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

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

6

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

7

圧力センサチップの厚さや装着法の違いと安定性

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

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ピエゾ抵抗素子の埋込による安定化

カテーテル側面ピエゾ抵抗型圧力センサチップ

9

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

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

10

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)

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)

11

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

フレキシブル触覚イメージャの全体写真

12

(静電)容量型センサ

(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

13

容量検出回路および圧力と出力周波数の関係

容量検出回路の温度・電源電圧に対する安定化

14

Pt/Ti

集積化容量型圧力センサの製作法

製品化された容量型真空センサ

(アネルバ技報、11 (2005) p.37)

15

シリコン

Au/Pt/Cr

ガラス

ゲッター

ガラス

p+ Poly SiSiC

2μm 2mm

1.7mm

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

10 30 50 70 90 110 130 150 170 190P (Torr)

C(p

F)

C1 C21KHz

腐食性環境で使えるSiCダイアフラム容量型真空センサ

(B.Larangot, S.Tanaka, M.Esashi et.al. (Tohoku Univ.),22th Sensor Symposium, Tokyo, (2005), 228-232)

耐蝕・耐熱容量型圧力センサ(山武)

(2006 マイクロマシン/MEMS技術大全 p.104)

16

VCR継手SOS (Silicon On Sapphire) ピエゾ抵抗型圧力センサ (高温・耐蝕)

(江刺、高温用集積回路と高温用圧

力センサの試作、電子通信学会研究会資料(SSD86-57) (1986))

サファイア

Si

振動型圧力センサ

横河電機㈱

17

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

加速度センサの原理

18

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

サーボ型加速度センサの原理

19

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)

集積化加速度センサ（アナログデバイス社）

(F.Goodenough: Electronic Design, Aug.8 (1991) 45-56)

20

集積化加速度センサ（アナログデバイス社）

集積化2軸加速度センサ

アナログデバイス社ADXL202/210

セルフテスト機能

Wii

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横方向差動容量ΣΔ加速度センサ用ドリフトキャンセル回路

(M.A.Lemkin,B.E.Boser et.al.,Solid-State Sensor Actuator Workshop (1996) p.90)

横方向差動容量ΣΔ加速度センサ用ドリフトキャンセル回路のノイズ特性

(M.A.Lemkin,B.E.Boser et.al.,Solid-State Sensor Actuator Workshop (1996) p.90)

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SiO2

Si3N4

Poly-Si

Si

SOIを用いた集積化加速度センサ

(米国 アナログデバイス社) (T.D.Chen, Transducers’05, 1122)

(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。)

23

容量型3軸加速度センサ

(M.Mizusima eta.l., Technical Digest of the 17th Sensor Symposium, A3-2 (2000), 225-230)

XYZの各センサを組合わ

せた多軸加速度センサ

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)

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静電サーボ３軸加速度センサ

ばね重り 電極

静電浮上の原理

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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))

マスクレス露光（ボールセミコンダクター社）

直径1mmのシリコンボールに形成した微細パターン

(ボール)DMDチップ

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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）

27

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)

28

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

熱式加速度センサ(A.M.Leung, MEMS’98 p.627)

MEMSIC社の熱式加速度センサ

29

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

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)

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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

断面構造

水晶圧電ジャイロ(セイコーエプソン、日本ガイシ)

(小林祥宏、日経エレクトロニクス、2004.11.8, p.119)

31

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

32

(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

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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

34

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)

35

(M.Nagao et.al.,SAE World Congress, Detroit, (2004))

加速度センサ内蔵半導体式ヨーレートセンサの回路

集積化振動ジャイロ

(アナログデバイス社)

36

圧電薄膜型MEMS角速度センサ

(野村幸治(松下電子部品)、8th SEMI Microsystem/MEMS Seminar, (2004) p.25)

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)

37

シリコンVSG (Vibrating Structure

Gyroscope) (例4)

円環振動

住友精密工業㈱

シリコンVSG (Vibrating Structure Gyroscope)

30mm

住友精密工業㈱

Segway

38

バルク音響波(BAW)静電駆動容量検出型ディスクジャイロスコープ(H.Johari, F.Ayazi (Georgia Inst.of Tech.), MEMS 2007, p.47)

高周波(5MHz)、振幅小(20nm)→大気圧下動作、小形・低電圧→回路集積化

BAWディスクジャイロスコープの製作工程

(H.Johari, F.Ayazi (Georgia Inst.of Tech.), MEMS 2007, p.47)

39

(H.Johari, F.Ayazi (Georgia Inst.of Tech.), MEMS 2007, p.47)

BAWジャイロの

振動特性

直流バイアス電圧で周波数マッチング

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

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静電浮上回転ジャイロ用(ディスク型)(T.Murakoshi (Tokimec Inc.) et.al., Transducers’99)

静電浮上回転ジャイロ用(ディスク型)(T.Murakoshi (Tokimec Inc.) et.al., Transducers’99)

10mm

20,000 rpm

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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)

(㈱トキメック 村越尊雄 氏、中村茂 氏)

ロータ径1.5mm 7.4万rpm

4.3×4.3×1mm

14×14×3mm

容器内を真空にする非蒸発型ゲッタは蓋に形成

(高速ディジタル制御で静電浮上・回転)

Rotor

Control Electrodes for z and θ (or φ) axis

Control Electrodes for x (or y) axis

Pad

Rotation Electrodes

Common Electrodes

Island (Feedthrough)

Structure of electrostatically levitaed rotational gyroscope(T.Murakoshi et.al. : Jpn. J. Appli. Phys., 42, Part1 No.4B (2003) pp.2468-2472)

1.5 mm

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静電浮上回転ジャイロの製作工程

リング型静電浮上回転ジャイロのジャイロ・加速度計性能

ジャイロ性能

測定範囲: ±150 deg/s

感度(1LSB): 0.01 deg/s

雑音：0.002 deg/s/√Hz

オフセット温度特性: ±1 deg/s

光ファイバジャイロと同性能

加速度計性能

測定範囲: ±5 G

感度(1LSB): 0.2 mG

雑音：50 μG/√Hz

オフセット温度特性: ±10 mG

温度範囲: -40－85 ℃

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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・回転ジャイロ 振動ジャイロ

iBOT