로옴 세미컨덕터, "건물 내 층까지 알려주는 3D 내비게이션 시대 온다"

2015.11.20 15:27:28

기압 & 지자기 센서로 방위뿐만 아니라 높이까지 측정해

지금까지의 내비게이션은 GPS로 방위를 측정해 길을 안내하는 기기였다. 하지만 앞으로는 방위뿐만 아니라 높이까지 측정하는 3D 내비게이션 시대가 올 것으로 보인다.

이는 높이를 검출하는 MEMS 기압 센서와 방위를 검출하는 지자기 센서를 통해 실현된다. 기존 위성위치확인시스템(GPS)으로는 지원이 불가능한 실내나 지하 안내용으로 적합할 것으로 보이며, 스마트폰과 웨어러블 기기 제조업체를 중심으로 수요창출이 예상된다.

최근 스마트폰과 웨어러블 기기의 보급이 확산됨에 따라 실내에서도 이동 중에 실시간으로 위치를 검출하면서 정확하게 목적지로 안내하는 3차원 실내 내비게이션 어플리케이션이 다수 제안되고 있다.

이는 건물 내의 몇 층, 그리고 어느 위치에 있는지를 인식해 건물 내에서 입체적으로 길을 알려주는 것이다. 기존 위성위치확인시스템(GPS)으로는 지원 불가한 실내나 지하 안내용으로 적합하다. 스마트폰과 웨어러블 기기 제조업체를 중심으로 수요창출이 예상된다.

이러한 3차원 실내 내비게이션을 실현하기 위해서는 기존에 비해 정밀도가 훨씬 높은 센서가 필요하다. 이에 로옴에서는 새롭게 개발한 MEMS(미세 전기 기계 시스템, Micro Electro Mechanical Systems) 기압 센서로 높이를 검출하고, 지자기 센서(MI)로 방위를 검출하는 방식을 통해 정밀도가 높은 3D 내비게이션을 실현할 수 있도록 했다.

기압 센서 … 피에조 저항 효과 이용

피에조 저항 타입의 기압 센서는 진공에 형성한 공동과 실리콘 기판을 에칭해 한층 더 얇게 형성한 다이어프램(diaphragm, 수압부)에 확산 및 이온 주입을 통해 형성한 게이지 저항, 즉 피에조 저항의 효과를 이용하는 것이다.

피에조 저항 효과란 응력으로 인해 발생하는 분극 현상인 ‘압전 효과’와는 달리 저항에 가해진 응력에 의해 전기 도전율, 즉 저항률이 변화하는 현상이다. 이러한 현상은 가해진 응력에 의해 결정격자에 변형이 올 때 반도체의 캐리어 수 및 이동도가 변화하기 때문에 발생한다.

일반적으로 다이어프램이 압력을 받아 휘어지면 각 게이지 저항에는 다이어프램의 휨 정도에 따른 응력이 발생한다. 이때 발생한 응력에 비례해 게이지 저항(피에조 저항)의 저항률이 변화하고, 이에 따른 전기 저항의 변화를 전압 변화를 통해 검출해 기압을 검지할 수 있다. 그러나 저항의 변화는 매우 미세하기 때문에 4개의 저항에 의한 휘스톤 브릿지 회로를 이용해 고감도를 실현해야 한다.

따라서 로옴은 스마트폰 및 웨어러블 기기에 활용할 수 있도록 기압 정보를 검지해 고도 및 고저차 검출에 이용 가능한 기압 센서(제품명, BM1383GLV)를 개발해 지난 4월부터 양산에 들어갔다.

이 센서는 고정밀도 MEMS와 저소비전력 및 고정밀도 A/D 컨버터를 탑재함으로써, 상대 고도 정밀도 ±20cm(상대 기압 정밀도 ±0.024hPa)를 실현했다.

또한 기존의 기압 센서는 저온 시 높은 검출 정밀도를 실현하기 어렵다는 과제가 있었다. 이에 로옴은 독자적인 보정 연산 알고리즘을 통해 IC 내부에서 온도 보정을 실행함으로써, 저온 시에도 고정밀도의 기압 검출을 가능하게 했다.

이러한 영향으로 외부의 마이크로 컨트롤러에 온도 보정 기능을 탑재할 필요가 없어짐에 따라, 설계 부하를 삭감하고 센싱 블록 및 연산 블록을 소형화(2.5mm×2.5mm×1.0mm)했다.

최근 기압 센서의 용도가 확대됨에 따라 한층 더 고정밀도의 기압 및 고도 검출이 요구되며, 스마트폰 및 웨어러블 기기의 소형화·고기능화의 영향으로 센서의 소형화에 대한 요구 또한 높아지고 있다.

이에 맞춰 로옴은 초소형 패키지 기압 센서 IC(제품명, BM1385GLV)를 2016년 4월부터 양산할 예정이다. 이 제품은 기존 BM1383GLV의 특징을 유지하면서, 기압 검출용 MEMS와 제어 회로의 재구축을 통해 기존 로옴 제품 대비 36% 정도 면적을 삭감한 2.0mm×2.0mm×1.0mm 사이즈를 실현했다(그림 1).

그림 1. 기존 로옴 제품 대비 약 36% 면적 삭감, 2016년 4월 양산 예정

지자기 센서 … MI 소자 사용

기존의 방위 검출 지자기 센서는 홀 소자를 채용해 왔지만, 실내 내비게이션에 사용되기에는 정밀도 상 문제가 있었다.

이에 정밀도가 높은 MR(Magneto-Resistive) 소자를 사용하려는 노력이 있었지만, 모바일 기기의 소비전류로서는 많은 과제가 있었다. 이에 로옴은 2013년부터 ‘AICHI 철강 주식회사’와 업무 연계를 통해 정밀도·소비전류 등에서 기존 기술을 능가하는 MI 소자를 사용한 지자기 센서를 개발했다.

MI 소자란 특수한 어모퍼스 와이어에 펄스 전류를 인가하고, 그 때의 Magneto-Impedance 변화를 와이어 주변에 형성한 픽업 코일을 통해 검출하는 소자이다.

로옴의 BM14○○ 시리즈(2.0mm×2.0mm×1.0mm)는 이러한 X축, Y축, Z축의 3축 MI소자와 제어용 ASIC를 1chip화 한 제품이다. 이 지자기 센서(MI 센서)는 다음과 같은 2가지 특징이 있다.

첫 번째는 검출 정밀도 오차가 전 세계 어디에서나 ±0.3도 이하로 억제된다는 점이다(그림 2). 고감도 MI 소자와 노이즈에 강한 고정밀도 A/D 컨버터를 탑재한 아날로그 프론트 엔드 회로를 조합함으로써, σ노이즈의 영향을 일반품 대비 1/7인 0.06μT로 저감했다.

이에 업계 최고 수준의 방위 검출 정밀도 오차 ±0.3도 이하를 달성해 IoT 및 센서 네트워크의 이노베이션을 가속화함으로써, 실내 내비게이션을 비롯한 새로운 센서 어플리케이션 실현에 기여할 수 있게 됐다.

두 번째는 모바일 기기에 최적인 초저소비전력이다(그림 3). 일반적인 지자기 센서는 정밀도 향상을 위해 센싱(연산) 횟수를 증가시켜 평균치를 구해야 한다.

하지만 고감도 MI 센서는 센싱 횟수를 줄여도 높은 정밀도를 실현할 수 있기 때문에 연산 처리에 필요한 전력을 대폭 저감할 수 있다. 이에 일반품 대비 1/20의 소비전류 0.15mA(100Hz 시)를 실현해, 스마트폰 및 웨어러블 기기의 장시간 사용에 기여할 수 있다.