研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者
岩瀬 英治

早稲田大学 理工学術院 基幹理工学部 機械科学・航空学科准教授

ミクロ構造に固有の力学を活用したMEMSの形成法の開拓と応用
マイクロサイズの折り紙・積み木、ナノ粒子による自己修復配線

研究の背景

イスの加工技術に関しては、従来のマイクとを実現した。
これらの手法は相補的に用いロ加工技術の多くは半導体加工技術に由ることができ、これらを用いることで非常に幅現在Micro Electro Mechanical

来しているため2次元の精密加工は得意で広い3次元MEMSデバイスやこれまで実現

Systems（ MEMS）
デバイスは、スマートあるが、3次元のMEMSデバイスは現在でできなかったフレキシブルMEMSデバイスがフォンや車載用のセンサなどさまざまな分も製作・加工が容易ではないという側面が実現可能となる。

野で利用されている。
しかしながら、数百μある。
そのような中で、磁場を利用した 折り

m〜数十nmのマイクロ・ナノサイズの領域【1, 2】
紙型 の「磁気組立て」
や、付着力の制

1. マイクロサイズの折り紙と我々の身近な数m〜数mmといったサイ御を利用した 積み木型 の「スタンピング転̶ 磁気異方性を用いた順序制御可能なズの領域とでは、支配的となる物理現象が【3, 4】写」と呼ぶマイクロ3次元構造体の形一括組立て ̶異なる場合が多い。
そこで、マイクロ・ナノサ成技術を発案した。
さらに、電場を用いた「自磁石の上に砂鉄が立つことの原理であイズの領域で特に強く働く力や物理現象を【5】
己修復型金属配線」もその成果に含まる形状磁気異方性モーメントを利用する有効に活用すること、またそれによりこれまれる。砂鉄が磁石の上に立つことや、モニタことで、基板上に多数配列された展開図で実現が困難であった機能をデバイスに付に付着した埃が取れにくいように、磁場や電形状のマイクロ構造を一括して組立てる与することを目的として研究を行った。

場、付着力はマイクロ・ナノ領域において支手法である。本手法は、図1のように通常配的となる力である。
これらを理論的に解析のMEMS加工技術を用いて基板上に2研究の成果し有効に利用することで、センサの多軸化次元的な展開図形状を製作しておき、折やフレキシブルデバイス化・異種材料の統り紙を折るように3次元形状を組み立てる

前述のような観点から行った研究の範囲合化・自己修復機能などのこれまでに実現さため、2次元の精密加工が得意な通常のは多岐に渡っている。例えば、マイクロデバれていなかった機能をデバイスに付与するこ

MEMS加工技術の利点を生かした手法であるといえる。
また、組立てのために必要な 仕掛け が少ないことが大きな特徴であ

図1 磁気組立てを用いた上下動が可能な磁気駆動型 図2 スタンピング転写を用いてフレキシブル基板上にMEMSアクチュエータ。外部の磁場により、2次元の展開図構造から3次元形状に起き上げる。起き上げる場所や順序を磁性体の有無や体積によって制御することができる。

製作したhidden vertical comb-drive actuator。
単結晶シリコンでできたマイクロサイズの部品を積み木のように積むことで、3次元MEMSデバイスをフレキシブル基板上に実現している。

る。まず、起き上がらせたい部分に磁性体薄膜（NiやNiFeなど）を成膜するだけで良く、組立ても外部の場（磁場）を利用した組立てのため、基板を永久磁石の上に置くだけで良い。そのため組み立った後に不要なものがほとんどなく、またウェハレベルのサイズで一度に組み立てられるのが大きな特徴である。この特徴により、幅広い3次元MEMSデバイスの製作への利用が非常に容易である。多数の構造を一括して組み立てる方法のほか、組み立てる力として使っている磁気異方性モーメントとヒンジの機械剛性を理論的に考察することにより、あるひとつ無次元量を用いて組立て順序を制御できることを示している【2】。
また、この手法を用いたMEMSデバイスの実証も数多く行っている。

2. マイクロサイズの積み木裂部のみを選択的に修復す̶ スタンピング転写を用いたMEMSデバる「自己診断性」と、
き裂部以イスの製作 ̶

外やき裂修復後に過剰な修別々の基板上で製作した微小構造を別復を行ない「選択的修復性」の統合基板上へ3次元的に統合する手法を持つことであると考えた。こである。この手法には2つの大きな利点がの自己修復配線を実現するある。1つ目は複雑な3次元構造を有するために、金属ナノ粒子の電界MEMSデバイスを積み木を積むように容易トラップ現象を用いることを考に製作が可能な点、2つ目は同一の基板えた。金属ナノ粒子の電界トでは製作が困難である材料を統合するこ

ラップ現象は非一様な電場とが可能な点である。そのため本手法によが存在する領域で生じる。そり、高温プロセスを含むMEMS加工技術をのため、電圧が印可された配用いて製作した高精度な構造や高感度な線において、図3のようにき裂センサを、熱に弱いフレキシブル基板上にが生じると、き裂が生じた部統合することが可能となる。図2は、通常の分のみに電場が生じるため、MEMS加工技術では製作プロセスが煩雑

き裂の大きさや位置に関わらとなる単結晶シリコンの hidden vertical

ずき裂部のみを選択的に修

comb-drive actuator を2回のスタンピン復することができる。また、一グ転写を用いて、フレキシブルなシリコーン度き裂が修復されると、電場ゴム基板上に製作したものである。上部のが消失するため、過剰な修復平板の下に櫛歯構造があるため、高い転も行われない。このように、
マ

図3 金属ナノ粒子の電界トラップを用いた自己修復型金属配線。
フレキシブル基板上の金属配線を覆うように金属ナノ粒子分散溶液が配置されている。
き裂に生じた電場により、き裂部のみが選択的に金属ナノ粒子により修復される。

写位置合わせ精度も要求されるものであイクロ・ナノサイズにおいて特る。このような3次元構造を有するシリコン異的な電界トラップ現象を用MEMSデバイスを、スタンピング転写を用いることで、自己診断性と選いてシリコーンゴム基板上に製作できるこ択的修復性を有する金属配線の自己修とを示した。

復という全く新しい機能を実現した。

組立て」によって3次元的に起き上げ、「スタンピング転写」によりフレキシブル基板上将来の展望に配置し、配線には「自己修復機能」を付

本 研 究 成 果 は 新たな機 能を有 する

用いた高感度なMEMSセンサをフレキシブ

伸縮可能なフレキシブルデバイスの配MEMSデバイスの領域を拡げたものであル基板上に統合することが可能となり、高線材料として、導電体をゴム材料などに混るとともに、さらに今後 フレキシブルMEMS性能・フレキシブルという利点を併せ持つ実ぜた導電性エラストマがあるが、金属に比デバイスの新たな展開を拓くものであると用性の高いデバイスが実現可能となるとべると導電率が低い。そこで、導電率の高考えている。これらの研究成果は新たな機考えている。

い金属配線に自己修復機能を付与するこ能を有するMEMSデバイス分野を開拓す

3. ナノ粒子による自己修復配線
̶ 金属ナノ粒子の電界トラップを用いた自己修復型金属配線 ̶

与することで実現できる。単結晶シリコンを最後に、本研究成果は多くの共同研究とで、高伝導率・高伸縮耐性の配線ができるという大きな1つの目標のために行なって者の方と行ったものであり、関係する皆様ないかと考えた。まず、自己修復配線に求きたものであり、相補的に用いることができに深く感謝申し上げます。
また、この度の受められる特性としては、配線にき裂が生じたる。例えば、伸縮可能な3次元形状を有す賞を励みに今後ますます研究を進めてゆき場合にき裂の場所や大きさを知らずともきる高機能センサシートは、センサ部を「磁気たいと考えております。

References（参考文献）【1】Eiji Iwase, Isao Shimoyama, Multi-Step Sequential Batch Assembly of Three-Dimensional Ferromagnetic Microstructures with Elastic Hinges, Journalof Microelectromechanical Systems, vol. 14, no. 6, pp. 1265-1271, 2005.
【2】Eiji Iwase, Isao Shimoyama, A Design Method for Out-of-Plane Structures by Multi-Step Magnetic Self-Assembly, Sensors and Actuators A-Physical, vol.
127, no. 2, pp. 310-315, 2006.
【3】Hiroaki Onoe*, Akihito Nakai*, Eiji Iwase*, Kiyoshi Matsumoto, Isao Shimoyama, Temperature-Controlled Transfer and Self-Wiring for Multi-Color LED
Arrays, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 19, no. 7, 075015, 2009. (*: equal contribution)【4】Kentaro Noda, Hiroaki Onoe, Eiji Iwase, Kiyoshi Matsumoto, Isao Shimoyama, Flexible Tactile Sensor with Thin Piezoresistive Cantilevers for Shear
Stress Measurement, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 22, no. 11, 115025, 2012.
【5】Tomoya Koshi, Eiji Iwase, Self-Healing Metal Wire using Electric Field Trapping of Metal Nanoparticles, Japanese Journal of Applied Physics, vol. 54,
no. 6S1, 06FP03, April 21, 2015.