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序文 |
マイクロ電気機械システム (MEMS) は、人類がインテリジェントな未来に向かって進み、ミクロの世界を探索するために不可欠かつ重要なテクノロジーです。いわゆるMEMSは、成熟した半導体製造プロセスに基づいており、さまざまな材料と多様な専門分野の知識を使用して、電子的または機械的機能を備えたコンポーネントまたはシステムを適切に統合および小型化する高度な技術です。 MEMS 産業は 50 年以上発展してきました。MEMS の初期の応用は主に自動車、産業、情報分野に焦点を当てていました。2006 年までは、Nitendo と Apple の 2 つの有名な企業が MEMS モーション センシング コンポーネントを使用して技術革新を行っていました。家庭用電化製品市場.これはよく知られた名前であり、人気のあるテクノロジー用語となり、実際に普及し、個人の生活に応用されています。
圧力センサー、インクジェットチップ、デジタルマイクロミラー、加速度計、ジャイロスコープ、マイクロマイク、室温赤外線センサー、ガスセンサー、一部の光通信や無線周波数アプリケーションコンポーネントなど、商品化に成功したMEMS製品は数多くあります。市場調査機関によると、世界のMEMS市場規模は2023年に310億米ドルに達し、2018年から2023年までの年間平均成長率（CAGR）は約17.5％となる見込みです。現在、MEMSの主な産業用途は家電製品と自動車エレクトロニクスの2分野で、市場シェアはそれぞれ60%と20%を占めており、残りの20%には通信、医療、産業、航空宇宙用途が含まれています。
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MEMSは最も先進的な研究分野として世界各国から認められており、21世紀で最も衝撃的な花形産業の一つでもあります。近年、グローバル5Gやモノのインターネットの急速な発展により、スマートフォン、ウェアラブル電子機器、ドローン、自動運転車、インダストリー4.0、スマートホームなどの技術分野におけるMEMSアプリケーションの需要が加速すると予想されています。すぐに MEMS 産業は爆発的な成長を迎えました。今号では、Ma-tekはMEMS 研究分野の第一人者である方維倫 教授を特別に招き、MEMS 技術の応用と開発を包括的に紹介する「科学技術の新しいチャンネル | 協力コラム」の記事を執筆していただきました。 「マイクロスピーカー」と「マイクロスキャニングミラー」という先進的なコンポーネントの技術開発成果は、この重要な技術分野における学術研究の進歩を読者に共有します。 |
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陳弘仁、Ma-tek研究開発センター所長 2022/11/28
ムーアを超えるマイクロ電気機械システム (MEMS) 技術! センサーとアクチュエーターの小型化
国立清華大学内威研究所動力機械工学科：方維倫教授
機械工学科: 劉世棋、羅松成
奈微所: 鄭皓謙、張書瑋
(この記事は方維倫教授提供、Ma-tek編集)
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マイクロ電気機械システム (Microelectromechanical system, MEMS) は、シリコン内でフォトリソグラフィー(Photolithography)、薄膜堆積(Thin Film Deposition)、ドーピング (Doping)、エッチング(Etching)などの半導体関連のプロセスステップを使用するプロセスであり、ウェハー上に微小な機械、完全な電気機械システムを構築して小型化された機械構造、センサー（Sensor）、アクチュエーター（Actuator）を実現するマイクロ電子部品。バイオ、光、機械、電気などの多様な分野で使用されます。
マイクロ電気機械システムは、半導体製造プロセスによってもたらされる小型化 (Miniaturization)、集積化 (Integration)、バッチ製造の (Batch Fabrication) 利点を活かし、関連製品に小型、低消費電力、低価格などの多くの競争上の利点をもたらし、多くの新興企業の主要技術となっています。モノのインターネット、Smart-X、メタバースなどの産業に応用され、その応用範囲と需要が急速に拡大しています 図 1 は、フランスの市場調査会社 Yole が予測した MEMS の将来の傾向を示しています。マイクロ電気機械は、機械構造の特性上、ムーアの法則 (Moore’s Law) に従って部品の小型化を図る必要がなく、逆に、半導体関連分野に多様化 (diversification)、いわゆる「拡張」をもたらすことができます。ムーア氏以上の(More than Moore)方法で半導体製造プロセスの影響と応用を明らかにするものであり、重要な戦略的価値があり、関連する国内業界関係者の注目に値する。
図 1 MEMSセンサーの今後の動向[1]。 |
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MEMS の応用 – スマート ライフ、モノのインターネットからメタバースまで |
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MEMSの応用概要を図2にまとめます。大きく分けて以下のようになります。 1.プローブカード(Probe Card)、原子間力顕微鏡 (AFM) のマイクロプローブ、生物医学チップのマイクロ流体チャネルなどの微細構造 [2-4]。 2. マイクロセンサー、マイクロフォン、圧力計、加速度計、ジャイロスコープなど [5-7]。 3. マイクロアクチュエータ、たとえば、インクジェット ヘッドのヒーターまたは圧電アクチュエータ、テキサス インスツルメンツ (TI) のシングルガン プロジェクターの光投影ウェーハのミラー アクチュエータなど [8-10]。 現在でも MEMS 製品は主にセンサーですが、初期にはタイヤ空気圧監視用の圧力計やエアバッグ作動用の加速度センサーなど、主に運転の安全性を向上させるために使用されていましたが、その後、家電製品などの民生用電子製品にも広がりました。補聴器、マイク、体性感覚ゲーム機の慣性センサーなど スマートウェアラブルデバイスやスマートフォンは、小型で低消費電力のマイクロ電気機械センサーを広範囲に利用して、マイク、加速度計、ジャイロスコープ、磁力計、圧力計、温度および湿度計を配置しています。ガスセンサーなどは、より多様な人間とコンピューターの対話、より優れた操作体験、より豊富な情報を消費者に提供します。 |
 図 2 マイクロ電気機械システムの応用分野 [43]。 |
変換器 (Transducer) という観点に立てば、マイクロ電気機械システムは小型で外部刺激に敏感であるためセンサーに適しているが、その反面、小型であるがゆえに外部に十分なエネルギーを出力することができないため、アクチュエーターへの応用にはより多くの制限と考慮が必要である。 その一つは、図3に示すように、マイクロヒーターを使用して気泡を発生させ、ヒューレット・パッカード（HP）のインクジェットヘッドから噴射されるインクを作動させるものである[11]。 もう1つは、テキサス・インスツルメンツ・インコーポレーテッド（TI）が開発したデジタル・ライト・プロセッシング（Digital Light Processing, DLP）チップで、マイクロ電気機械技術を利用して、図4に示すような数十万個のマイクロ・ミラー・アレイ（ Micro Mirror Array、MMA）を実装し[12-13]、静電気を利用して各MMAを作動させ、画素の色と明るさを制御し、スクリーンに画像を投影する。
近年、モノのインターネット、ビッグデータ、人工知能、メタユニバースといった概念の台頭により、マイクロセンサやアクチュエータの応用範囲や需要が牽引され、マイクロアクチュエータはシステム的な観点からもさらに不可欠な部品となっている。 2019年IEEE of Honor [注1]を受賞したクルト・ペーターゼン博士は、2017年に筆者（方教授）が主催したトランスデューサに関する国際シンポジウムに招かれ、講演を行った。 2019年IEEE名誉メダル[注1]受賞者のDr. Kurt Petersenは、2017年に筆者（方教授）が主催した国際シンポジウム「Transducers」に招かれ、マイクロアクチュエータの今後の重要性を予測する講演を行った。
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マイクロアクチュエーターと圧電フィルム |
マイクロ電気機械システムは、半導体プロセスを使用して大量生産され、ウエハ上に集積されるため、マイクロアクチュエータと、内燃エンジンやモータなどの従来の機械式アクチュエータとの間には、外観と駆動原理の両方において大きな、静電 (Electrostatic) 、電磁 (Electromagnetic)、電熱 (Electrothermal)、および圧電 (Piezoelectric) が含まれます。前述のHPインクジェット ヘッドは電熱式であり、TI投光チップは静電アクチュエーターです。電熱アクチュエータと静電アクチュエータは半導体製造プロセスとの互換性が高いため、多くの研究がこれら 2 つの方法を駆動要素として使用しています。
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しかし，各種アクチュエータには依然として解決すべき課題があり，静電アクチュエータは可動スペース，静電吸着（Pull-in）効果，駆動電圧などの問題を解決する必要がある[15]．電磁アクチュエータは組立関連が必要となる場合が多い．動作中のエネルギー消費の考慮事項[16].エネルギー消費と信頼性は電熱アクチュエータの隠れた懸念事項である. 圧電アクチュエータは、半導体プロセスと互換性のある圧電膜を入手することの難しさ、および圧電膜の安定性によって制限される[17-18] ]。圧電材料の優れた作動能力と幅広い応用可能性により、近年、多くの重要な研究機関や商業機関が圧電膜プロセス技術の開発に積極的に投資しており、画期的な開発も行っており、圧電アクチュエータは一般的な選択肢となっているコンポーネント。 つまり、窒化アルミニウム（AlN）やチタン酸ジルコン酸鉛（Pb(Zr 1-x Ti x )O 3、PZT）などの圧電材料は、機械エネルギーと電気エネルギーを相互に変換する特性を持っています。圧電効果は、そのエネルギー変換方法に応じて、入力された電気信号を圧電材料の線形変形に変換する（電気エネルギーが機械エネルギーに変換される）、正の圧電効果と逆圧電効果にさらに分類できます。 )、多層積層された浮遊マイクロメカニカル構造が図 5 に示すように設計されている場合、浮遊マイクロメカニカル構造の上部は大きな変位出力を生成し、この設計は圧電アクチュエータとして使用できます。 図 6 からわかるように、圧電アクチュエータの構成は非常に単純で、主に構造層、電極層、圧電膜から構成されているため、各膜層の積層や構造、形状設計や材料などを考慮する必要があります。圧電膜はすべて圧電性に影響を与えます アクチュエータの特性。圧電膜の駆動能力は、通常、材料の圧電係数 （電気機械変換能力）に依存しますが、表1に示すように 、PZTは数ある圧電膜の中でも優れた圧電係数を有し、非常に期待されている圧電膜です。電気的に作動する材料。 |
 図 5 は、圧電アクチュエータとしての吊り下げられたマイクロメカニカル構造の概略図です[43]。 図 6. 圧電アクチュエータの膜積層構造[43] 。
表 1 一般的な圧電材料の圧電係数。 |
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近年、 PZT圧電膜を用いて開発されたマイクロアクチュエータの応用は、メタバースの主要コンポーネントであるマイクロスピーカー(Microspeakers)、自動運転車、マイクロスキャニングミラー (Micro Scanning Mirrors)など、広く注目を集めています。 |
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マイクロ スピーカー – より臨場感のあるサウンド体験 |
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近年、TWS（True Wireless Stereo）、スマートグラス (Smart Glasses)、AR（Augmented Reality：拡張現実）、VR（Virtual Reality：仮想現実）などの需要が高まっており、それに伴い、臨場感を決める重要な要素である「聴覚」に関する部品が注目されている。 その結果、臨場感の決め手となる "聴覚 "に関する部品が注目されている。 音場は、図7に示すように、アプリケーション状況に応じて、開放音場の自由場と閉鎖音場の圧力場に分けることができます。現在のマイクロスピーカーの研究開発の方向性は、主にインイヤー型の密閉音場圧力フィールドであり、ユーザーがより完全で没入感のあるサウンドを聞くことができるようにするために、マルチユニットスピーカーが使用され、クロスオーバーと組み合わせてより広い周波数を実現する予定です。図 8 に示し。TWSを例にとると、磁気的に作動するダイナミックドライバー (Dynamic Driver)とバランスドアーマチュア(Balanced Armature)または圧電セラミック (Piezoelectric Ceramics) の組み合わせを使用してマルチユニットスピーカーが形成されます。 |
図 7開放音場の自由場と閉鎖音場の圧力場の概略図[43]。
図 8 クロスオーバーを備えたマルチユニットスピーカーの概略図 [43]。 |
TWSの適用においては、イヤホンの内部空間（特に厚さの点で、上記3つのスピーカーは従来の加工と製造に依存しており、スピーカーの体積をさらに小さくすることは困難であり、製造公差は非常に厳しいです。音響応答にも反映されます。そこで、マイクロ電気機械技術を利用して開発されたマイクロスピーカーが登場し、その中で圧電フィルム材料の圧電係数の向上や、より完全な製造方法の開発が続けられ、小型化（厚さ1.5mm以下）が実現されている[19] 。ただし、音圧は振動板の総面外変位に比例するため、振動板を縮小しながら音圧要求を満たすためには、音圧性能を維持するための構造設計に重点を置いています。
マイクロ電気機械技術の利点により、製品の一貫性において画期的な進歩が得られ、アルゴリズムがより正確にノイズ低減(Noise Cancellation)を完了できるようになります。さらに、マイクロ スピーカーには、周波数範囲 (Frequency Response)、全高調波歪み (Total Harmonic Distortion, THD)、および消費電力 ((Power Consumption) を含む次の設計上の考慮事項があります。周波数範囲はサウンドの完全性を決定します。全高調波歪みは、元の信号とは異なる信号;消費電力は単位時間あたりに消費されるエネルギーを表し、TWS の使用時間にとって特に重要です。
方 教授の研究室によって開発されたコンポーネントを例に挙げると、3 つの異なるマイクロ スピーカー ダイアフラム設計には、図 9 に示す密閉型ダイアフラム [22]、図 10 に示す部分的に密閉されたダイアフラム [22]、および図 1 に示すカンチレバー ダイアフラムが含まれます。 11 [23]。1 つ目は、密閉型ダイヤフラムです。ダイヤフラムは固定端で囲まれており、構造的な隙間がありません。最も単純な構造設計であり、製造プロセスも簡単です。しかし、その性能は膜の残留応力の影響を受けやすく、その結果、振動板の剛性は多くの場合、元の設計よりも大きくなり、高周波音圧性能が向上します。
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図 9 閉じたダイヤフラム[22]。 |
図 10 部分的に密閉されたダイヤフラム [22]。 |
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2つ目は部分的に閉じた振動板で、この振動板は構造設計により面方向の剛性を低減し、低周波の音圧を高めるとともに、初期変形により残留応力をある程度解放することができます。この振動板の振動モードはピストンモードと呼ばれ、平均面外変位が大きいという利点があり、密閉振動板のピストンモードに比べて出力音が良いと文献にも記載されています。品質 [ 24] と一貫性; 最後に、カンチレバー ダイアフラムがあります。この設計は、単一または複数のカンチレバー構造で構成されています。部分的に閉じたダイアフラムに似ていますが、一端が自由端になっています。前の 2 つと比較して、残留応力を完全に軽減でき、解放、その一貫性は高いです。 |
図 11 片持ち振動板 [23]。 |
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クロスオーバー駆動原理を備えた前述のマルチユニットスピーカーを通じて、マイクロ電気機械技術を使用してウーファー (Woofer)とツイーター (Tweeter)を同じチップ上に配置して帯域幅を広げ [23、25]、その後リバースドライブを使用することができます。図 12 に示すように、単一チップ上に配置されたマルチユニット スピーカーのを最適化する帯域幅と音圧[23]。したがって、マイコン電圧マイクロスピーカー構造は、さまざまな設計を通じて単一チップ上に複数のユニットスピーカーを統合することができ、これによりスピーカーのサイズを効果的に縮小し、複数のユニットによってより広い周波数範囲を実現し、より速い機械的応答を得ることができます(Mechanical Response)。
つまり、入力された電気信号により構造体が振動して音圧が発生し、その音圧が人の耳に伝わりますが、電気機械音変換過程での位相遅延（Group Delay）は小さい[20]。それだけでなく、MEMS スピーカーは従来のスピーカーの約半分の電力を消費します。上記の機能を組み合わせることで、MEMS スピーカーにより、ユーザーはより完全なサウンド、低い位相遅延、より長い使用時間を聞くことができ、リスニング体験を大幅に向上させることができます。 |
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これまでのところ、市場に出回っている圧電マイクロスピーカー製品はほんの一握りであるため、まだ初期段階にあります。2018 年に、Usound は世界初の圧電マイクロスピーカー Ganymede [20] (図 13) をリリースし 、音響産業に活力を注入しました。 2020 年に、ウェーハレベルのマイクロ電気機械プロセスを使用して製造された圧電MEMS マイクロスピーカーであるMontaraがリリースされました [21] (図 14 ) . サイズの利点と生産効率の両方を備えており、将来のスピーカー市場により多くの選択肢を提供します。全体として、既存の製品には改善の余地が多く、圧電マイクロスピーカーの無限の可能性は、従来のスピーカーが支配する環境を揺るがすでしょう。
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図 13 Usound Ganymede [20]。 |
図 14 xMEMS Montara[21]。 |
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マイクロスキャニングマスク – 仮想と現実を統合した視覚体験 |
約30年前、テキサス・インスツルメンツは、光学投影チップを介したマイクロ電気機械アクチュエータの応用に最適なデモンストレーションと想像の場を提供しました[8]。光通信がブームになった千年紀の変わり目頃、光スイッチ[26] 、主にマイクロ走査ミラーがホットキーコンポーネントになりました。ディスプレイや通信などの産業構造の継続的な更新と変化に伴い、マイクロスキャニングマスクの応用も消えていきましたが、近年、スマートビークルやメタバースなどの新たなアプリケーションの登場により、マイクロスキャニングマスクが再び注目を集めています。ステージ上でフォーカスされ、新たな圧電アクチュエーション技術も伴い、Technology Push とMarketing Pull の条件下で、マイクロスキャニングミラーは新たなシーンとインパクトをもたらすと私は信じています。
典型的なマイクロ走査ミラーを図 15 に示します. 主なマイクロ構造には、スプリング、ミラー、アクチュエータが含まれます. その動作原理は、前述の静電、熱電、電磁、または圧電マイクロ アクチュエータを使用して、吊り下げられたマイクロ ミラーとバネは特定の周波数で周期的に前後に回転しますが、このとき外部のレーザー光源を使用すると、光線はマイクロミラーに入射し、往復回転するマイクロミラーを通過することができます。レーザー光スポットは一次元の線に走査されますが、より完全なマイクロ走査ミラー構造またはシステムが図16 に示されており、レーザー光スポットを二次元画像に走査することもできるため、多くのアプリケーションを実現できます。
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一般に、関連するアプリケーションは次のように簡単に区別できます。
(1)イメージング: レーザー スキャン画像をマイクロ プロジェクターなどの投影イメージングアプリケーションとして直接使用します[27]。
(2)センシング: レーザー走査光スポットの反射は、バーコーダーや LiDAR などのセンシングアプリケーションとして使用されます[28]。
マイクロアクチュエータについて前述したように、製造プロセスの互換性と成熟度により、以前に公開されたマイクロ走査ミラーのほとんどは静電方式で駆動されていましたが、駆動電圧が高いため、プルが発生しやすい(Pull-in) 。このような問題により、特に過酷な動作条件と高い信頼性が要求される自動車環境では、その用途が制限されています。近年、圧電、圧電駆動のマイクロスキャニングミラーが自動車環境に重要なソリューションを提供しています。
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マイクロスキャニングミラーの応用—良達 |
近年、世界中で自動車のスマート化が進む中、国際的に有名な大手半導体メーカーが相次いで車載用センサーの開発に注目しており、その中でもLiDARはレーザー光を利用して周囲の風景をスキャンするアクティブテレメトリー技術です。 [29] . 長い検出距離と高い画像解像度を備え、暗い環境や雨や霧などの気象条件下でも良好な検出能力を維持できることが、自動運転車を実現するための重要な技術です。
現在、自動車用ライダーを実現できる競合技術はいくつかあります[30-32]が、小型化の傾向に応じて、レーザー光のステアリングに回転モーターを使用するのと比較して、マイクロスキャニングミラーを実装したライダーシステムが徐々に注目を集めています。従来の機械式ライダーと比較して、マイクロ走査ミラーに基づくライダーシステムは、小型、低エネルギー消費、低コストという利点があり、自動車用ライダーの応用分野で非常に競争力があります。
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マイクロスキャニングミラーの応用 - 車載ヘッドアップディスプレイ |
近年、メタバースに関する話題が盛り上がっており、自動車業界のビジネスチャンスにも注目が集まっており、多くの自動車メーカーが拡張現実（Augmented Reality,AR）や仮想現実（Virtual Reality,VR）などの技術の応用と車の中で、ドライバーがより良い運転体験をできるようにします。このうち、拡張現実ヘッドアップ ディスプレイ (AR HUD) は、図 17 [33] に示すように、外部環境と相互作用する画像を拡張現実的に表示することができ 、自動車にメタバースのアプリケーションを追加することができます。新たなビジネスチャンスをもたらします。
光の経路を制御する素子としてマイクロスキャニングミラーを使用し、 図18に示すようにRGB三原色のレーザー光と組み合わせることで、レーザービームスキャニング（Laser Beam Scanning, LBS）と呼ばれる投影画像技術を実現できます［34］。既存の技術と比較すると、現在のヘッドアップ ディスプレイは主に薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ (TFT-LCD) を使用して画像を表示していますが、この技術は成熟しており、低コストですが、残念ながら明るさが不十分で、強い光の下では見にくいです。LBS技術は画像化にレーザー光を使用するため、高輝度という利点があり、自動車のヘッドアップ ディスプレイ用途に非常に適しており、将来有望な技術です。
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図 17 AR ヘッドアップ ディスプレイ [33]。 |
図 18 RGB の 3 原色レーザー光を組み合わせた LBS イメージング技術 [34]。 |
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構造剛性や振動モードなどの機械的特性、圧電膜や駆動電極の分布などを調整することで、駆動素子や伝達構造をより適切に設計し、走査周波数や走査角度などのより優れた性能を得ることができます。 |
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マイクロスキャニングミラー素子は、動作特性に応じて共振駆動と非共振駆動[35]、さらには一次元走査ミラーと二次元走査ミラー[36]に分類できます。マイクロ走査ミラーの種類: 主な設計上の考慮事項には、走査周波数、走査角度、およびミラー サイズが含まれます。走査周波数は、レーザー センシングまたはイメージングのピクセル密度と更新レートを決定します。走査角度は、レーザー センシングの視野を定義します。範囲、または光学イメージングスクリーンのサイズ;マスクのサイズは、レーザー感知の最大距離とイメージング解像度に正の関係があります[37]。
マイクロスキャニングミラーの設計の課題は、走査周波数、走査角度、ミラーサイズなどの上記 3 つの設計指標のトレードオフ(Trade Off)から生じます。たとえば、ミラーのサイズが大きくなると慣性モーメントも大きくなります。これにより、走査角と共振周波数が減少し、さらに、バネの剛性を下げると走査角は増加しますが、その結果、共振周波数が減少します。3 つの指標を同時に改善することは難しく、アプリケーションの仕様に応じて設計の優先順位を決定する必要があることがわかり、既存の圧電アクチュエータは図 19 に示すように非常に多様な構造設計となっています［38-41］。 |
図 19 既存の圧電駆動マイクロ走査ミラーには複数の構造設計があります [38-41]。 |
著者（方教授）の研究室で開発された走査ミラーを例として、その設計上の考慮事項を説明します。図 20 はカンチレバー圧電アクチュエータ によって駆動されるマイクロスキャニングミラーの設計を示しています。中央ミラーの周囲にある4 組の曲げアクチュエータが駆動源として使用されます。 駆動電圧の入力により, カンチレバーの端は端の変位これによりミラーが偏向します。この設計では、曲げられた片持ち梁構造を使用してアクチュエータの同等の長さを延長し、これによりこれらのアクチュエータが同じ駆動条件下でより大きな端部変位を達成できるようになり、ミラーの回転角度がさらに増加します。
図 21 はマイクロ走査ミラーの別の設計を示しています。この設計では,振動エネルギーの発生器として左右対称の半月型の圧電アクチュエータを使用し,ミラー本体と圧電アクチュエータを巻きバネの設計によって接続しています。 アクチュエータは振動 巻きバネの設計は、振動エネルギーの伝達効果に大きく影響します。極端な条件を例にとると、バネの設計剛性(Stiffness)が低すぎると、バネが柔らかすぎることを意味し、すべての振動エネルギーが伝達されなくなります。バネ自体に吸収されてバネが大きく変形するが、そのエネルギーがマスクに伝わらない；バネの設計剛性が高すぎるとバネが硬くなりすぎてマスクとの結合が強くなるアクチュエータがアクチュエータの動きを制限し、振動効果が無効になります。
図 20 曲げアクチュエータのミラー コンポーネント[43]。 |
図 21 半月アクチュエータのミラー コンポーネント[43]。 |
圧電マイクロスキャニングミラーはまだ研究開発段階にあり、性能に影響を与える機械構造の設計に加え、使用時に長期間の高周波動作が必要なため、圧電膜の信頼性や安定性も重要です。これらは、製品化に進む前に習得しなければならない 2 つの主要な問題でもあり、多くの学者は、圧電コンポーネントがさまざまな条件下で安定して動作できることを確認するために、環境温度と湿度、およびコンポーネントのサイクル テストに関する関連研究を実施しました [42]。全体として、圧電マイクロスキャニングミラーは優れた光走査特性と市場優位性を備えており、近年、各国の産学、研究チームが研究に投資するよう誘致しており、圧電マイクロスキャニングミラーの開発も加速しています。 「それらはスマート車両やスマート要素に広く使用されています。宇宙の助けにより、マイクロスキャンマスクは活躍の場を見つけました。このコンポーネントが将来輝けるかどうかを見守りましょう。」
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結論 |
半導体関連プロセスを通じて実現されるマイクロ電気機械システムは、現在、幅広い商業用途を有しており、重要な戦略的価値も有しており、我が国の半導体産業の影響力と競争力をさらに拡大することができ、国内の関連業界関係者の注目に値する。マイクロセンサーに加えて,マイクロアクチュエータも近年多くの注目を集めています, 特に圧電フィルムで作られたマイクロアクチュエータとその関連アプリケーション。この記事では, 2つの有望な圧電アクチュエータ部品であるマイクロスピーカーを紹介します。これら2つのアクチュエータはマイクロ走査ミラーとともに多くの用途に使用されています.スマートビークル（車両、ドローン、トラックなどを含む）、元宇宙などの新興産業には、多くの研究チームや企業からの投資が集まっているため、優れた性能を備えたコンポーネントが数多く登場しており、関連するパッケージングや測定技術はますます完成度を高めており、この記事が国内の産業や人材に関連技術をできるだけ早く導入するよう促すことを願っています。
近年、業界は圧電薄膜センシング素子の可能性について楽観的になり、多くの機器サプライヤーやウェーハメーカーが主要な機器や材料の開発に投資するようになっており、これにより圧電薄膜の商業化が加速すると予想されています。センシング要素。一方で、圧電膜の機械的特性や関連アプリケーションの信頼性への影響についての議論は、今後の実用化を成功させるために直面しなければならない課題であり、国内の産学研究機関による確立が期待されます。材料と部品の試験技術をできるだけ早く開発し、圧電フィルムセンシング素子における中国の競争力を強化する。
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MA-tek編集後記 |
マイクロ電気機械システム (MEMS) テクノロジーは 1970 年代に誕生し、これまでに 4 回の重要な産業発展ブームを経験してきました。工業ブームの第一波は 1980 年代初頭から中期に起こり、当時、シリコンのピエゾ抵抗特性に関する研究やシリコン材料の加工技術が徐々に成熟していたことから、シリコンピエゾ抵抗圧力センサーや静電容量型加速度計の製品が開発され、広く使われています。第二次開発ブームは1990年代前後に起こり、パソコンや情報産業が活況を呈した。
1988 年に HP が最初のサーマル バブル MEMS インクジェット チップ製品を市場に投入し、テキサス インスツルメンツ (TI) も1996 年にデジタル マイクロミラー デバイス (Digital Micromirrors Device,DMD) を開発し、商用プロジェクターやモニターでの使用に成功しました。これら 2 つの重要な MEMS 製品は、全世界に深い影響を与えています。現在でも、これら 2 つの製品は世界市場の 50% 以上のシェアを維持しており、HP と TI は依然として MEMS 市場の収益の主導的プレーヤーです。
1990 年代半ばから後半にかけて、世界的な光通信産業の急速な台頭により、当時の MEMS 分野では第 3 波の市場ブームが起こりました。光通信産業の成長は2000年頃にピークを迎えましたが、世界的なブロードバンド通信の市場需要が予想をはるかに下回ったため、光通信産業は急速にバブル化して不況に陥り、関連するMEMS開発も衰退しました。光通信産業は 2004 年まで徐々に回復しませんでしたが、以前の MEMS 市場の強力な発展の勢いはもうありませんでした。2006 年頃、任天堂 (Nintendo)のゲーム機 Wii がモーションコントロールを実現するために MEMS テクノロジーを先駆的に使用したことにより、家庭用電化製品市場におけるアプリケーション開発の第 4 の波が始まりました。
多くの家庭用電子機器 (特にスマートフォン)モーション コントロール、測位ナビゲーションと機能を実現します。現在、世界中のスマートフォンの数は15億から20億台に達しており、各携帯電話には10以上のセンサーが使用されています。この家電アプリケーション市場は大きなビジネスチャンスを秘めており、需要は依然として拡大しています。しかし、数年後、この市場開発の波が飽和状態に達すると、誰もが必然的に、MEMS 業界の次の波で新たなハイライトとなる可能性のあるものは何だろうと尋ねるでしょう。
2014 年の台湾半導体産業協会 (TSIA) 年次総会で、張氏は「Next Big Thing」と題した講演を行いました。同氏は、次のビッグシングは「モノのインターネット（Internet of Things, IoT）」であり、5～10年以内にIoTのビジネスチャンスが芽生えると予想しており、IoTが構築する美しい生活は想像力に満ちていると述べた。人類は、世界中の何億人もの人々が共有する巨大なスマートネットワークインフラを通じて包括的な社会コミュニケーションと情報共有を行い、物理的なオブジェクトの接続と仮想分析の統合により、ユビキタスな検出、識別、情報共有を実現します。世界的に有名なコンサルティング会社であるMcKinsey & Companyの推計によると、世界のIoT市場規模は2025年に6兆2000億米ドルに達すると予想されています。このような豊富な産業ビジネスチャンスに直面して、Apple、Google、IBM、Samsungなどの多くの国際企業を魅了しているなどの展開を競って開発する。
IoT の全体的なアーキテクチャは基本的にセンシング層、ネットワーク層、アプリケーション層で構成されており、その 3 つの主要な技術カテゴリにはセンサー、ネットワーク通信、ビッグデータ分析が含まれ、特にセンサー技術は IoT の基盤となります。インフラ建設。将来的には、IoTにより、体内、体外、周囲環境に分散された数億台のスマートセンシングデバイスを使用して、対象となるすべての情報を長期間にわたって収集および記録し、高度な分析技術を使用して処理できるようになります。これらの膨大なデータを活用して予測アルゴリズムを作成し続けたり、エネルギー効率の向上、高品質の医療サービスの提供、快適性と利便性の向上、安全性リスクの軽減、生産性の向上といった目標を達成するためのインテリジェント システムを活用することもできます。
市場調査データによると、2007 年にはさまざまなデバイスをインターネットに接続するセンサーが 1,000 万個ありましたが、2013 年には接続されたセンシング デバイスの数が 35 億個に急増しました。2030 年までに、IoT に接続されるセンサーの数は 100 兆を超えると推定されています。MEMS センサーは、半導体ウェーハプロセスの成熟した利点を活用し、高感度、均一な性能、低コスト、バッチ生産が可能という特徴を備えており、多くの家庭用電化製品業界での広範な応用に適しているだけでなく、アプリ市場の収益ハイライト。
IoT アプリケーションの需要が大幅に高まっていることから、MEMS の産業開発ブームの次の波がすぐに到来すると予想されています。市場調査の推計によると、世界のIoTセンサー市場の収益は、2018年から2023年の間に52億8000万米ドルから224億8000万米ドルに増加し、年間平均成長率（CAGR）は33.6%となる見込みです。今後10年間で市場規模も300％以上と大幅に拡大すると予測されています。IoT センサーの需要が爆発的に増加する可能性のある時点に注目すると、MEMS 産業アプリケーション ブームの第一波は依然としてモバイルデバイスとスマート ウェアラブル製品市場にあり、次に車両の IoTが続きます。産業用モノのインターネット (IIOT)やスマート シティなどのインフラストラクチャ アプリケーションなど、需要が広範囲かつ多様である市場に本格的に参入します。
IoT アプリケーションの環境条件は厳しく、システムの導入はますます複雑になり、ネットワーク帯域幅、遅延、エネルギー消費、システムの信頼性、その他の重要な問題など、さまざまな技術的困難が増加することは必至です。来るべきIoT時代に向けて、MEMSセンサーは、スマートインターネットのさまざまなニーズに応えるべく、コンポーネントの革新を続けるだけでなく、統合機能においても大きな変化を遂げると予想されており、システムインテグレーションの3つの大きなトレンドが見込まれています。これには、人工知能 (AI) が組み込まれたエッジ コンピューティング (Edge Computing)、組み込み自己テスト (Built-in Self-test,BIST)、およびエネルギー ハーベスティング (Energy Harvesting)が含まれます。
既存の IoT システムにはまだ単純な監視および分析機能が備わっていますが、AI テクノロジーが成熟すると、IoT システムに効率的な物体認識、音声通信、意思決定機能が追加され、「インテリジェントなモノのインターネット (Intelligent Internet of Things)」へのアップグレードが可能になります（AIoT）」。エッジ コンピューティング テクノロジは、IoT システムにおける非常に重要なリンクであり、たとえば、最も期待されている自動運転車の自動運転システムは、情報フィードバックの速度と効率を向上させるためにエッジ コンピューティングに依存しています。この動作機構は、主に車体に搭載された多数のMEMSセンサーから周囲環境データを収集し、効率的な演算能力を備えたエッジコンピューティングシステムで情報を処理し、計算結果を端末装置に送信したりアップロードしたりする仕組みです。これにより、最適な通信能力と応答速度を同時に実現し、自動運転の信頼性と安全性を向上させます。
市場の観察によると、AIと組み合わせたMEMSセンサー業界のエコシステムは徐々に形になってきており、例えば、Bosch Sensortecは、AIを組み込んだMEMS慣性センサーを使用したウェアラブルデバイスをCES 2021でリリースし、STMicroelectronics、Infineon、ADI、 Knowles、Vesper Technologies、および Syntiant、Cartesiam、Aspinity などの多くの新興 AI システム企業が実際に市場競争に参入し、関連アプリケーション製品を発売しています。また、センシングチップの高い安定性もIoT用途では非常に必要な要件であり、特に自動運転やバイオセンシングなどの分野で使用される場合、センサーは非常に長期間安定した動作を維持できることが求められます。誤った対応をすると、計り知れない損害や損失を引き起こす可能性があります。したがって、 IoTセンサーの超高信頼性要件は将来の大きな技術課題となり、内蔵セルフテストシステムもIoTアプリケーションのセキュリティを確保するために必要な機能となるでしょう。
MEMSエネルギーハーベスティング技術は、将来的にIoTシステムアプリケーションにおける広範囲に分散した多数のマイクロセンサーチップ群とその電源管理の問題を解決する可能性を秘めた究極の手法です。以前は、MEMS 環境発電コンポーネントは物理的なサイズが小さいため制限があり、通常は 1mW 未満の微量の電力しか生成できず、実際に適用するのは困難でした。近年、ナノメートルおよび圧電材料技術の進歩に伴い、環境発電コンポーネントの主要技術は大幅に進歩しました。多くの有名企業が、将来の IoT 市場におけるセンシング アプリケーションに大きなビジネス チャンスがあることを認識しており、すでにこの将来を見据えたテクノロジーの計画を立てており、主要な製品を先に発売していることさえあります。たとえば、米国の IoT システム企業である Wireless Sensor Solutions LLC は、環境の機械振動を電気エネルギーに変換するMEMS 圧電エネルギーハーベスティング技術を迅速に取得し、市場で優位性のあるIoT ワイヤレス センサーを構築するために、2017 年にスタートアップ企業の MicroGen Systems を買収しました。テストノード製品。日本の富士通も、2つの異なる光源と熱から同時にエネルギーを得ることができる複合MEMS環境発電コンポーネントを独自に開発し、実際にいくつかの自社IC製品の超低電力回路に適用しました。富士通によれば、将来的には、この技術を住宅やビルのエネルギー管理や、農場での無線センサーネットワークのスマート検知用途などにさらに導入していく予定だという。
ADI、Atmosic、EnOcean、Metis Microsystems、ONiO、Powercast、Renesas Electronics、STMicroelectronics、Texas Instruments などの多くの主要な国際メーカーが、さまざまな環境発電技術ソリューションを次々と発売しています。将来的には、追加のエネルギーなしで正常に動作できるMEMSマイクロチップが、人間の医療用インプラントや周囲環境、特に生態環境の監視など、多数のセンサーを必要とする無線監視ネットワークで広く使用されることが予測されます。災害警報システム、またはスマートリビングスペースなど。太陽熱、人間の体温、歩行動作、電波、産業機器、道路付近の振動など、周囲環境のソースからフリーエネルギーを収集するため、面倒なチップの電源問題を管理したり解決したりする必要はありません。MEMSエナジーハーベスティング技術の開発が徐々に成熟するにつれ、近い将来、無線伝送機能を兼ね備えた電源不要のスマートセンシングチップが製品化され、生活環境に広く普及し、MEMSの分野となると考えています。最も爆発的な革新的なアプリケーションの 1 つ。
この記事では、MEMS の重要なコンポーネント技術とその応用について包括的に紹介します。著者の方維倫教授は、MEMS研究分野における世界トップの学者であり、国立清華大学の教員として24年間勤務し、主にMEMSセンサーとマイクロシステム関連の研究に従事しています。彼は国際ジャーナルやセミナーに 500 近くの論文を発表しました。方氏はその優れた研究業績により、科学技術省優秀研究賞を3回受賞、IEEE Fellow（台湾の学者として初めてIEEE Sensors CouncilのFellowに選出）など、国内外で多くの重要な学術賞を受賞している。米国)、IOP Fellow(英国) などを歴任しており、マイクロ電気機械およびセンサーの分野のトップ SCI ジャーナルの編集長および編集者を務めています。方先生は平日も国内産業の発展を積極的に支援しており、50人近くの博士号取得レベルのハイレベル人材を業界に育成するほか、産学協力を通じて業界のさまざまな技術的問題を解決することも多い。 130 を超える発明特許を取得しており、その中で台湾のMEMS センサーとモノのインターネットの産業革新と国際化に多大な貢献をしてきました。MA-tekは、今年産学協力プロジェクトで 方 教授と協力し、MEMS 圧電センシング コンポーネントの研究に必要な完全な分析サービスをチームに提供できることを非常に光栄に思います。MA-tekは完備した試験設備と専門的な技術経験を有しており、電子材料、製造プロセス、パッケージングなどのさまざまな分析および試験ニーズに十分対応できます。
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