Transcript Chapter 04-2 자기센서

내용
4.1 자기센서의 기초
4.2 자성재료의 기초
4.3 홀 센서
4.4 자기저항소자
4.5 자속 게이트
4.6 초전도 양자간섭계(SQUID)
제 4 장 자기센서
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4.4 자기저항 소자
 자기저항소자란?
• 자기저항소자(磁氣抵抗素子;magnetoresistor;약해서 MR 소자로 부른다)는 2단자
소자로서, 자계에 의해 물질의 저항이 변화하는 현상인 자기저항 효과(磁氣抵抗效
果;magnetoresistance effect)를 이용하는 자기센서이다.
• 자기저항소자는 사용재료에 따라 반도체 자기저항 소자(semiconductor
magnetoresistor)와 자성체 자기저항 소자(ferromagnetic magnetoresistor)로 분류
한다.
-
반도체 자기저항 소자(semiconductor magnetoresistor)
-
자성체 자기저항 소자(ferromagnetic magnetoresistor)
> 이방성 자기저항(AMR) 소자
> 거대 자기저항(GMR) 소자
제 4 장 자기센서
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자기저항소자
 반도체 자기저항효과
• 그림 (a)와 같이 길이 l, 폭 w인 장방형 반도체 시료의 양끝에 금속전극을 설치하고, 전류 I가
•
•
•
•
흐르는 경우, 전극간의 전기저항은 저항률과 전류분포형태에 의해서 결정된다.
일반적으로 전류분포는 소자의 형상과 경계조건에 의해서 정해지는데, 자계가 없을 때는 그
림 (a)와 같이 전류는 전계와 동일 방향인 직선 경로를 따라 흐른다.
이 상태에서 자계 B를 가하면 자계 세기에 비례하는 로렌쯔 힘(Lorentz force) 이 작용하여
전류가 흐르는 경로는 그림 (b)와 같이 전계 방향과 θ만큼 달라진다.
이와 같이 자계를 가하면 전하 케리어의 편향에 기인해서 전극사이의 전류경로(current path)
는 더 길어지고 더 좁아지므로 저항은 증가한다.
반도체의 저항 변화는 다음 식으로 주어진다.
𝑅 = 𝑅𝑜 (1 + 𝑚𝜇2 𝐵2 )
𝑚: 시료의 𝑙 𝑤 에 의존하는 형상인자(𝑔𝑒𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟)
제 4 장 자기센서
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자기저항소자
• 자계에 의해서 변화된 전류분포는 전극 부근에서만 일어나므로, 소자길이 l과 폭
w의 비(l/w)를 작게 하면 저항 변화율(R/Ro)이 증가한다.
• 즉 소자의 형상에 의해서 저항변화의 비율이 영향을 받게 된다.
• 이것을 형상 자기저항 효과(geometrical magnetoresistance effect) 또는 간단히
형상효과라고 한다.
• 형상 자기저항 효과에서도 이동도가 매우 중요한 역할을 한다. 그러므로 실리콘
의 경우 이동도가 작아(전자의 이동도 : ~1600 cm²/Vs) 자기저항효과도 매우 작
기 때문에 실용적인 소자에 사용될 수 없다.
• 그래서 현재 InSb(～70,000cm²/Vs)와 같이 전자의 이동도가 매우 큰 재료가 자기
저항 소자로 사용된다.
𝑅 = 𝑅𝑜 (1 + 𝑚𝜇2 𝐵2 )
제 4 장 자기센서
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자기저항소자
 반도체 자기저항 센서
• 반도체 자기저항 센서의 감도를 크게 하기 위해서는, 식 (4.16)에 따라 물질의 이
동도가 커야 할 뿐만 아니라, 자기저항 효과는 소자형상의 영향이 크기 때문에
실용적인 고감도 자기저항 센서에서는 l/w을 작게 하여야 한다.
• 그러나 실제의 출력은 저항변화 ΔR(=R-Ro)를 전압변화 ΔV(=ΔR×I)로 출력하는
경우가 많아, 저항증가를 전압변화로 출력시키기 위해서는 소자의 저항이 커야
한다.
𝑅 = 𝑅𝑜 (1 + 𝑚𝜇2 𝐵2 )
제 4 장 자기센서
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자기저항소자
 반도체 자기저항 센서
• 그림 (a) :
장방형에서는 폭 w를 길이 l보다 크게 하여야 한다. 그러나 장방형 소자의 경우, l/w를 작게
하여 자기저항 효과 R/Ro 를 크게 하더라도 Ro 자체가 작기 때문에 자계에 의한 저항 변화
분 ΔR도 크게 되지 않아 출력이 작아진다.
자기저항효과도 크고 저항 값도 크게 하기 위해서는, l/w이 작은 소자 여러 개를 직렬로 접
속한 구조로 하면 좋은 데 제작상 곤란하므로 비실용적이다.
• 그림 (b) :
다수의 중간전극을 삽입하여, 다수의 센서를 직렬로 하여 고저항화 하고 동시에 감도도 증가
시키면 높은 센서 출력을 얻을 수 있다.
또한 전극이 평면상에 배치된 구조로 되므로 자기 저항효과는 다소 떨어지지만 다량 제작이
가능하다.
제 4 장 자기센서
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자기저항소자
 반도체 자기저항 센서의 특성
• 그림 4.26은 InSb로 만든 MR소자의 저항자계 특성임
• 약한 자계에서, 저항은 비선형적으로 증가하여 감도가 낮음
• 높은 자계에서, 저항은 직선적으로 변하며, 더 높은 자계에서도 포화되지 않는다.
• MR 소자는 InSb 박편에 수직한 자계 성분에만 감도를 가지며, 자계가 (+)인지 (-)
인지를 극성을 구분하지 못한다.
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자기저항소자
• 반도체 MR소자의 온도특성
- 그림 (a) : 반도체 MR 소자의 저항은 큰 온도계수를 가지는데, 이것은 케리어
이동도의 온도 의존성에 기인한다. 온도계수는 약 -2%/℃이다.
- 그림 (b): MR 소자의 출력전압은 케리어 이동도-온도 특성에 의존한다. 출력
전압의 온도계수는 약 -0.4%/℃이다. 100%는 25℃에서 저항에 대응한다.
제 4 장 자기센서
자기저항소자
 반도체 자기저항 센서의 특징
• 장점 :
① 동적 범위가 넓다. (정적상태에서 MHz 영역까지 검출가능)
② 출력이 높고, 높은 자계에서 조차 포화되지 않는다.
③ 환경에 대한 저항력이 우수하다.
• 단점 :
① 약자계에 대해서 감도가 낮다.
② 온도 의존성이 크다.
③ 자계의 부호를 구분하지 못한다.
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제 4 장 자기센서
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이방성 자기저항(AMR) 소자
 이방성 자기저항 효과
• 보통 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) 라 함
• 그림 (a): 퍼말로이(permalloy) 강자성 박막를 기판에 증착과정 동안, 강자성 박막의 길이방향
에 평행하게, 즉 강자성 박막의 자화 용이축(easy axis)으로 강한 자계를 인가하면, 증착이 완료
된 후 퍼말로이 박막은 길이방향으로 자화되어 자화벡터(자화의 세기) M을 갖는다.
• 그림 (b): 자화벡터 M의 방향과 평행하게 전류 I를 흐르게 한 후,
• 그림 (c): 외부로부터 피측정 자계 Hy를 박막 길이방향에 수직하게(y축 방향) 인가하면, 그림과
같이 박막의 내부 자화벡터 M은 x-축으로부터 각 만큼 회전한다.
제 4 장 자기센서
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이방성 자기저항(AMR) 소자
• 자화 벡터가 회전하면, 박막의 저항은 각 θ, 즉 피측정 자계의 세기에 의존한다. 이것을 이방성
자기저항효과(anisotropic magnetoresitive effect)라고 부른다.
• 강자성 박막의 저항은 전류 I와 자화 벡터 M사이의 각 θ에 따라 그림 4.29와 같이 변한다. 이
저항 변화를 식으로 나타내면
𝑅 𝜃 = 𝑅𝑜 + ∆𝑅 cos2 𝜃
𝑅𝑜 : 𝑀과 𝐼가 수직일때 저항
∶ 𝐻𝑦 = 𝐻𝑜 일때 저항
𝐻𝑜 : 𝑀이 𝐼로부터 90𝑜 회전하는데
필요한 외부자계(포화자계)
제 4 장 자기센서
이방성 자기저항(AMR) 소자
• 그림에서
- M의 방향이 I와 평행일 때 박막의 저항 변화는 최대
𝜃 = 0 일때
𝑅 = 𝑅𝑚𝑎𝑥
- M이 I와 서로 수직일 때 최소
𝜃 = 90𝑜 일때
𝑅 = 𝑅𝑚𝑖𝑛 = 𝑅𝑜
- 자기저항변화는 각 축에 관해 대칭적이며,
θ=45°를 전후로 하여 직선영역(linear
region)이 존재함을 알 수 있다. 그래서
모든 센서는 이 직선영역을 이용한다.
𝑅 𝐻𝑦 = 𝑅𝑜 +
𝐻𝑦
∆𝑅
± ∆𝑅
2
𝐻𝑜
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제 4 장 자기센서
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이방성 자기저항(AMR) 소자
 AMR 센서
• 대부분의 AMR 센서는 실리콘 기판상에 퍼말로이(NiFe) 박막을 증착한 후, 이것을
저항 스트립으로 패터닝하여 만들어진다.
• 이 박막은 자계 내에서 약 2～3%의 저항 변화를 일으킨다.
• 미소자계를 측정하기 위해서는 AMR센서의 직선성이 요구되는 데, 앞에서 설명한
바와 같이 θ=45 °일 때 저항과 자계가 직선관계로 된다.
• 바버 폴 바이어스(barber pole biasing) :
- 그림은 AMR 박막에서 전류가 45° 각도로
흐르도록 하는 한 방법
- 센서 축과 45°로 알루미늄(Al)을 그림과
같이 증착하면, Al의 저항은 퍼말로이 보다
작으므로 단락 바(shorting bar)로 작용
- 전류는 박막을 통해서 가장 짧은 경로를
선택해 흐르기 때문에 하나의 단락 바에서
다른 단락 바를 향해 45° 각도로 흐르게
되므로 전류와 자화방향이 45°로 된다.
바버 폴을 가진 AMR 센서
제 4 장 자기센서
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이방성 자기저항(AMR) 소자
• 바버 폴 바이어스(barber pole biasing) :
- 바버 폴을 사용해 전류를 45° 만큼 편향시키면, 바버 폴이 없을 때(a)에 비
해서 AMR 센서는 직선화(b)된다.
제 4 장 자기센서
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이방성 자기저항(AMR) 소자
• AMR 센서의 구성
-
AMR 소자를 센서로 사용할 때는 저항 스트립 2개를 사용해 전위차계(potentiometer)를
결선하던가 또는 4개 사용하여 휘트스토운 브리지(Wheatstone bridge)를 구성한다.
-
4개의 AMR 소자로 구성된 휘트스토운 브리지 AMR 센서
> 두 소자의 바버 폴 방향은 +45°이고, 다른 두 소자의 방향은 -45° 이다.
> 이와 같은 구성은 센서의 온도 드리프트를 감소시키고, 센서의 감도를 증가시킨다.
제 4 장 자기센서
이방성 자기저항(AMR) 소자
- 센서에 외부자계가 인가되면,
> 브리지 두 변의 저항은 증가하고,
> 다른 두 변의 저항은 감소하여 그림 (c)와 같은 출력이 발생한다.
> 이것으로부터 단일 축으로 향하는 자계의 크기와 방향을 측정할 수 있다.
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제 4 장 자기센서
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거대 자기저항소자(GMR)
GMR 현상
• 그림과 같이 두 개의 강자성 박막(强磁性薄膜)이 비자성(非磁性) 금속박막에 의해서
분리되어 있는 다층박막구조(multilayer)에서 약 70%의 자기저항 변화가 일어나는
것이 관측되었다.
• 이것은 AMR 센서의 자기저항 변화가 수 %에 불과한 점에 비추어 정말로 거대한 자
기저항(giant magnetoresistance; GMR)이였다.
GMR effect discovered in 1988
Peter Gruenberg(Germany) Albert Fert(France)
Nobel Prize Physics 2007
제 4 장 자기센서
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거대 자기저항소자(GMR)
• GMR 현상은 스핀 의존성 산란(spin-dependent scattering)에 기인한다. 두 강자성
박막의 저항은 자성 박막내의 자기 모멘트가 평행인가 또는 반평행(反平行)인가에
따라 변화한다.
- 그림 (b) : 두 자성박막이 평행한 자기 모멘트를 가질 때는 스핀 업(spin up) 상태인 전자들은 경
계(interface)에서 산란 없이 통과할 수 있어 전자산란(電子散亂; electron scattering)
이 덜 일어나 전자의 평균자유행정(平均自由行程; mean free path)이 더 길어지므
로 저항도 작아진다.
- 그림 (b) : 두 자성박막이 반평행 자
기 모멘트를 가지면, 경계
면에서 모든 전자들이 산
란되기 때문에 전자의 평
균자유행정이 짧아지고
따라서 저항도 증가한다.
Spin
up
Spin
down
제 4 장 자기센서
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거대 자기저항소자(GMR)
• 즉, 두 자성체 박막의 자기 모멘트가 평행이면 전자 산란이 최소로 되어 저항도 최소로 되고, 반
평행이면 전자 산란이 최대가 되어 저항도 최대로 된다.
• 이와 같이 자성 도체에서 전자의 평균자유행정(즉 자성도체의 저항)이 전도전자스핀(conduction
electron spin)과 자성물질의 자기 모멘트의 상대적 방향에 의해서 변화하는 양자역학적 현상을
스핀 의존성 산란(spindependent scattering)이라고 부른다.
• 총 저항에서 스핀 의존성 산란이 차지하는 비중이 중요하게 되기 위해서는 박막의 두께가 벌크
(bulk)에서의 전자의 평균자유행정보다 더 얇아야 한다. 강자성체(ferromagnet)에서 평균자유행
정은 수 십 nm 이다. 따라서 각 박막의 두께는 10 nm(100Å) 이하이어야 한다.
Spin
up
Spin
down
제 4 장 자기센서
거대 자기저항소자(GMR)
• GMR의 저항-자계 특성 예:
- 비자성 금속박막의 두께가 1.5～2.0 nm, 폭이 2 mm
인 GMR 소자의 저항인가 자계 특성의 일례를 나타낸
다.
- 시판되고 있는 AMR 센서의 저항 변화가 3% 이하인
것에 비해 상용화된 GMR 센서의 저항 변화는 10～
20%으로 매우 크다.
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제 4 장 자기센서
거대 자기저항소자(GMR)
 GMR 센서의 구조와 동작
• 그림 (a)는 GMR 자계 센서의 실제 사진을 보여
준다.
• 일반적으로 GMR 센서는 4개의 GMR 저항을
휘트스토운 브리지로 접속한다.
• AMR 센서에서는 브리지의 각 변을 바버 폴
구조로 하여 마주보는 변의 외부자계에 대한
감도를 달리하였다.
• 그러나 GMR 센서에서는 그와 같은 수단을
사용할 수가 없기 때문에 이를 위해서
집자속체(集磁束體; flux concentrator)를
이용한다.
• 집자속체는 퍼말로이(permalloy)로 만들어
진다.
220
제 4 장 자기센서
거대 자기저항소자(GMR)
 GMR 센서의 구조와 동작
• 그림 (b)의 등가회로에서, 센서로 사용되는 두 개
의 GMR 저항(R1,R4)는 외부 자계에 노출되고, 나
머지 두 개의 GMR 저항(기준저항)(R2,R3)는 외부
자계로부터 차폐된다.
• 센서 GMR 저항은 두 집자속체 사이에 위치하며,
이 들 저항은 외부에서 인가된 자계보다 더 강한
자계를 받는다. 이 자계의 세기는 집자속체의 길
이(D2)와 간극 D1에 의해서 결정된다.
• GMR 브리지 센서의 감도는 D1과 D2를 변화시켜
조정할 수 있다.
221
제 4 장 자기센서
222
거대 자기저항소자(GMR)
 GMR 센서의 특성
• 그림 4.36는 시판되고 있는 GMR 센서들의 출력전압 특성을 나타낸 것이다. 자계에 대한 감도
는 각 곡선의 기울기로부터 얻어지며, 표 4.4에 주어진다.
제 4 장 자기센서
거대 자기저항소자(GMR)
 GMR 응용
• GMR 센서는 전통적인 다른 MR 센서, 홀 센서와 유사한 응용분야를 갖는다
- 위치검출(Position detection)
- 변위검출(Displacement detection)
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제 4 장 자기센서
거대 자기저항소자(GMR)
- GMR head
http://www.research.ibm.com/research/demos/gmr/index.html
http://www.research.ibm.com/research/demos/gmr/cyberdemo3.htm
224
제 4 장 자기센서
홀, AMR, GMR 센서의 특성 비교
225
제 4 장 자기센서
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4.5 자속 계이트
 자속게이트의 기본 구조와 원리
• 자속게이트(fluxgate)는 상온에서 동작하는 자기센서 중 가장 감도가 높은 센서이다.
• 자속게이트는 강자성 철심(ferromagnetic core)의 비선형 특성을 이용한다.
• 자속게이트는 100 pT의 분해능으로 1mT까지 자계의 측정이 가능하다.
• 구성:
일반적으로
- 강자성체 코어,
- 여자코일(excitation coil) 또는 구동 코일(drive coil),
- 픽업 코일(pick-up coil)
그림 4.37 기본적인 자속게이트 센서
제 4 장 자기센서
227
자속 계이트
• 외부 자계가 없을 때
(a) 코어 내부의 자속 :
- 단지 구동코일에 의해서 만들어진 자계에만 의존한다.
- 코어는 대부분의 시간을 (+)와 (-) 포화상태에 머무른다.
- 자화는 대칭적이고, 단지 여자 주파수의 짝수 고조파만
이 코어 자속 파형에 존재한다.
구동코일
픽업 코일
(b) 픽업 코일에 유기되는 전압
- (+)포화상태와 (-) 포화상태 사이에서만 자속이 변하므로, 이 구간에서 픽업 코일에 전압이
유기될 것이다.
코어내부자속
픽업코일에 유기되는
전압
제 4 장 자기센서
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자속 계이트
• 외부 자계 Bo가 인가된 경우
(c) 코어 내부의 자속 :
- 만일 외부자계 Bo의 성분이 코어 축을 따라 존재한다면,
(+) 또는 (-) 포화상태 중 하나의 상태에서 보내는 시간
이 증가한다.
구동코일
픽업 코일
- 그림의 경우는 (+)포화상태에서 있는 시간이 증가하고,
(-)포화상태에 있는 시간이 감소하였다.
- 이와 같이 외부 자속이 존재하면 자화의 비대칭이 발생하고, 이것은 일반적으로 검출 코일
에 유기된 전압에서 제2고조파로 검출된다.
(d) 픽업 코일에 유기되는 전압
- (+),(-)포화자속 사이의 자속이 변하는 구간이 이동하였으므로, 픽업코일에 유기되는
전압도 이동하게(shift) 된다. 이 이동을 검출한 후, 이동의 크기로부터 외부자속 밀도
가 결정된다.
코어내부자속
픽업코일에 유기되는
전압
제 4 장 자기센서
229
자속 계이트
 자속게이트의 코어 종류
• 앞에서 설명한 기본적인 단일-코어 구조의 주요 단점은, 센서가 변압기로 작용하기 때문에
여자 주파수에서 센서 출력에 큰 신호가 나타나는 점이다.
• 그래서 단일 코어 구조는 간단한 센서에서만 사용하고, 정밀한 자속게이트는 보통 다음에
서 설명하는 이중 코어(double core)가 사용된다.
• 이중 로드 센서(double-rod sensor)
-
센서 코어는 두 개의 강자성 로드로 만들어진다.
-
픽업코일 내부에 추가된 코어에는 첫 번째 여자 코일과 반대방향으로 여자 코일을 감는다.
두 코일을 동일한 전류원에 의해서 구동하기 위해서 직렬로 접속된다.
-
두 코일이 반대방향으로 감겨있으므로 코어에 발생하는 자계도 반대로 된다
제 4 장 자기센서
230
자속 계이트
(a) 외부 자계가 없는 경우,
- 반대 코어의 자속은 서로 정확히 상쇄되어 어떠한 전압도 픽업 코일에 유기되지 않는다.
이중 로드 센서(double-rod sensor)(계속)
제 4 장 자기센서
231
자속 계이트
(b) 외부 자계 인가시
- 각 코어에서 자속 변화의 위치가 상대적으로
이동하므로 픽업 코일에 신호가 발생한다.
- 이 신호는 여자 주파수의 제2고조파(second
harmonic)에 의해서 지배될 것이며, 그리고
고차 우수 고조파(higher even harmonics)를
포함하게 될 것이다.
이중 로드 센서(double-rod sensor)(계속)
제 4 장 자기센서
232
자속 계이트
• 링 코어 센서(ring core sensor)
- 여자 코일(구동권선)은 링 모양의 코어에 환상으로 감겨있다.
- 코어의 직경은 측정하고자 하는 자계 Bo의 방향을 향하도록 위치시킨다.
- 링 코어는 보통 연자성체(soft magnetic materials) 테이프를 여러 번 감아서 만든다.
- 센싱 코일은 그 축이 측정자계에 평행한 단순한 솔레노이드(solenoid)이다.
- 링 코어는 이 센싱 솔레노이드 코일의 중심에 위치한다.
- 링 코어의 반쪽에서 여자코일 전류에 기인하는 자계는 외부자계 에 평행하고, 다른 반쪽에
서 여자자계는 외부자계에 반평행하다.
제 4 장 자기센서
233
자속 계이트
- 동작원리
(a) 구동 전압 파형
(b) 외부 자계가 없을 때
- 외부자계가 없을 때 각 반 코어 (half core)에 의
해서 발생되는 자속
- 두 반 코어는 동시에 포화상태에 들어갔다가 동
시에 나온다.
- 발생된 자계는 정확히 서로 상쇄되고, 센싱 권
선에는 자속의 순 변화(net change)가 없다.
- 그러므로 전압이 유기되지 않는다.
(c) 외부 자계가 인가되었을 때
- 첫 번째 천이(transition)에서, 외부자계와 반대방향으
로 자속을 발생시키는 반 코어는 포화상태로부터 더
코어에
빨리 빠져 나온다.(연두색)
- 그리고 같은 방향으로 자계를 발생시키는 반 코어는
더 늦게 포화상태를 빠져 나온다.
- 이 시간 동안, 자계는 상쇄되지 않고, 센싱 권선의
자속에 순 변화(net change)가 존재하게 된다.(검정색)
(d) 센싱 권선에 유기되는 전압
- 패러데이의 법칙에 따라, 자속의 순 변화는 전압을 유
기한다.
- 유사하게, 천이상태(transition)의 끝에서, 외부자계와
동일한 방향으로 자계를 발생시키는 반 코일은 더 빨
리 포화상태로 들어간다. 그 결과 구동전압의 각 천이
상태에 대해서 두 개의 전압 스파이크가 발생하고, 유
기된 전압의 주파수는 구동 주파수의 2배로이다.
총자속
제 4 장 자기센서
자속 계이트
• 외부자계의 측정
- 센싱권선에 유기된 전압 스파이크의 크기와 위상으로
부터 외부자계의 크기와 방향을 결정할 수 있다.
- 이 신호의 검출을 더 쉽게 하도록 하기 위해서 신호의
증폭을 돕기 위해서 자속게이트 자속계는 커패시터를
사용해 센싱 권선을 동조시킨다.
- 동조된 센서 파형은 그림에서 적색으로 보여진다.
234
제 4 장 자기센서
235
자속 계이트
 자속게이트 자기력계의 원리
• 자속 게이트 자기력계 (磁氣力計,magnetometer)에서 가장 자주 사용되는 원리는 출력전압의
제2 고조파(second harmonic detection)를 검출하는 방식이며, 이를 제2고조파 자속게이트
자기력계(second-harmonic fluxgate magnetometer)라고 부른다.
• 링 코어를 사용한 피드백형 자속게이트 자기력계의 구성도를 나타낸 것이다. 코어 주위에 여
자 코일을 감고, 그 위에 검출 코일을 감는다.
• 발진기(GNE)는 여자 주파수 f와 제2고조파 2f를 발생시킨다. 통상의 여자 주파수는 퍼말로이
코어 사용시 400[Hz]～100[kHz] 사이이다.
검출 코일(센싱권선)
발진기
여자 코일
제 4 장 자기센서
236
자속 계이트
• 제2고조파는 센서 출력신호를 처리하기 위해 사용되는 PSD(phase-sensitive detector)를 제
어한다.
• PSD는 출력전압을 복조해서 직류 또는 거의 0주파수의 전압으로 만든다.
• 증폭 후, 피드백 루프는 닫힌다(closed).
• 픽업 코일은 또한 피드백을 위해서 사용된다.
• 자기력계의 출력 Vout 는 자동 증폭기(DA)를 사용해서 피드백 전류로부터 얻어진다.
• 적분기는 큰 피드백 이득을 준다.
검출 코일
발진기
여자 코일
제 4 장 자기센서
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자속 계이트
• 피드백 전류는 차동 증폭기에 의해서 저항에서 검출되고 자기력계 출력으로 사용된다.
• 적분기는 충분한 피드백 이득을 주어, 직선성과 이득 안정성이 피드백 코일의 특성에 의해서
주어지도록 한다.
• 그 결과 직선성 오차는 수 ppm만큼 낮아진다.
• 대표적인 감도의 온도계수는 30[ppm/K]이고, 그러나 정밀한 자기력계는 1[ppm/K]의 감도가
얻어진다.
검출 코일
발진기
여자 코일
제 4 장 자기센서
238
자속 계이트
• 상용화된 자속게이트 자기력계의 주 문제점은 온도와 시간에 따른 오프셋(offset)의 안정도이
다.
• 대표적인 값은 0.2[nT/K]와 1[nT/day] 이다.
• 그러나 넓은 온도 범위에 걸쳐 1[nT]의 장기 안정성을 갖는 것도 있다.
검출 코일
발진기
여자 코일
제 4 장 자기센서
239
자속 계이트
• 장점
① 여자 자계에 대한 자기회로가 닫혀있어 필요한 여자전력이 작다.
② 검출 코일 관점에서 보면, 두 개의 반 코어(half core)가 반대 방향으로 여자되어, 외부자계가
없을 때 총 순자속은 0에 가깝다.
③ 대칭적 구조는 코어-대-검출코일을 회전시켜 코어의 불완전성의 영향이 최소화 되는 위치를
발견할 수 있다.
검출 코일
발진기
여자 코일