 스트랩(218)에 대한 추가적인 사용예는 미국특허 5,247,278호에 기재되어 있다.
일 실시예에 따르면, 휘트스톤 브릿지 구조를 갖는 센싱장치 또는 반 휘트스톤 브릿지 구조를 갖는 센싱장치와 같은 센싱장치는 온도센서판독(temperature sensor reading)과 자계센서판독(magnetic field sensor reading)을 결정하는데 채용되는 제1 출력 및 제2 출력을 포함한 다중출력을 제공한다. 이하, 이러한 실시형태에 대해 설명한다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른, 다목적 센서(300)를 나타내는 개략도이다. 도1에 도시된 바와 유사하게, 도3은 4개의 자기저항요소(302,304,306,308)를 갖는 완전 휘트스톤 브릿지 구조로 배열된 이중목적 센서(300)를 도시한다. 본 실시예에 따르면, 자계가 인가되는 경우에 자기저항요소(304,308)의 저항은 R+ΔR로 증가될 수 있으며, 상기 자기저항요소(302,306)의 저항은 R-ΔR로 감소될 수 있다. 각 자기저항요소는 제1 센싱단자와 제2 센싱단자를 포함한다. 본 실시예에서는 자이언트 자기저항요소도 사용될 수 있으며 자기저항요소로만 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 도한, 도3에 도시된 일 실시예에 따르면, 이중목적 센서(300)는 4개의 센싱단자(310,312,314,316)를 포함한다. 상기 자기저항요소(302)에 관련된 제2 센싱단자 상기 자기저항요소(304)에 관련된 제1 센싱단자를 연결하고, 상기 자기저항요소(304)에 관련된 제2 센싱단자와 상기 자기저항요소(306)에 관련된 제1 센싱단자를 연결하고, 상기 자기저항요소(306)에 관련된 제2 센싱단자와 상기 자기저항요소(308)에 관련된 제1 센싱단자를 연결하며, 나아가 상기 자기저항요소(308) 에 관련된 제2 센싱단자와 상기 자기저항요소(302)에 관련된 제1 센싱단자를 연결하여, 상기 센싱단자(310,312,314,316)를 형성한다.
도3에 도시된 바와 같이, 상기 센싱단자(310)는 전원(318)에 연결된다. 상세하게는, 상기 전원(318)은 상기 센서(300)에 직류인 정전류를 제공한다.도3에 도시된 전원(318)과 다음도면들에 도시된 전원은 센서에 집적화된 내부전원 또는 외부전원일 수 있다는 것이 이해할 것이다. 일 실시예에 따르면, 상기 센서(300)는 다목적 센서판독을 결정하는데 사용되는 2개의 출력측정을 제공한다. 상세하게는, 상기 다목적센서판독은 자기센서판독과 온도센서판독을 포함한다.
도3에 도시된 실시형태에서, 제1 전압(Vout1)은 센싱단자(316,312)에서 측정된다. 상기 Vout1는 자기센서판독을 제공한다. "I"가 전류원(318)에 의해 제공된 정전류이고, "ΔR"은 자기저항이고, "S"는 자기저항율에 관한 브릿지 감도이며, "H"는 도3에 도시된 방향(320)으로 인가된 외부자계라 가정하면, 제1 출력전압은 아래의 식에 따라 연산될 수 있다.
식(1): Vout1 = I ×ΔR = I ×R ×S ×H, 또는
식(2): Vout1 = Vout1 ×S ×H
일 실시예에 따르면, 상기 Vout1값은 자계를 판단할 때에 사용된다. 상세하게는, Vout1에 대한 상기 식을 사용하여, 자계는 아래의 식3 및 식4에 따라 계산될 수 있다.
식(3): H = Vout1/(I ×R ×S)
식(4): H = Vout1/(Vout2 ×S)
다시 도3을 참조하면, 제2 전압(Vout2)은 센싱단자(310,314)에서 측정된다. 상기 Vout2는 온도센서판독을 제공한다. 일 실시예에 따르면, 이중목적센서에 사용되는, 자기저항센서 또는 자이언트 자기저항물질은 상대적으로 크고 실질적으로 선형인 온도계수를 갖는다. 따라서, 온도센서판독은 상기 저항의 값을 측정함으로써 판단될 수 있다. "I"가 전류원(318)에 의해 제공된 정전류이고, "R0"은 0도에서 브릿지저항이며, "C"는 상수이고, "T"는 온도센서에 의해 측정된 온도라고 가정하면, 상기 Vout2는 아래 식으로 연산될 수 있다.
식(5): Vout2 = I×R = I×R0×(1+C×T)=I×R0+I×R0×C×T
Vout1에 대한 식(1) 및 식(2)에서 참고로 예시된 자계 변환과 유사하게, Vout2에 대한 식5도 온도센서판독을 판단하기 위해 사용될 수 있다. 상세하게는, 식5를 이용하여 온도센서판독은 아래와 같이 계산될 수 있다.
식(6): T=(Vout2-I×R0)/(I×R0×C)
일 실시형태에서, 상기 센싱단자(310,314 및 312,316)에서 측정된 2개의 전압출력에 기초한 자계센서판독 및 온도센서판독를 결정하기 위해서 작동가능한 논리 센싱요소에 의해 상기 브릿지의 센싱기능을 제어할 수 있다. 일 실시형태에서 는, 2개의 출력채널을 병렬-신호회로, 나아가 2개의 컨버터를 통해 마이크로 프로세서에 제공할 수 있다. 이어, 상기 마이크로프로세서는 상술된 식을 이용하여 자계 및 온도센서 판독을 결정하기 위해서 작동할 수 있다. 또한, 상기 프로세서는 전달함수측정에 기초하여 자계 및 온도 모두를 계산하는데 사용되는 룩업테이블 또는 다항식을 이용할 수도 있다. 다른 실시형태에서는, 상기 센서로부터의 2개의 출력을 MUX, 나아가 디지털-아날로그(A/D) 컨버터를 통해 마이크로프로세서에 입력할 수 있다. 그러나, 추가적으로 다른 실시형태가 사용될 수도 있으며, 하드웨이어, 소프트웨어, 팜웨어요소 또는 그 조합을 이용하여 센싱요소를 구현할 수 있다.
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다목적 센서(350)를 나타낸다. 도3에 도시된 바와 유사하게, 도4은 센싱단자(310,312,314,316)에 의해 분리된 4개의 자기저항요소(302,304,306,308)가 포함된 완전 휘트스톤 브릿지 구조를 도시한다. 다목적 센서를 위한 본 실시예에 따르면, 브릿지의 전원은 저항요소(322)를 통해 센싱단자 중 하나에 연결된 전원(324)을 포함한다. 도3을 참조하여 설명한 바와 같이,전원은 외부 또는 내부전원일 수 있으므로, 상기 전원은 센서에 결합되거나, 센서의 외부에 배치될 수 있다. 상기 저항요소(322)와 다음도면을 참조하여 설명될 임의의 저항요소는 매우 낮은 온도계수를 갖거나 온도에 민감한 하나이상의 저항체를 포함할 수 있다. 본 발명은 저항체를 이용하는 것에 한정되지 않으며, 당업자는 다른 부품을 사용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 여기서 설명된 저항요소는 내부저항요소(센싱장치에 결합된 저항요소) 또는 외부저항요소(센싱장치외부에 연결된 저항요소)일 수 있다.
도3에 도시된 실시형태와 유사하게, 상기 센서(350)은 2개의 출력(Vout3, Vout4)측정을 제공한다. 상기 제1 전압(Vout3)은 센싱단자(316,312)에서 측정되어 자기센서판독을 제공한다. "R"은 자기저항요소의 저항이고, "ΔR"은 자기저항요소의 변화량이고, "S"는 자기저항율에 대한 브릿지 감도이며, "r"은 저항요소(322)의 저항이며, "V"는 정전압원(324)의 전압이라면, 제1 출력전압은 아래의 식에 따라 연산될 수 있다.
식(7): Vout3 = Vout4 ×ΔR/r = Vout4 ×R ×S ×H/r, 또는
식(8): Vout3 =(V-Vout4)×S ×H
Vout3에 대한 식을 사용하여, 아래의 식에 따라 자계를 계산한다.
식(9): H = Vout3/[(V-Vout4)×S)]
다시 도4을 참조하면, 제2 전압(Vout4)은 센싱단자(310,314)측정을 이용하여, 상기 Vout4는 온도센서판독을 제공한다. "R0"은 0도에서 브릿지저항이며, "C"는 상수이고, "T"는 온도센서에 의해 측정된 온도인 경우에, 상기 Vout4는 아래 식으로 연산될 수 있다.
식(10): V-Vout4 = Vout4×R/r, 여기서 V-Vout4= Vout4 ×R 0×(1+C×T)/r
식(10)을 이용하여 온도센서판독을 판단할 수 있다. 식(7)과 식(8)을 다시 참조하면, 도4에 도시된 다목적센서의 실시형태에서는 외부자계필드를 판단하는데 Vout3와 Vout4가 요구되므로, 도4에 도시된 다목적센서의 실시형태가 도3에 도시된 실시형태에 비해 더 복잡하다. 따라서, 도4에 도시된 실시형태가 보다 많은 오류가 발생될 수 있다.도4를 참조하여 설명한 바와 같이, 논리 센싱요소를 채용하여 온도 및 자계를 판단할 수 있다. 또한, 도4에서 설명된 바와 같이 보다 높은 정밀도를 위해, 룩업테이블 또는 다항식을 채용하여 센서에 관련된 전달함수측정에 기초하여 자계와 온도 모두를 계산할 수 있다.
본 실시형태에 따른 이중목적센서는 완전 휘트스톤 브릿지구조와 단지 2개의 자기저항요소를 포함한 자기센서에 한정되지 않으며, 반 휘트스톤 브릿지 구조를 채용하여 본 발명에 따른 다목적센서로서 작동시킬 수 있다는 것을 이해해야 한다.
일 실시형태에서, 상기 센싱단자(310,314 및 312,316)에서 측정된 2개의 전압출력에 기초한 자계센서판독 및 온도센서판독를 결정하기 위해서 작동가능한 논리 센싱요소에 의해 상기 브릿지의 센싱기능을 제어할 수 있다. 일 실시형태에서는, 2개의 출력채널을 병렬-신호회로, 나아가 2개의 컨버터를 통해 마이크로 프로세서에 제공할 수 있다. 이어, 상기 마이크로프로세서는 상술된 식을 이용하여 자계 및 온도센서 판독을 결정하기 위해서 작동할 수 있다. 또한, 상기 프로세서는 전달함수측정에 기초하여 자계 및 온도 모두를 계산하는데 사용되는 룩업테이블 또는 다항식을 이용할 수도 있다. 다른 실시형태에서는, 상기 센서로부터의 2개의 출 력을 MUX, 나아가 디지털-아날로그(A/D) 컨버터를 통해 마이크로프로세서에 입력할 수 있다. 그러나, 추가적으로 다른 실시형태가 사용될 수도 있으며, 하드웨이어, 소프트웨어, 팜웨어요소 또는 그 조합을 이용하여 센싱요소를 구현할 수 있다.
도 5는 반 휘트스톤 브릿지에 배열된 두 개의 자기저항요소(302,304)를 포함하며, 전류원(318)에 연결된 센싱단자(310) 및 접지에 연결된 센싱단자(314)를 갖는 이중목적 센서(400)에 대한 전기 배선 개략도이다. 도 5에 도시된 실시형태에서, 제1 전압값(Vout5)는 상기 센싱단자(312 및 314)간에 걸리는 값이며 자계센서판독을 제공한다. 전술한 식에서와 같이 동일하게 가정하면, 상기 출력전압 Vout5는 하기 식을 이용하여 계산할 수 있을 것이다.
식(11): Vout5 = I ×(R + △R), 또는
식(12): Vout5 = Vout6/2 ×(1 + S ×H)
다시 도 5를 참조하면, 제2 전압값(Vout6)은 상기 센싱단자(310 및 314)간에 걸리는 값이다. 일 실시형태에 따르면, 상기 Vout6 값은 온도센서판독을 결정하는데 사용된다. 상기한 식에서와 같이 유사하게 가정하면, 상기 Vout6은 아래 식을 사용하여 계산할 수 있을 것이다.
식(13): Vout6=I ×2R = I × 2R0 ×(1 + C ×T)= 2I ×R0 + 2I ×R0 ×C ×T
도 3에서 설명된 논리 센싱요소를 사용하면, 온도센서판독은 상기 식(13)을 사용하여 계산할 수 있고, 자계센서판독은 상기 식(11) 및 식(12)를 이용하여 계산 할 수 있을 것이다.
도 6은 선택적 실시형태에 따른 이중 목적 센서로 사용될 수 있는 반 휘트스톤 브릿지의 전기 배선 개략도(450)이다. 상기 반 휘트스톤 브릿지 구조는 센싱단자(310, 312 및 314)에 의해 분리된 두 개의 자기저항요소(302,304)를 포함한다. 상기 반 휘트스톤 브릿지 구조의 선택적 실시형태에 따르면, 전압원(324)은 저항요소(322)를 통해 상기 센싱단자(310)에 연결된다. 여기서, 상기 저항요소(322)는 일례로 극히 낮은 온도계수를 갖거나 또는 온도에 둔감한 저항을 포함한다. 상술한 구조와 유사하게, 두 개의 전압값은 자계센서판독 및 온도센서판독을 결정하는데 사용된다. 상기 제1 전압값(Vout7)은 자계 센서판독을 결정하는데 사용되며, 상기 제2 전압값(Vout8)은 온도 센서판독을 결정하는데 사용된다. 도 6을 참조하면, 상기 Vout7 값은 상기 센싱요소(312 및 314)간에 걸리는 값이다. "V'가 상기 전압원(324)에 의해 공급되는 일정한 전압값이고, "r"이 상기 저항요소(322)의 저항값이라고 가정하면, 상기 Vout7 값은 하기 식을 이용하여 계산할 수 있을 것이다.
식(14): Vout7=Vout8×(R+△R)/r=Vout8×R×(1+S×H)/r=(V-Vout8)×(1+S×H)/2
다시 도 6을 참조하면, 상기 Vout8값은 상기 저항요소(322)에 걸리는 값이며 하기 식을 이용하여 계산할 수 있을 것이다.
식(15): V-Vout8=Vout8×2R/r = Vout8×2R0×(1+C×T)/r
온도값(T) 및 자계 센서판독은 각각 상기 식(15) 및 상기 식(14)를 이용하여 계산할 수 있을 것이다. 휘트스톤 브릿지 구조를 갖는 이중 목적 센서의 실시형태와 유사하게, 도 5 및 도 6에 개시된 논리 요소는 자계센서판독 및 온도센서판독을 결정하는데 두 개의 전압 출력값을 이용할 수 있을 것이다. 상술한 도면들에 개시된 바와 같이, 상기 논리 요소는 프로세서, 및/또는 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 요소, 또는 이들의 결합으로 구현될 수 있을 것이다.
나아가, 예시적인 실시형태에 따르면, 센서는 금속 구조(금속 스트랩), 또는 셋-리셋 및 오프셋 스트랩으로 알려진, 센서 특성을 복구하는 전류 스트랩을 포함할 수 있다. 이미 상기에서 설명한 바와 같이, 자계 센싱장치에서의 상기 전류 스트랩의 사용은 본 출원과 동일한 양수인에게 양도되고 참증자료로서 여기에 완전히 구체화된 Bharat B.Pant의 미국특허 제5,247,278호에 기재되어 있다. 상기 오프셋 및 셋/리셋 스트랩은 상기 센싱 브릿지 요소가 차지하는 동일한 영역에서 두 개의 금속층으로 적층된다. 이러한 금속층은 종종 절연층에 의해 서로 전기적으로 절연된다.
도 7은 센서에서 층 배열의 예시적인 단면(700)을 보이는 블록도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 복수개의 물질이 기판(724)상에 적층된다. 사진 석판 과정에서 사용되는 적층, 절단, 에칭 및 다른 과정들은 공지기술이다. 또한 MR/GMR 센서의 일반적인 제조방법은 본 출원에서와 동일한 양수인에게 양도된 Witcraft et al. 의 미국특허 제5,820,924에 개시되어 있다. 상기 미국특허 제5,820,924는 참증자료로서 여기에 완전히 구체화되어 있다. 상기 기판으로부터 시작하여, 상기 센서는 예를 들어 니켈 및 철로 구성된 퍼멀로이 층(712)을 포함한다. 또한 상기 센서는 절연층(710) 및 출력단자 리드(lead)를 포함할 수 있는 패드(718,720, 722)형태의 전기 도전체를 포함한다. 또한, 상기 센서(700)는 두 개의 유전체 층(704,716) 사이에 위치한 오프셋 스트랩(714)을 포함한다. 나아가, 상기 센서는 바버 폴 바이어스(barber pole biasing)을 제공하기 위해 배열된 바버 폴(Barber Pole)/내부연결 바(704)를 포함한다. 예를 들어, 상기 바버 폴 바이어스는 상기 전류가 박막에 45도 각도로 흐르도록 할 수 있다. 상기 센서는 셋/리셋 스트랩(708) 및 부동화 질화물 층(702)를 더 포함할 수도 있다. 도 7은 단지 예시적인 실시형태를 도시하고 있으며, 양호한 다른 실시형태도 가능함을 이해해야 할 것이다.
예시적인 실시형태에 따르면, 센서 특성 복구에 추가로, 셋/리셋 또는 오프셋 스트랩과 같은 MR/GMR 센서 상에 적층된 금속 스트랩은 온도 센서판독을 제공하는데 사용될 수 있을 것이다. 도 8은 고정 전류원을 구비한 예시적인 일 실시형태에 따른, 온도센서판독을 제공하는데 사용될 수 있는 금속(또는 전류) 스트랩 구조(800)의 전기 배전 개략도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 셋/리셋 스트랩 또는 오프셋 스트랩과 같은 전류 스트랩(806)은 두 개의 센싱단자(804,808)에 연결되는데, 상기 센싱단자(804)는 상기 고정 전류원(802)에 연결되며, 상기 센싱단자(808)은 접지에 연결된다. 예시적인 일 실시형태에 따르면, 온도센서판독 을 위한 전압값 "Vout9"는 상기 전류 스트랩(806)에 걸리는 값이다. "Rstrap"을 스트랩의 저항값으로, "I"를 상기 전류원(802)에 의해 공급되는 일정한 전류값으로, 그리고 다른 기호는 상기에서 정의한 바와 같은 것으로 가정하면, 상기 출력 전압 Vout9는 하기 식에 따라 계산될 수 있을 것이다.
식(16): Vout9 = I ×Rstrap = I ×R0 ×(1 + C ×T)
상기 식(16)은 온도 센서판독을 결정하는데 사용될 수 있을 것이다. 그리고 상기한 방법을 이용하면 자계 센서판독은 결정될 수 있을 것이다.
예시적인 일 실시형태에 따르면, 상기한 구조와 관련하여 다중 목적 센서에 포함된 자기저항요소는 예를 들어 이방성 자기저항요소 또는 자이언트 자기저항요소를 포함할 수 있다. 나아가 본 발명의 기술분야에서의 당업자라면 다른 양호한 실시형태가 가능함을 이해할 것이다.
도 9는 고정 전압원을 갖는 예시적인 일 실시형태에 따른, 온도 센서판독을 제공하는데 사용될 수 있는 전류 스트랩 구조(900)의 전기 배선 개략도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 셋/리셋 스트랩 또는 오프셋 스트랩과 같은 전류 스트랩(900)은 두 개의 센싱단자(908 및 912)와 연결되는데, 상기 센싱단자(912)는 접지와 연결된다. 또한 상기 센싱단자(908)는 저항요소(906) 및 센싱단자(904)를 통해 상기 고정 전압원(902)에 연결된다. 앞서 설명한 고정 전류원을 갖는 센서의 실시형태에 대한 구조와 유사하게, 상기 저항요소(906)는 매우 낮은 온도계수를 갖 거나 또는 온도에 둔감한 저항을 포함할 수 있다.
도 9에 도시된 예시적인 일 실시형태에 따르면, 두 개의 전압값 "Vout10" 및 "Vout11"은 온도 센서판독을 결정하는데 사용될 수 있다. 여기서, 상기 Vout10 은 상기 저항요소(906)에 걸리는 값이며, 상기 Vout11은 상기 전류 스트랩(910)에 걸리는 값이다. "r"을 상기 저항요소요소)의 저항값이라 가정하고, 다른 기호는 상기에서 정의한 바와 같은 것으로 가정하면, 상기 Vout10 및 Vout11은 하기 식을 이용하여 계산할 수 있을 것이다.
식(17): Vout10=I ×r
식(18): Vout11=I×Rstrap=I×R0×(1+C×T)=Vout10×R0 ×(1+C×T)/r
상기 식(18)은 온도 센서판독을 결정하는데 사용될 수 있을 것이다. 또한 상기한 방법을 사용하면 자계 센서판독을 결정할 수 있을 것이다.
이와 같이, 상기 이중 목적 센서에 대해 상기 제시된 실시형태는 다른 하드웨어를 추가할 필요가 없으며, 비용 및 공간에 대한 효과적인 접근을 제공한다.
자계 센서는 다양한 응용이 가능하다. 예를 들어 이러한 응용에는 나침반, 네비게이션, GPS 및 다른 시스템들이 포함될 수 있다. 따라서, 자계 센서는 경사, 가속도계, 자이로(gyro), 각도 비율, 또는 압력센서와 같은 다양한 다른 센서들로 구성된 거대한 시스템 또는 제품에서 중요한 부분을 차지한다. 이러한 센서들 대부분은 온도 감도를 나타내며, 측정된 온도값을 보상(또는 교정)하기 위해 이러한 시 스템 동작 온도의 측정이 종종 요구된다. 상기 동작 온도의 범위는 좁으며, 종종 절대적인 온도값보다는 온도값의 변화 정도면 상기 보상/교정을 행하는데 있어 충분하다. 이러한 실시형태에서, 상기 이중 목적 센서의 고정 전류 실행은 간단한 구성으로 나타난다. 예를 들어, 온도(T)와 관련하여 식(5) 및 식(13)의 양쪽에 대한 구별은 하기 식으로 나타난다.
식(19): dVout2 = I ×R0 ×C ×dT 및,
식(20): dVout6 = 2 ×I ×R0 ×C ×dT
여기서, dVout2, dVout6 및 dT는 각 값의 변화값을 나타낸다. 따라서, 온도의 변화는 Vout의 변화에 직접 비례하며, 후자는 온도 보상을 위해 사용될 수 있다.
상기한 실시형태는 본 발명의 원리에 대한 응용을 간단하게 기재한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서의 당업자에 의해 다양하게 변형될 수 있음을 이해해야 할 것이다. 이중 목적 센서에 대한 상기 실시형태들은 휘트스톤 브릿지 센서 구조를 사용하여 기술되었다. 그러나, 본 발명은 상기한 휘트스톤 브릿지에 한정되는 것이 아니며 다른 센싱장치 구조도 사용될 수 있음을 이해해야 할 것이다. 나아가, 상기한 이중 목적 센서 구조는 단일 칩 구조 또는 다중 칩 구조로 될 수 있음을 이해해야 할 것이다.
특허청구범위는 상술한 순서 또는 요소들에 한정하여 해석되어서는 안된다. 따라서, 첨부된 특허청구범위의 범위 및 정신, 그리고 그와 균등물 내에서의 모든 실시형태들은 본 발명의 권리범위로 해석되어야 할 것이다.

Claims (38)

  1. 제1 자기저항요소;
    상기 제1 자기저항요소와 전기적으로 직렬로 결합된 제2 자기저항요소;
    상기 제2 자기저항요소에 걸쳐 측정된 자기장에 비례하는 신호를 제공하는 적어도 하나의 제1 출력;
    상기 제1 및 상기 제2 자기저항요소에 걸쳐 측정된 온도에 비례하는 신호를 제공하는 적어도 하나의 제2 출력; 및
    상기 제1 및 제2 자기저항요소의 자기저항 특성을 이용하여 상기 제1 출력 및 상기 제2 출력을 자기장 판독 및 온도 판독으로 변환하도록 구성된 논리 센싱요소
    를 포함하는 센싱 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센싱 장치는 (i) 반-히트 스톤 브리지 (Wheatstone bridge) 구성을 갖는 센싱 장치, 및 (ii) 히트 스톤 브리지 구성을 갖는 센싱 장치로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 센싱 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 자기저항요소는 (i) 이방성의 자기저항요소, 및 (ii) 자이언트 자기저항요소로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 센싱 장치.
  5. 제1항에 있어서, 제1 자기저항요소는 전원에 결합된 것을 특징으로 하는 센싱 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전원는 (i) 센싱 장치 내부에 포함된 전원, 및 (ii) 센싱 장치의 외부의 전원으로 구성된 군으로 부터 선택된 것을 특징을 하는 센싱 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 전원은 제1 자기저항요소에 결합된 정전류원을 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 전원은 저항요소를 통하여 상기 제1 자기저항요소에 결합된 정전압원을 갖고, 상기 제2 출력은 상기 저항요소의 양단에서 측정되는 것을 특징으로 하는 센싱 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 저항요소는 (i) 센싱 장치의 내부에 포함된 저항요소, 및 (ii) 외부 저항요소로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 센싱 장치.
  10. 제1항에 있어서, 제2 출력을 제공하기 위한 금속 구조를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 센싱 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 금속 구조는 (i) 셋/리셋 스트랩, 및 (ii) 오프셋 스트랩으로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 센싱 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 금속 구조는 제1 센싱 단자 및 제2 센싱 단자에 결합되고, 상기 제1 센싱 단자는 정전류원에 결합되는 것을 특징으로 하는 센싱 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 금속 구조는 제1 센싱 단자 및 제2 센싱 단자에 결합되고, 상기 제1 센싱 단자는 저항요소를 거쳐서 정전압원에 연결되고, 상기 금속 구조는 온도에 비례하는 신호를 제공하기 위하여 2개의 측정을 제공하는 것을 특징으로 하는 센싱 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 저항요소는 (i) 센싱 장치의 내부에 포함된 저항요소, 및 (ii) 외부 저항요소로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 센싱 장치.
  15. 제1 센싱 단자 및 제2 센싱 단자를 각각 갖는 적어도 하나의 제1 자기저항요소 및 제2 자기저항요소를 갖고,
    상기 제1 자기저항요소와 연관된 제2 센싱 단자는 상기 제2 자기저항요소와 연관된 제1 센싱 단자에 연결되고,
    상기 제1 자기저항요소의 제1 센싱 단자는 상기 제1 및 제2 자기저항요소를 통과하는 정전류를 제공하는 전류원을 포함하는 전원에 연결되고,
    자기장에 비례하는 신호를 제공하는 제1 출력은 상기 제1 자기저항요소의 제2 센싱 단자와 상기 제2 자기저항요소의 제2 센싱 단자 사이에서 측정되고,
    온도에 비례하는 신호를 제공하는 제2 출력은 상기 제1 자기저항요소의 제1 센싱 단자와 상기 제2 자기저항요소의 제2 센싱 단자 사이에서 측정되는 것을 특징으로 하는 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
  16. 삭제
  17. 제15항에 있어서, 상기 전원은 (i) 상기 이중 목적 센싱 장치 내에 포함된 내부 전원, 및 (ii) 외부 전원으로 구성된 군으로부터 선택된 전원인 것을 특징으로 하는 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 집적화된 이중 목적 센싱 장치는
    (i) 반-히트 스톤 브리지 구성을 갖는 이중 목적 센싱 장치, 및 (ii) 풀 히트 스톤 브리지 구성을 갖는 이중 목적 센싱 장치로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제15항에 있어서, 상기 전원은 저항요소를 통하여 상기 제1 자기저항요소에 연관된 상기 제1 센싱 단자에 연결된 전압원을 갖는 것을 특징으로 하는 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 저항요소는 (i) 상기 집적화된 이중 목적 센싱 장치 내에 포함된 저항요소, 및 (i) 외부 저항요소로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
  24. 삭제
  25. 제15항에 있어서, 온도 센서 판독을 위한 출력 측정을 제공하기 위한 금속 구조를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 금속 구조는 (i) 셋/리셋 스트랩과, (ii) 오프셋 스트랩으로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
  27. 제25항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 자기저항요소 및 제2 자기저항요소는 (i) 이방성의 자기저항요소, 및 (ii) 자이언트 자기저항요소로 구성된 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
  28. 제1 자기저항요소, 제2 자기저항요소, 제3 자기저항요소, 및 제4 자기저항요소를 포함하고,
    각각의 상기 제1 내지 제4 자기저항요소는 제1 센싱 단자 및 제2 센싱 단자를 갖고,
    상기 제1 자기저항요소의 제2 센싱 단자는 상기 제2 자기저항요소의 제1 센싱 단자와 연결되고,
    상기 제2 자기저항요소의 제2 센싱 단자는 상기 제3 자기저항요소의 제1 센싱 단자와 연결되고,
    상기 제3 자기저항요소의 제2 센싱 단자는 상기 제4 자기저항요소의 제1 센싱 단자와 연결되고,
    상기 제4 자기저항요소의 제2 센싱 단자는 상기 제1 자기저항요소의 제1 센싱 단자와 연결되고,
    상기 제1 자기저항요소의 제1 센싱 단자는 상기 제1 내지 제4 자기저항요소를 통과하는 정전류를 제공하는 전류원을 포함하는 전원에 연결되고,
    자기장에 비례하는 신호를 제공하는 제1 출력은 상기 제3 자기저항요소의 제2 센싱 단자와 상기 제1 자기저항요소의 상기 제2 센싱 단자 사이에서 측정되고,
    온도에 비례하는 신호를 제공하는 제2 출력은 상기 제1 자기저항요소의 제1 센싱 단자와 상기 제2 자기저항요소의 제2 센싱 단자 사이에서 측정되는 것을 특징으로 하는 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
  29. 삭제
  30. 제28항에 있어서, 상기 전원은 (i) 집적화된 이중 목적 센싱 장치 내부에 포함된 전원, 및 (ii) 외부 전원으로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 제28항에 있어서, 상기 전원은 저항요소를 통하여 상기 제1 자기저항요소와 연관된 상기 제1 센싱 단자와 연결된 전압원을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 저항요소는 (i) 집적화된 이중 목적 센싱 장치 내부에 포함된 저항요소, 및 (ii) 외부 저항요소로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
  35. 삭제
  36. 제28항에 있어서, 상기 집적화된 이중 목적 센싱 장치는 상기 온도 센서 판독을 제공하기 위한 금속 구조를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
  37. 제36항에 있어서, 상기 금속 구조는 (i) 셋 / 리셋 스트랩, 및 (ii) 오프셋 스트랩으로 구성된 군으로 부터 선택된 것을 특징으로 하는 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
  38. 제28항에 있어서, 상기 자기저항요소는 (i) 이방성의 자기저항요소, 및 (ii) 자이언트 자기저항요소로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 집적화된 이중 목적 센싱 장치.
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