CN113316891A - 振动发电元件以及振动发电元件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

对隔着绝缘层而设有第一Si层和第二Si层的基板进行加工而形成的振动发电元件具备：固定电极，其形成于上述第一Si层；以及可动电极，其形成于上述第二Si层，并隔着形成于上述绝缘层的缝隙空间而与上述固定电极对置，且相对于上述固定电极进行相对移动。

Description

振动发电元件以及振动发电元件的制造方法
技术领域
本发明涉及振动发电元件以及振动发电元件的制造方法。
背景技术
近年来，作为利用了环境振动的能量收集技术之一，公知有使用了MEMS(microelectro-mechanical system，微机电系统)加工技术的振动发电元件来进行发电的技术。在这种用途的振动发电元件中，为了得到小型且高的发电效率，提出了使用驻极体的静电型的振动发电元件(参照专利文献1)。
在专利文献1所记载的振动发电元件中，在SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)基板的活性层形成梳齿构造的可动电极和固定电极，通过由弹性支撑部支撑的可动电极振动来进行发电。在这种振动发电元件中，可动电极与固定电极的缝隙(静电缝隙)越小则静电容量越增加，有利于发电电力的增大。另外，缝隙越小则电气阻尼越大，无法使发电元件的Q值下降，在基于随机振动的发电中优选Q值较小。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开2018－88780号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，在专利文献1的振动发电元件中，通过蚀刻对作为同一Si层的活性层进行槽加工来形成可动电极与固定电极之间的缝隙，因此根据MEMS加工的纵横比界限而在缝隙尺寸的减少方面存在界限。例如，在活性层的厚度为数百μm的情况下，10μm左右为缝隙尺寸的界限。
用于解决课题的方案
根据本发明的第一方案，是一种振动发电元件，其对隔着绝缘层而设有第一Si层和第二Si层的基板进行加工而形成，其具备：固定电极，其形成于上述第一Si层；以及可动电极，其形成于上述第二Si层，并隔着形成于上述绝缘层的缝隙空间而与上述固定电极对置，且相对于上述固定电极进行相对移动。
根据本发明的第二方案，在第一方案的振动发电元件中，优选具备弹性支撑部，该弹性支撑部形成于上述第二Si层，并且一端与上述可动电极连接，另一端隔着上述绝缘层而固定于上述第一Si层。
根据本发明的第三方案，在第一或第二方案的振动发电元件中，优选上述第一Si层比上述第二Si层厚。
根据本发明的第四方案，在第一或第二方案的振动发电元件中，优选上述第二Si层比上述第一Si层厚。
根据本发明的第五方案，在第一方案至第四方案的任一方案的振动发电元件中，优选上述固定电极以及上述可动电极在振动停止状态下俯视时没有重叠。
根据本发明的第六方案，是一种制造方法的制造方法，是对隔着绝缘层而设有第一Si层和第二Si层的基板进行加工而形成的振动发电元件的制造方法，其中，在上述第一Si层形成固定电极，在上述第二Si层形成与上述固定电极对置的可动电极，去除介于上述固定电极与上述可动电极之间的上述绝缘层。
发明的效果
根据本发明，能够更加减小固定电极与可动电极之间的缝隙。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的振动发电元件的概略结构的俯视图。
图2是表示振动发电元件的A-A剖面以及B-B剖面的图。
图3是表示可动电极位移后的状态的图。
图4是表示振动发电元件的制造方法的一例的图。
图5是表示振动发电元件的制造方法的一例的图，表示与图4接续的工序。
图6是表示振动发电元件的制造方法的一例的图，表示与图5接续的工序。
图7是表示振动发电元件的制造方法的一例的图，表示与图6接续的工序。
图8是表示比较例的图。
图9是说明停止状态下的固定梳齿与可动梳齿的重叠的图。
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是表示本发明的一个实施方式的振动发电元件1的概略结构的俯视图。振动发电元件1例如使用SOI(Silicon OnInsulator，绝缘体上硅)基板并利用一般的MEMS加工技术来形成。SOI基板(以下称为SOI基板10)是由称为处理层、支撑层等的Si层(以下称为Si层10a)、称为BOX层等的SiO2层(以下称为绝缘层10b)、称为器件层、活性层等的Si层(以下称为Si层10c)构成的三层构造的基板。
一般地，SOI基板10的Si层10a、10c的厚度为100μm～500μm左右，绝缘层10b(SiO2层)的厚度为数μm左右(例如，1μm～3μm)。以下，作为一例，以Si层10a为400μm、Si层10c为100μm、绝缘层10b为1μm进行说明。
振动发电元件1具备支撑部2、固定电极3、可动电极5、以及弹性支撑部6。在弹性支撑部6形成有连接电极60，在支撑部2的背面侧与连接电极60之间连接有负荷7。此外，以下使用如图1那样设定的xyz直角坐标系进行说明。
固定电极3设于支撑部2，支撑部2以及固定电极3形成于SOI基板10的Si层10a。可动电极5由四个弹性支撑部6弹性支撑。各弹性支撑部6的一端与可动电极5连接，另一端固定于支撑部2。可动电极5以及弹性支撑部6形成于SOI基板10的Si层10c。上述的弹性支撑部6的另一端隔着SOI基板10的绝缘层10b而固定于Si层10a的支撑部2。
在本实施方式中，固定电极3以及可动电极5成为梳齿构造的电极。固定电极3具备多个在y方向上细长的固定梳齿30，可动电极5也具备在y方向上细长的可动梳齿50。在俯视时，固定梳齿30以及可动梳齿50在x方向上交替地配置。若对振动发电元件1施加外力，则由弹性支撑部6弹性支撑的可动电极5如箭头R所示那样在x方向上振动。
图2是表示图1所示的振动发电元件1的剖面的图，图2(a)是A－A剖视图，图2(b)是B-B剖视图。图2(a)的A－A剖视图是通过固定梳齿30以及可动梳齿50的部分的剖视图，在形成于Si层10a的固定梳齿30的图示上方(z轴正方向)，隔开缝隙尺寸g地配置有可动梳齿50以及弹性支撑部6。即，可动电极5隔着形成于绝缘层10b的缝隙空间G而与固定电极3对置。可动梳齿50以及弹性支撑部6形成于Si层10c，缝隙空间G通过去除固定电极3(Si层10a)与可动电极5(Si层10c)之间的绝缘层10b而形成。因此，缝隙尺寸g与介于Si层10a与Si层10c之间的绝缘层10b的厚度尺寸L0相同。
图2(a)所示的可动梳齿50(可动电极5)如上所述相对于下侧的固定梳齿30(固定电极3)在图示左右方向(x方向)上振动。此外，图2(a)的固定梳齿30的右侧侧面S1的x方向位置与可动梳齿50的左侧侧面S2的x方向位置设定为相同，但在图1、图2中以设置若干的间隙的方式图示。
图2(b)的B-B剖视图是通过弹性支撑部6的另一端(固定于支撑部2的部分)的剖视图。弹性支撑部6的另一端隔着SOI基板10的绝缘层10b(SiO2层)而固定在形成于Si层10a的支撑部2。
图1是表示可动电极5停止的中立状态的图，而图3是表示可动电极5向x轴负方向位移Δx的状态的图。图3(a)是俯视图，图3(b)是A－A剖视图。在可动电极5停止的状态下，俯视时的固定梳齿30与可动梳齿50的重叠为零。
另一方面，如图3所示，若可动电极5向x轴负方向位移Δx，俯视时的固定梳齿30与可动梳齿50的重叠的面积S成为S＝L×Δx。在此，L是固定梳齿30与可动梳齿50在重叠的y方向上的长度。重叠区域整体有四处，因此重叠面积的增加整体成为4S。重叠区域的面积为S的情况的静电容量C是C＝ε×S/g，因此根据可动电极5的位移Δx，固定梳齿30与可动梳齿50之间的静电容量增加4C＝4×ε×S/g。此外，ε是固定梳齿30与可动梳齿50之间的介质(该情况为空气)的介电常数。
在振动发电元件1中，利用这种可动电极5的振动引起的静电容量的变化来进行发电。发电量依赖于静电容量的变化，因此缝隙尺寸g越小则越能够获得大的发电量。在本实施方式中，缝隙尺寸g与设置在Si层10a与Si层10c之间的绝缘层10b的厚度相同，因此与如上述的专利文献1所记载的振动发电元件的那样在同一Si层形成固定电极和可动电极的结构情况相比，能够容易更小地设定固定电极与可动电极之间的缝隙尺寸。
(振动发电元件1的制造方法)
图4～图7是表示振动发电元件1的制造方法的一例的图。此外，图4～图7所示的剖视图表示图1的C－C剖面。在图4(a)所示的工序中，在SOI基板10的表背两面，利用LP－CVD形成SiN膜201以及Poly－Si膜202。SOI基板10由Si层10a、绝缘层10b、以及Si层10c这三层构成。
在图4(b)所示的工序中，在SOI基板10的表面侧(Si层10c侧的表面)形成抗蚀剂掩模，该抗蚀剂掩模用于保留形成连接电极60的区域的SiN膜201以及Poly－Si膜202，通过使用了SF6、CF4的RIE(Reactive Ion Etching，反应离子蚀刻)来蚀刻SiN膜201以及Poly－Si膜202。其结果，如图4(b)那样，在Si层10c的表面形成SiN膜201以及Poly－Si膜202的图案。
在图4(c)所示的工序中，在基板的表背两面形成Al蒸镀膜203之后，形成用于蚀刻Al蒸镀膜203的抗蚀剂掩模(未图示)，使用该抗蚀剂掩模来形成用于蚀刻Si层10a以及Si层10c的Al掩模图案。
在图5(a)所示的工序中，使用基于形成在Si层10c的表面上的Al蒸镀膜203的Al掩模图案，并利用DeeP－RIE来蚀刻SOI基板10的Si层10c。
在图5(b)所示的工序中，在SOI基板10的Si层10c侧形成保护用的铝蒸镀膜204以及抗蚀剂膜205。并且，使用基于形成于Si层10a的表面的Al蒸镀膜203的Al掩模图案，来蚀刻Si层10a的表面的SiN膜201以及Poly－Si膜202。
在图5(c)所示的工序中，使用基于形成在Si层10a上的SiN膜201、Poly－Si膜202以及Al蒸镀膜203的掩模图案，并利用DeeP－RIE来蚀刻Si层10a。
在图6(a)所示的工序中，通过SPM(Sulfuric acid Peroxide Mixture，硫酸过氧化物混合物)洗浄，去除基板上的抗蚀剂膜205、Poly－Si膜202以及Al蒸镀膜203、204。
在图6(b)所示的工序中，通过使用了BHF(缓冲氢氟酸)的湿蚀刻，去除露出的绝缘层10b(SiO2)。利用BHF从由DeeP－RIE形成的Si层10a以及Si层10c的贯通孔蚀刻绝缘层10b，从而固定梳齿30彼此以及可动梳齿50彼此分别分离。
在图6(c)所示的工序中，为了形成驻极体膜，而在Si层10a以及Si层10c的表面形成含有碱金属离子(例如，钾离子)的SiO2膜206。此外，在图2中，对于含有用于形成驻极体的碱金属离子的SiO2膜206，省略了图示。在图7所示的工序中，通过使用了CF4气体的RIE，来去除形成于Si层10a以及Si层10c的SiN膜201。去除Si层10c的SiN膜201后的区域构成图1所示的连接电极60。在支撑部2的背面侧也露出有Si层10a，在该露出的面连接图1的负荷7的配线。
根据上述的加工顺序，形成有未形成驻极体的振动发电元件1的MEMS加工体。然后，利用众所周知的驻极体形成方法(例如，参照日本国专利第5627130号公报等)，在固定电极3以及/或者可动电极5形成驻极体。此外，在图1所示的振动发电元件1中，使可动电极5的SiO2膜206进行驻极体带电。
(比较例)
图8是表示比较例的图，是表示在SOI基板的Si层10c(活性层)形成固定电极和可动电极的结构的振动发电元件的一例的图。图8(a)是振动发电元件100的俯视图，图8(b)是D－D剖视图。振动发电元件100具备支撑部12、固定电极13a、13b、可动部14、可动电极15a、15b以及弹性支撑部16。负荷8与图示左侧的固定电极13a和图示右侧的固定电极13b连接。可动部14由一对弹性支撑部16弹性支撑，各弹性支撑部16的另一端固定于支撑部12。
如图8(b)的D－D剖视图所示，支撑部12形成于Si层10a，固定电极13a以及可动电极15a形成于Si层10c。同样，固定电极13b以及可动电极15b也形成于Si层10c。支撑部12与固定电极13a以及可动电极15a的z方向的间隔与SOI基板的绝缘层的厚度尺寸L0相同。
固定电极13a、13b以及可动电极15a、15b分别构成梳齿电极，在固定电极13a、13b，在y方向上配置有多个在x方向上细长的固定梳齿130，在可动电极15a、15b，在y方向上配置有多个在x方向上细长的可动梳齿150。在y方向上交替地配置的固定梳齿130以及可动梳齿150隔着间隙而相互啮合，固定梳齿130的侧面与可动梳齿150的侧面隔着缝隙g1而对置。
若对振动发电元件100施加外力，则弹性支撑部16变形，可动部14如箭头R所示那样在x方向上振动。若可动部14振动，则固定电极13a、13b与可动电极15a、15b之间的静电容量变化，从而进行发电。由于缝隙g1越小则相互啮合的固定梳齿130与可动梳齿150之间的静电容量越大，因此缝隙g1越小则发电量也越大。
固定梳齿130与可动梳齿150之间的缝隙g1通过利用DeeP－RIE来蚀刻Si层10c而形成。该情况下，缝隙g1的纵横比(＝L1/g1)越大(例如超过10)则越难以进行准确的蚀刻加工。Si层10c的厚度L1为100μm～数100μm左右，从而缝隙g1至少需要10μm左右。这样，在减小缝隙g1的情况下，有加工的界限，这是阻碍容量增大(即发电量增大)的主要原因之一。另外，在振动发电元件100的情况下，纵横比较大，电极侧面的蚀刻也不能忽视，难以均匀地管理缝隙g1。
另一方面，在本实施方式的振动发电元件1中，固定电极3和可动电极5之间的缝隙尺寸g与绝缘层10b的厚度L0相同，能够将缝隙尺寸g减小为数μm左右，容易实现发电量增大，并且能够容易地形成缝隙尺寸g均匀的缝隙空间G。另外，如图1、2所示，固定梳齿30间的间隙以及可动梳齿50间的间隙也比振动发电元件100的电极间的间隙大，因此容易进行蚀刻加工。
图9是说明停止状态下的固定梳齿30与可动梳齿50的重叠状况、即俯视时观察的情况下的梳齿的重叠的剖视图。在本实施方式中，如图9(a)所示，固定梳齿30的侧面S1的x方向位置与可动梳齿50的侧面S2的x方向位置一致。
在图9(b)所示的例子中，可动梳齿50的x方向宽度尺寸比固定梳齿30间的间隙尺寸大，在停止状态下，可动梳齿50的左右两端区域与固定梳齿30重叠。这样，若在停止状态下在可动梳齿50与固定梳齿30有重叠，则有以下缺点：当施加了外部冲击时，可动电极5因梳齿间的静电力而难以开始动作。
反之，在图9(c)所示的例子中，可动梳齿50的x方向宽度尺寸比固定梳齿30间的间隙尺寸小，在停止状态下的俯视时，在固定梳齿30的侧面S1与可动梳齿50的侧面S2之间形成间隙。这样，在有间隙的情况下，当施加了外部冲击时，可动电极5容易开始动作，但有可动梳齿50的振动产生的发电量下降之类的缺点。
上述的实施方式的作用效果综述如下。
(1)如图2所示，振动发电元件1对隔着绝缘层10b而设有Si层10a和Si层10c的SOI基板10进行加工而形成，具备：固定电极3，其形成于Si层10a；以及可动电极5，其形成于Si层10c，隔着形成于绝缘层10b的缝隙空间G而与固定电极3对置，且相对于固定电极3进行相对移动。形成于绝缘层10b的缝隙空间G是削除了绝缘层10b的区域，因此能够使缝隙尺寸g与绝缘层10b的厚度尺寸L0相同，能够与蚀刻Si层时的纵横比界限无关地减小缝隙尺寸g。其结果，能够更加增大固定电极3与可动电极5之间的静电容量，从而能够实现发电量的增加。
(2)并且，具备弹性支撑部6，该弹性支撑部6形成于Si层10c，而且，一端与可动电极5连接，另一端隔着绝缘层10b而固定于Si层10a。可动电极5由弹性支撑部6弹性支撑，通过弹性支撑部6弹性变形，从而可动电极5相对于固定电极3进行振动。
(3)在图2所示的例子中，将固定电极3形成于厚的Si层10a、将可动电极5形成于薄的Si层10c，反之，也可以将固定电极3形成于Si层10c、将可动电极5形成于Si层10a。在如前者那样将固定电极3形成于厚的Si层10a的情况下，能够由厚的Si层10a形成支撑部2，能够提高支撑部2的刚性。在如后者那样将可动电极5形成于厚的Si层10a的情况下，弹性支撑部6也由厚的Si层10a形成，因此能够提高弹性支撑部6的基板厚度方向的刚性，能够抑制静电力引起的可动电极5向固定电极3方向的位移。
(4)优选如图9(a)、9(c)所示，固定电极3以及可动电极5在振动停止状态下没有俯视时的重叠。通过做成这种结构，当施加了外部冲击时，能够防止可动电极5因梳齿间的静电力而难以开始动作。
在上述说明中，对各种实施方式以及变形例进行了说明，但本发明并不限定于这些内容。在本发明的技术的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以及专利公报的公开内容作为引用文录入于此。
日本国特愿2019－030950号(2019年2月22日申请)
日本国专利第5627130号公报
符号的说明
1—振动发电元件1，2—支撑部，3—固定电极，5—可动电极，6—弹性支撑部，10—SOI基板，10a、10c—Si层，10b—绝缘层，30—固定梳齿，50—可动梳齿，G—缝隙空间。

Claims (6)

1.一种振动发电元件，其对隔着绝缘层而设有第一Si层和第二Si层的基板进行加工而形成，
上述振动发电元件的特征在于，具备：
固定电极，其形成于上述第一Si层；以及
可动电极，其形成于上述第二Si层，并隔着形成于上述绝缘层的缝隙空间而与上述固定电极对置，且相对于上述固定电极进行相对移动。
2.根据权利要求1所述的振动发电元件，其特征在于，
具备弹性支撑部，该弹性支撑部形成于上述第二Si层，并且一端与上述可动电极连接，另一端隔着上述绝缘层而固定于上述第一Si层。
3.根据权利要求1或2所述的振动发电元件，其特征在于，
上述第一Si层比上述第二Si层厚。
4.根据权利要求1或2所述的振动发电元件，其特征在于，
上述第二Si层比上述第一Si层厚。
5.根据权利要求1～4任一项中所述的振动发电元件，其特征在于，
上述固定电极以及上述可动电极在振动停止状态下俯视时没有重叠。
6.一种振动发电元件的制造方法，是对隔着绝缘层而设有第一Si层和第二Si层的基板进行加工而形成的振动发电元件的制造方法，其特征在于，
在上述第一Si层形成固定电极，
在上述第二Si层形成与上述固定电极对置的可动电极，
去除介于上述固定电极与上述可动电极之间的上述绝缘层。
CN202080009824.9A 2019-02-22 2020-02-14 振动发电元件以及振动发电元件的制造方法 Pending CN113316891A (zh)

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