KR101446759B1 - 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치에 관한 것으로, 용량성 압력센서 출하시 용량성 압력센서의 온도에 따른 출력전압 변화 및 비선형성, 출력 오프셋을 간편하게 조정할 수 있어, 고객들이 요구하는 다양한 출력사양을 만족시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

용량성 압력센서의 출력사양 조정장치{Output specification calibrating apparatus for a capacitance press sensor}
본 발명은 압력 측정 기술에 관련한 것으로, 특히 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치에 관한 것이다.
압력센서는 압력에 의해 발생하는 기계적인 변위를 전기신호로 변환하여 출력하고, 이 출력되는 전기신호 세기를 측정함으로써 압력이 측정된다. 한국특허공개 제10-2001-0039983호(2001. 05. 15) 등에서 제시한 바와 같은 용량성 압력센서는 기계적인 변위를 정전 용량으로 변환하여 출력하고, 이 정전 용량 변화를 검출함으로써 압력이 측정된다.
용량성 압력센서는 인가되는 압력에 대해 비선형적인 특성을 가지고, 온도에 민감하므로, 고객들이 요구하는 다양한 출력사양을 만족시키기 위해서는 출하시 용량성 압력센서의 출력사양을 고객의 요구에 맞게 조정해야 한다. 따라서, 본 발명자는 고객들이 요구하는 다양한 출력사양을 만족시킬 수 있는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치에 대한 연구를 하게 되었다.
한국특허공개 제10-2001-0039983호(2001. 05. 15)
본 발명은 상기한 취지하에 발명된 것으로, 용량성 압력센서 출하시 용량성 압력센서의 출력을 고객들이 요구하는 다양한 출력사양을 만족시킬 수 있도록 조정(calibration)할 수 있는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치가 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr의 정전용량 변화를 출력전압으로 변환하여 출력하는 용량-전압 변환부와; 상기 용량-전압 변환부의 온도에 따른 출력전압 변화 또는 상기 용량-전압 변환부의 캐패시턴스 Cp와 캐패시턴스 Cr에 의해 기인하는 출력전압 비선형성을 선택적으로 보상하는 제1보상 소자와; 상기 제1보상 소자의 온도에 따른 출력전압 변화 보상 또는 출력전압 비선형성 보상을 위한 전기적 특성값을 선택적으로 조정 제어하는 보상 제어부를; 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 제1보상 소자가 전원 입력과 그라운드 사이에서 서로 직렬 연결되고, 직렬 연결 접속점에서 분기되어 상기 용량-전압 변환부로 전압을 인가하는 고정저항 RLin1과 가변저항 RLin2를; 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 보상 제어부가 BGR(BandGap Reference)과; 인가되는 신호 레벨에 따라 상기 BGR 출력전압 또는 상기 용량-전압 변환부로부터 출력되어 피드백되는 출력전압을 선택적으로 출력하는 먹스(MUX)와; 상기 먹스에 의해 선택적으로 출력되는 BGR 출력전압 또는 상기 용량-전압 변환부로부터 출력되어 피드백되는 출력전압을 아날로그-디지털 변환하여 온도코드 또는 압력코드를 생성하는 AD컨버터와; 상기 AD컨버터에 의해 생성되는 온도코드 또는 압력코드에 대응하는 저항값을 전기적 특성값으로 선택하고, 선택된 저항값으로 상기 가변저항 RLin2의 저항값을 설정하는 특성값 설정부를; 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치가 상기 먹스에 로우(Low) 또는 하이(High) 레벨 신호를 인가하는 메인 제어부를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 용량-전압 변환부가 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr의 충전 및 방전 동작을 제어하는 스위치부와; 캐패시턴스 Cp와, 캐패시턴스 Cr에서 방전되는 전류를 입력받아 이를 출력 전압으로 출력하되, 에러가 0에 접근할 때까지 제어루프에서 에러 보정 신호를 적분하는 적분기와; 캐패시턴스 Cp와, 캐패시턴스 Cr에 일정한 전원을 공급하는 전원 입력부와; 적분기에 의해 출력되는 출력 전압을 증폭하여 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr 및 전원 입력부로 피드백시키는 증폭기를 포함하는 피드백부를; 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치가 상기 용량-전압 변환부의 출력전압 오프셋(Offset)을 조정하는 제2보상 소자를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 제2보상 소자가 전원 입력과 그라운드 사이에서 서로 직렬 연결되고, 직렬 연결 접속점에서 분기되어 상기 피드백부의 증폭기의 비반전 입력단자에 전압을 인가하여 상기 용량-전압 변환부의 출력전압 오프셋(Offset)을 조정하는 두 가변저항 Rof1과 가변저항 Rof2를; 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 메인 제어부가 상기 제1보상 소자 및 상기 제2보상 소자의 전기적 특성값 설정시 참조되는 정보를 기록한 제어 레지스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 특성값 설정부가 제어 레지스터의 제어 비트에 기록된 값을 검색해 온도코드 또는 압력코드에 대응하는 저항값을 전기적 특성값으로 선택하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 메인 제어부가 제어 레지스터의 제어 비트에 기록된 값을 검색해 상기 두 가변저항 Rof1과 가변저항 Rof2의 저항값을 전기적 특성값으로 선택하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 용량성 압력센서 출하시 용량성 압력센서의 온도에 따른 출력전압 변화 및 비선형성, 출력 오프셋을 간편하게 조정할 수 있어, 고객들이 요구하는 다양한 출력사양을 만족시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2 은 용량성 압력센서의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 메인 제어부의 타이밍도이다.
도 5 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 용량-전압 변환부의 스위칭 타이밍도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 및 도 2 는 용량성 압력센서의 일 예를 도시한 도면으로, 기계적인 변위를 정전 용량으로 변환하여 출력하는 용량성 압력센서(100)는 유전체 기판(110)과, 전극패턴(120)을 포함할 수 있다.
유전체 기판(110)은 압력에 의해 기계적인 변위(deflection)가 발생하는 부분이다. 유전체 기판(110) 일측에 형성되는 전극패턴(120)은 주전극(121)과, 기준전극(122)으로 이루어지고, 리드부(도면 도시 생략)를 통해 출력사양 조정장치에 연결된다.
주전극(121)과, 기준전극(122)은 유전체 기판(110) 타측에 형성된 도체판과 작용하여 각각 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr을 형성하게 된다.
유전체 기판(110)에 압력이 가해져 기계적인 변위가 발생하면, 유전체 기판(110)에 형성된 주전극(121)과 기준전극(122)의 간격이 변화되고, 캐패시턴스 Cp와 캐패시턴스 Cr의 정전용량이 변화한다.
출력사양 조정장치는 캐패시턴스 Cp와 캐패시턴스 Cr의 정전용량 변화를 전기신호로 변환하여 출력함으로써 압력이 측정되도록 한다. 도 3 은 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3 에 도시한 바와 같이, 출력사양 조정장치는 용량-전압 변환부(200)와, 제1보상 소자(300)와, 보상 제어부(400)를 포함하여 이루어진다.
상기 용량-전압 변환부(200)는 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr의 정전용량 변화를 출력전압으로 변환하여 출력한다. 예컨대, 상기 용량-전압 변환부(200)가 스위치부(210)와, 적분기(220)와, 전원 입력부(230)와, 피드백부(240)를 포함하도록 구현될 수 있다.
상기 스위치부(210)는 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr의 충전 및 방전 동작을 제어한다.
도 3 에 도시한 바와 같이, 상기 스위치부(210)는 6개의 스위치(위상 1의 시작시 동시에 턴-온되고, 위상 2에서는 오프 상태인 2개의 P1 스위치와, 위상 1과 중첩되지 않는 위상 2의 시작시 동시에 턴-온되고, 위상 1에서는 오프 상태인 2개의 P2 스위치와, 위상 1에서 P1 스위치 턴-온후 특정 시간 지연되어 턴-온되는 한개의 P1d 스위치와, 위상 2에서 P2 스위치 턴-온후 특정 시간 지연되어 턴-온되는 한개의 P2d 스위치)를 포함하도록 구현될 수 있다.
두개의 P1-P2 스위치 연결체 중간에서 각각 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr이 직렬 연결 접속된다. 직렬 연결된 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr 사이에서 분기되어 공통 단자 Ccom이 형성되고, 공통 단자 Ccom의 종단은 P1d 스위치와 P2d 스위치가 병렬 연결된다.
기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr이 접속되는 P1-P2 스위치 연결체의 P1 스위치는 전원 입력부(230) 출력단에 연결되고, P2 스위치는 그라운드(ground)에 연결된다. 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp가 접속되는 P1-P2 스위치 연결체의 P1 스위치는 그라운드에 연결되고, P2 스위치는 피드백부(240)의 출력단에 연결된다. 공통 단자 Ccom에 각각 병렬 연결되는 P1d 스위치는 적분기(220)의 반전 입력단자에 연결되고, P2d 스위치는 그라운드에 연결된다.
상기 적분기(220)는 캐패시턴스 Cp와, 캐패시턴스 Cr에서 방전되는 전류를 입력받아 이를 출력 전압으로 출력하되, 에러가 0에 접근할 때까지 제어루프에서 에러 보정 신호를 적분한다.
도 3 에 도시한 바와 같이, 상기 적분기(220)는 연산 증폭기와, 적분 캐패시터 CF를 포함하도록 구현될 수 있다. 연산 증폭기의 비반전 입력단자는 입력 바이어스 전류 보상을 위해 그라운드와 연결된다. 입력 바이어스 전류에 의한 적분 결과의 오차는 비반전 단자를 그라운드와 연결하여 두 입력 단자와 접지 사이의 저항을 균등하게 함으로써 감소시킬 수 있다.
한편, 연산 증폭기의 반전 입력단자는 P1d 스위치가 연결되어 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr에서 방전되는 전류를 공통 단자 Ccom을 통해 입력받는다.
한편, 연산 증폭기의 반전 입력단자와 출력단자간에는 적분 캐패시터 CF가 연결된다. 적분기(220)의 적분 오차는 연산 증폭기의 개방 직류 이득에 반비례한다. 연산 증폭기를 사용하는 경우 입력 오프셋 전압만 보상하면 충분한 정확도가 보장될 수 있다.
상기 전원 입력부(230)는 캐패시턴스 Cp와, 캐패시턴스 Cr에 일정한 전원을 공급한다. 예컨대, 상기 전원 입력부(230)가 부하의 변화에 관계없이 출력 전압을 일정하게 유지할 필요가 있는 경우에 사용되는 버퍼로 구현될 수 있다.
버퍼는 입력단자를 통해 입력되는 전압을 그대로 출력단자를 통해 츨력하여 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr에 일정한 전원을 공급한다.
상기 피드백부(240)는 상기 적분기(220)에 의해 출력되는 출력 전압을 증폭하여 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr 및 전원 입력부(230)로 피드백시키는 증폭기를 포함한다.
적분기(220)에 의해 출력되고 증폭기에 의해 증폭된 전압은 스위치부(210)의 스위칭 동작에 의해 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr에 인가되게 된다. 또한, 증폭기는 적분기(220)에 의해 출력되어 피드백되는 출력 전압을 전원 입력부(230)의 입력단자로 인가한다.
이 때, 증폭기의 이득(gain)을 조정하기 위해 고정저항 ROF를 증폭기의 반전 입력단자와 출력단자간에 연결하고, 가변저항 ROI를 증폭기의 반전 입력단자와 적분기(220)의 출력단자간에 연결할 수 있다.
상기 증폭기의 이득(gain)은 입력전압에 비해 출력전압이 얼마나 증폭되었는지를 나타내며, 이득(입력전압 Vout 대 출력전압 Vbdge 비)은 가변저항 ROI 저항값 대 고정저항 ROF 저항값 비(ROI/ROF)로 나타낼 수 있다.
한편, 추후 설명할 상기 용량-전압 변환부(200)의 출력전압 오프셋(Offset)을 조정하기 위한 제2보상 소자(600)가 증폭기의 비반전 입력단자에 연결되도록 구현될 수 있다.
한편, 증폭기 출력단자와 전원 입력부(230)의 입력단자간에 고정저항 RLinF를 사용하여 전원 입력부(230)로 피드백되는 증폭기의 출력 전압을 조정한다.
상기 제1보상 소자(300)는 상기 용량-전압 변환부(200)의 온도에 따른 출력전압 변화 또는 상기 용량-전압 변환부(200)의 캐패시턴스 Cp와 캐패시턴스 Cr에 의해 기인하는 출력전압 비선형성을 선택적으로 보상한다.
예컨대, 상기 제1보상 소자(300)가 전원 입력과 그라운드 사이에서 서로 직렬 연결되고, 직렬 연결 접속점에서 분기되어 상기 용량-전압 변환부(200)로 전압을 인가하는 고정저항 RLin1과 가변저항 RLin2를 포함하도록 구현될 수 있다.
전원 입력은 고정저항 RLin1과 가변저항 RLin2의 직렬 연결 접속점에서 분기되어 전원 입력부(230)로 사용되는 버퍼의 비반전 입력단자로 인가될 수 있다. 또한, 버퍼의 비반전 입력단자는 피드백부(240)의 출력단자와 연결되고, 버퍼의 반전 입력단자는 버퍼의 출력단자와 연결될 수 있다.
저항 RLin1과 RLin2에 의해 온도에 따른 출력전압 변화 또는 캐패시턴스 Cp와 캐패시턴스 Cr에 의해 기인하는 출력전압 비선형성이 선택적으로 보상되는 전원 입력 전압과, 피드백부(240)에 의해 피드백되는 출력 전압은 버퍼로 입력되고, 그대로 버퍼의 출력 전압으로 유지되어 스위치부(210)의 스위칭 동작에 의해 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr에 인가됨으로써 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr이 충전된다.
따라서, 온도에 따른 출력전압 변화 또는 캐패시턴스 Cp와 캐패시턴스 Cr에 의해 기인하는 출력전압 비선형성을 제1보상 소자(300)에 포함되는 두 가변저항 RLin1과 RLin2의 저항값을 보상 제어부(400)를 통해 조정함으로써 보상할 수 있고, 이에 따라 용량성 압력센서의 출력전압도 조정할 수 있으므로, 용량성 압력센서의 출력 사양을 조정할 수 있게 된다.
상기 보상 제어부(400)는 상기 제1보상 소자(300)의 온도에 따른 출력전압 변화 보상 또는 출력전압 비선형성 보상을 위한 전기적 특성값을 선택적으로 조정 제어한다. 예컨대, 상기 전기적 특성값이 온도에 따른 출력전압 변화 또는 출력전압 비선형성을 선택적으로 보상하기 위한 가변저항의 저항값일 수 있다.
예컨대, 상기 보상 제어부(400)가 BGR(BandGap Reference)(410)과, 먹스(MUX)(420)와, AD컨버터(430)와, 특성값 설정부(440)를 포함하도록 구현될 수 있다.
상기 BGR(BandGap Reference)(410)은 전원 전압이나 온도에 대하여 영향을 최대한 받지 않으면서 IC에 가장 흔히 사용되는 회로로, 절대온도에 비례하여 열전압이 일정하게 변하는 PTAT(Proportional To Absolute Temperature) 또는 절대온도에 반비례하여 열전압이 일정하게 변하는 CTAT(Complementary To Absolute Temperature) 특성을 이용할 수 있다.
상기 먹스(MUX)(420)는 인가되는 신호 레벨에 따라 상기 BGR(410) 출력전압 또는 상기 용량-전압 변환부(200)로부터 출력되어 피드백되는 출력전압을 선택적으로 출력한다.
예컨대, 인가되는 신호 레벨이 하이(High)일 때는 먹스(MUX)(420)가 BGR(410) 출력전압을 선택하여 출력하고, 인가되는 신호 레벨이 로우(Low)일 때는 먹스(MUX)(420)가 상기 용량-전압 변환부(200)로부터 출력되어 피드백되는 출력전압을 선택하도록 구현될 수 있다. 이 때, 먹스(MUX)(420)에 인가되는 신호 레벨은 추후 설명할 메인 제어부(500)에 의해 제어될 수 있다.
상기 AD컨버터(430)는 상기 먹스(420)에 의해 선택적으로 출력되는 BGR(410) 출력전압 또는 상기 용량-전압 변환부(200)로부터 출력되어 피드백되는 출력전압을 아날로그-디지털 변환하여 온도코드 또는 압력코드를 생성한다.
상기 먹스(420)에 의해 BGR(410) 출력전압이 선택되어 출력되면, 상기 AD컨버터(430)가 이를 아날로그-디지털 변환하여 온도코드를 생성하고, 상기 먹스(420)에 의해 상기 용량-전압 변환부(200)로부터 출력되어 피드백되는 출력전압이 선택되어 출력되면, 상기 AD컨버터(430)가 이를 아날로그-디지털 변환하여 압력코드를 생성한다.
상기 온도코드는 온도에 따른 출력전압 변화를 보상하기 위한 전기적 특성값 선택시 참조되는 코드이고, 상기 압력코드는 출력전압 비선형성 보상을 위한 전기적 특성값 선택시 참조되는 코드이다.
상기 특성값 설정부(440)는 상기 AD컨버터(430)에 의해 생성되는 온도코드 또는 압력코드에 대응하는 저항값을 전기적 특성값으로 선택하고, 선택된 저항값으로 상기 가변저항 RLin2의 저항값을 설정한다. 특성값 설정부(440)의 전기적 특성값 선택과 관련해서는 추후 설명한다.
따라서, 이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 상기 용량-전압 변환부(200)의 온도에 따른 출력전압 변화 또는 상기 용량-전압 변환부의 캐패시턴스 Cp와 캐패시턴스 Cr에 의해 기인하는 출력전압 비선형성을 보상하는 제1보상 소자(300)에 포함되는 두 가변저항 RLin1과 RLin2의 저항값을 보상 제어부(400)를 통해 조정함으로써 용량성 압력센서의 출력 사양을 조정할 수 있게 된다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치가 메인 제어부(500)를 더 포함할 수 있다. 상기 메인 제어부(500)는 상기 먹스에 로우(Low) 또는 하이(High) 레벨 신호를 인가한다.
이에 따라, 인가되는 신호 레벨이 하이(High)일 때는 먹스(MUX)(420)가 BGR(410) 출력전압을 선택하여 출력하고, 인가되는 신호 레벨이 로우(Low)일 때는 먹스(MUX)(420)가 상기 용량-전압 변환부(200)로부터 출력되어 피드백되는 출력전압을 선택하여 출력한다.
예컨대, 상기 메인 제어부(500)가 도 4 에 도시한 바와 같이 먼저 특정시간 동안 먹스에 인가되는 신호(MUX_SENSE) 레벨을 하이(High)로 출력하고, 이후 특정 시간동안 먹스에 인가되는 신호 레벨을 로우(High)로 출력하도록 반복 제어함으로써 온도에 따른 출력전압 변화를 우선 보상하고, 이후 캐패시턴스 Cp와 캐패시턴스 Cr에 의해 기인하는 출력전압 비선형성을 보상하도록 구현될 수 있다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치가 제2보상 소자(600)를 더 포함할 수 있다. 상기 제2보상 소자(600)는 상기 용량-전압 변환부(200)의 출력전압 오프셋(Offset)을 조정한다.
이 때, 상기 제2보상 소자(600)가 전원 입력과 그라운드 사이에서 서로 직렬 연결되고, 직렬 연결 접속점에서 분기되어 상기 피드백부(240)의 증폭기의 비반전 입력단자에 전압을 인가하여 상기 용량-전압 변환부(200)의 출력전압 오프셋(Offset)을 조정하는 두 가변저항 Rof1과 가변저항 Rof2를 포함하도록 구현될 수 있다.
이 두 가변저항 Rof1과 가변저항 Rof2값에 따라 피드백부(240)의 증폭기로부터 증폭되어 전원 입력부(230)로 피드백되는 전압 크기가 결정되므로, 상기 용량-전압 변환부(200)의 출력전압 오프셋(Offset)을 조정할 수 있고, 이에 따라 용량성 압력센서의 출력사양이 조정되게 된다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 메인 제어부(500)가 상기 제1보상 소자(300) 및 상기 제2보상 소자(600)의 전기적 특성값 설정시 참조되는 정보를 기록한 제어 레지스터(510)를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 특성값 설정부(440)가 제어 레지스터(510)의 제어 비트에 기록된 값을 검색해 온도코드 또는 압력코드에 대응하는 저항값을 전기적 특성값으로 선택하도록 구현될 수 있다.
한편, 상기 메인 제어부(500)가 제어 레지스터(510)의 제어 비트에 기록된 값을 검색해 제2보상 소자(600)에 포함되는 두 가변저항 Rof1과 가변저항 Rof2의 저항값을 전기적 특성값으로 선택하도록 구현될 수 있다. 따라서, PC 등을 이용해 메인 제어부(500)의 제어 레지스터(510)의 제어 비트값을 사용자가 설정함에 의해 용량성 압력센서의 출력사양 조정을 위한 전기적 특성값들이 설정되게 된다.
한편, 도 3 에서 미설명 부호 PGA(Programmable Gain Amplifier)(700)는 용량-전압 변환부(200)의 출력전압을 증폭하는 회로이고, PIA(Polarity Inversion Amplifier)(800)는 PGA(700)에 의해 증폭된 출력 전압과 반대(Inverse)ehlsms 출력을 얻기 위한 회로이고, 클램핑 회로(900)는 PGA(700)에 의해 증폭된 출력 전압을 특정한 레벨로 제한하는 회로이고, 클럭 발생기(920)는 출력사양 조정장치 제어에 필요한 클럭 신호를 생성하는 회로이고, POR(Power On Reset) 회로(940)는 메인 제어부 리셋을 위한 회로이다.
도 5 를 참조하여 도 3 에 도시한 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 출력 사양 조정 동작을 구체적으로 알아본다. 도 5 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 용량-전압 변환부의 스위칭 타이밍도이다.
도 5 에 도시한 바와 같이, 6개의 스위치(2개의 P1 스위치, 2개의 P2 스위치, 한개의 P1d 스위치, 한개의 P2d 스위치)는 서로 중첩되지 않는 위상 1과 위상 2에서 턴-온(turn-on) 및 턴-오프(turn-off)된다.
두개의 P1 스위치는 위상 1 시작에서 동시에 턴-온되고, 위상 2에서 동시에 오프 상태를 유지하며, P1d 스위치는 P1 스위치가 턴-온된 후 소정의 시간 동안 지연 후 턴-온된다.
한편, 두개의 P2 스위치는 위상 2의 시작에서 동시에 턴-온되고, 위상 1에서 동시에 오프 상태를 유지하며, P2d 스위치는 P2 스위치가 턴-온된 후 소정의 시간 동안 지연 후 턴-온된다.
6개의 스위치 제어를 위한 두개의 중첩되지 않는 위상 제어 신호는 발진 구동 게이팅 회로(도면 도시 생략)에 의해 출력된다. 이 두개의 중첩되지 않는 위상 제어 신호에 의해 6개의 스위치가 온 또는 오프 제어된다.
메인 제어부(500)의 제어 레지스터(510)의 제어 비트에 기록된 전기적 특성값에 의해 용량-전압 변환부(200)의 온도에 따른 출력전압 변화 또는 상기 용량-전압 변환부(200)의 캐패시턴스 Cp와 캐패시턴스 Cr에 의해 기인하는 출력전압 비선형성(non-linearity)이 선택적으로 보상되고, 용량-전압 변환부(200)의 출력전압 오프셋(Offset)이 조정된다.
적분기(220)의 출력 전압 Vout과 피드백부(240)의 증폭기에 의한 증폭 전압 Vbdge는 다음의 식을 따른다.
(식 1)
Figure 112013040403313-pat00001
전원 입력이 V+ 일 때, 가변저항 Rof1과 Rof2 사이의 전압은 다음과 같다.
(식 2)
Figure 112013040403313-pat00002
위상 1에서 P1 스위치와 P1d 스위치가 턴-온되고, P2 스위치와 P2d 스위치가 턴-오프되고, 위상 2에서는 P2 스위치와 P2d 스위치가 턴-온되고, P1 스위치와 P1d 스위치가 턴-오프된다.
비록, P1d 스위치와 P2d가 위상 1 또는 위상 2에서 각각 턴-온되지만, 두 스위치의 온 상태는 P1 스위치 또는 P2 스위치의 온 시간에 대해 특정 시간 간격을 가지고 지연된다.
P2 스위치와 P2d 스위치가 온되는 위상 2 동안, 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp는 P2 스위치를 통해 증폭기에 의해 증폭된 Vbdge 전압으로 충전되고, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr은 또 다른 P2 스위치를 통해 그라운드로 방전된다.
주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr간에서 분기되는 공통 단자 Ccom은 P2d 스위치를 통해 그라운드로 방전된다. 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp에는 전하가 Vbdge×Cp 만큼 충전된다. 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr은 그라운드 포텐셜에서 충전되지 않는다. 이 즉시 공통 단자 Ccom에 음전하들이 -Vbdge×Cp 만큼 축적된다.
그 다음, P2d 스위치 오프후 P2 스위치가 오프된다. 위상 2와 위상 1 사이의 기간 동안 공통 단자 Ccom에서 전하 이동이 발생하지 않는다.
그 다음, 위상 1의 시작시에 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp(위상 2에서 Vbdge 전압으로 충전된)가 P1 스위치를 통해 그라운드로 방전되고, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr이 또 다른 P1 스위치를 통해 전원 입력부(230)의 버퍼 출력 전압인 VL 전압으로 충전된다.
위상 1에서 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr간에서 분기되는 공통 단자 Ccom은 적분기(220)의 반전 입력단자와 P1d 스위치를 통해 연결되고, 적분기(220)의 비반전 입력단자는 그라운드에 연결된다.
위상 1 동안 전하는 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr에 VL×Cr 만큼 축적된다. 이 즉시 음전하가 공통 단자 Ccom에 -VL×Cr만큼 축적된다. -Vbdge×Cp = -VL×Cr이 되면, 공통 단자 Ccom의 음전하는 두 위상간에 같아져서 적분기(220)로의 전하 공급/회수가 없다. 이에 따라, 적분기(220)의 출력 전압 Vout은 두 위상 동작 동안 일정해진다. 이 조건에서 회로가 평형을 이루는 것으로 간주된다.
피드백부(240)의 증폭기에 의해 증폭되어 출력되는 전압 Vbdge는 위상 1 동안 Cp에 충전되는 전하와 위상 2 동안 Cr에 충전되는 전하를 수식화함에 의해 구해질 수 있다.
(식 3)
Figure 112013040403313-pat00003
이를 이항하면,
(식 4)
Figure 112013040403313-pat00004
가 되고, VL × Cr / Cp는 용량성 압력센서에 인가되는 압력에 기인하는 용량의 변화를 나타낸다.
그러나, 적분기(220) 출력단자에서의 의도하지 않은 리플(ripple), 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr 쌍의 비선형 특성 및 싱글 엔드 파워(single end power) 공급 동작에서 사용하기 어려운 등의 단점이 있다.
제어 루프에서 적분기(220)는 단지 에러 적분기로서만 동작하지 않고, 출력 증폭기로도 동작한다. 이로 인해 적분기(220)는 그라운드 포텐셜(ground potential)에서 공통 단자 Ccom을 통한 입력이 가능해진다. 불평형 상태에서 Cr×VL은 Cp×Vbdge와 같지않다. 에러 전하는 연속되는 주기를 통해 평형에 도달할 때까지 적분기(220)에 의해 적분된다.
용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr이 압력 측정을 위해 용량-전압 변환부(200)에 연결될 때, 압력 대비 Cr/Cp 값은 비선형이다. 즉, 증가하는 압력 대비 감소하는 Cr/Cp 비율은 일정하지 않다.
또한, 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr의 정전용량 변화를 출력전압으로 변환하는 용량-전압 변환부(200)는 온도에 민감하므로, 온도에 따라 출력전압이 변하게 된다.
따라서, 선형성 조정과 온도에 따른 출력전압 변화에 대한 보정이 없다면 압력 대비 출력 전압이 대부분의 경우 다양한 압력 센서 생산을 위해 허용된 공차(tolerance)를 만족시킬 수 없다.
본 발명은 제1보상 소자(300)의 온도에 따른 출력전압 변화 보상 또는 출력전압 비선형성 보상을 위한 전기적 특성값을 보상 제어부(400)를 통해 선택적으로 조정 제어함으로써 용량성 압력센서의 출력사양을 조정한다.
제1보상 소자(300)인 저항 RLin1, RLin2, 피드백 저항 RLinF, 피드백부(240)의 증폭기에 의해 증폭되어 출력되는 전압 Vbdeg 및 전원 입력 V+의 항목으로 전원 입력부(230)의 버퍼 출력 전압 VL의 식을 도출할 수 있다.
고정저항 RLin1과 가변저항 RLin2간의 분기점에서 전류의 보존은 다음 관계를 따른다. 피드백부(240)의 증폭기로부터 전원 입력부(230)의 버퍼까지 그리고 전원 입력 V+로부터 전원 입력부(230)의 버퍼까지 흐르는 전류의 양은 고정저항 RLin1과 가변저항 RLin2간의 분기점으로부터 그라운드까지 흐르는 전류와 같을 것이다.
(식 5)
Figure 112013040403313-pat00005
,
(식 6)
Figure 112013040403313-pat00006
이 식을 이항하면,
(식 7)
Figure 112013040403313-pat00007
가 되고, 이 식에 위에서 구해진 식을 대입하면,
(식 8)
Figure 112013040403313-pat00008
가 된다. 위 식에서 1/RLin2 항목이 용량-전압 변환부(200)의 온도에 따른 출력전압 변화 및 Cr/Cp에 의한 비선형성을 선택적으로 조정한다. 즉, 제1보상 소자(300)에 포함되는 가변저항 RLin2의 전기적 특성값인 저항값을 보상 제어부(400)를 통해 제어함으로써 용량-전압 변환부(200)의 온도에 따른 출력전압 변화 또는 상기 용량-전압 변환부(200)의 캐패시턴스 Cp와 캐패시턴스 Cr에 의해 기인하는 출력전압 비선형성(non-linearity)이 선택적으로 보상된다.
다음, 리플(ripple) 감소 동작을 알아본다. 도 5 에 도시한 바와 같이 두 위상의 스위치 제어 파형이 있다. P1 스위치와 P2 스위치의 스위칭 동작은 중첩되지 않고, P1d 스위치는 P1 스위치 온 구간에 딜레이되어 턴-온되고, P2d 스위치는 P2 스위치 온 구간에 딜레이되어 턴-온된다. 위상 2의 P2 스위치 온 구간의 시작에서 전류는 피드백부(240)의 증폭기로부터 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp로 충전되고, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr로부터 그라운드로 방전된다. P2d 스위치 온 상태는 전류 과도 상태(불평형 상태)가 안정 상태(평형 상태)에 도달할 때까지 지연된다.
P2d 스위치 및 P2 스위치가 턴 오프되어 중첩되지 않은 구간이 경과한 다음, 위상 1에서 P1 스위치가 턴-온된다. P1 스위치 온 구간의 시작에서 전류는 전원 입력부(230)인 버퍼로부터 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr로 충전되고, 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp로부터 그라운드로 방전된다. P1d 스위치 온 상태는 전류 과도 상태(불평형 상태)가 안정 상태(평형 상태)에 도달할 때까지 지연된다.
P1d 스위치가 턴-온될 때, 불평형(에러) 전하가 적분기(220)로 공급/회수된다. 이러한 불평형 조건은 에러가 0에 도달할 때까지 계속된다. 평형 상태에 이르면, P2d 스위치 또는 P1d 스위치가 턴-온될 때 전류가 흐르지 않을 것이다.
P1d 스위치 및 P2d 스위치가 각각 안정 상태에 도달할 때까지 턴-온이 지연됨에 따라, 적분기(220)로 주입되는 에러 또는 리플이 방지 또는 회피된다. 이러한 P1d 스위치 및 P2d 스위치의 턴-온 지연이 없다면, 측정의 정확도가 없을 뿐만 아니라, 출력 전압 Vout과 리플이 더 커질 것이다.
적분기(220)는 용량성 압력센서에서 용량 변화를 검출하기 위해 가상 그라운드를 사용하는 장점이 있다. 적분기(220)로부터 공급/회수되는 전하는 가상 그라운드 단자인 공통 단자 Ccom에 의해서만 공급/회수되고, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr 또는 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp 어느 하나로 분기되는 표유 캐패시턴스(stray capacitance)는 적분기(220)의 출력에 영향을 주지 않는다.
적분기(220)의 가상 그라운드 단자인 공통 단자 Ccom 동작은 정확히 그라운드 포텐셜에서 이루어진다. 적분기(220)의 +입력은 그라운드에 연결되어, 두 입력 사이에 발생하는 바이어스 전류 또는 누설전류를 안정화한다.
한편, 식 1 및 식 2에 의하면, 용량-전압 변환부(200)의 출력전압 Vout은 가변저항 Rof1과 Rof2과 관련됨을 알 수 있고, 따라서, 용량-전압 변환부(200)의 출력전압 오프셋(Offset)은 가변저항 Rof1과 Rof2의 저항값에 따라 조정될 수 있다.
즉, 제2보상 소자(600)에 포함되는 가변저항 Rof1과 Rof2의 전기적 특성값인 저항값을 메인 제어부(500)를 통해 제어함으로써 용량-전압 변환부(200)의 출력전압 오프셋(Offset)을 조정할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 용량성 압력센서 출하시 용량성 압력센서의 온도에 따른 출력전압 변화 및 비선형성, 출력 오프셋을 간편하게 조정할 수 있어, 고객들이 요구하는 다양한 출력사양을 만족시킬 수 있으므로, 상기에서 제시한 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.
본 발명은 압력 측정 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.
100 : 용량성 압력센서 110 : 유전체 기판
120 : 전극패턴 121 : 주전극
122 : 기준전극 200 : 용량-전압 변환부
210 : 스위치부 220 : 적분기
230 : 전원 입력부 240 : 피드백부
300 : 제1보상 소자 400 : 보상 제어부
410 : BGR 420 : 먹스
430 : AD컨버터 440 : 특성값 설정부
500 : 메인 제어부 600 : 제2보상 소자

Claims (10)

  1. 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr의 정전용량 변화를 출력전압으로 변환하여 출력하는 용량-전압 변환부와;
    상기 용량-전압 변환부의 온도에 따른 출력전압 변화 또는 상기 용량-전압 변환부의 캐패시턴스 Cp와 캐패시턴스 Cr에 의해 기인하는 출력전압 비선형성을 선택적으로 보상하는 제1보상 소자와;
    상기 제1보상 소자의 온도에 따른 출력전압 변화 보상 또는 출력전압 비선형성 보상을 위한 전기적 특성값을 선택적으로 조정 제어하는 보상 제어부를;
    포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1보상 소자가:
    전원 입력과 그라운드 사이에서 서로 직렬 연결되고, 직렬 연결 접속점에서 분기되어 상기 용량-전압 변환부로 전압을 인가하는 고정저항 RLin1과 가변저항 RLin2를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보상 제어부가:
    BGR(BandGap Reference)과;
    인가되는 신호 레벨에 따라 상기 BGR 출력전압 또는 상기 용량-전압 변환부로부터 출력되어 피드백되는 출력전압을 선택적으로 출력하는 먹스(MUX)와;
    상기 먹스에 의해 선택적으로 출력되는 BGR 출력전압 또는 상기 용량-전압 변환부로부터 출력되어 피드백되는 출력전압을 아날로그-디지털 변환하여 온도코드 또는 압력코드를 생성하는 AD컨버터와;
    상기 AD컨버터에 의해 생성되는 온도코드 또는 압력코드에 대응하는 저항값을 전기적 특성값으로 선택하고, 선택된 저항값으로 상기 가변저항 RLin2의 저항값을 설정하는 특성값 설정부를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치가:
    상기 먹스에 로우(Low) 또는 하이(High) 레벨 신호를 인가하는 메인 제어부를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 용량-전압 변환부가:
    용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr의 충전 및 방전 동작을 제어하는 스위치부와;
    캐패시턴스 Cp와, 캐패시턴스 Cr에서 방전되는 전류를 입력받아 이를 출력 전압으로 출력하되, 에러가 0에 접근할 때까지 제어루프에서 에러 보정 신호를 적분하는 적분기와;
    캐패시턴스 Cp와, 캐패시턴스 Cr에 일정한 전원을 공급하는 전원 입력부와;
    적분기에 의해 출력되는 출력 전압을 증폭하여 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr 및 전원 입력부로 피드백시키는 증폭기를 포함하는 피드백부를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치가:
    상기 용량-전압 변환부의 출력전압 오프셋(Offset)을 조정하는 제2보상 소자를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2보상 소자가:
    전원 입력과 그라운드 사이에서 서로 직렬 연결되고, 직렬 연결 접속점에서 분기되어 상기 피드백부의 증폭기의 비반전 입력단자에 전압을 인가하여 상기 용량-전압 변환부의 출력전압 오프셋(Offset)을 조정하는 두 가변저항 Rof1과 가변저항 Rof2를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 메인 제어부가:
    상기 제1보상 소자 및 상기 제2보상 소자의 전기적 특성값 설정시 참조되는 정보를 기록한 제어 레지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 특성값 설정부가:
    제어 레지스터의 제어 비트에 기록된 값을 검색해 온도코드 또는 압력코드에 대응하는 저항값을 전기적 특성값으로 선택하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 메인 제어부가:
    제어 레지스터의 제어 비트에 기록된 값을 검색해 상기 두 가변저항 Rof1과 가변저항 Rof2의 저항값을 전기적 특성값으로 선택하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
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