KR100444235B1 - 자기 및 가속도 동시 검출 방법 및 장치 - Google Patents

자기 및 가속도 동시 검출 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나의 MEMS 진동형 센서를 통해 자기신호와 가속도신호를 동시에 검출할 수 있는 자기 및 가속도 동시 검출 방법 및 센서에 관한 것으로서, 본 발명은 자기력 및 가속도의 힘에 의하여 소정의 방향으로 움직이는 제1,2진동구조물을 서로 평행하게 형성하고, 상기 제1,2진동구조물이 움직이는 방향으로 소정 간격 이격된 고정위치에 각각 제1,2감지전극을 형성한 후, 소정 주파수의 전류를 제1,2진동구조물에 각각 서로 반대방향으로 인가시켜, 상기 제1,2진동구조물에 진동방향의 가속도 및 자기력이 가해질때, 상기 제1감지전극의 검출신호에서 제2감지전극의 검출신호를 감산하여, 자기 신호로 출력하고, 상기 제1감지전극의 검출신호와 제2감지전극의 검출신호를 합산하여 가속도신호로 검출하는 것이다.

Description

자기 및 가속도 동시 검출 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING ACCELERATION AND MAGNETISM}
본 발명은 MEMS 진동형 구조체로 만들어진 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단일 MEMS 구조물을 사용하여 자기신호와 가속도신호를 동시에 검출할 수 있는 자기 및 가속도 동시 검출 방법 및 센서에 관한 것이다.
일반적으로, MEMS(Micro-ElectroMechanical Systems, 초소형전자정밀기계시스템)는 반도체 칩에 내장된 센서, 밸브, 기어, 반사경, 그리고 구동기 등과 같은 아주 작은 기계장치와 회로를 결합하는 기술로서, 현재 자동차 에어백 내의 진동 가속도계나 자기 센서등에 주로 사용되고 있다.
기본적으로, MEMS 는 반사경이나 센서와 같은 일부 기계 장치가 제작되었던 아주 작은 실리콘 칩 위에 마이크로회로를 포함하여 이루어진다.
현재 MEMS는 네비게이션 시스템, 비행기 날개 표면의 저항 변화에 따른 공기 흐름을 감지하는 비행기 날개 구조 속에 장착되는 센서, 20 ns의 속도로 별개의 경로에 광 신호를 교환할 수 있게 하는 광학 교환 장비, 센서구동형 냉난방 시스템, 대기 중의 압력 감지를 통해 재료 속성을 유연하게 바꿀 수 있도록 하기 위해 빌딩토대에 내장되는 센서등에 이용되며, 가장 대표적인 것으로, GPS를 이용한 네비게이션 시스템에서 주로 이용되는 자기 센서 및 가속도 센서를 들 수 있다.
또한, GPS를 이용한 네비게이션 시스템에서는 GPS 위성수신이 불가능한 경우 방향지시를 하거나 현재 진행하고 있는 방향을 기준으로 지도를 회전시키는 등의 기능을 추가시키기 위해서 절대방향을 지시하는 센서가 필요하다. 따라서, 절대방향 지시를 위한 2축 자기 센서를 사용한다. 더하여, 항법체가 기울어져 있을 경우 절대방향의 디스플레이가 틀어지므로 이를 보상하는 기능이 필요하며, 이를 위해서 방향지시를 위한 2축의 자기 센서에 더하여 기울임 보상을 위한 2축의 가속도센서가 필요하게 된다.
이러한 가속도센서 및 자기센서의 구조에 대해서는 많은 연구가 이루어져 왔다.
도 1은 미국 특허 번호 6,215,318호에서 제안된 자기 센서의 구조를 도시한 것으로서, 실리콘기판(11)위에 X방향으로 형성된 가동 전류도체(movable current conductor)(12b)로 전류 i를 흘리면, Z방향으로 발생되는 자기력(BZ)에 의해서, 다음의 수학식 1 과 같은 로렌쯔의 힘이 발생된다.
즉, 자기력(Bz)에 의해서, Y방향으로 힘 Fy가 발생하는 것이다. 상기 힘 Fy에 의해서 가동전류도체(12b)가 Δy만큼 움직이고, 그에 따라, 가동전류도체(12b)에연결된 가변전극(12e)가 움직여, MEMS 구조물이 Y방향으로 변위를 일으킨다. 이 변위에 의하여, 가변전극(12e)와 고정전극(12d)에 의해 이루어지는 정전용량값이 변화하게 되고, 상기 고정전극(12d)에 연결된 접속단(15,16)으로부터 인출되는 신호를 적절한 신호처리하여 정전용량 변화량을 전압으로 검출하는 것이다.
그런데, 이러한 자기 센서는 Y방향으로 발생하는 가속도에 의한 간섭문제가 야기되고, 또한, X축이나 Y축 자기 센서에 대한 구현이 어렵다는 문제점이 있다. 예를 들어, X축이나 Y축 자기 센서를 구현하고자 하는 경우, 상기 도 1에 도시된 MEMS 구조물을 수직으로 세워야 한다.
도 2는 종래의 대표적인 가속도센서로서, 미국특허번호 5,610,335호에서 제안한 구조를 도시한 것이다. 상기 가속도센서는 기판(21)상에 형성된 공동내에 에칭공정에 의해 형성된다. 기판(21)의 양측벽에 형성된 도체패드(22)에 스프링(23)을 연결하고, 상기 스프링(23)을 지지빔(24)으로 연결하며, 상기 지지빔(24)에는 다수의 가변핑거(25)가 일정 간격으로 형성된다. 그리고, 상기 기판(21)에 형성된 공동의 다른 측벽에는 고정지지대(27)가 형성되고, 상기 고정지지대(27)에는 상기 다수의 가변핑거(25)들 사이에 일정간격으로 위치되는 다수의 고정핑거(26)가 형성되며, 상기 고정지지대(27)는 센싱신호출력단(28)에 연결하여 구성한다.
이러한, 가속도센서는 가속도에 의해 상기 스프링(23)이 화살표방향으로 움직이면서, 상기 가변핑거(25)와 고정핑거(26)사이의 변위가 변화된다. 따라서, 상기 가변핑거(25)와 고정핑거(26)에 의해 형성되는 정전용량의 변화를 소정의 신호로 검출하는 것이다.
상기와 같은 가속도센서는 상기 MEMS 구조에서 이동축을 X방향으로 배치하느냐, Y 방향으로 배치하느냐에 따라, 원하는 방향의 가속도를 검출하게 된다.
따라서, 2축(X,Y) 가속도센서를 구현하고자 하는 경우, 상기 도 2와 같은 센서 2 개를 서로 수직한 방향으로 배치하여 구현한다.
그런데, Z축 가속도를 검출하고자 하는 경우에는, 상기 도 2와 같은 MEMS 구조를 Z 방향으로 수직하게 세워야 한다. 따라서, Z축 가속도센서의 구현이 어렵다는 문제점이 있다.
그리고, 네비게이션 시스템과 같은 경우에는, 자기 센서와 가속도센서를 함께 사용하는데, 상술한 바와 같이 자기 센서와 가속도센서가 각각의 칩으로 제조되기 때문에, 각각의 칩을 장착함으로서, 전체 장치의 사이즈가 증가하고, 조립이 복잡해진다는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 하나의 MEMS 진동형 센서를 통해 자기신호와 가속도신호를 동시에 검출할 수 있는 자기 및 가속도 동시 검출 방법 및 센서를 제공하는 것이다.
더하여, 본 발명의 다른 목적은 자기 검출시 가속도에 의한 간섭을 제거하여 검출결과에 대한 신뢰도를 높일 수 있는 자기 및 가속도 동시 검출 방법 및 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 가속도의 Z축 값에 대한 검출이 용이한 자기 및 가속도 동시 검출 방법 및 센서를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 자기 센서를 보인 사시도이다.
도 2는 종래의 가속도 센서를 보인 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 자기 및 가속도 동시 검출 센서의 기본 구성을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 자기 및 가속도 동시 검출 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 자기 및 가속도 동시 검출 센서에서 자기 신호 및 가속도 신호검출 방법을 보인 도면이다.
도 6은 본 발명에 의한 자기 및 가속도 동시 검출 센서의 일실시예도이다.
도 7a ~ 도 7e는 상기 도 6에 도시한 센서의 각 출력포인트에서 측정한 신호를 나타낸 스펙트럼도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예로서 5축 센서를 보인 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
30 ; 지지부
31 : 제1진동구조물
32 : 제2진동구조물
33 : 입력전극
34 : 접지전극
35, 36 : 공통전극
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 자기 및 가속도 동시 검출 방법에 있어서,
자기력 및 가속도의 힘에 의하여 소정의 방향으로 움직이는 제1,2진동구조물을 서로 평행하게 형성하고, 상기 제1,2진동구조물이 움직이는 방향으로 소정 간격 이격된 고정위치에 각각 제1,2감지전극을 형성하는 단계;
소정 주파수의 전류를 제1,2진동구조물에 각각 서로 반대방향으로 인가하는 단계;
상기 제1,2진동구조물에 진동방향의 가속도 및 자기력이 가해지는 단계;
상기 가속도 및 자기력에 의해 변위된 제1,2진동구조물에 의한 정전용량변화를 제1,2감지전극으로부터 각각 검출하는 단계;
상기 제1감지전극의 검출신호에서 제2감지전극의 검출신호를 감산하여 자기검출신호로 출력하는 단계; 및
상기 제1감지전극의 검출신호와 제2감지전극의 검출신호를 합산하여 가속도검출신호로 출력하는 단계;
로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
더하여, 본 발명에 의한 자기 및 가속도 동시 검출 방법은 상기 제1,2진동구조물이 Z방향으로 움직이도록 설치하고, 제1,2감지전극은 상기 제1,2진동구조물로부터 Z방향으로 소정 거리 이격된 위치에 설치함으로서, Z방향 가속도와, X방향 자기를 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 자기 및 가속도 동시 검출 센서는 소정의 물리적인 힘에 의해 일정 방향으로 움직이며, 서로 평행하게 배치된 제1,2진동구조물과, 제1,2진동구조물로부터 각각 진동방향의 동일 거리만큼 이격된 위치에 고정설치되는 제1,2감지전극과, 상기 제1진동구조물의 일단에 연결되어 소정 주파수의 전류가 입력되는 입력전극과, 상기 입력전극과 대칭되는 방향으로 제2진동구조물의 일단에 연결되는 접지전극과, 상기 제1,2진동구조물의 타단을 서로 연결하여 제1진동구조물로부터 전달된 전류를 제2진동구조물의 타단으로 전달하는 공통전극을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
더하여, 본 발명에 의한 자기 및 가속도 동시 검출 센서는 상기 제1,2진동구조물은 소정 위치에 고정배치된 지지부와, 상기 지지부에 연결되며 소정의 탄성을 갖는 스프링과, 상기 스프링에 연결되어 소정의 물리력에 의해 일정방향으로 진동하는 질량체(mass)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 자기 및 가속도 동시 검출 센서에 있어서, 제1,2진동구조물을 움직이는 물리적인 힘은 제1,2진동구조물의 진동방향으로 가해지는 가속도 및 제1,2진동구조물을 흐르는 전류의 방향과 전류방향 및 진동방향에 수직한 자기에 의한 로렌쯔의 힘인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 자기 및 가속도 동시 검출 센서는 제1감지전극과 제2감지전극의 검출신호를 합산하는 가산기와, 제1감지전극의 검출신호에서 제2감지전극의 검출신호를 감산하는 감산기를 더 구비하고, 상기 가산기의 출력을 가속도 감지신호로, 상기 감산기의 출력을 자기 감지신호로 출력시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 자기 및 가속도 동시 검출 센서는 상기 입력전극에 제1,2진동구조물의 공진주파수를 갖는 전류신호를 인가하는 발진기와, 상기 발진기로부터 발생된 소정 주파수신호를 증폭하는 고정위상 증폭기와, 상기 제1,2감지전극에서 인출되는 신호를 증폭하는 제1,2증폭기와, 상기 제1,2증폭기로부터 출력된 신호의 크기가 동일하도록 조절하는 제1,2밸런싱회로와, 상기 제1,2밸런싱회로로부터 출력된 신호를 합산하는 합산기와, 상기 제1,2밸런싱회로로부터 출력되는 신호를 감산하는 감산기와, 상기 고정위상 증폭기로부터 인가된 발진주파수를 통해 각각 상기 합산기,감산기로부터 출력된 신호에서 발진주파수성분을 제거하는 제1,2혼합기와, 상기 제1,2혼합기로부터 출력된 신호중 소정 주파수 이하의 신호만을 통과시키는 제1,2저역통과필터와, 상기 제1,2저역통과필터의 출력신호의 게인 및 오프셋을 조정하는 게인및오프셋조정기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같이 구성된 자기 및 가속도 동시 검출 센서는 상기 제1,2진동구조물이 Z방향으로 진동하고, Y방향으로 전류가 흐를 때, 상기 센서로부터 출력되는 신호는 X축 자기신호와, Z축 가속도신호인 것을 특징으로 한다.
더하여, 본 발명에 의하여 구현된 5축 센서는 Y방향으로 전류가 흐르도록 배치된 제1 자기 및 가속도 동시 검출센서와, X방향으로 전류가 흐르도록 배치된 제2 자기 및 가속도 동시 검출센서와, X방향 가속도를 검출하도록 배치된 제1가속도센서와, Y 방향 가속도를 검출하도록 배치된 제2가속도센서와, 상기 제1 자기 및 가속도 동시 검출센서의 제1,2감지신호를 합산 및 감산하여 Z방향 가속도신호 및 X방향 자기신호를 출력하는 제1신호처리부와, 상기 제2 자기 및 가속도 동시 검출센서의 제1,2감지신호를 감산하여 Y방향 자기 신호를 출력하는 제2신호처리부와, 상기 제1가속도센서의 검출신호를 신호처리하여 X방향 가속도신호를 출력하는 제3신호처리부와, 상기 제2가속도센서의 검출신호를 신호처리하여 Y방향 가속도신호를 출력하는 제4신호처리부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 자기 및 가속도 동시 검출 방법 및 이로 구현된 센서와, 이를 이용한 5축센서에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 의해 구현된 자기 및 가속도 동시 검출 센서의 일실시예를 보인 도면으로서, 상기 센서는 소정의 물리적인 힘에 의하여 Z 방향으로 움직이는 제1,2 진동구조물(31,32)을 서로 평행하게 배치하고, 상기 제1,2진동구조물(31,32)에 전류가 서로 반대방향으로 흐르도록 전극을 구성하여 이루어진다.
상기 도시된 실시예에서, 상기 제1,2 진동구조물(31,32)은 각각 지지부(30)에 고정연결되며 소정의 탄성을 갖는 스프링(31a, 32a)와, 상기 스프링(31a, 32a)에 의해 지지되는 xy평면에 평행한 평판형태의 질량체(mass)(31b, 32b)로 이루어지고, 상기 제1,2진동구조물(31,32)의 y방향으로 상하측에 위치하는 지지부(30)와 상기 지지부(30)에 연결된 스프링(31a, 32a)에 Cr/Au박막 적층하여 전류경로를 형성한다. 상기에서, 제1진동구조물(31)의 y방향 상부에 위치한 전극(33)을 소정의 주파수(즉, 진동구조물의 공진주파수)의 전류신호를 인기하는 신호원에 연결하고, 제2진동구조물(32)의 y방향 상부에 위치한 전극(34)을 접지에 연결한다. 그리고, 상기 제1,2진동구조물(31,32)의 y방향 하부에 위치한 전극(35,36)은 서로 연결한다. 이하, 상기 전극(33)을 입력전극, 전극(34)를 접지전극, 전극(35,36)을 공통전극이라 한다.
그리고, 상기 제1,2진동구조물(31,32)의 질량체(31b, 32b)의 z방향 상부의 소정 거리 이격된 위치에 각각 제1,2감지전극(37,38)을 형성한다.
상기와 같은 구조에서, 입력전극(33)으로 진동구조물(31,32)의 고유 공진주파수를 갖는 전류를 인가하면, 상기 전류는 입력전극(33)에서, 제1진동구조물(31)의 스프링(31a)의 상부전극을 거쳐 공통전극(35,36)으로 흐르고, 이어서 제2진동구조물(32)의 스프링(32a)의 상부 전극을 거쳐 접지전극(34)으로 흐른다.
따라서, 제1,2진동구조물(31,32)을 기준으로 볼 때, 제1진동구조물(31)에 흐르는 전류방향과, 제2진동구조물(32)에 흐르는 전류방향은 반대가 된다.
상기와 같이 구성된 센서에서의 동작원리를 도 4의 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 상기 도 3에 도시한 센서의 측 단면도를 개략적으로 도시한 모식도로서, 제1진동구조물(31)의 질량체(31b)에서 공진전류의 방향은 나오는 방향이고, 제2진동구조물(32)의 질량체(32b)에서는 공진전류는 들어가는 방향이 된다.
상기와 같은 구조에서, x방향으로 자기력(Bx)를 가하고, Z방향으로 가속도(Az)를 가하면, 제1질량체(31b)는 가속도의 힘 Az에 의해서 -a만큼 움직이고, 자기(Bx)와 전류(ly)에 의해 발생된 로렌쯔의 힘에 의해서 +b만큼 움직인다. 따라서, 상기 자기력과 가속도에 의해 제1질량체(31b)가 움직인 총 변위는 -a+b가 된다.
마찬가지로, 제2질량체(32b)는 가속도(Az)에 의해서는 -a만큼 움직이고, 상기 제1질량체(31b)의 경우와는 공진전류의 방향의 반대이므로, 자기(Bx)에 의해서는 상기 제1질량체(31b)와는 반대로 -b만큼 움직인다. 따라서, 제2질량체(32b)의 경우, 상기 자기력과 가속도에 의해 제2질량체(32b)가 움직인 총 변위는 -a-b가 된다.
따라서, 상기 제1질량체(31b)가 움직인 총변위와 제2질량체(32b)가 움직인 총 변위를 합산하면, (-a+b)+(-a-b)=-2a 로 가속도에 의해 움직인 변위 성분만이 남게 되고, 상기 상기 제1질량체(31b)가 움직인 총변위와 제2질량체(32b)가 움직인 총 변위를 감산하면, (-a+b)-(-a-b)=2b 로 자기에 의해 움직인 변위 성분만이 남게 된다.
상기 제1질량체(31b)와 제2질량체(32b)의 변위는 각각 제1,2감지전극(37,38)과의 거리를 변화시켜, 그 사이의 정전용량을 가변시키게 된다. 그리고, 상기 제1,2감지전극(37,38)로부터 상기 제1,2질량체(31b, 32b)와의 사이에 형성되는 정전용량에 대응되는 신호가 검출된다. 따라서, 상기 제1,2감지전극(37,38)의 출력신호를 합산하거나, 감산함으로서 가속도나 자기를 검출해 낼 수 있다.
도 5는 상술한 원리에 구현된 자기 및 가속도 센싱신호를 출력하는 센서의 기본 구성을 도시한 구성도로서, 상기 도 3에 도시된 센서에, 상기 제2감지전극(38)의 출력신호에서 제1감지전극(37)의 출력신호를 빼는 감산기(41)와, 상기 제1감지전극(37)의 출력신호와 제2감지전극(38)의 출력신호를 더하는 합산기(42)를 더 구비하고, 상기 입력전극(33)을 진동체의 고유 공진주파수신호를 발생시키는 발진기(OSC)를 연결하고, 접지전극(34)은 접지시켜 구성한다.
상기와 같은 구성에서, x축방향으로 자기 신호를 가해진다고 할 때, 전류가 흐르고 있는 도선에 대해 자기장이 미치는 힘의 작용방향을 정하는 플레밍의 왼손 법칙을 적용하여 보면, 제1진동구조물(31)에는 윗방향(+z)으로 힘이 작용하고, 제2진동구조물(32)에는 아랫방향(-z)으로 힘이 작용한다. 그리고 이때 가해지는 힘의 크기는 앞서 설명한 수학식1에 따른다. 이때, 상기 힘에 의해 움직이는 변위를 b라고 하면, x방향의 자기에 의해서 제1진동구조물(31)은 +b만큼 움직이고, 제2진동구조물(32)는 -b만큼 움직인다.
또한, z방향으로 가해지는 가속도에 의해서, 제1진동구조물(31)과 제2진동구조물(32)는 가속도의 방향과 반대방향으로 움직인다. 이때, 가속도에 의해 발생된 변위를 a라고 할때, 상기 제1진동구조물(31)과 제2진동구조물(32)은 -a만큼 움직인다.
따라서, 앞서 설명한 바와 같이, 제1진동구조물(31)의 총 변위는 -a+b가 되고, 제2진동구조물(32)의 총 변위는 -a-b가 된다.
그리고, 상기 감산기(41)는 제1감지전극(37)에서 나온 신호와 제2감지전극(38)에서 나온 신호를 감산하여, 제1,2진동구조물(31,32)에 동일하게 작용하는 가속도 신호를 제거하고, 자기신호만을 검출한다. 이 과정에서 가속도성분은 완전하게 제거될 수 있다.
또한, 상기 합산기(42)는 제1감지전극(37)에서 나온 신호와 제2감지전극(38)에서 나온 신호를 합산함으로서, 제1,2진동구조물(31,32)에 서로 반대로 작용하는자기신호를 제거하고, 동일하게 작용하는 가속도 신호만을 검출한다.
상기 도 5에서, 감산기(41)와 합산기(42)중 하나 만을 구비시킴으로서, 상기 센서를 자기 전용 검출센서 또는 가속도 전용 검출 센서로 이용할 수 도 있다.
도 6은 본 발명에 의한 자기 및 가속도 동시 검출 센서의 성능을 검사하기 위해서 실제 구현한 회로도이다.
도 7a ~ 도 7e는 상기 도 6에 의해 구현된 각 포인트에서의 출력신호를 보인 것이다.
상기 도 7a ~ 도 7e를 참조하여, 도 6에 도시된 회로의 작용을 설명하면 다음과 같다.
상기 도 6에서, 마이크로구조물의 공진주파수는 1.84kHz로서, 이 회로에, 40Hz의 가속도와, 대략 3Hz정도의 자기장이 인가하였다.
이때, 상기 초단증폭기(64a,64b)는 각각 제1,2감지전극(61a, 61b)에서 나온 신호를 소정 증폭하는 것으로서, 초단증폭기(64a, 64b)에 의해 증폭된 제1,2감지전극(61a,61b)에서 나온 신호는 도 7a와 같이 나타났다.
도 7a에서 ①은 오른쪽 감지전극(61a)의 신호이고, ①' 는 왼쪽 감지전극(61b)의 신호로서, 가속도 성분과 자기성분이 함께 나타나며, 여기서 상기 ①과 ①'의 그래프에 나타낸 신호의 위상은 서로 반대이다.
상기와 같이 감지신호(①,①')를 합산 및 감산하기 전에, 밸런싱회로(65a, 65b)를 통해 양쪽 가속도의 신호 크기가 같아지도록 밸런싱하여 준다. 도 7b는 상기 밸런싱회로(65a, 65b)의 출력신호를 보인 것이다.
상기와 같이 가속도의 크기를 같도록 조정후, 합산기(66a)를 통해 신호 ②,②'의 합신호를 구하고, 감산기(66b)를 통해 신호 ②,②'의 차신호를 구한다.
도 7c는 상기 합산기(66a)와 감산기(66b)에 의해 구해진 합신호(③)와 차신호(③')를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 합신호(③)에서는 위상이 반대인 자기신호성분은 제거되고, 위상이 동일한 가속도 신호성분만이 남게 되고, 차신호(③')에서는 위상인 반대인 자기신호성분만이 남고, 위상이 동일한 가속도 신호성분은 제거된다.
그런데, 상기 합신호(③)와 차신호(③')에는 아직 발진기(62)에서 가해진 공진전류성분이 포함되어 있으므로, 혼합기(67a, 67b)에서 상기 합신호(③)와 차신호(③')에 고정위상증폭기(63)를 통과한 발진기(62)의 발진신호를 혼합하여, 자기성분과 가속도성분만 남도록 복조시킨다.
도 7d는 상기와 같이 복조처리에 의해 1.84kHz의 주파수성분을 제거한 합산신호(④)와 감산신호(④')를 나타낸다. 상기 합산신호(④)에는, 실험시 인가된 40Hz의 가속도 성분만이 명확하게 나타난다. 그리고, 감산신호(④')에는 실험시 인가된 대략 3Hz의 자계성분만이 남고, 가속도성분은 거의 감쇄된 것을 알 수 있다.
도 7e는 최종적 저역통과필터(68a,68b)를 통해 필터링하고, 게인 및 오프셋 조정를 거친 출력신호를 나타낸 것이다.
상기 실험으로부터, 본 발명에 의하여, 지자계 및 가속도를 동시에 검출이 가능하다는 것이 입증되며, 더하여, 검출된 자기신호에서 가속도 신호를 효과적으로 상쇄시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
그리고, 상술한 자기 및 가속도 동시 검출 센서를 이용하여, x,y,z축 가속도와, x,y축 자계를 검출하는 5축 센서의 구현이 가능하며, 도 8에 이러한 5 축센서의 일실시예를 보인다.
상기 5축 센서는 도 3에 도시한 바와 같이 구성된 제1,2 자기 및 가속도 동시 검출 센서(81,82)를 각각 y방향, x방향으로 배치하고, 제1,2가속도 검출 센서(83,84)를 x방향, y방향으로 배치하여, 하나의 기판(80)상에 형성한다.
상기 y방향으로 배치된 제1 자기 및 가속도 동시 검출 센서(81)의 입력전극으로는 발진기(85)에서 발생된 소정 주파수의 공진전류를 인가하고, 동시에 상기 발진기(85)의 출력신호는 고정위상 증폭기(86)로 인가되어, 증폭된다.
그리고, 상기 센서(81)의 두 감지전극에서 나온 신호는 증폭기(87a,87b)로 입력되어, 각각 증폭되고, 밸런싱회로(88a,88b)를 통해 가속도 성분이 동일한 크기를 갖도록 조절된 후, 합산기(89a)와 감산기(89b)에 동시에 인가하여, 합신호와 차신호로 변환된다. 상기 합신호 및 차신호는 혼합기(90a,90b)에서 각각 발진주파수와 혼합되어 복조된 후, 로우패스필터(91a,91b)와 게인및오프셋조정부(92a,92b)로 인가되어 필터링 및 오프셋 조정된 후 출력된다. 상기 게인 및 오프셋조정부(92a,92b)로부터 출력되는 신호가, 각각 Z축 가속도신호(Az)와, X축 자계신호(Mx)가 된다.
그리고, 상기 X방향으로 배치된 센서(82)로는 발진기(104)로부터 발생된 소정 주파수의 신호를 인가하고, 상기 센서(82)로부터 출력되는 두 감지신호는 증폭기(100a,100b)로 증폭하고, 밸런싱회로(101a,101b)로 크기 조절후, 감산기(102)로감산하여, 차신호성분을 구한다. 그리고, 상기 센서(82)의 감지신호들의 차성분은 혼합기(103)에서 발진신호와 혼합되어 복조된 후, 로우패스필터(106)와 게인및오프셋조정부(107)를 통과하여 출력된다. 이렇게 출력되는 신호는 Y축 자계신호(My)이다.
여기서, 센서(82)의 감지신호를 합산하여 구해지는 가속도신호는 센서(81)에서 구해진 가속도신호(Az)와 동일하므로, 새로 구할 필요가 없다. 따라서, 상기 센서(82)로부터는 y축 자계 신호만을 추출한다.
그리고, 제1,2가속도센서(83,84)에는 발진기(93,108)로부터 소정 주파수의 전류신호를 인가하고, 상기 제1,2가속도센서(83,84)로부터 출력되는 감지신호를 각각 증폭기(95a,b),(110a,b)에서 증폭하고 밸런싱회로(96a,b),(111a,b)를 통해 크기 조절후 감산기(97)(112)에서 감산처리한다. 그리고, 상기 감산기(97),(112)로부터 출력된 신호를 혼합기(98),(113)에서 발진신호와 혼합하여 복조한 후, 로우패스필터(99),(114)와 게인및오프셋조정부(100),(115)를 통해 출력한다. 상기 게인및오프셋조정부(100),(115)로부터 출력되는 신호는 X축 가속도 신호(Ax)와, Y축 가속도 신호(Ay)이다.
상기에서, 제1,2 자기 및 가속도 동시 검출 센서(81,82)는 앞서 도 3에 보인 본 발명의 자기 및 가속도 동시 검출 센서이지만, 제1,2가속도 센서(83,84)는 기존에 알려져 있는 어떤 가속도 센서라도 관계없다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 단일 MEMS 구조물로부터 자기 신호 뿐만아니라 가속도 신호도 동시에 검출할 수 있는 우수한 효과가 있으며, 또한, 검출된 자기 신호에서 가속도 성분에 의한 간섭을 제거시킴으로서 신뢰도를 향상시킨 우수한 효과가 있다..
더하여, 이러한 센서를 이용하는 시스템(네비게이션시스템)의 구현에 있어서, 기존에 가속도 및 자기를 검출하기 위해서는 두 종류의 센서로 구현하던 것을, 단일 구조물을 통해 구현가능하게 됨으로서, 전체적인 사이즈 감소 및 조립공정 감소효과를 이룰 수 있다.

Claims (9)

  1. 고정설치된 제1,2감지전극과 소정 간격 이격 설치되어 소정 방향으로 진동가능하고, 상기 진동방향과 직교하는 평면상에 서로 평행하게 배치된 제1,2진동구조물에 서로 반대방향의 전류를 인가하는 단계;
    상기 제1,2진동구조물에 지자기 및/또는 가속도를 가하는 단계;
    상기 가속도 및 자기력에 의해 변위된 제1,2진동구조물과 제1,2감지전극과의 간격변화에 의한 정전용량변화를 제1,2감지전극으로부터 각각 검출하는 단계;
    상기 제1감지전극의 검출신호에서 제2감지전극의 검출신호를 감산하여, 그 차신호를 자기검출신호로 출력하는 단계; 및
    상기 제1감지전극의 검출신호와 제2감지전극의 검출신호를 합산하여, 그 합신호를 가속도검출신호로 출력하는 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 및 가속도 동시 검출 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1,2진동구조물이 Z방향으로 진동하며, 서로 X평면상에 평행하게 배치될때, 상기 제1,2진동구조물에 가해지는 전류방향은 각각 +Y, -Y축방향이고, 가속도 방향은 Z 방향이고, 지자기방향은 X축방향인 것을 특징으로 하는 자기 및 가속도 동시 검출 방법.
  3. 소정의 물리적인 힘에 의해 일정 방향으로 움직이며, 서로 평행하게 배치된 제1,2진동구조물;
    제1,2진동구조물로부터 각각 진동방향으로 동일 거리만큼 이격된 위치에 고정설치되는 제1,2감지전극;
    상기 제1진동구조물의 일단에 연결되어 소정 주파수의 전류가 입력되는 입력전극;
    상기 입력전극과 대칭되는 방향으로 제2진동구조물의 일단에 연결되는 접지전극; 및,
    상기 제1,2진동구조물의 타단을 서로 연결하여 제1진동구조물로부터 전달된 전류를 제2진동구조물의 타단으로 전달하는 공통전극;
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 및 가속도 동시 검출 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1,2진동구조물은 소정 위치에 고정배치된 지지부와, 상기 지지부에 연결되며 소정의 탄성을 갖는 스프링과, 상기 스프링에 연결되어 소정의 물리력에 의해 일정방향으로 진동하는 질량체(mass)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 및 가속도 동시 검출 센서.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1,2진동구조물을 움직이는 물리적인 힘은 제1,2진동구조물의 진동방향으로 가해지는 가속도 및/또는 제1,2진동구조물을 흐르는 전류의 방향과 전류방향 및 진동방향에 수직한 자기에 의한 로렌쯔의 힘인 것을 특징으로 하는 자기 및 가속도 동시 검출 센서.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 센서는
    제1감지전극과 제2감지전극의 검출신호를 합산하는 가산기; 및
    제1감지전극의 검출신호에서 제2감지전극의 검출신호를 감산하는 감산기를 더 구비하고,
    상기 가산기의 출력을 가속도 감지신호로, 상기 감산기의 출력을 자기 감지신호로 출력시키는 것을 특징으로 하는 자기 및 가속도 동시 검출 센서.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 센서는
    상기 입력전극에 제1,2진동구조물의 공진주파수를 갖는 전류신호를 인가하는 발진기;
    상기 발진기로부터 발생된 소정 주파수신호를 증폭하는 고정위상 증폭기;
    상기 제1,2감지전극에서 인출되는 신호를 증폭하는 제1,2증폭기;
    상기 제1,2증폭기로부터 출력된 신호의 크기가 동일하도록 조절하는 제1,2밸런싱회로;
    상기 제1,2밸런싱회로로부터 출력된 신호를 합산하는 합산기;
    상기 제1,2밸런싱회로로부터 출력되는 신호를 감산하는 감산기;
    상기 고정위상 증폭기로부터 인가된 발진주파수를 통해 각각 상기 합산기,감산기로부터 출력된 신호에서 발진주파수성분을 제거하는 제1,2혼합기;
    상기 제1,2혼합기로부터 출력된 신호중 소정 주파수 이하의 신호만을 통과시키는 제1,2저역통과필터; 및
    상기 제1,2저역통과필터의 출력신호의 게인 및 오프셋을 조정하는 게인및오프셋조정기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 및 가속도 동시 검출 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1,2진동구조물은 Z축방향으로 진동하고, ±Y축방향으로 전류가 인가될때,
    상기 센서로부터 출력되는 신호는 X축 지자기신호와, Z축 가속도신호인 것을 특징으로 하는 자기 및 가속도 동시 검출 센서.
  9. Y방향으로 전류가 흐르도록 배치된 제1 자기 및 가속도 동시 검출센서;
    X방향으로 전류가 흐르도록 배치된 제2 자기 및 가속도 동시 검출센서;
    X 방향 가속도를 검출하도록 배치된 제1가속도센서;
    Y 방향 가속도를 검출하도록 배치된 제2가속도센서;
    상기 제1 자기 및 가속도 동시 검출센서의 제1,2감지신호를 합산 및 감산하여 Z축 가속도신호 및 X축자기신호를 출력하는 제1신호처리부;
    상기 제2 자기 및 가속도 동시 검출센서의 제1,2감지신호를 감산하여 Y축 자기 신호를 출력하는 제2신호처리부;
    상기 제1가속도센서의 검출신호를 신호처리하여 X축 가속도신호를 출력하는 제3신호처리부; 및
    상기 제2가속도센서의 검출신호를 신호처리하여 Y축 가속도신호를 출력하는 제4신호처리부;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 5축 지자기 및 가속도 동시 검출 센서.
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