MEMS

MEMS（メムス、Micro Electro Mechanical Systems）は、機械きかい要素ようそ部品ぶひん、センサ、アクチュエータ、電子でんし回路かいろを一ひとつのシリコン基板きばん、ガラス基板きばん、有機ゆうき材料ざいりょうなどの上うえに微細びさい加工かこう技術ぎじゅつによって集積しゅうせき化かしたデバイスを指さす。プロセス上じょうの制約せいやくや材料ざいりょうの違ちがいなどにより、機械きかい構造こうぞうと電子でんし回路かいろが別べつなチップになる場合ばあいがあるが、このようなハイブリッドの場合ばあいもMEMSという。

半導体はんどうたいプロセスを用もちいて作成さくせいされたギア（左下ひだりした）とダニ（右上みぎうえ）の電子でんし顕微鏡けんびきょう写真しゃしん。（サンディア国立こくりつ研究所けんきゅうじょ SUMMiTTM Technologies の好意こういによる www.mems.sandia.gov）

LIGAプロセスで製造せいぞうされた光ひかりスイッチ

その製作せいさくには、LIGAプロセスや半導体はんどうたい集積しゅうせき回路かいろ作製さくせい技術ぎじゅつをはじめとして、立体りったい形状けいじょうや可動かどう構造こうぞうを形成けいせいするために犠牲ぎせい層そうエッチングプロセスも用もちいられる。

以前いぜんは、MEMSはセンサなどの既存きそんのデバイスの代替だいたいを主おもな目的もくてきとして研究けんきゅう開発かいはつが進すすめられていたが、近年きんねんはMEMSにしか許ゆるされない環境かんきょう下かでの実験じっけん手段しゅだんとして注目ちゅうもくされている。例たとえば、電子でんし顕微鏡けんびきょうの中ちゅうは高だか真空しんくうで微小びしょうな空間くうかんだが、MEMSならばその小ちいささと機械きかい的てき性質せいしつを利用りようして電子でんし顕微鏡けんびきょう下かでの実験じっけんを行おこなうことができる。また、DNAや生体せいたい試料しりょうなどのナノ・マイクロメートルの物質ぶっしつを操作そうさ・捕獲ほかく・分析ぶんせきするツールとしても活躍かつやくしている。

現在げんざい、製品せいひんとして市販しはんされている物ものとしては、インクジェットプリンタのヘッド、圧力あつりょくセンサ、加速度かそくどセンサ、ジャイロスコープ、プロジェクタ・写真しゃしん焼付やきつけ機き等とうに利用りようされるDMD、光造こうぞう形式けいしき 3Dプリンターやレーザープロジェクタ等ひとしに使用しようされるガルバノメータなどがあり、徐々じょじょに応用おうよう範囲はんいは拡大かくだいしつつある。

市場いちば規模きぼが拡大かくだいして応用おうよう分野ぶんやも多岐たきにわたるため、期待きたいは大おおきく、第だい二にのDRAMと言いわれたこともある。

歴史れきし

歴史れきし的てきには古ふるくから機械きかい構造こうぞうを半導体はんどうたい製作せいさく技術ぎじゅつで作製さくせいする方法ほうほうが行おこなわれてきた。1951年ねんにはRCA社しゃによりシャドーマスクが製作せいさくされ、1963年ねんには既すでに豊田とよだ中央ちゅうおう研究所けんきゅうじょにより半導体はんどうたい圧力あつりょくセンサが発表はっぴょうされている。1970年ねん頃ごろにはスタンフォード大学だいがくでNASAの委託いたく研究けんきゅうでガスクロマトグラフがシリコンウエハ上うえに作成さくせいされた^{[注釈ちゅうしゃく 1]}^[1]^[2]。MEMSの定義ていぎにもよるが、いくつかの文献ぶんけんでは世界せかいで最初さいしょのMEMSは1967年ねんに発表はっぴょうされたH. C. Nathansonによる「The Resonant Gate Transistor」^[3]となっている。ただし、圧力あつりょくセンサもMEMSに分類ぶんるいされるので豊田とよだ中研ちゅうけんの半導体はんどうたい圧力あつりょくセンサもMEMSと考かんがえられ、どれが世界せかい初はつであるかについては議論ぎろんが分わかれる。

このような微細びさいな機械きかい構造こうぞうが注目ちゅうもくを集あつめるきっかけとなったのは1987年ねんのTransducers'87で発表はっぴょうされたマイクロギアやタービンである。その後ご、マイクロモータ、櫛くし歯は型がたアクチュエータなどの発明はつめいにより脚光きゃっこうを浴あびる。初期しょきの段階だんかいでは動うごくだけで良よかったが最近さいきんでは応用おうようを見据みすえたデバイスが主流しゅりゅうである。

現在げんざいでは後述こうじゅつのように多様たような応用おうよう先さきがあるため、MEMS応用おうようの市場いちば規模きぼは日本にっぽん国内こくないだけでも数すう千せん億おく円えんにものぼり、将来しょうらい的てきには数すう兆ちょう円えん規模きぼになると言いわれている^[4]。

プロセスの見地けんちでは、最近さいきんまで半導体はんどうたい集積しゅうせき回路かいろ技術ぎじゅつと近ちかいサーフェイスマイクロマシニングが主流しゅりゅうであったが、ICP-RIEによる深ふか掘ほりエッチングやウエハ接合せつごう、LIGAプロセス技術ぎじゅつなどMEMS特有とくゆうのプロセス技術ぎじゅつの発展はってんによりバルクマイクロマシニングが主流しゅりゅうとなってきている。
CMOS回路かいろと組くみ合あわせたデバイスはCMOS回路かいろとのプロセス技術ぎじゅつの整合せいごう性せいからサーフェイスマイクロマシニングを用もちいる場合ばあいが多おおいが、SOIウエハを用もちいてバルクマイクロマシニングとCMOS回路かいろを組くみ合あわせたデバイスも多おおくなってきている。

代表だいひょう的てきなMEMSデバイス

市販しはんされている代表だいひょう的てきなデバイス

プリンタヘッド: 特とくにインクジェットプリンタ用よう
圧力あつりょくセンサ
加速度かそくどセンサ
ジャイロスコープ
光ひかりスキャナ (ガルバノメータ)
AFM用ようカンチレバー
流ながれ路ろモジュール
デジタルミラーデバイス(DMD)
HDDのヘッド
DNAチップ
光ひかりスイッチ
ボロメータ型がた赤外線せきがいせん撮像さつぞう素子そし
波長はちょう可変かへんレーザー (共振きょうしん器きを可変長かへんちょう化かする)
光ひかり変調へんちょう器き

主おもな応用おうよう先さき

研究けんきゅう段階だんかいの物ものや期待きたいされる応用おうよう分野ぶんや

高周波こうしゅうは応用おうよう

主おもに微小びしょうな高周波こうしゅうはスイッチや共振きょうしん器きを実現じつげんする。

機械きかい的てきな高周波こうしゅうはスイッチの場合ばあい、半導体はんどうたいの高周波こうしゅうはスイッチより動作どうさ速度そくどは遅おそいものの、低てい損失そんしつのスイッチが実現じつげんできる。

共振きょうしん器きは小型こがたで高たかいQ値ねを持もつものが作製さくせい可能かのうである。水晶すいしょうを用もちいても高たかいQ値ねを実現じつげんできるが、シリコンで作製さくせいできるため集積しゅうせき回路かいろとの集積しゅうせき化かが容易よういである。

高周波こうしゅうはスイッチ
フィルタ
発振器はっしんき用よう振動しんどう子こ：水晶すいしょう振動しんどう子こと置おき換かえて使つかう

光ひかり応用おうよう

流体りゅうたい応用おうよう

生化学せいかがく応用おうよう

DNA分析ぶんせきチップ
蛋白質たんぱくしつ分析ぶんせきチップ

医療いりょう応用おうよう

血液けつえき検査けんさチップ
能動のうどうカテーテル
ドラッグデリバリシステム

センサ

圧力あつりょくセンサ
触覚しょっかくセンサ
慣性かんせいセンサ
- 加速度かそくどセンサ
- ジャイロセンサ
化学かがくセンサ
マイクロフォン：ECMの代かわりに使つかう

宇宙うちゅう応用おうよう

マイクロスラスタ
マイクロカロリーメータ

BioMEMS

MEMSの中なかでも特とくにライフサイエンス分野ぶんやで使用しようされるものをBioMEMSと呼よぶ。応おう用例ようれいは多岐たきにわたり、従来じゅうらいの固定こてい式しきの分析ぶんせき装置そうちによる血液けつえき検査けんさや抗体こうたい検査けんさ等ひとしを代替だいたいすることを視野しやに入いれて開発かいはつが進すすめられる。2000年ねん以降いこう、MEMSはスマートフォン等ひとしに内蔵ないぞうされる加速度かそくどセンサやジャイロセンサ等ひとしが実用じつよう化かされてきたが、次つぎはライフサイエンスへの分野ぶんやへ徐々じょじょに新あらたな活路かつろを広ひろげつつあり有望ゆうぼうな分野ぶんやであると予想よそうされる^[5]。従来じゅうらいの固定こてい式しきの分析ぶんせき装置そうちがBioMEMSにより小型こがた化かされればウェアラブル化かも可能かのうになるため、慢性まんせい性せい疾患しっかんの患者かんじゃのクオリティ・オブ・ライフ(QOL)の向上こうじょうが期待きたいされる^[6]^[7]。

MEMSにおける特徴とくちょう的てきなプロセス技術ぎじゅつ

集積しゅうせき回路かいろ作製さくせい技術ぎじゅつ以外いがいにMEMSで用もちいられる技術ぎじゅつ

大おおきな分類ぶんるい

バルクマイクロマシニング(Bulk Micromachining)
サーフェイスマイクロマシニング(Surface Micromachining)

エッチング技術ぎじゅつ

リソグラフィ技術ぎじゅつ

接合せつごう技術ぎじゅつ

直接ちょくせつ接合せつごう
陽極ようきょく接合せつごう

MEMSに用もちいられるアクチュエータ

静せい電力でんりょくを用もちいたもの

構造こうぞうが簡単かんたんで小型こがた化かに向むいている。発生はっせい力りょくは他たの方法ほうほうに比くらべて小ちいさい。MEMSでは最もっとも使つかわれる駆動くどう原理げんり

平行へいこう平板へいばん型がた静しずか電でんアクチュエータ
櫛くし歯は型がた静しずか電でんアクチュエータ
スクラッチドライブアクチュエータ (Scratch Drive Actuator:SDA)
静しずか電でんマイクロモータ

電磁でんじ力りょくを用もちいたもの

コイルや磁石じしゃくが必要ひつようになるため、静せい電でん型がたに比くらべ構造こうぞうが複雑ふくざつで大おおきいが、大おおきな力ちからを発生はっせいすることができる。ヒステリシスやドリフトを伴ともなうこともある。

電磁でんじ力りょくアクチュエータ
磁歪アクチュエータ

圧あつ電でん効果こうかを用もちいたもの

大おおきな力ちからを発生はっせいできるが、変位へんいが小ちいさい。

圧あつ電でん型がたアクチュエータ
圧あつ電でんバイモルフ

熱ねつ歪ゆがみを用もちいたもの

構造こうぞうが簡単かんたんで、大おおきな力ちからを発生はっせいできるが、ドリフトなどの不安定ふあんてい要素ようそがある

熱ねつバイモルフアクチュエータ
熱ねつ膨張ぼうちょう型かた

その他た

圧縮あっしゅく気体きたいを用もちいたもの
電気でんき分解ぶんかいを用もちいたもの

ソフトウェア

MEMSは微小びしょう構造こうぞう物ぶつなので、解析かいせきを行おこなう際さいには汎用はんよう的てきなシミュレーションソフトウェアでは、微小びしょう構造こうぞうによる特有とくゆうの現象げんしょうを考慮こうりょしていないため正確せいかくな解析かいせきを行おこなうことができない。近年きんねんではPCのスペックも向上こうじょうしているため汎用はんようシミュレーションでも解析かいせきが可能かのうであると紹介しょうかいされているが、静せい電でんデバイスやシステム解析かいせきといった総合そうごう的てきなMEMS設計せっけいを考かんがえると汎用はんようソフトウェアより専門せんもんソフトウェアに優位ゆうい性せいがある。

専門せんもんソフトウェア

・IntelliSuite　(IntelliSense社しゃ)[2]

・CoventorWare

脚注きゃくちゅう

[脚注きゃくちゅうの使つかい方かた]

注釈ちゅうしゃく

^ 宇宙船うちゅうせん内うちの空気くうきの成分せいぶんを分析ぶんせきして宇宙うちゅう飛行ひこう士しの健康けんこう状態じょうたいを調しらべる目的もくてきだったとされる。

出典しゅってん

^ James B. Angell; Stephen C. Terry; Phillip W. Barth (April 1983). “Silicon Micromechanical Devices”. サイエンティフィック・アメリカン 248 (4): 44 - 55.
^ J.B.エンジェル、S.C.テリー、P.W.バース「シリコン基板きばんに組くみ込こんだマイクロセンサー」『サイエンス』、日経にっけいサイエンス社しゃ、1983年ねん6月がつ号ごう、18頁ぺーじ。
^ Nathanson, H.C. Newell, W.E. Wickstrom, R.A. Davis, J.R., Jr., "The resonant gate transistor," IEEE Transactions on Electron Devices, 1967, Volume 14, Issue 3 On pages 117- 133
^ 出典しゅってん:ＭＥＭＳ関連かんれん市場いちばの現状げんじょうと将来しょうらい予測よそくについて。マイクロマシンセンター:http://mmc.la.coocan.jp/research/market/market2007/market2007.html
^ [1]
^ Grayson, Amy C. Richards, et al. "[Grayson, Amy C. Richards, et al. "A BioMEMS review: MEMS technology for physiologically integrated devices." Proceedings of the IEEE 92.1 (2004): 6-21. A BioMEMS review: MEMS technology for physiologically integrated devices.]" Proceedings of the IEEE 92.1 (2004): 6-21.
^ Saliterman, Steven S. Fundamentals of BioMEMS and medical microdevices. Bellingham, WA: Wiley-Interscience, 2006.

文献ぶんけん

James B. Angell; Stephen C. Terry; Phillip W. Barth (April 1983). “Silicon Micromechanical Devices”. サイエンティフィック・アメリカン 248 (4): 44 - 55.
J.B.エンジェル、S.C.テリー、P.W.バース「シリコン基板きばんに組くみ込こんだマイクロセンサー」『サイエンス』、日経にっけいサイエンス社しゃ、1983年ねん6月がつ号ごう、18頁ぺーじ。

外部がいぶリンク

[1] 宇宙船うちゅうせん内うちの空気くうきの成分せいぶんを分析ぶんせきして宇宙うちゅう飛行ひこう士しの健康けんこう状態じょうたいを調しらべる目的もくてきだったとされる。

[2] James B. Angell; Stephen C. Terry; Phillip W. Barth (April 1983). “Silicon Micromechanical Devices”. サイエンティフィック・アメリカン 248 (4): 44 - 55.

[3] J.B.エンジェル、S.C.テリー、P.W.バース「シリコン基板きばんに組くみ込こんだマイクロセンサー」『サイエンス』、日経にっけいサイエンス社しゃ、1983年ねん6月がつ号ごう、18頁ぺーじ。

[4] Nathanson, H.C. Newell, W.E. Wickstrom, R.A. Davis, J.R., Jr., "The resonant gate transistor," IEEE Transactions on Electron Devices, 1967, Volume 14, Issue 3 On pages 117- 133

[5] 出典しゅってん:ＭＥＭＳ関連かんれん市場いちばの現状げんじょうと将来しょうらい予測よそくについて。マイクロマシンセンター:http://mmc.la.coocan.jp/research/market/market2007/market2007.html

[6] [1]

[7] Grayson, Amy C. Richards, et al. "[Grayson, Amy C. Richards, et al. "A BioMEMS review: MEMS technology for physiologically integrated devices." Proceedings of the IEEE 92.1 (2004): 6-21. A BioMEMS review: MEMS technology for physiologically integrated devices.]" Proceedings of the IEEE 92.1 (2004): 6-21.

[8] Saliterman, Steven S. Fundamentals of BioMEMS and medical microdevices. Bellingham, WA: Wiley-Interscience, 2006.

[注釈ちゅうしゃく 1]

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[7]