MEMSセンサー技術と応用

MEMSセンサーの基本構造の模式図

ユビキタス意識の実現

MEMSセンサーの小型化と低消費電力特性は、さまざまな機器や環境に組み込むことを可能にし、物理的世界の広範なセンシングを可能にする。

多次元データの提供

複数のタイプのMEMSセンサーは、動き、環境、音などの多次元データを感知することができ、IoTアプリケーションに豊富な情報入力を提供する。

エッジコンピューティングのサポート

信号処理機能を統合したMEMSセンサーは、エッジ側でデータの予備処理を行うことができ、ネットワーク伝送の負担を軽減できる

システム・コストの削減

MEMSセンサーの大量生産と統合性により、IoTシステムのコストが大幅に削減され、大規模な展開が容易になる。

機器寿命の延長

低消費電力MEMSセンサーがバッテリー駆動のIoTデバイスを長時間動作させ、メンテナンスコストを削減

MEMSセンサーの動作原理フロー

シリコン微細加工技術

原則：異方性ウェットエッチングまたは深堀り反応性イオンエッチング（DRIE）により、シリコン基板上に三次元微細構造を形成する。

特徴深さ対幅比の高い構造を製造でき、機械的特性が良好で、圧力センサーや慣性センサーなどの製造に適している。

代表的な工芸品：KOHウェットエッチング、ボッシュプロセスDRIE、シリコン-ガラス陽極接合。

表面微細加工技術

原則：マイクロメカニカル構造は、犠牲層の堆積、パターニング、選択的エッチングによって基板表面に形成される。

特徴ICプロセスとの互換性が高く、大量生産に適し、構造サイズが小さく、加速度計、ジャイロスコープなどの製造に適している。

代表的な工芸品：ポリシリコン表面微細加工、金属表面微細加工、SOI表面微細加工。

LIGAプロセス

原則：X線リソグラフィー、電気メッキ、モールディング技術を用いた高アスペクト比微細構造の製造。

特徴深さ対幅比が高く、高精度の金属製またはプラスチック製の微細構造を製造することができ、マイクロギアやマイクロモーターの製造に適している。

代表的な工芸品：X線LIGA、紫外線LIGA（UV-LIGA）。

ウェハボンディング技術

原則：加工された2枚以上のウェハーを永久的に貼り合わせ、複雑な3次元構造を形成すること。

特徴圧力センサーやマイクロ流体デバイスなどの製造に適した、複雑な三次元構造や密閉された空洞を実現することができる。

代表的な工芸品：Si-Si直接接合、陽極接合、共晶接合、層間接合。

MEMSセンサーの典型的な製造工程

MEMS加速度センサーの動作原理

家電

画面回転、歩数計、ゲームコントロール、デバイスの姿勢検出

カーエレクトロニクス

エアバッグトリガー、横滑り防止装置（ESC）、アンチロック・ブレーキ・システム（ABS）

産業用モニタリング

機器振動解析、構造ヘルスモニタリング、傾斜検出

ヘルスケア

活動量モニタリング、転倒検知、睡眠分析、リハビリトレーニング

MEMSジャイロスコープの仕組み

家電

手ブレ補正、拡張現実（AR）、仮想現実（VR）、ゲームコントロール

カーエレクトロニクス

エレクトロニック・スタビリティ・コントロール（ESC）、ロールオーバー検知、レーンキーピングアシスト、自律走行

ナビゲーションシステム

慣性航法、姿勢参照システム、UAV安定化制御

ロボット工学

バランス制御、運動計画、姿勢推定

MEMS慣性計測ユニット（IMU）のコンポーネントと機能

ドローンとロボット

姿勢制御、ヘディングナビゲーション、自律飛行、バランス制御

AR/VR機器

ヘッドトラッキング、ジェスチャー認識、空間定位、没入体験

自動運転

車両姿勢推定、軌道追跡、ナビゲーション支援

運動解析

モーションキャプチャ、歩行分析、運動技能評価、トレーニングフィードバック

MEMS圧力センサーの動作原理

家電

高度計、天気予報、屋内ナビゲーション、水深測定、スマートフォン防水検知

カーエレクトロニクス

タイヤ空気圧モニタリングシステム（TPMS）、エンジン吸気圧、燃料圧、ブレーキシステム圧

産業制御

レベル測定、流量監視、圧縮空気システム、プロセス制御、リーク検出

ヘルスケア

血圧モニタリング、呼吸モニタリング、輸液ポンプ制御、医療機器圧力制御

MEMSマイクロフォンの仕組み

スマートフォン

通話, 録音, 音声アシスタント, ノイズ低減, 音声認識

スマートホーム

スマートスピーカー、音声コントロールシステム、セキュリティモニタリング

ウェアラブル

ヘッドフォン、スマートウォッチ、AR/VRデバイス

カーエレクトロニクス

ボイスコントロール、車内通話、ノイズモニタリング、音響診断

測距と障害物回避

ロボット、ドローン、自動車逆走レーダー、インテリジェント・パーキング・システム

バイオメトリック

超音波指紋認識、ジェスチャー認識、3D顔認識

流量測定

ガス流量計、水道メーター、熱メーター

メディカルイメージング

ポータブル超音波画像診断装置、医療診断機器

IoTアーキテクチャにおけるMEMSセンサーの位置づけ

1TP5ティンクルード <Wire.h
#includeを追加しました。
#include .
#include  を追加しました。

// WiFiとMQTTの設定
const char* ssid = "YourWiFiSSID"；
const char* password = "YourWiFiPassword"；
const char* mqtt_server = "mqtt.example.com"；
mqtt_server = "mqtt.example.com"; const int mqtt_port = 1883; const char* mqtt_top = "YourWiFiPassword"; const char
mqtt_top = "YourWiFiPassword"; const char* mqtt_topic = "sensors/mpu6050"；

// MPU6050 オブジェクトを作成する。
MPU6050 mpu.

// WiFi と MQTT クライアントを作成する
WiFiClient espClient；
PubSubClient client(espClient).

// センサーデータ構造
struct SensorData { センサデータ構造体
  
  float accelX, accelY, accelZ; float gyroX, gyroY, gyroZ; float temperature; // センサーデータ構造体。
  float temperature; }.
}; }

void setup() {
  シリアル.begin(115200); }; void setup(); void setup() {

  // I2Cバスを初期化する。
  Wire.begin(); // I2Cバスを初期化する。

  // MPU6050の初期化
  Serial.println("MPU6050を初期化中...");while(!mpu.begin("MPU6050 の初期化..."))
  while(!mpu.begin(MPU6050_SCALE_2000DPS, MPU6050_RANGE_2G)) { ;while(!mpu.begin("MPU6050を初期化..."))
    Serial.println("MPU6050 センサーが見つかりません!");
    delay(500)；
  }

  // MPU6050 の設定
  mpu.setAccelPowerOnDelay(MPU6050_DELAY_3MS); mpu.setDHPFMode(MPU6050_DHPF_5HZ); // MPU6050を設定する。
  mpu.setDHPFMode(MPU6050_DHPF_5HZ); mpu.setFullScaleGype(MPU6050_DHPF_5HZ); }.
  
  mpu.setFullScaleAccelRange(MPU6050_RANGE_2G); mpu.

  // WiFiに接続
  mpu.setFullScaleAccelRange(MPU6050_RANGE_2G); // WiFiに接続する。

  // MQTT サーバーの設定
  client.setServer(mqtt_server, mqtt_port); // MQTT サーバーを設定する。

  Serial.println("システム初期化完了!");
}

void loop() {
  // MQTT 接続の確認
  if (!client.connected()) { // MQTT接続を確認する。
    再接続()；
  }
  client.loop()；

  // センサーデータを読み込む
  SensorData data = readSensorData(); // センサーデータを読み込む。

  // MQTT サーバーにデータを送信する
  publishSensorData(data)；

  // しばらく待つ
  publishSensorData(data); // しばらく待つ delay(1000); }.
}

// センサーデータを読み込む
SensorData readSensorData() { センサデータを読み込む。
  SensorData data.

  // 加速度センサーのデータを読み込む
  Vector accel = mpu.readNormaliseAccel()；
  data.accelX = accel.
  data.accelY = accel.YAxis; data.accelZ = accel.
  data.accelZ = accel.ZAxis; data.accelZ = accel.

  // ジャイロデータを読み込む
  Vector gyro = mpu.readNormalizeGyro()；
  data.gyroX = gyro.XAxis; // ジャイロデータを読み込む; data.gyroY = gyro.XAxis; // ジャイロデータを読み込む。
  data.gyroX = gyro.XAxis; data.gyroY = gyro.YAxis; data.gyroZ = gyro.
  data.gyroZ = gyro.ZAxis; data.gyroZ = gyro.XAxis; // ジャイロデータを読み込む。

  // 温度データを読み込む
  data.temperature = mpu.readTemperature(); // 温度データを読み込む; data.gyroX = gyro.

  return data; }.
}

// センサーデータを MQTT に発行する
void publishSensorData(SensorData data) { // JSON 形式でデータを作成する。
  // JSON 形式でデータを作成する
  char buffer[256]; } // JSON 形式のデータを作成する
  snprintf(buffer, sizeof(buffer), "{"accel": {x "x")"; // センサーデータを MQTT に発行する。
    "{\"accel\":{\"x\":%.2f,\"y\":%.2f,\"z\":%.2f},\"gyro\":{\"x\":%.2f,\"y\":%.2f,\"z\":%.2f},\"temp\".%.2f}", data.accelX, data.accelX, data.accelX, data.accelX, data.accelX.
    data.accelX、data.accelY、data.accelZ、data.
    data.gyroX, data.gyroY, data.gyroZ, data.
    data.temperature）。

  // MQTTトピックにパブリッシュする
  client.publish(mqtt_topic, buffer); // MQTTトピックにパブリッシュする。
  Serial.println("Data has been sent: " + String(buffer))；
}

// WiFi接続のセットアップ
void setupWiFi() {
  Serial.print("Connecting to WiFi: "); } // WiFi接続を設定する。
  Serial.println(ssid)；

  WiFi.begin(ssid, password)；

  while (WiFi.status() ！= wl_connected）{
    WiFi.begin(ssid, password); while (WiFi.status() ！
    Serial.print(".");
  }

  Serial.println(".") ;}.
  Serial.println("WiFiが接続されました"); } } Serial.println("接続されました")
  Serial.println("IPアドレス："")；
  Serial.println(WiFi.localIP())；
}

// MQTT サーバーへの再接続
void reconnect() {
  while (!client.connected()) { // MQTTサーバーに再接続します。
    Serial.print("MQTT 接続を試しています...");
    String clientId = "ESP32Client-"；
    clientId += String(random(0xffff), HEX)；

    if (client.connect(clientId.c_str())) { クライアントが接続されました。
      Serial.println("Connected")；
    } else {
      Serial.print("接続に失敗しました、rc="); } else {
      Serial.print(client.state())；
      Serial.println(" 5秒後に再試行")；
      delay(5000)；
    }
  }
}

スマートホームにおけるMEMSセンサーの応用シナリオ

スマート・サーモスタット

• MEMS温度センサー
• MEMS湿度センサー
• MEMS気圧センサー
• MEMS赤外線センサー（人体検知）

インテリジェント・セキュリティ・システム

• MEMS加速度センサー（振動検出）
• MEMSマイクロフォン（音検出）
• MEMS赤外線センサー（動体検知）
• MEMS磁気センサー（ドアと窓の状態）

インテリジェント大気品質モニタリング

• MEMSガスセンサー（VOC、CO2、COなど）
• MEMS粒子状物質センサー（PM2.5、PM10）
• MEMS温湿度センサー
• MEMS気圧センサー

スマートホーム環境制御システム

このシステムは、さまざまなMEMSセンサーからのデータを組み合わせ、正確な室内環境制御とエネルギー最適化を可能にする：

産業用モノのインターネットにおけるMEMSセンサーの応用シナリオ

機器の状態監視

• MEMS加速度ピックアップ（振動モニタリング）
• MEMSジャイロスコープ（回転監視）
• MEMS温度センサー（温度モニタリング）
• MEMS圧力センサー（圧力モニタリング）

予知保全

• MEMS加速度ピックアップ（振動特性評価）
• MEMSマイクロフォン（音響シグネチャー解析）
• MEMS温度センサー（熱特性評価）
• MEMS磁気センサー（モーター性能解析）

プロセス制御

• MEMS圧力センサー（圧力モニタリング）
• MEMSフローセンサー（流量計測）
• MEMSガスセンサー（ガス濃度モニタリング）
• MEMS温度センサー（温度制御）

システムアーキテクチャ

ワークフロー

1. データ収集MEMSセンサーによる機器の振動、温度、圧力、その他のパラメータのリアルタイム取得
2. エッジ処理エッジデバイスによる生データのフィルタリング、特徴抽出、予備解析
3. データ伝送処理されたデータは、産業用ネットワークを介してクラウドプラットフォームに転送される。
4. データ分析クラウドプラットフォームは、機械学習アルゴリズムを使用して、デバイスの状態と健康状態の傾向を分析します。
5. 故障予測過去のデータと現在の状態に基づいて潜在的な故障を予測します。
6. メンテナンスに関する推奨事項最適なメンテナンスプランと具体的なメンテナンスの提案
7. 閉ループフィードバックメンテナンスの結果はシステムにフィードバックされ、予測モデルを継続的に最適化します。

システムの利点

ヘルスケアにおけるMEMSセンサーの応用シナリオ

ウェアラブル健康モニタリング機器

• MEMS加速度センサー（活動量モニタリング、歩数カウント）
• MEMSジャイロスコープ（姿勢検出、モーション認識）
• MEMS光学センサー（心拍数、血中酸素モニタリング）
• MEMS圧力センサー（高さ、床検出）

ポータブル医療診断機器

• MEMS圧力センサー（血圧モニタリング）
• MEMSマイクロフォン（デジタル聴診器）
• MEMS超音波トランスデューサ（ポータブル超音波）
• MEMSフローセンサー（呼吸モニタリング）

植込み型医療機器

• MEMS圧力センサー（心臓血管モニタリング）
• MEMS加速度センサー（活動モニタリング）
• MEMSマイクロポンプおよびマイクロバルブ（薬物送達）
• MEMS電極（神経刺激）

システム・コンポーネント

動作原理

1. グルコース検査酵素反応により間質液中のグルコース濃度を検出する小型電気化学センサー
2. 信号変換電気化学信号の電気信号への変換と送信機による受信
3. データ処理送信機による信号のフィルタリング、校正、初期処理
4. データ伝送処理したデータをブルートゥース経由で受信機器に送信する。
5. データ分析血糖値データを分析し、傾向のグラフを作成し、必要に応じてアラートを送信します。
6. データ共有クラウドプラットフォームにデータをアップロードし、医師や家族と共有することができる。

MEMS技術の主な貢献

• 小型化: MEMS技術により、痛みを伴わずに皮下に埋め込むことができるほど小さなセンサーを実現
• ローパワーMEMSセンサーの消費電力が低いため、7～14日間の連続稼働が可能です。
• 高精度: MEMS製造プロセス、センサーの高精度と一貫性を確保
• 多機能統合加速度センサーなど他のMEMSセンサーを統合し、より包括的な健康データを実現

システムの利点

スマートシティにおけるMEMSセンサーの応用シナリオ

高度道路交通システム

• MEMS磁気センサー（車両検知）
• MEMS加速度ピックアップ（路面振動モニタリング）
• MEMS圧力センサー（交通流）
• MEMS超音波センサ（駐車スペース検出）

環境モニタリング・ネットワーク

• MEMSガスセンサー（大気質モニタリング）
• MEMSマイクロフォン（ノイズモニタリング）
• MEMS圧力センサー（気象モニタリング）
• MEMS流体センサー（水質モニタリング）

構造ヘルスモニタリング

• MEMS加速度ピックアップ（振動モニタリング）
• MEMSひずみセンサー（変形モニタリング）
• MEMS傾斜センサー（傾斜モニタリング）
• MEMS圧力センサー（ストレスモニタリング）