KR102568070B1 - 자동차 압력 센서에서의 비선형성 에러의 감소 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 압력 센서에서의 비선형성 에러를 감소시키는 방법 및 장치를 개시한다. 압력 센서는 압력 감지 요소를 포함하고, 이 압력 감지 요소는 한 쌍의 평행 전극, 한 쌍의 세라믹 플레이트, 강성 유리 시일, 및 한 쌍의 평행 전극들 사이의 연결부, 및 집적 회로(IC)를 포함하며, IC는 C_X값이 압력 감지 요소로부터 포집된 후에 1/C_X의 선형 매핑 함수를 실행하며, 여기서 C는 커패시턴스를 나타내며, 선형 매핑 함수는 압력과 커패시턴스 간의 관계의 2점 캘리브레이션을 가능하게 하도록 비선형성 에러를 감소시킨다.

Description

자동차 압력 센서에서의 비선형성 에러의 감소{REDUCTION OF NON-LINEARITY ERRORS IN AUTOMOTIVE PRESSURE SENSORS}

본 발명은 일반적으로는 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자동차 압력 센서에서의 비선형성 에러의 감소에 관한 것이다.

압력 센서는 자동차 시스템에 널리 사용되고 있다. 일반적으로, 자동차 압력 센서(automotive pressure sensor: APT)는 인가된 압력에 직접 비례하는 선형 전압 출력을 제공하는 용량성 센서이다. 용량성 압력 요소의 구조, 특히 평행 플레이트 구성으로 인해, 커패시턴스에서 전압으로 또는 디지털로의 변환은 상당한 비선형성 에러를 야기할 수 있다.

APT의 비선형성을 감소시키는 방법이 필요하다.

이하에서는 본 발명의 몇몇 양태의 기본적인 이해를 제공하기 위해 개선점의 간략한 개요를 제공한다. 이 개요는 본 발명의 광범위한 개요는 아니다. 이 개요는 본 발명의 핵심이나 중요 구성 요소들을 확인하려 하거나 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것도 아니다. 그 유일한 목적은 아래에서 제시할 보다 상세한 설명에 대한 서두로서 본 발명의 일부 개념들을 간단한 형태로 제공하는 것이다.

본 발명은 자동차 압력 센서에서의 비선형성 에러를 감소시키는 방법 및 장치를 제공한다.

하나의 양태에서, 본 발명은, 압력 감지 요소를 포함하고, 이 압력 감지 요소는 한 쌍의 평행 전극, 한 쌍의 세라믹 플레이트, 강성 유리 시일, 및 한 쌍의 평행 전극들 사이의 연결부, 및 집적 회로(IC)를 포함하며, IC는 C_X값이 압력 감지 요소로부터 포집된 후에 1/C_X의 선형 매핑 함수를 실행하며, 여기서 C는 커패시턴스를 나타내며, 선형 매핑 함수는 압력과 커패시턴스 간의 관계의 2점 캘리브레이션(two point calibration)을 가능하게 하도록 비선형성 에러를 감소시키는 것인 압력 센서를 특징으로 한다.

다른 양태에서, 본 발명은, 압력 감지 요소를 포함하고, 이 압력 감지 요소는 한 쌍의 평행 전극, 세라믹 다이어프램 플레이트, 세라믹 기판 플레이트, 강성 유리 시일, 및 한 쌍의 평행 전극들 사이의 연결부, 및 집적 회로(IC)를 포함하며, IC는 C_X값이 압력 감지 요소로부터 포집된 후에 1/C_X의 선형 매핑 함수를 실행하며, 여기서 C는 커패시턴스를 나타내며, 선형 매핑 함수는 압력과 커패시턴스 간의 관계의 2점 캘리브레이션을 가능하게 하도록 비선형성 에러를 감소시키는 것인 압력 센서를 특징으로 한다.

또 다른 양태에서, 본 발명은, C_X값이 압력 감지 요소로부터 포집된 후의 1/C_X의 선형 매핑 함수를 포함하며, 여기서 C는 커패시턴스를 나타내며, 선형 매핑 함수는 압력과 커패시턴스 간의 관계의 2점 캘리브레이션을 가능하게 하도록 비선형성 에러를 감소시키는 것인 집적 회로를 특징으로 한다.

실시예들은 이하의 이점 중 하나 이상을 가질 수 있다.

본 발명의 압력 트랜스듀서는 커패시턴스의 하드웨어적 변환(hardware conversion)과 관련한 비선형성을 감소시킨다.

본 발명의 압력 트랜스듀서는, 압력과 커패시턴스 간의 관계의 2점 캘리브레이션을 가능하게 하도록 커패시턴스의 하드웨어적 변환과 관련한 비선형성을 감소시킨다.

이들 및 다른 특징들과 장점들은 다음의 상세한 설명을 읽고 관련된 도면을 검토함으로써 명백해질 것이다. 전술한 개괄적인 설명은 물론 후술하는 상세한 설명은 모두 단지 설명을 위한 것으로, 청구되는 양태들을 제한하지 않는 것으로 이해해야 할 것이다.

본 발명은 이하의 도면과 함께 상세한 설명을 참조함으로써 보다 완벽하게 이해할 것이다.
도 1은 예시적인 압력 트랜스듀서를 도시한다.

이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 설명하며, 도면에 걸쳐 동일 도면 부호는 동일 요소를 가리키는 데에 이용된다. 이하의 상세한 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하고자 다수의 특정 상세 구성을 설명을 목적으로 기재한다. 하지만, 본 발명이 그러한 특정 상세 구성없이도 실시될 수 있다는 점은 명백할 것이다. 다른 경우에, 본 발명의 설명을 용이하게 하고자 주지의 구조 및 장치를 블록 다이어그램 형태로 도시한다.

이하의 상세한 설명에서, "또는"이란 표현은 배타적인 "또는"이라기보다는 비배타적인 "또는"을 의미하고자 한 것이다. 즉, 달리 명시하지 않거나 문맥상 명확하게 드러나지 않는다면, "X가 A 또는 B를 이용한다"라는 식의 표현은 임의의 비배타적 자연 순열(natural inclusive permutations)을 의미하지고 한 것이다. 즉, X가 A를 이용하거나, X가 B를 이용하거나, X가 A와 B 모두를 이용한다면, "X가 A 또는 B를 이용한다"라는 표현이 상기한 경우에 대해 충족할 것이다. 게다가, 본 명세서 및 첨부 도면에서 이용되는 바와 같은 단수 형태의 표현은 전반적으로, 단수 형태를 가리키는 것이라고 달리 명시하지 않거나 문맥상 명확하게 드러나지 않는다면, "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 미국 매사추세츠 애틀버로에 소재한 Sensata Technologies에서 제조한 것과 같은 예시적인 압력 트랜스듀서(10)는 피측정 파리미터(예를 들면, 압력)의 측정 가능 유닛(예를 들면, 커패시턴스)으로의 변환을 수행하는 센서 장치(도시 생략)의 일부이다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같은 그러한 압력 트랜스듀서는 전반적으로 압력 감지 요소로서 지칭된다.

압력 감지 요소(10)는 한 쌍의 평행 전극(40, 50), 한 쌍의 세라믹 플레이트(기판(70)과 다이어프램(60)), 강성 유리 시일(다이어프램(60)과 기판(70) 사이에서 다이어프램(60)의 에지에 도시함), 및 한 쌍의 평행 전극들(40, 50) 사이의 연결부(도시 생략), 및 집적 회로(IC)(30)를 포함한다.

트랜스듀서(10)의 집적 회로(IC)(30)는 커패시턴스를 측정하여 이를 압력에 선형적으로 비례하는 전압으로 변환한다. IC(30)가 작은 다이어프램 편향으로 인한 커패시턴스에서의 매우 작은 변화를 검출할 수 있기 때문에, 우수한 히스테리시스 및 반복성이 달성된다.

IC(30)는 통상 (C_X-C_zero)/C_ref 커패시턴스의 디지털 변환 기법을 이용한다. 압력 센서(10)의 구조로 인해, 그 변환은 상당한 비선형성 에러를 생성할 수 있다. 이 에러는 인가된 압력은 압력 감지 요소(10)의 갭 높이의 변화에 대해 선형이지만, 압력 감지 요소(10)의 커패시턴스의 변화는 갭 높이의 변화에 반비례하기 때문에 초래된다. 따라서, 그것은 인가된 압력에 대해 선형인 (1/C_X)이다.

C_X의 하드웨어적 변환은 압력 감지 요소(10)에 대해 대략 5%FS 내지 15%FS를 초래하며, 여기서 Fs는 "풀 스팬(full span)"을 의미한다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같은 압력 축선에서의 스팬은 장치의 풀 스케일 압력 범위이다(예를 들면, 0 내지 100psi의 장치의 경우 스팬은 100psi이며, 200 내지 500psi의 장치의 경우 스팬은 300psi이다). 장치의 출력 축선에서의 스팬은 풀 스케일 출력 범위이다(예를 들면, 0.5V 내지 4.5V의 장치의 경우, 스팬은 4.0V이다).

(1/C_X)의 하드웨어적 변환은 압력 감지 요소(10)의 경우에 0.3%FS 내지 1%FS 정도의 압력에 대한 최소한의 비선형성을 생성한다. (1/C_X)의 하드웨어적 변환을 이용하는 것은 압력과 커패시턴스 간의 관계의 2점 캘리브레이션을 가능하게 하기에 충분하도록 비선형성 에러를 감소시킨다. C_X 변환 결과를 이용하는 것은 비선형성 에러를 허용 가능한 에러로 감소시키도록 4점 캘리브레이션(four point calibration) 및 3차 다항식 보정(3rd order polynomial correction)을 필요로 한다.

보다 구체적으로, C_X 변환 기법에서, IC(30)는 C_X/C_ref 또는 보다 정확하게는 (C_X-C_zero)/C_ref를 변환한다. 캘리브레이션에서, C_X값은 이하의 수학식 1에 나타낸 바와 같은 선형 출력 함수로 매핑된다.

[수학식 1]

자극(stimulus) 대 C_X의 관계가 선형이라면, 출력 함수도 자극에 대해 선형일 것이다. 임의의 잔존 비선형성은 이하의 수학식 2에 나타낸 형태의 다항식에 의해 보정될 수 있다.

[수학식 2]

센서 출력=A*(C_X)³+B*(C_X)²+D*C_X+E (2)

하지만, 비선형성에서 상당한 변화가 존재한다면, 상기한 수학식 2에 나타낸 다항식의 사용은 허용 가능한 성능을 달성하기 위해 제3의 심지어는 제4의 캘리브레이션 점을 필요로 한다. 비선형 에러에서의 변화가 장치들 간에 작다면, 추가적인 점들을 추론할 수 있다. 그 변화가 크다면, 추가적인 데이터 점 없이 큰 비선형 에러를 적절히 보상하기는 어렵다.

본 발명에서, IC(30)는 C_X가 포집된 후에 1/C_X의 선형 매핑 함수를 실행한다. 이는 이하의 수학식 3에 나타낸 관계에 기초한다.

[수학식 3]

[수학식 4]

상기한 수학식 4는 포집된 C_X 출력에 적용되는 1/C_X 트랜스폼(transform)의 형태를 나타낸다. 이 트랜스폼을 적용하는 것인 C_X 변환과 관련된 비선형성을 감소시킨다. 본질적으로, 그 트랜스폼은 1/C_X 비선형성을 감소시키는 것이다. 잔존하는 유일한 비선형성은 다이어프램(60)의 편향으로부터 초래된다.

상기한 수학식들은 C_X=f(P) 형태로 쓰여 있으며, P는 감지된 압력이다. 이는 트랜스폼의 기저(basis)를 설정하도록 행해진다. 실제로, P값은 목표 출력값으로 대체된다. 게다가, 각 C₍₎값이 전달 함수로부터 유도된다. 이런 식으로 쓰면, 수학식 4는 아래와 같아진다.

[수학식 5]

이러한 트랜스폼에 의해, 잔존 비선형성의 크기는 수많은 센서에 대해 어떠한 보상도 필요치 않을 정도로 충분히 작다. 게다가, 센서 요소 타입의 공칭 비선형성(nominal non-linearity)에 기초한 "클래스" 보상(class compensation)은 중간 정도의 정밀도 개선을 요구하는 수많은 용례에 대해 실현성 있는 옵션이 된다.

클래스 보상은 또한 이하의 수학식 6에 나타낸 형태의 다항식 매핑에 의해 달성될 수도 있다. 이는 비선형 케이스에 기초한 적절한 계수, 각각의 특정 센서에 대한 오프셋 및 게인 항을 유도함으로써 행해진다.

[수학식 6]

센서 출력=A'*(Out_X)³+B'*(Out_X)²+D'*(Out_X)+E' (6)

본 발명을 특히 그 바람직한 실시예를 참조하여 도시하고 설명하였지만, 당업자라면, 그 형태 및 세부 구성에서 다양한 변경이 첨부된 청구 범위에 의해 정해지는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 점을 이해할 것이다. 그러한 변경은 본 발명의 보호 범위에 의해 커버될 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예에 해단 전술한 설명은 한정하고자 하는 것은 아니다. 오히려, 본 발명의 임의의 제한은 이하의 청구 범위에 의해 주어진다.

10: 압력 감지 요소
30: 집적 회로(IC)
40, 50: 전극
60: 다이어프램
70: 기판

Claims (10)

1. 환경에서의 압력을 결정하기 위한 압력 센서로서:
   압력 감지 요소를 포함하고, 이 압력 감지 요소는: 갭에 의해 이격되고 대향하는 한 쌍의 세라믹 플레이트; 전극들이 상기 갭을 사이에 두고 서로 대향하도록 상기 한 쌍의 세라믹 플레이트 상에 장착된 한 쌍의 평행 전극; 압력 감지 요소가 환경에 효과적으로 결합되도록 하는 적어도 하나의 강성 유리 시일; 집적 회로(IC); 및 상기 한 쌍의 평행 전극들과 상기 IC 사이의 연결부를 포함하며,
   상기 세라믹 플레이트 중 하나는 갭의 물리적 변화가 가요성 다이어 프램에 가해지는 압력의 변화와 선형이 되도록 다른 세라믹 플레이트에 대해 구성되는 가요성 다이어프램이고, 전극은 전극의 커패시턴스 C가 물리적 변화와 반비례하도록 구성되며,
   압력 감지 요소는 가해진 압력과 선형인 환경의 압력을 나타내는 신호를 생성하고, IC는 신호를 수신하며, IC는 신호를 C_x값으로 나타내며, IC는 1/C_x값의 선행 매핑 함수를 실행하고, 선형 매핑 함수는 압력과 커패시턴스 간의 관계의 2점 캘리브레이션에 의해 압력 감지 요소의 배열로 인한 비선형성 에러를 감소시키며,
   상기 선형 매핑 함수는,
   Out_X=1/M*[(1/C_X)-(1/C_L]+Out_L를 포함하며,
   여기서, M=[((1/C_H)-(1/C_L))/(Out_H-Out_L)]이고 C₍₎=CDC_out*C_ref+C_zero 이고,
   C_X는 커패시턴스로 변환되는 CDC 출력값이며;
   C_L은 저 캘리브레이션 압력에서의 C_X이며;
   Out_L은 저 캘리브레이션 출력이며;
   C_H는 고 캘리브레이션 압력에서의 C_X이며;
   Out_H는 고 캘리브레이션 출력이며;
   Out_X는 트랜스폼(transform)으로부터의 출력인 것인 압력 센서.
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4. 압력 센서로서:
   압력 감지 요소를 포함하고, 이 압력 감지 요소는 세라믹 다이어프램 플레이트, 갭에 의해 이격되는 세라믹 기판 플레이트, 갭을 사이에 두고 서로 대향하는 세라믹 다이어프램 플레이트와 세라믹 기판 플레이트 상에 장착된 한 쌍의 평행 전극, 적어도 하나의 강성 유리 시일, 및 상기 한 쌍의 평행 전극들과 집적 회로(IC) 사이의 연결부를 포함하며,
   세라믹 다이어프램 플레이트는 갭의 물리적 변화가 가요성 다이어프램에 가해지는 압력의 변화와 선형이 되도록 세라믹 기판 플레이트에 대해 구성되는 가요성 다이어프램이고, 전극은 전극의 커패시턴스 C가 물리적 변화와 반비례하도록 구성되며,
   압력 감지 요소는 가해진 압력과 선형인 신호를 포집하고, IC는 신호를 수신하며, IC는 신호를 C_x값으로 나타내며, IC는 1/C_x값의 선행 매핑 함수를 실행하고, 선형 매핑 함수는 압력과 커패시턴스 간의 관계의 2점 캘리브레이션을 가능하게 하도록 압력 감지 요소의 배열로 인한 비선형성 에러를 감소시키며,
   상기 선형 매핑 함수는,
   Out_X=1/M*[(1/C_X)-(1/C_L]+Out_L를 포함하며,
   여기서, M=[((1/C_H)-(1/C_L))/(Out_H-Out_L)]이고 C₍₎=CDC_out*C_ref+C_zero 이고
   C_X는 커패시턴스로 변환되는 CDC 출력값이며;
   C_L은 저 캘리브레이션 압력에서의 C_X이며;
   Out_L은 저 캘리브레이션 출력이며;
   C_H는 고 캘리브레이션 압력에서의 C_X이며;
   Out_H는 고 캘리브레이션 출력이며;
   Out_X는 트랜스폼으로부터의 출력인 것인 압력 센서.
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