본 논문에서는 MEMS 용량형 각속도 센서용 프로그래머블 CMOS인터페이스 회로를 제작하고, 이를 MEMS 센싱 엘리먼트와 결합하여 평가하였다. 본 회로는 10 bit 프로그래머블 캐패시터 어레이 를 이용한 전하 증폭기, 오프셋미세 조정을 위한 9 비트 DAC, 출력 민감도의 미세 조정을 위한 10 비트 PGA를 내장하여, 오프셋 및 민감도 오차를 정밀 조정할 수 있다. 제작 결과 자동 이득 제어 회로를 포함한 자가 발진 루프의 정상 동작을 확인하였다. 오프셋 오차와 민감도 오차는 각각 0.36%FSO 와 0.19%FSO 로 측정되었으며, 잡음 등가 해상도와 바이어스 불안정도는 각각 0.016 deg/sec 와 0.012 deg/sec 으로 평가되었다. 본 회로의 조정 기능을 이용하여 MEMS 용량형 각속도 센서의 기생 용량으로 인하여 발생되는 출력 오프셋 및 출력 민감도의 산포를 감소시킬 수 있으며, 이는 센서의 양산성 및 수율 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서는 MEMS 용량형 각속도 센서용 프로그래머블 CMOS 인터페이스 회로를 제작하고, 이를 MEMS 센싱 엘리먼트와 결합하여 평가하였다. 본 회로는 10 bit 프로그래머블 캐패시터 어레이 를 이용한 전하 증폭기, 오프셋 미세 조정을 위한 9 비트 DAC, 출력 민감도의 미세 조정을 위한 10 비트 PGA를 내장하여, 오프셋 및 민감도 오차를 정밀 조정할 수 있다. 제작 결과 자동 이득 제어 회로를 포함한 자가 발진 루프의 정상 동작을 확인하였다. 오프셋 오차와 민감도 오차는 각각 0.36%FSO 와 0.19%FSO 로 측정되었으며, 잡음 등가 해상도와 바이어스 불안정도는 각각 0.016 deg/sec 와 0.012 deg/sec 으로 평가되었다. 본 회로의 조정 기능을 이용하여 MEMS 용량형 각속도 센서의 기생 용량으로 인하여 발생되는 출력 오프셋 및 출력 민감도의 산포를 감소시킬 수 있으며, 이는 센서의 양산성 및 수율 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
In this paper, the CMOS programmable interface circuit for MEMS gyroscope is presented, and evaluated with the MEMS sensing element. The circuit includes the front-end charge amplifier with 10 bit programmable capacitor arrays, 9 bit DAC for accurate offset calibration, and 10 bit PGA for accurate g...
In this paper, the CMOS programmable interface circuit for MEMS gyroscope is presented, and evaluated with the MEMS sensing element. The circuit includes the front-end charge amplifier with 10 bit programmable capacitor arrays, 9 bit DAC for accurate offset calibration, and 10 bit PGA for accurate gain calibration. The self oscillation loop with automatic gain control operates properly. The offset error and gain error after calibration are measured to be 0.36 %FSO and 0.19 %FSO, respectively. The noise equivalent resolution and bias instability are measured to be 0.016 deg/sec and 0.012 deg/sec, respectively. The calibration capability of this circuit can reduce the variations of the output offset and gain, and this can enhance the manufacturability and can improve the yield.
In this paper, the CMOS programmable interface circuit for MEMS gyroscope is presented, and evaluated with the MEMS sensing element. The circuit includes the front-end charge amplifier with 10 bit programmable capacitor arrays, 9 bit DAC for accurate offset calibration, and 10 bit PGA for accurate gain calibration. The self oscillation loop with automatic gain control operates properly. The offset error and gain error after calibration are measured to be 0.36 %FSO and 0.19 %FSO, respectively. The noise equivalent resolution and bias instability are measured to be 0.016 deg/sec and 0.012 deg/sec, respectively. The calibration capability of this circuit can reduce the variations of the output offset and gain, and this can enhance the manufacturability and can improve the yield.
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문제 정의
본 논문에서는 MEMS 용량형 각속도 센서용 프로그래머블 CMOS 인터페이스 회로를 제안한다. 본 회로는 10 bit 프로그래머블 커패시터 어레이 (Programmable Capacitor Array ; PCA)를 이용한 전하 증폭기 (charge amplifier), 오프셋 미세 조정을 위한 9 bit 디지털-아날로그 변환기 (Digital to Analog Converter ; DAC), 출력 민감도의 미세 조정을 위한 10 bit 프로그래머블 게인 증폭기 (Programmalbe Gain Amplifier ; PGA)를 내장하고 있다.
본 논문에서는 MEMS 용량형 각속도 센서용 프로그래머블 CMOS 인터페이스 회로를 제작하고, 이를 MEMS 센싱 엘리먼트와 결합하여 평가하였다. 본 회로는 10 bit 프로그래머블 커패시터 어레이를 이용한 전하 증폭기, 오프셋 미세 조정을 위한 9 비트 DAC, 출력 민감도의 미세 조정을 위한 10 비트 PGA를 내장하고 있다.
제안 방법
) 를 내장하고 있다. 각각의 커패시터 어레이는 최소 10.1 fF 단위로 조정 가능하도록 설계되었다. 식 (1)에서, 기생 용량 (CP1, CP2, CP3, CP4)으로 인하여 발생되는 신호는 오프셋 조정용 커패시터 어레이 (CUP, CDP, CDN, CUN)를 조정하여 제거할 수 있다.
신호의 증폭을 위해서는 AFE에서 발생하는 기생 용량 및 공정 오차를 반드시 보상하여야 하나, CMOS 공정의 최소 커패시터의 구현 제한으로, 높은 정밀도를 확보하기에는 제약이 따른다. 따라서 AFE에서 오프셋 및 민감도를 오차 10% 수준에서 대략적으로 조정하고, 이후 오프셋 미세 조정용 9 bit DAC와 민감도 미세 조정용 10 bit PGA를 이용하여 출력 오프셋 및 출력 민감도를 정밀하게 조정한다.
따라서 공진 주파수 변동을 추종하여 공진 주파수에서 공진을 유지할 수 있는 회로의 설계가 필수적이다. 따라서 본 회로에서는 MEMS 센싱 엘리먼트가 외부 소자의 사용 없이 구동부 공진 주파수에서 공진을 지속할 수 있도록 그림 2와 같은 구조의 AGC를 내장한 자기 발진 루프를 설계하였다.
본 연산 증폭기는 2개의 전류원을 이용하여 wide swing cascode 전류 거울을 형성하고, 이를 이용하여 class A 형태의 출력단을 가지는 2단의 밀러 증폭기의 구조를 가진다. 본 연산 증폭기의 DC 이득은 91 dB, 위상 여유는 70 도, unit gain bandwidth는 9 MHz로 설계되어, 공진 주파수 수 kHz 대역의 신호를 처리하기에 충분하도록 설계되었다.
본 논문에서는 MEMS 용량형 각속도 센서용 프로그래머블 CMOS 인터페이스 회로를 제안한다. 본 회로는 10 bit 프로그래머블 커패시터 어레이 (Programmable Capacitor Array ; PCA)를 이용한 전하 증폭기 (charge amplifier), 오프셋 미세 조정을 위한 9 bit 디지털-아날로그 변환기 (Digital to Analog Converter ; DAC), 출력 민감도의 미세 조정을 위한 10 bit 프로그래머블 게인 증폭기 (Programmalbe Gain Amplifier ; PGA)를 내장하고 있다. 본 회로의 정밀 조정 기능을 이용하여 MEMS 용량형 각속도 센서의 기생 용량으로 인하여 발생되는 출력 오프셋 및 출력 민감도의 산포를 감소시킬 수 있으며, 이는 센서의 양산성 및 수율 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
오프셋 조정용 9 비트 DAC는 샘플 & 홀드 회로의 buffer 단에 피드백 저항과 함께 부착되며, 전류 모드이진 가중형 (binary-weighted) 전류 DAC의 구조를 채택하였다.
용량 감지부 (Capacitive Sensing Chain) 는 MEMS 각속도 센싱 엘리먼트에서 발생하는 용량 변화를 초퍼 안정화 구조를 이용하여 전압으로 변환하는 역할을 수행하며[16], 출력 신호의 오프셋 및 민감도를 각각 두 단계로 미세하게 조정할 수 있도록 설계되었다. 오프셋 및 민감도의 미세 조정 회로를 이용하여 MEMS 엘리먼트 자체의 특성 변동 및 MEMS 엘리먼트와 CMOS 회로의 와이어 본딩 시 발생하는 기생 용량의 산포 등으로 인하여 발생하는 출력 신호의 오차를 감소시키고, 높은 정밀도를 확보할 수 있다.
용량 감지부의 첫 단인 AFE는 전하 증폭기 형태로 구성되며, 전하 증폭기 내의 3개의 10 bit의 이진 가중치 PCA를 이용하여 오프셋 및 게인을 대략적으로 조정 가능하도록 설계되었다. MEMS 엘리먼트의 각속도에 대한 용량 변화 민감도는 1 fF/deg/sec 수준이며, 100 deg/sec 의 각속도 입력 범위를 고려할 때, MEMS 엘리먼트의 전체 용량 변화는 100 fF 수준이다.
그림 1은 MEMS 각속도 센싱 엘리먼트와 CMOS 인터페이스 회로가 결합된 각속도 센서 마이크로 시스템의 블록 다이어그램이다. 제안하는 시스템은 크게 물체의 회전을 감지하는 MEMS 각속도 센싱 엘리먼트와 MEMS 센싱 엘리먼트를 구동하고 회전에 따른 용량 변화를 감지하는 CMOS 인터페이스 회로로 구성된다. CMOS 인터페이스 회로는 크게 MEMS 엘리먼트를 공진 주파수에서 일정한 진폭으로 구동시키는 구동 루프 (driving loop), MEMS 엘리먼트의 용량 변화를 전압으로 변환하는 용량 감지부 (capacitive sensing chain), 기준 전류/전압/주파수 발생부, EEPROM 및 디지털 조정 회로로 구성된다.
출력 민감도의 미세 조정을 위한 10 bit PGA 는 일반적인 반전 증폭기의 구성을 기본으로, 피드백 저항을 조정 가능하도록 설계되었다. 출력 게인은 1/64 V/V 단위로 16 V/V 까지 조정 가능하도록 설계되었다.
대상 데이터
본 CMOS 회로는 0.5 μm 2P3M EEPROM 공정을 이용하여 제작되었으며, 칩 사이즈는 2100 μm × 2900 μm 이다.
그림 8은 본 전하 증폭기에 사용된 연산 증폭기의 구조이다. 본 연산 증폭기는 2개의 전류원을 이용하여 wide swing cascode 전류 거울을 형성하고, 이를 이용하여 class A 형태의 출력단을 가지는 2단의 밀러 증폭기의 구조를 가진다. 본 연산 증폭기의 DC 이득은 91 dB, 위상 여유는 70 도, unit gain bandwidth는 9 MHz로 설계되어, 공진 주파수 수 kHz 대역의 신호를 처리하기에 충분하도록 설계되었다.
본 전하 증폭기는 6개의 10 비트 프로그래머블 커패시터 어레이 (CFP, CFN, CUP, CDP, CDN, CUN) 를 내장하고 있다. 각각의 커패시터 어레이는 최소 10.
본 논문에서는 MEMS 용량형 각속도 센서용 프로그래머블 CMOS 인터페이스 회로를 제작하고, 이를 MEMS 센싱 엘리먼트와 결합하여 평가하였다. 본 회로는 10 bit 프로그래머블 커패시터 어레이를 이용한 전하 증폭기, 오프셋 미세 조정을 위한 9 비트 DAC, 출력 민감도의 미세 조정을 위한 10 비트 PGA를 내장하고 있다. 성능 평가 결과 오프셋 오차와 민감도 오차는 각각 0.
성능/효과
본 회로는 10 bit 프로그래머블 커패시터 어레이를 이용한 전하 증폭기, 오프셋 미세 조정을 위한 9 비트 DAC, 출력 민감도의 미세 조정을 위한 10 비트 PGA를 내장하고 있다. 성능 평가 결과 오프셋 오차와 민감도 오차는 각각 0.36% FSO와 0.19% FSO로 측정되었으며, 잡음 등가 해상도와 바이어스 불안정도는 각각 0.016 deg/sec와 0.012 deg/sec으로 평가되었다. 본 회로의 조정 기능을 이용하여 MEMS 용량형 각속도 센서의 기생 용량으로 인하여 발생되는 출력 오프셋 및 출력 민감도의 산포를 감소시킬 수 있으며, 이는 센서의 양산성 및 수율 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
, 출력 신호의 오프셋 및 민감도를 각각 두 단계로 미세하게 조정할 수 있도록 설계되었다. 오프셋 및 민감도의 미세 조정 회로를 이용하여 MEMS 엘리먼트 자체의 특성 변동 및 MEMS 엘리먼트와 CMOS 회로의 와이어 본딩 시 발생하는 기생 용량의 산포 등으로 인하여 발생하는 출력 신호의 오차를 감소시키고, 높은 정밀도를 확보할 수 있다.
그림 3은 설계된 자기 발진 루프의 시뮬레이션 결과이다. 자기 발진 루프 및 AGC가 정상적으로 동작하여 2.5 V의 DC 오프셋을 중심으로 250 mV의 진폭으로 일정하게 발진이 일어남을 확인할 수 있다.
그림 12는 제작된 시스템의 자기 발진 루프의 동작파형이다. 초기 과도 상태 (transient state)를 거쳐 MEMS 센싱 엘리먼트의 공진 주파수인 5.04 kHz에서 안정적으로 발진을 시작하는 모습을 확인할 수 있다.
그림 13(b)에 1 Hz, 90 deg/sec의 정현파 입력 시 출력 파형의 주파수 스펙트럼을 도시하였다. 측정 결과 본 시스템의 잡음 등가 해상도 (Noise Equivalent Resolution, NER)은 0.016 deg/sec으로 측정되었다.
. 측정 결과 점근선에서 바이어스 불안정도 (bias instability)는 0.012 deg/sec으로 평가되었다.
5 V, 20 mV/deg/sec, ±100 deg/sec 으로 설정되었다. 프로그래머블 인터페이스 회로를 이용하여 출력 특성의 조정 결과 오프셋 오차와 민감도 오차는 각각 0.36% FSO와 0.19% FSO로 측정되었다.
후속연구
본 회로는 10 bit 프로그래머블 커패시터 어레이 (Programmable Capacitor Array ; PCA)를 이용한 전하 증폭기 (charge amplifier), 오프셋 미세 조정을 위한 9 bit 디지털-아날로그 변환기 (Digital to Analog Converter ; DAC), 출력 민감도의 미세 조정을 위한 10 bit 프로그래머블 게인 증폭기 (Programmalbe Gain Amplifier ; PGA)를 내장하고 있다. 본 회로의 정밀 조정 기능을 이용하여 MEMS 용량형 각속도 센서의 기생 용량으로 인하여 발생되는 출력 오프셋 및 출력 민감도의 산포를 감소시킬 수 있으며, 이는 센서의 양산성 및 수율 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
012 deg/sec으로 평가되었다. 본 회로의 조정 기능을 이용하여 MEMS 용량형 각속도 센서의 기생 용량으로 인하여 발생되는 출력 오프셋 및 출력 민감도의 산포를 감소시킬 수 있으며, 이는 센서의 양산성 및 수율 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MEMS 각속도 센서는 어떤 분야에 적용되고 있는가?
MEMS (Microelectromechanical Systems) 각속도 센서는 물체의 회전 속도를 측정하는 센서로, 자동차, GPS 결합형 관성 항법 시스템, 소비자 가전 등 다양한 분야에 적용되고 있다[1～3]. MEMS 각속도 센서의 구현을 위하여 용량형, 압저항형, 압전형, 터널링 형, 전자기형 등 다양한 형태의 각속도 검출 방식이 제안되었으며[4], 이 중 용량형 방식은 낮은 소비 전력과 우수한 온도 특성 및 우수한 DC 특성으로 가장 널리 사용되고 있다[5].
MEMS 각속도 센서의 구현을 위한 각속도 검출 방식 중 용량형 방식의 한계점은 무엇인가?
그러나 용량형 센서의 경우 기생 용량의 영향에 매우 민감하여, 기생 용량으로 인한 신호의 왜곡 및 제한을 보상할 수 있는 방안이 필수적이다. 특히 CMOS 인터 페이스 회로와 MEMS 센싱 엘리먼트가 분리되어 제작되는 경우 CMOS-MEMS 단일 칩 제작 방식에 비하여 기생 용량이 크게 증가하여, CMOS 칩과 MEMS 칩의 패키징 시에 발생하는 기생 용량은 수 pF 수준에 달한다[6].
MEMS 각속도 센서의 구현을 위한 각속도 검출 방식에는 어떤 것들이 있는가?
MEMS (Microelectromechanical Systems) 각속도 센서는 물체의 회전 속도를 측정하는 센서로, 자동차, GPS 결합형 관성 항법 시스템, 소비자 가전 등 다양한 분야에 적용되고 있다[1～3]. MEMS 각속도 센서의 구현을 위하여 용량형, 압저항형, 압전형, 터널링 형, 전자기형 등 다양한 형태의 각속도 검출 방식이 제안되었으며[4], 이 중 용량형 방식은 낮은 소비 전력과 우수한 온도 특성 및 우수한 DC 특성으로 가장 널리 사용되고 있다[5].
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