제 5 장 자기 센서 2018-09-20

5.1 자성재료의 기초 자성의 근원 - 자계는 전류에 의해서 발생한다. 1820년 에르스텟(Hans Christian Oersted)는 전류가 흐르는 도선 주위에 자석(magnet) 또는 나침반(compass needle)을 놓으면, 이것에 힘이 작용한다는 사실을 발견하였다. 이와 같이 자기력이 작용하는 공간을 자계(磁;magnetic field)라고 부른다. 도선에 흐르는 전류에 의한 자계는 그림에 나타낸 것과 같이 도선 주위를 둘러싸는 폐회로를 형성함을 알 수 있다

자화(磁化 ; magnitization) - 자성체를 결정의 크기에서 보면, 그림 (a)와 같이 방향은 재료 전체에 대해서 동일하지 않고, 자기 모멘트가 한 방향으로 정렬되어 있는 영역들이 존재 하는데, 이와 같은 영역을 자구(磁區; magnetic domain)라 고 부르며 약 1015~1016 개의 원자를 포함하고 있다. 자구와 자구의 경계를 자벽(磁壁; domain wall)이라 한다. 외부 자계가 인가되면 각 자벽이 이동하고(그림 b) 자구는 자계 방향으로 회전하여 정렬한다. 그림 c는 자화된 자석을 나타낸다.

자성체의 종류 자성체 내부에서 자기 모멘트의 배열 상태에 따라 분류 강자성체(强磁性體; ferromagnetic material) - 원자의 자기 모멘트는 한 방향으로 배열한다. - (예) 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co) 등 페리자성체 (ferrimagnetic material) - 크기와 방향이 다른 자기 모멘트의 차이로 같은 자성이 발생한다 - (예) 페라이트(ferrite; Fe3O4)와 같은 에는. 상자성체(常磁性體; paramagnetic material) - 자기 모멘트간의 상호작용이 없고 그 방향이 무질서하여 평균 자기 모멘트가 0으로 된다. (예) 공기

자성체의 온도영향 - 온도가 상승함에 따라 자성체 내부의 자기 모멘트 배열이 점점 흐트러져 어떤 온도 에서 실제로 무질서하게 되어 자성이 상실된다. - 이 온도를 큐리 온도(Curie temperature)라고 부른다. 보통 큐리 온도는실온보다 아주 높은 영역에 있다. Fe (770 ℃), Co (1127 ℃), Ni (358 ℃)

자기 센서의 분류

5.2 홀 센서 (Hall effect sensor) 전류 Ix 가 흐르고 있는 충분히 긴 장방형 반도체 시료에 수직으로 자계 Bz를 가하면, (-)전하인 전자에는 우측으로 자기력 Fm 이 작용하여 side A로 이동한다. 이에 대응해서 side B에는 (+)전하가 유기된다. 따라서, side A, B 사이에는 전압 VH가 발생한다.

홀 센서의 구조와 동작원리 홀 전압 식은 그림 (a)와 같이 무한히 긴 홀 소자에 대한 이상적인 홀 전압이다. 실제의 홀 센서는 그림 (b), (c)에 나타낸 것처럼 유한의 크기를 가지므로 홀 전압은 이론치보다 작아진다. 이것은 전극 접촉부(electrode contact)가 전류의 유선(current line)을 왜곡시키기 때문에 발생한다(자기저항효과에서 설명한다).

기본 구동회로 홀 센서 용도에 따라 소자전류를 공급하는 방식을 결정해야 한다. 홀 센서의 대표적인 구동방식 * 정전류 구동 * 정전압 구동

정전류 구동 출력 식 정전류 구동방식의 특징 자계 직선성 우수하다. 자속밀도가 커지면 소자저항이 증가하지만(자기저항효과), 소자전류가 소자 저항에 관계없이 일정하므로 직선성은 나빠지지 않는다. 홀 전압의 온도 의존성은 RH의 온도 의존성에 비례한다.(InSb 홀 센서) 소자전류가 일정하므로 홀 전압의 온도변화는 작다(GaAs와 Ge 홀 센서). 인가전압이 소자저항의 온도변화에 따라 변화하므로 불평형 전압의 온도변화가 크다. 회로가 복잡해진다.

정전압 구동 출력 식 정전압 구동방식의 특징 직선성이 나쁘다. 자속밀도가 증가하면 자기저항효과에 의해 저항치가 증가하여 소자전류가 작아지기 때문에 홀 전압이 변화한다. 홀 전압의 온도 의존성은 이동도의 온도의존성과 유사하다.(InSb 홀 센서) 소자전류가 소자 저항에 의해서 결정되므로 홀 전압의 온도변화가 크다. (GaAs와 Ge 홀 센서). 인가전압이 일정하므로 불평형 전압의 온도변화가 작다. 회로가 간단하다.

5.3 홀 IC 홀 IC (Hall effect IC) 출력전압이 미약한 홀 소자와 증폭회로, 신호처리회로, 온도보상회로 등을 하나의 칩에 집적한 것으로, monolithic Hall IC와 hybrid Hall IC가 있다. Si monolithic Hall IC 실리콘 홀 소자는 전자 이동도가 작기 때문에 감도가 나빠서 단독으로 사용하지 않고, 실리콘 홀 소자와 증폭회로, 온도보상회로를 하나의 chip에 집적화한다. Hybrid Hall IC 화합물 반도체 (InSb, GaAs 등) 홀 소자와 Si 신호처리회로 칩을 조합한 홀 IC이다.

[electronic anti-squeeze] 자동차 응용 사례 자석이 부착된 기어 파워 윈도우 : Hall sensor가 구동 축의 속도와 방향을 감지함으로써 윈도우의 포지션이 모니터링될 수 있다. 이 방법으로 윈도우와 창틀 사이에 대상물이 존재할 때, 오동작을 방지하는 것이 가능하다. [electronic anti-squeeze] 브레이크등 스위치 : 브레이크 페달을 밟으면, 자석이 Hall sensor로부터 멀어진다. HAL 516(센서)가 켜지고, 브레이크 등 점등 신호를 보낸다. 브레이크 페달 축의 위치에 따라 움직이는 자석

Revolutions Per Minute (분당 회전 수) 측정 & 모니터링: 강자성체 기어 Differential Hall Sensor Revolutions Per Minute (분당 회전 수) 측정 & 모니터링: 차동 Hall sensor (HAL320모델) 뒷면에 강한 자석이 있으며, 홀 센서 양면에 같은 크기의 자계를 형성한다. (back-bias application). 강자성체 물질로 된 기어가 회전하게 되면, 이 자계가 변화하게 되고, HAL 320(차동 센서)는 양면(앞/뒤) 간의 자계의 차이를 감지한다. 따라서 캠축 기어의 teeth와 window가 감지되고, 모터를 제어하는 신호가 생성된다.

전류는 자계를 형성하고, 이는 자석 사이의 빈 공간에 장착된 선형 Hall sensor에 의해 감지된다. 산업분야 응용사례 자석 전류 측정 : 전류는 자계를 형성하고, 이는 자석 사이의 빈 공간에 장착된 선형 Hall sensor에 의해 감지된다. 센서의 출력은 전선을 흐르는 전류의 크기에 비례한다. 기계적 접촉부(정류자, 브러시) 대신 홀소자로 회전자(rotor)의 자극을 검출하여 구동회로에서 회전자계를 만들어 회전자를 구동시키는 전동기: magnetic rotor + 전자코일 Brushless 직류전동기 통신 : Hall sensor는 직류전동기의 회전자(rotor)의 극성의 위치를 감지한다. 회전자의 위치에 따라 전동기 코일의 신호전달이 이루어진다.

회전자가 1회전 할 때 마다 센서 스위치는 ON 된다. 산업분야 응용사례 자석이 부착된 회전자 커피 메이커 Flow meter (유량계) : 커피 등 액체의 흐름을 유도하는 회전자에 소형 자석이 장착되어 회전(revolution) 횟수를 계측할 수 있다. Hall 센서(HAL556)는 그 자석의 자계를 감지할 수 있는 위치에 장착된다. 회전자가 1회전 할 때 마다 센서 스위치는 ON 된다. 따라서, 회전자의 회전 수에 의해 액체(커피)의 유량을 계산할 수 있다. HAL556 센서는 2단자 케이블로 동작이 가능한 장점이 있고, Reed(리드) 스위치를 대체할 수 있다.

5.3 자기저항소자[Magneto Resistance Element] 자기저항소자(磁氣抵抗素子; magnetoresistor; 약해서 MR소자로 부른다)는 2단자소자로서, 자계에 의해 물질의 저항이 변화하는 현상인 자기저항 효과(磁氣抵抗效果; magnetoresistance effect)를 이용하는 자기센서이다. 자기저항소자는 약자계 중에서는 저항값이 자계의 2승에 비례하고, 강자계 중에서는 자계에 비례하는 특성을 나타낸다. 자계에 의해 전하가 이동하는 현상(Hall Effect) 중, 전하는 이상적인 정상상태에서 직선운동을 하는 것이 아니며, x축 방향의 운동 이외에도 y축 방향으로 궤적을 그리는 곡선운동을 한다.  자기저항효과! 자기저항소자는 사용재료에 따라 다음과 같이 분류한다. * 반도체 자기저항 소자 * 자성체 자기저항 소자 -- 이방성 자기저항소자(AMR) -- 거대 자기저항소자(GMR) InSb MR GMR

자계에 영향에 의한 재료의 도전율 변화 자계가 가해지는 순간 캐리어들의 충돌에 의해 캐리어가 원을 그리며 운동하지만, 시간의 흐름에 따라 캐리어에 작용하는 전계에 의한 정전력과 Lorentz 힘이 평형되어, 인가자계가 없는 것처럼 캐리어가 동작 - 자계를 인가한 순간에는 캐리어의 충돌 확률이 증가하므로 도전율이 감소 금속 캐리어가 갖고 있는 에너지 상태는 서로 다르므로 에너지 분포곡선이 생긴다. 각 캐리어의 완화시간은 에너지 상태에 의해 결정되며, 평균적으로는 홀전계에 의한 힘과 Lorentz 힘의 합으로 나타난다. 평균보다 완화시간이 긴 캐리어는 충돌간 평균속도가 크고 Lorentz 힘이 홀 전계에 의한 힘보다 크게 되어 회전반경이 커진다. 완화시간이 짧은 캐리어는 충돌간의 평균속도가 작고 전계에 의한 힘이 크므로 회전반경이 작아진다. 평균완화 시간으로부터 이탈되어 있는 캐리어는 1차 전류가 흐르는 전극선을 경사지게 이동함으로써 인가 전계 방향으로의 캐리어의 이동도가 감소하여 도전율이 감소한다. 반도체

반도체 자기저항 센서 반도체 자기저항 센서는 자기저항 효과를 이용해 자계의 크기를 저항치의 변화로 검출하는 소자이다. 센서의 감도를 크게 하기 위해서는 물질의 이동도가 커야 한다. * 실리콘 반도체의 경우 이동도가 작아 자기저항효과가 매우 작기 때문에 실용적인 소자에 사용될 수 없다. * InSb와 같이 전자의 이동도가 매우 큰 재료가 자기저항 소자로 사용된다. 실제의 출력은 저항변화를 전압변화로 출력하는 경우가 많아, 저항증가를 전압변화로 출력시키기 위해서는 소자의 저항이 커야 한다.

InSb 자기저항 소자 평판전극과 동일한 효과를 얻기 위해서 InSb 박편 속에 침상(needle shaped)의 저저항 NiSb를 석출시켜 만든 것이다. 이러한 NiSb는 전류경로에 대해 단락 바(shorting bar)로써 작용한다. 자계의 세기가 강해지면 강할수록 전류경로는 더 길어지고 저항은 더욱 증가한다.

3.4.2 이방성 자기저항소자 일반적으로 금속은 반도체에 비해 전하 케리어(전자)의 수가 많고, 페르미 면(Fermi surface)에서의 상태밀도(狀態密度)가 높기 때문에 이동도가 매우 작다. 또 자성금속으로 되면 스핀(spin) 산란(散亂)이 추가되어 이동도가 한층 작아진다. 그러므로, 반도체와 같은 홀 각을 실현할 수 없으므로, 로렌쯔 힘을 이용한 자기저항 센서는 불가능하다. 강자성체 특유의 이방성 자기저항 효과(異方性磁氣抵抗效果; anisotropic magnetoresistance effect) 가 있다. 이방성 자기저항 센서 강자성 금속에서 전류와 자화(磁化; magnetization)의 방향이 서로 평행일 때 저항이 최대로 되고, 서로 수직한 경우 최소로 되는 현상이 일어나는데, 이것을 이방성 자기저항 효과(異方性磁氣抵抗效果; anisotropic magnetoresistance effect) 라고 부른다.

5.6 초전도양자간섭계(SQUID) 초전도양자간섭계(超傳導量子干涉計; Superconducting QUatum Interference Device; SQUID)는 초전도체(superconductor)를 절연박막으로 약하게 결합(weak link)시킬 때 관측되는 조셉슨 효과(Josephson effect)와, 초전도체에서의 자속양자화(磁束量子化; magnetic flux quantization)를 이용한 소자로서 양자역학적 측정감도를 갖는 고감도 자기센서이다. SQUID는 현존하는 자기센서 중 가장 높은 감도를 가지며, 심자파(心磁波), 뇌자파(腦磁波)등의 생체자기계측, 미소전압이나 전류의 측정, 자기탐사의 측정 등에 응용된다.

조셉슨 효과(DC Josephson effect) 그림 (a) : 조셉슨 접합(Josephson junction) - 2개의 초전도체를 얇은 절연막으로 분리시킨 구조 그림(b) - 절연박막은 충분히 얇기 때문에 전자(Cooper pair)는 접합을 가로질러 터널링 할 수 있다. 터널할 때 전자(Cooper pair)의 파동함수(wave function)는 위상이 만큼 변한다.

이때 흐르는 전류는 접합의 양측에 있는 초전도체 내의 전자(Cooper pairs)의 파동함수의 위상차 에 의존한다. 조셉슨 접합에 전류 I 를 흘리면 어떤 임계전류(critical current) IC 까지는 접합 사이에 전압이 생기지 않고 전류가 흐르는 것이 가능하다. 이때 흐르는 전류는 접합의 양측에 있는 초전도체 내의 전자(Cooper pairs)의 파동함수의 위상차 에 의존한다. 이것을 DC 조셉슨 효과(DC Josephson effect)라고 부르며, 식으로 나타내면 다음과 같다. : 위상차 : 임계전류(critical current)

그림은 DC 조셉슨 효과를 나타낸다. 임계전류(critical current) 까지는 접합 사이에 전압을 가하지 않아도 초전도 전류가 흐른다. 접합을 통해 흐르는 전류가 이상으로 되면, 전류는 C점에서 B점으로 스위칭하고 곡선 BD를 따라 보통의 터널 전류가 흐른다. 점 B에서 접합에는 전압강하가 일어나고, 전류에 따라 증가한다. 점 O­A 사이의 보통 터널전류는 무시할 수 있을 정도로 작으며, 전압이 를 초과하자마자 급증한다.

초전도체 초전도체는 임계온도 이하에서 전기저항이 완전히 0으로 되어  완전도체의 특성을 가짐.  * 저온초전도체 (Nb) : 금속계 재료로서 액체헬륨으로 냉각.  * 고온초전도체 (YBCO) : 세라믹계 재료로서 액체질소로 냉각.

마이스너효과(Meissner effect) 초전도 현상에는 전기저항이 0으로 되는 것 이외에 초전도체 내부로 자장이 전혀 침투할 수 없는 완전 반자성체의 특성을 가진다.

작은 자석을 초전도체 위로 가져오면, 초전도체의 전기저항이 0 이므로 자석으로부터 발생하는 자계를 배척하기 위해서 물질에는 초전도 전류(supercurrent)가 발생한다. 외부 자계를 상쇄하는 전류는 외부 자석의 극과 동일한 극을 발생시키고, 자석은 반발력에 의해서 뜨게 된다.

초전도양자간섭계(SQUID) SQUID의 분류 * RF­SQUID : 초전도 링에 1개의 조셉슨 접합을 가지며, 20~30 MHz 의 RF 신호로 구동한다 * DC­SQUID : 초전도 링에 2개의 조셉슨 접합을 포함하며, 직류전류 로 구동 - DC­SQUID는 RF­SQUID에 비해 원리적으로 자속 분해능이 높고 고감도이기 때문에, 초전도소자 박막제작기술의 발전에 따라 DC­SQUID의 연구가 활발해지고 있다.

응용 자속계 - DC­SQUID를 이용한 자속계(fluxmeter)의 원리를 나타낸 것이다. - 픽업 코일(Pickup coil)은 측정하고자 하는 자계를 검출하여 입력코일(input coil)을 통해 SQUID에 전달하고, SQUID로부터 앞의 그림과 같은 자계­전압 특성이 얻어진다. - 이것으로부터 그림에 삽입된 것과 같이 자계의 세기에 비례하는 출력전압이 얻어진다.

그림은 자속계에 사용되는 SQUID element와 실린더 모양의 픽업코일이다.

Sumitomo Electric Industries' magnetometer, which includes a high Tc SQUID and its driving electronics.

DC­SQUID는 미약한 자속을 측정할 수 있는 충분한 감도를 가지기 때문에, 심장, 폐, 뇌, 신경 등에서 발생하는 생체자기신호 측정에도 사용된다. 특히 신경자기검사(MEG) 연구가 활발히 진행되고 있다 A SQUID multichannel MEG (Magnetoencephalography) system