JP2008263157A - エレクトレット素子およびそれを備えた静電誘導型変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】エレクトレット膜に蓄積された電荷が減少するのを抑制することが可能なエレクトレット素子を提供する。
【解決手段】このエレクトレット素子１００は、電子が注入されたエレクトレット膜３と、エレクトレット膜３の表面上に設けられるとともに、エレクトレット膜３の電子親和力Ｖ１よりも小さい電子親和力Ｖ２を有するバリア膜４とを備えている。
【選択図】図１
【解決手段】このエレクトレット素子１００は、電子が注入されたエレクトレット膜３と、エレクトレット膜３の表面上に設けられるとともに、エレクトレット膜３の電子親和力Ｖ１よりも小さい電子親和力Ｖ２を有するバリア膜４とを備えている。
【選択図】図１
Description
本発明は、エレクトレット素子およびそれを備えた静電誘導型変換装置に関する。
従来、エレクトレット膜を備えた静電誘導型発電装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この特許文献１に開示された静電誘導型発電装置は、可動電極と、固定電極と、固定電極に形成されたテフロン（登録商標）などの樹脂材料からなる電荷保持材料であるエレクトレット膜とによって構成されている。この静電誘導型発電装置は、可動電極が振動することによって、エレクトレット膜に蓄積された電荷により可動電極に誘導される電荷量を変化させて、その変化分を電流として出力（発電）するように構成されている。
しかしながら、上記特許文献１に開示された静電誘導型発電装置では、エレクトレット膜の表面が大気中に晒されることにより、エレクトレット膜に蓄積された電荷が時間の経過に伴って減少するという不都合がある。これにより、エレクトレット膜の表面電位が低下するという問題点がある。このため、エレクトレット膜の表面電位の低下により、静電誘導型発電装置の発電量が低下するという問題もある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、エレクトレット膜に蓄積された電荷が減少するのを抑制することが可能なエレクトレット素子およびそれを備えた静電誘導型変換装置を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面におけるエレクトレット素子は、電荷が注入されたエレクトレット膜と、エレクトレット膜の表面上に設けられるとともに、電子親和力がエレクトレット膜よりも小さいバリア膜とを備える。なお、電子親和力とは、伝導帯の底から真空準位までのエネルギー差である。
この発明の第２の局面におけるエレクトレット素子は、電荷が注入されたエレクトレット膜と、エレクトレット膜の表面上に設けられるとともに、有機成分を含むバリア膜とを備える。
この発明の第３の局面における静電誘導型変換装置は、上記した構成を有するエレクトレット素子を備える。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるエレクトレット素子の構造を示した断面図である。図２および図３は、図１に示した第１実施形態によるエレクトレット素子を説明するための図である。まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態によるエレクトレット素子１００の構造について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態によるエレクトレット素子の構造を示した断面図である。図２および図３は、図１に示した第１実施形態によるエレクトレット素子を説明するための図である。まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態によるエレクトレット素子１００の構造について説明する。
本発明の第１実施形態によるエレクトレット素子１００では、図１に示すように、シリコン基板１の表面に、電極２が形成されている。このシリコン基板１は、約０．１ｍｍ〜約１ｍｍの厚みを有する。また、電極２は、約１μｍ〜約２００μｍの厚みを有するとともに、熱拡散によりリン（Ｐ）がドープされることによって形成されている。
ここで、第１実施形態では、電極２の表面上には、エレクトレット膜３がＸ方向に所定の間隔を隔てて複数形成されている。このエレクトレット膜３は、約０．１μｍ〜約２０μｍの厚みを有するとともに、熱酸化法により形成されたＳｉＯ２からなる。また、エレクトレット膜３には、リン（Ｐ）またはホウ素（Ｂ）からなる不純物が添加されている。また、エレクトレット膜３は、図２に示すように、注入された電子を蓄積している。具体的には、エレクトレット膜３の禁制帯には、図３に示すように、ダングリングボンド、不純物、欠陥および界面などに起因してトラップ準位が形成されており、このトラップ準位に電子が蓄積されている。
また、第１実施形態では、電極２の表面上には、図１に示すように、エレクトレット膜３を覆うように、バリア膜４が形成されている。このバリア膜４は、約０．１μｍ〜約２０μｍの厚みを有するとともに、ＭＳＱ（Ｍｅｔｈｙｌ Ｓｉｌｓｅｓ Ｑｕｉｏｘａｎｅ：メチルシルセスキオキサン）またはＳｉＯＣからなる。
また、第１実施形態では、ＭＳＱまたはＳｉＯＣからなるバリア膜４は、図３に示すように、ＳｉＯ２からなるエレクトレット膜３の電子親和力Ｖ１よりも小さい電子親和力Ｖ２を有する。なお、電子親和力とは、伝導帯の底から真空準位までのエネルギー差である。このため、エレクトレット膜３と大気との間に、エレクトレット膜３の電子親和力Ｖ１とバリア膜４の電子親和力Ｖ２との差によるエネルギー障壁Ｖ３が形成されている。
また、エレクトレット素子１００は、エレクトレット膜３とバリア膜４とにより構成されている。
次に、図１を参照して、本発明の第１実施形態によるエレクトレット素子１００の製造プロセスについて説明する。
まず、図１に示すように、シリコン基板１の表面に、熱拡散によりリン（Ｐ）をドープすることによって電極２を形成する。この熱拡散による電極２の形成条件は、温度：９００℃、時間：９０分に設定する。次に、温度：１１００℃の条件下で熱酸化法により、電極２の表面にシリコン酸化膜を形成する。そして、シリコン酸化膜にリン（Ｐ）またはホウ素（Ｂ）をイオン注入する。その後、シリコン酸化膜をフォトリソグラフィ法およびＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）法を用いてパターニングすることにより、エレクトレット膜３が形成される。
次に、電極２の表面上に、エレクトレット膜３を覆うようにバリア膜４を形成する。ここで、ＭＳＱからなるバリア膜４を形成する場合には、まず、ＣＨ３Ｓｉ（ＯＨ）３からなるシリコン化合物をアルコール系溶液に溶かしたものをエレクトレット膜３および電極２の表面に滴下する。このアルコール系溶液としては、たとえばイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）とアセトンとを用いる。
次に、シリコン基板１を回転速度５５００ｒｐｍで２０秒間回転させる。これにより、エレクトレット膜３および電極２の表面に被膜が形成される。そして、窒素雰囲気中において、１００℃、１５０℃、２００℃および２２℃の各温度で１分ずつ熱処理を施すことにより、アルコールを蒸発させる。その後、温度：約４００℃、時間：約３０分の条件下で熱処理を行うことにより、ＭＳＱからなるバリア膜４が形成される。
なお、ＳｉＯＣからなるバリア膜４を形成する場合には、ＰＥ−ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：プラズマ化学気相成長）法により、ＳｉＯＣからなるバリア膜４を形成する。また、ＰＥ−ＣＶＤ法によるＳｉＯＣの形成条件としては、たとえば、圧力：５３２Ｐａ、高周波（ＲＦ）電力：６００Ｗ、基板温度：３５０℃、原料ガス：トリメチルシラン（ＴＭＳ）およびＯ２に設定する。
最後に、シリコン基板１の温度を８０℃とし、コロナ放電法を用いてエレクトレット膜３に電子を注入する。このようにして、図１に示したエレクトレット素子１００が形成される。
第１実施形態では、上記のように、エレクトレット膜３の表面上に、エレクトレット膜３の電子親和力Ｖ１よりも小さい電子親和力Ｖ２を有するバリア膜４を設けることによって、エレクトレット膜３と大気との間に、エレクトレット膜３の電子親和力Ｖ１とバリア膜４の電子親和力Ｖ２との差によるエネルギー障壁Ｖ３を形成することができる。このため、熱や光による外部エネルギーにより、エレクトレット膜３の浅いトラップ準位に捕捉された電子が伝導帯に励起（図３の矢印Ａ方向）された場合に、エネルギー障壁Ｖ３により、その励起された自由電子が大気中に放出されることなく元のトラップ準位に戻る（図３の矢印Ｂ方向およびＣ方向）ので、エレクトレット膜３に蓄積された電子が減少するのを抑制することができる。したがって、エレクトレット素子１００の表面電位が低下するのを抑制することができる。
また、第１実施形態では、エレクトレット膜３にリン（Ｐ）またはホウ素（Ｂ）からなる不純物を添加することによって、リン（Ｐ）またはホウ素（Ｂ）からなる不純物により、エレクトレット膜３の禁制帯中に密度の高い不純物準位（トラップ準位）を形成することができる。これにより、この密度の高い不純物準位に電子を捕捉することができるので、エレクトレット膜３に蓄積される電荷量の向上を図ることができる。
次に、上記した第１実施形態のバリア膜の効果を確認するために行った実験について説明する。この実験では、以下の試料１〜３を作製した。具体的には、ＳｉＯ２からなるエレクトレット膜の表面上に、ＭＳＱからなるバリア膜を形成した上記第１実施形態に対応する試料１によるエレクトレット素子と、ＳｉＯ２からなるエレクトレット膜の表面上に、ＳｉＯＣからなるバリア膜を形成した上記第１実施形態に対応する試料２によるエレクトレット素子とを作製した。また、ＳｉＯ２により形成されたエレクトレット膜単体からなる比較例による試料３を作製した。なお、試料１〜３のＳｉＯ２からなるエレクトレット膜は、１μｍの厚みを有するとともに、熱酸化法により形成した。また、試料１のＭＳＱからなるバリア膜は、０．３μｍの厚みを有するとともに、スピンコート法により形成した。また、試料２のＳｉＯＣからなるバリア膜は、０．３μｍの厚みを有するとともに、ＰＥ−ＣＶＤ法により形成した。そして、作製した試料１〜３に電子注入を行うとともに、電子注入が行われた試料１〜３の表面電位を測定した。その結果を図４に示す。
図４に示した測定結果より、ＳｉＯ２からなるエレクトレット膜の表面上に、ＭＳＱからなるバリア膜を形成した上記第１実施形態に対応する試料１によるエレクトレット素子の表面電位は、５２８時間（２２日）経過後において、約−１０２０Ｖであった。また、ＳｉＯ２からなるエレクトレット膜の表面上に、ＳｉＯＣからなるバリア膜を形成した上記第１実施形態に対応する試料２によるエレクトレット素子の表面電位は、５２８時間（２２日）経過後において、約−８１１Ｖであった。また、ＳｉＯ２により形成されたエレクトレット膜単体からなる比較例による試料３の表面電位は、５２８時間（２２日）経過後において、約−３３０Ｖであった。
上記測定結果から、試料１および２のように、エレクトレット膜の表面上にバリア膜を形成することによって、エレクトレット素子の表面電位が大きくなることが判明した。これは、エレクトレット膜の電子親和力よりも小さい電子親和力を有するバリア膜により、エレクトレット膜と大気との間にエネルギー障壁が形成されるので、エレクトレット膜に注入された電子が大気中に放出されるのが抑制されているためであると考えられる。
次に、上記した第１実施形態のエレクトレット膜の厚みによる影響を確認するために行った実験について説明する。この実験では、エレクトレット膜の厚みによる影響を確認するために、２．４μｍの厚みを有するとともに、ＳｉＯ２からなるエレクトレット膜の表面上に、ＭＳＱからなるバリア膜を形成した上記第１実施形態に対応する試料４によるエレクトレット素子と、２．４μｍの厚みを有するＳｉＯ２により形成されたエレクトレット膜単体からなる比較例による試料５とを作製した。なお、試料４および５は、エレクトレット膜の厚み以外はそれぞれ上記試料１および３と同様である。そして、試料４および５の表面電位を測定した。その結果を図５に示す。
図５に示した測定結果より、２．４μｍの厚みを有するエレクトレット膜の表面上にバリア膜を形成した上記第１実施形態に対応する試料４によるエレクトレット素子の表面電位は、２１日経過後において、約−１９１７Ｖであった。また、２．４μｍの厚みを有するエレクトレット膜単体からなる比較例による試料５の表面電位は、２１日経過後において、約−３５４Ｖであった。
上記測定結果から、エレクトレット膜の表面上にバリア膜を形成する上記第１実施形態と対応する場合において、試料４のように、エレクトレット膜の厚みを大きくすることによって、エレクトレット素子の表面電位が大幅に大きくなることが判明した。その一方、エレクトレット膜単体からなる比較例の場合において、試料５のように、エレクトレット膜の厚みを大きくしてもエレクトレット膜の表面電位が少ししか大きくならないことが判明した。これは、エレクトレット膜の厚みに対して、エレクトレット膜に蓄積することが可能な電荷量が飽和しているためであると考えられる。これにより、エレクトレット膜の表面上にバリア膜を形成することによって、エレクトレット膜の厚みに対して、エレクトレット膜に蓄積することが可能な電荷量が飽和するのを抑制できることが判明した。
次に、上記した第１実施形態のエレクトレット膜にリン（Ｐ）またはホウ素（Ｂ）からなる不純物を添加した効果を確認するために行った実験について説明する。この実験では、以下の試料６〜１１を作製した。具体的には、不純物が添加されていないエレクトレット膜の表面上にバリア膜を形成した上記第１実施形態に対応する試料６によるエレクトレット素子と、ホウ素（Ｂ）が添加されたエレクトレット膜の表面上にバリア膜を形成した上記第１実施形態に対応する試料７によるエレクトレット素子と、リン（Ｐ）が添加されたエレクトレット膜の表面上にバリア膜を形成した上記第１実施形態に対応する試料８によるエレクトレット素子とを作製した。また、不純物が添加されていないエレクトレット膜単体からなる比較例による試料９と、ホウ素（Ｂ）が添加されたエレクトレット膜単体からなる比較例による試料１０と、リン（Ｐ）が添加されたエレクトレット膜単体からなる比較例による試料１１とを作製した。なお、試料６〜１１のエレクトレット膜は、１．５μｍの厚みを有するとともに、熱酸化法により形成されたＳｉＯ２からなる。また、試料６〜８のバリア膜は、約０．３μｍの厚みを有するとともに、スピンコート法により形成されたＭＳＱからなる。また、試料７のエレクトレット膜に対するホウ素（Ｂ）の添加、および、試料８のエレクトレット膜に対するリン（Ｐ）の添加は、注入エネルギー：約３８０ｋｅＶ、注入量：約２×１０１３ｉｏｎｓ／ｃｍ２の条件下でイオン注入することにより行った。また、試料１０のエレクトレット膜に対するホウ素（Ｂ）の添加、および、試料１１のエレクトレット膜に対するリン（Ｐ）の添加は、注入エネルギー：約１２０ｋｅＶ、注入量：約２×１０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２の条件下でイオン注入することにより行った。そして、作製した試料６〜１１に電子注入を行うとともに、電子注入が行われた試料６〜１１の表面電位を測定した。その結果を図６に示す。
図６に示した測定結果より、不純物が添加されていないエレクトレット膜の表面上にバリア膜を形成した上記第１実施形態に対応する試料６によるエレクトレット素子の表面電位は、１９６８時間（８２日）経過後において、約−１２０８Ｖであった。また、ホウ素（Ｂ）が添加されたエレクトレット膜の表面上にバリア膜を形成した上記第１実施形態に対応する試料７によるエレクトレット素子の表面電位は、１９６８時間（８２日）経過後において、約−１３４０Ｖであった。また、リン（Ｐ）が添加されたエレクトレット膜の表面上にバリア膜を形成した上記第１実施形態に対応する試料８によるエレクトレット素子の表面電位は、１９６８時間（８２日）経過後において、約−１３０４Ｖであった。また、不純物が添加されていないエレクトレット膜単体からなる比較例による試料９の表面電位は、１９６８時間（８２日）経過後において、約−３３５Ｖであった。また、ホウ素（Ｂ）が添加されたエレクトレット膜単体からなる比較例による試料１０の表面電位は、１９６８時間（８２日）経過後において、約−９Ｖであった。また、リン（Ｐ）が添加されたエレクトレット膜単体からなる比較例による試料１１の表面電位は、１９６８時間（８２日）経過後において、約５Ｖ（図示せず）であった。
上記測定結果から、エレクトレット膜の表面上にバリア膜を形成する上記第１実施形態と対応する場合において、試料７および８のように、ホウ素（Ｂ）またはリン（Ｐ）からなる不純物をエレクトレット膜に添加することによって、不純物が添加されていない試料６に比べて、エレクトレット素子の表面電位が大きくなることが判明した。その一方、エレクトレット膜単体からなる比較例の場合において、試料１０および１１のように、ホウ素（Ｂ）またはリン（Ｐ）からなる不純物をエレクトレット膜に添加すれば、不純物が添加されていない試料９に比べて、表面電位が小さくなることが判明した。これは、エレクトレット膜に不純物が添加されることにより形成された不純物準位を介して注入された電子が放出されるためであると考えられる。
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態によるエレクトレット素子の構造を示した断面図である。図７を参照して、この第２実施形態では、有機成分を含むバリア膜２０１が形成されたエレクトレット素子２００の構造について説明する。
図７は、本発明の第２実施形態によるエレクトレット素子の構造を示した断面図である。図７を参照して、この第２実施形態では、有機成分を含むバリア膜２０１が形成されたエレクトレット素子２００の構造について説明する。
この第２実施形態によるエレクトレット素子２００では、図７に示すように、電極２の表面上に、エレクトレット膜３を覆うように、バリア膜２０１が形成されている。このバリア膜２０１は、約０．１μｍ〜約２０μｍの厚みを有するとともに、ＭＳＱまたはＳｉＯＣからなる。
ここで、第２実施形態では、ＭＳＱまたはＳｉＯＣからなるバリア膜２０１は、疎水性を有する有機成分であるメチル基を含んでいる。具体的には、バリア膜２０１は、メチル基を有するポリシロキサンを含んでいる。これにより、バリア膜２０１の表面は、エレクトレット膜３の表面に比べて低い濡れ性を有する。
また、エレクトレット素子２００は、エレクトレット膜３とバリア膜２０１とにより構成されている。
なお、第２実施形態のその他の構成は上記第１実施形態と同様である。
また、第２実施形態の製造プロセスは上記第１実施形態と同様である。
第２実施形態では、上記のように、エレクトレット膜３の表面上に、疎水性を有するメチル基を含むバリア膜４を設けることによって、疎水性を有するバリア膜４により、エレクトレット膜３と大気中の水分とが接触するのを抑制することができる（図８参照）。これにより、エレクトレット膜３に蓄積された電子が大気中の水分に漏洩するのを抑制することができるので、エレクトレット膜３に蓄積された電子が減少するのを抑制することができる。したがって、エレクトレット素子２００の表面電位が低下するのを抑制することができる。
なお、第２実施形態のその他の効果は上記第１実施形態と同様である。
次に、上記した第２実施形態のバリア膜の効果を確認するために行った実験について説明する。この実験では、以下の試料１２〜１４を作製した。具体的には、ＳｉＯ２からなるエレクトレット膜の表面上に、ＭＳＱからなるバリア膜を形成した上記第２実施形態に対応する試料１２によるエレクトレット素子と、ＳｉＯ２からなるエレクトレット膜の表面上に、ＳｉＯＣからなるバリア膜を形成した上記第２実施形態に対応する試料１３によるエレクトレット素子とを作製した。また、ＳｉＯ２により形成されたエレクトレット膜単体からなる比較例による試料１４を作製した。なお、試料１２〜１４のＳｉＯ２からなるエレクトレット膜は、１μｍの厚みを有するとともに、熱酸化法により形成した。また、試料１２のＭＳＱからなるバリア膜は、０．３μｍの厚みを有するとともに、スピンコート法により形成した。また、試料１３のＳｉＯＣからなるバリア膜は、０．３μｍの厚みを有するとともに、ＰＥ−ＣＶＤ法により形成した。そして、作製した試料１２〜１４に電子注入を行った。なお、試料１２の表面（ＭＳＱからなるバリア膜の表面）の接触角は、電子注入前において９２度であり、電子注入後において４５度であった。また、試料１４の表面（ＳｉＯ２からなるエレクトレット膜の表面）の接触角は、電子注入前において３９度であり、電子注入後において３１度であった。また、試料１３の表面（ＳｉＯＣからなるバリア膜の表面）の接触角は、試料１２の表面の接触角と同程度であった。そして、試料１２〜１４の表面電位を測定した。その結果を図９に示す。
図９に示した測定結果より、ＳｉＯ２からなるエレクトレット膜の表面上に、ＭＳＱからなるバリア膜を形成した上記第２実施形態に対応する試料１２によるエレクトレット素子の表面電位は、５２８時間（２２日）経過後において、約−１０２０Ｖであった。また、ＳｉＯ２からなるエレクトレット膜の表面上に、ＳｉＯＣからなるバリア膜を形成した上記第２実施形態に対応する試料１３によるエレクトレット素子の表面電位は、５２８時間（２２日）経過後において、約−８１１Ｖであった。また、ＳｉＯ２により形成されたエレクトレット膜単体からなる比較例による試料１４の表面電位は、５２８時間（２２日）経過後において、約−３３０Ｖであった。
上記測定結果から、試料１２および１３のように、エレクトレット膜の表面上にバリア膜を形成することによって、エレクトレット素子の表面電位が大きくなることが判明した。これは、エレクトレット膜の表面に比べて低い濡れ性を有するバリア膜の表面により、エレクトレット膜が大気中の水分と接触するのを抑制することができるので、エレクトレット膜に注入された電子の漏洩が抑制されているためであると考えられる。
（第３実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態によるエレクトレット素子の構造を示した断面図である。まず、図１０を参照して、この第３実施形態では、熱酸化法によりエレクトレット膜を形成した第１および第２実施形態とは異なり、プラズマＣＤＶ法によりＴＥＯＳ（テトラエチルオルトシリケート）膜からなるエレクトレット膜を形成した例における構造について説明する。
図１０は、本発明の第３実施形態によるエレクトレット素子の構造を示した断面図である。まず、図１０を参照して、この第３実施形態では、熱酸化法によりエレクトレット膜を形成した第１および第２実施形態とは異なり、プラズマＣＤＶ法によりＴＥＯＳ（テトラエチルオルトシリケート）膜からなるエレクトレット膜を形成した例における構造について説明する。
図１０に示すように、第３実施形態によるエレクトレット素子２５０は、シリコン基板１の表面に、プラズマＣＤＶ法によりエレクトレット膜２５（ＴＥＯＳ膜）を成膜した後に、エレクトレット膜２５上にスピンコート法によりＭＳＱ膜を形成する。そして、コロナ放電によりエレクトレット膜２５に電荷注入を行うことによりエレクトレット素子２５０が形成されている。
第３実施形態では、上記のように、プラズマＣＶＤ法によりエレクトレット膜２５（ＴＥＯＳ膜）を形成した場合にも、ＭＳＱからなるバリア膜２５１により、エレクトレット膜２５と大気中の水分とが接触するのを抑制することができる。これにより、エレクトレット膜２５に蓄積された電子が大気中の水分に漏洩するのを抑制することができるので、エレクトレット膜２５に蓄積された電子が減少するのを抑制することができる。したがって、エレクトレット素子２５０の表面電位が低下するのを抑制することができる。
なお、第３実施形態のその他の構成および効果は上記第１および第２実施形態と同様である。
次に、上記した第３実施形態のバリア膜の効果を確認するために行った実験について説明する。この実験では、以下の試料１５および１６を作製した。具体的には、ＴＥＯＳからなるエレクトレット膜の表面上にＭＳＱからなるバリア膜を形成した上記第３実施形態に対応する試料１５によるエレクトレット素子と、ＴＥＯＳからなるエレクトレット膜の表面上にバリア膜を形成しない比較例による試料１６とを作製した。なお、試料１５の表面における電荷注入後の接触角は約８０度であり、試料１６の表面における電荷注入後の接触角は約１２度であった。
まず、電荷注入後の経時変化における表面電位の大きさを測定した。その結果を図１１に示す。なお、エレクトレット素子の保管条件は、温度約２５度で、相対湿度約３５％である。
図１１に示した測定結果より、第３実施形態に対応する試料１５において、電荷注入後に約７２時間経過した後の表面電位は、電荷注入直後の表面電位に比べて約６１％の大きさになる。これに対して、比較例による試料１６においては、電荷注入後に約７２時間経過した後の表面電位は、電荷注入直後の表面電位に比べて約２％の大きさにまで低下した。これにより、ＣＶＤ法により形成されたエレクトレット膜（ＴＥＯＳ膜）上にバリア膜を形成する場合においても、エレクトレット膜の表面電位の低下を抑制することができることが判明した。
次に、試料１５および試料１６における、表面における接触角と表面電位の大きさとの関係について図１２に示す。なお、図１２は、電荷注入後から約２４時間経過後における表面電位の大きさを示している。
図１２に示すように、電荷注入後の接触角が約８０度である試料１５においては、電荷注入後２４時間経過した際の表面電位は、電荷注入直後の表面電位に比べて約７８％の大きさになる。これに対して、電荷注入後の接触角が約１２度である試料１６においては、電荷注入後２４時間経過した際の表面電位は、電荷注入直後の表面電位に比べて約４０％の大きさに低下する。これにより、接触角が高いほど、表面電位の低下が抑制されていることが判明した。
次に、試料１５および１６において、エレクトレット膜中に含まれる水分量についてＴＤＳ（昇温脱離ガス分析）法を用いて測定した。その結果をそれぞれ図１３および図１４に示す。なお、室温が約２５度で、電荷注入した後、約２４時間経過後において実験を行った。
図１３および図１４にそれぞれ示すように、バリア膜（ＭＳＱ）が形成された試料１５におけるエレクトレット膜に含まれる水分量は、バリア膜が形成されていない試料１６におけるエレクトレット膜に含まれる水分量と比較しても、大きな違いが見られないことが判明した。これにより、エレクトレット膜の表面にバリア膜を形成することによりエレクトレット素子の表面電位が低下することが抑制される理由としては、バリア膜（ＭＳＱ）によって水分がエレクトレット膜内に浸入することが抑制される効果よりも、エレクトレット膜の表面に水分が吸着することが抑制される効果によるものが大きいと考えられる。
次に、試料１５および１６において、電荷注入したエレクトレット素子を保管する際の湿度を変化させた場合における表面電位の変化率を測定した。具体的には、相対湿度が、約１０％、約３５％および約８０％の条件において測定した。その結果を図１５に示す。なお、保管条件は、室温が約２５度であり、保管時間は約６時間である。
図１５の測定結果に示すように、試料１５および１６の表面電位は、相対湿度が約１０％の条件下においては、それぞれ、電荷注入直後の表面電位に対して約８６％の大きさである。これに対して、相対湿度が約８０％の条件下においては、第３実施形態に対応する試料１５の表面電位が、電荷注入直後の表面電位に対して約７９％の大きさになるのに対して、比較例による試料１６の表面電位は、電荷注入後の表面電位に対して約４％の大きさにまで低下した。これにより、エレクトレット膜に保持された電荷の流出の原因となる大気中の水分がエレクトレット膜表面に吸着するのを、疎水性の高いＭＳＱからなるバリア膜により抑制されているためであると考えられる。したがって、この結果により、エレクトレット膜上にＭＳＱからなるバリア膜を設けることによりエレクトレット素子の耐湿性が向上するといえる。すなわち、高い湿度の条件下であっても、表面電位の低下を抑制できると考えられる。
（第４実施形態）
図１６は、本発明の第４実施形態による静電誘導型発電装置の構造を示した断面図である。図１６を参照して、第３実施形態による静電誘導型発電装置３００の構造について説明する。なお、この第３実施形態では、静電誘導型変換装置の一例である静電誘導型発電装置３００に本発明を適用した場合について説明する。
図１６は、本発明の第４実施形態による静電誘導型発電装置の構造を示した断面図である。図１６を参照して、第３実施形態による静電誘導型発電装置３００の構造について説明する。なお、この第３実施形態では、静電誘導型変換装置の一例である静電誘導型発電装置３００に本発明を適用した場合について説明する。
この第４実施形態による静電誘導型発電装置３００は、図１６に示すように、固定部３１０と、可動部３２０と、ばね３３０とを備えている。固定部３１０は、シリコン基板などからなる。また、固定部３１０の表面には、第１実施形態による電極２、エレクトレット膜３およびバリア膜４が形成されている。すなわち、固定部３１０の表面には、第１実施形態によるエレクトレット素子１００が形成されている。また、固定部３１０のＸ方向の両端部には、支持部３１１が形成されている。この支持部３１１には、ばね３３０が設けられている。
また、可動部３２０は、Ｘ方向の両端部がばね３３０に支持されている。これにより、可動部３２０は、固定部３１０に対してＸ方向に移動可能に設けられている。また、可動部３２０は、固定部３１０の表面と所定の間隔を隔てて設けられている。また、可動部３２０の固定部３１０側の表面には、Ｘ方向に所定の間隔を隔てて複数の可動電極３２１が形成されている。この可動電極３２１は、エレクトレット膜３と対向するように設けられている。
次に、図１６を参照して、本発明の第３実施形態による静電誘導型発電装置３００の発電動作について説明する。
まず、図１６に示すように、エレクトレット膜３と可動電極３２１とが対向するように配置されているので、可動電極３２１には、エレクトレット膜３により正電荷が誘導される。
次に、静電誘導型発電装置３００をＸ方向に移動させることにより、可動電極３２１が可動部３２０と伴にＸ方向に振動する。そして、可動電極３２１がエレクトレット膜３と対向しない位置まで移動したときには、エレクトレット膜３と可動電極３２１との距離が大きくなるので、エレクトレット膜３により可動電極３２１に誘導される正電荷の量が減少する。
その後、可動電極３２１がエレクトレット膜３と対向する位置まで移動したときには、エレクトレット膜３により可動電極３２１に誘導される正電荷の量が増加する。この正電荷の変化分が電流となり出力される。そして、可動電極３２１が上記動作を繰り返し行うことにより、発電が継続して行われる。
第４実施形態では、上記のように、エレクトレット素子１００を設けることによって、エレクトレット素子１００の表面電位が低下するのを抑制することができるので、静電誘導型発電装置３００の発電量が低下するのを抑制することができる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第１〜第４実施形態では、ＳｉＯ２からなるエレクトレット膜３を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、ＳｉＮなどのその他の材質からなるエレクトレット膜を用いてもよい。
また、上記第１、第２および第４実施形態では、熱酸化法によりＳｉＯ２からなるエレクトレット膜３を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）またはポリカーボネートなどにより形成してもよい。なお、これらの材料は有機材料であり、柔らかく加工しやすいことにより、フィルム状に形成することが可能であることから、大量生産することが可能である。
また、上記第１、第２および第４実施形態では、熱酸化法によりＳｉＯ２からなるエレクトレット膜３を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）またはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などにより形成してもよい。なお、これらの材料は無極性材料であり、疎水性が大きいことにより、水による表面電荷の大きさが小さくなるのを抑制することができる。
また、上記第１、第２および第４実施形態では、熱酸化法によりＳｉＯ２からなるエレクトレット膜３を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロピロピレン共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）、ＦＥＰ−テフロン（テトラフルオロエチレン−ヘキサプロピレン共重合体）、ＢＶＥ（４−ビニルオキシ−１−ブテン）共重合体などにより形成してもよい。なお、これらの材料はフッ素を含んでおり、成型加工が可能であるとともに、融点が有機材料においては中程度である一方で、耐熱性が高いことから、幅広い環境下で使用可能である。
また、上記第１、第２および第４実施形態では、熱酸化法によりＳｉＯ２からなるエレクトレット膜３を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、ＭｇＴｉＯ３（チタン酸マグネシウム）、ＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）、ＣａＴｉＯ３（チタン酸カルシウム）、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）などにより形成してもよい。なお、これらの材料は無機材料であり、融点が約１０００度を超えるために有機材料に比べて耐熱性が高いとともに、硬度が高い。したがって、たとえば、これらの材料により振動構造における可動体を形成する際に、可動体を高精度で作製することが可能である。
また、上記第１および第２実施形態では、熱酸化法によりＳｉＯ２からなるエレクトレット膜３を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、Ｓｉ３Ｎ４（シリコン窒化膜）などにより形成してもよい。
また、上記第３実施形態では、ＴＥＯＳ膜上にＭＳＱからなるバリア膜を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、ＳｉＯＣからなるバリア膜を形成してもよい。
また、上記第１〜第４実施形態では、ＭＳＱまたはＳｉＯＣからなるバリア膜を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、フッ素系樹脂（ＣＦ）からなるバリア膜を形成してもよい。
また、上記第１〜第４実施形態では、バリア膜として、スピンコート法によりＭＳＱ（メチルシルセスキシオキサン）膜を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、ポリイミド膜（有機ポリマー）により形成してもよい。なお、これらの材料は、スピンコートなどの塗布法によりエレクトレット膜上に形成されており、ＣＶＤ法が化学反応経路または反応温度などの制約を受けるのに対して、幅広いカバー膜の形成が可能である。
また、上記第１、第２および第４実施形態では、バリア膜として、ＣＶＤ法によりＳｉＯＣ膜を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、ＣＦ膜、テフロン系膜またはパリレン系膜などにより形成してもよい。なお、これらの材料は、ＣＶＤ法によりエレクトレット膜上に形成されており、スパッタリング現象とともに膜堆積が進むことにより、微細な配線間溝の形成にも適用可能である。
また、上記第１、第２および第４実施形態では、リン（Ｐ）を熱拡散によりドープすることによって電極２を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、金（Ａｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）などによって電極を形成してもよい。
また、上記第１、第２および第４実施形態では、ＳｉＯＣからなるバリア膜４を形成する際に、原料ガスとしてトリメチルシランおよびＯ２を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、ＳｉＯＣからなるバリア膜４を形成する際に、原料ガスとしてその他の有機シラン系ガスと、Ｎ２ＯまたはＯ２とを用いてもよい。なお、その他の有機シラン系ガスとして、モノメチルシラン（ＳｉＨ３ＣＨ３）やジメチルシラン（（ＣＨ３）２ＳｉＨ２）などがある。
また、上記第４実施形態では、静電誘導型変換装置の一例として静電誘導型発電装置３００を示したが、本発明はこれに限らず、エレクトレット素子を含む静電誘導型変換装置であれば、静電誘導型アクチュエータなどのその他の静電誘導型変換装置にも適用可能である。
また、上記第４実施形態では、固定部３１０に第１実施形態によるエレクトレット素子１００を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、固定部３１０に第２実施形態によるエレクトレット素子２００、または、第３実施形態によるエレクトレット素子２５０を形成してもよい。
また、上記第４実施形態では、固定部３１０にエレクトレット膜３を形成するとともに、可動部３２０に可動電極３２１を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、固定部に固定電極を形成するとともに、可動部にエレクトレット膜を形成するようにしてもよい。
３、２５ エレクトレット膜
４、２０１、２５１ バリア膜
１００、２００、２５０ エレクトレット素子
３００ 静電誘導型発電装置（静電誘導型変換装置）
４、２０１、２５１ バリア膜
１００、２００、２５０ エレクトレット素子
３００ 静電誘導型発電装置（静電誘導型変換装置）
Claims (5)
- 電荷が注入されたエレクトレット膜と、
前記エレクトレット膜の表面上に設けられるとともに、電子親和力が前記エレクトレット膜よりも小さいバリア膜とを備える、エレクトレット素子。 - 電荷が注入されたエレクトレット膜と、
前記エレクトレット膜の表面上に設けられるとともに、有機成分を含むバリア膜とを備える、エレクトレット素子。 - 前記有機成分は、疎水性を有する、請求項２に記載のエレクトレット素子。
- 前記エレクトレット膜には、不純物が添加されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエレクトレット素子。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエレクトレット素子を備えた、静電誘導型変換装置。
Priority Applications (2)
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| JP2007227457A JP2008263157A (ja) | 2006-09-29 | 2007-09-03 | エレクトレット素子およびそれを備えた静電誘導型変換装置 |
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|---|---|---|---|
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2011254691A (ja) * | 2010-06-03 | 2011-12-15 | Tohoku Univ | 静電式エネルギー変換装置 |
| JP2017099208A (ja) * | 2015-11-27 | 2017-06-01 | 日本電信電話株式会社 | エレクトレットおよびエレクトレットの製造方法 |
| JP2018157658A (ja) * | 2017-03-16 | 2018-10-04 | シチズン時計株式会社 | 電気機械変換器 |
-
2007
- 2007-09-03 JP JP2007227457A patent/JP2008263157A/ja active Pending
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|---|---|---|---|---|
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