MEMSセンサ：アプリケーションで減速なく、革新を実現

一流市場リサーチ会社によると、微小電気機械（MEMS）システムは、安定した成長を示し続けます。 IHSは、2013年に6.3%の成長率を達成し、業界収益が16億ドルに達すると予測しています。 IHSは、この力強い成長は、石油、ガス、および航空宇宙のような業界セグメントが慣性センサや圧力センサを展開しているためであると考えています。

MEMS業界を観察している別の組織であるフランスのYole Developpement（図1）は、携帯電話の需要は、MEMSデバイスにとって力強い成長を牽引し続ける一方で、慣性センサセグメントの力強さの証拠は、InvenSenseで見つけることができると述べています。InvenSenseは近年、Analog DevicesのMEMSマイクロフォン部門を買収し、Yoleによれば、売上で約30%増を達成します。

朗報なのは、需要が少なくとも2018年まで上昇傾向であり、今日の経済環境において、これは極めて大きな業績であることです。


図1：MEMSチップの市場は、2018年までに220億ドルに達し、アプリケーションは成長と拡大を継続する見込みです（Yole Developpementの提供）。

MEMSは、無数の電子システムの小型化で設計者を支援し、重量と消費電力を低減させることができると認識されて以来、成長を遂げてきました。 もちろん、MEMSはより簡単に製造でき、製造面でコスト効率を向上し、実質的に可動部品がなく、使用によりデバイス信頼性と性能が高まるという事実は、設計者の注目を集めるのに寄与しました。 結果として、車載用システム、モバイルハンドセット、医療用電子機器、大型家電製品、そして軍用/航空宇宙用ハードウェアはすべて、MEMSを豊富に使用しています。 技術者にとって退屈な手順を取り除く、かつそれを今までよりも低コストで実現する機能を搭載しているMEMSセンサの統合は、現在そして今後のアプリケーションにとって重要となっています。

このようなシステム統合の例は、Analog DevicesのADIS16445小型、高精度、6個の自由度を持つ慣性センサです。 この完全な慣性システムは、3軸のジャイロスコープと3軸の加速度センサを内蔵しています。 ADIS16445内の各センサは、ADIのiMEMS技術を信号処理と組み合わせ、ダイナミック性能を最適化しています。 工場での較正により、センサは感度、バイアス、位置合わせ、および加速度の直線化（ジャイロスコープのバイアス）を特性化しています。 結果として、各センサは、それ自身のダイナミック補償形態を持つため、高精度なセンサ計測を提供します。


図2：ADIS16445小型、高精度、6個の自由度を持つ慣性センサは、ナビゲーションアプリケーションでの設計を容易にするためのシステム統合を提供します。

ADIS16445は、高精度な多軸の慣性センシングを産業用システムに統合するためのシンプルでコスト効率の良い方法を提供します。 すべての必要な動作テストと較正は工場で完了し、システム統合の時間を大幅に削減します。 直交性の厳密な位置調整が施されているため、ナビゲーションシステムでの慣性フレーム調整がさらに簡素化されるとともに、SPIおよびレジスタ構成は、データ収集と構成制御のためのシンプルなインターフェースを提供します。 アプリケーションには、ナビゲーション、ロボティクス、プラットフォームの安定化と制御が含まれます。

自動車には、依然として業界で最も多くのMEMSデバイスが使用されています。 直接噴射システム、車載用安全タイヤ圧力モニタリング、およびブレーキシステムはすべてMEMSセンサに基づいています。

車載用安全には、車両シャーシロールオーバーセンシングが含まれ、この要件を満たす1つのセンサは、Analog DevicesのADXRS620 ±300°/secのヨーレートMEMSジャイロスコープ（図3）です。


図3：車載用安全アプリケーションを対象とする、Analog DevicesのADXRS620ジャイロスコープの機能ブロック図

ADXRS620は、1つのチップに統合された機能的に完全でかつ低コストの角速度センサを作成するために、表面マイクロマシニングプロセスを使用するジャイロスコープです。 この車載用グレードのジャイロスコープは、同サプライヤの産業用グレードADXRS652ジャイロセンサと、ピン、パッケージ、温度、機能とも100%の互換性があります。 出力信号RATEOUT（1B、2A）は、パッケージ上面の垂直軸に対する角速度に比例した電圧です。 出力は、供給されたリファレンス電源に対してレシオメトリックです。 外付けコンデンサにより帯域幅を設定します。 ADXRS620は、7 x 7 x 3mmのBGAセラミックパッケージで入手できます。

傾斜センサは、高精度なレベリングおよび傾斜測定機器に重要です。 MurataのSCA103Tシリーズ（図4）を使用すれば、高精度を得ることができます。3D MEMSに基づくこの1軸傾斜センサファミリは、示差測定の原理を用いてすべてのコモンモード誤差およびノイズの影響を補正します。

その高較正精度は、極めて低い温度依存、高分解能、低ノイズを、堅牢なセンシング素子設計と組み合わせています。 この傾斜センサは、過減衰センシング素子に基づく振動の影響を受けず、20,000gの機械的衝撃に耐えると言われています。

図4：高精度なレベリングおよび傾斜測定機器向けに使用されるMurataのSCA103Tシリーズ 傾斜センサの機能ブロック図

これらのセンサは、温度や時間にわたって優れた安定性を提供します。 これらの製品は、レシオメトリックアナログ電圧出力、デジタルSPI傾斜、および温度出力を特長としており、包括的な故障検出機能を備えています。 また、鉛フリーリフローはんだプロセスに対応しています。 このデバイスは、移動機械、車両、飛行機、建設機械、およびハンドヘルドデバイスで問題のない測定を実現します。

今後の展望

今後、MEMSセンサの使用はどのような分野で増加していくでしょうか。 装着型および携帯型ヘルスデバイスは、MEMSモーションセンサおよび加速度センサの売上増加を促すと見込まれています。 高齢化する人口にとってのフィットネスやヘルスケアモニタリングは、MEMS加速度センサ、ジャイロスコープ、そして電子コンパスの統合を推進し続けるでしょう。 自動車はまた、特にMEMS圧力センサにとって中心となる見込みです。

他のアプリケーションには、携帯時計や眼鏡、サーマルカメラ、ガスセンサなどのスマートデバイスがあります。 新しいアプリケーションには、赤外線に敏感な熱検出センサの非常に小さなアレイであるマイクロボロメータがあります。 これらは、監視システム、法執行、および消防で使用されており、じきに他の用途でも採用される可能性が高いでしょう。

MEMSマイクロフォンは、スマートフォン、ラップトップ、ゲームから、補聴器、TV、カメラに及ぶ広範な民生用デバイスで使用される見込みです。 現在、製品へのMEMSマイクロフォンの使用で上位を占めるのがAppleとSamsungであり、この2社が占める割合は50%を上回っています。 MEMSマイクロフォンはじきに、車載用アプリケーションにも進出するでしょう。

単一ビットのPDM出力を備えた小型、高性能、低電力、トップポートシリコンデジタルマイクロフォンであるKnowlesのSPM0437HD4Hをご検討ください。 KnowlesのSiSonic MEMS技術を使用したSPM0437HD4Hは、音響センサ、低ノイズ入力バッファ、そしてシグマデルタ変調器から構成されます。 このデバイスは、携帯電話、スマートフォン、ラップトップコンピュータ、デジタルスチルカメラ、ポータブル音楽レコーダ、および広帯域オーディオ性能やRFイミュニティが求められるその他ポータブル電子デバイスに適しています。

センサ関連のすべての設計と同様に、センサ融合は進歩し続けています。 使用されているセンサの組み合わせにより、個々のセンサの使用と比べて、設計技術者は、記録的な速さで、かつ低コストで能力および前例のない機能をまとめて実装することがより容易になります。 MEMSセンサが使用されるアプリケーションの上位にはハンドセットおよびタブレットがとどまる見込みである一方で、MEMSセンサは、とりわけ民生用アプリケーションにおいて、実質的にあらゆるアプリケーションに統合されるでしょう。

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