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人材育成のためのMEMS集中コース in 豊橋
近のMEMS
1
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
mems tohoku
MEMS業界の概況
2
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
MEMS業界の概況
3
技術のトレンド
より安く大量のセンサIoT 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
技術が急速に高度化!
「安さは技術の高さ」
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
Vibration Gyroscope (STMicroelectronics)
Vibration gyroscope made of 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
Low stress, 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 silicon Wire bonding
AnchoredMovable
22 μm
Epi-poly SiとEpi-Seal技術
Epi-Poly技術(Bosch,Transducers ’95) SOI構造の封止技術(T. Kenny,Stanford大学)5
Si Clock Oscillator (SiTime)
1) Si RIE (0.18 µm rule)
2) Deposition of Sacrificial SiO2 and Si
3) HF vapor etching from release holes
5) Sealing by Epi-poly Si
5) Metalization
櫻井, 金属, 77 (2007) 37
300
µmSealing in an epitaxialfurnace (clean & hightemperature)
Combo Sensors (2013)
7 Photographs: Romain Fraux (System Plus Consulting)
STMicroelectronicsLSM9DS0 (4×4 mm2)5 dies- Accelerometer- Gyroscope- Magnetometer- 2 ASIC
BoschBMX055 (3×4.5 mm2)5 dies- Accelerometer- Gyroscope- Magnetometer- 2 ASIC
InvenSenseMPU-9250 (3×3 mm2)2 dies- Integrated 6-axis
inertia sensor- Magnetometer
Combo sensor:3-axis accelerometer3-axis gyroscope3-axis magnetometer (e-compass)
System in Package(SIP)
Integrated 2-Axis Gyroscope (InvenSense)Steven Nasiri and Martin Lim, InvenSense, Inc.
Ge (700 nm)
Al (500 nm)
Direct bonding
30 μm
Al-Ge eutectic bonding450 ºC, 300 N/wafer,4 % H2 in N2
x y
CMOS
8
~70 μm
Decrease in Package Size
9 Yole Development 2013, 2014
Boschの 新3軸加速度センサ(2014)1.8 mm2, 0.8 mm tASICにAR10のCu TSV
近発表が相次ぐEpi-Sealしたセンサ
10
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
加速度センサ 【Transducers 2013】 X-Y AND Z-AXIS 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-MATCHINGC.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, 092-Thでも発表)
窒化膜によるアイソレーション
共振式
温度・歪補償用共振子も
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 RESOLUTIONMo 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
12
• 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 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
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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)
共振型x-y軸加速度センサ 共振型z軸加速度センサ
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
[Transducers 2015] A UNIFIED EPI-SEAL PROCESS FOR RESONATORS AND INERTIAL SENSORSYushi Yang, … Thomas W. Kenny, Stanford University, pp. 1326-1329
14
(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
[Transducers 2015] A UNIFIED EPI-SEAL PROCESS FOR RESONATORS AND INERTIAL SENSORSYushi Yang, … Thomas W. Kenny, Stanford University, pp. 1326-1329
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• 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 SENSORSYushi Yang, … Thomas W. Kenny, Stanford University, pp. 1326-1329
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0.7 μm幅から50 μm幅のトレンチが形成可能→
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)
InvenSenseのAlN圧電MEMS MPWサービス
[Transducers 2015] VERSATILE CMOS-MEMS INTEGRATED PIEZOELECTRIC PLATFORMJ.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
17
←標準的なInvenSenseの集積化プロセス”NasiriProcess” 圧電AlN-MEMS用集積化プロセス
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
InvenSenseのAlN圧電MEMS MPWサービス
[Transducers 2015] VERSATILE CMOS-MEMS INTEGRATED PIEZOELECTRIC PLATFORMJ.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
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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)
↑ 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 PLATFORMJ.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
19圧電駆動可変キャパシタ
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
20
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
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
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
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本試作では,高電圧アンプ(12 V)とADCはオフチップ
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
従来
今回
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
22
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(100μARMS)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
[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
23
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 μARMS
(参考)地磁気:24000-66000 nT(東京付近 約45000 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
241.35 mm × 1.35 mm20 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
25
Sensor
Reference
Sensor Reference
• 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。
• 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。
• 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。
電流比Lが一定であればよい。
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
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Sensor
Reference
Sensor Reference
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,
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,
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。
電流比Lが一定であればよい。
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
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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)
ΔTs/ΔTrで測定
ΔPs/ΔPrで測定
Δθs/Δθrで測定
気温と圧力で補償
Evolution of Wafer Bonding Method
28
70 μm 70 μm
InvenSense, AlGe eutectic bonding STMicroelectronics, Au-Au bondingL3G4IS Reverse Costing Report
STMicroelectronics, Flit glass bondingL3GD20H Reverse Costing Report
300 μm
Wafer-Level Packaging of FBAR (Avago)R. C. Ruby (Avago), 2002 IEEE ISSCC, p. 184 • Sealing with a Si capping wafer
by Au-Au bonding
29
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
31
MEMS gyroscope
ASIC
Steven Nasiri and Martin Lim,InvenSense, Inc.
VacuumAlGe eutectic boding
Market share ~20 %for 3-axis gyros in mobiles (2013)
Difference in die size MEMS(FBAR)
ASIC
Vacuumor N2
Metal seal
Interconnect
Selective and Multiple Die Transfer
32
Glass support waferMEMS
ASIC
(1) Wafer bonding
(2) Laser irradiation THG Nd:YVO4 laser (λ = 355 nm, ~ 1 W)
Polymer
(3) Selective die transfer Reusable Reusable
180⁰C
FBAR and Sustaining Amplifier IC
33S. Taniguchi et al. (Taiyo Yuden),IEEE Ultrasonics Symposium 2007
VDD
FBAR(2 GHz)
Bias circuit
Outputbuffer
VSS
Sustaining Amplifier IC
FBAR
1 mm
2 mmAu seal ring (fly-cut)
Interconnectbump (fly-cut)
Designed and fabricated byAsahi Kasei Microelectronics
Selective and Multiple Die Transfer
34
Multi-project LSI wafer (Shot size 20×20 mm2)Our ASIC (2×2 mm2×4 dies)Asahi Kasei ElectronicsFBAR (1×1 mm2)Taiyo YudenFBAR (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
Phas
e no
ise
(dBc
/Hz)
Carrier 1.9624 GHz
100 1k 10k 100k 1M 10M Offset (Hz)
FBAR
Sustaining amplifier
Au bump
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 ELECTRICALINTERCONNECTION USING ELECTROPLATED GOLD BUMPS PLANARIZED BY SINGLE-POINT DIAMOND FLY CUTTING, H. Hirano, K. Hikichi and S. Tanaka, Tohoku University, pp. 1283-1286
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。
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。35
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
36
多数バス接続できるロボット用触覚センサ
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
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MEMS業界の概況
38
技術のトレンド
より安く大量のセンサIoT 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
技術が急速に高度化!
「安さは技術の高さ」
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
Future Applications of MEMS Inertia Sensors
39
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)
Piezoelectric MEMS gyro (SSS)
ジャイロの性能
100 10 1.0 0.1 0.01 0.0011000
10 1 0.1 0.01
Extremely highHighMediumLow
Vibrating gyro
Optical gyro
AerospaceMarine
Compass
Dry tuned gyroRotational gyro
Rate sensor
Fiber optic gyro Ring laser gyro
Robotics etc.Automobile
ESG
(deg./h)
(deg./sec)
Inertia navigationsystem
Accuracy
Application
Consumer
元図:東京計器 中村さん40
バイアス安定性
自動運転に要求されるレベル
Angu
lar r
ate,
ωジャイロの性能指標
41
アラン分散:Allan variance (AVAR)
異なる時定数τに渡って角速度の変化を平均
Time
τ
σ2(τ
)
τ-1/2の傾きAngle random walk(Johnson noise)
τ1/2の傾きAngular rate random walk(White noise accumulation)
Bias instability(Flicker noise,1/f noise)
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
MEMSジャイロの高性能化
42
1. Mode match + Force rebalance + Compensation2. FM output3. 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
振動ジャイロの制御法
43
利 点 欠 点
Force-rebalance mode角速度Ωを計測(Closed-loop rate gyro)
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
ノイズが小さい。
バイアス安定性を制御しやすい。
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,open-loop制御よりは大きい)。
Whole-angle mode回転角Θを計測(Rate-integrating gyro)
ケース(基板)に対する振動子の振動方向θが,ジャイロ
の回転角に比例して回転することを利用
スケールファクター(angulargain)が構造のみによって
決まり,正確。また,hemispherical resonatorの場合,スケールファクターが大きい。
バンド幅とフルスケールが大きい(制限なし)。
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
44
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
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。
モードマッチング
45
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 大→ 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。→ これを防ぐ手立て(quadrature null)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/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。
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
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)
46
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
Shkel, Transducers 2011 →
8.6 mm角
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 GYROSCOPEA.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
47
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
モードマッチ制御
Scale Factor(感度)の補正
48
フィードバックによってゼロ
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Ωzのバンド幅外,10 Hz?)
静電力(∝角速度出力)
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
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 HzSF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,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。
Θr-mod
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。
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
Shkel教授(UC Irvine)の高性能MEMSジャイロ
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Northrop Grumman, University of California, Irvine (Shkel), NON-AXISYMMETRICCORIOLIS VIBRATORY GYROSCOPE WITH WHOLE ANGLE, FORCE REBALANCE,AND SELF-CALIBRATION, Hilton Head Island Workshop 2014
Force rebalance modeとWhole angle modeを切り替えられる。
Force rebalance modeのアラン分散
・ 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
フーコー振子
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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)
フーコー振子をデバイスの上に作るには?
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k1
c1
c2k2
mz
x
y
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
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。
λ1t
y
xλ2t
y
x
CWモード( Ω ) CCWモード( Ω )
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)
Ω 2温特のあるωはキャンセル
Whole Angle Mode
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λ1t
y
xλ2t
y
x
CWモード( Ω ) CCWモード( Ω )
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。)
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。
理想的なフーコー振子なら,κ = 1
固有モードの重畳
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Zotov et al., High-Range Angular Rate Sensor Based on Mechanical Frequency Modulation, J. MEMS, 22, 2 (2012)
各軸の振動をtimedomain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。
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・原理的に温特がよい。・ダイナミックレンジに制限がない。
一方で,x,y軸のあらゆる非対称性がドリフトになる。
Whole Angle Mode
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I.P. Prikhodko et al., Sensors and Actuators A, 177(2012) 67–78
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,具体的には Ω で直線振動の方向が回転する。
Who
le a
ngle
mod
eFo
rce
reba
lanc
e m
ode
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 WAFER-LEVEL EPITAXIAL SILICON ENCAPSULATION PROCESSD. 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
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D = 1760 μm, h = 40 μm, Wring = 5 μm, 8.5 μm (innermost), 44 ringsf = 70 kHz, Δf = 8.5 Hz (Min), 21 Hz (Ave), <0.1 Hz (with electrostatic tuning)Q > 100,000
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 WAFER-LEVEL EPITAXIAL SILICON ENCAPSULATION PROCESSD. 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
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Force-rebalance modeARW = 0.047 º/√hBias stability = 0.65 º/h
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
パラメトリック共振Whole Angleモードジャイロ
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[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
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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
内マスと外枠が弱いばねでカップリング
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
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共振周波数3.2 kHzリングダウン時間 30 sQ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)
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
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Transducers 2015でもブース展示資料:Silicon Sensing Systems提供
0.1 º/h
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高性能
大学ではとても得られない製造精度(日本の力!)
磁石
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 TILTAND ITS IMPACT ON THE PERFORMANCE OF INERTIAL SENSORS, M. Varvara, R. Barnett, F. Avril and P. Bennett, SPTS Technologies, pp. 1172-1175
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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。
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 TILTAND ITS IMPACT ON THE PERFORMANCE OF INERTIAL SENSORS, M. Varvara, R. Barnett, F. Avril and P. Bennett, SPTS Technologies, pp. 1172-1175
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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 SPTSRapier(※2)でレシピを 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!
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 TILTAND ITS IMPACT ON THE PERFORMANCE OF INERTIAL SENSORS, M. Varvara, R. Barnett, F. Avril and P. Bennett, SPTS Technologies, pp. 1172-1175
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±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?
まとめ
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• 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。
Please visit S. Tanaka Laboratory websiteat http://www.mems.mech.tohoku.ac.jp/index_e.html
mems tohoku
MEMSの技術・産業トレンドを解説
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