Development of a Planar Hall Magnetoresistive Sensor-Based Module for Detecting In-Plane Stray Fields from Out-of-Plane Magnetized Materials

Abstract

This study presents the development and validation of a stray field detection module based on a planar Hall magnetoresistive (PHMR) sensor using an orthogonal Z-axis magnetization and X-axis detection configuration. The proposed system targets precise measurement of in-plane stray magnetic fields generated by out-of-plane magnetized materials—a configuration designed to maximize directional selectivity while minimizing interference from the magnetization source. To enhance sensor performance, PHMR sensors with various geometries were fabricated and characterized. A five-ring sensor layout demonstrated superior detectivity due to increased resistance and optimized noise characteristics. The sensor response was further improved by leveraging the exchange bias complementation effect, where controlled positioning relative to a Z-magnetized permanent magnet enhanced sensitivity without introducing structural changes. Finite element simulations were conducted to design the sensor–magnet integrated structure, revealing the distribution of stray fields across the sensor plane. A closed-loop sensor layout was then developed to reinforce the differential signals induced by opposing stray field gradients, enabling effective cancellation of ambient noise components. Experimental validation was performed using ferrofluid as a test material. The PHMR sensor successfully detected the differential stray field generated in a Z-magnetized environment, confirming the operational feasibility of the proposed architecture. The use of a permanent magnet as a static excitation source not only simplified the system design but also eliminated the need for high-power electromagnets, improving scalability and integration potential. Overall, the results demonstrate that the orthogonal Z–X configuration offers robust, low-noise stray field detection suitable for industrial magnetic sensing applications such as encoders, defect localization, and position tracking.|본 연구는 Z축 자화–X축 측정 방식에 기반한 자기장 센서 모듈을 개발하고, 이를 통해 자화된 물질로부터 발생하는 수평 방향의 stray 자기장을 정밀하게 측정할 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 센서 모듈은 planar Hall magnetoresistive(PHMR) 센서와 영구자석을 직교 구조로 통합하여, 자화원으로부터의 간섭을 최소화하면서 측정 방향에 대한 선택성을 극대화하였다. PHMR 센서는 Y축 방향으로 exchange bias field가 부여되어 X축 자기장 성분에 민감하게 반응하도록 설계되었으며, Z축 외부 자기장에는 상대적으로 둔감하다. 이를 통해 센서 신호를 방해하지 않으면서도 강한 Z축 자화가 가능하고, 강한 자화 상태에서도 기준선 왜곡 없이 안정적인 측정을 구현할 수 있었다. 다양한 센서 구조(1-ring, 3-ring, 5-ring)에 대한 제작 및 비교 분석 결과, 5-ring 구조에서 높은 저항 및 최적화된 전류 분포로 인해 우수한 감도와 낮은 노이즈 특성이 확인되었다. 또한, 센서와 자석의 상대 위치를 조정함으로써 exchange bias 보완 효과를 유도할 수 있었으며, 이는 별도의 구조 변경 없이도 센서의 민감도를 향상시키는 데 기여하였다. Ansys Maxwell 및 FEMM 기반의 시뮬레이션을 통해 자석 주변의 stray field 분포를 시각화하고, 센서 최적 배치 및 폐루프 센서 레이아웃 설계에 반영하였다. 폐루프형 설계는 좌우 반대 방향에서 발생하는 자기장 차이에 의한 신호를 강화하고, 공통 노이즈를 상쇄하는 효과를 통해 신호 대 잡음비를 향상시켰다. 실험적으로는 희석된 ferrofluid를 Z축 자화시킨 후, 센서 상부의 마이크로플루이딕 채널을 통해 흐르게 하여 stray field 검출을 수행하였다. 측정된 전압 신호는 시뮬레이션 결과와 일치하였으며, 실제 환경에서 Z자화–X측정 원리가 유효함을 검증하였다. 영구자석을 자화원으로 활용함으로써 기존 Helmholtz coil 방식의 높은 전력 소모와 복잡한 회로 구성을 피할 수 있었고, 저전력 및 소형화에 유리한 구조를 제안할 수 있었다. 이로써 센서 모듈은 산업 현장에 적용 가능한 수준의 간편하고 견고한 구조로 완성되었다. 또한 본 연구에서는 기어 이빨이 자화된 구조에서 발생하는 stray field를 검출하는 magnetic encoder 응용 사례도 제시하여, 본 구조의 위치 추적 및 동작 감지 기능에 대한 확장 가능성을 입증하였다. 결론적으로, 본 논문에서 제안한 Z축 자화–X축 stray field 검출 구조는 높은 선택성, 저잡음, 고공간 분해능을 바탕으로 산업용 자기장 센싱 응용에 적합한 강력한 측정 플랫폼임을 확인하였다. 향후 연구에서는 센서의 소형화, 다중 센서 배열화, 전자회로 통합을 통해 실사용 환경에서의 적용 가능성을 더욱 확대할 수 있을 것으로 기대된다.