KR100269252B1 - 정전용량변화검출회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 각속도 검출용 마이크로 자이로 센서의 미소 정전용량 변화를 검출함에 있어서 CMOS 공정으로 IC화가 가능한 전자회로의 구조에 관한 것이다.

종래의 마이크로 자이로(gyro)에서 정전용량의 미소변화를 검출하는 기존방식은 적분기의 동작점을 잡아 주면서 교류신호 이득을 보장하기 위해 큰 저항으로 부궤환을 하였을 때 발생되는 기생 정전용량(parasitic capacitor)로 인해 검출 감도가 저하되고 또한 CMOS 공정에서 큰 저항을 만들기가 용이하지 않다는 문제점이 있다. 본 발명에서는 약반전(weak inversion) CMOS를 이용한 트랜스컨덕터 증폭기로 적분기를 부궤환하여 동작점을 잡아 준다. 약반전의 CMOS는 동작전류가 아주 작으므로 트랜스컨덕터 증폭기의 대역주파수(f_H)를 충분히 낮게 설정할 수 있다. 따라서, 마이크로 자이로의 검출 교류신호대역에서 적분기의 이득에 영향을 주지 않고 동작점을 잡을 수 있다는 장점이 있다. 또한, 적분기 구조에서는 트랜스컨덕터 증폭기의 통과대역 주파수를 검출신호에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 최대한 높이고 적분기의 대역주파수를 낮춤으로써 기존 방식의 대역통과 필터의 기능을 함께 수행할 수 있으므로 검출회로가 보다 간단해진다.

Description

정전용량 변화 검출회로

본 발명은 마이크로 자이로에서 미소 정전용량 변화를 검출하는 반도체 CMOS 공정의 집적 회로구조의 설계에 관한 것이다.

회전 각속도를 측정하는 자이로 센서는 항공기, 선박, 우주선 등의 위치파악 및 자세 제어를 위해 필요하며 이러한 응용 분야에서는 정밀하고 고가의 기계적인 것을 이용하고 있다. 고전적인 기계적 각속도 센서는 기하학적인 축에 대하여 자유롭게 회전운동할 수 있는 회전자로 구성되어 있으며 회전자가 회전축을 그대로 유지하려는 성질을 이용하는 센서이다.

이와는 달리 초소형 각속도계인 도 1의 마이크로 자이로 센서는, 앵커(11)에 매달린 진동자(12)가 X방향(13)의 왕복운동을 하는 상태에서 외부로부터 Y방향(14) 회전이 인가됨으로써 발생되는 코리올리(Coriolis) 힘에 의해 Z방향(15)으로 진동하는 크기을 측정하는 구조로 제작된다.

초소형 각속도계의 진동크기를 측정하는 방법에는 정전력, 압전 필름 (piezoelectric flim), 그리고 자기력 등 여러가지가 있다. 이중에서 진동자(12)와 하부전극(16) 사이의 정전용량 변화를 측정하는 각속도 검출방식은 미세구조 및 회로의 제작기술인 실리콘 공정기술과 호환성이 좋고 또한 제작이 간단하다는 장점이 있다. 이와 같이 미세 가공기술을 이용한 초소형 각속도 센서인 마이크로 자이로는 최근에 자동차의 자동운항장치, 능동 현가장치, 자세제어 그리고 캠코더의 손떨림 방지 등의 응용 분야에서 최근 활발히 연구되고 있다.

이러한 마이크로 자이로의 미소 정전용량 변화를 검출하는 종래의 회로는 도 2에 나타내었다. 도 2에서 C_z(21)는 인가된 각속도에 비례하여 발생되는 코리올리 가속도에 의해 도 1의 구조체가 위아래로 움직이면서 정전용량이 변화된다. 이때 구조체의 위아래 움직임에 있어서 그 크기는 인가된 회전력의 크기에 비례하며, 주파수는 X 방향의 수평 공진주파수가 된다. 따라서 각속도에 따른 정전용량 변화로 발생되는 전기 신호는 구조체 공진주파수에 의해 진폭변조된 형태가 되므로 인가 회전 각속도의 크기는 정전용량 변화에 의해 발생되는 전기신호의 포락선과 비례한다.

도 2에는 이러한 정전용량 미소변화에 따른 전기신호를 검출하는 기존의 방식(William A. Clark, "Surface micromachined Z-axis vibratory rate gyroscope", Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head, June, 1996)을 보여 주며, 그 구성은 정전용량의 변화에 따른 전류를 감지하는 적분기 형태의 초단 증폭기(22), 초단 증폭기에 의해 검출된 전기신호를 증폭하기 위한 이득 증폭기(24), 잡음을 줄여 검출 감도를 높이기 위한 대역통과 필터(25), 그리고 앞서 언급한 바와 같이 인가된 각속도에 비례하는 직류 전기신호를 최종 출력으로 얻기 위한 AM 복조기(26) 등으로 검출회로가 이루어져 있음을 알 수 있다.

적분기의 동작점을 잡아 주면서 교류신호 이득을 보장하기 위해 큰 저항(23)으로 적분기를 부궤환 (negative feedback)해야 하나, 큰 저항으로 부궤환을 하였을 때 발생되는 기생 정전용량(parasitic capacitance)으로 인해 검출신호의 감도가 저하되고 또한 CMOS 공정에서 큰 저항을 만들기가 용이하지 않다는 문제점이 있다.

위 논문에서 제시된 회로에서는 큰 저항대신 다이오드와 약반전으로 동작시키는 하나의 MOS Tr로 적분기의 동작점을 잡아주고 있다. 여기서는 약반전 MOS Tr의 동작전류를 다이오드의 작은 역방향 누설전류로 잡아주고 있는데, 다이오드의 역방향 전류는 온도 및 동작환경에 따라 변하므로 원하는 동작전류로 제어하기가 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 반도체 공정으로 제작되는 마이크로 자이로에서 각속도의 인가에 따른 정전용량 변화를 검출할 수 있는 CMOS 전자회로의 구조를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에서는 이와 같은 정전용량 검출회로 구조에 있어서, 초단 증폭기인 적분기의 동작점을 잡아 주기 위해 큰 저항을 사용하지 않고 약반전(weak inversoin)의 CMOS 트랜스 컨덕터 증폭기 회로를 부궤환 소자로 이용함으로써 보다 안정되고 높은 검출감도를 얻을 수 있는 회로구조를 제안한다. 본 발명은 약반전 MOS의 동작전류를 잡아주기 위해 스위칭에 의한 바이어스 회로를 별도로 사용하였다.

또한, 부궤환 CMOS 회로와 적분기에 사용되는 증폭기의 동작주파수 대역을 적절히 설정하면 초단 증폭기(적분기)가 대역통과 필터의 주파수 응답특성을 가지게 할 수 있다.

이와 같은 회로 구조를 이용함으로써 종래의 대역통과 필터의 기능을 동시에 수행할 수 있으므로 보다 제작이 간단하고 집적화가 용이하며, 또한 신뢰도가 높은 마이클 자이로용 검출회로를 설계할 수 있다.

도 1은 일반적인 마이크로 자이로의 구조도.

도 2는 종래 마이크로 자이로용 정전용량 변화량 검출 회로도.

도 3은 본 발명의 마이크로 자이로용 정전용량 변화량 검출회로도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

11 : 앵커(anchor) 12 : 진동자

13 : 진동자의 X 방향 14 : 진동자의 Y 방향

15 : 진동자의 Z 방향 16 : 검출용 하부 전극

31 : 인가된 각속도에 의해 변하는 정전용량

32 : 기생 정전용량

33 : 적분기의 동작점을 잡기위한 저항

34 : 동작점을 잡아주기 위한 보조증폭기

35 : 이득증폭기 36 : AM 복조기

37 : 출력 버퍼

도 1은 본 발명에 적용하려는 마이크로 자이로의 형태를 도시화한 것이다. X방향(13)으로 기준진동하고 있는 망사 모양의 구조체(스프링으로 고정되어 하부전극과 공간을 두고 고정되어 있다)에 Y방향(14)을 회전축으로 한 외부의 각속도가 인가되면 코리올리 가속도에 의해 구조체가 Z방향(15)으로 진동하게 된다. 구조체가 Z축으로 움직임에 따라 망사 구조체와 하부전극 사이의 정전용량(C_Z)(31)이 변화하게 되고 이 변화를 검출함으로써 인가된 회전 각속도를 측정할 수 있다.

도 3은 본 발명에서 제시하는 마이크로 자이로용 정전용량 검출회로의 구조를 보인 것으로서, 상기 마이크로 자이로의 정전용량(31)의 변화를 검출하는 적분기 형태의 초단 증폭기(33)와, 그 초단 증폭기(33)의 출력을 부궤환시켜 동작점을 잡아주는 트랜스 컨덕터 증폭기(34)와, 상기 초단 증폭기(33)의 출력신호를 증폭하는 이득 증폭기(35)와, 그 이득 증폭기(35의 출력신호에서 각속도에 비례하는 직류신호를 얻기 위한 포락선 검파 방식의 AM 복조기(36)와, 그 AM복조기(36)의 출력신호를 버퍼링하여 출력신호 V_OUT으로 출력하는 출력 버퍼(37)로 구성되어 있다.

상기 적분기 형태의 초단증폭기(33)는 도 2와 같이 전류검출 방식이다. 마이크로 자이로의 정전용량 C_z(31)는, 인가된 각속도에 따라 변하는 정전용량으로 도 3과 같은 구조에서 정전용량 C_z변화에 의해 발생되는 전류를 적분기 형태의 초단 증폭기(33)로 1차 검출을 한다. 이 전류는 아주 작은 양이므로 초단 증폭기(33)의 설계가 아주 중요하다.

도 3에는 약반전(weak inversion) CMOS를 이용한 트랜스 컨덕터 증폭기(34)를 이용한 적분기를 부궤환하여 동작점을 잡아 주는 회로 구조를 보여 준다. 약반전의 CMOS는 동작전류가 아주 작으므로 트랜스 컨덕터 증폭기(34)의 대역주파수 (f_H)를 충분히 낮게 설정할 수 있으며, 따라서 10kHz 정도인 검출 교류신호대역에서 적분기의 이득에 영향을 주지 않고 동작점을 잡아 줄 수가 있다. 본 발명에서는 이와 같이 큰 저항을 사용하지 않으므로 기생 정전용량(저항에 의해 발생되는)에 의한 잡음을 줄일 수 있으므로 자이로 센서의 검출감도를 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 적분기 구조에서는 검출신호에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 부궤환 트랜스컨덕터 증폭기(34)의 통과대역 주파수(f₁)를 최대한 높이고, 또한 적분기로 사용되는 트래스컨덕터의 대역 주파수 (f₂)를 낮춤으로써 기존방식에서의 대역통과 필터의 기능을 함께 수행할 수 있다. 즉, 초단 증폭기가 f₁- f₂대역의 신호를 통과시키는 대역통과 필터의 기능을 하고 있으므로 종래 방식인 도 2의 대역통과 필터를 따로 설계할 필요가 없다.

따라서 회로 설계가 보다 간단해지고 초단증폭기 내에 대역통과 필터의 기능이 포함되어 있어 잡음을 줄일 수 있으므로 검출감도가 더욱 향상된다는 장점이 있다.

본 발명의 마이크로 자이로용 정전용량 검출회로에서는 적분기의 초단 증폭기를 약반전의 CMOS 트랜스컨덕터로 부궤환시킴으로써 보다 안정되게 동작점을 잡을 수 있는 효과가 있다. 또한 초단증폭기 내에 대역통과 필터의 기능이 포함되어 있어 잡음을 줄일 수 있으므로 검출감도를 더욱 향상시킬 수 있다. 이와 같은 회로 구조를 이용할 경우, 신뢰성이 높고 검출 감도가 우수하면서 집적화가 용이한 마이크로 자이로용 검출회로를 용이하게 제작할 수 있다.

Claims (2)

1. 미세 정전용량 변화량을 적분기 형태의 초단 증폭기를 통해서 검출하는 회로에 있어서,

   상기 적분기 형태의 초단 증폭기의 동작점을 잡아두기 위하여, 바이어스 전류가 작은 약 반전(weak inversion) CMOS 트랜스 컨덕터 보조 증폭기를 상기 초단 증폭기의 출력신호를 부궤환시키는 수단으로 사용하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출 회로.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 초단 증폭기와 상기 보조증폭기는,

   상기 보조 증폭기의 통과대역 주파수(f₁)를 최대한 높이고, 상기 초단 증폭기의 대역 주파수 (f₂)를 낮추어 초단 증폭기가 f₁- f₂대역의 신호를 통과시키는 대역통과 필터의 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 검출회로.

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