KR101411625B1 - 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치 - Google Patents

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KR101411625B1 KR1020130003543A KR20130003543A KR101411625B1 KR 101411625 B1 KR101411625 B1 KR 101411625B1 KR 1020130003543 A KR1020130003543 A KR 1020130003543A KR 20130003543 A KR20130003543 A KR 20130003543A KR 101411625 B1 KR101411625 B1 KR 101411625B1
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박경만
이강윤
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주식회사 오토산업
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Abstract

본 발명은 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치에 관한 것으로, 용량성 압력센서 출하시 소프트웨어적인 방법으로 비선형성, 오프셋, 이득을 조정할 수 있어, 용량성 압력센서 출하시 고객들이 요구하는 다양한 출력사양을 편리하게 조정할 수 있도록 한 것이다.

Description

용량성 압력센서의 출력사양 조정장치{Output specification calibrating apparatus for a capacitance press sensor}
본 발명은 압력 측정 기술에 관련한 것으로, 특히 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치에 관한 것이다.
압력센서는 압력에 의해 발생하는 기계적인 변위를 전기신호로 변환하여 출력하고, 이 출력되는 전기신호 세기를 측정함으로써 압력이 측정된다. 한국특허공개 제10-2001-0039983호(2001. 05. 15) 등에서 제시한 바와 같은 용량성 압력센서는 기계적인 변위를 정전 용량으로 변환하여 출력하고, 이 정전 용량 변화를 검출함으로써 압력이 측정된다.
용량성 압력센서는 인가되는 압력에 대해 비선형적인 특성을 가지고, 온도에 민감하므로, 고객들이 요구하는 다양한 출력사양을 만족시키기 위해서는 출하시 용량성 압력센서의 출력사양을 고객의 요구에 맞게 조정해야 한다. 따라서, 본 발명자는 고객들이 요구하는 다양한 출력사양을 만족시킬 수 있는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치에 대한 연구를 하게 되었다.
한국특허공개 제10-2001-0039983호(2001. 05. 15)
본 발명은 상기한 취지하에 발명된 것으로, 용량성 압력센서 출하시 용량성 압력센서의 출력을 고객들이 요구하는 다양한 출력사양을 만족시킬 수 있도록 조정(calibration)할 수 있는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 용량성 압력센서 출하시 용량성 압력센서의 출력사양을 소프트웨어적인 방법으로 편리하게 조정할 수 있는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치가 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr의 정전용량 변화를 출력전압으로 변환하여 출력하는 출력제어회로와; 설정된 전기 특성값에 따라 출력제어회로의 출력사양을 조정하는 적어도 하나의 출력사양 오프셋 조정소자와, 출력사양 비선형 조정소자와, 출력사양 이득 조정소자와, 출력사양 온도 보상소자를 포함하는 출력사양 조정소자와; 출력사양 오프셋 조정소자와, 출력사양 비선형 조정소자와, 출력사양 이득 조정소자의 전기 특성값을 설정하는 설정부와; 출력사양 오프셋 조정소자와, 출력사양 비선형 조정소자와, 출력사양 이득 조정소자의 전기 특성값 설정을 위한 외부 단말기를 접속하는 외부 입력 인터페이스와; 출력사양 온도 보상소자의 전기 특성값을 설정하는 온도보상회로를; 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 용량성 압력센서 출하시 용량성 압력센서의 비선형성, 오프셋, 이득을 조정할 수 있어, 고객들이 요구하는 다양한 출력사양을 만족시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 용량성 압력센서 출하시 용량성 압력센서의 출력사양을 소프트웨어적인 방법으로 편리하게 조정할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2 은 용량성 압력센서의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3a 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3b 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 오프셋 조정소자의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3c 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 출력사양 비선형 조정소자의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 출력제어회로 제어를 위한 스위칭 타이밍도이다.
도 5a 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 오프셋 조정 전후의 압력 변화에 따른 출력 사양 그래프를 예시한 도면이다.
도 5b 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 오프셋 조정 전후의 압력 변화에 따른 출력 사양 모의 실험 결과를 예시한 도면이다.
도 6a 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 온도보상회로의 일 실시예를 도시한 블럭도이다.
도 6b 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 온도에 따른 출력 보상 전후의 온도 변화에 따른 출력 사양 그래프를 예시한 도면이다.
도 6c 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 온도에 따른 출력 보상 전후의 온도 변화에 따른 출력 사양 모의 실험 결과를 예시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 고객 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 및 도 2 는 용량성 압력센서의 일 예를 도시한 도면으로, 기계적인 변위를 정전 용량으로 변환하여 출력하는 용량성 압력센서(100)는 유전체 기판(110)과, 전극패턴(120)을 포함할 수 있다.
유전체 기판(110)은 압력에 의해 기계적인 변위(deflection)가 발생하는 부분이다. 유전체 기판(110) 일측에 형성되는 전극패턴(120)은 주전극(121)과, 기준전극(122)으로 이루어지고, 리드부(도면 도시 생략)를 통해 출력사양 조정장치에 연결된다.
주전극(121)과, 기준전극(122)은 유전체 기판(110) 타측에 형성된 도체판과 작용하여 각각 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr을 형성하게 된다.
유전체 기판(110)에 압력이 가해져 기계적인 변위가 발생하면, 유전체 기판(110)에 형성된 주전극(121)과 기준전극(122)의 간격이 변화되고, 캐패시턴스 Cp와 캐패시턴스 Cr의 정전용량이 변화한다.
출력사양 조정장치는 캐패시턴스 Cp와 캐패시턴스 Cr의 정전용량 변화를 전기신호로 변환하여 출력함으로써 압력이 측정되도록 한다. 도 3a 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 일 실시예의 구성을 도시한 블럭도이다.
도 3a 에 도시한 바와 같이, 출력사양 조정장치는 출력제어회로(200)와, 적어도 하나의 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320)와, 출력사양 온도 보상소자(330)와, 설정부(400)와, 외부 입력 인터페이스(500) 및 온도보상회로(600)를 포함하여 이루어진다.
출력제어회로(200)는 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr의 정전용량 변화를 출력전압으로 변환하여 출력한다.
출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320)와, 출력사양 온도 보상소자(330)는 설정된 전기 특성값에 따라 출력제어회로(200)의 출력사양을 조정한다. 예컨대, 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320)와, 출력사양 온도 보상소자(330)가 각각 용량성 압력센서의 오프셋 조정(offset calibration), 선형성 조정(non-linearity calibration), 이득 조정(gain calibration) 및 온도 보상(temperature Compemsation)을 위한 가변저항일 수 있다.
설정부(400)는 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320)의 전기 특성값을 설정한다. 예컨대, 설정부(400)에 의해 설정되는 전기 특성값이 용량성 압력센서의 오프셋(offset)과, 선형성(non-linearity) 및 이득(gain) 조정을 위한 가변저항의 저항값일 수 있다.
외부 입력 인터페이스(500)는 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320)의 전기 특성값 설정을 위한 외부 단말기(도면 도시 생략)를 접속한다. 예컨대, 외부 입력 인터페이스(500)가 PC 또는 스마트 폰 등의 외부 단말기와 유선 또는 무선 접속되는 통신 인터페이스일 수 있다.
온도보상회로(600)는 출력사양 온도 보상소자(330)의 전기 특성값을 설정하여, 설정부(400)에 의해 설정되는 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320)의 전기 특성값이 온도에 따라 변화함에 따라 변하는 출력제어회로(200)의 출력사양을 온도가 변해도 일정한 출력사양을 유지하도록 보상한다.
용량성 압력센서 출하시 용량성 압력센서의 출력을 고객들이 요구하는 다양한 출력사양을 만족시킬 수 있도록 조정(calibration)해야 한다. 이를 위해 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 외부 입력 인터페이스(500)에 외부 단말기를 접속하고, 용량성 압력센서의 출력사양 조정을 위한 소프트웨어를 실행하여 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320)의 전기 특성값을 사용자가 입력한다.
그러면, 사용자가 입력한 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320)의 전기 특성값에 따라, 설정부(400)는 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320)의 전기 특성값을 설정한다.
예컨대, 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320)가 가변저항이라면, 설정부(400)가 설정된 저항값을 저장하고, 매번 부팅시 저장된 저항값을 읽어 가변저항의 전기적 접점을 저항값에 맞게 선택함에 의해 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320)의 전기 특성값을 설정할 수 있다.
한편, 온도보상회로(600)를 통해서는 출력사양 온도 보상소자(330)의 전기 특성값을 설정하여, 설정부(400)에 의해 설정되는 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320)의 전기 특성값이 온도에 따라 변화함에 따라 변하는 출력제어회로(200)의 출력사양을 온도가 변해도 일정한 출력사양을 유지하도록 보상한다.
그러면, 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320) 및 출력사양 온도 보상소자(330)의 전기 특성값에 따라 출력제어회로(200)의 출력사양이 조정된다. 이에 따라, 본 발명은 용량성 압력센서 출하시 온도에 따른 용량성 압력센서의 비선형성, 오프셋, 이득을 조정할 수 있어, 고객들이 요구하는 다양한 출력사양을 만족시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 용량성 압력센서 출하시 용량성 압력센서의 출력사양을 소프트웨어적인 방법으로 편리하게 조정할 수 있다.
도 3b 와 도 3c 는 각각 가변저항 형태로 구현한 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)를 도시한 것으로, 출력사양 이득 조정소자(320) 및 출력사양 온도 보상소자(330) 역시 이와 동일하게 구현할 수 있다.
용량성 압력센서의 출력사양 조정을 위한 구체적인 회로 구성을 설명해 보면, 출력제어회로(200)는 스위치부(210)와, 적분기(220)와, 전원 입력부(230)와, 피드백부(240)를 포함한다.
스위치부(210)는 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr의 충전 및 방전 동작을 제어한다. 스위치부(210)는 6개의 스위치(위상 1의 시작시 동시에 턴-온되고, 위상 2에서는 오프 상태인 2개의 P1 스위치와, 위상 1과 중첩되지 않는 위상 2의 시작시 동시에 턴-온되고, 위상 1에서는 오프 상태인 2개의 P2 스위치와, 위상 1에서 P1 스위치 턴-온후 특정 시간 지연되어 턴-온되는 한개의 P1d 스위치와, 위상 2에서 P2 스위치 턴-온후 특정 시간 지연되어 턴-온되는 한개의 P2d 스위치)를 포함하며, 두개의 P1-P2 스위치 연결체 중간에서 각각 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr이 직렬 연결 접속된다. 직렬 연결된 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr 사이에서 분기되어 공통 단자 Ccom이 형성되고, 공통 단자 Ccom의 종단은 P1d 스위치와 P2d 스위치가 병렬 연결된다.
기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr이 접속되는 P1-P2 스위치 연결체의 P1 스위치는 전원 입력부(230) 출력단에 연결되고, P2 스위치는 그라운드(ground)에 연결된다. 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp가 접속되는 P1-P2 스위치 연결체의 P1 스위치는 그라운드에 연결되고, P2 스위치는 피드백부(240)의 출력단에 연결된다. 공통 단자 Ccom에 각각 병렬 연결되는 P1d 스위치는 적분기(220)의 반전 입력단자에 연결되고, P2d 스위치는 그라운드와 연결된다.
적분기(220)는 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr에서 방전되는 전류를 입력받아, 이를 출력 전압 Vout으로 출력한다. 또한, 적분기(220)는 에러가 0에 접근할 때까지 제어루프에서 에러 보정 신호를 적분한다.
적분기(220)는 연산 증폭기와, 적분 캐패시터 CF 및 저항 R을 포함한다. 연산 증폭기의 비반전 입력단자는 입력 바이어스 전류 보상을 위해 저항 R을 통해 그라운드와 연결된다. 입력 바이어스 전류에 의한 적분 결과의 오차는 비반전 단자와 그라운드 사이에 저항 R을 연결하여 두 입력 단자와 접지 사이의 저항을 균등하게 함으로써 감소시킬 수 있다.
한편, 연산 증폭기의 반전 입력단자는 P1d 스위치가 연결되어 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr에서 방전되는 전류를 공통 단자 Ccom을 통해 입력받는다.
한편, 연산 증폭기의 반전 입력단자와 출력단자간에는 적분 캐패시터 CF가 연결된다. 적분기(220)의 적분 오차는 연산 증폭기의 개방 직류 이득에 반비례한다. 연산 증폭기를 사용하는 경우 입력 오프셋 전압만 보상하면 충분한 정확도가 보장될 수 있다.
전원 입력부(230)는 캐패시턴스 Cp와, 캐패시턴스 Cr에 일정한 전원을 공급한다. 예컨대, 버퍼는 부하의 변화에 관계없이 출력 전압을 일정하게 유지할 필요가 있는 경우에 사용되는 버퍼일 수 있다.
버퍼는 입력단자를 통해 입력되는 전압을 그대로 출력단자를 통해 츨력하여 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr에 일정한 전원을 공급한다.
이 때, 전원 입력부(230)로 입력되는 입력전압 오프셋을 조정하기 위해 출력사양 오프셋 조정소자(300)로 두 가변저항 RLin1과 RLin2을 사용할 수 있다. 두 가변저항 RLin1과 RLin2는 전원 입력 V+와 그라운드 사이에 직렬 연결되고, 직렬 연결 접속점에서 분기되어 전원 입력부(230)의 입력단자에 접속된다. 한편, 버퍼의 비반전 입력단자는 피드백부(240)의 출력단자와 연결된다. 버퍼의 반전 입력단자는 버퍼의 출력단자와 연결된다.
저항 RLin1과 RLin2 및 피드백부(240) 출력에 의해 버퍼로 입력되는 입력 전압은 VL이 되고, 버퍼의 출력 전압은 VL로 유지되어 스위치부(210)의 스위칭 동작에 의해 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr에 인가됨으로써 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr이 충전된다.
추후 설명할 식 7을 참조해 보면, 전원 입력부(230)로 입력되는 전압 VL은 두 가변저항 RLin1과 RLin2의 저항값에 따라 변함을 알 수 있다. 한편, 식 1과 식 4를 참조해 보면 적분기(220)에 의해 출력되는 출력전압은 VL과 관련이 있음을 볼 수 있다.
따라서, 출력사양 오프셋 조정소자(300)인 두 가변저항 RLin1과 RLin2의 저항값을 용량성 압력센서 출하시 설정부(400)를 통해 설정함으로써 입력전압 오프셋(offset)을 조정할 수 있고, 이에 따라 용량성 압력센서의 출력전압도 조정할 수 있으므로, 용량성 압력센서의 출력 사양을 조정할 수 있게 된다.
도 5a 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 오프셋 조정 전후의 압력 변화에 따른 출력 사양 그래프를 예시한 도면, 도 5b 는 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 오프셋 조정 전후의 압력 변화에 따른 출력 사양 모의 실험 결과를 예시한 도면이다.
도 5b 의 모의 실험 결과와 같이 최저 압력일 때, 출력사양이 0.5V가 되도록 설계한 경우, 제작된 용량성 압력센서의 출력전압이 0.45V(오프셋 조정전 전압)로 출력사양에 맞지 않은 경우, 설정부(400)를 통해 출력사양 오프셋 조정소자(300)의 저항값을 설정하여 도 5a 와 같이 출력사양이 0.5V가 되도록 조정한다.
피드백부(240)는 적분기(220)에 의해 출력되는 출력 전압을 증폭기를 통해 증폭하여 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr 및 전원 입력부(230)로 피드백시킨다.
적분기(220)에 의해 출력되고 증폭기에 의해 증폭된 전압은 스위치부(210)의 스위칭 동작에 의해 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr에 인가되게 된다. 또한, 증폭기는 적분기(220)에 의해 출력되어 피드백되는 출력 전압을 전원 입력부(230)의 입력단자로 인가한다.
이 때, 증폭기의 이득(gain)을 조정하기 위해 출력사양 이득 조정소자(320)로 가변저항 ROF를 온도에 따른 출력사양을 조정하기 위한 출력사양 온도 보상소자(330)로 가변저항 ROI를 사용할 수 있다. 증폭기의 반전 입력단자는 가변저항 ROI를 통해 적분기(220)의 출력단자와 연결된다. 전원 입력 V+와 그라운드간에 직렬 연결된 저항 Rof1과 Rof2간에서 분기되어 증폭기의 비반전 입력단자에 연결된다. 증폭기의 반전 입력단자와 출력단자간에는 가변저항 ROF가 연결된다.
이득(gain)은 입력전압에 비해 출력전압이 얼마나 증폭되었는지를 나타내며, 추후 설명할 식 1 을 참조해 보면, 이득(입력전압 Vout 대 출력전압 Vbdge 비)은 가변저항 ROI 저항값 대 가변저항 ROF 저항값 비(ROI/ROF)로 나타낼 수 있다.
따라서, 가변저항 ROF의 저항값을 용량성 압력센서 출하시 설정부(400)를 통해 설정함으로써 이득(gain)을 조정할 수 있고, 이에 따라 용량성 압력센서의 출력전압도 조정할 수 있으므로, 용량성 압력센서의 출력 사양을 조정할 수 있게 된다.
한편, 온도보상회로(600)를 통해 출력사양 온도 보상소자(330)인 가변저항 ROI의 값을 트리밍(trimming)함으로써 온도에 따른 출력전압의 변화를 보상(Compensation)할 수 있다.
한편, 선형성(non-linearity) 조정을 위해 출력사양 비선형 조정소자(310)가 피드백부(240)의 출력단자와 전원 입력부(230)의 입력단자간에 연결된다. 예컨대, 피드백부(240)의 출력단자와의 사이에서 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr과 연결되는 가변저항 RLinF를 출력사양 비선형 조정소자(310)로 사용할 수 있다.
용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr이 압력 측정을 위해 출력제어회로(200)에 연결될 때, 압력 대비 Cr/Cp 값은 비선형이다. Cr/Cp에 의한 비선형성은 추후 설명할 식 8의 (1 - Cr/Cp)/RLinF에 관련된다. 따라서, 가변저항 RLinF의 저항값을 용량성 압력센서 출하시 설정부(400)를 통해 설정함으로써 용량성 압력센서의 비선형성(non-linearity)을 개선할 수 있다.
도 4 를 참조하여 도 3a 에 도시한 용량성 압력센서의 출력제어회로(200) 동작을 구체적으로 알아본다. 도 4 는 용량성 압력센서의 출력제어회로 제어를 위한 스위칭 타이밍도이다.
도 4 에 도시한 바와 같이, 6개의 스위치(2개의 P1 스위치, 2개의 P2 스위치, 한개의 P1d 스위치, 한개의 P2d 스위치)는 서로 중첩되지 않는 위상 1과 위상 2에서 턴-온(turn-on) 및 턴-오프(turn-off)된다.
두개의 P1 스위치는 위상 1 시작에서 동시에 턴-온되고, 위상 2에서 동시에 오프 상태를 유지하며, P1d 스위치는 P1 스위치가 턴-온된 후 소정의 시간 동안 지연 후 턴-온된다.
한편, 두개의 P2 스위치는 위상 2의 시작에서 동시에 턴-온되고, 위상 1에서 동시에 오프 상태를 유지하며, P2d 스위치는 P2 스위치가 턴-온된 후 소정의 시간 동안 지연 후 턴-온된다.
6개의 스위치 제어를 위한 두개의 중첩되지 않는 위상 제어 신호는 발진 구동 게이팅 회로(도면 도시 생략)에 의해 출력된다. 이 두개의 중첩되지 않는 위상 제어 신호에 의해 6개의 스위치가 온 또는 오프 제어된다.
출하시 설정되는 설정값에 의해 피드백부(240)의 증폭기는 3개의 독립적인 가변 조정 기능을 제공한다. 이 3개의 독립적인 가변 조정 기능은 선형성(linearity), 오프셋(offset) 및 이득(gain)이다.
적분기(220)의 출력 전압 Vout과 피드백부(240)의 증폭기에 의한 증폭 전압 Vbdge는 다음의 식을 따른다.
(식 1)
Figure 112013003137945-pat00001
전원 입력이 V+ 일 때, 저항 Rof1과 Rof2 사이의 전압은 다음과 같다.
(식 2)
Figure 112013003137945-pat00002
위상 1에서 P1 스위치와 P1d 스위치가 턴-온되고, P2 스위치와 P2d 스위치가 턴-오프되고, 위상 2에서는 P2 스위치와 P2d 스위치가 턴-온되고, P1 스위치와 P1d 스위치가 턴-오프된다.
비록, P1d 스위치와 P2d가 위상 1 또는 위상 2에서 각각 턴-온되지만, 두 스위치의 온 상태는 P1 스위치 또는 P2 스위치의 온 시간에 대해 특정 시간 간격을 가지고 지연된다.
P2 스위치와 P2d 스위치가 온되는 위상 2 동안, 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp는 P2 스위치를 통해 증폭기(240)에 의해 증폭된 Vbdge 전압으로 충전되고, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr은 또 다른 P2 스위치를 통해 그라운드로 방전된다.
주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr간에서 분기되는 공통 단자 Ccom은 P2d 스위치를 통해 그라운드로 방전된다. 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp에는 전하가 Vbdge×Cp 만큼 충전된다. 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr은 그라운드 포텐셜에서 충전되지 않는다. 이 즉시 공통 단자 Ccom에 음전하들이 -Vbdge×Cp 만큼 축적된다.
그 다음, P2d 스위치 오프후 P2 스위치가 오프된다. 위상 2와 위상 1 사이의 기간 동안 공통 단자 Ccom에서 전하 이동이 발생하지 않는다.
그 다음, 위상 1의 시작시에 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp(위상 2에서 Vbdge 전압으로 충전된)가 P1 스위치를 통해 그라운드로 방전되고, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr이 또 다른 P1 스위치를 통해 전원 입력부(230)의 버퍼 출력 전압인 VL 전압으로 충전된다.
위상 1에서 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr간에서 분기되는 공통 단자 Ccom은 적분기(220)의 반전 입력단자와 P1d 스위치를 통해 연결되고, 적분기(220)의 비반전 입력단자는 저항 R을 통해 그라운드에 연결된다.
위상 1 동안 전하는 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr에 VL×Cr 만큼 축적된다. 이 즉시 음전하가 공통 단자 Ccom에 -VL×Cr만큼 축적된다. -Vbdge×Cp = -VL×Cr이 되면, 공통 단자 Ccom의 음전하는 두 위상간에 같아져서 적분기(220)로의 전하 공급/회수가 없다. 이에 따라, 적분기(220)의 출력 전압 Vout은 두 위상 동작 동안 일정해진다. 이 조건에서 회로가 평형을 이루는 것으로 간주된다.
피드백부(240)의 증폭기에 의해 증폭되어 출력되는 전압 Vbdge는 위상 1 동안 Cp에 충전되는 전하와 위상 2 동안 Cr에 충전되는 전하를 수식화함에 의해 구해질수 있다.
(식 3)
Figure 112013003137945-pat00003
이를 이항하면,
(식 4)
Figure 112013003137945-pat00004
가 되고, VL × Cr / Cp는 용량성 압력센서에 인가되는 압력에 기인하는 용량의 변화를 나타낸다.
그러나, 적분기(220) 출력단자에서의 의도하지 않은 리플(ripple), 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr 쌍의 비선형 특성 및 싱글 엔드 파워(single end power) 공급 동작에서 사용하기 어려운 등의 단점이 있다.
제어 루프에서 적분기(220)는 단지 에러 적분기로서만 동작하지 않고, 출력 증폭기로도 동작한다. 이로 인해 적분기(220)는 그라운드 포텐셜(ground potential)에서 공통 단자 Ccom을 통한 입력이 가능해진다. 불평형 상태에서 Cr×VL은 Cp×Vbdge와 같지않다. 에러 전하는 연속되는 주기를 통해 평형을 이룰때까지 적분기(220)에 의해 적분된다.
용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr이 압력 측정을 위해 출력제어회로(200)에 연결될 때, 압력 대비 Cr/Cp 값은 비선형이다. 증가하는 압력 대비 감소하는 Cr/Cp 비율은 일정하지 않다. 따라서, 선형성 조정이 없다면, 압력 대비 출력 전압이 대부분의 경우 다양한 압력 센서 생산을 위해 허용된 공차(tolerance)를 만족시킬 수 없다.
이러한 비선형성을 개선하기 위해 선형성 조정을 위한 출력사양 비선형 조정소자(310)인 가변저항 RLinF가 피드백부(240)의 증폭기 출력단자와 전원 입력부(230)의 버퍼 입력단자간에 연결된다. 가변저항들 RLin1, RLin2, RLinF, 피드백부(240)의 증폭기에 의해 증폭되어 출력되는 전압 Vbdeg 및 전원 입력 V+의 항목으로 전원 입력부(230)의 버퍼 출력 전압 VL의 식을 도출할 수 있다.
가변저항 RLin1과 가변저항 RLin2간의 분기점에서 전류의 보존은 다음 관계를 따른다. 피드백부(240)의 증폭기로부터 전원 입력부(230)의 버퍼까지 그리고 전원 입력 V+로부터 전원 입력부(230)의 버퍼까지 흐르는 전류의 양은 가변저항 RLin1과 가변저항 RLin2간의 분기점으로부터 그라운드까지 흐르는 전류와 같을 것이다.
(식 5)
Figure 112013003137945-pat00005
,
(식 6)
Figure 112013003137945-pat00006
이 식을 이항하면,
(식 7)
Figure 112013003137945-pat00007
가 되고, 이 식에 위에서 구해진 식을 대입하면,
(식 8)
Figure 112013003137945-pat00008
가 된다. 가변저항 RLinF가 연결됨에 따라, 분모에서 (1 - Cr/Cp)/RLinF 항목이 발생한다. 이 항목이 Cr/Cp에 의한 비선형성을 조정한다.
다음, 리플(ripple) 감소 동작을 알아본다. 도 4 에 도시한 바와 같이 두 위상의 스위치 제어 파형이 있다.
P1 스위치와 P2 스위치의 스위칭 동작은 중첩되지 않고, P1d 스위치는 P1 스위치 온 구간에 딜레이되어 턴-온되고, P2d 스위치는 P2 스위치 온 구간에 딜레이되어 턴-온된다. 위상 2의 P2 스위치 온 구간의 시작에서 전류는 피드백부(240)의 증폭기로부터 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp로 충전되고, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr로부터 그라운드로 방전된다. P2d 스위치 온 상태는 전류 과도 상태(불평형 상태)가 안정 상태(평형 상태)에 도달할 때까지 지연된다.
P2d 스위치 및 P2 스위치가 턴 오프되어 중첩되지 않은 구간이 경과한 다음, 위상 1에서 P1 스위치가 턴-온된다. P1 스위치 온 구간의 시작에서 전류는 버퍼(230)로부터 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr로 충전되고, 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp로부터 그라운드로 방전된다. P1d 스위치 온 상태는 전류 과도 상태(불평형 상태)가 안정 상태(평형 상태)에 도달할 때까지 지연된다.
P1d 스위치가 턴-온될 때, 불평형(에러) 전하가 적분기(220)로 공급/회수된다. 이러한 불평형 조건은 에러가 0에 도달할 때까지 계속된다. 평형 상태에 이르면, P2d 스위치 또는 P1d 스위치가 턴-온될 때 전류가 흐르지 않을 것이다.
P1d 스위치 및 P2d 스위치가 각각 안정 상태에 도달할 때까지 턴-온이 지연됨에 따라, 적분기(220)로 주입되는 에러 또는 리플이 방지 또는 회피된다. 이러한 P1d 스위치 및 P2d 스위치의 턴-온 지연이 없다면, 측정의 정확도가 없을 뿐만 아니라, 출력 전압 Vout과 리플이 더 커질 것이다.
적분기(220)는 용량성 압력센서에서 용량 변화를 검출하기 위해 가상 그라운드를 사용하는 장점이 있다. 적분기(220)로부터 공급/회수되는 전하는 가상 그라운드 단자인 공통 단자 Ccom에 의해서만 공급/회수되고, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr 또는 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp 어느 하나로 분기되는 표유 캐패시턴스(stray capacitance)는 적분기(220)의 출력에 영향을 주지 않는다.
적분기(220)의 가상 그라운드 단자인 공통 단자 Ccom 동작은 정확히 그라운드 포텐셜에서 이루어진다. 적분기(220)의 +입력과 그라운드 사이에 저항 R이 연결되어, 이 저항에 의해 두 입력 사이에 발생하는 바이어스 전류 또는 누설전류를 안정화하고, 또한 적분기의 +입력이 직접 그라운드로 연결되는 것을 방지한다.
용량성 압력센서에서 온도가 변함에 따라, 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320)의 특성이 온도 계수(temperature coefficient)에 따라 변하여 출력제어회로(200)의 출력사양이 변하게 된다. 이에 따라, 온도에 따른 출력사양 오프셋 조정소자(300)와, 출력사양 비선형 조정소자(310)와, 출력사양 이득 조정소자(320)의 특성 변화량을 보상해야 한다.
(식 9)
Figure 112013003137945-pat00009
(식 10)
Figure 112013003137945-pat00010
식 9에서 VOUT . BGR은 온도보상회로(600)의 출력전압이다. VBE는 도 6a 에 도시한 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 온도보상회로의 PNP 트랜지스터부(610)의 트랜지스터 Q3의 베이스(Base)와 이미터(Emitter) 사이의 전압이다. VT는 식 10에서 정의된 열 전압(Thermal Voltage)이다. n은 도 6a 에 도시한 본 발명에 따른 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치의 온도보상회로의 PNP 트랜지스터부(610)의 트랜지스터 Q1과 Q2의 면적비이다. 식 10에서 k는 볼쯔만 상수(Boltzmann Constant)이다. T는 절대온도이다. q는 전하량이다.
식 10에 의해 VT는 온도에 따라 0.085 mV/℃ 씩 변하므로, 온도보상회로(600)의 출력 VOUT . BGR은 온도에 따라 0.085 × ln(n) mV/℃ 씩 변하게 된다. 즉, 온도보상회로(600)의 출력 VOUT . BGR은 온도가 변함에 따라 일정하게 변하기 때문에 그 변화량을 통해서 온도상태를 감지할 수 있다.
감지된 온도에 따라 온도보상회로(600)를 통해 도 3a 에 도시한 가변저항 형태로 구현된 출력사양 온도 보상소자(330)인 ROI의 저항을 온도에 따라 트리밍(trimming)함으로써 온도가 변함에 따라 증감하는 증폭기의 이득(gain)의 크기를 조절하여 출력제어회로(200)의 출력을 온도가 변하여도 항상 일정하게 유지시킬 수 있다.
도 6b 는 온도에 따른 출력제어회로(200)의 출력전압 보상 전후를 예시한 도면이다. 도 6c 는 온도보상회로(600)를 이용하여 도 3a 에 도시한 가변저항 형태로 구현된 출력사양 온도 보상소자(330)인 ROI의 저항을 온도에 따라 트리밍(trimming)하여 온도에 따른 출력전압의 변화를 보상하여 항상 일정한 크기의 출력전압을 유지하도록 한 모의실험 결과이다.
따라서, 이와같이 구현함에 의해 본 발명은 용량성 압력센서의 비선형성, 오프셋, 이득을 조정할 수 있어, 용량성 압력센서의 출력을 고객들이 요구하는 다양한 출력사양을 만족시킬 수 있도록 소프트웨어적인 방법으로 간편하게 조정할 수 있으므로, 상기에서 제시한 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.
본 발명은 압력 측정 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.
100 : 용량성 압력센서 110 : 유전체 기판
120 : 전극패턴 121 : 주전극
122 : 기준전극 200 : 출력제어회로
210 : 스위치부 220 : 적분기
230 : 전원 입력부 240 : 피드백부
300 : 출력사양 오프셋 조정소자 310 : 출력사양 비선형 조정소자
320 : 출력사양 이득 조정소자 330 : 출력사양 온도 보상소자
400 : 설정부 500 : 외부 입력 인터페이스
600 : 온도보상회로

Claims (10)

  1. 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr의 정전용량 변화를 출력전압으로 변환하여 출력하는 출력제어회로와;
    설정된 전기 특성값에 따라 출력제어회로의 출력사양을 조정하는 적어도 하나의 출력사양 오프셋 조정소자와, 출력사양 비선형 조정소자와, 출력사양 이득 조정소자와, 출력사양 온도 보상소자를 포함하는 출력사양 조정소자와;
    출력사양 오프셋 조정소자와, 출력사양 비선형 조정소자와, 출력사양 이득 조정소자의 전기 특성값을 설정하는 설정부와;
    출력사양 오프셋 조정소자와, 출력사양 비선형 조정소자와, 출력사양 이득 조정소자의 전기 특성값 설정을 위한 외부 단말기를 접속하는 외부 입력 인터페이스와;
    출력사양 온도 보상소자의 전기 특성값을 설정하는 온도보상회로를;
    포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    출력제어회로가:
    용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr의 충전 및 방전 동작을 제어하는 스위치부와;
    캐패시턴스 Cp와, 캐패시턴스 Cr에서 방전되는 전류를 입력받아 이를 출력 전압으로 출력하되, 에러가 0에 접근할 때까지 제어루프에서 에러 보정 신호를 적분하는 적분기와;
    캐패시턴스 Cp와, 캐패시턴스 Cr에 일정한 전원을 공급하는 전원 입력부와;
    적분기에 의해 출력되는 출력 전압을 증폭하여 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와, 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr 및 전원 입력부로 피드백시키는 피드백부를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    출력사양 오프셋 조정소자가:
    전원 입력 V+과 그라운드 사이에 직렬 연결되고, 직렬 연결 접속점에서 분기되어 전원 입력부의 입력단자에 접속되어 입력전압 오프셋(offset)을 조정하는 두 가변저항 RLin1과 RLin2을;
    포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    설정부가:
    두 가변저항 RLin1과 RLin2의 저항값을 전기 특성값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    출력사양 이득 조정소자가:
    적분기에 의해 출력되는 출력 전압을 증폭하는 증폭기의 반전 입력단자와 증폭기의 출력단자간에 각각 연결되어 증폭 이득(gain)을 조정하는 가변저항 ROF를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    설정부가:
    가변저항 ROF의 저항값을 전기 특성값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    출력사양 온도 보상소자가:
    적분기에 의해 출력되는 출력 전압을 증폭하는 증폭기의 반전 입력단자와 적분기의 출력단자간에 연결되어 온도에 따른 증폭기 출력전압의 변화를 보상하는 가변저항 ROI를 포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    온도보상회로가:
    가변저항 ROI의 저항값을 전기 특성값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    출력사양 비선형 조정소자가:
    피드백부의 출력단자와 전원 입력부의 입력단자간에 연결되고, 피드백부의 출력단자와의 사이에서 용량성 압력센서의 주전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cp와 기준전극에 의해 형성되는 캐패시턴스 Cr과 연결되어 용량성 압력센서의 비선형성(non-linearity)을 개선하는 가변저항 RLinF를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    설정부가:
    가변저항 RLinF의 저항값을 전기 특성값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 용량성 압력센서의 출력사양 조정장치.
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