KR20140143651A

KR20140143651A - Mems 공진 센서 및 mems 공진 센서의 제어 방법

Info

Publication number: KR20140143651A
Application number: KR20130065508A
Authority: KR
Inventors: 권순명; 박상규
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-12-17
Also published as: CN104236596A; US20140360246A1; DE102013113742A1

Abstract

MEMS 공진 센서는 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에서 진동하는 질량체의 진동 성분에 대응하는 출력 신호를 생성하는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 부, 상기 출력 신호를 자동 이득 제어하여 비교 전압을 생성하는 AGC(Automatic Gain Control) 부, 및 기준 전압을 입력받고, 상기 기준 전압과 상기 비교 전압을 이용하여 바이어스 전압을 생성하는 바이어스 부를 포함하고, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극에는 정현파의 구동 전압이 인가되고, 상기 질량체에는 상기 바이어스 전압이 인가된다. MEMS 공진 센서에서 질량체의 진폭을 안정적으로 유지할 수 있고, MEMS 공진 센서의 응답 오차를 줄여서 MEMS 공진 센서의 응답 오차에 의한 전자 회로의 오작동을 방지할 수 있다.

Description

MEMS 공진 센서 및 MEMS 공진 센서의 제어 방법{MEMS RESONANT SENSOR AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 MEMS 공진 센서 및 MEMS 공진 센서의 제어 방법에 관한 것이다.

공진 센서는 외부에서 가해진 물리량에 의해 변경되는 공진 특성을 검출하여 입력된 물리량을 산출하는 센서이다. 공진 센서는 디지털 인터페이스를 통해 연결이 용이하고 입력 범위가 넓어서 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 공진 센서 등으로 널리 이용되고 있다.

MEMS 공진 센서는 질량체-스프링-댐퍼로 모델링되며, 외부에서 입력된 물리량에 의한 질량체의 진폭, 공진 주파수 등의 변환 계수, 즉 공진 특성을 검출한다. MEMS 공진 센서의 질량체는 외부의 물리량에 의해 미세하게 초기 진동하게 되고, 이 초기 진동에 의한 신호는 증폭기를 통해 증폭되어 정전기력으로 인가되고, 증폭된 정전기력에 의해 질량체의 진폭은 더욱 커지게 되는 공진 루프를 반복함으로써 MEMS 공진 센서의 질량체가 진동하게 된다.

한편, MEMS 공진 센서에서 질량체의 공정 오차, 공진 루프를 이루는 증폭기의 오차가 스프링 상수의 오차, 증폭기 이득의 오차를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 질량체의 진폭이 일정하지 않게 되는 문제가 발생할 수 있다. 이는 MEMS 공진 센서의 응답 오차가 되고, 이에 따라 전자회로의 오작동이 유발될 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 MEMS 공진 센서에서 질량체의 진폭을 안정적으로 유지할 수 있는 MEMS 공진 센서 및 MEMS 공진 센서의 제어 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 공진 센서는 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에서 진동하는 질량체의 진동 성분에 대응하는 출력 신호를 생성하는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 부, 상기 출력 신호를 자동 이득 제어하여 비교 전압을 생성하는 AGC(Automatic Gain Control) 부, 및 기준 전압을 입력받고, 상기 기준 전압과 상기 비교 전압을 이용하여 바이어스 전압을 생성하는 바이어스 부를 포함하고, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극에는 정현파의 구동 전압이 인가되고, 상기 질량체에는 상기 바이어스 전압이 인가된다.

상기 출력 신호를 증폭하여 상기 MEMS 부에 입력되는 입력 신호를 생성하는 유지 증폭기를 더 포함할 수 있다.

상기 바이어스 부는 상기 기준 전압과 상기 비교 전압의 차 또는 합으로 상기 바이어스 전압을 생성할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에서 정전기력에 의해 진동하는 질량체를 이용하는 MEMS 공진 센서의 제어 방법은, 상기 질량체의 진동 성분에 대응하는 출력 신호를 생성하는 단계, 상기 출력 신호를 자동 이득 제어하여 상기 출력 신호에 대응하는 비교 전압을 생성하는 단계, 기준 전압과 상기 비교 전압을 이용하여 상기 질량체에 인가되는 바이어스 전압의 레벨을 조절하는 단계, 및 상기 레벨이 조절된 바이어스 전압을 상기 질량체에 인가하여 상기 정전기력을 제어하는 단계를 포함한다.

상기 질량체의 진동 성분에 대응하는 출력 신호를 생성하는 단계는, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극에 정현파의 구동 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 출력 신호를 자동 이득 제어하여 상기 출력 신호에 대응하는 비교 전압을 생성하는 단계는, 상기 기준 전압과 상기 비교 전압의 차 또는 합으로 상기 바이어스 전압을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 MEMS 공진 센서의 제어 방법은 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극에 정현파의 구동 전압을 인가하는 단계, 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에서 정전기력에 의해 제1 방향으로 진동하는 질량체에 바이어스 전압을 인가하는 단계, 상기 질량체의 진동 성분에 대응하는 출력 신호를 생성하는 단계, 및 상기 출력 신호를 검출하여 외부에서 제2 방향으로 입력된 물리량의 크기를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 질량체에 바이어스 전압을 인가하는 단계는, 상기 출력 신호를 자동 이득 제어하여 상기 출력 신호에 대응하는 비교 전압을 생성하는 단계, 기준 전압과 상기 비교 전압을 이용하여 상기 질량체에 인가되는 바이어스 전압의 레벨을 조절하는 단계, 및 상기 레벨이 조절된 바이어스 전압을 상기 질량체에 인가하여 상기 정전기력을 제어하는 단계를 포함한다.

MEMS 공진 센서에서 질량체의 진폭을 안정적으로 유지할 수 있고, MEMS 공진 센서의 응답 오차를 줄여서 MEMS 공진 센서의 응답 오차에 의한 전자 회로의 오작동을 방지할 수 있다.

또한, MEMS 공진 센서에서 질량체의 진폭이 초기에 미약한 상태로부터 상승하는 시간을 현저히 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 공진 센서를 간략히 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 공진 센서의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 공진 센서를 간략히 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하면, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 공진 센서(100)는 MEMS 부(110), AGC(Automatic Gain Control) 부(120), 유지 증폭기(130) 및 바이어스 부(140)를 포함한다.

MEMS 부(110)는 제1 구동 전극, 제2 구동 전극, 및 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에서 진동하는 질량체를 포함할 수 있다. 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극에는 정현파의 구동 전압이 인가되고, 질량체에는 바이어스 전압(Vbias)이 인가된다. 정현파의 구동 전압에 의해 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에서 질량체에 정전기력이 발생하고, 정전기력에 의해 질량체가 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에서 진동하게 된다.

질량체가 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에서 제1 방향으로 진동할 때, 외부에서 제1 방향과 다른 제2 방향으로 물리량이 입력되면 제1 방향의 진동 운동에 대한 탄성계수가 변하게 되고, 이에 따라 MEMS 부(110)의 공진 주파수도 변하게 된다. 이때 공진 주파수의 변화를 측정함으로써 입력된 물리량의 크기가 산출될 수 있다.

MEMS 부(110)는 질량체의 진동 성분에 대응하는 출력 신호(Do)를 생성한다.

AGC 부(120)는 출력 신호(Do)를 자동 이득 제어하여 비교 전압(Vo)을 생성한다. 즉, 출력 신호(Do)는 질량체의 진동에 따른 진폭 및 주파수를 갖는 펄스 신호인데, AGC 부(120)는 출력 신호(Do)에 대한 이득을 제어하여 자동적으로 비교 전압(Vo)을 일정하게 유지한다. 비교 전압(Vo)은 바이어스 부(140)에 전달된다.

유지 증폭기(130)는 출력 신호(Do)를 수신하고, 출력 신호(Do)를 증폭하여 입력 신호(Di)로 출력한다. 입력 신호(Di)는 MEMS 부(110)에 입력되고, MEMS 부(110)는 입력 신호(Di)를 이용하여 출력 신호(Do)의 출력을 유지한다.

바이어스 부(140)는 기준 전압(Vdc)을 입력받고, 기준 전압(Vdc)과 비교 전압(Vo)을 이용하여 바이어스 전압(Vbias)을 생성한다. 예를 들어, 바이어스 부(140)는 기준 전압(Vdc)과 비교 전압(Vo)의 차 또는 합으로 바이어스 전압(Vbias)을 생성할 수 있다. 바이어스 전압(Vbias)은 MEMS 부(110)의 질량체에 전달된다.

질량체가 진동하지 않는 초기 상태에서 자연적으로 발생하는 기계적 또는 전기적 노이즈에 의하여 질량체가 미세하게 초기 진동하는 경우에 AGC 부(120)의 이득이 커지게 되어 더 큰 바이어스 전압(Vbias)이 MEMS 부(110)의 질량체에 인가된다. 즉, MEMS 부(110)의 질량체에 인가되는 바이어스 전압(Vbias)이 MEMS 부(110)의 출력 신호(Do)를 자동 이득 제어한 비교 전압(Vo)에 대응하여 조절되고, 조절된 바이어스 전압(Vbias)에 의해 MEMS 부(110)의 정전기력이 제어된다. MEMS 부(110)의 정전기력이 제어됨에 따라 질량체가 초기 진동하여 안정된 진폭으로 진동하는데 걸리는 시간이 현저하게 줄어들게 된다.

또한, 질량체의 진동이 이루어진 이후에 전기적 노이즈, 외부의 기계적 노이즈, 온도 변화 등의 요인에 의해 질량체의 진폭이 안정적으로 유지되지 않는 경우가 발생할 수 있는데, 이러한 경우에 AGC 부(120)의 자동 이득 제어를 통해 MEMS 부(110)의 정전기력을 제어함으로써 질량체의 진폭이 안정적으로 유지될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MEMS 공진 센서의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 2를 참조하면, MEMS 부(110)는 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극에 정현파의 구동 전압을 인가하고 질량체에 바이어스 전압을 인가하여 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에서 질량체를 진동시키고, 질량체의 진동 성분에 대응하는 출력 신호를 생성한다(S110). 질량체가 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에서 제1 방향으로 진동할 때, 외부에서 제1 방향과 다른 제2 방향으로 물리량이 입력되면 제1 방향의 진동 운동에 대한 탄성계수가 변하게 되고, 이에 따라 MEMS 부(110)의 공진 주파수, 즉 질량체의 진동 성분도 변하게 된다. 질량체의 진동 성분에 진동 성분에 대응하는 출력 신호를 검출하여 입력된 물리량의 크기가 산출될 수 있다.

AGC 부(120)는 출력 신호(Do)를 자동 이득 제어하여 출력 신호(Do)에 대응하는 비교 전압(Vo)을 생성한다(S120). 출력 신호(Do)는 질량체의 진동에 따른 진폭 및 주파수를 갖는 펄스 신호이다. 비교 전압(Vo)은 출력 신호(Do)의 포락선(envelope) 특성에 대응한 레벨의 갖는 전압일 수 있다.

바이어스 부(140)는 기준 전압(Vdc)과 비교 전압(Vo)을 이용하여 바이어스 전압(Vbias)의 레벨을 조절한다(S130). 바이어스 전압(Vbais)은 기준 전압(Vdc)과 비교 전압(Vo)의 차 또는 합으로 생성될 수 있다. 즉, MEMS 부(110)의 질량체에 인가되는 바이어스 전압(Vbias)이 MEMS 부(110)의 출력 신호(Do)를 자동 이득 제어한 비교 전압(Vo)에 대응하여 조절된다.

바이어스 전압(Vbias)은 MEMS 부(110)의 질량체에 인가되고, 바이어스 전압(Vbias)에 따라 MEMS 부(110)의 정전기력이 제어된다(S140). MEMS 부(110)의 정전기력이 제어됨에 따라 질량체의 진폭이 안정적으로 유지될 수 있다.

질량체의 진폭이 안정적으로 유지되고, 질량체가 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에서 제1 방향으로 진동할 때, 외부에서 제1 방향과 다른 제2 방향으로 물리량이 입력되면 제1 방향의 진동 운동에 대한 탄성계수가 변하게 되고, 이에 따라 MEMS 부(110)의 공진 주파수도 변하게 된다. 이때 공진 주파수의 변화를 측정함으로써 입력된 물리량의 크기가 산출될 수 있다.

지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : MEMS 공진 센서
110 : MEMS 부
120 : AGC 부
130 : 유지 증폭기
140 : 바이어스 부

Claims

제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에서 진동하는 질량체의 진동 성분에 대응하는 출력 신호를 생성하는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 부;
상기 출력 신호를 자동 이득 제어하여 비교 전압을 생성하는 AGC(Automatic Gain Control) 부; 및
기준 전압을 입력받고, 상기 기준 전압과 상기 비교 전압을 이용하여 바이어스 전압을 생성하는 바이어스 부를 포함하고,
상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극에는 정현파의 구동 전압이 인가되고, 상기 질량체에는 상기 바이어스 전압이 인가되는 MEMS 공진 센서.
제1 항에 있어서,
상기 출력 신호를 증폭하여 상기 MEMS 부에 입력되는 입력 신호를 생성하는 유지 증폭기를 더 포함하는 MEMS 공진 센서.
제1 항에 있어서,
상기 바이어스 부는 상기 기준 전압과 상기 비교 전압의 차 또는 합으로 상기 바이어스 전압을 생성하는 MEMS 공진 센서.
제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에서 정전기력에 의해 진동하는 질량체를 이용하는 MEMS 공진 센서의 제어 방법에 있어서,
상기 질량체의 진동 성분에 대응하는 출력 신호를 생성하는 단계;
상기 출력 신호를 자동 이득 제어하여 상기 출력 신호에 대응하는 비교 전압을 생성하는 단계;
기준 전압과 상기 비교 전압을 이용하여 상기 질량체에 인가되는 바이어스 전압의 레벨을 조절하는 단계; 및
상기 레벨이 조절된 바이어스 전압을 상기 질량체에 인가하여 상기 정전기력을 제어하는 단계를 포함하는 MEMS 공진 센서의 제어 방법.
제4 항에 있어서,
상기 질량체의 진동 성분에 대응하는 출력 신호를 생성하는 단계는,
상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극에 정현파의 구동 전압을 인가하는 단계를 포함하는 MEMS 공진 센서의 제어 방법.
제4 항에 있어서,
상기 출력 신호를 자동 이득 제어하여 상기 출력 신호에 대응하는 비교 전압을 생성하는 단계는,
상기 기준 전압과 상기 비교 전압의 차 또는 합으로 상기 바이어스 전압을 생성하는 단계를 포함하는 MEMS 공진 센서의 제어 방법.
제1 구동 전극 및 제2 구동 전극에 정현파의 구동 전압을 인가하는 단계;
상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극 사이에서 정전기력에 의해 제1 방향으로 진동하는 질량체에 바이어스 전압을 인가하는 단계;
상기 질량체의 진동 성분에 대응하는 출력 신호를 생성하는 단계; 및
상기 출력 신호를 검출하여 외부에서 제2 방향으로 입력된 물리량의 크기를 산출하는 단계를 포함하고,
상기 질량체에 바이어스 전압을 인가하는 단계는,
상기 출력 신호를 자동 이득 제어하여 상기 출력 신호에 대응하는 비교 전압을 생성하는 단계;
기준 전압과 상기 비교 전압을 이용하여 상기 질량체에 인가되는 바이어스 전압의 레벨을 조절하는 단계; 및
상기 레벨이 조절된 바이어스 전압을 상기 질량체에 인가하여 상기 정전기력을 제어하는 단계를 포함하는 MEMS 공진 센서의 제어 방법.
제7 항에 있어서,
상기 출력 신호를 자동 이득 제어하여 상기 출력 신호에 대응하는 비교 전압을 생성하는 단계는,
상기 기준 전압과 상기 비교 전압의 차 또는 합으로 상기 바이어스 전압을 생성하는 단계를 포함하는 MEMS 공진 센서의 제어 방법.