JP2012080682A - 振動発電素子およびそれを用いた振動発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】出力電力がより高く小型化が可能な振動発電素子およびそれを用いた振動発電装置を提供する。
【解決手段】支持部２ａと該支持部２ａに揺動自在に支持されたカンチレバー部２ｂとを備えたベース基板１と、カンチレバー部２ｂに形成されカンチレバー部２ｂの振動に応じて交流電力を発生する発電部３とを備えた振動発電素子１０であって、発電部３は、ベース基板１の一表面１ｂ側においてカンチレバー部２ｂに重なる部位に形成された下部電極４ａと、該下部電極４ａにおけるカンチレバー部２ｂ側とは反対側に形成された第１の圧電層５ａと、該第１の圧電層５ａにおける下部電極４ａ側とは反対側に形成された中間電極４ｂと、該中間電極４ｂにおける第１の圧電層５ａとは反対側に形成された第２の圧電層５ｂと、該第２の圧電層５ｂにおける中間電極４ｂとは反対側に形成された上部電極４ｃとを有する。
【選択図】図１
【解決手段】支持部２ａと該支持部２ａに揺動自在に支持されたカンチレバー部２ｂとを備えたベース基板１と、カンチレバー部２ｂに形成されカンチレバー部２ｂの振動に応じて交流電力を発生する発電部３とを備えた振動発電素子１０であって、発電部３は、ベース基板１の一表面１ｂ側においてカンチレバー部２ｂに重なる部位に形成された下部電極４ａと、該下部電極４ａにおけるカンチレバー部２ｂ側とは反対側に形成された第１の圧電層５ａと、該第１の圧電層５ａにおける下部電極４ａ側とは反対側に形成された中間電極４ｂと、該中間電極４ｂにおける第１の圧電層５ａとは反対側に形成された第２の圧電層５ｂと、該第２の圧電層５ｂにおける中間電極４ｂとは反対側に形成された上部電極４ｃとを有する。
【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発電素子およびそれを用いた振動発電装置に関する。
近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスの一種として、車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振動発電素子が各所で研究開発されている。
この種の振動発電素子として、たとえば、図８（ａ）に示すように、Ｓｉからなるベース基板８１の支持部８２ａに一端部が固定され他端部がベース基板８１と空間を隔てて揺動自在に支持されるカンチレバー部（撓み部）８２ｂと、カンチレバー部８２ｂ上に形成されカンチレバー部８２ｂの振動に応じて交流電力を発生する発電部８３とを備えたものが知られている（たとえば、非特許文献１）。
図８（ａ）に示す振動発電素子８１０では、カンチレバー部８２ｂが、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４からなる薄膜８６と、該薄膜８６上に形成され発電部８３からの電荷の拡散を防止する拡散防止層８７（ここでは、ＺｒＯ２）とを備えた構成となっている。
また、拡散防止層８７上の発電部８３は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）からなる圧電層８５と、圧電層８５の一表面側に形成されたＰｔ／Ｔｉからなる一対の電極８４ａ，８４ｂとで構成されている。なお、圧電層８５は、変形方向と電界方向とが直交するｄ３３モードを利用した構成としており、一対の電極８４ａ，８４ｂは、平面視において、それぞれ櫛形状であって、所定の間隔を隔てて互いに噛み合わさせた構造に配置している（図８（ｂ）を参照）。さらに、振動発電素子８１０は、カンチレバー部８２ｂの他端部側の表面上に、カンチレバー部８２ｂの揺動が大きくなるように錘部８２ｃが設けられている。
振動発電素子８１０は、振動によりカンチレバー部８２ｂが揺動することで、発電部８３の圧電層８５が圧電層８５の厚み方向と垂直な直交方向に分極（図８（ａ）中の矢印を参照）され、発電した電力を一対の電極８４ａ，８４ｂから外部に出力することができる。
Y.B.Jeon,et al,「MEMS powergenerator with transverse mode thin film PZT」,Sensors and Actuators A 122,16-22,2005
ところで、上記非特許文献１に記載の振動発電素子８１０は、カンチレバー部８２ｂの揺動により発電部８３が発電する。そのため、振動発電素子８１０の一対の電極８４ａ，８４ｂから出力される電力は、カンチレバー部８２ｂの揺動に伴い極性が反転する交流電力を発生することになる。
これに対し、振動発電素子８１０の一対の電極８４ａ，８４ｂに接続される負荷は、一般に、小型電子部品やＬＳＩなどの直流電力を必要とするものが想定されている。そのため、上記非特許文献１では、振動発電素子８１０から出力される交流電力を直流電力にできるように、上述の振動発電素子８１０を用いて図８（ｃ）に示す振動発電装置８２０を構成している。
振動発電装置８２０は、振動発電素子８１０の出力を単相全波整流回路部（単相ブリッジ整流回路）である整流器Ｄ１の出力と並列にコンデンサＣｓを接続させコンデンサＣｓの両端間に負荷ＲＬを接続させている。これにより、振動発電装置８２０は、振動発電素子８１０の出力を交流電力から直流電力に整流して、一対の電極８４ａ，８４ｂに接続される負荷ＲＬ側に出力することができる。なお、図８（ｃ）の振動発電装置８２０では、振動発電素子８１０を、交流電源Ｉｐと、交流電源Ｉｐに並列接続されたコンデンサＣｐと、コンデンサＣｐに並列接続された抵抗Ｒｐによる等価回路で示している。
しかしながら、上述の振動発電素子８１０から取り出される発生電力は、一般にμＷ程度と小さい。振動発電装置８２０は、振動発電素子８１０から出力された電流を単相全波整流回路部たる整流器Ｄ１を通して整流すると、整流器Ｄ１を構成するダイオードのｐｎ接合部での電圧降下による損失が大きく影響する。特に、図８（ｃ）に示す振動発電装置８２０では、振動発電素子８１０の出力を交流電力から直流電力に整流するに際し、単相全波整流回路部である整流器Ｄ１の２個のダイオードを通って振動発電素子８１０からの電流が出力されることになる。そのため、上述の振動発電素子８１０を用いた振動発電装置８２０では、発電効率が低くなるという問題がある。
振動発電素子８１０は、より小型で出力の高いものが求められており、単純に振動発電素子８１０の圧電層８５の面積を大きくして出力を向上させる構成とすることが難しい。したがって、上述の振動発電素子８１０や振動発電装置８２０の構成だけでは十分ではなく、更なる改良が求められている。
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、出力電力がより高く小型化が可能な振動発電素子およびそれを用いた振動発電装置を提供することにある。
本発明の振動発電素子は、支持部と該支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部とを備えたベース基板と、上記カンチレバー部に形成され上記カンチレバー部の振動に応じて交流電力を発生する発電部とを備えた振動発電素子であって、上記発電部は、上記ベース基板の一表面側において上記カンチレバー部に重なる部位に形成された下部電極と、該下部電極における上記カンチレバー部側とは反対側に形成された第１の圧電層と、該第１の圧電層における上記下部電極側とは反対側に形成された中間電極と、該中間電極における上記第１の圧電層とは反対側に形成された第２の圧電層と、該第２の圧電層における上記中間電極とは反対側に形成された上部電極とを有することを特徴とする。
この振動発電素子において、上記第１の圧電層および上記第２の圧電層は、それぞれ強誘電体薄膜であることが好ましい。
この振動発電素子において、上記第１の圧電層における分極の向きと、上記第２の圧電層における分極の向きとは、上記発電部の厚み方向において同一方向であることが好ましい。
本発明の振動発電装置は、上述の振動発電素子と、該振動発電素子の上記中間電極を共通電極にして上記上部電極および上記下部電極から出力される二相交流を整流する二相全波整流回路部とを備えたことを特徴とする。
本発明の振動発電素子では、出力電力がより高く小型化が可能になるという効果がある。
本発明の振動発電装置では、出力電力がより高く小型化が可能になるという効果がある。
以下、本実施形態の振動発電素子について図１を用いて説明し、図２を用いて振動発電素子１０を用いた振動発電装置２０について説明する。
本実施形態の振動発電素子１０は、図１に示すように、支持部２ａと支持部２ａの内側に配置され支持部２ａに揺動自在に支持されたカンチレバー部２ｂとを備えたベース基板１と、ベース基板１の一表面１ｂ側においてカンチレバー部２ｂに形成されカンチレバー部２ｂの振動に応じて交流電力を発生する発電部３とを備えている。
特に、本実施形態の振動発電素子１０において、発電部３は、ベース基板１の一表面１ｂ側においてカンチレバー部２ｂに重なる部位に形成された下部電極４ａと、該下部電極４ａにおけるカンチレバー部２ｂ側とは反対側に形成された第１の圧電層５ａと、該第１の圧電層５ａにおける下部電極４ａ側とは反対側に形成された中間電極４ｂとを有している。また、本実施形態の振動発電素子１０において、発電部３は、中間電極４ｂにおける第１の圧電層５ａとは反対側に形成された第２の圧電層５ｂと、該第２の圧電層５ｂにおける中間電極４ｂとは反対側に形成された上部電極４ｃとを有している。また、ベース基板１の一表面１ｂ側には、下部電極４ａ、中間電極４ｂおよび上部電極４ｃそれぞれに接続配線６ａ，６ｃ，６ｅを介して電気的に接続された下部電極用パッド７ａ、中間電極用パッド７ｂおよび上部電極用パッド７ｃが、支持部２ａに対応する部位で形成されている。なお、ベース基板１は、平面視において、カンチレバー部２ｂを介して、支持部２ａと対向する側に錘部２ｃを備えており、錘部２ｃが貫通孔１ｄを介して支持部２ａから延在するＣ字状のフレーム部２ｄの内側に囲まれて配置される構成としている。
発電部３は、下部電極４ａ、第１の圧電層５ａ、中間電極４ｂ、第２の圧電層５ｂおよび上部電極４ｃの各平面サイズがそれぞれ順に小さくなるように設計している。更に、発電部３は、ベース基板１の一表面１ｂ側であって、ベース基板１の他表面１ａ側に設けられた窪み部１ｃと対向するように配置してある。ここで、発電部３は、平面視において、下部電極４ａにおける外周縁の内側に第１の圧電層５ａが位置し、該第１の圧電層５ａにおける外周縁の内側に該第１の圧電層５ａと接する中間電極４ｂが位置している。また、中間電極４ｂの外周縁の内側に第２の圧電層５ｂが位置し、該第２の圧電層５ｂにおける外周縁の内側に該第２の圧電層５ｂと接する上部電極４ｃが位置している。
また、発電部３は、中間電極４ｂと電気的に接続される接続配線６ｂと下部電極４ａとの短絡を防止する第１の絶縁層８ａが、下部電極４ａおよび第１の圧電層５ａそれぞれの周部を覆う形で形成されている。第１の絶縁層８ａは、平面視において、ベース基板１の一表面１ｂ側で第１の圧電層５ａと中間電極４ｂとの接するエリアを規定もしている。すなわち、第１の絶縁層８ａの平面視形状は、中間電極４ｂの周部に沿った枠状となっている。なお、第１の絶縁層８ａは、上部電極４ｃと電気的に接続された接続配線６ｃと下部電極４ａとの短絡も防止している。
同様に、上部電極４ｃに電気的に接続される接続配線６ｃと中間電極４ｂとの短絡を防止する第２の絶縁層８ｂが、中間電極４ｂおよび第２の圧電層５ｂそれぞれの周部を覆う形で第１の絶縁層８ａ上に形成されている。第２の絶縁層８ｂは、平面視において、ベース基板１の一表面１ｂ側で第２の圧電層５ｂと上部電極４ｃとの接するエリアを規定もしている。すなわち、第２の絶縁層８ｂの平面視形状は、上部電極４ｃの周部に沿った枠状となっている。
なお、本実施形態の振動発電素子１０における第１の絶縁層８ａおよび第２の絶縁層８ｂは、シリコン酸化膜により構成しているが、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し、単層膜だけでなく多層膜の構造としてもよい。本実施形態の振動発電素子１０では、揺動するカンチレバー部２ｂの上側に形成される第１の絶縁層８ａおよび第２の絶縁層８ｂが、シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜により形成されているので、第１の絶縁層８ａおよび第２の絶縁層８ｂをそれぞれレジストにより形成させた場合と比較して絶縁性および耐熱性を向上させることができる。
また、ベース基板１は、一表面１ｂ側および他表面１ａ側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜１２ｅ，１２ａを形成しており、発電部３とベース基板１とが一表面１ｂ側の絶縁膜１２ｅにより電気的に絶縁されている。
本実施形態の振動発電素子１０では、発電部３が、下部電極４ａと第１の圧電層５ａと中間電極４ｂとで構成される第１の圧電変換部３ａと、中間電極４ｂと第２の圧電層５ｂと上部電極４ｃとで構成される第２の圧電変換部３ｂとにより構成されている。そのため、カンチレバー部２ｂの振動によって発電部３の第１の圧電変換部３ａおよび第２の圧電変換部３ｂがそれぞれ応力を受け各別に発電する。すなわち、第１の圧電変換部３ａは、下部電極４ａと中間電極４ｂとの間の第１の圧電層５ａに電荷の偏りが発生し交流電力が発生する。同様に、第２の圧電変換部３ｂは、中間電極４ｂと上部電極４ｃとの間の第２の圧電層５ｂに電荷の偏りが発生し交流電力が発生する。
本実施形態における振動発電素子１０は、第１の圧電層５ａおよび第２の圧電層５ｂの圧電材料として、変形方向と電界方向とが平行となるｄ３１モードを利用したＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）を用いている。なお、振動発電素子１０の第１の圧電層５ａおよび第２の圧電層５ｂは、圧電材料としてＰＺＴに限らず、たとえば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（：Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ３）、ＰＬＺＴ（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）やＳＢＴ（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）などを用いてもよい。また、第１の圧電層５ａと第２の圧電層５ｂとは、必ずしも同じ材料で形成する必要はない。すなわち、第１の圧電変換部３ａからの出力と、第２の圧電変換部３ｂからの出力とが同等となるように、第１の圧電層５ａおよび第２の圧電層５ｂの面積、厚みや材料を適宜に選択することもできる。
また、本実施形態の振動発電素子１０は、単結晶シリコン基板１２ｂと、単結晶のシリコン層（活性層）１２ｄとの間にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１２ｃを挟んだ構造のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いてベース基板１を形成している。なお、ベース基板１となるＳＯＩ基板としては、シリコン層１２ｄの表面が（１００）面のものを用いている。
また、本実施形態の振動発電素子１０では、ベース基板１として、ＳＯＩ基板を用いているので、後述する製造時において、ＳＯＩ基板の埋込酸化膜１２ｃをカンチレバー部２ｂの形成時におけるエッチングストッパ層として利用することができる。これにより、振動発電素子１０は、カンチレバー部２ｂ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ることが可能となる。なお、ベース基板１は、ＳＯＩ基板に限らず、たとえば、単結晶のシリコン基板などを用いてもよい。
また、本実施形態の振動発電素子１０では、下部電極４ａをＰｔ膜により構成している。また、中間電極４ｂは、Ｔｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成している。さらに、上部電極４ｃは、Ｔｉ膜とＰｔ膜との積層膜により構成している。振動発電素子１０の下部電極４ａ，中間電極４ｂおよび上部電極４ｃは、これらの材料や層構造を特に限定するものではなく、下部電極４ａ、中間電極４ｂおよび上部電極４ｃそれぞれを単層構造としてもよいし多層構造としてもよい。下部電極４ａや上部電極４ｃの電極材料としては、たとえば、Ａｕ，ＡｌやＩｒなどを採用してもよく、中間電極４ｂの材料としては、たとえば、Ｍｏ，Ａｌ，ＰｔやＩｎなどを採用してもよい。
なお、本実施形態の振動発電素子１０では、下部電極４ａの厚みを１００ｎｍ、第１の圧電層５ａの厚みを６００ｎｍと設定している。また、平面視における第１の圧電層５ａよりも面積やカンチレバー部２ｂの振動に伴う応力が小さくなる第２の圧電層５ｂの厚みを、第１の圧電層５ａが発電する出力と同等となるように、第１の圧電層５ａよりも厚く設定している。本実施形態の振動発電素子１０は、中間電極４ｂの厚みを１００ｎｍ、上部電極４ｃの厚みを１００ｎｍに設定してある。なお、振動発電素子１０の下部電極４ａ、中間電極４ｂ、上部電極４ｃ、第１の圧電層５ａや第２の圧電層５ｂの厚みは、上述の厚みだけに限定するものではなく適宜に設定すればよい。
なお、本実施形態の振動発電素子１０では、カンチレバー部２ｂの平面視形状が長方形状となっているが、これに限らず、たとえば、支持部２ａから離れて錘部２ｃに近づくほど幅寸法が徐々に小さくなる台形形状でもよい。
本実施形態の振動発電素子１０では、平面視において、下部電極４ａの外周縁の内側に第１の圧電層５ａが位置し、第１の圧電層５ａの外周縁の内側に中間電極４ｂが位置しているので、下部電極４ａと第１の圧電層５ａと中間電極４ｂとが同じ平面サイズである場合に比べて、接続配線６ｂの下地となる部分の段差を低減できる。同様に、平面視において、中間電極４ｂの外周縁の内側に第２の圧電層５ｂが位置し、第２の圧電層５ｂの外周縁の内側に上部電極４ｃが位置しているので、中間電極４ｂと第２の圧電層５ｂと上部電極４ｃとが同じ平面サイズである場合に比べて、接続配線６ｃの下地となる部分の段差を低減できる。
振動発電素子１０では、第１の圧電層５ａと、第２の圧電層５ｂとからそれぞれ出力される電力を略等しくするため、第１の圧電層５ａよりも平面視における面積が小さい第２の圧電層５ｂを第１の圧電層５ａよりも厚く形成させる場合がある。この場合、第１の圧電層５ａに形成される接続配線６ｂや第２の圧電層５ｂに形成される接続配線６ｂの下地となる部分の段差を低減することで、より信頼性の高い振動発電素子１０とすることができる。
また、振動発電素子１０は、下部電極４ａと、中間電極４ｂおよび上部電極４ｃとの短絡をそれぞれ防止する第１の絶縁層８ａが、ベース基板１の一表面１ｂ側において支持部２ａ上まで延設されていてもよい。すなわち、中間電極４ｂと当該中間電極４ｂに電気的に接続される中間電極用パッド７ｂとの間の接続配線６ｂの全ての部位を第１の絶縁層８ａ上に形成し、中間電極用パッド７ｂを第１の絶縁層８ａの平坦な部位上に形成してもよい（図示していない）。これにより、振動発電素子１０は、接続配線６ｂの下地となる部分の段差を低減でき、第１の圧電層５ａの膜厚を大きくしながらも下部電極４ａと中間電極用パッド７ｂとを電気的に接続する接続配線６ｂの断線の可能性をより低減することができる。
同様に、上部電極４ｃと当該上部電極４ｃに電気的に接続される上部電極用パッド７ｃとの間の接続配線６ｃの全ての部位を第２の絶縁層８ｂ上に形成し、上部電極用パッド７ｃを第２の絶縁層８ｂの平坦な部位上に形成してもよい（図示していない）。これにより、振動発電素子１０は、接続配線６ｃの下地となる部分の段差を低減でき、第２の圧電層５ｂの膜厚を大きくしながらも中間電極４ｂと上部電極用パッド７ｃとを電気的に接続する接続配線６ｃの断線の可能性をより低減することができる。
本実施形態の振動発電素子１０は、第１の圧電変換部３ａで発電した電力を下部電極４ａおよび中間電極４ｂを用いて出力させることができる。同様に、本実施形態の振動発電素子１０は、第２の圧電変換部３ｂで発電した電力を中間電極４ｂおよび上部電極４ｃを用いて出力させることができる。
ここで、本実施形態の振動発電素子１０は、振動発電素子１０の中間電極４ｂを共通電極にして下部電極４ａおよび上部電極４ｃから出力する二相交流を整流する二相全波整流回路部と接続させて振動発電装置２０を構成する。より具体的には、図２に示すように振動発電装置２０は、振動発電素子１０の中間電極４ｂと電気的に接続された中間電極用パッド７ｂを共通にして、下部電極４ａと電気的に接続された下部電極用パッド７ａおよび上部電極４ｃと電気的に接続された上部電極用パッド７ｃを二相全波整流回路部たる整流器Ｄ２に接続させている。また、振動発電装置２０は、整流器Ｄ２の両端間にコンデンサＣｓを接続させている。振動発電装置２０は、振動発電装置２０に接続される図示しない負荷に応じて、コンデンサＣｓと負荷との間にＤＣ／ＤＣ変換部２１を設けて負荷側に供給する電圧を適宜に昇圧または降圧させる構成としている。
本実施形態の振動発電素子１０を用いた振動発電装置２０では、上述した図８（ｃ）に示した振動発電装置８２０とは異なり、振動発電素子１０の出力を交流電力から直流電力に整流するに際して、整流器Ｄ２における１個のダイオードを通って振動発電素子１０から電流が出力されることになる。そのため、本実施形態の振動発電素子１０を用いた振動発電装置２０は、図８（ｃ）に示した振動発電装置８２０と比較して、整流器におけるダイオードでの損失を低減できるから発電効率を向上させることが可能となる。
以下、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法について図３ないし図７を参照しながら説明する。各図における製造工程において、平面図を上側に、要部の略断面図を下側に図示している。
まず、ベース基板１となる上述のＳＯＩ基板からなる素子形成基板１１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１２ｅ，１２ａを熱酸化法などにより形成する絶縁膜形成工程（図３（ａ）を参照）を行う。これにより、素子形成基板１１を用いて形成されたベース基板１では、一表面１ｂ側に絶縁膜１２ｅを備え、他表面１ａに絶縁膜１２ａを備えることになる。なお、ＳＯＩ基板からなる素子形成基板１１は、単結晶シリコン基板１２ｂと、単結晶のシリコン層１２ｄとの間にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１２ｃを挟んだ構造としている。
その後、素子形成基板１１の一表面側の全面に下部電極４ａ、接続配線６ａおよび下部電極用パッド７ａの基礎となるＰｔ層からなる第１の金属膜２４ａを、たとえば、スパッタ法やＣＶＤ法などにより形成する第１の金属膜形成工程を行う。続いて、素子形成基板１１の一表面側の全面に圧電材料（たとえば、ＰＺＴなど）からなる第１の圧電層５ａの基礎となる第１の圧電膜（たとえば、ＰＺＴ膜など）２５ａを、たとえば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法や後述する転写法などにより形成する圧電膜形成工程を行う（図３（ｂ）を参照）。
なお、本実施形態の振動発電素子１０では、下部電極４ａ上に第１の圧電層５ａを形成しているが、第１の圧電層５ａと下部電極４ａとの間に、第１の圧電層５ａの成膜時の下地となるシード層を介在させることで第１の圧電層５ａの結晶性を向上させてもよい。シード層の材料としては、たとえば、導電性酸化物材料の一種であるＰＬＴ（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ３）、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ３）やＳＲＯ（ＳｒＲｕＯ３）などが挙げられる。
また、第１の金属膜２４ａは、Ｐｔ膜に限らず、たとえば、Ａｌ膜やＡｌ−Ｓｉ膜でもよいし、Ａｕ膜と該Ａｕ膜と絶縁膜１２ｅとの間に介在させる密着性改善用の密着膜としてＴｉ膜を備えた構成してもよい。ここで、図示していない密着膜の材料は、Ｔｉに限らず、たとえば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮやＴａＮなどを用いてもよい。
次に、圧電膜形成工程後、第１の圧電膜２５ａ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所定の形状にパターニングすることで第１の圧電膜２５ａの一部からなる第１の圧電層５ａを形成する圧電膜パターニング工程を行う（図３（ｃ）を参照）。
その後、第１の金属膜２４ａ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所定の形状にパターニングすることで、第１の金属膜２４ａの一部からなる下部電極４ａ、接続配線６ａおよび下部電極用パッド７ａをそれぞれ形成する金属膜パターニング工程を行う（図４（ａ）を参照）。なお、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、金属膜パターニング工程で第１の金属膜２４ａをパターニングすることによって、下部電極４ａと併せて接続配線６ａおよび下部電極用パッド７ａを同時に形成している。ここで、下部電極４ａ、接続配線６ａおよび下部電極用パッド７ａは、金属膜パターニング工程で第１の金属膜２４ａをパターニングすることで、全てを同時に形成するものだけでなく、下部電極４ａのみを形成してもよい。この場合、下部電極４ａを形成後、接続配線６ａおよび下部電極用パッド７ａを別途に形成する配線形成工程を設ければよい。同様に、接続配線６ａを形成する接続配線形成工程と、下部電極用パッド７ａ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。なお、第１の金属膜２４ａのエッチングにあたっては、たとえば、ＲＩＥ法やイオンミリング法などを適宜に採用すれることができる。
金属膜パターニング工程により、下部電極４ａ、接続配線６ａ、および下部電極用パッド７ａを形成した後、素子形成基板１１の上記一表面側に第１の絶縁層８ａを形成する第１の絶縁層形成工程を行う（図４（ｂ）を参照）。第１の絶縁層形成工程では、第１の圧電層５ａが形成された素子形成基板１１の上記一表面側にレジスト膜を塗布した後、該レジスト膜をフォトリソグラフィ技術によりパターニングする。続いて、素子形成基板１１の上記一表面側の全面に絶縁膜をＣＶＤ法などにより成膜した後、レジスト膜を剥離するリフトオフ法を利用することで第１の絶縁層８ａを形成している。第１の絶縁層形成工程では、第１の絶縁層８ａを形成させるために、リフトオフ法を用いるだけに限られず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ればよい。
次に、中間電極４ｂを形成する中間電極形成工程は、第１の絶縁層８ａの形成を行った素子形成基板１１の上記一表面側にレジスト膜を塗布した後、該レジスト膜をフォトリソグラフィ技術によりパターニングする。続いて、金属膜を蒸着して、レジスト膜を剥離するリフトオフ法を行うことにより、中間電極４ｂと併せて接続配線６ｂおよび中間電極用パッド７ｂを形成させて中間電極形成工程を行う（図４（ｃ）を参照）。なお、中間電極４ｂは、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中間電極形成工程により、接続配線６ｂおよび中間電極用パッド７ｂと同時に形成させてもよい。また、本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、中間電極形成工程において、中間電極４ｂと併せて接続配線６ｂおよび中間電極用パッド７ｂを形成しているが、これに限らず、中間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。また、配線形成工程は、接続配線６ｂを形成する接続配線形成工程と、中間電極用パッド７ｂを形成する中間電極用パッド形成工程とを別々に行ってもよい。
上述のようにして中間電極４ｂ、接続配線６ｂ、中間電極用パッド７ｂを形成した後、素子形成基板１１の中間電極４ｂ上に圧電材料（たとえば、ＰＺＴなど）からなる第２の圧電層５ｂを形成させる第２の圧電層形成工程を行う（図５（ａ）を参照）。第２の圧電層５ｂは、たとえば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法や転写法を利用して圧電膜を形成させたのち、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ことができる。
ここで、第２の圧電層５ｂを転写法で形成するためには、予め、図示しない第２の圧電膜形成用基板の一表面上にスパッタ法、ＣＶＤ法やゾルゲル法などを用いて強誘電体薄膜からなる第２の圧電膜を成膜させておく。次に、第２の圧電膜形成用基板の第２の圧電膜と、素子形成基板１１に形成された中間電極４ｂとを対向配置させた状態で、透光性の第２の圧電膜形成用基板の他表面側からレーザ光を照射させる。レーザ光は、第２の圧電膜形成用基板と、第２の圧電膜との界面で吸収するように照射させる。これにより、第２の圧電膜形成用基板から第２の圧電膜の一部が剥離される。また、剥離した第２の圧電膜は、素子形成基板１１の中間電極４ｂ側に転写されて第２の圧電層５ｂとなる。レーザ光の照射する領域を制御することで、第２の圧電膜を平面視において中間電極４ｄ上で中間電極４ｄの外形よりも小さい形状に転写することができる。
なお、第２の圧電膜形成用基板は、ベース基板１よりも第２の圧電層５ｂの基礎となる第２の圧電膜との格子定数差が小さく、格子整合性のよい基板を用いることが好ましい。たとえば、第２の圧電膜の材料としてＰＺＴを用いた場合、第２の圧電膜形成用基板としては、単結晶ＭｇＯ基板や単結晶ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ３）基板などを用いることができる。また、第２の圧電膜形成用基板から第２の圧電膜の一部を転写させるレーザ光は、たとえば、ＫｒＦエキシマレーザから照射させることができる。また、第２の圧電膜形成用基板と、第２の圧電膜との間に、第２の圧電膜の結晶配向を制御するためのＰＬＴ、ＰＴＯやＳＲＯなどのシード層を設けてもよい。シード層は、第２の圧電膜の一部を剥離するに際し、第２の圧電膜の転写時にレーザ光を吸収させて除去される犠牲層として利用することもできる。第２の圧電膜の転写に伴い第２の圧電膜形成用基板の不要な破片が素子形成基板１１側に付着した場合は、適宜エッチャントにより除去してもよい。
このような別途に形成させた圧電膜を転写して圧電層を形成する転写法を用いることにより、振動発電素子１０の製造時間を短縮させることが可能となる。すなわち、第１の圧電層５ａと第２の圧電層５ｂとを順番に成膜して振動発電素子１０を製造する方法と比較して、圧電膜の形成に時間のかかる圧電膜形成工程を第１の圧電層５ａと第２の圧電層５ｂとで別途に並行して行うことができる。
上述の転写法を用いた第２の圧電層形成工程後、素子形成基板１１の上記一表面側に第２の圧電層５ｂの一部が露出した第２の絶縁層８ｂを形成する第２の絶縁層形成工程を行う（図５（ｂ）を参照）。第２の絶縁層形成工程では、第２の圧電層５ｂが形成された素子形成基板１１の上記一表面側にレジスト膜を塗布した後、該レジスト膜をフォトリソグラフィ技術によりパターニングする。続いて、素子形成基板１１の上記一表面側の全面に絶縁膜をＣＶＤ法などにより成膜した後、レジスト膜を剥離するリフトオフ法を利用することで第２の絶縁層８ｂを形成している。第２の絶縁層形成工程では、第２の絶縁層８ｂを形成させるために、リフトオフ法を用いるだけに限られず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ればよい。
次に、上部電極４ｃは、第２の圧電層５ｂを被覆する第２の絶縁層８ｂが形成された素子形成基板１１の上記一表面側にレジスト膜を塗布した後、レジスト膜をフォトリソグラフィ技術によりパターニングする。続いて、金属膜を蒸着して、レジスト膜を剥離することにより、上部電極４ｃと併せて接続配線６ｃおよび上部電極用パッド７ｃを形成させている（図５（ｃ）を参照）。なお、上部電極４ｃは、ＥＢ蒸着法、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により、接続配線６ｃおよび上部電極用パッド７ｃと同時に形成させている。
本実施形態の振動発電素子１０の製造方法では、上部電極形成工程において、上部電極４ｃと併せて接続配線６ｃおよび上部電極用パッド７ｃ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。また、配線形成工程についても、接続配線６ｃを形成する接続配線形成工程と上部電極用パッド７ｃを形成する上部電極用パッド形成工程とを別々に行ってもよい。
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１１を加工することで、支持部２ａおよびカンチレバー部２ｂを備えたベース基板１を形成する素子形成基板加工工程を行う。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１１の上記一表面側から支持部２ａ、カンチレバー部２ｂおよび錘部２ｃとなる部位以外の絶縁膜１２ｅをＢＨＦなどによりエッチングする。これにより、素子形成基板１１のシリコン層１２ｄを露出させる表面絶縁膜除去工程を行う（図６（ａ）を参照）。
次に、ＲＩＥ法により、素子形成基板１１における上記一表面側の絶縁膜１２ｅを除去した部位のシリコン層１２ｄをエッチングにより除去する。これにより、埋込酸化膜１２ｃを露出させて貫通孔１ｄの一部となる表面溝を形成する表面溝形成工程を行う（図６（ｂ）を参照）。
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、素子形成基板１１の上記他表面側から支持部２ａ、カンチレバー部２ｂおよび錘部２ｃとなる部位以外の絶縁膜１２ａをＢＨＦなどを用いてエッチングする。これにより、絶縁膜１２ａの一部を除去して単結晶シリコン基板１２ｂを露出させる（図６（ｃ）を参照）。
絶縁膜１２ａの一部を除去した後、素子形成基板１１の上記他表面側から絶縁膜１２ａを除去した部位をＤｅｅｐ−ＲＩＥ法により、埋込酸化膜１２ｃに達する所定深さまで素子形成基板１１をエッチングする。これにより、素子形成基板１１における他表面側の埋込酸化膜１２ｃを露出させて、貫通孔１ｄの一部となる裏面構を形成する裏面構形成工程を行う（図７（ａ）を参照）。裏面構形成工程は、裏面構を形成すると同時に素子形成基板１１の他表面側に窪み部１ｃを形成している。
続いて、埋込酸化膜１２ｃの不要部分をＲＩＥ法によるエッチングにより除去して、表面溝と裏面溝とを連通させた貫通孔１ｄを形成させる酸化膜エッチング工程とを行う（図７（ｂ）を参照）。これにより、カンチレバー部２ｂと併せて錘部２ｃが形成された振動発電素子１０を製造することができる。本実施形態の振動発電素子１０では、貫通孔１ｄを形成することにより、カンチレバー部２ｂを介して支持部２ａと対向する側に錘部２ｃを備え、錘部２ｃが貫通孔１ｄを介して支持部２ａから延在するＣ字状のフレーム部２ｄの内側に囲まれて配置される構成となる。
本実施形態の振動発電素子１０は、カンチレバー部２ｂを介して支持部２ａと対向する側に錘部２ｃを備えているので、錘部２ｃ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。なお、振動発電素子１０は、支持部２ａに揺動自在に支持するカンチレバー部２ｂを備えていればよく、必ずしも錘部２ｃやフレーム部２ｄを形成させる必要もない。したがって、振動発電素子１０は、カンチレバー部２ｂを備えていれば、貫通孔１ｄを形成する酸化膜エッチング工程を省略することもできる。また、振動発電素子１０は、素子形成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、個々の振動発電素子１０に分割するダイシンク工程を行うことで、複数個の振動発電素子１０を量産性よく形成することができる。
なお、図１に示した振動発電素子１０は、基本的にベース基板１と発電部３とで構成されているが、ベース基板１の一表面１ｂ側において支持部２ａやフレーム部２ｄに固着させた図示しない第１のカバー基板と、ベース基板１の他表面１ａ側において支持部２ａやフレーム部２ｄに固着させた図示しない第２のカバー基板とを設けてもよい。
たとえば、第１のカバー基板は、ベース基板１側の一表面１ｂに、カンチレバー部２ｂおよび錘部２ｃが揺動する変位空間をベース基板１との間に形成するための凹所を備えたガラス基板やシリコン基板を用いればよい。
なお、第１のカバー基板は、ベース基板１の下部電極用パッド７ａ、中間電極用パッド７ｂおよび上部電極用パッド７ｃとそれぞれ接合されて外部に出力可能な連絡用電極を適宜に備えればよい。
また、第２のカバー基板は、ベース基板１側の他表面１ａに、カンチレバー部２ｂおよび錘部２ｃが揺動する変位空間をベース基板１との間に形成するための凹所を備えたガラス基板やシリコン基板を用いればよい。ここで、ベース基板１と第１および第２のカバー基板とは、たとえば、常温接合法、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により接合することで形成することができる。
なお、第１および第２のカバー基板を備えた振動発電素子１０を製造するためには、ベース基板１を形成した後、各カバー基板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振動発電素子１０に分割すればよい。
以上説明した本実施形態の振動発電素子１０では、下部電極４ａと、中間電極４ｂとの間に高電界を印加することで、強誘電体薄膜を用いた第１の圧電層５ａの分極処理を行うことができる。また、本実施形態の振動発電素子１０は、強誘電体薄膜を用いた第１の圧電層５ａ内の分極の向きに、ずれが生じたときでも、分極処理により第１の圧電層５ａ内の分極の向きを揃えることができる。同様に、本実施形態の振動発電素子１０は、第１の圧電層５ａの分極の向きとカンチレバー部２ｂの揺動方向との間に、ずれが生じたときでも、分極処理により第１の圧電層５ａの分極の向きを揺動方向に揃えることができる。そのため、本実施形態の振動発電素子１０は、第１の圧電層５ａ内の分極の向きや、第１の圧電層５ａの分極の向きとカンチレバー部２ｂの揺動方向との間でずれが生じることにより、発電効率が低下することを抑制することが可能となる。
同様に、本実施形態の振動発電素子１０は、中間電極４ｂと、上部電極４ｃとの間に高電界を印加することで、強誘電体薄膜を用いた第２の圧電層５ｂの分極処理を行うことができる。また、本実施形態の振動発電素子１０は、強誘電体薄膜を用いた第２の圧電層５ｂ内の分極の向きに、ずれが生じたときでも、分極処理により第２の圧電層５ｂ内の分極の向きを揃えることができる。同様に、本実施形態の振動発電素子１０は、第２の圧電層５ｂの分極の向きとカンチレバー部２ｂの揺動方向との間に、ずれが生じたときでも、分極処理により第２の圧電層５ｂの分極の向きを揺動方向に揃えることができる。そのため、本実施形態の振動発電素子１０は、第２の圧電層５ｂにおける分極の向きとカンチレバー部２ｂの揺動方向との間でずれが生じることにより、発電効率が低下することを抑制することが可能となる。
さらに、本実施形態の振動発電素子１０は、強誘電薄膜を用いた第１の圧電層５ａおよび強誘電薄膜を用いた第２の圧電層５ｂに対し、下部電極４ａと中間電極４ｂとの間、中間電極４ｂと上部電極４ｃとの間に高電界を印加する分極処理をそれぞれ行うことができる。これにより、第１の圧電層５ａにおける分極の向きと、第２の圧電層５ｂにおける分極の向きとは、発電部３の厚み方向において同一方向に揃えることが可能となる。本実施形態の振動発電素子１０を備えた振動発電装置２０は、振動発電素子１０における第１の圧電層５ａおよび第２の圧電層５ｂの分極による向きを揃えることで、カンチレバー部２ｂが揺動している時に振動発電素子１０から出力された交流電力を全波整流して直流電力とすることが可能となる。
このように形成された本実施形態の振動発電素子１０は、中間電極４ｂを第１の圧電層５ａと第２の圧電層５ｂとの間に挟んでいるため、カンチレバー部２ｂの揺動時に第１の圧電層５ａおよび第２の圧電層５ｂに掛かる応力を緩和することが可能となる。そのため、本実施形態の振動発電素子１０は、第１の圧電層５ａや第２の圧電層５ｂがカンチレバー部２ｂの揺動に伴いクラックなどが生ずることを抑制しつつ、発電部３における圧電層である第１の圧電層５ａおよび第２の圧電層５ｂのトータルの膜厚を増加させて、より出力電力を大きくすることが可能となる。すなわち、本実施形態の振動発電素子１０は、出力電力がより高く小型化することが可能になる。
１ ベース基板
１ｂ 一表面
２ａ 支持部
２ｂ カンチレバー部
３ 発電部
４ａ 下部電極
４ｂ 中間電極
４ｃ 上部電極
５ａ 第１の圧電層
５ｂ 第２の圧電層
１０ 振動発電素子
２０ 振動発電装置
Ｄ２ 整流器（二相全波整流回路部）
１ｂ 一表面
２ａ 支持部
２ｂ カンチレバー部
３ 発電部
４ａ 下部電極
４ｂ 中間電極
４ｃ 上部電極
５ａ 第１の圧電層
５ｂ 第２の圧電層
１０ 振動発電素子
２０ 振動発電装置
Ｄ２ 整流器（二相全波整流回路部）
Claims (4)
- 支持部と該支持部に揺動自在に支持されたカンチレバー部とを備えたベース基板と、前記カンチレバー部に形成され前記カンチレバー部の振動に応じて交流電力を発生する発電部とを備えた振動発電素子であって、前記発電部は、前記ベース基板の一表面側において前記カンチレバー部に重なる部位に形成された下部電極と、該下部電極における前記カンチレバー部側とは反対側に形成された第１の圧電層と、該第１の圧電層における前記下部電極側とは反対側に形成された中間電極と、該中間電極における前記第１の圧電層とは反対側に形成された第２の圧電層と、該第２の圧電層における前記中間電極とは反対側に形成された上部電極とを有することを特徴とする振動発電素子。
- 前記第１の圧電層および前記第２の圧電層は、それぞれ強誘電体薄膜であることを特徴とする請求項１記載の振動発電素子。
- 前記第１の圧電層における分極の向きと、前記第２の圧電層における分極の向きとは、前記発電部の厚み方向において同一方向であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動発電素子。
- 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の振動発電素子と、該振動発電素子の前記中間電極を共通電極にして前記上部電極および前記下部電極から出力される二相交流を整流する二相全波整流回路部とを備えたことを特徴とする振動発電装置。
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