藤田 孝之

This report provides a MEMS (micro-electromechanical systems) vibratory beam accelerometer (VBA) having a digital control system. The device structure with size of 5 x 5 mm(2) includes a frame, heavy mass, thick suspension beams, and thin vibrating beams made of silicon. The VBA measures acceleration using the resonant frequency change of the supporting beams, which are designed to provide little resistance to movement along the sensitive axis and stiff resistance on the off-axis. This provides low off-axis sensitivity and high shock survivability. In this study, we designed a fully digital PLL (phase-locked loop) circuitry in a FGPA (field programmable gate array) based hardware controller. By Allan deviation, we proved that our system has a resolution of 34 mu G Hz(-1/2) for a device operating at 1 mTorr.

This report describes an examination of mechanical properties of multi-layer thin-film beam for a MEMS (micro-electromechanical systems) vibratory beam accelerometer (VBA). The target accelerometer has a frame, heavy mass, thick suspension beams and thin vibrating beams made of silicon or some MEMS materials with the size of 2 × 2 mm^2. The VBA measures the acceleration by using resonant frequency change of supporting beams. Since the beam property heavily depends on the performance of VBA, the stress examination method that uses resonance frequency of both-end-support beams with different lengths was used. Finally, the vibratory beam for the miniaturized VBA that contains layers of compressive-TEOS/tensile-TEOS/Pt-Ti/SiN/SiO_2 with suitable tensile stress of 7 MPa and low deflection of 0.75 μm was obtained.

Miniaturized environmental sensor chips for data gathering are useful for various applications, such as anthropometric or body-motion measurement. In this stud, we propose a microelectromechanical system MEMS) multi-sensor for environmental sensing. The system includes a sensor and peripheral interface circuitry chips. The sensor chip has a 3-axis accelerometer, with a pressure sensor and a humidity sensor. All sensors are built on a 10 x 5 mm(2) silicon-on-insulator SOI) wafer by the bulk MEMS process using deep reactive-ion etching RIE). The interface circuitry for each sensor is produced on a semi-custom Bi-CMOS application specific integrated circuit ASIC) chip by a Japanese IC foundry service of MICS.

Monitoring daily activity and load of human activity is important for maintaining health and preventing life-style related diseases or sudden death from overwork. We can evaluate quantitative activity and load with multiple sensors attached to the human body. In this study, we created a prototype system for measuring environmental conditions, including ambient temperature, pressure, humidity, and three-dimensional acceleration (shock) sensing devices, using MEMS technology. The prototype can continually monitor and record environmental conditions and provide the history of the body's activity and environmental load quantitatively. In this paper, we detail the system configuration and characteristics, and provide the examples of measured data.

本論文ではまず,入出力不等分配合成形のマイクロ波ドハティ電力増幅器の電力分配合成回路設計法を示す.次に,この設計法およびウイルキンソン型電力不等分配器を用いて、入力電力不等分配Si MOSFETドハティ増幅器を設計・製作し,入力分配比パラメータm値依存性及びキャリア増幅器・ピーク増幅器のゲートバイアス電圧条件について実験により詳細な評価検討を行った.その結果,ドハティ増幅器の広ダイナミックレンジの高効率特性を確認した.

ドレーン電流のゲート電圧およびドレーン電圧による2変数テーラー級数展開モデルを用い,マイクロ波電力増幅器の3次相互変調ひずみ(IMD3)非対称性について,摂動法による解析理論により基本波および低周波,2次高調波回路インピーダンス依存性の詳細な検討を行った.FETのドレーン寄生インダクタンスを考慮した2次高調波短絡回路[1]を用いマイクロ波Si MOSFET電力増幅器のIMDおよびその非対称性について,2次高調波回路インピーダンス依存性及び短絡によるIMD3およびその非対称性の改善を確認した.また,IMD3及びその非対称性についてゲート側回路の低周波および2次高調波回路インピーダンス依存性についても実験的検討を行い提案した短絡回路による改善を確認した.

This paper reports a novel structure for improving resistance to acceleration or shock in micro-gyro scopes. The novel device reported here is completely "solid", which is quite unlike any conventional micromachined-gyroscope. It has extremely simple structure and fabrication steps. When a longitudinal vibration is excited in PZT rectangular prism as a reference vibration, differential output voltage by the Coriolis force can be obtained on the PZT surface. The paper shows the operation principle, results from FEM analysis, and preliminary experimental results by the test device.

マイクロ波Si MOSFET電力増幅器の3次相互変調ひずみ特性を真のドレイン2次高調波短絡により改善した. 2次高調波短絡回路はトランジスタのドレイン寄生インダクタンスを考慮した回路構成を用いている. ドレイン電流のゲート電圧およびドレイン電圧による2変数テーラー級数展開を用いて3次相互変調ひずみの理論的な検討を行い, 2次高調波を短絡することにより3次相互変調ひずみおよび非対称性の改善が行えることを示した. Si MOSFET電力増幅器を試作して実験的検討を行い, 真のドレイン2次高調波短絡が3次相互変調ひずみおよび非対称性改善に有効であることを示した.

マイクロ波帯で使用する1トランジスタ集中定数トライバンドGaAs FET電力増幅器の構成法を提案し, 設計・試作を行った. 本電力増幅器は著者らが以前に報告した, 集中定数デュアルバンドGaAs FET電力増幅器[12-14]を応用したものであり, PINダイオードのスイッチングによりバンドを切り替える. 整合回路の基本設計にはチェビシェフ低域通過形インピーダンス変換回路の設計法を用いた. 電力増幅器に使用するPINダイオード数が2個の構成と1個の構成を検討した. 試作したトライバンドGaAs FET電力増幅器の特性より, マルチバンド増幅器の小型化・高性能化に有用なトライバンド化構成・設計法であることを確認した.

GaAs FETを用いたドレイン接地による発振器のデュアルバンド化構成・設計法の実験的確認を行った. ドレイン接地回路におけるピーク負性コンダクタンス周波数のゲート付加線路長依存性を検討した. 設計周波数を800/1500MHzとし, ゲート付加線路長を選定した. PINダイオードによりゲート付加線路長を変化させて800/1500MHzを切り替える構成の基本回路を決定した. 出力電力および発振周波数の微調整を行うため負荷回路の最適化を行い, デュアルバンド発振器を試作した. その結果, 本構成・設計法が有用であることを確認した.

近年、圧力センサ、加速度センサ、ジャイロなどMEMS技術を用いた多くのセンサが開発され、実用に供されるようになってきた。これらのデバイスの多くは、小型軽量化、低価格化、量産化など、MEMSの最大の特徴を生かし、アプリケーションに最適化した設計・開発が行われており、必ずしもセンサの基本性能を向上させることに重点がおかれるとは限らなかった。しかしながらMEMSデバイスの用途をより広げるためには、センサの基本機能、例えば分解能や安定度などを可能な限り向上させるという方針も必要であり、そのためにはこれまでとは異なったアプローチも必要であると考えられる。本報告では、原理的に分解能・精度が高いと考えられる振動型センサに注目し、振動型加速度センサおよび振動型角速度センサを提案、試作しその周辺回路を構築し、これらのデバイスの高分解能化に対する指針を得たので報告する。