人材育成のためのMEMS集中コース in 豊橋 最近のMEMS 田中秀治 工学研究科バイオロボティクス専攻 マイクロシステム融合研究開発センター 東北大学 1 mems tohoku MEMS業界の概況 MEMS業界における新ビジネスとイノベーションのドライバ ①IoT （スマートフォンも含まれる） ②自動運転 ③ロボット，人工知能 MEMS業界の動向 • 世界的に研究開発が益々活発化，技術レベルが高度に • リーディング企業：Bosch，Avago，InvenSense … STMicroelectronics↓，NXP-Freescale？ • オープンイノベーション：Bosch-Stanford大学，InvenSense-BSAC • 日本企業は海外で企業買収・投資するも 2 MEMS業界の概況 技術のトレンド IoT より安く大量のセンサ 「安さは技術の高さ」 強い技術プラットフォーム 無線デバイス （周波数制御デバイス） 環境センサ？ 自動運転 人工知能 ロボット 高性能センサをリーズナブルな価格で 例：ジャイロ，レンジファインダ， 赤外線イメージセンサ，マイクロフォン より高度なMEMSやより進んだ集積化・パッケージングが必要に なると，新しい製造装置が必要に 技術進歩なければ，新装置なし 3 技術が急速に高度化！ Vibration Gyroscope (STMicroelectronics) Epi-poly silicon Wire bonding 22 μm Movable Anchored Low stress, thick epi-poly silicon 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 Vibration gyroscope made of thick epi-poly silicon M. Kirsten, B. Wenk (Fraunhofer-Inst.), F. Ericson, J. A. Schweitz (Uppsala Univ.) ,Thin Solid Films, 259 (1995) pp. 181-187 Epi-poly SiとEpi-Seal技術 5 Epi-Poly技術（Bosch，Transducers ’95） SOI構造の封止技術（T. Kenny，Stanford大学） 300 µm Si Clock Oscillator (SiTime) 1) Si RIE (0.18 µm rule) 3) HF vapor etching from release holes 5) Metalization Sealing in an epitaxial furnace (clean & high temperature) 2) Deposition of Sacrificial SiO2 and Si 5) Sealing by Epi-poly Si 櫻井, 金属, 77 (2007) 37 Combo Sensors (2013) Combo sensor: 3-axis accelerometer 3-axis gyroscope 3-axis magnetometer (e-compass) STMicroelectronics LSM9DS0 (4×4 mm2) 5 dies - Accelerometer - Gyroscope - Magnetometer - 2 ASIC 7 System in Package (SIP) Bosch 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 Photographs: Romain Fraux (System Plus Consulting) Integrated 2-Axis Gyroscope (InvenSense) Steven Nasiri and Martin Lim, InvenSense, Inc. Al (500 nm) CMOS x y Al-Ge eutectic bonding 450 ºC, 300 N/wafer, 4 % H2 in N2 Direct bonding 30 μm Ge (700 nm) 8 ~70 μm Decrease in Package Size Boschの最新3軸加速度センサ（2014） 1.8 mm2, 0.8 mm t ASICにAR10のCu TSV 9 Yole Development 2013, 2014 最近発表が相次ぐEpi-Sealしたセンサ 圧力センサ 【MEMS2013】 RESONANT PRESSURE SENSOR WITH ON-CHIP TEMPERATURE AND STRAIN SENSORS FOR ERROR CORRECTION, C.-F. Chiang1, A. B. Graham2, B. J. Lee1, C. H. Ahn1, E. J. Ng1, G. J. O’Brien2, T. W. Kenny1, 1Stanford University, 2Robert Bosch RTC, pp. 45-48, 3A-5 共振式 温度・歪補償 用共振子も 加速度センサ 【Transducers 2013】 X-Y AND ZAXIS CAPACITIVE ACCELEROMETERS PACKAGED IN AN ULTRA-CLEAN HERMETIC ENVIRONMENT, V.A. Hong, B.J. Lee, D.L. Christensen, D.B. Heinz, E.J. Ng, C.H. Ahn, Y. Yang, T.W. Kenny, Stanford University, pp. 618-621, M4A.005 ジャイロ 【Transducers 2013】 GEOMETRIC COMPENSATION OF (100) SINGLE CRYSTAL SILICON DISK RESONATING GYROSCOPE FOR MODE-MATCHING C.H. Ahn, E.J. Ng, V.A. Hong, Y. Yang, B.J. Lee, M.W. Ward, T.W. Kenny, Stanford University, pp. 1723-1726, W2A.006 （MEMS2013 pp. 625-628, 10 092-Thでも発表） 窒化膜によるア イソレーション モードマッチ・ ディスク振動 ジャイロ Epi-Seaｌされたローレンツ力3軸磁気センサ [MEMS 2014] SINGLE-STRUCTURE 3-AXIS LORENTZ FORCE MAGNETOMETER WITH SUB-30 nT/√HZ RESOLUTION Mo Li1, Eldwin J. Ng2, Vu A. Hong2, Chae H. Ahn2, Yushi Yang2, Thomas W. Kenny2, David A. Horsley1, 1University of California, 2Stanford University, pp. 80-83 11 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。 EpiSeal マルチセンサ－・プラットフォーム [Transducers 2015] 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, pp. 295-298 • 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 12 ンピングが十分かは不明 EpiSeal マルチセンサ－・プラットフォーム [Transducers 2015] 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, 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 13 共振型x-y軸加速度センサ 共振型z軸加速度センサ 汎用性の高いEpiSealプラットフォーム [Transducers 2015] A UNIFIED EPI-SEAL PROCESS FOR RESONATORS AND INERTIAL SENSORS Yushi Yang, … Thomas W. Kenny, Stanford University, pp. 1326-1329 (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： 14 (h) Al表面電極の形成 汎用性の高いEpiSealプラットフォーム [Transducers 2015] A UNIFIED EPI-SEAL PROCESS FOR RESONATORS AND INERTIAL SENSORS Yushi Yang, … Thomas W. Kenny, Stanford University, pp. 1326-1329 15 • 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） • 以上のような特長を備えていても，プロセスが複雑にならない。 汎用性の高いEpiSealプラットフォーム [Transducers 2015] A UNIFIED EPI-SEAL PROCESS FOR RESONATORS AND INERTIAL SENSORS Yushi Yang, … Thomas W. Kenny, Stanford University, pp. 1326-1329 リリースホールがデバイスのQ値を下げる 原因であり，リリースホールを排除すること でQ値が向上（Q = 125k → 1.2M） 16 0.7 μm幅から50 μm幅 のトレンチが形成可能→ InvenSenseのAlN圧電MEMS MPWサービス [Transducers 2015] 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, pp. 2248-2251 キャビティSOI のキャビティは pre-define Mo/AlN成膜→ （AlN 1 μm厚） Avagoの特許切れ Al-Ge共晶接合 集積化・真空封止 17 ←標準的な InvenSenseの 集積化プロセ ス”Nasiri Process” 圧電AlN-MEMS用集積化プロセス InvenSenseのAlN圧電MEMS MPWサービス [Transducers 2015] 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, pp. 2248-2251 Multi Project WaferサービスをBerkeley Sensor & Actuator Center（UC Berkeley， UC Davis）に提供。費用はInvenSense持ち ←圧電超音波型 指紋センサ 共振型赤外線センサ→ （NETD 50 mK） 18 ↑ pMUT（圧電超音 波トランスデューサ） InvenSenseのAlN圧電MEMS MPWサービス [Transducers 2015] 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, pp. 2248-2251 圧電MEMSマイクロフォン 大音量用としている。 このままでは，ダイヤフラムが厚すぎて高感度に ならない。また，おそらくバックボリュームが不足。 圧電駆動可変キャパシタ 19 圧電パルスエコー式集積化指紋センサ [Transducers 2015] PULSE-ECHO ULTRASONIC FINGERPRINT SENSOR ON A CHIP, H. Tang1, Y. Lu2, S. Fung2, J. M. Tsai3, M. Daneman3, D.A. Horsley2, and B.E. Boser1, 1University of California, Berkeley, 2University of California, Davis, 3Invensense Inc., pp. 674-677 著者らによると， 光学式は間違いが多く，また，小形化に難 静電式は湿気や汚れに弱い 圧電式は性能はよいものの小形化が難で あったが，今回，MSM-LSI集積化で解決 InvenSenseのBSAC向けマルチ・プロジェクト・ウェハ・サービスで作製 50 μm直径，100 μmピッチ，AlN厚さ0.8 μm，0.18 μm CMOS 20 超音波トランスデューサと樹脂フィルムとの間にフロリナート 圧電パルスエコー式集積化指紋センサ [Transducers 2015] PULSE-ECHO ULTRASONIC FINGERPRINT SENSOR ON A CHIP, H. Tang1, Y. Lu2, S. Fung2, J. M. Tsai3, M. Daneman3, D.A. Horsley2, and B.E. Boser1, 1University of California, Berkeley, 2University of California, Davis, 3Invensense Inc., pp. 674-677 従来 今回 本試作では，高電圧 アンプ（12 V）とADC はオフチップ 21 指紋の検出結果→ 従来の1ポート・トランスデューサでは， TX-RX切り替えの耐圧スイッチSWRX の寄生容量CpSWが10 pFと大きすぎ る。今回，2ポートにし，スイッチを SWTX_HVとSWRX_LV（耐圧不要，寄生 容量小）の2つにして解決 ローレンツ力3軸磁気センサ [Transducers 2015] 100 μA, 320 nT/√Hz, 3-AXIS LORENTZ FORCE MEMS MAGNETOMETER, Giacomo Laghi1, … Alessandro Tocchio2, and Giacomo Langfelder1, 1Politecnico di Milano, 2ST Microelectronics, pp. 803-806 アルミ配線 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。 22 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。 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。 ローレンツ力3軸磁気センサ [Transducers 2015] 100 μA, 320 nT/√Hz, 3-AXIS LORENTZ FORCE MEMS MAGNETOMETER, Giacomo Laghi1, … Alessandro Tocchio2, and Giacomo Langfelder1, 1Politecnico di Milano, 2ST Microelectronics, pp. 803-806 バンド幅は同期検波のフィ ルタ（50 Hz）で決まっている。 駆動電流 100 μARMS 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 ） （参考） 23 地磁気：24000-66000 nT（東京付近 約45000 nT） バイアス安定性 <280 nT TSMC 0.18 μm CMOS上のSiGe加速度センサ [Transducers 2015] CMOS INTEGRATED POLY-SIGEMEMS ACCELEROMETER ABOVE 0.18 μm TECHNOLOGY, A. Ray Chaudhuri 1,2, P. Helin1, R. van den Hoven3, S. Severi1, X. Rottenberg1, R.F. Yazicioglu1, A. Witvrouw4, L.A. Francis2, and H.A.C. Tilmans1, 1Imec, 2Université Catholique de Louvain, 3Holst Centre/Imec, 4KULeuven 24 1.35 mm × 1.35 mm 20 μW at 2.5 V 熱伝導式集積化CO2センサ [Transducers 2015] AN INTEGRATED CARBON DIOXIDE SENSOR BASED ON RATIOMETRIC THERMAL-CONDUCTIVITY MEASUREMENT, Z. Cai1, R.H.M. van Veldhoven2, … M.A.P. Pertijs1, 1Delft University of Technology, 2NXP Semiconductors（Freescaleを買収）, pp. 622-625 Sensor • 赤外線式のCO2センサは，小形化難，高コスト， 消費電力大 → IoT用に不適 • 気体の熱伝導の違いを用いるセンサは，簡単 で小形化・低コスト化が可能だが，従来，水素 （ヘリウムも可）用にしか実用化されていない。 水素の熱伝導率は180 mW/Kmと空気のそれ 26 mW/Kmより十分大きく，しかも水素は爆発 限界の4%を基準にして，その1/10程度？の濃 度がわかればよい。 Reference • CO2の熱伝導率は16.4 mW/Kmと空気のそれ に近い。室内の空気清浄度モニタとしては， 2500 ppm未満の低濃度で分解能を持たなけ ればならない。 電流比Lが 一定であれ ばよい。 Sensor 25 Reference • したがって，熱伝導式CO2センサには，極めて 高い精度の抵抗測定や安定した電源が必要。 熱伝導式集積化CO2センサ [Transducers 2015] AN INTEGRATED CARBON DIOXIDE SENSOR BASED ON RATIOMETRIC THERMAL-CONDUCTIVITY MEASUREMENT, Z. Cai1, R.H.M. van Veldhoven2, … M.A.P. Pertijs1, 1Delft University of Technology, 2NXP Semiconductors（Freescaleを買収）, pp. 622-625 Sensor 気体の熱伝導（θ = ΔT/ΔP）の違いを測定。 しかし，ΔT（ヒータの温度上昇）もヒータのパワー （ΔP）も正確には測定しがたい。 センサーとレファレンスを用意して， Reference を測定すれば，パワーの比が一定であればよい。 さらに，ヒーターを高電流，低電流で交互に加熱 し，そのときの温度差，つまり抵抗差をΔTの代わ りに用いれば， 電流比Lが 一定であれ ばよい。 Sensor 26 Reference ヒーター電流Icは上式でキャンセルされる。 さらに，別途用意する気温センサ，圧力センサ， 湿度センサなどのデータを用いて，これらの影響 を補償すれば，より正確なCO2濃度がわかる。 室内に未知のガスが存在することは想定しない。 熱伝導式集積化CO2センサ [Transducers 2015] AN INTEGRATED CARBON DIOXIDE SENSOR BASED ON RATIOMETRIC THERMAL-CONDUCTIVITY MEASUREMENT, Z. Cai1, R.H.M. van Veldhoven2, … M.A.P. Pertijs1, 1Delft University of Technology, 2NXP Semiconductors（Freescaleを買収）, pp. 622-625 0.16 μm CMOS プロセスで作製 ダイサイズ：3 mm角 消費電力：11.2 mW （センサ＋回路） 分解能：228 ppm（1σ） 27 ΔTs/ΔTrで測定 Δθs/Δθrで測定 ΔPs/ΔPrで測定 気温と圧力で補償 Evolution of Wafer Bonding Method 70 μm InvenSense, AlGe eutectic bonding 70 μm STMicroelectronics, Au-Au bonding L3G4IS Reverse Costing Report 300 μm STMicroelectronics, Flit glass bonding 28 L3GD20H Reverse Costing Report Wafer-Level Packaging of FBAR (Avago) R. C. Ruby (Avago), 2002 IEEE ISSCC, p. 184 29 • Sealing with a Si capping wafer by Au-Au bonding ウェハ接合によるWLP FBAR発振器（Avago） Rich Ruby et al., IEEE Freq. Contr. Symp. 2011 Au-Au bonding 30 Wafer-Bonding-Based Integration: Problems Steven Nasiri and Martin Lim, InvenSense, Inc. Market share ~20 % for 3-axis gyros in mobiles (2013) MEMS gyroscope AlGe eutectic boding Vacuum ASIC Difference in die size Interconnect Metal seal 31 MEMS (FBAR) Vacuum or N2 ASIC Selective and Multiple Die Transfer (1) Wafer bonding MEMS 180⁰C (2) Laser irradiation (3) Selective die transfer 32 Glass support wafer Polymer ASIC THG Nd:YVO4 laser (λ = 355 nm, ~ 1 W) Reusable Reusable FBAR and Sustaining Amplifier IC VSS VDD Bias circuit FBAR Output buffer Interconnect bump (fly-cut) FBAR (2 GHz) 1 mm Sustaining Amplifier IC Au seal ring (fly-cut) 2 mm S. Taniguchi et al. (Taiyo Yuden), 33 IEEE Ultrasonics Symposium 2007 Designed and fabricated by Asahi Kasei Microelectronics Selective and Multiple Die Transfer K. Hikichi et al., IEEE 2014 International Frequency Control Symposium, pp. 246-249 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) FBAR Au bump Phase noise (dBc/Hz) -20 -40 -60 -80 -100 Sustaining amplifier 34 4 times of die transfer were demonstrated using the same MEMS wafer. Carrier 1.9624 GHz -120 -140 -160 -180 100 1k 10k 100k 1M 10M Offset (Hz) 切削平坦化したAuバンプを用いた気密封止 [Transducers 2015] THE WAFER-LEVEL VACUUM SEALING AND ELECTRICAL INTERCONNECTION USING ELECTROPLATED GOLD BUMPS PLANARIZED BY SINGLE-POINT DIAMOND FLY CUTTING, H. Hirano, K. Hikichi and S. Tanaka, Tohoku University, pp. 1283-1286 35 切削平坦化後に残 る加工マークは， 350℃で加圧して接 合すれば，つぶすこ とができる。 デガス・アニールすると，金属結晶が 肥大化するが，切削平坦化すると金属 結晶が微細化し，接合しやすくなる。 CMOSダイヤフラムを有する集積化触覚センサ [Transducers 2015] FLIPPED CMOS-DIAPHRAGM CAPACITIVE TACTILE SENSOR SURFACE MOUNTABLE ON FLEXIBLE AND STRETCHABLE BUS LINE, S. Asano1, … T. Nakayama2, … Y. Nonomura3, … S. Tanaka1, 1Tohoku University, 2Toyota Motor, 3Toyota Central R&D Labs., pp. 97-100 多数バス接続できるロボット用 触覚センサ 36 CMOSダイヤフラムを有する集積化触覚センサ [Transducers 2015] FLIPPED CMOS-DIAPHRAGM CAPACITIVE TACTILE SENSOR SURFACE MOUNTABLE ON FLEXIBLE AND STRETCHABLE BUS LINE, S. Asano1, … T. Nakayama2, … Y. Nonomura3, … S. Tanaka1, 1Tohoku University, 2Toyota Motor, 3Toyota Central R&D Labs., pp. 97-100 37 MEMS業界の概況 技術のトレンド IoT より安く大量のセンサ 「安さは技術の高さ」 強い技術プラットフォーム 無線デバイス （周波数制御デバイス） 環境センサ？ 自動運転 人工知能 ロボット 高性能センサをリーズナブルな価格で 例：ジャイロ，レンジファインダ， 赤外線イメージセンサ，マイクロフォン より高度なMEMSやより進んだ集積化・パッケージングが必要に なると，新しい製造装置が必要に 技術進歩なければ，新装置なし 38 技術が急速に高度化！ Future Applications of MEMS Inertia Sensors Future applications of advanced MEMS inertia sensor • • • • Precision navigation for personal and aviation Autonomous control of automobile and “drone” Control and navigation of personal vehicle Motion control of robot Piezoelectric MEMS gyro (Panasonic) 39 Piezoelectric MEMS gyro (SSS) ジャイロの性能 Accuracy Low Medium Application Automobile Consumer Extremely high High Aerospace Marine Robotics etc. Compass Vibrating gyro Inertia navigation system Rate sensor Rotational gyro Optical gyro 1000 10 1 0.1 (deg./sec) 40元図：東京計器 中村さん 100 Dry tuned gyro Fiber optic gyro 10 0.01 1.0 ESG Ring laser gyro 0.1 0.01 0.001 (deg./h) 自動運転に要 求されるレベル バイアス 安定性 ジャイロの性能指標 Angular rate, ω 入力角速度ω一定 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？ τ1/2の傾き Angular rate random walk (White noise accumulation) Time log-logプロット σ2(τ) アラン分散：Allan variance (AVAR) τ-1/2の傾き Angle random walk (Johnson noise) Bias instability (Flicker noise, 異なる時定数τに渡って角速度の変化を平均 1/f noise) 41 τ MEMSジャイロの高性能化 1. Mode match + Force rebalance + Compensation 2. FM output 3. Whole angle mode 共振子の要件： ・ 2軸対称 ・ モードマッチング ・ 高いQ値 42 振動ジャイロの制御法 利 点 Force-rebalance mode 角速度Ωを計測 （Closed-loop rate gyro） ノイズが小さい。 バイアス安定性を制御しや すい。 Drive軸を振動させ，それと 直交するsense軸にコリオリ 力によって発生する振動を 打ち消すように制御 Whole-angle mode 回転角Θを計測 （Rate-integrating gyro） スケールファクター（angular gain）が構造のみによって 決まり，正確。また， hemispherical resonatorの ケース（基板）に対する振動 場合，スケールファクターが 子の振動方向θが，ジャイロ 大きい。 の回転角に比例して回転す バンド幅とフルスケールが ることを利用 大きい（制限なし）。 43 欠 点 スケールファクターが不正 確になりがち。 バンド幅とフルスケールに 限界あり（ただし，openloop制御よりは大きい）。 共振子の対称性（周波数， Q値=減衰時定数）が悪いと， ドリフトが発生。 θの測定に誤差（ノイズ）が 発生しやすい。 モードミスマッチの必要性 ドライブ軸（x軸）とセンス軸（y軸）の共振周波数（ωx，ωy） が異なることを，「モードミスマッチ」という。 Δω = |ωy – ωx| ≠ 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。 センス軸をドライブ軸の角振動数ωxで復調して得られる信号は， ・自由振動については，|ωy ± ωx|の信号 ・強制振動についてはと2ωxの信号とDC信号 ← コリオリ力，つまりΩに比例（有意） |ωy ± ωx|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 = |ωy – ωx|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 44 モードマッチング 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」 強制加振の周波数ωx（ドライブ軸の周波数に等しい）がセン ス軸の共振周波数ωyに一致すると（ωy=ωx），振幅は最大 → 高感度，高S/N 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/ωy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 そうすると，帯域が広がる。 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。 → これを防ぐ手立て（quadrature null）が必要 45 さらに，High Qであると（一般的にそうであるが），僅かな 周波数ずれで感度が大きく変化する。 → これを補正する手立てが必要 高性能MEMSジャイロの構造例（UC Irvine） 8.6 mm角 x-y対称振動 x-yデカップル（直交＝独立に自由振動） アンチフェーズ モードマッチング 高いQ 46 Shkel, Transducers 2011 → モードマッチForce Rebalance MEMSジャイロ [Transducers 2013] 1 PPM PRECISION SELF-CALIBRATION OF SCALE FACTOR IN MEMS CORIOLIS VIBRATION GYROSCOPE A.A. Trusov1,2, I.P. Prikhodko1, D.M. Rozelle2, A.D. Meyer2, A.M. Shkel1, 1University of California, Irvine, 2Northrop Grumman Electronic Systems, pp. 2531-2534, Th1A.005 モードマッチ制御 モードマッチ制御 47 ドライブ センス 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。 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。 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） Scale Factor（感度）の補正 モードマッチ制御 cos ドライブ 【センス軸】 モードマッチ制御 センス 角速度入力 ﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸによってゼロ SF補正用バーチャル角速度入 力（正弦波，角速度入力Ωzのバ ンド幅外，10 Hz？） 実数倍 Ωr-mod 積分してa0倍 Θr-mod 想定値a0Θ。 Ωr-modcosωtは バーチャルなコリオリ力 ノッチフィルタでΩr-modをカット Ωr-modはフォースリバランスされない 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 48 静電力 （∝角速度出力） フォースリバランスされているので，Ωr-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。 実際のcyは様々な誤差を含んでいる。これ を，バーチャル入力Ωr-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。 Shkel教授（UC Irvine）の高性能MEMSジャイロ Northrop Grumman, University of California, Irvine (Shkel), NON-AXISYMMETRIC CORIOLIS VIBRATORY GYROSCOPE WITH WHOLE ANGLE, FORCE REBALANCE, AND SELF-CALIBRATION, Hilton Head Island Workshop 2014 Force rebalance mode とWhole angle modeを Force rebalance modeのアラン分散 切り替えられる。 ・ FR-modeでは，周波数ミスマッチの影響は小さい。 ・ Whole angle modeでのスケールファクタの安定性：3 ppm 49 フーコー振子 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。 地球上で振り子のおもりには重 力しか働いていないのに振動面 が回転。 フーコー振子は，まさに whole angle modeジャイロ （積分ジャイロ） 50 フーコー振子をデバイスの上に作るには？ k2 c2 z 下記の要件を満たす共振子を用意する。 ・ 2軸対称 ・ 直交（独立） ・ モードマッチング ・ 高いQ値 k1 m y 角速度入力Ωzがなければ，どんな振動が起こるか？ 角速度入力Ωzがある場合は？ →コリオリ力を介してx軸とy軸とがカップリングする。 →モードが生じる。 c1 x CWモードとCCWモード の周波数の差を検出す れば，それがすなわち入 力加速度Ωz（の2倍） →FMジャイロ （周波数出力ジャイロ） y y λ1t λ 2t x x Ω 51 CWモード（ Ω ） CCWモード（ Ω ） 2 温特のあるωは キャンセル Whole Angle Mode y y λ1t CWモード（ λ 2t x Ω ） CCWモード（ この2つのモードを足し合わせると，どうなるか？ （ただし，Ωzはωよりかなり小さいとする。） x Ω ） 理想的なフーコー 振子なら，κ = 1 直線振動になる。 ただし，2つのモードの周波数は少し違うので，振動方向が回転する。 →フーコー振子相当 （振動方向の回転角はΩztの定数倍（スケールファクタ）：構造による。） この原理を用いたジャイロをwhole angle modeジャイロと呼ぶ。 52 固有モードの重畳 各軸の振動をtime domainで示すと Ω ， Ω の振動が合わさっ て，「うなり」が起 こっている。周波 数Ω のうなり成分 は，x，y軸で90° 位相がずれている。 Zotov et al., High-Range Angular Rate Sensor Based on Mechanical Frequency Modulation, J. MEMS, 22, 2 (2012) Ω FMジャイロ，およびWhole Angle Modeジャイロの特徴 ・スケールファクタ（感度）が正確で安定 一方で，x，y軸のあらゆる ・原理的に温特がよい。 非対称性がドリフトになる。 ・ダイナミックレンジに制限がない。 53 いままで説明してきたことからわかるように， FMジャイロと全く同じ物理によって，また，全く 同じデバイスを用いて，Whole Angle Mode ジャイロを実現できる。 直交対称振動系のマスを直線的に自由振動 させれば，角速度入力Ω に応じて，具体的に 54 は Ω で直線振動の方向が回転する。 Force rebalance mode I.P. Prikhodko et al., Sensors and Actuators A, 177 (2012) 67–78 Whole angle mode Whole Angle Mode Epi-Sealされたトロイダルリング・ジャイロ [MEMS 2014] 100K Q-FACTOR TOROIDAL RING GYROSCOPE IMPLEMENTED IN WAFERLEVEL EPITAXIAL SILICON ENCAPSULATION PROCESS D. Senkal1, S. Askari1, M.J. Ahamed1, E.J. Ng2, V. Hong2, Y. Yang2, C.H. Ahn2, T.W. Kenny2, A.M. Shkel1, 1University of California, Irvine, 2Stanford University D = 1760 μm, h = 40 μm, Wring = 5 μm, 8.5 μm (innermost), 44 rings f = 70 kHz, Δf = 8.5 Hz (Min), 21 Hz (Ave), <0.1 Hz (with electrostatic tuning) Q > 100,000 55 Epi-Sealされたトロイダルリング・ジャイロ [MEMS 2014] 100K Q-FACTOR TOROIDAL RING GYROSCOPE IMPLEMENTED IN WAFERLEVEL EPITAXIAL SILICON ENCAPSULATION PROCESS D. Senkal1, S. Askari1, M.J. Ahamed1, E.J. Ng2, V. Hong2, Y. Yang2, C.H. Ahn2, T.W. Kenny2, A.M. Shkel1, 1University of California, Irvine, 2Stanford University Whole-angle mode 容量の非対称性によって，Amplitude Gain Controller（AGC）の出力 vs. モードの方向角が非対称 56 Force-rebalance mode ARW = 0.047 º/√h Bias stability = 0.65 º/h パラメトリック共振Whole Angleモードジャイロ [MEMS2015] PARAMETRIC DRIVE OF A TOROIDAL MEMS RATE INTEGRATING GYROSCOPE DEMONSTRATING < 20 PPM SCALE FACTOR STABILITY, D. Senkal1, E.J. Ng2, V. Hong2, Y. Yang2, C.H. Ahn2, T.W. Kenny2, and A.M. Shkel1, 1University of California, Irvine, 2Stanford University 中央の電極に2fの信号を入れて， パラメトリック発振 （振動に同期して2fでばね定数を 57 変化させる。） Dual Foucault Pendulum Gyroscope [Transducers 2015] DUAL FOUCAULT PENDULUM GYROSCOPE, D. Senkal, A. Efimovskaya, and A.M. Shkel, University of California, Irvine, pp. 1219-1222 内マスと外枠が弱いばねでカップリング 重心が移動しない（動的にバラン スが取れている）。 → 外部から振動に感じにくい。 アンカーロスが小さい（高いQ）。 x-y対称・デカップル，モードマッチ → Force rebalance mode， Whole angle mode 58 Dual Foucault Pendulum Gyroscope [Transducers 2015] DUAL FOUCAULT PENDULUM GYROSCOPE, D. Senkal, A. Efimovskaya, and A.M. Shkel, University of California, Irvine, pp. 1219-1222 共振周波数3.2 kHz リングダウン時間 30 s Q値 301000（10 μTorr以下） 生の周波数ミスマッチ 18 Hz（大 学の研究室で作製，電気的に 0.1 Hz未満に補正） オープンループ ARW 0.003 º/√h バイアス不安定性 0.27 º/h スケールファクタ 26.4 mV/(º/s) 59 クローズドループ ARW 0.06 º/√h バイアス不安定性 1.5 º/h スケールファクタ 4.66 mV/(º/s) フィードバックループのADCのノ イズが問題 Silicon Sensing Systems 高性能リング・ジャイロ Transducers 2015でもブース展示 資料：Silicon Sensing Systems提供 磁石 製造（主に住友精密 工業）と設計（主に UTC Aerospace Systems）の総合力 によって実現された 0.1 º/h 高性能 大学ではとても得ら れない製造精度 60 （日本の力！） SHG03： モードマッチ，force rebalanceジャイロ 自動運転向けMEMSジャイロ用高精度DRIE装置 [Transducers 2015] A SIMPLIFIED TEST VEHICLE FOR UNDERSTANDING AND IMPROVING TILT AND ITS IMPACT ON THE PERFORMANCE OF INERTIAL SENSORS, M. Varvara, R. Barnett, F. Avril and P. Bennett, SPTS Technologies, pp. 1172-1175 DRIE時の側壁の傾きは， ウェハ上のプラズマシースの 厚さの分布による。 プラズマシースの厚さは，プ ラズマ密度のおおよそ逆数。 ウェハ上のポリマーのエッチ レートの分布から，プラズマ 密度の分布がだいたいわか る。 →ポリマーのエッチレートが ウェハ上で均一になるように， レシピを調整すればよい。 61 自動運転向けMEMSジャイロ用高精度DRIE装置 [Transducers 2015] A SIMPLIFIED TEST VEHICLE FOR UNDERSTANDING AND IMPROVING TILT AND ITS IMPACT ON THE PERFORMANCE OF INERTIAL SENSORS, M. Varvara, R. Barnett, F. Avril and P. Bennett, SPTS Technologies, pp. 1172-1175 自動運転向け高性能ジャイロ を製造するには，側壁角度を 0.2º未満（※1）にしたい。 プライマリとセカンダリの2つの ICP ソ ー ス を 備 え る SPTS Rapier（※2）でレシピを最適化 ※1 断面SEMでは測定できない ので，ジャイロの電気的評価から モデルによって算出 ※2 Aviza Technology系列の DRIE装置（2009年に住友精密工 業が買収） 日本にはSPP Predeusがある！ 62 DSi single ICP source Rapier dual ICP source （300 mmウェハ対応） 自動運転向けMEMSジャイロ用高精度DRIE装置 [Transducers 2015] A SIMPLIFIED TEST VEHICLE FOR UNDERSTANDING AND IMPROVING TILT AND ITS IMPACT ON THE PERFORMANCE OF INERTIAL SENSORS, M. Varvara, R. Barnett, F. Avril and P. Bennett, SPTS Technologies, pp. 1172-1175 ±22%のポリマー・エッチレート の分布→0.6ºの側壁傾き ± 1.3%のポリマー・エッチレート の分布→0.1～0.2º程度？ 63 まとめ • MEMS，マイクロデバイス，センサーはこれから益々需要に。市 場は成長。 • 成長のドライバは，IoT，自動運転，およびロボット。人工知能技 術の発展が後押し。 • パッケージングと集積化は，付加価値創出と低コスト化（＝小形 化）のドライビングフォース。つまり，競争力の源泉。ウェハレベ ル・パッケージング／集積化は次の世代へ。 • 高性能化は，特に自動運転，ロボット向けセンサーで重要。既存 技術の延長ではない新しい技術が必要。また，材料，制御，およ び高精度加工も重要。 64 Please visit S. Tanaka Laboratory website at http://www.mems.mech.tohoku.ac.jp/index_e.html mems tohoku 日経テクノロジーオンライン掲載の記事一覧 MEMSの技術・産業 トレンドを解説
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