Notice: We do not have any position opening for post-doctral researchers now. (10 April 2019)

2019-02-12 (火) 13:58:30 (68d)

Research High Light †

• Research High Light 2016
• Research High Light 2010

Research Projects †

• Research Projects by Contracts (MEMBERS-ONLY)

光ＭＥＭＳとＲＦ-ＭＥＭＳ研究
Optical & RF-MEMS Research Activities †

年吉研究室は、東京大学生産技術研究所のマイクロナノメカトロニクス国際研究センターに所属しているＭＥＭＳの研究室です。ＭＥＭＳとはMicro Electro Mechanical Systemsの略で、１ミリメートル程度の微小な機械構造を半導体プロセス等を用いて製作し、それをさまざまな方面に応用する研究です（こちらにＭＥＭＳのイントロがあります）。年吉研究室ではＭＥＭＳデバイスの設計理工学、ＭＥＭＳプロセスの研究開発、ＭＥＭＳ技術の微小光学応用とＲＦ(Radio Frequency) 高周波通信応用に取り組んでいます。最近の研究成果のサンプルは、先端研ニュース記事をご覧下さい。

We are a MEMS research group of Professor Hiroshi TOSHIYOSHI within the CIRMM (Center for International Research on Micronano Mechatronic Systems) located at the Institute of Industrial Science, the University of Tokyo. MEMS -- Micro Electro Mechanical System(s) -- is a concept of making small mechanical machines of 1 millimeter or smaller by mainly using the semiconductor micro fabrication technology. We study the design and fabrication techniques of MEMS for micro optics, nanophotonics, and radio-wave applications. Latest samples of our research activity could be found at News/2015-02-20.

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凡例 / Legend

• (Year Start-): 現在実施中 On-Going
• (Year Start-Year End): 一時停止中 Pending
• (Year Start-Year End): 終了 Completed

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戦略的創造研究推進事業（ＣＲＥＳＴ）「微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出」領域課題「エレクトレットＭＥＭＳ振動・トライボ発電」（２０１５〜２０１９）
"Electret MEMS Vibrational Triboelectric Generation" in operation with the CREST-JST program "Scientific Innovation for Energy Harvesting Technology" (2015-2019) †

本研究では、次世代の無線センサノードに必要な１０ｍＷ級の自立電源を実現するために、ＭＥＭＳ技術とイオン材料技術を駆使して、環境の振動から未利用エネルギーを回収する振動発電素子（エナジーハーベスタ）の基礎研究に取り組みます。特に、固体中のイオンを用いたエレクトレット（永久電荷）による静電誘導現象の解明と、イオン液体電気二重層キャパシタを用いた新規デバイスを開発します。

• ＪＳＴフェア２０１７ポスター

We study on energy harvesters that produce electrical power from environmental vibrations through the MEMS (micro electro mechanical systems) mechanisms combined with ionic material technology, thereby targeting a 10 mW class power package needed for wireless sensor nodes of the next generation. A novel energy-harvesting device is developed by using the static induction current from electret (permanent charge) which is coupled with an electrical double-layer capacitor of ionic liquid.

• JST-Fair 2017 Poster

ＮＥＤＯエネルギー・環境新技術先導プログラム（２０１５〜２０１６年度）課題「トリリオンセンサ社会を支える高効率ＭＥＭＳ振動発電デバイスの研究」
NEDO Energy & Environment Program "A Study on High Efficiency MEMS Micro Energy Harvesters for Trillion Sensor Society" (FY2015-2016) †

２０１５年３月から２０１７年２月までの予定で、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）のエネルギー・環境新技術先導プログラムによる「トリリオンセンサ社会を支える高効率ＭＥＭＳ振動発電デバイスの研究」プロジェクトを実施中です。

• 研究紹介ポスター（ＮＥＤＯパンフレットより）

"A Study on High Efficiency MEMS Micro Energy Harvesters for Trillion Sensor Society" is currently operated as a national project adopted by the New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) between March 2015 and February 2017.

• Project Poster (from NEDO pamphlet)

日本学術振興会／内閣府　最先端・次世代研究開発支援プログラム（２０１１〜２０１３年度）
Funding Program for Next Generation World-Leading Researchers (NEXT Program), Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) (FY2011-2013) †

２０１１年２月から２０１４年３月までの期間、日本学術振興会の最先端・次世代研究開発支援プログラムによる「集積化ＭＥＭＳ技術による機能融合・低消費電力エレクトロニクス」プロジェクトを実施しました。

A project titled "Multi-functional Low Power Electronics by Integrated MEMS Technology" has been performed in the lab, supported by the NEXT Program of the JSPS initiated by the Council for Science and Technology Policy (CSTP), from February 2011 through March 2014.

• 研究成果報告
  Output Report (2014-03-01)
• 研究全体の説明
  Overview (2011-2014)
• 回路シミュレータＬＴＳｐｉｃｅを用いたＣＭＯＳ−ＭＥＭＳのためのマルチフィジクス解析手法
  Multi-physics Analysis for MEMS based on Electrical Circuit Simulator LTSpice (2008-)
• 回路シミュレータＱｕｃｓを用いたＭＥＭＳ解析手法
  MEMS Analysis based on Electrical Circuit Simulator Qucs (2008-2016)
• 低消費電力エレクトロニクスのためのＭＥＭＳパワーゲートスイッチ
  MEMS Power Gate Switch for Low Power Electronics (2010-2013)
• ＭＥＭＳ可変容量による８００ＭＨｚ帯ＶＣＯ
  Voltage Conrolled Oscillator in 800 MHz Band using MEMS Tunable Capacitors (2010-2013)
• プログラマブルＭＥＭＳ-ＰＺＴ共振子アレイ
  Programmable MEMS PZT Resonator Array (2011-2013)
• ＭＥＭＳ技術を用いたオールインワンポータブルＯＣＴシステム
  All-in-One type OCT Measurement System (2010-)
• 光駆動型ＭＥＭＳマイクロミラーによる光ファイバ内視鏡Fiber Optic Endoscope with an Optically Modulated Micro Mirror (2005-2012)

（財）神奈川科学技術アカデミー（ＫＡＳＴ）光メカトロニクスプロジェクト（２００５〜２００７年度）
KAST Optomechatronics Project (FY2005-2007) †

２００５年４月から２００８年３月の３年間、当研究室は財団法人神奈川科学技術アカデミー（ＫＡＳＴ）の「光メカトロニクス」プロジェクトを運営しました。このプロジェクトでは、光とマイクロ／ナノメカの相互作用を切り口とした新しいＭＥＭＳ応用の研究を行いました。

A part of our optical MEMS research activities have been supported by the institute KAST (Kanagawa Academy of Science and Technology)'s three-year funding program "Optomechatronics" from April 2005 to March 2008. In this program, we pursued the fundamental and application research of optical MEMS devices & systems in which light interacts with micro/nano mechanical structures.

• ＫＡＳＴ光メカトロニクス・プロジェクトの全体構想
  KAST Optomechatronics Concept (2005-2008)
• 光駆動型ＭＥＭＳマイクロミラーによる光ファイバ内視鏡
  Fiber Optic Endoscope with an Optically Modulated Micro Mirror (2005-2012)
• 液中レーザブレイクダウン・プラズマを用いた３次元画像ディスプレィ
  Three-Dimensional Image Display using Laser Breakdown Plasma in Water (2006-2009)
• 集積化光電変換素子による光駆動カンチレバー
  Optically Actuated Cantilever with Built-in Photovoltaic Cells (2006-2008)

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ＲＦ－ＭＥＭＳとマイクロ波〜テラヘルツ帯メタマテリアル
RF-MEMS and Microwave ~ Terahertz Metamaterials †

ＲＦ－ＭＥＭＳ応用として、マイクロメカニカル周波数フィルタ（共振器）の新しい検出方法や、ＲＦ－ＭＥＭＳスイッチに取り組んでいます。
RF (radio frequency) is our new target application of MEMS technology such as band pass filters and waveguide switches, where microwave devices of low insertion loss and high channel isolation are needed. Unlike most solid-state devices, MEMS approaches are expected to deliver benefits in terms of such device performance.

• ＭＥＭＳ技術による可変メタマテリアル・アンテナ
  Variable Metamaterials Antenna based on MEMS Technology (2012-)
• ＭＥＭＳ技術によるＴＨｚ帯可変メタマテリアル
  Tunable Terahertz Metamaterial Based on MEMS Technology (2011-)
• ＭＥＭＳ可変容量による８００ＭＨｚ帯ＶＣＯ
  Voltage Conrolled Oscillator in 800 MHz Band using MEMS Tunable Capacitors (2010-2013)
• 機能レイヤ分離設計によるＳＯＩ−ＲＦ−ＭＥＭＳ受動素子に関する研究
  Monolithic Integration of Microwave Passive Devices with RF-MEMS (2006-2011)
• マイクロ波帯メタマテリアル導波路
  RF-MEMS Metamaterials (2007-2009)
• ５．８ＧＨｚ移相器用ＲＦ－ＭＥＭＳスイッチ
  RF-MEMS Switch for 5.8GHz Phase Shifter (2003-2010)
• 真空マイクロエレクトロニクスによる周波数フィルタ
  RF Bandpass Filters by Micro Vacuum Electronics (2004-2007)

ＭＥＭＳ画像ディスプレィ
MEMS for Image Display †

ＭＥＭＳ技術による光変調器は画像ディスプレィに応用可能です。たとえば、ＭＥＭＳ光スキャナはレーザ描画型の画像ディスプレィに使われます。また、ＭＥＭＳ回折格子はレーザ描画ディスプレィの光強度を調整する機構に使われます。光の干渉には、バックライトからの光を着色する効果があります。また、ＭＥＭＳ光スキャナを用いた３次元ディスプレィを実証研究を行っています。
Optical modulation by means of MEMS can also be used for image display. For instance, a MEMS scanning mirror is used in the laser projection display. A MEMS grating is used as a light valve for such laser projector. Optical interference (Fabry-Perot interferometer) can change the color of transmissive light. We also demonstrated a 3D-display using MEMS optical scanners.

• レーザー描画型インタラクティブ画像ディスプレィ
  Interactive Image Display based on Spatial Laser Modulator (2012-)
• 画像ディスプレィ用ＭＥＭＳ光スキャナへの応用
  MEMS Optical Scanner for Laser Projection Image Display (2011-2015)
• ＭＥＭＳ画像ディスプレィ用圧電光スキャナ
  MEMS Optical Scanners for Projection Display (2002-2010)
• 液中レーザブレイクダウン・プラズマを用いた３次元画像ディスプレィ
  Three-Dimensional Image Display using Laser Breakdown Plasma in Water (2006-2009)
• ３次元画像ディスプレィ用ハイパワーハンドリングＭＥＭＳ光スキャナ
  MEMS High-Power Handling Optical Scanner for 3D Display (2006-2009)
• ピッチ可変型ＭＥＭＳライトバルブ回折格子
  MEMS Pitch-Tunable Grating (2006-2009)
• フレキシブルＭＥＭＳ画像ディスプレィ
  MEMS Flexible Display (2004-2011)

集積化ＭＥＭＳ
Integrated MEMS †

本来ＭＥＭＳとはマイクロエレクトロニクスとマイクロメカニクスの融合したシステムのことですが、加速度センサやディスプレー用ミラーアレイなどをのぞけば、電気機械系が本当の意味で集積化された例は少ないのが実情です。本研究室では、マイクロアクチュエータ系とその駆動回路系を容易に集積化するためのプラットフォーム技術開発に取り組んでいます。
MEMS is a concept in a real sense that electronics and mechanics are integrated in a small space. Such examples are, however, difficult to name today except highly advanced commercial MEMS products such as accelerometers and micromirror displays. In this project, we are developing a platform technology of high-voltage driver circuits that could be monolithically integrated with post-processed microactuators. This new technology will open up a easy access to potential MEMS designers who would like to have their microactuators operated with a co-existing monolithic drivers.

• 高電圧レベルシフタ回路とＭＥＭＳ回折格子の集積化
  MEMS Gratings Integrated with High Voltage Level Shifters (2006-2009)
• データストレージ用ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳ構造
  Micro-Nano Mechanical Structure for Data Storage (2005-2007, 2010-2013)
• ＭＥＭＳアクチュエータとアナログ高電圧駆動回路のモノリシック集積化
  Monolithic Integration of Microactuators with High Voltage Driver Circuits (2003-2009)
• ＭＥＭＳアクチュエータの制御回路の集積化
  Monolithic Integration of Control Circuitry with MEMS Actuators (2005-2010)

ＭＥＭＳ技術の光通信応用
MEMS for Fiber-optic Applications †

本研究室はＭＥＭＳの光ファイバ通信応用を出発点にして発足しました。光ファイバ通信は、一本の光ファイバ内に４、８、１６波…の波長の異なる光をまとめて通す波長多重通信に移行しつつあります。光ファイバ通信分野には、スイッチ、クロスコネクト、波長選択スイッチ、可変減衰器など、ＭＥＭＳ技術の応用先がいろいろと考えられています。
This is the origin where we started various optical MEMS projects. Fiber optic communication system today is shifting toward more advanced ones using multiple wavelengths called wavelength division multiplex (WDM), and there are a plenty of rooms in which MEMS approaches is useful, such as fiber optic switches and crossconnects (OXC), wavelength selective switches (WSS), variable optical attenuators (VOA), and fiber dispersion compensators.

• ＭＥＭＳ波長選択フィルタ
  MEMS Tunable Wavelength Selective Filter (2005-2010)
• くしば型静電アクチュエータを用いたＭＥＭＳ可変減衰器
  MEMS Variable Optical Attenuator with Vertical Comb Drive Mechanism (2002-2008)
• 平行平板型静電アクチュエータを用いたＭＥＭＳ可変減衰器
  MEMS Variable Optical Attenuator with Parallel-Plate Tilt Mirror (2002-2010)
• 光スイッチ用電磁駆動型マイクロトーションミラー
  Optical Crossconnect by Electromagnetic Torsion Mirrors (1996-1998)
• 光ファイバスイッチ用静電マイクロミラー
  Microtorsion Mirrors for Fiber Optical Crossconnect (1995-1997)

新機能光ＭＥＭＳ
New Functional Optical MEMS †

光通信応用以外にも、いろいろな光ＭＥＭＳ技術を開発しています。たとえば、光によって駆動できるマイクロミラーを用いて、別の光を制御する新しい微小光学システムを研究中です。また、フォトニック結晶光導波路とＭＥＭＳアクチュエータを組み合わせた光変調器にも取り組んでいます。
Besides the optical MEMS projects for fiber network, we have divergently investigate potential applications. Our latest results include optically-controlled MEMS, which coulld be used to have mechano-optic interaction in a micro space to create new functional device. We also have challenged integration of MEMS actuator onto a photonic bandgap crystal waveguide to make a ultra small light wave circuits with high efficiency modulators and switches.

• ＭＥＭＳ技術を用いたオールインワンポータブルＯＣＴシステム
  All-in-One type OCT Measurement System (2010-)
• ＯＣＴ波長可変光源用の高速ＭＥＭＳ光スキャナ
  Fast MEMS Scanner for OCT Tunable Wavelength LD (2009-)
• プラズモン制御ＭＥＭＳカラーピクセル
  Plasmon Phonic MEMS for Tunable Color Pixels (2009-2011)
• 光駆動型ＭＥＭＳマイクロミラーによる光ファイバ内視鏡
  Fiber Optic Endoscope with an Optically Modulated Micro Mirror (2005-2010)
• ＭＥＭＳ・ＮＥＭＳフォトニック結晶光導波路デバイス
  MEMS-NEMS Photonic Crystal Devices (2002-2008)

大面積ＭＥＭＳ
Large Area MEMS †

半導体プロセスはフォトマスクやウエハのサイズによって、できあがりのデバイス寸法に上限があります。その一方で、印刷技術による製法では幅数センチメートルのフレキシブル資料から、新聞紙のような大判のウェブ（紙）を取り扱うことも可能です。ここでは、薄いプラスチックフィルム上にグラビア印刷、フレキソ印刷、インクジェット印刷等を施すことによりＭＥＭＳ構造を製作する手法と、その応用研究を紹介します。
While the overall system size is limited by the photomasks or wafers used in the semiconductor microfabrication, large area system can be produced by printing technique. We investigate the fabrication process for large area MEMS by using gravure, flexo, and ink-jet printing technique, as well as its applications including electronic signage.

• 大面積ＭＥＭＳ技術によるＴＨｚ帯メタマテリアル
  Large Area MEMS for THz Metamaterial (2012-)
• インクジェット・プリントによる大面積ＭＥＭＳ
  Large Area MEMS by Ink-jet Printing (2009-2011, 2013-)
• プラスチックＭＥＭＳ技術を用いたフレキシブル電子ポスター
  Flexible Display (2004-2010)

ＭＥＭＳ技術の天文学・宇宙応用
MEMS for Astronomy †

非常に小さなマイクロ機械が、「光年」スケールの天文分野にも使われています。本研究室では、東京大学理学部天文センターと共同で、天体望遠鏡の近赤外分光器に搭載するマイクロシャッタアレイを製作し、銀河進化などの理論天文学に役立つ天文観測装置の要素部品を研究開発しています。
It would be interesting to know a "micro" mechanical device could be used for astronotic applications, which is usually measured in a unit of "light year." We have a joint project with the astronomic center of the University of Tokyo to develop MEMS shutters that would be used in an astronomic infrared telescope.

• ＭＥＭＳレーザレンジファインダ
  MEMS Laser Range Finder (2006-2010)
• 天文分光用マイクロシャッタアレイ
  Electrostatically Addressable Visored Shutter Array by Electroplating for Astronomical Spectrography (2010-)
• 天文分光用ＭＥＭＳシャッタアレイ
  MEMS Microshutters for Infrared Astronomical Observatory (2003-2009)

ＳＯＩーＭＥＭＳアクチュエータの新設計概念
Topologically Layer Switching Architecture for MEMS (TOLASUM) †

従来のＳＯＩ－ＭＥＭＳでは、ＳＯＩ層にアクチュエータの電気的機能と機械的能が集中していたので、無理のある設計をせざるを得ないことがありました。本研究では、ＳＯＩ－基板間を簡単に電気的接続する方法（スティクションバー）を開発し、ＳＯＩ層と基板層を用途にあわせて使い分ける手法を開発しました。
Electrical and mechanical functions are integrated into the SOI layer in the conventional SOI-MEMS technology, and hence MEMS designer sometimes experience difficulty in designing devices without compromizing. We newly invented a simple and effective method of making electrical interconnection between the SOI and the substrate layers. Mechanical and electrical functions can be thus allocated in either the SOI and the substrate layer in an ad hoc manner.

• TOLASUM Z
  TOLASUM Z (2006-2009)
• レイヤースイッチ設計トポロジーの新概念
  Topological Layer Switch for Universal Microstructure (2005-2009)

光ＭＥＭＳのためのアクチュエータ
MEMS Actuators and Mechanisms for Optical MEMS Applications †

本研究室は、シリコンマイクロアクチュエータの開発に基礎を置いています。光応用向けのさまざまなアクチュエータを開発しています。
The backbone of our research is the developing capability of silicon micro actuators, mainly electrostatic types, which could be used to spatially modulate light beams in free space.

• ハイパワーハンドリング可能なＭＥＭＳ光スキャナ
  MEMS High-Power Handling Optical Scanner for 3D Display (2007-2009)
• 表面張力を利用した自動組立型垂直くしば型静電アクチュエータ
  Self-Assembled Vertical Comb-Drive Actuator (2002-2005)
• 静電駆動アクチュエータの解析モデル
  MEMS Design and Analysis Interface to Qucs (2008-)
• マイクロメカニカル構造を用いた微小変位のデジタル／アナログ変換器
  Micro Mechanical Digital-Analog Converter (MEMDAC) (1998-1999)
• マイクロＸＹステージ駆動型シリコン製マイクロレンズ
  Micro XY-stage for 2D Lens Scanner (2003-2006)
• シリコンレンズ光スキャナ
  Silicon Bulk Lens Scanners (2002-2006)
• 光クロスコネクト応用フォトレジストレンズ型光スキャナ
  Photoresist Micro Lens Scanner for Optical Crossconnect (1999-2001)

シリコンマイクロマシニング
Silicon Micro Fabrication †

ＭＥＭＳプロセスの基本として、さまざまなシリコン・マイクロマシニング技術、ノウハウを開発しています。
Silicon micro fabrication is the commonly essential part of our projects. Most techniques are "a sort of" classified as "know-how," but we will show some useful skills here.

• 化学実験器具でできる蒸気フッ酸によるリリース法
  Vapor HF Sacrificial Oxide Release with Lab Utensils (2004-2005)
• 表面化学改質によるスティクションの低減
  High-Yield Sacrificial Release and Surface Treatment (2004-2005)
• 高アスペクト比ドライエッチング
  High Aspect Ratio Dry Etching (2002-2006)
• ＤＰオイルを使ったＤＲＩＥ中のウエハ固定
  DRIE Wafer Fixed with DP Oil (1996-1999)

そのほか
Miscellaneous †

そのほか、さまざまなちょっと変わったアクチュエータやプロセスを開発しています。
During the past almost ten years, we have produced various "interesting" devices, which may not be directly related to optics. Here are some examples:

• 両持ち梁の座屈現象を利用したＭＥＭＳ型メモリ素子
  MEMS Buckling Memory (2007-2009)
• 水晶の圧電性を利用したマクロアクチュエータとその製作法
  Quartz Micromachining and Piezoelectric Microactuators (1993-1994)
• ハードディスク・ドライブのヘッド位置決め機構用ＭＥＭＳピギーバックアクチュエータ
  Electrostatic Microactuators for HDD Piggyback System (2002-2003)
• シリコン高アスペクト比ドライエッチングによるマイクロコネクタ
  Micro Connectors by Silicon DRIE (1996-1997)
• シリコン共振器アレイによる周波数フィルタバンク
  Multichannel Acoustic Filter Bank (1997-1998)

ヒント集
MEMS Tips for You †

ＭＥＭＳ研究に役立つちょっとしたヒント集です。
MEMS is a combination of various disciplines and MEMS biginners might have difficulty to see where to start with. And yes, so we were. You may take some hints from our lab experience.

• シリコンの結晶異方性を理解するための箱
  Silicon Cube on Your Palm
• 静電アクチュエータ用高電圧アンプ（１）ディスクリート組立型
  Voltage Amplifier for Operating Electrostatic Microactuators (1) Discrete Parts
• 静電アクチュエータ用高電圧アンプ（２）オペアンプ製
  Voltage Amplifier for Operating Electrostatic Microactuators (2) PA-85 or equivalent
• 高電圧レベルシフタ Penny Driver (1)
  High Voltage Driver (1) Penny Driver
• 高電圧レベルシフタ Penny Driver (2)
  High Voltage Driver (2) Improved Penny Driver
• 高電圧発生器・コッククロフト-ウォルトン型チャージポンプ
  Cockcroft-Walton Charge Pump
• ＭＥＭＳ特性評価用小型真空チャンバ
  Handy Vacuum Chamber for MEMS Characterization (2006-07-04)
• チョロＱ使用真空封止
  Home-made Vacuum Seal
• 自家製ＰＣクーラー
  Home-made PC Cooler>Hint/Handmade PC Cooler]]
• メムザウルス
  MEMSAURS (2008-05-29)