자동차 전장기술 동향
최신 자동차 시스템은 가속도, 압력, 온도, 엔진속도, 회전속도, 각도, 힘, 거리, 유체량, 화학적 구성물(공기 또는 오일 품질) 등과 같은 많은 센서의 입력들을 처리하고 기록한다. 센서소자뿐만 아니라 신호를 처리할 수 있는 전자장치와 또한 필요한 경우에 따라 그 정보를 무선으로 송출도 할 수 있는 기능을 포함한 최신의 단일 칩 센서들은 차량시스템에서 상당한 개선을 제공해 준다. 본고는 최신 적용사례를 통해, 자동차 분야에서 마이크로 기계식(micromechanical) 압력센서에 대해 개관하고 이러한 센서들의 향후 요구사항들과 동향에 대해 논의한다.
글 : 마이클 위키스크(Michael Wycisk) 박사 / 애플리케이션 엔지니어링 본부장
인피니언 테크놀로지스 / www.infineon.com
오늘날의 첨단 차량은 수많은 센서들을 장착하고 있다. 이러한 센서들은 엔진관리 ECU(electronic control unit)와 안전 및 편의 시스템에서 필요한 물리적 입력신호들을 전기적 신호로 전환시켜서 이들이 개방 및 폐쇄루프 제어를 수행할 수 있게 한다. 요즘 자동차 소비자들은 자동차 브랜드를 선택할 때 주관적인 고려 이외에도 차량의 연료효율, 배기가스(emission), 안전성, 고급 편의 사양 등을 구매결정의 중요한 요소로 삼고 있다. 따라서 이러한 소비자의 차량선택 기준 및 자동차 법규들 때문에 지능형 센서에 대한 수요가 자동차 애플리케이션에서 급증하고 있다.
최신 자동차 시스템은 가속도, 압력, 온도, 엔진속도, 회전속도, 각도, 힘, 거리, 유체량, 화학적 구성물(공기 또는 오일 품질) 등과 같은 많은 센서의 입력들을 처리하고 기록한다. 센서소자(sensor elements) 뿐만 아니라 신호를 처리할 수 있는 (온도 보상, A/D 변환)전자장치와 또한 필요한 경우에 따라 그 정보를 무선으로 송출도 할 수 있는 기능을 포함한 최신의 단일 칩 센서들은 차량시스템에서 상당한 개선을 제공해 준다.
본고는 최신 적용사례를 통해, 자동차 분야에서 마이크로 기계식(micromechanical) 압력센서에 대해 개관하고 이러한 센서들의 향후 요구사항들과 동향에 대해 논의한다.
애플리케이션과 기술
오늘날 자동차에서 사용되고 있는 기술들은 압력센서와 깊은 상관관계가 있다. 센서가 장착되는 곳의 온도와 압력 그리고 환경적 매체들은 어떠한 센서소자와 어떠한 패키지를 사용될지를 결정한다. 예를 들어, 그림 1은 엔진 관리 영역을 위해 사용할 수 있는 센서들을 보여주고 있다.
압력센서 영역의 애플리케이션의 경우, 우리는 압력이 10bar 보다 클 경우 센서가 액체 속에서 동작하거나 액체를 사용하는 센서로 압력이 전송되거나 전달되는 경우를 가정해 볼 수 있다. 이 압력센서 애플리케이션의 경우, 압력이 10bar 이상이면서 압력센서가 액체 노출되어 있거나 압력이 액체를 통해 전달 될 경우에는 센서 패키지는 반드시 매체에 대한 내성이 있어야 한다. 하지만 압력이 10bar 이하인 경우에는 -예를 들면 엔진의 흡기관 압력(MAP) 혹은 대기압 (BAP) 측정의 경우- 센서는 패키지에 대해서 젤 코팅이면 충분하다.
인피니언 테크놀로지스가 사용하는 공정은 차량용 애플리케이션에서 인증을 받은 0.5μm BiCMOS 기술에 기반하고 있다. 압력센서 자체는 정전용량 측정 원리(표면 미세기계가공)를 토대로 하고 있으며, 이는 환경 매체의 압력 변화가 정전용량 변화를 유발하여 센서 출력 신호를 변화시키는 방식이다. 물리적 압력변화를 변환시키기 위해서 압력에 민감한 격막 (diaphragm)을 차폐된 공동 위에 생성시킨다. 이를 위해 기판에서 절연 산화층(field oxide)이 커패시터의 하부전극(lower electrode)위에 형성된다.
다음 공정 단계에서 이 산화물을 폴리실리콘(poly-crystalline silicon)으로 도핑시켜 덮는다. 이 폴리실리콘은 커패시터의 반대 전극을 형성한다. 이 레이어가 고착화 후 다음 공정 단계에서 플루오르화 수소산(hydrofluoric acid)에 의한 습식 화학 에칭을 통해 밑에 깔린 절연 산화층(sacrificial layer)이 제거된다. 최종 공정에서는 하부 지지 없이 고착된 폴리실리콘층이 실링된다. 이러한 방법으로 형성된 공동은 정의된 압력 하에서는 밀봉된다.
센서 민감도(sensitivity)는 센서를 구성하는 기하학적 파라미터들에 의해 일차적으로 결정된다. 파라미터로는 격막의 직경, 두께, 공동의 높이 등이 있다. 압력이 가해질 때, 움직임이 가능한 격막이 아래로 굽어져서 정전 용량을 변화시킨다. 신호의 크기를 증대시키기 위해서 격막의 어레이를 생성시켜 병렬로 연결시킨다.
여기서, 2개의 필드가 압력에 반응하고 2개의 필드는 레퍼런스로서 동작한다. 센서 신호는 압력에 반응하는 필드들과 레퍼런스 필드들 사이의 차이로 인해 형성된다. 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 것은 칩에 통합된 신호 처리 기능을 통해 완벽하게 이루어진다. 이를 통해 매우 우수한 신호대 잡음비는 물론 높은 정밀도를 보장할 수 있다.
차량 엔지니어링의 대량생산 애플리케이션에서 센서의 장착 비용을 저렴하게 하기 위해서 압력센서는 특별히 개발된 SMD 패키지에 장착된다.
이러한 플라스틱 하우징은 8개의 커넥터 핀을 가지고 있으며, 위를 향해 개방되어 있다. 센서 칩이 골드 와이어를 통해 본딩 및 연결되면 칩은 실리콘 젤로 차폐된다. 측정될 주변 공기 압력이 이 젤을 통해 센서 표면으로 전달된다. 뿐만 아니라, 이것은 칩을 환경적 영향으로부터 보호한다. 패키지는 자동 PCB 어셈블리를 위해 구성되었기 때문에 전통적인 패키지에 보다 상당한 이점 (비용절감)을 제공한다.
애플리케이션
오늘날 실제 적용사례를 통해, 고집적 압력센서가 차량 엔지니어링분야에서 어떻게 적용되고 있는지 알아본다.
측면 충격 사고 감지를 위한 압력 측정
측면 충격을 포함한 도로 사고와 운전자와 승객의 부상이 증가함에 따라 측면 충격 충돌 테스트를 수행하기 위한 가이드라인이 개정되었다. 이로 인해 측면 충격을 감지할 수 있는 보다 엄격한 조건이 요구되고 있다. 설정된 목표는 매우 짧은 기간 내에 충돌의 강도를 신뢰성 있게 감지할 수 있는 센서 시스템이다.
측면 충격 테스트는 차량 측면에 장착된 차량 문과 B-필러(B-pillar) 모두를 가격할 수 있는 크기를 가진 방해물을 통해 수행되었다(ECE-R95, 96/27/EG, Euro NCAP, IIHS, FMVSS 214). 이것은 충격 타격이 차량의 B-필러에 직접 전달된다는 것을 의미한다. 따라서 거기에 위치한 가속 센서는 안전 시스템을 전개(trigger)시키기 위한 데이터 전송을 충분한 속도로 구현할 수 있다. 하지만 도로 상에 SUV(Sport Utility Vehicle)의 수가 증가하고 이러한 차량의 높은 구조 때문에 측면 충격 충돌이 발생할 때 다른 형태의 사고가 발생하고 있다. 전통적인 측면 충격 테스트는 이러한 시나리오를 충분하게 포함하지 못한다. SUV와 같은 차량의 충돌 사고 시 차량의 측면전체가 타격되는 경우가 아니라 차량의 문만 타격되는 사고가 증가하고 있으며, 이것은 B-필러가 충격에서 제외되었음을 의미한다. 결과적으로 이러한 사고 시나리오로 인해 측면 충격 테스트에 대한 가이드라인이 개정되었다(FMVSS 214 NPRM).
측면 충돌을 감지하기 위해 사용되는 가속도 센서는 이러한 경우 단점을 가진다. 그 이유는 자동의 가속도센서가 선호하는 B-필러 위치에서는 차문의 충격을 감지하기까지 시간지연이 발생하기 때문이다. 측면충격을 감지하는 또 다른 방법은 압력센서를 이용하는 것이다. 차문에 발생하는 측면충돌은 차문 내부공간의 압력을 증가시키며 이러한 압력변화는 문의 내부공간에 위치한 압력센서에 의해 측정될 수 있기 때문이다.
압력센서를 사용하면 안전시스템을 구동시키는데 필요한 신뢰성 있는 판단 시간을 대폭 줄일 수 있다. 더 나아가 압력센서의 출력특성은 안전시스템 구동이 필요한 충돌인지 아니면 적절하지 않은 충돌인지를 매우 쉽게 구별해 준다. 측면 충격을 감지하는 데 압력센서를 사용함으로써 얻을 수 있는 추가적인 장점은 문 내부 공간에서의 압력이 일정하게 분산되기 때문에 전체 문이 감지 요소(Sensing element)가 된다는 것이다.
그 결과, 압력센서의 출력 신호는 충격이 발생하는 문의 특정 지점에 대해 독립적이다. 즉 압력센서의 신호는 충격의 힘에 의해서만 결정된다. 따라서 이러한 위치 독립적인 특징은 센서를 문 내부에 설치하는 테크놀로지에 이점을 제공할 수 있다. 즉 압력센서의 출력은 위치에 종속적이지 않다. 측면 충격 보호 기능을 위한 현재의 시스템들은 압력 및 가속 센서의 조합으로 구성되어 두 센서가 가진 특성의 이점들을 모두 활용할 수 있다.
엔진관리 영역에서의 공기압력 측정
자동차 제조업체들은 연소 과정을 보다 더 잘 제어하기 위해서 물리적 파라미터들을 더 정밀하게 할 수 있는 센서의 사용 늘리고 있다. 이러한 점은 최근 수년 간 독일에서 1980년대에 약 100km당 10리터였던 평균 연비 수준을 약 100km 당 7리터 수준으로 낮출 수 있도록 해준 하나의 요인이 되었다. 게다가 1992년 이후 유럽에서는 대략 4년마다 자동차의 오염물질 방출을 줄이기 위한 새로운 배기가스 규제가 발효되고 있다.
이 예는 엔진 관리 영역에 이미 잘 구축된 애플리케이션을 설명한다. MAP(manifold absolute pressure) 애플리케이션의 압력센서는 공기 흡기관 압력을 측정하여 그 결과 공기 양을 알 수 있게 된다(그림 1 참조). MAP 센서와 대기압(BAP) 센서의 정보는 연료 혼합 준비를 위한 중요한 정보를 제공하여 가스 방출을 최소화하게 한다.
MAP 및 BAP 센서 시장은 성숙 단계에 진입했다. 2008년 MAP 센서에 대한 전세계 수요는 약 4,000만개이다. BAP 센서에 대한 전세계 수요는 약 2,000만개이다. 이 시장의 연평균성장률은 약 3%이다.
타이어 압력 측정 시스템 (TPMS)
매우 큰 시장성장률이 예상되는 애플리케이션은 타이어 압력 감시 시스템(TPMS: tire pressure monitoring system)이다. 이 영역에서 압력센서에 대한 수요는 2001년 전세계적으로 여전히 약 300만 개 수준이지만, 2010년까지 1억 개 규모로 증가할 것으로 예상된다. 이러한 전례가 없는 높은 연간성장률은 미국 내에서 통과된 규제에 기인한다.
이 법령은 미국에서 2000년 여름에 타이어 폭발로 인해 연속적으로 발생한 치명적인 사고들에 대응하기 위해 입법되었다. 이 규제는 모든 새로운 차량들이 타이어의 압력 손실에 대한 경고 시스템을 장착하도록 요구하고 있다(NHTSA 최종 판결). 유럽에서도 이 애플리케이션이 제공하는 안전 및 편의성의 이점 때문에 수요가 급증하고 있다. - 이미 중형 차량에 대해 이 애플리케이션 적용이 이루어지고 있다 - 다음 그림들은 타이어 압력 모니터링 시스템을 위한 최신 압력센서의 구성을 나타낸 것이다
타이어 압력 이외에 센서는 타이어 온도와 센서 모듈의 배터리 전압을 측정한다. 가속 센서는 시스템을 모니터링 하여 정지 상태부터 물리적 움직임을 감지한다. 이것은 보다 오랜 시간 동안 차량이 움직이지 않았다면 시스템을 에너지 절감 상태로부터 재활성화시키는 데 있어서 중요하다. 이 애플리케이션의 경우, 10년 이상 지속할 할 있는 배터리가 요구된다. TPMS 수신기는 TPMS 신호 이외에도 이미 우리에게 친숙한 RKE(remote keyless entry) 애플리케이션의 신호들을 수신할 수 있는 중앙 수신기가 역할을 담당한다.
그림 6은 TPMS 센서의 구성을 나타낸 것이다. 여기에 사용된 센서 기술은 제조공정이 칩 표면에만 적용되지 않는다는 점에서 표면 미세기계가공(surface micromachining) 기술과 다르다. 이 공정의 경우 그림 6처럼 구현하기 위해서 구조화 공정(structuring processes)역시 아래쪽(bulk micromachining)에도 적용된다. 이러한 기술의 장점은 악성 매개체의 영향을 견뎌야 하는 경우에 특히 강건하다는 것이다. 이 경우, 압력 주입구를 통해서 들어온 매개체는 센서의 전자장치가 아닌 좀 더 견고한 실리콘 격막과 접촉하게 된다.
요건과 경향
● 높은 신뢰성
● 낮은 시스템 비용
● 열악한 동작 조건
● 소형 풋프린트
● 높은 정밀도
자동차 분야에서, 표면 및 벌크 미세기계가공 기술을 발전시키고 숙달시켜 고집적 압력센서를 적용하여 비용절감 효과를 볼 수도 있지만 이러한 기술은 매우 작은 공간만 허용하는 복잡한 시스템에서의 적용도 가능하게 한다. 이러한 형태의 압력센서는 이미 차량에 적용되고 있으며 미래에도 또한 필수불가결한 존재가 되었음을 앞선 예들과 현재의 마켓 성숙도를 통해 알 수 있다. 추후 차량 애플리케이션용 센서 개발을 위한 향후 경향과 주요 요구사항들은 다음과 같은 영역에서 찾아 볼 수 있다.
이러한 요구사항들은 차량 센서 애플리케이션 영역들, 특히 우리가 압력 감지 기술을 위해 인용했던 사례들과 일치하고 있다. 기술적 발전의 한계 내에서 이러한 측면들이 고려되어 개발된다.
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