CN113016132A - 振动发电元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种振动发电元件，具备一对固定电极部和可动电极部，一对固定电极部具有多个固定梳齿，并且上述多个固定梳齿对置地配置，可动电极部配置在上述一对固定电极部之间，并且具有向各固定电极部的上述多个固定梳齿之间插入的一对多个可动梳齿，上述振动发电元件是将上述固定梳齿以及/或者上述可动梳齿进行驻极体化的三端子构造的振动发电元件，其中，上述固定梳齿与上述可动梳齿之间的空隙区域的间隙尺寸比20μm小，上述空隙区域的梳齿高度方向的尺寸与上述空隙区域的间隙尺寸之比亦即纵横尺寸比为20以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动发电元件。
背景技术
现今，已知有使用了MEMS加工技术的静电型的微小的振动发电元件。在专利文献1中记载了如下振动发电元件：固定侧及可动侧的梳齿电极相互啮合地配置，并且以使梳齿电极的插入量发生变化的方式进行振动来进行发电。在专利文献1所记载的振动发电元件中，成为具备一对固定侧电极以及在上述固定侧电极之间进行振动的一个可动侧电极的三端子构造，从而即使在外部振动较小的情况下，也能够高效地进行发电。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-88780号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1所记载的振动发电元件中，为了增大发电机输出功率，一般需要增加梳齿电极的数量来增大梳齿电极的表面积，在使用了MEMS加工技术的静电型的微小的振动发电元件中，利用微小的环境振动来获得更大的发电机输出功率成为课题。
用于解决课题的方案
根据本发明的第一方式，振动发电元件具备一对固定电极部和可动电极部上述一对固定电极部具有多个固定梳齿，并且上述多个固定梳齿对置地配置，上述可动电极部配置在上述一对固定电极部之间，并且具有向各固定电极部的上述多个固定梳齿之间插入的一对多个可动梳齿，上述振动发电元件是将上述固定梳齿以及/或者上述可动梳齿进行驻极体化的三端子构造的振动发电元件，在上述振动发电元件中，上述固定梳齿与上述可动梳齿之间的空隙区域的间隙尺寸比20μm小，上述空隙区域的梳齿高度方向的尺寸与上述空隙区域的间隙尺寸之比亦即纵横尺寸比为20以上。
根据本发明的第二方式，在第一方式的振动发电元件的基础上，优选为，上述固定梳齿以及上述可动梳齿由硅形成，在上述固定梳齿以及上述可动梳齿的至少一方的表面，形成有包含永久电荷的氧化硅膜。
根据本发明的第三方式，在第二方式的振动发电元件的基础上，优选为，在上述氧化硅膜的表面形成有驻极体保护膜。
发明的效果如下。
根据本发明，能够抑制振动发电元件的大型化，并且实现发电机输出功率的提高。
附图说明
图1是振动发电元件的俯视图。
图2是示出固定部和固定部上的BOX层(SiO2层)的形状的图。
图3是说明形成于梳齿电极的驻极体的图。
图4是说明振动发电的原理的图。
图5是相互啮合的梳齿电极的部分的放大图。
图6是示出蚀刻速率的实测值的一例的线图。
图7是示意性地示出蚀刻槽形状的图。
图8是示出梳齿电极部分的形成步骤的图。
图9是示出接着图8之后的步骤的图。
图10是说明第三工序的图。
图11是说明第三工序的图，示出接着图10之后的步骤。
图12是说明虚拟图案的变形例的图，示出第二工序。
图13是说明固定侧及可动侧的梳齿电极的梳齿高度方向的尺寸不同的情况下的纵横比的图。
图14是示出最大位移时的梳齿纵横比与发电机输出功率的关系的一例的线图。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。图1是振动发电元件1的俯视图。振动发电元件1具备设有固定电极部111的固定部11、设有可动电极部121的可动部12、以及弹性支撑可动部12的弹性支撑部13。可动部12经由弹性支撑部13而与形成在固定部11上的连接部114进行机械连接以及进行电连接。
图1所示的振动发电元件1使用SOI(Silicon On Insulator)基板并通过一般的MEMS加工技术来形成。SOI基板是由Si的处理层、SiO2的BOX层以及Si的器件层构成的三层构造的基板，固定部11由处理层形成，固定电极部111、可动部12、弹性支撑部13以及连接部114由器件层形成。此外，振动发电元件1不限定于SOI基板，也可以使用Si基板等形成。
在固定部11上形成有四组固定电极部111，在各固定电极部111，在y方向上形成有多个沿x方向延伸的梳齿电极110。在可动部12，在图示上下形成有两组可动电极部121。在各可动电极部121，在y方向上形成有多个沿x方向延伸的梳齿电极120。固定电极部111的梳齿电极110与可动电极部121的梳齿电极120配置为，在静止状态下在x方向上具有预定的啮合长度，并经由空隙相互啮合。
可动部12由四组弹性支撑部13弹性支撑。各弹性支撑部13具备能够弹性变形的三根梁13a～13c。梁13a的端部固定在固定部11上，梁13b的一端与可动电极部12的x方向两端连接，梁13c的端部与形成在固定部11上的连接部114连接。在固定电极部111上形成有电极焊盘112，在连接部114上形成有电极焊盘113。若可动部12在x方向上进行振动，则可动电极部121在一对固定电极部111之间进行振动，从而梳齿电极120相对于固定电极部111的梳齿电极110的插入量(啮合量)发生变化来进行发电。
图2示出形成于SOI基板的处理层的固定部11的俯视形状和形成于BOX层并由阴影线示出的固定部区域11A、11B、11C的俯视形状。固定部区域11A、11B、11C是以夹有形成于器件层的固定电极部111、连接部114及弹性支撑部13和固定部11的方式残留的BOX层。固定部区域11A示出夹在梁13a的端部与固定部11之间的BOX层。固定部区域11B示出夹在连接部114与固定部11之间的BOX层。固定部区域11C示出夹在固定电极部111与固定部11之间的BOX层。
图3是示出固定电极部111的梳齿电极110和可动电极部121的梳齿电极120的截面的一部分的示意图。通过公知的B-T法(Bias-Temperature法：例如参照日本特开2013-13256号公报)在梳齿电极110、120形成驻极体。在图3所示的例子中，在形成于梳齿电极110的表面的氧化膜(SiO2膜)，形成有负电荷(SiO－)的驻极体。箭头示出电力线。
图4是说明振动发电的原理的图。此外，图4中，示出了针对一个固定电极部设有一个可动电极部的两端子构造的例子。图4的(a)示出可动电极部121(未图示)位于驻极体的静电力与弹性支撑部13的弹性力平衡的中立位置的情况下的梳齿电极110、120。若因环境振动而从图4的(a)的状态起如图4的(b)所示地可动电极部侧的梳齿电极120向右侧移动，则梳齿电极110与梳齿电极120的啮合区域变小，从而由静电感应产生的电子从梳齿电极110向梳齿电极120流动。相反，若从图4的(a)的状态起如图4的(c)所示地可动电极部侧的梳齿电极120向左侧进行移动，则梳齿电极110与梳齿电极120的啮合区域变大，从而由静电感应产生的电子从梳齿电极120向梳齿电极110流动。
这样，在利用形成有驻极体的梳齿电极的插入量(啮合量)的变化来进行发电的振动发电元件中，振动发电元件的相互啮合的梳齿电极110、120的对置面(侧壁)的高度越大，同一振动量下产生的发电量越大。即，形成有梳齿电极110、120的SOI基板的器件层的厚度越厚，能够使梳齿电极110、120的侧壁面积越大，从而即使图1的俯视图中的元件面积相同，也能够提供发电量更大的振动发电元件。
然而，在形成有驻极体的振动发电元件1的情况下，因由驻极体产生的静电引力，可动电极部121的梳齿电极120会被拉入到固定电极部111的梳齿电极110。在弹性支撑部13发生了变形时的弹性力大到某种程度的情况下，在梳齿电极120被拉入到中途的状态下，成为静电力与弹性力平衡的状态。在弹性支撑部13的弹性力比静电力小的情况下，静电力与弹性力不会平衡，从而成为梳齿电极120完全被拉入的状态。因此，在图4所示的两端子结构的振动发电元件的情况下，若增大梳齿电极110、120的器件层厚度方向尺寸(z方向尺寸)，则静电力变大，在环境振动较小的情况下产生难以进行振动的问题。
在本实施方式中，通过成为可动电极部121在一对固定电极部111之间进行振动的三端子结构，从而成为一方的梳齿电极110、120所产生的静电引力抵消另一方的梳齿电极110、120的静电引力的三端子结构的振动发电元件1。而且，通过成为三端子结构，能够在不受静电引力的影响的情况下进一步增大梳齿电极110、120的梳齿高度方向的尺寸、即z方向尺寸，即使不增加梳齿根数，也能够容易地实现发电量的增大。当然，通过将梳齿电极的z方向尺寸保持为现有的尺寸地增加梳齿根数，也能够实现发电量的增加，但有在俯视振动发电元件1时的面积增加而变得大型的缺点。
然而，在具备相互啮合的梳齿电极110、120的振动发电元件1中，如图5所示，梳齿电极120插入梳齿电极110中的部分的间隙尺寸、即啮合状态下的梳齿电极110、120之间的间隙尺寸G1比未啮合的部分的相邻的梳齿电极110之间的间隙尺寸G2小。梳齿电极110、120的z方向尺寸L1一般与SOI基板的器件层的厚度尺寸相同。L2是梳齿电极110、120的y方向尺寸。
关于梳齿电极110、120之间的空隙区域(以下，也称为间隙区域)，间隙区域的梳齿高度方向的尺寸L1与间隙区域的间隙尺寸G1之比＝L1/G1被称为该间隙区域的纵横比。同样，在梳齿电极110的未啮合的根部附近的相邻的梳齿电极110之间的间隙区域的纵横尺寸比由L1/G2表示。作为一例，若设为G1＝9μm、L1＝300μm、L2＝20μm，则G2＝38μm，梳齿电极110、120之间的间隙区域的纵横比为33.3，相邻的梳齿电极110之间的间隙区域的纵横比为7.9。
此外，如图13所示，在固定侧的梳齿电极110与可动侧的梳齿电极120的梳齿高度方向的尺寸如L3、L1(＜L3)那样不同的情况下，空隙区域GA成为被梳齿电极110和梳齿电极120夹持的区域，空隙区域GA的梳齿高度方向的尺寸为L1。图13中，(a)是梳齿电极110、120的俯视图，(b)是C-C剖视图，(c)是D-D剖视图。因而，空隙区域GA的纵横比表示为L1/G1。相反，在L3＜L1的情况下，空隙区域GA的梳齿高度方向的尺寸为L3，纵横比表示为L3/G1。
如本实施方式的振动发电元件1那样，在固定电极部111的梳齿电极110与可动电极部121的梳齿电极120啮合并在插入方向上进行振动的构造的情况下，处于啮合状态的部分的间隙尺寸G1与未啮合的部分的间隙尺寸G2不同。在振动发电元件1中，通过半导体加工技术来形成SOI基板，但梳齿电极110、120的间隙区域之类的高纵横比的槽一般通过基于Deep-RIE的蚀刻来加工。
基于Deep-RIE的蚀刻速率根据间隙尺寸(槽宽)不同而不同。图6是示出蚀刻速率的实测值的一例的线图。线L10示出对开口宽度10μm、15μm、20μm、30μm以及40μm的槽同时开始蚀刻且开口宽度40μm的蚀刻深度达到578.6μm时的各开口宽度10μm～30μm的蚀刻深度。并且，线L20示出对开口宽度5μm、7.5μm、10μm以及20μm的槽同时开始蚀刻且开口宽度20μm的蚀刻深度达到400μm时的各开口宽度5μm～10μm的蚀刻深度。
此外，线L10上的开口宽度10μm、15μm、20μm、30μm以及40μm的纵横比分别为37、27.8、23.1、17.5以及14.5。另一方面，线L20上的开口宽度5μm、7.5μm、10μm以及20μm的纵横比分别为58.2、47.5、39.6以及20。
若比较线L10、20，则大致以10～20μm为界，蚀刻速率相对于开口宽度的变化的状况不同。即，若从开口宽度20μm附近起蚀刻速率的降低程度逐渐变大，而且开口宽度变得约比10μm小，纵横比变得比30大，则推定为蚀刻速率的降低程度变得更显著。因此，如图5所示，在纵横比不同的间隙区域混合存在的情况下，纵横比不同的间隙区域内的蚀刻速率较大地不同，可知这对通过蚀刻加工形成的梳齿形状产生不良影响。
例如，开口宽度5μm的蚀刻速率与开口宽度20μm的蚀刻速率之比比开口宽度20μm的蚀刻速率与开口宽度40μm的蚀刻速率之比小。因此，在将SOI基板的器件层蚀刻至到达BOX层的情况下，将开口宽度5μm和开口宽度20μm蚀刻至到达BOX层的情况下的蚀刻时间的时间差比将开口宽度20μm和开口宽度40μm蚀刻至BOX层的情况下的蚀刻时间的时间差大。若蚀刻的时间差变大，则对于先到达BOX层的开口宽度较大的一方的蚀刻槽而言，BOX层附近的槽侧壁进一步被蚀刻，壁部的厚度即梳齿电极的宽度尺寸变小，对振动发电产生不良影响。到BOX层为止的尺寸越大，对该槽侧壁的厚度的影响越显著，若间隙尺寸G1的间隙区域的纵横比为20以上，则有对振动发电产生影响的担忧。
图7是示意性地示出在SOI基板的器件层形成有间隙尺寸G1的槽300和间隙尺寸G2(＞G1)的槽301的情况下的蚀刻槽形状的图。图7的(a)示出间隙尺寸G2的槽301到达BOX层的时刻的形状，槽宽较窄的槽300未到达BOX层。图7的(b)示出槽300到达BOX层的时刻的形状。在从图7的(a)到图7的(b)的期间，通过蚀刻，在槽301的底部附近(BOX层附近)，器件层容易在横向上被蚀刻。如图7的(b)所示，在槽300到达BOX层的时刻，槽301呈在离BOX层较近的区域C中槽壁部被蚀刻成槽口状的形状。
(梳齿电极形成方法)
在本实施方式中，为了防止图7的(b)所示的槽口状的蚀刻形状，将梳齿电极形成用的掩模方式设为与现有技术不同的形态。对于由SOI基板形成振动发电元件1的结构体的方法而言，除了梳齿电极部分的掩模形态之外，与现有的形成方法(例如，参照日本再公表专利WO2015/019919公报等)相同，此处，仅对梳齿电极110、120部分的结构体的形成步骤进行说明。图8～图11是示出梳齿电极110、120部分的形成步骤的图。图8的(a)是梳齿电极110、120部分的俯视图，图8的(b)、(c)示出A-A剖视图及B-B剖视图。
在第一工序中，准备由处理层401、BOX层402以及器件层403构成的SOI基板，将用于在器件层403的表面形成梳齿电极110、120的铝掩模图案404、405形成为图8的(a)～(c)那样的形状。铝掩模图案404的俯视形状与梳齿电极110的俯视形状对应，铝掩模图案405的俯视形状与梳齿电极120的俯视形状对应。在啮合状态区域的A-A剖视图(图8的(b))中形成有铝掩模图案404、405，在未啮合的梳齿电极120的根部区域的B-B剖视图(图8的(c))中仅形成有铝掩模图案405。图8的(c)的铝掩模图案405彼此的间隔(开口宽度)G2比图8的(b)所示的铝掩模图案404与铝掩模图案405的间隔(开口宽度)G1宽。如图8的(a)所示，铝掩模图案404彼此的间隔也为G2。
图9是示出第二工序的图。在第二工序中，如图9的(a)的俯视图所示，在梳齿根部区域中的相邻的铝掩模图案405之间以及相邻的铝掩模图案404之间的空隙，分别形成由抗蚀剂形成的虚拟图案406。虚拟图案406是用于将开口宽度较窄的槽和开口宽度较宽的槽的蚀刻完成时机(到达BOX层的时机)调整为成为大致同时的图案，在基于Deep-RIE的槽加工结束时(梳齿电极形成完成时)，进行蚀刻将虚拟图案406除去。在下文中说明虚拟图案406的厚度T的设定方法。
作为虚拟图案406的材料，此处使用抗蚀剂，但只要基于Deep-RIE的蚀刻速率比铝掩模图案大并在蚀刻加工结束时被除去，则能够任意使用而不限定于抗蚀剂。此处，如图9的(a)所示，说明将虚拟图案406与铝掩模图案404、405的间隔设定为与啮合状态的相邻的铝掩模图案404、405的间隔程度相同的情况。
图10、图11是示出第三工序的图。在第三工序中，进行基于Deep-RIE的蚀刻，在器件层403形成梳齿电极110、120。按照图10的(a)、图10的(b)、图11的(a)、图11的(b)的顺序进行蚀刻，若成为了图11的(b)的状态，则蚀刻工序(第三工序)完成。在图10的(a)的A-A剖视图中，从未由铝掩模图案404、405覆盖的器件层403露出的部分下挖器件层403进行蚀刻，从而形成槽403a。另一方面，在B-B剖视图中，虚拟图案406与铝掩模图案405之间的器件层403露出的部分被蚀刻而形成槽403b，并且抗蚀剂的虚拟图案406的厚度也因蚀刻而减少。
图10的(b)示出从图10的(a)起进一步经过蚀刻时间并如B-B剖视图所示地虚拟图案406的厚度通过蚀刻而变为零的时刻。与图10的(a)所示的情况相比，槽403a、403b的深度增加。如B-B剖视图所示，在相邻的铝掩模图案405之间露出的器件层403呈在凸状部403c的两侧形成有槽403b的截面形状。
图11的(a)示出从图10的(b)起进一步经过蚀刻时间后的状态。槽403a、403b的深度进一步增加，并且如B-B剖视图所示，凸状部403c的部分也被蚀刻，而前端位置比图10的(b)的情况变低。在B-B剖视图中，相邻的铝掩模图案405的间隔(即开口宽度)比A-A剖视图的铝掩模图案404、405之间的间隔宽，因而蚀刻速率更大。因此，凸状部403c的前端位置的降低率比槽403a的深度的增加率变大。
图11的(b)示出从图11的(a)起进一步经过蚀刻时间且A-A剖视图的槽403a到达BOX层402的时刻。如图11的(b)的B-B剖视图所示，图11的(a)所示的槽403b与A-A剖视图的槽403a的情况大致同时地到达BOX层402。并且，图11的(a)所示的凸状部403c也与槽403a到达BOX层402的情况大致同时地通过蚀刻而完全被除去。其结果，在相邻的铝掩模图案405之间会形成槽宽较宽的槽403d。
之后，经过利用BHF(缓冲氢氟酸)等从BOX层进行释放的工序，来形成振动发电元件1的构造体。此外，如上所述，利用Deep-RIE来除去虚拟图案406，但有时在虚拟图案406的四方残留Deep-RIE时的保护膜。但是，也在从BOX层释放的释放工序时释放该保护膜来将其除去。
若形成振动发电元件1的结构体后，通过公知的B-T法在梳齿电极110、120形成驻极体膜。而且，为了提高驻极体的稳定性(耐湿性)，也可以在驻极体膜的表面形成保护膜。作为保护膜，有各种保护膜，但例如优选通过公知的原子层沉积法(ALD法：Atomic LayerDeposition)形成的氧化铝膜。此处，省略通过ALD法形成的氧化铝膜的形成方法的说明，但例如能够利用日本特开2016-82836号公报所记载的公知的制造方法来形成。根据ALD法，如本实施方式的梳齿电极的间隙区域那样，对于高纵横比的构造的表面也示出均匀的成膜性，能够实现驻极体的电荷稳定性的提高。
虚拟图案406的厚度例如可以如下设定。首先，在与器件层403相同的Si基板，形成具有间隙尺寸G1的开口和间隙尺寸G2(＞G1)的开口的铝掩模图案。接下来，进行基于Deep-RIE的蚀刻，测量间隙尺寸G2的开口的蚀刻槽深度达到期望深度H为止的时间t2(min)。进一步进行蚀刻，测量间隙尺寸G1的开口的蚀刻槽深度达到期望深度H为止的时间t1(min)。接下来，测量虚拟图案406所使用的抗蚀剂的蚀刻速率(蚀刻速度)Rer(μm/min)。此外，对抗蚀剂进行蚀刻时的开口的宽度(间隙尺寸)设为间隙尺寸G2。如图5所示，在梳齿高度(z方向尺寸)即器件层403的厚度为L1的情况下，虚拟图案406所需的厚度T根据T＝(t1－t2)×Rer×(L1/H)来计算。
并且，对于从间隙尺寸G1的开口起对Si基板进行蚀刻的情况下的蚀刻速率Re1而言，若将期望深度设为H(μm)，则表示为Re1＝H/t1，从间隙尺寸G2的开口起对Si基板进行蚀刻的情况下的蚀刻速率Re2表示为Re2＝H/t2。因而，若使用蚀刻速率Re1、Re2，则虚拟图案406所需的厚度T根据T＝(1/Re1－1/Re2)×Rer×L1来计算。
如上所述，在本实施方式中，在如图8所示地间隙尺寸不同的开口混合存在的情况下，如图9的(a)所示，在间隙尺寸较大的开口配置虚拟图案406。由此，无论在如梳齿电极110、120啮合的区域那样间隙尺寸G1较小且纵横比较大的情况下，还是在如梳齿电极110、120的根部区域那样间隙尺寸G2较大且纵横比较小的情况下，都能够如图11的(b)所示地在大致相同的时机使蚀刻到达作为蚀刻停止层的BOX层402。其结果，在梳齿电极110、120的根部区域(间隙尺寸G2)内，能够防止如图7的(b)的符号C所示地将槽壁部蚀刻成槽口状的情况，从而能够形成如设计那样的形状的梳齿电极。
(虚拟图案406的变形例)
在上述的图9的(a)所示的例子中，在相邻的铝掩模图案405之间的空隙设置间隔地配置有虚拟图案406，但虚拟图案406的配置例并不限定于此。例如，也可以如图12所示地形成虚拟掩模416来代替上述的虚拟图案406。图12的情况也与图9的情况相同，(a)是俯视图，(b)是A-A剖视图，(c)是B-B剖视图。
在间隙尺寸为G1的梳齿区域未形成虚拟掩模416，图12的(b)的A-A剖视图与图9的(b)的情况相同。另一方面，间隙尺寸G2的梳齿部分以不仅覆盖开口部还覆盖铝掩模图案404、405的方式形成有由抗蚀剂形成的虚拟掩模416。如图12的(c)的B-B剖视图所示，虚拟掩模416形成为开口部分的厚度T与图9的(c)所示的虚拟图案406的厚度T相同。
在形成有这样的虚拟掩模416的情况下，也能够使间隙尺寸G1的间隙区域的蚀刻和间隙尺寸G2的间隙区域的蚀刻在大致相同的时机到达BOX层402。但是，在该变形例的情况下，有时在Deep-RIE时残留多余的保护膜，而以突起物之类的形状残留在梳齿部分。在这样的情况下，有可能可动侧的梳齿电极120锁定在固定侧的梳齿电极110。此外，在上述释放工序中，在欲要利用基于BHF的蚀刻来将残留的保护膜除去的情况下，有过度蚀刻而在释放工序时梳齿部分的形状发生变形或者梳齿部分被除去的担忧。
如上所述，在本实施方式及变形例中，通过在开口宽度较宽的间隙尺寸G2的开口区域配置虚拟图案406、虚拟掩模416，能够使间隙尺寸G2的蚀刻完成时机与较小的间隙尺寸G1的区域的蚀刻完成时机大致相同。其结果，在固定侧及可动侧的梳齿电极相互啮合的构造的振动发电元件中，间隙区域的纵横尺寸比较高的梳齿结构能够以准确的形状形成。具体而言，需要追加用于除去Deep-RIE时的保护膜的清洗工序、或者O2灰化工序，但能够使固定电极部111的一对梳齿电极110的侧壁中的、相互对置的侧壁为从BOX层到处理层表面为止垂直的壁。对于可动电极部121的一对梳齿电极120也相同，能够使相互对置的侧壁为从BOX层到处理层表面为止垂直的壁。因此，能够得到按照设计的发电输出，即使在来自外部的加速度较小的振动条件下也能够获取更大的输出功率。
作为一例，在同一梳齿构造的振动发电元件中，对使图5的间隙尺寸G1的间隙区域的纵横比为7.1至33.1的情况下的发电机输出功率进行比较。纵横比为7.1的振动发电元件的情况下的梳齿电极为G1＝14μm、L1＝100μm，在负载电阻为7MΩ(最佳负载连接)、共振频率为125Hz、加速度为0.05G时，得到发电机输出功率为68μW。纵横比为33.1的情况下的振动发电元件为G1＝9μm、L1＝300μm，在负载电阻为5MΩ(最佳负载连接)、共振频率为139Hz、加速度为0.20G时，得到发电机输出功率为435μW。即，通过成为高纵横比，能够使发电机输出功率提高6.4倍。
并且，图14是示出最大位移时(最佳负载连接)的梳齿纵横比与发电机输出功率的关系的一例的线图。示出将梳齿高度L1固定为100μm并将间隙尺寸G1设为20μm、15μm、10μm、5μm、1μm的情况下的最大发电机输出功率。在任一情况下，振动发电元件1的梳齿根数、带电电压、可动电极部121的最大位移等都设定为相同。
(1)如上所述，本实施方式中的振动发电元件1是三端子构造的振动发电元件，其具备一对固定电极部111和可动电极部121，一对固定电极部111具有多个梳齿电极110，并且上述多个梳齿电极110对置地配置，可动电极部121配置在上述一对固定电极部111之间，并且具有向各固定电极部111的上述多个梳齿电极110之间插入的一对多个梳齿电极120，梳齿110以及/或者梳齿电极120进行驻极体化，在上述振动发电元件中，梳齿电极110与梳齿电极120之间的空隙区域GA(间隙区域)的间隙尺寸G1比20μm小，空隙区域GA的梳齿高度方向的尺寸L1与空隙区域GA的间隙尺寸G1之比即纵横比L1/G1为20以上。
在如图5所示地相互啮合的梳齿结构的情况下，在啮合区域内，间隙尺寸较小而纵横尺寸较大，在未啮合的梳齿根部区域内，间隙尺寸较大而纵横尺寸较小。在像这样纵横比较大的部位和纵横比较小的部位混合存在的情况下，通过将图9的(a)、(c)所示的虚拟图案406配置于梳齿电极110之间的开口部，能够容易地形成间隙尺寸G1比20μm小且纵横比为20以上的梳齿电极110、120。由此，能够抑制振动发电元件1的大型化，并且能够使发电机输出功率比现有技术大。此外，除了梳齿电极110与梳齿电极120之间的间隙区域的间隙尺寸G1以及纵横比之外，还可以考虑间隙尺寸G2的间隙区域的纵横比与间隙尺寸G1的间隙区域的纵横比之差。
(2)虽然在上述的实施方式中，在固定电极部111的梳齿电极110的表面，形成有包含作为永久电荷的负电荷(SiO-)离子的SiO2膜并进行驻极体化，但是也可以在梳齿电极110、120的至少一方的表面形成包含永久电荷的热氧化膜(氧化硅膜)。由于该热氧化膜通过对作为梳齿电极110、120的基材的硅进行热氧化来形成，所以即使在纵横比较高的情况下，也能够在梳齿电极110、120的表面整体形成均匀的硅氧化膜。
(3)在形成有驻极体的氧化硅膜(SiO2膜)的表面形成有驻极体保护膜500(参照图3)。通过形成驻极体保护膜500，能够实现驻极体的电荷稳定性的提高。作为驻极体保护膜500，例如有用原子层沉积法沉积而成的氧化铝的保护膜。根据原子层沉积法，如本实施方式的梳齿电极的间隙区域那样，对于高纵横比的构造的表面也示出均匀的成膜性，即使是间隙区域的纵横比较高的梳齿电极110、120，也能够在驻极体的表面整体均匀地形成保护膜。
以上，对各种实施方式及变形例进行了说明，但本发明并不限定于上述内容。在本发明的技术思想的范围内考虑到的其它方式也包含在本发明的范围内。
以下的优先权基础申请的公开内容作为引用文而引入到本文中。
日本特愿2018-215630号(2018年11月16日申请)
符号的说明
1—振动发电元件，11—固定部，12—可动部，13—弹性支撑部，110、120—梳齿电极，111—固定电极部，121—可动电极部，G1、G2—间隙尺寸，GA—空隙区域(间隙区域)。
Claims (3)
1.一种振动发电元件，具备一对固定电极部和可动电极部，
上述一对固定电极部具有多个固定梳齿，并且上述多个固定梳齿对置地配置，
上述可动电极部配置在上述一对固定电极部之间，并且具有向各固定电极部的上述多个固定梳齿之间插入的一对多个可动梳齿，
上述振动发电元件是将上述固定梳齿以及/或者上述可动梳齿进行驻极体化的三端子构造的振动发电元件，
上述振动发电元件的特征在于，
上述固定梳齿与上述可动梳齿之间的空隙区域的间隙尺寸比20μm小，
上述空隙区域的梳齿高度方向的尺寸与上述空隙区域的间隙尺寸之比亦即纵横比为20以上。
2.根据权利要求1所述的振动发电元件，其特征在于，
上述固定梳齿以及上述可动梳齿由硅形成，
在上述固定梳齿以及上述可动梳齿的至少一方的表面，形成有包含永久电荷的氧化硅膜。
3.根据权利要求2所述的振动发电元件，其特征在于，
在上述氧化硅膜的表面形成有驻极体保护膜。
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