高感度静電容量型センサにおけるBrownian Noise評価手法

摘要

近年，半導体微細加工を用いたMEMS（micro-electro-mechanical systems）技術により，静電容量検出方式の加速度センサや圧力センサの小型化·高感度化が進み，身の回りのさまざまな電子機器に搭載されている。今後は更なるセンサ感度の向上により，医療機器や慣性計測装置など新たな応用展開が期待されている。ここで，センサ可動部がマイクロメートル寸法に到達する場合，周囲気体分子の熱運動による機械的雑音（Brownian Noise，以下Bnと記載する。）がセンサ検出高感度化を阻害する律速要因となる。例えばMEMS加速度センサでは，小型化·低消費電力化·電子回路集積化などの観点から静電容量検出方式を多様しており，センサの高感度化においては静電容量変化の検出回路における低ノイズ化だけでなく，錘（加速度センサの可動部）の Bn低減も必要となる。このようなMEMS加速度センサにおけるBnの実験的評価では，錘の質量とともに可動部に対する減衰係数やQ値を必要とする。しかしながら，機械構造に依存する減衰係数の正確な算出は困難である。さらに，パッケージング後の加速度センサにおいて，減衰係数の算出，あるいは，共振振幅の変位計測を利用した低Q値評価の手段も確立していない。そこで本研究では，静電容量型MEMSセンサのQ値とBnを実験的に評価する新たな手法を提案し，実デバイスを用いて原理検証したので報告する。