마이크로전자기계 자이로스코프 (MEMS Gyroscope)

한 줄 정의: 미세가공 기술로 만든 초소형 진동 구조물이 회전할 때 발생하는 코리올리 힘을 이용해 각속도를 측정하는 소형 자이로스코프입니다.

여러 소자를 거쳐 신호나 전류가 흐르는 회로의 기본 개념을 나타냅니다.

쉽게 풀면

MEMS 자이로스코프는 반도체 칩 위에 머리카락 굵기 수준의 아주 작은 구조물을 만들어 그 안의 미세한 질량을 일정한 방향으로 계속 진동시킵니다. 이 진동하는 물체가 회전을 하면 코리올리 힘이라는 관성 효과 때문에 진동 방향이 살짝 비틀리는데, 이 비틀림의 크기를 전기 신호로 읽어내 회전 속도, 즉 각속도를 알아냅니다. 스마트폰이 기울어지거나 회전하는 것을 감지해 화면을 자동으로 돌려주는 기능이 바로 이 센서 덕분입니다.

왜 중요한가

기계식 자이로스코프에 비해 크기가 매우 작고 저렴하게 대량생산할 수 있어 스마트폰, 드론, 웨어러블 기기, 차량 자세 제어 시스템 등에 폭넓게 탑재됩니다. 관성항법시스템(INS)이나 자세추정 알고리즘 연구에서 저비용 관성센서로서 핵심적인 역할을 하기 때문에 관련 논문에서 자주 다뤄집니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"The MEMS gyroscope readings were fused with accelerometer data using a Kalman filter to estimate the drone's orientation."

드론의 자세를 추정하기 위해 MEMS 자이로스코프 값을 가속도계 데이터와 칼만필터로 융합했다는 의미입니다.

"Bias drift of the MEMS gyroscope was compensated using a temperature calibration model."

온도 보정 모델을 이용해 MEMS 자이로스코프의 바이어스 드리프트를 보상했다는 내용입니다.

조금 더 깊게 보면

MEMS 자이로스코프는 진동 질량이 하나의 축을 따라 구동될 때 회전에 의한 코리올리 힘이 이와 수직인 축의 감지 방향으로 미세한 변위를 만들며, 이 변위를 정전용량 방식 등으로 검출하는 구조가 일반적입니다. 시간이 지나면서 출력값이 서서히 틀어지는 바이어스 드리프트 현상이 있어, 다른 센서와 결합한 센서 융합 기법이 함께 쓰이는 경우가 많습니다.

주의할 점

MEMS 자이로스코프는 정밀도가 높은 광학식 자이로스코프에 비해 잡음과 드리프트가 상대적으로 크기 때문에, 장시간 단독으로 사용하면 자세 추정 오차가 누적될 수 있어 주의가 필요합니다.