) ( ) ( 34,3 (1995))

4. MEMSの応用 その2 : 情報・通信分野

分野 応用 MEMS技術の事例

情報・通信 印刷 インクジェットプリンタヘッド 表示(ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ) DMD (Digital Micro mirror Device)

平板マイクロレンズ

FED (Field Emission Display) 記録(ﾃﾞｰﾀｽﾄﾚｰｼﾞ) 薄膜磁気ヘッド、集積化光ヘッド ヘッド用アクチュエータ マルチプローブデータストレージ 入力機器 マウス(電子ペン)、指紋入力装置 マイクロフォン 光スキャナ 光通信 光スイッチ・光コネクタ 光変調器・光フィルタ 無線通信 RFフィルタ (振動子) 可変キャパシタ ミリ波部品(アンテナ等) 非接触ICカード、無線タグ RFスイッチ (リレー) 電源 燃料電池・燃料改質器 実装部品 コネクタ マイクロクーラ

情報機器周辺で用いられるMEMS技術

インクジェットプリンタ（ヘッド)の原理

インクジェットプリンタのノズル

はっ水処理面 メニスカス力(表面張力)で逆流防止

インク

圧電方式インクジェットプリンタの原理

バブルジェットプリンタ

集積回路一体型長尺サーマルインクジェットプリントヘッド

富士ゼロックス㈱

(M.Murata et.al.: IEICE Trans. Electron., E84-c (2001) p.1792)

集積回路一体型長尺サーマル

インクジェットプリントヘッドを用

いた高速プリンタ

静電インクジェットプリンタ

特長 ： 低消費電力、集積化アレイ化容易

静電インクジェットプリンタでのインク滴の吐出

DMD (Digital Micromirror Device)を用いたビデオプロジェクタ （ＮＥＣ）

DMD (Digital Micromirror Device)のミラーと駆動回路

テキサスインスツルメンツ社

（V.Kessel et.al., Proc.IEEE, 86 (1996)）

時分割による階調のある画像の表示

表面マイクロマシニングによるＤＭＤチップの製作

付着対策

ねじりばね構造

GLV (Grating Light

Valve)

(MEMS開発&活用スタートアップ(CQ出版社)p.189 大石克己、冨田昭)

GLV(Grating Light Valve) による1080×1920 HDTVプロジェクタ

GLVによるディスプレイ例

(S.R.Kubota (ソニー), Optics & Photonics News, Sept.2002, p.50) コントラスト比 4000:1

(MEMS開発&活用スタートアップ(CQ出版社)p.189 大石克己、冨田昭) GLV応用CTP (Computer-To-Plate) 装置(印刷用刷板製造装置)

マイクロレンズの液晶ビデオプロジェクタへの応用

（リコー光学㈱） 液晶 10μm

平板マイクロレンズアレイ

2002 マイクロマシン /MEMS技術大全 （電子ジャーナル別冊）

立体視ディスプレス

レイ用レンズ

CRTとFED (Field Emission Display)

フィールドエミッションディスプレイ

（Optronics, Vol.10, No.202 (1998) p.145）

フィールドエミッションディスプレイの例

双葉電子工業㈱

ペーパーライクディスプレイ

(貴志(キャノン),電子材料 2001年1月)

２軸電磁駆動光スキャナ (N.Asada et.al., IEEE Trans. on Magnetics 30 (1994))

スキャンニングレーザディスプレイ

ディスプレイ用には非共振駆動が望ましい。

高速駆動 → トーションバーを硬くする → 振れ角がとれない (トレードオフ) その他、トーションバーの機械的強度、ミラーの動的な歪 など

光スキャナを用いたシースルーディスプレイ Nomad Expert Technical System (J.R.Lewies : IEEE Specrrum, May 2004 p.16)

ホログラフィックシースルーディスプレイ 笠井一郎氏 (ミノルタ)

(日経エレクトロニクス、No.671 (1996) p.85, p.94, No.691 (1997) p.94)

薄膜磁気ヘッド(GMRヘッド)

ヘッドのトラッキング制御に用いる分布型静電

マイクロアクチュエータ

2mm (阿部 他 「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 (1998))

トラッキング調整用静電アクチュエータ

ヘッド部に装着

通常の光磁気（MO）ディスク用ヘッドの光学系

超小形ミニディスク（MD）ヘッド （ソニー）

(後藤顕也，応用物理，68 （1999） pp.1171-1177)

マルチプローブデータストレージと従来のディスク記録装置

マルチプローブデータストレージ 従来のハードディスク

マルチプローブデータストレージ

(D.W.Lee et.al., MEMS’01) ガラスを貫通した配線

ナノヒータプローブの写真

30 nm

ナノヒータプローブの断面（集束イオンビームエッチング後）

Pt/Ti Ni SiO₂

配列したナノヒータプローブ

相変化記録媒体の薄膜(GeSbTe)に記録したもの

導電率の違いで読出し（画像化） (2µm×2µm)

(D.W.Lee et.al., J. of Microelectromechanical Systems, 11, 3 (2002), 215-219)

ナノヒータの熱的応答時間の測定

ダイアモンドヒータプローブとそれを用いた

ポリマー表面の熱機械的記録・加工

ダイアモンドプローブの熱的応答

(J.H.Bae, Diamond and Relared Materials, 12 (2003), p.2128)

ダイアモンドプローブによる誘電体記録

Diamond Probe for Ultra-High-Density Data Storage

Based on Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy

H.Takahashi (Pioneer Corp.), T.Ono, Y.Cho and M.Esashi(Tohoku Univ.) (MEMS’04 (2004) p.536)

N S

+

-

+

Domain of ferromagnetics Domain of ferroelectrics

Pr

Pr Pr

Bloch wall

~50nm

Single lattice domain wall

Advantageous

to record nano-size domain array N N SNDM (Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy)

(Y.Cho, Rev. Sci. Instrum. 67, (1996) p.2297)

誘電体記録の例

The diamond probe array.

The end of the diamond probe.

800nm Recording medium LiTaO3Thickness: 60nm Writing condition DC Pulse: 15 V Width: 1 ms Reading condition AC voltage: 2.5V Frequency: 10kHz FM signal frequency: around 1.3GHz

導電性ポリマーへの記録実験

(T.Ono et.al., Nanotechnology, 14 (2003) pp.1051-1054)

記録実験基板（ポリアニリン薄膜）の作製

ポリアニリン 薄膜の形成 Auコート 基板 H2N SH 4-アミノチオフェノール メタノールに溶解 S S S NH2 NH2 NH2 Au 自己組織化 単分子膜 （SAM）の形成 H2N アニリン ＋(NH4)2S2O8 重合開始剤 HCl溶液(濃度1M) 0℃以下で重合 S S S NH NH NH N N N … … … Au SAM形成後 の基板 厚さ7nm

大気中ＳＰＭによる電気的修飾実験

電圧印加によってポリマ導電率の可逆的な変調が可能

→ 書き換え可能記録メディア

電気的修飾実験を行った導電性ポリマ薄膜の電流像 3V印加 −3V印加 3V印加 (読み込み電圧 0.03V) 5µm 5µm 5µm (吉田慎哉 他,応用物理学会東北支部大会、仙台 (2004))

空気中の水分を媒介とした酸化・還元反応

+ 金属（電極）

酸化反応の場合

水 探針 導電性ポリマ N N N N H H n N N N n N N n N N N N n N

+ 2H +2e

-H+ H+ プロトンの脱離 酸化反応 探針 半分酸化半分還元型：導電性 酸化型：絶縁性 ・修飾部の抵抗率が30倍増加 還元反応

導電性ポリマー薄膜をプローブで電圧掃引①→⑤した時の電流 導電性 ←

大気中ＳＰＭによる電気的修飾実験

4µm×4µm

全体を3Vで走査し全面の

導電率を低下させる

パルス電圧-3Vを印加し局

所的に導電率を増加させる

ドット径100∼150nm

(読み込み電圧 0.03V) 電流像

指紋センサ(情報機器のセキュリティ)

(N.Sato et.al. (NTT), Proc. the 20th Sensor Symposium, (2003) p.323)

加速度センサとジャイロを用いた電子ペン

マイクロマシニングによる容量型マイクロフォンとそ

の周波数特性

_{(田島 (NHK技術研究所)} MEMSマイクロフォン 高温のはんだリフローに通す (エレクトレットは止め容量型に)、 小形・薄型化

厚い絶縁層を用いて寄生容量を減少させた容量

型シリコンマイクロフォン

(T.Tajima et.al., Micro and Nanoengineering 2002 Internal. Conf., Lugano Switzerland (2002))

(火炎堆積法 FHD (Frame Hydrolysis Deposition))

厚い絶縁層を用いた容量型シリコンマイクロフォン （ＮＨＫ技術研究所、東北大学）

静電容量型マイクロフォンの回路

流速検出マイクロフォンの周波数特性

光通信ネットワークなどに必要とされる光部品

光スイッチ（大規模光クロスコネクト用、アド･ドロップ用 他） 光アッテネータ 分波・合波器 （可変波長）フィルター 光変調器 偏光子 移相器 分光器（回折格子型、ファプリペロー型） 光ファイバ部品（ファイバグレーティング、結合器 他） レンズ その他

光通信における伝送容量の増大

(姫野, 電子情報通信学会誌, Vol.87 (1999) p.713) (インターネットなどの要求)

光ファイバのモード分散

(大久保 “ISDN時代の光ファイバ技術” (1989) 理工学社)

電気多重化と光多重化

2軸静電駆動ミラーを用いた大規模光クロスコネクト

米ＬＵＣＥＮＴ社 256×256 光クロスコネクト ミラーはアナログ的に2方向に傾く • +/- 5° motion on each axis. • ~ 150V drive voltage. • < 5msec switching time.

２次元的にミラーを並べた光スイッチによる光クロスコネクト ミラーはスクラッチドライブ型静電アクチュエータで水平と 垂直の状態を換える

スクラッチドライブ静電アクチュエータ

熱毛管光スイッチ

ＮＴＴ 牧原 他 メニスカス力＝２σcosθ（1/h＋1/w） σ：表面張力、 θ：接触角 h，w ：流路の高さと幅 σ＝σ₀（１−ｂＴ） σ_0，ｂ：正の定数、Ｔ：温度

熱毛管光スイッチの写真

ＡＷＧ(導波路型分波・合波器)内蔵の光スイッチ

光導波路の形成

(火炎堆積法 FHD (Frame Hydrolysis Deposition))

熱アクチュエータと保持機構を用いた光ファイバスイッチ

(M.Hoffmann 他 ドイツ ドルトムント大学)

熱アクチュエータと保持機構を

用いた光ファイバスイッチ

将来のホームネットワーク予想図

HDTV Camera Information consent Optical switch Satellite antenna Quartz fiber Information divide transmission HDTV Camera 屋内の情報機器同士をつなぐ小規模LANに用いる光スイッチの開発。 FTTH (Fiber To The Home)用 POF (Plastic Optical Fiber)のスイッチ

屋内の情報機器同士をつなぐ小規模LANに用いる光スイッチの開発。 FTTH (Fiber To The Home)用 POF (Plastic Optical Fiber)のスイッチ

POFは太いので接続が容易

保持機構付ＳＭＡアクチュエータによる

プラスチック光ファイバ用スイッチ

SMAコイル SMAコイル駆動回 路 全体構造 25ｍｍ 15 ｍ ｍ POF 永久磁石 ストッパー アクリル基板 電極 配線 入射光 出射光 SMAコイル 磁性体リング 金属 リング 5 ｍｍ ファイバ： POF （SI型） コア径0.486、外径： 0.5mm 永久磁石→ L４×W４×H2 表面磁束密度： 320ミリテスラ 吸着力：0.35キログラ ム Ni磁性体→ 材料：鉄 表面： Niメッキ、 肉厚 0.5 SMAコイル→ 材料：Ni−Ti合金、コイル幅 0.2mm、 1ｍｍ長さのターン数：8ターン、 素線径：0．05mm 必要な要素部品 (M.Bhuiyan et.al., 20th Sensor Symposium, (2003) 47-50)

光スイッチの動作例

光結合

(L.P.Boivin, Applied Optics, Vol.13 (1973) p.391)

高密度波長多重通信(DWDM)

送信側 受信側 Optical Amp MUX VOA VOA VOA VOA λ1 λ2 λ3 λn DMUX PD PD PD PD Optical fiber 波長 （µm） 光パワー （d Β ） 波長 （µm） 利得 （d Β ） 波長 （µm） 光パワー （d Β ） 調整後パワー 増幅器利得特性 VOA後パワー 各波長の信号レベルを受信側で一定にする

525 µm ビーム径；70 µm ボールレンズ；500 µm シングルモードファイバ 櫛型静電駆動 アクチュエータ パイレックスガラス シャッ ター off on 減衰方法

コムドライブ静電アクチュエータによるArray-VOA

平行光

Array-VOA (可変光減衰器)の写真

バネ 全体 全体SEMSEM写真写真 シャッター付近拡大シャッター付近拡大 シャッター ストッパー

コムドライブ静電アクチュエータの動作例

変位量30μm

無線通信

RFスイッチ (リレー) RFフィルタ (振動子) 可変キャパシタ ミリ波部品 (高周波線路) 他

ワイヤレス機器のためのRFMEMS

静電マイクロリレー

ガラス貫通配線を用いたマイクロリレー

(Y.Liu et.al., MEMS’01)

バイメタル式マイクロリレー

バイメタル構造 スプリングコンタクト 外形（裏返して面実装）

MEMSスイッチと実装基板

㈱アドバンテスト研究所 (中村陽登、高柳史一、茂呂義明、三瓶広和、小野澤正貴) 東北大学 (宮崎勝、江刺正喜) 2003年12月4日 SEMICON JAPAN 5mm 4mm 8000万回（3V-15mA ドライ） <3ms <0.3Ω（初期） <160mW (6V駆動) 接点寿命 動作速度 on抵抗 駆動電力 20GHz以上の帯域を確認

MEMSスイッチ付き可変位相器

(ビームステァリング機能 → アダプティブアレイアンテナ)

MEMSスイッチによる合成開口アンテナ

(J.Chao, Int’l Conf. Millimeter Submillimeter Waves and Applications (1994))

静電アクチュエータによる可変間隔構造

シャント型RFスイッチ、可変容量コンデンサ

(日経エレクトロニクス, 2004,11,22, p.61)

マイクロマシニングによるオンチップのメカニカルフィルター （最初の表面マイクロマシニング）

電気的に調節可能な

メカニカルフィルター

電圧によるメカニカルフィ ルターの温度係数の電圧に よる調節

(Wan-Thai Hsu (Discera). From micromechanical resonators to fully integrated transceivers

ラジアルモードディスク振動子フィルター

(J.Wang et.al., Transducers’03 (2003) p.947)

ラジアルモードディスク振動子のフィルター特性

(J.Wang et.al., Trans-ducers’03 (2003) p.947)

１次振動モード

3次振動モード

直径20μm 予測値

ワイングラスモード機械共振子

73MHz

(M.A.Abdelmoneum et.al., MEMS’03, Kyoto (2003) p.698)

FBARの問題点 共振周波数が厚さ(電極の厚さも関係)で決まるため、同一チップ 上に異なる周波数の 共振子(フィルター)を作れない。 MEMSメカニカルフィルタの問題点 Motional resistanceが高いためインピーダンス整合に問題 解決策 圧電輪郭振動共振子、 Motional resistanceを下げられリング内 径で制御、電極幅で周波数可変 その他の課題 温度特性、電力、帯域幅、Q、寄生容量、Post CMOS compatible 化 など

AlN圧電輪郭振動共振子(インピーダンス整合、パターンで共振周波数可変)

(G.Piazza et.al.(U.C.Berkeley), MEMS 2005, p.20)

LCフィルタ [Q小]、誘電体フィルタ[大型]

メカニカルフィルタ[低周波だがMEMSでGHzまで可]、

圧電フィルタ

水晶、セラミック、

表面弾性波 (SAW : Surface Acoustic Wave)

数GHzまで(パターン微細化の限界、電力小)

薄膜弾性体(FBAR : Bulk Acoustic Wave)

薄膜化で数GHzでも可

A SAW technology suffers from degradations of electric

characteristics in a GHz band.

-Low IL (RX:2.2dB TX:1.8dB*) -High Power Handling (30dBm*)

-Higher frequency Operation

*http:www.agilent.co.jp

An FBAR technology is good for a GHz frequencies.

共振周波数が厚さ(電極の厚さも関係)で決まるため → 圧電膜の厚さ制御が重要でプロセスマージンが狭い。 このため厚さ均一性や制御性の良いスパッタ装置が必要。

マイクロ波圧電共振子をCMOSチップ上に形成する方

策

薄膜圧電振動子の厚み振動 → GHz (厚さの制御が重要) 空隙による分離された共振子 → High Q H₂O₂ でエッチングできるGe犠牲層 → CMOSプロセスと整合 圧電材料としてAlNを低温(300℃)で堆積 → CMOSプロセスと整合

AlN薄膜を用いたオンチップ

可能な圧電振動フィルタ

(AlNは300℃で堆積)

周波数はAlNの厚さに依存 → 厚さ制御性、均一性が重要

各種のFBAR

携帯電話に使われているAgilent社のFBAR

FBARと回路の

集積化

エアギャップ薄膜振動子による400MHz 1チップ発振器

(H.Satoh (Toshoba), 1987 Ultrasonic Symposium, pp.363-368)

空間支持による損失の少ない高周波線路

(浦部 丈晴 他（松下電器）, 7th Symp. on “Microjoining and Assembly Technology in Electronics”, (2001), 303-306)

寄生容量を減らした自己 支持コイル(トランス)

シールド付き自己支持伝送線路

(E.-C.Park, J.-B.Yoon et.al.,MEMS 2003, pp.136-139)

寄生容量減らすためガラス基板に形成したRF回路

(R.Dekker et.al., An Ultra Low-Power RF Bipolar Technology on Glass, IEDM 97-921)

Trench-refillによる厚い酸化シリコン膜

Silicon Trench-refilled TEOS oxide Silicon dioxide TOP Bottom

マイクロ磁気デバイス

フレキシブルセンサアレイ

（癌の温熱療法の目的で体内温度を測定するダイオード）

（P.W.Barth, Micromachining and Micropackaging of Transducers, (ed. C.D.Fung) Elsevier Sci Pub., (1985) p.189）

マルチ基板パッケージングのためのMicro

Zero-Insertion-Force (ZIF) Connector

マイクロプロセッサの進歩に伴う消費電力の増大

冷却水循環用電気浸透ポンプ

(スタンフォード大学) 日経エレクトロニクスより

ヒートパイプの原理とマイクロヒートパイプアレイ

(A.K.Mallik, J.of Microelectromechanical Systems, 4,3 (1995) p.119)

Capillary pumped loop