글│박정호, 권성도, 박영욱, 이의복
      고려대학교 전자전기 공학과
      주병권 교수
      고려대학교 전기·전자·전파 공학부

자동차 센서 개요

전자제어장치 및 시스템
자동차의 전자제어 시스템 중 에어백 시스템(Air-bag System), ABS(Anti-lock Brake System), 전자제어 엔진 시스템, 전자제어 스티어링 시스템 등은 중형 차종뿐만 아니라 소형 차종에서도 점차 기본사양이 되고 있다. 이 밖에도 관성항법 시스템(Navigation System), 전자제어 서스펜션 시스템(Electronic Control Suspension System), 차체 거동 제어 시스템(Vehicle Dynamic Control System), 충돌 방지 시스템(Collision Avoidance System), 화상정보 시스템, TCS(Traction Control System) 등이 개발돼 고급 차량을 시작으로 승용차에 적용되고 있다. 특히 2004년 세계 최초로 토요타의 프리어스(Toyota Prius)에 적용된 자동 후진주차 시스템 발표 이후, 최고급형 차량에는 자동 주차 기능이 탑재되고 있으며 최근 발표된 폭스바겐 티구안(Tiguan)의 경우 자동 평행주차 기능을 갖추었다.

자동차용 센서의 용도
자동차는 크게 4가지의 구성부를 가지고 있다. 엔진-트랜스미션으로 구성된 파워트레인, 브레이크-서스펜션-스티어링 장치로 구성된 새시(Chassis), 차량의 몸체에 해당하는 바디, 정보처리를 위한 정보통신부가 그것이다. 표 1은 파워트레인 제어, 새시 제어, 바디 제어, 정보통신 제어의 4가지 구성부에 대한 제어 시스템에 사용되고 있는 대표적인 자동차용 센서를 기능별로 분류해 놓은 것이다.

세부 적용분야
자동차에는 반도체 집적기술과 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) 기술의 발전을 기반으로 안전성과 편의성, 환경오염 완화 등에 대한 새로운 요구사항을 만족시키기 위한 소형의 고 정밀 센서 개발이 이루어지고 있으며 이를 적용하기 위한 노력이 진행되고 있다. 표 2는 현재 사용되고 있거나 사용이 늘 것으로 기대되는 센서의 자동차 적용 가능 부를 나타낸 것이다. 기존 자동차에서 사용되었던 기계식 센서와 달리, 반도체 집적화 기술과 MEMS 기술이 적용된 최근 센서는 직경이 25 mm 정도에서 3 mm 정도로 소형화되었으며 패키징 후에도 실장용 부품의 직경을 8 mm 이내로 구현 가능함으로 여러 분야에 적용되어 소형, 경량화의 장점을 제공한다.

MEMS 기반 자동차 센서 기술

MEMS 기술을 적용한 자동차용 센서는 엔진 제어용 압력센서(Manifold Absolute Pressure Sensor: MAP센서)에서부터 가장 먼저 상용화되었으며 엔진 제어 시스템(압력센서, 유량·유속 센서), ABS 시스템(가속도센서, 각속도센서), 트랙션 시스템(가속도센서), 후륜 제어 시스템(각속도센서, 가속도센서), 내비게이션 시스템(자이로센서) 등에 사용되는 압력센서와 가속도센서가 가장 큰 시장을 형성하고 있다. 또한 환경오염 문제의 대두로 인한 배기가스 검출 시스템, 쾌적한 환경과 승객 안전도 향상을 위한 실내 가스 검출 시스템 등에 활용되는 유속·유량 센서 및 가스 센서 시장도 꾸준히 증가할 것으로 전망된다. 그림 2는 자동차에 적용되는 대표적인 센서를 나타낸다.
압력센서
압력센서는 기체나 액체의 기본적인 물리량의 하나인 압력을 감지하여 전기신호로 변환시킬 목적으로 사용되는 감지기로 공업계측, 자동제어, 자동차, 전기용품 등에 폭넓게 이용되고 있다. 그 중에서 자동차용 센서가 가장 큰 시장규모를 자랑한다.
현재 자동차에 적용되는 압력센서는 기계식에서 반도체 식으로 이미 전환되었다. 압력센서는 외부 압력에 의한 실리콘 다이어프램(diaphragm)의 휘는 정도의 차이를 이용하는 정전용량형(Capacitive Pressure Sensor)과 다이어프램에 위치한 저항체가 응력에 따라 저항 값이 바뀌게 됨을 이용하는 압저항형(Piezo-resistive Pressure Sensor)으로 구분된다. 무기재료인 실리콘을 주원료로 하는 반도체 압력센서는 압력에 의해 변형되는 게이지부, 증폭부, 온도보상부 등으로 구성된다. 자동차용 압력센서는 설계 및 제조 공정에서 온도, 진동, 외부의 충격, 전자기파 등의 기본 요구조건을 충족시켜야 한다. 표 3은 자동차용 압력센서의 기본 작동 요구조건이다.
1) 정전용량형 압력센서
정전용량형 압력센서는 전력손실과 온도계수가 낮다는 장점을 갖고 있지만 소자 면적이 크다는 단점이 있다. 또한 복잡한 신호처리부를 통해 출력신호를 이용한다. 정전용량형 압력센서는 외부 압력에 의해 상부 다이어프램이 변형을 일으키게 되고 상부 다이어프램에 형성돼 있는 상부 전극과 하부 기판에 형성돼 있는 하부 전극 사이의 거리가 변함에 따라 정전용량이 변하게 되는 구조이다. 하지만 두 전극 사이의 거리변화에 따른 정전용량의 변화는 압력과의 관계에서 비선형적인 관계를 갖게 된다. 센서에서 선형성은 중요한 성능 인자이므로 이러한 비선형성을 줄이기 위해 회로를 이용하여 비선형성을 개선하거나 두 전극 사이의 거리변화가 아닌 면적의 변화에 따라 정전용량을 조절할 수 있다. 압저항형에 비해 온도특성이 우수하고 고감도인 관계로 미세한 압력 측정에 주로 사용된다. 그러나 전극의 형성, 외부 회로와의 복잡한 연결 구조, 그리고 응답성이 떨어져 수요는 적다.
2) 압저항형 압력센서
압저항형 압력센서는 선형성이 우수하고 신호처리가 용이하나 감도가 낮으며 온도 의존성이 용량형보다 높다. 압저항형 센서는 실리콘 결정에 응력이 가해지면 저항값이 변하는 압저항효과를 이용한 센서이다. 압저항효과를 이용한 센서는 감지부인 저항의 형태를 어떻게 형성하느냐와 어느 재료로 게이지를 선정하느냐에 따라 크게 두 가지로 분류할 수 있다.
휘트스톤브리지로 감지부를 형성한 압저항형 압력센서는 전단형에 비해 오프셋(압저항체 4개의 저항 크기와 온도계수의 차이에 의한 영압력 출력 전압)이 크지만 감도가 높다. 전단형(shear type) 감지부를 형성한 압저항형 압력센서는 4단자 압저항체의 경우 응력의 방향과 전류의 방향이 45°를 이룰 때 발생하는 압전계수에 의한 저항 변화를 이용했다.
압저항 계수가 변하면서 저항값의 변화를 가져오게 되는데, 여기서 특수 밀봉 패키징을 활용하여 잔류응력을 제거하고 잡음을 차단하며 온도보상, 다이어프램 두께 및 크기의 정확한 제어, 영점보상 효과를 위한 신호감지 기법 등을 해결하여 좀더 가격 대비 신뢰도를 높일 수 있다.
압저항형 압력센서의 특징은 높은 직선성과 높은 주파수 범위의 영향을 받지 않는 히스테리시스 등으로 고정밀도의 측정에 적합하다. MEMS에 의해 생산되는 압저항형 실리콘 센서는 1980년대 자동차 엔진 제어용으로 MAP 센서가 최초로 상품화되었으며 타이어 압력, 브레이크 압력, 오일 압력 및 에어컨 압력 센서 등으로 확대되고 있다.
실리콘 압력센서는 주로 자동차의 엔진 흡입기관 내의 진공 변화를 이용해 실린더에 공급되는 공기량을 간접적으로 알아내는데 이용하고 있다. 따라서 이 방식을 이용한 자동차에서는 별도의 공기 유량(air flow) 센서가 필요 없다. 압력센서가 엔진 가까이에 사용됨으로 고온(약 120 ℃)에 견딜 수 있어야 하며, 특히 온도 특성이 좋은 것이 바람직하다. 1990년대부터는 집적회로 기술 및 신호처리 회로의 발달로 소자의 감지부, 신호처리 회로 및 보상회로 등을 하나의 칩 상에 집적시켜 저가격화, 고성능화된 압력센서가 자동차에 적용되기 시작했다.
MAP 센서는 엔진 가까운 곳에 위치하기 때문에 고온(140~650 ℃)에 견딜 수 있도록 고온 특성이 좋은 SOI(Silicon On Insulator) 기판 재료를 사용한다. MAP 센서는 흡기 매니폴드 내의 압력(진공도) 신호 및 엔진 회전수에 의해 공기량을 측정하고 연료와의 적정한 혼합비를 조절하기 위해 사용된다. 연소압센서(Combustion Pressure Sensor)는 1993년 린번(lean burn) 엔진 개발과 더불어 실용화되기 시작했으며 엔진 실린더 내에 직접 장착되어 연소되는 압력을 측정한다. 린번 제어로 연비 향상, 배기가스의 정화를 할 수 있다. 향후 MAP 센서, 연소압 센서 이외에도 타이어 공기압, 브레이크압, 오일압, 에어컨압 등 자동차에서 엄청난 수요가 예상된다.
미국은 2008년도에 타이어 공기압을 20분 내에 운전자에게 알려줄 수 있도록 하는 타이어 압력센서를 모든 차량에 장착하도록 할 예정이며 유럽연합은 2~3년 내에 실시할 것으로 예상된다.[5] 그림 3은 실리콘 웨이퍼 상에 형성된 압저항형 자동차 압력센서다. 다이 크기는 0.65 mm2이다.
3) 기술동향
자동차용 반도체 압력센서는 반도체 기술과 마이크로컴퓨터 기술의 진보로 미세한 압력까지 측정 가능하게 되었다. 이 센서의 장점은 크리프(creep) 현상이 없고 직선성이 우수하며 압력감도 및 고유진동수가 높다는(약 10 kHz) 것이다. 압력센서는 향후 기술적인 특성으로 높은 정밀도와 고속 응답속도의 지속적인 개발이 필요하며, 자동차용 센서 시장에 경쟁력 있는 가격인하 정책이 필요하다는 점을 지적할 수 있다.
미국 GE Novasensor 사는 매개층 없이 실리콘 판을 접합하는 Silicon Fusion Bonding 기술을 이용한 의료용 실리콘 압력센서를 개발하여 시판하고 있다. 또한 Honeywell, 프리스케일 세미컨덕터, GM, NXP 반도체 등이 반도체식 압력센서를 생산하고 있다. 일본은 산업용, 반도체 제조장비 분야에서 압력센서 수요가 5% 이상 증가하는 추세이다. 덴소는 고압에서 저압까지 자동차용 압력센서 시장에서 높은 점유율을 유지하고 있다. 보쉬는 자동차용 저압센서 부문에서, 나가노계기는 고압센서 부문에서 강세를 보이고 있다. 델파이는 자동차용 저압센서 부문에서 보쉬, 덴소와 함께 3대 업체로 디젤엔진 압력센서 부문에서 높은 기술적 우위를 차지하고 있다. 이들 업체들은 초소형, 집적화된 온칩형 센서를 개발하고 있으며 대체수요 증대 및 적용범위 확장에 주력하고 있다.
국내는 취약한 산업구조로 인하여 가격경쟁력(다품종, 소량생산) 및 기술집약성이 부족하다. 대성전기, 코닉스, 대화계전, 멘택 등에서 개발진행 및 일부 양산하고 있으며 케피코, 케이이씨 등에서는 압력센서를 생산하고 있다. 그림 4에 현재 판매 중인 자동차용 압력센서와 그 제조사를 정리했다.