KR20040082855A - Ｑ 팩터 조절이 가능한 ｍｅｍｓ 자이로스코프 및 그신호처리방법 - Google Patents

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Abstract

Q 팩터 조절 기능을 갖는 마이크로 전자 기계 시스템(Micro Electro Mechanical System: MEMS) 자이로스코프(Gyroscope)가 개시된다. MEMS 자이로스코프는, 자이로스코프의 구동 전극에 공급되는 구동신호들에 의해 몸체가 운동하는 것으로부터 전하가 축적되는 캐패시터들과, 캐패시터들의 용량변화에 따른 제1 및 제2 검출전극 각각에서의 출력전류를 각각 전압으로 변환하는 제1 및 제2 전류전압변환기와, 제1 및 제2 전류/전압변환기로부터 출력된 전압신호를 각각 증폭하는 제1 및 제2 증폭기와, 제1 및 제2 증폭기로부터 출력된 증폭신호를 가산하여 복조기에 출력하는 가산기와, 상기 가산기로부터 출력된 신호를 미분하는 미분기, 및 미분기로부터 출력된 신호에 비례하는 힘을 몸체에 가해주기 위한 Q 팩터 조절기를 포함한다. 이와 같은 MEMS 자이로스코프 검출회로는 자이로스코프 검출신호로부터 자이로스코프 몸체에 속도에 비례하는 힘을 다시 피드백 전달함으로서, 검지방향의 Q 팩터를 조절할 수 있게 되며, 충격에 둔감한 자이로스코프를 제공할 수 있어 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Description

Ｑ 팩터 조절이 가능한 ＭＥＭＳ 자이로스코프 및 그 신호처리방법{ＭＥＭＳ gyroscope capable of controlling Ｑ-factor and method for signal processing the same}
본 발명은 마이크로 전자 기계 시스템(Micro Electro Mechanical System: MEMS)에 관한 것으로서, 특히 MEMS 자이로스코프(Gyroscope) 및 그 신호처리 방법에 관한 것이다.
자이로스코프는 관성체를 특정방향으로 진동시킨 상태에서 외부 각속도가 작용하면, 관성체에 발생되는 코리올리 힘에 따른 정전용량 변화로부터 외부 각속도를 측정할 수 있도록 설계된 장치이다. 이와 같은 자이로스코프는 최근 MEMS 제조기술을 통해 초소형으로 제조되면서 모바일 기기나 디지털 카메라 등의 소형 전자기기에서 다양한 기능 구현에 응용되고 있다.
MEMS 자이로스코프는 코리올리 힘을 발생시키고 감지하기 위하여 내부의 질량체를 구동시키기 위한 구동전극 및 질량체의 운동에 따른 감지전극을 포함한다. 자이로스코프 내의 질량체가 구동되는 방향은 통상 '구동방향'이라 하고, 자이로스코프에 회전각속도가 입력되는 방향은 '입력방향'이라 하며, 질량체에 발생되는 코리올리힘을 감지하는 방향을 '감지방향'이라 한다. 구동방향과 입력방향 및 감지방향은 공간상에서 상호 직교하는 방향으로 설정되며, 통상 MEMS 기술을 이용한 자이로스코프에서는, 기판에 평행하며 상호 직교하는 두 방향과 기판의 판면에 수직인 한 방향으로 구성된 세 방향으로 좌표축을 설정한다.
도 1은 종래 MEMS 자이로스코프의 검출회로 일부에 대한 등가 회로를 나타낸 도면이다. MEMS 자이로스코프의 각속도 검출회로는, 구동전극에 공급되는 구동신호(DRV+, DRV-)에 의해 운동하는 질량체의 운동에 따른 정전용량 값을 발생시키는 몸체(110)와, 제1 및 제2 검출전극(CS1, CS2) 각각에서 출력된 전류를 각각 전압으로 변환하는 제1 및 제2 전류전압 변환기(120, 130)와, 제1 및 제2 전류/전압 변환기(120, 130)로부터 출력된 전압신호를 각각 증폭하는 제1 및 제2 증폭기(140, 150)와, 제1 및 제2 증폭기(140, 150)로부터 각각 출력된 증폭신호를가산하여 복조기에 출력하는 가산기(160)를 포함한다.
여기서, 점선은 자이로스코프 몸체(110)를 나타내며, 단자 DSI는 구동전극에 공급되는 신호를 안정화 시키기 위한 피드백신호가 출력되는 단자이며, 캐패시터 DSI는 몸체의 운동에 의해 DSI 피드백신호를 발생시키는 캐패시턴스를 나타낸다. 그리고 캐패시터 DR1, DR2는 구동전극(DRV+, DRV-)에 인가된 신호에 대해 몸체가 갖는 캐패시턴스, 캐패시터 CS1, CS2는 질량체의 운동에 의해 발생되는 캐패시턴스를 각각 나타낸다.
위와 같은 MEMS 자이로스코프 검출회로는, 구동전극단자(DRV+, DRV-) 각각에 공급된 구동 신호들(DRV+, DRV-)에 의해 기판 상에 형성된 질량체의 운동이 개시되며, 질량체의 운동에 따라 질량체에 형성된 코움(comb) 형태의 구조물과 맞물려 형성된 기판 상에 고정된 코움(comb) 형태 구조물 사이의 거리가 근접 및 이격되는 동작을 반복하게 된다. 그리고 맞물린 두 코움(comb) 형태의 구조물이 서로 이격되는 거리에 따라 정정용량이 변화된다. CS1, CS2는 그러한 정전용량의 변화를 나타낸다. 그리고 캐패시터 CS1, CS2로부터 출력된 전류는 제1 및 제2 전류/전압 변환기(120, 130)에 의해 전압신호로 각각 변환되고, 변환된 제1 및 제2 전압신호는 제1 및 제2 증폭기(140, 150)에서 각각 증폭되어 가산기(160)에서 가산된다. 그리고 가산된 결과는 복조기(미도시)에 출력되며, 복조기에 출력된 신호로부터 각속도로 계산된다.
위와 같은 종래 MEMS 자이로스코프는 소자가 미세 구조를 갖는 관계로 신호의 안정성을 위하여 진공 패키징을 수행한다. 이때, 구동방향 Q 팩터와 검지방향 Q팩터는 소자의 진공 패키징에 의해 일률적으로 결정이 되어 독립적으로 어느 한 Q팩터를 조절하는 것은 불가능하게 된다. 즉, 구동방향 Q 팩터가 1500 - 4500 사이인 경우, 검지 방향 Q 팩터는 150 - 450 사이에서 결정되어 더 이상 Q 팩터를 바꿀 수 없는 것이다. 그러나 구동방향 Q 팩터가 1500 - 4500에 대해 검지방향 Q 팩터가 150-450 사이일 경우에는 과도한 위상지연이 발생하기 때문에 이그젝트 매칭(exact matching) 사용은 불가능하다. 따라서 일반적인 MEMS 자이로스코프는 근접 매칭(near matching)을 사용하게 된다.
그러나 근접 매칭을 사용하는 경우에는 검출신호가 과도하게 증가하는 피킹(peaking) 현상이 발생하며, 충격 응답이 커지게 되어 충격에 민감하게 반응하는 문제점 등이 발생한다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 과도한 위상지연을 발생시키지 않으면서 피킹 현상을 억제할 수 있고, 충격에 둔감한 MEMS 자이로스코프 및 그 신호처리방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 종래 MEMS 자이로스코프 검출회로의 개략적인 등가회로도이고,
도 2는 본 발명에 따른 MEMS 자이로스코프 검출회로의 개략적인 등가회로도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
110, 210: 자이로스코프 몸체
120, 130, 220, 230: 전류 전압 변환기
140, 150, 240, 250: 증폭기 160, 260: 가산기
270: 미분기 280: Q팩터 조절기
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 MEMS 자이로스코프는, 구동전극에 공급된 신호에 따른 몸체의 운동에 의해 제1 검출전극 및 제2 검출전극에서 검출되는 변위 전류에 따라 상기 몸체의 각속도를 측정하는 MEMS 자이로스코프에 있어서, 상기 제1 및 제2 검출전극으로부터 각각 출력된 검출방향 변위를 나타내는 제1 및 제2 전류신호를 각각 제1 및 제2 전압신호로 변환하는 제1 및 제2 전류/전압변환기; 상기 제1 및 제2 전류/전압 변환기 각각으로부터 출력된 신호를 가산하는 가산기; 상기 가산기로부터 출력된 신호를 미분하는 미분기; 및 상기 미분기로부터 출력된 신호에 비례하는 힘이 상기 몸체에 가해지도록 상기 구동전극에 출력하는 Q 팩터 조절기;를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 MEMS 자이로스코프의 제어방법은, 구동전극에 공급된 신호에 따른 몸체의 운동에 의해 제1 검출전극 및 제2 검출전극에서 검출되는 변위 전류에 따라 상기 몸체의 각속도를 측정하는 MEMS 자이로스코프에 제어방법에 있어서, 상기 몸체의 운동에 따라 발생된 제 1 및 제2 검출방향변위 전류신호를 각각 제1 및 제2 전류/전압변환기를 통해 제1 및 제2 전압신호로 변환하는 단계; 상기 제1 및 제2 전류/전압변환기를 통해 출력된 1 및 제2 전압신호를 가산하는 단계; 상기 가산신호를 미분하는 단계; 및 상기 미분신호에 비례하는 힘이 상기 몸체에 가해지도록 상기 구동전극에 출력하는 단계;를 포함한다.
이상과 같은 본 발명의 MEMS 자이로스코프는, 몸체의 운동에 따른 검출신호를 이용하여 검지방향 Q 팩터를 전기적으로 감소시킬 수 있어 이그젝트 매칭을 사용하더라도 과도한 위상지연이 발생되지 않을 뿐만 아니라, Q팩터가 작아 충격에 둔감하게 된다. 또한, 이그젝트 매칭 사용시 더 이상 피킹 현상이 발생되지 않게 된다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MEMS 자이로스코프의 검출회로에 대한 등가회로도이다. MEMS 자이로스코프 검출회로는, 구동전극에 공급되는 구동신호(DRV+,DRV-)에 의해 운동하는 질량체의 운동에 따른 정전용량 값을 발생시키는 몸체(210)와, 제1 및 제2 검출전극(CS1, CS2) 각각에서 출력된 전류를 각각 전압으로 변환하는 제1 및 제2 전류전압 변환기(220, 230)와, 제1 및 제2 전류/전압 변환기(220, 230)로부터 출력된 전압신호를 각각 증폭하는 제1 및 제2 증폭기(240, 250)와, 제1 및 제2 증폭기(240, 250)로부터 각각 출력된 증폭신호를 가산하여 복조기(미도시)에 출력하는 가산기(260)와, 가산기(260)로부터 출력된 신호를 미분하는 미분기(270), 및 미분기(270)로부터 출력된 신호에 비례하는 힘을 몸체(210)에 가해주기 위한 Q 팩터 조절기(280)를 포함한다.
위와 같은 MEMS 자이로스코프 검출회로는, 구동전극단자(DRV+, DRV-) 각각에 공급된 구동 신호들(DRV+, DRV-)에 의해 기판 상에 형성된 질량체의 운동이 개시되며, 질량체의 운동에 따라 질량체에 형성된 코움(comb) 형태의 구조물과 맞물려 형성된 기판 상에 고정된 코움(comb) 형태 구조물 사이의 거리가 근접 및 이격되는 동작을 반복하게 된다. 그리고 맞물린 두 코움(comb) 형태의 구조물이 서로 이격되는 거리에 따라 정정용량이 변화된다. CS1, CS2는 그러한 정전용량의 변화를 나타낸다. 그리고 캐패시터 CS1, CS2로부터 출력된 전류는 제1 및 제2 전류/전압 변환기(220, 230)에 의해 전압신호로 각각 변환되고, 변환된 제1 및 제2 전압신호는 제1 및 제2 증폭기(240, 250)에서 각각 증폭되어 가산기(260)에서 가산된다. 그리고 가산된 결과는 복조기(미도시)에 출력되며, 복조기에 출력된 신호로부터 각속도로 계산된다. 한편, 가산된 신호는 미분기(270)에서 미분된다. 미분에 의해 검지방향 속도정보를 얻을 수 있다. 그리고 이 검지방향 속도정보는 Q팩터 조절기(280)에출력된다. 그러면 Q팩터 조절기(280)에서는 속도에 비례하는 신호를 구동전극에 전달하여 몸체(210)에 속도에 비례하는 힘을 가해주게 된다.
위와 같이 Q 팩터 조절기(280)에 의해 출력된 신호에 따라 구동전극에 신호가 전달되면, MEMS 자이로스코프 몸체에는 전달된 신호에 따라 속도에 비례하는 힘이 가해지게 되며, MEMS 자이로스코프는 힘의 방향에 따라 운동량이 증가 또는 감소하게 된다. 이에 따라 검지방향 Q 팩터 역시 증가 또는 감소하게 된다.
즉, MEMS 자이로스코프 검출회로에서 위와 같은 피드백 회로의 부가는, 자이로스코프로부터 출력되는 신호로부터 자이로스코프 몸체에 속도에 비례하는 힘을 다시 피드백 전달함으로서, 검지방향의 Q 팩터를 조절할 수 있는 것이다.
따라서 Q 팩터 조절기의 이득을 어떻게 결정하느냐에 따라 검지방향 Q 팩터를 전기적으로 제어할 수 있어, 검지방향 Q 팩터를 감소시키는 경우 이그젝트 매칭을 사용하더라도 과도한 위상지연이 발생되지 않을 뿐만 아니라, Q 팩터를 감소시키는 경우에는 충격에 둔감한 자이로스코프 제조가 가능하게 된다. 또한, 이그젝트 매칭 사용에 의해 피킹 현상은 더 이상 발생되지 않게 된다.
또한, 본 발명의 MEMS 자이로스코프는 전기적 파라미터 조절을 통해 MEMS 자이로스코프의 감도 조절 및 대역폭 등을 조절할 수 있게 된다.
이상과 같은 MEMS 자이로스코프 및 그 제어방법에 의하면, 이그젝트 매칭을 사용할 수 있으며, 충격에 둔감한 자이로스코프를 제공할 수 있음에 따라 안정된 신호를 제공할 수 있어 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하고 있으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (2)

  1. 구동전극에 공급된 신호에 의한 몸체의 운동으로부터 제1 검출전극 및 제2 검출전극을 통해 각각 출력된 변위 전류에 따라 상기 몸체의 각속도를 측정하는 MEMS 자이로스코프에 있어서,
    상기 제1 및 제2 검출전극으로부터 각각 출력된 검출방향 변위를 나타내는 제1 및 제2 전류신호를 각각 제1 및 제2 전압신호로 변환하는 제1 및 제2 전류/전압변환기;
    상기 제1 및 제2 전류/전압 변환기 각각으로부터 출력된 신호를 가산하여 출력하는 가산기;
    상기 가산기로부터 출력된 신호를 미분하는 미분기; 및
    상기 미분기로부터 출력된 신호에 비례하는 힘이 상기 몸체에 가해지도록 구동전극에 출력하는 Q 팩터 조절기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 자이로스코프.
  2. 구동전극에 공급된 신호에 의한 몸체의 운동으로부터 제1 검출전극 및 제2 검출전극을 통해 각각 출력된 변위 전류에 따라 상기 몸체의 각속도를 측정하는 MEMS 자이로스코프의 제어방법에 있어서,
    상기 몸체의 운동에 따라 발생된 제 1 및 제2 검출방향변위 전류신호를 각각 제1 및 제2 전류/전압변환기를 통해 제1 및 제2 전압신호로 변환하는 단계;
    상기 제1 및 제2 전류/전압변환기를 통해 출력된 1 및 제2 전압신호를 가산하는 단계;
    상기 가산신호를 미분하는 단계; 및
    상기 미분신호에 비례하는 힘이 상기 몸체에 가해지도록 구동전극에 출력하는 단계;를 포함하는 MEMS 자이로스코프의 제어방법.
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