JPH10319104A - サンプルの磁気モーメントを感知するための方法およびトルク磁力計 - Google Patents

サンプルの磁気モーメントを感知するための方法およびトルク磁力計

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JPH10319104A
JPH10319104A JP10067114A JP6711498A JPH10319104A JP H10319104 A JPH10319104 A JP H10319104A JP 10067114 A JP10067114 A JP 10067114A JP 6711498 A JP6711498 A JP 6711498A JP H10319104 A JPH10319104 A JP H10319104A
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bridge
torque
sample
magnetometer
substrate
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JP10067114A
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Stefano Spagna
ステファノ・スパーニャ
Michael Bancroft Simmonds
マイケル・バンクロフト・シモンズ
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 非常に小さな異方性サンプルの磁化を測定す
る一体化された圧電抵抗性レバーを用いるトルク磁力計
を提供する。 【解決手段】 サンプル保持プラットフォームが、圧電
抵抗器を備える並列する脚により基板から片持状態にさ
れる。圧電抵抗器を含むホイートストンブリッジ全体
は、磁力計の基板上に一体化されている。代替実施例で
は、ホール効果エラー信号を排除する態様で、ブリッジ
の導体に特定的な出力接続が行なわれている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】この発明は、一般に高感度磁気測定に関
し、より特定的には改良された圧電抵抗性技術によって
極めて小さな異方性サンプル（たとえば単結晶、薄膜な
ど）を測定するためのシステムに関する。
【０００２】
【背景技術】いくつかの型の高感度トルク計が、過去数
年にわたって提案されており、金属多重層、（バルクの
および薄膜の形の）高Ｔｃ超電導体および磁気材料の磁
気モーメントの測定のため成功裏に使用されている。最
も高度なものは、２つのキャパシタプレートの間にサン
プルを保持する可撓性ビームが対称に位置するキャパシ
タンストルク計である。可変磁界テストチャンバととも
に使用されるとき、印加される磁界によって生み出され
る磁気トルクτ＝ｍ×Ｂによって生成される、サンプル
を保持するキャパシタンストルク計のビームの偏向によ
ってサンプルの固有磁気モーメントが測定される。この
式において、ｍはサンプルモーメントであり、Ｂは印加
される界である。
【０００３】圧電抵抗性カンチレバーの第１の応用例
は、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）用に、トルトネーゼ
（Tortonese ）らの「圧電抵抗性検出を使用する原子間
力顕微鏡による原子分解（Atomic Resolution With An
Atomic Force Microscope UsingPiezoresistive Detect
ion）」（『Appl.Phys. Lett.６２』ｐ．８３４（１９
９３年））で提案された。この型の磁力計は、以来パー
ク・サイエンティフィック・インストゥルメンツ（Park
Scientific Instruments ）によって商品化されてい
る。ロセル（Rossel）らは、「ミニアチュアトルク磁力
計としての活性マイクロレバー（Active Microlevers a
s Miniature Torque Magnetometers）」（『J.Appl. Ph
ys. Vol. ７９』ｐ．８１６６以降（１９９６年））と
いう論文において、高Ｔｃ超電導体の物理的特性を研究
するため使用される可変温度・磁界テストチャンバに関
連するトルク磁力計としてのこれらの商業的に利用可能
な圧電抵抗性カンチレバーの使用について初めて記載し
た。サンプルを直接マイクロレバー上に載せることによ
って、ロセルおよびその協力者らはレバーの高圧領域内
に閉じ込められた２つの圧電抵抗要素の抵抗の変化を測
定することができた。曲がりまたは撓みのいずれかによ
るこの圧電要素の抵抗の変化は磁気トルクτ＝ｍ×Ｂに
より生成され、サンプルの固有磁気モーメントの測定値
を与える。先行技術においては、圧電抵抗の変化は、い
わゆるホイートストンブリッジ構成内に接続される（テ
ストチャンバ外の）遠隔検出回路により測定された。こ
の構成においては、圧電抵抗性要素の抵抗はテストチャ
ンバ外の２つの他の抵抗により、測定され、厳密に一致
させられる。レバーの曲がりまたは撓みによる圧電抵抗
性要素の抵抗のいかなる変化も、ブリッジに交差して接
続される電圧計により検出できる。これによって、磁気
トルクひいては固有サンプルモーメントの直接的測定が
与えられる。
【０００４】この装置は、約１０-14 ニュートンメート
ル（Ｎｍ）のトルク感度を達成し、多くの目的のために
良好に機能したが、レバーが極端に小さく（典型的に
は、長さが１６５マイクロメートル（μｍ）、幅が９０
マイクロメートルおよび厚さが４マイクロメートルの寸
法であり）、設計が開放ジオメトリであるため、サンプ
ルの装着が極めて困難であり、剥き出しのレバーが壊れ
やすかった。さらに、この装置の使用は、（典型的には
サンプルの大きさが３０×３０×１０マイクロメートル
で、１マイクログラムよりも軽い）極めて小さな大きさ
のサンプルに限られた。
【０００５】商業的有用性を限定する既知の設計のさら
なる欠点は、（前述のように部分的にテストチャンバの
外側に位置する）分割検出回路を用いているという事実
によるものであり、ホイートストンブリッジの一部分
（すなわち圧電抵抗性要素）がテストチャンバ内で極め
て大きな磁界および温度の変動に頻繁にさらされるとい
う事実のため、測定エレクトロニクスにおいて不所望の
不平衡が生じる。典型的には、ブリッジ測定エレクトロ
ニクス内の（温度および磁界の面であらゆる環境変化か
ら効果的に遮断された）基準抵抗器と比較しての圧電抵
抗器の不平衡は通常圧電抵抗性要素を接続しホイートス
トンブリッジを完成するために使用されるワイヤボンド
の１つからのスプリアス温度依存性接触抵抗により生じ
得る。この先行技術の検出構成において起こり得る不正
確な出力の他の原因は、圧電抵抗器の感度および特性が
温度および磁界の関数として変化するに伴う、ブリッジ
内の利得の変動（すなわち感度の変化）である。特定的
には、磁界が５テスラ（Ｔ）に湾曲されるとき（サンプ
ルが存在しなくとも）圧電抵抗性要素の抵抗に１％のス
プリアス変化が観察された。こうした背景エラーは、典
型的な実験においてはサンプル信号と区別することが極
めて困難であった。
【０００６】高感度測定におけるこのような実質的な問
題の影響を取り除こうとする試みにおいて、ロセルおよ
びその協力者らにより示唆された先行技術の延長案は、
同一チップ上のホイートストンブリッジと一体化された
２つの同一のカンチレバーで差動測定を行なうというも
のだった。（バウアー（Bauer ）ら、「ミニアチュアト
ルク磁力計（Miniature Torque Magnetometer ）」
（『ＩＢＭ技術公開速報（ＩＢＭ Technical Disclosur
e Bulletin）Vol.３８，No. １２』ｐｐ．１５１，１５
２（１９９５年））しかしながら、この元の設計の延長
案においてはすぐにいくつかの問題が明らかになった。
初めに遭遇する問題は、高感度測定のために必要とされ
る良好なブリッジ平衡を生成するため、同一の感度およ
び応答を有するホイートストンブリッジ構成内に一体化
された４つの独立した活性圧電抵抗器（すなわち、２つ
の独立したレバーにおいて行なうようにすべてが曲がっ
たりまたは撓んだりするもの）を電気的に生成する実際
上の複雑性である。第２の問題点は、良好な差動測定の
ために必要とされるような、同一の機械的特性（すなわ
ち、偏向または撓みに対しての機械的応答）を持つ２つ
の独立したレバーを同一のチップ上に作製する困難であ
る。この問題は、商業的に利用するためより大きなサイ
ズのレバーを構築しようとするときさらに大きくなる。
（数ミリメートルのオーダの）より寸法の大きな２つの
同一のレバーを備えるチップは、扱いが極めて非実用的
になる一方、レバーを製造するため通常用いられる標準
的フォトリソグラフィおよびエッチング技術によって
は、測定のために必要とされる精度に作製することが極
めて困難であろう。
【０００７】
【発明の概要】この発明の主な目的は、（たとえば単結
晶、薄膜などの）極めて小さな異方性サンプルの磁気特
性の測定を可能にする高感度磁気センサを提供すること
である。この発明は、測定のために必要な検出回路とと
もに、磁気トルクτ＝ｍ×Ｂによって磁気測定を行なう
ための、好ましくはシリコンウェハから作られる高度集
積トルクレバーチップを組入れる。この発明は、（典型
的には最大寸法が１．５×１．５×１．５ｍｍの０．数
グラムまでの）サンプルの装着の間トルクレバーのより
よい保護を提供し、サンプルを可変温度および磁界環境
におくために通常使用される公称９ｍｍのボアを備える
あらゆるテスト装置へトルク計を装着するための容易な
扱いを提供する、閉じたジオメトリの（たとえば、寸法
が６×６×０．５ｍｍのチップの周辺から内側の）トル
クレバーの作製のための装置および特別な方法である。
【０００８】特定的には、この発明はテストチャンバ内
で印加される変化する磁界の存在下でサンプルの磁気モ
ーメントを感知するためのトルク磁力計であり、前記磁
力計は、非導電性の基板の一端縁から延びる片持トルク
レバーとともに形成される非導電性基板を含み、前記基
板はテストチャンバ内に取外し可能に装着されるよう構
成され、前記トルクレバーは、前記一端縁から他端方向
に突出するサンプル保持パドルと、前記パドルを前記一
端縁に接続するブリッジ手段と、前記ブリッジ手段上に
表面装着される平行に間隔をおいて位置付けられる１対
の圧電抵抗器と、印加される磁界のサンプルに対する物
理的影響を表わす出力信号を生成するためサンプルに対
する磁気的に引き起こされるトルクによって生じる前記
パドルのねじれからくる抵抗の変化を示す前記圧電抵抗
器からの信号を検出、比較および処理するための、前記
基板上の手段と、前記出力信号を外部信号処理回路に接
続するための、前記基板上の出力端子と、電力を前記圧
電抵抗器に印加するための、前記基板上の入力端子とを
含む。
【０００９】この設計の別の利点は、簡単な圧力コンタ
クトを使用して、通常実験において使用される広範囲な
アタッチメントに容易に装着できかつ電気的に接続でき
る「独立型」カートリッジとしてのトルクレバーチップ
を使用する能力を含む。たとえば、チップの大きさが簡
潔であるため、ユーザはこれを気化チャンバに装着し、
（たとえば超高真空条件下で、４００℃に至る高温にお
いて）レバー表面上に直接薄膜サンプルを堆積できる。
これらのサンプルの特徴決定は、背景に影響されないサ
ンプルの磁気測定を提供する可変温度・磁界環境を備え
る別個のテストチャンバ内で順次行なうことができる。
トルクレバーチップは大きさが小さいため、テストチャ
ンバ内で行なわれる角依存性トルク測定のための回転プ
ラットホーム上に容易に装着することによって最もうま
く利用できる。
【００１０】この発明においては、レバーの撓みは、重
力効果に影響されないので、好ましくは、磁気トルクの
測定値として検出される。トルクτにより生成されるこ
の撓みは、圧電抵抗の変化ΔＲによって高感度で測定さ
れる。抵抗のレベルおよび変化を表わす信号を得るた
め、適切な検出手段を使用してもよく、適切な手段が必
要とするように、圧電抵抗器からの信号を処理すること
ができる。簡単なしかし精巧な信号検出および処理手段
は、優れた平衡および安定性を得るようトルク計チップ
上に直接一体化される改良されたホイートストンブリッ
ジ構成である。この発明は、好ましい実施例において、
最終的にはセンサの感度に悪影響を与えかねない回路の
温度依存性を減ずるため、コンスタンタンの（シリコン
をドープされたｐ型の圧電抵抗器とは異なる）２つの全
金属圧電抵抗器トレースを使用する。ブリッジの平衡抵
抗器も、温度の変動に対しての平衡維持を補助するため
コンスタンタンで作製される。この発明の、磁気センサ
と検出エレクトロニクスとのこれまでなかった一体化に
より、ユーザはチップとそのホルダとの間の接触抵抗の
影響を除去し、かつ、磁界および温度によるブリッジ抵
抗器内の抵抗の変化によって生じるエラーを除去するこ
とができる。
【００１１】ホイートストンブリッジ要素および接続ト
レースが通常の構成に適用されるが、この発明によりチ
ップレバー上に一体化されるときは、トルク計の読出し
の精度に影響を与えるスプリアス信号は、ホール効果電
圧の結果としての高磁界（＞１Ｔ）で生じるであろう。
印加される磁界が増加するに伴い、有害なホール効果電
圧も増加する。ワイヤリングトレースの厚みは、その幅
に比べて小さいので、ホール効果電圧の結果としてのエ
ラーは比較的大きくなり得る。これは、ホイートストン
回路要素および接続トレースの作製のためにスパッタリ
ングまたは蒸着などの薄膜技術が使用された場合のこと
である。この発明を元にした代替的実施例および改良案
として、ブリッジ回路の構成において代替的なトポロジ
ーを用いることによって、ホール効果の問題を除去する
ことができることがわかった。鍵となる特徴は、ブリッ
ジ電圧がブリッジループの外側からではなく内側から感
知されるということである。このために、ホール効果電
圧の発生に関して、２つの電圧感知点の電圧レベルが等
しくなる。このために、この効果を発生させる電位差が
なくなる。ブリッジにはしばしば極めて大きな変動する
磁界が印加され、また、ブリッジは大きな磁界内を回転
するであろうから、この発明のトルク磁力計の設計にお
いてこの特徴は重要なものとなり得る。そのような状況
下では、測定サンプルによって発生される信号との区別
が難しいかなりのエラー信号がホール効果によって生み
出されるかもしれない。
【００１２】本発明の目的、利点および特徴は、添付の
図面と関連させて以下の詳細な説明を読むことにより、
より容易に理解されるであろう。
【００１３】
【発明を実施するベストモード】図面、具体的には図１
を参照すると、先行技術による、非導電性シリコン基板
１１に接続されたトルク磁力計の構造が示されている。
トルク磁力計は片持可撓性ビームまたはマイクロレバー
１２であり、脚１３および１４ならびにサンプル保持パ
ドルまたはプラットフォーム１５で形成される。基板１
１上にあるのは、圧電抵抗器Ｒ1 に接続される電気コン
タクトまたはボンディングパッド１６および１７、なら
びに圧電抵抗器Ｒ2 に接続されるボンディングパッド２
２および２３である。パッド１７および２２は導体２５
により接続される。基板１１外部にあるのは、平衡抵抗
器Ｒ3 およびＲ4 、信号または電力投入手段３３、なら
びに通常は不平衡ブリッジ電圧を感知する検出器である
出力信号ピックアップ３４からなるホイートストンブリ
ッジ２６の残り部分である。
【００１４】テストが行なわれるときには、小さな磁気
結晶３５といったサンプルまたは試験片が、基板１１に
接続されたプラットフォーム１５に載置される。プラッ
トフォームおよび基板はともに、包括的に破線３６で示
されているテストチャンバ内に置かれている。磁界Ｒが
従来の態様であるいはロセル他により教示されるような
態様で試験片に印加される。この磁界により、試験片の
モーメントｍおよびマイクロレバーのトルクτが生じ
る。ブリッジを不平衡にし、ブリッジの端子４１および
４２間の出力信号を与える圧電抵抗器からの信号の源と
なるのがこのトルクである。
【００１５】圧電抵抗性素子Ｒ1 およびＲ2 の抵抗を測
定し、外部の抵抗器Ｒ3 およびＲ4と厳密に整合させて
ブリッジ２６を平衡させる。マイクロレバーの曲がりま
たは撓みによる感知抵抗素子の変化ΔＲ1 およびΔＲ2
はボルトメータ３４により検出され、マイクロレバーの
磁気トルク、結果的にはサンプルの固有のモーメントを
直接示す信号が得られる。
【００１６】図２は、本発明のトルク磁力計を示す。基
板４５はブリッジまたは接続脚４６および４７ならびに
プラットフォーム５１と一体化され、これらが組合わさ
れてトルクレバー５２をなしている。なお、トルクレバ
ーは、基板の「ピット」４９内で、好ましくはシリコン
である基板材料により完全に囲まれている。これにより
トルクレバーが物理的に保護されることになる。
【００１７】参考のために示すと、トルクレバー５２は
基板のエッジ５３より外方におよそ３ｍｍ突出し、脚４
６および４７は約１ｍｍの長さを有し、パドルまたはプ
ラットフォーム５１は約２ｍｍの正方形である。基板全
体は、好ましくは約６×６×０．５ｍｍの寸法のチップ
である。エッジ５３から片持にされ基板の上面と共面を
なすトルクレバーの厚みの範囲は約０．００５ｍｍから
約０．０５ｍｍである。トルクレバーの厚みはこの機器
の感度に直接関連がある。感度を最大にするには、厚み
が約０．００５であるトルクレバーを有する磁力計が選
択されるであろう。トルクレバーは、少なくとも約０．
０１ｇｍまでのサンプルに対処でき、典型的なサンプル
の寸法はおよそ１．５×１．５×１．５ｍｍの寸法を超
えることはない。トルクレバーは、９Ｔでおよそ２×１
０-8ｅｍｕのモーメント感度に対応する約３×１０-10
Ｎｍのトルク感度を有する。こういった特定化は参考の
ために行なっているにすぎず、限定または規定を意図す
るものではない。
【００１８】基板全体はテストチャンバ内に配置され、
サンプルのテストが行なわれる。スパッタリングまたは
蒸着といった既知の手段によって基板の上面に設けられ
ているのは、曲がりまたは撓みによる抵抗の変化を検出
するのに必要なすべての回路素子である。
【００１９】圧電抵抗器Ｒ11およびＲ12は感度を高める
ために曲がりくねった形式で示されており（曲がりまた
は撓みの影響を受ける４つのトレース部分である）、好
ましくはコンスタンタン（一般的には約銅６０％および
ニッケル４０％）である。これらの感知抵抗器は脚４６
および４７に設けられる。これらの圧電抵抗器は脚に表
面が接触するように結合されており、脚の曲がりまたは
撓みにより抵抗が変化し、何らかの適切な手段により検
出、比較および処理できる信号（ΔＲ）をもたらす。ホ
イートストンブリッジは特に有用性がある。なぜなら、
ホイートストンブリッジは非常に簡単に抵抗器Ｒ11およ
びＲ12のΔＲを検出し、その変化を比較して、このブリ
ッジの出力により、印加された磁界のために脚４６およ
び４７に生じた曲がりまたは撓みの方向および量を直接
示すことになるからである。
【００２０】ブリッジ平衡抵抗器Ｒ13およびＲ14もまた
曲がりくねった形状で示されており、脚４６および４７
からは間隔をおいて基板本体に設けられているため、ト
ルクレバーの脚の曲がりまたは撓みの影響を受けない。
好ましくは、平衡抵抗器もコンスタンタンからなる。
【００２１】コンタクトパッド５４が基板に設けられ、
圧電抵抗素子Ｒ11および抵抗器Ｒ13の間に接続される。
コンタクトパッド５５は、圧電抵抗素子Ｒ12および抵抗
器Ｒ 14の間に接続される。これらは、特にボルトメータ
といった信号検出器が接続されるであろう信号検出パッ
ドである。サンプルが受ける応力の表示器としてより精
巧な計器を装備することが可能であろうが、出力表示器
としては図面で「Ｖ」という文字で示される簡単なボル
トメータで十分である。
【００２２】コンタクトパッド５６は抵抗器Ｒ13および
Ｒ14間に接続され、コンタクトパッド５７は圧電抵抗器
Ｒ11およびＲ12間に接続される。入力電力（典型的には
約３００μＡの電流）が、何らかの適切な従来の手段
（図示せず）により上記端子に印加される。本発明の好
ましい実施例のホイートストンブリッジ全体は、図３の
概略図に示されている。なお、図１または図５の概略図
と比較した場合この配置は反転または裏返しにされたも
のとなっている。ホール効果があるまたは生じ得るとき
には、いずれのブリッジ配置でも申し分のない出力信号
がもたらされるであろうが、好ましくは図２および３の
配置を用いてホール効果電圧の低減または排除を行な
う。
【００２３】ホール効果およびその制御について、図６
を参照してさらに説明する。この図は、ブリッジを物理
的に概略的に示したもので、基板に堆積される平坦なト
レースは幅を強調して示されている。外部磁界が存在す
ると、信号入力パッド５６および５７に接続されかつこ
れら入力パッドから分岐したものであるトレース６１、
６２、６４および６５におけるホール効果のために静電
位が生じる。印加された磁界の方向が回路の面（トルク
−レバーチップ）にあるとき、このスプリアス電位は最
大となるであろう。例示として、ホール効果により予測
されるようにトレース６３の上側に正電位が生じ下側に
負電位が生じると仮定すると、ブリッジの内側に対向す
るトレース６１のエッジもまた正であろう。トレース６
２の外側のエッジは負であろう。このため、トレース６
３がトレース６１および６２に分割されるポイントが、
「０」で示される、回路を通る等電位中性線を規定する
ことになるであろう。さらに、たとえばトレース６２お
よび６５が交わるポイントおよびトレース６１および６
４が交わるポイントのように２つの「０」ポイントを接
続する内側の境界線全体は、外部磁界が存在しても０と
いう同じ等電位のままであろう。結果として、パッド５
５および５４（ブリッジの内側）に分岐する回路のポイ
ントからブリッジを通る電圧を検出することにより、外
部磁界の影響を受けない、ブリッジ平衡または不平衡の
程度の正確な測定が行なわれる。他方、トレース６１お
よび６４が交わりトレース６２および６５が交わりかつ
パッド８４および８３に分岐する回路の外側のエッジか
らブリッジを通る電圧を検出することにより、ブリッジ
平衡の測定を行なうと、測定値は印加された電界の大き
さおよび方向に依存する従来のスプリアス電位の影響を
受けることが容易にわかるであろう。
【００２４】ゼロ電圧である２つのトレースの交差点に
ある場所で出力信号のピックアップが行なわれると、圧
電抵抗素子からの非常に小さな信号を劣化させる可能性
のあるスプリアス電圧は存在しないことがわかるであろ
う。図６に示すようにブリッジトレースの「内側」では
これは事実であるが、トレースの外側では０以外の電位
が発生する。ホール効果電圧はマイクロボルトのレベル
（ピークからピーク）であるが、事実上圧電抵抗器から
の測定信号よりは大きくなる可能性がある。
【００２５】図４および５に従来のブリッジ構成が示さ
れる。入力信号パッド７１および７２はトレース７３に
より短絡され、圧電抵抗素子７４および７５間に接続さ
れる。入力信号パッド７６は平衡抵抗器８１および８２
間に接続される。信号ピックアップパッド８３は圧電抵
抗器７４および抵抗器８１間に接続され、ピックアップ
パッド８４は圧電抵抗器７５および抵抗器８２間に接続
される。図５の概略図は図３と大差ないように見えるか
もしれないが、図６に示すようなコンタクトパッドから
トレースへの接続の物理的な位置決めにより、磁力計の
感度に重要な相違がもたらされる。比較的大きな磁界が
印加されても、重要な出力信号が得られる。一般的なテ
ストを目的とする場合、印加される磁界は、例として前
述のように特定したサイズおよび特性を有する磁力計に
対し−３０Ｔから３０Ｔの範囲となり得るが、理論上は
制限はない。印加される電界が約１Ｔを超過すると、ホ
ール効果電圧は重大になり始め、印加される磁界が増大
するにつれて、トルク磁力計出力の正確度および値は減
少する。
【００２６】本発明の実際の構成が図７に示される。チ
ップボード９１はトルク磁力計５２に対するモジュラキ
ャリアである。チップボードは、チップボードの可視の
表面から離れるように下方向に突出する複数のピン９２
（ピンのヘッド部分のみが図示される）を有する。この
ピンにより、テストチャンバの回転プラットフォームに
チップボードを差し込むことが可能になる。
【００２７】ばねを搭載したコンタクトフィンガ９３が
コンタクトパッド９４に取付けられ、ピン９３の自由端
９５はトルク磁力計の基板４５のボンディングパッドと
電気的に接続できるようにするものである。基板の端部
９６はチップボードの開口部１０１のショルダ９７の上
にある。基板４５もまた開口部１０１のショルダ９７と
対向する側に取外し可能に取付けられるプレート１０２
の上にある。このトルク磁力計は、固定手段１０３を解
放してプレート１０２および磁力計５２がチップボード
の下側を通して取外しできるようにすることによって、
容易にチップボード９１から取外される。固定手段１０
３は、簡単なツイストロックまたはその他の適切な要素
とすることができる。
【００２８】図７の構造により、サンプルがテストのた
めにパドルに搭載された後でさえ、磁力計を安全にかつ
モジュラ態様で取扱うことができる。チップボードは、
異なる特性を有するトルク磁力計の受入れ、または故障
のある装置の交換に適するようにされている。さらに、
磁力計装置はテストチャンバ内に永久的に載置されるも
のではないため磁力計装置そのものが使い捨て可能であ
る。差し込むという性質のために、テストチャンバにお
いて迅速に切換えて、テストをかなり迅速に連続して次
々に行なうことができる。既知の先行技術ではトルク磁
力計を基板に強固にワイヤリングして、モジュール方式
の要素を妨げている。対照的に、図７に示す本発明の構
造では、トルク磁力計を簡単に交換でき、磁力計そのも
のを種々のテストチャンバおよび装置内で使用できるよ
うにしている。
【００２９】再び図２を参照して、本発明のトルク磁力
計の各実施例は、外部接続コンタクトまたはボンディン
グパッド１１２および１１３を備える校正コイル１１１
を含む。これらは本発明において、製品ごとに異なる、
すべての生じ得る事態を考慮して、初期設定を完全に平
衡させるために用いられる。
【００３０】本発明のトルク磁力計が載置されるテスト
チャンバは、印加される一定の磁界においてトルクレバ
ー／基板／サンプルを回転させるための手段と、サンプ
ルを静止させておいて印加された電界を回転させるため
の手段と、サンプルが晒される温度を変化させるための
手段とを有する。サンプルは、たとえばアピエゾンワッ
クスといった何らかの適切な接着剤でトルクレバーパド
ルに固定される。図７のモジュラ構成では、サンプルを
パドル上に載せることができる。
【００３１】本発明のトルクレバーは、２つの間隔が置
かれた並列するブリッジ脚を有するものとして示されて
いる。しかしながら、圧電抵抗がある表面領域間の基板
を通る間隔がなくても本発明は機能できる。感度のため
には間隔を置かれた脚が好ましい。
【００３２】本発明のトルク磁力計は前述した以前の磁
力計に対し多数の利点を有する。非常に重要な要素は、
本発明のトルク磁力計の大きさが実用的で使用可能なも
のであることである。本発明および既知の先行技術によ
るものの、相対的な寸法は前述のとおりである。ある重
要な利点は、感知の構成部品（本明細書ではホイートス
トンブリッジ）が圧電抵抗器と一体化されるように基板
に載置されているため、感知素子のすべての面が同じ環
境の変化の影響を受けることである。この利点に、ブリ
ッジ平衡抵抗器が圧電抵抗器と同じ材料から形成されて
いる事実が加わると、通常はサンプルテスト手順にとり
入れられる変数である温度の変化が、不平衡または校正
を損なう効果を有さないことが明らかである。抵抗器そ
のものが金属材料からなるものであるので、圧電抵抗器
の典型的な材料であるｐドープされたシリコンから形成
された蒸着された抵抗器よりも、温度に誘起される応力
を受けにくい。トルク磁力計は基板内のピット内で形成
されているため、以前にはなかった物理的な保護がもた
らされる。
【００３３】この実用的な大きさおよび差込みという構
造のため、本発明のトルク磁力計は安全に取扱いでき
る。すなわち、ある場所でテストサンプルを設置し、損
傷を受ける恐れなしにテストチャンバに移動させること
ができる。
【００３４】最後に、ブリッジ接続の反転のトポロジー
により、潜在的には比較的大きな有害なホール効果電圧
の発生を防止できる。
【００３５】上記の説明を鑑みれば、当業者により、請
求の範囲の定義の範疇において修正および改良が考案さ
れるであろう。したがって、本発明は先行技術により可
能な範囲において解釈されるとき、前掲の特許請求の範
囲および精神によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術によるトルクレバーチップの概略的な
等角図であり、検出エレクトロニクスのために使用され
る離されたホイートストンブリッジを備えている。
【図２】本発明の方式により行なわれる測定の原理を示
す、本発明のトルクレバーチップの等角図であり、サン
プルがトルクレバーのプラットフォームに設置されてい
る。
【図３】図２に示すホイートストンブリッジの概略図で
ある。
【図４】本発明で使用されるホイートストンブリッジ構
成の代替例の図である。
【図５】図４のブリッジの概略図である。
【図６】図４および５の接続を示す電気トレースの拡大
図である。
【図７】テストチャンバに挿入するための回転プラット
フォームに差し込まれるモジュラチップボードの平面図
である。
【符号の説明】
４５ 基板 ５１ プラットフォーム ５２ トルクレバー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル・バンクロフト・シモンズ アメリカ合衆国、92014 カリフォルニア 州、デル・マー、サン・バレー・ロード、 4519

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 テストチャンバ内で印加される変化する
    磁界の存在下で、サンプルの磁気モーメントを感知する
    ためのトルク磁力計であって、前記磁力計は、 非導電性の基板の一端縁から延びる片持トルクレバーと
    ともに形成される非導電性基板を含み、前記基板はテス
    トチャンバ内に取外し可能に装着されるよう構成され、
    前記トルクレバーは、 前記一端縁から他端方向に突出するサンプル保持パドル
    と、 前記パドルと前記一端縁とを接続するブリッジ手段とを
    含み、前記磁力計はさらに、 前記ブリッジ手段上に表面装着される平行に間隔をおい
    て位置付けられる１対の圧電抵抗器と、 印加される磁界のサンプルに対する物理的影響を表わす
    出力信号を生成するため、サンプル上の磁気的に引き起
    こされたトルクによって生ずる前記パドルのねじれから
    くる抵抗の変化を示す前記圧電抵抗器からの信号を検
    出、比較および処理するための、前記基板上の手段と、 前記出力信号を外部信号処理回路に接続するための、前
    記基板上の出力端子と、 前記圧電抵抗器に電力を印加するための、前記基板上の
    入力端子とを含む、サンプルの磁気モーメントを感知す
    るためのトルク磁力計。
  2. 【請求項２】 前記基板は前記パドルを囲み、前記パド
    ルは前記基板を通じて形成されるピット内に形成され
    る、請求項１に記載の、サンプルの磁気モーメントを感
    知するためのトルク磁力計。
  3. 【請求項３】 前記信号検出、比較および処理手段は、
    ホイートストンブリッジを含み、前記圧電抵抗器は前記
    ブリッジの２つの脚部を含む、請求項１に記載のサンプ
    ルの磁気モーメントを感知するためのトルク磁力計。
  4. 【請求項４】 前記ブリッジは完全に前記基板および前
    記トルクレバー上に形成される、請求項３に記載の、サ
    ンプルの磁気モーメントを感知するためのトルク磁力
    計。
  5. 【請求項５】 前記ブリッジは、 前記基板上に形成されるブリッジ平衡抵抗要素と、 前記ブリッジの４つの脚部を形成するよう、前記抵抗要
    素と前記圧電抵抗器とを接続する導電性トレースとを含
    み、前記トレースは予め定められた幅を有し、前記ブリ
    ッジの構造内に内側端縁および外側端縁を有し、 前記出力端子は前記トレースの前記内側端縁に接続さ
    れ、それによってホール効果エラー信号を実質的に除去
    する、請求項３に記載の、サンプルの磁気モーメントを
    感知するためのトルク磁力計。
  6. 【請求項６】 前記圧電抵抗器はコンスタンタンから形
    成される、請求項１に記載の、サンプルの磁気モーメン
    トを感知するためのトルク磁力計。
  7. 【請求項７】 前記ホイートストンブリッジの抵抗要素
    はすべてコンスタンタンから形成される、請求項４に記
    載のサンプルの磁気モーメントを感知するためのトルク
    磁力計。
  8. 【請求項８】 前記パドルは一辺が約２ｍｍのほぼ矩形
    であり、前記パドルは前記基板の前記一端縁から約１ｍ
    ｍ間隔をおいて位置付けられ、前記トルクレバーは約
    ０．０１ｇｍ以下の質量を有し、約１．５×１．５×
    １．５ｍｍの寸法を有するテストのためのサンプルに対
    処可能である、請求項１に記載の、サンプルの磁気モー
    メントを感知するためのトルク磁力計。
  9. 【請求項９】 前記トルクレバーは、約３×１０-10 Ｎ
    ｍのトルク感度および９Ｔにおいて約２×１０-8ｅｍｕ
    のモーメント感度を有する、請求項１に記載のサンプル
    の磁気モーメントを感知するためのトルク磁力計。
  10. 【請求項１０】 前記ブリッジ手段は間隔をおいて位置
    付けられた１対の平行脚部を含む、請求項１に記載の、
    サンプルの磁気モーメントを感知するためのトルク磁力
    計。
  11. 【請求項１１】 前記ブリッジは前記ブリッジの２つの
    付加的脚部内に２つの平衡抵抗器を含み、前記４つの抵
    抗器要素はすべて互いに物理的に平行な配置で前記基板
    上に装着され、それによって、すべての前記抵抗器要素
    内で発生するホール効果電圧がすべて実質的に等しくな
    る、請求項５に記載のサンプルの磁気モーメントを感知
    するためのトルク磁力計。
  12. 【請求項１２】 前記基板が取外し可能に装着されるモ
    ジュラーキャリアボードをさらに含み、前記ボードは前
    記ボードをテストチャンバ内に取外し可能に装着するた
    めの接続手段と、前記基板の前記入力端子および前記出
    力端子との接続を行なうための接触要素とを含む、請求
    項１に記載の、サンプルの磁気モーメントを感知するた
    めのトルク磁力計。
  13. 【請求項１３】 テストチャンバ内で印加される変化す
    る磁界の存在下で、サンプルの磁気モーメントを感知す
    るためのトルク磁力計であって、前記磁力計は、 非導電性基板の一端縁から延びる片持トルクレバーとと
    もに形成される非導電性基板を含み、前記トルクレバー
    は、 前記一端縁から他端方向に突出するサンプル保持パドル
    と、 前記パドルと前記一端縁とを接続するブリッジ手段とを
    含み、前記磁力計はさらに、 前記ブリッジ手段上に表面装着される平行に間隔をおい
    て位置付けられる１対の圧電抵抗器と、 休止条件にあるときは正常に平衡する電気ブリッジ構成
    とを含み、前記圧電抵抗器は前記ブリッジ構成の２つの
    脚部を含み、前記電気ブリッジ構成は平衡抵抗要素と、
    サンプル上の磁気的に引き起こされたトルクによって生
    じる前記パドル上のねじれからくる不平衡を検出するた
    めの、前記電気ブリッジ構成内に接続される出力端子と
    を有し、前記平衡抵抗要素は前記圧電抵抗器と同じ材料
    で形成され、前記磁力計はさらに、 前記出力信号を外部信号処理回路に接続するための、前
    記基板上の出力端子と、 電力を前記圧電抵抗器に印加するための、前記基板上の
    入力端子とを含む、サンプルの磁気モーメントを感知す
    るためのトルク磁力計。
  14. 【請求項１４】 前記ブリッジは、 前記ブリッジの４つの脚部を形成するよう、前記ブリッ
    ジ平衡抵抗要素と前記圧電抵抗器とを接続する導電性ト
    レースを含み、前記トレースは予め定められた幅を有
    し、前記ブリッジの構造内に内側端縁および外側端縁を
    有し、 前記出力端子は、前記トレースの前記内側端縁に接続さ
    れ、それによってホール効果エラー信号を実質的に除去
    する、請求項１３に記載の、サンプルの磁気モーメント
    を感知するためのトルク磁力計。
  15. 【請求項１５】 前記圧電抵抗器および平衡抵抗器要素
    はすべて、ｐ−ドープされたシリコン圧電抵抗器よりも
    抵抗の温度係数が実質的に低い全金属材料のトレースと
    して形成される、請求項１３に記載の、サンプルの磁気
    モーメントを感知するためのトルク磁力計。
  16. 【請求項１６】 前記出力端子は、前記ブリッジトレー
    スの内側端縁に接続され、それによってホール効果エラ
    ー信号を実質的に除去する、請求項１３に記載の、サン
    プルの磁気モーメントを感知するためのトルク磁力計。
  17. 【請求項１７】 テストチャンバ内で印加される変化す
    る磁界の存在下で、サンプルの磁気モーメントを感知す
    るためのトルク磁力計であって、前記磁力計は、 非導電性基板の一端縁から延びる片持トルクレバーとと
    もに形成される非導電性基板を含み、前記トルクレバー
    は、 前記一端縁から他端方向に突出するサンプル保持パドル
    と、 前記パドルと前記一端縁とを接続するブリッジ手段とを
    含み、前記磁力計はさらに、 前記ブリッジ手段上に表面装着される平行に間隔をおい
    て位置付けられる１対の圧電抵抗器と、 休止条件にあるときは正常に平衡する電気ブリッジ構成
    とを含み、前記圧電抵抗器は前記ブリッジ構成の２つの
    脚部を含み、前記電気ブリッジ構成は平衡抵抗要素と、
    サンプル上の磁気的に引き起こされたトルクによって生
    じる前記パドル上のねじれからくる不平衡を検出するた
    めの、前記電気ブリッジ構成内に接続される出力端子と
    を有し、前記平衡抵抗要素は前記圧電抵抗器と同じ材料
    で形成され、前記磁力計はさらに、 前記出力信号を外部信号処理回路に接続するための、前
    記基板上の出力端子と、 電力を前記圧電抵抗器に印加するための、前記基板上の
    入力端子を含み、 前記ブリッジ構成はさらに、前記ブリッジの４つの脚部
    を形成するよう、前記平衡抵抗要素と前記基板上の前記
    圧電抵抗器とを接続する導電性トレースを含み、前記ト
    レースは予め定められた幅を有し、前記ブリッジの構造
    内に内側端縁および外側端縁を有し、 前記出力端子は前記トレースの前記内側端縁に接続さ
    れ、それによって、約１Ｔよりも大きい磁界において生
    じるホール効果エラー信号を実質的に除去する、サンプ
    ルの磁気モーメントを感知するためのトルク磁力計。
  18. 【請求項１８】 前記圧電抵抗器および前記平衡抵抗器
    要素は同じ全金属材料から形成される、請求項１７に記
    載の、サンプルの磁気モーメントを感知するためのトル
    ク磁力計。
  19. 【請求項１９】 前記出力端子は等しい電位にある、前
    記トレースの内側端縁上の電圧感知点に接続される、請
    求項１８に記載の、サンプルの磁気モーメントを感知す
    るためのトルク磁力計。
  20. 【請求項２０】 テストチャンバ内で印加される変化す
    る磁界の存在下であ、サンプルの磁気モーメントを感知
    するための方法であって、前記方法は、 基板の一端縁から延びかつ、テストされるサンプルが上
    に保持されるパドルとともに構成される片持トルクレバ
    ーを備える、非導電性基板を形成するステップを含み、
    パドルはブリッジ手段によって基板に接続され、前記方
    法はさらに、 ブリッジ手段の表面上に平行に間隔をおいて位置付けら
    れる１対の圧電抵抗器を形成し基板上に延ばすステップ
    と、 基板上に電気平衡ブリッジ構成を形成するステップとを
    含み、圧電抵抗器はブリッジの２つの脚部であり、ブリ
    ッジの別の２つの平衡抵抗要素脚部が存在し、前記方法
    はさらに、 不平衡条件を感知するためブリッジ内に接続される、基
    板上の出力端子を形成するステップを含み、出力端子
    は、ブリッジの平衡および不平衡状態を示す信号を外部
    信号処理回路に接続するよう構成され、前記方法はさら
    に、 基板上に、電力を圧電抵抗器に印加するよう構成される
    入力端子を形成するステップと、 テストチャンバ内に回転プラットホームとともに基板を
    装着するステップと、 テストチャンバ内のパドル上のサンプルに磁界を印加す
    るステップと、 磁界の強度を変えるステップと、 テストチャンバ内のサンプルに磁界を印加する間プラッ
    トホームを回転させるステップとを含む、サンプルの磁
    気モーメントを感知するための方法。
  21. 【請求項２１】 圧電抵抗器、平衡抵抗要素および出力
    端子は基板上に形成される、請求項２０に記載の、サン
    プルの磁気モーメントを感知するための方法。
  22. 【請求項２２】 出力端子は、ブリッジを形成するトレ
    ースの内側に接続され、これによって、ホール効果エラ
    ー信号を実質的に除去する、請求項２０に記載の、サン
    プルの磁気モーメントを感知するための方法。
JP10067114A 1997-03-17 1998-03-17 サンプルの磁気モーメントを感知するための方法およびトルク磁力計 Pending JPH10319104A (ja)

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