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ナノテク情報

デバイス・応用

加速度センサーの高感度化・低ノイズ化に成功 ~従来比で感度100倍以上,ノイズ10分の1以下~

 東京工業大学(東工大)とNTTアドバンステクノロジー株式会社(NTT AT)は2019年7月23日,同大学の益一哉学長(科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業CREST研究課題「ナノ慣性計測デバイス・システム技術とその応用展開」代表者)らとNTT ATの研究グループが,複数の金属層で形成される積層メタル構造を用い,超低雑音・超高感度特性を有するMEMS(Microelectromechanical Systems)加速度センサーの開発に成功し,従来のMEMS技術では困難だった1マイクロ(μ)Gレベル(G=9.8m/s2,重力加速度)の高分解能の検知を実現したことを発表した.研究成果は国際学術論文誌Sensors and Materialsに掲載された(注).

 加速度センサーはスマートフォンなどの民生機器,ロボットなど産業機器,を初め社会インフラ全般のモニタリング用途として広い活用が期待されている.これらの小型・量産可能な加速度センサーでは,すでに製造プロセスが確立しているシリコン(Si)MEMS技術を用い,加速による錘(可動電極)の移動をキャパシタの容量変化で検出する.ここで,センサーの感度は錘の重さに比例するので小型化と高感度化の両立は難しく,また,センサーの機械構造に由来する熱機械雑音(thermomechanical noise: Brownian noise)は錘の質量に反比例するため小型化と低雑音化も両立しない.そのため,従来の小型シリコンMEMS加速度センサーでは1μGレベルの高感度検出が困難であった.

 東工大とNTT ATの研究グループはこれまで,金(Au)材料を用いてMEMS加速度センサーの錘を10分の1以下に小型化する手法を提案している(Applied Physics Letters, Vol. 104, p. 074102 (2014) ).AuはSiに比べて比重が約8.3倍であり,その分,板状の錘の面積を小さくしても所定の感度と雑音を維持することが可能となった.今回は更に,パターン化した金属層を積み重ね立体構造とすることで,微細構造のままで,錘の重量を更に増し,また,ばね設計の自由度が増し超低雑音・超高感度特性を有するMEMS加速度センサーを開発した.

 製法は,Siの表面を酸化した基板上にTi/Auを蒸着し,パターン化して種領域を作った後Auの電解メッキで1層目の金属層(M1)を作り,金属パターンのない領域は犠牲層となる感光性ポリイミドをスピンコートで埋めた.同様の手法で金属層M2~M6を積層した後,犠牲層をエッチングで取り除いた.ここで固定電極にはM1を使用し,ばねの固定部はM1,M2,M3で形成し,これに接続するばねはM3(3μm厚),M4(10μm厚)で,更にこれに接続する錘は,M4,M5(10μm厚)で形成した.また,錘が上に行き過ぎるのを防ぐストッパーをM6で形成した.錘は4mm角チップで,その反りを低減することで基板上の固定電極との静電容量変化の感度を高めている.

 実験結果,容量変化の感度3.3pF/Gが得られ,加速度センサー感度に換算してμGレベルが可能であることが示された.また,熱機械雑音については,22nG/Hz1/2が得られている.これは,従来の同サイズセンサーと比較して,感度の100倍以上の向上,雑音の10分の1以下の低減に成功したことになる.

 超小型・高分解能の加速度センサーは,IoT時代における鍵技術であるセンサーの基本の一つとして,重要な役割を果たすことが期待される.

(注)Daisuke Yamane, Toshifumi Konishi, Teruaki Safu, Hiroshi Toshiyoshi, Masato Sone, Katsuyuki Machida, Hiroyuki Ito, and Kazuya Masu, "A MEMS Accelerometer for Sub-mG Sensing", Sensors and Materials, Vol. 31, Proof available on July 23, 2019.