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今やスマホや自動車にも必要不可欠な”MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systema)”とは?

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本記事は、What Is MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)? Types & Application
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約4分8秒

Micro-Electro-Mechanical System(MEMS)は、微細加工技術を使用して、機械部品と電気部品の両方で構成される小型のデバイスまたは機械です。

 

「MEMS」という用語は、マイクロメカトロニクスシステムのカテゴリと、それらを製造するために使用されるプロセス技術の両方を説明するためによく使用されます。 一部のMEMSには機械的コンポーネントがありませんが、特定の機械的信号を電気的または光学的信号に変換するため、MEMSとして分類されます。

 

ヨーロッパでは、MEMSはより一般的にマイクロシステム技術として知られており、日本ではマイクロマシンと呼ばれています。

 

MEMSのサイズ

MEMSデバイスの物理的寸法は、20マイクロメートルから1ミリメートルの範囲です。 サイズが1〜100マイクロメートルのコンポーネントでできています。

 

個々のコンポーネントは人間の髪の毛の幅よりも小さい場合がありますが、アレイに配置された複数のモジュールが10センチ四方を超える領域を占める場合があります。

MEMSデバイスには通常、中央データ処理ユニット(マイクロプロセッサなど)と、周囲と相互作用する小さな機器(マイクロセンサーなど)が含まれています。

 

MEMSの種類

MEMSスイッチ技術には、オーミックと容量性の2つの形式があります。

 

1.オーミックMEMSスイッチは、静電カンチレバーを使用して開発されています。 カンチレバーは時間の経過とともに変形するため、これらのスイッチは接点の摩耗や金属の疲労により故障する可能性があります。

 

2.静電容量式スイッチは、可動プレートまたは静電容量を変化させる検知素子によって制御されます。 それらの共振特性を利用することにより、特定の周波数範囲でオーミックデバイスよりも性能が優れるように構成できます。

 

どのように構成されていますか?

1980年代にMEMSを作成することへの関心が高まった一方で、商業開発に必要な設計および製造インフラストラクチャを確立するのに20年近くかかりました。 製造された最初の数少ないデバイスの1つは、インクジェットプリントヘッドとエアバッグコントローラでした。

 

この技術を使用して、研究者は1990年代後半に(MEMSを利用する)マイクロミラーを備えたプロジェクターを構築することができました。 時間の経過とともに、マイクロセンサーの人気が高まりました。マイクロセンサーは、放射、磁場、温度、圧力などのさまざまなタイプのセンサーに徐々に統合されていきました。

 

今日、MEMSはほぼすべてのスマートデバイスで使用されており、より大きな対応製品よりも(パフォーマンスとエネルギー消費の点で)はるかに効率的になっています。 それらは、マイクロプロセッサー、マイクロアクチュエーター、マイクロセンサー、いくつかのデータ処理ユニットなどの部品で構成されています。

 

MEMSの製造には、集積回路や半導体デバイスの作成に使用されるのと同じ技術が含まれます。 基本的なテクニックは

 

・蒸着:材料の薄層(1〜100マイクロメートル)が特殊な表面に蒸着されます。

・パターン化:パターンは、リソグラフィと呼ばれるプロセスを使用して材料に転写されます。

・エッチング:材料を化学溶液に溶解するか、反応性イオンを使用して必要な形状を作成します。

・ダイの準備:MEMSデバイスがシリコンウェーハ上に準備されると、個々のダイが分離され、冷却液またはドライレーザープロセスによってウェーハダイシングが実行されます。

 

シリコンは、MEMSの作成に使用される最も一般的な材料です。 それは容易に入手でき、安価であり、特にマイクロエレクトロニクスの分野でかなりの利点があります。 たとえば、シリコンの疲労はほとんどなく、エネルギー散逸はほとんどありません。

一部のMEMSは、電気めっき、蒸着、スパッタリングプロセスを経て金属でできています。 高い信頼性を示す金属には、金、プラチナ、銀、タングステン、銅、チタン、アルミニウムなどがあります。

 

ポリマーは、MEMSデバイスの製造にも使用できます。MEMSデバイスは、さまざまな材料特性で大量に生産できるためです。

 

MEMSとNEMSの違いは何ですか?

NEMS(ナノ電気機械システムの略)は、ナノスケールの電気的および機械的特性を備えたデバイスのクラスです。 NEMSは、MEMSの次の論理的な小型化ステップを形成します。

 

簡単に言えば、NEMSはMEMSと似ていますが、100ナノメートル(原子または分子のスケール)以下の重要な構造要素を持っています。

 

NEMSとMEMSは別々のテクノロジーと呼ばれますが、それらは互いに依存しています。 たとえば、原子を検出する走査型トンネルチップ顕微鏡はMEMSデバイスです。

 

MEMS技術では、流体力学と周囲の電磁気によって生成される力が重要な役割を果たします。 一方、NEMSテクノロジーでは、表面ベースの検知メカニズムと大きな量子力学的効果も重要です。

 

MEMSとは異なり、NEMS技術は炭素ベースの材料、具体的にはダイヤモンド、カーボンナノチューブ、グラフェンを利用しています。 グラフェンの成長、操作、電気的および機械的特性の知識が大幅に進歩したため、研究者は圧力センサー、共振器、加速度計などのNEMSデバイス用のグラフェンに関心を寄せています。

 

例とアプリケーション

MEMSの構築がより効率的で安価になるにつれて、それらはIoT(モノのインターネット)およびホームオートメーションで重要な役割を果たすことが期待されています。 MEMSの一般的な商用アプリケーションは次のとおりです。

スマートフォンの加速度計| YouTube

 

・電子安定性制御やエアバッグ展開など、さまざまな目的のための車両の加速度計

・ビル管理システム用のセンサー駆動の冷暖房システム

・データ通信のスイッチング技術とアライメントに使用される光スイッチ

・シリコン製の使い捨て血圧センサーと車両圧力センサー

・静電、電磁、および圧電マイクロハーベスタ(エネルギーハーベスティングに使用)

・スマートフォンアプリケーションをサポートする小型のマイク、気圧計、ジャイロスコープ

・インクジェットプリンタでインクの流れを制御するために使用されるマイクロノズル。

 

グローバル市場

多くの企業がMEMSプロジェクトに取り組んでいます。 中小企業は革新的なソリューションに価値を提供し、高い販売マージンでカスタマイズされた製造の費用を処理します。

 

大企業は主に、電子機器、生物医学、自動車などの最終市場向けに、大量の安価な部品またはパッケージソリューションを製造しています。 一般に、小規模および大規模の企業は、新しいMEMSテクノロジを構築するための研究開発に投資しています。

 

Grand View Research Incによると、世界のMEMS市場規模は2024年までに288億4000万ドルに達すると推定されています。 コネクテッドライフスタイルの人気の高まりを考慮すると、家庭用電化製品が主要なセグメントになると予想されます(世界の収益シェアの40%以上)。

 

校正と精度の問題により、市場の成長が鈍化する可能性があります。 しかし、激しい競争により、業界のプレーヤーは今後数年間で価格を低く抑える必要があります。

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