1

3. MEMSの応用 その1 : 自動車・家電分野

圧力センサ、加速度センサ、ジャイロ 他

各種機械量のセンシング

力 応力（変位）→抵抗変化

(ピエゾ抵抗効果)

圧力（ダイアフラム）

電気信号

加速度（重りとばね）

トルク 変位 → 静電容量変化

角速度他

2

ピエゾ抵抗効果 （応力→電気抵抗変化）

p型Si{100}面におけるピエゾ抵抗係数

＜１１０＞方向で最大

3

ピエゾ抵抗型圧力センサ

シリコン感圧ダイアフラム

定電流駆動ブリッジ回路構成のピエゾ抵抗圧力センサ

4

感度が温度に影響されない不純物濃度

ピエゾ抵抗型圧力センサでの定電流駆動における感度の温度特性

自動車における圧力計測

宮下茂 「はかる」66 (2002) p.9

五十嵐 伊勢美 氏

(豊田中央研究所)

5

血圧測定

ピエゾ抵抗型圧力センサ

（㈱フジクラ）

体外血圧センサとカテーテルによる血管内血圧計測

6

マルチ圧力センサカテーテル

(M.Esashi et.al.: IEEE Trans. on Electron Devices, ED29, (1982) 57-63)

カテーテル先端ピエゾ抵抗型圧力センサ

7

カテーテル側面ピエゾ抵抗型圧力センサ

圧力センサの温度ヒステリシス

温度補償前 温度補償後

8

圧力センサチップの厚さや装着法の違いと安定性

湿度に対する不安定性の考えられる原因

9

表面電極を用いた表面不安定の模擬実験(M.Esashi, Sensors and Actuators,4 (1983),537-544)

この抵抗値変化はシリコン表面に誘起された電荷によるものとして計算したのと一致

ピエゾ抵抗素子の埋込による安定化

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カテーテル側面ピエゾ抵抗型圧力センサチップ

マルチ圧力センサカテーテルによる膀胱内圧･尿道内圧の同時測定例

11

ピエゾ抵抗型絶対圧センサ(電気学会論文誌, 110 (1990) 255-261)

補助人工心臓のカニューレに用いたピエゾ抵抗型絶対圧センサ (仁田他)

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フレキシブル触覚イメージャ(江刺他, 電子情報通信学会論文誌, J73- C-Ⅱ (1990) 31-37)

フレキシブル触覚イメージャの回路、力センサ内部の写真

1.5 mm

ピエゾ抵抗素子 ダイオード

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フレキシブル触覚イメージャの全体写真

(静電)容量型センサ

14

(松本 他：電子情報通信学

会論文誌Ｃ-II,J75-C-II (1992))

集積化容量型圧力センサ

容量検出回路および圧力と出力周波数の関係

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容量検出回路の温度・電源電圧に対する安定化

製品化された集積化容量型圧力センサ

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Pt/Ti

集積化容量型圧力センサの製作法

ウェハレベルパッケージング

MEMSの問題点 ：ハイテク多品種少量でコスト高、製品化し難い。

・コストの70％はパッケージングとテスト

→ ウェハレベルパッケージング

によるMEMSデバイス開発。

組立工程の設備が不要

MEMS部が分割時に保護される。

チップサイズに小形化できる。

テストの時に不良品を容器ごと捨てなくてよくなる。

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陽極接合で封止した内部からの配線取り出し(問題点）

配線の段差における空気の漏れ 陽極接合した界面での電気的なリーク

各種フィードスルー構造

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各種のガラス穴開け加工

シリコンとガラスの陽極接合

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陽極接合時の酸素ガス発生Si-O－→ Si＋ e－ ＋ ½ O2

（裏則岳 他,第11回センサの基礎と応用シン

ポジウム講演概要集,(1992),63）

非蒸発型ゲッタ（SAESゲッター社）

20

ウェハ上にパターニングした非蒸発型ゲッタ

NanoGetters (www.NANOGETTERS.COM)

米国 ミシガン分割してキャビティに入れる非蒸発型ゲッタ

真空封止用非蒸発型ゲッタ

SAEA Getters社

(7th SEMI Microsystem/MEMS Seminar,

Makuhari (2003) p.7)

(D.Sparks et.al., Sensors & Actuators A, 107 (2003) p.119)

非蒸発型ゲッタ（SAESゲッタ社）を用いた真空空洞の形成

(H.Henmi et.al., Sensors and Actuators A, 43 (1994) 243-248)

21

真空空洞の圧力（真空度）の測定

容量型真空センサ（デュアルダイアフラム）

(K.Hatanaka et.al., 13th Sensor Symposium, 1995)

22

容量型真空センサの特性

製品化された容量型真空センサ

23

静電サーボシリコンダイアフラム真空センサ

(H.Miyashita et.al.:J.Vac.Sci.Technology, B18, (2000 )）

静電サーボシリコンダイアフラム真空センサの特性

圧力∝ 静電引力 ∝ (サーボ電圧)2

24

振動型圧力センサ

横河電機㈱

ダイアフラム中の真空室への振動子の製作方法

（日経エレクトロニクス no.644, 1995）

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振動型圧力センサを用いた圧力伝送器

横河電機㈱ DP harp

衝突センサとして加速度センサを用いたエアバッ

グシステム

26

加速度センサの原理

ピエゾ抵抗型加速度センサ(L.M.Roylance et.al., IEEE Trans. on Electron Devices, ED-26 (1979) p.1911)

他軸感度の原因

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サーボ型加速度センサの原理

静電サーボ加速度センサ（日立）

(S.Suzuki et.al: Sensors and Actuators,A21-23,(1990) 316-319)

28

先端の尖ったストッパによる貼り付き防止

集積化加速度センサ（アナログデバイス社）

29

集積化加速度センサチップ写真（アナログデバイス社）

集積化加速度センサ（アナログデバイス社）

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広く応用されている加速度センサ

ゲーム機 （コナミ）

傾きを検出し投射画像の台形補正を行うビデオプロジェクタ (東芝)

動かすと画面がスクロールできる携帯情報機器 (米Smartmove社)

落下を加速度で検出しヘッドを退避させてハードディスクのクラッシュを防ぐIBMパソコン

集積化2軸加速度センサ アナログデバイス社ADXL202/210

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ストッパ機能とセルフテスト機能アナログデバイス社 ADXL202

(M.W.July: Evolution of integrated inertial MEMS technology, Tech.Digest solid-State Sensor, Actuator and Microsystems Workshop, Hilton Head (2004) 27-32)

低融点ガラス付ウェハで可動部を封止するウェハレベルパッケージング

(アナログデバイス社 加速度センサ)

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ダイシングの工夫

(B.Sulouff (Analog Devices),

最新MEMSデバイス開発テクノロジーと実用化へのシナリオを探る(日本情報技術センター/日経エレクトロニクス)、(2003.12))

ステルスダイシング (浜松ホトニクス)切りしろの無い分割

→ IDタグチップのような小さなチップ

水をかけない分割

→ごみが入る恐れのあるMEMS(電子材料、2004年3月号、p.22)

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SOI (Silicon On Insulator) ウェハを用いた集積化加速度センサ (ｱﾅﾛｸﾞﾃﾞﾊﾞｲｽ社)(ポリシリコンの高温熱処理工程が不要 →

CMOS回路をMEMS工程より前に作れ、標準のファウンダリによる高性能な回路を利用できる。)

マイクロセンサによる地熱開発

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(H.Asanuma, M.Nishizawa,H.Niitsuma, M.Esashi et.al.,Proc.IPACK’01, Kauai (2001))

シリコン高感度容量型加速度センサによる抗井内での地震計測

XYZの各センサを組合わせた多軸加速度センサ

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容量型3軸加速度センサの原理(M.Mizusima eta.l., Technical Digest of the 17th Sensor Symposium, A3-2 (2000), 225-230)

静電サーボ３軸加速度センサ(K.Jono et.al.: Measurement Science and Technology,6,1 (1995) 11-15)

36

静電サーボ３軸加速度センサ

ばね重り 電極

静電浮上ボール3軸加速度センサ(R.Toda (Ball Semiconductor Inc.) et.al., MEMS’02 (2002))

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静電浮上の原理

シェル形成前のボール表面

38

犠牲層エッチングによるギャップ形成

マイクロフォーカスX線透視装置で観たボール型３軸加速度センサ

39

静電浮上ボール型３軸加速度センサの動作例

ボール加速度センサ(ボールセミコンダクタ㈱)

40

ダイオード集積化加速度センサ

光の干渉縞で測定した陽極接合による歪

（縞は280nmに対応、右下は最適条件で接合した歪無しの状態）

41

接合歪の少ない狭ギャップ静電サーボ加速度センサ

(G.Lim et.al.:電気学会論文誌Ｅ,118-E,9 (1998) 420-424)

加速度センサにおける空洞内圧力と周波数特性(ギャップ内に在る空気のスクイーズフィルム効果によるダンピング)

42

封止した空洞内の圧力（真空度）の制御

(南 他:電気学会論文誌Ｅ,117-E (1997) 109-116)

PV = nRT

接合条件

T: 673K(400°C), P:13332Pa

→ T: 300K(27°C)でP:5943Pa

接合条件

T: 673K(400°C), P:267Pa

→ T: 300K(27°C)で P:117Pa

エアバックシステムで使われる加速度スイッチ

43

スクイーズフィルム効果を利用した保持機能付き加速度スイッチ

(T.Matsunaga et.al.: Tech.Digest of the 17th Sensor Sympo.(2000) 241-244)

保持機能付き加速度スイッチ

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保持機能付き加速度スイッチの模擬衝突実験

ジャイロ(角速度センサ)の種類と原理

振動ジャイロ

回転ジャイロ

ガスレートジャイロ

光ジャイロ (サグナック効果)

FC = 2mvΩ

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自動車の走行安定性を向上させるヨーレートセンサ（ジャイロ）

VSC (Vehicle Stability Control)

(川橋憲他：計測と制御 40 (2001) p.848)

水晶振動式ヨーレートセンサ 25mm

トヨタ自動車

(Y.Nonomura et.al. The 16th European Conf. on Solid-State Transducers (2002) p.816

46

圧電振動ジャイロ

圧電ジャイロ : 振動体に圧電材料を貼り付けたもの

振動体に圧電材料を堆積させたもの

圧電材料 (水晶単結晶、LiNbO3単結晶、PZTセラミックなど)で振動体を形成したもの

逆圧電効果で電気的に機械振動を駆動

↓

回転により機械振動にコリオリ力が作用

↓

コリオリ力による機械振動を圧電効果で電気的に検出

シリコン振動ジャイロ

駆動検出方式の違い

電磁駆動 誘導起電力による電磁的検出

静電駆動 静電容量検出

その他 圧電薄膜による駆動・検出など

(駆動振動を検出し共振状態で一定振幅に保持)

振動体形状・振動形態の違い

音片、音叉、円板、円環例2 例1 例3 例4

例1

例2、例4

例3

47

(J.Choi et.al.: Microsystem Technologies, 2 (1996) 186-199)

電磁駆動容量検出シリコン振動ジャイロ (例1)

Deep RIEで加工した電磁駆動容量検出シリコン振動ジャイロ

48

接合封止した電磁駆動容量検出シリコン振動ジャイロ

トヨタ自動車㈱ 橋本雅人氏、長尾勝氏

49

SOI型 角速度・加速度センサ (トヨタ自動車)(野々村裕、日経エレクトロニクス 2004年9月号、p.75)

直流電圧印加による共振周波数の調整

(M.Yamashita et.al., Micro System Technologies'96, Postsdam, (1996) p.385)

50

電磁駆動誘導起電力検出型シリコン振動ジャイロ(例2)(J.-J.Choi et.al.:電気学会論文誌Ｅ,118-E, (1998) 641-646)

Deep RIEによる電磁駆動誘導起電力検出型シリコン振動ジャイロの加工

51

静電駆動容量検出円板振動ジャイロ(例3)

(J.-J.Choi et.al.,電気学会論文誌Ｅ, 118-E (1998), 641-646)

シリコンVSG (Vibrating Structure

Gyroscope) (例4)

円環振動

住友精密工業㈱

52

シリコンVSG (Vibrating Structure Gyroscope)

30mm

住友精密工業㈱

Segway

ジャイロで立ち上がる車椅子(i-pod)

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振動ジャイロの問題点

駆動側から検出側への振動漏れ(Quadrature Error)

共振周波数、Q値の設定(駆動側のQ値を大 → 大振幅で駆動)

応答時間の設定(検出側Q値,駆動・検出の共振周波数差)

大振幅での非線形振動(ハードスプリング効果)

加速度の影響

分解能(安定性)、最大加速度

真空封止の有無

パッケージング、価格 等

Quadrature Error

シリコン振動ジャイロの進歩 (K.Najafi : Proc.IEEE (1999) p.1640)

54

静電浮上マイクロモータによる回転ジャイロ（円板型）(Murakoshi (Tokimec Inc.) et.al., Transducers’99)

静電浮上マイクロモータによる回転ジャイロ（円板型）の構造

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静電浮上マイクロモータによる回転ジャイロ（円板型）の写真

10mm

静電浮上マイクロモータ(円板型)の回転Max 20,000 rpm

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静電浮上マイクロモータによる回転ジャイロ（リング型）の原理(T.Murakoshi et.al. : Jpn. J. Appli. Phys., 42, Part1 No.4B (2003) pp.2468-2472)

静電浮上マイクロモータによる回転ジャイロ(リング型)の構造(T.Murakoshi et.al. : Solid State Device and Material (2002-Sept.))

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リング型静電浮上回転ジャイロの製作工程

Rotor

静電浮上回転ジャイロ

MESAG-1 (Micro Electrostatically Suspended Accelerometer Gyro)運動制御や航行制御、自立運動ロボットなど(２軸回転と３方向の加速度を高精度検出)

(毎分1万~10万回転)

㈱トキメック 村越尊雄氏、中村茂氏

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リング型静電浮上回転ジャイロのセンサチップとパッケージ

容器内を真空にするための非蒸発型ゲッタ

ジャイロ出力雑音：0.002 deg/s/√Hz加速度出力雑音： 15μG/ √Hz

原子力潜水艦の制御に使われている静電浮上回転ジャイロ

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原潜慣性航法 航空機慣性航法 ビデオカメラ手振防止

カーナビ

宇宙ロケット 無人機械 自動車ヨーレート検出

(慣性航法) (姿勢・方位制御) (運動制御)

I I I I I I I I I

0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

ドリフト安定度 (deg/h)

静電浮上ジャイロ 光ジャイロ 振動ジャイロ

回転ジャイロ

それぞれの用途における要求と各種ジャイロの安定度