MEMS

글 : 베네디토 비냐 / ST마이크로일렉트로닉스 FTM/MEMS 비즈니스 유닛 www.st.com / Benedetto.Vigna@st.com우리는 매일 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 또는 마이크로 머신 제품들과 상호 작용한다. 압력 센서, 가속도계, 잉크젯, 디스플레이 프로젝터용 마이크로 미러 등이 일반적인 MEMS 제품들이다. 자동차, 산업 및 의료 시장은 압력 및 모션 센서의 가장 큰 시장이며, 잉크젯 및 마이크로 미러는 컨수머 세계와 밀접하다.최근에 MEMS는 랩톱, 하드디스크드라이브, 휴대폰 및 게임 컨트롤러 등의 컨수머 분야에 널리 적용되고 있다. 그렇다면 MEMS란 무엇인가? MEMS는 어떻게 작동하는가? 그리고 MEMS의 다른 기능은 무엇이 있는가?실제 세계와 상호 작동하는 마이크론 크기의 디바이스인 MEMS는 마이크로 머신이라는 공정 기술로 제조된다. 마이크로 머신 기술은 기본적인 IC 기법과 같은 공정 단계를 거친다. 최종 제품은 일반적으로 실리콘 상의 3차원 기계적 구조이다.제조사들이 검증된 IC 제조 기법을 통해 동시에 수천 개의 마이크로 머신 부품들을 구현할 수 있기 때문에 실리콘이 인기를 얻고 있다. 따라서 MEMS는 마이크로일렉트로닉스의 성공을 실현시킬 만큼의 규모의 경제에서 혜택을 얻는다.또한, 강철의 1/3 중량으로 강철보다 강한 실리콘은 민감하면서도 단단하여 플라스틱 변형의 영향을 받지 않는다. 이는 마이크로 머신 기술의 원리이다. 일단 IC와 결합하면 움직이는 구조물이 발생하는 전기 신호는 매우 다양한 애플리케이션을 위한 인지 및 제어 기능을 제공한다.마이크로 머신 공정 과정의 한 예를 들면, 산화물층이 전기적 고립을 위해 증가된 일반적인 6인치 실리콘 웨이퍼에서 시작한다. 그런 다음 상호 접속 및 두 번째 산화물층을 위해 사용된 얇은 폴리 실리콘층이 쌓인다. 움직이는 요소에 대한 고정 요소 및 고정 장치를 위해 구멍이 새겨진다. 더 두꺼운 폴리 실리콘층이 이 위에서 생성되어 이 층에 디바이스의 움직이는 요소 및 고정 요소를 위한 구조가 새겨진다. 마지막으로, 첫 번째 산화물층이 움직이는 부분을 없애기 위해 제거된다.첫 번째 웨이퍼와 결합된 두 번째 웨이퍼는 주입 몰딩 과정에서 얇은 구조를 보호한다. 그림 1 과 같이 모션 센서가 만들어진다.컨수머 시장을 위한 모션 센서모션 센서는 자동차 시장에서 능동형 및 수동형 안전 시스템을 위한 자동차 시장에서 어디에나 존재하며, 심장박동 조절장치를 위한 의료 기기 시장에서도 사용된다. 더 최근에는 컨수머 시장에서 모션 센서를 채택하기 시작하여, 안전, 보안 및 재미의 기능을 발휘하고 있다.얇고 저렴하며, 저전압 및 저전력 소비의 디바이스들은 컨수머 시장의 핵심이다. 휴대폰, MP3, MP4 플레이어 및 랩톱은 배터리로 구동되며, 점점 소형화 및 슬림화되고 기능도 풍부해지고 있다. 게다가 컨수머 디바이스들의 수명이 오토모티브 시장의 디바이스 보다 짧기 때문에, MEMS 공급사들은 더욱 빨리 제품을 개발해야 한다.핸드헬드 제품들휴대폰은 편리하고 휴대가 가능하지만, 작은 화면 및 제한된 그래픽 기능 때문에 사용자의 만족을 떨어뜨린다. 가속도계는 많은 사용자를 불편하게 만드는 ‘작은 버튼 큰 손가락’ 문제를 해결할 수 있다. 기울기/모션 센서처럼 작동하는 MEMS는 스크롤, 줌, 웹페이지 패닝, e-book 및 스프레드시트를 위한 기존의 스위치 또는 버튼 및 마우스의 덤 휠(thumb wheels)을 교체할 수 있다.기본적인 인간의 움직임을 탐지할 수 있는 센서는 이러한 움직임을 디스플레이 기울기에 대한 인풋으로 사용한다. 그런 후 원하는 방향으로 디바이스를 기울임으로써, 사용자는 지도를 통하여 웹페이지 또는 팬을 간단히 내비게이션 할 수 있다.자유 낙하 보호MP3 및 MP4 플레이어, 랩톱 및 휴대폰, 캠코더 및 디지털 스틸 카메라에서 가속도계는 자유 낙하 시 데이터의 손실로부터 하드디스크드라이브를 보호해준다. 3축 가속도계는 3개 축에 따라서 자유 낙하 보호를 보장해준다. 컴퓨터를 떨어뜨렸을 때, 가속도계는 무중력을 감지하여 읽기/쓰기 헤드에 디스크로부터 피하라는 신호를 보냄으로써 디스크에서 데이터 손실 또는 드라이브 손상을 일으키는 헤드의 부서짐을 막을 수 있다.게임모션 센서로 게임 제어가 더욱 확산될 수 있다. 팔의 움직임을 통하여 핸드헬드 디바이스의 마우스가 될 수 있으며, 한쪽 팔 작동 및 움직임 인식이 게임기에 추가될 수 있다. 가속도계는 팔/손가락/손목 움직임을 감지하고 이러한 움직임을 행동으로 변경함으로써 직관적 인터페이스를 구현한다.보행자 내비게이션GPS 리시버는 위치 측정 및 길 안내를 제공한다. 터널, 다리, 고층 빌딩에서 GPS 신호가 방해를 받는 도심에서는, 100% 신호 수신이 되지 않기 때문에 정확한 내비게이션이 어렵다. 신호 손실이 있을 경우, 마이크로 머신 모션 센서는 위성 신호가 불가능하거나 부정확할 때 이동을 추적하는 추측항법 시스템을 사용하여 GPS를 보조 및 대신할 수 있다. 가속도계, 자이로스코프, 자기탐지기 등의 모션 추측 장치는 여행 거리 및 방향을 알기 위하여 추측 항법을 실행할 필요가 있다. 배터리로 구동되는 GPS 제품들은 많은 전력을 소비하기 때문에, 저전력 MEMS 센서는 핵심적인 GPS 솔루션이다.만보계만보계는 열량 소모, 속도 및 보행 거리 등을 측정한다. 여기에도 가속도계가 수직 움직임을 나타내는 주기적인 시그널로 도보 또는 달리기하는 사람의 움직임을 감지한다. 무선 만보계는 전체 운동 툴에 대한 측정을 표시하는 스톱워치와 같은 다른 퍼스널 기기와 함께 통신할 수 있다. 또한, 만보계는 MP3 플레이어 및 미디어 폰에 통합된 퍼스널 내비게이션 제품에서 사용될 수 있다.데이터 입력 디바이스컴퓨터 또는 모든 컴퓨터로 제어되는 제품의 가장 일반적인 인터페이스는 '마우스'이다. 일반적으로 특히 무선 솔루션에서 높은 전력 소모가 문제인 옵티컬 솔루션은 관성 센서가 좋은 대체 솔루션이 될 수 있다. 게임기에서처럼 가속도계를 사용한 마우스는 3차원 움직임을 감지하고 제어 신호를 컴퓨터로 전송할 수 있다.손떨림 방지기능캠코더 및 디지털 스틸 카메라는 일반적으로 손떨림 방지 기능을 위해 압전 자이로스코프를 사용한다. 마이크로 머신 자이로스코프는 훨씬 작은 크기에서 저전력 소모를 제공한다. 이 밖에도, 동시에 좌우 축을 따라서 각 속도를 측정할 수 있으며, 다른 모션 센서와 더욱 쉽게 통합될 수 있다. 휴대폰 카메라는 연간 수억 개 시장을 형성하고 있다. 휴대폰의 60% 이상은 카메라를 장착하고 있으며, 향후 몇 년간 모든 핸드폰에 카메라가 장착될 것이다.다음 애플리케이션은?무선 센서 네트워크, 가정용 로봇, 스마트필, 랩온칩이 개발 중이다. 일부 기술적 장애가 여전히 존재하지만, 모든 애플리케이션들이 얇은 저전력 마이크로머신 센서의 혜택을 받을 수 있다.단순한 5 노드 무선 센서 네트워크가 타이어 압력 모니터링 시스템에 이미 존재한다. 현재 이 시스템은 시장에서 마이크로 머신 압력 센서 및 가속 스위치에 기반을 두고 있다.센서, 컨트롤러, 리시버, 배터리 및 안테나로 구성된 무선 센서 모듈인 ‘모츠(Motes)’는 현재 상용화 결과를 달성하고 있다. 모츠는 압력, 온도, 열, 흐름, 힘, 진동, 가속, 충격, 회전, 습도, 당김 및 이미지 등의 실제 변동을 측정한다.모츠의 잠재 시장은 상상을 뛰어넘는다. 모츠는 보안, 바이오 탐지 시스템에서 빌딩 및 홈 오토메이션, 산업 제어, 오염 모니터 및 농업 등 컨수머 시장의 모든 곳에서 사용될 것이다. 또한, 안전, 편리, 엔터테인먼트 및 효율성 요소에 대한 관심 증가는 센서의 사용을 굉장한 수준까지 향상시킬 수 있다.가정용 로봇은 또 하나의 센서용 애플리케이션을 대표한다. 일부 전문가들은 향후 20년 내에 가정용 로봇이 마이크로 머신의 큰 획을 그을 것이라고 믿는다. 애완용 로봇은 노인들에게 안락함을 제공할 수 있으며, 도우미 로봇은 청소 및 기타 집안일을 도울 수 있다.스마트필은 먼지처럼 생겼으며, 인체의 내부 환경을 분석할 수 있는 자율 시스템으로써 이미 의료 분야에서 상용화가 가능하다.의약 처방 및 연구를 위한 랩온칩이 시장에 나와 있지만, 주요 애플리케이션은 분자 진단 분야에서 나올 수도 있다. 조류 독감과 같은 전국적인 전염병을 피하기 위한 안전 및 시기적절한 바이오 진단에 대한 걱정이 이 시장을 불러일으킬 것이다.MEMS의 미래는 무선 센서 네트워크, 가정용 로봇, 스마트필 및 랩온칩에 있다. 그러나 우리는 단지 파장을 일으키고 있을 뿐이다.
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