KR20190075854A - 중복 조합 판독 - Google Patents

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KR20190075854A
KR20190075854A KR1020180166830A KR20180166830A KR20190075854A KR 20190075854 A KR20190075854 A KR 20190075854A KR 1020180166830 A KR1020180166830 A KR 1020180166830A KR 20180166830 A KR20180166830 A KR 20180166830A KR 20190075854 A KR20190075854 A KR 20190075854A
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KR1020180166830A
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빌라바오 드 멘디자발 자비에르
포에자르트 매튜
Original Assignee
멜렉시스 테크놀로기스 에스에이
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Abstract

본 발명은 4개 이상의 센서 요소를 포함하는 센서 디바이스와 관련된다. 제어 회로를 포함하는 제어기가 센서 요소를 제어하여 환경적 속성을 측정하고 측정치에 대응하는 셋 이상의 값을 생성하고, 값들을 비교하여 불량을 결정할 수 있다. 셋 이상이 값은 적어도 하나의 공통된 센서 요소와 공통되지 않은 하나의 센서 요소를 갖는 센서 요소들의 상이한 조합에 의해 획득된다. 값은 상이한 좌표계에서 측정될 수 있으며, 제어 회로가 장 벡터를 공통 좌표계로 변환할 수 있다.

Description

중복 조합 판독{REDUNDANT COMBINATORY READOUT}
본 발명은 일반적으로 필드 센서 고장 검출 구조물, 회로, 및 방법과 관련된다.
센서는 환경의 속성을 측정하고 측정된 센서 값을 보고하기 위해 전자 디바이스에서 널리 사용된다. 구체적으로, 자기 센서가 예를 들어 교통 시스템, 가령, 자동차에서 자기장을 측정하는 데 사용된다. 자기 센서는 인가된 자기장에 비례하는 출력 전압을 생성하는 홀 효과 센서(Hall-effect sensor) 또는 외부 자기장에 반응하여 변하는 전기 저항을 갖는 자기-저항성 물질을 포함할 수 있다. 많은 응용 분야에서, 센서가 소형이고 전자 처리 회로와 일체 구성되어 전체 센서 크기를 감소시키고 개선된 측정 및 외부 전자 시스템으로의 집적을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 출원 US2016/299200이 절연층 및 접착층과 함께 기판 상에 반도체 물질로 형성된 집적 회로를 포함하는 자기장을 측정하기 위한 홀-효과 자기 센서를 기술한다.
센서로부터의 측정치는 시간에 따라 드리프트하여, 동일한 장에 노출될 때에도 변하는 측정치를 제공한다. 예를 들면, 장 측정치가 희망 공칭 값에서 벗어날 수 있거나, 측정치가 희망 값의 배수(크거나 작음)이도록 감도가 변할 수 있거나, 두가지 모두일 수 있다. 이러한 변형은 환경 조건, 가령, 온도나 습도, 또는 동작 인수, 가령, 진동이나 노후의 변경의 결과일 수 있다. 덧붙여, 디바이스가 유사한 이유로 시간에 따라 고장 날 수 있다. 덧붙여, 센서가 만들어지는 물질은 센서 응답의 정확도, 오프셋 바이어스, 또는 대칭에 영향을 미치는 결함을 가질 수 있다.
따라서 임의의 고장 나거나 불량인 센서 디바이스에 대해 수리가 수행되거나 교체가 제공될 수 있도록, 복합적이고 안전이 중요한 시스템, 가령, 자동차 시스템에서 고장이나 장애를 검출하기 위한 진단 기능을 포함하는 것이 중요하다. 예를 들어, WO2015/038564가 홀-효과 센서 시스템 내 자기 홀-효과 센서로부터의 측정을 검증하기 위한 방법을 기재한다. 이러한 방식으로, 홀-효과 센서가 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 센서는 제2 값을 갖는 여기 전류에 의해 여기되고, 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 제1 측정치 및 제2 측정치를 적어도 기초로 하여 검증된다.
자기장 센서 내 진단을 관리하기 위한 또 다른 방식이 US2016/252599에 기재되어 있다. 이 설계는 에러 정보를 제공하는 자기장 센서와 연관된 스위치를 이용한다. 구체적으로 자기장 센서, 상기 자기장 센서와 연관된 복수의 스위치, 및 복수의 스위치를 제어하고 스위치의 동작을 기초로 고장을 나타내는 적어도 하나의 신호를 제공하도록 구성된 제어 회로를 포함하는 디바이스가 제공된다.
US 9,523,589는 네 개의 상이한 방향에서 자기장 성분을 검출하고 회전 자석의 위치를 계산하는 데 사용되기 위한 네 개의 홀 요소 쌍을 갖는 회전 각 측정 장치를 기재한다. 검출된 장 성분의 각들이 비교되어 고장을 결정할 수 있다. 이 설계에서 진폭 계산 유닛이 제1 홀 요소 쌍 및 제2 홀 요소 쌍으로부터의 출력 신호의 강도를 기초로 회전 자석으로부터의 자기장 강도를 나타내는 제1 진폭 값 M을 계산하고, 제3 홀 요소 쌍과 제4 홀 요소 쌍으로부터의 출력 신호의 강도를 기초로 회전 자석으로부터의 자기장 강도를 나타내는 제2 진폭 값 Mc를 계산한다. 따라서 진폭 계산 유닛은 홀 요소(즉, 자기 센서)의 복수의 쌍으로부터의 출력 신호를 기초로 복수의 진폭 정보를 계산하되, 상기 출력 신호는 복수의 회전 각 정보에 대응하며 복수의 회전 각 정보의 비교 및 일부 경우 회전 요소의 장의 강도의 비교에 의해 고장이 결정된다.
US 8,749,005는 복수의 다각 형태로 배열된 수직 홀 요소를 갖는 자기장 센서를 기술한다. US 9,581,426는 자기-감지 표면 상에 4개의 자기-전기 트랜스듀서를 갖는 자기장 측정 디바이스를 개시한다. US 7,664,619는 측정 값을 정상 범위에 비교하고 고장을 결정하는 회전 각 검출 디바이스를 위한 고장 검출 유닛을 기재한다.
장 센서가 잘못된 장 측정치를 야기하는 센서 물질 또는 디바이스 내 동작 또는 구조적 불량 또는 결함에 영향 받기 때문에, 센서 디바이스 및 시스템에서 센서 디바이스를 동작시키고 테스트하는 회로 및 방법과 중요한 동작 조건 하에서 센서 내 고장을 검출하거나 교정하기 위한 시스템이 필요하다.
본 발명의 실시예의 목적은 상이한 센서 배열을 이용해 동일한 물리량의 중복 측정을 할 수 있는 센서 디바이스를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따르는 해결 수단에 의해 달성된다.
본 발명의 실시예는 외부 장에 반응하여 제1 센서 신호를 생성하도록 제1 배향으로 배치된 제1 장 센서, 외부 장에 반응하여 제2 센서 신호를 생성하도록 제1 배향과 상이한 제2 배향으로 배치된 제2 장 센서, 및 제어 회로를 갖는 제어기를 포함하는 장-센서 디바이스를 제공하며, 상기 제어 회로는 제1 및 제2 장 센서를 제어하여 대응하는 제1 및 제2 센서 신호를 생성하고, 제1 및 제2 센서 신호를 수신하고 제1 또는 제2 센서 신호, 또는 둘 모두를 공통 배향에서의 등가의 비교 가능 센서 신호로 변환하며, 상기 비교 가능 센서 신호들을 비교하여 불량 장 센서가 있는 경우 이를 결정하고, 불량 장 센서가 결정된 경우, 선택사항으로서, 불량 센서 신호를 제공하며 제1 및 제2 장 센서 중 어느 것이 불량인지를 결정하거나, 불량 센서가 결정되지 않은 경우, 제1, 제2, 또는 비교 가능 센서 신호에 응답하여 출력 센서 신호를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따라, 장은 크기와 방향을 갖는 환경적 속성 또는 특성이며, 예를 들어 벡터 장치다. 다양한 실시예에서, 장은 자기장, 압력장, 전기장 또는 중력장일 수 있으며 장 센서는 자기장 센서, 압력장 센서, 전기장 센서 또는 중력장 센서일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 제1 배향은 2개의 직교 차원에서 제2 배향과 상이하다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 제1 배향은 3개의 직교 차원에서 제2 배향과 상이하다. 제1 및 제2 배향은 제1 및 제2 좌표계, 방향 또는 차원일 수 있다. 센서의 배향은 센서에 의해 제공되는 측정 축에 의해 결정된다. 제1 센서가 제2 센서의 측정 축과 동일 선상에 있지 않은 측정 축을 갖는 경우, 제1 및 제2 센서는 측정 축에 의해 형성되는 차원에서 적어도 상이한 배향을 가진다.
일부 구성에서, 제어 회로는 제1 센서 신호, 제2 센서 신호 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 하나 또는 둘 모두를 상이한 배향 또는 좌표계로 변환하기 위한 변환 회로(가령, 저장된 소프트웨어 프로그램을 갖는 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 또는 제2 장 센서가 하나 이상의 센서 요소, 센서 요소 쌍을 포함하는 각 장 센서 또는 좌표계에 대해 장 벡터의 각도를 측정할 수 있는 복수의 센서 요소를 갖는 브리지 센서이다. 각각의 센서 요소 또는 센서 요소 쌍은 특정 방향에서 장 벡터를 측정할 수 있고 공통 각 장 센서에서 센서 요소 또는 센서 요소의 쌍은 직교하도록 배열되어 상이한 방향에서 장을 측정함으로써 좌표계에 대한 각 측정치를 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 각 장 센서는 방향 및 크기를 갖는 장을 측정할 수 있고, 제1 좌표계에 따라 2개의 성분, 가령, Bx, By를 갖는 각 센서 측정치를 제공한다. 제2 각 장 센서는 동일한 장을 측정하고 제1 좌표계와 상이한 제2 좌표계에 따르는 2개의 성분, 가령, Bx', By'를 갖는 각 센서 측정치를 제공할 수 있다. 가령, Bx' 및 By' 측정치를 제1 좌표계로 변환, Bx 및 By 측정치를 제2 좌표계로 변환, 또는 Bx 및 By 측정치와 Bx' 및 By' 측정치 모두를 제3의 공통 좌표계로 변환함으로써, 상이한 좌표계에서 취해진 2개의 측정치가 하나의 공통 비교 가능 좌표계로 변환됨으로써 비교될 수 있다.
일부 구성에서, 제1 및 제2 장 센서가 기판 물질을 포함하는 디바이스 기판 상에 배치되고 제1 또는 제2 장 센서가 기판 물질과 적어도 부분적으로 상이한 하나 이상의 센서 물질을 포함한다. 기판 물질은 반도체일 수 있고 제어 회로는 적어도 부분적으로 반도체 기판 내에 또는 상에 형성될 수 있다. 제어 회로는 기판 물질과 적어도 부분적으로 상이한 제어-회로 물질을 포함할 수 있으며 제어 회로는 기판 상에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 장-센서 디바이스를 진단하는 방법이 장-센서 디바이스를 제공하는 단계, 장-센서 디바이스에 전력을 제공하는 단계, 제어 회로를 이용해 제1 및 제2 장 센서를 제어하여 제1 및 제2 센서 신호 각각을 생성하는 단계, 제어 회로를 이용해 제1 및 제2 센서 신호를 수신하는 단계, 제어 회로를 이용해 제1 또는 제2 센서 신호 또는 둘 모두를 공통 배향의 등가의 비교 가능 센서 신호로 변환하는 단계, 및 제어 회로를 이용해 비교 가능 센서 신호들을 비교하여 제1 또는 제2 장 센서가 불량인지 여부를 결정하고, 불량 장 센서가 결정되며, 제어 회로를 이용해 비교 가능 센서 신호에 반응하는 불량 센서 신호를 제공하는 단계, 및 선택사항으로서 제1 및 제2 장 센서 중 어느 것이 불량인지를 결정하는 단계, 또는 불량 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 불량인 경우, 제1 센서 신호이거나 제1 센서 신호로부터 얻어진 출력 센서 신호가 제공될 수 있다. 제1 장 센서가 불량인 경우, 제2 센서 신호이거나 제2 센서 신호로부터 얻어진 출력 센서 신호가 제공될 수 있다. 따라서, 고장 난 장 센서를 식별하고 나머지 다른 장 센서로부터의 센서 신호를 이용함으로써 장 센서 중 하나가 고장 났을 때에도 본 발명의 장-센서 디바이스는 계속 동작할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 센서 또는 제2 센서가 둘 이상의 센서 요소를 포함하고, 제1 센서 및 제2 센서 중 하나가 불량인 경우, 둘 이상의 센서 요소 중 어느 것이 불량인지가 제1 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. 측정치가 제1 좌표계로 변환되고 x 방향에서 차이가 있는 경우, 제1 센서의 x-센서 요소가 불량이다. y 방향에서 차이가 있는 경우, 제1 센서의 y-센서 요소가 불량이다. x' 방향에서 차이가 있는 경우, 제2 센서의 x'-센서 요소가 불량이다. y' 방향에서 차이가 있는 경우, 제2 센서의 y'-센서 요소가 불량이다. 작은 차이, 가령, 제조 변동으로 인한 차이는 불량으로 간주되지 않도록, 차이는 지정 크기 임계치, 공차 또는 마진을 초과할 때 결정될 수 있다.
일부 실시예에서, 1회차에서 단계들은 반복되고, 제1, 제2, 또는 임의의 비교 가능 센서 신호가 저장된다. 단계들은 1회차와 상이한 2회차에서 반복되고, 저장된 신호들 중 임의의 하나 이상과 2회차에서의 제1, 제2, 또는 비교 가능 신호가 비교되고, 처리되거나 조합된다. 또 다른 실시예에서, 비교 가능 센서 신호 또는 제1 및 제2 센서 신호로부터 얻어진 신호가 조합되어 출력 센서 신호를 제공할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 센서는 자기 홀-효과 센서이거나 자기-저항성 센서이다. 센서는 브리지 센서(bridge sensor)일 수 있으며, 복수의 센서 요소를 포함하거나 센서 요소의 하나 이상의 쌍을 포함할 수 있다. 센서 요소의 쌍은 장 센서 내 상이한 방향 또는 차원으로 배향될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 센서 디바이스는 4개 이상의 센서 요소와 제어 회로를 포함하는 제어기를 포함하며, 상기 제어 회로는 4개 이상의 센서 요소를 제어하여 환경적 속성을 측정하게 하고 상기 측정에 대응하는 둘 이상의 값을 생성하게 한다. 둘 이상의 값 각각은 적어도 3개의 동일 선상에 있지 않는(non-co-linear) 센서 요소를 갖는 4개 이상의 센서 요소의 세트로부터 획득된다. 제어 회로는 획득된 값들을 비교하여, 불량이 존재하는 경우 불량을 결정할 수 있다. 센서 요소 세트 각각은 타 세트와 공통인 센서 요소를 적어도 하나 포함한다. 각각의 세트는 타 세트에 포함되지 않는 적어도 하나의 상이한 센서 요소를 포함하거나, 및/또는 세트들이 상이한 배향으로 환경적 속성을 측정한다.
일부 실시예에서, 적어도 2개의 임의의 센서 요소는 제1 좌표계에서 제1 선을 형성하고 적어도 2개의 임의의 센서 요소는 제1 좌표계와 상이한 제2 좌표계에서 제1 선과 상이한 제2 선을 형성한다. 제어 회로를 포함하는 제어기는 센서 요소를 제어하여 환경적 속성, 가령, 장, 가령, 자기장을 측정하게 하고, 측정에 대응하는 셋 이상의 값(가령, 장 벡터)를 생성하게 하며, 상기 값들을 비교하여 불량 센서 요소에 대응하는 불량 값을 결정하게 한다. 일부 실시예에서, 값들 중 적어도 2개가 상이한 좌표계에서 측정되고 제어 회로는 값들을 공통 좌표계로 변환한다. 또 다른 실시예에서, 값들이 동일한 좌표계에서 측정되지만 값들은 적어도 부분적으로 상이한 센서 요소에 의해 측정된다.
일부 실시예에서, 4개의 센서 요소가 사변형, 장방형, 사각형 또는 원형 배열로 배열되고 제어 회로는 상이한 방향을 갖는 선을 형성하는 센서 요소 쌍으로부터의 측정치를 조합하여 측정된 값을 생성할 수 있다.
청구항 1의 센서 디바이스를 동작시키는 방법은 제어 회로를 이용해 센서 요소에 의한 환경적 속성을 측정하게 하는 단계, 센서 요소 측정치를 조합하여 환경적 속성을 나타내는 셋 이상의 값을 생성하는 단계, 및 값들(가령, 장 벡터, 가령, 자기장 벡터)을 비교하여 불량이 존재하는 경우 불량을 결정하는 단계를 포함한다.
실시예에서, 값들은 장 벡터이고 상이한 방향을 갖는 선을 형성하는 센서 요소들의 쌍으로부터의 측정치가 조합되어 장 벡터를 생성하고 상이한 방향은 직교일 수 있다. 값 또는 장 벡터가 상이한 좌표계에서 생성될 수 있고 공통 좌표계로 변환될 수 있다.
본 발명의 실시예는 더 작고 덜 비싼 회로를 이용하는 개선된 진단 기능을 갖는 센서 디바이스를 제공하고 센서 또는 센서 물질에서 불량 또는 미세 결함을 보상하거나 검출할 수 있다. 불량의 비제한적 예시로는, 연결끊김(disconnection), 고-저항 연결, 단락, 또는 재료 결함이 있을 수 있다. 검출은 센서 회로가 동작 중일 때 동시에 발생할 수 있다.
본 발명 및 종래 기술에 대한 이점을 간략히 설명하기 위해, 본 발명의 특정 목적 및 이점이 기재되었다. 물론, 이러한 목적 또는 이점이 반드시 본 발명의 임의의 특정 실시예에 따라서만 달성될 수 있는 것이 아니다. 따라서 예를 들어, 해당 분야의 통상의 기술자라면 본 명세서에 설명되거나 암시되는 하나의 이점 또는 복수의 이점을 얻거나 최적화하는 방식으로 본 발명이 구현 또는 실행될 수 있음을 알 것이다.
본 발명의 앞서 언급된 그리고 그 밖의 다른 양태가 이하에서 기재된 실시예를 참조하여 자명해질 것이다.
본 발명의 상기의 그리고 그 밖의 다른 목적, 양태, 특징 및 이점이 첨부된 도면와 함께 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 더 명백해지고 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예의 투시도이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 예시적 실시예의 투시도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 예시적 실시예의 투시도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 예시적 실시예의 투시도이다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 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 7은 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 좌표계에서의 센서 요소의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 2개의 상이한 좌표계에서의 센서 요소를 갖는 장 센서의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 2개의 상이한 좌표계에서의 장 벡터의 그래픽 표현이다.
도 12는 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 x-좌표 측정치에서 에러를 갖는 장 벡터의 그래픽 표현이다.
도 13은 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 y 좌표 측정치에서 에러를 갖는 장 벡터의 그래픽 표현이다.
도 14a는 회전된 x' 좌표 측정치에서 에러를 갖는 장 벡터의 그래픽 표현이고 도 14b는 x, y 좌표계에서의 도 14a 측정된 장 벡터의 그래픽 표현이다.
도 15a는 회전된 y' 좌표 측정치에서 에러를 갖는 장 벡터의 그래픽 표현이고 도 15b는 x, y 좌표계에서의 도 15a 측정된 장 벡터의 그래픽 표현이다.
도 16은 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 센서 요소 쌍 및 상이한 좌표계의 그래픽 표현이다.
도 17은 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 흐름도이다.
도 18a 및 18b는 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 센서 요소 쌍의 그래픽 표현이다.
도 19a 및 19b는 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 센서 요소 쌍의 그래픽 표현이다.
도 20a, 20b, 20c 및 20d는 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 센서 요소 쌍의 그래픽 표현이다.
도 21은 본 발명의 예시적 실시예에 따르는 또 다른 구성으로 된 센서 요소 쌍 및 좌표계의 그래픽 표현이다.
본 발명은 특정 실시예를 참조하고 특정 도면을 참조하여 기재될 것이지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 청구항에 의해서만 한정된다. 본 발명의 특징 및 이점은 도면을 함께 고려하여 이하에서 제공되는 상세한 설명으로부터 더 자명해질 것이며, 여기서 유사한 도면부호는 전체에서 대응하는 요소를 식별한다. 일반적으로, 도면에서, 유사한 도면 부호가 동일하거나, 기능적으로 유사하거나, 및/또는 구조적으로 유사한 요소를 가리킨다. 도면은 실제 비율로 그려지지 않았는데, 왜냐하면 도면 내 다양한 요소들의 크기의 변동 범위가 실제 비율로 그려지기엔 지나치게 넓기 때문이다.
덧붙여, 발명의 설명과 청구항에서 제1, 제2 등의 용어는 유사한 요소들을 구별하기 위해 사용되며 시간적, 공간적, 등급 또는 그 밖의 다른 임의의 방식으로 순서를 기재하기 위한 것이 아니다. 이렇게 사용되는 용어는 적절한 조건하에서 상호 교환 가능하고 여기서 기재되는 본 발명의 실시예는 본 명세서에 기재되거나 도시되는 것과 다른 순서로 동작할 수 있음이 이해될 것이다.
청구항에서 사용될 때 용어 "~을 포함하는"은 앞에 나열된 수단들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 밖의 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 따라서 서술된 특징부, 정수, 단계 또는 구성요소의 존재를 특정하는 것으로 해석될 것이지만, 하나 이상의 그 밖의 다른 특징부, 정수, 단계 또는 구성요소, 또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 따라서 "수단 A와 B를 포함하는 디바이스"는 구성요소 A와 B로만 구성된 디바이스에 한정되지 않아야 한다. 본 발명에 관해, 디바이스의 유일한 관련 구성요소가 A와 B임을 의미한다.
본 명세서 전체에서, "하나의 실시예" 또는 "실시예"라는 지칭은 실시예와 관련하여 기재된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서 본 명세서 전체의 다양한 위치에서의 구문 "하나의 실시예에서" 또는 "실시예에서"의 등장은 모두 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것이 아니지만, 그럴 수도 있다. 덧붙이자면, 해당 분야의 통상의 기술자에게 자명할 바와 같이, 하나 이상의 실시예에서, 특정 특징, 구조 또는 특성이 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
마찬가지로, 본 발명의 예시적 실시예의 기재에서, 본 발명을 명료화하고 다양한 발명의 양태 중 하나 이상의 이해를 보조하기 위한 목적으로, 본 발명의 다양한 특징이 때때로 하나의 단일 실시예, 도면, 또는 이의 설명으로 함께 그룹지어짐이 자명할 것이다. 그러나 이러한 개시 방법은 본 발명이 각각의 청구항에서 명시적으로 언급된 것보다 더 많은 특징을 필요로 한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 다음의 청구항이 반영하듯이, 본 발명의 양태가 하나의 개시된 실시예의 모든 특징보다 적게 필요로 한다. 따라서 발명의 설명에 이어지는 청구범위는 이 발명의 설명에 명시적으로 포함되며, 이때 각각의 청구항은 본 발명의 개별 실시예로서 존재한다.
덧붙여, 해당 분야의 통상의 기술자에게 자명할 바와 같이, 본 명세서에 기재되는 일부 실시예가 다른 실시예에 포함되는 어떤 특징은 포함하지만 다른 특징은 포함하지 않더라도, 상이한 실시예의 특징들의 조합은 본 발명의 범위 내에 있고, 상이한 실시예를 형성하는 것을 의미한다. 예를 들어, 다음의 청구항에서, 청구되는 실시예들 중 임의의 것이 임의의 조합으로 사용될 수 있다.
본 발명의 특정 특징 또는 양태를 기술할 때 특정 용어의 사용이 상기 용어가 0용어가 연관된 본 발명의 특징 또는 양태의 임의의 특정 특성을 포함하도록 한정되도록 재정의됐음을 의미한다고 여겨지지 않아야 한다.
본 명세서에 제공되는 기재에서, 다양한 특정 상세사항이 제공된다. 그러나 본 발명의 실시예가 이들 특정 상세사항 없이 실시될 수 있음이 이해된다. 한편, 본 발명의 이해를 모호하게 하지 않도록 공지된 방법, 구조 및 기법은 상세히 나타내지 않았다.
본 발명의 실시예는 더 작고 덜 비싼 회로를 이용하는 개선된 진단 능력을 갖는 센서 디바이스를 제공하며, 센서 디바이스가 동작 중인 동안 센서 물질의 장애 또는 미세 결함 또는 센서의 손상을 보상하거나, 검출하거나, 진단할 수 있다. 이러한 결함은 센서를 만들 때 사용되는 물질에 내재된 것이거나 사용 결과로서, 또는 센서에 가해지는 기계적 또는 그 밖의 다른 환경적 스트레스에 반응하여, 시간이 흐름에 따라 형성된 것일 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에서 센서가 방향 및 크기를 포함하는 벡터를 갖는 장, 가령, 자기장, 전기장, 압력장 또는 중력장을 검출할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에서, 장-센서 디바이스(99)는 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)라고 지칭된다. 제어기(30)는 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)를 제어하여, 대응하는 제1 및 제2 센서 신호를 생성하고, 제1 및 제2 센서 신호를 수신하며, 제1 또는 제2 센서 신호 또는 둘 모두를 하나의 공통 배향 또는 좌표계에서의 등가의 비교 가능한 센서 신호로 변환하고, 상기 비교 가능한 센서 신호들을 비교하여 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B)가 불량인지 여부, 불량 장 센서(20)가 결정된 경우, 불량 센서 신호(42)를 생성하고 선택사항으로서 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B) 중 어느 것이 불량인지를 결정하는 제어 회로(32)를 포함한다. 불량 장 센서(20)가 결정되지 않은 경우, 제어기(30)는 제1, 제2, 또는 비교 가능한 센서 신호에 응답하여 감지된 장의 속성을 가리키는 출력 센서 신호(40)를 제공한다. 다양한 실시예에서, 장은 자기장, 전기장, 압력장, 또는 중력장이며, 센서(20)는 자기장 센서, 전기장 센서, 압력장 센서, 또는 중력장 센서이다. 제1 및 제2 배향이 각각 x, y, 또는 z 직교 차원을 갖는 대응하는 제1 및 제2 좌표계, 방향, 또는 차원으로도 기재될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 셋 이상 또는 넷 이상의 장 센서(20)는 장-센서 디바이스(9)를 포함한다.
종래에는, 복수의 센서에 의한 공통 장의 측정치들 간 비교에 의해, 측정치들이 차이 날 때, 이는 센스들 중 하나의 불량을 가리킬 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에 따라, 이들 측정치 중 적어도 일부가 동일 선상에 있지 않도록 제1 및 제2 장 센서(20)는 상이한 배향을 갖고 따라서 장 센서(20)는 상이한 좌표계에서 중복 장 측정치를 제공한다. 따라서 하나의 공통 좌표계에서의 중복 장 측정치들의 비교가 제1 또는 제2 장 센서의 오류 또는 불량을 나타낼 뿐 아니라, 어느 장 센서(20)가 불량인지를 가리킬 수 있어, 장 센서(20)의 추가 테스트 및 체크를 제공할 수 있다. 덧붙여, 고장을 검출할 수는 있지만 고장이 식별되거나 특정 장 센서와 연관될 수 없기 때문에 계속 동작할 수는 없는 센서 시스템과 달리, 고장 난 장 센서를 식별함으로써, 다른 장 센서로부터의 감지된 신호를 이용함으로써, 장-센서 디바이스(99)가 계속 동작할 수 있다. 셋 이상의 장 센서(20)를 포함하는 또 다른 실시예에서, 셋 이상의 센서 신호가 하나의 공통 배향으로 변환될 수 있고 셋 이상의 비교 가능 신호들이 비교되어 불량 장 센서(20)를 결정할 수 있다.
제1 장 센서(20A), 제2 장 센서(20B), 및 제어기(30)가 디바이스 기판(10) 상에 배치될 수 있으며 전기 전도체, 가령, 와이어(12)와 전기적으로 연결될 수 있고, 전력, 접지 및 제어 신호를 장-센서 디바이스(99), 제어기(30), 제1 장 센서(20A) 또는 제2 장 센서(20B)와 주고받을 수 있게 하는 단일 와이어(12) 또는 복수의 와이어(12)를 포함하는 버스를 포함할 수 있다. 장 센서(20)는 홀-효과(Hall-effect) 장 센서 또는 자기-저항성 센서일 수 있으며 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다. 대안으로, 장 센서(20)는 전기장 센서, 압력장 센서 또는 중력장 센서이며 예를 들어, 마이크로-전기-기계 시스템(MEMS) 디바이스를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 도 1에 도시된 바와 같이 동일 평면에 또는 공통 표면 상에 배치될 수 있으며, 제1 장 센서(20A)가 제2 장 센서(20B)에 대해 회전되는 경우, 제1 장 센서(20A)는 제2 장 센서(20B)(x', y')와 2개의 배향에서(2개의 차원 또는 2개의 방향, x, y)에서 상이하여, 제1 및 제2 장 센서(20)에 대해 상이한 좌표계가 형성된다. 수직 차원 z만 동일한 방향을 가진다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 장 센서(20B)가 제1 장 센서(20A)가 배치되는 표면에 대해 대략 45도로 기울어진 표면 상에 배치되고, 제1 장 센서(20A)에 대해 45도 회전된다. 따라서 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 장 센서(20A)는 제2 장 센서(20B)로부터 z 차원에서도 회전되어, 제1 장 센서(20A)가 3개의 배향(3개의 차원 또는 방향 x, y, z)에서 제2 장 센서(20B)(x', y', z')와 상이하다.
제어기(30)는 이산 또는 집적 회로이거나 이산 부품과 집적 부품을 모두 포함할 수 있고, 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 수도 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
장-센서 디바이스(99)는 와이어(12)를 통해 제어기(30)로 전기적으로 연결되는 디바이스 기판(10) 상에 형성되는 전기 접촉 패드(14)를 통해 외부 시스템에 전기적으로 연결될 수 있다. 도 1 및 2는 디바이스 기판(10) 상에 배치될 때의 제어기(30)를 도시하지만, 본 발명의 또 다른 실시예에서, 제어기(30)는 디바이스 기판(10)으로부터 이격된 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 이를 포함하고 제어 회로(32)는 반도체 기판 내에 또는 상에 형성된다. 도 1 및 2에 도시된 또 다른 실시예에서, 제어기(30)는 디바이스 기판(10) 상에 배치된 집적 회로이고 디바이스 기판(10)은 유전체이거나 유전체 층 또는 표면을 가진다. 따라서 디바이스 기판(10)은 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)의 물질과 적어도 부분적으로 상이하고 제어 회로(32)의 물질과 적어도 부분적으로 상이한 기판 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 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 형성되거나 이의 일부로서 형성된다(도 3).
도 4를 참조하면, 디바이스 기판(10)은 시스템 기판(16), 예를 들어, 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 하나가 마이크로-전사 인쇄 구성요소일 수 있고 부서진, 부러진 또는 분리된 줄(tether)을 포함할 수 있다. 제어기(30), 제1 장 센서(20A), 또는 제2 장 센서(20B)는 집적 회로이거나 베어 다이(bare die)일 수 있으며 디바이스 기판(10) 상으로 마이크로-전사 인쇄될 수 있고 디바이스 기판(10)은 시스템 기판(16) 상으로 마이크로-전사 인쇄될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 제1 배향은 하나의 차원, 도 1에 도시된 바와 같이 2개의 차원, 또는 도 2에 도시된 3개의 차원에서, 제2 배향과 상이하다. 일부 실시예에서, 각각의 배향에서의 차원이 직교하며, 또 다른 실시예에서 차원들은 직교하지 않는다. 예를 들어, 도 5a는 하나의 배향 또는 좌표계에서의 3개의 차원(x, y, z)을 도시하고, 도 5b는 또 다른 배향 또는 좌표계에서의 3개의 차원(x', y', z)을 도시하며, 여기서 x' 및 y' 차원은 도 5a의 배향에 대해 45도만큼 회전되어 있고 z 차원은 동일한 배향을 가짐으로써 도 5b의 배향은 도 5a의 배향과 2개의 차원에서 차이난다.
도 5c는 도 5c의 배향은 도 5a의 배향과 3개의 차원에서 상이하도록 도 5a에 비해 x, y, 및 z 차원이 모두 45도만큼 회전된 또 다른 배향 또는 좌표계에서 3개의 직교하는 차원(x', y', z')을 도시한다. 도 1에 도시된 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)는 도 5a 및 5b의 상이한 배향에 대응하는 상이한 제1 및 제2 배향을 가진다. 도 1에 도시된 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)는 도 5a 및 5b의 상이한 배향에 대응한 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)가 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 또는 임계 값 중 임의의 하나 이상을 비교하기 위한 비교 회로(38)를 포함한다. 회로는 예를 들어 아날로그 또는 디지털 회로인 실리콘 회로, 가령, CMOS 회로일 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라, 장-센서 진단 방법은 장-센서 디바이스(99)를 제공하는 단계(100) 및 장-센서 디바이스(99)를 동작시키도록 장-센서 디바이스(99)에 전력을 공급하는 단계(110)를 포함한다. 단계(120)에서, 제어 회로(32)는 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)를 제어하여 제1 및 제2 센서 신호를 생성하고 각자의 제1 및 제2 센서 신호를 수신한다. 단계(130)에서 제어 회로(32)는 수신된 제1 또는 제2 센서 신호, 또는 둘 모두를 공통 배향 또는 좌표계의 등가의 비교 가능 센서 신호로 변환하고 이들을 비교하는 데 사용된다(단계(140)). 그 후 제어 회로(32)는 단계(150)에서 제1 장 센서(20A) 또는 제2 장 센서(20B)가 불량인지 여부를 결정한다. 장 센서(20)가 불량인 경우(단계(160)에서 테스트됨), 제어 회로(32)가 사용되어, 비교 가능 센서 신호에 응답하여 불량 센서 신호(42)를 제공하고(단계(180)), 선택사항으로서, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B) 중 어느 것이 불량인지를 결정할 수 있다(단계(190)). 장 센서(20)가 불량이 아닌 경우(단계(160)에서 테스트됨), 회로(32)가 사용되어 제1, 제2 또는 비교 가능 센서 신호에 반응한 또는 이로부터 얻어진 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 얻어진 신호의 조합, 예를 들어, 평균으로서, 출력 센서 신호(40)의 변동을 감소시키고 정확도 및 일관성을 향상시킬 수 있다(도 1 및 2).
단계(120 내지 150)는 상이한 횟수로 반복적으로 수행될 수 있으며 저장 회로(34)에 저장된 제1 및 제2 센서 신호가 시간에 따라 평균 내어지거나 그 밖의 다른 방식으로 조합되어 제1 및 제2 센서 신호의 신호대노이즈 비를 개선할 수 있다. 대안으로, 변환된, 비교 가능 센서 신호가 저장 회로(34)에 저장될 수 있고 시간에 따라 평균내어지거나 그 밖의 다른 방식으로 조합되어 비교 가능 센서 신호의 신호대노이즈 비를 개선할 수 있다.
본 발명의 일부 방법에서, 제2 장 센서(20B)가 불량인 경우, 제1 센서 신호이거나 제1 센서 신호로부터 얻어진 출력 센서 신호(40)(도 1, 2)가 단계(180)에서 제공되어, 장-센서 디바이스(99)가 계속 동작할 수 있다. 제1 장 센서(20A)가 불량인 경우, 제2 센서 신호이거나 상기 제2 센서 센서 신호로부터 얻어진 출력 센서 신호(40)(도 1, 2)가 단계(180)에서 제공되어, 장-센서 디바이스(90)는 계속 동작할 수 있다. 따라서, 불량을 검출할 수는 있지만 양호한 장-센서 신호를 식별할 수 없기 때문에 계속 동작할 수 없는 센서 시스템과 달리, 고장 난 장 센서(20)를 식별함으로써, 그 밖의 다른 장 센서(20)로부터의 감지 신호를 이용함으로써, 장-센서 디바이스(99)는 계속 동작할 수 있다.
장 센서(20)는 센서 요소(22)이거나 단일 센서 요소(22) 또는 복수 센서 요소(22)를 포함할 수 있다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에서, 제1 장 센서(20A) 또는 제2 장 센서(20B)는 하나 이상의 센서 요소(22) 또는 센서 요소(22)의 하나 이상의 쌍, 가령, 홀-효과 센서 요소(22)의 쌍을 포함할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 장 센서(20)는 2개의 직교하는 쌍(A, C 및 B, D)으로 배열되는 4개의 센서 요소(22)를 포함하여, 2개의 직교하는 쌍의 방향에 대응하는 2개의 차원 각각에서 측정치를 제공할 수 있다. 하나의 방향에서 각각의 센서 요소(22) 쌍이 상기 방향에서의 장의 측정치를 제공할 수 있다. 따라서 본 발명의 하나의 실시예에서, 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B)가 제1 차원 또는 방향에서의 장의 크기를 검출하도록 배열된 2개의 센서 요소(22) 및 상기 제1 차원 또는 방향과 상이한 제2 차원 또는 방향에서의 장의 크기를 검출하도록 배열된 2개의 센서 요소(22)를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 차원과 제2 차원은 서로 직교하는 차원이다.
도 9를 참조하면, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)는 45도만큼 회전되어 있으며 동일 평면 상에 배열되어, 제1 배향이 제2 배향과 2개의 차원에서 상이하며, 또한 도 1, 3, 4, 5a 및 5b의 도시에 대응한다. 본 발명의 구성에서, 상이한 좌표계의 축들 간 상관관계가 데카르트 좌표계에서 45도에서 최대화된다. 또 다른 실시예에서, 그 밖의 다른 좌표계, 가령, 원통 좌표계, 극 좌표계, 또는 구면 좌표계가 사용된다. 일반적으로, 측정치가 좌표계 상으로 실제 장의 영사이다. 하나의 실시예에서, 본 발명의 방법은 둘 이상의 장 센서(20) 중 어느 것이 불량인지를 결정하는 단계(190)(도 7)를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 도 1-4에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 서로 공간적으로 오프셋되어 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)는 서로 공간적으로 겹친다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 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(9) 내 공통 구조 또는 디바이스에 제공될 수 있다.
장 센서(20)는 자기 센서, 가령, 홀-효과 센서, 자기저항성 센서, 가령, 극 자기저항성 센서(XMR: extreme magnetoresistive sensor), 특이적 자기저항성 센서(EMR: extraordinary magnetoresistive sensor), 자이언트 자기저항성 센서(GMR: giant magnetoresistive sensor), 터널링 자기저항성 센서(TMR: tunneling magnetoresistive sensor), 거대 자기저항성 센서(CMR: colossal magnetoresistive sensor) 또는 이방성 자기저항성 센서(AMR: anisotropic magnetoresistive sensor)일 수 있다.
장-센서 디바이스(99) 내 임의의 요소가 아날로그 구성요소, 가령, 아날로그-디지털 변환기이거나, 디지털 구성요소일 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) 각각 및 제어기(30)는 이산 회로 구성요소의 조합으로 또는 집적 회로로 구현되거나 공통 회로 또는 공통 집적 회로로 집적될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B) 또는 제어 회로(32)가 회로 구성요소 또는 패키지를 공유한다.
제1 및 제2 장 센서(20A, 20B) 또는 제어 회로(32)가 전자 회로, 디지털 로직 회로, 아날로그 회로, 또는 혼합-신호 회로 또는 회로 유형 및 전자 디바이스의 조합을 포함할 수 있다. 이들 회로 중 일부 또는 모두가 하나 이상의 회로, 공통 회로, 하나 이상의 집적 회로 또는 패키지, 또는 공통 집적 회로 또는 패키지에 제공될 수 있다. 장-센서 디바이스(99)의 다양한 구성요소는, 예를 들어, 와이어(12)와 전기적으로 연결된 전자 회로, 집적 회로 또는 이상 전자 디바이스로 제공될 수 있다.
다양한 구성요소 중 임의의 하나 또는 전부가 인쇄 회로 기판 또는 반도체 기판 상에 배치될 수 있거나, 다양한 구성요소 중 임의의 하나 또는 전부가 반도체 기판 내 또는 상에 회로로서 집적되거나, 반도체 기판 상에 제공되는 집적 회로 및 반도체 기판 내 또는 상에 형성되는 회로의 일부 조합으로 제공될 수 있다. 다양한 구성요소 중 임의의 하나 또는 전부가 반도체 기판 또는 그 밖의 다른 기판 상에 배치 또는 마이크로-전사 인쇄되는 패키지된 집적 회로 또는 베어 다이에 제공될 수 있다. 와이어(12)가 포토리소그래픽 방법 및 물질을 이용해 제공되어 다양한 구성요소, 집적 회로 다이, 또는 반도체 기판 상에 집적된 회로를 연결할 수 있다.
제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B) 각각이 다양한 자기 센서, 가령, 홀-효과 센서 또는 자기-저항성 센서 중 임의의 것일 수 있고 예를 들어 집적 회로로, 또는 이상 요소로서, 또는 예를 들어, 픽-앤-플레이스(pick-and-place), 표면-장착 또는 인쇄 기법에 의해, 센서 디바이스 기판, 가령, 유리, 세라믹, 폴리머 또는 반도체 기판 상에 장착되는 개별 집적 회로 구성요소(가령, 베어 다이)로서 제공될 수 있다. 장-센서 디바이스(99)의 집적 회로 구성요소 또는 요소 중 하나 이상, 가령, 제어기(30)가 마이크로-전사 인쇄에 의해 증착되고 전기적으로 연결되는 베어 다이로서 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B) 상에 배치될 수 있다. 대안으로, 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B)가 마이크로-전사 인쇄에 의해 증착되고 전기적으로 연결되는 베어 다이로서 제어기(30) 상에 배치될 수 있다. 제어 회로(32)는 반도체 기판 내에 포토리소그래피에 의해 형성된 회로로서 제공될 수 있고 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B)는 베어 다이로서 반도체 기판 상에 배치될 수 있고 포토리소그래피 공정 및 물질을 이용해 제어 회로(32)에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 10을 참조하면, 임의의 예시적 장 벡터(B)가 제1 배향(제1 좌표계)에 대해 도시되어 있으며, 도 11을 참조하면, 동일한 장 벡터(B)가 제2 배향(제2 좌표계)에 대해 도시되어 있다. 장 벡터(B)는 두 경우 모두 동일하기 때문에(도 10 및 11), 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)에 의해 측정된 제1 및 제2 센서 신호 벡터가 동등하지만 직접 비교 가능하지 않다(즉, 각각의 측정 축에서의 장 벡터의 크기 값이 제1 배향과 제2 배향에서 상이함). 그러나 장-센서 디바이스(99)가 구성될 때(도 1에서와 같이 기판(10) 표면 상에 배치될 때), 제2 장 센서(20B)에 대한 제1 장 센서(20A)의 상대적 배치가 결정될 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. 대안으로, 제2 센서 신호는 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)와 상이한 제3 배향(제3 좌표계)으로 변환될 수 있고 제2 센서 신호가 마찬가지로 제3 배향(제3 좌표계)으로 변환되어, 2개의 변환된 장 센서 신호의 필드 벡터의 크기가 직접 비교될 수 있다. 2개의 센서 신호가 하나의 공통 배향(공통 좌표계)으로 변환될 때, 이들은 비교 가능 신호이다. 이 동작은 회전 행렬에 의한 행렬 변환으로서 수행될 수 있다. 센서 불량을 검출하는 데 필요한 것은 아니지만, 불량 센서가 식별된 실시예에서, 측정 축은 또 다른 좌표계로 투영될 때 불량이 위치하는 축 좌표들 간 변환 행렬에서 비-대각 부분-행렬 계수를 가진다.
(도 1, 5a 및 5b에 대응하는) 도 9의 예시에서, 제1 배향과 제2 배향이 디바이스 기판(10)(도 1)의 표면에 평행인 x, y 평면에서 각도 θ(45°)만큼 차이나고 (제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 배치되는 공통 평면에 직교인) z 차원에서 동일함으로써, 도 9의 예시에서 제1 및 제2 배향(좌표계)이 2개의 차원 또는 방향에서 차이날 수 있다.
제1 좌표계에서의 측정된 필드 벡터가 값 Bx 및 By을 가질 수 있고 제2 좌표계에서 측정된 동일한 벡터가 값 Bx' 및 By'을 가질 수 있다. 2개의 배향 간 각 θ이 알려져 있을 때, x' 및 y' 벡터가 x'=xcos(θ) + ysin(θ) 및 y' = ycos(θ) - xsin(θ)로 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 예시에서와 같이 θ = 45°인 단순화된 예시에서, sin(θ) = cos(θ) = 1/(21/2) = k
Figure pat00001
0.707이다. 제1 좌표계를 제2 좌표계로 변환하는 단순화된 수학식은
x'=k(x+y), y'=k(y-x)
이고, 제2 좌표계에서 제1 좌표계로 변환하는 수학식은
x=k(x'-y'), y=k(y'+x')
이다.
임의의 물리적 구현예에서, 제1 장 센서와 제2 장 센서(20A, 20B)가 반드시 동일한 것은 아니며 정밀도 및 정확도의 한계를 가질 수 있으며 지정 공차 내 이들 간 허용될 수 있는 차이를 가질 수 있다. 상이한 차원에서 45°만큼 차이 나는 배향을 이용함으로써 상이한 차원에서 더 큰 크기의 차이를 제공함으로써, 상이한 차원 각각에서 불량을 검출할 수 있는 능력이 개선될 수 있지만, 그 밖의 다른 각도 사용될 수 있다.
제1 장 센서 및 제2 장 센서(20A, 20B)로부터의 측정치가 불량인지 여부를 결정하도록 지정 측정 공차 마진이 제공될 수 있다. 지정 측정치 공차 마진이 각각의 차원(Bx, By)에서 특정되거나 단일 순 장 측정치(Be)를 특정하는 조합으로서 특정될 수 있다. 제1 및 제2 센서 신호를 동일한 좌표계로 변환함으로써 얻어진 비교 가능 센서 신호가 희망 공차 마진보다 크게 차이 나지 않는 경우, 비교 가능 센서 신호는 조합되고 출력 센서 신호(40)로서 제공될 수 있다. 비교 가능 센서 신호가 희망 공차 마진보다 크게 차이 나는 경우, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B) 중 하나가 불량으로 간주될 수 있다.
예시로서, y 차원의 길이의 2배인 x 차원의 길이를 갖는 임의의 장 벡터(B)가 도 12에 도시되며 여기서 길이는 대응하는 차원에서 장 강도를 나타낸다. 제1 장 센서(20A)가 직교하는 차원 x, y를 갖는 제1 배향 및 제1 좌표계에 있고, 제2 장 센서(20B)가 제1 배향(도 1 및 9)과 θ = -45도 만큼 회전된 직교하는 차원 x', y'을 갖는 제2 배향 및 제2 좌표계에 있을 때, 제1 장 센서(20A)의 x-차원 센서에서의 에러가 제1 좌표계의 x 차원에서만 올바른 장(B)과 차이 나는 에러 있는 장 측정치(Be)를 도출한다. 도 13을 참조할 때, 제1 장 센서(20A)의 y 차원 센서에서의 에러가 제1 좌표계에서 y 차원에서만 올바른 장(B)과 차이 나는 에러 있는 장 측정치(Be)를 도출한다.
도 14a를 참조할 때, 제2 장 센서(20B)의 x' 차원 센서에서의 에러가 제2 좌표계의 x' 차원에서만 올바른 장(B)과 차이 나는 에러 있는 장 측정치(Be)를 도출한다. 제1 좌표계로 변환될 때(도 14b), 제2 좌표계의 x' 차원의 방향에 대응하는 제1 좌표계의 방향에서 에러 있는 장 측정치(Be)가 올바른 장(B)과 차이 난다(도 14b의 직선 화살표로 나타남). 도 15a를 참조할 때, 제2 장 센서(20B)의 y' 차원 센서의 에러가 제2 좌표계의 y' 차원에서만 올바른 장(B)과 차이 나는 에러 있는 장 측정치(Be)를 도출한다. 제1 좌표계로 변환될 때(도 15b), 에러 있는 장 측정치(be)는 제2 좌표계의 y' 차원의 방향에 대응하는 제1 좌표계의 방향에서 올바른 장(B)과 차이 난다.
도 12, 13, 14a, 14b, 15a, 15b의 모든 예시에서, 제1 및 제2 좌표계 간 각 차이가 θ = -45도이며(도 14a, 15a에 도시됨), 2개의 동일 선상의 화살표로 표시되는 바와 같이, 에러가 각각의 차원에서 센서 응답의 두 배이다.
따라서 제1 좌표계 및 제2 좌표계 간 각 차이 θ가 주어지면, E ≠0인 경우 에러 벡터 E = Be-B이고, 제1 좌표계의 벡터 E의 각은 다음과 같다:
에러가 제1 장 센서(20A)의 x-차원 센서에 있을 때, 0도,
에러가 제1 장 센서(20A)의 y-차원 센서에 있을 때, 90도,
에러가 제2 장 센서(20B)의 x'-차원 센서에 있을 때, θ도(도 14a 및 14b의 예시에서 -45도), 및
에러가 제2 장 센서(20B)의 y'-차원 센서에 있을 때, -θ도(도 15a 및 15b의 예시에서 45도).
일반적으로, 단일 장 센서 차원 측정치에만 불량이 존재하는 한, 에러 벡터의 방향이 불량 장 센서(20)에 의해 측정되는 차원에 대응한다. 다르게 말하면, 에러 벡터는 측정된 불량 센서 요소(22)의 축의 방향에서 고유의 성분이다. 에러 벡터는 불량 센서 측정치의 축(방향)의 단위 벡터의 복수 배로서 표현될 수 있다. 따라서 제어 회로(32)는 비교 가능 센서 신호(가령, Bx, By, Bx', By')들 간 차이의 방향을 비교하여 불량 장 센서(20)를 결정하는 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 장-센서 디바이스(99)는 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B)가 모니터링되고 불량이 검출되는지 여부에 대해 진단될 때 동시에 장을 측정하도록 기능하여, 제1 및 제2 장 센서(20A, 20B) 중 임의의 것 또는 모두에 대응하는 실시간 진단 신호를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 센서 디바이스(99)는 4개 이상의 센서 요소(22)와 환경 속성을 측정하고 측정치에 대응하고 환경 속성에 관련된 둘 이상의 값을 생성하도록 상기 4개 이상의 센서 요소(22)를 제어하는 제어 회로(32)를 포함하는 제어기(30)를 포함한다. 제어 회로(32)는 값들을 비교하여 불량을 결정할 수 있다. 일반적으로 각각의 값이 4개 이상의 센서 요소(22)의 세트로부터 획득되고 각각의 세트는 적어도 하나의 동일한 센서 요소(12)를 포함한다. 각각의 세트는 타 세트에 포함되지 않는 적어도 하나의 상이한 센서 요소(22)를 포함하거나, 세트가 상이한 배향으로의 환경 속성을 측정한다. 또 다른 옵션은 각각의 세트 모두 타 세트에 포함되지 않는 적어도 하나의 상이한 센서 요소(22)를 포함하고, 세트가 상이한 배향에서 환경 속성을 측정하는 것이다.
예를 들어, 4개 이상의 센서 요소(22)는 센서 요소(22)의 제1 세트 및 센서 요소(22)의 제2 세트를 포함한다. 센서 요소(22)의 제1 세트는 센서 요소(22)의 제2 세트에도 있는 적어도 하나의 센서 요소(22)를 포함한다. 따라서 제1 세트와 제2 세트의 교집합이 (제1 세트와 제2 세트가 서로 소가 아니도록) 공통되는 동일한 적어도 하나의 센서 요소(22)를 포함한다. 제1 세트와 제2 세트가 4개 이상의 센서 요소(22)의 세트의 부분집합으로 간주될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 세트와 제2 세트가 동일한 세트가 아니고 동일한 센서 요소(22)를 모두 포함하지 않도록, 센서 요소(22)의 제1 세트가 센서 요소(22)의 제2 세트에 없는 적어도 하나의 센서 요소(22)를 포함한다. 오히려 제1 세트와 제2 세트가 센서 요소(22)의 상이한, 서로 겹치는 조합을 포함한다. 따라서 이들 실시예에서, 제1 세트와 제2 세트의 합집합이 제1 세트 또는 제2 세트보다 큰 세트를 도출한다.
또 다른 실시예에서, 제1 세트와 제2 세트는 (제1 세트와 제2 세트의 합집합이 제1 세트 또는 제2 세트와 적어도 동일하도록, 그러나 반드시 그럴 필요는 없음) 동일한 센서 요소(22)를 포함하지만, 제어 회로(32)는 센서 요소(22)를 이용하여 상이한 배향(상이한 좌표계)에서 환경적 속성을 측정할 수 있다. 따라서 어느 실시예에서도 값은 동일한 환경적 속성의 상이한 측정치를 제공하며, 비교되어, 불량이 존재하는 경우 불량을 결정할 수 있다. 측정 값이 (공통 좌표계에서) 동일한 경우 어떠한 불량도 검출되지 않는다.
본 발명의 실시예에서, 센서 요소(22)의 제1 세트 및 제2 세트 각각이 적어도 3개의 센서 요소(22)를 포함하며 3개의 센서 요소(22)가 하나의 공통 라인으로 배열되지 않고(즉, 이들은 동일 선상에 있지 않음), 예를 들어, 3개의 센서 요소(22)가 삼각형의 모서리를 형성하도록 배열된다. 따라서 적어도 3개의 센서 요소(22)를 이용한 측정이 환경적 속성 측정치에 대응하는 좌표계에서 크기 및 방향을 포함하는 벡터를 생성할 수 있다.
제어 회로(32)는 센서 요소(22)의 제1 세트를 제어하여 환경적 속성을 측정하고 환경적 속성에 관한 제1 값을 생성하며 센서 요소(22)의 제2 세트를 제어하여 환경적 속성을 측정하고 환경적 속성과 관련된 제2 값을 생성할 수 있다. 따라서 센서 요소(22)의 제1 및 제2 세트 각각이 센서 요소(22)의 상이한 세트를 이용해 또는 상이한 좌표계를 이용해 동일한 환경적 속성에 대응하는 값을 생성한다. 둘 이상의 값 각각이 적어도 3개의 동일 선상이 아닌 센서 요소(22)의 상이한 조합 또는 배향으로부터 획득된다. 제어 회로(32)는 값들을 비교하여 값(가령, 제1 및 제2 값)이 매칭되는지 여부를 결정하고, 값들이 매칭되지 않는 경우, 불량을 결정한다. 본 발명의 실시예에서, 값은 벡터이고 2개의 값의 비교는 벡터의 크기만의 비교, 값들의 각만의 비교, 또는 값의 크기 및 값의 각도 모두의 비교를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 비교되는 값은 벡터로부터 얻어진 정보, 가령, 자기 비(magnetic ratio) 또는 자기장 방향이다. 일부 실시예에서, 제1 세트에서의 센서 요소의 측정 방향이 동일 선상이 아니거나 제2 세트 내 센서 요소의 측정 방향이 동일 선상이 아니다.
또 다른 실시예에서, 센서 디바이스(99)는 5개 이상의 센서 요소(22)를 포함할 수 있다. 추가 센서 요소(22)는 센서 요소(22)의 센서 요소(22)와 동일 선상에 있을 수 있다. 센서 디바이스(99)는 장-센서 디바이스(99)일 수 있고, 센서(20)는 장 센서(20)일 수 있고, 환경적 속성은 장, 가령, 자기장일 수 있으며, 값은 벡터, 가령, 장 벡터일 수 있고, 본 명세서의 예시에서 그렇게 사용된다. 그러나 본 발명은 장 센서(20), 장, 자기장 또는 장 벡터에 한정되지 않는다.
본 발명의 일부 실시예에서, 센서 디바이스(99)는 센서 요소(22)의 적어도 2개의 쌍을 포함하는 단일 센서(20)(또는 이에 상응하게, 센서 요소(22)의 하나의 쌍을 각각 갖는 2개의 센서(20))를 포함하며, 여기서 센서 요소(22)의 쌍은 동일 선상에 있지 않는데, 가령, 도 8에 도시된 바와 같이 사변형, 장방형 또는 사각형의 모서리에 배열될 수 있다. 동일 선상이라는 의미는 하나의 공통 선 상에 있다는 것이다. 본 명세서에서 의도하는 바와 같이, 센서 요소(22)의 두 쌍 모두의 두 센서 요소(22) 모두를 지나갈 수 있는 어떠한 단일 선도 존재하지 않도록 센서 요소(22)의 쌍은 동일 선상에 있지 않다. 또 다른 실시예에서 어떠한 3개의 센서 요소(22)도 동일 선상에 있지 않다. 본 발명의 일부 배열에서, 임의의 센서 요소(22) 중 단 2개가 동일 선상에 있다. 그러나 임의의 2개의 센서 요소(22)를 하나의 선이 통과하여, 센서 요소(22)의 동일 선상 쌍을 형성할 수 있다(선이 공간 내 2개의 점에 의해 형성되기 때문). 따라서 도 8에 도시된 실시예에서, 센서 요소(22)의 모든 가능한 쌍을 포함하는 선분을 나타내는 6개의 센서 요소(22)의 쌍 A 및 C (AC), B 및 D (BD), A 및 B (AB), C 및 D (CD), A 및 D (AD), 및 B 및 C (BC)이 존재한다.
센서 요소(22)의 쌍이 환경적 속성, 가령, 센서 요소(22)를 통과하는 선에 의해 특정된 방향에서 장 크기를 측정할 수 있다. 예를 들어, 수직 선에 배열된 센서 요소(22)의 쌍 AC가 y 방향(차원)에서의 장 크기를 측정할 수 있다. 수평 선으로 배열된 센서 요소(22)의 쌍 BD가 x 방향(차원)으로의 장 크기를 측정할 수 있다. 도 16을 참조하면, 센서 요소(22)의 동일한 배열이 상이한 조합으로 사용되어 상이한 방향에서 장 크기를 측정할 수 있다. 따라서 센서 요소(22)의 쌍 CD가 할 수 있는 것처럼, 센서 요소(22)의 쌍 AB가 x' 방향(차원)에서 장 크기를 측정할 수 있다. 마찬가지로, 센서 요소(22)의 쌍 BC가 할 수 있는 것처럼 센서 요소(22)의 쌍 AD가 y' 방향(차원)에서 장 크기를 측정할 수 있다. 방향에서의 각각의 측정치가 또 다른 상이한 방향에서의 측정치와 조합되어 값, 가령, 장 벡터 측정치를 생성할 수 있다.
동작 중에, 제어 회로(32)는 각각의 센서 요소(22) A, B, C, D로부터의 센서 신호를 제공하고 센서 요소(22) A, C로부터의 센서 신호를 조합하여 y 방향으로의 센서 신호를 제공하고, 센서 요소(22) B, D로부터의 센서 신호를 조합하여 x 방향으로의 센서 신호를 제공하고, 센서 요소(22) A, B로부터의 센서 신호를 조합하여 x' 방향으로의 센서 신호를 제공하며, 센서 요소(22) A, D로부터의 센서 신호를 조합하여 y' 방향으로의 센서 신호를 제공하도록 센서(20)를 동작시킨다. 추가로 또는 대안으로, 제어 회로(32)는 센서 요소(22) C, D로부터의 센서 신호를 조합하여, x' 방향으로의 센서 신호를 제공하며, 센서 요소(22) B, C로부터의 센서 신호를 조합하여 y' 방향으로의 센서 신호를 제공할 수 있다. 따라서, 방향 x' 및 y' 각각에서의 2개의 센서 신호가 결정될 수 있다. 상이한 방향을 갖는 선을 형성하는 센서 요소(22)로부터의 센서 신호 쌍이, 앞서 기재된 바와 같이, 공통 좌표계로 변환될 수 있는 값, 가령, 장 벡터를 생성할 수 있다.
2개의 센서(20)를 포함하는 실시예에서와 같이, x, y 좌표계에서의 값이 지정 공차 마진 내에서 x', y' 좌표계의 값과 매칭되는 경우, 값은 감지된 장을 나타내는 것으로 보고될 수 있다. 그러나 값이 (지정 공차 마진 내에서) 매칭되지 않는 경우, 센서 디바이스(99) 내 불량이 결정되고 보고될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 센서(20)는 센서 요소(22)의 2개의 쌍으로서 배열되는 4개의 센서 요소를 가지며, 여기서 2개의 쌍은 동일 선상에 배열되지 않는다. 동등한 구조가 센서 요소(22)의 하나의 쌍을 각각 갖는 2개의 센서(20)를 포함하며, 여기서 센서 요소(22)의 각각의 쌍이 동일 선상에 있지 않다. 4개의 센서 요소(22)를 갖는 하나의 센서(20)와 센서 요소(22)의 하나의 쌍을 각각 갖는 2개의 센서(2) 간 구별은 임의적이며, 이러한 실시예가 본 발명에 포함된다.
도 16에 도시되고 앞서 기재된 바와 같이, 센서 요소(22)의 쌍이 제어 회로(32)에 의해 사용되어 센서 요소(22) D, B를 이용해 x-방향 장 측정 값(x 값)을 결정하고, 센서 요소(22) A, C를 이용해 y-방향 장 측정 값(y 값)을 결정하며, 센서 요소(22) A, B를 이용해 제1 x'-방향 장 측정치(제1 x' 값)를 결정하고, 센서 요소(22) D, C를 이용해 제2 x'-방향 장 측정치(제2 x' 값)를 결정하며, 센서 요소(22) D, A를 이용해 제1 y'-방향 장 측정치(제1 y' 값)을 결정하고, 센서 요소(22) C, D를 이용해 제2 y'-방향 장 측정치(제2 y' 값)을 결정할 수 있다. (제1 및 제2 측정치라는 정의는 임의적이며 반대도 가능할 수 있다.) 센서 신호는 각각의 센서 요소(22)를 개별적으로 측정함으로써, 또는 상이한 센서 요소(22)를 끄거나 켜는 스위치를 제공하고 상이한 스위치 설정으로 순차적 측정을 이룸으로써, 획득될 수 있다. 대안으로 아날로그 또는 디지털 신호 처리가 채용되어 개별 센서 요소(22) 측정을 구별할 수 있다.
상이한 방향으로, 가령, 직교로 뻗어 있는 선을 형성하는 센서 요소(22)의 쌍에 의해 이뤄진 측정이 공통 좌표계에서 조합되어, 측정되는 장, 가령, 자기장을 특정하는 (장 크기 및 방향을 갖는) 장 벡터를 형성할 수 있다. 예를 들어, 센서 요소(22) AC에 의한 측정치가 센서 요소(22) BD에 의한 측정치와 조합되어 도 18a에 도시된 바와 같이 x, y 좌표계에서 장 벡터를 형성할 수 있다. 도 18b를 참조하면, 센서 요소(22) AB에 의한 측정치가 센서 요소(22) AC에 의한 측정치와 조합되어 x', y' 좌표계에서의 장 벡터를 형성할 수 있고, 센서 요소(22) AB에 의한 측정치가 센서 요소(22) BC에 의한 측정치와 조합되어 x', y' 좌표계에서의 장 벡터를 형성할 수 있으며, 센서 요소(22) AC에 의한 측정치가 센서 요소(22) CD에 의한 측정치와 조합되어 x', y' 좌표계에서의 장 벡터를 형성할 수 있고, 센서 요소(22) BC에 의한 측정치가 센서 요소(22) CD에 의한 측정치와 조합되어 x', y' 좌표계에서의 장 벡터를 형성할 수 있다. 따라서 제1 장 벡터는 x, y 값을 조합함으로써 결정될 수 있고, 제2 장 벡터는 제1 x' 및 제1 y' 값을 조합함으로써 결정될 수 있으며, 제3 장 벡터는 제1 x' 및 제2 y' 값을 조합함으로써 결정될 수 있고, 제4 장 벡터는 제2 x' 및 제1 y' 값을 조합함으로써 결정될 수 있으며, 제5 장 벡터는 제2 x' 및 제2 y' 값을 조합함으로써 결정될 수 있다. 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 장 벡터 중 임의의 하나 이상이 앞서 기재된 바와 같이 공통 좌표계로 변환될 수 있다. 이 실시예에서, 동일한 센서 요소(12)가 둘 이상의 값 측정치를 위해 사용되지만 하나의 값(도 18a)이 x, y 좌표계에서 획득되며, x' 및 y' 측정치의 임의의 조합에 의해 다른 값(도 18b)이 x', y' 좌표계에서 획득되다.
모든 5개의 장 벡터(또는 경우에 따라, 하나의 공통 좌표계로 변환될 때 공통 좌표계로 변환될 때 장 벡터의 임의의 조합)가 (지정 공차 범위 내에서) 매칭되는 경우, 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 장 벡터 중 임의의 하나 또는 임의의 조합인 장 측정 신호가 출력될 수 있다. 단일 센서 요소(22)가 불량인 경우(불량 측정 값을 생성하는 경우), 그러나 불량 센서 요소(22)를 포함하는 장 측정치가 불량 센서 요소(22)를 포함하지 않는 장 측정치와 매칭되지 않을 것이다. 예를 들어, 센서 요소(22) B가 불량인 경우, 센서 요소(22) B로부터의 장 벡터도 마찬가지로 불량일 것이다. 이러한 예시에서, 제1, 제2, 제 및 제5 장 벡터 모두 센서 요소(22) B로부터의 측정 값을 포함하고 따라서 센서 요소(22) B가 불량인 경우 불량 값을 생성할 것이다. 센서 요소(22) A, C, 및 D로부터의 측정치를 포함하는 제4 장 벡터만 올바를 것이다.
본 발명의 다양한 실시예에서 장 벡터 측정치의 상이한 쌍이 비교될 수 있다. 예를 들어, 도 19a를 참조하면, 점선에 의해 연결된 센서 요소(20) 쌍 AC, BD에 의해 결정된 장 벡터가 (x, y 좌표계에서) 제1 값을 제공한다. 도 19b를 참조하면, 점선으로 연결된 센서 요소(20) 쌍 AD, DC에 의해 결정되는 장 벡터가 (x', y' 좌표계에서) 제2 값을 제공한다. (가령, 제2 값을 제1 값의 좌표계로 변환함으로써, 또는 그 반대로 변환함으로써) 제1 및 제2 값이 공통 좌표계로 변환될 수 있고 비교되어 센서 디바이스(99) 내에 불량이 존재하는지 여부가 결정될 수 있다. 이 경우, 도 19a에서 사용되는 센서 요소(22)의 세트가 도 19b에서 사용되는 모든 센서 요소(22)를 포함하지만 상이한 좌표계에서 측정은 이뤄지지 않는다.
도 20a, 20b, 20c 및 20d를 참조할 때, 3개의 비-동일 선상 센서 요소(22)의 4개의 상이한 조합이 도시되어 있고, 이들 모두 장 벡터 값을 제공하는 직교 측정치를 결정하고 이들 모두 동일한 좌표계(x', y') 내에 있다. 4개의 상이한 조합 중 임의의 2개가 적어도 하나의 공통되는 센서 요소(22)를 가지며, 도 20a 및 20b의 구서잉 센서 요소(22) A 및 B를 공통으로 가지며 센서 요소(22) C 및 D는 공통이 아니다. 도 20a, 20b, 20c 및 20d의 4개의 상이한 조합 중 임의의 2개가 비교되어 불량이 있는 경우 불량을 결정하는 제1 및 제2 값을 제공할 수 있다. 본 발명의 추가 실시예에서, 3개 이상의 값이 제공되며 비교되고 센서 디바이스(99) 내에 불량이 존재하는 경우 불량을 결정할 수 있다.
따라서 본 발명의 하나의 실시예에서 센서 디바이스(99)는 4개의 센서 요소(22)를 포함한다. 센서 요소(22) 중 임의의 적어도 2개가 제1 좌표계에서 제1 선을 형성하고, 센서 요소(22)의 임의의 적어도 2개가 상기 제1 좌표계와 상이한 제2 좌표계에서 상기 제1 선과 상이한 제2 선을 형성한다. 5개 이상의 센서 요소(22)가 센서 디바이스(99)에 제공되는 경우, 추가 센서 요소(22)가 제1 좌표계와 제2 좌표계 중 하나 또는 모두에서 동일 선상에 있을 수 있다. 제어기(30)는 제어 회로(32)를 포함하며, 여기서 제어기(30)는 제어 회로(32)를 이용해 센서 요소(22)가 환경적 속성, 가령, 장, 가령, 자기장을 측정하고 셋 이상의 대응 값, 가령, 장 벡터를 생성하고 - 셋 이상의 값 각각은 적어도 2개의 센서 요소(22)의 상이한 조합으로부터 획득됨 - , 값(가령, 장 벡터)을 공통 좌표계로 변환하고, 값들을 비교하며 불량을 결정하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 추가 실시예에서, 제어 회로(32)는 센서 요소(22)의 제1 쌍을 이용해 제1 방향에서의 제1 장 값을 측정하고, 센서 요소(22)의 제1 쌍과 상이한 센서 요소(22)의 제2 쌍을 이용해 제1 방향과 상이한 제2 방향에서 제2 장 값을 측정하며, 센서 요소(22)의 제1 및 제2 쌍과 상이한 센서 요소(22)의 제3 쌍을 이용해 제1 및 제2 방향과 상이한 제3 방향에서 제3 장 값을 측정하고, 센서 요소(22)의 제1, 제2, 및 제3 쌍과 상이한 센서 요소(22)의 제4 쌍을 이용해 제1, 제2 및 제3 방향과 상이한 제4 방향에서 제4 장 값을 측정하고, 제3 장 벡터를 측정하는 데 사용된 것과 상이한 센서 요소(22)를 이용해 제3 방향에서 제5 장 값을 측정하며, 제4 장 벡터를 측정하는 데 사용한 것과 상이한 센서 요소(22)를 이용해 제4 방향에서 제6 장 벡터를 측정한다.
도 17을 참조하여, 제어 회로(32)는 센서 디바이스(99)를 동작시키고(단계(110)), 센서 요소(22) 쌍을 이용해 동일 및 상이한 방향에서 환경적 속성(장)을 측정(단계(200))하여 값(가령, 장 벡터)을 생성할 수 있다(단계(210)). 제어 회로(32)는 필요에 따라 값(가령, 장 벡터)을 공통 좌표계로 더 변환한다(단계(220)). 값(가령, 장 벡터)들은 제어 회로(32)를 이용해 비교되어 이들이 매칭되는지 여부를 결정할 수 있다(단계(230)). 환경적 속성(장) 측정치가 지정 공차 범위 내에서 매칭되는 경우, 환경적 속성 측정 신호가 출력되고(단계(170)), 여기서 측정 신호는 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 장 벡터 중 하나 또는 이들의 조합 또는 각자의 변환된 동등 값으로부터 얻어진 신호일 수 있다. 대안으로, 공통 좌표계 내 장 벡터가 지정 공차 범위 내에서 모두 동일하지 않은 경우 불량이 결정되고 불량 센서 신호가 출력된다(단계(180)).
도 21을 참조하면, 동일한 공정 및 분석이 센서 요소(22)의 또 다른 배열에 적용될 수 있다. 좌표계 지정은 센서 요소(22) 라벨링과 같이 임의적이다. 센서 요소(22) 쌍의 다양한 조합이 올바른 값을 제공할 수 있고 값이 불량 센서 요소(22)를 결정하기 위해 분석되는 한, 본 명세서에 기재된 방법이 센서 디바이스(99)에서 채용될 수 있다. 덧붙여, 본 발명의 센서 디바이스(99)가 5개 이상의 센서 요소(22)를 포함할 수 있고 제어 회로(32)가 센서 요소를 쌍으로 제어하여 일부가 중복일 수 있는 값의 세트를 제공할 수 있는 상이한 방향에서 유사한 환경적 속성 측정치를 만들 수 있다.
본 발명의 실시예는 또한 구배 측정치, 가령, 장 구배, 가령, 자기장 구배를 제공할 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, x' 좌표계에서 2개의 상이한 측정치가 만들어질 수 있고, y' 좌표계에서 2개의 상이한 측정치가 만들어질 수 있다. 센서 디바이스(99)가 불량이 없다고 결정되는 경우(상이한 측정치가 공통 좌표계에서 공통 벡터를 제공하는 경우), 센서 요소(22)는 공간적으로 오프셋되어 있기 때문에, x' 및 y' 좌표계 각각에서의 상이한 측정치가 조합되어 구배 측정치를 제공할 수 있다. 예를 들어, AB 측정치가 CD 측정치에 비교되어 측정된 환경적 속성에 대해 y' 방향에서의 구배에 기여할 수 있는 차이를 결정할 수 있다. 마찬가지로, AD 측정치가 BC 측정치에 비교되어 측정된 환경적 속성에 대해 x' 방향에서의 구배에 기여할 수 있는 차이를 결정할 수 있다. 그러나 구배는 센서 요소(22) 또는 이들의 측정치의 에러와 혼동되지 않아야 한다.
센서 디바이스(99)가 8개의 센서 요소(22)를 갖는 경우, 또는 이와 등가로, 2개의 장-센서 디바이스(99)에 공간 오프셋이 제공되고 이들의 센서 요소(22) 측정치가 조합되는 경우, 구배가 역시 x 및 y 방향에서 결정될 수 있다. 예를 들어, 상단 왼쪽에서부터 하단 오른쪽으로 추가 4개의 센서 요소(22)에 대해 E, F, G, 및 H라는 라벨링 시스템을 가정하면, EG 측정치가 GH 측정치에 비교되어 x 방향에서의구배를 결정할 수 있고 EF 측정치가 GH 측정치에 비교되어 y 방향에서의 구배를 결정할 수 있다.
본 발명의 실시예가 기판을 제공하고, 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B) 및 제어기(30)를 상기 기판 상에 집적 회로로서 장착함으로써 구성될 수 있다. 집적 회로는 픽-앤-플레이스 기법을 이용해 기판 표면 상에 배치되거나 이들을 대응하는 소스 웨이퍼로부터 기판 표면 상으로 마이크로-전사 인쇄함으로써 배치될 수 있다. 대안으로, 기판 표면은 반도체 층이거나 이를 포함할 수 있고 제1 또는 제2 장 센서(20A, 20B) 및 제어기(30) 중 하나 이상 또는 이들의 임의의 부분이 반도체 층에 형성되며, 예를 들어, 포토리소그래피 또는 인쇄 회로 기판 방법 및 물질을 이용함으로써 기판 표면 상의 와이어(12)를 이용해 기판 표면 상에 배치된 임의의 집적 회로와 전기적으로 연결된다. 대안으로 제어 회로(32) 또는 장 센서(20)가 반도체 기판에 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 많은 기판들, 가령, 유리, 플라스틱, 세라믹 또는 2개의 대향하는 비교적 평탄하고 평행인 면을 갖는 반도체 기판 중 하나일 수 있다. 기판은 다양한 두께, 가령, 10마이크론 내이 수 밀리미터의 두께를 가질 수 있다. 기판은 또 다른 디바이스의 일부분 또는 표면일 수 있으며 전자 회로를 포함할 수 있다.
부분 리스트:
10 디바이스 기판
12 와이어
14 접촉 패드
16 시스템 기판
20 센서 / 장 센서
20A 제1 센서 / 제1 장 센서
20B 제2 센서 / 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 불량 센서 신호
50 위상 스위치
52 차동 증폭기
54 차동 비교기
99 센서 디바이스 / 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 불량인지 여부 결정 단계
160 불량 센서 결정 단계
170 측정 신호 출력 단계
180 불량 센서 신호 제공 단계
190 선택적인 불량 센서 결정 단계
200 장 방향 측정 단계
210 장 벡터 생성 단계
220 장 벡터를 공통 좌표로 변환하는 단계
230 장 벡터 매칭 테스트 단계
240 불량 센서 결정 단계
본 발명이 도면 및 상기에서 상세히 도시되고 기재되었지만, 이러한 도시 및 기재는 예시에 불과하고 한정이 아니다. 상기의 기재에서 본 발명의 특정 실시예가 상세화 되었다. 그러나 앞서 상세히 나타나는 방식에 무관하게, 본 발명은 여러 방식으로 실시될 수 있음을 알 것이다. 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않는다.
개시된 실시예의 그 밖의 다른 변형이 도면, 발명의 설명 및 이하의 청구항으로부터 해당 분야의 통상의 기술자에게 자명하고 실시될 수 있다. 청구항에서, 용어 "포함하는"은 그 밖의 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않고, 부정관사("a" 또는 "an")는 복수형을 배제하지 않는다. 단일 프로세서 또는 그 밖의 다른 유닛이 청구항에 기재된 복수의 아이템의 기능을 수행할 수 있다. 특정 수단이 상이한 종속 청구항에서 언급된다는 사실이 이들 수단의 조합이 사용될 수 없음을 의미하지 않는다. 컴퓨터 프로그램이 그 밖의 다른 하드웨어와 함께 또는 이의 일부로서 적합한 매체, 가령, 광학 저장 매체 또는 솔리드-스테이트 매체에 저장/분산될 수 있지만, 그 밖의 다른 형태, 가령, 인터넷 또는 그 밖의 다른 유선 또는 무선 전화통신 시스템을 통해 배포될 수 있다. 청구항에서의 임의의 도면부호는 범위를 한정하는 것으로 해서되어서는 안 된다.

Claims (15)

  1. 센서 디바이스로서, 상기 디바이스는
    4개 이상의 센서 요소, 및
    상기 4개 이상의 센서 요소를 제어하여, 환경적 속성을 측정하도록 배열되고 상기 환경적 속성과 관련된 둘 이상의 값을 생성하며 상기 둘 이상의 값들을 비교해 불량을 결정하도록 배열된 제어 회로를 포함하는 제어기
    를 포함하며,
    각각의 값은 상기 4개 이상의 센서 요소의 세트로부터 획득되며, 각각의 세트는 적어도 하나의 동일한 센서 요소를 포함하고,
    각각의 세트는 타 세트에 포함되지 않은 적어도 하나의 상이한 센서 요소를 포함하거나, 세트들이 상기 환경적 속성을 상이한 배향에서 측정하도록 배열되거나, 두 가지 모두인, 센서 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 4개 이상의 센서 요소는 제1 센서 요소 세트 및 제2 센서 요소 세트를 포함하고, 상기 제1 세트는 상기 제2 세트에도 있는 적어도 하나의 센서 요소를 포함하고,
    상기 제어기의 상기 제어 회로는 상기 제1 센서 요소 세트를 제어하여 제1 배향에서 상기 환경적 속성을 측정하고 상기 환경적 속성과 관련된 제1 값을 생성하며, 제2 센서 요소 세트를 제어하여 제2 배향에서 상기 환경적 속성을 측정하고 상기 환경적 속성과 관련된 제2 값을 생성하고, 상기 제1 값과 제2 값을 비교하여 불량을 결정하고,
    상기 제1 센서 요소 세트는 상기 제2 센서 요소 세트에 없는 적어도 하나의 센서 요소를 포함하거나, 상기 제1 배향이 상기 제2 배향과 동일하지 않거나, 두 가지 모두인, 센서 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 값과 제2 값은 상이한 좌표계에서 측정되며 상기 제어 회로는 상기 제1 값과 제2 값 중 하나 이상을 공통 좌표계로 변환하도록 배열되는, 센서 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 값은 장 벡터, 상기 장 벡터로부터 얻어진 정보, 크기 값, 각(angle) 값 또는 크기 값과 각 값 모두인, 센서 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 값은 자기장 벡터, 상기 자기장 벡터로부터 얻어진 자기 비(magnetic ratio), 또는 상기 자기장 벡터로부터 얻어진 자기 방향인, 센서 디바이스.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 센서 요소 세트 내 센서 요소들은 동일 선상에 있지 않거나, 제2 센서 요소 세트 내 센서 요소들은 동일 선상에 있지 않거나,
    상기 제1 센서 요소 세트 내 센서 요소들의 측정 방향이 동일 선상에 있지 않거나 제2 센서 요소 세트 내 센서 요소들의 측정 방향이 동일 선상에 있지 않는, 센서 디바이스.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제어 회로는 상이한 방향을 갖는 선을 형성하는 센서 요소들의 쌍으로부터의 측정치를 조합하여 각각의 장 벡터를 생성하도록 배열되는, 센서 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 상이한 방향은 직교인, 센서 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 4개의 센서 요소는 사변형, 장방형, 사각형 또는 원형으로 배열되는, 센서 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따르는 센서 디바이스를 동작시키는 방법으로서, 상기 방법은
    센서 요소로 환경적 속성을 측정하도록 제어 회로를 이용하는 단계,
    상기 환경적 속성을 나타내는 셋 이상의 값을 생성하도록 센서 요소 측정치를 조합하는 단계, 및
    값들을 비교하여 하나의 올바른 값을 결정하는 단계를 포함하는, 센서 디바이스를 동작시키는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 2개의 값은 상이한 좌표계에서의 측정치를 나타내고 방법은 값들 중 하나 이상을 공통 좌표계로 변환하는 단계를 포함하는, 센서 디바이스를 동작시키는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 센서 요소의 쌍으로부터의 측정치를 조합하는 단계를 포함하는, 센서 디바이스를 동작시키는 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제어 회로를 이용해 센서 요소 측정치를 조합하여 장 벡터를 생성하는 단계를 포함하는 센서 디바이스를 동작시키는 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제어 회로를 이용해 상이한 방향을 갖는 선을 형성하는 센서 요소의 쌍으로부터의 측정치를 조합하여 상기 값을 생성하는 단계를 포함하는, 센서 디바이스를 동작시키는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 상이한 방향은 직교인, 센서 디바이스를 동작시키는 방법.
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