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マイクロセンサ・マイクロアクチュエータ(=マイクロトランスデューサ)

センサとアクチュエータはともにエネルギー変換機構(トランスデューサ)のひとつです。とくに前者は物理・化学的入力を電気信号に変換し、後者は電気的な入力により機械的な力・変位を出力するデバイス(装置)のことを指しています。近年の半導体微細加工技術の発展にともなって、トランスデューサの微細化による高感度・高速化と、周辺電子回路との集積化による高性能化が進んでいます。ここでは、両者を検出・駆動原理によって分類して、近年のエレクトロニクスに活用されているセンサ・アクチュエータを解説しましょう。

マイクロセンサ

下の表に、各物理領域におけるセンサの検出原理とその素子・装置応用一覧を示します(テキスト形式の表は、このページの一番下にあります)。物理・化学分野で知られている古典的な効果・法則は、それに関わる物理・化学量の検出原理として利用できますし、その種類は極めて多岐にわたります。なかでも、力学的な歪を電気信号に変換するピエゾ抵抗効果と、機械的な変位を検出する静電容量センサは、圧力計や加速度計、ジャイロスコープ、マイクロフォン等のMEMSデバイスの基本原理として広く使われています。

transducers.png

我が国のセンサの開発史上では、豊田理化学研究所の五十嵐伊勢美氏による半導体歪ゲージ効果(ピエゾ抵抗効果)の業績が顕著です。この効果は、ゲルマニウムやシリコン等の半導体のバンド構造が機械的な応力によって変化し、その導電率が変化する現象に基づいています。また、旭化成の柴崎一郎氏らは半導体中のキャリアの移動が磁界によって力を受けるホール効果を応用して、InSb薄膜とフェライトを組み合わせた高感度の磁場センサを1975年に量産化しました。このデバイスは、モーターのブラシレス化や非接触電流計に利用されています。

1980年以降には半導体微細加工技術を応用して、機械的に動く微細な構造を設計寸法1μm程度で集積化するシリコンマイクロマシニング技術や、マイクロマシンと集積回路を融合するMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術が登場しました。これらの技術により、シリコン製の微小なバネ・マス振動構造を半導体集積回路と同様のバッチプロセスで製造することが可能になりました。これらのセンサは、現在では信号検出回路を集積化したMEMS型の加速度センサやジャイロスコープとして、TVゲームのコントローラやスマートフォンに搭載されています。また近年では、液中の電位を計測するISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor)を利用したDNA検出用のマイクロチップも研究開発されており、バイオ工学分野への展開が進展しています。

単に入力を電気信号に変換するだけでなく、環境振動や光、電磁波、未利用の排熱等からエネルギーを回収して超低消費電力エレクトロニクスの電源として用いるエナジーハーベスタ素子の研究開発も進んでいます。

マイクロアクチュエータ

下の図に、各種エネルギーを力学エネルギー(仕事)に変換するアクチュエータの原理を示します。また、単位面積あたりの発生力の概算を表に記載しておきます。

actuators.png

コイルと永久磁石間の電磁力はもっとも古典的なアクチュエータ機構であり、比較的大きな力(トルク)を発生できるため、電磁ベルや接点リレー(スイッチ)オーディオ用スピーカー等の駆動機構として使用されています。また、マイクロアクチュエータ用途としても、電磁駆動はレーザー測長・画像ディスプレイ用の空間光変調器(光スキャナ)の駆動機構等に応用されています。

forcedensity.png

印加電圧のクーロン引力を利用した静電駆動アクチュエータは駆動機構が簡素であることから、半導体プロセスを用いて製作した世界初のマイクロモーターの駆動に用いられました。その発生力は微小なのですが、集積回路駆動機構との整合性が高いことから、画像プロジェクタ用のマイクロミラーの角度制御や、ジャイロスコープ、水晶振動子に代わるシリコン共振子の励振機構等に広く使われています。

さらに単位面積あたりの発生力の大きな圧電材料としてPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)やZnO(酸化亜鉛)等が知られており、これらはカメラのレンズを駆動するオートフォーカス用の超音波モーターや、インクジェットプリンタのインクを吐出する機構、磁気ディスクヘッドの位置決め機構などに使用されています。また、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)などのポリマー延伸素材にも圧電性があり、フレキシブルアクチュエータとして人工筋肉等への応用が検討されています。さらには、イオン交換樹脂等の高分子ポリマーに電場を与えると、内部イオン移動によって体積膨張することが知られおり、これを駆動機構にした導電性ポリマー型のアクチュエータも開発されています。

参考文献

  1. G. W. Elko and K. P. Harney, “A History of Consumer Microphones: The Electret Condenser Microphone Meets Micro-Electro-Mechanical-Systems,” Acoustics Today, vol. 5, no. 2, April 2009, pp. 4-13.
  2. 五十嵐伊勢美,「ゲルマニウムひずみ計」 計測, vol. 9, p. 748, 1959, 「ゲルマニウムひずみ計(続)」、計測, vol. 10, p. 412, 1960.
  3. 柴﨑一郎, 「InSb単結晶薄膜の物性と磁気センサ応用」 電気学会論文誌E, vol. 123, no. 3, p. 69, 2003.
  4. K. E. Petersen, “Micromechanical membrane switches on silicon,” IBM J. Res. Dev., vol. 23, 1979, pp. 376-385.
  5. L.-S. Fan, Y.-C. Tai, and R. S. Muller, “IC-processed electrostatic micro-motor,” Sensors and Actuators, vol. 20, no. 1/2, 1989, pp. 41-48.
  6. F. V. Kessel, L. J. Hornbeck, R. E. Meier, and M. R. Douglass, “A MEMS-based projection display,” Proc. IEEE, vol. 86, no. 8, 1998, pp. 1687-1704.

原理と応用によるセンサの分類

分野原理(効果)一次応用(素子)二次応用(装置)
力学ピエゾ抵抗歪ゲージ歪センサ、スイッチ
圧電効果歪センサダイヤフラムゲージ、圧力計
慣性力加速度センサ・振動センサ傾斜計、地震計
角運動量保存則・コリオリ力ジャイロスコープ
熱膨張バイメタル構造温度計、サーモスタット、湿度計
原子間力原子間力顕微鏡各種プローブ顕微鏡
超音波の反射距離計、近接センサ超音波イメージャ、異物センサ
ドップラー効果速度計レーザー変位計
圧力(静水圧、音波)圧力計、気圧計、高度計、マイクロフォン
電気クーロン力静電容量センサ各種物理センサ(加速度計、ジャイロ、触覚センサ、指紋センサ等)
抵抗分圧ポテンショメータ・位置センサ
静電誘導電荷センサ
電気光学効果(ポッケルス効果、カー効果)電場センサ
ファラデー効果磁場センサ
磁気抵抗効果磁場センサHDD (hard disk drive)
ローレンツ力電流・磁場センサタコメータ、速度計
ホール効果(半導体中のローレンツ力)磁場センサ地磁気コンパス、電力計
誘導起電力磁場センサ
電磁誘導磁場・電力センサ電磁流量計、ロゴスキーコイル
ジョセフソン効果磁場センサ超伝導量子干渉計 (SQUID)
核磁気共鳴MRI (magnetic resonance imaging)
光のON/OFF光エンコーダ距離計、光マウス
光の回折、屈折分光計
光導電性(内部光電効果)照度計、赤外線センサ
光起電力(内部光電効果)PN接合フォトダイオード撮像素子、X線撮像
外部光電効果光電子増倍管(フォトマルチプライヤー)
焦電効果赤外線センサ人感センサ
スネルの法則屈折率計測糖度計
干渉波長計則、距離計測レーザー測長、光断層計則
サニャック効果ジャイロスコープ
セシウム原子の共鳴周波数原子時計標準時刻、高度計、GPS
電気抵抗の温度依存性サーミスタ、温度計カロリメトリー
ゼーベック効果熱電対サーモパイル、放射温度計、光高温計
PN接合温度計
気体の熱伝導ピラニ真空計
気体のイオン化電離真空計
物質・化学機械的共振周波数振動質量計(慣性質量計)マイクロバランス、水晶振動子膜厚計
物質の化学反応放射線量計(フィルムバッジ)、カラー写真フィルム
物質の拡散係数液クロマトグラフィー、ガスクロマトグラフィー
イオン化傾向差、仕事関数差電位計測標準電極
酸化還元反応物質センサISFET、pHセンサ、酸素・CO2センサ等
抗原-抗体反応生化学物質センサ
バイオ・生化学拡散係数の分子量依存性電気泳動DNA検出、タンパク質分離
DNA増幅(PCR)生化学物質センサDNA検出、ウイルス検出
細胞イオンチャンネルの起電力細胞電位センサ、神経プローブ
DNA塩基配列・蛍光反応特定物質の検出(蛍光、電流)DNAマイクロアレイ

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Last-modified: Thu, 15 Jun 2017 19:11:03 JST (162d)