1

4. MEMSの応用 その2 : 情報・通信分野分野 応用 MEMS技術の事例

情報・通信 印刷 インクジェットプリンタヘッド表示 (ﾃﾞｨｽﾌﾟﾚｲ) DMD (Digital Micro mirror Device)

平板マイクロレンズFED (Field Emission Display)

記録(ﾃﾞｰﾀｽﾄﾚｰｼﾞ) 薄膜磁気ヘッド、集積化光ヘッドヘッド用アクチュエータマルチプローブデータストレージ

入力機器 マウス (電子ペン)、指紋入力装置マイクロフォン光スキャナ

光通信 光スイッチ・光コネクタ光変調器・光フィルタ

無線通信 RFフィルタ (振動子)可変キャパシタミリ波部品 (アンテナ等)非接触ICカード、無線タグRFスイッチ (リレー)

電源 燃料電池・燃料改質器実装部品 コネクタ

マイクロクーラ

情報機器周辺で用いられるMEMS技術

2

インクジェットプリンタ（ヘッド)の原理

インクジェットプリンタのノズル

はっ水処理面 メニスカス力(表面張力)で逆流防止

インク

(米窪、電子写真学会誌 34,3 (1995))

3

集積回路一体型長尺サーマルインクジェットプリントヘッド

富士ゼロックス㈱

(M.Murata et.al.: IEICE Trans. Electron., E84-c (2001) p.1792)

集積回路一体型長尺サーマルインクジェットプリントヘッドを用

いた高速プリンタ

(富士ゼロックス㈱)

4

インクジェットラインプリンタ

(日経エレクトロニクス, 2005/4/11)

166

(日経エレクトロニクス, 2005/4/11)ブラザー工業製ヘッド

5

静電インクジェットプリンタ

特長 ： 低消費電力、集積化アレイ化容易

静電インクジェットプリンタでのインク滴の吐出

ストロボ撮影

6

垂直ダイアフラム静電駆動インクジェットプリントヘッド

(T.Norimatsu, IEEJ Trans. SM, 125 (2005) 350)

垂直ダイアフラム静電駆動インクジェットプリントヘッド

(T.Norimatsu, IEEJ Trans. SM, 125 (2005) 350)

7

ディジタルシネマ

背面投影型テレビ(リアプロ)(Samsung)

携帯型ビデオプロジェクタ

DMD (Digital Micromirror Device)を用いたビデオプロジェクタ

8

DMD (Digital MicromirrorDevice)のミラーと駆動回路

(テキサスインスツルメンツ社)

ミラーの下のねじりバネ

（V.Kessel et.al., Proc.IEEE, 86 (1996)）DMDにおけるスイッチング動作

9

時分割による階調のある画像の表示

ＤＭＤにおけるミラーのスイッチング時間

10

表面マイクロマシニングによるＤＭＤチップの製作

ＤＭＤの実装工程

11

ミラーマトリックスチューブ (1975)

10m

50m

GLVを用いた2005インチ超ワイドディスプレイ (6百万画素)

(ソニー レーザードリームシアター)(愛 地球博) 朝日新聞2005/5/2

12

GLV (Grating Light Valve)(R.B.Apte, D.M.Bloom et.al.,Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head (1994) p.1)

(MEMS開発&活用スタートアップ(CQ出版社)p.189 大石克己、冨田昭)

GLV(Grating Light Valve) による1080×1920 HDTVプロジェクタ

1920 / sec

13

(S.R.Kubota (ソニー), Optics & Photonics News, Sept.2002, p.50)

コントラスト比 4000:1

GLVによるディスプレイ例

(Y.Ito et.al.(ソニー), SPIE Photonics, West, Jan. 2006)

14

(K.Saruta et.al. (ソニー), MEMS 2006, p.842)格子を傾ける機構

(MEMS開発&活用スタートアップ(CQ出版社)p.189 大石克己、冨田昭)

GLV応用CTP (Computer-To-Plate) 装置(印刷用刷板製造装置)

15

マイクロレンズの液晶ビデオプロジェクタへの応用（リコー光学㈱）

液晶

10μm

平板マイクロレンズアレイ

16

CRTとFED (Field Emission Display)フィールドエミッションディスプレイ

（Optronics, Vol.10, No.202 (1998) p.145）

フィールドエミッションディスプレイの例

双葉電子工業㈱

(Trigger, 1998年10月号)

17

冷陰極HARP撮像板 HARP(High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor)

(江上典文（NHK技研）、真空ジャーナル 99号 (2004.3) p.11)

２軸電磁駆動光スキャナ

(N.Asada et.al., IEEE Trans. on Magnetics 30 (1994))

上田譲 氏

18

回転だけさせることでねじり梁を弱くできるようにした静電光スキャナ

(Y.Mizoguchi (キャノン)、Transducers’05, p.65)

回転だけさせることでねじり梁を弱くできるようにした静電光スキャナ

の製作工程 (Y.Mizoguchi (キャノン)、Transducers’05, p.65)

19

MicromirrorMicromirror CellsCells forfor Laser Display SystemsLaser Display Systems

1. Eigenmode: 4600 Hz 4. Eigenmode: 24.2 kHz

静電アクチュエータ光スキャナでの変位拡大

(Jan Mehner (Fraunhofer Inst. IZM (独)))

スキャンニングレーザディスプレイ

高速駆動 → トーションバーを硬くする → 振れ角がとれない(トレードオフ)

2軸光スキャナは共振駆動

信号処理で画像データを変換

(映像周波数、リニアスキャン

→ 正弦波で共振)

安全規格との関係?

20

光スキャナを用いたシースルーディスプレイ

Nomad Expert Technical System (J.R.Lewies : IEEE Specrrum, May 2004 p.16)

ヘッドのトラッキング制御に用いる分布型静電マイクロアクチュエータ

2mm

(阿部 他 「センサマイクロマシンと応用システムシンポジウム」和文速報 (1998))

21

マルチプローブデータストレージと従来のディスク記録装置

マルチプローブデータストレージ 従来のハードディスク

や光ディスク

22

IBM Millipede (IEEE Spectrum, 2005 March, 26-33)

ポリマー

(記録媒体)

静電駆動用電極

ピッチ20nm

517Gbits/inch)

ヒータ(200℃)

熱伝導の違いによる温度(ヒータ抵抗値)の変化で読み出す

ヒータ(400℃)

マルチプローブデータストレージ

記録媒体

ナノヒータプローブ

(D.W.Lee et.al., J. of Microelectromechanical Systems, 11, 3 (2002), 215-219)

23

ナノヒータプローブの製作法

先端断面

相変化記録媒体(GeSbTe)薄膜に熱的に記録したものの導電率画像

2 µm0

270pA

27pA

Aガラス

Ni

相変化記録媒体

電極

昇温

書込

V

読出

24

(D.W.Lee et.al., J. of MicroelectromechanicalSystems, 11, 3 (2002), 215-219)

ナノヒータの熱的応答時間の測定

ダイアモンドヒータプローブとそれを用いたポリマー表面の熱機械的記録・加工

(J.H.Bae et.al., Applied Physics Letters, 82 (2003), pp.814-816)

25

ダイアモンドプローブの熱的応答(J.H.Bae, Diamond and Relared Materials, 12 (2003), p.2128)

(T.Takahashi(パイオニア), Transducers 2005, Seoul 899) ダイアモンド付Siプローブ

nm

記録例

LiTaO3 厚さ60nm

読出原理

SNDM(Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy)(Y.Cho, Rev. Sci. Instrum. 67, (1996) p.2297)

曲率の正負を検出

26

ダイアモンド CVD システム

ダイアモンドプローブの製作法

磁気記録 強誘電体記録

NS

NS

NS

NS

NS

NS

NS

NS

NS

NS

NS

NS

N N N N N N

S S S S S S

- - - - - -

+ + + + + +

Magnetic poralizationcan be detected

Detection is difficultbecause of electrical shielding

- - - - - -

+ + + + + +

N S + +-Pr

Pr

Pr

Bloch wall~50nm

Single lattice domain wall

N

N

High density

27

ダイアモンドプローブによる誘電体記録

Diamond Probe for Ultra-High-Density Data Storage Based on Scanning Nonlinear Dielectric MicroscopyH.Takahashi (Pioneer Corp.), T.Ono, Y.Cho and M.Esashi(TohokuUniv.) (MEMS’04 (2004) p.536)

導電性ポリマーへの記録実験(T.Ono et.al., Nanotechnology, 14 (2003) pp.1051-1054)

28

記録実験基板（ポリアニリン薄膜）の作製

ポリアニリン薄膜の形成

Auコート基板

H2N SH4-アミノチオフェノール

メタノールに溶解

S S S

NH2 NH2 NH2

Au

自己組織化単分子膜（SAM）の形成

H2Nアニリン

＋(NH4)2S2O8重合開始剤

HCl溶液(濃度1M)

0℃以下で重合

S S S

NH NH NH

N N N

… … …

Au

SAM形成後の基板

厚さ7nm

空気中の水分を媒介とした酸化・還元反応

+

金属（電極）

酸化反応の場合

水

探針

導電性ポリマ

N N N NHH

nN N N

n

N Nn

N N N Nn

N

+ 2H +2e-

H+ H

+

プロトンの脱離

酸化反応

探針

半分酸化半分還元型：導電性

酸化型：絶縁性

・修飾部の抵抗率が30倍増加

還元反応

29

基板に0.03Vを印加した電流像3V －3V 3V

5µm 5µm 5µm

(Substrate)

書込み時の基板電圧 白部:低抵抗(還元) 黒部:高抵抗(酸化)

Conductive

Insulating

Bit size 100～150nm4µm×4µm (S.Yoshida et.al., Nanotechnology, 16 (2005) p.2516)

(T.Ono, K.Iwami, Jap. J. of Applied Physics. 44, 14 (2005) L445-L448) ボータイアンテナプローブ

30

ボータイアンテナ変調によるNSOM 画像

442nm He-CdLaser

Photo Multiplier

XYZScanner

Sample

AC

Lock' inAmplifier

Controller &Display

Bow-tieProbe

) Ag evapolation

Reference

Signal

圧電セラミックス（ＰＺＴ）基板に製作したモノリシック XYZ (θφψ)６軸ステージ(D.-Y.Zhang et.al., Digest of Technical Papers, Transducers‘03, Boston (2003) 1518-1521) （H.Xu, Proceedings of the 21th Sensor Symposium, Kyoto, (2004-Oct. 14-15), 13-18）

モノリシック（一体型） XYZ (θφψ)６軸ステージ

31

指紋センサ(情報機器のセキュリティ)(N.Sato et.al. (NTT), Proc. the 20th Sensor Symposium, (2003) p.323)

指紋センサの構造

32

加速度センサとジャイロを用いた電子ペン

マイクロマシニングによる容量型マイクロフォンとその周波数特性 (田島 (NHK技術研究所)

MEMSマイクロフォン

高温のはんだリフローに通す(エレクトレットは止め容量型に)、小形・薄型化

33

厚い絶縁層を用いて寄生容量を減少させた容量型シリコンマイクロフォン

(T.Tajima et.al., Micro and Nanoengineering 2002 Internal. Conf., Lugano Switzerland (2002))

(火炎堆積法 FHD (Frame Hydrolysis Deposition))

厚い絶縁層を用いた容量型シリコンマイクロフォン

（ＮＨＫ技術研究所、東北大学）

34

静電容量型マイクロフォンの回路

流速検出型マイクロフォン

35

流速検出マイクロフォンの周波数特性

流速型ﾏｲｸﾛﾌｫﾝと圧力型ﾏｲｸﾛﾌｫﾝを組合わせた音の方向検出

36

光通信ネットワークなどに必要とされる光部品

光スイッチ（大規模光クロスコネクト用、アド･ドロップ用 他）

光アッテネータ

分波・合波器

（可変波長）フィルター

光変調器

偏光子

移相器

分光器（回折格子型、ファプリペロー型）

光ファイバ部品（ファイバグレーティング、結合器 他）

レンズ その他

光通信における伝送容量の増大(姫野, 電子情報通信学会誌, Vol.87 (1999) p.713)

(インターネットなどの要求)

37

光ファイバのモード分散

(大久保 “ISDN時代の光ファイバ技術” (1989) 理工学社)

電気多重化と光多重化

(姫野, 電子情報通信学会誌, Vol.87 (1999) p.713)

38

2軸静電駆動ミラーを用いた大規模光クロスコネクト

米ＬＵＣＥＮＴ社 256×256 光クロスコネクトミラーはアナログ的に2方向に傾く

• +/- 5° motion on each axis.

• ~ 150V drive voltage.• < 5msec switching time.

２次元的にミラーを並べた光スイッチによる光クロスコネクト

ミラーはスクラッチドライブ型静電アクチュエータで水平と垂直の状態を換える

39

スクラッチドライブ静電アクチュエータ

熱毛管光スイッチ ＮＴＴ 牧原 他

メニスカス力＝２σcosθ（1/h＋1/w）

σ：表面張力、 θ：接触角

h，w ：流路の高さと幅

σ＝σ0（１－ｂＴ）

σ0，ｂ：正の定数、Ｔ：温度

40

熱毛管光スイッチの写真

ＡＷＧ(導波路型分波・合波器)内蔵の光スイッチ

住友電工 片山 他

41

光導波路の形成(火炎堆積法 FHD (Frame Hydrolysis Deposition))

静電駆動２×２光スイッチ （スイス ヌシャーテル大学）

42

熱アクチュエータと保持機構を用いた光ファイバスイッチ

(M.Hoffmann 他 ドイツ ドルトムント大学)

熱アクチュエータと保持機構を用いた光ファイバスイッチ

43

光結合 (L.P.Boivin, Applied Optics, Vol.13 (1973) p.391)

高密度波長多重通信(DWDM)

送信側 受信側

Optical Amp

MUXVOA

VOA

VOA

VOA

λ1

λ2

λ3

λn

DMUXPD

PD

PD

PD

Optical fiber

波長 （µm）

光パ

ワー

（dΒ

）

波長 （µm）

利得

（dΒ

）

波長 （µm）

光パ

ワー

（dΒ

）

調整後パワー増幅器利得特性VOA後パワー

各波長の信号レベルを受信側で一定にする

VOA;Variable Optical Attenuator 可変光減衰器

44

525 µm

ビーム径； 70 µmボールレンズ；500 µm

シングルモードファイバ

櫛型静電駆動アクチュエータ

パイレックスガラス

シャッター

off on減衰方法

コムドライブ静電アクチュエータによるArray-VOA

平行光

Array-VOA (可変光減衰器)の写真

バネ

全体全体SEMSEM写真写真 シャッター付近拡大シャッター付近拡大

シャッター ストッパー

45

コムドライブ静電アクチュエータの動作例

変位量30μm

無線通信

RFスイッチ (リレー)

RFフィルタ (振動子)

可変キャパシタ

ミリ波部品 (高周波線路) 他

46

ワイヤレス機器のためのRFMEMS

マルチバンド化のための切り替えスイッチなど

47

静電マイクロリレー

静電マイクロリレーにおける非線形ばね構造の効果

48

ガラス貫通配線を用いたマイクロリレー(Y.Liu et.al., MEMS’01)

バイメタル式マイクロリレー

バイメタル構造

スプリングコンタクト

外形（裏返して面実装）

49

MEMSスイッチと実装基板

㈱アドバンテスト研究所 (中村陽登、高柳史一、茂呂義明、三瓶広和、小野澤正貴)東北大学 (宮崎勝、江刺正喜) 2003年12月4日 SEMICON JAPAN

5mm4mm

8000万回（3V-15mAドライ）

<3ms<0.3Ω（初期）

<160mW (6V駆動)

接点寿命

動作速度

on抵抗

駆動電力

20GHz以上の帯域を確認

アクティブオープンスイッチ (J.Oberhammer et.al., MEMS 2006 p.162)

50

MEMSスイッチ付き可変位相器

(ビームステァリング機能 →アダプティブアレイアンテナ)

MEMSスイッチによる合成開口アンテナ(J.Chao, Int’l Conf. Millimeter Submillimeter Waves and Applications (1994))

51

静電アクチュエータによる可変間隔構造

シャント型RFスイッチ、可変容量コンデンサ

(光関係 : 可変波長ファプリペローフィルター、光変調器)

(日経エレクトロニクス 2004.7.5)

52

マイクロマシニングによるオンチップのメカニカルフィルター

（最初の表面マイクロマシニング）

(IEEE Trans.on Electron Devices,ED-14,3(1967))

表面弾性波(SAW)フィルタ

(数GHz以上では電極が細くなり性能低下)

バルク音響波(BAW) フィルタ

FBAR (Film Balk Acoustic Resonator)

SMR (Solidly Mounted Resonator)

共振周波数が厚さで決まるため、異なる周波数のフィルタを同一チップに形成し難い。

μメカニカル共振子フィルタ

利点:マスクパターンで周波数が決まる、小形、集積化し易い。

欠点:共振時の抵抗(モーショナルインピーダンス)が高い

53

(富士通 佐藤良夫 氏)

LCフィルタ [Q小]、誘電体フィルタ[大型]

メカニカルフィルタ[低周波だがMEMSでGHzまで可]、

圧電フィルタ

水晶、セラミック、

表面弾性波 (SAW : Surface Acoustic Wave)数GHzまで(パターン微細化の限界、電力小)

薄膜弾性体(FBAR : Bulk Acoustic Wave)薄膜化で数GHzでも可

54

各種のFBAR

FBARによるフィルター

55

携帯電話に使われているAgilent社のFBAR

AlN薄膜を用いたオンチップ

可能な圧電振動フィルタ(AlNは300℃で堆積)周波数はAlNの厚さに依存

→ 厚さ制御性、均一性が重要

(M.Hara, IEEE MTT-S Internl. Microwave Symposium (2003) p.1797)

56

FBARと回路の

集積化

(L.Elbrecht et.al.(Infinion Tech.),2004 IEEE MTT-S,(2004) p.395)

エアギャップ薄膜振動子による400MHz 1チップ発振器

(H.Satoh (Toshoba), 1987 Ultrasonic Symposium, pp.363-368)

57

(日経エレクトロニクス No.895, 2005.3.14)

ラジアルモードディスク振動子フィルター(J.Wang et.al.(ミシガン大学), Transducers’03 (2003) p.947)

58

低(モーショナル)インピーダンス化へ向けた試み

大面積化(ミシガン大学)

大面積化(UCバークレー)

狭ギャップ化(ジョージア工科大)

59

AlN圧電輪郭振動共振子(インピーダンス整合、パターンで共振周波数可変)(G.Piazza et.al.(U.C.Berkeley), MEMS 2005, p.20) Harmonic Devices,

駆動

検出

静電駆動Siバルク音響共振子

(S.A.Bhave & R.T.Howe,

Transducers’05, p.2139)

60

(H.Chandrahalim et.al,MEMS 2006, p.894)

High K膜(HfO)利用

低モーショナルインピーダンス

(H.Chandrahalim et.al,MEMS 2006, p.894)

61

(E.P.Quev, R.T.Howeet.al., MEMS 2006, p.234)

AFMによる振動観察

共振周波数のドリフト(E.P.Quev, R.T.Howe et.al., MEMS 2006, p.234)

62

シリコンウェハ内部に封止した加速度センサ

(W.-T.Park, T.W.Kenny, MEMS2005, p.347)

シリコン基板内に形成したMEMS共振子

(基準信号発生器とCMOS回路の集積化)

(A.Partridge (米 SiTime) et.al., SEMI 第9回マイクロシステム/MEMSセミナー、幕張(2005/11/7))

単結晶Si

Poly-Si

63

(A.Partridge (米 SiTime) et.al., SEMI 第9回マイクロシステム/MEMSセミナー、幕張(2005/11/7))

発振周波数の経時変化

(-50℃と80℃を繰り返し測定)

回路チップ上に共振子チップを重ねた基準信号発生器

電気的に調節可能なメカニカルフィルター

電圧によるメカニカルフィルターの温度係数の電圧による調節

(Wan-Thai Hsu (Discera). From micromechanical resonators to fully integrated transceivers 第8回 SEMIマイクロシステム／MEMSセミナー、12月2日予定、幕張メッセ国際会議場 )

64

空間支持による損失の少ない高周波線路

(浦部 丈晴 他（松下電器）, 7th Symp. on “Microjoining and Assembly Technology in Electronics”, (2001), 303-306)

65

高速伝送対応のSi貫通配線構造(エレクトロニクス実装学会学術講演大会(2005,3)住川 (シャープ)、江刺 (東北大)

Si Deep RIE 後 Cu CVD 後

高速伝送対応Si貫通配線構造の製作工程

Deep RIEによる溝をSiO2のO3TEOSによる CVD膜でTrench refillした例

66

マイクロ磁気デバイス

フレキシブルセンサアレイ（癌の温熱療法の目的で体内温度を測定するダイオード）

（P.W.Barth, Micromachining and Micropackaging of Transducers, (ed. C.D.Fung) Elsevier Sci Pub., (1985) p.189）

67

マルチ基板パッケージングのためのMicro Zero-Insertion-Force (ZIF) Connector

(Y.Zhan (ミシガン大学), WIMS ERC Annual Report 2002, p.124)

マイクロプロセッサの進歩に伴う消費電力の増大

68

マイクロチャネルによる液体冷却

冷却水循環用電気浸透ポンプ(スタンフォード大学) 日経エレクトロニクスより

69

界面導電現象と電気浸透流ポンプ

ヒートパイプの原理とマイクロヒートパイプアレイ

(A.K.Mallik, J.of MicroelectromechanicalSystems, 4,3 (1995) p.119)

70

Capillary pumped loop(K.Pettigrew et.al., MEMS 2001, p.427)