(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル電流検知を用いた電流又は磁界センサであって、当該センサが、
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサの第１の要素（４０ａ）と第２の要素（４０ｂ）の間のトンネル電流（４２）を制御するシステム（９０）あって、前記第１の要素と前記第２の要素とが互いに離間していて、少なくとも前記第１の要素（４０ａ）は、少なくとも前記第１の要素（４０ａ）に作用する刺激に応答して、前記第２の要素（４０ｂ）に対して移動可能であるシステム（９０）を備えており、前記システム（９０）が、
ＭＥＭＳセンサ（１００）の第１の要素（４０ａ）と第２の要素（４０ｂ）の間にトンネル電流（４２）を供給するトンネル電流励起源（５０）と、
前記第２の要素（４０ｂ）に対して少なくとも前記第１の要素（４０ａ）が移動することに応答した前記トンネル電流（４２）の変化を監視するトンネル電流モニタ（５２）と、
前記第１の要素（４０ａ）と前記第２の要素（４０ｂ）の相対位置を調整するためこれらの少なくとも一方を位置決めする位置決め装置（８６）と、
前記トンネル電流モニタ（５２）と接続された制御装置（８８）であって、前記第１の要素（４０ａ）と前記第２の要素（４０ｂ）との間の間隔について、前記システム（９０）を較正するための参照モードとして前記システム（９０）を構成するための第１の間隔で前記第１の要素（４０ａ）及び前記第２の要素（４０ｂ）の少なくとも一方を配置するとともに、前記システムを検知モードとして構成するための第２の間隔で前記第１の要素（４０ａ）及び前記第２の要素（４０ｂ）の少なくとも一方を配置するように、前記位置決め装置（８６）を制御するための制御装置（８８）と
を備えている、センサ。
【請求項２】
前記参照モードで基準電流値が用いられる、請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記参照モードでオーム伝導電流状態が用いられる、請求項１記載のセンサ。
【請求項４】
前記参照モードで基準抵抗状態が用いられる、請求項１記載のセンサ。
【請求項５】
前記基準抵抗状態が線形抵抗特性を含む、請求項４記載のセンサ。
【請求項６】
前記線形抵抗特性が不変抵抗を含む、請求項５記載のセンサ。
【請求項７】
前記位置決め装置（８６）が、静電素子、磁気素子、熱素子及び圧電素子の少なくとも１つを備える、請求項１記載のセンサ。
【請求項８】
前記トンネル電流励起源（５０）が、
前記第１の要素（４０ａ）及び前記第２の要素（４０ｂ）の一方に配置されたトンネル電極（４１ｂ）と、
第１の要素（４０ａ）及び前記第２の要素（４０ｂ）の他方に配置され、前記トンネル電極（４１ｂ）に近接したトンネル電流集束要素（４１ａ）と
を備える、請求項１記載のセンサ。
【請求項９】
前記トンネル電流集束要素（４１ａ）がトンネルチップを備える、請求項８記載のセンサ。
【請求項１０】
前記制御装置（８８）が、前記位置決め装置（８６）を励振して、前記システムを前記参照モードとして構成するための十分な間隔まで、前記第１の要素（４０ａ）と前記第２の要素（４０ｂ）を近づけるための第１の制御回路（９２）を備える、請求項８記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全般的に電流および磁界の検知装置に関する。より詳細には、本開示は、トンネル電流検知を使用する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）電流センサおよび磁界センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
導電体（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃａｒｒｙｉｎｇ  ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）は、導電体の近傍に磁界を発生することが知られている。導電体によって生じる磁界は、その導電体によって生じる磁界内に配置された他の導電体との間に力を誘起できることも知られている。したがって、電流を検知するのに使用される１つの手法は、導電体内を流れる電流によって誘起される磁界を測定するセンサの使用を含む。生成された磁界は、導電体内を流れる電流に比例するので、このようなセンサは、磁界の大きさを使用して電流値を決定することができる。
【０００３】
磁界を使用して電流を測定する電流センサは、高電圧回路に接触する必要がないので、安全の点では高電圧の用途に適している。しかし、高電圧の用途で磁界を使用して電流を測定する既存の電流センサに関しては、いくつか不利な点がある。一般に、既存の電流センサは、起こり得る電流フローのレベル変化に耐えることができる厚みのある導体を必要とするので、波形率（ｆｏｒｍ  ｆａｃｔｏｒ）は大きくなる傾向にある。この電流フローで加熱が生じ、それにより、電流センサの効率が低減し、センサ精度での誤り要因となる可能性がある。既存の電流センサは、大きくかさばるので、その物理的および電気的な動作特性により、より小さい規模の環境では、これまでその使用が妨げられてきた。
【特許文献１】米国特許第７，１１２，９５１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、改良された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサが提供されることが求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の一例では、本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサの第１の要素と第２の要素の間のトンネル電流を制御するシステムを含み、第１の要素および第２の要素は互いに相隔たり、少なくとも第１の要素は、刺激が少なくとも第１の要素に作用するのに応答して、第２の要素に対して移動可能である。このシステムは、ＭＥＭＳセンサの第１の要素と第２の要素の間にトンネル電流を供給するトンネル電流励起源、および第２の要素に対して少なくとも第１の要素が移動することに応答してトンネル電流が変化することを監視するためのトンネル電流モニタを備える。このシステムはまた、第１の要素および第２の要素のうちの少なくとも１つを互いに対して位置決めするための位置決め装置と、参照モードでシステムを構成するために、第１の要素と第２の要素の間の第１の間隔で、第１の要素および第２の要素のうちの少なくとも１つを位置決めするための位置決め装置、ならびに検知モードでシステムを構成するために、第２の間隔で、第１の要素および第２の要素のうちの少なくとも１つを位置決めするための位置決め装置を制御するための、トンネル電流モニタと連通している制御装置とを備え、それにより、システムは参照モードに対して較正される。
【０００６】
実施形態の別の例では、本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサの第１の要素と第２の要素の間のトンネル電流を制御するための方法を含み、第１の要素および第２の要素は互いに相隔たり、刺激が第１の要素および第２の要素のうちの少なくとも１つに作用するのに応答して、少なくとも第１の要素は、第２の要素に対して移動可能である。この方法は、ＭＥＭＳセンサの第１の要素と第２の要素の間にトンネル電流を生成するためのトンネル電流励起源を設けるステップ、および第２の要素に対して少なくとも第１の要素が移動することに応答してトンネル電流が変化することを監視するためのトンネル電流モニタを設けるステップを含む。この方法は、参照モードでシステムを構成するために、第１の要素と第２の要素の間の第１の間隔で、第１の要素および第２の要素のうちの少なくとも１つを位置決めするステップと、検知モードでシステムを構成するために、第１の間隔とは異なる第２の間隔で、第１の要素および第２の要素のうちの少なくとも１つを位置決めするステップとをさらに含み、それにより、システムは参照モードに対して較正される。
【０００７】
添付図を参照して以下の詳細な説明を読むとき、本発明の上記その他の特徴、態様、および利点がよりよく理解されよう。添付図においては、各図面を通して同じ文字は同じ部分を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、電流検知用に構成されたＭＥＭＳセンサの各実施形態を説明するが、他の物理的現象によって生成されセンサに加えられる刺激に応答して、その物理的現象を検知するために、それだけには限らないが、例示的な各実施形態も使用してよいと考えられる。図１には、本明細書に記載され以下で全体的に「電流センサ１００」と呼ばれている、電流および磁界を検知するように構成されたＭＥＭＳセンサの例示的な実施形態が示してある。図に示すように、電流Ｉを運ぶ導体４は、磁界２０を生成する。本開示の一実施形態によれば、電流センサ１００を使用して、導電体と物理的に接触することなく、導電体４内の電流Ｉを検知することができる。図示した実施形態によれば、ＭＥＭＳ電流センサ１００は、電流Ｉによって生成される磁界２０内に電流センサ１００が配置されるときに生じるローレンツ力を使用することにより、導体４によって運ばれる電流Ｉを検知し決定するように動作する。一実施形態では、電流センサ１００は、磁界を検知し、それに応答して、測定すべきそれぞれの導体内に存在する電流を表示するためのトンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品を有する磁界検知構成部品を備える。
【０００９】
本明細書に記載の電流センサ１００などＭＥＭＳベースの電流および磁界のセンサの有利なサイズにより、スペースが限られている用途での電流の検知が容易になる。さらに、ＭＥＭＳベースの構成部品を使用することで、非常に正確で、高信頼で、頑強で、検知されている電流に対する誤りが皆無かそれに近い電流センサが実現する。少なくとも部分的には、ＭＥＭＳ電流センサ１００を使用して電流を検知するための、本明細書に記載の非接触検知方法により、ＭＥＭＳ電流センサ１００は、検知されている電流の大きさおよび／または方向に影響を及ぼさないことが好ましい。たとえば、ＭＥＭＳベースの構成部品の寸法およびその感度を考慮すると、ＭＥＭＳ電流センサ１００は、検知されまたは測定されている電流における、測定可能ないかなるばらつきまたは変化をももたらさないまたは引き起こさないことが好ましい。さらに、ＭＥＭＳ電流センサ１００は、既存の電流センサをしのいで、その費用が低減されることおよびサイズが著しく低減されることで有利である。さらに、マイクロリソグラフィ技術および微細加工技術のおかげで、確度および精度が増すことにより、ＭＥＭＳ電流センサ１００の製造は有利になる。
【００１０】
現在、ＭＥＭＳは一般的に、たとえば、微細加工技術により共通の基板上にいくつかの様々な要素、たとえば、機械要素、電気機械的要素、センサ、アクチュエータ、および電子装置を集積することができるミクロン規模の構造体を指す。しかし、ＭＥＭＳ装置において現在使用可能な多くの技法および構造は、ほんの２、３年で、ナノテクノロジーベースの装置、たとえば、サイズが１００ナノメートルより小さくてもよい構造体を用いて使用可能になることが企図される。したがって、この文書全体を通して説明している実施形態の例は、ＭＥＭＳベースの装置を指してもよいが、本発明のうちの発明性のある各態様は、広義に解釈すべきであり、ミクロンサイズの装置に限定すべきではないと思われる。
【００１１】
図２は、ＭＥＭＳベースの電流センサ１００のＭＥＭＳベースの磁界検知構成部品２５の一実施形態を示す概略図である。ＭＥＭＳベースの磁界検知構成部品２５は、磁界２０などの磁界を検知し、導体４など対応する導電体内の電流を表示する。検知された電流の表示には、検知されている電流に関する振幅および方向成分の両方が含まれ得る。一実施形態では、検知された電流の表示は、検知されている電流の電気的な表示である。
【００１２】
図２に示した実施形態では、ＭＥＭＳベースの磁界検知構成部品２５は、トンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品３０、出力構成部品７０、および補償装置５５を備える。トンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品３０は、磁界を検知し、それに応答して、検知された磁界を対応する電流Ｉの機械的な表示器に変換する。出力構成部品７０は、測定されている導体内の電流Ｉを示す出力を出す。一実施形態では、出力構成部品７０からの出力は、測定されている導体内を流れる電流の振幅および符号を示し表す電気信号の形をとってもよい。さらなる処理のために、出力構成部品７０は、メモリ、指示器（たとえば、表示画面）、および／または他の装置もしくは機器（たとえば、デジタル信号プロセッサまたはコンピュータベースのアナライザ）とインターフェースしてもよい。
【００１３】
図示した実施形態では、トンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品３０は、電流Ｉの磁気的な表示を機械的変化に変換するための磁気機械変換器３５を備える。一実施形態では、磁気機械変換器３５は、コイルなどの導体でもよい。さらに、図示されたトンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品３０は、トンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品３０に対する構造用支持具を実現するための構造用構成部品４０を備える。構造用構成部品４０は、１つまたは複数の異質なまたは均質な構造体、装置、材料、アセンブリ、サブシステムなどを表してもよい。たとえば、一実施形態では、構造用構成部品４０は、第１の固定要素の形での第１の構造用要素、および可動要素の形での第２の構造用要素を表してもよい。一実施形態では、構造用構成部品４０は、磁気機械変換器３５がもたらす機械的な変化に応答し、電流Ｉを表す機械的な表示器を実現する。機械的な表示器は、磁界の検知を登録またはそうでなければ表示する構造用構成部品４０によってもたらされる動きを表してもよい。一実施形態では、機械的な表示器は、構造用構成部品４０の変位でもよい。一実施形態では、構造用構成部品４０には、１つまたは複数のディフレクタブルメンブラン（ｄｅｆｌｅｃｔａｂｌｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）、片持ちばり、ビーム、ダイヤフラム、曲げ材、空洞、表面微細加工された構造体、バルク微細加工された構造体、くし形構造体、ブリッジ、またはどんな数の他の構造装置も含まれ得る。さらに、構造用構成部品４０によって実現される機械的な表示器は、機械的な表示器のベクトル空間値を表してもよく、機械的な表示器のベクトル空間値を表すのに使用することができる、関連する振幅、方向、速度、およびそれらの他のあらゆる特性のうちの１つまたは複数を含む。
【００１４】
一実施形態では、トンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品３０は、構造用構成部品４０によって実現される機械的な表示器を検知された電流Ｉを表す電気信号に変換するための電気的な変換器７５への、少なくとも１つの機械的変化を含む。一実施形態では、機械電気変換器７５は、出力段８０による判読および／またはさらなる処理のために、検知された機械的な表示器を変換する。一実施形態では、機械電気変換器７５は、トンネル電流技法に基づく。具体的には、機械電気変換器７５には、トンネル電流構成部品８２を有するトンネル電流回路７６が含まれ得る。一実施形態では、構造用構成部品４０の固定要素と検知された電流Ｉに応答して変位する可動要素との間のトンネル電流を確立し、監視し、維持するようにトンネル電流構成部品８２を構成してもよい。
【００１５】
トンネル電流構成部品８２は、たとえば、位置決め装置８６と一緒に動作して、それとの間のトンネル電流を確立するトンネルチップ（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｔｉｐ）８４などのトンネル電流集束要素に結合されてもよい。本発明の一態様では、トンネルチップ８４と位置決め装置８６の間のトンネル電流の値は、可動要素の変位を示してもよい。一実施形態では、位置決め装置８６には、たとえば、構造用構成部品４０の固定要素および可動要素のうちの１つまたは両方に配置された、１つまたは複数の電極が含まれ得る。たとえば、可動要素上に配置された位置決め装置８６の電極は、固定要素上に配置されたトンネルチップ８２と対にされて、トンネルチップ８４と電極の間のトンネル電流を確立するためのトンネルチップ／電極対を形成してもよい。
【００１６】
一実施形態では、補償装置５５を使用して、磁界の強さを機械的に示すための磁気機械変換器３５のコイル内にバイアス電流を確立してもよい。補償装置５５を使用して、たとえば、機械的許容範囲、センサのエージング、温度、環境要因、などによる影響を補償してもよい。補償装置５５には、励起源（電流源など）６０および制御装置６５が含まれ得る。励起源６０は、ＭＥＭＳ電流センサ１００が使用するための励起量（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｑｕａｎｔａ）（すなわち、励起エネルギー量）を供給してもよい。制御装置６５は、たとえば、励起源６０の励起量の切換および印加を制御してもよい。制御装置６５は、たとえば、スイッチ、アナログプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、デジタルコンピューティング装置、またはアナログコンピューティング装置でよい。この例では、制御装置は、磁気機械変換器３５に供給されるバイアス電流の少なくともオン、オフ、および値を制御する。
【００１７】
図２の出力構成部品７０、トンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品３０、および補償装置５５は別個の構成部品として示してあるが、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、これらの構成部品およびそれらそれぞれの機能ブロックをさらに組み合わせ、またはさらに分割することができる。
【００１８】
図３には、トンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品３０の一実施形態が示してある。図３では、トンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品３０は、第１の構造用要素４０ａ、および第１の構造用要素４０ａの実質上反対側に配置される第２の構造用要素４０ｂとして示される構造用構成部品４０を備える。図３に示されるように、第１の構造用要素４０ａは固定要素でよく、第２の構造用要素４０ｂは、第１の構造用要素４０ａとの間隔が空けられ、第１の構造用要素４０ａに対して移動可能な可動要素でよい。たとえば、第２の構造用要素４０ｂには、支持端４６ｂに固定され自由端４６ａで自由に移動することができる片持ちばりが含まれ得る。
【００１９】
一実施形態では、第２の構造用要素４０ｂは、コイルが電流によって励振されるときに磁界に応答する、導体コイルなどの機械的検知構成部品４５を備える。第１の機械的検知構成部品４５は、機械的検知構成部品４５に含まれるまたは結合される導電性の領域または材料（本明細書では「電極」と呼ばれている）を表してもよい。一実施形態では、第１および第２の構造用要素４０ａおよび４０ｂは、それぞれ第１および第２の基板を表す。たとえば、機械的検知構成部品４５は、シリコンなどの基板上に配置されたまたは基板内に形成された、金属など、各々導体材料の層、領域、または配線を表してもよい。一実施形態では、第１の構造用要素４０ａは、中に空洞を有する基板２８を表す。
【００２０】
別の実施形態では、構造用要素４０ａ、４０ｂは、それぞれ第１および第２のトンネル電流回路要素４１ａおよび４１ｂを備える。トンネル電流回路要素４１ａおよび４１ｂは、それぞれ第１および第２の構造用要素４０ａ、４０ｂに含まれるまたは結合される電極を表してもよい。第１のトンネル電流回路要素４１ａは、第１のトンネル電流回路要素４１ａと第２のトンネル電流回路要素４１ｂとの間に確立されるトンネル電流４２を検知するためのトンネルチップとして構成してもよい。第１の構造用要素４０ａにはまた、第１の構造用要素４０ａに含まれるまたは結合される電極などの、位置決め要素４３が含まれ得る。位置決め要素４３は、機械的検知構成部品４５と一緒に動作し、図２の位置決め装置８６などに対して、第１の構造用要素と第２の構造用要素の間の分離距離ｄを制御するように構成されてもよい。
【００２１】
一実施形態によれば、トンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品３０の動作中、第１の構造用要素４０ａと第２の構造用要素４０ｂとの間に差動電圧を加えてもよく、それにより、トンネル電流回路要素４１ａと４１ｂの間にトンネル電流４２が生じる。トンネル電流回路要素４１ａと４１ｂの間のトンネル電流４２の値は、要素４１ａと４１ｂの間の距離ｄの関数なので、距離ｄが変化すると、トンネル電流４２の値の変化など、対応する変化がトンネル電流４２内に生じることになる。図４には、トンネル電流回路要素４１ａと４１ｂの間の距離ｄが増加するのに応じて、トンネル電流４２の値がどのように変化することがあるのかを示す例示的なグラフ１９が示してある。グラフ１９上の点１１は、ｄ＝０のとき、たとえばトンネル電流回路要素４１ａおよび４１ｂが接触しているときのオーム性伝導状態を示す。この状態では、トンネル電流４２は、一定のオーム接触電流になる。グラフ１９上の点１２は、ｄが十分に大きく、その結果トンネル電流回路要素４１ａと４１ｂの間にトンネル電流が存在しないときの開路状態を示す。点１１と１２の間では、曲線１７は、トンネル電流段階１３でのトンネル電流４２の指数型変化を表す。したがって、トンネル電流回路要素４１ａと４１ｂの間の距離ｄは、トンネル段階（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｐｈａｓｅ）でのトンネル電流の検知された値に基づいて求めてもよい。
【００２２】
図３で示した実施形態に戻ると、トンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品３０が外部の導電体の近傍に配置され、わずかなバイアス電流が磁気機械変換器３５の第１の機械的検知構成部品４５内を流れるときに、外部の導体によって生成される磁界が磁気機械変換器３５に力（たとえば、ローレンツ力）を作用させるように、機械的検知構成部品４５を備える磁気機械変換器３５は、第２の構造用要素４０ａに結合されてもよい。使用されるバイアス電流は、マイクロアンペア（μＡ）またはミリアンペア（ｍＡ）の範囲でよいが、典型的なバイアス電流は、１〜１０ｍＡでもよい。さらに、トンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品３０の修正なしに、ＤＣまたはＡＣバイアス電流を使用してもよい。さらに、装置の共振周波数と一致する周波数でＡＣバイアス電流を駆動することにより、装置の感度をさらに増大させることが可能である。
【００２３】
ローレンツ力により、第２の構造用要素４０ｂ（たとえば可動要素）は、磁界の方向に応じて、第１の構造用要素４０ａの平面に本質的に垂直な方向で第１の構造用要素４０ａに近づきまたは遠ざかるように、支持端４６ｂの周りで自由端４６ａにおいてたわむことになる。第２の構造用要素４０ｂに生じるたわみの振幅および方向は、電流Ｉ（図１参照）およびその極性に比例する。したがって、電流導体内を流れる電流Ｉは、第２の構造用要素４０ｂ内に生じるたわみの度合いに基づいて検知されてもよい。その結果生じるたわみは、距離ｄを増大または減少させ、引き続き、たとえば図４のトンネル曲線１７に従って、トンネル電流４２の値を変化させる。トンネル電流４２の値を検知することによって、距離ｄを求めてもよい。
【００２４】
主にローレンツ力を使用することに関連して議論してきたが、磁気機械変換器３５は、相互インダクタンス、可動ループ、および／または外部の導電体によって生成される磁界を使用するように修正してもよい。さらに、他の特性関係を使用して、検知されている電流に応じた機械的な表示器の機械的な表示（ａ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｉｎｄｉｃａｔｏｒ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）を得てもよい。
【００２５】
一実施形態では、力平衡または平衡状態を得るため、および／または能動検知もしくはゼロバランス検知を実行するために、ローレンツ力を生成するコイルとして形成される電流導電性電極などの位置決め要素４３を使用してもよい。たとえば、トンネル電流回路要素４１ａと４１ｂの間の基準電流値（たとえば、図４の曲線１７上の点１５）など、所望のトンネル電流値を維持するために、位置決め要素４３を使用して距離ｄを制限してもよい。実施形態の一例として、図４の曲線１７上の点１５は、基準距離に対応する基準電流値として選択してもよい。第２の構造用要素４０ｂを基準距離から遠ざけてたわませるように作用する静電力または磁力などの力は、第２の構造用要素４０ｂをトンネル電流回路要素４１ａと４１ｂの間の距離ｄ１にまで戻すことにより、ゼロにしてもよい。たわんだ第２の構造用要素４０ｂを基準距離まで戻すのに必要となる復元力の測定値を変換して、たわみを引き起こすローレンツ力を生成する導体内を流れる電流の値を示してもよい。たわんだ第２の構造用要素４０ｂを基準距離に戻すのに十分な、磁気機械変換器３５上の所望のローレンツ復元力を生み出す磁界を生成するために、位置決め要素４３内の電流を制御することにより、復元力を生成してもよい。
【００２６】
前述のＭＥＭＳ電流センサなど、トンネル電流ベースのＭＥＭＳセンサでは、センサのトンネルチップと整合電極の間の間隔を制御することが望ましい。重要なことには、オフセット電圧または温度応答性の回路変化など、電子装置における製造プロセスまたは様々な不完全性によって保証される精度よりもよい精度にまで間隔をより小さく維持することが必要になることがある。間隔が大き過ぎる場合、トンネル電流は小さ過ぎて測定できない、または始動しないことになる。間隔が小さ過ぎる場合、オーム接触により、センサの測定挙動が変わることもある。したがって、各検知要素の正確な間隔、および一貫したトンネル電流動作点の維持は、トンネル電流ベースのセンサでは重要である。
【００２７】
図５は、図２のＭＥＭＳベースの磁界検知構成部品２５など、ＭＥＭＳセンサにおいてトンネル電流を制御するのに使用してもよい、トンネル電流制御システム９０の一例のブロック図である。トンネル電流制御システム９０には、トンネル電流構成部品８２、および図３に示すようなトンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品３０の第１の構造用要素４０ａと第２の構造用要素４０ｂとの間のトンネル電流を制御するための関連要素が含まれ得る。第１の構造用要素４０ａおよび第２の構造用要素４０ｂは、互いに距離ｄだけ離れていてもよい。要素４０ａ、４０ｂのうちの１つまたは両方は、要素４０ａ、４０ｂのうちの１つまたは両方に作用する刺激に応答して、互いに対して移動可能でもよい。トンネル電流構成部品８２には、第１の構造用要素４０ａと第２の構造用要素４０ｂとの間にトンネル電流４２を供給するためのトンネル電流励起源５０が含まれ得る。トンネル電流励起源５０は、トンネル電流回路要素４１ａと４１ｂの間の距離ｄを監視するために使用してもよいトンネル電流を生成するように構成してもよい。たとえば、トンネル電流励起源５０は、トンネル電流４２を生成するための電流源の役割を果たしてもよい。別の実施形態の例では、トンネル電流励起源５０は、第１の構造用要素４０ａ上のトンネルチップ４１ａと、第２の構造用要素４０ｂ上の、トンネルチップ４１ａの反対側の電極４１ｂとの間に差動電圧を加えることなどにより、要素４０ａ、４０ｂの間に電位差を生成してもよい。
【００２８】
トンネル電流構成部品８２にはまた、要素４０ａ、４０ｂのうちの１つまたは両方の互いに対する動きに応答するトンネル電流４２での変化を監視するためのトンネル電流モニタ５２が含まれ得る。位置決め装置８６は、第１の要素４０ａおよび第２の要素４０ｂのうちの少なくとも１つを互いに対して位置決めするように構成されてもよい。図３に示すように、位置決め装置８６には、位置決め要素４３および／または電極４１ｂが含まれ得る。位置決め要素４３には、要素４０ａ、４０ｂを互いに対して位置決めするように構成される静電素子、磁気素子、熱素子、および／または圧電素子が含まれ得る。
【００２９】
トンネル電流構成部品８２にはまた、第１の構造用要素４０ａおよび第２の構造用要素４０ｂのうちの少なくとも１つを所望の間隔で位置決めするための位置決め装置８６を制御するための、トンネル電流モニタ５２と連通しているトンネル電流制御装置８８が含まれ得る。初めに、要素４０ａ、４０ｂを、それらの間のオーム接触タイプの電流を達成するために互いに十分近接して位置決めし、次いで、要素４０ａ、４０ｂを、所望のトンネル電流を達成するために互いに十分に離れるように位置決めすることにより、電気的なおよび／または機械的なバイアスなどのバイアスを取り除くように、センサを構成しまたは較正してもよいことが、発明者には革新的に理解されてきた。たとえば、結果として構造用要素４０ａ、４０ｂの装置間の間隔がばらつき、その結果これら様々な間隔に対応するトンネル電流の動作値における対応する差となることがある製作公差を補償するために、このような較正技法を使用してもよい。
【００３０】
実施形態の一例として、ＭＥＭＳベースの磁界検知構成部品２５の各構造用要素は、１００ｎｍの範囲のサイズでよい。現行のＭＥＭＳ製造技法を使用すると、このような小さなスケールでは、十分に厳しい公差を維持することが難しいことがある。したがって、図４の曲線１７上の点１１と１２の間で所望のトンネル電流を達成するための一貫した要素間隔など、所望のモードで動作するようにトンネルベースのＭＥＭＳ電流センサを構成してもよいようにするために、本明細書に記載の較正技法の例は、製作公差および／または他の機械的な差に関連する問題を解決する助けとなることがある。さらに、ここで述べるＭＥＭＳセンサは、１０ナノアンペアの範囲で動作してもよいので、電気的なバイアスを取り除いて、一貫した動作を確実にすることは重要である。したがって、この較正技法を使用して、電気構成部品の動作時の差、ならびに／または、時間経過および／もしくは温度による構成部品のドリフトの結果生じることがあるバイアスを補償してもよい。
【００３１】
図６は、トンネル電流構成部品８２の一例の回路図である。トンネル電流構成部品８２には、図３の要素４１ａおよび４１ｂなど、各トンネル電流回路要素間の距離ｄを監視するのに使用されるトンネル電流を生成するように構成されるトンネル電流励起源５０が含まれ得る。たとえば、トンネル電流発生器５０は、要素４１ａと４１ｂの間のトンネル電流を生成することができる両者間の電位を確立するように構成されてもよい。
【００３２】
トンネル電流構成部品８２にはまた、生成されたトンネル電流を監視するためのトンネル回路モニタ５２が含まれ得る。たとえば、トンネル回路モニタ５２には、トンネル電流回路要素４１ａおよび４１ｂにおけるそれぞれの電圧を比較するための比較器５６が含まれ得る。それぞれの電圧間の比較に基づいて、比較器５６は、図３の位置決め要素４３を駆動して、トンネル電流回路要素４１ｂと４１ａの間の所望のトンネル電流を維持するために、第１の構造用要素４０ａに対して第２の構造用要素４０ｂを位置づけるための位置決め信号５８を生成してもよい。位置決め信号５８に基づいて位置決め要素４３を駆動するための電力は、電圧源５５が含まれ得るドライバ回路５４によって供給されてもよい。
【００３３】
実施形態の一例では、トンネル電流構成部品８２は、ＭＥＭＳベースの磁界検知構成部品２５内の電気的および／または機械的なバイアスなどのバイアスを取り除くように、構成されまたは較正されてもよい。したがって、たとえばトンネル電流モニタ５２と連通している制御装置８８は、位置決め装置８６を制御して、参照モードにおいてトンネル電流制御システム９０を構成するための構造用要素４０ａ、４０ｂの間の第１の間隔で、第１の構造用要素４０ａおよび第２の構造用要素４０ｂのうちの少なくとも１つを位置づけるように構成されてもよい。参照モードには、図６のトンネル回路要素４１ａ、４１ｂの間のオーム接触から生じるオーム伝導電流状態などの基準電流状態が含まれ得る。オーム接触は、制御装置８８によって指令されて、１つまたは両方の要素４０ａ、４０ｂを十分に近づけて、トンネル回路要素４１ａ、４１ｂの間のオーム接触を生じるように位置決め装置４３を操作してもよい。別の実施形態では、参照モードには、基準抵抗状態が含まれ得る。基準抵抗状態には、トンネル回路要素４１ａ、４１ｂの間のオーム接触を表す不変抵抗などの線形抵抗特性が含まれ得る。
【００３４】
トンネル電流制御装置８８はまた、構造用要素４０ａ、４０ｂのうちの少なくとも１つまたは両方を、検知モードにおいてトンネル電流制御システム９０を構成するための第１の間隔とは異なる第２の間隔で位置決めするように構成されてもよく、それにより、トンネル電流制御システム９０は、参照モードに対して較正される。たとえば、トンネル電流制御装置８８は、構造用要素４０ａ、４０ｂの間隔をさらに空けることなどにより、構造用要素４０ａ、４０ｂを参照モード位置から遠ざけるように構成してもよい。トンネル電流制御装置８８は、センサに近接した導体内を流れる電流によって誘起される磁力など、センサに作用する他の刺激によるトンネル電流の変化を検知するために、トンネル回路要素４１ａ、４１ｂの間に所望のトンネル電流が生じるように、構造用要素４０ａ、４０ｂを位置づけしてもよい。たとえば、トンネル電流制御装置８８は、図４の曲線１７上の点１１と１２の間でトンネル電流を達成するため、構造用要素４０ａ、４０ｂを位置決めするように構成されてもよい。
【００３５】
トンネル電流制御装置８２には、参照モードにおいてＭＥＭＳベースの磁界検知構成部品２５を構成するために、位置決め装置８６を制御して第１の要素４０ａおよび第２の要素４０ｂを十分に近づけ、次いで、第１の要素４０ａおよび第２の要素４０ｂを離して検知モードに移動させるための、バイアス電圧発生器などの第１の制御回路９２が含まれ得る。たとえば、第１の制御回路９２は、比較器５６への入力における電圧を制御して、要素４０ａ、４０ｂを移動させるための適切な信号５８を生成してもよい。第１の制御回路９２には、位置決め装置８６を励振するための可変電圧を供給するための、デジタルポテンショメータなどの分圧器回路網（ｖｏｌｔａｇｅ  ｄｉｖｉｄｅｒ  ｎｅｔｗｏｒｋ）９４が含まれ得る。別の実施形態の例では、第１の制御回路９０には、位置決め装置８６を励振するためのアナログ可変電圧を供給するためのデジタル−アナログ変換器９２（点線で示す）が含まれ得る。
【００３６】
別の実施形態の例では、トンネル電流制御装置８２には、トンネル電極４１ｂとトンネル電流集束要素４１ａとの間の電位差を制御するための第２の制御回路９６が含まれ得る。たとえば、第２の制御回路９２は、トンネル電極４１ｂの電圧を制御して、トンネル電極４１ｂとトンネル電流集束要素４１との間の所望の電位差を生成してもよい。第２の制御回路９６には、所望の電位差を生成するための可変電圧を供給するための、デジタルポテンショメータなどの分圧器回路網９８が含まれ得る。別の実施形態の例では、第１の制御回路９６には、アナログ可変電圧を供給して所望の電位差を生成するためのデジタル−アナログ変換器９２（点線で示す）が含まれ得る。
【００３７】
図７は、図５および６に示されるセンサなど、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサの第１の要素と第２の要素との間のトンネル電流を制御するための方法の一例の流れ図１０２である。この方法には、第１の構造用要素４０ａと第２の構造用要素４０ｂとの間の電位を変化または掃引させるステップ１０４と、要素のうちの１つまたは両方を移動してオーム性伝導状態を識別するステップ１０６により、オーム性伝導状態を決定するステップが含まれ得る。この方法には、たとえば、変化した電位、およびその変化した電位に応答して第１の要素４０ａと第２の要素４０ｂの間で生成される電流４２に基づいて、抵抗特性を決定するステップ１０８が含まれ得る。抵抗特性が、非線形関係などの非オーム伝導を示す関係を含むとき（ステップ１１０）、この方法には、繰返しステップ１０４〜１０８が含まれ得る。抵抗特性が、線形関係などのオーム伝導を示す関係を含むとき（ステップ１１０）、この方法には、オーム性伝導状態を識別するステップ１１２と、次いで、線形特性から、トンネル電流伝導点に対するオーム性を示す非線形特性に移動するなど、抵抗特性が変化するまで、１つまたは両方の要素を互いから離して移動させるステップ１１４とが含まれ得る。トンネル電流伝導点に対するオーム性が識別されるとき（ステップ１１８）、この方法には、要素４０ａと４０ｂの間の所望のトンネル電流を達成するよう、１つまたは両方の要素４０ａ、４０ｂの相対位置を互いに所定の量だけ調整するステップ１２０が含まれ得る。別の実施形態の例では（点線で示す）、この方法には、伝導遷移点に対するオーム性を確立する位置に要素４０ａ、４０ｂを置くステップと、次いで所望のトンネル電流値を達成するために要素４０ａ、４０ｂの間の電流を調整するステップ１２２とが含まれ得る。たとえば、図５のトンネル電極４１ｂとトンネル電流集束要素４１ａとの間の電位を調整して、所望のトンネル電流値を達成することにより、電流４２を調整してもよい。この時点で、刺激の検知１２４を実行してもよい。別の実施形態の例では、この方法には、ステップ１０４〜１２０（および／または１２２）を周期的に実行して、センサが較正された状態に確実にするステップが含まれ得る。たとえば、各ステップ、すなわち較正を実行する頻度は、検知される交流の周波数などの、刺激の頻度とは異なるように選択してもよい。
【００３８】
図８は、図５および６に示すセンサなど、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサの第１の要素と第２の要素の間のトンネル電流を制御するための方法の他の実施形態の例の流れ図１２６である。この方法には、図５の要素４０ａ、４０ｂのうちの１つまたは両方を移動させて、オーム性伝導状態を識別するステップ１３０が含まれ得る。この方法には、図５のトンネル電極４１ｂとトンネル電流集束要素４１ａとの間の電流４２が一定になるときを決定するステップ１３２が含まれ得る。したがって、電流４２が一定に、すなわちオーム性伝導状態を示す状態になるまで、要素４０ａ、４０ｂを移動させてもよい。オーム伝導状況での動作が識別されるとき（ステップ１３４）、この方法には、要素４０ａ、４０ｂをオーム性伝導状態から分離するステップが含まれ得る。たとえば、各要素を分離するステップには、定電流からトンネル電流伝導点に対してオーム性を示す（１４０）可変電流まで移動することなどにより、電流４２が変化するまで（１３８）１つまたは両方の要素４０ａ、４０ｂを互いから離すステップ１３６が含まれ得る。トンネル電流伝導点に対するオーム性１４０が識別されるとき、この方法には、要素４０ａと４０ｂの間の所望のトンネル電流４２を達成するよう、１つまたは両方の要素４０ａ、４０ｂの相対位置を互いに所定の量だけ調整するステップ１４２が含まれ得る。別の実施形態の例では（点線で示す）、この方法には、伝導遷移点に対するオーム性を確立する位置に要素４０ａ、４０ｂを置くステップと、次いで図５のトンネル電極４１ｂとトンネル電流集束要素４１ａとの間の電位を調整することなどにより、所望のトンネル電流値を達成するために各要素間の電流を所定の量だけ調整するステップ１４４とが含まれ得る。この時点で、刺激を検知するステップ１４６が実行されてもよい。別の実施形態の例では、この方法には、ステップ１２８〜１４２（および／または１４４）を周期的に実行して、センサが較正された状態に確実にするステップが含まれ得る。たとえば、各ステップ、すなわち較正を実行する頻度は、検知される交流などの刺激の頻度とは異なるように選択してもよい。
【００３９】
微細加工のバッチ生産技法、および関連する費用効率により、本明細書に記載のＭＥＭＳベースの電流センサ１００は、たとえばフォトリソグラフィおよびエッチングを使用して、大ロットで製造することができる。前述の通り、図２のＭＥＭＳ装置は、本開示に従って企図される電流センサの一例に過ぎない。ＭＥＭＳベースの電流センサ１００の他の実施形態には、たとえば、磁界整形（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ  ｓｈａｐｉｎｇ）、磁界検知、電流値指示、および他の目的のための電流センサにおいて、複数のＭＥＭＳ装置を使用することが含まれ得る。
【００４０】
本発明のある種の実施形態が、本明細書に示され記載されてきたが、こうした実施形態は、ほんの一例として示してある。本明細書における本発明から逸脱することなく、数多くの変形、変更、および置換えが当業者には理解されよう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲によってのみ限定されるものである。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ＭＥＭＳベースの電流および磁界のセンサを表す概略図である。
【図２】トンネル電流ベースのＭＥＭＳ電流センサの実施形態の一例を示す概略図である。
【図３】トンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品の態様の概略側面断面を示す図である。
【図４】分離距離によりトンネル電流が指数関数的に変化することを示す、トンネル電流対分離距離のグラフの例である
【図５】トンネル電流構成部品を表す概略回路ブロック図である。
【図６】トンネル電流構成部品を表す概略回路図である。
【図７】ＭＥＭＳセンサの各要素間のトンネル電流を制御するための方法の一例の流れ図である。
【図８】ＭＥＭＳセンサの各要素間のトンネル電流を制御するための方法の別の例の流れ図である。
【符号の説明】
【００４２】
４  導体
１１  点
１２  点
１３  トンネル電流段階
１５  点
１７  曲線
１９  例示的なグラフ
２０  磁界
２５  ＭＥＭＳベースの磁界検知構成部品
２８  空洞を有する基板
３０  トンネル電流ベースの磁気ＭＥＭＳ構成部品
３５  磁気機械変換器
４０  構造用構成部品
４０ａ  第１の構造用要素
４０ｂ  第２の構造用要素
４１ａ  第１のトンネル電流回路要素
４１ｂ  第２のトンネル電流回路要素
４２  トンネル電流
４３  位置決め要素
４５  機械的検知構成部品
４６ａ  自由端
４６ｂ  支持端
５０  トンネル電流励起源
５２  トンネル電流モニタ
５４  ドライバ回路
５５  補償装置
５６  比較器
５８  位置決め信号
６０  励起源
６５  制御装置
７０  出力構成部品
７５  機械電気変換器
７６  トンネル電流回路
８０  出力段
８２  トンネル電流構成部品
８４  トンネルチップ
８６  位置決め装置
８８  トンネル電流制御装置
９０  トンネル電流制御システム
９２  第１の制御回路
９４  分圧器回路網
９６  第２の制御回路
９８  分圧器回路網
１００  電流センサ
１０２  流れ図
１０４  電位を変化させることにより、オーム性伝導状態を決定する
１０６  １つまたは両方の要素を移動させるステップ
１０８  抵抗特性を決定するステップ
１１０  非線形関係
１１２  オーム性伝導状態を識別するステップ
１１４  各要素を互いから離して移動させるステップ
１１６  抵抗を変化させる
１１８  電流伝導点を識別する
１２０  １つまたは両方の要素の相対位置を調整するステップ
１２２  各要素間の電流を調整するステップ
１２４  検知
１２６  流れ図
１３２  電流が一定になるときを決定するステップ
１３４  オーム伝導の状況が識別される
１３６  １つまたは両方の要素を互いから離すステップ
１３８  電流が変化する
１４０  定電流から可変電流まで移動するステップ
１４２  １つまたは両方の要素の相対位置を調整するステップ
１４４  各要素間の電流を所定の量だけ調整するステップ
１４６  刺激の検知
【図１】
0005503106.tif 000002
【図２】
0005503106.tif 000003
【図３】
0005503106.tif 000004
【図４】
0005503106.tif 000005
【図５】
0005503106.tif 000006
【図６】
0005503106.tif 000007
【図７】
0005503106.tif 000008
【図８】
0005503106.tif 000009