JP6291485B2 - ラプラス力を伴う磁界のセンサ及び当該センサを用いる方法 - Google Patents
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Description
・基板平面と呼ばれる平面内に実質的に延びた基板と、
・ラプラス力を受けたとき変位方向において変位するのに適しており、基板の上に架けられた可動部品を含む、電流が流れるのに適した少なくとも1つの電気伝導体と、
・この可動部品を基板に機械的に接続すると共に、可動部品を、基板上に配置された電流電源コンタクトブロックに電気的に接続する機械的リンクと、
・可動部品の変位振幅を表す物理量を測定するのに適し、少なくとも1つの第1の部品及び1つの第2の部品を含む少なくとも1つのゲージと、
・可動部品の変位方向と直角にある回転軸に関して回転して変位することが可能な架けられたレバーであって、第1及び第2の付着点を有し、第1の付着点は可動部品に機械的に接続されることで、可動部品の変位に応じてレバーを回転軸に関して回転するように動かし、第2の付着点はゲージの第1の部品に直接機械的に接続される、レバーと、
を備える。
・A1: V. Beroulle et al., "Monolithic piezoresistive CMOS magnetic field sensors", Sensors and actuators A, vol 103, pages 23-32, 2003,
・A2: A.L. Herrera-May et al., "A resonant magnetic field microsensor with high quality factor at atmospheric pressure", J. Micromechanical Microengineering, 19 (2009) 015016.
・ US7 642 692 B1, 及び
・ US 2006/076947.
・レバーは硬く、
・ゲージは、その一端が硬いレバーに、他端が固定された埋め込みに固定されており、最適化された感度を有することが可能である。
・第2の付着点を第1の付着点よりもレバーの回転軸の近くに設置することで、伝導体によってかけられる力を増幅することを可能にする;
・ゲージがビーム上に位置しているときは、測定されるひずみの一部がビームに入るが、架けられたひずみゲージを用いることで、測定される全ての機械的なひずみがゲージ内に集中するため、センサの感度を増大させる;
・ひずみゲージの断面が減少することで、センサの感度を増大させることを可能にする;
・レバーの両側に位置する2つのゲージを用いることで、さらにロバストな差動測定を実行することを可能にする;
・レバーの重量を分散することで、その重心がその回転軸に近づくことにより、衝撃及び振動に対するセンサの非感受性を上げる;
・レバーの回転軸に関して対称な第1及び第3の付着点を有することにより、衝撃及び振動に対するセンサの非感受性を上げる;
・変位するラプラス力の効果の下で可動部品が変形しなくてよいため、硬い可動部品を有することで、伝導体の形状の最適化を簡単にする
・蛇行形状において、機械的リンクを介して、可動部品をレバーの第1の付着点に接続することで、伝導体の望ましくない変形がレバーに伝達されることを制限する;
・平行な複数の伝導体を使用することで、センサの感度が増大される。
・Fは、可動部品18にかけられるラプラス力であり、
・iは、伝導体8に流れる電流の強度であり、
・dlは、伝導体8の長さであり、
・BZは、測定される磁界の要素であり、そして
・記号「∧」は、数学的なベクトル積の演算である。
・半導体材料のビーム26(図8)、
・電気絶縁材の層28(図8)、
・電気伝導材の層30(図8)。
・付着点81において、レバー52中で、自由度を有さないように固定されている部品80、
・基板6上の突起84に対し、自由度を有さないように固定されている部品82、及び
・基板6に架けられた部品86
を有する。
・dRは、ビーム78の抵抗変化であり、
・Rは、安静なとき、つまりひずみがないときのビーム78の抵抗であり、
・dlは、測定するひずみを受けているときのビーム78の長さの変化であり、
・lは、安静なときのビーム78の長さである。
・レバー52がレバー142に置き換えられ、
・ヒンジ66がヒンジ144に置き換えられ、
・ゲージ76及び102がゲージ146及び148に置き換えられる
ことを除いて同一である。
・軸150に関するレバー142の回転変位のみ、及び
・レバー142を基板6上に架けられたままにすること
を可能にする。
・レバー52がレバー172と置き換えられ、
・ヒンジ66がヒンジ174と置き換えられ、
・ひずみゲージ76及び102が容量ゲージ176と置き換えられる
ことを除いて、センサ2と同一である。
・方向Yにおいて変形することで、ラプラス力の効果の下で、伝導体292の方向Yにおける変位を可能とする
・基板6上に伝導体292を架けられたままにする
ことができる。
Claims (13)
- ラプラス力を伴う磁界センサであって、
・基板平面と呼ばれる平面に内に実質的に延びた基板(6)と、
・ラプラス力を受けたとき変位方向において変位するのに適しており、前記基板の上に架けられた可動部品(18; 292)を含む、電流が流れるのに適した少なくとも1つの電気伝導体(8−13; 248−253; 292)と、
・この可動部品を前記基板に機械的に接続すると共に、前記可動部品を、前記基板上に配置された電流電源コンタクトブロックに電気的に接続する機械的リンク(20, 22; 296, 298)と、
・前記可動部品の変位振幅を表す物理量を測定するのに適し、少なくとも1つの第1の部品及び1つの第2の部品(80, 82)を含む少なくとも1つのゲージ(76, 102; 146, 148; 176; 202, 204; 264)と、
・前記可動部品の変位方向と直角にある回転軸(60; 150)に関して回転して変位することが可能な架けられたレバーであって、第1及び第2の異なる付着点(50; 81)を有し、前記第1の付着点(50)は前記可動部品に機械的に接続されることで、前記可動部品の変位に応じて前記レバーを前記回転軸に関して回転するように動かすように、前記可動部品の変位を前記レバーに伝達し、前記第2の付着点(81)は前記ゲージの前記第1の部品に直接機械的に接続される、レバー(52; 142; 172; 242; 312; 322; 348, 350)と、
を備え、
・前記センサは、前記レバーを前記基板に機械的に接続するヒンジ(66; 144; 174; 244)を更に備え、このヒンジは、前記可動部品の前記機械的リンクと前記第1及び第2の付着点とは異なり、かつ分離され、このヒンジはその回転軸に関して前記レバーの前記回転を可能とし、
・前記レバーはレバーアーム効果を可能とするように硬く、
・前記ゲージの前記第2の部品は前記基板に自由度を有さずに固定されている
ことを特徴とするセンサ。 - 前記第2の付着点(81)は、前記第1の付着点(50)よりも前記レバーの前記回転軸(60; 150)に近接し、この第2の付着点と前記回転軸との間の最短距離は、前記レバーの長さの10分の1未満である、
請求項1に記載のセンサ。 - 前記ゲージ(76, 102;146, 148; 264)は架けられたひずみゲージであり、前記第1及び第2の部品に加えて、前記第1及び第2の部品の間に位置し、前記基板の上に架けられた第3の部品(86)を有する、
請求項1又は2に記載のセンサ。 - 前記第3の部品(86)の厚さは、前記レバーの厚さの2分の1以下である、
請求項3に記載のセンサ。 - 前記ゲージ(176)は、対向することでキャパシタを形成する2つのアーマチュア(184, 186)を有し、これらのアーマチュアのうちの一方は前記基板に固定される一方で、これらのアーマチュアのうちの他方は、前記レバーの変位に応じて前記他方のアーマチュアに対し変位するように、前記レバーの前記第2の付着点(81)に機械的に接続される、
請求項1に記載のセンサ。 - ゲージ(202, 204)は共鳴ゲージであって、・前記第2の付着点と前記基板との間に架けられる少なくとも1つのビーム(210)と、
・前記ビームを振動させるのに適した電極(218)と、
・前記ビームの振動周波数を測定する他の電極(226)又は同一の電極と、を有する、
請求項1又は2に記載のセンサ。 - 前記センサは、それぞれが、前記レバーの、他方のゲージにより測定された変位と反対符号の変位を測定するように位置する少なくとも2つのゲージ(76, 102; 146, 148; 202, 204; 264)を有する、
請求項1〜6のうちのいずれか1項に記載のセンサ。 - 前記レバーの重さは、前記レバーの前記回転軸(60; 150)と前記レバーの重心との間の最短距離が前記レバーの長さの1%未満であるように、その回転軸の両側に分散される、
請求項1〜7のうちのいずれか1項に記載のセンサ。 - ・前記センサは、前記少なくとも1つの電気伝導体の、少なくとも1つの第1のコピー及び1つの第2のコピー(8−13)を備え、
・前記レバーの前記回転軸(60)は、その長さ方向において、前記レバーの中央に位置し、
・前記第1の付着点(50)は、前記少なくとも1つの伝導体の前記第1のコピーと機械的に接続され、
・前記レバーは、前記少なくとも1つの電気伝導体の前記第2のコピー(248−253)に機械的に接続される第3の付着点(259)を有し、これらの第1及び第3の付着点は、前記回転軸に対して互いに対称である、
請求項8に記載のセンサ。 - ・前記電気伝導体(292)は、前記ラプラス力の作用の下で変形しないように硬く、
・前記機械的リンク(296, 298)は、同一のラプラス力を受けるとき、前記電気伝導体が変位できるように蛇行して構成される、
請求項1〜9のうちのいずれか1項に記載のセンサ。 - 前記可動部品は、蛇行形状の機械的リンク(344, 356)を介して、前記レバーの前記第1の付着点(50)と機械的に接続され、前記機械的リンクは、前記可動部品の変位方向におけるその機械的リンクの剛性が、この変位方向の直交方向におけるその剛性より少なくとも5倍大きいように配置される、
請求項1〜10のうちのいずれか1項に記載のセンサ。 - 前記センサは、互いに平行に位置する複数の電気伝導体(8−13; 248−253)を備える、
請求項1〜11のうちのいずれか1項に記載のセンサ。 - 請求項1〜12のうちのいずれか1項に従ったセンサを用いる方法であって、
・前記電気伝導体に基本周波数fAの交流電流を供給すること(330)、
・前記可動部品の前記変位振幅を表す信号を取得すること、
を備え、前記方法は更に、
・前記取得された信号のパワースペクトル密度の周波数fAに集中した共鳴ピークの−3dBの幅内にある周波数を有する前記取得された測定信号の要素のみから、磁界の前記測定を決定すること(332)、
・前記周波数fAの4分の1以下の周波数を有する同一の取得した測定信号の要素のみから、前記電気伝導体の変位方向における加速の測定を決定すること(334)
を備えることを特徴とする、方法。
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