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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 1

2 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原理 静電アクチュエータのプルイン 2

3 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 = ε 0 AV 2 /2D 2 V 2 [a] 間隔が広い時 : 絶縁破壊電圧 S Fe S 2 [b] 間隔が中程度の時 : 絶縁破壊電圧 S 0 Fe S 0 [c] 間隔が狭い時 : 絶縁破壊電圧 S -1 Fe S -2 (W.S.N.Trimmer, Sensors & Actuators, 19 (1989) p.267) 発生可能な力の量的な比較 パッシェン曲線 ( 絶縁破壊電圧 - 間隔 圧力 ) 電磁力 ( 単位面積 ): Fm =B 2 /2μ 0 磁性材料の飽和磁束密度 (Bmax) を 2 tesla とすると 10 7 dyne/cm 2 静電力 ( 単位面積 ): Fe= ε 0 V 2 /2D2 絶縁破壊しない電圧 300V を間隔 (D)0.3μm で印加すると 10 7 dyne/cm 2 絶縁破壊部分 Pt ITO Si ダイアフラム (2μm) Si インク ガラス電極狭ギャップ (0.2μm) 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 3

4 狭いキ ャッフ 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 (T.Ono et.al., J.Micromech.Microeng.,10 (2000) ) 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) 4

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) 特徴 : 比較的変位が大きい コムドライブ静電アクチュエータの原理 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 5

6 Current source Si Voltage meter V SiO2 Electrostatic Actuators Nano Wire Sample 独立駆動可変 4 プローブ (Y.Ahn et.al.,apcot MNT 2004, (2004) p.912) 100μm Microelectromechanical Step Gear System System Fraunhofer IZM ( ドイツ ) 6

7 2mm 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) 屋根なし屋根なし屋根あり コムサポート 可動櫛歯 接触!! シャッター 屋根 屋根 可動櫛歯 梁 光 コムサポート バネ固定櫛歯 固定子 接触 ( 屋根なし ) 梁 固定櫛歯 バネ ストッパー たわみ (100 V) 6.8 μm 0.3 μm 屋根ありコムドライブ静電アクチュエータ ( 渡辺他 The 20 th Sensor Symposium (2003 July) 25-28) 7

8 可動櫛歯及び屋根 シャッター 全体 SEM 写真 固定櫛歯 シャッター付近拡大 屋根ありコムドライブ静電アクチュエータ ( 写真 ) 屋根ありコムドライブ静電アクチュエータの動作電圧 ;110; V 駆動距離 ;50; μm 8

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) 9

10 2000 rpm 静電浮上マイクロモータによる回転ジャイロ (Murakoshi (Tokimec Inc.) et.al., Transducers 99) 10

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 ルフ で観測される異常ヒステリシス ( 帯電の影響 ) 11

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) 12

13 モノリシック ( 一体型 ) XYZ (θφψ)6 軸ステージ 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) ) (H.Xu, Proceedings of the 21th Sensor Symposium, Kyoto, (2004-Oct ), 13-18) Displacement (um) Elongation vs. Applied Voltage of bimorph PZT actuator Applied Voltage (V) ΔL ΔZ Displacement (um) Bending vs. Applied Voltage of bimorph PZT actuator Applied Voltage (V)

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) 14

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 (2004) p.41 フロースパッタによる PZT 厚膜 (H.Jacobsen et.al. MEMS 2006, p.214) 15

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 特長 : 圧力大 (1MPa) 流量 74 nl/min 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) 16

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 17

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 18

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)) 19

20 保持機構付き2 方向電磁駆動光スイッチ (Baba et.al. 19 th Sensor Symposium, (May 2002) ) 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) 各種のマイクロポンプ 20

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 21

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) たわみ振動の進行波 (Lamb wave) 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 (Electro hydro dynamic micro pump) ( 土田他, 電気学会論文誌 C,111 (1992) p.595) 22

23 Electrophoresis Electroosmosis 固液界面動電現象 直接メタノール型燃料電池での CO 2 排出機構 (G.Litters et.al.(imtek Freiburg( 独 ), MEMS 2006, p.102) 23

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 ( 固体ロケットアレイ ) R.Hosokawa, S.Tanaka, S.Tokudome, K.Horie, H.Saito and 18th Sensor Symposium, (2001-May) 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) 24

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 25

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) CH 3 OH + H 2 O KJ/mol CO 2 + 3H 2 水蒸気改質 ( 吸熱反応 ) MEMS 燃料改質器 (S.Tanaka, Chemical Eng. Journal, 101 (2004) ) 26

27 CH 3 OH + H 2 O KJ/mol CO 2 + 3H 2 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) 27

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 : mm 3 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 28

29 小形大容量高出力電源の必要性 Energy (Wh/unit) Cellular phones Toy robots Digital cameras Laptop PC Electric cars Powered wheel Hybrid cars chairs Robots Power assisted bicycles Powered tools Radiocontrolled machines Power (W/unit) Applicable range of small GT generators 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 29

30 1st layer Compressed air Compressor Turbine drive air Turbine Bearing air Thrust Bearing Silicon 2nd + 3rd layers Pylex Glass Silicon Pylex Glass Si Si Silicon 4th layer Bearing air 5th layer In-plane configuration 6th layer Impeller Diffuser Vaneless Diffuser Labyrinth Seal Rotor Nozzle MEMS ターボチャージャ (P.Kang, J. of Micromech. Microeng., 15 (2005) 1076) MEMS ターボチャージャ 測定システム 30

31 圧縮機翼車 タービン翼車 ( ガスタービン発電機の基礎実験 ) 軸方向軸受 軸方向軸受 φ10 mm マイクロターボチャージャ 87 万 rpm 圧縮比 2 (K.Isomura (IHI エアロスペース, Power MEMS 2002, p.32) 4 mm 機械加工による窒化シリコン ( Si 3 N 4 ) 製タービンブレード (S.Sugimoto et.al. Transducers 01 (2001)) 31

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 32

33 7.MEMS ビジネスモデルと多品種少量生産 ( 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?) (WOFE 2004 : Advanced Workshop on Frontiers in Electronics Aruba (2004/12)) 33

34 LSI チップ上にスイッチやフィルタなどの部品も一体化 ワイヤレス機器のトレンド ( 日経エレクトロニクス ) 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 34

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 35

36 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 ) 集積化加速度センサ ( アナログデバイス社 ) 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) SIP (System In Package) MEMS: 回路チップと MEMS チップを接続 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 )) Pre CMOS ( 基板内 ) SOCMEMS ( モノリシック集積型 ) Post CMOS ( バルク ) ( 表面 ) SIPMEMS ( ハイブリッド組立型 ) MEMS を製作し封止したウェハ SOI ウェハなどに回路を形成 回路を形成したウェハ (Al 配線まで終了 ) ( 外部機関 ) MEMS を製作 ( 貫通配線付ガラス上のアレイ MEMS 等 ) 回路を形成 バルクマイクロマシニングにより MEMS を製作 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 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 36

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 ポリシリコンの応力制御に h の熱処理 imems( アナログデバイス ): 3μm BiCMOS interleaved with 2-4μm poly Si (M.W.Judy: Tech.Digest solid-state Sensor, Actuator and Microsystems Workshop, Hilton Head (2004) 27-32) 犠牲層 : PSG エッチング : HF 低温 (400 程 ) 熱処理で可 犠牲層 : Ge エッチング : H 2 O 2 polysi-ge によるポスト Al 表面マイクロマシニング (A.E.Franke, J.M.Heck, T.-J.King and R.T.Howe: J.of Microelectromechanical Systems, 12 (2003) ) 37

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) 樹脂封止のための厚いカバー 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 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) 38

39 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 MEMS コア 4 インチ製造ライン 39

40 MEMS コア 犠牲層ドライエッチング装置 (XeF 2 による Si エッチング HF+CH 3 OH による SiO 2 エッチング 撥水性ドライコーティング ) ( 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 ) 40

41 シリコンサイクル 41

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 ) 42

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] 付 22 研究員を常駐で派遣した企業他 ( ) [ 人数 ] 93 箇所 [128 名 ]( 国外青色 11 箇所 ) 43

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 44

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 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 ) 大学からの豊富な知識サービスの提供 (MEMSハ ークコンソーシアム 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 ) ハイテク多品種少量生産 委託生産 雇用創出 45

46 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) 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 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 ) 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 46

47 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 諸外国と比較した日本の MEMS ( 私見 ) 47

( )

( ) MEMS 4 : ( ) ( ) Pt ITO Si (2 m) Si (0.2 m) (T.Ono et.al., J.Micromech.Microeng.,10 (2000) 445-451) DEMA (Distributed Electrostatic MicroActuator) (XY ) DEMA (Distributed Electrostatic MicroActuator)

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