KR101093883B1 - 마이크로공학적 센서 및 그 작동 방법 - Google Patents

마이크로공학적 센서 및 그 작동 방법 Download PDF

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Abstract

마이크로 공학적 센서(30)는: 적어도 하나의 움직일 수 있는 전극(29)과, 움직일 수 있는 전극(29)으로부터 떨어져 형성되고 개별적으로 구동될 수 있는 복수개의 전극을 가지며, 대응하는 전극 신호(uo1, uo2, uu1, uu2)가 인가될 수 있는 전극 배열(311 - 314)과, 이때 전극 신호들은 공진기의 리드아웃 인자와, 작용 힘, 스프링 상수를 정전기적으로 설정/변화하는데 사용될 수 있고, 전극배열(311 - 314)에 연결되고, 작용 힘 신호(f), 스프링 상수 신호(△ω) 및 리드아웃 인자 신호(m)를 공급받을 수 있고, 움직일 수 있는 전극(29)의 리드아웃 인자와, 작용 힘, 스프링 상수에 대하여 발생되는 설정/변화(settings/changes)를 정의하는 전극 신호 발생 유닛(32)을 포함하며, 여기서, 전극 신호 발생 유닛(29)은 작용 힘 신호, 스프링 상수 신호 및 리드아웃 인자 신호(f, △ω, m)에 어느 정도 의존하는 각각의 전극 신호(uo1, uo2, uu1, uu2)를 발생시키며, 공진기의 리드아웃 인자와, 작용 힘과, 스프링 상수가 서로 독립적인 특정한 요구값으로 설정/변화됨으로써, 전극 신호(uo1, uo2, uu1, uu2)를 서로 정합시키다.

Description

마이크로공학적 센서 및 그 작동 방법{Microelectromechanical sensor and operating method for a microelectromechanical sensor}
본 발명은 마이크로공학적 센서 및 그와 같은 센서의 작동 방법에 관한 것이다.
마이크로공학적 센서(Microelectromecahnical sensors:MEMS)는 많은 기술적인 제품의 기초를 형성한다. 마이크로공학적 센서는 예를 들어, 항해 분야에서 상당히 가치가 있었음이 입증되어 왔으며, 코리올리 자이로스코프(Coriolis gyroscopes)로서 사용되고 있다. 마이크로공학적 센서의 기능은 코리올리 자이로스코프를 기반으로 하는 실시예에 의해, 이하 설명될 것이다.
코리올리 자이로스코프는 진동의 효과를 일으킬 수 있는 질량 시스템(mass system)을 가진다. 일반적으로 그 질량 시스템은 처음에는 서로 독립적인 다양한 진동 모드(oscillation modes)를 가진다. 코리올리 자이로스코프의 운전상태에서(즉 마이크로공학적 센서의 작동상태), 질량 부재의 특별한 진동 모드가 인위적으로 야기되며, 이런 모드는 이하 "여기 진동(excitation occillation)"이라 한다. 코리올리 자이로스코프가 회전되면, 질량 시스템의 여기 진동으로부터 에너지를 이끌고, 이것을 질량 시스템(mass system)의 다른 진동모드에 전달하는 코리올리 힘이 야기되며, 이 모드는 이하 "리드아웃 진동(read-out oscillation)"이라 한다. 코리올리 자이로스코프의 회전을 결정하기 위해, 코리올리 자이로스코프의 회전 측정치를 나타내는 리드아웃 진동의 크기 내의 변화가 야기되는지에 관하여, 리드아웃 진동이 기록되고, 상응하는 리드아웃 신호가 조사된다. 코리올리 자이로스코프는 개방루프 시스템(open-loop system)이거나 폐쇄루프 시스템 (closed-loop system)으로 실현될 수 있다. 폐쇄루프 시스템에서, 리드아웃 진동의 진폭(amplitude)은 각각의 제어 루프에 의하여 고정된 값 - 대략 0 - 에서 연속적으로 리셋(reset)되며, 그리고 리셋 힘이 측정된다.
코리올리 자이로스코프(보다 일반적으로: 마이크로공학적 센서)의 질량 시스템(이하 "공진기(resonator)라 함")은 이 경우에 여러 가지 방식으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 하나의 부재로 구현되는 질량 시스템을 사용할 수 있다. 선택적으로, 질량 시스템을 두 개의 진동기(oscillators)로 나눌 수 있으며, 스프링 시스템(spring system)을 경유하여 서로 연결되고 서로에 관하여 상대적인 움직임을 수행할 수 있다.
코리올리 자이로스코프(20)의 종래기술은 도1에서 개략적으로 나타나 있다. 코리올리 자이로스코프(20)는 전하 증폭기(1), 아날로그-디지털 변환기(2), 신호 분리수단(signal separaiton)(3), 복조기(demodulator)(4, 5), 제어시스템(control system)(6), 변조기(modulator)(7), 구동기(drivers)(8, 9), 공진기(resonator)(10) 그리고 네 개의 전극(111 내기 114)을 갖는 전극 시스템(11)을 포함한다.
공진기(10)는 전극(111 에서 114)에 의하여 여기되어 진동을 야기한다. 게다가, 공진기(10)의 스프링 상수(spring constant)가 전극(111 에서 114)에 의하여 정전기적으로(electrostatically) 설정(set) 또는 변화(changed)될 수 있다. 공진기(10)의 움직임은 공진기(10)에 제공되는 전극("움직일 수 있는 중심 전극") 상에서, 전극(111 에서 114)에 의하여 발생하는 정전기장(electrostatic field) 내에서의 공진기(10)의 움직임에 의하여 발생되는 전하 이동(△q)의 측정에 의하여 결정된다. 전하 이동(charge transfer)에 비례하는 신호(S7)가 AD 컨버터(analog-to-digital converter)로 전하 증폭기(1)에 의하여 출력되며, AD 컨버터에 의해 상응하는 디지털 신호(S8)로 변환된다. 이와 같은 신호로부터, 신호(S3 에서 S6)는 복조기(4, 5), 제어시스템(6), 변조기(7) 및 구동기(8, 9)에 의해 발생하며, 이들 신호는 전극(111 에서 114)에 인가되며, 코리올리 힘에 의하여 생기는 공진기(10)의 편향(deflections)이 보정됨을 보장한다. 코리올리 자이로스코프의 정확한 기능에 대해, 특허 명세서 DE 103 20 675에 예시되어 있다.
본 발명의 기초되는 목적은 마이크로공학적 센서, 예를 들어 적은 수의 센서 전극에도 불구하고 가능한 한 폭 넓은 기능을 가진, 전기용량 센서(capacitive sensor) 또는 압전기 센서(piezoelectric sensor)를 특성화하는 것이다.
이러한 목적을 이루기 위해서, 본 발명은 특허 청구항1에 따른 마이크로공학적 센서를 제공한다. 게다가, 본 발명은 특허 청구항11에 의하여 마이크로공학적 센서용 작동 방법을 제공한다. 본 발명의 개념의 바람직한 구성과 발달은 종속항들에서 찾을 수 있다.
본 발명은,
-적어도 하나의 움직일 수 있는 전극(movable electrode)과,
-움직일 수 있는 전극으로부터 떨어져 공간을 형성하고, 각각 구동될 수 있고, 상응하는 전극 신호가 인가될 수 있고 복수개의 전극을 구비하는 전극 배열과, 여기서, 전극 신호는 움직일 수 있는 전극(movable electrode)의 리드아웃 인자(read-out factor), 작용 힘(application of force), 스프링 상수를 정전기적으로 설정/변화시키도록 사용될 수 있고,
-전극 배열에 연결되고 작용 힘 신호(force application signal), 스프링 상수 신호(spring constant signal) 및 리드아웃 인자 신호(read-out factor signal)를 공급받을 수 있고, 움직일 수 있는 전극의 리드아웃 인자와, 작용 힘(application of force) 및 스프링 상수에 관하여 야기될 수 있는 설정 및/또는 변화를 정의하는 전극 신호 발생 유닛을 포함하며,
-전극 신호 발생 유닛은 작용 힘 신호(force application signal), 스프링 상수 신호 및 리드아웃 인자 신호에 어느 정도 의존하는 각각의 전극 신호를 발생시키며, 움직일 수 있는 전극의 리드아웃 인자와, 작용 힘, 스프링 상수가 서로 독립적으로 특정된 요구값으로 설정 및/또는 변화될 수 있도록 하여, 전극 신호를 서로 정합시키는 것을 특징으로 하는 마이크로공학적 센서를 제공한다.
본 발명이 기반으로 하는 본질적인 통찰은 소정의 전극 배열을 위한 전극 신호가 움직일 수 있는 전극의 리드아웃 인자와, 작용 힘과, 스프링 상수가 서로 독립적인 특정한 요구값에 설정/변화될 수 있도록, 서로 대응될 수 있으며, 그럼으로써 마이크로공학적 센서의 작동 방법의 최고 유연성(flexibility)이 가능하도록 한다. 이 문맥에서 "소정의 전극 배열"은 적어도 세 개의 전극의 소정의 공간 배열을 의미한다.
상기한 바와 같이, 마이크로공학적 센서의 질량 시스템(이하 "공진기"라 함)은 다양한 방법으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 질량 시스템은 하나의 부재로 구현되어 사용될 수 있다. 선택적으로, 질량 시스템을 두 개의 진동기로 나누어, 스프링 시스템을 경유하여 서로 연결되고, 서로에 대하여 상대적인 움직임을 수행할 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명에 따르는 센서는 전하 이동 유닛(charge transfer unit)을 구비하고, 움직일 수 있는 전극에 야기되는 전하 이동을 감지하며, 움직일 수 있는 전극의 순간적인 움직임은 감지된 전하 이동의 기초로 하여, 연산 유닛(evaluation unit)에 의하여 결정될 수 있다.
하나의 실시예에서, 전극 신호 발생 유닛(electrode signal generation unit)은 작용 힘 신호, 스프링 상수 신호 및 리드아웃 인자 신호에 어느 정도 의존하는 각각의 전극 신호를 발생시켜서, 움직일 수 있는 전극에 감지되는 전하 이동이 움직일 수 있는 전극의 움직임(movement) 그리고 리드아웃 인자의 값으로부터 유래되는 전하 이동 구성물(components)를 포함만 한다; 이 경우, 리드아웃 인자는 움직일 수 있는 전극의 움직임을 읽기 위한 이득 인자(gain factor)로 이해되어야 한다.
전극 배열은 짝수 또는 홀수 전극으로 구성할 수 있다. 게다가, 개개의 전극의 차원(dimensions)과 배열은 서로 다를 수 있다. 바람직한 실시예에서, 예를 들어 전극 배열은 두 쌍의 전극으로 모여질 수 있는 네 개의(바람직하게 동일한) 전극을 포함하며, 전극들은 두개의 전극쌍을 분리하는 제1축에 대하여 축에 대칭적으로 형성되고, 각 전극쌍의 전극들을 서로 분리시키는 제2축에 대하여 축에 대칭적으로 구성된다. 유리한 점으로, 움직일 수 있는 전극은 대칭인 두 축의 교차점에 관하여 중심대칭적(centrosymmetrically)으로 배열된다.
실시예에서 움직일 수 있는 전극은 공진기의 부분으로서 구현되며, 움직일 수 있는 전극은 여기되어 진동을 야기할 수 있고, 센서는 예를 들어 코리올리 자이로스코프로서 사용될 수 있다.
두 개의 움직일 수 있는 전극, 두 개의 전극 배열(signal arrangement)과 두 개의 전극 신호 발생 유닛으로 구비하는 실시예에서, 움직일 수 있는 전극 모두는 두 개의 리드아웃 인자의 상응하는 선택에 의하여 서로 개별적으로 읽혀질 수 있고, 움직임(작용 힘에 의하여 영향받는) 및 스프링 상수는 서로 독립적으로 설정될 수 있다.
게다가 본 발명은 움직일 수 있는 전극 및 움직일 수 있는 전극으로 부터 떨어져 공간을 형성하는 전극 배열과 개별적으로 구동될 수 있고 대응하는 전극 신호들이 인가될 수 있는 복수의 전극들을 구비하는 마이크로공학적 센서(MEMS)용 작동방법에 관한 것으로서, 이 작동방법은:
-작용 힘 신호(force application signal), 스프링 상수 신호 및 리드아웃 인자 신호에 어느 정도 의존하는 전극 신호들의 생성 단계와, 여기서 전극신호들은 움직일 수 있는 전극의 리드아웃 인자와, 움직임과, 스프링 상수에 관하여 영향을 받는 설정 및/또는 변화(settings and/or changes)를 정의하고,
-움직일 수 있는 전극의 리드아웃 인자와, 작용 힘과, 스프링 상수를 정전기적으로 설정 및/또는 변경하기 위하여 대응하는 전극들에 전극 신호들을 인가하는 단계와,
-여기서, 각각의 전극 신호는 작용 힘 신호, 스프링 상수 신호 및 리드아웃 인자 신호에 어느 정도 의존하여 발생하며, 움직일 수 있는 전극의 리드아웃 인자와, 작용 힘과, 스프링 상수가 서로 독립적으로 특정값에 설정 및/또는 변화됨으로써, 전극 신호들은 서로 정합된다.
본 발명은 보다 구체적으로 도면을 참조하여 실시예를 들어 아래 설명된다.
도1은 종래의 마이크로공학적 센서(코리올리 자이로스코프)의 기초 개략적 도면을 나타낸다.
도2는 한 개의 움직일 수 있는 전극을 구비한 본 발명에 따른 마이크로공학적 센서의 실시예를 나타낸다.
도3a는 두 개의 움직일 수 있는 전극들을 구비한 본 발명에 따른 마이크로공학적 센서의 또 다른 실시예를 나타낸다.
도3b는 두 개의 리드-아웃 인자의 인가에 대한 개략적인 시간 특징을 보여준다.
도2는 본 발명에 따른 마이크로공학적 센서(30)의 바람직한 실시예의 발췌(excerpt)를 보여준다. 도2에서 보이는 발췌는 도1의 변조기(7), 구동기(8, 9), 공진기(10) 그리고 전극 배열(111 에서 114)의 "전체(ensemble)"와 대략 비교될 수 있다.
도2는 움직일 수 있는 전극(29)에 대하여 떨어져 공간이 형성된 전극 배열 (31)을 보여주며, 예를 들어 공진기(미도시)의 부분이 될 수 있고, 상기한 전극 배열은 제1 내지 제4 전극(311 에서 314)으로 구성되어 있다. 제1 및 제3 전극 배열(311, 313)과 제2 및 제4 전극배열(312, 314) 각각은 전극 쌍을 형성한다. 전극 쌍의 전극은 축(A)에 대하여 축에 대칭적으로 배열된다. 게다가, 전극 쌍은 축(A)에 수직인 축(B)에 의해 서로에 대하여 축에 대칭적으로 서로 분리된다. 예를 들어, 움직일 수 있는 전극(29)은 도2에 도시된 것처럼 대칭인 두 개의 축 (A, B)의 교차점(S)에 대하여 중심대칭으로 배열된다.
게다가, 전극 신호 발생 유닛(32)은, 작용 힘 신호(S20)(또한 "f"로 호칭되며), 스프링 상수 신호(S21)(또한 "△ω"로 호칭되며), 그리고 리드-아웃 인자 신호(S22)(또한 "m"으로 호칭되며)를 공급받을 수 있도록 보일 수 있다. 리드-아웃 인 자 신호(S22)는 제곱 유닛(squaring unit)(33)으로 형성되며, 이에 획득된 신호(S23)는 제1추가 스테이지(34)에 마이너스 부호(negative sign)로 공급되고, 이 신호는 스프링 상수 신호(S21)에 가산된다. 제1추가 스테이지(34)의 출력 신호(S24) 는 제2 및 제3추가 스테이지(35, 36)에 공급된다. 제2추가 스테이지(35)에서, 신호(S24)는 신호(S20)에 가산되며, 반면에 제3추가 스테이지(36)에서, 마이너스 부호의 신호(S20)는 신호 (S24)에 가산된다. 추가 스테이지들(35, 36)의 출력 신호(S25, S26)는 신호(S25, S26)의 하나로부터 제곱근을 각각 결정하는 제곱근 유닛(root unit)(37, 38)에 공급된다. 제곱근 유닛(37, 38)의 출력 신호(S27, S28)는 제4 내지 제7추가 스테이지(39 내지 42)에 공급되며, 각각의 신호(S27, S28)는 각각의 경우에 신호(S22)에 한번 가산되며, 상기한 신호로부터 한번 감산된다. 상응하는 출력 신호(S29 내지 S32)는 DA 컨버터(digital-to-analog converters)(43 내지 46)에 공급되고, DA 컨버터(43 내지 46)는 (지금까지의 디지털)신호를 아날로그 신호(uo1, uo2, uu1, uu2)로 변환하고, 그들을 대응하는 전극(311 내지 314)에 인가한다. 신호(uo1, uo2, uu1, uu2)는 발명의 면에서 전극 신호들을 나타내며, 작용 힘 신호(S20(=f)), 스프링 상수 신호(S21(=△ω)) 및 리드-아웃 인자 신호(S22(=m))에 의하여 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112009012046084-pct00001
(1)
Figure 112009012046084-pct00002
(2)
Figure 112009012046084-pct00003
(3)
Figure 112009012046084-pct00004
(4)
따라서, 전극 신호(uo1, uo2)는 축(A)위에 위치하는 전극(311, 312)에 존재하는 전극 신호들을 나타내며, 그리고 전극 신호(uu1, uu2)는 축(A) 아래에 위치한 전극(313, 314)에 존재하는 전극 신호들을 나타낸다. 움직일 수 있는 전극(29)의 연결은 가상접지(virtual ground)이다; 움직일 수 있는 전극(29)으로 부터 흐르는 전하는 측정된다.
도3은 두 개의 움직일 수 있는, 전기적으로 연결된 전극(29, 50)이 복합(multiplex)의 방법으로 어떻게 연결될 수 있음을 보여준다. 제어 신호(control signal)(m1 및 m2)는 도면 3b에 도시된 방식으로 전환되고, 각각의 움직일 수 있는 전극(29, 50)을 전하 증폭기(70)에 노출되도록 선택적으로 할 수 있다. 인가 힘(f1 및 f2) 그리고 정합(matchings)(△ω1, △ω2)은 독립적으로 선택될 수 있다.
도3은 두 번째 움직일 수 있는 전극(50)에 대하여 떨어져 공간을 형성한(spaced) 전극 배열(51)을 보이며, 전기적으로 적어도 하나의 움직일 수 있는 전극(29)에 연결되며, 상기한 전극 배열은 제1 내지 제4전극(511 내지 514)을 포함한다. 제1 및 제3전극(511, 513) 그리고 제2 및 제4 전극(512, 514)은 전극 쌍을 각각 형성한다. 전극 쌍의 전극은 축A2에 관하여 축에 대칭적으로 배열된다. 게다가, 전극 쌍은 축(A2)에 수직인 축(B2)에 의해 서로에 대하여 축에 대칭적으로 서로 분리된다.
제2전극 신호 발생 유닛(52)은 제2 작용 힘 신호(
Figure 112009012046084-pct00005
)(또한, "f2"로 호칭됨), 제2 스프링 상수(
Figure 112009012046084-pct00006
)(또한 "△ω2"로 호칭됨) 및 제2 리드아웃 인자 신호(
Figure 112009012046084-pct00007
)(또한 "m2"로 호칭됨)를 공급받는 것이 도시된다. 제2 리드아웃 인자 신호(
Figure 112009012046084-pct00008
)는 제2 제곱유닛(squaring unit)(53)에 제곱되고, 이에 획득된 신호(
Figure 112009012046084-pct00009
)는 제8추가 스테이지(54)에 마이너스 부호(negative sign)로 공급되며, 상기한 신호는 제2스프링 상수 신호(
Figure 112009012046084-pct00010
)에 가산된다. 제8추가 스테이지(54)의 출력 신호(
Figure 112009012046084-pct00011
)는 제9 및 제10추가 스테이지(55, 56)에 공급된다. 제9추가 스테이지(55)에서, 신호(
Figure 112009012046084-pct00012
)는 신호(
Figure 112009012046084-pct00013
)에 가산되며, 반면에 제10추가 스테이지(56)에서, 마이너스 부호의 신호(
Figure 112009012046084-pct00014
)는 신호(
Figure 112009012046084-pct00015
)에 가산된다. 추가 스테이지(55, 56)의 출력 신호(
Figure 112009012046084-pct00016
,
Figure 112009012046084-pct00017
)는 제2제곱근 유닛(57, 58)에 인가되고, 각각 신호(
Figure 112009012046084-pct00018
,
Figure 112009012046084-pct00019
)의 하나로부터 제곱근(root)을 결정한다. 제2제곱근 유닛(57, 58)의 출력 신호(
Figure 112009012046084-pct00020
,
Figure 112009012046084-pct00021
)는 제11 내지 제14 추가 스테이지(59 내지 62)에 공급되며, 신호(
Figure 112009012046084-pct00022
,
Figure 112009012046084-pct00023
) 각각은 각 경우에서 신호(
Figure 112009012046084-pct00024
)에 한번 가산되고, 상기한 신호로부터 한번 감산된다. 대응하는 출력 신호(
Figure 112009012046084-pct00025
내지
Figure 112009012046084-pct00026
)는 제2 DA 변환기(63 내지 66)에 공급되며, 제2 DA 변환기(63 내지 66)는 (지금까지의 디지털)신호를 아날로그 신호(
Figure 112009012046084-pct00027
,
Figure 112009012046084-pct00028
,
Figure 112009012046084-pct00029
,
Figure 112009012046084-pct00030
)로 변환하고, 그들을 대응하는 전극(511 에서 514)에 인가한다. 신호(
Figure 112009012046084-pct00031
,
Figure 112009012046084-pct00032
,
Figure 112009012046084-pct00033
및
Figure 112009012046084-pct00034
)는 발명의 면에서 전극 신호를 나타내며, 제2 작용 힘 신호(
Figure 112009012046084-pct00035
), 제2스프링 상수(
Figure 112009012046084-pct00036
) 및 제2리드아웃 인자 신호(
Figure 112009012046084-pct00037
)에 의하여 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112009012046084-pct00038
(5)
Figure 112009024165348-pct00097
(6)
Figure 112009012046084-pct00040
(7)
Figure 112009012046084-pct00041
(8)
따라서, 전극 신호 (
Figure 112009012046084-pct00042
,
Figure 112009012046084-pct00043
)는 축(A2) 위에 위치한 전극(511, 512)에 존 재하는 전극 신호를 나타낸다. 그리고 (
Figure 112009012046084-pct00044
,
Figure 112009012046084-pct00045
)는 축 (A2)의 아래에 위치한 전극(513, 514)에 존재하는 전극 신호를 나타낸다.
발명의 다른 면은 아래 기술에서 설명될 것이다.
다음의 요구는 가속도(acceleration) 또는 회전 속도(rate of ratation) 측정용 (전기 용량의) 마이크로공학적 센서가 작동하는 동안에 충족될 수 있다면 유리하다.
1. 정의된 정전기적으로 발생한 힘은 움직일 수 있는 전극 상에 가해질수 있도록 의도되어 있다(토크 함수(torquer function)).
2.정의된 정전기적으로 발생한 스프링 힘은 동일한 움직일 수 있는 전극에 인가될 수 있도록 의도되어 있다. 스프링 상수는 일반적으로 음수이고, 기계적인 진동기의 자연 공명(natural resonance)의 기정의된 동조를 가능하게 하도록, 양수(positive)의 기계적인 스프링를 미리 결정된 정도까지 "더 유연하게(softer)" 만들도록 의도되어 있다.
3. 전극 편향(deflection)은 설정될 수 있는 리드아웃 인자에 의하여 측정가 능할 수 있도록 의도되어 있다(픽오프 함수(pick-off function)).
4. 하나의 의도는, 작동하는 동안에 측정 신호(measurement signal)가 편향 및 리드아웃 인자에 의존하는 구성요소만을 포함할 수 있다는 것이다.
움직일 수 있는 전극을 가지는 축전기(capacitor)가 제공되는 것을 가정한다. 전극은 동작점에서 편향(deflection)(x)만큼 움직일 수 있다. 전기용량(capacitance)은 x: C=C(x)에 의한다. 에너지 정리에 따라, 동작점(actuation point)에서 축전기에 전압 U가 인가되는 경우, 정전기 힘은:
Figure 112009012046084-pct00046
(9)
과 같이 영향을 미친다. 차등 축전기(differential capacitor)는 공통 동작점을 지닌 두 개의 축전기이고, 하기의 식에 따른다.
Figure 112009012046084-pct00047
(10)
대략 이 경우:
Figure 112009012046084-pct00048
(11)
와 같이 되며, 그러므로
Figure 112009012046084-pct00049
(12)
이다.
전압(U1 및 U2 )가 축전기에 있으면, 움직일 수 있는 전극의 동작점에서 힘은:
Figure 112009012115722-pct00089
(13)
삭제
된다.
(11)과(12)를 대입하면:
Figure 112009012046084-pct00051
(14)
이 나온다.
결과적으로, 힘은 x에 독립적인 한 부분 및 x에 비례(proportional)하는 부 로 구성되며, 스프링 상수에 대응한다. x의 독립적인 부분은
Figure 112009012046084-pct00052
에 비례하고, 스프링 상수는
Figure 112009012046084-pct00053
에 비례한다.
네 개의 축전기가
Figure 112009012115722-pct00090
(15)
Figure 112009012115722-pct00091
(16)
와 같은 경우, 다음과 같이 힘이 정의된다:
Figure 112009012115722-pct00092
(17)
여기서, 그 결과 거리-독립 항목은
Figure 112009012046084-pct00057
(18)
에 비례한다.
그리고 스프링 상수는
Figure 112009012046084-pct00058
(19)
에 비례한다
거리-독립 항목은 소정의 힘(리세팅(resetting), 토크(torquer))를 가하는데 적합하고, 스프링 상수는 스프링-질량 시스템과 상호 작용하여, 소정의 공진 주파수에의 후자의 동조를 가능하게 한다.
다음은 전하에 적용된다:
Figure 112009012046084-pct00059
(20)
(15)와 (16)을 치환하고, 그리고 2차 방정식을 무시하면,
Figure 112009012046084-pct00060
(21)
Figure 112009012046084-pct00061
(22)
을 가진다.
제1 항목은 x의 독립적인 누화(crosstalk)을 발생시키며(그리고 일반적으로 바람직하지 않다), 반면 제2 항목은 x에 비례하며, 그러므로 편향 x를 읽는 것에 바람직하다. 2차 방정식 고려된다면,
Figure 112009012046084-pct00062
(23)
Figure 112009012046084-pct00063
(24)
그리고 상수항과 함께 사라진다(만약, 누화가 0이 된다면, 즉
Figure 112009012046084-pct00064
).
요구조건 1.) - 3.)은 본 발명에 따른 센서와 본 발명에 따른 작동 방법에 따라 서로 독립적으로 충족될 수 있다. 그러므로 발생된 리드아웃 신호 없어 힘이 인가될 수 있고, 반대로 0과 차이가 있는 리드아웃 인자가 인가되는 힘 없이 필요한 결과를 가져올 수 있다.
일반적인 전극 배열에서 다음의 규칙이 고려된다면 아날로그 시스템을 방정식으로 확립할 수 있다:
모든 전극상의 전하는 항상 다음과 같은 크기를 가진다.
1) 전체적으로 전하 증폭기 입력에서 편향 x 에 독립적인 항목은 없다.
2) 전체적으로 전하 증폭기 입력에서 편향 x에 의존하고 설정될 수 있는 이득 인자를 구비하는 항목이 있다.
3) 움직일 수 있는 전극에, 편향 x에 독립적으로, 설정될 수 있는 힘 효과가 있다.
4) 움직일 수 있는 전극에 스프링 상수에 의해 설정될 수 있는 정전기적 스프링이 있다.
설정될 수 있는 리드아웃 인자는, 예를 들어 만약 리드아웃 인자가 전극 진동기와 동일한 주파수를 갖는 사인 반송파(sinusoidal carrier)로 배열된다면, 예를 들어 "다운 컨버팅 감지기(down-converting detector)"로 인식될 수 있다. 이 경우, 진동은 주파수 0으로 하향 변환되며, 위상(phase)에 민감한 복조기(demodulator)에 도달한다. 게다가, 설정될 수 있는 리드아웃 인자에 의하여, 움직일 수 있는 전극들이 전기적으로 연결된 복수개의 진동기의 리드아웃 함수들이 하나의 진동기의 리드아웃 팩터가 0과 차이가 있는 값으로 설정되는 경우이고, 따라서 단지 하나의 진동기 움직임은 일시적인 연속 시 공통 전하 증폭기에 의하여 탐지되는 경우에 적용되는 과정에 의해, 시간 분할 멀티프렉스 방법(time division multiplex method)으로 읽어질 수 있다. 리드아웃 함수는 하기와 같다.
Figure 112009012046084-pct00065
(25)
리드아웃 함수는 상당히 일반적으로 전기 용량 측정에 기초하며 리드아웃 인자가 전압 U에 의하여 전환될 때, 편향(△x)에 의하는 구성물(component)이 발생할 뿐만 아니라, 동시에 추가로 정적 전기 용량(C0)에 의존하는 상당히 더 큰 부분(portion)도 발생한다. 본 발명에 따른 방법은, 도2에서 명칭의 기초하에 보여지는 바와 같이, 바람직하지 않은 부분을 억제한다.
방정식(18)에 따라, 움직일 수 있는 전극(29)에서 작용하는 힘은
Figure 112009012046084-pct00066
(26)
에 비례한다.
요구조건 1은 이와 같이 충족한다. 방정식(19)에 따른 정전기적 스프링에 의한 디튜닝(detuning)은
Figure 112009012046084-pct00067
(27)
에 비례한다.
요구조건 2는 이와 같이 충족한다. 방정식(21)에 따른 리드아웃 인자는
Figure 112009012046084-pct00068
(28)
에 비례한다.
세 번째 요구조건은 이와 같이 충족한다. 게다가, 방정식(22)에 따르면
Figure 112009012046084-pct00069
(29)
무엇보다, 마지막으로, 네 번째 요구조건은 충족한다. 정확한 함수로, 그 범위는 항상 다음과 같이 수행되어야 한다.
Figure 112009012046084-pct00070
(30)
본 발명은 분리 전극을 구비한 마이크로공학적 센서(MEMS 센서)의 작동 방법을 설명한다. 본 발명에 따르는 방법은 복수개의 전기적으로 연결된 움직일 수 있는 전극을 구성하는 시스템에서 여기 힘(excitation force), 공진 동조 및 리드아웃 인자를 서로 분리하여 설정되도록 한다. 이와 같이 복합적인 작동 동안에 리드아웃 과정은 여기 과정(여기 진동의 발생) 및 동조과정(예를 들어 이중-공진 공진 기를 얻기 위하여 여기 진동의 주파수 동조)을 전체적으로 독립적으로 할 수 있다.

Claims (11)

  1. -적어도 하나의 움직일 수 있는 전극(29)과,
    -움직일 수 있는 전극(29)으로부터 떨어져 형성되고 개별적으로 구동될 수 있는 복수개의 전극을 가지며, 대응하는 전극 신호(uo1, uo2, uu1, uu2)가 인가될 수 있는 전극 배열(311 - 314)과, 이때 전극 신호들은 공진기의 리드아웃 인자와, 작용 힘, 스프링 상수를 정전기적으로 발생하는 힘에 의하여 설정 또는 변화하는데 사용될 수 있고,
    -전극배열(311 - 314)에 연결되고, 작용 힘 신호(f), 스프링 상수 신호(△ω) 및 리드아웃 인자 신호(m)를 공급받을 수 있고, 움직일 수 있는 전극(29)의 리드아웃 인자와, 작용 힘, 스프링 상수에 대하여 발생되는 설정 또는 변화(settings/changes)를 정의하는 전극 신호 발생 유닛(32)을 포함하며,
    -여기서, 전극 신호 발생 유닛(29)은 작용 힘 신호, 스프링 상수 신호 및 리드아웃 인자 신호(f, △ω, m)에 의존하는 각각의 전극 신호(uo1, uo2, uu1, uu2)를 발생시키며, 공진기의 리드아웃 인자와, 작용 힘과, 스프링 상수가 서로 독립적인 특정한 요구값으로 설정 또는 변화됨으로써, 전극 신호(uo1, uo2, uu1, uu2)를 서로 정합시키는 것을 특징으로 하는 마이크로공학적 센서(30).
  2. 제1항에 있어서,
    -움직일 수 있는 전극(29) 상에서 발생하는 전하 이동을 감지하는 전하 이동 유닛과,
    -감지된 전하 이동을 기초로 하여 움직일 수 있는 전극(29)의 순간적인 움직임을 결정하는 연산 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로공학적 센서(30).
  3. 제2항에 있어서,
    전극 신호 발생 유닛은 작용 힘 신호, 스프링 상수 신호 및 리드아웃 인자 신호(f, △ω, m)에 의존하는 각각의 전극 신호(uo1, uo2, uu1, uu2)를 생성하여, 전하 이동은 움직일 수 있는 전극(29)의 움직임 및 리드아웃 인자의 값으로부터 유래하는 전하 이동 구성물만을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로공학적 센서(30).
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    전극 배열(311 - 314)은 네 개의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로공학적 센서(30).
  5. 제4항에 있어서,
    네 개의 전극(311 - 314)은 두 개의 전극쌍(311,313; 312,314)으로 배열되며, 전극들은 두 개의 전극쌍(311,313; 312,314)을 서로 분리하는 제1축(B)에 관하여 축에 대칭적으로 배열되어, 각각의 전극쌍(311,313; 312,314)의 전극을 서로 분리하는 제2축(A)에 관하여 축에 대칭적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로공학적 센서(30).
  6. 제5항에 있어서,
    움직일 수 있는 전극(29)은 두 개의 대칭축(A, B)의 교차점(S)에 대하여 중심대칭적으로 배열된 것을 특징으로 하는 마이크로공학적 센서(30).
  7. 제5항에 있어서,
    전극 신호들(uo1, uo2, uu1, uu2)은:
    Figure 112009024165348-pct00098
    Figure 112009024165348-pct00099
    Figure 112009024165348-pct00073
    Figure 112009024165348-pct00074
    로 정의되고, (
    Figure 112009024165348-pct00075
    )는 스프링 상수 신호의 값을 나타내며, (m)은 리드아웃 인자 신호의 값을 나타내며, (f)는 작용 힘 신호의 값을 나타내며, (uo1, uo2)은 제2축 위에 놓인 전극 신호들의 값들을 나타내며, 그리고 (uu1, uu2)은 제2축 아래에 놓인 전극 신호들의 값들을 나타내는 것을 특징으로 하는 마이크로공학적 센서(30).
  8. 제7항에 있어서,
    Figure 112009012046084-pct00076
    가 충족된 것을 특징으로 하는 마이크로공학적 센서(30).
  9. 제1항에 있어서,
    움직을 수 있는 전극(29)은 공진기의 부분으로 구현되는 것을 특징으로 하는 마이크로공학적 센서(30).
  10. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 움직일 수 있는 전극(29)에 전기적으로 연결되는 제2의 움직일 수 있는 전극(50)과,
    -제2의 움직일 수 있는 전극(50)으로부터 떨어져 형성되고 개별적으로 구동될 수 있는 복수개의 전극을 가지며, 대응하는 전극 신호(
    Figure 112011019607953-pct00077
    ,
    Figure 112011019607953-pct00078
    ,
    Figure 112011019607953-pct00079
    ,
    Figure 112011019607953-pct00080
    )가 적용될 수 있는 제2전극 배열과, 여기서, 전극 신호는 제2의 움직일 수 있는 전극(50)의 리드아웃 인자와, 작용 힘, 스프링 상수를 정전기적으로 발생하는 힘에 의하여 설정 또는 변화하도록 사용될 수 있고,
    -제2 전극 배열(511 - 514)에 연결되고 제2 작용 힘 신호(f2), 제2스프링 상수 신호(△ω2) 및 제2리드아웃 인자 신호(m2)를 공급받고, 공진기의 리드아웃 인자와, 작용 힘과, 스프링 상수에 대하여 발생되는 설정 또는 변화를 정의하는 제2전극 신호 발생 유닛(52)을 포함하며,
    -제2전극 신호 발생 유닛(52)은 제2 작용 힘 신호, 제2스프링 상수 신호 및 제2리드아웃 인자 신호(f2, △ω2, m2)에 의존하는 각각의 전극 신호(
    Figure 112011019607953-pct00081
    ,
    Figure 112011019607953-pct00082
    ,
    Figure 112011019607953-pct00083
    ,
    Figure 112011019607953-pct00084
    )를 발생시키며, 제2움직일 수 있는 전극(50)의 제2리드아웃 인자와, 제2 작용 힘과, 제2스프링 상수가 서로 독립적이고, 적어도 하나의 움직일 수 있는 전극(29)의 리드아웃 인자와, 작용 힘과, 스프링 상수에 독립적인 요구값으로 설정 또는 변화될 수 있도록 하여, 전극 신호(uo1, uo2, uu1, uu2)를 서로 정합시키는 것을 특징으로 하는 마이크로공학적 센서(30).
  11. 적어도 하나의 움직일 수 있는 전극(29)과 움직일 수 있는 전극(29)으로부터 떨어져 공간을 형성하는 전극 배열(311 - 314)과, 분리되어 구동될 수 있고 상응하는 전극 신호(uo1, uo2, uu1, uu2)가 인가될 수 있는 복수의 전극들을 구비하는 마이크로공학적 센서(30)의 작동 방법에 있어서, 상기 작동 방법은:
    - 작용 힘 신호(f), 스프링 상수(△ω) 및 리드아웃 인자 신호(m)에 의존하고, 움직일 수 있는 전극의 리드아웃 인자 신호와, 작용 힘과, 스프링 상수에 관하여 영향을 받는 설정 또는 변화를 정의하는 전극 신호(uo1, uo2, uu1, uu2)를 발생시키는 단계,
    -움직일 수 있는 전극(29)의 리드아웃 인자와, 작용 힘과, 스프링 상수를 정전기적으로 발생하는 힘에 의해 설정 또는 변화시키기 위하여 상응하는 전극에 전극 신호(uo1, uo2, uu1, uu2)를 인가하는 단계를 포함하고,
    -여기서, 각각의 전극 신호(uo1, uo2, uu1, uu2)는 작용 힘 신호(f), 스프링 상수(△ω) 그리고 리드아웃 인자 신호(m)에 의존하여 발생되며, 움직일 수 있는 전극(29)의 리드아웃 인자(m)와, 작용 힘(f)과, 스프링 상수(△ω)가 서로 독립적인 특정한 요구값으로 설정 또는 변화됨으로써, 전극 신호가 서로 정합되는 것을 특징으로 하는 마이크로공학적 센서의 작동 방법.
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