정전용량식 vs 압저항식 MEMS 센서: 원리·소비 전력·온도 특성·용도 비교

MEMS 가속도 센서와 압력 센서는 질량체나 다이어프램이 힘에 의해 움직이거나 휘는 양을 전기 신호로 바꿉니다. 정전용량식은 가동 전극과 고정 전극 사이의 정전용량 변화로 변위를 측정합니다. 소비 전력이 작고 온도의 영향도 잘 받지 않지만, 변화가 극히 작아서 고감도 전용 회로가 필요합니다. 압저항식은 실리콘에 응력이 가해지면 비저항이 변하는 효과를 이용하며, 브리지 회로로 읽어 냅니다. 회로가 간단하고 출력도 다루기 쉬운 반면, 전류를 계속 흘리므로 소비 전력이 크고 온도에 따른 변화의 보상이 필수입니다.

비교 항목정전용량식압저항식
검출 원리가동 전극과 고정 전극 사이의 정전용량 변화응력에 의한 비저항 변화(압저항 효과)
가속도 센서의 구조스프링으로 지지한 질량체에 빗살 모양의 가동 전극을 달고, 양쪽 고정 전극과의 용량 차이를 측정합니다(차동)질량체를 지지하는 빔에 저항을 형성하고, 빔이 휠 때의 응력을 측정합니다
압력 센서의 구조압력으로 휘는 다이어프램과 마주 보는 전극 사이의 용량을 측정합니다얇은 다이어프램 가장자리에 저항 4개를 형성해 휘트스톤 브리지로 구성합니다
읽어 내는 신호매우 작은 용량 변화(가속도 센서에서는 fF 이하인 경우도). 용량을 전압으로 바꾸는 전용 ASIC이 필요합니다저항 변화를 브리지의 전압으로 꺼냅니다. 회로가 간단합니다
소비 전력작음. 직류 전류가 흐르지 않습니다큰 편. 브리지에 직류 전류를 계속 흘립니다
온도의 영향잘 받지 않습니다저항값과 감도가 온도에 따라 크게 변해 온도 보상이 필수입니다
감도와 분해능차동 전극과 고감도 회로로 작은 가속도나 미세한 압력도 높은 분해능으로 측정하기 쉽습니다출력의 선형성이 좋습니다. 감도는 비교적 낮은 편이지만, 큰 압력이나 충격 측정에도 적합합니다
정지 상태(일정한 힘)의 측정가능(중력도 측정 가능)가능(중력도 측정 가능)
외란에 대한 강도배선의 기생 용량과 전기적 노이즈의 영향을 받기 쉬워, 회로를 센서 가까이에 둡니다임피던스가 낮아 기생 용량의 영향을 잘 받지 않습니다
제조표면 마이크로머시닝 등으로 만들며, 회로 칩과 함께 작은 패키지에 넣기 쉽습니다주로 벌크 마이크로머시닝으로 다이어프램이나 빔을 만들고, 이온 주입이나 확산으로 저항을 형성합니다
주요 용도스마트폰 등의 가속도 센서·자이로, MEMS 마이크로폰, 저전력 기압 센서자동차 엔진과 타이어의 압력, 혈압계, 산업용 압력계, 충격용 가속도 센서

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

정전용량식
배터리로 동작하는 기기에서 소비 전력을 줄이고 싶을 때, 온도 변화가 큰 환경에서 안정적으로 동작시키고 싶을 때, 작은 변화를 높은 분해능으로 측정하고 싶을 때.
압저항식
회로를 간단하게 하고 싶을 때, 출력의 선형성과 다루기 쉬움을 중시할 때, 큰 압력이나 충격을 측정할 때.
선택 시 주의점
실제 제품의 성능은 센서 구조뿐 아니라 함께 쓰는 회로, 온도 보상, 패키지에 따라 크게 달라집니다. 소비 전력, 측정 범위, 정확도, 온도 범위를 데이터시트에서 비교해 선택합니다.

자주 묻는 질문

압저항과 피에조 전기(압전)는 같은 것인가요?

다릅니다. 압저항 효과는 응력으로 비저항이 변하는 효과로, 전류를 흘려 저항 변화를 측정합니다. 압전 효과는 응력으로 재료에 전하가 생기는 효과입니다. 압전식은 일정한 힘이 계속되면 전하가 빠져나가므로 중력 같은 일정한 가속도는 측정하기 어려운 반면, 압저항식은 측정할 수 있습니다.

스마트폰의 가속도 센서가 정전용량식인 이유는 무엇인가요?

소비 전력이 작고, 온도의 영향을 잘 받지 않으며, 회로 칩과 함께 작은 패키지에 넣기 쉽기 때문입니다. 용량 변화는 극히 작지만, 차동 전극과 고감도 회로로 읽어 냅니다.

압저항식에서 온도 보상이 필요한 이유는 무엇인가요?

실리콘의 저항값과, 응력에 대한 저항 변화의 크기(감도)가 모두 온도에 따라 변하기 때문입니다. 저항 4개를 브리지로 구성해 영향의 일부를 상쇄하고, 나머지는 보상 회로나 교정으로 보정합니다.

이해도 확인

정전 용량식 MEMS 가속도 센서가 가속도를 검출하는 원리로 올바른 것은?

  1. A온도 변화에 의한 저항값의 변화
  2. B가동부(추)의 변위에 의한 전극 간 정전 용량의 변화
  3. C빛의 간섭 무늬의 변화
정답과 해설 보기

정답: B. 가동부(추)의 변위에 의한 전극 간 정전 용량의 변화

가속도가 가해지면 스프링으로 지지된 추가 관성으로 움직여 빗살 모양 고정 전극과의 거리가 변합니다. 그 정전 용량의 변화를 회로로 검출하여 가속도를 구합니다. 변위는 수 nm 이하, 용량 변화는 fF(10⁻¹⁵ F) 이하로 매우 미세하지만, 차동 전극 구성과 고감도 회로로 읽어 냅니다. 구조가 간단하고 소비 전력이 작으며 온도의 영향도 받기 어려워 스마트폰 등에서 널리 사용됩니다.

반도체 압력 센서 등에 이용되는 피에조 저항 효과에 대한 설명으로 올바른 것은?

  1. A기계적 응력이 가해지면 재료의 전기 저항률이 변화하는 효과
  2. B빛을 쬐면 전압이 발생하는 효과
  3. C자계에 의해 전류의 방향이 휘는 효과
정답과 해설 보기

정답: A. 기계적 응력이 가해지면 재료의 전기 저항률이 변화하는 효과

실리콘은 응력이 가해지면 결정의 밴드 구조가 변하여 저항률이 금속 스트레인 게이지보다 수십 배 크게 변화합니다(피에조 저항 효과). 압력을 받아 변형되는 얇은 다이어프램의 가장자리에 4개의 저항을 만들어 넣고 휘트스톤 브리지로 저항 변화를 검출하면 압력을 전기 신호로 변환할 수 있습니다. 자동차 엔진이나 타이어 압력, 혈압계, 기압계 등에 사용되며 온도 보상이 설계의 핵심입니다.

MEMS 마이크로폰에서 소리를 전기 신호로 바꾸는 대표적인 방식은?

  1. A소리로 발열하는 저항의 온도 변화를 검출한다
  2. B소리로 발광하는 소자의 광량을 검출한다
  3. C음압으로 진동하는 멤브레인과 고정 전극 사이의 정전 용량 변화를 검출한다
정답과 해설 보기

정답: C. 음압으로 진동하는 멤브레인과 고정 전극 사이의 정전 용량 변화를 검출한다

일반적인 MEMS 마이크로폰은 음압으로 진동하는 두께 1 µm 전후의 얇은 멤브레인(다이어프램)과 구멍이 뚫린 고정 전극(백플레이트)으로 커패시터를 구성하고, 멤브레인 진동에 의한 용량 변화를 같은 패키지 안의 ASIC으로 전기 신호로 바꿉니다. 기존 일렉트릿 콘덴서 마이크보다 소형이고, 솔더링 열에 강하며 특성도 균일하기 쉬워, 스마트폰에서는 여러 개를 사용하여 노이즈 제거 등도 수행합니다.

  1. 4개의 저항 R1·R2·R3·R4로 만든 휘트스톤 브리지(R1과 R2, R3과 R4가 각각 직렬이고 그 2조가 병렬)에서 2조의 중점 사이에 전류가 흐르지 않는(평형하는) 조건은 무엇입니까?
  2. MEMS 가속도 센서가 정지한 상태에서도 약 1 G의 가속도를 검출하는 이유로 올바른 것은?

MEMS와 센서 문제 풀기

주요 용어 설명

정전 용량 검출
가동 전극과 고정 전극 사이의 정전 용량 변화로 변위나 압력 등을 검출하는 방식. MEMS 센서에 널리 사용된다.
압저항 효과(piezoresistive effect)
기계적 응력이 가해지면 재료의 전기 저항률이 변하는 효과. 실리콘에서 특히 크며 반도체 압력 센서 등에 이용된다.
가속도 센서
스프링으로 지지한 작은 질량체의 움직임으로 가속도를 검출하는 센서. 스마트폰의 방향 검출과 에어백 등에 쓰인다.
MEMS
미세 전기 기계 시스템. 반도체 미세 가공 기술로 미소한 기계 구조와 전자 회로를 함께 만든 소자.

관련 비교