KR20210101147A - 용량성 가속도계의 폐루프 동작을 위한 방법 - Google Patents

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애틀랜틱 이너셜 시스템스 리미티드
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Abstract

용량성 가속도계는 프루프 매스(103), 제1 및 제2 고정 용량성 전극들(101, 102) 및 임계 가속도 값에 기초하여 프루프 매스(103)에 VB 크기의 DC 전압을 인가하도록 배열된 DC 바이어싱 요소(704)를 포함한다. 제1 폐루프 회로(713)는 프루프 매스(103)의 변위로 인한 신호를 검출하고 가변적인 마크:공간 비율을 갖는 제1 및 제 2구동 신호들(V1, V2)을 인가하는 펄스 폭 변조 신호 생성기(700)를 제어하도록 배열된다. 제2 폐루프 회로(715)는 적용된 가속도가 임계 가속도 값보다 큰 경우, 마크:공간 비율을 상수로 유지하고, 적용된 가속도의 관성력의 밸런스를 맞추고 프루프 매스를 널 위치에서 유지하도록 프루프 매스에 순 정전기 복원력을 제공하기 위해 DC 바이어싱 요소(704)에 의해 프루프 매스(103)에 인가된 DC 전압의 크기(VB)를 변경하도록 배열된다.

Description

용량성 가속도계의 폐루프 동작을 위한 방법{METHODS FOR CLOSED LOOP OPERATION OF CAPACITIVE ACCELEROMETERS}
본 개시는 용량성 가속도계 및 그 제어 방식에 관한 것으로, 특히 넓은 가속 범위에 걸친 용량성 가속도계의 폐루프 동작 방법에 관한 것이다.
가속도계는 모션 및/또는 진동으로 인한 가속력을 측정하는 데 널리 사용되는 전자 기계 장치이다. 용량성 가속도계는 지진 감지, 진동 감지, 관성 감지 및 기울기 감지를 포함하는 어플리케이션들에서 용도를 찾을 수 있다. 용량성 가속도계는 일반적으로 미세 전자 기계 시스템(MEMS)으로 구현되며, 실리콘과 같은 반도체 재료로 제조될 수 있다. 용량성 가속도계를 위한 전형적인 MEMS 감지 구조는, 차동 커패시터를 형성하기 위해 프루프 매스로부터 연장되는 전극 핑거 세트가 하나 이상의 고정 전극 핑거 세트들과 서로 얽힌, 지지체에 이동 가능하게 장착된 프루프 매스(proof mass)를 포함한다. 감지 구조의 전극들은 적절한 드라이브 및 픽오프 전자 장치들에 연결된다.
개루프 구성에서, 전자 장치들은 프루프 매스가 가속도 이하로 이동할 때 출력에 픽오프 전압 신호가 나타나도록, 사인파 또는 구형파 신호들일 수 있는 임의의 적절한 파형으로 고정 전극 핑거들을 구동하도록 배열되어 있다. 제WO 2004/076340호는 개루프 가속도계의 예를 제공한다. 개루프 구성에서, 프루프 매스에서 검출된 AC 신호는 적용된 가속도를 나타내는 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다. 단일 고정 전극으로부터의 프루프 매스에서 감지된 신호의 진폭은 ∝ V/d2로 변할 것이며, 여기서 V는 전극과 프루프 매스 간의 차동 전압이고, d는 갭 크기이다. 따라서, 신호 레벨은 적용된 가속도에 따라 선형적으로 변하는 갭에 따라 2차적으로 변한다. 이는 고성능을 달성하기 위해 나중에 수정해야 하는 비선형 스케일 팩터를 제공한다. 비선형 신호 응답으로 인해 진동 정류 오류가 클 수 있다. 또한, 작은 갭 크기(일반적으로 수 마이크론들)는 모션 및 이에 따른 장치의 동작 동적 범위가 제한된다. 개루프 가속도계는 대역폭, 선형성 및 동적 범위 측면에서 제한된 성능을 가질 수 있다.
개루프 동작을 위해 설계된 가속도계 감지 구조는 구동 전자 장치를 사용하여 전극들에 가변 정전기력을 제공하여 힘의 균형을 달성함으로써 폐루프 구성에서 사용할 수도 있다. 폐루프 모드에서, 프루프 매스는 정전기력의 적용에 의해 항상 고정 위치에 유지된다. 그런 다음, 적용된 힘에 의해 출력이 제공된다. 제US7267006호는 구동 신호들의 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하는 폐루프 전자 제어 방식의 예를 제공한다. 이러한 폐루프 구성에서, 전자 장치들은 동위상 및 역위상 AC 구형파 전압 신호들로 고정 전극 핑거 쌍을 구동하도록 배치된다. 구동 신호들은 70g 동적 범위를 달성하는 데 필요한 힘을 제공하기 위해 0과 최대값(Vref) 사이에서 진폭이 변하는 파형을 가지며, 이 최대값은 0V로 바이어스되는 프루프 매스에 대해 일반적으로 30V이다. PWM 구동 방식의 마크:공간 비율은 적용된 가속도에 따라 프루프 매스와 이에 따른 피드백 힘에 대한 각 구동 신호의 평균 DC 전압(
Figure pat00001
)을 변경하도록 조정될 수 있다. 따라서, 마크:공간 비율은 적용된 가속도 레벨에 따라 선형적으로 변하는 출력 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다. 이 설계는 높은 동적 범위, 우수한 선형성, 높은 대역폭 및 낮은 진동 정류 오류를 제공하는 것으로 입증되었다.
많은 용량성 센서들의 성능을 저하시킬 수 있는 알려진 문제는 DC 오프셋 전압들의 존재 시 발생할 수 있는 유전체 충전이다. 이 효과는 전계 구배 존재 시 하전된 종(species)(전자 및 이온)의 이동으로 인해 전극판 표면에 박막 유전체 층들의 충전을 수반한다. 고정 전극과 이동 가능 전극 간의 차동 전압으로 인해 높은 필드 구배가 존재하며, 이는 제US7267006호에 설명된 것과 같은 폐루프 가속도계의 경우에 특히 크다. 이러한 유형의 장치에 대한 프루프 매스 및 전극 구조들은 일반적으로 깊은 반응성 이온 에칭 기술을 사용하여 벌크 결정질 실리콘으로 제작된다. 이러한 기술은 일반적으로 실리콘 표면이 에칭에 의해 노출된 후 그리고 장치의 밀봉 전에 자연적으로 성장하는 전극 표면들 상에 천연 산화물의 얇은 표면층을 생성할 것이다. 나트륨 및 리튬과 같은 하전된 종은 실리콘 프루프 매스 및 전극 구조를 캡슐화하는 상부 및 하부 유리 웨이퍼 층들의 양극 접합(anodic bonding)으로 인해 존재할 것이다. 전극들의 유전체 표면 층들에 이러한 전하의 축적은 전압(Vref)의 일부는 유전체 층에 걸쳐 강하되며, 갭(d)에 걸친 유효 평균 전압(
Figure pat00002
)은 변경된다. 따라서, 트랜스듀서 이득에 대응되는 변화가 발생할 것이며 이는 장치 성능에 악영향을 미칠 것이다.
유전체 충전은 일정한 작동 조건에서 바이어스와 스케일 팩터 모두에서 느린 이동을 일으키는 것으로 알려져 있다. 전하 이동의 느린 성질은 전하들이 고주파 AC 전압 변조에 응답하지 않지만 고정된 전압 구배 존재 시 이동할 것이라는 것을 의미한다. 이러한 영향들은 일반적으로 이온 이동도(ion mobility)가 증가되는 상승 온도에서 더 빠르게 발생하며, 시간이 지남에 따라 안정된 상태에 도달하는 경향이 있을 것이다. 그러나, 전압이 제거되고, 장치가 꺼지는 경우 바이어스 및 스케일 팩터 이동이 원래 시작 레벨로 다시 완화되는 것으로 표시되면, 전하가 소멸될 것이다. 그러나, 그후 장치의 전원을 다시 켜면 효과들이 다시 발생할 것이다.
출원인의 공동 출원중인 출원서(124468GB01)는 수정된 AC 전압 파형을 사용하여 전하 이동을 유도하는 전압 구배를 제거함으로써 제US7267006호에 설명된 장치에서 문제가 있는 DC 전압 오프셋을 제거하는 방법을 설명한다. 그러나, 이 접근법은 주어진 Vref 값에 대해 프루프 매스와 전극들 사이의 차동 전압이 감소됨에 따라 장치의 가속도 범위를 크게 줄일 수 있다. 또한, 수정된 파형들은 일반적으로 ASIC 형태인 제어 전자 장치에 상당한 변경들을 요구하며, 이는 구현하는 데 시간과 비용이 많이 들 수 있다.
본 개시의 목적은 위에서 약술된 단점들 중 하나 이상을 극복하는 것이다.
본 개시의 제1 양태에 따르면, 용량성 가속도계의 폐루프 동작을 위한 방법이 제공되며, 용량성 가속도계는, 적용된 가속도에 응답하여 감지 축을 따라 이동 가능한 프루프 매스(proof mass); 및 감지 축을 따라 프루프 매스의 양측에 대칭적으로 배열된 제1 및 제2 고정 용량성 전극들로서, 0이 적용된 가속도 하에서 각각의 제1 및 제2 고정 용량성 전극들과 프루프 매스 사이에 정의된 갭이 있는, 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들을 포함한다.
상기 방법은,
임계 가속도 값에 기초하여 상기 프루프 매스에 VB 크기의 DC 전압을 인가하는 단계;
제1 고정 용량성 전극에 제1 구동 신호(V1)을 인가하고, 제2 고정 용량성 전극에 제2 구동 신호(V2)를 인가하는 단계로서, 제1 및 제2 구동 신호들은 각각 0과 최대값 사이에서 크기가 변하는 주기적 파형을 갖는, 상기 인가하는 단계;
인가된 가속도에 응답하여 프루프 매스의 변위를 감지하는 단계;
적용된 가속도가 상기 임계 가속도 값보다 큰지를 결정하는 단계;
적용된 가속도가 임계 가속도 값보다 크지 않다고 결정하는 것에 응답하여, 적용된 가속도의 관성력의 밸런스를 맞추고 프루프 매스를 널(null) 위치에서 유지하도록 프루프 매스에 순 정전기 복원력을 제공하기 위해 가변 마크/공간 비율로 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)에 펄스 폭 변조를 적용하는 단계; 및
적용된 가속도가 임계 가속도 값보다 크다고 결정하는 것에 응답하여, 적용된 가속도의 관성력의 밸런스를 맞추고 프루프 매스를 널 위치에서 유지하도록 프루프 매스에 순 정전기 복원력을 제공하기 위해 일정한 마크/공간 비율로 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)에 펄스 폭 변조를 적용하고, 프루프 매스에 인가된 DC 전압의 크기(VB)를 변경하는 단계를 포함한다.
본원에 개시된 바와 같은 방법들은 높은 g-범위에서의 동작 및 기존 제어 전자 장치와의 호환성 둘 모두를 허용하면서 유전체 충전의 영향을 실질적으로 감소시키는 용량성 가속도계의 최적화된 동작을 제공하는 수정된 폐루프 방식을 제공한다.
하기에 더 설명되는 바와 같이, 프루프 매스에 VB 크기의 DC 전압을 적용함으로써, 각각의 전극들과 프루프 매스 사이의 평균 전압 오프셋은 임계값 미만의 가속도 레벨에 대해 실질적으로 감소된다. 본원에 개시된 방법들(예컨대, 관성 측정 유닛 내에서 사용되는 방법)은 일반적으로 높은 가속도 레벨을 간헐적으로 적용 받는다.
전극과 프루프 매스 사이의 평균 전압 오프셋을 줄이면 임계 가속도 값 미만에서 동작할 때 전하 이동으로 인한 오류에 대한 이러한 가속도계의 감도가 감소하고, 종래 기술에서 일반적으로 사용되는 유형의 제어 전자 장치를 실질적으로 수정할 필요가 없다. 본원에 개시된 방법들이 적용되는 가속도계의 프루프 매스에 인가되는 DC 전압의 크기(VB)를 변경하면 높은 가속도 범위 능력이 유지될 수 있다.
적어도 일부 예들에서, 제1 및 제2 구동 신호들의 주기적 파형은 실질적으로 구형 파형일 수 있으며, 다른 구동 신호가 0일 때 최대값으로 스테핑되는 파형 시퀀스를 포함한다. 다른 예들에서, 제1 및 제2 구동 신호들은 이러한 시퀀스를 갖는 임의의 다른 적합한 파형, 예를 들어 구형 파형 대신에 삼각형 또는 사다리꼴 파형들을 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 제1 및 제2 구동 신호들은 사인 기반 파형을 포함할 수 있다.
적어도 일부 예들에서, 임계 가속도 값 미만의 적용된 가속도 값들에 대해 프루프 매스에 인가된 DC 전압의 크기(VB)는 구동 신호들(V1, V2)의 진폭의 최대 값의 대략 절반이 되도록 선택된다.
하나 이상의 예들에서, 추가로 또는 대안으로, 프루프 매스에 인가된 상기 DC 전압의 크기(VB)를 변경하는 단계는, β로 표시되는 전압 오프셋을 인가하는 단계로서, β = β0은 임계 가속도 값 미만의 적용된 가속도의 경우 일정하며, β는 임계 가속도 값 이상의 적용된 가속도의 경우 적용된 가속도에 따라 선형으로 증가되는, 상기 인가하는 단계를 포함한다. 따라서, β의 값이 ≥ β0인 값들로 제한된다는 것이 이해될 것이다.
적어도 일부 예들에서, 상수(β0)는 크기(VB)가 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)의 진폭의 최대값의 대략 절반이 되도록 선택된다.
적어도 일부 예들에서, 추가로 또는 대안으로, β는 0 또는 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)의 진폭의 최대값과 동일한 크기(VB)를 설정하는 것에 해당하는 최대 최대값이 ±1인 적용된 가속도에 따라 선형으로 증가된다.
제1 세트의 예에서, β는, 상기 적용된 가속도를 결정하는 단계; 임계 가속도 값 이상으로 적용된 가속도에 따라 선형으로 증가하는 스케일 팩터(X)를 정의하기 위해 적용된 가속도와 임계 가속도 값의 비율을 계산하는 단계; 및 상수(β0)에 상기 스케일 팩터(X)를 적용하여 β에 대한 결과적인 값을 제공하는 단계에 의해 결정된다. 이러한 예들에서, 스케일 팩터(X)의 값은 ≥ 1인 값들로 제한된다.
제2 세트의 예들에서, β는, 마크/공간 비율에 관련된 파라미터(αD)를 결정하는 단계; αD의 절대값으로부터 임계값(αTh)을 차감하는 단계; 임계 가속도 값 이상으로, |αD| - αTh의 값을 0으로 만들기 위해 β의 값을 증가시키거나 감소시키는 단계에 의해 결정된다.
하나 이상의 예들에서, 추가로 또는 대안으로, 임계 가속도 값은 1g와 5g 사이의 크기를 갖도록 선택된다. 적어도 일부 예들에서, 임계 가속도 값은 약 1.5g의 크기를 갖도록 선택된다.
하나 이상의 예들에서, 추가로 또는 대안으로, 상기 방법은 적용된 가속도를 나타내는 신호를 출력하는 단계를 더 포함한다.
하나 이상의 예들에서, 추가로 또는 대안으로, 용량성 가속도계는 실리콘 MEMS 구조를 포함한다.
하나 이상의 예들에서, 추가로 또는 대안으로, 프루프 매스는 실질적으로 평면이다.
하나 이상의 예들에서, 추가로 또는 대안으로, 프루프 매스는 적용된 가속도에 응답하여 감지 축을 따라 평면에 선형으로 이동할 수 있도록 플렉서블 지지 레그들에 의해 고정 기판에 장착되고, 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 동일한 평면의 고정 기판에 형성된다.
하나 이상의 예들에서, 추가로 또는 대안으로, 프루프 매스는 감지 축에 실질적으로 수직하고 감지 축을 따라 이격된, 프루프 매스로부터 연장되는 제1 및 제2 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트들을 포함하고; 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 각각, 감지 축에 실질적으로 수직으로 연장되고 감지 축을 따라 이격된 제1 및 제2 고정 용량성 전극 핑커 세트들을 포함하고; 제1 고정 용량성 전극 핑거 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 사이의 중앙선으로부터 감지 축을 따라 일 방향으로 제1 오프셋을 갖는 제1 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트와 서로 얽히도록 배열되고, 제2 고정 용량성 전극 핑거 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 사이의 중앙선으로부터 감지 축을 따라 반대 방향으로 제2 오프셋을 갖는 제2 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트와 서로 얽히도록 배열된다.
본 개시의 제2 양태에 따르면, 다음을 포함하는 용량성 가속도계로서,
적용된 가속도에 응답하여 감지 축을 따라 이동 가능한 프루프 매스;
감지 축을 따라 상기 프루프 매스의 양측에 대칭적으로 배열된 제1 및 제2 고정 용량성 전극들로서, 0이 적용된 가속도 하에서 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들과 프루프 매스 사이에서 정의된 갭이 있는, 제1 및 제2 고정 용량성 전극들;
임계 가속도 값에 기초하여 프루프 매스에 VB 크기의 DC 전압을 인가하도록 배열된 DC 바이어싱 요소;
제1 고정 용량성 전극에 제1 구동 신호(V1)를 인가하고, 제2 고정 용량성 전극에 제2 구동 신호(V2)를 인가하도록 배열되되, 제1 및 제2 구동 신호들은 각각 0과 최대값 사이에서 크기가 변하는 주기적 파형을 갖는, 펄스 폭 변조 신호 생성기;
적용된 가속도가 임계 가속도 값보다 크지 않을 경우, 프루프 매스의 변위로 인한 신호를 감지하고, 적용된 가속도의 관성력의 밸런스를 맞추고 프루프 매스를 널(null) 위치에서 유지하도록 프루프 매스에 순 정전기 복원력을 제공하기 위해 가변 마크:공간 비율로 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)을 인가하도록 펄스 폭 변조 신호 발생기를 제어하도록 배열된 제1 폐루프 회로; 및
적용된 가속도가 임계 가속도 값보다 큰 경우, 마크:공간 비율을 상수로 유지하고, 적용된 가속도의 관성력의 밸런스를 맞추고 프루프 매스를 널 위치에서 유지하도록 프루프 매스에 순 정전기 복원력을 제공하기 위해 DC 바이어싱 요소에 의해 프루프 매스에 인가된 DC 전압의 크기(VB)를 변경하도록 배열된 제2 폐루프 회로를 포함하는 용량성 가속도계가 제공된다.
하나 이상의 예들에서, 제2 폐루프 회로는 β로 나타낸, 전압 오프셋을 인가함으로써 프루프 매스에 인가된 상기 DC 전압의 상기 크기(VB)를 변경하도록 배열되되, β = β0는 상기 임계 가속도 값 미만의 적용된 가속도의 경우 일정하고, β는 상기 임계 가속도 값 이상의 적용된 가속도에 따라 선형으로 증가한다. 상기에 언급된 바와 같이, β의 값은 ≥ β0인 값들로 제한된다.
적어도 일부 예들에서, 상수(β0)는 크기(VB)가 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)의 진폭의 최대값의 대략 절반이 되도록 선택된다.
적어도 일부 예들에서, 추가로, 또는 대안으로, β는 0 또는 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)의 진폭의 최대값과 동일한 크기(VB)를 설정하는 것에 해당하는 최대 최대값이 ±1인 적용된 가속도에 따라 선형으로 증가된다.
제1 세트의 예들에서, β는, 적용된 가속도를 결정하는 단계; 임계 가속도 값 이상으로 적용된 가속도에 따라 선형으로 증가하는 스케일 팩터(X)를 정의하기 위해 적용된 가속도와 임계 가속도 값의 비율을 계산하는 단계; 및 상수(β0)에 상기 스케일 팩터(X)를 적용하여 β에 대한 결과적인 값을 제공하는 단계에 의해 결정된다. 이러한 예들에서, 스케일 팩터(X)의 값은 ≥ 1인 값들로 제한된다.
제2 세트의 예들에서, β는, 마크/공간 비율에 관련된 파라미터(αD)를 결정하는 단계; αD의 절대값으로부터 임계값(αTh)을 차감하는 단계; 임계 가속도 값 이상으로, |αD| - αTh의 값을 0으로 만들기 위해 β의 값을 증가시키거나 감소시키는 단계에 의해 결정된다.
하나 이상의 예들에서, 추가로 또는 대안으로, 임계 가속도 값은 1g와 5g 사이의 크기를 갖도록 선택된다. 적어도 일부 예들에서, 임계 가속도 값은 약 1.5g의 크기를 갖도록 선택된다.
하나 이상의 예들에서, 추가로 또는 대안으로, 용량성 가속도계는 실리콘 MEMS 구조를 포함한다.
하나 이상의 예들에서, 추가로 또는 대안으로, 프루프 매스는 적용된 가속도에 응답하여 감지 축을 따라 평면에 선형으로 이동할 수 있도록 플렉서블 지지 레그들에 의해 고정 기판에 장착되고, 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 동일한 평면의 고정 기판에 형성된다.
하나 이상의 예들에서, 추가로 또는 대안으로, 프루프 매스는 실질적으로 평면이다.
하나 이상의 예들에서, 추가로 또는 대안으로, 프루프 매스는 감지 축에 실질적으로 수직하고 감지 축을 따라 이격된, 프루프 매스로부터 연장되는 제1 및 제2 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트들을 포함하고; 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 각각, 감지 축에 실질적으로 수직으로 연장되고 감지 축을 따라 이격된 제1 및 제2 고정 용량성 전극 핑커 세트들을 포함하고; 제1 고정 용량성 전극 핑거 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 사이의 중앙선으로부터 감지 축을 따라 일 방향으로 제1 오프셋을 갖는 제1 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트와 서로 얽히도록 배열되고, 제2 고정 용량성 전극 핑거 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 사이의 중앙선으로부터 감지 축을 따라 반대 방향으로 제2 오프셋을 갖는 제2 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트와 서로 얽히도록 배열된다.
하나 이상의 비제한적인 예들이 이제 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 종래 기술에 다른 폐루프 용량성 가속도계에 대한 공지된 전자 제어 방식을 개략적으로 예시한다;
도 2는 종래 기술에 따른, 0 인가된 가속도 조건에서의 50:50 마크:공간 비율의 경우, 전극 1 및 전극 2에 대한 적용된 전압 파형 및 결과적인 정전기력을 도시한다;
도 3은 종래 기술에 따른, 양의 적용된 가속도 조건에서의 25:75 마크:공간 비율의 경우, 전극 1 및 전극 2에 대한 인가된 전압 파형 및 결과적인 정전기력을 도시한다;
도 4는 본 개시의 전걱 1 및 전극 2 파형들에 대한 파라미터들(α및 β)의 정의를 예시한다;
도 5는 본 개시에 대한 적용된 가속도의 함수로서 파라미터들(α및 β)의 변화를 예시한다;
도 6은 본 개시에 따른 폐루프 용량성 가속도계에 대한 전자 제어 방식의 제1 실시예를 예시한다;
도 7은 본 개시에 따른 폐루프 용량성 가속도계에 대한 전자 제어 방식의 가변 G 루프 일부의 제1 실시예를 예시한다;
도 8은 본 개시에 따른 폐루프 용량성 가속도계에 대한 전자 제어 방식의 제2 실시예를 예시한다;
도 9는 본 개시에 따른 폐루프 용량성 가속도계에 대한 전자 제어 방식의 가변 G 루프 일부의 제2 실시예를 예시한다;
도 10a 및 10b는 본 개시 및 종래 기술의 예들에 따른, 0 인가된 가속도 조건에서의 50:50 마크:공간 비율의 경우, 전극 1 및 전극 2에 대한 인가된 전압 파형의 비교도를 도시한다;
도 11a 및 11b는 본 개시 및 종래 기술의 예들에 따른, 0이 적용된 가속도 조건에서의 50:50 마크:공간 비율의 경우, 전극 1 및 전극 2에 대한 결과적인 정전기력의 비교도를 도시한다;
도 12는 본 개시에 따른, 7g 적용된 가속도 조건에서의 10:90 마크:공간 비율의 경우, 전극 1 및 전극 2에 대한 인가된 전압 파형 및 결과적인 정전기력을 도시한다;
도 13은 본 개시에 따른, 44g 적용된 가속도 조건에서의 10:90 마크:공간 비율의 경우, 전극 1 및 전극 2에 대한 인가된 전압 파형 및 결과적인 정전기력을 도시한다;
도 14는 종래 기술에 따른, 44g 적용된 가속도 조건에서의 25:75 마크:공간 비율의 경우, 전극 1 및 전극 2에 대한 인가된 전압 파형 및 결과적인 정전기력을 도시한다; 그리고
도 15는 용량성 가속도계의 예시적인 전극 배열의 개략적인 표현이다.
일반적으로 도 1에는 제US7267006호에 의해 예시된 종래 기술에 따른 폐루프 용량성 가속도계에 대한 공지된 전자 제어 방식이 나타나 있으며, 그 내용은 본원에 참조로서 통합된다. 펄스 폭 변조(PWM) 신호 발생기(100)는 일정한 고정 기준 전압(Vref)을 수신하고, 상보적인 제1 및 제2 구동 전압들(V1 및 V2)을 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)에 공급한다. 전극들(101 및 102)은 일반적으로 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 프루프 매스(103)의 이동 가능 용량성 전극 핑거들과 서로 얽히는 제1 및 제2 고정 용량성 전극 핑거 세트들의 형태를 취한다.
전치 증폭기(프리-앰프)(105)는 프루프 매스(103)에서 출력 신호를 샘플링하도록 배열된다. 도 1에 예시된 바와 같이, 프리-앰프(105)는 프루프 매스(103)으로부터의 입력이 "접지(earth)"에 대한 전압이 0V 인 "가상 접지(virtual earth)"가 되도록 구성되며, 이는 저항과 같은 DC 바이어싱 요소(104)에 의해 달성된다. 그런 다음, 프리 앰프(105)는 DC 바이어스 요소(104)에 의해 공급되는 전압(예를 들어 0V)과 동일하도록 프루프 매스 DC 바이어스 전압을 강제하는 반면, 주기적 신호들은 프루프 매스(103)의 이동에 응답하여 프리-앰프(105)에 의해 픽업된다. 이러한 주기적 픽오프(pick-off) 신호들은 제어 루프(110)를 사용하는 폐루프 동작에서 펄스 폭 변조(PWM) 신호 생성기(100)로 피드백되기 전에 복조기(106)에 의해 복조되고 루프 필터(107)를 통과한다. 가속도계에 가속이 가해지면, 프루프 매스(103)의 변위에 의해 생성된 신호는 PWM 구동 신호들(V1, V2)의 마크:공간 비율을 조정하는 제어 루프(110)로 피드백된다. 이는 고정 전극들(101, 102)과 프루프 매스(103) 사이의 힘들을 차별적으로 변화시켜 프루프 매스(103)를 다시 널(null) 위치로 구동시킨다. 적용된 가속도를 나타내는 신호를 출력하기 위해, 마크:공간 비율은 신호 생성기(100)에서부터 블록(108)에서 계산되고 측정된 가속도를 출력하기 위해 블록(109)에서 필터링될 수 있다.
또한, 종래 기술로부터 가져온 도 2는 종래 기술에 따라 고정 전극들(101 및 102)에 인가되는 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2), 및 각 전극에 대한 결과적인 힘을 도시한다. 도 2는 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)이 0과 최대값(Vref) 사이에서 진폭이 변하는 표준 구형파를 가지고 있음을 예시하며, 이 최대값은 70g 동적 범위를 달성하는 데 필요한 힘을 제공하기 위해 일반적으로 30V이다. 0이 적용된 가속도에서, 프루프 매스(103)와 각각의 두 고정 전극들(101, 102) 사이의 갭(d)이 명목상 동일할 때, 파형들은 50:50 마크:공간 비율을 갖는 구형파로 구성된다. 각 전극(101, 102)에 대한 결과적인 힘(F)은 다음과 같이 주어진다:
Figure pat00003
여기서, C는 갭 커패시터스이고 V는 전압이다. 50:50 마크:공간 파형에 대한 평균 전압 레벨(
Figure pat00004
)은, 점선으로 표시된 바와 같이, Vref/2와 같다. 따라서, 해당 평균 힘은 유사하게 피크 값의 절반이며, 도 2에서는 또한 점선으로 표시된다. 고정 전극들(101, 102)이 프루프 매스(103)의 반대편에 위치되기 때문에, 힘은 반대 방향으로 작용하며, 따라서 프루프 매스(103)에 작용하는 알짜힘(net force)은 0이 될 것이다. 이러한 파형들은 매우 감쇠된, 프루프 매스(103)의 기계적 공진 주파수에 비해 매우 높은 주파수(예를 들어, fmod ~ 100kHz)에서 편리하게 변조되므로, 이 주파수에서는 중요한 모션이 일어나지 않는다.
마크:공간 비율은 값(α)에 의해 편리하게 정의될 수 있으며, 이 값은 0과 1 사이에서 50:50 마크:공간 비율로 변경되므로 α 값 0.5에 해당한다. 알짜힘은 다음으로 주어진다:
Figure pat00005
여기서, d1 및 d2는 각각 전극 1 및 2 커패시터 갭들을 나타낸다. 25:75 마크: 공간 비율을 일으키는 예시적인 양의 가속도에 대한 파형들 및 결과적인 힘들이 도 3에 도시된다. 전극(101)에 인가되는 펄스 폭이 감소되면 평균 전압이 감소되고 이에 따라 평균 힘이 감소되는 반면 전극(102)에 대한 평균 전압 및 평균 힘은 증가한다. 프루프 매스(103)에 대한 평균 알짜힘은 전극들(101 및 102) 사이의 차동력에 의해 주어진다. 각 구동 신호에 의해 생성되는 개별 평균 힘은 비선형이지만, 함께 동작되는 두 힘은 비선형성을 상쇄시키고 마크:공간 비율에 대해 선형적으로 변하는 알짜힘을 생성한다.
이러한 종래 기술의 용량성 가속도계에서, 유전체 충전은 고정 전극들(101, 102)과 프루프 매스(103) 사이의 큰 평균 DC 전압들(
Figure pat00006
)으로 인해 발생한다. 이러한 전압 레벨들은 또한 적용된 가속 레벨에 따라 달라질 것이므로 충전 특성들이 변경될 것이다. 도 1의 제어 방식에서, Vref에 대해 30V의 전압 레벨을 인가하면 각각의 고정 전극들(101, 102)과 프루프 매스(103) 사이에 15V의 (
Figure pat00007
)가 발생하며, 0g이 적용될 때에도 프루프 매스(103)에 큰 반대력들을 생성한다. 평균 전압 오프셋은 적용된 g 레벨에 따라 다르겠지만, 일반적으로 큰 오프셋은 모든 실제 어플리케이션들에 항상 존재할 것이다.
이 방식은 적용될 수 있는 큰
Figure pat00008
전압들 (및 이에 따른 큰 순(net) 피드백 힘)으로 인해 넓은 가속도 범위를 제공한다는 장점이 있지만, 전하 이동 측면에서는 불리하다. 전하 이동의 효과는 프루프 매스(103)와 인접한 전극들(101, 102) 사이의 유효
Figure pat00009
를 변경하는 것이다. 전하 이동이 두 전극들(101, 102) 사이에서 균일한 경우, 스케일 팩터만 영향을 받는 반면 (케일 팩터 ∝ 피드백 힘), 불균일한 변화들이 또한 바이어스 오류를 유발할 것이다.
제US7267006의 설계의 경우, 두 고정 전극들 (101, 102)에는 항상 큰 힘들이 존재한다. ±70g 동적 범위를 달성하기 위해, 전극들(101, 102)에 의해 프루프 매스에 인가되는 알짜힘은 마크:공간 비율이 예를 들어, 90:10 또는 10: 90의 제한되는 값일 때 프루프 매스(103)를 고정 위치로 유지하기에 충분해야 한다(즉, 하나의 전극에 작용하는 힘의 크기는 ~ 77.8g에 해당하는 반면 반대 힘은 ~ 7.8g이어야 한다). 약 0g에서, 마크:공간 비율이 50:50인 경우, 평균 전압과 이에 따른 각 전극(101, 102)에 대한 결과적인 힘들은 동일(도 2 참조)할 것이며, ~ ± 38.9g와 동일할 것이다. 따라서, 고정 전극들(101, 102)의 유효 이득의 임의의 작은 변화들은 구동력의 큰 변화를 초래할 수 있다. 각 전극(101, 102)에 대한 힘은
Figure pat00010
2 에 비례하므로, 결과적인 힘과 이에 따른 바이어스가 임의의 차동 전하 이동에 의한 변화들에 매우 민감하다. 바이어스 오류는 패키징으로 인한 응력과 변형률로 인해 발생할 수도 있으며, 이는 커패시터 갭을 다르게 변경시킬 수 있다.
전하 이동 속도 및 크기는 프루프 매스(103)와 고정 전극들(101, 102) 사이의 전압 구배에 의해 크게 영향을 받는다. 따라서, 매스 커패시터 갭을 방지하기 위해 Vref 및 이에 따른 전극에 걸친 평균 전압들(
Figure pat00011
)을 감소시키면 전하 이동으로 인한 변화들이 스케일 팩터 및 바이어스의 변화를 줄일 수 있도록 한다. 그러나, 이는 순 피드백 힘이 ∝ Vref 2로 변하기 때문에 전체 가속도 범위를 줄이는 측면에서 매우 해로울 것이다. Vref를 줄이는 것은 신호 레벨이 ∝ Vref로 변하기 때문에 신호 대 잡음 성능 측면에서도 해로울 것이다.
고성능 가속도계는 일반적으로 직교 축을 따라 장착된 3개의 개별 가속도계들이 있는 관성 측정 장치(IMU)에서 사용된다. 이러한 가속도계는 높은 가속도 또는 진동 입력이 적용되는 어플리케이션들에서도 높은 가속도 레벨을 측정할 수 있지만, 일반적으로 이는 비교적 짧은 시간 동안만 수행되며, IMU는 일반적으로 훨씬 덜 동적 환경에 노출되거나 대부분의 시간 동안 정적 상태에 있을 수 있다. 정적 상태일 때, 임의의 가속도계에 적용될 최대 g 레벨은 지구 중력 벡터에 대한 IMU의 방향에 따라 ± 1g이 될 것이다.
높은 가속도 범위 성능에 대한 이러한 요구 사항은 높은 힘 피드백 성능을 제공하기 위해 제US7267006호에 설명된 장치들에 사용되는 높은 오프셋 전압들을 사용해야 하는 주요 요인이다. 가속도계가 낮은 g 환경에 있는 기간 동안 평균 바이어스 오프셋 전압들(
Figure pat00012
)을 줄이면 높은 오프셋 전압(즉, 전하 이동 및 큰 반대 전극 힘)의 해로운 영향을 크게 줄일 수 있다.
따라서, 본 개시의 예들은 약 0g의 가속도 레벨 및 최대 사전 정의된 절대 임계 레벨, 즉 예를 들어,약 0g 또는 상대적으로 0g에 가까운 가속도 레벨의 경우, 전극들(101 및 102)(각각)과 프루프 매스(103) 사이의 평균 전압 오프셋들(
Figure pat00013
및
Figure pat00014
)의 크기를 크게 감소시키는 수단을 제공한다. 이는 VB의 값을 Vref/2에 가깝게 설정함으로써 달성된다. 편리하게는 임계값은 > |1| g 및 < |5| g의 양 또는 음의 가속도 값들로 설정될 수 있다. 임계 가속도 값 이상에서, VB와 Vref/2 사이의 전압 오프셋은 가속도 레벨이 최대 레벨까지 증가함에 따라 선형적으로 증가한다. 이는 동일한 전체 가속 범위 성능을 유지하면서 전하 이동으로 인한 오류에 대한 바이어스 감도 감소 측면에서 제US7267006호의 설계에 비해 이점들을 제공한다. 따라서, 전체 가속도 범위 성능을 손상시키지 않으면서 출원인의 동시 계류중인 출원서(124468GB01)에 설명된 방식과 유사한 이점들을 제공한다.
편리하게도, 본 개시의 예들에 사용되는 파형들은 적용된 가속도 레벨에 기초하여 조정된 VB 레벨을 갖는 제US7267006호(또는 다른 공지된 힘 무효화 제어 방식들)의 파형들과 동일할 수 있다. 이는 일반적으로 ASIC 형태로 구현되는 표준 또는 기존 제어 전자 장치가 소량의 추가 외부 회로부만 추가하는 것을 제외하고는 실질적인 수정없이 사용될 수 있다는 또 다른 중요한 이점을 갖는다. VB 값을 조정하면 구동 이득이 달라지지만, 장치의 신호 대 잡음 성능을 결정하는 신호 이득은 고정 전극들에 인가되는 주기적 파형의 피크 대 피크 변동에 의해 설정되므로 영향을 받지 않는다. 예시적인 구현의 세부 사항들 하기에 제공된다.
본 개시의 예들에 따르면, 전극들(101 및 102)에 인가되는 주기적인 전압 파형들은 도 4에 개략적으로 도시된 바와 같이 편리하게 설명된다. 마크:공간 비율은 값(α)으로 정의되며, VB와 Vref/2 사이의 비율 메트릭 오프셋은 ±1 사이에서 달라질 수 있는 β=(Vref/2-VB)/[Vref/2]로 정의된다. β = 1이면 바이어스 전압 오프셋(VB)이 0V가 될 것이고, β = -1이면 VB가 최대값(= Vref)이 될 것이다. 상기에 설명된 바와 같이, 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)은 0과 최대값(Vref) 사이에서 진폭이 변하는 주기적 파형을 갖는다. 따라서 β의 최대값이 ±1인 것은 크기(VB)를 0 또는 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)의 진폭의 최대값과 동일하게 설정하는 것에 해당한다.
그런 다음, 프루프 매스(103)에 대한 각 고정 전극(101, 102)의 시간 평균 전압은 다음과 같이 주어진다:
Figure pat00015
(1)
Figure pat00016
(2)
그런 다음, 이러한 전압들의 제곱에 비례하는 발전된 힘은 다음과 같이 주어진다:
Figure pat00017
(3)
Figure pat00018
(4)
그런 다음, 순 피드백 힘음 다음와 같이 주어진다:
Figure pat00019
(5)
여기서 β는 프루프 매스에서 DC 전압의 크기(VB)에 인가될 전압 오프셋을 나타내고, α는 마크:공간 비율과 관련된 파라미터이다.
피드백 힘은 α와 β 둘 모두에 따라 선형적으로 변한다는 것을 알 수 있다. 실제로, β의 초기 값은 (=β0)로 설정되며, 이는 α는 변할 수 있지만 β0는 고정된 상태로 유지되는 필요한 임계 가속도 값 미만에 해당한다. 이 값 이상으로 적용된 가속도의 경우, α는 일정하게 유지되고 β는 증가된다. 힘의 제곱 전압 의존성으로 인해, β의 극성은 결과적인 힘의 부호만 변경되어 양 또는 음이 될 수 있지만 편의상 이하에서는 음의 값의 β만 설명될 것이다. 그림 5는 β0 값이 ~ |4.7|g의 임계 가속도 값을 달성하도록 설정된 ±70g 동적 범위를 가진 예시적인 장치에 대해 β(실선)와 α(파선) 대 적용된 가속도의 변화를 도시한다. Vref = 30V의 경우, β0의 이 값은 VB = 14V을 제공하는 Vref/2로부터의 1V 전압 오프셋에 해당된다.
도 1에 도시된 종래 기술의 통상의 전자 제어 방식에서, 프루프 매스(103)는 0V(즉, β=0)로 바이어스되며, 이는 마크:공간 비율 파라미터(α)가 조정됨에 따라 피드백 힘의 최대 변동을 제공한다. 이 조정은 제US7267006호에 설명된 바와 같이, 0.1에서 0.9 사이의 α값들으로 제한되어 샘플링 전에 파형들이 안정화될 수 있는 충분한 시간을 허용한다.
도 6은 본 개시의 예에 따른 전자 제어 방식의 제1 구현의 개략도를 도시한다. 용량성 가속도계는 프루프 매스(103)와 제1 및 제2 고정 용량성 전극들(101, 102)을 포함하는, 도 1에 도시 된 것과 동일한 물리적 구조를 갖는다. 많은 기능 블록들은 도 1에 도시된 제US7267006호의 장치와 동일하며, 블록들(700 및 705-709)은 도 1의 각 블록들(100 및 105-109)와 동일한 기능들을 수행한다. 제1 폐루프 회로(713)는 프루프 매스(103)의 변위로 인한 신호를 검출하고 가변 마크:공간 비율을 갖는 제1 및 제 2구동 신호들(V1, V2)을 인가하는 펄스 폭 변조 신호 생성기(700)를 제어하도록 배열된다. 도 1의 블록(108)과 마찬가지로, 도 6의 블록(708)은 인가된 가속도에 따라 필요한 마크:공간 비율을 계산한다. 마크:공간 비율과 관련된 파라미터(α)는 블록(708)으로부터 출력되고 제2 폐루프 회로(715)에 입력된다. 도 6의 전자 제어 방식의 기본 기능은 임계 가속도 값 미만에서 동작할 때 도 1에 도시된 것과 유사하다.
이 임계값 이상의 동작들에 대해, 본 개시의 예들에 따른 전자 제어 방식은 제2 폐루프 회로(715)에 가변 g-레인지(VGR) 루프(711) 및 G 계산 블록(712)을 추가로 포함한다. VGR 루프(711)는 적용된 가속도 레벨에 기초하여, β로 표시되는, 적절한 전압 오프셋 값을 결정하는 데 사용된다. 이 구현에 대한 VGR 루프 동작은 도 7에 도시된다. 적용된 가속도를 무효화하는 데 필요한 힘 피드백은 위의 방정식 5에 정의되어 있다. 이 힘의 크기는 VGR 루프(711)에 입력을 제공하는 α및 β의 값을 사용하여 G 계산 블록(712)에 의해 계산된다. VGR 루프(711)의 출력은 제2 폐루프 회로(715)에서 DC 바이어싱 블록(704)에 입력되는 β의 값이다. 블록(704)은 β로 표시된 전압 오프셋을 적용함으로써 프루프 매스(103)에 적용될 전압의 크기(VB)를 결정한다. 실제로, β는 예를 들어, 도 4와 관련하여 설명된 바와 같이, 전압 오프셋이 통합된 프루프 매스(103)에 인가되는 전압의 크기(VB)를 조정하기 위해 블록(704)에서 적절하게 스케일링될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 적용된 가속도(GApp)의 모듈러스는 블록(801)에서 미리 설정된 임계값(GTh)으로 나뉜다. 결과적인 값은 이는 임계값 미만의 가속도에 대해 값을 1로 설정하는 출력(X)(y축에 표시됨)을 생성하는 블록(803)에 적용된다. X의 값은 점선으로 표시된 임계값 이상으로 적용된 가속도(x축에 표시됨)에 따라 선형으로 증가한다. 이는 X의 값이 ≥ 1인 값들로 제한된다는 것을 의미한다. VB의 하한 임계값을 설정하는 β0의 값은 필요한 동적 응답 특성들을 제공하기 위해 저역 통과 필터(807)에 적용되는 출력을 생성하도록 블록(805)에서 X를 곱한다. 도 6을 다시 참조하면, 수정된 출력(β)은 DC 바이어싱 블록(704)에 적용되며, 여기서 전치 증폭기(705)의 입력에 적용되기 전에 VB를 생성하기 위해 기준 전압 레벨(Vref/2)로부터 스케일링되고 차감된다. 출력(β)은 또한 폐루프(715)에서 α 값과 함께 G 계산 블록(712)에 적용된다. 블록(712)의 출력은 또한 필요한 동적 응답과 함께 가속도 출력을 제공하기 위해 스케일링 및 필터링을 적용하는 출력 필터(709)에 공급된다.
도 8은 본 개시의 일 예에 따른 전자 제어 방식의 대안적인 구현의 개략도를 도시한다. 용량성 가속도계는 프루프 매스(103)와 제1 및 제2 고정 용량성 전극들(101, 102)을 포함하는, 도 1에 도시 된 것과 동일한 물리적 구조를 갖는다. 많은 기능 블록들은 도 6의 기능 블록들과 동일하며, 블록들(900 및 905-909)은 도 6의 각 블록들(700 및 705-709)과 동일한 기능을 수행한다. 이 구현에서, 이는 PWM 신호 발생기(900)를 구동하는 루프 필터(907)(αD)의 출력이다. αD의 값은 또한 VGR 루프(911) 및 G 계산 블록(912)에 직접 적용된다. 이 구현을 위한 VGR 루프(911)의 동작은 도 7에 도시된 구현에 대해 설명된 것과 다르며, 도 9에 도시된다.
도 9는 대안적인 VGR 루프(911)을 보다 상세하게 도시한다. 이 구현에서, 루프 필터의 출력(αD)는 VGR 루프(911)에 직접 적용된다. 이 파라미터(αD)는 적용된 가속도의 관성력의 밸런스를 맞추고 프루프 매스를 널(null) 위치에 유지하기 위해 프루프 매스에 대한 순 정전기 복원력을 제공하는 데 필요한 마크/공간 비율을 나타낸다. αD의 값은 양의 값과 음의 값 사이에서 달라지며, 여기서 최대 양의 값은 마크:공간 비율을 0.9로 설정하고 최대 음의 값은 마크:공간 비율을 0.1로 설정한다. 적절한 스케일링을 사용하면, αD는 α= 0.5(즉, 50:50 마크:공간 비율)의 값로 주어지는 αD = 0에 의해 ±0.4 사이에서 변하는 것으로 간주될 수 있다. VGR 루프(911)에서, αD는 αD의 절대값에서 αTh(이는 0.4로 설정될 수 있음)를 차감하는 블록(1001)에 적용된다. 블록(1001)의 출력은 |αD| > 0.4일 때 양이고 |αD| < 0.4일 때 음인 오류 신호이다. 이 출력은 시간이 지남에 따라 오류를 누적하는 적분기(1002)에 적용된다. 이 블록(1002)의 출력은 블록(1003)에서 β의 값을 조정하는 데 사용된다. 도 9는 블록(1003)에서 임계 가속도 값(임계값 g 레벨)을 나타내는 점선으로 절대 적용된 g 레벨(x 축)의 함수로서 β(y 축)의 변동을 도시한다. β의 값은 항상 β ≥ β0라는 제한에 따라 양의 오류에 대해 증가하고 음의 오류에 대해 감소한다.
따라서, VGR 루프(911)의 동작은 다음과 같이 이해될 수 있다. 가속도계가 처음에 적용된 가속도가 임계 값 미만인 정적 상태에서(예를 들어, 0g에서) 켜진 경우, β는 처음에 β0에서 αD = 0이 된다. 임계 레벨 미만의 임의의 적용된 가속도의 경우, VGR 루프(911)에 적용된 αD의 값은 < ±0.4가 될 것이며, 따라서, 블록(1001)의 출력은 통합될 때 β의 값을 감소시키는 음의 값이 될 것이다. 그러나, 블록(1003)에 적용된 β ≥ β0라는 제한은 VB가 그 초기값에서 변경되지 않았음을 의미한다. 적용된 가속도가 임계값을 초과하면, |αD|의 값은 일시적으로 0.4를 초과할 수 있으며, 블록(1002)의 출력은 양이 된다. 그런 다음, β의 값은 입력 오류가, 포인트(|αD|)가 0.4의 제한 값으로 돌아가는, 0으로 다시 구동될 때까지 블록(1003)에서 증가된다. 적용된 가속도가 더 증가하면 β가 더 증가하고 |αD|는 일정하게 유지된다. 마찬가지로, 인가된 가속도가 이후 감소되면, |αD|의 순간적인 값은 <0.4 가 될 것이며, 블록(1002)의 출력은 β의 감소를 추진할 것이다.
급속 가속 또는 감속 이벤트 동안, |αD|의 값이 임계 가속도 값을 초과하는 0.4 제한으로부터 일시적으로 벗어날 수 있는 범위는 VGR 제어 루프(911)의 동적 응답에 따라 달라질 것이다. 이는 주로 1007의 루프 필터 파라미터들에 의해 결정된다. 실제로, V1 및 V2가 샘플링 지점에 가깝게 전환되지 않도록 하려면 임계 가속도 값을 초과하는 αD의 변동을 <±5 %로 제한하는 것이 바람직하다.
도 8을 참조하면, αD 및 β의 값들은 폐루프(915)의 G 계산 블록(912)에 적용된다. 이는 α가 (αD + 0.5)로 대체된다는 점을 제외하고는 도 6의 블록(712)과 유사하게 동작한다. G 계산 블록(912)은 필요한 동적 응답을 갖는 가속도 출력을 제공하기 위해 출력 필터(909)에 의해 스케일링되고 필터링되는 출력을 계산한다.
절대 임계 가속도 값(즉, α = 0.1 또는 0.9일 때)은 β0의 값에 의해 결정된다. 위에서 설명한 종래 기술 장치의 경우, Vref = 30V이고 프루프 매스 바이어스(VB)가 0V로 설정된 경우, α의 이러한 제한 값들은 가속도 범위가 ±70g이 된다. 프루프 매스가 예를 들어, VB = 13.5V(β0 = 0.1)로 바이어스되면, 범위가 ~ ± 7g로 감소된다. 따라서, 선호하는 임계 가속도 값은 장치 어플리케이션의 요구 사항에 따라 선택될 수 있다. 일반적인 IMU 어플리케이션에서, 가속도 레벨은 상당한 시간 동안 ≤ ±1g일 가능성이 높으며, 장착된 플랫폼은 대부분의 시간 동안 정적이거나 상대적으로 제한된 기동(manoeuvring) 하에 있게 된다. 이 경우에, 임계값을 |1|g에 가깝게, 예를 들어, |1.5|g로 설정할 수 있고, 이는 14.68V(β0 = 0.021)의 VB에 해당하므로 0g에서 바이어스에 대한 해로운 영향을 최소화한다.
그러나, α의 함수로서
Figure pat00020
전압의 변동인 추가 고려 사항이 있다. 적용된 가속도 레벨을 임계값까지 높이려면, α는 제한값(0.1 또는 0.9)에 접근한다. 그리고,
Figure pat00021
는 전하 이동 효과를 증가시키는 최대값에 도달할 것이다. 임계값 제한이 ±7g로 설정된 장치의 경우, 1g 인가된 가속도는 각각 -0.214V 및 3.214V의
Figure pat00022
및
Figure pat00023
값들을 발생시키며, 이는 도 1에 도시된 종래 기술 장치에 비해 낮고 전하 이동의 레벨이 크게 감소되는 것으로 나타날 것이다. 임계값이 ±1.5g로 감소되면, 0g 오프셋들은 0.32V에서 매우 낮지만, 1g 적용된 가속도의 경우
Figure pat00024
및
Figure pat00025
값들은 각각 -7.78V 및 7.82V로 증가할 것이다. 따라서, IMU가 고정되어 있는 기간 동안 VA를 제한하기 위해 임계 값을 더 높은 레벨로 설정하는 것이 바람직하다. 편의상, 임계 값은 ±1.5g 범위의 서비스 제공에 대해
Figure pat00026
및
Figure pat00027
가 <± 5V 범위 내로 제한되도록 설정된다.
도 10a 및 10b는 본 개시에 따른 장치(도 10a) 및 제US7267006호의 종래 기술 장치(도 10b)의 경우, 0g 인가된 가속도에 대해, 전극들(101, 102)과 프루프 매스(103) 사이의 차동 전압들(
Figure pat00028
및
Figure pat00029
)의 주기적 파형을 비교한다. 0 가속도에서, α 값은 0.5이며, 따라서 본 발명에 따른 장치의 경우, 평균 전압들(
Figure pat00030
및
Figure pat00031
)은 도 10a의 0(1.5V)에 가까우며, 이는 도 10b의 종래 기술 장치의 크기보다 작은 크기 정도이다.
도 11a 및 11b는 본 개시에 따른 장치(도 11a) 및 제US7267006호의 종래 기술 장치(도 11b)의 경우에, 0g 적용된 가속도에 대해 각 전극(101, 102)에 의해 생성되는 정전기력을 비교한다. 본 발명에 따른 장치(도 11a)에서 각각의 고정 전극(101, 102)에 의해 생성된 평균 힘은 또한 종래 기술 장치(도 11b)에 비해 약 2 배만큼 감소됨을 알 수 있다.
도 12는 본 개시에 따른 장치에 대한 양의 가속도 임계값 7g(α = 0.1)의 해당 전압 및 힘 파형을 도시한다. 평균 차동 전압들(
Figure pat00032
및
Figure pat00033
)은 각각 -11.625V 및 14.625V이다. 이는 13.8V 및 16.2V의 ± 7g(α = 0.46)에서 동등한 종래 기술 장치 값들과 비교된다. 이러한 전압 오프셋들은 g 레벨이 증가함에 따라 더 커지지만, 평균 반대 힘은 동등한 종래 기술 장치보다 여전히 상당히 낮다.
도 13은 본 발명에 따른 장치에 대한 임계값 g 레벨보다 높은 44g 입력에 대한 전압 및 힘 파형을 도시한다. α의 값은 VB = 5.645V에서 0.1로 고정된 상태로 유지된다. 종래 기술에 대한 등가 플롯들이 도 14에 도시되어 있다.
제US7267006호 장치의 제어 전자 장치는 ASIC 형식으로 생산되었다. 이는 DC 바이어싱 기능에 필요한 회로부를 제외하고는, 본 개시의 예들에 따른 폐루프 동작을 구현하는 데 필요한 대부분의 기능을 제공한다. VGR 블록(711, 911) 및 G 계산 블록(712, 912) 기능들은 ASIC 내의 제어 소프트웨어에서 디지털 방식으로 구현될 수 있다. β의 값은 유사하게 계산되며, 전치 증폭기 입력을 바이어스하는 데 사용되는 VB를 생성하기 위해, 외부 회로를 사용하여 Vref에 대해 오프셋되는 전압을 제공하도록 별도의 외부 디지털 대 아날로그 변환기에 적용될 수 있다.
프루프 매스(103) 및 고정 용량성 전극들(101, 102)은 본워에 일반적으로 개시되는 용량성 가속도계에서 임의의 적절한 배열을 가질 수 있다. 예를 들어, 프루프 매스는 펜들형 또는 힌지형 구조로 움직일 수 있다. 제EP0338688호는 실리콘 캔틸레버의 끝에 형성된 이동 가능한 프루프 매스 전극 및 이동 가능한 전극에 대향하도록 배열된 고정 전극들의 적용 가능한 예를 제공한다. 그러나, 일부 바람직한 예들에서, 프루프 매스는 평면이며, 제1 및 제2 고정 용량성 전극들로부터 연장되는 고정 전극 핑거들과 서로 얽힌 이동 가능 전극 핑거들을 포함한다. 이러한 서로 얽히거나 빗형(comb-like)의 전극 구조는 예를 들어, 제US6761069호, 제US6631643호, 또는 제US7267006호 중 어느 하나에 개시된 바와 같이, 당업계에 잘 알려져 있으며, 이들 각각의 내용은 본원에 참조로서 통합된다.
용량성 가속도계(1601)에 대한 예시적인 전극 구조는 제US7267006호에 설명된 것과 유사한, 도 15에 개략적으로 예시된다. 이 예에서, 프루프 매스(1602)는 실질적으로 평면이며, 적용된 가속도에 응답하여 감지 축(양방향 화살표로 표시됨)을 따라 평면에서 선형으로 이동할 수 있도록 플렉서블한 지지 레그들(1614)에 의해 고정 기판(도시되지 않음)에 장착된다. 플렉서블한 지지 레그들(1614)은 프루프 매스(1602)의 바디로부터 연장되고, 고정점들(1616)에서 고정 기판에 고정된다.
제1 및 제2 고정 용량성 전극들(1604, 1606)은 동일한 평면의 고정 기판에 형성된다. 프루프 매스(1602)는 프루프 매스(1602)로부터 연장되고 감지 축에 실질적으로 수직이며 감지 축을 따라 이격된 제1 및 제2 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트들(1608)을 포함한다. 또한, 제1 및 제2 고정 용량성 전극들(1604, 1606)은 각각 감지 축에 실질적으로 수직으로 연장되고 감지 축을 따라 이격된 제1 및 제2 고정 용량성 전극 핑거 세트들(1610, 1612)을 포함한다는 것을 알 수 있다. 제1 고정 용량성 전극 핑거 세트(1610)는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들(1610) 사이의 중앙선(m)으로부터 감지 축을 따라 일 방향으로 제1 오프셋을 갖는 제1 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트(1608a)와 서로 얽히도록 배열되고, 제2 고정 용량성 전극 핑거 세트(1612)는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들(1612) 사이의 중앙선(m)으로부터 감지 축을 따라 반대 방향으로 제2 오프셋을 갖는 제2 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트(1608b)와 서로 얽히도록 배열된다.
프루프 매스(1602)는 적용된 가속도에 응답하여 감지 축을 따르는 방향으로 고정 전극들(1604, 1606)에 대해 평면 내로 이동할 수 있다. 두 고정 전극 핑거 세트들(1610, 1612)이 프루프 매스 핑거들(1608a, 1608b)로부터 반대 방향으로 오프셋되므로, 어느 방향으로든 움직임이 측정될 수 있다. 이러한 오프셋들은 크기가 동일할 수 있다. 이동 가능 핑거들(1608a, 1608b)에 대한 제1 고정 전극 핑거 세트(1610) 및 제2 고정 전극 핑거 세트(1612)에 대한 오프셋의 차이는 구동 신호(예를 들어, 전압 파형)가 제1 및 제2 고정 전극 핑거 세트들(1610, 1612)에 인가될 때 인력을 유발한다.
개루프 동작에서, 적용된 가속드에 응답하여 프루프 매스(1602)의 이동은 프루프 매스 핑거들(1608a, 1608b)과 고정 전극 핑거들(1610, 1612) 사이의 오프셋의 변화를 야기한다. 이 변화는 차동 커패시턴스의 변화를 유발하므로 가속도를 계산하는 데 사용될 수 있다. 폐루프 동작에서, 서로 얽힌 전극 핑거들은 사실상 서로에 대해 움직이지 않는다. 펄스 폭 변조(PWM)를 제1 및 제2 고정 용량성 전극들(1604, 1606)에 인가된 제1 및 제2 구동 신호들에 적용하면, 정전기 복원력이 프루프 매스 핑거들(1608a, 1608b)에 작용하여 가속 시 프루프 매스(1602)는 적용된 가속도의 관성력이 순 정전기 복원력에 의해 균형을 이루면서, 도 16에서 보이는 널 위치로부터 움직이지 않도록 한다.
본 개시가 하나 이상의 특정 예들을 설명함으로써 예시되었지만, 이러한 양태들에 제한되는 것은 아니나, 첨부된 청구항들의 범위 내에서, 많은 변형들 및 수정들이 가능하는 것이 당업자들에 의해 이해될 것이다.

Claims (15)

  1. 용량성 가속도계의 폐루프 동작을 위한 방법에 있어서, 상기 용량성 가속도계는,
    적용된 가속도에 응답하여 감지 축을 따라 이동 가능한 프루프 매스(proof mass); 및
    상기 감지 축을 따라 상기 프루프 매스의 양측에 대칭적으로 배열된 제1 및 제2 고정 용량성 전극들로서, 0이 적용된 가속도 하에서 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들과 상기 프루프 매스 사이에서 정의된 갭이 있는, 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들을 포함하며,
    상기 방법은,
    임계 가속도 값에 기초하여 상기 프루프 매스에 VB 크기의 DC 전압을 인가하는 단계;
    상기 제1 고정 용량성 전극에 제1 구동 신호(V1)을 인가하고, 상기 제2 고정 용량성 전극에 제2 구동 신호(V2)를 인가하는 단계로서, 상기 제1 및 제2 구동 신호들은 각각 0과 최대값 사이에서 크기가 변하는 주기적 파형을 갖는, 상기 인가하는 단계;
    인가된 가속도에 응답하여 상기 프루프 매스의 변위를 감지하는 단계;
    상기 적용된 가속도가 상기 임계 가속도 값보다 큰지를 결정하는 단계;
    상기 적용된 가속도가 상기 임계 가속도 값보다 크지 않다고 결정하는 것에 응답하여, 상기 적용된 가속도의 관성력의 밸런스를 맞추고 상기 프루프 매스를 널(null) 위치에서 유지하도록 상기 프루프 매스에 순 정전기 복원력을 제공하기 위해 가변 마크/공간 비율로 상기 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)에 펄스 폭 변조를 적용하는 단계; 및
    상기 적용된 가속도가 상기 임계 가속도 값보다 크다고 결정하는 것에 응답하여, 상기 적용된 가속도의 관성력의 밸런스를 맞추고 상기 프루프 매스를 널 위치에서 유지하도록 상기 프루프 매스에 순 정전기 복원력을 제공하기 위해 일정한 마크/공간 비율로 상기 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)에 펄스 폭 변조를 적용하고, 상기 프루프 매스에 인가된 상기 DC 전압의 크기(VB)를 변경하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 임계 가속도 값 미만의 적용된 가속도 값들에 대해 상기 프루프 매스에 인가된 상기 DC 전압의 크기(VB)는 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)의 진폭의 최대 값의 대략 절반이 되도록 선택되는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프루프 매스에 인가된 상기 DC 전압의 크기(VB)를 변경하는 단계는, β로 표시되는 전압 오프셋을 인가하는 단계로서, β = β0은 상기 임계 가속도 값 미만의 적용된 가속도의 경우 일정하며, β는 상기 임계 가속도 값 이상의 적용된 가속도의 경우 적용된 가속도에 따라 선형으로 증가되는, 상기 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제3항에 있어서, β는 0 또는 상기 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)의 진폭의 최대값과 동일한 크기(VB)를 설정하는 것에 해당하는 최대 최대값이 ±1인 적용된 가속도에 따라 선형으로 증가되는, 방법.
  5. 제3항에 있어서, β는,
    상기 적용된 가속도를 결정하는 단계;
    상기 임계 가속도 값 이상으로 상기 적용된 가속도에 따라 선형으로 증가하는 스케일 팩터(X)를 정의하기 위해 상기 적용된 가속도와 상기 임계 가속도 값의 비율을 계산하는 단계; 및
    상수(β0)에 상기 스케일 팩터(X)를 적용하여 β에 대한 결과적인 값을 제공하는 단계에 의해 결정되는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 스케일 팩터(X)의 값은 ≥1인 값들로 제한되는, 방법.
  7. 제3항에 있어서, β는,
    상기 마크/공간 비율에 관련된 파라미터(αD)를 결정하는 단계;
    αD의 절대값으로부터 임계값(αTh)을 차감하는 단계;
    상기 임계 가속도 값 이상으로, |αD| - αTh의 값을 0으로 만들기 위해 β의 값을 증가시키거나 감소시키는 단계에 의해 결정되는, 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 임계 가속도 값은 1g와 5g 사이의 크기를 갖도록, 바람직하게는 약 1.5g의 크기를 갖도록 선택되는, 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적용된 가속도를 나타내는 신호를 출력하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용량성 가속도계는 실리콘 MEMS 구조를 포함하고, 및/또는 상기 프루프 매스는 실질적으로 평면인, 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프루프 매스는 적용된 가속도에 응답하여 상기 감지 축을 따라 평면에 선형으로 이동할 수 있도록 플렉서블 지지 레그들에 의해 고정 기판에 장착되고, 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 상기 동일한 평면의 상기 고정 기판에 형성되는, 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프루프 매스는 상기 감지 축에 실질적으로 수직하고 상기 감지 축을 따라 이격된, 상기 프루프 매스로부터 연장되는 제1 및 제2 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트들을 포함하고;
    상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 각각, 상기 감지 축에 실질적으로 수직으로 연장되고 상기 감지 축을 따라 이격된 제1 및 제2 고정 용량성 전극 핑커 세트들을 포함하고;
    상기 제1 고정 용량성 전극 핑거 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 사이의 중앙선으로부터 상기 감지 축을 따라 일 방향으로 제1 오프셋을 갖는 상기 제1 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트와 서로 얽히도록 배열되고, 상기 제2 고정 용량성 전극 핑거 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 사이의 중앙선으로부터 상기 감지 축을 따라 반대 방향으로 제2 오프셋을 갖는 상기 제2 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트와 서로 얽히도록 배열되는, 방법.
  13. 용량성 가속도계에 있어서,
    적용된 가속도에 응답하여 감지 축을 따라 이동 가능한 프루프 매스;
    상기 감지 축을 따라 상기 프루프 매스의 양측에 대칭적으로 배열된 제1 및 제2 고정 용량성 전극들로서, 0이 적용된 가속도 하에서 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들과 상기 프루프 매스 사이에서 정의된 갭이 있는, 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들;
    임계 가속도 값에 기초하여 상기 프루프 매스에 VB 크기의 DC 전압을 인가하도록 배열된 DC 바이어싱 요소;
    상기 제1 고정 용량성 전극에 제1 구동 신호(V1)를 인가하고, 상기 제2 고정 용량성 전극에 제2 구동 신호(V2)를 인가하도록 배열되되, 상기 제1 및 제2 구동 신호들은 각각 0과 최대값 사이에서 크기가 변하는 주기적 파형을 갖는, 펄스 폭 변조 신호 생성기;
    상기 적용된 가속도가 임계 가속도 값보다 크지 않을 경우, 상기 프루프 매스의 변위로 인한 신호를 감지하고, 상기 적용된 가속도의 관성력의 밸런스를 맞추고 상기 프루프 매스를 널(null) 위치에서 유지하도록 상기 프루프 매스에 순 정전기 복원력을 제공하기 위해 가변 마크:공간 비율로 상기 제1 및 제2 구동 신호들(V1, V2)을 인가하도록 상기 펄스 폭 변조 신호 발생기를 제어하도록 배열된 제1 폐루프 회로; 및
    상기 적용된 가속도가 임계 가속도 값보다 큰 경우, 상기 마크:공간 비율을 상수로 유지하고, 상기 적용된 가속도의 관성력의 밸런스를 맞추고 상기 프루프 매스를 널 위치에서 유지하도록 상기 프루프 매스에 순 정전기 복원력을 제공하기 위해 상기 DC 바이어싱 요소에 의해 상기 프루프 매스에 인가된 상기 DC 전압의 크기(VB)를 변경하도록 배열된 제2 폐루프 회로를 포함하는, 용량성 가속도계.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제2 폐루프 회로는 β로 나타낸, 전압 오프셋을 인가함으로써 상기 프루프 매스에 인가된 상기 DC 전압의 상기 크기(VB)를 변경하도록 배열되되, β = β0는 상기 임계 가속도 값 미만의 적용된 가속도의 경우 일정하고, β는 상기 임계 가속도 값 이상의 적용된 가속도에 따라 선형으로 증가하는, 용량성 가속도계.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 실리콘 MEMS 구조를 포함하고; 및/또는
    상기 프루프 매스는 적용된 가속도에 응답하여 상기 감지 축을 따라 평면에 선형으로 이동할 수 있도록 플렉서블 지지 레그들에 의해 고정 기판에 장착되고, 상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 상기 동일한 평면의 상기 고정 기판에 형성되고; 및/또는
    상기 프루프 매스는 실질적으로 평면이고; 및/또는
    상기 프루프 매스는 상기 감지 축에 실질적으로 수직하고 상기 감지 축을 따라 이격된, 상기 프루프 매스로부터 연장되는 제1 및 제2 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트들을 포함하고; 및
    상기 제1 및 제2 고정 용량성 전극들은 각각, 상기 감지 축에 실질적으로 수직으로 연장되고 상기 감지 축을 따라 이격된 제1 및 제2 고정 용량성 전극 핑커 세트들을 포함하고; 및
    상기 제1 고정 용량성 전극 핑거 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 사이의 중앙선으로부터 상기 감지 축을 따라 일 방향으로 제1 오프셋을 갖는 상기 제1 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트와 서로 얽히도록 배열되고, 상기 제2 고정 용량성 전극 핑거 세트는 인접한 고정 용량성 전극 핑거들 사이의 중앙선으로부터 상기 감지 축을 따라 반대 방향으로 제2 오프셋을 갖는 상기 제2 이동 가능 용량성 전극 핑거 세트와 서로 얽히도록 배열되는, 용량성 가속도계.
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