an integrated inductive proximity sensor

An Integrated Inductive Proximity Sensor

THÈSE NO 1939 (1999) PRÉSENTÉE AU DÉPARTEMENT DE MICROTECHNIQUE

ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TECHNIQUES

PAR

Philippe Alfons PASSERAUB Ingénieur en microtechnique diplômé EPF originaire d'Erschmatt et Bratsch (VS)

acceptée sur proposition du jury: Prof. R. Popovic, directeur de thèse Dr J. Bergqvist, rapporteur Prof. A. Billat, rapporteur Prof. M. Declercq, rapporteur Dr P.-A. Farine, rapporteur

Lausanne, EPFL 1999

Contents Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1 1.2 1.3 1.4

Proximity sensors................................................................................................... 6 Main principles for proximity sensors................................................................... 8 Integrated microsensors: their potentialities.......................................................... 12 Inductive proximity sensor microsystems: state of the art......................................................................................................... 13 1.5 The new challenge ................................................................................................. 15 1.6 Organization of this thesis ..................................................................................... 16 1.7 References.............................................................................................................. 17

2 Miniaturizing sensing coils for inductive proximity microsensors . . 21 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Introduction............................................................................................................ 22 Scaling down an inductive proximity sensor: Paper A.......................................... 26 Addition to paper A: From the ideal model to the imperfect sensing system ....... 38 Design and use of flat coils.................................................................................... 43 Conclusions............................................................................................................ 48 References.............................................................................................................. 49

3 The differential relaxation oscillator: a simple and sensitive electronic circuit interface for miniaturized inductive sensors . . . . . 53 3.1 Introduction............................................................................................................ 54 3.2 A differential relaxation oscillator as a versatile electronic interface for sensors : Paper B .............................................................................................. 55 3.3 Addition to paper B: Basic non-idealities and their direct effects......................... 74 3.4 Conclusions............................................................................................................ 81 3.5 References.............................................................................................................. 82

4 Realization of the first integrated inductive proximity sensor microsystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.1 Introduction............................................................................................................ 86 4.2 Inductive Proximity Sensor with a Flat Coil and a New Differential Relaxation Oscillator : Paper C.......................................................... 88

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4.3 Design and fabrication of integrated inductive proximity sensors ........................ 98 4.4 First integrated inductive proximity sensor with on-chip CMOS readout circuit and electrodeposited 1 mm flat coil : Paper D .............................. 99 4.5 Addition to paper D: accuracy and resolution ....................................................... 110 4.6 Conclusions............................................................................................................ 113 4.7 References.............................................................................................................. 114

5 Temperature effects and compensation.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.1 Introduction............................................................................................................ 118 5.2 Temperature compensation of an integrated low power inductive proximity microsensor : Paper E ........................................................................... 120 5.3 Conclusions............................................................................................................ 135 5.4 References.............................................................................................................. 136

6 Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 6.1 Introduction............................................................................................................ 140 6.2 Metallic Profile and Coin Imaging using an inductive proximity sensor microsystem : Paper F ................................................................................ 141 6.3 High Resolution Miniaturized Inductive Proximity Sensor: characterization and application for step motor control : Paper G ........................ 155 6.4 Addition to paper G ............................................................................................... 168 6.5 Application for miniaturized active magnetic bearings......................................... 171 6.6 Conclusions............................................................................................................ 174 6.7 References.............................................................................................................. 175

7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 7.1 7.2 7.3 7.4

Conclusions............................................................................................................ 180 List of original achievements in this thesis............................................................ 182 Outlook .................................................................................................................. 184 List of Publications ................................................................................................ 186

Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 A: Mathematical developments of the general model used for the paper A. ............. 190 B: Detailed circuit and layout designs of the microsensors ....................................... 197

Acknowledgments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 Curriculum vitae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

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Abstract Inductive proximity sensors are widely used for the contactless measurement of object or target displacement and position in numerous technical products and systems. They are found in various application domains such as transportation, robots, assembly lines, telecommunication or security. The inductive sensing principle is known for its robustness, high precision and low sensitivity to environmental conditions as well as to extreme working conditions like cryogenic temperatures. The typical measuring range of inductive proximity sensors is between 0.1 cm and 5 cm. The overall dimensions of the smallest inductive proximity sensors, including the sensing coil and the electronic circuit interface, is rarely under some cubic centimeters, due to the high number of components of which such sensors are composed. Although the electronic interface circuitry may be integrated in an «application specific integrated circuit» (ASIC), the traditional fabrication processes of the inductive primary transducer (the coil and the flux concentrator) set the limit to the scaling down. The introduction of the inductive principle for proximity sensors into new technical mechatronic systems requires a small size and ease of fabrication (i.e. a low cost). The challenge of this thesis work was to develop such a sensor by using new technologies for the integration of microsystems. In this work, we successfully demonstrate the integration of an inductive proximity sensor on a small-size chip, and its usefulness as a key component in new sensing and mechatronic applications. To the best of our knowledge, we have realized the first fully integrated inductive proximity sensor ever reported. This challenge has been taken up by first studying the effect of the miniaturization on the basic behavior of sensing coils, and then by determining the scaling down laws as well as the limitations due to the parasitics, especially the increase of the inductor series resistance. Considering these first results, we developed a new and simple electronic interface, namely the differential relaxation oscillator. This highly sensitive, self oscillating circuit has only few components and the output signal is digital compatible. This readout principle is well adapted for miniaturized coils with low Q factor. A comparator has been designed and integrated with the two relaxation branches, forming the oscillator, on an ASIC. The miniaturized flat coil has been integrated on top of this ASIC using photolithography and electrodeposition compatible with the standard processes. The connections between the coil and the electronic circuit interface is realized through vias. In its smaller

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Abstract

version, the integrated sensor chip size is of 1.5 x 2 mm2 with a square coil of 1 x 1 mm2 on top. This miniaturized flat coil has an inductance of 75 nH, a serial resistance of 6.2 Ω and a resonance frequency of 315 MHz. Its excitation frequency is close to 10 MHz. No external component is needed for this microsensor basic functioning, and the connections with the external world are limited to power supply and output signal. This integrated sensor is fabricated using the 1 µm 3V CMOS technology and the standard and compatible gold bumping layer to form the coil. This new device has been successfully tested. In the measuring range from 50 µm up to 150 µm, it shows a high sensitivity (24 kHz/µm) and a submicrometric resolution. The temperature behavior of integrated coils, of the electronic circuit principle and of their combination as a integrated sensor, has been studied. A simple temperature compensation scheme using one NTC resistor, compatible with the sensor integration, has been developed and tested successfully. Using this method, a temperature independence better than ±100 ppm/°C between -20 °C and +80 °C has been achieved with the 3.8 mm side flat coil version of the integrated inductive proximity sensor. New application have been demonstrated, using the good performances of the developed inductive proximity sensor microsystems. Metallic profile and inductive coin imaging have been successfully recorded. The angular position control of a watch motor has been evidenced with an angular precision of 2 DEG (limited by the step motor). The angular speed and position sensing of a non-ferromagnetic toothed wheel has been sensed up to at least 7800 rpm (corresponding to an excitation of 13 kHz). The application and the promising perspective of our integrated inductive proximity sensor into active magnetic bearings for hard disk drives has been presented. This multidisciplinary thesis work has been realized with emphasis on using simple elements and on obtaining a simple overall behavior. The device has only one coil, it uses only one comparator, it is made of only one chip, and moreover it can be fabricated in only one wafer foundry using standard processes. By focusing on the optimization of the global sensor system, good performances have been achieved and the integration of an inductive proximity sensor has been proven.

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Résumé Les capteurs de proximité inductifs sont utilisés dans de nombreux systèmes et produits techniques pour la mesure sans contact de déplacement et de position d’un objet ou d’une cible. Ils trouvent leurs applications dans des domaines très variés, tels que les transports, la robotique, l’assemblage automatique, la télécommunication ou la sécurité. Le principe de mesure inductif est réputé pour sa robustesse, sa haute précision et sa faible sensibilité aux conditions liées à l’environnement ainsi qu’à des conditions de fonctionnement extrêmes telles que les températures cryogéniques. L’étendue de mesure typique des capteurs de proximité inductifs va de 0.1 cm à 5 cm. A cause de la grande quantité de composants de ces capteurs, l’encombrement total des plus petits capteurs, comprenant la bobine sensible et le circuit électronique d’interface, descend rarement en dessous de quelques centimètres cubes. Bien que l’électronique d’interface puisse être intégrée en tant que «circuit intégré à application spécifique» (ASIC), les procédés de fabrication traditionnels du transducteur primaire inductif (la bobine et le noyau concentrateur de flux) limitent leur miniaturisation. L’utilisation du principe inductif pour les capteurs de proximité destinés aux nouveaux systèmes microtechniques exige une taille réduite et une fabrication aisée (c’est-à-dire un faible coût). Le défi de ce travail de thèse s’est situé dans le développement d’un tel capteur, en utilisant les nouvelles technologies d’intégration des microsystèmes. Lors de ce travail de thèse, nous avons démontré avec succès l’intégration d’un capteur de proximité inductif sur une seule puce (chip) ainsi que son utilité en tant que composant clé pour de nouvelles applications de mesures en microtechnique. A notre connaissance, nous avons réalisé le premier capteur de proximité inductif complètement intégré qui aie jamais été présenté. Ce défi a été relevé premièrement en étudiant les effets de la miniaturisation sur le comportement de base des bobines sensibles, puis en déterminant les lois de miniaturisation ainsi que les limites dues aux effets parasites, notamment l’accroissement de la résistance en série de la bobine d’inductance. Sur la base de ces résultats, nous avons développé une électronique d’interface nouvelle et simple: le multivibrateur différentiel. Ce circuit oscillant, qui ne nécessite qu’un nombre réduit de composants, a une grande sensibilité; son signal de sortie est compatible avec les signaux digitaux. Ce principe d’électronique est particulièrement adapté au bobines miniaturisées ayant un faible facteur Q. Les éléments du multivibrateur différentiel, c’est-à-dire le comparateur et les deux branches de

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Résumé

relaxation on été intégrés dans un ASIC. La bobine plane miniaturisée a été intégrée au dessus de cet ASIC en utilisant des procédés de photolithographie et de galvanisation compatibles avec les procédés standards de la microélectronique. La connexion entre la bobine et le circuit d’interface se fait au travers de vias. Dans sa plus petite version, la taille de la puce du capteur intégré est de 1.5 x 2 mm2, la bobine se trouvant sur la puce est formée par une spirale carrée de 1 x 1 mm2. L’inductance de cette dernière est de 75 nH, sa résistance série est de 6.2 Ω et sa fréquence de résonance se situe vers 315 MHz. Aucun composant externe n’est nécessaire au fonctionnement de ce microcapteur, les connexions externes se limitent à l’alimentation électrique et au signal de sortie. Ce capteur intégré est fabriqué à l’aide de la technologie CMOS 1 µm 3V et d’une couche supplémentaire en or utilisée pour former la bobine (couche généralement utilisée pour réaliser les contacts «bump»). Ce nouveau composant a été testé. Dans l’étendue de mesure allant de 50 µm à 150 µm, la sensibilité est très élevée (24 kHz/µm) et la résolution est meilleur que 1 µm. Le comportement en température des bobines intégrées, du principe d’interface électronique et de leur arrangement en tant que capteur intégré a été étudié. Un principe de compensation en température, utilisant une résistance NTC et compatible avec les techniques d’intégration du capteur, a été développée et testée. Avec cette méthode de compensation, montée sur la version du capteur intégré à bobine carrée de 3.8 mm de côté, une indépendance à la température plus petite que ±100 ppm/°C dans la plage -20 °C à +80 °C a été obtenue. Sur la base des bonnes performances obtenues avec les microsystèmes capteurs de proximité inductifs développés, de nouvelles applications ont été présentées. Le contrôle de la position angulaire d’un moteur de montre a été mis en évidence avec une précision de 2 degrés (limité par les pas du moteur pas-à-pas). La mesure de la vitesse et de la position angulaire d’une roue dentée non-ferromagnétique à une vitesse d’au moins 7800 tours/minute (correspondant à une fréquence d’excitation de 13 kHz) a été démontrée. L’application et la perspective prometteuse de notre capteur de proximité inductif intégré pour les paliers magnétiques actifs des futures disques durs, a été présentée. Ce travail de thèse multidisciplinaire a été réalisé en s’efforçant d’utiliser des éléments simples et d’obtenir un comportement global simple. Le capteur de proximité inductif intégré composé d’une seule puce, n’a qu’une seule bobine, qu’un seul comparateur et de plus sa fabrication se fait dans une seule fonderie en utilisant des procédés de fabrication standards. En se concentrant sur l’optimisation globale du système formé par le capteur, de bonne performances ont été obtenues et l’intégration d’un capteur de proximité inductif a été prouvée.

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