I.물리센서실험 - Physical Sensor (물리센서) 실험 : 초음파 센서 및 MEMS 가속도 센서를 이용한 차량의 가속도 측정

목차

(1) 실험제목
6-2 초음파 센서를 이용한 가속도 측정
6-3 이론에 의한 가속도 값
6-4 가속도 센서에 의한 가속도 측정
6-5 각각 측정 한 가속도 값들 비교 및 오차 원인 분석

※ 고찰 ※

본문내용

세이전자
센세이션
품명
AM1501
ADXL330
H34C
HAAM-312B
- 소형 자이로 사례
브랜드
무라타제작소
NEC TOKIN
세이코엡손
품명
EMC-03R
CG-L53
XV-3500CB
원리
: 휴대전화기에 센서의 탑재가 진행된 배경은, 센서의 소형화가 가능했기 때문이다.
<디바이스>
센서를 휴대전화기에 탑재하기 위해서는 가속도 센서, 각속도센서, 전자컴퍼스의 3기능을 하나로 통합한 디바이스가 필요하다. 3기능을 하나로 통합하는 디바이스를 사용하면, 휴대전화기 3축의 각도, 자세, 움직임, 방위를 알 수 있다.
디바이스는 5.5mm각의 크기에 전자컴퍼스와 가속도센서를 하나의 패키지로서 담고 있다. 내부에는 3축의 자기센서, 2축의 가속도 센서, 신호처리 LSI를 내장하고 있다. 센서는 MI(magneto-impedance)소자로 자기와 가속도를 검출한다. 출력신호가 같은 형식이기 때문에, 공통의 신호처리LSI를 사용하여 소형화가 용이하다.
개발된 센서의 가장 큰 특징은, 자기센서부에 MI센서를 채용했다는 점이다. 일반적인 자기센서의 홀센서에 비해 감도가 1만배나 된다. 그렇기 때문에, 소형화되어도 충분한 감도를 얻을 수 있다.
자기장을 검출하는 원리는 다음과 같다.
비결정성선은 전자의 스핀이 축의 방향이 아닌 원주방향으로 배열된다는 특징이 있다. 또한, 스핀의 방향은, 인접한 자구에서 서로 반대가 된다. 외부에서 축 방향으로 자기장이 더해지면, 외부자기장의 크기에 비례해 스핀의 방향이 축 방향으로 기울어진다. 이런 상태의 비결정성선에 펄스폭10ns, 펄스전류200mA의 아주 날카로운 펄스를 가하면, 원주방향으로 강한 자장이 발생해, 축방향으로 기울어진 스핀이 원주방향으로 진동하기 시작한다. 이것이 스핀파를 발생시킨다. 이 스핀파가 만드는 축방향의 자기화 변동에 의해, 픽업코일에 1V 가까운 진폭의 전압이 발생한다. 이 출력전압은 자기장에 비례하기 때문에 자기장의 크기를 검출할 수 있다.
<가속도센서>
가속도센서는 MI센서를 사용해 구성하고 있다. 기존의 압전저항 혹은 정전용량을 사용한 디바이스와는 구조와 원리가 전혀 다르다. 가속도 센서에는 0.4mm각에 두께 0.1mm의 소형자석을 붙인 캔틸레버를 사용하여 그 움직임을 MI센서로 읽어낸다.
<캔틸레버>
캔틸레버의 제조는 MI소자와 같이 MEMS기술을 사용한다. 캔틸레버에 붙은 자석은 MEMS기술로 가공하지만, 이러한 가공기술을 MAGMAS(Magnetic Micro-Actuators and Systems)라 부른다. 입·출력특성에 있어서 선형성이 높다. 현재, 60만~80만개/월 로 생산하고 있다.

기울기의 검지방법은, 중력에 의한 캔틸레버의 경사를 MI센서로 검출한다. 수평상태에서는 캔틸레버가 수평이 되고, 기울어지면 중력에 의해 조금씩 캔틸레버가 기울어진다.
캔틸레버의 구조에서 유래한 공진주파수는 200Hz에 설정되어 있다. 이것을 공진시키지 않으려면 대략 100Hz까지의 범위에서 이용할 필요가 있다. 공진주파수는 캔틸레버의 길이나 두께 등을 바꾸는 것으로 자유롭게 조정할 수 있다.
MI센서의 출력신호에서 각도를 산출하는 시간이 상당히 짧다는 특징도 있다. 1~2㎲에 1회의 계측이 가능하다. 실제로는, 이 정도로 단기간에 계측할 필요가 없기 때문에, 0.2ms 사이에 100회 계측하고, 그 평균치를 출력한다. 5축을 이렇게 반복해서 1ms에서 5축의 데이터를 출력한다.
자기방식센서 특유의 문제는 자기장을 사용하기 위해, 자기 드리프트(편류)의 영향을 제거하는 것이다. 휴대전화기의 경우, 내부에 자석을 많이 사용하기 때문에, 자기장 보정이 필요하며, 이를 위한 보완프로그램을 내장하고 있다. 또한, 패키지 외부에서의 자기장 보정은 어렵지만 국소적인 문제로, 사용상의 문제는 없다.
<휴대전화기의 MEMS 센서 사용과 관련된 기사>
사이트의 센서기술 분야의 기사 발췌
“ ST, 휴대기기용 MEMS 기반 모션 센서 출시”
게재: 2009년04월03일
ST마이크로일렉트로닉스는 아날로그 절대 출력이 가능한 3축 가속도계를 출시하며 MEMS 센서 포트폴리오를 강화하였다.
2.16V에서 3.6V까지의 공급 전압 범위에서 작동하며, 온도 및 시간에 대해 매우 안정적인 ST의 LIS352AX는 크기 및 비용에 민감한 배터리 구동형 기기의 모션 감지 어플리케이션에 최적화된 제품이다.
ST의 최신 3축 모션 센서는 아날로그 절대 출력의 방식으로 가속도 값을 제공하도록 개발되었다. 내부적으로 조정된 전압을 활용함으로써, 측정치가 휴대전화기 및 기타 휴대형 기기와 같은 배터리 구동형 기기에서 발생하는 전력 공급 전압의 일반적인 변화에 영향을 받지 않는다. 이러한 고유 기법을 통해 기기 제조사들은 별도의 전압조정기(voltage regulator)를 추가하지 않고도 배터리에 센서를 바로 연결함으로써 크기 및 비용을 절약할 수 있다. 또한 센서가 어플리케이션에 사용되는 어떠한 전력 공급 전압과도 호환가능하기 때문에, 설계시 유연성을 가질 수 있다.
LIS352AX는 zero-g 오프셋 및 민감성 모두를 위해 폭넓은 온도 범위에서 안정성을 더욱 향상시키며, 약 ± 0.3mg/°C의 오프셋 변화 (온도 변화)가 가능하다.
LIS352AX는 환경 친화적인 3 x 5 x 1 mm3 플라스틱 패키지로 집적되었으며, +/-2.0g의 전범위에 걸쳐 매우 정확한 출력을 제공한다. LIS352AX는 배터리로 구동되는 휴대형 시스템에서 매우 중요한 전력 소모 최소화 성능과 함께 매우 낮은 잡음 레벨로 작동한다.
가속도계의 완벽한 초소형 설계는 최대 10,000g의 진동 및 충격 완충성을 제공한다. 자가 테스트 기능이 장착되어 있어, 고객이 보드에 어셈블리한 후 센서의 기능을 검증할 수 있다.
[출처]
1. http://blog.naver.com/mantra?Redirect=Log&logNo=20021039802
MEMS 센서가 바꾸는 휴대전화 사용자인터페이스 | NIKKEI MICRODEVICES 2005.10
2. http://www.eetkorea.com/ART_8800568698_480503_NP_85bc70b7.HTM

키워드

MEMS의 정의,   MEMS 센서 응용사례,   초음파 센서,   가속도 센서,   물리센서