KR20130073920A - 향상된 에이징 특성을 갖는 각속도 센서 - Google Patents

Abstract

향상된 에이징과 히스테리시스 특성을 갖는 각속도 센서가 기술된다. 센서는 드라이버 회로에 의해 구동되는 링형일 수 있고, 센서는 대응하는 신호 픽오프를 갖는 1차 부분과 2차 부분을 더 포함한다. 1차 픽오프 신호의 이득 및 센서의 1차 부분의 정전용량은 2차 픽오프 신호의 이득 및 센서의 2차 부분의 정전용량을 기준으로 하여 제어된다. 각각의 채널로부터 상대적 신호를 정합시킬 수 있도록 하는 제어 전자장치가 제공된다. 그래서, 센서 형성에 사용되는 재료의 온도 히스테리시스와 에이징 영향이 극복된다.

Description

향상된 에이징 특성을 갖는 각속도 센서{ANGULAR RATE SENSOR WITH IMPROVED AGEING PROPERTIES}

본 발명은 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은, 관성 센서(inertial sensor), 예를 들어, 선속도 성분이 먼저 형성되고 속도 의존성 코리올리 힘이 이 속도의 함수인 코리올리 자이로스코프와 같은 센서에 관한 것이지만, 이에만 제한되지는 않는다.

많은 유형의 관성 센서가 알려져 있다. MEMS형 링을 탑재한 각속도 센서가 알려져 있고 이러한 예는, 예를 들어, GB2322196에서 볼 수 있다. 이러한 각속도 센서에서 진동하는 평탄한 링 또는 후프(hoop)-유사 구조가 개시되어 있다. 링-유사 구조는 회전 속도(turning rate), 선형 가속도 및 각가속도를 검출하기 위해 적합한 지지 마운트(mount)에 의해 공간 내에 매달려 있다. 회전 속도는 코리올리 힘에 의해 결합된 진동을 검출함으로써 감지되며, 선형 가속도 및 각가속도는 전체 링 또는 이의 마운트 내에서 후프-유사 구조의 횡, 수직 및 요동 운동에 의해 감지된다.

이러한 센서는 센서에 의해 제어되는 자극으로부터 도출되는 신호를 정확하게 측정할 것이 요구된다. 코리올리 자이로스코프의 경우, 선속도는 트랜스듀서에 의해 셋업되고 제어되며 속도 응답은 '유사한' 트랜스듀서에 의해 측정된다.

전형적으로 MEMS 링형 구조는 결정질 실리콘으로부터 형성되며 티탄산 지르콘산납(PZT) 재료로 형성된 트랜스듀서를 탑재한다. PZT 재료는 저가의 MEMS 센서 용도에서 트랜스듀서 기술로서 사용될 때 신호 레벨(및 따라서 신호 대 잡음 비 레벨) 면에서 현저한 이점이 있다. 그러나, PZT는 다른 트랜스듀서 기술{유도성, 용량성(capacitive)}에 비해 본질적인 에이징 및 온도 드리프트를 안고 있다. 온도 영향에 기인한 이득 변동은 속도 센서 스케일팩터가 변동되게 할 수 있고 이 오류는 독립적인 온도 센서를 사용함으로써 보상될 수 있으나 에이징은 일반적으로 제한 인자이다. 또한, 트랜스듀서의 위상 정밀도는 요구되는 속도 신호에 대해 90도 (전기적인) 위상에 있고 전형적으로 크기가 3자리수 더 큰 매우 큰 쿼드래처 편향(quadrature bias) 신호의 존재에 기인하여 전체 속도 센서의 편향(제로 오프셋)을 결정함에 있어 주된 오류이다. 위상은 PZT 재료 특징, 특히 정전용량에 의해 영향을 받으며 큰 온도 및 에이징에 관계되어 드리프트된다. 이러한 모든 문제의 결과는 MEMS 센서에서 PZT 트랜스듀서의 사용은 제한되며 PZT이 일반적으로 저 성능 응용에서만, 또는 짧은 기간 동안 안정성이 요구되는 경우, 예를 들어, GPS 이용 내비게이션 시스템에서만 사용된다는 것이다.

본 발명에 따라, 향상된 히스테리시스(hysteresis)와 에이징(ageing) 특성을 갖는 각속도 센서가 제공되는데, 센서는 1차 센서 요소와 2차 센서 요소를 포함하고, 센서는 1차 요소와 2차 요소에 연결된 1차 채널과 2차 채널을 더 포함하며, 1차 채널은 1차 요소에서 공진 발진을 개시하여 유지하기 위한 1차 드라이버 수단을 포함하며, 2차 채널은 센서의 운동에 응하여 2차 요소에 의해 발생한 신호를 검출하기 위한 검출기 수단을 포함하며, 검출 수단은 센서의 운동에 따르는 출력 신호를 발생하며, 센서의 1차 요소와 2차 요소는 센서 재료의 열화가 1차 채널과 2차 채널의 이득에 영향을 미치지 않게 서로 다른 부피의 재료로 의도적으로 형성되는, 각속도 센서가 제공된다.

본 발명의 추가 양상에 따라, 센서 트랜스듀서 재료에서 히스테리시스와 에이징을 극복하는 방법에 있어서, 센서 내에서 2차 트랜스듀서의 재료 부피에 대해 센서 내에서 1차 트랜스듀서의 재료 부피를 증가시키는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다.

첨부 도면을 참조하여 이제 발명이 기술될 것이다.

본 발명은, 관성 센서, 예를 들어, 선속도 성분이 먼저 형성되고 속도 의존성 코리올리 힘이 이 속도의 함수인 코리올리 자이로스코프와 같은 센서를 제공하는 효과를 갖는다.

도 1은, 에이징 히스테리시스를 보상하기 위해서 트랜스듀서 및 제어 전자장치가 수정될 수 있는 센서 및 제어 전자장치를 나타낸 각도 센서의 개략도.
도 2는, 한 가지 형태의 발명을 탑재하게 수정될 수 있는 도 1의 센서의 부분을 더 상세히 나타낸 개략도.
도 3a는, 트랜스듀서가 완벽하고 이상적으로 정합된 한 가지 형태의 발명에 따른 도 2의 트랜스듀서 및 증폭기 정합 요소의 개략도.
도 3b는, 트랜스듀서가 오정합된, 즉, 1차 트랜스듀서의 이득이 2차 트랜스듀서의 이득의 1/150인 또 다른 형태의 발명에 따른 도 1의 트랜스듀서와 증폭기의 개략도.
도 3c는, 트랜스듀서가 오정합된, 즉, 1차 증폭기의 이득이 2차 증폭기의 이득의 1/150인 또 다른 형태의 발명에 따른 도 1의 트랜스듀서와 증폭기의 개략도.
도 3d는, 트랜스듀서와 증폭기가 오정합된, 즉, 1차 트랜스듀서의 이득이 2차 트랜스듀서의 이득의 1/10이고 1차 증폭기의 이득이 2차 증폭기의 이득의 1/15인 또 다른 형태의 발명에 따른 도 1의 트랜스듀서와 증폭기의 개략도.
도 3e는, 트랜스듀서와 증폭기가 오정합된, 즉 1차 트랜스듀서의 이득이 2차 트랜스듀서의 이득의 1/10이고 1차 증폭기의 이득이 2차 증폭기의 이득의 1/15이며 시스템의 정전용량이 트랜스듀서 재료의 패딩에 의해 변화되는 또 다른 형태의 발명에 따른 도 1의 트랜스듀서와 증폭기의 개략도.
도 4a와 도 4b는, 특정 위치에 트랜스듀서 요소의 패딩을 보인 상술된 트랜스듀서 요소의 개략도.

도 1에 도시된 바와 같이, 각속도 센서의 MEMS 링 구조(1)는, 공통 축을 중심으로 뻗어있는 내부 주변부(2)와 외부 주변부(3)를 포함하고, 이에 따라 드라이브와 픽오프(pickoff)는 차동적으로 동작한다. 본 발명은 1차 픽오프와 2차 픽오프가 동일하고 개개의 드라이브 및 픽오프 트랜스듀서가 차동인 것에 의존하지 않음을 알게 될 것이다. 센서가 지지체(도시되지 않음) 상에서 진동하도록 하는 압전 1차 드라이브 수단(4)이 제공된다. 지지체는 센서를 지지하고 이것이 실질적으로 비감쇠 진동(undamped oscillation) 모드에서 압전 1차 드라이브 수단 입력에 응답하여 진동할 수 있게 하기 위한 복수의 유연한 지지 빔(beam)(미도시)을 포함할 수 있다. 이것은 센서를 포함하는 시스템의 회전 속도에 응하여 공진기가 지지 수단에 관하여 이동할 수 있게 한다.

검출 회로(5)가 제공되고 이에 일련의 신호(6)가 센서로부터 입력된다. 센서에 의해 출력된 신호는 1차 픽오프 신호(6a) 및 2차 픽오프 신호(6b)를 포함하며, 트랜스듀서 판(plate)은 신호가 차동 형태를 갖도록 배열된다. 이러한 신호는 센서의 1차 부분과 2차 부분으로부터 출력된다.

1차 픽오프 차동 트랜스듀서 신호는 캐리어 주파수의 저 잡음 차동 정현 출력 신호를 제공하기 위해 고 레벨의 이득을 제공하는 차동 차지(charge) 증폭기(1차 픽오프 증폭기)(7)에 입력된다. 이어서, 이 신호는 1차 픽오프 증폭기 출력이 제어된 고정된 레벨 상에 있게 하기 위해서 MEMS에 인가되는 드라이브의 레벨을 설정하기 위해 1차 드라이버 회로(1)에 제어 신호를 제공하게 동기 검출기(8)에 보내져 적합히 필터링된다. 1차 픽오프 증폭기(7)의 출력은 동기 검출기(8)를 위한 클럭을 제공하기 위해 픽오프 신호에 고정(lock)시키는 1차 위상 고정 루프(PLL) 및 전압 제어 발진기(VCO)(10)에도 인가된다. 1차 픽오프 증폭기(7)의 출력은 신호를 2배만큼 증폭하고 차동 신호의 위상을 90°만큼 이동시키는 1차 위상 이동 회로(11)에도 인가된다. 위상 이동 회로(11)의 출력은 위상 이동 회로(11)의 차동 정현 출력을 AGC 제어 신호로 곱하여 차동 MEMS 드라이버 파형을 생성하는 1차 드라이버 회로(1)에 인가된다.

2차 픽오프 차동 트랜스듀서 신호는 속도 채널 동기 검출기(14)를 포함하는 2차 채널에 입력된다. 동기 검출기는 2차 응답 차동 신호의 진폭을 기준으로 한 오프셋을 출력하며 이것은 이어 필터링되고 속도 출력 신호 상에 싱글 엔드(single ended) 오프셋으로 전환되어 ADC(15)에 입력된다. ADC는 센서의 운동을 나타내는 신호를 출력한다.

속도 측정 채널{2차 픽오프(6b)}에서 임의의 오차는 이 시스템 아키텍처에 1차 픽오프 채널(6a와 7)에서 유사한 오차에 의해 상쇄될 수 있다. 그러므로, 에이징과 히스테리시스의 영향이 제거될 수 있다. 도 2는 구현을 최적화하는데 있어 고찰되어야 하는 기능을 도시한다.

도 3a는, 2차 (속도 감지 채널) 이득과 1차 {여기(excitation) 채널} 이득이 이상적인 이상적으로 정합된 상태를 도시한 것이다. MEMS 트랜스듀서 또는 전자부품에 임의의 변동이 거의 완전하게(특히 고 집적 ASIC/MEMS 구현에서) 정합될 수 있다.

불행히도, 임의의 실제 응용에서 이득은 전형적으로 2차 채널과 1차 채널 사이에 매우 다르고(150:1), 이것은 정합을 매우 어렵게 한다. 도 3b와 도 3c는 MEMS 트랜스듀서 이득을 스케일링하거나(도 3b) 전자 증폭기 이득을 스케일링함으로써(도 3c) 이러한 이득 차이를 이루는 2가지 극단적인 경우를 도시한다. MEMS 트랜스듀서의 큰 정전용량은 전자장치의 성능이 MEMS에 의해 영향을 받고 그 반대도 그러함을 의미하기 때문에 이러한 두 극단적인 경우의 어느 것도 실제 해결책을 제공하지 않는다.

도 3d는, 이득 차이가 MEMS 트랜스듀서와 전자 증폭기 사이에 공유될 때 더욱 실질적인 해결책을 도시한 것이다. 주된 오차는 여전히 트랜스듀서(피에조 재료) 정전용량 오정합이고, 이것은 트랜스듀서 이득과 유사한 방식으로 에이징 및 온도 변화를 받지만 이것은 전자 증폭기의 성능에 직접적으로 영향을 미치고 이에 따라 추가 오차를 일으킨다.

사용시, 1차 요소 상에 운동의 진폭은 2차 요소보다 훨씬 더 크고, 이에 따라 1차 피에조 트랜스듀서 이득은 현저하게 작을 필요가 있으며 이것은 물리적으로 더 작게 만들지만 일반적으로 두께 및 폭을 정합시킴으로써 이루어진다.

각속도에 비례하는 2차 운동이 있는 개루프 센서에 있어서, 자이로스코프의 스케일팩터는 2차 픽오프 신호 대 1차 픽오프 신호의 비에 따른다. 이에 따라, 1차까지 스케일팩터는 1차 및 2차 트랜스듀서의 유사한 이득 변동과 무관하다. 사용된 재료의 특성에 기인하여 있을 수 있는 바와 같이 1차 및 2차 트랜스듀서가 서로 상이하게 에이징되면, 스케일팩터에 순 변화가 있을 것이다.

전자장치에 임의의 이득차가 있는데, 2차 이득이 1차 이득보다 크다. 그러나, 전단(front end) 전자장치의 이득은 트랜스듀서의 소스 정전용량에 따른다. 그러므로, 유효 전자장치의 이득은 피에조 정전용량이 1차와 2차 사이에 정합된 경우, 1차와 2차 피에조 트랜스듀서의 이득차가 있는 가운데 1차 채널과 2차 채널 사이에 정합될 수 있다.

한 가지 형태의 발명에서 기술된 바와 같이, 이것은 어떠한 이득도 추가하지 않고 단지 정전용량만을 추가하는 1차 트랜스듀서의 가외의 패딩된 정전용량에 의해 달성될 수 있다.

이에 따라, 전자장치의 이득이 두 채널 사이를 따라가게 이득차가 있는 가운데 1차 정전용량과 2차 정전용량이 정합될 수 있다. 마찬가지로, 피에조 트랜스듀서는 이득의 비가 일정한 상태로 있을 때 피에조가 에이징됨에 따라 따라갈 것이다.

이에 따라, 개루프 진동 자이로스코프의 스케일팩터는 아래에서 더욱 상세히 기술되는 바와 같이 피에조 재료의 에이징과 히스테리시스에 반하여 안정화될 수 있다.

한 가지 형태의 발명에 따라, 도 3e에 도시된 바와 같이, 해결책은 먼저 트랜스듀서를 매우 작게 만들고(전형적으로 KS/10), 이어서 기계적 스트레스를 받지 않는 영역 상에 추가의 PZT 재료로 트랜스듀서 정전용량을 '패딩'함으로써 1차 이득(Kp)을 최소화하는 것이다. 이것은 신호가 생기게 하는 것이 아니라(따라서 KP << KS), 정전용량 (CS = Cp)을 동등하게 할 것이므로, 동일한 소스 임피던스가 전자 증폭기에 나타나게 된다. 이에 따라, 트랜스듀서의 초기 정전용량이 정합되고, 더 중요하게는 정전용량의 에이징 특징 또한 정합될 것이다. 따라서, 전자 증폭기에 미치는 영향도 정합되어 다른 오차의 유발을 방지할 것이다. 여전히 기본적인 전자적인 수행의 오정합을 최소화하기 위해 증폭기(서로 다른 이득을 갖는)를 최소화해야 하는 요건이 있을 것이지만, 이것은 MEMS 오차와 무관하게 행해질 수 있다.

신호 처리 전자장치는 전체 이득이 KS = 150*KP이 되도록 하기 위해 서로 다른 이득을 가질 수 있다. 그러면, 전자장치의 위상과 이득 정확성은 증폭기의 개루프 이득 비가 폐루프 이득 비에 정합되도록 하여 정전용량 변화 또는 증폭기 이득 변화에 대한 감도를 두 트랜스듀서에 대해 정합되게 함으로써 정합될 수 있다.

이렇게 하여, MEMS 속도 자이로스코프에서의 에이징 PZT 에이징 및 온도 히스테리시스 영향이 극복된다.

발명이 위에 기술된 유형의 PZT 압전 트랜스듀서를 사용한 각속도 센서에 관련하여 기술되었을지라도, PZT 이외의 피에조 재료에도, 또한, 전체 센서가 센서의 동작점을 설정하기 위해 유사한 트랜스듀서가 사용될 것을 요구한다면, 용량성 또는 유도성과 같은 다른 형태의 변환(transduction)에도 마찬가지로 적용될 수 있음을 알 것이다.

또한, 위에 기술된 실시예가 링형 센서 요소를 갖는 센서를 개시하였지만, 요소가 위에 기술된 바와 같이 패딩될 수 있는 임의의 형태의 센서에 적용될 수 있음을 알 것이다.

또한, 기술된 트랜스듀서는 차동일 필요는 없고(도 1에 도시된 바와 같이) 임의의 적합한 형태일 수 있음을 알 것이다.

또한, 위에 기술된 실시예는 1차 채널과 2차 채널 사이에 1/150의 이득을 구체화하며, 이것은 실제 시스템에서 요구되는 차이의 단지 한 가지 예이고 이론적 모델이 아님을 알 것이다. 본 발명은 이득이 1:1이 아닌 임의의 시스템에도 적용될 것이며 이득차가 클 때 특히 중요하다.

또한, 변환(transduction)을 위해 사용되는 임의의 벌크 재료, 예를 들어, 피에조 저항은 위에 기술된 발명으로부터 이익을 얻게 것이다.

Claims (8)

1. 향상된 히스테리시스(hysteresis)와 에이징(ageing) 특성을 갖는 각속도 센서(angular sensor)로서,
   상기 센서는 1차 센서 요소와 2차 센서 요소를 포함하고, 상기 센서는 상기 1차 요소와 2차 요소에 연결된 1차 채널과 2차 채널을 더 포함하며, 상기 1차 채널은 상기 1차 요소에서 공진 발진(resonant oscillation)을 개시하고 유지하기 위한 1차 드라이버 수단을 포함하고, 상기 2차 채널은 상기 센서의 운동에 응하여 상기 2차 요소에 의해 발생한 신호를 검출하기 위한 검출기 수단(detector means)을 포함하며, 상기 검출 수단은 상기 센서의 상기 운동에 따르는 출력 신호를 발생하는, 각속도 센서에 있어서,
   상기 센서의 상기 1차 요소와 2차 요소는, 상기 센서 재료의 열화(deterioration)가 상기 1차 채널과 2차 채널의 상기 이득(gain)에 영향을 미치지 않도록 서로 다른 부피의 재료로 의도적으로 형성되는, 각속도 센서.
2. 제 1항에 있어서, 1차 트랜스듀서(transducer) 요소의 정전용량은 1차 트랜스듀서 요소가 형성되는 증가된 부피의 재료에 의해 2차 트랜스듀서 요소의 정전용량에 관하여 가변되는, 각속도 센서.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 트랜스듀서 요소는 임의의 적합한 압전 재료(piezoelectric material)로 형성되는, 각속도 센서.
4. 제 3항에 있어서, 상기 압전 재료는 티탄산 지르콘산납(Lead Zirzonate Titanate)(PZT)인, 각속도 센서.
5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 트랜스듀서 재료 부피의 변화는 1차 및 2차 채널 전자장치에서 오정합(mismatch)을 보상하는, 각속도 센서.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 링형인, 각속도 센서.
7. 센서 트랜스듀서 재료에서 히스테리시스와 에이징을 극복하는 방법에 있어서,
   상기 센서 내에서 2차 트랜스듀서의 재료 부피에 대해 센서 내에서 1차 트랜스듀서의 재료 부피를 증가시키는 단계를
   포함하는, 히스테리시스와 에이징을 극복하는 방법.
8. 첨부된 개략도를 참조하여 상술된 센서 또는 방법.

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