KR20050035251A

KR20050035251A - 자기장 센서 및 자기장 센서의 작동 방법

Info

Publication number: KR20050035251A
Application number: KR1020057001767A
Authority: KR
Inventors: 라디보제 포포빅; 크리스티앙 쇼트
Original assignee: 젠트론 아크티엔게젤샤프트
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2005-04-15
Also published as: US7259556B2; EP1527350A1; WO2004013645A1; CN100480723C; US20060164080A1; JP4368797B2; JP2005534913A; AU2003262546A1; CN1675561A

Abstract

자기장의 최소한 하나의 성분을 측정하기 위한 자기장 센서는 자기장 집중기로 작용하는 강자성 코어(4), 여기 코일(3) 그리고 판독 센서(5)를 포함한다. 판독 센서(5)는 바람직하게는 강자성 코어(4)의 외측 에지의 근처에 배열된 두 개의 센서들을 포함하고 자기장의 최소한 하나의 성분을 측정한다. 상기 강자성 코어(4)는 링 형상 또는 디스크 형상이다. 자기장 센서의 작동 시, 강자성 코어(4)를 강자성 코어(4)의 자화가 판독 센서에서 어떤 신호도 발생시키지 않는 예정된 자화 상태로 유도하기 위해 전류는 일시적으로 여기 코일(3)에 인가된다.

Description

자기장 센서 및 자기장 센서의 작동 방법{MAGNETIC FIELD SENSOR AND METHOD FOR OPERATING SAID MAGNETIC FIELD SENSOR}

본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 명명된 종류의 자기장 센서(magnetic field sensor)와 자기장 센서의 작동 방법에 관한 것이다.

이와 같은 자기장 센서는 예를 들면 지구 자기장의 방향의 측정을 위한 나침반처럼, 자기의 세기가 단지 어떤 nT 에서 mT 에 이르는 자기장을 측정하는데 적합하다.

특허청구범위 제1항의 전제부에 명명된 타입의 자기장 센서는 유럽특허공보 제 1 182 461 호에 공지된다. 상기 자기장 센서는 2차원의 자기장 방향을 결정하는데 적합하다. 상기 자기장 센서는 플랫(flat) 형상의 자계 집중기(magnetic field concentrator)와 최소한 하나의 홀 소자(Hall element)를 포함하는 2 개의 센서들을 포함하며, 여기서 홀 소자들은 자계 집중기의 에지(edge) 영역에 배열된다. 제 1 센서는 자기장의 제 1 성분을 측정하고 제 2 센서는 자기장의 제 2 성분을 측정한다. 따라서 이 자기장의 방향은 두 센서들의 신호들로부터 결정될 수 있다.

자기장의 방향을 결정하는 또다른 자기장 센서는 유럽특허공보 제 1 052 519 호에 공지된다. 자기장 센서는 크로스 형상의 강자성 코어(ferromagnetic core), 강자성 코어를 주기적으로 포화시키기 위한 여기 코일(excitation coil) 그리고 판독 코일들(read-out coils)을 포함한다. 자기장 센서는 플럭스 게이트 센서(flux gate sensor)로서 작동된다. 이러한 센서의 단점은 강자성 코어의 자기적 포화를 위해 비교적 높은 전류가 필요하다는 것이다. 그러므로 이러한 자기장 센서는 배터리 작동으로 적용하기에는 부적합하다.

자기의 세기를 결정하기 위한 또다른 자기장 센서는 영국특허공보 제 2315870 호에 공지된다. 상기 자기장 센서는 링 형상의 강자성 코어, 주기적으로 강자성 코어를 포화시키기 위한 여기 코일 그리고 판독 코일들로 이루어진다. 또한 한 설계 타입에서는 본 센서는 외부의 자계 집중기로서 작동하는 추가적인 강자성 코어들을 포함한다. 이러한 추가적인 코어들의 있을 수 있는 잔류 자기를 감소시키기 위해, 추가적인 코일이 존재하는데 이 코일에는 추가적인 코어를 감자 (demagnetise)시키기 위해 전류가 주기적으로 흐른다.

도 1 은 링 형상의 강자성 코어를 구비하는, 외부 자기장의 두 성분을 측정하는 자기장 센서의 평면도,

도 2 는 자기장 센서와 자력선들의 단면도,

도 3 은 또다른 자기장 센서,

도 4A, 4B 는 자화의 다른 상태에서의 링 형상의 코어,

도 5, 6 은 강자성 코어의 자력선들의 경로, 그리고

도 7 은 특정 방법으로 자화된 링 형상의 강자성 코어를 도시한다.

본 발명의 목적은 배터리에 의해 전력이 공급되는 경우에도 배터리의 빈번한 교체의 필요 없이 자기의 세기가 단지 어떤 nT 에서 mT 에 이르는 자기장이 측정될 수 있는 자기장 센서를 개발하는 것이다.

상기 과제는 특허청구범위 제1항과 제9항의 특징들에 의해 본 발명에 따라 해결된다.

자계 집중기 역할을 하는 강자성 코어가 자화(magnetised)될 수 있거나 또는 강자성 코어가 판독 코일들 내에서 신호를 생성하는 자기 쌍극자(magnetic dipole)가 될 정도로, 외부의, 예를 들면 일시적으로 발생하는 자기적 방해장에 의해, 상기 자화가 역전될 수 있다는 중요한 문제점을 연구를 통해 발견하였다. 여기서, 본 발명은 선택된 시간들에서 자기장을 적용함에 의해 강자성 코어가 예정된 자화 상태로 유도되는 해결책을 제공한다. 코일은 자기장을 형성하기 위해 제공된다. 코일을 통해 흐르는 전류에 의해 형성되는 자기장은 방해장에 의해 야기되는 강자성 코어의 자기 역전(magnetic reversal)이 상쇄될 만큼 충분히 커야 한다. 그럼으로 인해, 필요한 전류 강도는 강자성 코어의 자화 곡선(magnetisation curve)에 의존한다.

최소한 하나의 자기장 성분의 측정을 위해 본 발명에 따르는 자기장 센서는 자계 집중기 역할을 하는 링 형상의 강자성 코어, 여기 코일 그리고 판독 센서를 포함한다. 판독 센서는 강자성 코어의 외측 에지 근처에 배열된 최소한 1 개, 바람직하게는 2 개의 센서들을 포함하고 최소한 1 개의 자기장 성분을 측정한다. 자기장 센서의 작동 중에, 강자성 코어를 강자성 코어의 자화가 판독 센서 내에서 신호를 발생시키지 않는 예정된 자화의 상태로 유도하기 위해, 전류가 선택된 시간들에서 일시적으로 여기 코일에 인가된다. 여기 코일을 통해 흐르는 전류는 강자성 코어 내의 전류에 의해 형성된 자기장이 적어도 강자성 코어의 재료에 의해 주어지는 보자력 장 세기(coercive field strength)를 달성시킬 수 있을 만큼 충분히 커야한다. 바람직하게는 전류는 매우 높게 선택되어 그로 인해 형성된 자기장은 보자력 장 세기 보다 2 내지 3 배 더 커진다. 만약 재료가 소위 단단하고 부드러운 자축(magnetic axis)을 가진다면, 단단한 자축의 더 큰 보자력 장 세기가 선택되어야 한다. 이 방법의 경우, 예를 들면 코어 내의 자력선들이 접선 방향으로 폐쇄 자력선으로 형성되는 방법으로 링-형상의 강자성 코어가 자화된다. 상기 자화를 원형(circular) 자화라고 한다. 상기 예정된 자화에 의해 이전에 언급된 에러를 일으키는 잔류 자화의 문제점은 해결된다.

강자성 코어를 예정된 자화의 상태로 가져오는 이 과정은 바람직하게는 외부 자기장의 실제의 측정 이전에 수행된다. 그러나 이 과정은 주기적으로 또는 어떤 다른 시간에 실행될 수 있다. 그래서 강자성 코어는 예정된 자화로 자화되고 이 예정된 자화는 특정 시점에 리프레시(refresh)되거나 또는 복원된다.

강자성 코어를 원하는 자화의 상태로 유도하기 위해 일정량의 자화 에너지가 필요하다. 필요한 자화 에너지는 한편으로는 강자성 코어의 부피 V 에 비례하고 다른 한편으로는 사용된 재료의 히스테리시스 곡선에 종속되는 magnetic product B X H 에 비례한다. 가능한 가장 작은 마그네틱 프로덕트를 얻으려면 얻으려면 부드러운 자기 재료, 예를 들면 Vitrovac 6025Z 가 강자성 코어를 위한 재료로 선택된다. 자화될 부피는 강자성 코어의 기하학에 의해 결정된다. 달성가능한 자기 증폭은 주로 링 형상의 강자성 코어의 직경에 의해 결정되는데 이 링의 폭과 두께는 가능한 작은 것으로 선택된다. 위에서 언급한 재료로 1 mm 의 링 직경을 갖는 Vitrovac 6025Z 에 있어서는 예를 들면, 폭 20 ㎛ 와 높이 10 ㎛ 가 선택된다. 따라서 폭은 링 직경의 단지 2 퍼센트에 이른다. 이것은 상기 링의 폭과 높이가 사용된 기술이 허용하는 한 작을 때 이치에 맞는다. 다른 기술, 예를 들면 코어를 전기분해 또는 스퍼터링에 의해 반도체 칩에 부착시키는 것과 같은 기술을 사용할 때 코어의 두께는 1 마이크로미터로 또는 더 줄어들 수 있다.

코어의 부피를 줄이는 또다른 이점은 코일에 의해 형성된 자기장에 의한 전치자화(premagnetisation)의 형성이 코어에서 형성된 와전류들(eddy currents)에 의해 그 자체가 덜 억지된다는 점에 있다. 이 방식으로 자화를 위한 전류 펄스는 더 짧아질 수 있고 필요한 총 에너지는 감소될 수 있다. 이 방식으로 최적화된 센서는 예를 들면 시계와 같이 작은 허용 에너지 소비와 관련된 적용에 또한 적합하다.

자기장 센서는 예를 들면 방향이 바뀌지 않는 약한 자기의 세기를 측정하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 자기장 센서는 또한 전류나 에너지 센서로서 이용될 수 있고 자기장 센서는 도체에 의해 형성된 자기의 세기를 도체를 통해 흐르는 전류를 가지고 측정한다. 추가적으로, 센서는 외부 자기장의 제 2 의 성분을 측정하기 위해 제 2 의 판독 센서를 가질 수 있다. 외부 자기장의 두 성분들이 측정되면 자기장의 방향은 두 성분들로부터 결정될 수 있다. 그러므로 이런 자기장 센서는 나침반으로서도 사용될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 세가지 실시예들이 도면을 기초로 상세히 설명된다.

도 1 은 외부 자기장의 두 성분을 측정하기 위한, 반도체 칩(1)으로서 형성된 장기장 센서의 평면도를 도시한다. x,y,z 좌표들의 직교좌표계가 기준 시스템으로 사용되며, 도해적 명확성을 이유로 시스템의 원점이 도면에서는 자기장 센서 외부에 배열되며, z 방향은 투영 평면에 수직으로 향한다.

상기 자기장 센서는 전자 회로(2), 예를 들면 4 권횟수로 전류가 적용될 수 있는 여기 코일(3), 링 형상의 강자성 코어(4) 그리고 두 개의 판독 센서들(5, 6)을 포함한다. 강자성 코어(4)는 평면에서 연장되며 따라서 xy 평면 위치를 한정한다. 판독 센서(5)는 자기장의 x 성분을 포착하고, 판독 센서(6)는 자기장의 y 성분을 포착한다. 판독 센서들(5, 6)은 바람직하게는 위치적으로 떨어진 그러나 전기적으로 연결된 두 개의 센서들로 구성된다.

자기장 센서는 전자 회로(2), 여기 코일(3)의 부품들 그리고 판독 센서들(5, 6)이 표준 CMOS 기술로 우선 제조되는 기술을 이용하여 제조되며, 그 다음에 강자성 코어(4)가 소위 포스트-프로세스(post-process)에서 적용된다. 그렇게 함으로써, 비결정성 강자성체의 테이프는 반도체 회로를 갖는 웨이퍼(wafer)에 부착되고 포토리소그래피(photolithography)와 화학적 에칭(etching)에 의해 구성된다. 웨이퍼를 개별 반도체 칩들 내로 넣은 후, 여기 코일(3)의 권횟수(turns)는 반도체 칩을 와이어 본딩(도시된 바와 같이) 또는 플립-칩(flip-chip) 기술에 의해 기판 상에 장착시 완성된다. 전자 회로(2)는 여기 코일(3)을 통하여 흐르는 전류를 생성하고 그리고 판독 센서(5, 6)에 의해 송출된 신호를 평가한다.

도 1 에 도시된 실시예의 경우, 여기 코일(3)은 부분적으로 도체 통로(7)로 구성되고 부분적으로 본드 와이어(8)로 구성되는 4 개의 권횟수(turns)를 가진다. 도체 통로(7)는 강자성 코어(4) 아래로 형성되고 본드 와이어(8)는 강자성 코어(4) 위로 형성된다. 본드 와이어(8)는 도체 통로(7)의 일 단부를 다른 도체 통로(7)의 일 단부에 연결한다. 강자성 코어(4)를 예정된 자화 상태로 유도하기 위해 회로(9)는 일시적으로 전류 I(t)를 여기 코일(3)에 가한다. 변수 t 는 시간을 나타낸다. 전자 회로(2)는 도시되지 않은 에너지원, 특히 배터리에 의해 에너지가 공급된다. 전자 회로(2)는 회로(9), 판독 센서(5, 6)를 작동시키고 판독 센서(5, 6)에 의해 송출된 신호들을 평가한다.

지정 VAC 6025Z 하에서 이용가능한 비결정성 금속으로 제조되는 테이프는 예를 들면 강자성 코어(4)를 위한 재료로서 역할을 한다. 상기 재료는 보자력 장 세기 Hc = 3 mA/cm 를 가진다. 강자성 코어(4)를 자기적으로 포화시키기 위해, 여기 코일(3)을 통해 흐르는 전류 I 는 보자력 장 세기 Hc 보다 대략 20 배 큰 자기장 Hs 를 형성시켜야 한다. 링 형상의 강자성 코어(4)의 외부 직경을 D 라 하고 D = 1 mm 일 때 여기 코일(3)의 권횟수를 n 이라 하고 n = 4 일 때, 방정식

I = 20*Hc*D*π/n (1)

에 따라, 전류에 대해 I ≒ 4.5 mA 를 얻는다. 강자성 코어(4)가 공기 틈을 가지지 않기 때문에 그것은 작은 자기장 따라서 낮은 전류 I 에 의해 자기적으로 포화될 수 있다.

판독 센서(5, 6)에 따라 자기장 센서는 바람직하게는 반도체 칩(1) 표면에 수직 방향으로 즉, z 방향으로 형성되는 자기장에 민감한, 쌍으로 커플된 4 개의 소위 수평 홀 소자들(10, 11, 12 및 13)을 구비한다. 홀 소자(10, 12)는 직각좌표계의 x 축에 배열되고 제 1 판독 센서(5)를 형성한다. 그러므로 홀 소자(10, 12)는 강자성 코어(4)의 중심을 통해 형성되는 대칭축에 관하여 직경적으로 반대 위치에 배열된다. 홀 소자(11, 13)은 직각좌표계의 y 축에 배열되고 제 2 판독 센서(6)을 형성한다.

수평의 홀 소자들(10 내지 13)은 외측 에지 근처에 있는 강자성 코어(4) 아래에 항상 배열된다. 강자성 코어(4)의 상대 투자율(permeability) μ_r 이 주변의 상대 투자율에 비해 매우 크기 때문에, 측정되어질 외부 자력선은 강자성 코어(4)의 표면에 거의 직각으로 충돌하거나 또는 거의 직각으로 떠난다. 장 집중(concentration)은 홀 소자들(10 내지 13)이 위치하는 강자성 코어(4)의 외측 에지 영역에서 가장 크다. 두 개의 홀 소자들(10 및 12)의 출력 신호들은 외부 자기장의 x 성분의 세기에 종속되고, 두 개의 홀 소자들(11 및 13)의 출력 신호들은 외부 자기장의 y 성분의 세기에 종속된다.

도 2 는 여기 코일(3)(도 1)을 통해 흐르는 전류에 의해 형성된 자기장에 의해 강자성 코어(4)가 포화되지 않았을 때, 외부 자기장의 자력선(14)을 도시한다. 두 개의 홀 소자(10 및 12)의 위치에서의 자력선들은 다른 방향들을 가리키는데 왜냐하면 자기장이 홀 소자들 중 하나의 예를 들면 홀 소자(10)의 위치에서 강자성 코어(4)에 들어가고 다른 홀 소자(12)의 위치에서 다시 코어를 떠나기 때문이다. 홀 소자들(10 및 12)에서 외부 자기장의 x 성분에 의해 형성된 홀 전압이 더해지는 방식으로 두 개의 홀 소자(10 및 12)는 판독 센서(5)(도 1)로서 전기적으로 서로 연결되어 있다. 그러나 두 개의 홀 소자들(10 및 12)에 존재하는 외부 자기장의 어떤 z 성분은 동일한 z 방향을 가리키며 따라서 판독 센서(5)에서는 출력 신호를 발생시키지 않는다.

두 개의 홀 소자들(10 및 12)의 출력 신호들이 택일적으로 더해지거나 또는 빼지는 방식을 제외하고는, 판독 센서(5)로서 두 개의 홀 소자들(10 및 12)을 영구적으로 전기 연결시키지 않는 것이 유리하다. 이 방법에서는 외부 자기장의 x 성분 또는 z 성분 중 어느 하나가 두 개의 홀 소자들(10 및 12)의 순간적인 전기적 상호 연결에 상응하여 판독 센서(5)로 측정될 수 있다. 그러나 자기장의 z 성분의 측정을 위해서 분리된 홀 소자가 또한 제공될 수 있는데 이것은 강자성 코어(4)의 에지 근처에 위치하지 않으며 따라서 자기장의 x 성분과 y 성분 어떤 것도 그것의 홀 전압에 기여하지 않는다.

그러나 자기장의 z 성분이 강자성 코어(4)에 의해 증폭된 자기장의 x, y 성분에 비해 무시할 만큼 작을 때 각각의 판독 센서들(5 및 6)은 또한 단지 한 개의 홀 소자, 예를 들면 홀 소자(10)의 판독 센서(5) 그리고 홀 소자(11)의 판독 센서(6)를 포함한다. 이 경우에 자기장의 z 성분의 측정을 위해 강자성 코어(4)의 에지 근처에 위치하지 않는 분리된 홀 소자가 제공된다.

여기 코일(3)(도1)은 강자성 코어(4)를 특정 시간에서 예정된 자화 상태로 유도하는 작용을 한다. 이것이 근본적으로 자화가 판독 센서들(5, 6)에서 어떤 신호도 생성하지 않는 방식으로 강자성 코어(4)를 자화하는 경우이다. 판독 센서들(5, 6)에서 원하지 않는 신호들을 발생시키는 외부 영향에 의해 야기되는 강자성 코어(4)의 동시 자화는 그 때문에 중화된다.

자화에 의해 형성된 자기장이 판독 센서들(5, 6)에서 어떤 신호도 형성시키지 않는 방식으로 강자성 코어(4)는 자화된다. 이것은 이 자가장의 어떤 성분이든 홀 소자들(10 내지 13)의 감도 방향에 직각으로 향하거나 또는 동일한 z 방향에서 판독 센서(5, 6)로서 쌍으로 연결된 홀 소자들(10 과 12 내지 11 과 13) 내로 향하고 따라서 그들로 인해 생성된 홀 전압은 보상 받는다.

이하에서는 또다른 측정이 설명되는데 이것의 적용은 자기장 센서의 증가된 감도로 이끌거나 및/또는 전류나 에너지 소비를 낮춘다.

여기 코일(3)의 권횟수가 n 으로 증가할 때, 여기 코일(3)을 통해 흐르는 전류는 계수 n 에 의해 감소될 수 있으며 또는 링 형상의 강자성 코어(4)의 직경 D 은 계수 n 에 의해 증가할 수 있으며 그리고 방정식(1)에 따라, 자화시 강자성 코어(4)의 동일한 포화도를 얻는다. 강자성 코어(4)의 직경 D 의 증가는 흐름 집중의 증폭을 야기하지만 공간 요구를 증가시키고 따라서 반도체 칩(1)의 크기를 증가시킨다. 자기장 센서의 가장 가능한 소형화의 목표를 목적으로 최적의 조건은 강자성 코어(4)의 직경 D 가 전자 회로(2)에 대한 공간 요구들에 의해 주어지는 반도체 칩(1)의 크기에 적합할 때 결과하며 그리고 여기 코일(3)의 권횟수 n 은 강자성 코어(4)의 크기에 적합된다.

실시예 2

도 3 은 링 형상의 강자성 코어(4)를 갖는 또다른 자기장 센서의 평면도를 나타내며 이 경우 여기 코일(3)은 강자성 코어(4)의 아래에 배열된 나선형의 도체 경로(16)를 갖는 플랫 코일(flat coil; 15)로서 형성된다. 도체 경로(16)는 나선형으로 향하는데 그럼에도 불구하고 거의 강자성 코어(4)에 동심적으로 향한다.

도체 경로(16)의 제 1 단부(17)는 링 형상의 강자성 코어(4) 외부에 있는 도체 경로(16)의 제 2 단부(18) 안에 위치하게 된다. 두번째 금속화 층에 배열된 도체 경로(19)는 제 1 단부(17)를 링 형상의 강자성 코어(4)의 외부에 배열된 접속부(20)와 연결시킨다.(또한 설명된 본드 와이어(8)는 제 2 실시예에는 도시되지 않으나 제 3 실시예에서는 중요하다.) 도체 경로(19)는 따라서 플랫 코일(15)처럼 강자성 코어(4)의 동일한 측에 위치한다. 비록 플랫 코일(15)의 도체 경로(16)는 나선형으로 향하지만, 레이디얼 방향으로 향하는 도체 경로(16)의 일부들은 도체 경로(19)를 흐르는 전류가 플랫 코일(15)을 통해 레이디얼 방향으로 흐르는 전류와 반대 방향으로 흐르는 것처럼 플랫 코일(15)에 의해 형성되는 자기장에 기여하지 않고 따라서 보상을 한다. 플랫 코일(15)에 의해 형성된 자기장은 따라서 동심적으로 배열된 도체 경로들에 의해 형성된 자기장에 상응한다.

실시예 3

본 실시예는 주로 실시예 2 에 상응하지만 도체 경로(19) 대신에, 플랫 코일(15)의 제 1 단부(17)를 링 형상의 강자성 코어(4) 외부에 배열된 접속부(20)와 연결시키는 본드 와이어(8)가 존재한다. 플랫 코일(15)과 본드 와이어(8)는 다른 측들에서, 즉 플랫 코일(15)은 아래에서 본드 와이어(8)는 위에서 강자성 코어(4)를 교차하므로 그 결과는 실시예 1 에 따라 강자성 코어(4)의 링을 둘러싸고 여기 코일로 작용하는 한 개의 단일한 권선을 갖는 보조 코일이다. 실시예 2 와 대조적으로, 본드 와이어(8)를 흐르는 전류는 플랫 코일(15)을 통해 레이디얼 방향으로 흐르는 전류를 보상하지 않는다. 플랫 코일(15)과 본드 와이어(8)의 조합은 여기 코일(3)을 나타내고 이 경우 강자성 코어(4)의 자화가 판독 센서(5, 6)에서 어떤 신호도 발생시키지 않는 아주 효율적인 방식으로 강자성 코어(4)가 예정된 자화의 상태로 유도될 수 있다.

이하에서는 강자성 코어(4)를 예정된, 사라지지 않는 자화의 상태로 유도하기 위해, 최소한 하나의 첫번째 방법이 세 가지 실시예들에 대해 설명된다. 바람직하게는 본 방법은 이 방법을 수행하는 동안 여기 코일(3)을 흐르는 전류에 의해 일시적으로 형성되는 자기장이 판독 센서(5, 6)에서 어떤 신호도 발생시키지 않는 것이 아니라면, 외부 자기장의 x, y 요소들의 측정이 자기장 센서에 의해 수행되기 전에 수행된다.

아래의 방법 1.1 과 1.2 는 실시예 1 과 관련되고 이들의 효과는 실시예 1 에 대해 기술되며 여기서 용어들과 참조부호 등은 실시예 1 에 할당된 도면들과 관련된다.

방법 1.1

첫번째 방법의 경우, 전류 I(t)는 강자성 코어(4)를 균일하게 자화하기 위하여 예정된 시간 동안 여기 코일(3)에 가해진다. 여기 코일(3)을 흐르는 전류 I(t)에 의해 형성된 자기장 B(t)는 강자성 코어(4) 내의 동심의 폐쇄된 선들을 따라 흐른다. 본 자기장은 원형 자기장으로 지정된다. 전류 I(t)는 예를 들면 직류 펄스이며 그 세기는 처음에는 증가되며 다음에는 0 으로 감소된다. 외부의 영향으로 발생하는 자화가 완전히 중화되기 위해, 직류 I(t)는 바람직하게는 강자성 코어(4)가 자기적으로 포화되거나 거의 자기적으로 포화될 때까지 증가하고 그리고 다시 0 으로 감소한다. 직류 I(t)의 최대치는 자기장의 세기가 강자성 코어(4)의 재료의 보자력 장 세기 Hc 보다 큰, 바람직하게는 2 배 또는 3 배 더 큰 자기장 세기를 갖는 자기장을 강자성 코어(4) 내에 형성한다. 직류 I(t)의 최대치는 방해장에 의해 야기된 강자성 코어(4)의 자기 역전이 중화될 수 있도록 높게 선택되어야 한다. 그렇게 함으로써 필요 전류 세기는 강자성 코어(4)의 자화 곡선에 의존한다. 이런 방식으로, 강자성 코어(4)는 자화되고 이로써 본 자화는 대략 강자성 재료의 잔류 자기에 대응한다. 실시예 1의 강자성 코어(4)의 링 형상의 구조는 자화에 의해 형성된 자기장의 자력선들이 강자성 코어(4) 내에서 폐쇄된다는 이점을 제공한다. 강자성 코어(4) 외부에서의 자화에 의해 형성된 자기장은 홀 소자들(10 - 13)의 감도 방향에 직각으로 형성되며 따라서 홀 전압을 형성하지 않는다.

도 4A 는 파선을 가지고 링 형상의 코어(4)가 외부의 방해장에 의해 자화된 후의 자력선들의 경로를 보여준다. 화살표는 장의 방향을 나타낸다. 링 형상의 코어는 자기 쌍극자로 작용하고 원하지 않는 신호를 판독 센서(5 및 6)에서 발생시킨다. 도 4B 는 링 형상의 코어(4)가 이전에 설명된 방법에 의해 자기적으로 역전된 후의 자력선들의 경로를 도시한다. 자력선들은 코어(4) 안에서 이제 폐쇄된 상태로 형성된다. 자화의 세기는 일반적으로 코어(4)에 있는 재료의 잔류 자기에 대응한다.

본 첫번째 방법은 외부 자기장의 각각의 측정 이전에 실행될 수 있고 혹은 단지 가끔 실행될 수 있다.

방법 2.1

본 두번째 방법은 외부 자기장의 각각의 측정을 위해 실행된다. 측정은 두가지의 개별적인 측정으로 구성된다. 측정은 다음과 같은 단계에 따라 전개된다.

a) 직류 펄스 I(t)는 여기 코일(3)에 인가되고 전류는 제 1 방향으로 여기 코일(3)을 통해 흐른다.

b) 출력 신호들은 판독 센서들(5 및 6)으로부터 읽혀진다.

c) 직류 펄스 I(t)는 여기 코일(3)에 인가되고 전류는 제 1 방향과 반대 방향으로 여기 코일(3)을 통해 흐른다.

d) 출력 신호들은 판독 센서(5 및 6)으로부터 읽혀진다.

e) 단계 b 와 d 에서 판독 센서(5)로부터 읽혀진 출력 신호들은 더해지고 그리고 판독 센서(6)의 측정된 출력 신호들이 더해진다.

이 방법의 경우 첫번째 개별 측정으로 자기 분산(magnetic dispersion)이 출력 신호들에 포지티브 기여를 형성하고 그리고 두번째 개별 측정으로 단계 e 의 합산에서 서로를 상쇄하는 출력 신호에 네거티브 기여를 형성함에 따라 강자성 코어(4)의 재료의 비 균일성(non-homogeneity)으로 인해 야기되는 홀 소자들(10 내지 13)의 영역에서 국부적으로 발생하는 어떠한 자기 분산의 영향도 감소될 수 있다.

방법 1.2 와 2.2 는 실시예 2 와 관련되며 이들의 효과는 실시예 2 에 대해 설명되며 용어들과 참조부호들은 실시예 2 에 할당된 도면들과 관련된다.

방법 1.2

본 방법의 경우 직류 I(t)는 예정된 시간 동안 여기 코일(3)에 인가된다. 플랫 코일(15)을 흐르는 직류 I(t)는 레이디얼 방향으로 강자성 코어(4)의 자화를 일으킨다. 자화의 자력선들의 경로는 z 평면에서의 단면을 도시하는 도 5 에서 화살표 21 로 나타난다. 플랫 코일(15)로 강자성 코어(4)는 효율적인 방법으로 자화될 수 있다. 이 자화로 자력선들은 강자성 코어(4) 내에서 폐쇄되지 않는다. 레이디얼 방향 자화는 강자성 코어(4)의 외부에서 사라지지 않는 자기장을 형성한다. 이 자기장은 그러나 강자성 코어(4)의 대칭축에 대칭이다. 이 자기장의 자력선들은 모든 홀 소자들(10 - 13)에 대해 동일한 방향으로 형성되고 따라서 모든 홀 소자들(10 - 13) 내에서 동일한 홀 전압을 형성한다. 판독 센서(5, 6)는 각각 마주 보고 커플된 2 개의 홀 소자들로 구성되고 이 홀 전압들은 판독 센서(5, 6)의 출력 신호들에 어떤 기여도 하지 않는다.

방법 2.2

본 방법의 경우, 교류가 여기 코일(3)에 인가된다. 플랫 코일(15)과 그리고 전기적으로 전도성 있는 강자성 코어(4)는 변압기로 작용하고 여기서 플랫 코일(15)는 N 권횟수로 감겨진 주 권선(primary winding)을 형성하고 그리고 상기 변압기는 하나의 단일한 권횟수로 감겨진 2차적인 권선(secondary winding)을 형성한다. 따라서 이상적인 결합으로, 강자성 코어(4)에서 유도되는 교류는 플랫 코일(15)을 통해 흐르는 교류 보다 N 배 더 크다. 강자성 코어(4)에서 유도되는 교류는 코어(4)의 교류 자화를 발생시키며 이것의 자력선들은 도 6 에 도시된 경로를 따른다. 이 자력선들은 강자성 코어(4) 내부에서 폐쇄된다.

방법 1.3 과 2.3 은 실시예 3과 관련되고 이들의 효과들은 실시예 3 에 대해설명되고 여기서 용어들과 참조부호들은 실시예 3에 할당된 도면들과 관련된다. 추가 코일에 흐르는 전류는 플랫 코일(15)에 의해 형성된 자기장에 중첩되는 강자성 코어(4) 안에서 원형 자기장을 형성한다. 결과되는 영향은 직류 또는 교류가 플랫 코일(15)과 본드 와이어(8)에 의해 형성된 여기 코일(3)에 인가되는 지 여부에 의존한다.

방법 1.3

직류는 (방법 1.1 과 2.1 에서처럼) 여기 코일(3)에 인가된다. 플랫 코일(15)로 인해 강자성 코어(4)는 실시예 2 를 위한 방법 1.2 와 같이 효율적인 방식으로 자화된다. 추가 코일은 추가적으로 실시예 1 과 같이 강자성 코어(4)에서 원형의 자기장을 일으킨다. 결과되는 강자성 코어(4)의 자화는 이제 더 이상 방사형이 아니지만 추가적인 접선 성분을 갖는다. 이 자화 상태는 도 7 에 도시된다. 도 7 은 강자성 코어(4)의 평면도를 도시한다. 자화의 공간적 방향은 화살표 21 로 도시된다. 직류가 차단되면, 강자성 코어(4)의 개별 자기 영역 내의 자화는 접선 방향으로 방향을 바꾸며 그래서 자력선들은 폐쇄된다. 직류의 차단시, 강자성 코어(4)의 원형 자화는 그러므로 자동적으로 이전에 언급했듯이 자기장이 판독 센서(5, 6)에서 어떤 신호도 발생시키지 않는다는 이점을 가지도록 설정된다.

추가 코일에 대해 본드 와이어(8)에 의해 구현되는 단일 권선 대신에, 실시예 1 과 같이 예를 들면 도체 경로들과 본드 와이어들에 의해 구현되는 수 개의 와인딩이 제공될 수 있다. 플랫 코일(15)의 권선들의 수와 추가 코일의 권선들의 수가 서로 조화된다면 원형 자화는 최소의 에너지로 달성될 수 있다.

방법 2.3

일정한 진폭을 가진 교류가 여기 코일(3)에 인가될 때, 강자성 코어(4) 내부에 있는 자기의 영역은 나선의 정렬을 가진다. 만약 교류가 차단되면 자기 영역은 자동적으로 방향을 바꾸어 이들에 의해 형성된 자기장의 자력선들은 폐쇄될 수 있다. 이 방법에서는, 강자성 코어(4)의 원형 자화는 방법 1.3 과 같이 달성될 수 있다.

기술된 실시예들의 경우 수평 홀 소자들(10 - 13)은 외부 자기장의 측정을 위한 센서로서 이용된다. 그러나 수평 홀 소자들(10 - 13) 대신에, 표면에 평행하게 형성된 자기장에 민감한 소위 수직 홀 소자들을 사용하는 것도 가능하다.

도 2 에서 강자성 코어(4) 아래의 외측 에지 대신에, 수직 홀 소자들은 자력선들이 거의 수평으로 형성되는 강자성 코어(4)의 약간 외부에 배열되어야만 한다. 더 나아가 홀 소자들 대신에, 자기 저항 센서 또는 자기 트랜지스터가 또한 사용될 수 있다. 그러나 강자성 코어(4)에서 형성된 자화가 수평의 홀 소자에서처럼 이러한 센서에 같은 영향을 미치는 지 검토해 보아야 한다.

본 발명은 자기장 센서 및 자기장 센서의 작동 방법에 이용될 수 있다.

Claims

자기장의 최소한 하나의 성분의 측정을 위한 자기장 센서로서, 평면을 측정될 자기장의 최소한 하나의 성분과 연결시키고 그리고 자기장 집중기로 작용하는, 반도체 칩(1)에 부착되는 링-형상의 강자성 코어(4)를 가지며, 그리고 판독 센서(5)를 가지며, 상기 판독 센서(5)는, 반도체 칩(1)으로 통합되고 강자성 코어(4)의 외측 에지의 부근에 배열되며 상기 자기장의 최소한 하나의 성분을 측정하는 최소한 하나의 센서를 포함하는, 자기장 센서에 있어서,

상기 강자성 코어(4)가 예정된 자화로 자화되고, 그리고 상기 강자성 코어(4)에서 예정된 자화를 재생하기 위하여 여기 코일(3)과 전자 회로(2)가 여기 코일(3)로의 전류의 일시적 인가를 위해 존재하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 강자성 코어(4)는 원형으로 자화되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 여기 코일(3)은 상기 강자성 코어(4)의 링을 둘러싸는 최소한 하나의 와인딩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항에 있어서,

상기 강자성 코어(4)는 방사상으로 자화되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 여기 코일(3)은 코일의 감김이 강자성 코어(4)의 아래에서 나선형으로 형성된 플랫 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 판독 센서(5)를 형성하는 최소한 하나의 센서는 홀 소자(10)인 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 판독 센서(5)는 강자성 코어(4)의 대칭축에 관하여 직경 방향으로 대향하는 위치들에 배열된 두 개의 홀 소자들(10, 12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

강자성 코어(4)의 링의 폭이 강자성 코어(4)의 직경의 5 퍼센트 보다 작고 그리고 강자성 코어(4)의 링의 높이가 강자성 코어(4)의 직경의 5 퍼센트 보다 작은 것을 특징으로 하는 자기장 센서.
자기장의 최소한 하나의 성분의 측정을 위한 자기장 센서의 작동 방법으로서, 상기 자기장 센서는, 평면을 측정될 자기장의 최소한 하나의 성분과 연결시키고 그리고 자기장 집중기로 작용하는, 반도체 칩(1)에 부착되는 링 형상의 강자성 코어(4)를 포함하며, 그리고 판독 센서(5)를 포함하고, 상기 판독 센서(5)는, 반도체 칩(1)으로 통합되고 강자성 코어(4)의 외측 에지의 부근에 배열되며 상기 자기장의 최소한 하나의 성분을 측정하는 최소한 하나의 센서를 포함하는, 자기장 센서의 작동 방법에 있어서,

상기 강자성 코어(4)가 특정 시간들에서 여기 코일(3)로의 전류의 일시적 인가에 의해 자화되는 것을 특징으로 하는 자기장 센서의 작동 방법.
제 9 항에 있어서,

직류 펄수가 상기 강자성 코어(4)를 자화시키기 위해 상기 여기 코일(3)에 인가되고, 직류 펄수의 최대량은 강자성 코어(4)의 재료의 보자력 장 세기 보다 큰 자기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서의 작동 방법.
제 9 항에 있어서,

다음의 단계들:

a) 직류 펄스를 여기 코일(3)에 인가하는 단계, 이로써 전류는 제 1 방향으로 여기 코일(3)을 통해 흐른다;

b) 판독 센서(5)의 출력 신호를 읽는 단계;

c) 직류 펄스를 여기 코일(3)에 인가하는 단계, 이로써 전류는 제 1 방향과 반대 방향으로 여기 코일(3)을 통해 흐른다;

d) 판독 센서(5)의 출력 신호를 읽는 단계;

e) 단계 b 와 d 에서 측정된 판독 센서(5)의 신호들을 합산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서의 작동 방법.