임베디드 HW/제어 (센서, 액추에이터)
가속도 센서 (Accelerometer)
by MachineJW
2025. 11. 10.
1. 개요
가속도 센서
가속도는 물체의 속도 변화율을 나타낸다. 가속도 센서(Acceleration Sensor)는 가속도계(Accelerometer) 라고도 불린다.
공간에서 움직이는 물체의 가속도나 진동(Vibration), 충격(Shock), 기울임(Tilt)과 같은 특정 방향의 직선 운동, 동적 힘 또는 크기를 그에 비례하는 전기적 신호로 변환 하여 측정하는 센서
MEMS 기술을 적용하여 스마트 기기, 생활 가전제품, 의료 기기 등에 확대 적용 되고 있으며, 활용 분야가 넓고 다양한 용도로 응용 될 수 있다.
2. 질량 - 스프링 - 댐퍼 시스템 (가속도 센서의 원리)
가속도, 진동, 제어 시스템 분석 등의 다양한 영역에서 모델링을 위한 기본 원리로 사용된다.
가속도 는 질량 - 스프링 - 댐퍼 시스템에 기계적인 움직임 을 만들고 가속도 센서 는 질량의 변위를 이용하여 가속도 정보 를 얻음운동 방정식은 다음과 같다. m x ¨ + c x ˙ + k x = F ( t )
질량 (m) 진동을 감지하는 내부 질량체
외력에 의해 운동
스프링 (k) 복원력 제공
변위 발생 시 원위치로 되돌리려는 힘
댐퍼 (c) 진동 감쇠 역할
과도 진동을 줄여 안정화
하우징 고정 기준점 역할
외부 진동이 입력됨
외부 진동이 센서 본체에 전달되면, 내부 질량체는 뉴턴의 제2법칙 (F = m·a) 에 따라 가속도를 가진다.
3. 가속도 센서 종류 (MEMS) MEMS 3축 가속도 센서는 압저항식, 압전식, 정전용량식의 세 가지의 유형이 있으며, 각각 저항, 전압, 정전 용량
(1) 압전식 가속도 센서
압전식 가속도계 구조
압전 (piezoelectric) 효과 를 활용하는 가속도 센서압전 효과는 압전 결정이 인장, 압축, 전단과 같은 기계적 응력을 받으면 적용된 힘에 비례하여 결정 표면에 전하 를 생성한다.
물체가 진동 할 때 센서 내의 관성 질량이 진동 가속도에 비례하는 힘을 압전 소자에 가하도록 배치 된다.
압전 소자에 부착된 질량이 가속도에 따라 압전 소자에 진동을 가하게 되며, 양단의 얇은 전극에는 F=ma의 힘에 비례하는 전하 밀도가 발생하고 이것은 가속도에 비례하는 값을 가지게 된다.
(2) 정전용량식 가속도 센서
두 개의 금속판 사이에 움직이는 가동 전극판 으로 구성되어 있음
가동 전극판이 가속도를 받으면 변위를 일으키고 고정 금속판과 가동 전극판 사이의 전극 간 거리가 변하면서 정전용량 값이 변하는 것을 검출하여 가속도를 측정 한다.
정확도가 매우 높지 않아도 되는 자동차나 모바일 장치와 같은 대규모 상업용 제품에 저렴하게 적용됨
저가의 정전용량식 가속도 센서는 일반적으로 신호 대 잡음비가 낮고 동적 범위가 제한되어 있다.
(3) 압저항식 가속도 센서
압저항식 가속도 센서는 금속이나 폴리실리콘과 같은 반도체 재료에 외력이 가해지면 기하하적인 형상 변화로 저항비가 변하는 압저항 효과를 이용하여 가속도를 측정 한다.
실리콘과 같은 반도체 소자는 외력에 의한 기하하적인 변형보다 재료의 본질적인 특성에 의해 저항비가 변한다.
유사한 원리의 저항식 가속도 센서는 기본적으로 관성 질량 시스템의 일부인 스트레인지 게이지에서 저항의 변화를 측정한다.
순전한 저항성이기 때문에 신호 대 잡음 성능 은 좋다.
DC 응답 장치이기 때문에 가속 출력으로 부터 적분 오차 없이 원하는 속도와 변위 정보를 정확하게 도출할 수 있다.
4. 단일 축과 3축 https://techweb.rohm.co.kr/product/sensor/sensor-device/4892/
가속도 센서에는 「축」 이라는 개념이 있습니다. 예를 들어, 3축 가속도 센서는 X, Y, Z축 (방향) 으로, 쉽게 말하자면 좌우전후상하의 G를 측정할 수 있습니다. 어플리케이션에 따라서 필요한 축의 수는 달라지지만 3차원 상태를 파악할 수 있는 3축 타입이 최근 가장 많이 사용되고 있습니다. 3축 가속도 센서는 일정 방향의 G를 측정하는 센서가 각 방향만큼, 즉 3개의 센서가 1개의 디바이스에 탑재된 것입니다.
(1) 단일 축
감지 방향: 한 방향(x, y, 또는 z 중 하나)의 가속도만 측정구조: 한 축 방향의 질량체와 압전소자, 또는 MEMS 구조체로 구성출력: 1개의 아날로그 또는 디지털 값특징:
구조가 단순하고 비용이 저렴
특정 진동 방향(예: 수직 방향)만 측정 가능
회전이나 다방향 움직임 측정에는 부적합
(3) 3 축 (x,y,z) 3축 좌표
감지 방향: X, Y, Z 세 방향의 가속도를 동시에 측정구조: 서로 직교하는 3개의 축을 가진 센서 구조 (MEMS 칩 내부에 통합)출력: X, Y, Z 세 개의 값특징:
공간상 모든 방향의 움직임 감지 가능
기울기, 회전, 낙하, 충격 등을 모두 인식 가능
비교적 고가이지만 데이터 활용도가 높음
