JP2011152010A

JP2011152010A - 発電デバイス

Info

Publication number: JP2011152010A
Application number: JP2010012899A
Authority: JP
Inventors: Kazuji Yoshida; 和司吉田
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2011-08-04

Abstract

【課題】振動子４３の質量を増加させることで振動子４３の持つ仕事率を大きくすると共に、金属錘部５３を外れにくくすることを可能とする発電デバイスを提供することである。
【解決手段】フレーム部１と、フレーム部１の内側に備えた振動子２と、フレーム部１と振動子２との間をつなぎ振動子２が変位することで撓む撓み部３と、撓み部３の上に下層から下部電極４と圧電層５と上部電極６とが順に積層され振動子２の揺動に応じて交流電圧を発生する発電部７と、を備えた発電デバイスであって、振動子２は、シリコンで形成されるシリコン錘部８ａおよび、その一方の表面に形成される金属錘部８ｂを備え、金属錘部８ｂが備わる位置にシリコン錘部８ａの両表面に貫通する貫通孔９を備え、金属錘部８ｂは、金属でなり、金属錘部８ｂから貫通孔９を通じて振動子２の他方の表面にまで一体に突設され、貫通孔９の周縁に引っ掛かる形で抜け落ち防止部１０を形成している。
【選択図】図１

Description

本願発明は、MEMS（micro electro mechanical systems、微小電子機器）技術を用い、振動エネルギを電気エネルギに変換する発電デバイスに関するものである。

従来から、車や人の動きなど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MEMSデバイスの一種である発電デバイスがある。このような発電デバイスに関しては種々の研究がなされている（非特許文献１参照）。

上記非特許文献１に示された発電デバイスは、図５に示すように、主体基板４４と、主体基板４４の一表面側においてフレーム部４１に固着された第一のカバー基板４５と、主体基板４４の他表面側においてフレーム部４１に固着された第二のカバー基板４６と、を備えている。主体基板４４は、素子形成基板を用いて形成され、フレーム部４１と、フレーム部４１の内側に備えた振動子４３と、フレーム部４１と振動子４３との間をつなぎ振動子４３が変位することで撓む撓み部４２と、を有している。撓み部４２には、振動子４３の振動に応じて交流電圧を発生する発電部４７が形成され、発電部４７は、下部電極４８、圧電層４９、上部電極５０の積層構造を有している。また、第一のカバー基板４５は、第一のカバー形成用基板を用いて形成され、第二のカバー基板４６は、第二のカバー形成用基板を用いて形成されている。

ここで、振動により振動子が持つ単位時間あたりのエネルギは、Ｐ＝ｍａ²Ｑ／４ω（Ｗ）という式で求められる。ｍは、振動子の質量、ａは、外部振動の加速度、Ｑは、振動系のＱ値、ωは、振動の各周波数である。振動発電は、振動子が外部振動から得る仕事を電気エネルギに変換するので、振動子が得る仕事が大きいほうが変換される電気エネルギとしてのエネルギが大きいということになる。よって、前述の発電デバイスにおいて、振動子全体は、密度の小さいシリコンを用いて形成されているので、外部振動により振動子が得る仕事率が低いという課題があった。

そこで、特許文献１に示すような発電デバイスと同じ構成を持つ加速度センサが提案されている。この加速度センサは、図６に示すように、フレーム部４１と振動子４３と振動子４３が変位することで撓む撓み部４２とを備え、撓み部４２の表面には、拡散抵抗５１を備えている。振動子４３は、シリコンで形成されるシリコン錘部５２および、その一方の表面に電解めっきにより形成される金属錘部５３を備えている。加速度センサの拡散抵抗５１は、撓み部４２の歪によって抵抗値が変化するので、上述発電デバイスの発電部４７と同等の働きをすると考えられる。

R. van Schai jk, et al, 「Piezoelectric ALN energy harvesters for wireless autonomoustransducer solution」, IEEE SENSORS 2008 Conference, 2008, p. 45‐48

特開平５−２７３２３０号公報

しかしながら、MEMS技術（マイクロマシニング技術）において、シリコンより密度の大きい材料でなる金属錘部５３を形成しても、シリコンをベースとした基板では、金属錘部５３が外れやすいという課題があった。また、シリコンより密度の大きい材料で形成された金属錘部５３が、振動子４３の片面にしか形成されていないので、振動子４３の質量を十分大きくとれないという課題があった。

本願発明は、上記背景技術に鑑みて発明されたもので、その課題は、振動子４３の質量を増加させることで振動子の持つ仕事率を大きくすると共に、金属錘部５３を外れにくくすることを可能とする発電デバイスを提供することである。

上記課題を解決するために、本願請求項１の発明では、フレーム部と、前記フレーム部の内側に備えた振動子と、前記フレーム部と前記振動子との間をつなぎ振動子が変位することで撓む撓み部と、前記撓み部の上に下層から下部電極と圧電層と上部電極とが順に積層され前記振動子の揺動に応じて交流電圧を発生する発電部と、を備え、シリコンを用いて形成された発電デバイスであって、前記振動子は、シリコンでなるシリコン錘部および、その一方の表面に形成される金属錘部を備え、前記金属錘部が備わる位置に前記シリコン錘部の両表面に貫通する貫通孔を備え、前記金属錘部から前記貫通孔を通じて前記振動子の他方の表面にまで一体に突設され前記貫通孔の周縁に引っ掛かる形で抜け落ち防止部が形成され、前記金属錘部および前記抜け落ち防止部は、金属で一体に形成されていることを特徴としている。

また、本願請求項２の発明においては、前記金属錘部又は前記抜け落ち防止部の少なくとも一方を収める凹部は、前記振動子の表面側に形成されていることを特徴としている。

また、本願請求項３の発明においては、請求項１又は２のいずれか一項に記載の発電デバイスの製造方法であって、前記金属錘部と前記抜け落ち防止部とは、金属をめっき成長させることで形成されることを特徴としている。

本願請求項１記載の発明の発電デバイスにおいて、前記振動子は、シリコンでなるシリコン錘部および、その一方の表面に形成される金属錘部を備えている。また、前記金属錘部が備わる位置に前記シリコン錘部の両表面に貫通する貫通孔を備え、前記金属錘部から前記貫通孔を通じて前記振動子の他方の表面にまで一体に突設され前記貫通孔の周縁に引っ掛かる形で抜け落ち防止部が形成されている。この前記金属錘部および前記抜け落ち防止部は、金属で一体に形成されている。これより、前記振動子は、より大きな質量を得ることができ、デバイスを長期間使用しても、前記金属錘部は、前記振動子から外れることがなく、正常に使用することができる。

また、本願請求項２の発明においては、前記金属錘部又は前記抜け落ち防止部の少なくとも一方を収める凹部は、前記振動子の表面側に形成されている。これより、前記振動子は、前記シリコン錘部の一方の表面に凹部を有し、そのシリコンの体積が減った凹部部分に、シリコンよりも密度の大きい金属でなる前記金属錘部又は前記抜け落ち防止部が形成されるので、前記振動子の質量を増加させることができ、発電デバイスは、より大きな電気エネルギを得ることができる。

また、本願請求項３の発明においては、前記金属錘部と前記抜け落ち防止部とは金属をめっき成長させることで形成されることを特徴としている。これにより、容易に前記シリコン錘部の両表面に前記金属錘部および前記抜け落ち防止部を一体に形成することができる。

本願発明の一実施形態を示す発電デバイスの概略分解斜視図同上の発電デバイスの概略分解断面図同上の発電デバイスの製造方法を説明するための（ａ）〜（ｆ）工程断面図同上の発電デバイスの製造方法を説明するための（ｇ）〜（ｌ）工程断面図従来例を示す発電デバイスの概略断面図別の従来例を示す発電デバイスの概略平面図

図１乃至４は、本実施形態である発電デバイスを示している。この発電デバイスは、フレーム部１と、フレーム部１の内側に備えた振動子２と、フレーム部１と振動子２との間をつなぎ振動子２が変位することで撓む撓み部３と、撓み部３の上に下層から下部電極４と圧電層５と上部電極６とが順に積層され振動子２の揺動に応じて交流電圧を発生する発電部７と、を備えた発電デバイスである。振動子２は、シリコンでなるシリコン錘部８ａおよびその一方の表面に形成される金属錘部８ｂを備え、金属錘部８ｂが備わる位置にシリコン錘部８ａの両表面に貫通する貫通孔９を備えている。また、金属錘部８ｂは、金属でなり、金属錘部８ｂから貫通孔９を通じて振動子２の他方の表面にまで一体に突設され、貫通孔９の周縁に引っ掛かる形で抜け落ち防止部１０が形成されている。そして、金属錘部８ｂまたは抜け落ち防止部１０の少なくとも一方を収める凹部１１（この場合は、金属錘部８ｂを収める）が、振動子２の表面側に形成されている。

また、この発電デバイスは、ＳＯＩ基板を用いており、ＳＯＩ基板は、支持層１２と絶縁層１３と活性層１４とを有している。フレーム部１および振動子２は、支持層１２と絶縁層１３と活性層１４とを備え、撓み部３は、絶縁層１３および活性層１４を備えている。発電部７は、撓み部３の活性層１４側上に形成されている。また、発電デバイスは、フレーム部１と振動子２と撓み部３とを備える主体基板１５と、主体基板１５の活性層１４側となる一表面側に備えた発電部７と、シリコン基板を用いて形成され主体基板１５の上記一表面側においてフレーム部１が固着された第一のカバー基板１６と、シリコン基板を用いて形成され主体基板１５の支持層１２側となる他表面側においてフレーム部１が固着された第二のカバー基板１７と、を用いて構成されている。

以下、この実施形態の発電デバイスを具体的詳細に説明する。フレーム部１の平面視における外形形状は、矩形形状である。また、フレーム部１の内側に有する振動子２および撓み部３の平面視における外形形状も、フレーム部１の外形形状と同様に矩形形状である。

金属錘部８ｂは、振動子２のどちらか一方の表面に大きく金属が析出し、錘となっている。またその金属が大きく析出した反対の面には、貫通孔９を通じて抜け落ち防止部１０が貫通孔９の周縁に引っ掛かるように析出している。金属錘部８ｂと抜け落ち防止部１０は、一体に形成されている。

撓み部３の上記一表面側に形成された発電部７は、下部電極４の平面サイズが最も大きく、二番目に圧電層５の平面サイズが大きく、上部電極６の平面サイズが最も小さくなるように設計してある。本実施形態では、平面視において、下部電極４の外周線の内側に圧電層５が位置し、圧電層５の外周線の内側に上部電極６が位置している。

撓み部３の上記一表面側には、下部電極４および上部電極６それぞれに金属配線からなる接続配線１８ａ、１８ｃが形成されている。また、フレーム部１の上記一表面側には、接続配線１８ａ、１８ｃを介して電気的に接続された下部電極用パッド１９ａと上部電極用パッド１９ｃが形成されている。

本実施形態では、主体基板１５は、ＳＯＩ基板を用いて形成されており、下から支持層１２と絶縁層１３と活性層１４となっている。

また、この発電デバイスは、撓み部３の上記一表面に発電部７を備えている。発電部７は、撓み部３の上記一表面側に形成された下部電極４と、下部電極４における撓み部３側とは反対に形成された圧電層５と、圧電層５における下部電極４側とは反対に形成された上部電極６とを有する。さらに、圧電層５と下部電極４および上部電極６それぞれとが接する領域のうちフレーム部１側は、フレーム部１と撓み部３との境界に全てが重なった状態となっている。また、前記領域の振動子２側は、振動子２と撓み部３との境界に全てが重なった状態となっていて、ここで、発電部７がフレーム部１と撓み部３との境界に揃っているほうが、振動しても発電に寄与しない部分が発電部７に存在せず、発電量の向上を図れるため、好ましい。主体基板１５の上記一表面側には、上部電極６に電気的に接続される接続配線１８ｃと下部電極４との短絡防止用の絶縁部２０が、下部電極４および圧電層５それぞれにおけるフレーム部１側の端部を覆う形で形成されている。

なお、絶縁部２０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。また主体基板１５と下部電極４との間にＭｇＯ層からなるシード層２１が形成されている。また、主体基板１５の支持層１２側にはシリコン酸化膜２２が形成されている。

また、第一のカバー基板１６は、シリコン基板を用いて形成している。第一のカバー基板１６の主体基板１５側となる一表面側に、振動子２および撓み部３からなる可動部の変位空間となる第一凹所２３が形成されている。

第一のカバー基板１６は、第一のカバー基板１６の他表面側に、発電部７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２４，２４を形成している。各出力用電極２４，２４は、第一のカバー基板１６の一表面側に形成された連絡用電極２５，２５と、第一のカバー基板１６の厚み方向に貫設された貫通孔配線２６，２６を介して電気的に接続されている。ここで、第一のカバー基板１６は、各連絡用電極２５，２５が主体基板１５の下部電極用パッド１９ａ，上部電極用パッド１９ｃと接合されて電気的に接続されている。

なお、各出力用電極２４，２４および各連絡用電極２５，２５をＴｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあるが、これらの材料や層構造は、特に限定するものではない。また、各貫通孔配線２６，２６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、第一のカバー基板１６としてシリコン基板を用いているので、第一のカバー基板１６は、２つの出力用電極２４，２４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２７が、第一のカバー基板の上記一表面側と上記他表面側と貫通孔配線２６，２６が内側に備えられた貫通孔２８の内周面とに跨って形成されている。なお、第一のカバー基板１６としてガラス基板のような絶縁性基板を用いる場合は、このような絶縁膜２７は、設ける必要はない。

また第二のカバー基板１７は、シリコン基板を用いて形成されており、第二のカバー基板１７の主体基板１５側となる一表面側に、振動子２および撓み部３からなる可動部の変位空間となる第二凹所２９が形成されている。なお、第二のカバー基板１７は、ガラス基板のような絶縁性基板を用いてもよい。

また、上述の主体基板１５の上記一表面側には、第一のカバー基板１６と接合するための第一の接合用金属層３０が形成されており、第一のカバー基板１６には、第一の接合用金属層３０に接合される第二の接合用金属層（図示せず）が形成されている。ここで、第一の接合用金属層３０の材料としては、下部電極用パッド１９ａ、上部電極用パッド１９ｃと同じ材料を採用しており、第一の接合用金属層３０は、主体基板１５の一表面上に下部電極用パッド１９ａ、上部電極用パッド１９ｃと同じ厚さに形成されている。

主体基板１５と第一のカバー基板１６と第二のカバー基板１７とは、常温接合法により接合してあるが、常温接合法に限らず、例えば、陽極接合法や、エポキシ樹脂などを用いた樹脂接合法などにより接合してもよい。なお、本実施形態の発電デバイスは、ＭＥＭＳデバイスの製造技術などを利用して形成されている。

以上説明した本実施形態において、発電デバイスは、発電部７が下部電極４と圧電層５と上部電極６とで構成されているから、撓み部３の振動によって圧電層５が応力を受け、下部電極４と上部電極６とに電荷の偏りが発生し、発電部７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５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、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５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。ここで、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εの一般的な値からみて、発電指数Ｐに二乗で比例する圧電定数ｅ₃₁が大きい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５の圧電材料は、鉛系圧電材料に限らず、他の圧電材料を採用してもよい。なお、主体基板１５として用いるＳＯＩ基板は、活性層１４の表面が（１００）面のものを用いる。

以下、本実施形態の発電デバイスの製造方法について図３、４を参照しながら詳細に説明するが、図３（ａ）〜（ｆ）、図４（ｇ）〜（ｌ）は、図１のＡ−Ａ´断面に対応する部位を示している。なお、ここでは、フレーム部１と振動子２と撓み部３とが形成される前のＳＯＩ基板についても主体基板１５と称する。

まず、ＳＯＩ基板を用いて形成される主体基板１５の両表面を酸化し、主体基板１５の上記一表面側にＭｇＯ層からなるシード層２１および、上記他表面側にシリコン酸化膜２２を形成することで、図３（ａ）に示す構造を得る。

その後、主体基板１５の上記一表面側の全面に下部電極４、接続配線１８ａ及び下部電極用パッド１９ａの基礎となる下部金属層３１（例えば、Ａｕ層など）をスパッタ蒸着などで成膜する。続いて、下部金属層３１と圧電層５の基礎となる圧電膜３２との間の結晶構造を良くするために、下部金属層３１の表面に、例えばＳＲＯやＰＬＯをスパッタ法で成膜する。続いて、圧電層５の基礎となる圧電材料（例えば、ＰＺＴ膜など）からなる圧電膜３２をスパッタ法やゾルゲル法などで成膜することで、図３（ｂ）に示す構造を得る。なお、下部金属層３１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層とシード層２１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、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。

上述の圧電膜３２の形成の後、圧電膜３２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し、圧電膜３２の一部からなる圧電層５を形成することで、図３（ｃ）に示す構造を得る。その後、上述の下部金属層３１を同様に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、図３（ｄ）に示す構造を得る。これより、それぞれ下部金属層３１の一部からなる下部電極４、接続配線１８ａ、下部電極用パッド１９ａを形成する。なお、本実施形態では、下部金属層３１をパターニングすることによって、下部電極４と併せて接続配線１８ａおよび下部電極用パッド１９ａを形成しているが、これに限らず、下部金属層３１をパターニングすることで下部電極４のみを形成した後、接続配線１８ａおよび下部電極用パッド１９ａを形成する工程を別途に設けてもよい。また、接続配線１８ａを形成する工程および下部電極用パッド１９ａを形成する工程を別々に設けてもよい。また、下部金属層３１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。

上述の下部金属層３１のパターニングの後、下部電極４および上部電極６が短絡しないように主体基板１５の活性層１４側に絶縁部２０を形成することで、図３（ｅ）に示す構造を得る。絶縁部２０の形成工程では、主体基板１５の活性層１４側の全面に絶縁層を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。また、リフトオフ法を利用して絶縁部２０を形成するようにしてもよい。

上述の絶縁部２０の形成の後、上部電極６、接続配線１８ｃおよび上部電極用パッド１９ｃの基礎となる上部金属層（例えば、Ａｌ層など）をＥＢ蒸着法やスパッタ法やＣＶＤ法などで成膜する。続いて上部金属層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上部電極６、接続配線１８ｃおよび上部電極用パッド１９ｃを形成する。なお、本実施形態では、上部金属層をパターニングすることによって、上部電極６と併せて接続配線１８ｃおよび上部電極用パッド１９ｃを形成し、図３（ｆ）に示す構造を得る。また、この製法手順に限らず、上部金属層をパターニングすることで上部電極６のみを形成した後、接続配線１８ｃおよび上部電極用パッド１９ｃを形成する工程を別途に設けてもよい。また、接続配線１８ｃを形成する工程および上部電極用パッド１９ｃを形成する工程を別々に設けてもよい。なお、上部電極６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。

上述の上部電極６、接続配線１８ｃ、上部電極用パッド１９ｃを形成の後、フォトリソグラフィ技術を利用して、貫通孔９を主体基板１５の上記一表面側にパターニングし、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いて撓み部３の厚み分だけエッチングすることで、図４（ｇ）に示す構造を得る。次に、フォトリソグラフィ技術を利用して、凹部１１を主体基板１５の上記他表面側にパターニングし、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いて貫通孔９が貫通状態になるまで、主体基板１５を上記他表面側からエッチングすることで、図４（ｈ）に示す構造を得る。

次に、スパッタ法により、主体基板１５の両表面と貫通孔９の内周面にめっきの下地となる下地膜を成膜することで、図４（ｉ）に示す構造を得る。続いて、下地膜をフォトリ
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し、下地層３３を形成する。なお、下地膜は、Ｎｉに限らず、例えばＣｕ、Ａｕ等で構成してもよい。続いて、無電解めっきにより、Ｃｕ等でなる下地層３３を成長させて、金属錘部８ｂおよび抜け落ち防止部１０を形成することで、図４（ｊ）に示す構造を得る。なお、無電解めっきに限らず、電解めっきを行ってもよい。めっきに用いられる金属は、Ｃｕに限らず、ＡｕおよびＮｉ等の金属であっても構わない。

上述の金属錘部８ｂおよび抜け落ち防止部１０の形成の後、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、主体基板１５の上記一表面側から絶縁層１３に達するまで、主体基板１５のうちフレーム部１、振動子２および撓み部３以外の部位をエッチングすることで一表面溝３４を形成する。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、主体基板１５を上記他表面側から絶縁層１３に達するまで、フレーム部１および振動子２以外の部位をエッチングすることで、他表面溝３５を形成することで、図４（ｌ）に示す構造を得る。続いて、エッチングストッパ層である絶縁層１３の不要な部分をエッチング除去し、連通させることで、図４（ｋ）に示す、本実施形態の発電デバイスを得る。ところで、本実施形態では、一表面溝３４および他表面溝３５の形成において、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主体基板１５をエッチングしているので、撓み部３の他表面側とフレーム部１の内側面とのなす角度を略９０度とすることができる。なお、一表面溝３４および他表面溝３５の形成においては、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。また、主体基板１５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。

なお、本実施形態の発電デバイスは、上述の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。

本実施形態では、第一のカバー基板１６と第二のカバー基板１７とを備えているので、上述の撓み部３を形成するエッチング工程の後、各カバー基板１６、１７を接合する工程を行う。この場合、カバー接合の工程が終了するまで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１６、１７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、発電部７では、下部電極４上に圧電層５を形成しているが、下部電極４と圧電層５との間に、圧電層５の成膜時の下地となるバッファ層を介在させることで、圧電層５の結晶性を更に向上させてもよい。バッファ層の材料としては、導電性酸化物材料の一種であるＳｒＲｕＯ₃、（Ｐｂ，Ｒａ）ＴｉＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃などを採用すればよい。

したがって、本実施形態において、発電デバイスは、振動子２がシリコンで形成されるシリコン錘部８ａおよび、その一方の表面に形成される金属錘部８ｂを備えている。また、金属錘部８ｂが備わる位置にシリコン錘部８ａの両表面に貫通する貫通孔９を備え、金属錘部８ｂから貫通孔９を通じて振動子２の他方の表面にまで一体に突設され貫通孔９の周縁に引っ掛かる形で抜け落ち防止部１０が形成されている。この金属錘部８ｂおよび抜け落ち防止部１０は、金属で一体に形成されている。これより、振動子２は、より大きな質量を得ることができ、デバイスを長期間使用しても、金属錘部８ｂは、シリコン錘部８ａから外れることがなく、正常に使用することができる。

また、本実施形態において、発電デバイスは、金属錘部８ｂ又は抜け落ち防止部１０の少なくとも一方を収める凹部１１は、振動子２の表面側に形成されている。これより、振動子２は、シリコン錘部８ａの一方の表面に凹部１１を有し、そのシリコンの体積が減った凹部１１部分に、シリコンよりも密度の大きい金属で形成される金属錘部８ｂ又は抜け落ち防止部１０が形成されるので、振動子２の質量を増加させることができ、発電デバイスは、より大きな電気エネルギを得ることができる。

また、本実施形態において、発電デバイスは、金属錘部８ｂと抜け落ち防止部１０とは金属をめっき成長させることで形成されることを特徴としている。これにより、容易にシリコン錘部８ａの両表面に金属錘部８ｂおよび抜け落ち防止部１０を一体に形成することができる。

なお、上記では撓み部３の平面視における外形形状は、矩形形状であったが、フレーム部１の内周縁につながる撓み部３の辺が、対辺よりも長い略台形形状等であってもよい。

また、フレーム部１の平面視における外形形状は、矩形形状に限らず、デバイス全体が小型化されるように、略三角形状等であってもよい。

また、振動子２の平面視における外形形状は、矩形形状に限られず、安定して揺動自在であれば、円形等他の形状であってもよい。

また、発電部７の外形形状は、矩形形状に限られず、撓み部３面内に収まれば、円形や三角形等、どのような外形形状であってもよい。

また、主体基板１５は、本実施形態ではＳＯＩ基板を用いているが、ＳＯＩ基板に限らず、例えばシリコン基板を用いてもよい。

また、貫通孔９の平面視における形状は、矩形形状や円形形状等であっても構わない。

１フレーム部
２振動子
３撓み部
４下部電極
５圧電層
６上部電極
７発電部
８ａシリコン錘部
８ｂ金属錘部
９貫通孔
１０抜け落ち防止部
１１凹部
１２支持層
１３絶縁層
１４活性層
１５主体基板
１６第一のカバー基板
１７第二のカバー基板

Claims

フレーム部と、前記フレーム部の内側に備えた振動子と、前記フレーム部と前記振動子との間をつなぎ振動子が変位することで撓む撓み部と、前記撓み部の上に下層から下部電極と圧電層と上部電極とが順に積層され前記振動子の揺動に応じて交流電圧を発生する発電部と、を備え、シリコンを用いて形成された発電デバイスであって、
前記振動子は、シリコンでなるシリコン錘部および、その一方の表面に形成される金属錘部を備え、
前記金属錘部が備わる位置に前記シリコン錘部の両表面に貫通する貫通孔を備え、
前記金属錘部から前記貫通孔を通じて前記振動子の他方の表面にまで一体に突設され前記貫通孔の周縁に引っ掛かる形で抜け落ち防止部が形成され、前記金属錘部および前記抜け落ち防止部は、金属で一体に形成されていることを特徴とする発電デバイス。
前記金属錘部又は前記抜け落ち防止部の少なくとも一方を収める凹部は、前記振動子の表面側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電デバイス。
請求項１又は２のいずれか一項に記載の発電デバイスの製造方法であって、前記金属錘部と前記抜け落ち防止部とは、金属をめっき成長させることで形成されることを特徴とする発電デバイスの製造方法。