日立、微小な振動を高感度・低消費電力で検出できるMEMS加速度センサーを開発

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試作したMEMS加速度センサーを構成する、制御IC、検出IC、MEMS素子(左)と、MEMS素子の重り(右)

日立製作所(日立)は2018年1月22日、MEMS(微小電気機械システム)技術と回路技術を融合して、地盤や構造物からの微小振動を高感度かつ低消費電力で検出できるMEMS加速度センサーを開発したと発表した。資源探査やインフラモニタリングなど、高感度かつ低消費電力で振動を計測する用途に利用できる。

石油や天然ガスの探査では、人工的に地震を起こして地中からの微小な反射波を検出するが、これには自動車などに搭載されている加速度センサーの1000倍以上の感度が必要となる。また橋梁や建造物などの異常を監視するインフラモニタリングでは電池駆動年数を延ばす必要があるなど、消費電力の大幅な削減も求められている。しかし従来のMEMS加速度センサーでは、回路のノイズ低減のために消費電力を2乗に比例して増やす必要があり、高感度化と消費電力低減の両立は困難だった。

今回日立では、MEMS技術と回路技術を高度に融合することで、高感度で低消費電力のMEMS加速度センサーを開発した。この技術の特徴の1つは、複数の貫通孔を設けた重り構造によりノイズを低減するMEMS技術。MEMS加速度センサーは、ばねで保持された可動する重りと、その動きを検出して制御する回路で構成され、振動(加速度)で生じた重りの動きの変化を電荷として検出して制御する。このとき、重りが動く際に表面に当たる空気がノイズとなり、高感度化の妨げとなっていた。そこで、流体解析を行ってSOI基板(薄い絶縁膜を挟んで2枚のシリコンウェハーを貼り合わせた基板)で構成された重り全面に入口と出口で径の異なる貫通孔をつくり、空気を逃して空気抵抗を約半分に低減した。

開発したMEMS素子の構造

もう1つの特徴は、重りの動きの制御と検出を並行動作させる独自の方式。従来のMEMS加速度センサーでは、同じ電極で重りの動きの制御と検出を行い、それらを交互に切替える方式を用いている。この方式では、制御できない時間帯を補うために、制御に必要な力を発生させる際には高電圧が必要となり、消費電力が高くなっていた。今回のセンサーでは、制御用と検出用の電極を独立して配置することで、常に制御と検出が可能となり、制御時の出力電圧を約60%に低減している。

このセンサーを評価した結果、資源探査に適用可能な高感度(ノイズレベル30ng/√Hz以下)を、従来の半分以下となる20mWの消費電力で実現できることを確認したという。これにより、大規模かつ低消費電力が必要となる地盤や構造物の微小振動の検出などにMEMS加速度センサーを適用することが可能となる。

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