MEMSアクチュエーションとセンシング機構の深掘り：高度なセンサ設計のための総合ガイド

概要

過去数十年にわたり、微小電気機械システム（MEMS）デバイスの進歩は、微小化センサを製造技術と統合する上で極めて重要な役割を果たしてきました。センサは複数の物理入力を検出・応答し、それらをアナログまたはデジタル形式に変換するシステムです。センサはこれらの変化を、デバイス変数を監視するためのマーカーとして利用可能な形式に変換します。MEMSは微小サイズ、低消費電力、優れた性能、バッチ製造が可能であることから、センサの微小化に優れた実現性を示します。本稿では、MEMSベースデバイスに適用可能な標準的なアクチュエーションおよびセンシング機構の最新動向を紹介し、これらが現在のほぼすべての製品カテゴリに革命をもたらすことが期待されています。アクチュエーションおよびセンシングの原理、実用応用例についても論じます。MEMSベースデバイスのアクチュエーションとセンシング機構を正しく理解することは、新規かつ複雑なアプリケーション設計における効果的な選択において極めて重要な役割を果たします。

はじめに

センサとアクチュエータは総称してトランスデューサと呼ばれ、信号やエネルギーをあるエネルギー領域から別の領域へ変換する機能を果たします。物理信号を電気信号に変換する様々な変換装置（センサ）があり、出力信号は集積回路（IC）による電子システムでさらに処理されます。逆に、電気信号を物理信号に変換するのがアクチュエータです。センサは物理現象（振動、圧力、流量など）や組成変化（電気伝導度、pHなど）を検出・監視し、これらの変化を測定変数のマーキングや制御に利用可能な特定の形式に変換します。アクチュエータは機械的運動と力/トルクを生成するために用いられます。言い換えれば、センシングは知覚をもたらすエネルギー変換プロセスであり、アクチュエーションは行動を生み出すエネルギー変換プロセスです。センサは物理・化学量を検出するセンシング素子、検出パラメータを電気信号に変換するトランスデューサ、変換信号を読み取り解釈するリードアウトデバイス（コンピュータなど）の3部構成です。

センサ性能は感度、分解能、精度などの特性パラメータで評価されます。感度は検出対象物質濃度の最小値を決定し、分解能は測定可能な最大値と最小検出値の比で定義されます。精度は絶対標準に対する測定の不確かさの度合いであり、定性分析に直接影響します。検出限界（LOD）はセンサが識別可能な物質の最小量であり、特定物質を識別するセンサの能力を示します。応答時間は濃度が一定限界に達した際にセンサが警告信号を出力するまでの時間、リカバリ時間は検出プロセス後、センシング材料がベースライン状態に回復するまでの期間です。

過去数十年、微小電子デバイス製造技術の進歩により、魅力的で高精度・高性能なデバイスシステムが生まれました。技術は人間の目に見えないレベルまで微小化されています。MEMSは、センサやアクチュエータとして機能する微小デバイスの革新を含みます。MEMS分野の継続的発展は、最適化されたコスト削減型微小電子機器の実現を約束しています。典型的なMEMSデバイスの寸法は数十〜数百ミクロンオーダーで、マイクロプロセッサと同様の製造手法で構築されます。現在、センサとアクチュエータはマイクロプロセッサチップと同等のスケールで製造可能です。近年の発展では、圧力、温度、慣性などのセンサが類似のチップハンドリングユニットを用いてバッチスケールで微小化製造されることが実証されています。システムオンチップの精密な重ね合わせにより、複雑なシステムの動作が可能になります。

MEMSは半導体材料を用いて製造され、機械部品、センサ、アクチュエータ、電子要素を、数ミリからミクロンゲージのフィーチャーサイズを持つ一般的なシリコン基板上に集積する技術です。これらのシステムは微小スケールでセンシング、制御、アクチュエーションを実行でき、個別またはバルクで動作してマクロスケールに効果を生み出せます。MEMS技術は、マイクロエレクトロニクスとマイクロマシニング技術を典型的なSiウェハ上で組み合わせ、典型的な金属酸化物半導体デバイスへと発展させました。近年、MEMS技術は様々なタイプの自然センサとアクチュエータの認識において大きく成長し、低消費電力、高速応答、機械的尺度でのアレイ製造、容易・安価・高感度といった利点から、微小化センサ製造に大規模に利用されています。特に、センシング材料の表面積対体積比が大幅に増大したことで、金属酸化物ベースセンサの動作温度が低下し、展開材料への需要が高まっています。

最近、二酸化チタン（TiO₂）、二酸化スズ（SnO₂）、酸化亜鉛（ZnO）などの金属酸化物ベースセンサがガス検知用として最も魅力的なタイプとなっています。金属酸化物半導体（MOS）技術の作動原理は、検知時にアナライトガスに曝露された際のアクセプター材料として用いられる金属酸化物半導体の抵抗率変化に基づきます。しかし、これらのセンサの高感度は高温動作でのみ達成可能であり、選択性の問題もあります。代替アプローチとして、貴金属ナノ粒子（Au、Ag、Pd、Ptなど）と組み合わせ、化学的・電子的感作効果の特異な利点により上記の障壁を克服する方法があります。

MEMSデバイスは、MEMSCAP USを通じてMUMPs（Multi-User MEMS）プロセスで製造可能です。MUMPsは産業界と学術研究向けに実用的なコンセプト実証MEMS製造を提供する営利プログラムです。MEMSCAPはMUMPsパッケージの重要な側面として、PolyMUMPs（3層ポリシリコン表面マイクロ製造プロセス）、MetalMUMPs（電鋳ニッケルプロセス）、SOIMUMPs（SOIマイクロ製造プロセス）の3つの標準プロセスを提供しています。MEMSプロセスは、半導体デバイス製造の独自技術である堆積、パターニング、材料層のエッチングから発展しました。MUMPs製造技術の手順はデザインハンドブックルールに示されています。製造技術とは別に、MEMSセンサは産業用および家庭用アプリケーションにおいて計装や人間の快適性問題として広く使用されてきました。MEMSセンサの多様な動作条件（内部用途から屋外用途まで）に対応して、様々な作動原理とセンサ材料に基づく異なるタイプのMEMSセンサがモデル化されてきました。MEMSセンサは湿度センサや有毒ガスセンサを含むガスセンシングシステムにおいて不可欠です。

MEMSはセンサとアクチュエータとして、現在の生活のほぼあらゆる側面をカバーする広範な分野です。電子マイクロシステムの新興分野は、微小化された形態でほぼすべての製品カテゴリを含み、アクチュエーションとセンシング技術の製造と統合プロセスにおける急速な発展に貢献しています。ターゲットアプリケーションの有効性は、特定のアクチュエータの適切な選択に批判的に依存します。また、アクチュエータの基本効率は電力と制御方法、互換性、必要なパッケージングの程度、コスト効率などの様々な要因に依存します。本稿では、MEMSアクチュエーションとセンシング技術について、多くの一般的な変換形式に重点を置きながら機能的応用の観点から徹底的に分析し、これらの主要因に対処しつつこの新興分野の発展を促進します。論文の構成は以下の通りです。第II節でマイクロ電気機械システムを紹介、第III節でアクチュエーション機構（静電、電気熱、電磁、圧電アクチュエーションを含むMEMSデバイスを駆動する様々な原理とアプローチ）を簡潔にレビュー、第IV節でセンシング機構（圧電抵抗、容量、光学センシング機構）の概要を紹介、第V節でMEMSベースデバイスの将来展望についてさらに議論、最後に第VI節で結論と将来動向を示します。

マイクロ電気機械システム

現在知られるMEMS技術の最初の出現は、1954年4月1日、Smithがベル電話研究所のPhysical Reviewに論文を発表し、シリコンとゲルマニウムにおける応力感受性効果、すなわちピエゾ抵抗効果を初めて記述したことに遡ります。MEMSという略語は、微小化されたデバイスとシステムの巨大な広がりと多様性（単にマイクロ、電気、機械システムだけではない）のため、必ずしも最も適切とは言えません。それでも、MEMSは最も一般的にこの分野全体（IC以外のマイクロマシニングから生じるすべてのデバイス）を指すために用いられ、micro-electro-mechanical、Microelectromechanical、microelectronic and MEMS（米国）などと表記されます。この微小化の一般分野の別名として、ヨーロッパで有名なMicrosystems Technology（MST）、アジアで有名なMicromechanicsがあります。MEMSデバイスは周囲環境から情報を測定し、有用な電気信号に変換する幅広い分野をカバーします。関心のある6つの主要エネルギー領域は以下の通りです：

1. 電気領域（電場、電流、電圧、抵抗、電荷、容量、インダクタンス、誘電定数、分極、周波数）

2. 化学領域（組成、反応速度、濃度、pH、酸化還元電位）

3. 機械領域（長さ、幅、面積、速度、加速度、質量流量、体積、力、圧力、トルク、音響波長、音響強度などの時間微分）

4. 熱領域（温度、流量、熱、比熱、エントロピー、任意の物質の状態）

5. 放射領域（強度、位相、偏光、波長、反射率、透過率、屈折率）

6. 磁気領域（磁場強度、透磁率、磁束密度、磁気モーメント）

これらのエネルギー領域と一般的に遭遇するパラメータは（表1）にまとめられています。システム内の総エネルギーは複数の領域に共存し、適切な条件下で様々な領域間を移動できます。

設計チップの動作に応じて、MEMSは様々なカテゴリに分類できます。有害ガスの測定、監視、検出のためのセンシング実行に使用できます。別の分類は、体内や体液に作用する、あるいは体外で作用するアクションタイプデバイスとしてMEMSを使用するもので、薬物送達システムに用いられるデバイスなどが該当します。MEMSデバイスはコアアプリケーション領域に基づき、流体、無線周波数（RF）、光学、バイオMEMSの4つの異なるカテゴリに分類されます（図1）。

現在のほとんどの技術において、MEMSセンサはコンシューマーエレクトロニクスから航空産業まで、多くの実用的アプリケーションで好まれる新しい分野です。MEMSの最も重要な特徴は、半導体チップ上の電気部品と効果的に通信できる能力であり、電子機能と機械的動作を組み合わせることでセンサ産業に革命をもたらしました。通常、微小サイズゆえに低消費電力と高感度を持ちます。MEMSベースセンサデバイスには、アレイ製造の潜在性による低コスト、低消費電力、小型化といった多くの利点があり、様々なアプリケーションで重要な役割を果たします。その他、軽量、高分解能、安定した性能、他デバイス・システムとの容易な統合などの利点もあります。マイクロメカニカルからマイクロメカニカルデバイスへの縮小は、慣性センサ、化学センサ、インクジェットプリンタ、ジャイロスコープ、衛星、RF通信、スマートフォン、圧力センサ、加速度計、生体医療機器、軍事用途、運動・力センサなど、いくつかの分野で改善されています。さらに、製造プロセスの低コストと簡素性は商業生産において重要な役割を果たします。

作動原理に基づき、センサデバイスはデバイス動作の静的モードと動的モードの2カテゴリに分類できます。MEMSデバイスが静的モードベースの場合、周波数信号は含まれず、表面吸着質量によりビームがたわみ、応力と構造変形の一時的な結果を生じます。これは光学的に検出されるか、ピエゾ抵抗の変化によって検知されます。デバイス表面で特定の化学結合が生じ、内部ナノメカニクスがMEMSビームを曲げて検出します。動的モードでは、デバイスの最適性能を得るために機械的共振周波数を励起する必要があります。振動系が達成できる最大振幅と、特定システムで最大共振を励起する周波数を共振周波数と呼び、ビームのばね定数と有効質量という2つの主要パラメータの影響を受け、これらに応じて変化します。これが共振周波数の変化を検出手段として利用する作動原理です。所望の感度と分解能を得るには品質因子が高い必要があります。これらの機構を理解し比較することは、MEMSベースデバイスの動作と出力信号検出の基礎であるため必要です。

アクチュエーション技術

アクチュエーション技術とは、入力エネルギーを微小構造の運動に変換する機構を指します。MEMSデバイスを駆動する様々な原理とアプローチがあり、最も重要なものとして、静電アクチュエーション、電気熱アクチュエーション、電磁アクチュエーション、圧電アクチュエーションが挙げられます（図2）。CMOS-MEMSセンサデバイスは、並列平板コンデンサを用いた静電アクチュエーション、またはマイクロヒーターを用いた電気熱アクチュエーションで動作するように設計されています。一方、PolyMUMPsとMetalMUMPsセンサデバイスは、埋め込みマイクロヒーターを用いた電気熱アクチュエーションで動作するように設計されています。

MEMSベースデバイスは、前述のアクチュエーション手法のいずれかを通じて、正弦波力F(t)を印加することで駆動できます。式(1)は、Mがトッププレートの総質量、bが減衰係数、kが柔軟ビームのばね定数として、運動の一般方程式を求めるために用いられます。

$$M\ddot{\gamma} + b\dot{\gamma} + k\gamma = F(t)$$ (1)

ここで、Fはz方向の外部駆動力の振幅、\(\ddot{\gamma}\)、\(\dot{\gamma}\)、γはそれぞれ質量の加速度、速度、変位を表します。

静電アクチュエータは非常に普及しており、高速応答と低消費電力を特徴とします。一方、電気熱原理を用いたアクチュエータも人気があり、低駆動電圧で大きな駆動力と変位を得られます。電磁アクチュエータは高速応答と大変位というメリットがあります。圧電原理を用いたアクチュエータは高感度ですが、単位電圧あたりの駆動力と変位は小さいです。したがって、これらのアクチュエーションアプローチのいずれかで高性能デバイスを得るには、働く原理をよく理解することが不可欠です。

静電アクチュエーション

静電アクチュエーションの主な源はコンデンサの電場であり、反対極性を帯びた2枚の平行平板間の引力に依存します。静電アクチュエーションはクーロンの法則に基づき、固定板と可動板の間に生じる一定距離を置いた2つの電荷間の相互作用力を記述します。静電アクチュエーションはMEMSデバイス駆動の最もポピュラーな機構の一つとされ、シンプルな設計、高速応答、製造容易性、低消費電力を備えます。しかし、非線形性と高い駆動電圧がこのタイプのアクチュエータの主要な課題です。MEMSを静電アクチュエーション下で研究する際、いくつかのタイプの静電アクチュエーションを慎重に検討する必要があります。最も一般的な形式は、単純な2枚の平行平板からなるコンデンサ、または複数のインターディジテートまたは非インターディジテートフィンガーからなるコムドライブ構造に基づくものです。従来の方法は平行平板アクチュエーションで、可動トッププレートがある極性を持ち、固定ボトムプレートが反対極性を持つ構造です（図3）。可動プレートの変位と振動は、2枚のプレート間の電圧差に依存します。電荷の極性が同一なら固定板と可動板間に斥力変位が生じ、異なれば可動板が固定板に引き寄せられます。可動板の電荷タイプを周期的に変化させることでアクチュエーションが生じます。

平行平板が静電駆動される際、固定板がマイクロビームの直下にあり、静摩擦がデバイスの崩壊を引き起こすプルイン不安定性が主な問題となります。コムドライブアクチュエータは、インターディジテートフィンガー構造を持つ2組のコムセットで構成されます（図4）。通常、基板と同一平行平板上に配置され、一方のコムフィンガーが固定、もう一方が柔軟構造（バネなど）に接続され、固定板に向かってまたは離れて移動します。可動コムと固定コムフィンガー間に異なる電圧を印加すると、フリンジフィールドの静電力が外部正弦波力によって2つのコムを引き寄せます。一般的に、平行平板コンデンサは単位面積あたりのコムドライブアクチュエータより強力です。これは固定板と可動板間のオーバーラップ容量が大きいためです。しかし、設計者は以下の2つの主な理由でコムアクチュエータを好みます：より大きな変位（数十ミクロン）が得られ、力が変位に比較的依存しないためです。全体として、静電アクチュエーションはマイクロメカニカルアクチュエータ、バイオセンサ応用、湿度センシング、粒子・質量センシング、MEMSナノポジショニングシステム、RF MEMSスイッチ応用、MEMS発振器のクローズドループノイズ、ナビゲーション（自動車GPS）、ジャイロスコープ、呼気中バイオマーカー検出、質量感受性ガスセンサなど幅広い応用を見出しています。また、糖尿病非侵襲スクリーニングのための静電駆動・容量検出CMOS-MEMSベースセンサデバイスの理論モデルも報告されています。キトサンポリマーをセンシング材料として呼気中アセトン蒸気を検出し、最適化感度は約0.042、0.066、0.13、0.18、0.26 pm/ppmと報告されています。

MEMSデバイスを共振状態または振動モードに励起するには、ステータとローターの2枚のプレート間に交流電圧を印加して交互駆動を行う必要があります。標準的な駆動モードは以下の通りです：単純な交流電圧（V₁sinωt）、DCバイアス付き交流電圧（V₀+V₁sinωt）、プッシュプル駆動（図5）。プッシュプル駆動は一般的に最良の解と見なされます。これは構造力をローターの両側に適用できるためです。プッシュプルはコムドライブスキームに適した理想的な駆動です。

電気熱アクチュエーション

電気熱技術はMEMSドライブで主に利用され、センシング応用では稀です。電気熱技術は本質的に、所望の変位を生成するための柔軟な構成に適しています。駆動は、異なる層の温度差に応答して生じる熱力によるもので、埋め込みマイクロヒーターの端子を通じて交流電流を印加することで行われます。マイクロヒーターは異なる材料層のコンポーネントで構成され、高温で動作します。交流電流印加時、デバイス温度が上昇し、異なる材料の熱膨張係数（CTE）のミスマッチにより材料が膨張し、熱応力が生じてデバイスが曲がります。一方、冷却は基板への伝導と周囲の空気（または液体）への対流によって達成可能です。

これらの温度変化はデバイスに2つの影響を与えます（文献[44, 87]）：(1) デバイスの寸法変化またはデバイス内部に生じる応力、(2) デバイスの材料特性が温度に応じて変化。電流技術はマイクロヒーターに集約される必要があります。マイクロヒーターは、抵抗器に特定の電流を流して所望の熱を発生させ、低消費電力と高速応答を実現できます。電気熱力は式(2)で記述できます。

$$F_{th} = \alpha_{T} AE(T - T_{0})$$ (2)

ここで、α_TはCTE、Eはビームのヤング率、Aはビームの断面積、Tは最終温度、T₀は加熱前の初期温度です。マイクロヒータ設計には様々な材料が用いられてきました。最高の性能、精度、広い温度範囲、安定性を達成するには白金と金が最適ですが、高価です。MEMSセンサでマイクロヒータを利用するには、発生熱を有用な出力に変換する内蔵温度センサが必要です。温度センサとして、白金は-200°C〜800°C、ニッケルは-100°C〜260°Cの範囲で利用可能です。アルミニウムも温度センシングに適した材料との報告があります。図6に電気熱アクチュエーションの一般的な機構（Uビームアクチュエータ（ホット/コールドアーム）、バイモルフアクチュエータ（二材料アクチュエータ）、バックリングアクチュエータ（Vビームアクチュエータまたはシャトルビーム））を示します。

Uビームアクチュエータはホット/コールドアームとも呼ばれ、狭いアーム（ホット）、広いアーム（コールド）、アンカー、コンタクトパッドで構成されます。主に基板に対する面内または水平方向の駆動に用いられます。作動原理はコンタクトパッド間に差動電圧を印加し、電流をアームに流すことです。ホットアーム（高抵抗）はコールドアーム（低抵抗）より高い電流密度でより多く発熱します。より狭いホットアームはより高温になり、より多く膨張します。ホットアームは大きな熱応力を生成し、両アーム間の差動歪みによりデバイス全体がたわみます。

バイモルフアクチュエータ（二材料アクチュエータとも呼ばれる）は、異なる熱膨張係数を持つ2つの熱膨張材料が接合された構造です。最初の2つのアクチュエータとは異なり、バイモルフアクチュエータは通常、面外方向のアクチュエーションに用いられます。電流がビームを通過すると材料温度が上昇し、一方の材料が他方より大きく膨張するため熱応力が生じ、デバイスが曲がります。

熱バックリングアクチュエータはVビームまたはシャトルビーム、アンカー、コンタクトパッドで構成され、これも主に面内または横方向のアクチュエーションに用いられます。ビームに電流が流れるとジュール熱による温度上昇で熱膨張が生じ、最も抵抗の少ない方向にシャトルを移動させたり、デバイスの中心ビームを前方に押し出したりします。

実装では、熱駆動MEMSデバイスの大半は固有振動数近傍の周波数で振動させるため、デバイスの固有振動数を計算することが不可欠です。電気熱技術は、非常に低い励起電圧で2層材料の熱膨張に基づく大きな駆動力と変位を実現できるため、他の戦略では同等の測定で達成できない点でより普及しています。電気熱アクチュエーションは、大きな変位、製造容易性、大きな力、比較的低い印加電圧といった複数の利点を示します。一方、大量の電流と低電圧アンプを必要とし、ジュール熱による高消費電力という欠点があります。さらに、周囲温度に敏感です。最後に、電気熱アクチュエーションによる励起温度と熱上昇は、隣接エレクトロニクスやシステムのパッケージング段階にいくつかの欠点をもたらす可能性があります。

多数のタイプの電気熱アクチュエーションが開発・研究されてきました：ホット/コールドアーム、バイモルフ（二材料）、熱バックリングアクチュエータ。文献[101]はバイモルフアクチュエータを用いた熱駆動下でのマイクロカンチレバー振動を調査。文献[102]はMUMPsプロセスで製造されたポリシリコンマイクロリング熱アクチュエーション（RTA）の構造化手順を提案。熱駆動ベースのマイクロカンチレバーを設計し、システムを真空または流体（気体/液体）中と仮定し、解析解を提示。Dennisら[44]は、内蔵マイクロヒータを備えたCMOS-MEMSシステムを製造し、比較的高温（40-80°C）で動作させ、チタン酸化物（TiO₂）ナノ粒子をセンシング材料として湿度レベルを測定。センサは電気熱アクチュエーションで動的モードで動作し、出力信号はブリッジ回路に接続されたピエゾ抵抗（PZR）センサで評価。湿度センサ出力電圧は湿度35% RHから95% RHの増加に伴い0.585から30.580 mVに上昇。感度は温度40から80°Cの上昇に伴い0.102 mV/% RHから0.501 mV/% RHへ線形に増加し、最大ヒステリシス0.87% RHは相対湿度80%で観測されました。さらに注目すべき貢献として、Almurら[104]はMetalMUMPsアセトン蒸気センシングシステムを電気熱アクチュエーションと容量センシングベースでモデル化。出力電圧変化はアセトン蒸気濃度100-500 ppmの増加に伴い線形に増加し、濃度感度0.65 mV/ppmを見出しました。MetalMUMPs技術の厚いニッケル層によりデバイス質量が非常に大きく（4.7×10⁻⁸ kg）、質量感度が低い（0.118 MHz/pg）という結果でした。

電磁アクチュエーション

電磁動作は、大規模アプリケーション（スピーカーなど）のセンシングと駆動に長く利用されてきました。この技術は電気を用いて磁気効果を励起します。コイルまたは共振器に集積されたインダクタに交流電流を流して磁場を共振器に生成し、電磁力（オランダの物理学者ヘンドリック・A・ローレンツ1895年にちなんでローレンツ力とも呼ばれる）を利用します（図7）。ローレンツ力は、電荷にかかる電場と磁場の合成力の結果として点電荷に生じる力と定義されます。電磁アクチュエーションは、静電や電気熱など他のアクチュエーション技術の指針としても利用されてきました。この技術では、電流Iを流す導体が外部磁場Bに置かれると、式(3)で示されるローレンツ力F_Lが誘導されます。

$$\vec{F}_{L} = L\vec{I} \times \vec{B}$$ (3)

ここで、Lは導体長、×は外積演算を示します。磁場内の導電性要素の電流は、電流と磁場に垂直な方向に電磁力を生成し、この力は電流、磁束密度、マイクロビーム長に直接比例します。磁石と磁場の間で電流によって生成される相互作用の結果、マイクロビームに機械的変位が生じます。例えば、マイクロビームに電流を流して外部磁場に曝露させることでマイクロビームを刺激する電磁アクチュエーション（図7a）があります。同様に、マイクロビーム上のデバイスを流れる交流電流を用いて、面外共振子を励起することも可能です（図7b）。コイルがマイクロビーム構造に堆積されている場合、等しい値で逆方向のローレンツ力が生成されます。コイルの異なる部分を流れる電流の逆方向にこれらの力が対応し、互いに打ち消し合います。しかし、図7cでは正味の運動を誘導し、マイクロビームを駆動することができます。

電磁技術は他のタイプのアクチュエーション技術に比べて多くのメリットを持ちます。主な利点として、非線形効果の影響を受けない大変位、電流駆動であるため低電圧、高再現性、高速応答、高精度、容易な制御などが挙げられます。MEMSアプリケーションでは、デバイスサイズ比あたりの最大駆動力を達成するために電磁技術が最良の選択肢です。しかし、巨大電流による高消費電力、製造が複雑（通常、磁束生成のための誘導部品、コイル製造の可能性、磁性材料の堆積が必要）といった欠点も抱えています。この事実と構造的困難が磁気アクチュエーション応用を制限してきました。しかし、MEMSスイッチデバイス、光スイッチ、マイクロスキャナ、ジャイロスコープ、リレーなどで成功例が文献に存在します。多くの研究も磁気アクチュエーションに基づいています。商用0.35 μm CMOSプロセスを利用した磁気マイクロセンサが調査されています。さらに、Barbaら[111]はボロン添加シリコンを用いて寄生現象を最小化する電磁駆動MEMSカンチレバーを設計。別の画期的な研究では、ZnOナノロッド（6 μm/キトサンSAMs）をセンシング材料とする湿度センシング用の電磁・圧電駆動およびピエゾ抵抗検出CMOS-MEMSデバイスがモデル化され、感度83.3 ppmが見出されました。

圧電アクチュエーション

圧電効果とは、特定の材料が印加された機械的応力に応答して電気電圧を生成する能力を指します。圧電性は1880年にキュリー兄弟によって発見され、「Piezo」はギリシャ語で「押す」または「押しつける」を意味する言葉から来ています。圧電アクチュエータは、圧電効果に基づき印加電位を機械的運動または歪みに変換するトランスデューサと定義されます。石英、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（圧電セラミックスPZT）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）などの圧電材料は、マクロスケールでのセンサ・アクチュエータ応用だけでなく、近年ではMEMS応用でも一般的に用いられていますが、直流応答がないためセンシング用途は限定的です。圧電材料は電気的には絶縁体として振る舞い、電荷を集めたり電場を印加したりするために2つの導電性電極の間に配置する必要があります（インターディジテート電極またはサンドイッチ構造を使用）。

MEMSデバイスでは、圧電アクチュエーション法の基本原理は、MEMSビームの一部として薄い圧電層を柔軟構造の間に堆積させることに基づきます（図8）。圧電層に電圧を印加すると、印加電圧の分極に従って圧電材料が膨張し、柔軟ビームの長手方向に軸方向の曲がりが生じます。

一般的に、圧電アクチュエータは高出力力、良好な動作帯域幅、非常にコンパクトなサイズ、軽量、低消費電力、高速応答など多くの利点を示します。これらの特性はよく知られ、数十年にわたり使用されてきました。最も初期のセンサの多くは圧電アクチュエーションを使用し、今日でも使用されています。しかし、アクチュエータの小さな変位が主要な欠点であり、高温感度、非線形動作領域、ヒステリシスが幅広い応用を制限しています。圧電材料は非常に脆く、単独で使用されることは稀で、アクチュエーションとセンシング応用のために柔軟構造に接合されることが多いです。圧電アクチュエーションに基づく複数の研究があり、特に湿度センシング用のピエゾ抵抗マイクロカンチレバーの環境応用への展望を研究したものがあります。Mahdaviら[117]は、薄膜Piezoelectric-on-Silicon（TPoS）共振子を用いた正確な露点測定の新クラスを提案（ZnO NRs、6 μm/キトサンSAMs）。感度は46 s/167 sの応答時間範囲で16.9-83.3 ppmと見出されました。化学センシングのための圧電励起ベースの質量負荷感度が調査され、フレクサルモードシリコン共振子の圧電変換による効率的な温度補償が報告されています。防衛用途向け圧電MEMS共振ガスセンサも報告されています。

アクチュエーション技術の議論

異なるタイプのMEMSアクチュエータには異なる駆動エレクトロニクスが必要です。本稿で言及したように、MEMSデバイスを駆動する様々な原理とアプローチがあり、最も重要なのは静電、電気熱、電磁、圧電アクチュエーションです。静電アクチュエータは伝統的な分野であり、MEMSデバイス駆動の最もポピュラーな機構の一つとされ、シンプルな設計、高速応答、製造容易性、低消費電力を備えます。しかし、非線形性と高い駆動電圧が主要な課題です。電気熱アクチュエータは駆動源に対して非常に低い抵抗を示し、高電圧ではなく大電流を必要とします。高電圧アンプは電気熱MEMSアクチュエータには特に適していません。代わりに、低電圧大電流信号源が必要です。もちろん、高電圧アンプの出力電流が十分大きければ電気熱アクチュエータを駆動できますが、特にエネルギー効率的またはコスト効率的な解決策ではありません。MEMSアプリケーションでは、電磁技術がデバイスサイズ比あたりの最大駆動力を達成する最良の選択肢です。しかし、巨大電流による高消費電力、製造の複雑さ（誘導部品、コイル製造、磁性材料堆積が必要）といった欠点を抱えています。圧電アクチュエータも高電圧アンプを必要としますが、通常共振用途で使用されるため、駆動電圧の要件は他のアクチュエータより通常低くなります。過去数年間で多くの応用に使用されてきた4つの基本アクチュエーション技術で駆動可能なMEMSベースセンサデバイスの最近の研究は表2に示されています。MEMSベースセンサデバイスがアクチュエーション技術に基づいて分類されるマイクロアセンブリとマイクロマニピュレーションの分野において、明確な発展傾向が観察できます。現在、高感度と高分解能を提供するMEMSベースセンサデバイスの幅広い応用が特定されています。統合構成により、センシングシステムはより堅牢で信頼性が高くなっています。

出力信号のセンシング機構

センシング機構はMEMSデバイスの出力を検知するために用いられます。センシング技術の基本は、デバイスのセンシング層に堆積したポリマーが特定の化学物質を吸収し、ビームの応力、質量、電気的または機械的特性に変化を生じさせることに基づきます。質量変化を推定するには、検出された質量増加をパラメータの一つとするデバイスの共振周波数を測定します。一方、ポリマーが質量を吸収すると、センシング素子表面に配置されたピエゾ抵抗を用いてビームの質量を推定できます。疑わしい化学物質を検出する別の方法は、熱電対を用いてポリマーがアナライトを吸収する際に発生する熱による温度変化を測定することです。

これらのMEMSデバイスの出力を検知する方法として、ピエゾ抵抗、容量、光学機構が用いられます（図9）。異なるセンシング機構にはそれぞれ利点と欠点が同時に存在します。

例えば、光学センシングは実現性が良好ですが、容量とピエゾ抵抗技術に比べて実装コストが非常に高くなります。容量とピエゾ抵抗技術は出力信号を検知する一般的な方法です。CMOS-MEMSデバイスは、0.35 µm CMOS技術の特徴によりピエゾ抵抗と容量の両センシング技術を包含するように設計されました。対照的に、PolyMUMPsとMetalMUMPsデバイスは容量センシング技術のみを使用するように設計されました。

ピエゾ抵抗センシング

ピエゾ抵抗はMEMSデバイスで一般的に使用されるセンシング原理です。本質的に、ピエゾ抵抗材料の原理は、印加応力に応答して歪みが変化する際の抵抗変化に基づきます。この変化は、曲げによる表面応力変化の結果として、デバイス材料の電気抵抗の変化として観察されます。抵抗率ρ、長さl、断面積Aの抵抗器であるピエゾ抵抗素子の抵抗値Rは式(4)で与えられます。

$$R = \frac{\rho l}{A}$$ (4)

印加歪みに比例する抵抗変化ΔRは式(5)で定義できます。

$$\Delta R = G\varepsilon R$$ (5)

ここで、Gはピエゾ抵抗のゲージ係数（比例定数）、εは材料の歪み、Rはピエゾ抵抗抵抗です。ピエゾ抵抗素子は縦方向と横方向の歪み成分に対して異なる振る舞いを示します。式(5)によれば、ピエゾ抵抗の抵抗は幾何学的変化（長さと断面積）または材料特性（抵抗率）の変化により変動します。ピエゾ抵抗検出は、応力印加時の材料抵抗率の差に依存します。ピエゾ抵抗材料では、応力印加による抵抗率変化が、幾何学変化による抵抗率変化よりも抵抗にはるかに大きな影響を与えます（幾何学変化による抵抗変化に依存するセンサはひずみゲージと呼ばれます）。（図10）に異なる抵抗器配向と外力負荷方向を示します。

このセンシング機構の主な欠点は、抵抗率の強い温度依存性です。この影響を制限するため、通常4つのピエゾ抵抗を集めてホイートストンブリッジを形成します。これにより温度依存性が制限されます。さらに、ゲージから生成される微小な電気信号変化は、このホイートストンブリッジを用いて電圧として変換・測定されます。ホイートストンブリッジは4つの抵抗をブリッジの4腕に配置します（図11）。これらのアクティブ抵抗（トランスデューサとして作用）の数に基づき、シングルアクティブブリッジ（シングルトランスデューサ）、ハーフアクティブブリッジ（ダブルトランスデューサ）、フルアクティブブリッジ（クアドラプルトランスデューサ）が利用可能です。シングルアクティブブリッジはクォーターブリッジとも呼ばれ、圧力、力、温度などの物理環境によって変化する単一のアクティブコンポーネントのみを使用し、残りの抵抗はパッシブです。MEMSシステムは温度、熱量計、ホイートストンブリッジと組み合わせたセンサとして使用され、ベースライン変動を許容します。熱ブリッジシステムはMEMSの中で最もよく知られたセンシングプラットフォームの一つです。AC駆動ホイートストンブリッジ構成（図11b）では、抵抗ベース温度計を用いてマイクロケルビン分解能で温度変化を分析しています。概して、ブリッジの右半分は下部枝にセンシング抵抗と関連抵抗を上部に備え、左側はマッチング側と定義されます。比較的低い温度抵抗係数を持つ固定抵抗が、以前の研究に基づき安定性と分解能を向上させるために選択された抵抗値で使用されます。

シリコンピエゾ抵抗とポリシリコンパッチは一般的にMEMSセンサで使用されます。シリコンの抵抗率はドーピング方法に依存します。n型ドープシリコンはp型より感度が低く、これが製造上の制約となります。この状況では、面内横方向と面内縦方向が最も重要な要素となります。シリコンのような半導体材料では、幾何学変化による縦・横ゲージ係数は抵抗率変化によるものに比べて非常に小さいため、幾何学変化は無視でき、抵抗率変化のみによる縦・横ゲージ係数は式(6)と(7)で求められます。

$$G_{L} = \pi_{L} E$$ (6) $$G_{T} = \pi_{T} E$$ (7)

ここで、Eはピエゾ抵抗材料のヤング率、π_Lとπ_Tは任意配向ポリシリコン結晶粒の縦・横ピエゾ抵抗係数で、その値は表3に示されています。

現在、ピエゾ抵抗効果は生物・化学検出、湿度センシング、スイッチ応用、呼気中バイオマーカー検出、マイクロスキャナ、圧力センシング、質量感受性ガスセンサなどに利用されています。Zopeら[117]は、質量センシング応用向けに主にCMOS材料で構成される抵抗検出熱駆動ピエゾ共振子を開発し、質量感度24.96 kHz/ngを報告。抽出質量分解能16.3 fgも観測され、エアロゾルセンサとして大きな可能性を示しています。

容量センシング

容量センシング機構は、ステータとローターのフィンガー間、または固定板と可動板間の容量変化を測定することに基づきます。容量センシングは、全製造アプローチとの互換性と剛性により、マイクロマシン加工アプリケーションの主要な支配的手法です。容量センシングには、高感度、低消費電力、設計の簡素性、低ドリフト、低温度依存性といった魅力的な特徴が多数あります。さらに、出力信号の測定はPolyMUMPsダイ上で容量センシングを用いて容易に製造可能です。単一の平行平板のみを用いて、MEMSデバイス（CMOS-MEMSデバイス、PolyMUMPsデバイスなど）の固有振動数や振幅の変化を容量的に検知したり、コムフィンガーを用いて（MetalMUMPsデバイスなど）検知したりできます。

CMOS-MEMSデバイスとPolyMUMPsデバイスでは、アクチュエーションがない場合（図12a）、下部固定板と可動トッププレート間の初期静的検知容量（Cs₀）は式(8)で計算されます。

$$C_{s0} = \frac{\varepsilon A_{s}}{z_{0}}$$ (8)

ここで、ℇは誘電体の相対誘電率、A_sは検知プレートの面積、z₀は固定板と可動板間のギャップです。可動板がzだけ変位すると（図12b）、初期ギャップが変化し、容量も変化し、式(9)で求められます。

$$C_{s}(z) = \frac{\varepsilon A_{s}}{z_{0} - z} = C_{s0} \frac{z_{0}}{z_{0} - z}$$ (9)

同時に、MetalMUMPsデバイスでは、差動コムフィンガー設計を用いて出力を容量的に検知できます。図13に示すように、差動容量を持つ2組の固定コムフィンガーがあります。

初期条件では、デバイスが駆動されていないとき（図13a）、振動・固定フィンガーの各セットの静的検知容量C₀は式(10)で計算できます。

$$C_{0} = n\frac{\varepsilon l_{f} w_{f}}{d}$$ (10)

ここで、l_fとw_fは振動・固定コムフィンガーのオーバーラップ領域の長さと幅、dは固定と振動コムフィンガー間のギャップ、nは振動コムフィンガーの数です。デバイスが固定コムフィンガー1に向かってyだけ移動すると（図13b）、容量C₁とC₂が変化し、その値は式(11)と(12)で計算できます。

$$C_{1}(x) = n\frac{\varepsilon l_{f} w}{d - y}$$ (11) $$C_{2}(x) = n\frac{\varepsilon l_{f} w}{d + y}$$ (12)

デバイスの出力信号は、駆動時の検知容量変化による電圧として測定され、MS3110容量リードアウト回路を用いて容量変化をマイクロヒータ温度に応じた出力電圧変化に変換します。現在、容量効果はMEMS共振子、バイオセンサ応用、湿度センサ、糖尿病スクリーニング、ナビゲーション（自動車GPS）、低ノイズ加速度計、RF MEMS容量スイッチなどに使用されています。

光学検出

光学センシング機構は、透過光の変化を受光光と比較検出することに依存します。化合物種のスペクトル透過戦略による検出は広く認められています。光学センサは、化学反応や化学触媒活性に依存しないため選択性が高いことで注目されています。大気汚染物質の識別は、光学種の特性（吸収、屈折率、ラマン散乱、蛍光、反射など）を用いて認識されます。光学センサは主に、フーリエ変換赤外分光（FTIR）、表面プラズモン共鳴（SPR）、差分光吸収分光（DOAS）、レーザーダイオード吸収分光（LDAS）、キャビティリングダウン分光（CRDS）、非分散赤外（NDIR）分光、光検出と測距（LIDAR）、UV蛍光、化学発光などの様々な技術を通じて、排出・吸収測定を利用して大気試料中の大気汚染物質をセンシングします。通常、光は関連媒質を持つ空間を通過、変調、または反射されます（図14）。ベール・ランベルトの法則を用いて、大気汚染物質の光学検出を以下のように規定できます。

$$I = I_{0} * e^{-\alpha l}$$ (13)

ここで、試料を透過した光はI、入射光はI₀、αは吸収率、lは光路長を表します。

しかし、光学MEMSの大多数の応用は通信分野にありますが、他分野でも様々な用途があります。文献には大気汚染物質の光学検出を導入する多数の試みが記載されています。これらのセンサのいくつかは化学物質の認識に使用され、これらセンサの多機能な役割を示しています。赤外分光法は光学センシングに利用可能な技術の一例です。さらに注目すべき貢献として、Huangら[136]は統合光学MEMS加速度計のシミュレーションを実証。有効なシミュレーション結果として、共振周波数562.85 Hz、機械的感度781.64 nm/g、光学系感度1.23、分解能1.037 µg、低クロス感度が示され、提案加速度計はMEMS慣性ナビゲーションデバイスの改善に使用可能です。もう一つのモデルはファブリ・ペロ光学センサです。基本的に、このセンサの原理はガスをチャンバーに導入し、短時間後に光を通過させることに基づきます。物質組成の変化により、ガスなしの場合とは異なる光透過が生じ、この光を分析してテストされているガスの種類について結論を導きます。カテコール検出用光学MEMSセンサの成功したテストが報告されています。カテコール酸化の吸光度測定は、MEMSデバイスを通じて接続された青色光（472 nm）で実施。光は連続波モードで動作するフリースペース青色レーザーから透過し、手動で配向してマルチモードファイバーに焦点合わせ。受光光は光ファイバーを介してUSB接続分光光度計に結合され、ソフトウェアを用いた自動データ収集を支援しました。

センシング機構の議論

異なる作動原理に基づき、上記のセンシング機構はピエゾ抵抗、容量、光学の3タイプに分類できます。異なるセンシング機構にはそれぞれ利点と欠点が同時に存在します。例えば、光学センシングは実現性が良好ですが、容量とピエゾ抵抗技術に比べて実装コストが非常に高くなります。その結果、ピエゾ抵抗と容量技術が出力信号検知の一般的手法となっています。ピエゾ抵抗技術では微小な応力変化も検出可能です。ピエゾ抵抗センシングの主な欠点は抵抗率の高温依存性です。表3には、アクチュエーションとセンシング機構、センシング材料、製造技術、応用を含む最近5年間の研究と進歩を示します。微小化マイクロチップ（表4）は、ガス・湿度センシング、人間健康スクリーニング、慣性ナビゲーションに、良好な再現性、高分解能、高感度、高速応答で利用可能です。さらに、MEMSセンサはオンチップ電子回路と組み合わせたセンサの効果的な媒体であることが証明されており、携帯型センサチップとしてだけでなく、Internet of Things（IoT）ネットワークの一部としてリンクし、リアルタイムかつリモートな高感度水分追跡を実現できます。

議論

最近の開発は、環境からエネルギーを収穫する新技術についてです。持続可能な自己完結型マイクロ/ナノ電源はナノエネルギーの新興分野であり、マイクロ/ナノシステムの電力供給のためにエネルギーを収穫する際にナノ材料とナノテクノロジーが関与します。摩擦帯電は、2つの別個の材料間の物理的摩擦に依存して表面のみに生成されます。摩擦帯電ナノ発電機（TENG）は、逆極性を持つ2材料間の接触分離または相対スライディングにより機械エネルギーを変換するデバイスです。TENGは摩擦帯電と静電誘導の結合効果に基づき、新エネルギー技術として、また自己駆動アクティブセンサとしての更新された進歩と潜在的応用を持ちます。提案アプローチは人間活動から生体力学的エネルギーを電気へ変換します。これらの中には、携帯型生体デバイスと摩擦帯電（接触面で生成される電荷）ベースの自己駆動センサからウェアラブルエネルギーへの変換について調査した成功例があります。

• 動作中の消費電力を減らすため、ウェイクアップまたはほぼゼロパワー補完センサの提案と調査が必要です。これらのセンサはエネルギー消費を持ちません。これらのMEMSコンポーネントにより、MEMSセンサは長期間動作可能、または自己駆動で動作可能になります。

• 将来志向のセンサを見据えると、柔軟性を持つセンサが近年の研究でホットトピックとなっています。これはその汎用性と健康/人間応用における大きな展望によるものです。柔軟センサはウェアラブルセンサと組み合わせて独自の利点を持たせることが多いです。柔軟センサを観察機能のためのウェアラブルエレクトロニクスとして利用するだけでなく、より高度な要件を達成するためのヒューマンマシンインターフェースとしても利用できます。人間の生活の質の向上に伴い、ウェアラブルデバイスとヒューマンマシンインターフェースは、十分な柔軟性と多機能センシング能力を持つ未来のセンサ開発の重要な方向性として認識されています。ウェアラブル電子デバイスは人体と簡単に統合でき、知覚能力を拡張できます。ウェアラブル電子デバイスのセンサ機能には、力、歪み、生体電気、心拍数モニタ、温度、フィットネストラッカーなどが含まれますが、これらに限定されません。異なる解剖学的位置における様々なデバイスの活用により、病院ケアからフィットネス・ウェルネストラッキング、ヒューマンマシンインターフェース、認知状態の認識と評価まで、人体センサの多くのアプリケーション開発が促進されます。

• 同時に、MEMSセンサを人工知能（AI）と組み合わせることで、次世代センサは明確な進化的インパクトを提供し、様々なアプリケーション状況において人間が他のものと相互作用するのを支援します。さらに、現代社会の急速な改善は人間と機械の関連性の拡大を観察しており、巨大なインテリジェントヒューマンマシンデバイスを要求しています。巨大データと超高感度検出において、機械学習戦略を用いるMEMSセンサは次世代スマートセンシングシステムの拡大を劇的に刺激します。このインタラクティブシステムと次世代センサは消費者により包括的な体験を提供します。スポーツトレーニングシミュレーション、エンターテイメント、医療リハビリテーションなど、多くの実用的応用に使用可能です。

結論と将来動向

MEMSベースセンサが微小化と電子マイクロ回路の分野で重要な役割を果たすことはよく認識されています。これらの機構を理解し比較することは、MEMSベースデバイスの動作と出力信号検出の基礎であるため必要です。本稿では、過去数十年にわたり出現したMEMSデバイスに関連するいくつかの一般的なアクチュエーションとセンシング機構をレビューしました。本稿では、MEMSベースセンサデバイスのアクチュエーションとセンシング機構の進歩について記述的概観を紹介しました。最新トレンドと制約を示しながら、新興アクチュエーションとセンシング技術分野への貴重な洞察を提供しました。アクチュエーションとセンシング機構の重要性、構造、作動原理、分類、製造、応用を強調した包括的な議論を展開しました。MEMSベースセンサデバイスのアクチュエーションとセンシング機構の適切な理解は、様々な革新的技術におけるそれらの選択と効果的な応用において極めて重要な役割を果たします。また、感度、共振周波数、入出力電圧、温度などの望ましいアプリケーションに基づくMEMSセンサでのアクチュエーションとセンシング技術の適切な選択は、迅速な商品化とより良い製品安定性につながります。

産業や電子機器など様々なアプリケーションのために様々なタスクを実行するには、多様なアクチュエーションとセンシング機構と協働する異なる構造のMEMSデバイスが実生活で出現します。さらに、MEMSデバイスは単純なタスクだけでなく、より複雑な仕事にも使用されるようになります。同時に、MEMSデバイスはより大きな自由度を持ち、多様なアプリケーションのニーズを満たせるようになります。しかし、より高い精度と微小化を追求するため、MEMSデバイス設計の複雑さは増し続けるでしょう。また、MEMS製品は市場と密接な関係があります。MEMSデバイスはより多くの機能、微小化、低コストを実現すると予測され、これは他製品にとって大きな挑戦となります。したがって、今後数年でMEMS製造アプローチは市場需要に応えるためにより高いレベルに発展するでしょう。MEMSデバイス製造プロセスの進歩に伴い、ユニークなハードウェアメーカーはより短い製造サイクルとより速い製造速度を求めるでしょう。

この分野の将来動向の中心領域の一つは信頼性研究と改善手法です。さらに、新材料とコスト効率の良い製造技術が開発の重要な機会を提供します。設計能力が標準原理に限定されず、定性的性能を向上させられることが実証されています。MEMSの利点があるにもかかわらず、以下の側面でいくつかの課題が依然として存在します。

• MEMS技術による従来のMOS薄膜は、コンパクトな表面構造と低結晶性のため、ターゲットガスに対する感度が低いことが多い。

• 最近の研究では、高性能MOSナノ材料をマイクロヒータに統合しようと試みています。しかし、スラリー基盤のMOSナノ材料をマイクロヒータの懸架加熱領域に制御・塗布することは依然として困難です。しかし、低歩留まりと大きなデバイス間ばらつきが大規模センサ製造を妨げています。

• マイクロヒータとセンシング材料の密着性を改善し、安定したパラメータを得ることも複雑です。特に350°C以上の高温ではセンシング性能低下と低安定性を招きます。

• MEMS互換手法で高感度センシング膜を製造することは喫緊の目標です。

• 新時代に向けて、動作中の電源と知能の観点からMEMSベースセンサが直面する様々な課題があります。ウェアラブル応用の柔軟性、ヒューマンマシンインターフェース応用の親和的相互作用能力、巨大データの分析などの課題です。

データと材料の入手可能性

該当なし。

略語

MEMS:

マイクロ電気機械システム

pH:

水素イオン指数

ICs:

集積回路

LOD:

検出限界

MUMPs:

マルチユーザーMEMS

MST:

マイクロシステム技術

RF:

無線周波数

CMOS:

相補型金属酸化物半導体

CTE:

熱膨張係数

AC:

交流

DC:

直流

RTA:

リング熱アクチュエーション

PVDF:

ポリフッ化ビニリデン

GPS:

全地球測位システム

FTIR:

フーリエ変換赤外分光

SPR:

表面プラズモン共鳴

DOAS:

差分光吸収分光

LDAS:

レーザーダイオード吸収分光

CRDS:

キャビティリングダウン分光

NDIR:

非分散赤外

LIDAR:

光検出と測距

IDE:

インターディジテート電極

PZR:

ピエゾ抵抗

EFS:

静電場センサ

AI:

人工知能