KR100794976B1 - 고정밀 위치 측정을 위한 개량형 선형 가변 차동 변환기 - Google Patents

고정밀 위치 측정을 위한 개량형 선형 가변 차동 변환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 노이즈를 감소시키고, 감지도를 향상시키며, 선형 가변 차동 변환기(LVDT)의 시간 응답을 개선한 트랜스듀서를 제공한다. 이 장치는 종래형 LVDT의 1차 코일 및 고투자율의 강자성 코어를 가동형 비강자성 코어(14)의 주위에 감긴 1차 코일(15)로 대체한다. 이 방법은, 바르크하우젠 노이즈의 감소 또는 제거 이외에, 상기 코어에서의 과잉 와전류 발열, 고투자율 재료에 관련된 비선형성 및 자속 회로의 길이 스케일을 비롯한 종래형 LVDT의 여러 가지 다른 부정적 효과를 감소 또는 제거하였다. 이들 개선은 개량형 LVDT 신호 컨디셔닝 회로와 관련이 있다. 이 장치는 액튜에이터이기도 하며, 차동 전압을 힘으로 변환하는데 이용될 수 있다. 이와 같이 개량된 장치는 분자력 측정, 원자간력 현미경(ATM) 및 이용 기술, 사진식각 제조 기술, 나노미터 스케일의 표면 프로파일링 및 기타의 나노 기술 형태를 비롯한 다수의 응용에 이용된다.

Description

고정밀 위치 측정을 위한 개량형 선형 가변 차동 변환기{IMPROVED LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL TRANSFORMERS FOR HIGH PRECISION POSITION MEASUREMENTS}
관련 출원에 관한 참고 자료
본 출원은 미국 가명세서 특허 출원 번호 제60/250,313호(출원일 2000년 11월 30일)와 또 하나의 미국 가명세서 특허 출원(출원일 2001년 11월 16일, 대리인 문서 관리 번호 제A656:45960호)을 우선권 주장하고, 이들의 내용은 참고로 이 명세서에 전부 합체되어 있다.
요약
본 발명은, 노이즈를 감소시키고 감지도를 향상시키며 LVDT(선형 가변 차동 변환기)의 시간 응답을 개선한 트랜스듀서를 제공한다. 이 장치는 종래형 LVDT의 1차 코일 및 고투자율의 강자성 코어를 가동형(可動型) 비강자성 코어의 주위에 감긴 1차 권선으로 대체한다. 바르크하우젠 노이즈의 감소 또는 제거 이외에, 이 방법은 상기 코어에서의 과잉 와전류 발열, 고투자율 재료에 관련된 비선형성, 및 자속 회로의 길이 스케일을 비롯한 종래형 LVDT의 여러 가지 다른 부정적 효과를 감소 또는 제거하였다. 이들 개선은 개량형 LVDT 신호 컨디셔닝 회로와 관련이 있다. 이 장치는 액튜에이터이기도 하며, 차동 전압을 힘으로 변환하는데 이용될 수 있다. 이와 같이 개량된 장치는 분자력 측정, 원자간력 현미경(AFM) 및 이용 기술, 사진식각 제조 기술, 나노미터 스케일의 표면 프로파일링 및 기타의 나노 기술 형태를 비롯한 다수의 응용에 이용된다.
참고 자료
미국 특허 문서
2,364,237 1944년 12월 Neff 340/199
2,452,862 1948년 11월 Neff 340/xxx
2,503,851 1950년 4월 Snow 340/196
4,030,085 1977년 6월 Ellis 외 340/199
4,634,126 1987년 1월 Kimura 273/129
4,669,300 1987년 6월 Hall 외 73/105
4,705,971 1987년 11월 Nagasaka 310/12
5,414,939 1995년 5월 Waugaman 33/522
5,461,319 1995년 10월 Peters 324/660
5,465,046 1995년 11월 Campbell 외 324/244
5,469,053 1995년 11월 Laughlin 324/207.18
5,477,473 1995년 12월 Mandl 외 364/576
5,513,518 1996년 5월 Lindsay 73/105
5,705,741 1998년 1월 Eaton 외 73/105
5,739,686 1998년 5월 Naughton 외 324/259
5,767,670 1998년 6월 Mahler 외 324/207.12
5,777,468 1998년 7월 Mahler 324/207.18
5,948,972 1999년 9월 Samsavar 외 73/105
6,267,005 2001년 7월 Samsavar 외 73/105
다른 간행물
Bertram, H. N. (1994) Theory of Magnetic Recording
Bozorth, R. M. (1951) Ferromagnetism
Crommie, M. F.; Lutz, C. P.; Eigler, D. M. Confinement of electrons to quantum corrals on a metal surface. (1993) Science, vol. 262, p. 218-20.
Drexler, K. E. (1991) Nanotechnology 2,113-118.
Hristoforou, E.; Chiriac, H.; Neagu, M. A low core mass Linear Variable Differential Transformers sensor using amorphous wires. Romanian Journal of Physics, vol. 41, (no. 910), Editura Academiei Romane, 1996. p. 765-9.4
Kano, Y.; Hasebe, S.; Huang, C. (Edited by: Suematsu, Y.) New type LVDT position detector. CPEM '88 Digest. 1988 Conference on Precision Electromagnetic Measurements, (CPEM '88 Digest. 1988 Conference on Precision Electromagnetic Measurements, Tsukuba, Japan, 7-10 June 1988.) Tokyo, Japan: Soc. Instrum. & Control Eng, 1988. p. 95-6. xxi+430
Midgley, G. W.; Howe, D.; Mellor, P. H. (Edited by: Nicolet, A.; Belmans, R.) Improved linearity linear variable differential transformers (LVDTS) through the use of alternative magnetic materials. Electric and Magnetic Fields. From Numerical Models to Industrial Applications. Proceedings of the Second International Workshop, Leuvan, Belgium, 1720 May 1994.) New York, NY, USA: Plenum, 1995. p. 311-14. xii+376 pp.
Meydan, T.; Healey, G. W. Linear variable differential transformer (LVDT): linear displacement transducer utilizing ferromagnetic amorphous metallic glass ribbons. Sensors and Actuators A (Physical), vol. A32, (no. 1-3), (EUROSENSORS V Conference, Rome, Italy, 30 Sept.-2 Oct. 1991.) April 1992. p. 582-7.5 references.
Piner, R. D.; Jin Zhu; Feng Xu; Seunghun Hong; Mirkin, C. A. (1999)"Dip-pen" nanolithography. Science, vol. 283, p. 661-3.
Young Tae Park; Han Jun Kim; Kwang Min Yu; Rae Duk Lee Study on a linear variable differential transformer for precision measurements. Korean Applied Physics, vol. 2, (no. 4), Nov. 1989. p. 347-51.9 references.
Saxena, S. C.; Seksena, S. B. L. A self-compensated smart LVDT transducer. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 38, (no. 3), June 1989. p. 748-53.6 references.
본 발명은 일반적으로 서브나노미터급의 기계적 극소 변위를 차동 전압으로 그리고 차동 전압을 서브나노미터급의 기계적 극소 변위로 변환하는 장치에 관한 것이다.
1900년대초부터 이용되어 온, 기계적 변위를 차동 전압으로 그리고 차동 전압을 기계적 변위로 변환하는 한 가지 위치 감지기에는 LVDT가 있다. 도 1에 도시하고 있는 종래의 상용 LVDT(미국 펜실바니아주 노스 힐스에 소재하는 Sentech사의 부품 번호 50-00-005XA)의 경우, 가동형 강자성 코어(1)는 1차 코일(2)로부터의 자속을 2 개의 2차 코일(3 및 4)에 차동적으로 결합시킨다. 전류는 발진기(5)에 의해서 1차 코일을 통해 구동된다. 가동형 강자성 코어의 위치가 2차 코일에 대해서 상대적으로 변화함에 따라서, 2 개의 2차 코일에 결합된 자속이 변화한다. 이들 전압은 차동 증폭기(6)에 의해서 증폭되고 신호 컨디셔닝 전자 장치(7)에 의해서 코어의 변위에 비례하는 전압으로 변환된다. 변위량이 적은 경우에 신호는 선형적이다. 가동형 강자성 코어는 축(8)에 의해서 해당 대상물에 기구적으로 연결된다. 코일들은 자기 차폐물(9)로서 기능하는 경우도 많이 있는 케이스 안에 하우징된다. 가동형 강자성 코어(1)는 자기적으로 연성의 강자성체 자석(magnetically soft ferromagnet)이기 때문에, 그것을 외부 자기장로부터 차폐시키는 것이 바람직한 경우가 많이 있다. 최상의 상용 LVDT는 100 ㎐의 대역폭에서 ±500 ㎚의 범위로 동작하는 2.5 ㎚의 공간 분해능으로 제한되어 있다(미국 미네소타주 세인트 폴에 소재하는 Lion Precision사의 라이언 프리시젼 모델 AB01).
기계적 변위를 차동 전압으로 변환하는 다른 위치 검출기에는 용량성 기술을 이용하는 것이 있다. 상용 LVDT와 유사한 환경에서 동작하는 상용의 용량성 감지기는 LVDT에 이용하는 것과 동일한 종류의 신호 컨디셔닝 회로에 의함에도 불구하고 거의 배의 크기 만큼 LVDT의 성능을 능가한다(예컨대, Physik Instrumente Catalog 2001년판을 참조). 그 결과, 이들 용량성 감지기는 이용이 까다롭고 (제조 요건이 매우 많기 때문에) 비용도 매우 고가이기는 하지만, 최고의 측정 분해능 및 대역폭을 필요로 하는 응용에서 자주 선택하는 부품이다.
용량성 감지기의 간편화 및 저가격화 때문에, LVDT 분해능의 한계의 근원과 이 한계의 극복 방법을 정하는 것에 관심이 많다. 보다 상세하게 후술하는 바와 같이, 출원인은 종래형 LVDT의 분해능의 한계는 강자성 코어의 바르크하우젠 노이즈라고 결론지었다. 바르크하우젠 노이즈란 강자성 재료의 자성 상태의 급격한 비월에 붙여진 명칭이다(Bozorth). 강자성 재료의 경우에는 자기구역 벽이 선택적으로 고정되어 있는 특별한 장소에 결함이 생길 수 있다. 따라서, 이 자기구역 벽은 열적 에너지 또는 외부 자기장에 의해서 고정 해제될 수 있다. 이러한 일이 발생하면, 자기구역 벽은 다른 준(準)안정 고정 장소로 비월하여 그 강자성 재료의 전체 자기 상태에 급격한 변화가 생기게 될 것이다. 일반적으로, LVDT 코어를 강자성 재료로 형성하는 경우, 바르크하우젠 노이즈로 인한 자속 변화는 2 개의 2차 코일의 차동 측정으로 제거하지 못한다. 제거되지 않은 이 바르크하우젠 노이즈는 곧 바로 코어 위치 신호의 노이즈로 이어진다. 더욱이, 코어의 급격한 자성 상태 전체의 변화는 감지기의 감지도를 변화시키게 되고, 이 또한, 위치 노이즈로 이어질 수 있다.
코어에 비결정 자성 재료를 사용하는 것과 1차 코일 구동 전류를 증가시키는 것을 비롯하여, 종래형 LVDT의 바르크하우젠(및 전기적) 노이즈를 감소시키는 구조는 여러 가지가 있다(Meydan, T. 외, Hristoforou, E. 외, 및 Midgley, G. W. 외). 이 1차 코일 구동 전류를 증가시키면 종래의 전자 장치의 신호 대 노이즈가 향상되지만, 바르크하우젠 노이즈와 함께 취급되는 경우에는 자기장이 보다 크게 진동하게 되어, 고정된 자기구역 벽이 이동해서 위치 노이즈가 보다 쉽게 증가하기 때문에 효과적이지 못하다. 바르크하우젠 노이즈를 작게 감소시키기 위해서 비결정 자성 재료를 이용하는 것이 나와 있지만, 바르크하우젠 노이즈는 강자성 재료의 기본 성질이기 때문에 궁극적으로는 효과적이지 못하다.
그러나, 바르크하우젠 노이즈 발생에 관한 이해 없이도, 종래 방식에 의하지 않은 몇 가지 LVDT 설계는 종래형 LVDT의 강자성 코어 대신에 에어 코어(air core)를 사용함으로써 바르크하우젠 노이즈의 영향을 제거하였다. 이들 설계에는, Ellis와 Walstrom(미국 특허 번호 제4,030,085호)이 개시한 초고자기장용으로 설계된 감지기와, Kimura(미국 특허 번호 제4,634,126호)가 개시한 핀볼 머신 및, Neff(미국 특허 번호 제2,364,237호 및 제2,452,862호)와 Snow(미국 특허 번호 제2,503,851호)가 개시한 다양한 기계적 게이지 측정 응용이 있다. Snow가 개시한 게이지는 1 개가 아닌 2 개의 1차 코일을 여자시키는 여자 구조를 이용하였다. 한 쪽 코일이 다른 쪽 코일로부터 180°각도에서 구동되었고, 그 결과, 그 2 개의 1차 코일로부터의 자기장들이 진동하게 되고, 이들은 서로를 상쇄시키는 경향이 있었다. 검출기로서는 중심의 단일 에어 코어를 사용하였다. 이것은 본 출원인과 다른 사람들이 통상 사용하는 것과는 다른 여자 구조이다. 기본적으로, 1차 코일의 역할과 2차 코일의 역할이 역전되어 있다. 가역성 이론(예컨대, 캠브리지 출판사가 1994년도에 간행한 Bertram, H. N.의 저서 「Theory of Magnetic Recording」 참조)으로부터 이 두 가지 상황에서의 전자기가 동등하다고 예상할 수 있겠다. 그러나, 신호 컨디셔닝에 관련된 노이즈 퍼포먼스에서는 차이가 필수적인 경우도 있다. 일반적으로, 종래 기술에서의 에어 코어형 LVDT에 기초한 감지기의 응답은 본 명세서에서 개시한 개량형 감지기보다 감지도가 매우 낮고, 본 출원인이 얻은 서브나노미터의 고속 포지셔닝 퍼포먼스에도 적합하지 않았다. 더욱이, 전술한 종래 기술에서 개시한 감지기는 본 출원인이 본 발명의 여자 전자 장치 및 신호 컨디셔닝 전자 장치에 통합시킨 개선 사항을 이용하지 않았다. 이들 에어 코어형 LVDT에서 나타나는 최상의 퍼포먼스는 현재의 상용 LVDT에 필적한다.
끝으로, 종래형 LVDT는 외부 자기장의 존재 시에도 심하게 제한받는다. 외부 자기장이 증가함에 따라서, 코어는 포화되고 LVDT는 제기능을 발휘하지 못하게 된다. 이러한 제한은, LVDT가 완전히 비강자성 재료로 제조되고 1차 코일 및 2차 코일의 공진 근처에서 동작되는, 종래에 의하지 않은 설계에 의해서 검토되었다(미국 특허 번호 제4,030,085호). 그러나, 이러한 설계는 길이 스케일이 큰 경우에는 종래형 LVDT의 다른 제한을 공유하며, 이러한 이유 및 기타의 이유 때문에, 종래의 설계보다 감지도가 떨어지기도 한다.
현재와 향후의 나노 기술은 소형의 대상물 및 도구를 신속·정확하게 위치 지정할 수 있는 능력에 좌우된다. 많은 제조 기술에 있어서, 현재의 길이 스케일은 100 ㎚ 범위 이내이다. 예컨대, 상업용 하드 디스크 드라이브의 기록용 헤드에서 기록 갭은 통상 100 ㎚ 이하이고 PTR(pole-tip recession)은 수 십 나노미터까지 제어된다. 현재 세대의 반도체 집적 회로는 180 ㎚ 폭의 트레이스를 이용하고, 2년 내에는 130 ㎚, 5년 내에는 100 ㎚까지 진전될 것으로 예상된다(국제 반도체 기술 로드맵, 1999년판). 디스크 드라이브와 IC의 제조 시에 이용되는 사진식각 공정을 제어 및 검증하는데 이용되는 현재의 감지기는 이미 임계 디멘젼의 측정 시에는 충분한 분해능을 가까스로 제공할 뿐이다.
최근의 실험실 수준의 연구에서는 이들 비교적 큰 서브미크론 스케일을 넘었다. 예를 들면, 분자(Piner 외) 및 개개의 원자(예컨대, Crommie 외를 참조)의 클러스터 조작 제어 등이 있다. 나노 기술의 한 가지 목적은 분자 기계를 구축하는 것이다(Drexler, K.E.). 이러한 장치가 구성되면 개개의 원자 및 분자를 정밀하게 위치 지정할 필요가 있을 것이다. 이 경우, 생물체 안의 별로 크지 않은 분자 기계조차에도 수 천개의 원자가 들어 있으므로, 서브 옹스트롬의 정밀도 및 고속 응답의 3차원 위치 정보가 필요할 것이다.
본 발명의 목적은, 다른 고분해능 위치 감지기의 정밀 기계화, 또는 종래형 LVDT 코어에 사용되는 자성 재료의 신중한 선택, 기계화 또는 취급을 필요로 하지 않는 간단한 저가의 고분해능 감지기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 제2 목적은, 바르크하우젠 노이즈의 영향을 받지 않는 고이득 LVDT를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 온도 변화에 민감하지 않고 고투자율 코어에서의 와전류에 의한 발열로 인한 자체의 온도 변화가 생기지 않는 고분해능 감지기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 원자간력 현미경(ATM) 및 분자력 탐침과 같은 프로파일 계측기 및 주사 탐침 현미경(SPM)을 비롯한, 초고분해능을 필요로 하거나 초고분해능의 수혜를 받는 장비와 함께 통합하는데 적합한 초고분해능 감지기를 제공하는 데 있다.
이들 및 기타의 목적은 본 발명에 따라서, (ⅰ) 고투자율 코어를, 바르크하우젠 노이즈를 감소 또는 제거하는 저투자율 코어로 대체하고, (ⅱ) 공간적 감지도를 향상시키기 위해서 LVDT 감지기의 길이 스케일을 감소시키며, (ⅲ) 신호 컨디셔닝 회로를 개선함으로써 달성된다.
도 1은 종래형 LVDT를 도시하는 도면이다.
도 2는 가동형 1차 코일을 갖는 저투자율 코어 LVDT의 바람직한 실시예이다.
도 3은 아날로그 곱셈기를 기초로 한 여자 전자 장치 및 동기 신호 컨디셔닝 전자 장치를 도시하는 도면이다.
도 4는 동기식 아날로그 스위치를 기초로 한 여자 전자 장치 및 동기 신호 컨디셔닝 전자 장치를 도시하는 도면이다.
도 5는 코어(종래형 LVDT) 및 1차 코일(바람직한 실시예)의 위치 함수로서의 2 개의 2차측의 출력을 도시하는 그래프이다.
도 6은 종래형 LVDT의 차동 바르크하우젠 노이즈의 발생원을 도시하는 도면이다.
도 7은 종래형 LVDT의 공통 바르크하우젠 노이즈의 발생원을 도시하는 도면 이다.
도 8은 감지기 노이즈 및 감지도를 정량화하는데 사용되는 장치의 도면이다.
도 9는 감지도 및 선형성 교정을 나타내는 광학 간섭계 데이터에 맞추어진 LVDT 감지기 출력의 그래프이다.
도 10은 종래(강자성 코어)형 및 에어 코어(바람직한 실시예)형 LVDT 감지기의 노이즈 전력 스펙트럼을 도시하는 그래프이다.
도 11은 몇 개의 종래형 LVDT 및 에어 코어형 LVDT의 RMS 노이즈 측정치를 시간 함수로서 도시하는 그래프이다.
도 12는 몇 개의 종래형 LVDT 및 에어 코어형 LVDT의 RMS 노이즈 측정치를 1차 여자 진폭의 함수로서 도시하는 그래프이다.
도 13은 단일 분자력의 정량 측정치에 대한 압전 액튜에이터 및 LVDT 감지기를 이용한 분자력 탐침을 도시하는 도면이다.
도 14a 및 도 14b는 분자력 탐침을 캔틸레버 편향 대 압전 여자 전압 및 캔틸레버 편향 대 LVDT 감지기를 구성함으로써 행하는 경질의 표면 상에서 행해지는 힘 곡선을 도시하는 그래프이다.
도 15는 종래 기술로서, 하중력을 제어하기 위한 자성 액튜에이터 및 LVDT 감지기를 갖는 표면 이미지 처리 프로파일 계측기를 도시하는 도면이다.
도 16은 탐침의 위치와 하중력을 제어하기 위한 힘 액튜에이터로서도 작동 가능한 에어 코어형 LVDT 감지기를 갖는 표면 이미지 처리 프로파일 계측기를 도시하는 도면이다.
도 17은 도 16과 동일하며, 여기서, 탐침은 피봇형이 아니고 휨형으로 되어 있는 것을 도시하는 도면이다.
도 18은 종래 기술로서, 원자간력 현미경을 도시하는 도면이다.
도 19는 분자력 탐침을 3차원으로 도시하는 도면으로서, 분자력 탐침(MFP) 헤드 주위에서 원자간력 탐침(AFP)을 기반으로 하고 LVDT로 감지하는 x-y 위치 지정 받침판을 구비하는 분자력 탐침을 도시하는 도면이다.
도 20은 LVDT 위치 감지기를 이용하는 x-y 위치 지정 장치의 일 실시예의 보다 상세한 도면이다.
도 21a 및 도 21b는 회절 격자에 관한 2 개의 원자간력 현미경(AFM) 이미지를 도시하는 도면으로서, 첫 번째 도면(도 21a)은 보정되지 않은 원자간력 현미경(AFM) 스캔을 도시하고 두 번째 도면(도 21b)은 받침판의 움직임을 선형화하기 위해서 LVDT 감지기를 이용하는 이미지를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 출원인의 개량형 LVDT 위치 감지기를 도시하고 있다. 이 LVDT는 비강자성 코일 폼(14)을 구비하고, 이 비강자성 코일 폼(14)의 주위에는 가동형 1차 코일(15)이 감겨 있고, 비강자성 코일 폼(10)의 주위에는 2 개의 정지형 2차 코일(3 및 4)이 감겨 있다. 1차측 코일 폼(14)은 축(8)에 의해서 해당 대상물(도시하지 않음)에 기구적으로 연결되어 있다. 축(8)은 해당 대상물의 변위를 수 마이크론의 배수 또는 그 이하로 전달할 수 있다. 이들 코일 폼은, 플라스틱, 세라믹 및, 강자성의 내용물이 없는 합성물을 포함하지만 이들에 한정되지 않는 비강자성 재료 또는 상자성 재료로 형성될 수도 있다. 이와 달리, 이들 코일 폼은 비강자성 접착제 및 권선으로 구성될 수 있다. 보다 상세하게 후술하는 여자 전자 장치(11)는 1차 코일을 구동하는 전류를 생성한다. 가동형 1차 코일(15)의 위치가 정지형 2차 코일(3 및 4), 즉 축(8)에 부착된 해당 대상물에 대해서 상대적으로 변화함에 따라서 2차측에 결합된 자속이 변화한다. 이들 전압은 차동 증폭기(6)에 의해서 증폭되고, 보다 상세하게 후술하는 신호 컨디셔닝 전자 장치(12)에 의해서 코어 변위에 비례하는 전압으로 변환된다. 이러한 LVDT의 배치에 의해서, 강자성 재료가 감지기의 능동 부분으로부터 제거된다. 후술하는 바와 같이, 이러한 개선에 의해서, 고투자율 자성 재료에 의해서 제공되는 감지도 이득은 낮아지지만 바르크하우젠 노이즈가 제거된다. 바르크하우젠 노이즈를 제거함으로써, 출력 노이즈가 그에 대응하게 증가하는 일 없이 여자 전압(11)의 레벨이 상승하게 되고, 따라서 LVDT의 감지도가 증가하게 된다. 강자성 재료를 감지기의 능동 부분으로부터 제거하면 부수적인 2차 이익이 생기는 것을 유념하여야 한다. 즉, LVDT를 둘러싸는 케이스(도시하지 않음)에 대해서 선택되는 재료에 관해서는 더 이상 제약이 없다. 코어에 강자성 재료가 없기 때문에, 바람직한 실시예에 따른 LVDT의 감지도 및 노이즈는 케이스 재료로부터 발생되는 자기장을 비롯한 외부 자기장에 반응하지 않는다.
도 3 및 도 4는 본 출원인의 개량형 LVDT 위치 감지기의 여자 전자 장치 및 신호 컨디셔닝 전자 장치를 도시하고 있다. 이 두 회로는 출력을 정밀하게 정의된 진폭 및 주파수로 제공하는 구형파(矩形波) 발진기(23)에 기초하고 있다. 여자 전자 장치는 순수한 정현파를 이용하여 LVDT 1차 코일(15)을 구동한다. 이를 위해서, 구형파에서 기본파 이상의 모든 고조파를 효과적으로 제거하는 저역 통과 필터(24)를 이용한다. 이 필터를 온도 변동에 대해서 안정하도록 최적화한다. 이어서, 그 결과로 얻은 고순도 저왜곡의 정현파를, LVDT 1차 코일(15)을 구동하는 전류 버퍼(25)에 의해서 증폭한다. 회로 중 이 부분의 최종 결과는 우수한 주파수 및 진폭 안정성을 갖는 정현파 발진기가 되었다.
도 3은 본 출원인의 개량형 LVDT 위치 감지기의 신호 컨디셔닝 전자 장치의 한 형태를 도시하고 있다. 2차 코일(3 및 4) 각각의 한 쪽 단부는 접지되어 있고, 다른 쪽 단부는 고정밀 저노이즈의 차동 증폭기(6)에 접속되어 있다. 이 차동 증폭기는 저임피던스 입력 소스(예컨대, 코일)에 결합되는 경우에 저노이즈를 생성하도록 설계된다. 차동 증폭기(6)의 출력은 저노이즈의 아날로그 곱셈기 회로(27)에 입력된다. 저역 통과 필터(24)의 출력은 저노이즈의 정밀 위상 시프트 회로(28)를 통과하여 아날로그 곱셈기 회로(27)의 다른 쪽 입력으로서 공급된다. 끝으로, 아날로그 곱셈기 회로(27)의 출력은 그 곱셈기 출력의 주파수 증배 성분을 제거하기 위해서 다른 고정밀 저노이즈의 안정된 저역 통과 필터(29)에 의해서 필터링된다. 이 저역 통과 필터의 출력은 가동형 1차 코일(15)의 위치에 비례하는 동기 신호를 제공한다. 기준 신호를 위상 시프트하여 아날로그 곱셈기 회로(27) 안으로 인입시키는 것과 달리, 그 신호를 위상 시프트시켜서 1차측 구동 전류 버퍼(25)로 가게 하는 것도 가능하다. 문제되는 것 전부는 1차측의 구동과 곱셈기 기준의 상대적인 위상이 조정 가능하다는 것이다.
도 4는 본 출원인의 개량형 LVDT 위치 감지기의 신호 컨디셔닝 전자 장치들 의 다른 형태를 도시하고 있다. 이들 전자 장치는 차동 증폭기(6)의 출력까지는 도 3의 전자 장치들과 유사하다. 도 4의 회로의 경우, 차동 증폭기(6)의 출력은 버퍼 증폭기(31)와 반전 버퍼 증폭기(32)에 인입된다. 버퍼 증폭기(31)의 출력은 통상 폐쇄되어 있는 아날로그 스위치(33) 입력에 공급되고, 반전 버퍼 증폭기(32)의 출력은 통상 개방되어 있는 아날로그 스위치(33) 입력에 공급된다. 이러한 배치는 기능 손실 없이 반대로 되는 것도 가능하다. 아날로그 스위치(33)의 행동은 구형파 발진기(23)에서 생성되고 저노이즈의 정밀 위상 시프트 회로(30)에 의해서 위상 시프트되는 구형파에 의해서 제어된 후, 아날로그 스위치(33)의 2 개의 부분 중 한 쪽 부분이 폐쇄될 때 다른 쪽 부분이 개방되도록 이 2 개의 부분을 설정하도록 아날로그 스위치(33)에 입력된다. 바람직하게는, 아날로그 스위치(33)의 이 2 개의 부분의 개방 및 폐쇄는 차동 증폭기(6)의 출력 신호에 대해서 90도 위상차를 발생한다. 아날로그 스위치(33)의 출력은 안정된 저노이즈의 저역 통과 필터(34)에 공급된다. 다른 형태의 경우에, 이 저역 통과 필터(34)의 출력은 가동형 1차 코일(15)의 위치에 비례하는 동기 신호를 제공한다.
LVDT 배후의 기본 아이디어는 1 개의 가동형 1차측과 2 개의 2차측간의 상호 인덕턴스가 위치 함수로서 변화한다는 것이다. 도 5의 상측 도면은 종래형 LVDT와 개시한 LVDT의 각 2차측의 출력측 여기 전압을 코어 위치 함수로서 도시하고 있다. 양자의 경우에서, 2차측은 여기 전압 중 최대 기울기 부분에서 출력이 취소되도록 위치 지정된다. 이것에 의해서, 코어 또는 가동형 1차측의 위치의 변화에 대한 감산된 전압의 감지도가 가능한 한 커지는 것이 보증된다. 점선은 종래형 LVDT에서의 2 개의 2차측 응답을 나타낸다. 실선은 본 출원인의 개량형 LVDT에서의 2 개의 2차측 응답을 나타낸다. LVDT의 감지도는 2 개의 2차측의 출력을 단순하게 감산함으로써 계산될 수 있다. 이것을 양자의 경우에 대해 도 5의 하측 도면에 나타내고 있다. 중앙점을 중심으로 한 코어의 소량 이동에 관한 감지도는 그 중심점을 중심으로 한 선을 맞춤으로써 측정될 수 있다. 종래형 LVDT의 경우에는 원(原)(raw) 감지도(즉, 0점 근처에서의 차감 곡선의 기울기)가 3.16 볼트/㎜이었고, 개량형 LVDT의 경우에는 원 감지도가 0.26 볼트/㎜이었다. 이것은 강자성 코어 이용시의 뛰어난 이점을 보여준다. 코어의 투자율은 물질적으로 이득을 향상시키므로, LVDT 신호의 감지도가 증가된다.
LVDT 분해능에 관한 제약을 식별하는 것은 유익하다. 적어도 하나의 제조업자에 의하면, 그의 종래형 LVDT의 분해능은 「무한 분해능」이고 완벽으로부터의 편차는 신호 컨디셔닝 또는 디스플레이의 결함 때문이라고 주장한다(미국 미네소타주의 세인트 폴에 소재하는 Lion Precision사의 라이언 프리시젼 모델 AB-01). 이러한 주장은 적어도 두 가지 이유에서 과대 선전이다. 첫째로, 권선된 코일은 존슨 노이즈의 영향을 받을 것이다(Sensors지의 1996년 6월호 27∼30페이지에 게재된 Herceg, Edward E.의 논문 「An LVDT Primer」). 결국, 존슨 노이즈는 종래형 LVDT 및 본 명세서에서 개시하는 LVDT의 양자에 존재한다. 존슨 노이즈는 신호 컨디셔닝 전자 장치의 출력측에서, 감지기의 실제 움직임으로부터 인지 불가능한 전기 신호로 변환될 것이다. 둘째로, 그리고 경우에 따라서는 종래형 LVDT에 가장 중요한 것으로서, 강자성 재료의 이용은 바르크하우젠 노이즈로 알려진 현상을 발생시킨다. 강자성 코어가 완벽하다면, 즉 투자율이 일정하고 자화(磁化)가 완벽하게 선형이고 원활하게 변화한다면, 이 현상은 무시될 수 있다. 그러나, 강자성 재료는 완벽하지 않다. 바르크하우젠 노이즈는 강자성 재료의 자성 상태의 급격한 비월에 붙여지는 명칭이다. 강자성 재료의 결함은 자기구역 벽이 우선적으로 고정되는 특수 장소로 이어질 수 있다. 이어서, 자기구역 벽은 열적 에너지 또는 외부 자기장에 의해서 고정 해제될 수 있다. 이러한 현상이 생기면, 자기구역 벽은 다른 준안정 고정 장소로 비월하여 강자성 재료의 자성 상태 전체에 급격한 비월이 생기게 된다.
본 출원인은, LVDT 감지기의 분해능에 관한 현재의 제약은 신호 컨디셔닝 오류 또는 디스플레이 오류에 있지 않고 오히려 강자성 코어의 바르크하우젠 노이즈에 있다고 결론지었다. 바르크하우젠 노이즈는 자성 재료의 작은 체적들의 스위칭으로 인해 발생하는 경우가 많기 때문에, 2 개의 2차측의 각각에서의 자속 변화는 차동 측정 시에 제거되지 않을 것이다. 이어서, 이것은 코어 위치 신호의 노이즈로 이어진다. 도 6 및 도 7은 종래형 LVDT의 강자성 코어에서의 바르크하우젠 비월이 어떻게 위치 노이즈를 생기게 하는 지를 나타내고 있다. 도 6 및 도 7 양자는, 도 1의 가동형 강자성 코어(1)를, 복수 개의 자기구역 벽을 고정시킬 수 있는 결정입계(grain boundary) 및 복수 개의 결함(이들 중 하나는 도 6의 10a로서 표시되어 있고 다른 것은 도 7의 10b로서 표시되어 있음)이 있는 다결정 재료로서 재도시한 것을 제외하고, 도 1, 즉 종래형 LVDT와 동일한 구성 요소를 나타내고 있다. 도 6의 경우, 재료 중의 작은 체적(10a)에서의 바르크하우젠 비월은 우측의 2차 코일(3)보다 좌측의 2차 코일(4)에 더 많은 자속을 결합시킨다. 그 결과로써 좌측 의 2차 코일에 여기된 전압 스파이크(11a로 표현됨)는 우측의 2차 코일에 여기된 전압 스파이크(12a로 표현됨)보다 크다. 이들 2 개의 전압 스파이크가 차동 증폭기(6)와 신호 컨디셔닝 전자 장치(7)를 통과하면, 이들 2 개의 전압 스파이크에 의해서 위치 노이즈(13a로 표현됨)가 생긴다. 바르크하우젠 노이즈의 제거를 어렵게 하는 다른 양태를 도 7에 도시하고 있다. 도 7의 경우에는, 바르크하우젠 비월이 2 개의 2차측(3 및 4) 중간에 우연히 등간격으로 위치한 결정립(10b)에서 발생한다. 바르크하우젠 비월이 이 2 개의 2차측으로부터의 등간격에서 발생하였기 때문에, 여기된 전압 스파이크들(11b 및 12b로 표현됨)은 등가이다. 이들 여기 전압 스파이크가 차동 증폭기(6)와 신호 컨디셔닝 전자 장치(7)를 통과하면, 이들 2 개의 전압 스파이크는 제거되어 위치 노이즈(13b로 표현됨)로 이어지지 않는다.
본 출원인은 바르크하우젠 노이즈가 LVDT의 고감지도 위치 측정을 제한시키는 노이즈원이라고 하는 가설을 테스트하였다. 이를 위해서, 본 출원인은, (ⅰ) 출시된 그대로의 1차 코일 및 강자성 코어를 이용한 상용 LVDT(도 1), (ⅱ) 본 출원인이 약한(약 10 에르스텟) 외부 자기장을 강자성 코어에 인가하여 그 강자성 코어의 자성 상태를 변화시킨 상용 LVDT, 및 (ⅲ) 본 출원인이 강자성 코어를 제거하고 그 대신에 새로운 가동형 1차 코일을 주위에 감은 비강자성 코일 폼으로 배치한 상용 LVDT의 위치 노이즈를 측정하였고, 그 결과는 본 명세서에서 개시한 LVDT에 대해서 기능적으로 등가가 되었다.
도 8은 본 출원인이 이들 상이한 LVDT의 노이즈를 특징짓는데 이용한 기계 장치를 도시하고 있다. 이 기계 장치는, 수 개의 종래형 LVDT 코어 중 어느 종래형 LVDT 코어(도 1) 또는 비강자성 코일 폼이 가동형 1차 코일로 권선되어 있는 가동형 LVDT 코어(18)에 부착된 기계적인 휨부(17)를 수용하고 있는 기계적인 틀(16)로 구성되어 있다. LVDT의 2차측(3 및 4)은 기계적인 틀(16)에 연결되었고, 이것은 기준으로서 동작하였다. 압전 스택(19)은 휨부 어셈블리를 가압하여 휨부 어셈블리를 기계적인 기준에 대해서 상대적으로 이동시켰다. 도 8에서 행해지는 모든 측정에서, 압전 스택을 -15 볼트 내지 +150 볼트 0.1 ㎐의 삼각파로 구동하였고, 도 3과 동일한 여자 전자 장치 및 신호 컨디셔닝 전자 장치를 사용하였다. 매 측정 시마다 1.3 ㎛/V의 최소 위치 감지도를 제공하도록 신호 컨디셔닝 전자 장치의 이득은 조정하였다. 이 감지도는 본 출원인의 16 비트 데이터 인식 시스템의 최하위 비트(LSB)가 0.02 ㎚의 거리에 대응함을 의미하였다.
상이한 LVDT들의 감지도 및 선형성을 교정하기 위해서, 온도 안정화된 HeNe 레이저 간섭계(20) 및, 원자간력 현미경 검사에 통상 사용되는 종류의 NIST 추적형 교정 격자를 사용하였다(러시아 모스크바에 소재하는 NT-MDT사의 Calibration Standard). 이 HeNe 레이저 간섭계로부터의 빔(21)은 이 목적상 재귀반사체(22)가 설치되어 있는 가동형 LVDT 코어(18)에서 반사되었다. 본 출원인은 LVDT 응답을 간섭계 응답에 맞춤으로써 상이한 LVDT들을 교정하였다. 도 9는 이 맞춤의 결과를 도시하고 있고, 압전 히스테리시스 곡선은 전술한 LVDT (ⅲ), 즉 본 출원인의 개량형 LVDT의 기능적 등가물을 이용하여 그리고 광학 간섭계를 이용하여 측정되었다. LVDT 데이터(실선)는 비례 조정되었고 간섭계 데이터(흰색 원)를 가능한 한 밀접하게 일치시키도록 오프셋되었다. 의도한 대로, 맞춤 처리에 의해서 1.30 ㎛/V의 LVDT 감지도가 산출되었다. LVDT의 감지도가 측정되면, 위치 노이즈를 측정할 수 있다. 예컨대, 압전 스택의 작은 움직임에 대한 LVDT의 응답을 시간 함수로서 측정할 수 있다.
그들은 강자성 재료에 있는 고정 장소의 초소형 분포로부터 발생하기 때문에, 복수 개의 코어가 동일한 재료로 구성되어 있다고 하더라도 바르크하우젠 비월의 세부 내용은 코어마다 다르다(바르크하우젠 노이즈에 관한 Urbach 결함 논문). 더욱이, 강자성 코어는 전형적인 최초의 LVDT 측정 시에 잔류 자기 상태에 근접해 있기 때문에, 바르크하우젠 노이즈는 개개의 코어의 자기 이력(履歷)의 세부 내용에 따라 다르다. 도 10은 강자성 코어 LVDT 응답 및 비강자성 코어 LVDT 응답의 나머지의 진폭 스펙트럼을 주파수 함수로서 도시하고 있다. 이들 스펙트럼은 정지해 있는 해당 LVDT로부터 생기는 노이즈를 측정하고 측정치들을 푸리에 기술로 분석하여 도출되었다. 도 10에 도시한 바와 같이, 강자성 코어 LVDT의 진폭 스펙트럼은 주파수 함수로서 감소하여 바르크하우젠 노이즈의 측정치에 일치하지만, 비강자성 코어 LVDT는 곡선이 매우 감소되고 보다 평평함을 나타내고 있다. 이것은, 바르크하우젠 노이즈는 없지만 신호 컨디셔닝 전자 장치의 피드백 저항에서 발생하는 존슨 노이즈가 있는 경우와 일치한다. 0.1 ㎐∼1 ㎑의 통합된 rms 노이즈는, 비강자성 코어 LVDT의 경우에는 0.19 ㎚이고 강자성 코어 LVDT의 경우에는 2.1 ㎚이다.
강자성체 자석은 준안정 마이크로마그네틱 상태에 있는 경우가 흔하다. 이들 준안정 마이크로마그네틱 상태는 통상, 접지 상태와는 비교적 거리가 멀다. 강자성체 자석이 접지 상태로 이완해 가는 경로는 많이 있다. 이 결과, 자성 상태가 장시 간, 통상 수 시간에서부터 수 일, 수 주일 및 심지어 수 개월에 걸쳐서 점차적으로 변화하는 저속 이완 현상이 생긴다(예컨대, Bozorth를 참조). 자화가 이제까지보다 안정한 상태로 이완해 감에 따라서, 외부 자기장에 의한 섭동에 대해서 상대적인 강자성체 자석의 투자율 및 안정성도 변화한다. 일반적으로, 자기구역 벽은 보다 안정한 구성으로 점차 이완해가서 바르크하우젠 비월이 보다 적어지게 된다. 도 11은 3 개의 종래형 강자성 코어 LVDT 및 3 개의 에어 코어형 LVDT에 대한 노이즈 측정치를 시간 함수로서 도시하고 있다. 3 개의 종래형 강자성 코어 LVDT 전부의 노이즈는 시간 함수로서 감소하지만 평평하지 않고, 각 코어의 노이즈 레벨간의 편차가 상당히 크다. 양자의 관측은 바르크하우젠 노이즈를 보여주고 있다. 동일한 기간에, 3 개의 에어 코어형 LVDT의 노이즈는 그 보다 매우 안정하게 약 0.19 ㎚를 유지하고, 3 개의 상이한 에어 코어간의 편차가 거의 없었다. 이것은 노이즈가 다른 곳, 예컨대 여자 전자 장치 또는 신호 컨디셔닝 전자 장치에서 발생함을 보여주고 있다.
신호 대 노이즈를 증가시키는 한 가지 방법은 단순하게 구동 전류를 증가시키는 것이다. 노이즈가 다소 일정한 값인 경우에는, 구동 전류가 증가하면 신호 대 노이즈가 단순하게 증가한다. 도 12는 3 개의 종래형 강자성 코어 LVDT 및 3 개의 에어 코어형 LVDT에 대한 노이즈 대 여자 전류 곡선을 도시하고 있다. 에어 코어형 노이즈는 1차측 전류의 크기에 대략 반비례한다. 이러한 응답은 여자 전자 장치 및 신호 컨디셔닝 전자 장치에 의해서 제한받는 감지도에 일치한다. 강자성 코어 LVDT들의 노이즈 대 구동 전류 곡선은 경향이 전부 상반되어 있다. 구동 전류가 증가함 에 따라서 노이즈도 증가한다. 이것은 바르크하우젠 노이즈를 보여주고 있다. 1차 코일의 구동 전류가 증가하는 경우, 이 구동 전류는 고정된 자기구역 벽을 해제시킬 수 있는 보다 큰 진동 자기장을 생성시켜서, 위치 노이즈가 증가하게 된다. 이 외에도, 도 12 및 도 11의 양자의 강자성 코어 LVDT는 그들의 노이즈 퍼포먼스의 편차가 매우 큼을 나타내고 있다. 이것도, 노이즈가 각 코어의 초소형 자성 변동으로부터 발생되는 것을 보여주고 있고, 이것이 바르크하우젠 노이즈이다.
개시한 LVDT는 움직임을 전압으로 변환할 뿐만 아니라 역으로 전압을 움직임으로 변환하는 것도 가능함을 유의하여야 한다. 개시한 LVDT의 다음의 응용은 이들 성질들 중 한 가지 또는 양자 모두를 이용한다.
정밀 힘 측정. 도 13은, 국부화된 힘의 측정을 수행하고 이러한 측정의 수행 시에 상기 개시한 LVDT를 이용하는데 사용되는 분자력 탐침 장비를 나타내고 있다. 이 장비는 뾰족한 팁(37)이 샘플 위를 가압하거나 후퇴함에 따라서 이 뾰족한 팁(37)을 이용하여 연성 캔틸레버의 편향을 측정함으로써 힘을 측정한다. 고감지도 편향 측정 장치 및, 연성 캔틸레버의 단부 상의 매우 뾰족한 팁에 의해서, 단일 분자들의 범위를 측정해 내려갈 수 있다. 캔틸레버 팁을 표면 안으로 가압함으로써, 움푹 패이게 하는 힘에 의한 측정(indectation force measurement)을 행하는 것도 가능하다. 도 13의 경우, 캔틸레버(37)는 저응집 광원(35)을 이용하여 조사된다. 이 저응집 광원으로부터의 빛은 조정 가능한 결집 렌즈(36)를 이용하여 캔틸레버(37) 상에 결집된다. 캔틸레버로부터 반사하는 빛은 조정 가능한 거울(38)에 의해서 수집되어, 위치 감지기(39) 상으로 안내된다. 위치 감지기는 캔틸레버의 편향에 비례하는 전압을 장비의 제어기(도시하지 않음)에 제공한다. 광학 검출 시스템 전체는 강성의 안정된 캡슐(40) 안에 밀폐된다. 이 캡슐은 연성 커플링 또는 휨부(41 및 42)를 거쳐서 장비(44)의 틀에 부착된다. 이들 커플링에 의해서, 캡슐(40)은 장비(44)의 틀에 대해서 수직 방향으로 이동할 수 있다. 압전 스택(43)은 이 이동에 영향을 주기 위해서 사용되며, 가동형 1차 코일(15)이 가동형 캡슐에 부착되고 정지형 2차 코일(3 및 4)이 장비의 고정 틀에 부착되어 있는 본 출원인의 개량형 LVDT 감지기는 위치 정보를 제공한다.
도 14a 및 도 14b는 힘의 측정을 수행함에 있어서 LVDT 감지기의 중요성을 나타내고 있다. 양측 도면은 공기 중의 운모면 상에서 Si 캔틸레버(나노감지기 MESP)를 이용하여 작성한 힘 곡선을 도시하고 있다. 도 14a는 캔틸레버 편향 대 압전 스택에 인가된 전압을 도시한 그래프이다. 밝은 궤적(45)은 근사 곡선을 나타내고, 어두운 궤적(46)은 철회(retraction) 곡선을 나타낸다. 뾰족한 팁과 샘플간의 부착은 약 5.5 볼트에서의 「꺽인」점(47)으로 나타낸 대로 철회 곡선에서 명백하다. 후술하는 바와 같이, 근사 곡선과 철회 곡선의 접점 부분의 기울기는 같지 않다. 이것은 뾰족한 팁이나 샘플 또는 양자 모두의 점탄성(粘彈性) 특성의 일부 종류로서 설명될 수 있다. 그러나, 이것은 본 출원인에게 이해의 불확실성을 남기는 압전 히스테리시스의 인공 산물로서도 설명될 수 있다. 도 14b는 동일한 편향 데이터를 도시하고 있으며, 이 번에는 본 출원인의 개량형 VLDT의 출력 함수로서의 그래프이다. 도 14b의 경우, 근사 곡선과 철회 곡선(47)의 접점 부분의 기울기는 같고, 뾰족한 팁과 샘플간의 상호 작용에 있어서 점탄성 효과의 존재를 배제시킨다. 더욱이, 본 출원인의 개량형 LVDT 감지기를 사용하면, 힘 곡선에서의 압전 히스테리시스 인공 산물의 가능성이 배제된다. 본 출원인의 감지기의 사용의 부수적인 이점은 그 감지기가 x축 상의 변위[예컨대, (도시한 바와 같은) 미크론 또는 나노미터 단위]를 직접 측정할 수 있다는 것이다.
표면 프로파일링. 종래형 LVDT 감지기는 복수 개의 상용 장비를 비롯한 다양한 표면 프로파일링 장비(예컨대, 미국 뉴욕주 플레인뷰에 소재하는 Veeco Instruments사의 Dektak 8)에서 사용된다. 도 15는 이러한 장비 중 하나를 도시하고 있다. 이 장비는 미국 특허 번호 제4,669,300호의 도 1에서 구성된 것이다. 이 장비의 경우, 가동형 스타일러스(49)에 부착된 뾰족한 팁(48)은 축받이 보석 기구(50)를 중심으로 피벗되어 있다. 뾰족한 팁은 받침판(52) 위에 안착되어 있는 샘플(51)과 접촉해 있고, 이 샘플(51)은 장비(53)의 틀에 대해서 상대적으로 스캔된다. 스타일러스 어셈블리의 움직임은, 코일 어셈블리(54) 및, 스타일러스 어셈블리와 함께 이동하는 고투자율의 강자성 코어(55)로 구성된 LVDT 감지기에 의해서 측정된다. 장비(53)의 틀에 부착된 자성 작동 코일(57)을 이용하여 자기장을 스타일러스 어셈블리에 부착된 자성 슬러그(56)에 인가함으로써 뾰족한 팁(48)과 샘플(51)간의 힘을 변화시킬 수 있다. 이러한 설계에서의 한 가지 중요 고려 사항은 1차 코일(55)을, 자성 작동 코일(57) 및 자성 슬러그(56)로부터 발생하는 자기장으로부터 차폐시키는 것이다. 액튜에이터(작동기)로부터 빗나간 탈선 자기장은 고투자율의 강자성 코어(55)의 자성 상태를 변화시키므로, 스타일러스 어셈블리(48)의 뾰족한 팁의 감지도 및/또는 명확한 위치가 변화하게 된다.
본 명세서에서 개시한 LVDT를 이용하면 종래형 LVDT를 이용하는 장비에 비해 매우 개선된 프로파일 계측기(profilometry)가 가능해진다. 이것에는 보다 고속 및 보다 낮은 힘에서 표면 프로파일링이 포함된다. 또한, 본 출원인의 개량형 LVDT를 이용하면 위치 감지는 물론 힘의 인가도 가능하기 때문에, 장비의 중량이 감소되고 장비의 속도가 증가되어, 설계가 간편해질 수 있다. 도 16은 개시한 LVDT의 한 가지 응용예를 도시한 것으로서, 여기서, 직류 전류(58)는 합산 증폭기(59)를 거쳐서 진동하는 1차 전류(5)와 합산된다. 이 직류 전류가 입력되면, LVDT 1차 코일(15)의 축을 따라서 힘이 가해지게 된다. 이 실시예의 경우, 뾰족한 팁(60)은 축받이 보석 기구(50) 상에서 움직이고 있는 스타일러스(61)에 부착되어 있다. 이 어셈블리 전체는 샘플의 표면(51)에 대해서 상대 운동을 한다. 이 실시예의 수정예의 경우에는, LVDT 2차 코일(3 및 4)을 직류 전류로 구동시켜서, 인가된 힘을 증가시킬 수 있다. 1차측의 구동을 이용하여 힘을 가하는 경우에는, 힘 드라이브 및 LVDT 감지기 드라이브는 주파수가 넓게 분리되어 있기 때문에, 힘 인가와 위치 감지의 동시 이행이 가능하다. 개시한 LVDT의 코일 폼은 비강자성 재료로 구성되기 때문에, 힘 인가와 위치 감지의 동시 이행에는 위치 측정의 감지도 또는 노이즈에 관한 영향이 없다.
도 17은 감지기와 액튜에이터의 양자로서 사용되는 LVDT를 갖는 프로파일 계측기의 다른 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예의 구성 요소는, 스타일러스(61)가 연성의 휨형 커플링(62)을 거쳐서 장비(83)의 틀(도 16에는 도시하지 않음)에 부착되어 있는 것을 제외하고, 도 16에서 도시한 구성 요소와 유사하다. 도 16에 개시 한 드라이브 및 검출 전자 장치의 경우, 2차측은 고주파수 감지기 신호를 동시에 측정하면서 도 16에 개시한 직류 힘 작동 전류를 이용하여 구동되는 것도 가능하다.
원자간력 현미경 검사. 도 18은 미국 특허 재공고 번호 제34,489호의 도 3에서 구성된 원자간력 현미경(AFM)을 도시하고 있다. 원자간력 현미경(AFM)은 연성 캔틸레버 단부 상의 뾰족한 탐침을 샘플의 표면 상에서 스캔하여 입수한 정보에 기초하여 표면의 토포그래피(및 다른 샘플 특성)를 생성하는데 사용되는 장치이다. 이 캔틸레버의 편향은 샘플의 토포그래피 특징에 대응한다. 전형적으로는, 팁-샘플 위치는, 휨부에 의해서 구속되는 경우도 있는 압전 튜브 스캐너의 배열에 의해서 래스터(raster)된다. 도 18의 경우, 샘플(69)은 압전 튜브 스캐너(70)를 이용하여 3차원으로 위치 지정된다. 연성 캔틸레버의 편향은 도 13에서 도시한 것과 유사한 광학 레버에 의해서 측정된다. 이미지는 연성 캔틸레버의 편향 또는 다른 기구적 성질을 샘플의 x-y 위치 함수로서 도해함으로써 작성된다. 장비는, 뾰족한 팁이 샘플의 표면과 간헐적인 접촉을 행할 뿐인 진동 모드를 비롯한 복수 개의 상이한 이미지 처리 모드로 작동될 수 있다. 도 18에 관한 보다 상세한 설명은 참조 특허에서 찾을 수 있다.
도 19는 원자간력 현미경(AFM)의 기능이 구비된, 도 13에서 설명한 바와 같은 분자력 탐침을 도시하고 있다. 샘플(69)을 정밀 x-y 위치 지정 받침대(71) 상에 장착하여 그 샘플을 분자력 탐침(MFP) 아래에서 래스터 스캔될 수 있게 하였다. 분자력 탐침(MFP)은, 분자력 탐침(MFP)이 샘플의 표면과 상호 작용하고 다양한 이미 지 처리 모드를 이용하여 이미지를 생성함에 따라서, 캔틸레버의 편향을 측정한다. 이 원자간력 현미경(AFM)의 경우에는, 도 18에서 개시한 원자간력 현미경(AFM)과는 달리, z축을 따르는 움직임은 분자력 탐침(MFP)의 압전 스택(43)에 의해서 제공되고, 따라서 x-y 위치를 z 위치로부터 결합 해제한다. 이 원자간력 현미경(AFM)에 의해서도 외장의 종래형 현미경 광학 장치가 장비의 z축에 배열될 수 있고, 이 구성은 x-y 위치 지정 받침판(71)에서 광학 포트(72)를 통해서 캔틸레버 팁과 함께 배열되는 외부 대상물(73)에 의해서 표현된다. 이러한 배치의 경우, 샘플은 분자력 탐침(MFP)과 외부 광학 장치의 양측에 대해서 상대적으로 스캔된다. 도 20은 개시한 LVDT를 이용하여 정밀 위치 정보를 제공하는 x-y 위치 지정 받침판의 일 실시예의 절개도를 도시하고 있다. 도 20은 x 받침판(77)이 y 받침판(74) 상에 얹힌 것을 도시하고 있다. y 받침판의 움직임은 y축 1차 코일(76)의 움직임에 의해서 행해지고, x 받침판의 움직임은 x축 1차 코일(78)의 움직임에 의해서 행해진다. 이들 움직임은 스캐너의 비가동형 틀에 각각 장착된 y 받침판 2차 코일 어셈블리(75)와 x 받침판 2차 코일 어셈블리(79)에 의해서 각각 감지된다. 위치 지정 받침판 중간의 광학 포트(72)에 의해서 샘플로의 광학적 액세스가 가능해진다.
도 21a 및 도 21b는 원자간력 현미경(AFM) 이미지의 생성에 있어서 개시한 LVDT의 중요성을 도시하고 있다. 도 21a 및 도 21b는 도 20에 도시한 x-y 위치 지정 받침판에 장착된 MFP3D에 의해서 행해지는 이미지를 나타내고 있다. 양측 도면은, 도 20에서 도시하고 본 출원인의 개량형 LVDT를 사용하는 x-y 위치 지정 받침판이 장착된 MFP3D에 의해서 작성된 이미지를 도시하고 있다. 이들 이미지는, 피트 가 5 ㎛의 사각형이고 깊이가 최소 180 ㎚인 정사각형 어레이로 구성되어 있는 원자간력 현미경(AFM)을 교정하는데 통상 사용되는 회절 격자 상에서 Si 캔틸레버(나노감지기 MESP)를 이용하여 작성되었다. 도 21a는 압전 스캐너를 일련의 삼각파로 단순하게 구동시키고 샘플의 움직임 측정으로서 인가되는 전압을 이용하여 작성되었다. 도 21a는 왜곡된 회절 격자 피트 이미지를 도시하고 있다. 이들 회절 격자 피트는 크기가 균일해 보이지도 않고 정사각형 어레이로 되어 있지도 않아 보인다. 도 21b는 동일한 회절 격자를 도시하고 있고, 이번의 것은 개시한 LVDT 감지기로부터의 신호에 기초한 폐루프 위치 포지셔닝을 이용하여 이미지 처리되었다. 이 이미지의 경우, 피트는 예상대로 크기와 간격이 균일해 보인다. 분자력 탐침에서 사용한 경우와 유사하게, 개시한 LVDT 감지기에 의해서, 본 출원인은 압전 히스테리시스와 표면 변형을 측정하고 보정하여 샘플의 표면 이미지를 정확하게 재생할 수 있었다.
길이 스케일이 보다 작고 미크론 단위인 장치의 연구, 개발 및 제조가 시작되어 가속화되고 있다. 최근에, IBM사는 국부 탐침이 경우에는 주사형 전자 터널링 현미경(ATM)의 탐침]을 이용하여 개개의 원자를 표면 상에서 위치 지정하는 몇 가지 결과를 얻었다. 분자 제조의 목표인 원자의 정밀 배치는 탐침을 3차원에서 서브옹스트롬 단위로 위치 지정하는 것을 필요로 한다.
본 명세서에서 개시하는 비강자성 감지기는 이들 신기술과 새로운 장치에 의해서 요구되는 길이 스케일의 축소에 이바지한다. LVDT의 감지도는 상호 인덕턴스
Figure 112003019524301-pct00001
의 기하학적 감지도에 비례한다. 상호 인덕턴스는 자기 에너지에 비례하고 전 류의 제곱에 반비례한다(
Figure 112003019524301-pct00002
). 와이어의 치수를 축소하여 권선수를 일정하게 유지한다면 상호 인덕턴스가 코일 길이 ℓ에 독립적임을 보여주는 것은 쉽다. 반면에, 상호 인턱턴스의 미분은 코일 길이에 반비례한다(
Figure 112003019524301-pct00003
). 따라서, LVDT 코일의 길이가 짧아질수록 감지도는 증가한다(
Figure 112003019524301-pct00004
). 이러한 관계는 코일 길이가 짧아질수록 LVDT의 감지도는 양호해질 수 밖에 없음을 의미한다.
감지기와 장치의 길이 스케일이 짧아지면 자기 감지기에는 또 다른 이점이 있다. 자기의 힘은
Figure 112003019524301-pct00005
로서 비례 변화한다. 이것은 MEM 또는 보다 소형화된 비강자성 LVDT의 경우에는 감지기를 단순하게 작동하여 얻은 힘이 유리하게 비례 변화함을 의미한다.
개시한 본 발명의 실시예는 본 발명의 개념을 참조하고 예시하는데 고려되는 것에 불과하며, 본 발명의 범주가 이러한 실시예에 한정되지는 않는다. 다양하고 다수의 다른 배열이 당업자에 의해서 본 발명의 정신과 범주를 벗어남이 없이 고안될 수 있다.

Claims (11)

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  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 축이 공통이고 적어도 하나의 권선이 각각 감긴 제1 비강자성 코일 폼 및 제2 비강자성 코일 폼과;
    미크론 또는 그 이하의 범위에서 상기 제 1 비강자성 코일 폼과 제 2 비강자성 코일 폼사이의 변위에 응답하며, 상기 코일들 사이의 이동이 2.1 나노미터(nm)보다 적은 것을 나타내는 RMS 노이즈를 가지는 신호를 생성하는 전자 회로를 포함하며,
    상기 제 1 비강자 코일 폼의 외경은 상기 제 2 비강자성 코일 폼의 내경보다 작아서, 상기 제 1 비강자성 코일 폼이 상기 제 2 비강자성 코일 폼 내부에서 서로에 대해 변위할 수 있으며, 상기 제 1 비강자성 코일 폼과 제 2 비강자성 코일 폼 중 하나는 가동(可動)형이며 다른 하나는 정지형이며
    상기 권선을 인덕턴스 형으로 결합하는 강자성 소자가 없는 경우, 상기 가동형 코일 폼에서의 적어도 하나의 권선은 상기 정지형 코일 폼에서의 적어도 하나의 권선과 자기(磁氣)적으로 결합되며,
    상기 제 1 코일 폼 및 상기 제 2 코일 폼은 공동으로 상기 변위 트랜스듀서에서의 바르크하우젠 노이즈 감소 수단이 되는 변위 트랜스듀서.
  5. 축이 공통이고 적어도 하나의 권선이 각각 감긴 제1 비강자성 코일 폼 및 제2 비강자성 코일 폼과;
    미크론 또는 그 이하의 범위에서 상기 제 1 비강자성 코일 폼과 제 2 비강자성 코일 폼사이의 변위에 응답하며, 상기 코일들 사이의 이동이 2.1 나노미터(nm)보다 적은 것을 나타내는 RMS 노이즈를 가지는 신호를 생성하는 전자 회로를 포함하며,
    상기 제 1 비강자 코일 폼의 외경은 상기 제 2 비강자성 코일 폼의 내경보다 작아서, 상기 제 1 비강자성 코일 폼이 상기 제 2 비강자성 코일 폼 내부에서 서로에 대해 변위할 수 있으며, 상기 제 1 비강자성 코일 폼과 제 2 비강자성 코일 폼 중 하나는 가동(可動)형이며 다른 하나는 정지형이며
    상기 권선을 인덕턴스 형으로 결합하는 강자성 소자가 없는 경우, 상기 가동형 코일 폼에서의 적어도 하나의 권선은 상기 정지형 코일 폼에서의 적어도 하나의 권선과 자기(磁氣)적으로 결합되며,
    상기 전자 회로는 0.19 nm 이하의 위치적 어긋남을 발생시키는 RMS 노이즈를 가진 신호를 생성하는 변위 트랜스듀서.
  6. 축이 공통이고 적어도 하나의 권선이 각각 감긴 제1 비강자성 코일 폼 및 제2 비강자성 코일 폼과;
    미크론 또는 그 이하의 범위에서 상기 제 1 비강자성 코일 폼과 제 2 비강자성 코일 폼 사이의 상대적 변위에 응답하는 신호를 생성하는 전자 회로를 포함하며,
    상기 제 1 비강자성 코일 폼과 상기 적어도 하나의 권선의 외경은 상기 제 2 비강자성 코일 폼의 내경보다 작아서, 상기 제 1 비강자성 코일 폼이 상기 제 2 비강자성 코일 폼 내부에서 서로에 대해 변위할 수 있으며, 상기 제 1 비강자성 코일 폼과 제 2 비강자성 코일 폼 중 하나는 가동형이며 다른 하나는 정지형이며
    상기 권선을 인덕턴스 형으로 결합하는 강자성 소자가 없는 경우, 상기 가동형 코일 폼에서의 적어도 하나의 권선은 상기 정지형 코일 폼에서의 적어도 하나의 권선과 자기적으로 결합되는 변위 트랜스듀서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전자 회로는 2.1 nm 이하의 위치적 어긋남이 발생하는 RMS 노이즈를 가진 신호를 생성하는 변위 트랜스듀서.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 코일 폼과 제 2 코일 폼은 공동으로 변위 트랜스듀서에서의 바르크하우젠 노이즈를 감소시키는 수단이 되는 변위 트랜스듀서.
  9. 축이 공통이고 적어도 하나의 권선이 각각 감긴 제1 비강자성 코일 폼 및 제2 비강자성 코일 폼과;
    미크론 또는 그 이하의 범위에서 상기 제 1 비강자성 코일 폼과 제 2 비강자성 코일 폼 사이의 상대적 변위에 응답하며 감소된 바르크하우젠 노이즈 효과를 갖는 신호를 생성하는 전자 회로를 포함하며,
    상기 제 1 비강자성 코일 폼과 상기 적어도 하나의 권선의 외경은 상기 제 2 비강자성 코일 폼의 내경보다 작아서, 상기 제 1 비강자성 코일 폼이 상기 제 2 비강자성 코일 폼 내부에서 서로에 대해 변위할 수 있으며, 상기 제 1 비강자성 코일 폼과 제 2 비강자성 코일 폼 중 하나는 가동형이며 다른 하나는 정지형이며
    상기 제 1 코일 폼과 제 2 코일 폼은 상기 제 1 코일 폼과 제 2 코일 폼이 서로에 대해 움직일 때, 바르크하우젠 노이즈를 감소시키는 수단을 포함하는 변위 트랜스듀서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전자 회로는 2.1 nm 이하의 위치적 어긋남이 발생하는 RMS 노이즈를 가진 신호를 생성하는 변위 트랜스듀서.
  11. 변위 트랜스듀서를 동작하는 방법에 있어서,
    동일축을 가지며 하나 이상의 권선을 가진 제 1 비강자성 코일 폼 및 제 2 비강자성 코일 폼으로서, 상기 코일 폼들중 하나는 다른 하나의 내부에 있도록 상기 제 1 비강자성 코일 폼 및 제 2 비강자성 코일 폼을 형성하는 단계;
    상기 제 1 코일 폼과 제 2 코일 폼중 하나의 코일 폼이 다른 하나의 코일 폼에 대하여 이동 가능하도록 형성하는 단계;
    상기 제 1 코일 폼과 제 2 코일 폼이 운동하는 상태에서 코일 폼들 상의 바르크하우젠 노이즈의 효과를 저감시키는 단계;
    상기 제 1 코일 폼과 제 2 코일 폼 사이의 상대적 변위에 응답하며, 2.1 nm 이하의 위치적 어긋남을 형성하는 RMS 노이즈를 출력 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는 변위 트랜스듀서 동작 방법.
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