KR20200068539A - 위치 센서 및 위치 감지 방법 - Google Patents

Abstract

본 개시는 특정 방향으로 위치를 검출하기 위한 자기저항 필드 센서를 제공한다. 센서는 쌍으로 배열된 복수의 자기저항 요소를 포함한다. 동일한 쌍의 요소는 이들의 감도 방향이 동일한 방향의 방위로 놓이도록 배열된다. 상이한 쌍의 요소는 이들의 감도 방향이 다른 방향, 바람직하게는 다른 쌍에 실질적으로 수직인 방위로 놓여도록 하는 방위로 놓인다. 자기저항 센서 및 이들의 감도 방향은 일반적으로 디바이스의 측정 방향에 수직인 평면 내에 배열된다. 각 쌍의 요소는 브리지 회로를 형성하기 위해 두 개의 노드 사이에 직렬로 배열된다. 이와 같이, 제1 평면에서의 자석의 이동은 각 쌍의 요소에서 실질적으로 동일한 변화를 야기하고, 이에 의해 출력 신호에서의 이 이동을 보상한다.

Description

위치 센서 및 위치 감지 방법{POSITION SENSOR AND POSITION SENSING METHOD}

본 개시는 검출 방향과 정렬되지 않은 임의의 방향으로의 센서 성분의 이동을 보상하는 위치 센서에 관한 것이다. 본 개시는 또한 대응하는 위치 감지 방법에 관한 것이다.

위치 센서는 일반적으로 단순 자석과 필드 센서를 사용하여 구성된다. 자석이 필드 센서에 관하여 이동함에 따라, 필드 센서는 이동 정도를 나타내는 출력 신호를 생성한다. 이러한 위치 센서는 제조가 간단하며 일반적으로 대량으로 생산된다. 자석과 필드 센서 사이의 거리는 센서에서의 자기 필드 강도와 상관된다.

이러한 유형의 센서는 제조가 간단하고 저렴하지만, 이들은 스트레이 필드 및 자석의 오정렬에 매우 민감하다. 예를 들어 움직임의 의도된 이동에 수직인 방향으로 자석의 이동은 필드 센서에 필드 강도를 변화시켜 위치 측정에 영향을 미친다.

본 개시는 특정 방향으로의 위치를 검출하기 위한 자기저항 필드 센서를 제공한다. 센서는 쌍으로 배열된 복수의 자기저항 요소를 포함한다. 동일한 쌍의 요소는 이들의 감도 방향이 동일한 방향의 방위로 놓이도록 배열된다. 상이한 쌍의 요소는 이들의 감도 방향이 다른 방향, 바람직하게는 다른 쌍에 실질적으로 수직이 되는 방위로 놓이도록 하는 방위로 놓인다. 자기저항 센서 및 이들의 감도 방향은 일반적으로 디바이스의 측정 방향에 수직인 평면 내에 배열된다. 각 쌍의 요소는 브리지 회로를 형성하기 위해 두 개의 노드 사이에 직렬로 배열된다. 이와 같이, 제1 평면에서의 자석의 이동은 각 쌍의 요소에서 실질적으로 동일한 변화를 야기하고, 이에 의해 출력 신호에서의 이 이동을 보상한다.

제1 측면에 따라, 적어도 제1 방향으로 위치를 측정하기 위한 자기저항 위치 센서가 제공되며, 센서는 적어도 제1 방향으로 이동하도록 배열된 자석, 및 제1 방향으로 자석의 이동을 검출하고 적어도 제2 방향으로 자석의 이동을 보상하도록 배열된 차동 필드 센서를 포함한다.

이와 같이, 센서는 하나의 특정 방향, 즉 검출 방향으로 자석의 이동을 측정하도록 구성되며, 적어도 제2 방향으로 자석의 이동은 차동 필드 센서에 의해 보상된다. 즉, 센서는 다른 방향으로의 임의의 이동이 검출 방향으로의 자석의 이동의 측정에 영향을주지 않게 이 다른 방향으로의 자석에 의한 이동을 보상한다. 예를 들어, 자석은 센서 위에 매달려 있고, z 방향으로 센서쪽으로 멀어져 이동하도록 구성될 수 있으며, 센서는 이 방향으로 이동함에 따른 자기 필드 강도의 변화를 측정한다. 이어, 차동 필드 센서는 검출 방향으로 이동함에 따른 자석에 의한 임의의 측방 이동에 기인하는 필드 강도의 변화를 보상하도록 구성될 수 있다.

차동 필드 센서는 복수의 자기저항 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 자기저항 요소는 거대 자기저항(GMR) 스핀 밸브, 터널링 자기저항(TMR) 요소, 이방성 자기저항 요소(AMR), 또는 특정 방향으로 자기 필드의 변화에 민감한 임의의 다른 적절한 자기저항 요소일 수 있다.

복수의 자기저항 요소 각각은 감지 방향을 가질 수 있고, 적어도 제1 쌍의 요소는 이들의 감지 방향이 정렬되도록 배열될 수 있다. 복수의 자기저항 요소의 감지 방향은 제1 평면에 배열될 수 있고, 제1 평면은 제1 방향에 대해 오프셋될 수 있다. 예를 들어, 제1 평면은 제1 방향에 실질적으로 수직일 수 있다. 적어도 제2 방향은 제1 평면 내에 있을 수 있다.

자기저항 요소 쌍의 감지 방향을 정렬함으로써, 감지 방향의 방향으로 자석에 의한 이동은 저항의 유사하거나 동일한 변화를 초래할 것이고, 자기저항 요소 쌍은 이것이 센서 출력에 제로 또는 실질적으로 제로 변화가 되게 하도록 연결된다. 따라서 하나의 특정 평면에서 감지 방향을 정렬함으로써, 이 평면에서의 임의의 이동을 보상될 수 있다.

센서는 이들의 감지 방향이 정렬되도록 배치되고, 이들의 감지 방향이 자기저항 요소의 제1 쌍에 대해 오프셋되도록 배열되는 제2 쌍의 자기저항 요소를 더 포함할 수 있다. 제1 쌍의 자기저항 요소의 감지 방향은 제2 쌍의 자기저항 요소의 감지 방향에 실질적으로 수직일 수 있다.

예를 들어, 검출 방향이 z 방향인 경우, 자기저항 요소의 감지 방향은 x-y 평면에 배열될 수 있다. 한 쌍의 자기저항 요소는 x 방향으로 정렬된 이들의 감지 방향을 이 방향에서의 이동을 보상하기 위해 가질 수 있고, 자기저항 요소의 다른 쌍은 y 방향으로 정렬된 이들의 감지 방향을 이 방향에서의 이동을 보상하기 위해 가질 수 있다.

복수의 자기저항 요소는 적어도 제1 및 제2 쌍이 센서 둘레에 고르게 분포되도록 제1 평면에 배열될 수 있고, 한 쌍의 자기저항 요소의 각각의 요소는 센서의 대향 측 상에 그리고 자석에 대해 등거리의 위치에 배치된다. 예를 들어, 자기저항 요소의 각 쌍은 센서의 대향 코너에 배열되거나 이들은 센서의 대향 에지의 중심에 배열될 수 있다.

복수의 자기저항 요소는 브리지 배열로 연결될 수 있고, 브리지의 출력은 제1 방향으로 자석의 이동을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 브리지 배열은 휘스톤 브리지 회로일 수 있다.

적어도 제2 방향은 제1 방향에 실질적으로 수직인 제1 평면에 있을 수 있으며, 브리지 배열의 출력은 제1 평면에서의 자석의 이동을 나타내지 않는다. 이와 같이, 브릿지 배열의 출력은 제1 방향으로의 이동 표시만을 제공할 수 있는 반면, 차동 필드 센서는 제1 평면에서의 임의의 이동을 보상하도록 구성된다. 즉, 차동 필드 센서는 제1 평면에서의 자석의 임의의 이동이 출력에서 제로 또는 실질적으로 제로 변화를 초래하도록 구성된다. 이와 같이, 출력은 제1 평면 내의 자석의 측방 이동에 의해 야기되는 자기 필드 강도의 임의의 변화에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는한 제1 평면에서의 운동과 무관하다.

일부 배열에서, 자기저항 요소의 제1 쌍은 제1 노드와 제2 노드 사이에 직렬로 연결될 수 있고, 제2 쌍의 요소는 제1 노드와 제2 노드 사이에 직렬로 연결될 수 있으며, 브리지 회로의 출력은 각 쌍 사이의 노드로부터 취해진다.

이러한 경우에, 복수의 자기저항 요소 각각은 감지 방향을 가질 수 있다.

자기저항 요소의 제1 쌍은 이들의 감지 방향이 정렬되도록 배열될 수 있고, 자기저항 요소의 제2 쌍은 이들의 감지 방향이 정렬되도록 배열될 수 있고, 제2 자기저항 요소 쌍의 감지 방향은 제1 쌍의 자기저항 요소의 감지 방향에 대하여 오프셋된다. 예를 들어, 제1 쌍의 자기저항 요소의 감지 방향은 제2 쌍의 자기저항 요소의 감지 방향에 실질적으로 수직일 수 있다.

복수의 자기저항 요소 중 하나는 기준 저항일 수 있다. 일부 배열에서, 기준 저항은 이의 출력이 자기 필드에 의존적이지 않도록 차폐될 수 있다.

또 다른 측면에 따라, 자기저항 위치 센서를 사용하여 적어도 제1 방향으로 위치 측정을 위한 방법이 제공되며, 이 방법은 차동 필드 센서를 사용하여 제1 방향으로 자석의 위치를 검출하는 단계와, 차동 필드 센서를 사용하여 적어도 제2 방향으로 자석의 이동을 보상하는 단계를 포함한다.

적어도 제2 방향은 제1 평면에 있을 수 있고, 제1 평면은 제1 방향에 실질적으로 수직이다.

제3 측면에 따라, 제2 측면의 방법을 수행하도록 배열된 위치 센서가 제공된다.

제4 측면에 따라, 적어도 제1 방향으로 위치를 측정하기 위한 자기저항 위치 센서가 제공되며, 센서는 적어도 제1 방향으로 이동하도록 배열된 자석 및 복수의 자기저항 요소가 위에 배열된 기판을 포함하고, 자기저항 요소는 제1 방향으로 자석의 이동을 검출하게 배열되고, 자기저항 요소는 적어도 제2 방향으로 자석의 이동을 보상하기 위해 브리지 배열로 배열된다.

본 개시는 첨부된 도면을 참조하여 단지 예에 의해 기술될 것이다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 센서의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 센서의 감지 요소의 평면도이다.
도 3은 본 개시의 실시예에 따른 브리지 회로이다.
도 4는 본 개시의 실시예에 따른 GMR 스핀 밸브의 전달 곡선을 도시하는 차트이다.
도 5는 자석이 감지 요소 위에 매달렸을 때 도 2의 감지 요소의 표면에서의 필드 강도를 도시하는 차트이다.
도 6a는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 감지 요소의 평면도이다.
도 6b는 본 개시의 실시예에 따른 브리지 회로이다.
도 7a 내지 도 7d는 도 6의 감지 요소의 각 요소에서의 자기 필드를 도시한 차트, 및 자석과 감지 요소의 상대적 위치를 도시하는 차트이다.
도 8은 z 방향으로 자석의 이동하는 것에 대한 전체 자기 필드 강도를 도시한 차트이다.
도 9는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 브리지 회로이다.
도 10은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 감지 요소의 평면도이다.
도 11은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 브리지 회로이다.
도 12는 본 개시의 실시예에 따른 GMR 다층의 전형적인 전달 곡선을 도시하는 차트이다.
도 13a 내지 도 13d는 도 10의 감지 요소의 각 요소에서의 자기 필드를 도시하는 차트이다.
도 14는 도 10의 감지 요소에 대한 z-방향으로의 자석의 이동에 대한 전체 자기 필드 강도를 도시하는 차트이다.

위치 센서는 전형적으로 감지 요소 위에 매달린 자석을 포함한다. 자석은 자기 필드를 생성하고 감지 요소는 자기 필드 강도를 측정한다. 자석은 감지 요소에 관하여 앞뒤로 움직일 수 있도록 매달려 있을 수 있다. 예를 들어, 이것은 스프링으로서 작용하는 금속 연결을 사용하여 매달릴 수 있다. 자석이 감지 요소에 더 가깝게 이동하였을 때, 감지 요소에서 자기 필드 강도에는 상응하는 증가가 있다. 반대로, 자석이 감지 요소로부터 멀어졌을 땐, 감지 요소에 자기 필드 강도의 상응하는 감소가 있다. 이에 따라, 감지 요소의 출력은 자기 필드 강도의 측정이다. 이것은 자석과 감지 요소 사이의 거리를 나타낸다. 예로서, 감지 요소는 홀 효과 센서 또는 거대 자기저항(GMR) 센서와 같은 자기저항 디바이스일 수 있다.

위치 센서는 자석이 위치 검출이 요구되는 방향으로만 이동할 수 있도록 제조된다. 이것은 일반적으로 z-방향으로서 표기된다. 그러나, 자석이 x-y 평면에서 좌우로 움직이는 것, 즉 검출 방향에 수직인 평면에서 움직이는 것을 완전히 방지하는 것이 항시 가능하진 않다. 자석에 의해 발생된 자기 필드는 z 방향으로 자석의 단부로부터의 거리에 따라, 뿐만 아니라 x-y 평면에서 좌우로도 변한다. 이에 따라, 좌우로 자석의 측방 이동은 감지 요소에서 출력의 변화를 발생시킬 수 있다. 이것은 주 움직임 방향으로 이동으로서 잘못 해석될 수도 있어, 틀린 위치 판독을 제공한다. 또한, 센서가 자기 필드를 발생시키는 다른 디바이스의 근방 내에서 이동한다면, 감지 요소는 이들 필드를 검출할 수 있다. 이것은 주 방향으로 디바이스의 이동으로서 잘못 해석될 수 있다.

본 개시의 실시예에서, 센서에는 x-y 평면에서의 이동에 기인한 또는 외부 자기 필드에 기인한 자기 필드에 변화를 보상하도록 배열된 감지 요소 쌍이 제공된다. 이것은 휘스톤 브리지 배열로 함께 연결될 수 있는 자기저항 요소 쌍을 사용하여 달성된다. 각 요소 쌍의 각 요소는 자석의 서로 대향하는 측들 상에, 그리고 이 자석으로부터 등거리에 위치된다. 자석 양측 상에서의 자기 필드 강도는 일반적으로 동일하지만 서로 반대 방향이다. 자기저항 감지 요소는 각 쌍의 요소가 이들의 감지 방향, 즉 이들의 감도가 정렬되고 동일한 방향을 갖도록 배열된다. 이와 같이, 요소들 중 하나는 매우 높은 전기 저항을 가질 것이며, 다른 요소는 자석이 x-y 평면의 중심에 있을 때 낮은 전기 저항을 가질 것이다. 자석이 감지 방향의 x-y 평면 내에서 이동함에 따라, 쌍의 두 요소 모두 전기 저항에서 유사하거나 동일한 변화를 겪을 것이다. 이와 같이, 휘스톤 브리지에서의 잠재적 디바이더 비, 따라서 출력은 동일하거나 실질적으로 동일하게 유지될 것이다.

x-y 평면 내에서 서로에 대해 수직이고, 자석 둘레에 고르게 분포된 두 쌍의 요소를 배열함으로써, x-y 평면 내에서의 자석의 이동은 대부분 보상된다. 또한, 예를 들어 외부 디바이스로부터의 균일한 외부 자기 필드의 인가는 휘스톤 브리지의 출력에 전혀 영향을 미치지 않거나 최소로 미칠 것이다.

도 1은 본 개시의 실시예에 따른 위치 센서(100)의 개략적인 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 센서는 자석(101) 및 감지 요소(102)를 포함한다. 자석(101)은 감지 요소(102) 위에 매달려 있고 주 방향으로 이동하도록 배열된다. 이 예에서, 주 방향은 z-방향이며, 이에 따라 자석은 감지 요소(102)로부터 떨어져 이를 향하여 이동하도록 배열된다. 그러나, 자석은 또한 x-y 평면에서 작은 정도로 이동할 수 있다. 이것은 z-방향으로의 이동을 허용하면서 x-y 평면에서 이동이 없도록 자석을 매달기는 매우 어렵기 때문이다. 예를 들어, 자석은 센서에 자석을 부착하는 금속 시트 커넥터에 의해 지지될 수 있다. 금속 커넥터는 스프링처럼 작용하여 z-방향 이동을 허용한다. 그러나, 이들은 스프링과 유사하기 때문에, x-y 평면에서 소량의 이동이 발생할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 감지 요소(102)의 평면도이다. 이 예에서, 감지 요소(102)는 실리콘 또는 유리로 형성될 수 있는 기판(103)을 포함한다. 기판은 기판(103)의 상측 표면 상에 형성된 4개의 자기저항 요소(R1, R2, R3, R4)를 갖는다. 자기저항 요소는 표준 반도체 제조 프로세스를 사용하여 형성될 수 있는 박막 디바이스이다. 이 예에서, 자기저항 디바이스는 거대 자기저항(GMR) 스핀 밸브이다. 그러나, 자기저항 요소는 터널링 자기저항(TMR) 요소 또는 이방성 자기저항 요소(AMR)일 수 있다. 일반적으로, 이들 디바이스는 xMR 요소라고 할 수 있다. 다른 실시예에서, 특정 방향으로 자기 필드에 변화에 민감한 임의의 유형의 자기저항 디바이스가 사용될 수 있다.

이 예에서, 각 자기저항 요소(R1-R4)는 스퀘어 형상 기판의 각 코너를 향해 형성될 수 있다. 이 예에서, 감지 요소(102)의 대향 코너들에 있는 자기저항 요소들은 이들의 감도 방향이 정렬되도록 배열된다. 이와 같이, 요소(R1, R4)는 이들의 감도의 방향이 정렬되고, 요소(R2, R3)는 이들의 감도의 방향이 정렬된다. 요소(R2, R3)의 감도 방향은 요소(R1, R4)의 감도 방향에 수직이 되도록 배열된다. 그러나, 다른 배열이 가능하다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 자기저항 요소(R1-R4) 각각은 기판의 에지의 중앙을 향하여 형성될 수 있다.

다른 실시예에서, 감지 요소는 두 쌍 이상의 자기저항 요소를 포함할 수 있다. 요소 쌍의 수가 많을수록 센서는 x-y 평면에서 자석의 이동을 더 잘 보상할 것이다. 임의의 주어진 수의 자기저항 요소 쌍에 대해, 쌍의 감도 방향은 약 360도로 균등하게 분포될 수 있다. 즉, 자기저항 요소 쌍은 이동이 보상될 평면 둘레에 고르게 분포될 수 있으며, 각 쌍은 자석의 서로 대향하는 측 상에, 그리고 이 자석으로부터 등거리에 위치된다.

도 3은 자기 필드의 변화를 검출하기 위해 자기저항 요소(R1~R4)가 브리지 배열에서 연결되는 방식을 나타내는 회로도이다. 이 예에서, 요소(R1, R4)는 제1 노드와 제2 노드 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 제1 노드는 제1 서플라이 레일에 결합되고 제2 노드는 제2 서플라이 레일 또는 그라운드에 연결된다. 대응하는 방식으로, 요소(R3, R2)는 제1과 제2 노드 사이에 직렬로 연결된다. 이와 같이, 요소(R1, R4)의 조합은 요소(R2, R3)의 조합과 병렬로 연결된다. 브리지 회로의 출력은 요소(R1, R4) 사이의 제3 노드와 요소(R2, R3) 사이의 제4 노드로부터 취해진다. 요소의 저항의 변화는 출력의 변화를 야기할 수 있어 z-방향으로 자석의 이동의 표시를 제공할 수 있다.

도 4는 GMR 스핀 밸브에 대한 전형적인 전달 곡선을 도시한다. 이 차트는 인가된 자기 필드에 대해 디바이스의 저항 변화 백분율이 어떻게 변하는지를 도시한다. GMR 스핀 밸브의 감도 방향으로 인가되는 높은 포지티브 자기 필드에 대해, 저항은 낮다. GMR 스핀 밸브의 감도 방향으로 인가되는 높은 네거티브 자기 필드에 대해, 저항은 높다. 전술한 실시예의 자기저항 요소는 이들 특징을 취할 수 있다.

도 5는 자석이 표면 위의 2㎜의 거리에 위치되고 센서 표면 상에 직접 중심에 놓일 때, 즉 즉 x-y 평면에서 이동이 없을 때 감지 요소(102)의 표면의 x-y 평면에서의 자기 필드를 도시한다. 차트는 평면내 성분(Hx, Hy)를 도시하지만 평면밖 성분(Hz)은 제외한다. 필드 강도는 감지 요소 표면의 중심에서 본질적으로 제로인 반면, 센서의 에지쪽에서 상대적으로 강하다.

이제 센서(100)의 동작을 설명될 것이다. 도 2에 도시된 배열을 참조하면, 자석이 정상 상태에 있는 동안, R1 및 R2의 감도 방향과 동일한 방향으로 높은 자기 필드가 인가될 때, R1 및 R2의 저항은 낮다. 반대로, R3 및 R4의 감도 방향과 반대 방향으로 높은 자기 필드가 인가될 때, R3 및 R4의 저항은 높다. 이것은 브리지 회로의 출력에서 전압 차동을 야기한다. 이 전압은 z-방향으로 제로 이동에 대해 사전에 설정된 전압으로서 기록될 수 있다.

자석(101)이 x-y 평면에 고정되었다고 가정하면, 자석이 감지 요소(102)로부터 멀어져 이동함에 따라, 감지 요소의 표면에서 자기 필드 강도는 약해진다. 이와 같이, 요소(R1, R2)의 감도 방향과 동일한 방향의 방위로 필드가 놓여질 때, 요소(R1, R2)의 저항은 증가한다. 반대로, 자기 필드가 요소(R3, R4)의 감도 방향에 반대 방향의 방위로 놓여질 때, 요소(R3, R4)의 저항은 감소한다. 따라서, 요소(R1, R4)의 저항의 비는 감소하는 반면, 요소(R3, R2)의 저항의 비는 증가한다. 이에 따라, 브리지 회로의 출력도 변한다. 자석이 감지 요소쪽으로 이동할 때는 그 반대가 발생한다.

다시 도 2를 참조하면, 자기저항 요소 및 브리지 회로의 구성은 x-y 평면에서의 자석의 이동이 브리지 회로의 출력에 최소로 또는 제로의 영향을 미치게 한다. 예를 들어, R1과 R4의 감도 방향으로 x-y 평면 내의 자석의 임의의 이동은 R1과 R4의 저항에서 대응하는 변화를 야기할 것이다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 자석이 R1쪽으로 측방으로 이동하면, 자기 필드는 약간 감소하여 저항을 약간 증가시킨다. 이것은, 자석이 R1쪽으로 이동함에 따라, R4에서 멀어져 이동한다. 이것은 R4에서 자기 필드에 약간의 증가를 야기한다. 그러나, 필드가 R4의 감도 방향에 반대 방향에 있고 R4가 높은 저항에 있을 때, R4는 또한 상응하는 저항 증가를 경험한다. 따라서, R1과 R4의 디바이더 네트워크는 디바이더 비에서 어떠한 현저한 변화도 경험하지 않는다. 그러므로 브리지 회로로부터 출력은 동일하거나 실질적으로 동일한 채로 있는다. 두 쌍의 자기저항 요소를 갖는 결과로서, x-y 평면 내 다른 방향으로의 이동에 대한 유사한 보상이 달성된다.

도 6a는 또 다른 실시예에 따른 감지 요소(600)를 도시한다. 감지 요소(600)는 자기저항 요소(H1 내지 H4)가 코너가 아닌 기판의 에지를 따라 위치되는 것을 제외하고는 도 2에 도시된 요소(102)와 동일하다. 도 6a에 도시된 화살표는 각 요소에 대한 감도의 방향에 대응한다. 이와 같이, 이 예에서, 감지 요소(600)의 서로 대향하는 에지들에 있는 자기저항 요소들은 이들의 감응 방향이 정렬되도록 배열된다. 요소(H1, H3)는 감도의 방향이 정렬되고 요소(H2, H4)는 감도의 방향이 정렬된다. 요소(H2, H4)의 감도 방향은 요소(H1, H3)의 감도 방향에 수직이되도록 배열된다. 브리지 회로에 관련해서, 브리지의 일측에는 H1 및 H3이 직렬로 연결되고, 도 6b에 도시된 바와 같이 다른 측에는 H2 및 H4가 직렬로 연결된다.

자석이 z-방향으로 이동할 때, 동작 방법은 도 2 및 도 3과 관련하여 전술한 것과 본질적으로 동일하다. 자석이 정상 상태에 있는 동안, 높은 자기 필드가 H1 및 H2의 감도 방향과 동일한 방향으로 인가될 때 H1 및 H2의 저항은 낮다. 반대로, H3 및 H4의 감도 방향과 반대 방향으로 높은 자기 필드가 인가될 때 H3 및 H4의 저항은 높다. 그러므로, 자석이 감지 요소(600)로부터 멀어져 이동함에 따라, 감지 요소의 표면에서 자기 필드 강도는 약해져 요소(H1, H2)의 저항이 증가하게 되고 요소(H3, H4)의 저항이 감소하게 된다. 이와 같이, 요소(H1, H3)의 저항의 비가 감소하는 반면, 요소(H4, H2)의 저항의 비는 증가하여, 브리지 회로의 출력이 변화되게 한다. 이전처럼, 자석이 감지 요소(600)를 향해 이동할 때 그 반대가 발생한다.

도 7a 내지 도 7d는 센서가 동작하는 방식을 설명하기 위해 감지 요소(600)의 각각의 개별 요소에서의 자기 필드 강도 측정을 도시한다. 실제로 이러한 측정은 취해지지 않을 것이다. 도 8은 감지 요소(600)의 전체 출력을 도시한다. 도 7 및 도 8에 도시된 차트는 z 방향으로 자석의 시작 또는 제로 위치가 자석으로부터 센서 표면까지 약 2mm인 시뮬레이션에 기초한다는 것에 주목해야 한다. 이와 같이, 도 7a 내지 도 7d 및 도 8에 도시된 그래프는 자석이 이 제로 위치로부터 시작하여 센서를 향해 떨어져 이동됨에 따른 z-방향으로 자기 필드 강도의 변화를 도시한다.

도 7a는 자석이 감지 요소의 중심에 있을 때 각 요소의 출력을 도시한다. 자석에 관하여 감지 요소의 위치는 차트의 오른쪽에 도시되었다. y-축은 측정된 필드 강도를 나타내고, x-축은 z-방향으로 밀리미터로 자석의 변위를 나타낸다. 도 7a에 도시된 바와 같이, H1 및 H2에서 측정된 필드 강도는 z-방향으로 자석의 변위에 관계없이 동일하다. H3과 H4에 의해 측정된 필드 강도는 H1과 H2에서 측정된 필드 강도와 같고 반대일 뿐만 아니라 동일한다. 이와 같이, z이 증가함에 따라, 필드 강도는 H1, H2, H3, 및 H4에서 감소한다. 이와 같이, 브릿지 회로로부터의 출력은 z-방향의 이동만을 반영한다.

도 7b는 자석이 x-방향(이 예에서는 좌측)으로 변위되었을 때의 동일한 배열을 도시한다. 도시된 바와 같이, 필드 강도가 요소(H2, H4)의 영역에서 실질적으로 변하지 않았기 때문에, H2 플롯과 H4 플롯은 변하지 않거나 매우 작은 정도로 변한다. 그러나, H1을 나타내는 플롯은 위쪽으로 이동하여 필드 강도가 증가했음을 나타낸다. H3를 나타내는 플롯도 위쪽으로 이동하여 필드 강도가 감소했음을 나타낸다. 이와 같이, H1 및 H3의 저항은 모두 감소하였을 것이다. 브리지 배열에서 H1과 H3이 직렬로 형성되기 때문에, 두 저항 사이의 전위는 크게 변하지 않을 것이다. 사실상, H1과 H3은 x 방향으로의 이동을 보상한다.

도 7c는 자석이 y-방향으로 변위되었을 때(이 예에서 최상부까지) 동일한 배열을 도시한다. 도시된 바와 같이, 요소(H1, H3)의 영역에서 필드 강도가 실질적으로 변화하지 않았기 때문에, H1 플롯 및 H3 플롯은 변화하지 않거나 매우 작은 정도로 변한다. 그러나, H2를 나타내는 플롯은 위쪽으로 이동하여 필드 강도가 증가했음을 나타낸다. H4를 나타내는 플롯도 위쪽으로 이동하여 필드 강도가 감소했음을 나타낸다. 이와 같이, H2 및 H4 모두의 저항은 감소하였을 것이다. 브리지 배열에서 H2와 H4가 직렬로 형성되기 때문에 두 저항 사이의 전위는 크게 변하지 않을 것이다. 결과적으로, H2와 H4는 y 방향의 이동을 보상한다.

도 7d는 자석이 x-방향 및 y-방향으로 변위되었을 때의 동일한 배열을 도시한다. 여기서, H1을 나타내는 플롯은 요소(H1)의 영역에서의 필드 강도의 증가를 나타내고, H3을 나타내는 플롯은 요소(H3)의 영역에서의 필드 강도의 감소를 나타내고, 그럼으로써 요소(H1, H3)는 저항의 대응하는 감소를 경험한다. 유사하게, H2를 나타내는 플롯은 요소(H2)의 영역에서의 필드 강도의 증가를 나타내고, H4를 나타내는 플롯은 요소(H4)의 영역에서의 필드 강도의 감소를 나타낸다. 그러나, 요소(H2, H4)의 감도의 방향이 요소(H1, H3)의 것에 수직이기 때문에, 이 필드 강도의 변화는 요소(H2, H4)에 대한 저항의 대응하는 증가를 초래한다. 결과적으로, 각 요소 쌍(H1, H3, 및 H2, H4)에서의 브릿지 출력은 동일하거나 실질적으로 동일한 채로 있을 것이다. 이와 같이, H1 및 H3은 x 방향으로의 이동을 보상하고, H2 및 H4는 y 방향으로의 임의의 이동을 보상한다.

도 8은 브릿지 회로에 의해 검출된 필드 강도를 z-방향으로 자석의 변위에 대해 도시하는 차트이다. 이 예에서, 차트는 자석이 중심에 있을 때의 플롯, x-방향으로 0.2mm만큼 변위되었을 때의 플롯, y-방향으로 0.2mm만큼 변위되었을 때의 플롯, x-방향 및 y-방향으로 모두로 0.2mm만큼 변위되었을 때의 플롯을 도시한다. x-y 이동 때문에 출력에 약간의 차이가 있지만, 이것은 단일 요소-유형의 검출기와 비교하여 크게 보상된다.

도 9는 대안적 실시예에 따른 브리지 회로를 도시한다. 본 실시예에서, R1 내지 R4는 2개의 동일한 자기저항 요소(R1a, R1b, R2a, R2b, R3a, R3b, R4a, R4b)로부터 각각 형성된다. 예를 들어, R1a 및 R1b는 R1을 형성하는 스트립을 반으로 절단함으로써 형성된다. R1a 및 R1b는 감도의 동일한 방향으로 감지 요소의 동일한 부분에 위치된다. 이들 각각의 요소는 도 9에 도시된 브리지 배열로 연결된다. 이 배열의 이점은 개선된 온도 매칭 특징을 나타낸다는 것이다. 자석이 z 방향으로 움직일 때, 동작 방법은 도 2 및 도 3과 관련하여 전술한 바와 실질적으로 동일하며, z 방향으로의 이동은 브리지 회로의 출력에서 대응하는 변화를 야기한다. 도 2 및 도 3에서와 같이, x-y 평면에서의 자석의 임의의 이동은 정렬되고 동일한 방향으로의 감도를 갖는 센서의 대향 측 상의 감지 요소 쌍에 의해 보상될 것이다. 예를 들어, 각각의 감지 요소 쌍(R1a 및 R4b, R1b 및 R4a, R2a 및 R3b, 및 R2b 및 R3a)는 x-y 평면 내에서 변위를 보상할 것이다.

도 10은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 감지 요소(900)를 도시한다. 이 실시예에서, 자기저항 요소(R1 내지 R4) 이외에, 차폐된 기준 저항기(901)이 감지 요소(900)의 중앙에 포함된다. 이 실시예에서, 자기저항 요소는 GMR 다층 요소이다. 도 11은 도 10에 도시된 배열에 사용되는 브리지 배열을 도시한다. R1 내지 R4는 직렬 또는 병렬 배열로 결합될 수 있다. R1 내지 R4의 직렬 또는 병렬 배열의 총 저항은 기준 저항기(901)의 저항과 동일하거나 거의 동일해야 한다. 각각의 요소 쌍(R1 및 R4, 및 R2 및 R3)은 앞의 예와 같은 방식으로 x-y 평면에서의 이동을 보상한다. 대안으로서, R1 내지 R4는 2개의 동일한 자기저항 요소(R1a, R1b, R2a, R2b, R3a, R3b, R4a, R4b)로부터 각각 형성될 수 있다. 이러한 경우에, 도 11의 좌측 상부 저항기는 R1a 내지 R4a로부터 형성될 수 있고, 하부 우측은 R1b 내지 R4b로부터 형성될 수 있다. 또 다른 대안으로서, 상부 좌측 저항기는 R1 및 R2로부터 형성될 수 있는 반면, 하부-우측 저항기는 R3 및 R4로부터 형성될 수 있다.

도 12는 본 개시의 실시예에 따른 GMR 다층의 전형적인 전달 곡선을 나타내는 차트이다. 이 예에서, 차트는 본원에 개시된 저항기에 대한 GMR 저항과 자기 필드 강도 사이의 일반적인 관계를 도시한다. 저항의 변화는 자기 필드 방향과는 무관하다.

도 13a 내지 도 13d는 또 다른 실시예에서의 저항기(R1 내지 R4)의 개별적인 필드 강도 측정의 시뮬레이션을 도시한다. 이 실시예에서, 자기저항 요소는 도 6a에 도시된 배열과 유사한 방식으로 코너가 아닌 에지의 중심에 배열된다. 도 14는 도 13a 내지 도 13d에 대해 사용된 자기저항 배열을 사용하여, 도 11에 도시된 브리지 배열의 출력의 시뮬레이션을 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 이 구성은 x-y 평면에서의 이동으로 비롯되는 출력에 차이가 거의 없거나 또는 없는 상기한 실시예에 대한 추가적인 개선을 나타낸다.

도 13a는 자석이 센서 위의 중심에 놓일 때, 즉 x 및 y 방향으로 변위가 없을 때, 자석이 z-방향으로 변위됨에 따른 모든 4개의 저항기(R1-R4)의 자기 필드 강도의 변화를 도시한다. 여기서 4개의 모든 저항기에서의 자기 필드 강도는 동일하다. 도 13b, 도 13c 및 도 13d는 자석이 이의 중심 위치로부터 측방으로 멀어져 변위될 때, z-방향으로 변위로 인한 자기 필드 강도의 변화를 도시한다. 도 13b에서, 자석은 x 방향으로 변위되고, 저항기(R1, R3)는 자기 필드 강도 및 따라서 저항의 대응하는 변화를 겪고, 이에 의해 이 측방 이동을 보상한다. 도 13c에서, 자석은 y 방향으로 변위되고, 저항기(R2, R4)는 자기 필드 강도 및 따라서 저항의 대응하는 변화를 겪고, 이에 따라 이 측방 이동을 보상한다. 도 13d에서, 자석은 x 및 y 방향 모두로 변위되고, 각 쌍은 다시 자기 필드 강도 및 따라서 저항의 대응하는 변화를 경험하며, 그에 따라 양방향으로의 측방 이동을 고려한다.

본 개시는 한 방향으로의 자석의 이동의 검출이 다른 방향으로의 이동에 의해 간섭될 수 있는 다수의 응용에 사용하기에 적합하다. 응용의 예로는 디지털 카메라의 구동 모터, 마이크로스코프의 구동 모터, 및 근접 감지기를 포함한다.

Claims (20)

1. 적어도 제1 방향으로 위치를 측정하기 위한 자기저항 위치 센서에 있어서,
   적어도 상기 제1 방향으로 이동하도록 배열된 자석; 및
   상기 제1 방향으로 상기 자석의 이동을 검출하고, 적어도 제2 방향으로 상기 자석의 이동을 보상하도록 배열된 차동 필드 센서를 포함하는, 자기저항 위치 센서.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 차동 필드 센서는 복수의 자기저항 요소들을 포함하는, 자기저항 위치 센서.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 복수의 자기저항 요소들 각각은 감지 방향을 가지며, 적어도 제1 쌍의 자기저항 요소들은 이들의 감지 방향들이 정렬되도록 배열되는, 자기저항 위치 센서.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 복수의 자기저항 요소들의 상기 감지 방향은 제1 평면에 배열되고, 상기 제1 평면은 상기 제1 방향에 대해 오프셋된, 자기저항 위치 센서.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 평면은 상기 제1 방향에 실질적으로 수직인, 자기저항 위치 센서.
6. 청구항 4에 있어서, 상기 적어도 제2 방향은 상기 제1 평면 내에 있는, 자기저항 위치 센서.
7. 청구항 3에 있어서, 제2 쌍의 자기저항 효과 요소는 이들의 감지 방향들이 정렬되게, 그리고 이들의 감지 방향들이 상기 자기저항 요소들의 상기 제1 쌍에 대해 오프셋되도록 배열되는, 자기저항 위치 센서.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 자기저항 요소들의 상기 제1 쌍의 감지 방향은 상기 자기저항 요소들의 상기 제2 쌍의 상기 감지 방향에 실질적으로 수직인, 자기저항 위치 센서.
9. 청구항 7에 있어서, 상기 복수의 자기저항 요소들은 상기 적더오 제1 및 제2 쌍의 자기저항 요소들이 상기 센서 주위에 고르게 분포되도록 제1 평면에 배열되고, 상기 한 쌍의 자기저항 요소들의 각각의 요소는 상기 센서의 대향 측 상에 그리고 상기 자석에 대해 등거리의 위치에 배치된, 자기저항 위치 센서.
10. 청구항 2에 있어서, 상기 복수의 자기저항 요소들은 브리지 배열로 연결되고, 상기 브리지의 출력은 상기 제1 방향으로 상기 자석의 이동을 나타내는, 자기저항 위치 센서.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 브리지 배열은 휘스톤 브리지 회로인, 자기저항 위치 센서.
12. 청구항 10에 있어서, 상기 적어도 제2 방향은 상기 제1 방향에 실질적으로 수직인 제1 평면에 있고, 상기 브리지 배열의 상기 출력은 상기 제1 평면에서의 상기 자석의 이동을 나타내지 않는, 자기저항 위치 센서.
13. 청구항 10에 있어서, 제1 쌍의 자기저항 요소들은 제1 노드와 제2 노드 사이에 직렬로 연결되고, 제2 쌍의 요소들은 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 직렬로 연결되고, 상기 브리지 회로의 출력은 각 쌍 사이의 노드로부터 취해지는, 자기저항 위치 센서.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 복수의 자기저항 요소들 각각은 감지 방향을 가지며, 상기 자기저항 요소들의 상기 제1 쌍은 이들의 감지 방향이 정렬되도록 배열되고, 상기 자기저항 요소들의 상기 제2 쌍은 이들의 감지 방향들이 정렬되도록 배열되고, 상기 자기저항 요소들의 제2 쌍의 상기 감지 방향은 상기 제1 자기저항 요소의 제1 쌍의 상기 감지 방향에 대해 오프셋된, 자기저항 위치 센서.
15. 청구항 14에 있어서, 상기 자기저항 요소들의 제1 쌍의 상기 감지 방향은 상기 자기저항 요소들의 제2 쌍의 상기 감지 방향에 실질적으로 수직인, 자기저항 위치 센서.
16. 청구항 2에 있어서, 상기 복수의 자기저항 요소들 중 하나는 기준 저항인, 자기저항 위치 센서.
17. 청구항 16에 있어서, 상기 기준 저항은 이의 출력이 자기 필드에 의존하지 않도록 차폐되는, 자기저항 위치 센서.
18. 자기저항 위치 센서를 사용하여 적어도 제1 방향으로 위치를 측정하는 방법에 있어서,
    차동 필드 센서를 이용하여 제1 방향으로 자석의 위치를 검출하는 단계; 및
    상기 차동 필드 센서를 사용하여 적어도 제2 방향으로 상기 자석의 이동을 보상하는 단계를 포함하는, 방법.
19. 청구항 18에 있어서, 상기 적어도 제2 방향은 제1 평면에 있고, 상기 제1 평면은 상기 제1 방향에 실질적으로 수직인, 방법.
20. 적어도 제1 방향으로 위치를 측정하기 위한 자기저항 위치 센서에 있어서,
    적어도 상기 제1 방향으로 이동하도록 배열된 자석; 및
    상기 자석의 제1 방향으로의 이동을 검출하도록 배열된 복수의 자기저항 요소가 위에 배열된 기판을 포함하고;
    상기 자기저항 요소들은 적어도 제2 방향으로의 상기 자석의 이동을 보상하기 위해 브리지 배열로 배열되는, 자기저항 위치 센서.
    

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