KR20080064084A - 터널링 전류 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MEMS(a micro-electromechanical system) 센서를 구성하는 제 1 구성 요소(40a) 및 제 2 구성 요소(40b) 간의 터널링 전류(42)를 제어하는 시스템(90) 및 방법을 제공한다. 이 시스템은 제 1 구성 요소(40a)와 제 2 구성 요소(40b) 간에 터널링 전류(42)를 제공하는 터널링 전류 여기 소스(50)와, 상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b)가 서로에 대해서 이동함에 따라서 상기 터널링 전류(42)의 변화를 모니터링하는 터널링 전류 모니터(52)를 포함한다. 이 시스템은 상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b) 중 적어도 하나의 위치를 조절하는 위치 조절기(86)와, 상기 터널링 전류 모니터(52)와 통신하여 상기 위치 조절기(86)를 제어하는 제어기(88)를 포함하며, 상기 제어기(88)는 상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b) 간에 제 1 이격 거리가 형성되어서 상기 시스템(90)이 기준 모드로 되도록 상기 위치 조절기(86)로 하여금 상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b) 중 적어도 하나의 구성 요소의 위치를 조절하게 하고, 상기 제어기(88)는 상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b) 간에 제 2 이격 거리가 형성되어서 상기 시스템(90)이 감지 모드로 되도록 상기 위치 조절기(86)로 하여금 상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b) 중 적어도 하나의 구성 요소의 위치를 조절하게 하며, 이로써 상기 시스템(90)이 상기 기준 모드에 대해서 캘리브레이션(calibration)된다.

Description

터널링 전류 제어 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR CALIBRATING A MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS) BASED SENSOR USING TUNNELING CURRENT SENSING}
관련 출원
본 출원은 미국 특허 출원 번호 11/289,910인 "MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS) BASED CURRENT & MAGNETIC FIELD SENSOR HAVING IMPROVED SENSITIVITIES"의 일부 계속 출원(CIP)이며, 이 미국 특허 출원 번호 11/289,910는 미국 특허 출원 번호 11/129,682인 "MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM (MEMS) BASED CURRENT & MAGNETIC FIELD SENSOR HAVING CAPACITIVE SENSE COMPONENTS"의 일부 계속 출원이며, 이 미국 특허 출원 번호 11/129,682는 2006년 9월 26일에 미국 특허 번호 7,112,951로서 허여된 미국 특허 출원 번호 10/863,442인 "MEMS BASED CURRENT SENSOR USING MAGNETIC-TO-MECHANICAL CONVERSION AND REFERENCE COMPONENTS"의 일부 계속 출원이며, 상기 3 개의 특허 출원의 내용들은 본 명세서에서 참조로서 인용되고 있다.
본 발명은 전반적으로 전류 감지 및 자계 감지 디바이스에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 터널링 전류 감지 방식을 사용하는 MEMS(a micro-electromechanical system) 전류 및 자계 센서에 관한 것이다.
전류 전달 도전체는 그 주위에 자계를 생성한다. 또한, 이 전류 전달 도전체에 의해서 생성된 자계는 이 전류 전달 도전체에 의해서 유도된 자계 내에 배치된 다른 전류 전달 도전체와 함께 힘을 유도한다. 이로써, 전류를 감지하는데 사용되는 하나의 방식은 하나의 전류 전달 도전체 내에 흐르는 전류에 의해 유도된 자계를 측정하는 센서를 사용하는 것이다. 생성된 자계는 전류 전달 도전체 내에 흐르는 전류에 비례하기 때문에, 이 센서는 전류의 크기를 결정하기 위해서 자계의 크기를 사용하게 된다.
전류를 측정하기 위해서 자계를 사용하는 전류 센서는 안전의 차원에서 고전압 애플리케이션에서 특히 유용한데, 그 이유는 이 전류 센서는 이러한 고전압 애플리케이션의 고전압 회로에 접촉되지 않기 때문이다. 그러나, 고전압 애플리케이션에서 전류를 측정하기 위해서 자계를 사용하는 기존의 전류 센서는 몇 가지 단점을 가지고 있다. 통상적으로, 기존의 전류 센서는 자신이 받게 되는 변화되는 전류 레벨을 견딜 수 있기 위해 큰 두께를 가질 필요가 있기 때문에 대형이 되어야 한다. 이러한 큰 전류 센서에서의 전류 흐름은 열을 발생시키고, 이 열은 전류 센서의 효율을 저감시키고 센서 정확성에 오차를 유발시킨다. 기존의 전류 센서들은 매우 크고 부피가 크기 때문에, 이들의 물리적 동작 특성 및 전기적 동작 특성은 소형의 스케일의 환경에서 사용되기에는 어렵게 된다.
본 발명을 통해서 자계를 사용하여 전류를 감지하되 소형의 스케일 환경에서도 우수하게 사용될 수 있는 전류 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, MEMS 센서를 구성하는 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소 간의 터널링 전류를 제어하는 시스템이 제공되며, 여기서 상기 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소는 서로 이격되어 있고, 적어도 상기 제 1 구성 요소는 적어도 상기 제 1 구성 요소 상에 인가되는 자극에 응답하여 상기 제 2 구성 요소에 대해 이동할 수 있다. 상기 터널링 전류 제어 시스템은 MEMS 센서를 구성하는 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소 간에 터널링 전류를 제공하는 터널링 전류 여기 소스와, 적어도 상기 제 1 구성 요소가 상기 제 2 구성 요소에 대해서 이동함에 따라서 상기 터널링 전류의 변화를 모니터링하는 터널링 전류 모니터를 포함한다. 또한, 상기 터널링 전류 제어 시스템은 상기 제 1 구성 요소와 상기 제 2 구성 요소 중 적어도 하나의 위치를 서로에 대해서 조절하는 위치 조절기와, 상기 터널링 전류 모니터와 통신하여 상기 위치 조절기를 제어하는 제어기를 포함하며, 여기서 상기 제어기는 상기 제 1 구성 요소와 상기 제 2 구성 요소 간에 제 1 이격 거리가 형성되어서 상기 시스템이 기준 모드로 되도록 상기 위치 조절기로 하여금 상기 제 1 구성 요소와 상기 제 2 구성 요소 중 적어도 하나의 구성 요소의 위치를 조절하 게 하고, 상기 제어기는 상기 제 1 구성 요소와 상기 제 2 구성 요소 간에 제 2 이격 거리가 형성되어서 상기 시스템이 감지 모드로 되도록 상기 위치 조절기로 하여금 상기 제 1 구성 요소와 상기 제 2 구성 요소 중 적어도 하나의 구성 요소의 위치를 조절하게 하며, 이로써 상기 시스템이 상기 기준 모드에 대해서 캘리브레이션된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, MEMS 센서를 구성하는 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소 간의 터널링 전류를 제어하는 방법이 제공되며, 여기서 상기 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소는 서로 이격되어 있고, 적어도 상기 제 1 구성 요소는 적어도 상기 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소 중 적어도 하나에 가해진 자극에 응답하여 상기 제 2 구성 요소에 대해 이동할 수 있다. 이 방법은 MEMS 센서를 구성하는 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소 간에 터널링 전류를 생성하는 터널링 전류 여기 소스를 제공하는 단계와, 적어도 제 1 구성 요소가 제 2 구성 요소에 대해서 이동함에 따라서 터널링 전류의 변화를 모니터링하는 터널링 전류 모니터를 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 시스템을 기준 모드로 구성하기 위해 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소 사이의 제 1 간격으로 제 1 구성 요소 및 제 2 구성 요소 중 적어도 하나의 위치를 조절하는 단계와, 시스템을 감지 모드로 구성하기 위해 제 1 간격과 다른 제 2 간격으로 제 1 구성 요소 및 제 2 구성 요소 중 적어도 하나의 위치를 조절하는 단계를 더 포함하여, 이것에 의해 시스템이 기준 모드에 대해 캘리브레이션된다.
본 발명을 통해서 자계를 사용하여 전류를 감지하되 소형의 스케일 환경에서도 우수하게 사용될 수 있는 전류 센서가 제공되게 된다.
이하의 설명 부분에서는 전류 감지용 MEMS 센서의 실시예들이 기술될 것이지만, 이러한 실시예들의 MEMS 센서들은 다른 물리적 현상에 의해서 생성되어 이 센서에 인가되게 되는 자극에 응답하여 이 다른 물리적 현상을 감지하는데 있어서도 사용될 수 있다. 도 1은 본 명세서에서 기술될 전류 및 자계 감지용 MEMS 센서의 예시적인 실시예(이하에서는 전반적으로 "전류 센서(100)"로서 지칭됨)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 전류 I를 전달하는 도전체(4)는 자계(20)를 생성한다. 본 발명의 일 실시예에 따라서, 전류 센서(100)는 전류 전달 도전체(4)와 직접 접촉하지 않으면서 전류 전달 도전체(4) 내에 흐르는 전류 I를 감지하는데 사용될 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, MEMS 전류 센서(100)는 전류 센서(100)가 전류 I에 의해 유도된 자계(20) 내에 위치할 때에 생성되는 로렌츠의 힘을 사용하여 도전체(4)가 전달하는 전류 I를 감지 및 측정할 수 있다. 일 실시예에서, 전류 센서(100)는 자계를 감지하고 이에 따라서 측정될 각각의 도전체 내에 존재하는 전류를 표시하는 터널링 전류 기반형 자기-MEMS 구성 요소(a tunneling current based magneto-MEMS component)를 구비한 자계 감지 구성 요소를 포함한다.
본 명세서에서 기술된 전류 센서(100)와 같은 MEMS 기반 전류 및 자계 센서 의 크기를 유리하게 함으로써 공간이 한정된 애플리케이션에서 전류의 감지가 용이해진다. 또한, MEMS 기반 소자를 사용함으로써 매우 정확하고 신뢰할만하며 강력하며 전류 감지에 있어서 어떠한 오차도 유발시키지 않는 전류 센서가 제공될 수 있다. MEMS 전류 센서(100)를 사용하여 전류를 감지하는 본 명세서에서 개시된 비접촉 전류 감지 방법에서는, MEMS 전류 센서(100)가 감지되고 있는 전류의 크기 및/또는 방향에 어떠한 영향도 주지 않게 된다. 가령, MEMS 기반 소자의 크기 및 MEMS 기반 소자의 감도가 주어지면, MEMS 전류 센서(100)는 측정되고 있는 전류 상에 어떠한 편차 또는 변화도 유발시키지 않는다. 또한, MEMS 전류 센서(100)는 제조 비용이 저감되고 기존의 전류 센서에 비해서 그 크기가 크게 감소되기 때문에 유리하다. 또한, 마이크로 리소그래피 및 마이크로 제조 기술로 인해서, 향상된 정확도 및 정밀도로 해서 MEMS 전류 센서(100)가 제조될 수 있다.
일반적으로, MEMS는 기계 소자, 전기 기계 소자, 센서, 액추에이터, 전자 부품 등과 같은 다수의 다양한 소자들을 마이크로 제조 기술을 통해서 공통 기판상에 집적시킬 수 있는 마이크로 스케일 구조물을 지칭한다. 그러나, 현재 MEMS 기술에 의해서 사용가능하게 된 다수의 기술 및 구조물들이 몇 년 후에는 가령 100 나노미터보다 작은 크기를 갖는 구조물을 다루는 나노 기반 기술에 의해서 사용가능하게 될 것이다. 따라서, 본 명세서에서 기술되는 예시적인 실시예들이 MEMS 기반 디바이스를 말하고 있을지라도, 본 발명은 이러한 마이크로 크기의 디바이스로만 한정되는 것이 아니라 더 광범위하게 고려될 필요가 있다.
도 2는 MEMS 기반 전류 센서(100)의 MEMS 기반 자계 감지 구성 요소(25)의 일 실시예를 설명하는 개략도이다. MEMS 기반 자계 감지 구성 요소(25)는 자계(20)를 감지하여 도전체(4)와 같은 해당 전류 전달 도전체 내의 전류를 표시한다. 전류 표시 사항은 감지된 전류의 크기 성분 및 방향 성분을 포함한다. 일 실시예에서, 감지된 전류 표시 방식은 감지된 전류를 전기적으로 표시하는 방식이다.
도 2의 도시된 실시예에서, MEMS 기반 자계 감지 구성 요소(25)는 터널링 전류 기반 자기 MEMS 구성 요소(30), 출력 구성 요소(70) 및 보상기(55)를 포함한다. 터널링 전류 기반 자기 MEMS 구성 요소(30)는 자계를 감지하고 이에 따라서 감지된 자계를 해당 전류 I의 기계적 표시 신호로 변환시킨다. 출력 구성 요소(70)는 도전체 내의 측정된 전류 I를 표시하는 출력을 제공한다. 일 실시예에서, 출력 구성 요소(70)로부터의 출력은 도전체 내의 측정된 전류 I의 크기 및 부호를 나타내는 전기 신호의 형태를 취할 수 있다. 출력 구성 요소(70)는 후속 프로세스를 위해서 메모리, 표시기(가령, 디스플레이 화면) 및/또는 다른 디바이스(가령, 디지털 신호 프로세서 또는 컴퓨터 기반 분석기)에 접속될 수 있다.
도시된 실시예에서, 터널링 전류 기반 자기 MEMS 구성 요소(30)는 전류 I를 자기적으로 표현하는 방식에서 기계적으로 표시하는 방식으로 변환시키는 자기적 표시 대 기계적 표시 변환기(35)를 포함한다. 일 실시예에서, 자기적 표시 대 기계적 표시 변환기(35)는 코일과 같은 도전체일 수 있다. 또한, 터널링 전류 기반 자기 MEMS 구성 요소(30)는 터널링 전류 기반 자기 MEMS 구성 요소(30)를 구조적으로 지지하는 구조적 구성 요소(40)를 포함한다. 이 구조적 구성 요소(40)는 하나 이상의 동종 또는 이종의 구조물, 디바이스, 부재, 어셈블리, 서브 시스템 등을 포함한 다. 가령, 일 실시예에서, 이 구조적 구성 요소(40)는 고정된 형태로 된 제 1 구조적 구성 요소 및 이동 가능한 형태로 된 제 2 구조적 구성 요소를 포함한다. 일 실시예에서, 이 구조적 구성 요소(40)는 자기적 표시 대 기계적 표시 변환기(35)에 의해 제공된 기계적 표시 사항에 응답하여 전류 I를 나타내는 기계적 표시 신호를 제공한다. 이러한 기계적 표시 신호는 구조적 구성 요소(40)가 경험하며 자계의 감지 결과를 표시하는 기계적 이동 정도를 나타낸다. 일 실시예에서, 이 기계적 표시 신호는 구조적 구성 요소(40)의 변위의 정도를 나타낸다. 일 실시예에서, 구조적 구성 요소(40)는 편향 가능한 멤브레인, 캔틸레버, 빔, 다이아프램, 만곡 부재(a flexture member), 공동, 표면이 마이크로 가공된 구조물, 체적이 마이크로 가공된 구조물, 빗 형상 구조물(comb structure), 브리지 또는 임의의 다른 구조적 디바이스 중 적어도 하나를 포함한다. 또한, 구조적 구성 요소(40)에 의해 제공된 기계적 표시 신호는 이 기계적 표시 신호의 벡터 공간 값을 전달할 수 있으며, 이 벡터 공간 값은 이 벡터 공간 값을 전달하는데 사용될 수 있는 벡터 크기, 벡터 방향, 벡터 속력 및 임의의 다른 특성 중 하나 이상을 포함한다.
일 실시예에서, 터널링 전류 기반 자기 MEMS 구성 요소(30)는 구조적 구성 요소(40)에 의해 제공된 기계적 표시 신호를 감지된 전류 I를 나타내는 전기 신호로 변환시키는 기계적 표시 대 전기적 표시 변환기(75)를 적어도 포함한다. 일 실시예에서, 기계적 표시 대 전기적 표시 변환기(75)는 출력단(80)에 의한 후속 프로세스 또는 해석을 위해서 기계적 표시 신호를 변환시킨다. 일 실시예에서, 기계적 표시 대 전기적 표시 변환기(75)는 터널링 전류 기술을 기반으로 한다. 특히, 기계 적 표시 대 전기적 표시 변환기(75)는 터널링 전류 구성 요소(82)를 구비한 터널링 전류 회로(76)를 포함한다. 일 실시예에서, 터널링 전류 구성 요소(82)는 구조적 구성 요소(40) 중 고정된 형태의 구성 요소와 감지된 전류 I에 따라서 그 위치가 변한 이동 가능한 형태의 구성 요소 간의 터널링 전류를 확립, 모니터링 및 유지시킨다.
터널링 전류 구성 요소(82)는 위치 조절기(86)와 함께 동작하여 이 위치 조절기(86)와 자신 간에 터널링 전류를 확립하는 터널링 팁(84)과 같은 터널링 전류 초점 조절 요소에 접속된다. 본 발명의 일 측면에서, 위치 조절기(86)와 터널링 팁(84) 간에 확립된 터널링 전류의 값은 구조적 구성 요소 중 이동 가능한 형태의 구성 요소의 변위 정도를 나타낸다. 일 실시예에서, 위치 조절기(86)는 가령 구조적 구성 요소(40) 중 고정된 형태의 구성 요소 및/또는 이동 가능한 형태의 구성 요소 상에 배치된 하나 이상의 전극을 포함한다. 가령, 이동 가능한 형태의 구성 요소 상에 배치된 위치 조절기(86)의 전극은 고정된 형태의 구성 요소 상에 배치된 터널링 팁(84)과 한 쌍으로 되어서 이 터널링 팁과 이 전극 간에 터널링 전류를 확립한다.
일 실시예에서, 보상기(55)가 사용되어서 자계의 강도를 기계적으로 표시하는 자기적 표시 대 기계적 표시 변환기(35)의 코일 내에 바이어스 전류를 확립한다. 또한, 보상기(55)가 사용되어 가령 기계적 허용 오차, 센서의 노화, 온도, 환경적 요인 등과 같은 요인으로부터 발생한 효과를 보상한다. 보상기(55)는 여기 소스(가령, 전류 소스)(60) 및 제어기(65)를 포함한다. 여기 소스(60)는 MEMS 전류 센서(100)가 사용할 여기량(excitation quanta)을 제공한다. 제어기(65)는 가령 여기 소스(60)의 여기량의 스위칭 및 인가를 제어한다. 제어기(65)는 가령 스위치, 아날로그 프로세서, 디지털 신호 프로세서, 디지털 컴퓨팅 디바이스 또는 아날로그 컴퓨팅 디바이스이다. 본 실례에서, 제어기는 자기적 표시 대 기계적 표시 변환기(35)에 제공되는 바이어스 전류의 온/오프를 제어하고 바이어스 전류의 값을 제어한다.
도 2에서 출력 구성 요소(70), 터널링 전류 기반 자기 MEMS 구성 요소(30) 및 보상기(55)는 개별적 구성 요소로서 도시되었지만, 이들 구성 요소 및 이들의 각각의 기능적 블록은 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 결합되거나 더 분할될 수 있다.
도 3은 터널링 전류 기반 자기 MEMS 구성 요소(30)의 일 실시예를 도시한다. 도 3에서, 터널링 전류 기반 자기 MEMS 구성 요소(30)는 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 이 제 1 구조적 구성 요소(40a)에 대해 실질적으로 대향하여 배치된 제 2 구조적 구성 요소(40b)로 구성된 구조적 구성 요소(40)를 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 구조적 구성 요소(40a)는 고정된 구성 요소이며, 제 2 구조적 구성 요소(40b)는 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 이격되어서 제 1 구조적 구성 요소(40a)에 대해 이동 가능한 구성 요소이다. 가령, 제 2 구조적 구성 요소(40b)는 자신의 지지된 단부(46b)에서는 고정되고 자신의 자유 단부(46a)에서는 자유롭게 이동 가능한 캔틸레버이다.
일 실시예에서, 제 2 구조적 구성 요소(40b)는 코일에 전류가 부여될 때 발 생하는 자계에 반응할 수 있는 도전체 코일과 같은 기계적 감지 구성 요소(45)를 포함한다. 이 기계적 감지 구성 요소(45)는 제 2 구조적 구성 요소(40b)가 포함하거나 제 2 구조적 구성 요소(40b)에 접속된 전기적으로 도전성인 영역 또는 재료(이하에서는 "전극"으로 지칭됨)를 나타낸다. 일 실시예에서, 제 1 구조적 구성 요소(40a) 및 제 2 구조적 구성 요소(40b)는 제 1 기판 및 제 2 기판을 각기 포함한다. 가령, 기계적 감지 구성 요소(45)는 실리콘과 같은 기판상에 배치되거나 기판 내에 형성된 금속과 같은 도전성 물질의 층, 영역 또는 트레이스를 나타낸다. 일 실시예에서, 제 1 구조적 구성 요소(40a)는 그 내부에 규정된 공동(28)을 갖는 기판을 나타낸다.
다른 실시예에서, 제 1 구조적 구성 요소(40a) 및 제 2 구조적 구성 요소(40b)는 제 1 터널링 전류 회로 요소(41a) 및 제 2 터널링 전류 회로 요소(41b)를 각기 포함한다. 제 1 터널링 전류 회로 요소(41a) 및 제 2 터널링 전류 회로 요소(41b)는 제 1 구조적 구성 요소(40a) 및 제 2 구조적 구성 요소(40b)가 각기 포함하거나 제 1 구조적 구성 요소(40a) 및 제 2 구조적 구성 요소(40b)에 각기 접속된 전극을 나타낸다. 제 1 터널링 전류 회로 요소(41a)는 제 1 터널링 전류 회로 요소(41a)와 제 2 터널링 전류 회로 요소(41b) 간에서 확립된 터너링 전류(42)를 감지하는 터널링 팁 역할을 한다. 또한, 제 1 구조적 구성 요소(40a)는 제 1 구조적 구성 요소(40a)가 포함하거나 제 1 구조적 구성 요소(40a)에 접속된 전극과 같은 위치 조절 요소(43)를 포함한다. 이 위치 조절 요소(43)는 기계적 감지 구성 요소(45)와 함께 동작하고 도 2에 도시된 위치 조절기(86)에 응답하여서 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간의 이격 거리 d를 제어한다.
일 실시예에 따라서, 터널링 전류 기반 자기 MEMS 구성 요소(30)의 동작 동안, 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b)에 서로 다른 전압이 각기 인가되어서 터널링 전류(42)가 터널링 전류 회로 요소(41a)와 터널링 전류 회로 요소(41b) 간에 발생되게 한다. 터널링 전류 회로 요소(41a)와 터널링 전류 회로 요소(41b) 간에 발생된 터널링 전류(42)의 값은 터널링 전류 회로 요소(41a)와 터널링 전류 회로 요소(41b) 간의 거리 d의 함수이기 때문에, 거리 d가 변화되면 터널링 전류(42)의 값도 따라서 변화하게 될 것이다. 도 4는 터널링 전류(42)의 값이 터널링 전류 회로 요소(41a)와 터널링 전류 회로 요소(41b) 간의 거리 d가 증가함에 따라서 변화되는 방식을 도시하고 있다. 그래프 19에서 지점 11은 터널링 전류 회로 요소(41a)와 터널링 전류 회로 요소(41b)가 서로 접촉하고 있을 때, 즉 d = 0일 때 옴 도전 상태를 표시하고 있다. 이 상태에서, 터널링 전류(42)는 일정한 옴 접촉 전류를 갖는다. 그래프 19에서 지점 12는 터널링 전류 회로 요소(41a)와 터널링 전류 회로 요소(41b) 간에 어떠한 전류도 존재하지 않게 되도록 d가 충분하게 큰 개방 회로 상태를 표시한다. 지점 11과 지점 12 간에서, 곡선 17은 터널링 전류 발생 상태 13 동안의 지수 함수적으로 변하는 터널링 전류 값을 도시한다. 따라서, 터널링 전류 회로 요소(41a)와 터널링 전류 회로 요소(41b) 간의 거리 d는 터널링 전류 발생 상태 시에 터널링의 전류의 값에 의거하여 결정될 수 있다.
도 3의 도시된 실시예에서, 기계적 감지 구성 요소(45)를 포함하는 자기적 표시 대 기계적 표시 변환기(35)는 터널링 전류 기반 자기 MEMS 구성 요소(30)가 외부 전류 전달 도전체 근방에 위치하고 소량의 바이어스 전류가 자기적 표시 대 기계적 표시 변환기(35)의 기계적 감지 구성 요소(45) 내에서 흐를 때에는 이 외부 전류 전달 도전체에 의해서 생성된 자계가 자기적 표시 대 기계적 표시 변환기(35) 상에 로렌츠의 힘을 발생시킬 수 있도록 제 2 구조적 구성 요소(40b)에 접속된다. 사용된 바이어스 전류는 마이크로 암페어 또는 밀리 암페어 범위 내에 존재하지만, 통상적인 바이어스 전류는 1 내지 10 밀리 암페어이다. 그러나, DC 또는 AC 바이어스 전류가 터널링 전류 기반 자기 MEMS 구성 요소(30)를 변경시키지 않고서 사용될 수 있다. 또한, 이 디바이스의 공진 주파수와 일치하는 주파수를 갖는 AC 바이어스 전류를 구동시킴으로써, 이 디바이스의 감지 능력을 더 개선시킬 수 있다.
로렌츠의 힘은 제 2 구조적 구성 요소(41b)(이동 가능한 요소)가 자계의 방향에 따라서 제 1 구조적 구성 요소(40a)의 면에 반드시 수직한 방향으로 이 제 1 구조적 구성 요소(40a)를 향하거나 떨어지게 자신의 지지 단부(46b)를 중심으로 해서 자신의 자유 단부(46a)에서 편향되게 한다. 이 제 2 구조적 구성 요소(40b)가 경험하게 되는 편향의 크기 및 방향은 전류 I(도 1 참조) 및 이 전류의 극성에 비례한다. 따라서, 전류 도전체 내에 흐르는 전류 I는 이 제 2 구조적 구성 요소(40b)에서 생성된 편향의 정도를 기반으로 한다. 이렇게 생성된 편향 정도는 거리 d를 증가 또는 감소시키고 이로써 도 4의 터널링 곡선 17에서와 같이 터널링 전류(42)의 값도 변화된다. 터널링 전류(42)의 값을 감지함으로써, 거리 d가 결정될 수 있다.
본 명세서에서는 주로 로렌츠의 힘을 사용하여 맥락에서 기술되었지만, 자기 적 표시 대 기계적 표시 변환기(35)는 외부 전류 전달 도전체에 의해 생성된 자계, 이동 루프 및/또는 상호 인덕턴스를 사용할 수도 있다. 또한, 감지되고 있는 전류에 대응하는 기계적 표시 신호를 유도하기 위해서 다른 특성 관계식들이 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 로렌츠의 힘을 생성하는 코일으로서 형성된 전류 도전성 전극과 같은 위치 조절 요소(43)는 힘의 균형 또는 평형 상태를 달성하고/하거나 능동 감지 또는 제로 밸런스 감지를 수행하기 위해서 사용될 수 있다. 가령, 터널링 전류 회로 요소들(41a,41b) 간의 기준 전류 값(가령, 도 4의 곡선 17에서의 지점 15)과 같은 소망하는 터널링 전류 값을 유지하기 위해서 이 위치 조절 요소(43)에 의해서 거리 d가 조절될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 도 4의 곡선 17 상의 지점 15가 기준 거리에 대응하는 기준 전류 값으로서 선택될 수 있다. 제 2 구조적 구성 요소(40b)를 기준 거리로부터 멀어지게 하는 정전기력 또는 자기력과 같은 힘은 터널링 전류 회로 요소들(41a,41b) 간의 거리가 d1으로 복귀되게 하는 힘을 제 2 구조적 구성 요소(40b)에 가함으로써 상쇄될 수 있다. 편향된 제 2 구조적 구성 요소(40b)를 기준 거리 d1으로 다시 복귀시키는데 필요한 복구력은 이러한 편향을 발생시킨 로렌츠의 힘을 생성한 도전체 내에 흐르는 전류의 값을 나타내는 것으로 해석될 수 있다. 이 복구력은 위치 조절 요소(43)가 상기 편향된 제 2 구조적 구성 요소(40b)가 다시 기준 위치로 복귀하는데 충분한 로렌츠 복구력을 자기적 표시 대 기계적 표시 변환기(35) 상에 생성하도록 상기 위치 조절 요소(43) 내의 전류를 제어함으로써 생성될 수 있다.
상술된 MEMS 전류 센서와 같은 터널링 전류 기반 MEMS 센서에서, 터널링 팁과 이에 대응하는 전극 간의 이격 거리를 제어하는 것이 바람직하다. 중요하게는, 오프셋 전압 또는 온도 의존 회로 편차와 같은 전자 제품 내의 제조 공정상의 다양한 결함을 고려하여서 이러한 이격 거리가 정밀하게 유지될 필요가 있다. 가령, 이 이격 거리가 너무나 크면, 터널링 전류가 너무 작게 되어서 측정이 불가능할 것이다. 한편, 이 이격 거리가 너무나 작으면, 옴 접촉 현상이 발생하게 되어서 센서의 측정 결과에 편차를 발생시킬 수 있다. 따라서, 터널링 전류 동작 지점을 일관되게 유지시키게 이러한 이격 거리를 정밀하게 하는 것은 터널링 전류 기반 센서에서 매우 중요한 사항이다.
도 5는 도 2의 MEMS 기반 자계 감지 구성 요소(25)와 같은 MEMS 센서에서 터널링 전류를 제어하는데 사용될 수 있는 예시적인 터널링 전류 제어 시스템(90)의 블록도이다. 이 터널링 전류 제어 시스템(90)은 터널링 전류 구성 요소(82) 및 도 3에 도시된 터널링 전류 기반 자기 MEMS 구성 요소(30)를 구성하는 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간의 터널링 전류를 제어하는 관련 구성 요소를 포함한다. 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b)는 거리 d만큼 서로 이격되어 있다. 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나는 그 상에 인가되는 자극에 따라서 서로에 대해서 이동하게 된다. 터널링 전류 구성 요소(82)는 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간에 터널링 전류(42)를 생성하는 터널링 전류 여기 소스(50)를 포함한다. 터널링 전류 여기 소스(50)는 터널링 전류 회로 요소들(41a,41b) 간의 거리 d를 모니터링하는데 사용되는 터널링 전류를 생성한다. 가령, 터널링 전류 여기 소스(50)는 터널링 전류(42)를 생성하는 전류 소스로서 기능한다. 다른 예시적인 실시예에서, 터널링 전류 여기 소스(50)는 가령 제 1 구조적 구성 요소(40a) 상의 터널링 팁(41a)과 이 터널링 팁(41a)에 대향하게 상기 제 2 구조적 구성 요소(40b) 상에 배치된 터널링 전극(41b)에 각기 상이한 전압을 인가함으로써 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간의 전압 차를 생성한다.
터널링 전류 구성 요소(82)는 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나가 서로에 대해서 이동할 때에 터널링 전류의 변화를 모니터링하는 터널링 전류 모니터(52)를 포함한다. 위치 조절기(86)는 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나의 위치를 서로에 대해서 조절한다. 이 위치 조절기(86)는 도 3에 도시된 바와 같은 위치 조절 요소(43) 및 또는 전극(41b)을 포함한다. 위치 조절 요소(43)는 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나의 위치를 서로에 대해서 조절하는 정전기 소자, 자기 소자, 열적 소자 및/또는 압전 소자를 포함한다.
터널링 전류 구성 요소(82)는 터널링 전류 모니터(52)와 통신하며 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b)가 소정의 이격 거리로 위치하도록 위치 조절기(86)로 하여금 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나의 위치를 조절하게 하는 터널링 전류 제어기(88)를 포함한다. 본 발명자들은 처음에는 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간의 옴 접촉 타입의 전류가 획득되게 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b)를 서로 아주 가깝게 위치시키고, 이어서 소망하는 터널링 전류가 획득되게 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b)를 서로에 대해서 충분하게 멀리 위치시킴으로써, 센서가 전기적 바이어스 및/또는 기계적 바이어스가 사라지도록 구성 또는 캘리브레이션될 수 있음을 획기적으로 발견하게 되었다. 가령, 이러한 캘리브레이션 기술은 디바이스들 간에서 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간의 이격 거리가 상이하게 되게 하는 제조 공정상의 오차를 보상할 수 있으며, 이로써 상기 디바이스들 간의 상기 상이한 이격 거리에 의해서 발생하는 터널링 전류 동작 값들 간에 발생하는 편차가 보상되게 된다.
예시적인 실시예에서, MEMS 기반 자계 감지 구성 요소(25)의 구조적 구성 요소들의 크기는 100 nm 범위 내에 존재한다. 현재의 MEMS 제조 기술을 사용하면, 이러한 작은 스케일의 디바이스 상에서 매우 엄격한 허용 오차를 유지하는 것은 매우 어렵다. 따라서, 본 명세서에서 기술된 예시적인 캘리브레이션 기술은 터널링 전류 기반 MEMS 전류 센서가 도 4의 곡선 17 상의 지점 11과 지점 12 간의 소망하는 터널링 전류를 달성할 수 있는 구성 요소들 간의 일관적인 이격 거리로 해서 동작할 수 있도록 제조 공정상의 오차 및/또는 다른 기계적 오차와 관련된 문제를 해결하는 것을 도울 수 있다. 또한, 상술된 MEMS 센서가 10 나노 암페어 범위 내에서 동작할 수 있기 때문에, 일관적 동작을 보장하기 위해서 전기적 바이어스는 반드시 제거될 필요가 있다. 따라서, 본 발명의 캘리브레이션 기술은 전기적 구성 요소들의 동작에 있어서 발생하는 특성 차이에 의해서 발생하고/하거나 시간 및/또는 온 도가 변함에 따라서 이 전기적 구성 요소들 상에 발생하는 특성 차이에 의해서 발생하는 전기적 바이어스 또는 기계적 바이어스를 보상하는데 사용된다.
도 6은 예시적인 터널링 전류 구성 요소(82)의 개략적 회로도이다. 이 터널링 전류 구성 요소(82)는 도 3의 터널링 전류 회로 요소들(41a,41b) 간의 거리 d를 모니터링하기 위해서 사용되는 터널링 전류를 생성하는 터널링 전류 여기 소스(50)를 포함한다. 가령, 터널링 전류 여기 소스(50)는 도 3의 터널링 전류 회로 요소들(41a,41b) 간에 터널링 전류를 생성할 수 있는 전위차를 도 3의 터널링 전류 회로 요소들(41a,41b) 간에 확립시킨다.
예시적인 터널링 전류 구성 요소(82)는 생성된 터널링 전류를 모니터링하는 터널링 전류 모니터(52)를 포함한다. 가령, 터널링 전류 모니터(52)는 도 3의 터널링 전류 회로 요소들(41a,41b) 각각에서의 전압을 서로 비교하는 비교기(56)를 포함한다. 도 3의 터널링 전류 회로 요소들(41a,41b) 각각에서의 전압을 서로 비교한 비교 결과를 기반으로 하여, 비교기(56)는 도 3의 터널링 전류 회로 요소들(41a,41b) 간의 소망하는 터널링 전류가 유지되도록 제 2 구조적 구성 요소(40b)를 제 1 구조적 구성 요소(40a)에 대해서 이동시키기 위해서 도 3의 위치 조절 요소(43)를 구동하는 위치 조절 신호(58)를 생성한다. 이 위치 조절 신호(58)를 기반으로 하여서 위치 조절 요소(43)를 구동하는 전력은 전압 소스(55)를 포함하는 구동 회로(54)에 의해서 제공된다.
예시적인 실시예에서, 터널링 전류 구성 요소(82)는 MEMS 기반 자계 감지 구성 요소(25) 내의 전기적 바이어스 및/또는 기계적 바이어스와 같은 바이어스를 제 거하기 위해서 캘리브레이션된다. 따라서, 이 터널링 전류 구성 요소(82)는 상기 터널링 전류 모니터(52)와 통신하여 상기 위치 조절기(86)를 제어하는 제어기(88)를 포함하며, 상기 제어기(88)는 상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b) 간에 제 1 이격 거리가 형성되어서 상기 시스템(90)이 기준 모드로 되도록 상기 위치 조절기(86)로 하여금 상기 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나의 구성 요소의 위치를 조절하게 한다. 이 기준 모드는 도 3의 터널링 전류 회로 요소들(41a,41b) 간의 옴 접촉(ohmic contact)으로부터 기인되는 옴 도전 전류 상태와 같은 기준 전류 상태를 포함한다. 이 옴 접촉은 제어기(88)가 위치 조절기(86)로 하여금 도 3의 터널링 전류 회로 요소들(41a,41b) 간에 옴 접촉이 생성되도록 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나의 위치를 서로 간의 위치가 충분하게 근접하게 하도록 조절하게 함으로써 이루어진다. 다른 실시예에서, 기준 모드는 도 3의 터널링 전류 회로 요소들(41a,41b) 간의 옴 접촉을 나타내는 상수 저항과 같은 선형 저항 특성을 포함하는 기준 저항 상태를 포함한다.
상기 제어기(88)는 상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b) 간에 제 2 이격 거리가 형성되어서 상기 시스템(90)이 감지 모드로 되도록 상기 위치 조절기(86)로 하여금 상기 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나의 구성 요소의 위치를 조절하게 하며, 이로써 상기 시스템(90)이 상기 기준 모드에 대해서 캘리브레이션(calibration)되는 것을 특징으로 한다. 가령, 터널링 전류 제어기(88)는 상기 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구조적 구성 요소(40b)가 서로 떨어지도록 이격시키는 것과 같이 상기 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구조적 구성 요소(40b)를 기준 모드로부터 멀어지게 한다. 센서에 근접하여 있는 도전체 내에 흐르는 전류에 의해 유도된 자기력과 같은 센서에 대해 동작하는 다른 자극들로 인한 터널링 전류의 변화를 감지하기 위해서 소망하는 터널링 전류가 도 3의 터널링 전류 회로 요소들(41a,41b) 간에서 생성될 수 있도록 터널링 전류 제어기(88)는 상기 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나의 위치를 조절한다. 가령, 터널링 전류 제어기(88)는 도 4의 곡선 17 상의 지점 11과 지점 12 간에 대응하는 터널링 전류를 달성하기 위해서 상기 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나의 위치를 조절할 수 있다.
터널링 전류 제어기(88)는 MEMS 기반 자계 감지 구성 요소(25)가 기준 모드가 될 수 있게 상기 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구조적 구성 요소(40b)가 서로 충분하게 인접할 수 있도록 위치 조절기(86)를 제어하고 이어서 MEMS 기반 자계 감지 구성 요소(25)가 감지 모드가 될 수 있게 상기 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구조적 구성 요소(40b)가 서로 떨어지게 되도록 상기 위치 조절기(86)를 제어하는 바이어스 전압 생성기와 같은 제 1 제어 회로(92)를 포함한다. 가령, 제 1 제어 회로(92)는 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나를 이동시키는데 적합한 신호(58)를 생성하기 위해서 비교기(56)의 입력부 전압을 제어한다. 이 제 1 제어 회로(92)는 위치 조절기(86)에 에너지를 부여하는 가변 전압을 제공할 수 있는 디지털 전위차계와 같은 전압 분할기 네트워크(94)를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 상기 제 1 제어 회로(92)는 위치 조절기(86)에 에너지를 부여하는 가변 아날로그 전압을 제공할 수 있는 디지털 대 아날로그 변환기(93)(파선으로 표시됨)를 포함한다.
다른 예시적인 실시예에서, 터널링 전류 제어기(88)는 터널링 전극(41b)과 터널링 전류 초점 조절 요소(41a) 간의 전위차를 제어하는 제 2 제어 회로(96)를 포함한다. 가령, 이 제 2 제어 회로(96)는 터널링 전극(41b)과 터널링 전류 초점 조절 요소(41a) 간에 소망하는 전위차를 생성하기 위해서 터널링 전극(41b)의 전압을 제어할 수 있다. 이 제 2 제어 회로(96)는 소망하는 전위차를 생성하는 가변 전압을 제공할 수 있는 디지털 전위차계와 같은 전압 분할기 네트워크(98)를 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 상기 제 2 제어 회로(96)는 소망하는 전위차를 생성하는 가변 아날로그 전압을 제공할 수 있는 디지털 대 아날로그 변환기(93)(파선으로 표시됨)를 포함한다.
도 7은 도 5 및 도 6에 도시된 MEMS 전류 센서를 구성하는 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간의 터널링 전류를 제어하는 예시적인 방법을 설명하는 흐름도(102)이다. 본 방법은 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간의 전위차를 변화시켜서 옴 도전성 상태를 결정하는 단계(104) 및 옴 도전성 상태를 식별하기 위해서 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나를 이동시키는 단계(106)를 포함한다. 또한, 본 방법은 변화된 전위차 및 이 변화된 전위차에 응답하여 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간에 생성된 터널링 전류(42)를 기반으로 하여서 저항 특성을 결정하는 단계(108)를 포함한다. 단계(110)에서 저항 특성이 비선형 관계와 같은 비 옴 도전 특성을 나타내는 관계를 포함하면, 단계(104) 및 단계(108)가 반복된다. 단계(110)에서 저항 특성이 선형 관계와 같은 옴 도전 특성을 나타내는 관계를 포함하면, 단계(112)에서 옴 도전 상태가 식별되고, 단계(114)에서는 저항 특성이 선형 특성에서 비선형 특성으로 변화될 때까지, 즉 단계(118)에서와 같이 옴 도전성 상태에서 터널링 도전성 상태로 변화될 때까지 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나가 이동된다. 단계(118)에서, 옴 도전성 상태에서 터널링 도전성 상태로 천이하는 지점이 식별되면, 단계(120)에서 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나를 소정의 거리 만큼 서로에 대해서 이동시켜서 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간에 소망하는 터널링 전류가 달성된다. 다른 실시예(파선으로 표시됨)에서는, 단계(122)에서는, 옴 도전성 상태에서 터널링 도전성 상태로의 천이가 확립되는 위치에 있도록 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b)의 위치가 조절되고 이어서 소망하는 터널링 전류 값을 달성하기 위해서 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간의 터널링 전류 값이 조정된다. 가령, 전류(42)는 소망하는 터널링 전류 값을 달성하기 위해서 도 5의 터널링 전류 초점 조절 요소(41a)와 터널링 전극(41b)에 각기 서로 다른 전압을 인가함으로써 조절될 수 있다. 이 시점에서, 자극이 감지된다(단계 124). 다른 예시적인 실시예에서, 본 방법은 센서가 캘리브레이션되는 것을 확증하기 위해서 단계들(104-120) 또는 단계들(104-122)을 주기적으로 수행하는 단계를 포함한다. 가령, 이러한 단계를 반복하는 주기, 즉 캘리브레이션 수행 주기는 가령 감지되고 있는 교류 전류의 주파수와 같은 자극의 주기와는 다르게 선정될 수 있다.
도 8은 도 5 및 도 6에 도시된 MEMS 전류 센서를 구성하는 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간의 터널링 전류를 제어하는 다른 예시적인 방법을 설명하는 흐름도(126)이다. 본 방법은 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간의 전위를 고정 값으로 설정하는 단계(128)를 포함한다. 본 방법은 옴 도전성 상태를 식별하기 위해서 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나를 이동시키는 단계(130)를 포함한다. 본 방법은 도 5의 터널링 전류 초점 조절 요소(41a)와 터널링 전극(41b) 간의 전류(42)가 일정하게 되는 때를 결정하는 단계(132)를 포함한다. 이에 따라서, 전류(42)가 일정하게 될 때까지, 즉 옴 도전성 상태를 나타내는 상태가 될 때까지 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b)가 이동된다. 옴 도전성 상태가 식별되면(단계 134), 단계(136)에서 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b)가 서로 이격되어서 옴 도전성 상태로부터 멀어진다. 즉, 전류가 선형 특성에서 비선형 특성으로 변화될 때(단계 138)까지, 즉 단계(140)에서와 같이 옴 도전성 상태에서 터널링 도전성 상태로 변화될 때까지, 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나가 이동된다. 단계(140)에서, 옴 도전성 상태에서 터널링 도전성 상태로 천이하는 지점이 식별되면, 단계(142)에서 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 중 적어도 하나를 소정의 거리 만큼 서로에 대해서 이동시켜서 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간에 소망하는 터널링 전류가 달성된다. 다른 실시예(파선으로 표시됨)에서는, 단계(144)에서는, 소망하는 터널링 전류 값을 달성하기 위해서 제 1 구조적 구성 요소(40a)와 제 2 구조적 구성 요소(40b) 간의 터널링 전류 값이 조정된다. 가령, 전류(42)는 소망하는 터널링 전류 값을 달성하기 위해서 도 5의 터널링 전류 초점 조절 요소(41a)와 터널링 전극(41b)에 각기 서로 다른 전압을 인가함으로써 조절될 수 있다. 이 시점에서, 자극이 감지된다(단계 146). 다른 예시적인 실시예에서, 본 방법은 센서가 캘리브레이션되는 것을 확증하기 위해서 단계들(128-142) 또는 단계들(128-144)을 주기적으로 수행하는 단계를 포함한다. 가령, 이러한 단계를 반복하는 주기, 즉 캘리브레이션 수행 주기는 가령 감지되고 있는 교류 전류의 주파수와 같은 자극의 주기와는 다르게 선정될 수 있다.
마이크로 가공 제조 기술들을 일괄 처리하고 이로 인한 제조 비용 절감으로 인해서, 본 명세서에서 기술된 MEMS 기반 전류 센서(100)는 가령 포토리소그래피 및 에칭을 사용하여서 매우 일괄적으로 제조될 수 있다. 상술한 바와 같이, 도 2의 MEMS 디바이스는 본 발명에 따른 전류 센서의 단지 실례에 불과하다. 다른 MEMS 기반 전류 센서(100)의 실례는 가령 자계 성형, 자계 감지, 전류 값 표시 및 다른 목적을 위해서 전류 센서 내에 다수의 MEMS 디바이스를 사용할 수 있다.
본 발명의 소정의 실시예들이 지금까지 기술되었지만, 이러한 실시예들은 본 발명을 한정하기보다는 단지 예시적으로 제시되었다. 따라서, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고서 다양한 수정 및 변경이 본 기술 분야의 당업자에게는 가능하다. 이 로써, 본 발명을 다음의 첨부된 청구 범위로만 한정된다.
도 1은 MEMS 기반 전류 및 자계 센서를 나타내는 개략도,
도 2는 터널링 전류 기반 MEMS 전류 센서의 예시적인 실시예의 개략도,
도 3은 터널링 전류 기반 자기 MEMS 구성 요소의 일 측면의 단면도,
도 4는 이격 거리에 대한 터널링 전류를 지수 함수적으로 표시한 이격 거리 대 터널링 전류의 그래프,
도 5는 터널링 전류 구성 요소의 개략적 블록도,
도 6은 터널링 전류 구성 요소의 개략적 회로도,
도 7은 MEMS 센서를 구성하는 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소 간의 터널링 전류를 제어하는 일 예시적인 방법의 흐름도,
도 8은 MEMS 센서를 구성하는 제 1 구성 요소와 제 2 구성 요소 간의 터널링 전류를 제어하는 다른 예시적인 방법의 흐름도.
도면의 부호에 대한 설명
4 : 도전체 11 : 지점
12 : 지점 13 : 터널링 전류 발생 상태
15 : 지점 17 : 곡선
19 : 예시적 그래프 20 : 자계
25 : MEMS 기반 자계 감지 구성 요소
28 : 공동을 구비한 기판
30 : 터널링 전류 기반 자기 MESM 구성 요소
35 : 자기적 표시 대 기계적 표시 변환기
40 : 구조적 구성 요소
40a : 제 1 구조적 구성 요소 40b : 제 2 구조적 구성 요소
41a : 제 1 터널링 전류 회로 요소
41b : 제 1 터널링 전류 회로 요소
42 : 터널링 전류 43 : 위치 조절 요소
45 : 기계적 감지 구성 요소 46a : 자유 단부
46b : 지지 단부 50 : 터널링 전류 여기 소스
52 : 터널링 전류 모니터 54 : 구동 회로
55 : 보상기 56 : 비교기
58 : 위치 조절 신호 60 : 여기 소스
65 : 제어기 70 : 출력 구성 요소
75 : 기계적 표시 대 전기적 표시 변환기
76 : 터널링 전류 회로 80 : 출력단
82 : 터널링 전류 구성 요소 84 : 터널링 팁
86 : 위치 조절기 88 : 터널링 전류 제어기
90 : 터널링 전류 제어 시스템 92 : 제 1 제어 회로
94 : 전압 분할기 네트워크 96 : 제 2 제어 회로
98 : 전압 분할기 네트워크 100 : 전류 센서
102 : 흐름도
104 : 전위를 변화시킴으로써 옴 도전 상태를 결정하는 단계
106 : 제 1 및 제 2 구성 요소 중 적어도 하나를 이동시키는 단계
108 : 저항 특성 결정 단계
110 : 저항 특성의 선형 여부?
112 : 옴 도전 상태 식별 단계
114 : 제 1 및 제 2 구성 요소를 서로 떨어지게 이동시키는 단계
116 : 저항의 변화 여부?
118 : 전류 도전 지점 식별 단계
120 : 제 1 및 제 2 구성 요소 중 적어도 하나의 위치를 서로에 대해 변화시키는 단계
122 : 제 1 및 제 2 구성 요소 간의 터널링 전류를 소정의 값으로 조절하는 단계
124 : 감지 단계
126 : 흐름도
128 : 제 1 및 제 2 구성 요소 간의 전위를 고정 값으로 설정하는 단계
130 : 제 1 및 제 2 구성 요소 중 적어도 하나를 이동시키는 단계
132 : 전류가 일정한가?
134 : 옴 도전성 상태 식별 단계
136 : 제 1 및 제 2 구성 요소를 서로 떨어지게 이동시키는 단계
138 : 전류의 변화 여부?
140 : 일정한 전류가 가변 전류로 변화되는 단계
142 : 제 1 및 제 2 구성 요소 중 적어도 하나의 위치를 서로에 대해 변화시키는 단계
144 : 제 1 및 제 2 구성 요소 간의 터널링 전류를 소정의 값으로 조절하는 단계
146 : 자극 감지 단계

Claims (10)

  1. MEMS(a micro-electromechanical system) 센서를 구성하는 제 1 구성 요소(40a) 및 제 2 구성 요소(40b) 간의 터널링 전류(42)를 제어하는 시스템(90)━상기 제 1 구성 요소(40a)와 제 2 구성 요소(40b)는 서로 이격되어 있고, 적어도 상기 제 1 구성 요소(40a)는 적어도 상기 제 1 구성 요소(40a) 상에 인가되는 자극에 응답하여 상기 제 2 구성 요소(40b)에 대해 이동할 수 있음━으로서,
    MEMS 센서(100)를 구성하는 제 1 구성 요소(40a)와 제 2 구성 요소(40b) 간에 터널링 전류(42)를 제공하는 터널링 전류 여기 소스(50)와,
    적어도 상기 제 1 구성 요소(40a)가 상기 제 2 구성 요소(40b)에 대해서 이동함에 따라서 상기 터널링 전류(42)의 변화를 모니터링하는 터널링 전류 모니터(52)와,
    상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b) 중 적어도 하나의 위치를 서로에 대해서 조절하는 위치 조절기(86)와,
    상기 터널링 전류 모니터(52)와 통신하여 상기 위치 조절기(86)를 제어하는 제어기(88)를 포함하며,
    상기 제어기(88)는 상기 시스템(90)을 기준 모드로 구성하기 위해 상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b) 간의 제 1 간격으로 상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b) 중 적어도 하나의 구성 요소의 위치를 조절하고, 상기 시스템(90)을 감지 모드로 구성하기 위해 상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b) 간의 제 2 간격으로 상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b) 중 적어도 하나의 구성 요소의 위치를 조절하며, 이로써 상기 시스템(90)이 상기 기준 모드에 대해서 캘리브레이션(calibration)되는
    터널링 전류 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 모드는 기준 전류 상태를 포함하는
    터널링 전류 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 모드는 옴 도전 전류 상태(ohmic conduction current condition)를 포함하는
    터널링 전류 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 모드는 기준 저항 상태를 포함하는
    터널링 전류 제어 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기준 저항 상태는 선형 저항 특성을 포함하는
    터널링 전류 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 선형 저항 특성은 상수 저항을 포함하는
    터널링 전류 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치 조절기(86)는 정전기 소자, 자기 소자, 열적 소자 및 압전 소자 중 적어도 하나를 포함하는
    터널링 전류 제어 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 터널링 전류 여기 소스(50)는,
    상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b) 중 어느 하나 상에 배치된 터널링 전극(41b)과,
    상기 터널링 전극(41b) 가까이에 상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b) 중 대향하는 다른 하나 상에 배치된 터널링 전류 초점 조절 요소(41a)를 포함하는
    터널링 전류 제어 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 터널링 전류 초점 조절 요소(41a)는 터널링 팁을 포함하는
    터널링 전류 제어 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어기(88)는 상기 시스템이 상기 기준 모드로 되게 상기 제 1 구성 요소(40a)와 상기 제 2 구성 요소(40b)가 서로 충분하게 근접하게 되도록 상기 위치 조절기(86)에 에너지를 부여하는 제 1 제어 회로(92)를 포함하는
    터널링 전류 제어 시스템.
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