KR101903914B1 - 박막 기반 자력계 - Google Patents

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에이엠에스 인터내셔널 에이쥐
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Abstract

다양한 예시적인 실시예는 발진 주파수를 측정하기 위한 자력계 디바이스에 관한 것이며, 상기 자력계 디바이스는 증폭기 및 금속 박막의 제1 입력부에 연결된 전압 바이어스를 포함하는 피드스루 루프; 박막 출력부에 연결된 박막 접지부; 상기 증폭기의 제2 입력부에 연결된 제1 고정판 출력부를 포함하는 고정판으로서, 상기 고정판은 상기 금속 박막으로부터 물리적으로 분리되어 있지만 그러나 로렌츠 힘에 의해 상기 금속 박막에 연결되고, 상기 물리적 분리는 전류의 방향에 대한 자기장의 각도로 인해 상이한, 고정판; 로렌츠 힘에 민감한 제2 고정판 출력부; 및 상기 로렌츠 힘에 기초하여 자기력의 각도를 계산하기 위해, 상기 제2 고정판 출력부에 연결된 회로를 포함한다.

Description

박막 기반 자력계{MEMBRANE BASED MAGNETOMETER}
여기에 기재된 다양한 예시적인 실시예는, 일반적으로 자기장과 관련하여 디바이스의 배향을 측정하고 그리고 보고하는 금속 박막을 포함하는 전자 디바이스 또는 디바이스 부품에 관한 것이다.
복수의 자유도 관성 측정 유닛(inertial measurement unit) 또는 IMU 는 디바이스의 속도, 배향, 및 중력을 측정하고 그리고 보고하는 전자 디바이스 또는 디바이스 부품이며, 또한 내비게이션 및 배향을 위한 모바일 손 파지형 디바이스의 부품일 수 있다. IMU의 일 실시예는, 자주 미소전기기계 시스템(MEMS)(Microelectromechanical systems)에 통합되는, 가속도계, 자이로스코프, 고도계(altimeter), 및 나침반 또는 자력계(magnetometer)의 다중-패키지 또는 다중-칩 조합을 포함한다.
IMU의 소형화, 집적, 표준화, 및 비용 절감이 스마트폰 및 특수 목적의 내비게이션 및 위치 기반 디바이스와 같은 모바일 응용분야에서 나침반 및 자력계로서 그 광범위한 사용을 이끌었다해도, 시장의 IMU는 그럼에도 불구하고 전문화된 제조 및 일부 경우에는 값 비싼 재료를 요구하여, 재료 목록표(bill of materials)(BOM)에 이들 디바이스의 비용을 불필요하게 추가시킨다.
작고, 비용 효과적이며, 민감한 나침반에 대한 현재의 요구를 고려하여, 다양한 예시적인 실시예에 대한 간략한 개요가 제공된다. 이하의 개요에 일부 단순화 및 생략이 이루어질 수 있으며, 이는 다양한 예시적인 실시예의 일부 양태를 강조하고 소개하기 위한 것이지만, 그러나 본 발명의 범주를 제한하지는 않는다. 이하의 섹션에, 본 기술분야의 숙련자가 본 발명의 개념을 정립하고 사용하도록 허용하기에 적절한 바람직한 예시적인 실시예의 상세한 설명이 이어질 것이다.
다양한 예시적인 실시예는 발진 주파수를 측정하기 위한 자력계 디바이스에 관한 것이며, 상기 자력계 디바이스는 증폭기 및 금속 박막의 제1 입력부에 연결된 전압 바이어스를 포함하는 피드스루(feedthrough) 루프; 박막 출력부에 연결된 박막 접지부; 상기 증폭기의 제2 입력부에 연결된 제1 고정판 출력부를 포함하는 고정판으로서, 상기 고정판은 금속 박막으로부터 물리적으로 분리되어 있지만 그러나 로렌츠 힘에 의해 상기 금속 박막에 연결되고, 상기 물리적 분리는 전류의 방향에 대한 자기장(B)의 각도로 인해 상이한, 고정판; 상기 로렌츠 힘에 민감한 제2 고정판 출력부; 및 상기 로렌츠 힘에 기초하여 자기력의 각도를 계산하기 위해, 상기 제2 고정판 출력부에 연결된 회로를 포함한다. 대안적인 실시예에 있어서, 상기 금속 박막은 연속적인 금속 시트를 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 금속 박막은 박막 입력부로부터 박막 출력부까지 평행선으로 연장하는 연속적인 금속 권선을 추가로 포함한다. 또 다른 예시적인 실시예에 있어서, 상기 금속 박막은 금속 권선이 매립된 유전체 시트를 추가로 포함한다.
일부 실행에 있어서, 자기력의 각도는 전류의 방향에 대한 자기장의 각도에 의해 주어진다.
일부 실시예에 있어서, 피드백 루프는 금속 박막을 통해 교류를 구동시키도록 구성된다.
일부 실시예에 있어서, 전류의 방향은 피드백 루프에 의해 금속 박막을 통해 구동되는 교류 전류의 방향에 의해 주어진다.
일부 실행에 있어서, 전류의 방향은 금속 박막의 제1 입력부와 박막 출력부 사이의 전류의 방향에 의해 주어진다.
일부 실시예에 있어서, 자력계 디바이스, 특히 회로는 금속 박막의 발진 주파수 및/또는 발진 주파수의 시프트를 측정하도록 구성된다.
일부 실행에 있어서, 발진 주파수의 시프트는 자기장에 의해 유발된다.
일부 실행에 있어서, 자력계 디바이스, 특히 회로는 발진 주파수에 기초한 자기력의 각도 및/또는 발진 주파수의 시프트를 계산하도록 구성된다.
다양한 예시적인 실시예는 발진 주파수를 측정하기 위한 자력계 디바이스에 관한 것이며, 상기 자력계 디바이스는 증폭기 및 금속 박막의 제1 입력부에 연결된 전압 바이어스를 포함하는 피드스루 루프; 박막 출력부에 연결된 박막 접지부; 상기 증폭기의 제2 입력부에 연결된 제1 고정판 출력부를 포함하는 제1 고정판으로서, 상기 고정판은 금속 박막으로부터 물리적으로 분리되어 있지만 그러나 로렌츠 힘에 의해 상기 금속 박막에 연결되며, 상기 물리적 분리는 전류의 방향에 대한 자기장의 각도로 인해 상이한, 제1 고정판; 상기 로렌츠 힘에 민감한 제2 고정판 출력부; 및 상기 로렌츠 힘에 기초하여 상기 자기장의 각도를 계산하기 위해, 상기 제2 고정판 출력부에 연결된 회로를 포함한다.
일부 실행에 있어서, 자기장의 각도는 전류의 방향에 대한 자기장의 각도에 의해 주어진다.
일부 실행에 있어서, 자력계 디바이스, 특히 회로는 발진 주파수 및/또는 상기 발진 주파수의 시프트에 기초하여 자기장의 각도를 계산하도록 구성된다.
일부 실시예에 있어서, 상기 금속 박막은 금속 박막의 기계적 질량에 비례하는 등가의 전기 인덕턴스, 상기 금속 박막의 기계적 강성도에 비례하는 등가의 전기 용량, 및 상기 금속 박막의 기계적 댐핑에 비례하는 등가의 전기 저항을 갖는다. 일부 실시예에 있어서, 상기 증폭기는 전류 제어형 전압 공급원을 포함한다. 일부 대안적인 실시예에 있어서, 상기 전류 제어형 전압 공급원은 이득을 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 고정판은 금속 박막과 동일한 비율을 갖는다. 대안적인 실시예에 있어서, 상기 금속 박막은 자립형이다. 일부 실시예에 있어서, 상기 고정판은 기판에 고정된다. 일부 다른 대안적인 실시예에 있어서, 상기 고정판은 웨이퍼에 고정된다.
다양한 예시적인 실시예는 디바이스의 배향을 측정하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 금속 박막을 통해 교류 전류를 구동시키는 단계; 상기 금속 박막에서 발진 주파수의 시프트를 측정하는 단계; 및 상기 발진 주파수의 시프트 및 전류 방향에 기초하여, 상기 금속 박막에 대한 외부 자기장의 각도를 계산하는 단계를 포함한다. 대안적인 실시예는 금속 박막을 발진으로 구동시키도록 피드백 루프를 생성하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 발진은 금속 박막의 기계적 공진 주파수에 가깝다.
일부 실행에 있어서, 상기 금속 박막에 대한 외부 자기장의 각도는 금속 박막을 통해 구동된 교류 전류의 방향에 대한 외부 자기장의 각도에 대응한다.
일부 대안적인 실시예에 있어서, 상기 피드백 루프를 생성하는 단계는 용량성 변위 전류를 생성하는 단계; 상기 용량성 변위 전류를 증폭기에 공급하는 단계; 증폭기에 의해, 상기 용량성 변위 전류를 증폭하는 단계; 및 상기 증폭된 전류를 금속 박막에 전압으로서 공급하는 단계를 포함한다. 일부 대안적인 실시예에 있어서, 상기 방법은 금속 박막과 고정된 접지판 사이에 바이어스 전압을 발생시키는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 고정된 접지판은 금속 박막으로부터 작은 거리에 위치된다. 대안적인 실시예에 있어서, 상기 고정된 접지판은 금속 박막과 동일한 비율을 갖는다.
일부 실시예에 있어서, 상기 자기력의 각도를 계산하는 단계는 발진 주파수의 디튜닝(detuning)을 유발시킬 수 있는 영향을 삭제하는 단계를 추가로 포함한다. 대안적인 실시예에 있어서, 상기 영향을 삭제하는 단계는 하나 또는 그 이상의 전류 방향에 대한 발진 주파수를 감산하는 단계를 포함한다. 상기 방법의 대안적인 실시예는 금속 박막의 발진으로부터의 간섭을 필터링하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시예에 있어서, 상기 간섭을 필터링하는 단계는 충분한 시간주기에 대해 발진기의 주파수를 측정하는 단계를 포함한다.
다양한 예시적인 실시예는 디바이스의 배향을 측정하기 위한 자력계 디바이스에 관한 것이며, 상기 자력계 디바이스는 금속 박막 및 피드백 루프를 포함하는 발진기; 상기 금속 박막을 통해 교류 전류를 구동시키고 또한 상기 금속 박막을 발진으로 구동시키도록 구성된 피드백 루프; 및 상기 피드백 루프 및 금속 박막에 의해 유발된 발진 주파수의 시프트를 측정하고, 또한 상기 발진 주파수의 시프트 및 전류 방향에 기초하여 상기 전류의 방향에 대한 외부 자기장의 각도를 계산하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 일부 대안적인 실시예에 있어서, 상기 발진은 금속 박막의 기계적 공진 주파수에 가깝다. 대안적인 실시예에 있어서, 상기 피드백 루프는 증폭기를 추가로 포함하며, 또한 용량성 변위 전류를 생성하도록, 상기 용량성 변위 전류를 증폭기에 공급하도록, 상기 용량성 변위 전류를 상기 증폭기에 의해 증폭하도록, 및 상기 증폭된 전류를 금속 박막에 전압으로서 공급하도록, 구성된다.
일부 대안적인 실시예에 있어서, 상기 자력계 디바이스는 고정된 접지판을 추가로 포함하며, 상기 디바이스는 금속 박막과 상기 고정된 접지판 사이에 바이어스 전압을 발생시키도록 추가로 구성된다. 다른 실시예에 있어서, 상기 고정된 접지판은 금속 박막으로부터 작은 거리에 위치된다. 일부 실시예에 있어서, 상기 고정된 접지판은 금속 박막과 동일한 비율을 갖는다. 대안적인 실시예에 있어서, 외부 자기력의 각도 계산 시, 상기 프로세서는 발진 주파수 디튜닝 영향을 삭제하도록 추가로 구성된다. 일부 대안적인 실시예에 있어서, 상기 프로세서는 발진 주파수 디튜닝 영향을 삭제할 때, 하나 또는 이상의 전류 방향에 대한 발진 주파수를 감산하도록 추가로 구성된다.
상기 자력계 디바이스의 대안적인 실시예에 있어서, 상기 프로세서는 금속 박막의 발진으로부터의 간섭을 필터링하도록 추가로 구성된다. 다른 실시예에 있어서, 상기 프로세서는 충분한 시간주기에 대해 발진기의 주파수를 측정하도록 추가로 구성된다.
일부 실시예에 있어서, 상기 프로세서는 발진 주파수의 시프트를 측정하기 위해 상기 고정된 접지판에 연결된다.
이러한 방식으로, 다양한 예시적인 실시예는, 특히, 자기장의 영향에 의해 발생된 힘을 받는 금속 박막의 변위를 측정함으로써, 자기장의 각도에 민감한 소형의 비용 효과적인 디바이스를 가능하게 한다는 것을 인식해야 한다.
다양한 예시적인 실시예를 보다 잘 이해하기 위해, 첨부한 도면이 참조되었다.
도 1은 기계적 공진으로 여기되었을 때, 예시적인 자립형 금속 박막의 행동을 도시하고 있다.
도 2a는 도 1의 박막의 예시적인 대안적인 실시예를 도시하고 있다.
도 2b는 도 1의 박막의 횡단면을 도시하고 있다.
도 3은 예시적인 자기장에 대한 예시적인 전류의 방향의 발진 주파수에 대한 영향을 도시하고 있다.
도 4는 도 1에 도시된 발진기와 전기적으로 등가인 예시적인 회로를 도시하고 있다.
도 5는 가상 평면에서 공진기 박막의 어드미턴스(admittance)의 플롯(plot)을 도시하고 있다.
도 6은 금속 박막 및 기판에 매립된 권선의 횡단면을 도시하고 있다.
도 7은 박막의 변위에 기초하여 자기장을 계산하도록, 센서 판독값을 출력하기 위한 박막 및 회로의 횡단면을 도시하고 있다.
도 8은 도 7의 박막 및 회로와 전기적으로 등가인 예시적인 회로를 도시하고 있다.
전술한 바의 관점에서, 덜 비싸고 더 작은 폼 팩터(form factor)에 어울리며 또한 다양한 상태를 측정하는 다중 센서를 실행하는 데 사용될 수 있는 재료를 사용하여, 자기장에 대한 디바이스의 배향을 측정하는 것이 바람직할 것이다.
홀-효과 센서 또는 이방성 자기 저항(anisotropic magneto resistance)(AMR) 센서와 같은, 본 기술분야에 알려진 로렌츠-힘 기반의 MEMS 센서는, 자기장에서 전류 운반 전도체 상에 작용하는 로렌츠 힘으로 인해, MEMS 구조물의 기계적 움직임을 전자적으로 감지한다. (알려진 로렌츠-힘 센서의 전도체는 반도체 재료로 구성된다는 것을 인식해야 한다). 달리 말하면, 이들 센서는 기계적 변위를 측정한다. 다양한 응용분야에서, 최대 출력 신호를 얻기 위해, 기계 구조물은 자주 그 공진으로 구동된다. 압전저항 및 정전 변환은 자기장의 배향을 전자적으로 검출하는 데 사용될 수 있다. 압전저항 효과는, 기계적 변형이 가해질 때, 반도체 또는 금속의 전기 비저항(electrical resistivity)의 변화이다.
저렴한 비용으로 쉽게 제조되는 자력계에 대한 요구를 감안할 때, 표준의 비-자성 상보형 금속-산화물-반도체(CMOS) 호환 재료를 사용하여 지구 자기장의 평면 내 배향을 측정하기 위한 시스템 및 방법이 기재된다. 예를 들어, 여기에 기재된 시스템은 발진형 금속 박막의 기계적 발진 주파수 시프트 측정에 기초할 수 있다. 이는 홀-효과 또는 AMR 센서를 사용하는 현재 알려진 자력계 응용분야와는 구별되는데, 그 이유는 다른 센서와 별도로 조립된 그 요청된 기계적 특성(예를 들어, 물리적 변위의 측정 및 반도체로부터의 제조를 포함하는) 때문이다. 또한 자립형 박막을 포함하는 자력계가 CMOS 의 상부에 설치된 현재 존재하는 MEMS 센서(압력 센서와 같은)와 동일한 재료를 사용하여 제조될 수 있기 때문에, 상기 자기 센서는 임의의 프로세스 복잡성이나 관련 비용을 추가하지 않고 관성 측정 유닛의 부분을 형성하는 단일 CMOS 칩 상에 조합될 수 있다. 이는, 모바일 디바이스 또는 다른 손 파지형 디바이스, 내비게이션 설비, 또는 차량에 포함될 수 있는 바와 같이, [예를 들어, 공기 압력(예를 들어, 고도계에서) 및 3D 위치 결정을 달성하도록 조합될 수 있는 물리적 배향을 감지하기 위해] 복합적인 기능성을 갖는 센서 패키지에서의 하나의 부품과 같은 다양한 응용분야에 유용할 것이다.
자립형 금속 박막은 로렌츠 힘과 및 정전기력의 조합을 사용하여 기계적 발진으로 여기될 수 있다. 주파수는 고도의 정확성으로 측정될 수 있다. 상기 로렌츠 힘은 평면 내 자기장과 금속 박막을 통해 전송되는 전류 사이의 각도에 의존한다. 각도의 변화는 로렌츠 힘의 변화 및 이에 따른 발진 주파수의 미세한, 그러나 검출 가능한 디튜닝을 유발시킬 것이다. 발진 주파수의 시프트를 측정하는 것은, 자력계에 대한 지구 자기장의 배향을 결정할 수 있게 한다.
금속 박막이 대기압과 같은 다른 물리적 대기 조건을 감지하는 데 사용되는 박막과 동일한 치수 및 물성을 갖는 경우, 상기 동일한 박막은 두 상태를 감지하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 시간-다중화(time-multiplexing)는 고도계 및 자력계와 동일한 물리적 센서를 사용하는 데 사용될 수 있다. 제조비 및 재료비를 절감하고 또한 제조 공정을 단순화하는 것 외에도, 단일 구조물 상에 기능성을 조합함으로써 더 작은 폼 팩터가 달성될 수 있다.
또한, 인덕터 및 다른 자기장 발생 요소가 하부의 CMOS 상에 쉽게 집적될 수 있어서, 전기 자극을 사용하여 자력계의 인-시튜 보정 및 트리밍을 허용한다. 요구된 부품이 집적될 수 있기 때문에, 현장에서 보정 절차가 반복될 수 있으며, 이에 따라 에이징 또는 다른 요소에 의해 유발된 임의의 센서 드리프트를 보상한다. 또한, 대기압 또는 대기 온도와 같은 자기장 이외의 힘에 대한 임의의 자력계 교차-민감도(cross-sensitivity)는, 상기 압력 및 온도 측정이 자력계에 근접하여 이루어질 수 있다는 사실로 인해, 보정 중 더욱 정확하게 알려지고 그리고 억제될 수 있다.
이제 유사한 도면부호가 유사한 부품 또는 단계를 지칭하는 도면을 참조하여, 다양한 예시적인 실시예의 광범위한 양태가 기재된다.
도 1은, 로렌츠 힘(Flor)과 정전기력(Fel)의 조합에 의해 기계적 공진으로 여기되었을 때, 예시적인 자립형 금속 박막(110)의 행동을 도시하고 있다. 박막-기반 자력계(100)는 발진기 루프[iin, Cft, V, 박막(110), 접지부(150), iout, 트랜스-임피던스 증폭기(TIA), 및 접지부(140)를 포함하는]에 박막(110)을 포함할 수 있다. 상기 로렌츠 힘(Flor)은, 지구 자기장(B)과 조합된 박막(110)을 통해 AC 전류(iin)(120)와 같은 전류를 구동시킴으로써, 발생될 수 있다. 로렌츠 힘이 전류 밀도와 선형적으로 작동하기 때문에, 낮은 저항 및 큰 전류 밀도를 구비한 금속 박막(110)은, 이들이 더 큰 로렌츠 힘을 발생시킬 수 있도록(예를 들어, 더 높은 저항을 갖는 반도체에 비해) 사용될 수 있다.
본 기술분야에 알려진 반도체-기반 로렌츠-힘 센서에 대해 박막(110)과 같은 예시적인 금속 박막의 여러 이점이 있다. 가장 간단한 용어로(보다 상세한 계산은 이하에 논의됨), 로렌츠 힘(Flor)은 박막(110)의 길이(l)×전류(iin)×자기장(B)×상기 자기장의 방향과 전류의 방향 사이의 사인 각도의 곱(Flor=1*iin *B*sinα)이지만, 그러나 상기 박막이 기계적 시스템이기 때문에, 기계적 랜덤 노이즈가 박막(110)의 이동에도 영향을 끼칠 것이다. 이러한 랜덤 노이즈는
Figure 112017015053297-pct00001
으로서 표시될 수 있으며, 상기 kb 는 볼츠만 상수, T 는 박막(110) 주변의 절대 온도, γ는 측정이 이루어진 대역폭(Δf)(임의의 화이트 노이즈 현상과 마찬가지로, 대역폭도 하나의 요소이다)이 곱해진 박막(110)의 댐핑 계수(그 둘레의 공기와 상호 작용할 때)이며, 이는 센서 계산을 위해 고려될 수 있다. 신호-노이즈 비율이 클수록, 자력계의 민감도가 높아질 것이다. 상기 신호-노이즈 비율은 시스템의 기계적 노이즈(Fnoise)에 대해 큰 로렌츠 힘(Flor)을 생성함으로써 극대화될 수 있으며, 이는 가능한 한 작아야 한다. Fnoise 는 댐핑 계수(γ)를 최소화함으로써 최소화될 수 있으며, 이는 박막(110)의 Q 값(quality factor)(Q)을 극대화함으로써 달성될 수 있다. 로렌츠 힘(Flor)을 발생시키는 데 요구되는 전력(P)은 박막(110)에 대해 전송된 전류(iin)와 박막의 전기 저항(R)(P=iin 2*R)의 함수이며, 금속의 저항이 반도체의 저항보다 낮기 때문에, 금속 박막(110)에 큰 로렌츠 힘(Flor)을 발생시키기 위해서는 더 적은 전력이 요구될 것이다. 또한, 길이(l)의 증가는 로렌츠 힘(Flor)을 증가시킬 것이다. 길이(l)의 증가는, 박막(110)의 치수를 증가시킴 없이, 도 2a에 도시된 예시적인 대안적인 실시예로 달성될 수 있다.
도 2a는 박막(110)의 예시적인 대안적인 실시예(210)를 도시하고 있다. 일부 실시예에 있어서, 상기 금속 박막(210)은 금속 트레이서(tracer)(220)를 포함할 수 있으며, 이는 연속적인 금속 시트로 구성된 박막(110)의 대안으로서, 도 2b에 도시된 바와 같이 박막(110)에 매립될 수 있다. 상기 트레이서(220)는 입력부(vin)의 측부로부터 출력 접지부(150)로 직렬로(코일을 형성하기 위해, 박막의 둘레로의 하나의 연속적인 형태로) 동작하는 금속 선/권선으로서 매립될 수 있으며, 또한 함께 박막(210)을 형성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 큰 전류로 큰 로렌츠 힘 및 적은 전력 손실이 있을 것이기 때문에, 전기 저항을 낮게 유지하는 것이 중요하며, 금속 권선은 R 을 낮게 유지하면서 길이(1)를 늘리는 데 사용될 수 있다. 대부분의 로렌츠 힘-기반 센서는 약 1μOhm*cm(마이크로 오옴 센티미터)에서 금속 권선의 비저항의 1000 배인 약 1 mOhm*cm의 비저항을 갖는 도핑된 실리콘을 사용하며, 따라서 금속 박막은 신호-노이즈 비율과 전력 손실면에서 더욱 효과적이다. 또한, 단일 시트보다는 다중 트레이서 권선을 사용하면 와이어 길이를 극대화하고, 또한 트레이서 라인의 더 높은 조합된 총 저항으로 나타나며, 또한 박막(210)이 CMOS 에 연결되기 때문에 1-3 볼트일 수 있는 공급 전압과의 더 좋은 임피던스 정합으로 나타날 수 있으며, 더 낮은 저항(예를 들어, 0.1 Ω)을 구비한 시트보다 더 높은 저항(예를 들어, > 1 킬로 옴)을 구비한 다중 트레이서 라인에 대해 ~ 1 볼트의 공급 전압으로부터 1 밀리와트의 예시적인 입력 전류의 손실을 달성하는 것이 더욱 용이하다. 대안적으로, 박막 시트에 대한 전류를 낮추기 위해 v-변환기가 사용될 수 있지만, 그러나 이런 장치는 피할 수 있는 복잡성 및 비용을 추가할 것이다.
예시적인 박막(210)에 있어서, 트레이스 폭(wt)은 2㎛ 일 수 있고, 인접 트레이서 사이의 간격은 0.5㎛ 일 수 있으며, 트레이스 개수(N)는 90개 일 수 있고, 박막 폭(w) 및 길이(l)는 220㎛ 일 수 있다. 로렌츠 힘(Flor)은 자기력(B)이 권선(220)과 직교하여 동작하는 트레이서 권선(220)과 수직으로 동작하는 것으로 도시되어 있다. 상기 금속 권선(220)은, 박막(210)을 형성하기 위해, 유전체 시트(230)에 매립될 수 있다. 트레이서의 개수(N)가 90개이기 때문에, 로렌츠 힘(Flor)을 생성하는 데 사용된 유효 길이(lwire)는 N×박막의 폭, 또는 90*220㎛ 로 곱해지며, Flor=1*iin*B*sinα 로서 표시된 도 1의 간단한 박막에서 로렌츠 힘의 계산은, Flor=N*iin*B*sinα 이도록 N 이 곱해지게 되며, 따라서 금속 권선을 사용하는 박막에서의 로렌츠 힘이 단일의 금속 박막보다 훨씬 더 높아질 것이며, 여기서 l 은 박막 시트의 길이에 의해 제한된다.
0.5 μm 이격된 2 μm의 선을 구비한, 도 1, 2a, 및 2b에 도시된 측정치와 유사한 측정치를 갖는 예시적인 금속 박막은, 878.956 kHz의 공진 주파수, 223.8의 Q 값(Q), 6.26-10 kg 의 질량(m), 1.914 N/m 의 스프링 상수(k), 및 [Q = sqrt(k*m)/γ) 이므로 Q, m, 및 k 로부터 계산된] 1.53-5 Ns/m 의 댐핑 계수(γ)를 갖는 것으로 예상될 수 있다. 연속적인 금속 박막 및 트레이서 권선을 형성하도록 유전체에 의해 도포된 에칭된 트렌치를 구비한 박막은, 비교적 유사한 기계적 성질을 가질 것으로 예상될 수 있음을 인식해야 한다. 전술한 바와 같이, 시트 저항은 0.1 Ω 일 수 있으며, 전선의 전체 저항은 1 kOhm 이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전류(iin)가 자기장(B)과 직교하는 성분(120)을 가지며 또한 전류(iin)와 자기장(B) 모두가 박막(110)의 평면으로 지향될 때, 로렌츠 힘(Flor)은 박막(110)과 수직하거나 또는 직교하도록 지향된다. 정전기력(Fel)은 금속 박막(110)과 상기 금속 박막(110)으로부터 작은 거리에 위치된 고정된 접지판(130) 사이의 DC 바이어스 전압(V)과 함께 AC 전압(vin)에 의해 발생될 수 있다. [그 어떠한 전류도 없을 때, 접지판(130) 및 박막(110)은 여전히 작은 거리로 떨어져서 위치될 것임을 인식해야 한다]. 금속 박막(110)이 유한한 전기 저항을 갖기 때문에, AC 전류(iin)가 박막(110)에 인가될 때 나타나는 전압 강하는 AC 전압(vin)을 유발시킨다. 예시적인 나침반(100)에서, 박막(110)이 한쪽에서 접지부(150)에 접지되기 때문에, 박막(110)을 가로지르는 전압 강하는 vin 과 동일할 것이다.
또한, AC 전류(iin)는 (기판 또는 웨이퍼에 고정될 수 있는) 고정된 접지판(130)에 대해 이동할 금속판을 포함할 수 있는 자유롭게 이동하는 박막(110)을 통해 구동되어, 신호를 증폭시키고 이를 자립형 금속 박막에 전압(vin)으로서 피드백시키기 위해 트랜스-임피던스 증폭기(TIA)로 공급될 수 있는 용량성 변위 전류(iout)를 유발시키므로, 자립형 박막을 그 기계적 공진 주파수에 가까운 주파수로 발진으로 구동시키도록 피드백 루프가 생성될 수 있다. 전류(iin)가 박막(110)의 공진 주파수에 정합된 주파수를 구비한 AC 전류인 경우, DC 자기장에서, AC 로렌츠 힘(Flor)이 박막(110)의 기계적 공진으로 생성된다. 주파수 시프트는 로렌츠 힘(Flor)과 정전기력(Fel)의 상호작용에 의해 유발될 것이며, 상기 정전기력은 박막(110)과 접지판(130) 사이의 정전기력에 의해 다시 발생된다.
발진 주파수는 로렌츠 힘의 크기에 의존하는 루프 위상에 의존할 것이며, 따라서 발진 주파수는 측정되고 있는 자기장에 의존할 것이다. 이에 따라, 발진 주파수를 측정함으로써, AC 구동 전류에 대해 자기장의 방향을 유도하고, 따라서 지구 자기장의 방향을 결정하는 것이 가능하다.
도 3은 도 1의 박막(110)과 같은 예시적인 자립형 박막의 평면도에 대한 발진 주파수에서, 지구 자기장(B)에 대한 예시적인 전류(iin)의 방향(120)의 영향을 도시하고 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전류(iin)가 박막(110)을 통해 상이한 방향으로 전송될 때, 전체 360°각도 분별, 즉, iy, ixy, ix, iyx, 등(iy 로 복귀한다)이 설정될 수 있다. 상기 지구 자기장(B)이 지구 표면 상의 주어진 영역 내에 상대적으로 고정된 크기를 갖기 때문에, 디바이스가 회전할 때 바뀔 유일한 변수는 각도(α)임을 인식해야 한다. x 방향(120)으로 동작하는 전류(iin)는 y 방향으로 동작하는 전류와는 상이한 발진 주파수의 디튜닝을 유발시킬 것인데, 그 이유는 로렌츠 힘의 크기가 이들 둘 사이에서 상이할 것이기 때문이다. 마찬가지로, x = y 대각선으로 동작하는 전류(120)로부터의 주파수 디튜닝은 x = -y 대각선으로 동작하는 전류(120)와는 상이할 것이다. 기준 주파수를 결정하고, 이들 주파수를 서로 다른 전류 방향에 대해 비교하고, 또한 이들 상이한 디튜닝 주파수의 차이를 측정함으로써, 상기 각도(α)는 360°에 대해 분해될 수 있으며, 또한 상기 자기장이 완전히 분별될 수 있다. 따라서 주파수 측정에 기초하여 자기장을 결정하는 것은, 기계적 측정에 기초한 결정보다 더 높은 분해능 및 정확도를 달성할 것으로 기대될 수 있다. 또한, 예를 들어 에이징 재료, 온도 및 가변형 바이어스 전압에 의해 유발된 주파수 시프트와 같은, 발진 주파수의 디튜닝을 유발시킬 수도 있는 원하지 않는 영향을 삭제하기 위해, 상기 발진 주파수는 상이한 전류 방향으로 감산될 수 있다.
전기장에 의해 유발된 모든 간섭은 입력 전압(vin) 또는 출력 전류(iout)에 추가될 것이며, 또한 발진 진폭 또는 위상에서 노이즈의 형태로 노이즈를 발진기에 추가할 것이다. 이 노이즈가 랜덤인 경우, 이하에 논의되는 바와 같이, 이는 충분한 시간 동안 발진기의 주파수를 측정하여 필터링될 수 있다. 발진 주파수 또는 위상의 영구적인 시프트는 랜덤 간섭보다는 덜하지만, 그러나 보정 기술을 통해 필터링될 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 전자기 간섭(electromagnetic interference)(EMI)을 필터링하는 방법은, 외부 세계를 향하는 판을 접지시키기 위한 것일 수 있다. 도 1에서, 접지판(130)이 가상 접지부(140)에 연결되지만, 그러나 도 1의 배치는 EMI를 억제하기 위해 박막(110)이 (TIA를 통해) 접지부에 연결되도록 변경될 수 있음을 인식해야 한다. 접지판 또는 다른 방법을 사용하여, 자력계(100)를 포함하는 CMOS 칩 또한 EMI로부터 별도로 차폐될 수 있음을 인식해야 한다.
또한, 자력계(100)가 듀티 사이클링되는(간격을 두고 또는 필요 시 동작될 때만) 경우, 박막의 기계적 관성은 신뢰성 있는 판독이 취해질 수 있기 전에 간단한 "웜 업(warm up)" 지연을 요구한다는 것을 인식해야 한다. 이런 지연은, 예시적인 실시예에서 1 밀리초[예를 들어, Q = 100, 주파수 = 100 kHZ 인 경우 Q 값(Q)*기간]일 수 있기 때문에, 사용자에게 감지되지 않을 수 있지만, 그러나 일부 응용분야는 빈번한 판독을 필요로 할 수 있다. 따라서 더 긴 시간주기에 걸친, 예를 들어 1 초의 측정 주기가 요구되는 경우에는, 디바이스가 듀티 사이클링될 수 있지만, 그러나 밀리초마다 측정이 바람직하거나 또는 요구되는 경우, 디바이스는 측정이 요구되는 한 오래 켜져 있을 수 있다(그렇지 않으면, 기계가 너무 느려 듀티 사이클을 수용할 수 없으며, 그리고 여전히 요구된 정확한 측정을 취하기 때문이다).
지구 자기장의 평면 내 배향을 계산하기 위해, 모델은 예시적인 박막(110)과 같은 박막의 발진 주파수와 기준 주파수와 관계를, 자기장의 방향의 함수로서 기재하도록 결정될 수 있다. 전술한 바와 같이, 로렌츠 힘은 현 시점의 자기장의 외적(outer product)과 동일하다.
예시적인 박막(110)에 동작하는 시간-교차형 로렌츠 힘(Flor)은 식 [1] 로서 기재될 수 있으며,
Figure 112017015053297-pct00002
......... 식 [1]
상기 l 은 박막의 길이이고, B 는 자기장의 크기이며, α는 자기장과 전류(iin)의 방향 사이의 각도이다. 따라서 로렌츠 힘(Flor)은 전류(iin)가 강제되는 박막(110)의 길이(l)와 전류(iin)와 자기장(B) 사이의 각도(Bsinα)에 비례하며, 상기 전류(iin)는 주파수(jωt)를 구비한 AC 전류이고, 자기장(B)은 DC 자기장이다(AC 전류×자기장은 AC 로렌츠 힘을 생성한다). 박막(110)이 연속적인 금속 시트 대신에 박막(110)을 함께 형성하는 매립된 금속 트레이서를 포함하는 실시예에 있어서, 식
Figure 112017015053297-pct00003
은 박막(110)을 통해 동작하는 금속 라인의 개수에 대응하는 정수(N)가 곱해질 것이다. 따라서 전술한 바와 같이, 연속적인 금속 시트가 아니라 다중 트레이서(N)를 사용함으로써, 로렌츠 힘(Flor)이 N 배 더 커지고, 센서는 N 배 더 민감해질 것이다.
박막(110)을 통해 동작하는 전압(vin) 및 전류(iin)는, 오옴의 법칙을 통해 식 [2]와 관련되어 있으며,
Figure 112017015053297-pct00004
......... 식 [2]
상기 계수 1/2 은 박막(110)의 전체 길이에 대한 전압 강하[전술한 바와 같이, 접지부(150)로 인한] 및 이에 따른 평균 전압이 총 전압 강하의 1/2 임을 고려한 것이다[달리 말하면, 계산은 박막(110)의 중심에서 전압이 전압과 동일한 것으로 가정한다].
따라서 로렌츠 힘(Flor)은 전압(vin)에 관해 식 [3] 으로서 표시될 수 있으며,
Figure 112017015053297-pct00005
......... 식 [3]
이는 이전의 두개의 식 [1], [2] 로부터 도출된다. 또한, 박막(110)과 접지판(130) 사이의 정전기력(Fel)도 전압에 관해 표시될 수 있으며, 박막(110)상의 평균 AC 전압은 식 [4] 에 의해 기재되는 바와 견인성 정전기력을 유발시키며
Figure 112017015053297-pct00006
......... 식 [4]
상기 V 는 정적 바이어스 전압이고, ε0 은 유전율, A=lw 는 박막(110)의 면적, g 는 박막(110)과 접지판(130) 사이의 갭의 거리이다.
출력 전류(iout)는 박막(110)의 속도와 관련되어 있다. 이는 많은 MEMs에서 표준적인 표현이며, 바이어스 전압 하에 있는 커패시턴스의 변화가 존재하는 경우, 변위 전류(iout)로 나타난다. 박막의 편향은 커패시턴스 변화, 및 이에 따라 식 [5] 로서 표현될 수 있는 변위 전류를 유발시키며,
Figure 112017015053297-pct00007
......... 식 [5]
상기
Figure 112017015053297-pct00008
는 평면의 외부로 지향된 박막 속도이다.
또한, 자립형 박막(110)은 식 [6]의 운동 방정식[질량(m)×박막(110)의 가속도(
Figure 112017015053297-pct00009
)+댐핑(γ)×박막(110)의 속도(
Figure 112017015053297-pct00010
)+스프링 상수(k)×박막(110)의 변위(x)]에 의해 지배되는 질량-스프링 시스템으로서 간주될 수 있고,
Figure 112017015053297-pct00011
......... 식 [6]
또한 박막에 인가되는 힘, 로렌츠 힘(Flor), 및 정전기력(Fel)과 평형을 이루며, 이는 식 [3], [4], [5] 및 [6] 을 조합함으로써 전기적 용어로 임피던스로서 재작성될 수 있으므로[입력 전압(vin)과 출력 전류(iout) 사이의 관계], 식 [7] 이 된다.
Figure 112017015053297-pct00012
......... 식 [7]
[달리 말하면, 입력 전압(vin)은 인덕턴스에 의해 유발된 임피던스, 저항에 의해 유발된 임피던스, 및 커패시턴스에 의해 유발된 임피던스와 등가이다]
LB, CB, 및 RB(기계적 질량, 강성도, 및 댐핑)는 식 [8] 로서 표시될 수 있고[인덕턴스는 질량(m)에 비례한다], 식 [9] 로서 표시될 수 있고[저항은 댐핑(γ)에 비례한다], 및 식 [10] 으로서 표시될 수 있으며[커패시턴스는 스프링 힘(k)에 반비례한다],
Figure 112017015053297-pct00013
......... 식 [8]
Figure 112017015053297-pct00014
......... 식 [9]
Figure 112017015053297-pct00015
......... 식 [10]
정전 결합 요소(η) 및 자기 디튜닝 요소(δ)는 식 [11] 및 식 [12] 로 표시될 수 있다.
Figure 112017015053297-pct00016
......... 식 [11]
Figure 112017015053297-pct00017
......... 식 [12]
알 수 있는 바와 같이, δ 는 자기장의 함수이며, 자기장(B)=0, δ=0, LB, CB 및 RB 가 고정값인 경우, 자기장(B)≠0 이고 sinα≠0 인 경우[전류(iin)와 자기력(B)이 병렬로 작동하는 경우, 로렌츠 힘(Flor) 또한 없을 것이기 때문에], LB, CB 및 RB 는 자기장의 함수로서 값을 변경할 것이다. 따라서 박막(200)이 나침반으로서 사용될 경우, 식 [13] 은 지구 자기장(B), 전술한 바와 같이 디바이스가 회전함에 따라 변하는 변수(α)에 기초할 수 있기 때문에 관련이 있을 것이며,
Figure 112017015053297-pct00018
......... 식 [13]
따라서 발진 주파수(δ)의 시프트 값의 변화를 측정함으로써, 값(α)의 변화가 방향을 결정하는 데 사용될 수 있다. 또한, 다른 자기장(B)의 측정도 가능하다.
도 4는 도 1에 도시된 발진기 루프와 유사한 발진기의 완전한 전기 회로와 전기적 등가물인 예시적인 회로(400)를 도시하고 있다. 상기 식 [7] 에 도시된 바와 같이, [공진식 박막(110)과 같은] 기계적 공진기의 공진은, 도 4에 저항(RB), 커패시터(CB), 및 인덕터(LB)에 의해 표시된 등가의 인덕턴스, 커패시턴스, 및 저항의 관해 기재될 수 있으며, 상기 RB 는 박막(110)의 기계적 댐핑에 비례하고, CB 는 박막(110)의 기계적 강성도에 비례하며, LB 는 시스템의 기계적 질량에 비례한다. 직렬 RLC 연결은 전술한 운동 방정식에 의해 기재될 수 있으며, 또한 박막(110) 아래의 평면[예를 들어, 접지판(130)]과 조합하여 박막에 의해 형성된 피드스루 커패시턴스(Cft)와 병렬이다. 트랜스 임피던스 증폭기(TIA)는 이득(M)을 구비한 전류 제어형 전압 공급원(current controlled voltage source)(CCVS)으로 간주될 수 있다. 따라서 TIA/CCVS 는 유입 전류를 전압(vin)으로 변환하며, 이는 공진 회로(RB, CB, LB) 및 이와 병렬인 기생 피드 스루(Cft)에 대해 이동하며, 기계적 공진과는 별도로 박막(110)과 접지판(130) 사이에 약간의 용량성 누화가 있기 때문에, 커패시터(Cft)가 요구된다. CCVS 의 위상 시프트는 일정한 것으로 가정되며, 또한 Cft//RB-CB-LB 브랜치에 대한 위상 시프트는 발진 조건[바르크하우젠(Barkhausen) 안정성 기준에 따른]에 부합하도록 일정할 수도 있다. 위상 시프트가 상수이기 때문에, 이는 RB-CB-LB 의 값과 발진 주파수 사이의 관계를 따른다. 따라서 자기장이 [박막-기반 나침반(100)을 나타내는] 회로(400)에 인가될 때, 발진기 루프(400)에서의 위상 시프트가 시프팅하기 때문에 발진 주파수가 비례적으로 변화하도록, 자기장은 등가 저항(RB)을 변경시킬 것이다. 예를 들어, RB, CB, LB 가 부분 Δ 에 의해 변경된 경우, 예시적인 회로(400)의 발진 주파수가 변경되어(자기장과 발진 주파수 사이의 관계 때문에) 변화되어, 피드스루 용량(Cft)과 RB, CB, LB 의 상호작용을 유발시킨다. 발진 주파수는 여기에 기재된 계산을 사용하여 자기장을 결정하기 위한 출력값으로서 측정될 수 있다.
도 5는 가상 평면에서 공진기(110)의 어드미턴스(1/임피던스 이다)의 플롯을 도시하고 있다. 공진기의 어드미턴스는 식 [14] 에 의해 기재되어 있다.
Figure 112017015053297-pct00019
......... 식 [14]
ω0 가 식 [15] 로서 정의되고, Q 가 식 [16] 으로서 정의되며, 또한 ω가 식 [17] 로서 정의되고, 또한 △ω << ω0 를 가정한다면,
Figure 112017015053297-pct00020
........... 식 [15]
Figure 112017015053297-pct00021
........... 식 [16]
Figure 112017015053297-pct00022
........... 식 [17]
어드미턴스(식 [14])는 식 [18] 로서 재작성될 수 있다.
Figure 112017015053297-pct00023
........... 식 [18]
실수 항(real terms)과 허수 항(imaginary terms)의 비율이 상수이도록(식 [19]), 상기 어드미턴스의 위상은 상수일 수 있다.
Figure 112017015053297-pct00024
........... 식 [19]
Q << 1 을 가정하면, 식 [19] 는 RB 에 대한 차이(식 [21])를 감안하여 식 [20] 으로 더욱 간단해질 수 있으며,
Figure 112017015053297-pct00025
........... 식 [20]
Figure 112017015053297-pct00026
........... 식 [21]
Δω 는 RB 의 임의의 변화를 발진 주파수의 변화와 관련시킨다.
공진 주파수(ω0)에 가까운 주파수를 위해, y 축선(ωα1Cft, ωα2Cft) 상의 RLC 브랜치의 가상 플롯에 대해 x 축선(1/RB,α1, 1/RB,α2) 상에 어드미턴스의 실제 부분을 플로팅할 때, 공진점(ωα1, ωα2)과 교차하는 원의 플롯으로 나타난다. 상기 ωα1, ωα2 와 교차하는 원의 각각의 점은, 주파수(ω)에 대응하며, 또한 ω가 증가될 때는, 원이 시계 방향을 따르며, 따라서 주파수가 소인될 경우, 플롯은 원을 따른다. 상기 원은, 총 어드미턴스를 플로팅할 때, 피드스루 어드미턴스(jωCft)와 동일한 양만큼 가상 축선을 따라 병진될 수 있다. 발진기 루프에 있어서, 어드미턴스의 위상은 도 5의 원점을 교차하는 직선(510)에 의해 도시된 바와 같이, 증폭기 이득(M)의 위상에 의해 고정된다. 공진 회로(400)가 자기장에 위치되는 경우, 요소(RB, CB, LB)의 값은 값을 변화시킬 것이며, 원은 확장되거나(예를 들어, 원은 ωα2 과 교차한다) 또는 수축될 것이다(예를 들어, 원은 ωα1 과 교차한다). 선이 x 축선과 교차하는 각도는, M 의 위상 시프트와 동일하다. 고정된 위상 라인(510)과 원(ωα1, ωα2)과의 교차는, 발진 주파수를 설정한다. 발진기는 고정된 위상에 있는 원의 점에 대응하는 주파수로 로킹될 수 있다. 상기 고정된 위상 라인(510)은 공진 주파수를 나타낸다[고정된 위상 라인과 원 플롯의 교차점(ωα1, ωα2)은 공진 주파수를 나타낸다]. 원 플롯이 확장되거나 수축될 때, 교차점(ωα1, ωα2)은 각각의 플롯형 원과 관련하여 이동하여, 발진의 주파수 시프트를 나타낸다. 디튜닝 요소(δ)가 원주 직경(520)의 변화 및 이에 따라 고정된 위상 라인과 ωα1, ωα2 를 교차하는 어드미턴스 원과의 상이한 교차점을 유발시키기 때문에, 발진 주파수에서의 시프트를 유발시킨다.
따라서 요약하면, 자력계(100)에 대한 자기장의 배향의 변화는 박막(110)에 작용하는 로렌츠 힘(Flor)의 변화를 유발시키고, 이에 따라 등가 임피던스(RB)의 변화를 유발시켜, 발진 주파수의 변화를 유발시킨다(식 [21]).
표 1은 일부 압력 센서 응용분야에서 현재 사용되는 박막과 같은 예시적인 박막의 성질을 도시하고 있다. 이들 박막 매개변수는 단지 예시적이지만, 그러나 이들 매개변수 값은 발진 주파수에서의 시프트의 크기를 나타내는 데 사용될 수 있다. 박막을 실행하기 위해 상이한 매개변수가 사용될 수 있으며, 그 값은 간단한 크기(scaling) 규칙에 의해 서로 관련하여 변경될 것이며, 예를 들어 박막이 두 배 큰 경우, 공진 주파수는 두 배로 낮을 것이고, 질량은 두 배로 클 것이며, 강성도는 두 배로 낮을 것이다. 금속 박막의 크기 및 제조의 가변성이 있더라도, 표 1의 예시적인 박막은 저비용, 제조 단순성, 및 CMOS와의 집적을 위한 예시적인 크기를 갖는다.
표 1의 예시적인 박막에 대한 발진 주파수의 시프트는 전술한 바와 같이 어드미턴스 원을 계산함으로써 유도될 수 있다. 예를 들어, AC 전류가 자기장(ωα1 과 교차하는 원)과 평행하고 또한 지구 자기장(ωα2 와 교차하는 원)과 직교할 때, 어드미턴스가 계산될 경우, 직경의 변화는 약 1% 로 계산된다. 증폭기 위상은 예를 들어 60 도의 값으로 고정될 수 있으며, 이는 발진 주파수를 고정하며 또한 원 직경(520)의 변화의 결과로서 주파수 시프트의 계산을 허용한다. 따라서 지구 자기장의 90도 회전은 발진 주파수에서 50 ppm의 시프트로 나타날 것이며, 이는 대부분의 주파수 측정 시스템의 해상도 내에 있다.
의의 메커니즘을 포함할 수 있다. 따라서 기계-판독 가능한 저장 매체는 판독-전용 메모리(ROM), 랜덤-액세스 메모리(RAM), 자기 디스크 저장 매체, 광학 저장 매체, 플래시-메모리 디바이스, 및 유사한 저장 매체를 포함할 수 있다.
본 기술분야의 숙련자라면 여기에서의 임의의 블록도가 본 발명의 원리를 구현하는 예시적인 회로의 개념도를 나타낸다는 것을 인식해야 한다. 마찬가지로, 임의의 플로우 챠트, 흐름도, 상태 전이도, 의사 코드(pseudo code) 등은, 이런 컴퓨터나 프로세서가 명시적으로 표시되는지의 여부와는 관계 없이, 기계 판독 가능한 매체에 실질적으로 표현될 수 있고 또한 컴퓨터나 프로세서에 의해 실행될 수 있는 다양한 프로세스를 나타낸다는 것을 인식해야 한다.
다양한 예시적인 실시예가 그 어떤 예시적인 양태를 참조하여 상세히 기재되었지만, 본 발명은 다른 실시예가 가능하고 그 세부사항은 다양한 명백한 면으로서 수정될 수 있음을 인식해야 한다. 본 기술분야의 숙련자에게 쉽게 자명한 바와 같이, 본 발명의 정신 및 범주 내에 존재할 동안, 변경 및 수정이 영향을 받을 수 있다. 따라서 전술한 기재, 설명, 및 도면은 단지 예시적인 목적을 위한 것이며, 청구 범위에 의해서만 정의되는 본 발명을 어떤 방식으로든 제한하지 않는다.

기호
값
단위
기재

B
2.50E-05
T
지구 자기장의 크기

V
10
V
박막에 인가된 전압 바이어스

l
3.50E-04
m
박막의 길이

w
3.50E-04
m
박막의 폭

g
1.00E-06
m
박막 아래의 갭

f0
6.00E+05
Hz
공진 주파수

k
1.23E+04
N/m
박막 강성도

m
8.62E-10
kg
박막 질량

Q
1.00E+02
Q 값

Rs
1.00E-01
W
박막의 시트 저항
고정된 위상 라인(510)과 원과의 교차는 발진 주파수를 표시하며, 또한 자기장 배향의 변화의 결과로서 원 직경이 변할 때 시프트된다.
전술한 바에 비추어, 자기장의 방향의 측정은 자기장, 바이어스 전압, 및 전류에 의해 발생된 로렌츠 힘(Flor)에 응답함에 따라, 박막(110)의 동작, 변위 또는 이동을 참조하여 이해될 수 있다. 도 6은 (공기에 개방된) 금속제의 기계적 박막(610)에 매립될 수 있는 바와 같이, 코일(620)의 하나의 권선의 횡단면을 도시하고 있으며, 상기 코일 또한 기판(630)에 매립되는 것으로 도시되어 있다. 공급 전류(i)는 전류 공급원(640)에서 기판(630)에 시작되어, 박막(610)에 매립된 와이어의 질량(m)을 통해 동작하며, 또한 와이어 코일 루프를 통해 계속되기 전에 기판(630)에서 저항(R)을 만난다. 본 기술분야의 숙련자에 의해 인식될 수 있는 바와 같이, 박막(610)은 스프링/질량 시스템(600)이므로, 박막(610)은 질량(m), 강성도(k), 및 댐핑 계수(γ)를 갖는다. 웨이퍼의 표면을 따른 박막(610)의 평면에 자기장(B)이 있다고 가정한다면, 로렌츠 힘(Flor)은 도시된 바와 같이 평면으로부터 박막(610)을 인출할 것이다. 또한, 박막은 전술한 바와 같이 기계적 노이즈인 브라운(Brownian) (랜덤) 힘(Fnoise)을 받게 될 것이다.
일부 실시예에 있어서, 요구된 측정이 지구 자기장인 경우, 코일 자체에 의해 발생된 자기장도 설명될 수 있다. 박막(610)에 영향을 끼치는 전체 자기장(B)은, 식 [22] 가 되도록, 지구의 자기장(B0)과 코일의 자기장(
Figure 112017015053297-pct00027
) 모두에 의해 유발될 수 있다.
Figure 112017015053297-pct00028
........... 식 [22]
지구 자기장(B0)을 측정하기 위해, 전체 자기장(B)에 영향을 끼치는 코일에 의해 유발된 자기장의 영향을 제거하도록 계산이 이루어질 수 있다. 따라서 도 2a에 대해 위에서 N*l*iin*B 로서 표시된 로렌츠 힘(Flor)은, 식 [23] 또는 식 [24] 로 표시될 수 있다.
Figure 112017015053297-pct00029
........... 식 [23]
Figure 112017015053297-pct00030
........... 식 [24]
외력(Flor, Fnoise)을 받는 질량/스프링 시스템(600)에 있어서, 운동 방정식(x)은 식 [25] 로서 유도될 수 있다[전류(i)에 주어진 주파수(ω)로 변하는 항만 고려한다면, 이는 시스템 상에 부과될 수 있는 주파수이다].
Figure 112017015053297-pct00031
.......... 식 [25]
식 [25]에서 알 수 있는 바와 같이, 운동 방정식이 오직 지구 자기장(B0)에 대해서만 유도될 수 있기 때문에, 따라서 코일의 자기장은 박막(610)의 변위(x)를 측정함으로써 설명될 수 있다. 코일에 의해 자체-발생된 자기장의 주파수는 지구 자기장에 의해 발생된 자기장의 주파수와는 상이할 것이며, 따라서 도시된 바와 같이 B0 의 측정과는 무관할 수 있다.
전술한 바와 같이, 로렌츠 힘(Flor)의 크기는 자기장과 박막 시트 또는 상기 박막에 매립된 와이어 사이의 각도에 의존하므로, Flor 는 박막의 각도(α)에 대한 자기장의 각도에 따라 상이할 것인데, 그 이유는 x 방향으로 동작하는 전류는 y 방향으로 동작하는 전류보다 발진 주파수의 상이한 디튜닝을 유발시킬 것이기 때문이다. 와이어 또는 박막(610)의 변위는, 그 공진 주파수에서 가장 클 것이다. 공진 주파수(ω0)에서 박막(610)의 피크 변위(xpk)는, 식 [26][Q×(스프링 상수 k 로 나눈 힘; 또는 Q×와이어 수(N)×박막의 길이(및 이에 따라 각각의 와이어 코일)(l)×지구 자기장(B0)×와이어(i)를 통하는 전류를, 박막의 스프링 상수(k)로 나눈]으로서 표시될 수 있다.
Figure 112017015053297-pct00032
.......... 식 [26]
마지막으로, Fnoise(
Figure 112017015053297-pct00033
)에 의해 제공된 추가적인 변위는 위에서 논의한 바와 같은 신호 대 노이즈 비율을 제공할 것이다. 따라서 로렌츠 힘(Flor)을 계산하고 Fnoise 를 계산함으로써, 지구 자기장(B0)의 각도(α)가 결정될 수 있다.
도 2a 및 6을 참조하여 도시된 바와 같이, 예시적인 박막(210, 610)에 의해 검출될 수 있는 최소 로렌츠 힘(Flor)은, 질량/스프링 시스템(600)의 기계적 검출 한계에 의해 결정되며, 이는 랜덤 노이즈의 양이 로렌츠 힘을 압도하는 경우이다. 달리 말하면, 랜덤 노이즈가 로렌츠 힘과 동일할 때, 센서는 검출 한계에 있다. 특정한 예로서, 권선수(N)가 90 일 수 있고, 루프(d)의 깊이가 5㎛ 일 수 있으며, 박막(210, 610)의 길이(l)가 220㎛ 일 수 있고, 전류(i)가 1 mA 실효값(root mean square)(RMS)일 수 있고, 저항(R)이 1 kOhm 일 수 있고, 대역폭(Δf)이 4Hz 일 수 있고, 로렌츠 힘(Flor)이 8.4*10-10 N 일 수 있고, 노이즈 힘(Fnoise)이 1.0*10-12 N, 변위 x 9.9*10-12 m(~10 피코미터)일 수 있는 예시적인 박막(210, 610)에서의 기계적 검출 한계, 및
Figure 112017015053297-pct00034
(Hz제곱근 당 25 나노-테슬라)의 기계적 검출 한계가 있다. 비교해 보면, 홀 나침반 센서는 100nT/√Hz의 노이즈 플로어(floor)를 가지므로, 여기에 기재된 바와 같이 금속 박막을 사용하는 나침반보다 덜 민감하다.
전술한 바와 같이 박막(610)의 변위, 그리고 이에 따른 자기력(B0)을 측정하기 위해, 변위(x)는 전기적으로 측정될 수 있다. 도 7은 기판(740)의 정점 및 박막(610)의 아래에서 전극(720)을 참조한 박막(610)의 횡단면을 도시하고 있다. 상기 전극(720)은 박막(610)으로부터의 갭 거리(g)에서 전위(Vbias)로 유지된 판일 수 있어서, 측정될 수 있는 변위 전류를 발생시키는 커패시턴스(C)에 의해, 상기 판(720)과 박막(610)이 [서로 근접하고 있으며 또한 전압( Vbias)때문에] 용량 결합되게 한다.
도 8은 도 7의 시스템과 전기적으로 등가인 예시적인 회로를 도시하고 있다. 도 7 및 8에서 알 수 있는 바와 같이, 2 개의 변위 전류 공급원, isense(박막 변위에 의해 유발된 출력 전류), inoise 는 박막(610)을 거리 x 만큼 변위시키는 로렌츠 힘(Flor) 및 랜덤 노이즈(Fnoise)에 의해 유발될 수 있으며, 이들 2개의 전류(isense, inoise)는, 박막(610) 및 전극(720)의 판인 경우, 상기 판에 의해 이루어진 커패시턴스(C) 및 바이어스 저항(Rbias)을 통해 가압될 수 있다. 로렌츠 힘(Flor)의 변위에 의해 발생된 전류 변위 및 이에 따른 커패시터는
Figure 112017015053297-pct00035
로서 표시될 수 있다. 노이즈 전류(inoise)는 전류의 대역폭, 박막의 강성도, 및 바이어스 저항(Rbias)의 양에 의존하며, 또한
Figure 112017015053297-pct00036
로서 표시될 수 있다. 노이즈의 영향을 최소화하기 위해, 저항(Rbias)을 극대화하는 것이 바람직하며, 이는
Figure 112017015053297-pct00037
로서 표시될 수 있다. 전류가 Rbias 및 C 의 임피던스를 통해 가압됨에 따라, 이들은 출력 신호(vsense)(박막의 변위에 의해 유발된 출력 전압)를 발생시키며, 이는 여기에 기재된 바와 같이 B0 를 결정하도록 측정될 수 있다. 로렌츠 힘(Flor)에 대한 박막 크기(l2), 갭(g)의 크기, 및 커패시턴스(C)가 여기에 논의된 바와 같이 알려질 것이기 때문에, 값 x(변위) 및 C(커패시턴스)에 대한 출력 판독값(vsense)이 계산될 수 있다. Rbias 가 매우 클 수 있으므로, 바이어스 전압×커패시턴스의 변위 도함수×커패시턴스에 대해 정규화된 변위와 등가인 vsense 는, 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112017015053297-pct00038
검출을 위해, vsense 는 증폭기(730)를 통해 증폭될 수 있으며, 이는 회로에 의해 유발된 전기적 노이즈(vnise)와 함께 전기적 노이즈(vnoise amp)를 도입할 것이다. 그러나 예시적인 계산은 전기적 노이즈의 영향이 기계적 노이즈와 비해 센서의 검출 한계에서 무시할 수 있는 것임을 보여줄 것이다. 증폭기 노이즈는 랜덤 시스템 노이즈보다 더 클 것으로 예상될 수 있다. 220㎛ 의 길이(l)를 갖는 예시적인 박막(610)에 있어서, 500nm의 갭(g), 10v 의 바이어스 전압(Vbias), 4Hz의 대역폭(Δf), 및 ∼20nV rms 의 vnoise , amp 의 예시적인 증폭기에 대한 증폭기 노이즈를 구비한 예시적인 박막(610)에 있어서, 커패시턴스(C)는 860fF, 저항 Rbias >> 200kOhm, 및 피크 센서 전압(vsense , peak)= 200V; 전기 검출 한계는
Figure 112017015053297-pct00039
(제곱근 당 2 나노 테슬라/ Hz)일 것이다. 전술한 바와 같이, 기계적 검출 한계는
Figure 112017015053297-pct00040
이며, 그 조합은 기계적인 노이즈만 거의 다른
Figure 112017015053297-pct00041
또는
Figure 112017015053297-pct00042
일 것이다.
전술한 바에 따라, 다양한 예시적인 실시예는, 특히 박막을 포함하는 발진기의 위상 시프트를 감지하는 CMOS-기반 자력계에서 실행되는 금속 박막을 실행함으로써, 저렴한 다중 사용 폼 팩터로 제조되는 자력계를 제공한다.
전술한 기재로부터, 본 발명의 다양한 예시적인 실시예가 하드웨어 및/또는 펌웨어로 실행될 수 있음을 인식해야 한다. 또한, 다양한 예시적인 실시예는 여기에 상세히 기재된 작동을 수행하기 위해 적어도 하나의 프로세서에 의해 판독되고 실행될 수 있는, 기계-판독 가능한 저장 매체 상에 저장된 명령으로서 실행될 수 있다. 기계-판독 가능한 저장 매체는 퍼스널 컴퓨터나 랩탑 컴퓨터, 서버, 또는 다른 연산 디바이스와 같은, 기계에 의해 판독 가능한 형태로 정보를 저장하기 위한 임의의 메커니즘을 포함할 수 있다. 따라서 기계-판독 가능한 저장 매체는 판독-전용 메모리(ROM), 랜덤-액세스 메모리(RAM), 자기 디스크 저장 매체, 광학 저장 매체, 플래시-메모리 디바이스, 및 유사한 저장 매체를 포함할 수 있다.
본 기술분야의 숙련자라면 여기에서의 임의의 블록도가 본 발명의 원리를 구현하는 예시적인 회로의 개념도를 나타낸다는 것을 인식해야 한다. 마찬가지로, 임의의 플로우 챠트, 흐름도, 상태 전이도, 의사 코드(pseudo code) 등은, 이런 컴퓨터나 프로세서가 명시적으로 표시되는지의 여부와는 관계 없이, 기계 판독 가능한 매체에 실질적으로 표현될 수 있고 또한 컴퓨터나 프로세서에 의해 실행될 수 있는 다양한 프로세스를 나타낸다는 것을 인식해야 한다.
다양한 예시적인 실시예가 그 어떤 예시적인 양태를 참조하여 상세히 기재되었지만, 본 발명은 다른 실시예가 가능하고 그 세부사항은 다양한 명백한 면으로서 수정될 수 있음을 인식해야 한다. 본 기술분야의 숙련자에게 쉽게 자명한 바와 같이, 본 발명의 정신 및 범주 내에 존재할 동안, 변경 및 수정이 영향을 받을 수 있다. 따라서 전술한 기재, 설명, 및 도면은 단지 예시적인 목적을 위한 것이며, 청구 범위에 의해서만 정의되는 본 발명을 어떤 방식으로든 제한하지 않는다.

Claims (25)

  1. 자력계 디바이스(100)로서:
    - 금속 박막 및 상기 금속 박막을 발진으로 구동시키도록 구성된 피드백 루프로서, 상기 피드백 루프는 증폭기 및 상기 금속 박막(110)의 제1 입력부에 연결된 전압 바이어스를 포함하는, 금속 박막 및 피드백 루프;
    - 박막 출력부에 연결된 박막 접지부(150);
    - 상기 증폭기의 제2 입력부에 연결된 제1 고정판 출력부를 포함하는 고정판(130)으로서, 상기 고정판(130)은 금속 박막(110)으로부터 물리적으로 분리되어 있으나, 로렌츠 힘(Flor)에 의해 상기 금속 박막(110)에 연결되고, 물리적 분리가 상기 금속 박막에 의해 구동되는 교류 전류의 방향에 대한 자기장(B)의 각도에 따라 다르게 진행되는, 고정판;
    - 상기 로렌츠 힘(Flor)에 민감한 제2 고정판 출력부; 및
    - 상기 로렌츠 힘(Flor) 및 상기 금속 박막의 발진 주파수의 시프트에 기초하여 자기력의 각도를 계산하기 위해, 상기 제2 고정판 출력부에 연결된 회로를 포함하는, 자력계 디바이스.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 박막은 연속적인 금속 시트를 더 포함하는, 자력계 디바이스.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 박막은 박막 입력부로부터 박막 출력부까지 평행선으로 연장하는 연속적인 금속 권선을 더 포함하는, 자력계 디바이스.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 금속 박막은 금속 권선이 매립된 유전체 시트를 더 포함하는, 자력계 디바이스.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 박막은 금속 박막의 기계적 질량에 비례하는 등가의 전기 인덕턴스, 상기 금속 박막의 기계적 강성도에 비례하는 등가의 전기 용량, 및 상기 금속 박막의 기계적 댐핑에 비례하는 등가의 전기 저항을 갖는, 자력계 디바이스.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 증폭기는 전류 제어형 전압 공급원을 포함하는, 자력계 디바이스.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전류 제어형 전압 공급원은 이득을 포함하는, 자력계 디바이스.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 박막은 자립형인, 자력계 디바이스.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정판은 기판에 고정되는, 자력계 디바이스.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정판은 웨이퍼에 고정되는, 자력계 디바이스.
  12. 디바이스의 배향을 측정하기 위한 자력계 디바이스(100)로서,
    - 금속 박막(110) 및 피드백 루프를 포함하는 발진기;
    - 피드백 루프로서, 상기 피드백 루프는
    - 상기 금속 박막을 통해 교류 전류를 구동시키고 또한 상기 금속 박막(110)을 발진으로 구동시키고,
    - 용량성 변위 전류를 생성하고,
    - 상기 용량성 변위 전류를 상기 피드백 루프의 증폭기에 공급하고,
    - 상기 용량성 변위 전류를 증폭기에 의해 증폭하며,
    - 상기 증폭된 전류를 상기 금속 박막에 전압으로서 공급하도록 구성되며;
    - 상기 피드백 루프 및 금속 박막(110)에 의해 유발된 발진 주파수의 시프트를 측정하도록; 또한 상기 발진 주파수의 시프트 및 전류 방향에 기초하여, 상기 교류 전류의 방향에 대한 외부 자기장의 각도를 계산하도록 구성된 프로세서를 포함하는, 자력계 디바이스.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 발진은 금속 박막의 기계적 공진 주파수인, 자력계 디바이스.
  14. 청구항 12에 있어서,
    고정된 접지판을 더 포함하며, 상기 디바이스는 금속 박막과 상기 고정된 접지판 사이에 바이어스 전압을 발생시키도록 더 구성되는, 자력계 디바이스.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 프로세서는 발진 주파수의 시프트를 측정하기 위해 상기 고정된 접지판에 연결되는, 자력계 디바이스.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 고정된 접지판은 금속 박막으로부터 이격되어 위치하는, 자력계 디바이스.
  17. 삭제
  18. 청구항 12에 있어서,
    외부 자기장의 각도 계산 시, 상기 프로세서는 발진 주파수 디튜닝 영향을 삭제하도록 더 구성되는, 자력계 디바이스.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 프로세서는, 발진 주파수 디튜닝 영향을 삭제할 때, 하나 또는 이상의 전류 방향에 대한 발진 주파수를 감산하도록 더 구성되는, 자력계 디바이스.
  20. 청구항 12에 있어서,
    상기 프로세서는 금속 박막의 발진으로부터의 간섭을 필터링하도록 더 구성되는, 자력계 디바이스.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 프로세서는 시간주기를 가지고 발진기의 주파수를 측정하도록 더 구성되는, 자력계 디바이스.
  22. 디바이스의 배향을 측정하기 위한 자력계 디바이스(100)로서,
    - 금속 박막(110) 및 피드백 루프를 포함하는 발진기;
    - 상기 금속 박막(110)을 통해 교류 전류를 구동시키고 또한 상기 금속 박막(110)을 발진으로 구동시키도록 구성된 피드백 루프;
    - 프로세서로서, 상기 프로세서는
    - 상기 피드백 루프 및 금속 박막(110)에 의해 유발된 발진 주파수의 시프트를 측정하고;
    - 발진 주파수의 시프트 및 교류 전류 방향에 기초하여, 상기 교류 전류의 방향에 대한 외부 자기장의 각도를 계산하고;
    - 상기 외부 자기장의 각도를 계산할 때, 하나 또는 그 이상의 교류 전류 방향에 대해 발진 주파수를 감산함으로써 발진 주파수 디튜닝 영향을 삭제하도록 구성되는, 자력계 디바이스.
  23. 디바이스의 배향을 측정하는 방법으로서:
    금속 박막(110)을 통해 교류 전류를 구동시키는 단계;
    상기 금속 박막(110)에서 발진 주파수의 시프트를 측정하는 단계; 및
    상기 발진 주파수의 시프트 및 교류 전류 방향에 기초하여, 상기 금속 박막(110)에 대한 외부 자기장의 각도를 계산하는 단계를 포함하며,
    금속 박막(110)을 통해 교류 전류를 구동시키는 단계는,
    - 용량성 변위 전류를 생성하는 단계;
    - 상기 용량성 변위 전류를 증폭기에 공급하는 단계;
    - 상기 용량성 변위 전류를 증폭기에 의해 증폭하는 단계; 및
    - 상기 증폭된 전류를 상기 금속 박막에 전압으로서 공급하는 단계를 포함하는, 디바이스 배향 측정 방법.
  24. 삭제
  25. 삭제
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