PowerPoint プレゼンテーション

MEMSの新しい話題

田中秀治

工学研究科ロボティクス専攻

マイクロシステム融合研究開発センター

東北大学

S. Tanaka Lab’s Propriety

In cooperation with

1

本日の話題

2

MEMS・センサのトレンド

- 技術向上（小形化）による低コスト化とアプリケーションの広がり

動きの速いMEMS・センサ業界

- モジュール化・システム化の進展

ビジネス上の優位性を高める部品・モジュールメーカ

- 集積化とさらなる小形化

- MEMSプロセスのプラットフォーム化

技術力・研究開発力の重要性

新しいMEMS

- 超音波レンジファインダ

- 超音波指紋センサ

- 圧電MEMSスピーカ

- バスネットワーク型触覚センサ

スマートフォンの中のMEMSとセンサ

1. アプリケーション プロセッサ _{3. ベースバンドプロセッサ} 24. フラッシュメモリ 21. 電子コンパス 23. ジャイロ 22. 加速度センサ 4, 12. 無線デバイス 18, 19. タッチパネルIC iPhone 5, 日経エレクトロニクス 2013.10.28 マイクロフォン FBARフィルタ

音声アシスタントAI：Amazon Echo

4 http://www.theconnectedplanet.net/amazon-echo-tear-down/ http://www.techrepublic.com/article/amazon-echo-teardown-a-smart-speaker-powered-by-amazons-cloud/

7個のMEMSマイクロフォン（緑丸）

人工知能“Alexa”を搭載

音声アシスタントAI ～ 次のIoTプラットフォームに

Google Home

対話型AI“Google Assistant”を搭載

LINE WAVE

成長するMEMS産業

6 IHS “MEMS Market Tacker” (2015)

スマートフォンに代表されるコンシューマ用途が

引き続き拡大

今後，弾性波フィルタ，マイクロフォン，

圧力センサのさらなる成長に期待

MEMS全体も成長

Top 10

成長するMEMS産業

ASPの下落

8 IHS (2015)

数の増加とASPの下落は表裏一体

ASPの下落によって新しいアプリケーション（市場）が生まれるという側面も大

技術開発力のないメーカーは振り落とされる。

FBARフィルタのASP劣化は小さい。

集積化・パッケージング技術によるMEMSの小形化

ウェハ接合技術の変遷

10

70 μm 70 μm

InvenSense, AlGe eutectic bonding STMicroelectronics, Au-Au bonding

L3G4IS Reverse Costing Report

STMicroelectronics, Flit glass bonding

L3GD20H Reverse Costing Report

超小形MEMS ～ 0.4 mm角の気圧センサ

Zao Ni … Xinxin Li (SIMIT), Transducers 2017, Th2C.003, pp. 774-777

(111) Siウェハ TMAHエッチング Poly Si LPCVD ピエゾ抵抗式 感度と線形性との両立 感度 0.98mV/kPa/3.3V 非線形性 ±0.32% 0.4 mm角のダイ 6インチウェハから 90000個 片面プロセス ウェハ接合なし

超小形MEMS ～ 約0.7 mm角のBAWジャイロ

12

Amir Rahafrooz … Farrokh Ayazi (Qualtré, Georgia Tech), IEEE MEMS 2017, pp. 25-28

ウェハレベルパッケージングを含めて0.5 mm2_{のダイサイズ} 2つのモードの間の電極（緑）は， モード間のデカップル用 中央はQ向上のためのデカップ ル構造 ただし，TEDは増加 7 MHz ARW 1 º/√Hz バイアス安定性 15 º/Hz パッケージ圧 1～10 Pa 静電隙間 190 nm

ワイヤレスイヤホン ～ 急速に普及中

Apple AirPods

https://www.ifixit.com/Teardown/ IFIXIT W1 chip Dual accelerometers Dual optical sensors Microphone Battery Antenna Microphone Microphone Accelerometer

ワイヤレスイヤホン

14

ワイヤレスイヤホンに実装／期待される様々な機能

• 完全ワイヤレス

• ノイズキャンセリング

• 対話型インターフェース

→ ハンズフリー，機械通訳，音声ガイド

• タップによる操作

• 装脱着の認識

• 外耳道の音響特性や形状の認識

→ 本人認識

• 心拍や血流等のバイタル信号の検出

• 頭や体の動きを認識

• 防水

• 無線給電

日経エレクトロニクス, 2017年6月号 →

「ヒアラブルコンピュータ」

中国メーカーが十分な性能とリー

ズナブルな価格の両立で躍進

ASPの下落

IHS (2015)

数の増加とASPの下落は表裏一体

ASPの下落によって新しいアプリケーション（市場）が生まれるという側面も大

モジュール化の加速

16

デバイス・センサ単体の販売から，個別エンドユースを踏まえたモジュール化・シ

ステム化へ

（例）

• 慣性センサ単体ではなく，歩数を出力するモジュール，さらに人の行動認識を

するシステムやモジュール

• マイクロフォン単体ではなく，音源方向特定，ビームフォーミング，ノイズキャン

セリング，音声認識をするシステムやモジュール

• センサフュージョンによる高性能化

• 複数のセンサを組み合わせて，必要なセンサ

を必要なときだけ動かし，省電力化

無線フロントエンドはLTEの導入によってさらに

複雑になり，モジュール化が進展

デバイスの製品ポートフォリオを整える重要性

M&Aが盛んに

STMicroelectronics BlueCoin ヒアリング・モーション検知 プラットフォーム MCU マイクロフォン 6軸慣性センサ 3軸磁気センサ 圧力センサ Bluetooth バラントランス

ST SensorTile

STM32マイクロプロセッサ，3軸加速度センサ，3軸

ジャイロスコープ，3軸磁気センサ，圧力センサ，温

度センサ，湿度センサ，マイクロフォン，Bluetooth

部品・モジュール企業の向かう方向

18

モジュールを買えば，簡単に製品開発可能

ソフトウェアもレファレンス設計も付属

既に中国製スマートフォンでは現実に

（例） 中国のスマートフォンメーカーUlefoneから54 US$スマートフォンU007が発売 チップセットのLSIはたった2つ（普通は5つくらい）：MT6580＋MT6350（MediaTek） MT6580：RFトランシーバ，各種メディア機能，汎用CPU，通信用プロセッサなどが1チップに 清水洋治（テカナリエ），EE Times Japan 2017.5.15

製品ポートフォリオを整えた企業による寡占化（M&A）と研究開発強化

既に無線フロントエンドでは顕著に（村田製作所，Broadcom，Qorvo …）

部品・モジュールメーカの力は相対的に強くなる。

次の野望はセンシングデータも手中に収めることか？

Robert Bosch Retrofit eCall 事故の衝撃を検知し，自動的にコールセンターに通報 （エアバックに連動する新車装着タイプも） 自動車からデータを集めるきっかけに？

→ モジュールメーカ主導に

格安スマートフォンUlefone U007とMediaTekチップ

清水洋治（テカナリエ），EE Times Japan 2017.5.15

MediaTek MT6580

（RFトランシーバ，各種メディ

ア機能，汎用CPU，通信用

プロセッサなど）

Ulefone U007

（54 US$～）

台湾，中国製チップで構成

MediaTek MT6350 （電源ICとオーディオIC）

最新MEMS売上ランキング

20

2016年には，ついにBroadcom（旧Avago Technologies）が2位に。

STMicroelectronicsは4位まで後退。首位になった2012年（1B US$超え）の約

6割の売上。Quorvoが肉薄。

M&AによってTDKがトップ10入り（9位）。

本日の話題

MEMS・センサのトレンド

- 技術向上（小形化）による低コスト化とアプリケーションの広がり

動きの速いMEMS・センサ業界

- モジュール化・システム化の進展

ビジネス上の優位性を高める部品・モジュールメーカ

- 集積化とさらなる小形化

- MEMSプロセスのプラットフォーム化

技術力・研究開発力の重要性

新しいMEMS

- 超音波レンジファインダ

- 超音波指紋センサ

- 圧電MEMSスピーカ

- バスネットワーク型触覚センサ

3層ポリシリコンMEMS（Robert Bosch）

22

J. Classen et al. (Robert Bosch), IEEE MEMS 2017, pp. 314-317 ねじりばねと上部電極（赤，緑）が中央部でアンカー 「1点留め」 → パッケージ歪に鈍感 → 樹脂モールド可能 対称性の高いシーソー構造 熱膨張や不均一チャージアップによるドリフトを抑制 左のマスは中空， 右のマスは中実 → z軸感度 完全二重差動静電容量読出し → 温特向上，感度向上 自動車用新世代2軸加速度・1軸ジャイロセンサ Bosch SMI700/710（2015～） 7×7 mm2

3層ポリシリコンMEMS（Robert Bosch）

J. Classen et al. (Robert Bosch), IEEE MEMS 2017, pp. 314-317

酸 化 膜 の 「 す のこ構造」を形 成することで， 大 き な 空 洞 が あっても，その 上 に 層 を 重 ね る に あ た っ て 平坦化が不要 Poly-Si #1 Poly-Si #2 Poly-Si #3 2層構造 3層構造 パッケージ応力によって オフセットにしにくい。 → 樹脂モールド可能

コンボセンサー (2014)

24 Photographs: Romain Fraux (System Plus Consulting) (2014)

STMicroelectronics LSM9DS0 (4×4 mm2₎ 5 dies - Accelerometer - Gyroscope - Magnetometer - 2 ASIC Bosch Sensortec BMX055 (3×4.5 mm2₎ 5 dies - Accelerometer - Gyroscope - Magnetometer - 2 ASIC InvenSense MPU-9250 (3×3 mm2₎ 2 dies - Integrated 6-axis inertia sensor - Magnetometer

Combo sensor:

3-axis accelerometer

3-axis gyroscope

3-axis magnetometer (e-compass)

System in Package

(SIP)

コンボセンサー (2016)

STMicroelectronics LSM9DS1 (3.5×3 mm2₎ ↑ LSM9DS0 (4×4 mm2₎ Bosch Sensortec BMX160 (3×2.5 mm2₎ World’s smallest ↑ BMX055 (3×4.5 mm2₎ 2年で56%のフットプリントに！ TDK-InvenSense MPU-20948 (3×3 mm2₎

World’s lowest power 2.5 mW ↑ MPU-9250 (3×3 mm2₎

Combo sensor:

3-axis accelerometer

3-axis gyroscope

3-axis magnetometer (e-compass)

ウェハレベル集積化慣性センサー（InvenSense）

Steven Nasiri and Martin Lim, InvenSense, Inc.

Ge (700 nm)

Al (500 nm)

Direct bonding

30 μm

Al-Ge eutectic bonding

450 ºC, 300 N/wafer,

4 % H

₂

in N

₂

x

y

CMOS 26 ~70 μm

ついに12インチMEMS（TSMC）

Chun-Wen Cheng (TSMC) et al., Transducers 2017, W1B.002, pp. 402-405

(a) 12インチMEMSウェハ，(b) キャップウェハの ある部分とない部分，(c) ウェハレベルパッケージ されたMEMSチップ，(d) CMOS回路と集積化され たMEMSの断面 キャビティSOIを用いていないものの， TDK-InvenSenseの”Nasiri Process” と類似のプロセスと思われる。

東北大学の集積化MEMSプラットフォーム

28 300 μm ASIC レーザー消去部分

Yukio Suzuki et al., IEEE MEMS 2017, pp. 744-747

日経テクノロジーオンライン, 「トヨタと東北大が新技術，ロボットセンサーとICを安く積層」 (2016.11.2) 自分のLSI 金属 接合 MEMS センサ 他人のLSIを レーザー消去 他人のLSIを レーザー消去 TSV

レーザー消去部分

平坦化後

東北大学の集積化MEMSプラットフォーム

300

μm

Yukio Suzuki et al., IEEE MEMS 2017, pp. 744-747

日経テクノロジーオンライン, 「トヨタと東北大が新技術，ロボットセンサーとICを安く積層」 (2016.11.2) 自分のLSI 金属 接合 MEMS センサ 他人のLSIを レーザー消去 他人のLSIを レーザー消去 TSV ASIC

東北大学の集積化MEMSプラットフォーム

平坦化された金属フレームによる気密封止接合

H. Hirano, K. Hikichi, S. Tanaka, Transducers 2015, pp. 1283-1286

Metal crystals are fragmented by mechanical stress from a diamond Electroplated gold bump was

planarized by fly-cutting with a diamond bid Thermo-compression bonding Diamond bid Planarized Au bump Electro-plated Fly-cut Annealed Fly-cut

EpiSealプラットフォーム（マルチセンサ）

CAPACITIVE SENSOR FUSION: CO-FABRICATED X/Y AND Z-AXIS ACCELEROMETERS,

PRESSURE SENSOR, THERMOMETER,V.A. Hong1, J. Stehle2, … T.W. Kenny1, 1Stanford University, 2Robert Bosch RTC, Transducers 2015, pp. 295-298

32

• 窒化膜の埋め込みによって，犠牲層エッチの領域を定義（時間制御によらない）

• 窒化膜によってEpiSealの蓋に独立した電極を形成（面外方向の駆動・検出が

可能に）

• EpiSealの蓋は圧力センサのダイヤフラムに利用されているが，一方でSiポスト

で支えて，センサの蓋としえ利用（圧力によるクロス・センシティビティを抑制）

• パッケージ内部は高真空：共振型センサには有利であるが，加速度センサのダ

ンピングが十分かは不明

EpiSealプラットフォーム（マルチセンサ）

CAPACITIVE SENSOR FUSION: CO-FABRICATED X/Y AND Z-AXIS ACCELEROMETERS,

PRESSURE SENSOR, THERMOMETER, V.A. Hong1, J. Stehle2, … T.W. Kenny1, 1Stanford University, 2Robert Bosch RTC, Transducers 2015, pp. 295-298

容量型圧力センサ 共振型温度センサ 温度補正（加速度センサも）

大空間はSiポスト で支持

汎用性の高いEpiSealプラットフォーム

A UNIFIED EPI-SEAL PROCESS FOR RESONATORS AND INERTIAL SENSORS Yushi Yang, … Thomas W. Kenny, Stanford University, Transducers 2015, pp. 1326-1329

34

(a) SOIウェハ：デバイス層20 μm厚，上下酸化膜2 μm厚： (b) デバイス構造をDRIEで

形成，0.7 μm幅から50 μm幅のトレンチまで，開口幅によらないDRIEレシピ（パラメータ・

ランピングあり）を開発： (c) 直接ウェハ接合，1100℃×5 hアニール： (d) 5 μm厚まで

バックグラインディング： (e) 窒化膜の絶縁層形成（表面電極のため）： (f) Epi-poly Si 堆積，平坦化： (g) 蒸気フッ酸エッチング： (h) 1130℃×10分 水素アニール（酸化膜除 去，側壁平滑化，リリースホール小径化），epi-poly Si堆積（EpiSeal）： (i) 酸化膜形成： (h) Al表面電極の形成

汎用性の高いEpiSealプラットフォーム

A UNIFIED EPI-SEAL PROCESS FOR RESONATORS AND INERTIAL SENSORS Yushi Yang, … Thomas W. Kenny, Stanford University, Transducers 2015, pp. 1326-1329

• 0.7 μm幅から50 μm幅のトレンチが形成可能（オリジナルのプロセスでは1.5 μm以下： 酸化膜で埋めないといけない） • 大きなリリース領域を形成できる（(b)で表面酸化膜がない部分） • リリースホールの数を減らせる（リリースホール（10 μmより大きい）がデバイスのQ値を 下げる原因） • 表面電極を形成できる（窒化膜の絶縁層）

EpiSeaｌされたローレンツ力3軸磁気センサ

SINGLE-STRUCTURE 3-AXIS LORENTZ FORCE MAGNETOMETER WITH SUB-30 nT/√HZ RESOLUTIONMo Li1, Eldwin J. Ng2, Vu A. Hong2, Chae H. Ahn2, Yushi Yang2, Thomas W. Kenny2, David A. Horsley1, 1University of California, 2Stanford University, IEEE MEMS 2014, pp. 80-83

36

Epi-Sealされており，

STMicroelectronics THELMA

プロセスとコンパチブル

共振周波数と同じ周波数で電流を流し，

ローレンツ力で構造体を共振させる。

その振幅で磁界を測定。振幅は静電容

量で検出。

3軸の共振周波数が近く設計されており

（47 kHz），共通の電流源が使用可能。

FOWLP (Fan Out Wafer Level Packaging)

Chien-Fu Tseng et al. (TSMC), IEEE ECTC 2016

Flip-Chip Package

InFO (Wafer Level Integrated Fan-Out) Package

Meyer, IEEE EPTC 2008

福田昭, EE Times Japan, 2017.5.17 2 μmﾙｰﾙ， 3層RDL 4層樹脂 基板 Apple A10に採用

異なる大きさのダイのウェハレベル集積化

38

Die #1

Die #2

Vacuum or N

₂

Metal seal

Interconnect

Flipped

FBAR

Sustaining amplifier LSI

2 m

m

この部分のウェハ上

スペースが無駄になる。

S. Taniguchi et al. (Taiyo Yuden), IEEE Ultrasonics Symposium 2007

FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator)

レーザー支援選択的ダイトランスファー技術

Glass support wafer

MEMS

ASIC

(1) Wafer bonding

(2) Laser irradiation

_{THG Nd:YVO}

4

laser (λ = 355 nm, ~ 1 W)

Polymer

(3) Selective die transfer

Reusable

Reusable

180

⁰C

レーザー支援選択的ダイトランスファー技術

40

Multi-project LSI wafer (Shot size 20×20 mm2₎

Our ASIC (2×2 mm2×4 dies) Asahi Kasei Electronics

FBAR (1×1 mm2₎ Taiyo Yuden

FBAR (Dummy for bonding)

4 times of die transfer

were demonstrated using

the same MEMS wafer.

K. Hikichi et al., IEEE 2014 International Frequency Control Symposium, pp. 246-249

-160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 -180 P ha s e no is e ( d B c /H z) Carrier 1.9624 GHz 100 1k 10k 100k 1M 10M _{Offset (Hz)} FBAR Sustaining amplifier Au bump

本日の話題

MEMS・センサのトレンド

- 技術向上（小形化）による低コスト化とアプリケーションの広がり

動きの速いMEMS・センサ業界

- モジュール化・システム化の進展

ビジネス上の優位性を高める部品・モジュールメーカ

- 集積化とさらなる小形化

- MEMSプロセスのプラットフォーム化

技術力・研究開発力の重要性

新しいMEMS

- 超音波レンジファインダ

- 超音波指紋センサ

- 圧電MEMSスピーカ

- バスネットワーク型触覚センサ

超音波レンジファインダによるジェスチャー入力

42

Chirp Technology（UC DavisのDavid Horsley教授らのスタートアップ）

対話型インターフェースや

スマートウォッチに応用？

チップサイズ超音波レンジファインダ

R. J. Przybyla, … D. A. Horsley, B. E. Boser, IEEE J. Solid-State Circuits, 50, 1 (2015) 320-334

新しい入力ツールとしての省消費電力（5 μW） チップサイズ超音波レンジファインダ Resonant acoustic tube 感度とレンジの 増大 f₀ = 1.6 mm Q = 18 BW = f₀/Q = 12 kHz 今回，2つの素子を 送信に，7つの素子 を受信に利用。 送信は球面波状（強 度は低いが，範囲は 広い），横方向の理 論分解能は15° 送信パルスが短ければ，距離分解能は高 い，一方，短すぎると（<2/BW)，パルス強 アパーチャ3.5λ

チップサイズ超音波レンジファインダ

R. J. Przybyla, … D. A. Horsley, B. E. Boser, IEEE J. Solid-State Circuits, 50, 1 (2015) 320-334

44

127×181 mm

2

_{平面板を対象としたときの}

SNRと角度誤差

> 1 mの測定距離

単結晶PMnN-PZT膜超音波レンジファインダ

スパッタ急冷法による単結晶PMnN-PZT

46 [1] S. H. Baek … B. Eom, Science 334, 958 (2011) [2] F. Calame, P. Muralt, Appl. Phys. Lett. 90, 062907 (2007)[3] N. Ledermann et al., Sens. Actuators A, 105, 162 (2003)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 T ran sv er se p iezo el ect ri c co n st an t, e 31, f [C /m 2 ] R el at iv e d iel ect ri c co n st an t, εr33 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 P er for m anc e for gyr os cope , (e31, f ) 2 /ε 0 εr33 [G P a] C onv ent ional pol y P Z T P er for m anc e for gyr os cope , (e31, f ) 2 /ε 0 εr33 [G P a] [1] [2] [3] [1] [2] [3]

FOM =

(e

_31,f

)

2

ε

₃₃

e

_31,f

ε

33

指紋認証

国立情報学研究所 越前功教授の実験（ロイター）→ Fake fingerprint 高解像度デジタル カメラ像から 指紋情報を再現

TFTベースの超音波指紋センサ（Qualcomm）

48

J. K. Schneider, Biometrics Within the Wireless and Mobile Computing Industry, 2013 Prof. D. Horsley’s seminar, 27 April 2017, Tohoku University

(Slides are available at S. Tanaka Lab website)

• PVDF piezoelectric

ultrasonic fingerprint sensor

• TFT-based manufacturing

• 500 dpi

• Scalable to virtually any size

• Single-finger, four finger and

full hand sensor

3レベルの特徴を用いる高解像度指紋認証

Anil K. Jain et al., IEEE Trans. Pattern Analysis Machine Intelligence, 29, 1 (2007) pp. 15-26 Prof. D. Horsley’s Seminar, 27 April 2017, Tohoku University

集積化MEMS超音波指紋センサ

50

Prof. D. A. Horsley (UC Davis), Prof. B. E. Boser (UD Berkeley), InvenSense, Inc.

AlN圧電薄膜

Pixel size 43×

58 μm

2

56×110 pixels

582×431 dpi

FBI standard

500 dpi以上

の解像度

真皮下の構造

も画像化

湿気や汚れ

に対する

堅牢性

Prof. D. Horsley’s Seminar, 27 April 2017, Tohoku Univ. (Slides are available at S. Tanaka Lab website)

InvenSenseのAlN圧電MEMS MPWサービス

VERSATILE CMOS-MEMS INTEGRATED PIEZOELECTRIC PLATFORM, J.M. Tsai1, … B. Boser2, D. Horsley3, M. Rais-Zadeh4, … F. Assaderaghi1, 1InvenSense Inc., 2BSAC, UC Berkeley, 3BSAC,

University of California, Davis, 4University of Michigan, Transducers 2015, pp. 2248-2251

←標準的な InvenSenseの 集積化プロセ ス”Nasiri キャビティSOI のキャビティは pre-define Al-Ge共晶接合 集積化・真空封止 Mo/AlN成膜→ （AlN 1 μm厚） Avagoの特許切れ

圧電MEMSスピーカ（FhG ISIT）

F. Stoppel et al. (Fraunhofer ISIT), Transducers 2017, T3P.098, pp. 2047-2050

52

• クローズドダイヤフラムではなく，片持ち

梁構造によって大きな変位を実現。

• 隙間を5

μmにすることで，空気漏れの影

響なし。

• ウーハーアクチュエータが動くと，ツイー

ターフレームは上に持ち上げられ，メンブ

レン全体で低音域の音圧を発生できる。

• それでいて，ツイーターアクチュエータは，

ウーハーアクチュエーターとは独立に動

くので，高音域の音圧を発生できる。

10 mm角

圧電MEMSスピーカ（FhG ISIT）

F. Stoppel et al. (Fraunhofer ISIT), Transducers 2017, T3P.098, pp. 2047-2050

FhG ISIT MEMS speaker (10×10 mm2₎

Commercial dynamic speaker (AAC DMSP0916S, 9×16×3 mm3₎ 設計特性

標準的な圧電MEMSプロセスで

• ウーハーとツイーターはそれぞれ共

振特性を持つが，うまく組み合わせて，

効率のよい駆動と，それでいて比較

的良好な周波数特性を実現。

• 周波数特性はフラットではないが，駆

動信号の周波数特性を整形すること

ロボットの全身を触覚センサで覆う

54 “Paro”, Intelligent Systems “RIBA”, Riken

Care robot

Pet robot

ロボットを病院，介護施設，家庭などで使うには，

前身を覆う触覚センサーが重要

• 接触・衝突検知（安全）

• ボディ・コミュニケーション

どうやって触覚セ

ンサとコントロー

ラとを繋ぐか？

I. Kumagai et al., IEEE/RSJ’12 (2012)

Robot skin

人間の場合，基 本的に107_のレ セプターがそれ ぞれ脳に繋がっ ている。 Bus-connected tactile sensor

マルチセンサ実装プラットフォーム

従来技術

本技術

リレーノード アナログセンサ デジタルセンサ1 （I2C，SPI） デジタルセンサ2 （1と異なるクロック） （I2C，SPI） アンプ，ADC センサ・プラットフォームLSI センサ・プラットフォームLSIを 用いた集積化センサ（小形） 省配線 高性能 統一した接続法 高密度 混雑した配線 低性能（特にアナロ グセンサのノイズ） センサ毎の接続法 低密度 ノイズ

センサバス通信方式の比較

56 バスあたり設置数（個） 反応時間 10 us 1 us 100 ns 10 100 100 us 50 ns 10 ns SPI I2C 1-wire [1] iCub 1000 センサ・プラットフォームLSI （目標仕様） 東北大学第１世代 インタフェースLSI バックグラウンド技術 [2] [2] [1] • イベントドリブンで高速応答 • 独自プロトコルと伝送線設計 で多数個接続※ • 独自のクロックデータリカバリ で安定通信 • 多様なセンサに統一的に対応 • 小形で高密度，かつ省配線

[1] P. Maiolino et al., IEEE Sensors Journal, Vol. 13, No. 10, 2013

[2] Y. Tenzer et al., IEEE Robotics & Automation Magazine, pp.89-95, 2014 プロトコル＋ハードウェアの実力 ※差動・マルチドロップ通信のRS485に基 づくが，多数センサ（100個以上）の高速 通信（20 MHz）を可能にするため，反射を 許容する独自の拡張

バスネットワーク型集積化触覚センサ

中継節 ハブ センサ バス

✓MEMS-LSI集積化による超小形化

✓バス通信による省配線多数個接続

✓人間の触覚を模したイベントドリブン

58 東北大学, トヨタ自動車, 豊田中央研究所 バス 触覚センサ

バスネットワーク型集積化3軸触覚センサ

CMOS CMOS LTCC Diaphragm Sensing boss

Z

X

Y

Au sealing ring Capacitive electrode Stopper Au bump

Sho Asano et al., IEEE MEMS 2016, pp. 850-853, Sensor Symposium 2016

バスネットワーク型集積化3軸触覚センサ

60

Sho Asano et al., IEEE MEMS 2016, pp. 850-853, Sensor Symposium 2016

(a) センサシステム構成

(b) バス上のパケット

バス（信号）

バス （電源）

指先センサのデモンストレーション

Hot

Cold

Hot or cold water

マイクロデバイスの研究開発，お手伝いします。

研究室

クリーンルーム

マイクロ・ナノセンター

（MNC）

マイクロシステム

融合研究開発センター

小片ウェハ

4インチウェハ

6インチウェハ

田中(秀)研究室が一貫してお世話

基礎研究から製品開発まで

小片ウェハから6インチウェハまで

企業単独での開発より短時間・低コストで成果が得られるように支援します。

本学で試作したデバイスの商用利用も可能です。

MEMSの技術と事業に関するコンサルティングも行っています。

企業からのオーダーに応じてプライベートセミナーを開催します。

最近，こんな事例があります。

64

ファウンドリで作製したLSIウェハに，本学でTSVを形成して，

これを顧客企業で作製したMEMSと，本学でウェハレベル集積化

顧客企業が希望する仕様のMEMSを本学で設計，

仙台地域のMEMSファウンドリで試作

顧客企業の次世代デバイスの提案，開発

本学で開発した装置を顧客企業が購入し，それを本学に設置してプロセス開発

共同研究員の受け入れによる共同研究

装置利用機会提供

設計指導（学術指導）

社内プライベートセミナー，コンサルティング

Assist. Prof. Takashiro Tsukamoto Michio Kadota Assoc. Prof. Masanori Muroyama Assoc. Prof. Jörg Frömel Assoc. Prof. Shinya Yoshida Professor Shuji Tanaka Assoc. Prof. Hideki Hirano Project Prof.

S. Tanaka Laboratory

Department of Robotics & Microsystem Integration Center

Tohoku University

Research menu in 2017

• Sensor systems for human-friendly robots

• Frequency control devices (SAW and BAW devices)

• Advanced inertial sensors

• Acoustic sensors

• Integrated biosensors

• Piezoelectric thin films and devices (Epitaxial PZT on Si)

• Heterointegration and wafer-level packaging technology

• MEMS process tools (ALD, wafer bonder etc.)

mems

tohoku

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