MiNIDL
Micro/Nano Integrated Device Lab.
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
Ritsumeikan University
MiNIDL
Micro/Nano Integrated Device Lab.
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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Micro/Nano Integrated Device Lab.
3
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Micro/Nano Integrated Device Lab.
ナノマシンシステム技術研究センター
Research Institute for Nanomachine System Technology (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
実験ゾーン 1350 m2 (クリーンルーム:325 m2)
マイクロプロセス実験室
4
シンクロトロン放射光
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ナノマシン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
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)
マイクロシステム技術
マイクロシステム技術
研究会（コンソーシアム）
研究会（コンソーシアム）
約60社
約60社
産官学共同プロジェクト
産官学共同プロジェクト
委託研究
委託研究
共同研究
共同研究
ナノマシンシステム
技術研究センター
学術研究高度化推進事業
学術研究高度化推進事業
オープンリサーチセンター
オープンリサーチセンター
文部科学省
文部科学省
経済産業省
経済産業省
総務省
総務省
国土交通省
国土交通省
（競争的資金）
（競争的資金）
5
滋賀県工業技術総合
滋賀県工業技術総合
センター
センター
京都府中小企業技術
京都府中小企業技術
センター
センター
マイクロ・ナノ融合加工
マイクロ・ナノ融合加工
研究会
研究会
京都市産業技術研究
京都市産業技術研究
センター
センター
学―学連携
学―学連携
早稲田大学
早稲田大学
ナノ理工学研究機構
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
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マイクロ機械システム工学科
網羅する技術分野
基盤技術
デバイス技術
システム化技術
光MEMS
マイクロプロセス
パワーMEMS
マイクロ材料
MEMSデザイン・
シミュレーション
集積化技術
バイオMEMS
マイクロセンサ
マイクロ実装
マイクロアクチュエータ
6
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MEMSプロセス技術
Bulk
Surface
SMILE
Micromachining
Micromachining
SR Micro Lithography & Etching
Anisotropic etching
Deep-RIE
Wafer bonding...
Sacrificial layer etching
Thin film deposition
Dry etching
High Aspect Ratio Process
LIGA process
ＭＥＭＳ研究開発、試作、個別加工
7
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MEMS関連市場規模
(財）マイクロマシンセンター
(2007)
8
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産業界との連携
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教育研究連携プログラム（Education and R&D）の推進
企業
立命館大学
交流
研究指導者陣
ニーズ、資金、開発環境
大学教授陣
共同研究プロジェクト
社会人入学
若手研究者
研究実践指導
シーズ、知財、研究環境
社会人Drコース
連携大学院
大学院生Dr・M
施設の利用
共同研究室
連携ラボ
研究成果
新産業創出
人材育成
9
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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
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ガスレートジャイロスコープの動作原理
Gas gyroscope
角速度
温度変化
抵抗変化
ω → ⊿T → ⊿R
ノズル
ホットワイヤー
コリオリ力
r r
r
maω = 2mω × V
ガス流の偏向
ガス流
2
L
δ ≅ω×
V
δ
δ
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流体式３軸ジャイロセンサの構成
PZTダイヤフラム
Inserted PZT diaphragm
Hotwires
ホットワイヤー
Top cap
上側キャップ
Silicon frame
Bottom cap
下側キャップ
13
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
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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 Rz
hotwire Rx
hotwire Ry
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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
hotwire R y
C
nozzle
ノズル
X
(a)
ノズル
nozzle
C-C
C-C
flow center
流れの中心
Y
Z
X
Ωz
(b)
Ωx
15
Y
(c)
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感度・分解能
0.4
Z axis
Output voltage (mV)
X and Y axes
0.2
0.0
-100
感度
‰SFx = 3.10μV/o /s
‰SFy = 3.10μV/o/s
‰SFz = 0.83μV/o /s
-50
0
50
100
-0.2
-0.4
Applied angular rate (deg/sec)
ホットワイヤーの抵抗温度係数α = 2500 ppm/oC
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
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対流式２軸加速度センサ
立命館大学 杉山 進
ダオ ベト ズン
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対流式加速度センサの動作原理
チャンバーの幅 (W)
チャンバーの高さ (H)
チャンバー
温度プロファイル
加速度
V output
=
熱せられた空気
αΔT
4
V input
ΔT
B
A
Heater
Thermistor
Hot
Cool
Thermistor
x
熱絶縁キャビティーの幅 (d)
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対流式２軸加速度センサの構成
特徴
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）
cap
thermistors
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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
熱応力を93% 低減
感度および分解能の向上
SiO2
Si
Al
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対流式２軸加速度センサの特性
•
•
•
チャンバーサイズ : 5000x5000x2000µm3
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
15
Output voltage (mV)
Output voltage (mV)
50
5
-5
30
10
-5
-1 -10
-3
1
3
5
-30
-50
-15
-180
-120
-60
0
60
Rotation angle (o)
120
180
-70
Applied accelerometer (g)
加速度に対する出力特性
Vbridge=1V, Vheater=4.5V (or 12.5mW)
傾斜特性 – 回転角に対する出力特性
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
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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
出願番号
出願人
発明者
：
：
：
：
角速度センサ
特願2007-136372
学校法人立命館
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
出願番号
出願人
発明者
：
：
：
：
熱感知型加速度センサ
特願2006-116634
学校法人立命館
杉山 進
ダオ ベト ズン
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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：[email protected]
24
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前期 - 群馬大学工学部