1

６．MEMSの応用 その4 :

マイクロアクチュエータ(静電・圧電・熱・電磁・流体圧)

マイクロエネルギ源

各種アクチュエータのマイクロ化と出力の関係

出力

サイズ

静電モーター

電磁モーター

ピエゾモーター

2

静電アクチュエータの原理

可変電極間隔 可変電極面積

(コムドライブ、ステッピング)

静電アクチュエータのプルイン

3

静電インクジェットプリンタ

静電インクジェットプリンタのヘッドからのインク滴吐出

4

ガラス

Si インク

電極 狭ギャップ (0.2μm)

Si ダイアフラム (2μm)

絶縁破壊部分

ITOPt

静電インクジェットプリンタにおける絶縁破壊（放電）の例

(T.Ono et.al., J.Micromech.Microeng.,10 (2000) 445-451)

狭いｷﾞｬｯﾌﾟを持つ静電ﾏｲｸﾛｱｸﾁｭｴｰﾀにおける放電電圧の電極材料依存性

5

分布型静電マイクロアクチュエータ

(K.Minami,IEEE J. of Micromechanical Systems,2(1993)121-127)

DEMA (Distributed Electrostatic MicroActuator) （可変電極間

隔）

DEMA (Distributed Electrostatic MicroActuator)(XYステージ)

6

螺旋構造直列分布型静電マイクロアクチュエータ

(K.Minami et.al., Sensors and Actuators,72 (1999), 269-276)

Au 斜め蒸着

螺旋構造直列分布型静電マイクロアクチュエータの作製

7

螺旋構造直列分布型静電マイクロアクチュエータの写真

螺旋構造分布型静電アクチュエータのフィードバック制御

8

分布型静電マイクロアクチュエータにおけるフィードバック回路利得の違いによる硬さ制御

(M.Yamaguchi et.al.,

J. of Micromechanics and Microengineering, 3 (1993), 90-95)

コムドライブ静電アクチュエータの原理

特徴 ：比較的変位が大きい、

可動部を支えるばねは細く長くすると横方向にたわんでしまう

9

Independently movable 4 micro probes(Y.Ahn et.al.,APCOT MNT 2004,

(2004) p.912)

Sample

Nano Wire

Si SiO2

Voltage meter

ElectrostaticActuators

Current source

V

100μm

並列分布型コムドライブ静電マイクロアクチュエータ (Ⅰ)

(阿部宗光 他,第１６回「センサ・マイクロマシンと応用システム」

シンポジウム、和文速報、６月 川崎 (1998),77)

2mm

10

屋根ありコムドライブ静電アクチュエータ

ストッパー

固定子

可動櫛歯

固定櫛歯

シャッター

光

屋根コムサポート

バネ

梁

コムサポート

屋根

バネ

可動櫛歯

固定櫛歯

梁

屋根なし 屋根なし 屋根あり

接触!!

6.8 µm 0.3 µmたわみ(100 V)

接触接触 （屋根なし）（屋根なし）

（渡辺 他、The 20th Sensor Symposium (2003 July) 25-28）

屋根ありコムドライブ静電アクチュエータ (写真)

可動櫛歯及び屋根 シャッター

全体全体SEMSEM写真写真 シャッター付近拡大シャッター付近拡大

固定櫛歯

11

屋根ありコムドライブ静電アクチュエータの動作電圧；電圧；110 V110 V、、 駆動距離；駆動距離；50 50 µµmm

ステッピング静電マイクロアクチュエータの原理

（位置を検出して駆動する電極を決定する制御が必要）

12

ステッピング静電マイクロアクチュエータ

(T.Matsubara et.al., Transducers’93, 50-53)

静電浮上マイクロモータによる回転ジャイロ（円板型）

(Murakoshi (Tokimec Inc.) et.al., Transducers’99)

13

静電浮上マイクロモータによる回転ジャイロ（円板型）の構造

静電浮上マイクロモータ(円板型)の回転

Max 20,000 rpm

10mm

14

スクラッチドライブ静電アクチュエータ

静電マイクロバルブ(接触モード静電アクチュエータ)

15

静電ﾏｲｸﾛﾊﾞﾙﾌﾞで観測される異常ﾋｽﾃﾘｼｽ (帯電の影響)

接触モード静電アクチュエータにおける帯電（チャージアップ）問題とその対策

16

静電モータ・発電機のための微細パターンエレクトレット

(T.Genda et.al., IEEE MEMS2004, p.470)

水銀接触帯電装置

17

エレクトレット保持特性

発電電極付シュラウド型エアタービン(T.Genda et.al., Technical Digest Power MEMS 2004 (2004) p.183)

18

(T.Genda et.al., Technical Digest Power MEMS 2004 (2004) p.183)

シュラウド型エアタービンによるエレクトレット発電機

19

溝加工と電解メッキによる積層圧電アクチュエータ

(鈴木学 他, 電気学会論文誌Ｅ,122-E (2002) 217-222)

圧電セラミックス（ＰＺＴ）基板に製作したモノリシック（一体型） XYZ (θφψ)６軸ステージ

(D.-Y.Zhang et.al., Digest of Technical Papers, Transducers'03, Boston (2003) 1518-1521)

モノリシック（一体型） XYZ (θφψ)６軸ステージ

20

L∆

Z∆0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0 20 40 60 80 100 120Applied Voltage (V)

Dis

pla

cem

ent

(um

)

-12.0

-10.0

-8.0

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

0 20 40 60 80 100 120

Dis

pla

cem

ent

(um

)

Applied Voltage (V)

アクチュエータの伸びと曲がり

伸び

曲がり

X/Y Motion

変位拡大比 : L/W

Rotation around Z axis Z motion

21

圧電薄膜型MEMS角速度センサ

(野村幸治(松下電子部品)、8th SEMI Microsystem/MEMS Seminar, (2004) p.25)

PZTの組成と電気機械結合係数 PZT圧電薄膜の特性

(野村幸治(松下電子部品)、8th SEMI Microsystem/MEMS Seminar, (2004) p.25)

22

PZT圧電薄膜の間欠堆積(スパッタ)法(野村幸治(松下電子部品)、8th SEMI Microsystem/MEMS Seminar, (2004) p.25)

他の参考文献 : 溝渕一郎、高橋幸郎、スパッタ法によるPZT薄膜形成、電気研究会資料 MSS-04-23 (2004) p.41

保持機構付き熱膨張アクチュエータによる光ファイバスイッチ

23

保持機構を持つ熱型(ﾊﾞｲﾒﾀﾙ)ﾏｲｸﾛｱｸﾁｭｴｰﾀの例

形状記憶合金アクチュエータの動作

24

SMA(形状記憶合金)アクチュエータと保持機構を用いた視覚障害者用触覚ディスプレイ

学部1年生の研究発表(創造工学研修)（河北新報 ２０００年５月１２日）

SMAｱｸﾁｭｴｰﾀと保持機構を用いた点字ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ

25

SMAｱｸﾁｭｴｰﾀと保持機構を用いた点字ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲの動作例

２次元触覚ディスプレイ

26

２次元触覚ディスプレイ

保持機構付ＳＭＡアクチュエータによるプラスチック光ファイバ用スイッチ

SMAコイル

SMAコイル駆動回

路

全体構造

25ｍｍ

15ｍ

ｍ

POF

永久磁石

ストッパー

アクリル基板

電極 配線

入射光出射光

SMAコイル

磁性体リング 金属 リング

5ｍｍ

ファイバ： POF （SI型） コア径0.486、外径：0.5mm永久磁石→ L４×W４×H2 表面磁束密度：

320ミリテスラ 吸着力：0.35キログラ

ムNi磁性体→ 材料：鉄 表面： Niメッキ、 肉厚0.5SMAコイル→ 材料：Ni－Ti合金、コイル幅0.2mm、

1ｍｍ長さのターン数：8ターン、素線径：0．05mm

必要な要素部品

(M.Bhuiyan et.al., 20th

Sensor Symposium, (2003) 47-50)

27

光スイッチの動作例

光スイッチの動作

28

蠕動運動システム（人工みみず）

(篠原英司 他, 電気学会論文誌Ｅ,119-E (1999)334-339)

みみずの動き（蠕動運動）

29

人工みみずの動き

保持機構を内蔵した電磁リレー

30

電磁駆動２軸光スキャナ(N.Asada et.al., IEEE Trans. on Magnetics 30 (1994))

保持機構付き２方向電磁駆動光スイッチ

(Baba et.al. 19th Sensor Symposium, (May 2002) 359-362 )

31

保持機構

各種のマイクロポンプ

１．アクチュエータによる体積変化を用いたポンプ（一方向弁有無）

圧電アクチュエータ

静電アクチュエータ

サーマルアクチュエータ

電磁アクチュエータ

空気圧アクチュエータ 他

２．界面張力を利用したポンプ

熱毛管、電気毛管

３．たわみ振動の進行波を利用したポンプ

４．イオンドラッグポンプ（Electro Hydro Dynamic pump）

5. 電気浸透流ポンプ (Electro Osmotic Pump)

32

一方向弁を用いたマイクロポンプ

マイクロポンプに用いられるアクチュエータ

33

界面張力を利用したマイクロポンプ

イオンドラッグマイクロポンプ

たわみ振動の進行波（Lamb wave）を利用したマイクロポンプ

(Electro hydro dynamic micro pump)

(土田 他，電気学会論文誌C，111 (1992) p.595)

34

固液界面動電現象

Electrophoresis

Electroosmosis

人工衛星姿勢制御のためのディジタルマイクロスラスタR.Hosokawa, S.Tanaka, S.Tokudome, K.Horie, H.Saito and M.Esashi,Technical Digest of the 18th Sensor Symposium, (2001-

(固体ロケットアレイ)

35

ディジタルマイクロスラスタの動作例

電気粘性流体をバルブに用いたアクチュエータ

(近藤悟 他、第15回「センサの基礎と応用」シンポジウム 講演概要集(和文速報) (1997),68)

36

シリコンマイクロエアタービン

(S.Tanaka et.al., 17th Sensor Symposium, 2000)

マイクロエアタービンの回転例（40,000 rpm）

37

MITで製作されたシリコンマイクロエアタービン

マイクロエネルギ源

38

Needs of small size power generator

Portable gas turbine engine

electrical power generator

(Nissan Motor → IHI)

39

マイクロターボチャージャ

コンプレッサ性能試験（ガスタービン発電機の基礎実験）48万rpm(K.Isomura et.al.,Intnl. Workshop on Power MEMS, Tsukuba (2002)p.32)

マイクロターボチャージャのコンプレッサ試験の様子

40

携帯用小形ガスタービンエンジン発電機のためSi3N4で製作したマイクロ燃焼器

Structure of a µ-combustor Test setup for a µ-combustor

Water-cooled gas probe

R-type TCµ-combustor

機械加工による窒化シリコン（ Si3N4 ）製タービンブレード4 mm

(S.Sugimoto et.al. Transducers’01 (2001))

41

微細加工したシリコンを鋳型にして焼結する炭化珪素(SiC)タービンブレードの製作法

(反応焼結条件 : 1700°C, 100MPa)(S.Sugimoto et.al., MEMS’2000)

微細加工したシリコンを鋳型にして焼結した炭化珪素(SiC)タービンブレード

42

小形燃料電池

Electrode

Outlet

Glass micro-gas channel

Fuel inlet

Air inlet

Catalytic combustor side

Reforming reactor side

MEMS技術に基づく燃料改質器

Suspendedmembrane

Fuel H2

ReformingreactorSilicon heat distributing plate

Catalyticcombustor

Micro-heater

Glass

Si

GlassSiO2

Fuel+Air

CH3OH + H2O + 49.5KJ/mol → CO2 + 3H2

水蒸気改質（吸熱反応）

43

水蒸気改質による燃料改質

Methonalreservoir

Waterreservoir

Steam reformingreactor

Water-gasshift

reactor

Hydrogenseperator

Combustor

Pump

Pump

Vaporizer

Mixer

Route A Route B

Heatexchange

Fuelsource

Air

Mixer

Vaporizer

CH3OH + H2O CO2 + 3H2

触媒燃焼を利用する小形熱電発電機[日本機械学会2001年度年次大会講演論文集(Ⅳ)、福井

(2001), 269－270]田中秀治、平山大典、長谷川智宏、源田敬史、江刺正喜

(学部１年生) (学部１年生)

44

Fuel Exhaust

Ｐ ＮThermal gradient

Output power

Combustion

Heat Heat

Catalyst Pt-TiO2Si

触媒燃焼発電器(松下電工㈱)(S.Yoshida et.al.,Proc.of the 20th Sensor Symposium, (2003) 365-370)

Exhaust

10mm20mm

3mm

MEMSエゼクタ

ラバルノズル

ノズル 混合管ディフューザTop view

先細ノズル

エゼクタの構造

一次流二次流混合流・一次流は液化ガスの蒸気圧を

利用し噴出する。

・電気エネルギーを消費しない。

・マイクロポンプを用いるよりエネルギー源の効率が高い。

(D.Sato et.al., Proc. of the 20th Sensor Symposium, (2003), 359-364)

45

７．MEMSビジネスモデルと多品種少量生産

The 2003-2007 MEMS market in $ millions

• In 2005, the MEMS market will be 5.6 B$; it will grow to > 7 B$ in 2007

• CAGR : 17% MEMS Market: Data

0

1 000

2 000

3 000

4 000

5 000

6 000

7 000

8 000

2003 2004 2005 2006 2007

$ m

illio

ns

MicrobolometersRF MEMSBio & Microfluidics comp.DLP (µ-mirrors)MOEMSGyroscopesAccelerometersP sensorsInkjet Head

Yole Development

C.-J.Eloy氏より

46

半導体産業から見たMEMSの

応用市場の可能性とビジネスモデルの調査研究

客員研究員 古川 昇

調査協力

イノベーション・インスティテュート

新藤哲雄

半導体産業研究所 2004年6月

1990年

「半導体産業から見たMEMSの応用市場の可能性とビジネスモデルの調査研究」 客員研究員 古川昇 2004年6月

47

日経マイクロデバイス 2001年9月号

SIP (System In Package) MEMS:回路チップとMEMSチップを接続

集積化加速度センサ

(アナログデバイス社)

SOC (System On Chip) MEMS : 回路上に一体形成したMEMS

ビデオプロジェクタ用DMD

(Digital Micromirror Device)

(テキサスインスツルメンツ社)

集積化RF音響フィルター

(インフィニオン社)

(2004 IEEE MTT-S p.395)

集積化インクジェットプリンタヘッド(富士ゼロックス)マルチプローブ強誘電体記録

(パイオニア, 東北大学(長,江刺))

48

犠牲層(Ge)や構造体層(SiGe など)あるいは圧電膜 (AlNなど)を形成

LSIを製作したウェハ(Al配線まで終了)

アレイMEMSを貫通配線

付ガラスに形成

フリップチップボンディングなどで組み立て

ウェハレベルパッケージングによる封止

ダイシング・装着・テスト

SOCMEMS(モノリシック集積型)

SIPMEMS(ハイブリッド組み立て型)

外部機関

(M.W.July: Tech.Digest solid-State Sensor, Actuator and Microsystems Workshop, Hilton Head (2004) 27-32)

(A.E.Franke, J.M.Heck, T.-J.King and R.T.Howe: J.ofMicroelectromechanical Systems, 12 (2003) 160-171)

iMEMS(アナログデバイス): 3μm BiCMOSinterleaved with 2-4μm poly Si

polySi-GeによるポストAl 表面マイクロマシニング

ポリシリコンの応力制御に1100℃での熱処理

犠牲層: PSG

エッチング: HF

犠牲層: Ge

エッチング: H2O2

低温(400℃程)熱処理で可

49

AlN薄膜を用いたオンチップ

可能な圧電振動フィルタ(AlNは300℃で堆積)周波数はAlNの厚さに依存

→ 厚さ制御性、均一性が重要

(M.Hara, IEEE MTT-S Internl. Microwave Symposium (2003) p.1797)

50

極端に少量で生産の引き受け手が無い

→ ㈱MEMSコア社（仙台市秋保）を2001年12月に設立し供給

場所 ：仙台市太白区秋保町

代表者：代表取締役社長 本間孝治 (ケミトロニクス会長)役割 ：ニーズに応え試作品や少量生産品を供給、ファンダリへ発注す

る前のエンジニアリングサンプルの試作民間ベースの効率的運営、中古設備の有効利用、同時に装置ビジネス、大学と連携(共同研究)

委託元の技術者参画の協同開発例 (光エンコーダ) （株）ハーモニックドライブシステムズ

羽根研究室の受託研究員

ＭＥＭＳコアの会議場（住宅内部） 2003.8.1

51

シリコンバレー発祥の地 ヒューレットパッカード社

カリフォルニア州

パロアルト

史跡

仙台市泉パークタウンの工業団地

52

MEMSパークコンソーシアムの組織体制MEMSMEMSパークコンソーシアムの組織体制パークコンソーシアムの組織体制

副代表

東北大学教授 桑野 博喜

東北大学教授 原山 優子

ＳＥＭＩジャパン代表 内田 傳之助

宮城県産業経済部長 遠藤 正明

仙台市経済局長 五十嵐 悦朗

幹 事

産業団体・企業関係者で構成

監 事

日本政策投資銀行東北支店長

井上 毅

顧 問東北大学総長 吉本 高志東北経済連合会会長 八島 俊章東北経済産業局長 本部 和彦宮城県知事 浅野 史郎仙台市長 藤井 黎

代 表東北大学教授仙台市地域連携フェロー 江刺 正喜

○年会費 一口 50,000円、平成17年1月現在 82団体 133口

シンポジウム、セミナー 他 開催

＜趣＜趣 旨＞旨＞○ 産学官の連携により、国内外の研究開発機関によるネットワークを構築し、産学官の相互乗入れによる研究開発を推進し、MEMS産業創出の拠点を形成することが目的。

53

大学の関連設備の活用

大学の関連設備の活用

○ 産主導による市場原理を基本とし、大学が連携、官はサポート○ 学と産の相互乗入れの仕組みづくり。○ 技術的情報の共有化、分科会を通じた委託研究の実践○ 研究者・技術者の集積を図る知的コミュニティーの形成○ 情報発信と研究開発一体の取り組み

MEMS関連ベンチャー企業等の設備の活用

MEMS関連ベンチャー企業等の設備の活用

MEMSパークコンソーシアムについてMEMSMEMSパークコンソーシアムについてパークコンソーシアムについて

近隣MEMS工場・研究所近隣MEMS工場・研究所

行政機関行政機関

産業支援団体産業支援団体

海外提携団体海外提携団体

業界団体業界団体

仙台市内の開発インフラ仙台市内の開発インフラ仙台市内の開発インフラMEMSﾊﾟｰｸｺﾝｿｰｼｱﾑMEMSMEMSﾊﾟｰｸｺﾝｿｰｼｱﾑﾊﾟｰｸｺﾝｿｰｼｱﾑ

MEMS関連企業等

他地域企業等他地域企業等他地域企業等 橋渡し橋渡し 橋渡し橋渡し

研究開発ブランチの誘致知的産業クラスターの形成

ＭＥＭＳビジネスの展開

ＭＥＭＳ関連企業ＭＥＭＳ関連企業

研究開発の効率化・低コスト化（オープンコラボレーション）

○ 大学からのより良いサービスの情報提供、役に立つ新技術の発信、新分野の開拓と同時に、知識情報を蓄積整理し利用してもらう。

○ 情報提供重視。(インターネット授業http://www.istu.jp, CDで大量な情報提供)

MEMSパークコンソーシアムによる情報提供

設備の共用・有効活用（スピンイン）

○ 試作開発を通し、設計から製作までを経験。全体を見通せるリーダを育てる。

○ スリムで維持が容易な、自由度が大きい試作設備。

○ 多くのユーザ(研究室)で利用 (有効利用、維持ロード分散)。

○ 大学設備の有料利用 (事後精算が今後課題)。

現状 : ICビジネスの延長で作り手の都合で作ろうとして、難攻している。→ ICの場合と異なるビジネスモデルが必要

(MEMSは標準化しにくく、幅広い知識が要る)

新しい方向 : ニーズに応えたMEMSビジネス(付加価値の高い「集積化MEMS」、多品種少量)。