KR102375412B1 - 예비 센서 결함 검출 - Google Patents

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Abstract

예비 센서 결함 검출
본 발명은 대응하는 상이한 제1 및 제2 배향으로 배치되며, 외부 장에 반응하여 대응하는 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 각각 생성하는 제1 및 제2 장 센서를 포함하는 장-센서 디바이스와 관련된다. 제1 센서 신호와 제2 센서 신호 중 하나 또는 둘 모두는 공통 배향의 등가의 비교 가능 센서 신호들로 변환되고 비교되어 결함 있는 장 센서를 결정할 수 있다. 결함 있는 장 센서가 결정되는 경우, 결함 있는 센서 신호가 생성되거나, 결함 있는 센서가 결정되지 않는 경우, 제1, 제2 또는 비교 가능 센서 신호에 응답하는 출력 센서 신호가 생성된다. 비교 가능 센서 신호들 간 차이의 방향을 평가하는 것이 제1 장 센서와 제2 장 센서 중 어느 것이 결함 있는 것인지를 결정할 수 있다.

Description

예비 센서 결함 검출{Redundant Sensor Fault Detection}
본 발명은 일반적으로 장 센서 결함 검출 구조물, 회로 및 방법과 관련된다.
센서가 환경의 속성을 측정하고 측정된 센서 값을 보고하기 위한 전자 디바이스에서 널리 사용된다. 구체적으로, 자기 센서가 자기장, 가령, 교통 수단, 예컨대 자동차에서 자기장을 측정하는 데 사용된다. 자기 센서(magnetic sensor)는 인가된 자기장 또는 외부 자기장에 반응하는 전기 저항 변화를 갖는 자기-저항 물질에 비례하는 출력 전압을 생성하는 홀-효과 센서를 포함할 수 있다. 많은 경우에서,전체 센서 크기를 감소시키고 개선된 측정 및 외부 전자 시스템과의 일체화를 제공하도록 센서가 소형이고 전자 처리 회로와 일체 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, US2016/299200가 절연층과 접착층과 함께 기판 상에 반도체 물질로 형성된 집적 회로를 포함하는 자기장을 측정하기 위한 홀-효과 자기 센서를 개시한다.
센서로부터의 측정치가 시간에 따라 드리프트(drift)할 수 있어서, 동일한 장에 노출되어도 변하는 측정치를 제공한다. 예를 들어, 장 측정치가 원하는 공칭 값에서 오프셋될 수 있고, 측정치가 원하는 값의 수 배(더 크거나 1 미만 배)이도록 또는 둘 모두이도록 변할 수 있다. 이러한 변동은 환경 조건의 변화 때문일 수 있는데, 가령, 온도 또는 습도 또는 작동 인자, 가령, 가령, 진동이나 노화 때문일 수 있다. 덧붙여, 유사한 이유로 디바이스에 시간에 따라 장애가 발생할 수 있다. 또한, 센서 제작 물질이 센서 응답의 정확도, 오프셋 바이어스 또는 대칭성에 영향을 미치는 결함을 가질 수 있다.
따라서 복잡하고 안전이 핵심인 시스템, 가령, 자동차 시스템에서 결함 또는 고장을 검출하도록 진단 기능을 포함하여, 임의의 장애를 일으킨 또는 결함 있는 센서 디바이스에 대해 수리 또는 교체가 이뤄질 수 있도록 하는 것이 중요하다. 예를 들어, WO2015/038564가 홀-효과 센서 시스템의 자기 홀-효과 센서로부터의 측정치를 검증하기 위한 방법을 개시한다. 이 방식에서, 홀-효과 센서는 제1 값을 갖는 여기 전류에 의해 여기된다. 홀-효과 센서가 제1 값을 갖는 여기 전류에 의해 여기될 때 홀-효과 센서의 전압 출력에 대응하는 제1 측정치가 획득된다. 덧붙여, 홀-효과 센서가 제2 값을 갖는 여기 전류에 의해 여기되고, 이때 제2 값은 제1 값과 상이하다. 홀-효과 센서가 제2 값을 갖는 여기 전류에 의해 여기될 때 홀-효과 센서의 전압 출력에 대응하는 제2 측정치가 획득된다. 그 후 홀-효과 센서의 동작이 적어도 제1 측정치 및 제2 측정치를 기초로 검증된다.
자기장 센서에서 진단을 관리하기 위한 또 다른 방식이 US2016/252599 A1에 기재되어 있다. 이 설계는 에러 정보를 제공하는 자기장 센서와 연관된 스위치를 이용한다. 특히, 자기장 센서, 자기장 센서와 연관된 복수의 스위치, 및 복수의 스위치를 제어하고 스위치의 동작을 기초로 결함을 나타내는 적어도 하나의 신호를 제공하도록 구성된 제어 회로를 포함하는 디바이스가 제공된다.
US 9,523,589가 4개의 상이한 방향으로 자기장 성분을 검출하기 위한 4개의 홀 요소 쌍을 가지며 회전 자석의 위치를 계산하는 데 사용되는 회전각 측정 장치를 개시한다. 검출된 장 성분의 각들이 비교되어 결함을 결정할 수 있다. 이러한 설계에서, 진폭 계산 유닛이 제1 홀 요소 쌍 및 제2 홀 요소 쌍의 출력 신호의 강도를 기초로 회전 자석으로부터의 자기장 강도를 나타내는 제1 진폭 값(M)을 계산하고, 제3 홀 요소 쌍과 제4 홀 요소 쌍으로부터의 출력 신호의 강도를 기초로 회전 자석으로부터의 자기장 강도를 나타내는 제2 진폭 값(Mc)을 계산한다. 따라서 진폭 계산 유닛은 복수의 홀 요소(즉, 자기 센서) 쌍으로부터의 출력 신호를 기초로 복수의 진폭 정보 부분을 계산하고, 출력 신호는 복수의 회전각 정보 부분에 대응하며 복수의 회전각 정보 부분들의 비교에 의해 결함이 결정되며 일부 버전에서 회전 요소 장의 강도와 비교된다.
US 8,749,005는 복수의 다각형으로 배열된 수직 홀 요소를 갖는 자기장 센서를 기재한다. US 9,581,426는 자기-감지 표면 상에 4개의 자기-전기 트랜스듀서를 갖는 자기장 측정 디바이스를 개시한다. US 7,664,619는 측정된 값을 정상 범위에 비교하고 정상 범위가 아닐 경우 결함을 결정하는 회전각 검출 디바이스를 위한 결함 검출 유닛을 기재한다.
장 센서가 올바르지 못한 장 측정을 초래하는 센서 물질 또는 디바이스에서의 동작적 또는 구조적 장애 또는 결함에 영향 받기 때문에, 센서 디바이스 및 시스템에서 중요한 동작 상태에서 센서의 장애를 검출 또는 교정하도록 센서 디바이스 및 시스템을 동작 및 시험하는 회로 및 방법이 필요하다.
본 발명의 실시예의 목적은 센서에서 에러를 검출할 수 있는 장-센서 디바이스를 제공하는 것이다.
이 목적은 본 발명에 따르는 솔루션에 의해 이뤄진다.
본 발명의 실시예는 장-센서 디바이스를 제공하며, 상기 장-센서 디바이스는 제1 배향으로 배치되는 제1 장 센서 - 상기 제1 장 센서는 외부 장에 반응하여 제1 센서 신호를 생성함 - , 상기 제1 배향과 상이한 제2 배향으로 배치된 제2 장 센서 - 상기 제2 장 센서는 외부 장에 반응하여 제2 센서 신호를 생성함 - , 및 제1 장 센서 및 제2 장 센서를 제어하여 대응하는 제1 및 제2 센서 신호를 생성하고, 제1 및 제2 센서 신호를 수신하며, 상기 제1 또는 제2 센서 신호 또는 둘 모두를 공통 배향의 등가의 비교 가능 센서 신호들로 변환하고 상기 비교 가능 센서 신호들을 비교하여 결함 있는 장 센서를 결정하고, 결함 있는 장 센서가 결정되는 경우 선택사항으로 결함 있는 센서 신호를 제공하고 제1 장 센서와 제2 장 센서 중 어느 것이 결함 있는 것인지 결정하거나, 결함 있는 센서가 결정되지 않는 경우, 제1, 제2 또는 비교 가능 센서 신호에 응답하는 출력 센서 신호를 제공하는 제어 회로를 갖는 제어기를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 장은 크기 및 방향, 가령, 벡터 장을 갖는 주위 속성 또는 특성이다. 다양한 실시예에서, 장은 자기장, 압력장, 전기장 또는 중력장일 수 있고 장 센서는 자기장 센서, 압력장 센서, 전기장 센서 또는 중력장 센서일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 제1 배향은 2개의 직교하는 차원에서 제2 배향과 상이하다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 제1 배향은 제2 배향과 3개의 직교하는 차원에서 상이하다. 제1 및 제2 배향은 대응하는 제1 및 제2 좌표계, 방향 또는 차원일 수 있다. 센서의 배향은 센서에 의해 제공되는 측정 축에 의해 결정된다. 제1 센서가 제2 센서의 측정 축과 동일선상이 아닌 측정 축을 갖는 경우, 제1 센서와 제2 센서는 적어도 측정 축에 의해 정의되는 차원에서 상이한 배향을 가진다.
일부 구성에서, 제어 회로는 제1 센서 회로, 제2 센서 회로 및 임의의 비교 가능 센서 신호 중 임의의 하나 이상을 저장하기 위한 저장 회로를 포함한다. 일부 구성에서, 제어 회로는 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호 중 어느 하나 또는 둘 모두를 상이한 배향 또는 좌표계로 변환하기 위한 변환 회로(가령, 소프트웨어 프로그램이 저장된 컴퓨터)를 포함한다. 일부 구성에서, 제어 회로는 제1 센서 신호, 제2 센서 신호 및 임의의 비교 가능 센서 신호 중 임의의 하나 이상을 비교하기 위한 비교 회로를 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 장 센서 또는 제2 장 센서가 하나 이상의 센서 요소, 센서 요소 쌍을 포함하는 각도 장 센서(angular field sensor)이거나 좌표계에 대한 장 벡터의 각도를 측정할 수 있는 복수의 센서 요소를 갖는 브리지 센서이다. 각각의 센서 요소 또는 센서 요소 쌍이 특정 방향으로 장 벡터를 측정할 수 있고 공통 각 장 센서에서의 센서 요소 또는 센서 요소 쌍이 직교하도록 배열되어, 상이한 방향에서 장을 측정할 수 있고, 이로써, 좌표계에 대한 각 측정을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 각 장 센서가 방향과 크기를 갖는 장을 측정하고 제1 좌표계에 따라 2개의 성분, 가령, Bx, By을 갖는 각 센서 측정을 제공할 수 있다. 제2 각 장 센서는 동일한 장을 측정할 수 있고 제1 좌표계와 상이한 제2 좌표계에 따르는 2개의 성분, 가령, Bx', By'을 갖는 각 센서 측정치를 제공할 수 있다. 이들을 공통의 비교 가능 좌표계로 변환함으로써, 가령, Bx' 및 By' 측정치를 제1 좌표계로 변환하거나, Bx 및 By 측정치를 제2 좌표계로 변환하거나, Bx 및 By 측정치와 Bx' 및 By' 측정치 모두를 제3의 공통 좌표계로 변환함으로써, 상이한 좌표계에서 취해진 2개의 측정치가 비교될 수 있다.
일부 구성에서 제1 장 센서 및 제2 장 센서가 기판 물질을 포함하는 디바이스 기판 상에 배치되고 제1 장 센서 또는 제2 장 센서는 기판 물질과 적어도 부분적으로 상이한 하나 이상의 센서 물질을 포함한다. 기판 물질은 반도체일 수 있고 제어 회로는 반도체 기판 내에 또는 반도체 기판 상에 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 제어 회로는 기판 물질과 적어도 부분적으로 상이한 제어-회로 물질을 포함할 수 있고 제어 회로는 기판 상에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 장-센서 디바이스를 진단하는 방법은 장-센서 디바이스를 제공하는 단계, 장-센서 디바이스에 전력을 제공하는 단계, 제어 회로를 이용해 제1 및 제2 장 센서를 제어하여 각자의 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 생성하는 단계, 제어 회로를 이용해 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 수신하는 단계, 제어 회로를 이용해 제1 센서 신호 또는 제2 센서 신호 또는 둘 모두를 공통 배향에서의 등가의 비교 가능 센서 신호로 변환하는 단계, 및 제어 회로를 이용해 비교 가능 센서 신호를 비교하고 제1 장 센서 또는 제2 장 센서가 결함 있는 것인지 여부를 결정하고, 결함 있는 장 센서가 결정되는 경우, 제어 회로를 이용해 비교 가능 센서 신호에 응답하여 결함 있는 센서 신호를 제공하고, 선택사항으로서 제1 장 센서와 제2 장 센서 중 어느 것이 결함 있는 것인지를 결정하거나, 결함 있는 장 센서가 결정되지 않은 경우, 제어 회로를 이용해 제1, 제2 또는 비교 가능 센서 신호에 응답하여 출력 센서 신호를 제공하는 단계를 포함한다. 제2 장 센서가 결함 있는 것인 경우, 제1 센서 신호이거나 제1 센서 신호로부터 도출된 출력 센서 신호가 제공될 수 있다. 제1 장 센서가 결함 있는 것인 경우, 제2 센서 신호이거나 제2 센서 신호로부터 도출된 출력 센서 신호가 제공될 수 있다. 따라서 결함 있는 장 센서를 식별하고 나머지 다른 장 센서로부터의 센서 신호를 이용함으로써, 본 발명의 장-센서 디바이스는 장 센서들 중 하나에서 결함이 발생된 경우에도 계속 동작할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 센서 또는 제2 센서는 둘 이상의 센서 요소를 포함하고 제1 센서 및 제2 센서 중 하나가 결함 있는 것인 경우, 제1 센서와 제2 센서의 상이한 측정치를 비교하고 분류함으로써 둘 이상의 센서 요소 중 어느 것이 결함 있는 것인지가 결정된다.
제1 센서 또는 제2 센서가 둘 이상의 센서 요소를 포함하고 제1 센서 및 제2 센서 중 하나가 결함 있는 것인 경우 둘 이상의 센서 요소 중 어느 것이 결함 있는 것인지가 제1 센서 및 제2 센서의 상이한 측정치를 비교하고 분류함으로써 결정되며, 여기서 제1 센서가 x 및 y 차원에서 장을 측정하고 제2 센서가 x, y 차원과 상이한 x' 및 y' 차원에서 장을 측정한다. 측정이 제1 좌표계로 변환되고 차이가 x 방향에서인 경우 제1 센서의 x-센서 요소가 결함 있는 것이다. 차이가 y 방향에서인 경우, 제1 센서의 y-센서 요소가 결함 있는 것이다. 차이가 x' 방향에서인 경우 제2 센서의 x'-센서 요소가 결함 있는 것이다. 차이가 y' 방향에서인 경우 제2 센서의 y'-센서가 결함 있는 것이다. 차이는 지정 임계 크기, 공차 또는 마진을 초과할 때 결정됨으로써, 작은 차이, 가령, 제조 변동으로 인한 작은 차이는 결함으로 간주되지 않도록 할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 시점에서 단계가 반복되고 제1, 제2 또는 임의의 비교 가능 센서 신호가 저장된다. 단계는 제1 시점과 상이한 제2 시점에서 반복되고, 저장된 신호 중 임의의 하나 이상 및 제2 시점의 제1, 제2 또는 비교 가능 센서 중 임의의 하나가 비교, 처리 또는 조합된다. 다른 실시예에서, 비교 가능 센서 신호 또는 제1 및 제2 센서 신호로부터 도출된 신호가 조합되어 출력 센서 신호를 제공할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 센서는 자기 홀-효과 센서 또는 자기-저항 센서이다. 센서는 브리지 센서일 수 있으며, 복수의 센서 요소를 포함하거나하나 이상의 센서 요소 쌍을 포함할 수 있다. 센서 요소 쌍은 장 센서 내 상이한 방향 또는 차원으로 배향될 수 있다.
본 발명의 실시예는 더 소형이며 덜 비싼 회로를 이용해 개선된 진단 기능을 갖는 센서 디바이스를 제공하며 센서 또는 센서 물질에서 장애 또는 미세 결함을 보상하거나 검출할 수 있다. 결함의 비제한적 예를 들면, 연결 불량, 고저항 연결, 단락 또는 물질 결함이 있다. 검출이 센서 회로가 동작 중일 때 동시에 발생할 수 있다.
본 발명 및 종래 기술에 비한 이점을 요약하기 위해, 본 발명의 특정 목적 및 이점이 앞서 기재된 바 있다. 물론, 본 발명의 임의의 특정 실시예에 따라 이러한 목적 또는 이점이 반드시 달성될 수 있는 것은 아님이 이해될 것이다. 따라서 해당 분야의 통상의 기술자라면 본 발명이 본 명세서에 기재되거나 암시될 수 있는 그 밖의 다른 목적 또는 이점을 획득할 필요 없이 본 명세서에 기재된 하나 또는 복수의 이점을 획득 또는 최적화하는 방식으로 실시될 수 있음을 알 것이다.
본 발명의 이러한 양태 및 그 밖의 다른 양태가 이하에서 기재된 실시예를 참조하여 자명해질 것이다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 다른 목적, 양태, 특징 및 이점이 첨부된 도면과 함께 이하의 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예의 투시도이다.
도 2는 본 발명의 그 밖의 다른 예시적 실시예의 투시도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 예시적 실시예의 투시도이다.
도 4는 본 발명의 대안적 예시적 실시예의 투시도이다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따르는 제1 좌표계를 도시한다.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따르는 제2 좌표계를 도시한다.
도 5c는 본 발명의 실시예에 따르는 제3 좌표계를 도시한다.
도 6은 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 제어기의 투시도이다.
도 7는 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 좌표계의 센서 요소의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 2개의 상이한 좌표계에서 센서 요소를 갖는 장 센서의 개략도이다.
도 10 및 11은 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 2개의 상이한 좌표계에서의 장 벡터의 그래프이다.
도 12는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 x-좌표 측정치에서의 에러를 갖는 장 벡터의 그래프이다.
도 13은 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 y 좌표 측정치에서 에러를 갖는 장 벡터의 그래프이다.
도 14a는 회전된 x' 좌표 측정치에서 에러를 갖는 장 벡터의 그래프이며 도 14b는 본 발명의 예시적 실시예에 따라 x, y 좌표계에서의 도 14a의 측정된 장 벡터의 그래프이다.
도 15a는 회전된 y' 좌표 측정치에서 에러를 갖는 장 벡터의 그래프이며 도 15b는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 x, y 좌표계에서의 도 15a의 측정 장 벡터의 그래프이다.
본 발명은 특정 실시예와 관련하여 그리고 특정 도면을 참조하여 기재될 것이지만, 본 발명은 청구범위에 의해서만 한정된다. 본 발명의 특징 및 이점이 도면과 함께 취해질 때 이하에서 제공되는 상세한 설명으로부터 더 명확해질 것이며, 도면 전체에서 유사한 도면부호가 대응하는 요소를 식별한다. 도면에서, 일반적으로 유사한 도면 부호는 동일한, 기능적으로 유사한 및/또는 구조적으로 유사한 요소을 가리킨다. 실제 비율로 도시하면 도면의 다양한 요소의 크기가 너무 크게 변경되기 때문에 도면은 실측 비율로 도시된 것은 아니다.
덧붙여, 발명의 설명 및 청구범위에서의 제1, 제2 등의 용어가 유사한 요소들을 구별하는 데 사용되며, 시간, 공간, 순위 등의 순서를 반드시 기재하는 것은 아니다. 이렇게 사용되는 용어는 적절한 환경에서 상호 교환 가능하며 본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예는 본 명세서에 기재되고 도시된 것과 다른 순서로 동작할 수 있음이 이해될 것이다.
"포함하는"이라는 용어는 청구범위에서 사용될 때, 앞에 나열된 수단들에 한정되는 것으로 해석되지 않으며, 그 밖의 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 따라서 서술된 특징, 정수, 단계 또는 구성요소의 존재를 특정하는 것으로 해석될 것이지만, 하나 이상의 그 밖의 다른 특징, 정수, 단계 또는 구성요소 또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하는 것은 아니다. 따라서 "수단 A 및 B를 포함하는 디바이스"라는 표현은 구성요소 A와 B만으로 구성된 디바이스에 한정되어서는 안 된다. 본 발명에 대해, 디바이스의 유일한 관련 구성요소가 A 및 B라는 의미이다.
본 명세서 전체에서 "하나의 실시예" 또는 "실시예"라는 언급은 한 실시예와 관련하여 기재된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서 본 명세서의 다양한 위치에서의 "하나의 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 구절의 등장이 모두 동일한 실시예를 반드시 일컫는 것은 아니지만 그럴 수도 있다. 덧붙여 특정 특징, 구조 또는 특성이 하나 이상의 실시예에서 해당 분야의 통상의 기술자에게 자명할 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
마찬가지로, 본 발명의 예시적 실시예의 기재에서, 개시를 명료화하고 다양한 발명의 양태 중 하나 이상의 이해를 돕기 위해, 본 발명의 다양한 특징들이 때때로 단일 실시예, 도면 또는 이의 설명으로 그룹지어진다. 그러나 이러한 개시 방법이 청구되는 발명이 각각의 청구항에서 명시적으로 언급된 것보다 많은 특징을 필요호 한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려 이하의 청구항이 반영하듯, 본 발명의 양태는 하나의 개시된 실시예의 모든 특징보다 적게 포함한다. 따라서 발명의 설명 후에 이어지는 청구항은 이러한 발명의 설명에 포함되며 각각의 청구항이 본 발명의 개별 실시예로서 존재한다.
덧붙여, 본 명세서에 기재된 일부 실시예가 다른 실시예에 포함되는 어떤 특징은 포함하고 다른 특징은 포함하지 않지만, 해당 분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 바와 같이 상이한 실시예의 특징들의 조합이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 이해되며 상이한 실시예를 형성한다. 예를 들어, 다음의 청구항에서, 청구된 실시예들 중 임의의 것이 임의의 조합으로 사용될 수 있다.
본 발명의 특정 특징 또는 양태를 기술할 때 특정 용어의 사용이 상기 용어가 상기 용어와 연관되는 본 발명의 특징 또는 양태의 임의의 특정 특징을 포함하는 것으로 본 명세서에서 재-정의됨을 의미하지 않는다.
본 명세서에 제공된 설명에서, 복수의 특정 상세사항이 제공된다. 그러나 본 발명의 실시예는 이들 특정 상세사항 없이도 실시될 수 있음이 이해된다. 한편, 이러한 설명의 이해를 모호하게 하지 않도록 공지된 방법, 구조 및 기법은 상세히 나타내지 않는다.
본 발명의 실시예가 더 작고 덜 비싼 회로를 이용해 개선된 진단 기능을 갖는 센서 디바이스를 제공하며 결함 또는 진단 장애 또는 센서 물질의 미세 결함, 또는 센서 디바이스가 동작 중일 때의 센서 손상을 보상할 수 있다. 이러한 결함은 센서를 제작하는 데 사용되는 물질에 내재적이거나 사용 결과로서 또는 센서의 기계적 또는 그 밖의 다른 환경적 스트레스에 반응하여 시간에 따라 형성될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 센서가 방향과 크기를 포함하는 벡터를 갖는 장, 가령, 자기장, 전기장, 압력장 또는 중력장을 검출할 수 있다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에서, 장-센서 디바이스(99)가 외부 장에 반응하여 제1 센서 신호를 생성하도록 제1 배향으로 배치된 제1 장 센서(20A) 및 외부 장에 반응하여 제2 센서 신호를 생성하도록 제1 배향과 상이한 제2 배향으로 배치된 제2 장 센서(20B)를 포함한다. 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)는 집합적으로 장 센서(20)를 지칭한다. 제어기(30)가 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)를 제어하여 대응하는 제1 및 제2 센서 신호를 생성하는 제어 회로(32)를 포함하며, 제1 및 제2 센서 신호를 수신하고, 제1 또는 제2 센서 신호 또는 둘 모두를 공통 배향 또는 좌표계에서 상응하는 비교 가능 센서 신호로 변환하며, 상기 비교 가능 센서 신호들을 비교하여 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B)가 고장 났는지 여부, 그리고 결함 있는 장 센서(20)가 결정되는지 여부를 결정하며, 결함 있는 센서 신호(42)를 제공하고 선택사항으로서 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B) 중 어느 것이 고장 났는지를 결정한다. 결함 있는 장 센서(20)가 결정되지 않는 경우, 제어기(30)는 감지된 장의 속성을 가리키는 제1, 제2, 또는 비교 가능 센서 신호에 반응하여 출력 센서 신호(40)를 제공한다. 다양한 실시예에서, 장은 자기장, 전기장, 압력장 또는 중력장이고 센서(20)는 자기장 센서, 전기장 센서, 압력장 센서 또는 중력장 센서이다. 또한 제1 및 제2 배향은 가령, 각각 x, y 또는 z 직교 차원을 갖는 대응하는 제1 및 제2 좌표계, 방향 또는 차원으로 기재될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 셋 이상 또는 넷 이상의 장 센서(20)가 장-센서 디바이스(9)를 포함한다.
종래에는, 복수의 센서에 의한 공통 장의 측정치들의 비교에 의해, 측정치들이 상이할 때 센서들 중 하나의 고장을 나타낼 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 및 제2 장 센서(20)는 상이한 배향을 가짐으로써, 이들의 측정 축의 적어도 일부가 동일 선상이 아니며 따라서 장 센서(20)가 상이한 좌표계에서 중복되는 장 측정치를 제공한다. 따라서 공통 좌표계에서의 중복되는 장 측정치의 비교는 에러 또는 장애를 나타낼 뿐 아니라 어느 장 센서(20)가 고장인지를 가리킬 수 있어서, 장 센서(20)의 추가 테스트 및 체크를 제공할 수 있다. 덧붙여, 장애를 검출할 수 있지만, 장애가 식별되거나 특정 장 센서와 연관될 수 없기 때문에 계속 동작할 수 없는 센서 시스템과 달리, 장-센서 디바이스(99)는 결함 있는 장 센서(20)를 식별함으로써, 다른 장 센서(20)로부터의 감지된 신호를 이용함으로써 계속 동작할 수 있다. 셋 이상의 장 센서(20)를 포함하는 또 다른 실시예에서, 셋 이상의 센서 신호가 공통 배향으로 변환될 수 있고 셋 이상의 비교 가능 신호가 비교되어 결함 있는 장 센서(20)를 결정할 수 있다.
제1 장 센서(20A), 제2 장 센서(20B) 및 제어기(30)는 디바이스 기판(10) 상에 배치될 수 있으며 전기 전도체, 가령, 와이어(12)와 전기적으로 연결될 수 있으며 단일 와이어(12) 또는 전력, 접지 및 제어 신호를 장-센서 디바이스(99), 제어기(30), 제1 장 센서(20A) 또는 제2 장 센서(20B)와 주고 받을 수 있는 복수의 와이어(12)를 포함하는 버스를 포함할 수 있다. 상기 장 센서(20)는 홀-효과 장 센서 또는 자기-저항 센서일 수 있으며 복합 반도체 물질을 포함할 수 있다. 대안으로, 장 센서(20)는 전기장 센서, 압력장 센서 또는 중력장 센서이며, 예를 들어, 마이크로-전기-기계 시스템(MEMS: micro-electro-mechanical system) 다비아스를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 도 1에 도시된 바와 같이 공통 평면에 또는 공통 표면 상에 배치될 수 있으며, 제1 장 센서(20A)가 제2 장 센서(20B)에 대해 회전하는 경우, 제1 장 센서(20A)의 2개의 배향(2개의 차원 또는 2개의 방향, x, y)은 제2 장 센서(20B)(x', y')와 상이하여, 제1 및 제2 장 센서(20)에 대한 상이한 좌표계를 형성한다. 수직 z 차원만 동일한 방향을 가진다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 장 센서(20B)는 제1 장 센서(20A)가 배치된 표면에 대해 대략 45도 기울어진 표면 상에 배치되고 제1 장 센서(20A)에 대해 45도 회전된다. 따라서 도 2에 나타난 바와 같이, 제1 장 센서(20A)는 또한 제2 장 센서(20B)로부터 z 차원으로도 회전되어, 제1 장 센서(20A)가 3개의 배향(3개의 차원 또는 방향, x, y, z)으로 제2 장 센서(20B)(x', y', z')와 상이하다.
제어기(30)는 이산 또는 일체형 회로이거나 이산 구성요소와 일체형 구성요소를 모두 포함할 수 있으며, 제어 회로(32)는 아날로그, 디지털 또는 혼합-신호 회로일 수 있다. 와이어(12)는 임의의 패터닝된 전기 전도체, 가령, 금속, 금속 합금, 전도성 금속 옥사이드 또는 전도성 폴리머일 수 있다. 디바이스 기판(10)은 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 배치되고 전기적으로 연결될 수 있는 하나 이상의 표면을 갖는 임의의 기판일 수 있다. 제어기(30)는 기판(10)의 표면 상에 배치될 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없다.
장-센서 디바이스(99)는 와이어(12)를 통해 제어기(30)로 전기적으로 연결된 디바이스 기판(10) 상에 형성된 전기 접촉 패드(14)를 통해 외부 시스템에 전기적으로 연결될 수 있다. 도 1 및 2는 제어기(30)가 디바이스 기판(10) 상에 배치된 상태를 도시하지만, 본 발명의 또 다른 실시예에서, 제어기(30)는 디바이스 기판(10)과 구별된 기판 또는 구조물(가령, 인쇄 회로 기판) 상에 제공된다. 마찬가지로, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 상이한 기판, 표면 또는 디바이스 상에 배치될 수 있다.
도 3을 참조하면, 일부 실시예에서, 디바이스 기판(10)은 제어기(30)의 적어도 일부를 포함하는 반도체 기판이거나 이러한 반도체 기판을 포함하며 제어 회로(32)는 상기 반도체 기판 내에 또는 상기 반도체 기판 상에 형성된다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 또 다른 실시예에서, 제어기(30)는 디바이스 기판(10) 상에 배치되는 집적 회로이고 디바이스 기판(10)은 유전체 또는 유전체 층 또는 표면을 가진다. 따라서 디바이스 기판(10)은 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)의 물질과 적어도 부분적으로 상이한 기판 물질을 포함할 수 있고 제어 회로(32)의 물질과 적어도 부분적으로 상이하다. 일부 실시예에서 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B )는 화합물 반도체를 포함하며, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B )는 화합물 반도체를 포함하고, 제어기(30)는 실리콘 반도체를 포함하며, 기판 물질은 유전체를 포함한다(도 1 및 2). 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)는 화합물 반도체를 포함하며 디바이스 기판(10) 물질은 실리콘 반도체를 포함하고 제어 회로(32)는 실리콘 반도체 내에 또는 실리콘 반도체의 일부로서 형성된다(도 3).
도 4를 참조하면, 디바이스 기판(10)은 시스템 기판(16), 가령, 또 다른 디바이스 또는 시스템의 시스템 기판(16) 상에 장착될 수 있다. 디바이스 기판(10), 제어기(30), 제1 장 센서(20A) 또는 제2 장 센서(20B) 중 임의의 것이 마이크로-전사 인쇄 구성요소(micro-transfer printed component)일 수 있고 분할, 깨진 또는 분리된 테더를 포함할 수 있다. 제어기(30), 제1 장 센서(20A) 또는 제2 장 센서(20B)가 집적 회로 또는 베어 다이(bare die)일 수 있고 디바이스 기판(10) 상으로 마이크로-전사 인쇄될 수 있으며 디바이스 기판(10)은 시스템 기판(16) 상으로 마이크로-전사 인쇄될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 제1 배향은 제2 배향과 하나의 차원에서, 또는 도 1에 도시된 바와 같이 2개의 차원에서, 또는 도 2에 도시된 바와 같이 3개의 차원에서 상이하다. 일부 실시예에서, 각각의 배향에서의 차원들이 직교하며, 또 다른 실시예에서, 차원들은 직교하지 않는다. 예를 들어, 도 5a는 하나의 배향 또는 좌표계에서 3개의 직교하는 차원(x, y, z)을 도시하며 도 5b는 또 다른 배향 또는 좌표계에서의 3개의 직교하는 차원(x', y', z)을 도시한다, 이때, x' 및 y' 차원은 도 5a의 배향에 대해 45도 회전되지만 z 차원은 동일한 배향을 가져, 도 5b의 배향이 도 5a의 배향과 2개의 차원에서 상이할 수 있다.
도 5c는 또 다른 배향 또는 좌표계에서의 3개의 직교하는 차원(x', y', z')을 도시하며, 여기서 x, y, 및 z 차원 모두가 도 5a에 비해 45도 회전되어 도 5c의 배향은 도 5a의 배향과 3개의 차원에서 상이할 수 있다. 도 1에 도시된 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 도 5a 및 5b의 상이한 배향에 대응하는 상이한 제1 및 제2 배향을 가진다. 도 2에 도시된 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)는 도 5a 및 5c의 상이한 배향에 대응하는 상이한 제1 및 제2 배향을 가진다.
도 6을 참조하면, 제어 회로(32)는 제1 센서 신호, 제2 센서 신호 및 임의의 변환된 또는 비교 가능 센서 신호 중 임의의 하나 이상을 저장하기 위한 저장 회로(34), 제1 또는 제2 센서 신호를 비교 가능 센서 신호로 변환하기 위한 변환 회로(36), 및 제1 센서 신호, 제2 센서 신호, 및 임의의 비교 가능 센서 신호 또는 지정 공차, 마진(margin) 또는 임계값 중 임의의 하나 이상을 비교하기 위한 비교 회로(38)를 포함한다. 회로는 예를 들어, 아날로그 회로 또는 디지털 회로인 실리콘 회로, 가령, CMOS 회로일 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라, 장-센서 진단 방법이 장-센서 디바이스(99)를 제공하는 단계(100) 및 장-센서 디바이스(99)에 전력을 제공하여 장-센서 디바이스(99)를 동작시키는 단계(110)를 포함한다. 단계(120)에서 제어 회로(32)가 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)를 제어하는 데 사용되어 제1 및 제2 센서 신호를 생성하고 각자의 제1 및 제2 센서 신호를 수신할 수 있다. 단계(130)에서, 제어 회로(32)가 사용되어 수신된 제1 또는 제2 센서 신호 또는 둘 모두를 공통 배향 또는 좌표계의 등가의 비교 가능 센서 신호로 변환하고 단계(140)에서 이들을 비교한다. 그 후 제어 회로(32)는 단계(150)에서 제1 장 센서(20A) 또는 제2 장 센서(20B)가 고장 났는지 여부를 결정한다. (단계(160)에서 시험되어) 장 센서(20)에서 장애가 발생한 경우, 제어 회로(32)가 사용되어 비교 가능 센서 신호에 응답하여 결함 있는 센서 신호(42)를 제공할 수 있고(단계(180)) 선택사항으로서 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B) 중 어느 것이 결함 있는 것인지를 결정할 수 있다(단계(190)). (단계(160)에서 시험되어) 장 센서(20)가 결함 있는 것이 아닌 경우, 제어 회로(32)가 사용되어 제1, 제2 또는 비교 가능 센서 신호에 응답하여 또는 이로부터 도출된 출력 센서 신호(40)를 제공할 수 있다(단계(170)). 하나의 실시예에서, 출력 센서 신호(40)는 비교 가능 센서 신호(40) 또는 제1 및 제2 센서 신호로부터 도출된 신호의 조합, 가령, 평균이며, 따라서 출력 센서 신호(40)의 변동을 감소시키고 정확도 및 일관성을 개선할 수 있다(도 1, 2).
단계(120 내지 150)는 상이한 횟수로 반복적으로 수행될 수 있으며 제1 및 제2 센서 신호가 저장 회로(34)에 저장되고 시간에 따라 평균 내어지거나 그 밖의 다른 방식으로 조합되어 제1 및 제2 센서 신호의 신호대잡음 비를 개선할 수 있다. 대안으로, 변환된 비교 가능 센서 신호가 저장 회로(34)에 저장되고 시간에 따라 평균 내어지거나 그 밖의 다른 방식으로 조합되어 비교 가능 센서 신호의 신호대잡음 비를 개선할 수 있다.
본 발명의 일부 방법에서, 제2 장 센서(20B)가 결함 있는 경우, 제1 센서 신호이거나 제1 센서 신호로부터 도출된 출력 센서 신호(40)(도 1, 2)가 제공되어(단계(180)), 장-센서 디바이스(99)가 계속 동작하도록 할 수 있다. 제1 장 센서(20A)가 결함 있는 경우, 제2 센서 신호이거나 제2 센서 신호로부터 도출된 출력 센서 신호(40)(도 1, 2)가 제공되어(단계(180)), 장-센서 디바이스(99)가 계속 동작하도록 할 수 있다. 따라서 장애를 검출할 수 있지만, 어떠한 알려진 우수한 장-센서 신호도 식별될 수 없기 때문에 계속 동작할 수 없는 센서 시스템과 달리, 결함 있는 장 센서(20)를 식별함으로써, 다른 장 센서(20)로부터 감지된 신호를 이용함으로써 장-센서 디바이스(99)가 계속 동작하게 할 수 있다.
장 센서(20)는 센서 요소(22)거나 단일 센서 요소(22) 또는 복수의 센서 요소(22)를 포함할 수 있다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에서, 제1 장 센서(20A) 또는 제2 장 센서(20B)가 하나 이상의 센서 요소(22) 또는 하나 이상의 센서 요소(22) 쌍, 가령, 홀-효과 센서 요소(22) 쌍을 포함할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 장 센서(20)는 2개의 직교하는 쌍의 방향에 대응하는 2개의 차원 각각에서 측정을 제공하기 위해 2개의 직교하는 쌍(A, C 및 B, D)으로 배열된 4개의 센서 요소(22)를 포함한다. 방향에서 각각의 센서 요소(22) 쌍은 해당 방향으로의 장의 측정치를 제공할 수 있다. 따라서 본 발명의 하나의 실시예에서, 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B)는 제1 차원 또는 방향에서 장의 크기를 검출하도록 배열된 2개의 센서 요소(22)와 상기 제1 차원 또는 방향과 상이한 제2 차원 또는 방향에서 장의 크기를 검출하도록 배열된 2개의 센서 요소(22)를 포함한다. 일부 실시예에서 제1 및 제2 차원은 직교하는 차원이다.
도 9를 참조하면, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 45도만큼 회전되며 하나의 공통 평면에서 배열되어, 제1 배향이 제2 배향과 2개의 차원에서 상이할 수 있으며, 또한 도 1, 3, 4, 5a 및 5b, 및 8의 도시에 대응한다. 본 발명의 구성에서, 상이한 좌표계의 축들 간 상관이 데카르트 좌표계에서 45도에 최대화된다. 다른 실시예에서, 그 밖의 다른 좌표계, 가령, 원기둥 좌표계, 극 좌표계 또는 구면 좌표계가 사용된다. 일반적으로, 측정은 실제 장의 좌표계 상으로의 투사이다. 하나의 실시예에서, 본 발명의 방법은 둘 이상의 장 센서(20) 중 어느 것이 고장 났는지를 결정하는 단계(190)(도 7)를 포함한다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 도 1-4에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 서로 공간적으로 오프셋된다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 서로 공간적으로 겹친다. 본 발명의 추가 실시예에서, 역시 도 9에 도시된 바와 같이 서로 공간적으로 겹치는 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 공통 중심을 가진다. 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)는 본 발명의 장-센서 디바이스(99) 내에 공통 구조 또는 디바이스에서 제공될 수 있다.
장 센서(20)는 자기 센서, 가령, 홀-효과 센서, 자기저항 센서(magnetoresistive sensor), 가령, XMR(extreme magnetoresistive) 센서, EMR(extraordinary magnetoresistive) 센서, GMR(giant magnetoresistive) 센서, TMR(tunneling magnetoresistive) 센서, CMR(colossal magnetoresistive) 센서 또는 AMR(anisotropic magnetoresistive) 센서일 수 있다.
장-센서 디바이스(99) 내 요소들 중 임의의 것이 아날로그 부품일 수 있거나 아날로그-디지털 변환기를 포함하거나 디지털 부품일 수 있다. 회로는 메모리에 저장된 프로그램, 저장된 프로그램 머신, 상태 머신 등과 함께 CPU를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 다양한 실시예에서, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B) 및 제어기(30) 각각은 이산 회로 구성요소 또는 집적 회로의 조합으로 구현되거나 공통 회로 또는 공통 집적 회로로 일체 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B) 또는 제어 회로(32)는 회로 구성요소 또는 패키지를 공유한다.
제1 및 제2 장 센서(20A, 20B) 또는 제어 회로(32)는 전자 회로, 디지털 논리 회로, 아날로그 회로 또는 혼합-신호 회로 또는 회로 유형 및 전자 디바이스의 조합을 포함할 수 있다. 이들 회로의 일부 또는 전부는 하나 이상의 회로, 공통 회로, 하나 이상의 집적 회로 또는 패키지로 또는 공통 집적 회로 또는 패키지로 제공될 수 있다. 장-센서 디바이스(99)의 다양한 구성요소는, 예를 들어, 전자 회로, 집적 회로 또는 와이어(12)에 의해 전기적으로 연결된 이산 전자 디바이스로 제공될 수 있다.
다양한 구성요소 중 임의의 하나 또는 전부는 인쇄 회로 기판 또는 반도체 기판 상에 배치될 수 있거나, 다양한 구성요소 중 임의의 하나 또는 전부가 반도체 기판 내 또는 반도체 기판 상의 회로로서 또는 반도체 기판 상에 제공되는 집적 회로와 반도체 기판 내에 또는 상에 형성되는 회로의 일부 조합으로서 집적될 수 있다. 다양한 구성요소 중 임의의 하나 또는 전부는 패키징된 집적 회로에 제공되거나 반도체 기판 또는 그 밖의 다른 기판 상으로 배치되거나 마이크로-전사 인쇄되는 베어 다이에 제공될 수 있다. 와이어(12)가 포토리소그래피 방법 및 물질을 이용해 제공되어 다양한 구성요소, 집적 회로 다이, 또는 반도체 기판 상에 집적되는 회로를 연결할 수 있다.
각각의 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B)가 다양한 자기 센서, 가령, 홀-효과 센서 또는 자기-저항 센서 중 임의의 것일 수 있으며, 예를 들어, 가령, 픽-앤-플레이스, 표면-장착 또는 인쇄 기법을 이용해 센서 디바이스 기판, 가령, 유리, 세라믹, 폴리머 또는 반도체 기판 상에 장착되는 집적 회로, 이산 소자 또는 개별 집적 회로 구성요소(가령, 베어 다이)로 제공될 수 있다. 장-센서 디바이스(99)의 집적 회로 구성요소 또는 소자 중 하나 이상, 가령, 제어기(30)가 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B) 상에 마이크로-전사 인쇄에 의해 증착되고 전기적으로 연결된 베어 다이로서 배치될 수 있다. 또는, 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B)가 제어기(30) 상에 마이크로-전사 인쇄에 의해 증착되고 전기적으로 연결되는 베어 다이로서 증착될 수 있다. 제어 회로(32)는 반도체 기판 내에 포토리소그래피에 의해 형성된 회로로 제공될 수 있고 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B)가 반도체 기판 상에 베어 다이로서 배치되고 포토리소그래피 공정 및 물질을 이용해 제어 회로(32)로 전기적으로 연결될 수 있다.
도 10을 참조하면, 임의의 예시적 장 벡터(field vector) B가 제1 배향(제1 좌표계)과 관련하여 도시되고, 도 11을 참조하면, 동일한 장 벡터 B가 제2 배향(제2 좌표계)과 관련하여 도시된다. 장 벡터 B는 두 경우 모두(도 10 및 11)에서 동일하기 때문에, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)에 의해 측정된 제1 및 제2 센서 신호 벡터가 등가이지만 직접 비교 가능하지 않다(즉, 측정 축 각각에서의 장 벡터의 크기 값이 제1 및 제2 배향에 대해 상이하다). 그러나 장-센서 디바이스(99)가 구성될 때(도 1에서 기판(10)의 표면 상에 배치될 때) 제2 장 센서(20B)에 대한 제1 장 센서(20A)의 상대적 위치가 지정될 수 있기 때문에, 제1 센서 신호가 제1 배향(제1 좌표계)에서 제2 배향(제2 좌표계)으로 변환될 수 있고 장 벡터의 크기가 직접 비교될 수 있다. 또는, 제2 센서 신호가 제2 배향(제2 좌표계)에서 제1 배향(제1 좌표계)으로 변환될 수 있고 장 벡터의 크기가 직접 비교될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 센서 신호가 제1 및 제2 배향(제1 및 제2 좌표계)과 상이한 제3 배향(제3 좌표계)로 변환될 수 있고 마찬가지로 제2 센서 신호가 제3 배향(제3 좌표계)으로 변환되어 2개의 변환된 장 센서 신호의 장 벡터의 크기가 직접 비교될 수 있다. 2개의 센서 신호가 공통 배향(공통 좌표계)로 변환될 때, 이들은 비교 가능 신호가 된다. 이 작업은 회전 행렬에 의한 행렬 변환으로서 수행된다. 센서 고장을 검출하기 위해 요구되지 않더라도, 결함 있는 센서가 식별되는 실시예에서, 측정 축은, 또 다른 좌표계로 투사될 때, 고장이 위치하는 축 좌표들 간 변환 행렬에서 비-대각 부분-행렬 계수를 가진다.
(도 1, 5a 및 5b에 대응하는) 도 9에 도시된 예시에서, 제1 배향과 제2 배향은 디바이스 기판(10)(도 1)의 표면에 평행인 x, y 평면에서 각도 θ (45°)만큼 차이가 나고 (제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 배치되는 공통 평면에 직교인) z 차원에서 동일하여, 도 9의 예시에서 제1 및 제2 배향(좌표계)이 2개의 차원 또는 방향에서 상이하다.
제1 좌표계에서 측정된 장 벡터가 값 Bx 및 By을 가질 수 있으며 제2 좌표계에서 측정된 동일한 벡터가 값 Bx' 및 By'을 가질 수 있다. 2개의 배향 간 각도 θ가 알려지면, x'=xcos(θ) + ysin(θ) 및 y'= ycos(θ) - xsin(θ)에 의해 x' 및 y' 벡터가 계산될 수 있다. 역 계산은 x=x'cos(θ) - y'sin(θ) 및 y= y'cos(θ) + x'sin(θ)이다. 임의의 제3 배향으로의 변환이 유사하게 계산될 수 있다.
도 1 및 9의 예시에서처럼 θ = 45°인 단순화된 예시에서, sin(θ) = cos(θ) = 1/(21/2) = k
Figure 112018098403298-pat00001
0.707이다. 제1 좌표계에서 제2 좌표계로 변환하는 단순화된 수식이
x'=k(x+y), y'=k(y-x)
이고, 제2 좌표계에서 제1 좌표계로 변환하는 수식은
x=k(x'-y'), y=k(y'+x')
이다.
임의의 물리적 구현예에서, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 반드시 동일할 필요는 없으며 정밀도 및 정확도의 제한과 지정 공차 내에 허용 가능한 차이를 가질 수 있다. 상이한 차원에서 45° 만큼 차이 나는 배향들을 이용하는 것이 상이한 차원에서 더 큰 크기 차이를 제공함으로써, 그 밖의 다른 각도가 사용될 수 있더라도, 각각의 상이한 차원에서 장애를 검출할 수 있는 기능을 개선할 수 있다.
지정 측정 공차 마진(measurement tolerance margin)이 제공되어 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)로부터의 측정에 흠이 있는지 여부를 결정할 수 있다. 각각의 차원(Bx, By)에서 또는 단일 순 장 측정치(net field measurement)(Be)를 특정하는 조합으로서 지정 측정 공차 마진이 특정될 수 있다. 제1 및 제2 센서 신호를 동일한 좌표계로 변환함으로써 도출되는 비교 가능 센서 신호들이 희망 공차 마진을 초과하여 차이 나지 않는 경우, 비교 가능 센서 신호들이 조합되고 출력 센서 신호(40)로서 제공될 수 있다. 비교 가능 센서 신호들이 희망 공차 마진을 초과하여 차이 나는 경우, 제1 및 제2 센서(20A, 20B) 중 하나가 고장 났다고 간주된다.
예시로서, 임의의 장 벡터 B가 y 차원에서의 길이에 두 배인 x 차원에서의 길이를 갖는 도 12에 도시되며, 여기서 길이는 대응하는 차원에서의 장 강도를 나타낸다. 직교 차원(x, y)을 갖는 제1 배향 및 제1 좌표계의 제1 장 센서(20A) 및 제1 배향으로부터 θ = -45도 만큼 회전된 직교 차원(x', y')을 갖는 제2 배향 및 제2 좌표계의 제2 장 센서(20B)(도 1 및 9)가 주어질 때, 제1 장 센서(20A)의 x-차원 센서에서의 에러가 제1 좌표계의 x 차원에서만 올바른 장 B과 상이한 에러 장 측정치 Be을 도출한다. 도 13을 참조할 때, 제1 장 센서(20A)의 y 차원 센서에서의 에러가 제1 좌표계의 y 차원에서만 올바른 장 B과 상이한 에러 장 측정치 Be를 도출한다.
도 14a를 참조할 때, 제2 장 센서(20B)의 x' 차원 센서에서의 에러가 제2 좌표계의 x' 차원에서만 올바른 장 B와 상이한 에러 장 측정치 Be를 도출한다. 제1 좌표계로 변환될 때(도 14b), 제2 좌표계에서 x' 차원의 방향에 대응하는 제 좌표계에서의 방향(도 14b에서 실선 화살표로 나타남)에서 에러 장 측정치 Be가 올바른 장 B와 상이하다. 도 15a를 참조할 때, 제2 장 센서(20B)의 y' 차원 센서에서의 에러가 제2 좌표계의 y' 차원에서만 올바른 장 B와 상이한 에러 장 측정치 Be를 도출한다. 제1 좌표계로 변환될 때(도 15b), 제2 좌표계의 y' 차원의 방향에 대응하는 제1 좌표계의 방향(도 15b에서 실선 화살표로 나타남)에서 에러 장 측정치 Be가 올바른 장 B와 상이하다.
도 12, 13, 14a, 14b, 15a, 15b의 모든 예시에서, 제1 좌표계와 제2 좌표계 간 각도 차이가 θ = -45도이고(도 14a, 15a에 도시됨), 에러는 2개의 동일선상의 화살표로 나타나듯이 각자의 차원에서 센서 응답이 두 배가 되는 것이다.
따라서 제1 좌표계와 제2 좌표계 간 각도의 차이 θ가 주어지고, 에러 벡터 E = Be-B, E ≠ 0인 경우 제1 좌표계에서 벡터 E의 각도는 다음과 같다:
0도, 에러는 제1 장 센서(20A)의 x-차원 센서에 있고,
90도, 에러는 제1 장 센서(20A)의 y-차원 센서에 있으며,
θ도, 에러는 제2 장 센서(20B)의 x'-차원 센서에 있고(도 14a 및 14b의 예시의 경우 -45도),
-θ도, 에러는 제2 장 센서(20B)의 y'-차원 센서에 있다(도 15a 및 15b의 예시의 경우 45도).
일반적으로, 장애가 단일 장 센서 차원 측정에서만 존재하는 한, 에러 벡터의 방향이 결함 있는 장 센서(20)에 의해 측정된 차원에 대응한다. 다시 말하면, 에러 벡터는 측정된 결함 있는 센서 요소(22)의 축의 방향에서 고유 성분을 가진다. 에러 벡터는 결함 있는 센서 측정치의 축(방향)의 단위 벡터의 복수 배로서 표현될 수 있다. 따라서 제어 회로(32)는 비교 가능 센서 신호들(가령, Bx, By, Bx', By') 간 차이의 방향을 비교하여 결함 있는 장 센서(20)를 결정하기 위한 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 장-센서 디바이스(99)는 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 모니터링하고 결함이 검출되는 경우 진단하는 것과 동시에 장을 측정하여 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B) 중 하나 또는 둘 모두에 대응하는 실시간 진단 신호를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예는 기판을 제공하고 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B) 및 제어기(30)를 기판 상에 집적 회로로서 장착함으로써 구성될 수 있다. 픽-앤-플레이스 기법을 이용해 또는 대응하는 소스 웨이퍼로부터 기판 표면 상으로 마이크로-전사 인쇄함으로써 집적 회로는 기판 상에 배치될 수 있다. 대안으로, 기판 표면은 반도체 층이거나 이를 포함할 수 있고 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B) 및 제어기(30) 각각의 임의의 부분이 상기 반도체 층 내에 형성되고 기판 표면 상의 와이어(12)를 이용해, 예를 들어, 포토리소그래피 또는 인쇄 회로 기판 방법 및 물질을 이용함으로써, 기판 표면 상에 배치되는 임의의 집적 회로에 의해 전기적으로 연결된다. 대안으로, 제어 회로(32) 또는 장 센서(20)는 반도체 기판 내에 포토리소그래피에 의해 형성될 수 있다.
기판은 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B) 및 제어기(30)를 지지 또는 수용할 수 있는 하나 이상의 표면을 갖는 다수의 기판, 가령, 2개의 대향하는 비교적 평탄하고 평행인 측부를 갖는 유리, 플라스틱, 세라믹 또는 반도체 기판 중 하나일 수 있다. 기판은 다양한 두께, 가령, 10마이크론 내지 수 밀리미터를 가질 수 있다. 기판은 또 다른 디바이스의 일부분 또는 표면일 수 있고 전자 회로를 포함할 수 있다.
본 발명이 도면 및 상기의 설명에서 상세히 도시되고 기재되었지만, 이러한 도시 및 설명은 제한이 아니라 예시로서 간주될 것이다. 상기에서 본 발명의 특정 실시예의 상세사항이 제공되었다. 그러나 앞서 상세히 나타나더라도, 본 발명은 여러 방식으로 실시될 수 있음이 자명할 것이다. 본 발명의 개시된 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 실시할 때 개시된 실시예의 그 밖의 다른 변형이 도면, 발명의 설명 및 청구항의 연구를 통해 해당 분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있다. 청구항에서, "포함하는"이라는 단어는 그 밖의 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정관사 "a" 또는 "an"가 복수형을 배제하지 않는다. 단일 프로세서 또는 그 밖의 다른 유닛이 청구항에 언급되는 복수의 아이템의 기능을 수행할 수 있다. 특정 수단이 서로 다른 종속 청구항에서 언급된다는 사실이 이들 수단의 조합이 사용될 수 없음을 의미하지는 않는다. 컴퓨터 프로그램이 그 밖의 다른 하드웨어와 함께 또는 이의 일부로서 제공되는 적절한 매체, 가령, 광 저장 매체 또는 솔리드-스테이트 매체에 저장/분산될 수 있지만, 또한 그 밖의 다른 형태, 가령, 인터넷 또는 그 밖의 다른 유선 또는 무선 원격통신을 통해 분산될 수 있다. 청구항에서의 임의의 도면부호가 한정으로 해석되어서는 안 된다.
10 디바이스 기판
12 와이어
14 접촉 패드
16 시스템 기판
20 장 센서
20A 제1 장 센서
20B 제2 장 센서
22 센서 요소
30 제어기
32 제어 회로
34 저장 회로
36 변환 회로
38 비교 회로
40 출력 센서 신호
42 결함 있는 센서 신호
50 위상 스위치
52 차동 증폭기
54 차동 비교기
99 장-센서 디바이스
100 센서 디바이스 제공 단계
110 센서 디바이스 동작 단계
120 제1 및 제2 신호 수신 단계
130 수신된 센서 신호(들) 변환 단계
140 변환된 신호(들) 비교 단계
150 센서가 고장 났는지 여부를 결정하는 단계
160 결함 있는 센서 결정 단계
170 출력 센서 신호 제공 단계
180 결함 있는 센서 신호 제공 단계
190 결함 있는 센서를 결정하는 선택사항적 단계

Claims (15)

  1. 장-센서 디바이스로서,
    제1 좌표계에 의해 결정되는 제1 측정 축을 갖는 제1 장 센서(20A) - 상기 제1 장 센서는 외부 장에 반응하여 제1 센서 신호를 생성하고, 제1 센서 신호는 제1 좌표계에 따르는 두 개의 성분을 가짐 - ,
    상기 제1 좌표계와 상이한 제2 좌표계에 의해 결정되는 제2 측정 축을 갖는 제2 장 센서(20B) - 상기 제2 장 센서는 외부 장에 반응하여 제2 센서 신호를 생성하고, 상기 제2 센서 신호는 상기 제2 좌표계에 따르는 두 개의 성분을 가짐 - , 및
    제어 회로를 갖는 제어기를 포함하며,
    상기 제어 회로는
    a) 외부 장에 반응하여 상기 제1 장 센서와 제2 장 센서를 제어하여 대응하는 제1 센서 신호와 제2 센서 신호를 생성하고,
    b) 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호 중 적어도 하나의 센서 신호의 두 개의 성분을 공통 좌표계의 등가의 비교 가능 성분으로 변환하며 - 상기 공통 좌표계는 상기 제1 좌표계, 상기 제2 좌표계 또는 제3 좌표계임 - ,
    c) 비교 가능 성분들을 비교하여 결함 있는 장 센서가 있는 경우 상기 결함 있는 장 센서를 결정하고,
    d) 결함 있는 장 센서가 결정된 경우, 결함 있는 센서 신호를 제공하거나, 결함 있는 센서가 결정되지 않는 경우, 제1 센서 신호의 두 개의 성분, 제2 센서 신호의 두 개의 성분, 또는 비교 가능 성분, 또는 이들의 임의의 조합에 응답하여 출력 센서 신호를 제공하도록 구성되는, 장-센서 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 제어 회로가 제1 장 센서와 제2 장 센서 중 어느 것이 결함 있는 것인지를 결정하도록 배열되는, 장-센서 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 외부 장은 자기장, 전기장, 압력장 또는 중력장인, 장-센서 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 제1 좌표계는 2개의 차원 또는 3개의 차원에서 제2 좌표계와 상이한, 장-센서 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 제어 회로는 제1 센서 신호의 두 개의 성분, 제2 센서 신호의 두 개의 성분 및 비교 가능 성분 중 하나 이상, 또는 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호 중 적어도 하나의 센서 신호의 두 개의 성분의 공통 좌표계의 등가의 비교 가능 성분으로의 회전을 나타내는 회전 행렬(rotation matrix)을 저장하기 위한 저장 회로를 포함하는, 장-센서 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 제1 장 센서 또는 제2 장 센서는 하나 이상의 센서 요소 또는 하나 이상의 센서 요소 쌍을 포함하는, 장-센서 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 제1 장 센서와 제2 장 센서는 기판 물질을 포함하는 디바이스 기판 상에 배치되며 제1 장 센서와 제2 장 센서가 기판 물질과 적어도 부분적으로 상이한 하나 이상의 센서 물질을 포함하는, 장-센서 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 기판 물질은 반도체이며 제어 회로는 반도체 기판 내에 또는 반도체 기판 상에 적어도 부분적으로 형성되는, 장-센서 디바이스.
  9. 제7항에 있어서, 제어 회로는 기판 물질과 적어도 부분적으로 상이한 제어-회로 물질을 포함하며 제어 회로는 기판 상에 배치되는, 장-센서 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 제어 회로는 비교 가능 센서 성분들 간 차이의 방향을 이용하여 결함 있는 장 센서를 결정하는 회로를 포함하거나, 제어 회로는 장 센서 측정치의 벡터 성분을 이용해 결함 있는 장 센서를 결정하는 회로를 포함하는, 장-센서 디바이스.
  11. 장-센서 진단 방법으로서,
    a) 외부 장에 반응하여 제1 장 센서(20A) 및 제2 장 센서(20B)를 제어하여 각자의 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 생성하는 단계 - 상기 제1 센서 신호는 제1 좌표계에 따라 결정된 두 개의 성분을 갖고 상기 제2 센서 신호는 상기 제1 좌표계와 상이한 제2 좌표계에 따라 결정된 두 개의 성분을 가짐 - ,
    b) 상기 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호를 수신하는 단계,
    c) 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호 중 적어도 하나의 센서 신호의 두 개의 성분을 공통 좌표계의 등가의 비교 가능 성분으로 변환하는 단계 - 상기 공통 좌표계는 상기 제1 좌표계, 상기 제2 좌표계 또는 제3 좌표계임 - ,
    d) 비교 가능 성분들을 비교하고 제1 장 센서 또는 제2 장 센서가 결함 있는 것인지 여부를 결정하는 단계, 및
    e) 결함 있는 장 센서가 결정되는 경우, 비교 가능 성분에 응답하여 결함 있는 센서 신호를 제공하거나, 결함 있는 장 센서가 결정되지 않는 경우, 제1 센서 신호의 두 개의 성분, 제2 센서 신호의 두 개의 성분, 또는 비교 가능 성분에 응답하여 출력 센서 신호를 제공하는 단계
    를 포함하는, 장-센서 진단 방법.
  12. 제11항에 있어서, 제1 시점에서 단계 a) - d)를 수행하고, 제1 센서 신호의 두 개의 성분, 제2 센서 신호의 두 개의 성분 또는 비교 가능 성분을 저장하며, 상기 제1 시점과 상이한 제2 시점에서 단계 a) - d)를 반복하고 저장된 제1 센서 신호의 두 개의 성분, 제2 센서 신호의 두 개의 성분 또는 비교 가능 성분을 상기 제2 시점에서의 제1 센서 신호의 두 개의 성분, 제2 센서 신호의 두 개의 성분 또는 비교 가능 성분에 비교하는 단계를 포함하는, 장-센서 진단 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    a) 상기 제2 장 센서가 결함 있는 경우, 상기 제1 센서 신호이거나 상기 제1 센서 신호로부터 도출된 출력 센서 신호를 제공하는 단계, 또는
    b) 상기 제1 장 센서가 결함 있는 경우, 상기 제2 센서 신호이거나 상기 제2 센서 신호로부터 도출된 출력 센서 신호를 제공하는 단계
    를 포함하는, 장-센서 진단 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제1 장 센서 또는 상기 제2 장 센서가 결함 있고, 비교 가능 센서 신호들을 비교함으로써, 상기 제1 장 센서 또는 제2 장 센서 중 어느 것이 결함 있는 것인지를 결정하는 단계를 포함하는, 장-센서 진단 방법.
  15. 제11항에 있어서, 비교 가능 센서 신호들을 조합하여 출력 센서 신호를 제공하거나, 상기 제1 센서 신호 및 제2 센서 신호로부터 도출된 신호들을 조합하여 출력 센서 신호를 제공하는 단계를 포함하는, 장-센서 진단 방법.
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