(최종)물리센서실험

목차

1. 실험목적
2. 실험 전 습득 사항
(1)초음파
(2)MEMS
(3)초음파 센서의 작동 원리
(4)가속도 센서의 작동 원리
3. 실험 원리
(1) 보정(Calibration)
(2)초음파 센서를 이용한 가속도 측정 원리
(3)계산에 의한 가속도 계산 원리
4. 실험장치
5. 실험방법
5-1 보정
5-2 초음파 센서를 이용한 가속도 측정
5-3 계산에 의한 가속도 측정
5-4 가속도 센서에 의한 가속도 측정
6. 실험 결과 및 고찰
6-1 Calibartioin
6-2 초음파 센서를 이용한 가속도 측정
6-3 이론에 의한 가속도 값
6-4 가속도 센서에 의한 가속도 측정
6-5 각각 측정 한 가속도 값들 비교 및 오차 원인 분석
7. MEMS 센서를 이용한 응용사례 한 가지 조사
7-1 MEMS 센서의 적용 현황 및 응용분야
7-2 압력센서
7-3 가속도 센서
7-4 각속도 센서 (angular velocity sensor/yaw rate sensor/gyro sensor/gyroscope)
8. 전장시스템용 센서 정망 및 관련 시장 전망
8-1 전장시스템용 센서 수요 전망
8-2 MEMS 관련 시장 전망
8. 고찰

본문내용

국내의 각속도 센서 개발은 1980년대 중반부터 시작되었으며 단위 공정 개발 및 가속도계와 유체 소자분야가 주를 이루고 있다. 이는 선진국의 연구동향과 비슷하나 그 수준에 있어 많은 차이를 보이고 있다.
일반적으로 마이크로 센서가 갖는 분해능의 요구범위는 0.1°/sec에서 1°/sec이고 측정 각속도 범위는 50°/sec, 측정 주파수 범위는 50Hz 정도이다.
8. 전장시스템용 센서 정망 및 관련 시장 전망
8-1 전장시스템용 센서 수요 전망
이상의 각종 MEMS 센서를 이용하여 향후 예측되는 자동차 기술의 전망을 그림 8에 나타내었다. 지금까지 첨단 과학기술의 발전은 사회 및 인류의 요구와 부응하여 발전을 거듭하고 있으며, 사회의 요구는 환경보호를 고려한 저소음화, 흡음, 노이즈 차단 및 무공해, 인프라 구축을 위한 신에너지(태양전지, 연료전지) 이용, 에너지 회수(초전도 이용), 다이나믹 향상, 경량화 및 지능화를 요구하고 있고 고객의 요구는 안전성을 고려한 자동제어 장치, 퍼지제어, 다이나믹 향상, 액티브 제어 및 바이오 응용, 사회시스템과의 결합을 위한 통신위성 이용, 시간유효이용, 주문 생산, 유해가스 제어 및 쌍방향 통신 등을 요구하고 있다. 이와 같은 활용분야의 기술요구에 부응하여 센서기술은 현재 상용화되어 있는 자동차 엔진제어용 압력센서(MAP센서)를 시작으로 엔진제어 시스템(압력, 유속), 에이비에스 시스템(가속도, 각속도), 트랙션 시스템(각속도), 후륜제어 시스템(각속도, 가속도 센서), 관성항법 시스템(진동자이로)에 사용이 예측되고 그 외에도 현재 엔진, 트랜스 미션, 브레이크, 공조, 조명, 음향 및 통신 그리고 차내 쾌적 환경 등 다양한 부분에 산소 센서 및 가스 센서, 홀센서, 이미지 센서, 초음파 센서, 온도 센서, 습도 센서, 하중 센서, 광센서, 적외선 센서, 자기 센서 그리고 위치 센서 등이 사용되고 있다.
표 1은 자동차에서 현재 사용되고 있고 향후 예측되는 센서의 적용 가능 분야를 정리하여 나타낸 것이다. 1980년대 초만 해도 자동차 센서는 부정확한 정보의 인식과 출력으로 인해 사용이 제한되어 왔으나 최근에는 수은, 탱크 내 연료레벨 그리고 윤활유 시스템의 이상유무를 감지하여 표시하는 단순한 기능에서부터 우리가 공상영화에서 보듯이 단순히 이동을 위한 수단이 아니라 자가 운전되고 차내에서 모든 정보를 공유할 수 있는 상상의 수준으로 발전하고 있으며, 환경과 안전 관련 법규의 강화, 고성능의 운전성, 자기진단 및 조절기능, 쾌적 환경의 요구 그리고 전장용 소자의 저가격화가 자동차의 안전성과 고성능을 만족시킬 수 있는 센서시스템의 실현을 통하여 이러한 요구를 만족시키고 있다. 이와 같이 반도체 집적화 기술과 미세가공기술의 발달로 최근 자동차에는 운전자의 안전과 쾌적 화나경, 엔진제어 그리고 배기가스 등의 제어와 조절기능 등 새로운 요구를 만족하기 위해 소형, 고 정밀 센서의 개발이 이루어지고 있고 이를 적용하기 위한 노력이 진행되고 있다. 따라서 최근 쾌적한 실내 환경 제공, 안전성의 증대 등을 만족하기 위해 점차 고기능화, 지능화 되고 잇는 자동차의 전자화 추세에 발맞추어 그 수요가 급속히 증대되고 있다. 현재 자동차에는 온도 센서를 포함하여 20여가 정도의 센서가 적용되고 있으며, 점차 그 수는 늘어나고 있으며, 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 자동차에서 센서는 엔진의 온도제어 뿐만 아니라 브레이크 시스템에 이르는 안전성까지 모든 시스템을 제어하고 조절하는 역할을 수행하고 있다. 자동차 산업에 적용을 위해 가장 어려운 설계부분은 타 산업에 반하여 사용 환경이 매우 가혹하다는 것이다. 예로 엔진제어용에 사용되는 각종 센서는 -40℃~150℃와 같은 높은 온도 변동 폭을 만족하도록 요구받고 있고 이러한 환경을 만족할 수 있도록 패키징되어야 한다. 자동차에서 크기와 무게는 큰 관심의 대상이 되고 있고 자동차 엔지니어들은 무거운 부품들을 적용하기를 꺼리고 있다. 오늘날 자동차에서 사용되고 있는 기계식 센서들은 직경이 25mm 정도이고 길이도 상당히 길다. 그러나 마이크로머시닝 기술에 의해 제조된 집적화 회로부는 한 변이 2~3mm정도 이며, 패키징된 후에는 실제 부품은 8~9mm 내에 구현이 가능함으로 소형 경량화의 장점을 갖고 있다. 자동차 산업에서 센서가 갖는 재현성과 가격은 가장 큰 문제이며, 반도체 센서가 이를 만족할 수 잇는 대안이라는 데는 그 누구도 이의가 없다고 하겠다. 반도체(실리콘)는 저 가격화 뿐만 아니라 소형, 경량화 때문에 전혀 새로운 응용을 창출할 수 있다. 앞의 그림 3에 보는 바와 같이 반도체 압력센서는 엔진제어용 MAP센서가 가장 먼저 상품화 되어 사용 되었으며, 현재 타이어압 센서가 상품화 되었고 에어콘 압력센서 등을 반도체 센서로 대체하기 위한 단계에 와 있다. 향후 자동차 한 대당 최소한 6~7 정도의 압력센서가 사용될 것으로 전문가들은 예측하고 있으며, 이러한 추세와 더불어 가속도 센서를 포함하는 각종 관성센서와 초음파 센서 등의 수요도 급증할 것으로 예측된다.
8-2 MEMS 관련 시장 전망
표 3 세계 센서 표 4 국내 MEMS 센서 수요 예측 (단위:만개)
시장규모 전망(단위:10억불)
표 5 미국 MEMS 시장 규모 전망
8. 고찰
이번 실험은 초음파 센서 및 MEMS 기반의 가속도 센서의 원리를 이해하고 실제 차량에서 어떻게 사용 되는지 이해해보는 실험이었다. 초음파 센서와 가속도 센서의 원리는 기계자동차 공학 실험 교재를 통해서 알 수 있었다. 또한 보정의 개념도 알 수 있었다.
이번 실험에서 이론값과 측정값에 약간의 오차가 발생 하였는데 아무래도 정밀하게 측정하기 보단 실험자의 눈으로 어림짐작해서 비탈면의 각을 잰 것과 비탈면이 일정하게 기울여 지지 않았던 점, 그리고 자동차와 비탈면 벽 사이가 정확히 일치하지 않아 직선으로 자동차가 내려가지 못했었던 점이 오차 발생 요인의 가장 큰 이유였다고 생각한다.
또 이번 실험을 수행하면서 MEMS 센서에 대해서 조사할 수 있는 기회가 있었다. 조사를 하면서 MEMS센서의 현재 위치와 앞으로의 발전 가능성 까지 볼 수 있었다.

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