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2004.7.9

Institute of Industrial ScienceUniversity of Tokyo

MEMS技術の現状と応用動向

東京大学生産技術研究所

マイクロメカトロニクス国際研究センター

藤田博之

2004.7.9


講演内容• マイクロマシン技術の歴史と製品化• 立体的マイクロ構造、ナノ構造

–半導体微細加工による製作• マイクロマシンの応用展開

–光通信技術、バイオ・化学技術、ナノテクノロジー

• ２０年後の世界とマイクロマシン技術–ネットワークセンシング、身にまとうコンピュータ

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sensor researchers

1980 1990 2000

electrical engineers

mechanical engineers

optical engineers

chemists, biologists

communicationengineers

micromachine

optical MEMS

bio/chemical MEMS

RF ・MEMS

日本のMEMS 研究の発展

これ以降、応用展開研究が進展している

MEMS devices

micro sensors

Power MEMS

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半導体マイクロマシーニングの利点

• 加工精度がよい– 10nm～100μm級のマイクロ･ナノ構造が作れる

• 大量生産に向く• 組立や調整なしに立体的なマイクロ構造やマイクロアクチュエータを複雑に組み合わせたマイクロマシンを一括して製作できる

• マイクロセンサや電子回路を集積化した賢いマイクロマシンを作ることが可能

• 従来の半導体プロセス設備を流用できる

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「驚き」の時代(1987 - 1994)

• TRANSUDUCERS-87における、マイ

クロギヤやタービンの発表

• マイクロモータ、櫛歯アクチュエータ• その他のマイクロアクチュエータ• 立体マイクロ構造、などなど

• 半導体技術のバックアップによる発展の期待• 何に使うのか？という疑問

マイクロ歯車 (AT&T ’88)直径８０－１２０μｍ

マイクロモータ (UCB ’88)直径１２０μｍ

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マイクロアクチュエータ

• マイクロマシンを動かす力を発生する部品• 駆動方法はミクロの世界に最適な方法を利用する。「場」の力を用いるものと、材料自体の性質を用いるものがある

• 場：静電気、超電導体の反発力、電磁力• 材料：圧電素子、形状記憶合金、熱膨張• 構造も、自分自身が変形するもの、可動部が固定部と接触ながら自由に動くもの、可動部が浮上して動くものなどいろいろの工夫あり

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直径0.1mmのマイクロモータ

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板を立てて作るマイクロ空間光システムM.C. Wu, et al. Sensors & Actuators, A50, 127 (1995)

レンズの直径400μｍ

マイクロ蝶番

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深く垂直なプラズマエッチングの例

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「働き」の時代 (1995 - )• サーボ加速度センサ、インクジェットプリンタ、多数の可動ミラーアレイによる投射ディスプレイ等の市場投入

• マイクロ化学分析システム、無線通信、光技術、情報データ記録装置、等の有望分野

• 実用化のための要件：–仕様に合わせた最適設計、–新技術の優位性の証明、–生産性と信頼性の検証

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マイクロシステムの実用化検討マップ

絶対

有利

少量大量

市場規模（数量）

失敗領域

成功領域MEMS光スイッチ

インクジェットプリンタヘッド

集積化加速度センサ

ＤＭＤＧＬＶ

マイクロ・ナノ技術の必要性

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加速度センサの検出部と回路集積デバイス

重りをばねで支えて加速度によるたわみを検出

回路を一体化して検出感度を向上、自己校正も可能

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マイクロ加速度センサの応用

• 自動車のエアバッグ始動用センサ• アクティブサスペンション• ブレーキのロック検出• ナビゲーション• 携帯電話の入力（メニューの選択）• ゲームの入力機器

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マイクロ可動ミラーアレイによるビデオプロジェクタDigital Light Processing Texas Instrument

画素に対応するミラーを動かし、反射する光の量を制御するビデオRAMの上に作ってあり、０．１ｍｓ毎に動く

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MEMSビデオプロジェクタスクリーン

投射画像

投射レンズ

吸光板

可動のマイクロミラーのアレイ

可動ミラー

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MEMSの応用展開• 各種センサ

– 圧力、加速度、ジャイロ、ガスセンサ、磁気センサ• 光技術（特に光通信）への応用

– 光スイッチ、可変光減衰器、波長可変デバイス、光走査器、ディスプレイ

• バイオ化学への応用– 化学分析・反応チップ、健康管理チップ、細胞を用いたセンサ、生体分子を扱うマイクロシステム

• ナノテクノロジーへの応用– 高密度データ記録装置への応用、ナノ領域探索ツール

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MEMS技術の国内市場規模単位：億円

13,5534,261合計

130・食品機械工業農林水産

450・ITSインフラ都市環境整備

3,870120・アミューズメント・情報家電生活文化

4550・航空機・宇宙（衛星）航空宇宙

2,4671,351・センサ・センサ外システム自動車

130 ・環境計測機器環境関連

3710・ウェアラブル燃料電池エネルギー

486141・バイオセンサー・μTAS ・コンビナトリアルケミストリバイオテクノロジー

371122・生体現象計測/監視システム・診断用デバイス・システム

・生体機能補助機器・治療用および手術用機器医療福祉

288･工業用内視鏡・非破壊検査機器・保守情報センサーメンテナンス

38483・産業用ロボット・金属工作機械・半導体製造装置マイクロファクトリ

19133・SPM ・クロマトグラフィー・一般科学機器計測機器

1,242911･カメラ・デジタルカメラ・腕時計精密機器

3,6161,492･磁気/光ディスク装置・プリンター・ディスプレイ･VTR/ビデオカメラ・ファクシミリ/複写機・光通信・携帯電話/情報端末

情報通信機器

2010年2002年プロダクト貢献型アプリケーション産業分野分類 MEMS市場規模

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素晴しいアイディアを製品化するための課題

• 信頼性等の性能を十分に示す• ユーザの最終コストを最小にするデバイスを提供する

• MEMS設計・製造とパッケージインフラの整備、ユーザとサプライヤーのネット形成

• インフラの制約内で製造可能なデバイスを開発する

• 市場を捕まえる

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ＭＥＭＳ実用化へのファンドリーサービスの効果

絶対

有利

少量大量

市場規模（数量）

失敗領域

成功領域マイクロ・ナノ技術の必要性

ファンドリーサービス：設備費のかかる製作工程を引き受けるサービス

MEMS差別化システム

特殊用途MEMS

大量製造MEMSデバイス

ファンドリーサービスの効果

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MEMS設計解析ソフトの効果

• 試作回数の削減と開発時間の短縮• 高度な最適化を可能とする• 異分野への応用展開を助ける• ファンドリーの仮想的な利用を可能とする（うまい設計ができたら、実際に作る)

• 大学等の研究機関の経験を利用する• 企業や大学での技術者教育と育成に寄与

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異機能の集積による光MEMS実現

光機能集積システム

光MEMS技術

量子機能素子光学機能素子電子機能素子運動機能素子

化合物半導体技術

光集積技術シリコン技術マイクロ

マシーニング

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光ネットワークへのMEMS応用

• 光クロスコネクト (百以上 x 百以上)• アドドロップスイッチ (数十 x 数十)• 波長可変レーザ、フィルタ• 可変光減衰器• 波長依存利得イコライザ• 変調器

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MEMSアッテネータ: 小型化、コスト低減•従来比で大きさ 1/27、

•部品点数の低減 VOA-650 20点以上→MEMS VOA 7点

MEMS

50X25X12mm

Φ5.6X23mm

ｽﾃｯﾋﾟﾝｸﾞﾓｰﾀｰ

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性能比較結果

○×○気密

○ YAGレーザ△ 接着○ YAGレーザ固定パッケージ

○ < 10 μW△ 150 mW(熱駆動のため）

○ <10µW消費電力

◎△ (Tuning speed slow 20ms)

◎光学特性

△ 12.7x6.2x22.1mm

○ 可

○ DC 5V max.20dB max.

ﾋﾞｰﾑ遮断タイプ

JDSUMATW1ODA2601

△ 不可30dB max.○ 可

(offset to>450dB)完全遮断

△ φ9.2 x12.1○ φ5.7x22.8mmサイズ

△ AC 8V max. 30dB

◎ DC 5V max.>30dB

駆動条件

干渉効果タイプﾋﾞｰﾑ角度回転タイプ原理

LightconnectFOVA4000

santec MOVA-1

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二種類のマイクロ光スイッチ

• 2次元ＭＥＭＳ光スイッチ–平面上にアレイ化したミラーを光路に出し入れし、結合を変える（ミラーの制御不要）

– N2個のミラーがN x Nのスイッチに必要– N は32 程度か、それ以下。

• ３次元ＭＥＭＳ光スイッチ– ３次元空間でビームを走査して入出力ファイバーに結合 (精密なアナログ制御必要)

– N x N スイッチには 2N個のミラーで十分– N は数100程度まで可能

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２次元ＭＥＭＳ光スイッチ

光ファイバー

コリメータレンズ

マイクロミラー：マイクロアクチュエータでオンオフ駆動

入力側

出力側

バイパススイッチのアレイ化による発展形

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シリコンマイクロミラーによるバイパススイッチ

(100)基板面

(111)

(100) 底面

(100) 垂直面

100 μｍ

V-溝（光ファイバ固定用）

垂直ミラー

(100) 底面

(100) 垂直面

100 μｍ

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バイパススイッチの特性

• Permally piece(1x1x0.1 mm3) attached to cantilever (12x1.2x0.02 mm3) w/ mirror

• Switch was magnetically driven and had self-latching function.

• Resonant frequency: 67 Hz• Insertion loss: 0.5 dB w/ single-mode

collimated beam fiber• Rise time: 0.4 ms, Fall time: 2 ms• 20 million cycle operation was confirmed

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３次元ＭＥＭＳ光スイッチ

入力光ファイバー束

光路

２自由度マイクロミラーアレイ

出力光ファイバー束

コリメータレンズアレイ

２自由度マイクロミラーアレイ

コリメータレンズアレイ

２自由度マイクロミラー（ルーセント・ベル研究所）

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細胞を飼うチップ（バイオマイクロマシンの一応用）

• 細胞を捕獲し、薬剤等への反応を調べる• 免疫細胞を培養したチップに、抗原の候補となる物質を加え、アレルギー応答を見る

• チップ上の人工パターンに沿って、神経細胞を培養する。将来は、脳神経系の情報処理機構の解明や、アルツハイマー病の理解に資する事が期待される。

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ナノ領域探索用MEMSツール

• MEMS技術でナノ世界を解明する。

MEMS バイオ・ナノ技術

ナノシステム

観測ツール

機能

• 将来はナノ技術が提供する機能をMEMSに取り込んだナノシステムを創製する。

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ナノ現象の可視化実験（概念図）

位相検出型透過電子顕微鏡

電子顕微鏡像

チップ上のナノ構造

電子レンズ

コヒーレント電子銃

電子ビームスプリッター

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0 50 100 150 200 250

Voltage [V]

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0C

urre

nt [µ

Α]

冷電子放出銃のIV特性と陰極先端形状の同時観測

尖っている(R～20nm)

やや丸くなってきた(R～40nm)

丸まった(R～100nm)

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DNA分子を捕獲する

分子捕獲

DNA molecules in water

Nanogripper

Captured DNA molecules

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マイクロ化学システム

• チップの上で、化学分析、化学反応、化学合成などをおこなう

• 高速、省薬品、並列自動化、省スペース• 携帯健康管理システム、ベッドサイドの診断チップ、広範囲をカバーする分散的な環境監視ネットワーク、低密度の環境汚染物質の検出などに利用が期待される。

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マイクロ化学システムの概念

検出分離反応

流量制御

試薬

サンプル液

廃液

チップ上の流路内で様々の化学的処理や検出を行う

チップの大きさ～数cm

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技術潮流とMEMS• インテリジェント化

– 感じる(センサ)＋考える(回路)＋働く(メカ)

• 情報ネットワーク化– その場の情報を無線ネットワークで送るセンサ– 自分で劣化や故障を報告する機器

• 小型分散化– 身にまとうコンピュータ：どこでも自然に使う

• 環境適合化– MEMSの壁や床で住環境を快適にする

• 生物融合– 細胞の機能や生体分子の機能をチップ上で活用

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マイクロセンサネットワーク

• MEMS技術の集積化の特長を生かす：サンプリング用アクチュエータ、センサ、情報処理・通信回路、エネルギー源をチップに一体化

• 多数のチップを広域に散布して環境情報を面的に取得し、無線伝送する

• 人体に装着した健康管理システムで生体情報を通信ネットワークを通じて常時把握

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身にまとうコンピュータへの応用

• MEMSで、光を走査する眼鏡型ディスプレイ（現実と画像を重ねる）–マニュアルやデータの提示–高電圧が印加された部分は赤く見える

• 手、頭、体の動きを検知する加速度センサやジャイロスコープ(身振りで入力)

• 画像以外の刺激による情報の伝達（例えば、手触りを伝える)

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人工マイクロ構造に生体分子モータを付加して、搬送する実験

構造にはモータ分子を、基板にはレール分子を付加する

Kinesin

Slide glass

PLL

StructureStructure

Microtubule

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生体分子モータを用いたナノ搬送システム

微小管

キネシン修飾されたマイクロ構造

微小管(レール)

構造

キネシン(モータ)

横川、竹内、藤田、他：IEEE J. MEMS, 2004

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結論

• MEMS技術は実用化に耐える段階まで発展した。実際に、応用製品も販売されている。

• 今後の発展の方向として、情報通信、バイオ化学技術、ナノテクノロジー等への実用化の追及と、ナノ領域など先端研究の推進が考えられる。

• 応用分野を多様にし、異業種からの参入を促進するため、ファンドリー（製造引き受け)サービスと設計・解析支援ソフトウェアの充実が必須である。

• １０～２０年後の社会を支える基盤技術として、スマートセンサネットワークや身にまとうコンピュータなど広範囲の応用が期待される。

2004.7.9


謝辞

• 研究室の共同研究者、大学院生• 河野照哉先生、原島文雄先生、生駒俊明先生、他の諸先生

• マイクロメカトロニクス国際研究センター所属教官をはじめ同僚の先生方

• 共同研究の先生方• フランス科学研究センター(CNRS)• 文部科学省、日本学術振興会、科学技術振興事業団、東電記念財団、などからの研究資金援助

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