홀 효과

홀 센서(Hall Sensor)의 기능은 전류가 흐르는 도체에 수직으로 자기장을 적용하면 전류 방향으로 전압(홀 전압)이 생성된다는 홀 효과의 물리적 원리에 기반을 두고 있습니다. 이 효과는 발견자인 에드윈 허버트 홀(Edwin Herbert Hall, 1855~1938)의 이름을 따서 명명되었습니다. 

홀 효과에서는 전류에 수직으로 자기장을 적용하면 로렌츠 힘으로 인해 전자가 감지 소자의 가장자리로 휘어집니다. 이로 인해 전위차가 발생하는데, 이를 홀 전압(Hall Voltage)이라고 합니다. 이 전압은 자기장의 세기와 작용 전류의 세기에 비례합니다. 이러한 비례성은 다양한 응용분야에 활용할 수 있습니다. 예를 들어, 이 효과를 통해 외부 자기장의 강도를 정의할 수 있습니다. 도체에 따라 전류가 흐를 때 자체적인 자기장이 생성되므로 전류 측정도 가능합니다. 이 자기장은 이제 간접적으로 전류를 측정하는 데 사용될 수 있습니다.

홀 효과는 반도체에서 가장 두드러지므로 일반적으로 반도체 소재의 작은 판이 홀 소자(Hall Element)로 사용됩니다.

홀 효과: 반도체 다이에서는 전류 방향에 수직으로 작용하는 외부 자기장에 의해 홀 전압이 생성됩니다.

리드형 및 SMD 패키지형 CMOS 홀 센서. 자기 흐름의 구성 요소는 칩 표면에 수직으로 측정됩니다(화살표).

오늘날의 홀 센서에서는 필수적인 평가 전자장치가 일반적으로 홀 플레이트(Hall Plate)와 함께 칩에 통합되어 있습니다. 홀 소자를 수직으로 관통하는 자기장 선은 비례하는 전기 전압을 생성하고, 이 전압은 디지털 신호 프로세서를 통해 처리되어 사용 가능한 출력 형식으로 변환됩니다.
 

최초의 CMOS 기반 홀 센서는 TDK-Micronas의 전신이 1990년대 초에 개척하여 개발했습니다. 제조 공정이 저렴해지면서 IC를 더 잘 통합할 수 있었고, 더 복잡한 회로를 설계할 수 있게 되었습니다. 이제 디지털 및 아날로그 기능은 동일한 칩에 혼합 신호 집적 회로로 결합되었습니다.

그럼에도 불구하고, CMOS 홀 센서가 실현되기 위해서는 극복해야 할 주요 과제들이 있었습니다. 그 중 하나는 홀 센서가 매우 낮은 신호 전압에서 작동한다는 것입니다. 따라서 온도와 전압 변동, 하우징에서 칩으로 전달되는 기계적 응력 등으로 인해 오프셋 드리프트(Offset Drift)가 발생하기 쉽습니다. 외부 영향 요인은 미세한 측정 신호를 상당히 왜곡시킵니다. 정확하고 안정적으로 작동하는 홀 센서를 얻으려면 이러한 요소도 보정해야 했습니다. 

TDK-Micronas는 ‘액티브 오프셋 보상’이라는 초퍼(Chopper) 방식으로 획기적인 발전을 이루었습니다. 이 개념에는 홀 플레이트를 통과하는 전류 방향을 실제 센서 엘리먼트(Element)로 지속적으로 전환(‘초퍼링’)하는 것이 포함됩니다. 이를 위해 전압 공급 장치와 홀 전압을 위한 탭이 정사각형 홀 플레이트에 대각선으로 부착되었습니다. 홀 플레이트의 기하학적 왜곡 등으로 인해 형성되는 측정 신호의 왜곡은 전류 방향에 관계없이 동일한 강도로 측정값에 입력되지만, 전류 방향에 따라 가감됩니다. 두 측정 모두 동일한 응력 프로필을 가진 동일한 구조를 사용하여 수행되므로, 발생한 오프셋은 기계적 하우징 전압에 따라 균등하게 조정됩니다. 

다음 단계로 엔지니어들은 연산 증폭기를 적용했습니다. 전체 작동 온도에 걸쳐 오프셋을 수 µV로 제한하고 회로의 EMC 및 전압 안정성을 크게 향상시킬 수 있었습니다. 이를 통해 칩 내 신호 처리 및 비휘발성 메모리 통합을 포함하는 완전한 CMOS 홀 센서 시스템의 기반이 마련되었습니다. 

오프셋 문제가 해결되자 TDK-Micronas는 CMOS 기술을 사용한 최초의 견고하고 열 안정성이 높은 홀 스위치(Hall Switch)와 선형 홀 센서(Linear Hall Sensor)를 출시하기 시작했습니다. 다음 개발에는 내부 3D HAL® 기술을 기반으로 하는 고정밀 각도 센서(Angle Sensor)가 포함됩니다. 수직 및 수평 홀 플레이트를 모두 사용하여 이제 다차원 자기장 측정이 가능해졌습니다. 수직 홀 플레이트는 센서 표면과 평행한 자기장 선을 감지하는 반면, 수평 홀 플레이트는 칩 표면을 영향을 미치는 수직 요소를 감지합니다. 

이는 자동차 설계 시 구성 요소의 긴밀한 통합과 EMC 최적화가 요구되는 자동차 산업에서 사용하는 데 필수적입니다. 그 결과, ISO 26262의 기능 안전 요구 사항을 충족해야 하는 센서뿐만 아니라 디커플링 커패시터가 통합된 센서가 개발되었습니다. 안전이 중요한 응용분야에서는 이중화 원리를 통해 높은 신뢰성을 달성할 수 있습니다. TDKMicronas는 단일 패키지에 두 개의 독립된 반도체 칩을 포함하는 센서 솔루션을 제공합니다. 
 

디커플링 커패시터가 통합된 홀 센서

여러 세대의 홀 센서에 걸쳐 지속적인 개발이 이루어진 기술적인 측면 외에도 최신 차량의 엄격한 요구 사항을 염두에 두고 특별히 개발된 새로운 개념이 구현되고 있습니다. 자동차 전자장치의 모토는 ‘견고성’과 ‘노이즈 내성’입니다. 이러한 점을 염두에 두고 TDK-Micronas는 디커플링 커패시터가 통합된 EMC 저항 센서를 출시했습니다. 커패시터(Capacitor)는 센서 칩에 매우 인접한 트랜지스터 패키지에 통합되어 있으며, 따라서 반도체 다이의 간섭 펄스로부터 거리를 유지하도록 매우 잘 배치되어 있습니다. 이 솔루션은 외부 구성 요소가 전혀 필요 없고, 비용 효율적이며, 공간을 절약하고, 효율성이 높습니다.

다차원 자기장 측정 기능을 갖춘 디커플링 커패시터 통합 센서 솔루션

이중화 기능이 있는 홀 센서(듀얼 다이 솔루션)

드라이브 바이 와이어(Drive-by-Wire) 시스템과 같은 안전이 중요한 자동차 응용분야에는 추가적인 기능 보호가 필요합니다. 이러한 영역에서 이중화 원리가 특별히 효과가 있는데, 이는 항공전자 분야의 초창기에 적용되었던 원리입니다. 이 원리는 다음과 같이 작용합니다. 구성요소가 복수로 설치되고 병렬로 작동합니다. 동일한 입력 신호의 경우 출력 신호가 지속적으로 비교됩니다. 이러한 신호가 허용치를 벗어나면 오류가 발생했다는 의미이므로 비상 프로그램 작동과 같은 사전 정의된 조치가 수행됩니다. TDK에서 개발한 홀 센서 솔루션은 두 번째 구성 요소가 필요하지 않게 만들었습니다. 두 개의 독립된 센서 다이를 단일 SMD 패키지에 통합한 것입니다. 이들은 수직으로 배열되어 동일한 자기장이 관통하므로 동일한 출력 신호를 제공합니다. 본드 와이어를 접합하는 데 미세한 오프셋이 불가피하기는 하지만 이는 무시할 수 있습니다.

안전이 중요한 자동차 산업 응용분야를 위한 이중화 기능의 듀얼 다이 홀 센서

TDK의 홀 센서는 자동차 및 산업용 전자장치에서 브러시리스 전기 모터(BLDC)의 정류부터 전류의 간접 측정, 조향 각도의 정밀 측정에 이르는 다양한 센서 응용분야에 적용할 수 있습니다.

홀 센서와 영구 자석을 조합하면 회전 속도(RPM), 각도, 회전, 유류 충전 레벨, 압력, 토크 등 다양한 변수를 측정할 수 있습니다. 홀 센서는 다른 기술과 달리 최적의 밀폐 상태로 설치할 경우 먼지, 오염 또는 물에 민감하지 않다는 장점이 있습니다. 측정 대상과 물리적 접촉을 하지 않기 때문에 사실상 마모가 발생하지 않으며 따라서 신뢰성이 매우 뛰어납니다. 

홀 센서는 위치 감지를 비롯해 거리나 각도의 정밀한 측정이 필요한 경우에 사용됩니다. 홀 효과 센서는 최대 160°C의 주변 온도에서도 안정적으로 작동할 수 있는 높은 수준의 정밀도와 견고성 덕분에 엔진 보닛 아래에 사용하기에 적합합니다. 

홀 스위치 (Hall Switch)

기능 원리: 자석을 센서에 가까이 가져가면 측정된 자기장 강도가 임계값과 비교됩니다. 이 값(스위칭 포인트)을 초과하면 센서 출력에서 스위칭 상태가 변경되며, 센서 유형에 따라 단극, 양극 또는 래치 스위칭(Latch Switching) 동작이 발생합니다. 

TDK-Micronas는 사전 정의된 특성 값을 가진 HAL 15xy 스위치 제품군을 제공합니다. 이러한 제품은 주로 자동차 응용분야를 위해 설계되었으며 기능적 안전 요구 사항을 충족합니다. HAL 15xy 제품군의 모든 제품은 ISO 26262 표준에 따라 SEooC(Safety Element out of Context) ASIL B 지원 제품으로 정의됩니다. 이 스위치는 TO92 또는 SOT23 케이스 형태의 3선 또는 2선 버전으로 제공됩니다. 후자에는 전류원 출력이 있으므로 두 개의 공급 케이블만 필요합니다. 자동차 산업에서 일반적으로 사용되는 용도로는 브레이크 오일 레벨 감지, 안전벨트 착용 여부 감지 또는 브레이크 등 스위치 기능 등이 있습니다. 홀 스위치는 안전벨트 버클이나 블라인드 등에서 기존의 마이크로 스위치를 대체하는 경우가 점차 늘고 있습니다. 또한, 브러시리스 전기 모터의 정류를 위해 모터 컨트롤러와 함께 사용할 수도 있습니다.

홀 스위치를 이용한 속도 측정

선형 홀 효과 센서

경로 측정이나 회전 운동 측정에는 자기장 세기에 비례하는 신호를 출력하는 선형 출력 특성을 가진 보다 복잡한 홀 센서가 필요합니다. 이 출력 신호는 아날로그 전압, 펄스 폭 변조 신호(PWM) 또는 최신 버스 프로토콜(예: SENT) 형태로 제공될 수 있습니다. 이 출력 특성은 최대 32개의 그리드 포인트를 사용하여 선형화될 수 있습니다. 이 기능은 자석이나 기계 설계의 허용 오차를 완전히 보상할 수 있습니다. HAL 24xy 센서 제품군은 진단 기능을 갖추고 있으며 정밀한 거리 측정(최대 40mm) 및 각도 측정(최대 180도)이 가능하도록 설계되었습니다. 특히 안전이 중요한 드라이브 바이 와이어 응용분야에서 사용하도록 설계된 HAR 24xy 센서 버전은 이중화 기능을 제공할 수 있습니다. 이 경우, 두 개의 독립된 센서 칩(듀얼 다이)이 단일 TSSOP 패키지에 통합되어 있습니다. 전형적인 응용분야로는 자기장 측정이나 마모되기 쉬운 기존 전위차계의 대체 등이 포함됩니다. 자동차 응용분야에서 선형 홀 센서는 특히 페달 위치나 조향 토크를 감지하는 데 사용되며, 이런 응용분야에서는 센서가 점차 직접 각도 센서로 대체되고 있습니다.

선형 홀 센서를 사용한 위치 및 이동 정의

직접 각도 센서

선형 스케일 센서가 자기장의 진폭만 측정하는 반면, 직접 각도 센서는 자기장 벡터도 포착할 수 있습니다. 칩 표면에 대한 수직 자기장 요소는 두 가지 유형의 선형 스케일 센서 모두에 의해 기록됩니다. 3D 센서의 ‘수직’ 홀 소자는 칩 평면의 자기장 요소도 감지합니다. 여기에서 내부 신호 처리를 통해 각도 및 위치 정보가 계산되고, 이 정보는 아날로그, PWM 또는 버스 프로토콜 출력 신호(예: SENT)로 출력됩니다.

TDK-Micronas의 HAL 39xy 센서 제품군은 내부 3D HAL® 기술을 사용하는 동시에 외부 자기장 간섭에 대한 저항성을 갖추고 있습니다. 이 독특한 개념은 일련의 홀 플레이트에 기반을 두고 있습니다. 각 측정 모드는 가장 좋은 테스트 결과를 얻기 위해 추가적인 홀 플레이트 조합을 사용합니다. masterHAL® 센서 제품군의 고도로 유연한 센서 어레이는 설계 엔지니어가 주어진 측정 작업에 가장 적합한 작동 모드를 선택하는 데 도움이 됩니다. HAL 39xy 센서는 현재 시장에서 판매되는 시스템 솔루션 중 4가지 모드를 모두 하나의 센서에 통합한 유일한 솔루션입니다. 이러한 센서는 여러 가지 하드웨어 버전이 아닌 단 하나의 구성 요소만 검증되면 되므로 고객에게 확실한 이점을 선사합니다. 새로운 센서는 모든 유형의 밸브와 액추에이터, 기어 변속기, 페달 위치, 기어 위치, 조향 각도 또는 섀시 위치 감지를 포함한 광범위한 응용분야에 적합합니다.

출력 특성 외에도, 자기 회로에 맞게 플래시 메모리를 프로그래밍하여 주요 특성을 조정할 수 있습니다. HAC 39xy는 통합 커패시터를 탑재하여 엄격한 EMC 요구 사항을 충족하고 PCB의 필요성을 제거하므로 전체 시스템 크기와 비용을 줄여줍니다. HAR 39xy는 HAL 39xy 시리즈의 듀얼 다이 버전입니다. 일반적인 응용분야로는 최대 40mm의 자기장 정렬이나 선형 이동 및 최대 360°의 각도 범위에 대한 정밀 측정이 포함됩니다. 직접 각도 센서는 스로틀 밸브나 클러치 페달의 위치를 감지하는 데 이상적입니다.

Measuring direct angles with 3D-Hall-sensors