MEMSとは何か、図を使って詳しく解説
このページでは、身近な家電やスマートフォン、自動車などに最も広く使用されている半導体加工技術を活用したMEMSについて詳しくご説明いたします。
内容：
MEMSって何？
MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）とは、微小なスケールで加工された機械的構造と電子回路が統合されたシステムのことで、日本語では「微小電気機械システム」と説明されます。
代表的なMEMSデバイスの例として、加速度センサ、ジャイロセンサ、圧力センサ、マイクロミラー、インクジェットプリンタヘッド、MEMSマイクやスピーカーなどがあり、これらのMEMSデバイスの多くは半導体の加工技術を用いて、ウエハー上に微細な機械的構造と電子回路を集積したチップ（MEMSチップ）を使い組み立てられています。MEMSは電子部品として、既に身の回りの家電製品や自動車、IoT製品、通信、医療など幅広い分野で活用され、MEMSの活用は今後ますます拡大していくと予想されています。
MEMSと半導体技術について
一般的に広く普及しているMEMSデバイス*の多くはICチップと同様に半導体技術を活用して製造されています。このため、どちらも非常に小さなサイズで精密に作られています。具体的には、フォトリソグラフィー（光学的パターン転写技術）やエッチング、薄膜技術などの高度な半導体加工方法が用いられます。
半導体加工技術がMEMSに広く使われている主な理由として、ICチップに使用されている半導体シリコン基板がMEMSの素材としても優れた機械的特性と電気的特性を持っていること、またIC技術の飛躍的な発展により培われたシリコン基板の微細加工技術、集積化技術、標準化された量産プロセスやそれらを可能にする高性能な工程設備が普及していることが、MEMSデバイスの精度、機能、生産性やコスト効率を大きく向上させたことなどがあげられます。
MEMSはICによって確立された製造技術とプロセスの多くを活用することで、生産性の向上やコスト削減を実現するこが可能ととなり、その結果として多くの産業においてMEMSの活用が進んだと言えます。
*MEMSの中には半導体技術以外にも微細機械加工、3Dプリンティング、ポリマー材料など様々な加工技術や部材を使ったものや、光導波路やDNAチップなど可動部を持たないタイプもあります。
MEMSとICの違いについて
MEMSとICは、製造方法や小型化技術などの点で共通点が多いですが、機能や用途、動作原理においては大きな違いがあります。MEMSは物理的な動きや計測に関連するシステムで、ICは純粋に電子的な信号処理を行う回路です。どちらも現代のテクノロジーにおいて重要な役割を果たしており、それぞれの特徴に応じた用途で活躍しています。
ICは、純粋に電子的な回路で構成されており、トランジスタやコンデンサ、抵抗などを使って電気信号を処理・制御するものです。ICは主に、論理演算や信号処理、メモリなどの電子機器で使われます。
一方、MEMSは機械的な動作や物理的な計測を行うシステムで、内部構造が立体的で可動部を持っているのが特長です。「MEMS」と一口に言っても、その用途や外観や内部構造、サイズは用途によって大きく異なります。
もし、情報処理やメモリ機能に特化したICを人間の脳に例えるなら、機械的な動きやセンサーを組み合わせることで、必要な用途に合わせて様々な物理的機能を持つMEMSは、耳や鼻といった体の部位や、感触やバランスを捉える感覚器官のように例えることができるでしょう。
例えば、ドローンは飛行中、風や重力、機体の慣性などの影響で姿勢が常に変化します。また、人の近くを飛ぶ場合や、屋内の狭い場所で飛ぶ場合は周囲の状況にすばやく対応する必要があります。反応が遅れると、物にぶつかったり、落下したりする危険があるため、ドローンが安定して飛行するためには、周囲の状況をリアルタイムで把握し、常に飛行を調整することが重要です。
MEMSはとても小さなデバイスでありながら、高い性能と低い電力消費を実現できるため、周囲の状況に合わせて精密で素早い制御が必要な機器にとって不可欠なデバイスと言えます。
MEMSが動く原理について
「小さな機械」であるMEMSを動かす原理にはいくつかの種類がありますが、ここからは代表的な3種類についてご紹介します。
静電型MEMSの原理
「静電型MEMS」は最も基本的で、MEMSを動かす原理としてよく使われているタイプの一つです。
静電型という名前の通り「静電気の力」を使って動きますが、「静電気の力」とは「電気の＋と−が引き合う力」のことで、たとえば、風船をウールなどにこするとホコリや細かな紙が張り付くのも静電気の力です。
MEMSに静電気の力を活用する場合は、向かい合った小さな電極を使います。電極の片方にプラス（＋）の電圧をかけ、もう片方にマイナス（−）の電圧をかけると、2つの電極は引き合って近づこうとします。向かい合った電極の面積や枚数が大きければ出力や精度も増すため、静電型MEMSの多くは複数の電極を何枚も互い違いに配置した櫛歯構造の電極を持ちます。
たとえば、静電型の加速度センサでは、「重り」がバネで支えられている構造を持ち、加速度がかかると慣性の力により重りが動きます。その動きを電極の間隔の変化として検出することで、加速度を測ることができるのです。
静電型MEMSは小型化に優れ、消費する電力がとても少ないため、電池で長時間動かす必要があるデバイスには非常に適していますが、静電力はそれほど強い力ではないため、「アクチュエータ」として物を動かすのは得意ではありません。
圧電型MEMSの原理
圧電型MEMSは、MEMSの中でも「圧電効果（ピエゾ効果）」という特別な性質を利用して動くタイプです。
「圧電効果」とは、ある種の結晶や材料に力（圧力やひずみ）を加えると、電気が発生する現象、またはその逆に、電圧をかけると材料が変形する現象のことで、ジルコン酸チタン鉛（PZT）や、アルミニウムナイトライド（AlN）などの「圧電材料」が圧電MEMSによく使われます。
圧電材料に力が加わると電気が発生する原理を活用した場合、「センサ」として使うことが可能です。たとえば、MEMSマイクでは、空気の振動（音）が膜に当たって振動し、その力を圧電材料が電気に変えることで、音を電気信号として取り出せます。
エネルギーを外から供給しなくても、材料自体が「力」を感じて電気を発生するので、センサとして非常に効率が良く高性能と言えます。また、反応もとても速いので、リアルタイムでのセンシングにも向いています。
また、逆に圧電材料に電圧をかけると、その材料はわずかに伸びたり縮んだりするので、この動きを使って小さな部品を動かすこともできます。この性質を利用すると、MEMSスピーカーやMEMSミラーのような「アクチュエータ」としての使い方ができます。
「圧電材料」は「力と電気」を双方向に直接変換できるため、圧電型MEMSは構造がシンプルで小型化に優れていながら、静電型と比較して強い力が出せるという特徴があります。
電磁石型MEMSの原理
電磁力というのは、電流と磁場の相互作用によって力が生まれる「電磁力（ローレンツ力）」を利用したMEMSです。
このタイプのMEMSでは、まず小さなコイルと永久磁石が使われます。コイルに電流を流すと、磁場の中で力が発生し、これによって小さな部品（たとえば膜やレバー）を動かすことができます。この動きによって、ポンプとして液体を押し出したり、スピーカーのように音を出したりできます。
電磁石型MEMSの強みは、磁力と電流の組み合わせ次第ではエネルギーを大きくすることが可能なため、より高出力なパワーが求められるアプリケーションに向いています。たとえば、マイクロポンプは、液体や気体を動かす必要がありますが、電磁力を使えばしっかりとした駆動力が得られるので、医療機器や化学分析装置などで使われます。
しかし、電磁石型MEMSは磁石やコイルを組み込む必要があるため、静電型や圧電型と比べて組立工程が複雑になり、サイズも大きくなります。また、消費電力も多くなるため、バッテリーを使って長時間動作させるような小型のアプリケーションなどには向いていない場合もあります。
このように、静電型・圧電型・電磁石型という3つのMEMSには、それぞれ異なる動作原理と得意な分野がありますが、用途や目的によって使い分けることで、私たちの身の回りの多くのデバイスが便利で高性能なものになっているのです。
