제 3 절 자기 센서.

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1 제 3 절 자기 센서

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5 표 2 -53

6 1. 홀센서 홀 전압 금속이나 반도체에 전류를 흘려주고 전류의 수직방향으로 자장을 인가하면 자장에 따라 전위차가 생기는 현상
가. 동작원리 홀 전압 B : 자속밀도(Wb/m3) I : 전류(A), K : 곱감도 RH : 홀상수(m3/C) t : 고체의 두께(m) fH : 형상계수

7 1. 홀 센서 (1) 잔류 전압 V0(불평형 전압) (2) 입출력 저항의 온도 계수 (3) 출력 전압 온도 계수
자계 B = 0, 제어 전류 I = 최대 일때 발생하는 전압 (2) 입출력 저항의 온도 계수 재료에 따라 달라짐 홀소자 내부의 저항 온도 특성에서 온도 계수 =0이 바람직 (3) 출력 전압 온도 계수 제어 전류를 일정하게 한 경우 온도에 따라 홀 전압이 변화하는 비율 적을 수록 좋음

8 1. 홀 센서(cont’d) 그림 2-55

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10 다. 홀 소자의 출력 특성 출력전압 VH 어떤조건하에서도 전류 I와 자속 밀도 B에 비례 자속 변화에 대한 선형적인 출력
그림 2-56

11 라. 홀 소자의 응용 자계의 세기를 전기량으로 변화에 사용 매우 안정화된 반도체 소자 전기적 과도 특성이 우수
전 회로에 이용이 편리 전연 내압이 높다. 인덕턴스가 작아 응답속도 빠르다. 각종 전기 제어 시스템에서 사용

12 그림 2-57 홀 소자의 용도

13 마. 홀 소자 응용 회로 바이어스 연결에 따른 홀 소자 동작
홀 전류(바이어스 전류) 인가 → 사용목적 or 온도 특성에 따라 적절한 회로 구성 a) 외부 저항이 없는 경우 Rin이 작은 경우 I = Eb/ Rin 정전압 구동회로 자기 저항 효과의 영향이 크다

14 b) Rin이 작은 경우 주로 사용 I = Eb/ (Rin + R) VB(동상전압) = ½ Rin ·I 로 (↓)

15 Automotive applications
Window lifter : The Hall sensor detects speed and direction of the driving shaft. Thus, the position of the window is determined and an electronic anti-squeeze is realized. Break light switch: On engaging the brake pedal, a magnet is moved away from the sensor, the HAL 516 switches on and activates the brake lights

16 RPM measurement : On the backside of the differential Hall sensor HAL 320, a strong magnet is located generating a magnetic field which is the same at both Hall plates (back-bias application). The rotating ferromagnetic wheel modulates this field and the HAL 320 responds to differences of the magnetic field at the two Hall plates. Hence, the teeth and windows of the camshaft wheel are detected and control signals for the motor management are generated.

17 Industrial applications
Current measurement : An electric current produces a magnetic field which can be guided by a magnetic yoke to a linear Hall sensor; the output of the sensor is proportional to the electric current. Commutation of brushless DC motors : The Hall sensor detects the position of the magnetic poles of the rotor; depending on the rotor position, the coils are commutated.

18 Flow meter : With this principle of revolution detection, a small magnet resides on a rotating part. After completing each rotation, the sensor switches on. Thus, the quantity of the liquid can be calculated out of the number of revolutions. Sparing one cable is an advantage of this two-wire sensor application and allows the replacement of Reed switches.

19 2. 홀 IC

20 다. 홀 IC 응용 회로 (2) 홀 IC에 의한 모터 ON/OFF 회로 (1) 홀 IC에 의한 LED 점등 회로
자석 접근 → 스위치형 홀 IC가 자계 감지 → 출력 Tr (On) → 발광 다이오드 (On) (2) 홀 IC에 의한 모터 ON/OFF 회로 모터 구동을 위한 PNP 타입의 파워 Tr 부가

21 (3) 홀 IC에 의한 조명 장치 제어 회로 (4) 홀 IC를 센서로 한 모터의 정속 제어 회로

22 3. 자기 저항 소자 표 2-16

23 가. 자기 저항 소자 전류가 흐르고 있는 금속 도체 or 반도체 소자에 자장을 작용 → 저항 증가 고자계에서 거의 직선적 특성
소자 감도 향상를 위해 영구 자석이용 그림 2~68

24 나. 반도체 자기 저항 소자 반도체에 자계를 가했을 때 저항이 증가 원인 물리적 자기저항 효과 자기저항 효과
정상상태에서, 각 전하 캐리어가 받는 로렌쯔 힘은 같지 않으므로, 일부 전하 캐리어는 위로 편향되고, 일부는 아래로 편향 홀 소자를 가로지르는 케리어의 이동경로(path)가 다소 증가하여 저항이 약간 증가 이 효과를 물리적 자기저항 효과 또는 자기저항율 효과라고 부름

25 반도체 자기저항 센서 반도체 자기저항 센서는 자기저항 효과를 이용해 자계의 크기를 저항치의 변화로 검출하는 소자
센서 감도를 크게 하기 위해 물질의 이동도가 (↑) 실리콘 반도체의 경우 이동도가 작아 자기저항효과가 매우 작기 때문에 실용적인 소자에 사용될 수 없음 InSb와 같이 전자의 이동도가 매우 큰 재료가 자기저항 소자로 사용 l/w 비를 작게 자기저항 효과는 소자형상의 영향이 크기 때문에 실용적인 고감도 자기저항 센서에서는 l/w 비를 작게 실제의 출력은 저항변화를 전압변화로 출력하는 경우가 많아, 저항증가를 전압변화로 출력시키기 위해서는 소자의 저항이 (↑)

26 장방형 자기저항 센서 그림 (a)와 같이 장방형의 반도체 박편에 전극을 붙인 구조이다. 장방형 자기저항 효과를 이론적으로 구한 결과 저항변화는 다음의 근사식으로 된다 . 장방형 소자의 경우, l/w 비를 작게 하여 자기저항 효과 R/Ro 를 크게 하더라도 Ro가 작기 때문에 자계에 의한 저항 변화분 △Ro도 크게 되지 않아 출력이 작아진다.

27 평면전극 자기저항소자 자기저항효과도 크고 저항 값도 크게 하기 위해서는, l/w 비가 작은 소자 여러 개를 직렬로 접속한 구조로 하면 좋은 데, 제작상 곤란하므로 비실용적 그림과 같이 다수의 중간전극을 삽입하여, 다수의 센서를 직렬로 하여 고저항화하고 동시에 감도도 증가시키면 높은 센서 출력을 얻을 수 있다. 전극이 평면상에 배치된 구조이므로 자기 저항효과는 다소 떨어지지만 대량 제작이 가능하다.

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

29 다. 강자성 자기 저항 소자 이방성 자기저항소자 이방성 자기저항 효과
강자성 금속에서 전류와 자화의 방향이 서로 평행일 때 저항이 최대로 되고, 서로 수직한 경우 최소로 되는 현상 일반적으로 금속은 반도체에 비해 전하 캐리어(전자)의 수가 많고, 페르미 면에서의 상태밀도가 높기 때문에 이동도가 매우 작음

30 그림 2 -70 또 자성금속으로 되면 스핀(spin) 산란(散亂)이 추가되어 이동도가 한층 작아짐
반도체와 같은 홀 각을 실현할 수 없으므로, 로렌쯔 힘을 이용한 자기저항 센서는 불가능 강자성체 특유의 이방성 자기저항 효과 그림 2 -70

31 강자성체 자기 저항 소자의 특징 포화 자계 이상에서 사용하면 자계의 방향이 검출 출력 레벨이 자계의 강도에 관계없이 안정
금속으로 되어 반도체에 비행 출력의 온도 변화가 적음 동일 기판 상에 여러 개의 센서를 배열 직접화가 용이

32 라. 자기 저항 소자 회로

33 4. 자기 트랜지스터

34 5. SQUID

35 초전도양자간섭계 초전도체를 절연박막으로 약하게 결합시킬 때 관측되는 조셉슨 효과 초전도체에서의 자속양자화를 이용한 소자
양자역학적 측정감도를 갖는 고감도 자기센서 SQUID는 현존하는 자기센서 중 가장 높은 감도 심자파(心磁波), 뇌자파(腦磁波)등의 생체자기계측, 미소전압이나 전류의 측정, 자기탐사의 측정 등에 응용

36 조셉슨 효과(DC Josephson effect)
그림 (a) : 조셉슨 접합(Josephson junction) 2개의 초전도체를 얇은 절연막으로 불리시킨 구조 그림(b) 절연박막은 충분히 얇기 때문에 전자는 접합을 가로질러 터널링 터널할 때 전자의 파동함수는 위상이 θ 만큼 변한다.

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

38 Meissner effect 초전도 현상에는 전기저항이 0으로 되는 것 이외에 초전도체 내부로 자장이 전혀 침투할 수 없는 완전 반자성체의 특성을 갖음

39 작은 자석을 초전도체 위로 가져오면, 초전도체의 전기저항이 0 이므로 자석으로부터 발생하는 자계를 배척하기 위해서 물질에는 초전도 전류가 발생
외부 자계를 상쇄하는 전류는 외부 자석의 극과 동일한 극을 발생시키고, 자석은 반발력에 의해서 뜸

40 자속 양자화(magnetic flux quantum)
초전도 체로 만들어진 링에 자속을 가까이 가져가는 경우 임계온도 이상 → 자속은 링 속으로 침투 온도를 임계온도 이하로 냉각 링은 초전도 상태로 되어 자속은 링 차체 속으로 침투하지 못하고 그림 (b)와 같이 링 중심을 통과 그림 (c)와 같이 자석을 제거하면 중심을 통과하는 자속을 일정하게 유지하려고 초전도 링에는 전류가 흐름 전류는 무한히 흐를 수 있으므로 결과적으로 자속은 링 속에 갇힘 

41 초전도양자간섭계(SQUID) SQUID의 분류
RF­SQUID 초전도 링에 1개의 조셉슨 접합 20~30 MHz의 RF 신호로 구동 DC­SQUID 초전도 링에 2개의 조셉슨 접합을 포 함 직류전류로 구동

42 응용 자속계 DC­SQUID를 이용한 자속계의 원리
픽업 코일은 측정하고자 하는 자계를 검출 → 입력코일)을 통해 SQUID에 전달 → SQUID로부터 앞의 그림과 같은 자계­전압 특성이 얻음 이로부터 그림에 삽입된 것과 같이 자계의 세기에 비례하는 출력전압이 얻어진다.

43 자속계에 사용되는 SQUID element와 실린더 모양의 픽업코일

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

45 DC­SQUID는 미약한 자속을 측정할 수 있는 충분한 감도를 가지기 때문에, 심장, 폐, 뇌, 신경 등에서 발생하는 생체자기신호 측정에도 사용
A SQUID multichannel MEG (Magnetoencephalography) system

46 Schematic diagram of MCG(Magnetocardiography) measurement system

47 6. 광파이버 자기 센서 가. 패러데이 효과 나. 자기 왜형 효과
투명한 매체에 직선편광의 광파를 통과시킬 때 그 이동 방향으로 평향한 자계를 인가하면 광파의 편파면이 회전하는 자기 광학 효과 나. 자기 왜형 효과 자성체에 자계 인가 → 자계의 크기에 따라 자성체가 신축하는 현상 자성체 막 + 광파이버 외피 =>> 광파이버 자계에 따른 자성체막의 변형에 따라 축 방향 신축 발생 광파이버를 통과하는 빛의 위상 변화 자기 왜형 효과 광파이버 자기 센서 특징 높은 절연, 고속 응답성, 무유도성, 소형, 경량