반도체 전문 온라인 매거진 - 올포칩

글/ 파블로 델 코로(Pablo del Corro) 제품 애플리케이션 엔지니어, 아나로그디바이스(Analog Devices)

MEMS 가속도계는 기계적 스트레스가 빈번하고 극심한 환경에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 이 글에서는 열악한 조건에서 센서의 신뢰성을 결정하는 두 가지 핵심 규격인 충격에 대한 내구성과 진동 허용도의 중요한 차이를 살펴본다. 또한 관련 테스트 표준, 고장 메커니즘, 센서 강건성을 향상시키는 설계 전략을 설명한다. 이 글은 아나로그디바이스(Analog Devices)의 가속도계와 센서를 사례로 들어, 진동이 있는 환경에서 기계적 여유도(mechanical headroom)와 감쇠(damping)가 성능에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 충격 테스트가 시스템 수준의 생존력을 어떻게 평가하는지를 보여준다. 이러한 차이를 이해하는 것은 성능과 신뢰성 요구를 모두 충족하는 센서를 선택하는 데 있어서 매우 중요하다.

MEMS 기반 가속도계는 기계적 스트레스가 단순히 예상되는 수준을 넘어, 지속적으로 가해지는 열악한 환경에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 가속도계의 데이터시트에서 자주 볼 수 있는 두 가지 핵심 규격은 ‘충격 내구성(shock survivability)’과 ‘진동 허용도(vibration tolerance)’이다. 두 용어는 비슷해 보이지만, 목적은 엄밀히 구분되며 각각 다른 방식으로 테스트된다. 이러한 차이를 이해하는 것은 해당 애플리케이션에 최적의 센서를 선택하기 위해 매우 중요하다.

충격 내구성: 예기치 않은 극심한 충격을 견디는 능력

충격 내구성은 가속도계가 반복적이지 않은 고강도의 가속 이벤트를 견딜 수 있는 능력을 의미한다. 통상적으로 이러한 이벤트는 부품(IC) 취급, 조립 과정, 또는 실수로 인한 낙하 상황에서 발생한다.

• 테스트 표준: IEC 60068-2-27

• 테스트 방법: 정의된 크기와 지속 시간을 갖는 반사인파(half-sine wave) 형태의 펄스를 모든 축에 걸쳐 인가

• 목적: 드물게 일어나지만 극단적인 충격 이후에도 디바이스가 정상적으로 동작함을 보장

• 고장 메커니즘: 일반적으로 MEMS 구조 내 빔 파손과 같은 중대한 고장이 발생하며, 경우에 따라 와이어 본드 이탈이나 다이 균열 등 시스템 수준의 문제도 발생할 수 있다.

진동 허용도: 일상적인 진동을 장기간 견디는 능력

진동 허용도는 충격 내구성과 달리, 연속적이거나 반복적인 진동 환경에서도 센서가 안정적으로 동작할 수 있는 능력을 측정한다. 이는 많은 산업용 및 운송 애플리케이션에서 흔히 나타나는 조건이다.

• 테스트 표준: 일반적으로 MIL-STD-883 Method 2007(또는 제조사 자체 기준)

• 테스트 방법: 지정된 진폭 및 주파수 범위 내에서 연속적인 랜덤 진동 인가

• 목적: 동작 중 진동 환경에서의 장기적 신뢰성 검증

• 고장 메커니즘: 보호 구조물의 마모로 인해 접착 마찰(stiction)이나 입자 오염이 발생하는 경우가 많다.

이 둘을 구분해야 하는 이유

충격과 진동은 센서에 근본적으로 서로 다른 방식으로 스트레스를 가한다. 수천 g¹의 충격 내구성을 가진 센서라도, 수백 g¹ 수준의 지속적인 진동 조건에서는 고장이 발생할 수 있다. 이러한 구분은 센서의 생존성과 성능을 모두 확보하기 위해 매우 중요하다. 충격 내구성은 시스템 수준의 고장을 초래할 수 있는 비반복적이고 극심한 충격을 견디는 능력을 의미하는 반면, 진동 허용도는 장기간의 신뢰성을 보장하는 능력을 의미한다. (참고 ¹: g는 중력가속도(9.81 m/s²)를 의미)

그림 1. (a) MEMS 가속도계 구조의 개략도. (b) 스토퍼 중 하나를 확대한 모습. 

스토퍼는 높은 충격 상황에서 MEMS 구조를 보호하는 역할을 한다.

MEMS 센서의 설계는 충격과 진동 두 가지 조건 모두에 대한 내구성을 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다. 예를 들어, 기계적 스토퍼(mechanical stoppers)와 접착방지(antistiction) 코팅 재료는 MEMS 구조의 무결성을 보호하기 위해 설계 단계에서 적용되는 주요한 수단이다. 접착방지 코팅은 표면 에너지를 낮추거나 전기적 절연을 제공하고, 기계적 스토퍼는 고정 전극 핑거(fixed finger)와 측정용 질량체(proof mass)가 완전히 접촉하는 것을 방지한다.

그림 1은 MEMS 가속도계의 구조를 간략하게 나타낸 것이다. 기계적 스토퍼는 일반적으로 4µm ~ 5µm 폭의 미세한 범프(crenulation)를 가지며, 이는 높은 충격 상황에서 접촉 면적을 줄여 접착 마찰(stiction) 현상을 방지하는 데 도움을 준다.

울퉁불퉁한 지형에서 정확하게 작동해야 하거나 지면 평탄화를 위해 가속도계를 틸트(기울기) 센서로 사용하는 불도저와 같은 중장비를 생각해보자. 이러한 애플리케이션에서 가속도계는 수십 g(혹은 100 g를 초과하는) 피크 진폭의 연속적이고 불규칙한 진동에 노출될 수 있으며, 이와 동시에 높은 틸트 정밀도, 고온 안정성, 반복 정확도가 요구된다.

ADXL357B와 같은 가속도계는 이러한 성능 요구를 충족하는 완벽한 후보이다. 이 센서는 ±40 g의 풀스케일 범위를 가지지만, 이보다 훨씬 큰 진동에도 견딜 수 있다. 진동 안전 영역은 센서의 기계적 설계 요소 즉, 공진 주파수, 감쇠, 그리고 기계적 스토퍼에 도달하기 위해 필요한 가속도 입력(기계적 여유도)에 크게 의존한다.

진동 안전 영역에 대한 시각적 이해를 돕기 위해, 기계적 여유도와 주파수의 관계를 그림 2와 같이 나타낼 수 있다.

그림 2. ADXL357B의 주파수 대 기계적 여유도. 기계적 여유도가 공진점 부근에서 감소하는데, 이는 센서 설계에서 

감쇠(damping)의 중요성을 보여준다. ADXL357B는 MIL-STD-883 Method 2007, 테스트 조건 C 규격에 따라 

0Hz ~ 2kHz 주파수 범위에서 최대 70g 피크 진폭의 연속적인 랜덤 진동을 견딜 수 있도록 설계되어 있다.

이 그래프는 측정용 질량체가 스토퍼에 닿기 전까지 어느 정도의 여유가 있는지를 이해하고, 센서의 공진 주파수와 품질 계수(Q-factor)가 이에 어떤 영향을 미치는지를 파악하는 데 도움을 준다. 입력 진동이 품질 계수에 의해 기계적으로 증폭되므로, 진동 주파수가 센서의 공진 주파수에 가까워질수록 기계적 여유도는 실질적으로 감소한다.

전기적 대역폭과 기계적 한계

가속도계는 일반적으로 내장 신호 체인에 아날로그 및 디지털 필터를 포함하고 있으며, 최신 센서인 ADXL380과 같은 제품은 디지털 이퀄라이저 필터까지 탑재해 대역폭 평탄도를 4kHz까지 효과적으로 확장할 수 있다. 이는 광대역 진동을 정확히 감지해야 하는 노면 소음 제거(road noise cancellation, RNC)와 같은 애플리케이션에 매우 유용하다.

그러나 전기적 필터링이나 이퀄라이제이션이 MEMS 구조의 물리적 진동 자극을 제거하지는 못한다는 점에 유의해야 한다. 센서는 여전히 기계적 스트레스를 받으며, 기계적 여유도를 초과하여 동작할 경우 접착 마찰, 피로, 또는 구조적 열화가 발생할 수 있다. 따라서 설계 엔지니어는 확장된 대역폭에서 전기적 출력이 선형적으로 보이더라도, 진동 진폭이 반드시 안전한 기계적 한계 범위 내에 있도록 보장해야 한다.

충격 내구성과 센서 풀스케일 범위의 관계

흥미로운 점은 ±40g 범위의 ADXL357B와 ±16g 범위의 ADXL380이 ±400g 범위의 ADXL373과 동일한 생존성 등급을 가진다는 것이다. 이들은 모두 10,000g 피크 진폭, 0.1ms 펄스 폭의 반사인파 충격 프로파일을 견딜 수 있도록 설계되어 있다. 그러나 ADXL373은 훨씬 더 높은 진동 기계적 여유도를 갖고 있다. 충격 허용 등급은 시스템 수준의 테스트로 확인할 수 있다. 이 테스트에서는 MEMS 센서뿐 아니라 와이어 본드, 다이 접합, 패키지, 심지어 솔더 조인트의 기계적 완전성까지 함께 검증된다. ADI의 이러한 MEMS 센서들은 구조적 손상 없이 10,000g 이상의 반복 충격도 견딜 수 있지만, 디바이스를 구성하는 시스템의 다른 부분이 동일한 수준의 내구성을 보장하지는 못할 수도 있다.

충격 테스트

표준화된 충격 테스트를 사내에서 그대로 재현하기란 쉽지 않다. 수 미터 높이의 드롭 타워나 정밀 제어가 가능한 충격 테이블과 같은 특수 장비가 필요하기 때문이다. 이러한 이유로 엔지니어들은 종종 보다 실용적인 대안을 찾는다. 일반적인 접근 방식 중 하나는 피크 가속도 값을 낮추는 대신 펄스 지속 시간을 늘려 동일한 충격 에너지를 유지하는 것이다.

이는 가속도-시간 곡선 아래의 면적(즉, 속도)이 충격의 주요 지표로 작용한다는 원리를 기반으로 하며, 이는 충격 에너지와 밀접하게 연관되어 있다. 반사인파 충격 펄스의 강도를 나타낼 때, 충격 속도(impact velocity)는 아래 공식 1을 통해 추정할 수 있다.

여기서 V는 속도(m/s), A는 피크 가속도(m/s²), D는 펄스 지속 시간(ms)이다. 예를 들어, 3ms 동안 200g의 충격이나 0.2ms 동안 3,000g의 충격 모두 IEC 60068-2-27 기준에 따라 약 3.8m/s의 충격 속도를 나타낸다. 이러한 등가 관계를 이용하면, 표준 충격 이벤트의 기계적 에너지에 가까우면서도 보다 단순한 테스트 환경을 구현할 수 있다.

결론

충격 내구성과 진동 허용도는 종종 혼용되어 이해되지만, MEMS 가속도계에서 이 두 규격은 근본적으로 다른 스트레스 형태와 고장 메커니즘을 나타낸다. 충격은 드물지만 매우 강력하며, 치명적인 손상을 방지하기 위해 견고한 기계적 설계가 필요하다. 반면, 진동은 지속적이고 점진적으로 영향을 주기 때문에 장기적인 신뢰성과 내마모성이 요구된다.

이러한 차이를 이해하는 것은 열악한 환경에서 사용할 센서를 선택해야 하는 엔지니어에게 매우 중요하다. 설계 엔지니어는 기계적 여유도, 감쇠, 시스템 수준의 강건성과 같은 요소를 고려함으로써, 선택한 센서가 단순히 생존하는 것을 넘어 장기간 안정적으로 성능을 발휘하도록 할 수 있다.

결국, 센서의 규격을 애플리케이션의 기계적 스트레스 프로파일에 정확히 맞추는 것이 내구성과 정밀도를 모두 확보하는 핵심이다. 센서의 한계와 강점을 명확히 이해하고 적절히 선택한다면, 엔지니어는 가장 극한의 환경에서도 MEMS 기술을 자신 있게 활용할 수 있다.

참고 문헌

IEC 60068-2-27: Environmental Testing–Part 2-27: Tests–Test Ea and Guidance: Shock.

MIL-STD-883 Method 2007: Test Method Standard for Microcircuits.

ADI Reliability Handbook. Analog Devices, Inc., 2014년 11월.

저자 소개

파블로 델 코로(Pablo del Corro)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 관성 MEMS 센서(Inertial MEMS Sensors) 팀에서 제품 애플리케이션 엔지니어로 근무하고 있다. 2019년 ADI에 입사한 이후, 산업용, 소비자용, 의료용 시장 전반에 걸친 다양한 애플리케이션을 지원해 왔다. 파블로는 아르헨티나의 발세이로 연구소(Balseiro Institute)에서 전자공학 학사와 공학과학 박사 학위를 취득했다. 

(감사의 말: 도움을 준 마크 루니(Mark Looney)와 타일러 던(Tyler Dunn)에게 감사를 전한다.)