KR100362360B1 - Three axes accelerating sensing circuit using triple bridge structure - Google Patents

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Abstract

(1)발명이 속하는 기술분야(1) Field of invention

본 발명은 3중 브리지 형태로 회로를 구성하여 X, Y, Z 3축 방향의 가속도를 정확하게 검출할 수 있는 센싱회로에 관한 것이다.The present invention relates to a sensing circuit capable of accurately detecting acceleration in the X, Y, Z triaxial directions by configuring a circuit in the form of a triple bridge.

(2)발명의 목적(2) Purpose of invention

본 발명은 종래 가속도 센서의 결함을 감안하여 안출한 것으로, 보상 신호처리 회로가 필요 없이 간단한 구성으로 X, Y, Z 3축 방향의 가속도를 검출할 수 있도록 함을 목적으로 하는 것이다.The present invention has been made in view of the deficiency of the conventional acceleration sensor, and an object thereof is to enable detection of acceleration in the X, Y, and Z axis directions with a simple configuration without the need for a compensation signal processing circuit.

(3)발명의 구성(3) Composition of invention

가속도 센서를 구성함에 있어서, 가운데 센서의 지지부(11,center support)를 구성하고 진동질량(m)은 90도 간격으로 배열한 4개의 빔(12,beam)으로 고정하며, 상기 빔당 각 2개씩 8개의 압저항 소자를 배치하고 지지대 위에 참조저항(Rref)을 배치하여 구성하였다.In constructing the acceleration sensor, the center sensor of the center sensor 11 is formed, and the vibration mass (m) is fixed by four beams 12 arranged at intervals of 90 degrees, and each of the two beams 8 Two piezoresistive elements were arranged and a reference resistor (Rref) was arranged on the support.

회로는 x축 검출 브리지(20)와 y축 검출 브리지(30)를 구성한 후, x및 y축 검출 브리지(20)(30)의 양단의 저항의 변화로 인해 발생하는 전압의 변화로 z축의 가속도를 검출하는 z축 검출브리지(40)로 구성하며, X축 검출 브리지(20)와 Y축 검출 브리지(30)의 합성 저항이 참조저항(Rref)과 같도록 하기 위해서 모든 저항의 크기는 동일하게 설계하고. 참조저항(Rref)은 고정저항으로 형성하기 위하여 가속도의 변화에 영향을 미치지 않는 영역 내에 형성한 것이다.After the circuit constitutes the x-axis detection bridge 20 and the y-axis detection bridge 30, the acceleration of the z-axis is caused by the change in voltage caused by the change in the resistance of both ends of the x- and y-axis detection bridges 20, 30. It consists of a z-axis detection bridge 40 for detecting a, and in order to make the combined resistance of the X-axis detection bridge 20 and the Y-axis detection bridge 30 equal to the reference resistance (Rref), all the resistances are equal Design. The reference resistor Rref is formed in a region that does not affect the change in acceleration in order to form a fixed resistor.

(4)발명의 효과(4) the effect of the invention

본 발명의 3중 브리지 구조의 3차원 가속도 센싱회로를 이용하면, 타축에 대한 감도가 매우 뛰어나므로, 차동증폭기 다음 단에 간단한 회로만을 사용함으로 마이크로센서를 일괄공정에 의하여 생산할 때 매우 유리하다.Using the three-dimensional acceleration sensing circuit of the triple bridge structure of the present invention, the sensitivity to the other axis is very excellent, it is very advantageous when the micro sensor is produced by the batch process by using only a simple circuit next to the differential amplifier.

Description

3중 브리지 구조를 이용한 3축 가속도 센싱회로{Three axes accelerating sensing circuit using triple bridge structure}Three axes accelerating sensing circuit using triple bridge structure}

본 발명은 3중 브리지 형태로 회로를 구성하여 X, Y, Z 3축 방향의 가속도를 정확하게 검출할 수 있는 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a circuit capable of accurately detecting acceleration in the X, Y, Z triaxial directions by configuring a circuit in the form of a triple bridge.

가속도 센서의 원리를 먼저 살펴보면, 도 1에 도시된 것과 같이 가속도 센서는 진동질량(m)이 스프링에 의해 매달려 있을 때 가속도(a)에 의해 움직이게 되면 관성력에 의해 진동질량이 상대적변위(x)가 생기고, 그것이 전기적 신호로 감지되는 시스템이다.Referring to the principle of the acceleration sensor, as shown in FIG. 1, when the vibration sensor (m) is moved by the acceleration (a) when the vibration mass (m) is suspended by the spring, the vibration mass is changed by the inertia force (x). Occurs, and it is a system that is detected by an electrical signal.

정상상태에서 변위 x와 가속도 a와의 관계는 다음과 같다.The relationship between the displacement x and the acceleration a in the steady state is as follows.

[수학식 1][Equation 1]

여기서는 스프링 상수이다.here Is a spring constant.

상기 원리를 응용하여 구성되는 실리콘을 이용한 가속도 센서의 대표적인 예는 도 2 및 도 3과 같은 것으로, 실리콘을 이용한 가속도 센서에서는 진동구조와 스프링의 구조를 벌크 마이크로머시닝법(Bulk Micromachining)에 의해 제조될 수 있다.Typical examples of the acceleration sensor using silicon constructed by applying the above principle are the same as those of FIGS. 2 and 3. In the acceleration sensor using silicon, the vibration structure and the structure of the spring may be manufactured by bulk micromachining. Can be.

도 2에 나타난 센서(1)의 구조는 가속도에 의해 휘어지는 한 개의 빔(2)을 가진 캔틸레버 구조이고 도 3의 센서(3)는 진동 질량을 4개의 빔(4)에 매달려 진동을 하는 브리지 형태이다.The structure of the sensor 1 shown in FIG. 2 is a cantilever structure having one beam 2 bent by acceleration, and the sensor 3 of FIG. 3 has a bridge shape in which vibrations are suspended by vibrating a mass of four beams 4. to be.

이러한 구조에서 가속도를 검출하기 위해서는 진동 질량의 변위를 ①진동질량(m)과 플레이트(plate)간의 정전용량의 변화로 검출하는 정전용량형과, ②진동질량(m)을 영구자석으로 만들고 그 변위를 magnetic 센서를 이용하여 검출하는 자기형, 그리고 ③압저항 효과를 이용한 압저항형 등 여러 방식이 있다.In order to detect acceleration in such a structure, a displacement of vibration mass is detected by a change in capacitance between vibration mass and plate, and a vibration mass (m) is made into a permanent magnet, and the displacement There are various methods such as magnetic type for detecting the magnetic sensor by using magnetic sensor and piezoresistive type using piezoresistive effect.

그 중 압저항 효과를 이용한 방법은 빔에 압저항 요소를 확산시켜 형성하는데, 일반적으로 n형의 실리콘에 p형의 실리콘 층을 확산하여 압저항형을 형성시킨다.Among them, a method using the piezoresistive effect is formed by diffusing a piezoresistive element in a beam. In general, a piezoresistive type is formed by diffusing a p-type silicon layer onto n-type silicon.

압저항 효과란 가해진 응력에 의해 물체의 전기저항이 변화하는 현상을 말하는 것으로, 즉 저항이 응력에 의해 휨이 발생하면 그 저항 값이 변하는 것을 말하는 것이다.The piezoresistive effect refers to a phenomenon in which the electrical resistance of an object changes by applied stress, that is, the resistance value changes when the resistance is warped by stress.

이때 응력에 의한 저항의 변화 값은 다음 식과 같다.At this time, the change value of the resistance due to stress is as follows.

[수학식 2][Equation 2]

여기서 π1및 σ1는 각각 횡 방향의 압저항계수 및 응력성분이고 σ1및 π1는 각각 종 방향의 압저항계수 및 응력성분이다.Π 1 and σ 1 are the piezoelectric resistance coefficient and stress component in the transverse direction, respectively, and σ 1 and π 1 are the piezoelectric resistance coefficient and stress component in the longitudinal direction, respectively.

도 4는 압저항 소자를 이용한 가속도 센서의 센싱 회로로 가장 널리 사용되어지는 브리지 회로이다. 브리지 회로를 이용한 가속도 센서의 센싱 원리를 도 2의 센서 구조를 예로 들어 설명한다.4 is a bridge circuit most widely used as a sensing circuit of an acceleration sensor using a piezoresistive element. The sensing principle of the acceleration sensor using the bridge circuit will be described taking the sensor structure of FIG. 2 as an example.

도 4의 브리지 회로 중의 저항 R1과 R2는 도 5에서 보는 바와 같이 빔(2) 위에 배치하고, R3과 R4는 지지대(5) 위에 형성시킨다. 이때 가속도(a)가 캔틸레버의 전면으로부터 가해진다면, 두께가 얇은 빔(2)은 질량과 가속도의 곱 만큼의 힘을 받고 휘게 된다. 이때 빔(2) 위에 형성된 저항 R1과 R2는 압저항 효과에 의하여 증가하거나 감소한다. 물론, 지지대(5) 위에 형성된 저항 R3과 R4는 휨이 발생하지 않으므로 고정저항 값을 갖는다. 그러므로 브리지 회로의 양단의 전압은 전압배분 법칙에 의하여 차(VOUT)가 발생한다. 이 전압 차이를 차동 증폭기로 증폭하여 신호처리를 행함으로써 가속도 또는 힘의 변화를 측정할 수 있다.The resistors R1 and R2 in the bridge circuit of FIG. 4 are disposed on the beam 2 as shown in FIG. 5, and R3 and R4 are formed on the support 5. If the acceleration a is applied from the front surface of the cantilever, the thin beam 2 is bent under the force of the product of the mass and the acceleration. At this time, the resistors R1 and R2 formed on the beam 2 increase or decrease by the piezoresistive effect. Of course, the resistors R3 and R4 formed on the support 5 have a fixed resistance value because no warping occurs. Therefore, the difference between the voltage across the bridge circuit (V OUT ) occurs by the voltage distribution law. This voltage difference can be amplified by a differential amplifier to perform signal processing to measure acceleration or change in force.

[수학식 3][Equation 3]

수학식 3은 브리지 회로의 양단에 발생하는 전압차를 나타낸 수식이다.Equation 3 is a formula showing a voltage difference occurring at both ends of the bridge circuit.

만약 가속도가 발생하지 않는다면, 압저항의 저항 값의 변화가 발생하지 않으므로 브리지 회로의 모든 저항의 값이 같아진다. 그러므로 전압분배 법칙에 따라 브리지 회로의 양단의 전압은 동일한 전압을 가지게 되고 두 전압의 차(VOUT)는 0이 된다.If acceleration does not occur, the resistance value of the piezoresistor does not occur, so all the resistance values of the bridge circuit are equal. Therefore, according to the voltage division law, the voltages at both ends of the bridge circuit have the same voltage, and the difference between the two voltages (V OUT ) becomes zero.

도 6은 일반적인 센서 시스템의 블록도이다. 센서 시스템은 보통 물리적인 변화 또는 화학적인 변화를 전기적인 량으로 변화하는 센싱 소자와 센싱소자의 출력 신호를 증폭하는 증폭기, 그리고 증폭기에 의하여 증폭된 신호의 왜곡 등을 보상하는 보상회로와 신호처리를 담당하는 신호처리 회로로 구분할 수 있다.6 is a block diagram of a typical sensor system. The sensor system usually includes a sensing element that changes physical or chemical changes into an electrical quantity, an amplifier that amplifies the output signal of the sensing element, and a compensation circuit and signal processing that compensates for the distortion of the signal amplified by the amplifier. It can be divided into the signal processing circuit in charge.

특히 마이크로센서에서 센싱소자를 어떻게 구성하느냐에 따라 다음 단에 구성되는 증폭기와 보상회로 및 신호처리회로 등이 결정된다.In particular, depending on how the sensing element is configured in the microsensor, the amplifier, the compensation circuit, the signal processing circuit, etc., which are configured in the next stage, are determined.

그럼 3차원 가속도 센서에 대해 생각해 보면, 가속도는 벡터량이므로 3축의 가속도 성분을 검출하기 위해서는 다음과 같은 두 가지 방법을 사용하여 왔다. 먼저 하나는 도 2와 같은 1차원 센서를 3개 사용하는 방법이고 다른 하나는 3차원 가속도 센서에 도 4와 같은 브리지 회로를 각 축의 변화에 대한 센싱 회로로 사용하는 방법이다.Considering the three-dimensional acceleration sensor, since acceleration is a vector quantity, two methods have been used to detect acceleration components on three axes. First, a method of using three one-dimensional sensors as shown in FIG. 2 and another method using a bridge circuit as shown in FIG. 4 as a sensing circuit for changes in each axis in a three-dimensional acceleration sensor.

그러나 이러한 방법들은 타축에 대한 영향이 매우 크다. 다시 말해서 X축 방향에서 힘이 가해질 때 X축에 대한 가속도의 변화만이 검출되어야 하는데도 불구하고 Y축과 Z축의 출력에서 신호가 검출되어 마치 X, Y, Z 성분에 모두 포함된 힘이 인가된 것으로 착각할 수 있다.However, these methods have a great influence on the other axis. In other words, although only the change in acceleration with respect to the X axis should be detected when a force is applied in the X axis direction, a signal is detected at the output of the Y axis and the Z axis so that a force included in all of the X, Y, and Z components is applied. You can mistake it.

그러므로 이러한 결점을 보완하기 위하여 매우 복잡한 보상 신호처리 회로가 필요하게 된다.Therefore, a very complicated compensation signal processing circuit is needed to compensate for this drawback.

본 발명은 상기한 종래 가속도 센서의 결함을 감안하여 안출한 것으로, 보상 신호처리 회로가 필요 없이 간단한 구성으로 X, Y, Z 3축 방향의 가속도를 검출할 수 있도록 함을 목적으로 하는 것이다.The present invention has been made in view of the above-described defects of the conventional acceleration sensor, and an object thereof is to enable detection of acceleration in the X, Y, and Z axis directions with a simple configuration without the need for a compensation signal processing circuit.

도 1은 가속도 센서의 원리를 나타낸 설명도1 is an explanatory diagram showing the principle of the acceleration sensor

도 2는 실리콘을 이용한 캔틸레버 구조의 가속도 센서의 예시도2 is an exemplary view of an acceleration sensor having a cantilever structure using silicon.

도 3은 실리콘을 이용한 브리지 구조의 가속도 센서의 예시도3 is an exemplary diagram of an acceleration sensor having a bridge structure using silicon.

도 4는 1차원 가속도 센싱회로의 브리지 회로도4 is a bridge circuit diagram of a one-dimensional acceleration sensing circuit;

도 5는 1차원 가속도 센싱회로의 압저항 배치도5 is a piezoresistive arrangement diagram of a one-dimensional acceleration sensing circuit;

도 6은 일반 적인 센서 시스템의 블록도6 is a block diagram of a typical sensor system.

도 7은 본 발명에 의한 가속도 센서를 도시한 사시도7 is a perspective view showing an acceleration sensor according to the present invention.

도 8은 본 발명에 의한 가속도 센서의 저항배치를 도시한 평면도8 is a plan view showing a resistance arrangement of the acceleration sensor according to the present invention.

도 9는 본 발명에 의한 가속도 센싱회로의 회로 결선도9 is a circuit connection diagram of an acceleration sensing circuit according to the present invention.

도 10은 X축 방향으로 가속도가 인가될 때의 검출 상태를 도시한 평면도10 is a plan view showing a detection state when acceleration is applied in the X-axis direction

도 11은 도 10의 검출상태를 도시한 회로 결선도FIG. 11 is a circuit connection diagram illustrating a detection state of FIG. 10.

도 12는 Y축 방향으로 가속도가 인가될 때의 검출 상태를 도시한 평면도12 is a plan view showing a detection state when acceleration is applied in the Y-axis direction;

도 13은 도 12의 검출상태를 도시한 회로 결선도FIG. 13 is a circuit connection diagram illustrating a detection state of FIG. 12.

도 14는 Z측 방향으로 가속도가 인가될 때의 검출 상태를 도시한 평면도Fig. 14 is a plan view showing a detection state when acceleration is applied in the Z-direction.

도 15는 도 14의 검출상태를 도시한 회로 결선도FIG. 15 is a circuit connection diagram illustrating a detection state of FIG. 14.

도 16은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 센싱회로의 회로 결선도16 is a circuit connection diagram of a sensing circuit according to another embodiment of the present invention.

도 17은 도 16에 의한 가속도 센서의 저항 배치를 도시한 평면도17 is a plan view showing a resistance arrangement of the acceleration sensor according to FIG. 16.

***도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명****** Description of the symbols for the main parts of the drawings ***

10:3차원 가속도 센서10: 3D acceleration sensor

11:지 지 부11: Chapter

12:빔12: beam

20:X축 검출 브리지20: X axis detection bridge

30:Y축 검출 브리지30: Y axis detection bridge

40:Z축 검출 브리지40: Z axis detection bridge

3중 브리지 구조의 3차원 가속도 센싱 회로는 이상적인 경우 타축감도가 0(zero)이므로, 출력단에 별도의 신호처리회로의 구성없이 동시에 각 방향에 대한 가속도를 측정할 수 있다. 도 7과 도 8은 3축 감지를 위한 3차원 가속도 센서(10)의 구성 예로서 가운데 센서의 지지부(11,center support)가 있고, 진동질량(m)이 4개의 빔(12,beam)으로 고정되어 있다. 그리고 빔(12)에 매달린 진동질량이 가속도(a)에 의하여 힘(F)을 발생시키고, 빔은 이 힘에 의해 휘게 된다. 이때 빔(12)에 형성된 압저항은 이 휨에 의하여 그 모양의 변화를 일으키고, 저항 값의 변화를 발생시킨다. 이 저항 값의 변화를 센싱 회로를 이용하여 전기적 신호로 변화함으로써 가속도의 변화를 검출할 수 있다.In the three-dimensional acceleration sensing circuit of the triple bridge structure, since the axial sensitivity is zero (zero) in an ideal case, acceleration in each direction can be measured simultaneously without configuring a separate signal processing circuit at the output terminal. 7 and 8 are examples of the configuration of the three-dimensional acceleration sensor 10 for three-axis sensing, there is a center support of the center sensor, the vibration mass (m) is four beams (12, beam) It is fixed. The vibration mass suspended on the beam 12 generates the force F by the acceleration a, and the beam is bent by this force. At this time, the piezoresistor formed in the beam 12 causes a change in its shape by this bending, and a change in the resistance value. The change in acceleration can be detected by changing the resistance value into an electrical signal using a sensing circuit.

3중 브리지 구조의 3차원 가속도 센서(10)는 각 빔(12)당 2개씩 8개의 압저항 소자들을 배치하고, 이 8개의 압저항 소자들을 이용하여 3측의 가속도 성분을 검출한다. 이 압저항 소자들에 의한 가속도 검출회로 구성은 도 9와 같이 x축 검출브리지(20)와 y축 검출 브리지(30), 그리고 x및 y축 검출 브리지(20)(30)의 양단(각각 ⓐ와 ⓑ 및 ⓒ와 ⓓ)의 저항의 변화로 인해 발생하는 전압의 변화로 z축의 가속도를 검출하는 z축 검출브리지(40)로 구성된다. 이때 모든 저항의 크기는 동일하게 설계하는데, 그 이유는 X측 검출 브리지(20)와 Y축 검출 브리지(30)의 합성 저항이 참조저항(Rref)과 같도록 하기 위해서이다.The three-dimensional acceleration sensor 10 of the triple bridge structure arranges eight piezoresistive elements, two for each beam 12, and detects the acceleration components of the three sides using the eight piezoresistive elements. The acceleration detection circuit configuration by the piezoresistive elements is composed of both ends of the x-axis detection bridge 20, the y-axis detection bridge 30, and the x- and y-axis detection bridges 20, 30 as shown in FIG. It consists of a z-axis detection bridge 40 for detecting the acceleration of the z-axis by the change of the voltage caused by the change of the resistance of the and ⓑ and ⓒ and ⓓ). At this time, the size of all the resistors are designed to be the same because the combined resistance of the X-side detection bridge 20 and the Y-axis detection bridge 30 is equal to the reference resistance Rref.

참조저항(Rref)은 고정저항으로 형성하기 위하여 가속도의 변화에 영향을 미치지 않는 영역 내에 형성하도록 한다. 한 예로, 중앙의 지지대 위에 설계하는 것이 보통이다. 물론, 질량(mass) 위에 형성하여도 되지만, 이 저항을 연결하기 위한 금속선이 빔 위를 거쳐 지나감으로써 압저항 효과의 영향을 받기 쉽고, 금속선이 휨에 의하여 실리콘 면에서 떨어지는 경우가 발생할 수 있으므로 중앙 지지대 위에 형성하는 것이 보다 효율적이다. 그럼, 지금부터 가속도에 의한 회로의 검출방법을 설명하도록 하겠다.The reference resistor Rref is formed in a region that does not affect the change in acceleration in order to form a fixed resistor. For example, it is common to design on a central support. Of course, it may be formed on the mass, but since the metal wire for connecting this resistance passes through the beam, it is easily affected by the piezoresistive effect, and the metal wire may fall from the silicon surface due to bending. It is more efficient to form on the center support. Now, a method of detecting a circuit by acceleration will be described.

1) 가속도가 인가되지 않았을 경우1) When acceleration is not applied

가속도가 인가되지 않았을 경우, 센서의 각 빔에 응력이 발생하지 않으므로, 압저항 소자 Rx1, Rx2, Rx3, Rx4, Ry1, Ry2, Ry3, Ry4의 저항치는 같고, 고정저항(Rref)은 위의 압저항 소자와 같은 저항 값을 갖는다. 이때 각 검출단자의 출력전압의 차는 0(zero)이므로 차동증폭기를 통하여 증폭한 신호의 값도 0(zero)이다.When no acceleration is applied, no stress is generated in each beam of the sensor, so that the resistances of the piezoresistive elements Rx1, Rx2, Rx3, Rx4, Ry1, Ry2, Ry3, Ry4 are the same, and the fixed resistance Rref is the above pressure. It has the same resistance value as the resistance element. At this time, since the difference of the output voltage of each detection terminal is 0 (zero), the value of the signal amplified by the differential amplifier is also 0 (zero).

2)가속도가 X축 방향으로 가해질 경우2) When acceleration is applied in X direction

도 10은 X축 방향으로 가속도가 가해질 때 응력발생에 의한 저항의 변화를 "+"와 "-"로 나타낸 것이고 도 11은 인가된 가속도에 의한 검출원리를 나타낸 것이다. 도 10, 도 11에서 보는 바와 같이 압저항 Rx1 및 Rx3이 위치한 곳의 응력은 증가하고, Rx2와 Rx4가 위치한 곳의 응력은 감소한다. 이때 응력의 변화의 절대치는같다. 이 응력의 변화에 의해 압저항 소자의 저항이 변화를 하는데, X축 가속도에 의한 X축 검출 브리지의 출력은 다음과 같다.FIG. 10 shows changes in resistance due to stress generation when acceleration is applied in the X-axis direction as "+" and "-", and FIG. 11 shows the detection principle due to the applied acceleration. As shown in FIGS. 10 and 11, the stress where the piezoresistors Rx1 and Rx3 are located increases and the stress where the Rx2 and Rx4 are located decreases. At this time, the absolute value of the change in stress is the same. The resistance of the piezoresistive element changes due to the change of the stress. The output of the X-axis detection bridge due to the X-axis acceleration is as follows.

[수학식 4][Equation 4]

(수학식 2참고)(See Equation 2)

여기서는 X축 방향으로 가속도가 가해질 때의 압저항 소자의 저항의 변화분이다.here Is the change in resistance of the piezoresistive element when acceleration is applied in the X-axis direction.

그리고 도 10, 도 11에서 보는 바와 같이 압저항 Ry1 및 Ry3이 위치한 곳의 응력은 증가하고, 압저항 Ry2 및 Ry4가 위한 곳의 응력은 감소한다. 그러나 이 응력의 크기는 X축 검출브리지 쪽의 그것에 비해 그 크기가 작다. 여기서도 응력의 변화의 절대치는 같다. 그러나, Y축 검출브리지의 출력은 저항 값의 변화가 발생하여도 브리지 회로의 특성에 의하여 전압 차가 발생하지 않으므로, 전압 차는0(zero)이다. 그리고 Z축 브리지를 구성하는 X축 검출브리지의 양단 ⓐ와 ⓑ와 Y축 검출브리지 양단 ⓒ와 ⓓ는 서로 저항 값이 상쇄되어 Z축 검출브리지의 출력에도 변화가 없다.As shown in FIGS. 10 and 11, the stress where the piezoresistive Ry1 and Ry3 are located increases, and the stress where the piezoresistive Ry2 and Ry4 is located decreases. However, the magnitude of this stress is smaller than that on the X-axis detection bridge. Again, the absolute value of the change in stress is the same. However, since the voltage difference does not occur due to the characteristics of the bridge circuit, even if the resistance value changes, the output of the Y-axis detection bridge is zero. The resistances of the X-axis detection bridges ⓐ and ⓑ and the Y-axis detection bridges ⓒ and ⓓ of the Y-axis detection bridges cancel each other, and thus the output of the Z-axis detection bridge does not change.

결론적으로, X축에 인가된 가속도를 X축 검출 브리지 회로에서만 검출이 가능함으로 별도의 신호처리회로와 보상회로가 필요 없이 검출할 수 있다.In conclusion, since the acceleration applied to the X-axis can be detected only in the X-axis detection bridge circuit, a separate signal processing circuit and a compensation circuit can be detected without the need.

3)Y축으로 가속도가 가해질 경우3) When acceleration is applied to Y axis

도 12, 도 13에서 볼 수 있듯이 X축 검출과 마찬가지로(실제로 마이크로 센서는 서로 대칭적인 구조로 만들어지므로 응력분포는 X축 검출시의 응력 분포를 각각 90도 회전한 것과 같다.) Y축 방향의 검출을 위한 압저항 Ry1과 Ry2는 증가하고, Ry3과 Ry4는 감소한다. 이때, Y축 방향의 압저항의 변화의 절대치는 같다. 그러므로 Y측 방향의 가속도로 인한 전압 차는 다음과 같다.As shown in Figs. 12 and 13 (as in fact, the microsensors are actually symmetrical with each other, so the stress distribution is as if the stress distribution during X-axis detection was rotated 90 degrees each). Piezoresistive resistors Ry1 and Ry2 for detection increase, and Ry3 and Ry4 decrease. At this time, the absolute value of the change of the piezoresistor in the Y-axis direction is the same. Therefore, the voltage difference due to the acceleration in the Y direction is as follows.

[수학식 5][Equation 5]

여기서는 Y축 방향으로 가속도가 가해질 때의 압저항 소자의 저항의 변화분으로서 Y축 검출브리지를 통하여 가속도를 검출할 수 있다. 그러나 Y축 방향으로 인가된 가속도에 의하여 압저항 Rx1, Rx3은 증가하고, 압저항 Rx2, Rx4는 감소한다. 그러므로, X측 검출 단자의 전압은 저항 값의 변화에 의하여 같은 값을 가지므로 차동증폭기에 의하여 증폭하였을 때 그 값은 0(zero)이 된다. 그러므로, Y축 방향에서 가해진 가속도에 의하여 X축 검출 브리지의 출력이 나타나지 않음으로써 신호처리를 간단히 할 수 있다.here Is a change in resistance of the piezoresistive element when acceleration is applied in the Y-axis direction, and the acceleration can be detected through the Y-axis detection bridge. However, with the acceleration applied in the Y-axis direction, the piezoresistors Rx1 and Rx3 increase, and the piezoresistors Rx2 and Rx4 decrease. Therefore, since the voltage at the X-side detection terminal has the same value due to the change in the resistance value, the value becomes zero when amplified by the differential amplifier. Therefore, the signal processing can be simplified because the output of the X-axis detection bridge does not appear due to the acceleration applied in the Y-axis direction.

그리고 Z축 검출브리지를 구성하는 X축 검출브리지의 양단 ⓐ와ⓑ 사이의 등가저항과 Y축 검출 브리지 양단 ⓒ와 ⓓ 사이의 등가저항이 Rref와 같은 값을 가지므로, Z축 검출 단자의 출력전압도 같게 된다. 그러므로, 차동증폭기를 이용하여 증폭하면 그 출력 값은 0(zero)이 된다. 결과적으로, Y축에서 인가된 가속도에 의하여 타축(X축과 Z축)에는 그 값이 나타나지 않고 Y축에만 나타남을 알 수 있다. 그러므로 보상회로 등과 같은 복잡한 신호처리 회로를 센서 시스템에 설계할 필요가 없게 된다.Since the equivalent resistance between ⓐ and θ of the X-axis detection bridge constituting the Z-axis detection bridge and the equivalent resistance between ⓒ and ⓓ of the Y-axis detection bridge have the same value as Rref, the output voltage of the Z-axis detection terminal Will be the same. Therefore, when amplified using a differential amplifier, its output value becomes zero. As a result, it can be seen that the value does not appear on the other axis (X-axis and Z-axis) but only on the Y-axis due to the acceleration applied from the Y-axis. Therefore, it is not necessary to design complex signal processing circuits such as compensation circuits in the sensor system.

4)Z축 방향으로 가속도가 가해질 경우4) When acceleration is applied in Z-axis direction

도 14는 Z축 방향으로 가속도가 가해질 때 응력발생에 의한 저항의 변화를 "+"와 "-"로 나타낸 것이고 도15는 인가된 가속도에 의한 검출원리를 나타낸 것이다. 도 14, 도15는 Z축 방향으로 가속도가 인가되었을 때의 저항의 변화를 나타낸 것이다. 상기 도면에서 보는 바와 같이 가속도 검출에 기여하는 압저항 소자의 응력성분은 모두 증가하고 이 응력성분의 증가가 저항 값을 변화(증가)시킨다. 그리고 저항의 변화율은 같다. 그러므로 X축 검출브리지와 Y축 검출 브리지는 출력의 변화가 없고, X측 브리지의 ⓐ와 ⓑ 양단의 합성저항과 Y축 브리지의 ⓒ와 ⓓ 양단의 합성저항은 Rref+만큼 변화하여 Z축 검출 브리지로는 다음과 같은 출력이 얻어진다.FIG. 14 shows changes in resistance due to stress generation when acceleration is applied in the Z-axis direction as "+" and "-", and FIG. 15 shows the detection principle by applied acceleration. 14 and 15 show changes in resistance when acceleration is applied in the Z-axis direction. As shown in the figure, the stress components of the piezoresistive element contributing to the acceleration detection all increase, and the increase of the stress components changes (increases) the resistance value. And the rate of change of resistance is the same. Therefore, the X-axis detection bridge and Y-axis detection bridge have no change in output, and the combined resistance of ⓐ and ⓑ both ends of the X-side bridge and the combined resistance of ⓒ and ⓓ both ends of the Y-axis bridge are Rref +. By varying, the following output is obtained with the Z-axis detection bridge.

[수학식 6][Equation 6]

여기서는 Z축 방향으로 가속도가 가해질 때 압저항 소자의 저항의 변화분이다.here Is the change in resistance of the piezoresistive element when acceleration is applied in the Z-axis direction.

도 16 및 도 17은 3중 브리지 구조를 이용한 3차원 가속도 센서의 센싱 회로의 변형된 형태를 설명하기 위하여 그린 것이다. 원형 회로의 센싱 디바이스인 압저항 소자는 중앙지지대와 가까운 빔의 상단(검은 색의 사각형)에 위치시켰다. 다른 방법으로, 빔의 반대편에 압저항을 한 쌍을 더 배치하여, 감도를 개선할 수 있다. 그러나, 이러한 구조의 변형회로는 결선이 보다 복잡해지는 감이 있다. 또, 다른 변형회로는 차동증폭기의 CMR(Common Mode Input Ratio)의 범위가 작은 차동증폭기를 사용할 경우, 이를 보완하기 위하여 오프셋 저항()를 달아주는 것을 들 수 있다. 이렇게 되면, 가속도에 대한 입력전압의 변화는 줄어들지만, 입력 CMR이 작은 차동증폭기를 사용할 수 있다는 장점이 있다.16 and 17 illustrate a modified form of a sensing circuit of a 3D acceleration sensor using a triple bridge structure. Piezoresistive elements, sensing devices in circular circuits, were placed on top (black squares) of the beam near the center support. Alternatively, a pair of piezoresistors can be further placed on the opposite side of the beam to improve the sensitivity. However, the modified circuit of such a structure has a feeling that the wiring becomes more complicated. In addition, another modified circuit uses an offset resistor to compensate for the differential amplifier having a small range of the common mode input ratio (CMR) of the differential amplifier. ) Can be attached. This reduces the change in input voltage with respect to acceleration, but has the advantage that a differential amplifier with a small input CMR can be used.

이상 설명한 바와 같이, 기존의 3차원 가속도 센싱 기법은 타축에 의한 영향을 줄이기 위하여 센싱 회로의 뒷단에 복잡한 신호처리회로와 보상회로를 첨가하여야하므로 초소형화, 회로와 가속도를 동시에 가공하여 만드는 일괄공정에는 매우 부적합하므로 마이크로센서를 만들 경우 단가가 매우 비싸게 된다. 그러나, 3중 브리지 구조의 3차원 가속도 센싱회로를 이용하면, 타축에 대한 감도가 매우 뛰어나므로, 차동증폭기 다음 단에 간단한 회로만을 사용함으로 마이크로센서를 일괄공정에 의하여 생산할 때 매우 유리하다.As described above, the conventional three-dimensional acceleration sensing technique requires complex signal processing and compensation circuits to be added to the rear end of the sensing circuit in order to reduce the influence of other axes. It is very unsuitable, so the cost of manufacturing microsensor is very high. However, when the three-dimensional acceleration sensing circuit of the triple bridge structure is used, the sensitivity to the other axis is very excellent, and thus it is very advantageous when the micro sensor is produced by the batch process by using only a simple circuit next to the differential amplifier.

Claims (3)

x축 검출 브리지(20)와 y축 검출 브리지(30)를 구성한 후, x및 y축 검출 브리지(20)(30)의 양단(각각 ⓐ와 ⓑ 및 ⓒ와 ⓓ)의 저항의 변화로 인해 발생하는 전압의 변화로 z축의 가속도를 검출하는 z축 검출브리지(40)로 구성하며, X축 검출 브리지(20)와 Y축 검출 브리지(30)의 합성 저항이 참조저항(Rref)과 같도록 하기 위해서 모든 저항의 크기는 동일하게 설계하고, 참조저항(Rref)은 고정저항으로 형성하기 위하여 가속도의 변화에 영향을 미치지 않는 영역 내에 형성하여 구성함을 특징으로 하는 3중 브리지 구조를 이용한 3축 가속도 센싱회로.After configuring the x-axis detection bridge 20 and the y-axis detection bridge 30, it occurs due to the change in resistance of both ends (ⓐ and ⓑ and ⓒ and ⓓ) of the x and y-axis detection bridges 20 and 30, respectively. It consists of a z-axis detection bridge 40 for detecting the acceleration of the z-axis by the change of the voltage, so that the combined resistance of the X-axis detection bridge 20 and Y-axis detection bridge 30 is equal to the reference resistance (Rref) In order to form all the resistors in the same way, the reference resistance (Rref) is formed in a region that does not affect the change of acceleration in order to form a fixed resistance, the three-axis acceleration using a triple bridge structure Sensing circuit. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 빔의 반대편 위치에 압저항을 한 쌍 더 배치하여 구성함을 특징으로 하는 3중 브리지 구조를 이용한 3축 가속도 센싱회로.A three-axis acceleration sensing circuit using a triple bridge structure characterized in that a pair of piezoresistors are arranged on the opposite side of the beam. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, x축 검출 브리지(20)와 y축 검출 브리지(30)를 각각 이중으로 구성하고 두개의 x축 검출 브리지(20)사이와 두개의 y축 검출 브리지(30) 사이에 오프셋 저항을 구성함을 특징으로 하는 3중 브리지 구조를 이용한 3축 가속도 센싱회로.Dual configuration of the x-axis detection bridge 20 and the y-axis detection bridge 30 and the configuration of the offset resistance between the two x-axis detection bridge 20 and the two y-axis detection bridge 30 3-axis acceleration sensing circuit using a triple bridge structure.
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