자기장과 자성 효과를 측정하는 센서는 산업, 자동차 부문을 비롯해 가전제품에서 다양한 형태로 이용되고 있다. 신뢰성을 인정받고 널리 사용되는 홀 센서 외에도 자기 저항 방식의 xMR은 위치와 각도, 속도, 전류 등을 측정하는 경제적이고 강력한 솔루션을 위한 가능성을 활짝 열어준다. 본고에서는 다양한 자기 센서 기술을 설명한다.


글 | 버트홀드 아스테저(Berthold Astegher)
자기 및 압력 센서 애플리케이션, 시스템 엔지니어링 총책임자
인피니언 테크놀로지스

기존 홀 효과 센서는 구현할 수 있는 가능성의 한계점에 대체로 도달했다.
True: 홀 센서는 성능을 검증받고 인정받은 기술이다. 홀 센서는 홀 효과를 사용해 자기선속 밀도를 측정한다. CMOS 기술의 홀 소자 집적화는 홀 소자의 광범위한 사용을 위한 길을 열어주었다.
홀 소자는 오프셋 또는 온도 드리프트와 같은 단점을 내재해 애플리케이션과 성능을 제한하지만, 강자성체 재료가 필요하지 않기 때문에 무제한의 선형성을 가진다. 스피닝 홀 기법 및 응력 보상과 같은 복잡한 전자 보상 과정 덕분에 더 우수한 규격을 달성할 수 있으며, 이를 통해 정밀성과 안정성도 높일 수 있다. 그러나 홀 소자의 감도는 전자의 이동도에 의존하므로 평균 전자 이동도가 단 1,400° cm2V-1s-1인 실리콘의 경우 제한적이다. 감도의 증가는 새로운 재료에서만 가능하며, 이는 CMOS 기술에는 적용할 수 없다. 그럼에도 여전히 홀 센서는 위치 탐지를 위한 비교적 간단한 홀 스위치에서부터 경로나 회전 운동과 같은 복잡한 홀 센서에 이르기까지 광범위하고 다양한 애플리케이션 범위를 포괄하고 있다.
홀 효과 센서는 3D 애플리케이션에 사용할 수 없다.
False: 광범위한 연구 덕분에 이제 수평 애플리케이션을 위한 센서 구조와 유사한 특성(오프셋, 감도)을 갖는 수직 홀 센서를 위한 새로운 구조를 개발하는 것이 가능해졌으며, 이에 따라 3차원 자기장도 측정할 수 있다. 이와 더불어 홀 센서를 이용한 위치 또는 경로 측정의 가능성도 확장됐다.

자기 저항(xMR) 기술은 감도의 측면에서 기존의 홀 효과 센서보다 많은 장점을 제공한다.
True: 일례로 2% ~ 3% 저항 변화를 하는 이방성 자기 저항(AMR) 센서의 감도는 홀 센서의 감도보다 10배 더 높다. AMR 센서는 전류 흐름과 전도성 강자성체 재료가 만드는 자기화 방향 사이의 각도에 존재하는 전기 저항에 의존한다. 거대 자기 저항(GMR) 센서는 최소 두 개의 강자성체층과 그 사이에 들어가는 한 개의 금속층으로 구성되는 다층 구조에서 일어나는 자기 저항 효과를 바탕으로 하는 센서로 1988년 발견됐다. GMR 센서는 4% ~ 10% 저항 변화를 갖고 AMR 센서의 감도를 훨씬 능가한다.
GMR 센서의 용도를 언급하는 주요 요소는 진정한 360° 측정을 수행할 수 있다는 점이다. 큰 출력 신호를 매우 높은 감도와 함께 얻을 수 있어 지구 자기장의 강도 측정이 가능하다. 이러한 높은 감도로 기존 홀 센서보다 GMR 센서와 신호 발생장치 사이의 거리를 확장할 수 있다. 또한 더욱 우수한 신호 대 잡음비 덕분에 휠 속도를 측정하는 경우 높은 정확도를 달성할 수 있다(특히 지터와 위상 정확도가 향상됐다).

홀 센서와 달리 AMR 및 GMR 센서는 아직 자동차 산업에서 확고히 자리잡지 못했다.
False: AMR과 특히 GMR은 홀 센서에 비해 새로운 기술에 속하지만, 이들은 이미 오래전부터 산업과 자동차 관련 전자 부품에 사용됐다. 보다 덜 복잡한 AMR 기술은 15년 이상 자동차에서 휠 속도 결정 및 180° 각도 측정에 사용됐다. GMR 기술을 탑재해 조항각 센서 또는 엔진 제어를 위한 센서로 360° 각도 측정을 수행하는 자동차는 이미 수년 전부터 도로를 달리고 있다. 인피니언은 세계에서 처음으로 단일 칩 방식의 iGMR 집적 솔루션을 제공하는 업체로 2007년 이후 제품을 대량 생산하고 있다. 집적은 홀 센서와 같은 하우징의 사용을 가능하게 하고 홀 센서와 같은 지점에서 센서 소자를 배치할 수 있다. 단일 칩 방식의 집적은 동시에 높은 수준의 품질 표준을 보장한다.

AMR 및 GMR 센서는 일반적으로 위치, 속도, 각도 또는 흐름 측정에서 모든 애플리케이션에 장점을 제공한다.
False: AMR과 GMR, 홀 센서는 모두 서로 다른 애플리케이션에서 고유의 특정한 장점을 가진다. 예를 들어 홀 센서는 선형 범위가 넓기 때문에 전류 측정에 유리하다. AMR은 GMR보다 각도 측정에서 더 넓은 자기 범위와 높은 정확도를 제공하지만, 각도 측정이 180°로 제한된다. GMR은 AMR보다 더 우수한 감도와 함께 가변 선형 범위를 가지므로 차동 배치를 사용해 간섭 필드를 억제할 수 있다. 또한 각도 측정 측면에서 360° 측정을 할 수 있다. 이것은 특히 BLDC 모터에 사용되어 매우 효율적인 구동 솔루션을 구현하는 데 중요한 특징이다.
GMR 센서는 회전 속도의 측정을 위해서도 고려됐다. 예를 들어 이 센서는 자기적으로 코딩된 휠에 대해 자석을 백바이어싱할 필요가 없다. 반면에 홀 센서의 차동 개념으로 사용할 수 있다. 이것은 시스템 비용을 낮출 뿐 아니라 표류 자장에 대한 내성을 높여준다.

GMR 센서는 홀 효과 센서보다 너무 비싸 생산이 어렵다.
False: 소형 크기 덕분에 CMOS 및 바이폴라 반도체 기술과 호환되는 방법으로 GMR 센서의 생산 및 집적이 가능해졌다. 그 결과 집적 회로로 GMR 센서의 설계를 간소화할 수 있어 합리적 가격으로 지능형 센서를 생산할 수 있다. 이와 더불어 재료의 안정성으로 GMR 센서를 -60° ~ 200°C 온도에서 사용할 수 있다.
최초의 상용 GMR 센서는 1997년으로 거슬러 올라가 IBM 하드 드라이브의 읽기, 쓰기, 헤드에 처음 사용됐다. 그러나 레이어 두께의 제작에서 요구되는 엄격한 허용오차로 인해(수 nm 레이어 두께에서- 단, 약 1-2옹스트롬) 소수 업체만이 일치하는 고품질과 대량 생산으로 GMR 센서를 생산할 수 있다.

TMR은 미래에 AMR 및 GMR 센서를 대체할 잠재력이 있다.
True: AMR 및 GMR 외에도 터널 자기 저항(TMR)과 초거대 자기 저항(CMR)과 같은 또 다른 자기 저항 기술들이 개발 중에 있다. TMR은 이미 하드 드라이브의 읽기, 헤드에 사용되며, 인피니언에서는 단일 칩 방식의 집적도를 향상하는 작업을 진행하고 있다. TMR 효과는 GMR과 유사하게 최소 두 개의 강자성체와 그 사이에 들어가는 한 개의 절연층으로 구성되는 다층 구조에서 발생한다. TMR은 약 4% ~ 10%의 저항 변화를 갖는 GMR에 비해 200% 이상의 높은 저항 변화로 수직 방향의 전류의 흐름과 강자성체 층에서 만들어지는 두 개의 자기화 방향의 각도에 의존한다. 또한 매우 높은 감도 외에도 우수한 온도 안정성을 자랑한다. TMR은 매우 높은 출력 신호로 종종 신호의 복잡한 프리앰프 없이도 구현할 수 있다. TMR을 사용하면 AMR의 정확도와 GMR의 360° 측정을 매우 높은 수준의 감도에서 결합할 수 있다.  ES