실리콘랩

MEMS (Microelectromechanical Systems) 기술은 실리콘 통합 회로를 위해 개발된 코어 제작 인프라를 기반으로 한다. 이러한 초소형 기계 구조는 실리콘 기판 위에 정의된 패턴을 에칭(etching)하여 몇 분의 1미크론을 이동할 수 있는 센서 요소 또는 기계식 액추에이터를 구성하는 방식으로 만들어진다.

글: 랍 오라일리(Rob O'Reilly)
알렉스 켄킨(Alex Khenkin)
키에란 하니(Kieran Harney)
아나로그디바이스(www.analog.com)

최초의 고용량 MEMS 애플리케이션인 압력 센서는 현재 수억 개의 엔진 매니폴드(manifolds) 및 타이어 압력을 모니터링하고 있으며, MEMS 가속도계는 15년 넘게 에어백 작동, 자동차의 전복(Rollover) 감지 및 자동차 경보 시스템 등에서 이용되고 있다. 또한 MEMS 가속도계는 비디오 게임, 휴대폰 같은 소비자 애플리케이션에서 동작을 감지하는 데 사용되며, MEMS 마이크로미러 광 액추에이터는 오버헤드 프로젝터, HDTV 및 디지털 영화관 시스템에 사용된다. 최근 몇 년 간 MEMS 기술은 MEMS 마이크로폰으로 인해 휴대폰, 블루투스 헤드셋, PC 및 디지털 카메라 등 다양한 소비자 시장에서 급격히 확대되기 시작했다.
본 원고에서는 MEMS 가속도계 제품에 구현된 몇 가지 핵심 기술을 소개하고 이러한 기술을 통해 음향 트랜스듀서(transducer)의 성능을 한 차원 높이는 방법에 대해 이야기 할 예정이다.

MEMS 가속도계 기술

일반적인 MEMS 가속도계의 핵심 요소는 두 세트의 핑거(finger)로 구성된 빔 구조를 움직이는 것으로, 한 세트의 핑거는 기판의 균일한 접지면에 고정되어 있고 다른 세트는 적용되는 가속도에 반응하여 움직일 수 있는 스프링과 피스톤 자체의 질량에 연결되어 있다. 여기서 적용되는 가속도는 고정된 빔 핑거와 이동하는 빔 핑거 간의 캐패시턴스(capacitance)를 변화시킨다.
이렇듯 몇 미크론에 불과한 MEMS 구조에는 매우 높은 정밀도의 실리콘 광식각법(photolithography) 및 에칭 공정 기술이 요구된다. MEMS 구조는 대개 단일 크리스털 실리콘으로 만들어지거나, 단일 크리스털 실리콘 웨이퍼의 표면에 초고온으로 침적되는 폴리실리콘으로 구성되며 이러한 유연한 기술을 통해 기계적 특성이 매우 다른 구조를 설계할 수 있다. 설계 제어 및 변경이 가능한 기계적 파라미터 중 하나는 스프링 강성이다. 뿐만 아니라 감지 요소의 질량과 구조의 감쇠(Damping)를 통해서도 설계 변경이 가능하다.
이러한 요소들을 통해 20kHz나 되는 대역폭을 사용하여 몇 분의 1g 또는 몇 백 분의 1g를 측정할 수 있는 센서를 만들 수 있는 것이다.
MEMS 감지 요소는 동일한 칩 또는 별도의 칩으로 컨디셔닝 부품에 연결된다. 하지만 단일 칩 솔루션의 경우, 감지 요소의 캐패시턴스가 아토패럿(attofarad) 범위의 측정 분해능에 해당하는 수준인 g당 1~2 팸토패럿(femtofarads) 정도로 낮아질 수 있으며, 2칩 구조에서는 MEMS와 컨디셔닝 ASIC (Application Specific Integrated Circuit)  사이의 본드 와이어 기생 캐패시턴스(parasitic capacitance effects)에 영향을 받지 않는 높은 캐패시턴스의 MEMS 요소가 필요하다.
진동 측정 센서로 사용되는 가속도계

진동 감지 트랜스듀서를 악기의 어쿠스틱 픽업으로 사용하는 개념은 전혀 새로운 것이 아니다 . 피에조(Piezo) 및 전자기 트랜스듀서는 오늘날 사용되는 많은 어쿠스틱 픽업 애플리케이션의 기초 역할을 한다. 크기와 질량이 매우 작은 초소형 MEMS는 기계적 또는 질량 부하에 영향을 주지 않아 사용하는데 무리는 없으나 아직까지 상용 가속도 센서의 좁은 대역폭으로 인해 실제로 사용하기에는 제한이 있다.
하지만 최근에 가속도계 기술에 몇 가지 혁신이 이루어져 대역폭이 매우 넓은 초소형 가속도계의 생산이 가능해졌다. 22kHz의 대역폭과 5mm×5mm×2mm 패키지로 제공되는 ADXL001  high-g(±70g~±500g) 단일 축 가속도계는 진동을 모니터링하여 음향 특성의 변화를 감지함으로써 모터 및 기타 산업용 장비의 작동 상태를 파악하는 데 적합하다. 예를 들어 베어링의 마모가 진행되는 초기 단계에서 시스템 하우징에 연결된 high-g 진동 센서를 사용하면 오디오 대역에서 나타나는 진동 신호를 감지할 수 있다. 약 10g의 가속도를 측정하는 이 진동 센서는 악기의 진동을 감지할 정도로 민감하지 않고 하나의 축에서 발생하는 진동만 감지 할 수 있기 때문에 이상적인 음향 센서로의 사용은 어렵다고 할 수 있다. 하지만 이를 통해 MEMS 기술을 사용하면 전체 오디오 대역폭에서 가속도 트랜스듀서를 만들 수 있다는 사실을 알게 되었다.
low-g 가속도계는 몇 mg 수준의 낮은 가속도의 측정이 가능하나 상용 애플리케이션(주요 애플리케이션의 경우 인간의 움직임 또는 중력을 통해 발생하는 가속도를 감지함)의 경우 넓은 대역폭을 필요로 하는 반면 low-g 가속도계의 대역폭이 5kHz 정도로 제한되어 있어 low-g 가속도계를 이용한 오디오 측정 센서의 개발은 활발히 이루어지고 있지 않은 상태이다.
하지만 3축 가속도계에는 세 개의 개별 출력, 카티션(Cartesian) X, Y 및 Z축을 따라 가속도를 측정한다. ADXL330  3축 low-g 가속도계는 다른 기존 low-g 가속도계 대비 유효 대역폭이 넓어 X 및 Y축에서는 최대 6kHz, Z축에서는 1kHz 대역폭을 제공한다. 이는 이상적인 수준이라고 할 수는 없지만 확장된 대역폭을 이용하여 오디오 대역의 유용한 정보를 수집할 수 있고 아날로그 출력을 통해 표준 오디오 녹음 장비를 사용하여 손쉽게 편집 할 수 있다. ADXL3308 3축 low-g 가속도계는 표준 표면 실장 패키지와 기존 가속도계 기술로는 상상할 수 없는 4mm×4mm×1.45mm 미만의 크기로 제공된다. ADXL3308 3축 low-g 가속도계의 작은 크기로 인해 시스템 응답 시 질량 부하나 기타 다른 변화의 발생 가능성이 낮다. 원고 후반부에서는 이러한 low-g 가속도계를 기타의 어쿠스틱 픽업으로 적용하는 방법에 대해 살펴보기로 한다.

음향 피드백

오디오 피드백(라센[Larsen] 효과라고 함)의 원리를 최초로 발견한 덴마크 과학자 소렌 라센(Søren Larsen)에 의해 1920년대  중반부터 전방향 컨덴서와 동적 마이크로폰이 소개되기 시작했다. 하지만 음향 피드백을 컨트롤 할 수 있는 오디오 엔지니어가 거의 없어 실제로 활용되는 경우는 거의 없었다. 1964년, 비틀즈(Beatles)는 자신들의 노래인 "I Feel Fine"에 이러한 인위적인 오디오 요소를 가미했으며 그 후 로큰롤(Rock'n' Roll)계에서는 음향 피드백을 록 음악의 특유의 울림 특성으로 변화시키기 위한 연구를 시작했다. (피트 파운젠드(Pete Townshend) 및 지미 헨드릭스(Jimi Hendrix) 같은 전자 기타리스트들은 기타를 증폭기에 가까이 대고 피드백을 고의적으로 발생시키기도 했다) 이러한 유행은 오래 지속되진 못했지만 오디오 엔지니어들은 라이브 사운드 애플리케이션 등에서 귀가 찢어질 것 같은 소리를 내는 음향 피드백의 연구를 시작했다.
하이엔드 전방향 마이크로폰은 장비와 음향 조절 성능이 뛰어난 녹음 스튜디오에서 놀랍도록 실제 음에 가까운 악기 소리의 녹음을 가능하게 한다. 많은 아티스트들이 무대에서도 이러한 음을 구현하고자 했으나 라이브 공연을 스튜디오 사운드 수준으로 녹음하는 것은 거의 불가능에 가까웠다. 엔지니어들은 사운드의 혼합 방법을 알아내고 최고의 장비를 갖추는 것이 실제 음에 가까운 소리를 내는 것이라는 사실을 잘 알고 있었지만 최고의 사운드를 구현하는 과정에는 음향 피드백이라는 장애물이 존재했기 때문이다.

어쿠스틱 픽업

음향 피드백은 방향성 마이크로폰을 사용해 일정 수준까지 최소화 할 수 있으나 이를 위해 음향 엔지니어는 변화하는 무대 공간의 특성에 맞추어 방향성 마이크로폰을 일정하게 관리해 주어야 한다.
악기의 소리는 픽업을 통해 증폭시킬 수 있다. 이를 위한 다양한 기술이 존재하지만 기본적인 개념은 공기 중에 발생시키는 사운드가 아닌 악기 본체의 진동을 직접 감지하는 것이다. 픽업은 공기 중에 울리는 사운드에 민감하지 않아 음향 피드백을 거의 발생시키지 않지만 악기 본체에서 가장 좋은 소리가 나는 위치를 찾는 일이 어렵고, 피에조 픽업의 음 특성과 높은 임피던스로 인해 특수한 입력이나 다이렉트 박스가 요구되기도 한다. 또한 악기의 자연스러운 음향 반응을 방해할 가능성도 있다.
그 결과 저질량 접촉형(low-mass contact) 마이크로폰의 개념이 탄생했다. 두 개 이상의 축에서 악기 본체의 가속도를 측정하는 표면 트랜스듀서를 사용했다면 트랜스듀서의 선형성과 가벼운 무게로 인해 악기 음향 측정에는 영향을 미치지 않았을 것이다.

접촉형 마이크로폰

음압에 반응하는 인간의 귀처럼 마이크로폰 또한 음압을 감지하도록 설계되어 있으며 진동하는 본체의 중간부에서 발생하는 음압은 가속도에 정비례한다 . 만약 가속도계가 접촉형 마이크로폰으로 사용될 수 있을 만큼의 충분한 대역폭을 제공한다면? 이 개념을 살펴보기 위해 어쿠스틱 기타에 3축 가속도계를 장착하여 픽업 역할을 수행하도록 했다. 그런 다음 악기의 진동을 측정하여 내장되어 있는 피에조 픽업 및 장착된 MEMS 마이크로폰과 비교했다. 여기서 사용된 기타는 펜더 픽업이 내장된 펜더 스트라토 캐스터형 (Fender Stratacoustic) 어쿠스틱 기타로 그림 7과 같이 아날로그 출력 MEMS 가속도계를 가벼운 연성 회로(트레이스가 에칭된 Kapton짋)에 실장하고 브리지 위치에 밀랍을 사용하여 기타에 부착했다. 가속도의 X축 방향은 기타줄 축을 향해 있으며 Y축은 기타줄과 수직을, Z축은 기타의 표면과 수직을 이루었다. 그런 다음 기준으로 삼을 수 있도록 플랫 주파수 응답이 최대 15kHz인 MEMS 마이크로폰을 기타줄에서 3인치 떨어진 위치에 장착했다.
가속도계, 내장된 피에조 픽업 및 MEMS 마이크로폰을 사용하여 단음 영역을 녹음했으며 오디오 클립에 대한 후처리 작업은 수행하지 않았다. 각 트랜스듀서의 시간 도메인 파형은 나와 있다.
그림 9에서는 시간 도메인 파형의 최대치 중 한 곳에서 측정된 피에조 픽업의 FFT 기반 스펙트럼을 보여 준다. 이 스펙트럼에는 베이스 요소가 강하게 나타나 있는데 실제 오디오 파일의 사운드도 매우 뛰어났으며 베이스 응답이 많이 나타났다. 또한 공동 공진으로 인해 악기를 통해 직접 들을 때보다 풍부한 베이스가 사운드가 만들어져 사운드가 경쾌하게 들리는 듯 했다. (취향에 따라 다름).
MEMS 마이크로폰 출력은 평면도 및 사운드 재생 능력이 매우 뛰어나 실제 음과 가장 가까운 사운드를 만들어 낸다. 
피에조 픽업과 동일한 시점에서 측정한 FFT 기반 스펙트럼을 보여주며 또한 참고를 위해 MEMS 마이크로폰의 주파수 응답을 보여준다.
MEMS 가속도계의 출력은 매우 흥미롭다. 중간 부분은 높은 잡음 플로어로 인해 잘 들리지 않고 트랙의 시작 및 끝 부분에서만 들린다는 점과 Z축의 대역폭이 저주파로 제한되어 있다는 것을 보여준다. 이처럼 각 축에서의 사운드 재생은 확연히 다르게 나타났다.
X 및 Y축의 사운드는 밝고 또렷하여 음색을 확실하게 식별할 수 있을 만큼 큰 차이가 났다. 예상대로 Z축은 베이스 사운드가 두드러지게 나타났다.  X축 스펙트럼(a), Y축 스펙트럼(b) 및 Z축 스펙트럼(c)을 보여 준다.
X, Y 및 Z축을 모두 혼합하자 사운드가 훌륭하게 재생되었는데 이들을 잘 혼합하여 음조 균형을 변화시키면 자연스러운 사운드를 재생할 수 있다. 앞에서 말한 가속도의 대역폭 제한으로 인해 확장된 상위 고조파를 찾을 수는 없지만 재생된 사운드는 놀랄 만큼 실제에 가까웠다.

결론

low-g MEMS 가속도계는 오랫동안 해결하지 못했던 음향 피드백의 문제가 발생하지 않으며 악기를 위한 고품질 어쿠스틱 픽업으로 활용할 수 있음을 확인했다. 펜더 스트라토 캐스터형 기타에 장착한 3축 가속도계는 뛰어난 사운드 재생능력을 보여줬으며 세 개의 축은 본체의 서로 다른 방향에서 악기의 진동 모드에 따라 각기 다른 음조 특성을 나타냈다. 따라서 세 개의 출력 채널을 혼합하여 실제에 가까운 사운드를 재생할 수 있었을 뿐만 아니라 이들 채널을 다양한 방식으로 혼합하면 창의적인 음조 효과를 만들어낼 수 있다.
이 실험을 통해 가속도계의 성능적 가능성은 증명하였지만 보완해야 할 몇 가지 부분 또한 확인 할 수 있었다.  바로 잡음 플로어에 관한 부분인데, 향후에 개발될 이상적인 센서에서는 기존 마이크로폰에 필적할 수준의 잡음 플로어를 제공할 것이나, 현재 발생하는 잡은 플로어는 잡음 게이팅 또는 추가적인 작업을 통해 최소화해야 할 것이다. 또한 악기의 전체 음조 범위를 캡처하기 위해서는 센서의 고주파 응답을 최대 20kHz까지 확장해야 한다.
MEMS 가속도계 기술은 음향 피드백이 문제가 될 수 있는 라이브 무대 등에서 악기의 어쿠스틱 픽업 애플리케이션으로서 분명한 잠재력을 가지고 있다. 초소형 저전력 MEMS 기기는 악기의 자연스러운 진동 특성에 영향을 주지 않고 악기 어느 곳에든지 실장 할 수 있다. 실제로 악기 주변의 여러 지점에 다수의 센서를 실장 하면, 음향 피드백에 관한 우려 없이 사운드를 보다 유연하게 재생 할 수 있어 "최고의 사운드 구현"에 한 걸음 가까이 다가설 수 있을 것이다.


 
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