MEMS 特性評価 101: 知っておくべきこと

どこを見ても明らかなように、今日のデバイスは小型化が進んでいます。しかし、実際にどれほど小型化しているかは、あまり知られていないかもしれません。そこで登場するのが、マイクロ電気機械システム（MEMS）です。MEMSは、電気部品と機械部品の両方を備えた超小型デバイスまたはシステムです。これらのシステムのサイズは、数マイクロメートルから数ミリメートルに及びます。このようなスケールでは、誤差の許容範囲が非常に狭いため、MEMSの特性評価とテストは、このようなシステムの設計プロセスにおいて最も重要なステップの1つとなります。MEMSについてもう少し詳しく見ていきましょう。

マイクロ: これらのデバイスはマイクロスケールです。
エレクトロ: これらのデバイスにはセンサーなどの電気コンポーネントが含まれています。
メカニカル: これらのデバイスには、アクチュエーターなどの機械コンポーネントが含まれています。¹

MEMS 特性評価の実行方法

2 つの MEMS デバイスを同じように動作させることは困難です。デバイスはサイズが大きいためテストが難しく、パフォーマンスの不一致がよく発生します。このため、実行するテストとその実行方法を判断するのが困難になることがあります。MEMS デバイスを完全にテストするには、パフォーマンス、信頼性、および機能性を評価する必要があります。開始するために必要な機器と、MEMS 特性評価を実行するときに検討するテストをいくつか見ていきましょう。

MEM 特性評価に必要な機器

任意波形発生器 (NAIST) と波形発生器：被試験デバイス (DUT) に対して入力信号を生成する
オシロスコープ (NAIST) とスペクトラムアナライザ：時間領域と周波数領域で DUT の出力を測定する
ロックインアンプデバイスのSNR（信号対雑音比）が低い場合に信号情報を抽出する（図1）
周波数応答アナライザ：周波数応答の解析
デジタルフィルターボックス：過剰なノイズ/信号プリエンファシスのフィルタリング
PIDコントローラー：フィードバック制御と安定化

光学研究室の Moku ロックインアンプ — 図 1: MEMS デバイスの SNR が低い場合は、FPGA ベースの Moku ロックインアンプを使用して、重要な信号情報を高速かつ柔軟に抽出します。

実行するテスト

応答時間: デバイスが環境の変化にどれだけ早く反応できるかを測定する。

必要な楽器: 波形発生器, オシロスコープ

入力を変更せずにデバイスのベースライン出力を確立する。
ステップ入力信号を DUT に加える。
- 注：信号の種類はDUTの種類によって異なります。別の信号をご自由にお使いください。
デバイスが定常状態に達するまでの応答を記録する。
デバイスがベースライン状態からステップ入力からの応答に移行するまでにかかった時間、または最終値の 10 ～ 90% を測定する。
さまざまな動作条件でこの測定を繰り返す。

周波数応答: さまざまな周波数でデバイスがどのように動作するかを測定する。

必要な楽器: 周波数応答アナライザ, デジタルフィルターボックス

デジタルフィルターボックス(フィルターと増幅用)と周波数応答アナライザーを使用してマルチ機器モード構成をセットアップする。
周波数掃引を実行して、各周波数での MEM デバイスの応答の振幅を測定する。さまざまな周波数でデバイスによって導入された位相シフトを確認する。
MEMS デバイスが最も高い応答を示す共振周波数を特定する。
デバイスの 3 dB カットオフ周波数/帯域幅を計算して、デバイスの動作範囲を特定します。
歪みと非線形性をチェックする。
このテストをさまざまな環境および温度条件下で実行する。

MEMS デバイスの校正

必要な楽器: 波形発生器, データロガー, オシロスコープ or スペクトラムアナライザ

信頼できる安定したソースを使用して既知の信号を生成する。
既知の信号に対する DUT の応答を測定する。
データロガーを使用して結果を記録する。
入力と出力の間の関係、または校正曲線を確立する。
この曲線に基づいて補正係数を決定する。これらをDUTに適用し、測定を繰り返す。

ノイズの測定: DUTがノイズレベルに対してどの程度強い信号を維持できるかを分析する。

必要な楽器: 任意波形発生器 or 波形発生器, スペクトラムアナライザ, オシロスコープ

入力信号がない状態でベースラインのノイズフロアを記録する。
既知の安定した入力信号を入力する。
スペクトラムアナライザで結果を表示する。
1. 信号の振幅と干渉/ノイズを測定する。
2. 信号から遠く離れた周波数帯域のノイズパワーバックグラウンドを測定する。
3. SNR を dB 単位で計算する。信号電力とノイズ電力は、ワット（W）などの電力単位。

平均故障間隔 (MTBF) からデバイスの信頼性を測定する

必要な楽器: データロガー, スペクトラムアナライザ, オシロスコープ

障害イベントに何が含まれるかを定義する：ハードウェアの故障か、ソフトウェアの故障か。
定義された期間にわたってデバイスを動作させ、障害の数を記録する。
障害の種類ごとに MTBF を計算する。
最も意味のあるデータとして、長期的な故障率に注目する。

MEMSデバイスの例

MEMS デバイスは、アクチュエーターから自動車に至るまで、さまざまな用途で重要です。

センサー

スマートフォンの動きを検知する加速度センサー
カメラの回転を検出して手ぶれ補正を行うジャイロスコープ

アクチュエータ

マイクロ流体工学などで、動きを伴う電気刺激に応答する小さなバルブ
カメラのオートフォーカス、精密位置決めシステム、さらにはインクジェットプリンターのノズルにも使用される圧電アクチュエーター

光学

マイクロ電熱アクチュエータ (META) を含む、光スイッチおよび補償光学系のマイクロミラーやマイクロレンズなどの光 MEM デバイス
光ファイバー通信における光信号の強度を調整するための可変光減衰器 (VOA)
LiDAR または自由空間光通信 (FSOC) におけるレーザービームの方向を制御するための MEM ベースのビームステアリング

バイオテクノロジー²

低侵襲の薬物送達とバイオセンシングのためのマイクロニードルアレイ
MEMSベースの血圧モニターなどの圧力センシング
生体組織の高解像度の断面イメージングを提供するマイクロ光コヒーレンストモグラフィー (µOCT)

自動車³

速度の変化を測定する加速度センサー
タイヤ空気圧監視システム (TPMS)
先進運転支援システム (ADAS) および自動運転車用の慣性計測ユニット (IMU)

結論

MEMS技術は、光学・フォトニクス、バイオテクノロジーなど、さまざまな産業に浸透し続けています。研究者たちはMEMSデバイスの魅力的な特性を活用し、これまで以上に小型で持ち運び可能なデバイスに統合しています。これらのデバイスはまだ開発途上であり、多くの研究が行われているため、改善方法を特定するには適切なテストと特性評価が不可欠です。最新のソフトウェア定義型計測器は、MEMSテストのための高速かつ柔軟なソリューションを提供します。例えば、オレゴン州立大学の研究者たちは、Mokuプラットフォームを使用して、エンドツーエンドのプロトタイプを単一デバイスに組み込んだ低ノイズシステムを設計しています。詳細については、当社のウェブサイトをご覧ください。ケーススタディ.

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[1] “MEMS Sensors: A Comprehensive Guide,” ES Systems, Jul. 14, 2023. https://esenssys.com/comprehensive-guide-to-mems-sensors/#:~:text=MEMS%20sensors%20are%20miniature%20devices

[2] チルコフ、クリスティーナ、アレクサンドル・ミハイ・グルメゼスク。「生物医学応用のための微小電気機械システム (MEMS)」。 マイクロマシン、vol. 13、いいえ。 2、2022 年 1 月 22 日、p. 164、https://doi.org/10.3390/mi13020164。

[3]「MEMS車載センサーがモビリティの未来を牽引する」 Atomica2020年7月29日。https://atomica.com/mems-automotive-sensors-drive-the-future-of-mobility/#:~:text=These%20sensors%20are%20the%20dominant