JP2012095422A - Electrostatic conversion apparatus and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する静電変換装置に関するものである。 The present invention relates to an electrostatic conversion device that converts vibration energy into electrical energy.
近年、多数の携帯端末装置から構成されるユビキタスネットワークの開発が進んでいる。このユビキタスネットワークにおいて、ノードとなる携帯端末装置には、携帯性などの観点から、小型かつメンテナンス不要であることが望まれている(例えば、非特許文献1を参照。)。ところが、従来より携帯端末装置の電源に用いられている一次電池や二次電池は、携帯端末装置の構成要素と比較してサイズが大きくなるとともに、交換や充電などのメンテナンスが不可欠であった。 In recent years, development of a ubiquitous network composed of a large number of mobile terminal devices has progressed. In this ubiquitous network, it is desired that the mobile terminal device as a node is small and does not require maintenance from the viewpoint of portability and the like (see, for example, Non-Patent Document 1). However, the primary battery and the secondary battery conventionally used for the power source of the mobile terminal device are larger in size than the components of the mobile terminal device, and maintenance such as replacement and charging is indispensable.
そこで、近年では、携帯端末装置に適した電源として、Energy harvesting技術を用いた手段が注目されている。このEnergy harvesting技術とは、環境の中に存在する振動、熱、電磁波(光や電波)など、通常は無駄に放出されていた各種エネルギーを電気エネルギーに変換する技術のことである。このようなEnergy harvesting技術のうち、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する技術としては、電磁誘導、圧電変換、静電変換などを用いた技術が提案されている(非特許文献2を参照。)。中でも静電変換を用いる技術は、半導体プロセスやMEMS(Micro Electro Mechanical System)プロセスにより、小型化が容易であり、かつ機械的要素と電気的要素を独立して設計や作製することが可能であることから、多くの提案がなされている。その一例を図16に示す(非特許文献3を参照。)。 Therefore, in recent years, means using the energy harvesting technique has attracted attention as a power source suitable for portable terminal devices. This energy harvesting technology is a technology that converts various kinds of energy normally discharged in vain, such as vibration, heat, and electromagnetic waves (light and radio waves) present in the environment, into electrical energy. Among such energy harvesting techniques, techniques using electromagnetic induction, piezoelectric conversion, electrostatic conversion, and the like have been proposed as techniques for converting vibration energy into electrical energy (see Non-Patent Document 2). In particular, the technology using electrostatic conversion can be easily reduced in size by a semiconductor process or a micro electro mechanical system (MEMS) process, and mechanical elements and electrical elements can be designed and manufactured independently. Therefore, many proposals have been made. An example is shown in FIG. 16 (see Non-Patent Document 3).
非特許文献3に開示された静電変換装置は、図16に示すように、20mm角程度のガラス板からなる下部基板701と、この下部基板701と同等の材料からなり、下部基板701の上方に所定距離離間し、かつ、下部基板701と互いに平行に配置された上部基板702と、この上部基板702の一端に連結され、上部基板702をその平面に平行な方向に振動させる加振器703とを備えている。下部基板701の上部基板702と対向する側の面上には、複数の電極704が設けられている。同様に、上部基板702の下部基板701と対向する側の面上には、複数の電極705が設けられている。これらの電極704および電極705は、対向配置されており、外部負荷706を介して電気的に接続されている。また、下部基板701に設けられた電極704の一部には、その上面に絶縁層707が設けられている。この絶縁層707は、一般に「エレクトレット」と呼ばれる電荷保持のための絶縁体として機能する。
As shown in FIG. 16, the electrostatic conversion device disclosed in
このように構成された静電変換装置では、エレクトレットとして機能する絶縁層707により形成される静電場によってその絶縁層707と対向する電極705に誘導電荷を生じさせる。そして、加振器703を駆動させて上部基板702をその平面に平行な方向に振動させて、絶縁層707と電極705との重なり合う面積(以下、「重なり面積」という。)を変化させる。すると、電極705の絶縁層707と重なり合っていない部分が生じると、この部分に誘導されていた電荷が、外部負荷706を通って電極704に移動し、再びその部分が絶縁層707と重なり合うと、電極704に移動した電荷が外部負荷706を通ってその部分に移動することになる。これにより、外部706に交流電流が流れることとなる。したがって、このような静電変換装置の発電効率は、エレクトレットによって形成される電場の空間的な変化や下部基板701と上部基板702との相対的な位置関係の変化に伴う重なり面積の変化に依存する、と言える。
In the electrostatic conversion device configured as described above, an induced charge is generated in the
しかしながら、従来の静電変換装置では、その機構上、エレクトレットとして機能する絶縁層707やこれと対向する電極705を形成できる領域は、下部基板701と上部基板702との対向面に限定される。そのため、発電効率を向上させることが困難であった。
However, in the conventional electrostatic conversion device, the region where the
そこで、本願発明は、発電効率を向上させることができる静電変換装置および静電変換装置の製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrostatic conversion device and a method for manufacturing the electrostatic conversion device that can improve power generation efficiency.
上述したような課題を解決するために、本発明に係る静電変換装置は、基板と、この基板の上方に設けられ、この基板の平面に対して平行な第1の方向に移動可能に支持された可動部材と、第1の方向に延在する棒状の部材からなり、一端が可動部材に接続された腕部材と、この腕部材の他端に設けられた第1の帯電体と、基板上に垂設され、第1の帯電体の移動軌跡から平面に平行でかつ第1の方向に対して垂直な第2の方向に所定距離離間して設けられた第1の固定電極と、基板上に垂設され、第1の方向に沿って第1の固定電極と並設された第2の固定電極とを備えることを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, an electrostatic conversion device according to the present invention is provided above a substrate and supported so as to be movable in a first direction parallel to the plane of the substrate. A movable member, a bar-shaped member extending in the first direction, one end of which is connected to the movable member, a first charged body provided at the other end of the arm member, and a substrate A first fixed electrode provided on the substrate and provided at a predetermined distance apart in a second direction parallel to the plane and perpendicular to the first direction from the movement locus of the first charged body; It is provided with the 2nd fixed electrode arranged in parallel with the 1st fixed electrode along the 1st direction.
また、上記静電変換装置において、外部負荷と接続される第1の端子および第2の端子をさらに備え、第1の端子は、第1の固定電極に接続され、第2の端子は、第2の固定電極に接続されるようにしてもよい。 The electrostatic conversion device further includes a first terminal and a second terminal connected to an external load, the first terminal is connected to the first fixed electrode, and the second terminal is the first terminal You may make it connect to 2 fixed electrodes.
また、上記静電変換装置において、腕部材は、可動部材の両側に設けられるようにしてもよい。 In the electrostatic conversion device, the arm member may be provided on both sides of the movable member.
また、上記静電変換装置において、第1の固定電極および第2の固定電極は、それぞれ移動軌跡に対して線対称をなす位置に設けられるようにしてもよい。 In the electrostatic conversion device, the first fixed electrode and the second fixed electrode may be provided at positions that are line-symmetric with respect to the movement locus.
また、上記静電変換装置において、第2の固定電極は、第1の方向における第1の固定電極の両側に設けられるようにしてもよい。 In the electrostatic conversion device, the second fixed electrode may be provided on both sides of the first fixed electrode in the first direction.
また、上記静電変換装置において、基板上に第2の方向に所定間隔離間して垂設された柱状の一対の柱部材と、一方の柱部材の上端に一端が支持され、他方の柱部材に向かって基板の平面方向に延在する一対の梁部材とをさらに備え、可動部材は、直方体の形状を有し、柱部材と対向する一対の第1の側面に梁部材の他端が接続されることにより基板上方に配設され、腕部材は、可動部材の第1の側面と直交する第2の側面に設けられるようにしてもよい。 Further, in the electrostatic conversion device, a pair of columnar column members suspended on the substrate at a predetermined interval in the second direction, and one end supported on the upper end of one column member, the other column member The movable member has a rectangular parallelepiped shape, and the other end of the beam member is connected to the pair of first side surfaces facing the column member. By doing so, the arm member may be provided on the second side surface orthogonal to the first side surface of the movable member.
また、上記静電変換装置において、可動部材の上面に垂設された第2の帯電体と、可動部材の上方に、第2の帯電体と対向配置された第3の固定電極と、可動部材の上方で、かつ、第3の固定電極から第1の方向に離間して配設された第4の固定電極とをさらに備えるようにしてもよい。 In the electrostatic conversion device, the second charged body suspended from the upper surface of the movable member, the third fixed electrode disposed opposite to the second charged body above the movable member, and the movable member And a fourth fixed electrode disposed apart from the third fixed electrode in the first direction.
また、上記静電変換装置において、第2の帯電体は、第1の方向に所定間隔離間して複数設けられ、第3の固定電極および第4の固定電極は、第2の方向に交互に複数設けられるようにしてもよい。 In the electrostatic conversion device, a plurality of second charged bodies are provided at predetermined intervals in the first direction, and the third fixed electrode and the fourth fixed electrode are alternately arranged in the second direction. A plurality of them may be provided.
また、本発明に係る静電変換装置の製造方法は、基板と、この基板の上方に設けられ、この基板の平面に対して平行な第1の方向に移動可能に支持された可動部材と、第1の方向に延在する棒状の部材からなり、一端が可動部材に接続された腕部材と、この腕部材の他端に設けられた第1の帯電体と、基板上に垂設され、第1の帯電体の移動軌跡から平面に平行でかつ第1の方向に対して垂直な第2の方向に所定距離離間して設けられた第1の固定電極と、基板上に垂設され、第1の方向に沿って第1の固定電極と並設された第2の固定電極とを備えた静電変換装置の製造方法であって、上面に絶縁膜が形成されたシリコン基板を基板として用意する第1のステップと、絶縁膜上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第1の開口部が形成された第1のレジストパターンを形成する第2のステップと、メッキ法により第1の開口部内に金属を堆積して第1の金属パターンを形成した後、第1のレジストパターンを除去することにより、第1の固定電極の下部および第2の固定電極の下部を形成する第3のステップと、第1の金属パターンを含む絶縁膜上に、第1の金属パターンの上面を露出させた第1の犠牲層を形成する第4のステップと、第1の犠牲層上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第2の開口部が形成された第2のレジストパターンを形成する第5のステップと、メッキ法により第2の開口部内に金属を堆積して第2の金属パターンを形成した後、第2のレジストパターンを除去することにより、第1の固定電極の上部、第2の固定電極の上部、可動部材および腕部材を形成する第6のステップと、第1の犠牲層を除去する第7のステップと、腕部材に、電着により第1の帯電体を形成する第8のステップとを有することを特徴とするものである。 In addition, a method for manufacturing an electrostatic conversion device according to the present invention includes a substrate, a movable member provided above the substrate and supported so as to be movable in a first direction parallel to the plane of the substrate, It consists of a rod-shaped member extending in the first direction, one end of which is connected to the movable member, the first charging body provided at the other end of the arm member, A first fixed electrode provided at a predetermined distance apart in a second direction parallel to the plane and perpendicular to the first direction from the movement locus of the first charged body, and suspended from the substrate; A method of manufacturing an electrostatic conversion device comprising a first fixed electrode and a second fixed electrode arranged in parallel along a first direction, wherein a silicon substrate having an upper surface formed with an insulating film is used as a substrate First step to be prepared, and a photoresist is applied on the insulating film, and a predetermined amount is applied to the photoresist. A second step of forming a first resist pattern in which a first opening is formed at a predetermined position by exposure using a mask pattern having a shape; and depositing metal in the first opening by plating. And forming the first metal pattern, and then removing the first resist pattern to form a lower portion of the first fixed electrode and a lower portion of the second fixed electrode, A fourth step of forming a first sacrificial layer with the upper surface of the first metal pattern exposed on an insulating film including the metal pattern; and applying a photoresist on the first sacrificial layer; A fifth step of forming a second resist pattern in which a second opening is formed at a predetermined location by exposing the substrate to light using a mask pattern having a predetermined shape, and a second opening by plating. After the metal is deposited in the part to form the second metal pattern, the second resist pattern is removed, so that the upper part of the first fixed electrode, the upper part of the second fixed electrode, the movable member, and the arm member A sixth step of forming, a seventh step of removing the first sacrificial layer, and an eighth step of forming a first charged body on the arm member by electrodeposition It is.
本発明によれば、第1の固定電極および第2の固定電極を第1の帯電体の軌道に並設することにより、基板に垂直な面内で第1の帯電体と第1および第2の固定電極が対向することになる。したがって、基板の面積の制約を受けずに、第1の帯電体と第1および第2の固定電極との重なり面積を設定することができ、発電効率を向上させることができる。 According to the present invention, by arranging the first fixed electrode and the second fixed electrode in parallel with the track of the first charging body, the first charging body and the first and second charging bodies are arranged in a plane perpendicular to the substrate. The fixed electrodes are opposed to each other. Accordingly, the overlapping area between the first charged body and the first and second fixed electrodes can be set without being restricted by the area of the substrate, and the power generation efficiency can be improved.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
まず、本発明の第1の実施の形態について説明する。
[First Embodiment]
First, a first embodiment of the present invention will be described.
<静電変換装置の構成>
図1,図2に示すように、本実施の形態に係る静電変換装置1は、上面に酸化シリコン等の絶縁膜12が形成されたシリコン等からなる半導体基板11と、この半導体基板11上方に設けられ、この半導体基板11の平面に対して平行な第1の方向(以下、「Y方向」という。)に揺動可能に支持された可動部材15と、絶縁膜12上において、可動部材15からY方向に離間した位置に設けられた第1の固定電極17および第2の固定電極18とを備えている。ここで、可動部材15、第1の固定電極17および第2の固定電極18は、半導体基板11上において互いに絶縁分離されている。また、本実施の形態では、第1の固定電極17と第2の固定電極18とは、それぞれX方向に沿って複数設けられ、配線19を介して一対の端子20に接続される。ここで、複数の第1の固定電極17は電気的に共通に一方の端子20に電気的に接続され、複数の第2の固定電極18は電気的に共通に他方の端子20に接続されている。この端子20は、外部負荷21と接続可能に構成されている。
なお、便宜上、X方向およびY方向に垂直な方向、すなわち半導体基板11の平面に対して垂直な方向を「Z方向」という。また、X方向において、柱部材13aから柱部材13bに向かう側を正の側とする。同様に、Y方向において、図1の紙面に対して上方を正の側とする。同様に、Z方向において、半導体基板11から離間する側を上側または上方、半導体基板11に近づく側を下側または下方とする。また、図2においては、切断面以外については記載を省略している。
<Configuration of electrostatic conversion device>
As shown in FIGS. 1 and 2, the
For convenience, a direction perpendicular to the X direction and the Y direction, that is, a direction perpendicular to the plane of the
可動部材15は、絶縁膜12上に所定間隔離間して設けられた一対の柱部材13a,13bと、一端が一方の柱部材13a,13bに支持され他端が他方の柱部材13a,13bに向かって延在する一対の梁部材14a,14bと、この梁部材14a,14bの他端に接続されることにより、Y方向に揺動可能に支持された可動部材15と、柱部材13a,13b、梁部材14a,14bおよび可動部材15の表面を覆う絶縁帯電体16とを備えている。
The
柱部材13a,13bは、絶縁膜12上から上方に突出した金属からなる棒状の部材から構成される。柱部材13aの上端には梁部材14aの一端、柱部材13bの上端には梁部材14bの一端がそれぞれ接続されている。
The
梁部材14a,14bは、X方向に沿って延在する金属からなる棒状の部材から構成される。上述したように、梁部材14aの一端は、柱部材13aの上端に接続され、他端は、可動部材15の1つの側面に接続されている。同様に、梁部材14bの一端は、柱部材13bの上端に接続され、他端は、可動部材15の1つの側面に接続されている。このような梁部材14a、14bは、少なくともY方向に可撓性を有するように形成されている。これは、例えば、幅よりも厚さの方を大きく、言い換えるとZY方向の断面においてY方向の長さよりもZ方向の長さの方が大きくなるように形成することにより、実現することができる。
The
可動部材15は、金属からなる直方体の部材から構成され、上面および下面の長手方向がX方向に沿い、短手方向がY方向に沿うように配設されている。ここで、可動部材15の柱部材13a,13bと対向する2つの側面(以下、「第1の側面」という。)には、対向する梁部材14a,14bの他端が接続されている。これにより、可動部材15は、梁部材14a、14bによって半導体基板11上方に吊設されることとなる。このとき、上述したように梁部材14a、14bがY方向に可撓性を有するので、可動部材15は、Y方向に揺動可能な状態、Y方向の正負の側に往復移動が可能な状態とされている。したがって、静電変換装置1が外力を受けると、可動部材15は、半導体基板11に対して相対的に移動することとなる。静電変換装置1自体が振動すると、可動部材15は、半導体基板11に対して相対的に往復運動することとなる。
The
可動部材15の第1の側面とは異なる2つの側面(以下、「第2の側面」という。)には、Y方向に沿って垂設された複数の板状の腕部材15aが互いにX方向に所定間隔離間して形成されている。上述したように可動部材15がY方向の正負両側に移動可能とされているので、この可動部材15の移動に伴って腕部材15aもY方向の正負両側に移動することとなる。
腕部材15aの、第2の側面に接続された側と反対側の端部には、X方向の長さが大きくなっている平面視略矩形の幅広部15bが設けられている。この腕部材15aのY方向の長さは、可動部材15のY方向の移動量に応じて設定される。すなわち、可動部材15の第2の側面が第1の固定電極17に接触しないように設定される。
このような可動部材15は、図示しない配線を介して接地されている。
On two side surfaces different from the first side surface of the movable member 15 (hereinafter referred to as “second side surface”), a plurality of plate-
An end portion of the
Such a
絶縁帯電体16は、柱部材13a,13b、梁部材14a,14bおよび可動部材15の表面に形成された絶縁体から構成される。このような絶縁帯電体16は、少なくとも幅広部15bの部分が予め電子を帯電したエレクトレットとして機能する。この帯電は、後述するように電子ビーム法、液体接触法、コロナ放電法などによって実現される。
The
第1の固定電極17は、絶縁膜12上から上方に突出した金属の柱状の部材から構成されている。このような第1の固定電極17は、可動部材15が静止している状態において、可動部材15の第2の側面と所定間隔離間し、かつ、幅広部15bとX方向に所定間隔離間する位置に配設されている。この幅広部15bと第1の固定電極17との距離は、第1の固定電極17が幅広部15bの表面に設けられた絶縁帯電体16の静電場の影響を受ける距離に設定されている。1つの腕部材15aに第1の固定電極17を1つずつ対応付けることができる。
The first
第2の固定電極18は、絶縁膜12上から上方に突出した金属の柱状の部材から構成され、絶縁膜12上において、可動部材15の第2の側面と所定間隔離間して配置されている。また、第2の固定電極18は、第1の固定電極17とY方向に沿った同一直線上に所定間隔離間して配置されている。1つの腕部材15aに第2の固定電極18を1つずつ対応付けることができる。
The second
<静電変換装置の発電動作>
次に、図3,図4を参照して、本実施の形態に係る静電変換装置による発電動作について説明する。
<Power generation operation of electrostatic conversion device>
Next, with reference to FIGS. 3 and 4, the power generation operation by the electrostatic conversion device according to the present embodiment will be described.
まず、図3に示すように、可動部材15が静止している状態において幅広部15bの近くに位置する第1の固定電極17は、その幅広部15bの表面に設けられた絶縁帯電体16により形成される静電場の影響を受け、静電誘導の原理により絶縁帯電体16の負電荷に対応した正電荷が第1の固定電極17に現れる。
First, as shown in FIG. 3, the first fixed
このような状態において、例えば静電変換装置1が振動させられると、質量を有する可動部材15がY方向に揺動する。可動部材15がY方向の正の向きに移動したときには、図4に示すように、幅広部15bもY方向の正の向きに移動し、第1の固定電極17から遠ざかり、第2の固定電極18に近づく。すると、第2の固定電極18は、第1の固定電極17よりも幅広部15bの表面に設けられた絶縁帯電体16に近づくので、第1の固定電極17よりも絶縁帯電体16が形成する静電場の影響をより強く受けるため、静電誘導の原理により、その負電荷に対応する正電荷が第2の固定電極18に現れる。この正電荷は、第1の固定電極17と第2の固定電極18とが外部負荷21を介して電気的に接続されていることから、図3において第1の固定電極17に現れた正電荷が移動してきたものである。
In this state, for example, when the
図4に示す状態から、可動部材15がY方向の負の向きに再度移動すると、図3に示すように、幅広部15bは、第2の固定電極18から遠ざかり、第1の固定電極17に近づく。すると、第1の固定電極17は、第2の固定電極18よりも幅広部15bの表面に設けられた絶縁帯電体16が形成する静電場の影響をより強く受けるため、静電誘導により正電荷が現れることとなる。この正電荷は、第2の固定電極18から移動してきたものである。
When the
このように、静電変換装置1が振動させられることによって可動部材15がY方向に揺動すると、第1の固定電極17と第2の固定電極18とに交互に正電荷が誘導されて、外部負荷21に電流が流れることとなる。
Thus, when the
以上説明したように、本実施の形態によれば、第1の固定電極17および第2の固定電極18を幅広部15bの表面に形成された絶縁帯電体16の軌道に並設することにより、半導体基板11に垂直な面内で絶縁帯電体16と第1の固定電極17および第2の固定電極18が対向することになる。したがって、半導体基板11の面積の制約を受けずに、絶縁帯電体16と第1の固定電極17および第2の固定電極18との重なり面積を設定することができ、発電効率を向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, by arranging the first fixed
また、本実施の形態によれば、直方体形状の可動部材15の表面を形成する6つの面のうち、2つの第2の側面で静電変換できるので、結果として、出力の向上や静電変換装置の小型化を実現することができる。
In addition, according to the present embodiment, the electrostatic conversion can be performed on the two second side surfaces among the six surfaces forming the surface of the rectangular parallelepiped
なお、本実施の形態では、図1に示すように、可動部材15の第2の側面それぞれ4つずつ腕部材15aを設ける場合を例に説明したが、腕部材15aの数量は4つに限定されず適宜自由に設定できるのは言うまでもない。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the case where four
また、本実施の形態では、幅広部15bを、可動部材15が静止した状態において第1の固定電極17とX方向に対向する位置に設ける場合を例に説明したが、幅広部15bを設ける位置はこれに限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、幅広部15bを、可動部材15が静止した状態において、第1の固定電極17と第2の固定電極18との間の領域と、X方向に対向する位置に設けるようにしてもよい。
Further, in the present embodiment, the case where the
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第1の実施の形態における静電変換装置1における第1の固定電極17および第2の固定電極18を1つの幅広部15bに対してそれぞれ2つずつ設けたものである。したがって、上述した第1の実施と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、適宜説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, two each of the first fixed
<静電変換装置の構成>
図5に示すように、本実施の形態に係る静電変換装置1は、上面に絶縁膜12が形成された半導体基板11と、柱部材13a,13bと梁部材14a,14bとによってY方向に揺動可能に支持された可動部材15と、絶縁膜12上において、可動部材15からY方向に離間した位置に1つの幅広部15bに対して一対ずつ設けられた複数の第1の固定電極17a,17bおよび第2の固定電極18a,18bとを備えている。この第1の固定電極17a,17bと第2の固定電極18a,18bとは、配線19を介して一対の端子20に接続される。
<Configuration of electrostatic conversion device>
As shown in FIG. 5, the
ここで、第1の固定電極17a,17bは、可動部材15の移動軌跡に対して線対称、言い換えると、幅広部15bの略中央部を通るY方向に沿った直線に対して線対称に設けられている。また、可動部材15が静止している状態において、第1の固定電極17a,17bは、幅広部15bとX方向に所定間隔離間して配設されている。この幅広部15bと第1の固定電極17a,17bとの距離は、第1の固定電極17a,17bが幅広部15bの表面に設けられた絶縁帯電体16の静電場の影響を受ける距離に設定されている。
Here, the first
第2の固定電極18a,18bは、可動部材15の移動軌跡に対して線対称、言い換えると、幅広部15bの略中央部を通るY方向に沿った直線に対して線対称に設けられている。また、第2の固定電極18aは、第1の固定電極17aとY方向の可動部材15から離れる側に所定間隔離間して配置されている。同様に、第2の固定電極18bは、第1の固定電極17bとY方向の可動部材15から離れる側に所定間隔離間して配置されている。
The second
ここで、1つの幅広部15bには、一対の第1の固定電極17a,17bと、一対の第2の固定電極18a,18bとが対応付けて配設されている。第1の固定電極17a,17bおよび第2の固定電極18a,18bは、Y方向に沿った同一直線上に配設されている。上述したように、可動部材15が静止した状態において、幅広部15bは、第1の固定電極17a,17bとX方向に対向している。このような状態から、可動部材15が第2の固定電極18a,18bの方に向かってY方向に移動すると、幅広部15bは、第2の固定電極18a,18bとX方向に対向することとなる。
Here, a pair of first
<静電変換装置の発電動作>
次に、図6を参照して、本実施の形態に係る静電変換装置による発電動作について説明する。
<Power generation operation of electrostatic conversion device>
Next, with reference to FIG. 6, the power generation operation by the electrostatic conversion device according to the present embodiment will be described.
まず、図6に示すように、可動電極15が静止している状態において幅広部15bの近くに位置する第1の固定電極17a,17bは、その幅広部15bの表面に設けられた絶縁帯電体16により形成される静電場の影響を受け、静電誘導の原理により絶縁帯電体16の負電荷に対応した正電荷が第1の固定電極17a,17bに現れる。
First, as shown in FIG. 6, when the
このような状態において、例えば静電変換装置1が振動させられると、質量を有する可動部材15がY方向に揺動する。可動部材15がY方向の正の向きに移動したときには、幅広部15bもY方向の正の向きに移動し、第2の固定電極18a,18bに近づく。すると、第2の固定電極18a,18bは、第1の固定電極17a,17bよりも幅広部15bの表面に設けられた絶縁帯電体16に近づくので、第1の固定電極17a,17bよりも静電場の影響をより強く受けるため、静電誘導の原理により、その負電荷に対応する正電荷が第2の固定電極18a,18bに現れる。この正電荷は、第1の固定電極17a,17bと第2の固定電極18a,18bとが外部負荷21を介して電気的に接続されていることから、図6において第1の固定電極17に現れた正電荷が移動してきたものである。
In this state, for example, when the
幅広部15bが第2の固定電極18a,18bに対向した状態から、可動部材15がY方向の負の向きに再度移動すると、図6に示すように、幅広部15bは、第2の固定電極18a,18bから遠ざかり、第1の固定電極17a,17bに近づく。すると、第1の固定電極17a,17bは、第2の固定電極18a,18bよりも幅広部15bの表面に設けられた絶縁帯電体16の影響をより強く受けるため、静電誘導により正電荷が現れることとなる。この正電荷は、第2の固定電極18a,18bから移動してきたものである。
When the
このように、静電変換装置1が振動させられることによって可動部材15がY方向に揺動すると、第1の固定電極17a,17bと第2の固定電極18a,18bとに交互に正電荷が誘導されて、外部負荷21に電流が流れることとなる。
In this way, when the
以上説明したように、本実施の形態によれば、これにより、第1の固定電極17a,17bおよび第2の固定電極18a,18bを幅広部15bの表面に形成された絶縁帯電体16の軌道に並設することにより、半導体基板11に垂直な面内で絶縁帯電体16と第1の固定電極17a,17bおよび第2の固定電極18a,18bが対向することになる。したがって、半導体基板11の面積の制約を受けずに、絶縁帯電体16と第1の固定電極17a,17bおよび第2の固定電極18a,18bとの重なり面積を設定することができ、発電効率を向上させることができる。
As described above, according to the present embodiment, as a result, the track of the insulating charging
また、本実施の形態によれば、直方体形状の可動部材15の表面を形成する6つの面のうち、2つの第2の側面で静電変換できるので、結果として、出力の向上や静電変換装置の小型化を実現することができる。また、本実施の形態では、1つの幅広部15bに対して、一対の第1の固定電極17a,17bおよび一対の第2の固定電極18a,18bが設けているので、誘導される正電荷の量が増加するため、出力を向上させることができる。
In addition, according to the present embodiment, the electrostatic conversion can be performed on the two second side surfaces among the six surfaces forming the surface of the rectangular parallelepiped
なお、本実施の形態では、図5に示すように、可動部材15の第2の側面それぞれ4つずつ腕部材15aを設ける場合を例に説明したが、腕部材15aの数量は4つに限定されず適宜自由に設定できるのは言うまでもない。この場合、第1の固定電極17a,17bおよび第2の固定電極18a,18bの数量についても、腕部材15aの数量に応じて設定される。
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the case where four
また、本実施の形態では、幅広部15bを、可動部材15が静止した状態において第1の固定電極17a,17bとX方向に対向する位置に設ける場合を例に説明したが、幅広部15bを設ける位置はこれに限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、幅広部15bを、可動部材15が静止した状態において、第1の固定電極17a,17bと第2の固定電極18a,18bとの間の領域と、X方向に対向する位置に設けるようにしてもよい。
Further, in the present embodiment, the case where the
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、上述した第2の実施の形態の静電変換装置2において、可動部材15の上面に可動電極を設けるとともに、この可動電極15と対向する位置に固定電極をさらに設けたものである。したがって、上述した第1,第2の実施と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、適宜説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, in the
<静電変換装置の構成>
図7,図8に示すように、本実施の形態に係る静電変換装置3は、半導体基板(以下、「第1の半導体基板」という。)11と、この第1の半導体基板11の上方に所定距離離間して配置された第2の半導体基板31と、第1の半導体基板11と第2の半導体基板31との間に配設され、これらの距離を所定の距離に保つスペーサ部材41とを備えている。このスペーサ部材41は、金属から構成され、平面視略矩形の開口を有する筒の形状を有する。その開口内には、図8に示されるように、柱部材13a,13b、梁部材14a,14b、可動部材15、第1の固定電極17a,17b、第2の固定電極18a,18b、ならびに、後述する第3の固定電極33および第4の固定電極34が収容される。なお、図8においては、切断面以外については記載を省略している。
<Configuration of electrostatic conversion device>
As shown in FIGS. 7 and 8, the
ここで、第1の半導体基板11には、この第1の半導体基板11の上面に形成された絶縁膜(以下、「第1の絶縁膜」という。)12上に柱部材13a,13bと梁部材14a,14bによりY方向に揺動可能に支持された可動部材15と、第1の絶縁膜12上において、可動部材15からY方向に離間した位置に1つの幅広部15bに対して一対ずつ設けられた複数の第1の固定電極17a,17bおよび第2の固定電極18a,18bとを備えている。
Here, on the
ここで、可動部材15の上面には、X方向に沿って垂設された複数の板状の突出部材15cが互いにY方向に所定間隔離間して形成されている。上述したように、可動部材15がY方向に移動可能とされているので、この可動部材15の移動に伴って突出部材15cもY方向に移動することとなる。また、この突出部材15cの表面には、負電荷が帯電した絶縁帯電体16が形成されている。
Here, on the upper surface of the
また、第2の半導体基板31には、この第2の半導体基板31の第1の半導体基板11と対向する面に形成された第2の絶縁膜32上に、Y方向に所定間隔離間して交互に設けられた複数の第3の固定電極33および第4の固定電極34を備えている。ここで、第3の固定電極33と第4の固定電極34は、第2の半導体基板31などに設けられた配線22を介して一対の端子23に接続される。また、複数の第3の固定電極33は電気的に共通に一方の端子23に電気的に接続され、複数の第4の固定電極34は電気的に共通に他方の端子23に接続されている。この端子23は、外部負荷24と接続可能に構成されている。
The
なお、第2の半導体基板31は、シリコン等からなる半導体基板から構成され、第1の半導体基板11と同等の外形を有する。第2の絶縁膜32は、酸化シリコン等からなり、第2の半導体基板31の下面に形成されている。
The
第3の固定電極33は、第2の絶縁膜32上から下方に突出しX方向に延在する金属の板状の部材から構成され、第2の絶縁膜32上において、可動部材15の上面と所定間隔離間して配置されている。このような第3の固定電極33は、可動部材15が静止している状態において、可動電極15cと対向する位置に設けられている。
The third
第4の固定電極34は、第2の絶縁膜32上から下方に突出しX方向に延在する金属の板状の部材から構成され、第2の絶縁膜32上において、隣り合う第3の固定電極33と互いに平行かつ等間隔に離間して配設されている。なお、Y方向の正負両端に位置する第4の固定電極34は、Y方向の正の側および負の側の何れか一方のみにおいて、第3の固定電極33と隣り合っている。
The fourth
<静電変換装置の発電動作>
次に、図9,図10を参照して、本実施の形態に係る静電変換装置の発電動作について説明する。なお、第1の固定電極17a,17bおよび第2の固定電極18a,18bを用いた発電動作については、上述した第2の実施の形態と同等であるので、説明を省略する。以下においては、第3の固定電極33および第4の固定電極34を用いた発電動作について説明する。
<Power generation operation of electrostatic conversion device>
Next, the power generation operation of the electrostatic conversion device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. Note that the power generation operation using the first
まず、図9に示すように、可動部材15が静止している状態において突出部材15cと対向しており、第3の固定電極33は、その突出部材15cの表面に設けられた絶縁帯電体16により形成される静電場の影響を受け、静電誘導の原理により絶縁帯電体16の負電荷に対応した正電荷が第3の固定電極33に現れる。
First, as shown in FIG. 9, the
このような状態において、例えば静電変換装置1が振動させられると、質量を有する可動部材15がY方向に揺動する。可動部材15がY方向の正の向きに移動したときには、図10に示すように、突出部材15cもY方向の正の向きに移動し、第4の固定電極34に近づく。すると、第4の固定電極34は、第3の固定電極33よりも突出部材15cの表面に設けられた絶縁帯電体16に近づくので、第3の固定電極33よりも静電場の影響をより強く受けるため、静電誘導の原理により、その負電荷に対応する正電荷が第4の固定電極34に現れる。この正電荷は、第3の固定電極33と第4の固定電極34とが外部負荷24を介して電気的に接続されていることから、図9において第3の固定電極33に現れた正電荷が移動してきたものである。
In this state, for example, when the
図10に示す状態から、可動部材15がY方向の負の向きに再度移動すると、図9に示すように、突出部15cは、第4の固定電極34から遠ざかり、第3の固定電極33に近づく。すると、第3の固定電極33は、第4の固定電極34よりも突出部材15cの表面に設けられた絶縁帯電体16の影響をより強く受けるため、静電誘導により正電荷が現れることとなる。この正電荷は、第4の固定電極34から移動してきたものである。
When the
このように、静電変換装置1が振動させられることによって可動部材15がY方向に揺動すると、第3の固定電極33と第4の固定電極34とに交互に正電荷が誘導されて、外部負荷24に電流が流れることとなる。このとき、第2の実施の形態でも説明したように、第1の固定電極17と第2の固定電極18とに交互に正電荷が誘導されて、外部負荷24にも電流が流れている。これにより、本実施の形態によれば、直方体形状の可動部材15の表面を形成する6つの面のうち、2つの第2の側面と上面という合計3つの面での静電変換できるので、結果として、出力の向上や静電変換装置の小型化を実現することができる。
In this manner, when the
[第4の実施の形態]
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、上述した第1〜第3の実施と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して、適宜説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, components equivalent to those in the first to third implementations described above are denoted by the same names and reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
<静電変換装置の構成>
図11〜図14に示すように、本実施の形態に係る静電変換装置4は、第1の半導体基板11と、この第1の半導体基板11の上方に所定距離離間して配置された第2の半導体基板31と、第1の半導体基板11と第2の半導体基板31との間に配設され、これらの距離を所定の距離に保つスペーサ部材41とを備えている。なお、図13においては、切断面以外については記載を省略している。
<Configuration of electrostatic conversion device>
As shown in FIGS. 11 to 14, the
≪第1の半導体基板の構成≫
第1の半導体基板11は、第1の絶縁膜12上に、柱部材13a,13bと梁部材14a,14bによりY方向に揺動可能に支持された平面視略格子状の可動部材50と、この可動部材50の周囲に設けられた、複数の第5の固定電極61および第6の固定電極62とを備えている。ここで、第5の固定電極61と第6の固定電極62とは、第1の半導体基板11上などに設けられた配線22により外部負荷24を介して電気的に接続されている。ここで、可動部材50、第5の固定電極61および第6の固定電極62は、第1の半導体基板11上において互いに絶縁分離されている。また、本実施の形態では、第5の固定電極61と第6の固定電極62とは、それぞれX方向に沿って複数設けられ、配線19を介して一対の端子20に接続される。複数の第5の固定電極61は電気的に共通に一方の端子20に電気的に接続され、複数の第6の固定電極62は電気的に共通に他方の端子20に接続されている。この端子20は、外部負荷21と接続可能に構成されている。
<< Configuration of First Semiconductor Substrate >>
The
可動部材50は、X方向に沿って延在する直方体の柱状の部材からなる基部51と、Y方向に沿って延在する柱状の部材からなり、一端が基部51のX方向に沿った両側面に互いにX方向に所定間隔離間して接続される複数の第1の部材52と、X方向に沿って延在する一対の柱状の部材からなり、第1の部材52の他端が接続される第2の部材53と、X方向に沿って延在する柱状の部材からなり、第1の部材52の上部に設けられ、互いにY方向に所定間隔離間する複数の第3の部材54とを備えている。この第1の部材52、第2の部材53および第3の部材54それぞれは、第1の部材52の延在方向に対して線対称に配設されている。このような可動部材50は、金属から構成される。また、可動部材50の表面には、柱部材13a,13bおよび梁部材14a,14bとともに、絶縁帯電体16が形成されている。この絶縁帯電体16は、少なくとも後述する幅広部52aおよび第3の部材54の部分が予め電子を帯電したエレクトレットとして機能する。さらに、可動部材50は、図示しない配線によりグランドに接続されている。
The
ここで、基部51の柱部材13a,13bと対向する2つの側面には、対向する梁部材14a,14bの他端が接続されている。これにより、可動部材50は、梁部材14a、14bによって第1の半導体基板11上方に吊設されることとなる。このとき、梁部材14a、14bがY方向に可撓性を有するので、可動部材50は、Y方向に揺動可能な状態、Y方向の正負両側に往復移動が可能な状態とされている。したがって、静電変換装置4自体が振動すると、可動部材50はY方向に揺動することとなる。
Here, the other end of the
また、第1の部材52のY方向における略中央部には、X方向の長さが大きくなっている平面視略矩形の幅広部52aが設けられている。また、本実施の形態では、4つの第3の部材54が設けられている。これらは、第1の部材52の上部において、幅広部52aを挟むように幅広部52aからY方向の正負両側に所定距離離間した位置に配設される。
Also, a substantially rectangular
第5の固定電極61は、絶縁膜12上から上方に突出した金属の棒状の部材から構成されている。このような第5の固定電極61は、可動部材50が静止している状態において、X方向に隣り合う幅広部52aの間に、これらの幅広部52aから等間隔の位置にその幅広部52aと離間して配設されている。なお、幅広部52aのうちX方向における両端部に位置する幅広部52aについては、幅広部52aと隣り合っていない側にも第5の固定電極61が設けられる。この場合、第5の固定電極61と幅広部52aとの距離は、幅広部52aの間に設けた場合と同等の間隔で設けられる。ここで、幅広部52aと第5の固定電極61との距離は、第5の固定電極61が幅広部52aの表面に設けられた絶縁帯電体16の静電場の影響を受ける距離に設定されている。
The fifth
第6の固定電極62は、絶縁膜12上から上方に突出した金属の棒状の部材から構成されている。このような第6の固定電極62は、第5の固定電極61とY方向の正負両側に所定間隔離間して配置されている。また、第6の固定電極62は、図示しない配線によりグランドに接続されている。
The sixth
≪第2の半導体基板の構成≫
第2の半導体基板31には、この第2の半導体基板31の下面に形成された第2の絶縁膜32上に、Y方向に所定間隔離間して設けられた複数の第7の固定電極71および第8の固定電極72を備えている。ここで、第7の固定電極71と第8の固定電極72は、第2の半導体基板31などに設けられた配線22を介して一対の端子23に接続される。また、複数の第7の固定電極71は電気的に共通に一方の端子23に電気的に接続され、複数の第8の固定電極72は電気的に共通に他方の端子23に接続されている。この端子23は、外部負荷24と接続可能に構成されている。
<< Configuration of Second Semiconductor Substrate >>
On the
第7の固定電極71は、第2の絶縁膜32上から下方に突出しX方向に延在する金属の板状の部材から構成され、第2の絶縁膜32上において、可動部材50の上面と所定間隔離間して配置されている。このような第7の固定電極71は、可動部材50が静止している状態において、第3の部材54と対向する位置に設けられている。
The seventh
第8の固定電極72は、第2の絶縁膜32上から下方に突出しX方向に延在する金属の板状の部材から構成され、第2の絶縁膜32上において、隣り合う第7の固定電極71と互いに平行かつ等間隔に離間して配設されている。なお、Y方向の正負両端に位置する第8の固定電極72は、Y方向の正の側および負の側の何れか一方のみにおいて、第7の固定電極71と隣り合っている。
The eighth
スペーサ部材41は、金属から構成され、平面視略矩形の開口を有する筒の形状を有する。その開口内には、図11,図12に示されるように、柱部材13a,13b、梁部材14a,14b、可動部材50、第5の固定電極61、第6の固定電極62、第7の固定電極71、第8の固定電極第72が収容される。このようなスペーサ部材41は、図示しない配線によりグランドに接続されている。
The
<静電変換装置の発電動作>
次に、図11〜図14を参照して、本実施の形態に係る静電変換装置による発電動作について説明する。
<Power generation operation of electrostatic conversion device>
Next, with reference to FIGS. 11-14, the electric power generation operation | movement by the electrostatic transducer which concerns on this Embodiment is demonstrated.
はじめに、第5の固定電極61および第6の固定電極62を利用した発電動作について説明する。
First, the power generation operation using the fifth fixed
まず、可動部材50が静止している状態において幅広部52bの近くに位置する第5の固定電極61は、その幅広部52bの表面に設けられた絶縁帯電体16により形成される静電場の影響を受け、静電誘導の原理により絶縁帯電体16の負電荷に対応した正電荷が第5の固定電極61に現れる。
First, the fifth fixed
このような状態において、例えば静電変換装置4が振動させられると、可動部材50がY方向の正負の何れかの向き(以下においては、正の向きに移動した場合を例に説明する。)に移動すると、幅広部52bもY方向の正の側に移動し、第5の固定電極に対してY方向の正の側に位置する第6の固定電極62に近づく。すると、第6の固定電極62は、第5の固定電極61よりも幅広部52bの表面に設けられた絶縁帯電体16に近づくので、第5の固定電極61よりも絶縁帯電体16が形成する静電場の影響をより強くを受けるため、静電誘導の原理により、その負電荷に対応する正電荷が第6の固定電極62に現れる。この正電荷は、第5の固定電極61と第6の固定電極62とが外部負荷21を介して電気的に接続されていることから、第5の固定電極61に現れた正電荷が移動してきたものである。
In such a state, for example, when the
このような状態から、可動部材50がY方向の負の向きに再度移動すると、幅広部52bは、第6の固定電極62から遠ざかり、第5の固定電極61に近づく。すると、第5の固定電極は、第6の固定電極62よりも絶縁帯電体16が形成する静電場の影響をより強く受けるため、静電誘導により正電荷が現れることとなる。この正電荷は、Y方向の正の側に位置する第6の固定電極62から移動してきたものである。
From this state, when the
可動部材50がさらにY方向の負の側に移動すると、幅広部52bは、第5の固定電極61から遠ざかり、第6の固定電極62に近づく。すると、第6の固定電極62は、第5の固定電極61よりも絶縁帯電体16が形成する静電場の影響をより強くを受けるため、静電誘導により正電荷が現れることとなる。この正電荷は、第5の固定電極61から移動してきたものである。
When the
このような状態から、可動部材50がY方向の正の側に再度移動すると、幅広部52bは、第6の固定電極62から遠ざかり、第5の固定電極61に近づく。すると、第5の固定電極は、第6の固定電極62よりも絶縁帯電体16が形成する静電場の影響をより強く受けるため、静電誘導により正電荷が現れることとなる。この正電荷は、Y方向の負の側に位置する第6の固定電極62から移動してきたものである。
From this state, when the
このように、静電変換装置4が振動させられることによって可動部材50がY方向に揺動すると、第5の固定電極61と2つの第6の固定電極62とに交互に正電荷が誘導されて、外部負荷24に電流が流れることとなる。
As described above, when the
本実施の形態によれば、第5の固定電極61および第6の固定電極62を幅広部52bの表面に形成された絶縁帯電体16の軌道に並設することにより、第1の半導体基板11に垂直な面内で絶縁帯電体16と第5の固定電極61および第6の固定電極62が対向することになる。したがって、第1の半導体基板11の面積の制約を受けずに、絶縁帯電体16と第5の固定電極61および第6の固定電極62との重なり面積を設定することができ、発電効率を向上させることができる。
According to the present embodiment, the fifth fixed
また、本実施の形態によれば、第5の固定電極61の両側に第6の固定電極62を設けることにより、可動部材50がY方向の正負の何れの側に移動しても発電することができる。
In addition, according to the present embodiment, by providing the sixth fixed
次に、第7の固定電極71および第8の固定電極72を利用した発電動作について説明する。
Next, the power generation operation using the seventh fixed
この場合は、第3の実施の形態における第3の固定電極33および第4の固定電極34を用いた発電動作と同等である。すなわち、第7の固定電極71が第3の固定電極33、第8の固定電極72が第4の固定電極34、第3の部材54が突出部材15cにそれぞれ対応する。したがって、静電変換装置4が振動させられることによって可動部材50がY方向の正負両側に移動すると、外部負荷24を介して第7の固定電極71と第8の固定電極72との間で正電荷が移動するので、結果として、外部負荷24に電流が流れることとなる。
This case is equivalent to the power generation operation using the third
これにより、本実施の形態によれば、可動部材50の多数の面で静電変換できるので、結果として、出力の向上や静電変換装置の小型化を実現することができる。
Thereby, according to this Embodiment, since electrostatic conversion can be performed in many surfaces of the
<静電変換装置の製造方法>
次に、本実施の形態に係る静電変換装置の製造方法の一例について、図15A〜図15Qを参照して説明する。
<Method for Manufacturing Electrostatic Conversion Device>
Next, an example of a method for manufacturing the electrostatic conversion device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 15A to 15Q.
まず、例えば、酸化シリコンからなる絶縁膜12が上面に形成された、シリコンからなる第1の半導体基板11を用意する。この第1の半導体基板11は、複数のトランジスタ、抵抗、容量、配線などから構成された半導体集積回路を備えるようにしてもよい。この場合、集積回路の配線や、パッドの配線などと電気的に接続するためのコンタクトホールなどが、絶縁膜12の所定の箇所に形成されていてもよい。
First, for example, a
このような第1の半導体基板11に対して、図15Aに示すように、絶縁膜12上に第1のシード層101を形成する。この第1のシード層101は、例えば、スパッタ法や蒸着法などにより、絶縁膜12上にチタンを堆積した後、この上に金を堆積することにより形成することができる。この場合、チタンの膜厚は0.1μm程度、金の膜厚は0.1μm程度とすればよい。
A
第1のシード層101を形成した後、この第1のシード層101の上にレジスト材料を塗布し、このレジスト材料に対して所望のパターンを有するマスクを用いて露光することにより、第1のシード層101上の所望の位置に開口部が形成されたレジストパターンを形成する。このとき、その開口部からは、第1のシード層101が露出している。このようなレジストパターンを形成した後、例えばメッキ法により、そのレジストパターンの開口部内に金を堆積した後、そのレジストパターンを除去することにより、図15Bに示すように、第1のシード層101上に上方に突出した柱状の第1の金属パターン102を形成する。このとき、例えば、塗布するレジスト材料の膜厚を20μm程度、メッキ膜の膜厚を15μm程度とすることにより、第1の金属パターン102の高さを15μm程度に形成することができる。
After the
第1の金属パターン102を形成した後、この第1の金属パターン102をマスクとして第1のシード層101をエッチング除去し、図15Cに示すように、第1の金属パターン102が絶縁膜12の上で互いに分離した状態とする。これにより、柱部材13a,13bの下部、第5の固定電極61の下部、第6の固定電極62の下部、および、スペーサ部材41の一部が形成される。
After the
第1のシード層のエッチング除去は、例えば、第1のシード層101の上層にある金を、硝酸と塩酸からなる王水エッチング液でウエットエッチングした後、このウエットエッチングにより露出した第1のシード層101の下層にあるチタンを、フッ化水素水溶液によりウエットエッチングすることにより行うことができる。
For example, the first seed layer is removed by wet etching the gold on the
第1のシード層101を選択的にエッチング除去した後、図15Dに示すように、絶縁膜12上に第1の犠牲層103を形成する。このとき、第1の金属パターン102の上面は、第1の犠牲層103表面に露出した状態とされる。このような第1の犠牲層103は、例えば、PBO(ポリベンゾオキサゾール)からなる感光性有機樹脂を絶縁膜12上に塗布して塗布膜を形成し、この塗布膜を公知のリソグラフィ技術によりパターニングすることにより形成することができる。そのパターニングでは、前処理として120℃のプリベークを4分間行い、パターニング後に310℃の加熱処理を行い、有機樹脂の膜が熱硬化された状態とする。その有機樹脂としては、例えば、住友ベークライト社製のCRC8300を用いることができる。
After selectively removing the
第1の犠牲層103を形成した後、図15Eに示すように、上述した第1のシード層101を形成した方法と同様の方法により第1の犠牲層103上に第2のシード層104を形成し、上述した第1の金属パターン102を形成した方法と同様の方法により第2のシード層104上に第2の金属パターン105を形成する。ここで、第2の金属パターン105の形成時には、例えば、マスクとなるレジストパターンの膜厚を40μm程度、メッキの膜厚25μm程度に形成された状態とすればよい。
After forming the first
第2の金属パターン105を形成した後、第1のシード層101をエッチング除去した方法と同様の方法により、第2の金属パターン105をマスクとして第2のシード層104をエッチング除去し、図15Fに示すように、第2の金属パターン105が第1の犠牲層103上で互いに分離した状態とする。これにより、柱部材13a,13bの上部、梁部材14a,14b、可動部材50の一部(基部51、第1の部材52および第2の部材53の下部)、第5の固定電極61の上部、第6の固定電極62の上部、および、スペーサ部材41の一部が形成される。
After the
第2のシード層104を選択的にエッチング除去した後、図15Gに示すように、第1の犠牲層103上に第2の犠牲層106を形成する。このとき、第2の金属パターン105の上面は、第2の犠牲層106表面に露出した状態とされる。このような第2の犠牲層106を形成する工程は、上述した第1の犠牲層103を形成する工程と同等の方法により行うことができる。
After selectively removing the
第2の犠牲層106を形成した後、図15Hに示すように、第1のシード層101を形成した方法と同等の方法により、第2の犠牲層106上に第3のシード層107を形成し、第1の金属パターン102や第2の金属パターン105を形成した方法と同等の方法により、その第3のシード層107上に第3の金属パターン108を形成する。ここで、第3の金属パターン108の形成時には、マスクとなるレジストパターンの膜厚を10μm程度、メッキの膜厚5μm程度に形成された状態とすればよい。
After forming the second
第3の金属パターン108を形成した後、図15Iに示すように、第1のシード層101や第2のシード層104をエッチング除去した方法と同等の方法により、第3の金属パターン108をマスクとして第3のシード層107を除去する。これにより、第3の金属パターン108が第2の犠牲層106上で分離した状態とする。これにより、可動部材50の一部(基部51、第1の部材52および第2の部材42の上部)、および、スペーサ部材41の一部が形成される。
After forming the
第3のシード層107を選択的にエッチング除去した後、図15Jに示すように、第2の犠牲層106上に第3の犠牲層109を形成する。このとき、第3の金属パターン108の上面は、第3の犠牲層109表面に露出した状態とされる。このような第3の犠牲層109を形成する工程は、上述した第1の犠牲層103や第2の犠牲層106を形成する工程と同等の方法により行うことができる。
After selectively removing the
第3の犠牲層109を形成した後、図15Kに示すように、第1のシード層101等を形成した方法と同等の方法により、第3の犠牲層109上に第4のシード層110を形成し、第1の金属パターン102等を形成した方法と同等の方法により、その第4のシード層110上に第4の金属パターン111を形成する。ここで、第3の金属パターン108の形成時には、マスクとなるレジストパターンの膜厚を20μm程度、メッキの膜厚10μm程度に形成された状態とすればよい。
After the third
第4の金属パターン111を形成した後、図15Lに示すように、第1のシード層101等をエッチング除去した方法と同等の方法により、第4の金属パターン111をマスクとして第4のシード層110を除去する。これにより、第4の金属パターン111が第3の犠牲層109上で分離した状態とする。これにより、可動部材50の一部(第3の部材54)およびスペーサ部材41の一部が形成される。
After the
第4のシード層111を選択的にエッチング除去した後、図15Mに示すように、第1の犠牲層103、第2の犠牲層106および第3の犠牲層109を除去する。これにより、可動部材50の一部を構成する第2のシード層104の下方に空間が形成された状態となる。第1の犠牲層103、第2の犠牲層106および第3の犠牲層109の除去は、例えば、オゾンアッシャー装置を用いてオゾンを第1の犠牲層103、第2の犠牲層106および第3の犠牲層109に作用させることにより、行うことができる。
After selectively removing the
第1の犠牲層103、第2の犠牲層106および第3の犠牲層109を除去した後、図15Nに示すように、第1のシード層101、第1の金属パターン102、第2のシード層104、第2の金属パターン105、第3のシード層107および第3の金属パターン108のうち、柱部材13a,13b、梁部材14a,14bおよび可動部材50を構成する部材の表面に、撥水性、絶縁性および帯電性を発現する電着材料を用いた電着により、絶縁膜112を形成する。この絶縁膜112は、上述した絶縁帯電体16を構成する。このような絶縁膜112の製造工程の具体例を以下に示す。
After removing the first
例えば、スルフォニウムカチオンが分散する電着液(例えば、日本ペイント(株)製、INSULEED3020X)を30℃に調整し、この電着液の中に、上述した工程を経た第1の半導体基板11および白金からなる対向電極が浸漬された状態とする。この状態で柱部材13a,13b、梁部材14a,14bおよび可動部材50を構成する部材に負電圧を印加するとともに、対向電極に正電圧を印加する。すなわち、柱部材13a,13b、梁部材14a,14bおよび可動部材50を構成する部材を構成する部材を負極とし、対向電極を正極として電着液中に浸漬し、定電圧源を用いて電圧を印加することにより、カチオン電着を行う。この電着により、電着液に分散している絶縁膜形成材料が、負電圧が印加された柱部材13a,13b、梁部材14a,14bおよび可動部材50を構成する部材の表面に析出することにより、絶縁膜112が形成される。電着液に分散している材料は、負電圧が印加されていない絶縁膜12や、その他の部材の表面には付着せず、負電圧を印加した柱部材13a,13b、梁部材14a,14bおよび可動部材50を構成する部材のみに絶縁膜112を選択的に形成することができる。
For example, an electrodeposition solution (for example, INSULEED3020X manufactured by Nippon Paint Co., Ltd.) in which sulfonium cations are dispersed is adjusted to 30 ° C., and the
絶縁膜112を形成した後、第1の半導体基板11を水洗処理し、乾燥させた後、窒素雰囲気において190℃で25分間の加熱処理を行うことにより、絶縁膜112が熱硬化された状態とする。
After the insulating
絶縁膜112を熱硬化した後、第1の半導体基板11に対して、例えば、公知の電子ビーム法、液体接触法、コロナ放電法などの方法により、帯電処理を行う。例えば、コロナ放電を用いる場合は、第1の半導体基板11の下面および柱部材13a,13b、梁部材14a,14bおよび可動部材50する部材をグランドに取り、DC放電を行う。コロナ放電の条件は、印加電圧を−1000V、印加時間を60分とすればよい。このような帯電処理により、絶縁膜112の表面には負電荷が帯電した状態となる。
After the insulating
次に、例えば、酸化シリコンからなる第2の絶縁膜32が一方の面に形成された、シリコンからなる第2の半導体基板31を用意する。ここで、第2の半導体基板31は、複数のトランジスタ、抵抗、容量、配線などから構成された半導体集積回路を備えるようにしてもよい。この場合、集積回路の配線や、パッドの配線などと電気的に接続するためのコンタクトホールなどが、第2の絶縁膜32の所定の箇所に形成されていてもよい。
Next, for example, a
このような第2の半導体基板31に対して、図15Oに示すように、上述した第1のシード層101等を形成した方法と同様の方法により第2の絶縁膜32上に第5のシード層301を形成し、第1の金属パターン102等を形成した方法と同様の方法により第5のシード層301上に第5の金属パターン302を形成する。ここで、第5の金属パターン302の形成時には、例えば、マスクとなるレジストパターンの膜厚を40μm程度、メッキの膜厚25μm程度に形成された状態とすればよい。これにより、第7の固定電極71、第8の固定電極72およびスペーサ部材41それぞれの一部が形成される。
With respect to such a
第5の金属パターン302を形成した後、図15Pに示すように、上述した第1の金属パターン102を形成した方法と同様の方法により第5の金属パターン302上に第6の金属パターン303を形成する。ここで、第6の金属パターン303の形成時には、例えば、マスクとなるレジストパターンの膜厚を5μm程度、メッキの膜厚1μm程度に形成された状態とすればよい。これにより、スペーサ部材41の一部が形成される。
After forming the
第6の金属パターン303を形成した後、第1のシード層101等をエッチング除去した方法と同様の方法により、第5の金属パターン302および第6の金属パターン303をマスクとして第5のシード層301をエッチング除去し、図15Qに示すように、第5の金属パターン302および第6の金属パターン303が第5のシード層犠牲層301上で互いに分離した状態とする。これにより、第7の固定電極71、第8の固定電極72およびスペーサ部材41の一部が形成される。
After the
次に、図15Rに示すように、第1の半導体基板11の第1の絶縁膜12が形成された側の面と、第2の半導体基板31の第2の絶縁膜32が形成された側の面とを対向させ、第1の半導体基板11に形成された第4の金属パターン111の上面と、第2の半導体基板31に形成された第6の金属パターン303の上面とを貼り合わせる。この貼り合わせる方法としては、公知のCOC(Chip On Chip)接合や、常温SAB(Surface Activated Bonding )接合などにより行うことができる。これにより、静電変換装置4が完成する。
Next, as shown in FIG. 15R, the surface of the
なお、上述した第1〜第3の実施の形態における静電変換装置1〜3についても、上述した静電変換装置4の製造方法と同等の方法により製造できる。
In addition, it can manufacture by the method equivalent to the manufacturing method of the
例えば、静電変換装置1の場合には、第1のシード層101および第1の金属パターン102によって、柱部材13a,13b、第1の固定電極17および第2の固定電極18それぞれの下部を形成する。また、第2のシード層104および第2の金属パターン105によって、柱部材13a,13b、第1の固定電極17および第2の固定電極18それぞれの上部、ならびに、梁部材14a,14bおよび可動部材15を形成する。そして、柱部材13a,13b、梁部材14a,14bおよび可動部材15を構成する部材の表面に、絶縁帯電体16となる絶縁膜を形成するようにすればよい。
For example, in the case of the
また、静電変換装置2の場合には、第1のシード層101および第1の金属パターン102によって、柱部材13a,13b、第1の固定電極17a,17bおよび第2の固定電極18a,18bそれぞれの下部を形成する。また、第2のシード層104および第2の金属パターン105によって、柱部材13a,13b、第1の固定電極17a,17bおよび第2の固定電極18a,18bそれぞれの上部、ならびに、梁部材14a,14bおよび可動部材15を形成する。そして、柱部材13a,13b、梁部材14a,14bおよび可動部材15を構成する部材の表面に、絶縁帯電体16となる絶縁膜を形成するようにすればよい。
In the case of the
さらに、静電変換装置3の場合には、第1のシード層101および第1の金属パターン102によって、柱部材13a,13b、第1の固定電極17a,17bおよび第2の固定電極18a,18bそれぞれの下部およびスペーサ部材41の一部を形成する。また、第2のシード層104および第2の金属パターン105によって、柱部材13a,13b、第1の固定電極17a,17bおよび第2の固定電極18a,18bそれぞれの上部、ならびに、梁部材14a,14b、可動部材15の一部(突出部材15cを除く部分)、スペーサ部材41の一部を形成する。また、第3のシード層107および第3の金属パターン108によって、可動部材15の一部(突出部材15c)およびスペーサ部材41の一部を形成する。また、第5のシード層301および第5の金属パターン302によって、第3の固定電極33、第4の固定電極34およびスペーサ部材41の一部を形成する。また、第6の金属パターン303によって、スペーサ部材41の一部を形成する。そして、柱部材13a,13b、梁部材14a,14bおよび可動部材15を構成する部材の表面に、絶縁帯電体16となる絶縁膜を形成するようにすればよい。
Further, in the case of the
なお、第1〜第4の実施の形態において、幅広部15bまたは幅広部52aの下方にも固定電極を設けるようにしてもよい。これにより、さらに発電量を増加させることが可能となる。なお、この場合には、上述した第1の金属パターン102および第2の金属パターン105の間に少なくとも1つの金属パターンをさらに形成し、第1の金属パターン102によりその固定電極を形成し、さらに形成した金属パターンによりその固定電極と幅広部15bまたは52aとを離間させるようにすればよい。
In the first to fourth embodiments, a fixed electrode may be provided below the
本発明は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する静電変換装置に適用することができる。 The present invention can be applied to an electrostatic transducer that converts vibration energy into electrical energy.
1〜4…静電変換装置、11…(第1の)半導体基板、12…(第1の)絶縁膜、13a,13b…柱部材、14a,14b…梁部材、15…可動部材、15a…腕部材、15b…幅広部、15c…突出部材、16…絶縁帯電体、17,17a,17b…第1の固定電極、18,18a,18b…第2の固定電極、19,22…配線、20,23…端子、21,24…外部負荷、31…第2の半導体基板、32…第2の絶縁膜、33…第3の固定電極、34…第4の固定電極、41…スペーサ部材、50…可動部材、51…基部、52…第1の部材、52a…幅広部、53…第2の部材、54…第3の部材、61…第5の固定電極、62…第6の固定電極、71…第7の固定電極、72…第8の固定電極、101…第1のシード層、102…第1の金属パターン、103…第1の犠牲層、104…第2のシード層、105…第2の金属パターン、106…第2の犠牲層、107…第3のシード層、108…第3の金属パターン、109…第3の犠牲層、110…第4のシード層、111…第4の金属パターン、112…絶縁膜、301…第5のシード層、302…第5の金属パターン、303…第6の金属パターン。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1-4 ... Electrostatic conversion apparatus, 11 ... (1st) semiconductor substrate, 12 ... (1st) insulating film, 13a, 13b ... Column member, 14a, 14b ... Beam member, 15 ... Movable member, 15a ... Arm member, 15b ... Wide portion, 15c ... Projecting member, 16 ... Insulated charged body, 17, 17a, 17b ... First fixed electrode, 18, 18a, 18b ... Second fixed electrode, 19, 22 ... Wiring, 20 , 23 ... terminals, 21, 24 ... external load, 31 ... second semiconductor substrate, 32 ... second insulating film, 33 ... third fixed electrode, 34 ... fourth fixed electrode, 41 ... spacer member, 50 ... movable member, 51 ... base, 52 ... first member, 52a ... wide part, 53 ... second member, 54 ... third member, 61 ... fifth fixed electrode, 62 ... sixth fixed electrode, 71 ... seventh fixed electrode, 72 ... eighth fixed electrode, 101 ... first seed layer, 102 ... 1 metal pattern, 103 ... first sacrificial layer, 104 ... second seed layer, 105 ... second metal pattern, 106 ... second sacrificial layer, 107 ... third seed layer, 108 ...
Claims (9)
この基板の上方に設けられ、この基板の平面に対して平行な第1の方向に移動可能に支持された可動部材と、
一端が前記可動部材に接続され、前記第1の方向に延在する腕部材と、
この腕部材の他端に設けられた第1の帯電体と、
前記基板上に垂設され、前記第1の帯電体の移動軌跡から前記平面に平行でかつ前記第1の方向に対して垂直な第2の方向に所定距離離間して設けられた第1の固定電極と、
前記基板上に垂設され、前記第1の方向に沿って前記第1の固定電極と並設された第2の固定電極と
を備えることを特徴とする静電変換装置。 A substrate,
A movable member provided above the substrate and supported so as to be movable in a first direction parallel to the plane of the substrate;
An arm member having one end connected to the movable member and extending in the first direction;
A first charged body provided at the other end of the arm member;
First provided on the substrate and spaced apart from the movement locus of the first charging body by a predetermined distance in a second direction parallel to the plane and perpendicular to the first direction. A fixed electrode;
An electrostatic conversion device comprising: a second fixed electrode that is provided vertically on the substrate and is provided in parallel with the first fixed electrode along the first direction.
前記第1の端子は、前記第1の固定電極に接続され、
前記第2の端子は、前記第2の固定電極に接続される
ことを特徴とする請求項1記載の静電変換装置。 A first terminal connected to an external load and a second terminal;
The first terminal is connected to the first fixed electrode;
The electrostatic conversion device according to claim 1, wherein the second terminal is connected to the second fixed electrode.
ことを特徴とする請求項1または2記載の静電変換装置。 The electrostatic conversion device according to claim 1, wherein the arm member is provided on both sides of the movable member.
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の静電変換装置。 4. The electrostatic according to claim 1, wherein the first fixed electrode and the second fixed electrode are provided at positions that are line-symmetric with respect to the movement locus. 5. Conversion device.
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の静電変換装置。 5. The electrostatic conversion device according to claim 1, wherein the second fixed electrode is provided on both sides of the first fixed electrode in the first direction. 6.
一方の前記柱部材の上端に一端が支持され、他方の前記柱部材に向かって前記基板の平面方向に延在する一対の梁部材と
をさらに備え、
前記可動部材は、直方体の形状を有し、前記柱部材と対向する一対の第1の側面に前記梁部材の他端が接続されることにより前記基板上方に配設され、
前記腕部材は、前記可動部材の前記第1の側面と直交する第2の側面に設けられる
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の静電変換装置。 A pair of columnar pillar members vertically spaced apart from each other in the second direction on the substrate;
One end is supported by the upper end of one of the pillar members, and further includes a pair of beam members extending in the plane direction of the substrate toward the other pillar member,
The movable member has a rectangular parallelepiped shape, and is disposed above the substrate by connecting the other end of the beam member to a pair of first side surfaces facing the column member,
The electrostatic conversion device according to any one of claims 1 to 5, wherein the arm member is provided on a second side surface orthogonal to the first side surface of the movable member.
前記可動部材の上方に、前記第2の帯電体と対向配置された第3の固定電極と、
前記可動部材の上方で、かつ、前記第3の固定電極から前記第1の方向に離間して配設された第4の固定電極と
をさらに備えたことを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の静電変換装置。 A second charged body suspended from the upper surface of the movable member;
A third fixed electrode disposed opposite to the second charged body above the movable member;
The fourth fixed electrode further comprising a fourth fixed electrode disposed above the movable member and spaced from the third fixed electrode in the first direction. The electrostatic conversion device according to any one of claims.
前記第3の固定電極および前記第4の固定電極は、前記第2の方向に交互に複数設けられる
ことを特徴とする請求項7記載の静電変換装置。 A plurality of the second charged bodies are provided at a predetermined interval in the first direction,
The electrostatic conversion device according to claim 7, wherein a plurality of the third fixed electrodes and the fourth fixed electrodes are alternately provided in the second direction.
上面に絶縁膜が形成されたシリコン基板を前記基板として用意する第1のステップと、
前記絶縁膜上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第1の開口部が形成された第1のレジストパターンを形成する第2のステップと、
メッキ法により前記第1の開口部内に金属を堆積して第1の金属パターンを形成した後、前記第1のレジストパターンを除去することにより、前記第1の固定電極の下部および第2の固定電極の下部を形成する第3のステップと、
前記第1の金属パターンを含む前記絶縁膜上に、前記第1の金属パターンの上面を露出させた第1の犠牲層を形成する第4のステップと、
前記第1の犠牲層上にフォトレジストを塗布し、このフォトレジストに対して所定の形状のマスクパターンを用いて露光することにより所定の箇所に第2の開口部が形成された第2のレジストパターンを形成する第5のステップと、
メッキ法により前記第2の開口部内に金属を堆積して第2の金属パターンを形成した後、前記第2のレジストパターンを除去することにより、前記第1の固定電極の上部、前記第2の固定電極の上部、前記可動部材および腕部材を形成する第6のステップと、
前記第1の犠牲層を除去する第7のステップと、
前記腕部材に、電着により前記第1の帯電体を形成する第8のステップと
を有することを特徴とする静電変換装置の製造方法。 A substrate, a movable member provided above the substrate and supported so as to be movable in a first direction parallel to the plane of the substrate, and one end connected to the movable member, in the first direction An extending arm member, a first charged body provided at the other end of the arm member, and a suspension suspended from the substrate, parallel to the plane and moving from the movement locus of the first charged body A first fixed electrode provided at a predetermined distance in a second direction perpendicular to the first direction, and the first fixed electrode suspended from the substrate and extending along the first direction. And a second fixed electrode arranged side by side, and a manufacturing method of an electrostatic conversion device comprising:
A first step of preparing, as the substrate, a silicon substrate having an insulating film formed on the upper surface;
A photoresist is applied on the insulating film, and the photoresist is exposed using a mask pattern having a predetermined shape, thereby forming a first resist pattern in which a first opening is formed at a predetermined location. A second step of:
After a metal is deposited in the first opening by plating to form a first metal pattern, the first resist pattern is removed to remove the lower portion of the first fixed electrode and the second fixed A third step of forming a lower portion of the electrode;
A fourth step of forming a first sacrificial layer exposing an upper surface of the first metal pattern on the insulating film including the first metal pattern;
A second resist in which a second opening is formed at a predetermined position by applying a photoresist on the first sacrificial layer and exposing the photoresist using a mask pattern having a predetermined shape. A fifth step of forming a pattern;
After depositing a metal in the second opening by plating and forming a second metal pattern, the second resist pattern is removed, whereby the upper portion of the first fixed electrode, the second A sixth step of forming an upper part of the fixed electrode, the movable member and the arm member;
A seventh step of removing the first sacrificial layer;
And an eighth step of forming the first charged body by electrodeposition on the arm member.
Priority Applications (1)
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