MEMS 技術を用いた 流体式 3 軸ジャイロセンサ 立命館大学立命館グローバル イノベーション研究機構教授杉山進 1
立命館大学 ナノマシンシステム技術研究センター における MEMS 研究の取り組み MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) のコンセプトナノマシンシステム技術研究センター Research Institute for Nanomachine System Technology (RINST) ナノマシンシステム技術研究センターの位置付け マイクロ機械システム工学科 MEMS プロセス技術 MEMS 関連市場規模 産業界との連携 2
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ナノマシンシステム技術研究センター Research Institute for Nanomachine System Technology (RINST( RINST) 集積化技術 マイクロ ナノ製造技術 設計 シミュレーション技術 マイクロ 1 ナノ材料評価技術 CAD ルームフォトルーム電子ビーム露光装置マイクロプロセス実験室シンクロトロン放射光実験ゾーン 1350 m 2 ( クリーンルーム :325 m 2 ) 4
ナノマシンシステム技術研究センターのシステム技術研究センターの位置付け 近畿経済産業局産業界工業会 マイクロシステム技術研究会 ( コンソーシアム ) 約 60 60 社 産官学共同プロジェクト 委託研究 共同研究 21 世紀 COE マイクロ ナノサイエンス集積化システム研究拠点 (2002-2006) ナノマシンシステムシステム技術研究センター 学術研究高度化推進事業オープンリサーチセンター 文部科学省経済産業省総務省国土交通省 ( 競争的資金 ) 滋賀県工業技術総合センター 京都府中小企業技術センターマイクロ ナノ融合加工研究会 京都市産業技術研究センター 学 学連携早稲田大学ナノ理工学研究機構 総合理工学研究機構理工学研究科理工学部 5
基盤技術 マイクロ機械システム工学科 網羅する技術技術分野 デバイス技術システム化技術 マイクロプロセス 光 MEMS パワー MEMS 集積化技術 マイクロ材料 バイオ MEMS MEMS デザイン シミュレーション マイクロセンサ マイクロアクチュエータ マイクロ実装 6
MEMS プロセス技術 Bulk Micromachining Anisotropic etching Deep-RIE Wafer bonding... Surface Micromachining Sacrificial layer etching Thin film deposition Dry etching SMILE SR Micro Lithography & Etching High Aspect Ratio Process LIGA process MEMS 研究開発 試作 個別加工 7
MEMS 関連市場規模 ( 財 ) マイクロマシンセンター (2007) 8
産業界との連携 教育研究連携プログラム (Education and R&D) の推進 企業 研究指導者陣 交流 立命館大学 大学教授陣 ニーズ 資金 開発環境 共同研究プロジェクト シーズ 知財 研究環境 若手研究者 研究実践指導 共同研究室 社会人入学 連携大学院 施設の利用 社会人 Dr コース 大学院生 Dr M 連携ラボ 新産業創出 研究成果 人材育成 9
MEMS 技術を用いた 流体式 3 軸ジャイロセンサ 立命館大学 杉山進ダオベトズンダウバンタン 10
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ガスレートジャイロスコープの動作原理 Gas gyroscope ノズル ホットワイヤー 角速度温度変化抵抗変化 ω T R コリオリ力 r r r ma = mω V ω 2 ガス流 δ ガス流の偏向 δ ω L 2 V 12
流体式 3 軸ジャイロセンサの構成 上側キャップ Top cap Silicon frame 下側キャップ Bottom cap PZTダイヤフラム Inserted PZT diaphragm Hotwires ホットワイヤー 新規性 特長非振動型 ( 錘や梁を振動させない ) 完全 3 軸検出型ホットワイヤーが一平面に形成でき MEMS プロセスに適合構造および素子の形状 配置がフォトリソグラフィによって高精度決定 Si 以外の基板材料が可能 13
3 軸ジャイロスコープの動作原理 PZTダイヤフラム スペーサー オフセット gas flow hotwire R z hotwire R x hotwire R y 14
3 軸ジャイロスコープの動作原理 Z Y gas flow C hotwire R z hotwire R x ノズル nozzle C (a) X 流れの中心 flow center C-C hotwire R y ノズル nozzle Y X Ω z (b) Ω x Z Y (c) 15
感度 分解能 0.4 Output voltage (mv) Z axis X and Y axes 0.2 0.0-100 -50 0 50 100-0.2 感度 SF x = 3.10μV/ o /s SF y = 3.10μV/ o /s SF z = 0.83μV/ o /s -0.4 Applied angular rate (deg/sec) ホットワイヤーの抵抗温度係数 α = 2500 ppm/ o C ホットワイヤー投入電力 P = 3.4mW/hotwire 抵抗値 = 6Ω 角速度分解能 = 0.05deg/sec 16
対流式 2 軸加速度加速度センサ 立命館大学 杉山進ダオベトズン 17
対流式加速度センサセンサの動作原理 チャンバーの幅 (W) チャンバー チャンバーの高さ (H) A 温度プロファイル 熱せられた空気 V = α Δ 4 T output V input ΔT B 加速度 Thermistor Cool x Heater Thermistor Hot 熱絶縁キャビティーの幅 (d) 18
特徴 対流式 2 軸加速度センサセンサの構成 2 軸加速度検出が可能 振動する錘を用いないので耐衝撃性に優れている 線形高抵抗温度係数が望ましい (Si: 低不純物濃度層 ) thermistors cap 19
サーミスタ構造の改善 従来の両端持ちビーム形と T 形ビーム構造の比較 動作温度における熱応力 両端持ちビーム : 24MPa T 形ビーム : 2.2Mpa 感度および分解能の向上 熱応力を 93% 低減 SiO 2 Si Al 20
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15 対流式 2 軸加速度センサセンサの特性 チャンバーサイズ : 5000x5000x2000µm 3 キャビティー直径 : 1200µm, キャビティー深さ : 400µm ヒーター温度 : 200 70 Output voltage (mv) 5-5 -15-180 -120-60 0 60 120 180 Rotation angle (o) 傾斜特性 回転角に対する出力特性 V bridge =1V, V heater =4.5V (or 12.5mW) Output voltage (mv) 50 30 10-5 -3-1 -10 1 3 5-30 -50-70 Applied accelerometer (g) 加速度に対する出力特性 Vbridge=1V, Vheater=4.5V (or 12.5mW) 感度 : 10mV/g, 非直線性 : 0.23%, 分解能 : 0.2mg at 1Hz 周波数応答 : 250Hz at -3dB 22
本技術に関する知的財産権 (1) 流体式 3 軸ジャイロセンサ 発明の名称 : 角速度センサ 出願番号 : 特願 2007-136372 出願人 : 学校法人立命館 発明者 : 杉山 進 ダオ ベト ズン ダウ バン タン (2) 対流式 2 軸加速度センサ 発明の名称 : 熱感知型加速度センサ 出願番号 : 特願 2006-116634 出願人 : 学校法人立命館 発明者 : 杉山 進 ダオ ベト ズン 23
お問い合わせ先 立命館大学理工リサーチオフィス近藤光行 TEL:077-561-2802(ext.6550) FAX:077-561-2811 E-mail:mka22017@se.ritsumei.ac.jp 24