KR20090103795A - 평면외 ｍｅｍｓ 장치로부터 가속 및 회전 판단을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

평면외 ｍｅｍｓ 장치로부터 가속 및 회전 판단을 위한 시스템 및 방법

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KR20090103795A
KR20090103795A KR1020090025931A KR20090025931A KR20090103795A KR 20090103795 A KR20090103795 A KR 20090103795A KR 1020090025931 A KR1020090025931 A KR 1020090025931A KR 20090025931 A KR20090025931 A KR 20090025931A KR 20090103795 A KR20090103795 A KR 20090103795A
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버지스 잔슨
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허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
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    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
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Abstract

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 관성 센서 시스템 및 방법은 선형 가속 및 회전을 판단하는데 사용가능하다. 예시적인 실시예는 제1 전극쌍을 통해 제1 관성 질량체로 제1 선형 가속도 재평형력을 인가하고, 제2 전극쌍을 통해 제2 관성 질량체로 제2 선형 가속도 재평형력을 인가하고, 제3 전극쌍을 통해 제1 관성 질량체로 제1 전향력 재평형력을 인가하고, 제4 전극쌍을 통해 제2 관성 질량체로 제2 전향력 재평형력을 인가하며, 인가된 제1 및 제2 선형 가속도 재평형력에 대응하는 선형 가속을 판단하고, 인가된 제1 및 제2 전향력 재평형력에 대응하는 회전을 판단한다.

Description

평면외 ＭＥＭＳ 장치로부터 가속 및 회전 판단을 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR ACCELERATION AND ROTATIONAL DETERMINATION FROM OUT-OF-PLANE MEMS DEVICE}
본 발명의 일 실시예는 MEMS 관성 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가속 및 회전을 판단하는 MEMS 관성 센서에 관한 것이다.
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 관성 측정 유닛은 자세(attitude)와 가속도에서의 변화를 검출하기 위하여 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계를 포함한다. 일반적으로, 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계는 각각 자신의 제어 및 판독 전자 장치 세트를 가지면서 개별 직교축 상에 장착된다. 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계가 정밀하게 설치되어야만 한다는 관점에서, 상대적으로 큰 처리 용량이 6개의 개별 유닛으로부터의 정보를 처리하는데 필요하다는 관점에서, 그리고 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계에 전력을 공급하기 위한 전원 필요사항의 관점에서 MEMS 관성 측정 유닛의 조립에는 본질적인 비용이 있다는 것이 이해되어야 한다. 많은 애플리케이션이 크기, 계산 필요사항, 전력 필요사항 및 MEMS 관성 측정 유닛의 비용에 있어서의 절감을 필요로 한다. 이러한 제한 사항의 관점에서, MEMS 관성 측정 유닛에서 감지 장치의 개수를 줄이는 것이 유익할 것이다.
종래의 MEMS 자이로스코프는 공진하는 관성 질량체(proof mass)에 가해진 코리올리의 힘(전향력)을 측정함으로써 각회전을 판단하는데 사용될 수 있다. 종래의 MEMS 자이로스코프는 하나 또는 그 이상의 실리콘 굴곡부를 이용하여 일반적으로 유리인 기판에 기계적으로 연결되어 있고 기판으로부터 현수된 2개의 실리콘 관성 질량체를 포함한다. 기판으로 에칭된 다수의 리세스는 실리콘 구조의 선택적인 부분이 장치의 내부 내에서 자유롭게 앞뒤로 운동하게 한다. 소정의 설계에서, 기판은 2개의 기판 사이에서 관성 질량체가 끼워지게 하기 위하여 실리콘 기판 위 및 아래에 제공될 수 있다. 기판(들) 상에 형성된 금속 트레이스의 패턴은 장치로 다양한 전기적 바이어스 전압과 신호 출력을 전달하는데 사용될 수 있다.
많은 MEMS 자이로스코프의 구동 시스템은 일반적으로 관성 질량체가 전향력이 감지되는 방향에 수직인 구동축을 따라 앞뒤로 진동하도록 하는 다수의 구동 요소를 포함한다. 소정의 설계에서, 예를 들어, 구동 요소는 정전기 액추에이션(electrostatic actuation)을 이용하여 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 다수의 깍지끼워진(interdigitated) 수직 콤 핑거(comb finger)를 포함할 수 있다. 이러한 구동 요소는 본 명세서에서 전체가 참조로서 편입되는 탕(Tang) 등에 허여되고 "LATERALLY DRIVEN RESONANT MICROSTRUCTURES"의 명칭을 가진 미국 등록 특허 제5,025,346호 및 존슨(Johnson) 등에 허여되고 "MEMS GYROSCOPE WITH HORIZONTALLY ORIENTED DRIVE ELECTRODES"의 명칭을 갖는 미국 등록 특허 제7,036,373호에서 설명된다.
다른 종류의 MEMS 장치는 선형 가속 및 회전을 모두 측정하는데 이용될 수 있다. 그러나, 이러한 MEMS 장치는 가속 및 회전(자이로) 응답이 서로 연결되고 서로 종속하는 개방 루프 모드에서 동작된다. 따라서, 선형 가속과 회전 운동 모두를 독립적으로 측정하는 시스템은 가속 감지가 회전 감지로부터 분리된 적어도 2개의 상이한 장치를 필요로 하며, 증가된 복잡성과 비용을 초래할지도 모른다.
본 발명의 일 실시예의 목적은 가속 감지가 회전 감지로부터 독립적으로 측정할 수 있는 간단한 MEMS 관성 센서를 제공하는데 있다.
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 관성 센서를 이용한 선형 가속 및 회전을 판단하는 시스템 및 방법이 개시된다. 예시적인 실시예는, 제1 관성 질량체; 제2 관성 질량체; 상기 제1 관성 질량체에 제1 선형 가속도 재평형력을 인가하도록 사용가능한 제1 전극쌍; 상기 제2 관성 질량체에 제2 선형 가속도 재평형력을 인가하도록 사용가능한 제2 전극쌍; 상기 제1 관성 질량체에 제1 전향력 재평형력을 인가하도록 사용가능한 제3 전극쌍; 및 상기 제2 관성 질량체에 제2 전향력 재평형력을 인가하도록 사용가능한 제4 전극쌍;을 포함한다.
다른 양태에 따르면, 예시적인 실시예는, 제1 전극쌍을 통해 제1 관성 질량체로 제1 선형 가속도 재평형력을 인가하고, 제2 전극쌍을 통해 제2 관성 질량체로 제2 선형 가속도 재평형력을 인가하고, 제3 전극쌍을 통해 상기 제1 관성 질량체로 제1 전향력 재평형력을 인가하고, 제4 전극쌍을 통해 상기 제2 관성 질량체로 제2 전향력 재평형력을 인가하며, 인가된 상기 제1 및 제2 선형 가속도 재평형력에 대응하는 선형 가속을 판단하고, 인가된 상기 제1 및 제2 전향력 재평형력에 대응하는 회전을 판단한다.
다른 양태에 따르면, 예시적인 실시예는, 제1 전극쌍의 제1 전극과 제1 관성 질량체 사이의 제1 커패시턴스에서의 변동을 감지하고, 상기 제1 전극쌍의 제2 전극과 상기 제1 관성 질량체 사이의 제2 커패시턴스에서의 변동을 감지하고, 제2 전극쌍의 제1 전극과 제2 관성 질량체 사이의 제3 커패시턴스에서의 변동을 감지하고, 상기 제2 전극쌍의 제2 전극과 상기 제2 관성 질량체 사이의 제4 커패시턴스에서의 변동을 감지하고, 제3 전극쌍의 제1 전극과 상기 제1 관성 질량체 사이의 제5 커패시턴스에서의 변동을 감지하고, 상기 제3 전극쌍의 제2 전극과 상기 제1 관성 질량체 사이의 제6 커패시턴스에서의 변동을 감지하고, 제4 전극쌍의 제1 전극과 상기 제2 관성 질량체 사이의 제7 커패시턴스에서의 변동을 감지하고, 상기 제4 전극쌍의 제2 전극과 상기 제2 관성 질량체 사이의 제8 커패시턴스에서의 변동을 감지한다. 본 실시예는 상기 감지된 제1 커패시턴스, 상기 감지된 제2 커패시턴스, 상기 감지된 제3 커패시턴스, 및 상기 감지된 제4 커패시턴스로부터 선형 가속을 판단하도록 사용가능하다. 또한, 본 실시예는 상기 감지된 제5 커패시턴스, 상기 감지된 제6 커패시턴스, 상기 감지된 제7 커패시턴스, 및 상기 감지된 제8 커패시턴스로부터 회전을 판단하도록 사용가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 관성 센서가 선형 가속 및 회전을 감지하기 때문에, 종래의 관성 측정 유닛에서 사용된 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계가 아니라 3개의 관성 센서가 하나의 관성 측정 유닛을 구축하는데 사용될 수 있는 효과가 있다.
바람직한 실시예 및 다른 실시예가 다음의 도면을 참조하여 상술되었다:
도 1은 관성 센서의 일 실시예의 일부에 대한 전극 및 관성 질량체의 개념적인 사시도이다;
도 2는 관성 센서의 다른 실시예의 일부에 대한 전극 및 관성 질량체의 개념적인 사시도이다;
도 3은 관성 센서의 일 실시예의 개념적인 측면도이다;
도 4는 인가된 재평형력을 갖는 관성 센서의 일 실시예의 개념적인 측면도이다;
도 5는 인가된 선형 가속도를 갖는 관성 센서의 일 실시예의 개념적인 측면도이다;
도 6은 인가된 회전을 갖는 관성 센서의 일 실시예의 개념적인 측면도이다;
도 7 내지 9는 관성 센서의 실시예들에 대하여 인가 전압 및 감지 전압을 도시한다; 그리고,
도 10은 관성 센서의 일 실시예에 연결된 디지털 신호 처리 시스템의 예시적인 구현예를 도시하는 블록도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 관성 센서
102: 좌측 관성 질량체
104: 우측 관성 질량체
106, 108, 110, 112, 210, 218, 224, 232: 전극
702, 902, 904, 906, 908: 증폭기 시스템
1002: 처리 시스템
관성 센서(100)의 실시예들은 회전과 가속가 독립적으로 판단가능하도록 가속 감지와 회전 감지를 분리한다. 도 1은 관성 센서(100)의 일 실시예의 일부에 대한 블록도이다. 관성 센서(100)의 예시적인 부분은 선형 가속 또는 회전 중 하나를 감지하는데 사용가능하다. 회전을 감지하는 관성 센서(100)의 다른 부분이 아래에서 설명되고 예시된다.
관성 센서(100)의 도시된 부분은 제1 관성 질량체(102)(좌측 관성 질량체(102)로도 서로 바꾸어서 부를 수 있다) 및 제2 관성 질량체(104)(우측 관성 질량체(104)로도 서로 바꾸어서 부를 수 있다)을 포함한다. 좌측 관성 질량체(102)는 상부 감지 전극(106)(상부 좌측 감지(upper left sense, ULS) 전극(106)으로도 서로 바꾸어서 부를 수 있다) 및 하부 감지 전극(108)(하부 좌측 감지(lower left sense, LLS) 전극(108)으로도 서로 바꾸어서 부를 수 있다)의 사이에 있다. 우측 관성 질량체(104)는 상부 감지 전극(110)(상부 우측 감지(upper right sense, URS) 전극(110)으로도 서로 바꾸어서 부를 수 있다) 및 하부 감지 전극(112)(하부 우측 감지(lower right sense, LRS) 전극(112)로도 서로 바꾸어서 부를 수 있다)의 사이에 있다.
좌측 관성 질량체(102)는 좌측 관성 질량체(102)와 ULS 전극(106) 사이의 분리 간격에 종속하는 커패시턴스를 정의하는 간극(GULS)만큼 ULS 전극(106)으로부터 분리된다. 유사하게, 좌측 관성 질량체(102)는 좌측 관성 질량체(102)와 LLS 전극(108) 사이의 분리 간격에 종속하는 커패시턴스를 정의하는 간극(GLLS)만큼 LLS 전극(108)으로부터 분리된다. 선형 가속 또는 회전에 의해 발생되는 간극(GULS, GLLS)과 관련된 커패시턴스에서의 변동은 검출가능하다.
우측 관성 질량체(104)는 우측 관성 질량체(104)와 URS 전극(110) 사이의 분리 간격에 종속하는 커패시턴스를 정의하는 간극(GURS)만큼 URS 전극(110)으로부터 분리된다. 유사하게, 우측 관성 질량체(104)는 우측 관성 질량체(104)와 LRS 전극(112) 사이의 분리 간격에 종속하는 커패시턴스를 정의하는 간극(GLRS)만큼 LRS 전극(112)으로부터 분리된다. 선형 가속 또는 회전 운동에 의해 발생되는 간극(GURS 및 GLRS)와 관련된 커패시턴스에서의 변동은 검출가능하다.
관성 질량체(120, 104)는 교류(AC) 전압이 구동 전극에 인가됨에 따라 관성 질량체(102, 104)에 "앞뒤(back-and-forth)"의 운동을 부여하는 구동 전극(미도시)에 용량적으로 연결된다. 구동 전극은 관성 질량체(102, 104)가 구동축(도시된 x 축)을 따라 앞뒤로 공진하면서 진동하게 한다. 구동축과 y 축은 관성 질량체(102, 104)의 평면내(in-plane) 운동을 정의한다. 공진 운동의 반주기 동안, 방향 벡터 114에 의해 표시된 바와 같은 좌측 관성 질량체(102)의 운동의 상대적인 방향은 방향 벡터 116에 의해 표시된 바와 같은 우측 관성 질량체(104)의 운동의 방향과 반대이다. 따라서, 관성 질량체(102, 104)는 도 1에서 서로 멀어지는 것으로 도시된다. 공진 운동의 다음 반주기 동안, 관성 질량체(102, 104)는 서로를 향하여 운동한다. 관성 센서(100)의 실시예들은 다양한 구성의 구동 전극을 갖는 MEMS 기반의 장치 내에 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 2는 관성 센서(100)의 다른 구현예를 위한 전극 및 관성 질량체의 개념적인 사시도이다. 전극 그룹(202, 204)은 각각 관성 질량체(102, 104)의 상부 및 하부에서 배향된다. 전극(206, 208, 210, 212)은 도시된 바와 같이 상부에서 좌측 관성 질량체(102)로부터 실질적으로 동일한 거리로 배향되며 간극(GULS)을 정의한다. 전극(214, 216, 218, 220)은 도시된 바와 같이 하부에서 좌측 관성 질량체(102)으로부터 실질적으로 동일한 거리로 배향되며 간극(GLLS)을 정의한다. 전극(222, 224, 226, 228)은 도시된 바와 같이 상부에서 우측 관성 질량체(104)으로부터 실질적으로 동일한 거리로 배향되며 간극(GURS)을 정의한다. 전극(230, 232, 234, 236)은 도시된 바와 같이 하부에서 우측 관성 질량체(104)으로부터 실질적으로 동일한 거리로 배향되며 간극(GLRS)을 정의한다. 다른 실시예에서, 전극은 해당하는 관성 질량체로부터 서로 다른 거리에 있도록 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 전극의 배열 또는 복수의 전극이 본 명세서에서 설명되는 하나 또는 그 이상의 재평형력(rebalancing force)을 인가하는데 사용될 수 있다.
서로 반대편에 있는 전극들은 전극쌍을 형성한다. 예를 들어, 전극(206, 214)은 전극쌍을 형성한다. 전극쌍은 아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 서로에 대하여 동작될 수 있다. 다른 전극쌍은 전극(208, 216), 전극(210, 218), 전극(212, 220), 전극(222, 230), 전극(224, 232), 전극(226, 234), 및 전극(228, 236)을 포함한다. 각 관성 질량체(102, 104)에 대하여 선택된 전극쌍은 전술한 전극(106, 108) 또는 전극(110, 112)에 대응한다. 관성 질량체와 전극쌍의 각 전극 사이의 간극은 전압이 인가될 때 검출가능한 커패시턴스를 발생시킨다. 예를 들어, 전극(208)과 관성 질량체(102) 사이의 간극(GULS)은 제1 커패시턴스를 발생시킨다. 유사하게, 관성 질량체(102)와 전극(216) 사이의 간극(GLLS)은 제2 커패시턴스를 발생시킨다. 관성 질량체(102)가 운동할 때, 전술한 제1 및 제2 커패시턴스는 변동한다. 커패시턴스 변동은 전극(208) 및/또는 전극(216)에 연결된 증폭기(미도시)로부터 전류 변동을 감지함으로써 판단될 수 있다.
도 3은 관성 센서(100)의 일 실시예에 대한 개념적인 측면도이다. 여기에서, 관성 질량체(102, 104)는 x 축을 따라 서로에 대하여 정렬된 것으로 도시된다. 굴곡부(302)는 간극(GULS, GLLS) 사이에서 좌측 관성 질량체(102)를 지지한다. 굴곡부(304)는 간극(GURS, GLRS) 사이에서 우측 관성 질량체(104)를 지지한다. 굴곡부(302, 304)는 앵커(306)에 부착된다. 다른 실시예에서 앵커(306)가 상부 기판(310)에 부착되거나 양 기판(308, 310)에 부착될 수 있지만, 예시적인 본 실시예에서 앵커(306)는 하부 기판(308)에 부착된다. 굴곡부(302, 304)는 관성 질량체(102, 104)가 구동 전극(미도시)에 의해 구동될 때 관성 질량체(102, 104)가 공진하도록 스프링과 유사한 특성을 갖는 가요성 부재이다.
다른 실시예에서, 앵커(306)는 상부 기판(310)에 부착될 수 있다. 일부 실시예는 MEMS 장치에서 다양한 앵커 지점으로 관성 질량체(102, 104)를 연결시키기 위하여 복수의 굴곡부를 채용할 수 있다. 일부 실시예에서, 굴곡부(302, 304)는 서로 다른 앵커에 연결될 수 있다.
관성 센서(100)의 예시적인 실시예에서, 관성 질량체(102, 104)는 간극(GULS, GLLS) 및 간극(GURS, GLRS)이 서로 동일하도록 현수될 수 있다. 따라서, 관성 질량체(102, 104) 및 도시된 전극과 관련된 상부 및 하부 커패시턴스는 실질적으로 (서로에 대하여) 동일하다. 예를 들어, 전극(206, 214, 228 및 236)의 표면적 및 다른 특성이 실질적으로 동일하다고 가정하면, 전극(206)과 좌측 관성 질량체(102) 사이의 커패시턴스, 전극(214)과 좌측 관성 질량체(102) 사이의 커패시턴스, 전극(228)과 우측 관성 질량체(104) 사이의 커패시턴스, 및 전극(236)과 우측 관성 질량체(104) 사이의 커패시턴스는 실질적으로 동일하다. 다른 실시예에서, 커패시턴스는 서로 상이할 수 있다.
도시된 z를 따르는 방향에서의 선형 가속은 관성 질량체(102, 104)가 동일한 방향으로 실질적으로 동일한 속도 및/또는 거리로 운동하게 한다. 이 운동은 본 명세서에서 "공통 모드(common mode)"에서의 운동이라 한다. 관성 질량체(102, 104)의 공통 모드 운동은 간극(GULS, GLLS)을 가로지르는 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서 실질적으로 동일한 변동 및 간극(GURS, GLRS)을 가로지르는 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서 실질적으로 동일한 변동을 발생시킨다. 즉, 상부 및 하부 간극(GURS, GLRS, GULS, GLLS)이 동일하다고 가정하면(즉, 평형을 이룬다면), 간극(GULS, GURS)을 가로지르는 전극쌍의 변동된 커패시턴스의 크기와 간극(GLLS, GLRS)을 가로지르는 전극쌍의 변동된 커패시턴스의 크기는 실질적으로 동일하다. 간극(GULS, GLLS, GURS, GLRS)가 평형을 이루지 않는다 하더라도, 결과적으로 커패시턴스의 변동을 제공하는 관성 질량체(102, 104)를 운동시키는 힘이 실질적으로 동일하기 때문에 상부 커패시턴스는 실질적으로 동일한 양만큼 변동하며, 하부 커패시턴스는 실질적으로 동일한 양만큼 변동한다. 선형 가속은 커패시턴스에서의 감지된 공통 모드 변동으로부터 판단될 수 있다.
또한, 도시된 y 축 주위의 방향에서의 회전은 관성 질량체(102, 104)가 반대 방향으로 z 방향에서 실질적으로 동일한 속도 및/또는 거리로 운동하게 한다. 이러한 운동은 본 명세서에서 "차동 모드(differential mode)"에서의 운동이라고 한다. 관성 질량체(102, 104)의 차동 모드 운동은 전향력에 의해 발생된다. 관성 질량체(102, 104)의 차동 모드 운동은 간극(GULS, GLRS)을 가로지르는 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서의 실질적으로 동일한 변동, 및 간극(GLLS, GLLS)을 가로지르는 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서의 실질적으로 동일한 변동을 발생시킨다. 회전은 커패시턴스에서의 감지된 차동 모드 변동으로부터 판단될 수 있다.
전술한 바와 같이, 관성 센서(100)의 실시예는 회전 및 가속이 독립적으로 감지되고 판단되도록 가속 감지와 회전 감지 사이의 분리를 제공한다. 바람직한 실시예에서, 전향력으로부터 90도 벗어난 위상인 직교력(quadrature force)도 가속도 및 전향력으로부터 분리된다. 따라서, 간극(GULS, GLLS, GURS, GLRS)을 가로지르는 해당하는 전극쌍과 관련된 커패시턴스가 실질적으로 매칭되도록 관성 질량체(102, 104)의 위치를 고정 위치에서 유지시키기 위하여 선형 가속도, 전향력 및/또는 직교력에 대한 재평형력이 전극쌍에 개별적으로 인가된다. 따라서, 관성 질량체(102, 104)의 위치 사이의 불평형(간극(GULS, GLLS, GURS, GLRS)을 가로지르는 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서의 변동으로부터 검출가능한)이 발생하면, 재평형력이 관성 질량체(102, 104)를 스스로 중심에 오도록 동작한다.
전향력 재평형력은 선택된 전극쌍에 의해 관성 질량체(102)에 인가된다. 전향력 재평형력은 다른 선택된 전극쌍에 의해 관성 질량체(104)에도 인가된다. 인가된 전향력 재평형력은 관성 센서(100)의 회전 동안에 관성 질량체(102, 104)를 스스로 중심에 오도록 한다. 필요한 전향력 재평형력의 크기는 회전량에 대응한다. 유사하게, 인가된 선형 가속도 재평형력은 관성 센서(100)의 선형 가속 동안에 관성 질량체(102, 104)를 스스로 중심에 오도록 한다. 필요한 선형 가속도 재평형력의 크기는 선형 가속량에 대응한다. 선형 가속도 재평형력이 선택된 전극쌍에 인가된 직류(DC) 전압에 의해 제공되기 때문에, 선형 가속도 재평형력은 전향력 재평형력과 구분될 수 있다. 즉, 선형 가속(z 축에서 시변 가속력을 유도하는)은 회전(관성 질량체(102, 104)의 구동 주파수에서 변조된 힘을 유도하는)과 상이하기 때문에, 선형 가속도 재평형력과 전향력 재평형력은 개별적으로 판단될 수 있다.
도 4는 벡터(402)로서 도시된 인가된 초기화 재평형력(402)을 갖는 관성 센서(100)의 일 실시예에 대한 개념적인 측면도이다. 선택된 전극은 해당하는 관성 질량체(102, 104)에 초기화 재평형력을 인가하도록 동작될 수 있다. 따라서, 간극(GULS, GLLS, GURS, GLRS)은 서로 동일하게 설정되거나 원하는 값으로 설정될 수 있다.
예를 들어, 도 4에서 개념적으로 도시된 바와 같이, 관성 센서(100)를 제조하는 동안, 좌측 관성 질량체(102)는 전극 사이에서 자신의 설계된 이상적 위치에 있지 않을 수 있다. 여기에서, 좌측 관성 질량체(102)는 간극(GULS, GLLS)이 실질적으로 동일하지 않도록 비이상적 위치(506)에 있는 것으로 도시된다. 좌측 관성 질량체(102)의 비이상적 위치(406)는 제조의 관점으로부터 허용가능할 수 있지만 설계 및/또는 제조 허용 오차의 결과로서의 이상적인 위치(404)와는 충분히 상이할 수 있어 선형 가속 및/또는 회전 운동의 검출에 있어서 부정확성을 제공할 수 있다. 좌측 관성 질량체(102)를 설계된 이상적 위치(404)로 또는 이에 매우 가깝게 재배치하기 위하여 하나 또는 그 이상의 선택된 전극에 의해 벡터(402)로서 도시된 초기화 재평형력이 인가된다. 초기화 재평형력은 관성 질량체를 이상적 위치로 배치하는데 필요한 초기화 재평형의 양에 따라 동일하거나 또는 다를 수 있다. 바람직하게는, 초기화 재평형력은 선택된 전극에 인가된 DC 바이어스로부터 발생된다. 초기화 재평형력은 제조 후의 벤치 테스트에 의하는 것과 같이 관성 센서(100)의 사용 전에 판단될 수 있다.
도 5는 (음의 z 축 방향으로의 운동에 대응하는) 가속도 벡터(502)에 의해 표시되는 인가된 선형 가속을 갖는 관성 센서(100)의 일 실시예의 개념적인 측면도이다. 관성력(벡터(504)로 도시된)이 관성 질량체(102, 104)에 가해진다. 따라서, 관성 질량체(102, 104)는 가속 구간 동안 상부 기판(310)을 향하여 운동된다. 굴곡부(302, 304)는 가속이 중지할 때 관성 질량체(102, 104)를 그 초기 위치(도 3 참조)로 복귀시키도록 동작할 것이다.
관성 질량체(102, 104)의 전술한 공통 모드 운동은 간극(GULS, GLLS)을 가로지르는 전극쌍의 및 간극(GURS, GLRS)을 가로지르는 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서 실질적으로 동일한 변동을 각각 발생시킨다. 즉, 간극(GULS, GURS)을 가로지르는 전극쌍의 변동된 전극-관성 질량체 커패시턴스의 크기와 간극(GLLS, GLRS)을 가로지르는 전극쌍의 변동된 전극-관성 질량체 커패시턴스의 크기는 실질적으로 동일하다. 관성 질량체(102, 104)의 운동에 응답하여, 선형 가속도 재평형력이 관성 질량체(102, 104)를 자신의 원래 위치로 다시 재배치하기 위하여 선택된 전극쌍을 통해 인가될 수 있다. 선형 가속은 인가된 선형 가속도 재평형력의 양으로부터 그리고/또는 커패시턴스에서의 감지된 공통 모드 변동으로부터 판단될 수 있다.
도 6은 (y 축 주위로의 회전 운동에 대응하는) 가속도 벡터(602)에 의해 표시되는 인가된 회전을 갖는 관성 센서(100)의 일 실시예의 개념적인 측면도이다. 벡터(604, 606)로 도시된 관성력이 관성 질량체(102, 104)에 가해진다. 따라서, 관성 질량체(102)는 회전 구간 동안 상부 기판(310)을 향하여 운동되고, 관성 질량체(104)는 회전 구간 동안 하부 기판(308)을 향하여 운동된다. 굴곡부(302, 304)는 회전이 중지할 때 관성 질량체(102, 104)를 그 초기 위치(도 3 참조)로 복귀시키도록 동작할 것이다.
관성 질량체(102, 104)의 전술한 차동 모드 운동은 간극(GULS, GLLS, GURS, GLRS)을 가로지르는 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서 검출가능한 변동을 발생시킨다. 간극(GULS, GURS)을 가로지르는 전극쌍의 변동된 전극-관성 질량체 커패시턴스의 크기와 간극(GLLS, GURS)을 가로지르는 전극쌍의 변동된 전극-관성 질량체 커패시턴스의 크기는 실질적으로 동일하다(간극(GURS, GLRS, GULS, GLLS)의 초기 평형을 가정). 관성 질량체(102, 104)의 운동에 응답하여, 전향력 재평형력이 관성 질량체(102, 104)를 자신의 원래 위치로 다시 재배치하기 위하여 선택된 전극쌍을 통해 인가될 수 있다. 회전은 인가된 전향력 재평형력으로부터 그리고/또는 커패시턴스에서의 감지된 차동 모드 변동으로부터 판단될 수 있다.
도 7은 도 1에 도시된 관성 센서(100)의 일 실시예의 일부에 대한 인가 전압 및 감지 전압을 도시한다. 전극쌍(106, 108)에 의해 인가된 전압(VULS,VLLS)과 전극쌍(110, 112)에 의해 인가된 전압(VURS,VLRS)은 선형 가속도 재평형력에 부분적으로 대응한다.
인가된 전압은 3개의 기능, 즉, 선형 가속도 재평형력, 회전 감지 바이어스, 및 가속도 감지 픽오프를 제공하는 3개의 성분을 갖는다. 인가된 상부 좌측 감지 플레이트 전압(VULS)은 다음의 수학식 1에 의해 정의될 수 있다.
여기에서, VSB는 인가된 감지 바이어스 전압(DC 바이어스 전압)이고, VA는 인가된 선형 가속도 재평형력 전압이고, Vp는 인가된 AC 픽오프 전압이고, ωp는 인가된 AC 픽오프 전압(Vp)의 주파수이다. 전류 iSPO는 관성 질량체(102, 104)의 위치에서의 불평형으로부터 발생된다.
인가된 하부 좌측 감지 플레이트 전압(VLLS), 인가된 상부 우측 감지 플레이트 전압(VURS), 및 인가된 하부 우측 감지 플레이트 전압(VLRS)은 각각 다음의 수학식 2, 3 및 4에 의해 정의될 수 있다.
증폭기 시스템(702)은 관성 질량체(102, 104)로부터의 전압 및/또는 전류를 검출하기 위하여 통신가능하게 연결된다. 증폭기 시스템(702)의 출력은 감지된 픽오프 전압(VSPO)에 대응한다. VSPO는 다음의 수학식 5에 의해 정의될 수 있다.
여기에서 VΩ는 회전 운동에 비례하는 VSPO 부분이고, VQ는 VΩ의 직교 성분이고, VCM은 (선형 가속에 의해 발생되는) 공통 모드 운동에 비례하는 VSPO 부분이고, ωpm은 인가된 모터 주파수이다.
도 8은 관성 센서(100)의 일 실시예의 일부에 대한 인가 전압 및 감지 전압을 도시한다. 전극(208, 216)에 의해 관성 질량체(102)에 그리고 전극(226, 234)에 의해 관성 질량체(104)에 인가된 선형 가속도 재평형력에 대응하는 전술한 인가 전압(VULS, VLLS, VURS, VLRS)이 포함된다. 다른 실시예들은 상이하게 선택된 전극을 이용하여 선형 가속도 재평형력을 인가할 수 있다. 일부 실시예에서, 전극(208, 216, 226, 234)이 관성 질량체(102, 104)의 감지 공통 모드 운동 및/또는 차동 공통 모드 운동에 대하여 사용되는 전류(또는 전압)를 주입하는데 사용될 수 있다.
전극쌍(210,218)은 관성 질량체(102)로 전향력 재평형력을 제공한다. 유사하게, 전극쌍(224, 232)은 전향력 재평형력을 관성 질량체(104)에 제공한다. 바람직하게는, 관성 질량체(102)에 인가된 전향력 재평형력은 관성 질량체(104)에 인가된 전향력 재평형력과 반대방향으로 동일한 크기를 갖는다. 다른 실시예들은 상이하게 선택된 전극을 이용하여 전향력 재평형력을 인가할 수 있다.
전극(210)에 의해 인가된 VCUL에 대응하는 전향력 재평형력은 다음의 수학식 6에 의해 정의될 수 있다.
여기에서, VCOR은 전향력 전압이고, ωmt/2는 관성 질량체(102, 104)의 모터 주파수의 반주파수이다.
전극(218)에 의해 인가된 VCLL에 대응하는 전향력 재평형력, 전극(224)에 의해 인가된 VCUR에 대응하는 전향력 재평형력, 및 전극(232)에 의해 인가된 VCLR에 대응하는 전향력 재평형력은 각각 다음의 수학식 7, 8 및 9에 의해 정의될 수 있다.
일부 실시예는 선택적인 전극(206, 214, 218, 236)을 통해 선택적인 직교 재평형력을 인가할 수 있다. 직교 재평형력은 관성 질량체(102, 104)의 유도된 모터 운동에 비례한다. 도 2 내지 9에 도시된 예시적인 실시예에서, 직교 재평형력의 인가를 위해 사용되는 4개의 전극이 도시된다(관성 질량체(102, 104)의 각 단부에서). 다른 실시예에서, 관성 질량체(102, 104) 각각에 대하여 하나의 전극쌍이 직교 재평형력을 인가하기 위하여 이용될 수 있다. 한 쌍의 직교 재평형 전극이 관성 질량체(102, 104)에 대하여 적합한 위치에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 직교 재평형 전극은 선택 사항이거나 또는 사용되지 않는다.
도 9는 관성 센서(100)의 다른 실시예에 대한 인가 전압 및 감지 전압을 도시한다. 전극(208, 216, 226, 234)은 해당하는 전극에서 전압을 감지 또는 픽오프하기 위하여 각각 픽오프 증폭기 시스템(902, 904, 906, 908)에 연결된다. 본 실시예는 바람직하지 않은 인가 기생력(parasitic force)을 발생시킬 수 있는 관성 질량체(102, 104)에 주입된 기생 신호의 보상을 허용한다. 즉, 기생 기간의 주파수가 (ωp+ωm/2)보다 더 높기 때문에 회전력과 선형 가속력 사이의 기생 커플링 효과가 줄어들 수 있다.
증폭기 시스템(902)는 신호 VULSP를 출력한다. 증폭기 시스템(904, 906, 908)은 각각 신호 VLLSP, VURSP 및 VLRSP를 출력한다. 회전 출력 VRATE는 다음의 수학식 10에 따라 증폭기 시스템(902, 904, 906, 908)의 출력으로부터 유도될 수 있다.
도 10은 관성 센서(100)의 일 실시예에 연결된 처리 시스템(1002)의 예시적인 구현예를 나타내는 블록도이다. 예시적인 실시예에서, 처리 시스템은 디지털 신호 처리(digital signal processing, DSP) 전자 시스템이다. 처리 시스템(1002)은 특정 애플리케이션에 따라 아날로그 시스템으로서, 디지털 시스템으로서 또는 그 조합으로써 구현될 수 있으며, 그리고, 소프트웨어, 하드웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로서 구현될 수 있다.
증폭기 시스템(702)은 감지된 픽오프 전압(VSPO)을 처리 시스템(1002)에 제공한다. 복조기(1004, 1006, 1008)은 VSPO의 AC 부분을 스트립 오프(strip off)함으로써 VSPO를 복조한다. 복조기(1004)에 인가된 90도 클록과 복조기(1006)에 인가된 0도 클록은 서로 다른 위상(각각 90도 위상 및 0도 위상)에서 곱해진 모터 신호에 대응한다.
로우 패스 필터(1010)는 복조기(1004)의 출력을 처리하고 PID(proportional-integral-derivative) 제어기(1012)로 전향력 출력 신호를 출력한다. 로우 패스 필터(1014)와 PID 제어기(1016)는 복조기(1006)의 출력을 처리하고 직교 출력 신호를 출력한다. 로우 패스 필터(1018)와 PID 제어기(1020)는 복조기(1008)의 출력을 처리하고 커패시턴스에서의 공통 모드 불평형에 대응하는 가속도 출력 신호를 출력한다. 출력 신호는 전술한 선형 가속도 재평형력에 대응하는 출력(VULS, VLLS, VURS, VLRS)을 생성하는데 사용되고, 전술된 전향력 재평형력에 대응하는 출력(VCUL, VCLL, VCUR, VCLR)을 생성하는데 사용된다.
선형 가속 및 회전을 감지하고 판단하기 위하여 사용 가능한 관성 센서(100)의 실시예들은 관성 측정 유닛으로 포함될 수 있다. 하나의 관성 센서(100)가 선형 가속 및 회전을 감지하기 때문에, 종래의 관성 측정 유닛에서 사용된 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계가 아니라 3개의 관성 센서(100)가 하나의 관성 측정 유닛을 구축하는데 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예가 예시되고 설명되었지만, 많은 변경이 본 발명의 기술적 사상과 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 바람직한 실시예에 대한 개시 내용에 의해 한정되지 않는다. 그 대신에, 본 발명은 다음과 같은 특허청구범위를 참조하여 전체적으로 판단되어야만 한다.

Claims (4)

  1. 제1 관성 질량체(102);
    제2 관성 질량체(104);
    상기 제1 관성 질량체에 제1 선형 가속도 재평형력을 인가하도록 사용가능한 제1 전극쌍(106, 108);
    상기 제2 관성 질량체에 제2 선형 가속도 재평형력을 인가하도록 사용가능한 제2 전극쌍(110, 112);
    상기 제1 관성 질량체에 제1 전향력 재평형력을 인가하도록 사용가능한 제3 전극쌍(210, 218); 및
    상기 제2 관성 질량체에 제2 전향력 재평형력을 인가하도록 사용가능한 제4 전극쌍(224, 232);
    을 포함하는 선형 가속과 회전을 판단하기 위한 MEMS 관성 센서(100).
  2. 제1항에 있어서,
    인가된 상기 제1 및 제2 선형 가속도 재평형력으로부터 선형 가속을 판단하도록 사용가능하고, 인가된 상기 제1 및 제2 전향력 재평형력으로부터 회전을 판단하도록 사용가능한 처리 시스템(1002);
    을 더 포함하는 MEMS 관성 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 관성 질량체 및 상기 제2 관성 질량체에 통신가능하게 연결되고 픽오프 전압(VSPO)을 출력하도록 사용가능한 증폭기 시스템(702);
    을 더 포함하고,
    상기 제1 전극쌍의 제1 전극에 인가된 재평형 전압(VULS)은 상기 픽오프 전압(VSPO)으로부터 판단가능하고,
    상기 제1 전극쌍의 제2 전극에 인가된 재평형 전압(VLLS)은 상기 픽오프 전압(VSPO)으로부터 판단가능하고,
    상기 제2 전극쌍의 제1 전극에 인가된 재평형 전압(VURS)은 상기 픽오프 전압(VSPO)으로부터 판단가능하고,
    상기 제2 전극쌍의 제2 전극에 인가된 재평형 전압(VLRS)은 상기 픽오프 전압(VSPO)으로부터 판단가능하고,
    상기 제1 전극쌍에서의 상기 제1 선형 가속도 재평형력은 VULS 및 VLLS에 대응하고,
    상기 제2 전극쌍에서의 상기 제2 선형 가속도 재평형력은 VURS 및 VLRS에 대응하는,
    MEMS 관성 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극쌍의 상기 제1 전극에 통신가능하게 연결되고 전압(VULSP)을 출력하도록 사용가능한 제1 픽오프 증폭기 시스템(902);
    상기 제1 전극쌍의 상기 제2 전극에 통신가능하게 연결되고 전압(VLLSP)을 출력하도록 사용가능한 제2 픽오프 증폭기 시스템(904);
    상기 제2 전극쌍의 상기 제1 전극에 통신가능하게 연결되고 전압(VURSP)을 출력하도록 사용가능한 제3 픽오프 증폭기 시스템(906); 및
    상기 제2 전극쌍의 상기 제2 전극에 통신가능하게 연결되고 전압(VLRSP)을 출력하도록 사용가능한 제4 픽오프 증폭기 시스템(908);
    를 더 포함하는 MEMS 관성 센서.
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