$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

모바일용 저잡음 6축 관성센서 IC의 설계
Design of a Low Noise 6-Axis Inertial Sensor IC for Mobile Devices 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.40 no.2, 2015년, pp.397 - 407  

김창현 (School of Electrical & Electronic Engineering Yonsei University) ,  정종문 (School of Electrical & Electronic Engineering Yonsei University)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

본 논문에서는 최근 스마트폰이나 웨어러블 디바이스처럼 IoT/M2M 을 위한 여러 종류의 모바일 기기에 사용되는 센서 중에서 각속도를 검출하는데 사용되는 3축 자이로스코프 센서 IC와 가속도를 검출하는데 사용되는 3축 가속도 센서IC를 1 chip으로 하는 6축 관성센서 IC를 설계하였다. 특히 본 논문에는 자이로스코프 센서의 잡음을 분석하고 이를 효과적으로 제거하기 위한 구조를 제안하였다. 자이로스코프 센서는 가속도 센서, 지자기 센서와 더불어 사용자의 동작을 인식하고, 상대적 위치를 추정하기 위한 용도로 사용되는 센서이다. 위치를 추정할 때 사용되는 센서는 아주 작은 잡음이라도 오차로 누적되기 때문에, 정확도를 높이기 위해서 저잡음 IC 설계가 아주 중요한 요소이다. 본 논문에서는 자이로스코프 센서를 모델링하고 MEMS(micro-electro-mechanical system)와 회로에서 발생하는 잡음의 주파수 특성을 분석하여 이를 효과적으로 제거하기 위한 회로 구조를 제안하였으며, 초소형, 저전력 환경에서 사용 가능하면서 잡음 수준이 아주 낮은 3축 자이로스코프 센서와 3축 가속도 센서를 포함하는 6축 1 chip IC를 제작하였다. 제작된 IC는 자이로스코프 센서 잡음의 주요 원인이 되는 quadrature error를 효과적으로 제거하기 위한 회로 구조를 사용하였고, 0.18um CMOS공정을 이용하여 0.01dps/${\sqrt{Hz}}$의 자이로스코프 센서 잡음밀도를 가지는 IC를 제작하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we designed 1 chip IC for 3-axis gyroscope and 3-axis accelerometer used for various IoT/M2M mobile devices such as smartphone, wearable device and etc. We especially focused on analysis of gyroscope noise and proposed new architecture for removing various noise generated by gyroscope...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • Quadrature error는 구동 질량체의 운동이 감지 질량체를 흔들어 발생하기 때문에 구동 질량체와 유사한 신호의 파형과 위상을 나타내게 된다. 그러므로 본 논문에서는 구동 질량체의 운동을 이용하여 quadrature error를 보상하고자 한다.
  • 본 논문에서는 2개의 구동 방향을 가진 각각의 질량체를 이용하여 3축 방향의 각속도를 측정하는 자이로스코프 센서를 제안하였다. 두 질량체 사이에 발생하는 맥놀이 (beat)를 모델링하고 센서의 잡음에 미치는 영향을 분석하였다.
  • 본 논문에서는 2개의 구동 방향을 가진 각각의 질량체를 이용하여 3축 방향의 각속도를 측정하는 자이로스코프 센서를 제안한다. 이 때 두 질량체 사이에 발생하는 맥놀이 (beat)를 모델링하고 센서의 잡음에 미치는 영향을 분석하였다.
  • 이렇게 맥놀이와 함께 발생하는 quadrature error는 단순히 하나의 주파수를 가진 신호가 아니라 맥놀이에 의해 주파수가 섞여 좀 더 복잡한 파형을 나타낸다. 본 논문에서는 quadrature error를 보상하는 방법으로 기존의 방법과 다르게 구동신호는 그대로 두고 감지신호에서 발생하는 quadrature error를 유사한 위상과 크기를 가진 신호로 빼는 방법을 제안한다. 이러한 방식은 센서의 구동을 위한 회로를 간단하게 설계할 수 있는 장점이 있으며 맥놀이에 의해 복잡한 파형을 나타내는 quadrature error를 제거하는데도 효과적이다.
  • 표 1은 3축 자이로스코프의 공진 특성 파라메타를 나타낸다. 본 논문에서는 y축과 x축 구동 사이에는 3kHz의 주파수 차이를 두어 공진 시 발생하는 간섭의 영향을 줄이고자 하였다. 또한 구동 주파수와 감지 주파수 사이에는 약 600 또는 800Hz의 주파수 차이를 가진다.
  • 에서 만들어진 클럭은 신호 감지부의 주파수 변조를 위해 사용될 뿐 아니라 위상 지연기가 정확하게 동작하는지를 모니터링하는데도 사용된다. 본 논문에서는 구동 피드백 신호의 크기와 위상을 모니터링해서 항상 일정한 크기와 위상을 가지도록 구동 신호를 제어한다. 자이로스코프의 감지 블록은 높은 증폭비를 구현하기 위해 preamp.
  • 본 논문에서는 모바일 기기에 사용되는 가속도 센서와 자이로스코프 센서의 잡음을 줄임으로써 오차를 최소화하여 동작 인식이나 위치 추정의 정확도를 높이고 부가가치가 높은 서비스를 제공할 수 있도록 한다. 모든 방향으로부터의 관성력을 측정하기 위해서 가속도와 자이로스코프는 각 각 x, y, z축 3방향을 감지하기 위한 센서가 탑재되었다.
  • 가속도 센서와 자이로스코프 센서는 관성력을 감지하는 MEMS와 MEMS의 물리적 변형을 전압이나 디지털 신호로 변환하여 host로 전달하는 IC로 구성된다. 본 논문에서는 특히 자이로스코프 센서를 모델링하여 MEMS와 신호처리 IC에서 발생하는 다양한 잡음을 분석하고, 이를 제거하기 위한 효율적인 IC 구조를 제안한다. 본 논문의 나머지 부분은 다음과 같이 구성된다.
  • 이러한 방식은 센서의 구동을 위한 회로를 간단하게 설계할 수 있는 장점이 있으며 맥놀이에 의해 복잡한 파형을 나타내는 quadrature error를 제거하는데도 효과적이다. 특히 본 논문에서는 감지 신호의 quadrature error를 제거하여 preamp에서 발생할 수 있는 신호의 포화를 막으면서 충분한 이득을 확보하여 시스템 전체의 잡음을 줄이는 방법을 제안하고 있다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
자이로스코프 센서는 무엇인가? 자이로스코프 센서는 질량체를 한 방향으로 구동시키고, 구동과 직교하는 방향으로 회전시킬 때 발생하는 코리올리력을 이용하여 각속도를 측정하는 센서이다.
GPS로 모바일 기기의 위치정보를 추정하기 어려운 경우 사용되는 기술은? [1,2] 일반적으로 위치정보를 얻기 위해 사용하는 GPS는 높은 수준의 위치 정보를 제공하지만 실내에서 활용도가 높은 디바이스의 경우에는 GPS가 정확한 위치를 나타내지 못하는 경우가 많다. 이렇게 GPS 가 제대로 동작하지 않는 환경에서 위치를 추정하기 위해서, 최근 가속도 센서, 자이로스코프 센서, 지자기 센서, 압력 센서 등 다양한 센서의 융합 (fusion) 기술과 Bluetooth, WiFi등의 무선기술, 지리 정보 등을 종합하여 모바일 기기의 위치를 추정하는 기술이 연구되고 있다. [6] 이러한 위치 추정 기술은 그 동안 연구를 통해 많은 발전이 이루어졌지만, 여전히 더 높은 정확도가 요구되고 있다.
레이저로 구동하고 광섬유를 이용하는 자이로스코프가 모바일용으로 사용하기 적합하지 않은 이유는? 레이저로 구동하고 광섬유를 이용하는 자이로스코프(fiber optic gyroscope, FOG)는 잡음이 적고 정밀한 출력을 얻을 수 있지만 시스템이 크고, 복잡하기 때문에 모바일용으로 사용하기 적합하지 않다. [3-5] 최근에는 표면 마이크로머시닝 (surface micromachining) 기술을 이용한 튜닝 포크 (tuning fork) MEMS 자이로스코프가 모바일용으로 많이 연구되고 있으며[7-9] 압전소자 (piezo electric)를 이용한 자이로스코프도 연구되고 있다.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (26)

  1. C. Perera, A. Zaslavsky, P. Christen, and D. Georgaopoulos, "Context aware computing for the internet of things: A survey," IEEE Commun. Surveys Tuts., vol. 16, no. 1, pp. 414-454, 2014. 

  2. C. Perera, A. Zaslavsky, C. H. Liu, M. Compton, P. Christen, and D. Georgakopoulos, "Sensor search techniques for sensing as a service architecture for the internet of things," IEEE Sensors J., vol. 14, no. 2, pp. 406-420, Feb. 2014. 

  3. S. W. Lloyd, S. Fan, and M. J. F. Digonnet, "Experimental observation of low noise and low drift in a laser-driven fiber optic gyroscope," J. Lightw. Technol., vol. 31, no. 13, pp. 2079-2085, Jul. 2013. 

  4. H. Ma, W. Wang, Y. Ren, and Z. Jin, "Low-noise low-delay digital signal processor for resonant micro optic gyro," IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 25, no. 2, pp. 198-201, Jan. 2013. 

  5. F. Hakimi and J. D. Moores, "RIN-reduced light source for ultra-low noise interferometric fibre optic gyroscopes," Electron. Lett., vol. 49, no. 3, pp. 205-207, Jan. 2013. 

  6. K. Lan and W. Shin, "Using smart-phones and floor plans for indoor location tracking," IEEE Trans. Human-Machine Syst., vol. 44, no. 2, pp. 211-221, Apr. 2014. 

  7. Z. Y. Guo, L. T. Lin, Q. C. Zhao, Z. C. Yang, H. Xie, and G. Z. Yan, "A lateral-axis microelectromechanical tuning - fork gyroscope with decoupled comb drive operating at atmospheric pressure," J. Microelectromech. Syst., vol. 19, no. 3, pp. 458-468, Jun. 2010. 

  8. A. Walther, C. L. Blanc, N. Delorme, Y. Deimerly, R. Anciant, and J. Willemin, "Bias contributions in a MEMS tuning fork gyroscope," J. Microelectromech. Syst., vol. 22, no. 2, pp. 303-308, Apr. 2013. 

  9. M. S. Weinberg and A. Kourepenis, "Error sources in in-plane silicon tuning-fork MEMS gyroscopes," J. Microelectromech. Syst., vol. 15, no. 3, pp. 479-491, Jun. 2006. 

  10. X. Li, X. Chen, Z. Song, P. Dong, Y. Wang. J. Jiao, and H. Yang, "A microgyroscope with piezoresistance for both high-performance coriolis-effect detection and seesaw-like vibration control," J. Microelectromech. Syst., vol. 15, no. 6, pp. 1698-1707, Dec. 2006. 

  11. L. Aaltonen, A. Kalanti, M. Pulkkinen, M. Paavola, M. Kamarainen, and K. A. I. Halonen, "A 2.2mA $4.3mm^2$ ASIC for a 1000degree/s 2-Axis capacitive microgyroscope," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 46, no. 7, pp. 1682-1692, Jul. 2011. 

  12. A. Sharma, M. F. Zaman, and F. Ayazi, "A 104-dB dynamic range transimpedance-based CMOS ASIC for tuning fork microgyroscopes," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 42, no. 8, pp. 1790-1802, Aug. 2007. 

  13. J. Raman, E. Cretu, P. Rombouts, and L. Weyten, "A closed-loop digitally controlled MEMS gyroscope with unconstrained sigmadelta force-feedback," IEEE Sensors J., vol. 9, no. 3, pp. 297-305, Mar. 2009. 

  14. A. Norouzpour-Shirazi, M. F. Zaman, and F. Ayazi, "A digital phase demodulation technique for resonant MEMS gyroscopes," IEEE Sensors J., vol. 14, no. 9, pp. 3260- 3266, Sept. 2014. 

  15. S. Park and R. Horowitz, "Adaptive control for the conventional mode of operation of MEMS gyroscopes," J. Microelectromech. Syst., vol. 12, no. 1, pp. 101-108, Feb. 2003. 

  16. A. Sharma, M. F. Zaman, and F. Ayazi, "A sub-0.2degrees/hr bias drift micromechanical silicon gyroscope with automatic CMOS mode-matching," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 44, no. 5, pp. 1593-1608, May 2009. 

  17. R. P. Leland, "Adaptive control of a MEMS gyroscope using lyapunov methods," IEEE Trans. Control Syst. Technol., vol. 14, no. 2, pp. 278-283, Mar. 2006. 

  18. S. Sonmezoglu, S. E. Alper, and T. Akin, "An automatically mode-matched MEMS gyroscope with wide and tunable bandwidth," J. Microelectromech. Syst., vol. 23, no. 2, pp. 284-297, Apr. 2014. 

  19. M. Kirrkko-Jaakkola, J. Collin, and J. Takala, "Bias prediction for MEMS gyroscopes," IEEE Sensors J., vol. 12, no. 6, pp. 2157- 2163, Jun. 2012. 

  20. Z. W. Wu, M. L. Yao, H. G. Ma, and W. M. Jia, "De-noising MEMS inertial sensors for low-cost vehicular attitude estimation based on singular spectrum analysis and independent component analysis," Electron. Lett., vol. 49, no. 14, Jul. 2013. 

  21. Y. Dong, M. Kraft, and W. Redman-White, "Micromachined vibratory gyroscopes controlled by a high-order bandpass sigmadelta modulator," IEEE Sensors J., vol. 7, no. 1, pp. 59-69, Jan. 2007. 

  22. J. Georgy, A. Noureldin, M. J. Korenberg, and M. M. Bayoumi, "Modeling the stochastic drift of a MEMS-Based gyroscope in Gyro/ Odometer/GPS integrated navigation," IEEE Trans. Intell. Transportation Syst., vol. 11, no. 4, Dec. 2010. 

  23. E. Tatar, S. E. Alper, and T. Akin, "Quadrature -error compensation and corresponding effects on the performance of fully decoupled MEMS gyroscopes," J. Microelectromech. Syst., vol. 21, no. 3, pp. 656-667, Jun. 2012. 

  24. S. Lee, S. Park, J. Kim, S. Lee, and D. Cho, "Surface/bulk micromachined single-crystalline -silicon micro-gyroscope," J. Microelectromech. Syst. vol. 9, no. 4, pp. 557-567, Dec. 2000. 

  25. M. F. Zaman, A. Sharma, and F. Ayazi, "The resonating star gyroscope a novel multipleshell silicon gyroscope with sub-5 deg/hr allan deviation bias instability," IEEE Sensors J., vol. 9, no. 6, pp. 616-624, Jun. 2009. 

  26. M. Saukoski, L. Aaltonen, and K. A. I. Halonen, "Zero-rat output and quadrature compensation in vibratory MEMS gyroscopes," IEEE Sensors J., vol. 7, no. 12, pp. 1639- 1652, Dec. 2007. 

관련 콘텐츠

오픈액세스(OA) 유형

FREE

Free Access. 출판사/학술단체 등이 허락한 무료 공개 사이트를 통해 자유로운 이용이 가능한 논문

저작권 관리 안내
섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로