6.memsの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 2 静電アクチュエータの原理...
TRANSCRIPT
![Page 1: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/1.jpg)
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
![Page 2: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/3.jpg)
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
![Page 4: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/4.jpg)
4
(T.Ono et.al., J.Micromech.Microeng.,10 (2000) 445-451)
狭いギャップ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)
![Page 5: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/5.jpg)
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
![Page 6: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/6.jpg)
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)
![Page 7: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/7.jpg)
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)
![Page 8: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/8.jpg)
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
![Page 9: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/9.jpg)
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)
![Page 10: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/10.jpg)
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
![Page 11: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/11.jpg)
11
静電マイクロバルブ(接触モード静電アクチュエータ)
静電マイクロバルブで観測される異常ヒステリシス (帯電の影響)
![Page 12: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/12.jpg)
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)
![Page 13: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/13.jpg)
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
![Page 14: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/14.jpg)
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)
![Page 15: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/15.jpg)
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)
![Page 16: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/16.jpg)
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
![Page 17: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/17.jpg)
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
![Page 18: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/18.jpg)
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
![Page 19: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/19.jpg)
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))
![Page 20: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/20.jpg)
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)
![Page 21: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/21.jpg)
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
![Page 22: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/22.jpg)
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)
![Page 23: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/23.jpg)
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)
![Page 24: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/24.jpg)
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)
![Page 25: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/25.jpg)
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
![Page 26: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/26.jpg)
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)
![Page 27: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/27.jpg)
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)
![Page 28: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/28.jpg)
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
![Page 29: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/29.jpg)
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
![Page 30: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/30.jpg)
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
![Page 31: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/31.jpg)
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))
![Page 32: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/32.jpg)
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
![Page 33: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/33.jpg)
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?)
![Page 34: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/34.jpg)
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
![Page 35: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/35.jpg)
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
![Page 36: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/36.jpg)
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)
![Page 37: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/37.jpg)
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
![Page 38: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/38.jpg)
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
![Page 39: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/39.jpg)
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
![Page 40: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/40.jpg)
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 )
![Page 41: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/41.jpg)
41
シリコンサイクル
![Page 42: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/42.jpg)
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)
![Page 43: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/43.jpg)
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
![Page 44: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/44.jpg)
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
![Page 45: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/45.jpg)
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パ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
![Page 46: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/46.jpg)
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
![Page 47: 6.MEMSの応用その4 - electronicjournal.co.jp · 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](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022081800/5b14d9347f8b9a467c8c59e4/html5/thumbnails/47.jpg)
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。