자기센서 - 홀센서 (Hall Sensor) : Hall effect - 반도체자기저항소자 (MR: Magnetoresistor) : magnetoresistance effect 3-2

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보규 정
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1 3 장자기센서

2 자기센서 - 홀센서 (Hall Sensor) : Hall effect - 반도체자기저항소자 (MR: Magnetoresistor) : magnetoresistance effect 3-2

3 자성의근원 3.1 자성재료의기초 자계의원천 년 Hans Christian Oersted 는전류가흐르는도선주위에자석 (magnet) 또는나침반 (compass needle) 을놓으면, 이것에힘이작용한다는사실을발견하였다. - 이와같이자기력이작용하는공간을자계 ( 磁界 ;magnetic field) 라고부른다 - 도선에흐르는전류에의한자계는그림에나타낸것과같이도선주위를둘러싸는폐회로를형성함을알수있다 자계는전류에의해서발생한다. 3-3

4 자성체의자기적성질 - 전자의궤도운동에수반되는궤도자기모멘트 (orbital magnetic moment) - 전자의스핀 (spin) 에수반되는스핀자기모멘트 (spin magnetic moment) 3-4

5 - 각원자에대해이들자기모멘트의효과를하나로나타나면그림과같이전류 I 가흐르는미소한원형전류루프 (current loop) 로생각할수있는데, 이때원자의등가자기모멘트는다음과같이쓸수있다. m m = I ds - 이자기모멘트의배열상태에따라여러종류의자성체가된다. 3-5

6 자화 ( 磁化 ; magnitization) - 자성체를결정의크기에서보면, 그림 (a) 와같이방향은재료전체에대해서동일하지않고, 자기모멘트가한방향으로정렬되어있는영역들이존재하는데, 이와같은영역을자구 ( 磁區 ; magnetic domain) 라고부르며약 ~10 16 개의원자를포함하고있다. 자구와자구의경계를자벽 ( 磁壁 ; domain wall) 이라한다. - 외부자계가인가되면각자벽이이동하고 ( 그림 b) 자구는자계방향으로회전하여정렬한다. 그림 c 는자화된자석을나타낸다. 3-6

7 자성체의종류 자성체내부에서자기모멘트의배열상태에따라분류 강자성체 ( 强磁性體 ; ferromagnetic material) - 원자의자기모멘트는한방향으로배열한다. - ( 예 ) 니켈 (Ni), 철 (Fe), 코발트 (Co) 등 페리자성체 (ferrimagnetic material) - 크기와방향이다른자기모멘트의차이로같은자성이발생한다 - ( 예 ) 페라이트 (ferrite; Fe3O4). 상자성체 ( 常磁性體 ; paramagnetic material) - 자기모멘트간의상호작용이없고그방향이무질서하여평균자기모멘트가 0 으로된다. ( 예 ) 공기 3-7

8 자성체의온도영향 - 온도가상승함에따라자성체내부의자기모멘트배열이점점흐트러져어떤온도에서실제로무질서하게되어자성이상실된다. - 이온도를큐리온도 (Curie temperature) 라고부른다. 보통큐리온도는실온보다아주높은영역에있다. Fe (770 ), Co (1127 ), Ni (358 ) 3-8

9 3-9

10 3.2 자기센서의분류 자기센서를분류하는방식에는여러가지가있으나, 검출범위에따라분류하면그림과같다. 약자계센서 (low field sensor) - 1[ mg]( 마이크로가우스 ) 이하를검출하는센서 - 주로의용 생체자기계측이나군용으로사용된다. - ( 예 ) : SQUID, 탐색코일 (search coil) 등 중자계센서 (medium field sensor) - 1[mG]~10[G] 범위의자계를검출하며, 지자기 ( 地磁氣 ) 센서 (Earth's field sensor) 라고도부른다. - ( 예 ) 자속게이트 (fluxgate), 자기유도 (magnetoinductive; MI) 센서, 이방성자기저항 (AMR : Anisotropic MagnetoResistive) 센서등이있다. 3-10

11 강자계센서 - 10[G] 이상의자계를검출한다. - 대부분의산업체에서는검출자계원으로영구자석을사용한다. 영구자석은센서에근접해있는강자성체를자화 ( 磁化 ) 시키던가또는바이어스 (bias) 시킨다. 그래서이동작범위의센서를바이어스자계센서 (bias field sensor) 라고도부른다. - ( 예 ) 리드스위치 (reed switch), InSb 자기저항 (MR: MagnetoResistive) 센서, 홀 (Hall) 소자, 거대자기저항 (GMR : Giant MagnetoResistive) 센서등이속한다. 3-11

12 자기센서의분류 3-12

13 힘 F 의방향 자계 B 의방향 힘 F 회전력 (Torque) F = Bli[N] B : 자속밀도 [Wb/m 2 ] l : 도체길이 [m] i : 도체전류 [A] N 자계 B l S T = k f i e T f a kt : 토크상수 [Nm/Wb/A] 전류 I 의방향 전류 I Φf : 계자자속 ia : 도체전류 [A] 도체에발생되는힘 유기전력 (Electro-Motive Force, EMF) 자계 B 의방향 운동 V 의방향 e = Blv[V ] 유기기전력 E 운동 V e = a k e v : 도체가움직이는속도 [m/s] f w f m ke : 역기전력상수 [Vs/rad/Wb] 유기기전력 E 의방향 N 자계 B l S wm : 각속도 [rad/s] 13 도체에발생하는유기기전력 3-13

14 3.3 홀센서 (Hall effect sensor) 홀효과 (Hall effect) - 전류 I x 가흐르고있는충분히긴장방형반도체시료에수직으로자계 B z 를가하면, (-) 전하인전자에는우측으로자기력 F m 이작용하여 side A 로이동한다. 이에대응해서 side B 에는 (+) 전하가유기된다. - 따라서, side A, B 사이에는전압 V H 가발생한다. 3-14

15 - 전류밀도와전류 : J -nqv = nqm E, - 자기력과전기력의균형 : - 홀전계 : - 홀계수 ( Hall constant) : qv B = x z E H = vxbz = - = - 홀전압 (Hall voltage) : x = x n x I x = twnqm nex x z J B nq qe R 1 R H = - nq H H J x B z V H = = = we R R H H H = R H J xwtb t I xbz t z J x wb z 3-15

16 - 지금까지전자에대해서설명하였으나, 정공 (hole) 에대해서도전하의극성만다를뿐유도과정은동일하다. 정공에대한홀계수는다음식으로된다. 1 R H = pq E - 홀각 (Hall angle) : 와사이의편향각 (deflection angle) tan E H q = = mn Ex t E B x z 3-16

17 - 홀센서재료 InSb : high sensitivity GaAs : high stability 3-17

18 홀센서의구조와동작원리 - 홀전압식은그림 (a) 와같이무한히긴홀소자에대한이상적인홀전압이다. 실제의홀센서는그림 (b), (c) 에나타낸것처럼유한의크기를가지므로홀전압은식 (3.6) 으로주어지는값보다작아진다. 이것은전극접촉부 (electrode contact) 가전류의유선 (current line) 을왜곡시키기때문에발생한다 ( 자기저항효과에서설명한다 ). 3-18

19 - 형상계수 ( 形狀係數 ; geometry factor) : f H V = R H H I x B t z f H q - 형상보정계수 f H 는 l/w 와의함수이며, l/w >>3 의범위에서는거의 1 과같다. 그러므로, 홀소자의길이은폭보다 3 배이상커야한다. - 완전히다른기하학적구조의홀소자라도형상계수 f H 의값을동일하게설계할수있으며, 기술적인관점에서이것은매우중요하다. - 큰홀전압을얻으려면홀계수와이동도가크고두께가얇은반도체박편이어야한다. V H = = = we R R H H H = R H J xwtb t I xbz t z J x wb z 3-19

20 - 그림 (b) 에서, s/l<0.1 이되는장방형박편 ( 薄片 ) 을제작하는것은쉽지않다. 그러나, 제작하기가훨씬더용이한그림 (c) 의십자형구조로부터동일한형상계수값을얻을수있기때문에실용의홀센서는십자형 (crossshaped) 구조로되어있으며, 홀전극의단락효과를억제하고, 또한외부회로의임피던스에정합된내부저항을갖도록설계된다 3-20

21 - 동작그림 (a) : 외부자계가없으면홀전압이발생하지않는다. 그림 (b) : 소자에수직하게외부자계를인가하면, 홀효과에의해서자계에비례하는홀전압이발생한다. 3-21

22 기본구동회로 - 홀센서용도에따라소자전류를공급하는방식을결정해야한다. - 홀센서의대표적인구동방식 * 정전류구동 * 정전압구동 3-22

23 정전류구동 - 출력식 V H = R t H IB - 정전류구동방식의특징 자계직선성우수하다. 자속밀도가커지면소자저항이증가하지만 ( 자기저항효과 ), 소자전류가소자저항에관계없이일정하므로직선성은나빠지지않는다. 홀전압의온도의존성은 R H 의온도의존성에비례한다.(InSb 홀센서 ) 소자전류가일정하므로홀전압의온도변화는작다 (GaAs 와 Ge 홀센서 ). 인가전압이소자저항의온도변화에따라변화하므로불평형전압의온도변화가크다. 회로가복잡해진다. 3-23

24 정전압구동 - 출력식 V = H m n w l V s B - 정전압구동방식의특징 직선성이나쁘다. 자속밀도가증가하면자기저항효과에의해저항치가증가하여소자전류가작아지기때문에홀전압이변화한다. 홀전압의온도의존성은이동도의온도의존성과유사하다.(InSb 홀센서 ) 소자전류가소자저항에의해서결정되므로홀전압의온도변화가크다. (GaAs 와 Ge 홀센서 ). 인가전압이일정하므로불평형전압의온도변화가작다. 회로가간단하다. 3-24

25 불평형전압 - 이상적인홀소자에서는외부자계를가하지않았을때홀전압이 0 이어야한다. 그러나, 실제의홀소자는가공정밀도의문제, 소자내부의전기적성질의불균일, 홀전극의비대칭성등에의해서외부자계가존재하지않는경우에도약간의전압이발생한다. 외부자계를인가하지않은상태에서홀소자에단위입력전류를흘릴때나타나는출력전압을불평형전압 (offset voltage) 이라고한다. 3-25

26 동상전압 - 홀소자는 4 단자소자이므로동상전압이홀전압에중첩된다. 동상전압 ( 同相電壓 ) 은보통차동증폭기에의해서제거되지만제거되지않는양은 0 점의드리프트 (zero drift) 가되어나타난다. 3-26

27 오차보상 - 오차의원인으로는, 형상효과에의한직선성의차이, 홀전극의비대칭성에의한불평형전압, 배선리드때문에생기는유도전압, 소자재료의온도의존성에따른특성변동, 온도불균일에의한열기전력등이있다. 다음에최대의문제인불평형전압의보상과온도특성의보상에대해서설명한다. 불평형전압의보상 - 앞에서설명한바와같이, 실제의홀소자는가공정밀도의문제, 소자내부의전기적성질의불균일, 홀전극의비대칭성등에의해서외부자계를인가하지않는경우에도약간의전압이발생한다. - 홀전극위치의비대칭에기인하는불평형전압보상법 3-27

28 온도특성보상 - 그림 (a), (b) 와같이온도계수가다른서미스터등을센서회로내에조합시켜온도를보상하는방법, - InSb 홀소자의경우그림 3.14(c) 의정전압구동방식으로하면온도특성이약 1 오더개선된다. 3-28

- Si monolithic Hall IC 실리콘홀소자는전자이동도가작기때문에감도가나빠서단독으로사용하지않고,

29 홀 IC (Hall effect IC) - 홀 IC 는홀소자 ( 홀전압발생 ) 와신호처리회로를조합한것이며, monolithic Hall IC 와 hybrid Hall IC 가있다. - Si monolithic Hall IC 실리콘홀소자는전자이동도가작기때문에감도가나빠서단독으로사용하지않고, 실리콘홀소자와증폭회로, 온도보상회로를하나의 chip 에집적화한다. - Hybrid Hall IC 화합물반도체 (InSb, GaAs 등 ) 홀소자와 Si 신호처리회로칩를조합한홀 IC 이다. 3-29

30 - 홀 IC 는출력형태에따라리니어 (linear) 출력형과디지털 (digital) 출력형이있다. 디지털 (digital) Hall IC - Digital output - Output stage 는 open collector (current sink) transistor 이다. Open collector out Amplifie r Schmitt trigger 3-30

31 리니어 (linear) Hall IC - Analog output 출력전압이자계의세기에직선적으로비례한다 3-31

32 홀센서응용분야 3-32

Industrial applications Current measurement : An electric current

to a linear Hall sensor; the output of the sensor is proportional

Commutation of brushless DC motors : The Hall sensor detects the

33 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. 3-33

34 3.4 자기저항소자 - 자기저항소자 ( 磁氣抵抗素子 ; magnetoresistor; 약해서 MR 소자로부른다 ) 는 2 단자소자로서, 자계에의해물질의저항이변화하는현상인자기저항효과 ( 磁氣抵抗效果 ; magnetoresistance effect) 를이용하는자기센서이다. - 자기저항소자는사용재료에따라다음과같이분류한다. * 반도체자기저항소자 * 자성체자기저항소자 -- 이방성자기저항소자 (AMR) -- 거대자기저항소자 (GMR) GMR InSb MR 3-34

물리적자기저항효과 3.4.1 반도체자기저항소자 - 반도체에자계를가했을때저항이증가하는원인은다음과같다.

35 물리적자기저항효과 반도체자기저항소자 - 반도체에자계를가했을때저항이증가하는원인은다음과같다. 물리적자기저항효과 (physical magnetoresistance effect) 형상자기저항효과 (geometrical magnetoresistance effect) - 정상상태에서, 각전하케리어가받는로렌쯔힘은같지않으므로, 일부전하케리어는위로편향되고, 일부는아래로편향된다. - 따라서, 홀소자를가로지르는케리어의이동경로 (path) 가다소증가하여저항이약간증가한다. 이효과를물리적자기저항효과또는간단히자기저항율효과라고부르며, 저항변화는다음식으로나타낸다. s ( B) = s (1 - r m o B z ) 3-35

36 형상자기저항효과 - 전극간의전기저항은저항률과전류분포형태에의해서결정된다. - 일반적으로전류분포는소자의형상과경계조건에의해서정해지는데, 자계가없을때는그림 (a) 와같이전류와전계는동일방향이고, 전극간저항값이최소가되도록전류는분포한다. - 자계를가하면전류는그림 (b) 와같이자계방향과 q 만큼달라진다. 그런데전극은금속도체이므로전계는전극면에수직이되어야한다. 따라서, 전극으로부터유입또는유출하는전류는그림 (b) 와같이전계와각q 을이루어야한다. 그리고전극이외의경계에서전류는평행하게흘러야된다. s ( B) = s (1 - r m o B z ) 3-36

37 - 결국자계중에서전하케리어의편향에기인해서, 전류는그림 (b) 과같은분포로흐르고, 전극사이의전류경로 (current path) 는더길어지고더좁아지므로저항은증가한다. 홀각이작은경우, 저항의변화는다음식으로주어진다. R = R o (1 + tan 2 q ) = R (1 + o 2 am B - 자계에의해서변화된전류분포는전극부근에서만일어나므로, 소자길이와폭의비를작게하면저항변화율이커진다. 즉소자의형상에의해서저항변화의비율이영향을받게된다. 이것을형상자기저항효과 (geometrical magnetoresistance effect) 또는간단히형상효과라고한다. 2 z ) 3-37

38 반도체자기저항센서 - 반도체자기저항센서는자기저항효과를이용해자계의크기를저항치의변화로검출하는소자이다. - 센서의감도를크게하기위해서는 물질의이동도가커야한다. * 실리콘반도체의경우이동도가작아자기저항효과가매우작기때문에실용적인소자에사용될수없다. * InSb와같이전자의이동도가매우큰재료가자기저항소자로사용된다. l/w 비를작게하여야한다. 자기저항효과는소자형상의영향이크기때문에실용적인고감도자기저항센서에서는 l/w 비를작게하여야한다. 실제의출력은저항변화를전압변화로출력하는경우가많아, 저항증가를전압변화로출력시키기위해서는소자의저항이커야한다. 3-38

39 장방형자기저항센서 - 그림 (a) 와같이장방형의반도체박편에전극을붙인구조이다. 장방형자기저항효과를이론적으로구한결과저항변화는다음의근사식으로된다. - 장방형소자의경우, l/w 비를작게하여자기저항효과 R / R o 를크게하더라도 R 이작기때문에자계에의한저항변화분도크게되지않아 o DRo 출력이작아진다. 3-39

40 평면전극자기저항소자 - 자기저항효과도크고저항값도크게하기위해서는, l/w 비가작은소자여러개를직렬로접속한구조로하면좋은데, 제작상곤란하므로비실용적이다. - 그림과같이다수의중간전극을삽입하여, 다수의센서를직렬로하여고저항화하고동시에감도도증가시키면높은센서출력을얻을수있다. - 전극이평면상에배치된구조이므로자기저항효과는다소떨어지지만대량제작이가능하다. 3-40

41 InSb 자기저항소자 - 평판전극과동일한효과를얻기위해서 InSb 박편속에침상 (needle shaped) 의저저항 NiSb 를석출시켜만든것이다. - 이러한 NiSb 는전류경로에대해단락바 (shorting bar) 로써작용한다. - 자계의세기가강해지면강할수록전류경로는더길어지고저항은더욱증가한다. 3-41

42 Sensor System Design

43 - Dot-matrix - matrix 동작원리 - 과제내용 기본예제프로그램이해및발표 Dot-matrix 를통해예제와다른문자를표현 ( 행렬의이해도확인 )

Microsoft PowerPoint 상 교류 회로

Microsoft PowerPoint 상 교류 회로 3상교류회로 11.1. 3 상교류의발생 평등자계중에놓인회전자철심에기계적으로 120 씩차이가나게감은코일 aa, bb,cc 를배치하고각속도의속도로회전하면각코일의양단에는다음식으로표현되는기전력이발생하게된다. 11.1. 3 상교류의발생 여기서 e a, e b, e c 는각각코일aa, bb, cc 양단에서얻어지는전압의순시치식이며, 각각을상 (phase) 이라한다. 이와같이전압의크기는같고위상이