MEMS

MEMS（メムス）についての深掘り

MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）は、機械部品、センサ、アクチュエータ、電子回路を微細加工技術で集積したデバイスです。これらの要素が、シリコン、ガラス、または有機材料の基板上に組み込まれます。MEMSのプロセスでは、材料の特徴や製造条件によって、機械部分と電子回路が別のチップとして構成されることがありますが、これらもまたMEMSと呼ばれます。

MEMSの製造には、LIGAプロセスや半導体集積回路の技術が利用されるほか、特定の構造を形成するために犠牲層エッチングが用いられます。また、これまでのプログラムでは、MEMSの研究は既存のセンサの代替を目指して進められてきましたが、近年ではMEMS特有の環境下での実験手段としても注目を浴びています。たとえば、電子顕微鏡内の高真空な微小空間でも、MEMSを用いることで、その小ささと機械的特性を活用した実験が可能です。さらには、DNAや生体試料に対する操作・捕獲・分析ツールとしても貢献しています。

今や、MEMS技術はインクジェットプリンタヘッドや圧力センサ、加速度センサ、ジャイロスコープ、デジタルミラーデバイス（DMD）、光造形3Dプリンタ、さらにはレーザープロジェクタなど、様々な製品に活用されています。応用範囲の拡大に伴い、市場規模も拡大しつつあり、第二のDRAMとも称されるそのポテンシャルは大きな期待を集めています。

MEMS技術の歴史

MEMS技術の起源は古く、1951年にはRCA社によってシャドーマスクが製作され、1963年には豊田中央研究所が半導体圧力センサを発表しました。1970年頃にはスタンフォード大学がNASA委託で、ガスクロマトグラフをシリコンウエハ上に作成したことが確認されています。文献によっては1967年のH. C. Nathansonによる「The Resonant Gate Transistor」を世界初のMEMSとするものもありますが、豊田中研の圧力センサもMEMSに分類でき、その起源には議論があります。

1987年に開催されたTransducers'87でのマイクロギアやタービンの発表が、微細機械構造に対する関心を高め、その後のマイクロモータや櫛歯型アクチュエータの開発へ繋がりました。この時期のMEMSデバイスは単機能が主流でしたが、最近では多様な用途に向けたより高度なデバイスが期待されています。

現在、日本国内におけるMEMS応用市場は数千億円と推計され、将来的には数兆円規模まで成長する可能性が示唆されています。プロセス技術も進化しており、バルクマイクロマシニングが台頭しつつあります。特にCMOS回路との組み合わせが多く見られるため、その技術の整合性が要求されています。

代表的なMEMSデバイスと応用

今日市販されているMEMSデバイスには、インクジェットプリンタ用のヘッドや圧力センサ、加速度センサ、ジャイロスコープ、光スキャナ、DNAチップなどがあります。これらのデバイスは、医療や生化学、宇宙、さまざまなレベルの通信など、幅広い分野での利用が進んでいます。

特に、ライフサイエンスで使われるMEMSを「BioMEMS」と呼び、血液や蛋白質の分析といった応用が期待されています。次世代のウエアラブルデバイスにも対応できる特徴があり、慢性疾患を抱える患者の生活の質向上にも寄与する可能性があります。

特徴的なプロセス技術とアクチュエータ

MEMSでは、バルクマイクロマシニングとサーフェイスマイクロマシニングが主な技術です。また、エッチング技術やリソグラフィ技術も重要です。MEMSに使用されるアクチュエータには静電力を用いたもの、電磁力を用いたもの、圧電効果を用いたもの、熱変形を利用したものなどがあります。これらはそれぞれ特性が異なり、応用範囲が広がるにつれてますます重要です。

MEMSの技術は今後のさまざまな分野での発展が期待されており、その可能性は無限に広がっていくことでしょう。

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