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2014年7月17日 (木)

MNOIC実習セミナー「センサ回路とシステム・シミュレータ実習」のご案内

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- MNOIC実習セミナー -

「センサ回路とシステム・シミュレータ実習」

【TIA連携大学院サマー・オープン・フェスティバル2014】

主催:一般財団法人マイクロマシンセンター
後援:独立行政法人・産業技術総合研究所・集積マイクロシステム研究センター
後援:つくばイノベーションアリーナナノテクノロジー拠点 運営最高会議

【概要】

 一般財団法人マイクロマシンセンター・MEMS協議会では、MEMS・マイクロナノ領域における産業推進の一環として独立行政法人・産業技術総合研究所・集積マイクロシステム研究センターの研究施設を用いた研究支援を行うMNOIC(マイクロナノ・オープンイノベーションセンター)事業を実施しています。その中で特に人材育成には力をいれ、MNOICで利用可能な最先端装置を用いた実習形式の「MNOIC実習セミナー」を開催し、好評を得て参りました。

 今回はその第三弾として、「センサ回路とシステム・シミュレータ実習」を企画致しました。ご存知のようにMEMSやセンサはスマートホンやタブレットの機能を決めるキーデバイスであり、また社会インフラ等のモニタリングに必須のデバイスになってきました。しかしその有効活用には、センサ特有の回路や利用方法を習得する必要があります。センサ回路は基本的にアナログ回路のため、その習得は容易ではありません。本実習はセンサの検出理論を理解して、最適な回路を設計する手法を短時間で習得するとともに、SPICEやMemsONEの回路機能シミュレータを実際に使い、理解を深めていきます。またノイズ理論を基礎に短時間で世界最高感度のセンサを設計できるポイントを習得したいと思います。更に現有のMEMSやセンサを使いこなすための回路技術ではなく、センサの研究に関係する学生の方が、最低限必要なオペアンプを用いた信号処理の基礎や、回路シミュレータであるSPICEの利用方法を学習・実習します。また最先端の技術習得として有限要素法を使うことなしに、比較的複雑な構造体の共振モードや共振周波数を含む機構シミュレーションが出来、かつMEMS-回路の混在シミュレーションが可能なMemsONEの回路機能シミュレータの学習や実習も行います。

 尚、この実習講座はTIA人材育成活動の一環として、「TIA連携大学院サマー・オープン・フェスティバル2014」*として実施します。このため学生の皆様は無料で参加できます。この機会に今回の実習セミナーを体験して頂き、更に多数の皆様にMNOICを利用して頂くことに期待しております。

 *TIA連携大学院サマー・オープン・フェスティバル2014 http://tia-edu.jp/summer_fes/

【日程】
2014年8月21日(木曜) 13時20分開始
       22日(金曜) 16:30終了予定

【場所】
〒305-8564 茨城県つくば市並木1-2-1
産業技術総合研究所 東事業所:集積マイクロシステム研究センター内 NMEMSイノベーション棟 一般財団法人マイクロマシンセンター、MNOIC開発センターhttp://mnoic.la.coocan.jp/access/index.html(MNOIC開発センター@つくば:秋葉原ではありません)

学習・実習内容】
 センサ、MEMSの原理、最先端MEMSの研究開発状況、MEMSの産業概観
 センサ回路の概要、センサ回路の設計、回路シミュレータによる実習
 センサのAC駆動法の設計、サイン波の生成方法、駆動方法とシミュレーション実習
 低雑音OPアンプを使ったセンサ回路の設計とシミュレーション
 作成済の回路基板を用いたオシロスコープによる波形観察 MemsONE(統合化MEMS設計・シミュレーションツール)の回路機能シミュレータであるMEMSpiceの原理・利用方法を製造販売元の一つである、㈱NTTデータ数理システムから紹介
 MemsONE  MEMSpiceの基本的な使用方法の理解 MEMSpiceを用いたカンチレバー型センサの振動状態解析の実習 MEMSpiceを用いた簡単な外部回路を含めた統合シミュレーションの実習
 回路シミュレータ、MEMSpice機能シミュレータは1人1台(参加者5名以下)或いは2人で1台のPCを準備します。(参加者6名以上)

【費用】
 研究支援料および資料代(ホテル代、昼食代は含みません)  一般(企業等) 30,000円(消費税込)
 アカデミア(大学、公的研究機関)職員 15,000円(消費税込)
 学生(社会人学生を含む) 無料

【MNOIC実習セミナー費用の支払方法】
 お申込みの確認後、受付メールをお送りします。お申し込みのご住所に請求書と受講票をご郵送しますので、当日は、受講票をご持参ください。お振込みは9月30日(月)までにお願いいたします。また、お振込み期限を過ぎる場合には、お振込み予定日をメールまたはFAXにてお知らせください。尚、MNOICの年間利用コースの利用法人は1法人につき1名が無料となります。またMEMS協議会会員はアカデミア料金でご参加可能です。

【申込方法、および申込み先】
以下を記入の上、メールにてお申し込みください。

 郵便番号:
 ご住所:
 法人名:
 ご所属:
 ご氏名:
 連絡先(電話):
 メールアドレス:
 請求書の宛先・宛名(上記と異なる場合):
 参加費区分(ご選択ください): 一般 ・ 学生 ・ MNOIC年間利用コース ・ MEMS協議会
 その他、ご連絡内容:

申込先
〒101-0026 東京都千代田区神田佐久間河岸67 MBR99ビル 6F
TEL:03-5835-1870 FAX:03-5835-1873
email:t_mihara@mmc.or.jp
一般財団法人 マイクロマシンセンター
MEMS協議会事務局 MNOIC研究企画部
三原 孝士 宛 
<その他>
恐れ入りますが、宿泊場所等は各自でご予約ください。

【最小実施人数
・3名
 恐れ入りますが、申込者が2名以下の場合は実施を延期、或いは中止する場合がありますのでご容赦ください。また実習形式のため、先着順に10名に達した時点で締切とさせて頂きます。

【実習プログラム案】

2014年 8月21日(木曜)  1日目
13時20分集合(NMEMSイノベーション棟1F受付ロビー):入所方法、集合場所等は参加者に別途ご案内致します。
1)13:20-13:25 開催の挨拶
2)13:25-13:40 オリエンテーリングとMNOICの概要説明(担当 三原)
3)13:40-14:30 センサ、MEMSの原理、利用方法、最先端MEMSの研究開発状況、MEMSの産業概観(MNOIC 三原)
4)14:40-15:40 LTSpiceの使用方法の学習、回路部品入力の実習(三原)
5)15:40-16:20 OPアンプの学習、基本的なOPアンプ回路のシミュレーション(三原)
6)16:20-17:20 MEMS圧力センサのAC駆動の設計、LTSpiceによるシミュレーション実習(三原)
7)17:30-18:00  簡単な懇親会(参加者+関係者:ビールとおつまみ程度)

2014年 8月22日(金曜)  2日目
1)9:00 集合(NMEMSイノベーション棟2F会議室)
2)9:00-10:00  MEMS圧力センサの読み出し回路の設計(三原)
3)10:00-10:45 MEMS圧力センサの読み出し回路のシミュレーション実習(三原)
4)10:45-12:00 実際の回路のオシロスコープによる波形観察(三原)
5)13:00-13:40 MemsONEの概要、機能シミュレーションの説明((株)NTTデータ数理システム 望月俊輔氏)
6)13:40-14:50 MEMSpiceの実際とカンチレバーモデルの実習(望月氏)
7)14:50-16:00 MEMSpiceを用いた周辺回路との統合化シミュレーションの実習(望月氏)
8)16:00-16:30 纏めと反省会(三原)
9)16:30  終了予定


MemsONE* 正式名称:MEMS用設計・解析支援システム
参考情報(実習に使うツール等の説明)
1. LTspiceに関して
 高性能なアナログ半導体を開発・製造・販売する米国の企業、リニアテクノロジー社が提供する回路シミュレータ「LTspice」を実習に使います。LTspiceの説明は以下のリニアテクノロジー社のHPから抜粋した内容をそのまま記載しました。http://www.linear-tech.co.jp/designtools/software/
 「LTspice IVは高性能なSpice IIIシミュレータと回路図入力、波形ビューワに改善を加え、スイッチング・レギュレータのシミュレーションを容易にするためのモデルを搭載しています。 Spiceの改善により、スイッチング・レギュレータのシミュレーションは、通常のSpiceシミュレータ使用時に比べて著しく高速化され、ほとんどのスイッチング・レギュレータにおいて波形表示をほんの数分で行なうことができます。Spiceとリニアテクノロジーのスイッチング・レギュレータの80%に対応するMacro Model、200を超えるオペアンプ用モデルならびに抵抗、トランジスタ、MOSFETモデルをここからダウンロードできます。」

今回学習・実習する機能
1) 回路図の入力、素子の選択、結線
2) 回路シミュレーション条件の設定
3) 波形ビューアの見方
4) DC解析、AC解析、波形の過度解析

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図1 LTspiceシミュレーションの例

2. MemsONE(統合化MEMS設計・シミュレーションツール)の紹介
 MemsONE( MEMS Open Network Engineering System of Design Tools ) は、効率的なMEMSの設計・開発をサポートするためのソフトウェアです。MemsONEは経済産業省/NEDO技術開発機構の委託を受けた「MEMS用設計・解析支援システム開発プロジェクト」により産学連携の研究コンソーシアム(9企業、13大学、1研究機関、1団体)により、3年間を費やして開発され、その成果として2007年から販売され、その後、年1回のペースで機能の改善強化版がリリースされてきています。皆様には2013年7月にリリースされた最新バージョン、6.0を使って頂きます。
 MemsONEは、最先端の習熟したMEMS研究者・技術者に利用されるのみならず、初心者や経験の乏しい多分野の研究者・技術者であってもMEMSに関する高度な知見やデータをストレスなく利用することが可能なソフトウェアを目指して開発されました。
 MemsONEの詳細は
 http://www.mmc.or.jp/mems-one/
を参照してください。  今回 実習するMEMSpice機能通常、MEMS構造体の機構解析、すなわち構造体の振動モード解析や、歪や応力と言った力学解析、電界や磁界の電磁気解析は有限要素法を使って解析しますが、モデル化に時間が掛かかり、その物理モデルを良く理解しないと正しい解析解が得られないと言った課題もあります。今回実習に使うMEMSpiceは、MemsONEの1機能ですが、SPICEで使われている手法(回路ノード解析)を用いて、MEMS構造体を部品レベルで配置し、その物理・構造パラメータを回路パラメータに置き換え、かつ解析モデルをSPICEで計算できるような変換モデルを使うことで従来の有限要素法を用いなくても、極めて精度の高い振動モード解析や歪・応力解析等が可能になります。更に、この結果をSPICEモデル化した回路と一体化しててシミュレーションすることで、MEMS機構と回路の一体化解析も可能になります。

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図2 MEMSpiceの説明

1) カンチレバーの機能部品への分割
2) 解析条件の設定
3) カンチレバーの振動モード解析
4) 簡単な周辺回路の付加と統合シミュレーション

3. 実習に使用する教材、モデル
(1) 対象とするセンサ
 ・センサ: 圧力センサ(MEMS絶対圧センサ 高感度型)
 ・センシングデバイス: シリコンピエゾ歪センサ(ホーイストンブリッジ型)

J4_2 図3 センサの概要

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図4 駆動用サイン波発生回路

(2) 駆動用サイン波発生回路
・ワンチップマイコン(PICマイコン)の内部発振回路を利用
・OPアンプを使った積分回路
・OPアンプを使ったQ=5のバンドパスフィルターによりサイン波生成

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図5 センシング回路

(3) センシング回路
・OPアンプを使ったサイン波電流駆動回路
・低雑音増幅回路
・OPアンプを使った実効値検出回路

J7_2 図6 シリコンカンチレバー素子の例

(4) シリコンカンチレバー素子(MEMSpiceで扱うMEMS構造体)
・厚さ、長さ、幅は自由に設定可能
・空気の粘性やダンピングも考慮
・外付け回路との統合シミュレーションも可能


<MEMS協議会 三原孝士>

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