KR102421386B1 - 가속도계 - Google Patents

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마이클 덜스턴
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애틀랜틱 이너셜 시스템스 리미티드
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Abstract

정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법에서, 제1 동작 모드는 기준 전압(Vcm)으로 설정된 픽오프 증폭기(206)를 이용하여 인가된 가속도 하에서 널 위치(null position)로부터의 프루프 매스(204)의 편향을 전기적으로 측정하는 것을 포함한다. 제2 동작 모드는 프루프 매스(204)가 널 위치로부터 편향하도록 하기 위해 정전기력을 인가하는것과, 그렇게 야기된 강제된 편향을 전기적으로 측정하는 것을 포함한다. 제2 동작 모드에서, 픽오프 증폭기(206)는 기준 제어 회로(209)를 이용하여 Vcm으로부터 Vss로 스위칭된 그것의 입력(211)을 가져, 구동 증폭기들(210)이 상이한 전압들(Vdd)을 프루프 매스(204) 및 연관된 고정된 전극들(202)에 인가할 수 있게 된다.

Description

가속도계{ACCELEROMETERS}
본 개시는 정전 용량 가속도계에 관한 것으로, 특히 개방 루프 가속도계의 민감도를 테스트하는 방법에 관한 것이다.
가속도계들은 운동 및/또는 진동으로 인한 가속력을 측정하는데 널리 사용되는 전기 기계 디바이스들이다. 정전 용량 가속도계들은 지진 감지, 진동 감지, 관성 감지 및 경사 감지를 포함하는 응용들에서 사용을 발견할 수 있다. 정전 용량 가속도계들은 일반적으로 미세 전자 기계 시스템(MEMS)으로서 구현되고, 실리콘과 같은 반도체 물질로 제조될 수 있다. 정전 용량 가속도계를 위한 일반적인 MEMS 감지 구조는 지지부에 이동가능하게 장착된 프루프 매스(proof mass)를 포함하며, 프루프 매스로부터 연장되는 전극 핑거들의 세트는 차동 커패시터를 형성하도록 고정된 전극 핑거들의 하나 이상의 세트들과 맞물린다. WO 2004/076340 및 WO 2005/083451은 MEMS 디바이스의 감지 방향에 실질적으로 수직으로 연장되는 복수의 맞물린 고정된 및 이동가능한 전극 핑거들을 포함하는 정전 용량 가속도계들의 예들을 제공한다. 감지 구조의 전극들은 적합한 구동 및 픽오프(pickoff) 전자기기들에 연결된다.
폐루프 구성에서, 전자기기는, 프루프 매스가 가속도 하에서 이동하지 않도록 관성력의 평형을 맞추기 위해 가변 정전기력을 생성하는 변조된 전압 신호들로 고정된 전극 핑거들을 구동하도록 배열된다. 이것은 구동 신호들을 조정하기 위해 피드백 신호를 이용하여 달성된다. WO 2004/076340은 구동 신호들의 펄스 폭 변조(PWM)를 이용하여 폐루프 구성에서 동작되는 가속도계의 예를 제공한다. PWM 신호들의 마크:스페이스 비율은 가변 재평형 힘을 생성하도록 조정될 수 있다. 민감도가 폐루프 가속도계들에서 제어될 수 있지만, 필요한 구동 전자기기 및 피드백 루프는 디바이스의 복잡도 및 비용을 증가시킨다.
가속도계의 개방 루프 동작에서, 프루프 매스는 가속도 하에서 자유롭게 이동하고, 이러한 움직임은 가속도를 나타내는 전압을 생성하도록 정류될 수 있는 출력("픽오프") 신호를 생성한다. 전자기기는 일정한 사인 또는 구형파 신호를 가지고 고정된 전극 핑거들을 구동하도록 배열된다. 개방 루프 가속도계들은 종종 저비용의 디바이스를 제공하기 위해 설계에서 단순함을 위해 선택된다.
가속도계의 민감도는 가속도에서의 변화에 대한 출력 신호에서의 변화의 비율이다. 가속도에 대한 가속도계의 민감도는 일정한 것으로 간주되어, 설정된 신호(및 그러므로 설정된 움직임)는 설정된 가속도를 나타낸다. 하지만, 실제 민감도는 사용할 동안 변할 수 있다. 예를 들어, 프루프 매스가 사용할 동안 기계적으로 손상된다면, 가속도계의 민감도는 변한다. 가속도계는 스프링 매스 시스템이고, 여기서 편향은 매스(프루프 매스 및 이동가능한 핑거들의) 및 지지부 레그들의 강성도 모두에 의존한다. 출력 전압은 프루프 매스의 변위 및 가속도계의 이득(예를 들어, 이동가능한 핑거들의 개수 및 크기)에 의존하며, 이것은 출력에 도입될 수 있는 2가지 방식들이 존재한다는 것을 의미한다.
예를 들어, 프루프 매스에 대한 전극 핑거 또는 지지 레그가 균열되면, 설정된 가속도에 의해 생성된 전기 출력 또는 편향의 양은 핑거/레그의 변화된 강성도로 인해, 그리고 이득 변화로 인해 변위 변화에 의해 변경된다. 하지만, 전자기기는 전기적 또는 기계적 민감도에서의 변화를 인식하지 않으므로, 부정확한 측정을 생성한다. 그러므로, 사용할 동안 가속도계의 민감도를 테스트할 수 있는 것이 바람직하다.
전류 개방 루프 가속도계들에서, 예를 들어 전기 픽오프 신호의 무결성을 체크하기 위해 가속도 감지 시스템에서의 전자기기 상에서 체크를 수행하는 것이 가능하다. 하지만, 이러한 체크는 물리적 측정의 하류에서 수행되어, 변화되는 가속도계의 기계적 민감도를 고려할 수 없다.
가속도계의 요구된 민감도는 가속도계의 적용과, 사용 중 g-범위에 의존한다. 저-g 응용들에서, 민감도에서의 변화는 더 큰 충격을 갖는다. 예를 들어, 자동차 응용들에서, 가속도계는 에어백이 요구될 때를 결정하는데 사용될 수 있다. 가속도계가 균열된 지지 레그/스프링(또는 프루프 매스에 대한 다른 장착)을 가지면, 매우 작은 가속도에 대해 큰 편향을 야기할 수 있어서, 에어백이 불필요하게 활성화되도록 한다. 이것은 위험할 수 있으므로, 가속도계의 민감도가 알려져 있고, 민감도에서의 임의의 변화들이 사용할 동안 검출될 수 있는 것이 중요하다.
본 개시는 개방 루프 구성에서 동작하는 정전 용량 가속도계들에 대한 민감도 테스트를 제공하려고 하는 것이다.
본 개시의 제1 양상에 따라, 정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법이 제공되고, 상기 정전 용량 가속도계는:
정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법으로서, 상기 정전 용량 가속도계는:
인가된 가속도에 응답하여 평면 내 감지 방향으로 선형으로 이동가능하도록 유연한 지지 레그들에 의해 고정된 기판에 장착된 실질적으로 평평한 프루프 매스(proof mass);
상기 감지 방향으로 이격되고 상기 감지 방향에 실질적으로 수직으로, 상기 프루프 매스로부터 연장되는 이동가능한 정전 용량 전극 핑거들의 제1 세트 및 제2 세트; 및
상기 감지 방향으로 이격되고 상기 감지 방향에 실질적으로 수직으로 연장되는 고정된 정전 용량 전극 핑거들의 제1 세트 및 제2 세트를 포함하되;
상기 고정된 정전 용량 전극 핑거들의 제1 세트는 상기 이동가능한 정전 용량 전극 핑거들의 제1 세트와 맞물리도록 배열되고, 상기 고정된 정전 용량 전극 핑거들의 제2 세트는 상기 이동가능한 정전 용량 전극 핑거들의 제2 세트와 맞물리도록 배열되고;
상기 인가된 가속도가 0일 때 널 위치(null position)는 맞물린 상기 고정된 정전 용량 전극 핑거들 및 상기 이동가능한 정전 용량 전극 핑거들의 간격으로서 정의되며,
상기 방법은:
인가된 가속도 하에서 상기 널 위치로부터 상기 이동가능한 정전 용량 전극 핑거들을 포함하여 상기 프루프 매스의 편향을 전기적으로 측정하는 단계를 포함하는 제1 동작 모드; 및
상기 이동가능한 정전 용량 전극 핑거들의 제1 세트 및 제2 세트를 포함하여 상기 프루프 매스가 상기 널 위치로부터 편향하도록 하기 위해 정전기력을 상기 고정된 정전 용량 전극 핑거들의 제1 세트 및 제2 세트에 인가하는 단계와, 그렇게 야기된 강제된 상기 편향을 전기적으로 측정하는 단계를 포함하는 제2 동작 모드를 포함한다.
본 개시에 따라, 제1 동작 모드에서, 프루프 매스 및 이동가능한 정전 용량 전극 핑거들은 인가된 가속도 하에서 자유롭게 편향할 수 있다. 이동가능한 전극 핑거들을 포함하는 프루프 매스의 편향은 전기적으로 측정되어, 인가된 가속도가 결정되도록 한다. 이것은 개방 루프 가속도계의 표준 동작 모드에 대응하고, 여기서 정전기 재평형 힘은 인가되지 않는다.
하지만, 본 개시에 따라, 방법은 이동가능한 정전 용량 전극 핑거들을 포함하는 프루프 매스의 예측가능한 편향이 널 위치로부터 나오게 하는데 정전기력이 사용되는 제2 동작 모드를 더 제공하고, 이것은 정전기력이 사용할 동안 민감도를 테스트하도록 전기적으로 측정될 수 있다. 제2 동작 모드는 빌트-인 테스트(BIT; built-in test)를 나타내고, 이것은 가속도계의 민감도가 본래 상태로 테스트되도록 한다. 그러한 BIT가 예를 들어 MEMS 디바이스에서, 기존의 감지 구조를 이용하여 수행될 수 있고, 여분의 트랜스듀서들 또는 기계적 부분들이 요구되지 않는다는 것이 인식되었다. 추가적인 정전기력을 기존의 트랜스듀서들, 즉 고정된 정전 용량 전극 핑거들에 인가함으로써, 민감도가 테스트될 수 있다. 이것은 가속도계에서의 기계적 변화로 인해(예를 들어, 손상된 전극 핑거 또는 지지 레그) 및/또는 프로세스 채널 민감도 에러로 인해 민감도 에러의 편향을 허용할 수 있다.
개시된 제2 동작 모드는 폐루프 동작 모드들과 구별될 수 있고, 여기서 정전기 재평형 힘은 가속도계의 고정된 전극 핑거들에 인가되어, 이동가능한 전극 핑거들을 널 위치로 연속적으로 복귀시키는 편향을 야기한다는 것이 인식될 것이다.
개시된 방법의 예들에서, 제2 동작 모드는 상기 강제된 편향을 상기 인가된 정전기력에 대한 예상된 편향과 비교하는 단계를 포함한다. 강제된 편향이 예상된 편향의 허용 오차의 미리 한정된 범위 내에 있지 않으면, 정전 용량 가속도계가 요구된 민감도를 갖지 않는데, 예를 들어 디바이스가 사용할 동안 손상될 수 있다는 것이 결정될 수 있다. 이것이 이루어지면, 예를 들어, 가속도계가 수리되거나 교체되어야 한다는 것을 표시하는 경고가 생성될 수 있다. 비교를 위한 예상된 편향은, 가속도계가 정확히 동작하면, 입력 및 출력이 동일(예상된 허용 오차 내에서)해야 하기 때문에 인가된 정전기력으로부터 계산될 수 있다.
예들의 세트에서, 정전기력은 동시에 모든 고정된 전극 핑거들에 인가된다. 하지만, 예들의 대안적인 세트에서, 정전기력은 고정된 전극 핑거들의 서브셋에 인가된다. 그러므로, BIT는 정전기력을 고정된 전극 핑거들의 서브셋에 인가할 수 있고, 이것은 다시 한 번에 프루프 매스의 부분을 테스트한다. 이것은, 테스트가 매번 국부화될 때 장애 있는 전극 핑거 또는 지지 레그가 편향되는 용이함을 증가시킬 수 있다.
제1 동작 모드로 인가된 가속도를 전기적으로 측정하기 위해, 일정한 구동 신호, 예를 들어 50:50 구형파 또는 사인파는 가속도계에 인가될 수 있다. 구동 파형은, 인가된 가속도가 없을 때 프루프 매스가 널 위치에 남아있도록 선택된다. 구동 신호는 이동가능한 핑거들을 포함하는 프루프 매스의 전체 위치를 변화시키지 않고, 이것은 인가된 가속도 하에서 널 위치로부터 자유롭게 편향된다. 구동 신호는, 전압이 고정된 및 이동가능한 전극 핑거들 사이에 인가되도록 하여, 이들이 유효 커패시터를 형성하도록 하고, 유효 커패시터의 커패시턴스는 프루프 매스 및 이동가능한 전극 핑거들이 편향할 때 변화된다. 이것은 커패시터 양단의 출력 전압이 변화하도록 하고, 이것은 커패시턴스, 그러므로 이동가능한전극 핑거들을 포함하는 프루프 매스의 편향을 결정하기 위해 샘플링될 수 있다. 그러므로, 편향이 인가된 가속도에 비례할 때, 이것은 적합한 픽오프 회로에 의해 전기적으로 측정될 수 있다. 제1 동작 모드로 가속도계에 인가된 구동 신호는 널 위치로부터 이동가능한 전극 핑거들을 포함하는 프루프 매스의 편향을 강제하지 않는다. 더욱이, 재평형 힘이 인가되는 가속도계의 폐루프 동작에서와 같이, 가속도계를 널 위치로 다시 강제하지 않는다.
예들의 세트에서, 제1 동작 모드에서의 전기적 측정은 DC 오프셋 전압을 프루프 매스에 인가하는 단계를 포함한다. 이것은, 전극 핑거들 사이의 간격들이 동일하지 않은 경우 생성되는 정전기력을 방지하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, DC 오프셋 전압은 50:50의 마크:스페이스 비율을 가질 때 구동 전압의 평균 값과 동일하도록 설정될 수 있다. 이것은 임의의 정전기력을 제거하여, 프루프 매스와 이동가능한 전극 핑거들의 편향이 프루프 매스의 기계적 특성들에 의해 설정되도록 한다. 그러한 DC 오프셋 전압을 프루프 매스에 인가하는 것은 동일하고 반대인 정전기력이 프루프 매스와 고정된 전극 핑거들의 2개의 세트들 사이에 인가되도록 하는데, 이는 마크 스페이스 비율이 동일할 때 고정된 전극 핑거들의 양쪽 세트의 평균 전압이 동일하기 때문이다.
DC 오프셋 전압은 프루프 매스와 픽오프 회로(예를 들어, 픽오프 증폭기)의 출력 사이에 연결된 복구 회로에 의해 설정될 수 있다. 더욱이, 픽오프 전자기기는 DC 기준 전압을 이용할 수 있다. DC 기준 전압은 프루프 매스에 인가된 DC 오프셋 전압과 동일하게 설정될 수 있다. 인가된 가속도 하에서 프루프 매스의 자유로운 편향에 의해 야기된 전압차만이 제1 동작 모드에서 픽오프 전자기기에 의해 측정될 것이다.
예들의 세트에서, 제2 동작 모드에서의 전기적 측정은 픽오프 회로에 대한 DC 기준 전압을 조정하는, 예를 들어 픽오프 회로에 대한 DC 기준 전압을 0V로 감소시키는 단계를 포함한다. DC 기준 전압은 픽오프 회로에 연결된 기준 제어 회로에 의해 조정될 수 있다. DC 기준 전압을 조정하는 것은 다시 예를 들어, 복구 회로에 의해 설정된 바와 같이, 프루프 매스 상에서 DC 오프셋 전압을 조정한다. 오프셋 전압을 0V로 감소시키는 것은 프루프 매스 및 이동가능한 전극 핑거들의 강제된 편향을 야기하기 위해 정전기력이 인가되도록 한다. 이것은, 프루프 매스의 동역학이 다른 경우 정상 개방 루프 동작 동안 존재하였을 임의의 정전기 효과에 의해 영향을 받는 것이 아니라, 기계적 강성도 등에 의해 설정되도록 한다.
예들의 세트에서, DC 오프셋 전압은 제1 및 제2 동작 모드 모두에서 0V로서 설정될 수 있다. 하지만, 제1 동작 모드에서, 이것은, 가속도계의 민감도가 기계적 특성에 의해서만 야기된 것과 동일하지 않도록 한다. 그러므로, 가속도계의 동작 동안, 기준 제어 회로는 제1 모드에서 제1 값(Vcm)과 제2 모드에서 상이한 제2 값(Vss) 사이에서 기준 전압을 스위칭할 수 있다. 제2 값(Vss)은 실질적으로 0V일 수 있다.
기준 제어 회로는 입력으로서 픽오프 회로(예를 들어, 픽오프 증폭기)로부터 샘플링된 출력 신호를 이용할 수 있다. 샘플들은, 프루프 매스의 강제된 편향의 측정이 제2 모드 동안 취해질 때만 취해질 수 있다. 일정한 마크:스페이스 비율을 갖는 신호가 기준 제어 회로에 입력으로서 인가될 때, DC 기준 전압은 매 사이클마다 갱신될 수 있고, 더 빠른 정착 시간을 제공할 수 있다. 이것은 DC 오프셋 전압 및 DC 기준 전압이 더 밀접하게 매칭될 수 있을 때, 그 2개가 기준 제어 회로 및 복구 회로의 존재로 인해 유사한 비율로 갱신할 때, 픽오프 증폭기의 포화를 방지하는데 도움을 줄 수 있다.
개시된 방법의 예들에서, 정전기력을 상기 제2 동작 모드에서 상기 고정된 정전 용량 전극 핑거들에 인가하는 것은 펄스 폭 변조(PWM) 구동 신호를 인가하는 것을 포함한다. PWM 구동 신호를 인가하는 것은 동위상 PWM 구동 신호를 고정된 정전 용량 전극 핑거들의 제1 세트에 인가하는 것과, 대응하는 역위상 PWM 구동 신호를 고정된 정전 용량 전극 핑거들의 제2 세트에 인가하는 것을 포함할 수 있다. 이것은 전극 핑거들의 2개의 세트들에 의해 생성된 정전기력을 변화시켜, 이들 정전기력은 더 이상 동일하고 반대가 되지 않고, 예를 들어, 픽오프 트랜스듀서들의 이득 및 지지 레그들의 강성도에 따라, 프루프 매스 및 이동가능한 전극 핑거들의 강제된 편향을 야기하는 알짜 힘을 생성한다. 예들의 세트에서, PWM 구동 신호는 제2 모드 동안 시간적으로 일정한 마크:스페이스 비율을 갖는다. 이것은 폐루프 구성에서 피드백 루프에 의해 제어된 가변 마크:스페이스 비율과 갖지 않고, 이것은 인가된 가속도에 따라 변한다. 이러한 일정한 마크:스페이스 비율은 임의의 값, 예를 들어 50:50, 25:75, 10:90의 값을 취할 수 있다. 일반적으로, 100:0의 마크:스페이스 비율은, 이것이 제1 동작 모드에서 자유로운 편향의 측정을 방지하기 때문에 연속적으로 인가되지 않는다. PWM 구동 신호는 프루프 매스 및 이동가능한 전극 핑거들의 규칙적인 편향을 야기하고, 강제된 편향의 크기는 마크:스페이스 비율에 의해 결정된다. 위에 논의된 바와 같이, 이러한 강제된 편향은 가속도계의 민감도를 테스트하기 위해 전기적으로 측정될 수 있다. 하지만, 상기 일정한 마크:스페이스 비율은 모든 g 범위들을 가로질러 신뢰성있는 민감도 테스트를 위해 프루프 매스의 충분한 편향을 제공하지 않을 수 있다. 가속도계의 g 범위의 5%보다 큰 가속도에 의해 야기된 자유로운 편향과 동등한 강제된 편향이 일반적인 MEMS 시스템에서 배경 잡음으로부터 민감도 테스트를 구별하기 위해 필요할 수 있다는 것이 발견되었다.
예들의 세트에서, 상기 PWM 구동 신호는 제2 모드 동안 시간적으로 변하는 마크:스페이스 비율을 갖는다. 폐루프 구성에서 피드백 루프에 의해 제어된 가변 마크:스페이스 비율과 달리, 마크:스페이스 비율은 설정된 패턴으로 변할 수 있다. 하지만, 위에 언급된 바와 같이, 마크:스페이스 비율이 강제된 편향의 전기적 측정과 간섭할 수 있기 때문에 모든 펄스들에 대해 예를 들어 90:10 또는 95:5를 지나 연장되지 않는다는 것이 바람직할 수 있다. 예들의 세트에서, 마크:스페이스 비율은 매 y 사이클마다 x 펄스들에 대해 변하고, 여기서 1≤x<y 및 y>1이다. 예들의 추가 세트에서, 마크:스페이스 비율은 상기 x 펄스들에 대해 100:0이다. 매 y 사이클마다 매 x 펄스들에 대해 100:0의 마크:스페이스 비율을 인가함으로써, y 사이클에 대해 유효 마크:스페이스 비율은 증가한다. 이것은, 더 큰 편향이 동일한 동작 전압에 대해 생성되도록 한다. 설정된 동작 전압에 대해 생성될 수 있는 편향은 픽오프 회로들의 정착 시간에 의해 제한된다. 더 큰 마크:스페이스 비율은 픽오프 회로가 더 빠른 정착 시간을 갖는 것을 요구하고, 일정한 마크:스페이스 비율을 갖는 시스템에서, 픽오프 출력이 적절하게 정착하고 측정되도록 하기 위해 더 큰 마크:스페이스 비율을 갖는 충분한 시간이 없을 수 있다. 더 빠른 정착 시간에 대한 요건들이 그 대신 PWM 구동 신호들의 진폭을 증가시키므로 마크:스페이스 비율의 요구된 범위를 감소시킴으로써 감소될 수 있지만, 이것은 바람직하지 않게 높은 회로 전력 소모를 초래하고, 더욱이 저전압 CMOS 프로세스에서 실용적이지 않을 수 있다. 하지만, 위에 기재된 바와 같이 매 y 사이클마다 동일한 x 펄스들에 대해 100:0인 가변 마크:스페이스 비율을 인가함으로써, 더 큰 편향은 더 빠른 정착 시간 또는 더 높은 전압 구동 신호들에 대해 요건 없이 생성될 수 있다.
예를 들어, 4개의 사이클들에서 매 3개의 펄스들에 대해 100:0의 마크:스페이스 비율을 인가하는 시스템에서, 제4 사이클은 75:25의 마크:스페이스 비율을 갖고, 93.8:6.3의 유효 마크:스페이스 비율이 생성되고, 이것은 대략 3.6V의 일반적인 MEMS 동작 전압에서 일정한 마크:스페이스 비율을 이용하여 생성될 수 있는 것보다 더 높다. 물론, 몇몇 이점은 또한 100:0만큼 크지 않지만, 여전히 픽오프 전자기기의 정착 시간을 허용하는 것보다 더 높은 다른 마크:스페이스 비율을 인가함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 마크:스페이스 비율은 매 y 사이클마다 x 펄스들에 대해 95:5. 90:10, 85:15 또는 80:20일 수 있다. 물론, 그러한 마크:스페이스 비율의 임의의 조합은 원하는 경우 유효 마크:스페이스 비율을 달성하도록 인가될 수 있다. 펄스 시퀀스들의 다양한 조합들은 강제된 편향의 상이한 레벨들을 생성하도록 구상될 수 있다.
예들의 세트에서, 제2 동작 모드에서, 상기 강제된 편향은 매 y 사이클마다 상기 x 펄스들 동안 측정되지 않는다. x 펄스들 동안 강제된 편향을 측정하는 것은 편향에 대해 부정확한 값들을 생성하므로, 명백한 민감도를 변화시킨다.
예들의 세트에서, PWM 구동 신호는, 하나보다 많은 방향으로 증가된 편향이 생성되도록 인가된다. 이것은 각각 고정된 전극 핑거들의 제1 및 제2 세트에 인가된 동위상 및 역위상 PWM 구동 신호들의 마크:스페이스 비율을 변경함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 증가된 마크:스페이스 비율(예를 들어, 80:20)은 한 방향으로의 편향을 야기할 수 있는 반면, 대응하는 감소된 비율(예를 들어, 20:80)은 반대 방향으로의 편향을 야기할 수 있다. 이것은 한 방향으로만 편향을 이용하여 보여주지 않을 수 있는 임의의 장애들(예를 들어, 이동가능한 전극 핑거들에서의 균열)을 체크하는데 사용될 수 있다.
예들의 세트에서, 제2 동작 모드는 10% 내지 90%, 추가로 가속도의 g 범위의 30% 내지 70%의 인가된 가속도에 의해 야기되는 자유로운 편향과 동등한 강제된 편향을 생성하도록 배열된 정전기력을 인가한다. 이것은, BIT에 의해 야기된 강제된 편향이 예를 들어 배경 잡음에 의해 야기된 디바이스 허용 오차들 내에서 수용가능할 수 있는 다른 변동에 비해 쉽게 구별되도록 한다.
예들의 세트에서, 제2 동작 모드는 그 민감도를 테스트하기 위해 가속도계의 동작 전체에 인가될 수 있다. 하지만, 예들의 세트에서, 방법은 제2 동작 모드 이전에 인가된 초기 동작 모드를 더 포함하고, 상기 초기 동작 모드는 제2 동작 모드를 적용하기 전에 다수의 사이클 동안 일정한 마크:스페이스 비율을 갖는 PWM 신호를 인가하는 것을 포함한다. 초기 동작 모드는 시스템에 대한 전체 정착 시간을 감소시키도록 작용한다. 초기에 일정한 마크:스페이스 비율을 인가함으로써, 프루프 매스 및 이동가능한 전극 핑거들은 편향하기 시작한다. 예를 들어, 사용된 마크:스페이스 비율에 의존할 수 있는 다수의 사이클 이후에, 이동가능한 핑거들의 편향이 정착될 수 있다. 가변 마크:스페이스 비율은 제2 동작 모드 동안 인가될 수 있어서, 프루프 매스 및 이동가능한 전극 핑거들의 추가 강제된 편향을 야기한다.
작은 편향을 야기하여, 그런 후에 나중의 스테이지에서 이것은 증가(스테이지들에서 마크:스페이스 비율을 증가시킴으로써)함으로써, 정착 시간은 감소될 수 있다. 100:0 마크:스페이스 비율의 초기 이용이 픽오프 전자기기의 포화를 야기하므로, 증가된 정착 시간을 야기할 수 있지만, 초기에 낮은 마크:스페이스 비율을 이용함으로써, 포화는 감소될 수 있어서, 정착 시간을 감소시킬 수 있다. 초기 동작 모드 동안, BIT가 수행될 수 있기 전에, 즉 제2 동작 모드가 사용되기 전에, 이러한 동작 모드가 원하는 편향에 도달하는데 사용되기 때문에, 신호는 샘플링되지 않을 수 있다. 따라서, 강제된 편향은 초기 동작 모드 동안 측정되지 않을 수 있다.
개시된 방법의 예들의 세트에서, 제2 동작 모드는 사용자-명령받은 시행된 테스트(CBit)에 대해 개시된다. 이것은 예를 들어, 규칙적인 간격에서 및/또는 사용자에 의해 명령받을 때 호스트 시스템에 의해 개시될 수 있다.
예들의 세트에서, 제2 동작 모드는 가속도계의 동작 동안 연속적으로 적용된다. 사용자에 의해 명령받을 때만 실행되는 것 대신에, 테스트 모드는 가속도계가 동작되는 동안 배경에서 실행될 수 있다. 이와 같은 예들에서, 가속도계에서의 호스트 시스템은 문제가 있을 때, 즉 강제된 편향이 예상된 편향의 미리 한정된 간격 내에 있지 않을 때, 테스트 모드를 단지 인식한다. 호스트 시스템은 민감도가 변화되었다는 것을 표시하는 경고를 가속도계 전자기기로부터 수신할 수 있다. 이것은, 가속도계가 수리되거나 교체되어야 한다는 표시로서 취해질 수 있다.
예들의 세트에서, 가속도계는 제1 동작 모드 또는 제2 동작 모드로 동작한다. 테스트는, 인가된 가속도가 전기적으로 측정되는 동안 발생하지 않을 수 있고, 그 반대도 마찬가지이다. 이들 예들에서, 인가된 정전기력에 의해 야기된 강제된 편향은 그 시간에 프루프 매스 및 이동가능한 전극 핑거들의 유일한 편향이다. 예를 들어, 제1 동작 모드는 제2 모드와 규칙적으로 교대로 이루어지도록 시퀀싱될 수 있는데, 예를 들어 제2 모드는 4개의 구동 클록 사이클에서 하나마다 정전기력을 인가한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 제2 동작 모드는 제1 동작 모드와 동시에 인가될 수 있다. 그러한 상황에서, 이동가능한 전극 핑거들을 포함하는 프루프 매스는 인가된 가속도로 인해 널 위치로부터 자유로운 편향을 겪을 수 있고, 더욱이 제2 동작 모드에 의해 인가된 정전기력으로 인해 널 위치로부터 강제된 편향을 겪을 수 있다. 강제된 편향은, 인가된 가속도가 동시에 측정될 때조차 민감도를 테스트할 수 있도록 자유로운 편향으로부터 전기적으로 측정되고 분리될 수 있다. 인가된 가속도가 제2 동작 모드의 기간 동안 실질적으로 일정할 때 민감도를 동시에 테스트하는 것이 더 용이해질 수 있다. 모드들이 교대로 이루어지거나 동시에 이루어지는 지에 상관없이, 개시된 방법은 가속도계의 정상 동작에 영향을 미치고 신호 성능을 변경하지 않고도, 민감도 에러의 연속적인 편향을 허용할 수 있다.
예들의 세트에서, 제1 및 제2 동작 모드들은 개별적인 신호 처리 채널들을 갖는다. 이것은, 2개의 편향들이 독립적으로 측정되고 처리되는 것을 용이하게 할 수 있다. 하지만, 예들의 대안적인 세트에서, 단일 신호 처리 채널만이 있을 수 있다. 신호들은 예를 들어, 자유로운 및 강제된 편향들의 개별적인 측정들을 제공하도록 디지털화되고 디지털 도메인에서 처리될 수 있다.
예들의 세트에서, 제1 및 제2 동작 모드들은 공통 클록 신호를 이용한다. 이것은, 클록 신호가 클록 신호에 장애가 있는 지를 결정하기 위해 BIT를 이용하여 테스트되도록 할 수 있다. 공통 클록 신호는 제1 동작 모드로부터 구상될 수 있다.
이제 하나 이상의 비-제한적인 예들이 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1a 및 도 1b 각각은 종래 기술의 형태의 가속도계를 도시한다;
도 2는 본 개시에 따른 가속도계 시스템의 개략도를 도시한다;
도 3은 본 개시에 따른 대안적인 가속도계 시스템의 개략도를 도시한다;
도 4a는 제1 동작 모드에 대한 예시적인 구동 신호를 도시한다;
도 4b는 제2 동작 모드에서 사용하기 위한 예시적인 펄스 폭 변조(PWM) 구동 신호를 도시한다; 그리고
도 5는 본 개시의 양상에 따라 제2 동작 모드에 사용하기 위한 대안적인 PWM 구동 신호를 도시한다.
도 1a는 WO 2005/083451에 도시된 것과 유사한 정전 용량 가속도계(101)의 종래 기술의 형태를 도시한다. 가속도계(101)는 프루프 매스(102)와, 프루프 매스(102)의 어느 한 측부 상에 2쌍으로 배열된 4개의 고정된 전극들(104, 106)을 갖는다. 프루프 매스(102)는 이동가능한 전극 핑거들(108)의 다중 세트들에 연결된다. 이들 전극 핑거들(108)은 고정된 전극들(104, 106)로부터 연장하는 고정된 전극 핑거들(110, 112)의 대응하는 세트들과 오프셋 방식으로 맞물린다. 전극 핑거들(108, 110, 112)은 트렌치들을 실리콘 기판에 에칭함으로써 형성된다. 프루프 매스(102)는 또한 지지 레그들(114)의 세트를 갖고, 이들은 프루프 매스(102)의 바디로부터 연장하고, 앵커점(116)에 고정된다. 프루프 매스(102)는 인가된 가속도에 응답하여 평면 내 감지 방향으로 고정된 전극들(104, 106)에 대해 이동할 수 있다. 고정된 전극 핑거들(110, 112)의 2개의 세트들은 반대 방향들로 프루프 매스 핑거들(108)로부터 오프셋되어, 어느 한 방향으로의 움직임이 측정될 수 있게 된다. 이들 오프셋들은 크기가 동일할 수 있다. 이러한 오프셋은 감지 방향(이중 머리의 화살표로 표시됨)에 평행하다.
가속도계(101)가 사용될 때, 가속도는, 프루프 매스(102) 및 그 전극 핑거들(108)이 고정된 전극들(104, 106)에 대해 감지 방향으로 이동하도록 할 것이다. 개방 루프 동작에서, 이것은 프루프 매스 핑거들(108)과 고정된 전극 핑거들(110, 112) 사이의 오프셋의 변화를 야기한다. 이러한 변화는 시스템의 차동 커패시턴스의 변화를 야기할 것이기 때문에, 가속도를 계산하는데 사용될 수 있다. 가속도는 감지 방향으로, 즉 전극 핑거들(108, 110, 112)에 수직으로 측정될 수 있는데, 이는 그것이 가속도가 측정되도록 하는 상대적인 오프셋을 변화시키는 이들 핑거들의 움직임이기 때문이다.
도 1b는 종래 기술의 가속도계의 대안적인 형태를 도시한다. 여기서, 프루프 매스(120)는 가속도계의 외부 프레임의 형태를 취하고, 고정된 전극들(122, 124)은 프레임의 내부에 있다. 이것은 도 1a의 배열체와 반대이다. 프루프 매스 프레임(120)은 고정된 전극들(122, 124) 위 및 아래에서 2개의 중앙점들(126, 128)에 고정되는 유연한 레그들(126a, 126b, 128a, 128b) 상에 지지된다. 다수의 이동가능한 전극 핑거들(130)은 프레임(120)으로부터 연장하고, 이것은 오프셋 방식으로 고정된 전극들(122, 124)로부터 연장하는 고정된 전극 핑거들(132, 134)과 맞물린다. 도 1a에서와 같이, 전극 핑거들(130, 132, 134)은 대략 동일한 거리이지만 반대 방향들로, 감지 방향(이중 머리의 화살표로 도시됨)에 평행하게 오프셋된다.
도 2는 본 발명에 따른 가속도계 시스템의 개략도를 도시한다. 가속도계 감지 구조(201)는 프루프 매스(204)의 이동가능한 전극 핑거들과 맞물린 전극 핑거들을 갖는 고정된 전극들(202)을 포함한다(본 명세서에 스프링 매스 시스템으로서 개략적으로 도시됨). 프루프 매스(204)의 이동가능한 전극 핑거들은 처리 유닛(208)에 연결되는 픽오프 증폭기(206)에 연결된다. 복구 회로(207)는 픽오프 증폭기(206) 및 프루프 매스(204)의 출력 사이에 연결된다. 이것은 개방 루프 가속도계에 대한 표준 구성이고, 제1 동작 모드로 사용된다. 더욱이, 2개의 구동 증폭기들(210)은 측정들이 제1 모드로 발생하도록 하고 제2 동작 모드 동안 정전기력을 가하도록 하기 위해, 고정된 전극들(202)에 연결된다. 기준 제어 회로(209)는 처리 유닛(208)의 출력과 픽오프 증폭기(206)에 대한 기준 전압 입력(211) 사이에 피드백 루프를 생성한다. 기준 전압 입력(211)은 제1 모드에서 표준 기준 전압(Vcm)과 제2 모드에서 조정된 기준 전압(Vss) 사이에서 스위칭될 수 있다.
사용시, 제1 동작 모드에서, 프루프 매스(204)는 외부 인가된 가속도 하에서 자유롭게 이동한다. 가속도계를 구동하는 방법은 도 4a를 참조하여 논의되고, 이것은 50:50 구형파의 형태로 개방 루프 구동 신호를 나타낸다. 더욱이, 복구 회로(207)는 DC 오프셋 전압을 프루프 매스(204)에 인가하는데 사용될 수 있다. 픽오프 증폭기(206)는 프루프 매스(204)로부터의 개방 루프 픽오프 전압을 기준 전압(Vcm)과 비교하고, 이것은 DC 오프셋 전압과 동일하도록 설정된다. 픽오프 증폭기(206)는, 프루프 매스(204)가 널 위치로부터 편향되었는지를 결정하기 위해 가속도계로부터의 출력 전압(즉, 오프셋 전압)을 샘플링한다. 오프셋 전압 및 기준 전압(Vcm)은 인가된 가속도가 없을 때 동일한 진폭을 갖도록 제어된다. 픽오프 증폭기(206)는 기준 전압(Vcm)으로 설정되고, 이것은 50:50 구동 신호들의 평균 전압과 표면상 동일하다. 이것은 전극 핑거들 사이의 동일하지 않은 간격들에 의해 생성될 수 있는 임의의 정전기력을 제거한다. 픽오프 증폭기(206)에 의해 결정되는 바와 같이, 오프셋 전압과 기준 전압(Vcm) 사이의 차이는 인가된 가속도에 비례하므로, 개방 루프에서 인가된 가속도를 결정하는데 사용될 수 있다. 샘플링된 출력 전압은 시스템에 의해 출력되기 전에, 처리 유닛(208)에서 처리된다.
본 개시에 따라, 제2 동작 모드에서, 픽오프 증폭기(206)는 Vss로 오프셋된 입력을 가져, 2개의 구동 증폭기들(210)은 상이한 전압들(Vdd)을 고정된 전극들(202)을 포함하여 프루프 매스에 인가할 수 있다. 이것은 프루프 매스 및 이동가능한 전극 핑거들(204)의 강제된 편향을 야기하고, 이것은 프루프 매스(204)로부터의 픽오프 전압과 기준 전압(Vss) 사이의 차이를 결정함으로써 픽오프 증폭기(206)와, 제1 동작 모드에서와 같이 처리 유닛(208)을 이용하여 측정될 수 있다. 기준 전압은 기준 제어 회로(209)를 이용하여 Vcm으로부터 Vss로 스위칭될 수 있다. 이것은 결과적으로 프루프 매스(204) 상의 오프셋 전압을 변화시킨다.
정전기력의 인가가 프루프 매스와 이동가능한 핑거(204)를 편향시키도록 하는 Vcm으로부터 Vss로의 스위치는, 픽오프 증폭기(206) 출력이 포화하도록 할 수 있다. 시스템은 초기에, 시간적으로 일정하게 유지하는 마크:스페이스 비율, 예를 들어 25:75를 갖는 동위상 및 역위상 PWM 구동 신호들이 인가되는 동작 모드로 동작한다. (아래에 더 구체적으로 설명되는 바와 같이) 매 y 사이클마다 몇몇 x 펄스들에 대해 100:0인 제2 모드에서 가변 마크:스페이스 비율을 인가하기 전에 고정된 PWM 상태의 이용은, 픽오프 증폭기 DC 복구 회로(207)가 매 사이클마다 샘플링하고 갱신하도록 하므로, 제2 모드로 인가되는 PWM 구동 신호들에 대해 가변 마크:스페이스로 직접 스위칭하는 것과 비교하여 정착 시간을 감소시킨다. 기준 제어 회로(209)는, 제2 동작 모드가 사용 중일 때 기준 전압을 Vss로 변화시키는데 사용된다.
자유로운 및 강제된 편향들 모두가 측정되고, 동작 모드에 따라, 그것들은 상이한 방식들로 처리될 것이다. 자유로운 및 강제된 편향이 처리 동안 분리될 수 있음에 따라, 모든 처리는 동일한 처리 유닛(208)에 의해 수행된다. 이러한 처리는 디지털 도메인에서 발생할 수 있다. 적합한 복조 및 검출 방식이 상이한 편향 방향들을 결정하기 위해 사용된다.
일단 강제된 편향이 제2 모드로 결정되었다면, 이것은 기준 편향과 비교될 수 있다. 이것은 다수의 상이한 방식들로, 예를 들어 예상된 값들의 데이터베이스와 비교하거나, 출력 전압을 입력 전압과 직접 비교하여 수행될 수 있다. 기준 값과의 비교 방법은 상이한 허용 오차들이 상이한 시스템들에서 요구됨에 따라, 사용되고 있는 시스템에 의존한다. 측정된 강제된 편향이 예상된 편향의 허용 오차 범위 내에 있다면, 가속도계는 정확히 작동하는 것으로 간주된다. 하지만, 측정된 강제된 편향이 허용 오차들 밖에 있으면, 가속도계가 갖는 문제, 예를 들어 균열된 지지 레그가 있고, 가속도계가 수리되거나 교체되어야 한다는 것을 표시하는 경고가 생성된다고 추정된다. 각 비교는 잘못된 알람들의 수를 감소시키기 위해 배경 잡음을 고려한다. 공유된 처리 유닛은 자유로운 편향이 측정(즉, 제1 모드)되는 한정된 시간과, 강제된 편향이 측정(즉, 제2 모드)되는 한정된 시간이 존재함에 따라, 명령받은 BIT(CBit)가 사용될 때 쉽게 사용될 수 있다.
도 3은 대안적인 가속도계 시스템의 개략도를 도시한다. 기본 배열은 도 2에서와 동일하지만, 이 예에서, 2개의 처리 유닛들(220 및 222)이 존재한다. 사용시, 픽오프 증폭기(206)에 의해 측정된 신호들은 개별적으로 처리되며, 제1 동작 모드로부터의 신호들은 유닛(220)에 의해 처리되고, 제2 동작 모드로부터의 신호들은 유닛(222)에 의해 처리된다. 각 처리 유닛(220, 222)은 제2 동작 모드의 BIT가 자유로운 편향으로부터 분리되는 것을 보장하기 위해, 다른 처리 채널이 동작 중인 동안 유지되는데, 이는 2개 사이의 임의의 혼합이 BIT에 대한 잘못된 알람들과 인가된 가속도의 부정확한 측정 모두를 야기할 수 있기 때문이다. 이것은 BIT는 예를 들어 매 4 사이클마다 동작하는 채로, 2개의 동작 모드들이 동시에 실행할 때 특히 중요하다. 제어 신호들(221)은 2개의 처리 유닛들(220, 222) 사이에서 통신하고, 2개의 처리 유닛들(220, 222) 중 어느 것이 동작 중인지를 제어하는데 사용된다.
도 4a는 제1 동작 모드로 측정들을 취하는데 사용될 수 있는 예시적인 구동 신호를 도시한다. 동위상 신호는 제1 구동 증폭기를 구동하고, 역위상 신호는 제2 구동 증폭기를 구동하는 채로, 50:50의 마크:스페이스 비율을 갖는 구형파가 사용된다. 구형파 신호들의 마크:스페이스 비율이 50:50일 때, 가속도계는 널 위치에 있으며, 프루프 매스(302)는 고정된 전극들(304) 사이에서 동일하게 이격된다. 구동 신호의 진폭은 프루프 매스(302)의 위치를 변경하지 않을 것인데, 이는 이것이 신호의 마크:스페이스 비율에 의해 결정되기 때문이다. 이러한 구동 신호는 제1 동작 모드 동안 사용될 수 있는데, 이는 그것이 인가된 가속도 하에서 프루프 매스(302)가 편향되는 것을 방지하지 않기 때문이다. 구형파 신호를 가속도계에 인가함으로써, 전압은 전극 핑거들 양단에 인가되어, 이들 그것들이 유효 커패시터를 형성하도록 한다. 프루프 매스(302)가 편향할 때, 커패시터 플레이트들 사이의 간격이 변경되어, 전극들(302, 304) 사이의 전압이 변하도록 한다. 출력 전압을 샘플링함으로써, 프루프 매스(302)의 커패시턴스 및 그 결과 편향은 가속도계가 널 위치에 있을 때 측정된 전압이 기준 전압과 비교될 수 있을 때, 결정될 수 있다.
도 4b는 제2 동작 모드에서 정전기력을 인가하는데 사용될 수 있는 예시적인 구동 신호를 도시한다. 이러한 구동 신호에서, 3개의 상이한 마크:스페이스 비율들이 도시되고, 이것은 프루프 매스(308, 316, 322)의 상이한 위치들이 어떻게 테스트될 수 있는지를 보여준다. 구동 신호는 PWM 구동 신호이고, 이것은 제1 구동 증폭기에 대해 동위상이고, 제2 구동 증폭기에 대해 역위상이다. PWM 마크:스페이스 비율은 일정하게 유지하지 않고, 시간에 따라 변한다. 구동 신호는 초기에 50:50의 마크:스페이스 비율에 있고, 이것은 도 4a에 대해 논의된 바와 같이, 널 위치를 유지하는 표준 구동 신호이다. 하지만, 시간(306)에서, 마크:스페이스 비율은 사이클 동안 25:75로 변경된다. 이것은 프루프 매스(308)의 강제된 편향을 야기한다. PWM 구동 신호들로부터의 정전기력은 프루프 매스(308)가 편향하도록 하고, 고정된 전극(312)보다 고정된 전극(310)에 더 가까이 이동하도록 한다. 이것은 빌트 인 테스트(BIT)가 한 방향으로의 프루프 매스의 편향을 테스트하도록 한다. 시간(314)에서, PWM 구동 신호는 50:50의 마크:스페이스 비율로 복귀하여, 프루프 매스(316)가 널 위치로 복귀하도록 하여, 고정된 전극 핑거들(318) 사이에서 동일하게 이격된다. 시간(320)에서, 프루프 매스(322)의 편향은 반대 방향으로 테스트된다. PWM 구동 신호는 사이클 동안 75:25의 마크:스페이스 비율을 가져, 프루프 매스(322)가 반대 방향으로 이동하도록 하여, 고정된 전극(326)보다 고정된 전극(324)에 더 가깝게 된다. 다수의 상이한 마크:스페이스 비율들로 BIT를 수행함으로써, 하나보다 많은 방향으로의 프루프 매스의 편향을 테스트하는 것이 가능하다. 하지만, 이와 같은 PWM 구동 신호는 가속도계에 대해 단지 짧은 정착 시간을 허용하고, 이것은 사용될 수 있는 최대 마크:스페이스 비율에 제한을 둔다.
도 5는 더 높은 최대 마크:스페이스 비율이 사용되도록 하는, 제2 동작 모드에서 정전기력을 인가하는데 사용될 수 있는 다른 예시적인 구동 신호를 도시한다. 도 5에 2개의 파형들이 도시되어 있고, 하나는 PWM 구동 신호들(400)을 도시하고, 다른 하나는 상기 구동 신호들의 샘플링(402)을 도시한다. 시스템은 처음에 시간(306)에서 도 4b에서 증명되는 바와 같이, 25:75의 일정한 마크:스페이스 비율을 갖는 동위상 및 역위상 PWM 구동 신호들(404)을 이용하여, 제3 동작 모드를 동작한다. 이러한 마크:스페이스 비율은 프루프 매스의 초기 강제된 편향을 야기하는데 사용된다. 초기에 일정한 마크:스페이스 비율을 인가함으로써, 프루프 매스 및 이동가능한 전극 핑거들이 편향하기 시작한다. 본 명세서에서 하나만 도시된 다수의 사이클(404) 이후에, 프루프 매스는 편향된 위치로 정착하는데 시간이 걸린다. 이 스테이지에서, 마크:스페이스 비율은 더 큰 강제된 편향을 야기하기 위해 증가될 수 있다. 100:0의 더 큰 마크:스페이스 비율은, 원래 마크:스페이스 비율의 단일 펄스(404)가 인가되기 전에, 3개의 펄스들(406)에 대해 인가된다. 그 다음 시스템은 제2 동작 모드로 이동할 수 있어서, PWM 구동 신호에서 100:0의 3개의 펄스들(406) 및 25:75의 하나의 펄스(404)의 이러한 패턴을 반복한다. 이것은 6.3:93.8의 평균 마크:스페이스 비율을 야기하여, 프루프 매스의 더 큰 편향을 생성한다.
일단 시스템이 제2 동작 모드에 있으면, 그 다음 강제된 편향이 샘플링될 수 있으므로, 민감도가 테스트될 수 있다. 파형(402)은 프루프 매스의 픽오프 샘플링을 도시한다. 제2 동작 모드에서, 도 4a 또는 도 4b에서 보여진 바와 같은 마크:스페이스 비율이 있을 때, 즉, 규칙적인 펄스에 대해 충분한 정착 시간이 있는 100:0보다 적은 마크:스페이스 비율이 있을 때, 픽오프 신호는 매 펄스마다 샘플링된다. 하지만, 도 5에 보여진 바와 같이 PWM 구동 신호가 사용될 때, 픽오프 증폭기는 100:0의 마크:스페이스 비율을 갖는 펄스들 동안 샘플링하지 않는다. 이들 펄스들은 신호들이 소요 정착 시간으로 인해 포화되기 때문에 편향의 대표적인 측정을 제공하지 않는다. 픽오프 증폭기는 단지 각 25:75 펄스의 시작 및 마지막에서만 샘플링하고, 이것은 이동가능한 전극 핑거들을 포함하여 프루프 매스의 편향이 BIT에 대해 충분히 측정되도록 한다.

Claims (15)

  1. 정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법으로서, 상기 정전 용량 가속도계는:
    인가된 가속도에 응답하여 평면 내 감지 방향으로 선형으로 이동가능하도록 유연한 지지 레그들에 의해 고정된 기판에 장착된 실질적으로 평평한 프루프 매스(proof mass);
    상기 감지 방향으로 이격되고 상기 감지 방향에 실질적으로 수직으로, 상기 프루프 매스로부터 연장되는 이동가능한 정전 용량 전극 핑거들의 제1 세트 및 제2 세트; 및
    상기 감지 방향으로 이격되고 상기 감지 방향에 실질적으로 수직으로 연장되는 고정된 정전 용량 전극 핑거들의 제1 세트 및 제2 세트를 포함하되;
    상기 고정된 정전 용량 전극 핑거들의 제1 세트는 상기 이동가능한 정전 용량 전극 핑거들의 제1 세트와 맞물리도록 배열되고, 상기 고정된 정전 용량 전극 핑거들의 제2 세트는 상기 이동가능한 정전 용량 전극 핑거들의 제2 세트와 맞물리도록 배열되고;
    상기 인가된 가속도가 0일 때 널 위치(null position)는 맞물린 상기 고정된 정전 용량 전극 핑거들 및 상기 이동가능한 정전 용량 전극 핑거들의 간격으로서 정의되며,
    상기 방법은:
    인가된 가속도 하에서 상기 널 위치로부터 상기 이동가능한 정전 용량 전극 핑거들을 포함하여 상기 프루프 매스의 편향을 전기적으로 측정하는 단계를 포함하는 제1 동작 모드; 및
    상기 이동가능한 정전 용량 전극 핑거들의 제1 세트 및 제2 세트를 포함하여 상기 프루프 매스가 상기 널 위치로부터 편향하도록 하기 위해 정전기력을 상기 고정된 정전 용량 전극 핑거들의 제1 세트 및 제2 세트에 인가하는 단계와, 그렇게 야기된 강제된 상기 편향을 전기적으로 측정하는 단계를 포함하는 제2 동작 모드로서, 상기 제2 동작 모드에서 상기 정전기력을 상기 고정된 정전 용량 전극 핑거들에 인가하는 단계는 동위상 PWM 구동 신호를 상기 고정된 정전 용량 전극 핑거들의 제1 세트에 인가하고, 대응하는 역위상 PWM 구동 신호를 상기 고정된 정전 용량 전극 핑거들의 제2 세트에 인가하는 단계를 포함하는, 제2 동작 모드를 포함하고;
    상기 방법은, 상기 제2 동작 모드 동안 시간적으로 변하는 마크:스페이스(mark:space) 비율을 갖는 PWM 구동 신호를 인가하는 단계를 더 포함하는, 정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 동작 모드는 강제된 상기 편향을 전기적으로 측정하는 픽오프 회로에 인가되는 DC 기준 전압을 조정하는 단계를 포함하는, 정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 DC 기준 전압을 조정하기 위해 상기 픽오프 회로로부터의 출력 신호를 샘플링하는 단계를 포함하는, 정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법.
  4. 청구항 2 또는 3에 있어서, 상기 DC 기준 전압은 상기 제2 동작 모드 동안 0V로 조정되는, 정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법.
  5. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 강제된 상기 편향을 상기 정전기력에 대해 예상된 편향과 비교하는 단계를 포함하는, 정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마크:스페이스 비율은 매 y 사이클마다 x 펄스들에 대해 변하고, 여기서 1≤x<y 및 y>1인, 정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 마크:스페이스 비율은 상기 x 펄스들에 대해 100:0인, 정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 강제된 편향은 매 y 사이클들의 상기 x 펄스들 동안 측정되지 않는, 정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법.
  11. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 동작 모드 이전에 초기 동작 모드를 포함하되, 상기 초기 동작 모드는 다수의 사이클 동안 일정한 마크:스페이스 비율을 갖는 PWM 신호를 인가하는 단계를 포함하는, 정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법.
  12. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 사용자-명령받은 시행된 테스트(CBit) 동안 상기 제2 동작 모드를 개시하는 단계를 포함하는, 정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법.
  13. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가속도계의 동작 동안 상기 제2 동작 모드를 연속적으로 적용하는 단계를 포함하는, 정전 용량 가속도계의 개방 루프 동작을 위한 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
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