토크 구동 회로 document_id A220623033736

본 발명은 가속도계 기술분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, MEMS 기반의 가속도계를 동작시키기 위한 회로에 관한 것이다. [정부의 권리] 미국 정부는 미 육군에 의해 맡겨진 계약 제DAAE30-01-9-0100호에 따라 본 발명에 대하여 소정의 권리를 가질 수 있다. 가속도계는 많은 과학 및 공학 시스템에서 뿐만 아니라 관성 안내 시스템에서부터 최신 자동차에서의 에어백 배치 시스템까지를 망라하는 다양한 애플리케이션에서 사용된다. 일반적으로, 가속도계는 마이크로 전자 기기 시스템(Micro Electro-Mechanical system, MEMS) 기반일 수 있으며, 수천 g까지의 넓은 가속도 감지 범위에서 사용가능하다. 또한, 단일 축, 2축 및 3축 구성이 사용가능하다. MEMS 기반의 가속도계의 관성 질량체 빔은 단순한 캔틸레버(cantilever) 빔 또는 질량 중심으로부터 벗어난 지주(fulcrum) 갖는 이중 복합 캔틸레버(시소) 중 하나를 포함할 수 있다. MEMS 빔의 어떠한 종류도 개방 루프 또는 폐쇄 루프 가속도계에서 사용될 수 있다. 개방 루프 또는 패쇄 루프 시스템 모두에서, MEMS 메커니즘은 관성 질량체 빔의 하나 이상의 편향(deflection)을 검출하기 위하여 하나 이상의 평판으로 이루어진 세트를 포함한다. 폐쇄 루프 시스템에서, 관성 질량체의 위치를 제어하기 위하여 MEMS 메카니즘은 하나 이상의 평판으로 이루어진 추가 세트를 포함한다. 이 "구동" 또는 "토크" 평판은 정전기적인 인력을 통해 상대적으로 고정된 위치에서 관성 질량체를 붙잡기 위하여 사용된다. 이러한 "재균형(rebalancing)" 가속도계 시스템은 넓어진 동작 범위를 가지며, 감지된 가속도에서의 왜곡을 최소화한다. 가속도계가 가속도를 받으면, 편향 감지 회로는 변위 또는 편향에서의 작은 변화를 측정한다(예를 들어, 캔틸레버 빔에서). 그 다음, 제어 회로는 관성 질량체를 재균형시키고 그 왜곡을 최소화하기 위하여 제어 전압 또는 "토크" 전압을 생성한다. 일반적으로, 토크 구동부 회로는 필요한 힘을 가하기 위하여 이 전압을 교정 플레이트(좌측 또는 우측)에 대하여 스위칭한다. 또한, 토크 구동부 회로는 낮은 전압에서 제어 회로가 동작하도록 토크 전압을 증폭할 수 있다. 편향 감지 회로를 통해 피드백을 계속 받는 이 힘은 가속도계를 교정적으로 균형맞춘다. 따라서, 교정력을 제공하는데 사용되는 전압 신호의 크기는 가속도계가 받고 있는 가속도의 크기와 방향에 대한 척도이다. 대부분, 이러한 감지 및 균형에 대한 구성은 수 mg보다 더 큰 양 또는 음의 가속도에 효율적이다. 그러나, 가속도가 0 g에 가까워지면, 제어 및 구동 회로에서의 작은 옵셋 및 노이즈 때문에 측정된 가속도에서 데드 밴드 또는 급격한 불연속을 발생할 수 있다. 작다 하더라도(가끔 1 내지 100 mg의 범위를 갖는), 이 오차는 스위칭에 따른 결과물이다. 예를 들어, 양으로부터 음으로의 가속도 전환(또는 그 반대)은 무한대의 루프 이득이나 0의 루프 이득을 생성할 수 있으며, 이 모두는 제어 루프의 불안정을 포함하는 문제점이 많은 다양한 결과를 초래할 수 있다.