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이동 사물인터넷을 추진하는 고성능 관성 센서 ②

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글/밥 스캐널(Bob Scannel), 아나로그디바이스

인프라 없이 위치 확인

GPS는 위성 신호가 차단되거나 정지되지 않는 한 어디에나 존재한다. 무선 범위 기술은 접근 가능하다면 정확해질 수 있다. 자기장은 방해만 없다면 언제라도 측정 가능하다. 이와 달리 관성은 자기 의존적이다. 쉽게 말해, 관성 MEMS 센서에는 고유의 단점(드리프트)이 존재하지만, 이러한 단점은 관리 가능하며, 비용 대비 효과적인 소형 패키지로 제공되는 차세대 산업용 관성 측정 장치(IMU)가 이례적일 정도로 뛰어난 안전성을 제공한다.
관성 MEMS 장치는 표준 반도체 프로세스, 정교한 패키징, 집적 접근 방식을 사용해서 모션을 직접 감지하고, 측정하고 해석한다. 그림 3에서는 대표적인 예로 선형 가 속도(g)나 각회전(°/sec, 또는 각회전 속도)을 보여준다.
가장 좋은 품질의 애플리케이션을 제외하면 대부분이 다중 자유도(multiple degrees of freedom, 본질적으로 모션은 모든 축에서, 심지어 동시에 일어날 수 있으며, 장치는 자체 모션으로부터 상대적으로 자유롭다)라고 부르는 것을 가지기 때문에, g와 속도 측정값은 x, y, z축(또는 롤, 피치, 요 축이라고도 한다) 각각에 대해 포착되어야 한다. 이들을 합쳐서 자유도 6의 관성 측정 장치라고도 부른다.
비용 문제 때문에 MEMS 설계자들은 자동적으로 최소한의 실리콘 면적을 사용하여 이와 같은 여러 감지 유형(g, 속도)을 각 축(x, y, z)에서 추출하려 하고자 하고, 더욱 섬세하게 균형 잡힌 시각으로 성능을 설계하려면 더욱 까다로운 산업용 감지 장치 사양을 충족시켜야 한다. 실제로, 하나의 MEMS 장치로 여섯 가지 모드를 모두 측정하고자 하는 MEMS 구조도 있다. 그러한 고성능 감지 장치에 대한 접근 방식의 유효성을 검증하기 전에, MEMS 장치가 포착해야 하는 모션이 있는 반면 같은 장치로 오류로 해석될 수 있는 다른 형태의 모션을 무시하도록(또는 그로 인해 교란되지 않도록) 하는 점도 마찬가지로 중요하다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 자이로스코프는 각속도를 측정하는 반면, 가속도나 각속도 측정에 미치는 중력의 영향은 무시될 수 있다. 하나의 소형 구조로 모든 것을 측정하고자 하는 단순한 MEMS 장치는 본질적으로(설계상으로) 이처럼 방해가 되는 기타 오류원에 취약하며, 포착하고자 하는 모션과 그렇지 않은 모션을 구별할 수 없다. 이는 결국 네비게이션이나 위치 지정 애플리케이션에서 잡음이나 오류로 해석된다.
이동 사물인터넷이 기대한 대로 필요할 때 가치 있는 자원 효율성, 향상된 안전성, 정확성 향상을 제공하려면 오늘날의 무선 단말기에서 사용할 수 있는 흔하고 단순한 센서에서 지원하는 것보다 한층 더 높은 수준의 정밀성이 요구된다. 성능의 설계는 각 감지 모드와 각 감지 축을 별도로 두고 이루어져야 하지만, 융합과 통합의 관점으로 접근해야 한다. 마지막으로 성능 설계가 비용 대비 효율성을 희생해서 얻는 것은 아니라는 점을 아는 것이 중요하다.

기능이냐 성능이냐

일부 애플리케이션은 간단한 MEMS 장치로 추출하기가 비교적 쉬운 추가 기능(모드 전환을 위한 장치의 제스처/방향)을 통해 상당한 가치를 만들어낼 수 있다. 값을 측정할 때 산업용과 전문가용 장치 중 무엇을 선택할 것인가는 상당한 진동이 존재하는 환경에서 작동할 때 방향이나 위치 정확도를 10배 더 정확하게 구할 수 있느냐에 따라서 달라질 수 있다. 보급형과 고급 센서의 성능 차이는 적지 않으며, 둘 사이의 성능은 사실상 부품 선택 시 상당히 주의를 기울여야 할 정도로 상당히 크다.
최종 애플리케이션은 요구되는 정확도 수준을 결정하며, 선택된 센서의 품질은 이러한 요건을 만족시킬 수 있는지 여부를 결정한다. 표 5는 센서 선택이 디자인 과정뿐 아니라 장비 정밀도 성능에 얼마나 중요성한지 보여주는 두 가지 솔루션 방식을 비교해 보여준다. 정밀도가 떨어지는 센서는 실제로 제한된 경우에만 의존하고 애플리케이션에서 오차가 허용되는 경우에 사용하기 적절할 수 있다. 다시 말해 이는 안전성이나 수명이 중요하지 않거나 상대적으로 정확도가 떨어져도 괜찮은 경우 정밀도가 낮은 센서를 사용할 수 있다는 뜻이다. 대부분의 소비자용 센서는 잡음 수준이 낮고 양호한 조건에서 적절하게 작동하지만, 진동 등 동적인 움직임이 생기는 기계 장치에는 적합하지 않다. 저성능 관성 측정 장치에서는 이러한 움직임이 단순한 선형 가속도나 측정하고자 하는 기울기와 구별되지 않을 수 있다. 산업 환경에서 작동하는 동안 1도 이상의 정확도를 달성하기 위해서는 진동이나 온도 영향으로부터 오차 드리프트를 제거하도록 특별히 설계된 센서를 선택하는 데 초점을 맞추어야 한다. 그렇게 선택된 고정밀 센서는 예상되는 애플리케이션 상태보다 더 넓은 범위를 더 오랫동안 지원할 수 있다...(중략)