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A Study on Acoustic and Vibratory Response of a MEMS Resonant Accelerometer
A Study on Acoustic and Vibratory Response of a MEMS Resonant Accelerometer
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2015. Sep, 64(9): 1330-1336
Copyright © 2015, The Korean Institute of Electrical Engineers
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : July 13, 2015
  • Accepted : August 17, 2015
  • Published : September 01, 2015
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About the Authors
상우 이
Corresponding Author : The 3rdR&D Institute - 4 Agency for Defense Development, Korea E-mail :lswmems@add.re.kr
형섭 이
The 3rdR&D Institute - 4 Agency for Defense Development, Korea
명종 유
The 3rdR&D Institute - 4 Agency for Defense Development, Korea
도형 김
Microinfinity Co., Ltd., Korea

Abstract
It is necessary to study on acoustic and vibratory response of a MEMS resonant accelerometer before applying to military applications. In this paper, we analyze why the resonant accelerometer reacts to an acoustic wave and a high frequency vibration. And we describe experimental results on acoustic and vibratory response of the accelerometer. The accelerometer consists of a proof mass and a dual ended tuning fork. It is a differential resonant accelerometer with arranging a pair of accelerometers. The mode shape was analyzed to find out the input mode frequency by using a FEM simulation. Some experiments regarding the acoustic noise was carried out by using a tweeter and a microphone in the anechoic room. Results showed that the accelerometer reacted to the acoustic wave and vibration which had the input mode frequency as we had expected. We showed experimentally not only that the susceptibility of the accelerometer to an acoustic wave was 70 dB but also that the effectiveness of applying an acoustic absorber and a metal case was 20 dB, respectively. Also, we could minimize the vibratory response property of the accelerometer by installing a IMU with a silicone rubber mount pad.
Keywords
1. 서 론
관성항법장치(INS : Inertial Navigation System)는 관성측정기(IMU : Inertial Measurement Unit)의 출력을 사용하여 항체의 자세와 속도, 위치를 계산한다. 이러한 관성측정기는 선형 가속도를 감지하는 가속도계와 각속도를 감지하는 자이로스코프로 구성된다 [1] .
최근 MEMS 관성센서 기술이 급속하게 발전함에 따라, 전술급 성능의 MEMS 관성측정기가 국내외적으로 활발하게 연구되고 있다 [2 , 3] . MEMS 관성센서는 반도체 공정기술을 적용하기 때문에 기존의 기계식/광학식 센서에 비해 크기가 작고 저가인 장점이 있다. 그러나 밀리그램 이하의 작은 관성질량체로 인해 큰 관성 모멘트를 얻을 수 없어 성능향상에 어려움을 겪고 있다 [4] . 일반적으로 성능향상을 위하여 센서 구조물을 수만 이상의 높은 특성계수(Q-factor)를 갖도록 설계하고 이를 공진점에서 진동시키는 방식을 적용한다 [5 - 9] . 이렇게 구조물 공진을 이용하면 관성질량과 무관하게 높은 관성모멘트를 얻을 수 있어 센서의 감도를 높일 수 있다. 반면에 배경잡음이 높은 음역대역 (2Hz-20kHz)에 센서의 주요 공진모드가 있게 되는 점과 높은 특성계수의 구조물 때문에 외부 음파(Acoustic wave)에 쉽게 반응하는 문제점이 있다. 이러한 음파반응 특성은 관성센서의 또 다른 오차요인이 된다.
차량이나 로봇이 운용되는 지상 환경에서는 음향가진이 60 dB 이하이다. 그러나 초음속으로 비행하는 유도탄의 경우, 추진제 연소과정에서 발생하는 기체구조의 떨림으로 인해 110 dB 수준의 고주파 음파와 진동이 발생한다. 따라서 관성측정기 적용에 앞서 MEMS 관성센서의 음향가진에 대한 반응특성을 분석할 필요가 있다.
본 연구에서는 진동형 MEMS 가속도계의 원리와 구조를 분석하여 고주파 음향가진에 가속도계가 반응하는 원인을 찾는다. 또한 고주파 음파 발생장치와 진동 가진기를 이용하여 가속도계의 음향가진 반응특성과 내성을 분석한다. 그리고 이러한 오차요인을 감쇄시켜주는 방안에 대한 효과도 실험적으로 검증한다.
2. 공진형 MEMS 가속도계
- 2.1 가속도계 동작원리 및 구조
그림 1 은 공진형 가속도계의 동작원리를 설명하는 개념도이다. 공진형 가속도계는 관성질량체와 이를 구조적으로 지지하는 현으로 구성된다. 가속도계 구동을 위해 정전력으로 현을 공진모드로 진동시킨다. 외부에서 가속도가 인가되면 관성력에 의해 관성질량체가 움직인다. 이러한 질량체의 움직임에 따라 공진현은 인장력 혹은 압축력을 받게 된다. 인장력을 받게 되면 공진현의 공진주파수가 높아지고 압축력을 받게 되면 낮아지게 된다. 가속도계는 공진현의 공진주파수 변화량을 검출하고 환산하여 가속도를 측정한다.
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공진형 가속도계 개념도 Fig. 1 The conceptual drawing of the resonant accelerometer
그림 2 는 개발된 MEMS 공진형 가속도계의 모식도이다. MEMS 가속도계는 한 쌍의 공진형 가속도계를 한 칩에 대칭적으로 배치한 구조를 갖는다. 좌우 가속도계의 출력을 차분하여 가속도를 측정한다. 이렇게 차분방식으로 동작하면, 온도에 따른 공통오차 요소를 배제할 수 있고 감도를 높일 수 있는 장점이 있다.
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개발된 MEMS 공진형 가속도계의 모식도 Fig. 2 The schematic drawing of the MEMS resonant accelerometer
공진형 가속도계의 공진현은 양단이 구속된 한 쌍의 현이다. 공진현의 좌우에 배치된 구동전극을 통해 정전력을 발생시키고 현을 튜닝포크 공진모드로 진동시킨다. 가속도가 인가되면 질량체가 움직이고 이로 인해 공진현의 공진주파수가 변한다. 채널A 공진현의 공진주파수가 높아지면 채널B 공진현의 주파수는 동일한 양으로 감소한다. 이러한 주파수의 차이를 환산하여 가속도를 측정한다.
가속도계의 관성질량체는 1.5 mg이며, 공진현은 35 kHz 대역의 튜닝포크 공진모드로 진동하도록 설계된다. 그림 3 은 차분공진형 가속도계에 대한 FEM 모드해석 결과이다. 가속도계 구조물에 대하여 질량체가 벤딩하는 1차 모드부터 12차 모드까지 해석하였다. 가속도 측정범위 내에서 질량체의 불필요한 공진에 의한 간섭을 제거하기 위해서 공진현의 튜닝포크 모드는 질량체 모드와 20% 이상 이격시켰다. 또한, 진동이나 충격에 의해서 공진현이 튜닝포크모드에서 훌라모드로 변환되지 않도록 두 모드는 10% 이상 이격되도록 설계하였다. 가속도계의 입력모드는 가속도 입력방향과 동일한 방향으로 관성질량체를 공진시킬 수 있는 모드이기 때문에 가속도계 출력에 직접적으로 영향을 준다. 따라서 주변환경과 음역잡음에 둔감하도록 20 kHz이상으로 설계하였다. 1차 모드는 관성질량체가 종축으로 휘어지는 벤딩모드로 6kHz에 있다. 5차 모드는 가속도계 입력모드로 21.6 kHz에 있다. 9차 모드인 훌라모드는 30.4 kHz에 있으며, 공진현을 튜닝포크형태로 진동시키는 10차 모드는 35.7 kHz에 있다. 그림 4 는 제작된 MEMS 가속도계의 사진과 구조물에 대한 전자현미경 확대사진이다. 가속도계는 실리콘 건식식각을 통해 제작되며 세라믹패키지에 실장된다. 구조적 안정성을 위해 100,000 이상의 특성계수를 갖도록 1 mTorr 이하의 고진공 상태로 패키징된다. 세라믹 패키지는 전치증폭기가 있는 전자보드에 구현된다. 가속도계의 기구적 환산계수는 50 Hz/g이다.
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FEM을 통한 모드해석 결과 Fig. 3 Results of FEM simulation
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가속도계 사진 및 구조물에 대한 전자현미경 확대사진 Fig. 4 A photograph of the accelerometer and a SEM micrograph of the structure
- 2.2 음향가진 반응특성
그림 5 는 입력모드 가진으로 인해 가속도계가 공진하는 개념도와 FEM 해석결과를 도시한 것이다. 입력모드와 동일한 주파수를 갖는 음파나 진동이 외부에서 인가될 경우, 가속도계의 관성질량체는 높은 특성계수로 인해 공진하게 된다. 따라서 외부에서 인가되는 가속도와 더불어서 공진현은 추가적으로 인장력과 압축력을 받게된다. 관성질량체의 미세한 떨림은 진동현의 주파수를 변화시키고 가속도계의 오차로 나타난다.
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입력모드로 인해 공진하는 가속도계 개념도와 FEM 해석 결과 Fig. 5 The conceptual drawing of the accelerometer and a FEM result at the input mode
공진현의 강성은 외부에서 인가되는 가속도의 영향으로 증감한다. 이를 테일러 전개를 통해 공진주파수를 개략적으로 계산하면 식 (1)과 같다 [5] .
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여기에서, L 은 현의 등가길이, M 은 관성질량체의 질량, m 은 공진현의 질량, a 는 가속도이다.
관성질량체가 입력모드로 공진한다고 가정하면, 공진현의 강성은 가속도뿐만 아니라 질량체의 공진변위 [6] 에 의해서도 영향을 받는다. 공진변위를 위해 정현파 함수를 도입하면, 강성변화는 식 (2)와 같이 표현가능하다.
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여기에서 K bending 은 현의 구조적 강성, K buckling 은 가속도에 의한 강성변화, K i- mode 는 입력모드 공진에 의한 강성변화, K 0 는 초기현의 강성, Q 는 특성계수, 𝜔 i-mode 는 입력모드 주파수이다.
음향가진으로 인해 관성질량체가 공진할 경우, 공진현의 강성변화는 구조체의 특성계수에 영향을 받게되고 이는 공진현의 주파수 변화로 직접적으로 나타나게 된다.
이러한 음향가진 반응특성이 발생하지 않도록 가속도계의 입력모드를 20 kHz 이상의 초음파 주파수대로 설계한다. 또한 고주파 음파를 차단하기 위해 금속케이스를 적용한다. 가속도계가 조립된 관성측정기의 알루미늄 케이스는 20 dB의 음파차단 효과가 있다. 관성측정기의 경우 외부의 충격이나 진동으로부터 관성 센서를 보호하기 위해 기구적 방진기를 적용한다. 따라서 고주파 진동은 저주파의 차단주파수를 갖는 방진기에 의해 감쇄된다. 그러나 110 dB 수준의 고주파 음파와 진동이 발생하는 유도탄의 경우, 가속도계의 입력모드 주파수와 일치하는 음향가진이 가속도 오차를 유발할 수 있다.
3. 음향가진 반응 특성 시험
공진형 가속도계의 고주파 음향가진 반응특성을 확인하였다. 고주파 음파와 고주파 진동에 대해서 각각 가속도계의 내성과 반응특성을 시험하였다. 그리고 이러한 오차요인을 감쇄시키기 위한 방안에 대한 효과도 검증하였다.
- 3.1 음파 반응특성시험
먼저, 액화 질소를 사출할 때 발생하는 고주파 음파를 분석하고 가속도계의 반응특성을 확인하였다. 가속도계와 마이크로폰을 질소사출 노즐로부터 2 m 이격된 위치에 배치하고 시험하였다. 그림 6 은 공진형 가속도계의 음파 반응특성을 확인하기 위해 수행한 질소 사출시험 결과이다. 노즐의 형태에 따라 다를 수 있지만 질소를 사출했을 때 초음파 영역의 고주파 음파가 그림과 같이 발생함을 확인하였다. 특히 35 kHz 고주파 영역에서는 최대 74 dB의 음압이 발생하였다.
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질소 사출 시 발생하는 음파 Fig. 6 Acoustic waves generated during N2 gas ejection
가속도계의 입력모드 주파수인 21 kHz 주파수대에서는 70 dB의 음압이 계측되었다.
그림 7 은 질소가 사출될 때 공진형 가속도계의 출력을 도시한 것이다. 차분방식 가속도계이기 때문에 두 개의 출력채널이 있으며 채널의 차이가 가속도 측정값이 된다. 가속도가 인가되면 두 채널의 공진주파수는 반대극성으로 증감한다. 외부에서 인가되는 가속도가 없기 때문에 온도에 따른 변화량과 잡음오차만 있어야 한다. 그러나 질소가 사출되는 3.3초와 4.6초 사이에서 과도한 출력오차가 확인되었다. 이는 입력모드 주파수를 갖는 음파에 의해 가속도계가 반응한 것이다.
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질소사출 시 가속도계 공진현의 주파수 출력 Fig. 7 A frequency output of resonant strings during N2 gas ejection
또한 공진형 가속도계가 입력모드 주파수에만 반응함을 확인하기 위해서 음파반응 특성과 내성시험을 수행하였다. 그림 8 은 음파반응 특성시험 사진이다. 배경잡음을 배제하기 위하여 무반향실에서 수행하였다. 180 kHz까지 음파를 감지하는 마이크로폰과 80 kHz까지 음파를 출력하는 B&K사의 슈퍼트위터를 사용하였다. 가속도계를 트위터로부터 1m 이격된 위치에 배치하고 시험하였다,
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음파반응 특성시험 사진 Fig. 8 A photograph of acoustic experimental setup
트위터를 사용하여 1차부터 12차 공진모드 주파수 대역의 음파를 10초 간격으로 송출하였다. 송출되는 음파의 음압은 80 dB이고, 중심주파수를 기준으로 316 Hz 대역폭을 갖도록 구현하였다. 그림 9 는 입력모드 주파수 대역의 음파가 송출되는 것을 마이크로폰으로 계측한 것이다. 중심주파수는 21.6 kHz이며 배경잡음은 50 dB 이하이다.
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계측된 입력모드 주파수 대역의 음파 Fig. 9 Input mode acoustic wave measured by a microphone
그림 10 은 입력모드 주파수 대역의 음파가 입력될 때 가속도계가 반응하는 것을 보여준다. 채널A 공진현과 채널B 공진현의 주파수가 각각 온도 변화에 따라 편류하다가 입력모드 주파수에 해당하는 음파가 인가되는 시점부터 반응함을 알 수 있다. 105초와 115초 사이에서 최대 160mg에 해당하는 주파수 변화가 발생하였다. 이 구간은 입력모드 주파수와 동일한 초음파가 인가되고 있는 시점이다. 채널A의 경우 특성계수가 높아 채널B에 비해 상대적으로 큰 반응을 보였다. 채널A와 채널B의 반응특성이 다른원인은 센서마다 특성계수에 편차가 있기 때문이다.
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고주파 음파에 반응하는 가속도계 공진현 출력 Fig. 10 A frequency output of resonant strings responding to the input mode acoustic wave
공진형 가속도계의 음파반응 내성을 확인하기 위해서 입력모드 주파수 대역의 음파를 20 dB부터 10 dB씩 증가시키면서 송출하였다. 70dB 이상의 음압이 인가되는 시점부터 가속도계가 반응함을 확인하였다.
공진형 가속도계가 조립된 관성측정기에 대한 음파반응 특성도 확인하였다. 그림 11 은 음파반응 특성시험을 위한 시험사진이다. 초음파 스피커를 통해 음파를 발생시키고 마이크로폰으로 음파출력을 확인하였다. 관성측정기 샘플을 바꿔가면서 입력모드 주파수 대역의 음파를 70 dB부터 110 dB까지 인가하였다. 실제시험은 케이스 영향을 배제하기 위해 케이스를 분리한 상태에서 수행하였다. 그림 12 는 관성측정기 샘플별 음파반응 특성을 도시한 것이다. 샘플별로 특성계수 편차로 인한 차이는 있지만, 음파반응특성이 지수함수로 증가함을 알 수 있다. 70 dB부터 미세한 반응를 보이다가 110 dB에서 최대 7g까지 반응하였다.
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관성측정기 음파반응 특성시험 구성 사진 Fig. 11 A photograph of acoustic experimental setup with a IMU
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관성측정기 샘플별 음파반응 특성결과 Fig. 12 A result of acoustic characteristic experimental
- 3.2 진동 반응특성시험
공진형 가속도계의 고주파 진동에 대한 반응특성을 확인하였다. 그림 13 은 고주파 진동 반응특성을 확인하기 위해 수행한 시험의 사진이다. 압전 가진기를 사용하여 고주파 진동을 인가하였고 진동센서로 출력을 확인하였다. 20 kHz부터 22 kHz까지 정현파 진동을 시간에 따라 순차적으로 인가하였다. 고주파 진동의 크기는 ±6 g이다.
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고주파 진동 반응특성 시험 사진 Fig. 13 A photograph of high frequency vibration experimental setup
그림 14 는 고주파 진동이 인가될 때 가속도계가 반응하는 출력결과이다. 음파 반응특성과 마찬가지로 가속도계의 입력모드 주파수와 동일한 주파수를 갖는 진동이 인가될 때 반응하였다. 채널A 공진현은 21.05 kHz 진동이 인가되는 시점에서 40 Hz 주파수 변화가 발생하였다. 이를 가속도 물리량으로 환산하면 528 mg의 출력오류이다. 채널B는 21.12 kHz 진동이 인가되는 시점에서 50Hz 주파수 변화가 발생하였다. 두 채널의 입력모드 주파수가 다른 것은 구조물 제작과정에서 발생한 편차 때문이고 반응특성의 차이는 센서의 특성계수 편차 때문이다. 실제, 가속도계는 300 Hz 차단주파수를 갖는 방진기를 통해 관성측정기 케이스와 조립되기 때문에 고주파 진동이 물리적으로 전달되지 않는다. 그러나 고주파 진동이 관성측정기 케이스의 후면판을 진동시키고 내부공기를 매질로 전달된 것으로 판단된다.
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고주파 진동에 대한 가속도계 출력 Fig. 14 A frequency output of resonant strings responding to high frequency vibration
- 3.3 개선효과 검증시험
공진형 가속도계의 고주파 음파에 대한 반응특성을 개선하기 위해서 흡음재와 금속실장 케이스를 적용하였다. 흡음재는 EAR사의 CONFOR 재질로 센서 패키지 표면을 도포하였다. 금속실장 케이스는 2 mm 두께의 알루미늄으로 제작하였다. 그림 15 는 음파 반응특성 개선효과를 시험한 결과이다. 흡음재와 금속실장 케이스 모두 가속도계 출력을 비교했을 때 10배의 개선효과가 있음을 확인하였다.
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흠음재 적용을 통한 음파 반응특성 개선효과 시험결과 Fig. 15 A result of the acoustic response after applying acoustic absorbing materials
고주파 진동에 대한 반응특성을 개선하기 위해서, 관성측정기를 장착할 때 1mm 두께의 실리콘러버를 삽입하였다. 실리콘러버의 방진특성은 1.8 kHz에 공진 댐핑이 있을 뿐 가속도계의 대역폭 이내에서는 감쇄효과는 없다. 그림 16 은 실리콘러버 방진패드를 적용했을 때 진동 반응특성 개선효과를 시험한 결과이다. 중력을 받는 수직상태에서 시험을 했기 때문에, 가속도계는 1g를 출력하다가 입력모드 주파수 대역의 진동이 인가될 때 비정상적인 출력을 보인다. 그러나 실리콘러버 방진패드를 적용했을 때에는 9 mg이내의 미세한 출력만을 보였다. 실리콘러버 방진패드가 관성측정기 케이스에 전달되는 고주파 진동을 차단하여 진동에 대한 반응특성을 개선함을 알 수 있다.
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실리콘러버 패드를 통한 진동반응특성 개선효과 시험결과 Fig. 16 A result of the vibratory response after applying a silicone rubbler mount pad
3. 결 론
공진형 MEMS 가속도계가 고주파 음향가진에 반응하는 원인을 분석하였고 음파반응 내성을 시험을 통해 확인하였다. FEM 모드해석을 수행하여 입력모드 주파수가 21.6 kHz임을 확인하였다. 고주파 음파발생장치를 이용한 시험을 통해서 가속도계가 입력모드 주파수와 일치하는 음파에만 반응하는 특성이 있음을 확인하였다. 또한 음향가진 반응특성은 구조물의 특성계수에 따라 편차가 있음을 확인하였다. 가속도계는 70 dB 음압에 대한 내성이 있으며, 110 dB 음압에 대해서 최대 7 g까지 반응하였다. 고주파 가진기를 이용하여 진동에 대한 반응특성을 시험한 결과 음파반응과 동일하게 입력모드 주파수에 반응함을 확인하였다. 음향가진 반응특성에 의한 오차요인을 감쇄시켜주는 방안으로 흡음재와 금속실장 케이스 및 실리콘러버 방진패드를 제안하였다. 시험결과 흡음재와 금속실장 케이스는 각각 20 dB의 개선효과 있었으며, 실리콘러버 방진패드는 고주파 진동에 대한 반응특성을 9 mg 이하로 개선함을 확인하였다.
BIO
이 상 우 (Sang Woo Lee)
1996년 아주대학교 제어계측공학과 졸업. 1998년 동 대학원 제어계측공학과 졸업(석사). 2008년 동 대학원 전자공학부 졸업(박사). 2001년-현재 국방과학연구소 선임연구원.
이 형 섭 (Hyung Sub Lee)
2011년 경기대학교 전자공학과 졸업. 2013년 동 대학원 전자공학과 졸업(석사). 현재 국방과학연구소 연구원.
유 명 종 (Myeong-Jong Yu)
1987년 경북대학교 전자공학과 졸업. 1990년 동 대학원 전자공학과 졸업(석사). 2002년 서울대학교 전기컴퓨터공학부 졸업(박사). 1990-현재 국방과학연구소 책임연구원.
김 도 형 (Do Hyung Kim)
2006년 서울과학기술대학교 전자정보공학 졸업. 현재 ㈜마이크로인피니티 책임연구원.
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