센서 시스템으로 자동차를 더 스마트하게!

릭 디마이스 여러 해 동안 압력 센서, 온도 센서 및 가속도 측정 센서들이 자동차 전자의 주요 구성원이 되어왔다. 그러나 배출량 제어, 비용효율적 연료 이용, 안전 같은 기능에 필요한 무수한 시스템들이 필요한 곳에 트랜스듀서를 꽂아넣고 컨트롤 박스에 선으로 연결하는 것 이상으로 발전했다. 다양한 디지털 버스 시스템이 출현함으로써 중앙집중식 프로세싱과 배선의 단순화가 가능해졌다. 이는 또한 데이터가 수집되는 곳에서 센서에 들어있는 프로세싱 지능을 활용할 수 있도록 해준다. 그러나 그런 아키텍처는 신뢰성 문제와 자동차 업계의 전통적인 비용 최소화 요구를 불러온다. 전통적으로 집약적이고, 빠른 프로세싱이 필요한 엔진과 섀시 컨트롤 같은 어플리케이션에는 고속 데이터 속도 버스가 사용되었다. 또, 좌석 위치 조절이나 기온 조절 같은 바디 전자장치들을 위해 저렴한 단선 LIN이 개발되었다. 여기서는 속도가 중요하지 않기 때문에 단순성과 저렴한 가격이 우선시된다. 단선 LIN은 연료를 더 효율적으로 이용할 수 있도록 무게를 줄일 수 있다는 것을 의미하기도 한다. 컨트롤 IC를 모니터링 되고 있는 기계적 부품 상에 센서와 함께 집어넣음으로써 공간을 절약하고, 시스템 중앙 처리장치에 걸리는 프로세싱 부하도 줄일 수 있다고 TI사의 세계 첨단 임베디드 제어 마케팅 매니저인 Matthias Poppel 씨는 말했다. 그러나 그는 그런 통합된 전기 기계적 센서의 신뢰성이 우려되고 있다고 그는 덧붙였다. Poppel 씨가 보기에는 “32비트 MCU로의 이동과 기계적 부품 위에 부착된 위성 프로세서/센서의 구축은 검증을 받아야 한다”고 한다. 그는 측정이 이루어지는 곳의 부품에 부착된 메카트로닉 센서를 가진 PCB가 부착 메커니즘 자체의 무결성 이외에도 예상되는 모든 움직임과 부하, 온도 및 진동에 대해서 테스트되고 검증되어야 한다고 지적했다. 또, 프리스케일의 센서사업부 전력시장 매니저인 Steve Henry 씨는 센서의 신뢰성 문제와 패키징의 영향에 관해 언급했다. 그는 “센서들이 풀어야 할 문제는, 예를 들어 가속도계의 경우, 고객들이 센서와 컨트롤 IC가 더 작은 패키지에 들어가기를 원한다는 것”이라고 말했다. 프리스케일은 6 x 6 mm 무연 표면실장 패키지에 MEMS 디바이스를 제공하고 있다. 그러나 더 좁은 공간에 실장될 수 있도록 패키지를 더 작게 만들려면 다이를 적층시켜야 한다. Henry 씨는 프로세서 칩에 가속도계를 적층시키는 것이 질량과 공진에 관한 관심을 불러일으키고 있으며, 외부적 영향(부하와 진동)으로부터의 스트레스 감도에 주의를 기울일 것을 요구한다고 말했다. “실리콘 젤로 코팅하거나 고무로 실온에서 경화시키거나 아니면 또 다른 소재로 이것을 패키지로부터 분리할 수 있다”고 그는 말했다. 그러나 그 후 서로 다른 다이 부착 기법들을 개발하는 것이 필요해진다. “왜냐하면 이것은 베개에다 와이어본딩시키려는 것이나 마찬가지이기 때문”이라고 Henry 씨는 말했다. 그리고 그것은 신뢰성에 영향을 미친다. “프로세스를 최적화하기 위해 다이를 적층시킬 필요가 있다. 이는 모든 기능들을 한 조각의 실리콘 위에 다 집어넣을 수는 없기 때문이다”라고 프리스케일 센서 제품의 어플리케이션 및 시스템 매니저 Mark Shaw 씨는 말했다. 높은 칩 로직 밀도와 높은 스탠드오프 전압을 (센서 프로세서에) 이용할 수 있으며, 이는 MEMS 공정에 의해 제한받지 않는다고 그는 말했다. Henry 씨는 이것을 패키징 관점에서 봐야 한다고 말했다. 결과는 하나의 실리콘 조각이 아니라 두 칩 엘레멘트, 즉 프로세서와 센서로 나누는 것이다. Shaw 씨는 대형 MCU 칩은 그 자체로 큰 다이라고 지적했다. “MEMS가 낮은 수율과 높은 결함율을 가지고 있기 때문”이라며 그는 프로세서와 MEMS 센서를 동일한 칩 상에 두는 것이 더 큰 비용을 초래한다고 설명했다. 좋은 프로세서 섹터들이 센서 부문의 MEMS 결함으로 인해 거부될 수도 있다는 것이다. 센서 수율이 올라가야 한다는 것을 인식하고 있기는 하지만 ZMD America 사장인 Frank Cooper 씨는 그럼에도 불구하고 그가 “단일 실리콘 솔루션”이라고 부르는 더 단순화된 패키징으로 옮겨가는 것이 유리하다고 보고 있다. 이 방식은 ASIC 칩을 센서 및 커넥터에 와이어본딩하고 패키지를 오버몰딩하는 것 이상이다. “진정한 단일 실리콘 솔루션은 G 센서[가속도계], 온도, 플로우 센서를 더 적은 와이어본딩을 위한 신호 프로세싱 기능과 함께 같은 칩에 집어넣는 것”이라고 Cooper 씨는 말했다. 이렇게 해서, 생산된 센서 어셈블리의 균열, 단락, 피로, 오염 여지가 줄어든다. 길에는 고무가 맞는다 신뢰성 또한 문제이다. 센서들은 예전에는 부딪힌 적이 없는 혹독한 환경을 겪게 되었다. 한 가지 유망한 어플리케이션은 압력 센싱(TPS)이다. 인피니언사의 센싱 및 제어 그룹장인 John McGowan 씨는 TPS 센서가 “비좁고 뜨거운 장소”에 놓이며, 채택된 후에는 수명이 오래가야 하지만 동시에 합리적인 가격을 제시할 수 있어야 한다고 말했다. 프리스케일의 Henry 씨는 어떤 TPS 센서들이 노출될 수 있느냐에 있어서 매질 호환성 문제를 언급했다. 차고에서는 “흥미로운 화학물질들”과 액체들이 타이어에 튈 수 있다. 배터리 산, 마운팅 윤활유, 먼지, 제조 공정에서 나온 화학적 찌꺼기들, 팽창된 타이어 내부의 습기 등이 여기에 포함된다. 센서의 배치 과정은 온도 보상, 셀프 캘리브레이션, 동작 실패 모드의 탐지 같은 기능들의 정확성을 보장한다. 가격은 양산을 통해서 뿐만 아니라 기능과 특징들을 하나의 칩에 통합시킴으로써 조절할 수 있다. 마지막으로, 그런 위성 센서들은 빠른 결정 과정을 위해서 방대한 수의 계산으로부터 자유로울 수 있는 보다 작은 중심 프로세서를 허용한다. 현재의 타이어 압력 모니터링 센서는 팽창대에 마운팅되거나 아니면 휠 가장자리 안쪽에 스트랩된다. 이러한 디바이스들은 코인셀 배터리에 의해 전력을 공급받기 때문에 일류 공급업체들은 10년의 배터리 수명을 추구하고 있다. “그러한 목표를 달성하기 위해서 우리는 차가 움직이지 않을 때 샘플링 속도와 트랜스미션 속도를 줄이기 위해서 프로세싱 알고리즘 내의 차량 정보를 이용한다”고 그는 덧붙였다. 미래에는 타이어 구조물에 직접 임베딩되는 센서에 의해 압력 모니터링이 수행될 것이다. 이러한 것들은 McGowan 씨가 “에너지 스캐빈징(energy scavenging)”이라고 부르는 것으로부터 전력을 공급 받아야 한다. 이것은 타이어 플렉싱을 이용하여 센서 에너지를 위해 압전을 구동시킨다. 이 컨셉은 전력 노크 센서에 전력을 공급하는 데에 엔진의 진동을 이용하는 것으로 확장될 수 있다. 양자택일로, 임베디드 타이어 압력 센서들은 타이어 외부로부터 전기 유도식으로 전력을 공급받을 수도 있다. 여기서 우려되는 점은 타이어 벽에서 금속 안테나 루프가 타이어의 물리적 특성에 영향을 미치게 될 지이다. Magneti Marelli 씨가 이끄는 그룹에 의해 이루어진 “지능형 타이어”에 대한 예비 작업은 단순한 압력 측정 이상이다. 이 그룹의 결과는 최근 SAE 2005 세계 대회에서 프로젝트 리더인 Andrea Neponte 씨와 전략적 혁신 매니저 Piero De La Pierre 씨에 의해 발표되었다. 도로 위에서 향후 5년 간 추가적인 센서 어플리케이션들은 아마도 더 많은 자이로 기반 부품들을 포함하게 될 것이라고 프리스케일의 Shaw 씨는 말했다. 이것들은 롤 안정성 제어 및 기타 축들의 폐쇄 루프 제어를 위한 앵글 속도 데이터를 제공할 것이다. 이 자이로들은 MEMS를 기반으로 하겠지만 그 기계 작업 비용은 생산량이 늘어나면서 더 내려가야 한다. 인피니언의 압력 및 홀 효과 센서 마케팅 매니저인 Peter Knittl 씨는 현재의 G 센서 대신 압력 기반 디바이스로 감으로써 에어백 트리거링 충격 센서의 성능이 향상되는 것을 보았다. “능동 센서로의 이러한 전환은 측면 충격에 대한 미 정부의 새로운 강령(FMVSS-201)에 의해 주도되었다”고 그는 말했다. “G 센서는 스트럭처가 변형된 후에 트리거된다. 그러나 도어의 압력 센서는 대략 5~6ms 내에 음파를 탐지할 것이다. 이에 비해 G 센서는 최대 10ms가 걸린다.” 미래의 에어백 시스템은 용장도 설계를 위하여 이 두 가지 타입의 센서를 모두 이용할 수 있다. 차량용 센서 시스템 동향은 센서들이 사용되는 곳 주변 만을 맴도는 것이 아니라 “다양한 버스 시스템들이 함께 동작하는 방식과 어떤 도메인들을 각기 정복할 것이냐”에도 좌우된다고 TI의 Poppel씨는 말했다. 안전과 엔진 효율은 계속 자동차 센서 분야의 주요 관심사가 될 것이다.