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藤井技術士事務所

世界を驚かせたxMEMSの「オールシリコン」マイクロ冷却チップ

半導体の高性能化が進む中、課題のひとつが熱対策です。CPUやGPU、メモリ、バッテリーなどの発熱は、製品性能や寿命に直結します。そんな中、米国のxMEMS Technologiesが開発したXMC-2400 μCooling chipは、世界中のMEMS技術者を驚かせました。

このチップは、もともとxMEMSが培ってきた圧電MEMS技術をマイクロスピーカーから転用したもの。半導体パッケージ上に載せられる世界初のオールシリコン製ファン・オン・チップです。厚さはわずか1mm、超音波帯域で駆動するため、耳に聞こえる騒音が発生しません。

技術の仕組み

圧電MEMS膜を超音波帯域で振動させ、高周波の圧力変動を発生。この変動をマイクロバルブで同期制御し、非対称のパルス気流を作ります。従来のような機械ベアリングがないため

・超薄型

・低振動

・静音

といった特長を実現しています。

応用の可能性

このμCooling chipは、特に狭いスペースでの冷却が求められる半導体パッケージに最適です。スライドの例では、CPU/GPUやメモリ、バッテリーの熱源上に直接配置し、効率的に放熱できることが示されています。従来の冷却ファンでは難しかった、薄型デバイスや静音が求められる機器への応用が広がりそうです。

まとめ

xMEMSのXMC-2400は、冷却技術におけるパラダイムシフトを予感させます。超音波駆動の無接触ファンは、従来のメカニカル構造の常識を覆し、電子機器の設計自由度を大きく広げる可能性を秘めています。サンプル出荷も始まっており、近い将来、私たちが手にするデバイスにもこの技術が搭載される日が来るかもしれません。

MEMS技術者の皆さん、一緒にこれを超えるようなMEMSを作りましょう！

圧電MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）は、微細な電子機械システムの一種で、圧電効果を利用して機械的な変位を電気信号に変換し、逆に電気信号を機械的な変位に変換する技術です。今回は、圧電MEMSの主な特徴と応用について説明します。

1. MEMS技術の特徴
革新的な小型化: MEMS技術は微細なサイズで製造可能で、これは新規事業において製品やシステムのコンパクト化に大いに役立ちます。小型のデバイスは、携帯性や省スペースの要件を満たし、市場での競争力を高めるのに寄与します。一概には言えませんが、小さくなればなるほど低コスト化するという半導体素子と同じような効果もあります。


低消費電力と長寿命: MEMSデバイスは低消費電力で動作し、長寿命を持つため、新規事業がエネルギー効率を重視する場合や信頼性が不可欠な場合に適しています。これは、バッテリー駆動の製品や無停止動作を要求されるアプリケーションに適しています。

2. MEMS技術の新規事業への応用
センサー技術の革新: 新規事業はMEMSセンサー技術を活用して、市場での競争力を向上させることができます。高感度のMEMSセンサーは、新しい製品やサービスの開発においてデータ収集と解析の品質を向上させ、顧客満足度を高めます。構造設計によっては新たなセンサとして使える可能性があり応用は広いと考えます。
製品のミニチュア化: MEMS技術は、製品やデバイスを小型化するのに役立ちます。これにより、新規事業はコンパクトでポータブルなソリューションを提供します。小型化は低コスト化と高付加価値化を意味し、従来のものと比較して競争力の高いデバイスになる可能性があります。



エネルギーハーベスティング: 新規事業はMEMSデバイスを使用して、外部エネルギーを収集し、エネルギーハーベスティング技術を導入できます。これは、バッテリー寿命の延長や環境に優しいソリューションの提供に役立ちます。実際のところ発電量はまだまだ小さいものの、センサや回路の商品電力が下がってきたため上手く組み合わせることでユニークな商品となる可能性があります。

MEMS技術は新規事業の成功に向けて多くの機会を提供し、競争力を高め、市場での立ち位置を強化する手段として積極的に検討すると良いでしょう。
ご質問等がありましたらお気軽にメールいただければと思います。

近年、再生可能エネルギー分野で注目を集めているのが、圧電材料を用いた振動発電素子です。この技術は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するために圧電効果を利用します。圧電材料は、機械的な圧力が加わると電気を発生する特性を持ち、この特性を活用して振動エネルギーを捕捉し、電力に変換するのです。

前回の日記でご紹介した東北大学の桑野先生の会社「仙台スマートマシーンズ」は、このような振動発電素子を開発しています。

仙台スマートマシーンズ株式会社 http://www.ssmcoltd.co.jp/

私自身、桑野先生とは共同で研究で何年間かは一緒にやっていました。

この技術の最大の特長は、環境からの微小な振動を利用できる点にあります。例えば、交通機関の振動や産業機械の動作による振動など、日常的に発生するエネルギーを捉え、利用することが可能です。
しかし、振動のような微小なエネルギーを利用して発電するため、大規模な電力の生成は期待できません。多くの方から「スマートフォンの充電は可能か？」という質問を受けますが、かなりの振動と時間が必要となるため、現実的ではありません。それでも、近年のセンサ技術の進歩により、低消費電力のセンサが多く開発されており、Bluetoothも低消費電力化が進んでいます。

桑野先生のウェブサイトでは、自動車の振動を利用してセンシングする例などが紹介されていますが、用途は多岐にわたります。現在は大量生産されていないためコストは高いですが、適切な用途が見つかれば、実用化が進むと考えられます。

良い用途が思いついたら、ぜひビジネス展開を検討していただきたいです。何かご相談があれば、お気軽にお問い合わせください。

図は仙台スマートマシーンズHPより

この記事は、本当の日記です！

先月のことですが東北大学を訪問いたしました。

MEMSと言えば、東北大学の江刺先生ですね。デバイスに関する相談事があり、お訪ねしました。西澤記念館におられる江刺先生は、私の相談に対し、膨大な文献と具体的な実例を用いて丁寧に解説してくださいました。昔と変わらずお元気でいらっしゃり、とても安心しました。私の悩みも解決への方向に向かいつつあります。

また、戸津先生にもご挨拶をさせていただきました。現在、戸津先生はマイクロシステム融合研究開発センターの教授（センター長）を務めています。 マイクロシステム融合研究開発センターのウェブサイト MEMSのコインランドリーには多くの装置があり、研究開発を行う人々にとっては非常に有用な場所です。

翌日は、田中先生にデバイス評価について相談しました。 田中先生のウェブサイト 田中先生はビジネス面や業界の情報に精通しており、雑談を交えながら楽しい時間を過ごし、鋭いアドバイスをいただきました。

桑野先生にも表敬訪問をしました。桑野先生は「仙台スマートマシーンズ株式会社」を設立し、社長として活躍されています。ご自身が研究されたデバイスを社会に実装するために、起業家としての道を歩まれています。実用化にはまだ時間がかかりそうですが、振動発電素子は非常に興味深いデバイスです。 仙台スマートマシーンズ株式会社のウェブサイト

圧電MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）は、微細な電子機械システムの一種で、圧電効果を利用して機械的な変位を電気信号に変換し、逆に電気信号を機械的な変位に変換する技術です。以下に、圧電MEMSの主な特徴と応用について説明します。

【MEMS技術の特徴】
革新的な小型化: MEMS技術は微細なサイズで製造可能で、これは新規事業において製品やシステムのコンパクト化に大いに役立ちます。小型のデバイスは、携帯性や省スペースの要件を満たし、市場での競争力を高めるのに寄与します。一概には言えませんが、小さくなればなるほど低コスト化するという半導体素子と同じような効果もあります。

高感度と高精度: MEMSデバイスは高い感度と精度を持っており、センサーとしての利用に最適です。これは、新規事業が環境モニタリング、品質管理、医療機器、自動車技術、および他の多くの分野で高品質なデータ収集と制御を必要とする場合に特に有益です。すでにスマホや自動車には採用され始めています。

低消費電力と長寿命: MEMSデバイスは低消費電力で動作し、長寿命を持つため、新規事業がエネルギー効率を重視する場合や信頼性が不可欠な場合に適しています。これは、バッテリー駆動の製品や無停止動作を要求されるアプリケーションに適しています。

【MEMS技術の新規事業への応用】

センサー技術の革新: 新規事業はMEMSセンサー技術を活用して、市場での競争力を向上させることができます。高感度のMEMSセンサーは、新しい製品やサービスの開発においてデータ収集と解析の品質を向上させ、顧客満足度を高めます。構造設計によっては新たなセンサとして使える可能性があり応用は広いと考えます。

製品のミニチュア化: MEMS技術は、製品やデバイスを小型化するのに役立ちます。これにより、新規事業はコンパクトでポータブルなソリューションを提供します。小型化は低コスト化と高付加価値化を意味し、従来のものと比較して競争力の高いデバイスになる可能性があります。

エネルギーハーベスティング: 新規事業はMEMSデバイスを使用して、外部エネルギーを収集し、エネルギーハーベスティング技術を導入できます。これは、バッテリー寿命の延長や環境に優しいソリューションの提供に役立ちます。実際のところ発電量はまだまだ小さいものの、センサや回路の商品電力が下がってきたため上手く組み合わせることでユニークな商品となる可能性があります。

MEMS技術は新規事業の成功に向けて多くの機会を提供し、競争力を高め、市場での立ち位置を強化する手段として積極的に検討すべきです。
いつでもご相談ください。