本研究は,マイクロアクチュエータとセンサ,プロセッサをコンパクトに集積化したシステムを作製することで,高度な情報処理能力を持ち,拡張性に富んだMEMS(Micro Electro Mechanical System)ができることを示すことを目的としている.アクチュエータ近傍の情報と,プロセサ間通信で得られるある程度広域の情報とを処理して,それをアクチュエータにフィードバックするシステムができるようになれば,MEMSの社会応用への新しい可能性が開ける.

　半導体作製技術を応用して,主にシリコンを加工し,選択性の高いエッチングによって特定の薄膜層を除去することによって,機械的に可動な構造を持ったシステムができることが示されてから,十数年が経過した. これをマイクロマシンもしくはMEMS,microsystemと呼んで,日米欧を始めとして各国で精力的に研究が進められている. 加速度センサやインクジェットプリンタのヘッド,DMDプロジエクタなど,既に市販品もいくつか登場しており,今後ますます発展が期待できる分野である.

　MEMSがこのように成功を収めている理由は,本質的に3つの特性を持っているからだと考えられる.それは,1.小さく 2.集積化可能な,3.機械部品であるということである.さらにIC作製技術を応用することによって,大量生産可能であるという特性が生まれる.しかしながら,これまでの研究では,以上に示した3つの特性のうち一部分しか利用していないシステムのみ実現されている.本研究の意義はここにあり,すなわちMEMSの3つの特長を全て利用できるようなシステムを,実現することによって,新たな応用分野を開くことである.

　本研究は,以上に述べたような構想にもとづいて,分散型マイクロプロセッサをマイクロアクチュエータ,センサと集積化したシステムを作製し,デモンストレーションを通じてその有効性を示した.研究の手順は以下のとおりである.1.機能決定,2.アルゴリズムの決定,3.マイクロプロセッサならびにセンサの開発,4.アクチュエータの開発そして5.集積化技術の開発ならびに 6.インテグレーション.アルゴリズムとマイクロプロセッサは,システムの情報処理面の研究であり,本研究ではこの大方針のもとに,必要とされる広範囲にわたる技術を調査もしくは考案し,実現を行った.その結果マイクロアクチュエータと,分散型プロセッサを実際に作製し,三次元的に集積した本論文での実験によって,集積化MEMSの新しい応用可能性が示されたといえる. また本研究の過程において,新型マイクロアクチュエータが開発され,マイクロアクチュエータと一体化するためのプロセッサの一構成法や設計指針が明らかになり,プロセッサの処理能力とその大きさに関する知見,万人が利用可能なMEMS向け高電圧スイッチICとそのデザイン,多数の機能素子をmの精度で三次元的に集積するハイブリッド実装法と光MEMSへの応用に関する幅広い知見が得られた.

　本論文は、「アレイ化マイクロアクチュエータ、センサ、分散型プロセッサの集積化による多機能MEMSの実現に関する研究」と題し英文で書かれており、半導体微細加工に基づくマイクロマシニング技術を応用してマイクロマシンのアレイを製作し、自律分散システム概念に基づく知的なマイクロシステムの実現可能性を示したものであり、6章と付録から構成されている。

　第1章は「序論-マイクロマシンの動向」と題し、マイクロマシンの研究の流れがより多くのアクチュエータと電子デバイスを集積化した、多自由度で高機能のマイクロマシンを実現する方向にあることを論じている。この考察に基づき、センサフィードバックと近接セル間の密な情報交換を特徴とする自律分散型のスマートマイクロシステムを提案している。

　第2章は「システムとアルゴリズムの設計」と題し、まずスマートマイクロマシンの具体的な研究対象として、分布型搬送システムを選び、これを用いて物体形状に基づく分類作業を行うことに研究の目標を定めている。目的の作業を分散処理で行うためのアルゴリズムを考案し、これを検証するとともに、回路規模をなるべく小さくする工夫について述べている。

　第3章は「集積プロセッサの設計と製作」と題し、前章で考案したアルゴリズムを実行する集積回路チップの設計と製作について論じている,物体の形状や位置を検知するための光センサと分散情報処理回路を7×7のアレイに集積化したチップをフランスのマルチチップサービスに依頼して製作した。このチップは、任意の大きさのアレイに拡張可能であるという特徴も持ち合わせている。すなわち、チップを2次元的に敷き詰めて相互に配線することで、大規模なアレイを実現することが出来る。

　第4章は「マイクロアクチュエータ:反転SDAの開発」と題し、マイクロマシンチップの表面においた物体を運ぶためのマイクロアクチュエータとして、スクラッチ駆動静電アクチュエータ(SDA)を裏返しにしたデバイスを考案し、それを製作した結果について述べている.千個以上のアクチュエータをアレイ状に集積化し、上に置いたシリコン基板の小片を1mm/s程度の速度で運べることを確かめている.

　第5章は「集積化技術」と題し、3章で得た電子回路チップと4章で得たマイクロマシンチップを、正確に位置合わせしながら重ね合わせて、電気的、光学的結合を可能にする、独創的なチップレベルハイブリッド集積化技術について述べている.高異方性のドライエッチングを駆使し、チップの位置合わせ用のくぼみや穴を開けたシリコンマザーボードを作り、おのおののチップを精密にはめ込むことを可能にした。同時に、チップの端部をマイクロ加工して微細なコネクタ構造を作り、マザーボードの受け穴に差し込むことで電気的接続も可能とした。

　第6章は「結論」であり、本研究の成果を要約し、スマートマイクロシステムを実現するための基盤技術に関して得られた知見を整理するとともに、今後の展望を与えている。

　以上を要するに、本論文はマイクロアクチュエータ、センサ、分散型プロセッサのアレイ化チップをスタック集積して多自由度かつ高機能のスマートマイクロシステムを構成する方法を提案し、この原理に基づく分散型搬送システムを対象に設計と製造方法の研究および各チップの動作評価を行い実現可能性を確認したもので、電気工学上貢献するところが大きい。よって,本論文は,博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。