기계공학을 기반으로 한 자동차 기술에 전자기술과 소프트웨어 기술이 부가되면서 차량 사고 및 이로 인한 손실의 감소, 차량에 의한 환경오염 감소, 그리고 연비 향상 등이 이루어져 온 것은 분명하다. 이러한 동작 메커니즘의 상당 부분은 각종 신호들이 센서를 통하여 감지되면서 시작되고, 특히 물리적인 신호와 직결되는 MEMS (Microelectromechanical Systems) 센서의 기여도는 보다 명확해지고 있다.

자동차의 전자화

운송이라는 기본 기능 외에 안락, 안전, 정보 습득, 주변 환경과의 통신 등 자동차에 요구되는 기능이 증대하면서 기계공학만이 갖는 한계가 전자공학과 IT 기술로 극복되고 있다(그림 1 참조). 자동차의 기능 증가는 전자화 및 소프트웨어 기술의 접목과 함께 지수적으로 증가하고 있다. 따라서 현재와 미래의 자동차는 기계공학-전자공학-IT 공학의 집합체임은 당연하다.
자동차의 기계적인 기능에 센서에 의한 고정밀 계측, 전자적인 제어 기능 그리고 IT 기능이 접목되면서 자동차는 안전, 환경, 경제적인 면에서 급격한 진보를 이루고 있다(그림 2 참조). 즉, 1970년 대비 자동차 대수, 교통사고는 각각 3배와 1.5배 이상 증가했지만, 부상자와 사망자 수는 오히려 감소하고 있다. 이는 시트벨트 시스템, ABS(Anti-lock Braking System), 에어백, ESP짋(Electronic Stability Program)주 1) 등과 같은 안전 시스템의 도입에 의한 것으로 볼 수 있다. 또한 자동차로부터 미세 먼지, 탄화수소, 산화질소, 일산화탄소 등의 오염도도 센서를 바탕으로 한 정화 및 제어 시스템에 의해 급격히 줄어들고 있다. 이와 함께 연비 향상에 따른 경제적인 효과도 큰 발전을 이루고 있으며, 이는 모두 자동차의 전자화, 지능화가 가져온 혜택이다.
앞으로도 자동차의 전자화가 진전됨에 따라 다양한 기능이 개발될 것이다. 따라서 시스템의 다양화를 통한 안전, 안락 기능, 특히 ABS, ESP, EPS(Electric Power Steering)를 통한 안전 기능의 강화, 차량 내 각종 시스템 간의 네트워킹, 전자장치의 수와 종류가 증가하면서 겪게 되는 전자파간섭(EMI)과 정전기방전(ESD)에 대한 내구성, 차량과 차량 또는 차량과 도로 간 통신, 충돌 회피 기능, 기능의 향상과는 별도로 요구되는 가격 절감에 대한 요구 등이 중요한 요소가 되고 있다. 이와 함께 안전, 환경과 관련된 각종 의무사항도 자동차의 전자화를 더욱 가속화하고 있다. 일례로 미국 고속도로교통안전위원회(NHTSA)가 제정한 차량 자세 제어(Electric Stability Control, ESC)의 적용 의무화 등이 이에 해당한다.  궁극적으로는 안전성이 강화된 지능형 자동차의 완성이 목표이며, 이를 위해 능동안전 기능, 수동안전 기능, 통신 기능, 그리고 운전자 보조 기능과 관련된 연구개발의 집약이 필요하다(그림 3 참조).

안전성 강화를 위한 ‘센서’

능동 및 수동 안전 기능의 강화에는 대표적으로 다음과 같은 기능들이 요구된다. 충돌 경고 및 대비, 충돌 전 자동 브레이킹, 차선 이탈 경고, 자동주차, 전복 방지 및 완화, 적응 주행, 측면 충돌 대비, ESC, 시트벨트의 자동 조절 등이 이에 해당한다. 이를 위해 환경 센서, 전동 브레이크, 데이터 송신기, 도어 및 선루프 관리 장치, 시트벨트 제어 장치, 속도/가속도/각속도 센서 시스템, 에어백 제어 장치, 카메라 모듈, 텔레매틱스 모듈 등과 같은 다양한 센서 및 관련 시스템들이 준비돼야 한다(그림 4 참조).
자동차용 센서는 적용 분야별로 볼 때 엔진용, 차량 제어용, 충돌 회피용, 안전용, 승객의 안락/편이용 등으로 구분되며, 감지 대상별로는 기계량 센서, 화학 센서, 전자기 센서, 온도 센서, 광/적외선 및 방사 센서 등 감지 영역과 범위가 다양하다(그림 5 참조). 이들 중에서 안전성 강화와 직결된 센서는 압력 센서와 관성 센서류, 즉 가속도 및 각속도 센서이며 대부분 MEMS 기술에 의해 제작되는 MEMS 센서이다.
MEMS 센서의 동작 원리

MEMS 센서의 대표적인 특징으로는 집적화/지능화-소형화-저가격화를 들 수 있다. 이러한 특징을 바탕으로 압력 센서를 필두로 하여 1960년대부터 개발되기 시작했다. 1990년대 초반에는 압력 센서가 상용화되었고 1990년대 후반과 2000년대 초반에는 각각 가속도 센서와 각속도 센서가 상용화되었다(그림 6 참조). 종래의 기계적인 센서로부터 소형화된 MEMS 센서로 발전하면서 기능은 추가되고 소비전력과 가격은 감소하는 효과를 보이고 있다. 이러한 MEMS 센서는 신호처리용 ASIC과 함께 패키징된 마이크로시스템 수준으로 자동차의 각 요소에 적용되고 있다.
자동차용 기계량(관성) 센서의 센싱 축은 전진 및 후진 방향(X축), 좌우 방향(Y축), 상하 방향(Z축), 수평 회전 방향, X축을 중심으로 한 전복 회전 방향, 그리고 Y축을 중심으로 한 전복 회전 방향으로 구분할 수 있다(그림 7 참조). 따라서, 총 여섯 종류의 축을 중심으로 한 직선 운동 및 회전 운동을 감지하기 위한 여섯 종류의 센서가 있으며, 이들은 각각 충돌 감지 시스템, 전자 안정성 제어, 내비게이션/운전자 정보 시스템, 바디/새시 제어 시스템, 그리고 적응 순항 제어 등과 관련된 기타 시스템 등에 적절한 조합을 이루면서 설치된다(그림 8 참조).
압력 센서는 MEMS 센서로서 가장 먼저 연구되고 상용화된 소자이다. 이는 실리콘의 압저항 특성을 이용하는 압저항형과 평행판 커패시터의 전극 간 거리 변화를 이용하는 용량형이 있으며, 두 경우 모두 실리콘의 결정 의존성 식각, 몸체 미세 가공으로 제작된 두께 20 μm 이하의 다이아프램을 이용한다(그림 9 참조). 센서와 함께 신호처리 회로가 집적화된 경우도 있으며, 센서 칩은 압력 인가 홀이 가공된 파이렉스 유리와 정전 열 접합되어 실장되고, 와이어 본딩 후 금속 뚜껑을 덮거나 플라스틱 패키지로 몰딩 된다.
압력 센서는 TPMS, 엔진 압력, 충돌 감지 등에 사용되며, 특히 노면 상태 등의 변화에 따른 타이어의 압력을 실시간으로 측정해 조절하는 TPMS 기능이 최근 강조되고 있다. TPMS는 자동차의 최적 주행과 안전성, 연비 절감을 위해 중요한 역할을 한다.
관성 센서에 해당하는 가속도 및 각속도 센서는 자동차의 속도 변화, 충돌, 회전, 전복 등을 감지한다(그림 10 참조). 일례로 차량의 전복을 감지하기 위해서는 각속도계와 가속도계의 신호가 함께 감지됨으로써 시스템의 알고리즘이 매 순간마다 각속도 ωX 뿐만 아니라 차량과 Z축 간의 각도도 결정한다. 이를 통하여 전복 센싱 알고리즘은 에어백이나 벨트 조절기가 동작해야 하는 정확한 시점을 결정하게 된다.
가속도 센서는 움직이는 구조물을 평행판 커패시터의 한 쪽 전극으로 하여 동작하는데, 속도 변화에 따른 커패시터의 전극 간 거리 변화나 겹쳐지는 전극 면적의 변화에 따라 정전용량이 바뀌는 특성을 이용한다(그림 11 참조). 일례로, 빗살형 구조물(Comb actuator) 형태의 전극이 평행판 커패시터를 이루고 있고, 가속이 발생하면 유동성이 있는 전극 부분이 움직여 정전용량의 차이를 유도하며, 이 값은 신호처리 회로에 의하여 전압이나 혹은 주파수의 변화로 얻어지기도 한다. 즉, ‘속도 변화 → 정전용량 변화 → 전압(혹은 주파수) 변화’ 과정을 거쳐 동작한다. 따라서 가속도계 내에서는 가속도 센서 칩과 함께 신호처리용 ASIC이 내장돼 있다. 각속도 센서의 경우, 액추에이터가 회전축을 중심으로 움직이는 것을 제외하고는 가속도 센서와 동작원리가 유사하다(그림 12 참조).
일례로, ST마이크로일렉트로닉스의 자동차용 3축 가속도계(모델명: AIS326DQ)는 도난 방지 및 경보, 관성 내비게이션, 움직임 기반 기능, 진동 계측 및 보상, 그리고 차량용 블랙박스 기록계 등에 적용할 수 있다(그림 13 참조). 규격을 살펴보면 3축 측정 가능, 2.0 V ~ 3.6 V의 동작전압, ±2 g / ±4 g / ±8 g의 동작 영역 선택, 10 Hz ODR에서 10 μA의 소비전류, 0.2 mg/℃ 이하의 오프셋 드리프트, 12 비트의 데이터 정확도, 28핀 QFPN의 4 mm×4 mm 패키지 등이 해당한다.