JP2017528737A - 磁気センサベースの表面形状分析のための装置および方法 - Google Patents

Abstract

デバイスは、フレキシブル基板上のアレイ内に磁気センサおよび磁石を有する。各磁気センサは、直接近接する磁石に敏感である。少なくとも１つのコントローラは、フレキシブル基板の変形に応答して生成される、磁気センサからの磁気センサ信号を評価する。表面形状分析のためのデバイスは、磁気センサと、磁場源として動作する磁石または電流導体を支持する、フレキシブル基板とを含む。１つまたはそれを上回るコントローラ回路は、磁気センサから磁気センサ信号を受信する。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１４年９月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／０５３，０７６号に対する優先権を主張するものであり、該米国仮特許出願の内容は、参照により本明細書中に援用される。

本発明は、概して、表面形状を分析することに関する。より具体的には、本発明は、表面形状分析に基づく磁気センサのための技法に関する。

センサは、我々が毎日使用する何百万もの製品の不可欠な部分となっているため、現代の技術で重要な役割を果たす。センサは、消費者および工業製品から、通信、自動車、ならびに生物医学製品まで、あらゆる想像できるタイプの製品で見出されることができる。同じことが、消費者、通信、コンピュータ、工業、自動車、生物医学、および精密計装製品で広く使用されている磁気センサにも当てはまる。

ピエゾ抵抗センサおよび圧電センサ等の光学センサならびに応力センサを含む、種々のセンサデバイスが、表面位置および形状感知に使用されてきた。これらの解決策は、システム複雑性、高い費用、および不良な性能を被る。したがって、表面位置および形状感知のための新しい技法を提供することが望ましいであろう。

表面形状分析のためのデバイスは、磁気センサと、磁場源として動作する磁石または電流導体を支持する、フレキシブル基板とを含む。１つまたはそれを上回るコントローラ回路は、磁気センサから磁気センサ信号を受信する。少なくとも１つのコントローラは、フレキシブル基板が平坦であるときに、基準磁気センサ信号と、第１の方向へのフレキシブル基板の位置変化に応答して、第１極性磁気センサ信号と、第２の方向へのフレキシブル基板の位置変化に応答して、第２極性磁気センサ信号とを収集する。

本発明は、添付の図面とともに以下の発明を実施するための形態に関連してより完全に理解される。

図１は、本発明の実施形態に従って構成された磁気センサ表面形状分析システムを図示する。 図２は、単一の磁気センサおよび磁気センサからの基準信号をもたらす平面上の付随磁石の側面図である。 図３は、磁気センサに第１の極性を伴う信号を生成させる、下向きに変形した表面の側面図である。 図４は、磁気センサに第２の極性を伴う信号を生成させる、上向きに変形した表面の側面図である。 図５は、磁気センサおよび磁石の行列の上面図である。 図６は、本発明の実施形態に従って評価された上向きおよび下向きの表面変形の概略図である。 図７は、本発明の実施形態による、システムを構築する処理動作を図示する。 図８は、本発明の実施形態に従って処理された基板を図示する。 図９は、本発明の実施形態に従って行われたフェライト堆積を図示する。 図１０は、本発明の実施形態に従って行われた磁気センサ位置付けを図示する。 図１１−１２は、本発明の実施形態による、磁気センサおよび磁石構成を図示する。 図１１−１２は、本発明の実施形態による、磁気センサおよび磁石構成を図示する。 図１３−１４は、本発明の別の実施形態による、磁気センサおよび磁石構成を図示する。 図１３−１４は、本発明の別の実施形態による、磁気センサおよび磁石構成を図示する。 図１５−１６は、本発明のなおも別の実施形態による、磁気センサおよび磁石構成を図示する。 図１５−１６は、本発明のなおも別の実施形態による、磁気センサおよび磁石構成を図示する。 図１７は、本発明の別の実施形態に従って構成された磁気センサ表面形状分析システムを図示する。 図１８は、図１７のシステムを構築する処理動作を図示する。

同様の参照番号は、図面のいくつかの図の全体を通じて対応する部分を指す。

図１は、本発明の実施形態に従って構成された磁気センサ表面形状分析システム１００を図示する。システム１００は、フレキシブル基板１０６（例えば、ポリイミドまたは類似材料）上に位置付けられる、磁気センサのセット１０２＿１から１０２＿Ｎと、付随磁石のセット１０４＿１から１０４＿Ｎとを含む。各磁気センサ１０２は、同一であり、表面１０６を覆うために使用される所定のパターンによって画定される方向に配向される、感度の軸を有する。各磁石は、磁場の同一の強度を有する。

各センサ１０２は、Ｘ軸コントローラ１０８へのリンク１０７と、Ｙ軸コントローラ１１０へのリンク１０９とを有する。コントローラ１０８および１１０は、フレキシブル基板１０６の上または外側に位置付けられてもよい。コントローラ１０８および１１０は、単一のコントローラに合体されてもよい。

リンク１０７は、それが基板１０６の異なる面の上にあり得る（すなわち、基板１０６が複数の伝導層を有し得る）ことを示唆するように、鎖線として示されている。図１の行列構成は、例示的である。以下で議論されるように、他のセンサおよび磁石構成が、本発明の実施形態に従って利用される。

各磁気センサ１０２は、ホールデバイス、異方性磁気共鳴（ＡＭＲ）センサ、巨大磁気共鳴（ＧＭＲ）センサ、および／または磁気論理ユニット（ＭＬＵ）センサ等の任意のタイプの磁気センサであってもよい。一実施形態では、２０１３年３月６日に出願された米国出願第１３／７８７，５８５号（第‘５８５号出願）で説明されるタイプのＭＬＵセンサが使用される。第‘５８５号出願は、本特許出願の所有者によって所有され、参照することによって本明細書に組み込まれる。

概観として、第‘５８５号出願に開示されるＭＬＵセンサは、回路を有し、各回路は、複数の磁気トンネル接合を含み、各磁気トンネル接合は貯蔵磁化方向を有する貯蔵層と、感知磁化方向を有する感知層とを含む。力線は、入力に基づいて磁場を生成するように構成される。各磁気トンネル接合の感知磁化方向は、磁場に基づいて構成される。各磁気トンネル接合は、感知磁化方向および磁気トンネル接合の抵抗が外部磁場に基づいて変動するように構成される。感知モジュールは、回路のそれぞれのパラメータを判定するように構成される。パラメータは、インピーダンス、電圧、および電流から選択される。回路のそれぞれのパラメータは、回路のそれぞれに含まれる複数の磁気トンネル接合の抵抗に基づいて変動する。磁場方向判定モジュールは、回路のそれぞれのパラメータに基づいて、外部磁場に対する装置の角度配向を判定するように構成される。磁場方向判定モジュールは、メモリまたは処理デバイスのうちの少なくとも１つで実装される。

第‘５８５号出願に開示されるＭＬＵセンサの利点は、センサが小型磁石から１〜５ｃｍに配置され、依然として信号を登録し得ることである。多くの同等磁気センサは、信号を登録するために小型磁石の１ｍｍ以内にある必要がある。したがって、本発明の実施形態は、高い感度を有する。これは、費用を削減し、基板１０６において高いフレキシビリティを確保する、より大きいセンサ間隔を可能にする。第‘５８５号出願のセンサは、望ましい周波数応答を有する。第‘５８５号出願の磁気センサの別の利点は、以下で議論されるように、それが正および負の感知信号伝達を可能にすることである。

図２は、磁気センサ１０２および隣接する磁石１０４の側面図である。本事例では、基板１０６は、平坦である。磁石１０４は、平面に対して直角である磁場を生成する。磁気センサ１０２は、直交磁場を受信するように位置付けられ、したがって、基準出力（すなわち、ゼロまたはある最小閾値を下回る）を生成する。

図３では、表面１０６は、下向きの方向に変形させられる。結果として、磁気センサ１０２は、第１極性磁気センサ信号を誘導する、非直交磁場を受信する。図３は、表面１０６の変形によって生成される角度Θを図示する。角度は、フレキシブル基板１０６の変形を特徴付ける。第１極性磁気センサ信号は、角度Θの正弦関数として特徴付けられてもよい。すなわち、第１極性磁気センサ信号は、Ａｏが磁気誘導のベクトルの絶対値である、Ａｏ ｘ Ｓｉｎ（Θ）として表されてもよい。

図４は、上向きの方向に変形させられた表面１０６を図示する。結果として、磁気センサ１０２は、第２極性磁気センサ信号を誘導する、非直交磁場を受信する。第２極性センサ信号は、角度Θの負の正弦関数として特徴付けられてもよい。

したがって、表面１０６を覆って分布する全てのセンサから情報を取得することにより、表面の形状について精密な情報を提供することが理解され得る。図１のシステム１００の構造に対応する、図５の位置スキーマを考慮されたい。センサΔｉ，ｊの近距離センサ相互作用の簡略化された方程式は、Δｉ，ｊ＝Ａｏ ｘ ［Ｓｉｎ（Θｉｊ，ｉｊ−１）＋Ｓｉｎ（Θｉｊ，ｉｊ＋１）＋Ｓｉｎ（Θｉｊ，ｉ−１ｊ）＋Ｓｉｎ（Θｉｊ，ｉ＋１ｊ）］として表されてもよい。一実施形態では、本システムは、屈曲がｘ軸またはｙ軸に沿っている場合に、隣接する磁石のみが基準信号と異なる偏差を誘導するように構成される。各センサの物理的位置が把握されている。したがって、位置は、表面１０６上の各位置の形状プロファイルを作成するように、磁気センサ信号と相関させられることができる。

図６は、表面１０６が２本の対角線に沿って屈曲させられる状況を図示する。具体的には、正の偏差６０２を生成する、上向きの対角力６００があり、負の偏差６０６を生成する、下向きの対角力６０４がある。

図１に戻ると、Ｘ軸コントローラ１０８が、Ｘ軸に沿った移動を識別するように磁気センサ信号をサンプリングする一方で、Ｙ軸コントローラは、Ｙ軸に沿った移動を識別するように磁気センサ信号をサンプリングすることが理解され得る。種々のサンプリング技法が、使用されてもよい。例えば、静穏状態では、第１のサンプリングレートが、表面１０６全体にわたって使用されてもよい。表面の領域内の移動の検出時に、サンプリングレートは、対象領域中で増加させられてもよい。コントローラ１０８および１１０は、経時的な変化率を追跡してもよい。したがって、経時的な表面プロファイルが生成されてもよい。

図７は、開示されるデバイスの加工と関連付けられる処理動作を図示する。最初に、センサ接続線を伴う基板が供給される７００。図８は、センサ接続線８０２を伴う例示的基板８００を図示する。磁気センサ８０４を位置付けるための領域８０４と、磁石を位置付けるための領域８０６とがある。基板８００は、ポリイミド等の可撓性材料である。

図７に戻ると、次の処理動作は、フェライトペーストを注入すること７０２である。図９は、領域８０６に注入されているフェライトペースト９００を図示する。次の動作は、フェライトペーストを平坦化すること７０４である。フェライトペーストは、化学および／または機械研磨を通して平坦化されてもよい。

次に、基板が焼鈍される７０６。次いで、フェライトが磁化される７０８。次いで、磁気センサチップが接続される７１０。図１０は、複数の磁気センサを伴うウエハ１０００を図示する。磁気センサ１０２＿１等の磁気センサは、領域８０４の中に位置付けられる。次いで、基板が、もう一度焼鈍される７１２。次いで、最終保護コーティングが適用される７１４。

本発明の技法は、任意の数の磁気センサおよび磁石構成を作成するために使用されてもよい。図１１は、磁石が４つの磁気センサによって囲繞される、システムを図示する。図１１では、各磁石は、Ｍによって指定され、各センサは、Ｓによって指定される。図１２は、単一の磁石１０４と、４つの関連センサ１０２＿１、１０２＿２、１０２＿３、および１０２＿４とを図示する。

図１３は、磁石が６つの磁気センサによって囲繞される、ハニカムシステムを図示する。図１３では、各磁石は、Ｍによって指定され、各センサは、Ｓによって指定される。図１４は、単一の磁石１０４と、６つの関連センサ１０２＿１、１０２＿２、１０２＿３、１０２＿４、１０２＿５、および１０２＿６とを図示する。

図１５は、磁石が３つの磁気センサによって囲繞される、システムを図示する。図１５では、各磁石は、Ｍによって指定され、各センサは、Ｓによって指定される。図１６は、単一の磁石１０４と、３つの関連センサ１０２＿１、１０２＿２、および１０２＿３とを図示する。代替実施形態は、円および他の幾何学的パターンを含む。

図１７は、本発明の実施形態に従って構成された代替システム１７００を図示する。基板１７０１は、磁気センサのセット１０２＿１から１０２＿Ｎをホストする。本システムは、磁石を省略する。代わりに、磁気相互作用が、Ｘ軸電流経路１７０２およびＹ軸電流経路１７０４を通して駆動される電流によって誘導される。Ｘ軸コントローラ１７０６は、Ｘ軸電流経路１７０２上で電流を駆動する。Ｘ軸コントローラ１７０６はまた、線１７１０からＸ軸磁気センサ信号を感知する。同様に、Ｙ軸コントローラ１７０８は、線１７１２からＹ軸磁気センサ信号を感知しながら、Ｙ軸電流経路１７０４上で電流を駆動する。電流、フレキシブル基板の変形、および磁気センサと電流経路との間の距離の関数として、誘導磁場を計算するために、マクスウェルの方程式が使用されてもよい。

図１８は、図１７の基板の加工と関連付けられる処理動作を図示する。基板は、センサ接続線および磁化線（すなわち、Ｘ軸電流経路ならびにＹ軸電流経路）を供給される１８００。磁気センサチップが接続される１８０２。次いで、最終保護コーティングが適用される１８０４。

したがって、表面形状分析のための磁気センサが開示される。開示される磁気センサは、ゲームコントローラ、物理的移動分析器、航空機翼力分析器、および固体ならびに液体の変形を測定するためのデバイス等の形状分析のための任意の数のデバイスに組み込まれてもよい。そのようなデバイスの出力は、任意の数の方法で使用されてもよい。例えば、開示されるフレキシブル基板および関連磁気センサは、表面歪曲を分析し、次いで、補正画像投影調節を行うように、ディスプレイ（例えば、テレビディスプレイ、コンピュータディスプレイ、ウェアラブルデバイスディスプレイ）に適用されてもよい。

前述の説明では、説明の目的で、本発明の完全な理解が得られるように具体的用語を使用した。しかしながら、当業者には、本発明を実践するために、具体的な詳細が必要とされないことが明らかとなろう。したがって、本発明の具体的実施形態の前述の説明は、図示および説明の目的で提示される。これらは、包括的であること、または本発明を開示された精密な形態に限定することを意図するものではなく、明らかに、上述の教示に照らして、多くの修正および変形例が可能である。実施形態は、本発明の原理およびその実践的な応用について最良の説明をするために選択され、説明されたものであり、それによって、当業者が、検討される特定の使用に適した種々の修正とともに、本発明および種々の実施形態を最良に利用することを可能にする。以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物は、本発明の範囲を定義することが意図される。

Claims (19)

1. フレキシブル基板上のアレイ内の磁気センサおよび磁石であって、各磁気センサは、直接近接する磁石に敏感である、磁気センサおよび磁石と、
   前記フレキシブル基板の変形に応答して生成される、前記磁気センサからの磁気センサ信号を評価する、少なくとも１つのコントローラと、
   を備える、デバイス。
2. 前記少なくとも１つのコントローラは、前記フレキシブル基板が平坦であるときに、基準磁気センサ信号、第１の方向への前記フレキシブル基板の変形に応答して、第１極性磁気センサ信号、そして第２の方向への前記フレキシブル基板の変形に応答して、第２極性磁気センサ信号を収集する、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記基準磁気センサ信号は、ゼロであるか、または決定値に設定される、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記第１極性磁気センサ信号および前記第２極性磁気センサ信号はそれぞれ、前記フレキシブル基板の前記変形を特徴付ける角度の関数である、請求項２に記載のデバイス。
5. 前記磁気センサおよび磁石は、１つの磁気センサと、１つの磁石とを備える、ペアを含む、請求項１に記載のデバイス。
6. 前記磁気センサおよび磁石は、１つの磁石および３つの磁気センサを伴う三角形によって画定されるグループを含む、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記磁気センサおよび磁石は、１つの磁気センサおよび３つの磁石を伴う三角形によって画定されるグループを含む、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記磁気センサおよび磁石は、１つの磁石および４つの磁気センサを伴う正方形によって画定されるグループを含む、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記磁気センサおよび磁石は、１つの磁気センサおよび４つの磁石を伴う正方形によって画定されるグループを含む、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記磁気センサおよび磁石は、１つの磁石および６つの磁気センサを伴うハニカムによって画定されるグループを含む、請求項１に記載のデバイス。
11. 前記磁気センサおよび磁石は、１つの磁気センサおよび６つの磁石を伴うハニカムによって画定されるグループを含む、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記磁気センサおよび磁石は、前記フレキシブル基板内の異なる面の中にある、請求項１に記載のデバイス。
13. ディスプレイ上に位置付けられる、請求項１に記載のデバイス。
14. ゲームコンソール上に位置付けられる、請求項１に記載のデバイス。
15. 航空機上に位置付けられる、請求項１に記載のデバイス。
16. 自動車上に位置付けられる、請求項１に記載のデバイス。
17. 磁気センサおよび前記磁気センサの選択的磁化を誘導する電流を搬送する磁化線を支持する、フレキシブル基板と、
    前記磁気センサから磁気センサ信号を収集する、１つまたはそれを上回るコントローラであって、前記１つまたはそれを上回るコントローラは、前記フレキシブル基板が平坦であるときに、基準磁気センサ信号、第１の方向への前記フレキシブル基板の変形に応答して、第１極性磁気センサ信号、そして第２の方向への前記フレキシブル基板の変形に応答して、第２極性磁気センサ信号を収集する、１つまたはそれを上回るコントローラと、
    を備える、デバイス。
18. 前記基準磁気センサ信号は、ゼロであるか、またはある最小信号閾値を下回る、請求項１７に記載のデバイス。
19. 前記第１極性磁気センサ信号および前記第２極性磁気センサ信号はそれぞれ、選択的磁化を誘導する前記電流、前記フレキシブル基板の前記変形を特徴付ける角度、ならびに前記磁気センサと前記磁化線との間の距離の関数である、請求項１７に記載のデバイス。