静電容量式とピエゾ抵抗式のMEMSセンサの違い：原理・消費電力・温度特性・用途を比較
MEMSの加速度センサーや圧力センサーは、おもりやダイヤフラムが力で動いたり曲がったりする量を電気信号に変えます。静電容量式は、可動電極と固定電極の間の静電容量の変化から変位を測ります。消費電力が小さく温度の影響も受けにくいのですが、変化がごくわずかなので、高感度の専用回路が必要です。ピエゾ抵抗式は、シリコンに応力が加わると抵抗率が変わる効果を使い、ブリッジ回路で読み取ります。回路は簡単で出力も扱いやすい一方、電流を流し続けるため消費電力が大きく、温度による変化の補償が欠かせません。
| 項目 | 静電容量式 | ピエゾ抵抗式 |
|---|---|---|
| 検出の原理 | 可動電極と固定電極の間の静電容量の変化 | 応力による抵抗率の変化(ピエゾ抵抗効果) |
| 加速度センサーの構造 | ばねで支えたおもりに、くし歯状の可動電極を付け、両側の固定電極との容量の差を測る(差動) | おもりを支えるはりに抵抗をつくり込み、はりが曲がったときの応力を測る |
| 圧力センサーの構造 | 圧力で曲がるダイヤフラムと、向かい合う電極の間の容量を測る | 薄いダイヤフラムの縁に4つの抵抗をつくり込み、ホイートストンブリッジにする |
| 読み取る信号 | 非常に小さい容量の変化(加速度センサーではfF以下のことも)。容量を電圧に変える専用のASICが必要 | 抵抗の変化をブリッジの電圧として取り出す。回路は簡単 |
| 消費電力 | 小さい。直流の電流が流れない | 大きめ。ブリッジに直流電流を流し続ける |
| 温度の影響 | 受けにくい | 抵抗値と感度が温度で大きく変わり、温度補償が必須 |
| 感度と分解能 | 差動の電極と高感度の回路で、小さな加速度や微小な圧力も高い分解能で測りやすい | 出力の直線性がよい。感度は比較的低めだが、大きな圧力や衝撃の測定にも向く |
| 静止した状態(一定の力)の測定 | できる(重力も測れる) | できる(重力も測れる) |
| 外乱への強さ | 配線の寄生容量や電気的なノイズの影響を受けやすく、回路をセンサーの近くに置く | 低いインピーダンスで、寄生容量の影響を受けにくい |
| 製造 | 表面マイクロマシニングなどでつくり、回路のチップと一緒に小さなパッケージに入れやすい | 主にバルクマイクロマシニングでダイヤフラムやはりをつくり、イオン注入や拡散で抵抗を形成する |
| 主な用途 | スマートフォンなどの加速度センサー・ジャイロ、MEMSマイクロフォン、低消費電力の気圧センサー | 自動車のエンジンやタイヤの圧力、血圧計、産業用の圧力計、衝撃用の加速度センサー |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。