![[PukiWiki]](image/XYstage.jpg "[PukiWiki]")
#author("2018-12-01T07:51:09+00:00","default:hiroshi","hiroshi") [[What is MEMS?]] / [[Japanese>[[What is MEMS?/Introduction]]]] #author("2018-12-01T07:53:18+00:00","default:hiroshi","hiroshi") *Welcome [#df4c2d95] #ref(iisbldg.png,left,wrap,around,50%) Welcome to Prof. Toshiyoshi's research group on MEMS at the Institute of Industrial Science (Komaba Campus), the University of Tokyo. In this page, we provide MEMS-beginners with an introduction to MEMS, including its history, concept, techniques and applications. #clear *What is MEMS? [#od41698d] #ref(ant.png,left,wrap,around,50%) MEMS is an abbreviation of the technical term "Micro Electro Mechanical Systems" and it is pronounced with an accent at "E." It is usually spoken in the plural form((as there are many different styles of MEMS)). The concept of MEMS is a very small electromechanical systems, where those micron-scale "machines" are involved that are physically operated by means of electronics. In that sense, we sometimes call it "micromechatronics" when we refer to its academic discipline. We also sometimes call "micromachines" to mention the small machines made by the MEMS technologies. Micromachining is a term used to mention the fabrication technology. The small texture seen behind the ant((It was found dead in the institute garden.)) (photo)((Photo by Dr. D. Kobayashi, Univ. of Tokyo)) are such "MEMS" devices made by the semiconductor fabrication processes. Now, what is the difference between precision machines and MEMS? You may find it in the history of MEMS. #clear *Where is MEMS? [#s8fb16ff] #ref(adi.png,left,wrap,around,50%) MEMS has been already diffused in our daily life. The photo on the left is the MEMS accelerometer produced by a US company Analog Devices(([[iMEMS® Accelerometers>http://www.analog.com/en/subCat/0,2879,764%255F800%255F0%255F%255F0%255F,00.html]])). It carries a micromechanical proof-mass made of silicon, and it is suspended with tiny flexure hinges made of silicon, too. When an external shock is given to this chip, the mass stays where it is by its inertia mass, while the chip frame displaced a bit with respect to the mass. The relative displacement change is detected by means of the electrostatic capacitance change, and the acceleration is electronically estimated. There are plenty of different MEMS accelerometers, and they are mainly used in the airbag ignition system in the car. Recently, a MEMS accelerometer is also used in TV game controllers(([[STMicroelectronics>http://www.st.com/stonline/products/families/sensors/motion_sensors.htm]])) and smartphones. Images on smartphone are always displayed in an appropriate orientation because the accelerometers inside sense the direction of the gravity. #ref(tidmd.png,left,around,wrap,50%) 左の写真は、米国テキサスインスツルメンツ社の画像ディスプレィ用マイクロミラーＤＭＤ(([[DMD = Digital Mirror Device, DLP = Digital Light Processing, Texas Instruments>http://www.tij.co.jp/jrd/dlp/docs/index.htm]]))です。ひとつの大きさが１６ミクロン角くらいの小さなミラーが、全部で百万個以上、ＬＳＩチップの上に敷き詰められています。ミラーはひとつずつＬＳＩの電気信号で個別に動かすことができて、反射光の角度を制御します。このミラーをリアルタイムで制御することによって、百万個以上の画素から構成される動画像を投影するのです。最近では、ＤＭＤを搭載したビデオプロジェクタが研究会などでよく使われています。一見すると液晶プロジェクタと同じように見えますが、スクリーンに近づくと、ミラーひとつひとつの四角い形が見えます。 The photo on the left is the DMD(([[DMD = Digital Mirror Device, DLP = Digital Light Processing, Texas Instruments>http://www.tij.co.jp/jrd/dlp/docs/index.htm]])) from a US company Texas Instruments. A micromechanical mirror of 16 microns by 16 microns is arranged in an array of more than million copies on the LSI chip. Each mirror is electromechanically controlled by the signals generated by the LSI transistors, and the light reflection is individually controlled to create reflection image patterns. The mirrors are operated in a real time manner to make motion images. You may sometimes find image projectors in conference or meeting. They may look like an LCD (Liquid Crystal Display) projector but you can tell a DMD type by carefully looking at the screen from a close distance; a shape of mirror pixel is seen on it. #clear *ＭＥＭＳはいつから？&br;What is the oldest MEMS? [#icee35dc] #ref(1975.png,left,around,wrap,50%) ＭＥＭＳデバイスはこのように、非常にハイテクです。ところが、その先行開発例は、ＭＥＭＳという言葉が生まれる前の１９７０年代にはすでに始まっていました。左の写真は、１９７５年にウェスティングハウス社が発表した大きさ５０ミクロンくらいの可動ミラーアレイです((R. N. Thomas, G. J. Guldberg, H. C. Nathanson, P. R. Malmberg, “Mirror-matrix Tube ? Novel Light valve for Projection Displays,” IEEE Trans. ED vol. 22, no. 9, 1975, pp. 765-775.))。これも、画像ディスプレィとしての応用が考えられていました。当時はＬＳＩ技術はなかったので、ミラーの駆動には電子線を用いています。昔のテレビモニタ（ＣＲＴ、ブラウン管）のように、電子を真空中に飛ばしてミラーに当てて、電荷が溜まったミラーだけが静電気で傾くという方式です。まるで、ブラウン管とメカのハイブリッドです。よこの写真は、ミラーアレイを用いた電光掲示板（空港の離発着案内）です。 MEMS is such a high-tech and it looks so new. However, there were many trials in the filed of micro mechanical devices even before the word MEMS was born. In 1975, a US company Westinghouse created an array of microelectromechanical mirrors (50 microns) on an optically transparent substrate((R. N. Thomas, G. J. Guldberg, H. C. Nathanson, P. R. Malmberg, “Mirror-matrix Tube ? Novel Light valve for Projection Displays,” IEEE Trans. ED vol. 22, no. 9, 1975, pp. 765-775.)), and it was used as a projection display engine. No LSI ((Large scale integration)) technology was available at that time, and thus the mirrors were individually controlled by using an electron beam traveling in the vacuum. The entire mirror chip was encapsulated in the vacuum, and the electrically charged-up mirror was tilted by the electrostatic force. It sounds like a hybrid of micromechatronics with vacuum electronics. They demonstrated a flight-information-like display. #clear #ref(rgt.png,left,around,wrap,50%) また、左の図面は、半導体ＭＯＳトランジスタのゲートを機械的に動くようにしたもので、１９６７年に報告された例です((Nathanson H C, Wickstrom R A 1965 A resonant-gate silicon surface transistor with high-Q bandpass properties. Appl. Phys. Lett. 7, 84))。もちろん、この当時にもＭＥＭＳという言葉はありませんでした。通常のＭＯＳトランジスタでは、金属や半導体のゲート電極は酸化膜上に固定されています。ところがこれは、そのゲートを動かせるようにしたものです。可動ゲート構造を用いることで閾値が変えられるトランジスタや、外部の振動を検出できるセンサとしての応用が考えられていました。 The same group had also reported a resonant-gate transistor (RGT) in 1967((Nathanson H C, Wickstrom R A 1965 A resonant-gate silicon surface transistor with high-Q bandpass properties. Appl. Phys. Lett. 7, 84)). CMOS transistors today have a fixed gate electrode. On the other hand, they intentionally made the gate mechanical movable such that the threshold voltage could be tuned by the mechanical vibration of the resonating gate. The RGT was intended to be a physical sensor by means of semiconductor electronics. #clear *ＭＥＭＳとナノテクの父&br;Who mentioned MEMS for the first time? [#m78fc766] #ref(feynman.png,left,around,wrap,50%) さらに歴史を遡ってみましょう。ＭＥＭＳ、ナノテクの可能性を最初に言及した人物として、米国カリフォルニア工科大学のノーベル賞受賞学者、リチャード・ファインマン先生にたどりつきます。彼は大学の講義の中で、There's plenty of room at the bottom （小さな世界にはいろいろなチャンスがある）という、将来を予言するような話をしています((R. P. Feynman, “There’s plenty of room at the bottom,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 1, pp. 60–66, 1992.))。たとえば、針（ピン）の頭の部分に、百科事典全巻を縮小投影してコピーをとることを提案したり、そのコピーを読み書きするための技術として、電子ビームや原子操作などを提案しています。なかでも有名なエピソードとして、１インチの６４分の１の直径で動くモータを作った人に、１０００ドルの賞金を出すと宣言したことが挙げられます。 Dr. Richard Feynman, a Nobel Prize winner and a Professor of California Institute of Technology, is known as the first person who pointed out the possibility of what we call today the nanotechnology. In his lecture "There's plenty of room at the bottom" in 1959((R. P. Feynman, “There’s plenty of room at the bottom,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 1, pp. 60–66, 1992.)), he forecast several stories. For instance, he suggested that one would be able to have the entire volume of encyclopedia onto the head of a pin by the photo reduction technology. He also mentioned a use of electron beam and atom handling to read and write such data. The most famous suggestion he made was an electrical motor of 1/64 inch in diameter. He offered a prize of US$1000 for the first inventor. #clear *１０００ドルは誰の手に？&br;Who won the $1000? [#xb3848a7] #ref(minimotor.png,left,around,wrap,50%) ファインマン先生の講義の翌年の１９６０年に、Ｗ．マクレラン氏によって１インチの６４分の１の大きさのモータが発表され、同氏はファインマン先生から１０００ドルを貰ったのだそうです((http://en.wikipedia.org/wiki/William_McLellan_(nanotechnology))。 In the following year of Professor Feyman's lecture, an electrical micromotor of 1/64 inch in diameter was presented by Mr. W. McLellan((http://en.wikipedia.org/wiki/William_McLellan_(nanotechnology)). //However, not the entire mechanism was miniaturized but a rotor only. Most mechanical part --- an electrical magnet stirrer--- was packaged with in the metal box and a tiny rotor was placed and forced to rotate. An optical magnifier was attached to see the motor. #clear *静電マイクロモータ&br;Electrostatic micro motor [#t15a960d] #ref(MEMSmotor.png,left,around,wrap,50%) 駆動機構まで小型化した本当の意味でのマイクロモータは、１９８９年になってようやく報告されました。左の写真はカリフォルニア大学バークレー校にいたＹ．タイ氏（現在はカリフォルニア工科大学の教授）が、半導体プロセスを用いて製作した静電駆動型のマイクロモータです((Tai Y C, Muller R S 1989 IC-processed electrostatic synchronous microrotors. Sens. Actuators 20(1/2), 41–8))。写真の中央にある十文字の構造がロータで、中央の固定ピンを軸にして回転します。回転のためのトルクは、周囲にある１２個のステータ電極に電圧を掛けて、そこで発生する静電引力を使っています。 A real "micro" motor had not been demonstrated until 1989 when Dr. Y. Tai et al. with University of California Berkeley made one by using the semiconductor micro fabrication processes((Tai Y C, Muller R S 1989 IC-processed electrostatic synchronous micro motors. Sens. Actuators 20(1/2), 41–8)). The cross-shaped structure in the middle of the photo is a micro rotor, and it was pinned down with a rotation shaft. Rotation torque was generated in between the twelve fixed stators around the motor, where voltages were applied in turn. #clear #ref(nickelmotor.png,left,around,wrap,50%) タイ氏のマイクロモータは、金属薄膜やシリコン薄膜を用いた半導体プロセスを応用して製作した点で画期的でした。集積「回路」を作る技術を用いて、微小な「機械」を作ることができるのです。このアイデア（概念）が出発点になって、様々なマイクロ機構が提案、試作されました。日本では、東京大学生産技術研究所の藤田博之先生とＩＢＭ東京基礎研究所のグループ(([[藤田博之先生の研究グループ>http://www.fujita3.iis.u-tokyo.ac.jp/]]))が、１９９%%０%%&color(Red){２};年にニッケルメッキ構造を用いて静電マイクロモータを作りました。このモータも、半導体プロセスのフォトリソグラフィを使って作られています。マイクロモータの直径は１００ミクロン以下で、人間の髪の毛の太さ（８０ミクロン）と同じくらいです。質量が大変小さいので、１秒よりもずっと短い時間内で毎分１０，０００回転に到達することができます。 The micro motor of Dr. Tai was an epoch making device in a sense that the semiconductor process was applied to produce micro "mechanical" devices instead of micro electronics. His idea drew a lot of inspiration from the researchers. In Japan, Prof. H. Fujita with the Institute of Industrial Science, the University of Tokyo and his colleague with IBM Tokyo Research Labs proposed an electrical micro motor by using electroplated nickel in 199%%0%%&color(Red){2};. The diameter of the motor was as small as 100 microns, which was equivalent to the size of a human hair (typically 80 microns). Thanks to the very small mass, the motor could reach maximum rotation speed of 10,000 rpm within a fraction of second. #clear *中学校の理科の教科書にＭＥＭＳが（追記 2015.04.15）&br;MEMS in junior high school textbook (2015.04.15) [#p5b3e0ad] #ref(JHtext2.jpg,left,around,wrap,12%) 上記の静電マイクロモータは、いまでは中学校の理科の教科書にも取り上げられるようになりました（東京書籍、新しい科学・１年・上）。このモータの設計と製作にあたった平野敏樹氏（現・ＨＧＳＴ社、カリフォルニア州サンノゼ市）に伺ったところ、「当時はＭＥＭＳ研究のはじめの頃で、マイクロアクチュエータの試作が盛んだった。でも一体何に使えるのか、という質問の対応に大変苦慮しました」とのことでした。あれからもう四半世紀近くたった現在では、ＭＥＭＳ技術はスマートフォン用のシリコンマイクロフォンや画像の向きを決める重力センサ（加速度センサ）、自動車のタイヤ圧力センサ（ＴＰＳ）、光ファイバ通信分野に浸透しており、ＭＥＭＳを使わずに生活することは考えられません。 The above micro motor is now featured in a science textbook for junior high school. "It was the very early stage of MEMS R&D at that time, and people came up with various ideas of micro actuators. Well, it was also difficult to answer to such questions like ... what is this for?" said Dr. Toshiki Hirano (currently with HGST, San Jose, CA) who designed and developed the micro motor. Almost a quarter-century has passed since then, and the MEMS technologies have diffused into various fields including silicon microphones and gravity sensors in smartphones, tire-pressure sensor (TPS) in cars, and fiber telecom applications. It is impossible to think of a life without MEMS devices today. #clear #ref(JHtext1.jpg,left,around,wrap,23%) ちかいうちに、この教科書を使った学生が大学に入学するようになるでしょう。当ラボの教員（年吉）は東大教養学部で１年生向けの電磁気学の講義を担当しており、クーロンの法則やガウスの法則など、静電気の講義の際にマイクロアクチュエータを引用しています。 In no time, we will see new students in the university who learned science with this textbook. The lab faculty (Prof. H. Toshiyoshi) is teaching a 101 course on electromagnetism for the freshmen in Komaba campus of the University of Tokyo. He uses the micro motor as an example to explain the Coulomb's force and the Gauss' law. #clear *マイクロモータの原理&br;How is the micro motor operated? [#k889fb0a] #ref(model.png,left,around,wrap,50%) このマイクロモータはどのようにして動くのでしょうか？ その原理は、静電引力です。日常生活で感じる静電引力は、カーペットの上を歩いた後にドアノブに触った瞬間に感じる放電や、下敷きで髪の毛をこすって逆立てるときなどに思い出す程度です。静電引力は小さな力なのですが、マイクロモータのようなミクロン寸法の世界では重力よりも支配的な力になります。その理由は、重力が物体の体積の３乗に比例するのに対して、表面力である静電引力は寸法の２乗に比例するためです。 Can you imagine how the micro motor was energized? It was driven electrostatically. Electrostatic force that we feel in our daily life is so small, and we do not pay attention to it until we feel a sharp electric shock when we touch the door knob after long walk on a carpet. You may have experience using a plastic sheet to swab on the head to make your hair spread out. Electrostatic force is so small in the macro scale but it becomes to be significant in the small world, because the electrostatic force is a surface force that is proportional to the square of dimension, while gravity is proportional to the power of dimension. #clear #ref(wobble.png,left,around,wrap,50%) 静電モータの場合には、外側にあるステータ電極に順番に電圧を印加していくことで、ロータをすこしずつ引きつけていきます。このうごきは、ちょうどコンパクトディスク（ＣＤ）を人差し指に引っかけてクルクルと回すときの動作に似ています。ロータと中心軸は、滑らずに接触しているので、摩擦によるエネルギー損失はありません。表面力の一種である摩擦も、マイクロな世界では支配的になります。そこで、摩擦せずに動く機構がＭＥＭＳではよく使われているのです。 In a case of the micro motor, the rotor is gradually pulled toward one of the stator in turn where a voltage is applied. When the voltage hops to the next stator, the rotor follows it. The motion can be understood by an image of a compact disk (CD) wobbling around a finger. The rotor and the center pivot are in contact to each other but the rotor moves without friction, i.e. without energy loss. Surface friction is also a surface force, and it has an significant effect in the MEMS scale. So, friction is usually avoided to have smooth motion of MEMS actuators. #clear *ＭＥＭＳの作り方&br;MEMS fabrication [#ib386c2d] #ref(watch.png,left,around,wrap,50%) つぎに、ＭＥＭＳの作り方の特徴を見てみましょう。小さな機械といえば、機械式時計のムーブメントを思い出すことでしょう((最高級品のムーブメントは、たとえば：http://www.patek.com/patek-philippe.html))。時計の機構は、１００点以上の機械部品が組み合わさってできています。それぞれの部品は、その目的に合わせた材料を用いて最適な製作法で作り、最後に良品だけを選別して手作業でムーブメントを作ります。精密機械では、最後は人の手で組み立てられることが多いのです。手作業には時間が掛かるため、いちどきにつくれる製品は１個です。もちろん、産業界では極力オートメーション化して、量産する努力がなされています。 Let us now take a look at the characteristic fabrication process of MEMS. A watch movement is an good example to compare with MEMS((http://www.patek.com/patek-philippe.html)). It is made up of more than 100 pieces of mechanical components. Each part is made of an appropriate material and is produced by an appropriate fabrication process. Most precision machines are manually assembled by engineers. As a natural consequence, it takes long time to finish one device, and only one product is made at a time. Of course, a lot of industrial efforts are paid to put it in the mass production phase. #clear #ref(MEMSprocess.png,left,around,wrap,50%) 一方、ＭＥＭＳの特徴は、最終的な組み立て工程が無い、という点にあります。半導体プロセスを応用して機械を作っていくので、シリコン基板の表面にいろいろな材質の膜を付けて、それを部分的に削り、また付けて、削り…を繰り返します。材料とは、たとえば、シリコン（単結晶、多結晶、アモルファス）、金属、シリコン酸化膜など、いわゆる半導体プロセス・製膜プロセスで使えるものの中から選んで使います。プロセスの最後に、機械的な構造を動くようにする必要があります。これが、ＭＥＭＳプロセス特有の「リリース」工程です。たとえば、シリコンでできた構造の下には、シリコン酸化膜があったとしましょう。シリコン酸化膜はフッ酸で選択的に除去できます。シリコン製のマイクロ構造は溶けたり削れたりしないので、最後まで残るわけです。ＭＥＭＳの機構は大変小さいので、水や空気に流されて、基板の上からいなくなってしまうかも知れません。そこで、大抵のＭＥＭＳ機構は、どこかで基板にくっついた状態で作られます。この部分を「アンカー」と呼びます。 On the other hand, most MEMS devices are free from the final assembly step. It is made by using the semiconductor thin film processes by repeating film deposition and patterning. Device materials are chosen out of the semiconductor-process compatible ones such as silicon (single crystalline, poly crystalline, and amorphous), metals, and silicon oxide. MEMS structures are supposed to have micromechancally movable parts that could be made by the "selective release" step. For instance, let us imagine a micromechanical structure of silicon sitting on a silicon dioxide layer. Silicon dioxide can be selectively etched in hydrofluoric acid without damaging the silicon structure, and thus such mechanical structures can stay on the substrate. For this process restriction (of sacrificial release), MEMS structures always have mechanical connection to the substrate called an "anchor." #clear *２次元構造から３次元構造へ&br;From 2D to 3D [#p28ffabb] #ref(ming3d.png,left,around,wrap,50%) ＭＥＭＳプロセスは半導体プロセスを使います。平たい膜を削って作る技術なので、完成品は基板平面に平行な平たいものが多くなります。しかし、平たくつくった構造を基板面から引き起こして、左の図のような３次元マイクロ構造を作ることもできます。この３次元構造の根本には、ドアの蝶番（ちょうつがい）のようなマイクロヒンジ構造が使われています((K.S.J. Pister, M.W. Judy, S.R. Burgett, and R.S. Fearing. "Microfabricated hinges," Sensors and Actuators A. vol. 33, no. 3, pp. 249-56 (1992))。この構造の提案者は、カリフォルニア大学バークレー校のＫＳＪ・ピスター氏（現、同校の教授）です。また、左の写真はカリフォルニア大学ロサンゼルス校のＭ．Ｃ．ウー先生のグループが作った３次元マイクロ光学ベンチです(([[現在はバークレー校所属>http://www.eecs.berkeley.edu/Faculty/Homepages/wu.html]]))。半導体レーザーを固定する部品と、ビームスプリッタ、フレネルレンズなどが１ｃｍ角のシリコンチップの上に載っています。もちろん、半導体プロセスと同じ方法で作りますので、最初から位置合わせができている光学系です。 Most MEMS devices look thin and floppy because they are made of thin films of the semiconductor processes. Nevertheless, three dimensional volumetric structures can be made by lifting such flat structure out of the substrate plane. Careful observation can spot a hinge structure at the bottom of the three dimensional microstructure((K.S.J. Pister, M.W. Judy, S.R. Burgett, and R.S. Fearing. "Microfabricated hinges," Sensors and Actuators A. vol. 33, no. 3, pp. 249-56 (1992))). The inventor of the polysilicon micro hinge is Professor K. S. J. Pister with University of California Berkeley. The photo on the left is a MEMS optical bench created by Professor Ming C. Wu and his colleagues at University of California Los Angeles((Prof. Wu is currently with University of California Berkeley.)). A semiconductor laser chip was mounted on a silicon chip of 1 cm with some fixing plates, and Fresnel lenses and beam splitters were prepared on the same height. Those optical components were made to be pre-aligned on the mask level, so, one could greatly reduce the effort of optical alignment. #clear *さまざまな動き&br;MEMS in motion [#ecdfe0da] #ref(motion.png,left,around,wrap,50%) ＭＥＭＳの駆動機構の最初の例として回転するモータを取りあげました。ＭＥＭＳの駆動機構をひとくくりにして、「マイクロアクチュエータ」と呼びます。小さな駆動機構の意味です。マイクロアクチュエータの原理、動く向きはじつに様々です。左の図の中には、静電気で回転する機構、基板面内に倒れ込むように動く機構、基板面上で水平動作する機構、圧電体で基板面外に動く機構を取りあげてみました。他には、通電加熱で熱膨張する機構や、電磁力で動くものなど、いろいろなマイクロアクチュエータがあります。 We picked up a rotating micro motor as an example of MEMS. Mechanically active element of MEMS is usually called an actuator. There are various types and mechanisms of micro actuators. The photos on the left include the rotating motor mechanism by means of electrostatic torque, a saloon-door like structure that are retractable inwards the substrate hole (also electrostatic), out-of-plane motion by means of piezoelectric strain, and lateral motion in parallel with the substrate surface. Other actuation principles are, for instance, thermal expansion through electric Joule heat and electromagnetic force. #clear *ＭＥＭＳの本質&br;Significance of MEMS [#v75388d5] #ref(3M.png,left,around,wrap,50%) このように、「動き」がＭＥＭＳの特徴ですが、それだけではありません。ＭＥＭＳの本質は、東大生産研の藤田先生によると、３つのＭで言い表せます。すなわち、マイクロ化（Micro）、大量生産性（Mass Production）、複合機能（Multi Function）です。半導体プロセスを使って作れば、一枚のウエハの上に多数の回路コピーが同時にできます（バッチプロセス）。これと同じ原理で、いちどに大量のマイクロ機械ができることが、Mass Productionです。また、ひとつのチップ上に、電気、機械、光学…の複数の機能素子を集積することができます。これが、Multi Functionです。ＭＥＭＳ技術は次世代エレクトロニクスの製造基盤技術として注目されているのは、これらの３つのＭによるものです。 Mechanical motion seems to be the most visible characteristic of MEMS. However, the significance of MEMS is NOT in the mechanical motion but it is explained by three M's, namely Miniaturization, Mass production, and Multifunctional integration, as pointed out by Professor Fujita with IIS, the University of Tokyo. Use of the semiconductor processes enable us to have a lot of copies of micro machines at a time unlike the conventional precision machining. One may also integrate multiple functions such as electronics, mechanics, optics and else onto a single chip of silicon by the MEMS processes. Due to the MEMS capabilities represented by these three M's, MEMS is expected to be the platform technology for the next-generation electronics industry. #clear *ＭＥＭＳの産業分野&br;MEMS industry [#mf276e92] #ref(market.png,left,around,wrap,25%) 左の図面は、財団法人マイクロマシンセンター((http://www.mmc.or.jp/))が定期的にとりまとめているＭＥＭＳ市場調査結果です。情報機器、医療、クルマ、バイオなど、実にさまざまな方面でのＭＥＭＳ応用が期待されていることが分かります。とくに、クルマに搭載するセンサが特段に大きいようです。 The table on the left is from the MEMS market research in Japan that is periodically reported by the Micro Machine Center, Japan((http://www.mmc.or.jp/)). MEMS technology has diffused into various field of engineering such as information technology, medicine, automobile, and biotechnology. Sensors for vehicle are particularly large in market. #clear #ref(market2.png,left,around,wrap,25%) #clear #ref(nikkeiBP2011.png,left,around,wrap,22%) また、日経ＢＰの記事(([[MEMS市場が新たな成長期に入った>http://techon.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20110728/193734/?SS=imgview&FD=48575398]]))によると、２００９年までのＭＥＭＳの世界市場は左の図に示すようにインクジェット用プリンタ・ヘッドと画像プロジェクタが市場を牽引しており、２０１０年には７１億２８０万米ドルに成長したのだそうです。また、その後は２ケタ成長して、２０１５年にはなんと１１３億米ドルが見込まれており、その牽引役はスマートフォン、タブレット端末のセンサだそうです。 #clear *ＭＥＭＳ応用分野&br;MEMS Application Fields [#v3fed679] #ref(MEMSdomains.png,around,wrap,left,10%) このように見てみると、ＭＥＭＳの応用分野は大別して、電気信号を入力して機械的な出力を取り出すマイクロアクチュエータ系と、それとは逆に、機械的（あるいは化学的）な入力を電気信号に変換するマイクロセンサ系の応用があることに気づきます。前者の例として、画像ディスプレィ用のマイクロミラーアレイやインクジェットプリンタのノズルが挙げられます。一方、後者の代表例は、加速度センサやジャイロスコープ、シリコンマイクロフォンです。 センサの信号そのものはμＶからｍＶ程度と小さいために、これを電気信号として取り扱うためにはアンプが必要です。もしアンプ無しで大きな電圧（あるいは電流）が取り出すことができるとどうなるでしょう？ 最近では、ＭＥＭＳ構造によって環境から微小エネルギーを回収し、電源として利用する手法の研究が進められています。すなわち、ＭＥＭＳ応用の第３分野として、エナジー・ハーベスタが登場しました。 Now that we have seen various applications of MEMS, we realize that MEMS application fields includes two major domains: micro actuators that convert electrical signal into mechanical output, such as micro mirror array for image display and ink-jet printer nozzles. The other application is micro sensors that convert mechanical (or chemical) input into electrical signals, such as accelerometers, gyroscopes, and silicon microphones. Due to the small voltage range of sensor output (micro volts to millivolts), we usually use amplifiers to magnify the signal range. What if the signal is already large enough to electrically drive something else? It could be used as a new energy source or so-called micro energy harvesters, which has become the third application domain of MEMS technology today. #clear *ＭＥＭＳの学術分野&br;Academic discipline of MEMS [#j980b303] #ref(xmems.png,left,around,wrap,25%) ＭＥＭＳは製造技術・手段です。その適用分野は広く、センサ技術、マイクロ流体、微小光学、無線通信、微小発電など、さまざまな方面への応用が期待されています。また、複数の学術領域にまたがる複合領域なので、大学として研究する余地（Room）が多く残されている分野でもあります。学会レベルでは、電子情報、電気、応用物理、化学などの分野で、ＭＥＭＳに特化した研究会が定期的に開催されています。また、細分野を横断してＭＥＭＳ研究者を一同に会する国際会議もあります。ＭＥＭＳはこれから、独自の理工学を構築すべき分野なので、大学の研究としてやりがいあります。 MEMS is a toolbox to create small devices. It has versatility to apply in various fields such as sensors, micro fluidics, micro optics, radio wave devices, micro power generator. MEMS also lies in various academic fields beyond the boundaries, where we enjoy the research in university. There are many MEMS-related conferences organized in electrical engineering, electronics, applied physics, chemistry and else. MEMS also has a comprehensive lateral conference and workshop, where most MEMS researcher on this planet get together. MEMS is a place that we need to establish our own academic discipline, and we really enjoy it. #clear *ＭＥＭＳの発展史&br;Evolution of MEMS [#je24662d] #ref(evolutionmap.png,left,around,wrap,14%) ＭＥＭＳ分野が歩んだ歴史に関しては、大学院生向けの読み物として２０１０年に応用物理学会の集積化ＭＥＭＳ技術研究会の委員が中心となって、「発展史マップ」を作成しました。この中では、ＭＥＭＳに関する製造技術、アクチュエータ応用、センサ応用の３本の歴史を軸に、１９５０年以降のエポックメイキングな事例を紹介しています。詳しくは、[[こちら>[[What is MEMS?/Evolution History]]]]をご覧下さい。（本稿は日本語版のみを作成。2013-04-04） #clear *ＭＥＭＳのアカデミック・ロードマップ&br;Academic Roadmap of MEMS [#cea1b12f] #ref(visionmap.png,left,around,wrap,14%) 一方、２０４０年までの将来に目を転じて、これからＭＥＭＳ分野に登場しそうな新技術・新アプリケーションを予想したものが、同じく応用物理学会・集積化ＭＥＭＳ技術研究会による「将来ビジョンマップ」です。この中では、構造のマイクロ化（Micro）、機能のマルチ化（Multi-）、素子数の大規模・大面積化（Mass）の３つの流れは技術の必然であると捉えて、センサ、ディスプレィ、エネルギー、医療、衣食住、人体、脳などの様々な分野へのＭＥＭＳ技術の浸透を描いています。ただし、技術の進歩は思っていた以上に速く、すでに時期を前倒しして実現しているＭＥＭＳもあります。詳しくは[[こちら>[[What is MEMS?/Academic Roadmap]]]]をご覧下さい。（本稿は日本語版のみを作成。2013-04-04） #clear *ＭＥＭＳの技術マップ&br;Technology Map of MEMS [#c2b16d6a] #ref(technologymap.png,left,around,wrap,14%) また、ＭＥＭＳ分野の製造技術を定量的に予想すると、システム設計の解像度（デバイスの最小寸法）は１ナノメートルから１０ミクロンまでの４桁にまたがる領域で技術が発展し、かつ、それらの機能を詰め込んだシステム全体の寸法は、それこそＬＳＩチップ上のごく一部分のサイズから、１メートル程度の大面積に至るまで、広いレンジをカバーする製造技術が必要になるかも知れません。おそらくは、遺伝子操作のように原子・分子をボトムアップ的に組み上げて大きなシステムに至る手法と、半導体プロセスや印刷技術のように、大きな原版（フォトマスク）の中に高精細な部品を詰め込むトップダウン的な手法の両方が必要になることでしょう。（本稿は日本語版のみを作成。2013-04-04） #clear *本研究室のＭＥＭＳ&br;MEMS in our lab [#e7dbfcde] #ref(toshilabmems.png,left,around,wrap,25%) 本研究室では、ＭＥＭＳの製作法、設計法を基盤技術として、産業界とともにＭＥＭＳの微小光学（光通信・画像ディスプレィ・医療内視鏡）や、高周波無線機器（ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ）への応用研究を行っています。その詳細は、[[研究紹介>[[Research]]]]をご覧ください。 In our lab we pursue the fundamental fabrication processes and design methodology of MEMS and pursue the application to micro optics (including fiber optic telecommunication, image display, and medical instrument) and radio frequency devices (RF-MEMS switches) in close collaboration with MEMS industry. You may find our recent activity in our webpage [[Research]]. #clear *ＭＥＭＳ関連ジャーナル（学術論文誌&br;MEMS-related Journals [#ef24cfd1] ＭＥＭＳ分野の論文がよく投稿されるジャーナルを、下記内部リンクにまとめました。 The following link summarizes journals for MEMS-related papers. -[[MEMS-related Journals]] -[[MEMS-related Meetings]]
