최근 스마트폰 및 웨어러블 기기의 보급에 따라 실내에서도 GPS와 같이 이동 중에 실시간으로 위치를 검출하면서, 입체적인 정보를 포함하여 정확하게 목적지로 안내하는 3차원 인도어 내비게이션 애플리케이션이 다수 제안되고 있다.
이 글에서는 MEMS 기압 센서로 높이를 검출하고 지자기 센서로 방위를 검출하는 방식을 통해 더 정밀한 내비게이션 실현을 제안한다.

이동 중에 실시간으로 위치를 검출하면서 정확하게 목적지로 안내하는 3차원 인도어 내비게이션 애플리케이션이 다수 제안되고 있다. 예를 들어, 몇 층의 어느 위치에 있는지를 인식하여 건물 내의 내비게이션 기능이 제공된다.

이러한 3차원 인도어 내비게이션을 실현하기 위해서는 기존에 비해 정밀도가 높은 센서가 필요하다. 로옴에서는 새롭게 개발한 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기압 센서로 높이를 검출하고, 지자기 센서(MI)로 방위를 검출하는 방식을 통해 한층 더 정밀도가 높은 내비게이션을 실현할 수 있도록 제안하고 있다.

피에조 저항 효과를 이용한 기압 센서

기압 센서에는 여러 가지 검출의 종류가 있는데, 로옴의 기압 센서는 피에조 저항 효과를 이용하고 있다. 피에조 저항 타입 기압 센서는 진공에 형성한 공동과 실리콘 기판을 에칭하여 한층 더 얇게 형성한 다이어프램(수압부)에 확산 및 이온 주입을 통해 형성한 게이지 저항(피에조 저항)의 피에조 저항 효과를 이용하고 있다(그림 1).

피에조 저항 효과는 응력으로 인해 발생하는 분극 현상인 압전 효과와는 달리, 저항에 가해진 응력에 의해 전기 도전율, 즉 저항률이 변화하는 현상이다.

이러한 현상은 가해진 응력에 의해 결정격자에 변형이 발생하여, 반도체의 캐리어 수 및 이동도가 변화하기 때문에 발생한다고 알려져 있다. 다이어프램이 압력을 받아 휘어지면 각 게이지 저항에는 다이어프램의 휨 정도에 따른 응력이 발생한다. 이러한 응력에 비례하여 게이지 저항(피에조 저항)의 저항률이 변화하고, 이에 따른 전기 저항의 변화를 전압 변화로서 검출하여 기압을 검지한다. 그러나 이러한 저항의 변화는 매우 작으므로, 4개의 저항에 의한 휘스톤 브리지 회로를 이용하여 고감도를 실현한다.

로옴은 시장이 확대되는 스마트폰 및 웨어러블 기기, 활동량계 등에 활용 가능하도록 기압 정보를 검지하여 고도 및 고저차 검출에 이용 가능한 기압 센서 BM1383GLV를 개발, 2015년 4월부터 양산을 시작했다. 장기간에 걸쳐 축적해온 센서 개발의 노하우를 통해 고정밀도 MEMS와 저소비전력 및 고정밀도 A/D 컨버터를 탑재함으로써 상대 고도 정밀도 ±20cm(상대 기압 정밀도 ±0.024hPa)를 실현했다(그림 2).

또한, 기존의 기압 센서는 저온 시에 높은 검출 정밀도를 실현하기 어렵다는 과제가 있었으나, 로옴은 독자적인 보정 연산 알고리즘을 통해 IC 내부에서 온도 보정을 실행함으로써 저온 시에도 고정밀도의 기압 검출이 가능해졌다(그림 3). 동시에 외부의 마이크로컨트롤러에 온도 보정 기능을 탑재할 필요가 없어짐에 따라, 설계 부하를 낮추는 데에도 기여하며 센싱 블록과 연산 블록의 소형화에 성공했다. 이에 따라 온도 보정 기능을 내장한 기압 센서로는 업계 최소 수준(2.5mm×2.5mm×1.0mm)의 패키지 사이즈를 실현했다.

기압 센서는 용도가 확대됨에 따라, 한층 더 고정밀도의 기압 검출·고도 검출이 요구됨과 동시에 스마트폰 및 웨어러블 기기의 소형화·고기능화와 더불어, 센서의 소형화에 대한 요구도 높아지고 있다. 이러한 요구에 대응하여 초소형 패키지 기압 센서 IC BM1385GLV를 2016년 4월부터 양산할 예정이다. 이미 양산중인 BM1383GLV의 특징을 유지함과 동시에 기압 검출용 MEMS와 제어 회로의 재구축을 통해 로옴의 기존품 대비 면적을 36% 삭감하여, 세계 최소 패키지(2.0mm×2.0mm×1.0mm)의 기압 센서를 실현했다(그림 4). (올 7월 14일 로옴 조사)

MI 소자를 이용한 지자기 센서

기존의 방위 검출 지자기 센서는 홀소자를 채용하였으나, 정밀도의 문제로 인도어 내비게이션으로의 보급은 어려웠다. 또한 정밀도면에서 강한 MR(Magneto-Resistive) 소자도 있지만, 모바일 기기의 소비전류로서는 과제가 있었다. 이러한 과제에 대해 로옴은 2013년부터 AICHI 철강 주식회사와 업무 연계를 통해 정밀도, 소비전류 등에서 기존 기술을 능가하는 MI 소자를 사용한 지자기 센서를 개발했다.

MI 소자란 특수한 아모퍼스 와이어에 펄스 전류를 인가하고, 그 때의 Magneto-Impedance 변화를 와이어 주변에 형성한 픽업 코일을 통해 검출하는 소자이다. 로옴의 BM14×× 시리즈(칩 사이즈 2.0×2.0×1.0mm)는 이러한 X축, Y축, Z축의 3축 MI 소자와 제어용 ASIC를 원칩화한 제품이다. 이 지자기 센서(MI 센서)는 다음과 같은 두가지 특징이 있다. 첫 번째로, 검출 정밀도 오차가 전 세계 어디에서나 ±0.3도 이하로 억제된다는 점이다(그림 5).

고감도 MI 소자와 노이즈에 강한 고정밀도 A/D 컨버터를 탑재한 아날로그 프런트엔드 회로를 조합함으로써 σ 노이즈의 영향을 일반품 대비 1/7인 0.06 μT로 낮췄다. 이에 따라 업계 최고의 방위검출 정밀도 오차 ±0.3도 이하를 달성해 IoT 및 센서 네트워크의 혁신을 가속화함으로써 인도어 내비게이션을 비롯한 새로운 센서 애플리케이션 실현에 기여할 수 있다.

두 번째로는 모바일 기기에 최적인 초저 소비전력이다(그림 6).

일반적인 지자기 센서는 정밀도 향상을 위해 센싱(연산) 횟수를 증가시켜 평균치를 구할 필요가 있지만, 고감도 MI 센서는 센싱 횟수를 줄여도 높은 정밀도를 실현할 수 있으므로, 연산 처리에 필요한 전력을 대폭 저감할 수 있다. 이에따라 업계 최소인 일반품 대비 1/20의 소비전류 0.15 mA(100 Hz 시)를 실현하여, 스마트폰 및 웨어러블 기기의 장시간 사용에 기여할 수 있다. 이와 같은 특징을 지닌 MI 센서의 용도로서는 증강현실(Augmented reality) 서비스를 들 수 있다.

이는 눈앞에 있는 현실을 스마트폰 및 태블릿 PC 상에 표시하여, 그 화면을 통해 물체의 위치 정보, 방위정보를 산출하고, 그 정보를 인터넷에서 입수하여 화면상에 중복 표시하는 서비스이다. 또한, 지도 서비스와 병용하면 눈앞의 건물을 지정하여 그 건물의 홈페이지 등에 자동적으로 액세스하는 등의 서비스도 가능하다. 이는 방위 검출 정밀도가 매우 높은 MI 센서이기 때문에 실현 가능한 것이다.

앞으로도 로옴은 센서 네트워크에 꼭 필요한 소형·고정밀도를 추구한 센서제품 개발을 추진하여, 시장 요구에 대응해 나갈 것이다.