MEMS（微小電気機械システム）とは何ですか？タイプとアプリケーション

Micro-Electro-Mechanical System（MEMS）は、微細加工の技術を使用して、機械的コンポーネントと電気的コンポーネント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、それらの製造に使用されるプロセス技術の両方を表す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。サイズは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、配列に配置された複数のモジュールは、10センチメートル四方以上の領域を占める可能性があります。

MEMSデバイスには通常、中央の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スイッチテクノロジーには、オーミックと容量性の2つの形式があります。

1. オーム 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触摩耗や金属疲労により故障する可能性があります。

2. 容量性 スイッチは、静電容量を変更する可動プレートまたは検出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ムデバイスよりも優れた性能を発揮するように構成できます。

それらはどのように構築されますか？

1980年代にMEMSの製造への関心が高まりましたが、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そのようなデバイスの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ーでした。

この技術を使用して、研究者は1990年代後半にマイクロミラー（MEMSを利用）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はほとんどすべてのスマートデバイスで使用されており、大型のデバイスよりもはるかに効率的になっています（パフォーマンスとエネルギー消費の点で）。これらは、マイクロプロセッサ、マイクロアクチュエータ、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次のとおりです

• 堆積 ：材料の薄層（1〜100マイクロメートル）が特別な表面に堆積されます。
• パターン化 ：リソグラフィと呼ばれるプロセスを使用して、パターンが材料に転写されます。
• エッチング ：材料は、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生成します。
• ダイシング ：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、次にウェーハダイシングが冷却液またはドライレーザープロセスによって実行されます。

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。それは容易に入手可能で、安価であり、そして特にマイクロエレクトロニクスの分野において実質的な利点を有する。たとえば、シリコンはほとんど疲労せず、エネルギー散逸もほとんどありません。

一部のMEMSは、電気めっき、蒸着、およびスパッタリングプロセスによっ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、さまざまな材料特性を備えた大量生産が可能なため、MEMSデバイスの製造にも使用できます。

MEMSはNEMSとどのように異なりますか？

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特徴とする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に似ていますが、より小さく、100ナノメートル以下（原子または分子スケール）の重要な構造要素を持っています。

NEMSとMEMSは別個のテクノロジーと呼ばれますが、相互に依存しています。たとえば、原子を検出する走査型トンネル先端顕微鏡は、MEMSデバイスです。

MEMS技術では、流体力学と周囲電磁気学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、表面ベースのセンシング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テクノロジーは、カーボンベースの材料、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がより効率的になり、構築コストが低くなるにつれて、MEMSはIoT（モノのインターネット）と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

• 横滑り防止装置やエアバッグの展開など、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テクノロジー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ー（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ための小型マイク、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。

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グローバルマーケット

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。一般的に、中小企業と大企業の両方が、新しいMEMS技術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288.4億米ドルに達すると推定されています。2015年には、120億米ドル近くに達しました。コネクテッドライフスタイルの人気が高まっていることを考えると、家電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）。

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キャリブレーション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。