KR20080001599A - 시변 전압을 이용한 ｍｅｍｓ 관성 센서용 힘 재평형 - Google Patents

시변 전압을 이용한 ｍｅｍｓ 관성 센서용 힘 재평형

Info

Publication number
KR20080001599A
KR20080001599A KR1020070031189A KR20070031189A KR20080001599A KR 20080001599 A KR20080001599 A KR 20080001599A KR 1020070031189 A KR1020070031189 A KR 1020070031189A KR 20070031189 A KR20070031189 A KR 20070031189A KR 20080001599 A KR20080001599 A KR 20080001599A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
inertial
sensing
rebalance
inertial mass
voltage
Prior art date
Application number
KR1020070031189A
Other languages
English (en)
Inventor
버지스 알. 존슨
Original Assignee
허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드 filed Critical 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Publication of KR20080001599A publication Critical patent/KR20080001599A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

시변 재평형 전압에 연결된 하나 이상의 전극을 사용하는 MEMS 장치 및 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 MEMS 관성 센서(10, 142)는, 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174), 각 관성 질량체(12, 14, 172, 174)에 인접하여 배치된 적어도 하나의 감지 전극(72, 76, 78, 80, 188, 190), 및 하나 이상의 토커 전극(84, 86, 88, 90, 146, 150, 154, 158)을 포함할 수 있다. 소자의 감지축(72)을 따른 직각 및/또는 코리올리 관련 관성 질량체 움직임을 정전기적으로 없애기 위해, 재평형 전압이 상기 토커 전극(84, 86, 88, 90, 146, 150, 154, 158)에 인가될 수 있다. 각각의 토커 전극(84, 86, 88, 90, 146, 150, 154, 158)에 인가된 재평형 전압은 하나 이상의 힘 재평형 제어 루프로부터의 피드백을 사용하여 조정될 수 있다.
MEMS, 관성 센서, 관성 질량체

Description

시변 전압을 이용한 ＭＥＭＳ 관성 센서용 힘 재평형{FORCE REBALANCING FOR MEMS INERTIAL SENSORS USING TIME-VARYING VOLTAGES}
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 MEMS형 자이로스코프의 개략도이다.
도 2는 도 1의 절개선 2-2에 대한 자이로스코프의 단면도이다.
도 3은 도 1 및 2의 MEMS 자이로스코프를 제어하는데 사용하기 위한 예시적인 힘 재평형 제어 루프(force rebalancing control loop)를 도시한 단순화된 전기기계 블록도이다.
도 4는 토커(torquer) 전극에 인가된 재평형 전압 신호에 대한 시변 파형의 그래프이다.
도 5는 감지축 움직임의 코리올리(Coriolis) 및 직각(quadrature) 위상을 동시에 없애기 위한 개별 토커 전극을 사용한 다른 예시적인 MEMS형 자이로스코프를 도시한 개략도이다.
도 6은 도 5의 절개선 6-6을 따라 도시한 예시적인 자이로스코프의 측면 단면도이다.
도 7a 및 7b는 도 5 및 6의 MEMS 자이로스코프를 제어하기 위하여 다중 힘 재평형 제어 루프를 사용하는 것을 도시한 단순화된 전기기계 블록도이다.
도 8a 및 8b는 토커 전극에 인가된 정현(sinusodial) 재평형 전압을 사용하여 MEMS의 관성 센서를 제어하기 위한 다른 예시적인 힘 재평형 제어 루프를 도시한 단순화된 전기기계 블록도이다.
도 9a 및 9b는 개별 정현 코리올리 및 직각 위상 재평형 전압을 사용하여 MEMS 관성 센서를 제어하기 위한 다중 힘 재평형 제어 루프를 도시한 단순화된 전기기계 블록도이다.
도 10은 도 9a 및 9b의 MEMS 관성 센서용 감지 및 토커 전극을 도시한 측단면도이다.
정부 지원
본 발명은 미국 육군 CERDEC 계약번호 W15PT-05-C-P609 하에서 정부의 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대하여 소정의 권리를 가질 수 있다.
본 발명은 일반적으로 마이크로전기기계(microelectromechancal; MEMS) 장치의 기술분야에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 시변(time-varying) 힘 재평형 전압(force rebalancing voltage)을 사용하여 속도 바이어스 오차(rate bias error)와 배율 인자 오차(scale factor error)를 감소하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
마이크로전기기계(MEMS) 자이로스코프는 다수의 공진 관성 질량체(resonating proof masses)에 작용하는 코리올리의 힘(Coriolis forces)을 측정하여 입력 축에 대한 각 회전을 검출하는데 사용된다. 일반적인 MEMS 자이로스코프는 서스펜션 스프링에 의해 실리콘 또는 글라스 기판에 기계적으로 연결된 2개의 실리콘 관성 질량체(proof mass)를 포함한다. 상기 기판으로 에칭되어 형성된 다수의 함몰부(recess)는 실리콘 구조물의 선택된 부분이 장치의 내부에서 자유롭게 앞뒤로 움직이게 한다. 기판 상에 형성된 금속 도선은 장치에 다양한 전기적 바이어스 전압과 신호 출력을 전달할 수 있다.
MEMS 자이로스코프의 구동 시스템은 일반적으로 코리올리의 힘ㅇl 감지되는 방향에 수직으로 구동축을 따라 관성질량체가 앞뒤로 진동하게 하는 다수의 구동 요소를 포함한다. 자이로스코프의 모터 모드(motor mode)는 동일하게 움직이나, 상기 기판에 실질적으로 평행한 방향에서 그리고 관성질량체의 중심을 연결하는 선을 따라 반대 속도로 움직이는 2개의 관성 질량체를 포함할 수 있다. 소정의 적용례에서, 관성 질량체의 모터 모드는 정전구동(electrostatic actuation)에 의해 전기에너지를 기계에너지로 변환하는 다수의 깍지끼워진 콤 구동 핑거(interdigitated comb drive finger)를 사용하여 공진주파수에서 정전기적으로 구동될 수 있다. 자이로스코프가 구동축에 수직인 입력 축에 대하여 회전할 때, 관성 질량체의 모터 모드 속도는 구동축과 입력축에 수직인 감지축을 따라 관성질량체를 구동하는 코리올리의 힘을 생성한다.
자이로스코프의 감지시스템은 감지 전극과 관성질량체 사이의 공간에 전기장을 생성하도록 DC 감지 바이어스 전압으로 충전될 수 있는 하나 이성의 감지 전극을 포함할 수 있다. 자이로스코프의 감지 공진 모드는 일반적으로 감지축을 따라 속도만 반대이고 동일한 2개의 관성 질량체의 움직임을 포함한다. 모터 속도에 따른 코리올리의 힘은 일반적으로 모터 동작의 주파수로 또는 그 주파수에 가깝게 감지 공진 모드를 구동한다.
관성 질량체 각각이 기판 상부에서 앞뒤로 움직이기 때문에, 자이로스코프의 회전으로부터 입력축에 대해 발생하는 코리올리의 힘은 관성 질량체와 감지 전극 사이의 간격을 변화시킨다. 감지 공진 모드 동작의 변위는 시변 감지 커패시턴스때문에 관성 질량체 상에 유도되는 전류를 감지함으로써 용량성으로 결정될 수 있다. 관성 질량체 상에서 생성된 출력 전류를 측정함으로써, 자이로스코프의 회전 움직임 및/또는 가속도의 측정값이 확인될 수 있다.
많은 MEMS형 자이로스코프에서의 오차의 중요한 근본 원인은 코리올리의 힘에 의해 생성된 움직임과 90°위상차를 갖는 감지축을 따른 움직임으로 정의되는 직각 움직임(quadrature motion)에 기인한다. 이러한 직각 움직임에 의해 야기되는 합성 기계 피드스루(feedthrough) 신호는 종종 직각 신호(quadrature signal)로 칭해지며, 일반적으로 코리올리의 힘에 의해 생성된 움직임과 90°위상차를 갖는 AC 출력 신호를 포함한다. 예를 들어, 이러한 직각은 구동 시스템에서 사용되는 콤 핑 거와 서스펜션 스프링의 외형에 있어서의 불완전성과 제조 공정 동안에 발생하는 불완전성으로부터 발생한다. 이러한 불완전성과 오차는 모터 변위와 동위상이고, 이에 따라 모터 속도에 위상을 벗어난 감지 모드 모션 상의 직각 힘을 생성하는 모터 움직임을 발생할 수 있다.
직각 힘은 검출가능한 가장 작은 코리올리의 힘보다 몇차 더 큰 크기일 수 있으며, 속도 신호에서의 민감한 코리올리의 힘을 정확하게 인식하기 위한 자이로스코프의 성능에 영향을 준다. 그 결과, 출력 감지 신호로부터 직각 신호를 제거하기 위해 추가의 오차 보정 회로가 일반적으로 필요하다. 코리올리의 힘과 90°위상차를 갖는다는 사실에 의해 자이로스코프 속도 출력 신호에 대한 직각 힘의 영향이 일반적으로 감소될 수 있지만, 관성 센서와 관련된 전자소자에 있어서의 작은 위상 오차는 그럼에도 불구하고 속도 출력 신호에서 오차를 발생시켜, 회전을 정확하게 검출하고 측정하는 자이로스코프의 성능을 떨어뜨린다.
본 발명은 시변 재평형 전압을 사용하여 속도 바이어스 오차와 배율 인자 오차를 줄이는 장치 및 방법에 관한 것이다.
용량성으로 감지하는 관성질량체 변위와 관련된 많은 비선형성을 보상하는 힘 재평형 방법을 채용함으로써, 속도 바이어스와 배율 인자를 제거하거나 감소시키는 동시에 관성 센서는 센서의 성능을 떨어뜨리는 범위보다 더 넓은 동적 범위를 가지고 동작할 수 있다. 센서의 신뢰성, 센서의 수명 및 장기간의 유동과 같은 다 른 인자들도 힘 재평형을 사용하여 소정의 환경에서 개선될 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 MEMS 관성 센서는 기판 상부의 구동축에서 진동하는 하나 이상의 관성 질량체와, 상기 하나 이상의 관성 질량체 각각에 인접하게 배치된 적어도 하나의 감지 전극, 및 상기 하나 이상의 관성 질량체 각각에 인접하게 배치된 적어도 하나의 토커 전극을 포함한다.
하나 이상의 토커 전극에 인가된 시변 재평형 전압은 구동축에 수직인 감지축을 따른 관성 질량체 움직임을 정전기적으로 없앨 수 있으며, 따라서, 각 감지 전극과 대응하는 관성 질량체 사이에서 고정된 커패시턴스를 유지한다. 소정의 실시예에서, 하나 이상의 토커 전극에 인가된 시변 재평형 전압은 하나 이상의 재평형 제어 루프로부터의 피드백에 기초를 둔 재평형 전압 신호 구성을 갖는 AC 재평형 전압을 갖는다. 동작하는동안, 관성 센서의 출력은 관성 질량체 변위로부터 유도되는 전류보다는 관성 질량체 상의 코리올리의 힘과 직각 힘을 없애는 필요한 필요한 피드백 힘을 제공하는데 사용되는 재평형 전압이다.
소정의 실시예들에서, 관성질량체 움직임과 관련된 직각 및 코리올리의 힘을 정전기적으로 제거하는 것은 상기 하나 이상의 토커 전극에 인가된 정현 재평형 전압을 사용하여 달성할 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 에를 들어, 정현 재평형 전압은 관성 질량체 움직임과 관련된 직각 및 코리올리의 힘 모두를 제거하기 위하여 하나 이상의 토커 전극에 인가될 수 있으며, 따라서, 각 감지 전극과 대응 하는 관성 질량체 사이에서 고정된 커패시턴스를 유지한다. 다른 실시예들에서, 각 감지 전극과 대응하는 관성 질량체 사이에서 고정 커패시턴스를 유지하는 것은 개별 토커 전극에 각각 인가된 개별 전압으로 직각 및 코리올리 움직임을 재평형하기 위한 개별 정현 전압을 사용하여 달성할 수 있다. 토커 전극에 인가된 정현 재평형 전압은 관성 센서의 출력으로부터 수신된 피드백 신호에 적어도 일부가 기초를 둔 폐루프 방식으로 제어된다.
MEMS 관성 센서의 힘 재평형하을 위한 예시적인 방법은 하나 이상의 관성 질량체 각각에 인접한 적어도 하나의 토커 전극을 제공하는 단계와, 적어도 하나의 토커 전극에 하나 이상의 시변 재평형 전압을 인가하는 단계, 감지축을 따라 상기 하나 이상의 관성 질량체의 변위를 감지하고 상기 관성 질량체 변위에 비례하는 검지 전압을 출력하는 단계, 및 상기 출력된 감지 전압에 기초하여 상기 감지축을 따른 임의의 관성 질량체 움직임을 정전기적으로 없애는 단계를 포함한다.
다음의 설명은 도면을 참조하여 해석되어야 하며, 다른 도면에서 유사한 구성요소는 유사한 형태로 도면 부호가 붙여진다. 척도에 따라 작도되는 것이 필요하지 않은 도면은 선택된 실시예를 도시하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 구축, 치수 및 재질에 대한 예가 다양한 구성요소에 대하여 예시되지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제공된 많은 예시는 사용될 수 있는 적절한 대체물을 가진다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예시된 다양한 예시들이 MEMS형 면내(in-plane) 자이로스코프에 대해 설명되지만, 본 명세서의 특징과 방법은 기판에 수직인 입력 회전을 갖는 z축 또는 면외(out-of-plane) 자이로스코프와 같은 정전 구동기을 채용한 다른 MEMS 소자에도 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 MEMS형 자이로스코프(10)의 개략도가 설명된다. 예시적으로 면내 자이로스코프(in-plane gyroscope, IPG)인 자이로스코프(10)는, 관성 움직임이 결정되는 자이로스코프(10)의 입력축(18)에 수직인 구동축을 따라 아래에 있는 지지 기판(16)의 상부에서 앞뒤로 각각 진동하는 제1 관성 질량체(12)와 제2 관성 질량체(14)를 포함한다. 좌우 화살표(20)로 표시된 바와 같이, 제1 관성 질량체(12)는 제1 모터 픽오프 콤(first motor pickoff comb: 22)과 제1 구동 전극(24) 사이에서 지지 기판(16)의 상부에서 앞뒤로 진동할 수 있으며, 제1 모터 픽오프 콤(22)과 제1 구동 전극(24)은 모두 제1 관성 질량체(12)의 움직임을 제한하기 위하여 지지 기판의 상부(16)에서 고정되어 있다. 다음으로, 제2 관성 질량체(14)는 제2 모터 픽오프 콤(26)과 제1 구동 전극(28) 사이에서 유사한 방법으로, 그러나 좌우 화살표(30)로 표시된 바와 같이 제1 관성 질량체(12)와 180°의 위상차를 가지고 지지 기판(16)의 상부에서 앞뒤로 진동할 수 있다.
제1 관성 질량체(12)는 제1 단부(32), 제2 단부(34), 제1 측부(36) 및 제2 측부(38)를 갖는 박판(thin plate) 또는 기타 적합한 구조체를 포함한다. 좌우 화살표(20)에 의해 표시된 방향으로 제1 관성 질량체(12)를 정전기적으로 구동하는데 사용되는 다수의 콤 핑거(40, 42)는 상기 제1 관성 질량체(12)의 각 단부(32, 34) 로부터 외측으로 연장한다. 예를 들어, 도 1에 도시된 예시적인 자이로스코프(10)에서, 제1 관성 질량체(12)의 제1 단부(32)로부터 외측으로 연장하는 제1 세트의 콤 핑거(40)는 제1 구동 전극(24) 상에 형성된 대응하는 세트의 콤 구동 핑거(44)와 깍지끼워질 수 있다. 다음에는, 제1 관성 질량체(12)의 제2 단부(34)로부터 외측으로 연장하는 제2 세트의 콤 핑거(42)는 제1 모터 픽오프 콤(22) 상에 형성된 대응하는 세트의 콤 핑거(46)와 깍지끼워질 수 있다.
제2 관성 질량체(14)는 제1 관성 질량체(12)와 유사하게 구성될 수 있으며, 제1 단부(48), 제2 단부(50), 제1 측부(52) 및 제2 측부(54)를 갖는다. 제2 관성 질량체(16)의 제1 단부(48)로부터 외측으로 연장하는 제1 세트의 콤 핑거(56)는 제2 모터 픽오프 콤(26) 상에 형성된 대응하는 세트의 콤 핑거(58)와 깍지끼워질 수 있다. 다음에는, 제2 관성 질량체(14)의 제2 단부(50)로부터 외측으로 연장하는 제2 세트의 콤 핑거(60)는 제2 구동 전극(28) 상에 형성된 대응하는 세트의 콤 핑거(62)와 깍지끼워질 수 있다.
제1 및 제2 관성 질량체(12, 14)는 하나 이상의 서스펜션 스프링을 사용하여 아래에 있는 지지 기판(16) 상부에서 하나 이상의 방향으로 속박될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 관성 질량체(12)는 각 단부(66)에서 상기 제1 관성 질량체(12)의 4개의 모서리에 연결될 수 있는 4개의 제1 세트의 서스펜션 스프링(64)를 사용하여 지지 기판(16)에 고정되거나 아니면 연결될 수 있다. 유사한 방법으로, 제2 관성 질량체(14)는 각 단부(70)에서 상기 제2 관성 질량체(14)의 4개의 모서리에 연결될 수 있는 4개의 제2 세트의 스프링(68)를 사용하여 아래에 있 는 지지 기판(16)에 고정될 수 있다. 서스펜션 스프링(64, 68)은 입력축(18) 방향에서의 원하지 않는 수직 움직임을 감소시키고, 코리올리의 힘이 감지된 자이로스코프(10)의 감치축(72)을 따른 직각 움직임을 감소시키기 위해, 좌우 화살표(20, 30)로 표시된 방향으로 제1 및 제2 관성 질량체(12, 14)의 진동 운동을 격리시킨다. 지지 기판(16) 상부에서 관성 질량체912, 14)를 지지하는 것에 더하여, 서스펜션 스프링(64, 68)은 관성 질량체가 구동축을 따른 평형 위치로부터 벗어날 때 구동 축을 따라 복원력을 제공할 수 있다.
콤 핑거들이 서로에 대해 정전기적으로 움직이게 하는 깍지끼워진 콤 핑거들 사이의 정전기력을 유도하는 구동 전압(VD)이 제1 및 제2 구동 전극(24, 28)에 인가될 수 있다. 구동 전압(VD)은 서스펜션 스프링(64, 68)과 함께 제1 및 제2 관성 질량체(12, 14)가 지지 기판(16)의 상부에서 특정 방법으로 앞뒤로 진동하게 하는 콤 핑커에 전달되는 전하를 변경시키는 시변 전압 신호를 출력한다. 원한다면 다른 원하는 구동 주파수가 채용될 수 있지만, 일반적으로, 구동전압(VD)은 제1 및 제2 관성 질량체(12, 14)의 공진 주파수와 일치하는 주파수를 가진다.
모터 픽오프 바이어스(VDC)는 구동 움직임의 방향(20, 30)을 따른 관성 질량체(12, 14)의 변위를 검출 및/또는 측정하기 위하여 제1 및 제2 모터 픽오프 콤(22, 26)에 대하여 제공될 수 있다. 콤 핑거(46, 58)에 대한 제1 및 제2 관성 질량체(12, 14) 상의 콤 핑거(42, 56)의 움직임으로부터 발생하는 모터 픽오프 전 압(VPICK)은 제1 및 제2 관성 질량체912, 14)의 움직임을 검출하는데 사용될 수 있다.
입력축(18)에 대한 회전 운동(gyroscopic movement)의 결과로 감지축(72)를 따른 제1 및 제2 관성 질량체(12, 14)의 평면을 벗어난 편향(out-of-plane deflection) 검출하고 측정하기 위하여 다수의 감지 전극(74, 76)이 감지 시스템의 일부로 제공될 수 있다. 도 1에서 점선으로 표시된 바와 같이, 감지 전극(74, 76)은 관성 질량체(12, 14)의 적어도 일부 아래에 배치된 얇은 직사각형 형상의 전극판을 포함할 수 있다. 소정의 실시예들에서, 원한다면, 자이로스코프(10)의 상부 기판(82) 상에 형성된 다수의 제2 감지 전극(78, 80)이 관성 질량체(12, 14) 각각의 상부에 더 배치될 수 있다(도 2 및 3 참조). 감지 전극(74, 76, 78, 80)은 감지 신호로의 구동 전압(VD) 신호의 누출을 방지하기 위하여 주변의 콤 핑거들(42, 56)과의 전기적인 간섭을 최소화하는 크기와 형상을 가지도록 구성될 수 있다.
감지 전극(74, 76, 78, 80) 각각에 인가된 AC 감지 바이어스 전압(VS)은 해당하는 감지 전극(74, 76, 78, 80)과 관성 질량체912, 14) 사이의 커패시턴스에 비례하여 제1 및 제2 관성 질량체(12, 14) 상에 전하를 유도하는데 사용될 수 있다.
다수의 토커 전극(84, 86)은 입력축(18)에 대한 자이로스코프(10)의 회전에 의해 발생되는 코리올리의 힘 때문에 그리고/또는 임의의 직각 힘으로부터 감지 전극(72)을 따른 관성 질량체(12, 14)의 임의의 움직임을 기계적으로 없애도록 구성될 수 있다. 토커 전극(84, 86)은 감지 전극과 유사하게 구성될 수 있으며, 각각은 관성 질량체(12, 14)의 적어도 일부 아래에 배치된 얇은 직사각형 형상의 전극판을 포함할 수 있다. 소정의 실시예들에서, 원한다면, 다수의 제2 토커 전극(88, 90)이 관성 질량체(12, 14) 각각의 상부에 더 배치될 수 있다. 토커 전극(84, 86, 88, 90)은 감지 신호로의 구동 전압(VD) 신호의 누출을 방지하기 위하여 주변의 콤 핑거들(40, 60) 및 감지 전극(74, 76, 78, 80)과의 전기적인 간섭을 최소화하는 크기와 형상을 가지도록 구성될 수 있다.
동작하는 동안, 감지 전극(74, 76, 78, 80)은 코리올리의 힘과 임의의 직각 힘의 결과로 감지축(72)을 따른 관성 질량체(12, 14)의 움직임을 감지하는데 사용될 수 있다. 감지 전극(74, 76, 78, 80)에 인가된 감지 바이어스 전압(VS) 평면의 벗어난 변위에 비례하여 각 관성 질량체(12, 14) 상에 전하를 생성하여, 입력 노드(94)와 출력 노드(96)를 갖는 전하 증폭기(92)로 공급되는 전류를 생성한다. 전하 증폭기(92)는 시변 감지 커패시턴스에 의해 생성된 전류를 감지축(72)을 따른 관성 질량체(12, 14)의 영변위를 유지하는데 필요한 정전기적으로 없애는 힘(nulling force)에 비례하는 출력 감지 전압(Vsense)으로 변환한다. 소정의 실시예들에서, 관성 질량체(12, 14) 각각에 연결되고 전압 신호(VPM)을 출력하는 제2 전하 증폭기(98)가 가상 접지에서 관성 질량체(12, 14)를 유지하기 위하여 사용될 수 있다. 대신에, 그리고 다른 실시예들에서, 관성 질량체는 물리적으로 접지(hard ground)될 수 있다.
토커 전극(84, 86, 99, 90) 각각에 인가된 시변 재평형 전압은 감지 축(72) 을 따른 관성 질량체(12, 14)의 임의의 움직임을 정전기적으로 없애기 위하여 사용될 수 있으며, 이에 따라, 감지 전극(74, 76, 78, 80) 사이에 고정된 커패시턴스를 유지한다. 소정의 실시예에서, 그리고 도 3에 관하여 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 시변 재평형 전압은 전하 증폭기(92)의 출력 감지 전압(Vsense)을 하나 이상의 피드백 제어 루프를 통해 통과시켜 얻어진 폐루프 AC 피드백 제어 신호를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 관성 질량체(12)에 인접한 토커 전극(84) 재평형 전압(Vsin(ωt/2+φ))은 제2 관성 질량체(14)에 인접한 토커 전극(86)에 인가된 재평형 전압(Vcos(ωt/2+φ))과 90°의 위상차가 있을 수 있다. 위상 오프셋 인자(φ)는 코리올리의 힘과 직각 힘을 동시에 없애는 것을 제공하는 피드백 제어 소자에 의해 사용될 수 있다.
전하 증폭기(92)로부터의 출력 신호가 감지축(72)을 따른 관성 질량체(12, 14)의 차동 움직임에만 민감하다는 것을 보장하기 위하여, 제1 관성 질량체(12)의 움직임을 감지하는데 사용되는 감지 바이어스 전압(VS)은 제2 관성 질량체(14)의 움직임을 감지하는데 사용되는 감지 바이어스 전압(VS)과 반대의 극성을 가질 수 있다. 예를 들어, 소정의 실시예들에서, +5V와 -5V의 감지 바이어스 전압(VS) 각각은 전하 증폭기(92)의 출력 노드에서의 전압이 관성 질량체(12, 14)의 차동 모드 움직임에만 민감하도록 하부 감지 전극(74, 76) 및 상부 감지 전극(78, 80) 각각에 인가될 수 있다.
도 2는 도 1의 감지 전극 및 토커 전극의 동작을 더욱 상세히 도시하는 측단 면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 감지 전극(76)은 자이로스코프(10)의 하부 기판(16) 상에 또는 그 내부에 배치될 수 있고, 그 상부면(100)이 관성 질량체(14)의 하부면(102)에 평행하고 수직으로 인접하도록 배치되는 방법으로 배향될 수 있다. 다음으로, 상부 감지 전극(80)은 자이로스코프(10)의 상부 기판(82) 상에 또는 그 내부에 배치될 수 있고, 그 하부면(104)이 관성 질량체(14)의 상부면(106)에 평행하고 수직으로 인접하도록 배치되는 방법으로 배향될 수 있다. 하부 및 상부 감지 전극(76, 78)은 관성 질량체(14)의 하부면(102) 및 상부면(106)으로푸터 각각 거리(D1, D2)를 간격으로 띄워져 있을 수 있다. 감지 전극(76, 80)이 관성 질량체(14)로부터 서로 다른 거리만큼 떨어져 있는(즉, D1 ≠ D2) 다른 실시예들이 고려될 수 있지만, 일반적으로, 하부 및 상부 감지 전극(76, 80)은 관성 질량체(14)로부터 동일한 거리만큼 떨어져 있다(즉, D1 = D2).
감지축(72)을 따른 임의의 관성 질량체의 움직임을 기계적으로 없애는 정전기력을 관성 질량체(12, 14) 상에 제공하기 위한 방법으로 하부 및 상부 토커 전극(84, 86, 88, 90)은 기판(16, 82) 상에 또는 그 내부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도시된 예시적인 실시예에서, 하부 토커 전극(86)은 자이로스코프(10)의 하부 기판(16) 상에 또는 그 내부에 배치될 수 있고, 그 상부면(10)이 관성 질량체(14)의 하부면(102)에 평행하고 수직으로 인접하도록 배치되는 방법으로 배향될 수 있다. 다음으로, 상부 토커 전극(90)은 자이로스코프(10)의 상부 기판(82) 상에 또는 그 내부에 배치될 수 있고, 그 하부면(110)이 관성 질량체(14)의 상부면(106) 에 평행하고 수직으로 인접하도록 배치되는 방법으로 배향될 수 있다. 각 토커 전극(86, 90)과 측면으로 인접한 감지 전극(76, 80) 사이에 있는 작은 비전도성 간극(112, 114)은감지 전극(76, 80)을 토커 전극(86, 90)으로부터 전기적으로 분리하기 위하여 제공된다.
동작하는 동안, 구동 시스템의 불규칙성으로부터 발생하는 임의의 직각 힘뿐만 아니라 입력축(18)에 대한 자이로스코프(10)의 회전 운동으로부터 발생하는 코리올리의 힘은 제1 및 제2 관성 질량체(12, 14)가 감지 전극(74, 76)에 대하여 평면을 벗어나서 이동하도록 한다. 이와 같은 평면을 벗어난 변위는 관성 질량체(14) 상에 전하의 변화를 야기하며, 전하 증폭기(92)의 입력 노드(94)에서 전류를 발생시킨다.
전하 증폭기(92)로부터 출력된 전압(Vsense)의 크기에 따라, 토커 전극(86, 90)에 인가되는 재평형 전압은 관성 질량체(14)이 평면을 벗어난 변위를 계수하도록 조정될 수 있으며, 이에 따라 감지 전극(76, 80)과 관성 질량체(14) 사이에서 용량성 거리(D1, D2)를 일정하게 유지하게 하도록 작용하는 정전기력(F1, F2)을 생성한다. 예를 들어, 감지 시스템이 위쪽 방향으로 관성 질량체(14)의 평면을 벗어난 움직임을 감지하면, 하부 토커 전극(86)에 인가되는 재평형 전압은 관성 질량체(14)에 아래쪽 방향으로 향하는 정전기력(F1)을 가할 수 있다. 유사한 방법으로, 상부 토커 전극(90)에 인가되는 재평형 전압은 전압의 시변특성 때문에 도시된 바와 같이 관성 질량체(14)에 아래쪽 방향으로 향하는 정전기력(F2)을 가할 수 있다. 소정의 실시예에서, 하부 및 상부 토커 전극(86, 90) 모두에 동시에 인가된 재평형 전압은 관성 질량체(14) 상에 다중 재평형 힘(F1, F2)을 동시에 가할 수 있으며, 힘 재평형 프로세서에 높아진 수준의 균형을 제공한다.
도 2에 도시된 예시적인 실시예가 관성 질량체(12, 14) 각각의 상부 및 하부 양측에 다수의 감지 전극(74, 76, 78, 80)과 토커 전극(84, 86, 88, 90)을 사용하지만, 자이로스코프(10)가 관성 질량체(12, 14) 각각에 대하여 단일의 토커 전극과 감지 전극을 사용하여 기능하도록 구성될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 소정의 실시예들에서, 자이로스코프(10)는 관성 질량체(12, 14) 각각의 상부에 배치된 단일 토커 전극과, 관성 질량체(12, 14) 각각의 하부에 배치된 단일 감지 전극을 포함할 수 있다. 또한, 감지 및 토커 전극이 관성 질량체(12, 14) 각각의 상부와 하부에 각각 배치되는 반대의 배열도 채용될 수 있다. 소정의 실시예들에서, 도 5 내지 7에 따라 후술되는 바와 같이, 원한다면 다수의 토커 전극은 관성 질량체(12, 14) 각각에 코리올리의 힘 및 직각 관련 힘 모두를 동시에 그리고 개별적으로 보상하도록 하부 및/또는 상부 기판(16, 82) 상에 또는 그 내부에 배치될 수 있다.
도 3은 도 1의 MEMS 자이로스코프(10)를 제어하는데 사용하기 위한 예시적인 힘 재평형 제어 루프를 도시하는 단순화된 전기기계 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전하 증폭기(92)로부터 출력된 감지 전압(Vsense)은 구동 모터 속도 클록(120)으로부터의 출력 신호(118)로 전하 증폭기로부터(92)의 감지 전압(Vsense) 출 력 신호를 복조하여 양 입력 신호의 주파수의 합과 차를 갖는 신호(122) 생성하는 복조기(116)에 공급될 수 있다. 그 결과로 생기는 전압 신호(122)는 다양한 힘 재평형 제어 논리(예를 들어, 이득 증폭기, 위상 시프터, 필터, 제어 변수, 등)을 가지며 DC 재평형 전압(VREB(dc))을 출력하는 힘 재평형 제어부(124)(예를 들어, 비례미분적분(PID) 제어부)로 공급된다.
피드스루 효과를 감소하기 위하여, 힘 재평형 제어부(124)로부터 출력된 DC 재평형 전압(VREB(dc))은 시변 재평형 전압(VREB(t))을 생성하기 위하여 모터 속도 클록 신호(118)로 재평형 전압(VREB(dc))을 복조하는 제2 혼합기(mixer)(126)로 공급된다. 재평형 전압(VREB(t)) 신호를 모터 속도 클록 신호(118)로부터 분리하기 위하여, 모터 속도 클록 신호(118)의 각 주파수(ω)는 주파수 분주기(128)를 이용하여 2의 배율 인자로 감소될 수 있으며, 따라서, 모터 속도 클록 신호(118)의 주파수이 절반을 갖는 신호(130)를 출력한다. 힘 재평형 제어부(124)는 후술되는 바와 같이 추후에 DC 재평형 전압(VREB(dc))에 인가될 때 코리올리의 힘과 직각 힘을 동시에 없애는데 사용될 수 있는 위상 조정 신호(Φ)을 출력한다.
주파수가 분주되고 위상이 조정된 블록(129)에서 출력된 신호(131)는 신호(131)의 위상을 90°만큼 오프셋하는 위상 시프터(132)에 공급될 수 있다. 그 다음, 위상이 시프트된 신호(134)는 혼합기(126)에 공급되고, 힘재평형 제어부(124)로부터 출력된 DC 재평형 전압(VREB(dc))과 결합되어, 모터 속도 클록 신호(118)의 주파수의 절반을 갖는 시변 재평형 전압(VREB(t)) 신호 성분을 생성할 수 있다. 모터 변위(motor displacement)를 측정하는데 사용되는 감지 픽오프 전자 소자는 일반적으로 모터 주파수(motor frequency: ω)에서 위상에 민감한 검출을 사용하고, 이에 따라 모터 주파수의 절반에서는 신호에 민감하지 않기 때문에, 구동 시스템의 모터 주파수(ω)의 절반에서 재평형 전압(VREB(t))을 복조함으로써, 시스템 내의 전기적인 피드스루 효과는 상당히 감소될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 블록(129)으로부터의 출력(131)은 혼합기(136)를 통해 외부 DC 반송 전압(VC(dc) 신호와 결합될 수 있다. 토커 전극(84, 86, 88, 90) 각각에 인가된 순 재평형 전압(net rebalancing voltage, V(t))은 일반적으로 시변 반송 전압(VC(t))과 재평형 전압(VREB(t)) 신호 성분의 합을 포함하며, 일반적으로 다음 수학식에 의해 표현될 수 있다:
Figure 112007024819195-PAT00001
여기서,
VC는 시변 반송 전압 신호 성분이고;
VREB는 시변 재평형 신호 성분이고;
ω는 관성 질랑체의 모터 모드 움직임의 각주파수이며; 그리고
sq(θ)는 위상 θ와 ±1의 크기를 갖는 구형파를 표시한다.
상기 수학식 1에서 볼 수 있듯이, 토커 전극(84, 86, 88, 90) 각각에 인가되는 재평형 전압(V(t))은 구형파 반송 전압(VC(t)) 신호 성분과, 반송 전압(VC(t)) 신호 성분과 90° 위상차를 갖는 구형파 재평형 전압(VREB(t)) 신호 성분을 포함한다. 수학식(1)에 의해 만들어진 파형에 대한 표현은 도 4에서 볼 수 있으며, 이는 반송 전압(VC(t)) 신호 성분과 재평형 전압(VREB(t)) 신호 성분의 합에 의해 생성된 수정된 구형파 신호(140)를 보여준다.
토커 전극(84, 86, 88, 90)에 대한 재평형 전압(V(t))의 적용례는 도 3에서 위/아래 화살표(138)에 의해 표시된 방향으로 차동 감지 공진 모드 움직임을 제한하도록 관성 질량체(12, 14) 각각에 작용하는 시변 정전 재평형 힘을 생성한다. 수학식 1의 인가된 전압(V(t))의 결롸로 감지축(72)을 따라 관성 질량체(12, 14) 상에 인가된 정전 재평형 힘(Fy)은 일반적으로 다음의 식에 의해 표현될 수 있다.
Figure 112007024819195-PAT00002
;
여기서,
Figure 112007024819195-PAT00003
는 감지축(72)을 따른 관성 질량체의 움직임에 대한 토커 전극의 커패시턴스의 도함수이다.
상기 수학식 2에서 볼 수 있듯이, 정전 재평형 힘(Fy)은 재평형 전압(VREB)에 선형이며, 따라서, 힘 재평형 제어부(124)에 의해 사용되는 제어 전자 소자를 간단하게 한다. 또한, 정전 재평형 힘(Fy)의 AC 성분도 모터 주파수(ω)에서 직각 힘 및 코리올리의 힘을 정전기적으로 없애기 위하여 필요한 바와 같이, 구동 시스템의 모터 주파수(ω)의 절반이다.
재평형 힘(Fy)의 위상은 재평형 전압(V(t))의 반송 전압(VC(t)) 및/또는 재평형 전압(VREB) 신호 성분의 위상을 조정함으로써 변경될 수 있으며, 코리올리의 힘 및/또는 직각과 관련된 힘의 선택적인 재평형 또는 제어를 허용한다. 예를 들어, 소정의 실시예에서, 코리올리의 힘과 직각 힘의 선택적인 제어는 힘 재평형 제어부(124)를 통해 재평형 전압(VREB(t))의 위상(Φ)을 변경하거나, 반송 전압(VC(t)) 신호 성분을 위한 별도의 위상 시프터를 사용하거나, 기나 다른 적합한 수단에 의해 달성될 수 있다. 재평형 전압(VREB(t))은 일반적으로 모터 속도 클록 신호(118)와 90°위상차를 유지하지만, 원한다면 재평형 전압(VREB(t))은 다른 양만큼 오프셋될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
힘 재평형 제어부(124)는 일반적으로 상대적으로 낮은 레벨의 노이즈를 재평형 전압(VREB(t)) 신호 성분에 주입하지만 상대적으로 높은 제어 루프 대역에 대하여 동작하는 제어 전자 소자를 포함하여, 자이로스코프(10)가 넓은 동적 범위에 대하여 코리올리의 힘을 정확하게 검출하도록 한다. 소정의 실시예에서, 예를 들어, 노이즈 레벨은 0.01도/시간과 같이 낮고 500도/초와 같이 높은 회전속도가 정확하게 감지될 수 있는 정도가 되어야한다. 그러나, 자이로스코프(10)의 동적 범위는 특정 적용례에 따라 다를 수 있다.
관성 질량체 변위로부터 발생하는 전압을 측정하는 대신에 널 감지기(null detector)로써 자이로스코프(10)를 동작시킴으로써, 자이로스코프(10)는 종래의 많은 자이로스코프보다 더 큰 동적 범위에 대해 동작할 수 있다. 또한, 감지 공진 모드의 제동에 의해 발생하는 직각 움직임의 위상 시프트에 의해 가끔 야기되는 바이어스 안정성이 힘을 재평형하는 관성 질량체(12, 14)에 의해, 소정의 경우에 크기에서 2 이상의 차수만큼 더 개선될 수 있다. 출력 신호는 코리올리의 힘을 직접 측정한 것이며, 이에 따라, 자이로스코프의 공진 주파수에 독립적이기 때문에, 배율 인자의 발생은 힘을 재평형하는 관성 질량체(12, 14)에 의하여 상당히 감소될 수 있다. 또한, 센서의 신뢰성, 센서의 수명 및 장기간의 유동은 소정의 환경에서 개선될 수 있다.
도 5는 감지축 움직임의 코리올리의 힘과 직각 힘을 동시에 제어하기 위하여 개별 전극을 채용한 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 예시적인 MEMS형 자이 로스코프(142)에 대한 개략도이다. 자이로스코프(142)는 상술한 자이로스코프(10)에 유사하며, 도면의 유사한 구성요소는 유사한 방법의 도면부호를 갖는다. 그러나, 도 5의 예시적인 실시예에서, 자이로스코프(142)는 감지축(72)을 따른 관성 질량체(12, 14)의 코리올리의 힘과 관련된 움직임을 기계적으로 없애는 제1 세트의 전극(144, 146)와, 감지축(72)을 따른 관성 질량체(12, 14)의 직각 힘과 관련된 움직임을 기계적으로 없애는 제2 세트의 전극(148, 150)을 포함한다.
토커 전극(144, 146, 148, 150)은 도 1 및 2에 관하여 전술한 토커 전극(84, 86)과 유사하게 구성될 수 있으며, 각각은 관성 질량체의 적어도 일부 아래에 위치하는 얇은 직사각형 형상의 전극판을 포함한다. 일부 실시예에서는, 관성 질량체(12, 14)에 인접한 위치로부터 코리올리 및 직각 힘을 제어하기 위해 하나의 분리된 세트의 코리올리 관련 토커 전극(152, 154)과 직각 관련 토커 전극(156, 158)(도 6 및 7 참조)가 각각의 관성 질량(12, 14) 위에 더 배치될 수 있다.
관성 질량체(12, 14) 상의 코리올리 및 직각 힘 양자 모두를 동시에 제어하기 위해, 자이로스코프(142)는 다중 힘 재평형 제어 루프를 이용할 수 있고, 그 루프 각각은 제1 세트의 토커 전극(144, 146, 152, 154) 및 제2 세트의 토커 전극(148, 150, 156, 158)를 독립적으로 제어하기 위해 분리된 재평형 전압 신호를 생성하도록 구성된다. 도 5의 실시예에서, 예를 들어, 제1 세트의 토커 전극(144, 146, 152, 154)에 인가되는 시변 재평형 전압(VCoriolis(sin(ωt/2)), VCoriolis(cos(ωt/2)))이, 감지축(72)을 따른 관성 질량체(12, 14)의 임의의 코리올리 관련 움직임 을 정전기적으로 없애기 위해 이용될 수 있다. 이에 대해, 제2 세트의 토커 전극(148, 150, 156, 158)에 인가되는 분리된 시변 재평형 전압(Vquad(sin(ωt/2 + π/4)), Vquad(cos(ωt/2 + π/4)))이, 감지축(72)를 따른 관성 질량체(12, 14)의 임의의 직각 관련 움직임을 정전기적으로 없애기 위해 이용될 수 있다.
도 6은 도 5의 감지 전극 및 토커 전극의 동작을 더 자세히 나타내는 측단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 감지축(72)을 따른 임의의 코리올리 관련 관성 질량체 움직임을 기계적으로 없애도록 작동하는 관성 질량체(12, 14) 상의 정전기적 힘(FC1, FC2)을 생성하기 위해, 제1 세트의 하부 및 상부 토커 전극(146, 154)이, 기판(16, 82) 상에 또는 그 기판 내에 배치될 수 있다. 마찬가지로, 감지축(72)을 따른 임의의 직각 관련 관성 질량체 움직임을 기계적으로 없애도록 작동하는 관성 질량체(12, 14) 상의 추가적인 정전기적 힘(FQ1, FQ2)을 생성하기 위해, 제2 세트의 하부 및 상부 토커 전극(150, 158)이 기판(16, 82) 상에 또는 그 기판 내에 배치될 수 있다.
도 7a-7b는 도 5-6의 MEMS 자이로스코프(142)를 제어하기 위한 다중 힘 재평형 루프의 사용을 나타내는 단순화된 전기기계 블록도이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 전하 증폭기(92)로부터 출력된 출력 감지 전압(Vsense)은 제1 복조기(first demodulator: 116a)에 공급되고, 제1 복조기는 구동 모터 속도 클록(120)으로부터 나온 출력 신호(118)로 감지 전압(Vsense)을 복조하여, 제1 전압 신호(122a)를 생성 한다. 또한 전하 증폭기(92)로부터 출력된 감지 전압(Vsense)은 제2 복조기(116b)에 공급되고, 제2 복조기는 구동 모터 속도 클록(120)으로부터 나온 출력 신호(118)를 복조하여, 제2 전압 신호(122b)를 생성한다. 도시된 바와 같이, 제2 전압 신호(122b)는 위상 시프터(phase-shifter: 119)를 통해 제1 전압 신호(122a)와는 90°의 위상차를 갖는다.
복조기(116a)로부터 출력된 제1 전압 신호(122a)는 어떠한 코리올리 관련 관성 질량체 움직임도 없애기 위해 자이로스코프(142)에 의해 사용될 수 있는 제1 DC 재평형 전압(VREB(COR)(dc))을 출력하는 제1 힘 재평형 제어부(160)에 공급될 수 있다. 이에 대해, 복조기(116b)으로부터 출력된 제2 전압 신호(122b)는 어떠한 직각(quadrature) 관련 관성 질량체 움직임도 없애기 위해 자이로스코프(1432)에 의해 사용될 수 있는 제2 DC 재평형 전압(VREB(QUAD)(dc))을 출력하는 제2 힘 재평형 제어부(162)에 공급될 수 있다. 제1 및 제2 힘 재평형 제어부(160, 162)는 물리적으로 분리된 제어부로서 구현되거나, 아니면 일반적으로 점선 박스(164)로 표시된 바와 같이 단일 제어부로 결합될 수 있다. 일부 실시예에서는, 예를 들어, 원한다면, 다중 입력 다중 출력(multiple-input multiple-output: MMO) 제어부가 직각 및 코리올리 재평형 전압(VREB(QUAD)(dc), VREB(COR)(dc)) 양쪽 모두를 제어하도록 사용될 수 있다.
일단 다양한 제어 로직을 통해 상기 힘 재평형 제어부(160, 162) 안으로 공 급되면, 제1 및 제2 DC 재평형 전압(VREB(COR)(dc), VREB(QUAD)(dc))은 각각 대응하는 혼합기(mixer: 166, 168)로 공급될 수 있고, 이 믹서는 상기 DC 전압을 변조하여 시변 재평형 전압(VREB(COR)(t), VREB(QUAD)(t))를 각각 생성한다. DC 재평형 전압(VREB(COR)(dc))은, 도시된 바와 같이, 예를 들어, 블록(132)에 의해 출력된 위상 조정된 신호(134)와 혼합될 수 있다. 이에 대해, DC 재평형 전압(VREB(QUAD)(t))은, 도시된 바와 같이, 위상 조정 블록(171)으로부터 나온 출력 신호(169)와 혼합될 수 있다. 블록(173)에서의 제2 위상 시프트는, 도 7a에 도시된 바와 같이, 직각 재평형 전압(VREB(COR)(t))를 45°만큼 오프셋한다. 그리고 나서, 재평형 전압(VREB(COR)(t), VREB(QUAD)(t))은 각각 혼합기(136, 137)에서 생성된 변조된 캐리어 전압(VC(t))과 각각 혼합되어, 도 7b에 도시된 바와 같이 다양한 토커 전극(torquer electrodes)에 인가될 수 있다.
동작 동안, 토커 전극 상으로의 재평형 전압(VREB(COR)(t), VREB(QUAD)(t))의 인가는, 코리올리 및 직각 힘으로 인해 차동 감지 공진 모드 움직임(differential sense resonant mode motion: 138)을 제약하도록 작동하는 각각의 관성 질량체(12, 14) 상에 다수의 시변 정전기 재평형 힘(time-varying electrostatic rebalancing forces)을 생성한다. 다중 힘 재평형 제어 루프를 사용함으로써, 자이로스코프(142)는 감지축(72)를 따라 관성 질량체 움직임의 코리올리 및 직각 위상 양자 모두를 동시에 없애도록 구성될 수 있다.
도 8a-8b는 감지 전극에 인가된 정현(sinusoidal) 재평형 전압을 사용하여 도 1-2에 도시된 것과 유사한 MEMS 관성 감지를 제어하기 위한 또다른 실시예의 힘 재평형 제어 루프를 나타내는 단순화된 전기기계 블록도이다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 관성 센서용 감지 전자소자는, 관성 센서의 각 관성 질량체(172, 174)에 연결되고 관성 질량체(172, 174)로부터 받은 전류에 기초하여 전압 신호(VPM)을 출력하는 제1 증폭기(170)을 포함할 수 있다. 제1 증폭기(170)는, 예를 들어, 증폭기(170)의 입력 노드와 출력 노드(182, 184)를 가로질러 연결된 큰 저항값의 저항기(178)과 커패시터(180)를 갖는 전하 증폭기를 구비하고, 관성 질량체(172, 174)를 가상 접지로 유지하도록 동작한다.
관성 센서용 감지 전자소자는, 감지축으로의 관성 질량체(172 174)의 면외(out-of-plane) 움직임으로 인해 다수의 감지 전극(188, 190)으로부터 수신된 전류 신호를 증폭하도록 구성될 수 있는 제2 증폭기(186)를 더 포함할 수 있다. 제2 증폭기(186)는, 예를 들어, 증폭기(186)의 입력 노드와 출력 노드(196, 198)을 가로질러 연결된 큰 저항값을 갖는 저항기(192) 및 커패시터(194)를 가진 전하 증폭기를 포함할 수 있다.
각 감지 전극(188, 190)과 관성 질량체(172, 174) 사이의 커패시턴스에 비례하여 관성 질량체(172, 174) 상에 전하를 유기하도록, 각 감지 전극(188, 190)에 인가된 DC 감지 바이어스 전압(Vs)이 이용될 수 있다. 영 또는 영 근방에서 제2 증폭기(186)에 입력된 감지 바이어스의 평형을 맞추는 것을 돕도록, 각 감지 전 극(188, 190)에 인가된 감지 바이어스 전압(Vs)은 서로 반대 극성을 가질 수 있고, 도시된 바와 같이, 각 저항기(200, 202) 및 커패시터(204, 206)에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서는, 예를 들어, +5V 및 -5V의 감지 바이어스 전압(Vs)이 각 감지 전압(188, 190)에 인가되어, 제2 증폭기(186)으로부터 나온 출력 신호가 감지축(176)을 따른 관성 질량체(172, 174)의 차동 모드 움직임에만 민감하게 되도록 할 수 있다.
도 8b는 도 8a에 도시된 관성 질량체(172, 174)를 힘 재평형하는 데에 사용될 수 있는 피드백 제어 전자소자(예컨대, 디지털 신호 처리 전자소자)를 나타내는 단순화된 전기기계 블록도이다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 제2 증폭기(186)으로부터 수신된 증폭 신호(208)는, 관성 질량체(172, 174) 상의 직각 힘 및 코리올리 힘 양자 모두를 보상하도록 상기 제어 전자소자에 의해 사용되는 2개의 분리된 신호(210, 212)로 분할될 수 있다. 증폭기(186)으로부터 나온 제1 신호(210)는, 예를 들어, 제1 복조기(214), 저역통과 필터(216) 및 PID 제어부(218)에 공급되어, 나중에 관성 질량체(172, 174)의 직각 관련 움직임을 보상하는 데에 사용될 수 있는 직각 신호(220)을 생성할 수 있다. 이에 대해, 증폭기(186)으로부터 나온 제2 신호(212)는, 제2 복조기(222), 저역통과 필터(224) 및 PID 제어부(226)에 공급되어, 나중에 관성 질량체(172, 174)의 코리올리 관련 움직임을 보상하는 데에 사용될 수 있고 관성 센서의 원하는 속도 출력 신호(230)를 제공하는 코리올리 신호(228)를 생성할 수 있다. 제2 복조기(222)는, 제2 복조기(214)에 공급된 신호(210)와 90°만큼의 위상차를 갖도록 증폭기(186)으로부터 나온 제2 신호(212)를 복조한다. 일 부 실시예에서는, 예를 들어, 제1 복조기(214)는 사인파 함수를 사용하여 증폭된 신호(210)을 복조할 수 있는 반면, 제2 복조기(222)는 코사인 함수를 사용하여 증폭딘 신호(212)를 복조한다.
일단 증폭된 신호(210, 212)가 변조되고, 필터링되고, 보상되면, 결과로서 나오는 신호(220, 228)는 그 후 다수의 함수 루틴(232, 234)을 통과할 수 있는데, 이 루틴은 2개의 신호(220, 228)을 처리하여 각각의 신호(236, 238)을 형성한다. 제1 함수 루틴(232)은, 예를 들어, 직각 및 코리올리 관련 신호(220, 228)의 위상을 결정하여, 제2 증폭기(186)으로부터 나온 출력 신호(208)의 위상의 절반(즉, θ/2)인 위상을 갖는 출력 신호(236)을 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서는, 제1 함수 루틴(232)은 아래의 수식에 기초하여 위상을 결정할 수 있다.
Figure 112007024819195-PAT00004
여기서 "B"는 코리올리 관련 신호(228)이고,
"A"는 직각 관련 신호(220)임.
이에 대해, 제2 함수 루틴(234)는 관성 질량체(172, 174)의 직각 및 코리올리 관련 움직임을 소거하기 위해 필요한 정전기 재평형 힘(F)의 크기를 결정하도록 구성될 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 예를 들어, 제2 함수 루틴(234)은 아래의 수식을 기초로 상기 정전기 힘(F)의 크기를 결정하도록 구성될 수 있다.
Figure 112007024819195-PAT00005
여기서, "B"는 코리올리 관련 신호(228)이고,
"A"는 직각 관련 신호(220)임.
위의 수학식 4로부터 결정된 정전기 힘(F)은 그 다음에 박스(240)에 공급되고, 이 박스(240)는 상기 정전기 힘(F)의 제곱근을 취한다. 그 결과로서 나온 힘 신호(242)는 그 다음에 박스(244)에서 상수(G1)로 이득 조정된다(gain adjusted). 이득 조정된 힘 신호(246)은, 그 다음에 혼합기(248)에 공급될 수 있는데, 이 혼합기는 모터 속도 클록(252)에 의해 생성된 클록 신호(250)로 상기 조정된 신호(246)를 변조하여, 시변 재평형 전압 신호(254)를 생성한다. 모터 속도 클록 신호(250)으로부터 재평형 전압 신호(254)를 분리하기 위해, 모터 속도 신호(250)의 각주파수(ω)는 주파수 분주기(256)을 사용하여 2의 배율 인자(scale factor)로 감소되어, 모터 속도 클록 신호(250)의 주파수의 절반인 주파수를 갖는 신호(258)을 출력할 수 있다.
혼합기(248)로부터 출력된 재평형 전압 신호(254)는 그 다음에 다수의 위상 시프터(260, 262)에 공급되고, 이 위상 시프터는 서로 90°만큼 위상차를 갖는 재평형 신호들(264, 266)을 생성한다. 제1 위상 시프터(260)에 공급되는 재평형 전압 신호(254)의 성분은, 예를 들어, 신호(268)을 통해 90°(즉, π/2)만큼 위상 시프 트될 수 있고, 신호(236)을 통해 모터 주파수(ω)의 절반에 매칭되는 주파수를 갖는다. 이에 대해, 제2 위상 시프터(262)에 공급되는 재평형 전압 신호(254)의 성분은 제1 재평형 신호(264)와 90°만큼의 위상차를 갖도록 유지되고, 또한 신호(236)을 통해 모터 주파수(ω)의 절반에 매칭되는 주파수를 갖는다. 일부 실시예에서는, 위상 조정기(270)는, 원한다면, 제1 및/또는 제2 위상 시프터(260, 262)에 의해 제공되는 위상을 조정하는 데에 사용될 수 있다.
다시 도 8a를 참조하면, 관성 질량체(172, 174) 상의 코리올리 및 직각 힘을 정전기적으로 없애기 위해, 시변 재평형 전압 신호(264, 266)는 그 다음에 각 토커 전극(272, 274)에 공급된다. 제1 재평형 전압 신호(264)는, 예를 들어, 관성 질량체(172) 상의 코리올리 및 직각 힘을 소거하기 위해 제1 토커 전극(272)에 인가될 수 있다. 이에 대해, 제2 재평형 전압 신호(264)는, 관성 질량체(174) 상의 코리올리 및 직각 힘을 소거하기 위해 제2 토커 전극(274)에 인가될 수 있다. 재평형 전압 신호(264, 266)의 위상의 적절한 조정에 의해 이 신호들은 관성 질량체(12, 14)의 코리올리 및 직각 관련 움직임 양자 모두를 동시에 제어한다. 각 해당 전극(272, 274)에 공급되는 재평형 전압 신호(264, 266)는 모터 주파수의 절반으로 서로 90°의 위상차를 갖는 정현 재평형 전압이고 정전기적 힘은 인가된 전압의 제곱에 비례하기 때문에, 관성 질량체(172, 174) 상의 결과적인 힘은 모터 주파수의 절반에 있고 서로 180°의 위상차를 갖는다. 따라서, 정전기 재평형 힘은, 모터 주파수에서 관성 질량체(172, 174)의 차동 움직임(즉, 코리올리 및 직각 관련 움직임)을 없앨 수 있다.
도 9a-9b는 분리된 정현 코리올리 및 직각 재평형 전압을 사용하여 MEMS 관성 센서를 제어하기 위해 다중 힘 재평형 제어 루프의 사용을 나타내는 단순화된 전기기계 블록도이다. 도 9a-9b에 도시된 바와 같이, 관성 센서용 감지 전자소자는 도 8a-8b에 도시된 것과 유사하며, 동일 구성요소는 같은 부호로 표시한다.
그러나, 도 9a-9b의 실시예에서는, PID 제어부(218, 226)으로부터 출력된 직각 및 코리올리 관련 신호(218, 226)는 분리된 제어 루프의 일부로서, 전자소자로 하여금 서로 독립적인 직각 및 코리올리 힘을 보상하도록 허용한다. 직각 관련 관성 질량체 움직임을 보상하기 위해 사용되는 PID 제어부(218)로부터 출력된 직각 신호(220)는, 예를 들어, 그 자신의 이득 조정기(276)에 공급될 수 있으며, 그 이득 조정기는 상수(G2)에 의해 신호(220)를 조정한다. 이득 조정기(276)으로부터 출력된 직각 재평형 전압(278)은 그 다음에 가산기(284, 286)를 통해 바이어스 전압(V0 및 -V0)을 각각 가산함으로써, 2개의 분리된 DC 직각 재평형 신호(280, 282)로 분할될 수 있다. 다시 도 9a를 참조하면, 관성 질량체(172, 174)의 어떠한 직각 관련 움직임도 정전기적으로 없애기 위해, 직각 재평형 신호(280, 282)는 그 다음에 다수의 토커 전극(288, 290)에 인가될 수 있다. 면내 자이로스코프(in-plane gyroscope: IPG) 구성에서는, 예를 들어, 토커 전극(288, 290)은 관성 질량체(172, 174)의 아래 및 위에 배치되어 직각 관련 관성 질량체 움직임을 정전기적으로 없앨 수 있다. 다른 대안으로서, 면외 자이로스코프(out-of-plane gyroscope: OPG) 등의 다른 구성에서는, 토커 전극(288, 290)은 픽오프 콤 전극들(pickoff comb electrodes) 및/또는 구동 콤 전극들(drive comb electrodes) 사이에서와 같이 다른 위치에 배치될 수 있다.
도 9b에 도시된 바와 같이, 코리올리 관련 관성 질량체 움직임을 보상하기 위해 사용되는 PID 제어부(226)에 의해 출력되는 코리올리 관련 신호(228)는 박스(292)에 공급될 수 있으며, 이 박스는 신호(228)의 제곱근을 취한다. 그 결과 나온 신호(294)는 그 다음에 이득 조정기(296)에 공급되며, 이 이득 조정기는 상수(G1)로 이득을 조정한다. 이득 조정된 신호(298)는 그 다음에 분할되어 제1 혼합기(300)에 공급되며, 이 제1 혼합기는 모터 속도 클록(304)에 의해 생성된 클록 신호(302)로 상기 조정된 신호(298)를 변조하여 시변 재평형 전압 신호(306)을 생성한다. 재평형 전압 신호(306)의 주파수는 주파수 분주기(308)을 사용하여 2의 배율 인자로 감소될 수 있다. 또한 재평형 전압 신호(306)는 위상 시프터(310)을 사용하여 90°만큼 위상 시프트될 수 있다. 일부 실시예에서는, 원한다면, 재평형 전압 신호(306)의 위상을 변화시키도록 제2 위상 시프터(312)가 제공될 수 있다.
이득 조정된 신호(298)는 제2 혼합기(314)에도 공급되며, 이 제2 혼합기는 모터 속도 클록(304)에 의해 생성된 클록 신호(302)로 신호(298)을 변조하여, 제1 혼합기(300)에 의해 출력된 시변 재평형 신호(306)과 90°만큼 위상차를 갖는 제2 시변 재평형 전압 신호(316)을 생성한다. 필요하면, 제2 시변 재평형 전압 신호(316)의 위상을 조정하기 위해 위상 조정기(312)가 사용될 수 있다. 도 9a에 더 도시된 바와 같이, 관성 질량체(172, 174) 상의 코리올리 힘을 정전기적으로 없애 기 위해, 시변 재평형 전압 신호(306, 316)는 그 다음에 각 토커 전극(272, 274)에 공급된다.
도 10은 도 9a-9b의 MEMS 관성 센서를 위한 감지 및 토커 전극의 예를 나타내는 측단면도이다. 도 10에 도시된 면내 자이로스코프 구성에서, 관성 센서의 감지축을 따른 관성 질량체(171, 174)의 움직임을 감지하기 위해 사용되는 감지 전극(500, 502, 504, 506)은, 각 해당 관성 질량체(172, 174)의 위에 및 아래에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 관성 질량체(172)에 관하여, 반대극성의 감지 바이어스 전압(+Vs, -Vs)으로 각각 하전된 상부 감지 전극(500) 및 하부 감지 전극(502)는, 감지축을 따른 제1 관성 질량체(172)의 움직임을 감지하기 위해 사용될 수 있다. 마찬가지로, 반대극성의 감지 바이어스 전압(-Vs, +Vs)으로 각각 하전된 상부 감지 전극(504) 및 하부 감지 전극(506)은 감지축을 따른 제2 관성 질량체(174)의 움직임을 감지하기 위해 사용될 수 있다.
도 10의 실시예에서, 관성 질량체(172, 174)의 직각 관련 움직임을 없애기 위해 각각의 관성 질량체(172, 174)에 대해 2 세트의 상부 및 하부 토커 전극이 제공될 수 있다. 예를 들어, 제1 관성 질량체(172)에 관하여, 제1 세트의 상부 및 하부 토커 전극(508, 510)은 구동축을 따른 한 방향으로의 관성 질량체(172)의 움직임 동안에 직각 관련 움직임을 없애기 위해 사용되고, 제2 세트의 상부 및 하부 토커 전극(512, 514)은 반대 방향으로의 관성 질량체(172)의 움직임 동안에 직각 관련 움직임을 없애기 위해 사용될 수 있다. 마찬가지로, 제1 세트의 상부 및 하부 토커 전극(516, 518)은 구동축을 따른 한 방향으로의 제2 관성 질량체(174)의 움직 임 동안에 직각 관련 움직임을 없애기 위해 사용되고, 제2 세트의 상부 및 하부 토커 전극(520, 522)은 반대방향으로의 관성 질량체(174)의 움직임 동안에 직각 관련 움직임을 없애기 위해 사용될 수 있다. 각 관성 질량체(172, 174)에 대하여 2세트의 토커 전극이 도시되어 있으나, 다른 개수 및/또는 구성도 채용될 수 있다. 또한 각 토커 전극에 인가되는 전압은 도 10에 도시된 것과 다르게 변형될 수 있다.
감지축으로 따른 관성 질량체(172, 174)의 코리올리 관련 움직임을 없애기 위해, 일 세트의 상부 및 하부 토커 전극이 각 관성 질량체(172, 174)에 대해 더 제공될 수 있다. 제1 관성 질량체(172)에 관하여, 예를 들어, 상부 토커 전극(524) 및 하부 토커 전극(526)이 감지축 방향을 따른 관성 질량체(172)의 코리올리 관련 움직임 을 없애기 위해 사용될 수 있다. 마찬가지로, 상부 토커 전극(528) 및 하부 토커 전극(530)은 감지축 방향을 따른 제2 관성 질량체(174)의 코리올리 관련 움직임을 없애기 위해 사용될 수 있다. 전극에 인가되는 전압을 포함하여, 토커 전극의 개수 및 구성은 도 10에 도시된 바와 다르게 변형될 수 있다.
전술한 실시예에서는 MEMS형 면내 자이로스코프(IPG)가 특히 설명되어 있으나, 다른 형태의 관성 감지 장치가 하나 이상의 상술한 특징을 채용할 수 있다. 일부 실시예에서는, 예를 들어, 토커 전극 및 AC 재평형 힘은, "MEMS Gyroscope With Horizontally Oriented Drive Electrodes"라는 명칭의 미국특허 제7,036,373호에 기술된 바와 같이 MEMS형 면외 자이로스코프(OPG)와 함께 이용될 수 있으며, 상기 미국특허의 내용은 본 명세서에 그대로 원용된다. 면외 자이로스코프 실시예에서, 토커 전극은 코리올리 및/또는 직각 힘으로 인해 감지축을 따른 어떠한 움직임도 없애기 위해 사용될 수 있는 관성 질량체 상에 측방향 정전기 힘을 제공하도록 구성될 수 있다. 면내 자이로스코프에 있어서와 같이, 면외 자이로스코프의 출력은, 관성 질량체 변위에 의해 유기되는 전압이라기 보다 코리올리 및/또는 직각 힘을 없애기 위해 필요한 피드백 힘을 제공하기 위해 사용되는 재평형 전압이다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는, 상술한 실시예 이외에도, 첨부된 청구항의 범위 내에서 다른 실시예가 이루어질 수 있고 사용될 수 있다는 것을 분명히 인식할 수 있다. 본 발명의 많은 장점들이 전술한 발명의 상세한 설명에 개시되어 있다. 상술한 개시내용은 예시적인 것이며, 특히 부품들의 형상, 크기 및 구성 배열의 측면에서 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형예가 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 시변 힘 재평형 전압을 사용하여 속도 바이어스 오차와 배율 인자 오차를 효과적으로 감소시킬 수 있게 된다. 이에 따라, 보다 넓은 관성 센서 동작 범위에서 각 회전을 효과적으로 검출할 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 모터 구동 주파수에서 진동하는 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174);
    상기 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174) 각각에 인접하여 배치된 적어도 하나의 감지 전극(74, 76, 78, 80, 188, 190) - 상기 감지 전극(74, 76, 78, 80, 188, 190)은 상기 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174)의 구동축에 수직인 감지축(72)을 따른 관성 질량체 움직임(20, 30)을 감지함 -; 및
    각각의 감지 전극(74, 76, 78, 80, 188, 190)과 대응하는 관성 질량체(12, 14, 172, 174) 사이에서 고정된 커패시턴스를 유지하는 하나 이상의 시변 재평형 전압;을 포함하는 MEMS 관성 센서(10, 142).
  2. 모터 구동 주파수에서 진동하는 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174);
    상기 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174) 각각에 인접하여 배치된 적어도 하나의 감지 전극(74, 76, 78, 80, 188, 190) - 상기 감지 전극(74, 76, 78, 80, 188, 190)은 상기 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174)의 구동축에 수직한 감지축(72)을 따른 관성 질량체 움직임을 용량성으로 감지함 -; 및
    상기 적어도 하나의 관성 질량체(12, 14, 172, 174) 각각에 인접하여 배치된 적어도 하나의 추가 전극(84, 86, 88, 90, 146, 150, 154, 158) - 각각의 추가 전 극(84, 86, 88, 90, 146, 150, 154, 158)은 상기 감지축(72)을 따른 코리올리 및/또는 직각 관련 관성 질량체 움직임을 정전기적으로 없애는 하나 이상의 시변 재평형 전압에 연결됨 -;을 포함하고,
    상기 하나 이상의 추가 전극(84, 86, 88, 90, 146, 150, 154, 158) 각각에 인가된 재평형 전압은, 하나 이상의 힘 재평형 제어 루프로부터의 피드백을 기초로, 각 감지 전극(74, 76, 78, 80, 188, 190)과 대응하는 관성 질량체(12, 14, 172, 174) 사이에서 고정된 커패시턴스를 유지하는, MEMS 관성 센서.
  3. 모터 구동 주파수에서 진동하는 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174), 및 상기 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174) 각각에 인접하여 배치된 적어도 하나의 감지 전극(74, 76, 78, 80, 188, 190) - 각각의 감지 전극(74, 76, 78, 80, 188, 190)은, 상기 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174)의 구동축에 수직인 감지축(72)을 따른 상기 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174)의 변위를 감지하기 위한 감지 바이어스 전압원(Vs)에 연결됨 -을 포함하는 MEMS 관성 센서(10, 142)를 힘 재평형하는 방법에 있어서,
    각각의 관성 질량체(12, 14, 172, 174)에 인접한 적어도 하나의 전극(84, 86, 88, 90, 146, 150, 154, 158)에 하나 이상의 시변 재평형 전압을 인가하는 단계;
    상기 감지축(72)을 따른 상기 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174)의 변위를 감지하고 상기 관성 질량체의 변위에 비례하는 크기를 갖는 감지 전압을 출 력하는 단계; 및
    상기 출력된 감지 전압에 기초하여 상기 감지축(72)을 따른 임의의 관성 질량체 움직임을 정전기적으로 없애는 단계;를 포함하는 MEMS 관성 센서의 힘 재평형 방법.
  4. 모터 구동 주파수에서 진동하는 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174), 및 상기 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174) 각각에 인접하여 배치된 적어도 하나의 감지 전극(74, 76, 78, 80, 188, 190) - 각각의 감지 전극(74, 76, 78, 80, 188, 190)은, 상기 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174)의 구동축에 수직인 감지축(72)을 따른 상기 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174)의 변위를 감지하기 위한 감지 바이어스 전압원(Vs)에 연결됨 -을 포함하는 MEMS 관성 센서(10, 142)를 힘 재평형하는 방법에 있어서,
    상기 감지축(72)을 따른 상기 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174)의 코리올리 관련 움직임을 선택적으로 제어하는 제1 개수의 토커 전극(146, 154)에 제1 재평형 전압을 제공하는 단계;
    상기 감지축(72)을 따른 상기 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174)의 직각 관련 움직임을 선택적으로 제어하는 제2 개수의 토커 전극(150, 158)에 제2 재평형 전압을 제공하는 단계;
    상기 감지축(72)을 따른 상기 하나 이상의 관성 질량체(12, 14, 172, 174)의 임의의 변위를 감지하고 상기 관성 질량체 변위에 비례하는 크기를 갖는 감지 전압 을 출력하는 단계; 및
    상기 출력된 감지 전압에 기초하여 상기 감지축(72)을 따른 임의의 관성 질량체 움직임을 정전기적으로 없애는 단계;를 포함하는 MEMS 관성 센서의 힘 재평형 방법.
KR1020070031189A 2006-06-29 2007-03-29 시변 전압을 이용한 ｍｅｍｓ 관성 센서용 힘 재평형 KR20080001599A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/427,767 2006-06-29
US11/427,767 US7444868B2 (en) 2006-06-29 2006-06-29 Force rebalancing for MEMS inertial sensors using time-varying voltages

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20080001599A true KR20080001599A (ko) 2008-01-03

Family

ID=38537550

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070031189A KR20080001599A (ko) 2006-06-29 2007-03-29 시변 전압을 이용한 ｍｅｍｓ 관성 센서용 힘 재평형

Country Status (4)

Country Link
US (1) US7444868B2 (ko)
EP (1) EP1873489A1 (ko)
JP (1) JP2008008884A (ko)
KR (1) KR20080001599A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160112003A (ko) * 2014-02-25 2016-09-27 노스롭 그루만 리테프 게엠베하 분할되고, 갈바니 전기적으로 절연된 활성 구조를 가지는 마이크로 기계식 부품, 그리고 그와 같은 부품을 작동하기 위한 방법

Families Citing this family (69)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005028214A1 (de) * 2005-06-17 2006-12-21 Siemens Ag Vibrationsmesssystem
US7971483B2 (en) * 2008-03-28 2011-07-05 Honeywell International Inc. Systems and methods for acceleration and rotational determination from an out-of-plane MEMS device
US7984648B2 (en) * 2008-04-10 2011-07-26 Honeywell International Inc. Systems and methods for acceleration and rotational determination from an in-plane and out-of-plane MEMS device
US8020440B2 (en) * 2008-05-16 2011-09-20 Rosemount Aerospace Inc. System and method for providing high-range capability with closed-loop inertial sensors
US7956621B2 (en) * 2008-06-11 2011-06-07 Analog Devices, Inc. Anti-capture method and apparatus for micromachined devices
US8086328B2 (en) * 2008-08-29 2011-12-27 Honeywell International Inc. Systems and methods for vibration rectification error reduction in closed-loop accelerometer systems
US8082789B2 (en) * 2008-10-02 2011-12-27 Freescale Semiconductor, Inc. Matched multiplier circuit having reduced phase shift for use in MEMS sensing applications
DE102009000345A1 (de) * 2009-01-21 2010-07-22 Robert Bosch Gmbh Drehratensensor
FI20095201A0 (fi) * 2009-03-02 2009-03-02 Vti Technologies Oy Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi
US8794067B2 (en) * 2009-03-11 2014-08-05 Continental Teves Ag & Co. Ohg Double-axis rotation rate sensor
US8534127B2 (en) 2009-09-11 2013-09-17 Invensense, Inc. Extension-mode angular velocity sensor
US9097524B2 (en) * 2009-09-11 2015-08-04 Invensense, Inc. MEMS device with improved spring system
IT1397115B1 (it) * 2009-11-27 2012-12-28 St Microelectronics Rousset Struttura risonante microelettromeccanica con migliorate caratteristiche elettriche.
DE102010000811A1 (de) * 2010-01-12 2011-07-14 Robert Bosch GmbH, 70469 Mikromechanischer Drehratensensor mit zwei sensitiven Achsen und gekoppelten Detektionsmoden
DE102010002657A1 (de) * 2010-03-08 2011-09-08 Robert Bosch Gmbh Elektrodenanordnung für einen Drehratensensor, Drehratensensor und Verfahren zur Ermittlung einer Drehrate
US9027402B2 (en) 2010-04-30 2015-05-12 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Error correction in acceleration-sensing devices
US9021880B2 (en) 2010-04-30 2015-05-05 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Micromachined piezoelectric three-axis gyroscope and stacked lateral overlap transducer (slot) based three-axis accelerometer
US8776601B2 (en) 2010-11-23 2014-07-15 Honeywell International Inc. MEMS sensor using multi-layer movable combs
US9493344B2 (en) 2010-11-23 2016-11-15 Honeywell International Inc. MEMS vertical comb structure with linear drive/pickoff
US9171964B2 (en) 2010-11-23 2015-10-27 Honeywell International Inc. Systems and methods for a three-layer chip-scale MEMS device
US8748206B2 (en) 2010-11-23 2014-06-10 Honeywell International Inc. Systems and methods for a four-layer chip-scale MEMS device
US9229026B2 (en) 2011-04-13 2016-01-05 Northrop Grumman Guaidance and Electronics Company, Inc. Accelerometer systems and methods
US8726717B2 (en) 2011-04-27 2014-05-20 Honeywell International Inc. Adjusting a MEMS gyroscope to reduce thermally varying bias
US9714842B2 (en) * 2011-09-16 2017-07-25 Invensense, Inc. Gyroscope self test by applying rotation on coriolis sense mass
US10914584B2 (en) 2011-09-16 2021-02-09 Invensense, Inc. Drive and sense balanced, semi-coupled 3-axis gyroscope
US9863769B2 (en) 2011-09-16 2018-01-09 Invensense, Inc. MEMS sensor with decoupled drive system
US8427249B1 (en) * 2011-10-19 2013-04-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Resonator with reduced acceleration sensitivity and phase noise using time domain switch
JP5773844B2 (ja) * 2011-10-31 2015-09-02 三菱プレシジョン株式会社 出力安定性に優れた振動型ジャイロ
FR2983574B1 (fr) * 2011-12-06 2014-01-10 Sagem Defense Securite Capteur angulaire inertiel de type mems equilibre et procede d'equilibrage d'un tel capteur
FI124624B (en) * 2012-06-29 2014-11-14 Murata Manufacturing Co Improved vibration gyroscope
US9310202B2 (en) * 2012-07-09 2016-04-12 Freescale Semiconductor, Inc. Angular rate sensor with quadrature error compensation
JP2014098582A (ja) * 2012-11-13 2014-05-29 Internatl Currency Technologies Corp 管道内硬貨検出方法
DE102012224081A1 (de) * 2012-12-20 2014-06-26 Continental Teves Ag & Co. Ohg Sensor zum Erfassen einer Drehrate eines Objektes
ITTO20130013A1 (it) 2013-01-09 2014-07-10 St Microelectronics Srl Giroscopio microelettromeccanico con compensazione di componenti di segnale di quadratura e metodo di controllo di un giroscopio microelettromeccanico
US9513122B2 (en) * 2013-01-22 2016-12-06 MCube Inc. Integrated MEMs inertial sensing device with automatic gain control
US10107625B2 (en) * 2013-01-22 2018-10-23 MCube Inc. Integrated inertial sensing device
TWI481820B (zh) * 2013-03-01 2015-04-21 Ind Tech Res Inst 具指插式彈簧的微機電裝置
US9534896B2 (en) * 2013-03-27 2017-01-03 Honeywell International Inc. Oscillating voltage of sense electrodes in a MEMS tuning fork gyroscope
US9383384B2 (en) * 2013-05-31 2016-07-05 Honeywell International Inc. Extended-range closed-loop accelerometer
FR3013442B1 (fr) * 2013-11-20 2015-12-18 Sagem Defense Securite Capteur comprenant des masses mobiles et des moyens de detection des mouvements relatifs des masses
US9958271B2 (en) 2014-01-21 2018-05-01 Invensense, Inc. Configuration to reduce non-linear motion
JP2015184009A (ja) 2014-03-20 2015-10-22 セイコーエプソン株式会社 振動素子、電子機器、および移動体
US10571484B2 (en) * 2014-04-16 2020-02-25 Cirrus Logic, Inc. Systems and methods for determining acceleration based on phase demodulation of an electrical signal
GB2529277B (en) * 2014-04-16 2018-09-19 Cirrus Logic Inc Systems and methods for determining acceleration based on phase demodulation of an electrical signal
JP6435631B2 (ja) * 2014-04-23 2018-12-12 株式会社デンソー 角速度センサ
JP6398348B2 (ja) * 2014-06-12 2018-10-03 セイコーエプソン株式会社 機能素子、機能素子の製造方法、電子機器、および移動体
WO2015200846A2 (en) 2014-06-26 2015-12-30 Lumedyne Technologies Incorporated Systems and methods for extracting system parameters from nonlinear periodic signals from sensors
JP6358913B2 (ja) * 2014-09-30 2018-07-18 株式会社日立製作所 加速度センサ
US9709399B2 (en) * 2015-01-12 2017-07-18 The Boeing Company Approach for control redistribution of coriolis vibratory gyroscope (CVG) for performance improvement
US9810535B2 (en) * 2015-02-10 2017-11-07 Northrop Grumman Systems Corporation Vibrating-mass gyroscope systems and method
US9874581B2 (en) 2015-05-15 2018-01-23 Honeywell International Inc. In-situ bias correction for MEMS accelerometers
US10330697B2 (en) 2015-05-15 2019-06-25 Honeywell International Inc. Active, in-situ, calibration of MEMS accelerometers using optical forces
US10234476B2 (en) 2015-05-20 2019-03-19 Google Llc Extracting inertial information from nonlinear periodic signals
US9983225B2 (en) 2015-06-29 2018-05-29 Honeywell International Inc. Optical-mechanical vibrating beam accelerometer
US10564179B2 (en) * 2015-12-10 2020-02-18 Panasonic Corporation Residual voltage self test
US10877063B2 (en) * 2015-12-10 2020-12-29 Invensense, Inc. MEMS sensor with compensation of residual voltage
EP3270105A1 (en) * 2016-07-14 2018-01-17 NXP USA, Inc. Segmented electrode structure for quadrature reduction in an integrated device
US10234477B2 (en) 2016-07-27 2019-03-19 Google Llc Composite vibratory in-plane accelerometer
US20180031603A1 (en) * 2016-07-27 2018-02-01 Lumedyne Technologies Incorporated Systems and methods for detecting inertial parameters using a vibratory accelerometer with multiple degrees of freedom
US10753744B2 (en) 2017-03-15 2020-08-25 Honeywell International Inc. MEMS out of plane actuator
GB2568289A (en) 2017-11-10 2019-05-15 Atlantic Inertial Systems Ltd Vibrating structure gyroscopes
US10648811B2 (en) * 2017-12-01 2020-05-12 Northrop Grumman Systems Corporation Vibrating-mass gyroscope system
US11428702B2 (en) 2018-08-14 2022-08-30 Invensense, Inc. Applying a positive feedback voltage to an electromechanical sensor utilizing a voltage-to-voltage converter to facilitate a reduction of charge flow in such sensor representing spring
WO2020037067A1 (en) * 2018-08-14 2020-02-20 Invensense, Inc. Applying a positive feedback voltage to an electromechanical sensor utilizing a voltage-to-voltage converter to facilitate a reduction of charge flow in such sensor representing spring softening
JP7192437B2 (ja) * 2018-11-28 2022-12-20 セイコーエプソン株式会社 慣性センサー、電子機器および移動体
US20200292313A1 (en) * 2019-03-11 2020-09-17 Honeywell International Inc. In-plane non-degenerate coriolis vibratory gyroscope
US11243078B2 (en) * 2019-03-22 2022-02-08 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. FTR loop of a gyro apparatus
JP7226246B2 (ja) 2019-10-29 2023-02-21 株式会社デンソー 角速度センサおよび角速度センサシステム
US11788840B2 (en) 2021-11-08 2023-10-17 Northrop Grumman Systems Corporation Vibrating-mass sensor system

Family Cites Families (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5473945A (en) 1990-02-14 1995-12-12 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Micromechanical angular accelerometer with auxiliary linear accelerometer
US5331852A (en) * 1991-09-11 1994-07-26 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Electromagnetic rebalanced micromechanical transducer
US5767405A (en) * 1992-04-07 1998-06-16 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Comb-drive micromechanical tuning fork gyroscope with piezoelectric readout
US5555765A (en) * 1993-02-10 1996-09-17 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Gimballed vibrating wheel gyroscope
US5481914A (en) 1994-03-28 1996-01-09 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Electronics for coriolis force and other sensors
US5987986A (en) * 1994-07-29 1999-11-23 Litton Systems, Inc. Navigation grade micromachined rotation sensor system
US5747961A (en) * 1995-10-11 1998-05-05 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Beat frequency motor position detection scheme for tuning fork gyroscope and other sensors
US6250156B1 (en) 1996-05-31 2001-06-26 The Regents Of The University Of California Dual-mass micromachined vibratory rate gyroscope
US5992233A (en) 1996-05-31 1999-11-30 The Regents Of The University Of California Micromachined Z-axis vibratory rate gyroscope
US5752410A (en) * 1996-08-08 1998-05-19 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Tunneling sensor with linear force rebalance and method for fabricating the same
US5892153A (en) 1996-11-21 1999-04-06 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Guard bands which control out-of-plane sensitivities in tuning fork gyroscopes and other sensors
US5945599A (en) * 1996-12-13 1999-08-31 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho Resonance type angular velocity sensor
JP3327150B2 (ja) * 1996-12-13 2002-09-24 株式会社豊田中央研究所 共振型角速度センサ
US5955668A (en) 1997-01-28 1999-09-21 Irvine Sensors Corporation Multi-element micro gyro
US6230563B1 (en) 1998-06-09 2001-05-15 Integrated Micro Instruments, Inc. Dual-mass vibratory rate gyroscope with suppressed translational acceleration response and quadrature-error correction capability
US6164134A (en) 1999-01-29 2000-12-26 Hughes Electronics Corporation Balanced vibratory gyroscope and amplitude control for same
US6481283B1 (en) 1999-04-05 2002-11-19 Milli Sensor Systems & Actuators, Inc. Coriolis oscillating gyroscopic instrument
WO2000068640A2 (en) 1999-04-21 2000-11-16 The Regents Of The University Of California Micro-machined angle-measuring gyroscope
US6311555B1 (en) 1999-11-17 2001-11-06 American Gnc Corporation Angular rate producer with microelectromechanical system technology
US6456939B1 (en) 2000-01-04 2002-09-24 Mccall Hiram Micro inertial measurement unit
US6360601B1 (en) 2000-01-20 2002-03-26 Hughes Electronics Corp. Microgyroscope with closed loop output
KR100373484B1 (ko) 2000-01-27 2003-02-25 국방과학연구소 진동형 마이크로자이로스코프
US6439050B1 (en) 2000-03-10 2002-08-27 Melexis Compensated integrated micro-machined yaw rate sensor with quadrature switching
US6453743B1 (en) 2000-03-10 2002-09-24 Melexis Compensated integrated micro-machined yaw rate sensor
US20020020219A1 (en) 2000-03-13 2002-02-21 Deroo David W. Method of driving MEMS sensor with balanced four-phase comb drive
US6370937B2 (en) 2000-03-17 2002-04-16 Microsensors, Inc. Method of canceling quadrature error in an angular rate sensor
US6445195B1 (en) 2000-08-02 2002-09-03 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Drive feedthrough nulling system
DE10107547A1 (de) 2001-02-17 2002-08-29 Bosch Gmbh Robert Verfahren und Vorrichtung zur Synchronmodulation mehrfach modulierter Signale
US6744174B2 (en) 2001-04-03 2004-06-01 The Regents Of The University Of California Frequency sensitivity analysis and optimum design for MEMS resonator
US6619121B1 (en) 2001-07-25 2003-09-16 Northrop Grumman Corporation Phase insensitive quadrature nulling method and apparatus for coriolis angular rate sensors
US20030033850A1 (en) 2001-08-09 2003-02-20 Challoner A. Dorian Cloverleaf microgyroscope with electrostatic alignment and tuning
US6675630B2 (en) 2001-08-17 2004-01-13 The Boeing Company Microgyroscope with electronic alignment and tuning
US6651500B2 (en) 2001-10-03 2003-11-25 Litton Systems, Inc. Micromachined silicon tuned counterbalanced accelerometer-gyro with quadrature nulling
US6859751B2 (en) 2001-12-17 2005-02-22 Milli Sensor Systems & Actuators, Inc. Planar inertial measurement units based on gyros and accelerometers with a common structure
US6792802B2 (en) 2002-03-07 2004-09-21 Honeywell International Inc. Noise source for starting MEMS gyroscope
US6715353B2 (en) * 2002-04-25 2004-04-06 Honeywell International, Inc. MEMS gyroscope with parametric gain
US6701786B2 (en) 2002-04-29 2004-03-09 L-3 Communications Corporation Closed loop analog gyro rate sensor
US6718823B2 (en) 2002-04-30 2004-04-13 Honeywell International Inc. Pulse width modulation drive signal for a MEMS gyroscope
US6841992B2 (en) 2003-02-18 2005-01-11 Honeywell International, Inc. MEMS enhanced capacitive pick-off and electrostatic rebalance electrode placement
US6940433B2 (en) * 2003-11-14 2005-09-06 Northrop Grumman Corporation Modulation method for signal crosstalk mitigation in electrostatically driven devices
US7036373B2 (en) * 2004-06-29 2006-05-02 Honeywell International, Inc. MEMS gyroscope with horizontally oriented drive electrodes
US7213458B2 (en) * 2005-03-22 2007-05-08 Honeywell International Inc. Quadrature reduction in MEMS gyro devices using quad steering voltages

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160112003A (ko) * 2014-02-25 2016-09-27 노스롭 그루만 리테프 게엠베하 분할되고, 갈바니 전기적으로 절연된 활성 구조를 가지는 마이크로 기계식 부품, 그리고 그와 같은 부품을 작동하기 위한 방법
KR101869629B1 (ko) * 2014-02-25 2018-06-20 노스롭 그루만 리테프 게엠베하 분할되고, 갈바니 전기적으로 절연된 활성 구조를 가지는 마이크로 기계식 부품, 그리고 그와 같은 부품을 작동하기 위한 방법

Also Published As

Publication number Publication date
US7444868B2 (en) 2008-11-04
US20080000296A1 (en) 2008-01-03
EP1873489A1 (en) 2008-01-02
JP2008008884A (ja) 2008-01-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20080001599A (ko) 시변 전압을 이용한 ｍｅｍｓ 관성 센서용 힘 재평형
US7444869B2 (en) Force rebalancing and parametric amplification of MEMS inertial sensors
EP2467675B1 (en) Offset detection and compensation for micromachined inertial sensors
US7213458B2 (en) Quadrature reduction in MEMS gyro devices using quad steering voltages
US7231824B2 (en) Use of electrodes to cancel lift effects in inertial sensors
US10436588B2 (en) Vibrating-mass gyroscope systems and method
JP5766391B2 (ja) 面内及び面外ｍｅｍｓデバイスからの加速及び回転判定システム及び方法
EP3205978B1 (en) Inertial sensors
EP1831644B1 (en) Oscillating micro-mechanical sensor of angular velocity
US6621279B2 (en) Drive feedthrough nulling system
US20170023364A1 (en) Gyroscope that Compensates for Fluctuations in Sensitivity
KR20090107932A (ko) 평면내 및 평면외 ｍｅｍｓ 장치로부터 가속 및 회전 판단을 위한 시스템 및 방법
KR20090103795A (ko) 평면외 ｍｅｍｓ 장치로부터 가속 및 회전 판단을 위한 시스템 및 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E601 Decision to refuse application