KR20070032936A

KR20070032936A - Resonant magnetometer device

Info

Publication number: KR20070032936A
Application number: KR1020067005787A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 오리 킹; 케빈 마이클 브룬손
Original assignee: 키네티큐 리미티드
Priority date: 2003-09-23
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2007-03-23
Also published as: GB0323157D0; CN1886669A; CN1886669B; HK1099079A1; GB0322236D0

Abstract

본 발명은 발진 부재(26), 및 상기 발진 부재(26)를 통해 교류 전류(AC)를 전달하는 수단을 포함하는 공진 자력계(20)에 관한 것이다. 자력계는 상기 발진 부재(26)에 자기장 독립 발진력을 전달하는 구동 수단(46, 48)을 더 포함한다. 또한, 자력계의 마이크로-전기기계 시스템들(MEMS)에 대한 구현이 기술된다.

발진 부재, 공진 자력계, 자기장 독립 발진력, 마이크로-전기기계 시스템들, 공진 빔

The present invention relates to a resonant magnetometer (20) comprising an oscillating member (26) and means for delivering an alternating current (AC) through the oscillating member (26). The magnetometer further comprises drive means 46, 48 for transmitting a magnetic field independent oscillating force to the oscillating member 26. Also described is an implementation for a micro-electromechanical systems (MEMS) of magnetometer.

Oscillating member, resonant magnetometer, magnetic field independent oscillating force, micro-electromechanical systems, resonant beam

Description

공진 자력계 장치{Resonant magnetometer device}Resonant magnetometer device

본 발명은 자력계, 특히 마이크로-전기기계 시스템들(Micro-electromechanical systems: MEMS) 자체-공진 자력계에 관한 것이다.The present invention relates to magnetometers, in particular to micro-electromechanical systems (MEMS) self-resonant magnetometers.

공진 자력계들은 공지되어 있다. 공진 자력계들에 기초한 초기 MEMS들중 하나는 D.K. Wickenden 등에 의한 문헌, 즉 "MEMS based resonating Xylophone Bar Magnetometers", SPIE conference Proceedings - Micromachined Devices and Components IV, SPIE Vol.3514, pp 350-358, 1998에 개시되어 있다. Wickenden 등에 의한 장치는 제 1 공진 모드의 노드들에 있는 전극들의 쌍에 고정된 표면 마이크로-머신 바를 포함한다. 사용시에, 교류 전류(AC)는 바의 공진 주파수로 바를 통과한다. 자기장이 존재할때, 로렌츠력(Lorenz force)은 바가 공진되도록 하며, 이러한 임의의 이동의 크기는 공급된 자기장의 세기를 지시하기 위하여 용량적으로 감지된다.Resonant magnetometers are known. One of the earliest MEMSs based on resonant magnetometers is D.K. See Wickenden et al., Ie "MEMS based resonating Xylophone Bar Magnetometers", SPIE conference Proceedings-Micromachined Devices and Components IV, SPIE Vol. 3514, pp 350-358, 1998. The apparatus by Wickenden et al. Comprises a surface micro-machine bar fixed to a pair of electrodes at the nodes of the first resonant mode. In use, alternating current AC passes through the bar at the resonant frequency of the bar. When a magnetic field is present, the Lorentz force causes the bars to resonate, and the magnitude of this arbitrary movement is capacitively sensed to indicate the strength of the supplied magnetic field.

기본적인 MEMS 공진 자력계 설계에 대한 변형은 Zaki Izham, Michael CL Ward, Kevin M Brunson 및 Paul C Stevens에 의한 문헌, 즉 "Development of a Resonant Magnetometer", see Proceedings of the 2003 Nanotechnology Conference and Trade show, February 23-27, San Francisco, Volume 1, pp 340-343, ISBN 0- 9728422-0-9에 개시되어 있다. Izham 등에 의한 공진 자력계는 절연체상 실리콘(SOI) 웨이퍼로 형성되고, 고정 현수부들의 두개의 세트들을 가진 발진 매스(mass)를 포함하며, 고정 현수부는 공진 자력계가 웨이퍼 평면에서 축을 따라 이동하도록 한다. 발진 매스의 공진 주파수 주변의 주파수를 가진 AC 전류는 자기장이 존재할때 매스가 공진되도록 현수부를 따라 이동된다. 전극들의 세트는 임의의 자기장 유도 이동의 크기가 용량적으로 측정되도록 매스에 부착된다. Modifications to the basic MEMS resonant magnetometer design are described by Zaki Izham, Michael CL Ward, Kevin M Brunson, and Paul C Stevens, "Development of a Resonant Magnetometer", see Proceedings of the 2003 Nanotechnology Conference and Trade show, February 23- 27, San Francisco, Volume 1, pp 340-343, ISBN 0-9728422-0-9. The resonant magnetometer by Izham et al. Is formed of an insulator silicon (SOI) wafer and includes an oscillating mass with two sets of stationary suspensions, which cause the resonant magnetometer to move along an axis in the wafer plane. AC current with a frequency around the resonant frequency of the oscillating mass is moved along the suspension such that the mass resonates when a magnetic field is present. The set of electrodes is attached to the mass such that the magnitude of any magnetic field induced movement is measured capacitively.

공진 전력계에서 Q 증폭을 최대화하기 위하여, 발진 매스에 공급된 AC 전류의 주파수가 매칭되거나 또는 공진 주파수에 충분히 근접하도록 하는 것이 필요하다. 비록 빔의 공진 주파수가 이론적으로 예측 및/또는 측정될 수 있을지라도, 공진 빔 현수부에 존재하는 임의의 비선형성들, 응력 유도 현상들 및/또는 온도 변화들로부터 변화들이 발생할 수 있다. 공진 조건으로부터 벗어난 주파수를 가지는 AC 전류가 공급되면, 장치의 감도는 로렌츠력의 Q 증폭의 손실로 인하여 현저하게 감소될 것이다. In order to maximize Q amplification in the resonant power meter, it is necessary to ensure that the frequency of the AC current supplied to the oscillating mass is matched or sufficiently close to the resonant frequency. Although the resonant frequency of the beam may theoretically be predicted and / or measured, changes may occur from any nonlinearities, stress induced phenomena and / or temperature changes present in the resonant beam suspension. If an AC current with a frequency outside of the resonance condition is supplied, the sensitivity of the device will be significantly reduced due to the loss of Q amplification of the Lorentz force.

공진 빔이 공진되도록 하기 위하여, 빔의 발진 주파수를 감지하기 위하여 사용되는 픽업 회로의 출력에 응답하여 주파수 생성기의 출력 주파수를 조절하는 것이 공지되어 있다. 그 다음에, 위상 동기 루프는 공급된 AC 트랙들의 주파수가 공진 빔의 발진 주파수를 변화시키도록 하기 위하여 사용된다. 그러나, 위상 동기 루프 회로들은 최적 주파수를 계속해서 탐색해야 하기 때문에 부적절한 위상 잡음을 유발할 수 있다.In order to allow the resonant beam to resonate, it is known to adjust the output frequency of the frequency generator in response to the output of the pickup circuit used to sense the oscillation frequency of the beam. The phase locked loop is then used to cause the frequency of the supplied AC tracks to change the oscillation frequency of the resonant beam. However, phase locked loop circuits may cause inappropriate phase noise because they must constantly search for the optimum frequency.

컴퍼스 등과 같은 높은 감도 응용들에서, 공진 자력계는 약 500 내지 5000사 이의 기계적 품질 인자(Q)와 약 500Hz 내지 30kHz의 범위내의 공진 주파수를 필요로한다. 이러한 높은 Q 인자는 공진 빔 구조에 AC 전류를 공급하기 위하여 사용되는 주파수 생성기가 수 kHz에서 1Hz보다 양호한 정확성을 가질 필요성이 있다는 것을 의미한다. 위상 동기 루프 회로를 제공하는 것에 부가하여 고분해능 주파수 생성기를 제공하면 장치를 동작시키기 위하여 필요한 제어 전자회로들에 비용 및 복잡성이 부가된다.In high sensitivity applications, such as a compass, the resonant magnetometer requires a mechanical quality factor (Q) between about 500 and 5000 and a resonant frequency in the range of about 500 Hz to 30 kHz. This high Q factor means that the frequency generator used to supply AC current to the resonant beam structure needs to have better accuracy than 1 Hz at several kHz. In addition to providing a phase locked loop circuit, providing a high resolution frequency generator adds cost and complexity to the control electronics needed to operate the device.

본 발명의 목적은 전술한 단점들중 적어도 일부가 제거되는 공진 자력계 장치를 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a resonant magnetometer device in which at least some of the above disadvantages are eliminated.

본 발명의 제 1 양상에 따르면, 본 발명은 발진 부재, 및 상기 발진 부재에 교류 전류(AC)를 통과시키는 수단을 포함하는 공진 자력계로서, 상기 발진 부재에 자기장 독립 발진력을 전달하는 구동 수단을 더 포함하는 공진 자력계에 관한 것이다.According to a first aspect of the present invention, the present invention provides a resonant magnetometer comprising an oscillating member and a means for passing an alternating current (AC) through the oscillating member, the driving means for transmitting a magnetic field independent oscillating force to the oscillating member. It further relates to a resonant magnetometer.

구동 수단에 의하여 발진 부재에 (예컨대, 정전기적으로) 공급된 발진력은 자기장의 세기와 무관하며 바람직하게 사용중에 발진 부재가 연속적으로 공진되도록 하기에 충분한 크기를 가진다. 로렌츠 발진력은 발진 부재를 통과하는 AC 전류와 상기 자기장의 상호 작용으로 인하여 자기장의 적용시에 발생할 것이다. 앞서 기술된 바와같이, 로렌츠 발진력의 크기는 발진 부재에 공급된 자기장의 세기에 따른 AC의 주어진 진폭이다. 자기장의 부재시에, 발진 부재에 로렌츠 발진력이 전달되지 않을 것이다(즉, 로렌츠 발진력은 제로(zero) 진폭을 가질 것이다). The oscillation force supplied (eg electrostatically) to the oscillation member by the drive means is independent of the strength of the magnetic field and is preferably of sufficient magnitude to cause the oscillation member to continuously resonate during use. The Lorentz oscillation force will occur upon application of the magnetic field due to the interaction of the magnetic field with the AC current passing through the oscillation member. As described above, the magnitude of the Lorentz oscillation force is a given amplitude of AC depending on the strength of the magnetic field supplied to the oscillation member. In the absence of a magnetic field, no Lorentz oscillation force will be transmitted to the oscillation member (ie, the Lorentz oscillation force will have zero amplitude).

따라서, 구동 수단에 의하여 공급되는 자기장 독립 발진력 및 자기장 종속(즉, 로렌츠) 발진력의 결합에 의하여 발진 부재가 공진되는 공진 자력계가 제공된다. 따라서, 본 발명은 종래의 장치들과 다르게 공급된 자기장의 부재시 조차 공진되는 발진 부재를 가지는 자력계를 제공한다. 자기장의 적용시에, 발진 부재의 발진 크기는 검출가능한 방식으로 변화할 것이다.Thus, a resonant magnetometer is provided in which the oscillation member is resonated by the combination of the magnetic field independent oscillation force supplied by the drive means and the magnetic field dependent (ie Lorentz) oscillation force. Accordingly, the present invention provides a magnetometer having an oscillating member that resonates even in the absence of a magnetic field supplied unlike conventional devices. Upon application of the magnetic field, the oscillation size of the oscillation member will change in a detectable manner.

구동 수단을 제공하여 발진 부재가 연속적으로 공진되도록 하면, 자기장의 적용시에만 공진되는 종래의 장치들에 비하여 여러 장점이 제공된다. 첫째, 발진 부재의 공진 주파수에 대한 연속적 측정이 가능하다. 이는 자력계가 (예컨대, 다른 온도, 압력들 등에서) 공진 특성들을 현저하게 변화시키는 다양한 다른 환경들에서 사용될때 유리하다. 이전에, 공진 주파수의 그와 같은 측정들은 충분히 강한 자기장이 공급될때만 가능하다. 둘째, 자력계는 전형적으로 공급된 자기장이 공진을 초기화하는데 충분해야 하는 종래의 장치들보다 낮은 자기장 강도 검출 임계치를 가진다. Providing a drive means to cause the oscillation member to resonate continuously provides several advantages over conventional devices that resonate only upon application of a magnetic field. First, it is possible to continuously measure the resonance frequency of the oscillation member. This is advantageous when the magnetometer is used in a variety of different environments that significantly change the resonance characteristics (eg, at different temperatures, pressures, etc.). Previously, such measurements of resonant frequency are only possible when a sufficiently strong magnetic field is supplied. Second, magnetometers typically have lower magnetic field strength detection thresholds than conventional devices where the supplied magnetic field must be sufficient to initiate resonance.

구동 수단에 의하여 제공된 발진력 및 자기장과 AC의 상호 작용으로 인하여 발생된 로렌츠력이 바람직하게 동위상 또는 역위상으로 배열된다는 것을 유의해야 한다. 이러한 경우들에서, 발진 부재의 발진에 대한 진폭은 공급된 자기장의 존재시에 자기장 방향에 따라 증가 또는 감소할 것이다. 발진의 진폭이 증가하는지 또는 감소하는지 간에 자기장 방향이 용이하게 결정될 수 있다는 것이 인식될 것이다.It should be noted that the Lorentz force generated due to the oscillation force provided by the drive means and the interaction of the magnetic field with the AC is preferably arranged in phase or antiphase. In such cases, the amplitude of the oscillation member's oscillation will increase or decrease with the magnetic field direction in the presence of the supplied magnetic field. It will be appreciated that the magnetic field direction can be readily determined whether the amplitude of the oscillation increases or decreases.

유리하게, 자력계는 발진 부재의 편향에 따라 전기 출력 신호를 제공하는 감지 수단을 포함한다.Advantageously, the magnetometer comprises sensing means for providing an electrical output signal in accordance with the deflection of the oscillating member.

편리하게, 구동 수단은 감지 수단에 의하여 발생된 전기 신호를 수신하는 양의 피드백 회로를 포함한다. 따라서, 구동 수단은 양의 피드백 루프를 사용하여 발진 부재를 공진으로 구동하도록 구성된다. 다시 말해서, 감지 수단에 의하여 발생된 신호는 양의 피드백 회로에 의하여 적절하게 처리되며(예컨대, 필요에 따라 증폭 및/또는 위상 시프트되며), (예컨대, 정전기적으로) 발진력을 발생시키기 위하여 구동 수단에 의하여 사용된다. 이는 구동 수단이 공진 주파수에서 발생 부재에 발진력을 연속적으로 공급할 수 있도록 한다. 다시 말해서, 구동 수단에 의하여 발진 부재를 자체 공진 구동시킬 수 있다. 장치에 고유한 기계적 잡음 및 구동 회로에 고유한 전기적 잡음이 장치의 시동시에 공진을 초기화하는데 충분한 것으로 발견되었다.Conveniently, the drive means comprise a positive feedback circuit for receiving the electrical signal generated by the sensing means. Thus, the drive means is configured to drive the oscillation member in resonance using a positive feedback loop. In other words, the signal generated by the sensing means is properly processed (e.g., amplified and / or phase shifted as necessary) by a positive feedback circuit, and driven to generate oscillating force (e.g. electrostatically). Used by means. This allows the driving means to continuously supply the oscillation force to the generating member at the resonance frequency. In other words, the oscillation member can be self-resonated by the drive means. Mechanical noise inherent to the device and electrical noise inherent to the drive circuit have been found to be sufficient to initiate resonances at device startup.

바람직하게, 구동 수단은 고정된 진폭의 발진력을 제공한다. 다시 말해서, 구동 수단은 소위 "일정 구동 모드(constant drive mode)"로 작동하며 (예컨대, 일정 진폭 AC 구동 전압을 정전기 전극들에 공급함으로써) 일정 발진력을 발진 부재에 전달한다. 자기장 및 로렌츠력이 존재하지 않을 때, 발진 부재는 일정 진폭으로 발진할 것이다. 그러나, 발진 부재를 통과하는 AC와 자기장의 상호 작용은 자기장 세기와 직접 관련된 양만큼 발진 부재의 발진 진폭을 변경시키는 발진 로렌츠력을 발생시킬 것이다.Preferably, the drive means provides a oscillating force of fixed amplitude. In other words, the drive means operates in a so-called "constant drive mode" and transmits a constant oscillating force to the oscillation member (eg, by supplying a constant amplitude AC drive voltage to the electrostatic electrodes). When no magnetic field and Lorentz force are present, the oscillating member will oscillate at a constant amplitude. However, the interaction of the AC with the magnetic field through the oscillation member will generate an oscillating Lorentz force that changes the oscillation amplitude of the oscillation member by an amount directly related to the magnetic field strength.

선택적으로, 구동 수단은 조절가능한 진폭의 발진 부재에 발진력을 전달하도록 구성되며, 발진력의 진폭은 발진 부재의 발진에 대한 주어진 진폭을 유지하기 위하여 사용중에 조절된다. 다시 말해서, 구동 수단은 자력계가 소위 "일정 진폭 모드(constant amplitude mode)"에서 작동하도록 구성될 수 있으며, 즉 구동 수단에 의하여 전달된 발진력은 특정의 고정된 진폭으로 발진 부재가 공진하도록 하는데 충분하다. 그 다음에, 자기장을 적용하면, 구동 수단은 발진 부재 공진의 고정된 진폭을 유지하기 위하여 구동 수단이 공급하는 발진력의 진폭을 변경할 것이다. 이러한 경우에, 구동 수단에 의하여 공급된 발진력의 진폭은 자기장 세기의 측정치를 제공한다. Optionally, the drive means is configured to transmit the oscillating force to the oscillating member of adjustable amplitude, the amplitude of the oscillating force being adjusted in use to maintain a given amplitude for oscillation of the oscillating member. In other words, the drive means can be configured for the magnetometer to operate in a so-called "constant amplitude mode", ie the oscillation force transmitted by the drive means is sufficient to cause the oscillation member to resonate with a certain fixed amplitude. Do. Then, applying the magnetic field, the drive means will change the amplitude of the oscillating force supplied by the drive means to maintain a fixed amplitude of the oscillation member resonance. In this case, the amplitude of the oscillating force supplied by the drive means provides a measure of the magnetic field strength.

유리하게, AC를 발진 부재에 통과시키는 수단은 감지 수단에 의하여 발생된 전기 출력 신호를 수신하도록 구성된 피드백 회로를 포함한다. 발진 부재를 통과하는 AC 전류를 발생시키는 피드백 루프(적절한 증폭 등을 포함할 수 있음)가 제공된다. AC 전류가 발진 부재의 발진으로부터 직접 구동되기 때문에, AC 전류는 공진 주파수와 항상 동일한 주파수를 가진다. 따라서, AC 전류를 발생시키기 위하여 개별 발진기 소스를 제공하고, 발진 부재의 공진 주파수가 요구되지 않다는 것을 AC 주파수가 추적하도록 종래의 자력계들에서 사용되는 위상 동기 루프 구조들을 제공하기 위한 요건들이 존재하지 않는다. 따라서, 결과적 자력계는 종래의 장치들에 비하여 단순하고 제조 비용이 저렴하다.Advantageously, the means for passing AC to the oscillating member comprises a feedback circuit configured to receive the electrical output signal generated by the sensing means. A feedback loop (which may include appropriate amplification, etc.) is provided that generates AC current through the oscillation member. Since the AC current is driven directly from the oscillation of the oscillation member, the AC current always has the same frequency as the resonance frequency. Thus, there are no requirements for providing a separate oscillator source to generate AC current and for providing phase locked loop structures used in conventional magnetometers so that the AC frequency tracks that the resonant frequency of the oscillating member is not required. . Thus, the resulting magnetometer is simpler and less expensive to manufacture than conventional devices.

구동 수단을 제어하고 발진 부재를 통과하는 AC를 발생시키기 위하여 피드백 루프들을 제공하면 제 1 및 제 2 힘이 서로에 대하여 적절하게 위상으로 나누어진다. 이는 자기장 세기 측정의 정확성을 증가시킨다. Providing feedback loops to control the drive means and generate AC through the oscillating member causes the first and second forces to be phased appropriately relative to one another. This increases the accuracy of the magnetic field strength measurement.

유리하게, 감지 수단은 기판상에 배치되고 발진 부재와 함께 가변 커패시턴스를 가진 적어도 하나의 센서 전극을 포함한다. 다시 말해서, 감지 수단은 용량성 픽업을 통해 발진 부재의 이동을 측정한다.Advantageously, the sensing means comprises at least one sensor electrode disposed on the substrate and having a variable capacitance with the oscillating member. In other words, the sensing means measures the movement of the oscillation member via the capacitive pickup.

감지 수단은 기판상에 배치된 복수의 연장 센서 전극들을 유리하게 포함할 수 있으며, 발진 부재는 복수의 연장 센서 전극들과 서로 맞물리게 배치된 복수의 연장 전극들을 포함할 수 있다. 다시 말해서, 전극의 서로 맞물리게 배치된 세트들은 발진 부재 이동에 의한 요구된 커패시턴스 변화를 발생시키기 위하여 제공된다. 이동 방향이 결정되도록 하기 위하여, 당업자는 각각의 연장 센서 전극이 편리하게 그들에 인접한 발진 부재 연장 전극들의 쌍중 하나에 근접하게 배치될 수 있다는 것을 인식할 것이다. The sensing means may advantageously comprise a plurality of extension sensor electrodes disposed on the substrate, and the oscillation member may comprise a plurality of extension electrodes disposed in engagement with the plurality of extension sensor electrodes. In other words, interdigitated sets of electrodes are provided to generate the required capacitance change by moving the oscillating member. In order for the direction of movement to be determined, one skilled in the art will recognize that each extension sensor electrode can be conveniently placed close to one of the pair of oscillating member extension electrodes adjacent to them.

발진 부재의 전극들은 미리 결정된 직류 전류(DC) 분극 전압에서 편리하게 유지될 수 있다. 이러한 경우에, 기판 및 발진 부재의 전극들간의 커패시턴스는 직접 측정될 수 있다.The electrodes of the oscillation member can be conveniently maintained at a predetermined direct current (DC) polarization voltage. In this case, the capacitance between the electrodes of the substrate and the oscillation member can be measured directly.

선택적으로, 고주파수 AC 분극 전압(또는 소위 프로브 신호)은 발진 부재의 전극들에 유리하게 공급될 수 있다. 고주파수 프로브 신호를 사용하면, 증폭 전자회로들의 1/f 잡음이 용량성 픽-오프(pick off)의 품질에 영향을 미치지 않을 것이다. 이러한 주파수는 또한 진동 구조의 기계적 응답에 영향을 받을 것이다. 바람직하게, 고주파수 프로브 신호는 50KHz 내지 수십 MHz의 범위 내에 있으며, 바람직하게 100KHz 이상이며, 더 바람직하게 약 1MHz이다. 고주파수 용량성 픽업을 구현하면, 감지 수단에 의하여 생성된 출력 전기 신호의 신호 대 잡음비가 개선된다. Alternatively, a high frequency AC polarization voltage (or so-called probe signal) can be advantageously supplied to the electrodes of the oscillating member. Using a high frequency probe signal, the 1 / f noise of the amplifying electronics will not affect the quality of the capacitive pick-off. This frequency will also be affected by the mechanical response of the vibration structure. Preferably, the high frequency probe signal is in the range of 50 KHz to several tens of MHz, preferably at least 100 KHz, more preferably about 1 MHz. Implementation of a high frequency capacitive pickup improves the signal to noise ratio of the output electrical signal produced by the sensing means.

유리하게, 복수의 센서 전극들은 두개의 전극 세트들을 형성하기 위하여 전기적으로 접속될 수 있으며, 두개의 전극 세트들은 다른 용량성 픽오프를 제공하도록 배열된다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와같이, 각각의 전극 세트에 의하여 제공된 이동 유도 용량성 신호들은 그들이 역위상되도록 배열될 수 있다. 그러나, 각각의 전극 세트에 의하여 발생된 신호에서 구동 회로들로부터의 피드-스로우는 항상 동위상일 것이다. 그러므로, 신호들을 감산하면(즉, 신호 차이를 결정하면), 잡음 현상들이 감소하고 세정기 이동 유도 신호가 제공된다. 이러한 차동 용량성 픽-오프는 직접 픽-오프를 사용하여 획득될 수 있는 비교적 낮은 잡음 레벨들을 가진 출력 전기 신호를 제공한다.Advantageously, the plurality of sensor electrodes can be electrically connected to form two electrode sets, the two electrode sets being arranged to provide different capacitive pickoff. As described in more detail below, the moving inductive capacitive signals provided by each electrode set may be arranged such that they are out of phase. However, the feed-throw from the drive circuits in the signal generated by each electrode set will always be in phase. Therefore, subtracting the signals (ie, determining the signal difference) reduces noise phenomena and provides a scrubber movement induction signal. This differential capacitive pick-off provides an output electrical signal with relatively low noise levels that can be obtained using direct pick-off.

편리하게, AC를 발진 부재를 통해 전달하는 수단은 상기 AC의 진폭을 변화시키는 수단을 포함한다. 발진 부재에 공급된 AC의 진폭을 제어하면 자력계의 감도가 조절된다. 주어진 자기장 세기에 대하여, 공급된 AC를 증가시키면 로렌츠 발진력의 진폭이 증가될 것이며, 이에 따라 발진 부재의 진폭에 대한 자기장 유도 현상이 증가된다. 공급된 AC의 진폭은 임의의 자기장 유도 영향없이 발진 부재의 공진 특성들이 평가되도록 제로(zero)로 감소될 수 있다. 이는 Q가 교정 목적으로 측정되도록 한다.Conveniently, the means for delivering AC through the oscillating member includes means for changing the amplitude of the AC. By controlling the amplitude of AC supplied to the oscillation member, the sensitivity of the magnetometer is adjusted. For a given magnetic field strength, increasing the supplied AC will increase the amplitude of Lorentz oscillation force, thereby increasing the magnetic field induction effect on the amplitude of the oscillation member. The amplitude of the supplied AC can be reduced to zero so that the resonance characteristics of the oscillation member are evaluated without any magnetic field induction effect. This allows Q to be measured for calibration purposes.

바람직하게, 구동 수단은 발진 부재에 발진력을 정전기적으로 전달하기 위하여 기판상에 형성된 적어도 하나의 구동 전극을 포함한다. 유리하게, 구동 수단은 기판상에 형성된 복수의 제 1 연장 구동 전극들을 포함하며, 발진 부재는 복수의 제 2 연장 구동 전극들을 포함하며, 제 1 연장 구동 전극들은 제 2 연장 구동 전극들과 서로 맞물린다. 다시 말해서, 정전기 빗살형 구동 구조가 구현된다. 이러한 빗살형 구동 구조를 제공하면, 발진 부재의 변위에 따른 공급된 정전기력의 종속성이 감소되며 이에 따라 발진 부재의 이동에 따른 임의의 왜곡이 감소된다.Preferably, the drive means comprises at least one drive electrode formed on the substrate to electrostatically transfer the oscillation force to the oscillation member. Advantageously, the drive means comprises a plurality of first extended drive electrodes formed on the substrate, the oscillating member comprises a plurality of second extended drive electrodes, the first extended drive electrodes engaged with the second extended drive electrodes. All. In other words, an electrostatic comb-type drive structure is implemented. Providing such a comb-tooth drive structure reduces the dependence of the supplied electrostatic force upon displacement of the oscillation member and thus reduces any distortion caused by the movement of the oscillation member.

비록 구동 수단에 기초한 정전기가 바람직할지라도, 열적 또는 압전 구동 수단은 선택적으로 또는 부가적으로 사용될 수 있다.Although static electricity based on the drive means is preferred, thermal or piezoelectric drive means can be used selectively or additionally.

편리하게, 발진 부재는 공진 빔을 포함한다.Conveniently, the oscillating member comprises a resonant beam.

발진 부재는 기판에 고정된 적어도 두개의 가요성 다리 부분들을 포함하며, 상기 AC는 상기 가요성 다리 부분들 중 적어도 하나를 통과한다. 가요성 다리 부분들은 바람직하게 발진 부재가 발진할 때 구부러지도록 구성된다. 게다가, 발진 부재는 상기 적어도 두개의 다리 부분들에 거의 수직하고 또한 적어도 두개의 다리 부분들과 상호 결합되도록 구성된 강성 교차-빔을 편리하게 포함할 수 있다. 교차-빔은 그로부터 수직하게 돌출하는 복수의 연장 전극들을 유리하게 포함할 수 있다. 이들 연장 전극들은 용량성 픽-오프를 제공하기 위하여 정전기 구동 수단의 부분으로서 사용될 수 있다.The oscillating member includes at least two flexible leg portions secured to the substrate, wherein the AC passes through at least one of the flexible leg portions. The flexible leg portions are preferably configured to bend when the oscillating member oscillates. In addition, the oscillating member may conveniently comprise a rigid cross-beam that is substantially perpendicular to said at least two leg portions and configured to mutually engage with the at least two leg portions. The cross-beam may advantageously comprise a plurality of extending electrodes projecting vertically therefrom. These extension electrodes can be used as part of the electrostatic drive means to provide capacitive pick-off.

바람직하게, 교류 전류(AC)를 발진 부재를 통해 전달하는 수단은 상기 교차-빔이 적정 분극 전압을 수신하도록 상기 다리 부분들에 차동 AC 전압을 공급하도록 구성된다. 다시 말해서, 분극 전압(V) + ΔV는 다리 부분의 한 단부에 공급되는 반면에, 분극 전압(V) - ΔV는 다리 부분의 다른 단부에 공급된다. 교차-빔이 다리 부분의 따라 절반 부분에 배치된다고 가정하면, 교차-빔은 분극 전압 V로 유지될 것이다. 게다가, 다리 부분의 단부들간의 전위차는 2ΔV일 것이다. 요구된 AC 전류가 발진 부재의 다리 부분(들)을 통해 흐르도록 교류 ΔV가 공급될 수 있는 반면에, 교차-빔은 적정 분극 전압으로 유지된다.Preferably, the means for delivering alternating current (AC) through the oscillating member is configured to supply a differential AC voltage to the leg portions such that the cross-beam receives a proper polarization voltage. In other words, the polarization voltage V + ΔV is supplied to one end of the leg portion, while the polarization voltage V−ΔV is supplied to the other end of the leg portion. Assuming that the cross-beams are arranged in half along the leg portion, the cross-beams will remain at the polarization voltage V. In addition, the potential difference between the ends of the leg portion will be 2ΔV. The alternating ΔV can be supplied so that the required AC current flows through the leg portion (s) of the oscillation member, while the cross-beam is maintained at the proper polarization voltage.

유리하게, 발진 부재는 기판의 평면에 평행한 평면에서 축을 따라 발진하도록 구성된다. Advantageously, the oscillation member is configured to oscillate along an axis in a plane parallel to the plane of the substrate.

여러 이유로 인하여 본 발명의 MEMS 자력계의 현수된 발진 부재내에서 응력이 발생할 수 있다는 것을 유의해야 한다. 예컨대, 두개의 고정점들에서 기판에 고정된 발진 부재는 발진 부재의 팽창/수축과 다른(즉, 열팽창이 비매칭되는) 기판의 열팽창/수축으로 인하여 고정점들을 통해 압축 응력 또는 인장 응력에 영향을 받을 수 있다. 이는 특히 기판이 사용하기전에 패키지에 장착되거나 또는 자력계내의 온도 기울기들이 존재하는 경우이다. 따라서, 자력계의 발진 부재가 MEMS 자력계 장치의 현수된 부분내에서 응력을 감소시키기 위하여 탄성적으로 변형가능한 응력 완화 구조와 같은 적어도 하나의 응력 완화 수단을 포함하도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 응력 완화 구조는 발진기 부재에 가해지는 임의의 인장/압축 응력들을 흡수하기 위하여 스프링으로서 동작하도록 바람직하게 구성된다. 이러한 방식에서, 발진 부재는 사용동안 및/또는 비활성적일때 왜곡 또는 버클링이 방지된다.It should be noted that stress can occur in the suspended oscillating member of the MEMS magnetometer of the present invention for various reasons. For example, an oscillating member fixed to a substrate at two anchor points affects compressive or tensile stress through the anchor points due to thermal expansion / contraction of the substrate that is different from the expansion / contraction of the oscillation member (ie, thermal expansion is mismatched). Can be received. This is especially the case when the substrate is mounted in a package before use or there are temperature gradients in the magnetometer. Thus, it may be desirable for the oscillating member of the magnetometer to include at least one stress relaxation means, such as an elastically deformable stress relief structure, to reduce stress in the suspended portion of the MEMS magnetometer device. This stress relief structure is preferably configured to act as a spring to absorb any tensile / compressive stresses applied to the oscillator member. In this manner, the oscillation member is prevented from distorting or buckling during use and / or when inactive.

게다가, 복수의 고정점들에 의하여 기판에 고정된 발진 부재의 공진 주파수가 발진 진폭에 대하여 비선형적으로 변화할 수 있다는 것이 발견되었다. 발진 진폭에 따른 이러한 공진 주파수의 변화는 자기장 세기(및 발진 진폭)가 변화할때 연속적으로 조절될 도전경로를 따라 전달되는 AC의 주파수를 요구한다. 이는 최적 Q 증폭이 유지되지 않으면 특히 자기장들을 고속으로 변화시키기 위하여 장치 감도를 감소시킬 수 있다. 응력 완화 구조(들)를 가진 발진 부재를 제공하면, 발진의 진폭이 변화할때 응력 완화 구조의 스프링과 같은 성질이 발진 부재에 대한 약간의 팽창/수축을 허용할 것이기 때문에 비선형 현상들이 감소될 것이다. In addition, it has been found that the resonant frequency of the oscillation member fixed to the substrate by a plurality of fixed points can vary nonlinearly with respect to the oscillation amplitude. This change in resonant frequency with oscillation amplitude requires the frequency of AC delivered along the conductive path to be continuously adjusted when the magnetic field strength (and oscillation amplitude) changes. This can reduce device sensitivity, especially if the optimum Q amplification is not maintained, to change the magnetic fields at high speed. Providing an oscillation member with stress relief structure (s) will reduce nonlinear phenomena as the spring-like nature of the stress relief structure will allow some expansion / contraction of the oscillation member when the amplitude of the oscillation changes. .

비록 다양한 MEMS 장치들에 대하여 응력 완화 구조들이 공지되어 있을지라도, 이러한 응력 완화 구조들은 전형적으로 "폴드 백(folded back)" 형 구조들을 포함한다. 공진 자력계에서 폴드 백형 구조를 포함하면 다양한 방향들에서 도전경로를 따라 전류가 흐르도록 할 수 있으며, 예컨대 전류는 폴드 백 형 구조의 폴드들을 통해 반대 방향들로 흐른다. 자기장이 존재할때, 순방향으로 흐르는 전류 영역에 의하여 유도된 로렌츠력은 전류가 반대 방향으로 흐르는 영역에서 발생하는 로렌츠력을 방해할 것이다. 폴드 백 형 응력 완화 구조를 포함하면, 유도된 결과적인 발진력이 주어진 자기장 세기에 대하여 발진 부재에 전달되어 자력계의 전체 감도가 감소된다. 이러한 이유로 인하여, 당업자는 공진 자력계의 발진 부재에서 응력 완화 구조들을 포함하는 필연적인 허용가능하지 않는 결과로서 장치 감도의 감소를 고려하며, 이에 따라 전형적으로 자력계 장치에서 응력 완화 구조들의 사용을 줄인다. Although stress relief structures are known for various MEMS devices, such stress relief structures typically include "folded back" type structures. Including a fold back structure in a resonant magnetometer allows current to flow along a conductive path in various directions, for example, current flows in opposite directions through the folds of the fold back structure. When a magnetic field is present, the Lorentz force induced by the forward current region will interfere with the Lorentz force occurring in the region where the current flows in the opposite direction. Including a fold back type stress relief structure, the resulting resulting oscillating force is transmitted to the oscillating member for a given magnetic field strength, reducing the overall sensitivity of the magnetometer. For this reason, those skilled in the art consider a reduction in device sensitivity as an inevitable unacceptable result of including stress relief structures in the oscillating member of the resonant magnetometer, thus typically reducing the use of stress relief structures in the magnetometer device.

응력 완화 구조가 장치의 성능에 최소로 영향을 미치도록 하기 위하여, 본 발명에 따른 장치의 응력 완화 구조를 통하는 도전 경로는 바람직하게 도전 경로의 나머지 부분을 따라 흐르는 전류의 주요 방향에 반대인 방향으로 흐르는 전류의 성분을 최소화하도록 구성된다. 다시 말해서, 전류를 운반하는 도전 경로 및 적어도 하나의 탄성 변형가능 응력 완화 구조를 가지는 발진 부재를 포함하는 MEMS 공진 자력계가 제공되며, 적어도 하나의 탄성 변형가능 응력 완화 구조는 도전 경로의 부분을 형성하는 도전 부분을 가지며, 도전 부분은 도전 경로의 나머지 부분을 따라 흐르는 전류의 주요 방향과 반대인 방향으로 전류 흐름의 성분을 최소화하도록 구성된다.In order for the stress relief structure to have minimal effect on the performance of the device, the conductive path through the stress relief structure of the device according to the invention is preferably in a direction opposite to the main direction of the current flowing along the rest of the conductive path. And to minimize the component of the flowing current. In other words, a MEMS resonant magnetometer is provided that includes an electrically conductive path carrying current and an oscillating member having at least one elastically deformable stress relief structure, wherein the at least one elastically deformable stress relief structure forms part of the conductive path. Having a conductive portion, the conductive portion is configured to minimize the component of the current flow in the direction opposite to the main direction of the current flowing along the remainder of the conductive path.

"전류 흐름의 주요 방향(primary direction of current flow)"은 단순히 발진 부재를 통해 흐르는 전류의 주요 방향이며, 예컨대 응력 완화 구조를 통하는 도전 경로가 무시되는 경우에 전류 흐름의 방향이라는 것에 유의해야 한다. 가장 단순한 경우에, 응력 완화 구조(들)로/로부터 야기되는 발진 부재의 도전 경로는 제 1축을 한정하는 거의 직선인 도전 트랙이다. 그 다음에, 전류 흐름의 주요 방향은 도전 경로의 직선 부분들(즉, 제 1축)을 따르는 전류 흐름의 방향일 것이다. 이러한 경우에, 응력 완화 구조는 바람직하게 도전 경로의 나머지 부분을 따라 흐르는 전류와 반대 방향에서 응력 완화 구조를 통과하는 임의의 전류를 최소화하도록 구성된다. 사용중에 교류 전류(AC)가 자기장의 존재시에 요구된 발진력을 전달하기 위하여 도전 경로를 따라 이동된다는 것이 유의되어야 한다. It should be noted that the "primary direction of current flow" is simply the main direction of the current flowing through the oscillating member and, for example, the direction of current flow if the conductive path through the stress relief structure is ignored. In the simplest case, the conductive path of the oscillating member caused to / from the stress relief structure (s) is a nearly straight conductive track defining the first axis. Then, the main direction of the current flow will be the direction of the current flow along the straight portions (ie, the first axis) of the conductive path. In this case, the stress relief structure is preferably configured to minimize any current passing through the stress relief structure in a direction opposite to the current flowing along the rest of the conductive path. It should be noted that in use the alternating current (AC) is moved along the conductive path to deliver the required oscillating force in the presence of the magnetic field.

유리하게, 상기 적어도 하나의 응력 완화 구조는 전류 흐름의 주방향에 대하여 90도 보다 낮거나 또는 거의 동일한 방향으로 전류가 흐르는 도전 부분을 포함한다. 다시 말해서, 고정점들간의 주흐름 방향에 반대인 방향으로 실질적인 전류 흐름이 존재하지 않는다는 것이 중요하다.Advantageously, said at least one stress relief structure comprises a conductive portion in which the current flows in a direction lower than or substantially equal to 90 degrees with respect to the main direction of the current flow. In other words, it is important that there is no substantial current flow in the direction opposite to the main flow direction between the fixed points.

바람직하게, AC가 통과하는 발진 부재의 도전 경로는 발진 부재의 발진축에 거의 수직한 축을 따른다. 이러한 구조에서, 공급된 자기장은 발진 부재의 발진축을 따라 발진 부재를 이동시키는 힘을 전달할 것이다. 따라서, 발진 부재로 전달된 로렌츠력은 주어진 자기장에 대하여 최대화될 것이다. Preferably, the conductive path of the oscillation member through which the AC passes is along an axis nearly perpendicular to the oscillation axis of the oscillation member. In such a structure, the supplied magnetic field will transmit a force for moving the oscillation member along the oscillation axis of the oscillation member. Thus, the Lorentz force transmitted to the oscillation member will be maximized for a given magnetic field.

유리하게, 응력 완화 구조는 폴드형 구조를 포함하며, 상기 폴드형 구조는 전류 흐름의 주방향에 거의 수직한 방향으로 연장하는 복수의 연장 탄성 가요성 암들을 포함한다. 이러한 구조를 제공하면, 전류 흐름의 주방향과 반대인 방향으로의 전류 흐름이 존재하지 않는 응력 완화 수단을 통하는 전류경로가 제공된다. 이러한 응력 완화 구조에 있어서의 주요 전류 흐름은 전류 흐름의 주방향에 거의 수직한 방향을 가질 것이며, 이러한 구조는 응력 완화 구조를 통과하는 전류가 발진 부재에 전달되는 결과적인 탄성력에 거의 영향을 미치지 않도록 한다. Advantageously, the stress relief structure comprises a fold-like structure, the fold-like structure comprising a plurality of extending elastic flexible arms extending in a direction substantially perpendicular to the main direction of the current flow. Providing such a structure provides a current path through stress relief means in which there is no current flow in the direction opposite to the main direction of the current flow. The main current flow in such a stress relief structure will have a direction substantially perpendicular to the main direction of the current flow, such that the current passing through the stress relief structure has little effect on the resulting elastic force delivered to the oscillating member. do.

편리하게, 응력 완화 구조는 탄성 변형가능 루프를 포함한다. 응력 완화 루프는 응력 완화 수단을 통하는 두개의 전류 경로들을 제공하며 역전류가 흐르는 임의의 폴드들을 포함하지 않는다. 사실상, 전류 흐름의 주방향을 따르는 루프를 통해 흐르는 전류의 중요한 성분이 존재할 것이다. 따라서, 이러한 타입의 루프 응력 완화 구조는 도전경로의 나머지 부분을 통해 흐르는 전류로 인하여 전달되는 발진력에 추가되는 발진력을 전달할 것이다.Conveniently, the stress relief structure includes an elastically deformable loop. The stress relief loop provides two current paths through the stress relief means and does not include any folds through which reverse current flows. In fact, there will be an important component of the current flowing through the loop along the main direction of the current flow. Thus, this type of loop stress relief structure will deliver an oscillation force in addition to the oscillation force delivered due to the current flowing through the remainder of the conductive path.

발진 부재는 복수의 고정점들에서 기판에 편리하게 부착된다. 비록 응력 완화 부분들이 고정점들중 하나 또는 일부의 근처에 형성될 수 있을지라도, 응력 완화 구조가 각각의 고정점과 연관되는 것이 바람직하다. 이는 구조를 더 대칭적으로 만들며 여기된 왜곡 또는 비대칭 발진 모드들에 대한 가능성을 감소시킨다.The oscillation member is conveniently attached to the substrate at a plurality of fixed points. Although stress relief portions may be formed near one or some of the anchor points, it is desirable that a stress relief structure be associated with each anchor point. This makes the structure more symmetrical and reduces the potential for excited distortion or asymmetric oscillation modes.

비록 응력 완화 수단의 제공이 본 발명의 공진 자력계에서 유리할지라도, 여기에 기술된 응력 완화 수단은 공진 자력계 구조에 유리하게 적용될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 따라서, 발진 부재를 포함하는 마이크로-전기기계 시스템(MEMS) 공진 자력계가 제공될 수 있으며, 상기 발진 부재는 전류를 운반하는 도전 경로를 포함하며, 발진 부재는 적어도 하나의 탄성 변형가능 응력 완화 구조를 포함하며, 발진 부재는 적어도 하나의 응력 완화 수단을 통해 흐르는 전류에 의하여 발생된 발진력이 도전경로의 나머지 부분을 통해 흐르는 전류에 의하여 발생된 발진력에 의하여 손상되지 않도록 구성된다.Although the provision of the stress relaxation means is advantageous in the resonant magnetometer of the present invention, it should be noted that the stress relaxation means described herein can be advantageously applied to the resonant magnetometer structure. Thus, a micro-electromechanical system (MEMS) resonant magnetometer can be provided that includes an oscillating member, the oscillating member comprising a conductive path for carrying current, the oscillating member having at least one elastically deformable stress relaxation structure. And the oscillation member is configured such that the oscillation force generated by the current flowing through the at least one stress relaxation means is not damaged by the oscillation force generated by the current flowing through the remaining portion of the conductive path.

유리하게, 자력계는 마이크로-전기기계 시스템(MEMS)으로서 형성된다. 여기서, 용어 "마이크로-전기기계 시스템(MEMS)은 용어 "마이크로시스템 기술(MST)", "마이크로로보틱스" 및 "마이크로엔지니어링 장치들"로 기술된 기술들을 포함하는 다양한 마이크로기계적 센서들 및 작동기들을 포함하도록 사용된다. Advantageously, the magnetometer is formed as a micro-electromechanical system (MEMS). Here, the term "micro-electromechanical system (MEMS) includes various micromechanical sensors and actuators, including techniques described by the terms" microsystem technology (MST) "," microrobotics "and" microengineering devices ". It is used to

편리하게, 상기 기판 및/또는 발진 부재는 실리콘을 포함하며, 바람직하게 절연체상 실리콘(SOI) 웨이퍼 또는 유리상 실리콘(SOG) 웨이퍼로 형성된다.Conveniently, the substrate and / or oscillating member comprises silicon and is preferably formed of an insulator silicon (SOI) wafer or a glass silicon (SOG) wafer.

본 발명의 제 2 양상에 따르면, 본 발명의 제 1 양상에 따른 적어도 하나의 자력계를 포함하는 관성 측정 유닛(IMU)이 제공된다. 유리하게, IMU는 자력계들을 포함하며, 3개의 자력계들의 각각은 상호 직교축을 따르는 자기장들을 검출하도록 구성된다.According to a second aspect of the invention, there is provided an inertial measurement unit (IMU) comprising at least one magnetometer according to the first aspect of the invention. Advantageously, the IMU comprises magnetometers, each of the three magnetometers being configured to detect magnetic fields along mutually orthogonal axes.

본 발명은 이하의 도면들을 참조로하여 단지 예시적으로 지금 기술될 것이다. The invention will now be described by way of example only with reference to the following figures.

도 1은 종래의 MEMS 자력계의 기본적인 동작 원리를 도시한 도면.1 is a view showing the basic operating principle of a conventional MEMS magnetometer.

도 2는 인-플레인(in-plane) 발진을 가진 종래의 MEMS 자력계의 동작을 도시한 도면.2 shows the operation of a conventional MEMS magnetometer with in-plane oscillation.

도 3은 본 발명의 MEMS 자력계를 도시한 도면.Figure 3 shows a MEMS magnetometer of the present invention.

도 4는 도 3에 기술된 타입의 MEMS 자력계에서 사용될 수 있는 복수의 전극 구조를 도시한 도면.4 illustrates a plurality of electrode structures that can be used in a MEMS magnetometer of the type described in FIG.

도 5a 및 도 5b는 폴드형 빔들을 사용하여 자력계 성능을 개선하는 기술적 사항을 도시한 도면이며, 도 5c는 종래의 백 폴드형 빔을 도시한 도면.5A and 5B show technical details of improving magnetometer performance using fold-type beams, and FIG. 5C shows a conventional back-fold beam.

도 6은 MEMS 자력계를 제조하는데 사용될 수 있는 프로세스를 도시한 도면.6 illustrates a process that can be used to fabricate a MEMS magnetometer.

도 7은 본 발명의 자력계에 대한 현미경 사진.7 is a micrograph of the magnetometer of the present invention.

도 1에는 Wickenden 등에 의하여 기술된 타입의 단순한 바 자력계(2)가 도시되어 있다. 자력계는 제 1 전극(6) 및 제 2 전극(8)에 의하여 지지되는 공진 바(4)를 포함한다. 제 1 및 제 2 전극(6, 8)은 바(4)의 기본적 진동 모드에 대한 노드점들에 배치된다. 1 shows a simple bar magnetometer 2 of the type described by Wickenden et al. The magnetometer includes a resonance bar 4 supported by the first electrode 6 and the second electrode 8. The first and second electrodes 6, 8 are arranged at the node points for the basic vibration mode of the bar 4.

바(4)를 통과하는 전류(I)는 자기장(B)과 상호 작용하여 아웃-오브-플레인(out-of-plane) 로렌츠력(F)을 발생시킨다. 사용중에, 교류 전류(AC)는 제 1 전극(6) 및 제 2 전극(8)을 통해 바(4)에 공급된다. 공급된 AC의 주파수는 장치가 인-플레인(in-plane) 자기장(B)의 존재시에 공진되도록 공진 바(4)의 공진 주파수와 매칭된다. 주어진 공급된 전류에 대하여, 공진의 크기는 공급된 자기장의 크기를 나타낸다. 이러한 로렌츠력 효과는 모든 공진 자력계들의 기본 동작을 형성한다. The current I passing through the bar 4 interacts with the magnetic field B to generate an out-of-plane Lorentz force F. In use, an alternating current AC is supplied to the bar 4 via the first electrode 6 and the second electrode 8. The frequency of the supplied AC is matched to the resonant frequency of the resonant bar 4 so that the device resonates in the presence of an in-plane magnetic field B. For a given supplied current, the magnitude of the resonance represents the magnitude of the supplied magnetic field. This Lorentz force effect forms the basic operation of all resonant magnetometers.

도 2에는 Izham 등에 의하여 기술된 타입의 종래의 공진 자력계가 도시되어 있다. 장치는 제 1 다리(11), 제 2 다리(12) 및 교차-빔(13)을 가지는 현수된 공진 빔 구조(10)를 포함한다. 각각의 다리의 각각의 단부는 고정점(19)에서 기판에 고정된다. 교차빔(13)은 교차-빔 부분(13의 각각의 측면으로부터 직각으로 돌출하며 기판의 평면에 평행한 평면에 놓이는 복수의 핑거 전극들(14)을 포함한다. 용량성 피크-업 핑거 전극들의 제 1 세트(15) 및 제 2 세트(16)는 현수된 교차-빔 부분(13)의 어느 한 측면상에서 기판내에 형성된다. 장치는 현수된 교차-빔 부분(13)의 핑거 전극들(14)이 기판상에 형성된 핑거 전극들의 제 1 및 제 2 세트(15, 16)와 서로 맞물려 배치되도록 구성된다.2 shows a conventional resonant magnetometer of the type described by Izham et al. The apparatus comprises a suspended resonant beam structure 10 having a first leg 11, a second leg 12 and a cross-beam 13. Each end of each leg is secured to the substrate at a fixed point 19. The crossbeam 13 comprises a plurality of finger electrodes 14 projecting at right angles from each side of the cross-beam portion 13 and lying in a plane parallel to the plane of the substrate. The first set 15 and the second set 16 are formed in the substrate on either side of the suspended cross-beam portion 13. The device comprises the finger electrodes 14 of the suspended cross-beam portion 13. ) Is arranged to engage with each other with the first and second sets of finger electrodes 15, 16 formed on the substrate.

현수된 공진 빔 구조(10)는 기판의 평면의 한 축으로(즉, 도 2의 y-축을 따라) 자유롭게 이동한다. 사용중에, 구동 회로(17)는 현수된 공진 빔 구조(10)의 공진 주파수로 AC 전류를 발생시키며 제 1 다리(11)를 따라 전류를 이동시킨다. 기판의 (x-y) 평면에 수직한 방향으로 공급된 일부 자기장은 공진 빔 구조(10)가 공진하도록(즉, y-축을 따라 역방향 및 순방향으로 발진하도록) 하는 로렌츠력을 발생시킨다. 공진 빔 구조(10)의 변위는 핑거 전극들(15, 16)의 제 1 및 제 2 세트와 교차-빔 부분의 핑거 전극들(14)과 연관된 커패시턴스를 변경시키며, 이러한 커패시턴스 변화는 공급된 자기장 세기가 결정되도록 용량성 픽-업 회로(18)에 의하여 측정된다.The suspended resonant beam structure 10 moves freely in one axis of the plane of the substrate (ie along the y-axis of FIG. 2). In use, the drive circuit 17 generates an AC current at the resonant frequency of the suspended resonant beam structure 10 and moves the current along the first leg 11. Some magnetic fields supplied in a direction perpendicular to the (x-y) plane of the substrate generate Lorentz forces that cause the resonant beam structure 10 to resonate (ie, oscillate in the reverse and forward directions along the y-axis). The displacement of the resonant beam structure 10 changes the capacitance associated with the first and second sets of finger electrodes 15, 16 and the finger electrodes 14 of the cross-beam portion, which change in capacitance is supplied to the magnetic field supplied. The strength is measured by capacitive pick-up circuit 18 to determine it.

전술한 바와같이, 도 2에 도시된 종래의 구조는 복수의 단점들을 가진다. 예컨대, 구동 회로(17)는 1Hz 내지 수십 KHz의 주파수를 가진 AC 전류를 발생시키는 주파수 발생기를 포함할 필요가 있다. 주파수 추적 회로(도시안됨)는 회로(17)에 의하여 공급된 구동 주파수가 픽-업 회로(18)에 의하여 측정되는 공진 주파수와 일정하게 매칭되도록 하기 위하여 필요하며, 이러한 회로는 시스템에 대한 전기 잡음의 원인이 되며, 자기장이 빔 구조를 구동시킬때 공진 주파수의 측정치만을 제공할 것이다. 게다가, 픽-업 전극들(15, 16)은 공진 매스(mass)의 발진 주파수에서 전기 출력을 발생시키며 구동 회로로 인한 잡음을 픽업하여 자력계의 측정 정확성을 감소시킨다. 더욱이, 제 1 및 제 2 다리들(11, 12)의 고정 구조는 적어도 장치의 공진 주파수를 변경하여 전체 구조를 불량하게 왜곡시키는 기계적 응력을 형성할 수 있다. As mentioned above, the conventional structure shown in FIG. 2 has a plurality of disadvantages. For example, the drive circuit 17 needs to include a frequency generator that generates an AC current having a frequency of 1 Hz to several tens of KHz. A frequency tracking circuit (not shown) is necessary to ensure that the drive frequency supplied by the circuit 17 consistently matches the resonant frequency measured by the pick-up circuit 18, which circuit provides electrical noise to the system. And the magnetic field will only provide a measure of the resonant frequency when driving the beam structure. In addition, the pick-up electrodes 15, 16 generate an electrical output at the oscillation frequency of the resonant mass and pick up noise due to the drive circuit to reduce the measurement accuracy of the magnetometer. Moreover, the fixed structure of the first and second legs 11, 12 can create mechanical stresses that at least change the resonant frequency of the device to poorly distort the overall structure.

도 3a에는 본 발명의 자체-공진 자력계(20)가 도시되어 있다. 자력계(20)는 SOI 기판 및 연관된 제어회로(24)로 형성된 활성 영역(220)을 포함한다.3A shows a self-resonant magnetometer 20 of the present invention. Magnetometer 20 includes an active region 220 formed of an SOI substrate and associated control circuitry 24.

활성 영역(220)은 제 1 다리(28), 제 2 다리(30) 및 교차-빔(32)을 가진 현수된 공진 빔 구조(26)(즉, 현수된 매스)를 포함한다. 교차-빔(32)은 상당한 매스량을 추가하지 않고 고강성도를 제공하기 위하여 박스 섹션으로서 형성된다. 이러한 박스-섹션을 제공하면, 교차-빔이 왜곡된 발진 모드들의 여기를 방지한다. The active region 220 includes a suspended resonant beam structure 26 (ie, suspended mass) with a first leg 28, a second leg 30, and a cross-beam 32. The cross-beams 32 are formed as box sections to provide high stiffness without adding significant mass amounts. Providing such a box-section, the cross-beam prevents excitation of distorted oscillation modes.

제 1 다리(28)의 단부들은 제 1 및 제 2 고정점들(34, 35)에서 기판에 각각 물리적으로 부착된다. 유사하게, 제 2 다리(30)의 단부들은 제 3 및 제 4 고정점들(36, 37)에서 기판에 물리적으로 각각 부착된다. 응력 완화 루프들(38)은 물리적 응력을 감소시키기 위하여 제 1 및 제 2 다리의 각 단부에 제공되며, 응력 완화 루프들의 설계 및 동작은 도 4를 참조로하여 하여 이하에서 상세히 기술된다.The ends of the first leg 28 are physically attached to the substrate at the first and second anchor points 34, 35, respectively. Similarly, the ends of the second leg 30 are physically attached to the substrate at the third and fourth anchor points 36, 37, respectively. Stress relief loops 38 are provided at each end of the first and second legs to reduce physical stress, the design and operation of the stress relief loops being described in detail below with reference to FIG.

현수된 공진 빔 구조(26)의 교차-빔 부분(32)은 교차-빔 부분(32)의 각 측면으로부터 직각으로 돌출하며 기판의 평면에 놓인 복수의 핑거 전극들(40)을 지지한다. 용량성 픽-업 핑거 전극들의 제 1 세트(42) 및 제 2 세트(44)는 현수된 교차-짐 부분(32)의 어느 한 측면에서 기판내에 형성된다. 장치는 현수된 교차-빔 부분(32)의 핑거 전극들(40)이 핑거 전극들의 제 1 및 제 2 세트들(42, 44)과 서로 맞물리게 배치되도록 구성된다. 이하에서 기술된 바와같이, 전극 구조는 현수된 공진 빔 구조(26)의 임의의 이동이 용량적으로 감지되도록 한다. 구동 전극들(46)의 쌍은 기판내에 형성되며, 교차-빔 부분(32)에 의하여 지지되는 핑거 전극들(47)의 단부 쌍 근처에 배치된다.The cross-beam portion 32 of the suspended resonant beam structure 26 projects at right angles from each side of the cross-beam portion 32 and supports a plurality of finger electrodes 40 lying in the plane of the substrate. The first set 42 and the second set 44 of capacitive pick-up finger electrodes are formed in the substrate on either side of the suspended cross-loading portion 32. The device is configured such that the finger electrodes 40 of the suspended cross-beam portion 32 are disposed in engagement with the first and second sets 42, 44 of the finger electrodes. As described below, the electrode structure allows any movement of the suspended resonant beam structure 26 to be capacitively sensed. A pair of drive electrodes 46 is formed in the substrate and is disposed near an end pair of finger electrodes 47 supported by the cross-beam portion 32.

사용시에, 장치는 소위 "자체 공진 모드"로 동작된다. 현수된 공진 빔 구조(26)는 구동 전극들(46)의 쌍에 구동전압을 공급하는 정전기 구동회로(48)에 의하여 공진되도록 정전기적으로 구동된다. 공진 빔 구조의 이동은 핑거 전극들의 제 1 및 제 2 세트들(42, 44)을 사용하여 차동 용량성 픽업에 의하여 감지된다. 용량성 픽-업은 차동 증폭기(50)에 공급되며, 90°위상 시프터 회로(52)(또는 차동 회로)를 통해 정전기 구동회로(48)에 전달된다. 이러한 방식으로, 양전자 피드백 루프 구조는 공진 빔 구조(26)를 정전기적으로 구동시키기 위하여 사용되는 용량성 픽-업에 의하여 발생된 신호로 구현된다.In use, the device is operated in a so-called "self-resonant mode". The suspended resonant beam structure 26 is electrostatically driven to resonate by an electrostatic drive circuit 48 that supplies a drive voltage to the pair of drive electrodes 46. Movement of the resonant beam structure is sensed by differential capacitive pickup using the first and second sets of finger electrodes 42, 44. The capacitive pick-up is supplied to the differential amplifier 50 and delivered to the electrostatic drive circuit 48 through the 90 ° phase shifter circuit 52 (or differential circuit). In this way, the positron feedback loop structure is implemented with signals generated by capacitive pick-up used to electrostatically drive the resonant beam structure 26.

차동 증폭기(50)에 의하여 발생된 출력 신호는 클리퍼 전류 구동회로(56)를 통해 차동 구동회로(58)에 공급된다. 분극 전압 소스(60)가 또한 제공된다. 차동 구동회로는 분극 전압(V) + ΔV를 제 1 고정점들(34)를 통해 제 1 다리(28)에 공급하고 분극 전압(V) - ΔV를 제 2 고정점(35)을 통해 제 1 다리(28)의 다른 단부에 공급하도록 구성된다. 분극 전압(V)은 제 3 및 제 4 고정점들(37, 38)에서 제 2 다리(30)의 양 단부들에 공급된다.The output signal generated by the differential amplifier 50 is supplied to the differential driving circuit 58 through the clipper current driving circuit 56. Polarized voltage source 60 is also provided. The differential driving circuit supplies the polarization voltage V + ΔV to the first leg 28 through the first fixing points 34 and the polarization voltage V−ΔV to the first through the second fixing point 35. And to feed the other end of the leg 28. The polarization voltage V is supplied to both ends of the second leg 30 at the third and fourth fixing points 37 and 38.

전압 소스 회로인 차동 구동 구조는 적정 분극 전압(즉, 분극 전압 소스(60)에 의하여 공급된 전압)으로 교차-빔(32)을 유지하면서 현수된 제 1 다리를 통해 AC 전류가 흐르도록 한다. 교차빔이 고정 전압으로 유지되도록 하면, 저잡음 용량성 픽-오프가 제공된다. ΔV의 레벨은 고정되어 현수부의 저항변화로 인하여 전류 흐름의 불확실성을 잠재적으로 유발하거나, 또는 전류는 모니터링될 수 있으며 ΔV는 전류의 진폭을 일정하게 유지하기 위하여 변화된다.The differential drive structure, which is a voltage source circuit, allows AC current to flow through the suspended first leg while maintaining the cross-beam 32 at the appropriate polarization voltage (ie, the voltage supplied by the polarization voltage source 60). Allowing the crossbeam to remain at a fixed voltage provides a low noise capacitive pick-off. The level of ΔV is fixed, potentially causing uncertainty in the current flow due to the resistance change of the suspension, or the current can be monitored and ΔV is changed to keep the amplitude of the current constant.

종래의 자력계 장치들과 다르게 자력계(20)에서 사용되는 AC 전류가 개별 주파수 발생기 소스를 사용하여 발생되지 않으나 현수된 공진 빔 구조(26)의 발진으로부터 직접 유도된다는 것이 다시 강조되어야 한다. 이러한 피드백 구조는 잡음 레벨들을 감소시키며 Q 증폭이 항상 최대화되도록 한다.It should again be emphasized that, unlike conventional magnetometer devices, the AC current used in magnetometer 20 is not generated using a separate frequency generator source but is derived directly from the oscillation of the suspended resonant beam structure 26. This feedback structure reduces noise levels and ensures that Q amplification is always maximized.

공진 빔 구조 발진의 진폭은 명백하게 정전기 구동 및 로렌츠력들의 합에 따른다. 도 3에 기술된 구조에서, 정전기 구동의 진폭은 일정하게 유지되며, 즉 자력계는 일정한 구동 모드로 동작된다. 정류기/필터 회로(53)를 통과한후에 차동 증폭기(50)의 출력은 이동의 진폭과 관련되며 공급된 자기장의 세기를 나타내는 신호라인(54)을 통해 출력을 제공한다. The amplitude of the resonant beam structure oscillation apparently depends on the sum of the electrostatic drive and Lorentz forces. In the structure described in FIG. 3, the amplitude of the electrostatic drive is kept constant, that is, the magnetometer is operated in a constant drive mode. After passing through the rectifier / filter circuit 53 the output of the differential amplifier 50 provides an output via signal line 54 which is related to the amplitude of the movement and which represents the strength of the supplied magnetic field.

일정 구동 모드에서, 정전기 구동레벨은 측정될 큰 자기장이 공급될때 장치 가 공진을 유지하도록 충분히 높게 선택되어야 한다. 다시 말해서, 공급된 자기장 및 정전기 구동 메커니즘에 의하여 유도된 결과적인 힘은 현수된 공진 빔이 그것의 단부 정지부들을 치도록 하지 않고 공진을 유지하기 위하여 항상 충분히 높아야 한다. 비록 공급된 자기장이 공진을 중단하거나 또는 빔이 그의 단부 정지부들을 치도록 할지라도 장치는 보통 손상되지 않고 자기장의 세기 또는 AC 전류가 감소될때 보통 다시 동작할 것이라는 것(재교정을 요구하지 않고)에 유의해야 한다.In certain drive modes, the electrostatic drive level should be chosen high enough so that the device maintains resonance when a large magnetic field to be measured is supplied. In other words, the resulting magnetic field and the resulting force induced by the electrostatic drive mechanism must always be high enough to maintain resonance without causing the suspended resonant beam to strike its end stops. Although the supplied magnetic field stops resonance or causes the beam to strike its end stops, the device is usually intact and will normally operate again when the magnetic field strength or AC current is reduced (without requiring recalibration). It should be noted that

일정 구동 모드에서 동작하는 대신에, 자력계는 발진의 진폭을 일정하게 유지하기 위하여 정전기 구동신호의 진폭을 변화시키기 위하여 제어 루프를 포함할 수 있으며, 즉 자력계는 일정 진폭 모드로 동작한다. Instead of operating in a constant drive mode, the magnetometer may include a control loop to change the amplitude of the electrostatic drive signal to keep the amplitude of the oscillation constant, ie the magnetometer operates in a constant amplitude mode.

그 다음에, 공급된 구동 전압의 진폭은 장치에 공급된 자기장 세기를 지시한다.The amplitude of the supplied drive voltage then indicates the magnetic field strength supplied to the device.

앞서 기술된 용량성 픽-오프 구조는 소위 변위 전류 검출기이다. 이러한 구조에서, 분극 전압은 적절한 DC 레벨로 고정되며, 증폭 전자회로(예컨대, 차동 증폭기(50) 등)는 장치의 공진 주파수에서 동작한다. 집적유닛 또는 주문형 집적회로(ASIC)에서 사용되는 CMOS 픽-오프 증폭기들에 대하여, 이러한 동작 주파수는 증폭기의 1/f 잡음내에 있으며 이에 따라 장치의 신호대 잡음비가 감소될 것이다.The capacitive pick-off structure described above is a so-called displacement current detector. In this structure, the polarization voltage is fixed at an appropriate DC level, and the amplifying electronics (eg, differential amplifier 50, etc.) operate at the resonant frequency of the device. For CMOS pick-off amplifiers used in an integrated unit or an application specific integrated circuit (ASIC), this operating frequency is within 1 / f noise of the amplifier, thus reducing the signal-to-noise ratio of the device.

이들 1/f 잡음 현상들을 감소시키기 위하여, 커패시턴스는 고주파수(예컨대, 1MHz) 프로브 신호를 사용하여 감지될 수 있다. 이와 관련하여, "고주파수"는 증폭기의 1/f 잡음 영역 이상이며 진동 구조의 기계적 응답을 하는 주파수를 의미한다. 분극 전압 소스(60)에 의하여 발생된 분극 전압은 주파수 프로브 신호일 것이 며, 용량성 픽-오프의 출력은 적절한 이득후에 복조 및 필터링할 필요가 있다. 이러한 시스템에 대한 피드백 루프들은 앞서 기술된 기저대역 구현을 위하여 완료되나, 180° 위상 시프팅 수단(도시안됨)은 90° 위상 시프팅 회로(52)를 대체한다.To reduce these 1 / f noise phenomena, capacitance can be sensed using a high frequency (eg, 1 MHz) probe signal. In this regard, “high frequency” means the frequency above the 1 / f noise region of the amplifier and the mechanical response of the oscillating structure. The polarization voltage generated by the polarization voltage source 60 will be a frequency probe signal, and the output of the capacitive pick-off needs to be demodulated and filtered after an appropriate gain. The feedback loops for this system are completed for the baseband implementation described above, but the 180 ° phase shifting means (not shown) replaces the 90 ° phase shifting circuit 52.

자력계를 컴퍼스로서 동작시키기 위하여 요구된 Q를 획득하기 위하여, 자력계는 감소된 압력 환경에서 패키징될 수 있다. Q는 감도 및 대역폭에 영향을 미치는 압력에 따른다. 이러한 장치의 다른 장점은 교정 목적을 위하여 Q를 직접 측정하기 위하여 사용될 수 있다는 점이다. 만일 빔 구조(26)를 통과하는 AC 전류가 차단되면, 구동 전극들(46)을 통해 정전기 구동회로(48)에 의하여 전달되는 정전기력만이 현수된 공진 빔 구조(26)를 공진시키도록 동작할 것이다. 이러한 경우에, 반진 이동의 진폭(또는 일정 진폭 모드에서 동작하는 경우에 공급된 구동력)은 Q와 관련될 것이다.The magnetometer can be packaged in a reduced pressure environment to obtain the Q required to operate the magnetometer as a compass. Q depends on the pressure affecting sensitivity and bandwidth. Another advantage of this device is that it can be used to directly measure Q for calibration purposes. If the AC current through the beam structure 26 is interrupted, only the electrostatic force transmitted by the electrostatic drive circuit 48 through the drive electrodes 46 will operate to resonate the suspended resonant beam structure 26. will be. In this case, the amplitude of the reverse movement (or the driving force supplied when operating in the constant amplitude mode) will be related to Q.

두개의 등가 장치들을 동시에 사용하는 것이 또한 유리할 수 있으며, 하나의 등가회로는 Q를 측정하며 다른 등기회로는 자기 센서로서 동작하며 양 측정들이 동시에 이용가능하다. 장치 주위의 웨이퍼상에 형성된 평면 코일을 포함함으로써 교정이 획득될 수 있다. 평면 코일을 통해 공급된 알려진 전류들은 장치에서 알려진 자기장들을 발생시킬 것이다.It may also be advantageous to use two equivalent devices simultaneously, one equivalent circuit measuring Q and the other registered circuit acting as a magnetic sensor and both measurements are available at the same time. Calibration can be obtained by including planar coils formed on the wafer around the device. Known currents supplied through the planar coil will generate known magnetic fields in the device.

앞서 기술된 바와같이, 도 3a에 기술된 장치의 현수된 공진 빔 구조(26)는 기판내에 형성된 구동 전극들(46)의 쌍 및 교차-빔 부분(32)에 의하여 지지된 핑거 전극들(47)의 대응 쌍을 사용하여 정전기적으로 구동된다. 도 3b는 정전기 빗살형 구동 구조가 사용되는 대안 실시예를 도시한다. 도 3b의 구조에서, 교차-빔(32)은 복수의 핑거 전극들을 포함하는 전극 구조(147)를 지지한다. 대응 구동 전극들(146)은 기판상에 형성된다. 기판의 연장 구동 전극들(146)은 전극 구조(147)의 핑거 전극들과 서로 맞물리도록 배치되며 이에 따라 정전기 빗살형 구동을 제공한다. 빗살형 구동 구조는 공급된 정전기력의 변위 종속성을 최소화하며 현수된 빔 구조(26)의 이동의 임의의 왜곡을 감소시킨다. 당업자는 본 발명의 장치에서 사용될 수 있는 다양한 대안 구동 구조들을 인식할 것이다.As described above, the suspended resonant beam structure 26 of the apparatus described in FIG. 3A is a pair of drive electrodes 46 formed in a substrate and finger electrodes 47 supported by the cross-beam portion 32. Electrostatically driven using a corresponding pair of 3B shows an alternative embodiment in which an electrostatic comb-type drive structure is used. In the structure of FIG. 3B, the cross-beam 32 supports an electrode structure 147 that includes a plurality of finger electrodes. Corresponding drive electrodes 146 are formed on the substrate. The extended drive electrodes 146 of the substrate are arranged to engage with the finger electrodes of the electrode structure 147, thereby providing an electrostatic comb-type drive. The comb drive structure minimizes the displacement dependency of the supplied electrostatic force and reduces any distortion of the movement of the suspended beam structure 26. Those skilled in the art will recognize various alternative drive structures that can be used in the apparatus of the present invention.

도 4에는 본 발명의 자력계에 포함하기에 적합한 복수의 대안 용량성 픽-업 구조들이 도시되어 있다. 도 4b는 도 3a의 장치에 사용된 구조를 도시하는 반면에, 도 4a 및 도 4c는 대안 구조들을 기술한다.4 shows a plurality of alternative capacitive pick-up structures suitable for inclusion in the magnetometer of the present invention. FIG. 4B shows the structure used in the apparatus of FIG. 3A, while FIGS. 4A and 4C describe alternative structures.

도 4a는 Izham 등에 의하여 기술된 타입의 소위 단일 엔드형 픽-업 구조를 기술한다. 현수된 교차-빔(80)은 기판 핑거 전극들(84, 86)의 두 세트들과 상호 맞물리도록 배치된 복수의 핑거 전극들(82)을 포함한다. y-방향으로 교차-빔(80)의 이동은 구조의 커패시턴스를 변경하며 교차-빔 변위를 지시한다. 이러한 구조의 단점은 주변 전기회로들의 전기적 영향 및 구동회로 피드-스로우으로부터의 빔이동으로 인하여 전기 신호를 분리하기가 곤란하다는 점이다. 4A describes a so-called single-ended pick-up structure of the type described by Izham et al. The suspended cross-beam 80 includes a plurality of finger electrodes 82 arranged to interlock with two sets of substrate finger electrodes 84, 86. Movement of the cross-beam 80 in the y-direction alters the capacitance of the structure and indicates cross-beam displacement. The disadvantage of this structure is that it is difficult to separate the electrical signal due to the electrical influence of the peripheral electrical circuits and the beam movement from the drive circuit feed-throw.

도 4b에 기술된 차동 픽-업 구조(즉, 도 3을 참조로하여 앞서 기술된 구조와 유사함)는 연관된 잡음의 낮은 레벨로 측정들이 이루어지도록 한다. 교차-빔(32)은 서로에 대하여 측면으로 오프셋된 핑거 전극들(42, 44)의 두 세트들사이에 배치된다. 교차-빔(32)의 이동은 소위 전극들(42)인 핑거 전극들의 세트로부터 이동 유도 신호를 발생시키며, 이러한 이동 유도 신호는 전극들(44)의 다른 세트에 의하 여 제공된 이동 유도 신호와 역위상이다. 대조적으로, 전극들(42, 44)의 각각에 의하여 발생된 신호들과 연관된 잡음은 명백하게 동위상이다. 결과적으로, 전극들(42, 44)에 의하여 발생된 신호들을 감산하면, 복수의 원치않는 배경잡음이 제거되나 교차-빔 이동에 의하여 유도된 신호들이 추가된다. 이것이 차동 픽-업 구조들이 바람직한 이유이다.The differential pick-up structure described in FIG. 4B (ie, similar to the structure described above with reference to FIG. 3) allows measurements to be made at low levels of associated noise. The cross-beam 32 is disposed between two sets of finger electrodes 42, 44 laterally offset relative to each other. The movement of the cross-beam 32 generates a movement guidance signal from a set of so-called finger electrodes, the electrodes 42, which are inverse of the movement guidance signal provided by another set of electrodes 44. Phase. In contrast, the noise associated with the signals generated by each of the electrodes 42 and 44 is clearly in phase. As a result, subtracting the signals generated by the electrodes 42, 44 eliminates a plurality of unwanted background noises but adds signals induced by cross-beam movement. This is why differential pick-up structures are desirable.

도 4c는 기판에 형성된 핑거 전극들(92, 94)의 두 세트 각각이 두개의 분할되는 대안 차동 픽-업 구조를 도시한다. 이는 양 측면들상에서 대칭적인 전극 구조를 제공하며 이에 따라 왜곡 이동의 영향을 방지하기 위하여 픽-업 회로에 의하여 발생된 정전기력들의 균형이 유지된다. 4C shows an alternative differential pick-up structure in which two sets of finger electrodes 92 and 94 formed in a substrate are each divided into two. This provides a symmetrical electrode structure on both sides, thereby maintaining the balance of the electrostatic forces generated by the pick-up circuit to prevent the influence of distortion movements.

도 3을 참조로하여 기술된 바와같이, 본 발명의 자력계는 응력 완화 루프들을 통합하는 현수부(즉, 현수된 공진 빔 구조(26))를 포함한다. 도 5에는 공진 자력계에서 사용하기에 적합한 두개의 기계적 응력 완화 구조들이 도시되어 있다.As described with reference to FIG. 3, the magnetometer of the present invention includes a suspension (ie, suspended resonant beam structure 26) incorporating stress relaxation loops. 5 shows two mechanical stress relief structures suitable for use in a resonant magnetometer.

도 5a는 중앙 매스(102)를 지지하며 고정점들(104)에서 기판에 고정된 공진빔(100)을 도시한다. 응력 완화 루프들(106)은 현수부의 각각의 단부에 배치된다. 도 5a에 기술된 응력 완화 루프들은 공급된 자기장에 의하여 유도된 힘에 영향을 받지 않을 뿐만아니라 현수부가 선형 형식으로 동작하도록 하지 않고 응력 완화를 제공하는 이중 장점들을 가진다.5A shows a resonant beam 100 supporting a central mass 102 and fixed to a substrate at fixed points 104. Stress relief loops 106 are disposed at each end of the suspension. The stress relaxation loops described in FIG. 5A are not only affected by the forces induced by the supplied magnetic field, but also have the dual advantages of providing stress relief without causing the suspension to operate in a linear fashion.

루프 대신에, 폴드(108)는 도 4b에 기술된 공진 빔(100)의 각각의 단부에 형성될 수 있다. 폴드들(108)은 각각의 방향으로 흐르는 전류들이 동일하도록 구성된다. 이는 폴드(108)를 따라 흐르는 전류 및 공급된 자기장의 상호 작용으로 인 하여 발생하는 로렌츠력들이 균형을 이루도록 한다.Instead of a loop, a fold 108 may be formed at each end of the resonant beam 100 described in FIG. 4B. The folds 108 are configured such that the currents flowing in each direction are the same. This balances the Lorentz forces caused by the interaction of the current flowing through the fold 108 with the supplied magnetic field.

다양한 응력 완화 구조들은 가속도계들과 같은 다른 MEMS 장치들에 이전에 사용되었다. 예컨대, 도 5c는 두개의 고정점들(112)에서 기판에 부착된 가속도계에 대한 종래의 폴드 백 빔(110)을 도시한다. 당업자는 로렌츠력들이 반대 방향들(즉 폴들 위 및 아래)로 흐르는 전류로 인하여 제거되기 때문에 자력계에서 폴드형 현수부를 사용하지 않았다. Various stress relief structures have previously been used in other MEMS devices such as accelerometers. For example, FIG. 5C shows a conventional fold back beam 110 for an accelerometer attached to a substrate at two anchor points 112. One skilled in the art did not use a fold-like suspension in the magnetometer because Lorentz forces are removed due to the current flowing in opposite directions (i.e. above and below the poles).

따라서, 도 5a 및 도 5b에 도시된 타입의 응력 완화 수단의 형성은 일반적으로 자력계 장치들 및 특히 Izham 등의 장치와 연관된 복수의 문제점들을 해결하였다. 첫째, 기판의 응력은 빔들이 왜곡되고 장치가 고장나도록 할 수 있다. 응력은 패키징 및 장치간의 열적 비매칭 및 SOI의 제조시 임의의 나머지 응력에 의하여 유발될 수 있다. 응력 완화 수단은 이러한 왜곡의 발생을 방지한다. 둘째, 고정 빔들의 강성도는 진폭에 대하여 비선형적이며 이에 따라 공진 주파수는 발진의 진폭에 따라 변화한다. 응력 완화 루프들 또는 폴드들을 제공하면 이러한 비선형성이 감소된다.Thus, the formation of stress relief means of the type shown in FIGS. 5A and 5B generally solves a plurality of problems associated with magnetometer devices and in particular with devices such as Izham. First, the stress of the substrate can cause the beams to be distorted and the device to fail. Stress can be caused by thermal mismatching between packaging and devices and any remaining stresses in the manufacture of SOI. Stress relief means prevent the occurrence of such distortion. Second, the stiffness of the fixed beams is nonlinear with respect to amplitude, so the resonant frequency changes with the amplitude of oscillation. Providing stress relief loops or folds reduces this nonlinearity.

도 6에는 본 발명에 따른 장치의 제조가 기술된다.6 describes the manufacture of a device according to the invention.

도 6a는 기계적 실리콘층(120), 희생 산화물층(122) 및 조절 웨이퍼(124)를 포함하는 SOI 기판을 도시한다. 도 6b에 기술된 바와같이, 산화물층(124)은 실리콘층(120)상에 증착되며 마스크를 통하여 에칭된다. 도 6c에는 기계적 실리콘층(120)이 마스크 산화물층(126)을 통해 희생 산화물층(122) 아래까지 에칭되는 방법이 기술된다. 그 다음에, 기계적 실리콘층(120)에 형성된 현수된 구조는 도 6e에 도시된 저오옴 도체들을 형성하기 위하여 금속층(128)으로 블랭킷 코팅되기전에 도 6d에 도시된 희생 산화물의 부분을 제거함으로써 해제된다. 6A illustrates an SOI substrate including a mechanical silicon layer 120, a sacrificial oxide layer 122, and a conditioning wafer 124. As described in FIG. 6B, oxide layer 124 is deposited on silicon layer 120 and etched through a mask. 6C describes how the mechanical silicon layer 120 is etched through the mask oxide layer 126 down to the sacrificial oxide layer 122. The suspended structure formed in the mechanical silicon layer 120 is then released by removing the portion of the sacrificial oxide shown in FIG. 6D before blanket coating the metal layer 128 to form the low ohmic conductors shown in FIG. 6E. do.

도 7은 SOI 웨이퍼상에 형성된 본 발명의 자력계의 현미경 사진을 도시한다. 자력계의 응력 구제 구조들은 도면부호 130에 의하여 지시된다. 7 shows a micrograph of the magnetometer of the present invention formed on an SOI wafer. Stress relief structures of the magnetometer are indicated at 130.

비록 앞서 기술된 금속도막 SOI 프로세스가 통상적으로 사용될 수 있을지라도, 장치는 또한 LIGA형 프로세스를 사용하여 전기 형성 금속으로 제조될 수 있다. 사실상, 당업자는 본 발명의 자력계를 제조하기 위하여 사용될 수 있는 복수의 기술들을 인식할 것이다.Although the metallization SOI process described above can be conventionally used, the device can also be made of an electroforming metal using a LIGA type process. In fact, those skilled in the art will recognize a plurality of techniques that can be used to manufacture the magnetometer of the present invention.

최종적으로, 자력계가 관성 측정 유닛들(IMU)에서 사용하는 다른 관성 센서들과 병렬로 제조될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 따라서, 단일 칩은 가속도계, 자력계 및 자이로스코프 또는 이들의 임의의 결합을 포함할 수 있다. 이러한 3개의 칩들은 컴팩트 실리콘 6 자유도 IMU에서 사용될 수 있다.Finally, it should be noted that the magnetometer can be manufactured in parallel with other inertial sensors used in inertial measurement units (IMU). Thus, a single chip may include an accelerometer, magnetometer and gyroscope or any combination thereof. These three chips can be used in compact silicon 6 degrees of freedom IMUs.

Claims

발진 부재, 및 상기 발진 부재를 통해 교류 전류(AC)를 전달하는 수단을 포함하는 공진 자력계에 있어서,A resonant magnetometer comprising an oscillating member and means for transmitting an alternating current (AC) through the oscillating member,

상기 발진 부재에 자기장 독립 발진력을 전달하도록 구동 수단이 부가적으로 제공되는 것을 특징으로 하는, 공진 자력계.Resonant magnetometer, characterized in that the drive means is additionally provided to transmit a magnetic field independent oscillation force to the oscillation member.

제 1 항에 있어서, The method of claim 1,

상기 발진 부재의 편향에 따라 전기 출력 신호를 제공하는 감지 수단을 포함하는, 공진 자력계.And sensing means for providing an electrical output signal in accordance with the deflection of the oscillating member.

제 2 항에 있어서, The method of claim 2,

상기 구동 수단은 상기 감지 수단에 의하여 발생된 상기 전기 신호를 수신하는 양(positive)의 피드백 회로를 포함하는, 공진 자력계.And said drive means comprises a positive feedback circuit for receiving said electrical signal generated by said sensing means.

제 3 항에 있어서, The method of claim 3, wherein

상기 구동 수단은 고정된 진폭의 발진력을 제공하는, 공진 자력계.The drive means providing a oscillating force of fixed amplitude.

제 3 항에 있어서, The method of claim 3, wherein

상기 구동 수단은 조절가능한 진폭의 상기 발진 부재에 발진력을 전달하도록 구성되며, 상기 구동 수단에 의하여 공급된 상기 발진력의 진폭은 상기 발진 부재의 발진에 대한 주어진 진폭을 유지하기 위하여 사용중에 조절되는, 공진 자력계.The drive means is configured to transmit an oscillation force to the oscillation member of adjustable amplitude, wherein the amplitude of the oscillation force supplied by the drive means is adjusted in use to maintain a given amplitude for oscillation of the oscillation member. , Resonant magnetometer.

제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 2 to 5,

상기 발진 부재를 통해 AC를 전달하는 상기 수단은 상기 감지 수단에 의하여 발생된 전기 출력 신호를 수신하도록 구성된 피드백 회로를 포함하는, 공진 자력계.And said means for delivering AC through said oscillating member comprises a feedback circuit configured to receive an electrical output signal generated by said sensing means.

제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 2 to 6,

상기 감지 수단은 상기 기판상에 배치되고 상기 발진 부재와 함께 가변 커패시턴스를 가진 적어도 하나의 센서 전극을 포함하는, 공진 자력계.The sensing means comprising at least one sensor electrode disposed on the substrate and having a variable capacitance with the oscillating member.

제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein

상기 감지 수단은 상기 기판상에 배치된 복수의 연장 센서 전극들을 포함하며, 상기 발진 부재는 상기 복수의 연장 센서 전극들과 상호 맞물리게 배치된 복수의 연장 전극들을 포함하는, 공진 자력계.The sensing means comprises a plurality of extension sensor electrodes disposed on the substrate, and the oscillating member comprises a plurality of extension electrodes disposed to interlock with the plurality of extension sensor electrodes.

제 8 항에 있어서, The method of claim 8,

상기 발진 부재의 전극들은 미리 결정된 직류 전류(DC) 분극 전압으로 유지되는, 공진 자력계.The electrodes of the oscillating member are maintained at a predetermined direct current (DC) polarization voltage.

제 8 항에 있어서, The method of claim 8,

고주파수 AC 분극 전압은 상기 발진 부재의 전극들에 공급되는, 공진 자력계.A high frequency AC polarization voltage is supplied to the electrodes of the oscillation member.

제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 8 to 10,

상기 복수의 센서 전극들은 두개의 전극 세트들을 형성하기 위하여 전기적으로 접속되며, 상기 두개의 전극 세트들은 차동 용량성 픽-오프(pick-off)를 제공하도록 구성되는, 공진 자력계.And the plurality of sensor electrodes are electrically connected to form two electrode sets, the two electrode sets being configured to provide a differential capacitive pick-off.

제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 11,

상기 발진 부재를 통해 AC를 전달하는 상기 수단은 상기 AC의 진폭을 변화시키는 수단을 포함하는, 공진 자력계.And said means for delivering AC through said oscillating member comprises means for changing the amplitude of said AC.

제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 12,

상기 구동 수단은 상기 발진 부재에 상기 발진력을 정전기적으로 전달하기 위하여 상기 기판상에 형성된 적어도 하나의 구동 전극을 포함하는, 공진 자력계.And the drive means comprises at least one drive electrode formed on the substrate to electrostatically transfer the oscillation force to the oscillation member.

제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 13,

상기 구동 수단은 상기 기판상에 형성된 복수의 제 1 연장 구동 전극들을 포 함하며, 상기 발진 부재는 복수의 제 2 연장 구동 전극들을 포함하며, 상기 제 1 연장 구동 전극들은 상기 제 2 연장 구동 전극들과 상호 맞물리게 배치되는, 공진 자력계.The driving means includes a plurality of first extension drive electrodes formed on the substrate, the oscillating member includes a plurality of second extension drive electrodes, and the first extension drive electrodes are formed of the second extension drive electrodes. Resonant magnetometer, interlocked with the resonator.

제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 14,

상기 발진 부재는 공진 빔을 포함하는, 공진 자력계.And the oscillating member comprises a resonant beam.

제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 15,

상기 발진 부재는 적어도 두개의 가요성 다리 부분들을 포함하며, 상기 AC는 상기 적어도 두개의 가요성 다리 부분들 중 적어도 하나를 통과하는, 공진 자력계.The oscillating member comprises at least two flexible leg portions, and wherein the AC passes through at least one of the at least two flexible leg portions.

제 16 항에 있어서, The method of claim 16,

상기 발진 부재는 상기 적어도 두개의 다리 부분들에 거의 수직하고 또한 상기 적어도 두개의 다리 부분들과 상호 접속하도록 구성된 강성 교차-빔을 포함하는, 공진 자력계.And the oscillating member comprises a rigid cross-beam substantially perpendicular to the at least two leg portions and configured to interconnect with the at least two leg portions.

제 17 항에 있어서, The method of claim 17,

상기 교차-빔은 그로부터 수직하게 돌출하는 복수의 연장 전극들을 포함하는, 공진 자력계.And the cross-beam includes a plurality of extending electrodes protruding perpendicularly therefrom.

제 17 항 또는 제 18 항에 있어서, The method of claim 17 or 18,

상기 발진 부재를 통해 교류 전류(AC)를 전달하는 상기 수단은 상기 교차-빔이 적정 분극 전압을 수신하도록 차동 AC 전압을 상기 다리 부분들에 공급하도록 구성되는, 공진 자력계.The means for delivering an alternating current (AC) through the oscillating member is configured to supply a differential AC voltage to the leg portions such that the cross-beam receives a proper polarization voltage.

제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 19,

상기 발진 부재는 상기 기판의 평면에 평행한 평면 내의 축을 따라 발진하도록 구성되는, 공진 자력계.And the oscillating member is configured to oscillate along an axis in a plane parallel to the plane of the substrate.

제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 20,

상기 발진 부재는 적어도 하나의 응력 완화 수단을 포함하는, 공진 자력계.And the oscillating member comprises at least one stress relieving means.

제 21 항에 있어서, The method of claim 21,

상기 적어도 하나의 응력 완화 수단은 응력 완화 루프를 포함하는, 공진 자력계.Said at least one stress relieving means comprising a stress relieving loop.

제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 22,

상기 자력계는 마이크로-전기기계 시스템(MEMS)으로서 형성되는, 공진 자력계.The magnetometer is formed as a micro-electromechanical system (MEMS).

제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 23,

상기 기판 및 상기 발진 부재는 실리콘을 포함하는, 공진 자력계.And the substrate and the oscillating member comprise silicon.

제 24 항에 있어서, The method of claim 24,

상기 기판 및 상기 발진 부재는 절연체상 실리콘(SOI) 웨이퍼 및 유리상 실리콘(SOG) 웨이퍼중 어느 하나로 형성되는, 공진 자력계. The substrate and the oscillating member are formed of any one of an insulator silicon (SOI) wafer and a glass silicon (SOG) wafer.

제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 자력계를 포함하는, 관성 측정 유닛(IMU).An inertial measurement unit (IMU) comprising at least one magnetometer according to any one of claims 1 to 25.

제 26 항에 있어서, The method of claim 26,

3개의 자력계들이 제공되며, 상기 3개의 자력계들의 각각은 상호 직교 축들을 따르는 자기장들을 검출하도록 구성되는, 관성 측정 유닛(IMU).Three magnetometers are provided, each of the three magnetometers being configured to detect magnetic fields along mutually orthogonal axes.