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MEMS 가속도계, 자이로스코프, 지자기 센서

다양한 전자기기 어플리케이션에 사용 증가

직선 가속도를 검출할 수 있는 센서인 MEMS 가속도계를 둘러싼 기술에 대해서는 이미 많은 글들이 나와 있다. 그러므로 이 글에서는 가속도계에 대해서는 다루지 않고 자이로스코프, 지자기 센서, 센싱에 대해 다양한 DOF(Degrees Of Freedom, 자유도)를 가능하게 하는 디바이스에 대해서 다루려고 한다.
글·Fabio Pasolini, STMicroelectronics
자료제공·ST마이크로일렉트로닉스 코리아(
www.st.com)

2009년에 전반적인 반도체 산업이 불황을 겪었음에도 불구하고 MEMS 시장은 2008년과 비교해서 거의 비슷한 매출을 유지하였다. 출하량은 같은 기간에 약 10% 증가하였으며, 이러한 결과는 소비가전 분야에서 MEMS의 사용이 늘고 있임을 확실하게 보여주는 것이다.

아이서플라이(iSuppli)의 최근 시장 조사에 따르면, 2010년 및 이후의 MEMS 시장 전망이 양호하며, 2010년에 두 자릿수 성장세로 돌아설 전망이고 2009년에서 2013년까지 연평균성장률 (CAGR)이 12.2%에 이를 것으로 전망된다.

MEMS 센서는 실제로 전자기기 분야의 다양한 어플리케이션 구현을 위한 중요한 빌딩 블록으로 인식되고 있다. 게임 콘솔과 휴대전화, 랩탑과 백색가전에 이르기까지, 이들 전자기기는 이미 최근 수년 전부터 모션 작동 사용자 인터페이스와 향상된 보호 시스템 구현을 위해서 low-g 가속도계를 활용하고 있다.

이제는 MEMS 자이로스코프와 지자기 센서 차례로서, 이들 장치를 활용함으로써 새로운 유형의 매력적인 어플리케이션들이 가능해지고 있다. 이 글에서는 이에 대해 논의한다.

직선 가속도를 검출할 수 있는 센서인 MEMS 가속도계를 둘러싼 기술에 대해서는 이미 많은 글들이 나와 있다. 그러므로 이 글에서는 가속도계에 대해서는 다루지 않고 자이로스코프, 지자기 센서, 센싱에 대해 다양한 DOF(Degrees Of Freedom, 자유도)를 가능하게 하는 디바이스에 대해서 다루려고 한다.

MEMS 자이로스코프

하나 이상의 축을 중심으로 각도 비율을 측정할 수 있는 이러한 자이로스코프는 MEMS 가속도계를 완벽하게 보완한다. 이러한 두 가지 유형의 센서인 가속도계와 자이로스코프를 결합함으로써 3차원 공간의 모든 움직임을 추적하고 포착할 수 있다. 그럼으로써 시스템 개발자는 좀더 몰입적인(Immersive) 사용자 경험과 정확한 내비게이션 시스템을 달성할 수 있다.

ST마이크로일렉트로닉스는 전자기기 및 휴대 단말기를 위한 MEMS 센서의 세계 1위 공급사로서, 최근에 전류 소비를 줄이고 소형의 패키지로 높은 성능을 제공하는 30종의 자이로스코프를 출시함으로써 MEMS 시장에서 높은 성장률을 이어가고 있다.

ST 자이로스코프의 핵심은 Tuning Fork 방식에 따라서 동작하고 Coriolis 원리를 이용해서 각도 비율을 특정한 센싱 구조의 변위로 변환하도록 설계된 마이크로가공(Micro-Machined) 기계 요소이다.

그림 1. 단일 축 MEMS yaw 자이로스코프


예를 들어서 단일 축 yaw 자이로스코프의 간단한 경우를 살펴보자(그림 1). 2개의 이동 질량이 반대 방향으로 연속적으로 움직이도록 되어 있는데 이것을 나타낸 것이 파란색 화살표이다. 외부적인 각도 비율이 적용되면 이 움직임과 직각인 방향으로 주황색 화살표로 표시한 Coriolis 힘이 나타나고 이것이 적용된 각도 비율의 크기에 비례하게 센싱 질량의 변위를 일으킨다.

센서의 센싱 부분의 회전 전극(로터)이 고정 전극(스테이터) 옆에 자리잡고 있으므로 이러한 변위가 스테이터와 로터 사이에 전기 커패시턴스의 변화를 일으키며 그럼으로써 자이로스코프 입력에 적용된 각도 비율을 전용 회로를 이용해서 검출할 수 있는 전기 파라미터로 변환한다.

마이크로기계 자이로 센서
ST가 제조하는 마이크로기계 자이로 센서는 ST가 기존에 6억 개 이상의 가속도계 제조에 채택하고 있는 것과 동일한 기술을 이용한다. 그럼으로써 고객들에게 최종 어플리케이션에 곧바로 이용할 수 있는 첨단의 신뢰할 수 있는 제품을 제공한다.

시장에 나와 있는 다른 자이로스코프와 비교해서 ST가 채택하고 있는 Tuning Fork 기법의 차이점은 시스템을 센서에 작용하는 바람직하지 않은 직선 가속도 및 스퓨리어스 진동에 대해 근본적으로 민감하지 않게 한다는 것이다. 자이로로 그러한 원치 않는 신호가 적용되면 두 질량 모두가 동일 방향을 따라서 변위를 일으킴으로써 차이 측정에 있어서 결과적인 커패시턴스 변동을 무효하게 한다.

시스템 차원에서 자이로스코프에 채택되는 컨디셔닝 회로는 모터를 위한 구동 섹션과 가속도계의 센싱 회로를 결합한 것이다(그림 2).

그림 2. 단일 yaw MEMS 자이로스코프의 블록 다이어그램

- 전자는 기계 요소로 가진(Excitation)을 제공함으로써 정전기 활성화를 통해서 앞뒤로 진동시킨다.
- 후자는 ST의 MEMS 제품 라인 전반에 걸쳐서 성공적으로 채택되고 있는 신뢰할 수 있는 기법으로서 커패시턴스의 변동을 측정해서 Coriolis 힘에 의해서 발생된 센싱 질량의 변위를 측정하고, 센서에 적용된 각도 비율에 비례하게 아날로그 또는 디지털 출력 신호를 제공한다.

제어 회로에 첨단의 파워다운 기능을 내장함으로써 이 기능이 필요하지 않을 때는 전체적인 센서를 셧다운하거나 또는 저전력 슬립 모드로 전환할 수 있다. 이 모드로 전환하면 자이로스코프의 전체적인 소비가 정상 모드에 비해서 크게 감소하며 사용자의 명령이 있을 때 즉시 기동해서 적용된 각도 비율을 측정할 수 있다.

MEMS 가속도계와 마찬가지로 ST의 MEMS 자이로스코프는 System In Package(SIP) 기법에 따라서 제조되며 기계적인 센싱 요소와 컨디셔닝 ASIC이 동일 패키지 내에 들어있다. 스마트 설계 기법과 첨단의 패키징 기법을 결합해서 이들 디바이스 제품군의 크기를 크게 축소함으로써 풋프린트가 작게는 3mm×5mm에 달하고 최대 두께가 1mm에 불과한 패키지로 다중 축 자이로스코프를 이용할 수 있게 되었으며(그림 3), 그러면서도 최종 제품의 전체적인 수명 주기에 걸쳐서 센서 안정성을 유지하고 높은 수준의 성능을 가능하게 한다.

그림 3. ST의 초소형 LGA 패키지의 다중 축 자이로스코프

다양한 유형의 자이로스코프
ST마이크로일렉트로닉스는 1개 축에서부터 3개 축의 센싱 감도에 달하고 30dps에서 최대 6000dps에 이르는 풀 스케일 범위를 포괄하는 다양한 유형의 자이로스코프를 제공한다. 그러므로 시스템 디자이너는 영상 안정화와 게임, 포인팅 장치와 로봇 제어에 이르는 다양한 어플리케이션 구현을 위해 이들 자이로스코프를 이용할 수 있다.

특히 3축 가속도계의 경우와 마찬가지로 ST마이크로일렉트로닉스가 제공하는 고성능 3축 자이로스코프는 휴대전화나 게임 콘솔 등에 통합하기 위한 첨단의 인간-머신 인터페이스 구현을 가능하게 한다.

지자기 센서

새로운 유형의 디바이스가 전자기기에 채택되고 있다. 그것은 바로 지자기 센서이다. 다중의 축을 따라서 지구 자기장을 측정할 수 있는 이들 디바이스는 휴대기기를 위해서 향상된 나침반 및 내비게이션 기능을 구현할 수 있다.

모션 센서와 마찬가지로 자기 센서의 가장 빠르게 성장하는 시장 분야는 전자기기와 모바일 단말기로서, 2009년에 전자 나침반의 출하가 10배 이상 증가하였다. iSuppli의 최근 시장 조사에 따르면 이 시장이 2008년에 8백만 대에서 2013년에 5억4천만 대에 달함으로써 129%의 CAGR로 급격히 성장할 것으로 전망된다.
실리콘 자기 센서 제조에 이용할 수 있는 여러 기술 중에서도 AMR(Anisotropic Magneto Resistive) 센서 기술이 배터리 사용 휴대기기의 중요한 파라미터로서 낮은 전력 소비로 높은 공간 분해능과 높은 정확도를 제공함으로써 인기가 높아지고 있다.

이 유형의 센서는 철 소재의 가는 스트립을 통과해서 흐르는 전류 흐름과 직각으로 자기장이 적용되었을 때 이 스트립에서 발생하는 저항의 변화를 활용한 것이다. 이 트랜스듀서는 통상적으로 그림 4에서 보는 것과 같은 Wheatstone 브리지 형태이며 휴지 시에 동일한 저항 R인 자기저항들(Magnetoresistors)으로 이루어진다.

측정 시에는 브리지로 전압 Vb가 공급되고 그럼으로써 전류가 저항을 통해서 흐르도록 만든다. 자기장 H가 적용될 때마다 반대로 탑재된 2개 저항의 자화 벡터가 전류를 향해서 회전하도록 함으로써 이의 저항이 증가하도록 만든다. 한편 나머지 2개의 반대되게 탑재된 저항은 자화 벡터가 전류에서 멀어지게 회전함으로써 저항이 감소하도록 한다. 그러므로 직선 구간에서는 센서의 출력이 적용되는 자기장에 비례한다.

그림 4. 자기저항 트랜스듀서 개략도

6D 모듈 LSM303DLH
휴대전화가 센서 사용이 가장 크게 늘어나고 있는 분야인데, 자력계(Magnetometer)가 가속도계와 결합해서 기울기 보정 나침반 구현을 위해서 갈수록 관심이 높아지고 있다. 그러한 디바이스의 예로서 6 DOF(Degrees Of Freedom)를 나타내는 것이 ST마이크로일렉트로닉스에서 제공하고 있는 6D 모듈 LSM303DLH이다.

이 디바이스는 소형의 LGA 패키지에 고성능 3축 가속도계와 고분해능 3축 자력계를 통합하고 있다(그림 5). 이 자기 센싱 부품은 또한 추가적인 전류 스트랩을 통합함으로써 출력의 극성을 전기적으로 설정 및 재설정하고 주위 자기장을 보정하기 위한 오프셋 자기장을 적용할 수 있다.

그림 5. 소형 LGA 패키지에 LSM303DLH 3x 가속도계와 3x 자력계 통합


LSM303DLH는 건물이나 자동차 또는 미국 북부 지역, 캐나다, 북유럽 지역과 같이 홀 타입 센서를 이용해서는 지구 자기장의 편각(Declination Angle)을 검출하기가 어려운 위도가 높은 지역에서 3D heading 정확도를 제공할 수 있다. Heading, 자동 교정, 연철(Soft Iron) / 강철(Hard Iron) 보정을 위해 널리 이용되는 다양한 휴대전화 운영체계에 이용하기 위한 SW 드라이버를 제공하는 LMS303DLH 6차원 센서는 시스템 디자이너에게 내비게이션 기능을 구현할 수 있는 강력한 수단을 제공한다.

IMU 구현
특히 가속도계, 자이로스코프, 자력계를 조화롭게 결합함으로써 내비게이션 솔루션의 핵심으로서 소위 말하는 IMU(Inertial Measurement Unit)를 구현할 수 있다. 다시 말해서 플랫폼 업체들이 MEMS 기술의 최근 첨단 기술을 활용하고 관성 센서와 좀더 전통적인 GPS 시스템을 결합해서 도심 빌딩 숲에서처럼 위성으로부터 신호가 강하지 않고 정확하지 않거나 또는 실내에 있을 때나 지하철 안에 있을 때처럼 이 신호를 이용할 수 없더라도 내비게이션 서비스를 제공할 수 있다.

가까운 미래에는 장비의 정확한 위치를 알고 있다는 점과 서비스 사업자가 제공하고 사용자의 휴대전화 화면에 표시되는 추가적인 메타데이터를 융합함으로써 사용자가 예를 들면 쇼핑 몰 안의 점포들에 대한 정보를 얻거나, 원하는 상품을 찾을 수 있는 곳으로 방향을 탐색하거나, 사용자의 관심 분야에 따라서 맞춤화된 특별 홍보나 할인에 관한 정보를 받아보는 등의 위치 기반 서비스가 가능할 것이다.

모바일 강화 리얼리티 브라우저 Layer 같이, 그러한 어플리케이션을 시장에서 이미 볼 수 있다. Layar는 네덜란드에서 Android 휴대전화 용으로 이용할 수 있는 것이다. 최근에는 오픈 소프트웨어 플랫폼을 이용할 수 있게 되고 소프트웨어 개발 시에 첨단 센싱 기능을 편리하게 접할 수 있게 됨으로써 개발자들이 그들 자신의 필요에 부응할 뿐만 아니라 동시에 전자 장비의 부가가치를 높이는 어플리케이션을 개발할 수 있도록 협력적인 작업이 촉진되고 있다.

결 론

MEMS 가속도계, 자이로스코프, 지자기 센서를 결합하는 것은 저가형 완구로도 확산되고 있다. 이들 완구에서는 모션 포착 기능이 어린이들을 위해서 인터액티브 게임 경험과 웹 접속을 가능하게 한다. 어린이들은 조만간 가상 인형이나 캐릭터를 구축하고 버튼이나 키보드를 이용해서가 아니라 자연스러운 움직임을 이용해 플레이를 하고 동일한 가상 세계에 참여하고 있는 온라인 커뮤니티 내에서 게임 활동을 공유할 수 있을 것이다.

결론적으로 말하자면, 최근에 소형의 신뢰할 수 있는 저렴한 MEMS 자이로스코프와 자력계가 등장함으로써 MEMS 가속도계와 결합해서 다수의 전자기기 분야에서 향상된 모션 추적 및 좀더 몰입적인 사용자 경험을 실현할 수 있도록 하고 있다. ST마이크로일렉트로닉스는 원스톱 MEMS 회사로서 센서 포트폴리오에 이들 모든 디바이스를 포괄하고 있다.

MEMS 기술의 계속적인 발전, ASIC 설계, 스마트 패키징 기법과 첨단 제조 라인 및 전략적 제휴에 의해서 ST마이크로일렉트로닉스는 센싱 기능의 통합을 가속화하고 있으며 전자기기 및 휴대기기 시장을 위한 MEMS 센서에 있어서 선도적인 위치를 다시 한번 확인하였다.


저자 소개
Fabio Pasolini는 ST마이크로일렉트로닉스의 MEMS, Sensors, and High Performance Analog 제품 부문의 전자기기 및 산업용 사업부 이사다. 1994년에 이탈리아의 파비아(Pavia) 대학에서 엔지니어링 전공으로 학위를 수여하였으며 1995년에 ST마이크로일렉트로닉스에 입사한 이후로 ST MEMS 부문이 발전을 거듭하고 ST가 이 분야에서 선도적인 위치를 차지할 수 있도록 기여하였다.
Fabio는 다수의 IC 개발에 참여하였으며, 연구 분야는 MEMS를 중점으로 MEMS 가속도계와 자이로스코프 용의 통합적 리딩 인터페이스, 스마트 센서 모듈, 모션 인식에 의해 가능한 모든 어플리케이션의 개발 및 산업화를 포함한다. 대역통과 시그마-델타 컨버터를 위한 안정화 기법, 데이터 프로세싱, MEMS 기반 센서의 전자 인터페이스 아키텍처 분야의 다수 특허를 보유하고 있다. 또한 다수의 기술 논문을 발표하였다.


  기자 : <P><STRONG>다양? 
  관련 URL :
  날짜 : 2010-06

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