KR101455815B1 - Pressure Sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압력 센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 압력에 따라서 선형적으로 값이 출력되는 압력 센서에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly, to a pressure sensor in which a value is output linearly according to a pressure.
일반적으로 압력 센서에는 압력에 따라서 커패시턴스(capacitance, 정전용량)의 변화를 이용하여 압력을 측정하는 센서와, 압력의 변화에 따라서 변화되는 저항값을 측정함으로써 압력을 측정하는 센서가 있다. Generally, a pressure sensor includes a sensor for measuring a pressure using a change in capacitance according to a pressure, and a sensor for measuring a pressure by measuring a resistance value varying with a change in pressure.
커패시턴스의 변화를 측정하는 센서는 압력에 따라서 양단의 간격이 변화하는 커패시터를 설치하고, 압력이 인가됨에 따라서 커패시터의 양단의 간격이 변화함에 따라서 커패시턴스가 변화하는 것을 측정함으로써 압력을 측정하는 방식이다.A sensor for measuring a change in capacitance measures a pressure by measuring a change in capacitance as a distance between both ends of a capacitor changes as a pressure is applied.
일반적으로 커패시터의 커패시턴스는 의 수식에 따라서, 커패시터 양단의 면적(A)에 비례하고, 앙단간의 간격(d)에 반비례한다. 즉, 커패시터 양단의 면적(A)이 고정된 경우, 양단 간격(d)이 커지면 커패시턴스를 감소하고, 양단 간격(d)이 작아지면 커패시턴스는 커진다.In general, the capacitance of a capacitor is , It is proportional to the area A at both ends of the capacitor and is inversely proportional to the interval d between the bottom ends. That is, in the case where the area A at both ends of the capacitor is fixed, the capacitance is decreased when the both end d is increased, and when the both ends d are smaller, the capacitance is larger.
한편, 센서의 압력이 증가하면 양단간의 간격이 감소하고, 압력이 감소하면 양단간의 간격이 증가하므로, 압력과 커패시터의 용량간의 관계는 다음의 수학식 1과 같이 표현이 가능하다.On the other hand, as the pressure of the sensor increases, the gap between both ends decreases. When the pressure decreases, the gap between both ends increases. Therefore, the relationship between the pressure and the capacity of the capacitor can be expressed by the following equation (1).
상기 수학식 1에서 p는 압력에 따라서 커패시터 양단간의 거리가 감소하는 양을 나타내는 것으로서 인가되는 압력에 비례한다.In Equation (1), p represents the amount by which the distance between both ends of the capacitor decreases according to the pressure, and is proportional to the applied pressure.
상기 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이, 압력이 증가하면 분모가 감소하여 커패시턴스가 증가하지만, 압력이 감소하면 분모가 증가하여 커패시턴스가 감소하여, 전체적으로는 커패시턴스는 압력에 정비례한다고 판단할 수 있다. As can be seen from Equation (1), when the pressure increases, the denominator decreases and the capacitance increases. However, when the pressure decreases, the denominator increases and the capacitance decreases. As a result, it can be determined that the capacitance is directly proportional to the pressure.
그러나, 상기 수학식 1에서 커패시턴스 C 는 -1/(p-d)에 비례하므로, 커패시턴스 C는 압력에 선형적으로 비례하지 않으므로, 커패시턴스를 측정하는 것만으로는 압력을 정확하게 측정할 수 없다. However, since the capacitance C is proportional to -1 / (p-d) in Equation (1), the capacitance C is not linearly proportional to the pressure, so that it is not possible to measure the pressure accurately by simply measuring the capacitance.
도 1은 상기 수학식 1에 따른 그래프를 표시하였다. 도 1에서, 압력(p)의 변화에 따른 커패시턴스(C)의 변화는 실선으로 표시되었고, 도 1에 도시된 바와 같이, 커패시턴스(C)은 압력(p)에 비례하지만 선형성이 심하게 훼손되어 커패시턴스값을 측정하는 것 만으로는 정확한 압력값을 얻을 수 없을 알 수 있다.FIG. 1 shows a graph according to Equation 1. FIG. 1, the change of the capacitance C due to the change of the pressure p is indicated by a solid line, and the capacitance C is proportional to the pressure p but the linearity is severely damaged as shown in Fig. 1, It can be known that measuring the value alone will not yield the correct pressure value.
이 뿐만 아니라, 커패시터 회로의 경우 필연적으로 기생 커패시턴스가 발생하고, 이러한 기생 커패시턴스의 영향을 고려하지 않는 경우에는 정확한 압력 측정이 불가능하였다. In addition, parasitic capacitance inevitably occurs in the case of a capacitor circuit, and accurate pressure measurement is impossible when the influence of such a parasitic capacitance is not taken into consideration.
이러한 선형성을 보상하기 위해서 다양한 방식들이 제안되었다. 미국특허 제 3,869,676 호는 압력에 따라서 커패시턴스가 변화하는 가변 커패시터를 브릿지 회로에 결합한 압력 센서를 공개하였다. Various schemes have been proposed to compensate for this linearity. U.S. Patent No. 3,869,676 discloses a pressure sensor that couples a variable capacitor to a bridge circuit, the capacitance of which varies with pressure.
그러나, 상기 미국특허의 경우에도, 입력 전압과 압력 변화에 따른 출력 전압간의 관계에서 약 4% 이상의 오차가 발생하는 것으로 확인되었다.However, even in the case of the above-mentioned U.S. patent, it has been confirmed that an error of about 4% or more occurs in the relation between the input voltage and the output voltage according to the pressure change.
이렇듯, 커패시터를 이용한 압력 센서의 경우에는, 커패시터 자체는 구현이 간단하지만, 이러한 선형성을 보상하기 위한 회로가 복잡한 문제가 발생하여, 최근에는 반도체 공정을 통해서 압력 변화에 따라서 저항값이 변화하는 저항 소자를 이용한 압력 센서가 주로 이용되고 있다. As described above, in the case of a pressure sensor using a capacitor, the capacitor itself is simple to implement, but a circuit for compensating for the linearity is complicated. Recently, a resistance element A pressure sensor using a pressure sensor is mainly used.
그러나, 이러한 저항 소자를 이용한 압력 센서는 전체 회로 구성은 간단하지만, 저항 소자 자체의 제작이 어려워 비용이 상승하는 문제점이 존재하였다.
However, the pressure sensor using such a resistance element has a problem in that the entire circuit configuration is simple, but the production of the resistance element itself is difficult and the cost is increased.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 복잡한 회로 구성없이도 간단하게 압력 변화에 대해서 선형적으로 변화하는 출력값을 나타내는 압력 센서를 제공하는 것이다.
A problem to be solved by the present invention is to provide a pressure sensor that exhibits an output value linearly changing with respect to a pressure change simply without a complicated circuit configuration.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압력 센서는, 일단이 제 1 노드에 연결되고, 타단이 제 1 스위칭부를 통해서 게인 전원(Vgain) 또는 구동전원(VDD)에 연결되는 기준 커패시터; 일단이 상기 제 1 노드에 연결되고, 타단이 제 2 스위칭부를 통해서 제 2 노드 또는 바이어스 전원(Vbias)에 연결되며, 압력에 따라서 커패시턴스가 변화하는 가변 커패시터; 일단이 상기 제 1 노드에 연결되고, 타단이 제 3 스위칭부를 통해서 상기 바이어스 전원 또는 제 3 노드에 연결되는 선형 보상 커패시터; 제 1 입력 단자가 상기 제 1 노드에 연결되고, 제 2 입력 단자가 접지되며, 출력단자가 상기 제 2 노드에 연결되는 연산 증폭기; 및 제 4 스위칭부를 통해서 제 2 노드와 입력단자가 연결되고, 출력단자가 상기 제 3 노드에 연결되는 샘플 앤 홀드 회로를 포함한다.Pressure sensor according to an embodiment of the present invention for solving the above problems, one end connected to the first node and the other end is connected to a first switching gain power by parts (V gain) or a driving power source (V DD) A reference capacitor; A variable capacitor having one end connected to the first node and the other end connected to a second node or a bias power supply ( Vbias ) through a second switching unit, the capacitance of which varies according to the pressure; A linear compensation capacitor having one end connected to the first node and the other end connected to the bias power supply or the third node through a third switching unit; An operational amplifier having a first input terminal connected to the first node, a second input terminal grounded, and an output terminal connected to the second node; And a sample and hold circuit in which an input terminal is connected to a second node through a fourth switching unit and an output terminal is connected to the third node.
또한, 상기 제 1 스위칭부는 제 1 스위칭 제어 신호에 따라서 상기 게인 전원을 상기 기준 커패시터에 연결시키고, 상기 제 2 스위칭부는 제 1 스위칭 제어 신호에 따라서 상기 바이어스 전원을 상기 가변 커패시터에 연결시키며, 상기 제 3 스위칭부는 제 1 스위칭 제어 신호에 따라서 상기 샘플 앤 홀드 회로의 출력을 상기 선형 보상 커패시터로 연결시킬 수 있다.The first switching unit may connect the gain power supply to the reference capacitor according to a first switching control signal and the second switching unit may connect the bias power supply to the variable capacitor in accordance with a first switching control signal, 3 switching unit may connect the output of the sample and hold circuit to the linear compensation capacitor in accordance with the first switching control signal.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 압력 센서는, 상기 제 1 스위칭 제어 신호에 따라서 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드를 연결시키는 제 5 스위칭부를 더 포함할 수 있다.The pressure sensor according to a preferred embodiment of the present invention may further include a fifth switching unit for connecting the first node and the second node according to the first switching control signal.
또한, 상기 제 1 스위칭부는 제 2 스위칭 제어 신호에 따라서 상기 게인 전원을 상기 기준 커패시터에 연결시키고, 상기 제 2 스위칭부는 제 2 스위칭 제어 신호에 따라서 상기 바이어스 전원을 상기 가변 커패시터에 연결시키며, 상기 제 3 스위칭부는 제 2 스위칭 제어 신호에 따라서 상기 샘플 앤 홀드 회로의 출력을 상기 선형 보상 커패시터로 연결시킬 수 있다.The first switching unit couples the gain power supply to the reference capacitor according to a second switching control signal and the second switching unit couples the bias power supply to the variable capacitor in accordance with a second switching control signal, 3 switching unit may connect the output of the sample and hold circuit to the linear compensation capacitor in accordance with a second switching control signal.
또한, 상기 샘플 앤 홀드 회로는, 비반전 입력단자가 상기 제 4 스위칭부를 통해서 상기 제 2 노드에 연결되고, 반전 입력단자가 상기 제 3 노드에 연결되는 연산 증폭기, 및 일단이 상기 비반전 입력단자에 연결되고, 타단이 접지되는 접지 커패시터를 포함할 수 있다.The sample-and-hold circuit may further include an operational amplifier having a non-inverting input terminal connected to the second node through the fourth switching section and an inverting input terminal connected to the third node, And a ground capacitor to which the other end is grounded.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 압력 센서의 압력 측정값은 상기 제 3 노드의 전압값(VO)으로서 출력되고, 상기 제 3 노드의 출력값은 아래의 수학식으로 계산되며, , 상기 수학식에서 CREF는 상기 기준 커패시터의 커패시턴스값이고, 상기 CLIN은 상기 선형 보상 커패시터의 커패시턴스값이며, 상기 CVAR 은 압력에 따라서 변화하는 상기 가변 커패시터의 커패시턴스값일 수 있다.Also, the pressure measurement value of the pressure sensor according to the preferred embodiment of the present invention is output as the voltage value (V O ) of the third node, the output value of the third node is calculated by the following equation, Where C REF is a capacitance value of the reference capacitor, C LIN is a capacitance value of the linear compensation capacitor, and C VAR is a capacitance value of the variable capacitor varying with a pressure.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 압력 센서는, 일단이 상기 제 1 노드에 연결되고, 타단이 제 6 스위칭부를 통해서 게인 전원(Vgain) 또는 구동전원(VDD)에 연결되는 온도 보상 커패시터를 더 포함할 수 있다.The pressure sensor according to the preferred embodiment of the present invention may further include a temperature compensation unit having one end connected to the first node and the other end connected to a gain power supply V gain or a driving power supply V DD through a sixth switching unit And may further include a capacitor.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 압력 센서는, 센서의 압력 측정값은 상기 제 3 노드의 전압값(VO)으로서 출력되고, 상기 제 3 노드의 출력값은 아래의 수학식으로 계산되며, , 상기 수학식에서 CREF는 상기 기준 커패시터의 커패시턴스값이고, 상기 CLIN은 상기 선형 보상 커패시터의 커패시턴스값이며, 상기 CVAR 은 압력에 따라서 변화하는 상기 가변 커패시터의 커패시턴스값이고, 상기 CTMP 는 온도 보상 커패시터의 커패시턴스값일 수 있다.
Also, in the pressure sensor according to the preferred embodiment of the present invention, the pressure measurement value of the sensor is output as the voltage value (V O ) of the third node, and the output value of the third node is calculated by the following equation , Wherein C REF is a capacitance value of the reference capacitor, C LIN is a capacitance value of the linear compensation capacitor, C VAR is a capacitance value of the variable capacitor varying with a pressure, and C TMP is a temperature May be the capacitance value of the compensation capacitor.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압력 센서는 압력에 따라서 커패시턴스가 변화하는 가변 커패시터를 이용하여, 압력 센서의 출력값이 센서에 인가되는 압력에 선형적으로 비례하도록 압력 센서 회로를 구성함으로써, 고비용의 저항 소자를 이용하지 않고 저렴한 가격의 가변 커패시터를 이용하여 정확한 압력 측정이 가능하다. A pressure sensor according to a preferred embodiment of the present invention uses a variable capacitor whose capacitance varies according to a pressure and constitutes a pressure sensor circuit so that the output value of the pressure sensor is linearly proportional to the pressure applied to the sensor, Accurate pressure measurement is possible by using low cost variable capacitor without device.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시예는 온도에 따라서 변화하는 기생 커패시턴스를 제거하기 위한 온도 보상 커패시터를 더 포함시켜 압력 센서를 구성함으로써, 주변 온도의 변화에도 정확한 압력 측정이 가능하다.
In addition, another preferred embodiment of the present invention further comprises a temperature compensating capacitor for eliminating parasitic capacitance which varies with temperature, so that a pressure sensor can be constituted so that accurate pressure measurement is possible even with changes in ambient temperature.
도 1은 종래기술의 압력 센서에서 압력에 따른 커패시턴스의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 압력 센서의 구성을 도시하는 회로도이다.
도 3a는 제 1 스위칭 제어신호가 출력되었을 때의 본 발명의 제 1 실시예에 따른 압력 센서 회로의 구성을 도시한 회로도이고, 도 3b는 제 2 스위칭 제어신호가 출력되었을 때의 본 발명의 제 1 실시예에 따른 압력 센서 회로의 구성을 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 압력 센서의 구성을 도시하는 회로도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a graph showing the change in capacitance according to pressure in a pressure sensor of the prior art. Fig.
2 is a circuit diagram showing a configuration of a pressure sensor according to a first preferred embodiment of the present invention.
FIG. 3A is a circuit diagram showing the configuration of the pressure sensor circuit according to the first embodiment of the present invention when the first switching control signal is outputted, and FIG. 3B is a circuit diagram showing the configuration of the pressure sensor circuit according to the present invention 1 is a circuit diagram showing a configuration of a pressure sensor circuit according to an embodiment.
4 is a circuit diagram showing a configuration of a pressure sensor according to a second preferred embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 압력 센서의 회로도이다.2 is a circuit diagram of a pressure sensor according to a first preferred embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 압력 센서는, 기준 커패시터(210), 가변 커패시터(230), 선형 보상 커패시터(220), 연산 증폭기(240) 및 샘플 앤 홀드 회로(250)를 포함한다.2, the pressure sensor according to the first preferred embodiment of the present invention includes a
기준 커패시터(210)(CREF)는 일단이 제 1 노드에 연결되고, 타단이 제 1 스위칭부(271)를 통해서 게인 전원(Vgain) 또는 구동전원(VDD)에 연결된다. One end of the reference capacitor 210 (C REF ) is connected to the first node and the other end is connected to the gain power supply V gain or the driving power supply V DD through the
가변 커패시터(230)(CVAR)는 외부에 노출되어 압력에 따라서 커패시터의 양단간의 거리가 변화되어 압력에 따라서 커패시턴스가 변화하는 커패시터로서, 가변 커패시터(230)의 일단은 제 1 노드에 연결되고, 타단이 제 2 스위칭부(272)를 통해서 제 2 노드 또는 바이어스 전원(Vbias)에 연결된다.One end of variable capacitor 230 (C VAR) is exposed to the outside, the distance of the capacitor between both ends changes in accordance with the pressure as a capacitor, which capacitance is changed according to the pressure, the
선형 보상 커패시터(220)(CLIN)는 가변 커패시터(230)의 기생 커패시턴스를 제거하기 위해서 설치된 커패시터로서, 사용자의 설정에 의해서 그 커패시턴스값이 설정된다. 또한, 선형 보상 커패시터(220)는 일단이 제 1 노드에 연결되고, 타단이 제 3 스위칭부(273)를 통해서 바이어스 전원 또는 제 3 노드에 연결된다.The linear compensation capacitor 220 (C LIN ) is a capacitor provided to eliminate the parasitic capacitance of the
연산 증폭기(240)는 제 1 입력 단자가 제 1 노드에 연결되고, 제 2 입력 단자가 접지되며, 출력단자가 제 2 노드에 연결된다. 여기서, 제 1 입력 단자는 반전 입력단자이고, 제 2 입력 단자는 비반전 입력단자이다.The
샘플 앤 홀드 회로(250)는 출력값을 일정한 시간동안 유지하는 회로로서, 연산 증폭기(240)와 접지 커패시터(253)를 포함하여 구성된다.The sample-and-
먼저, 샘플 앤 홀드 회로(250)의 연산 증폭기(251)의 경우, 제 4 스위칭부(274)를 통해서 제 2 노드와 비반전 입력 단자가 연결되고, 비반전 입력 단자와 접지 사이에는 접지 커패시터(253)가 설치된다.First, in the case of the
또한, 샘플 앤 홀드 회로(250)의 연산 증폭기(251)의 반전 입력 단자는 연산 증폭기(251)의 출력단자에 연결되고, 연산 증폭기(251)의 출력단자는 제 3 스위칭부(273)를 통해서 선형 보상 커패시터(220)에 연결되며, 선형 보상 커패시터(220)와 연산 증폭기(240)의 출력단자 및 반전 입력 단자가 연결된 점은 제 3 노드를 구성한다. The inverting input terminal of the
한편, 상술한 제 1 스위칭부(271) 내지 제 4 스위칭부(274) 이외에, 제 1 노드와 제 2 노드 사이에 설치되어, 스위치 ON 상태에서 양 노드를 직접 연결시키는 제 5 스위칭부(275)가 더 포함된다.In addition to the first to
제 1 스위칭부(271) 내지 제 3 스위칭부(273) 각각은 내부에 제 1 스위치(ck1) 및 제 2 스위치(ck2)를 포함하여 구성되고, 제 1 스위치(ck1)는 제 1 스위칭 제어신호가 입력되는 동안에만 ON되고, 제 2 스위치(ck2)는 제 2 스위칭 제어신호가 입력되는 동안에만 ON된다.Each of the first to
또한, 제 4 스위칭부(274)는 제 2 스위칭 제어신호가 입력되는 동안에만 ON되는 제 2 스위치(ck2)로 구현되고, 제 5 스위칭부(275)는 제 1 스위칭 제어신호가 입력되는 동안에만 ON되는 제 1 스위치(ck1)로 구현된다.The
또한, 제 1 스위칭 제어신호와 제 2 스위칭 제어신호는 서로 위상을 달리하여 일정한 시간 주기로 서로 교번적으로 출력된다.
In addition, the first switching control signal and the second switching control signal are alternately outputted at mutually different time intervals with different phases.
도 3a는 제 1 스위칭 제어신호가 출력되었을 때의 압력 센서 회로의 구성을 도시한 회로도이고, 도 3b는 제 2 스위칭 제어신호가 출력되었을 때의 압력 센서 회로의 구성을 도시한 회로도이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하여 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 압력 센서의 동작 과정을 설명한다.Fig. 3A is a circuit diagram showing the configuration of the pressure sensor circuit when the first switching control signal is outputted, and Fig. 3B is a circuit diagram showing the configuration of the pressure sensor circuit when the second switching control signal is outputted. The operation of the pressure sensor according to the first preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A and 3B.
먼저, 도 3a를 참조하면, 연산 증폭기(240)의 비반전 단자가 접지되므로, 제 1 노드의 전위는 0으로 설정된다. 제 1 스위칭 제어신호가 출력되면, 제 1 스위칭부(271)의 제 1 스위치(ck1)가 ON되어 게인 전원이 기준 커패시터(210)에 연결되어, 기준 커패시터(210)는 게인 전원으로 충전되고, 제 2 스위칭부(272)의 제 1 스위치(ck1)가 ON되어 바이어스 전원이 가변 커패시터(230)에 연결되어 가변 커패시터(230)는 바이어스 전원으로 충전된다.First, referring to FIG. 3A, since the non-inverting terminal of the
또한, 제 3 스위칭부(273)의 제 1 스위치(ck1)가 ON되어 선형 보상 커패시터(220)는 샘플 앤 홀드 회로(250)의 출력 전원(VO)으로 충전되고, 제 5 스위칭부(275)가 ON되어 연산 증폭기(240)의 출력단인 제 2 노드는 반전 입력단자가 접속된 제 1 노드와 연결되어 0전위로 설정된다.The first switch ck1 of the
이 경우, 압력 센서 회로 전체에 충전되는 전하량은 아래의 수학식 2와 같다.In this case, the amount of charge charged in the entire pressure sensor circuit is expressed by Equation 2 below.
한편, 제 2 스위칭 제어신호가 출력되면, 제 1 스위칭부(271) 내지 제 3 스위칭부(273)의 제 1 스위치(ck1)는 개방되고, 제 2 스위치(ck2)는 ON되며, 제 4 스위칭부(274)가 ON되어, 압력 센서 회로는 도 3b에 도시된 바와 같이 구성된다. On the other hand, when the second switching control signal is outputted, the first switch ck1 of the
도 3b에 도시된 회로에서, 제 1 스위칭부(271)의 제 2 스위치(ck2)가 ON되어 구동 전원이 기준 커패시터(210)에 연결되어, 기준 커패시터(210)는 구동 전원으로 충전된다. 또한, 제 2 스위칭부(272)의 제 2 스위치(ck2)가 ON되고 제 4 스위칭부(274)가 ON되어 가변 커패시터(230)는 제 2 노드와 연결되어 샘플 앤 홀드 회로(250)의 출력 전압(VO)으로 충전된다. 또한, 선형 보상 커패시터(220)는 바이어스 전원으로 충전된다.In the circuit shown in FIG. 3B, the second switch ck2 of the
이 경우, 압력 센서 회로 전체에 충전되는 전하량은 아래의 수학식 3과 같다.In this case, the amount of charge charged in the entire pressure sensor circuit is expressed by Equation (3) below.
한편, 상술한 제 1 스위칭 제어신호와 제 2 스위칭 제어신호는 매우 빠른 시간동안 교번되므로, 회로내부에 축적된 전하들은 외부로 유출되지 않고, 내부에서 서로 Charge Transfer가 발생한다. 따라서, QT1과 QT2는 서로 같다(QT1=QT2)고 볼 수 있고, 이를 출력 전압인 VO에 대해서 정리하면 아래의 수학식 4와 같이 정리할 수 있다.On the other hand, since the first switching control signal and the second switching control signal described above are alternated in a very short period of time, the charges accumulated in the circuit do not flow out to the outside, and charge transfer occurs to each other inside. Therefore, Q T1 and Q T2 are equal to each other (Q T1 = Q T2 ). The output voltage V O can be summarized as Equation (4) below.
상술한 수학식 4를 참조하면, 압력 센서의 출력값 VO 는 Vbias 에 의해서 offset 값이 조정된다. Referring to Equation (4), the offset value of the output value V O of the pressure sensor is adjusted by V bias .
또한, CREF 및 VDD는 고정된 값이고, Vgain은 사용자에 의해서 조절이 가능한 게인값이며, (CVAR-CLIN)에 의해서 가변 커패시터(230)의 기생 커패시턴스가 제거되어 압력에 의해서만 변화되는 커패시턴스가 출력에 반영된다. In addition, CREF and VDD are fixed values, Vgain is a gain value adjustable by the user, and the parasitic capacitance of the
결론적으로, 상술한 수학식 4에서 기재된 바와 같이, 압력에 따라서 변화하는 가변 커패시터(230)의 커패시턴스는 압력 센서에 인가되는 압력의 역수에 비례하고, 압력 센서의 출력 VO는 커패시턴스의 역수에 비례하므로, 압력 센서의 출력 VO는 압력에 정비례함을 알 수 있고, 따라서, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 압력 센서는 100% 선형성을 확보할 수 있다.
Consequently, as described in Equation (4), the capacitance of the
도 4는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 압력 센서를 도시하는 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 압력 센서는 선형 오차뿐만 아니라 온도에 따른 오차를 보정하기 위한 온도 보상 커패시터(260)를 더 포함한다.4 is a view showing a pressure sensor according to a second preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the pressure sensor according to the second embodiment of the present invention further includes a
일반적으로 압력센서는 압력에 따라 반응하는 가변 커패시터(230)와 압력에 반응하지 않는 기준 커패시터(210)를 같은 공정에서 함께 제조하기 때문에 양 커패시터의 온도 특성은 거의 같다. 따라서, 가변 커패시터(230)와 기준 커패시터(210)의 온도에 관련된 함수는 온도 계수가 같다고 하면 다음의 수학식 5와 같다.In general, the temperature characteristics of both capacitors are almost the same because the pressure sensor generally manufactures the
따라서, 수학식 4와 같이 압력 센서 회로의 전달함수가 CREF/CVAR 형태가 되면 온도 항이 약분되고, 전달함수상에는 CREF0/CVAR0가 남게 되어 온도에 영향을 받지 않게 된다. Therefore, when the transfer function of the pressure sensor circuit becomes C REF / C VAR type as shown in Equation (4), the temperature term is weakened , and C REF0 / C VAR0 remains on the transfer function.
그러나, 상술한 바와 같이, 가변 커패시터(230)의 기생 커패시턴스는 선형 오류를 보상하기 위한 선형 보상 커패시터(220)로 제거가 가능하지만, 기준 커패시터(210)의 기생 커패시턴스는 제거되지 않아서 완벽한 온도 보상은 이루어 지지 않게 된다. However, as described above, the parasitic capacitance of the
따라서, 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에서는 선형 보상 커패시터(220)가 가변 커패시터(230)의 기생 커패시턴스를 제거하는 역할을 하듯이, 온도 보상 커패시터(260)(CTMP)를 도 4에 도시된 바와 같이 추가하여 기준 커패시터(210)의 기생 커패시턴스를 제거하여 완전한 온도 보상을 구현 할 수 있다.Accordingly, in the second preferred embodiment of the present invention, the temperature compensating capacitor 260 (C TMP ) is connected to the first terminal of the
먼저, 온도 보상 커패시터(260)의 일단은 제 1 노드에 연결되고, 타단은 제 6 스위칭부(276)를 통해서 게인 전원 또는 구동 전원에 연결된다. 제 6 스위칭부(276)는 제 1 스위칭 제어신호에 따라서 ON되어 구동 전원을 온도 보상 커패시터(260)로 연결시키는 제 1 스위치(ck1)와 제 2 스위칭 제어신호에 따라서 ON되어 게인 전원을 온도 보상 커패시터(260)로 연결시키는 제 2 스위치(ck2)로 구성된다.First, one end of the
제 1 스위칭 제어신호가 출력될 때의 전체 충전 전하량을 구하는 방식은 상술한 수학식 2를 참조하여 설명한 방식과 동일한 방식으로 계산되어 아래의 수학식 6과 같이 표현된다.The method of calculating the total charge amount when the first switching control signal is outputted is calculated in the same manner as the method described with reference to the above-mentioned Equation (2), and expressed as Equation (6) below.
마찬가지로, 제 2 스위칭 제어신호가 출력될 때의 전체 충전 전하량을 구하는 방식은 상술한 수학식 3을 참조하여 설명한 방식과 동일한 방식으로 측정되어 아래의 수학식 7과 같이 표현된다.Similarly, the method for calculating the total charge amount when the second switching control signal is output is measured in the same manner as described with reference to Equation (3) and expressed as Equation (7) below.
제 1 실시예와 마찬가지로, 제 1 스위칭 제어신호와 제 2 스위칭 제어신호는 매우 빠른 시간동안 교번되므로, 회로내부에 축적된 전하들은 외부로 유출되지 않고, 내부에서 서로 Charge Transfer가 발생한다. 따라서, QT1과 QT2는 서로 같다(QT1=QT2)고 볼 수 있고, 이를 출력 전압인 VO에 대해서 정리하면 아래의 수학식 8과 같이 정리할 수 있다.As in the first embodiment, the first switching control signal and the second switching control signal alternate with each other for a very short period of time, so that the charges accumulated in the circuit do not flow out to the outside, and charge transfer is generated internally. Therefore, Q T1 and Q T2 are equal to each other (Q T1 = Q T2 ). The output voltage V O can be summarized as Equation 8 below.
상기 수학식 8에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 압력 센서는, 기준 커패시터(210)의 기생 커패시턴스의 온도에 따른 영향을 온도 보상 커패시터(260)로 제거가 가능하기 때문에 기생 커패시턴스를 제외한 기준 커패시터(210)와 가변 커패시터(230)의 온도 계수가 같다면, 온도에 완전히 독립적으로 선형적인 특성을 갖게 된다.
As can be seen from Equation (8), the pressure sensor according to the second preferred embodiment of the present invention is capable of eliminating the influence of the parasitic capacitance of the
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.
210 기준 커패시터(CREF)
220 선형 보상 커패시터(CLIN)
230 가변 커패시터(CVAR)
240 연산 증폭기
250 샘플 앤 홀드 회로
251 연산 증폭기
253 접지 커패시터
260 온도 보상 커패시터(CTMP)
271~276 제 1 스위칭부~ 제 6 스위칭부210 Reference capacitor (C REF )
220 Linear compensation capacitor (C LIN )
230 variable capacitor (C VAR )
240 operational amplifier
250 sample and hold circuit
251 operational amplifier
253 Grounding capacitors
260 Temperature Compensation Capacitor (C TMP )
271 to 276 First to sixth switching units
Claims (8)
일단이 상기 제 1 노드에 연결되고, 타단이 제 2 스위칭부를 통해서 제 2 노드 또는 바이어스 전원(Vbias)에 연결되며, 압력에 따라서 커패시턴스가 변화하는 가변 커패시터;
일단이 상기 제 1 노드에 연결되고, 타단이 제 3 스위칭부를 통해서 상기 바이어스 전원 또는 제 3 노드에 연결되는 선형 보상 커패시터;
제 1 입력 단자가 상기 제 1 노드에 연결되고, 제 2 입력 단자가 접지되며, 출력단자가 상기 제 2 노드에 연결되는 연산 증폭기; 및
제 4 스위칭부를 통해서 제 2 노드와 입력단자가 연결되고, 출력단자가 상기 제 3 노드에 연결되는 샘플 앤 홀드 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.A reference capacitor having one end connected to the first node and the other end connected to the gain power supply (V gain ) or the driving power supply (V DD ) through the first switching unit;
A variable capacitor having one end connected to the first node and the other end connected to a second node or a bias power supply ( Vbias ) through a second switching unit, the capacitance of which varies according to the pressure;
A linear compensation capacitor having one end connected to the first node and the other end connected to the bias power supply or the third node through a third switching unit;
An operational amplifier having a first input terminal connected to the first node, a second input terminal grounded, and an output terminal connected to the second node; And
And a sample and hold circuit in which an input terminal is connected to a second node through a fourth switching unit and an output terminal is connected to the third node.
제 1 스위칭 제어 신호에 따라서,
상기 제 1 스위칭부는 상기 게인 전원을 상기 기준 커패시터에 연결시키고,
상기 제 2 스위칭부는 상기 바이어스 전원을 상기 가변 커패시터에 연결시키며,
상기 제 3 스위칭부는 상기 샘플 앤 홀드 회로의 출력을 상기 선형 보상 커패시터로 연결시키는 것을 특징으로 하는 압력 센서.The method according to claim 1,
In accordance with the first switching control signal,
The first switching unit connects the gain power supply to the reference capacitor,
The second switching unit connects the bias power source to the variable capacitor,
And the third switching unit connects the output of the sample and hold circuit to the linear compensation capacitor.
상기 제 1 스위칭 제어 신호에 따라서 상기 제 1 노드와 상기 제 2 노드를 연결시키는 제 5 스위칭부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.3. The method of claim 2,
And a fifth switching unit for connecting the first node and the second node according to the first switching control signal.
제 2 스위칭 제어 신호에 따라서,
상기 제 1 스위칭부는 상기 게인 전원을 상기 기준 커패시터에 연결시키고,
상기 제 2 스위칭부는 상기 바이어스 전원을 상기 가변 커패시터에 연결시키며,
상기 제 3 스위칭부는 상기 샘플 앤 홀드 회로의 출력을 상기 선형 보상 커패시터로 연결시키는 것을 특징으로 하는 압력 센서.3. The method of claim 2,
According to the second switching control signal,
The first switching unit connects the gain power supply to the reference capacitor,
The second switching unit connects the bias power source to the variable capacitor,
And the third switching unit connects the output of the sample and hold circuit to the linear compensation capacitor.
비반전 입력단자가 상기 제 4 스위칭부를 통해서 상기 제 2 노드에 연결되고, 반전 입력단자가 상기 제 3 노드에 연결되는 연산 증폭기, 및
일단이 상기 비반전 입력단자에 연결되고, 타단이 접지되는 접지 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.2. The circuit of claim 1, wherein the sample and hold circuit
An operational amplifier having a non-inverting input terminal connected to the second node through the fourth switching unit and an inverting input terminal connected to the third node;
And a ground capacitor having one end connected to the non-inverting input terminal and the other end grounded.
센서의 압력 측정값은 상기 제 3 노드의 전압값(VO)으로서 출력되고,
상기 제 3 노드의 출력값은 아래의 수학식으로 계산되며,
상기 수학식에서 CREF는 상기 기준 커패시터의 커패시턴스값이고, 상기 CLIN은 상기 선형 보상 커패시터의 커패시턴스값이며, 상기 CVAR 은 압력에 따라서 변화하는 상기 가변 커패시터의 커패시턴스값인 것을 특징으로 하는 압력 센서.The method according to claim 1,
The pressure measurement value of the sensor is output as the voltage value (V O ) of the third node,
The output value of the third node is calculated by the following equation,
Wherein C REF is a capacitance value of the reference capacitor, C LIN is a capacitance value of the linear compensation capacitor, and C VAR is a capacitance value of the variable capacitor varying with a pressure.
일단이 상기 제 1 노드에 연결되고, 타단이 제 6 스위칭부를 통해서 게인 전원(Vgain) 또는 구동전원(VDD)에 연결되는 온도 보상 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.The method according to claim 1,
And a temperature compensation capacitor having one end connected to the first node and the other end connected to a gain power supply (V gain ) or a driving power supply (V DD ) through a sixth switching unit.
센서의 압력 측정값은 상기 제 3 노드의 전압값(VO)으로서 출력되고,
상기 제 3 노드의 출력값은 아래의 수학식으로 계산되며,
상기 수학식에서 CREF는 상기 기준 커패시터의 커패시턴스값이고, 상기 CLIN은 상기 선형 보상 커패시터의 커패시턴스값이며, 상기 CVAR 은 압력에 따라서 변화하는 상기 가변 커패시터의 커패시턴스값이고, 상기 CTMP 는 온도 보상 커패시터의 커패시턴스값인 것을 특징으로 하는 압력 센서.8. The method of claim 7,
The pressure measurement value of the sensor is output as the voltage value (V O ) of the third node,
The output value of the third node is calculated by the following equation,
Wherein C REF is a capacitance value of the reference capacitor, C LIN is a capacitance value of the linear compensation capacitor, C VAR is a capacitance value of the variable capacitor varying with a pressure, and C TMP is a temperature compensation Wherein the capacitance of the capacitor is a capacitance value of the capacitor.
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