MEMS（マイクロ電気機械システム）入門：種類、構造、応用を解説

マイクロ電気機械システム、またはMEMSは、微細加工技術を用いて機械的および電気的コンポーネントの両方で構成される微小なデバイスまたはマシンです。

「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記述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なものに変換するため、MEMSとして分類されます。

ヨーロッパではMEMSはマイクロシステム技術としてより一般的に知られ、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。それらは1〜100マイクロメートルのサイズのコンポーネントで構成されています。

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は10平方センチメートル以上の面積を占有することがあります。

MEMSデバイスは通常、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微小機器（マイクロセンサーなど）を含みます。

MEMSの種類

MEMSスイッチ技術には、オーミックとキャパシティブの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ます。カンチレバーは時間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. キャパシティブ スイッチは、移動プレートまたはセンシング要素によって静電容量を変化させることで制御されます。共振特性を活用することで、特定の周波数範囲ではオーミックデバイスを上回る性能を発揮するように構成できます。

どのように構築されるか？

MEMSの製造への関心が1980年代に高まりましたが、商業開発に必要な設計と製造インフラを確立するまでにほぼ20年かかりました。最初に製造されたデバイスのいくつかは、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。

この技術を用いて、研究者たちは1990年代後半にマイクロミラーを利用したプロジェクタ（MEMSを利用）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がより普及し、放射線、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、より大きな対応物よりもはるかに効率的（性能とエネルギー消費の観点から）になっています。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、複数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、集積回路と半導体デバイスの作成に使用されるのと同じ技術が関与します。基本技術は以下の通りです。

堆積： 特殊な表面に材料の薄い層（1〜100マイクロメートル）を堆積させます。
パターニング： リソグラフィと呼ばれるプロセスを使用して、材料にパターンを転写します。
エッチング： 材料を化学溶液または反応性イオンを使用して溶解し、必要な形状を生成します。
ダイ準備： MEMSデバイスがシリコンウェーハ上で準備されると、個々のダイが分離され、冷却液体またはドライレーザープロセスを通じ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。容易に入手でき、安価で、特にマイクロエレクトロニクス分野で実質的な利点があります。例えば、シリコンは非常に少ない疲労とほぼエネルギー損失のない特性を持ちます。

一部のMEMSは、電気めっき、蒸着、スパッタリングプロセスを通じて金属で作られます。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、アルミニウムが含まれます。

ポリマーもMEMSデバイスの製造に使用できます。大量生産が可能で、さまざまな材料特性を持つためです。

MEMSとNEMSの違い

NEMS（ナノ電気機械システムの略）は、ナノスケールで電気的および機械的特徴を持つデバイスのクラスです。NEMSはMEMSからの論理的な次なる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いです：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ちます。

NEMSとMEMSは別個の技術として言及されますが、互いに依存しています。例えば、原子を検出する走査トンネル顕微鏡は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技術では、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における大幅な進歩により、研究者たちは圧力センサー、共振子、加速度計などのNEMSデバイスにグラフェンを使用することにさらに関心を持っています。

例と応用

MEMSがより効率的になり、構築コストが安くなるにつれて、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の一般的な商業応用は以下の通りです。

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世界市場

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で価値を提供し、高い売上マージンでカスタマイズ製造の費用を処理します。大手企業は主に、エレクトロニクス、バイオメディカル、自動車などのエンドマーケット向けに大量の安価な部品やパッケージソリューションを製造します。一般的に、中小企業と大手企業の両方が研究開発に投資し、新しいMEMS技術を構築しています。

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年には約120億米ドルでした。コネクテッドライフスタイルの人気増加を考慮すると、家電分野が主要セグメントになると予想されています（世界収益シェアの40%以上）。