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KR101297654B1 - 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 보상 방법과 온도 및 공진 제어루프 시스템 - Google Patents

평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 보상 방법과 온도 및 공진 제어루프 시스템 Download PDF

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KR101297654B1
KR101297654B1 KR1020110117266A KR20110117266A KR101297654B1 KR 101297654 B1 KR101297654 B1 KR 101297654B1 KR 1020110117266 A KR1020110117266 A KR 1020110117266A KR 20110117266 A KR20110117266 A KR 20110117266A KR 101297654 B1 KR101297654 B1 KR 101297654B1
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KR
South Korea
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temperature
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voltage
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이정신
임재욱
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 보상 방법 및 시스템에 관한 것으로, 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템은, 분리형 평행판 전극 타입의 액추에이터로 구현한 센서 진동축 구동 전극, 감지 전극 및 입력되는 물리량에 비례하는 공진 주파수 변화량을 출력하는 질량체를 포함하는 공진형 센서; 감지 전극으로부터 출력된 변위신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 센서 변위 검출부; 센서 변위 검출부의 출력을 입력받아 공진 신호의 진폭 및 위상을 제어하는 공진 제어부; 온도센서 출력에 비례하는 온도 제어용 DC 전압을 제공하는 온도 제어부; 및 온도 제어부 및 공진 제어부 출력 전압을 인가받아 공진형센서의 센서 진동축 구동 전극으로 인가하는 센서 구동 입력부를 포함하고, 평행판 전극 타입의 액추에이터를 이용하여 공진형 센서의 공진자인 DETF 전기적 강성을 조정하고 이에 따른 공진 주파수 변화로 온도에 따른 공진 주파수 변화를 보상하게 된다.

Description

평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 보상 방법과 온도 및 공진 제어루프 시스템{Temperature compensation method and temperature and oscillation control loop system of parallel plate electrode type resonance sensor}
본 발명은 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 보상 방법과 온도 및 공진 제어루프 시스템에 관한 것으로, 특히 공진형 센서에서 추가적인 공진기 구조물이나 보조센서 없이 액추에이터로 평행판 전극을 사용하여 센서 공진 주파수 출력이 온도에 강인하고 입력 물리량에만 민감하게 반응하는 센서 온도 제어 시스템을 설계하였으며, 동시에 상기 질량체 구조물의 공진주파수 변화량을 추적하여 공진점 변화를 보존하는 공진루프 및 공진 주파수 진폭을 일정하게 유지하는 진폭제어루프와 함께 온도 제어루프를 구현하는, 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 보상 방법과 온도 및 공진 제어루프 시스템에 관한 것이다.
공진형 센서는 입력 물리량에 비례하는 동적 시스템의 공진 주파수 변화량을 측정하여 센서의 입력 물리량을 역으로 산출해내는 원리의 센서들을 총칭한다. 주파수 변화량 검출 방식은 디지털 회로와 용이한 인터페이스, 넓은 입력범위 등으로 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, 미세기계전자시스템) 센서 등 그 활용 범위가 넓어지고 있다. 이러한 공진 센서가 우수한 성능을 얻기 위해 외란, 잡음 및 온도 등의 외부 환경요소에 강인하여 입력 물리량에만 공진 주파수 출력이 민감하게 반응하도록 설계해야 한다.
우선, 외란 및 잡음 등에 강인하기 위해 높은 양질 계수(Q-factor)를 가진 센서 구조 및 공진 상태를 잘 유지하는 고정밀의 제어기 설계가 이루어져야 한다. 즉, 입력 물리량에 의한 공진 주파수 변화를 정확히 검출하기 위하여 공진 주파수 출력의 위상과 진폭이 외란 및 잡음 등의 영향을 받지 않도록 하는 자기공진루프(Self-Oscillation Loop, SOL)와 진폭제어루프(Amplitude Control Loop, ACL) 설계가 필요하다. 반면, 공진형 센서 패키지 재료인 단결정 실리콘(crystalline silicon) 또는 수정(quartz) 등의 영률 및 열팽창 계수 등은 온도에 영향을 받는 물성치로써 이에 따라 공진 주파수 또한 온도에 민감하게 변하게 된다. 따라서, 온도에 따른 공진 주파수 변화와 입력 물리량에 따른 공진 주파수 변화를 분리하여 보상하는 일은 센서 성능 개선을 위해 필수적인 작업이다.
상기 공진형 센서의 온도 민감도 보상 방법으로 종래 기술은 크게 두 가지 접근 방법이 있다. 첫 번째, 온도에 따른 영향을 제거하기 위한 추가적인 공진기 구조물을 설계하거나 온도 센서 등을 이용하여 후처리 온도 보상하는 방법이 있다. 또 다른 방법은 TEC(Thermo-Electric Cooler) 또는 열팽창 계수가 다른 재료를 이용한 구조물 등을 적용하여 공진 센서를 온도에 민감하지 않게 하는 방법이 있다.
그러나, 첫 번째 방법의 경우 온도 센서 또는 추가적인 공진기 구조물은 온도 보상할 공진 센서와의 유한한 거리가 발생하여 측정 온도 오차가 발생하며 다른 열적 천이특성에 의해 보상시 시간 지연이 발생하는 단점이 있다.
반면, 두 번째 방법의 경우 온도 변화가 작을 경우에 효과적이나 온도 변화가 클 경우 재료 특성 변화에 따른 비선형성으로 인해 보상이 완벽하게 되지 않는 단점이 존재한다. 또한, TEC(Thermo-Electric Cooler)의 경우 크기 및 소비 전력에 의해 운용 온도 구간의 제한이 발생하며 냉각기(cooler) 제어기 게인 또한 온도에 민감하게 반응하여 게인 튜닝이 어렵다. 또한, 이러한 두 가지 접근법 모두 추가적인 구조물이나 보조센서가 필요하여 초소형 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 센서에는 적합하지 않을 수 있다.
종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 공진형 센서에서 추가적인 공진기 구조물이나 보조센서 없이 액추에이터로 평행판 전극을 사용하여 센서 공진 주파수 출력이 온도에 강인하고 입력 물리량에만 민감하게 반응하는 센서 온도 제어 시스템을 설계하였으며, 동시에 상기 질량체 구조물의 공진주파수 변화량을 추적하여 공진점 변화를 보존하는 공진루프 및 공진 주파수 진폭을 일정하게 유지하는 진폭제어루프와 함께 온도 제어루프를 구현하는, 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 비교적 간단한 회로소자를 이용하여 상기 시스템의 주변 회로와 제어회로를 구성하는 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 보상 방법을 제공하는 것이다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따른 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템은, 분리형 평행판 전극 타입의 액추에이터로 구현한 센서 진동축 구동 전극, 감지 전극 및 입력되는 물리량에 비례하는 공진 주파수 변화량을 출력하는 질량체를 포함하는 공진형 센서; 상기 감지 전극으로부터 출력된 변위신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 센서 변위 검출부; 상기 센서 변위 검출부의 출력을 입력받아 공진 신호의 진폭 및 위상을 제어하는 공진 제어부; 온도센서 출력에 비례하는 온도 제어용 DC 전압을 제공하는 온도 제어부; 및 상기 온도 제어부 및 상기 공진 제어부 출력 전압을 인가받아 상기 공진형 센서의 상기 센서 진동축 구동 전극으로 인가하는 센서 구동 입력부를 포함하고, 평행판 전극 타입의 액추에이터를 이용하여 상기 공진형 센서의 공진자인 DETF(Double-Ended Turning Fork) 전기적 강성을 조정하고 이에 따른 공진 주파수 변화로 온도에 따른 공진 주파수 변화를 보상하는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 측면에 따른 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 보상 방법은, 공진형 센서에 의해 분리형 평행판 전극 타입의 액추에이터로 구현한 센서 진동축 구동 전극, 감지 전극 및 질량체에 입력되는 물리량에 비례하는 공진 주파수 변화량을 출력하는 단계; 센서 변위 검출부에 의해 상기 감지 전극으로부터 출력된 변위신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 단계; 상기 센서 변위 검출부의 출력을 입력받아 공진 제어부에 의해 공진 신호의 진폭 및 위상을 제어하는 단계; 온도 제어부에 의해 온도센서 출력에 비례하는 온도 제어용 DC 전압을 제공하는 단계; 및 상기 온도 제어부 및 상기 공진 제어부 출력 전압을 인가받아 센서 구동 입력부에 의해 상기 공진형 센서의 센서 진동축 구동 전극으로 인가하는 단계를 포함하고, 평행판 전극 타입의 액추에이터를 이용하여 공진형 센서의 공진자인 DETF(Double-Ended Turning Fork) 전기적 강성을 조정하고 이에 따른 공진 주파수 변화로 온도에 따른 공진 주파수 변화를 보상하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 보상 방법과 온도 및 공진 제어루프 시스템은 단일 질량체 구조물과 주변 전극 및 피드백 제어 시스템을 이용하여 외란, 잡음 및 온도 등의 외부 환경으로부터 일정한 진폭유지 및 공진 주파수를 출력하도록 하는 고안정 공진형 센서에 대한 루프제어를 제안하였으며, 고안정 관성센서를 개발할 필요가 있을 경우, 비교적 단순한 반도체 공정만으로도 정밀한 관성센서를 제공할 수 있다.
결과적으로, 본 발명은 추가적인 공진기 구조물이나 보조센서 없이 액추에이터로 평행판 전극을 사용하여 센서 공진 주파수 출력을 온도에 강인하고 입력 물리량에만 민감하게 반응하도록 구현하였으며, 이에 따라 정밀한 초소형 관성센서를 사용하는 분야에서 복잡한 회로구성을 이용하여 제작해야 하는 단점을 해결할 수 있다. 또한, 센서 정밀도에 비례하는 회로 구성시의 시간과 노력을 개선하는 효과를 가져 올 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 구성에 따른 평행판 전극 타입 공진형 센서의 구조 및 동작원리를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 공진형 센서 온도 보상 및 공진 제어루프 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도 제어부의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 변위 검출부/주파수 카운터/공진 제어부의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 제어부의 바람직한 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 변위 검출부/주파수 카운터/공진 제어부의 바람직한 회로도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 시스템 구성 후, 힌지 강성(hinge stiffness)에 따른 공진 주파수 변화 모의실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 시스템 구성 후, 온도 제어용 DC 전압에 따른 공진 주파수 변화 모의실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에서 제안한 온도 보상 기법 적용시 제어 전압 출력 및 공진 주파수 출력 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 시스템 구성 후, 온도 보상 회로 적용 시 제어 전압 출력 및 공진 주파수 출력 모의실험 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명의 특징 및 장점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.
상기의 종래 기술에서 나아가 본 발명은 영률 및 열팽창 계수에 따른 공진 주파수의 온도 민감도를 보상하기 위해 평행판 전극 타입의 액추에이터를 사용한다. 평행판 전극 타입의 공진형 센서는 구동 전압에 따라 전기적 강성(electrical stiffness)이 변하며 이로 인해 공진 주파수를 조정할 수 있는 특성을 온도보상에 이용한다. 즉, 온도 제어 전압을 평행판 전극에 인가하여 전기적 강성(electrical stiffness)을 조정하고 이에 따른 공진 주파수 변화로 온도에 따른 공진 주파수 변화를 보상하도록 한다. 이는 추가적인 공진기 구조물 또는 TEC 등의 별도의 디바이스 없이 온도 보상 가능함에 따라 초소형 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, 미세기계전자시스템) 센서 개발에 적합한 기법이며 제어기 게인 튜닝 등도 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 구성에 따른 평행판 전극 타입 공진형 센서의 구조 및 동작원리를 나타낸 도면이다.
도 1은 본 발명에서 제안된 평행판 전극 타입 공진형 센서의 일반적인 동작원리를 설명한다. 먼저, 공진 시스템의 원리를 설명하기 위해 진동축 방향으로 진동하는 동역학적 방정식을 고려하기로 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 질량-스프링-댐퍼로 구성되는 2차 동적 방정식에서 댐핑의 영향이 작을 경우, 공진주파수는 질량과 스프링의 탄성계수에 의해 결정된다. 만약, 외부 입력에 의해 스프링 탄성계수가 변할 경우, 이를 공진주파수의 변화량으로 측정함으로써 외부 입력의 크기를 관측할 수 있다. 이때, 질량체의 입력축 방향 진동을 유도하는 것은 질량체와 진동축 전극 사이의 전위차에 의해 발생하는 정전기력이며 공진을 유도하기 위한 정전기력 신호를 제어루프를 통해 생성해야 한다. 이때 인가되는 전기적 신호의 주파수를 읽음으로써 공진형 센서의 입력을 추정하는 원리를 가지게 된다. 또한, DC 전압과 AC 전압을 한 전극에 모두 인가하였을 때 질량체(관성 센서 공진자)(120)의 공진 주파수 뿐만아니라 감지 전극(130) 출력의 크기도 영향을 받기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 온도 제어용 DC 전압 인가 전극(110)과 공진 유지를 위한 AC 구동 전압 인가 전극(100)을 분리하여 온도 보상과 가속도계 공진 제어를 수행하는데 편리하도록 설계하였다.
도 2는 본 발명에 따른 공진형 센서 온도 보상 및 공진 제어루프 시스템 구성도이다.
본 발명에 따른 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템은, 분리형 평행판 전극 타입의 액추에이터로 구현한 센서 진동축 구동 전극(210), 감지 전극(230) 및 입력되는 물리량에 비례하는 공진 주파수 변화량을 출력하는 질량체(220)를 포함하는 공진형 센서(240); 상기 감지 전극(230)으로부터 출력된 변위신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 센서 변위 검출부(250); 상기 센서 변위 검출부(250)의 출력을 입력받아 공진 신호의 진폭 및 위상을 제어하며, 검출된 변위신호와 질량체 구조물 입력 신호 간의 위상을 동기화시키는 공진제어루프 및 상수 또는 일정한 값의 진폭을 유지하여 질량이 진폭평형 상태를 갖도록 하는 변위 진폭유지제어루프로 구성되는 공진 제어부(280); 온도센서 출력에 비례하는 온도 제어용 DC 전압을 구현하였으며, 온도 센서 입력의 2차 함수로 구현되는 DC 온도 제어 전압을 생성하는 온도 제어부(270); 및 상기 온도 제어부(270) 및 상기 공진 제어부(280) 출력 전압으로 상기 센서 구동 전극(210)으로 인가하는 센서 구동 입력부(200)를 포함하고, 평행판 전극 타입의 액추에이터를 이용하여 공진형 센서의 공진자인 DETF(Double-Ended Turning Fork) 전기적 강성을 조정하고 이에 따른 공진 주파수 변화로 온도에 따른 공진 주파수 변화를 보상하는 것을 특징으로 한다.
상기 온도 제어부(270)는 상기 온도센서 출력을 입력받아 상기 공진형 센서의 공진 주파수 온도 민감도를 보상할 수 있는 전압 출력을 생성하는 간단한 아날로그 회로로 구현되는 것을 특징으로 한다.
상기 공진 제어부(280)는 상기 센서 변위 검출부 출력을 증폭하는 증폭기; 공진 주파수를 중심 주파수로 하는 대역 통과 필터; 센서 변위 검출기에서 출력된 변위 신호의 포락선을 검출하기 위한 정류기; 상기 정류기 신호와 기준 값 입력기로부터 생성된 기준 신호간의 차이 값에 대해 비례, 적분연산을 수행하고 각각 이득 값을 곱해주는 PI 제어기; JFET(Junction Field Effect Transistor)을 이용하여 앰프의 이득을 ±로 바꾸어 줄 수 있는 VGS(Variable Gain polarity Switching) 회로로 구성된 진폭 제어 루프와 위상 천이기로 구현한 자기 공진 루프를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 보상 방법은, 공진형 센서(240)에 의해 분리형 평행판 전극 타입의 액추에이터로 구현한 센서 진동축 구동 전극(210), 감지 전극(230) 및 질량체(220)에 입력되는 물리량에 비례하는 공진 주파수 변화량을 출력하는 단계; 센서 변위 검출부(250)에 의해 상기 감지 전극(230)으로부터 출력된 변위신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 단계; 상기 센서 변위 검출부(250)의 출력을 입력받아 공진 제어부에 의해 공진 신호의 진폭 및 위상을 제어하는 단계; 온도 제어부(270)에 의해 온도센서 출력에 비례하는 온도 제어용 DC 전압을 제공하는 단계; 및 상기 온도 제어부 및 상기 공진 제어부 출력 전압을 인가받아 센서 구동 입력부(200)에 의해 상기 공진형 센서(240)의 센서 진동축 구동 전극(210)으로 인가하는 단계를 포함하고, 평행판 전극 타입의 액추에이터를 이용하여 상기 공진형 센서(240)의 공진자인 DETF(Double-Ended Turning Fork) 전기적 강성을 조정하고 이에 따른 공진 주파수 변화로 온도에 따른 공진 주파수 변화를 보상하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 도 1의 동작원리에 따라 공진형 센서에 대한 온도 보상 루프제어 시스템을 도시하였다. 그림에서 공진형 센서(240)의 질량체(220)는 센서 진동축 구동전극(210)으로 인가되는 정현파의 구동전압으로 진동하게 된다. 이때 센서 진동특성은 감지전극(230)을 통해 센서 변위 검출부(250)로 진동 신호가 전달되며, 공진 제어부(280)의 진동 유지 제어 신호와 공진점 추적 신호를 곱하여 센서 구동 입력부(200)에서 구동 전압을 센서 진동축 AC 구동전극(110)으로 인가함에 따라 질량체(220)에 대하여 일정한 진폭과 주파수를 유지하는 원리를 취한다. 또한, 온도 제어부(270)의 온도 센서 출력에 비례하는 온도 제어용 DC 전압 출력은 센서 구동 입력부(200)에서 구동 전압을 진동축 DC 구동전극(100)으로 인가함에 따라 질량체(220)의 스프링 전기적 탄성계수를 변경하여 온도에 따른 공진 주파수 변화를 보상한다.
상기 온도 제어부(270) 및 공진 제어부(280)에 대한 자세한 설명은 도 3과 도 4에서 실시예를 통하여 상술하기로 한다.
상기 온도 제어부(270)는 온도 센서(300), 샘플링 저항(310), 버퍼(320), P 제어기(330), 오프셋 보정용 증폭기(340), 버퍼(350), 저역 통과 필터(360)로 구성된다.
도 3은 상기 온도 제어부(270)에서의 바람직한 실시예를 도시한다.
온도 제어부(270)는 센서 패키지에 부착되어 센서 온도를 전류 출력으로 제공하는 온도 센서(300); 온도 센서(300)의 센서 온도에 해당하는 전류 출력을 전압 출력으로 전환하는 샘플링 저항(310); 상기 샘플링 저항(310)에 연결되고, 충격 완화를 위한 버퍼(320); 상기 버퍼(320)와 연결되고, 비례 제어(P 제어)를 사용하여 온도 제어부 DC 전압 출력으로 치환하는 P 제어기(330); 상기 P 제어기(330)로부터 제공된 온도 제어용 전압(예: 25℃)을 0V로 맞추기 위해 온도 센서의 오프셋을 보정하기 위한 오프셋 보정용 증폭기(340); 상기 오프셋 보정용 증폭기(340)에 연결되고, 충격 완화를 위한 버퍼(350); 상기 버퍼(350)에 연결되고, 고주파 잡음을 제거하기 위해 특정 주파수 이내로 저역 필터링하여 최종 온도제어용 전압을 출력하는 저역통과 필터(360)로 구성된다.
온도에 대한 전압 출력은 온도 제어 회로 뿐만아니라 모니터링을 위해 통신보드로 연결된다. 따라서, 이를 직접적으로 연결시 발생할 수 있는 충격을 완충하기 위한 버퍼(320)가 필요하다. 마찬가지로, 최종 온도제어용 전압을 출력하는 저역통과 필터(360) 앞단에 버퍼(350)가 추가돼야 한다. 또한, -20℃에서 70℃ 온도 구간에 해당되는 온도 센서 전압 출력을 온도 제어용 전압 수준으로 증폭시키기 위해 P 제어기(330)가 필요하다. 이 때, 25℃에 해당되는 온도 제어용 전압을 0V로 맞추기 위해 오프셋을 보정하기 위한 오프셋 보정용 증폭기(340)가 필요하게 된다. 마지막으로 최종 온도 제어용 DC 전압을 생성하기 위해 고주파 잡음을 필터링하는 저역통과 필터(360)가 추가돼야 한다.
도 4는 상기 본 발명의 실시예에 따라 센서 변위 검출부(250), 주파수 카운터(260) 및 공진 제어부(280)의 바람직한 실시예를 도시한다.
센서 변위 검출부(250)는 센서의 커패시터 변화를 전압 출력으로 변환하는 전하 증폭기(400); 전하 증폭기(400)의 전압 출력을 증폭시키는 1단 증폭기(410); 및 상기 공진형 센서(240)가 입력 가속도 방향으로의 음압 진동에 노출되었을 때의 영향을 제거하도록 소음 진동 주파수를 필터링하는 노치 필터(420)로 구성된다.
공진 제어부(280)는 2단 증폭기(430), 대역 통과 필터(440), 정류기(480), 저역 통과 필터(490), PI 제어기(500) 및 VGS(Voltage controlled Gain polarity Switching)(460)로 구성되어 있는 진폭제어 루프와 위상 천이기(450), 반전증폭기(470)로 구현한 자기 위상 제어 루프로 구성되어 있다.
공진 제어부(280)는 진폭 제어 입력을 좀 더 정밀하기 위해 2차적으로 증폭하는 2단 증폭기(430); 상기 2단 증폭기(430)의 소음 진동 및 고주파 잡음 등을 필터링 시키는 대역 통과 필터(440); 대역 통과 필터(440)와 연결되고, AC 진폭 신호를 DC 진폭 신호로 변환시키는 정류기(480); 정류기(480)와 연결되고, DC 진폭 신호에 고주파 잡음을 필터링하는 저역 통과 필터(490); 기준 전압을 제공하는 기준값 입력기(510); 상기 정류기 신호와 기준값 입력기(510)로부터 생성된 기준 신호간의 차이 값에 대해 비례, 적분연산을 수행하고 각각 이득 값을 곱하고, DC 진폭 신호를 기준값 입력기(510)의 전압과 비교하여 제어 전압을 출력하는 PI 제어기(500); 및 JFET(Junction Field Effect Transistor)을 이용하여 앰프의 이득을 ±로 바꿀 수 있고, 진폭 제어 출력과 위상 제어 출력의 곱에 해당되는 구동 신호를 생성하는 VGS(Voltage controlled Gain polarity Switching)(460)로 구성된 진폭제어 루프(Amplitude Control Loop, ACL)와, 센서의 공진점을 추적하여 공진점에서 구동되도록 하는 위상 천이기(450)와 VGS의 출력을 반전하여 증폭하는 반전 증폭기(470)로 구현한 자기 위상 제어 루프(Self-Phase control Loop)로 구성된다.
주파수 카운터(260)는 센서 1단 증폭기 출력에 소음 및 고주파 잡음을 필터링하는 대역 통과 필터(520), 및 센서 출력인 사인파의 주기별 제로 크로싱 횟수를 카운팅하여 주파수 출력을 생성하는 비교기(530)로 구성된다.
본 발명의 구성으로 상기 진폭 기준값 입력기(510)는 0이 아닌 임의의 전압 신호를 출력할 수 있으나, 센서의 동적 영역과 설계 변수의 조건하에 해석적인 방법으로 그 값이 결정될 수 있다. 먼저 상기 센서 변위 검출부(250)로부터의 입력신호는 정류기(340)와 저역 통과 필터(360)를 통하여 저주파 신호로 바뀌게 되고 기준값 입력기(510)의 값과 비교하여 PI 제어기(비례-적분 제어기)(500)에 신호를 입력하게 된다. 이때 검출된 저주파 영역에서의 정류된 신호로부터 기준값 입력기(510)의 출력 신호를 추종하기 위한 PI 제어기(500)는 적절한 비례-적분 제어기(PI 제어기) 또는 비례-적분-미분 제어기(PID 제어기)로 구성할 수 있다. 상기 변위 진폭유지제어루프의 구성은 본 발명의 원리에 따라 도 4에 도시된 비례-적분 제어기만으로 한정되지 않는다. 따라서 다른 방법의 적절한 기준값 추종 제어기를 이용하여 본 발명의 다른 실시예를 구성할 수 있음은 자명한 일이다.
도 5는 상기 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 온도 제어부(270)의 회로도를 도시한다. 상기 온도 제어부(270)는 AD590의 0.1℃ 정확도의 온도 센서(300)의 전류 출력을 샘플링 저항(310)으로 전압 출력으로 변환하고, 1, 2단의 버퍼(320)를 거쳐 P 제어기(330)와 오프셋 보정용 증폭기(340)를 거쳐 온도에 대한 1차 함수로 구현된 온도 제어용 DC 전압 출력이 생성된다. 상기 온도 제어부(270)의 구성은 본 발명의 원리에 따라 도 5에 도시된 P 제어기(비례 제어기)만으로 한정되지 않는다. 곱셈기와 2개의 P 제어기 등의 구성으로 온도에 대한 2차 함수로 구현이 가능하며 이 또한 본 발명의 다른 실시예를 구성할 수 있음은 자명한 일이다.
도 6은 상기 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 센서 변위 검출부(250), 주파수 카운터(260) 및 공진 제어부(280)의 회로도를 도시한다.
상기 센서 변위 검출부(250)는 센서의 커패시터 변화를 전압 출력으로 변환해주는 전하 증폭기(400), 이 전압 출력을 증폭시켜 주는 1단 증폭기(410) 및 소음 진동 주파수를 필터링하기 위한 노치 필터(420)로 구성된다.
이때 노치 필터(420)는 공진형 센서가 입력 가속도 방향으로의 음압 진동에 노출되었을 때의 영향을 제거하기 위한 것이다.
또한, 공진 제어부(280)는 2단 증폭기, 대역 통과 필터, 정류기, 저역 통과 필터 및 PI 제어기, VGS(Voltage controlled Gain polarity Switching)로 구성되어 있는 진폭제어 루프와 위상 천이기로 구현한 자기 위상 제어 루프로 구성되어 있다. 이때 VGS 회로는 JFET를 이용하여 앰프의 이득을 ±로 바꾸어 줄 수 있는 회로써 기본적으로 VGA(Variable Gain Amp)와 같은 동작을 하는 회로이다. 이 회로의 장점은 - 제어 신호에 대해 위상이 반대되는 출력이 나온다는 것이다. 즉, 제어시 ± 제어를 모두 활용할 수 있게 되어 진폭이 줄었을 경우뿐만 아니라 진폭이 늘었을 경우에도 제어 가능하다는 장점이 있다.
주파수 카운터(260)는 대역 통과 필터 및 비교기로 구성된다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 시스템 구성 후, 힌지 강성(hinge stiffness) 및 DC 온도 제어 전압에 따른 공진 주파수 변화를 모의 실험한 결과이다. 공진 주파수는 영률(Yong's modulus)과 열탄성 계수(Thermal-Elastic Coefficient, TEC)에 따른 DETF 빔 길이 및 관성 모멘트 변화의 영향을 받는다. 또한, DETF가 고정된 관성질량체의 힌지 강성(hinge stiffness) 또한 공진 주파수에 영향을 끼친다. 이때, 영률, 열탄성 계수 및 힌지 강성은 온도 민감도를 가지는 설계 변수이다. 실시예로 상기 도 7에서와 같이 -20℃에서 70℃까지의 온도 영역에서 기준 힌지 강성 값(
Figure 112011089041110-pat00001
)에서의 영률 및 열탄성 계수 변화에 따른 공진 주파수 변화는 180.34Hz 정도 발생한다. 또한 힌지 강성 값을 줄일수록 온도 민감도는 줄어들고 힌지 강성 값을 늘일수록 온도 민감도는 더욱 커짐을 알 수 있다.
도 8은 질량체(120)에 바이어스 전압을 4V에서 18V까지 다양하게 인가한 후 온도 제어용 DC 전압을 -4V에서 +4V까지 DC 전압 인가 전극(110)에 인가하였을 경우 공진 주파수 변화를 시험한 결과이다. 이를 통해 온도에 따른 공진 주파수 감소분을 보상할 수 있음을 알 수 있다. 이 때 온도 제어용 DC 전압을 -4V에서 +4V로 제한한 것은 온도 제어용 회로에 사용된 Op 앰프 전원이 ±5V였기 때문이나 ±15V 전원을 사용하는 Op 앰프로 교환하여 전압 범위를 넓힐 수 있다.
도 8은 제안한 온도 보상 기법을 적용하였을 경우의 보상 효과를 보여주기 위한 시뮬레이션 결과이다. 즉, -20℃에서 70℃까지의 온도 변화에 따른 온도 제어용 DC 전압 출력과 이를 적용하였을 경우와 적용하지 않았을 경우의 공진 주파수 변화를 도식화하였다. 온도 제어용 DC 전압을 인가하지 않았을 경우 공진 주파수 출력은 191.98Hz 정도 변하였으나 인가할 경우 1.98Hz 정도로 온도 보상하지 않은 경우 대비 1%의 변화량을 보이고 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 시스템을 구성한 후, 온도 보상 회로 적용 시 온도 제어용 DC 전압 출력과 공진 주파수 출력 결과이다. 온도 챔버 안에 차분 진동형 가속도계 센서와 온도 보상 회로 및 공진 제어 회로로 구성된 전자회로로 구성된 센서 패키지를 장착하고 -25℃에서 25℃ 간격으로 75℃까지 공진자인 2개의 DETF의 공진 주파수를 측정하였다. 측정 결과 온도 보상을 적용하지 않았을 경우 2개의 DETF가 각각 0.7210Hz/℃(24.98ppm/℃), 0.74475Hz/℃(25.82ppm/℃)의 온도 민감도를 보이나 온도 보상을 적용하였을 경우 거의 완벽하게 보상됨을 확인할 수 있었다.
도 9는 제안한 온도 보상 기법을 적용하였을 경우의 보상 효과를 보여주기 위한 시뮬레이션 결과이다. 즉, -20℃에서 70℃까지의 온도 변화에 따른 온도 제어용 DC 전압 출력과 이를 적용하였을 경우와 적용하지 않았을 경우의 공진 주파수 변화를 도식화하였다. 온도 제어용 DC 전압을 인가하지 않았을 경우 공진 주파수 출력은 191.98Hz 정도 변하였으나 인가할 경우에는 1.98Hz 정도로 온도 보상하지 않은 경우 대비 1%의 변화량을 보이고 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 시스템을 구성한 후, 온도 보상 회로 적용 시 온도 제어용 DC 전압 출력과 공진 주파수 출력 결과이다. 온도 챔버 안에 차분 진동형 가속도계 센서와 온도 보상 회로 및 공진 제어 회로로 구성된 전자회로로 구성된 센서 패키지를 장착하고 -25℃에서 25℃ 간격으로 75℃까지 공진자인 2개의 DETF의 공진 주파수를 측정하였다. 측정 결과 온도 보상을 적용하지 않았을 경우 2개의 DETF가 각각 0.7210Hz/℃(24.98ppm/℃), 0.74475Hz/℃(25.82ppm/℃)의 온도 민감도를 보이나 온도 보상을 적용하였을 경우 거의 완벽하게 보상됨을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
100: 공진 유지를 위한 AC 구동 전압 인가 전극
110: 온도 제어용 DC 전압 인가 전극
120: 질량체(관성 센서 공진자)
130: 감지 전극 200: 센서 구동 입력부
210: 센서 구동 전극 220: 질량체
230: 감지 전극 240: 공진형 센서
250: 센서 변위 검출부 270: 온도 제어부
280: 공진 제어부

Claims (10)

  1. 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템에 있어서,
    분리형 평행판 전극 타입의 액추에이터로 구현한 센서 진동축 구동 전극, 감지 전극 및 입력되는 물리량에 비례하는 공진 주파수 변화량을 출력하는 질량체를 포함하는 공진형 센서;
    상기 감지 전극으로부터 출력된 변위신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 센서 변위 검출부;
    상기 센서 변위 검출부의 출력을 입력받아 공진 신호의 진폭 및 위상을 제어하는 공진 제어부;
    온도센서 출력에 비례하는 온도 제어용 DC 전압을 제공하는 온도 제어부; 및
    상기 온도 제어부 및 상기 공진 제어부 출력 전압을 인가받아 상기 공진형 센서의 상기 센서 진동축 구동 전극으로 인가하는 센서 구동 입력부를 포함하고,
    평행판 전극 타입의 액추에이터를 이용하여 상기 공진형 센서의 공진자인 DETF(Double-Ended Turning Fork) 전기적 강성을 조정하고 이에 따른 공진 주파수 변화로 온도에 따른 공진 주파수 변화를 보상하되,
    상기 공진형 센서의 질량체는, 상기 센서 진동축 구동 전극으로 인가되는 정현파의 구동전압으로 진동하게 되고, 이때 센서 진동특성은 상기 감지전극을 통해 상기 센서 변위 검출부로 진동 신호가 전달되며, 상기 공진 제어부의 진동 유지 제어 신호와 공진점 추적 신호를 곱하여 상기 센서 구동 입력부에서 구동 전압을 진동축 AC 구동전극으로 인가함에 따라 상기 질량체에 대하여 일정한 진폭과 주파수를 유지하는 원리를 사용하며,
    상기 온도 제어부의 온도 센서 출력에 비례하는 온도 제어용 DC 전압 출력은 상기 센서 구동 입력부에서 구동 전압을 상기 센서 진동축 DC 구동전극으로 인가함에 따라 상기 질량체의 스프링 전기적 탄성계수를 변경하여 온도에 따른 공진 주파수 변화를 보상하는 것을 특징으로 하는 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도 제어부는,
    상기 온도센서 출력을 입력받아 상기 공진형 센서의 공진 주파수 온도 민감도를 보상할 수 있는 전압 출력을 생성하는 아날로그 회로로 구현되는 것을 특징으로 하는 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템.
  3. 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템에 있어서,
    분리형 평행판 전극 타입의 액추에이터로 구현한 센서 진동축 구동 전극, 감지 전극 및 입력되는 물리량에 비례하는 공진 주파수 변화량을 출력하는 질량체를 포함하는 공진형 센서;
    상기 감지 전극으로부터 출력된 변위신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 센서 변위 검출부;
    상기 센서 변위 검출부의 출력을 입력받아 공진 신호의 진폭 및 위상을 제어하는 공진 제어부;
    온도센서 출력에 비례하는 온도 제어용 DC 전압을 제공하는 온도 제어부; 및
    상기 온도 제어부 및 상기 공진 제어부 출력 전압을 인가받아 상기 공진형 센서의 상기 센서 진동축 구동 전극으로 인가하는 센서 구동 입력부를 포함하고,
    평행판 전극 타입의 액추에이터를 이용하여 상기 공진형 센서의 공진자인 DETF(Double-Ended Turning Fork) 전기적 강성을 조정하고 이에 따른 공진 주파수 변화로 온도에 따른 공진 주파수 변화를 보상하되,
    상기 온도 제어부는, 센서 패키지에 부착되어 센서 온도를 전류 출력으로 제공하는 온도 센서; 상기 온도 센서의 센서 온도에 해당하는 전류 출력을 전압 출력으로 전환하는 샘플링 저항; 상기 샘플링 저항에 연결되고, 충격 완화를 위한 버퍼; 상기 버퍼에 연결되고, 비례 제어(P 제어)를 사용하여 온도 제어부 DC 전압 출력으로 치환하는 P 제어기; 상기 P 제어기로부터 제공된 온도 제어용 전압을 0V로 맞추기 위해 온도 센서의 오프셋을 보정하기 위한 오프셋 보정용 증폭기; 상기 오프셋 보정용 증폭기에 연결되고, 충격 완화를 위한 버퍼; 및 상기 버퍼에 연결되고, 고주파 잡음을 제거하기 위해 특정 주파수 이내로 저역 필터링하여 최종 온도제어용 전압을 출력하는 저역통과 필터를 포함하는 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템.
  4. 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템에 있어서,
    분리형 평행판 전극 타입의 액추에이터로 구현한 센서 진동축 구동 전극, 감지 전극 및 입력되는 물리량에 비례하는 공진 주파수 변화량을 출력하는 질량체를 포함하는 공진형 센서;
    상기 감지 전극으로부터 출력된 변위신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 센서 변위 검출부;
    상기 센서 변위 검출부의 출력을 입력받아 공진 신호의 진폭 및 위상을 제어하는 공진 제어부;
    온도센서 출력에 비례하는 온도 제어용 DC 전압을 제공하는 온도 제어부; 및
    상기 온도 제어부 및 상기 공진 제어부 출력 전압을 인가받아 상기 공진형 센서의 상기 센서 진동축 구동 전극으로 인가하는 센서 구동 입력부를 포함하고,
    평행판 전극 타입의 액추에이터를 이용하여 상기 공진형 센서의 공진자인 DETF(Double-Ended Turning Fork) 전기적 강성을 조정하고 이에 따른 공진 주파수 변화로 온도에 따른 공진 주파수 변화를 보상하되,
    상기 센서 변위 검출부는, 센서의 커패시터 변화를 전압 출력으로 변환하는 전하 증폭기; 상기 전하 증폭기의 전압 출력을 증폭시키는 1단 증폭기; 및 상기 공진형 센서가 입력 가속도 방향으로의 음압 진동에 노출되었을 때의 영향을 제거하도록 소음 진동 주파수를 필터링하는 노치 필터로 구성되는 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공진 제어부는,
    2단 증폭기, 대역 통과 필터, 정류기, 저역 통과 필터, PI 제어기 및 VGS(Voltage controlled Gain polarity Switching)로 구성된 진폭제어 루프와 위상 천이기, 반전증폭기로 구현한 자기 위상 제어 루프로 구성되는 것을 특징으로 하는 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템.
  6. 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템에 있어서,
    분리형 평행판 전극 타입의 액추에이터로 구현한 센서 진동축 구동 전극, 감지 전극 및 입력되는 물리량에 비례하는 공진 주파수 변화량을 출력하는 질량체를 포함하는 공진형 센서;
    상기 감지 전극으로부터 출력된 변위신호를 전압신호로 변환하여 출력하는 센서 변위 검출부;
    상기 센서 변위 검출부의 출력을 입력받아 공진 신호의 진폭 및 위상을 제어하는 공진 제어부;
    온도센서 출력에 비례하는 온도 제어용 DC 전압을 제공하는 온도 제어부; 및
    상기 온도 제어부 및 상기 공진 제어부 출력 전압을 인가받아 상기 공진형 센서의 상기 센서 진동축 구동 전극으로 인가하는 센서 구동 입력부를 포함하고,
    평행판 전극 타입의 액추에이터를 이용하여 상기 공진형 센서의 공진자인 DETF(Double-Ended Turning Fork) 전기적 강성을 조정하고 이에 따른 공진 주파수 변화로 온도에 따른 공진 주파수 변화를 보상하되,
    상기 공진 제어부는, 진폭 제어 입력을 좀 더 정밀하기 위해 2차적으로 증폭하는 2단 증폭기; 상기 2단 증폭기의 소음 진동 및 고주파 잡음 등을 필터링시키는 대역 통과 필터; 상기 대역 통과 필터와 연결되고, AC 진폭 신호를 DC 진폭 신호로 변환시키는 정류기; 상기 정류기와 연결되고, DC 진폭 신호에 고주파 잡음을 필터링하는 저역 통과 필터; 기준 전압을 제공하는 기준값 입력기; 상기 정류기 신호와 상기 기준값 입력기로부터 생성된 기준 신호간의 차이 값에 대해 비례, 적분연산을 수행하고 각각 이득 값을 곱하고, DC 진폭 신호를 상기 기준값 입력기의 전압과 비교하여 제어 전압을 출력하는 PI 제어기; 및 JFET(Junction Field Effect Transistor)을 이용하여 앰프의 이득을 ±로 바꿀 수 있고, 진폭 제어 출력과 위상 제어 출력의 곱에 해당되는 구동 신호를 생성하는 VGS(Voltage controlled Gain polarity Switching)로 구성된 진폭제어 루프와, 센서의 공진점을 추적하여 공진점에서 구동되도록 하는 위상 천이기와 상기 VGS의 출력을 반전하여 증폭하는 반전 증폭기로 구현한 자기 위상 제어 루프로 구성되는 것을 특징으로 하는 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센서 변위 검출부의 1단 증폭기 출력에 소음 및 고주파 잡음을 필터링하는 대역 통과 필터와, 센서 출력인 사인파의 주기별 제로 크로싱 횟수를 카운팅하여 주파수 출력을 생성하는 비교기로 구성된 주파수 카운터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템.
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 기준값 입력기는, 센서의 동적 영역과 설계 변수의 조건하에 해석적인 방법으로 그 값이 결정될 수 있으며,
    상기 센서 변위 검출부로부터의 입력신호는 상기 정류기와 상기 저역 통과 필터를 통하여 저주파 신호로 바뀌게 되고 상기 기준값 입력기의 값과 비교하여 상기 PI 제어기에 신호를 입력하게 되고, 이때 검출된 저주파 영역에서의 정류된 신호로부터 상기 기준값 입력기의 출력 신호를 추종하기 위한 상기 PI 제어기는 비례-적분 제어기(PI 제어기) 또는 비례-적분-미분 제어기(PID 제어기)로 구성되는 것을 특징으로 하는 평행판 전극 타입 공진형 센서의 온도 및 공진 제어루프 시스템.
  10. 삭제
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