自動車 家電関係の MEMS 圧力センサ加速度センサジャイロスコープ磁気センサマイクロフォン 2

自動車・家電

（圧力ｾﾝｻ，加速度ｾﾝｻ,ｼﾞｬｲﾛ，磁気ｾﾝｻ，ﾏｲｸﾛﾌｫﾝ）

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

自動車・家電関係のMEMS

圧力センサ

加速度センサ

ジャイロスコープ

磁気センサ

マイクロフォン

圧力センサ

In cooperation with

3

Piezoresistive Silicon Pressure Sensor

Dif fu sed r es is to r Diap h rag m Glu e Ceramics R₁ R₄ R₂ R₃ +ΔR +ΔR −ΔR −ΔR I ΔV Thermal oxidation Boron diffusion Metalization Backside etching Dicing

I

R

R

R

R

R

R

R

R

V

4 3 2 1 4 2 3 1

+

+

+

−

=

∆

4 3 2 1

R

R

R

R

=

=

=

I

KR

I

R

V

=

∆

⋅

=

ε

∆

I

R

K

I

T

R

T

K

I

R

V

ε

β

α

ε

β

α

))

(

1

(

)

1

(

)

1

(

0 0 0 0

+

+

≈

+

+

=

⋅

∆

=

∆

Output from the bridge circuit

If , and

R₁→R₁+ΔR, R₂→R₂−ΔR,

R₃→R₃+ΔR, R₄→R₄−ΔR

K and R have temperature

coefficient, α and β, respectively.

α is minus and β is plus, and

thus (α+β) can be zero, depending on dopant.

立石電機（オムロン）, 1982 4

Temperature Coefficient of Sensitivity

Temperature dependence of gauge

factor at different dopant

concentration

Boron concentration vs. Temperature

coefficient of sensitivity (TCS)

TCS is zero around dopant

concentrations of 2×10

18

_atoms/cm

3

and 2×10

20

_atoms/cm

3 Temperature (℃) Dopant concentration (atom/cm3₎ Gau g e f acto r T em p er atu re co ef ficien t o f sen sitiv ity ( × 10 −3 /K)

The temperature coefficient of gauge factor (α) and that of resistivity (β) cancel at specific dopant concentrations.

ゼロバイアスドリフトの抑制

M. Esashi, Sensors and Actuators, 4 (1983) 537-544

Standard piezoresistor Buried piezoresistor n type Si n type Si Si p type Si

p type Si (for contact) n type Si

１）埋め込み歪抵抗素子

２）パッシベ―ション（LPCVDによるSiO₂とSiN）

Integrated Capacitive Pressure Sensor

Sander, Knutti and Meindl, IEEE Trans. Elect. Dev., ED-27 (1980)

3 mm

• Capacitive absolute pressure sensor

• Hermetic sealing by anodic bonding

Integrated Capacitive Pressure Sensor

(Toyoda

→ JTEKT 2006~)

T. Kudoh et al. (Tohoku Univ.), Sens. Actuators A, 29 (1991) 185-193

Influence of Anodic Bonding to Circuits

9

Shirai, Esashi (Tohoku Univ.), Tech. Report IEEJ, ST-92-7, (1992) 9-17

• MOSFET is not affected by anodic bonding, because gates and electrodes are connected to a substrate through pn junctions, working as shields.

• A pn junction shielded by an Al electrode is not affected by anodic bonding. • A shield in the glass cavity is effective for protection, but not essential.

J. Micromech. Microeng. 12 (2002) 361

MOS capacitors

Resonating Pressure Sensor (Yokogawa)

Indoor Navigation by MEMS Sensors

11

Figure: ISID and Mecello

Figure: STMicroelectronics

Piezoresistive Pressure Sensor (Bosch)

Lammel et al. (Bosch), Transducers ’07

In comparison with (a), (b) is • Thinner

• Processed from one side • Not using borosilicate glass • Naturally equipped with

Piezoresistive Pressure Sensor (Bosch)

Armbruster et al. (Bosch), Transducers ’03

(b) 低電流密度でp+層を空孔率45 %でポーラス化 →高電流密度でバルクp-Siを空孔率70 %でポーラ

ス化 (c) 水素中900～1100 ℃アニーリング→ポー

ラスSiの還元・凝集，キャビティ形成

VENSENS Pressure Sensor

(STMicroelectronics)

Si substrate

DRIE making hole array

ピエゾ抵抗型圧力センサのパッケージング

15

T. Spear, A. Leung, W. Ko, Packaging of interacranical pressure telemetering unit for chronic implantation, in “Micromachining and Micropackaging of Transducers”, Elsevier (1985) 85

台座からの応力を緩和

25

μm厚のAuダイヤフラムで圧力センサを

耐蝕・耐熱容量型サファイア圧力センサ（山武）

2006 マイクロマシン/MEMS技術大全, 104

実装応力に強いモノリシック圧力センサ（上海SIMIT）

17 PS3構造あり _PS3構造なし コバール基板 コバール基板 ダイヤフラムに圧縮ひずみ （少しバックリング） • 圧力センサを片持ち梁状に支持し， 実装時の応力に不感 • モノリシック構造 • 小形（0.8 mm×0.8 mm） 1 Pa = 約8 cmの高低差 の気圧変化 Advanced Semiconductor Manufacturing Cooperation（ASMC） J. Wang, L.Yang, X. Li, Shanghai Institute of Microsystem and Information,

実装応力に強いモノリシック圧力センサ（上海SIMIT）

J. Wang, L.Yang, X. Li, Shanghai Institute of Microsystem and Information, IEEE MEMS 2013, 49-52, 3A-6

(111) Siウェハ上に作製 (a) ピエゾ抵抗形成 (b) SiN/SiO₂ LPCVD → DRIE → SiN/SiO2 LPCVD (c) DRIE (d) 結晶異方性ウェットエッチング (e) ポリSi成膜（エッチホール閉） (f) SiN/SiO2 LPCVD (g) (b)(c)と同様 (h) Al配線形成（PRスプレー塗布） ※ウェハ片面からの加工のみ ※ウェハ接合なし 低コスト エッチホール

加速度センサ

In cooperation with

19

加速度センサーの原理

m

k

c

ω

台車を一定加速度で押す。 中のおもり（m）は，台車に対して どうなるか？ A sin ωtの加速度で揺するとどう なるか？ k：ばね c：ダッシュポット（減衰器） 基板への固定部 （その他の部分は基板から浮いている。） 加速度 おもり ばね 固定 電極 基板 基板と可動部との間の空気（減圧）が，減 衰力を生み出す。

加速度センサーのダンピング調整

南和幸 他, 電気学会論文誌E, 117-E, 2 (1997) pp. 109-116

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

First MEMS Accelerometer

L. M. Roylance et al. (Stanford Univ.), IEEE Trans. Electron Devices, ED-26 (1979) 1911

A

A’

PADDLE

Small step due to faster oxidation speed of the doped area (Risk of air leakage)

Current leakage

A-A’ cross section

• Sealing by anodic bonding • Feedthrough using p++ _layer

静電サーボ式シリコン加速度センサ（日立製作所）

S. Suzuki, M. Esashi et al., Sensors and Actuators A, 21-23 (1990) 316-319

静電サーボ式シリコン加速度センサ（日立製作所）

多段結晶異方性エッチング

によって片持ち梁の隅を丸

くして，応力集中を防ぐ。

エッチングした凹凸面への

フォトリソグラフィは困難な

ので，ウエハが比較的平ら

な段階で厚みが3段階に異

なる酸化膜のマスクを作成

する。

Low G Accelerometer (VTI

→村田製作所)

Anodic bonding using borosilicate glass buried in the Si wafer

L. B. Wilner (Endevco), IEEE Trans. Instru. Meas., 37 (1988) 569

国見敬（曙ブレーキ）,自動車技術, 55, 10, (2001) 48

表面マイクロマシニングによる加速度センサ

Analog Devices 集積化2軸加速度センサ

薄いポリシリコンを用いた集積化MEMS技術は今は用いられていない。

自己診断機能による 信頼性確保

SOI MEMS (UC Berkeley)

Basic structure of Integrated SOI MEMS

• Monocrystalline Si structure with high aspect ratio

• CMOS-to-MEMS isolation by SiN/poly-Si back-filling

• Low temperature, thus CMOS-compatible, process for MEMS

Brosnihan, Bustillo, Pisano and Howe, Transducers’97, 2D2.04

SOI MEMS Proces (Analog Devices)

SiO₂ Si₃N₄ Poly-Si Si

T. D .Chen et al., Transducers’05, 1122

Isolation trench

XL40加速度センサ 0.6 µm

ｴﾋﾟﾎﾟﾘSiを用いた慣性ｾﾝｻ（STMicroelectronics）

29 Si 熱酸化膜 ポリSi（TPL） SiO₂犠牲層 エピポリSi （EPL） DRIE トレンチ 犠牲層 エッチ 直接ポリSiにアンカ

Giacomo Langfelder et al., IEEE Sensor Journal, 11, 4 (2011) pp. 1069-1077

① Nucleation on SiO₂ by

LPCVD at 650 ℃ (125 nm t) ② Thick columnar poly-Si deposition in a LP epitaxial reactor at 1000 ℃, 3 MPa

stress, High deposition rate of

0.4–0.7 μm/min

Fh.G ISIT, Uppsala Univ., Thin Solid Films, 259 (1995) 181-187

SOI-MEMS vs. Epi-poly Si MEMS

SOI-MEMS

3層ポリシリコンMEMS（Robert Bosch）

31

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 「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

キャビティSOIを持引いた集積化慣性センサ

Steven Nasiri and Martin Lim, InvenSense, Inc.

Ge (700 nm) Al (500 nm) Direct bonding 30 μm Al-Ge共晶接合 450 ºC, 300 N/wafer, 4 % H₂ in N₂ x y CMOS 33 ~70 μm

熱式加速度センサ

MEMS重力計

35

R. P. Middlemiss et al. (University of Glasgow), Measurement of the Earth Tides with a MEMS Gravimeter, Nature, 531, pp. 614-617 40 μGal/√Hzの感度 負の変位依存 性のあるば ねによって，重力に耐えつ つ，極微小な加速度に感度 マスの変位を光学的に測定

資源探索，遺跡探索，地下トンネル探索，海抜計測などの用途

MEMS重力計，あるいはそれで測った重力マップをビジネスとするスタートアップもあり 共振周波数4 Hz以下

超高感度MEMS加速度センサ（火星探査用）

Imperial Collage of London, Kinemetrics, University of Oxford, IEEE MEMS 2018, 113-116

• クローズドループ加速度センサ • 大きなプルーフマスに金の重り（合計800 mg），共振周波数6 Hz，ダンピングの低減 → 熱機械ノイズの低減 • 重力はばねで支え，重力下での変形時に構造が対称になるように設計 • ショックや過大加速度で壊れないための半田ボールストッパ → 1200 g×10 msショック， および30 grms連続入力に対して破壊せず。 • 静電容量検出電極のチャージ分布によるノイズ「パッチ効果」の低減 ← 電極分割

超高感度MEMS加速度センサ（火星探査用）

37

Imperial Collage of London, Kinemetrics, University of Oxford, IEEE MEMS 2018, 113-116

潮の満ち引き マナウス海溝で の地震とその後 のレイリー波 金曜日のロンド ンの人間活動 海洋波浪等による 常時地球自由振動 F req uenc y A c c el er at ion センサノイズ（m/s2_/√Hz） レファレンスとの比較による 周波数（Hz） 青と水色は，それぞれ低周波，高周波重視の測定 緑は，既存の超高感度加速度センサ（レファレンス）の性能 地球の振動 共振周波数 0.2 ng/√Hz

ジャイロスコープ

In cooperation with

38

Performance of Gyroscopes

39 100 10 1.0 0.1 0.01 0.001 1000 10 1 0.1 0.01 Vibratory gyroscope Optical gyroscope Airplane Ship Autonomous car Rotational gyroscope Robot Camera Smart phone

(deg./h) (deg./s)

Submarine Car safety system

Bias stability

Application

Type of gyroscope

Dry tuned gyroscope MEMS gyroscope

Fiber optical

gyroscope gyroscopeRing laser

ESG HRG

ESG: Electrically-suspended gyroscope HRG: Hemispherical resonator gyroscope

DTG，FOG，RLGの図：多摩川精機 HRGの図：Northrop Grumman

ジャイロの性能指標

・ バイアス安定性（Bias stability）

← Angle random walk，Angular rate random walk ・ スケールファクターとその精度 スケールファクター＝感度 ・ 帯域とダイナミックレンジ どのくらい早い，あるいは遅い角速度変化と角度変化に対応できるか。 ・ 温特 ・ 並進加速度に対する選択性・不感性 ・・・

A ngul ar r at e, ω

ジャイロの性能指標

41

アラン分散：Allan variance (AVAR) Time τ σ 2 (τ ) τ-1/2_の傾き

Angle random walk

(Johnson noise = White noise)

τ1/2_の傾き

Angular rate random walk (White noise accumulation ~ 1/f2 _PSD) Bias instability (Flicker noise = 1/f noise) 傾き0のAVAR÷0.664 短いτでは，角速度のふらつきは目 立たず，√τでホワイトノイズが減る。 左のような出力から回転角を得ると どうなるか？ 入力角速度ω一定 log-logプロット 異なる時定数τに渡って 角速度の変化を平均

MEMS Vibratory Gyroscope

Gyroscope for vehicle stability control

(Toyota Motor, Tohoku Univ.)

Colioris force

F

_cy

= 2m

Ωx・

Angular rate Drive axis Sense axis Toyota Motor 多摩川精機, ジャイロ活用技術入門, 工業調査会 (2002）

野々村裕, 日経エレクトロニクス, 2004年9月号, p. 75 Tuning

fork

Drive electrode Support beam (drive) Support beam (sense)

Sensing electrode Sensing electrode Servo electrode Frequency tuning electrode Coupling beam Monitor electrode Resonator 1 Resonator 2

MEMS Vibratory Gyroscope (Toyota Motor)

MEMSジャイロの回路構成（パナソニック）

90°（共振で位相が駆動信号がら90°遅れるので）

モードミスマッチ

なぜ，両モードの共振周波数に数百Hzの違いを つけているのか？ 共 振 点 で は ， 振 幅 は 静 的 変 位 の Q 値 倍になる。 45 藤井映志 他, パナソニック「第43回市村産業賞 貢献賞」紹介ウェブサイト (2011)

周波数の調整：モードミスマッチの必要性

センス軸をドライブ軸の角振動数

ω

_x

で復調して得られる信号は，

・自由振動については，|

ω

_y

±

ω

_x

|の信号

・強制振動についてはと2

ω

_x

の信号とDC信号

← コリオリ力，つまりΩに比例（有意）

|

ω

_y

±

ω

_x

|の信号をローパスフィルタで落とせば，DCの有意な信号が得られる。

この方法だと，

Δω = |ω

_y

–

ω

_x

|以上の帯域は得られない。

→ある程度のモードミスマッチΔωが必要

ドライブ軸（x軸）とセンス軸（y軸）の共振周波数（

ω

_x

，

ω

_y

）

が異なることを，「

モードミスマッチ

」という。

Δω = |ω

y

–

ω

x

|

≠ 0

モードミスマッチがある場合，センス軸に現れる振動は，

コリオリ力による強制振動（その周波数はドライブ軸の共

振周波数と同じ）と自由振動の和

自由振動が減衰するには，2Q/

ωの時間がかかる。

→

応答が悪いという。

集積化3軸ジャイロスコープ（InvenSense）

47

3軸ジャイロ（STMicroeletronics）

3軸ジャイロ（STMicroeletronics）

L. Prandl, STMicroelectronics, ISSCC 2011

高性能ジャイロスコープを必要とする機器

Asimo (Honda Motor) Autopilot indoor drone (DARPA)

ジャイロスコープの性能

51 100 10 1.0 0.1 0.01 0.001 1000 10 1 0.1 0.01 Vibratory gyroscope Optical gyroscope Airplane Ship Autonomous car Rotational gyroscope Robot Camera Smart phone

(deg./h) (deg./s)

Submarine Car safety system

Bias stability

Application

Type of gyroscope

Dry tuned gyroscope MEMS gyroscope

Fiber optical

gyroscope gyroscopeRing laser

ESG HRG

ESG: Electrically-suspended gyroscope HRG: Hemispherical resonator gyroscope

DTG，FOG，RLGの図：多摩川精機 HRGの図：Northrop Grumman

S. Tanaka, Intl. Conf. "Global/Local Innovations for Next Generation Automobiles" (2015) 自動運転に必要な性能

モードマッチング

強制加振の周波数ω_x（ドライブ軸の周波数に等しい）がセン ス軸の共振周波数ω_yに一致すると（ω_y=ω_x），振幅は最大 さらに，Q値を高くする。 → 高感度，高S/N モードマッチングすると，ドライブ軸とセンス軸がカップリン グしやすいので，quadrature errorが起こりやすい。 → 構造の高い対称性の上，quadratureキャンセルが必要 しかし，オープンループだと，過渡応答の影響が大きく，収 まるのに2Q/ω_yの時間がかかる（応答が悪い）。 → クローズドループ（force rebalance）で利用 y軸の変位がゼロになるように制御 フィードバックゲインによって帯域拡大 さらに，High Qであると，僅かな周波数ずれで感度が大 きく変化する。 → スケールファクタ補償が必要 モードミスマッチでは，ジャイロの高性能化の要求には応えら れない。 → 「モードマッチ」

高性能MEMSジャイロの構造例（UC Irvine）

53

Andrei M. Shkel (UC Irvine), Transducers 2011

8.

6 m

m

角

モードマッチForce Rebalance MEMSジャイロ

A.A. Trusov1, 2_{, I.P. Prikhodko}1_{, D.M. Rozelle}2_{, A.D. Meyer}2_{, A.M. Shkel}1_, 1_{University of}

California, Irvine, 2_{Northrop Grumman Electronic Systems, Transducers 2013, 2531-2534}

Auto Gain Control（AGC）

cosで駆動するx軸（sinで振動）を同期 検波。得られた振幅と目標値を比較し

てcosで駆動 → 振幅一定制御

Phase Lock Loop（PLL）

x軸（sinで振動）を直交検波して（いわ ばFM復調），得られた信号でVCOを 制御し，ｘ 軸と 位相が一致し たsinと cosを生成。

Rate Loop（Force Rebalance Loop） y軸（x軸と同位相で振動sin）を同期検 波して得た振幅を，大きなゲインでフィ ードバック（本日勉強したところ）

ドライブ

センス _{Quad Loop（Quadrature Null Loop）}

y軸（x軸と同位相で振動sin）を直交検 波して得た振幅はQuadrature信号。 これをゼロにフィードバック。

モードマッチ制御

Scale Factor（感度）の補正

55 ﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸによってゼロ 角速度入力 SF補正用バーチャル角速度入 力（正弦波，角速度入力Ω_zのバ ンド幅外，10 Hz？） 静電力 （∝角速度出力） ノッチフィルタでΩ_r-modをカット Ωr-modはフォースリバランスされない Ωr-mod 【センス軸】 2.2 kHz，Q 1,200,000，ARW 0.02°/√h， バイアス安定性0.2°/h，バンド幅2 Hz SF誤差350ppm（27～37℃），1分のアベレージ ングでSF精度30ppm，同30分で1ppm cos Ωr-modcosωtは バーチャルなコリオリ力 フォースリバランスされているので，Ω_r-mod 以外の周波数成分はほぼゼロ High Qなので，τより短い周期の角速度入 力は振幅積分される。 Θ_r-mod 実際のc_yは様々な誤差を含んでいる。これ を，バーチャル入力Ω_r-modを数値的（or電気 的）に積分し，設定しているスケールファク タa₀をかけた値a₀Θと比較する。 その差分に応じて，フォースリバランスル ープの信号（つまり，コリオリ力に比例した 信号）の値を実数倍して調整する。つまり， スケールファクタを補正している。 想定値a₀Θ 。 実数倍 ドライブ センス 積分してa₀倍 モードマッチ制御 モードマッチ制御

高性能リング・ジャイロ（Silicon Sensing Systems）

資料：Silicon Sensing Systems提供

電磁式のため インピーダンス が低く低ノイズ 磁石 0.1 º/h SHG03： モードマッチ force rebalanceジャイロ 1 º/h 10 º/h 100 º/h ア ラ ン分 散 τ（秒） SGH01 (2000) SGH02 (2008) SGH03 (2015)

モノリシックコンボセンサ（モードマッチジャイロ搭載）

Haoran Wen, … Farrokh Ayazi (Georgia Institute of Technology), IEEE MEMS 2018, pp. 105-108

57

z-axis BAW gyroscope (5.4 MHz)

x, y-axis gyroscope (700 kHz) Mode match Q = 170k ARW 0.23 º /√h BI 8.7 º/h Mode match Q_drive = 13k Q_sense = 4.5k ARW 0.6 º /√h BI 17.9 º/h

Whole Angle Modeジャイロスコープ

I.P. Prikhodko et al., Sensors and Actuators A, 17(2012) 67–78

フランスの物理学者フーコー（1819年 ～1868年）は，1851年にパリのパンテ オン宮殿で長さ67 m，質量27 kgの振 り子を用いて，地球の自転を実証。

FM／全角モードジャイロスコープ

59 k₁ c₁ c₂ k₂ m Ω_z x y λ1 y x λ2 y x k₂ c₂ k₁ c₁

Assuming Δω = ω₁ − ω₂ = 0 (Mode match)

Coriolis force Temperature sensitive y x Linear vibration Ω_z

+

=

モード分離によるFM／全角モードジャイロスコープ

T. Tsukamoto, S. Tanaka, IEEE MEMS 2017, IEEE Inertial 2017, IEEE Inertial 2018

モードミスマッチとQミスマ ッチの補正も可能。 共振子のX軸，Y軸にPLL をかけるのではなく，CW モードとCCWモードに PLLをかける。

モード分離によるFM／全角モードジャイロスコープ

61

T. Tsukamoto, S. Tanaka, IEEE MEMS 2017 原理については， チップ上にフーコー振子, 日経テクノロジーオンライン A ngl e ( º) Time (s) 既存のMEMSジャイロ： 数十秒もすれば，大きな 角度誤差（赤破線） 新方式MEMSジャイロ： 角度誤差なし（○が真値） http://photozou.jp/photo/show/181646/64768929 この中に「フーコー振子」 ※小さな振子が本当にぶら下がっ ているわけではありません。 -5 0 5 10 0 10 20 30 40

モード分離によるFM／全角モードジャイロスコープ

T. Tsukamoto, S. Tanaka, Tohoku University, IEEE MEMS 2017, IEEE Inertial 2017

FMモード駆動

スケールファクタ

κ=0.724

スケールファクタの温度特性

測定誤差±26 ppm

振動ジャイロの課題

63

１）加工誤差 ～ 直交性や対称性の不完全性

→ 同相バイアスアラー，クアドラチャエラー

（例） • 櫛歯アクチュエータのギャップが不均一 → 直交方向（セン ス軸方向）に力が働く：櫛歯の重なりが一定とした分は駆動 と同相（コリオリ力と同相のバイアスエラー），櫛歯の重なり が変化する分は逆相（クアドラチャエラー） • ドライブ軸とセンス軸が直交していない。 → 駆動と同相の漏れ加振がセンス軸に加わ る（コリオリ力と同相のバイアス・エラー） • ドライブ信号のセンス電極へのフィードスルー → 共振時の変位はドライブ信号に対して 90º位相回転（速度と同相） →コリオリ力と同相のバイアス・エラー

２）温度特性（共振周波数やQ値の温度特性）

３） Q値： 高Qの実現法（対称性，支持構造，真空パッケージングなど）

感度（Q）とバンド幅（f/2Q）とのトレードオフ（オープンループ）

高Qジャイロのスケールファクタ

―不安定性（特にモードマッチタイプ）

４）加速度入力（ショックや振動）への不感性：振動モード，周波数

５）大振幅での非線形性

６）消費電力

地磁気センサ

In cooperation with

64

磁気センサの種類

65 日経エレクトロニクス, 2006/7/31, 134

GMR（Giant Magnetic Resistance）方式：ヤマハ AMR（異方性磁気抵抗効果）方式：MEMSIC

ホールセンサ方式：AKM MI方式：愛知製鋼

Combo Sensors (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

ローレンツ力磁気センサ

67 ピエゾ抵抗式ローレンツ力磁気センサ 磁場中，梁の共振周波数の電流 iで駆動 → 梁が共振し，振幅は磁気強度に比例 → ピエゾ抵抗素子で振動を検出

E. Donzier (Sextant), Sensors and Actuators A, 25-27 (1991) 357-361

B. Eyre, K. S. J. Pister (UCLA) et al., IEEE Electron Device Letters, 19 (1998) 496-498 H. Emmerich (Bosch), IEEE Trans. Electron

Devices, 47 (2000) 972-977

Epi-Seaｌされたローレンツ力3軸磁気センサ

Mo Li1_{, Eldwin J. Ng}2_{, Vu A. Hong}2_{, Chae H. Ahn}2_{, Yushi Yang}2_{, Thomas W. Kenny}2_{, David A.}

Horsley1_, 1_{University of California,} 2_{Stanford University, IEEE MEMS 2014, 80-83}

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。

ローレンツ力3軸磁気センサ（共振点外動作）

Soner Sonmezoglu, David A. Horsley, UC Davis, IEEE MEMS 2016, 203-106

69

Δf小 → 感度高，SN比高 ⇔ バンド幅狭，スケールファクタ不安定 Δf大 → 感度低，SN比低 ⇔ バンド幅広，スケールファクタ安定 ※ジャイロを代表にほとんどの共振型MEMSセンサに共通の問題 Δf = 50 HzとΔf = 200 Hzを比較

ローレンツ力3軸磁気センサ（共振点外動作）

センサー出力（5 mA_rms，750 μW） スケールファクタの温度特性 アラン分散 Δf = 50 Hz Δf = 200 Hz Δf = 200 Hz Δf = 50 Hz Δf = 50 Hz Δf = 200 Hz もう1つのデバイス（ 隣同士）をバイアス 電流0でPLL駆動し， 発振源に用いた場合

デュアル共振器ローレンツ力3軸磁気センサ

71

Soner Sonmezoglu1, Ian B. Flader2, Yunhan Chen2, Dongsuk D. Shin2, Thomas W.

Kenny2, David A. Horsley1 (1UC Davis, 2Stanford Univ.), Transducers 2017, pp. 814-817

共振子を静電力F_eでPLL駆動し，それを 周波数基準としてローレンツ力F_Lを生じさ せるためのAC電流i_acを発生 → 常に共振 点で動作 F_e+F_Lの共振周波数での強制振動の変位 は，(F_e+F_L)Q/k F_eQ/kがオフセット分だが，F_e>>F_Lなので， オフセットの温度特性が大きなバイアスエ ラーになる。← TCEとTCQによって影響 を受ける（TCQ>>TCE）。 同じダイの上に2つの同じ共振子を用意し て，電流の向きを逆にする。 共振子1 (F_e+F_L)Q/k (1) 共振子2 (F_e-F_L)Q/k (2) 差動 (1)-(2) = 2F_LQ/k オフセットを除去して感度2倍（ランダムウ ォーク1/√2） ただし，2つの共振子のQ，kが同じ場合

デュアル共振器ローレンツ力3軸磁気センサ

S. Sonmezoglu … T. Kenny, D. Horsley, Transducers 2017, pp. 814-817

0.8×1.6 mm2 ×2 EpiSeal ドリフトの大幅な低減 4.2℃の温度変化 2つの共振子 の特性誤差 依然，スケールファクタ安定性と バンド幅の問題はある。

ローレンツ力3軸磁気センサ

Giacomo Laghi1_{, … Alessandro Tocchio}2_{, Giacomo Langfelder}1_, 1_{Politecnico di Milano,} 2_{ST Microelectronics, Transducers 2015, 803-806} 73 約20 kHz STMicroelectronisのエピ・ポリSi技術で作 製（Si 22 μm厚）。既存のジャイロ等と同じ プロセス。9軸コンボセンサを同一プロセス で製造することを目指していると思われる。 バンド幅とスケール・ファクタ安定性のため ，200 Hz off-resonanceで駆動。感度低下 は複数巻のコイルで補う。駆動電流（100 μARMS）は3軸で一筆書き。オンチップのレ ファレンス（tang）共振子で周波数を規定。 アルミ配線 加速度入力に よる振動はコモ ンモードでキャ ンセルされる。

ローレンツ力3軸磁気センサ

バンド幅は同期検波のフィ ルタ（50 Hz）で決まっている 。 バイアス安定性 <280 nT 感度 各軸とも約1.5 zF/(nT·mA) 直線性 0.3% ダイナミックレンジ ±3 mT （もっと大きいが，どこまでかは不明 ） 駆動電流 100 μA_RMS （参考） 地磁気：24000-66000 nT（東京付近 約45000 nT）

Giacomo Laghi1_{, … Alessandro Tocchio}2_{, Giacomo Langfelder}1_, 1_{Politecnico di Milano,} 2_{ST Microelectronics, Transducers 2015, 803-806}

シングル共振子ローレンツ力3軸磁気センサ

Cristiano R. Marra, … Giacomo Langfelder (Politecnico di Milano, STMicroelectronics), IEEE MEMS 2018, pp. 101-104

75

• A single resonator for sensing plus a reference clock resonator (50 kHZ)

• Fabrication by ST’s ThELMA (Thick Epitaxial Layer for Micro-gyroscopes and

Accelerometers) process

• 100 nT/√Hz noise density and 50 Hz bandwidth with 200 μA drive current and 300

Hz mode mismatch, Sensing range over 5 mT with <0.5% non-linearity Small footprint

マイクロフォン

In cooperation with

76

MEMSマイクロフォン

77 エレクトレット・コンデンサー ・マイク1個 MEMSマイク 2個 MEMSマイク 3個 MEMS マイク4個

iPhone iPhone3G iPhone3Gs iPhone4

(2010)

iPhone4s iPhone5 iPhone5s iPhone6 iPhone6s

Figure: TDK-EPCOS 59 dB 64-66 dB 62-63 dB SN 比 複数のマイクロフォ ンを用いた ノイズキャンセル Figure: Apple マイク マイク 周囲の雑音 ノイズキャンセル された音声信号 音声 ノイズキャ ンセル回路

Electret Condenser Microphone (ECM)

Structure of ECM (Hosiden)

Electret with stored charge (equivalent to 200~300 V)

Solder reflow process

260 ℃

d

C

V ∂

∂

=

0 p e

η

MEMSマイク（Knowles）

（1 µm厚 poly Si） 4 µm 図出典 日経マイクロデバイス，2006.2 φ560 µm （1.5 µm厚）

d

C

V ∂

∂

=

0 p e

η

79

P. V. Loeppert, Solid-State Sensors

Actuators and Microsystems, Workshop, Hilton Head (2006)

MEMSダイの大きさ 1.65×1.65 mm

MEMSマイクロフォン

Zhe (Wily) Wang, Quanbo Zou, Qinglin Song, and Jifang Tao, GoerTek Inc., China, Transducers 2015, pp. 375-378 (a) Knowlesのフローティング・ダイヤフラム （EP 1310136B1特許） (b) Infineon，オムロン（STMicro），Akustica（Bosch）の弱引張りダイヤフラム (c) Analog Devicesのスプリング・サポート・ダイヤフラム (d) GoerTekのセンター・サポート・ダイヤフラム ※企業名は不正確かもしれません。 チップ写真（大きさの相対比較可）

（System PLUS Consultingの資料から）

AAC オムロン Knowles

Epcos ADI Akustica

MEMSマイク（Infineon）

Alfons Dehé, Martin Wurzer, Marc Füldner and Ulrich Krumbein, Design of a Poly Silicon MEMS Microphone for High Signal-to-Noise Ratio, Proc. ESSDERC 2013, pp. 292-295

81

パーフォレーション・ホールとスティッキング 防止バンプ

MEMSマイク（Infineon）

指向性なし

指向性あり（バックボリュームに穴）

レーザー加工 （Φ100 μm）

MEMSマイク（Infineon）

83

A. Dehe, Sens. Actuators A, 113 (2007) 283

集積化MEMSマイク（Akustica）

Gary. K. Fedder (CMU), Proc. IEEE, 96 (2008) 306

BEOLにスケルトン 構造を作製し，その 隙間に樹脂を気相 堆積し，ダイヤフラ ムを形成

集積化MEMSマイク（Akustica）

AKU2000 1.73 mm M. Weinstein, 日経マイクロデバイス, 248, 2006.2, 36 85

MEMSマイクロフォンの性能とASP

ASP 第1世代（59 dB SNR） 第2世代（62-63 dB SNR） 第3世代（64-66 dB SNR） 第4世代（68-70 dB SNR） 第5世代（72-75 dB SNR）

元グラフ：IHS “MEMS & Sensors for Consumer and Mobile Devices Intelligent Service” (2015)

• 音声認識用途にマイクロフォン高性能化の要求は強い。 • 継続的な性能向上によって，これまで平均的なASPはあまり下がっていなかった。 一方，出荷数は急激に増加。 • 従来技術の延長では，これ以上の高性能化は難しい。 • 性能向上が止まれば，ASPが下がるのみ。 圧電，櫛歯電 極，歪抵抗， その他

？

MEMSマイクロフォンの高性能化

Zhe (Wily) Wang, Quanbo Zou, Qinglin Song, and Jifang Tao, GoerTek Inc., China, Transducers 2015, 375-378 87 高性能化のための技術的選択肢例 • 音響ノイズは，バックプレートのパーフォレーション・ホールでの流体抵抗，静電ギャップ でのスクイーズド・フィルム・ダンピング，およびベンチレーション・ホールでの流体抵抗に 起因する。→ バックプレートなしの構造：圧電検出（例：Vesper MEMS），ピエゾ抵抗検 出，ダイヤフラムの周囲に検出部など • 寄生容量やワイヤボンディングからの電磁ノイズの排除 → MEMSとASICのモノリシック 集積化（例：Akustica） • 差動検出（両面バックプレート，ダブルダイヤフラム） • パッケージングの小形化（一部，ウェハレベルパッケージング）

バックプレートなしのMEMSマイクロフォン

Sung-Cheng Lo1, ... Chuanwei Wang2, Mingsian R. Bai1, Weileun Fang1, National Tsing Hua University, 2MotionsTek Inc., Transducers 2015, 1085-1088

バックプレートがなく，周囲の櫛歯電極で検出（以前 ，著者らが発表したものの改良版）

バックプレートなしのMEMSマイクロフォン

89 SOI基板で作製 ダイヤフラムの直径600 μm，静電ギャップは1.6 μm 感度（感度の定義は，1V/1Paを基準にし て，何Vの出力が出るか） SN比は不明だが，性能は低い。 ちなみに，ADI ADMP504の感度は-38 dBV（100 Hz～20 kHz），SN比は65 dB Sung-Cheng Lo1, ... Chuanwei Wang2, Mingsian R. Bai1, Weileun Fang1, National Tsing Hua University, 2MotionsTek Inc., Transducers 2015, 1085-1088

ピエゾ抵抗式MEMSマイクロフォン

ZnO圧電MEMSマイクロフォン

R. P. Ried, R. S. Muller (U.C. Berkeley), J. Microelectromech. Syst., 2 (1993) 111

AlN圧電MEMSマイクロフォン

Vesper Technologies

CEOのMatthew CrowleyはSand 9出身

CTOのRobert John Littrellの博士論文(2010，ミシガン大）の技 術に基づく（US 2010 0254547 A1）

SNR ～68 dBの 圧電マイクロフォン

デュアルバックプレート・マイクロフォン（Infineon）

93

Christian Lillelund (Infineon Technologies), EETimes (2016)

SNR 70 dB ← 65 dB AOP 130-135 dB ← 120 dB 位相ばらつき ±2° 感度ばらつき ±1 dB 4×3×1.2 mm3 2018 1Qに量産予定 Infineon 2017.7.25プレスリリース （従来典型値） おそらく，差動化 にともなって機械 感度を下げ，その 分，ノイズを低減 フィードバックも可 能か？

自動車・家電関係のMEMS

圧力センサ

加速度センサ

ジャイロスコープ

磁気センサ

マイクロフォン

マイクロデバイスの研究開発，お手伝いします。

95 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。

Assoc. Prof. Takashiro Tsukamoto Michio Kadota Assoc. Prof. Masanori Muroyama Assoc. Prof. Jörg Frömel Assoc. Prof. Shinya Yoshida Professor Shuji Tanaka Assoc. Prof. Hideki Hirano Sr Res Fellow

S. Tanaka Laboratory

Department of Robotics & Microsystem Integration Center

Tohoku University

Research menu in 2017-2018

• 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

• Heterointegration and wafer-level packaging technology • MEMS process tools (ALD, wafer bonder etc.)