CN103069708A - 振动发电元件及使用其的振动发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振动发电元件，具有：基底衬底，其具有支承部和能够自由摆动地被该支承部支承的悬臂部；以及发电部，形成在悬臂部上，与该悬臂部的振动相应地产生交流电，其中，发电部具有第一压电转换部和第二压电转换部，该第一压电转换部和第二压电转换部相互并列设置在基底衬底的一表面侧上的与悬臂部重叠的部位，并具有：将第一压电转换部及第二压电转换部共用的下部电极电连接的共用电极；以及单独连接第一压电转换部及第二压电转换部的各自的上部电极的单独电极。

Description

振动发电元件及使用其的振动发电装置

技术领域

本发明涉及将振动能量转换成电能的振动发电元件及使用其的振动发电装置。

背景技术

近年，作为MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）设备的一种，在各地正在研究开发将车的振动和由人的动作产生的振动等的任意振动引起的振动能量转换成电能的振动发电元件。

作为这种振动发电元件，公知一种结构，例如，如图10A所示，具有：悬臂部（挠曲部）92b，一端部被固定在由Si构成的基底衬底91的支承部92a，另一端部与基底衬底91隔开空间地能够自由摆动地被支承；发电部93，形成在悬臂部92b上，与悬臂部92b的振动相应地产生交流电（例如，参照Y.B.Jeon,et al,“MEMS powergenerator with transverse mode thin filmPZT”,Sensors and Actuators A122,16-22,2005）。

在图10A所示的振动发电元件910中，悬臂部92b具有：由SiO₂或Si₃N₄构成的薄膜96；防止电荷从形成在该薄膜96上的发电部93扩散的防扩散层97（这里为ZrO₂）。

另外，防扩散层97上的发电部93由以下部件构成：由PZT（Pb（Zr，Ti）O₃）构成的压电层95；形成在压电层95的一表面侧的由Pt/Ti构成的一对电极94a、94b。此外，压电层95采用利用了变形方向和电场方向正交的d₃₃模式的结构，一对电极94a、94b俯视观察时分别为梳子形状，并配置成隔开规定间隔地相互啮合的构造（参照图10B）。而且，在振动发电元件910中，在悬臂部92b的另一端部侧的表面上以使悬臂部92b的摆动变大的方式设置有锤部92c。

在振动发电元件910中，悬臂部92b因振动而摆动，由此，发电部93的压电层95沿与压电层95的厚度方向垂直的正交方向被极化（参照图10A中的箭头），能够将产生的电力从一对电极94a、94b向外部输出。

然而，上述文献记载的振动发电元件910是通过悬臂部92b的摆动而使发电部93发电。由此，从振动发电元件910的一对电极94a、94b输出的电力是伴随悬臂部92b的摆动，产生极性反转的交流电。

而与振动发电元件910的一对电极94a、94b连接的负载一般来说假定为小型电子部件或LSI等的需要直流电的部件。由此，在上述文献中，为能够使从振动发电元件910输出的交流电成为直流电，使用上述振动发电元件910构成了图10C所示的振动发电装置920。

在振动发电装置920中，将振动发电元件910的输出与单相全波整流电路部（单相桥式整流电路）即整流器D1的输出并联地与电容器Cs连接。负载R_L被连接在电容器Cs的两端之间。由此，振动发电装置920能够将振动发电元件910的输出从交流电整流成直流电，并输出到与一对电极94a、94b连接的负载R_L侧。此外，在图10C的振动发电装置920中，振动发电元件910用交流电源Ip、与交流电源Ip并联连接的电容器Cp、与电容器Cp并联连接的电阻Rp的等效电路表示。

但是，从上述振动发电元件910输出的发生电力一般来说小到微瓦[μW]程度。振动发电装置920将从振动发电元件910输出的电流通过单相全波整流电路部即整流器D1进行整流时，由构成整流器D1的二极管的pn结处的电压降低导致的损失带来大幅影响。尤其，在图10C所示的振动发电装置920中，将振动发电元件910的输出从交流电整流成直流电时，通过单相全波整流电路部即整流器D1的两个二极管而输出来自振动发电元件910的电流。由此，在使用了上述振动发电元件910的振动发电装置920中，存在发电效率变低的问题。

振动发电元件910谋求更小型且输出高的结构，单纯地增大振动发电元件910的压电层95的面积来提高输出的结构是困难的。因此，仅采用上述振动发电元件910、振动发电装置920的结构是不充分的，谋求进一步的改良。

发明内容

因此，本发明的目的是提供能够使输出电力更高且实现小型化的振动发电元件及使用其的振动发电装置。

本发明的振动发电元件具有：基底衬底，其具有支承部和能够自由摆动地被该支承部支承的悬臂部；以及发电部，形成在所述悬臂部上，与该悬臂部的振动相应地产生交流电，其特征在于，所述发电部具有第一压电转换部和第二压电转换部，该第一压电转换部和第二压电转换部相互并列设置在所述基底衬底的一表面侧上的与所述悬臂部重叠的部位，所述第一压电转换部及所述第二压电转换部分别具有：所述悬臂部侧的下部电极；形成在该下部电极的与所述悬臂部侧相反的一侧的压电层；以及形成在该压电层的与所述下部电极侧相反的一侧的上部电极，在所述基底衬底的所述一表面侧具有：将所述第一压电转换部的所述上部电极或所述下部电极的任意一方、和所述第二压电转换部的所述上部电极或所述下部电极的任意一方电连接的共用电极；以及单独连接所述第一压电转换部及所述第二压电转换部的各自的另一方的所述上部电极或所述下部电极的单独电极。因此，振动发电元件具有能够使输出电力更高且实现小型化的效果。

在该振动发电元件中，优选地，所述第一压电转换部的所述上部电极和所述第二压电转换部的所述上部电极作为在空间上分离的两个电极形成，所述第一压电转换部的所述下部电极和所述第二压电转换部的所述下部电极作为共用的一个电极形成。

在该振动发电元件中，优选地，所述第一压电转换部的所述上部电极和所述第二压电转换部的所述上部电极作为共用的一个电极形成，所述第一压电转换部的所述下部电极和所述第二压电转换部的所述下部电极作为在空间上分离的两个电极形成。

在该振动发电元件中，优选地，所述第一压电转换部和所述第二压电转换部被配置在所述悬臂部的摆动方向上应变量相同的对称的位置。

在该振动发电元件中，优选地，所述悬臂部以从所述支承部能够自由摆动地伸出的方式形成，所述第一压电转换部及所述第二压电转换部沿相对于所述悬臂部的伸出方向垂直的方向并列设置。

在该振动发电元件中，优选地，所述第一压电转换部的所述压电层和所述第二压电转换部的所述压电层在空间上分离。

本发明的振动发电装置具有：上述振动发电元件；二相全波整流电路部，对从该振动发电元件的所述共用电极及所述各单独电极输出的二相交流电进行整流。因此，振动发电装置具有能够使输出电力更高且实现小型化的效果。

附图说明

更详细地说明本发明的优选实施方式。本发明的其他特征及优点通过以下的详细说明及附图能够更好地理解。

图1A是实施方式1的振动发电元件的概要俯视图。

图1B是沿图1A的X-X线的概要剖视图。

图2是使用了实施方式1的振动发电元件的振动发电装置的电路图。

图3A是说明实施方式1的振动发电元件的制造方法的主要工序图。

图3B是说明实施方式1的振动发电元件的制造方法的主要工序图。

图3C是说明实施方式1的振动发电元件的制造方法的主要工序图。

图4A是说明实施方式1的振动发电元件的制造方法的主要工序图。

图4B是说明实施方式1的振动发电元件的制造方法的主要工序图。

图4C是说明实施方式1的振动发电元件的制造方法的主要工序图。

图5A是说明实施方式1的振动发电元件的制造方法的主要工序图。

图5B是说明实施方式1的振动发电元件的制造方法的主要工序图。

图5C是说明实施方式1的振动发电元件的制造方法的主要工序图。

图6A是说明实施方式1的振动发电元件的制造方法的主要工序图。

图6B是说明实施方式1的振动发电元件的制造方法的主要工序图。

图7A是实施方式1的其他的振动发电元件的概要俯视图。

图7B是沿图7A的X-X线的概要剖视图。

图8A是实施方式2的振动发电元件的概要俯视图。

图8B是沿图8A的X-X线的概要剖视图。

图9A是实施方式2的其他的振动发电元件的概要俯视图。

图9B是沿图9A的X-X线的概要剖视图。

图10A是以往的振动发电元件的剖视图。

图10B是以往的振动发电元件的关键部位俯视图。

图10C是使用了以往的振动发电元件的振动发电装置的电路图。

具体实施方式

（实施方式1）

以下，使用图1A及图1B说明本实施方式的振动发电元件，使用图2说明使用了振动发电元件10的振动发电装置20。

如图1A及图1B所示，本实施方式的振动发电元件10具有：基底衬底1，其具有支承部2a、和被配置在支承部2a的内侧且能够自由摆动地被支承部2a支承的悬臂部2b；发电部3，在基底衬底1的一表面1b侧，形成在悬臂部2b上，并与悬臂部2b的振动相应地产生交流电。

尤其，本实施方式的振动发电元件10的发电部3具有：在基底衬底1的一表面1b侧的与悬臂部2b重叠的部位，相互并列设置的第一压电转换部3a和第二压电转换部3b。另外，第一压电转换部3a及第二压电转换部3b分别具有：悬臂部2b侧的下部电极4；形成在该下部电极4的与悬臂部2b侧相反的一侧的压电层5；以及形成在该压电层5的与下部电极4侧相反的一侧的上部电极6a、6b。

而且，本实施方式的振动发电元件10具有：作为下部电极用衬垫的共用电极8c，在基底衬底1的一表面1b侧，电连接有共用第一压电转换部3a的下部电极和第二压电转换部3b的下部电极的下部电极4；作为上部电极用衬垫的单独电极8a、8b，单独地连接有第一压电转换部3a及第二压电转换部3b的各自的上部电极6a、6b。

此外，在基底衬底1的一表面1b侧，通过连接布线7a、7b与各上部电极6a、6b分别电连接的单独电极8a、8b形成在与支承部2a对应的部位。同样地，在基底衬底1的一表面1b侧，通过连接布线7c与下部电极4电连接的共用电极8c形成在与支承部2a对应的部位。另外，基底衬底1俯视观察时在隔着悬臂部2b与支承部2a相对的一侧具有锤部2c，并采用锤部2c隔着通孔1d被包围在从支承部2a延伸的C字形的框架部2d的内侧地配置的结构。

发电部3被设计成压电层5的平面尺寸比下部电极4小。另外，发电部3被设计成上部电极6a、6b的各平面尺寸分别比压电层5小。

而且，发电部3是在基底衬底1的一表面1b侧，以与设置在基底衬底1的另一表面1a侧的凹部1c相对的方式配置。这里，在发电部3中，俯视观察时，压电层5位于下部电极4中的外周缘的内侧，与该压电层5相接的各上部电极6a、6b并列地设置在该压电层5中的外周缘的内侧。

另外，在发电部3中，防止上部电极6a、6b侧和下部电极4侧的短路的绝缘层9以覆盖下部电极4及压电层5各自的周部的形式形成。绝缘层9是在俯视观察时，在基底衬底1的一表面1b侧，分别限定压电层5和各上部电极6a、6b相接的区域。即，绝缘层9的俯视形状成为沿各上部电极6a、6b的周部的框状。由此，绝缘层9防止分别与各上部电极6a、6b电连接的连接布线7a、7b和下部电极4的短路。

此外，本实施方式的振动发电元件10中的绝缘层9由氧化硅膜构成，但不限于氧化硅膜，也可以由氮化硅膜构成，不仅可以是单层膜，还可以是多层膜的构造。在本实施方式的振动发电元件10中，形成在悬臂部2b的上侧的绝缘层9由氧化硅膜或氮化硅膜形成，从而与分别由抗蚀剂形成绝缘层9的情况相比，能够提高绝缘性及耐热性。

另外，基底衬底1在一表面1b侧及另一表面1a侧分别形成有由氧化硅膜构成的绝缘膜12e、12a，发电部3和基底衬底1通过一表面1b侧的绝缘膜12e被电绝缘。

在本实施方式的振动发电元件10中，发电部3由以下部件构成：由下部电极4、压电层5和上部电极6a构成的第一压电转换部3a；由下部电极4、压电层5和上部电极6b构成的第二压电转换部3b。由此，通过悬臂部2b的振动，发电部3的第一压电转换部3a及第二压电转换部3b分别受到应力而各自发电。即，第一压电转换部3a是在下部电极4和上部电极6a之间的压电层5的部位，产生电荷的偏置，而产生交流电。同时，第二压电转换部3b是在下部电极4和上部电极6b之间的压电层5的部位，产生电荷的偏置，而产生交流电。

本实施方式中的振动发电元件10将利用了变形方向和电场方向为平行的d₃₁模式的PZT作为压电层5的压电材料使用。此外，振动发电元件10的压电层5的压电材料不限于PZT，也可以使用例如PZT-PMN（：Pb（Mn，Nb）O₃）、PLZT（（Pb，La）（Zr，Ti）O₃）或SBT（SrBi₂Ta₂O₉）等。

另外，本实施方式的振动发电元件10是使用在单晶硅衬底12b和单晶的硅层（活性层）12d之间夹着由氧化硅膜构成的埋入式氧化膜12c的构造的SOI（Silicon on Insulator）衬底而形成基底衬底1。此外，作为成为基底衬底1的SOI衬底使用了硅层12d的表面为（100）面的结构。

另外，在本实施方式的振动发电元件10中，由于作为基底衬底1使用了SOI衬底，所以在后述的制造时，能够将SOI衬底的埋入式氧化膜12c作为悬臂部2b的形成时的蚀刻阻挡层利用。由此，振动发电元件10能够实现悬臂部2b的厚度的高精度化的同时，能够实现可靠性的提高及低成本化。此外，基底衬底1不限于SOI衬底，也可以使用例如单晶的硅衬底等。

另外，在本实施方式的振动发电元件10中，下部电极4由Pt膜构成。另外，各上部电极6a、6b分别由Ti膜和Au膜的层叠膜构成。振动发电元件10的下部电极4及上部电极6a、6b的材料和层构造没有特别限定，下部电极4及上部电极6a、6b可以分别为单层构造，也可以分别为多层构造。作为下部电极4的电极材料也可以采用例如Au、Al、Ir或In等，作为各上部电极6a、6b的材料也可以采用例如Mo、Al或Pt等。

在本实施方式的振动发电元件10中，下部电极4的厚度设定为100nm，压电层5的厚度设定为600nm，上部电极6a、6b的厚度设定为100nm。此外，振动发电元件10的下部电极4、压电层5或上部电极6a、6b的厚度不仅限于上述厚度，可以适当地设定。

在本实施方式的振动发电元件10中，悬臂部2b的俯视形状为长方形，但不限于此，也可以是例如，越从支承部2a远离并接近锤部2c，宽度尺寸越逐渐变小的梯形形状。

在本实施方式的振动发电元件10中，俯视观察时，压电层5位于下部电极4的外周缘的内侧。由此，本实施方式的振动发电元件10，与下部电极4和压电层5为大致相同的平面尺寸的情况相比，能够降低连接布线7a、7b的成为基体的部分的阶差高度。

由此，振动发电装置10降低了发电部3的连接布线7a、7b伴随悬臂部2b的摆动发生断线的可能性，能够作成可靠性更高的振动发电元件10。

另外，在振动发电元件10中，分别防止下部电极4和各上部电极6a、6b之间的短路的绝缘层9也可以在基底衬底1的一表面1b侧延伸设置到支承部2a之上。即，也可以使上部电极6a、6b和与该上部电极6a、6b电连接的单独电极8a、8b之间的连接布线7a、7b的全部部位形成在绝缘层9上，并使单独电极8a、8b形成在绝缘层9的平坦的部位上（未图示）。由此，振动发电元件10能够降低连接布线7a、7b的成为基体的部分的阶差，能够在增大压电层5的膜厚的同时，进一步降低电连接下部电极4和单独电极8a、8b的连接布线7a、7b的断线的可能性。

在本实施方式的振动发电元件10中，俯视观察时，第一压电转换部3a和第二压电转换部3b被配置在悬臂部2b的摆动方向上应变量相同的大致对称的位置。由此，振动发电元件10能够使从第一压电转换部3a和第二压电转换部3b分别输出的电力大致相等。第一压电转换部3a和第二压电转换部3b伴随悬臂部2b的摆动，实质上产生相同量的电荷，从而能够抑制发电效率的降低。

尤其，在本实施方式的振动发电元件10中，俯视观察时，第一压电转换部3a及第二压电转换部3b沿相对于悬臂部2b从支承部2a伸出的伸出方向（图1A的右方向）垂直的方向并列地设置。由此，能够有效地抑制上述发电效率的降低。

本实施方式的振动发电元件10能够使用共用电极8c和单独电极8a输出由第一压电转换部3a产生的电力。同样地，本实施方式的振动发电元件10能够使用共用电极8c和单独电极8b输出由第二压电转换部3b产生的电力。

这里，本实施方式的振动发电元件10如图2所示地被连接到对从振动发电元件10的共用电极8c及各单独电极8a、8b输出的二相交流电进行整流的二相全波整流电路部即整流器D2，而构成了振动发电装置20。振动发电装置20使电容器Cs连接在整流器D2的两端之间。另外，振动发电装置20采用如下结构，根据与振动发电装置20连接的未图示的负载，在电容器Cs和负载之间设置DC/DC转换部21来对向负载侧供给的电压适当地进行升压或降压。

在使用了本实施方式的振动发电元件10的振动发电装置20中，与上述图10C所示的振动发电装置920不同，将振动发电元件10的输出从交流电整流成直流电时，电流通过整流器D2中的一个二极管从振动发电元件10被输出。由此，使用了本实施方式的振动发电元件10的振动发电装置20与图10C所示的振动发电装置920相比，由于能够降低整流器中的二极管处的损失，所以能够提高发电效率。

以下，关于本实施方式的振动发电元件10的制造方法，参照图3A～3C、图4A～4C、图5A～5C及图6A、6B进行说明。在各图中的制造工序中，上侧示出了俯视图，下侧示出了关键部位的大致剖视图。

首先，进行绝缘膜形成工序（参照图3A），在成为基底衬底1的由上述SOI衬底构成的元件形成衬底11的一表面侧及另一表面侧，分别通过热氧化法等形成由氧化硅膜构成的绝缘膜12e、12a。由此，在使用元件形成衬底11形成的基底衬底1中，在一表面1b侧具有绝缘膜12e，在另一表面1a具有绝缘膜12a。此外，由SOI衬底构成的元件形成衬底11采用在单晶硅衬底12b和单晶的硅层12d之间夹着由氧化硅膜构成的埋入式氧化膜12c的构造。

然后，进行第一金属膜形成工序，在元件形成衬底11的一表面侧的整个面上，通过例如溅射法或CVD法等形成成为下部电极4、连接布线7c及共用电极8c的基础的由Pt层构成的第一金属膜24。第一金属膜24不限于Pt膜，也可以是例如Al膜或Al-Si膜，也可以是具有Au膜、和作为隔设在该Au膜和绝缘膜12e之间的改善密接性的密接膜的Ti膜的结构。这里，未图示密接膜的材料不限于Ti，也可以使用例如Cr、Nb、Zr、TiN或TaN等。

接着，进行压电膜形成工序（参照图3B），在元件形成衬底11的一表面侧的整个面上，通过例如溅射法、CVD法、溶胶凝胶法或转印法等形成成为由压电材料（例如，PZT等）构成的压电层5的基础的压电膜（例如，PZT膜等）25。

然后，在压电膜形成工序后，进行压电膜图案化工序（参照图3C），利用光刻技术及蚀刻技术将压电膜25图案化为规定的形状，由此，形成由压电膜25的一部分构成的压电层5。

此外，在本实施方式的振动发电元件10中，在下部电极4上形成有压电层5，但也可以在压电层5和下部电极4之间，通过隔设在压电层5的成膜时成为基体的种子层，来提高压电层5的结晶性。作为种子层的材料可以列举例如导电性氧化物材料的一种即PLT（（Pb，La）TiO₃）、PTO（PbTiO₃）或SRO（SrRuO₃）等。

另外，通过转印法形成规定形状的压电层5，还能够省略压电膜图案化工序。例如，预先在未图示的压电膜形成用衬底的一表面上使用溅射法、CVD法或溶胶凝胶法等成膜将由强介电体薄膜构成的压电膜成膜。然后，在使压电膜形成用衬底的压电膜、和在元件形成衬底11上由上述第一金属膜形成工序形成的成为下部电极4的基础的金属膜相对配置的状态下，从透光性的压电膜形成用衬底的另一表面侧照射激光。激光以在被压电膜形成用衬底和压电膜之间的界面吸收的方式照射。由此，压电膜的一部分从压电膜形成用衬底剥离。另外，剥离了的压电膜被转印到元件形成衬底11的成为下部电极4的基础的金属膜侧并成为压电层5。通过控制激光照射的区域，之后以俯视观察时比下部电极4的外形小的形状将压电膜转印在成为下部电极4的金属膜上。

此外，压电膜形成用衬底优选使用与基底衬底1相比，与成为压电层5的基础的压电膜之间的晶格常数差小、且晶格匹配性好的衬底。例如，作为压电膜的材料使用PZT的情况下，作为压电膜形成用衬底可以使用单晶MgO衬底或单晶STO（SrTiO₃）衬底等。另外，能够从例如KrF准分子激光照射从压电膜形成用衬底使压电膜的一部分转印的激光。而且，也可以在压电膜形成用衬底和压电膜之间，设置用于控制压电膜的结晶取向的PLT、PTO或SRO等的种子层。种子层是在剥离压电膜的一部分时，还能够作为在压电膜的转印时吸收激光而被除去的牺牲层利用。伴随压电膜的转印，压电膜形成用衬底的多余的废片附着在元件形成衬底11侧的情况下，也可以适当通过蚀刻剂除去。

通过使用对像这样另外形成的压电膜进行转印而形成压电层的转印法，能够缩短振动发电元件10的制造时间。即，与在上述金属膜的形成后成膜压电层5来制造振动发电元件10的方法相比，能够将需要花费时间来形成压电膜的压电膜形成工序，与金属膜和压电层分开地并行进行。

然后，在形成了图3C所示的压电层5之后，进行金属膜图案化工序（参照图4A），通过利用光刻技术及蚀刻技术将第一金属膜24图案化为规定的形状，由此分别形成由第一金属膜24的一部分构成的下部电极4、连接布线7c及共用电极8c。在本实施方式的振动发电元件10的制造方法中，与下部电极4一并地同时形成了连接布线7c及共用电极8c。这里，下部电极4、连接布线7c及共用电极8c是在金属膜图案化工序中通过对第一金属膜24进行图案化，从而不仅可以全部同时形成，也可以仅形成下部电极4。

该情况下，设置在形成下部电极4之后另外形成连接布线7c及共用电极8c的布线形成工序即可。同样地，也可以分别设置形成连接布线7c的连接布线形成工序、和形成共用电极8c的共用电极形成工序。此外，在第一金属膜24的蚀刻时，可以适当地采用例如RIE法或离子研磨法等。

在本实施方式的振动发电元件10的制造方法中，在图4A的金属膜图案化工序中，通过第一金属膜24的加工，形成了第一压电转换部3a及第二压电转换部3b共用的下部电极4。

通过金属膜图案化工序，形成了下部电极4、连接布线7c及共用电极8c之后，进行在元件形成衬底11的上述一表面侧形成绝缘层9的绝缘层形成工序（参照图4B）。在绝缘层形成工序中，在形成有压电层5的元件形成衬底11的上述一表面侧涂布了抗蚀剂膜之后，通过光刻技术对该抗蚀剂膜进行图案化。接着，在元件形成衬底11的上述一表面侧的整个面上通过CVD法等成膜绝缘膜之后，利用剥离抗蚀剂膜的剥离法形成绝缘层9。在绝缘层形成工序中，为形成绝缘层9，不仅限于使用剥离法，还可以使用光刻技术及蚀刻技术来图案化。在元件形成衬底11的上述一表面侧，通过绝缘层9的形成，并列地形成两个俯视观察时为矩形状且大致相同形状的开口部9a（参照图4B的上侧）。

然后，形成上部电极6a、6b的上部电极形成工序是，在进行了绝缘层9的形成之后的元件形成衬底11的上述一表面侧涂布了抗蚀剂膜之后，通过光刻技术对该抗蚀剂膜进行图案化。接着，进行上部电极形成工序（参照图4C），蒸镀金属膜，并进行剥离抗蚀剂膜的剥离法，由此，与上部电极6a、6b一并地形成连接布线7a、7b及单独电极8a、8b。此外，也可以通过利用EB蒸镀法、溅射法或CVD法等的薄膜形成技术、光刻技术、蚀刻技术形成上部电极6a、6b的上部电极形成工序，同时地形成连接布线7a、7b及单独电极8a、8b。另外，在本实施方式的振动发电元件10的制造方法中，在上部电极形成工序中，与上部电极6a、6b一并地形成连接布线7a、7b及单独电极8a、8b，但不限于此，也可以分别地进行上部电极形成工序和布线形成工序。另外，布线形成工序也可以分别进行形成连接布线7a、7b的连接布线形成工序和形成单独电极8a、8b的单独电极形成工序。

接着，进行元件形成衬底加工工序，利用光刻技术及蚀刻技术等，通过加工元件形成衬底11，形成具有支承部2a及悬臂部2b的基底衬底1。利用光刻技术及蚀刻技术等，从元件形成衬底11的上述一表面侧通过BHF等对成为支承部2a、悬臂部2b及锤部2c的部位以外的绝缘膜12e进行蚀刻。由此，进行表面绝缘膜除去工序（参照图5A），使元件形成衬底11的硅层12d露出。

然后，通过RIE法，通过蚀刻除去元件形成衬底11中的已经除去了上述一表面侧的绝缘膜12e的部位的硅层12d。由此，进行使埋入式氧化膜12c露出而形成成为通孔1d的一部分的表面槽12f的表面槽形成工序（参照图5B）。

接着，利用光刻技术及蚀刻技术等，从元件形成衬底11的上述另一表面侧使用BHF等对成为支承部2a、悬臂部2b及锤部2c的部位以外的绝缘膜12a进行蚀刻。由此，除去绝缘膜12a的一部分而使单晶硅衬底12b露出（参照图5C）。

除去了绝缘膜12a的一部分之后，对于从元件形成衬底11的上述另一表面侧除去了绝缘膜12a的部位，通过Deep-RIE法，蚀刻元件形成衬底11直到到达埋入式氧化膜12c的规定深度。由此，进行使元件形成衬底11中的另一表面侧的埋入式氧化膜12c露出而形成成为通孔1d的一部分的里面槽的里面槽形成工序（参照图6A）。里面槽形成工序是与形成里面槽同时地在元件形成衬底11的另一表面侧形成凹部1c。

接着，进行氧化膜蚀刻工序（参照图6B），通过RIE法的蚀刻除去埋入式氧化膜12c的多余部分，并形成使表面槽12f和里面槽12g连通的通孔1d。由此，能够制造与悬臂部2b一并地形成锤部2c的振动发电元件10。在本实施方式的振动发电元件10中，通过形成通孔1d，在隔着悬臂部2b与支承部2a相对的一侧具有锤部2c，成为锤部2c被通过通孔1d从支承部2a延伸的C字形的框架部2d的内侧包围地配置的结构。

由于本实施方式的振动发电元件10在隔着悬臂部2b与支承部2a相对的一侧具有锤部2c，所以与不具有锤部2c的情况相比，能够增大发电量。此外，振动发电元件10具有能够自由摆动地被支承部2a支承的悬臂部2b即可，不一定必须形成锤部2c或框架部2d。因此，只要振动发电元件10具有悬臂部2b，也可以省略形成通孔1d的氧化膜蚀刻工序。另外，由于振动发电元件10是以晶圆级实施元件形成衬底加工工序直到结束，所以通过进行被分割成各个振动发电元件10的切割工序，能够量产性良好地形成多个振动发电元件10。

此外，图1A及1B所示的振动发电元件10基本上由基底衬底1和发电部3构成，但也可以设置：在基底衬底1的一表面1b侧，固接在支承部2a或框架部2d上的未图示的第一盖衬底；在基底衬底1的另一表面1a侧，固接在支承部2a或框架部2d上的未图示的第二盖衬底。

例如，第一盖衬底使用在靠基底衬底1侧的一表面1b上具有凹部的玻璃衬底或硅衬底即可，该凹部用于在第一盖衬底和基底衬底1之间形成供悬臂部2b及锤部2c摆动的位移空间。

此外，第一盖衬底分别被接合在基底衬底1的共用电极8c、单独电极8a、8b并适当地具有能够向外部输出的接触用电极即可。

另外，第二盖衬底使用在靠基底衬底1侧的另一表面1a上具有凹部的玻璃衬底或硅衬底即可，该凹部用于在第二盖衬底和基底衬底1之间形成供悬臂部2b及锤部2c摆动的位移空间。这里，基底衬底1和第一及第二盖衬底可以通过例如常温接合法、使用了环氧树脂等的树脂接合法或阳极接合法等接合而形成。

此外，为制造具有第一及第二盖衬底的振动发电元件10，形成了基底衬底1之后，进行接合各覆盖衬底的覆盖接合工序即可，以晶圆级进行覆盖接合工序直到结束，然后，进行刻模工序，由此，分割成各振动发电元件10即可。

在以上说明的本实施方式的振动发电元件10中，通过在下部电极4和上部电极6a、6b之间施加高电场，能够进行使用了强介电体薄膜的压电层5的极化处理。另外，本实施方式的振动发电元件10在使用了强介电体薄膜的压电层5内的极化的方向上发生了偏差时，也能够通过极化处理使压电层5内的极化的方向一致。同样地，本实施方式的振动发电元件10在压电层5的极化的方向和悬臂部2b的摆动方向之间发生了偏差时，也能够通过极化处理将压电层5的极化的方向与摆动方向一致。由此，本实施方式的振动发电元件10能够抑制因压电层5内的极化的方向、压电层5的极化的方向和悬臂部2b的摆动方向之间发生偏差导致的发电效率降低。

尤其，本实施方式的振动发电元件10能够对于使用了强介电体薄膜的压电层5，分别进行在下部电极4和上部电极6a、6b之间同时施加高电场的极化处理。由此，能够同时进行将第一压电转换部3a及第二压电转换部3b中的压电层5的极化的方向在发电部3的厚度方向上在同一方向上一致的作业。

在像这样形成的本实施方式的振动发电元件10中，由于在基底衬底1的一表面1b侧，第一压电转换部3a和第二压电转换部3b在与悬臂部2b重叠的部位相互并列地设置，所以第一压电转换部3a的压电层和第二压电转换部3b的压电层能够作为共用的压电层5同时形成。由此，本实施方式的振动发电元件10与另外独立地形成第一压电转换部3a的压电层和第二压电转换部3b的压电层的振动发电元件10相比，能够缩短压电层5的成膜时间。

本实施方式的振动发电元件10具有在基底衬底1的一表面1b侧的与悬臂部2b重叠的部位相互并列地设置的第一压电转换部3a和第二压电转换部3b，通过具有将第一压电转换部3a及第二压电转换部3b共用的下部电极4电连接的共用电极8c、和单独连接第一压电转换部3a及第二压电转换部3b的各自的上部电极6a、6b的单独电极8a、8b，由此能够使输出电力更高且实现小型化。

此外，在图1A及1B的振动发电元件10中，第一压电转换部3a及第二压电转换部3b使用共用的下部电极4、共用的压电层5及空间上分离的单独的上部电极6a、6b。这里，作为本实施方式的其他的振动发电元件10，如图7A及7B所示，也可以分别由单独的下部电极、共用的压电层5和共用的上部电极6f构成第一压电转换部3a及未图示的第二压电转换部。该情况下，第一压电转换部3a的下部电极4d和第二压电转换部的未图示的下部电极在空间上分离。另外，第一压电转换部3a的下部电极4d通过连接布线7d与单独电极8d电连接。第二压电转换部的与下部电极4d在空间上分离的未图示的下部电极通过连接布线7e与单独电极8d电连接。共用地设置在第一压电转换部3a及第二压电转换部上的上部电极6f通过连接布线7f与共用电极8f电连接。

由此，图7A及7B所示的振动发电元件10与图1A及1B所示的振动发电元件10同样地，能够使输出电力更高且实现小型化。

（实施方式2）

本实施方式的振动发电元件10与实施方式1的振动发电元件10大致相同，代替第一压电转换部3a及第二压电转换部3b使用共用的压电层5，第一压电转换部3a的压电层5a和第二压电转换部3b的压电层5b使用在空间上分离的单独的结构，这点不同。此外，关于与实施方式1相同的构成要素，标注相同的附图标记并能够适当省略说明。

本实施方式的图8A及8B所示的振动发电元件10与图1A及1B同样地，具有：基底衬底1，其具有支承部2a和配置在支承部2a的内侧且能够自由摆动地被支承部2a支承的悬臂部2b；发电部3，在基底衬底1的一表面1b侧，形成在悬臂部2b上，并与悬臂部2b的振动相应地产生交流电。

另外，在振动发电元件10中，发电部3具有在基底衬底1的一表面1b侧的与悬臂部2b重叠的部位相互并列设置的第一压电转换部3a和第二压电转换部3b。尤其，在本实施方式的图8A及8B所示的振动发电元件10中，第一压电转换部3a及第二压电转换部3b分别具有：悬臂部2b侧的下部电极4；压电层5a、5b，形成在该下部电极4的与悬臂部2b侧相反的一侧；上部电极6a、6b，形成在该压电层5a、5b的与下部电极4侧相反的一侧。

而且，在本实施方式的振动发电元件10中，在基底衬底1的一表面1b侧具有：与第一压电转换部3a及第二压电转换部3b共用的下部电极4电连接的共用电极8d；与第一压电转换部3a及第二压电转换部3b的各自的上部电极6a、6b单独连接的单独电极8a、8b。

此外，在本实施方式的图8A及8B所示的振动发电元件10中，第一压电转换部3a的压电层5a、和与该压电层5a在空间上分离的第二压电转换部3b的压电层5b分别形成在共用的下部电极4上。

此外，在基底衬底1的一表面1b侧，通过连接布线7d与下部电极4电连接的共用电极8d形成在支承部2a的对应的部位。另外，在基底衬底1的一表面1b侧，通过连接布线7a、7b与各上部电极6a、6b分别电连接的单独电极8a、8b形成在支承部2a的对应的部位。

此外，在本实施方式的振动发电元件10中，防止与上部电极6a、6b电连接的连接布线7a、7b和下部电极4之间的短路的绝缘层由分别覆盖第一压电转换部3a中的压电层5a的周部的第一绝缘层9a、和分别覆盖第二压电转换部3b中的压电层5b的周部的第二绝缘层9b形成。各绝缘层9a、9b俯视观察时在基底衬底1的一表面1b侧分别限定压电层5a、5b和各上部电极6a、6b相接的区域。此外，第一绝缘层9a和第二绝缘层9b不一定必须分体形成，也可以一体地形成。

在本实施方式的振动发电元件10中，由于第一压电转换部3a的压电层5a和第二压电转换部3b的压电层5b在空间上分离，所以与图1A及1B所示的实施方式1的振动发电元件10相比，能够抑制在第一压电转换部3a中的上部电极6a、和与上部电极6a隔有共用的压电层5的第二压电转换部3b中的上部电极6b之间产生寄生电容，从而能够进一步提高发电效率。

此外，本实施方式的振动发电元件10不一定必须共用下部电极4，如图9A及9B所示，发电部3也可以采用第一压电转换部3a和第二压电转换部3b分别单独地在空间上分离的结构。即，第一压电转换部3a的下部电极4d、压电层5a及上部电极6a、以及第二压电转换部3b的下部电极4e、压电层5b及上部电极6b也可以分别单独地在空间上分离。

此外，本实施方式的图9A及9B所示的振动发电元件10是将从第一压电转换部3a的下部电极4d经由连接布线7d连接的电极作为单独电极8d。另外，振动发电元件10是将从第二压电转换部3a的上部电极6b经由连接布线7b连接的电极作为单独电极8b。而且，使从第一压电转换部3a的上部电极6a经由连接布线7a连接的电极、和从第二压电转换部3b的未图示的下部电极经由连接布线7e连接的电极串联连接而作为共用电极8g使用。

本实施方式的图8A及8B、图9A及9B所示的振动发电元件10都使用在空间上分离的压电层5a、5b构成了第一压电转换部3a和第二压电转换部3b。该情况下，各个压电层5a、5b不一定必须由相同的材料形成。即，也可以以使来自第一压电转换部3a的输出和来自第二压电转换部3b的输出相等的方式，适当选择第一压电层5a及第二压电层5b的面积、厚度、材料。另外，振动发电元件10也能够使在第一压电转换部3a的压电层5a和第二压电转换部3b的压电层5b上极化的极性相对于悬臂部2b的摆动方向成为相反方向。这样的压电层5a、5b能够例如在实施方式1的振动发电元件10中的图3C的压电膜图案化工序时，利用光刻技术及蚀刻技术，按照第一压电转换部3a及第二压电转换部3b单独地以在空间上分离的规定形状图案化而形成。该情况下，单独地在空间上分离地形成压电层5a、5b之后，能够蚀刻金属膜而形成共用的下部电极4。另外，单独地在空间上分离地形成压电层5a、5b之后，也可以蚀刻位于第一压电转换部3a及第二压电转换部3b之间的金属膜而形成在空间上分离的单独的下部电极4d、4e。

另外，通过利用上述转印法，还能够在下部电极4、4d、4e上按照第一压电转换部3a及第二压电转换部3b单独地在空间上分离地形成压电层5a、5b。

在本实施方式的图9A及9B所示的振动发电元件10中，在悬臂部2b的摆动时，被下部电极4d、4e及上部电极6a、6b诱导的电荷为反极性，串联连接第一压电转换部3a和第二压电转换部3b。由此，与第一压电转换部3a的压电层5a或第二压电转换部3b的压电层5b各自的电压相比，振动发电元件10的发电部3能够输出与将各压电层5a、5b合起来的厚度的压电层存在时相等的高电压。

在本实施方式的振动发电元件10中，通过在下部电极4e、4d和上部电极6a、6b之间分别施加不同极性的高电场，能够按照第一压电转换部3a、第二压电转换部3b分别进行使用了强介电体薄膜的压电层5a、5b的极化处理。因此，在本实施方式的振动发电元件10中，即使使用了强介电体薄膜的第一压电转换部3a、第二压电转换部3b的各压电层5a、5b内的极化的方向发生偏差时，也能够通过极化处理使各压电层5a、5b内的极化的方向一致。同样地，在本实施方式的振动发电元件10中，即使在压电层5a、5b的极化的方向和悬臂部2b的摆动方向之间发生了偏差时，也能够通过极化处理按照第一压电转换部3a、第二压电转换部3b的各压电层5a、5b分别使压电层5a、5b的极化的方向相互反向并与摆动方向一致。由此，振动发电元件10能够抑制因压电层5a、5b中的极化的方向和悬臂部2b的摆动方向之间发生偏差导致的发电效率降低。

本实施方式的图9A及9B所示的振动发电元件10能够使用共用电极8g和单独电极8d输出由第一压电转换部3a产生的电力。同样地，本实施方式的振动发电元件10能够使用共用电极8g和单独电极8b输出由第二压电转换部3b产生的电力。由此，本实施方式的振动发电元件10能够被作成向负载供给的电力更高且实现小型化的振动发电元件。

本实施方式的振动发电元件10能够与实施方式1的振动发电元件10同样地构成图2所示的振动发电装置20。

通过几个优选实施方式说明了本发明，但在不脱离本发明的原本的精神及范围即权利要求书的范围内，对于本领域技术人员来说，能够进行各种修改及变形。

Claims (7)

1.一种振动发电元件，具有：基底衬底，其具有支承部和能够自由摆动地被该支承部支承的悬臂部；以及发电部，形成在所述悬臂部上，与该悬臂部的振动相应地产生交流电，其特征在于，

所述发电部具有第一压电转换部和第二压电转换部，该第一压电转换部和第二压电转换部相互并列设置在所述基底衬底的一表面侧上的与所述悬臂部重叠的部位，

所述第一压电转换部及所述第二压电转换部分别具有：所述悬臂部侧的下部电极；形成在该下部电极的与所述悬臂部侧相反的一侧的压电层；以及形成在该压电层的与所述下部电极侧相反的一侧的上部电极，

在所述基底衬底的所述一表面侧具有：将所述第一压电转换部的所述上部电极或所述下部电极的任意一方、和所述第二压电转换部的所述上部电极或所述下部电极的任意一方电连接的共用电极；以及单独连接所述第一压电转换部及所述第二压电转换部的各自的另一方的所述上部电极或所述下部电极的单独电极。

2.如权利要求1所述的振动发电元件，其特征在于，

所述第一压电转换部的所述上部电极和所述第二压电转换部的所述上部电极作为在空间上分离的两个电极形成，

所述第一压电转换部的所述下部电极和所述第二压电转换部的所述下部电极作为共用的一个电极形成。

3.如权利要求1所述的振动发电元件，其特征在于，

所述第一压电转换部的所述上部电极和所述第二压电转换部的所述上部电极作为共用的一个电极形成，

所述第一压电转换部的所述下部电极和所述第二压电转换部的所述下部电极作为在空间上分离的两个电极形成。

4.如权利要求1所述的振动发电元件，其特征在于，所述第一压电转换部和所述第二压电转换部被配置在所述悬臂部的摆动方向上应变量相同的对称的位置。

5.如权利要求4所述的振动发电元件，其特征在于，

所述悬臂部以从所述支承部能够自由摆动地伸出的方式形成，

所述第一压电转换部及所述第二压电转换部沿相对于所述悬臂部的伸出方向垂直的方向并列设置。

6.如权利要求1所述的振动发电元件，其特征在于，所述第一压电转换部的所述压电层和所述第二压电转换部的所述压电层在空间上分离。

7.一种振动发电装置，其特征在于，具有：权利要求1～6中任一项所述的振动发电元件；以及二相全波整流电路部，对从所述振动发电元件的所述共用电极及各个所述单独电极输出的二相交流电进行整流。

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