자기저항 센서

참고문헌

 

[1] 자기저항센서의 장점, 윤진근
[2] 자기센서, 어디까지 왔나, 신현성

 

자기센서는 자기장 또는 자력선의 크기와 방향을 측정하는 센서다. 자기장의 영향으로 여러 가지 물질의 성질 등이 변화하는 효과를 이용하여 자기장을 측정한다. 반도체에 흐르는 전류에 대해 수직으로 자기장을 걸면 전압이 발생하는 홀 효과(Hall effect)나, 자기장의 영향으로 전기저항이 증대하는 저기저항효과 등을 이용하는 것. 이를 보통 홀 센서 또는 MR센서라고 한다.

 

Q. 자기저항센서 사용을 통해 얻을 수 있는 장점은.
자기저항센서를 사용함에 따라 경제성이 높아진다. 매우 높은 자기 감도를 활용함으로써 감지 범위가 확장되는 것은 물론, 더 작고 낮은 강도의 자석을 사용하여 비용을 획기적으로 절감한다.
한국하니웰의 나노파워 자기저항센서는 배터리식 기기에 최적화된 나노파워로 최저 1.65V의 공급 전압에서도 작동 가능하기 때문에 전력 소모를 최소화하여 배터리 수명을 늘린다.
옴니폴라 방식의 나노파워 제품은 센서와 평행 방향으로 N극 또는 S극에 활성화되므로 자석 극성을 식별할 필요가 없어 설치가 간편하고 시스템 비용을 줄일 수 있다. 
또한 푸시-풀(CMOS) 출력은 외부 저항기가 필요하지 않아 오픈 드레인 출력 장치와 비교해 사용이 간편하며 비용 측면에서 효율적이다.

출처 : MSD(Motion System Design)(http://www.msdkr.com)

 

1. 산업용으로는 ▲노트북, 스캐너 등 모바일 장비: 배터리식 기기의 리드 개폐 감지 ▲ 수도, 전기 및 가스 검침기: 검침기의 계수 기능 조작, 속도를 늦추거나 또는 정지시키기 위해 검침기 외부에 대형 자석을 부착하여 자기장의 존재 여부 감지 ▲수도 및 가스계량기: 수도 또는 가스 사용 확인을 위해 계량기의 카운터로 사용 등에 사용한다. 
현재 수도 및 가스계량기에는 리드 스위치가 많이 사용되고 있다. 하지만 하니웰 제품은 500nA 미만의 낮은 전력을 사용하므로 배터리 수명에 민감한 분야에서 리드스위치 대신 사용할 수 있는 유일한 센서 솔루션이다.

2. 빌딩 내에서는 ▲건물 출입 통제: 배터리 작동식 보안 시스템용 리드스위치 대신에 사용 가능. 문 개폐 여부를 감지하고 신호를 무선 모듈로 전송 및 중앙 제어 장치로 전달 ▲산업용 화재 감지기: 알람 테스트 센서로 사용. 자석을 사용하여 연기 감지를 테스트하여 알람이 제대로 작동하는지 판별 가능. 등 다양하게 적용할 수 있다.

3. 의료용으로는 ▲운동 장비: 비상 정지 스위치로 사용하거나 RPM 및 경사 위치 감지 ▲약물 주입 펌프: 주입 카트리지의 위치 감지 ▲의료용 캐비닛 등 서랍 위치 감지: 약물 분배 캐비닛 서랍을 원격으로 잠금 및 잠금 해제하여 보안 강화 및 투약 오류 최소화 ▲병원 침대: 전기적으로 조정 가능한 병원 침대의 최소/최대 위치를 결정 등 다양하게 활용한다.

4. 가전제품 분야에서는 ▲ 식기 세척기, 전자레인지, 세탁기, 냉장고 등 뚜껑, 문 및 서랍 위치 감지 ▲유체 흐름: 커피머신에서 흐름을 측정하는 계수 메커니즘으로 활용 등에 쓰인다.

5. 소형 가전제품으로는 ▲배터리 최적화 위치 센서: 자석의 존재를 감지하여 노트북, 태블릿, 무선 스피커 등의 가전제품의 작동을 중지하여 배터리 수명을 최대화할 수 있다.

출처 : MSD(Motion System Design)(http://www.msdkr.com)

 

자기저항센서
최근 회로 설계의 발전으로 작은 크기와 함께 높은 품질 및 내구성을 자랑하며 배터리 수명을 최대화할 수 있는 자기저항센서(MR센서)가 등장했다. 500㎁ 이하 범위의 전력 소비를 제공하면서 리드스위치와 흡사한 가격으로 높은 감도를 제공할 수 있는 새 MR 기술이 등장한 것.

MR센서는 홀 효과 센서처럼 고체 형태로 이루어진 자기센서이다. MR센서와 홀 효과 센서의 차이점은 홀 효과 센서처럼 감지 대상 물체와 수직이 아닌 평행방향으로 자기 감지가 이루어진다는 점이다. 이러한 감지방식은 일반적으로 감도가 더욱 뛰어나다고 알려져 있다. 이러한 특성으로 MR센서는 사실상 모든 배터리 방식 제품에 사용될 수 있다.

홀 센서 Vs. 자기저항센서
하니웰의 나노 시리즈 자기저항센서 IC는 기존의 홀 센서와 비교해 소비전력이 적고, 비용이 저렴하며, 감도가 높고, 설치가 간편하다.

저 전력 소비: 전력 소모 문제는 많은 배터리 방식으로 구동되는 기기의 관심사 중 하나다. 하니웰 자기저항센서는 310㎁ 및 360㎁ 사양으로 출시되었다. 구동에 드는 소비전력은 현재 사용하는 홀 효과 센서 중 가장 성능이 뛰어난 제품과 비교했을 때 1/16 수준에 불과하다. 따라서 설계자 및 기술자들이 배터리 수명을 절약하거나 동일한 전력 소비 수준에서 추가적인 저 전력 기술을 사용할 수 있다.

현재 많은 응용분야에서 시스템의 평균 전류를 500㎁ 이하까지 감소시키기 위해 시스템 전원을 켜고 끄는 외부 시계 또는 전기회로망을 사용하여 전자 센서를 전력 순화시키는 설계를 채택하고 있다. 나노파워 자기저항센서 IC는 전력을 내부적으로 순환시키는 시계를 사용하기 때문에 단순한 기기 설계를 실현한다.
특정 분야의 요구를 맞추기 위해 설계를 미세하게 조정할 수도 있다. 센서가 가진 2개 이상의 특징을 서로 조율할 수 있는 것. 가장 일반적인 경우는 전력 소비량에 견주어 감도를 조절하는 것이다. 예를 들어 하니웰의 SM351LT는 초고도 자기 감도(일반 작동 시 7G·최대 작동 시 11G) 및 매우 낮은 전류 소비(일반 작동 시 360㎁)를 요하는 응용 분야에 적합하게 설계되었다. 이보다 약간 낮은 수준의 자기저항성(일반 작동 시 14G 및 최대 작동 시 20G)을 요하는 응용사례의 경우, 더 낮은 전력 소비(일반 작동 시 310A)를 제공한다.

시스템 비용 절감: 나노파워 자기저항센서는 CMOS 출력 회로를 사용하므로 외부 풀업 저항기가 필요 없다. MR센서는 또한 홀 효과 기기에서 흔히 쓰이는 초퍼 회로(Chopper Circuit)가 생성하는 전자 소음 여과를 위한 별도의 구성요소가 불필요하다. 따라서 물리적 공간이 줄어들게 되고, 공간의 제약이 있는 분야에서 더욱 용이하다. 

고 감도: 나노파워 자기저항센서 IC는 기존 홀 효과 센서보다 향상된 감도를 제공한다. 상용 홀 센서 제품에 비해 동일한 자석을 2배 이상 먼 거리에서 감지할 수 있다. 이는 직접적으로 시스템 비용과 연결된다. 설계자들이 더욱 작은 크기의 자석 또는 서로 다른 재질로 만들어진 자석을 사용할 수 있기 때문이다. 이러한 강점은 희토류 자석의 공급 부족으로 인해 가격이 대폭 상승하고 있는 현 시점에서 빛을 발한다.
또한, 고 감도의 MR센서를 사용할 경우, 자기성 목표물과 센서 사이의 넓은 공극을 가질 수 있어 설계 측면에서 더 나은 유연성을 제공한다. 설치 공간이 한정되어 있거나 센서의 위치가 감지 대상으로부터 수 ㎜ 이상 떨어져있는 등 많은 분야에서 유용한 기능이다. 

간편한 설계 및 설치: 시스템 설계는 설계 기술자들이 항상 갖고 있는 고민거리다. 이를 최소화하기 위해서는 자석 강도의 편차·제조 과정에서의 센서 및 자석의 배치·센서의 감도 편차 등을 고려해야 한다. 나노파워 자기저항센서 IC의 옴니폴라 특성은 더욱 간단한 설치를 실현한다. 또한 제조 단계를 한층 더 축소시킨다. 유니폴라 홀 센서와 달리, MR센서는 자석의 양극 중 하나에 반응하기 때문에 자석의 극성을 확인하기 위한 센서 설치 및 이전의 단계가 필요 없다.

리드스위치 Vs. 자기저항센서
리드스위치는 최대 10암페어횟수(AT)에 도달할 수 있다. 이때 자석 양극은 스위치 바로 위에서 약 10G에 달한다. 스위치를 구동하는 데에 전력이 소모되지 않으며 감도가 높은 리드스위치는 수도계량기 및 보안시스템과 같이 고 감도를 요하는 배터리식 적용 분야에서 효과적이다. 
 
하지만 리드스위치는 유연한 금속 리드로 구성되어 일반적으로 유리 캡슐 안에 포장되어 있다. 따라서 설치과정 중 리드를 구부릴 때, 혹은 큰 충격 및 진동으로 인해 장치가 파손될 위험이 있다. 또한 10AT 리드스위치는 적용 분야에 비해 상대적으로 크기가 큰 경우도 있으며, 기본적으로 기계식 스위치로 구성되어있어 시간이 지남에 따라 마모를 겪게 된다. 

저 전력 소비·고 감도: 나노파워 자기저항센서 SM351LT는 평균 7G·최대 11G의 감도를 통해 리드스위치와 동일한 거리는 물론, 보다 먼 거리에서도 목표 자석을 감지할 수 있다. 평균 360nA의 센서 소비 전력은 수도 및 가스계량기 등 전력에 민감한 배터리 방식 제품에도 사용할 수 있다.

마모 개선: 나노파워 자기저항센서는 고체 스위치로 형태를 띠고 있다. 따라서 내부에 기계적인 부품이 없다. 이는 센서가 마모되지 않음을 의미한다. 고체 설계를 통해 마모를 개선한 셈.

플라스틱 패키지를 통한 크기·내구성 향상:  업계 표준인 SOT-23 플라스틱 패키지는 리드스위치에 사용되는 유리 패키지보다 작은 크기와 높은 견고성을 자랑한다. 더 작은 제품을 제조할 수 있음은 물론, 설치 시 파손을 줄이며, 충격 및 진동이 발생하는 응용사례에서도 제대로 작동할 수 있게 한다.

하니웰S&C(Sensing and Control) 사업부 수석 마케팅 매니저 조쉬 에드버그는 “MR센서를 사용함으로써 기계적 리드스위치 및 홀 효과 센서의 제약에서 보다 자유로워질 수 있다”며, “MR센서는 산업과 의료 그리고 가전제품 분야에 대한 저 비용은 물론 효율적인 솔루션을 제공하며 많은 제품의 설계 및 제조 방식을 변화시키고 있고, 앞으로도 그럴 것”이라고 밝혔다.

출처 : MSD(Motion System Design)(http://www.msdkr.com)