MEMS(微小電気機械システム)
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)は、微小な電気機械システムのことを指し、微細加工技術を用いて製造される小型のセンサーやアクチュエータを含む複合的なシステムである。MEMSは数ミリメートル以下のサイズにまで小型化されることが多く、その中には機械構造と電子回路が一体化されている点が特徴である。MEMSはセンサー、スイッチ、インクジェットプリンタのノズル、加速度計など、幅広い分野で活用されており、その応用範囲は非常に広い。
MEMSの構造と原理
MEMSの構造は非常に複雑で、マイクロサイズの機械的な要素(ギアやバネなど)と、半導体デバイスに代表される電気的な要素が融合している。この技術は半導体製造技術に類似したプロセスで製造されることが多く、特にシリコンを用いることが一般的である。化学エッチングや光リソグラフィなどのプロセスを駆使し、立体的な構造をシリコンウェハ上に形成することで、複雑な機械機能と電気機能を持つシステムを作り上げている。
MEMSは微小な機械で、しかも脆性材料のSiでできているので、衝撃で壊れそうですが、そんなことはありません。構造が微小になると慣性力は急激に小さくなります。また、Siは1.5 GPa程度の応力まで、実用上、問題ありません。構造用鋼SS400の引張強さ(下限)が400 MPaですから、Siの強さがわかります。 pic.twitter.com/rCZXlgpC6I
— 田中 秀治 / Shuji Tanaka (@mems6934) October 9, 2022
メリット
MEMSのメリットとしては、小型軽量であること、低消費電力、高速応答性、そして高精度であることが挙げられる。これにより、製品全体の小型化が可能となり、携帯性や省エネ性能の向上に寄与している。例えば、スマートフォンやウェアラブルデバイスに内蔵されているMEMSセンサーは、デバイスを極めて薄く軽量に保ちながらも高機能を実現している。
応用分野
MEMSは、センサー技術において重要な役割を果たしている。例えば、自動車に搭載される加速度センサーやジャイロスコープ、携帯電話やゲーム機に内蔵される姿勢検出センサーなど、多くの製品にMEMSセンサーが組み込まれている。また、インクジェットプリンタのノズル、プロジェクタのミラー、医療機器に使用されるマイクロポンプなど、MEMSは幅広い産業で革新をもたらしている。
製造プロセス
MEMSの製造プロセスは、主に半導体製造技術を応用している。シリコンを基板として、化学的および物理的エッチング、堆積プロセス、リソグラフィといった微細加工技術が使用される。これにより、三次元的な微小構造を形成し、微小な機械要素を実現する。さらに、これらの微小構造と集積回路(IC)を融合させることで、MEMSは感知機能と駆動機能を両立させた高度なシステムとなる。
➕ ODTÜ(中東技術大学)の研究者たちは、開発したMEMSニューロン抵抗技術を活用して、エネルギー消費を削減し、デバイスの寿命を延ばす一歩を踏み出しました。この技術により、携帯電話の充電間隔を1年にまで延ばすことを目指しています。 pic.twitter.com/mzTtNCU341
— Fokus+ (@fokusplusnet) December 2, 2024
MEMSとナノテクノロジーの関係
MEMSとナノテクノロジーは密接に関連している。MEMSがマイクロメートルサイズのデバイスであるのに対し、ナノテクノロジーはナノメートル(1nm=10^-9m)レベルの加工技術を扱う。このようなナノサイズの技術を組み合わせることで、より高性能で省エネルギーなデバイスの開発が可能になる。たとえば、MEMSデバイスの表面にナノコーティングを施すことで、摩擦や劣化を防ぐことができるなど、相乗効果が期待されている。
”MEMSとは、「Micro Electro Mechanical Systems」の略称で、部品単位で組み立てるのではなく、半導体の製造プロセスを使ってつくる集積化したデバイスだ。”_PS5でも話題!人の触覚を惑わせる奥深い「振動」の世界(2021/03/03) https://t.co/ykJLh3YTUi #ブルーバックス
— uz_tw (@uz_tw) April 17, 2021
将来性と課題
MEMSの将来性は非常に高く、自動運転車やIoT(Internet of Things)デバイスの普及とともに、その需要はますます増加している。特に、IoTにおけるセンシング技術の進化において、MEMSは不可欠な存在となっている。一方で、製造の複雑さや高コスト、製造プロセスのばらつきなど、いくつかの課題も存在している。これらの課題を克服するための技術開発が進められており、低コスト化や大量生産に向けた研究も行われている。