マイクロ電気機械システム (MEMS) 技術は、半導体製造プロセスを使用して、サイズが1マイクロメートル未満から数ミリメートルに及ぶ小型の機械要素と電気機械要素を製造します。MEMSデバイスは、可動要素のない比較的単純な構造から、複数の可動要素を備えた複雑な電気機械システムまで多岐にわたります。
MEMS製造プロセスと技術
MEMSデバイスの製造には、酸化、拡散、イオン注入、低圧化学気相成長 (LPCVD)、スパッタリングなど、他の半導体回路の製造に使用されるのと同じ多くの技術が必要です。さらに、MEMSではマイクロマシニングなどの特殊なプロセスが使用されます。
この記事では、MEMSの製造、技術、デバイスについてさらに詳しく説明します。
MEMSと競合技術の長所と短所
MEMSデバイスは、同じ機能を実装する従来の方法よりもはるかに小型で、コストが低く、消費電力も少なくなります。また、感度も非常に高く、精度も極めて高いです。MEMSデバイスは、優れた再現性を示すため、半導体プロセス技術に固有の厳しい許容誤差の恩恵も受けます。
欠点としては、部品あたりの生産コストは非常に低いものの、MEMS製品の設計、認定、製造には多額の投資が必要になることです。その結果、メーカーが少量生産向けの部品を開発する可能性は低くなります。
MEMSデバイスの種類とMEMSアプリケーション
一般的なMEMSセンサーは、圧力、動き、加速度、磁場などの機械的または電気的刺激に応じて制御された方法で移動する機械構造を採用しています。機械的な動きは電気的な形式に変換されます。一般的な手法は、動きを使用して可変容量のプレート間の距離を変更することです。
出力には、アナログ電圧、SPIやI2Cなどの標準シリアル バス、自動車のエアバッグ アプリケーションでよく使用されるDSIやPSI5などの特殊なプロトコルなど、さまざまな形式があります。ワイヤレス接続オプションには、Bluetooth Low Energy (BLE) が含まれます。
MEMSデバイスは、単機能の センサー、複数のMEMSカテゴリを同じパッケージにまとめたモジュール、およびMEMSデバイス、信号調整電子機器、さらには組み込みプロセッサを1つの部品に統合した高度に統合されたシステムオンチップ (SoC) デバイスとして利用できます。
MEMS技術は、適切なMEMS構造への影響を測定することにより、さまざまな量を測定するために適用されてきました。
MEMS ジャイロスコープ (図1) は、質量が回転中心に向かって移動したり回転中心から遠ざかったりするときにMEMSフレームに力を誘発するコリオリの加速度を利用して、角度回転を測定します。ジャイロスコープには、さまざまな用途に適した単軸、二軸、3軸バージョンがあります。たとえば、二軸ジャイロスコープはゲームや光学式画像安定化に使用され、3軸は自動車のテレマティクスやナビゲーションのニーズに適合します。
加速度計 もフレーム内の質量を使用して、静的加速度 (重力など) と動的加速度 (振動、動き、傾き、衝撃など) の両方を測定します。加速度計に分類されるデバイスには、傾斜計、衝撃センサー、衝撃センサー、傾斜センサー、および動きセンサーが含まれます。加速度計にもさまざまな軸の組み合わせがあります。単軸デバイスは自動車の衝突センサーに使用され、3次元ユニットはロボット工学、振動監視、改ざん防止アプリケーションに使用されます。
圧力センサー は、MEMS構造内で発生するたわみによって圧力を測定します。大気圧を基準とした圧力、または真空密閉チャンバーを基準とした絶対圧力を測定するバージョンがあります。MEMS圧力センサーは、流体の流れ、高度、水位などの他の量を間接的に測定することもできます。
磁力計 は、ホール効果などのさまざまな物理現象を利用して、磁場によって誘発される機械的効果を測定します。単軸バージョンと3軸バージョンが用意されています。
慣性測定装置 (IMU) は、3軸加速度計とジャイロスコープを1つのユニットに組み合わせて、直線加速度と角加速度の両方を測定します。IMUには、磁力計と圧力センサーも組み込まれており、ユニットの3次元の方向と動きに関する情報 (x軸、y軸、z軸の加速度、ピッチ、ロール、ヨー、高度、方位) が提供されます。アプリケーションには、無人自律走行車 (UAV)、ロボット工学および工場自動化、航空電子工学、スマートフォンおよびタブレット、仮想現実、ゲームなどがあります。
MEMSマイクロフォン は、可動膜と固定バックプレートで構成される可変容量素子に音波が当たったときの静電容量の変化を測定することによって動作します。スマートフォンやタブレットなど、スペースが限られた消費者向けアプリケーションで広く使用されています。
MEMSバイオセンサーでは、生体分子の相互作用によりMEMS構造内で測定可能な動きが生じます。たとえば、結核 (TB) 検出では、結核抗体でコーティングされたMEMSカンチレバーに感染した血液サンプルを置くと、カンチレバーがたわみます。
MEMSガス センサー は、コーティングされたセンサーの表面に生じる抵抗の変化を測定することでガスの存在を検出します。このセンサーは、通常1秒未満の応答時間で、低濃度の対象ガスを検出できます。湿度センサー は水蒸気を検出するために最適化されています。
RF MEMSスイッチ は、静電駆動のカンチレバー ビームと別のドライバICを組み合わせて使用し、RFスイッチング アプリケーションにおける信頼性の低いかさばる電気機械式リレーを置き換えます。さまざまなスイッチ構成が利用可能：アナログデバイスの 言語たとえば、SP4T構成で提供され、DCから14GHzまでの信号を処理できます。
MEMS光学アクチュエータテキサス・インスツルメンツのデジタル・マイクロミラー・デバイス (DMD) などのデバイスは、MEMS技術を使用して、個別に制御可能なミラーの大規模なアレイを形成します。各ミラーは電子制御で傾けることができ、「オン」と「オフ」の状態を切り替えることができます。オンにすると、ピクセルはプロジェクターの電球からの光をレンズに反射し、明るく見えます。オフ状態では、光は他の場所に向けられ、ピクセルは暗く見えます。
MEMS発振器 アナログ ドライバ チップからの静電励起によって振動する共振器が含まれています。MEMS発振器は、優れた安定性、低消費電力、電磁干渉 (EMI) に対する高い耐性を備え、1 Hzから数百MHzまでの周波数を生成できます。
IoTにおけるMEMS：詳しく見る
他のMEMSアプリケーションについては別の場所で説明しますが、MEMSアプリケーションの幅広い多様性を説明するために、ファクトリー4.0としても知られるモノのインターネット (IoT) におけるMEMSの使用について詳しく見てみましょう。
IoTでは、生産のあらゆる側面を監視するための小型で低コストのセンサーが大量に求められています。これらのセンサーは、工場ネットワーク内の他のノードに情報を伝達する必要があり、工場の過酷な電気的および機械的環境でも確実に動作する必要があります。MEMSデバイスはこの目的に合わせてカスタマイズされており、小型で頑丈で、有線または無線接続用の追加の回路ブロックを同じパッケージに組み込むことができます。
産業用ロボットは、高価な回転センサーやエンコーダーの代わりに、MEMSベースの3Dジャイロスコープと加速度計を使用して、角速度と方向の変化を継続的に測定します 。また、早期故障の前兆となる可能性のあるジョイントやアクチュエータの過度の振動も検出できます。
MEMS加速度計は、他の産業機械の不要な振動を検出したり、不要な衝撃を感知したりすることもできます。圧力センサーは水の流れとガスの圧力を測定し、ガスセンサーは有毒な排出物をチェックし、温度センサーは多くのプロセスの重要な部分です。
IoTネットワーク インフラストラクチャでは、MEMS発振器は、ロボットやその他のユニットの動作を監視するプログラマブル ロジック コントローラー (PLC) で歓迎されています。また、光学デバイスは、ヒューマンマシンインターフェース (HMI) ディスプレイ画面での使用に適しています。
工場建物自体もさまざまな方法でMEMSを使用しています。圧力、温度、湿度センサーはHVACシステムの制御に役立ち、改ざん防止センサーはスマート メーターに搭載され、MEMS衝撃センサーは地震の揺れが発生した場合にガス供給を遮断するのに役立ちます。
校正済み、温度補正済みのMEMSセンサーは、製品を積み込みドックまで輸送するLPGおよびCNC駆動車両内のガス圧力を測定します。製品が工場を出荷されると、資産追跡システムはMEMSを使用して出荷時の衝撃や振動を監視します。
MEMSデバイスのArrowサプライヤー
さまざまな半導体サプライヤーがMEMS製品を提供しています。Arrow MEMSサプライヤーには以下が含まれます。
- ST Microelectronics: 圧力センサー、単軸および多軸加速度計、6軸慣性モジュール、磁力計、マイクロフォン、最大6軸のスケーラブルモジュール
- NXP Semiconductors: 圧力センサー、単軸および多軸加速度計、ジャイロスコープ
- Bosch: 多軸加速度計、ジャイロスコープ、圧力センサー、マイク、慣性モジュール
- アナログデバイス: 単軸および多軸加速度計、ジャイロスコープ、RFスイッチ、磁力計、慣性モジュール
- テキサスインスツルメンツ: MEMSマイクロミラーアレイ
- Silicon Labs: 発振器
- SiTime: オシレーター
- 村田製作所: 単軸および多軸加速度計、慣性センサー
- マイクロチップテクノロジー: 発振器
結論: MEMSはどこにでもある
この記事では、MEMSテクノロジーの基礎とIoTアプリケーションでのその使用について説明しました。このシリーズの他の記事では、他の現在のMEMSアプリケーションや新しいMEMSアプリケーションについて説明するほか、MEMSの製造とMEMSデバイスの動作について詳しく説明します。
