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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

13

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



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。



16

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



18

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）



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

21

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。



26

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。



27

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

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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


Scale Factor（感度）の補正

48

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



Shkel教授（UC Irvine）の高性能MEMSジャイロ

49

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

50

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？

51

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

52

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

53

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

54

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

55

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

56

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

57

[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

58

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

59

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

60

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

61

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。



62

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）



63

±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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