立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第23号) 2014

立石賞功績賞の受賞記念講演概要

豊かで安全な社会を支える MEMS の研究と実用化
東北大学 原子分子材料科学高等研究機構
マイクロシステム融合研究開発センター長

立石科学技術振興財団より 1992 年度に「集「ウ ェ ハ レ ベ ル パ ッ

積化加速度センサの開発」(図 1) で助成を頂ケ ー ジ ン グ」[2] を 用きました。それ以来，安全な社会に役立つ技術いています。の研究を行って参りましたが，多くの方に支え自動車のスピンや横られ，今回第 3 回立石賞の功績賞を頂くことに滑りを検出して防止すなりました。立石財団他関係者の皆様に厚くおる安全装備用のセンサ礼を申し上げます。

がトヨタ自動車で開発教授

江 刺 正 喜され，100 万台以上の車に使われています (図 2)[3]。このセンサははじめに半導体微細加工技術を用い，集積回路だけでなくセンサや運動要素などをつくることもできます。この技術はマイクロシステムや MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) と呼ばれ，いろいろなシステムの鍵を握る部品として使われています。私は学生時代から 45 年程この研究をしてまいりました。その中から企業と研究をしてきた安全のための研究をいくつか紹介します。
加速度センサ・ジャイロ
加速度センサは 1990 年頃から自動車のエアバッグシステムの衝突検出に使われています。
またジャイロ (角速度センサとも呼ばれる) は2000 年頃から自動車の安全システムに使われると同時に，ディジタルカメラの手振れ防止などにも使われてきました。最近はスマートホンで，楽しく便利なユーザインターフェースを提供しています。
加速度による錘の動きを静電容量の変化として検出する静電容量型開発しました (図 1)[1]。
内部に静電容量検出用の回路を集積化しています。またシリコンウェハにガラスを接合し，チップに分割すると封止した状態にできる― 4 ―

図1

集積化容量型加速度センサ

Tateisi Science and Technology Foundation

光スキャナ
電磁力で鏡を動かす 2 軸光スキャナが開発されました[5]。光が対象物にあたって戻ってくるまでの時間を測ることによって距離を知る方法を，この光スキャナと組み合わせると，図4 のような距離画像センサをつくることができます[6]。これは東京の JR 山手線のプラットフォームドアなどに使われて，安全に役立っています。
触覚センサネットワーク
図2

ヨーレート・加速度センサ (トヨタ自動車(株))介護ロボットの実用化を考えた時に，ぶつかったときの安全性が懸念されます。そこでトシリコン基板を垂直に加工した構造を静電引力

ヨタ自動車や豊田中央研究所と一緒に，ロボッで音叉振動させ，車の回転によるコリオリ力でトの体表面に多数の触覚センサを分布させて，生じる振動を静電容量変化で検出しています。

人間と同じように接触を即時に検知する研究を高精度な回転ジャイロが東京計器で開発され行っています。図 5 のように柔らかいケーブルました (図 3)[4]。直径 1.5 mm のシリコンリに通信機能を持つセンサを多数取り付け，接触ングを浮上させ，毎分 7 万 4 千回転させていまを感じるとセンサが，信号をコンピュータに送す。これによって 2 軸周りの回転を検出できるるイベントドリブンというものです[7]。人間だけでなく，3 軸の加速度も同時に検出するこのように多数のセンサから，それぞれの神経がとができます。これは錘の位置を静電容量で検脳へつながっているわけではありませんが，イ出し，電圧を印加して静電引力で浮上させるこ

ンターネットと同様に共通の通信線で高速に信とを，高速ディジタル制御により全方向で行っているためです。このセンサはモーションロガーとして東京の地下鉄に使われています。

図3

静電浮上回転ジャイロ (上) とモーションロガー
(左) (東京計器(株))

図4

― 5 ―

2 軸光スキャナによる距離画像センサ (日本信号(株))立石科学技術振興財団

図6

LSI 上へのウェハレベル転写 (上) によって作られた
マルチ，SAW フィルタ (左) と圧電スイッチ (右)壊さないでその上に形成するため，MEMS などをウェハレベルで転写します[8]。図 6 のように，多チャンネルの弾性表面波 (SAW) フィルタや，圧電スイッチ[9]などを集積回路上に形成し図5ました。

触覚センサネットワーク号を送ります。半導体技術は高度な機能を持つおわりにMEMS 技術による安全のためのシステムを多数のセンサを安価に作れるため，このような紹介してきました。この技術には大掛かりな一システムを可能にします。

連の設備を必要としますが，製品ごとに異なりしかも多様な技術を用いるため，大量に使われ災害などでも途切れないワイヤレス通信
私達が暮らしている仙台は，東日本大震災でない限りはコストに見合わず，開発や設備の投津波の被害を受けました。このような災害時に資を回収できないことが多いのが現状です。こも，ワイヤレス通信が途切れないようにするこのため東北大学にある 4/6 インチウェハ用の遊とが求められています。またネット配信などで休施設を有効活用し，会社が人を派遣して利用ワイヤレスの通信量は毎年 2 倍以上の割合でする「試作コインランドリ」を運営しています。

増大しており，周波数資源が枯渇しないよう[http : //130.34.94.150/coin/index. html]これはにするためにも，電波帯を有効利用する通信モ

以前トランジスタ工場として使われていた施設

ジュールの開発を，情報通信機構 (NICT) やで，さらに企業から多くの設備が寄付されてい村田製作所，千葉大学と協力して行ってきまします。企業からの利用は毎月 400 件以上で，全た。

国から 150 社以上の企業が利用に来ています。

デ ィ ジ タ ル テ レ ビ に は 470 MHz か ら 770

設備を借りて参入障壁を下げ，技術や人を育てMHz が使われていますが，実際に使われていながら製品化する，組織間の垣根を越えたこのる周波数は地域によって異なるため，その地域ような方法は，産業競争力向上や雇用創出に役で使われていない周波数帯域を通信に使うコクに立つ一つの方法だと思っています。

ニティブ無線が研究されています。集積回路を― 6 ―Tateisi Science and Technology Foundation

文1)4647 - 4649.

献Y. Matsumoto and M. Esashi : Integrated siliconcapacitive accelerometer with PLL servo technique,
Sensors and Actuators A, 39 (1993) 209 - 217.

2)

M. Esashi : Wafer level packaging of MEMS, J. of
Micromechanics and Micro-engineering, 18 (2008)
073001 (13pp).

3)

M. Nagao, H. Watanabe, E. Nakatani, K. Shirai, K.
Aoyama and M. Hashimoto : A silicon micro-machined gyroscope and accelerometer for vehicle
stability control system, 2004 SAE World Congress,
2004-01-1113 (2004).
4)

T. Murakoshi, Y. Endo, K. Sigeru, S. Nakamura
and M. Esashi : Electro-statically levitated ringshaped rotational-gyro/accelerometer, Jpn. J. Appli.
Phys., 42, Part1 (2003) 2468 - 2472.

5 ) N. Asada, H. Matsuki, K. Minami and M. Esashi :Silicon micromachined two-dimensional galvano optical scanner, IEEE Trans. on Magnetics, 30 (1994)

― 7 ―

6)

斉 藤 徹 夫，松 原 達 也，池 本 善 行，笹 川 健 一：

MEMS 光スキャナ「ECO SCAN」を用いた測距センサ 3 次元距離画像センサの鉄道事業への応用，
日本信号技法，34, 2 (2010) 33 - 36.
7 ) M. Makihata, M. Muroyama, Y. Nakano, S.
Tanaka, T. Nakayama, U. Yamaguchi, H. Yamada, Y.
Nonomura, H. Funabashi, Y. Hata and M. Esashi :A 1.7 mm 3 MEMS-on-CMOS tactile sensor using
human-inspired autonomous common bus communication, Transducers2013 & EurosensorsXXVII,Balcerona, Spain (2013, June 16 - 20) 2729 - 2732.
8 ) M. Esashi and S. Tanaka : Heterogeneous integration by adhesive bonding, Micro and Nano Systems
Letters, 1, 3 (2013).
9 ) K. Matsuo, M. Moriyama, M. Esashi and S.
Tanaka : Low-voltage PZT-actuated MEMS switch
monolithically integrated with CMOS circuit, Technical Digest IEEE MEMS 2012, Paris, France (2012,Jan. 29 - Feb. 2) 1153 - 1156.