KR20040050128A

KR20040050128A - 다층 pcb 제조공법을 이용한 자기임피던스센서

Info

Publication number: KR20040050128A
Application number: KR1020020077744A
Authority: KR
Inventors: 신광호; 조재경
Original assignee: 주식회사 씨앤케이
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2004-06-16

Abstract

본 발명에서는 PCB 제조공법을 이용하여, 절연체 위에 설치되고 외부자계에 의해 임피던스의 변화를 나타내는 자성패턴과, 자성패턴과 절연체를 사이에 두고 자성패턴을 샌드위치하도록 형성되는 바이어스자계용 코일과, 자성패턴과 바이어스코일에 전류를 인가하고 자성패턴의 전압을 측정하기 위한 구동회로로 구성되는 자계센서를 제공한다.

Description

다층 PCB 제조공법을 이용한 자기임피던스센서{Magnetic field sensor fabricated by multilayer PCB process }

본 발명은 외부자계를 높은 감도로 검출하기 위해서 제작되는 자계센서에 관한 것이다.

최근 휴대용 통신장치의 개발이 급속도로 진전됨에 따라 GPS신호를 이용한 위치정보에 대한 서비스가 실현 가능하게 되었다. 그러나 GPS신호만으로는 사용자가 충분히 빠르게 이동하지 않는 한 사용자의 위치를 파악하는 것 이상의 서비스를 제공하기가 어렵다. 예를 들어, 사용자가 지도정보를 이용하여 찾아가고자 하는 위치의 방향이나 최단거리 등을 휴대용 통신장치를 통하여 알려주는 서비스를 제공하기 위해서는 GPS신호와 더불어 방향을 알 수 있도록 해주는 자계센서의 탑재가 필수적이다.

휴대용 통신장치는 고성능화와 더불어 소형화가 같이 진척되고 있기 때문에 탑재되는 전자나침반은 고감도특성을 가짐과 동시에 소형으로 제작될 수 있어야 하고, 작은 소비전력으로 구동될 수 있어야 한다. 이러한 관점에서 소형 플럭스게이트센서가 제안되고 있으나 코일을 이용하여 자성체를 여자해야 하므로 소비전력이 크고 복잡한 구조를 가지기 때문에 제작비가 많이 든다는 단점이 있다. 이런한 단점을 해결하기 위하여, 자성체에 고주파전류를 직접통전시킬 때에 나타나는 표피효과가 외부자계에 의존함으로써, 임피던스가 변화하여 출력전압의 변화가 얻어지는 센서(자기임피던스센서)가 제안되고 있다. 자기임피던스센서는 기존의 플럭스게이트센서와 동등한 정도의 높은 자계분해능을 가질 뿐 아니라, 구조가 간단하여 소형화에 적합하고 생산단가도 낮다.

자기임피던스센서는 통상 자성박막 또는 자성와이어를 이용하여 제작된다. 전자는 고가의 진공장치를 사용해야 한다는 단점이 있고, 후자는 자성와이어를 융착시 자성와이어가 냉각되면서 결정화되어 취성이 증가하여 접합면이 분리되거나 접합면의 자기특성이 열화되는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는, PCB(Printed Circuit Board) 제조공법을 이용하여 자성물질과 바이어스 자게인가용 코일을 패터닝하고, 자성물질을 바이어스코일로 샌드위치한 자기임피던스 센서를 제공하고자 한다. 이러한 방법을 이용하면, 고가의 설비가 필요하지 않고, 자기특성이 열화되지 않으므로, 고감도의 자기임피던스 센서를 저가로 제공할 수 있다.

따라서, 본 발명의 제1목적은 PCB 제조공법을 이용하여, 패터닝한 자성물질을 패터닝한 바이어스코일로 샌드위치한 고감도 자기임피던스센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 제2목적은 PCB 제조공법을 이용한 저가의 자기임피던스센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 제3목적은 다음에 기술할 형태의 자계센서를 제작하는 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 1축자계센서의 주요부분을 나타내는 전개도

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 1축자계센서의 주요부분을 나타내는 결합도

도 3은 자계바이어스를 이용하지않은 자계센서의 출력특성

도 4는 본 발명에 따른 자게바이어스를 이용한 자계센서의 출력특성

도 5은 본 발명의 실시예 2에 따른 2축자계센서의 주요부분을 나타내는 전개도

도 6는 본 발명의 실시예 2에 따른 2축자계센서의 주요부분을 나타내는 결합도

※도면 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 본 발명의 실시예 1에 따른 자계센서 11: 절연체

12: 자성패턴 13: 바이어스코일

15a, 15b, 16a, 16b, 17a, 17p: 단자

20: 본 발명의 실시예 2에 따른 자계센서

21, 22 : 자성패턴

23, 24 : 바이어스 코일

본 발명에 따른 자계센서는, PCB 제조공법을 이용하여 절연체 위에 설치되고 외부자계에 따라 자기임피던스화를 나타내는 단축(Single strip) 혹은 미안더형(Meander type)의 자성패턴과, 상기 자성패턴을 절연체를 사이에 두고 샌드위치하는 형태로 구성되는 바이어스 코일과, 자성패턴과 바이어스코일에 전류를 인가하고, 자성패턴의 전압을 측정하기 위한 구동회로로 구성된다.

상기 절연체는, 예를 들어, 에폭시 수지, 유리섬유강화 수지 등을 사용할 수 있다. 상기 자성패턴은 연자성 물질로 구성할 수 있으며, 예를들어 Fe-Ni, Fe-Si-Al, Co-Nb-Zr, Fe-Hf-C, Fe-Cu-Nb-Si-B, Co-Fe-Si-B, Co-Fe-Ni-Si-B, Fe-Si-N 등의 박대 또는 박판을 사용할 수 있다. 상기 바이어스 코일은 도전체 물질로 구성할 수 있으며, 예를들어, Cu, Al, Au, Ag 등을 사용할 수 있다. 상기 구동회로는 PCB 또는 ASIC 등으로 구성할 수 있다.

본 발명의 자계센서를 이용하여 자계를 검출하는 원리는 다음과 같다.

자성패턴에, 예를들어, 고주파의 교류 정전류를 인가한 상태에서, 외부자계가 자성패턴의 길이 방향으로 인가되면, 자성패턴의 투자율이 증가되어, 와전류가 증가하여 표피의 두께가 감소하고 인덕턴스가 증가되어, 임피던스가 증가하므로,출력전압이 증가하게 된다. 이때, 통상, 외부자계에 의한 센서의 출력은 외부자계가 영인 부근에서 완만하게 증가하다가, 외부자계가 증가함에 따라 급격하게 증가하는 영역을 거쳐 최대치를 나타내고 다시 감소하기 때문에 미약한 자계를 고감도 고선형적으로 측정할 수 없다. 따라서, 미약한 외부 자계를 고감도, 고선형성을 갖도록 측정하기 위하여, 상기 바이어스 코일에 전류를 흘려 발생한 자계를 바이어스 자계로써 자성패턴에 인가하여, 센서의 출력이 외부 자계에 따라 급격하게 선형적으로 변화하는 영역을 외부자계가 영인 곳으로 이동시켜서 측정을 수행한다. 이때 이 출력전압은 외부자계의 세기와 외부자계와 박막패턴의 길이 방향과 이루는 각도의 함수이므로, 외부자계의 세기 및 방향을 알 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 자계센서의 적합한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일 실시예 1에 따른 1축자계센서의 주요부분을 나타내는 전개도이고, 도2는 본 발명의 일 실시예 1에 따른 1축자계센서의 주요부분을 나타내는 결합도이다.

본 발명의 실시예 1에 따른 자계센서(10)는 절연체(11) 위에 설치되고 외부자계에 의해 임피던스의 변화를 나타내는 자성패턴(12)과, 자성패턴(12)과 절연체(11)를 사이에 두고 자성패턴(12)을 샌드위치하도록 형성되는 바이어스자계용 코일(13)과, 자성패턴(12)과 바이어스코일(13)에 전류를 인가하고 자성패턴(12)의 전압을 측정하기 위한 구동회로(도면에 나타내지 않았다)로 구성된다. 상기 자성패턴은 Co-Fe-Si-B 의 조성을 갖는 비정질 박대를 PCB 제조공정을 이용하여 절연체 위에 접착 후 부식되어 패터닝된다. 또한, 상기 자성패턴은 관통 구멍들을 통하여 단자 15a와 15b에 연결되어 있으며, 15a는 16a에, 15b는 16b에 각각 연결되어 있다. 상기 바이어스코일(13)은 통상의 PCB 제조공법에서 사용되는 동박을 부식하여 패터닝된다. 또한, 상기 바이어스코일(13)은 관통 구멍들을 통하여 상기 자성패턴(12)을 외부에서 감싸는 솔레노이드 코일의 형태를 이루고 있으며, 단자 17a와 17p에 연결되어 있다.

본 발명의 실시예1에 따른 자계센서를 이용하여 자계를 검출하는 원리는 다음과 같다.

자성패턴(12)에, 예를들어, 단자(16a, 16b)를 이용하여, 고주파의 교류 정전류를 인가한 상태에서, 외부자계(도면에 나타내지 않았다)가 자성패턴(12)의 길이 방향으로 인가되면, 자성패턴의 투자율이 증가되어, 와전류가 증가하여 표피의 두께가 감소하고 인덕턴스가 증가되어, 임피던스가 증가하므로, 단자(15a, 15b)에 걸리는 출력전압이 증가하게 된다. 통상, 외부자계에 의한 단자(15a, 15b)에서의 출력 전압은, 도3에 도시한 것과 같이, 외부자계가 영인 부근에서 완만하게 증가하다가, 외부자계가 증가함에 따라 급격하게 증가하는 영역을 거쳐 최대치를 나타내고 다시 감소하기 때문에 미약한 자계를 고감도 고선형적으로 측정할 수 없다. 따라서, 미약한 외부 자계를 고감도, 고선형성을 갖도록 측정하기 위하여, 바이어스 코일(13)에 단자(17a, 17p)를 이용하여 전류를 흘려 발생한 자계를 바이어스 자계로써 자성패턴(12)에 인가하여, 도4에 도시한 것과 같이, 센서의 출력전압이 외부 자계에 따라 급격하게 선형적으로 변화하는 영역을 외부자계가 영인 곳으로 이동시켜서 측정을 수행한다. 이때, 이 출력전압은 외부자계의 세기와 외부자계와 자성패턴의 길이 방향과 이루는 각도의 함수이므로, 외부자계의 세기 및 방향을 알 수 있다. 이때, 바이어스코일(13)에 단자 17a를 이용하여 전류를 인가 하면, 전류는 17a’, 17b’, 17b, 17c, 17c’, 17d’, 17d, 17e, 17e’, 17f’, 17f, 17g, 17g’, 17h’, 17h, 17i, 17i’, 17j’, 17j, 17k, 17k’, 17l’, 17l, 17m, 17m’, 17n’, 17n, 17o, 17o’ 17p’, 17p를 통해 흐르게 된다.

도 5와 도6은 각각 본 발명의 일 실시예 2에 따른 자계 센서의 주요부분을 나타내는 전개도 및 결합도이다.

본 발명의 실시예2에 따른 자계센서(20)는, 2축 자계센서로서, 한쌍의 서로 직교하는 자성패턴(21, 22)과 이들 각각을 외부에서 감싸는 한쌍의 서로 직교하는 솔레노이드형 바이어스 코일(23, 24)로 구성된다. 바이어스코일의 관통구멍을 통한 연결은 실시예 1과 유사하다.

본 발명의 실시예2에 따른 2축 자계센서(20)의 자계 검출 원리는, 실시예1과 유사하나, 차이점은 서로 직교하는 한쌍의 자성패턴으로부터 한쌍의 출력전압이 얻어진다는 것이며, 이 각각이 외부자계의 세기와 외부자계와 박막패턴의 길이 방향과 이루는 각도의 함수로 주어지므로, 외부자계의 세기 및 방향을 보다 정밀하게 알 수 있다는 것이다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 자계센서에 의하면, PCB 제조공법을 이용하여,고감도 저가인 자계센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims

PCB 제조공법을 이용하여 절연체 위에 설치되며 외부자계에 따라 임피던스의 변화를 나타내는 자성패턴과; 상기 자성패턴과 절연체를 사이에 두고 PCB 제조공법을 이용하여 설치되어 상기 자성패턴을 샌드위치하도록 형성되는 바이어스 자계 인가용 코일과; 자성패턴과 바이어스코일에 전류를 인가하고, 자성패턴의 출력전압을 검출하기 위한 구동회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 자계센서.
제1항에 있어서,

상기 자성패턴은 Fe-Ni, Fe-Si-Al, Co-Nb-Zr, Fe-Hf-C, Fe-Cu-Nb-Si-B, Co-Fe-Si-B, Co-Fe-Ni-Si-B, Fe-Si-N 중의 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 자계센서.