MEMS Micro Electro Mechanical Systems 電気機械系の超小型化撮影小林大東京大学VDEC年報2003年版より概念半導体集積回路集積機械マイクロアクチュエータの例静電駆動型マイクロモーター直径100μｍほぼ髪の毛の直径 Page 3 10,0

(1)

Institute of Industrial Science The University of Tokyo

[email protected] http://toshi.fujita3.iis.u-tokyo.ac.jp/toshilab/

Hiroshi Toshiyoshi © 2006

Proprietary HT

Page 1

ＭＥＭＳ研究室紹介

年吉研究室

光通信，ディスプレー，医療応用，無線通信

---年吉洋

【本務】東京大学生産技術研究所

マイクロメカトロニクス国際研究センター

〒153-8505 東京都目黒区駒場4-6-1

電話：03-5452-6276

FAX: 03-5452-6250

E-mail:

[email protected]

神奈川科学技術アカデミー「光メカトロニクス」研究室長

宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部客員助教授

フランス国立科学研究センター LIMMS/CNRS-IIS Director

学部生見学会

2006.05.10

ＭＥＭＳ

(2)

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Page 3

MEMS

Micro Electro Mechanical Systems

概念＝電気・機械系の超小型化

半導体集積回路

集積「機械」

東京大学 V D EC 年報 20 03 年版より撮影小林大

Courtesy Prof. H. Fujita, Univ. of Tokyo, Japan

100 um

マイクロアクチュエータの例

直径100μｍ（ほぼ髪の毛の直径）

静電駆動型マイクロモーター

(3)

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実用化MEMSの例

テキサスインスツルメンツ社デジタルマイクロミラー型投影ディスプレー

Institute of Industrial Science

年吉研究室

The University of Tokyo

最近の研究成果ハイライト

MEMSと光MEMS

光通信応用

ディスプレー応用

医療応用

赤外天文応用

衛星通信アンテナ

(4)

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Page 7

MIRROR is ON MIRROR is OFF

TORSION MIRROR CHIP

COUNTER ELECTRODE

MIRROR STOPPER(SHALLOW DIMPLE) SPHERICAL LENS M1 M2 M3 M4 M1 M2 M3 M4 M1 M2 M3 M4

3mm

光スキャナ

光伸光学工業と東大生産研の共同研究 2002

光クロスコネクト用ミラーアレイ

大日本印刷と東大生産研の共同研究 2002

光ファイバコンポーネント

Santec と東大生産研の共同研究 2003

シリコン製マイクロレンズ

マイクロレンズ型スキャナ

MEMSプロジェクタ

スタンレー電気との共同研究２００５

小さな機械で光を制御ーＭＥＭＳ−

光ファイバ通信への応用

(5)

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Page 9

静電マイクロミラーの光ファイバ通信デバイス応用

可変光減衰器

Santec と東大生産研の共同研究 2004

µ-Actuator

MEMS Electrostatic Torsion Mirror for VOA

Release Holes

Rear

Cavity

Torsion

Spring

V

Initial Electrostatic

Gap

Mirror

Gap-Closing

Electrostatic

Actuator

Tilting Direction

Incidence

Reflection

Driving

Voltage

to Mirror

Substrate

GND

!

Silicon

Substrate

< 1 deg

< 5 V

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Electrostatic Force

Paul G. Hewitt: Conceptual Physics, 8th Edition, Addison-Wesley 1997.

Optical MEMS in Optical Fiber Network

MUX

DEMUX

Tx !

1 Tx !

2 Tx !

3 Tx !

4 Tx !

n

WL

MOD

VOA

Rx !

1 Rx !

2 Rx !

3 Rx !

4 Rx !

n

Fiber Amp

VOA

Monitor

OADM

Tx

Rx

FM

OXC

or

Wavelength Tuning

Modulator

Wavelength

Equalizer

Optical Coupling

Wavelength

Equalizer

Dispersion

Compensation

Add / Drop

Switch

Rerouting

Wavelength

Filter

Wavelength

Equalizer

Optical Coupling

Wavelength

Tracking

Wavelength

Equalizer

Bypass

Through

(7)

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ディスプレィ

圧電PZT駆動型の２次元光スキャナ

V

_ac

+

-V

_ac

+

-Mirror

Piezo actuator H

V-Scan

H-Scan

Piezo actuator!V

V

_ac

+

-V

_ac

+

-A Laser Display using a PZT-actuated 2D Optical Scanner

M. Tani, M. Akamatsu, Y. Yasuda, H. Fujita, and H. Toshiyoshi

IEEE / LOES Optical MEMS 2005, Finland

(8)

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MEMSミラーによるラインスキャンのデモ例

By H. Obi with Koshin Kogaku Co., Optical MEMS 2005 Takamatsu

Barcode Reader like Demonstration

手のひらサイズの光学実装

A Laser Display using a PZT-actuated 2D Optical Scanner

M. Tani, M. Akamatsu, Y. Yasuda, H. Fujita, and H. Toshiyoshi

IEEE / LOES Optical MEMS 2005, Finland

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Page 17

ビットマップ画像 (210 x 62)

Vertical 77.4 Hz @ 24 V

Horizontal 16.4 kHz @ 24 V

A Laser Display using a PZT-actuated 2D Optical Scanner

M. Tani, M. Akamatsu, Y. Yasuda, H. Fujita, and H. Toshiyoshi

IEEE / LOES Optical MEMS 2005, Finland

Resolution being limited by PC I/O Throughput

ヘッドアップ・ディスプレー

w

.h

on

da

.c

o.

jp

Optical 24 degrees or larger

24 V or lower

QVGA (320!240 pixels)

Simple optics

A Laser Display using a PZT-actuated 2D Optical Scanner

M. Tani, M. Akamatsu, Y. Yasuda, H. Fujita, and H. Toshiyoshi

IEEE / LOES Optical MEMS 2005, Finland

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曲がるディスプレィ

電子ポスター

プラスチック（< 0.2 mm）によるフレキシブル化

Photo by Y. Taii 2005

Electrostatically Controlled Transparent Display Pixels by PEN-film MEMS

Yusuke Taii, Akio Higo, Hiroyuki Fujita, Hiroshi Toshiyoshi

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Fabry-Perot Interferometer

Electrostatically Controlled Transparent Display Pixels by PEN-film MEMS

Yusuke Taii, Akio Higo, Hiroyuki Fujita, Hiroshi Toshiyoshi

Presented at IEEE / LEOS Optical MEMS 2005 in Finland

プラスチック系MEMSによる干渉計ディスプレー

Glass / PEN Substrate

Al 10 nm Reflector / Electrode

Silicon Oxide 310 nm

Photoresist Spacer 0.6 um

Al 10 nm Reflector / Electrode

PEN Film

Electrostatically Controlled Transparent Display Pixels by PEN-film MEMS

Yusuke Taii, Akio Higo, Hiroyuki Fujita, Hiroshi Toshiyoshi

Presented at IEEE / LEOS Optical MEMS 2005 in Finland

発色のメカニズム

Electrostatic Operation

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400um!400um"#$%

DC 54V ON!!OFF

&'()*+,CCD-./012-345678

透過光制御の様子（実時間）

Electrostatically Controlled Transparent Display Pixels by PEN-film MEMS

Yusuke Taii, Akio Higo, Hiroyuki Fujita, Hiroshi Toshiyoshi

Presented at IEEE / LEOS Optical MEMS 2005 in Finland

x=0.323, y=0.582

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

520

540

530

560

550

580

590

570

500

510

490

480

470

460

600

610

620

630

640 ₆₅₀

700~780

x

y

Standard CRT

This work

!""

CIE : Commission Internationale de l'Eclairage

x=0.34, y=0.219

x=0.210, y=0.215

３原色の色再現性

Pre-defined by SiO

2 Layer Thickness

Electrostatically Controlled Transparent Display Pixels by PEN-film MEMS

Yusuke Taii, Akio Higo, Hiroyuki Fujita, Hiroshi Toshiyoshi

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9:;<=>?

@>A;B>?

CDEFGH>?

Roll-to-Roll

印刷技術による製作？

Electrostatically Controlled Transparent Display Pixels by PEN-film MEMS

Yusuke Taii, Akio Higo, Hiroyuki Fujita, Hiroshi Toshiyoshi

Presented at IEEE / LEOS Optical MEMS 2005 in Finland

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光ファイバＭＥＭＳの

医療機器への応用

Mirror

Vertical Comb

Stiction Pad

GND

Hinge-1

Hinge-2

Torsion Bar

1 mm

試作中のMEMS OCT スキャナ

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光ファイバ型OCT

血管内治療カテーテル，血管内視鏡へのOCT応用

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„…ŒH†Ž‡ˆ••4‘…‹

C’Œ‡‡ˆ“”‹

■

波長1.5μｍ → 光電変換によるアクチュエータ駆動電圧の発生

■

波長1.3μｍ → OCT断層画像撮影

光ファイバ型OCT

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医療・バイオ応用

■

血圧計，脈拍計，呼吸器量センサ

■

医療用カテーテル

■

カプセル内視鏡

■

生体プローブ

■

神経プローブ（検出，刺激）

■

人工感覚（視覚，触覚，聴覚）

■

ペースメーカ

■

ドラッグデリバリー

■

ディスポーザブル血液検査

■

DNAチップ，μTAS

1.5 um

1.3 um

Optical Fiber

OCT Probe Source

Modulation Signal

Optical Fiber

Fiber Connector

Disposable

Inside Human Body

Outside Human Body

Probe

Modulation

Backscattered

Probe Signal

Scanning Fiber

Endoscope

MEMS Scanner

Photovoltaic

Device

Tissue

Single Mode Fiber

WDM Filter

(in vivo)

Single Mode Fiber

Reference

Mirror

Optical Modulation

Photo Diode

OCT System

光ファイバ波長多重通信の医療応用

Photo by C. Chong, Santec. Co. 2006

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Page 33

血管内視鏡のさらなる小型化

Optical Fiber Sheath MEMS Scanner ! 125 um

毛細血管用内視鏡＜＜現在試作中の内視鏡

直径１／２０に縮小

Sheath

Optical Fiber

Ferrule

Collimator

Photovoltanic Cell

Beam Splitter

Focus Lens

MEMS Scanner

!

3 mm

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Page 35

w

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Lockheed Martin Atlas V vehicle launching INMARSAT 4-F1

from Cape Canaveral, FLA, March 11, 2005

w

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INMARSAT 4-F1

International Maritime Satellite Telecommunication Organization

Goal of Project

Active Phased-Array Antenna (APAA) for Highly-Mobile Com-Sat Link

Navigation

_{Paramedical Mobile}

Aviation

Ku- or Ka-Band

Ku : 14 GHz uplink

Ka : 30 GHz uplink, 20 GHz downlink

Communication Satellite

Derivative: ETC (Electronic Toll Charge), Cellular Phone

System Station, ITS (Intelligent Traffic System)

INMARSAT Fleet

INMARSAT Aero

(19)

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Page 37

Active Phased-Array Antenna

Photo courtesy Professor S. Kawasaki, Kyoto University

… that keeps track on the satellite

Photo courtesy Professor S. Kawasaki, Kyoto University

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

PS

Amp

Adaptive Phased Array Antenna

At least 32 x 32 (= 1024) Elements

for PM

*1

EM = Engineering Model (Proof of Concept)

PM = Prototype Model (Sample Product)

FM = Flight Model (Product)

Reduced Number of

Power Supply Nodes

(20)

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Page 39

Low Loss RF-MEMS Switches in Phase Shifter

RF-MEMS switches replacing

PIN-diodes / FET-type solid

state switches

SPDT

Sw

SPDT

Sw

SPDT = Single Pole Double Throw (one input, two output)

Photo courtesy Professor S. Kawasaki, Kyoto University

研究プロジェクト 2006年5月現在

MEMSと光MEMS

光通信応用．．．おもに企業と共同研究

ディスプレー応用．．．企業／研究室オリジナル

医療応用．．．神奈川科学技術アカデミープロジェクト

赤外天文応用．．．理学部天文センターと共同

衛星通信アンテナ．．．総務省プロジェクト

(21)

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Page 41

年吉研究室メンバー（２０）

スタッフ（４）

年吉洋

（助教授）

高橋巧也

（技官）

小泉弘子

（秘書）

山本智子

（秘書）

客員研究員（２）

三田信

（JAXA）

Benoit CHARLOT（CNRS）

ポスドク（３）

Winston SUN（学振）

Aleksandr CHEKHOVSKIY（KAST)

Ho Nam KWON

（KAST)

大学院生（６）

肥後昭男

Ｄ３

山下清隆

Ｄ３

高橋一浩

Ｄ２

Yuheon YI Ｄ１

中田宗樹

Ｍ２

山根大輔

Ｍ１

企業からの研究員（５）

山野井俊雄（光伸光学工業）

諫本圭史（サンテック）

谷雅直（スタンレー電気）

飛田浩平（ヒロセ電機）

與田光宏（セイコーエプソン）

謝辞．．．共同研究，研究助成金など

研究機関／研究室

東京大学生産技術研究所藤田博之教授，研究室

東京大学生産技術研究所荒川泰彦教授，岩本敏講師

東京大学生産技術研究所高橋琢二助教授

韓国光州科学技術院（ＧＩＳＴ） Jong-Hyun Lee教授

カリフォルニア大学ロサンゼルス校（ＵＣＬＡ） Ming C. Wu 教授（現バークレー校）

宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部

東京大学理学部天文センター

東京大学大規模集積システム設計教育研究センター（ＶＤＥＣ）

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ＭＥＭＳ研究室紹介

年吉研究室

光通信，ディスプレー，医療応用，無線通信

---年吉 洋

【本務】東京大学 生産技術研究所

マイクロメカトロニクス国際研究センター

〒153-8505 東京都目黒区駒場4-6-1

電話：03-5452-6276

FAX: 03-5452-6250

E-mail:

[email protected]

神奈川科学技術アカデミー「光メカトロニクス」研究室長

宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部 客員助教授

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ＭＥＭＳ

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Micro Electro Mechanical Systems

概念 ＝ 電気・機械系の超小型化

半導体集積回路

集積「機械」

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マイクロアクチュエータの例

直径100μｍ （ほぼ髪の毛の直径）

静電駆動型マイクロモーター

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実用化MEMSの例

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最近の研究成果ハイライト

MEMSと光MEMS

光通信応用

ディスプレー応用

医療応用

赤外天文応用

衛星通信アンテナ

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TORSION MIRROR CHIP

COUNTER ELECTRODE

3mm

光スキャナ

光伸光学工業と東大生産研の共同研究 2002

光クロスコネクト用ミラーアレイ

大日本印刷と東大生産研の共同研究 2002

光ファイバコンポーネント

Santec と東大生産研の共同研究 2003

シリコン製マイクロレンズ

マイクロレンズ型スキャナ

MEMSプロジェクタ

スタンレー電気との共同研究 ２００５

小さな機械で光を制御 ーＭＥＭＳ−

光ファイバ通信への応用

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静電マイクロミラーの光ファイバ通信デバイス応用

可変光減衰器

Santec と東大生産研の共同研究 2004

µ-Actuator

MEMS Electrostatic Torsion Mirror for VOA

Release Holes

Rear

Cavity

Torsion

Spring

V

Initial Electrostatic

Gap

---年吉洋

【本務】東京大学生産技術研究所

宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部客員助教授

概念＝電気・機械系の超小型化

直径100μｍ（ほぼ髪の毛の直径）

テキサスインスツルメンツ社デジタルマイクロミラー型投影ディスプレー

スタンレー電気との共同研究２００５

小さな機械で光を制御ーＭＥＭＳ−