고정밀 MEMS 가속도계의 기준 성능 확립하기

이 연재의 첫 번째 파트에서는 3축 ADXL355 MEMS 가속도계의 내부 아키텍처를 살펴보았다. 이번 기사에서는 디바이스의 노이즈 플로어를 확인하고 후속 신호 처리 실험에 대한 기대치를 검증할 수 있는 신뢰할 수 있는 초기 데이터셋을 수집하는 방법을 설명한다.

평가 환경 구성

가속도계의 아날로그 출력은 어떤 DAQ 시스템에도 연결할 수 있지만, 아나로그디바이스는 임베디드 프로토타입에 빠르게 통합할 수 있도록 설계된 소형 평가 보드 EVAL‑ADXL35x를 제공한다. 이번 연구에서는 이 보드를 SDP‑K1 마이크로컨트롤러에 장착하고, 무료 ARM 기반 Mbed 환경에서 프로그래밍했다. SDP‑K1은 PC에 연결하면 외장 드라이브로 인식되므로, 컴파일된 바이너리를 드라이브에 끌어다 놓는 것만으로 플래싱이 완료된다.

데이터 수집 및 로깅

Mbed 펌웨어가 실행되면 UART를 통해 터미널로 데이터가 스트리밍되며, 2 Hz 주기로 로깅되었다. ADXL355는 훨씬 높은 데이터 출력 속도를 지원하지만, 이 기사에서는 기준선을 확립하기에 충분한 저속 로깅에 초점을 맞췄다.

안정적인 측정 환경 구축

안정적인 측정 표면을 확보하기 위해, 센서를 PanaVise 관절 암과 흡착 컵 마운트를 이용해 유리 벤치에 고정했다. 바이스 사용 시 약간의 기울어짐 위험이 있지만, 벤치 전체를 움직이지 않고 중력 방향에 대해 센서를 회전시키는 비용 효율적인 방법이다. ADXL355는 그림 1과 같이 배치되었고, 초기 분석을 위해 60초간의 데이터 스트림을 캡처했다.

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그림 2. EVAL‑ADXL35x, SDP‑K1, PanaVise 마운트를 사용한 테스트 설정. (출처: Analog Devices)

필터 없는 상태에서의 노이즈 측정

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그림 3. 저역통과 필터 없이(레지스터 0x28=0x00) 1분간 측정한 ADXL355 데이터. (출처: Analog Devices)

120개 샘플로부터 표준편차는 800 µg ~ 1.1 mg 범위였다. ADXL355 데이터시트에는 노이즈 밀도가 25 µg/√Hz로 명시되어 있다. 기본 1 kHz 대역폭(LPF 활성화)에서는 25 µg/√Hz × √1000 Hz ≈ 791 µg rms가 되며, 이는 브릭월 필터 가정 하의 이론치다. 실측값이 이 이론 범위 내에 들어옴으로써 센서의 노이즈 성능이 확인되었다.

디지털 저역통과 필터 적용 효과

대부분의 정밀 애플리케이션은 1 kHz 대역폭을 필요로 하지 않는다. 온보드 디지털 저역통과 필터(LPF)를 4 Hz로 설정하면 유효 노이즈가 √1000/√4 ≈ 16배 감소해야 한다. Mbed 펌웨어 설정은 그림 4에, 결과 데이터는 그림 5에 나타나 있다. 표 1은 필터 유무에 따른 각 축의 이론적/실측 노이즈를 요약한다.

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그림 4. 레지스터 설정을 위한 Mbed 코드. (출처: Analog Devices)

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그림 5. LPF를 4 Hz로 설정(레지스터 0x28=0x08) 후 1분간 측정한 ADXL355 데이터. (출처: Analog Devices)

표 1. ADXL355의 예상 및 실측 노이즈 (출처: Analog Devices)

	X축		Y축		Z축
	이론값 (µg)	실측값 (µg)	이론값 (µg)	실측값 (µg)	이론값 (µg)	실측값 (µg)
필터 없음	791	923	791	1139	791	805
4 Hz 필터	50	58	50	185	50	63

Y축 노이즈가 이론 예측치를 초과하는 것을 알 수 있다. 체계적인 조사 결과, 실험실의 노트북과 기타 장비 팬이 Y축 방향으로 주로 진동을 발생시키는 것으로 밝혀졌다. 센서를 돌려 X축이 진동 소스와 정렬되도록 하자 초과 노이즈가 X축으로 이동했으며, 이는 관측된 차이가 센서 고유의 편차가 아닌 외부 기계적 교란에서 기인함을 확인했다.

급격한 열 충격에 대한 반응 평가

센서의 급격한 열 교란에 대한 반응을 평가하기 위해, Weller 6966C 열풍총을 '쿨' 설정(≈ 40 °C 상승)으로 작동시켰다. ADXL355의 온보드 온도 센서가 주변 온도를 기록하는 동안, 열풍총에서 나온 따뜻한 공기가 밀봉된 세라믹 패키지에 전달되었다. 그림 6은 Z축에서 1.5 mg의 뚜렷한 오프셋과 X, Y축의 훨씬 작은 변화를 보여준다. 열풍총을 끄자 Z축이 거의 즉시 기준선으로 돌아왔으며, 이는 그림 7에 나타나 있다.

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그림 6. 쿨 설정으로 열풍총을 사용한 ADXL355 열 충격 데이터. (출처: Analog Devices)

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그림 7. t = 240초에 열풍총을 끈 ADXL355 열 충격 데이터. (출처: Analog Devices)

빠른 Z축 오프셋(≈ 10 mg)은 데이터시트에 보고된 100 µg/°C 오프셋 온도 계수를 훨씬 초과한다. 이 동작은 실리콘 다이 전체에 걸친 차동 열 응력이 Z방향으로 질량에 더 강하게 영향을 미치기 때문으로 분석된다. 반면 40 °C 온도 상승만으로는 오프셋 계수 기준으로 4 mg 변화만 예측되므로, 관측된 효과는 열 드리프트가 아닌 기계적 현상임이 분명하다.

오븐 기반 온도 특성화

오븐 기반 온도 특성화(그림 8)는 센서를 5 °C/분으로 서서히 램핑하고 담금질 없이 -45 °C ~ +125 °C 범위에서 약 100 µg/°C의 오프셋 온도 계수를 확인시켜준다. 125 °C에서 15분간 담금질하면 차동 응력이 평형에 도달하며 유효 계수가 ≈ 60 µg/°C로 감소한다.

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그림 8. ADXL355의 오븐 기반 온도 특성화. (출처: Analog Devices)

결론 및 다음 단계

이러한 기준선 측정은 ADXL355가 적절한 디지털 저역통과 필터와 함께 동작할 때 광고된 저노이즈 성능을 제공함을 확인시켜주며, 급격한 열 충격이 상당한 오프셋 과도 현상을 유발할 수 있어 설계 시 이를 완화해야 함을 보여준다.

이 연재의 3부에서는 장기 안정성에 영향을 미치는 추가 요인들을 살펴보고, 센서 성능을 더욱 향상시키기 위한 기계적 설계 가이드라인을 제공할 예정이다.

참고문헌

• ¹ Chris Murphy, "Choosing the Most Suitable MEMS Accelerometer for Your Application—Part 1," Analog Dialogue, vol. 51, no. 4, 2017년 10월.
• ² Chris Murphy, "Accelerometer Tilt Measure Over Temperature and in the Presence of Vibration," Analog Dialogue, 2017년 8월.
• ³ SDP‑K1 평가 시스템.
• ⁴ SDP‑K1용 Mbed 사용자 가이드.
• ⁵ PanaVise 관절 암 마운트.
• ⁶ Mbed 코드 예제.
• ⁷ Weller 6966C 열풍총.
• ⁸ Parylene.