자동차 전장 부품 및 기술 동향
글: Dr.-Ing. Marcus Prochaska
NXP 반도체 / 함부르크(독일)
AMR(anisotropic magnet resistance, 이방성 자기 저항) 효과는 자동차업계에서 응용되는 대다수 센서 기술의 기초인데, AMR 센서는 수명기간 내내 온도에 관계없이 안정성이 우수하고 견고하다. 스로틀(throttle), 전자식 구동 시스템, 전자식 조항 시스템 등의 기계 시스템에서 각도 측정에 사용되는 것이 한 가지 중요한 용도이다. ARM 센서는 기계 시스템의 효율성을 강화시키기 때문에 좀 더 환경 친화적인 자동차를 개발하는데 직접적으로 영향을 미친다. 본 논문은 고도 통합형 각도 센서인 KMA210을 예로 들어 AMR 기반 각도 센서의 이용에 대해 알아보았다.
페달 센서, 스로틀, 가변 밸브 드라이브, 전자식 조항 시스템 등으로 자동차의 안정성과 편리성 및 환경 친화성이 향상될 수 있는 것은 각도 센서가 있기 때문에 가능하다. 최근 들어 자동차의 효율성 개선에 관심이 집중되고 있는데, 이는 새로운 배출 규제와 에너지 비용 증가로 인해 기존의 구동 컨셉을 최적화하지 않을 수 없게 되었기 때문이다. 이러한 상황에서 센서는 중요한 역할을 수행한다.
기존의 센서들은 상당한 성능조건을 갖춰야 한다. AMR 효과를 기반으로 한 지능형 자기장 센서는 특히 이러한 조건에 적합하다. 이러한 센서 시스템은 각종 기계 장치들의 각도를 측정하기 위한 비접촉식, 고 내구성 솔루션으로 사용된다. 뛰어난 온도 특성 외에도 최대의 견고성과 수명기간 내내 안정성을 유지하는 특징을 갖고 있다. 이러한 특성 때문에 고품질, 노후화 방지, 뛰어난 환경적 내성 등을 요구하는 자동차 부문에서 활용도가 높다.
그림 1 KMA210, 각도 측정을 위한 고도 통합형 센서 시스템
그림 1에 제시된 새로운 KMA210 센서 시스템은 혁신적인 모듈형 방식을 특징으로 한다. 센서 자체는 물론, 연관된 신호 처리 스테이지와 작동에 필요한 모든 보조 부품들이 하나의 장치로 통합되어 있기 때문에, 외부 부품들로 꽉 채워진 인쇄회로기판은 전혀 필요하지 않다. 모듈은 직접 장착이 가능하면서도 일반적인 EMC 요건은 그대로 충족시킨다. 덕분에 총 시스템 비용이 대폭 절감된다.
그림 2 AMR 효과
뿐만 아니라, 측정의 정확도가 이전 제품들에 비해 한층 개선되었다. 예를 들어, 온도 드리프트 보상 오차(25°C 기준)가 약 0.4°일 때 선형 오차는 -40~+160°C의 온도 범위에서 ±1.0°로 나타난다. 또한, 종합적인 진단 기능과 최대 16V까지 과전압 보호 기능 등 부수적인 기능으로 인해 전체 시스템의 견고성도 크게 강화되었다. 따라서, KMA210은 자동차 센서에 대한 점점 까다로워지는 요건들을 충족시킨다. 아래에서는 드라이브 트레인 애플리케이션에 각도 센서를 채용한 사례를 살펴봄으로써, 최적화된 자기 경로를 통해 측정 정확성이 향상되는 과정을 조명해볼 것이다.
센서 시스템
AMR 기반의 근대적인 센서 시스템들은 주로 1차 센서와 신호처리 ASIC(그림 1)의 두 가지로 구성되어 있다. 켈빈경(Lord Kelvin)[1]이 1857년에 발견한 이방성 자기 저항 효과(AMR effect)는 자기장 탐지에 특히 효과적인 것으로 입증되었다. 생산은 보통 다수의 불연속적 영역으로 이루어진 강자성체로 시작한다. 소위 바이스 영역(Weiss domains)이라고 불리는 이 영역들은 자기화의 방향이 서로 다르다. 이러한 재료가 매우 얇은 층으로 적용될 경우, 자기화 벡터가 그 층 안으로 국한되며, 영역이 단 하나뿐일 것이라는 것을 충분히 추측할 수 있다. 이러한 요소가 외부 자기장에 노출될 경우, 내부 자기화 벡터의 방향이 바뀌게 될 것이다.[3] 이 요소에서 어떤 전류가 흐른다면, 전기 저항은 전류 흐름과 자기화 방향의 각도에 따라 달라질 것이다.
그림 3 각도 탐지 설정
저항은 전류와 자기화가 서로 수직일 때 최소가 되고 서로 평행할 때 최대에 도달한다. 저항 변화의 정도는 재료에 따라 다르지만, 강자성체의 종류에 따라서도 온도의 영향이 달라진다. 니켈(81%)과 철(19%)로 이루어진 합금이 최대 저항 변화(2.2%)와 바람직한 온도 특성을 나타낸다[2]. AMR 저항은 보통 출력 신호를 증폭하고 온도 내성을 개선하기 위해 휘트스톤 브리지로 구성된다. AMR 각도 센서는 두 개의 상호 배치된 저항 브리지로 구성되는데, 두 브리지 사이의 각도를 45°로 해서 장착된다.[3] 측정을 위한 일반적 설정은 그림 3과 같다. 그림 4는 두 저항 브리지(센서 A와 B)의 다이스 배치 상태를 나타낸다.
그림 4 각도 탐지를 위한 대표적인 AMR 다이스
각도 탐지를 위해서는 브리지 A와 B의 출력 신호 비율을 반드시 계산해야 한다. 그 후에 탄젠트 역함수를 이용해서 각도를 직접 계산할 수 있다. NXP가 제공하는 각도 측정용 지능형 센서 시스템의 구성은 그림 5와 같다. 양 AMR 브리지의 출력 신호가 증폭되어 계수화된다. 각 계산 자체는 디지털 로직 스테이지(digital logic stage)에 의해 실행된다. 각도는 대상 장치에 따라 디지털 또는 아날로그 형식으로 출력된다. NXP의 센서 시스템은 40-160°C의 온도 범위와 모든 핀에서 최대 26V의 과전압 보호 등 자동차 애플리케이션 관련 요구조건을 충족시킨다. 보조 기능으로는 자가 진단, 아날로그 및 디지털 인터페이스, 온도 모니터링, 사용자설정 등이 있다.
그림 5 각도 측정을 위한 센서 시스템 구성요소
또한, KMA210은 그림 5에 설명된 컨셉을 기초로 하고 있다. 그림 6에서 보듯이, 블로킹 커패시터와 출력 커패시터 역시 통합되어 있어 어떤 외부 구성요소도 필요하지 않다. 기존의 지능형 센서 시스템과 비교해 보면 정밀도와 EMC 성능 역시 향상되었다. 신호 처리 ASIC는 SOI 기반의 140nm ABCD CMOS 프로세스를 이용해 구현되어 뛰어난 EMC 성능을 보장하고 고전압 및 저전력 요건을 충족시킨다.
그림 6 KMA210의 구성요소
응용
자기장의 정확한 각도는 오직 자기장 세기가 자기 저항 퍼멀로이(magneto-resistive permalloy)의 자기화를 외부 장의 방향으로 유도할 수 있을 때만 가능하다는 것은 AMR 센서의 잘 알려진 특성이다[4]. KMA210의 규격에 따르면, 최소 Hmin=35kA/m의 자기장 세기가 필요하다. 낮은 자기장 세기의 경우 그림 7은 각도를 외부 장 세기의 함수로 보여준다. 장의 세기가 감소함에 따라 오차가 증가한다는 것을 분명히 알 수 있다.
그림 7 외부 자기장 세기가 다를 때의 각 측정 오차 시뮬레이션
그림 8은 예상되는 최대 각 오차를 장 세기의 함수로 보여준다. 따라서, 자석의 성능을 최적화하려면 주로 센서 요소에서 장의 세기를 최대화해야 한다. 자석이 클수록 자기장은 강해지지만, 자석의 크기에 따라 비용도 상승하게 마련이다. 자석의 비용은 특정한 희토류 물질(rare-earth materials)의 양에 따라 결정되기 때문에, 이 재료의 양을 고려해 크기를 최적화해야 한다. 이러한 목적으로 크기가 서로 다른 블록 자석 여러 개의 자기장을 유한요소법(FEM)으로 시뮬레이션했다. 그림 9는 블록 자석과 센서 사이의 공극이 2mm이고 자석 부피가 250mm3일 때 센서 요소의 자기장 세기를 보여준다. 그림에서 볼 수 있듯이, 자석 크기가 4.5x11x5mm3 (자기화 방향을 표시하는 밑줄 친 값) 일 때 SaCo 자석의 자기장 세기가 최대값 100kA/m에 도달한다.
그림 8 자기장 세기의 함수로 나타낸 최대 예상 각도 오차
보자력 자기장 세기를 100kA/m로 설정한 정상 자기장 세기와 부피의 함수로 나타낸 최적의 자석 규격은 그림 10과 같다.
각도 측정 시스템의 물리적 구성에서 나타나는 허용오차는 또 다른 오차의 원인이 된다. 블록 자석과 센서 사이의 공극이 증가할 경우 자기장이 약해진다. 그러나 각 오차에 미치는 영향은 자기장 세기가 특정 포화 자기장 세기보다 더 크기만 하다면 매우 작게 유지된다(그림 8 참조).
편심 오차(즉, 회전축으로부터의 편차)는 기계적 허용오차로 인한 각도 오차의 주원인이다. 회전축에 있는 자석의 편심과 센서의 편심을 서로 구별할 필요가 있다.
그림 9 자기장 세기 대비 자석의 길이(자기장 방향) 및 부피(VMag) 비교
시뮬레이션 모델은 기계적 허용오차로 인한 각 오차를 계산할 수 있도록 좀 더 손질해야 한다. 유한요소 시뮬레이션으로 유도한 자기장 벡터와 자기장 세기는 양 휘트스톤 브리지 각각에 대해 개별적으로 조사해야 한다.(그림 4 참조) 그림 11은 0.5mm의 자석 편심으로 인한 각도 오차를 보여주고 있다. 점선은 동일한 세기의 이상적인 동질적 자기장에서 예상되는 오차를 나타낸다.
그림 10 정상 보자력이 100kA/m인 자석물질의 부피 및 자기장 세기 대비 최대 자기장 세기에 맞춰 최적화된 자석 규격(길이x너비x높이).(모든 시뮬레이션은 2mm 공극 기준)
그림에서 보듯이, 최대 각도 오차가 0.004°에서 0.0055°로 증가했고, 정렬 불량은 거의 실질적인 영향을 미치지 않는다. 그림 12는 0.5mm의 센서 편심으로 인해 예상되는 각도 오차를 보여준다. 비교할 수 있도록 이번에도 동질적 자기장에서 각도 오차를 점선으로 표시했다. 이 경우, 약 0.15°의 각도 오차를 예상할 수 있다. 추가적인 시뮬레이션을 통해 길이(자기화 방향)는 그대로 유지하고 자석의 너비를 증가시키면 각도 오차가 감소하고, 길이가 증가될 경우 큰 영향을 주지 않는다는 사실을 보여줄 수 있다. 그 이유는 그림 9에서 분명하게 알 수 있다. 높이는 줄이고 너비를 증가시킬수록 자기장의 세기는 아주 약간만 감소하는 반면, 센서 요소에서 자기장의 동질성은 더 개선된다. 이와 반대로, 자석의 길이를 증가시킬수록 자기장의 동질성은 개선되지 않은 채 자기장의 세기만 급격히 감소하게 될 것이다.
그림 11 자석 편심이 0.5mm일 때 각 오차(SaCo 자석, 4.5x11x5mm3, 공극: 2mm)
그림 12 센서 편심이 0.5mm일 때 각 오차(SaCo 자석, 4.5x11x5mm3, 공극: 2mm)
요약
자기장 각도는 자기 저항 센서를 이용하여 측정할 수 있는데, 자기 저항 효과 자체가 각도 효과이기 때문이다. 본 논문에서는 이러한 자기 저항 센서와 연관된 신호처리 ASIC로 구성된 각도 측정 시스템을 소개했다.
많은 적용 사례에서, 이러한 종류의 센서는 블록 자석과 함께 사용된다. 시뮬레이션을 통해 특정 부피에 맞는 최적의 자석 규격을 도출해냈다. 기계적 허용오차와 관련하여, 자석의 편심 오차는 무시할 정도였다. 마찬가지로, 회전축에 대한 센서의 편심 오차는 적당한 크기의 자석을 사용하기만 하면 아주 미소한 각도 오차를 초래할 뿐이었다. 그러므로 자기 저항 센서는 응용성이 다양한 이상적인 솔루션이라 할 수 있다.
참고문헌
⑴ P. Ripka, Magnetic Sensors and Magnetometers, Arttech House, 2000
⑵ U. Dibbern, Magnetoresistive Sensors, in: W. G?pel, J. Hesse, J.N. Zemel, (Eds.): Sensors ? A Comprehensive Survey, Vol. 5, Magnetic Sensors, Ed.: R. Boll, K.J. Overshott, VCH 1989, 342-379
⑶ S. Tumanski, Thin Film Magnetoresistive Sensors, IOP Publishing, 2001
⑷ T. Stork, Electronic Compass Design using KMZ51 and KMZ52, Application Note AN00022, NXP Semiconductors, 1997
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