JP2010259160A - 発電装置およびシリコン片の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト低減および信頼性向上が可能な発電装置を提供する。
【解決手段】発電装置１０は、プリント配線基板１１を有する。プリント配線基板１１上には、固定台１２が設けられている。固定台１２上にシリコン梁１３の一端部が固定されている。シリコン梁１３の他端部には、おもり１４が取り付けられている。シリコン梁１３の上面には、ピエゾ素子１５が固定されている。ピエゾ素子１５には、電極を介して電線１６，１７が接続されている。電線１６，１７は、プリント配線基板１１の配線パターンにそれぞれ接続されている。発電装置１０に振動が伝達されることにより、シリコン梁１３が振動する。それにより、ピエゾ素子１５において電気エネルギーが発生する。その電気エネルギーは、電線１６，１７およびプリント配線基板１１の配線パターンを介して発電装置１０の外部に抽出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動を利用して電気エネルギーを発生する発電装置に関する。

近年、安全性能の向上を目的として、タイヤの空気圧変化を検出することができるＴＰＭＳ（Tire Pressure Monitoring System）を搭載した車両が開発されている。このＴＰＭＳにおいては、タイヤ内に設けられる空気圧センサによりタイヤの空気圧変化が検出される。そして、検出された空気圧変化は、例えば、車内に設けられるモニタに表示される。それにより、運転者は、走行中であってもタイヤの状態を常時確認することができる。

上記のようなＴＰＭＳにおいては、一般に、空気圧センサはタイヤ内に設けられる電池を電源として動作している。そのため、空気圧センサを適切に動作させるためには電池を定期的に交換する必要があるという問題があった。また、ＴＰＭＳの電源として電池を用いる場合、電池からカドミウム（Ｃｄ）等の有害物質が流出するおそれがあった。

そこで、空気圧センサの電源として小型の発電装置をタイヤ内に設ける技術が提案されている。例えば、特許文献１記載のシステムでは、タイヤから伝達される振動に基づいて、圧電素子により電気エネルギーが生成され、その電気エネルギーが測定装置（センサ）に与えられている。このシステムでは、空気圧センサの電源を頻繁に取り換える必要がないので、ＴＰＭＳのメンテナンスが容易になる。また、カドミウム等の有害物質が流出するおそれがないので、環境汚染を防止することができる。

特表２００７−５２７６８１

ところで、圧電素子の発電量は、圧電素子の圧電定数、比誘電率、圧電素子の変動量（曲げ量）および圧電素子の寸法によって決定される。したがって、大きな発電量が必要でない場合には、通常、圧電素子の寸法を小さくすることができる。一方、振動を利用して効率よく発電を行うためには、圧電素子の振動特性を調整する必要がある。圧電素子の振動特性は圧電素子の寸法によって決定されるので、特許文献１記載のシステムでは、適切な振動特性を得るために圧電素子の寸法を大きくしなければならない場合がある。すなわち、特許文献１記載のシステムでは、大きな発電量が必要ではない場合でも、適切な振動特性を得るために圧電素子の寸法を大きくしなければならない場合がある。この場合、発電装置のコスト低減が困難になる。

また、一般に圧電素子は脆い材料である。しかしながら、特許文献１記載のシステムでは、圧電素子自体が片持ち梁状に固定された状態で振動するので、圧電素子が劣化しやすい。そのため、発電装置およびＴＰＭＳの信頼性を向上させることが困難である。

本発明の目的は、コスト低減および信頼性向上が可能な発電装置およびその発電装置のシリコン梁として用いられるシリコン片の製造方法を提供することである。

本発明は、以下に示す第１〜第５の発明を要旨とする。

第１の発明に係る発電装置は、片持ち梁状に固定され、平滑な表面を有するシリコン梁と、シリコン梁に固定されたピエゾ素子と、ピエゾ素子から電気エネルギーを抽出する抽出部とを備えたものである。

この発電装置においては、発電装置に伝達された振動に基づいてシリコン梁が振動する。シリコン梁が振動することにより、そのシリコン梁に固定されたピエゾ素子が湾曲する。それにより、ピエゾ素子において電気エネルギーが生成される。ピエゾ素子において生成された電気エネルギーは、抽出部を介して抽出され、種々のセンサ等の電源として用いることができる。

ここで、この発電装置においては、振動梁としてシリコン梁が用いられている。この場合、シリコン梁は疲労強度が優れているので、発電装置の信頼性が向上する。また、シリコン梁は、金属製の梁に比べて熱膨張係数が小さい。したがって、環境温度が変化した場合でも、シリコン梁とピエゾ素子との間に引張応力が発生することを抑制することができる。それにより、安定した発電を行うことができる。また、この発電装置では、シリコン梁が振動することによりピエゾ素子が振動する。したがって、シリコン梁の寸法を調整することによりピエゾ素子の振動特性を調整することができる。この場合、ピエゾ素子の寸法を必要以上に大きく設定しなくてよいので、発電装置の製造コストを低減することができる。また、この発電装置においては、シリコン梁は、平滑な表面を有している。この場合、シリコン梁の表面において応力集中が発生することを防止することができるので、シリコン梁の寿命が向上する。

シリコン梁は、表面に保護酸化膜または保護窒化膜を有してもよい。この場合、シリコン梁の表面において亀裂が発生することおよび亀裂が成長することを防止することができる。それにより、シリコン梁の寿命が向上する。

シリコン梁の表面の算術平均粗さＲａが３０ｎｍ以下であってもよい。この場合、シリコン梁の表面において応力集中が発生することを防止することができるので、シリコン梁の寿命が十分に向上する。

シリコン梁は略矩形状の断面を有し、その断面の角部は湾曲してもよい。この場合、シリコン梁の上記角部において応力集中が発生することを防止することができるので、シリコン梁の寿命が十分に向上する。

シリコン梁の先端側におもりが設けられていてもよい。この場合、おもりの重量およびおもりの固定位置を調整することにより、シリコン梁の振動特性を調整することができる。すなわち、おもりの重量およびおもりの固定位置を調整することにより、ピエゾ素子の振動特性を調整することができる。それにより、安定かつ高効率の発電を行うことが可能となる。

第２の発明に係るシリコン片の製造方法は、第１の発明に係る発電装置においてシリコン梁として用いられるシリコン片の製造方法であって、シリコン基板に複数の未切断シリコン片を成形してシリコン片素材を得る工程と、複数の未切断シリコン片の表面に酸化膜を形成する工程と、酸化膜を除去する工程と、シリコン片素材から複数のシリコン片を切り出す工程とを備えたものである。

この製造方法によれば、未切断シリコン片の表面に酸化膜が形成される。したがって、未切断シリコン片を成形する際に未切断シリコン片の側面に凹凸形状が形成される場合でも、酸化膜によりその凹凸形状を有する側面が覆われる。酸化膜の一部は、未切断シリコン片の表面から内部に拡散するので、その酸化膜を除去することにより未切断シリコン片の表面形状が平滑化される。また、酸化膜の除去により、未切断シリコン片の角部を湾曲させることができるとともに、未切断シリコン片の表面のマイクロクラックを除去することができる。そして、マイクロクラックが除去された後にシリコン片素材からシリコン片が切り出される。

したがって、この製造方法によって製造されたシリコン片を発電装置のシリコン梁として用いることにより、シリコン梁の表面および角部において応力集中が発生することを防止することができる。それにより、シリコン梁の寿命を向上させることができる。また、マイクロクラックが除去されるので、シリコン梁の寿命をさらに向上させることができる。これらの結果、発電装置の信頼性を向上させることができる。なお、酸化膜の形成方法としては、熱酸化のようにシリコンに酸化層が拡散する酸化方法が好ましい。

製造方法は、酸化膜を除去する工程の後に未切断シリコン片の表面に保護酸化膜または保護窒化膜を形成する工程をさらに備えてもよい。この製造方法により製造されたシリコン片においては、保護酸化膜または保護窒化膜によりシリコン片が保護される。この場合、シリコン片（シリコン梁）の表面において亀裂が発生することおよび亀裂が成長することを防止することができる。それにより、シリコン片（シリコン梁）の寿命が向上する。

シリコン片素材を得る工程は、反応性イオンエッチングにより複数の未切断シリコン片を成形する工程を含んでもよい。この場合、シリコン基板の表面に対して垂直方向に正確にエッチングを行うことができる。それにより、未切断シリコン片の側面の中央部が外側または内側に向かって湾曲することを防止することができるので、シリコン片の寸法誤差の発生を防止することができる。

酸化膜を除去する工程は、フッ化水素を用いたエッチングにより酸化膜を除去する工程を含んでもよい。

酸化膜を形成する工程および酸化膜を除去する工程は、複数回繰り返されてもよい。この場合、各サイクル（酸化膜の形成工程および除去工程）において、マイクロクラックが生成される表層部が除去されるので、未切断シリコン片の表面をより確実に平滑化することができる。マイクロクラックは、未切断シリコン片の表面から一定の深さの領域（表層部）にしか生成されないので、酸化膜の形成工程および除去工程を複数回行うことにより、十分に除去することができる。

第３の発明に係るシリコン片の製造方法は、第１の発明に係る発電装置においてシリコン梁として用いられるシリコン片の製造方法であって、シリコン基板に複数の未切断シリコン片を成形してシリコン片素材を得る工程と、複数の未切断シリコン片の表面に水素アニール処理を施す工程と、シリコン片素材から複数のシリコン片を切り出す工程とを備えたものである。

この製造方法によれば、水素アニール処理により未切断シリコン片の表面形状が平滑化される。また、未切断シリコン片の角部が湾曲されるとともに、未切断シリコン片の表面のマイクロクラックが除去される。したがって、この製造方法によって製造されたシリコン片を発電装置のシリコン梁として用いることにより、シリコン梁の表面および角部において応力集中が発生することを防止することができる。それにより、シリコン梁の寿命を向上させることができる。また、マイクロクラックが除去されるので、シリコン梁の寿命をさらに向上させることができる。これらの結果、発電装置の信頼性を向上させることができる。

第４の発明に係るシリコン片の製造方法は、第１の発明に係る発電装置においてシリコン梁として用いられるシリコン片の製造方法であって、シリコン基板からシリコン片を切り出す工程と、シリコン片の表面に酸化膜を形成する工程と、酸化膜を除去する工程とを備えるものである。

この製造方法によれば、シリコン片の表面に酸化膜が形成される。したがって、シリコン片を切り出す際にシリコン片の側面に凹凸形状が形成される場合でも、酸化膜によりその凹凸形状を有する側面が覆われる。酸化膜の一部は、シリコン片の表面から内部に拡散するので、その酸化膜を除去することによりシリコン片の表面形状が平滑化される。また、酸化膜の除去により、シリコン片の角部を湾曲させることができるとともに、シリコン片の表面のマイクロクラックを除去することができる。

したがって、この製造方法によって製造されたシリコン片を発電装置のシリコン梁として用いることにより、シリコン梁の表面および角部において応力集中が発生することを防止することができる。それにより、シリコン梁の寿命を向上させることができる。また、マイクロクラックが除去されるので、シリコン梁の寿命をさらに向上させることができる。これらの結果、発電装置の信頼性を向上させることができる。なお、酸化膜の形成方法としては、熱酸化のようにシリコン片に酸化層が拡散する酸化方法が好ましい。

製造方法は、酸化膜を除去する工程の後にシリコン片の表面に保護酸化膜または保護窒化膜を形成する工程をさらに備えてもよい。この製造方法により製造されたシリコン片においては、保護酸化膜または保護窒化膜によりシリコン片が保護される。この場合、シリコン片の表面において亀裂が発生することおよび亀裂が成長することを防止することができる。それにより、シリコン片（シリコン梁）の寿命が向上する。

シリコン片を切り出す工程は、反応性イオンエッチングによりシリコン片を切り出す工程を含んでもよい。この場合、シリコン基板の表面に対して垂直方向に正確にエッチングを行うことができる。それにより、シリコン片の側面の中央部が外側または内側に向かって湾曲することを防止することができるので、シリコン片の寸法誤差の発生を防止することができる。

酸化膜を除去する工程は、フッ化水素を用いたエッチングにより酸化膜を除去する工程を含んでもよい。

酸化膜を形成する工程および酸化膜を除去する工程は、複数回繰り返されてもよい。この場合、各サイクル（酸化膜の形成工程および除去工程）において、マイクロクラックが生成される表層部が除去されるので、シリコン片の表面をより確実に平滑化することができる。マイクロクラックは、シリコン片の表面から一定の深さの領域（表層部）にしか生成されないので、酸化膜の形成工程および除去工程を複数回行うことにより、十分に除去することができる。

第５の発明に係るシリコン片の製造方法は、第１の発明に係る発電装置においてシリコン梁として用いられるシリコン片の製造方法であって、シリコン基板からシリコン片を切り出す工程と、シリコン片の表面に水素アニール処理を施す工程とを備えたものである。

この製造方法によれば、水素アニール処理によりシリコン片の表面形状が平滑化される。また、シリコン片の角部が湾曲されるとともに、シリコン片の表面のマイクロクラックが除去される。したがって、この製造方法によって製造されたシリコン片を発電装置のシリコン梁として用いることにより、シリコン梁の表面および角部において応力集中が発生することを防止することができる。それにより、シリコン梁の寿命を向上させることができる。また、マイクロクラックが除去されるので、シリコン梁の寿命をさらに向上させることができる。これらの結果、発電装置の信頼性を向上させることができる。

本発明によれば、発電装置の信頼性向上および低コスト化が可能になる。

本発明の一実施の形態に係る発電装置を示す側面図である。 シリコン片の製造工程を示す図である。 シリコン片の製造工程を示す図である。 シリコン片の製造工程を示す図である。 シリコン片の製造工程を示す図である。 シリコン片の製造工程の他の例を示す図である。 シリコン片の他の例を示す上面図である。 未切断シリコン片の拡大写真である。 未切断シリコン片の角部の拡大写真である。

以下、本発明の実施の形態に係る発電装置およびその発電装置においてシリコン梁として用いられるシリコン片の製造方法について説明する。なお、以下に説明する発電装置は、例えば、ＴＰＭＳ（Tire Pressure Monitoring System）の空気圧センサの電源として自動車のタイヤ内に設けられる。

１．発電装置の構成
図１は、本発明の一実施の形態に係る発電装置を示す側面図（一部断面図）である。

図１に示すように、本実施の形態に係る発電装置１０は、プリント配線基板１１を有する。プリント配線基板１１上には、固定台１２が設けられている。固定台１２上にシリコン梁１３の一端部が固定されている。すなわち、シリコン梁１３は、片持ち梁状に固定台１２に固定されている。

シリコン梁１３の他端部には、おもり１４が取り付けられている。シリコン梁１３の上面には、ピエゾ素子１５が固定されている。ピエゾ素子１５は、例えば、導電性接着剤を用いて固定されている。ピエゾ素子１５の上面には電極（図示せず）が取り付けられており、その電極に電線１６の一端が接続されている。また、ピエゾ素子１５の下面には、上記の導電性接着剤を介して電極（図示せず）が取り付けられており、その電極に電線１７の一端が接続されている。電線１６，１７の他端は、プリント配線基板１１の配線パターン（図示せず）にそれぞれ接続されている。プリント配線基板１１上には、固定台１２、シリコン梁１３、おもり１４、ピエゾ素子１５および電線１６，１７を覆うように筐体１８が設けられている。なお、ピエゾ素子１５は、シリコン梁１３が湾曲することにより湾曲するように固定されている。

本実施の形態に係る発電装置１０においては、車両（タイヤ）に発生する振動に基づいてシリコン梁１３が上下に振動する。それにより、ピエゾ素子１５が湾曲し、ピエゾ素子１５において電気エネルギー（起電力）が発生する。ピエゾ素子１５において発生した電気エネルギーは、電線１６，１７およびプリント配線基板１１の配線パターンを介して整流器（図示せず）に供給された後に蓄電装置（図示せず）に与えられる。そして、その蓄電装置からＴＰＭＳの空気圧検出センサ（図示せず）に電流が与えられる。なお、シリコン梁１３の振動によりピエゾ素子１５において交流の電圧および電流が発生するが、大抵のセンサは電源として直流電圧を必要とする。そこで、本実施の形態においては、整流器が用いられている。直流電圧が必要でない場合には、整流器は設けられない。

なお、本実施の形態においては、ピエゾ素子１５に接続される上記の電極、電線１６，１７またはプリント配線基板１１の配線パターンが、特許請求の範囲の抽出部の例である。

シリコン梁１３の静止時において、おもり１４の上面と筐体１８の天井面との間の隙間Ｇ１およびおもり１４の下面とプリント配線基板１１との間の隙間Ｇ２は、例えば、１００μｍ〜３５０μｍに設定される。また、シリコン梁１３の長手方向の長さは、例えば３ｃｍであり、幅方向の長さは、例えば０．５ｃｍであり、厚さは、例えば０．０４ｃｍである。また、おもり１４の重さは、例えば０．５ｇである。また、ピエゾ素子１５としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、水晶またはチタン酸バリウム等の種々のピエゾ素子を用いることができる。なお、シリコン梁１３の寸法、おもり１４の重さ、おもり１４の固定位置、ピエゾ素子１５の材料、および隙間Ｇ１，Ｇ２の大きさは、発電装置１０の使用環境およびシリコン梁１３の望ましい振動特性等に応じて適宜設定することが好ましい。

なお、隙間Ｇ２は隙間Ｇ１よりも小さく設定されることが好ましい。この場合、シリコン梁１３の下方への湾曲が抑制されるので、ピエゾ素子１５の下方への湾曲が抑制される。それにより、ピエゾ素子１５に引張応力が発生することを抑制することができる。その結果、ピエゾ素子１５の劣化を防止することが可能となる。なお、発電装置１０がＴＰＭＳに用いられる場合には、図１のシリコン梁１３の下面から上面への方向がタイヤの半径方向に一致するように発電装置１０が設置される。したがって、通常の動作中にタイヤの外側方向に作用する遠心加速度は、ピエゾ素子１５を圧縮させる方向（強度が強い方向）に作用することになる。

２．シリコン梁の製造方法
次に、発電装置１０においてシリコン梁１３として用いられるシリコン片の製造方法について説明する。図２〜図５は、シリコン片の製造工程を示す図である。なお、図３および図４には、後述する未切断シリコン片２１の長手方向に直交する断面が示されている。

図２（ａ）に示すように、まず、シリコン基板２０を用意する。シリコン基板２０としては、例えば、二乗平方根（ＲＭＳ）粗さが０．３μｍ程度のものを用意する。また、シリコン基板２０は、単結晶シリコンであることが好ましい。なお、シリコン基板２０には、ボロン（Ｂ）がドープされてもよく、ボロンおよびゲルマニウム（Ｇｅ）がドープされてもよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、所定のパターンでシリコン基板２０をエッチングすることにより、複数の長尺形状の未切断シリコン片２１を成形する。これにより、シリコン片素材２０ａが得られる。本実施の形態においては、未切断シリコン片２１は、例えば、深堀り反応性イオンエッチング（DRIE：Deep Reactive Ion Etching）により成形される。このＤＲＩＥにおいては、エッチングおよび保護膜（エッチング側壁を保護するための膜）の形成が交互に繰り返される。それにより、シリコン基板２０の表面に対して垂直方向に正確にエッチングを行うことができる。この場合、未切断シリコン片２１の側面が外側または内側に向かって湾曲することを防止することができるので、未切断シリコン片２１の寸法誤差の発生を防止することができる。なお、未切断シリコン片２１の長手方向に平行な２つの側面は、他の未切断シリコン片２１の長手方向に平行な２つの側面から完全に離間している。また、未切断シリコン片２１の先端は自由端となっている。すなわち、各未切断シリコン片２１は、片持ち梁状に保持されている。

なお、エッチングおよび保護膜の形成が交互に繰り返されることにより、図３（ａ）に示すように、未切断シリコン片２１の側面２１ａには、凹状に湾曲する複数のスキャロップ２２が形成される。このスキャロップ２２の形成により、未切断シリコン片２１の側面２１ａの輪郭曲線の最大高さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１）が、例えば、１２０ｎｍになる。なお、実際には、スキャロップ２２は図３に示す数よりも多く形成されるが、説明を簡単にするためスキャロップ２２を簡略化して示している。また、輪郭曲線の最大高さＲｚは、ＤＲＩＥを行う際に使用する装置および使用環境等によって変化する。

次に、図３（ｂ）に示すように、未切断シリコン片２１の表面を覆うように酸化膜（ＳｉＯ_２）２３を形成する。酸化膜２３は、例えば、湿式酸化法により形成される。次に、図４（ａ）に示すように、フッ化水素（ＨＦ）を用いたエッチングにより酸化膜（図３の符号２３）を除去する。このエッチングにより、約１．５μｍの酸化膜２３を除去することができる。酸化膜２３の形成および除去は、例えば、２回繰り返される。これにより、スキャロップ（図３の符号２２）が除去され、未切断シリコン片２１の側面２１ａおよび角部２１ｂが滑らかな形状となる。具体的には、側面２１ａ（未切断シリコン片２１の表面）の算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１）が３０ｎｍ以下になり、角部２１ｂが、例えば、曲率半径が約１〜２μｍの曲面になる。また、未切断シリコン片２１の表面のマイクロクラックを除去することができる。なお、酸化膜（図３の符号２３）の形成および除去の回数は、スキャロップ２２の寸法等を考慮して適宜変更することが好ましく、１回でもよく、３回以上でもよい。なお、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の蒸着法により酸化膜２３を形成した場合には、マイクロクラックを十分に除去できない場合があるので、酸化膜２３の形成方法としては、酸化層が未切断シリコン片２１内に拡散する酸化方法（例えば、熱酸化法）が好ましい。

なお、側面２１ａ（未切断シリコン片２１の表面）の算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１）は、５μｍ×５μｍの領域を測定した場合に３０ｎｍ以下であることが好ましい。算術平均粗さＲａは、例えば、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope; AFM）によって測定される。また、角部２１ｂの曲率半径は、２００ｎｍ以上であることが好ましい。

次に、図４（ｂ）に示すように、未切断シリコン片２１の表面を覆うように保護酸化膜（ＳｉＯ_２）２４を形成する。最後に、図５に示すように、未切断シリコン片２１の固定端となっている部分をダイシングによって切断することにより、複数のシリコン片１３が得られる。なお、保護酸化膜２４は、例えば、湿式酸化法により形成される。保護酸化膜２４の膜厚は、０．５μｍ以上であることが好ましく、例えば、１．０μｍである。

上記の方法により、シリコン片１３の表面（ダイシングによって切断された端面を除く表面）の算術平均粗さＲａが３０ｎｍ以下になるとともに、角部が滑らかに湾曲する。このシリコン片を発電装置１０のシリコン梁１３として用いた場合、シリコン梁１３の振動時に、シリコン梁１３の表面および角部において応力集中が発生することを防止することができる。それにより、シリコン梁１３の損傷（破断、亀裂発生等）を防止することができる。その結果、シリコン梁１３の寿命を向上させることができる。

なお、シリコン片１３の表面（長手方向に平行な側面）の算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１）は、５μｍ×５μｍの領域を測定した場合に３０ｎｍ以下であることが好ましい。算術平均粗さＲａは、例えば、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope; AFM）によって測定される。また、シリコン片１３の角部の曲率半径は、２００ｎｍ以上であることが好ましい。

シリコン片１３の上記ダイシングにより切断された端面は、図１の発電装置１０においてシリコン梁の自由端であってもよく、固定端であってもよい。

３．発電装置の効果
以上のように、本実施の形態においては、発電装置１０の振動梁としてシリコン片１３が用いられている。この場合、シリコン片１３は疲労強度が優れているので、発電装置１０の信頼性が向上する。

また、本実施の形態においては、シリコン梁１３が振動することによりピエゾ素子１５が振動する。したがって、本実施の形態に係る発電装置１０においては、シリコン梁１３の寸法を調整することによりピエゾ素子１５の振動特性を調整することができる。この場合、ピエゾ素子１５の寸法を必要以上に大きく設定しなくてよいので、発電装置１０の製造コストを低減することができる。

また、本実施の形態においては、酸化膜２３の形成および除去により、未切断シリコン片２１の表面に存在するマイクロクラックおよびスキャロップ２２が取り除かれるとともに、角部２１ｂが滑らかに湾曲する。それにより、シリコン片１３にマイクロクラックが残留することを防止できるとともに、シリコン片１３の角部を滑らかに湾曲させることができる。この場合、シリコン梁（シリコン片）１３の表面および角部において応力集中が発生することを防止することができるので、シリコン梁１３の寿命が向上する。それにより、発電装置１０の信頼性が向上する。

また、本実施の形態においては、シリコン梁１３の表面に保護酸化膜２４が形成されている。この場合、シリコン梁１３の表面における亀裂発生および亀裂成長を防止することができる。それにより、シリコン梁１３の寿命が向上する。

なお、シリコン梁１３の代わりに金属製の梁を用いることも考えられるが、金属梁を用いた場合、金属梁とピエゾ素子１５との熱膨張係数差が大きくなる。そのため、環境温度が変化した場合に、熱膨張係数の差に起因して、金属梁とピエゾ素子１５との間に引張応力が発生する。それにより、安定した発電を行うことが困難になる。また、その引張応力によりピエゾ素子１５が損傷するおそれがあり、発電装置の信頼性が低下する。一方、シリコン梁１３とピエゾ素子１５との熱膨張係数差は小さい。そのため、環境温度が変化した場合でも、シリコン梁１３とピエゾ素子１５との間に引張応力が発生することを抑制することができる。したがって、高い信頼性の確保および安定した発電が可能になる。なお、熱膨張係数の小さいモリブデンを金属梁として用いた場合には、上記のような問題点を抑制することができると考えられるが、モリブデンは高価な材料であるので、発電装置１０の製造コストを低減することが困難になる。また、鉄にニッケルおよびコバルトを配合した合金であるコバール（kovar）は、熱膨張係数がシリコンに近いが、長期使用における疲労強度がシリコンよりも低い。

４．他の実施の形態
上記実施の形態では、シリコン梁１３の表面に保護酸化膜２４が形成されているが、保護酸化膜２４の代わりに保護窒化膜を形成してもよい。この場合、その保護窒化膜によりシリコン梁１３の表面における亀裂発生および亀裂成長を十分に抑制することができる。なお、保護窒化膜の膜厚は、０．５μｍ以上であることが好ましく、例えば、１．０μｍである。また、保護酸化膜２４および保護窒化膜は形成されなくてもよい。すなわち、表面が平滑化されたシリコン片１３をシリコン梁として用いてもよい。

また、上記実施の形態においては、酸化膜２３の形成および除去により未切断シリコン片２１の表面を平滑化しているが、水素アニール処理により未切断シリコン片２１の表面を平滑化してもよい。この場合も、上記実施の形態と同様に、マイクロクラックおよびスキャロップ２２の除去を行うことができるとともに、未切断シリコン片２１の角部を滑らかに湾曲させることができる。

また、未切断シリコン片２１の成形方法は上記の例に限定されない。たとえば、他のエッチング技術、レーザダイシングまたはブレードダイシング等によって未切断シリコン片２１を成形してもよい。この場合でも、酸化膜２３の形成および除去、または水素アニール処理を行うことにより未切断シリコン片２１の表面を平滑化することができる。

また、上記の製造方法においては、シリコン片素材２０ａからシリコン片１３を切り出す前に、未切断シリコン片２１の表面の平滑化を行っているが、シリコン片１３の製造方法は上記の例に限定されない。例えば、図６に示すように、深堀り反応性イオンエッチングまたはダイシング等によってシリコン基板２０からシリコン片１３（平滑化されていないシリコン片）を切り出した後に、そのシリコン片１３に図３および図４で説明した処理を実施してもよい。なお、この場合も、保護酸化膜２４および保護窒化膜は形成されなくてもよい。

また、上記実施の形態においては、シリコン梁１３の上面にピエゾ素子１５が設けられているが、シリコン梁１３の下面にピエゾ素子１５が設けられてもよく、シリコン梁１３の上面および下面にピエゾ素子１５が設けられてもよい。

また、上記においては、略長方形の横断面を有するシリコン片１３について説明したが、シリコン片１３の形状は上記の例に限定されない。図７は、シリコン片１３の他の例を示す上面図である。図７に示すシリコン片１３は、先端側（図１のおもり１４が固定される側）に向かって幅が漸次細くなる形状（テーパ形状）の横断面を有する。図７に示すシリコン片１３においては、例えば、シリコン片１３が湾曲する際に長手方向の任意の位置における曲率が略均一になるように、シリコン片１３の形状が決定される。この場合、シリコン片（シリコン梁）１３が湾曲する際にピエゾ素子１５の長手方向の任意の位置に生じる応力（任意の位置における曲率）も略均一になる。ここで、ピエゾ素子１５の発電量は、ピエゾ素子１５の長手方向における応力の積分値によって決定される。したがって、ピエゾ素子１５の長手方向の任意の位置に生じる応力を略均一にすることにより、ピエゾ素子１５の発電効率を向上させることができる。すなわち、発電装置１０の振動梁として上記のようなテーパ形状のシリコン片１３を用いる場合、長方形状のシリコン片１３を用いる場合に比べて、ピエゾ素子１５の発電量を大きくすることができる。なお、ピエゾ素子１５もシリコン片１３と同様にテーパ形状であることが好ましい。また、図７に示す形状のシリコン片１３においては、部分的に大きな応力が発生することを防止することができるので、シリコン片１３の疲労強度を向上させることができる。

以下、実施例に基づいて、シリコン片の表面形状の変化および強度について説明する。

１．形状変化
まず、シリコン片の表面形状の変化について説明する。図８（ａ）は、図３（ａ）に相当する状態の未切断シリコン片２１の側面２１ａおよび角部２１ｂを示す拡大写真であり、図８（ｂ）は、図４（ａ）に相当する状態の未切断シリコン片２１の側面２１ａおよび角部２１ｂを示す拡大写真である。また、図９は、図４（ａ）に相当する状態の角部２１ｂの拡大写真である。なお、本実施例においては、酸化膜（図３の符号２３）の形成および除去はそれぞれ２回行われている。

図８（ａ）に示すように、ＤＲＩＥによって切り出された未切断シリコン片２１の側面２１ａには、複数のスキャロップ２２が形成されている。しかし、図８（ｂ）に示すように、酸化膜（図３の符号２３）の形成および除去を行った後の未切断シリコン片２１においては、スキャロップ２２が完全に除去され、側面２１ａが平滑化されている。また、図９に示すように、角部２１ｂは滑らかに湾曲している。このように、本発明によれば、未切断シリコン片２１の側面２１ａの平滑度を向上させることができるとともに、角部２１ｂを滑らかな曲面形状にすることができる。

２．強度
次に、実施例１、比較例１および比較例２の３種類のシリコン片を用意して、各シリコン片の強度を評価した。実施例１のシリコン片の製造工程においては、ＤＲＩＥによって成形した未切断シリコン片の表面に１．０μｍの酸化膜を形成した後、その酸化膜をフッ化水素を用いたエッチングにより除去した。その後、その未切断シリコン片を切断することによりシリコン片を得た。比較例１のシリコン片の製造工程においては、ＤＲＩＥによって成形した未切断シリコン片の表面に１．０μｍの酸化膜を形成した後、その未切断シリコン片を切断することによりシリコン片を得た。酸化膜は除去されていない。比較例２のシリコン片の製造工程においては、ＤＲＩＥによって成形した未切断シリコン片２１を切断することによりシリコン片を得た。そのシリコン片に表面処理（酸化膜の形成および除去）は施されていない。実施例１、比較例１および比較例２のシリコン片は、それぞれ５本ずつ用意した。

強度評価においては、まず、シリコン片の一端を固定することによりシリコン片を水平に保持した。その後、シリコン片の他端に、鉛直方向の荷重を付加した。そして、シリコン片が破断する時の荷重を測定した。表１に実施例１、比較例１および比較例２のシリコン片の表面処理および強度評価の結果を示す。

表１に示すように、実施例１の５本のシリコン片では、破断時の荷重が７９９〜１０３０ＭＰａであった。比較例１の５本のシリコン片では、破断時の荷重が５０４〜５９０ＭＰａであった。比較例２の５本のシリコン片では、破断時の荷重が２９１〜３２６ＭＰａであった。このように、酸化膜の形成および除去により表面が平滑化された実施例１のシリコン片は、比較例１および比較例２のシリコン片に比べて強度が十分に向上した。したがって、実施例１のシリコン片を発電装置の振動梁（シリコン梁）として用いることにより、発電装置の信頼性を十分に向上させることができる。

本発明は、センサ等の電源として用いられる小型の発電装置に有効に利用することができる。

１０ 発電装置
１１ プリント配線基板
１２ 固定台
１３ シリコン梁（シリコン片）
１４ おもり
１５ ピエゾ素子
１６，１７ 電線
１８ 筐体
２０ シリコン基板
２０ａ シリコン片素材
２１ 未切断シリコン片
２２ スキャロップ
２３ 酸化膜
２４ 保護酸化膜

Claims (17)

1. 片持ち梁状に固定され、平滑な表面を有するシリコン梁と、
   前記シリコン梁に固定されたピエゾ素子と、
   前記ピエゾ素子から電気エネルギーを抽出する抽出部とを備えたことを特徴とする発電装置。
2. 前記シリコン梁は、表面に保護酸化膜または保護窒化膜を有することを特徴とする請求項１記載の発電装置。
3. 前記シリコン梁の表面の算術平均粗さＲａが３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の発電装置。
4. 前記シリコン梁は略矩形状の断面を有し、前記断面の角部は湾曲していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発電装置。
5. 前記シリコン梁の先端側におもりが設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発電装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の発電装置においてシリコン梁として用いられるシリコン片の製造方法であって、
   シリコン基板に複数の未切断シリコン片を成形してシリコン片素材を得る工程と、
   前記複数の未切断シリコン片の表面に酸化膜を形成する工程と、
   前記酸化膜を除去する工程と、
   前記シリコン片素材から複数のシリコン片を切り出す工程とを備えたことを特徴とするシリコン片の製造方法。
7. 前記酸化膜を除去する工程の後に前記シリコン梁素材の表面に保護酸化膜または保護窒化膜を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載のシリコン片の製造方法。
8. 前記シリコン片素材を得る工程は、反応性イオンエッチングにより複数の未切断シリコン片を成形する工程を含むことを特徴とする請求項６または７に記載のシリコン片の製造方法。
9. 前記酸化膜を除去する工程は、フッ化水素を用いたエッチングにより前記酸化膜を除去する工程を含むことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のシリコン片の製造方法。
10. 前記酸化膜を形成する工程および前記酸化膜を除去する工程は、複数回繰り返されることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載のシリコン片の製造方法。
11. 請求項１〜５のいずれかに記載の発電装置においてシリコン梁として用いられるシリコン片の製造方法であって、
    シリコン基板に複数の未切断シリコン片を成形してシリコン片素材を得る工程と、
    前記複数の未切断シリコン片の表面に水素アニール処理を施す工程と、
    前記シリコン片素材から複数のシリコン片を切り出す工程とを備えたことを特徴とするシリコン片の製造方法。
12. 請求項１〜５のいずれかに記載の発電装置においてシリコン梁として用いられるシリコン片の製造方法であって、
    シリコン基板からシリコン片を切り出す工程と、
    前記シリコン片の表面に酸化膜を形成する工程と、
    前記酸化膜を除去する工程とを備えたことを特徴とするシリコン片の製造方法。
13. 前記酸化膜を除去する工程の後に前記シリコン片の表面に保護酸化膜または保護窒化膜を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１２に記載のシリコン片の製造方法。
14. 前記シリコン片を切り出す工程は、反応性イオンエッチングによりシリコン片を切り出す工程を含むことを特徴とする請求項１２または１３に記載のシリコン片の製造方法。
15. 前記酸化膜を除去する工程は、フッ化水素を用いたエッチングにより前記酸化膜を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載のシリコン片の製造方法。
16. 前記酸化膜を形成する工程および前記酸化膜を除去する工程は、複数回繰り返されることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに記載のシリコン片の製造方法。
17. 請求項１〜５のいずれかに記載の発電装置においてシリコン梁として用いられるシリコン片の製造方法であって、
    シリコン基板からシリコン片を切り出す工程と、
    前記シリコン片の表面に水素アニール処理を施す工程とを備えたことを特徴とするシリコン片の製造方法。

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