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

静電、電歪、圧電アクチュエータ

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

(W.S.N.Trimmer, Sensors & Actuators, 19 (1989) p.267)

静電力のスケーリング (寸法S倍)

間隔Dの対向電極(面積A)に電圧Vが印加された時に電極が引き合う力

Fe = ε0AV2/2D2 ∝ V2

[a] 間隔が広い時: 絶縁破壊電圧 ∝ S

Fe ∝ S2

[b] 間隔が中程度の時: 絶縁破壊電圧 ∝ S0

Fe ∝ S０

[c] 間隔が狭い時: 絶縁破壊電圧 ∝ S-1

Fe ∝ S－２

発生可能な力の量的な比較

電磁力(単位面積): Fm =B2/2μ0 磁性材料の飽和磁束密度(Bmax)を 2 tesla とすると 107dyne/cm2

静電力(単位面積): Fe= ε0V2/2D2 絶縁破壊しない電圧300Vを間隔(D)0.3μmで印加すると 107dyne/cm2

パッシェン曲線(絶縁破壊電圧 - 間隔・圧力)

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

4

(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

狭電極間隔分布型静電マイクロアクチュエータ

(Y.Kawai, Proc. of the 20th Sensor Symposium, 2003 p.61)

5

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

6

独立駆動可変4プローブ

(Y.Ahn et.al.,APCOT MNT 2004, (2004) p.912)

Sample

Nano Wire

Si SiO2

Voltage meter

ElectrostaticActuators

Current source

V

100μm

MicroelectromechanicalMicroelectromechanical StepStepGearGear SystemSystem Fraunhofer IZM (ドイツ)

7

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

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）

8

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

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

9

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）

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)

10

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

静電浮上マイクロモータによる回転ジャイロ

2000 rpm

11

静電マイクロバルブ(接触モード静電アクチュエータ)

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)

12

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

エレクトレット静電発電気/モータ (原理、エレクトレット付シュラウド

型タービン、電荷保持特性) (T.Genda et.al., IEEE MEMS2004, p.470)

13

圧電セラミックス（ＰＺＴ）基板に製作したモノリシック XYZ (θφψ)６軸ステージ(D.-Y.Zhang et.al., Digest of Technical Papers, Transducers‘03, Boston (2003) 1518-1521) （H.Xu, Proceedings of the 21th Sensor Symposium, Kyoto, (2004-Oct. 14-15), 13-18）

モノリシック（一体型） XYZ (θφψ)６軸ステージ

Elongation vs. Applied Voltage of bimorph PZT actuator

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

)

LΔ

ZΔ

-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)

Bending vs. Applied Voltage of bimorph PZT actuator

14

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)

15

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

フロースパッタによるPZT厚膜

(H.Jacobsen et.al. MEMS 2006, p.214)

16

パラフィンの融解による熱膨張を用いたアクチュエータ

パラフィンの融解時の体積変化を用いたマイクロポンプ

(R.Boden(スウェーデン ウプサラ大), Transducers’05, 201)

特長: 圧力大 (1MPa)

流量 74 nl/min

17

パラフィンマイクロポンプの製作方法

SMA SEA(Shape Memory Alloy) (Super Elastic Aloy)

Ti-Ni合金 実用組成範囲(49.5~50.5%)

組成0.1%ずれると変態温度は10K変化

形状記憶合金と超弾性合金

18

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）

２次元触覚ディスプレイ

19

保持機構を内蔵した電磁リレー

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

20

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 )

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)

21

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

22

エレクトロウェッティング方式ペーパーライクディスプレイ

(フィリップス研究所)(日経マイクロデバイス 2004/1 p.43)

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)

23

固液界面動電現象

Electrophoresis

Electroosmosis

直接メタノール型燃料電池でのCO2排出機構

(G.Litters et.al.(IMTEK Freiburg(独), MEMS 2006, p.102)

24

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 18th Sensor Symposium, (2001-May)

(固体ロケットアレイ)

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)

25

MITで製作されたシリコンマイクロエアタービン (130万rpm)

マイクロエネルギ源

26

Nuclear battery (ラジオアイソトープ利用の振動発電器)(A.Lal & J.Blanchard (米コーネル大、ウィスコンシン大),IEEE Spectrum, Sept.2004 p.22

R.Duggirala (米コーネル大), Solid-State Sensors, Actuator and Microsystems Workshop, Hilton Head island (2004) 137), (S.-H.Kan & A.Lai, Transducers’2004, p.817)

MEMS燃料改質器

(S.Tanaka, Chemical Eng. Journal, 101 (2004) 143-149)

CH3OH + H2O + 49.5KJ/mol → CO2 + 3H2

水蒸気改質（吸熱反応）

27

CH3OH + H2O + 49.5KJ/mol → CO2 + 3H2水蒸気改質（吸熱反応）

燃料改質器 (Yoshida et al., PowerMEMS 2005)

燃料制御用圧力バランスバルブ(K.Yoshida (松下電工)、MEMS2006, p.722)

28

可搬型燃料改質器付燃料電池 (松下電工)

IHIエアロスペース(旧 日産宇宙航空事業部）・ 出力：2.6 kW（50/60 Hz共用）・ 大きさ：825×420×440 mm3

・ 重量：65 kg ・ 効率：8～10 %・ 低騒音（55 dB），高電気品質，

灯油・軽油使用可

29

小形大容量高出力電源の必要性

Power (W/unit)

Ener

gy (W

h/un

it)

Applicable range of small GT generators

Radio-controlled machines

Powered tools

Power assisted bicycles

Laptop PC

Digital cameras

Electric carsHybrid carsPowered wheel

chairsRobots

Toy robots

Cellular phones

小形(MEMS)ガスタービンの応用分野停車中のエアコン用電源 他

30

ImpellerLabyrinth

Seal

Nozzle

Rotor

Vaneless Diffuser

Diffuser

Compressor

Si

Turbine

Si

Pylex Glass

Silicon

Silicon

Pylex Glass

Silicon

Thrust Bearing

1st layer

2nd + 3rd layers

4th layer

5th layer

6th layer

In-plane configuration

Turbine drive airCompressed air

Bearing air

Bearing air

MEMSターボチャージャ

(P.Kang, J. of Micromech. Microeng., 15 (2005) 1076)

測定システムMEMSターボチャージャ

31

マイクロターボチャージャ 87万rpm 圧縮比2

圧縮機翼車

軸方向軸受軸方向軸受

タービン翼車

φ10 mm

(K.Isomura (IHIエアロスペース㈱, Power MEMS 2002, p.32)

（ガスタービン発電機の基礎実験）

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))

32

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

33

７．MEMSビジネスモデルと多品種少量生産

(WOFE 2004 : Advanced Workshop on “Frontiers in Electronics” Aruba (2004/12))

(トランジスタの発明→30年→マイクロプロセッサの出現→30年→現在)

○ 集積化MEMS (光電気集積化、センサ・通信付LSI、電源集積化）。

More than Moore

○ 少数のCMOSファウンダリを中心に多数のCustom design houseやPackaging 会社、ＣＭＯＳファウンダリは保守的に。

○ フィルム状、大面積化。

○ 三次元、並列化、低電力化、チップ内でロジックの占める割合が少なく、メモリ部が多くなる。クロック速度は飽和。

○ デバイス構造、材料(High k, Low k，GaN, Ge, Strained Si, CNT)。

○ 新アルゴリズムやアーキテクチャ。

○ 物理限界: 電子波長(10nm)、トンネリング(1nm)、Si原子サイズ(1nm)、配線抵抗。

30年後のLSI (What devices will dominate in 2035 after CMOS scaling reaches its limit?)

34

(日経エレクトロニクス 2004.7.5)ワイヤレス機器のトレンド

LSIチップ上に

スイッチやフィルタなどの部品も一体化

9

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

35

「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

日経マイクロデバイス 2001年9月号

36

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))

犠牲層や構造体層による表面マイクロマシニングでMEMSを製作

回路を形成したウェハ(Al配線まで終了)

MEMSを製作(貫通配線付ガ

ラス上のアレイMEMS等)

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(ハイブリッド組立型)

(外部機関)

MEMSを

製作し封止したウェハ

回路を形成

SOIウェハ

などに回路を形成

バルクマイクロマシニングによりMEMSを製作

Pre CMOS(基板内)

Post CMOS (バルク) (表面)

37

集積化MEMS

アレイ構造 (列 プリンタヘッドなど) (面 ディスプレイ・イメージャなど)

容量型センサ (容量型加速度センサなど) 寄生容量の低減

高性能MEMS / 長チャネル(3μm)CMOS

次世代ワイヤレスチップ (リレーやフィルタなどをRF回路チップ上に搭載) 寄生インダクタンスの低減

高性能MEMS / 高性能(微細)CMOS

→ ばねとして優れた材料のMEMSを低温プロセスで形成するこ

とが必要

(M.W.Judy: 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℃、3h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

38

多結晶SiGe振動子のアニール(時間１分)によるQ値の変化

(S.A.Bhave (米U.C.Berkeley), Solid State Sensor, Actuator and Microsystems Workshop (2002) p.34)

高性能CMOS回路上に形成したPoly-SiGe MEMS 振動ジャイロ

(W.A.Mehta(imec),ISSC 2005, p.88)

高性能CMOS回路上に高性能なばね構造を、低温プロセス(< 400℃)で形成

樹脂封止のための厚いカバー

39

MEMSコア4インチ製

造ライン

東北大 江刺研究室分室

(一般公開利用)

MEMSコア㈱ 泉工場社長 : 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

40

犠牲層ドライエッチング装置 (XeF2によるSiエッチング、HF+CH3OHによるSiO2エッチング、撥水性ドライコーティング)

MEMSコア㈱

(開発: フォード自動車からの研究員 → 製品化: 豊田中央研究所 → 製造: MEMSコア )

41

シリコンサイクル

42

MEMS市場の下方修正を繰り返す市場調査会社

(和賀三和子,日本のMEMS研究には何がかけているか, 日経マイクロデバイス, 2006 Sept.)

手作りによる20mmウェハプロセス用の安上がりな半導体設備

危険なガスは使わない、壊れる部分が少ない単純な装置、利用者 232名(25研究室)

43

自動車・家電 15社ダイムラークライスラー㈱[1] フォード自動車㈱[1] トヨタ自動車㈱[2] デンソー㈱[1]㈱日立製作所 日立研究所[1] 自動車機器㈱[1] 本田技研工業㈱[1] ㈱ゼクセル[1]㈱日立製作所 中央研究所[1] 曙ブレーキ工業㈱[1] 北陸電気工業㈱[2] ㈱神戸製鋼[2] 松下電器産業㈱[1] ㈱豊田中央研究所[1] 日産自動車㈱[1] 情報・通信 33社ボールセミコンダクター㈱[2] 三星電子㈱[1] 三星総合研究院[4] ㈱村田製作所[2]㈱日立製作所 機械研究所[1] 日本電波工業㈱[2] 大宏電機㈱[2] アルプス電気㈱[1]㈱富士写真フィルム㈱[1] スタンレー電気㈱[1] ㈱日本アレフ[1] リコー[2] 松下通信工業㈱[1] 国際電気㈱[1] ペンタックス㈱[2] 日本信号㈱[2]立山科学工業㈱[1] 矢崎総業㈱[1] 住友金属工業㈱[1] 日立電線㈱[1] ㈱日立超LSIシステムズ[1] ㈱サムコン[1] 秋田妙徳㈱[1] パイオニア㈱[1]ジャパンハイテックス㈱[1] シャープ㈱[1] スター精密㈱[1] 松下電工㈱[1]宮城沖電気㈱[1] モリテックス㈱[1] ㈱ＭＥＭＳコア[1] 北日本電線㈱[2] ソニー㈱[1]製造・検査・宇宙・計測 29社ダイムラー ベンツ㈱[1] icurie lab[1](韓国) ハネウェル[1] ㈱エステック[1]日本たばこ産業㈱[1] ㈱島津製作所[1] ㈱北川鉄工所[1] 豊田工機㈱[3]㈱長野計器製作所[2] セイコー電子工業㈱[2] ㈱堀場製作所[1] 旭化成工業㈱[1]石川島播磨重工業㈱[2] ㈱オプトエレクトロニクス[1] 日本真空技術㈱[1] アネルバ㈱[2]㈱アドバンテスト研究所[1] ㈱アドバンテスト[3] ㈱トキメック[2] キャノン㈱[2] 東京エレクトロン㈱[1] 第一放射線研究所[2] 日本化薬㈱[1] 三菱重工業㈱[2]㈱モリテックス[1] ㈱リケン[1] ㈱サンギ[1] NECトーキン㈱[1] しらかば農園[1]医療・バイオ 6社オリンパス光学工業㈱[2] 日本光電工業㈱[1] テルモ㈱[3] シスメックス㈱[1]三菱電線工業㈱[2] 井上アタッチメント[1]公立研究機関 10社韓国電子通信研究院[1] 韓国科学技術研究院(KIST)[1] 台湾工業技術研究院(ITRI)[2]山形県工業技術センタ[3] 工業技術院計量研究所[1] 広島県西部工業技術センタ[1] 日本放送協会[1]富山県工業技術センタ[3] 宮城県産業技術センタ[1] 産業技術総合研究所[1]

研究員を常駐で派遣した企業 他 (1990-2006) [人数] 93箇所[128名](国外青色 11箇所)付22

44

M.Nagao et.al.,SAE World Congress, Detroit, (2004)

Si deep RIE システム(M.Takinami, 11th Sensor Symposium, (1992) p.15)

Deep RIEで加工した電磁駆動容量

検出シリコン振動ジャイロ

45

国内MEMS企業9社の連携プロセスによる 「SEMIマイクロシステム/MEMSセミナー」 10周年記念品

の製作

2006/12/6付24

ハイテク多品種少量生産

今後の方向：

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）

(MEMSﾊﾟｰｸｺﾝｿｰｼｱﾑ http://www.memspc.jp)

MEMSセミナー(東京) 8/23-25 参加者 280名参加費、資料(印刷物、CD)代無料、参加申込不要

ハイテク多品種少量生産 → 産業競争力大,ハイテクベンチャ

設備の共用・有効活用（スピンイン） 委託生産、雇用創出

大学からの豊富な知識サービスの提供

46

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)。

1. 企業が中心だがネタ切れ (オープンコラボレーションが必要)

○ 自社製品の差別化部品としてのMEMSは比較的成功

横河電機(振動式圧力センサ)、トヨタ自動車(ジャイロ)、エプソンやキャノン(インクジェットプリンタヘッド)、オリンパス(レーザ顕微鏡用光スキャナ)など

○ 競争力を失った半導体からのMEMS

複数の企業が同じMEMS製品で過当競争、国の支援

○ 活力のある中小企業でも情報不足、設備の制約

2. 大学は論文のためのMEMSになりがち (設備の制約、専門分化)

3. 公的研究機関は欧州や台湾などに比べ弱体 (非効率、縦割)

4. 国家プロジェクトが成果に結びつかない (非効率、縦割)

5. 特長を活かした有効なMEMS(集積化、RF)に参入していない

日本のMEMS

47

諸外国と比較した日本のMEMS (私見)

米国 : 1960年頃から始まり、 1970年代にスタンフォード大学で進展。DARPA(防衛局)の予算、NSFの予算などのもと、現在はU.C.バー

クレーとミシガン大学など、主に大学がリードしている。テキサス・インスツルメンツのディスプレイ(DMD)、アナログデバイスの加速度センサなどが成功している。激しい競争でやっており、SiTimeやKnowelsを始めとするベンチャなどが出ている。

欧州 : 公的な研究所(スイス、ベルギー、フィンランドなど)が機能し

て成果をあげている。その結果スイスなどで企業が生まれている。商品化では苦戦しているため、日本企業へのアプローチも盛ん。大企業ではドイツのボッシュ(自動車電装品)が成功している。

アジア: 公的な研究所(台湾、シンガポール)で研究や産業支援。その結果、台湾ではChip sense, APMなどのMEMS契約生産会社ができている。韓国では早くからMEMSに投資したわりに成果に結び

ついていないとの評価。中国ではまだ量産に向いた技術が中心。