KR20050099520A - 공진 센서 조립체 - Google Patents
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Abstract
3중 빔 레조네이터(10)는 서로에 대하여 평행하고 각 단부의 분리존(18)에서 만나며, 주변 물질과 연속하여 연결되는, 3개의 빔 또는 가지(12,14,16)를 구비한다. 중앙 빔(14)은 외측의 두 빔(12,16)의 폭보다 두 배의 폭을 가진다. 공진 소자는 15.5mm의 길이, 0.25mm 의 두께, 2mm 및 1mm 폭의 빔을 가진다. 유한 요소 해석은 레조네이터(10)의 응력 분포 및 고유주파수 거동을 형태적으로 예측한다. 후막 PZT 소자(20,22)는 중앙 빔(14)의 각 단부의 분리된 영역에 프린트되는데, 예견된 진동 모드에서 레조네이터가 동작할 때 최대 응력이 존재한다. 일 단부의 PZT 소자(20)는 진동을 일으키고, 이에 반해 다른 단부의 PZT 소자(22)는 이것을 감지한다. PZT 구동 및 감지 기수(20,22)가 최대 응력 영역에 위치하는 것은, 구동력과 센싱 신호 양자를 일으키기 위해, 능동 압전층 및 레조네이터 사이의 기계적 결합의 정도를 최대화시킨다. 3100 이라는 매우 높은 큐 팩터 및 더 높은 큐 팩터를 얻을 수 있다. 나아가 레조네이터는 높은 신뢰성과 재생성을 가지면서도 일괄 생산 기술에 의해 제조될 수 있다.
Description
본 발명은 공진 센서 조립체에 관한 것이다.
공진 센서(resonant sensor)는 부하, 압력, 토크, 유체 흐름 특성 등을 측정하기 위하여 센서 기구에서 널리 사용되어 왔다. 이러한 센서에서 가장 중요한 것은 레조네이터(resonator), 즉 발진 구조(oscillating structure)로서, 공진 주파수(resonant frequency)가 측정량의 함수가 되도록 설계되어 있다.
가장 일반적인 센서 메커니즘은 레조네이터가 힘 센서(force sensor)로서 압력을 받는 것이다. 인가된 압력은 레조네이터 구조의 강성(stiffness)을 효과적으로 증가시키며, 이것은 레조네이터의 자연 주파수(natural frequency)를 증가시킨다. 레조네이터는 가상의 디지털 주파수 출력(virtual digital frequency output)을 제공하는 데, 전기 잡음(electrical noise)에 민감하지 않고 송신 신호의 감쇠나 레벨에 의존하지 않으며, 긴 시간 동안 우수한 안정성을 가진다. 주파수 출력은 디지털 인터페이스에 적합하며, 아날로그-디지털 변환이 불필요하고, 이에 따라 높은 정확성과 낮은 비용이라는 고유한 성질을 가지고 있다.
레조네이터 센서는 종종 상대적으로 높은 기계적 큐 팩터(quality factor, Q-factor, 양호도)를 가지는 데, 이것은 높은 주파수 분해능과 높은 감도를 이끌어 낸다. 큐 팩터가 높다는 것은 레조네이터의 에너지 손실이 낮다는 것과, 이에 따라 공진을 유지하는 데 요구되는 파워가 낮다는 것과, 공진 주파수 대역폭(bandwidth) 외측의 잡음 제거(noise rejection) 성능이 우수하다는 것을 의미하며, 이것은 작동 전자기기를 단순화시킨다. 공진 센서는 그 타입, 크기, 물질 등이 매우 다양한 데, 예를 들어 "PPL 전자공학을 이용한 공진 센서" (Resonant for sensor using PLL electronics; by Barthod C, Tesseyre Y, Gehin C and Gautier G; Sensor and Actuator A 104 page 143 to 150; 2003) 에 개시되어 있다.
힘, 압력 및 토크 측정용 전류 레조네이터는 저항 스트레인 게이지(resistance strain gauge)를 이용한다. 이러한 기술은 약 40 년 전부터 사용되어 온 기술로서, 스트레인 게이지의 성능은 일반적으로 피로(fatigue)와 크리프(greep)에 의해 일정한 한계를 가진다.
이러한 기술을 이용한 레조네이터 제작은 상대적으로 비싸고 노동집약적이어서, 자동화가 힘들다. 더욱이, 이 기술은 성능 레벨의 관점에서 일정한 한계에 도달했다.
본 발명의 실시예들은 아래에서 설명되는 첨부 도면을 참조하여, 예에 의해 자세히 설명될 것이다.
도 1 은 프린트된 후막 압전 드라이브 및 픽업을 가진 3중 빔 레조네이터의 실시예를 도시한 도면이다.
도 2 는 노치가 형성된 링크를 구비한 3중 빔 레조네이터의 평면도이다.
도 3a 내지 3b 는 각각 일체형 스탠드 오프 서포트를 가진 3중 빔 레조네이터의 평면도 및 측면도이다.
도 4 는 다중 드라이브 및 픽업을 가진 3중 빔 레조네이터의 실시예를 보여주는 평면도이다.
도 5 는 금속성 3중 빔 공진 힘 센서의 평면도이다.
도 6 은 유한 요소 해석에 의하여 모델링된, 3중 빔 레조네이터 실시예의 작동 거동을 보여주는 모델이다.
도 7 은 3중 빔 레조네이터의 바람직한 실시예의 주파수 응답을 보여주는 그래프이다.
도 8 레조네이터의 진폭-주파수 응답을 보여주는 그래프이다.
도 9 는 힘 센서 실시예의 부하 응답 그래프이다.
도 10 은 폐쇄 루프 배열의 센서 실시예로부터의 디지털 주파수 출력을 보여준다.
도 11 은 압전 드라이브 및 픽업을 가진 센서를 구비한 자기 커플링의 실시예를 보여주는 개략도이다.
도 12 는 압전 드라이브 및 전자기 픽업을 가진 자기장 커플링의 다른 실시예를 보여준다.
도 13 은 마이크로파 진폭 변조 픽업 링크를 가진 마이크로파 송수신기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14 는 마이크로파 진폭 변조 픽업 및 압전 드라이브를 가진 자기장 커플링의 예를 도시한 도면이다.
도 15 는 시간 전환 멀티플렉스를 사용한 드라이브 및 픽업을 위한 단일형 마이크로파 링크의 실시예를 보여주고 있다.
도 16 은 레조네이터의 드라이브 및 픽업을 위한 무선 주파수 링크의 실시예를 보여주고 있다.
도 17 은 송신 회로의 실시예를 보여주고 있다.
도 18 은 수신 회로의 실시예를 보여주고 있다.
도 19 및 도 20 은 도 20 에 개략적으로 도해된 센서의 송신 회로 및 수신 회로의 예를 보여주고 있다.
본 발명은 개선된 공진 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 후막 압전 드라이브 또는 픽업(thick-film piezoelectric drive or pickup)을 포함하는 공진 센서를 제공한다.
바람직하게는, 후막 압전 드라이브 및 픽업은 1 내지 2 마이크로미터 사이의 두께이거나, 적어도 1 마이크로미터의 두께를 가진다. 이것은 응용에 따라 5 내지 20 마이크로미터 사이의 두께 또는 50 내지 100 마이크로미터 사이의 두께를 가질 수 있으며, 상기 범위 사이의 어떠한 두께도 가질 수 있다.
바람직한 실시예에서, 기판 상에 후막 압전 드라이브 또는 픽업은 프린트되는 데, 더 바람직하게는 스크린 프린트(screen print) 된다. 이 기판은 레조네이터의 특정 구성요소이며, 변형(strain, 스트레인), 압력, 토크가 측정되는 물품(article)의 일 부분 또는 물품(article) 일 수 있다.
바람직한 실시예에서, 레조네이터 센서는 후막 압전 드라이브 또는 픽업을 가진 빔 레조네이터이다. 더 바람직하게는, 빔 레조네이터는 3중 빔 레조네이터(triple beam resonator)이다. 그러나 일부의 실시예서는, 2중 빔 레조네이터(double beam resonator)가 제공되는 것이 가능하다.
레조네이터의 드라이브 및 픽업은 후막 압전 물질(thick-film piezolectric material)로 형성되며, 더 바람직하게는, 압전 물질은 프리트되고, 보다 바람직하게는, 스크린 프린트법에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
레조네이터의 이러한 특징이 장점은 압전 물질은 자동화된 생산 공정에 응용가능하다는 것이다. 더욱이, 레조네이터의 이러한 바람직한 실시예는 아래에서 상세히 설명되는 것처럼 종래 기술의 레조네이터보다 너 높은 큐 팩터(Q-factor)를 가진다는 것이다.
압전 물질을 스크린 프린트하는 공정은, 쉽게 자동화되는 공정이며, 정밀한 제작 조건을 제공할 수 있은 공정이며, 따라서 신뢰성 있고 반복적으로 양질의 제품을 생산하는 것을 가능하게 한다.
바람직하게는, 레조네이터 기판은 금속(metal) 또는 금속을 함유한 물질 즉, 금속성(metallic) 물질로 제조된다. 대안적 실시예에서, 상기 기판은 실리콘(silicon) 또는 세라믹(ceramic) 물질로 제조된다.
실시예서, 드라이브 또는 픽업 중 하나는 후막 압전 물질로 형성되고, 다른 드라이브 또는 픽업은 정전기성(electrostatic), 용량성(capacitive) 또는 광학성(optical) 물질 일 수 있다.
바람직하게는, 압전 물질은 PZT(lead zirconate titanate)를 포함한다. 상기 물질, 특히 4 및 5H 버전으로 알려진 것은 아래에서 설명되는 바와 같이, 레조네이터에 특히 적합한 특성을 가지고 있다.
일부 실시예에서, 레조네이터는 복수개의 드라이브(dirve) 및 픽업(pickup)을 구비한다.
3중 빔 레조네이터의 실시예에서, 바람직하게는 상기 빔은 실질적으로 서로에 대해 평행하며, 중심 빔은 다른 빔의 부피 보다 두 배의 부피를 가지는데, 예를 들어 다른 두 빔의 폭 보다 두 배의 폭을 가지거나 다른 두 빔의 두께보다 두 배의 두께를 가지거나 이러한 치수들의 조합이다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 이러한 배치에 의해 중앙 빔은 다른 두 측면 빔에 대하여 카운터-공진(counter-resonant)으로 만들어질 수 있다.
바람직하게는, 빔 레조네이터는 박형(thin,얇은) 플레이트 금속 물질로부터 에칭(etching)된다. 특별히 유리한 물질은 430 스테인리스 스틸(430 stainless steel), 인코넬 (inconel)및 베릴륨구리(beryllium)이다.
일 실시예에서, 빔은 주 센싱 금속성 구조에 대하여 대칭적으로 노치가 형성된 링크(notched link)를 가진다.
빔 레조네이터는, 레조네이터가 그 표면으로부터 이격된 레조네이터의 표면 빔 상에 위치할 수 있도록 하는 스탠드 오프 서포트(stand-off support)를 구비한다.
바람직한 실시예에서, 레조네이터는 드라이브 및/또는 픽업과의 통신을 위한 무선 통신 수단(wireless communication means)을 구비한다. 이것은 진폭 변조 자기 커플링(amplitude modulated magnetic coupling)에 의해 제공되거나, 전자기 방사(마이크로파 및 광 주파수 포함) 및 초음파(ultrasound)에 의한다.
실시예에서, 레조네이터에 동력을 제공하고 레조네이터 주파수를 감지하기 위해 시간 전환 멀티프레싱(time diversion multiplexing)이 제공된다. 바람직하게는 이 양자의 경우에, 마이크로파 캐리어(microwave carrier)의 진폭 변조(amplitude modulation)가 사용된다.
실리콘 또는 탄소 빔 구조를 갖는 레조네이터의 경우에, 레조네이터는 유리층(glass layer)을 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 유리층은 예를 들어 납땜에 의해 레조네이터 다이어프램(diaphragm)에 부착된다. 이 다이어프램은 바람직하게는 스테인리스 스틸 다이어프램인데, 예를 들면, 174 pH 스테인리스 스틸이다.
본 발명의 다른 면에 의하면, 드라이브와의 무선 통신 수단을 포함하는 공진 센서가 제공되며, 센서에 의해 읽혀진다. 이 센서는 바람직하게는 빔 센서(beam sensor)이다.
이하에서 설명될 본 발명의 실시예는, 진동을 일으키고 감지하기 위한 후막 압전 소자(thick film piezoelectric element)를 구비한 금속성, 실리콘 또는 세라믹 3중 빔 레조네이터를 제공한다. 금속성 레조네이터에서, 기판의 바람직한 예는 양면 포토 화학 에칭 기술(double sided photo chemical etching technique)로 제조되고, 후막 압전 소자는 표준 스크린 프린트법(standard screen printing process)으로 증착된다. 조립되어 시험된 레조네이터의 실시예는 15.5mm 의 길이와, 7mm의 전폭(overall width)을 가지며, 7.2kHz 모드에서 3100 큐 팩터(Q-factor)를 가진다. 3중 빔 레조네이터는 후막 압전 드라이브 및 픽업 소자를 구비한 소리 굽쇠(tuning fork) 구조를 가진 것으로 설명될 수 있다.
도 1 을 참조하면, 도면에 도시된 바와 같이, 3중 빔 레조네이터의 실시예는 프린트된 후막 압전 드라이브 및 픽업을 구비한다. 후형(thick) 압전 필름은 요구되는 공조 진동 모드를 얻을 수 있도록 정확한 위치에서 레조네이터의 가지 상에 일괄 스크린 프린트(batch screen print)된다. 압전 물질을 증착하기 위한 표준 일괄 스크린 프린트법은 드라이브 및 픽업의 제조시 우수한 반복성(repeatability) 및 재현성(reproducibility)을 제공한다. 각 전극(electrode)은 4 개의 연속된 후막 프린트 층, 즉, 바닥면의 유전체 층, 바닥면 금속 전극, 압전 층 및 상부면 금속 전극으로 이루어진다. 하나의 전극은 드라이브로 작용하고, 다른 하나는 픽업으로 작용한다.
증폭(amplification) 및 적절한 위상 편이(phase shift)에도 불구하고, 상기 픽업 신호는 요구되는 공진 모드로 레조네이터를 유지시키기 위해 드라이브로 피드백될 수 있다. 공진 주파수는 측정되는 물리적인 양에 따른다. 이러한 특성은 당업자에게는 명백한 것이다.
레조네이터는 주변 구조에 대해 대칭적으로 노치가 형성된 링크를 가진 박형(thin, 얇은) 플레이트로부터 일괄 포토 화학 에칭(batch photo-chemically etching)으로 제조되는 것이 바람직하다. 포토 화학 에칭법은 레조네이터 기판의 제조시 높은 반복성과 재현성을 가능하게 한다.
도 2 를 참조하면, 노치 링크를 가진 3중 빔 레조네이터의 실시예를 도시하고 있다. 노치 링크는 레조네이터에 결합된 외부 구조의 진동을 절연시키는 데 도움이 되며, 이로 인해 성능의 향상을 꾀할 수 있다.
도 3a 및 도 3b 는 일체형 스탠드 오프 서포트(integral stand-off support)를 가진 3중 빔 레조네이터를 도시하고 있다 스탠드 오프 서포트는 레조네이터가 편평 표면에 쉽고 정확한 클램핑 길이로 장착되는 것을 가능하게 한다. 이것은 목적하는 레조네이터 성능에 높은 반복성과 재현성을 준다.
도 3a 및 도 3b 에 도시된 레조네이터 구조는 개별의 마스크(mask)를 사용하여 동시 양면 에칭되어 제조가능하다. 이것은 레조네이터의 센싱부(두께가 얇은 부분)와 클램핑부(두께가 두꺼운 부분)가 서로 다른 두께를 가지게 한다.
도 4 는 다중 드라이브 및 픽업을 가진 3중 빔 레조네이터 실시예를 도시한 도면이다. 이것은 동일한 레조네이터에 서로 다른 드라이브와 픽업을 구성하는 것을 가능하게 한다.
도 1 내지 도 4 에 도시된 실시예는, 도 1 의 실시예에서 상세하게 설명된 것과 동일한 기본 구조를 가진다.
레조네이터(10)는 3개의 빔(가지)(12,14,16)로 구성되는 데, 서로에 대해 평행하게 배치되어 있으며, 단부의 분리존(18, decoupling zone)에서 만나며, 주변 물질에 차례로 연결된다. 중앙 빔(14)는 다른 두 개의 빔(12,16)보다 두 배의 폭을 가지고 있다. 공진 소자는 15.5mm 의 길이와, 0.25mm 의 두께와지며, 1mm 와 2mm 의 빔 폭을 가진다. 빔 사이의 거리는 0.5mm 이다. 유한 요소 해석(FEA)은 레조네이터(10)의 응력 분포(stress distribution) 및 고유주파수(eigenfrequency)를 가지고 모드 거동을 예측할 수 한다. 후막 PZT 소자(20,22)는 중앙 빔(14)의 각 단부의 분리된 영역(seperate region) 상에 프린트되는 데, 중앙 빔(14)에는 레조네이터(10)가 예상되는 진동 모드로 동작할 대 최대 응력이 존재한다. 일 단부의 PZT 소자(20)는 진동을 일으키고, 이때 다른 단부에 있는 PZT 소자(22)는 그것을 감지한다. 최대 응력 지점에 PZT 구동 및 감지 소자 (20,22)를 위치시키는 것은 구동력 및 감지신호를 일으키기 위한 레조네이터 및 능동 압전층(active piezoelectric layer) 사이의 기계적 결합율을 최대화한다.
3중 빔 레조네이터(10)는 웨이퍼 평면으로부터 서로 다른 3가지의 기본 진동 모드를 가질 수 있다. 제1모드에서, 세 가지(12,14,16)는 동일한 위상으로 진동하며, 제2모드에서, 중앙 가지(14)은, 외부의 두 가지(12,16)가 서로에 대하여 180도 위상으로 진동할 때, 진동하지 않는다. 제3모드에서는, 중앙 가지(14)는 외부의 가지(12,16)와 반대 위상(anti-phase)으로 진동한다. 이 모드는, 분리존의 굽힘 모멘트(bendign moment) 및 비틀림력(shearing force)이 상쇄되고 매우 작은 진동 에너지가 각 단부의 지지 프레임으로 결합될 때, 3중 빔 레조네이터의 동작에 최적이다. 이것은 장치의 큐 팩터를 향상시키고 따라서, 이러한 장치를 채용한 공진 센서의 성능을 향상시킨다. 동일 위상 모드(in-phase mode)는 가장 낮은 공진 주파수를 가지고, 제2 및 제3 모드가 이 모드를 따른다. 또한 다른 높은 차수의 진동 모드가 있다.
도 6 은 모델의 거동을 도시하고 있다. 소리 굽쇠는 레조네이터(10)의 일 단부에 위치한 후막 프린트 압전 소자(20)에 의해 공진을 일으키고, 레조네이터의 다른 단부에 있는 제2 후박 프린트 압전 소자(22)에 의해 진동이 감지되는 데, 양자 모두 중앙 빔(14) 상에 위치한다. 감지된 진동 주파수는 센서 출력을 형성하고, 이 신호는 증폭기 및 위상 편이 회로를 거쳐 요구된 모드의 공진 구조가 유지되도록 드라이브 메커니즘(drive mechanism)에 피드백된다.
레조네이터(10)의 기판은 0.5mm 두께의 430S17 스테인리스 스틸 박형 웨이퍼를 이용하여 동시 양면 포토 에칭 기술에 의해 제조되는 데, 레조네이터의 레이아웃을 결정하는 상부면 패턴과, 공진 소자의 0.25mm 두께를 남겨둔 스탠드 오프 거리(stand-off distance)에서 에칭되는 바닥면 패턴을 구비한다. 유전층(dielectric layer)은 그 후에 표준 스크린 프린트법을 사용하여, 레조네이터(10)의 상부 표면 상에 정의된 구동 및 센싱 영역에서 증착되며, 연속적으로 바닥면 금 전극 층, 압전 페이스트(paste) 층 및 상부면 금 전극 층이 각각 자신의 스크린을 가지고 증착된다. 유전층은, 후 단계에서 압전 층을 분극화하기 위한 목적으로 레조네이터 기판으로부터 바닥면 전극을 절연시키기 위해 제공된다.
제조된 레조네이터(10)는 웨이퍼로부터 잘려 지고, 전통적인 와이어 본딩(wire bonding)에 의해 전기적 연결이 이루어진다. PZT 소자는 평행하게 연결되고, 그 후에 전극을 교차하여 200V 전압으로 130℃에서 한 시간 동안 극화된다.
정해진 표준 PZT 층 두께 50㎛, 전기장(electirc field) 강도 4MV/m 는 분극화 처리 동안 일어난다. 이것은 PZT 물질 내에 쌍극(dipoles)을 배열시키고, 압전 특성을 나타낼 수 있게 한다.
도 5 를 참조하면, 인가된 힘을 위한 본딩 패드(30, bonding pad)을 가진 금속성 공진 힘 센서(10)의 사진을 도시하고 있다. 센서(10)는 매달려있고, 평형이 유지되고, 폐쇄 루프 피드백 컨트롤 전자 회로(closed-loop feedback -control electronic circuit)에 의해 공진이 유지되는 3중 빔 진동 구조로 이루어진다. 이 센서는 레조네이터의 기계적 에너지 손실을 최소화하기 위해 중앙 빔이 외측 빔에 대해 반대 위상으로 진동하는 차동 모드(differential mode)에서 진동하도록 설계되어 진다. 본 실시예에서의 레조네이터는 도 6 에 도시된 모델과 유사한 방식으로 동작한다.
공기 중에서 동작하는 레조네이터(10,10')는 구동 및 감지 기구의 성공적인 작동을 확인하고 진동 모드를 관찰하기 위하여 먼저 개방 루프 구성(open-loop configuration)으로 시험된다. 레조네이터 일 단부의 PZT 소자(20)는 2-9kHz의 주파수 범위에 걸쳐 조사를 하는(scanning) 트랙킹 제너레이터(tracking generator)를 가진 휴렛-패거드 89140A 벡터 신호 어널라이저(Hewlet-Packard 89410A Vector signal Analyser)로부터 1V 의 피크-피크 AC 신호(AC signal of 1V peak-peak)에 의해 구동된다. 도 7 은 2.2kHz, 6.2kHz, 6.8kHz 에서 뚜렷한 공진을 갖는 레조네이터(10,10')의 주파수 응답을 보여주고 있다. 이러한 공진은 유한 요소 해석에 의할 때, 각각 레조네이터의 제1, 제3, 제4 진동 모드에 대응되는데, 제3 모드 진동은 이 모드와 관련된 동적 구조적 균형에 기인하여 매우 우세적이다. 제2 모드에 대응되는 피크는 관찰되지 않는 것이 명백한 데, 이 모드에서는 픽업이 위치하는 중앙 빔이 정지 상태에 있다.
공기 중에 있는 레조네이터(10,10')의 제 3 모드를 위한 큐 팩터는 3100 으로 계측되고, 이것은 공기 중에서 동작하는, PZT 후막을 가진 실리콘 단일 빔 레조네이터의 큐 팩터 70, 공기 중에서 진동하는 박막을 구비한 실리콘 3중 빔 레조네이터의 큐 팩터 400, 또는 공기 중의 다른 금속성 레조네이터의 큐 팩터와 비교할 때 우수한 것임을 알 수 있다.
다른 시험에서, 공기 중의 레조네이터는 행거 구조에 의해 15N 으로 미리 인장되어 지고, 나아가 0N 내지 50N 사이의 내려놓은 부하에 의해 부하가 더 인가된다.
도 8 은 25N의 부하 상태에서 2-10kHz의 주파수 범위에서 전형적인 레조네이터 개방 루프 주파수 응답을 도시하고 있다.
7.2kHz의 주파수에서 지배적인 공진이 보여지고, 4.3kHz, 5.5kHz 주파수에서 겨우 관찰되는 다른 두개의 공진이 보여진다. 유한 효소 해석에 의한 예측에 의하면, 이러한 공진은 각각 레조네이터의 제3, 제1 및 제2 진동 모드에 대응된다. 제1모드에서, 3개의 빔(12,14,16)은 동일 위상으로 진동한다. 제2모드에서는, 외측의 빔(12,16)이 서로에 대해 180 도(degree)의 위상 차이를 가지고 진동함에도 불구하고 중앙 빔(14)은 진동하지 않는다. 차동 모드인 제3모드에서, 중앙 빔(14)은 외측 빔(12, 16)과 역적된 위상으로 진동한다. 차동 모드는 이 모드에 관련된 우수한 동적 구조에 기인한 것으로 다른 것보다 더 우세한 모드이다. 차동 모드를 위한 25N 부하 상태에서의 레조네이터의 큐 팩터는 2180 으로서, 실험적으로 계측된다.
도 9 는 가변 부하에 대한 레조네이터(10,10')의 응답을 보여주고, Table 1 은 센서의 전형적인 특성을 요약한 것으로서, 센서는 13.0Hz/N의 감도(sensitivity)를 가지고 있다.
소리 굽쇠를 에칭하기 위해 17-4H 스테인리스 스틸 및 베리륨구리와 같은 보다 우수한 스프링 물질의 사용은 센서의 성능을 일반적으로 향상시킬 수 있다. 레조네이터를 제조하기 위해 이러한 물질 상에 후막 압전 소자를 프린트하고, 로드 셀, 중량측정기구(저울, weighing machines) 및 토크 센서를 위하여 레조네이터를 내부에 수용하기 위한 적절한 클램핑 방법을 사용한 적합한 구조적 기구 채용하는 것 역시 고려된다.
TABLE 1. 힘 센서의 특성(characteristics of force sensor)
| 변수(parameter) | 값(value) | % of span(0 - 49 N) |
| 무부하 상태의 자연 주파수(natural frequency at zero load) | 6890 Hz | |
| 기계적 큐 팩터(mechanical Q) | >1460* | |
| 주파수 편이(frequency shift) | 635 Hz | |
| 감도(sensivility) | 13.0 Hz/N | |
| 최대 히스테리시스(Max hysteresis) | 2 Hz | 0.3 |
| 반복성(repeatability) | 5 Hz | 0.8 |
| 최대 비-선형성(Max non-linearity) | 2.5 Hz | 0.4 |
| 안정성-30 분 초과(stability-over 30 minutes) 무부하(zero load) 1/2 부하(half load) 전 부하(full load) | 0.4 Hz0.4 Hz0.5 Hz | 0.070.070.07 |
*인가된 부하 범위에서 가장 낮은 큐 팩터(Q-factor)
피드백 컨트롤 전자 회로(feedback-control electronic circuit)는 폐쇄 루프 구성으로 센서(10,10')를 동작시키도록 설계되어 진다. 이러한 시스템은 PZT 센싱 소자, 전하 증폭기 회로(charge amplifier circuit)를 포함하며, 이것은 디지털 90도 위상 편이 회로(digital 90 degree phase shift circuit) 및 단일 회로 기판(single circuit board) 상에 모두 형성된 제2단계 증폭 회로(amplification circuit)에 앞선다. 제2단계 증폭 회로의 출력은 진동을 일으키기 위해 다른 PZT 소자에 피드백된다. 이러한 방식에 의해, 레조네이터는 요구되는 진동 차동 모드에서 공진을 유지한다. 도 10 은 이러한 폐쇄 루프 구성에서, 25N의 부하 상태에서 센서로부터 출력된 디지털 주파수 출력을 보여주는 데, 이것은 센싱 계측기(instrumentation)에 용이하게 인터페이스(interface) 된다.
전자 회로의 구체적인 디자인은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 명세서의 기재로서 쉽게 설계할 수 있을 것으로 자명한 사항에 속한다.
바람직한 실시예에서, 상기 센서(10,10')는 무선 모드에서 동작되도록 설계되어질 수 있는 데, 예를 들어, 진폭 변조 자기 커플링(amplitude modulation magnetic coupling), 전자기 방사(electromagnetic radiation)(마이크로파 및 광 주파수 포함) 및 초음파의 여러 조합으로부터 설계되어 질 수 있다.
도 11 은 후형(thick)의 압전 필름을 통해 레조네이터의 공진을 감지하고 일으키기 위해 자기장 커플링을 사용한 드라이브 및 픽업 시스템의 실시예를 형성하는 블록 다이어그램을 도시하고 있다. 이 실시예에서, 주파수 Fr 은 대략 6kHz 의 범위에 있음에 반하여, 주파수 FC 는 대략 9MHz 이다.
도 12 는 자기 커플링 드라이브(magnetic coupling drive) 및 전자기 픽업(electromagnetic pick up) 사용한 실시예를 도시하고 있다.
도 13 에 도시된 실시예에서는, 레조네이터(10,10')가 외부의 구조적 진동/기계적 진동에 의하여 구동되는 데, 픽업은 마이크로파 또는 광 또는 초음파 링크를 사용하여 달성된다. 이 실시예에서, 주파수 Fm 은 대략 10 - 100gHz 의 범위에 있다.
도 14 는 자기 커플링 드라이브 및 마이크로파 진폭 변조 픽업의 조합을 사용한 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 주파수 FC 는 9MHz의 범위에 있다. 주파수 Fm 는 gHZ의 범위에 있으며, 이에 반하여 Fr 은 6kHz의 범위에 있다.
도 15 에 도시된 실시예에서는, 레조네이터는 압전 후막을 통한 마이크로파 방사에 의해 구동되며, 마이크파 송수신기를 가진 마이크로파 진폭 변조 반사에 의해 감지될 수 있다. 이 경우에, 시간 전환 멀티플렉스(time diversion multiplex)가, 레조네이터 주파수에서 금속성 3중 빔 레조네이터(10,10') 상의 압전 드라이브에 파워를 제공하거나, 레조네이터 주파수를 감지하는 데 사용되는데, 양 경우에 마이크로파 캐리어의 진폭 변조를 사용한다.
도 16 은 레조네이터의 드라이브 및 픽업의 무선 주파수 링크의 실시예를 형성하는 블록 다이어그램이다. 이 실시예에서, fm 은 433MHz, 868MHz 및 2.4GHz의 범위에 있고, 반면에 fr 은 6 KHz의 범위에 있다. 이 실시예의 이점은 낮은 파워의 전자장치를 사용가능하다는 것이다.
도 17 에 도시된 실시예는 자기장을 사용하여 센서에 송신하는, 단순화된 송신기 회로를 보여주고 있다. 이 단순화된 회로는 9MHz 에서 특별히 높은 Q 를 가지지는 않지만 7MHz 및 10MHz 사이의 신호를 효과적으로 송신할 수 있다. 커패시터(capacitor) 및 인덕터(inductor) 쌍 C2-L2 는 낮은 7MHz 의 주파수에 세팅되지만, 커패시터 쌍 C1-L1 은 높은 10MHz 의 주파수에 세팅된다. 이와 같은 단순화된 회로의 동작은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게는 쉽게 이해될 수 있는 사항이다.
도 18 은 단순화된 수신기 회로 및 복조기(demodulator)의 실시예를 보여주는 것으로서, 센서 모듈 상에 제공될 수 있으며, 도 17 에 도시된 송신기 회로와 함께 사용될 수 있다. 이 경우에, 인덕터 L1 및 커패시터 C1 은 9MHz 로 맞추어지고, 이에 반하여 인덕터 및 커패시터 쌍 L2-C2 는 7kHz 로 맞추어진다. 사용된 다이오드 D1은 게르마늄 다이오드이다. 회로는 진폭 복조기로서 작용한다.
도 19 및 도 20 에 도시된 실시예는, 단순한 FM 무선 링크(FM radio link)를 사용한, 송신기 및 수신기 모듈을 위한 회로(회로 소자)를 각각 보여주고 있다. 시험 동안, 이러한 회로는, 센서 모듈과 드라이브/픽업 모듈 사이에 효율적으로 사용가능한 무선 커플링을 제공가능하다는 것을 확인할 수 있었다.
본 명세서에 설명된 센서 및 조립체는 기존의 저항 스트레인 게이지 및 주파수 출력을 제공하는 공진 스트레인 게이지의 직접적인 대안을 제공하고 있다. 본 명세서에 개시된 시스템은 디지털 마이크로전자장치에 적합하며, 전통적인 저항 스트레인 게이지를 활용할 수 없는 많은 잠재적 응용 분야를 가지고 있다. 더욱이, 이들은 매우 향상된 안전도(safety margins)를 가지며 매우 낮은 전력을 소비한다. 더욱이, 이들은 기존의 스트레인 게이지 보다 높은 분해능을 제공하며, 또한 높은 안정성과 반복성 및 오랜 시간의 교정 안정성을 제공한다. 더욱이 센서는 충격 저항성을 가지고 있으며, 전자기 간섭(electro-magnetic interference)으로부터 자유롭다. 이들은 따라서 전통적인 스트레인 게이지를 직접적으로 대체하여 사용될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 상기 센서는 대량 생산 기술에 의하여 쉽게 제조될 수 있다.
실리콘 기판을 사용하는 레조네이터의 바람직한 실시예는 단일 결정 실리콘(single crystal silicon)이다. 이것은 우수한 기계적 특성(예컨대 스틸 만큼 강하며, 알루미늄만큼 가벼우며, 철보다 단단하다)을 제공하며, 파손(보이지 않는 크리프 또는 피로 파손)에 대해 융통성을 제공한다. 이들은 매우 다양한 마이크로 가공 공정에 적합한데, 매우 높은 공차에서 정확하게 제어된 구조로 가공되어 질 수 있기 때문이다.
실리콘 기판 레조네이터는 실링 패키지(package)에 넣어 제공되는 것을 관찰할 수 있다. 그러나 다른 실시예는 전통적인 스트레인 게이지와 같이 동일한 방식으로 사용되어 질 수 있다.
Claims (28)
- 후막 압전 드라이브 또는 픽업을 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 후막 압전 드라이브 또는 픽업은 적어도 1 마이크로미터의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 후막 압전 드라이브 또는 픽업은 1 내지 2 마이크로미터의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 1 항, 제 2 항, 또는 제 3 항에 있어서,상기 후막 압전 드라이브 또는 픽업은 5 내지 20 마이크로미터의 두께이거나, 50 내지 100 마이크로미터의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 후막 압전 드라이브 또는 픽업은 기판 상에 프린트되는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 후막 압전 소자 또는 픽업은 기판 상에 스크린 프린트되는 것을 특징으로 하는 공진 센서
- 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 기판은 상기 레조네이터의 특정 구성요소인 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 기판은 변형, 압력, 또는 토크가 측정될 물품의 일 부분이거나 물품인 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 공진 센서는 후막 압전 드라이브 또는 픽업을 구비한 빔 레조네이터를 갖는 레조네이터 센서인 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 9 항에 있어서,상기 빔 레조네이터는 3중 빔 레조네이터인 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 10 항에 있어서,상기 빔은 서로에 대해 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,중앙 빔은 다른 빔 각각의 두께보다 2 배의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 10 항, 제 11 항, 제 12 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 중앙 빔은 다른 빔 각각의 폭보다 2 배의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 빔은 주 센싱 금속성 구조에 대하여 대칭적으로 노치가 형성된 링크를 구비한 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 레조네이터의 드라이브 및 픽업은 후막 압전 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 레조네이터의 기판은 금속 또는 금속성 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 16 항에 있어서,상기 빔 레조네이터는 430 스테인리스 스틸, 인코넬 및 베릴륨구리 중 적어도 하나를 포함하는 박형 플레이트 금속 물질이 에칭되어 형성되는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 기판은 실리콘 또는 세라믹 물질로부터 제조 되어지는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 18 항에 있어서,상기 레조네이터는 유리층을 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 19 항에 있어서,상기 유리층은 레조네이터 다이어프램에 부착된 것을 특징으로 하는 공진 센서
- 제 20 항에 있어서,상기 다이어프램은 스테리인스 스틸 다이어프램인 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 드라이브 또는 픽업 중 어느 하나만이 후막 압전 물질로 형성되고, 다른 드라이브 또는 픽업은 정전기성, 용량성 또는 광학성인 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 압전 물질은 PZT(lead zirconate titanate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 레조네이터는 복수개의 드라이브 및 픽업을 구비하는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 레조네이터는 스탠드 오프 서포트(stand-off support)를 구비하는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 선행하는 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 레조네이터는 상기 드라이브 및/또는 픽업과 통신하기 위한 무선 통신 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 26 항에 있어서,상기 통신 수단은 진폭 변조형 자기 커플링에 의해 제공되거나, 마이크로파 또는 광 주파수를 포함하는 전자기 방사 및 초음파에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
- 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,상기 레조네이터에 파워를 제공하거나 레조네이터 주파수를 감지하기 위하여 시간 전환 멀티플렉싱이 제공되는 것을 특징으로 하는 공진 센서.
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