2.2.1　エッチング

　半導体シリコンの水酸化カリウム，水酸化ナトリウム，ヒドラジン等のアルカリ溶液に対するエッチング速度は，結晶面により異なり（111）が最も小さい．異方性エッチングによりウェーハの結晶面に関係した独特な形状が得られる．図2(a)のように（100）SOI（Silicon on Insulator）基板上の酸化膜にコの字形の窓を開け，異方性エッチングを行うと，（111）と酸化膜面が残り，シリコン酸化膜のカンチレバーを形成できる．(b)のように裏面からの異方性エッチングでダイアフラムも形成できる．このような立体構造は微小可動部の作製，熱容量・熱伝導低減や曲げ性向上ができ，小形センサ実現に有用である．更に，エッチングと側壁保護層堆積を繰り返し行うことにより深い溝や孔を掘る深堀反応性エッチングも広く使われている．

2.2.2　微細三次元構造物の堆積

　薄膜の堆積によく用いられる気相成長法（CVD）において，光や電子ビームの照射部のみに堆積させることができ，基板の位置移動により微小立体構造の堆積を可能にしている．光CVDによりほう素の微細らせん構造が形成された．また，基板に金属微粒子を置き，これを触媒として合金を成長させ，その先端から結晶成長させて針状結晶やワイヤを形成するVLS（Vapor-Liquid-Solid）成長も微小立体構造の堆積に有効である．

2.2.3　ウェーハ直接接合

　2枚のシリコンウェーハを接着剤なしで直接接合することができる．鏡面に磨かれクリーンにされた平たんなウェーハに化学処理を施し，僅かな極薄酸化膜形成後重ね合わせると接合される．これに高温熱処理をすると二つのウェーハは強固に接合する．ウェーハを重ね接着したときは，親水性表面同士が水素結合を行い，熱処理により水素・酸素が除去され強固なSiの接合となる．更に，シリコンとガラスを重ね合わせて高電圧を加えて接合する方法も開発されている．これらの技術は複雑な三次元構造やパッケージ作製に有効である．

3.1.1　温度センサ

　物体の点や面の温度を検知するのに，電気抵抗，熱電効果，半導体の接合電流の温度変化を利用してそれぞれサーミスタ，熱電対，pn接合温度センサとして実用化されている．特にシリコン基板上のpn接合により得られた信号を増幅し，信号補正をしてディジタル信号として同じ基板上の集積回路に出力したり，別の検知量の温度補正をする高機能センサもあり，広く利用されている．

3.1.2　磁気センサ

　磁気検知には，電磁誘導，ホール効果，磁気抵抗効果，磁気光学効果，磁気共鳴，超電導量子干渉など様々な現象が利用されてきている．電磁誘導では，コイルが非常に簡単な構造で，堅ろうであるためよく用いられてきたが，磁界の変化を検知するため磁界の絶対値や緩慢な変化は計測できない．他の現象の中では，ホール効果や磁気抵抗効果は，金属や半導体中のキャリヤがローレンツ力によって軌跡が曲げられることによって生ずるもので，小形化に適している．特にキャリヤ移動度の高いインジウムアンチモン（InSb）薄膜によるホールセンサでは，高感度が得られる．図3に示すホールIC素子は低雑音のブラシレスモータの実現と情報機器への広い応用を可能にした⁽⁴⁾．

　また，磁気ハードディスクでは媒体に書込み・読出しを行うヘッドに高性能磁気抵抗素子が利用されている．最近では，巨大磁気抵抗効果（GMR），トンネル磁気抵抗効果（TMR）を用いた高感度・高空間分解能が達成され，記録密度の増大の重要な鍵技術となっている．

3.1.3　光センサ

　光電効果により光生成されるキャリヤを利用する量子形と，光吸収により生ずる温度変化を検出する熱形に分けられる．

 （１） 量子形

　金属や半導体の外部光電効果による真空管形センサは高感度・高速検出が可能で，水中のニュートリノを捕らえる素粒子物理研究等の科学計測用として現在も用いられている．また，半導体で光励起キャリヤを外部回路への電流変化として捕える光導電素子及びpnやショットキー接合の内部電界を利用した光起電力素子があり，小形化，高機能化され，広く利用されている．

　画像を捉える実用的な撮像素子は，まず真空管のアイコノスコープで実現された．真空管中に感光膜を塗った平板上に画像を結像させて電荷分布を形成し，その上から電子線を走査し，その電流を読み取れば画像に対応した信号が読み取れる．1930年代に開発され初期の放送に使われた．その後，次々と改良された撮像管がテレビの撮像に大きく貢献した．しかし，撮像管は動作立ち上げ時間が長く，動作電圧が高く，大形であったため，半導体撮像素子の開発が進められた⁽⁵⁾．

　まず，半導体に発生した光キャリヤを電荷としてためこみ，この電荷を転送し，電流として取り出す電荷結合素子（CCD）が実用化され，カメラに広く利用された．もう一つの撮像素子は画素の電荷をMOSFET（絶縁ゲート電界効果トランジスタ）により順にスイッチングして電流として読み出す．当初，スイッチングのための電圧パルスが大きな雑音を生じ問題となったが，種々の工夫により改善され，現在はこのMOS形へと変わってきている．MOS形は各画素での信号処理を加えることによる高機能化も可能である．図4にMOS撮像素子（イメージセンサ）の一例を示す⁽⁶⁾．

 （２） 熱形

　中・遠赤外線検知に感度の高い，バンドギャップの狭い半導体を用いたセンサでは，熱キャリヤによる雑音抑制のため冷却が必須で使いづらい．熱形はこのような赤外線検知に有効である．シリコン基板上にMEMS技術で作製されて浮上した膜構造では，熱容量や熱伝導が抑えられ，赤外線照射による温度上昇を非常に大きくできる．この構造上に金属，誘電体，焦電体，半導体薄膜を堆積した温度センサにより赤外線イメージセンサが実現されている．この薄膜温度センサを基板から浮いた膜アレー上に形成した撮像素子では熱画像が捕らえられ，温度分布解析，人検知等に広く用いられている．

3.1.4　力学量センサ

　加速度，応力，圧力，超音波，触覚等の力学量を計測するセンサは，古くは機械部品を組み立てる装置でサイズが大きかったが，MEMS技術により小形，高性能，低消費電力化され広く用いられている．

 （１） 加速度・角速度センサ

　シリコン基板におもりをはりで支えた微細立体構造に加速度が加わると，はりが変形し埋め込まれた抵抗の値の変化から加速度が得られる．図5はその一例で，4本のはりで支えられた中央部の周りに四つのおもりを形成した構造をしており，加速度が加わるとはりの周辺部との付け根付近に設けた抵抗部分が引張，圧縮，ねじれなどが生じ，その相対的変化からxyzの三軸方向の加速度が求められる⁽⁷⁾．同様のおもりを集積回路と一体化した集積化加速度センサもできている．

　回転座標系上で移動した際に働くコリオリ力によるジャイロセンサがある．MEMSによりシリコン基板上に形成されたおもりを振動させることにより，回転した場合のコリオリ力を測定して角速度を求めるセンサができている．

 （２） 圧力センサ

　シリコン基板上のダイアフラムに圧力を加えると，ダイアフラムは低圧側に反る．ダイアフラムの4辺の中央部の周辺基板近くの部分は大きなひずみを受けるが，この部分に抵抗を設けブリッジ回路を構成して出力の微小な圧力変化を測定するセンサが作製され実用化されている．また，ダイアフラム内に，小さなH形のビームを真空空洞に入れ，機械的共振の振動をさせておき，ダイアフラムに圧力を加えたときの共振周波数変化から圧力を計測するセンサもできている．

 （３） 超音波センサ

　超音波によりシリコン基板上のメンブレンの振動を発生させ，静電容量や圧電体膜で検知するセンサが代表的である．後者については，図6にあるようにシリコン基板上のダイアフラム上に電極膜，圧電体PZT（PbZrTiO₃，チタン酸ジルコン酸鉛）薄膜を形成した多層構造に超音波を照射するとダイアフラムは上下に振動し，圧電体薄膜もたわみ，応力が発生し圧電出力が電極で捕らえられる⁽⁸⁾．この超音波センサエレメントをアレー状に並べ，エレメント間の到達時間差だけ各エレメント信号を遅延加算することにより指向性を電子的に制御することができる．物体に超音波を照射し，超音波アレーセンサで検知し遅延加算処理をして角度スキャンすることにより，立体画像を得ることができる．

 （４） 触覚センサ

　図7に示すように，シリコン基板上に絶縁層シリコン窒化（SiN）膜，応力制御層クロム（Cr）金属膜，ひずみゲージニッケルクロム（NiCr）合金膜の多層膜から成るカンチレバーは熱膨張係数の違いから基板面に対し反る形状となる．このカンチレバーを三つ対抗して並べた構造を，エラストマー（弾性高分子）のPDMS（ポリジメチルシロキサン）で半球状に覆ったものが触覚センサとして作製されている⁽⁹⁾．上下の圧力とせん断力はゲージ出力から線形計算で得られる．この触覚センサを用いて物体や製品の質感検査，ロボットハンドの触覚検知などに応用できる．

3.2.1　ガス・湿度センサ

　空気中のガスを計測する主なセンサは，半導体，固体電解質，熱線を用いた素子があり，ほかに空気中の水分を計測する湿度センサがあり以下に紹介する．

 （１） ガスセンサ

　粒子が凝集した酸化物半導体には粒子間の結合部に電位障壁がある．ここに酸化性や還元性ガスが吸着すると電位障壁が増減し，電気抵抗の変化としてガスが検知される．パラジウム（Pd）等の金属触媒電極を用いたMOSFETのドレーン電流変化からも検出できる．

　固体電解質は特定のイオンだけを透過させ，その流れから生じる電流や起電力によりガスを検出できる．安定化ジルコニアは酸素イオンを透過させ酸素を検知でき，ボイラやエンジンの燃焼制御に応用されている．

　白金（Pt）コイルの周りに金属酸化物をビーズ状に形成し焼結した素子構造で，白金線に電流を流し素子を加熱しておき，可燃性ガスがセンサに触れると燃焼して，金属酸化物の温度を上げる．この温度上昇に伴う電気抵抗変化から可燃性ガス濃度を検出できる．

 （２） 湿度センサ

　セラミックスが水蒸気を吸着すると，電気伝導度や誘電率が変化することから，これに電極を形成しその電気抵抗や静電容量から湿度を計測するセンサがある．有機高分子では電気伝導度や静電容量，吸着による重量変化から計測するものもある．

3.2.2　イオンセンサ

　イオン感応膜の隔壁を持ち内部の異種溶液中に電極を持つ二つの構造体を，測定対象溶液に入れたときに生ずる電位によりイオン濃度が計測できる．しかし，電極構造は大形で使い難いことから，半導体素子によるイオン検出素子が開発された．図8に示すように絶縁ゲートFETのゲート電極を溶液に露出させた半導体イオンセンサ（ISFET: Ion-sensitive FET）は，溶液中のイオンがチャネル部の界面電位を変化させドレーン電流の変化として検出される⁽¹⁰⁾．本センサはFETを用いているため，出力が低インピーダンスとなり雑音に強く，また小形にできる．水溶液中の水素イオン指数（pH）を測るセンサとして実用化され，更にこのアレーセンサによりDNA解析装置や化学分析などにも応用されている．

3.2.3　バイオセンサ

　酵素，抗体，微生物，生体組織などとバイオ物質と反応させ，生成物として出てくるイオン，酸素や水素ガスをイオンやガスセンサで検出したり，光学的に検出できる．よく知られたバイオセンサとしてぶどう糖（グルコース）を検出するグルコースセンサがある．グルコースは酸素と酵素反応して，グルコースオキシターゼと過酸化水素水を生成するが，このとき変化する酸素をイオンセンサを用いて測定すればグルコースを検出できる．ほかには，尿素，尿酸，乳酸，コレステロール，エタノールなどの種々のバイオ関連物質を計測するセンサが開発されている．