MEMS 센서: 응용 제품의 속도 저하 없음, 혁신

최고의 시장 조사 업체에 따르면 마이크로 전기 기계(MEMS) 시스템은 계속적으로 착실한 성장을 보이고 있습니다. IHS는 2013년 16억 달러에 이르는 산업 수익과 함께 6.3%의 성장을 예측하고 있습니다. IHS는 이 강력한 성장의 구동력을 관성 및 압력 센서를 효율적으로 사용하는 석유, 가스 및 항공 우주 같은 산업 분야에서 찾습니다.

또 다른 MEMS 산업 조사 업체인 프랑스 Yole Developpement(그림 1)는 휴대 전화 수요가 MEMS 장치의 강력한 성장을 지속적으로 구동하고 있다고 언급했습니다. Yole에 따르면 최근 합병을 통해 판매를 약 30% 향상시킨 Analog Devices의 MEMS 마이크 부문 InvenSense에서 관성 센서 분야의 강력한 추세를 확인할 수 있습니다.

이 수요는 최소한 2018년까지 상승 추세를 보이고 있으며 오늘날의 경제 환경을 감안할 때 이는 대단히 반가운 뉴스입니다.


그림 1: MEMS 칩 시장은 2018년까지 220억 달러에 이를 것으로 예상되며 응용 분야도 지속적으로 성장 및 확장되고 있습니다(Yole 제공).

설계자가 수많은 전자 시스템을 소형화하는 데 도움을 주어 중량 및 전력 소비를 줄일 수 있음이 알려진 이후부터 MEMS는 급격한 인기를 얻었습니다. 물론, MEMS가 제조가 쉽고 제조의 비용 효율성이 높으며, 가동 부품이 거의 없다는 사실과 MEMS의 사용으로 장치 신뢰성 및 성능이 개선된다는 사실은 설계자의 시선을 끄는 데 도움을 주었습니다. 결과적으로 자동차 시스템, 모바일 핸드세트, 의료 장비, 백색 가전 및 군사/항공 우수 하드웨어는 모두 MEMS가 주도하고 있습니다. 엔지니어를 위해 지루한 단계를 제거하고, 이전에 비해 낮은 비용으로 해당 작업을 수행하는 기능이 포함된 MEMS 센서는 현재 및 미래 응용 제품의 핵심이 되었습니다.

이러한 시스템 통합의 예로 Analog Devices에서 제공하는 ADIS16445 소형 정밀 6자유도 관성 센서를 들 수 있습니다. 전체 관성 시스템은 3축 자이로스코프와 3축 가속도계를 포함합니다. ADIS16445의 각 센서는 ADI의 iMEMS 기술과 신호 조정 기능을 결합하여 동적 성능을 최적화합니다. 공장 출하 시 수행되는 보정은 감도, 바이어스, 정렬 및 선형 가속(자이로스코프 바이어스)에 대해 센서의 특징을 정의합니다. 결과적으로 각 센서는 정확한 센서 측정을 위한 고유한 동적 보정 수식을 갖습니다.


그림 2: ADIS16445 소형 및 정밀 6자유도 관성 센서는 네비게이션 응용 제품에서 설계를 용이하게 하는 시스템 통합을 제공합니다.

ADIS16445는 정확한 다중 축 관성 센서를 산업 시스템에 통합할 수 있는 간단하고 비용 효율적인 방법을 제공합니다. 필요한 모든 동작 테스트 및 보정이 공장에서 수행되므로 시스템 통합 시간이 크게 감소됩니다. 정확한 수직 정렬은 네비게이션 시스템의 관성 프레임 정렬을 더욱 간소화하며 SPI 및 레지스터 구조는 데이터 수집 및 구성 제어를 위한 간단한 인터페이스를 제공합니다. 응용 분야로는 네비게이션, 로봇 공학, 플랫폼 안정화 및 제어를 들 수 있습니다

자동차는 여전히 MEMS 장치가 가장 많이 사용되는 산업 분야입니다. 직접 분사 시스템, 자동차 안전, 타이어 압력 모니터링 및 브레이킹 시스템은 모두 MEMS 센서를 기반으로 합니다.

자동차 안전에는 차량 섀시 롤오버 감지가 포함되는데, 요구 사항을 충족하는 단 하나의 센서는 Analog Devices의 ADXRS620 ±300°/sec 선회 속도 MEMS 자이로입니다(그림 3).


그림 3: 자동차 안전 응용 제품을 대상으로 하는 Analog Devices의 ADXRS620 자이로스코프.

ADXRS620은 표면 마이크로 기계 가공 공정을 사용하여, 단일 칩에 완벽한 기능성을 갖춘 저가형 각도 비율 센서를 통합했습니다. 이 자동차 등급 자이로스코프는 자사 산업용 ADXRS652 자이로와 핀, 패키지, 온도 및 기능 면에서 100% 호환이 가능합니다. 출력 신호, RATEOUT(1B, 2A)은 패키지의 상단 표면에 수직인 축에 대한 각도 비율에 비례하는 전압입니다. 출력은 제공된 기준 공급에 대해 비율 계량적이며, 외부 커패시터는 대역폭을 설정합니다. ADXRS620은 7mm × 7mm × 3mm BGA 세라믹 패키지로 제공됩니다.

경사 센서는 고정확 레벨링 및 경사 측정 기계에서 매우 중요합니다. 차동 측정 원리를 사용하여 모든 공통 모드 오류 및 잡음 효과를 보정하는 3D-MEMS 기반 단일축 경사계인 Murata의 SCA103T 계열을 통해 고정확도를 제공합니다.

이 제품의 높은 보정 정확도는 최저온도 의존성, 고분해능 및 저잡음과 강력한 감지 소자 설계를 결합합니다. 이 경사계는 감도를 크게 떨어뜨린 소자를 기반으로 하므로 진동에 둔감하며, 20,000g의 기계적 충격을 견딜 수 있다고 알려져 있습니다.

그림 4: 고정확 레벨링 및 경사 측정 기계에 사용되는 Murata SCA103T 계열 경사 센서의 기능 구성도.

이 센서는 온도 및 시간에 걸쳐 뛰어난 안정성을 제공합니다. 이 센서는 비율 계량적 아날로그 전압 출력, 디지털 SPI 경사, 온도 출력을 특징으로 하며 포괄적인 장애 감지 기능을 사용합니다. 또한 무연 리플로 납땜 공정과 호환됩니다. 이 장치는 가동 장비, 자동차, 비행기, 건설 장비 및 핸드헬드 장치에서 안전한 측정을 제공합니다.

미래 예측

미래에 MEMS 센서 사용이 성장하게 될 분야는? 웨어러블 및 모바일 의료 기기는 즉각적으로 MEMS 동작 센서 및 가속도계 판매 향상을 유도할 수 있습니다. 노령화 인구를 위한 피트니스 및 건강 관리 모니터링도 MEMS 가속도계, 자이로스코프 및 전자 나침반 통합을 계속적으로 확장할 수 있습니다. 자동차는 특히 MEMS 압력 센서의 경우 계속적으로 주도적인 위치를 차지할 것입니다.

기타 응용 분야로는 시계 및 안경, 열 카메라 및 가스 센서 같은 스마트 장치가 있습니다. 여기에 IR에 민감한 열 감지 센서의 초소형 어레이인 마이크로 볼로미터가 새로 등장했습니다. 이는 감시 시스템, 법 집행 및 소방에 사용되고 있으며 곧 모든 분야에 도입될 가능성이 큽니다.

MEMS 마이크는 스마트폰, 랩톱 및 게임부터 보청기, TV 및 카메라에 이르는 광범위한 소비자 가전 장치에서 찾을 수 있습니다. 현재, MEMS 마이크의 최대 소비업체는 Samsung 및 Apple이며, 이 단 두 개의 업체가 전체 소비의 50% 이상을 차지하고 있습니다. MEMS 마이크는 곧 자동차 응용 제품으로 진출하게 될 것입니다.

단일 비트 PDM 출력을 제공하는 소형, 고성능, 저전력, 탑포트 실리콘 디지털 마이크인 Knowles SPM0437HD4H를 고려해 보십시오. Knowles의 SiSonic MEMS 기술을 사용하는 SPM0437HD4H는 음향 센서, 저잡음 입력 버퍼 및 시그마 델타 복조기로 구성되어 있습니다. 이 장치는 광대역 오디오 성능 및 RF 내성이 필요한 휴대 전화, 스마트폰, 랩톱 컴퓨터, 디지털 스틸 카메라, 휴대용 음악 리코더 및 기타 휴대용 전자 장비 같은 응용 제품에 적합합니다.

모든 센서 관련 설계와 마찬가지로 센서 융합도 계속 전진하고 있습니다. 사용된 센서 조합은 설계 엔지니어가 함께 협력하고 성능 및 뛰어난 기능을 최대한 빠른 시간에 개별 센서를 사용했을 때보다 낮은 비용으로 구현하도록 합니다. 핸드세트 및 태블릿이 목록의 상위를 차지하고 있기는 하지만 MEMS는 특히 소비자 가전 응용 제품에서 사실상 모든 분야에 통합될 것입니다.

이 기사에서 설명한 부품에 대한 자세한 내용을 보려면 제공된 링크를 사용하여 DigiKey 웹 사이트의 제품 페이지에 액세스하십시오.