KR102241031B1 - 가속도계 제어 - Google Patents

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Abstract

용량성 가속도계(1)를 제어하는 폐루프 방법은 2개의 서보 루프를 사용한다. Vcrit 서보 루프(32)는 정현파 신호(S1)에 의해 변조된 출력 신호(S2)를 사용한다. Vcrit 제어 신호는 가속도계(1)의 고정 커패시터 전극에 인가되는 PWM 구동 신호의 크기를 조절하여, 그로써 개루프 이득을 최적화한다.

Description

가속도계 제어{ACCELEROMETER CONTROL}
본 발명은 가속도계, 구체적으로는 용량성 가속도계를 제어하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
용량성 가속도계는 전형적으로는 미세 전기 기계 시스템(MEMS) 디바이스로서 실리콘으로 제조된다. 이들 소형 디바이스는 서포트에 상대적으로 이동가능하게 장착되고 디바이스의 내부에서 트래핑된 기체 매질이 그것이 가속 인가에 응답하여 감지 방향으로 이동할 때 검증 질량에 대한 댐핑을 제공하도록 밀봉된 검증 질량을 포함한다. 용량성 가속도계에서는, 전형적으로 검증 질량에 배속된 소정 세트의 이동가능한 전극 및 소정 세트의 고정 전극이 제공되며, 전극들 간 미분 커패시턴스가 검증 질량의 편향을 검출하도록 측정된다.
WO 2005/083451은 디바이스의 감지 방향에 실질적으로 직각으로 뻗어있는 복수의 깍지 끼인 전극 핑거를 포함하는 용량성 가속도계의 일례를 제공한다. 2개의 다른 세트의 고정 전극 핑거는 감지 및 강제 커패시터를 형성한다. 감지 커패시터 핑거는 전압이 고정 전극 핑거에 인가될 때 전압차의 부호에 의존하는 알짜 인력이 있도록 구동 커패시터 핑거에 비해 오프셋되어 있다. 디바이스는 검증 질량의 기계적 스프링 복원력이 커패시터 전극의 정전기 인력보다 더 큰 양성 스프링 레이트 체제, 또는 예를 들어 더 높은 전압이 고정 커패시터 전극에 인가될 때 정전기력이 기계적 복원력을 초과하는 음성 스프링 레이트 체제에서 동작될 수 있다. 정전기력이 기계적 스프링 복원력 및 관성력과 매칭하는 널 위치(null position)가 검증 질량에 대해 달성된다.
하나의 접근법에 있어서는, 동일한 전극 핑거가 구동에도 그리고 감지에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 소정 부분의 시간이 검증 질량의 변위를 감지하는데 소비되고 나머지 시간이 커패시터 전극을 구동하는데 소비되는 시분할 멀티플렉싱이 사용될 수 있다. 그렇지만, 계속적 감지 없이는 널 조건이 정확하게 계산될 수 없고 그래서 전형적으로는 잡음이 높을 것이다.
다른 하나의 접근법에 있어서는, 펄스 폭 변조(PWM) 기술이 구동 전극에 공급된 전압 파형을 제어하는데 사용될 수 있다. 동상 PWM 파형이 제1 세트의 고정 전극에 인가되는 한편 역상 PWM 파형이 제2 세트의 고정 전극에 인가된다. 그러한 PWM 체제에 있어서, 마크/스페이스 비는 인가된 가속에 따라 가변되고 가속의 선형 척도를 제공한다. 검증 질량에 작용하는 알짜 힘이 있으면 그때 출력 신호는 검증 질량이 널 위치로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 표현하는 오차 바이어스를 포함한다. 이러한 출력 신호는 PWM 발생기에 의해 인가되는 마크/스페이스 비를 정의하도록 PWM 서보에 의해 사용될 수 있다.
WO 2005/083451에서는, 전극 핑거를 구동하는 PWM 신호의 마크/스페이스 비의 시간차를 PWM 서보가 조절한다. 이것은 입력 가속과 가속도계의 출력을 선형화한다. PWM 발생기에 의해 전극에 인가된 동상 및 역상 PWM 파형의 크기는 상수 참조 전압(Vref), 전형적으로는 25V로 설정된다. 이러한 전압(Vref)은 그것이 가속도계의 이득 정확도를 정의하기 때문에 상수의 고정 전압이다. 고정 전압(Vref)은 또한 PWM 마크/스페이스 비가 인가된 가속의 선형 함수임을 보장하고, 그래서 Vref를 상수로 유지하는 것이 중요하다. 전압(Vref)을 가변하는 것은 Vref2에 의존하는 힘을 야기할 것이며, 그것은 바람직하지 못한 비-선형성을 줄 것이다. 실제로, Vref의 고정 값은 가속도계의 동작적 g 범위를 결정한다.
PWM 접근법의 사용은 감지도 그리고 강제도 동시에 가능하게 한다. 감지는 검증 질량 상의 전압을 검출함으로써 달성된다. 동상 PWM 구동 기간 동안 검증 질량 전압은 제1 세트의 전극에 대한 갭에 의해 주어지고, 제2 하프 사이클 역상 PWM 구동 기간 동안 검증 질량 전압은 제2 전극 세트에 대한 갭에 의해 주어진다. 제1과 제2 하프 사이클 간 전압차는 널 위치에 대한 검증 질량 위치의 오프셋의 척도를 준다. 그리하여, 완료된 사이클 후에 감지도 그리고 강제도 획득되었다.
가속도계의 구축에서의 기계적 변형 및/또는 온도 변형과 같이 시스템에서의 변형은 검증 질량과 전극 핑거 간 깍지 낀 갭을 변화시킬 수 있다. 이전에는 그러한 변화는, 항상 널 위치에 검증 질량을 유지하도록, 마크/스페이스 비를 가변함으로써 보상되었다. 이러한 동작점에서의 전압은 임계 전압(Vcrit)이라고 생각될 수 있다. 그렇지만, 개루프 가속도계는 Vcrit 위치에서 불안정하며, 검증 질량이 항상 널 위치로부터 멀리 바이어싱하려는 경향이 있을 것임을 의미한다. 검증 질량의 공진 주파수(ω)는 가속도계의 개루프 이득을 결정한다고 알려져 있다. 개루프 이득은 가속 단위당 검증 질량의 검출에 의해 정의된다. 이득은 1/ω2에 비례한다. 개루프 이득은 공진 주파수(ω)를 감축함으로써 증가될 수 있지만, 이것은 또한 검출될 수 있는 최대 가속 g을 제한한다고 알려져 있다. 이것은 Vcrit의 값이 ω2에 따라 가변되고, 그래서 더 낮은 공진 주파수는 Vcrit을 감축하고 그래서 검출될 수 있는 최대 가속 g을 감축하기 때문이다. Vcrit 위에서는, 그때 루프가 조건부 안정적이므로 루프 안정성을 획득하는 것은 점점 더 힘들게 되고, 그래서 획득될 수 있는 실효 최대 전압 및 그리하여 g 범위가 있다. 많은 응용은 높은 g 범위가 검출될 것을 요구하고 그래서 관용적 접근법은 그 실용적 사용이 제한된다.
공진 주파수를 감축함이 없이 가속도계 헤드 이득을 개선하는 것이 바람직할 것이다. 헤드 이득을 최대화하는 것은, PWM 서보가 반하여 동작할 오차 신호로서 역할할 검증 질량 상의 더 큰 신호가 있도록, 검증 질량이 임펄스 하에 더 멀리 이동함을 암시한다. 이러한 증가된 헤드 이득은 궁극적으로는 시스템에서의 잡음에 의해 결정되는 더 양호한 루프 로크를 야기할 것이고, 그래서 더 큰 신호 대 잡음 비가 획득될 수 있다.
음성 스프링 레이트 체제를 달성하도록 더 높은 전압으로 고정 전극을 구동하는 것은 g 범위를 증가시킬 수 있다. 그렇지만, 음성 스프링 레이트 체제에서 동작하는 것은, 루프 필터링이 상세한 MEMS 제조 공차에 더 임계적이고 의존적이 되는 불량한 종합적 클로즈 주파수 응답으로, 루프 안정성 달성에 어려움을 야기할 수 있다.
가속도계의 가속 g 범위를, 개루프 이득을 감축함이 없이, 증가시키고 헤드 이득을 최대화하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 제1 양상에 의하면, 제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 상대적으로 이동가능한 검증 질량을 포함하는 용량성 가속도계를 제어하는 폐루프 방법이 제공되며, 그 방법은:
조절가능한 마크/스페이스 비로 제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 동상 및 역상 펄스 폭 변조(PWM) 구동 신호를 인가하는 단계;
널 위치에 검증 질량의 동작점을 유지하기 위해 기계적 관성력이 정전기력에 의해 상쇄되도록 폐루프에서 동작시키는 단계;
오차 신호를 제공하도록 널 위치로부터의 검증 질량의 변위를 표현하는 가속도계로부터의 출력 신호를 검출하는 단계;
가속도계 출력 신호가 가속에 비례하도록 PWM 구동 신호의 마크/스페이스 비를 가변하는데 오차 신호를 사용하는 단계;
오차 신호를 제공하기 전에 검증 질량으로부터의 출력 신호에 주파수(f)에서의 정현파 변조를 가산하는 단계;
널 위치를 표현하는 임계 구동 신호 크기(Vcrit)를 인식하도록 주파수(f)에서의 정현파 변조로부터 초래되는 위상 편이를 더 검출하는 단계; 및
Vcrit에 로킹하고 그로써 개루프 이득을 최적화하기 위해, 제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 인가되는 PWM 구동 신호의 크기를 조절하도록 Vcrit 제어 신호를 제공하거나, 또는 적어도 하나의 추가적 고정 커패시터 전극에 별개의, 조절가능한 구동 신호를 인가하는 단계를 포함한다.
그리하여, 본 발명에 의하면, 양성과 음성 스프링 레이트 체제 간 임계 과도가 있고 이러한 최적 조건이 달성됨을 보장하도록 시스템에서 고정 커패시터 전극을 구동하는 것이 유익할 수 있다고 인식되었다. 임계 과도로부터의 오프셋을 감지하기 위하여, 주파수(f)에서의 부가적 정현파 변조, 예를 들어 저주파수 신호(전형적으로는 10-100Hz)는 오차 신호를 제공하기 전에 검증 질량으로부터의 출력 신호에 가산된다. 이것은 주파수(f)에서의 검증 질량의 위치를 섭동하는 PWM 구동 신호의 저주파수 변조를 초래한다.
정상적으로는 검증 질량으로부터의 종합적 개루프 전달 함수(OLTF) 출력 신호는 Vcrit에 의해 표현된 널 위치 위에서는 전압에서의 -270° 위상 편이를 가질 것이다(즉, 음성 스프링 레이트 체제). 변조 신호를 가산함으로써, 변조 주파수에서의 90° 위상 편이를 감지하는 것이 가능하여, 전압 신호 크기 Vcrit를 인식하는데 사용될 수 있는 OLTF에서의 검출가능한 180° 위상 편이를 초래한다. 정현파 변조로부터 초래되는 위상 편이를 검출하는데 도움을 주기 위해, 그 방법은 정현파 변조가 가산된 후에 출력 신호를 적분하는 단계를 포함할 수 있다. 양성 스프링 레이트 체제(Vcrit 아래 전압)에서는, 루프 필터 함수에서 적분기의 존재에 의해 제공되는 저주파수에서의 OLTF에서의 -90° 위상 편이가 있다. 가속도계에 대해, 저주파수에서의 그리고 양성 스프링 레이트 체제에서의 전달 함수는 0° 위상 편이를 가지며, 그것은 음성 스프링 레이트 체제에서는 -180° 위상 편이로 변화된다. 그리하여, 가속도계 출력 신호의 90° 위상 편이는 Vcrit에 대응한다. (저주파수에서) 루프 필터 적분기로부터의 -90° 위상 편이에 가산될 때 이것은 -180° 위상 편이를 준다. 이것은 부가적 Vcrit 서보가 제2 폐루프 제어에서 최적 동작점에 로킹 가능하게 한다.
여기에서 개시된 방법은 효과적으로는 Vcrit 제어 신호를 사용하여 부가적 폐루프 제어를 채용한다. PWM 구동 신호의 마크/스페이스 비를 조절하고 검증 질량을 널 위치에 안정화하도록 오차 신호를 인가하는 PWM 서보에 부가하여, Vcrit와 매칭하도록 하나 이상의 구동 신호의 크기를 조절하는 Vcrit 서보가 개시된다. 그 방법은 Vcrit 서보를 가동하도록 가속도계 전달 함수에서의 -90° 위상 편이의 검출을 사용한다.
임계 전압(Vcrit)에서 고정 커패시터 전극을 구동함으로써, 가속도계의 개루프 이득은 저주파수에서 가장 높고 그래서 이것은 이상적 동작점이다. 외부 섭동의 인가 하에 검증 질량 편향이 최소화되므로, 잡음도 감축된다. 부가적 서보 모드는 높은 안정성 및 선형성을 달성하도록 사용될 수 있다. 그래서, 그러한 제어 방법은, 특히 저주파수 범위에서, 우월한 성능을 제공한다. 구체적으로, 최대 헤드 이득이 저주파수에서 Vcrit에서 획득된다.
본 발명에 의하면, Vcrit 조건은 PWM 구동 신호의 크기를 조절함으로써 또는 별개의 구동 신호를 추가적 고정 커패시터 전극에 인가함으로써 제2 폐루프 제어를 사용하여 달성될 수 있다.
제1 세트의 예에 있어서, 그 방법은 제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 인가되는 PWM 구동 신호의 크기를 직접 조절하는 단계, 예를 들어, PWM 공급 전압을 조절하는 단계를 포함한다.
다른 세트의 예에 있어서, 그 방법은 적어도 하나의 추가적 고정 커패시터 전극에 인가되는 구동 신호의 크기를 조절하는 단계를 포함한다. 이것은 추가적 고정 예를 들어 트림 전극에 인가되는 "트림" 전압(Vtrim)을 별개로 조절하는 단계를 수반할 수 있다. 이상적으로, 적어도 하나의 추가적 고정 커패시터 전극은 제1 및 제2 고정 커패시터 전극과는 독립적이다. 그때 트림 전압(Vtrim)은, 예를 들어, 최적 동작점을 Vcrit에 유지하도록 서보 제어 하에 가변될 수 있다. 적어도 하나의 추가적 고정 커패시터 전극에 조절가능한 구동 신호를 인가하는 이점은 이러한 "트림" 전극이 가속도계의 스케일 인수에 영향을 미치지 않고 전기적 스프링 상수에 기계적 스프링 상수를 매칭시키도록 가외의 정전기 스프링 스티프니스를 적용할 수 있다는 것이다. VHT를 조절하는 것은 스케일 인수가 V^2에 따라 가변됨에 따라 Vcrit가 제2 서보에 의해 구해질 때 스케일 인수가 변화하게 야기할 것이고 그래서 (트림 전극이 없는) 이러한 접근법은 덜 유리하다.
본 발명의 다양한 예에 있어서, 그 방법은 저주파수 정현파 변조 신호(S1)를 주입하고 출력 신호로부터의 90° 위상 편이, 예를 들어 90° 역상을 (예를 들어, 합산 지점 후에) 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 물론, 변조 신호(S1)는 정현 또는 여현 파형 중 어느 것이라도 포함할 수 있다. 이것은 제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 인가되는 PWM 구동 신호의 크기를 조절하기 위해 또는 적어도 하나의 추가적 고정 커패시터 전극에 인가되는 별개의 구동 신호를 조절하기 위해 제2 피드백 루프에서 사용되는 제어 신호를 발생시키도록 Vcrit 동작점이 결정될 수 있게 한다. 변조된 신호는 개루프 전달 함수(OLTF)를 결정하도록 사용될 수 있다.
부가적으로 또는 대안으로, 그 방법은, 예를 들어 정현파 변조 신호(S1)와 합산하고 제어 신호를 PWM 및 Vcrit 서보 루프에 제공하기 전에, 디지털 출력 신호를 제공하도록 가속도계로부터의 출력 전압을 복조 및 디지털화하는 단계를 포함할 수 있다. 그래서, 서보는 디지털 도메인에서 동작할 수 있다. 정현파 변조 신호(S1)는 디지털 출력 신호와 합산되는 디지털 신호일 수 있다.
구동 신호를 조절하기 전에 정현파 변조의 효과를 제거하도록, 그 방법은 정현파 변조 신호(S1)에 역상인, 그래서 가속 출력 신호에 180° 역상인 Vcrit 서보 루프 내부에서의 직교 신호(S3)를 가산하는 단계를 더 포함할 수 있다. 그리하여, 변조된 신호는 하류 Vcrit 서보 루프에서, 오차 신호를 제공한 후에, 복조될 수 있다. 직교 신호(S3)는 Vcrit 서보의 일부분으로서 복조기에서 출력 신호와 합산되는 디지털 신호일 수 있다. S3 신호를 가산하는 것은 상류에서 주입되었던 변조 신호(S1)를 출력 신호로부터 제거한다. 그 후 이러한 복조된 신호는 올바른 Vcrit 동작점을 설정하기 위해 Vcrit 서보를 구동하는데 사용된다.
Vcrit 서보 루프에 대해 위에서 설명된 복조에 부가하여, 그 방법은 출력 신호를 추출하도록, 정현파 변조 신호(S1)를 가산한 후에, 서보 루프 밖에서 가속도계 출력 신호를 복조하는 단계를 포함할 수 있다. 그 방법은 검증 질량에 작용하는 가속의 측정치로서 그 추출된 출력 신호를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 그래서, 출력 신호는 정현파 변조를 제거하도록 서보 루프 밖에서 복조될 수 있다. 그래서, 그 방법은 가속을 측정하기 전에 변조(S1)를 제거하도록 동상 신호(S4)로 그 변조된 출력 신호를 감산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 양상에 의하면, 가속도계 폐루프 제어 시스템이 제공되며, 그 시스템은:
제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 상대적으로 이동가능한 검증 질량을 포함하는 용량성 가속도계;
조절가능한 마크/스페이스 비로 제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 동상 및 역상 PWM 구동 신호를 인가하도록 배열된 펄스 폭 변조(PWM) 발생기;
널 위치에 검증 질량의 동작점을 유지하기 위해 기계적 관성력이 정전기력에 의해 상쇄되도록 폐루프에서 동작하는 PWM 서보;
오차 신호를 제공하기 위해 널 위치로부터의 검증 질량의 변위를 표현하는 가속도계로부터의 출력 신호를 검출하도록 배열된 출력 신호 검출기로서, PWM 서보는 가속도계 출력 신호가 가속에 비례하도록 PWM 구동 신호의 마크/스페이스 비를 가변하는데 오차 신호를 사용하는 출력 신호 검출기;
PWM 서보에 오차 신호를 제공하기 전에 출력 신호에 주파수(f)에서의 정현파 변조를 가산하도록 배열된 변조기; 및
Vcrit 서보로서,
(i) 널 위치를 표현하는 임계 구동 신호 크기(Vcrit)를 인식하도록 주파수(f)에서의 정현파 변조로부터 초래되는 위상 편이를 검출하고; 그리고
(ii) Vcrit에 로킹하고 그로써 개루프 이득을 최적화하기 위해, 제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 인가되는 PWM 구동 신호의 크기를 조절하도록 Vcrit 제어 신호를 제공하거나, 또는 추가적 고정 커패시터 전극에 별개의 구동 신호를 인가하도록 배열된 Vcrit 서보를 포함한다.
일 세트의 예에 있어서, Vcrit 서보는 적어도 하나의 추가적 고정 커패시터 전극에 인가되는 구동 신호(들)의 크기를 조절한다. 하나 이상의 추가적 고정 커패시터 전극은 "트림" 전극이라고 생각될 수 있다. 이상적으로, 트림 전극(들)은 제1 및 제2 고정 커패시터 전극과는 독립적이다. 트림 전극은 그것들이, 관성력과 유사한 어떠한 힘도 전함이 없이, 스프링 스티프니스에 영향을 미치도록 구성된다. 그리하여, 트림 전극은 PWM 서보의 동작에는 영향을 미치지 않지만, 기계적 복원 스프링 상수와 동등한 정전기 스프링 상수가 있는, Vcrit에 대한 동작점에는 영향을 미친다.
제1 및 제2 고정 커패시터 전극의 각각은 검증 질량으로부터 뻗어있는 소정 세트의 측방으로 이격된, 이동가능한 용량성 전극 핑거와 깍지 끼도록 배열된 복수의 측방으로 이격된, 고정 용량성 전극 핑거를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 추가적 고정 커패시터 전극은 이동가능한 용량성 전극 핑거와 깍지 끼이지 않는 복수의 측방으로 이격된, 고정 용량성 전극 핑거를 포함할 수 있다.
여기에서 개시되는 바와 같은 폐루프 제어 시스템은 위에서 설명된 방법 단계 중 어느 것이라도 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 변조기는 변조 신호(S1)를 주입하도록 배열될 수 있다. 이것은 개루프 전달 함수(OLTF)가 결정될 수 있음을 의미한다. 더욱, 복조기는 변조된 신호를 루프 내에 합산한 후에, 오차 신호를 제공한 후에 그리고/또는 Vcrit 제어 신호를 제공하기 전에 변조 신호(S1)에 90° 역상인 직교 신호를 검출하도록 배열될 수 있다. 시스템은 하나 이상의 그러한 복조기를 포함할 수 있다. 복조기의 출력은 Vcrit 루프 필터로의 입력으로서 오차 신호를 형성하는 Vcrit 서보를 구동한다. Vcrit 루프 필터는 전형적으로는 적분기이다. Vcrit 루프 필터의 출력은 트림 전극 상의 트림 전압을 설정하거나 PWM 구동 전압의 크기(VHT)를 조절하는 전압이다.
하나 이상의 비-한정적 예가, 수반 도면을 참조하여, 이제 설명될 것이다:
도 1은 제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 인가된 대표적 한 쌍의 PWM 전압 파형의 실례도;
도 2는 깍지 끼인 전극 핑거 및 부가적 고정 트림 전극을 포함하는 용량성 가속도계의 제1 예의 제공도;
도 3은 도 2의 가속도계의 서보 제어에 대한 일례의 시스템 개관도;
도 4는 도 3의 서보 제어의 더 상세한 예시도;
도 5는 인가된 전압의 함수로서 개루프 이득 및 위상의 플롯도;
도 6은 트림 전극 없이 깍지 끼인 전극 핑거를 포함하는 용량성 가속도계의 제2 예의 제공도;
도 7은 도 6의 가속도계의 서보 제어에 대한 일례의 시스템 개관도;
도 8은 동상 복조기의 예시도; 및
도 9는 직교 복조기의 예시도.
도 1은 가변 커패시턴스 유형의 가속도계에서 (a) 제1 세트의 고정 전극 핑거에 인가된 그리고 (b) 제2 세트의 고정 전극 핑거에 인가된 전압 파형의 전형적 예를 제공하고 있다. 2개의 전압 파형은 역상이고, 구형파의 형태이고, 0V와 VHT 사이에서 가변하는 전압 진폭을 갖는다. 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여, 마크/스페이스 비는 정전기력이 관성력을 널 아웃하고 비가 인가된 가속과 선형으로 남아있도록 가변될 수 있다. 그렇지만, 고정 전극 핑거에 의해 인가된 정전기력은 공급 전압의 크기(VHT)에 의존하고 이것은 종래 기술에서는 가변되지 않는다.
도 2는 외측 프레임에 의해 제공되는 이동 검증 질량(2)을 포함하는 용량성 가속도계(1)의 도식적 예시도이다. 검증 질량(2)은 한 쌍의 중심 앵커(4)에 의해 베이스 기판(도시되지 않음)에 배속된다. 앵커(4)는 (유리 기판과 같은) 베이스 기판에 본딩, 예를 들어 애노드 본딩될 수 있다. 요곡부(6)는 검증 질량이 화살표 방향, 즉, 감지 방향으로 선형 가속에 응답하여 이동할 수 있도록 앵커(4)와 외측 프레임(2) 사이에 뻗어있다. 복수의 측방으로 이격된, 이동가능한 용량성 전극 핑거(8)는 감지 방향에 실질적으로 직각인 방향으로 검증 질량(2)으로부터 뻗어있다. 이동가능한 전극 핑거(8)는 다양한 고정 전극 핑거와 깍지 끼인다.
제1 세트의 고정 전극 핑거(10)는 이동가능한 전극 핑거(8)와 깍지 끼도록 제1 중심 서포트(10a)로부터 뻗어있다. 제2 세트의 고정 전극 핑거(12)는 이동가능한 전극 핑거(8)와 깍지 끼도록 제2 중심 서포트(12a)로부터 뻗어있다. 제1 세트의 고정 핑거(10)는 감지 방향에 평행인 일 방향으로 이동가능한 전극 핑거(8)로부터의 제1 측방 오프셋을 갖는 한편, 제2 세트의 고정 핑거(12)는 반대 방향으로 제2 측방 오프셋을 가짐을 알 수 있다. 제1 및 제2 측방 오프셋은 사이즈가 동등할 수 있다.
도 2에서 보이는 용량성 가속도계(1)의 추가적 특징은 제1과 제2 세트의 고정 전극 핑거(10, 12)가 부가적 세트의 고정 "트림" 전극(14)에 의해 측방으로 분리된다는 것이다. 고정 트림 전극(14)은 고정 중심 서포트(14a)와 검증 질량(2)의 외측 이동 프레임 사이에서, 그러나 이동가능한 전극 핑거(8) 중 어느 것과도 깍지 끼지 않고 뻗어있는 측방으로 이격된 전극 핑거로서 도시되어 있다. 그렇지만, 고정 트림 전극(14)은, 다수의 전극 핑거보다는 단일 전극을 포함하는, 어느 적합한 형태라도 취할 수 있다. 고정 트림 전극(14a)은 제1 및 제2 세트의 고정 전극 핑거(10, 12)에 인가되는 PWM 전압 파형에 별개로 조절가능한 전압을 가질 수 있다. 검증 질량 상의 고정 전극(14)은 검증 질량(2)에 배속된 전하 증폭기에 의해 설정된 가상 그라운드(즉, 효과적으로는 0V)에 있다. 부가적 트림 전압(Vtrim)은, 고정 전극(10, 12, 14)에 의해 인가된 알짜 정전기 인력이 검증 질량(2)의 기계적 스프링 복원력과 정확히 매칭하는, 영-스티프니스 위치에 가속도계(1)의 동작을 유지하도록 조절될 수 있다.
도 2에서 보이는 가속도계(1)는 도 3에 의해 예시된 바와 같은 2개의 서보 루프를 포함하는 제어 시스템에 의해 제어될 수 있다. 가속도계(1)로부터의 출력 신호는 검증 질량(2)의 변위에 의해 검출된 바와 같은 인가된 가속을 표현한다. 폐루프 조건 하에서 검증 질량(2)은 이동하지 않고 마크/스페이스 비는, 균형 정전기력을 주어, 인가된 가속의 선형 척도이다. 출력 신호는 검증 질량(2)에 물리적으로 접속되는 전하 증폭기(18)를 통과한다. 전하 증폭기(18)는 그 등가 입력 임피던스가 저주파수에서 매우 높은 값의 임피던스를 제공하는 커패시턴스인 어느 회로이다. PWM 주파수에서의 출력 신호는 그 후, 디지털 루프 필터(24)를 통과하기 전에, 제1 서보 루프에 대한 복조기(20)에 의해 복조되고 ADC(22)에 의해 디지털화된다. 이러한 전압 출력은, 2개 세트의 고정 핑거(10a, 12a)에 인가되는 2개의 역상 PWM 구동 신호(30a, 30b)를 주도록, PWM 발생기(28)를 통해 PWM 비를 설정한다. 이것은 Vcrit 서보(32)가 준비되어 있지 않은 가속도계(1)의 정규 동작을 표현한다.
디지털 루프 필터(24)의 출력은 Vcrit 서보 루프(32)에 넘겨지기 전에 디지털 정현파 변조 신호(S1)와 합산된다. Vcrit 조건으로부터의 오프셋을 감지하기 위해, 부가적 정현파 변조 신호(S1)가 루프에서 합산 지점에 가산된다. 이것은 이러한 주파수에서 검증 질량(2)의 위치를 변조하는 효과를 갖는다. Vcrit 위에서는 가속도계를 통한 180° 위상 편이가 있는 한편 아래에서는 0° 위상 편이가 있다. Vcrit에서는 90° 위상 편이가 있다. 신호(S1)의 변조 주파수(전형적으로는 10-100Hz)는 이러한 위상의 모니터이고, 그래서 90° 위상점, 즉, Vcrit가 검출될 수 있다.
변조된 출력 신호(S2)는 이러한 특정 주파수에서 개루프 전달 함수(OLTF)를 결정하도록 사용될 수 있다. OLTF는 합산 지점 후 출력 신호 대 주입된 신호(S1)의 비로부터 결정된다. 이것은 가속도계(1)가 정규 동작에서 폐루프 동작될 때 결정될 수 있다. 합산 지점 후 디지털 출력(S2)은 출력(26)에서 추출될 수 있다. 도시되지는 않지만, 출력(26)으로부터의 신호는 아래 도 7에 대해 설명될 바와 동일한 방식으로 필터링 및/또는 복조될 수 있다.
변조된 출력 신호(S2)는 2개의 다른 방식으로 폐루프 피드백을 제공하도록 합산 지점 후에 사용된다. 첫째로, 변조된 출력 신호(S2)는 PWM 서보 제어를 위해 제공하도록 PWM 발생기(28)에 공급된다. 종래 기술에서와 같이, 오차 신호는 제1 및 제2 세트의 고정 전극 핑거(10, 12)에 인가되는 동상 PWM 전압 파형(30a) 및 역상 PWM 전압 파형(30b)을 사용하여 가속도계(1)를 구동할 때 PWM 발생기(28)에 의해 인가되는 마크/스페이스 비를 설정하는데 사용된다. 둘째로, 변조된 출력 신호(S2)는 부가적 Vcrit 서보(32)에 공급된다. 서보(32)는 별개의, 조절가능한 구동 신호를 고정 트림 전극(14)에 인가한다. 고정 트림 전극(14)에 인가되는 전압(Vtrim)의 크기는 개루프 이득이 최대화되는 임계 과도 전압(Vcrit)에 로킹하도록 조절된다.
도 4는 Vcrit 서보(32)를 더 상세하게 도시하고 있다. 변조 신호(S1)에 90° 역상인 직교 신호(S3)는 출력 신호(S2)와 합산되도록 복조기(36)에 대해 발생된다. Vcrit 서보(32)에 있어서, 합산-후 신호(S2)는 고정 트림 전극(14)에 인가되는 전압(Vtrim)을 발생시키도록 복조기(36) 및 적분기(38)를 통과한다.
양성 스프링 레이트 체제에서 OLTF는 저주파수에서 -90° 위상 편이를 갖는다. 음성 스프링 레이트 체제에서, OLTF는, 음성 스프링 레이트에 대응하는 가외의 180°에 기인하여, -270° 위상 편이를 갖는다. 그리하여, Vcrit에서는 OLTF에서 180° 위상 편이가 있고, 그래서 Vcrit 서보(32)는 OLTF의 180° 위상 편이를 유지할 필요가 있다.
Vcrit에서는 검증 질량 출력에서 변조 신호(S1)의 저주파수에서의 180° 위상 편이가 있고, 그래서 이러한 값에서는 S1의 주파수에서의 직교 위상 신호(S3)가 영이다. 이것은 S1의 주파수에서 전하 증폭기(18)의 출력을 복조함으로써 검출될 수 있다. S1이 가속도계 내에서 디지털식으로 산출되므로 S1 주파수에서 직교하는 참조 신호(S3)를 생성하는 것이 가능할 것이다. 이것은 S1 신호와 직교하여 S1의 주파수에서 각각의 하프 사이클을 연속하여 가산 및 감산함으로써 행해질 수 있다. 이것은 그 후 Vcrit 서보(32)의 복조된 신호를 형성한다. 이러한 신호는 0° 위상점에서 Vcrit에서 영일 것이다. 그래서 이것은 적분기(38)에 입력되는 오차 신호로서 역할한다. 그 후 적분기(38)의 출력은 서보(32)가 직교 위상 신호에 대해 널에 전하 증폭기(18)의 출력을 유지하는 것(즉, OLTF로부터 -180° 위상 편이가 있음)을 목표로 하도록 트림 전극 상의 전압(Vtrim)을 설정하는데 사용된다.
도 5는 종합적 정전기 스프링 레이트가 기계적 스프링 레이트와 매칭하는, 즉, 검증 질량이 효과적으로는 양자의 힘들이 없는 임계 전압(Vcrit)(이 예에서는 15V)에서 최대값에 가속도계(1)의 개루프 이득이 어떻게 도달하는지 예시하고 있다. 검증 질량의 널 위치는 PWM 마크/스페이스 비를 조절함으로써 제1 서보 루프에 의해 별개로 결정된다. 이것은 -180°의 OLTF 위상과 일치함을 알 수 있다.
도 6은 이동 외측 프레임 형태의 검증 질량(102)을 포함하는 다른 용량성 가속도계(101)의 도식적 예시도이다. 이전처럼, 검증 질량(102)은 그것이 화살표 방향, 즉, 감지 방향으로 선형 가속에 응답하여 이동할 수 있도록 측방 요곡부(6)에 의해 한 쌍의 중심 앵커(104)에 배속된다. 복수의 측방으로 이격된, 이동가능한 용량성 전극 핑거(108)는 감지 방향에 실질적으로 직각인 방향으로 검증 질량(102)으로부터 뻗어있다. 이동가능한 전극 핑거(108)는 2개 세트의 고정 전극 핑거(110, 112)와 깍지 끼고 있다. 제1 및 제2 세트의 고정 전극 핑거(110, 112)의 각각은 이동가능한 전극 핑거(108)로부터의 반대 측방 오프셋으로 각각의 제1 및 제2 중심 서포트(110a, 112a)로부터 뻗어있다.
가속도계(101)는 어느 부가적 트림 전극도 포함하고 있지 않음을 알 수 있다. 그렇지만, 도 7의 도식적 시스템 개관에 의해 도시되는 바와 같이, 서보 제어를 사용하여 Vcrit을 달성하는 것이 역시 가능하다. 이러한 예에 있어서, 가속도계(101)로부터의 출력 신호는 정현파 변조 신호(S1)가 주입되기 전에 복조기(120), ADC(122) 및 루프 필터(124)를 통과한다. 합산-후 출력(S2)은 변조 없는 최종 출력을 생성하도록 변조 신호(S1)와 동상인 신호(S4)를 감산함으로써 복조되기 전에 로우 패스 필터(126)를 통과할 수 있다. 합산-후 출력(S2)은 또한 2개의 다른 방식으로 폐루프 피드백을 제공하는데 사용된다. 첫째로, 변조된 출력 신호(S2)는 PWM 발생기(128)에 공급된다. 종래 기술에서와 같이, 출력 신호(S2)는 제1 및 제2 세트의 고정 전극 핑거(110, 112)에 인가되는 동상 PWM 전압 파형(130a) 및 역상 PWM 전압 파형(130b)을 사용하여 가속도계(101)를 구동할 때 PWM 발생기(128)에 의해 인가되는 마크/스페이스 비를 설정하는데 사용된다. 둘째로, 변조된 출력 신호(S2)는 부가적 Vcrit 서보(132)에 공급된다. 서보(132)는 제1 및 제2 고정 커패시터 전극(110, 112)에 인가되는 PWM 구동 신호의 크기(VHT)를 조절한다. 어떠한 트림 전극도 없더라도, 서보(132)는 고정 전극(110, 112)의 정전기력이 관성력과 매칭하고 검증 질량(102)이 개루프 이득에서 최대값을 갖는 널 위치에 있는 임계 과도 전압(Vcrit)으로 가속도계(101)를 튜닝할 수 있다.
도 7에서는 도시되지 않지만, Vcrit 서보(132)가 선택사항으로서는 도 4에서 보이는 서보(32)와 동일한 방식으로 복조기 및 적분기를 포함할 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들어, 변조 신호(S1)에 90° 역상인 직교 신호(S3)는 VHT에서 고정 전극(110, 112)을 구동하는 제어 신호를 발생시키기 전에 복조에 사용될 수 있다.
비교로서, 도 8은 동상 복조기를 예시하고 있다. 연속하는 하프 사이클에 대해 + 및 - 신호를 교번하는 것은 순 DC 출력, 즉, 오차 신호를 준다. 도 9는 위에서 개시된 복조기(36)와 같은 직교 복조기를 예시하고 있다. 교번하는 + 및 - 신호는 이제 순 출력, 즉, 오차 신호가 이제 영이도록 상쇄됨을 알 수 있다.
위에서 개괄된 예에 있어서, 개루프 이득은 저주파수에서 영 스프링 스티프니스가 있는 임계 전압(Vcrit) 바로 거기에서 서보(32, 132)를 동작시킴으로써, 공진 주파수를 감축함이 없이, 개선된다. 부가적 Vcrit 서보(32, 132)는 폐루프 제어 방법에서 Vcrit에 구동 신호를 로킹한다. 저주파수에서 이러한 식으로 이득을 증가시키는 것은 바이어스 안정성을 개선한다.
위에서 설명된 가속도계 중 어느 것이라도 예를 들어 실리콘으로 제조된 MEMS 디바이스로서 구축될 수 있음을 인식할 것이다.
위의 설명은 비-한정적 예의 설명임과, 다양한 변경 및 수정이, 수반 청구범위에서 제시되는, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 도시된 배열로부터 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (15)

  1. 제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 상대적으로 이동가능한 검증 질량을 포함하는 용량성 가속도계를 제어하는 폐루프 방법으로서,
    조절가능한 마크/스페이스 비로 상기 제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 동상 및 역상 펄스 폭 변조(PWM) 구동 신호를 인가하는 단계;
    널 위치(null position)에 상기 검증 질량의 동작점을 유지하기 위해 기계적 관성력이 정전기력에 의해 상쇄되도록 폐루프에서 동작시키는 단계;
    오차 신호를 제공하도록 상기 널 위치로부터의 상기 검증 질량의 변위를 표현하는 상기 가속도계로부터의 출력 신호를 검출하는 단계;
    상기 가속도계 출력 신호가 가속에 비례하도록 상기 PWM 구동 신호의 상기 마크/스페이스 비를 가변하는데 상기 오차 신호를 사용하는 단계;
    상기 오차 신호를 제공하기 전에 상기 검증 질량으로부터의 상기 출력 신호에 주파수(f)에서의 정현파 변조를 가산하는 단계;
    상기 널 위치를 표현하는 임계 구동 신호 크기(Vcrit)를 인식하도록 상기 주파수(f)에서의 상기 정현파 변조로부터 초래되는 위상 편이를 더 검출하는 단계; 및
    Vcrit에 로킹함으로써 개루프 이득을 최적화하기 위해, 상기 제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 인가되는 상기 PWM 구동 신호의 크기를 조절하도록 Vcrit 제어 신호를 제공하거나, 또는 적어도 하나의 추가적 고정 커패시터 전극에 별개의, 조절가능한 구동 신호를 인가하는 단계를 포함하는, 폐루프 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    Vcrit에 로킹하도록 상기 제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 인가되는 상기 PWM 구동 신호의 상기 크기를 직접 조절하는 단계를 포함하는, 폐루프 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    Vcrit에 로킹하도록 적어도 하나의 추가적 고정 커패시터 전극에 인가되는 상기 구동 신호의 상기 크기를 조절하는 단계를 포함하는, 폐루프 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추가적 고정 커패시터 전극은 상기 제1 및 제2 고정 커패시터 전극과는 독립적인, 폐루프 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오차 신호를 제공한 후에, 상기 변조 신호(S1)에 90° 역상인 직교 신호(S3)를 가산하는 단계를 더 포함하는, 폐루프 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Vcrit 제어 신호를 제공하기 전에, 상기 변조 신호(S1)에 90° 역상인 직교 신호(S3)를 가산하는 단계를 더 포함하는, 폐루프 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 출력 신호를 추출하고 상기 변조 신호(S1)와 동상인 신호(S4)를 감산하는 단계를 포함하는, 폐루프 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 검증 질량에 작용하는 상기 가속의 측정치로서 상기 추출된 출력 신호를 제공하는 단계를 더 포함하는, 폐루프 방법.
  9. 가속도계 폐루프 제어 시스템으로서,
    제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 상대적으로 이동가능한 검증 질량을 포함하는 용량성 가속도계;
    조절가능한 마크/스페이스 비로 상기 제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 동상 및 역상 PWM 구동 신호를 인가하도록 배열된 펄스 폭 변조(PWM) 발생기;
    널 위치에 상기 검증 질량의 동작점을 유지하기 위해 기계적 관성력이 정전기력에 의해 상쇄되도록 폐루프에서 동작하는 PWM 서보;
    오차 신호를 제공하기 위해 상기 널 위치로부터의 상기 검증 질량의 변위를 표현하는 상기 가속도계로부터의 출력 신호를 검출하도록 배열된 출력 신호 검출기로서, 상기 PWM 서보는 상기 가속도계 출력 신호가 가속에 비례하도록 상기 PWM 구동 신호의 상기 마크/스페이스 비를 가변하는데 상기 오차 신호를 사용하는 상기 출력 신호 검출기;
    상기 PWM 서보에 상기 오차 신호를 제공하기 전에 상기 출력 신호에 주파수(f)에서의 정현파 변조를 가산하도록 배열된 변조기; 및
    Vcrit 서보로서,
    (i) 상기 널 위치를 표현하는 임계 구동 신호 크기(Vcrit)를 인식하도록 상기 주파수(f)에서의 상기 정현파 변조로부터 초래되는 위상 편이를 검출하고; 그리고
    (ii) Vcrit에 로킹함으로써 개루프 이득을 최적화하기 위해, 상기 제1 및 제2 고정 커패시터 전극에 인가되는 상기 PWM 구동 신호의 크기를 조절하도록 Vcrit 제어 신호를 제공하거나, 또는 추가적 고정 커패시터 전극에 별개의 구동 신호를 인가하도록 배열된 상기 Vcrit 서보를 포함하는, 폐루프 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 Vcrit 서보는 적어도 하나의 추가적 고정 커패시터 전극에 인가되는 상기 구동 신호(들)의 상기 크기를 조절하도록 배열되는, 폐루프 제어 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 고정 커패시터 전극의 각각은 상기 검증 질량으로부터 뻗어있는 소정 세트의 측방으로 이격된, 이동가능한 용량성 전극 핑거와 깍지 끼도록 배열된 복수의 측방으로 이격된, 고정 용량성 전극 핑거를 포함하고; 그리고
    상기 적어도 하나의 추가적 고정 커패시터 전극은 상기 이동가능한 용량성 전극 핑거와 깍지 끼지 않는 복수의 측방으로 이격된, 고정 용량성 전극 핑거를 포함하는, 폐루프 제어 시스템.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오차 신호를 제공한 후에, 상기 변조 신호(S1)에 90° 역상인 직교 신호(S3)를 가산하도록 배열된 복조기를 더 포함하는, 폐루프 제어 시스템.
  13. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Vcrit 제어 신호를 제공하기 전에, 상기 변조 신호(S1)에 90° 역상인 직교 신호(S3)를 가산하도록 배열된 복조기를 더 포함하는, 폐루프 제어 시스템.
  14. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변조 신호(S1)와 동상인 신호(S4)를 감산하도록 배열된 출력 신호 추출기를 더 포함하는, 폐루프 제어 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 출력 신호 추출기는 상기 검증 질량에 작용하는 상기 가속의 측정치를 제공하는, 폐루프 제어 시스템.
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