MEMSの機械的非線形性を低減してSN比を10倍以上に高める技術、農工大が開発

東京農工大学(農工大)は10月29日、スマートフォン(スマホ)の赤外線センサや発振器などで使われているMEMS素子の機械的非線形性を熱効果により低減し、素子の信号対雑音(SN)比を10倍以上増大させることに成功したと発表した。

同成果は、農工大大学院工学研究院先端電気電子部門の張亜准教授、農工大工学府電気電子工学専攻の吉岡佑理大学院生、農工大工学部電気電子工学科の飯森未来大学院生、北京工業大学の劉シン准教授、東京大学生産技術研究所の邱博奇氏、同・平川一彦教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、応用物理学を扱う学術誌「Applied Physics Letters」に掲載された。

MEMSは、半導体のプロセス技術を用いて作られる微細なデバイスで、現在では加速度センサや赤外線センサなどとしてさまざまな電気製品で用いられている。

しかしMEMS素子では、「機械的非線形性」と呼ばれる、振幅の大きさによって共振の周波数が変動してしまう現象が生じ、それが理由で振動振幅を数十nm程度に抑える必要があり、その結果として、MEMS素子を用いた計測において、SN比が制限されてしまうという課題があったという。

MEMS素子のスケッチおよび素子の共振スペクトル。共振の周波数は振幅の増加とともに上昇する(ハードニング非線形性) (出所:農工大プレスリリースPDF)

そこで研究チームは今回、MEMS梁に薄膜抵抗を作製し、それを利用してMEMS梁を電気的に加熱することによって、MEMS梁の非線形性を低減することを試みたという。その結果、非線形が制御されたMEMS素子においては、線形領域の振動振幅が、非線形性を制御していないMEMS素子と比べて、10倍以上に増大できることを確認したという。