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MEMS 자이로스코프

관련 제품 : HF2LI , HF2LI-MF , HF2LI-MOD , HF2LI-PID , HF2LI-PLL , UHFLI , UHF-PID , HF2TA

응용 프로그램 설명

회전 모션 감지는 GPS 내비게이션 및 건강 모니터링 시스템뿐만 아니라 자동차 및 항공 부문에서도 중요합니다. 오늘날 마이크로 전자 기계 시스템(microelectromechanical systems - MEMS) 기술을 기반으로 하는 자이로스코프는 최소의 전력 소비로 스마트폰에 맞게 소형화할 수 있습니다. 이러한 시스템은 스프링과 같은 MEMS 구조를 통해 장착 프레임에 부착된 진동 검증 질량(proof mass)의 움직임을 모든 공간 방향으로 모니터링합니다. MEMS 자이로스코프는 종종 가속도계와 결합되어 하나의 장치에서 6차원 측정을 제공합니다.

검증 질량(proof mass)은 (드라이브 모드를 식별하는) 드라이브 전극을 사용하여 한 방향으로 주기적으로 진동해야 하는 경우가 많습니다. 장치가 회전 운동을 수행하면, 질량은 회전 기준 평면에서 코리올리스 힘을 경험합니다. 그림에서와 같이 드라이브 모드에 의해 정의된 방향과 수직 방향으로 약간의 변위로 나타납니다. (감지 모드라고 하는 것을 통해) 이 변위의 진폭을 감지하면 각 회전 속도를 얻을 수 있습니다. 이러한 종류의 회전 운동 감지 장치는 종종 코리올리스 진동 자이로스코프(Coriolis vibratory gyroscope - CVG)라고 합니다.

측정 전략

Coriolis vibratory gyroscope characterized with the Zurich Instruments HF2LI Lock-in Amplifier and the HF2TA Current Amplifier

CVG를 사용하여 정확한 회전 측정을 수행하려면 드라이브 모드(drive mode)와 감지 모드(sense mode) 모두에 대한 높은 수준의 제어가 필요합니다. 이를 위해, 추가적인 애플리케이션별 통합회로(application-specific integrated circuitry - ASIC)가 개발되는 경우가 많습니다. 

드라이브 모드 제어

첫 번째 단계는 위상 잠금 루프(PLL)를 사용하여, 드라이브 모드를 따라 질량이 공명으로 진동하도록 하는 것입니다. 추가 PID 컨트롤러는 자동 이득 제어(AGC)를 달성하여 드라이브 모드의 진폭을 일정하게 됩니다. 두 개의 피드백 루프를 함께 사용하면, 회전 운동이 드라이브 모드에 영향을 주지 않습니다. 진폭 또는 주파수의 반송파 변조(carrier modulation)는, 배경 잡음 및 자이로스코프 측정에 대한 추가적인 기생적 기여를 없애는데, 도움이 될 수 있습니다. 또는 여러 디모듈레이터를 동시에 사용하거나 파라메트릭 스위퍼를 사용하여, 파라미터 공명을 수행할 수 있습니다.

오픈-루프 감지 모드 구성

오픈 루프 구성에서, 디모듈레이터의 단일 출력 구성 요소는 감지 모드를 모니터링합니다. 각 속도에 직접 비례하는 진폭을 검색하려면, 감지 모드 위상을 수동으로 조정해야 합니다. 그러나 품질계수(Quality factor)와 감지 모드의 공진 주파수에 의해 결정되는 진폭 감쇠 시간 상수는, 입력 회전에 대한 자이로 스코프의 응답 시간을 제한합니다.

폐쇄-루프 감지 모드 구성

감지 모드의 폐쇄 루프 제어를 통해 장치의 응답 시간을 단축하고 CVG의 대역폭과 동적 범위를 늘릴 수 있습니다. 폐쇄-루프 방식은 감지 모드에서 움직임을 억제하는 피드백 힘을 생성합니다. 이 힘 대 균형조정(force-to-rebalance) 방법은, 적용된 피드백 힘의 크기를 통해 입력 각도 속도에 직접 액세스할 수 있습니다. 폐쇄-루프 감지 모드 구성에는 4 개의 제어 루프가 필요하며, 이 중 3 개는 피드백 신호를 생성하기 위해 PID 컨트롤러에 의존합니다.

취리히인스트루먼트의 이점

  • 위에 나열된 모든 자이로스코프 제어 전략은 Zurich Instruments 락인앰플리파이어(잠금증폭기)를 사용하여 장치에서 원활하게 구현 및 테스트할 수 있으므로, 시간과 비용이 많이 드는 ASIC 개발이 필요하지 않습니다. 예를 들어, HF2LI 락인앰프는 50 kHz PLL 대역폭을 제공하므로, 특히 폐쇄 루프 감지 구성에서 CVG의 작동 복잡성을 크게 줄일 수 있습니다. 더 빠른 작동과 더 높은 제어 대역폭이 필요한 감지 애플리케이션의 경우, UHFLI 락인앰프는 HF2LI의 기능을 최대 600 MHz의 주파수 (300 kHz PLL 대역폭 포함)로 변환합니다.
  • LabOne 소프트웨어에서 제공하는 시간 및 주파수 도메인 통합도구로, 백본 측정을 포함한 드라이브 및 감지 모드 동작을 특성화 할 수 있습니다.
  • Zurich Instruments의 아날로그 전자 장치는 차동 전압 또는 전류 측정에 대한 액세스를 제공하고 (HF2LI와 HF2TA 전류 증폭기를 결합하여), 여러 입력 단계를 제공하여 입력 잡음을 최소화하고 주기적 신호에 대한 신호 대 잡음비를 최대화합니다.
  • USB 또는 GbE 연결을 통한 빠른 디지털 데이터 전송으로, 측정 결과를 기록하는데 추가 디지타이저 카드가 필요하지 않습니다.

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동영상

락인 측정을 개선하기위한 6가지 팁

6 tips to improve your lock-in measurements

Application Notes

Zurich Instruments

Control of MEMS Coriolis Vibratory Gyroscopes

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