KR101469462B1 - 캐패시턴스 오프셋의 광역 및 미세 보정이 가능한 용량성 관성 센서 - Google Patents

캐패시턴스 오프셋의 광역 및 미세 보정이 가능한 용량성 관성 센서 Download PDF

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Abstract

캐패시턴스 오프셋의 광역 및 미세 보정이 가능한 용량성 관성 센서가 게시된다. 본 발명의 용량성 관성 센서는 관성력의 인가에 따라 상보적으로 증감되는 제1 관성 캐패시턴스 및 제2 관성 캐패시턴스를 발생하고, 상기 제1 관성 캐패시턴스와 상기 제2 관성 캐패시턴스의 차이에 근거하여 매쓰전압을 생성하는 관성 감지부; 제1 공통 전압이 인가되고, 상기 매쓰전압을 증폭하여 증폭 전압을 제공하는 C-V 변환부; 제2 공통 전압이 인가되고, 상기 증폭 전압을 이용하여 확인 신호를 발생하는 관성 확인부; 각각이 가변되는 캐패시턴스를 가지는 제1 조절 캐패시터 및 제2 조절 캐패시터를 포함하는 캐패시터 오프셋 보정부; 및 아날로그 성분의 상기 제1 공통 전압을 발생하는 디지털 오프셋 보정부로서, 상기 제1 공통 전압은 디지털 성분의 오프셋 보정 데이터에 따라 제어되는 상기 디지털 오프셋 보정부를 구비한다. 본 발명의 용량성 관성 센서에 의하면, 캐패시턴스 오프셋의 넓은 범위에서 또한 미세한 보정이 가능하게 되어, 관성력 감지 효율이 현저히 향상된다.

Description

캐패시턴스 오프셋의 광역 및 미세 보정이 가능한 용량성 관성 센서{CAPACITANCE INERTIAL SENSOR WIDELY AND MINUTELY COMPENSATING CAPACITANCE OFFSET}
본 발명은 용량성 관성 센서에 관한 것으로, 특히, 관성력의 인가을 센싱하는 캐패시터쌍의 캐패시턴스 오프셋을 넓은 범위에서 또한 미세한 보정이 가능한 용량형 관성 센서에 관한 것이다.
MEMS 기술은 실리콘 공정을 이용하여 시스템의 특정 부위를 마이크로미터 단위의 정교한 형상으로 실리콘 기판상에 집적하여 형성하는 것이다. 가속도 센서 및 각속도 센서를 비롯한 관성 센서(즉, 관성력 검지용 MEMS 소자)는 MEMS 기술로 제작된 대표적인 소자로서, 병진운동 및 회전 운동을 측정할 수 있는 센서이다. 특히, 용량형 관성 센서는 제작 공정이 간단하고, 온도 변화에 둔감하며, 비선형성이 적어서 널리 사용되고 있는 형태이다.
일반적으로, 용량형 관성 센서는 부유되어 움직일 수 있는 가동 구조물인 질량체에서 옆면의 양측으로 연장되어 형성되는 이동전극들과, 질량체에 대하여 좌우측에 배치되는 2개의 고정전극체로부터 연장되는 고정전극들을 이용하여 효과적으로 관성력을 감지한다.
이 경우, 상기 질량체의 좌측 및 우측에는, 상기 이동전극들과 고정전극들에 의하여, 제1 캐패시턴스 및 제2 캐패시턴스의 정전용량이 발생된다. 이때, 외부로부터 관성이 인가되지 않을 때에는, 상기 이동전극들과 고정전극들은 일정한 거리를 유지하여, 제1 캐패시턴스 및 제2 캐패시턴스는 일정하게 된다.
그리고, 상기 관성 센서에 외부로부터 관성력이 인가되면, 질량체는 관성 방향으로 이동하면서, 이동전극들을 관성 방향으로 이동시키게 된다. 이 경우, 관성의 방향에 따라, 일측(예를 들어, 좌측)의 고정전극체에서 연장되는 고정전극들은 이동전극들에 대하여 거리가 좁혀지며, 반대측(예를 들어, 우측)의 고정체에서 연장되는 고정전극들은 이동전극들에 대하여 거리가 넓어지게 된다.
또한, 관성의 방향의 반대로 되는 경우에는, 상기 일측의 고정체에서 연장되는 고정전극들은 이동전극들에 대하여 거리가 넓어지며, 반대측의 고정체에서 연장되는 고정전극들은 이동전극들에 대하여 거리가 좁혀지게 된다.
이와 같이, 용량형 관성 센서는 제1 캐패시턴스 및 제2 캐패시턴스의 차이의 변화를 근거로 하여 인가되는 관성을 감지하여 측정할 수 있다. 이때, 관성력을 보다 정확히 감지하기 위해서는, 관성력이 인가되지 않은 중립상태에서, 제1 캐패시턴스와 제2 캐패시턴스가 동일하게 되는 것이 필요하다.
그런데, 기존의 용량성 관성 센서들의 경우에는, 기생 캐패시턴스의 차이 등으로 인하여, 중립 상태에서의 제1 캐패시턴스와 제2 캐패시턴스 사이에 차이가 발생되는 소위 '캐패시턴스 오프셋'이 발생될 수 있다. 이 경우, 관성력의 감지 효율이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다.
본 발명의 목적은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 캐패시턴스 오프셋의 넓은 범위에서 또한 미세한 보정이 가능하여 전체적으로 관성력 감지 효율이 향상되는 용량성 관성 센서를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면은 용량성 관성 센서에 관한 것이다. 본 발명의 용량성 관성 센서는 관성력의 인가에 따라 상보적으로 증감되는 제1 관성 캐패시턴스 및 제2 관성 캐패시턴스를 발생하고, 상기 제1 관성 캐패시턴스와 상기 제2 관성 캐패시턴스의 차이에 근거하여 매쓰전압을 생성하는 관성 감지부로서, 상기 제1 관성 캐패시턴스는 제1 센싱 신호와 상기 매쓰 전압 사이에 형성되며, 상기 제2 관성 캐패시턴스는 제2 센싱 신호와 상기 매쓰 전압 사이에 형성되는 상기 관성 감지부; 제1 공통 전압이 인가되고, 상기 매쓰전압을 증폭하여 증폭 전압을 제공하는 C-V 변환부로서, 상기 증폭 전압은 상기 제1 공통 전압에 대한 상기 매쓰전압의 레벨이 반영되는 상기 C-V 변환부; 및 제2 공통 전압이 인가되고, 상기 증폭 전압을 이용하여 확인 신호를 발생하는 관성 확인부로서, 상기 확인 신호의 전압은 상기 제2 공통 전압에 대한 상기 증폭 전압의 레벨이 반영되는 상기 관성 확인부를 구비하며, 중립 상태에서의 상기 제1 관성 캐패시턴스와 상기 제2 캐패시턴스의 오프셋을 보정하기 위하여, 캐패시터 오프셋 보정부 및 디지털 오프셋 보정부를 더 구비한다. 상기 캐패시터 오프셋 보정부는 각각이 가변되는 캐패시턴스를 가지는 제1 조절 캐패시터 및 제2 조절 캐패시터로서, 상기 제1 센싱 신호와 상기 매쓰전압 사이에 형성되는 상기 제1 조절 캐패시터 및 상기 제2 센싱 신호와 상기 매쓰전압 사이에 형성되는 상기 제2 조절 캐패시터를 포함한다. 그리고, 상기 디지털 오프셋 보정부는 아날로그 성분의 상기 제1 공통 전압을 발생하되, 상기 제1 공통 전압은 디지털 성분의 오프셋 보정 데이터에 따라 제어된다.
상기와 같은 구성의 본 발명의 용량성 관성 센서에서는, 각각이 가변되는 캐패시턴스를 가지는 제1 조절 캐패시터와 제2 조절 캐패시터를 포함하는 캐패시터 오프셋 보정부 및 디지털 성분의 오프셋 보정 데이터에 따라 제어되는 공통 전압을 제공하는 디지털 오프셋 보정부를 구비한다.
이에 따라, 본 발명의 용량성 관성 센서에 의하면, 캐패시턴스 오프셋의 넓은 범위에서 또한 미세한 보정이 가능하게 되어, 관성력 감지 효율이 현저히 향상된다.
본 발명에서 사용되는 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 용량성 관성 센서를 개략적으로 나타내는 블락도이다.
도 2는 도 1의 관성 감지부를 구체적으로 나타내는 도면이며, 도 3a 및 도 3b는 관성의 인가에 따른 도 2의 관성 감지부의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 캐패시터 오프셋 보정부를 구현하는 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 용량성 관성 센서의 주요신호의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 잇점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어 지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어 지는 것이다. 또한, 각 도면을 이해함에 있어서, 동일한 부재는 가능한 한 동일한 참조부호로 도시하고자 함에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 용량성 관성 센서를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 용량성 관성 센서는 관성 감지부(100), C-V 변환부(200), 관성 확인부(300), 캐패시터 오프셋 보정부(400) 및 디지털 오프셋 보정부(500)를 구비한다.
상기 관성 감지부(100)는 제1 관성 캐패시턴스(CAP1)와 제2 관성 캐패시턴스(CAP2)를 발생한다. 이때, 상기 제1 관성 캐패시턴스(CAP1)와 상기 관성 제2 캐패시턴스(CAP2)는 관성력의 인가에 따라 상보적으로 증감된다. 그리고, 상기 제1 관성 캐패시턴스(CAP1)과 상기 제2 관성 캐패시턴스(CAP2)의 차이에 근거하여, 매쓰전압(VMAS)이 생성된다.
상기 관성 감지부(100)를 회로적으로 살펴보면, 상기 제1 관성 캐패시턴스(CAP1)에는 의도된 제1 정상 캐패시턴스(CR1) 외에도 비의도적인 제2 기생 캐패시턴스(CP1)가 포함된다.
마찬가지로, 상기 제2 관성 캐패시턴스(CAP2)에는 제2 정상 캐패시턴스(CR2) 외에도 비의도적인 제2 기생 캐패시턴스(CP2)가 포함된다.
도 2는 도 1의 관성 감지부(100)를 구체적으로 나타내는 도면이다. 도 2에서는, 비의도적으로 발생되는 상기 제1 기생 캐패시턴스(CP1)와 상기 제2 기생 캐패시턴스(CP2)는 미도시된다. 도 2를 참조하면, 상기 관성 감지부(100)는 질량체(110), 제1 고정전극체(120), 제2 고정전극체(130), 제1 이동 전극(112), 제2 이동 전극(114), 제1 고정전극(122) 및 제2 고정전극(134)을 포함하여 구성된다.
상기 제1 고정전극체(120) 및 상기 제2 고정전극체(130)는 관성력의 인가에 대하여 일정한 위치에 고정된다. 즉, 상기 제1 고정전극체(120) 및 상기 제2 고정전극체(130)는, 관성력이 인가되는 경우에도, 일정한 상대적 위치에 고정된다
상기 질량체(110)는 기계적 강성으로 작용하는 스프링 기능을 갖는 지지빔(suspension beam)(미도시)에 의하여 탄성적으로 지지되는 가동 구조물로서, 인가되는 관성력의 방향에 따라, 상기 제1 고정전극체(120) 및 상기 제2 고정전극체(130)에 대하여, 일방향으로 이동된다. 이러한 상기 질량체(110)는 도전성 물질로 구현되는 것이 바람직하다.
상기 제1 이동 전극(112)과 상기 제2 이동 전극(114)은 상기 질량체(110)의 일측면 및 다른 일측면(도면상으로는 좌우)으로부터 일정길이로 연장되어 형성된다.
상기 제1 고정전극(122)은 상기 제1 이동 전극(112)에 대하여 일정거리(d1)만큼 떨어져 중첩배치되도록 상기 제1 고정전극체(120)로부터 상기 질량체(110)측으로 일정길이 연장된다. 그리고, 상기 제2 고정전극(134)은 상기 제2 이동 전극(124)에 대하여 일정거리(d2)만큼 떨어져 중첩배치되도록 상기 제2 고정전극체(130)로부터 상기 질량체(110)측으로 일정길이 연장된다.
그리고, 인가되는 관성의 감지를 위하여, 상기 제1 고정전극(122)에는 상기 제1 고정전극체(120)를 통하여 제1 센싱 신호(MOD1)가 인가되며, 상기 제2 고정전극(134)에는 상기 제2 고정전극체(130)를 통하여 제2 센싱 신호(MOD2)가 인가된다. 이때, 상기 제1 센싱 신호(MOD1)와 상기 제2 센싱 신호(MOD2)는 서로 반대의 위상으로 반복 천이되는 신호이다(도 5 참조).
그리고, 상기 제1 이동전극(112) 및 상기 제2 이동전극(114)은 상기 질량체(110)를 통하여 상기 매쓰전압(VMAS)과 연결된다.
이 경우, 상기 제1 이동전극(112)과 상기 제1 고정전극(122)에 의하여 상기 제1 관성 캐패시턴스(CAP1)의 제1 정상 캐패시턴스(CR1)이 발생되며, 상기 제2 이동전극(114)과 상기 제2 고정전극(134)에 의하여 상기 제2 관성 캐패시턴스(CAP2)의 제2 정상 캐패시턴스(CR2)이 발생된다.
상기와 같은 구성을 가지는 상기 관성 감지부(100)에서, 상기 제1 관성 캐패시턴스(CAP1)과 상기 제2 관성 캐패시턴스(CAP2)이 관성력 인가의 방향에 따라 서로 상보적으로 증감됨으로써, 관성력의 인가의 방향을 감지할 수 있다.
예를 들어, 도 3a와 같이 도면상의 위쪽으로 가속도가 발생하는 경우를 가정하자. 이때, 가속도 방향과 반대의 방향인 도면상의 아래쪽으로 관성이 발생된다. 그러면, 질량체(100)는 관성의 방향인 아래쪽으로 이동하고, 상기 질량체(100)에 고정 연결된 제1 및 제2 이동전극(112, 114)도 관성 방향인 아래쪽으로 이동된다.
이에 따라, 제1 이동전극(112)과 제1 고정전극(122) 사이의 거리(d1)는 감소되며, 상기 제1 관성 캐패시턴스(CAP1)은 증가된다. 그리고, 제2 이동전극(114)과 제2 고정전극(134) 사이의 거리(d2)는 증가되며, 상기 제2 관성 캐패시턴스(CAP2)은 감소된다.
또한, 도 3b와 같이 도면상의 아래쪽으로 가속도가 발생하는 경우에는, 도면상의 위쪽으로 관성이 발생된다. 그러면, 질량체(100)는 위쪽으로 이동하고, 상기 질량체(100)에 고정 연결된 제1 및 제2 이동전극(112, 114)도 위쪽으로 이동된다.
이에 따라, 제1 이동전극(112)과 제1 고정전극(122) 사이의 거리(d1)는 증가되며, 상기 제1 관성 캐패시턴스(CAP1)는 감소된다. 그리고, 제2 이동전극(114)과 제2 고정전극(134) 사이의 거리(d2)는 감소되며, 상기 제2 관성 캐패시턴스(CAP2)는 증가된다.
바람직하기로는, 본 발명의 용량성 관성 센서에서, 관성력 인가의 감지가 용이하도록 상기 제1 관성 캐패시턴스(CAP1) 및 제2 관성 캐패시턴스(CAP2)를 크게 하기 위하여, 상기 제1 이동전극(112), 상기 제1 고정전극(122), 상기 제2 이동전극(114) 및 상기 제2 고정전극(134)은 복수개로 구비된다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 C-V 변환부(200)는 제1 공통 전압(VCOM1)을 인가하고, 상기 매쓰전압(VMAS)을 증폭하여 증폭 전압(VAMP)을 제공한다. 이때, 상기 증폭 전압(VAMP)은 상기 제1 공통 전압(VCOM1)에 대한 상기 매쓰전압(VMAS)의 레벨이 반영된다. 즉, 상기 C-V 변환부(200)는, 센싱 타이밍 동안(T_SEN, 도 5 참조)에, 입력되는 관성력에 따라 상보적으로 변화되는 상기 제1 관성 캐패시턴스(CAP1)와 상기 관성 제2 캐패시턴스(CAP2)의 변화에 따라 미세하게 변화되는 상기 매쓰전압(VMAS)을 증폭하여 상기 증폭 전압(VAMP)으로 발생한다.
그리고, 상기 C-V 변환부(200)는 프리차아지 타이밍 동안(T_PRE, 도 5 참조)에 상기 매쓰전압(VMAS) 및 상기 증폭 전압(VAMP)을 상기 제1 공통 전압(VCOM1)으로 프리차아지하도록 구동된다.
바람직하기로는, 상기 C-V 변환부(200)는 변환 증폭기(221), 감지 캐패시터(222) 및 증폭 연결 스위치(223)를 구비한다.
상기 변환 증폭기(221)는 음(-)의 입력 단자에 상기 매쓰전압(VMAS)이 제공되고 양(+)의 입력단자에 상기 제1 공통 전압(VCOM1)이 제공되며, 출력단자를 통하여 상기 증폭 전압(VAMP)을 발생한다. 이러한 상기 변환 증폭기(221)는 센싱 타이밍 동안(T_SEN, 도 5 참조)에 상기 제1 공통 전압(VCOM)을 중심으로 상기 매쓰전압(VMAS)을 반전 증폭하여 상기 증폭 전압(VAMP)으로 발생한다.
상기 감지 캐패시터(222)는 상기 매쓰전압(VMAS)과 상기 증폭 전압(VAMP) 사이에 형성된다. 이러한 상기 감지 캐패시터(222)는 상기 매쓰전압(VMAS)과 상기 증폭 전압(VAMP)을 커플링한다.
상기 증폭 연결 스위치(223)는 프리차아지 타이밍 동안에 활성화되는 프리차아지 제어 신호(XPRE)에 응답하여 상기 매쓰전압(VMAS)과 상기 증폭 전압(VAMP)을 전기적으로 연결한다. 이에 따라, 상기 매쓰전압(VMAS)과 상기 증폭 전압(VAMP)은, 프리차아지 타이밍 동안(T_PRE)에 상기 제1 공통 전압(VCOM1)으로 제어된다.
계속 도 1을 참조하면, 상기 관성 확인부(300)는 제2 공통 전압(VCOM2)이 인가되고, 상기 증폭 전압(VAMP)을 이용하여 상기 관성력의 인가를 확인하는 확인 신호(XFI)를 발생한다. 이때, 상기 확인 신호(XFI)의 전압은 상기 제2 공통 전압(VCOM2)에 대한 상기 증폭 전압(VAMP)의 레벨이 반영된다.
바람직하기로는, 상기 관성 확인부(300)는 확인 캐패시터(310), 제1 확인 스위치(320), 확인 증폭기(330), 제2 확인 스위치(340) 및 제3 확인 스위치(350)를 구비한다.
상기 제1 확인 스위치(320)는 상기 증폭 전압(VAMP)과 상기 확인 캐패시터(310)의 일단자 사이에 형성된다. 이때, 상기 제1 확인 스위치(320)는 센싱 타이밍 동안(T_SEN)에 턴온된다.
상기 확인 증폭기(320)는 음(-)의 입력 단자에 상기 확인 캐패시터(310)의 다른 일단자가 전기적으로 연결되고, 양(+)의 입력단자에 상기 제2 공통 전압(VCOM2)이 제공되며, 출력단자를 통하여 상기 확인 신호(XFI)를 발생한다.
상기 제2 확인 스위치(340)는 상기 확인 캐패시터(310)의 일단자와 상기 확인 신호(XFI) 사이에 형성되며, 상기 프리차아지 타이밍(T_PRE, 도 5 참조) 동안에 턴온된다.
상기 제3 확인 스위치(350)는 상기 확인 캐패시터(3100의 다른 일단자와 상기 확인 신호(XFI) 사이에 형성되며, 상기 센싱 타이밍(T_SEN, 도 5 참조) 동안에 턴온된다.
이러한 상기 관성 확인부(300)에 의하여, 상기 확인 신호(XFI)에는, 프리차아지 타이밍 동안(T_PRE, 도 5 참조)에 상기 제2 공통 전압(VCOM2)을 중심으로 상기 확인 캐패시터(310)의 다른 일단자의 전압이 반전 증폭되어 반영된다.
한편, 관성력의 인가 방향에 따라 변화되는 상기 확인 신호 (XFI)의 디벨로프는 상기 제2 공통 전압(VCOM2)에 대칭적인 것이 바람직하다.
그러나, 현실적으로는 공정에 따른 제1 기생 캐패시턴스(CP1) 및 제2 기생 캐패시턴스(CP2)의 차이 등으로 인하여, 중립 상태에서의 제1 관성 캐패시턴스(CAP1)과 제2 관성 캐패시턴스(CAP2) 사이에 차이가 발생되는 캐패시턴스 오프셋이 발생된다.
이 경우, 도 5에 도시되는 바와 같이, 센싱 타이밍 동안(T_SEN)에서의 상기 증폭 전압(VAMP)의 레벨은 상기 제1 공통 전압(VCOM1)에 대하여 레벨 오차(VDF1)를 발생하게 된다(도 5의 보정전의 VAMP 참조). 이에 따라, 프리차아지 타이밍 동안(T_PRE)에서의 상기 확인 신호(XFI)의 레벨은 상기 제2 공통 전압(VCOM2)에 대하여 레벨 오차(VDF2)를 발생하게 된다(도 5의 보정전의 VFI 참조). 이는 용량성 관성 센서의 감지 효율을 저하하는 요인으로 작용된다.
본 발명의 용량성 관성 센서에서는, 상기와 같은 중립 상태의 캐패시턴스 오프셋을 보정하기 위하여 상기 캐패시터 오프셋 보정부(400) 및 디지털 오프셋 보정부(500)가 구비된다.
상기 오프셋 보정부(400)는 상기 관성력이 배제되는 중립 상태 즉, 관성력이 인가되지 않는 상태에서 발생되는 상기 제1 관성 캐패시턴스(CAP1)과 상기 제2 관성 캐패시턴스(CAP2)의 차를 보정하기 위하여, 각각이 가변되는 캐패시터스를 가지는 제1 조절 캐패시터(CV1) 및 제2 조절 캐패시터(CV2)를 구비한다.
이때, 상기 제1 조절 캐패시터(CV1)는 상기 제1 센싱 신호(MOD1)와 상기 매쓰전압(VMAS) 사이에 형성되며, 상기 제2 조절 캐패시터(CV2)는 상기 제2 센싱 신호(MOD2)와 상기 매쓰전압(VMAS) 사이에 형성된다.
도 4는 도 1의 제1 조절 캐패시터(CV1) 및 제2 조절 캐패시터(CV2)를 구현하는 예를 나타내는 도면이다. 이때, 상기 제1 조절 캐패시터(CV1) 및 상기 제2 조절 캐패시터(CV2)는 단위 캐패시턴스(Co)를 가지는 기준 캐패시터(411, 431)와 이에 대하여 2배수씩 증가되는 다양한 용량의 캐패시터들(412, 412, 414, 432, 433, 434)이 병렬로 연결되어 구현된다. 이러한 캐패시터들(411, 412, 412, 414, 431, 432, 433, 434)은 대응하는 스위치(421, 422, 422, 424, 441, 442, 443, 444)로 턴온에 의하여 상기 매쓰전압(VMAS)과 상기 제1 센싱 신호(MOD1)/제2 센싱 신호(MOD2) 사이의 캐패시턴스를 형성하게 된다.
상기와 같은 제1 조절 캐패시터(CV1) 및 제2 조절 캐패시터(CV2)를 가지는 캐패시터 오프셋 보정부(400)에 의하여, 관성력이 인가되지 않는 상태에서 발생되는 상기 제1 관성 캐패시턴스(CAP1)과 상기 제2 관성 캐패시턴스(CAP2)의 차 즉, 캐패시턴스 오프셋이 어느 정도 보정된다.
하지만, 상기 캐패시터 오프셋 보정부(400)만으로는, 상기 캐패시턴스 오프셋에 대하여 넓은 범위의 보정과 미세한 보정을 동시에 만족하기는 매우 어렵다.
즉, 상기 캐패시터 오프셋 보정부(400)에서는, 캐패시턴스 오프셋이 상기 단위 캐패시턴스(Co)의 1/2이하인 경우에는, 이를 제거할 수 없는 한계를 지닌다. 물론, 상기 단위 캐패시턴스(Co)를 작게 하는 경우에는, 미세한 범위의 캐패시턴스 오프셋 보정은 가능하게 될 수도 있다. 그러나, 넓은 범위의 캐패시턴스 오프셋 보정을 위해서는, 제1 조절 캐패시터(CV1) 및 제2 조절 캐패시터(CV2)의 구현을 위하여 매우 많은 수의 캐패시터들이 요구되게 된다.
이와 같은 캐패시터 오프셋 보정부(400)에 의한 캐패시턴스 오프셋 보정의 한계를 극복하기 위하여, 본 발명의 용량성 관성 센서는 디지털 오프셋 보정부(500)를 구비한다.
계속 도 1을 참조하면, 상기 디지털 오프셋 보정부(500)는 아날로그 성분의 상기 제1 공통 전압(VCOM1)을 발생한다. 이때, 상기 제1 공통전압(VCOM1)은 디지털 성분의 오프셋 보정 데이터(DFFS)에 따라 제어된다. 즉, 상기 제1 공통 전압(VCOM1)은 상기 오프셋 보정 데이터(DFFS)에 의하여 정밀한 범위로 제어된다.
계속하여, 상기 디지털 오프셋 보정부(500)에 의하여, 상기 캐패시터 오프셋 보정부(400)에 의한 보정후에 잔존하는 캐패시턴스 오프셋의 보정에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 용량성 관성 센서에서, 상기 확인 신호(XFI)의 전압(VFI)은 (수학식1)과 같다.
(수학식1)
VFI=VCOM2+[(VMOD1-VMOD2)*2ΔCd/Cf+(VMOD1-VMOD2)2ΔCp/Cf+(VCOM1-VCOM2)}이다.
여기서,
VFI: 확인 신호(XFI)의 전압
VCOM1: 제1 센싱 신호(MOD1)의 전압
VCOM2: 제2 센싱 신호(MOD2)의 전압
ΔCd: 관성 인가에 따른 제1 정상 캐패시턴스(CR1)과 제1 정상 캐패시턴스(CR1)의 차
ΔCp: 상기 캐패시터 오프셋 보정부에 의한 보정후에 잔존하는 캐패시턴스 오프셋
Cf: C-V 변환부(200)의 감지 캐패시터(222)의 캐패시턴스
따라서, 상기 확인 신호(XFI)의 전압(VFI)이 순수하게 관성 인가에 따른 제1 정상 캐패시턴스(CR1)과 제1 정상 캐패시턴스(CR1)의 차(ΔCd)를 반영하기 위해서는 (수학식2)가 요구된다.
(수학식2)
VCOM1=VCOM2 - (MOD1-VMOD2)2ΔCp/Cf
상기 디지털 오프셋 보정부(500)에 의하여, 상기 제1 공통 전압(VCOM1)을 상기 제2 공통 전압(VCOM2)과 상이하도록 제어되며(도 5의 보정후 VAMP 참조), 이에 따라, 상기 확인 신호(XFI)의 전압은 상기 제2 공통 전압(VCOM2)에 대하여 대칭적으로 디벨로프하게 된다(도 5의 보정후 XFI 참조).
즉, 상기 디지털 오프셋 보정부(500)에서, 상기 제1 공통전압(VCOM1)이 디지털 성분의 오프셋 보정 데이터(DFFS)에 따라 정밀하게 제어됨으로써, 상기 캐패시턴스 오프셋를 더욱 정확히 제거할 수 있다.
다만, 상기 제2 공통 전압(VCOM2)이 전원전압(VDD)의 1/2로 설정되는 것이 일반적임을 고려하면, 상기 디지털 오프셋 보정부(500)만으로는 상기 캐패시턴스 오프셋에 의한 발생되는 오차가 전원전압(VDD)의 1/2이상은 보정할 수 없는 단점이 발생된다.
다시 기술하면, 본 발명의 용량성 관성 센서는 오프셋 보정부(400) 및 디지털 오프셋 보정부(500)를 동시에 구비함으로써, 캐패시턴스 오프셋을 넓은 범위에서 또한 미세한 보정이 가능하여 관성력 감지 효율을 현저히 향상하게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 용량성 관성 센서에 있어서,
    관성력의 인가에 따라 상보적으로 증감되는 제1 관성 캐패시턴스 및 제2 관성 캐패시턴스를 발생하고, 상기 제1 관성 캐패시턴스와 상기 제2 관성 캐패시턴스의 차이에 근거하여 매쓰전압을 생성하는 관성 감지부로서, 상기 제1 관성 캐패시턴스는 제1 센싱 신호와 상기 매쓰 전압 사이에 형성되며, 상기 제2 관성 캐패시턴스는 제2 센싱 신호와 상기 매쓰 전압 사이에 형성되는 상기 관성 감지부;
    제1 공통 전압이 인가되고, 상기 매쓰전압을 증폭하여 증폭 전압을 제공하는 C-V 변환부로서, 상기 증폭 전압은 상기 제1 공통 전압에 대한 상기 매쓰전압의 레벨이 반영되는 상기 C-V 변환부; 및
    제2 공통 전압이 인가되고, 상기 증폭 전압을 이용하여 확인 신호를 발생하는 관성 확인부로서, 상기 확인 신호의 전압은 상기 제2 공통 전압에 대한 상기 증폭 전압의 레벨이 반영되는 상기 관성 확인부를 구비하며,
    중립 상태에서의 상기 제1 관성 캐패시턴스와 상기 제2 캐패시턴스의 오프셋을 보정하기 위하여, 캐패시터 오프셋 보정부 및 디지털 오프셋 보정부를 더 구비하며,
    상기 캐패시터 오프셋 보정부는
    각각이 가변되는 캐패시턴스를 가지는 제1 조절 캐패시터 및 제2 조절 캐패시터로서, 상기 제1 센싱 신호와 상기 매쓰전압 사이에 형성되는 상기 제1 조절 캐패시터 및 상기 제2 센싱 신호와 상기 매쓰전압 사이에 형성되는 상기 제2 조절 캐패시터를 포함하며,
    상기 디지털 오프셋 보정부는
    아날로그 성분의 상기 제1 공통 전압을 발생하되, 상기 제1 공통 전압은 디지털 성분의 오프셋 보정 데이터에 따라 제어되는
    것을 특징으로 하는 용량성 관성 센서.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 관성 감지부는
    상기 제1 센싱 신호가 인가되는 제1 고정전극체;
    상기 제2 센싱 신호가 인가되는 제2 고정전극체;
    부유되어 탄성적으로 이동가능하고 상기 매쓰전압과 전기적으로 연결되는 질량체로서, 상기 관성력의 인가 방향에 따라 상기 제1 고정전극체 및 상기 제2 고정전극체에 대하여 일방향으로 이동되는 상기 질량체;
    상기 질량체의 일측면으로부터 일정길이로 연장되어 형성되는 제1 이동전극;
    상기 질량체의 다른 일측면으로부터 일정길이로 연장되어 형성되는 제2 이동전극;
    상기 제1 이동 전극에 대하여 일정거리만큼 떨어져 중첩배치되도록 상기 제1 고정전극체로부터 상기 질량체측으로 일정길이 연장되어 형성되는 제1 고정전극; 및
    상기 제2 이동 전극에 대하여 일정거리만큼 떨어져 중첩배치되도록 상기 제2 고정전극체로부터 상기 질량체측으로 일정길이 연장되어 형성되는 제2 고정전극를 구비하며,
    상기 제1 관성 캐패시턴스는
    상기 제1 이동전극과 상기 제1 고정전극에 의하여 발생되며,
    상기 제2 관성 캐패시턴스는
    상기 제2 이동전극과 상기 제2 고정전극에 의하여 발생되는 것을 특징으로 하는 용량성 관성 센서.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 C-V 변환부는
    음(-)의 입력 단자에 상기 매쓰전압이 제공되고 양(+)의 입력단자에 상기 공통 전압이 제공되며, 출력단자를 통하여 상기 증폭 전압을 발생하도록 구동되는 변환 증폭기;
    상기 매쓰전압과 상기 제1 공통 전압 사이에 형성되는 감지 캐패시터; 및
    프리차아지 타이밍 동안에 상기 매쓰전압과 상기 제1 공통 전압을 연결하는 증폭 연결 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 용량성 관성 센서.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 관성 확인부는
    확인 캐패시터;
    상기 증폭 전압과 상기 확인 캐패시터의 일단자 사이에 형성되는 제1 확인 스위치로서, 센싱 타이밍 동안에 턴온되는 상기 제1 확인 스위치;
    음(-)의 입력 단자가 상기 확인 캐패시터의 다른 일단자에 전기적으로 연결되고, 양(+)의 입력단자에 상기 제2 공통 전압이 제공되며, 출력단자를 통하여 상기 확인 신호를 발생하도록 구동되는 확인 증폭기;
    상기 확인 캐패시터의 일단자와 상기 확인 신호 사이에 형성되는 제2 확인 스위치로서, 상기 프리차아지 타이밍 동안에 턴온되는 상기 제2 확인 스위치; 및
    상기 확인 캐패시터의 다른 일단자와 상기 확인 신호 사이에 형성되는 제3 확인 스위치로서, 상기 센싱 타이밍 동안에 턴온되는 상기 제3 확인 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 용량성 관성 센서.
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