MEMSと回路の融合に関する研究

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ピエゾ抵抗カンチレバーを用いたセンサーに対し、同一ウェハ上に各種半導体部品を製作して回路の集積を行う研究を進めた。これによりセンサチップ上でより高度な処理を実現し、集積化したセンサ情報の多重化など、複雑なセンサシステムを構築する上での基盤技術の形成を目指した。まず始めにピエゾ抵抗カンチレバーセンサーとダイオードを同一SOIウェハ上に製作するプロセスの研究を進めた。不純物拡散時の酸化膜マスクや熱拡散工程の最適化を行い、ピエゾ抵抗カンチレバーとダイオードのプロセスの両立に成功した。これにより印加する電圧の極性に応じてセンサーを切り替えられるピエゾ抵抗カンチレバーを実現すると共に、センサーと一緒に回路を集積化するための基礎技術を獲得した。次に先のカンチレバーセンサーに対してMOSFETを同一ウェハ上に集積するプロセスの研究を進めた。ダイオードの試作での蓄積もあり、ピエゾ抵抗カンチレバーと同一ウェハ上にMOSFETを集積化することに成功した。これを元に増幅回路を搭載したピエゾ抵抗カンチレバーセンサーの試作に着手し、同一チップ上での信号増幅まで確認することに成功した。さらに計画を前倒しし、2年目に予定をしていたセンサチップ上への集積回路の搭載の研究を進めた。当初は差動増幅回路の搭載を予定していたが、センサ信号の取り出しとして電圧では無く周波数に変換して取り出すことを考え、リングオシレータを搭載したセンサチップの研究を行った。リングオシレータの遅延回路中にピエゾ抵抗カンチレバーセンサーを組み込み、センサーの変形に応じて周波数の変化するオシレータを試作した。このセンサーにて、実際に変形を与えて周波数変化が起こることまで確認することに成功した。このリングオシレータを使用したセンサチップを用いれば、多数のセンサチップの情報を周波数多重化して同時に伝送することが可能になる。これまでのセンサではセンサの数に応じた多数の配線が必要であったが、この様にセンサチップ上に処理回路を載せることで、1本の信号線で多数のセンサ情報が伝送できるようになるなど、MEMSセンサの応用範囲の飛躍的な向上が見込める。