지난 몇 년 사이에 새로운 시장 분야와 애플리케이션들이 등장하면서 고성능 위치 센서에 대한 요구 또한 높아지고 있다. 특히 눈에 띄는 것이 자기 위치 센서 IC이다. 이 센서를 개발하는 회사들이 빠르게 발전하는 로봇과 드론 시장의 요구에 발맞춰서 이들 분야에 사용하기 위한 새로운 제품들을 내놓고 있다. 그럼으로써 이전 세대 제품에 비해서 더 지능적이고 더 높은 분해능과 정확도를 제공하고, 더 작고 가볍고, 현저하게 더 적은 전력을 소모하는 새로운 세대의 자기 위치 센서들이 등장하게 되었다.
이 글에서는 자기 위치 센서의 역사를 간략하게 짚어보고 이러한 센서가 기존에는 어떤 시장에 어떻게 사용되었는지 살펴보고, 오늘날 출시되는 새로운 제품들은 어떤 새로운 기능과 향상된 성능을 제공하는지 설명한다. 또한 이러한 새로운 혁신적인 자기 위치 센서가 로봇과 드론 분야에 어떻게 활용되는지 살펴본다.
홀 기반 자기 위치 센서는 오래 전부터 사용되어 왔는데, 오늘날 들어서 자동차, 컨슈머, 산업용 분야들이 갈수록 전기화되면서 이들 시장 분야로 점점 사용이 늘고 있다. 예를 들어서 자동차 분야에서는, 스티어링, 제동, 트랜스미션, 쉬프터, 새시 지상고(ride height), 페달, 연료 수위 센싱 같은 자동차 서브시스템에 자기 위치 센서가 사용된다. 또한 자율 운전 자동차가 가속화됨에 따라서 이들 센서의 사용은 더더욱 늘어날 것이다.
컨슈머 분야에서는 가전기기의 도어 위치를 감지하는 등의 용도로 이 센서가 널리 사용된다. 산업용 분야에서는 제어 시스템과 산업용 로봇 등으로 엑추에이터, 레버, 조이스틱 위치 피드백을 위해서 이 센서가 널리 사용된다. 또한 이들 모든 분야에서 모터 제어를 위해서 이 센서가 무수히 사용된다.
자기 위치 센서가 이처럼 널리 사용될 수 있는 것은 비교적 저렴한 CMOS 반도체 기술을 사용해서 구현할 수 있고 혹독한 환경으로 정확하고, 반복적으로 정밀하고, 신뢰할 수 있는 위치 측정을 제공하기 때문이다. 또한 자기 위치 센서는 먼지, 오염, 액체에 대해서 내구적이며 높은 온도와 습도로 동작할 수 있다. 또한 ams의 모든 자기 위치 센서 제품은 부유 자기장에 대해서까지 내구적이다.
기존에 CMOS 자기 위치 센서는 다양한 표준 표면실장 패키지나 단일 인라인 쓰루홀 IC 패키지로 제공되었으며, 위에서 언급한 대부분 애플리케이션으로 사용하기에 이러한 패키징이 크기가 충분히 작았다. 또한 CMOS 자기 위치 센서는 통상적으로 수십 밀리암페어 대의 전류를 소모한다. 그러므로 기존의 자동차, 산업용, 컨슈머 시장으로 허용 가능한 전력 소모 수준이었다.
하지만 자동차가 빠르게 전기화되고, 새로운 IoT 연결 컨슈머 제품들이 등장하고, 산업용 장비와 공장이 로봇과 인공 지능을 사용해서 갈수록 더 효율적이고 지능적으로 진화함으로써, 어제의 자기 위치 센서로는 더 이상 보조를 맞출 수 없게 되었다. 오늘날 디자이너들에게 기존 센서의 물리적인 크기나 전력 소모는 너무 크며 오늘날 시스템의 정확도 요구를 충족하지 못한다.
기존의 자기 위치 센서에 대해서 이렇게 느끼는 것은 산업용, 의료용, 우주 탐사 용도로 새로운 로봇을 설계하는 로봇 설계 엔지니어들도 마찬가지다. 이들 세 분야 용으로 로봇 디자이너가 극히 정밀한 로봇 팔을 설계하기 위해서는 극히 소형화되고 낮은 전력을 소모하는 자기 위치 센서를 필요로 한다. 전자 부품을 조립하거나, 복강경 수술을 하거나, 우주의 먼 다른 행성에서 암석이나 토양 샘플을 채취하는 것 같은 섬세한 작업을 하기 위해서는 극히 정밀한 로봇 팔이 필요하다.
마찬가지로 빠르게 성장하고 있는 드론 시장에서는 드론 비행 시간을 늘리기 위해서 크기, 무게, 낮은 전력 소모가 중요하게 요구된다. 그러므로 드론의 카메라 짐벌 같은 시스템으로 극히 소형화되고 낮은 전력을 소모하는 자기 위치 센서가 필요하다. 드론의 카메라 짐벌로 자기 위치 센서를 사용해서 브러쉬리스 DC 짐벌 모터로 정류 피드백을 제공하고 3개 축으로 기어 각도 위치 피드백을 제공할 수 있다. 이러한 자기 위치 센서가 없다면 카메라를 안정적으로 유지할 수 없으므로 뛰어난 영상을 촬영하기가 불가능할 것이다.
다행히도 고객들과 새로운 시장의 이러한 요구를 충족하기 위해서 자기 위치 센서 업체들이 새로운 세대의 자기 위치 센서를 내놓고 있다. 패키지 크기가 센서 다이와 거의 같은 WLCSP(wafer level chip scale packaging) 같은 극소형 패키지로 된 자기 위치 센서와 자동으로 저전력 모드로 전환해서 전반적인 전력 소모를 줄이도록 하는 센서 제품들이 등장하고 있다.
ams는 이러한 새로운 요구를 충족하도록 2개의 새로운 센서 제품을 제공한다. AS5510 선형 위치 센서는 불과 1.46mm x 1.0mm x 0.6mm 크기의 WLCSP 패키지로 되어 있으며 저전력 모드로 전환했을 때 25μA의 전류만을 소모한다. 또한 AS5055A는 12비트 분해능을 특징으로 하는 제품으로서, 소형 QFN-16 패키지(4.9mm x 6.0mm x 1.75mm)이고 저전력 모드일 때 3μA의 전류만을 소모한다. AS5055A는 극히 작은 크기와 낮은 전력 소모를 필요로 하는 모터 제어 시스템에 널리 채택되고 있다. 산업용, 컨슈머, 우주 탐사 분야에 사용되는 로봇을 포함해서 다양한 분야의 모터 제어 애플리케이션에 현재 널리 사용되고 있다.
또한 ams는 SiP(system-in-package) 솔루션의 형태로 다양한 자기 위치 센서를 제공한다. 이러한 SiP 솔루션은 센서와 부속적인 디커플링 커패시터들을 하나의 패키지로 통합함으로써 PCB를 사용하지 않은 디자인이 가능하므로 시스템 비용을 낮추고 폼팩터가 소형화된 솔루션을 달성할 수 있다.
ams는 새로운 자기 각도 위치 센서로서 AS5600L의 샘플 출하를 시작한다. 이 제품은 12비트 출력 분해능을 특징으로 하며, 최대 INL(적분 비선형성) 오차가 -40°C~125°C의 전체 동작 온도 범위에 걸쳐서 ±1°에 불과하며, WLCSP(2.07mm x 2.63mm x 0.6mm) 패키지로 되었으며, 자동 저전력 모드일 때 1.5mA의 전류만을 소모한다. 아래 그림은 대상 마그넷과 센서 사이에 1.5mm 에어갭(Z)이고 최대 ±1mm의 X/Y 부정정렬일 때 AS5600L의 INL 오차를 보여준다. 그림에서 보듯이, X/Y 부정정렬이 0이면 두 가지 마그넷으로 ±0.5° 이하의 INL 오차를 달성할 수 있다. 에어갭이 1.5mm 이하이면 더더욱 낮은 INL 오차를 달성할 수 있을 것이다.
이와 같은 낮은 INL 오차, 즉 정확도 성능과 함께 또한 넓은 온도 범위와 마그넷 자기장에 걸쳐서 낮은 잡음과 극히 낮은 전력 소모를 특징으로 함으로써 극소형 홀 효과 기반 자기 위치 센서로서 AS5600L은 오늘날 로봇 및 드론 시장의 성능과 공간에 대한 요구를 충족한다. 그러면서 경쟁 위치 센서 기술들과 비교해서 가격 경쟁력 또한 뛰어나다.
의료용, 산업용, 지질 및 우주 탐사 같은 분야 용으로 새로운 로봇을 설계하는 로봇 디자이너들이 이러한 새로운 세대의 자기 위치 센서를 사용함으로써 더 작고 더 섬세하게 작동하는 로봇을 설계할 수 있다. 전자 부품 조립을 하거나, 로봇 복강경 수술을 하거나, 먼 다른 행성에서 토양 샘플을 채취하는 것과 같은 애플리케이션으로 로봇 팔이나 다리를 더 민첩하게 움직이고 더 정밀하게 물체를 들어올리거나 옮길 수 있다. 이들 애플리케이션에서 자기 위치 센서를 사용해서 관절 모터 정류와 기어 위치 피드백을 할 수 있다.
▲ 그림 1. (a)4mm 직경, 2mm 두께 마그넷을 사용할 때
이러한 소형화된 로봇 팔을 구현하기 위해서 기계전자 설계 엔지니어들은 연성 인쇄 회로 보드를 사용해서 이러한 소형 자기 센서 IC를 탑재하고 로봇 메인 바디의 메인 컨트롤러로 전력과 데이터 신호를 연결한다. (그림 2)
▲ 그림 2. (b)6mm 직경, 2.5mm 두께 마그넷을 사용할 때
드론 분야에서도 마찬가지로 이러한 새로운 세대의 자기 위치 센서를 활용할 수 있다. 드론 디자이너들은 스마트폰에 사용되는 것과 같은 기술들을 사용해서 새로운 3축 카메라 짐벌을 개발하고 있다. 이러한 짐벌을 사용해서 카메라를 안정되게 함으로써 놀랄 만큼 훌륭한 영상을 촬영할 수 있다. 카메라 짐벌의 브러쉬리스 DC 모터와 기어로 3축 위치 피드백을 제공하기 위해서 핵심적인 역할을 하는 것이 바로 극소형 저전력 자기 위치 센서이다. 그럼으로써 드론이 비행을 하면서도 카메라가 수평을 유지하고 떨림 없이 영상을 촬영할 수 있다(그림 3).
새로운 세대의 자기 위치 센서 IC는 작은 크기와 낮은 전력 소모로 높은 정확도를 제공하므로 오늘날 전기 및 기계 설계 엔지니어들이 다양한 분야 용으로 기능과 성능이 향상된 새로운 로봇과 드론을 설계할 수 있다. 머지 않은 미래에 우리는 초소형 의료용 로봇을 인체 안으로 삽입해서 종양을 제거나 어떤 수술을 하는 것을 보게 될 것이다. 또한 산업용 로봇 분야에서는 지능적인 제조 로봇이 전자 부품을 조립하는 것과 같은 섬세한 작업을 할 수 있다. 드론 분야에서는 카메라와 카메라 짐벌이 계속해서 더더욱 진화함으로써 더 선명한 영상을 촬영하고 더 정확한 2D 및 3D 맵핑을 할 수 있을 것이다.
Mark J. Donovan, ams AG
