5. MEMSの応用 その3 : 製造検査・科学機器分野 医療・バイオ分野 分野 製造検査・科学機器 応用 MEMS技術の事例 検査 LSIプローバ マスクレス露光 並列電子線描画 顕微鏡 走査プローブ顕微鏡 赤外線、X線 熱型センサ、ガス分析 他 成形用型 ナノインプリント用型 ガス分析システム QCM、ガスクロマトグラフ 流体制御 ポンプ・マイクロバルブ マスフローコントローラ その他 自己支持薄膜(ステンシルマスク、X線露光マスク)、マイクロリアクタ(燃 料改質器など「マイクロエネルギ源」で説明)、マイクロスラスタ、メンテナンス用狭 所作業ツール、マイクロツール、など 1 集積化プロービングヘッド 集積化プロービングヘッドにより IC内のNMOSインバータ回路 から導出した電圧波形 (従来の金属プローブとの比較) 2 プローブカード マイクロプローバ用コンタクタ (T.Hoshino (Tokyo Electron Ltd.) et.al., 18th Sensor Symposium late news, 2001) 要求: フルウェハー、超高周波 10000 狭ピッチボールグリッドアレイ ウェハレベル バーンイン 他 Probe (pad) Count memory 4000 Cobra probe cards 2000 ASIC LCD driver IC 200 Epoxy-needle cantilever probe cards RF device Membrane probe card 50 250 150 100 Probe pitch (um) 50 20 Probe cardの要求スペック (丸は対象Application) 3 Formfactor(米) 10000 MEMS type 90um, 9867, 253DUTs Probe (pad) Count memory JEM(日) 4000 80um, 4860, 64DUTs MJC(日) 50um, 4672, 64DUTs 2000 TCL(日) ASIC 48um, 1248, 32DUTs LCD driver IC 200 Cascade microtech(米) RF device 50um 50 250 150 100 Probe pitch (um) 50 Membrane type 20 市場に登場していない製品も含めて、各メーカの先端技術(2004.12.現在) 電子線露光(描画)装置 4 単一鏡筒でビームアパーチャアレイの例 単一電子源から発生した電子線をマルチ化し, それぞれの電子ビームを独立にON/OFF (BLA)することで,パターンを直接描画する露 光システム。 縮小光学系にて、中間像を1/50に縮小して、 ウェハに描画するが、収差があるため描画エ リアに限界がある。 補正電子光学系CLA(Correction Lens Array) にて、縮小光学系で発生する像面湾曲、歪曲 収差を補正することで、描画エリアを増やし、 高スループットを実現する。 CLAは複数のVLA (Variable Lens Array)から 構成される。 マルチ電子線直接描画装置 (キャノン) MEBDW(Multiple Electron Beam Direct Write) (J. Vac. Sci. Technol. B18(6), Nov/Dec 2000 3061) 5 マルチ鏡筒電子線露光装置(マスクレス・低加速) 静電レンズ付きの カーボンナノチューブ 電界放射電子源 (P.N.Minh, MEMS’04 (2004), p.430) 6 カーボンナノチューブ 静電レンズ付き カーボンナノチューブ 電界放射電子源の製 作プロセス 静電レンズ付きのカーボンナノチューブ 電界放射電子源の電子電流 7 カーボンナノチューブ電界放射電子源の水素 処理による電流増大 (Fowler-Nordheim plot) カーボンナノチューブ電界放射電子源の安定性 8 静電レンズ付き電界電子放射源の集束性能のシミュレーション Si-MFE (Micro Field Emitter ) フィールドエミッタによる小形走査型電子顕微鏡(SEM)の構造 (遠藤康浩 他(富士通)、真空, 43 (2000) p.112) 9 フィールドエミッタによる小形走査型電子顕微鏡 (SEM) (遠藤康浩 他(富士通)、真空, 43 (2000) p.112) 近接場光顕微鏡(NSOM) 兼 容量型原子間力顕微鏡(AFM)の原理 10 近接場光顕微鏡(NSOM) 兼 容量型原子間力顕微鏡 (AFM) (P.H.Minh, MEMS’99) 近接場光顕微鏡(NSOM)のための先端開口部(径20nm) 11 NSOM AFM NSOM像とAFM像の同時観察例 Optical throughput (intensity) versus aperture diameter (P. N. Minh et.al. : Review of Scientific Instruments, 71,8 (2000), 3111-3117) 12 p la smo Localized and highly enhanced optical near-field. n + + + ++ + + +++ + ++ + -- - - -- - -- -- -- - pla Narrow gap (several 10 nm. It determines the resolution) Pol a riza tion Incident light sm on Bow-tie antenna (Opposed metal triangles) ボータイアンテナによる 光増強 (K.Iwami, 4th Asia-Pasific Intern. Conf. on Near-Field Optics (APNFO-4), Taiwan (2003 Oct.13-16) pp.55-56) 機械的光変調によるNSOMイメージング 13 AC turn off AFM NSOM SEM像 AFM像とSNOM像の 同時イメージング Si Si(100) SiO2 SiO2 Oxidation Photoresist Patterning Oxide Patterning Si Etching Super Critical Drying 薄いシリコン片持ち梁(厚さ 20nm) (X.Li et.al., MEMS’2002, Jan.22, TP41) 14 薄いシリコン片持ち梁を超高真空 (UHV)中で加熱した時のQの増加 (J.Yang et.al., Appl. Phys. Lett., 77, 2000) Laser Doppler Phase Adjustor Lens Electrode Optical Window Filter Wave Converter Cantilever Network Analyser Pulse Counter Vacuum Chamber V Computer ~ 1.0×10‐9 torr 超高真空(UHV)中での共振周波数の測定 15 The mass of the CNTs bundle before storage 3.655×10-13 g After hydrogen storage 3.874×10-13 g The hydrogen storage capacitance 6.0 wt.% Mass resolution 5×10-18 g カーボンナノチューブ形成後、および水素吸蔵後の共振周波数変化 梁厚 170 nm, Q 50000 (T.Ono et.al., MEMS’2001) カンチレバー (水晶、Si) RF 永久磁石 wQo 磁場B 試料 コイル 電磁波 F Z Y XYZステージ X B・M F:Force wN=r|B| B:磁場強度 M:磁化 r:磁気回転比 wQo:カンチレバー固有周波数 wN:核磁気共鳴周波数 (N)MRFM [(Nuclear)Magnetic Resonace Force Microscopy] 16 5x10-13 Force (N) 4x10-13 3x10-13 2x10-13 1x10-13 微小磁気力検出 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Amplitude of Magnetic Field (mT) 0.5 厚さ50nmのSiカンチレバーに 1.5μm径のFe球を付けた振動子 Cantilever Piezo scanner Coil Magnet MRFMの実験 (T.Ono et.al., MEMS’2001) 磁場勾配が104 T/mの場合、1個のプロトンスピ ンでは磁気力1.4×10-22 Nとなる。 共振周波数をf0、その変化分をΔf0とすると、 Δf0/f0は磁気力の勾配をばね定数で割った値に なる。 f0は27kHz、ばね定数は0.0063 N/m、Q値は 20000の時、実験的には0.2Hzの周波数変化を 検出しているが、これでは5×1011個のプロトンを 検出でき、空間分解能として2 μmに相当する。 Q値を大きくすることで、熱雑音などの影響を減 らし、さらに分解能を上げることができる。 17 Switchable cantilever for a time-of-flight scanning force microscopy (D.W.Lee, Applied Physics Letters, 84 (2004) pp.1558-1560) 応用 : 放射温度計、赤外線イメージャ(暗視、温度分布)、 人体検知、ガス分析 他 種類 : 量子型(要冷却、波長依存性有り、高感度) 光導電、光起電力、ショットキーバリア 他 熱型 (非冷却、波長依存性無し、低感度) 焦電型(変化に応答) サーモパイル ボロメータ(抵抗、誘電率) pn接合温度検出 熱膨張 熱型赤外線センサの設計指針: 高熱絶縁 → 高感度 小形化 → 熱容量小 → 応答速度大 赤外線センサ 18 鼓膜体温計 サーモパイル型赤外線センサ (松本 他、HORIBA Report 7 (1993) ) VO2(酸化バナジウム) 377Ω/□ :真空インピーダンス とマッチング (μ0 / ε0 )1/2 = 377 Ω 抵抗ボロメータ式赤外線イメージャのセル (和田英夫 他、電気学会論文誌 117-E (1997) p.612) 19 酸化バナジウムの電気伝導度の温度特性 (和田英夫 他、電気学会論文誌 117-E (1997) p.612) pn接合による温度検出を用いた集積回路製作工程 に適した赤外線イメージャのセル (M.Kimmata et.al., 2001 Intn. Conf. on Solid State Device and Materials, (2001) p.466) 20 熱型赤外線センサ 熱絶縁 → 高感度 小形化 → 高速応答 自己発熱の無い共振型赤外線センサ (C.Cabuz et.al.: Sensors and Actuators A,43 (1994) 92-99) MOS Tr 共振型赤外線センサ 21 駆動回路、赤外線による共振周波数の変化 1次元焦電赤外線センサアレイを用いたガス分析用スペクトロメータ 22 可変Fably−Perotフィルタを用いたガスセンサ(原理) (野呂他 (横河電機㈱),電気学会研究会資料 MSS-02-27 (2002)) 断面 可変Fably−Perotフィルタ (野呂他 (横河電機㈱),電気学会研究会資料 MSS-02-27 (2002)) 23 可変Fably−Perotフィルタの赤外分光透過特性 (野呂他 (横河電機㈱),電気学会研究会資料 MSS-02-27 (2002)) C:熱容量 (例:0.1Kの時 10‐12Joule/K) Q:入射エネルギー (例:6 keVのX線フォトンの時 10‐15Joule ) → T:温度変化 (例:10‐3K) G : (支持部の)熱コンダクタンス マイクロカロリメータによる放射線センサ (L.Mechin et.al., Sensors & Actuators A55 (1996) p.19) 24 マイクロカロリメトリに用いる超伝導転位温度計 (L.Mechin et.al., Sensors & Actuators A55 (1996) p.19) 断熱消磁冷却装置 走査電子顕微鏡 マイクロカロリメータ X線ポリキャピラリ コンセントレータ マイクロカロリメータを用いたX線分光計 (レイ・ラドベリー、パリティ Vol.13, No.12 (1998) p.18) 25 マイクロカロリメータ エネルギ分散型超伝 導検出器 波長分散型分光計 測定されたX線 スペクトル例 (レイ・ラドベリー、 パリティ Vol.13, No.12 (1998) p.18) ダイアモンドモールドを用いたナノインプリントリソグラフィ (T.Ono, Jpn. J. Appl. Phys., 42, Part 1, No.6B, p.3867 (2003) ) 26 (b) (c) 多孔質アルミナ (d) ダイアモンドモールド (e) PMMAに転写したもの ダイアモンドモールドとレジストへのナノパターン転写 蛾の目 Moth-Eye-Effectによる反射防止 (ドイツ technotrans社) (光の波長より小さな構造による無反射表面) 27 5 cm シリコンウェハ上に形成され たガスクロマトグラフ S.C.Terry, Ph.D. dissertation Stanford University (1975) S.C.Terry et.al, IEEE Tras. On Electron Devices, ED-26-12 (1979) マイクロバルブ(上)と 熱伝導検出器(下) 28 シリコンウェハ上のガスクロマトグラフによる分析例 製品化されたSiウェハ上のガスクロマトグラフによるガス分析装置 29 製品化されたSiガスクロマトグラフによるガス分析装置の構成 30 31 Ion Mobility Spectrometer (R.A.Miller (Charles Stark Draper Lab.), Solid-State Sensor and Actuator Workshop, p.120 (2000)) 32 IMSの写真と測定例 質量分析のためのESI (Electrospray ionization)ノズル (X.-Q.Wang, MEMS’99, p.523 (1999)) 33 ESI (Electrospray ionization)ノズルを用い (X.-Q.Wang, MEMS’99, p.523 (1999)) た質量分析例 サーマルマスフローセンサ (江刺 他,電子情報通信学会論文誌 C-II, J75-C-II (1992), 738-742) 34 20mm 集積化マスフローコントローラ (M.Esashi et.al., Transducers’87, 830-833) 集積化マスフローコントローラの構造 35 集積化マスフローコントローラの動作 ベーカブルマイクロバルブ (D.Y.Sim et.al.,J. of Micromechanics and Microengineering,6 (1996) 266-271) 36 耐食性集積化マスフローコントローラ (K.Hirata et.al., Transducers’2001,962-965) 20mm 耐食性集積化マスフローコントローラ 37 (マイクロモーション社) 密度大の液体に最適 真空封止されたコリオリ式流量計チップ 38 医療・バイオ 脳・神経用電極(神経インターフェース) 能動カテーテル 検体検査 他 神経インパルス誘導用マルチ微小電極 39 神経束用多孔電極 (山口 他、 第17回日本ME 大会、2-B-24, (1978) 261 ) ミシガン大学で研究中の神経 束からの信号導出システム (K.Najafi : Chap.9 in ” Handbook of Microlithography, Micromachining, and Microfabrication Vol.2 (ed.P. Rai-Choudhury)”, SPIE Optical Eng. Press (1997)) 40 人工内耳(聴覚) 網膜刺激型人工視覚 (M.Schwarz et.al. : Sensors & Actuators, 83 (2000) pp.40-46) 41 カテーテルによる血管内検査・手術 PTCA (Percutaneous Transluminal Angioplasty) バルーン 流体吸引駆動能動カテーテル (六鎗雄太 他、第42回日本エム・イー学会大会論文集,札幌 (2003) p.246) 42 流体吸引能動カテーテルの動作 形状記憶合金(SMA)を用いた能動カテーテル 43 共通線と通信・制御用集積回路を用いた能動カテーテル (K.-T.Park, IEEE J. of Microelectromechanical Systems, 8,p.349 (1999)) 共通線と通信・制御用集積回路を用いた能動カテーテル 44 多機能能動カテーテル (Y.Haga et.al. MEMS’2000, 181-186 ) ねじれ動作(左)と伸縮動作(右) 45 形状記憶合金(SMA)表面 への樹脂コーティング レーザによる樹脂コーティング の部分的な除去 能動カテーテルの一括組立(1) SMAコイルの露出した部分へのニッケルの電解めっき 能動カテーテルの一括組立(2) 46 ライナーコイル上への紫外線硬化型アクリル樹脂の電解めっき 能動カテーテルの一括組立(3) 1mm 能動カテーテル 47 曲りカテーテルの製作 0.5mm 外径0.5mm能動ガイドワイヤの水中での動作 (T.Mineta et.al., Transducers’2001, 698-701 ) 48 能動ガイドワイヤーの製作工程 前方視超音波内視鏡の利用 49 3 mm 前方視超音波内視鏡 (M.Fujita et.al., Sensor symposium, (May 2002)) 送信超音波パルス波形 50 0.03 0.03 0.03 0.02 0.02 0.02 Intensity (V) Intensity (V) 0.02 0.00 0.01 -0.02 0.00 -6 -6 -6 -6 -6 -6 5.5x10 6.0x10 6.5x10 7.0x10 7.5x10 8.0x10 8.5x10 -6 -0.01 0.01 0.00 0.01 -0.01 -0.02 0.00 -0.03 5.5x10 -0.03 0.0 -0.03 0.0 2.0x10 -6 -6 -6 -6 -6 -6 4.0x10 -6 6.0x10 -6 8.0x10 -6 1.0x10 -5 2.0x10 -6 4.0x10 -6 6.0x10 -6 8.0x10 -6 1.0x10 -5 Time (sec) Time (sec) 0.03 0.03 0.02 0.03 0.03 0.02 0.01 0.02 0.02 0.00 0.01 -0.01 Intensity (V) Intensity (V) -6 6.0x10 6.5x10 7.0x10 7.5x10 8.0x10 8.5x10 -0.02 -0.02 -0.02 0.00 -0.03 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -6 5.5x10 6.0x10 6.5x10 7.0x10 7.5x10 8.0x10 8.5x10 -0.01 -0.02 -0.03 0.0 -6 -0.01 2.0x10 -6 4.0x10 -6 6.0x10 -6 8.0x10 -6 1.0x10 0.01 0.00 0.01 -0.01 -0.02 0.00 -0.03 5.5x10 -6 -6 -6 -6 -6 -6 6.0x10 6.5x10 7.0x10 7.5x10 8.0x10 8.5x10 -6 -0.01 -0.02 -5 Time (sec) -0.03 0.0 2.0x10 -6 4.0x10 -6 6.0x10 -6 8.0x10 -6 1.0x10 -5 Time (sec) 0.03 0.03 0.06 0.03 0.02 0.02 0.00 -0.01 -0.02 0.00 -0.03 5.5x10 -6 -6 -6 -6 -6 -6 6.0x10 6.5x10 7.0x10 7.5x10 8.0x10 8.5x10 -6 -0.01 -0.02 -0.03 0.0 0.04 0.02 0.01 0.01 Intensity (V) Intensity (V) 0.02 0.01 0.00 -0.02 0.00 -0.04 -6 -6 -6 -6 -6 -6 5.5x10 6.0x10 6.5x10 7.0x10 7.5x10 8.0x10 8.5x10 -6 -0.01 -0.02 2.0x10 -6 4.0x10 -6 6.0x10 -6 8.0x10 -6 1.0x10 -0.03 0.0 -5 Time (sec) 2.0x10 -6 4.0x10 -6 6.0x10 -6 8.0x10 -6 1.0x10 -5 Time (sec) 0.03 0.03 0.03 0.03 0.02 0.02 Intensity (V) 0.01 0.00 0.01 -0.01 -0.02 0.00 -0.03 -6 -6 -6 -6 -6 -6 5.5x10 6.0x10 6.5x10 7.0x10 7.5x10 8.0x10 8.5x10 -6 Intensity (V) 0.02 0.02 0.01 0.00 0.01 -0.01 -0.02 0.00 -0.03 -6 -6 -6 -6 -6 -6 5.5x10 6.0x10 6.5x10 7.0x10 7.5x10 8.0x10 8.5x10 -6 -0.01 -0.01 -0.02 -0.02 -0.03 0.0 -0.03 0.0 2.0x10 -6 4.0x10 -6 6.0x10 Time (sec) -6 8.0x10 -6 1.0x10 -5 Time : 2uS Thickness : 2mm Velocity in acryl : 2000m/s 2.0x10 -6 4.0x10 -6 6.0x10 -6 8.0x10 -6 1.0x10 -5 Time (sec) 前方視超音波内視鏡での超音波パルスの反射信号 前方視超音波イメージングの例 51 Lower electrode (signal electrode ) Flat US transducer 1mm Upper electrode (common electrode) Convex shaped US transducer 8-elements ring-array convex shape transducer (J.J.Chen, MEMS’04 (2004) p.857) Post-CMOS整合プロセスCMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)による 血管内前方視超音波内視鏡の 基礎実験 (R.O.Guildiken, MEMS2005 p.315) 52 CMUT (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)によるエコー (R.O.Guildiken, MEMS2005 p.315) 3軸磁気センサ カテーテル先端位置方向検知システム (戸津、電気学会論文誌E,120-E,5 (2000) p.211) 53 血管モデルを用いた実験 センサマーカ(CG) センサ 血管モデル(CG) 血管モデル カテーテル先端マーカをMRI画像にスーパインポーズ表示 54 スキャナ式内視鏡 によるレーザ治療 1mm (N.Kikuchi et.al., Transducers'03, Boston (2003 June 9-12)) 圧電ユニモルフアクチュエータによる鏡の駆動 スキャンニング例 55 5 mm スキャナ Φ 3.8 mm テフロンチューブ 装着したスキャナ式レーザ治 療内視鏡 1 mm PC (Cr) 4 極細光ファイバ圧力センサ (T.Katsumata et.al., Optical MEMS’97) (K. Totsu et.al., Transducers’03 (2003) ) 56 圧力による干渉スペクトルの変化 極細光ファイバ圧力センサの製作法 57 125µm Si Optical fiber 光ファイバ先端にダイアフラム付シリコン円柱を接合した後 極細光ファイバ圧力センサの写真 58 Optical fiber Hear USB PC (B5 size) Optical fiber Coupler Spectrometer 100µm White light Source 光ファイバ圧力センシング システム 光ファイバ血圧センサを用いた動物実験 (戸津氏、山家氏(加齢研)) 59 500Hz高速サンプリング型極細光ファイバ血圧センサによる動物実験 作製したセンサのスペクトル 参照センサによる圧力測定 ファイバ曲げの影響 ~スペクトル~ 60 初期のISFET(Ion Sensitive Field Effect Transistor) (松尾、江刺、飯沼、 昭和46年電気関係学会東北支部連合大会 (1971)) プローブ構造のISFET (Supplement to the J.J.AP.,44 (1975),339-343) 61 ISFETのウェハ写真 カテーテル先端ISFETによるpHとPCO2の血管内モニタ (Med.& Biol.Eng.& Comp.,18 (1980) p.741) 62 ISFETによるpHとPCO2の血管内モニタ用カテーテル ISFETによる携帯用pH計 63 ISFETによるピロリ菌ウレアーゼ測定器 (NH2)2CO + 2H2O + H+ → 2NH4+ + HCO3ー 尿素 ウレアーゼ ピロリ菌ウレアーゼ測定器の原理 64 義歯中のISFET ISFETによる歯のpHモニ タ (R.Chida et.al., J. of Dental Research, 65 (1986) 448-451) ISFETの歯科応用 65 Si3N4 surface Al2O3+SiO2 surface pHとpNaを同時測定できるマルチISFET (M.Esashi et.al. IEEE Trans. on Electron Devices、ED-26-12 (1979)) マイクロISFET (Supplement to the J.J.AP.,44 (1975),339-343) 66 留置針に取り付ける分析チップ ISFETとバルブを持つ分析チップ 間欠微量採血オンライン血液分析システム (S.Shoji et.al., Sensors and Actuators, 14 (1988) pp.101-107) 形状記憶合金を用いたマイクロバルブ 67 間欠微量採血オンライン血液分析システムの動作例 使い捨て血液分析装置 (i-STAT) 68 表面張力試薬保持型 自動混合分析チップ (R.U.Seidel et. al., Sensors and Materials,12,2 (2000),57-68) 0.5 分後 2 分後 混合の経時変化 4 分後 6.5 分後 白色は混合部 69 微量血液の検査 器具(CDタイプ) 遠心力とメニスカス力 によるバルブ作用 (M.J.Madou, Biomedical Microdevices, 3, 3 (2001) pp.245-254) 微量血液の検査器具(CDタイプ) 70 数分で正確な血液テストの結果が手に入り、その場で治療を開始 ・100μlの全血、血漿または血清を使用 ・検体収集から結果まで15分 ・ポータブル、軽量(約7キロ) サンプルの採取 100μlの全血、 血清または血漿を ローターに入れる 市販のCDタイプ 微量血液検査装置 一方向弁の製作法 ローターをセット 結果の読みとり ディスクを入れ 患者とオペレーターの データを入力 検査時間15分以内 結果をプリントアウト マイクロポンプ (M.Esashi et.al. : Sensors and Actuators, 20,1/2 (1990),163-169) 71 マイクロ三方バルブ (S.Shoji et.al., Sensors and Actuators,A21-A23,(1990),189-192) オンチップフローインジェク ション分析システム (S.Shoji et.al., Sensors and Actuators,A21-A23, (1990),189-192) 20 mm 72 マイクロミキサー (三宅 他:マイクロファブリケーション技術を応用した小形水質計、 電気学会ケミカルセンサ研究会 資料、CHS‐00‐7 (2000)) 高速での細管電気泳動分析 (S.C.Jacobson, Solid State Sensors and Actuators Workshop, p93 (1998)) 73 DNA分析チップ(ミシガン大学) 親水性と疎水性(溌水性)の表面を用いたバルブ機構 による化学分析チップ (K.Handique et.al., Solid State Sensor & Actuator Workshop, Hilton Head (1998)) 74 水晶のDeep RIEによる液体用 マルチQCM (Quarts Crystal Microbalance) (L, Li et.al., Proc. of the 21th Sensor Symp., Kyoto, (2004) pp.19-22) 振動エネルギの閉じ込め 75 Spherical bi-convex QCMの製作法 ρ: 密度、η: 粘度 (a) Planer QCM (b) Sperical Bi-convex QCM 液体粘性のQCM特性への 影響 ↓ 液体中の影響を受けにくいQCM (L, Li et.al., Proc. of the 21th Sensor Symp., Kyoto, (2004) pp.19-22) 76
© Copyright 2024 Paperzz