MEMSマイクロ電気機械システム入門

微小電気機械システム（MEMS）とは、微小な部品で構成された可動部を持つ装置である。マイクロメカトロニクスやマイクロシステムとも呼ばれる。ナノスケールでは、ナノ電気機械システムまたはナノテクノロジーに統合される。
ナノチューブはMEMSマイクロエレクトロメカニカルシステム製造の基本単位プロセスである

イリノイ大学の研究者たちは、微小電気機械システムにおいて画期的な発見をした。ナノチューブは、マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する際の基本的な単位プロセスであり、彼らの研究は、多くの新しい種類のマイクロエレクトロメカニカルシステムの設計に影響を与えるものである。彼らは、ナノチューブが2つの金電極を使ってパターニングできること、電子ビームリソグラフィーとリフトオフを使ってパターニングできることを実証した。

ナノチューブは、電鋳やナノマシニングなど、さまざまな技術を用いて製造することができる。このプロセスはまた、シングルユースのポイントオブケア診断から、血液分析や細胞数分析用のマルチユース・デバイスまで、幅広い応用を可能にする。極小のDNAを増幅し、正確な複製を作り出すポリメラーゼ連鎖反応（PCR）システムなど、DNA複製装置にも使われている。ナノチューブの他の用途としては、光スイッチング・ネットワークや高精細ディスプレイがある。

ナノチューブの製造は、多数の機能性材料と官能基の集合を伴う高度なプロセスである。このプロセスにより、多数のナノデバイスを同時に製造することができる。このプロセスは非常に複雑で時間がかかり、平均的なプロセスでは5ナノメートルの機能に約6カ月を要する。

シリコンはMEMSデバイスにとって魅力的な素材である

シリコンは、その高い機械的・電気的特性から、MEMSデバイスにとって非常に魅力的な材料である。加えて、ほとんどのバッチ処理集積回路技術と互換性があるため、多くの種類の小型化システムにとって理想的な材料である。しかし、シリコンに欠点がないわけではない。

SiCはシリコンよりも高価だが、いくつかの利点がある。その電気的および機械的特性は、MEMSデバイスの要件に合わせて調整することができる。しかし、SiCはまだ設計者に広く普及していない。SiC MEMSデバイスの最も効率的なプロセス技術を開発するためには、さらなる研究が必要である。

シリコンに対するSiCの主な利点は、高い熱伝導率、高い絶縁破壊磁場、高い飽和速度である。これらの特徴により、極限環境下での電子デバイスに最適な材料となっている。さらに、高い硬度と耐摩耗性も備えている。後者は、過酷な条件下で性能を発揮しなければならないセンサーにとって重要である。

MEMSデバイスにおけるパッケージングの問題

パッケージングの問題は、MEMSデバイスの信頼性と性能にとって極めて重要である。これらのデバイスはミクロン・スケールのフィーチャー・サイズを持ち、スクラッチ、摩耗、ミスアライメントを起こしやすい。また、機械的衝撃、静電気放電、スティクションなどの信頼性不良メカニズムに対しても脆弱です。さらに、湿気、振動、機械部品がMEMSにダメージを与える可能性もある。これらの理由から、これらのデバイスのパッケージングとプロセスは、プロジェクト開始前に慎重に検討されるべきである。

MEMSデバイスを成功させるには、設計プロセスの早い段階でパッケージ効果を考慮することが不可欠です。そうしなければ、開発者はコストのかかる設計と製造サイクルを強いられることになります。解決策としては、これらの効果をコンパクトなビヘイビア・モデルに組み込むことで、シミュレーション時間を短縮し、より複雑なシミュレーションを可能にします。さらに、貧弱なパッケージングに伴うコストのかかる落とし穴を防ぐのにも役立ちます。

パッケージングの問題は、MEMSデバイスの品質や歩留まりにも影響する。場合によっては、デバイスを過酷な環境から保護できる特別なパッケージングが必要になる。その結果、これらのデバイスを処理・加工する技術が開発されている。しかし、これらのプロセスの多くはMEMSデバイスに有害であり、歩留まりを低下させる。本稿の目的は、これらの課題に光を当て、克服するためのソリューションを提供することである。

MEMSデバイスの応用

マイクロメカニカルデバイス（MEMS）は、多くのタスクを実行できる小さなデバイスである。圧力を感知し、動きを検出し、力を測定することができる。また、流体の監視や制御にも使用できる。これらのデバイスは特に医療用途に有用で、BioMEMSと呼ばれている。これらのデバイスは、化学分析装置、マイクロポンプ、補聴器の部品として機能するなど、体内でさまざまなタスクを実行することができる。最終的には、これらのデバイスが人体の永久的な住人になる可能性さえある。

これらのデバイスは、100マイクロメートルの部品で構成されている。デジタル・マイクロミラー・デバイスの表面積は1000mm2を超えることもある。通常、データを処理する中央ユニットと、周囲と相互作用するいくつかのコンポーネントで構成されている。

現在、単機能センサーからシステム・オン・チップ・デバイスまで、さまざまなMEMSデバイスが市販されている。後者は、複数のMEMSデバイスを信号調整エレクトロニクスや組み込みプロセッサと組み合わせて使用するものである。いくつかの産業では、さまざまな計測のためにMEMS技術を導入している。