임베디드 기능 및 센서 통합이 MEMS 센서의 향후 애플리케이션 결정
미래의 센서에는 임베디드 기능 및 컴퓨팅 능력이 요구되며, 센서 퓨전의 복잡한 알고리즘을 처리하는 데에는 전용 마이크로컨트롤러가 필요하다. MEMS 기술과 시장 트렌드의 주도로, 저전력 소모 및 저비용 마이크로컨트롤러와 하나의 패키지로 통합된 센서들이 곧 시장에 소개될 것이다.
Jay Esfandyari, Fabio Pasolini, Gang Xu STMicroelectronics
최근 MEMS 센서 및 제조 기술이 빠른 속도로 발전함에 따라 고성능, 소형, 저비용 센서가 구현되고 있다. 이러한 센서들은 스마트폰, 태블릿과 같은 휴대용 디바이스에 빠르게 통합되었다. 또한, 인터럽트 및 FIFO 기능 등과 같이 더 많은 기능들이 MEMS 센서에 통합되었다.
많은 트렌드 중 새로운 한 가지는, 복수의 센서와 한 개의 마이크로컨트롤러를 임베디드 알고리즘과 함께 작은 하나의(Single) 디바이스에 통합하는 것이다. 여기서는 오늘날 시장에 공급되고 있는 디지털 MEMS 관성(Inertial) 센서에 탑재된 몇몇 스마트 기능을 설명하고, 센서 통합의 미래 트렌드에 대해 개괄적으로 살펴본다.
각 MEMS 센서는 MEMS 센싱 구조, 애플리케이션-특정 집적 회로(ASIC), 디바이스 패키지의 세 부분으로 구성된다.
첫 번째 센싱 구조 부분은 외부의 움직임이나 힘 때문에 질량(Proof Mass)이 중앙 위치에서 이동할 때 정전 용량(Capacitance) 또는 저항력(Resistance) 변화를 감지하는 역할을 담당한다.[1] 두 번째 ASIC 부분은 기계적 센싱 파트의 아웃풋을 아날로그 출력 전압으로 전환하는 전하 증폭기로 구성된다. 이 아날로그 출력 전압은 A/D 컨버터를 통해 디지털화되며, 사용자에게는 디지털 포맷으로 표시된다. 이 디바이스의 패키지는 센싱 및 프로세싱 반도체(Die)를 담는 역할뿐만 아니라, 온도 및 시간상의 안정성에 기여하므로 디바이스의 성능에도 크게 영향을 미친다.
그림 1은 용량성(Capacitive) 원리 기술에 기반을 둔 일례로, MEMS 가속도계 및 자이로스코프의 전형적인 내부 구조를 나타낸 것이다. 스마트폰 및 태블릿과 같은 스마트 시스템의 주(Host) 프로세서는 센서 데이터 수집 및 처리용 자원이 제한되어 있다. 따라서 MEMS 센서들은 호스트 프로세서의 부하를 줄이기 위해 더 많은 컴퓨팅 파워와 임베디드 기능을 갖춰야 한다.
임베디드 기능
1. 자가 테스트
대부분의 MEMS 센서는 자가 테스트(Self-test) 기능을 내장하고 있다. 자가 테스트 기능은 사용자의 생산 라인에 PCB를 설치한 후, 센서가 제대로 작동하는지의 여부를 검증하는 데 사용될 수 있다. 관성 센서를 위해 PCB를 기울이거나 회전시킬 필요가 없다.
그림 2는 가속도계와 자이로스코프에서 자가 테스트 절차의 예를 나타낸 것이다. 센서 데이터 수집은 자가 테스트가 실시되거나 혹은 실시되기 힘들 때에도 임의 및 고정 위치에서 똑같이 실행되어야 한다.
2. 인터럽트 기능
대부분의 MEMS 센서는 호스트 프로세서의 GPIO 포트에 연결하기 위해 한 개 또는 두 개의 인터럽트 출력 핀을 갖고 있다. 호스트 프로세서는 디바이스의 현 상태를 결정하기 위해 계속해서 센서 데이터를 수집하지 않아도 된다. 미리 설정한 기준이 충족되면, 센서는 호스트 프로세서에 통보하기 위하여 출력 핀에 인터럽트 신호를 생성할 것이다. 그러면 호스트 프로세서는 이 인터럽트의 수행 여부를 결정할 수 있다.
FIFO(First-In First-Out) 인터럽트가 생성되면 호스트 프로세서는 모든 FIFO 데이터 샘플을 단번에 읽을 수 있다. 그러면 호스트 프로세서는 추후 조치를 취해야 하는지 판단한 후 센서 데이터를 처리할 수 있다.
센서 통합의 미래 트렌드
가속도계에 내장된 일부 인터럽트 기능은 진짜 모션과 가짜 모션을 구분할 수 없으므로, 프로세서는 움직임의 진위를 확인하기 위해 센서 데이터를 수집해야 한다. 미래의 스마트 센서는 신뢰할 수 있는 인터럽트를 생성하기 위한 유한상태기계(Finite State Machine, FSM)와 같이 더욱 진보된 컴퓨팅 능력을 보유하게 될 것이다. 저전력 마이크로컨트롤러는 관성 모듈 유닛에 통합되어 센서 퓨전 알고리즘을 구동할 수 있다. 따라서, 최종적으로 정확한 동적 피치/롤/요각을 주 프로세서에 직접 이용할 수 있다.[2]
3D게이밍, 실내 보행자 추측 항법 등의 애플리케이션에는 9축 또는 10축 센서가 요구된다. 앞으로는 그러한 MEMS 센서와 프로그래머블 마이크로컨트롤러가 그림 3과 같이 싱글 패키지로 결합될 것이다. 무선 링크 및 기타 다른 센서들 역시 동일한 패키지에 통합될 것이다.
