日立がMEMS加速度センサーを開発、地盤や構造物の微小振動を高感度・低消費電力で検出

株式会社日立製作所は、MEMS技術と回路技術を融合することで、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本日発表した。

同センサーは、資源探査などに用いられている加速度センサーと同等の高感度(ノイズレベル30ng/√Hz)を、従来の半分以下の消費電力(20mW)で実現するものだ。

今後日立は、開発したセンサーを次世代の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ことが求められるアプリケーションに適用するとしている。

背景

近年、新たなビジネス価値を創出するためにOT(Operational technology)とIT(Information technology)の融合が進んでおり、そのキーとなるセンサーには高い性能が求められている。

例えば、石油や天然ガスの探査では地表で人工的に地震を起こし、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に比べて1000倍以上の感度が必要となる。

さらに、次世代の資源探査では100万台規模で地表にセンサーを設置したり、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センサーのメンテナンス性を高めるために電池駆動年数を延ばす必要があるため、消費電力の大幅な削減が求められている。

しかし、従来のMEMS加速度センサーでは、回路のノイズを低減するために消費電力を2乗に比例して増やす必要があり、高感度化と消費電力の低減を両立することは困難だった。

そこで日立は、MEMS技術と回路技術を高度に融合することで、高感度かつ低消費電力なMEMS加速度センサーを開発した。

MEMS加速度センサーの特長

1. 複数の貫通孔を設けた独自の錘(おもり)構造により低ノイズ化を実現するMEMS技術

MEMS加速度センサーは、弱いばねで保持された可動する錘と、錘の動きを検出して制御する回路で構成されている。振動(加速度)が加わることで生じた錘の動きの変化を電荷として検出し、錘を静止状態になるように制御する。

このとき、錘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、流体解析を行い、SOI(SOI:Silicon On Insulator、薄い絶縁膜を挟んで2枚のシリコンウェハを貼り合わせた基板)で構成された錘全面に入口と出口で径の異なる貫通孔を形成して、空気を逃がすことで空気抵抗を約半分に低減した。

日立がMEMS加速度センサーを開発、地盤や構造物の微小振動を高感度・低消費電力で検出
図:開発したMEMS素子の構造

2. 錘の動きの制御と検出を並行動作させる独自方式により低電力化を実現する回路技術

従来のMEMS加速度センサーでは、同じ電極を用いて錘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が用いられている。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。

同センサーでは、制御用と検出用の電極を独立して配置することで、常に制御と検出を行うことが可能となり、制御時の出力電圧を約60%に低減した。
 
開発した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)を従来の半分以下の消費電力である20mWで実現できることを確認した(環境ノイズが小さい東京大学地震研究所鋸山地殻変動観測所で実施)。

【関連リンク】
日立(HITACHI)
東京大学地震研究所

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