MEMS 자이로스코프와 MEMS 가속도계 (Invensense 사의 6축 자이로스코프/가속도 센서)

by 운영자 posted Dec 31, 2013

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국내 반도체 시장에서 미세전자기계시스템(MEMS)이 본격적으로 센서에 적용되기 시작된 것은 90년대 말이다. 초기 MEMS는 자동차용 부품에 한정적으로 사용됐지만, 기능이 많고 좋지만 저렴한 센서 시스템을 원하는 시장이 확대되며 MEMS가 점차 소형화, 고집적화, 경량화되기 시작했다. 더 많은 기능과 다양한 특징을 하나의 칩으로 구현할 수 있게 된 것이다. 안전·편의·효율·건강 관련 정부·기업·일반인의 관심이 높아지며 다양한 분야에서 활용될 수 있는 MEMS의 기술과 활용에 대한 기대가 갈수록 높아지고 있다.

자유낙하 또는 다른 비정상적인 움직임이 있을 경우, MEMS 가속도 센서는 시스템에게 하드디스크드라이브(HDD)의 읽기·쓰기 기능을 즉시 멈추도록 명령한 후 자기 헤드(magnetic head)를 안전한 위치에 안착하게 한다. MEMS 가속도 센서의 대표적 애플리케이션으로는 자동차 에어백용 가속도 센서를 들 수 있다. 에어백에 장착된 가속도 센서는 가속도가 기준 이상으로 커지면 (에어백이) 작동하는 것이 핵심이다.

각운동(angular-motion) 센서라고도 불리는 MEMS 자이로스코프(Gyroscopes)는 인간-기계 인터페이스(Man-Machine Interface) 상에서 가속도 센서를 보완하여, 더 흥미로운 게임과 리모트 포인팅(Remote pointing)을 구현한다. 이 센서는 더 뚜렷한 사진을 얻기 위해 디지털 비디오, 디지털 카메라 등의 흔들림을 방지하고, 추측항법 및 맵-매칭(Map-matching)을 통해 차량 내비게이션 성능을 향상시킨다.

MEMS 자이로스코프 시장은 스마트폰의 탑재가 늘어나면서 지속적인 성장을 하고 있다. 미국 시장조사업체 아이서플라이(IHS)는 지난 2009년 거의 매출이 없던 휴대폰용 자이로스코프 시장이 2014년에는 2억8천500만 개로 확대될 것으로 전망하고 있다.

특히, 가전 및 모바일 시장에서 MEMS 가속도 센서와 자이로스코프는 다양한 모션-구동 장치 기능을 통해 제조 원가를 낮췄다. 이러한 센서는 스마트폰, MP3·MP4 플레이어, PDA, 태블릿, 게임기 등에 탑재돼 사용자의 팔목, 팔, 손 동작 등의 움직임을 인식한다. 이를 통해 앱을 구동시키거나 웹페이지로의 이동, 게임 캐릭터 움직임 등을 구현하게 된다.

가. STMicroelectronics사의 MEMS 자이로스코프와 MEMS 가속도계

시장조사업체인 IHS-iSuppli사에 따르면, STMicroelectronics사는 2011년도에 MEMS 자이로스코프와 MEMS 가속도계 양 부문을 선도한 제조업체인데, 애플이 이 회사의 2011년도 MEMS 사업실적 가운데 절반을 차지했다고 한다! ST사는 애플 아이폰 및 아이패드용 자이로스코프와 가속도계의 유일한 공급업체였다.

한편, MEMS 자이로스코프의 총 시장규모는 2011년에 6억 5,540만 달러로서, 2010년의 3억 9,450만 달러에서 66 퍼센트 증가해 가속도계의 판매규모를 넘어섰다고 IHS-iSuppli사는 밝혔다.

나. Invensense 사의 6축 자이로스코프/가속도 센서

3축 가속도계와 3축 자이로스코프를 조합시킨 Invensense사(캘리포니아 주 Sunnyvale 소재)의 최신 6축 MEMS 콤보 칩이 크기와 전력소모 성능의 새로운 기록을 세우고 있다.

"우리는 새로운 MPU-6500의 크기를 이전의 가속도계-자이로 칩보다 45 퍼센트 줄였을 뿐만 아니라 전력소모도 가장 근접하는 경쟁 제품보다 60 퍼센트 가까이 줄였다"고 Invensense사의 부사장이자 공동 창업자인 Daniel Goehl 씨는 말했다.

2010 년에 Invensense사는 세계 최초의 6축 가속도계/자이로스코프 콤보 칩인 MPU-6000을 발표했는데, 이것은 크기가 4x4 밀리미터였다. 2최근 Bosch Sensortec사가 3x4.5 밀리미터(MPU-6000보다 16 퍼센트 작은) 크기의 6축 콤보 칩을 발표함으로써 이 기록을 깨뜨렸다. 애플 아이패드 및 아이폰용의 가속도계 및 자이로스코프 공급업체인 STMicroelectronics사가 6축 콤보 칩을 발표했지만, 그 크기는 4x5 밀리미터였다(MPU-6000보다 25 퍼센트 크다). 그러나 이제 Invensense사의 최신 6축 콤보 칩이 새로운 기록을 세우고 있다. 크기가 3x3 밀리미터에 불과해 이론의 여지가 없는 최소형 제품으로 등극하였던 것이다.

Invensense사의 최신 6축 콤보 칩은 크기가 3x3 밀리미터에 불과해 이론의 여지가 없는 최소형 제품으로서 전력소모 또한 가장 적다.

Invensense사는 이 칩이 전력소모 또한 가장 적다고 주장하고 있는데, 이 MEMS 디바이스에는 3볼트 파워서플라이가 필요 없기 때문이다. " Invensense사만이 MEMS 칩 제조업체들 가운데 유일하게 파워서플라이를 단일 1.8V 서플라이로 축소시킬 수 있었다"고 Goehl 씨는 말했다. "덕분에 우리의 제품은 업계에서 전력소모가 가장 적어서, 최대 동작 모드에서 6.1 밀리와트에 불과하며, 저전력 모드에서는 18 마이크로앰프에 불과하다."

Invensense사는 또한 자신들이 완전한 디지털 모션 프로세서(DMP)를 칩에 통합시켜 센서 융합 및 자동 보정 작업을 처리할 수 있도록 만든 유일한 MEMS 제조업체라고 주장한다. 자사의 MotionTracking 알고리즘들을 하드웨어 DMP 유닛에 내장시켰기 때문에, 모션 프로세싱 및 센서 융합 알고리즘들을 소프트웨어 라이브러리로만 제공하는 MEMS 칩 제조업체들의 경우와는 달리 마이크로컨트롤러를 추가하거나 자동 보정 및 모션 프로세싱 알고리즘들을 어플리케이션 프로세서 상에서 실행시킬 필요가 없다는 것이다. Invensense사의 최신 DMP 제품은 구글의 최신 안드로이드 4.1 젤리빈 OS의 모션 프로세싱 요건들을 충분히 따르고 있다.

Invensense사는 또한 자사 MEMS 요소들(DMP 및 기타 CMOS 회로를 포함하고 있는 ASIC에 독점적 공정을 이용해 웨이퍼 본딩 되는)의 성능을 향상시킴으로써 보행자용 내비게이션과 문맥인식형 광고와 같은 차세대 고성능 위치 기반 서비스(LBS)를 겨냥하고 있다고 주장한다.

Invensens사는 CMOS 회로를 포함하는 ASIC을 기계적 부분들을 포함하는 MEMS에 웨이퍼 본딩 시키는 독점적 공정을 통해 단일 칩 콤보 제품을 구현하고 있다.

Invensense사의 고객들은 자신들의 게임 컨트롤러나 태블릿, 스마트폰에 이 회사 칩이 사용되고 있음을 홍보하지 못하도록 하고 있지만, 분해분석 결과 Invensense사의 가장 최근 세대 MEMS 칩들은 닌텐도 위(Nintendo Wii), 소니 플레이스테이션3(Sony PS3), 삼성전자 '갤럭시', 최신 구글 '넥서스7' 태블릿은 물론 애플과 노키아를 제외한 거의 모든 브랜드의 스마트폰들에 사용되고 있음을 알 수 있었다.

(서니베일 캘리포니아주=뉴스와이어) 2012년 07월 17일 -- 소비 가전용 MotionTracking 분야의 선두 제공업체인 인벤센스 (InvenSense: 지사장 박성진)가 차세대 6축 동작 감지 소자인 ‘MPU-6500’을 발표했다. MPU-6500은 인벤센스의 획기적 최신 기술이 집적된 MEMS 3축 자이로와 가속도계의 통합형 세계 최소 6축 동작 감지 소자로서 시스템 성능 및 원가 절감을 향상시킬 뿐 아니라 크기와 소비 전력을 감소시켜주며 3 x 3 x 0.9mm 크기의 QFN 패키지로 제공된다.

이 칩은 보행자 네비게이션, 상황인식기반 광고 및 기타 지역기반 서비스 등과 같은 고성능 애플리케이션에 필요한 각종 요구조건을 만족시켜주는 동시에 건강 모니터링 리모컨, 스포츠&피트니스 트래킹 기기 등 부상하고 있는 착용 센서(wearable sensor)의 제반 사양도 지원한다.

6축 자이로 센서의 기술적 이정표를 세운 MPU-6500 동작 감지용 소자는 기존 제품 대비 60%의 전력 감소, 45%의 크기 감소를 실현함으로써 자이로 센서의 성능뿐 아니라 가속도계의 노이즈, 편향성, 민감도를 향상 시킨 업계 최고의 기술력을 자랑한다.

“당사는 고성능, 더 작은 패키지, 저전력 및 전체적인 비용 절감이 가능한 혁신 기술로 Motion Interface 감지 인터페이스의 시장 발전에 기여해오고 있다"는 인벤센스의 CEO이자 창립자인 스티브 나시리(Steve Nasiri)는 MEMS기반 모션 인터페이스 솔루션 분야의 선두 주자이자 기술 리더로서 ‘세계 최초 솔루션’및 첨단 기술을 제공해온 오랜 역사를 바탕으로 이번에 사이즈와 성능 면에서 6축 자이로 센서의 새로운 기준을 제시하는 또 다른 혁신적인 제품을 시장에 선보이게 되어 매우 기쁘다고 언급했다.

MPU-6500과 같은 MotionTracking 감지 소자는 소비 가전 제품의 주요 부품으로서 특정 자유 공간에서 모션을 추적한 후 소비자들이 직관적으로 가전 기기와 소통하도록 이 모션 명령의 수행을 돕는 역할을 한다. 대부분의 소비 가전 제조업체들은 제품 디자인을 쉽게 해주고 개발 시간을 단축시켜 주며 소프트웨어 개발자가 모션 인터페이스 기능을 애플리케이션에 쉽게 적용시키는 MPU-6500과 같이 모든 필요한 기능을 완전히 집적시킨 “턴키”동작 MotionTracking™ 소자를 선호하는 경향이다.

6축 통합 MotionTracking 소자인 MPU-6500의 장점으로는 ▲더 작은 사이즈 ▲저전력 소모 ▲단순화된 제품 품질 규정과 재고 관리 ▲정확한 센서 정렬, 센서 교정 및 완전히 최적화된 MotionFusion™을 통해 보장된 성능 등이 있다.

MPU-6500은 3축 가속도계와 3축 자이로 센서, Digital Motion Processor(DMP)가 3 x 3 x 0.9mm의 작은 사이즈 QFN 패키지로 통합된 단일 칩 제품이다. 이 소자는 1.8V에서 동작하며 전체 동작 모드에서 전력 소모가 단지 6.1mW인 세계 최초의 6축 모션 센서이다.

이 제품은 또한 ±5dps의 제로율에 가까운 출력 값을 지닌 자이로스코프의 성능을 0.01dps/√Hz의 노이즈로 구현하며 250µg/√Hz의 전형적인 노이즈로 향상된 가속도계를 단지 18mA의 저전류 모드에서 제공하는 기술적 장점을 제공한다.

구글의 최신 안드로이드 4.1 젤리빈(Jelly Bean)의 요구 사항과 완전히 부합하는 MPU-6500 소프트웨어 드라이버는 새로운 저전력 DMP를 지원하여 호스트 프로세서의 처리 능력을 분담해 전력 소비를 줄여주고 애플리케이션 개발을 단순화시켜준다.

구매 정보

MPU-6500은 2012년 4분기 양산을 목표로 하는 고객들에 한에서 제한적으로 샘플 공급이 가능하였다. 제품에 대한 더 자세한 정보는 웹사이트 www.invensense.com 을 방문하거나 또는 이메일 sales@invensense.com을 통해서 알 수 있다.

MPU-6500 System Diagram