月: 2021年6月

MEMS発振器とは

MEMS発振器とは、MEMS構造の振動子を用いた電子機器に不可欠なクロック信号源を発生させる発振器のことです。

従来、発振器は水晶デバイスが一般的であり、現在でも多くの場合に水晶デバイスが用いられていますが、MEMS発振器は、MEMS (メムス:微小電気機械システム) 構造と呼ばれる薄膜微細加工プロセス技術で製造された振動子を共振箇所に活用した発振器です。

MEMS発振器の特徴として、小型なタイミング・デバイスにも使用できること、衝撃や振動の耐性に優れること、信頼性が高いことなどが挙げられます。これらは、従来のタイミング・デバイスと比べて高く評価されています。

MEMS発振器の使用用途

MEMS発振器は、タイミング信号やクロック信号を必要とする様々な電子機器に用いられています。具体的な使用用途は、携帯電話、パソコン、ウェアラブル端末、車載向けコネクティッド・デバイス、医療機器などの多岐にわたる電子機器です。

近年の5Gの導入による回線速度の向上やIoTの高まりなどを受け、自動運転やVR機器などの市場の拡大が予測されている分野でもあり、今後の出荷台数は顕著な伸びが期待されています。

MEMS発振器の原理

MEMS発振器の原理は、発振器の共振子の箇所にMEMSと呼ばれる振動子を用いて回路を構成している点にあります。MEMS (メムス:微小電気機械システム) と呼ばれる薄膜微細加工の技術を用いて製造されている振動子の部分は、チタンと比べて14倍以上の引張り強度をもった単結晶シリコンで作られており、動作する際は振動子の変位が周囲とのギャップ長と比べて、非常に微小な振動です。

このMEMS振動子の動作原理は、圧電効果を用いて圧電駆動を行う水晶デバイスとは異なり、静電解励起力によって駆動します。MEMS専用発振回路とMEMS振動子が相互に電気的に接続し、トータルとして発振維持を行う回路が作動することによって、MEMS振動子を機械的に、ある周波数に固定させた状態で振動させることが可能です。

水晶発振器と比べて、PLL (Phase Locked Loop) を用いて周波数を任意に設定することができる反面、回路の構成が複雑化することによる消費電力の増加が起こる懸念や、周波数ジャンプが影響して、ノイズ特性が劣化しやすいという欠点もあります。

MEMS発振器のその他情報

1. 水晶発振器との温度特性の比較

水晶発振器の構成は、水晶振動子とASICの発振回路の組み合わせが基本です。この場合、発振器の温度特性を補正するために用いる温度センサーがASIC上に作りこまれるため、補正すべき水晶振動子と温度センサーは離れた場所にあることが課題として挙げられます。

よって同一のチップ上に形成可能なMEMSでの温度センサーと比較すると、温度変化に対する発振周波数の変化分が大きくなってしまう可能性があります。

MEMS発振器は、温度変化に対する発振周波数の変化分が小さいだけでなく、質量が小さく、振動に対する特性変動も小さいのも利点です、

2. ノイズ特性

発振器のノイズ特性は、良質なアプリケーション特性の確保に向けて非常に重要な因子です。特に水晶発振器はMEMS発振器との比較において、水晶振動子の構造自体が非常にシンプルであるが故に、低いノイズ特性を得やすい利点があります。

しかしながら、MEMS振動子と比較して、質量が大きい分、振動時のジッタは発生しやすいです。よって適用したいアプリケーション環境によっては、MEMS発振器の方がノイズ特性面で適している場合があります。

3. 周波数偏差

MEMS発振器は、競合関係にあるセラミック発振器などと比較して、コスト対応力では劣る反面、非常に優れた発振周波数安定性を確保可能です。一般のセラミック発振器の場合には、周波数偏差は約1％程度と大きいために、適用されるアプリケーションにも制限があります。MEMS発振器はその種類によってはppmオーダーでの周波数偏差が実現可能であり、特徴の一つにあげられます。

参考文献
https://www.sitime.com/jp/technology/mems-oscillators/architecture
https://www5.epsondevice.com/ja/information/technical_info/pdf/white_paperj140911.pdf
https://www.rf-world.jp/bn/RFW52/samples/p101-102.pdf
https://www.kds.info/class/4-l-mems/?mlang=ja
https://www.mems-core.com/service/mems.html

光プローブとは

光プローブとは、従来の電解プローブの欠点を克服し、金属素子を持たないセンサ部分を保持した電解プローブのことです。

電気工学効果を用いて、正確な計測と評価を行うことができます。特徴として、電界を乱さない光ファイバの非侵襲性があることや、ノイズを拾わないこと、センサヘッドが小型で、電源を必要としないこと、周波数や位相や強度など測定できる情報が豊富にあること、金属が周囲にあっても干渉が起きないことなどが挙げられます。

光プローブの使用用途

光プローブは、コントローラやオシロスコープ、内視鏡などにも用いられています。また、光学的な手段を用いて調査や分析を目的として、さまざまな情報を測定することが可能です。

測定用途としては、以下に示すものなどが挙げられます。

1. 比吸収率 (SAR) の測定

100kHz以上の周波数の電磁波を人体に曝露した際に、人体が吸収するエネルギー量の尺度を指します。測定は規格に基づいており、人体と等しい電気的特性を持つファントムと呼ばれるものに対して行う必要があります。

スマートフォン等小型無線機を人体の近くで使用すると、人体の特定の部位でエネルギー吸収が起こるのが特徴です。

2. プラズマの測定

荷電粒子を含むガスに強い電界をかけることで発生するプラズマの測定にも使用されます。光プローブで局所的に発生する電場測定が可能になります。

3. 磁気共鳴イメージング (MRI)

電磁界の人体曝露量を測定するために、光プローブが使用されます。非常に強力な磁場の元での測定が求められますが、光プローブを用いることで正確に測定可能です。

他にもEMC設計において、パルス電界や超強電界の測定をしたり、シミュレーションモデルを検証したりする目的で使用します。

光プローブの原理

1. ポッケルス効果

電界プローブは、ポッケルス効果を有するEO結晶をヘッド部分に用いています。ポッケルス効果とは、物質に外部から電圧が印可された際に物質内の分極率が変化することで、物質の屈折率が変化する現象です。

電界が印可されていないとき、EO結晶に入射した光は偏光状態を保ったまま反射します。しかし、電界が印可された状態になるとEO結晶の屈折率が変化するため入射した光の偏光状態が変化して戻ってきます。

偏光状態の光の強度を検光子で測定することで、電界強度に比例した信号が取得可能です。

2. 測定対象電界への影響

電界プローブには、ダイポールアンテナが使用されることがありますが、光プローブでは使用しません。ダイポールアンテナはケーブルの先に2本の直線状の導線を持った構造をしており、金属素子から成ります。そのため、電界プローブからの散乱により電波に撹乱を与えます。

光プローブではダイポールアンテナ等の代わりにセンサ部にクリスタルを使用することで、測定対象電界に影響を与えることなく、測定することができます。

光プローブの構成

先端部分を構成する部品はEO結晶の他に、光ファイバ、フェルール、コリメータレンズ、誘電体反射膜などがあります。

1. EO結晶

EO結晶は、1mm角程度で構成されています。ダイポールアンテナを使用した電界プローブのアンテナ長さが数cm ~ 10数cmであることを考えると、小さい構造であるため微細部位の測定が可能です。

2. 光ファイバ

EO結晶からコリメータレンズとフェルールを介して光ファイバが接続されています。光プローブがノイズによる影響を受けないのは、光ファイバで信号を伝送するためです。

これにより、周波数に依存せず、電圧信号を光信号に変えて長距離伝送を行うことができます。

3. 誘電体反射膜

誘電体反射膜は、EO結晶の先端に取り付けられています。電界計測の際は、光源で生成した直線偏光をEO結晶へ入射し、誘電体反射膜で反射されて戻された光を計測しています。

光プローブから反射された光はフォトダイオードで電気信号に変換し、差動アンプで増幅出力します。出力電気信号は偏光変化に比例します。

スペクトルアナライザ等を使用することで、電界の強度と位相を計算しています。

参考文献
https://wavecrestkk.co.jp/wc/eoprobe/
https://www.seikoh-giken.co.jp/products/pdf/device1_pd004.pdf
https://www.ntt.co.jp/journal/0606/files/jn200606021.pdf

計測アンプとは

計測アンプとは、ひずみゲージや圧力トランスデューサなど各種センサ類からの非常に微弱な信号を検出し、高精度で増幅することを主な目的としたアンプのことです。

製造にかかわる装置や設備において、圧力や温度などを測定をする目的で、各種センサ信号を増幅するために最適化されたアンプ回路を持っていることから、計装アンプとも呼ばれています。そのほか、インスツルメンテーションアンプ (Instrumentation amplifier) も呼び名の1つです。

一般的なオペアンプと計測アンプは、利得の設定も異なっています。オペアンプと比べると計測アンプは、あらかじめ設定した特定の狭い範囲の中で利得を選択する分、非常に精度が高いのが特徴です。

計測アンプの使用用途

計測アンプは、ひずみゲージなどの各種センサからの信号を検出し、確実に増幅するための目的で用いられています。計測アンプの特徴を活用し、雑音が発生するのを低く抑えて各種センサに検出される微弱な信号を増幅することで、センサのパラメータ動作を最適化するといった産業用計測アプリケーションシステム用途に広く使われています。

また、その他の用途としてモーターの制御や車載機器、データ収集装置なども挙げられます。

計測アンプの原理

計測アンプは差動形式を入力部に有し、出力部をシングルエンドのアンプ出力とすることで、入力ノイズを抑制しています。特にCMRと呼ばれるコモンモード除去比を大きく確保する目的に徹したアンプ動作を行うのが特徴です。

オペアンプと比べると、特定の機能に特化して設計されているアンプにつき専用の目的に対して用いるため、オペアンプと構造的には同じでも運用方法などが異なります。例えば、高精度の計測を行うために、バイアス電流の入力を低く抑える必要があり、ナノアンペアオーダーと小さい値であることが一般的です。

差動入力は、入力端子2つで構成され、平衡状態の保持によって数百MΩを超える高い入力インピーダンスである反面、一般的に出力インピーダンスは数mΩとかなり低く設定されています。また、運用方法においても、あらかじめ設定した狭い範囲の中で通常、抵抗や端子を用いて利得を選択するため、オペアンプと比べて使用用途範囲を狭い範囲に限定し柔軟性に欠けるものの、バラつきが抑制された非常に高い精度を実現することが可能です。

計測アンプのその他情報

1. オペアンプと計測アンプの違い

計測アンプはその回路面での構成上オペアンプを用いていますが、その回路としての扱いはオペアンプとは大きく異なります。オペアンプは、積分回路やボルテージフォロアなど実にさまざまなアナログ回路に使用されており、その最大の特徴は出力から入力への外部フィードバックループにあります。

このフィードバックループがオペアンプの各種アプリケーションへの適用汎用性を高める所以の1つであり、この設計でアンプ全体の諸特性が決まります。しかしながら、計測アンプには出力から入力へのこの外部フィードバックループはありません。計測アンプは内部にオペアンプを2つないし3つ有していながらも、その回路の構成上、差動増幅とコモンモード除去という役割に徹したアンプです。

その結果として、通常のオペアンプとは異なり、計測アンプはひずみゲージなどのセンサ類からの微弱な信号を扱うことができます。

2. センサASICへの集積

計測アンプは、ディスクリートアンプとして取り扱うメーカーも存在しますが、その多くはセンサASICに代表される圧力トランスデューサなどのホイートストンブリッジ回路と対で用いられるケースが非常に多く、圧力センサなどの制御用ASIC回路の一部として活用されています。

元来、計測アンプ自体がディスクリート部品でボード上にて構成するよりも、ICでモノリシック集積する方がアンプトランジスタ特性や抵抗のペア比を確保しやすく、計測アンプとしての特性を引き出しやすいです。

また、ASIC化することに伴い、センサの温度補正などの各種パラメータの補正用途に活用可能で、マイコンとをつなぐデジタルインターフェイスの集積とも相性がよく、小型化や高付加価値化に適しています。

参考文献
https://ednjapan.com/edn/articles/1003/03/news124.html
https://news.mynavi.jp/article/20141113-microchip_opamp/
https://www.analog.com/jp/products/amplifiers/instrumentation-amplifiers.html#
https://news.mynavi.jp/article/20141113-microchip_opamp/