マイクロチップほど小さい、一銭硬貨よりも小さく、完全にシリコンで作られたスピーカーを想像してみてください。それがMEMSの奇跡です。

MEMSまたはマイクロエレクトロメカニカルシステムは、電気的および機械的な機能を持つマイクロシステムです。

MEMSは、現在の集積回路を作るための先進的な技術を用いて作られており、私たちの周りにはどこにでも存在しています。

この技術は驚くべきものですが、この業界は長い間いくつかの重要な経済的な問題に苦しんできました。このビデオでは、小さな機械システムを作る上での大きな問題について見ていきます。

始まり

人々はずっと小さなものを作りたいと夢見てきました。1959年、リチャード・ファインマンは「底辺には十分なスペースがある」というタイトルの講義をカルテックで行いました。彼は原子を一つずつ直接操作して有用なツールを作ることについて話しました。

彼は、一辺が0.4ミリメートルの立方体に収まる小さなモーターの製造に1000ドルの賞金を提供しました。

その賞金は、カルテックのエンジニアによって1年もしないうちに獲得されました。ただし、このエンジニアは従来のツールを使用してこの小さなモーターを作りましたが、それは課題の内容には合致していましたが、その精神には合致していませんでした。

それは1967年になって初めて、ウェスティングハウスのハービー・ナサンソンがプレモダンなマイクロ加工技術を使って新しいタイプのトランジスタ、共振ゲートトランジスタを開発した時でした。

約1ミリメートルの長さで金でできているこのトランジスタの特別な点は、動くことができることです。研究者は電気を使ってゲートと電極の間の距離を制御することができました。入力信号の狭い範囲にのみ反応するため、周波数フィルターとして有用でした-これが最初の本物のMEMS製品でした。

最初の応用

しかし、MEMSが大きな成功を収めるのは1979年まで待たなければなりませんでした。ヒューレット・パッカードは、シリコンのマイクロ加工技術を使用して、サーマルインクジェットテクノロジーを可能にするプリンターのインクジェットノズルを開発しました。それまでのところ、そのようなノズルはおそらくその技術の最も成功した応用でした。

インクジェット技術は、まずインクを100度程度まで急速に加熱します。これにより小さな気泡が生成され、マイクロ加工されたノズルからインクが押し出されます。気泡が崩壊すると、真空が作られ、さらにインクが吸い込まれます。

ノズル自体は機械的ではありません-動きません-が、MEMS技術がそれらを作るのに役立ちました。そして、その小さなサイズのおかげで、HPはプリンターの解像度を向上させるためにそれらを一緒に配置することができました。

エアバッグのセンサー

そして1990年代には、MEMS業界は加速度、圧力、方向のセンサーを使った別の主要な商業用途を見つけました。このようなセンサーは産業、医療、電子分野で有用です。

最初に挙げるのは、自動車のエアバッグセンサーです。私は自動車用半導体についてのビデオでこれについて話しました。しかし、最初のエアバッグセンサーは機械的な装置でした。本質的には管の中のボールです。これらは大きくて重くて複雑で高価でした-数百ドルかかりました。

1991年、アナログ・デバイセズは最初の商業用加速度MEMSセンサーを作りました-1平方センチメートル未満の大きさです。見た目はとてもクールで、60マイクロメートルの深さの容量感知「指」がいくつかあります。指は加速度が発生すると動く質量に取り付けられています。接触する指は容量の値を変化させ、それがチップに感知され、関連するECUに伝えられます。

アナログ・デバイセズは、この加速度センサーとそれに付随する電子機器を1つのシリコンチップに組み込みました-ADXL-50と呼ばれます。50という数字は、最大50 Gの急激な加速度を検知できることを意味しています。

これは、従来のシステムの20ドルから100ドルのコストに比べて、5ドルで作られる、より小さくて信頼性の高い完全な一体型加速度監視システムでした。これらの加速度センサーは、自動車のエアバッグの広範な採用に貢献しました。

標準的な自動車には、ABS、アクティブサスペンション、ナビゲーション制御、転倒検知など、MEMSベースのエアバッグセンサーだけでも6000万個以上が組み込まれて販売されています。

医療用圧力センサー

圧力センサーは、MEMS技術の次の大きな応用となりました。これらは病院で血圧を監視するために使用され、患者の静脈内に接続されます。

初期の外部血圧センサーは600ドル以上かかり、再利用するたびに滅菌と再キャリブレーションが必要でした。MEMSバージョンはその一部のコスト-たった10ドルで、その大部分はパッケージングにかかります-これにより使い捨てになり、医療現場での使用がはるかに容易になりました。

機械的には非常にシンプルです。MEMS技術を使用して、シリコンを薄い膜に加工し、これをダイアフラムとして使用します。

次に、4つの小さな応力感知ポリシリコン抵抗体または圧電抵抗体をダイアフラムの端に配置します。

ダイアフラムは真空キャビティの上に吊り下げられ、絶対圧力センサーを形成します。

圧力がかかると、シリコンのバンド構造が変化し、結晶の抵抗性も変化します。これが感知され、信号が関係者に伝えられます。

現在、医療用MEMSベースのセンサー産業は60億ドル以上の価値があり、その中で血圧センサーが最も大きな部分を占めています。

慣性センサー、コンシューマーエレクトロニクス

製造業者は、初期の圧力センサーや加速度センサーの設計を基にして、さまざまな多機能で低消費電力のセンサーを作りました。これらの慣性MEMSベースのセンサーは、現在の最も人気のあるコンシューマーエレクトロニクス製品に内蔵されています。

任天堂スイッチを例に取りましょう。メインコンソールとコントローラーの内部には、ジャイロスコープと加速度計の機能を持つ超低消費電力の慣性センサー、STMicroelectronics SH627が搭載されています。

MEMSマイクロ加工技術は、視覚ディスプレイ、光スイッチなどの他のコンシューマーエレクトロニクス製品でも使用されています。後者は非常に興味深いものです-ここでは、マイクロミラーが光を1本の光ファイバーから別の光ファイバーにリダイレクトするために使用されます。

MEMSの製造

商業用MEMSの製造フローのアイデアは、フォトリソグラフィやエッチングなどの高いボリュームのIC技術を使用して、2D基板に層を追加または削除して3D形状を作ることです。

ただし、業界には一つのサイズがすべてに適合する方法論はありません。したがって、企業はより経済的にMEMSを製造および加工するための他のアプローチを試みてきました。たとえば、電気化学的マイクロ加工です。

最初は低価格なPCB基板の製造技術として導入されたECMは、電極先端で金属を局所的かつ選択的にエッチングすることでMEMSを作成することができます。

他のマイクロ加工方法には、レーザービーム加工、電気放電加工、およびLIGA（Lithographie Galano-Formung Abformung）があります-これは私が発音できない何かを表しています。

より良い加工コストが必要ですが、それはペイバックと利益に高いハードルを設定します。

ただし、大規模なMEMS製造はエコシステムの一部に過ぎません。他の要素もコストと生産の問題に大きく貢献しています：設計とバックエンドのステップ。

MEMSデザイン

MEMSと集積回路は非常に多くの共通点を持っていますが、それらをあまり密接に結びつけるのは間違いです。基本的に、両者の間にはいくつかの非常に明確な違いがあります。

最初の違いは設計です。MEMSの設計は非常に興味深く、専門的です。単にものを小さくして同じように動作することを期待することはできません。

たとえば、摩擦力は慣性よりもはるかに強いです。一方、微小な流路は流体の詰まりを起こしやすくなります。これらは改善する必要があります。

また、特定のバイオチップでは、マイクロメートルスケールで存在する電場を使用して試薬をチップ内でポンプすることができます。これは、マイクロメートルスケールで存在する電気浸透効果によってのみ可能です。

それ以上に、半導体と機械の設計には根本的な哲学的な違いがあります。

VLSIは、大規模システム設計にモジュールアプローチをもたらし、半導体設計を革新しました。

VLSIでは、一般的なモジュールと標準化されたセルライブラリから部品を組み合わせて、完全なシステムとチップを構築することができます。ライブラリは製品とは独立して設計されます-ほとんどの場合、製造プロセスと共に設計されます。TSMCとそのノードのようなものです。これにより、最終製品の収益性が確保されます。

一方、機械設計の世界には、標準ボルト、留め具、パイプ継手、塗料など以外には何もありません。これらは最終プロセスに関与しない下請け業者によって作られます。代わりに、機械部品は製品に合わせて重量、スペース、エネルギーの制約を受け入れる必要があります。

そして、VLSIオブジェクトは1つのことだけを行う必要があります-信号を処理することです。通常はロジックです。一方、機械オブジェクトは液体を含んだり、回転したり、スライドしたり、荷重を支えたりする必要があります-しばしばすべて同時に行います。これが機械設計-MEMSも含めて-非常にカスタムなものになる理由です。

それでも、MEMS業界向けのCADおよび設計自動化ソフトウェアスイートを開発している企業があります。COVENTORWAREやIntelliCADなどの例があります。これらは、MEMSデザイナーがマイクロ構造設計とその電気機械的な振る舞いをより良く理解するのに大いに貢献しています。

MEMSパッケージング

テストとパッケージングは、半導体製造プロセスの後半部分として説明されます-完成したダイを最終製品に挿入するためのチップに変える場所です。無名ですが、非常に重要です。

典型的な価格を見ると、MEMSベースのセンサーのほとんどの価格はパッケージングから来ます-最終コストの75〜80％です。これは集積回路の場合とは逆の状況です。

たとえば、暖房および換気市場やHVAC向けの圧力センサーを見てみましょう。

HVAC圧力センサーの価格は通常20ドルから30ドルです。その大部分は、実際のダイではなくパッケージングから来ます。ファウンドリからの生の作業用ダイは、パッケージングなしでは使用できず、個々のコストは50セント以下です。

この問題は基本的で哲学的なものです。ICはそれ自体がシステムです。したがって、パッケージングは二次的なサポート役割を果たします-それを保護し、外部世界と接続します。

したがって、ほとんどの場合、それをプラスチックまたはセラミックのケースに入れます。

一方、MEMSは外部の世界と密接に関わらなければなりません。MEMS圧力センサーを硬いプラスチックケースに入れることはできません。それが圧力を感知する方法はありません。

各MEMSダイのパッケージングは、その特定の状況に合わせて再作成する必要があります。圧力センサーのMEMSは、マイクロミラーアレイとは異なるパッケージングが必要です。マイクロ流体MEMSは、静電アクチュエータとは異なるパッケージングが必要です。などなど。これにより、作業にかかるコストとエンジニアリングコストが増加します。

少しの経済的な問題

私が言ったように、アナログ・デバイセズは最初の主要な半導体企業の一つとして、MEMSの世界に投資しました。

同社は1980年代からこの分野の研究を開始し、特にエアバッグセンサー業界をターゲットにしました。彼らは自社内で製造施設を建設して生産を拡大しました。

しかし、その施設が黒字になるまでには9年かかりました。問題は価格です。アナログ・デバイセズは最初からその製品を競合他社よりも価格優位性があるとマーケティングしました。

したがって、アナログが最初の自動車センサー契約をシーメンスと結んだとき、彼らは次の6年間でユニットあたりの価格を11ドルから6ドルに自動的に下げる必要がありました。

アナログは、生産効率を向上させることができると考えてこれを行いました。IC業界と同様に、収率は製品コストに最も大きな影響を与える要素です。収率が10％の場合、10個のMEMS製品のうち9個は使用できません。

収率を倍にすることはコストを半分にすることを意味しますが、これは簡単には実現できません。これにより、可能性のあることに対する過度に楽観的な予測が生まれ、実際の投資を反映しない市場価格が生まれます：開発、生産、パッケージング、テストに投資された実際の投資を反映しない市場価格です。

無慈悲な市場価格の侵食-四半期ごとに3〜5％も高い-はマージンを削り、MEMS業界への他の潜在的に興味深い可能性への投資を妨げます。

たとえば、小型キューブ衛星向けのマイクロ推進技術。

または自動車用のMEMSベースのLIDARミラー。

またはIOTセンサー-それがどんなものになるかはまだわかりません。などなど。

結論

MEMSは第二のシリコン革命と呼ばれています。それはまだ魔法です。私たちは、より大きなものと同じことをする微細な動く部品について話しています。それらはより小さく、安価で、より良く機能します。それは魔法です。

しかし、この業界は一部自身の成功の犠牲になっています。その創造性と多様性が広範な標準に向かうのを困難にしています。MEMSには、業界内での進路を示すためのSEMATECHやDARPAのようなものはありません。

私は、業界がその完全な技術的および商業的なポテンシャルを実現するために、50以上の設計者、ファウンドリ、ベンダー、エンドユーザーなど、さまざまなプレーヤーがもっと緊密に協力して標準を作り、それに悩まされる投資不足の問題に対する解決策を見つける必要があると考えています。