スマホ1台に10個以上が入っている——シリコンに「バネと錘」を彫るMEMS半導体の正体

「半導体＝電子回路」という先入観に反し、MEMSは電気回路と機械的な可動構造を同一のシリコンチップ上に共存させます。同じシリコンファブリケーションを応用しながら、「CMOSイメージセンサ」とはまったく異なる動作原理を持つのもそのためです。

MEMSとは何か——シリコンに「動く機械」を作る技術

MEMSとはMicro-Electro-Mechanical Systemsの略で、日本語では「微小電気機械システム」と訳します。電子回路を作るシリコン半導体製造技術を応用して、マイクロメートル（μm）スケールの可動部品をシリコン基板上に一体形成したデバイスです。

典型的な加速度センサの構造は、幅5〜50 μmのシリコン製バネと中央の錘、そしてくし歯状に噛み合う電極の組み合わせです。加速度が加わると錘が動き、電極どうしの間隔が変化して、蓄えられる電気の量（静電容量）が変わります。そして、この微小な電気量の変化を回路が検出し「加速度の大きさ」として出力します。

シリコンが機械材料として選ばれる理由は力学的な優秀さにあります。硬さ・弾性の指標であるヤング率は約170 GPaで鉄に匹敵し、かつ金属に見られる疲労破壊や、繰り返し変形による特性のズレがほぼありません。1982年にKurt E. Petersenが発表した論文「Silicon as a Mechanical Material」（IEEE Proceedings）はこの特性を体系化し、MEMSが産業として離陸する礎を作りました（Kurt E. Petersen / IEEE）。

スマートフォンに何種類のMEMSが入っているのか

最新のフラッグシップスマートフォン1台に搭載されるMEMSは10種類を超えます。

加速度センサとジャイロを組み合わせたIMU（慣性計測ユニット）はナビゲーション・ゲームコントローラ・VR/ARの姿勢追跡にも使われます。カメラが複数ある機種ではレンズごとにOIS用MEMSが入るため、ハイエンドモデルでは15個以上の搭載例もあります（STMicroelectronics）。

エアバッグが「衝突後10ミリ秒以内」に動ける理由

MEMSの産業化を最初に牽引したのは自動車のエアバッグです。衝突時の急激な減速（30 G超）を10〜20 ms以内に検出して起爆信号を出す必要があります。しかし従来のメカニカルスイッチでは小型化・量産・コスト削減に限界がありました。

1991年、Analog DevicesがADXLシリーズとして表面微細加工型MEMS加速度センサを量産化しました。半導体プロセスでシリコン上にバネ・錘・検出電極を一体形成し、エアバッグの制御装置に搭載可能なサイズとコストを実現した最初の商業製品です（Analog Devices）。

現代の乗用車1台には加速度センサ・ジャイロ・圧力センサを合わせて数十個のMEMSが入ります。ADAS（自動ブレーキ・車線維持などの運転支援システム）の高度化と電動化（EVの駆動モーター姿勢制御）で、車載向けMEMSは市場全体の約30%を占め続けています（要確認）。

どうやって「動く部品」を作るのか——DRIEと犠牲層リリース

MEMSの特徴的な製造工程はDRIE（深堀り反応性イオンエッチング）です。1990年代にドイツのBoschが開発した手法で「Boschプロセス」とも呼ばれます。

DRIEの核心は次の2ステップを秒単位で交互に繰り返すことです。

1. 削るステップ: フッ素系のガスでシリコンを数μmエッチングする
2. 守るステップ: 別のガスで側壁に保護膜を成膜し、横方向の侵食を防ぐ

そして、この繰り返しにより、幅10 μmで深さ100 μm以上（アスペクト比10:1超）の垂直な溝や穴を掘り進みます。パターニングには通常の半導体と同様にフォトレジストと露光（フォトリソグラフィ）を使います（Bosch Sensortec GmbH）。

工程の最後は「リリース」です。可動部の下を支えているガラス質の層（犠牲層）だけを、薬液で選択的に溶かして除去します。これによって、バネや錘が初めて自由に動ける状態になります。1枚のウェハーから数千〜数万個の微細センサが同時に量産できる点は、通常の半導体製造と同じ大量生産の強みそのものです。

主要3社はどう棲み分けているのか

MEMS市場は用途別に明確な棲み分けがあります。

STMicroelectronics（コンシューマ首位）: Appleを含む主要スマートフォン向けにMEMS加速度センサとジャイロスコープを供給する業界最大手の一角。同社のIMUは数億個規模で出荷されており、圧力センサ・MEMSマイクも展開します（STMicroelectronics）。

Bosch Sensortec（車載首位）: 車載向けMEMSで世界最大手。衝突検知・ブレーキ制御・横転防止向けの加速度センサ・ジャイロを供給するとともに、スマートフォン向けに温度・湿度・気圧を1チップにまとめた環境センサも展開します（Bosch Sensortec GmbH）。

TDK-InvenSense（ジャイロ・マイク特化）: 2015年にTDKが旧InvenSenseを買収して誕生。スマートフォン・Apple AirPodsなどウェアラブル向けにMEMSジャイロスコープ・IMUを供給し、MEMS音声マイクも有力です（InvenSense）。

さらに、MEMSの応用範囲はセンサに留まりません。Texas InstrumentsのDLP（Digital Light Processing）チップは1987年に開発されたMEMSミラーアレイで、映画館や産業プロジェクターで今も使われています。数百万個のマイクロミラーを高速で傾けて光を変調する光学MEMSの代表例です（Texas Instruments）。

MEMSの市場規模はどこまで拡大するか

世界のMEMSデバイス市場は2024年時点で約130億ドルと推計され、2030年に向けて年率約9%で成長し約200億ドル規模に達する見通しです（Yole Group）。

成長の3本柱があります。第1は車載MEMSの拡大——ADASの高度化とEVのモーター姿勢制御でIMUや圧力センサの搭載数が急増します。第2はIoT・スマートファクトリー——産業ロボットや自律搬送機の位置・姿勢制御に6軸以上のIMUが標準装備されます。第3はエッジAI連携——「エッジAI」とMEMSセンサが「センサフュージョン」（複数のセンサ情報の統合処理）で結び付き、スマートスピーカー・医療デバイスへ展開されます。

また「5G/6Gの基地局」では、高精度な発振周波数を実現するRF-MEMSフィルタが使われており、MEMSはモバイル通信インフラにも静かに組み込まれています。「光半導体」のデバイス製造とも製造プロセスの重なりが大きく、「シリコンで光・機械・電気を同時に扱う」半導体技術の広がりを象徴する存在です。

この記事のまとめ

• MEMSはシリコンウェハーにバネ・錘・振動板など「動く部品」を彫り込んだ半導体で、スマートフォン1台に10種類以上が搭載されます。
• 加速度センサはくし型電極の静電容量変化、ジャイロはコリオリ力（回転で生じる見かけの力）、気圧センサは薄い膜のたわみを電気に変換します。
• 製造の核心はDRIE（Boschプロセス）——シリコンを削る工程と側壁を守る工程を交互に繰り返して深さが幅の10倍を超える垂直構造を彫り、犠牲層リリースで可動部を解放します。
• 世界市場は2024年約130億ドル→2030年約200億ドル（CAGR約9%）で成長、車載ADAS・IoT・エッジAIが牽引。
• 主要企業はSTMicro（コンシューマ首位）・Bosch Sensortec（車載首位）・TDK-InvenSenseで、用途特化の棲み分けが鮮明。