JP2011091977A - 発電デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】発電効率の向上を図りつつカンチレバー部の応力集中を緩和できる発電デバイスを提供する。
【解決手段】素子形成基板120を用いて形成されて支持部21および支持部21にカンチレバー部22を介して揺動自在に支持された錘部23を有するカンチレバー形成基板2と、カンチレバー部22に形成されカンチレバー部22の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部(発電部)24とを備える。圧電変換部24は、カンチレバー部22に重なる部位に形成された下部電極24aと圧電層24bと上部電極24cとを有する。カンチレバー部22および圧電変換部24の平面視形状を、支持部21側から離れて錘部23に近づくほど幅寸法が小さくなるようにし、平面視において、カンチレバー部22の幅方向の両側の外周線を、2次曲線の一部もしくは3次曲線の一部により構成してある
【選択図】図1
【解決手段】素子形成基板120を用いて形成されて支持部21および支持部21にカンチレバー部22を介して揺動自在に支持された錘部23を有するカンチレバー形成基板2と、カンチレバー部22に形成されカンチレバー部22の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部(発電部)24とを備える。圧電変換部24は、カンチレバー部22に重なる部位に形成された下部電極24aと圧電層24bと上部電極24cとを有する。カンチレバー部22および圧電変換部24の平面視形状を、支持部21側から離れて錘部23に近づくほど幅寸法が小さくなるようにし、平面視において、カンチレバー部22の幅方向の両側の外周線を、2次曲線の一部もしくは3次曲線の一部により構成してある
【選択図】図1
Description
本発明は、振動エネルギを電気エネルギに変換する振動式の発電デバイスに関するものである。
近年、MEMS(micro electro mechanical systems)デバイスの一種として、例えば車両の振動や人の動きによる振動などの任意の振動に起因した振動エネルギを電気エネルギに変換する発電デバイスが各所で研究開発されている。
なお、この種の発電デバイスとしては、シリコン基板、SOI(Silicon on Insulator)基板などからなる半導体基板を用いて形成されて支持部および支持部にカンチレバー部を介して揺動自在に支持された錘部を有するカンチレバー形成基板と、カンチレバー形成基板のカンチレバー部に形成されカンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する発電部として機能する圧電変換部(圧電素子)とを備えたものが提案されている。なお、圧電変換部としては、下部電極と圧電層と上部電極との積層構造を有したものが一般的である。
一方、MEMSデバイスよりもサイズが大きく、車両や地震警報機などの電源や携帯用電源に用いる発電デバイスにおいて、図7に示すように、一端部が支持部121に固定され他端部に錘部123が設けられた圧電変換素子124のうち支持部121と錘部123との間の圧電変換部の平面視形状を台形とすることで、振動時に圧電変換部に発生する応力を略均一にできることが知られている(例えば、特許文献1参照)。ここにおいて、圧電変換素子124は、二等辺三角形状に形成した金属板124aと、金属板124aの厚み方向の両面に導電性接着剤により貼着された圧電板124b,124cとで構成されている。なお、各圧電板124b,124cは、金属板124aと同じ二等辺三角形状に形成されている。
ところで、図7に示した構成の発電デバイスでは、圧電変換素子124における支持部121と錘部123との間の部位の平面視形状を、支持部121側が下底、錘部123側が上底となる台形とすることで、圧電変換部に発生する応力を略均一としている。
そこで、MEMSデバイスのような小型の発電デバイスにおいて、カンチレバー部および圧電変換部の平面視形状を台形とすることで、長方形の場合に比べて応力ばらつきを低減して発電効率の向上を図ることが考えられるが、本願発明者らは鋭意研究の結果、カンチレバー部および圧電変換部の平面形状を台形とした場合でも、振動時のカンチレバー部において応力が局所的に高くなる応力集中部が存在し、カンチレバー部が折損してしまう懸念があるという知見を得た。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、発電効率の向上を図りつつカンチレバー部の応力集中を緩和できる発電デバイスを提供することにある。
請求項1の発明は、マイクロマシニング技術を利用して形成される発電デバイスであって、素子形成基板を用いて形成されて支持部および支持部にカンチレバー部を介して揺動自在に支持された錘部を有するカンチレバー形成基板と、カンチレバー部に形成されカンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部からなる発電部とを備え、発電部が、カンチレバー形成基板の一表面側においてカンチレバー部に重なる部位に形成された下部電極と、下部電極におけるカンチレバー部側とは反対側に形成された圧電層と、圧電層における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを有し、カンチレバー部および発電部の平面視形状を、支持部側から離れて錘部に近づくほど幅寸法が小さくなるようにし、平面視において、カンチレバー部の外周線と支持部との交点を原点とし、当該原点からカンチレバー部と支持部との境界に沿った方向をx軸の正の方向、x軸に直交し支持部から離れる方向をy軸の正の方向とするとき、カンチレバー部の幅方向の両側の外周線を、x,yについての2次方程式で表される2次曲線の一部もしくはx,yについての3次方程式で表される3次曲線の一部により構成してなることを特徴とする。
この発明によれば、カンチレバー部および発電部の平面視形状を、支持部側から離れて錘部に近づくほど幅寸法が小さくなるようにし、平面視において、カンチレバー部の外周線と支持部との交点を原点とし、当該原点からカンチレバー部と支持部との境界に沿った方向をx軸の正の方向、x軸に直交し支持部から離れる方向をy軸の正の方向とするとき、カンチレバー部の幅方向の両側の外周線を、x,yについての2次方程式で表される2次曲線の一部もしくはx,yについての3次方程式で表される3次曲線の一部により構成してあるので、カンチレバー部の平面視形状が長方形の場合に比べて、カンチレバー部の振動時のカンチレバー部の面内の応力ばらつきを低減できて発電効率を向上でき、カンチレバー部の平面視形状が台形の場合に比べて、カンチレバー部の振動時の応力集中を緩和できるから、発電効率の向上を図りつつカンチレバー部の応力集中を緩和できる。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記錘部の平面視形状が矩形状であり、前記カンチレバー部の各側面と前記錘部の各側面とが滑らかに連続していることを特徴とする。
この発明によれば、前記カンチレバー部における前記錘部の側面と前記カンチレバー部の側面との境界付近の応力集中を緩和することができる。
請求項1の発明では、発電効率の向上を図りつつカンチレバー部の応力集中を緩和できるという効果がある。
本実施形態の発電デバイスは、マイクロマシニング技術を利用して形成される発電デバイスであって、図1に示すように、素子形成基板120を用いて形成されて枠状(ここでは、矩形枠状)の支持部21および支持部21の内側に配置され支持部21にカンチレバー部22を介して揺動自在に支持された錘部23を有するカンチレバー形成基板20と、カンチレバー形成基板20の一表面側においてカンチレバー部22に形成され当該カンチレバー部22の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部(圧電素子)24とを備えている。なお、本実施形態では、圧電変換部24が、発電部を構成している。ここにおいて、支持部21は、枠状の形状に限らず、錘部23を安定して揺動自在に支持できる形状であればよく、例えば、コ字状でもよい。
上述の圧電変換部24は、下部電極24aと、下部電極24aにおけるカンチレバー部22側とは反対側に形成された圧電層24bと、圧電層24bにおける下部電極24a側とは反対側に形成された上部電極24cとで構成されている。
また、カンチレバー形成基板20の上記一表面側には、下部電極24aおよび上部電極24cそれぞれに金属配線からなる接続配線26a,26cを介して電気的に接続された各別のパッドである下部電極用パッド27a、上部電極用パッド27cが、支持部21に重なる部位で形成されている。
本実施形態の発電デバイスでは、下部電極24aの平面サイズが最も大きく、2番目に圧電層24bの平面サイズが大きく、上部電極24cの平面サイズが最も小さくなるように設計してあり、更に、圧電変換部24において圧電層24bと下部電極24aおよび上部電極24cそれぞれとが接する領域のうち支持部21側の端が、図1(b)中の左側の一点鎖線で示すように支持部21とカンチレバー部22との境界に揃い(略一致し)、錘部23側の端が、図1(b)中の右側の一点鎖線で示すように錘部23の端に揃う(略一致する)ように設計してある。ここで、本実施形態では、平面視において、下部電極24aの外周線の内側に圧電層24bが位置し、圧電層24bの外周線の内側に上部電極24cが位置している。
また、カンチレバー形成基板20の上記一表面側には、上部電極24cと圧電層24bとの接するエリアを規定し且つ上部電極24cに電気的に接続される接続配線26cと下部電極24aとの短絡を防止することで上部電極24cと下部電極24aとの短絡を防止する絶縁層25が、下部電極24aおよび圧電層24bそれぞれにおける支持部21側の端部の一部を覆う形で形成されている。
上述の絶縁層25は、シリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、シリコン窒化膜により構成してもよい。要するに、絶縁層25は、SiO2により形成されているが、SiO2に限らず、Si3N4により形成されていてもよい。また、カンチレバー形成基板20は、素子形成基板120の一表面側および他表面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜29a,29bが形成されており、圧電変換部24と素子形成基板120とが素子形成基板120の上記一表面側の絶縁膜29aにより電気的に絶縁されている。
上述の発電デバイスでは、発電部が、下部電極24aと圧電層24bと上部電極24cとで構成される圧電変換部24により構成されているから、カンチレバー部22の振動によって圧電変換部24の圧電層24bが応力を受け上部電極24cと下部電極24aとに電荷の偏りが発生し、圧電変換部24において交流電圧が発生する。
本実施形態における発電デバイスは、圧電層24bの圧電材料として、鉛系圧電材料の一種であるPZTを採用しており、素子形成基板120として、単結晶シリコン基板からなる支持基板120a上のシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜120b上に単結晶のシリコン層(活性層)120cを有するSOI基板を用いているが、鉛系圧電材料は、PZTに限らず、例えば、PZT−PMN(:Pb(Mn,Nb)O3)やその他の不純物を添加したPZTなどを採用してもよい。ここで、本実施形態の発電デバイスでは、圧電層24bの比誘電率をε、発電指数をPとすると、P∝e31 2/εの関係が成り立ち、発電指数Pが大きいほど発電効率が大きくなるが、発電デバイスに用いられる代表的な圧電材料であるPZTおよびAlNそれぞれの圧電定数e31、比誘電率の一般的な値からみて、発電指数Pに2乗できく圧電定数e31が大きなPZTを採用した方が発電指数Pを大きくできる。ただし、圧電層24bの圧電材料は、鉛系圧電材料に限らず、他の圧電材用を採用してもよいことは勿論である。なお、素子形成基板120であるSOI基板としては、上記一表面(シリコン層120cの表面)が(100)面のものを用いている。
また、本実施形態の発電デバイスでは、素子形成基板120として、上述のSOI基板を用いているので、マイクロマシニング技術を利用して製造する際に、SOI基板の埋込酸化膜120bをカンチレバー部22の形成時のエッチングストッパ層として利用することでカンチレバー部22の厚さの高精度化を図れるとともに、信頼性の向上および低コスト化を図れる。ただし、素子形成基板120は、SOI基板に限らず、例えば、シリコン基板などを用いてもよいし、SOI基板、シリコン基板以外の半導体基板を用いてもよい。
また、本実施形態では、下部電極24aをTi膜とPt膜との積層膜により構成し、上部電極24cをTi膜とAu膜との積層膜により構成しているが、これらの材料や層構造は特に限定するものではなく、下部電極24aおよび上部電極24cそれぞれを単層構造としてもよく、下部電極24aの材料としては、例えば、Alを採用してもよく、上部電極24cの材料としては、例えば、Mo,Al,Ptなどを採用してもよい。
なお、本実施形態の発電デバイスでは、下部電極24aの厚みを100nm、圧電層24bの厚みを600nm、上部電極24cの厚みを100nmに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。
ところで、本実施形態の発電デバイスでは、カンチレバー部22および発電部である圧電変換部24の平面視形状を、支持部21側から離れて錘部に近づくほど幅寸法が小さくなるようにし且つ幅方向を左右方向としたときに左右対称となる形状となるようにしてある。そして、カンチレバー部22および圧電変換部24の平面視形状を、平面視において、カンチレバー部22の外周線と支持部21との交点を原点とし、当該原点からカンチレバー部22と支持部21との境界に沿った方向をx軸の正の方向、x軸に直交し支持部21から離れる方向をy軸の正の方向とするとき、カンチレバー部22の幅方向の両側の外周線を、x,yについての2次方程式で表される2次曲線の一部により構成してあるが、x,yについての3次方程式で表される3次曲線の一部により構成してもよい。
ここにおいて、本実施形態の発電デバイスでは、上述の2次方程式をy=ax2(aは定数)とするとき、a=6としてあるが、aの値は一例であり、特に限定するものではない。また、上述の3次方程式をy=bx3(bは定数)とするとき、b=12としてあるが、bの値は一例であり、特に限定するものではない。ここで、上述の2次曲線や3次曲線をバルク型の発電デバイスにおいて低コストで簡単に実現するのは難しいが、本実施形態の発電デバイスは、マイクロマシニング技術を利用して形成するので、上述の2次曲線や3次曲線の一部により幅方向の両側の外周線が構成されるカンチレバー部22を低コストで精度良く容易に形成することができる。
以下、本実施形態の発電デバイスの製造方法について図2を参照しながら説明するが、同図(a)〜(g)は図1(a)のA−B断面に対応する部位を示している。
まず、上述のSOI基板からなる素子形成基板120の上記一表面側および上記他表面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜29a,29bを熱酸化法などにより形成する絶縁膜形成工程を行うことによって、図2(a)に示す構造を得る。
その後、素子形成基板120の上記一表面側の全面に下部電極24a、接続配線26aおよび下部電極用パッド27aの基礎となるAu層からなる金属層240aをスパッタ法やCVD法などにより形成する金属層形成工程を行い、続いて、素子形成基板120の上記一表面側の全面に圧電材料(例えば、PZTなど)からなる圧電層24bの基礎となる圧電膜(例えば、PZT膜など)240bをスパッタ法やCVD法やゾルゲル法などにより形成する圧電膜形成工程を行うことによって、図2(b)に示す構造を得る。なお、金属層240aは、Au層に限らず、例えば、Al層やAl−Si層でもよいし、Au層と当該Au層と絶縁膜29aとの間に介在する密着性改善用のTi層とで構成してもよい。ここで、密着層の材料はTiに限らず、例えば、Cr、Nb、Zr、TiN、TaNなどでもよい。
上述の圧電膜形成工程の後、圧電膜240bをフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることで圧電膜240bの一部からなる圧電層24bを形成する圧電膜パターニング工程を行うことによって、図2(c)に示す構造を得る。
その後、上述の金属層240aをフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングすることでそれぞれ金属層240aの一部からなる下部電極24a、接続配線26a、下部電極用パッド27aを形成する金属層パターニング工程を行うことによって、図2(d)に示す構造を得る。なお、本実施形態では、金属層パターニング工程で金属層240aをパターニングすることによって、下部電極24aと併せて接続配線26aおよび下部電極用パッド27aを形成しているが、これに限らず、金属層パターニング工程で金属層240aをパターニングすることで下部電極24aのみを形成するようにし、その後、接続配線26aおよびパッド27aを形成する配線形成工程を別途に設けてもよいし、接続配線26aを形成する接続配線形成工程と下部電極用パッド27aを形成する下部電極用パッド形成工程とを別々に設けてもよい。また、金属層240aのエッチングにあたっては、例えば、RIE法やイオンミリング法などを採用すればよい。
上述の金属層パターニング工程により下部電極24a、接続配線26a、および下部電極用パッド27aを形成した後、素子形成基板120の上記一表面側に絶縁層25を形成する絶縁層形成工程を行うことによって、図2(e)に示す構造を得る。絶縁層形成工程では、素子形成基板120の上記一表面側の全面に絶縁層25をCVD法などにより成膜してから、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングしているが、リフトオフ法を利用して絶縁層25を形成するようにしてもよい。
上述の絶縁層形成工程の後、上部電極24cを例えばEB蒸着法やスパッタ法やCVD法などの薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を利用して形成する上部電極形成工程と同時に接続配線26cおよび上部電極用パッド27cをEB蒸着法やスパッタ法やCVD法などの薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を利用して形成する配線形成工程を行うことによって、図2(f)に示す構造を得る。言い換えれば、本実施形態では、上部電極形成工程において、上部電極24cと併せて接続配線26cおよび上部電極用パッド27cを形成しているが、これに限らず、上部電極形成工程と配線形成工程とを別々に行うようにしてもよいし、また、配線形成工程についても、接続配線26cを形成する接続配線形成工程と上部電極用パッド27cを形成する上部電極用パッド形成工程とを別々に設けてもよい。なお、上部電極24cのエッチングは、RIE法などのドライエッチングが好ましいが、ウェットエッチングでもよく、例えば、Au膜をヨウ化カリウム水溶液、Ti膜を過酸化水素水によりウェットエッチングすればよい。
上述のようにして上部電極24c、接続配線26c、上部電極用パッド27cを形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用してカンチレバー部22および錘部23および支持部21を形成する基板加工工程を行うことでカンチレバー形成基板20を形成することによって、図2(g)に示す構造を得る。ここにおいて、基板加工工程では、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して素子形成基板120の上記一表面側から素子形成基板120のうちカンチレバー部22および錘部23および支持部21以外の部位を第1の所定深さまでエッチングする(ここでは、埋込酸化膜120bに達する深さまでシリコン層120cをエッチングする)ことで表面溝を形成する表面溝形成工程を行い、続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して素子形成基板120の上記他表面側から素子形成基板120において錘部23および支持部21以外の部位を第2の所定深さまでエッチングする(ここでは、埋込酸化膜120bに達する深さまで支持基板120aをエッチングする)ことで裏面溝を形成する裏面溝形成工程を行い、続いて、埋込酸化膜120bの不要部分をエッチング除去して表面溝と裏面溝とを連通させることで錘部23および支持部21と併せてカンチレバー部22を形成する酸化膜エッチング工程とを行うことによって、図2(g)に示す構造の発電デバイスを得る。ところで、本実施形態では、基板加工工程の表面溝形成工程および裏面溝形成工程において、垂直深堀が可能な誘導結合プラズマ(ICP)型のエッチング装置を用いて素子形成基板120をエッチングしているので、カンチレバー部22の裏面と矩形枠状の支持部120の内側面とのなす角度を略90度とすることができる。しかして、上述のように、圧電変換部24のうち圧電層24bと下部電極24aおよび上部電極24cそれぞれとが接する領域(以下、圧電変換領域と称する)の支持部21側の端を、支持部21とカンチレバー部22との境界に精度良く揃え、圧電変換領域の錘部23側の端を、錘部23の端に精度良く揃えることができる。なお、基板加工工程の表面溝形成工程および裏面溝形成工程は、ICP型のドライエッチング装置を用いたドライエッチングに限らず、異方性の高いエッチングが可能であればよく、他のドライエッチング装置を用いてもよいし、素子形成基板120の上記一表面が(110)面の場合には、TMAH水溶液やKOH水溶液などのアルカリ系溶液を用いたウェットエッチング(結晶異方性エッチング)でもよい。
ここにおいて、カンチレバー形成基板20と圧電変換部24とを備えた発電デバイスは、基板加工工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから、ダイシング工程を行うことで個々の発電デバイスに分割するようにしている。
ところで、本実施形態の発電デバイスでは、上述のように、カンチレバー部22の幅方向の両側の外周線を、x,yについての2次方程式で表される2次曲線の一部もしくは、x,yについての3次方程式で表される3次曲線の一部により構成しているが、カンチレバー部22の幅方向の両側の外周線をy=6x2とした場合、y=12x3とした場合、y=3x(つまり、カンチレバー部22の幅方向の両側の外周線が1次直線となりカンチレバー部22の平面視形状は台形)とした場合、それぞれについて、カンチレバー部22における錘部23側とは反対側の端面を面拘束し、錘部23の先端を図3中の矢印の向き(図3における下向き)に450μmだけ強制変位させたときにカンチレバー部22に発生する応力を有限要素法によりシミュレーションした結果を図4に示す。ただし、シミュレーションを行う際の寸法条件としては、カンチレバー部22のy軸方向(図3の左右方向)の長さを1.5mm、カンチレバー部22の厚さを45μm、錘部23の厚みを445μmとして、y軸方向の錘部23の長さを5mmとし、カンチレバー部22の幅寸法に関して、支持部21との境界での幅寸法を6mm、錘部23との境界での幅寸法を5mmとし、錘部23の平面視形状を正方形とし、各辺の長さを5mmとした。また、シミュレーションを行う際の物性条件としては、カンチレバー部22のヤング率を1.69×105MPa、ポアソン比を0.27、質量密度を2.33×10-15kg/(μm)3とした。
図4から、カンチレバー部22の幅方向の両側の外周線を、上述の2次曲線の一部もしくは3次曲線の一部により構成することにより、カンチレバー部22の平面視形状が台形の場合に比べて、カンチレバー部22の振動時の応力集中部の最大応力値を低減でき、応力集中を緩和できることが分かる。また、カンチレバー部22の幅方向の両側の外周線を、上述の2次曲線の一部もしくは3次曲線の一部により構成することにより、カンチレバー部の平面視形状が長方形の場合に比べて、カンチレバー部22の振動時のカンチレバー部22の応力集中を緩和できるとともに、面内の応力ばらつきを低減できる。
ここで、カンチレバー部22の応力分布について、平面視におけるカンチレバー部22の幅方向に直交する方向(y軸方向に平行な方向)の中心線上の応力分布について、応力ばらつきを下記(1)式により計算した。
{(最大応力値−最小応力値)/2/(中心線の中央の応力値)}×100・・・(1)式
その結果、カンチレバー部22の平面視形状が長方形(5mm×1.5mm)の場合の応力ばらつきが±11.0%であったのに対して、カンチレバー部22の平面視における幅方向の両側の外周線をy=6x2の2次曲線とした場合の応力ばらつきは5.9%、カンチレバー部22の平面視における幅方向の両側の外周線をy=12x3の3次曲線とした場合の応力ばらつきは6.7%であり、応力ばらつきが低減されていることが分かった。なお、カンチレバー部22の平面視形状を台形とした場合の応力ばらつきは5.9%であり、カンチレバー部22の幅方向の両側の外周線を2次曲線とした場合には、カンチレバー部22の平面視形状を台形とした場合と同等の応力ばらつきとすることができる。
{(最大応力値−最小応力値)/2/(中心線の中央の応力値)}×100・・・(1)式
その結果、カンチレバー部22の平面視形状が長方形(5mm×1.5mm)の場合の応力ばらつきが±11.0%であったのに対して、カンチレバー部22の平面視における幅方向の両側の外周線をy=6x2の2次曲線とした場合の応力ばらつきは5.9%、カンチレバー部22の平面視における幅方向の両側の外周線をy=12x3の3次曲線とした場合の応力ばらつきは6.7%であり、応力ばらつきが低減されていることが分かった。なお、カンチレバー部22の平面視形状を台形とした場合の応力ばらつきは5.9%であり、カンチレバー部22の幅方向の両側の外周線を2次曲線とした場合には、カンチレバー部22の平面視形状を台形とした場合と同等の応力ばらつきとすることができる。
以上説明した本実施形態の発電デバイスでは、カンチレバー部22および発電部である圧電変換部24の平面視形状を、支持部21側から離れて錘部23に近づくほど幅寸法が小さくなるようにし且つ幅方向を左右方向としたときに左右対称となる形状となるようにし、平面視において、カンチレバー部22の幅方向の両側の外周線を、上述のように、x,yについての2次方程式で表される2次曲線の一部もしくはx,yについての3次方程式で表される3次曲線の一部により構成してあるので、カンチレバー部22の平面視形状が長方形の場合に比べて、カンチレバー部22の振動時のカンチレバー部22の面内の応力ばらつきを低減できて発電効率を向上でき、カンチレバー部22の平面視形状が台形の場合に比べて、カンチレバー部22の振動時の応力集中を緩和できるから、発電効率の向上を図りつつカンチレバー部22の応力集中を緩和できる。しかして、マイクロマシニング技術を利用して形成される発電デバイスにおいて、発電効率の向上を図りつつカンチレバー部22の折損を防止することができる。
また、本実施形態の発電デバイスは、錘部23の平面視形状が矩形状であり、カンチレバー部22の幅方向の各側面と錘部23の各側面とが滑らかに連続しているので、カンチレバー部22における錘部23の側面とカンチレバー部22の側面との境界付近の応力集中を緩和することができる。
また、本実施形態の発電デバイスは、図1(b)に示すように、圧電変換部24において圧電層24bと下部電極24aおよび上部電極24cそれぞれとが接する圧電変換領域の支持部21側の端(図1(b)中の一点鎖線の位置)を、支持部21とカンチレバー部22との境界に揃えてあるので、圧電変換領域の支持部21側の端が支持部21とカンチレバー部22との境界における支持部21側の位置にある場合に比べて、発電効率の向上による発電量の向上を図れる。
また、本実施形態の発電デバイスでは、絶縁層25が、SiO2もしくはSi3N4により形成されているので、絶縁層25がレジストである場合に比べて絶縁性および耐熱性を向上できる。
また、本実施形態の発電デバイスでは、上述のように、平面視において、下部電極24aの外周線の内側に圧電層24bが位置しているので、上述の製造方法でも説明したように、素子形成基板120の上記一表面側の全面に下部電極24aの基礎となる金属層240aを形成した後で、素子形成基板120の上記一表面側の全面に圧電層24bの基礎となる圧電膜240bを形成してから、当該圧電膜240bをパターニングすることで当該圧電膜240bの一部からなる圧電層24bを形成する製造プロセスを採用することができ、素子形成基板120の上記一表面側に所定形状の下部電極24aを形成してから、圧電膜240bを形成し当該圧電膜240bをパターニングすることで圧電層24bを形成する製造プロセスを採用する場合に比べて、圧電層24bの結晶性を向上でき、発電効率の向上を図れる。
また、図1に示した構成の発電デバイスにおいて、上部電極24cと圧電層24bとの接するエリアを規定し且つ上部電極24cと下部電極24aとの短絡を防止する絶縁層25を、カンチレバー形成基板20の上記一表面側において支持部21上まで延設し、上部電極24cと当該上部電極24cに電気的に接続される上部電極用パッド27cとの間の接続配線26cの全ての部位を絶縁層25上に形成し、上部電極用パッド27cを絶縁層25の平坦な部位上に形成するようにすれば、接続配線26cの下地となる部分の段差を低減でき、圧電層24bの膜厚を大きくしながらも上部電極24cと上部電極用パッド27cとを電気的に接続する接続配線26cの断線を防止することができ、発電効率の向上を図れるとともに信頼性の向上を図れ、しかも、上部電極用パッド27cとSOI基板や単結晶シリコン基板などの半導体基板により構成される素子形成基板120との間の寄生容量の低減による発電効率の向上も図れる。ここにおいて、本実施形態の発電デバイスでは、上述のように、平面視において、下部電極24aの外周線の内側に圧電層24bが位置し、圧電層24bの外周線の内側に上部電極24cが位置しているので、下部電極24aと圧電層24bと上部電極24cとが同じ平面サイズである場合に比べて、接続配線26cの下地となる部分の段差を低減できる。
ところで、図1に示した発電デバイスは、カンチレバー形成基板20と圧電変換部24とで構成されているが、図5および図6に示すように、第1のカバー形成用基板30aを用いて形成されカンチレバー形成基板20の上記一表面側において支持部21に固着された第1のカバー基板30と、第2のカバー形成用基板10aを用いて形成されカンチレバー形成基板20の他表面側において支持部21に固着された第2のカバー基板10とを設けるようにしてもよい。
以下、図5および図6に示した発電デバイスについて説明するが、上述の図1と同じ構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
第1のカバー基板30は、第1のカバー形成用基板30aとして第1のシリコン基板を用いており、第1のカバー形成用基板30aにおけるカンチレバー形成基板20側の一表面に、カンチレバー部22と錘部23とからなる可動部の変位空間をカンチレバー形成基板20との間に形成するための凹所30bが形成されている。
また、第1のカバー基板30は、第1のカバー形成用基板30aの他表面側に、発電部である圧電変換部24で発生した交流電圧を外部へ供給するための出力用電極35,35が形成されており、各出力用電極35,35が、第1のカバー形成用基板30aの上記一表面側に形成された連絡用電極34,34と、第1のカバー形成用基板30aの厚み方向に貫設された貫通孔配線33,33を介して電気的に接続されている。ここで、第1のカバー基板30は、各連絡用電極34,34がカンチレバー形成基板20の下部電極用パッド27a,上部電極用パッド27cと接合されて電気的に接続されている。なお、本実施形態では、各出力用電極35,35および各連絡用電極34,34をTi膜とAu膜との積層膜により構成してあるが、これらの材料は特に限定するものではない。また、各貫通孔配線33,33の材料としてはCuを採用しているが、これに限らず、例えば、Ni、Alなどを採用してもよい。
本実施形態では、第1のカバー形成用基板30aとして第1のシリコン基板を用いているので、第1のカバー基板30は、2つの出力用電極35,35同士の短絡を防止するためのシリコン酸化膜からなる絶縁膜32が、第1のカバー形成用基板30aの上記一表面側および上記他表面側と、貫通孔配線33,33が内側に形成された貫通孔31の内周面とに跨って形成されている。なお、第1のカバー形成用基板30aとしてガラス基板のような絶縁性基板を用いる場合には、このような絶縁膜32は設ける必要はない。
また、第2のカバー基板10は、第2のカバー形成用基板10aとして第2のシリコン基板を用いており、第2のカバー形成用基板10aにおけるカンチレバー形成基板20側の一表面に、カンチレバー部22と錘部23とからなる可動部の変位空間をカンチレバー形成基板20との間に形成するための凹所10bが形成されている。なお、第2のカバー形成用基板10aとしても、ガラス基板のような絶縁性基板を用いてもよい。
また、上述のカンチレバー形成基板20の上記一表面側には、第1のカバー基板30と接合するための複数(図示例では、4つ)の第1の接合用金属層28が形成されており、第1のカバー基板30には、第1の接合用金属層28に接合される複数の第2の接合用金属層(図示せず)が形成されている。
ここで、カンチレバー形成基板20とカバー基板10,30とを、常温接合法により接合している(なお、絶縁層25上に上部電極用パッド27cを形成する場合には、上述の絶縁層25をより広い範囲まで延設して上部電極用パッド27cだけでなく、下部電極用パッド27a、各第1の接合用金属層28を絶縁層25上に上部電極用パッド27cと同一材料で同一厚さで形成することが好ましい)。ただし、カンチレバー形成基板20とカバー基板10,30との接合方法は、常温接合法に限らず、例えば、エポキシ樹脂などを用いた樹脂接合法や、陽極接合法などを採用してもよい。
なお、図5および図6に示した発電デバイスの製造にあたっては、カンチレバー形成基板20を形成した後、各カバー基板10,30を接合するカバー接合工程を行うようにすればよく、カバー接合工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから、ダイシング工程を行うことで個々の発電デバイスに分割すればよい。ここにおいて、各カバー基板10,30は、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程、薄膜形成工程、めっき工程などの周知の工程を適宜適用して形成すればよい。
ところで、上述の実施形態の発電デバイスでは、下部電極24a上に圧電層24bを形成しているが、圧電層24bと下部電極24aとの間に、圧電層24bの成膜時の下地となるシード層を介在させることで圧電層24bの結晶性を更に向上させてもよいことは勿論である。ここで、シード層の材料としては、例えば、導電性酸化物材料の一種であるSrRuO3、(Pb,La)TiO3、PbTiO3などを採用すればよい。
また、上述の実施形態の発電デバイスは、カンチレバー部22の先端部に錘部23が設けられているので、錘部23を有していない場合に比べて、発電量を大きくすることができる。
20 カンチレバー形成基板
21 支持部
22 カンチレバー部
23 錘部
24 圧電変換部(発電部)
24a 下部電極
24b 圧電層
24c 上部電極
120 素子形成基板
21 支持部
22 カンチレバー部
23 錘部
24 圧電変換部(発電部)
24a 下部電極
24b 圧電層
24c 上部電極
120 素子形成基板
Claims (2)
- マイクロマシニング技術を利用して形成される発電デバイスであって、素子形成基板を用いて形成されて支持部および支持部にカンチレバー部を介して揺動自在に支持された錘部を有するカンチレバー形成基板と、カンチレバー部に形成されカンチレバー部の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部からなる発電部とを備え、発電部が、カンチレバー形成基板の一表面側においてカンチレバー部に重なる部位に形成された下部電極と、下部電極におけるカンチレバー部側とは反対側に形成された圧電層と、圧電層における下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを有し、カンチレバー部および発電部の平面視形状を、支持部側から離れて錘部に近づくほど幅寸法が小さくなるようにし、平面視において、カンチレバー部の外周線と支持部との交点を原点とし、当該原点からカンチレバー部と支持部との境界に沿った方向をx軸の正の方向、x軸に直交し支持部から離れる方向をy軸の正の方向とするとき、カンチレバー部の幅方向の両側の外周線を、x,yについての2次方程式で表される2次曲線の一部もしくはx,yについての3次方程式で表される3次曲線の一部により構成してなることを特徴とする発電デバイス。
- 前記錘部の平面視形状が矩形状であり、前記カンチレバー部の各側面と前記錘部の各側面とが滑らかに連続していることを特徴とする請求項1記載の発電デバイス。
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JP2009245538A JP2011091977A (ja) | 2009-10-26 | 2009-10-26 | 発電デバイス |
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JP2009245538A JP2011091977A (ja) | 2009-10-26 | 2009-10-26 | 発電デバイス |
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JP2011091977A true JP2011091977A (ja) | 2011-05-06 |
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Family Applications (1)
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JP2009245538A Withdrawn JP2011091977A (ja) | 2009-10-26 | 2009-10-26 | 発電デバイス |
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JP (1) | JP2011091977A (ja) |
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2009
- 2009-10-26 JP JP2009245538A patent/JP2011091977A/ja not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20120118 |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20130108 |