KR20220037551A - 공진기 및 차동 증폭기를 포함하는 센서 인터페이스 - Google Patents

공진기 및 차동 증폭기를 포함하는 센서 인터페이스 Download PDF

Info

Publication number
KR20220037551A
KR20220037551A KR1020200120030A KR20200120030A KR20220037551A KR 20220037551 A KR20220037551 A KR 20220037551A KR 1020200120030 A KR1020200120030 A KR 1020200120030A KR 20200120030 A KR20200120030 A KR 20200120030A KR 20220037551 A KR20220037551 A KR 20220037551A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
resonator
cantilever beam
differential amplifier
beam bundle
bundle
Prior art date
Application number
KR1020200120030A
Other languages
English (en)
Inventor
강현욱
강성찬
김재흥
이충호
홍혁기
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020200120030A priority Critical patent/KR20220037551A/ko
Priority to US17/182,911 priority patent/US11770658B2/en
Priority to CN202110202648.7A priority patent/CN114204916A/zh
Priority to EP21164252.5A priority patent/EP3972128B1/en
Publication of KR20220037551A publication Critical patent/KR20220037551A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/10—Resonant transducers, i.e. adapted to produce maximum output at a predetermined frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/45475—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using IC blocks as the active amplifying circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/24—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H13/00—Measuring resonant frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/08—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements
    • H03F1/083—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements in transistor amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/181—Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers
    • H03F3/183—Low-frequency amplifiers, e.g. audio preamplifiers with semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/02—Microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one piezoelectric, electrostrictive or magnetostrictive element covered by groups H10N30/00 – H10N35/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0118—Cantilevers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/03—Indexing scheme relating to amplifiers the amplifier being designed for audio applications
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/126—A diode being coupled in a feedback path of an amplifier stage, e.g. active or passive diode
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/135—Indexing scheme relating to amplifiers there being a feedback over one or more internal stages in the global amplifier
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/144—Indexing scheme relating to amplifiers the feedback circuit of the amplifier stage comprising a passive resistor and passive capacitor
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/321—Use of a microprocessor in an amplifier circuit or its control circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/54—Two or more capacitor coupled amplifier stages in cascade
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45134—Indexing scheme relating to differential amplifiers the whole differential amplifier together with other coupled stages being fully differential realised
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45138—Two or more differential amplifiers in IC-block form are combined, e.g. measuring amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45512—Indexing scheme relating to differential amplifiers the FBC comprising one or more capacitors, not being switched capacitors, and being coupled between the LC and the IC
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45518—Indexing scheme relating to differential amplifiers the FBC comprising one or more diodes and being coupled between the LC and the IC
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45526—Indexing scheme relating to differential amplifiers the FBC comprising a resistor-capacitor combination and being coupled between the LC and the IC
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45528—Indexing scheme relating to differential amplifiers the FBC comprising one or more passive resistors and being coupled between the LC and the IC
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45544—Indexing scheme relating to differential amplifiers the IC comprising one or more capacitors, e.g. coupling capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45546—Indexing scheme relating to differential amplifiers the IC comprising one or more capacitors feedback coupled to the IC
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45566—Indexing scheme relating to differential amplifiers the IC comprising one or more dif stages in cascade with the dif amp
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45594—Indexing scheme relating to differential amplifiers the IC comprising one or more resistors, which are not biasing resistor
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2203/00—Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45—Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45601—Indexing scheme relating to differential amplifiers the IC comprising one or more passive resistors by feedback
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
    • H03H9/02259—Driving or detection means
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/24—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive
    • H03H9/2405—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive of microelectro-mechanical resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2201/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones covered by H04R1/00 but not provided for in any of its subgroups
    • H04R2201/003—Mems transducers or their use
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R2410/00—Microphones
    • H04R2410/03—Reduction of intrinsic noise in microphones

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

일 측면에 따른 센서 인터페이스는 적어도 하나의 공진기를 포함하는 제1 캔틸레버 빔 묶음, 적어도 하나의 공진기를 포함하는 제2 캔틸레버 빔 묶음, 및 상기 제1 캔틸레버 빔 묶음의 출력 단자와 전기적으로 연결된 제1 입력 단자 및 상기 제2 캔틸레버 빔 묶음의 출력 단자와 전기적으로 연결된 제2 입력 단자를 포함하는 차동 증폭기를 포함한다.

Description

공진기 및 차동 증폭기를 포함하는 센서 인터페이스 {Sensor interface comprising resonator and differential amplifier}
공진기 및 차동 증폭기를 포함하는 센서 인터페이스에 관한다.
음향 센서는 무지향성 음향 센서와 지향성 음향 센서로 분류될 수 있다.
무지향성 음향 센서는 멤브레인을 포함하는 필터에 의해 구현될 수 있다. 멤브레인을 포함하는 필터는 멤브레인이 음압 변화에 따라 커패시턴스에 변화를 일으킴으로써 전기 신호를 발생시킨다.
지향성 음향 센서는 음향 신호의 방향을 감지할 수 있는 센서로, 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들을 포함하는 필터에 의해 구현될 수 있다. 복수의 공진기들을 포함하는 필터에서 특정 주파수의 음향 신호에 반응하여 공진하는 공진기에 의해 전기 신호가 발생된다. 복수의 공진기들을 포함하는 필터의 설계 목표로 높은 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)가 고려될 수 있다.
공진기 및 차동 증폭기를 포함하는 센서 인터페이스를 제공하는데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
일 측면에 따르면, 센서 인터페이스는, 적어도 하나의 공진기를 포함하는 제1 캔틸레버 빔 묶음; 적어도 하나의 공진기를 포함하는 제2 캔틸레버 빔 묶음; 및 상기 제1 캔틸레버 빔 묶음의 출력 단자와 전기적으로 연결된 제1 입력 단자 및 상기 제2 캔틸레버 빔 묶음의 출력 단자와 전기적으로 연결된 제2 입력 단자를 포함하는 차동 증폭기를 포함한다.
다른 측면에 따르면, 음향 처리 장치는, 상기 센서 인터페이스; 및 상기 센서 인터페이스의 출력 신호를 처리하도록 구성된 프로세서를 포함한다.
도 1은 일 실시예에 따른 센서 인터페이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 도 1의 센서 인터페이스를 나타내는 회로 다이아그램이다.
도 3은 일 실시예에 따른 센서 인터페이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 공진기를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 공진기의 길이와 공진 주파수의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 공진기와 차동 증폭기의 연결 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 공진기와 차동 증폭기의 연결 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 차동 증폭기의 피드백 저항 및 피드백 커패시턴스를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 도 3의 센서 인터페이스를 나타내는 회로 다이아그램이다.
도 10a 내지 10c는 도 1의 센서 인터페이스의 노이즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 11a 내지 11c는 도 2의 센서 인터페이스의 노이즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 센서 인터페이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따른 음향 처리 장치를 설명하기 위한 도면이다.
실시예들에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 실시예들에서 사용되는 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 실시예는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 예에 한정되지 않는다.
도 1은 일 실시예에 따른 센서 인터페이스를 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에 따른 센서 인터페이스(100)는 차동 증폭기(110) 및 캔틸레버 빔 묶음(120)을 포함한다.
캔틸레버 빔 묶음(120)은 음향 주파수 대역의 신호를 필터링하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버 빔 묶음(120)은 20Hz ~ 20kHz 범위의 가청 주파수 대역의 음향 신호를 필터링하도록 구성될 수 있다.
캔틸레버 빔 묶음(120)은 복수의 공진기들(121)을 포함할 수 있다. 복수의 공진기들(121)의 공진 주파수들은 다를 수 있다. 공진기에 의해 공진기의 공진 주파수에 대응되는 음향 신호가 필터링될 수 있다.
캔틸레버 빔 묶음(120)은 음향 신호에 반응하여 진동하는 공진기에 의해 전기 신호를 발생시키고, 차동 증폭기(110)는 전기 신호를 증폭시킴으로써 출력 신호를 발생시킨다.
도 2는 일 실시예에 따른 도 1의 센서 인터페이스를 나타내는 회로 다이아그램이다.
센서 인터페이스(200)는 도 2의 회로 다이아그램으로 해석될 수 있으며, 센서 인터페이스(200)의 출력 신호의 노이즈는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 이때, 센서 인터페이스(200)의 출력 신호의 노이즈는 차동 증폭기의 출력 신호의 노이즈를 의미할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
센서 인터페이스(200)의 SNR(signal-to-noise ratio)은 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00005
수학식 1 및 2에서,
Figure pat00006
는 센서 인터페이스(200)의 출력 신호의 노이즈이고,
Figure pat00007
는 캔틸레버 빔 묶음(220)으로 인한 노이즈이고,
Figure pat00008
는 차동 증폭기(210)의 누설 전류(leakage current)로 인한 노이즈이고,
Figure pat00009
는 차동 증폭기(210)로 인한 노이즈이고, N은 캔틸레버 빔 묶음(220)의 공진기들의 개수이고, CB는 공진기의 커패시턴스이고, EF는 캔틸레버 빔 묶음(220)의 출력 단자와 접지 사이의 전위차이고, EAMP는 차동 증폭기(210)의 입력 단자와 접지 사이의 전위차이고, IN은 차동 증폭기(210)의 입력 단자의 누설 전류이고, Cf는 차동 증폭기(210)의 피드백 커패시턴스이고, Rf는 차동 증폭기(210)의 피드백 저항이다.
캔틸레버 빔 묶음(220)에서 공진기들은 서로 다른 공진 주파수를 갖도록 구성된다. 따라서, 특정 주파수의 음향 신호가 발생하면, 특정 주파수에 대응하는 공진 주파수를 갖는 활성 공진기(221a, active resonators)에 의해 전기 신호가 발생하게 된다. 수학식 1을 참조하면,
Figure pat00010
및
Figure pat00011
는 공진기들의 개수 N에 비례한다. 또한, 수학식 2를 참조하면, SNR은 공진기들의 개수 N에 반비례한다. 따라서, 특정 주파수의 음향 신호가 발생하였을 때, 특정 주파수에 대응하는 공진 주파수를 갖지 않는 비활성 공진기(221b, inactive resonators)들로 인해 센서 인터페이스(200)에 노이즈가 발생될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 센서 인터페이스를 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에 따른 센서 인터페이스(300)는 제1 캔틸레버 빔 묶음(320), 제2 캔틸레버 빔 묶음(330), 및 차동 증폭기(310)를 포함한다.
제1 캔틸레버 빔 묶음(320) 및 제2 캔틸레버 빔 묶음(330)은 음향 주파수 대역의 신호를 필터링 하도록 구성될 수 있다. 제1 캔틸레버 빔 묶음(320)이 필터링하는 신호의 주파수 대역은 제2 캔틸레버 빔 묶음(330)이 필터링하는 신호의 주파수 대역과 다를 수 있다. 예를 들어, 센서 인터페이스(300)가 20Hz ~ 20kHz 범위의 가청 주파수 대역의 음향 신호를 대상으로 하는 경우, 제1 캔틸레버 빔 묶음(320)은 20Hz이상 200Hz미만의 범위의 주파수 대역의 신호를 필터링하도록 구성되고, 제2 캔틸레버 빔 묶음(330)은 200Hz이상 20kHz이하의 범위의 주파수 대역의 신호를 필터링하도록 구성될 수 있다.
제1 캔틸레버 빔 묶음(320)은 적어도 하나의 공진기(321)를 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 제2 캔틸레버 빔 묶음(330)은 적어도 하나의 공진기(331)를 포함하도록 구성될 수 있다. 설계 조건에 따라, 제1 캔틸레버 빔 묶음(320)과 제2 캔틸레버 빔 묶음(330)은 각각 수십 ~ 수천개의 공진기들을 포함하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서는 제1 캔틸레버 빔 묶음(320)과 제2 캔틸레버 빔 묶음(330)이 동일한 개수의 공진기를 포함하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 제1 캔틸레버 빔 묶음(320)과 제2 캔틸레버 빔 묶음(330)은 다른 개수의 공진기를 포함하도록 구성될 수 있다.
제1 캔틸레버 빔 묶음(320)의 공진기(321)의 공진 주파수는 제2 캔틸레버 빔 묶음(330)의 공진기(331)의 공진 주파수와 다를 수 있다. 또한, 제1 캔틸레버 빔 묶음(320)이 복수의 공진기들을 포함하는 경우, 복수의 공진기들의 공진 주파수들은 서로 다를 수 있다. 또한, 제2 캔틸레버 빔 묶음(330)이 복수의 공진기들을 포함하는 경우, 복수의 공진기들의 공진 주파수들은 서로 다를 수 있다. 그러나, 동일한 공진 주파수를 갖는 복수의 공진기들이 사용되는 실시예가 제외되는 것은 아니다.
차동 증폭기(310)는 제1 캔틸레버 빔 묶음(320)에 의해 필터된 신호와 제2 캔틸레버 빔 묶음(330)에 의해 필터된 신호의 차이를 증폭시킴으로써 출력 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서 차동 증폭기(310)의 제1 입력 단자(IN1AMP)는 제1 캔틸레버 빔 묶음(320)의 출력 단자(OUTF1)와 전기적으로 연결되고, 차동 증폭기(310)의 제2 입력 단자(IN2AMP)는 제2 캔틸레버 빔 묶음(330)의 출력 단자(OUTF2)와 전기적으로 연결된다.
제1 입력 단자(IN1AMP)와 출력 단자(OUTF1)는 직접적으로 연결되거나, 적어도 하나의 회로 소자를 통하여 간접적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 입력 단자(IN1AMP)와 출력 단자(OUTF1) 사이에는 저항, 트랜지스터, 커패시터, 스위치 등의 회로 소자가 배치될 수 있다. 마찬가지로, 제2 입력 단자(IN2AMP)와 출력 단자(OUTF2)도 직접적으로 연결되거나, 회로 소자를 통하여 간접적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에서 차동 증폭기(310)는 제1 출력 단자(OUT1AMP) 및 제2 출력 단자(OUT2AMP)를 포함한다. 다른 실시예에서 차동 증폭기(310)는 하나의 출력 단자를 포함하도록 구성될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 공진기를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 절단선 A-A'으로 자른 공진기의 단면도를 나타낸다.
일 실시예에서 공진기는 고정 부재(410), 센서 유닛(420), 지지 부재(430), 및 질량체(440)를 포함한다.
고정 부재(410)는 지지 부재(430)의 일단을 고정하도록 구성된다. 지지 부재(430)는 빔(beam)일 수 있다. 일 실시예에서 지지 부재(430)는 캔틸레버이고, 지지 부재(430)의 타단에 질량체(440)가 배치된다. 지지 부재(430)는 Si 등으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 질량체(440)는 Au 등의 금속으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에서 센서 유닛(420)은 지지 부재(430)의 일단에 배치된다. 센서 유닛(420)은 공진기가 진동함에 따라 전기 신호를 생성할 수 있다. 센서 유닛(420)은 피에조 센서일 수 있다. 센서 유닛(420)은 상측 전극(421), 하측 전극(423), 및 상측 전극(421)과 하측 전극(423) 사이에 배치된 압전 물질층(422)을 포함할 수 있다.
하측 전극(423)은 지지 부재(430) 상에 배치될 수 있다. 하측 전극(423)은 지지 부재(430) 상에 직접(directly on) 배치될 수 있다. 또는, 하측 전극(423)은 지지 부재(430) 상에서 이격되어(above) 배치될 수 있다. 예를 들어, 하측 전극(423)과 지지 부재(430) 사이에는 선택적으로 절연층이 배치될 수 있다.
상측 전극(421) 및 하측 전극(423)은 몰리브덴(Mo) 등의 금속 물질로 형성될 수 있다. 압전 물질층(422)은 AlN, ZnO, SnO, PZT, ZnSnO3, Polyvinylidene fluoride(PVDF), poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene)(P(VDF-TrFE)), 또는 PMN-PT로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상측 전극(421), 압전 물질층(422), 및 하측 전극(423)은 동일한 길이, 너비, 및 면적을 갖도록 구성될 수 있다. 또는, 상측 전극(421), 압전 물질층(422), 및 하측 전극(423) 중 어느 하나의 길이, 너비, 또는 두께는 대응되는 다른 하나의 길이, 너비, 또는 두께와 다르도록 구성될 수 있다
공진기들 각각은 별개의 상측 전극(421), 압전 물질층(422), 및 하측 전극(423)을 갖도록 구성될 수 있다. 또는, 공진기들 각각은 상측 전극(421) 및 압전 물질층(422)을 갖고, 공진기들 전체가 공유 전극으로서 하측 전극(423)을 갖도록 구성될 수 있다. 또는, 공진기들 각각은 하측 전극(423) 및 압전 물질층(422)을 갖고, 공진기들 전체가 공유 전극으로서 상측 전극(421)을 갖도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따른 센서 인터페이스에서, 공진기의 외부로부터 진동, 음향, 또는 힘이 작용할 때, 질량체(440)의 움직임에 따라 관성력이 발생할 수 있다. 지지 부재(430)의 공진 주파수와 외부의 진동, 음향, 또는 힘의 주파수가 일치하게 되면 공진 현상이 발생하고 관성력이 증가된다. 증가된 관성력은 센서 유닛(420)에 굽힘 모멘트를 발생시키고, 굽힘 모멘트는 센서 유닛(420)의 각 층에 스트레스를 유발하게 된다. 압전 물질층(422)은 압전 물질층(422)에 적용되는 스트레스에 비례하는 크기의 전하(charge)를 발생시킬 수 있으며, 상측 전극(421)과 하측 전극(423) 사이의 정전용량에 반비례하여 전압이 발생하게 된다. 결과적으로 외부로부터 진동, 음향, 또는 힘 등의 외력에 의하여 센서 유닛(420)에서 발생된 전압을 검출하고 해석함으로써 외력에 관한 정보가 획득될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 공진기의 길이와 공진 주파수의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에 따른 센서 인터페이스는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 공진기들을 포함할 수 있다.
공진기들의 지지 부재들이 서로 다른 길이를 가짐으로써, 공진기들의 공진 주파수들은 서로 다를 수 있다. 이 경우, 지지 부재의 길이가 짧아질수록 공진기의 공진 주파수는 높아질 수 있다.
또는, 공진기들의 지지 부재들이 동일한 길이를 갖고 공진기들의 고정 부재들이 서로 다른 길이를 가짐으로써, 공진기들의 공진 주파수들은 서로 다를 수 있다. 고정 부재의 길이가 길어질수록 지지 부재에서 고정되는 부분이 길어지게 됨으로써, 지지 부재에서 고정되지 않은 부분의 길이가 짧아지질 수 있다. 따라서 이 경우, 고정 부재의 길이가 길어질수록 공진기의 공진 주파수는 높아질 수 있다.
이와 같이, 지지 부재들의 길이가 동일한 공진기들이 다른 공진 주파수들을 갖도록 구현될 수 있으므로, 일 실시예에 따른 제1, 2 캔틸레버 빔 묶음의 지지 부재들의 길이는 동일하고, 고정 부재들의 길이는 다를 수 있다. 또한, 하나의 캔틸레버 빔 묶음에 포함된 공진기들이 동일한 길이의 지지 부재들 및 다른 길이의 고정 부재들을 포함하도록 구성될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 공진기와 차동 증폭기의 연결 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에는 일 실시예에 따른 제1 캔틸레버 빔 묶음의 공진기의 센서 유닛(620), 제2 캔틸레버 빔 묶음의 공진기의 센서 유닛(630), 및 차동 증폭기(610)가 도시되어 있다.
일 실시예에서 센서 유닛(620)은 상측 전극(621), 압전 물질층(622), 및 하측 전극(623)을 포함하고, 센서 유닛(630)은 상측 전극(631), 압전 물질층(632), 및 하측 전극(633)을 포함한다.
센서 유닛(620)과 센서 유닛(630)의 길이, 너비, 또는 두께는 같거나 다를 수 있다. 마찬가지로 상측 전극(621), 압전 물질층(622), 및 하측 전극(623) 각각의 길이, 너비, 또는 두께는 대응되는 상측 전극(631), 압전 물질층(632), 및 하측 전극(633)의 길이, 너비, 또는 두께와 같거나 다를 수 있다.
일 실시예에서 차동 증폭기(610)의 제1 입력 단자(IN1AMP)는 센서 유닛(620)의 상측 전극(621)과 전기적으로 연결되고, 차동 증폭기(610)의 제2 입력 단자(IN2AMP)는 센서 유닛(630)의 상측 전극(631)과 전기적으로 연결된다.
센서 유닛(620)의 하측 전극(623) 및 센서 유닛(630)의 하측 전극(633)은 접지될 수 있다. 제1 캔틸레버 빔 묶음의 공진기들의 센서 유닛들의 하측 전극들은 복수의 단자들을 통해 별개로 접지되거나 하나의 단자를 통해 접지될 수 있다. 마찬가지로, 제2 캔틸레버 빔 묶음의 공진기들의 센서 유닛들의 하측 전극들은 복수의 단자들을 통해 별개로 접지되거나 하나의 단자를 통해 접지될 수 있다.
차동 증폭기(610)의 제1 입력 단자(IN1AMP)로 입력되는 전기 신호를 V1, 제2 입력 단자(IN2AMP)로 입력되는 전기 신호를 V2라고 하였을 때, 차동 증폭기(610)의 출력 신호 Vout은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00012
수학식 3에서 G는 차동 증폭기(610)의 이득(gain)이다.
도 7은 일 실시예에 따른 공진기와 차동 증폭기의 연결 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7에는 일 실시예에 따른 제1 캔틸레버 빔 묶음의 공진기의 센서 유닛(720), 제2 캔틸레버 빔 묶음의 공진기의 센서 유닛(730), 및 차동 증폭기(710)가 도시되어 있다.
일 실시예에서 센서 유닛(720)은 상측 전극(721), 압전 물질층(722), 및 하측 전극(723)을 포함하고, 센서 유닛(730)은 상측 전극(731), 압전 물질층(732), 및 하측 전극(733)을 포함한다.
일 실시예에서 차동 증폭기(710)의 제1 입력 단자(IN1AMP)는 센서 유닛(720)의 상측 전극(721)과 전기적으로 연결되고, 차동 증폭기(710)의 제2 입력 단자(IN2AMP)는 센서 유닛(730)의 하측 전극(733)과 전기적으로 연결된다.
센서 유닛(720)의 하측 전극(723) 및 센서 유닛(730)의 상측 전극(731)은 접지될 수 있다. 제1 캔틸레버 빔 묶음의 공진기들의 센서 유닛들의 하측 전극들은 복수의 단자들을 통해 별개로 접지되거나 하나의 단자를 통해 접지될 수 있다. 마찬가지로, 제2 캔틸레버 빔 묶음의 공진기들의 센서 유닛들의 상측 전극들은 복수의 단자들을 통해 별개로 접지되거나 하나의 단자를 통해 접지될 수 있다.
차동 증폭기(710)의 제1 입력 단자(IN1AMP)로 입력되는 전기 신호를 V1, 제2 입력 단자(IN2AMP)로 입력되는 전기 신호를 V2라고 하였을 때, 차동 증폭기(710)의 출력 신호 Vout은 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00013
수학식 4에서 G는 차동 증폭기(710)의 이득(gain)이다.
도 7에 도시된 실시예와 같이 센서 유닛들(720, 230)과 차동 증폭기(710)를 전기적으로 연결함으로써, 차동 증폭기(710)의 차동 동작(subtraction operation)이 덧셈 동작(addition operation)으로 변환될 수 있다.
제1 캔틸레버 빔 묶음의 공진기의 n차 공진 주파수와 제2 캔틸레버 빔 묶음의 공진기의 m차 공진 주파수가 동일한 경우, 제1 입력 단자(IN1AMP)로 입력되는 전기 신호 V1과 제2 입력 단자(IN2AMP)로 입력되는 전기 신호 V2가 동일할 수 있다. 도 7에 도시된 실시예와 같이 센서 인터페이스를 구현하면, 차동 증폭기(710)가 덧셈 동작을 수행함으로써, 출력 신호 Vout이 사라지는 것이 방지될 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 차동 증폭기의 피드백 저항 및 피드백 커패시턴스를 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에 따른 센서 인터페이스(800)는 제1 캔틸레버 빔 묶음(820), 제2 캔틸레버 빔 묶음(830), 및 차동 증폭기(810)을 포함한다.
일 실시예에서 제1 캔틸레버 빔 묶음(820)의 출력 단자(OUTF1)와 전기적으로 연결되는 제1 입력 단자(IN1AMP)는 양의 입력 단자이고, 제2 캔틸레버 빔 묶음(830)의 출력 단자(OUTF2)와 전기적으로 연결되는 제2 입력 단자(IN2AMP)는 음의 입력 단자이다. 이와 달리, 다른 실시예에서 제1 입력 단자(IN1AMP)는 음의 입력 단자이고 제2 입력 단자(IN2AMP)는 양의 입력 단자일 수 있다.
차동 증폭기(810)는 제1 입력 단자(IN1AMP) 및 제1 출력 단자(OUT1AMP)와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 회로 소자를 포함할 수 있다. 또한, 차동 증폭기(810)는 제2 입력 단자(IN2AMP) 및 제2 출력 단자(OUT2AMP)와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 회로 소자를 포함할 수 있다. 회로 소자는 저항, 커패시터, 또는 다이오드일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 차동 증폭기(810)는 회로 소자로서 피드백 저항만 포함하거나, 피드백 캐패시터만 포함할 수 있다. 다른 예를 들어, 차동 증폭기(810)는 회로 소자로서 피드백 다이오드를 포함할 수 있다.
일 실시예에서 차동 증폭기(810)는 제1 입력 단자(IN1AMP) 및 제1 출력 단자(OUT1AMP)와 전기적으로 연결되는 피드백 저항(Rf1) 및 피드백 커패시턴스(Cf1)를 포함하고, 제2 입력 단자(IN2AMP) 및 제2 출력 단자(OUT2AMP)와 전기적으로 연결되는 피드백 저항(Rf2) 및 피드백 커패시턴스(Cf2)를 포함한다. 피드백 저항들(Rf1, Rf2)의 값은 같거나 다를 수 있다. 또한, 피드백 커패시턴스들(Cf1, Cf2)의 값은 같거나 다를 수 있다.
제1 입력 단자(IN1AMP)가 양의 입력 단자이면 제1 출력 단자(OUT1AMP)는 음의 출력 단자이고, 제1 입력 단자(IN1AMP)가 음의 입력 단자이면 제1 출력 단자(OUT1AMP)는 양의 출력 단자일 수 있다. 마찬가지로, 제2 입력 단자(IN2AMP)가 양의 입력 단자이면 제2 출력 단자(OUT2AMP)는 음의 출력 단자이고, 제2 입력 단자(IN2AMP)가 음의 입력 단자이면 상기 제2 출력 단자(OUT2AMP)는 양의 출력 단자일 수 있다. 이와 같이 차동 증폭기(810)의 입/출력 단자들의 부호를 고려하여 피드백 저항 및 피드백 커패시턴스가 연결됨으로써, 원하는 출력 신호가 획득될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 도 3의 센서 인터페이스를 나타내는 회로 다이아그램이다.
일 실시예에서 센서 인터페이스(900)는 동일한 개수의 공진기들을 갖는 2개의 캔틸레버 빔 묶음들(920, 930)을 포함한다. 캔틸레버 빔 묶음들(920, 930)의 공진기들은 서로 다른 공진 주파수를 갖도록 구성된다. 따라서, 특정 주파수의 음향 신호가 발생하면, 특정 주파수에 대응하는 공진 주파수를 갖는 활성 공진기(931a)에 의해 전기 신호가 발생하게 된다.
센서 인터페이스(900)는 도 9에 도시된 회로 다이아그램으로 해석될 수 있다.
캔틸레버 빔 묶음들(920, 930)의 공진기들이 동일한 커패시턴스 CB를 갖고, 캔틸레버 빔 묶음들(920, 930)의 출력 단자들과 접지 사이의 전위차가 EF이고, 차동 증폭기(910)의 입력 단자들과 접지 사이의 전위차가 EAMP이고, 차동 증폭기(910)의 입력 단자들의 누설 전류가 IN이고, 차동 증폭기(910)의 피드백 커패시턴스들이 Cf이고, 차동 증폭기(910)의 피드백 저항들이 Rf라고 간주하면, 센서 인터페이스(900)의 출력 신호의 노이즈는 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
또한, 센서 인터페이스(900)의 SNR은 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00019
수학식 5 및 6에서,
Figure pat00020
는 센서 인터페이스의 출력 신호의 전체 노이즈이고,
Figure pat00021
는 센서 인터페이스의 출력 신호의 노이즈 중 제1 캔틸레버 빔 묶음(920)에 기인한 노이즈이고,
Figure pat00022
는 센서 인터페이스의 출력 신호의 노이즈 중 제2 캔틸레버 빔 묶음(930)에 기인한 노이즈이고,
Figure pat00023
는 캔틸레버 빔 묶음(920)(또는 캔틸레버 빔 묶음(930))으로 인한 노이즈이고,
Figure pat00024
는 차동 증폭기(910)의 누설 전류로 인한 노이즈이고,
Figure pat00025
는 차동 증폭기(910)로 인한 노이즈이고, M은 제1 캔틸레버 빔 묶음(920)(또는 제2 캔틸레버 빔 묶음(930))의 공진기들의 개수이다.
도 2의 센서 인터페이스(200)와 비교하였을 때, 도 9의 센서 인터페이스(900)는 캔틸레버 빔 묶음을 제1, 2 캔틸레버 빔 묶음(920, 930)으로 분리하여 구성함으로써, 하나의 캔틸레버 빔 묶음이 포함하는 공진기들의 개수가 감소될 수 있다. 구체적으로, 도 2의 캔틸레버 빔 묶음(220)의 공진기들의 개수가 N이면, 제1 캔틸레버 빔 묶음(920)(또는 제2 캔틸레버 빔 묶음(930))의 공진기들의 개수는 M=N/2일 수 있다.
수학식 5를 참조하면,
Figure pat00026
는 공진기들의 개수 M에 비례한다. M=N/2이므로, 도 2의 센서 인터페이스(200)와 비교하였을 때, 도 9의 센서 인터페이스(900)의
Figure pat00027
가 2배 감소하게 된다. 그에 따라,
Figure pat00028
에서
Figure pat00029
에 의한 노이즈 성분이
Figure pat00030
배 감소하게 된다.
또한, 수학식 6을 참조하면, SNR은 공진기들의 개수 M에 반비례한다. M=N/2이므로, 도 2의 센서 인터페이스(200)와 비교하였을 때, 도 9의 센서 인터페이스(900)의 SNR이 2배 증가하게 된다.
따라서, 분리된 2개의 캔틸레버 빔 묶음들(920, 930)로 센서 인터페이스(900)를 구성함으로써, 센서 인터페이스(900)의 노이즈가 감소될 수 있다. 또한, 특정 주파수의 음향 신호가 발생하였을 때, 특정 주파수에 대응하는 공진 주파수를 갖지 않는 비활성 공진기(921, 931b)들이 센서 인터페이스(900)의 노이즈에 미치는 영향을 감소시킬 수 있다.
일 실시예에서 차동 증폭기(910)는 트랜지스터를 포함할 수 있다. 2배 감소된
Figure pat00031
는 트랜지스터의 성능 향상 및 설계 여유를 불러올 수 있다.
차동 증폭기(910)의 열 잡음 전력(thermal noise power)은 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00032
수학식 7에서 k는 플랑크 상수, T는 차동 증폭기(910)의 트랜지스터의 온도, Cdual은 차동 증폭기(910)의 트랜지스터의 커패시턴스를 나타낸다.
비교를 위해 도 2의 차동 증폭기(210)의 트랜지스터의 커패시턴스를 Csingle이라 하였을 때, Csingle과 Cdual의 관계는 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00033
Figure pat00034
따라서, 도 9의 차동 증폭기(910)의 트랜지스터의 커패시턴스 Cdual은 도 2의 차동 증폭기(210)의 트랜지스터의 커패시턴스 Csingle의 50%로 감소될 수 있다.
차동 증폭기(910)의 트랜지스터의 소비 전력(dynamic power)은 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00035
수학식 9에서 VDD는 트랜지스터의 전원을 나타내고, Cdual은 트랜지스터의 커패시턴스를 나타낸다.
비교를 위해 도 2의 차동 증폭기(210)의 트랜지스터의 소비 전력을 Psingle이라 하고, 도 9의 차동 증폭기(910)의 트랜지스터의 소비 전력을 Pdual이라 하였을 때, 수학식 8 및 9로부터, Psingle과 Pdual의 관계는 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00036
따라서, 도 9의 차동 증폭기(910)의 트랜지스터의 소비 전력 Pdual은 도 2의 차동 증폭기(210)의 트랜지스터의 소비 전력 Psingle의 50%로 감소될 수 있다.
차동 증폭기(910)의 트랜지스터의 커패시턴스는 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00037
수학식 11에서 ε는 트랜지스터의 유전율, Adual은 트랜지스터의 면적, d는 트랜지스터의 평행한 전극판 사이의 거리이다.
비교를 위해 도 2의 차동 증폭기(210)의 트랜지스터의 면적을 Asingle이라 하였을 때, 수학식 8 및 11으로부터, Asingle과 Adual의 관계는 수학식 12와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00038
따라서, 도 9의 차동 증폭기(910)의 트랜지스터의 면적 Adual은 도 2의 차동 증폭기(210)의 트랜지스터의 면적 Asingle의 50%로 감소될 수 있다.
따라서, 센서 인터페이스(900)의 감소된
Figure pat00039
는 차동 증폭기(910)의 트랜지스터의 열 잡음 전력 및 소비 전력을 감소시킴으로써, 차동 증폭기(910)의 성능 향상을 불러올 수 있다. 또한, 센서 인터페이스(900)의 감소된
Figure pat00040
는 차동 증폭기(910)의 트랜지스터의 면적을 감소시킴으로써, 차동 증폭기(910)의 설계 여유를 불러올 수 있다.
도 10a 내지 10c는 도 1의 센서 인터페이스의 노이즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a는 도 1의 센서 인터페이스를 구현한 회로이고, 도 10b는 센서 인터페이스의 출력 신호의 그래프이고, 도 10c는 센서 인터페이스의 출력 신호의 누적 노이즈이다.
도 10a 내지 10c를 참조하면, 센서 인터페이스의 출력 신호는 118.16μs에서 2.53V이고, 369.8μs에서 2.46V이고, 출력 신호의 진폭(amplitude)은 70.5mV다. 또한, 100Hz~10kHz 범위의 신호를 센싱하면서 누적된 출력 신호의 노이즈는 42.24μV이다.
도 11a 내지 11c는 도 3의 센서 인터페이스의 노이즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 11a는 도 3의 센서 인터페이스를 구현한 회로이고, 도 11b는 센서 인터페이스의 출력 신호의 그래프이고, 도 11c는 센서 인터페이스의 출력 신호의 누적 노이즈이다.
도 11a 내지 11c를 참조하면, 센서 인터페이스의 출력 신호는 118.16μs에서 2.53V이고, 369.8μs에서 2.46V이고, 출력 신호의 진폭(amplitude)은 70.5mV다. 또한, 100Hz~10kHz 범위의 신호를 센싱하면서 누적된 출력 신호의 노이즈는 31.02μV이다.
도 10a 내지 10c와 도 11a 내지 11c를 비교하였을 때, 센서 인터페이스의 출력 신호의 진폭은 70.5mV로 동일하나, 출력 신호의 노이즈가 42.24μV에서 31.02μV로 약
Figure pat00041
배 감소되었다. 즉, SNR이 약 3dB 증가되었다. 따라서, 캔틸레버 빔 묶음을 분리하여 센서 인터페이스를 구성함으로써, 진폭의 변화 없이 노이즈가 개선된 출력 신호가 획득될 수 있음이 확인된다.
도 12는 일 실시예에 따른 센서 인터페이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 센서 인터페이스가 2개로 분리된 캔틸레버 빔 묶음들로 구성되었다면, 도 12의 센서 인터페이스(1200)는 4개로 분리된 캔틸레버 빔 묶음들(1221~1224)로 구성된다. 일 실시예에서, 센서 인터페이스(1200)는 4개의 캔틸레버 빔 묶음들(1221~1224) 및 2개의 차동 증폭기들(1211, 1212)을 포함한다.
캔틸레버 빔 묶음들(1221~1224) 및 차동 증폭기들(1211, 1212)은 이상의 실시예에서 설명한 캔틸레버 빔 묶음 및 차동 증폭기의 구성 및 기능을 포함할 수 있으므로, 중복되는 설명은 생략한다.
캔틸레버 빔 묶음들(1221~1224)은 서로 다른 주파수 대역의 신호를 필터링하도록 구성될 수 있다.
제1 캔틸레버 빔 묶음(1221)의 출력 단자(OUTF1)와 제1 차동 증폭기(1211)의 제1 입력 단자(IN1AMP1)가 전기적으로 연결되고, 제2 캔틸레버 빔 묶음(1222)의 출력 단자(OUTF2)와 제1 차동 증폭기(1211)의 제2 입력 단자(IN2AMP1)가 전기적으로 연결될 수 있다. 제3, 4 캔틸레버 빔 묶음(1223, 1224) 및 제2 차동 증폭기(1212)도 마찬가지의 방법으로 연결될 수 있다.
제1, 2 차동 증폭기(1211, 1212)는 필터된 신호들을 증폭시킴으로써 출력 신호를 발생시킬 수 있다.
다른 실시예에서 센서 인터페이스는 8개, 16개 등과 같이 다양한 개수로 분리된 캔틸레버 빔 묶음들로 구성될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.
도 13은 일 실시예에 따른 음향 처리 장치를 설명하기 위한 도면이다.
음향 처리 장치(1300)는 음향 신호를 전기 신호로 변환하여 처리하는 장치로서, 스피커, 마이크, 이어폰, Bio 장치, 휴대 기기, TV, 차량용 장치, IoT 장치 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
음향 처리 장치(1300)는 센서 인터페이스(1310) 및 센서 인터페이스(1310)의 출력 신호를 처리하는 프로세서(1340)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서 센서 인터페이스(1310)는 4개의 캔틸레버 빔 묶음들(1331~1334) 및 2개의 차동 증폭기들(1321, 1322)을 포함한다. 캔틸레버 빔 묶음들(1331~1334) 및 차동 증폭기들(1321, 1322)은 이상의 실시예에서 설명한 캔틸레버 빔 묶음 및 차동 증폭기의 구성 및 기능을 포함할 수 있으므로, 중복되는 설명은 생략한다.
캔틸레버 빔 묶음들(1331~1334)은 서로 다른 주파수 대역의 신호를 필터링하도록 구성될 수 있다. 캔틸레버 빔 묶음들(1331~1334)이 배치되는 순서는 캔틸레버 빔 묶음들(1331~1334)이 필터링하는 신호의 주파수 대역에 종속되지 않을 수 있다. 예를 들어, 센서 인터페이스(1310)는 20Hz ~ 20kHz 범위의 가청 주파수 대역의 음향 신호를 필터링하기 위한 경우, 제1 캔틸레버 빔 묶음(1331)은 2kHz~20kHz 범위의 주파수 대역의 음향 신호를 필터링 하도록 구성되고, 제2 캔틸레버 빔 묶음(1332)은 100Hz~1kHz 범위의 주파수 대역의 음향 신호를 필터링 하도록 구성되고, 제3 캔틸레버 빔 묶음(1333)은 1kHz~2kHz 범위의 주파수 대역의 음향 신호를 필터링 하도록 구성되고, 제4 캔틸레버 빔 묶음(1334)은 20Hz~100Hz 범위의 주파수 대역의 음향 신호를 필터링 하도록 구성될 수 있다.
센서 인터페이스(1310)는 도 13과 달리 이상에서 설명한 센서 인터페이스와 같이 구성될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다.
프로세서(1340)는 센서 인터페이스(1310)의 출력 신호를 처리하도록 구성될 수 있다. 프로세서(1340)는 제1 차동 증폭기(1321)를 통한 출력 신호와 제2 차동 증폭기(1322)를 통한 출력 신호 중 어떤 출력 신호를 처리할지 선택하도록 구성될 수 있다.
프로세서(1340)는 다수의 논리 게이트들의 어레이로 구현될 수 있고, 범용적인 마이크로 프로세서와 마이크로 프로세서에서 실행될 수 있는 프로그램이 저장된 메모리의 조합으로 구현될 수도 있다. 또한, 프로세서(1340)는 출력 신호를 필터링하기 위한 필터 등을 포괄할 수 있다.
본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 실시예가 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 실시예에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 공진기를 포함하는 제1 캔틸레버 빔 묶음;
    적어도 하나의 공진기를 포함하는 제2 캔틸레버 빔 묶음; 및
    상기 제1 캔틸레버 빔 묶음의 출력 단자와 전기적으로 연결된 제1 입력 단자 및 상기 제2 캔틸레버 빔 묶음의 출력 단자와 전기적으로 연결된 제2 입력 단자를 포함하는 차동 증폭기를 포함하는, 센서 인터페이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기의 공진 주파수는 상기 제2 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기의 공진 주파수와 다른, 센서 인터페이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캔틸레버 빔 묶음이 필터링하는 신호의 주파수의 대역은 상기 제2 캔틸레버 빔 묶음이 필터링하는 신호의 주파수의 대역과 다른, 센서 인터페이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기 및 상기 제2 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기 각각은,
    상기 적어도 하나의 공진기가 진동하면 전기 신호를 생성하는 센서 유닛을 포함하는, 센서 인터페이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센서 유닛은 상부 전극, 압전 물질층, 및 하부 전극을 포함하는, 센서 인터페이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기의 상기 상부 전극은 상기 차동 증폭기의 상기 제1 입력 단자와 전기적으로 연결되고,
    상기 제2 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기의 상기 상부 전극은 상기 차동 증폭기의 상기 제2 입력 단자와 전기적으로 연결된, 센서 인터페이스.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기의 상기 상부 전극은 상기 차동 증폭기의 상기 제1 입력 단자와 전기적으로 연결되고,
    상기 제2 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기의 상기 하부 전극은 상기 차동 증폭기의 상기 제2 입력 단자와 전기적으로 연결된, 센서 인터페이스.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 상부 전극, 상기 압전 물질층, 및 상기 하부 전극은 동일한 길이를 갖는, 센서 인터페이스.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 상부 전극, 상기 압전 물질층, 및 상기 하부 전극 중 어느 하나의 길이는 다른 하나의 길이와 다른, 센서 인터페이스.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제1 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기 및 상기 제2 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기 각각은,
    음향에 의해 진동하도록 구성된 지지 부재를 포함하고,
    상기 하부 전극은 상기 지지 부재 상에 배치되는, 센서 인터페이스.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기의 상기 지지 부재의 길이와 상기 제2 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기의 상기 지지 부재의 길이는 동일한, 센서 인터페이스.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 지지 부재는 캔틸레버인, 센서 인터페이스.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기 및 상기 제2 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기 각각은,
    상기 지지 부재의 일단을 고정하도록 구성된 고정 부재를 포함하는, 센서 인터페이스.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기의 상기 고정 부재의 길이와 상기 제2 캔틸레버 빔 묶음의 상기 적어도 하나의 공진기의 상기 고정 부재의 길이는 다른, 센서 인터페이스.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 차동 증폭기는 제1 출력 단자 및 제2 출력 단자를 포함하는, 센서 인터페이스.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 차동 증폭기는 상기 제1 입력 단자 및 상기 제1 출력 단자와 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 회로 소자를 포함하고,
    상기 제1 입력 단자가 양의 입력 단자이면 상기 제1 출력 단자는 음의 출력 단자이고, 상기 제1 입력 단자가 음의 입력 단자이면 상기 제1 출력 단자는 양의 출력 단자인, 센서 인터페이스.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 회로 소자는 저항, 커패시터, 및 다이오드 중 어느 하나인, 센서 인터페이스.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캔틸레버 빔 묶음의 상기 출력 단자 및 상기 차동 증폭기의 상기 제1 입력 단자와 전기적으로 연결된 적어도 하나의 회로 소자를 더 포함하는, 센서 인터페이스.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제1 캔틸레버 빔 묶음은 복수의 공진기들을 포함하고,
    상기 복수의 공진기들 각각은 음향에 의해 진동하도록 구성된 동일한 길이의 지지 부재를 포함하는, 센서 인터페이스.
  20. 제1항의 센서 인터페이스; 및
    상기 센서 인터페이스의 출력 신호를 처리하도록 구성된 프로세서를 포함하는, 음향 처리 장치.
KR1020200120030A 2020-09-17 2020-09-17 공진기 및 차동 증폭기를 포함하는 센서 인터페이스 KR20220037551A (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200120030A KR20220037551A (ko) 2020-09-17 2020-09-17 공진기 및 차동 증폭기를 포함하는 센서 인터페이스
US17/182,911 US11770658B2 (en) 2020-09-17 2021-02-23 Sensor interface including resonator and differential amplifier
CN202110202648.7A CN114204916A (zh) 2020-09-17 2021-02-23 包括谐振器和差分放大器的传感器接口
EP21164252.5A EP3972128B1 (en) 2020-09-17 2021-03-23 Sensor interface including resonator and differential amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200120030A KR20220037551A (ko) 2020-09-17 2020-09-17 공진기 및 차동 증폭기를 포함하는 센서 인터페이스

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220037551A true KR20220037551A (ko) 2022-03-25

Family

ID=75202974

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200120030A KR20220037551A (ko) 2020-09-17 2020-09-17 공진기 및 차동 증폭기를 포함하는 센서 인터페이스

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11770658B2 (ko)
EP (1) EP3972128B1 (ko)
KR (1) KR20220037551A (ko)
CN (1) CN114204916A (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114964337B (zh) * 2022-05-19 2024-05-31 上海迈振电子科技有限公司 一种微悬臂梁传感器信号放大装置及其数控***

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3348686B2 (ja) 1998-05-22 2002-11-20 住友金属工業株式会社 振動波検出方法及び装置
KR100470708B1 (ko) * 2003-05-22 2005-03-10 삼성전자주식회사 금속막의 내부응력을 이용한 박막 벌크 음향 공진기제조방법 및 그에 의한 공진기
JP4256367B2 (ja) * 2005-07-06 2009-04-22 東京エレクトロン株式会社 振動波検出装置
JP4382740B2 (ja) * 2005-10-21 2009-12-16 トヨタ自動車株式会社 フードエアバッグ装置
KR100736894B1 (ko) 2006-03-27 2007-07-10 송기무 다채널 진동판이 구비된 전기-음향 변환장치 및 이를이용한 보청기
JP4539920B2 (ja) 2006-05-12 2010-09-08 国立大学法人 東京大学 振動波検出方法及び装置
KR100999838B1 (ko) * 2008-05-09 2010-12-09 한국과학기술원 다중외팔보 mems 센서의 제조방법 및 다중외팔보 mems 센서를 이용한 음원위치 추정방법
WO2010002887A2 (en) 2008-06-30 2010-01-07 The Regents Of The University Of Michigan Piezoelectric memes microphone
US20100117485A1 (en) * 2008-11-13 2010-05-13 Avago Technologies Wireless Ip (Singapore) Pte. Ltd. Piezoelectric transducers with noise-cancelling electrodes
JP2013190362A (ja) 2012-03-14 2013-09-26 Kazuo Muto Ａｅセンサの製造方法およびこれによって製造されたａｅセンサ
EP3143776B1 (en) 2014-05-12 2018-03-07 TDK Corporation Microphone assembly and method of manufacturing a microphone assembly
KR102207928B1 (ko) 2014-08-13 2021-01-26 삼성전자주식회사 음향 센싱 소자 및 주파수 정보 획득 방법
US10063978B2 (en) * 2016-09-13 2018-08-28 Akustica, Inc. Cantilevered shear resonance microphone
KR20180037841A (ko) * 2016-10-05 2018-04-13 삼성전자주식회사 공진기를 포함하는 필터 시스템
KR102364853B1 (ko) * 2017-07-18 2022-02-18 삼성전자주식회사 음향 센싱 소자의 신호 처리 방법과 음향 센싱 시스템
US11569796B2 (en) 2017-07-26 2023-01-31 King Abdullah University Of Science And Technology MEMS-based passband filter
KR102335774B1 (ko) * 2017-09-01 2021-12-06 삼성전자주식회사 다중 공진기 어레이를 포함하는 소리 방향 탐지 센서
KR102623514B1 (ko) 2017-10-23 2024-01-11 삼성전자주식회사 음성신호 처리장치 및 그 동작방법
KR102395994B1 (ko) * 2017-12-27 2022-05-11 삼성전자주식회사 지향성 마이크로폰

Also Published As

Publication number Publication date
CN114204916A (zh) 2022-03-18
US11770658B2 (en) 2023-09-26
EP3972128A1 (en) 2022-03-23
EP3972128B1 (en) 2023-10-04
US20220086570A1 (en) 2022-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102475893B1 (ko) 음향/진동 스펙트럼 분석 소자 및 주파수 정보 획득 및 분석 방법
US10225662B2 (en) Audio sensing device and method of acquiring frequency information
US10477322B2 (en) MEMS device and process
US20210281242A1 (en) Filter system including resonator
CN109273022B (zh) 音频感测设备的信号处理方法以及音频感测***
EP3449645B1 (en) Microelectromechanical systems (mems) microphone bias voltage
US11899039B2 (en) Piezoelectric accelerometer with wake function
WO2019178355A1 (en) Transducer system with configurable acoustic overload point
JP5325630B2 (ja) マイクロホン装置並びにその調整装置及び調整方法
US20180152792A1 (en) Mems device
CN110603817A (zh) 压电麦克风芯片及压电麦克风
US20110303994A1 (en) Mems device and process
US20180052042A1 (en) Acoustic wave sensor
CN105611475A (zh) 麦克风传感器
KR20220037551A (ko) 공진기 및 차동 증폭기를 포함하는 센서 인터페이스
EP3334183B1 (en) Capacitive transducer system, capacitive transducer, and acoustic sensor
EP4327374A1 (en) Piezoelectric accelerometer with wake function
KR100486868B1 (ko) 증폭기를 내장한 콘덴서 마이크로폰
JP6439158B2 (ja) コンデンサ型トランスデューサ
JP6867789B2 (ja) Ｍｅｍｓマイクロフォン
WO2018100373A1 (en) Mems device
TW202415098A (zh) 微機電系統元件

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination