KR20180058636A - 용량성 가속도계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가속도 값을 측정하기 위한 용량성 가속도계 (1) 에 관련된다. 가속도계는: 제 1 전극 (5); 제 2 전극 (7); 제 1 및 제 2 전극들 사이에 배열되고, 제 1 전극과 제 1 커패시턴스 값을 가진 제 1 커패시터 (11), 및 제 2 전극과 제 2 커패시턴스 값을 가진 제 2 커패시터 (13) 를 형성하는 제 3 의 이동 전극 (9) 으로서, 제 3 전극은 용량성 가속도계가 가속도를 받을 때 변위되도록 배열되어 전하로 변환가능한 제 1 및 제 2 커패시턴스들 사이의 커패시턴스 차이 값을 생성하도록 배열되는, 상기 제 3 의 이동 전극 (9); 제 1 전극에 제 1 전압 값, 제 2 전극에 제 2 전압 값 그리고 제 3 전극에 제 3 전압 값을 선택적으로 인가하기 위한 것이고, 그리고 제 3 전극에 작용하는 정전기력을 생성하도록 배열된 제 1 전압 소스 (23) 및 제 2 전압 소스 (25) 를 포함한다. 제 1, 제 2 및/또는 제 3 전압 값들은 가속도를 측정하기 위하여 전하를 수집하기 위해 전하 이동 동안 인가되도록 배열된다. 가속도계는 변경된 전하 이동 레이트로 인한 미싱 정전기력을 보상하기 위한 정전기력 보상 수단 (37) 을 포함하고, 그 보상량은 변경된 전하 이동 레이트에 의존한다.

Description

용량성 가속도계{CAPACITIVE ACCELEROMETER}
본 발명은 가속도를 측정하기 위한 용량성 가속도계에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 용량성 가속도계를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다.
용량성 가속도계는 용량성 센싱 기법들을 이용하여 (표면에 대한) 가속도를 측정하는 가속도계 디바이스이다. 그것은 장비 또는 디바이스들에 대한 가속도를 센싱 및 레코딩하는 능력을 갖고 이 가속도를 전류 또는 전압으로 컨버팅한다. 용량성 가속도계들은 또한 때때로 진동 센서들로 지칭된다. 그들은 전자 회로부에 연결된 용량성 마이크로-전기-기계 시스템 (micro-electro-mechanical system; MEMS) 엘리먼트를 포함한다. 전자 회로부에 의해 공급될 때, MEMS 엘리먼트는 그 가속도로 인한 결과의 힘을 전기 신호로 컨버팅할 것이며, 그 전기 신호는 차례로 전자 회로부에 의해 증폭되고, 주어진 애플리케이션에 유용한 신호 (예를 들어, 가속도의 디지털 표현) 로 컨버팅된다. 용량성 MEMS 가속도계들에서, 신호는 가속도의 존재 시에 MEMS 커패시턴스의 변화로 인한 것이다. 용량성 가속도계들은 자동차들에서의 에어백 전개 센서들, 휴먼 컴퓨터 상호작용 디바이스들 및 스마트폰들과 같이, 컴퓨테이션 및 커머셜 애플리케이션들에서 폭넓게 구현된다.
용량성 가속도계들은 통상적으로 완벽하지 않은 제조 프로세스로 인한 일부 제조 결함들을 갖는다. 예를 들어, 용량성 가속도계들은 통상적으로 하나의 용량성 가속도계에서 다른 것까지 가변하는 일부 기생 커패시턴스 값들을 포함한다. 더욱이, 가속도에 의해 생성된 커패시턴스를 측정할 때, 정전기력이 종종 생성되며, 이는 측정된 가속도 값의 정확성에 부정적인 영향을 미친다. MEMS 출력 유용한 신호를 저하시킴 없는 정전기력 영향의 소거 (cancellation) 는 어드레싱될 주요한 도전과제들 중 하나이다. 본 발명의 목적은 신호 대 잡음비를 최적화하는 MEMS 여기 전략을 이용할 때 정전기력 영향 소거를 허용하는 것이다.
더욱이, 본 발명의 목적은 용량성 가속도계에서 가속도에 의해 생성된 유용한 신호에 중첩되는 기생 신호를 생성하는 정전기력의 영향을 극복하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 청구항 1 에 열거한 바와 같은 용량성 가속도계가 제공되어 있다.
제안된 새로운 솔루션은, 미싱 (missing) 전하 이동으로 인한 (즉, 미싱 커패시턴스 측정으로 인한) 미싱 정전기력이 전하 이동의 빈도 (frequency) 와 관계없이 신뢰가능하게 보상될 수 있다는 이점을 갖는다. 이것은 용량성 가속도계의 용이하고 신뢰가능한 교정 (calibration) 을 보장한다. 가속도계의 커패시턴스 샘플링 레이트가 (측정을 타협하지 않고) 감소될 수 있기 때문에, 전력을 절약하는 것이 가능하다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 청구항 15 에 열거한 바와 같은 제 1 양태에 따른 용량성 가속도계를 동작시키기 위한 방법이 제공되어 있다.
본 발명의 다른 양태들은 그에 첨부된 종속항들에 열거되어 있다.
본 발명의 다른 피처들 및 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여, 비제한적 예시적인 실시형태의 다음의 설명으로부터 명백해질 것이며, 여기서:
도 1 은 본 발명의 하나의 예에 따른 용량성 가속도계를 예시하는 단순화된 블록 다이어그램이다;
도 2 는 도 1 의 용량성 가속도계를 예시하는 단순화된 블록 다이어그램이지만, 여기서 용량성 가속도계는 가속도를 받는다;
도 3 은 도 1 의 용량성 가속도계의 전극들 양단에 인가된 시간의 함수에 따른 예의 전압 값들을 예시하는 다이어그램이다;
도 4 는 도 1 의 용량성 가속도계에서 최대 듀티 사이클을 가진 전하 이동 동안 생성된 정전기력의 예의 값들을 예시하는 다이어그램이다;
도 5 는 도 4 의 듀티 사이클의 절반을 가진 전하 이동 동안 생성된 정전기력의 예의 값들을 예시하는 다이어그램이다;
도 6 은 도 1 의 용량성 가속도계에서 최대 듀티 사이클을 가진 전하 이동 동안 생성된 정전기력의 예의 값들을 예시하는 다이어그램이지만 여기서 정전기력은 하나의 전하 이동 주기 동안 일정하지 않다; 그리고
도 7 은 도 1 의 용량성 가속도계에서 미싱 정전기력을 보상하는 원리를 예시하는 2 개의 다이어그램들을 도시한다.
본 발명의 일 실시형태가 이제 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 본 발명은 2 개의 커패시터들을 포함하는 용량성 가속도계의 맥락에서 설명될 것이다. 그러나, 개시된 용량성 가속도계는 2 개의 커패시터들을 포함하는 솔루션에 제한되지 않는다. 상이한 도면들에 나타나는 동일한 또는 대응하는 기능적 및 구조적 엘리먼트들은 동일한 참조 번호를 할당받는다.
도 1 은 본 발명의 일 예에 따른, 용량성 가속도계 또는 가속도계로 단순히 지칭되는, 용량성 가속도계 시스템 또는 디바이스 (1) 를 예시한다. 용량성 가속도계 센서 (3) 로서 동작하는 마이크로-전기-기계 시스템 (MEMS) 이 도시되어 있다. 센서 (3) 는 제 1 전극 (5), 제 2 전극 (7) 및 제 3 전극 (9) 을 포함한다. 이 예에서, 모든 전극들은 플레이트 전극들, 이를 테면 금속 플레이트들이고, 제 3 전극 (9) 이 제 1 및 제 2 전극들 (5, 7) 사이에 위치되도록 서로 실질적으로 병렬로 배열된다. 더욱이, 이 예에 따르면, 제 1 및 제 2 전극들 (5, 7) 은 고정된 전극 (fixed electrode) 들이고, 즉, 그들은 정지되어 있는 한편, 제 3 전극 (9) 은 이동 전극 (mobile electrode) 이고, 즉 제 3 전극은 센서가 가속도를 받으면 변위되도록 배열된다. 그러나, 도 1 의 구성에서, 센서 (3) 는 어떤 가속도도 받지 않으며 그 결과 이동 전극 (9) 은 제 1 및 제 2 전극들 (5, 7) 사이에서 중앙에 위치된다. 이 예에서, 제 1 및 제 3 전극들 사이의 거리 (d1) 는 2㎛ 인 한편, 제 2 및 제 3 전극들 사이의 거리 (d2) 는 또한 2㎛이다. 제 1 및 제 3 전극들 (5, 9) 은 제 1 커패시턴스 (cs1) 를 가진 제 1 센싱 커패시터 (11) 를 함께 형성하는 한편, 제 2 및 제 3 전극들 (7, 9) 은 제 2 커패시턴스 (cs2) 를 가진 제 2 센싱 커패시터 (13) 를 함께 형성한다. 제 3 커패시턴스 (cps1) 를 가진 제 1 기생 센싱 커패시터 (15) 및 제 4 커패시턴스 (cps2) 를 가진 제 2 기생 센싱 커패시터 (17) 가 추가로 도시되어 있다. 2 개의 추가의 기생 커패시터들 (19, 21) 이 도시되어 있지만, 그들은 다음의 설명에서 생략될 수 있다.
제 1 전압 소스 (23) 는 제 1 및 제 3 전극들 (5, 9) 사이에 제공되는 한편, 제 2 전압 소스 (25) 는 제 2 및 제 3 전극들 (7, 9) 사이에 제공된다. 전압 소스들은 추후 더 상세히 설명되는 바와 같이 선택적으로 턴 온 및 턴 오프될 수 있다. 가속도계 센서 (3) 는 가속도를 힘으로 전달하기 위해 "힘 = 질량 × 가속도" 속성을 이용하고, 그 후 그 힘은 스프링 강성을 통하여 이동 전극 변위 (x) 로 전달된다.
이동 전극 변위 (x) (도 2 참조) 는 dc = (cs1 - cs2 + cps1 - cps2) 가 되도록 미분 커패시턴스 (capacitance difference) (dc) 로 지칭된, 제 1 커패시턴스 (cs1) 와 제 2 커패시턴스 (cs2) 사이의 커패시턴스 차이를 생성하고, 여기서 cps1 및 cps2 는 통상적으로는 그들이 무시될 수 있을 정도로 작다. 미분 커패시턴스 (dc) 는 센서 (3) 에 연결된 집적 회로 (IC) 인 인터페이스 전자 회로 (27) 에 의해 전하로 변환된다. 이 목적을 위해 전자 회로 (27) 는 제 1 및 제 2 센싱 커패시터들 (11, 13) 양단에, 제 1 및 제 2 전압 소스들 (23, 25) 을 이용함으로써, 전압을 인가하기 위한 스위칭 수단 (29) 을 포함한다. 결과의 전하는 전자 회로 (27) 에 의해 수집 및 측정된다. 전하의 수는 미분 커패시턴스에 그리고 제 1 및 제 2 센싱 커패시터들 (11, 13) 양단에 인가된 전압에 비례한다.
상기 설명으로부터, 용량성 가속도계 (1) 의 전체 전달 함수는 물리적 파라미터 "가속도" 로부터 전기적 파라미터 "전하" 까지인 것이 분명하다. 이 전달 함수의 이득은 제 1 및 제 2 센싱 커패시터들 (11, 13) 양단에 인가된 전압에 비례한다. 따라서, 용량성 가속도계 (1) 의 신호/잡음비를 최대화하기 위하여, 전극들에 인가된 전압은 최대화되어야 한다. 다음의 예에서, 최대 전압 값은 1.6V 와 동일하다.
전자 회로 (27) 는 2 개의 입력들, 즉 하나의 포지티브 입력 및 하나의 네거티브 입력을 갖는 증폭기 (31) 를 더 포함한다. 포지티브 입력은 제 1 또는 제 2 전압 소스 (23, 25) 가 아닐 수도 있는 전압 소스에 연결된다. 네거티브 입력은 이 예에서 이동 전극 (9) 에 연결된다. 증폭기 (31) 의 네거티브 입력 노드와 출력 노드 사이의 커패시턴스는 피드백 커패시턴스 (cfb) 로 지칭된다. 그것은 증폭기 (31) 의 내부 커패시턴스이다. 증폭기 (31) 의 출력은 아날로그-투-디지털 컨버터 (ADC) (33) 에 연결된다. 도 1 및 도 2 에는, 목적이 추후 더 상세히 설명되는, 가속도계 (1) 를 교정하기 위한 교정 수단 (35), 및 정전기력 보상 수단 (37) 이 추가로 도시되어 있다.
본 예에서, 전하는 2 개의 전압 극성들의 각각의 2 개의 연속적인 페이즈들 (즉, 전하 이동 주기 또는 지속기간을 정의하는 제 1 및 제 2 페이즈들) 을 적용함으로써 이동 전극 (9) 으로부터 수집된다. 제 1 페이즈는 오토-제로 (AZ) 페이즈로 지칭되는 한편, 제 2 페이즈는 이동 (XFER) 페이즈로 지칭된다. AZ 페이즈 동안, 증폭기 (31) 는 리셋된다. XFER 페이즈 동안, 전하는 이들 전하를 피드백 커패시턴스를 통하여 전압 값으로 변환하는 증폭기 (31) 로 이동된다. 다음에서, v(c1) 은 제 1 전극 (5) 에 인가된 전압을 나타내고, v(c2) 는 제 2 전극 (7) 에 인가된 전압을 나타내고, 그리고 v(cm) 은 이동 전극 (9) 에 인가된 전압을 나타낸다. 이 예에서, 포지티브 극성을 위해, 다음이 획득된다:
AZ 페이즈: v(c1) = 0 V, v(c2) = 1.6 V, v(cm) = 0.8 V; 및
XFER 페이즈: v(c1) = 1.6 V, v(c2) = 0 V, v(cm) = 0.8 V.
이들 수치 값들은 포지티브 극성에 대한 전자 회로 (27) 의 출력 전압 v(outp) = 1.6 × dc/cfb 를 야기한다. 이 예에서, 네거티브 극성을 위해 다음이 획득된다:
AZ 페이즈: v(c1) = 1.6 V, v(c2) = 0 V, v(cm) = 0.8 V; 및
XFER 페이즈: v(c1) = 0 V, v(c2) = 1.6 V, v(cm) = 0.8 V.
이들 수치 값들은 네거티브 극성에 대한 전자 회로 (27) 의 출력 전압 v(outn) = -1.6 × dc/cfb 를 야기한다. ADC 컨버전 후에, v(outp) 및 v(outn) 은 감산되어, 부호가 따라서 항상 포지티브인 (v(outp) - v(outn)) = 3.2 × dc/cfb 를 획득할 수 있다.
상기 페이즈들은, 시간에 따라 제 1, 제 2 및 제 3 전극들 (5, 7, 9) 에 인가된 전압들 (v(c1), v(c2) 및 v(cm)) 을 도시하는, 도 3 에 그래픽적으로 예시된다. 용량성 가속도계 (1) 는 다축 (multi-axis) 가속도계 (예를 들어, 축들 (x, y 및 z)) 로서 동작할 수도 있지만, 도 3 은 단지 하나의 축, 이 경우에는 x-축에 인가된 전압들을 예시한다는 것에 유의해야 할 것이다. 전하 이동 간의 시간은 다른 축들을 측정하기 위해 및 데이터 프로세싱을 위해 이용될 수도 있다.
전하를 측정하기 위해 가속도계 센서 (3) 에 인가된 전압들의 결점은 그들이 또한 도 1 및 도 2 에 도시된 (대립되는) 정전기력 (FEL1 및 FEL2) 을 생성한다는 것이다. 결과의 총 힘 (FEL = FEL1 + FEL2) 은 이동 전극 (9) 에 인가되고 측정하길 원하는 가속도로부터 발생하는 힘에 가산된다. 동일한 전압이 cs1 및 cs2 에 걸쳐 인가되면, 정전기력 (FEL) 은 어느 것이 최고 커패시턴스 값에 대응하는지에 의존하여 제 1 또는 제 2 전극 (5, 7) 을 향해 이동 전극 (9) 을 끌어당긴다. 정전기력은 다음의 방식으로 결정된다:
FEL1 = +0.5/d0 × c0/((1-x/d0)2) × (v(c1)-v(cm))2; 및
FEL2 = -0.5/d0 × c0/((1+x/d0)2) × (v(c2)-v(cm))2, 여기서:
d0 = 전극들의 공칭 거리 (이 예에서는 2㎛);
c0 = 공칭 커패시턴스 (c0=cs1×(1-x/d0));
x = 이동 전극 변위;
v(c1) = 제 1 전극 (5) 에 인가된 전압;
v(c2) = 제 2 전극 (7) 에 인가된 전압; 및
v(cm) = 이동 전극 (9) 에 인가된 전압.
x=0 이면, 이 예에서 v(cm) 이 (v(c1)+v(c2))/2 인 것으로 선정되기 때문에 FEL=0 이다. 그러나, x 가 0 이 아니면, FEL 은 0 이 아니다. 이것은 측정하길 원하는 가속도에 가산되는 기생 신호를 야기한다. 이 기생 신호는, 등가 신호가 주어진 계수를 곱한 중력의 가속도 (1g=9.81m/s2) 로서 주어지도록 그 등가 신호에서 계산될 수 있다. 이 상황은 도 4 에 예시된다. 이 예에서, 가속도계 센서 (3) 는 큰, 15g 오프셋 (즉, 어떤 가속도도 적용되지 않는 경우라도 큰 이동 전극 변위) 을 갖는다. 도 4 에서, 정전기력은 그들 등가 값 (equivalent value) 으로 보여질 수 있다. 정전기력의 진폭은 가속도계 센서 (3) 가 큰 오프셋 (여기서 15g) 을 가지면 측정된 가속도 (통상의 가속도는 +2g 와 -2g 사이이다) 와 비교하여 크다. 가속도계 센서 (3) 는 로우 패스 필터로서의 역할을 하기 때문에, 그것은 평균 값 (정전기력) 에 민감한 것에 유의해야 할 것이다. 이 예에서, 등가 신호의 평균 값은 약 0.4g 이다. 그러나, 용량성 가속도계 (1) 의 교정 프로시저 동안 가속도계 오프셋과 함께 이 기생 가속도를 소거하는 것이 가능하다.
가속도계 커패시턴스 측정 레이트 또는 빈도 (또한 오버샘플링 레이트 (OSR) 로 지칭됨) 가 (그 최대 값으로부터) 감소되면, 이것은 또한 감소된 정전기력을 야기한다는 것이 발견되었다. 이것은 정전기력이 상이한 커패시턴스 측정 레이트들을 갖는 측정 사이클들 사이에서 일정한 상태가 아니라는 것을 의미한다. 이것은 또한, 가속도계 (1) 가 더 이상 적절히 교정되지 않는다는 것을 의미한다. 이것이 어쩌면 정전기력의 가장 심각한 결점이다. 예를 들어, 전류 소비를 낮추기 위하여 모든 다른 전하 이동을 제거하길 원할 수도 있다. 그러나, 이 경우에 정전기력이 더 낮은 평균 값을 야기하는 더 작은 듀티 사이클로 생성된다. 가속도계 (MEMS 센서 (3) 및 전자 회로 (27)) 교정이 통상적으로 최대 오버샘플링 레이트를 위해 행해짐에 따라, 그 교정은 변화된 정전기력을 더 이상 정확하게 보상할 수 없다. 이것은 도 5 에 예시된다. 알 수 있는 바와 같이, 평균 등가 값은 커패시턴스 샘플링 레이트가 도 4 에서의 레이트의 절반일 뿐이기 때문에 단지 약 0.2g 이다. 그러나, AZ 및 XFER 페이즈들 동안, v(cm) 이 (v(c1) + v(c2))/2 (이 예에서 0.8V) 와 동일하지 않다면, 정전기력은 AZ 및 XFER 페이즈들 동안 동일하지 않고 그들의 값들은 극성에 의존한다. 도 6 에서의 다이어그램은 v(cm)=0.75V 이면 어떤 일이 벌어지는지를 도시한다. 2 개의 상이한 정전기력 진폭이 보여질 수 있다: FEL AZ 포지티브 = FEL XFER 네거티브 (이 예에서 더 작은 진폭) 및 FEL XFER 포지티브 = FEL AZ 네거티브 (더 큰 진폭). 본 설명에서, "FEL AZ 포지티브" 는 AZ 페이즈의 포지티브 극성으로부터 발생하는 정전기력을 나타내고, "FEL XFER 포지티브" 는 XFER 페이즈의 포지티브 극성으로부터 발생하는 정전기력을 나타내고, "FEL AZ 네거티브" 는 AZ 페이즈의 네거티브 극성으로부터 발생하는 정전기력을 나타내고, 그리고 "FEL XFER 네거티브" 는 XFER 페이즈의 네거티브 극성으로부터 발생하는 정전기력을 나타낸다.
본 발명의 하나의 실시형태에 따르면, 평균 정전기력 (FEL 평균) 값을 커패시턴스 샘플링 레이트 (전하 이동 레이트) 와 관계없이 일정하게 유지하기 위하여, 스킵된 전하 이동은, 스킵된 정전기력과 매그니튜드가 동일한 정전기력을 생성하기 위해 스페어 여기 (spare excitations) 가 대신하게 된다. 이것은 제 1, 제 2 및 제 3 전극들 (5, 7, 9) 에 적합한 전압을 인가하는 것에 의해 행해질 수 있다. 이 목적을 위해, 용량성 가속도계는 (듀티 사이클과 비교하여) 얼마나 많은 전하 이동이 스킵되는지 및 이들 스킵된 이동으로부터 발생하는 정전기력이 어땠을지를 결정하는 보상 수단 (37) 을 포함한다. 전자 회로 (27) 는 에너지를 절약하기 위해 스페어 여기 동안 턴 오프될 수 있다는 것에 유의해야 할 것이다. 그 결과, (AZ 및 XFER 페이즈들을 위해 이용되는 증폭기 (31) 의 전력 소비로 인한) 전자 회로 (27) 의 전력 소비가 전극들 (5, 7, 9) 에 적합한 전압들을 인가하는데 이용될 때 보상 수단의 전력 소비보다 훨씬 더 높기 때문에, 어떤 전하 이동도 스킵되지 않는 상황과 비교하여 에너지가 절약될 수 있다. 다시 말해서, 커패시터들 (11, 13) 양단에 전압을 인가하는 것은 (전자 회로 (27) 에 의해) 전하 이동을 가능하게 하는데 필요한 전류보다 훨씬 더 낮은 전류로 행해질 수 있다. 더욱이, 하나의 단일 펄스에서 미싱 전하 이동 (1 및 3) 의 FEL AZ 포지티브를, 그리고 다른 단일 펄스에서 미싱 전하 이동 (1 및 3) 의 FEL XFER 포지티브를 생성하기 위해 용량성 가속도계 센서 (3) 의 로우-패스 필터 특성을 이용하는 것이 가능하다. 이것은 커패시턴스 스위칭 (cs1 및 cs2) 이 최소화될 수 있기 때문에 전력을 절약한다. 이것은 도 7 에 그래픽적으로 예시된다.
도 7 의 예에는, 포지티브 극성 전하 이동이 생략된다. 그러나, 포지티브 극성 전하 이동을 유지하고 그 대신에 네거티브 극성 전하를 생략하는 것이 가능할 것이다. 상기 설명된 용량성 가속도계 센서 (3) 는 단지 단일 극성의 펄스들로 구동될 수 있다는 것에 또한 유의해야 할 것이다. 전압 여기의 매그니튜드는 전하 이동 동안 인가된 전압 값들과 동일한 것으로 선정될 수도 있다. 상기 설명된 예에서, 생략된 전하 이동 (1, 5, 9 등) 동안, 다음의 전압: v(c1)=1.6V, v(c2)=0V 및 v(cm)=0.75V 가 인가되는 한편, 생략된 전하 이동 (3, 7, 11 등) 동안, 다음의 전압들: v(c1)=0V, v(c2)=1.6V 및 v(cm)=0.75V 가 인가된다. 생략된 전하 이동을 대신하기 위한 더미 정전기력의 생성 때문에, 가속도계 센서 (3) 의 커패시턴스 샘플링 레이트와 관계없이 정전기력의 매그니튜드를 일정하게 유지하여, 용량성 가속도계 시스템 (1) 의 교정을 용이하게 하는 것이 가능하다.
본 발명의 변형에 따르면, 정전기력은 생략된 전하 이동 동안 보상되지 않는다. 이 변형에 따르면, 전하 이동의 생략으로부터 발생하는 미싱 정전기력의 매그니튜드가 (예를 들어, 보상 수단 (35) 에 의해) 결정되고 보상 수단 (37) 의 일부일 수도 있는 메모리 (예를 들어, 비휘발성 메모리) 에 저장된다. 최종 사용자는 그 후 가속도 측정을 수행하는 동안 메모리에 저장된 이들 값들을 고려할 수 있다. 이것은 예를 들어, 저장된 값들 또는 저장된 값들로부터 직접 유도가능한 값들이 예를 들어 ADC (33) 의 출력으로부터 감산되도록 행해질 수도 있다.
본 발명은 도면들 및 전술한 설명에서 상세히 예시 및 설명되었지만, 이러한 예시 및 설명은 제한하는 것이 아니라 실례가 되거나 또는 예시적인 것으로 고려될 것이며, 본 발명은 개시된 실시형태에 제한되지 않는다. 다른 실시형태들 및 변형들이 이해되고, 도면들, 개시 및 첨부된 청구항들의 연구에 기초하여, 청구된 발명을 수행할 때 당업자들에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 보상 수단 (37) 및/또는 교정 수단 (35) 은 전자 회로 (27) 의 일부일 수도 있다.
청구항들에서, 단어 "포함하는" 은 다른 엘리먼트들 또는 단계들을 배제하지 않고, 부정 관사 "a" 또는 "an" 은 복수를 배제하지 않는다. 상이한 피처들이 상호 상이한 종속항들에서 열거되는 단순한 사실은 이들 피처들의 조합이 유리하게 이용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 청구항들에서의 임의의 레퍼런스 부호는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안된다.

Claims (15)

  1. 가속도 값을 측정하기 위한 용량성 가속도계 (1) 로서,
    - 제 1 전극 (5);
    - 제 2 전극 (7);
    - 상기 제 1 및 제 2 전극들 (5, 7) 사이에 배열되고, 상기 제 1 전극 (5) 과 제 1 커패시턴스 값을 가진 제 1 커패시터 (11) 를, 그리고 상기 제 2 전극 (7) 과 제 2 커패시턴스 값을 가진 제 2 커패시터 (13) 를 형성하는 제 3 의 이동 전극 (9) 으로서, 상기 제 3 전극 (9) 은, 상기 용량성 가속도계 (1) 가 가속도를 받을 때 변위되도록 배열되어 전하로 변환가능한 상기 제 1 및 제 2 커패시턴스 값들 사이의 커패시턴스 차이 값을 생성하도록 배열되는, 상기 제 3 의 이동 전극 (9);
    - 상기 제 1 전극 (5) 에 제 1 전압 값, 상기 제 2 전극 (7) 에 제 2 전압 값, 그리고 상기 제 3 전극 (9) 에 제 3 전압 값을 선택적으로 인가하기 위한 것이고, 그리고 상기 제 3 전극 (9) 에 작용하는 정전기력을 생성하도록 배열된 제 1 전압 소스 (23) 및 제 2 전압 소스 (25)
    를 포함하고,
    상기 제 1, 제 2 및/또는 제 3 전압 값들은 상기 가속도를 측정하기 위하여 상기 전하를 수집하기 위해 전하 이동 동안 인가되도록 배열되고, 그리고
    상기 용량성 가속도계 (1) 는 변경된 전하 이동 레이트로 인한 미싱 (missing) 정전기력을 보상하기 위한 정전기력 보상 수단 (37) 을 포함하고, 그 보상량은 상기 변경된 전하 이동 레이트에 의존하는, 용량성 가속도계 (1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용량성 가속도계 (1) 는 최대 전하 이동 레이트를 이용함으로써 상기 용량성 가속도계 (1) 를 교정하도록 배열된 교정 수단 (35) 을 포함하는, 용량성 가속도계 (1).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전압 값 또는 상기 제 2 전압 값은 0 인, 용량성 가속도계 (1).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전극들 (5, 7) 은 고정되는, 용량성 가속도계 (1).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 용량성 가속도계 (1) 는 다축 가속도계인, 용량성 가속도계 (1).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 용량성 가속도계 (1) 는 상기 전하를 수집하기 위한 전자 회로 (27) 를 더 포함하고, 하나의 전하 이동은 제 1 페이즈 및 제 2 페이즈를 포함하고, 상기 전자 회로 (27) 는 상기 제 1 및 제 2 페이즈들 동안 상기 제 1 전압 값 및 상기 제 2 전압 값을 상이하게 인가하도록 배열되는, 용량성 가속도계 (1).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 페이즈들 동안 생성된 상기 정전기력은 상이한, 용량성 가속도계 (1).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 전압 값은 상기 제 1 및 제 2 전압 값들의 합을 2 로 나눈 것과 실질적으로 동일한, 용량성 가속도계 (1).
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 보상 수단 (37) 은 상기 제 3 전극 (9) 에 인가될 보상 정전기력을 생성하도록 배열되고, 상기 보상 정전기력의 값은 상기 전하 이동 레이트에 의존하는, 용량성 가속도계 (1).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 보상 수단 (37) 은 상기 보상 정전기력을 생성하기 위해 상기 제 1 및 제 2 전압 소스들 (23, 25) 을 선택적으로 턴 온 및 턴 오프하도록 배열되는, 용량성 가속도계 (1).
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 용량성 가속도계 (1) 는 상기 전하를 수집하기 위한 전자 회로 (27) 를 더 포함하고, 하나의 전하 이동은 제 1 페이즈 및 제 2 페이즈를 포함하고, 상기 전자 회로 (27) 는 상기 제 1 및 제 2 페이즈들 동안 상기 제 1 전압 값 및 상기 제 2 전압 값을 상이하게 인가하도록 배열되고, 상기 보상 수단 (37) 은, 하나의 펄스가 2 개의 미싱 전하 이동의 2 개의 제 1 또는 제 2 페이즈들로부터 발생하는 미싱 정전기력을 보상하도록 배열되도록 펄스들로서 보상 정전기력을 생성하도록 배열되는, 용량성 가속도계 (1).
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 보상 수단 (37) 은 미싱 전하 이동으로부터 발생하는 상기 미싱 정전기력의 매그니튜드를 결정하기 위한 수단을 포함하는, 용량성 가속도계 (1).
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 용량성 가속도계는 상기 미싱 전하 이동으로부터 발생하는 상기 미싱 정전기력의 상기 매그니튜드를 나타내는 보상 값들을 저장하기 위한 메모리를 포함하는, 용량성 가속도계 (1).
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 용량성 가속도계 (1) 는 상기 전하 이동 후 상기 전하를 중간 가속도 값으로, 그리고 상기 중간 가속도 값에 상기 보상 값들을 적용한 후 최종 가속도 값으로 변환하기 위한 변환 수단 (31, 33) 을 포함하는, 용량성 가속도계 (1).
  15. 제 1 항에 기재된 용량성 가속도계 (1) 를 이용함으로써 가속도를 측정하기 위한 방법.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10712360B2 (en) * 2017-09-27 2020-07-14 Azoteq (Pty) Ltd Differential charge transfer based accelerometer
CN112611889B (zh) * 2020-12-08 2022-04-05 中国人民解放军陆军步兵学院石家庄校区 基于静电等效力的微机械加速度计自标定方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010032508A1 (en) * 2000-01-20 2001-10-25 Lemkin Mark A. Position sensing with improved linearity
JP2010185795A (ja) * 2009-02-12 2010-08-26 Toyota Central R&D Labs Inc 静電容量式センサ装置
US20160011014A1 (en) * 2014-07-11 2016-01-14 Em Microelectronic-Marin Sa Electronic measurement circuit

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5343766A (en) * 1992-02-25 1994-09-06 C & J Industries, Inc. Switched capacitor transducer
US6035694A (en) * 1999-03-12 2000-03-14 I/O Of Austin, Inc. Method and apparatus for calibration of stray capacitance mismatch in a closed loop electro-mechanical accelerometer
US7078916B2 (en) * 2004-04-06 2006-07-18 Analog Devices, Inc. Linearity enhancement for capacitive sensors
DE602006015160D1 (de) * 2006-03-15 2010-08-12 Em Microelectronic Marin Sa Elektronischer Schnittstellenschaltkreis eines kapazitiven Sensors zur Messung eines physikalischen Parameters und Verfahren zur Ingangsetzung des elektronischen Schaltkreises
US7822899B2 (en) * 2007-03-08 2010-10-26 Renesas Electronics Corporation Data processor and control system
US7614300B2 (en) * 2007-05-30 2009-11-10 Northrop Grumman Corporation System and method for mitigating errors in electrostatic force balanced instrument
EP2228628B1 (fr) * 2009-03-10 2011-09-28 EM Microelectronic-Marin SA Circuit électronique à capteur capacitif pour la mesure d'un paramètre physique, et procédé de mise en action du circuit électronique
EP2618164B1 (fr) * 2012-01-20 2014-07-16 EM Microelectronic-Marin SA Procédé de mesure d'un paramètre physique et circuit électronique d'interface d'un capteur capacitif pour sa mise en oeuvre
JP6056636B2 (ja) * 2013-04-26 2017-01-11 株式会社村田製作所 センサーデバイス
DE102013218973B4 (de) * 2013-09-20 2015-11-19 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Verfahren und Schaltung zur zeitkontinuierlichen Detektion der Position der Sensormasse bei gleichzeitiger Rückkopplung für kapazitive Sensoren
JP2016095268A (ja) * 2014-11-17 2016-05-26 株式会社デンソー 信号処理装置
FI127069B (en) * 2015-01-12 2017-10-31 Murata Manufacturing Co Continuous self-testing of capacitive sensor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010032508A1 (en) * 2000-01-20 2001-10-25 Lemkin Mark A. Position sensing with improved linearity
JP2010185795A (ja) * 2009-02-12 2010-08-26 Toyota Central R&D Labs Inc 静電容量式センサ装置
US20160011014A1 (en) * 2014-07-11 2016-01-14 Em Microelectronic-Marin Sa Electronic measurement circuit
KR20160007433A (ko) * 2014-07-11 2016-01-20 이엠. 마이크로일레크트로닉-마린 쏘시에떼 아노님 전자 측정 회로

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