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스마트 인프라 애플리케이션을 위한 MEMS 센서

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글/코시모 카리에로(Cosimo Carriero), 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

태블릿, 스마트폰, 비디오 게임 콘솔, 캠코더, 카메라 등에 점점 더 혁신적인 센서들이 사용되고 있다. 여기에는 MEMS 가속도계와 자이로스코프가 포함된다. 동작을 감지하는 이러한 센서 제품들을 사용함으로써 다양한 기기들의 성능과 기능을 향상할 수 있다.
컨수머 애플리케이션에서 사용되기 시작한 이러한 센서들이 이제는 다른 분야들로 활용 범위가 확대되고 있다. 디지털화와 사물 인터넷(IoT) 추세가 가속화 하면서 산업용 인프라 애플리케이션에서도 센서가 핵심적인 역할을 담당하고 있는 것이다. 예를 들어 MEMS를 사용하면 환경 모니터링이나 구조물 건전도 모니터링 작업을 할 수 있다. 이러한 새로운 유형의 애플리케이션을 위해서는 성능이나 신뢰성측면에서 고유의 요건들을 충족해야 한다.

스마트 인프라

스마트 인프라에 디지털 기술을 접목하면 여러 이점들을 구현할 수 있다. 무엇보다 생산성, 효율, 신뢰성을 높일 수 있다. 투자나 자원을 늘리지 않고도 고객이나 사용자를 위해 추가적인 서비스나 맞춤 서비스를 제공할 수 있다. 커넥티드 인프라로부터 수집한 데이터를 활용해서 미래의 인프라를 좀더 효율적으로 설계하고 구현할 수 있다. 유지보수에 인텔리전스를 접목함으로써 효율을 높일 수가 있다.
또한 MEMS 센서는 구조물 건전도 모니터링에 결정적인 역할을 한다. 기울기 변화, 진동 분석, 직선 또는 회전 동작 같은 것들을 측정할 수 있다. 뿐만 아니라 이러한 센서들을 사용해서 예방적 유지보수를 할 수 있으므로, 가용 자원을 더 잘 활용할 수 있으며 결함이나 가동 중단 사고를 예방할 수 있다. 아나로그디바이스(Analog Devices)는 MEMS 기술에 집중적으로 투자해 왔으며 축적된 전문성을 보유하고 있다. 이를 바탕으로 스마트 인프라 애플리케이션에서 필요로 하는 MEMS 센서 제품을 제공한다.

ADXL35x MEMS 가속도계 제품군

아나로그디바이스는 새로운 저잡음 저전력 3축 가속도계 제품군을 출시했다. 이 제품군에 속하는 ADXL354와 ADXL355는 각각 아날로그 출력과 디지털 출력에 ±2g, ±4g, ±8g의 프로그램가능 범위를, ADXL356과 ADXL357은 각각 아날로그 출력 및 디지털 출력에 ±10g, ±20g, ±40g의 프로그램가능 범위를 지원한다.

[그림 1] 아나로그디바이스의 새로운 ADXL356 및 ADXL357 MEMS 가속도계

이들 제품은 관성 측정 유닛(inertial measurement units, IMU), 플랫폼 안정화 시스템, 경사계, 예방적 유지보수 시스템에 사용하기에 적합하다. 중간 g-범위부터 높은 g-범위까지의 제품은 지진 관측과 산업용 및 인프라 예방적 유지보수 시스템 같이 극히 엄격한 센서 애플리케이션에 사용하기에 적합하도록 설계되었다.

구조물 건전도 모니터링을 위한 향상된 기능들

환경 모니터링이나 구조물 건전도 모니터링을 위해서는 측정 범위가 중요한 파라미터이다. 예를 들어 가속도 피크가 몇 g 수준인 애플리케이션에는 2g 범위의 센서로도 충분하다. 하지만 인프라 애플리케이션은 대개 강한 진동이나 충격에 노출되는 환경에서 동작해야 하므로, 이 정도의 센서를 사용하면 센서 포화가 발생할 것이다. 포화가 발생하면 더 이상 정확한 가속도 측정을 할 수 없다. 정상 동작을 복구할 때까지는 데이터를 잃게 된다. 이러한 경우에는 40g 센서를 사용할 수 있다. 그러면 포화 가능성을 현저히 낮출 수 있으며, 기계적 잡음이 심한 환경에서도 적절한 신호 처리를 통해 필요한 정보를 추출할 수 있다.
원격지나 접근이 어려운 곳에 설치되는 인프라 애플리케이션에는 무선 센서 네트워크가 가장 좋은 방법일 수 있다. 이 때는 저전력 특성이 또 다른 중요한 고려사항이 된다. ADXL35x는 대기 모드일 때 21μA, 측정 모드일 때 아날로그 출력으로 150μA와 디지털 출력으로 200μA만을 소모한다. ADXL355/ADXL357은 호스트 마이크로컨트롤러가 슬립 모드일 때 FIFO 메모리로 데이터를 저장한다. 메모리가 가득 차면 인터럽트를 사용해서 마이크로컨트롤러를 깨우고 데이터를 전송하고 필요한 조치를 취한다. 마이크로컨트롤러가 실행을 완료한 후에는 다시 저전력 슬립 모드가 됨으로써 극히 낮은 수준의 전력을 소비한다.
일반적으로는 저전력 특성을 달성하기 위해 속도나 잡음 같은 다른 측면들을 절충하는 경우가 많다. 하지만 ADXL35x 가속도계는 스펙트럼 잡음 밀도가, g 값이 낮은 제품들은 20?g/√Hz이고 g가 높은 제품들은 80?g/√Hz이다. 또한 내부 아키텍처는 가속도계 감도를 극대화하도록 설계되었다. 그림 2는 아날로그 제품과 디지털 제품의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 센서로부터 들어오는 신호는 필터링 블록을 거친 다음, 후속 단계들에서 처리된다. 출력 바로 직전에 버퍼와 32k? 저항에서 추가적인 아날로그 필터링이 이루어진다.
디지털 제품은 추가적인 프로그래머블 디지털 필터를 포함한다. 저역통과 필터의 컷오프 주파수는 출력 데이터 속도에 따라 조정할 수 있으며, 고역통과 필터를 삽입해서 대역통과 기능을 구현할 수도 있다. 환경 모니터링의 경우는 진동에 대한 스펙트럼 분석이 주된 수단이기 때문에, 높은 차수의 고조파를 포착하기 위해서 높은 대역폭이 중요하게 요구된다. 이들 센서의 기계적 공진 주파수는 약 5.5kHz이지만, 주파수 응답은 주로 컷오프 주파수가 1.5kHz인 안티앨리어싱 필터에 의해서 결정된다. 끝으로, 원하는 분해능을 제공하기 위해서 20bit 델타-시그마 컨버터를 사용해서 아날로그-디지털 변환을 실시한다. 이러한 기능들을 포함함으로써 이들 가속도계 제품은 지진 관측 용으로 적합하다.
빌딩, 교량, 철도 선로, 고압 철탑, 그 밖에 다른 인프라 요소의 구조물 건전도를 모니터링하기 위해서는 안정성이 매우 중요하다. 이러한 인프라에 대해서 측정하고자 하는 것은 구조물의 드리프트로서, 이를 측정 장비의 드리프트와 혼동하지 말아야 한다.
센서의 장기적 안정성은 기계적 스트레스와 연관된다. 용접할 때 겪는 기계적 스트레스는 전기적 오프셋을 발생할 수 있다. 또 시간의 경과에 따라서 오프셋 드리프트가 발생할 수도 있다. 이를 기울기나 어떤 다른 파라미터의 변동으로 잘못 해석할 수 있는데, 이 문제를 피하기 위해서는 다이 접착 공정에 각별한 주의를 기울여야 한다.
패키지 선택 또한 중요하다. 이들 가속도계 제품은 견고한 14핀 LCC 세라믹 패키지로 제공된다. 그로 인해, 컨수머 애플리케이션에 널리 사용되는 플라스틱 패키지에 비해 기계적 스트레스를 훨씬 더 잘 견딜 수 있다. 또한 세라믹 패키지는 더욱 견고하게 접착할 수가 있다. 따라서 습기나 먼지를 더욱 차단함으로써 장기적 안정성을 높이는 데에도 유리하다.
이러한 인프라 애플리케이션에서, 디바이스들은 일반적으로 동작하는 동안 다양한 환경 조건에 노출되기도 한다. 특히 온도와 습도는 성능에 영향을 미칠 수 있다. 습도의 경우, 14핀 LCC처럼 밀봉 패키지를 적용함으로써 극심한 악조건에서도 안정적인 동작을 보장할 수 있다. 또한 이들 제품은 동작 온도 범위가 -40℃~+125℃이기 때문에 혹독한 온도 조건에서 동작하기에 적합하다. 무엇보다 중요한 파라미터인 오프셋 드리프트를 최소화하도록 설계되었다. 3개 축 모두로, g가 낮은 가속도계 제품인 ADXL354/ADXL355는 ±0.15mg/℃, g가 높은 가속도계 제품인 ADXL356/ADXL357은 ±0.75mg/℃의 최대 드리프트를 보장한다. 또한 이들 제품은 온도 센서를 내장함으로써 드리프트에 대해서 온도 보정을 할 수 있다.

[그림 2] ADXL356 및 ADXL357 블록 다이어그램

[표 1] 새로운 MEMS 가속도계 제품군의 주요 특징

맺음말

오늘날에는 컨수머 애플리케이션뿐 아니라 다양한 분야로 MEMS 센서의 적용 범위가 확대되고 있다. 이들 센서는 산업용과 인프라 시장에서도 사용이 늘어나면서 새로운 기회를 맞고 있다. 이들 분야는 특히 신뢰성과 성능에 대한 요구가 높다. 아나로그디바이스는 높은 성능을 제공하면서 혹독한 환경 조건에서도 신뢰성 높게 동작하는 솔루션을 개발하기 위해 연구개발을 지속해 왔다. ADXL354, ADXL355, ADXL356, ADXL357 외에도, 극저 잡음 및 최대 24kHz에 이르는 초고대역폭 제품으로서 ADXL1001(±100g), ADXL1002(±50g), ADXL1004(±500g)를 제공한다.