본 논문은 마이크로 플럭스게이트 자기 센서 (micro fluxgate magnetic sensor)의 여자코일 선폭에 따른 자계 검출 특성 변화에 관한 것이다. 센서 제작을 위해 PCB 다층 적층기술을 사용하였으며, 연자성 코어를 둘러싼 여자코일 선폭을 각각 $260\;{\mu}m$와 $520\;{\mu}m$로 센서를 구현하였다. 센서는 모두 5층의 기판을 적층 하였으며, 가운데 (3번째)기판을 자성체 코어로, 자성체 코어 외부 (2번째와 4번째)기판을 여자코일로, 최외부 (1번째와 5번째)기판을 검출코일로 제작하였다. 연자성 코어로는 약 100,000의 큰 DC투자율 (permeability)을 갖는 코발트 (Co)가 주성분인 아몰퍼스 재료를 사용하였으며, 자속 누설을 최소화하기 위해 사각 링 형태를 유지하였다. 솔레노이드 형태의 여자코일과 검출코일은 구리 재질로 제작되었다. $260\;{\mu}m$ 여자코일 선폭을 갖는 자기센서는 여자조건이 360 kHz, $3\;V_{p_p}$의 정현파일 경우에 780 V/T로 매우 우수한 감도를 보이고 있으며, $-100\;{\mu}T\;{\sim}\;+100\;{\mu}T$ 영역에서 매우 우수한 선형특성을 보이고 있다. 자기 센서의 크기는 $7.3\;{\times}\;5.7\;mm^2$이며, 소비전력은 약 8 mW이다. 이런 초소형 자기센서는 휴대용 네비게이션 시스템, telematics, VR 게임기 등 다양한 응용분야에 적용할 수 있다.
본 논문은 마이크로 플럭스게이트 자기 센서 (micro fluxgate magnetic sensor)의 여자코일 선폭에 따른 자계 검출 특성 변화에 관한 것이다. 센서 제작을 위해 PCB 다층 적층기술을 사용하였으며, 연자성 코어를 둘러싼 여자코일 선폭을 각각 $260\;{\mu}m$와 $520\;{\mu}m$로 센서를 구현하였다. 센서는 모두 5층의 기판을 적층 하였으며, 가운데 (3번째)기판을 자성체 코어로, 자성체 코어 외부 (2번째와 4번째)기판을 여자코일로, 최외부 (1번째와 5번째)기판을 검출코일로 제작하였다. 연자성 코어로는 약 100,000의 큰 DC 투자율 (permeability)을 갖는 코발트 (Co)가 주성분인 아몰퍼스 재료를 사용하였으며, 자속 누설을 최소화하기 위해 사각 링 형태를 유지하였다. 솔레노이드 형태의 여자코일과 검출코일은 구리 재질로 제작되었다. $260\;{\mu}m$ 여자코일 선폭을 갖는 자기센서는 여자조건이 360 kHz, $3\;V_{p_p}$의 정현파일 경우에 780 V/T로 매우 우수한 감도를 보이고 있으며, $-100\;{\mu}T\;{\sim}\;+100\;{\mu}T$ 영역에서 매우 우수한 선형특성을 보이고 있다. 자기 센서의 크기는 $7.3\;{\times}\;5.7\;mm^2$이며, 소비전력은 약 8 mW이다. 이런 초소형 자기센서는 휴대용 네비게이션 시스템, telematics, VR 게임기 등 다양한 응용분야에 적용할 수 있다.
To observe the effect of excitation coil pitch on the micro fluxgate magnetic sensor, two sensors are fabricated using multi layer board process and the pitch distance of excitation coil are $260\;{\mu}m$ and $520\;{\mu}m$, respectively. The fluxgate sensor consists of five PCB...
To observe the effect of excitation coil pitch on the micro fluxgate magnetic sensor, two sensors are fabricated using multi layer board process and the pitch distance of excitation coil are $260\;{\mu}m$ and $520\;{\mu}m$, respectively. The fluxgate sensor consists of five PCB stack layers including one layer of magnetic core and four layers of excitation and pick-up coils. The center layer as magnetic core is made of a Co-based amorphous magnetic ribbon with extremely high DC permeability of ${\sim}100,000$ and has a rectangular-ring shape to minimize the magnetic flux leakage. Four outer layers as excitation and pick-up coils have a planar solenoid structure and are made of copper foil. In case of the fluxgate sensor having the excitation coil pitch of $260\;{\mu}m$, excellent linear response over the range of $-100\;{\mu}T$ to $+100\;{\mu}T$ is obtained with sensitivity of 780 V/T at excitation sine wave of $3V_{p_p}$ and 360 kHz. The chip size of the fabricated sensing element is $7.3\;{\times}\;5.7\;mm^2$. The very low power consumption of ${\sim}8\;mW$ is measured. This magnetic sensor is very useful for various applications such as: portable navigation systems, telematics, VR game and so on.
To observe the effect of excitation coil pitch on the micro fluxgate magnetic sensor, two sensors are fabricated using multi layer board process and the pitch distance of excitation coil are $260\;{\mu}m$ and $520\;{\mu}m$, respectively. The fluxgate sensor consists of five PCB stack layers including one layer of magnetic core and four layers of excitation and pick-up coils. The center layer as magnetic core is made of a Co-based amorphous magnetic ribbon with extremely high DC permeability of ${\sim}100,000$ and has a rectangular-ring shape to minimize the magnetic flux leakage. Four outer layers as excitation and pick-up coils have a planar solenoid structure and are made of copper foil. In case of the fluxgate sensor having the excitation coil pitch of $260\;{\mu}m$, excellent linear response over the range of $-100\;{\mu}T$ to $+100\;{\mu}T$ is obtained with sensitivity of 780 V/T at excitation sine wave of $3V_{p_p}$ and 360 kHz. The chip size of the fabricated sensing element is $7.3\;{\times}\;5.7\;mm^2$. The very low power consumption of ${\sim}8\;mW$ is measured. This magnetic sensor is very useful for various applications such as: portable navigation systems, telematics, VR game and so on.
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문제 정의
본 논문에서는 PCB 다층 적층기술을 이용해 마이크로 플럭스게이트 자기 센서를 제작하였고, 현재까지 실측하여 보고된 바 없는 여자코일 선폭 효과를 관찰하였으며, 상용화를 위한 방향을 제시하였다.
또한 T의 측정 영역에 있어서. 직류 및 저주파 교류 자계의 크기 및 방향을 검출할 수 있으며, 전류의 흐름 및 자성체 재료에 의해 발생하는 자장의 변화량을 검출하는 소자이다. 플럭스게이트 자기 센서의 기본 구성은 고투자율 재료로부터 형성된 연자성 코어에 감겨져 있는 여자코일과 검출코일로 형성되어 있다.
가설 설정
는 여자 주파 수. Hs는 연자성 코어의 포화 자장. Hm는 최대 여자 자장을 의미한다.
제안 방법
2축 (X축과 Y축)플럭스게이트 자기 센서에 대한 회전각에 따른 제2고조파 전압 변화를 관찰하기 위해 여자코일 선폭이 260 Rm인 센서 두 개를 서로 수직하게 기판에 장착하여 , X축 및 Y 축 자계 검출이 가능케 하였다. 지구자계 내에서 기판을 360도 회전시키면서 X축, Y축 각각의 센서로부터 출력 전압을 5도 단위로 측정하였으며, 그 결과는 그림 6(a)에서 보여주고 있다.
그림 2는 PCB 다증 적증기술을 이용하여 제 작된 플럭스게이트 자기 센서의 설계 구조도이며 , 기능상 총 5층으로 구성된다. 5층 중 가운데 인 3번째 층에 연자성 코어의 구조를 형성하고, 그 외각으로 여자코일과 검출코일의 솔레노이드 코일 구조를 구현했다. 여자코일 선폭 효과를 관찰하기 위해 260 Hm과 520 Hm의 선폭을 갖는 센서를 각각 설계 제작하였다.
마이크로 플럭스게이트 자기 센서 (micro fluxgate magnetic sensor)를 사각링 형태의 연자성 코어와 솔레노이드 형태의 여자코일 및 검출코일로 구성하였고, 여자코일 선폭 효과를 관찰하기 위해 260 um와 520 Um 선폭을 가진 2종의 센서를 설계, 제작하였다. 제작을 위해 PCB 다층 적층기술을 이용하였고, 연자성 코어는 약 100,000의 큰 투자율을 갖는 아몰퍼스 재료를 사용하여 고 감도 및 저 전력의 센서를 구현하였다.
5층 중 가운데 인 3번째 층에 연자성 코어의 구조를 형성하고, 그 외각으로 여자코일과 검출코일의 솔레노이드 코일 구조를 구현했다. 여자코일 선폭 효과를 관찰하기 위해 260 Hm과 520 Hm의 선폭을 갖는 센서를 각각 설계 제작하였다. 연자성 코어의 재료로는 약 100,000의 투자율을 갖는 아몰퍼스 (amorphous) 재료를 사용하였고, 사각 링 (re- ctangular-ring) 형태의 구조로 자속(magne- tic flux)의 누설을 최소화 하였다.
여자코일 선폭 효과를 관찰하기 위해 260 Hm과 520 Hm의 선폭을 갖는 센서를 각각 설계 제작하였다. 연자성 코어의 재료로는 약 100,000의 투자율을 갖는 아몰퍼스 (amorphous) 재료를 사용하였고, 사각 링 (re- ctangular-ring) 형태의 구조로 자속(magne- tic flux)의 누설을 최소화 하였다. 여자코일과 검출코일의 재료로는 전기전도도가 좋은 구리 (copper)# 사용하였다.
마이크로 플럭스게이트 자기 센서 (micro fluxgate magnetic sensor)를 사각링 형태의 연자성 코어와 솔레노이드 형태의 여자코일 및 검출코일로 구성하였고, 여자코일 선폭 효과를 관찰하기 위해 260 um와 520 Um 선폭을 가진 2종의 센서를 설계, 제작하였다. 제작을 위해 PCB 다층 적층기술을 이용하였고, 연자성 코어는 약 100,000의 큰 투자율을 갖는 아몰퍼스 재료를 사용하여 고 감도 및 저 전력의 센서를 구현하였다. 여자코일 선폭이 260 Um인 경우가 520 um 선폭인 경우보다 낮은 여자전압으로 센서를 여자 시킬 수 있었다.
플럭스게이트 자기 센서의 설계/제작에 있어서, 그림 1에 나타낸 차동 여자형 플럭스게이트 자기 센서의 기본구조를 이용한다. 이 구조는 연자성체 코어, 여자코일 및 검출코일로 구성되어 있고, 외부자계가 없는 경우, 검출코일에 유도된 펄스전압의 파형은 기하학적으로 대칭성이 있다.
플럭스게이트 자기 센서의 특성을 측정하기 위해서 여자 전류 인가는 function generator (HP33120A)를 사용하였고, DC power supply (Agilent E3642A)로 magnetic shield box에 current를 흘려 원하는 자기장을 형성하였다. 또한 제2고조파 신호를 검출하기 위해 spectrum analyzer (Agilent 4395A)를 이용하였으며.
대상 데이터
260 pm의 여자코일 선폭을 갖는 센서는 21 턴씩의 여자 및 검출코일로 구성되어 있으며, 520 um의 여자코일 선폭을 갖는 센서는 11턴의 여자코일과 21턴의 검출코일로 제작되었다. 사각링 형태의 연자성 코어는 500um폭으로 형성 돈].
연자성 코어의 재료로는 약 100,000의 투자율을 갖는 아몰퍼스 (amorphous) 재료를 사용하였고, 사각 링 (re- ctangular-ring) 형태의 구조로 자속(magne- tic flux)의 누설을 최소화 하였다. 여자코일과 검출코일의 재료로는 전기전도도가 좋은 구리 (copper)# 사용하였다.
크기 7230 um * 2740 μm의 사각링 형태로 구성되었다. 연자성 코어의 재료로는 투자율 이 약 100.000 정도이고, 보자력 (coercive field)이 0.01 Oe 이하의 코발트가 주성분인 아몰퍼스 연자성체가 사용되었다.
이론/모형
플럭스게이트 자기 센서의 특성을 측정하기 위해서 여자 전류 인가는 function generator (HP33120A)를 사용하였고, DC power supply (Agilent E3642A)로 magnetic shield box에 current를 흘려 원하는 자기장을 형성하였다. 또한 제2고조파 신호를 검출하기 위해 spectrum analyzer (Agilent 4395A)를 이용하였으며. 상기의 계측기들은 GPIB interF ace를 사용하여 computer에 의해 제어 되었다.
성능/효과
이는 낮은 전압으로노 센서 구동을 가능케 함으로써 소비전력을 줄일 수 있다. 또한 0-5 VP-pS] 여자전압 영역에서 260 um의 여자 코일 선폭을 갖는 센서에서 보다 큰 제2고조파 출력이 발생되었다.
여자코일 선폭이 260 Um인 경우가 520 um 선폭인 경우보다 낮은 여자전압으로 센서를 여자 시킬 수 있었다. 또한 여자조건이 360 kHz, 3 Vs의 정현파일 경우에 우수한 선형특성과 780 V/T의 고감도를 가지며, 약 8 mW의 매우 작은 소비전력이 측정되었다. 결국 여자코일 선폭의 감소는 최적 여자전압을 낮춤으로써 감도 향상과 소비전력 감소를 야기했다.
참고문헌 (12)
H. Thomas, 'Direction responsive system', US Patent. No. 2016977, 1935
F. Primdahl, 'The fluxgate mechanism', IEEE Trans. on Magnetics, vol. 6, pp. 376-383, 1970
T. Seitz, 'Fluxgate sensor in planar microtechnology'. Sensors and Actuators A, vol. 21, pp. 799-802, 1990
S. Kawahito, H. Sato, M. Sutoh, and Y. Tadokoro. 'High-resolution micro fluxgate sensing elements using closely coupled coil structures', Sensors and Actuators A, vol. 54, pp. 612-617. 1996
S. Choi, S. Kawahito. K. Takahashi. Y. Matsumato. M. Ishida. and Y. Tadokoro, 'A planar fluxgate magnetic sensor for on-chip integration', Sensors and Materials. vol. 9, no. 4, pp. 241-252. 1997
T. Liakopoulos and C. Ahn, 'A micro-fluxgate magnetic sensor using micromachined planar solenoid coils', Sensors and Actuators A, vol. 77, pp. 66-72, 1999
O. Dozuari, E. Belloy, S. Gilbert, and M. Gijs, 'Printed circuit board integrated fluxgatc sensor'. Sensors and Actuators A. vol. 81, pp. 200-203, 2000
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