１．はじめに

細胞膜は、細胞の内外を隔てるだけでなく、細胞内小器官を形作るなど、細胞の主要な構成要素の一つとなっている。細胞膜は、主に脂質二重膜と膜タンパク質からなる（図1）。脂質二重膜は両親媒性の脂質分子からなり、疎水性の炭化水素鎖を向かい合わせた膜構造をとることで、特にイオンや親水性分子に対する隔壁となっている。一方で、膜タンパク質は脂質二重膜中に存在し、膜を介した情報伝達や物質輸送の役割を担っている。細胞膜を人工的に再構成する試みは、古くは1960年頃から行われてきたが、近年、MEMS技術の利用により簡便に再現良く脂質二重膜を形成できるようになってきた。また、そうしたデバイスは細胞膜機能の解明に使われ、さらに細胞膜機能を活用するセンサの研究へと発展している。本稿では、MEMS技術を利用した人工細胞膜の作製方法と、そのセンサ応用の現状に関して、筆者らの研究を中心に紹介する。

２．MEMS技術を利用した脂質二重膜形成デバイス

脂質分子は親水基と疎水基をもつことから、気液界面や油水界面で脂質単分子膜を自発的に形成する。脂質二重膜は、こうした脂質分子の自己組織化を利用することで作製できる。旧来は、微小孔を設けた疎水性高分子フィルムを水相に設置しておき、微小孔に刷毛で脂質分散油を塗布することで脂質二重膜を得る刷毛塗り法や、気液界面に形成した単分子膜に高分子フィルムを沈めることで、その表裏に単分子膜を転写して微小孔に脂質二重膜を形成するMontal Mueller法などが用いられていた。しかしながら、これらの方法は実験者の技量に頼るところが大きく、工学的に広く脂質二重膜を利用するには至らなかった。
2000年代以降、MEMS技術を利用した脂質二重膜形成デバイスが提案されるようになった。例えば、2つのマイクロ流路の交差する部分に微小孔を設けたデバイスでは、片側の流路には水溶液を満たし、もう片側に脂質分散油と水溶液を逐次導入することで、脂質二重膜を形成できる。マイクロ流路における層流の効果を利用することで、連続して流れる油相と水相が混合することなく、また微小孔周辺のみに油相が残留して、刷毛塗り法の要領で膜が形成される。片方の流路はマイクロウェル形状でもよく、ウェルをアレイ化すれば一度にたくさんの脂質二重膜を形成することもできる（図2）^1-3)。

より簡便な方法として、竹内らは脂質を分散した油中水滴2つを接触させるとその界面に脂質二重膜が形成されることを報告した⁴⁾。液滴同士の接触を保つため、2つの円筒ウェルが重なった「8」字型ウェルを準備し、まず脂質を分散したデカン溶液を、続いて水溶液を滴下する2段階のピペット操作のみで脂質二重膜を安定的に作製できる（図3）。この液滴接触法は、液滴サイズと距離を規定することで容易に再現良く脂質二重膜を形成できる方法として、世界的にも広く普及している^5,6)。

MEMS技術は、脂質二重膜形成法のみではなく、その安定性に関しても貢献している。脂質二重膜は、疎水性相互作用（非共有結合性）による脂質分子2層からなる。厚さは5 nm程度であり、物理的・電気的刺激により容易に破壊されることが知られている。脂質二重膜の安定性を向上させる方策として、形成される膜面積と、膜を保持する微小孔の材料特性・形状の制御が考えられる。旧来は、熱した針を使って穿孔することによりテフロンなどの高分子フィルムに微小孔を作製していたが、現在はフォトリソグラフィプロセスを利用することで、直径100 μm以下の微小孔に対してもサイズや形状を精度良く制御可能となり、膜安定性向上に寄与している⁷⁾。一方で、微小孔の縁部分の厚みを脂質二重膜の厚さに近づけることによって安定性を向上させる研究も行われている。平野らは、シリコンの微細加工によって、微小孔の縁をナノメートルスケールのテーパーをもつ滑らかな形状とすることで、形成される脂質二重膜の機械的強度を高めることに成功した⁸⁾。
別の観点として、脂質二重膜に接する水溶液の振動が、膜破壊に及ぼす影響についても研究がなされている⁹⁾。脂質二重膜の安定性は、機械的振動に対する膜破壊率を観測することによっても評価することができる。竹内らは、形成された脂質二重膜が理論的予測とは異なる周波数域で破壊されることに着目し、その原因が、膜が接する液滴の振動にあることを見出した。低周波数域で液滴の振動を抑制するには、液滴の共振周波数を高周波数域に変化させるための微小化や、液滴との界面張力を上昇させるためのウェル表面の撥水撥油処理が重要であることを明らかにした（図4）。

手振れや移動など環境要因で発生する振動は100 Hz程度以下であるとされる。以下の節で紹介する人工細胞膜のセンサ応用では、脂質二重膜そのものに加えて、上記のように膜に接する溶液の安定性の観点も必要になる。

次回に続く－

【著者紹介】
大崎　寿久（おおさき　としひさ）
神奈川県立産業技術総合研究所　人工細胞膜システムグループ　サブリーダー

■略歴
2002年　東京工業大学大学院理工学研究科　博士課程修了
2002年　ライプニッツ高分子研究所　博士研究員
2006年　産業技術総合研究所　特別研究員
2007年　東京大学生産技術研究所－LIMMS/IIS-CNRS　CNRS博士研究員
2009年　神奈川県立産業技術総合研究所　サブリーダー、現在に至る
専門は界面物理化学、高分子材料科学。2007年より、細胞膜をマイクロチップ中で再構成するためのプラットフォーム技術に関する研究に従事。近年は膜タンパク質機能解析やそのセンサ応用について実用化研究を進めている。

竹内　昌治（たけうち　しょうじ）
東京大学　大学院情報理工学系研究科　教授

■略歴
2000年　東京大学大学院工学系研究科　博士課程修了
2000年　日本学術振興会　特別研究員
2001年　東京大学生産技術研究所　講師
2003年　同　助教授（2007年より准教授）
2014年　同　教授（2019年より兼務）
2019年　東京大学情報理工学系研究科　教授
この間、2004-2005年　ハーバード大学化学科　客員研究員、ほか
専門はバイオハイブリッドMEMS。3次元組織構築、体内埋め込み型デバイス、人工細胞膜、培養肉などのプロジェクトに従事。

1. はじめに

MEMSミラーはレーザーのスキャナとして古くより開発されてきた。現在では携帯型のレーザープロジェクタとして市販されている。また、車の自動運転に必要な距離画像を得るため、レーザーパルス光の反射時間を測定するライダー（LiDAR: Light Detection and Ranging）におけるレーザービームの走査にもMEMSミラーの利用が期待されている。しかし、ディスプレイ用のミラーでは、要求される解像度は高くなり（HDで横1920）、高い走査周波数も要求される。解像度を上げるためには、ミラー径と走査角を大きくする必要があるが、重いミラーとなり高い走査周波数の要求と矛盾する。また、ミラーの回転ねじればねの破壊限界も制限となる。ライダーにおいては、現在はディスプレイほどの解像度は要求されないので、前方用のライダーでは、ラスター走査できる低解像度ディスプレイ用ミラーを利用できる。レーザーパルスを同じミラーで受光する場合には、受光感度を上げるため、大きな径のミラーが必要で、大きな走査角も要求される。自動車では、厳しい耐久性と信頼性が要求されるので、振動の影響や破壊寿命の問題を解決することも不可欠である。本稿では、機械設計の基本から考え、上記の問題の限界と新しい取り組みを紹介したい。

2. 解像度とミラー径の関係

ミラー径は大きい方が、回折の効果が少ないので、物体の解像度はよくなる。LiDARの最大走査角（全光学角）θ_Optの中で分解できるスポットの数（解像スポット数）をNとして、目安はθ_Opt/Nがビームの回折広がり角D_OB/L（L:物体距離、D_OB:物体上のレーザースポット径）と等しくなればよい。厳密な回折と解像度Nの定義より、ミラーの直径をD、λを波長として、

となる¹⁾。このように、光学的な制限から、分解能、走査角、ミラー直径、波長は関係付けられている。解像度を上げるには、大きいミラー径が必要である。
一方、ミラーの往復振動走査により、ミラー面は動的に変形する。変形の最大値δ_maxは、最大走査角のときに現れて、

となる¹⁾。ここで、f₀ , t_m , E, ρは、それぞれ、走査周波数、ミラー板の厚さ、ミラーのヤング率と密度である。変形をλ/10以下に抑えなければ、変形により、スポット強度が下がりスポット形状が劣化する。変形δ_maxがミラーの径の5乗に比例しているので、高速走査ではミラー径の拡大は容易ではない。従って、変形を抑えるためにはミラーの厚さを厚くする必要がある。

3．運動非線形と破壊限界

ディスプレイにおけるレーザーの走査には、2方向にミラーの角度を走査できる2軸のスキャナが用いられる。ライダーの走査においても、図1に示す2方式があり、ラスター走査（図1(a)）と全方位走査（図1(b)）である。どちらも2軸のスキャナを用いる。2軸スキャナの方式は、ジンバル型とジンバルレス型が研究されている。図2(a)、 (b)はそれらの基本構造を示している。ジンバル型は、1軸スキャナをジンバルフレームに組み込み、シンバルフレームをミラー軸に直行する軸で回転させる。ディスプレイ用のスキャナにはジンバル型のものが多い。ジンバルレス型のミラーは、曲げばねでミラーを支持し、ミラーを2軸に傾けて回転する。アクチュエータは対称に配置でき、配線等は容易になる。

図2(a)において、ミラーはねじればねに支持されて往復回転振動する。回転角を増すため、一般には機械共振周波数f₀で走査する。ねじればねは、エッチングで製作されるので、断面は矩形である。簡単のため、ばねの断面を一辺の長さa の正方形とし、長さをℓとすると、材料の横弾性係数G(=61.5GPa(Si))を用いて、2本のねじればねの合計のばね定数は、

で与えられる²⁾。一方、シリコンの破壊の最大せん断応力τ_maxは最大光走査角θ_optのとき、ねじればねの幅の中央で発生し、

で与えられる²⁾（実際は、ばねの付け根部分に応力集中する場合が多い）。走査角は破壊応力の制限を受ける。共振走査周波数f₀は慣性モーメントI_θとばね定数k_θより2πf₀ = √(k_θ/I_θ)で与えられ、θ_optはf₀, I_θ, k_θ, γ_θにより与えられる。γ_θは運動方程式の減衰係数である。従って、解像度はγ_θが分かれば、周波数f₀と関係付けられる。図3にミラー直径Dをパラメータとして解像度Nの共振周波数f₀依存性の計算例を示した³⁾。ここで、計算において、λ =0.7μm, a =20μm, ℓ=150μm, ミラーの厚さ10μmとした。また、τ_m = 1.6GPaを用いた⁴⁾。

図3より、空気中と真空中でミラーを共振駆動させた場合、解像度の周波数依存性は全く異なることが分かる。空気中では、ミラー直径を小さくして、共振周波数を上げるように設計すると解像度は上がる方向に変化する。これはミラー径が小さくなって解像度が下がるよりも、ミラー径が小さくなって空気摩擦が減って回転角が上がる効果の方が大きいことによる。ミラーの径をあまり小さくしすぎるとこの関係は成り立たない。また回転角が大きくなってトーションバーの破壊限界に到達する。これらの兼ね合いでミラー径と解像度、共振周波数を決める必要がある。一方、真空中の共振ミラーの場合は、空気の摩擦がないので、大きいミラーの方が慣性は大きく、大きい角度が得られる。しかし大きい慣性のため、共振周波数は低下する。破壊限界の特性曲線と似た依存性を示すので、高解像度低速走査と低解像度高速走査のミラーを設計しやすい。実際には、走査ミラーのパラメータはいくつもあるので、いろいろな評価を行って最適の設計を行う必要がある。
次に、2軸ミラーの運動方程式を考える。ジンバル型において運動方程式を導出すると、θ₁、 θ₂ に関しての連立非線形方程式となる。空気摩擦等による減衰トルクを γ_{1 1} 、 γ_{2 2} （γ₁、 γ₂ は簡単のため定数）として加え、アクチュエータによる外力は、ミラーとフレームの軸 (η z) において、トルクN₁ 、 N₂とする。各軸の回転角 θ₁、 θ₂ の運動は以下の方程式で表される^5,6)。

式(5)、 (6)より、ミラーとフレームの運動はこれらの方程式の第2項などにより、複雑に相互作用している。
ラスター走査の場合、フレームの周波数(角周波数ω₂)はミラーの周波数(角周波数ω₂)より2桁小さくω₂/ω₁<1/100であるので、ミラーの運動に対するフレームの非線形力の影響は小さいと思われる。一方、フレームの運動に対するミラーからの非線形力の影響は大きいが、フレームのゆっくりした運動に、早い周期的のミラーからの非線形力が加わるだけで、平均的なゆっくりした運動はあまり影響を受けないと思われる。従って、ラスター走査では、比較的安定な走査が行えると考えられる。
一方、図1(b)の全方向走査ではω₁ = ω₂であるので、ミラーの運動に影響するフレーム運動の非線形項はラスター走査の場合に比較して3～4桁大きいと考えられる。このように、全方向走査においては運動の非線形性がかなり強いと考えられる。ミラーの厚さが直径より十分小さい場合、共振周波数近傍の運転において、式(5)の第2項の最大値は、角度振幅 θ_mに対して、～k₁ θ_m³程度と見積もれるので、ばね定数k₁の反発力と組み合わせて、ばね定数は、おおざっぱにはk₁ (1-θ_m²) のように表せる。従って、ソフトスプリングのような非線形性を示すと考えられる。ここで注目される点は、もし、慣性モーメントI_ξ と I_ζ が等しい場合、これらの相互作用はなくなり、ミラーとフレームは、ほぼ独立に運動できると考えられることである。一般的には、2軸の回転の運動非線形が生じる。このため、ばねが線形であっても、非線形スプリングに似た振動が発生する。回転角速度に依存した相互作用力が発生して走査できる角度に制限が生じ、走査が楕円または不安定となる場合がある。

次回に続く－

【著者紹介】
羽根　一博（はね　かずひろ）
東北大学　大学院工学研究科　ファインメカニクス専攻　教授

■略歴
１９７８年３月　　名古屋大学工学部電子工学科卒業
１９８０年３月　　同大修士課程修了
１９８３年３月　　同大博士課程修了
１９８３年４月　　同大助手
１９８５年２月から１３ヶ月　　カナダ国立研究所物理部門客員研究員
１９９０年８月　　名古屋大学助教授
１９９４年４月　　東北大学教授

1. はじめに

MEMS (Microelectromechanical Systems) 技術は、LSIと同じようなプロセス装置を使って三次元構造を作る製造技術である。MEMS技術は他の技術では実現できない機能や性能をもったデバイスを数多く市場に送り出してきた。非冷却赤外線イメージセンサもそうしたデバイスの一つで、MEMS技術の特長を有効に活用して発展してきた。過去30年間の非冷却赤外線イメージセンサの進歩は、MEMS技術に支えられてきたと言っても過言ではない。
ここでは、MEMS技術が非冷却赤外線イメージセンサの開発の中で果たした役割を振り返るとともに、現状と今後について考える。

2. 熱型赤外線検出器

図１に非冷却赤外線イメージセンサに使用されている熱型赤外線検出器の基本構造と構成要素の働きを示す。受光部は赤外線吸収層と温度センサからなり、断熱構造で基板と繋がっている。熱的にヒートシンクとして働く基板の上には信号読出回路が形成されている。

熱型赤外線検出器は、受光した赤外線のエネルギーを熱に変換し、受光部の温度変化として赤外線を検出する。受光部が温度変化して受光部と基板の間に温度差できると、熱流が生じる。単位時間あたり移動する熱量は、受光部と基板の間の温度差に比例し、断熱構造の熱コンダクタンスに反比例する。定常状態では、単位時間あたりに移動する熱量と受光部が吸収する赤外線エネルギーが等しくなるので、一定の赤外線入射に対する受光部の温度変化は、熱コンダクタンスに反比例する。温度センサは、受光部の温度変化を電圧に変換する。熱型検出器の感度は、受光部の温度変化と、その温度変化に対する温度センサの出力の大きさで決まるので、熱コンダクタンスに反比例し、温度センサの感度に比例する。

熱型赤外線検出器の応答速度は、受光部の温度変化の時定数（熱時定数）で決まる。熱時定数は受光部の熱容量と熱コンダクタンスの比で決まる。熱容量が一定の場合、熱コンダクタンスを小さくすると感度は高くなるが、応答速度の悪化を招くので、感度と応答速度はトレードオフの関係にある。通常、非冷却赤外線イメージセンサは自然な動画が得られるよう熱時定数が10 ms程度になるように設計されている。

熱型赤外線検出器の分光感度特性（感度の波長依存性）は、赤外線吸収層の吸収率の波長依存性で決まる。非冷却赤外線イメージセンサに用いられる赤外線検出器には、8～14 μmの波長範囲で高い吸収率が得られる赤外線吸収層が用いられる。赤外線吸収層は受光部の一部であるので、熱時定数の観点から低熱容量であることが要求される。
熱型赤外線検出器の温度センサの雑音は性能を決める重要な要因になる。非冷却赤外線イメージセンサでは、特に1/f雑音が問題になることが多い。

3. 開発初期にMEMS技術が果たした役割

MEMS技術は非冷却赤外線イメージセンサが実用段階に入った1990年前後に非常に重要な役割を果たした。ここでは、開発初期にMEMS技術が果たした役割を概観する。
図２に非冷却赤外線イメージセンサ開発初期の感度改善の状況を模式的に示した。図中のグラフは、画素ピッチを50 μmとして熱型検出器の感度をモデル計算した結果で、横軸は断熱構造の熱コンダクタンスで、縦軸は相対感度である。

1980年代後半まで、非冷却赤外線イメージセンサの画素構造は、図２の右上に示す金属バンプハイブリッド構造であった。この構造は、別チップとなっている検出器と信号読出回路を金属バンプで画素ごとに電気接続したものである。この場合、図１の断熱構造に相当するのが金属バンプとなるので、熱コンダクタンスは10^-4 W/K台であった。この構造は高熱コンダクタンスのため十分な感度を得ることはできなかったが、1990年代に入り図２の中央上のような有機メサを含むハイブリッド構造が開発され、熱コンダクタンスは２桁以上低減され、実用化レベルの感度が達成された。

有機メサハイブリッド構造の開発は、非冷却赤外線イメージセンサの研究開発の歴史の中で革新的なものであったが、図２に示したように、この延長線での性能改善には限界が見えていた。こうした状況で非冷却赤外線イメージセンサの製造にMEMS技術を導入することが試みられ大成功を収めた¹⁾。図２に示したように、MEMS技術で製造されるマイクロブリッジ構造を用いると熱コンダクタンスを10^-7 W/K以下に低減することができたので、ハイブリッド構造の限界より１桁以上高い感度が得られるようになった。

図３にMEMS技術で製造される非冷却赤外線イメージセンサと画素の構造を示す。マイクロブリッジ画素では、受光部は２つの支持脚（図１の断熱構造に相当）で支えられており、受光部と基板表面の間には空間が形成され、支持脚はアンカーの部分で基板と接している。支持脚の熱コンダクタンスは細長い形状とすることで小さくすることができる。非冷却赤外線イメージセンサは、シリコン信号読出回路の上にマイクロブリッジ画素を２次元配列したモノリシック構造で、LSIプロセスで信号読出回路を形成したのちMEMSプロセスを経て完成する。この製造プロセスは多数の素子を載せたウエハの形で行うことができる。

以上のように、MEMS技術は性能と生産性の両面で非冷却赤外線イメージセンサの開発初期に非常に重要な役割を果たした。

次回に続く－

【著者紹介】
木股　正章（きまた　まさふみ）
立命館大学　理工学部　特別任用教授

■略歴
1976年　名古屋大学大学院工学研究科修士課程修了。同年　三菱電機株式会社入社。
2004年　三菱電機株式会社退社。同年　立命館大学理工学部教授。1980年より現在まで赤外線イメージセンサの研究開発に従事。
2009年よりJAXAのType-II超格子赤外線センサの開発に参画。電気学会、日本赤外線学会、応用物理学会、IEEE会員、SPIEフェロー。
2013～2014年　日本赤外線学会会長。
2016年　立命館大学退職。同年　立命館大学理工学部特任教授。

1988年　市村賞貢献賞、1993年　全国発明表彰内閣総理大臣発明賞、2016年　日本赤外線学会業績賞などを受賞。工学博士。