KR20090107932A - Systems and methods for acceleration and rotational determination from an in-plane and out-of-plane mems device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명의 일 실시예는 MEMS 관성 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 평면내 및 평면외 방향으로 가속 및 회전을 판단하는 MEMS 관성 센서에 관한 것이다.One embodiment of the present invention relates to a MEMS inertial sensor, and more particularly, to a MEMS inertial sensor for determining acceleration and rotation in an in-plane and out-of-plane direction.
본 출원은 2008년 4월 10일 출원되고 "Systems And Methods For Acceleration And Rotational Determination From An In-plane And Out-of-plane MEMS Device"의 명칭을 가지며 그 내용의 전체가 본 명세서에서 편입되는 출원계속중인 미국 가특허 출원 제61/043,974호로부터의 우선권을 주장한다.This application is filed April 10, 2008 and is entitled "Systems And Methods For Acceleration And Rotational Determination From An In-plane And Out-of-plane MEMS Device," and is hereby incorporated by reference in its entirety. Claim priority from US Provisional Patent Application 61 / 043,974.
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.The Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) inertial measurement unit includes three gyroscopes and three accelerometers to detect changes in attitude and acceleration. Typically, three gyroscopes and three accelerometers are mounted on separate orthogonal axes, each with its own set of control and readout electronics. In view of the fact that three gyroscopes and three accelerometers must be installed precisely, power is supplied to three gyroscopes and three accelerometers in terms of the relatively large processing capacity required to process information from six individual units. It is to be understood that there is an inherent cost in the assembly of MEMS inertial measurement units in terms of power requirements for supply. Many applications require savings in size, computational requirements, power requirements, and the cost of MEMS inertial measurement units. In view of these limitations, it would be beneficial to reduce the number of sensing devices in the MEMS inertial measurement unit.
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.Conventional MEMS gyroscopes can be used to determine angular rotation by measuring the force (turning force) of Coriolis applied to the resonant proof mass. Conventional MEMS gyroscopes include two silicon inertial masses suspended mechanically from a substrate that are mechanically connected to a generally glass substrate using one or more silicon bends. Multiple recesses etched into the substrate allow optional portions of the silicon structure to move back and forth freely within the interior of the device. In certain designs, a substrate may be provided above and below the silicon substrate to allow an inertial mass to fit between the two substrates. Patterns of metal traces formed on the substrate (s) can be used to deliver various electrical bias voltages and signal outputs to the device.
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) 또는 빗살(tine)을 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. 그러나, 이러한 MEMS 장치는 가속도 및 회전 (자이로) 응답이 서로 결합되고 서로 의존하는 개방 루프 모드에서 동작된다.Many MEMS gyroscope drive systems generally include a number of drive elements that cause the inertial mass to oscillate back and forth along a drive axis perpendicular to the direction in which the forward force is sensed. In certain designs, for example, the drive element may comprise a plurality of interdigitated vertical comb fingers or tines that convert electrical energy into mechanical energy using electrostatic actuation. It may include. Such drive elements are hereby incorporated by reference in Tang et al., Incorporated herein by reference in their entirety and in US Pat. Nos. 5,025,346 and Johnson et al., Entitled " LATERALLY DRIVEN RESONANT MICROSTRUCTURES. DRIVE ELECTRODES ", US Patent No. 7,036,373. However, these MEMS devices operate in an open loop mode where acceleration and rotation (gyro) responses are coupled to and dependent on each other.
본 명세서에서 전체가 참조로서 편입되며 "MEMS TUNING FORK GYRO SENSITIVE TO RATE OF ROTATION ABOUT TWO AXES"의 명칭을 가지고 2007년 5월 11일 출원된 마이클 S. 서튼(Michael S. Sutton)의 미국 특허 출원 제11/747,629호는 구동축에 직교하는 2개의 상이한 축에 대한 회전을 감지도록 사용가능한 MEMS 장치를 개시한다. 본 명세서에서 전체가 참조로서 편입되며 "SYSTEMS AND METHODS FOR ACCELERATION AND ROTATIONAL DETERMINATION FROM AN OUT-OF-PLANE MEMS DEVICE"의 명칭을 가지고 2008년 3월 28일 출원된 수피노(Supino) 등의 미국 특허 출원 제12/057,695호는 선형 가속도 및 회전을 감지하도록 사용가능한 MEMS 장치를 개시한다.US Patent Application of Michael S. Sutton, filed May 11, 2007, entitled "MEMS TUNING FORK GYRO SENSITIVE TO RATE OF ROTATION ABOUT TWO AXES", incorporated herein by reference in its entirety. 11 / 747,629 discloses a MEMS device that can be used to sense rotation about two different axes orthogonal to the drive shaft. United States Patent Application of Supino et al., Filed Mar. 28, 2008, entitled "SYSTEMS AND METHODS FOR ACCELERATION AND ROTATIONAL DETERMINATION FROM AN OUT-OF-PLANE MEMS DEVICE", incorporated herein by reference in its entirety. 12 / 057,695 discloses a MEMS device usable to sense linear acceleration and rotation.
본 발명의 일 실시예의 목적은 평면내 및 평면외 방향으로 가속 및 회전을 판단하는 MEMS 관성 센서를 제공하는 것이다.It is an object of one embodiment of the present invention to provide a MEMS inertial sensor for determining acceleration and rotation in in-plane and out-of-plane directions.
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 관성 센서를 이용하여 평면내 선형 가속, 평면내 회전, 평면외 선형 가속, 및 평면외 회전을 판단하고 그리고/또는 감지하는 시스템 및 방법이 개시된다. 예시적인 실시예는 평면내 축에 정렬된 제1 관성 질량체와 제2 관성 질량체, 상기 제1 관성 질량체가 사이에 배치된 제1 평면외 전극쌍, 상기 제2 관성 질량체가 사이에 배치된 제2 평면외 전극쌍, 대향하는 제1 관성 질량체 콤 핑거와 인터리브된 복수의 콤 핑커를 갖는 제1 평면내 감지 콤, 및 대향하는 제2 관성 질량체 콤 핑거와 인터리브된 복수의 콤 핑커를 갖는 제2 평면내 감지 콤을 구비한다. 상기 MEMS 센서의 평면외 선형 가속은 상기 제1 평면외 전극쌍과 상기 제2 평면외 전극쌍을 이용하여 감지될 수 있다. 상기 MEMS 센서의 평면내 회전은 상기 제1 평면외 전극쌍과 상기 제2 평면외 전극쌍을 이용하여 감지될 수 있다. 상기 MEMS 센서의 평면내 선형 가속은 상기 제1 평면내 감지 콤과 상기 제2 평면내 감지 콤을 이용하여 감지될 수 있다. 상기 MEMS 센서의 평면외 회전은 상기 제1 평면내 감지 콤과 상기 제2 평면내 감지 콤을 이용하여 감지될 수 있다.Systems and methods are disclosed for determining and / or sensing in-plane linear acceleration, in-plane rotation, out-of-plane linear acceleration, and out-of-plane rotation using Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) inertial sensors. Exemplary embodiments include a first inertial mass and a second inertial mass aligned with an in-plane axis, a first out-of-plane electrode pair with the first inertial mass interposed therebetween, and a second with the second inertial mass interposed therebetween. A first in-plane sensing comb with a plurality of comb fingers interleaved with the out-of-plane electrode pair, opposing first inertial mass comb fingers, and a second plane with a plurality of comb interleaves with the opposing second inertial mass comb fingers It is equipped with a sense comb. The out-of-plane linear acceleration of the MEMS sensor may be sensed using the first out-of-plane electrode pair and the second out-of-plane electrode pair. In-plane rotation of the MEMS sensor may be sensed using the first out-of-plane electrode pair and the second out-of-plane electrode pair. In-plane linear acceleration of the MEMS sensor may be sensed using the first in-plane sensing comb and the second in-plane sensing comb. The out-of-plane rotation of the MEMS sensor may be sensed using the first in-plane sensing comb and the second in-plane sensing comb.
본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 관성 센서가 2개의 축의 선형 가속과 2개의 축의 회전을 감지하기 때문에 종래의 관성 측정 유닛에서 사용된 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계가 아니라 2개의 관성 센서가 하나의 관성 측정 유닛을 구축하는데 사용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since one inertial sensor detects linear acceleration of two axes and rotation of two axes, two inertial sensors are used instead of three gyroscopes and three accelerometers used in conventional inertial measurement units. It can be used to build one inertial measurement unit.
관성 센서(100)의 실시예들은 회전과 가속이 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.Embodiments of the
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)를 포함한다. 좌측 관성 질량체(102)는 제1 상부 좌측 감지(upper left sense, ULS) 전극(106)과 제1 하부 좌측 감지(lower left sense, LLS) 전극(108)의 사이에 있다. 또한, 좌측 관성 질량체(102)는 제2 ULS 전극(110)과 제2 LLS 전극(112)의 사이에 있다. 우측 관성 질량체(104)는 상부 우측 감지(upper right sense, URS) 전극(110) 및 하부 우측 감지(lower right sense, LRS) 전극(112)의 사이에 있다. 또한, 우측 관성 질량체(104)는 제2 URS 전극(118) 및 제2 LRS 전극(120)의 사이에 있다. 상부 및 하부 감지 전극은 관성 센서(100)의 평면외(out-of-plane) 운동을 감지하도록 사용가능 하다. 감지 전극(106, 108), 감지 전극(110, 112), 감지 전극(114, 116) 및 감지 전극(118, 120)은 해당하는 관성 질량체(102, 104)의 평면외 운동을 감지하도록 사용가능한 전극쌍을 형성한다.The illustrated portion of the
좌측 관성 질량체(102)는 좌측 관성 질량체(102)와 ULS 전극(106, 110) 사이의 분리 간격에 종속하는 커패시턴스를 정의하는 간극(GULS)만큼 ULS 전극(106, 110)으로부터 분리된다. 유사하게, 좌측 관성 질량체(102)는 좌측 관성 질량체(102)와 LLS 전극(108, 112) 사이의 분리 간격에 종속하는 커패시턴스를 정의하는 간극(GLLS)만큼 LLS 전극(108, 112)으로부터 분리된다. 평면외 선형 가속 또는 평면내(in-plane) 회전에 의해 발생되는 간극(GULS, GLLS)과 관련된 커패시턴스에서의 변동은 검출가능하다.The left
우측 관성 질량체(104)는 우측 관성 질량체(104)와 URS 전극(114, 118) 사이의 분리 간격에 종속하는 커패시턴스를 정의하는 간극(GURS)만큼 URS 전극(114, 118)으로부터 분리된다. 유사하게, 우측 관성 질량체(104)는 우측 관성 질량체(104)와 LRS 전극(116, 120) 사이의 분리 간격에 종속하는 커패시턴스를 정의하는 간극(GLRS)만큼 LRS 전극(116, 120)으로부터 분리된다. 평면외 선형 가속 또는 평면내 회전 운동에 의해 발생되는 간극(GURS 및 GLRS)과 관련된 커패시턴스에서의 변동은 검출가능하다.The right
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(도 1에서는 미도시)에 용량성으로 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 122a에 의해 표시된 바와 같은 좌측 관성 질량체(102)의 운동의 상대적인 방향은 방향 벡터 122b에 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 질량체(102, 104)는 서로 180° 위상을 벗어난 대향하는 운동을 가지면서 공진한다. 관성 센서(100)의 실시예들은 다양한 구성의 구동 전극을 갖는 MEMS 기반의 장치 내에 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다.The
관성 센서(100)는 관성 질량체(102)에 용량성으로 연결된 적어도 하나의 평면내 감지 전극(124)을 포함하여 관성 질량체(102)의 평면내 운동을 감지한다. 적어도 하나의 평면내 감지 전극(126)은 관성 질량체(104)에 용량성으로 연결되어 관성 질량체(104)의 평면내 운동을 감지한다. 본 명세서에서 평면내 감지 콤으로 서로 바꾸어서 불릴 수 있는 평면내 감지 전극(124, 126)은 Y 축 방향으로의 관성 질량체(102, 104)의 운동을 감지하도록 사용가능한 콤 핑거 쌍(128)을 포함한다. 서로 인터리브된 평면내 감지 전극(124)의 콤 핑거와 관성 질량체(102)의 콤 핑거를 갖는 콤 핑거 쌍(128)가 도시된다. Y 축을 따른 운동은 콤 핑거의 커패시턴스가 검출가능한 방식으로 변동하도록 콤 핑거 사이의 간극(GCLS)에서의 변동을 발생시킨다. 유사하게, 평면내 감지 전극(126)과 관성 질량체(104)의 인터리브된 콤 핑거(미도시)는 간극(GCRS)에서의 변동에 대응하는 Y 축을 따른 운동을 감지한다.The
도 2는 평면외로 짝지어진 감지 전극(106, 108), 감지 전극(110, 112), 감지 전극(114, 116), 감지 전극(118, 120) 및 감지 전극(124, 126)의 상부 전극을 나타내는 관성 센서(100)의 예시적인 실시예의 상면도이다. 예시적인 본 실시예에서, 전술한 평면내 감지 전극(124)에 대응하는 4개의 평면내 감지 전극(130, 132, 134, 136)이 도시된다. 평면내 감지 전극(130, 132, 134, 136)은 복수의 콤 핑거쌍(128)을 형성하기 위하여 관성 질량체(102)의 대응하는 콤 핑거와 인터리버되는 콤 핑거를 갖는다. 또한, 전술한 평면내 감지 전극(126)에 대응하는 4개의 평면내 감지 전극(138, 140, 142, 144)이 도시된다. 또한, 평면내 감지 전극(138, 140, 142, 144)은 복수의 콤 핑거쌍(128)을 형성하기 위하여 관성 질량체(104)의 대응하는 콤 핑거와 인터리버되는 콤 핑거를 갖는다.2 illustrates sensing
도시된 평면내 감지 전극(130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144)은 4개의 핑거 쌍(128)만을 개념적으로 도시한다. 실제 구성에서는, 평면내 감지 전극(130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144)은 더 많은 콤 핑거 쌍(128)을 가질 수 있다. 또한, 개념적인 도시를 위하여, 평면내 감지 전극(130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144)은 상대적으로 큰 전극으로서 도시된다. 다양한 실시예들은 관성 질량체(102)에 용량성으로 결합된 도시된 4개의 평면내 감지 전극(130, 132, 134, 136) 및 관성 질량체(104)에 용량성으로 결합된 도시된 4개의 평면내 감지 전극(138, 140, 142, 144)보다 더 많거나 또는 더 적게 가질 수 있다. 또한, 제조된 다양한 모든 평면내 전극은 도시된 것보다 상대적으로 더 작을 수 있다.The in-
또한, 관성 센서(100)의 실시예들은 간결함을 위하여 도면에서는 도시되지 않은 다른 감지 전극들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 픽오프(pick-off) 감지 전극이 관성 질량체(102, 104)에 유도된 모터 운동(motor motion)을 감지하기 위하여 포함될 수 있다.In addition, embodiments of the
도 3은 관성 질량체(102)의 콤과 인터리브되고 용량성으로 결합된 구동 전극(146)을 도시하는 관성(100) 센서의 예시적인 실시예에 대한 상면도이다. 구동 전극(146)은 관성 질량체(102, 104)의 전술한 모터 운동을 유도한다.3 is a top view of an exemplary embodiment of an inertial 100 sensor showing
도 4는 2개의 관성 질량체(102, 104), 각각 상부 전극과 하부 전극을 갖는 4개의 평면외 전극쌍(감지 전극(106, 108), 감지 전극(110, 112), 감지 전극(114, 116), 감지 전극(118, 120)), 평면내 감지 전극(130, 134, 138, 142)을 도시하는 관성 센서(100)의 예시적인 실시에의 측면도이다. 또한, 관성 질량체(102, 104)의 내부에 있는 구동 전극(146)이 도시된다.4 shows four out-of-plane electrode pairs (sensing
도 5는 평면내 자이로 감지를 도시하는 개념도이다. 도시된 바와 같은 회전(Y 축에 대한, 도 1 참조)은 관성 질량체(102, 104)에서 페이지를 기준으로 안으로 그리고 그 바깥으로의(Z 축, 도 1 참조) 운동을 유도한다. 아래에서 설명되는 바와 같이 복수의 평면외 감지 전극쌍은 관성 센서(100)의 도시된 회전을 감지한다.5 is a conceptual diagram illustrating in-plane gyro detection. Rotation as shown (relative to FIG. 1, relative to the Y axis) induces movement in and out of the
도 6은 평면외 자이로 감지를 도시하는 개념도이다. 도시된 바와 같은 회전(Z 축에 대한, 도 1 참조)은 관성 질량체(102, 104)에서 운동(Y 축을 따라, 도 1 참조)을 유도한다. 아래에서 설명되는 바와 같이 복수의 평면외 감지 전극쌍은 관성 센서(100)의 도시된 회전을 감지한다.6 is a conceptual diagram illustrating out-of-plane gyro detection. Rotation as shown (relative to FIG. 1, relative to the Z axis) induces motion (along FIG. 1, along the Y axis) in the
도 7은 평면외 선형 가속 감지를 도시하는 개념도이다. 도시된 바와 같은 선형 가속(Z 축을 따라, 도 1 참조)은 관성 질량체(102, 104)에서 반대 방향으로의 운동(역시 Z 축을 따라, 도 1 참조)을 유도한다. 아래에서 설명되는 바와 같이 하나 또는 그 이상의 평면내 감지 전극쌍은 관성 센서(100)의 도시된 회전을 감지한다.7 is a conceptual diagram illustrating out-of-plane linear acceleration sensing. Linear acceleration as shown (see FIG. 1 along the Z axis) induces movement in the opposite direction in the
도 8은 평면내 선형 가속 감지를 도시하는 개념도이다. 도시된 바와 같은 선형 가속(Y 축을 따라, 도 1 참조)은 관성 질량체(102, 104)에서 관성 센서(100)의 운동에 비하여 반대 방향으로 더 작은 크기를 갖는 운동(역시 Y축을 따라, 도 1 참조)을 유도한다. 아래에서 설명되는 바와 같이 하나 또는 그 이상의 평면내 감지 전극쌍은 관성 센서(100)의 도시된 가속을 감지한다.8 is a conceptual diagram illustrating in-plane linear acceleration sensing. Linear acceleration (shown along the Y axis, see FIG. 1) as shown is a motion with a smaller magnitude in the opposite direction relative to the motion of the
도 9 및 10은 2개의 직교하는 축에 대한 회전 속도를 측정하는 관성 센서(100)의 다른 실시예의 일부에 대한 예를 도시한다. 관성 센서(100)의 실시예의 일부는 2개의 튜닝 포크(tuning fork) 관성 질량체(24, 26), 모터 전하 증폭기(44), 감지 전하 증폭기(50), 처리 장치(54), 및 출력 장치(56)를 포함한다. 관성 질량체(24, 26)는 평면외 관성 질량체 운동에 민감한 평면외 전향력 감지 전극(40, 42)을 포함하는 기판의 상부에 배치된다. 또한, 센서(20)는 평면내 관성 질량체 운동에 민감한 복수의 인터리브된 콤 핑거를 포함하는 2개의 평면내 전향력 감지 전극(63)을 포함한다. 모터 드라이버 요소(60)는 구동 콤(62)에 전기적으로 연결된다. 모터 전하 증폭기(44)는 복수의 감지 콤(64)에 전기적으로 연결된다.9 and 10 show examples of some of other embodiments of
관성 질량체(24, 26)는 X 축 방향으로 공진하여 진동하도록 구동된다. 관성 질량체(24, 26)는 모터 드라이버 요소(60)에 의해 위상을 벗어나면서 진동하도록 구동된다. 관성 질량체(24, 26)의 마주보는 측에는 구동 감지 콤(64)의 핑거와 인터리브되는 핑거(빗살)가 있다. 모터 전하 증폭기(44)는 관성 질량체(24, 26)가 기계적 공진 주파수에서 구동되는 것을 보장하기 위하여 모터 드라이버 요소(60)를 통해 모터 구동 콤(62)에 전송되는 모터 드라이버 신호를 생성하는 처리 장치(54)로 모터 신호를 출력한다.The
Z 축(모터 운동에 대하여 직각인 방향)에 대한 회전에 의해 유도되는 Y 축 방향에서의 관성 질량체(24, 26)의 평면내 운동에 대한 커패시턴스의 변동 검출을 허용하기 위하여, 평면내 전향력 감지 전극(63)은 관성 질량체(24)의 모터 구동 콤(62) 및 구동 감지 콤(64)으로부터 비대칭이다.In-plane anti-force sensing electrode to allow detection of fluctuations in capacitance with respect to in-plane motion of the
제1 실시예에서, 관성 질량체(24, 26) 모두는 전압 신호를 처리 장치(54)로 출력하기 위하여 전하 증폭기(50)에 전기적으로 연결된다. 출력된 전압 신호는 처리 장치(54)에 의해 수신된다. 평면내 전향력 전극(63)에 인가된 전압 신호는 제1 주파수로 변조되며, 평면외 전향력 전극(40, 42)에 인가된 전압 신호는 제1 주파수와 다른 제2 주파수로 변조된다. 처리 장치(54)는 변조된 주파수 모두를 복조하는 복조기를 포함한다. 변조 주파수는 센서(20)의 기계적 공진으로부터 멀리 제거될 수 있다. 처리 장치(54)가 제1 주파수에 따라 수신된 신호를 복조한 후에, 처리 장치(54)는 회전 속도가 Z 축에 대하여 발생하였는지를 판단하기 위하여 복조된 신호를 분석한다. 다음으로, 처리 장치(54)는 Y 축에 대한 회전 속도를 판단하기 위하여 변조된 제2 주파수에서 수신된 신호를 복조한다. 판단된 회전 속도값은 출력 장치(56)를 통해 출력된다.In the first embodiment, both
도 11은 2개의 개별 축에 대한 회전 속도를 감지하는 다른 예시적인 시스템(70)을 도시한다. 시스템(70)은 도 9와 동일한 모터 드라이버 요소(60), 관성 질량체(24, 26), 전극(40a, 42a) 및 콤(62, 64)를 포함한다. 시스템(70)은 전극(40a, 42a)으로부터 그리고 평면내 감지 콤(63)으로부터 신호를 수신하는 처리 장치(54)를 포함한다. 본 예에서, 관성 질량체(24, 26)는 접지와같은 미리 정의된 전압에 바이어스된다. 일 실시예에서, 분리된 처리 장치(54)는 각 회전축에 대한 회전 속도값을 판단하기 위한 2개의 분리된 장치이다. 판단된 회전 속도값은 출력 장치(56)를 통해 출력된다.11 shows another
도 12는 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 실시예 에서 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.12 is a conceptual side view of one embodiment of an
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.In other embodiments,
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 평면외 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.In an exemplary embodiment of the
도시된 Z 축을 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, GURS)을 가로지르는 평면외 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서 실질적으로 동일한 변동 및 간극(GLLS, GLRS)을 가로지르는 평면외 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 평면외 전극쌍의 변동된 커패시턴스의 크기와 간극(GLLS, GLRS)을 가로지르는 평면외 전극쌍의 변동된 커패시턴스의 크기는 실질적으로 동일하다. 간극(GULS, GLLS, GURS, GLRS)이 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.Linear acceleration in the direction along the Z axis shown causes the
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 운동(반대 방향에서의)은 간극(GULS, GLRS)을 가로지르는 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서의 실질적으로 동일한 크기의 변동, 및 간극(GLLS, GLLS)을 가로지르는 전극쌍의 전극-관성 질량체 커패시턴스에서의 실질 적으로 동일한 크기의변동을 발생시킨다. 회전은 커패시턴스에서의 감지된 차동 모드 변동으로부터 판단될 수 있다.Also, rotation in the direction around the Y axis shown causes the
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.As mentioned above, embodiments of the
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 전극쌍 에 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.The forward rebalance force is applied to the
도 13은 벡터(402)로서 도시된 인가된 초기화 재평형력(402)을 갖는 관성 센서(100)의 일 실시예에 대한 개념적인 측면도이다. 선택된 평면외 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.13 is a conceptual side view of one embodiment of an
예를 들어, 도 13에서 개념적으로 도시된 바와 같이, 관성 센서(100)를 제조하는 동안, 좌측 관성 질량체(102)는 평면외 전극 사이에서 자신의 설계된 이상적 위치(404)(본 명세서에서 미리 정해진 위치(404)로 서로 바꾸어 부를 수 있다)에 있지 않을 수 있다. 여기에서, 좌측 관성 질량체(102)는 간극(GULS, GLLS)이 실질적으로 동일하지 않도록 비이상적 위치(406)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 평면외 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.For example, as conceptually shown in FIG. 13, while manufacturing the
도 14는 (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 12 참조)로 복귀시키도록 동작할 것이다.14 is a conceptual side view of one embodiment of an
관성 질량체(102, 104)의 전술한 공통 모드 운동은 간극(GULS, GLLS)을 가로지르는 전극쌍 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 원래의 또는 미리 정해진 위치로 다시 재배치하기 위하여 선택된 전극쌍을 통해 인가될 수 있다. 선형 가속은 인가된 선형 가속도 재평 형력의 양으로부터 그리고/또는 커패시턴스에서의 감지된 공통 모드 변동으로부터 판단될 수 있다.The aforementioned common mode motion of the
도 15는 (Y 축 주위로의 회전 운동에 대응하는) 회전 벡터(602)에 의해 표시되는 인가된 회전을 갖는 관성 센서(100)의 일 실시예의 개념적인 측면도이다. 관성 질량체(102, 104)가 바깥쪽(벡터(114, 116) 참조)으로 이동할 때, 벡터(604, 606)로 도시된 관성력이 관성 질량체(102, 104)에 각각 가해진다. 따라서, 모터 구동 사이클의 이 부분 동안, 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. 모터 구동 사이클의 다음 부분 동안, 관성 질량체(102, 104)가 안쪽으로 운동할 때, 관성 질량체(102, 104)에 인가된 전술한 관성력은 반전한다(방향을 바꾼다). 굴곡부(302, 304)는 회전이 중지할 때 관성 질량체(102, 104)를 그 초기 위치(도 12 참조)로 복귀시키도록 동작할 것이다.15 is a conceptual side view of one embodiment of an
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, GLRS)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 질량 체(102, 104)를 자신의 원래의 또는 미리 정해진 위치로 다시 재배치하기 위하여 선택된 전극쌍을 통해 인가될 수 있다. 회전은 인가된 전향력 재평형력으로부터 그리고/또는 커패시턴스에서의 감지된 차동 모드 변동으로부터 판단될 수 있다.The aforementioned differential mode motion of
도 16은 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.FIG. 16 shows applied and sensed voltages for some of the embodiments of the
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.The applied voltage has three components that provide three functions: linear acceleration rebalance, rotation sense bias, and acceleration sense pickoff. The applied upper left sense plate voltage V ULS may be defined by Equation 1 below.
여기에서, VSB는 회전 감지를 위하여 인가된 감지 바이어스 전압(DC 바이어스 전압)이다. VA는 인가된 선형 가속도 재평형력 전압이다. Vp는 가속 감지를 위한 인가된 AC 픽오프 전압이다. 그리고, ωp는 인가된 AC 픽오프 전압(Vp)의 주파수이다. 전류 iSPO는 관성 질량체(102, 104)의 위치에서의 불평형으로부터 발생된다.Here, V SB is a sense bias voltage (DC bias voltage) applied for rotation sensing. V A is the linear acceleration rebalance force voltage applied. V p is the applied AC pickoff voltage for acceleration sensing. And ω p is the frequency of the applied AC pickoff voltage V p . The current i SPO arises from an unbalance at the position of the
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.The applied lower left sense plate voltage (V LLS ), the applied upper right sense plate voltage (V URS ), and the applied lower right sense plate voltage (V LRS ) are defined by the following equations (2), (3) and (4), respectively. Can be.
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.Where V Ω is the V SPO portion proportional to the rotational motion, V Q is the orthogonal component of V Ω , V CM is the V SPO portion proportional to the common mode motion (generated by linear acceleration), and ω pm is The motor frequency applied.
도 17은 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 모드 운동에 대하여 사용되는 전류(또는 전압)를 주입하는데 사용될 수 있다.17 shows the applied voltage and sense voltage for some of one embodiment of
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.Electrode pairs 210 and 218 provide a forward force rebalance force to
전극(210)에 의해 인가된 VCUL에 대응하는 전향력 재평형력은 다음의 수학식 6에 의해 정의될 수 있다.The forward force rebalance force corresponding to V CUL applied by the
여기에서, VCOR은 전향력 전압이고, ωmt/2는 관성 질량체(102, 104)의 모터 주파수의 반주파수이다.Where V COR is the forward voltage and ω m t / 2 is the half frequency of the motor frequency of the
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.A forward force rebalance force corresponding to V CLL applied by
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 12 내지 17에 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.Some embodiments may apply an optional orthogonal rebalance force through the
도 18은 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 항의 주파수가 (ωp+ωm/2)보다 더 높기 때문에 회전력과 선형 가속력 사이의 기생 커플링 효과가 줄어들 수 있다.18 shows applied and sensed voltages for another embodiment of
증폭기 시스템(902)은 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 19는 관성 센서(100)의 일 실시예의 일부에 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.19 is a block diagram illustrating an example implementation of a
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.The
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 2개의 축의 선형 가속과 2개의 축의 회전을 감지하기 때문에, 적절히 배향된다면, 종래의 관성 측정 유닛에서 사용된 3개의 자이로스코프와 3개의 가속도계가 아니라 2개의 관성 센서(100)가 하나의 관성 측정 유닛을 구축하는데 사용될 수 있다.Embodiments of the
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.As described above, although the preferred embodiment of the present invention has been illustrated and described, many changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the scope of the invention is not limited by the disclosure of the preferred embodiment. Instead, the invention should be determined entirely with reference to the following claims.
바람직한 실시예 및 다른 실시예가 다음의 도면을 참조하여 상술되었다:Preferred and other embodiments have been described above with reference to the following drawings:
도 1은 관성 센서의 일 실시예의 일부에 대한 전극 및 관성 질량체의 개념적인 사시도이다;1 is a conceptual perspective view of an electrode and an inertial mass for a portion of one embodiment of an inertial sensor;
도 2는 관성 센서의 예시적인 일 실시예에 대한 상면도이다;2 is a top view of one exemplary embodiment of an inertial sensor;
도 3은 2개의 관성 질량체와 인터리브된 콤을 갖는 구동 전극을 예시하는 관성 센서의 예시적 실시예에 대한 상면도이다.3 is a top view of an exemplary embodiment of an inertial sensor illustrating a drive electrode having a comb interleaved with two inertial masses.
도 4는 관성 센서의 예시적인 실시예의 측면도이다;4 is a side view of an exemplary embodiment of an inertial sensor;
도 5는 평면내 자이로 감지를 예시하는 개념도이다;5 is a conceptual diagram illustrating in-plane gyro sensing;
도 6은 평면외 자이로 감지를 예시하는 개념도이다;6 is a conceptual diagram illustrating out-of-plane gyro sensing;
도 7은 평면외 선형 가속도 감지를 예시하는 개념도이다;7 is a conceptual diagram illustrating out-of-plane linear acceleration sensing;
도 8은 평면내 선형 가속도 감지를 예시하는 개념도이다;8 is a conceptual diagram illustrating in-plane linear acceleration sensing;
도 9는 관성 센서의 실시예의 일부에 대한 상면도를 도시한다;9 shows a top view of a portion of an embodiment of an inertial sensor;
도 10은 도 9의 시스템의 부분 단면도를 도시한다;10 shows a partial cross-sectional view of the system of FIG. 9;
도 11은 2개의 분리된 축에 대한 회전 속도를 감지하기 위한 다른 예시적인 시스템(70)을 도시한다;11 shows another
도 12는 관성 센서의 일 실시예의 일부에 대한 개념적인 측면도이다;12 is a conceptual side view of a portion of one embodiment of an inertial sensor;
도 13은 인가된 초기화 재평형력을 갖는 관성 센서의 일 실시예의 일부에 대한 개념적인 측면도이다;FIG. 13 is a conceptual side view of a portion of one embodiment of an inertial sensor with applied reset rebalance force; FIG.
도 14는 인가된 선형 가속도를 갖는 관성 센서(100)의 일 실시예의 일부에 대한 개념적인 측면도이다;14 is a conceptual side view of a portion of one embodiment of an
도 15는 인가된 회전을 갖는 관성 센서(100)의 일 실시예의 일부에 대한 개념적인 측면도이다;15 is a conceptual side view of a portion of one embodiment of an
도 16은 관성 센서의 일 실시예의 일부에 대한 인가 전압 및 감지 전압을 도시한다; 16 shows applied and sensed voltages for some of one embodiment of an inertial sensor;
도 17 및 18은 관성 센서의 실시예들에 대한 인가 전ㅇ바 및 감지 전압을 도시한다; 그리고,17 and 18 show the sensing voltage and sensing voltage before embodiments of the inertial sensor; And,
도 19는 관성 센서의 일 실시예에 연결된 디지털 신호 처리 시스템의 예시적인 구현예를 도시하는 블록도이다.19 is a block diagram illustrating an example implementation of a digital signal processing system coupled to one embodiment of an inertial sensor.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100: 관성 센서100: inertial sensor
102: 좌측 관성 질량체102: left inertial mass
104: 우측 관성 질량체104: right inertia mass
106, 108, 114, 116: 전극106, 108, 114, 116: electrode
702: 증폭기 시스템702: amplifier system
1002: 처리 시스템1002: processing system
1010, 1014, 1018: 로우 패스 필터1010, 1014, 1018: low pass filter
1012, 1016, 1020: PID 제어기1012, 1016, 1020: PID controller
Claims (10)
Priority Applications (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101482378B1 (en) * | 2013-02-26 | 2015-01-13 | 삼성전기주식회사 | Micro Electro Mechanical Systems device |
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2009
- 2009-04-01 KR KR1020090028120A patent/KR20090107932A/en not_active Application Discontinuation
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