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가속도센서
가속도센서(acceleration sensor)는 물체의 속도의 변화(가속도)나 운동량의 변화(충격량) 등을 측정하는 센서의 총칭이다. 가장 많이 활용되는 분야는 가로모드, 세로모드 화면 회전이다. 물체의 운동 상태를 상세하게 감지할 수 있기 때문에 자동화 공장의 로봇이나 자동차나 기차, 선박 등의 운송수단에 필수적으로 사용되며 그 활용도 또한 높다. 통신기기 등에 내장하는 가속도센서는 해마다 얇아지며 소형화되는 추세이다.
가장 간단한 형태의 가속도 센서는 가속도를 갖는 질량이 힘을 발생하는 것을 이용하여 용수철 등의 탄성력으로 힘의 크기를 측정하는 장치이며, 전자식(電磁式) 가속도 센서는 자석과 코일의 기전력(起電力)의 변화로 가속도를 측정하는 방식이다. 이 외에도 압전식, 관성식, 진자형, 진동형, 자이로식 등의 다양한 원리의 가속도 센서가 있으며, 지진의 세기를 측정하는 진도계나 중력 가속도를 이용하여 경사의 기울기를 측정하는 경사계 등도 가속도 센서에 해당한다. 최근에는 지속적인 소형화를 통하여 통신기기 등에도 가속도 센서를 내장하고 있다.
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개요
가속도센서란 지구의 중력가속도를 기준으로 사물이 얼마만큼의 힘을 받고 있는지를 측정하는 센서이다. 즉. 가만히 있을 때 센서에 작용하는 중력 가속도를 X, Y, Z 축으로 벡터 3개로 나누어 크기를 측정. 시간이 지나도 오차에 강함. 가속도센서의 값들은 정지된 상태에서도 특정한 값을 갖기 때문에 기울어진 정도를 파악하거나 진동을 파악하는데 많이 사용된다.
가속도 센서에서 측정되는 X,Y,Z값의 벡터합으로 중력가속도를 나타낼 수 있다. 중력가속도는 X, Y, Z축의 벡터합으로 나타낼 수 있다. 가속도 센서는 바로 이런 분할된 벡터값들을 측정한다. 다시 정리하자면, 중력가속도를 X, Y, Z축으로 성분 분해하여 각 축의 크기를 표시해내는 것. 하지만 지표면에 수직인 면에 대해 회전하는 각(방위각)은 측정할 수 없는 단점이 있다.
è 빨간색 중력가속도는 X,Y,Z 벡터의 합으로 나타낼 수 있다. 이 때의 X, Y, Z 벡터가 가속도 센서의 OUTPUT이 되는 것이다. 이 X, Y, Z 세 개의 벡터를 가지고 각각을 축으로 한 오일러 각을 구할 수 있다. 오일러 각이란 특별한 3축에 대한 회전각으로 정의.
- roll: x축에 대한 회전 φ
- pitch: y축에 대한 회전 θ
- yaw: z축에 대한 회전
3축 가속도 센서를 x축을 중심으로 기울여, 바닥과 이루는 θ각을 측정하기 위해, y와 z 벡터값을 tan 적용하였다. Arctan를 이용하여 θ값을 쉽게 구할 수 있다.
이러한 원리를 적용하면
- roll = arctan(y/z)
- pitch = arctan(x/z)
이런 식이다. 그러나 yaw는 구할 수 없다. 왜냐하면 중력가속도 방향과 일치하는 z축에 대한 회전은 감지할 수 없기 때문이다. z축에 대한 회전을 구하기 위해서는 자이로 센서 값이나 자기장 센서 값이 추가로 필요하다.
이 원리를 3차원 좌표계에 적용시켜 보면
가속도 센서는 시간이 지나도 오차에 강한 특징을 가지고 있다. 구할 수 없는 Yaw 값을 자이로 센서로 보충할 수 있다.
위치 추정에서 방위각인 Yaw각을 알 수 없으면 '위치'가 아닌 '이동거리'만을 측정하는 것과 다를 바 없다. 위치 측정에서는 얼마만큼을 이동했느냐도 중요하지만 어느 방향으로 이동했느냐도 필수적인 요인이다.
단위
가속도란 단위 시간 당 속도를 뜻하며, 그 가속도를 측정하는 IC가 가속도 센서이다. 가속도를 측정함으로써, 물체의 기울기나 진동 등의 정보를 계측할 수 있다. 가속도의 단위는 m/s²(국제 단위계 SI)가 사용된다. 또한, 단위 G는 표준 중력(1G = 9.806 65m/s²)를 기준으로 한 가속도 값이다.
그 외에도 지진 진동의 가속도에 사용되는 단위로서 Gal(CGS 단위계)도 있다.
동작 원리 및 분류
기계식 원리
디바이스 자체의 움직임을 감지하는 대표적인 것이 중력센서 또는 가속도센서이다. 중력이 영어로 gravity라고 해서 줄여서 지센서(G sensor)라고도 한다. 속이 빈 공간에 작은 쇠구슬이 들어 있다고 하면, 공 안쪽 면에는 전기신호발생 장치가 촘촘히 붙어 있어 쇠구슬이 닿을 때마다 신호가 발생한다. 각각의 신호발생장치는 서로 다른 전압을 발생시키기 때문에 위치를 구분할 수가 있다. 쇠구슬은 중력에 의해 항상 아래쪽에 위치하므로 발생되는 전압을 측정하면 공의 어느 면이 아래쪽을 향하고 있는지 알 수가 있다. 이런 지센서를 사용하면 스마트폰이 가로방향인지 세로방향인 인식하여 화면 방향을 보정해 주는 용도로 사용할 수 있다. 따라서 지센서는 중력의 방향을 감지할 뿐만 아니라 가속도를 측정하는 용도로도 사용된다. 2000년대 일본의 소니는 드디스크가 내장된 MP3를 출시하면서 충격방지 및 데이터 보호를 위해 지센서를 탑재하였다. 사람이 실수로 MP3를 땅에 떨어뜨렸을 때 MP3는 일종의 가속도 운동을 하게 된다. 지센서는 이를 감지해서 하드디스크 내부의 헤드를 안전한 위치로 옮겨주어, 땅에 떨어진 충격에 의해 하드디스크에 있는 데이터가 손상되는 것을 막게 해 주는 용도로 적용되었다. 지센서로 가속도 측정이 가능하지만 MEMS 기술의 발전으로 3축 가속도센서가 나오면서 부터 가속도센서와 지센서의 구분은 큰 의미가 없어졌다. 3축 가속도센서는 지센서 역할도 겸하기 때문에 최근 스마트폰에는 지센서 대신에 가속도센서와 자이로스코프센서가 그 역할을 대신하고 있다. 이러한 가속도센서는 단위 시간당 스마트폰의 직선 움직임을 알아낼 수 있으며, x, y, z 3축에 대한 가속도 감지가 가능하여 방향에 따라 가로모드와 세로모드로 화면이 바뀌거나 스마트폰을 뒤집으면 에티켓 모드로 변경되는 등 다양하게 활용되고 있다.
가속도는 뉴톤의 제2운동법칙에 따라 물체의 움직임 특성을 나타내는 물리적인 항목이다. 정지해 있는 물체는 힘이 필요하지 않지만, 물체의 위치가 바뀌는 것은 물체의 속도가 변하는 것이고, 일정한 속도로 계속해서 움직이면 역시 힘이 필요하지 않는다. 그러나 위치와 속도가 시간에 따라 변하게 되면 물체에는 힘이 작용을 한다. 속도는 위치의 일차미분 형태이고, 가속도는 속도의 일차미분 형태이다. 이것이 뉴톤의 제2운동법칙이다. 실제적으로 잡음이 많은 시스템에서 미분을 취한다는 것은 큰 오차를 낼 수 있기 때문에, 속도와 가속도를 위치 센서로부터 구하지는 않고, 오히려 이에 맞는 특수한 용도의 센서를 사용한다. 만약 낮은 주파수 응용(10㎐ 이하)에서는 위치와 변위로부터 속도와 가속도를 비교적 정확하게 유도할 수 있으나, 중간 주파수 응용(1㎑ 이하)에서는 속도를 측정을 해야 하며, 높은 주파수 응용에서는 가속도를 측정하는 것이 정확하다. 속도는 선속도와 각속도로 구분되는데, 선속도는 일직선상으로 물체가 얼마나 빨리 움직이는가 하는 정도이며, 각속도는 얼마나 빨리 회전을 하느냐 하는 것이다. 움직이는 차량의 위치를 GPS를 이용해서 주기적으로 측정하여 속도를 계산하는 것은 오차가 거의 없다. 그러나 GPS를 적용할 수 없는 매우 작은 물체 또는 짧은 거리를 움직이는 경우에는 속도를 직접 측정을 해야 한다. 이것은 표준 대상물에 대하여 물체의 변위를 측정하여 속도를 유추하는 방식이다. 속도 측정에 있어 변위는 매우 중요한 물리적인 항목이다. 그러나 속도 센서와 가속도 센서는 물체의 움직임을 직접 전기적인 신호로 출력을 하기 때문에 계산 중간에 위치로 환산하는 경우는 없다. 예를 들면, 코일로 만든 전선 내부로 자석이 움직인다고 하면, Faraday 법칙에 의해 코일에 유도전압이 발생하게 된다. 이 전압은 자석의 속도와 자기장에 비례하는 값으로 나오기 때문에 속도를 직접 측정할 수 있다.
대표적인 전자석 속도센서는 아래 그림과 같다. 좌측의 경우는 파란색 단자를 검은색 단자로 연결하고, 초록색 단자를 빨간색 단자로 연결하여 유도코일의 상하를 병렬연결한 경우이다. 이런 연결은 민감도가 반으로 줄어들지만 고속으로 움직이는 분야에 적합하며, 낮은 입력 임피던스를 갖는 전기회로에 적합하며, 보다 높은 주파수 반응에 적합한 방식이다. 우측의 경우는 파란색과 초록색 단자를 서로 연결하여 직렬로 연결한 방식이다. 이것은 민감도를 최대로 할 수 있으며, 잡음을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 이러한 속도센서는 선형위치센서(LVDT, linear variable differential transformer)와 유사한 형태를 가지고 있다. LVDT는 움직이는 강자성체로 감지하는 능동센서인 반면, 속도센서는 움직이는 영구자석으로 감지하는 수동센서이다. 즉, 속도센서는 외부에서 신호를 인가할 필요없이 전류가 스스로 유기되는 방식이다.
가속도계의 물리적인 기본 개념은 스프링에 매달려 있는 질량의 움직임과 같다. 선형적인 움직임의 경우, 두 가지 중요한 물리적인 개념이 포함되어 있는데, 하나는 스프링의 움직임에 대한 Hooke의 법칙인 F = kX 을 따른다는 점과 나머지 하나는 뉴톤의 제2운동법칙인 F = MA 를 따른다는 점이다. 아래 그림은 임의의 질량이 스프링에 연결되어 있는 시스템이다. 만약 이 시스템이 선형적인 가속도를 받게 되면, 뉴톤의 제2운동법칙에 의해 MA 만큼의 힘이 가해지게 될 것이다. 가속도계의 기본 시스템은 이와 같이 움직이는 질량(다른 표현으로 검증질량이라고 함)을 이용해서 가속도 방향으로 움직이게 한 후, 이로 인해 생긴 변위로부터 가속도를 유추한다. 가속도계에서 공통적인 요소는 검증질량을 사용한다는 점이고, 다른 점은 변위를 어떻게 측정하느냐에 따라 다양한 가속도계가 사용된다. 가속도센서에는 정전용량형(capacitive), 열형(thermal), 압전형(piezoelectric), 압전저항형(piezoresistive) 등이 있다.
- 정전용량형(capacitive) : 이런 원리를 응용한 가장 간단한 형태인 정전용량형 가속도센서는 아래 그림과 같이 스프링 대신에 지지대에 연결된 연결선에 검증질량이 위치해 있고, 가속도방향으로 검증질량이 움직이게 되면 고정된 외부전극 사이의 놓인 검증질량의 전극위치가 변하게 되어 그 변화량으로부터 가속도를 알 수 있다. 정지해 있는 상태에서는 전극부의 정전용량에는 변화가 없으나, 가속도를 받아 움직이게 되면 전극부 사이의 간격이 변화하며, 이로 인해 정전용량이 변화하여 가속도를 인식하게 되는 원리이다.
- 열형(thermal) : 열형 가속도센서는 가속도에 반응하는 매질을 검증질량 대신에 히터판을 사용하는 방식, 가스를 사용하는 방식 등이 있다. 히터판을 사용하는 방식은 검증질량과 동일한 개념인데, 아래 그림과 같이 가속도 방향으로 움직이는 히터판의 온도를 측정하여 가속도를 계산하는 방식이다. 이러한 구조는 MEMS 기술을 이용하여 캔티레버 구조로 아주 작게 제작할 수 있다.
온도를 측정하기 위한 열전대 방식의 온도센서를 같이 제작하고, 열전대에서 측정된 온도로부터 가속도를 환산하는 방식이다. 이 방식의 민감도는 가속도 1g당 출력신호가 약 1% 정도 변하는데, 이 값은 앞서의 정전용량 방식이나 압전체 방식에 비해 우수하다. 그러나 사용하는 주위 온도 또는 전자기장에 의한 잡음 등에 취약한 단점이 있다. 가스를 사용하는 방식은 가속도 방향으로 가열된 가스가 가속도 방향으로 움직이면서 생기는 온도차이를 이용해서 가속도를 측정하는 방식으로 동작원리는 아래 그림과 같다. 가스를 검증질량 대신 사용하는 가장 큰 장점은 50,000g에 해당하는 충격에도 견디는 가장 큰 장점이 있다. 가슬 담을 수 있는 내부에 공동(cavity)가 있으며, 이 공간에는 가스로 충전되어 있다. 중간에 히터가 있으며 동일한 간격으로 설치된 온도센서로부터 가스의 온도를 실시간 측정하여 움직임을 감지하는 원리이다.
- 압전형(piezoelectric) : 압전체는 결정에 압력을 가하면 결정 내부의 분극이 변하여 전기를 생성시키는 재료이다. 압전체의 응용분야는 청각센서의 마이크로폰, 소나 등에도 사용되며, 이 뿐만 아니라 가속도를 측정하는 용도로도 사용된다. 이 센서는 2㎐ ~ 5㎑ 정도의 낮은 주파수 대역에서 사용이 가능하며, 가속도에 대한 선형성이 우수하며, 동작 온도범위가 120℃까지 사용할 수 있을 정도로 비교적 넓다. 압전형 가속도센서의 동작원리는 아래 그림과 같다. 압전체로는 예전에 수정 단결정을 많이 사용하였으나, 최근에는 BaTiO3, PZT 등의 세라믹 압전재료를 많이 사용한다. 압전체는 케이스 부분과 검증질량 사이에 샌드위치 형태로 고정시킨 후, 검증질량이 가속방향으로 움직이면 압전체에 수직으로 힘이 가하게 되어 압전체의 신호출력에서 가속도 정보를 얻게 되는 원리이다. 최근 MEMS 기술의 발전으로 이러한 구조가 Si 구조에서도 구현되고 있다. Si 자체에는 압전효과가 없으므로 Si 캔티레버에 압전재료를 박막코팅하여 제작한다.
- 압전저항형(piezoresistive) : 압전저항형 가속도센서에서 압전저항이란 금속 또는 반도체 결정에 외력을 가하면 결정의 저항비가 변하는 현상을 말한다. 이런 원리를 이용해서 스트레인 게이지 측정용에 응용되고 있다. 압전저항형 가속도계는 1979년 Roylance와 Angell에 의해 제안된 방법이다. 초기에 심장벽의 가속 현상을 측정하기 위한 의학용으로 사용되었다. 센서를 소형화할 수 있고 매우 폭 넓은 주파수 영역(DC ~ 13㎑)에서 사용할 수 있으며, 0.01g 정도의 정밀도로 측정이 가능하며, 약 10,000g 정도의 충격에도 견딜 수 있다. 비록 압전저항형의 제작비용이 다소 높지만, 좋은 특성을 얻기 위해 압전저항형 가속도센서에 대해 많은 연구가 이루어지고 있으며, 그 동작원리는 아래 그림과 같다. 제작비용만 낮출 수 있다면 향후 정전용량형 가속도센서를 대신할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
반도체식 원리
물체에 가해지는 가속도의 크기를 출력하는 것으로 축, 2축, 3축 등 축수에 의해서 타입이 나뉘어지며, 검지될 수 있는 범위가 3축 가속도 센서 에서는 x,y,z축 3축 방향의 3차원 공간에서 가속도를 측정할 수 있다. 즉 중력가속도를 기준으로 기울어진 각도와 각 방향의 가속도로부터 물체의 움직임을 검출할 수 있다. 스마트폰의 경사도를 검출하는 것에는 3축 센서가 이용된다.
- MEMS 가속도센서
MEMS 가속도센서에 가장 앞선 기술을 가진 회사가 미국의 ST 마이크로일렉트로닉스라는 회사인데, 이 회사에서 제작한 3축 가속도센서의 내부 구조는 아래 그림과 같다. 빗살무늬들이 가속도에 의해 미세하게 움직이게 되는데, 움직인 변위만큼 정전용량이 변하게 되어 가속도를 측정할 수 있다. 이러한 빗살무늬를 한 평면에 서로 직각으로 위치하게 하면 x축과 y축의 가속도를 측정할 수 있고, 공간적으로 세워 놓게 되면 z축 방향의 가속도를 측정할 수 있다. 미국의 ST Microelectronics사(줄여서 STM)에서 3축의 가속도를 동시에 측정할 수 있는 가속도센서를 애플사의 아이폰4에 처음으로 적용하였는데, 센서가 패키지 된 그 크기가 4㎜×4㎜에 불과할 정도로 매우 작았다. 정전용량형 가속도센서는 제작단가가 저렴하여 상업적으로 많이 활용되고 있지만, 노이즈 특성과 주파수 응답특성이 압저항형 보다 좋지 않다는 것이 알려졌다.
동영상
참고자료
- 〈가속도센서제목〉, 《두산백과》
- 〈가속도 센서(acceleration sensor)〉, 《사이언스올》
- 센서로세계로미래로, 〈가속도 센서〉, 《네이버 블로그》, 2019-08-22
- 〈가속도 센서〉, 《로옴 주식회사》
- 〈가속도센서의 원리 각도 검출방법(중력가속도센서, 자이로센서)〉, 《티스토리》, 2020-01-06
- 뜌띠, 〈자이로 센서, 가속도 센서의 원리〉, 《네이버 블로그》, 2016-05-08
- 인아그룹, 〈가속도 센서란?〉, 《네이버 블로그》, 2020-03-10
같이 보기
