MEMS 센서 기술
MEMS 산업은 떠오르는 컨수머 시장뿐만 아니라 다른 여러 시장의 새로운 애플리케이션을 구현하는 제품을 지속적으로 제공할 것이다. 현재, 우리는 마이크로폰, 모션 및 압력 센서가 주축인 'MEMS 소비자화'의 상용화 시대를 살고 있다. 이러한 흐름이 향후 5년간 지속될 것으로 확신한다. 오늘날 아직 알려지지 않은 끊임없는 무선 센서 네트워크의 새로운 애플리케이션이 MEMS 해일을 일으킬 수 있을 것이다. 우리는 이러한 새로운 단계가 막 열리는 시기에 있으며, 곧 목격할 수 있게 될 것이다. ST마이크로일렉트로닉스는 대규모 제조 인프라를 활용하고, 컨수머 시장에 진입하며, 광범위한 통합 기술 플랫폼을 신속하게 실행함으로써 이 업계에서 중요한 입지를 구축하고 있다.
글 : 베네디토 비냐(Benedetto Vigna) / MEMS 및 헬스케어 총괄 본부장
ST마이크로일렉트로닉스 / www.st.com
과거 30년 전에는 마이크로머신(micromachined) 가속도계, 자이로스코프 및 압력 센서가 주로 자동차, 산업 및 메디컬 시장에서 사용되었다. 이 물리 센서는 기술적 및 경제적 이유로 소비가전 시장에 진입하지 못했다. 그러나 최근 저렴한 초소형 및 저전력 소모의 다중축 센서 디바이스가 출시됨으로써, 광범위한 소비가전 시장에 물리 센서의 적용이 가능하게 되었다. MEMS는 값비싼 보석처럼 흔하게 볼 수 있는 것이 아니다. 현재 다음과 같은 4가지 주요 소비가전 애플리케이션에서 MEMS 소비자화의 물결이 시작되고 있다:
● 게임기 및 휴대폰의 UI(User Interface)
● HDD(Hard Disk Drives) 보호
● 휴대형 기기에 내장된 피트니스 모니터
● 디지털 스틸 카메라 및 캠코더의 IS(Image Stabilization, 손떨림 방지)
그러나 물리 센서를 채택한 다른 많은 애플리케이션이 조만간 나올 조짐이다. ST마이크로일렉트로닉스는 최초로 최첨단 8인치 실리콘 생산 라인에 투자하고 선별된 협력사와 신제품 및 신기술을 공동 개발함으로써, MEMS의 소비자화 물결을 일으키는데 크게 기여하고 있다. 궁극적인 목표는 소비가전 시장의 고객들에게 시의적절한 물량 공급과 타임투마켓을 보장하는 것이다.
이 논문에서는 물리 센서가 MEMS의 소비자화 물결을 어떻게 주도하고 있으며, 이 시장에서 ST가 담당하고 있는 역할 및 미래 계획에 대하여 논할 것이다.
개 요
MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems)는 실리콘 마이크로머신 기술을 통해 제작된 3차원 구조물이다. MEMS는 60년대에 반도체 공장에서 처음으로 모습을 드러냈으며, 여러 애플리케이션에서 가속도, 각속도, 압력 및 음압을 감지하는데 사용될 수 있다.
우리의 일상생활은 마이크로머신 물리 센서로 가득 차 있다. 자동차에서 자체 자세 제어 장치(Vehicle Dynamic Control) 및 에어백과 같은 모든 능동 및 수동 안전 시스템들은 우리의 생명을 보호하기 위해 가속 및 요레이트(yaw rate) 센서를 사용하고 있다. 또한 엔진 매니폴드(manifold) 및 연료 라인에 압력 센서를 사용함으로써 자동차의 가솔린 소비가 매우 낮아진다.
그러나 몇 년 전 부터 마이크로머신 제품과 인간과의 상호작용은 우리가 눈치 채지 못하는 사이에 진행되고 있다. 우리가 사용하는 휴대형 PC는 떨어뜨릴 경우 하드디스크 드라이브에 저장된 데이터 보호를 위해 3축 가속도계를 사용한다. 여러 제조사의 휴대폰은 인간과 기기간의 인터페이스를 간소화하기 위해 소형 가속도계의 감지 기능을 활용하고 있다. 마지막으로 중요한 것이 닌텐도 Wii™ 또는 소니 PS3™로써, 원격 제어 모션 센서 기능 덕분에 실제와 같은 게임을 즐길 수 있다. 'Sense and Simple' 인간과 전자 기기의 복잡한 세상 사이의 모든 장벽을 허물고자 하는 나오토 후쿠사와씨의 꿈에 따라서 소비가전 시장에서 MEMS가 실현한 가치 제안이다.
MEMS는 우리가 모든 전자 칩에서 볼 수 있는 CMOS 트랜지스터와 같이 반도체 팹에서 제작되지만, MEMS의 경우에는 전자(electronics)만 이동하는 것이 아니다. 실리콘 스프링, 전극, 얇은 막(membranes), 캔틸레버(cantilevers)들도 이동한다. 실리콘 마이크로머신 제품들은 쿼르츠(quartz) 및 압전(piezoelectric) 기반 제품들과 가격, 크기 및 성능 면에서 종종 경쟁한다. 대부분 실리콘 마이크로머신 제품들은 소형화 및 통합화 추세의 확실한 로드맵으로 소비가전 시장을 위한 최적의 기술 및 경제적 솔루션으로 대표된다. 이 점이 지난 몇 년간 MEMS 소비자화 물결이 일어나고 있는 이유를 설명해준다[1,2].
가속도계 및 자이로스코프와 같은 모션 센서는 실리콘 내부에서 움직임 감지를 실현한다. 모션 센서는 법적인 규제에 의해서라도 자동차 시장에 꾸준히 진입하게 될 것이며, 소비가전 시장에서도 더욱더 많이 사용될 것이다. 가장 좋은 예로, 자동차용 MEMS 공급사의 성장률이 ST마이크로일렉트로닉스가 소비가전 시장에서 달성한 성장률 보다 6배 작다. 실제로, 과거 자동차의 능동 및 수동 안전 시스템에서만 사용되었던 다중축 가속도계가 랩톱, 하드디스크 드라이브, 휴대폰 및 게임기에서 사용되고 있다. 차량의 다이내믹 제어 장치 이외에, 요 레이트가 캠코더 및 디지털 스틸 카메라의 손떨림방지 기능의 향상을 위해 사용되고 있다. 또한 모션 센서 및 지질 자력계(geo-magnetometers)가 모션 측정 장치(Motion Measurement Units) 속에 함께 결합되어 휴대형 기기의 퍼스널 내비게이션을 구현함으로써 통신 사업자에 의한 위치 기반 서비스(Location Based Services)의 사용을 촉진할 것으로 기대된다.
오늘날 얇은 압력 센서가 자동차 및 메디컬 시장에서 널리 사용되고 있다. 타이어 압력 모니터링 애플리케이션 덕분에 자동차 부문에서 사용이 급속히 증가하고 있다. 그러나 최근 개발된 소형의 박막 및 저가의 압력 센서가 새로운 애플리케이션을 구현하고 무선 사업자들에게 새로운 매출원을 창출해내면서 대형 소비가전 시장의 관심을 끌게 될 것이다.
또한 전기용량 실리콘 마이크로폰이 휴대폰 및 랩톱의 비표면 실장 일렉트릭-콘덴서 마이크로폰과 제대로 경쟁하게 될 것이다.
단일 모듈로 가속도계, 자이로스코프 및 압력 센서 같은 몇몇 센서들의 통합이 분명히 일어날 것이다. 이렇듯 MEMS 공급사들은 다중 센서의 융합을 구현하는 기술 플랫폼 개발에 대한 고객의 요구에 귀 기울일 준비를 해야 한다.
ST는 세계 전 지역에서 2축 및 3축 가속도계를 위한 많은 Jisseki를 이미 보유하고 있으며, 센서 통합을 위한 2개의 기술 플랫폼 THELMA™ 및 VENSENS™를 개발하였다. 최근 다중축 자이로스코프, 압력 센서 및 마이크로폰을 개발 중이며, 자력계와 같이 고객이 필요로 하는 잠재적 센서 개발을 위해 업체들과 공동 작업하고 있다. 생산 및 개발 활동은 모두 최첨단 8인치 MEMS 팹에서 함께 이뤄짐으로써, 소비가전 시장에서 필요로 하는 신속한 타임투마켓을 달성할 수 있다.
물리 센서를 위한 마이크로머신 기술
물리 센서는 실제 세계와 상호 작용한다. 물리 센서는 기본적인 IC 기법에서 파생된 동일 처리 단계를 공유하는 마이크로머신이라는 공정기술로 제작된다. 그러나 최종 결과물은 실리콘 기판 상에서 가장 자주 생기는 일반적인 3차원 기계 구조이다.
그럼에도 불구하고, 다른 재료들도 마이크로머신화 또는 마이크로폼화 될 수 있다. 이러한 재료 중에는 석영, 유리, 플라스틱 및 세라믹이 있다. 석영 및 세라믹은 수정공진자(crystal resonator) 및 코리올리(Coriolis) 기반 자이로스코프를 위해 사용된다. 아직까지는 실리콘이 뛰어난 전기적, 기계적 및 열적 특성 때문에 가장 인기있는 재료이다.
뛰어난 물리적 특성 외에도, 실리콘은 제조사들이 실리콘 칩 생산을 위해 개발되어 입증된 제조 기법을 통하여 실리콘 웨이퍼에서 한 번에 수천 개의 마이크로머신화된 부품들을 생산할 수 있기 때문에 매우 인기 있다. 전체 실리콘 역사를 통해, 전세계 마이크로 전자 산업은 트랜지스터의 면적을 지속적으로 줄이면서 대량의 실리콘 기반 마이크로전자 디바이스를 설계 및 생산하도록 투자된 산업 인프라를 구축하는데 수조 달러의 비용을 축적해왔다. 그러므로 MEMS는 마이크로전자의 성공을 실현했던 것과 동일한 규모의 경제로 혜택을 누릴 수 있다.
게다가, 부품들이 웨이퍼 상에서 나란히 잘 제어된 공정기술로 만들어지기 때문에, 디바이스들이 다른 방식으로 제작된 유사 제품 보다 더욱 정확하게 반복 제작될 수 있다[5, 6].
현 MEMS 디바이스의 미크론 스케일로는 이전의 6인치 웨이퍼 팹에서도 제작될 수 있음에도 불구하고, 향후 몇 년 내에 많은 기업들이 급증하는 수요 및 소비가전 시장 애플리케이션의 가격 압력에 부응하기 위해 8인치 라인으로 전환해야 한다. ST는 이미 8인치 라인으로 전환하였으며, 경쟁사 보다 뛰어난 장점을 갖게 되었다. 기술적인 면에서 MEMS의 범위 및 사용은 주로 초소형 크기, 뛰어난 신뢰성 및 저전력 소모 성능에 의해 좌우된다. 이러한 성능은 MEMS가 거시적인 동등 제품보다 더욱 빠르고 정확하게 작동하도록 지원한다. 그러나 고객에게 비용적인 혜택은 특히 소비가전 시장에서 무시될 수 없다.
실리콘은 철보다 강하고, 무게도 1/3 뿐이다. 또한 깨지기 쉬우며, 플라스틱 변형이 되지 않는다. 이는 마이크로머신 기술의 원리이다. 일단 IC와 결합되면, 움직이는 구조체(진동판 및 캔틸레버)가 만들어낸 전자 신호가 인식하여, 광범위한 애플리케이션을 위한 센서 개발 능력을 관리한다.
많은 마이크로머신 처리 단계는 기본적인 IC 공정인 포토리소그래피, 재료 증착, 반응이온 및 화학적 에칭에서 비롯되었다. 그러나 CMOS 로드맵이 평면 및 두께로 더욱 많은 디바이스를 패키징하는 것이 목적인 반면, 마이크로머신 디바이스는 일반적으로 10분의 1밀리미터 및 수십 마이크론 두께의 면적을 갖는다. 습식 에칭(wet etching), 성장된 또는 전기도금 두께 막, 2/3중 접합 웨이퍼 적층, 스루 실리콘 비어스/홀, 높은 가로세로비 드라이 에칭이 일반적인 마이크로 머신 기술 단계이다. 마지막으로 중요한 점이 MEMS 디바이스는 CMOS 공정 기술에서 완전히 금지된 금 또는 분말유리접착제와 같은 일부 재료를 사용한다는 것이다.
최근 몇 십 년 동안 MEMS 공급사들은 그들이 익힌 프로세싱 절차 및 사용가능한 생산 시설 모두를 활용하여 자신만의 제품을 위한 마이크로머신 공정기술을 개발해왔다. 각 회사가 전용 마이크로머신 공정기술을 사용함에도 불구하고, 모든 공정기술이 다음의 2개 범위로 구분될 수 있다:
A. 벌크 마이크로머신(Bulk Micromachining): 원하는 모든 구조를 형성하기 위해 기판의 대부분을 제거하기 때문에 절삭 공정 기술이다. 이러한 기법은 표면 마이크로머신 기술 보다 정확성이 덜 필요하다. 기판의 두께를 매우 자유롭게 선택할 수 있기 때문에 더 두꺼운 구조의 제작이 훨씬 쉬워진다. 반면, 마이크로머신된 구조면이 실리콘 기판의 크리스털 면에 의해 상당히 제한된다. 이러한 기술은 꽤 오래된 방식으로, 현재 사라지고 있다.
B. 표면 마이크로머신(Surface Micromachining): 다음 처리 과정에 의해 선택적으로 뒤에 놓여지거나 제거되는 다양한 재료층의 구축이 필요한 추가적 과정이다. 기본적으로 기판 크기는 건드리지 않는다. 이러한 기법은 얇은 막만이 기판에 침전 또는 성장될 수 있기 때문에, 초기에는 얇은 디바이스(~2마이크론)로 제한되었다. 그러나 두꺼워진 막의 사용 및 새로운 웨이퍼 본딩 기법이 더 두꺼운 디바이스를 개발할 수 있게 한다. 포토리소그래피에 의한 모든 기법을 활용함으로써, 매우 복잡하고 혁신적인 기계 구조의 제조가 매우 간단해진다. 이러한 과정 단계는 더운 장기적 로드맵을 가지며, 모션 센서에서 가장 많이 사용된다.
THELMA™ 및 VENSENS™ 마이크로머신 공정기술
ST는 현재 2가지의 마이크로머신 공정 기술로 생산하고 있다:
● THELMA™: Thick Epitaxial Layer for Microgyroscopes
and Accelerometers;
● VENSENS™: Venice process for Sensor.
Category IC Bulk Surface THELMA VENSENS Minimum Lithography (um) <0.1 3 1 0.8 0.8
Structural Material N/A MonoSi PolySi Si Epipoly MonoSi
Sacrificial Material N/A MonoSi Si Di-Oxide Si Di-Oxide MonoSi
Cleanroom Class 1/10 10 / 100 10 / 100 10 / 100 10 / 100
Wafer Size 8/12 4/6 6/8 8 8
Mask Level # > 20 8-10 >25 8-10 8-10
THELMA™는 가속도계 및 자이로스코프와 같은 고성능 및 저비용 모션 센서를 제작하기 위한 것인 반면, VENSENS™는 매우 작은 압력 센서 제조를 구현한다. 2가지 마이크로머신 공정기술 모두 벌크 및 표면 마이크로머신 기술의 제조 단계들을 결합한 ST만의 독점 기술이다(표 1).
THELMA™ 공정 기술은 첫 번째 산화 층(~2μm)이 전자분리를 위해 성장되는 표준 실리콘 웨이퍼로 시작한다. 그 다음 상호 연결 및 두 번째 희생 산화(~2μm)를 위해 사용되는 얇은 폴리 실리콘 층이 놓여진다. 이 층 속에 움직이는 소자들의 중심 및 고정 소자들의 지지에 상응하는 지점에 구멍이 에칭된다. 더 두꺼운 폴리 실리콘 에피층(~15μm)이 이 위에 얹혀지며, 이 세 번째 층에 디바이스의 이동 및 고정 부품들을 위한 구조가 단일 마스크에 에칭된다. 마지막으로, 구조 아래에 있는 희생 산화층이 움직이는 부분들을 자유롭게 하기 위해 등방성 식각(isotropic etching) 작업에 의해 제거된다. 구조물 주위의 열린 공간은 디바이스의 공진 주파수에 영향을 주는 습도 또는 다양한 가스 밀도로 인한 효과를 제거하기 위해 일반적으로 건조질소인 가스로 채워진다. 그 다음 높은 압력이 적용되는 사출 성형(injection molding) 과정 시 얇은 구조물을 보호하기 위해 두 번째 웨이퍼가 첫 번째 웨이퍼에 접착된다(그림 1).
VENSENS™ 공정은 표준 실리콘 웨이퍼에서 시작한다. 습식 및 건식 실리콘 에칭 단계를 독자적으로 결합한 기술로 단결정 실리콘 층이 성장하는 상부에 희생층을 형성할 수 있다. 희생층의 두께는 3μm 미만이며, 구조층의 두께는 20μm까지 될 수 있다. 최종 결과물은 벌크 마이크로머신 웨이퍼로 웨이퍼 본딩을 실현하는 것과 매우 유사하다. 그러나 더 얇고 작아진 기계적으로 더욱 강력해진 칩을 가질 수 있다는 큰 장점이 있다(그림2). 게다가 캐비티 밀봉은 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩이 필요하지 않으며, 밀봉재의 신뢰성은 확실히 더욱 높아진다.
단결정 실리콘의 훌륭한 전기적 특성 덕분에, 좋은 상태의 안정적인 레지스터가 주입 또는 확산 과정을 통하여 구조층에 집적될 수 있다. 그 다음, 이들 레지스터가 4개의 휘트스톤 브리지를 구현하기 위해 알루미늄 금속층과 연결된다. 브리지는 단결정 실리콘 층의 뛰어난 피에조저항 특성 덕분에 압력 변화에 민감하다.
그 다음 외부 부식성 제제로부터 보호하기 위하여 금속층이 실리콘산화물질과 같은 표준 유전체와 함께 씌워진다.
소비가전 시장을 위한 모션 센서
현재 가속도계 및 자이로스코프가 자동차 시장의 능동 및 수동 안전 시스템에 널리 채택되고 있다. 또한 의료용 심장박동조절장치에도 사용되고 있다. 다수의 새로운 애플리케이션이 나오는 소비가전 시장의 진입은 다소 늦게 시작되었다.
소비가전 시장은 얇고, 저렴하며, 저전압 및 저전력 소모의 디바이스를 필요로 한다. 휴대폰, MP3 및 MP4 플레이어, 휴대형 PC 모두 배터리로 구동되며, 점점 더 작고 얇아지고 있다. 게다가, 제품의 수명 또한 자동차 시장의 제품 보다 더 짧아지고 있다. 따라서 MEMS 공급사들은 동일한 신뢰성을 유지하면서 더욱 빠르게 신제품을 개발해왔다.
기존의 자동차 시장용 솔루션은 세라믹 또는 젤과 함께 캐비티 프리 몰드된 패키지 등의 크고 두껍고 비싼 패키징을 사용했다. 반면, 소비가전 시장은 작고 얇은 저비용 표면 실장 패키지를 선호한다(그림 4). 모션 센서용의 완전 몰드된 플라스틱 패키지(Quad Flat Nolead 및 Plastic Land Grid Array)는 2002년 ST[3]에 의해 첫 출시되었으며, 현재 표준화 되어 업계에서 널리 사용되고 있다[12]. ST는 3년 만에 100mm³에서 10mm³ 패키지(그림 3)로 축소함으로써, 매우 빠른 속도로 3축 가속도계 제품군의 소형화를 진행해왔다.
자동차 시장에서, 전력 소모 및 전압 공급은 배터리 구동식이 아니기 때문에 큰 기술적 차이를 보이지 않는다. 높은 충격 저항이 중요하지만, 거의 매일 바닥에 떨어질 수 있는 휴대형 기기만큼의 수준은 아니다. 이러한 차이에도 불구하고 투명하게 하기 위하여, 자동차 시장이 더 높은 수준의 제품 신뢰성 및 더 넓은 작동 온도 범위를 필요로 한다는 점을 강조하고자 한다.
소비가전 시장에서 공급 전압은 1.8V까지 낮아지며, 전기 전류는 100μA 보다 작아지기 위해 1.0mA 보다 낮아야 한다. 이밖에도, 소비자들은 그들 제품의 전력 감소 기능뿐만 아니라 최종 기기에 제품을 간단히 집적하기 위한 다중 간섭 핀 기능을 기대한다.
게다가, 소비가전 시장에서 소비자들이 어떠한 초기 물리적 위치에서도 모든 기능을 구동하고 싶어하기 때문에 다중축 솔루션이 필수적이다. 핸드헬드형 애플리케이션에서는 자동차에서처럼 지속적인 기준틀이 없기 때문이다. 아날로그 출력은 더 이상 효율적이지 않으며, 디지털 출력이 최종 제품에 쉽게 통합되고 신속한 애플리케이션 소프트웨어 개발을 위해 선호되고 있다. 그러나 다른 시장 분야에서는 다른 기능들을 필요로 하며, 솔루션은 다양한 고객의 요구를 수용하도록 유연해야 한다. 그리고 어떠한 경우든, 적절한 애플리케이션 개발 툴이 고객에게 쉽게 제공되어야 한다.
ST는 고객의 요구에 부응하기 위해 그림 4에서 보이는 것과 같이 2축 및 3축, 아날로그 및 디지털 제품 모두를 공급한다. 각각의 제품들은 평가 키트 및 레퍼런스 디자인, 관련 애플리케이션용 전용 소프트웨어와 함께 제공된다(그림 5).
현재 모놀리식(단일 칩, 단일 패키지) 및 하이브리드(2칩, 단일 패키지) 솔루션이 이용가능하다. 오늘날의 기술을 활용하여 센서 부품 및 인터페이스를 함께 통합할 수 있다. 그러나 이는 최적의 솔루션을 뜻하지는 않는다. 실용 시스템은 비용 및 타임투마켓의 제약을 가지며, 때때로 표준 CMOS 기술을 사용하여 복잡한 제어 회로를 구현하는 것이 더욱 기능적이고 비용이 덜 든다. 다중 칩 단일 패키지 솔루션은 가장 비용 효율적일 뿐만 아니라, 소비가전 시장에서 매우 중요한 빠른 타임투마켓 및 타임투볼륨을 위해 필요한 모듈성 및 유연성도 제공할 수 있다.
가속도계 및 자이로스코프를 위해 ST는 단일 칩으로 듀얼 칩 솔루션(THELMA Sensing Element 및 CMOS 컨트롤러)을 갖춘 System-in-Package 방식을 추구한다. 관성 또는 전향력(Coriolis의 힘)에 민감한 THELMA 마이크로머신의 기계적 요소 및 아날로그 또는 디지털 컨트롤러 칩은 2개의 동등 구성(양옆 또는 스택, 그림 6)으로 어셈블리될 수 있다.
SiP 방식으로 마이크로머신 센서칩은 가속을 차별화된 커패시티브 변화로 변경시키며, 인터페이스 IC 칩은 이러한 작은 정전용량 변화(소수의 atto-fard 범위에서)를 아날로그 또는 디지털 형식으로 된 출력 신호로 전환한다. 마이크로머신 구조는 그림 1에서 보이는 것과 유사하다.
게다가, SiP 방식은 다중축 자이로스코프와 같은 새로운 모션 센서의 신속한 개발을 구현한다. 실제로 기계 및 전기 디자이너들은 이미 다중축 가속도계용으로 이미 설계하고 평가한 일부 블록들을 재활용할 수 있다. 자이로 중심의 기계적 부품 및 전자 IC(그림 7)는 다른 다중축 가속도계를 위해 이미 생산중인 동일 기술 플랫폼을 사용할 수 있다. SiP 방식을 추구하는 회사들은 실제로 고객에게 가장 빠르고 저렴한 솔루션을 제공하는 LEGO™ 게임을 작동할 수 있다.
ST는 광범위한 칩 종류 중 어떤 제품이든 2개를 선정하여 조합할 수 있으며, Land Grid Array 패키지 구성 덕분에 핀 아웃을 적용하면서 최종 제품을 신속히 구현할 수 있다.
소비가전 시장용 압력 센서
압력 센서는 압력 측정 서비스 부문에 오랫동안 사용되어왔으며, 다양한 산업, 자동차 및 메디컬 애플리케이션에 적용되고 있다. 마이크로머신 압력 센서는 다양한 저항 또는 다양한 커패시턴스가 되는 물리적 감지 메커니즘으로 실리콘 내에서 공정된다. 공정은 'Bulk' 또는 'Surface' 마이크로머신 중 하나이거나 두 방식의 결합으로 이뤄진다. 표준 실리콘 기판 또는 더 값비싼 Silicon-On-Insulator 기판이 시작 지점과 같이 사용된다.
다양한 저항 종류는 소형 칸막이 속의 압력을 매우 작은 저항 변화로 변경하기 위해 실리콘의 피에조 저항 성질을 사용한다. 벌크 마이크로머신 기술이 더 선호되는 기법이다. 다양한 커패시턴스 종류는 2개의 평행판을 사용한다. 하나는 고정되고 다른 것은 칩 면에서 직각 방향으로 움직이는 얇은 칸막이이다. 그 다음 커패시턴스의 매우 작은 변화가 이 두 판 사이에서 일어난다. 서페이스 마이크로머신 방식이 이러한 압력 센서 부류에 더 선호된다. 저항을 전압으로 또는 커패시턴스를 전압으로 전환하는 인터페이스 회로는 모션 센서를 위하여 칩 레벨에서 또는 패키지 레벨에서 집적될 수 있다. 그러나 이 경우에도 SiP 솔루션은 더욱 신속한 상용화 시간 및 향상된 유연성을 고객에게 보장해준다.
최적의 생산 공정은 존재하지 않지만, 각 회사들은 자사의 경험 및 제조 자산을 더욱 잘 활용하고 있는 마이크로머신 방식을 따르고 있다. 여러 반도체 공장에서 실행중인 공정기술의 과잉에도 불구하고, 대량 생산의 소비가전 시장 업체들은 압력 센서의 가격, 크기 및 성능간의 절충을 인정해야 한다. 이러한 절충은 소비가전 시장에서 이러한 센서의 광범위한 채택을 상당히 제한시킨다.
최근 일부 회사들만이 소비가전 시장을 위한 실용적인 솔루션을 개발하였다. 특히, ST의 VENSENS™ 기술은 '풀 실리콘' 소형(0.8×0.8mm²)의 얇고(~0.3mm) 저렴한 압력 센서의 제작을 가능하게 한다. 풀 실리콘 센서의 성능은 특정 패키지에서 독립적이며, 기존의 벌크 마이크로머신 솔루션을 위한 패키지가 센서 비용의 가장 큰 부분을 차지한다. 그리고 이 점에서 소비가전 시장의 문이 확실히 열리고 있다.
최근 ST마이크로일렉트로닉스는 소비가전 시장의 고객들에게 매우 작고 얇은 패키지를 제공하고 모션 센서용으로 이미 구축된 모든 제조 자산을 활용하는 HLGA(Holed Lang Grid Array)라는 특별한 패키지에 대한 특허를 냈다.
아래 그림 8은 독립형 센서 부품(좌)을 갖춘 3×3×1mm³ HLGA 패키지 및 2개의 내부 칩, 센서 막 및 관련 전자칩을 포함하고 있는 5×5×1mm³ HLGA 패키지를 보여주고 있다.
또한 이러한 솔루션은 높은 충격 기계식을 따르며, 이로 인하여 휴대폰 또는 개인용 내비게이션 기기와 같은 휴대형 기기에서 센서가 체감할 수 있는 모든 잠재적 기계식 충격을 견딜 수 있다.
모션 센서 및 압력 센서가 이미 적용된 소비가전 제품
휴대폰, 게임기, 마우스 및 3D 포인터를 위한 'Sense and Simple'
휴대폰
마이크로머신 가속도계와 적절한 애플리케이션 소프트웨어의 결합으로 기존의 것을 교체하거나 웹페이지, 전자책 및 스프레드시트의 스크롤, 줌, 펼쳐보기 등을 위해 버튼을 누르거나 엄지 휠을 사용할 필요가 없다. 이는 많은 사용자들을 괴롭혀왔던 잘 알려진 '작은 버튼 큰 손가락'에 대한 문제를 해결하는 획기적인 방법이다. 실제로, 소형 휴대폰이 휴대하기 편리하고 쉬운 반면, 소형 디스플레이 화면과 제한된 그래픽 성능인 전반적인 사용자 체감을 떨어뜨린다. 센서는 기본적인 인간의 움직임을 감지하고 디스플레이의 기울기에 대한 입력으로서 인간의 움직임 활용하여 다운로드 받은 페이지 보는 방법을 간소화할 수 있다. 그다음 사용자는 인터넷 내비게이션이나 단순히 원하는 방향으로 기기를 기울임으로써 길을 찾을 수 있다.
원격 게임제어기
사용자 친화적 인터페이스는 휴대형 기기의 게임에 매우 매력적으로 받아들여지며, 10대 시장을 겨냥한 기업들에게 필수 요소이다. 손의 움직임을 핸드핼드형 기기의 마우스가 되게 함으로써, 한속 작동 및 제스처 인식이 게임기기에 추가될 수 있다. 가속도계는 손/손가락/손목의 움직임을 감지하고 이러한 모션을 게임 속 액션으로 변환함으로써 손쉬운 인터페이스를 실현한다. 닌텐도의 Wii™는 이 시장에서 사용된 가장 성공적인 사례 중 하나이다.
마우스 및 3D 포인터
컴퓨터 마우스는 인간과 컴퓨터 또는 모든 종류의 컴퓨터 제어 기기간의 가장 일반적인 인터페이스이다. 단면 또는 2차원 표면상에서 손 움직임은 커서 또는 포인터를 제어하거나 특정 작업을 구동하는데 사용된다. 이 때문에 전형적인 마우스는 명령 입력 및 컴퓨터 시스템과 연결을 위한 통신 인터페이스를 위해 2 또는 3개 버튼을 가지고 있다. 이러한 애플리케이션에서, 관성 센서는 특히 무선 솔루션에서 높은 전력 소모가 문제가 되는 광학식 솔루션에 좋은 대체품이 될 수 있다. 가속도계를 사용하는 사용자 제어기기는 3차원 움직임을 감지하고, 컴퓨터 시스템과 같은 전자기기에 해당 제어 신호를 보낼 수 있다. 자이로스코프와 가속도계의 결합을 통하여 기기의 성능을 향상시키면서 사용자의 체감 및 활용성을 풍부하게 만든다.
HDD 프리(Hard Disk Drive Free)를 위한 Small and Safe
MP3 및 MP4 플레이어, 랩톱 및 휴대폰, 캠코더 및 디지털 스틸 카메라와 같은 하드디스크 드라이브 기반의 제품들에서, 3축 가속도계의 사용을 통하여 자유낙하 시 저장된 데이터의 잠재적 손실로부터 HDD를 보호할 수 있다. 3축 가속도계는 일단 기기의 보드상에 장착되면, 모든 3개축(x, y, z)에 대한 자유 낙하 보호를 보장해준다. 실제로 컴퓨터가 떨어질 경우 가속도계는 무중력을 감지하며, 헤드가 데이터 손실 또는 드라이브의 손상을 일으키는 디스크상의 깨짐을 일으키기 전에 전용 마이크로컨트롤러가 읽기/쓰기 헤드에 민감한 디스크로부터 떨어져 있으라는 신호를 보낸다.
위치 기반 서비스를 위한 보행자 내비게이션
휴대형 및 자동차용 내비게이션 시스템은 위치 결정 및 길 안내 제공을 위해 GPS 수신기를 사용한다. 어떠한 GPS 시스템도 신호 수신이 100% 신뢰할 수는 없다. 지하 터널, 다리, 고층건물로 인하여 GPS 신호가 막힌 도심 지역에서, 정확한 내비게이션은 어려워지고 있다. 이러한 점에서 마이크로머신 모션 센서는 GPS를 지원하고 대체할 수 있다. 신호를 잃을 경우, 비수신기 감지 시스템이 위성 신호가 보이지 않거나 충분히 정확하지 않은 곳에서 움직임을 계속 트랙킹한다. 게다가, 비수신기 감지를 실행하기 위해 여행 거리 및 방향을 알 필요가 있다. 그러므로 가속도계, 자이로스코프 및 전자력계 등의 모션 측정 장치가 필요하다. 배터리 구동식 GPS 기기가 많은 전력을 소모하기 때문에 비수신기 감지가 저전력 모션센서로 구현되는 핵심 기능이라는 점을 명심해야 한다.
만보계
만보계는 칼로리 소모, 도보로 이동한 속도 및 거리를 측정하는데 사용된다. 이러한 애플리케이션에서, 가속도계는 도보자의 모션을 감지한다. 특히, 가속도계의 출력은 상하 움직임을 표시하는 주기적 신호이다. 무선 만보계는 신발에 장착되어 스톱워치와 같은 다른 개인용 기기들과 통신함으로써, 측정치를 보여주고, 선수들에게 완벽한 훈련용 스톱워치를 제공할 수 있다. 또한 만보계는 개인용 내비게이션 기기를 위한 중요한 블록을 구축하고 있으며, MP3 플레이어 및 미디어 폰에 통합되기 시작했다.
기상 관측소 및 고도계
압력 센서는 휴대형 핸드셋에 기상 관측소를 집적하며, 사용자의 높이를 기록하는 GPS 기기를 지원할 수 있다. 따라서 미국의 911과 같은 사고신고 번호에 전화할 때, GPS 및 압력 센서가 자동으로 위치 및 사용자가 잇는 빌딩의 층수에 대한 신호를 보낼 것이다.
캠코더 및 디지털 스틸 카메라의 손떨림 보정
현재, 압전 진동 자이로스코프는 캠코더 및 디지털 스틸 카메라의 손떨림 보정을 위해 사용되고 있다. 실리콘 마이크로머신 자이로스코프는 크기 감소 및 저전력 소모의 장점을 제공한다. 게다가 동시에 피치 및 롤 축을 따라 각도율을 측정할 수 있으며, 다른 모션 센서와 더욱 쉽게 통합될 수 있다. 카메라가 통합된 휴대폰 수의 증가로 현재 80%의 휴대폰에서 카메라가 통합되었음을 고려할 때, 매년 수억 개의 디바이스에 대한 시장 기회가 발생된다.
새롭게 떠오르는 MEMS 애플리케이션
지금까지는 잘 알려진 컨수머 애플리케이션에 대해서만 설명했지만 여러 다른 애플리케이션이 여전히 떠오르고 있다. MEMS 공급사들은 소형화 및 고객의 요구를 적절히 반영하여 다중 센서를 결합하는 것에 집중해야 한다. 한편에서 ST는 그림 3에서 보이는 것과 같이 디바이스의 소형화를 추구하는 반면, 다른 한편으로는 고객맞춤형 및 표준 패키지(그림 9)로 센서 융합을 실현하기 위해 기술 플랫폼 및 디바이스 로드맵을 구조화한다. 이러한 점에서, HLGA 및 기존의 LGA 패키지가 완전 호환된다.
게다가, 많은 회사 및 연구소들이 무선 센서 네트워크[7] 분야에서 활발히 작업하고 있다. 대량 생산을 위해서는 일부 기술적 문제들이 아직 존재하기 때문에 이러한 애플리케이션의 시장 성공을 예측하기가 어렵다. 그러나 모든 애플리케이션은 기업들이 현재 컨슈머 시장용으로 개발 중인 얇은 저전력 마이크로머신 센서의 혜택을 누릴 수 있음은 분명하다. 이러한 신규 애플리케이션에서 '소비자화 물결'을 일으키는 MEMS는 말 그대로 'MEMS 해일'을 일으킬 수 있다.
이는 이미 단순한 5 노드 무선 센서 네트워크인 타이어 압력 모니터링 시스템의 경우로 알 수 있다. 시스템은 이미 시장에 나와 있으며, 마이크로머신 압력 센서 및 가속 스위치에 기반하고 있다.
기타 모트(motes)(센서, 컨트롤러, 리시버, 배터리 및 안테나(그림 10)의 조합으로 구성된 무선 센서 모듈)가 현재 상용화를 달성하고 있다. 모트의 잠재적 시장은 상상으로만 제한된다. 특정 기술적 문제가 극복되면, 모트는 궁극적으로 우리 생활의 일반적인 부분이 될 것이다. 일례로 보안 및 바이오 감지에서부터 빌딩 및 홈오토메이션, 산업 제어, 대기 오염 모니터, 농업까지 이르는 분야의 솔루션으로 컨수머 시장의 많은 애플리케이션을 볼 수 있다. 또한 전세계적인 정부 정책과 결합된 안전, 편의성, 오락 및 효율성 요소에 대한 관심 증가로 인하여, 이들이 모두 실리콘 마이크로머신 방식이 아님에도 불구하고[8,9], 전례없는 수준의 센서 사용이 증가될 수 있다.
실제로, 모트는 압력, 온도, 열, 흐름, 힘, 진동, 가속, 충격, 회전, 습도, 변종, 영상 등의 다양한 실제 세계를 측정해야 한다. 이들 중 일부는 마이크로머신 솔루션을 사용할 것이며, 다른 일부는 수십 년 동안 사용되어 왔던 기존 센서를 사용할 것이다. MEMS 공급사들은 모듈 형식으로 여러 기술들을 통합할 준비가 되어 있어야 하며, 이것이 바로 ST마이크로일렉트로닉스가 8인치의 최첨단 팹에 투자하고 대량의 모트 제조력을 실현하기 위해 제조 공정 플랫폼을 구축한 이유이다.
결 론
MEMS 산업은 떠오르는 컨수머 시장뿐만 아니라 다른 여러 시장의 새로운 애플리케이션을 구현하는 제품을 지속적으로 제공할 것이다. 현재, 우리는 마이크로폰, 모션 및 압력 센서가 주축인 'MEMS 소비자화'의 상용화 시대를 살고 있다. 이러한 흐름이 향후 5년간 지속될 것으로 확신한다. 오늘날 아직 알려지지 않은 끊임없는 무선 센서 네트워크의 새로운 애플리케이션이 MEMS 해일을 일으킬 수 있을 것이다. 우리는 이러한 새로운 단계가 막 열리는 시기에 있으며, 곧 목격할 수 있게 될 것이다. ST마이크로일렉트로닉스는 대규모 제조 인프라를 활용하고, 컨수머 시장에 진입하며, 광범위한 통합 기술 플랫폼을 신속하게 실행함으로써 이 업계에서 중요한 입지를 구축하고 있다.
그림 1. THELMA™ 공정으로 제작된 커패시티브 마이크로 머신 구조물의 SEM 사진. 고정지점과 함께 고정된 가지들을 선명하게 볼 수 있다. 움직이는 가지들이 다양한 커패시터를 형성하기 위해 2개의 고정 가지 사이에서 서로 맞물린다. 웨이퍼 레벨 캡핑으로 플라스틱이 가지들의 잠금을 막아준다.
그림 2. 왼쪽은 VENSENS 마이크로머신된 얇은 막의 교차에 대한 SEM 그림, 오른쪽은 압력 센서의 위에서 본 광학 사진. 중간 부분의 사각형은 공중에 떠있는 얇은 막이다. 4개의 휘트스톤 브리지 피에조 레지스터가 칸막이의 4개 가장자리에 확실하게 보인다.
그림 3. 1.0mm 두께의 완전 몰드된 플라스틱 Land Grid Array 패키지로 제작된 3축 가속도계. 왼쪽 그림은 7×5mm², 5×5mm², 3×5mm², 4×4mm², 3×3mm²의 패키지를 보여주고 있다.
그림 4. ST마이크로일렉트로닉스의 2축/3축, 아날로그/디지털 가속도계
그림 5. ST마이크로일렉트로닉스의 가속도계를 위한 평가 보드(첫 번째 줄) 및 어댑터 보드 (두 번째 줄)
그림 6. 가운데 그림은 패키지화된 3축 가속도계의 예이다. 오른쪽 그림은 2개 칩이 양옆으로 어셈블리 가능한 3축 가속도계의 내부이며, 왼쪽 그림은 스택 형태이다.
그림 7. 모션 센서를 만드는 LEGO 게임 법칙: 좌측의 기계적 부품 한 개와 우측의 전자 칩 한 개를 고른 후, 원하는 단일 패키지로 결합하면 완벽한 가속도계 또는 자이로스코프를 만들 수 있다.
그림 8. 사출성형 전후, 증폭 및 보상 IC가 없는 HLGA 3×3×1mm³ 압력 센서(첫 번째 줄), BT 기판 상에 다이 접착 및 와이어 본딩 후(왼쪽 두 번째 줄) 사출성형 및 싱귤레이션 이후(오른쪽 그림)의 HLGA 5×5×1mm³ 완전 압력 센서
그림 9. 3축 가속도계, 3축 자이로스코프, 압력 센서, 자력 센서 및 기타 기술로 구성된 다중 센서 모듈. 체계적인 블록 다이어그램(좌측 그림) 및 MMC 포맷의 센서 모듈의 예(좌측 그림)
그림 10. 벨기에의 IMEC 연구 센서의
소형화된 무선 센서 노드
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