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2002. 2. 28. 木

자동차용 MEMS 센서

마이크로머신연구센터/조남규 선임연구원

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차 례

ü 자동차 전자화 시스템 구성 및 요구 특성

ü 자동차 전자화 발전 추이 및 시장 동향

ü 자동차 전자화의 주요 요인

ü 자동차 시스템별 MEMS 센서 응용 가능성

ü 자동차 시스템별 ECU 및 소요 센서 전망

ü 자동차용 센서별 감지대상 및 적용시스템

ü 압력센서

ü 가속도센서

ü 각속도센서

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자동차 산업의 특성 및 동향ü 국민경제의 주력 산업

Ø 전후방 연관 산업의 발전과 고용창출 효과가 큰 국가기간산업

Ø 국내 제조업 생산의 9.5%, 고용 147 만명, 수출 132억 달러

ü 국제적 환경의 급변Ø 규모의 경제 추구로 인한 공급과잉 및 경쟁의 심화

Ø 업체 간 전략적 제휴 확대

Ø 안전 및 환경관련 기술 등 전략적 기술의 중요성 증대

Ø 시스템화, 모듈화 생산/조달의 확대

Ø 부품의 공용화 및 Global Sourcing의 확대

Ø 21C에는 경쟁력과 첨단 미래기술의 가진 6~10 개사 정도 생존 전망

ü 자동차 산업의 경쟁력은 부품산업의 경쟁력에서 출발Ø 자동차 부품의 가격이 완성차의 50% 이상 차지

Ø 자동차부품의 품질이 완성차의 성능과 품질 좌우

Ø 부품의 자체 설계 능력 없이는 독자모델 자동차 개발 불가능 및

Ø 첨단 부품 개발 없이는 차세대 자동차 개발 불가능

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자동차 전자화 시스템 구성

SENSOR ACTUACTORECU(Electronic Control Unit)

Car Electronic System

Outside Information

Force/Information

Temp. SensorPressure SensorAcceleration SensorAngular Velocity SensorAngle Sensor......

EngineMotorSolenoid......

MicroprocessorController

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Automotive Requirements

• High performance- in harsh underwood automotive environment

( temperature, shock, vibration, humidity, corrosive media, EMC, … )

• High reliability- 10 years/15,000 miles

• Very low price

• Extremely large volume - one million/year

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자동차 전자화의 발전추이

DIODES

TRANSISTORS

ANALOG IC’S

DIGITAL IC’S

4/8 BIT MICROPROCESSORS

SMART POWER

SMART SENSORS

LARGE EEPROMS

16 BIT MICROPROCESSORS

STAGE 1

STAGE 2

STAGE 3

1960 1970 1980 201020001990

Component System Integration

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CAR ELECTRONICS MARKET

■ 자동차 각 SYSTEM별 전자화 비율

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2000

1991

1986

ENGINE MANAGEMENTDOOR LOCKING

ANTILOCK BRAKINGON-BOARD DIAGONOSTICS

SHOCK DAMPING

CLIMATE CONTROL

DIGITAL DISPALYS

POWER STEERING

TRANSMISSION

FOUR WHEELSTEERING

ACTIVESUSPENSION

SYSTEM PENETRATION - US%

년도 차량당 전자부품 비용 차량 가격당 전자부품 비율 (%)

1970 $25 -

1988 $350 10%

1992 $1,400 15%

2000 $2300

2005 $3,700 30%

■ 연도별 자동차전자화비율

20%

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자동차 전자화의 주요 요인

• 범국가적 차원에서의 법적 규제의 강화 : Law

환경오염 방지를 위한 자동차 배기 가스(emission), 유한한 지구 자원의효율적 사용을 위한 연료 경제성(fuel economy) 및 승객의 보호를 위한안전(safety) 등에 대한 법적 규제 강화

• 자동차 소비자의 선호도 증가 : Market

소비자들의 경제력 향상 및 고품질에 대한 욕구 증대 등으로 자동차의 품질, 신뢰성, 편의성 및 안전성 등에 대한 소비자 선호도 증가

• 기술의 발전 그 자체 : Technology성능은 점점 올라가면서도 가격은 점점 내려가 종래에는 엄두도 내지 못하던 고품질 시스템들에 대한 소비자의 접근을 용이하게 하여 소비를 부추기는 기술의 발전 그 자체

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자동차 전자 장치

BodyElectronics

● Airbags● Climate● Security &

Keyless Entry● Auto Belts● Memory Seat● Memory Mirror● MUX

Instrumentation● Analog Dash●Digital Dash● Navigation

VehicleControl

● Antilock Brake● Traction● Suspension● Power Steering● 4 Wheel Steer● Tire Pressure

Entertainment● Cellular Phone● CD/DAT● AM/FM Radio● Digital Radio● TV Sound

Power Train● Engine● Transmission● Charging● Cruise● Cooling Fan● Ignition● 4 Wheel Drive

üü SafetySafety

üü Engine/Drive TrainEngine/Drive Train

üü Comfort, Convenience, SecurityComfort, Convenience, Security

üü Vehicle Diagnostics/MonitoringVehicle Diagnostics/Monitoring

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Applications of MEMS < Safety System >

LowLimited Prod.Wheel Rot'nNavigation

HighLimited Prod.Yaw Rate/GyroNavigation

FutureDisplacement

LowLimited Prod.Presence/ObjectAvoidance

LowLimited Prod.Displacement

LowLimited Prod.Presence/ForceSeatOccupancy

HighLimited Prod.Acceleration(Side impact)

MedFuturePressure

Side-impact

LowLimited Prod.Displacement

MedFuture(Canister)

Pressure

Frontal impact

HighProductionAccelerationAir bagActuation

LowLimited Prod.Displacement

HighLimited Prod.Rate

HighLimited Prod.Acceleration

LowFutureValve

MedLtd. ProductionPressure

LowProductionRotation/

Wheel

LowProductionPosition/

LowProductionSteeringAntilockBraking/VehicleDynamics/Suspension

MEMS OpportunityStatusSensor StructureApplication

< Comfort, Convenience and Security System >

LowLimited Prod.Keyless Entry

LowLimited Prod.Displacement

LowLimited Prod.Vibration

LowLimited Prod.Motion

LowLimited Prod.Proximity

LowProductionTemperature

HighProductionPressureCompressorControlSecurity

HighFutureAir Quality

LowFutureHumidity

LowProductionTemperature

LowFutureMass Air FlowClimate

LowFutureDisplacement

MedFutureValve

LowLimited Prod.PresenceSeatControl

MEMS Opportunity

StatusFunctionApplication

* Source : Roger Grace Associates

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Applications of MEMS< Engine/Drive Train System >

HighLimited Prod.PressureDiesel Turbo Boost

HighLimited Prod.Nozzle

HighLimited Prod.PressureFuel Injection

LowFutureMicrovalve

HighFuturePressure

LowFutureTemperature

Continuously Variable Transmission

HighLimited Prod.PressureFuel Pump

HighProduction.PressureEGR

LowLimited Prod.PositionThrottle

LowLimited Prod.PositionCamshaft

LowMajor ProdPositionCrankshaft

LowProductionGas AnalysisExhaust

MedProductionFlowMass Airflow

LowLimited Prod.VibrationEng Knock

HighProductionPressureBarometric

HighProductionPressureNanifold(MAP)

LowFuturePressureCylinder

LowProductionLevelFuel

Digital Engine Control

MEMS OpportunityStatusFunctionApplication

< Vehicle Diagnostics/Monitoring System>

LowProductionVelocityVehicle Speed

HighLimited ProdPressure(EVAP)

LowFutureLevel

HighFuturePressureFuelSystem

MedFutureQuality

LowFutureLevel

HighLimited ProdPressureTrans Fluid

LowFutureLevel

HighLimited ProdPressureBrakeSystem

MedFutureQuality

MedFuture

LowProductionLevel

HighProductionPressureEngine Oil

HighLimited ProdPressureTire Pressure

LowLimited ProdLevel

HighFutureQuality

LowProductionTempCoolantSystem

MEMS Opportunity

StatusFunctionApplication

* Source : Roger Grace Associates

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자동차용 센서별 감지대상 및 적용시스템

BC-ISC, BC-ISC,PC-ISC, PC-ISC, PC-ISC, PC-ISC, ISC, ISC, ISC

ABS OIL, BRAKES LIQUID, COOLING LIQUID, ENGINE OIL, FULL, GEAR OIL, WINDSHIELD LIQUID, HEADLIGHT CLEAING LIQUID, SERVOBRAKE LIQUIDLEVEL

NAVIGATION

EXHAUST GAS COMPOSITION

PRESENCE OF ICE ON ROAD

INTERNAL/ EXTERNAL

ROAD PROFILE/CONDITIONS

OBSTACLE DETECTION

METHANOL IN FUEL, WATER IN FUEL

NAVIGATION

STEERING POSITION

Detection Object

INERTIAL

OXYGEN

ICE

HUMIDITY

PROFILE

RADAR

FUEL COMPOSITION

DIRECTION

ANGLE

SENSOR

SC-BC

SF-ISC

SC

SF

ISC

SF

PC-ISC

ACS-ISC

SC,SC,SC,SF,PC

Application

ACS = Air Conditioning System, BC = Break Control, BS = Breaking System, ISC = Information System & Commodities, NS = Navigation System, PC = Powertrain Control, SC = Suspention Control, SF = Safety Features, SS = Steering System

ISCVOICEVOICE RECONNAISANCE

PC, SC-SSENGINE TORQUE, STEERING TORQUETORQUE

PC, PC-ISC, PC-ISC, ACS, PC-SF, PCPC, PC-ISC, PC, PC-ISC, ISC, SF-ISC

AIR, EXTERNAL, AIR, INTERNAL, AIR, TREATED, BATTERY, EXHAUST GASES, EXHAUST RECIRCULATED GAS, FUEL, GEAR OIL, HEAT EXCHANGER, ENGINE OIL, SEATS, TIRES

TEMPERATURE

ACSSOLAR RADIATION IN PASSENGER COMPARTMENTRADIATION

PC-ISC, BC-ISC, SC-SSENGINE R. P. M., WHEEL R .P .M., STEERING SPEEDSPEED/POSITION

PC-ISC, PC-ISC, SC-ISC, SF-BS-ISC, PC, ACS, PC, PC, BS, BS, SC, PC-ISC, PC-ISC

AIR, BAROMETRIC, AIR, INTAKE MANIFOLD, AIR, DAMPERS, AIR, TIRES, CYLINDERS, FREON, FUEL, GAS, E.G.R., OIL, ABS, OIL, BRAKES, OIL, DAMPERS, OIL, ENGINE, OIL, GEARPRESSURE

PC-ISC, PC-ISC, PC, PC, ISC, SC,SC-SSACCELERATOR PEDAL, BUTTERFLY, CRANKSHAFT, CAM SHAFT, MIRRORS, SE ATS, WHEELSPOSITION

SF-ISC, SFREAR OBSTACLE DETECTION, WINDOW INTRUSIONOBSTACLE

PC, ACS, PC-ISC ENGINE INTAKE AIR, TREATED AIR, FUELMASS FLOW

Appl icat ionDetection ObjectSENSOR

NBODY TRIMINCLINATION

PCEXTERNAL LIGHT INTENS.TWIL IGHT

ISC-SFSUSPENSION HEIGHTHEIGHT

ACS-ISCINTENSITY OF THE RAINRA IN

SCENGINE OIL CONDITIONOIL STATUS

NS-SFANTITHEFT PROTECTIONINTRUSION

PC, ISCBATTERY CHARGE STATUSCHARGE

NS-ISCAIR QUALITYCO OP SMELL

SS-SCBODY OSCILLATION, BODY VERTICAL ACCELERATION, BODY HORIZONTAL ACCEL,, CRASH DETECTION, KNOCK DETECTION

ACCELERATION

Appl.Detection ObjectSENSOR

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자동차용 MEMS 센서

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전장시스템의 ECU 및 센서 요구특성 전망

★ 고출력 파워 디바이스IGBT 600V 500A˜1000A

★ 전용 IC: IGBT Drive, G/A* 전기 자동차 (유도전동기의 인버터제어)기타

★ LAN용 전용 IC

* 총합제어에 따른 조향성, 승차감,연비향상, Cost 저감-엔진/변속기/4WS/4WD/Traction

Suspension/Brake

차량전체

☞On-chip반도체★ 진동자이로* Navigation의 파급(저가/고급화)* Car Audio편의성

★ 화상인식-CCD, Video 신호처리 LSI

* 차간거리경보(레이져 레이더, 화면처리)* 추적주행 제어* 후측방 모니터

예방안전

☞On-chip반도체☞Potio inking 기술☞Laser기술☞On-chip반도체☞Laser기술

★ 가속도 센서★ Height 센서★ 노면예측센서★ Yawrate 센서★ Torque 센서★ Laser Radar 센서

- 고출력 레이져, 아이세이프파장

* ABS 장착차 확대* Airbag 장착차 확대* Traction 제어* 4WD제어* 4WS제어* 서스센션(Active제어)* 전동파워스티어링 장착자확대

샤시

☞박판세라믹☞On-chip반도체

★ 고속,고기능Micom- 16 bit, 32bit- 향후는 DSP 내장- 내고온 : 엔진 Room장착★고장진단기능부착Smart Power IC★흡입공기량센서용★ 압력센서- 미소압검출: OBD- 2용- 유압검출- 상대압 검출

★ 배기가스센서(HC, CO, NOx등)★ 연료성상센서(알콜함유율, 중경질)

* 배기가스 규제강화(US & EC)* 최적연비 (CAFE 규제대응)* Diagnosis 검출화 (OBO-2)- 배기가스 열화검출, Alarm

* 디젤엔진의 전자제어화* 고출력화(가변밸브타이밍 등)* 엔진과 A/T의 총합제어* 대체연료 (Alcohol엔지 등)* A/T 다단화 (4속→ 5속)* 무단 A/T화 (CVT)

엔진 및변속기

핵심기술ECU 및 센서 요구향후 동향

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전장시스템별 ECU 및 센서 소요 수량 전망

2개--*EPROM

1Mbite×1개* 8 bit × 1개* 16bit × 1개

11 전기자동차

3개*SRAM1M×5

개*EPROM256K

×1개* 8 bit × 1개

10. 화상처리(차량주변인식)

★Laser diode★Photo diode

1˜2개----* 8 bit × 1개9. Laser Radar

★진도자이로6개*4M×17개

*4M PSRAM×2개

*4M×9개*64KEEPROM

×1개

* 32bit × 1개* 16bit × 1개* 18bit × 1개

8. Navigat ion

★가속도센서1개--EP 2Kbit* 16bit × 1개7. Airbag

--1˜2개----* 8 bit × 1개6. 전동 P/S

★Yawrate센서1˜2개--상동* 8 bit × 1개5. 4W S제어(후륜제어)

★가속도센서1˜2개--상동* 8 bit × 1개4. Traction 제어

★가속도센서★Yawrate센서

2˜3개--상동* 8 bit × 1개3. ABS

★유압센서(CVT Only)

2˜3개--상동* 8 bit × 1개(1CHIP)

2. 자동변속기 제어

★흡기압 센서★대기압 센서★연료탱크압센서★공기량제어차압센서★아나로그 IC★고압센서

2˜3개--

EPROM512K×1개

OR FLASH EEROM사용

* 8 bit × 1개(1CHIP)

* 16bit × 1개(1CHIP)

1. 엔진제어

CUSTOM ICRAMROMMICOM

핵심기술(반도체 센서)

ECU

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대표적인 자동차용 MEMS 센서

• Pressure Sensor– MAP sensor, Tire Pressure, Oil pressure, Brake, …

• Acceleration Sensor– Airbag sensor, ABS, ECS, …

• Angular Velocity Sensor- Yaw Rate Sensor, ABS, Navigation, …

• Air-Flow Sensor

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Pressure Sensing Requirements for Various Vehicle Systems

Multiple usage of sensorsMultiplex/diagnostics : 1

Gage7.5 PsiLumbar pressureMemory seat : 1

GageGageGageGageGageGageGageGage/absoluteOptical

80 Psi15 in H2O15 in H2O200 kPa24 in H2O12 in H2O12 in H2O50 Psi1-2 in below

oil pressureFuel levelOil leverCoolant pressureCoolant levelWindshield washer levelTransmission oil levelTire pressureBattery fluid level

Driver information : 9

Absolute300-500 PsiAir flow (PC) Compressor pressureHVAC (cl imate control) : 1

Absolute100 kPaPassenger compartment pressureSecurity/keyless entry : 1

Absolute1 MPaPneumatic spring pressureSuspension : 1

Gage7.5 PsiBag pressureAir bags : 1

AbsoluteGage

500 Psi12 in H2O

Brake pressureFluid level

Antiskid brakes/ : 2traction control

Absolute500 PsiHydraulic pressureElect power steering : 1(also elect assisted)

AbsoluteAbsolute

300-500 Psi500 Psi

AC clutch sensor/switchPower steering pressureIdle speed control : 1

GageAbsolute

80 Psi100 kPa

Transmission oil pressureVacuum modulationElect transmission : 2

AbsoluteAbsoluteAbsoluteGageGageGageDifferentialDifferentialGageGage

100 kPa200 kPa100 kPa7.5 psi-450 kPa15 Psi-450 kPa15 in H2O100Bar, 16.7 Mpa100 kPa100 kPa

Manifold absolute pressureTurbo boost pressureBarometric pressure(altitude)EGR pressureFuel pressureFuel vapor pressureMass air flowCombustion pressureExhaust gas pressureSecondary air pressure

Eng ine con t ro l : 10

TypePressure rangeParameterSystem

* Source : Automotive Electronics handbook

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대표적인 자동차용 압력센서

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실리콘 센서 및 압력센서 시장 동향

< 실리콘센서 세계시장 > < 실리콘 압력센서 국내수요 예측 >

0

0.5

1

1.5

2

2.5

$Bill

ion

1995 2000 2005

압력센서

관성센서

유속센서

*Source : Sensor Business News 1995,Brazk's forcast commercial MEMS Market

300

1000

400

200

140

500

300

140

600

300

500

650

300

500

700

350

550

750

400

600

0

500

1000

1500

2000

단위

: 만

개

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

년 도

자동차용 의료용 가스압력 측정용

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MEMS Pressure Sensor

Stainless steel

(Sensym)

Plastic(Sensym)

Stainless steel(Lucas Nova)

TO-8(Bosch)

Plastic(ISS, MAP)

Plastic(Motorola)

DIP

(Lucas Nova)

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MEMS Accelerometer•Piezoelectric type(mechanical) •Piezoresistive type(bulk) •Capacitive type(bulk)

•Capacitive type(surface-lateral) •Capacitive type(surface-vertical) •Capacitive type(lateral)

amFr

=

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MEMS Angular Velocity Sensor

vmFrr

×= ϖ2

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Vehicle Motion

Roll

Traction force

Bounce

Yaw

Pitch

Side force

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Inertial MEMS Sensor(6-axis)