자동차 자체는 기계공학의 산물이므로 자동차는 ‘기계 기술의 꽃’으로 불린다. 그러나 자동차의 전자화 부품 비중이 확대되고 제조공정의 자동화 추세에 따라 기계와 전자기술이 결합된 메카트로닉스와 카 일렉트로닉스의 비중이 높아져 자동차공업이 기계공업의 전형이라는 종전의 개념이 바뀌고 있다.
오늘날 자동차는 배기가스 저감, 연비 향상 등의 요구에 의해 전자화가 진행되고 안전성, 쾌적성의 향상, ITS(Intelligent Transport Systems) 구현을 위한 통신 인프라와의 연계 등 다양한 전자기술의 연구개발과 그 기술 도입이 요구되고 있다. 일반적으로 고도의 기계는 제어기술에 의해 성능, 기능, 응답성 등이 비약적으로 높아지고 있다. 이러한 기계들은 상태 측정(감지), 연산/판단(중앙처리장치), 행동(액추에이터)으로 이루어진 시스템으로 구성돼 있고, 그 관문 역할을 하는 센서는 인간의 감각 기관과 마찬가지로 매우 중요한 디바이스로 자리매김하고 있다.
최근 자동차용 센서는 반도체 기술의 발전과 궤를 같이 하고 있다. 특히 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술의 발전과 깊은 관계가 있다.

자동차용 센서

자동차용 센서의 경우 가정용, 공업용, 항공기용과 달리 그 요구가 까다롭다. 이러한 요구를 만족시키는 센서 디바이스가 차량에 탑재되어 각종 역할을 담당하고 있다. 차량 탑재용 센서는 그 원리나 구조 면에서는 다른 센서와 그다지 큰 차이는 없지만 소형, 경량, 저가격, 그리고 매우 높은 신뢰성이 동시에 요구된다는 점에서 크게 다르다. 표 1은 다른 분야의 센서와 비교한 내용이다. 요구되는 정밀도는 평범하지만 동작 온도 범위가 넓고 이용되는 환경은 매우 열악하다. 그에 비해 가격 저감 요구가 높다. 또한 10~15년 이상의 내구성이 요구된다. 그러나 앞으로 생산 대수가 증가할 것으로 기대되며 우리 생활과 밀접한 곳에서 도움을 주는 디바이스이므로 연구개발의 대상으로서 가치가 높은 편이다.
자동차에 요구되는 성능 향상으로서 환경, 에너지, 안전, 쾌적, 정보통신 분야가 중요하다. 여기서 엔진, 트랜스미션, 새시, 안전장치, 환경인식, 정보통신이 중요한 측정 영역이다. 이러한 각 부위에서의 센서 측정 대상을 표 2에 정리한다.
자동차용 센서로서 다양한 검지 대상이 있다. 물리량과 화학량으로서 분류하면 온도, 압력, 위치, 각도, 속도, 각속도, 가속도, 힘/하중, 진동 등의 물리량 검지 대상이 가장 많고 엔진계, 구동계, 보디계의 제어에 이용되고 있다. 배기가스 개선에는 가스센서 등의 화학량 센서를 이용한다. 최근 안전성, 쾌적성 향상을 위해 전자파(빛, 전파), 음파, 자기 등을 이용한 센서의 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다. 특히 레이저 레이더, 마이크로파 레이저, 초음파 소너, 가시광 카메라, 적외선 카메라의 연구와 제품화가 진행되고 있다.
현재 차량 운동 제어에 있어서 최첨단 위치에 있는 도요타의 VDIM(Vehicle Dynamics Integrated Management)의 예를 그림 1에 제시한다. VDIM은 엔진, 브레이크, 스티어링 등 지금까지 독립적으로 존재해왔던 제어 시스템을 마치 하나의 시스템으로서 기능하는 것처럼 통합적으로 제어하고, 이상적인 운동 상태를 실현하려는 새로운 기술로 FR차에 채용되었다.
여기서 중요한 센서는 요레이트 센서(Yaw-rate Sensor), 가속도센서, 차륜속도센서, 조타각센서, 조타 토크 센서, 브레이크 페달 센서 등이다. 이러한 센서의 정보는 차량 LAN(Local Area Network)을 통해 통합된다. 이로써 발진 시, 선회 시, 정지 시, 주행 시의 각 차량 운동에 대응한 최적의 제어가 가능하다.

자동차용 센서와 MEMS 기술

자동차용 센서 가운데 특히 물리량 센서는 일찍이 엔진, 미션, 보디에 도입되어 왔기 때문에 그 개발 역사가 오래 되었다. 소형화, 경량화, 고성능화, 저가격화의 역사라고도 할 수 있다.
반도체 피에조 저항효과를 이용한 반도체 압력센서가 엔진 제어용으로서 실용화되고 있다. 이 반도체 피에조 저항효과는 1954년경 발견되어 1980년경 자동차용으로서 디바이스화된 것이다. 이 압력센서는 반도체 게이지를 얇은 다이어프램 형상으로 가공하기 위해 반도체 공정인 에칭 기술이 이용되었다. 등방성 에칭과 이방성 에칭을 조합하여 특별한 형상의 실리콘 다이어프램을 정밀하게 제작할 수 있었다. 이것이 MEMS 기술의 기초가 된 벌크 마이크로머시닝으로 발전하게 되었다.
이어 가속도센서가 등장했다. 가속도센서에 필요한 매스와 스프링 구조를 실리콘 벌크 마이크로머시닝으로 제작하고 반도체 피에조 저항효과를 이용하여 가속도에 의한 왜곡을 검지한다.
한편, 벌크형 반도체 압력센서는 구조가 간단하고 고온에서도 동작할 수 있기 때문에 엔진 연소를 직접 계측하는 연소압센서로 발전하였다.
반도체 압력센서는 IC 기술과 융합하여 집적화 마이크로머시닝 기술이 되어 센서 성능의 향상과 회로를 포함한 소형화가 실현되었다. 이 반도체 압력센서를 반도체 기판 표면에서 제작하기 위한 공정 기술과 재료 개발, 박막 형성 기술이 개발되어 표면 마이크로머시닝 기술로서 꽃을 피웠다. 표면 마이크로머시닝 재료로서 다결정 실리콘이 주목을 받으면서 그 제조 방법이나 가공 방법, 재료의 기계 특성을 제어하는 방법이 다수 제안되었다. 그 결과 표면형 반도체 가속도센서가 실현되었다. IC와 다른 센서 재료를 박막 형성 기술로 융합하여 실현한 것이 박막식 자기센서이다. 이것에는 자기저항식이 있다. 또한 최근 발견된 자기임피던스(Magneto Impedance, MI) 효과를 박막식으로 발현시키는 디바이스도 주목을 받고 있다.
다결정 실리콘의 기계적 특성은 제어가 매우 어렵고 광범위한 온도에서 동작하여 장기간에 걸친 안정된 동작을 실현하는 것은 곤란했다. 그래서 등장한 것이 SOI(Silicon on Insulator)형 센서이다. SOI는 반도체의 원재료인 실리콘 웨이퍼에 박막의 절연체인 산화막을 삽입하는 기술로 센서 동작에 이용되는 부분이 단결정 실리콘이기 때문에 우수하고 안정된 기계 특성과 전기 특성을 기대할 수 있다. 또한 SiO₂ 층은 얇고 양쪽이 동일한 실리콘 단결정이기 때문에 다결정 실리콘에서 문제가 되었던 내부 응력이 작기 때문에 온도나 경시 변화에 대한 안정성이 뛰어나다. 이 SOI 웨이퍼를 이용한 가속도센서가 실용화되고 있다.
최근에는 각속도센서도 등장했다. 이것은 회전 속도를 검지하는 센서로 항공기, 선박 등의 특수 용도로 사용되어 온 디바이스이다. 자동차용으로는 당초 금속진동자+압전소자로 이루어진 센서가 이용되어 왔다. 진동자를 수정으로 제작한 수정진동형 각속도센서(요레이트 센서)가 연구 개발되어 탑재되고 있다. 수정진동형 요레이트 센서는 수정을 벌크 마이크로머시닝으로 가공하여 제작한 것이다. 이 센서를 통해 차량 운동 제어가 크게 향상되었다.
요레이트 센서에 의한 차량 제어의 중요성이 인식되고 요구가 높아지자 반도체 실리콘으로 요레이트 센서를 실현하는 연구가 개시되었다. 이것은 SOI 구조로 이루어져 있으며 단결정 실리콘의 안정된 기계 특성이 발휘된다. 이것들은 SOI 마이크로머시닝 기술을 토대로 연구 개발이 이루어지고 있다.
지금까지의 흐름을 보면, 다음 세대의 요구를 자연스럽게 도출해 낼 수 있다. 그것은 입체 구조의 마이크로머시닝이다. SOI 마이크로머시닝에 의해 기존에 비해 높은 방향으로 다소 진보되고 있는 것처럼 보이지만, 전체 형상을 고려하면 2차원 평면에서 센서 디바이스가 만들어지고 있는 상황이다. 따라서 이것들은 3차원 입체 구조로 진화될 것으로 예상된다.

각종 차량용 센서

가스센서는 배기가스 규제가 강화되는 가운데 주목받고 있는 화학 센서이다. 엔진 속에서 연료를 효율적으로 연소시키고 촉매로 배기가스를 정화하기 위해서는 연료와 산소의 비율을 제어할 필요가 있다. 여기서 필요한 센서가 산소센서이다. 일반적으로 지르코늄이나 티타늄과 같은 세라믹으로 만들어진다. 지르코늄은 고온(배기가스 온도 정도)에서 동작하는 산소 이온 전도성을 가진 고체 전해질이다. 따라서 지르코늄의 양면에 형성된 전극에 산소 이온 농도에 반영되는 전압 혹은 저항치가 변화하여 산소 농도를 측정할 수 있다. 이 산소센서를 이용한 배기가스 정화 시스템은 높은 효과를 가지며 지구의 대기오염 방지에도 큰 역할을 담당하고 있다. 이 가스센서는 고온에서 동작하기 때문에 소형화가 어렵다. 한편으로는 질소산화물, 탄화수소, 수소 등의 새로운 가스센서도 요구되고 있다. 다이어프램형 반도체식 압력센서의 경우 압력을 받아 변형되는 다이어프램은 벌크 마이크로머시닝으로 만들어진다. 실리콘 단결정 웨이퍼의 뒷면에서 이방성 에칭을 함으로써 매우 얇은 다이어프램을 안정적으로 양산할 수 있다. 이 예에서는 다이어프램 두께가 20μm이다. 다이어프램 표면에는 미리 pn 확산에 의해 반도체 왜곡 게이지가 형성되어 있으며 다이어프램의 왜곡에 대응하여 각 소자의 저항치가 변화한다. 이 센서 칩에는 IC가 내장되어 있으며 브리지 회로에 의한 저항 변화를 전압이나 주파수의 변화로서 출력한다.
이러한 반도체식 압력센서는 엔진 흡기압을 검지하고 엔진 연소의 효율화, 정화에 기여하고 있다. 또한 각종 유압이나 에어컨의 컴프레서 압력 측정 등에도 이용되고 있다. 최근에는 안전성 향상을 위해 타이어 공기압 측정이 요구되고 있어 타이어에 직접 압력센서를 설치하는 등의 연구 개발이 진행되고 있다.
연소압센서는 엔진의 연소 상태를 직접 측정하여 제어하기 위한 디바이스이다. 이 센서 소자는 실리콘 단결정의 작은 조각에 전극을 형성하여 응력을 균등하게 인가하기 위한 세라믹 대와 금속 반구로 이루어져 있다. 센서는 엔진 헤드에 부착되어 연소실에 직접 설치된다. 엔진 실린더 내의 압력은 금속 다이어프램에 의해 힘으로 변환되어 세라믹 로드를 통해 힘 검지 소자로 인가된다. 실리콘 단결정의 작은 조각은 효율적인 피에조 저항효과를 나타내기 위해 면방위로 선정되어 있기 때문에 연소압에 비례한 전압이 전극에서 나오게 된다. 이 센서는 간단한 구조이기 때문에 고온, 고압에서도 안정적으로 동작해 자동차용으로서 내구성이나 신뢰성을 갖추고 있다. 이 센서는 1993년에 희박 연소 엔진과 함께 제품화되어 연비가 좋고 배기가스가 깨끗한 엔진 시스템으로서 실용화되었다.
가속도센서의 경우 자동차용으로 사용되고 있는 주요 방식은 매스가 스프링으로 지지된 구조이다. 가속도에 의한 매스의 변위를 피에조 저항효과 혹은 정전용량 효과로 검지하는 경우가 많다. 이것들은 벌크 머시닝 혹은 표면 마이크로머시닝에 의해 제작된다. 최근 SOI 구조의 가속도센서가 등장하여 소형화, 고정밀화가 진행되고 있다. 이것들은 다시 검지 축의 다축화 방향으로 진화하고 있다.
자기센서의 경우 자동차용으로 사용되고 있는 주요 방식은 자석과 코일에 의한 픽업식이다. 차륜 속도센서는 자성 기어와 자기 픽업으로 구성되어 있다. 엔진의 크랭크 각도나 엔진 밸브의 각도 검출도 이 방식이다. 단순하고 신뢰성이 높아 바퀴 주변장치, 엔진 등의 매우 까다로운 환경에서 내구성이 뛰어나다.
홀센서도 사용되고 있다. 홀센서와 자석을 잘 배치하여 시트나 도어미러의 각도, 위치를 검지하고 있다. 미션 등의 고속 회전부에는 자기저항소자형 자기센서가 사용되고 있다.
자기센서가 사용되는 예로 자동차의 안전성을 높일 수 있는 ABS가 있다. ABS와 마찬가지로 차륜의 회전 속도를 검출해서 미끄럼 시에 브레이크는 물론 엔진 출력도 억제하는 TRC(Traction Control System)나 펑크 사고를 방지하는 TPMS 등도 있다.
최근 주목받고 있는 센서 중에는 MI 효과를 이용한 자기센서가 있다. MI 현상은 아몰퍼스 와이어에서 발견되었지만, 박막 구조에서 이 현상을 발현시키는 데도 성공했다. 유리기판 위에 아몰퍼스 박막, 도체 박막 라인, 아몰퍼스 박막이 형성되어 있다. 고주파 전압을 소자에 인가하면 외부 자장에 대해 400% 정도의 매우 큰 임피던스 변화가 얻어진다.
진동형 각속도센서를 수정진동자로 실현한 것이 수정진동식 요레이트 센서이다. 수정은 시계의 진동자로서 이용되고 있으며 안정성, 신뢰성이 높다고 알려져 있다. 한편, 수정 웨이퍼는 단결정이기 때문에 마이크로머시닝용 웨이퍼로서 적합하다. 또한 기계적 특성이 매우 뛰어나다. 이 센서는 벌크 마이크로머시닝에 의해 제작되고 있다. 이 수정진동식 요레이트 센서는 1998년부터 차량에 탑재되어 차체 안정성 제어(Vehicle Stability Control, VSC)를 실현하는 핵심 디바이스로 자리를 잡았다. 또한 소형 각속도센서를 실현하기 위해 SOI 구조에 착안한 새로운 요레이트 센서의 구조가 연구되고 있다. 이것이 SOI형 요레이트 센서이다. 이 센서는 반도체식이므로 양산에 적합하다. 반도체식 요레이트 센서는 2003년부터 차량에 탑재되기 시작했다.
자동차에서 센서는 제어의 핵심 디바이스이므로, 안전하고 고품질의 자동차를 실현하기 위해서는 보통의 디바이스보다 더욱 엄격한 내환경성, 장기신뢰성, 저가격 등이 요구된다. 그러나 자동차용 센서는 차량에 탑재되어 지구환경과 에너지, 안전에 크게 기여하므로 지속적인 연구개발이 대단히 중요하다.