KR20210053194A - 용량성 가속도계의 폐루프 동작을 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
펄스 폭 변조(PWM) 신호 생성기, 폐루프 회로(10), 및 검증 질량체의 감지 축을 따라 검증 질량체의 어느 하나의 측에 대칭적으로 배열되는 제1 및 제2 고정 용량성 전극들(1, 2)을 포함하는 용량성 가속도계. 검증 질량체는 인가되는 가속도에 반응하여 감지 축을 따라 이동 가능하고, 고정 용량성 전극들(1, 2)은 인가되는 가속도가 제로인 상태에서 전극들(1, 2) 각각과 검증 질량체 사이에 간극이 획정되도록 배열된다. PWM 신호 생성기는 제1 및 제2 고정 용량성 전극들(1, 2)에 각각 제1 및 제2 구동 신호들(V1 및 V2)을 인가하도록 배열된다. 제1 및 제2 구동 신호들은 각각 제로와 최대 값(Vref) 사이에서 진폭이 변하는 주기 파형을 갖는다. 폐루프 회로(10)는 검증 질량체의 변위로 인해 발생하는 신호를 검출하고, 인가된 가속도의 관성력의 평형을 잡고 검증 질량체를 널 위치에 유지시키도록 검증 질량체 상에 알짜 정전 복원력을 제공하기 위해 가변 마크/스페이스 비를 갖는 일정한 주파수(fmod)에서 제1 및 제2 구동 신호들을 인가하기 위한 PWM 신호 생성기를 제어하도록 배열된다. 검증 질량체에 전압 오프셋(Vref/2)이 또한 인가되고, 제1 및 제2 구동 신호들은 제1 및 제2 구동신호들 중 어느 하나의 구동 신호가 Vref/2 또는 제로에 있을 때 다른 구동 신호가 Vref/2에 있도록 변하는 파형을 갖는다.
Description
본 발명은 용량성 가속도계들 및 그것들의 제어 방식들에 관한 것으로, 특히 용량성 가속도계들의 폐루프 동작에 대한 개선된 방법들에 관한 것이다.
가속도계들은 모션 및/또는 진동으로 인한 가속력을 측정하는 데 널리 사용되는 전자 기계 장치들이다. 용량성 가속도계들은 지진 감지, 진동 감지, 관성 감지 및 경사 감지를 비롯한 적용 예들에 사용될 수 있다. 용량성 가속도계들은 일반적으로 마이크로 전기 기계 시스템들(MEMS)로서 구현되고 실리콘과 같은 반도체 재료로 제조될 수 있다. 용량성 가속도계에 대한 전형적인 MEMS 감지 구조는 지지체에 이동 가능하게 장착된 검증 질량체(proof mass)를 포함하며, 검증 질량체로부터 연장되는 전극 핑거 세트가 하나 이상의 고정 전극 핑거 세트와 맞물려 차동 커패시터를 형성한다. 감지 구조의 전극들은 적절한 구동 및 픽오프 전자 장치들에 연결된다.
개루프 구성에서, 전자 장치들은 정현파 또는 구형파 신호들일 수 있는 임의의 적합한 파형으로 고정 전극 핑거들을 구동하도록 배열되어, 검증 질량체가 가속도를 받아 이동할 때 출력에 픽오프 신호가 나타나게 된다. WO 2004/076340은 개루프 가속도계의 일례를 제공한다. 개루프 구성에서, 검증 질량체 상에서 검출되는 AC 신호는 인가되는 가속도를 나타내는 신호를 생성하는데 사용될 수 있다. 단일 고정 전극으로부터 검증 질량체 상에서 검출된 신호의 진폭은 ∝ V/d2으로 변할 것이며, 여기서 V는 전극과 검증 질량체 사이의 차동 전압이고, d는 간극 크기이다. 그에 따라 신호 레벨은 인가되는 가속도에 따라 선형적으로 변하는 간극에 따라 2차식으로 변할 것이다. 이는 고성능을 달성하기 위해 나중에 정정되어야 하는 비선형 스케일 팩터를 제공한다. 진동 정류 오류는 비선형 신호 응답으로 인해 클 수 있다. 또한, 작은 간극 크기(통상적으로 수 미크론)는 모션 및 그로 인해 디바이스의 동작 동적 범위를 제한한다. 개루프 가속도계들은 대역폭, 선형성 및 동적 범위의 면들에서 제한된 성능을 가질 수 있다.
개루프 동작을 위해 설계된 가속도계 감지 구조는 구동 전자 장치들을 사용함으로써 가변적인 정전기력을 전극들에 제공하여 힘 평형을 이루기 위해 폐루프 구성에도 사용될 수 있다. 폐루프 모드에서는, 검증 질량체가 정전기력의 인가에 의해 항상 고정된 위치에 유지된다. 그 다음 출력은 인가되는 힘에 의해 주어진다. US7267006은 구동 신호들의 펄스 폭 변조 (PWM)를 사용하는 폐루프 전자 제어 방식의 일례를 제공한다. 그러한 폐루프 구성에서, 전자 장치들은 동위상 및 역위상 AC 구형파 전압 신호들로 고정 전극 핑거들의 쌍들을 구동하도록 배열된다. 구동 신호들은 제로와 최대 값(Vref)(이는 70 g 동적 범위를 이루는데 필요한 힘을 제공하기 위해 통상적으로 30 V이다) 사이에서 진폭이 변하는 파형을 갖는다. PWM 구동 신호들의 마크:스페이스 비는 인가되는 가속도에 따라, 각 구동 신호의 평균 DC 전압 및 그로 인한 반력을 변경하도록 조정될 수 있다. 그에 따라 마크:스페이스 비는 인가되는 가속도 레벨에 따라 선형적으로 변하는 출력 신호를 생성하는데 사용될 수 있다. 이러한 설계는 높은 동적 범위, 우수한 선형성, 높은 대역폭 및 낮은 진동 정류 오류를 제공하는 것으로 입증되었다.
많은 용량성 센서의 성능을 저하시킬 수 있는 알려진 문제는 DC 오프셋 전압이 존재할 때 발생할 수 있는 유전 충전(dielectric charging)이다. 이러한 효과는 전계 기울기가 존재할 때 대전된 종들(전자들 및 이온들)의 이동으로 인해 전극 판 표면들 상에 얇은 유전체 층들의 충전을 수반한다. US7267006에 설명된 것과 같은 폐루프형 가속도계들의 경우 특히 큰 고정과 이동 가능 전극들 사이의 차동 전압으로 인해 높은 전계 기울기가 존재한다. 이러한 유형의 디바이스에 대한 검증 질량체 및 전극 구조들은 통상적으로 심도 반응성 이온 에칭 기술들을 사용하여 벌크 결정 실리콘으로 제작된다. 그러한 기술들은 통상적으로 실리콘 표면이 에칭에 의해 노출된 후 그리고 디바이스의 밀봉 이전에 자연적으로 성장하는 전극 표면들 상에 천연 산화물의 얇은 표면 층을 생성할 것이다. 나트륨 및 리튬과 같은 대전된 종들은 실리콘 검증 질량체 및 전극 구조체들을 캡슐화하는 상측 및 하측 유리 웨이퍼 층들의 양극 접합으로 인해 존재할 것이다. 전극들 상의 유전체 표면 층들에 이러한 전하들의 축적은 전압(Vref)의 일부가 유전체 층을 가로질러 강하되고 간극(d)의 유효 전압이 변경된다는 것을 의미한다. 그에 따라 이는 트랜스듀서 이득에 대응하는 변화를 유발하여 디바이스 성능에 악영향을 미칠 것이다.
유전 충전은 일정한 작동 조건들 하에서 바이어스와 스케일 팩터 양자에서 느린 이동을 일으키는 것으로 알려져 있다. 전하 이동의 느린 특성은 전하들이 고주파 AC 전압 변조에 반응하지 않고 고정된 전압 기울기가 존재할 때 이동할 것이라는 것을 의미한다. 이러한 효과들은 통상적으로 이온 이동성이 증가되는 고온에서 보다 빠르게 발생하고, 시간이 지남에 따라 안정된 상태에 도달하는 경향이 있다. 그러나 전압이 제거되면 전하는 소산될 것이고 디바이스가 꺼지면 바이어스 및 스케일 팩터 이동이 원래 시작 레벨들로 다시 완화되는 것으로 드러났다. 그러나 디바이스의 전원을 다시 켜면 효과들이 반복될 것이다. 이는 그러한 디바이스들의 성능 기능에 상당한 제한을 나타낸다.
본 발명의 목적은 위에서 약술한 난점들 중 하나 이상을 극복하는 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 용량성 가속도계의 폐루프 동작을 위한 방법이 제공되며, 상기 용량성 가속도계는:
인가되는 가속도에 반응하여 감지 축을 따라 이동 가능한 검증 질량체; 및
인가되는 가속도가 제로인 상태에서 제1 및 제2 고정 용량성 전극들 각각과 상기 검증 질량체 사이에 획정되는 간극을 갖고 상기 감지 축을 따라 상기 검증 질량체의 어느 하나의 측에 대칭적으로 배열되는 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들을 포함하고;
상기 방법은:
상기 제1 고정 용량성 전극에 제1 구동 신호(V1)를 그리고 상기 제2 고정 용량성 전극에 제2 구동 신호(V2)를 인가하는 단계로서, 상기 제1 및 제2 구동 신호들은 각각 제로와 최대 값(Vref) 사이에서 진폭이 변하는 주기 파형을 갖는, 상기 인가하는 단계;
상기 검증 질량체의 변위를 감지하고 인가된 상기 가속도의 관성력의 평형을 잡고 상기 검증 질량체를 널 위치에 유지시키도록 상기 검증 질량체 상에 알짜 정전 복원력을 제공하기 위해 일정한 주파수(fmod) 및 가변 마크/스페이스 비를 갖는 상기 제1 및 제2 구동 신호들에 펄스 폭 변조를 인가하는 단계;
상기 검증 질량체에 전압 오프셋(Vref/2)을 인가하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 구동 신호들이 상기 제1 및 제2 구동 신호들 중 어느 하나의 구동 신호가 Vref 또는 제로에 있을 때 다른 구동 신호가 Vref/2에 있도록 변하는 파형을 갖도록 상기 펄스 폭 변조를 인가하는 단계에 의해 특징지어진다.
아래에서 더 설명될 바와 같이, 검증 질량체를 Vref/2로 오프셋함으로써, 제1 및 제2 구동 신호들은 검증 질량체에 관해 ± Vref/2만큼 변하고 그로 인해 종래 기술에서 보여지는 문제가 되는 평균 DC 오프셋이 제거된다. 힘은 전압의 제곱으로 변하므로 알짜 정전 복원력의 극성은 변하지 않는다. 종래 기술에서와 같이 미러 이미지가 아니라 Vref/2로 계단 모양을 그리는 파형을 갖는 제1 및 제2 구동 신호들은 펄스 폭 변조의 마크:스페이스 비를 변화시킴으로써 평균 힘이 여전히 조정될 수 있음을 보장한다. 그로 인해 인가되는 가속도의 관성력의 평형이 잡혀 검증 질량체를 널 위치에 유지시킬 수 있다. 여기에 개시된 바와 같은 방법들은 고성능 기능을 유지하면서 유전 충전의 영향을 실질적으로 제거하는 수정된 폐루프 방식을 제공한다.
적어도 일부 예에서, 제1 및 제2 구동 신호들의 주기 파형은 다른 구동 신호가 Vref 또는 제로에 있을 때 Vref/2로 계단을 그리는 파형 시퀀스를 포함하는 실질적으로 구형 파형일 수 있다. 다른 예들에서, 제1 및 제2 구동 신호들은 그러한 시퀀스를 갖는 임의의 다른 적절한 파형, 예를 들어 사각 파형 대신에 삼각형 또는 사다리꼴 파형들을 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 제1 및 제2 구동 신호들은 사인-기반 파형을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 사인-기반 파형 시퀀스는 제1 및 제2 구동 신호들 중 어느 하나가 절반 사인파 부분 동안 Vref/2와 Vref 사이에서, 또는 Vref/2와 제로 사이에서 변할 때, 다른 구동 전압은 Vref/2이도록 시퀀스가 교번하는 절반 사인파를 포함할 수 있다.
파형 형상에 관계 없이, 제1 및 제2 구동 신호들은 특정 파형 시퀀스를 갖는다. 인가되는 가속도가 제로인 일부 예에서, 제2 구동 신호(V2)는 1/4 사이클이 이동된 제1 구동 신호(V1)의 미러 이미지이다. 1/4 사이클 이동은 구동 신호 진폭이 Vref까지 계단 모양을 그리거나 제로로 계단 모양을 그려 내려가기 전에 적어도 1/4 사이클 동안 항상 Vref/2에 머무르도록 한다. 이는 50:50 마크:스페이스 비에 대응한다.
하나 이상의 예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 제1 및 제2 구동 신호들은 처음 반주기에서 Vref/2와 Vref 사이에서 계단 모양을 그리고 두 번째 반주기에서 Vref/2와 제로 사이에서 계단 모양을 그리는 파형을 갖는다. 이러한 파형 시퀀스는 마크:스페이스 비에 관계 없이 인가될 수 있다.
하나 이상의 예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 제1 및 제2 구동 신호들은 상기 처음 반주기에서 단일 구형파 펄스를 그리고 상기 제2 반주기에서 상기 제1 반주기에서의 상기 단일 구형파 펄스에 관해 약 Vref/2 역전되는 단일 구형파 펄스를 포함하는 파형을 갖는다. 이러한 파형 시퀀스는 마크:스페이스 비에 관계 없이 인가될 수 있다.
하나 이상의 예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 검증 질량체에 전압 오프셋 Vref/2를 인가하는 단계는 상기 검증 질량체를 상기 제1과 제2 고정 용량성 전극들 사이 중간의 전기 연결로 기준으로 하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 방법은:
상기 검증 질량체에서의 출력 신호를 샘플링함으로써 상기 검증 질량체의 변위를 감지하는 단계; 및
상기 출력 신호에 보상 신호를 추가하는 단계를 더 포함하며, 상기 보상 신호는 일정한 주파수(fmod)와 동일한 펄스 폭 변조를 갖고, 상기 보상 신호는 상기 출력 신호와 역위상이다.
추가적으로, 상기 방법은:
인가되는 가속도가 제로인 상태에서 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들 각각과 상기 검증 질량체 사이 상기 간극의 상기 커패시턴스에 실질적으로 정합되는 커패시턴스를 갖는 보상 커패시터에 걸쳐 상기 보상 신호를 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 인가되는 가속도가 제로인 상태에서 제1 및 제2 고정 용량성 전극들 각각과 검증 질량체 사이의 간극은 이상적으로 동일하다, 즉 검증 질량체는 제1과 제2 고정 용량성 전극들 사이의 중앙에 위치된다는 것이 이해될 것이다. 물론, 제조 공차는 그러한 이상적인 상황으로부터 약간의 편차를 유발할 수 있다.
하나 이상의 예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 방법은:
인가된 상기 가속도를 나타내는 신호를 출력하는 단계를 더 포함한다.
하나 이상의 예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 용량성 가속도계는 실리콘 MEMS 구조를 포함한다.
하나 이상의 예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 검증 질량체는 실질적으로 평면이다.
하나 이상의 예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 검증 질량체는 인가되는 가속도에 반응하여 상기 감지 축을 따라 평면에서 선형적으로 이동 가능하도록 유연한 지지 다리들에 의해 고정된 기판에 장착되고, 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 상기 동일한 평면에 상기 고정된 기판에 형성된다.
하나 이상의 예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 검증 질량체는 상기 검증 질량체로부터, 상기 감지 축에 실질적으로 수직하게 그리고 상기 감지 축을 따라 떨어져 이격되게 연장되는 이동 가능한 용량성 전극 핑거들의 제1 및 제2 세트들을 포함하고; 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 각각, 상기 감지 축에 실질적으로 수직하게 그리고 상기 감지 축을 따라 떨어져 이격되게 연장되는 고정 용량성 전극 핑거들의 제1 및 제2 세트들을 포함하며; 고정 용량성 전극들의 상기 제1 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 간 중선으로부터 상기 감지 축을 따라 하나의 방향에서 제1 오프셋으로 이동 가능한 용량성 전극 핑거들의 상기 제1 세트와 맞물리도록 배열되고, 고정 용량성 전극들의 상기 제2 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 간 중선으로부터 상기 감지 축을 따라 반대 방향에서 제2 오프셋으로 이동 가능한 용량성 전극 핑거들의 상기 제2 세트와 맞물리도록 배열된다.
본 개시의 제2 양태에 따르면, 용량성 가속도계로서:
인가되는 가속도에 반응하여 감지 축을 따라 이동 가능한 검증 질량체;
인가되는 가속도가 제로인 상태에서 제1 및 제2 고정 용량성 전극들 각각과 상기 검증 질량체 사이에 획정되는 간극을 갖고 상기 감지 축을 따라 상기 검증 질량체의 어느 하나의 측에 대칭적으로 배열되는 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들을 포함하고;
상기 제1 고정 용량성 전극에 제1 구동 신호(V1)를 그리고 상기 제2 고정 용량성 전극에 제2 구동 신호(V2)를 인가하도록 배열된 펄스 폭 변조 신호 생성기로서, 상기 제1 및 제2 구동 신호들은 각각 제로와 최대 값(Vref) 사이에서 진폭이 변하는 주기 파형을 갖는, 상기 펄스 폭 변조 신호 생성기; 및
상기 검증 질량체의 변위로 인해 발생하는 신호를 검출하고 인가된 상기 가속도의 관성력의 평형을 잡고 상기 검증 질량체를 널 위치에 유지시키도록 상기 검증 질량체 상에 알짜 정전 복원력을 제공하기 위해 가변 마크/스페이스 비를 갖는 일정한 주파수(fmod)에서 상기 제1 및 제2 구동 신호들을 인가하기 위한 펄스 폭 변조 신호 생성기를 제어하도록 배열된 폐루프 회로를 포함하며;
상기 검증 질량체에 전압 오프셋(Vref/2)이 인가되고;
상기 제1 및 제2 구동 신호들이 상기 제1 및 제2 구동 신호들 중 어느 하나의 구동 신호가 Vref 또는 제로에 있을 때 다른 구동 신호가 Vref/2에 있도록 변하는 파형을 갖는 다는 점에서 특징지어지는, 용량성 가속도계가 제공된다.
하나 이상의 예에서, 상기 검증 질량체는 상기 제1과 제2 고정 용량성 전극들 사이 중간의 전기 연결을 기준으로 한다.
하나 이상의 예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 용량성 가속도계는 상기 검증 질량체에서의 출력 신호를 샘플링하도록 배열된 전치-증폭기를 더 포함하되, 상기 펄스 폭 변조 신호 생성기는 상기 전치-증폭기가 상기 출력 신호에 추가하기 위한 보상 신호를 상기 전치-증폭기에 입력하도록 배열되며, 상기 보상 신호는 일정한 주파수(fmod)와 동일한 펄스 폭 변조를 갖고, 상기 보상 신호는 상기 출력 신호와 역위상이다.
적어도 일부 예에서, 상기 용량성 가속도계는 상기 펄스 폭 변조 신호 생성기와 상기 전치-증폭기 사이에 연결되는 보상 커패시터를 더 포함하며, 상기 보상 커패시터는 인가되는 가속도가 제로인 상태에서 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들 각각과 상기 검증 질량체 사이 상기 간극의 상기 커패시턴스에 실질적으로 정합되는 커패시턴스를 갖는다.
하나 이상의 예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 용량성 가속도계는 실리콘 MEMS 구조를 포함한다.
하나 이상의 예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 검증 질량체는 인가되는 가속도에 반응하여 상기 감지 축을 따라 평면에서 선형적으로 이동 가능하도록 유연한 지지 다리들에 의해 고정된 기판에 장착되고, 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 상기 동일한 평면에 상기 고정된 기판에 형성된다.
하나 이상의 예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 검증 질량체는 실질적으로 평면이다.
하나 이상의 예에서, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 검증 질량체는 상기 검증 질량체로부터, 상기 감지 축에 실질적으로 수직하게 그리고 상기 감지 축을 따라 떨어져 이격되게 연장되는 이동 가능한 용량성 전극 핑거들의 제1 및 제2 세트들을 포함하고; 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 각각, 상기 감지 축에 실질적으로 수직하게 그리고 상기 감지 축을 따라 떨어져 이격되게 연장되는 고정 용량성 전극 핑거들의 제1 및 제2 세트들을 포함하며; 고정 용량성 전극들의 상기 제1 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 간 중선으로부터 상기 감지 축을 따라 하나의 방향에서 제1 오프셋으로 이동 가능한 용량성 전극 핑거들의 상기 제1 세트와 맞물리도록 배열되고, 고정 용량성 전극들의 상기 제2 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 간 중선으로부터 상기 감지 축을 따라 반대 방향에서 제2 오프셋으로 이동 가능한 용량성 전극 핑거들의 상기 제2 세트와 맞물리도록 배열된다.
이제 첨부 도면들을 참조하여 하나 이상의 비 -한적인 실시 예가 설명될 것이며, 첨부 도면들에서:
도 1은 종래 기술에 따른 폐루프 용량성 가속도계에 대해 알려져 있는 전자 제어 방식을 개략적으로 도시한다;
도 2는 종래 기술에 따라, 인가되는 가속도가 제로인 조건 하에서 50:50 마크:스페이스 비에 대해, 전극들 1 및 2에 대해 인가된 전압 파형들 및 그에 따른 정전기력들을 도시한다;
도 3은 종래 기술에 따라, 인가되는 가속도가 양인 조건 하에서 25:75 마크:스페이스 비에 대해, 전극들 1 및 2에 대해 인가된 전압 파형들 및 그에 따른 정전기력들을 도시한다;
도 4는 검증 질량체가 Vref/2를 기준으로 하는, 인가되는 가속도가 제로인 조건 하에서 50:50 마크:스페이스 비에 대해, 전극들 1 및 2에 대해 인가된 전압 파형들 및 그에 따른 정전기력들을 도시한다;
도 5는본 개시의 예들에 따라, 인가되는 가속도가 제로인 조건 하에서 50:50 마크:스페이스 비에 대해, 전극들 1 및 2에 대해 인가된 전압 파형들 및 그에 따른 정전기력들을 도시한다;
도 6은 본 개시의 예들에 따라, 인가되는 가속도가 양인 조건 하에서 25:75 마크:스페이스 비에 대해, 전극들 1 및 2에 대해 인가된 전압 파형들 및 그에 따른 정전기력들을 도시한다;
도 7은 본 개시의 예들에 따른 폐루프 용량성 가속도계에 대한 전자 제어 방식을 개략적으로 도시한다;
도 8은 종래 기술에 따라, 양의, 인가되는 가속도가 제로 및 음인 조건들 하에서 개루프 가속도계에 대한, 전치-증폭기 전압 신호들 및 샘플링 지점들을 도시한다;
도 9는 종래 기술에 따라, 인가되는 가속도가 양, 제로 및 음인 조건들 하에서 폐루프 가속도계에 대한, 전치-증폭기 전압 신호들 및 샘플링 지점들을 도시한다;
도 10은 본 개시의 예들에 따라, 인가되는 가속도가 양, 제로 및 음인 조건들 하에서 개루프 가속도계에 대한, 전치-증폭기 전압 신호들 및 샘플링 지점들을 도시한다;
도 11은 본 개시의 추가 예들에 따른 폐루프 용량성 가속도계에 대한 대안적인 전자 제어 방식을 개략적으로 도시한다;
도 12는 본 개시의 예들에 따라, 인가되는 가속도가 양인 조건들 하에서 개루프 가속도계에 대한, 보상 신호의 인가 전후, 전치-증폭기 전압 출력 신호들 및 샘플링 지점들을 도시한다;
도 13은 본 개시의 예들에 따라, 인가되는 가속도가 양, 제로 및 음인 조건들 하에서 폐루프 가속도계에 대한, 전치-증폭기 전압 출력 신호들 및 샘플링 지점들을 도시한다; 그리고
도 14는 용량성 가속도계에서의 대표적인 전극 배열의 개략도이다.
도 1은 종래 기술에 따른 폐루프 용량성 가속도계에 대해 알려져 있는 전자 제어 방식을 개략적으로 도시한다;
도 2는 종래 기술에 따라, 인가되는 가속도가 제로인 조건 하에서 50:50 마크:스페이스 비에 대해, 전극들 1 및 2에 대해 인가된 전압 파형들 및 그에 따른 정전기력들을 도시한다;
도 3은 종래 기술에 따라, 인가되는 가속도가 양인 조건 하에서 25:75 마크:스페이스 비에 대해, 전극들 1 및 2에 대해 인가된 전압 파형들 및 그에 따른 정전기력들을 도시한다;
도 4는 검증 질량체가 Vref/2를 기준으로 하는, 인가되는 가속도가 제로인 조건 하에서 50:50 마크:스페이스 비에 대해, 전극들 1 및 2에 대해 인가된 전압 파형들 및 그에 따른 정전기력들을 도시한다;
도 5는본 개시의 예들에 따라, 인가되는 가속도가 제로인 조건 하에서 50:50 마크:스페이스 비에 대해, 전극들 1 및 2에 대해 인가된 전압 파형들 및 그에 따른 정전기력들을 도시한다;
도 6은 본 개시의 예들에 따라, 인가되는 가속도가 양인 조건 하에서 25:75 마크:스페이스 비에 대해, 전극들 1 및 2에 대해 인가된 전압 파형들 및 그에 따른 정전기력들을 도시한다;
도 7은 본 개시의 예들에 따른 폐루프 용량성 가속도계에 대한 전자 제어 방식을 개략적으로 도시한다;
도 8은 종래 기술에 따라, 양의, 인가되는 가속도가 제로 및 음인 조건들 하에서 개루프 가속도계에 대한, 전치-증폭기 전압 신호들 및 샘플링 지점들을 도시한다;
도 9는 종래 기술에 따라, 인가되는 가속도가 양, 제로 및 음인 조건들 하에서 폐루프 가속도계에 대한, 전치-증폭기 전압 신호들 및 샘플링 지점들을 도시한다;
도 10은 본 개시의 예들에 따라, 인가되는 가속도가 양, 제로 및 음인 조건들 하에서 개루프 가속도계에 대한, 전치-증폭기 전압 신호들 및 샘플링 지점들을 도시한다;
도 11은 본 개시의 추가 예들에 따른 폐루프 용량성 가속도계에 대한 대안적인 전자 제어 방식을 개략적으로 도시한다;
도 12는 본 개시의 예들에 따라, 인가되는 가속도가 양인 조건들 하에서 개루프 가속도계에 대한, 보상 신호의 인가 전후, 전치-증폭기 전압 출력 신호들 및 샘플링 지점들을 도시한다;
도 13은 본 개시의 예들에 따라, 인가되는 가속도가 양, 제로 및 음인 조건들 하에서 폐루프 가속도계에 대한, 전치-증폭기 전압 출력 신호들 및 샘플링 지점들을 도시한다; 그리고
도 14는 용량성 가속도계에서의 대표적인 전극 배열의 개략도이다.
도 1에는 그 내용이 이에 의해 참고로 원용되는 US7267006에 의해 예증되는 종래 기술에 따른 폐루프 용량성 가속도계에 대해 알려져 있는 전자 제어 방식이 개괄적으로 보여진다. 펄스 폭 변조(PWM) 신호 생성기는 일정한 고정 기준 전압(Vref)을 수신하고 상보적인 제1 및 제2 구동 전압들(V1 및 V2)을 전극 1 및 전극 2에 공급한다. 전극들 1 및 2는 통상적으로 해당 기술분야에 주지되어 있는 바와 같이, 검증 질량체의 이동 가능한 용량성 전극 핑거들과 맞물리는 고정 용량성 전극 핑거들의 제1 및 제2 세트들의 형태를 취한다.
검증 질량체에서의 출력 신호를 샘플링하도록 전치-증폭기가 배열된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 프리-앰프는 검증 질량체로부터의 그것의 입력이 "접지"에 대한 전압이 0 V인 "가상 접지"가 되도록 구성되며, 이는 저항기와 같은 DC 바이어싱 요소에 의해 이루어진다. 그 다음 프리-앰프는 검증 질량체 DC 바이어스 전압을 기준 전압(Vref)과 동일하게 만드는 한편, 주기 신호들은 검증 질량체의 움직임에 응답하여 프리-앰프에 의해 픽 업된다. 그 다음 이러한 주기적인 픽-오프 신호들은 복조되고 루프 필터를 통과한 후 폐루프 동작으로 펄스 폭 변조(PWM) 신호 생성기로 피드백된다.
도 2는 제1 및 제2 구동 신호들이 제로와 최대 값(Vref)(이는 70 g 동적 범위를 이루는데 필요한 힘을 제공하기 위해 통상적으로 30 V이다) 사이에서 진폭이 변하는 표준 구형 파형을 갖는 것을 도시한다. 인가되는 가속도가 제로인 상태에서, 검증 질량체 전극과 두 고정 전극 각각 사이의 간격들(d)이 명목상 동일할 때, 파형들은 마크:스페이스 비가 50:50인 구형파로 이루어진다. 각 전극에 대한 합력(F)은 다음과 같이 주어지며:
여기서 C는 간극 커패시턴스이고 V는 전압이다. 50:50 마크:스페이스 파형에 대한 평균 전압 레벨은 점선으로 도시된 바와 같이, Vref/2와 같다. 그에 따라 대응하는 평균 힘도 유사하게 피크 값의 절반이 될 것이고, 또한 도 2에 점선으로 도시되어 있다. 고정 전극들이 검증 질량체의 반대 측들에 위치되므로, 힘은 반대 방향들로 작용하고, 그에 따라 검증 질량체 상에 작용하는 알짜 힘은 제로가 될 것이다. 이러한 파형들은 임계 감쇠되고 그에 따라 이러한 주파수에서 큰 움직임이 발생하지 않는 검증 질량체의 기계적 공진 주파수와 비교하여 초단파(예를 들어, fmod ~ 100 kHz)에서 알맞게 변조된다.
가속도계에 가속도가 인가될 때, 검증 질량체의 변위에 의해 생성되는 신호는 PWM 신호의 마크:스페이스 비를 조정하는 제어 루프로 피드백된다. 이는 고정 전극들과 검증 질량체 사이의 힘을 상이하게 변경하여 검증 질량체를 다시 널 위치로 구동한다. 알짜 힘은 다음과 같이 주어지며:
여기서 d1 및 d2는 각각 전극 1 및 2 커패시터 간극들을 나타내고, w1 및 w2는 고정 전극들에 인가되는 두 파형에 대한 펄스 폭들이다(즉, 전압은 Vref이다). 25:75 마크:스페이스 비를 발생시키는 대표적인 양의 가속도에 대한 파형들 및 합력들이 도 3에 도시되어 있다. 전극 1에 인가되는 감소된 펄스 폭은 평균 전압 및 그에 따라 평균 힘을 감소시키는 한편 전극 2에 대한 평균 전압 및 평균 힘은 증가한다. 검증 질량체 상의 평균 알짜 힘은 전극들 1과 2 사이의 차별력으로 주어진다. 각 구동 신호에 의해 생성되는 개별적인 평균 힘은 비선형이지만, 둘은 함께 작동하여 비선형성을 상쇄하고 마크:스페이스 비에 대하여 선형적으로 변하는 알짜 힘을 생성한다.
그러한 종래 기술의 용량성 가속도계에서, 고정 전극들과 검증 질량체 사이의 큰 평균 DC 전압으로 인해 유전 충전(dielectric charging)이 발생한다. 이러한 전압 레벨들은 또한 인가되는 가속도 레벨에 따라 변하므로 충전 특성들을 변경시킬 것이다. 도 1의 제어 방식에서, Vref에 대해 30 V의 전압 레벨을 인가하면 고정 전극들 각각과 검증 질량체 사이에 15 V의 평균 DC 오프셋이 발생하며 이는 0 g이 인가될 때에도 검증 질량체 상에 큰 반대 힘들을 발생시킨다. 평균 전압 오프셋은 인가되는 g 레벨에 따라 변할 것이나, 통상적으로 임의의 실제 적용시 항상 큰 오프셋이 존재할 것이다.
그러나, 본 출원인들은 고정 전극들과 검증 질량체 사이의 평균 전압 오프셋을 제거함으로써 그러한 유전 충전이 실질적으로 제거될 수 있음을 인식했다. 이는 검증 질량체 전압 레벨을 Vref/2로 먼저 오프셋함으로써 이루어질 수 있다. 그에 따라 전압 파형들은 검증 질량체 전압 레벨에 맞춰 대칭적으로 변하여 검증 질량체와 고정 전극들 사이에 평균 제로 오프셋을 제공할 것이다. 이는 전하 이동을 구동하는 전압 기울기 및 그에 따라 문제가 되는 스케일 팩터 및 바이어스 드리프트를 제거한다.
그러나, 본 출원인은 도 1 내지 도 3의 알려져 있는 제어 방식에서 검증 질량체 전압을 단순히 오프셋하는 것만으로는 폐루프 동작의 필요한 힘 피드백이 얻어질 수 없다는 것을 인식했다. 도 4는 검증 질량체 전압을 단순히 오프셋하는 효과를 도시한다. 평균 DC 전압이 제거되면서, V2로서 변하는 힘이 정류됨에 따라 양극 및 음극 펄스가 동일한 극성의 동일한 힘들을 생성함을 알 수 있다. 따라서 마크:스페이스 비를 변해도 평균 힘의 변화가 유도되지 않으므로 힘 피드백이 인가될 수 없다.
본 개시에 따른 예들에서, 구동 신호 파형들은 도 5에 도시된 바와 같이 펄스 폭 변조를 인가함으로써 평균 힘이 조정될 수 있도록 수정된다. 전극 1 전압 파형(V1)은 처음 반주기에서 Vref/2와 Vref 사이에서 계단 모양을 그려 양의 펄스(검증 질량체 전압에 대하여)로 첫 번째 '마크'를 제공하고, 두 번재 반주기에서 Vref/2와 제로 사이에서 계단 모양을 그려 두 번째 음의 펄스(검증 질량체 전압에 대하여)를 제공한다. 이러한 펄스들은 Vref/2의 전압 레벨의 '스페이스'로 구분된다. 검증 질량체에 관한 전압은 V1 및 V2에 대한 플롯들의 우변 상에 제공된다. 검증 질량체에 의해 보여지는 ±15 V의 전체 전압 변화는 종래 기술 제어 방식에서 인가되었던 것과 동일한 30 V 범위이지만, 이제 점선으로 표시된 바와 같이 평균 전압이 제로이다. 종래 기술의 파형들(도 2)을 본 개시의 일례의 파형들(도 5)과 비교할 때, 동일한 시간 척도에 대해, 본 개시에 대한 파형의 주파수(fmod)는 종래 기술의 절반이 될 것이다. 도 5에 도시된 합력의 시간적 형태는 양 및 음의 전압 사이클의 정류로 인해 2xfmod에 있고 기본적으로 도 2와 동일하다.
도 6은 마크:스페이스 비를 25:75로 조정한 효과를 도시하며, 여기서 양 및 음의 사이클들의 펄스 폭들이 동일하게 조정되어, 평균 전압을 제로로 유지하면서 차별력이 조정될 수 있게 한다. 마크들의 시간이 더 짧긴 하지만, 이전과 같이, 전극 1 전압 파형(V1)은 처음 반주기에서 Vref/2와 Vref 사이에서 계단 모양을 그려 양의 펄스(검증 질량체 전압에 대하여)로 첫 번째 '마크'를 제공하고, 두 번재 반주기에서 Vref/2와 제로 사이에서 계단 모양을 그려 두 번째 음의 펄스(검증 질량체 전압에 대하여)를 제공한다. 25:75의 마크:스페이스 비는 전극들 1과 2 사이에 차별력을 생성하고 그로 인해 인가되는 가속도의 관성력의 평형을 잡고 검증 질량체를 널 위치에 유지시키도록 검증 질량체 상에 알짜 정전 복원력을 생성한다. 검증 질량체에 관한 전압은 V1 및 V2에 대한 플롯들의 우변 상에 제공된다. 다시, 합력의 시간적 형태는 도 3에 도시된 것과 동일하다.
도 5 내지 도 6에 보여지는 예에서 평균 구동력 F ∝ (Vref/2)2이므로 이러한 제어 방식은 구동력을 x4의 팩터로 감소시킨다. 이는 더 큰 전압 범위가 인가되지 않는 한 주어진 가속도계에 대한 전체 g 범위를 제한한다. 그러나, 많은 고정밀 적용 예에서는 큰 g 범위를 필요로 하지 않는다. 그러나 g 범위는 필요한 경우, Vref 값을 증가시켜 증가될 수 있다.
도 7은 용량성 가속도계의 폐루프 동작을 위한 개시된 방법, 즉 힘 피드백 제어 방식을 구현하기 위한 대표적인 수단들의 블록도를 도시한다. 펄스 폭 변조(PWM) 신호 생성기는 전압들(Vref, Vref/2 및 0 V)을 공급받고 도 5 및 도 6에 도시된 전극 전압 파형들(V1 및 V2)을 각각 전극들 1 및 2에 출력한다. 검증 질량체로부터의 신호는 DC 바이어싱 요소(이는 예를 들어 저항기로 이루어질 수 있다)를 통해 Vref/2를 기준으로 하는 전치 증폭기에 인가되며, 이는 검증 질량체 기준 전압을 동일한 레벨로 오프셋한다. 이는 도 1에 도시된 바와 같이, 검증 질량체가 0 V를 기준으로 하는 종래 기술과 상이하다. 전치-증폭기 출력은 복조되고, 신호를 적분하고 마크:스페이스 비를 조정하기 위해 PWM 신호 생성기를 제어하는데 사용되는 출력으로 시스템의 동적 응답을 설정하는 루프 필터에 적용된다. 전치-증폭기, 복조기, 루프 필터 및 PWM 신호 생성기에 대한 피드백은 폐루프 회로(10)를 형성한다.
본 개시의 예들과 US7267006에 설명된 종래 기술의 제어 방식 사이에는 전치-증폭기에 의해 검출되는 신호 및 그것의 후속하는 복조에 있어서 상당한 차이가 있다. 도 1의 이전 방식의 경우, 전치-증폭기(개방형 루프 가속도계 구성)에 의해 검출되는 AC 신호가 도 8에 개략적으로 도시되어 있다. 예를 들어, 양의 가속도가 인가될 때, 전극 1 신호는 차동 간극 변화로 인해 전극 2 신호보다 클 것이다. 도 8은 인가된 양, 제로 및 음의 가속도에 대한 결과 신호를 도시한다. 구동 파형(V1)의 상승 및 하강 에지들은 입력 파형으로부터 발생하는 임의의 신호 과도 현상을 피하기 위해 고정된 지연 후에 발생하는 신호 샘플링을 트리거하는데 사용된다. 샘플링 지점들은 도 8에서 십자표들로 도시된다. 구동 파형(V1) 상의 대응하는 지점들이 도 2 내지 도 3에 도시되어 있다. 지연은 펄스 지속 시간의 대략 5%와 동일하게 알맞게 설정되며 이는 대표적인 100 kHz 변조 주파수(fmod)의 경우, 0.25 마이크로초 지연와 동일하다. 샘플링 기간 동안 전환이 발생하지 않도록 5%:95% ＜ 마크:스페이스 ＜ 95%:5%의 제한이 설정된다. 가속도 신호는 다음과 같이 샘플들 A와 샘플들 B 사이의 레벨들의 차이로부터 도출된다:
폐루프 동작시 이러한 AC 신호는 전치-증폭기에 대한 입력에서 널을 이루기 위해 마크:스페이스 비를 조정하는데 사용된다. 그에 따라 도 8에 도시된 파형들은 전치-증폭기 출력이 항상 제로에 유지되도록 수정될 것이다. 그러나 샘플링 지점들은 구형 파형의 상승 및 하강 에지들에 따라 변할 것이며, 이는 이제 가변 마크:스페이스 비가 펄스 폭 변조된다. 폐루프 구성에 대한 전치-증폭기 출력 및 대응하는 샘플 지점들은 도 9에 도시되어 있다. 구동 파형(V1) 상의 대응하는 지점들은 도 2 내지 도 3에 도시되어 있으며, 도 2(50:50)는 제로 가속도를 나타내고 도 3(25:75)은 양 및 음의 가속도들을 나타낸다.
양, 0 및 음의 가속도들이 인가되는 경우, 본 개시의 예들을 대해 전치-증폭기에 의해 측정되는 대응하는 개루프 AC 신호들이 도 10에 도시되어 있다. 인가되는 가속도가 0이더라도, fmod에서 큰 AC 신호가 존재함을 알 수 있다.. 이러한 구현 예에 대해, 양의 가속도에 의해 검증 질량체의 변위가 유도되면, 샘플 A 레벨은 샘플 B에 대한 것보다 작은 양의 값을 제공할 것이다. 다음 두 샘플의 경우, 샘플 C 레벨은 샘플 D에 대한 것보다 작은 음의 값일 것이다. 가속도 신호는 다음과 같이 샘플들을 합산하여 도출된다:
음의 가속도의 경우, 결과 가속도 신호의 극성이 반전될 것이다. 이러한 프로세스를 통해 큰 AC 백그라운드 신호가 존재함에도 불구하고 가속도 신호가 추출될 수 있다. 즉, 가속도 신호가 백그라운드(제로 가속도) 신호 상에 중첩되는 상대적으로 작은 섭동으로 나타난다. 개루프 가속도계의 경우 이는 가속도의 직접 측정을 제공하지만, 폐루프 동작시 이러한 신호는 입력 가속도 신호가 널링되도록 마크:스페이스 비를 조정하는데 사용된다.
fmod에서 도 10에 도시된 큰 AC 파형은 보다 작은 가속도-유도 신호 편차 상에 중첩된다. 전치-증폭기에 입력되는 이러한 큰 신호는 그것이 포화를 피하기 위해 인가될 수 있는 이득을 제한하기 때문에 문제가 될 수 있다. 이러한 제한은 동일한 진폭의 전치-증폭기에 입력되는 역위상 보상 신호를 합산하여 극복할 수 있다. 이는 도 11에 개략적으로 도시된 바와 같이 구현될 수 있다. 용량성 가속도계는 이러한 예에서 Vref/2와 -Vref/2 사이에서 변하는 구형파 보상 신호(fmod에서)가 PWM 신호 생성기에 의해 추가로 생성된다는 점을 지외하고는, 기본적으로 도 7과 관련하여 이미 설명한 바와 동일하다. 이는 보상 신호의 타이밍 및 진폭이 전극들 1 및 2에 인가된 구동 신호 파형들과 정확하게 동기화되도록 보장한다. 보상 신호는 전극들 1 및 2의 간극 커패시턴스와 실질적으로 동일한 값의 커패시턴스를 갖는 고정 "보상" 커패시터 C에 인가되며, 그 다음 커패시터 C로부터의 신호는 전치-증폭기 입력에 인가된다. 그러면 전치-증폭기에 대한 입력에서 수신된 보상 신호는 검증 질량체 전극으로부터 입력되는 신호와 실질적으로 진폭이 동일하지만 위상이 반대이다. 도 12는 인가되는 가속도가 양의 가속도인 대표적인 사례에 대한 보상 효과를 도시한다. 보상되지 않은 신호는 큰 피크 대 인가되는 가속도에 기인하는 단지 작은 성분인 피크 편차를 도시한다. 보상 신호(점선)의 적용 후, 편차는 크게 줄어든다. 정확히 정합되는 보상 신호의 경우, 결과 출력 신호는 인가되는 가속도도로 인해 발생하는 성분들만을 포함할 것이다.
폐루프 모드에서 동작되고 보상 신호가 인가될 때, 개루프에 대해 도 10에 도시된 전치-증폭기 출력 파형은 도 13에 도시된 바와 같이 수정될 것이다. 이는 전치-증폭기의 이득을 보상 신호가 없을 때 가능했던 것보다 상당히 높게 설정될 수 있게 함에 따라, 측정 분해능 및 그로 인해 가속도계의 감도 및 노이즈 성능을 상당히 개선시킨다.
검증 질량체 및 고정 용량성 전극들은 여기에 일반적으로 개시된 용량성 가속도계에서의 임의의 적절한 배열을 가질 수 있다. 예를 들어, 검증 질량체는 매달리거나 힌지된 구조로 이동 가능할 수 있다. EP0338688은 실리콘 캔틸레버의 끝 부분에 형성된 이동 가능한 검증 질량체 전극 및 이동 가능한 전극에 대향하도록 배열된 고정 전극들의 적용 가능한 예를 제공한다. 그러나, 일부 바람직한 예에서, 검증 질량체는 평평하고 제1 및 제2 고정 용량성 전극들로부터 연장되는 고정 전극 핑거들과 맞물리는 이동 가능한 전극 핑거들을 포함한다. 그러한 맞물리거나 빗살 모양의 전극 구조는 예를 들어 US6761069, US6631643, 또는 US7267006 중 어느 하나에 개시된 바와 같이 해당 기술분야에 주지되어 있으며, 이들 각각의 내용은 이에 의해 참고로 원용된다.
용량성 가속도계(101)에 대한 대표적인 전극 구조는 도 14에 개략적으로 도시되어 있으며, 이는 US7267006에 설명된 것과 유사하다. 이러한 예에서, 검증 질량체(102)는 인가되는 가속도에 반응하여 감지 축(이중 화살표로 표시됨)을 따라 평면에서 선형적으로 이동 가능하도록 유연한 지지 다리들(114)에 의해 고정된 기판(보이지 않음)에 장착된다. 유연한 지지 다리들(114)은 검증 질량체(102)의 몸체로부터 연장되고 고정된 기판에 대한 앵커점들(116)에 고정된다.
제1 및 제2 고정 용량성 전극들(104, 106)은 동일한 평면에 고정된 기판에 형성된다. 검증 질량체(102)는 검증 질량체(102)로부터, 감지 축에 실질적으로 수직하게 그리고 감지 축을 따라 떨어져 이격되게 연장되는 이동 가능한 용량성 전극 핑거들(108)의 제1 및 제2 세트들을 포함한다. 또한 제1 및 제2 고정 용량성 전극들(104, 106)은 각각, 감지 축에 실질적으로 수직하게 그리고 감지 축을 따라 떨어져 이격되게 연장되는 고정 용량성 전극 핑거들의 제1 및 제2 세트들(110, 112)을 포함한다는 것을 볼 수 있다. 고정 용량성 전극들의 제1 세트(110)는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들(110) 간 중선(m)으로부터 감지 축을 따라 하나의 방향에서 제1 오프셋으로 이동 가능한 용량성 전극 핑거들(108a)의 제1 세트와 맞물리도록 배열되고, 고정 용량성 전극들의 제2 세트(112)는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들(112) 간 중선(m)으로부터 감지 축을 따라 반대 방향에서 제2 오프셋으로 이동 가능한 용량성 전극 핑거들(108b)의 제2 세트와 맞물리도록 배열된다.
검증 질량체(102)는 인가되는 가속도에 반응하여 감지 축을 따라 하나의 방향에서 고정 전극들(104, 106)에 관해 평면 내에서 이동할 수 있다. 고정 전극 핑거들의 두 세트(110, 112)가 검증 질량체 핑거들(108a, 108b)로부터 반대 방향들로 오프셋되므로, 어느 하나의 방향으로의 움직임이 측정될 수 있다. 이러한 오프셋들은 크기가 동일할 수 있다. 이동 가능한 핑거들(108a, 108b)에 관해 고정 전극 핑거들의 제1 세트(110) 및 고정 전극 핑거들의 제2 세트(112)에 대한 오프셋의 차이는 구동 신호(예를 들어, 전압 파형)가 고정 전극 핑거들의 제1 및 제2 세트들(110, 112)에 인가될 때 인력을 유발한다.
개루프 동작에서, 인가되는 가속도에 반응하여 검증 질량체(102)의 움직임은 검증 질량체 핑거들(108a, 108b)과 고정 전극 핑거들(110, 112) 사이의 오프셋에 변화를 유발한다. 이러한 변화는 그것이 차동 커패시턴스의 변화를 유발할 것이기 때문에, 가속도를 계산하는데 사용될 수 있다. 폐루프 동작시, 맞물린 전극 핑거들은 실제로 서로에 관해 이동하지 않는다. 펄스 폭 변조(PWM)를 제1 및 제2 고정 용량성 전극들 (104, 106)에 인가되는 제1 및 제2 구동 신호들에 인가하면, 정전기 복원력이 검증 질량체 핑거들(108a, 108b) 상에 작용하여 가속도 하에서 검증 질량체(102)가 가속도의 관성력이 알짜 정전 복원력에 의해 평형을 이루면서, 도 14에 보이는 널 위치로부터 이동하지 않게 된다.
해당 기술분야의 통상의 기술자들은 본 개시가 하나 이상의 특정 예를 설명함으로써 예시되었지만, 이러한 양태들에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다; 첨부된 청구항들의 범위 내에서 많은 변경 및 변형이 가능하다.
Claims (15)
- 용량성 가속도계의 폐루프 동작을 위한 방법으로서, 상기 용량성 가속도계는:
인가되는 가속도에 반응하여 감지 축을 따라 이동 가능한 검증 질량체; 및
인가되는 가속도가 제로인 상태에서 제1 및 제2 고정 용량성 전극들 각각과 상기 검증 질량체 사이에 획정되는 간극을 갖고 상기 감지 축을 따라 상기 검증 질량체의 어느 하나의 측에 대칭적으로 배열되는 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들을 포함하고;
상기 방법은:
상기 제1 고정 용량성 전극에 제1 구동 신호(V1)를 그리고 상기 제2 고정 용량성 전극에 제2 구동 신호(V2)를 인가하는 단계로서, 상기 제1 및 제2 구동 신호들은 각각 제로와 최대 값(Vref) 사이에서 진폭이 변하는 주기 파형을 갖는, 상기 인가하는 단계; 및
상기 검증 질량체의 변위를 감지하고 인가된 상기 가속도의 관성력의 평형을 잡고 상기 검증 질량체를 널 위치에 유지시키도록 상기 검증 질량체 상에 알짜 정전 복원력을 제공하기 위해 일정한 주파수(fmod) 및 가변 마크/스페이스 비를 갖는 상기 제1 및 제2 구동 신호들에 펄스 폭 변조를 인가하는 단계를 포함하며;
다음:
상기 검증 질량체에 전압 오프셋(Vref/2)을 인가하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 구동 신호들이 상기 제1 및 제2 구동 신호들 중 어느 하나의 구동 신호가 Vref 또는 제로에 있을 때 다른 구동 신호가 Vref/2에 있도록 변하는 파형을 갖도록 상기 펄스 폭 변조를 인가하는 단계에 의해 특징지어지는, 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 구동 신호들은 처음 반주기에서 Vref/2와 Vref 사이에서 계단 모양을 그리고 두 번째 반주기에서 Vref/2와 제로 사이에서 계단 모양을 그리는 파형을 갖는, 방법.
- 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 제1 및 제2 구동 신호들은 상기 처음 반주기에서 단일 구형파 펄스를 그리고 상기 제2 반주기에서 상기 제1 반주기에서의 상기 단일 구형파 펄스에 관해 약 Vref/2 역전되는 단일 구형파 펄스를 포함하는 파형을 갖는, 방법.
- 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 검증 질량체에 전압 오프셋 Vref/2를 인가하는 단계는 상기 제1과 제2 고정 용량성 전극들 사이 중간의 전기 연결을 상기 검증 질량체의 기준으로 하는 단계를 포함하는, 방법.
- 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 검증 질량체에서의 출력 신호를 샘플링함으로써 상기 검증 질량체의 변위를 감지하는 단계; 및
상기 출력 신호에 보상 신호를 추가하는 단계를 더 포함하며, 상기 보상 신호는 일정한 주파수(fmod)와 동일한 펄스 폭 변조를 갖고, 상기 보상 신호는 상기 출력 신호와 역위상인, 방법. - 청구항 5에 있어서,
인가되는 가속도가 제로인 상태에서 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들 각각과 상기 검증 질량체 사이 상기 간극의 상기 커패시턴스에 실질적으로 정합되는 커패시턴스를 갖는 보상 커패시터에 걸쳐 상기 보상 신호를 인가하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
인가된 상기 가속도를 나타내는 신호를 출력하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 용량성 가속도계는 실리콘 MEMS 구조를 포함하고/거나 상기 검증 질량체는 실질적으로 평면인, 방법.
- 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 검증 질량체는 인가되는 가속도에 반응하여 상기 감지 축을 따라 평면에서 선형적으로 이동 가능하도록 유연한 지지 다리들에 의해 고정된 기판에 장착되고, 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 상기 동일한 평면에 상기 고정된 기판에 형성되는, 방법.
- 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 검증 질량체는 상기 검증 질량체로부터, 상기 감지 축에 실질적으로 수직하게 그리고 상기 감지 축을 따라 떨어져 이격되게 연장되는 이동 가능한 용량성 전극 핑거들의 제1 및 제2 세트들을 포함하고;
상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 각각, 상기 감지 축에 실질적으로 수직하게 그리고 상기 감지 축을 따라 떨어져 이격되게 연장되는 고정 용량성 전극 핑거들의 제1 및 제2 세트들을 포함하며;
고정 용량성 전극들의 상기 제1 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 간 중선으로부터 상기 감지 축을 따라 하나의 방향에서 제1 오프셋으로 이동 가능한 용량성 전극 핑거들의 상기 제1 세트와 맞물리도록 배열되고, 고정 용량성 전극들의 상기 제2 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 간 중선으로부터 상기 감지 축을 따라 반대 방향에서 제2 오프셋으로 이동 가능한 용량성 전극 핑거들의 상기 제2 세트와 맞물리도록 배열되는, 방법. - 용량성 가속도계로서,
인가되는 가속도에 반응하여 감지 축을 따라 이동 가능한 검증 질량체;
인가되는 가속도가 제로인 상태에서 제1 및 제2 고정 용량성 전극들 각각과 상기 검증 질량체 사이에 획정되는 간극을 갖고 상기 감지 축을 따라 상기 검증 질량체의 어느 하나의 측에 대칭적으로 배열되는 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들;
상기 제1 고정 용량성 전극에 제1 구동 신호(V1)를 그리고 상기 제2 고정 용량성 전극에 제2 구동 신호(V2)를 인가하도록 배열된 펄스 폭 변조 신호 생성기로서, 상기 제1 및 제2 구동 신호들은 각각 제로와 최대 값(Vref) 사이에서 진폭이 변하는 주기 파형을 갖는, 상기 펄스 폭 변조 신호 생성기; 및
상기 검증 질량체의 변위로 인해 발생하는 신호를 검출하고 인가된 상기 가속도의 관성력의 평형을 잡고 상기 검증 질량체를 널 위치에 유지시키도록 상기 검증 질량체 상에 알짜 정전 복원력을 제공하기 위해 가변 마크/스페이스 비를 갖는 일정한 주파수(fmod)에서 상기 제1 및 제2 구동 신호들을 인가하기 위한 펄스 폭 변조 신호 생성기를 제어하도록 배열된 폐루프 회로를 포함하며;
다음:
상기 검증 질량체에 전압 오프셋(Vref/2)이 인가되고;
상기 제1 및 제2 구동 신호들이 상기 제1 및 제2 구동 신호들 중 어느 하나의 구동 신호가 Vref 또는 제로에 있을 때 다른 구동 신호가 Vref/2에 있도록 변하는 파형을 갖는 다는 점에서 특징지어지는, 용량성 가속도계. - 청구항 11에 있어서, 상기 검증 질량체는 상기 검증 질량체는 상기 제1과 제2 고정 용량성 전극들 사이 중간의 전기 연결을 기준으로 하는, 용량성 가속도계.
- 청구항 11 또는 12에 있어서,
상기 검증 질량체에서의 출력 신호를 샘플링하도록 배열된 전치-증폭기를 더 포함하되; 상기 펄스 폭 변조 신호 생성기는 상기 전치-증폭기가 상기 출력 신호에 추가하기 위한 보상 신호를 상기 전치-증폭기에 입력하도록 배열되며, 상기 보상 신호는 일정한 주파수(fmod)와 동일한 펄스 폭 변조를 갖고, 상기 보상 신호는 상기 출력 신호와 역위상인, 용량성 가속도계. - 청구항 13에 있어서,
상기 펄스 폭 변조 신호 생성기와 상기 전치-증폭기 사이에 연결되는 보상 커패시터를 더 포함하며, 상기 보상 커패시터는 인가되는 가속도가 제로인 상태에서 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들 각각과 상기 검증 질량체 사이 상기 간극의 상기 커패시턴스에 실질적으로 정합되는 커패시턴스를 갖는, 용량성 가속도계. - 청구항 11 또는 12에 있어서, 실리콘 MEMS 구조체를 포함하고/거나;
상기 검증 질량체는 인가되는 가속도에 반응하여 상기 감지 축을 따라 평면에서 선형적으로 이동 가능하도록 유연한 지지 다리들에 의해 고정된 기판에 장착되고, 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 상기 동일한 평면에 상기 고정된 기판에 형성되고/거나;
상기 검증 질량체는 실질적으로 평면이고/거나;
상기 검증 질량체는 상기 검증 질량체로부터, 상기 감지 축에 실질적으로 수직하게 그리고 상기 감지 축을 따라 떨어져 이격되게 연장되는 이동 가능한 용량성 전극 핑거들의 제1 및 제2 세트들을 포함하고;
상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 각각, 상기 감지 축에 실질적으로 수직하게 그리고 상기 감지 축을 따라 떨어져 이격되게 연장되는 고정 용량성 전극 핑거들의 제1 및 제2 세트들을 포함하며;
고정 용량성 전극들의 상기 제1 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 간 중선으로부터 상기 감지 축을 따라 하나의 방향에서 제1 오프셋으로 이동 가능한 용량성 전극 핑거들의 상기 제1 세트와 맞물리도록 배열되고, 고정 용량성 전극들의 상기 제2 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 간 중선으로부터 상기 감지 축을 따라 반대 방향에서 제2 오프셋으로 이동 가능한 용량성 전극 핑거들의 상기 제2 세트와 맞물리도록 배열되는, 용량성 가속도계.
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