スマートフォンを横にすると、画面が自動で回転する。歩いた距離や歩数が記録される。イヤホンで自分の声を相手に届けられる。
こうした機能を支える小さなデバイスの一つが、**MEMS（メムス）**です。
MEMSの中には、目では見えないほど小さな「おもり」や「ばね」「薄い膜」などが作られています。そのわずかな動きを利用して、端末の動きや周囲の音を捉えます。
この記事では、MEMSとは何か、どのように動くのか、何に使われているのかを、スマートフォンのセンサーを例にわかりやすく解説します。
MEMSとは？
MEMSは「Micro Electro Mechanical Systems」の略で、日本語では微小電気機械システムと呼ばれます。微小な機械構造を持ち、電気信号と物理的な動きを結びつけるデバイスの総称です。www.aist.go.jp
「小さな機械と電気を組み合わせたもの」と考えると、イメージしやすいでしょう。
たとえばMEMSセンサーは、物体が動いたり、音が届いたりしたときに起こる微小な変化を電気信号に変えます。反対に、電気信号を使って小さな構造を動かすMEMSデバイスもあります。
MEMSは特定の一種類のセンサーを指す名前ではありません。加速度センサー、ジャイロセンサー、マイクロフォンなど、さまざまなデバイスに使われています。
「マイクロ」とはどのくらい小さい？
MEMSの構造を説明するときには、**マイクロメートル（µm）**という単位がよく登場します。
1 µmは、1 mmの1000分の1です。このような微小なスケールで、ばねや膜、電極などの構造を作ります。ただし、MEMS製品全体の大きさや内部構造の寸法は、種類によって異なります。
MEMSセンサーはどうやって動きを測る？
MEMSの仕組みを理解するには、スマートフォンなどに使われる加速度センサーがわかりやすい例です。
加速度センサーは、端末が動いたときの加速度を測るデバイスです。内部には、微小なばねで支えられた「おもり」に相当する部分があります。
端末が動くと、そのおもりは周囲の構造に対してわずかに位置を変えます。センサーは、その変化を電気的に読み取ります。
端末が動く → 内部のおもりが変位する → 電気的な変化を読み取る
これが、MEMS加速度センサーの基本的な考え方です。www.aist.go.jp
小さな動きを電気信号に変える方法
加速度センサーで使われる方法の一つに、静電容量の変化を測る方法があります。
静電容量は、向かい合う電極の位置関係によって変わります。おもりが動くと電極同士の位置関係も変化するため、その変化から動きを読み取れます。
加速度センサー以外のMEMSでは、測定する対象に合わせて構造や検出方法が変わります。大切なのは、微小な構造に起きた変化を、利用できる電気信号へ変換しているという点です。
MEMSは何に使われている？
MEMSは、スマートフォン、自動車、プリンターなど、身近な製品の中で働いています。代表的な例を見てみましょう。www.aist.go.jp
| デバイス | 主な働き | 身近な活用例 |
|---|---|---|
| 加速度センサー | 加速度を測る | スマートフォンの動きの検出、自動車 |
| ジャイロセンサー | 回転の速さを測る | ゲーム機、ドローン、姿勢の検出 |
| MEMSマイクロフォン | 音を電気信号に変える | スマートフォン、イヤホン |
| 圧力センサー | 圧力の変化を測る | 自動車、各種計測機器 |
| インクジェットヘッド | 微小なインクを吐き出す | プリンター |
スマートフォンやイヤホン
スマートフォンには、動きを捉える加速度センサーやジャイロセンサー、音を捉えるMEMSマイクロフォンなどが使われています。
画面の向きを切り替えたり、端末の動きに応じて操作したりできるのは、センサーから得た情報を機器が利用しているためです。
自動車やドローン
自動車では、動きや圧力などを測る用途でMEMSセンサーが使われています。また、ドローンのように姿勢の把握が重要な機器でも、加速度センサーやジャイロセンサーが役立ちます。
小さなセンサーから得られる情報が、機器の状態を知る手がかりになります。
MEMSと半導体の違いは？
MEMSは半導体の製造技術と深い関係があります。そのため「MEMSは半導体と同じもの？」と疑問に思うかもしれません。
比較するときは、一般的な**半導体集積回路（IC）**とMEMSデバイスの「主な働き」に注目するとわかりやすくなります。
| 主な働き | 例 | |
|---|---|---|
| 半導体集積回路（IC） | 電気信号を処理・記憶する | プロセッサー、メモリー |
| MEMSデバイス | 微小な機械構造を使って、動き・音・圧力などと電気信号を結びつける | 加速度センサー、マイクロフォン |
ICが情報を処理する「頭脳」だとすると、MEMSセンサーは周囲の変化を捉える「感覚器」のような存在です。
ただし、両者は切り離された技術ではありません。実際の製品では、MEMSの微小な構造と、その信号を読み取る回路を組み合わせて使います。www.aist.go.jp
MEMSはどうやって作る？
MEMSは、半導体製造でも使われる微細加工技術を活用して作られます。
代表的な工程は、次のとおりです。www.aist.go.jp
- 薄膜形成： 材料の表面に薄い層を作る
- フォトリソグラフィ： 光を使って加工する形を決める
- エッチング： 不要な部分を取り除く
- 工程を繰り返す： 必要な立体構造を作る
MEMSの製造で特徴的なのは、微小な構造が変形したり動いたりできるように作ることです。加速度センサーなら、内部のおもりやばねが働ける構造が必要になります。
なお、微細加工は小さな構造を作るための技術、MEMSはその技術などを使って作られるデバイスです。この二つを区別すると、関係が理解しやすくなります。
微細加工そのものについては、rinrinworksの「微細加工とは？」の記事でも詳しく解説しています。
MEMSのメリットと課題
MEMSのメリットは、動きや音などを扱う機能を、小さなデバイスに収められることです。限られたスペースにセンサーを搭載したいスマートフォンやウェアラブル機器などに適しています。
また、微細加工を利用して、同じ設計の構造をウェハ上に複数作れることも特徴です。
一方、微小な構造だからこその課題もあります。狙った形に精密に加工することに加え、壊れやすい部分を保護し、微弱な信号を安定して読み取らなければなりません。必要な精度や使用環境に合わせた設計が重要です。
MEMSに関するよくある質問
MEMSとセンサーは同じ意味？
同じ意味ではありません。センサーは何かを検知する装置であり、MEMSは微小な機械構造を利用するデバイスの総称です。
MEMSを使ったセンサーは多くありますが、すべてのセンサーがMEMSというわけではありません。また、MEMSにはセンサー以外の用途もあります。
MEMSの中では本当に部品が動いている？
MEMSでは、微小な構造が動いたり、振動したり、変形したりします。ただし、肉眼で動きが見えるとは限りません。ごくわずかな変化を検出して利用しています。
MEMSを学ぶには何から始めればいい？
最初は、身近な加速度センサーを例に、次の3点を考えると理解しやすくなります。
- 何を測りたいのか
- 内部のどの構造が変化するのか
- その変化をどう電気信号として読み取るのか
この流れがわかると、マイクロフォンや圧力センサーなど、ほかのMEMSデバイスにも興味を広げやすくなります。
まとめ
MEMSは、微小な機械構造と電気的な働きを組み合わせたデバイスです。加速度センサー、ジャイロセンサー、マイクロフォンなどとして、身近な製品の中で使われています。
スマートフォンの中にも、動く小さなおもりや振動する薄い膜がある。その変化を電気信号に変えて利用するのが、MEMSの面白さです。
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