ST마이크로일렉트로닉스
ST마이크로일렉트로닉스는 자사 최초의 AECQ100 인증 3축 가속도계인 AIS326DQ의 출시와 더불어 도난 경고, 추적 및 모니터링, 블랙박스 시스템, 네비게이션 지원 등 Non-safety 애플리케이션 분야를 공략하고 있다. 정부 규제, 보험 요건, 그리고 보안에 대하여 갈수록 증가하는 사용자 요구는 이 시장의 높은 성장을 견인하는 주요 요소이다.
AIS326DQ는 ST의 검증된 200mm 웨이퍼 기술의 규모의 경제를 십분 활용하면서(ST마이크로일렉트로닉스는 세계 최초로 8인치 웨이퍼에서 MEMS 양산을 시작한 업체이다) 사용자 선택 가능한 풀 스케일 영역, 12비트 해상도, 3축 감지를 통한 자유로운 마운팅 등의 고급 기능을 제공하기 때문에 성능과 가격 사이에서 최고의 조합을 찾는 고객들을 위한 최적의 선택이다.
ST마이크로일렉트로닉스는 포트폴리오를 확충함으로써 지속적으로 다양한 제품과 솔루션을 제공해나갈 것이다. ST의 최신 가속도계는 0.2mg/°C 이하에서 최첨단의 온도 안정성을 보여주며, 이와 동시에 소비가전 시장에서 성공적으로 출시된 ST 자이로스코프 제품들도 자동차 애플리케이션 분야에서 점차 자리를 잡아갈 것이다.
글: M. 페라레시(M.Ferraresi), S 포치(S.Pozzi)
ST 마이크로일렉트로닉스(www.st.com)
MEMS(Micro Electrical Mechanical Systems) 는 90년대에 에어백을 위한 압력센서(MAP), 플로우센서(BAP) 그리고 가속도계 같은 제품으로 처음 자동차 시장에 진입하기 시작했다.
그 이후로 파워트레인, 섀시, 차체 애플리케이션에서 MEMS 센서는 놀랄만한 속도로 성장했다. 현재 차량당 평균 10개, 고급 모델에서는 30개 정도의 MEMS 센서가 장착되어 있으며 전체 시장 규모는 6억 달러 이상의 시장으로 성장했다. [1]
차량의 안전과 관계된 새로운 의무 규정들은 자동차 제조업체들이 안정성 제어나 타이어 압력 모니터링 같은 기능을 전체 생산 차량에 적용하도록 강제할 것이기 때문에 안정적인 성장이 예상되나, 자동차 업계를 강타하는 위기 상황이나 센서간 융합에 부분적으로 영향을 받을 것이다.
안전은 MEMS가 자동차에서 적용되는 유일한 분야가 아니다. 절도방지 시스템, 블랙박스, 이벤트 기록, 차량 알람, 추측 기능이 있는 네비게이션 시스템, 차량 추적, 톨게이트 사용 등 비안전 (non-safety) 분야와 보안 애플리케이션의 영역에서 매우 급속도로 성장하고 있다.
이 분야는 소비가전 및 산업 시장과 자동차 시장의 중간에 위치하고 있으며 2개 시장이 요구하는 특성과 기능을 함께 필요로 한다. 소비가전시장 위주의 반도체 제조업체는 자동차 환경에서 요구하는 엄격한 요구사항을 준수하기가 어려울 것이며, 반면 자동차시장 위주의 반도체 제조업체는 소비가전 애플리케이션이 요구하는 동력과 효율성을 갖지 못할 수도 있다. 균형잡힌 기능의 조합은 그림 1에서 보여지는 것과 같다.
2008년에만 2억개 이상의 센서를 컴퓨터, 산업 및 소비가전 애플리케이션으로 출하한 바 있으며 자동차 분야에서 오랫동안 활약해온 ST마이크로일렉트로닉스는 통합되고 안정적인 MEMS 제조 설비를 활용하여 이러한 갭을 메꾸고 해당 분야의 우수한 공급업체로 자리매김하고자 한다.
정부의 의무 규정은 비안전 애플리케이션의 센서 수요를 견인할 것이다.
예를 들어, 브라질 정부가 2007년 7월 27일에 공표한 법령 245항에 따르면, 브라질에서 생산되거나 수입된 모든 자동차 (2륜과 4륜 모두)는 해당 법령의 공표일 기준 24개월 이후부터 도난 방지 및 전자 추적 디바이스를 장착해야 한다고 명시하고 있다. 관련 기능은 다음과 같다.
·운행 불능 (Immobilization)
·위치 계산 및 저장
·모니터링 서비스 센터로 정보를 송신하고 명령을 수신하는 통합 통신 모듈
해당 법령의 공표 이후, 산업계의 불황 때문에 2009년 8월까지 100 적용이었던 조건이 보다 점진적인 도입률로 완화되었다. 현재 모든 차량은 최소한 1개 이상의 가속도계를 필요로 한다. [2]
두 번째 사례는 네덜란드 의회가 2008년 7월에 승인한 "Pay-as-you-drive (차량 구매가 아닌 도로 사용이 목적)" 프로젝트이며, 2011년부터 시작될 예정이다. 각 차량엔 적합한 GPS 시스템이 장착되는데 매우 높은 정확성과 품질, 그리고 Q100 기준에 호환되는 가속도계와 자이로스코프가 필요하다.
(http://www.verkeerenwaterstaat.nl/english /topics/mobility_and_accessibility/roadpricing /index.aspx) 보안 및 도로 사용 (road tolling)과 관련하여 다른 국가들도 유사한 의무 규정을 도입할 것으로 예견된다.
현재 제품 구성
2008년 10월 1일, ST마이크로일렉트로닉스는 자동차 애플리케이션에 적용할 수 있는 최초의 3축 가속도계인 AIS326DQ를 출시했다.
AIS326DQ는 정전용량 방식의 3축 가속도계로서 포함된 센싱 요소와 IC 인터페이스는 센서로부터 획득된 정보를 처리하고 디지털 병렬 인터페이스를 통해 외부로 측정된 가속 신호를 제공한다. 센싱 요소는 ST가 개발한 ThELMA[3]라는 전용 공정을 사용해서 제조된다.
반면 IC 인터페이스는 센싱 요소의 특성을 잘 매치하기 위해 특별히 마련된 CMOS 25μm 공정을 사용하여 제조된다. 모든 시스템은 스트레스를 적게 받는 몰딩용 레진과 실리콘 기반의 다이 접합 물질을 사용하여 플라스틱 QFPN(Quad Flat Package No-lead)에서 적층 및 조립되며, non-safety 자동차 애플리케이션에 적합한 -40 °C ~ 105 °C의 구동온도 범위에 특정된다.
·3.3V 전원
·선택가능한 풀 스케일 (±2g / ±6g)
·SPI 인터페이스
·12비트 정확도
·프로그래머블 인터럽트
센서 구조는 2개의 개별 영역으로 구성된다. 하나는 In-Plane 가속을 감지하고 다른 하나는 패키지의 직교 가속을 감지한다.
기존의 패키징 기술과 호환되기 위해 센싱 요소의 상부에 보호 캡이 설치되어 플라스틱 캡슐화의 몰딩 단계에 부품이 이동하는 것을 방지하고 차후에 입자가 오염되는 것을 막아준다.
Glass-frit 접합의 잠재적 취약성이 조립 단계에서 나타날 수 있는 가능성을 방지하기 위해 모든 웨이퍼에 특별한 공정 검사가 시행된다. 초음파현미경(SAM: Scan Acoustic Microscope) 진단으로 초기 균열 (delamination)이나 본딩 오류를 잡아 내며 패드 영역에서 glass-frit 돌출을 추가적으로 진단한다.
디바이스 블록 다이어그램을 살펴보면, 센서로부터 오는 작은 신호 (용량 범위는 수 fF/g)를 증폭하기 위해 필요한 단계 이후, 리딩 체인 (reading chain)의 핵심은 3개의 고정밀 ΣΔ 변환기와 low-pass 디지털 필터로 구성된다.
AIS326DQ는 출시 석달만에 다수의 디자인-윈을 확보하였으며 현재 최소 3개 이상의 주요 업계 선두 고객사에서 파일럿 런을 진행하고 있다.
3축 가속도계가 자유로운 마운팅을 제공하는 반면, 2축 가속도계는 마운팅에 관한 제약이 있지만 비용 면에서는 민감한 이득을 제공한다. 현재 샘플 단계에 있는 AIS226DS는 유연성과 가격 사이에서 고민하는 고객을 위한 ST마이크로일렉트로닉스의 또다른 대안제품이다.
AIS226DS의 ASIC은 3축 버전과 동일하며, 기밀특성과 기계적 저항력, 그리고 균열에 대한 내구성을 높일 수 있도록 부분적으로 재설계되었다.
최신 네비게이션 시스템은 GPS 모듈과 관성 네비게이션 시스템 (INS:Inertial Navigation System) 모듈로부터 오는 정보를 통합한다.
INS와 GPS로부터 오는 정보를 적절하게 조합함으로써 위치 및 속도에 대한 오류를 안정적으로 줄일 수 있다. 더 나아가, INS는 차량이 터널을 통과할 때 처럼 GPS 신호를 수신할 수 없을 경우 단시간 동안 백업으로 사용될 수 있다.
INS 모듈은 가속도계와 자이로스코프에 기반을 둔다. 전자는 관성 레퍼런스 프레임에서 시스템의 직선적인 가속을 측정하지만, 가속도계는 시스템에 고정되어 함께 회전하기 때문에 이동하는 시스템에서 측정될 수 있는 방향으로만 가능하다. 후자는 관성 레퍼런스 프레임에서의 각속도 (angular velocity)를 측정한다.
이동 시스템의 현재 각속도와 직선 가속을 동시에 추적함으로써 관성 레퍼런스 프레임에서 시스템의 직선 가속을 판단할 수 있다.
AY515DT는 yaw-축 자이로스코프로서 INS에서의 추측항법 (dead-reckoning) 기능 구현, 도난 방지 디바이스에서의 차량 추적, 또는 pay-per-use 애플리케이션의 톨게이트 결제 같은 기능을 구현할 때 위에서 언급된 가속도계와 이상적인 조합이다.
AY515DT는 저전력 1축 yaw 각도 센서로 아날로그와 디지털 아웃풋을 모두 지원한다. 센싱 요소와 IC 인터페이스는 아날로그 아웃풋 전압과 SPI/I2C 디지털 인터페이스를 통해 외부로 측정된 각도를 제공할 수 있다.
Yaw 각도 감지가 가능한 센싱 요소는 직선 가속도계와 같은 ThELMA 기술을 사용하여 제조되며 IC 인터페이스는 센싱 요소의 특성을 잘 매치할 수 있도록 전용 서킷을 설계하는데 필요한 수준의 높은 통합을 제공하는 CMOS 공정을 사용하여 제조된다.
MEMS 구현에서, 매우 작은 mass가 직선의 전후 동작 (구동 mass)을 경험한다. 이 진동하는 mass가 외부 회전에 노출될 경우 온칩의 고해상도 가속도계 (센싱 mass)로 진동 방향에 수직으로 작용하는 힘 (코리올리 가속)을 측정할 수 있다.
AY515DT은 이미 필드 테스트에서 긍정적인 결과를 보여준 바 있다. 고밀도의 도시 지역에서 수행된 실제 주행 시험에서 얻은 결과를 보여준다. 유사한 경쟁 디바이스와의 비교 자료도 함께 보고되었다.
2개의 시험이 순차적으로 진행되었다. 다음은 시험 결과를 요약한 것이다. 오른쪽 그래프는 왼쪽에 보여진 각 대비 시간을 사용하고 있는데, 기본적인 삼각법 대수 (trigonometric algeb ra)를 사용하여 계산된 경로의 2D 뷰(x-y plot)으로 변환한다.
실제 네비게이션 알고리즘에서 차량의 속도는 정확한 위치를 파악하기 위해 이 값들을 곱해야한다. 시험 사례에서 그래프의 ′A′ 부분은 차량이 움직이는 것처럼 보이지만 실제로는 정지한 상태다.
출시 예정인 신제품
2009년에 출시되어 제품 포트폴리오에 추가될 2축 아날로그 가속도계 외에, 자동차를 위한 차세대 low-power/low-drift 3축 디지털 가속도계, 그리고 가속, 속도, 자성 센서를 통합한 다중축 콤보 디바이스 등이 현재 연구 개발 중에 있다.
·2.2 V ~ 3.6 V 단일 서플라이 작동
·±2 g / ±4 g / ±8 g 다이나믹한 선택이 가능한 풀 스케일, 2개의 독립적인 프로그래머블 인터럽트
·10μA @ 10Hz ODR 수준으로 낮춰진 전력 소모
·0.2 mg/°C 이하에서의 오프셋 드리프트
·12-bit 정확도 보장
·전력 소모를 최적화하기 위한 슬립-to-웨이크업 기능
센서 요소는 ST의 HCMOS BiCMOS 기술로 개발된 ASIC과 연관되어 있다. 획득된 시스템은 전력 소모 및 온도 안정성 부문에서 놀라운 성능을 보여줬다.
측정 값은 시뮬레이션 결과를 보여준다. 그림 14는 다음 온도 주기 (25°, -40°, -20°, 0°, 25°, 55°, 85°, 25°)에 노출된 22개의 샘플에서 측정된 0g 수준 드리프트를 보여준다. DUT는 보드에 솔더되어 항상 2.5V 전압으로 구동되며, 온도 안정화가 2분 이상 진행된 이후에 측정되었다. 이처럼, 새로운 고성능 디지털 가속도계는 업계가 요구하는 높은 정확성, 낮은 전력 소모, 낮은 온도 드리프트, 그리고 매력적인 비용을 모두 만족시킨다.
맺음말
소비 가전, 모바일, 컴퓨터 분야 MEMS의 절대 강자로 올라선 ST마이크로일렉트로닉스는 보다 도전적인 자동차 시장에서 인지도를 올리고 시장 점유율을 확대하기 위해 공격적인 투자 및 연구 개발을 진행하고 있다.
자동차 분야의 MEMS 성장엔 2가지의 주요 원동력이 있다. 센서를 필요로 하는 애플리케이션이 계속 증가하고 있으며, 다른 한편으론 자동차 제조업체들이 특정 기능을 구현하도록 강제하는 정부 규정이 확산되고 있다. 이러한 의무 규정들은 안전 및 비안전 분야에 동시에 적용되며, ST마이크로일렉트로닉스는 이 두 가지 분야를 함께 지원하기로 결정한 바 있다.
지금까지 어떻게 ST 마이크로일렉트로닉스가 검증된 200mm 웨이퍼 기술의 규모의 경제를 활용하고 점점 더 복잡하고 까다로워져가는 고객의 기술 및 경제적 니즈를 충족시킴으로써 새롭게 성장하는 자동차 애플리케이션에서 MEMS 선도 공급업체로 자리매김하고자 하는 지 설명했다.
참고문헌
[1] R.Dixon, J.Bouchaud, "Driver Safety: Key to Robust Automotive MEMS Growth", ISupply Market Tracker, July 2008
[2] Conselho Nacional de Transito - CONTRAN, "Resolu?ao Nº. 245, Brazil, July 2007
[3] B.Vigna, "More than Moore: micro-machined products enable new applications and open new market", IEEE 2005, 20010 Cornaredo (MI) - Italy
[3] stefano.pozzi@st.com
키워드: MEMS, non-safety, accelerometer, gyroscope, low power, low drift,
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