スマート社会のための - JST...集積化MEMS超音波指紋センサ 10 Prof. D. A. Horsley...
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スマート社会のためのMEMSセンサー
1
田中秀治東北大学
工学研究科ロボティクス専攻マイクロシステム融合研究開発センター
mems tohoku
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スマートフォンのシェイクを検知するMEMS加速度センサー
教育 コミュニケーション ときどきhttp://r-lab.seesaa.net/article/308412686.html
Bosch Sensortec
LINE
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スマートフォンの中のMEMSとセンサー
1. アプリケーションプロセッサー 3. ベースバンドプロセッサー
24. フラッシュメモリ
21. 電子コンパス
23. ジャイロ 22. 加速度センサー
4, 12.無線デバイス
18, 19.タッチパネルIC 電源IC16, 17. オーディオIC
iPhone 5, 日経エレクトロニクス 2013.10.28
3
マイクロフォン
FBARフィルター
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集積化・パッケージング技術によるMEMSの小形化
4Yole Development2013, 2014
Bosch accelerometer (2014)1.8 mm2, 0.8 mm tCu TSV of AR10 in ASIC
mCube 1 mm×1 mm (2015)
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東北大学の集積化MEMSプラットフォーム
5
300
μm
ASICレーザー消去部分
鈴木裕輝夫他, 第33回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム (2016)日経テクノロジーオンライン, 「トヨタと東北大が新技術,ロボットセンサーとICを安く積層」 (2016.11.2)
自分のLSI金属接合
MEMS センサー
他人のLSIをレーザー消去
他人のLSIをレーザー消去
TSV
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iPhone Touch ID, GetNaviweb
スマートフォンはもはや単なるスマートフォンではなく,IoTプラットフォームである。
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iPhone Touch ID, GetNaviweb
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指紋偽装
スマートフォンの指紋センサーは騙せる。
James Bond 007Diamonds Are Forever(1971)
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デジタルカメラ画像から指紋情報を取得可能
9国立情報学研究所の越前功教授の実験(ロイター)
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集積化MEMS超音波指紋センサ
10
Prof. D. A. Horsley (UC Davis), Prof. B. E. Boser (UD Berkeley), InvenSense, Inc.AlN圧電薄膜
Pixel size 43×58 μm2
56×110 pixels582×431 dpi
FBI standard 500 dpi以上の解像度
真皮下の構造も画像化
湿気や汚れに対する堅牢性
D. A. Horsley教授特別セミナー2017年4月28日,東北大学,詳細は田中研HP
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MEMSマイクロフォン
11
エレクトレットコンデンサーマイクロフォン 1個
MEMSマイクロフォン 2個
MEMSマイクロフォン3個
MEMS MIC 4個
iPhone iPhone3G iPhone3Gs iPhone4 iPhone4s iPhone5 iPhone5s iPhone6 iPhone6s
Figure: TDK-EPCOS
59 dB
64-66 dB
62-63 dB
SN
R
複数のマイクロフォンでノイズキャンセリング
Figure: Apple
MIC
MIC
Ambient noise
Outgoing clear sound signal
Voice
Noise canceller
Knowles
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MEMSマイクロフォン
(1 µm厚poly Si)
4 µm
図出典 日経マイクロデバイス,2006.2
Φ560 µm
12
ボンドパッド静電隙間 固定電極 バックプレート
ボンドパッド
ダイヤフラムシリコン基板
P. V
. Loe
pper
t, H
ilton
Hea
d Is
land
W
orks
hop
2006
エレクトレットコンデンサーマイクロフォン MEMSマイクロフォン
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MEMSマイクロフォンのSN比向上
13
これからは70 dB以上のSN比が必要
Pepper (Softbank)
Siri (Apple)
55 dB 58 dB 62 dB 65 dB
Sou
nd p
ress
ure
leve
l (S
PL) 100
9080706050403020
(dB)
マイクロフォンの大きさ(mm3)
SN比
Jerad Lewis, Paul Schreier(Analog Devices), EETimes, 2012.11.28
SN比は94 dB SPL = 1 Paを基準にしたときの検出可能な最小音圧レベル(SPL)
研究ターゲット
✓高感度✓低ノイズ✓小形
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音声認識によるユーザーインターフェース
http://www.theconnectedplanet.net/amazon-echo-tear-down/
http://www.techrepublic.com/article/amazon-echo-teardown-a-smart-speaker-powered-by-amazons-cloud/
7個のMEMSマイクロフォン(緑丸)
14
人工知能“Alexa”を搭載
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音声アシスタントAI~次のIoTプラットフォームに
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Google Home対話型AI“Google Assistant”を搭載
LINE WAVEクラウドAIプラットフォーム“Clova” を搭載
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バーチャルリアリティ ~ 位置トラッキングができたら
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The VOID:VRヘッドセット・グローブ・ベストを身に付けて,約330 m2×10室のステージ内を実際に歩いて体験するVRテーマパーク(Utahに開業予定)
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位置トラッキングできるVRヘッドセット(HTC Vive)
17
← ヘッドセット中の赤外線センサ
赤外線ベースステーション→
HTC Vive teardown by iFixit
位置トラッキングによって5畳の範囲なら動き回れる。
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MEMSマイクロミラーを用いた高速位置トラッキング
Mirrorcle Technologies, Inc. (Adriatic Research Institute スピンアウト)
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Laser
MicromirrorPD
Retroreflector
100 m離れても可能
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MEMSマイクロミラーのセンサー応用
I. Aoyagi (Toyota CRDL) … S. Tanaka et al., Optical MEMS 2011
電磁式2軸マイクロミラー
19
LIDER レーザーレンジファインダー(Laser Imaging Detection & Ranging)
距離画像(リコー, トヨタ自動車)
GRIN lens
MEMS scanner IR laser
Optical fiber
Sample
カテーテル用OCT
T. Naono (Fuji Film) … S. Tanaka,J. Micromech. Microeng., 24 (2014) 015010
Fixed base
Mirror
Folded Si beams
Nb-doped PZT actuator
d31 > 250 pm/V
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映画 「アンドリュー NDR114」“BICENTENNIAL MAN”
Mental commit robot “PARO” http://www.paro.jp/
“ROBEAR” (理化学研究所)
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バスネットワーク型集積化触覚センサー
中継節
ハブ
センサー
バス
✓MEMS-LSI集積化による超小形化✓バス通信による省配線多数個接続✓人間の触覚を模したイベントドリブン
21
本日,プレスリリース2017年3月13日 μSICシンポジウム(仙台)でデモ展示
東北大学, トヨタ自動車, 豊田中央研究所
バス
触覚センサー
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アシモ(本田技研工業) 自動運転車(Uber)
自動運転車(日産自動車)
ここにジャイロ
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学生実験:MEMS慣性センサーを用いた位置計測
23
加速度センサーとジャイロが搭載された台車
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学生実験:MEMS慣性センサーを用いた位置計測
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加速度センサーとジャイロが搭載された台車
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ジャイロスコープの性能
25
100 10 1.0 0.1 0.01 0.0011000
10 1 0.1 0.01
Vibratory gyroscope
Optical gyroscope
Airplane ShipAutonomous car
Rotational gyroscope
RobotCamera Smart phone
(deg./h)
(deg./s)
SubmarineCar safety system
バイアス安定性
用途
ジャイロスコープの種類
Dry tuned gyroscope
MEMS gyroscope
Fiber optical gyroscope
Ring laser gyroscope
ESG
HRG
ESG: Electrically-suspended gyroscopeHRG: Hemispherical resonator gyroscope
DTG,FOG,RLGの図:多摩川精機 HRGの図:Northrop Grumman
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高性能MEMSジャイロスコープ
26
T. Tsukamoto, S. Tanaka, IEEE MEMS 2017原理については,チップ上にフーコー振子, 日経テクノロジーオンライン
Ang
le (º
)
Time (s)
既存のMEMSジャイロ:数十秒もすれば,大きな角度誤差(赤破線)
新方式MEMSジャイロ:角度誤差なし(○が真値)
http://photozou.jp/photo/show/181646/64768929
この中に「フーコー振子」
※小さな振子が本当にぶら下がっているわけではありません。
-5
0
5
10
0 10 20 30 40
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SLAM(Simultaneous Localization And Mapping):LIDARと慣性センサーで実現Cartographer (Google), https://www.youtube.com/watch?v=DM0dpHLhtX0
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まとめ
28
• 身の回りの様々なところにMEMSあり。スマートフォン,自動車,家電,ゲーム機,医療機器 …
• 既に年間100億個以上のMEMSが消費される。今後,10倍になるという予想も。
• IoT,情報セキュリティ,VR,音声認識,自動運転,ロボットなどにもMEMS。
• MEMSはSociety 5.0のためのキーデバイス。
mems tohoku
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We are MEMS & sensor specialists.